KR100393370B1 - 직교 골레이 코드를 이용하는 초음파 영상 형성 방법 및장치 - Google Patents

직교 골레이 코드를 이용하는 초음파 영상 형성 방법 및장치 Download PDF

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Abstract

직교하는 다수의 골레이 코드를 이용하여 다중 송수신 집속을 수행하면서도 골레이 코드 사용에 따른 프레임 레이트를 감소시키지 않도록 함으로써 초음파 영상 형성 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 초음파 영상 형성 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명의 방법 및 장치는 M개의 골레이 코드를 저장하고 - M은 2이상의 정수이며, 상기 M개의 골레이 코드 각각은 M개의 코드 시퀀스를 포함하며, 상기 M개의 골레이 코드 중 임의의 골레이 코드의 코드 시퀀스들은 상기 M개의 골레이 코드 중 다른 골레이 코드의 대응하는 코드 시퀀스들과 서로 직교함 -, 상기 MxM개의 골레이 시퀀스를 M개의 군으로 분류하고 각각의 군에 포함된 골레이 시퀀스들을 초음파 펄스 신호로 변환하여 대상체의 선정된 송신 집속점에 송신 집속하고 - 상기 송신 집속은 각각의 군에 대해 차례로 수행됨 -, 상기 각각의 군에 대한 송신 집속에 응답하여 상기 송신 집속점으로부터 반사되어 온 신호들을 수신하고, 상기 수신된 반사 신호들에 대해 수신 집속을 하고, 상기 수신 집속된 신호들에 대해 펄스 압축을 수행하고, 상기 펄스 압축된 신호들을 신호처리하여 B-모드 영상을 형성하여 초음파 영상을 형성한다.

Description

직교 골레이 코드를 이용하는 초음파 영상 형성 방법 및 장치{ULTRASOUND IMAGING METHOD AND APPARATUS USING ORTHOGONAL GOLAY CODES}
본 발명은 초음파 영상 형성 장치에 관한 것으로서, 특히 직교하는 다수의 골레이 코드(Golay code)를 이용하여 다중 송수신 집속을 수행하는 초음파 영상 형성 방법 및 장치에 관한 것이다.
초음파 영상 형성 장치는 초음파 신호를 진단하고자 하는 목표물, 예를 들면 인체를 향하여 송신하고 반사된 초음파 신호로부터 목표물의 영상을 얻어내어 이를 표시 장치에 표시하는 장치로서 의료 분야에서 널리 사용되고 있다.
초음파 영상 형성 장치에서 초음파 신호를 송신하기 위해 일반적으로 다수의 변환자를 포함하는 배열 변환자 및 각각의 변환자를 구동하기 위한 펄스를 공급하는 펄서로 이루어진다. 각각의 변환자는 펄서에서 인가하는 펄스에 반응하여 초음파 신호를 발생시킨다. 송신시에는 배열 변환자의 각각의 변환자에서 초음파 신호를 발생시키는 타이밍을 조절함으로써 진단 영역 내의 임의의 위치에 초음파가 송신 집속(transmit focusing)되도록 할 수 있다. 즉, 진단 영역 내의 임의의 위치에 초음파 신호가 동시에 도달하도록 펄서에서 각각의 변환자에 시간 지연을 두어서 펄스를 인가함으로써 원하는 위치에 초음파 신호를 송신 집속시키는 것이다.
초음파 신호가 대상체에서 반사된 신호는 배열 변환자에서 수신된다. 초음파가 대상체에서 반사된 신호가 각 변환자에 도달하는 시간이 각 변환자의 위치에 따라 다르므로, 이러한 도달 시간의 차이를 보상하기 위해, 빔형성기는 각 변환자를 통해 수신된 반사 신호에 대해 시간 지연을 인가하여 가산함으로써 수신 집속된 신호를 생성한다.
한편, 초음파가 고무 또는 신체와 같은 감쇄가 심한 매질을 통과하는 경우에는 감쇄로 인하여 수신되는 신호의 전력이 현저히 감소한다. 따라서, 전술한 초음파 영상 형성 장치에서는 진단 깊이가 깊은 경우에 원하는 정보를 얻기가 곤란하다. 현재 사용되는 대부분의 초음파 영상 형성 장치에서는 변환자에 짧은 지속 시간을 갖는 펄스를 인가하여 초음파 신호를 발생시키는데, 펄스의 첨두 전압을 증가시킴으로써 초음파 신호의 감쇄 문제를 해결하는 것이 가능하다. 그러나, 의료용 초음파 영상 형성 장치에서는 펄스의 전압을 증가시키는 것에 의하여 신체 내부의 조직이 영향을 받을 수 있기 때문에 펄스의 첨두 전압을 증가시키는 것에는 제한이 있다.
방출되는 펄스의 첨두 전압을 증가시키는 대신에 평균 전력을 증가시킴으로써 초음파 영상 형성 장치의 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio)를 현저하게 향상시킬 수 있는 방법이 레이더 장치에서 사용되는 펄스 압축 기법(Pulse Compression methods)이다. 펄스 압축 기법을 이용한 초음파 영상 형성 장치에서는 기존의 짧은 펄스 대신 코드화된 긴 펄스를 사용한다.
기존의 짧은 펄스를 사용하는 진단기의 경우에는 고압의 짧은 펄스를 이용하기 때문에 초음파 영상 형성 장치에서 사용되는 초음파 변환자(transducer)의 임펄스 응답 특성에 따라 초음파가 진행하는 방향의 해상도가 결정된다. 그러나, 펄스 압축 방식의 초음파 영상 형성 장치의 경우에는 코드화된 긴 펄스를 사용하기 때문에 변환자와 이 펄스와의 컨벌루션(convolution)에 의해 해상도가 결정된다. 이와 같은 영상 형성 장치에서는, 초음파의 수신단에 상관기(correlator)에 기반을 둔 펄스 압축기를 제공함으로써 마치 짧은 펄스를 송신한 것과 같은 결과를 얻게 된다. 따라서, 짧은 펄스 방식의 첨두 전압에 비해 낮은 전압으로도 효과적으로 신호 대 잡음비를 증가시킬 수 있게 된다.
이와 같이 코드화된 긴 펄스를 사용하는 초음파 영상 형성 장치에 있어서는 시스템의 성능이 코드의 특성에 따라 크게 좌우된다. 특히, 신호 수신시 도출해 낼 수 있는 영상의 품질은 전술한 바와 같이 사용되는 코드의 주파수 특성과 초음파 변환자의 주파수 특성의 관계에 따라 결정된다. 또한, 초음파 영상 형성 장치의 성능은 코드화된 긴 펄스를 전송하면서도 짧은 펄스를 전송하는 것과 같은 결과를 얻기 위해 수신단에 제공되는 상관기 기반 펄스 압축기의 구현 방법에 따라 크게 좌우된다.
상기와 같은 코드에는 1과 -1로만 구성되는 이상(biphase) 코드와 임의의 값으로 표현되는 코드가 있으며, 이중 이상 코드는 송신기 하드웨어를 간단하게 구현할 수 있는 장점이 있다. 또한, 이상 코드 중에서 골레이 코드는 공지된 바와 같이 펄스 압축된 출력에서 측엽이 완전히 제거된다는 특성이 있으므로 긴 펄스를 사용하는 초음파 영상 장치에 이를 적용하고자 하는 많은 시도가 있었다.
도 1은 골레이 코드를 이용한 종래 기술의 초음파 영상 형성 장치에서의 초음파 펄스 송신 과정을 설명하는 도면으로서, 송신 코드 패턴이 서로 보수 관계인 한 쌍의 이상 코드 시퀀스를 포함하는 골레이 코드이고, 한 개의 집속점(focal point) P에 송신 집속하여 송신하는 예를 도시한다. 제1송신에서 배열 변환자(11)는 한 쌍의 이상 코드 시퀀스 중 제1 코드 시퀀스 a0에 대한 초음파 펄스 신호를 인체 등의 대상체로 먼저 송신하고, 그후 대상체로부터 반사된 신호를 수신한다. 제1 코드 시퀀스에 대한 반사 신호를 수신한 이후, 제2 송신에서 배열 변환자(11)는 제2 코드 시퀀스 a1에 대한 초음파 펄스 신호를 송신하고, 다시 이 펄스 신호의 반사 신호를 수신한다.
따라서, 도 1에서와 같이, 종래의 이상 골레이 코드를 사용하면서 한 개의 집속점에 송신 집속하여 송신하는 경우, 하나의 골레이 코드에 포함된 코드 시퀀스의 수, 즉, M번만큼 송신해야 하므로 종래의 짧은 펄스를 사용할 때와 비교하여 프레임 레이트가 1/M만큼 감소하게 된다. 즉, 골레이 코드를 사용하는 종래의 초음파 영상 장치에서는 골레이 코드의 시퀀스 수만큼 송신하여 반사된 신호를 사용하여 초음파 영상을 형성하므로, 결과적으로 프레임 레이트(frame rate)가 감소한다는 문제가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 직교하는 다수의 골레이 코드를 이용하여 다중 송수신 집속을 수행하면서도 골레이 코드 사용에 따른 프레임 레이트를 감소시키지 않도록 함으로써 초음파 영상 형성 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 초음파 영상 형성 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 특징에 따르면, (a) M개의 골레이 코드를 저장하는 단계 - M은 2이상의 정수이며, 상기 M개의 골레이 코드 각각은 M개의 코드 시퀀스를 포함하며, 상기 M개의 골레이 코드 중 임의의 골레이 코드의 코드 시퀀스들은 상기 M개의 골레이 코드 중 다른 골레이 코드의 대응하는 코드 시퀀스들과 서로 직교함 -, (b) 상기 MxM개의 골레이 시퀀스를 M개의 군으로 분류하고 각각의 군에 포함된 골레이 시퀀스들을 초음파 펄스 신호로 변환하여 대상체의 선정된 송신 집속점에 송신 집속하는 단계 - 상기 송신 집속은 각각의 군에 대해 차례로 수행됨 -, (c) 상기 각각의 군에 대한 송신 집속에 응답하여 상기 송신 집속점으로부터 반사되어 온 신호들을 수신하는 단계, (d) 상기 수신된 반사 신호들에 대해 수신 집속을 하는 단계, (e) 상기 수신 집속된 신호들에 대해 펄스 압축을 수행하는 단계, 및 (f) 상기 펄스 압축된 신호들을 신호처리하여 B-모드 영상을 형성하는 단계를 포함하는 초음파 영상 형성 방법이 제공된다.
본 발명의 제2 특징에 따르면, (a) M개의 골레이 코드를 저장하는 단계 - M은 2이상의 정수이며, 상기 M개의 골레이 코드 각각은 M개의 코드 시퀀스를 포함하며, 상기 M개의 골레이 코드 중 임의의 골레이 코드의 코드 시퀀스들은 상기 M개의 골레이 코드 중 다른 골레이 코드의 대응하는 코드 시퀀스들과 서로 직교함 -, (b) 상기 MxM개의 골레이 시퀀스를 M개의 군으로 분류하고 각각의 군에 포함된 골레이시퀀스들을 초음파 펄스 신호로 변환하여 대상체의 선정된 송신 집속점에 송신 집속하는 단계 - 상기 송신 집속은 각각의 군에 대해 차례로 수행됨 -, (c) 상기 각각의 군에 대한 송신 집속에 응답하여 상기 송신 집속점으로부터 반사되어 온 신호들을 수신하는 단계, (d) 상기 수신된 신호들에 대해 펄스 압축을 수행하는 단계 - 상기 펄스 압축은 상기 저장된 각각의 골레이 코드와 관련하여 한번씩 수행됨 -, (e) 상기 펄스 압축된 신호들 각각에 대해 수신 집속을 하는 단계, 및 (f) 상기 수신 집속된 신호들을 신호처리하여 B-모드 영상을 형성하는 단계를 포함하는 초음파 영상 형성 방법이 제공된다.
본 발명의 제3 특징에 따르면, (a) M개의 골레이 코드를 저장하는 수단 - M은 2이상의 정수이며, 상기 M개의 골레이 코드 각각은 M개의 코드 시퀀스를 포함하며, 상기 M개의 골레이 코드 중 임의의 골레이 코드의 코드 시퀀스들은 상기 M개의 골레이 코드 중 다른 골레이 코드의 대응하는 코드 시퀀스들과 서로 직교함 -, (b) 상기 MxM개의 골레이 시퀀스를 M개의 군으로 분류하고 각각의 군에 포함된 골레이 시퀀스들을 초음파 펄스 신호로 변환하여 대상체의 선정된 송신 집속점에 송신 집속하고 - 상기 송신 집속은 각각의 군에 대해 차례로 수행됨 - 상기 각각의 군에 대한 송신 집속에 응답하여 상기 송신 집속점으로부터 반사되어 온 신호들을 수신하는 다수의 변환자, (c) 상기 수신된 반사 신호들에 대해 수신 집속을 하는 수단, (d) 상기 수신 집속된 신호들에 대해 펄스 압축을 수행하는 수단 - 상기 펄스 압축은 상기 저장된 각각의 골레이 코드와 관련하여 한번씩 수행됨 -, 및 (e) 상기 펄스 압축된 신호들을 신호처리하여 B-모드 영상을 형성하는 수단을 포함하는 초음파영상 형성 장치가 제공된다.
본 발명의 제4 특징에 따르면, (a) M개의 골레이 코드를 저장하는 수단 - M은 2이상의 정수이며, 상기 M개의 골레이 코드 각각은 M개의 코드 시퀀스를 포함하며, 상기 M개의 골레이 코드 중 임의의 골레이 코드의 코드 시퀀스들은 상기 M개의 골레이 코드 중 다른 골레이 코드의 대응하는 코드 시퀀스들과 서로 직교함 -, (b) 상기 MxM개의 골레이 시퀀스를 M개의 군으로 분류하고 각각의 군에 포함된 골레이 시퀀스들을 초음파 펄스 신호로 변환하여 대상체의 선정된 송신 집속점에 송신 집속하고 - 상기 송신 집속은 각각의 군에 대해 차례로 수행됨 - 상기 각각의 군에 대한 송신 집속에 응답하여 상기 송신 집속점으로부터 반사되어 온 신호들을 수신하는 다수의 변환자, (c) 상기 수신된 신호들에 대해 펄스 압축을 수행하는 수단 - 상기 펄스 압축은 상기 저장된 각각의 골레이 코드와 관련하여 한번씩 수행됨 -, (d) 상기 펄스 압축된 신호들 각각에 대해 수신 집속을 하는 수단, 및 (e) 상기 수신 집속된 신호들을 신호처리하여 B-모드 영상을 형성하는 수단을 포함하는 초음파 영상 형성 장치가 제공된다.
도 1은 종래 기술의 골레이 코드를 이용한 초음파 영상 형성 장치에서의 초음파 펄스의 송신을 설명하는 도면.
도 2a 및 2b는 본 발명에 따른 골레이 코드를 이용한 초음파 영상 형성 장치에서의 초음파 펄스의 송신을 설명하는 도면.
도 3은 본 발명이 적용될 수 있는 펄스 압축 방식의 초음파 영상 형성 장치의 예를 도시하는 블록도.
도 4는 도 3의 펄스 압축부를 상세하게 도시하는 블록도.
도 5는 본 발명이 적용될 수 있는 펄스 압축 방식의 초음파 영상 형성 장치의 다른 예를 도시하는 블록도.
도 6은 본 발명에 따른 도 5의 펄스 압축부를 도시하는 블록도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 배열 변환자
12 : 펄서
13 : 송신 패턴 메모리
34, 39 : 빔형성부
35, 38 : 펄스 압축부
341, 342, 343, 391, 392 : 빔형성기
351, 352, 355, 356, 381, 382 : FIR 필터
353, 354, 357, 358, 383, 384 : 가산기
본 발명의 초음파 영상 형성 장치는 초음파의 송신시 짧은 펄스 대신 긴 코드인 골레이 코드를 이용하고, 특히 직교하는 다수의 골레이 코드를 동시에 송신하여 초음파 영상을 형성함으로써 프레임 레이트(frame rate)를 증가시킬 수 있다.
골레이 코드는 보수 관계인 이상 시퀀스(complementary biphase sequences)의 세트로 구성된 코드이다. 여기서, 임의의 이상 시퀀스 세트를 다음 수학식 1과같이 표현할 때,
이러한 시퀀스 세트가 다음의 수학식 2를 만족하면 보수 관계를 갖는 이상 시퀀스 세트이고, 이러한 보수 관계의 이상 시퀀스 세트는 골레이 코드로 사용될 수 있다.
여기서, δ(k) 는 k=0이면 1이고 k≠0이면 0인 함수이다.
한편, 본 발명에서 이용하고자 하는 코드의 직교성(orthogonality)에 대해 설명하면 다음과 같다.
상기 수학식 2에서 정의한 보수 관계를 만족하는 M개의 시퀀스를 포함하는 시퀀스 세트들로서, 대응하는 시퀀스끼리 상호 직교하는, 즉 다음 수학식을 만족하는 M개의 시퀀스 세트가 존재한다.
다음 수학식 4는 M=2, L=32인 골레이 코드의 예를 나타낸다.
이때, 상기 수학식 4의 코드 시퀀스 각각과 직교 관계를 가지는 시퀀스는 다음과 같다.
상기 수학식 2를 참조하면, 상기 수학식 4 및 5 각각의 두 코드는 자기 상관함수를 취할 때 동일한 주엽(main lobe)을 가지고 측엽(side lobe)에서는 각각의 극성이 반대인 특성을 가지고 있다. 따라서, 두 개의 자기 상관함수를 가산하면, 주엽의 크기는 두 배로 증가하고 측엽은 서로 상쇄되어 사라진다.
또한, 상기 수학식 3에 표현된 바와 같이, 상기 수학식 4에 표현된 각각의 코드 시퀀스와 상기 수학식 5에 표현된 해당 코드 시퀀스의 x(k)는 0이므로 직교 관계를 이룬다.
도 2a 및 2b는 프레임 레이트가 감소하는 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있는 본 발명에 따른 골레이 코드를 이용한 초음파 영상 형성 장치에서의 초음파의 송신을 M=2인 경우를 예로 들어 설명하는 도면이다. 도 2a 및 2b에서, 송신 코드 패턴은 보수 관계인 이상 코드 시퀀스 A0, A1를 포함하는 제1 골레이 코드 및 제1 골레이 코드의 시퀀스 각각과 직교하는 이상 코드 시퀀스 B0, B1를 포함하는 제2 골레이 코드이다. 도 2a는 동일한 스캔라인 상에 위치한 두 개의 집속점 P 및 Q에 송신 집속하여 송신하는 예를 도시하고, 도 2b는 서로 다른 두 개의 스캔라인 상에 위치한 두 개의 집속점 P 및 Q에 송신 집속하여 송신하는 예를 도시하고 있다.
도 2a 및 2b에서, 제1송신에서, 배열 변환자(10)의 홀수번째 변환자는 제1 골레이 코드의 제1 코드 시퀀스 A0에 대응하는 초음파 펄스 신호를 각각 집속점 P 에 송신 집속시키고, 짝수번째 변환자들은 제2 골레이 코드의 제1 코드 시퀀스 B0에 대응하는 초음파 펄스 신호를 집속점 Q에 송신 집속시켜 동시에 인체 등의 대상체에 송신하고, 그후 대상체로부터 반사된 신호를 수신한다.
이어서, 제2송신에서, 배열 변환자(10)의 짝수번째 변환자들은 제1 골레이 코드의 제2 코드 시퀀스 A1에 대응하는 초음파 펄스 신호를 집속점 P에 송신 집속시키고 홀수번째 변환자들은 제2 골레이 코드의 제2 코드 시퀀스 B1에 대응하는 초음파 펄스 신호를 집속점 Q에 송신 집속시켜 동시에 송신하고, 그후 대상체로부터 반사된 신호를 수신한다.
상기한 바와 같이, 제1 송신시와 제2 송신시에 해당 골레이 코드에 대하여 변환자를 바꾸어 사용하는 이유는 격자 로브(grating lobe)를 줄이기 위함이다. 격자 로브는 배열 변환자의 모든 변환자에서 동일한 위상의 초음파 신호를 송신할 때 원하는 진행 방향이 아닌 다른 방향에서 초음파 신호가 보강되어 생성되는 빔패턴의 봉우리로서, 일반적으로 변환자를 건너 뛰어가며 집속을 하게 되면 배열 변환자의 폭에 비해 각 변환자 사이의 간격이 많이 증가하여 격자 로브가 심하게 발생한다. 따라서, 제1 송신시와 제2 송신시에 사용하는 변환자를 바꾸면 모든 변환자에서 송신하는 효과가 있으므로 변환자 간격 증가로 인해 심해지는 격자 로브를 줄일 수 있다.
다음, 본 발명이 적용될 수 있는 초음파 영상 형성 장치에 대해 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명이 적용될 수 있는 펄스 압축 방식의 초음파 영상 형성 장치의 예를 도시하는 블록도이다. 도 3에서, 초음파 영상 형성 장치(300)는 배열 변환자(10), 펄서(pulser)(12), 송신 패턴 메모리(13), 송신 집속 지연 메모리(14), 송수신 스위치(21), 수신부(31), 빔형성부(34), 펄스 압축부(35) 및 수신 집속 지연 메모리(36)를 포함한다.
배열 변환자(10)는, 앞서 설명한 바와 같이 초음파 펄스를 생성하여 대상체(도시되지 않음)로 송신하는 다수의 변환자로 구성되어 있다. 송신 집속 지연 메모리(TX focus delay memory)(14)는 배열 변환자(10)의 각 변환자의 위치에 따라 달라지는, 초음파가 대상체에 도달하는 시간을 보상하기 위한 초음파 펄스의 지연 패턴을 저장한다. 송신 패턴 메모리(13)는 골레이 코드의 시퀀스에 대응되는 송신 신호 패턴들을 저장한다. 예를 들면, 송신 패턴 메모리(13)에는 제1 골레이 코드의 a0, a1시퀀스와, 제2 골레이 코드의 b0, b1시퀀스에 대응되는 송신 신호 패턴들을 저장한다. 송신 패턴 메모리(13)는 제1 송신을 위해서는 a0와 b0에 대응되는 송신 신호 패턴들을 배열 변환자의 홀수번째 변환자에 대응되는 송신 집속 지연 메모리(14)에 저장된 지연 패턴에 따라 적절히 지연시켜 펄서(12)로 전달한다. 송신 패턴 메모리(13)는 제2 송신을 위해서는 a1와 b1에 대응되는 송신 신호 패턴들을 배열 변환자의 짝수번째 변환자에 대응되는 송신 집속 지연 메모리(14)에 저장된 지연 패턴에 따라 적절히 지연시켜 펄서(12)로 전달한다. 본 명세서에서는 송신 집속 지연 메모리(14) 및 송신 패턴 메모리(13)를 예시하여 설명하였으나, 이 대신 임의의 다른 디바이스 회로 또는 소프트웨어 프로그램이 지연된 송신 신호 패턴을 제공하기 위하여 사용될 수 있다.
펄서(12)는 이극성 펄서(bipolar pulser)로서, 송신 패턴 메모리(13)로부터 지연된 송신 신호 패턴을 입력받고, 이를 미리 정해진 크기의 전압을 가진 이극성 펄스(bipolar pulse)로 증폭한 후 송수신 스위치(21)를 통해 배열 변환자(10)에 인가한다. 배열 변환자(10)는 펄서(12)로부터 입력된 이극성 펄스의 전압에 응답하여 초음파 펄스를 생성하여 대상체(도시되지 않음)로 송신한다. 도 2a 및 2b를 참조하여 상술한 바와 같이, 배열 변환자(10)는 제1 송신 및 제2 송신시 골레이 코드에 대응되는 변환자의 위치를 바꾸어 초음파를 송신한다.
초음파 펄스를 송신한 후, 배열 변환자(10)는 대상체로부터 반사된 신호를 수신하여 송수신 스위치(21)를 통해 수신부(31)로 인가한다. 스위치(21)는 펄서(11)에서 방출되는 고압의 전력이 수신부에 영향을 주지 않도록 하는 듀플렉서(duplexer)의 역할을 한다. 즉, 배열 변환자(10)가 송신 및 수신을 번갈아 가며 수행할 때, 송신부와 수신부를 변환자에 적절히 스위칭해 주는 역할을 한다.
수신부(31)는 배열 변환자(10)로부터 송수신 스위치(21)를 통해 인가된 RF(radio frequency) 신호인 반사된 신호를 증폭한 후 디지털 신호로 변환한다. 수신부(31)는, 예를 들어 전치 증폭기(Pre-Amplifier), 초음파가 신체 내부를 통과하면서 발생하는 감쇄를 보상해주기 위한 시간 이득 보상(TGC: Time Gain Compression) 유니트 및 아날로그-디지털 변환기(ADC: Analog-to-Digital converter)로 구성되어 있다.
수신 집속 지연 메모리(36)는 각 변환자의 위치에 따라 달라지는, 초음파가 대상체에서 반사된 신호의 도달 시간을 보상하기 위해 각 변환자를 통해 수신된 반사 신호에 적용하는 지연값을 저장한다. 빔형성부(34)는 수신부(31)로부터 디지털 신호를 입력받아 수신 집속 지연 메모리(36)로부터의 지연값을 참조해서 각 변환자로부터 수신된 반사 신호를 지연시키고 가산하여 수신 집속을 수행한다. 도 2a에 도시된 초음파 송신 방법을 사용하는 경우, 빔형성부(34)는 1개의 빔형성기를 포함하여 구현될 수 있고, 도 2b에 도시된 초음파 송신 방법을 사용하는 경우, 빔형성부(34)는 2개의 빔형성기를 포함하여 구현될 수 있다.
한편, 골레이 코드와 같이 긴 코드를 사용하는 초음파 영상 형성 장치에서는, 수신부(31)에서 수신된 신호는 측엽이 매우 커서 영상을 구성하기에 적합하지 않다. 따라서, 이러한 측엽이 큰 신호를 처리하여 짧은 펄스 방식의 초음파 영상 장치에서와 비슷한 해상도를 얻기 위해서 펄스 압축을 수행해야 한다. 이를 위해, 펄스 압축부(35)는 빔형성부(34)에서 수신 집속한 신호에 대해 펄스 압축을 수행한다. 펄스 압축된 신호는 신호 처리부(도시되지 않음)로 인가되고, 엔벨로프 검출(envelope detection), 로그 압축(log compression) 등의 공지된 신호 처리가 수행되어 B-모드 영상 신호로 생성된다.
도 4는 도 3에 도시된 본 발명에 따른 펄스 압축부의 상세 구성을 도시하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 펄스 압축부(35)는 제1 골레이 코드에 대한 펄스 압축을 수행하는 제1 FIR 필터(351) 및 제1 가산기(353) 및 제2 골레이 코드에 대한 펄스 압축을 수행하기 위한 제2 FIR 필터(352) 및 제2 가산기(354)를 구비한다.
상술하면, 빔형성부(34)에서 수신 집속된 신호는 먼저 제1 및 제2 FIR 필터(351 및 352)에 동시에 인가된다. 제1 FIR 필터(351) 및 제1 가산기(353)는 수신 집속된 신호에 대해 제1 골레이 코드에 대한 펄스 압축을 수행한다. 즉, 제1 FIR 필터(351)는 먼저 송신 패턴 메모리(13)로부터 입력받은 제1 골레이 코드의 제1 코드 시퀀스를 필터 계수로 사용하여, 제1송신 이후 수신되어 수신 집속된 신호에 대해 필터링한 후 제1 가산기(353)에 저장한다. 그 다음에, 제1 FIR 필터(351)는 송신 패턴 메모리(13)로부터 입력받은 제1 골레이 코드의 제2 코드 시퀀스를 필터 계수로 사용하여, 제2 송신 이후 수신되어 수신집속된 신호에 대해 역시 필터링한 후 제1 가산기(353)에 저장한다. 이때, 제1 골레이 코드와 제2 골레이 코드의 대응하는 시퀀스들이 서로 직교 관계이므로 제2 골레이 코드 시퀀스에 대한 신호는 제1 FIR 필터(351)에서 제거된다. 제1 가산기(353)는 제1 FIR 필터(351)로부터 수신한 필터링된 신호들을 가산하여 신호 처리기(도시되지 않음)로 입력한다.
이와 마찬가지로, 제2 FIR 필터(352) 및 제2 가산기(354)는 수신 집속된 신호에 대해 제2 골레이 코드에 대한 펄스 압축을 수행한다. 즉, 제2 FIR 필터(352)는 먼저 송신 패턴 메모리(13)로부터 입력받은 제2 골레이 코드의 제1 코드 시퀀스를 필터 계수로 사용하여, 제1송신 이후 수신되어 수신 집속된 신호에 대해 필터링을 수행하고, 이 필터링된 신호를 제2 가산기(354)에 저장한다. 그 다음에, 제2 FIR 필터(352)는 송신 패턴 메모리(13)로부터 입력받은 제2 골레이 코드의 제2 코드 시퀀스를 필터 계수로 사용하여, 제2 송신 이후 수신되어 수신집속된 신호에 대해 필터링을 수행하고, 이 필터링된 신호를 제2 가산기(354)로 인가한다. 제2 FIR 필터(352)에 의한 필터링하는 과정에서, 제1 골레이 코드와 대응하는 제2 골레이 코드의 시퀀스들이 서로 직교 관계이므로 제1 골레이 코드 시퀀스에 대한 신호는 제거된다. 제2 가산기(354)는 제2 FIR 필터(352)로부터 수신한 필터링된 신호들을 가산하여 신호 처리부(도시되지 않음)로 입력한다.
한편, 도 2b에서와 같이 두 개의 다른 스캔라인 상의 두 집속점에 송신집속하여 송신하는 경우, 초음파 영상 형성 장치(100)의 빔형성부(34)는 수신 집속을 수행하기 위하여 2개의 빔형성기(도시되지 않음)를 구비하며, 펄스 압축부(35)는 동일한 스캔 라인의 두 집속점에 송신 집속하여 송신하는데 사용된 도 4의 구성 요소들과 동일한 구성 요소로 이루어진다.
다시 설명하면, 두개의 빔형성기를 구비하여 두 개의 수신 집속된 신호에 대해 각각 펄스 압축을 수행하는 것 외에는 도 4의 구성 및 동작과 유사하다. 따라서, 두 개의 빔형성기로부터 펄스 압축부(35)의 제1 및 제2 FIR 필터(351, 352)로 각각 인가되어 펄스 압축되는 과정에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 5는 본 발명이 적용될 수 있는 펄스 압축 방식의 초음파 영상 형성 장치의 다른 예를 도시하는 블록도이다.
도 5에서, 초음파 영상 형성 장치(500)의 펄스 압축부(38)는 수신부(31)로부터의 RF 신호에 대한 펄스 압축을 수행하고, 빔형성부(39)는 펄스 압축된 신호에 대해 수신 집속을 수행하여 신호 처리부(도시되지 않음)에 인가한다. 도 5에서와 같이 수신 집속 이전에 펄스 압축을 수행하면, 수신 집속 이후에 펄스 압축을 수행하는 경우에 근거리 필드(Near field)내 초음파가 진행하는 방향으로 발생하는 측엽을 제거할 수 있으며, 주엽의 폭이 늘어나는 것 또한 방지할 수 있다.
도 5의 초음파 영상 형성 장치(500)는 펄스 압축부(38)가 빔형성부(39)에 위치한 것을 제외하면, 도 3의 초음파 영상 형성 장치(100)와 동일하므로, 나머지 블록에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 6은 본 발명에 따라 초음파 신호를 송신하는 경우의 도 5에 도시된 초음파 영상 형성 장치(500)의 펄스 압축부의 구성을 도시하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 초음파 영상 형성 장치(200)의 펄스 압축부(38)는 제1 FIR 필터(381), 제2 FIR 필터(382), 제1 버퍼 가산기(383) 및 제2 가산기(384)를 구비한다. 또한, 빔형성부(39)는 두 개의 빔형성기(도시되지 않음)를 구비하는 것으로 가정하여 설명한다.
펄스 압축부(38)의 제1 및 제2 FIR 필터(381 및 382)에는 도 2a 또는 2b의제1 및 제2 송신과 같이 송신한 후 수신된 반사 신호가 수신부(31)를 통해 인가된다.
먼저, 제1 및 제2 FIR 필터(381 및 382)는 각각 송신 패턴 메모리(13)로부터 입력받은 제1 골레이 코드의 제1 코드 시퀀스 및 제2 골레이 코드의 제1 코드 시퀀스를 필터 계수로 각각 사용하여, 수신부(31)로부터 인가된 제1 송신에 대한 반사 신호를 필터링하고, 이 필터링된 신호를 각각 제1 및 제2 가산기(383 및 384)의 임시 메모리(도시되지 않음)에 저장한다.
그 다음에, 제1 및 제2 FIR 필터(381 및 382)는 송신 패턴 메모리(13)로부터 입력받은 제1 골레이 코드의 제2 코드 시퀀스 및 제2 골레이 코드의 제2 코드 시퀀스를 필터 계수로 사용하여, 수신부(31)로부터 인가된 제2 송신에 대한 반사 신호를 필터링하고, 이 필터링된 신호를 각각 제1 및 제2 가산기(383 및 384)로 인가한다. 제1 및 제2 가산기(383 및 384)는 제2 송신에 대해 필터링하여 인가된 값과 제1 송신에 대해 필터링하여 저장한 값을 가산하여 각각 빔형성부(39)의 제1 및 제2 빔형성기에 인가한다.
제1 및 제2 빔형성기는 각각 제1 및 제2 가산기(383 및 384)로부터 인가된 펄스 압축된 신호를 수신 집속 지연 메모리(36)로부터의 지연값을 참조하여 수신 집속하고, 각각 수신 집속된 신호를 신호 처리부(도시되지 않음)로 인가한다.
본 명세서에서는 1차원 배열 변환자에 대한 실시예를 도시하고 설명하였지만 이는 설명을 위한 것으로서 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
예를 들면, 본 발명은 초음파를 측(lateral)방향 뿐만 아니라고도(elevation) 방향으로도 자유롭게 스티어링할 수 있도록 크기가 작은 변환자를 2차원 평면 또는 곡면 상에 분포시킨 2차원 배열 변환자에 적용할 수도 있다. 이러한 2차원 배열 변환자에 본 발명을 적용하는 경우, 한번에 송신하는 변환자를 다양한 방식으로 그룹지어 초음파를 송신할 수 있다. 예를 들면, 변환자를 랜덤하게 M개의 그룹으로 나누거나, 평면상의 동심원 또는 다각형내에 포함되는 변환자들끼리 M개의 그룹으로 나눌 수 있다.
또한, 본 발명은 2차원 배열 변환자에서보다 고도 방향으로 변환자의 크기가 크고 수효가 적어 고도 방향으로 집속은 가능하나, 변환자를 M개의 그룹으로 나누어 송신함으로써 스티어링이 제한되는 1.75차원 배열 변환자에도 적용될 수 있다.
마찬가지로, 본 발명은 1.75차원 배열 변환자에서 고도 방향으로 대칭 위치의 변환자끼리 전기적으로 연결되어 고도 방향으로 집속은 가능하나 스티어링은 불가능한 1.5 차원 배열 변환자에도 적용될 수 있다.
또한, 본 명세서에서는 M=2 골레이 코드를 사용하는 실시예에 대해 도시하고 설명하였지만 이는 설명을 위한 것으로서 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
즉, M>2인 경우, 매 송신시마다 M개의 송신 집속점에 집속할 수 있다. 이때, 도 2에서와 같이 홀짝으로 번갈아 송신하는 대신, 매 송신시마다 각 골레이 코드의 시퀀스를 송신하는 변환자의 위치를 모듈로 M 방식으로 번갈아 송신하여 하나의 집속점에 모든 변환자가 송신하도록 한다.
비록 본 발명이 상기의 상세한 설명에 의해 특별히 도시되고 설명되었지만, 첨부된 특허 청구 범위에 의해 정의된 발명의 본질과 범위에서 벗어나지 않고서도당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 다양한 다른 변형을 가할 수 있다는 것은 자명하다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 배열 변환자의 변환자를 직교하는 다수의 골레이 코드를 동시에 송신함으로써 골레이 코드 사용에 따른 프레임 레이트 감소를 방지할 수 있다.

Claims (12)

  1. 초음파 영상 형성 방법에 있어서,
    (a) M개의 골레이 코드를 저장하는 단계 - M은 2이상의 정수이며, 상기 M개의 골레이 코드 각각은 M개의 코드 시퀀스를 포함하며, 상기 M개의 골레이 코드 중 임의의 골레이 코드의 코드 시퀀스들은 상기 M개의 골레이 코드 중 다른 골레이 코드의 대응하는 코드 시퀀스들과 서로 직교함 -,
    (b) 상기 MxM개의 골레이 시퀀스를 M개의 군으로 분류하고 각각의 군에 포함된 골레이 시퀀스들을 초음파 펄스 신호로 변환하여 대상체의 선정된 송신 집속점에 송신 집속하는 단계 - 상기 송신 집속은 각각의 군에 대해 차례로 수행됨 -,
    (c) 상기 각각의 군에 대한 송신 집속에 응답하여 상기 송신 집속점으로부터 반사되어 온 신호들을 수신하는 단계,
    (d) 상기 수신된 반사 신호들에 대해 수신 집속을 하는 단계,
    (e) 상기 수신 집속된 신호들에 대해 펄스 압축을 수행하는 단계, 및
    (f) 상기 펄스 압축된 신호들을 신호처리하여 B-모드 영상을 형성하는 단계
    를 포함하는 초음파 영상 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (e)에서의 특정 골레이 코드와 관련한 펄스 압축은
    상기 수신 집속된 신호로부터 상기 M개의 군 중 k번째 군의 송신 집속에 대응하는 수신 집속 신호들을 k=1-M까지 반복하여 추출하는 단계, 및
    상기 M개의 추출된 신호를 가산하는 단계를 포함하는 초음파 영상 형성 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 추출 단계는
    상기 특정 골레이 코드의 k번째 코드 시퀀스를 필터 계수로 이용하여 상기 M개의 군 중 k번째 군의 송신 집속에 대응하는 수신 집속 신호들을 필터링하는 것을 k= 1-M까지 반복하는 단계를 포함하는 초음파 영상 형성 방법.
  4. 초음파 영상 형성 방법에 있어서,
    (a) M개의 골레이 코드를 저장하는 단계 - M은 2이상의 정수이며, 상기 M개의 골레이 코드 각각은 M개의 코드 시퀀스를 포함하며, 상기 M개의 골레이 코드 중 임의의 골레이 코드의 코드 시퀀스들은 상기 M개의 골레이 코드 중 다른 골레이 코드의 대응하는 코드 시퀀스들과 서로 직교함 -,
    (b) 상기 MxM개의 골레이 시퀀스를 M개의 군으로 분류하고 각각의 군에 포함된 골레이 시퀀스들을 초음파 펄스 신호로 변환하여 대상체의 선정된 송신 집속점에 송신 집속하는 단계 - 상기 송신 집속은 각각의 군에 대해 차례로 수행됨 -,
    (c) 상기 각각의 군에 대한 송신 집속에 응답하여 상기 송신 집속점으로부터 반사되어 온 신호들을 수신하는 단계,
    (d) 상기 수신된 신호들에 대해 펄스 압축을 수행하는 단계 - 상기 펄스 압축은 상기 저장된 각각의 골레이 코드와 관련하여 한번씩 수행됨 -,
    (e) 상기 펄스 압축된 신호들 각각에 대해 수신 집속을 하는 단계, 및
    (f) 상기 수신 집속된 신호들을 신호처리하여 B-모드 영상을 형성하는 단계
    를 포함하는 초음파 영상 형성 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 단계 (e)에서의 특정 골레이 코드와 관련한 펄스 압축은
    상기 수신된 신호로부터 상기 M개의 군 중 k번째 군의 송신 집속에 대응하는 수신 신호들을 k=1-M까지 반복하여 추출하는 단계, 및
    상기 M개의 추출된 신호를 가산하는 단계를 포함하는 초음파 영상 형성 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 추출 단계는
    상기 특정 골레이 코드의 k번째 코드 시퀀스를 필터 계수로 이용하여 상기 M개의 군 중 k번째 군의 송신 집속에 대응하는 수신 신호들을 필터링하는 것을 k= 1-M까지 반복하는 단계를 포함하는 초음파 영상 형성 방법.
  7. 초음파 영상 형성 장치에 있어서,
    (a) M개의 골레이 코드를 저장하는 수단 - M은 2이상의 정수이며, 상기 M개의 골레이 코드 각각은 M개의 코드 시퀀스를 포함하며, 상기 M개의 골레이 코드 중임의의 골레이 코드의 코드 시퀀스들은 상기 M개의 골레이 코드 중 다른 골레이 코드의 대응하는 코드 시퀀스들과 서로 직교함 -,
    (b) 상기 MxM개의 골레이 시퀀스를 M개의 군으로 분류하고 각각의 군에 포함된 골레이 시퀀스들을 초음파 펄스 신호로 변환하여 대상체의 선정된 송신 집속점에 송신 집속하고 - 상기 송신 집속은 각각의 군에 대해 차례로 수행됨 - 상기 각각의 군에 대한 송신 집속에 응답하여 상기 송신 집속점으로부터 반사되어 온 신호들을 수신하는 다수의 변환자,
    (c) 상기 수신된 반사 신호들에 대해 수신 집속을 하는 수단,
    (d) 상기 수신 집속된 신호들에 대해 펄스 압축을 수행하는 수단 - 상기 펄스 압축은 상기 저장된 각각의 골레이 코드와 관련하여 한번씩 수행됨 -, 및
    (e) 상기 펄스 압축된 신호들을 신호처리하여 B-모드 영상을 형성하는 수단
    을 포함하는 초음파 영상 형성 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 펄스 압축 수행 수단은
    상기 수신집속된 신호로부터 상기 M개의 군 중 k번째 군의 송신 집속에 대응하는 수신 집속 신호들을 k=1-M까지 반복하여 추출하는 수단, 및
    상기 M개의 추출된 신호를 가산하는 수단을 포함하는 초음파 영상 형성 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 추출 수단은
    상기 특정 골레이 코드의 k번째 코드 시퀀스를 필터 계수로 이용하여 상기 M개의 군 중 k번째 군의 송신 집속에 대응하는 수신 집속 신호들을 필터링하는 것을 k= 1-M까지 반복하는 수단을 포함하는 초음파 영상 형성 장치.
  10. 초음파 영상 형성 장치에 있어서,
    (a) M개의 골레이 코드를 저장하는 수단 - M은 2이상의 정수이며, 상기 M개의 골레이 코드 각각은 M개의 코드 시퀀스를 포함하며, 상기 M개의 골레이 코드 중 임의의 골레이 코드의 코드 시퀀스들은 상기 M개의 골레이 코드 중 다른 골레이 코드의 대응하는 코드 시퀀스들과 서로 직교함 -,
    (b) 상기 MxM개의 골레이 시퀀스를 M개의 군으로 분류하고 각각의 군에 포함된 골레이 시퀀스들을 초음파 펄스 신호로 변환하여 대상체의 선정된 송신 집속점에 송신 집속하고 - 상기 송신 집속은 각각의 군에 대해 차례로 수행됨 - 상기 각각의 군에 대한 송신 집속에 응답하여 상기 송신 집속점으로부터 반사되어 온 신호들을 수신하는 다수의 변환자,
    (c) 상기 수신된 신호들에 대해 펄스 압축을 수행하는 수단 - 상기 펄스 압축은 상기 저장된 각각의 골레이 코드와 관련하여 한번씩 수행됨 -,
    (d) 상기 펄스 압축된 신호들 각각에 대해 수신 집속을 하는 수단, 및
    (e) 상기 수신 집속된 신호들을 신호처리하여 B-모드 영상을 형성하는 수단
    을 포함하는 초음파 영상 형성 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 펄스 압축 수행 수단은
    상기 수신된 신호로부터 상기 M개의 군 중 k번째 군의 송신 집속에 대응하는 수신 신호들을 k=1-M까지 반복하여 추출하는 수단, 및
    상기 M개의 추출된 신호를 가산하는 수단을 포함하는 초음파 영상 형성 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 추출 수단은
    상기 특정 골레이 코드의 k번째 코드 시퀀스를 필터 계수로 이용하여 상기 M개의 군 중 k번째 군의 송신 집속에 대응하는 수신 신호들을 필터링하는 것을 k= 1-M까지 반복하는 수단을 포함하는 초음파 영상 형성 장치.
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