KR100459616B1 - 도플러 효과를 이용하여 인체 조직 속도를 측정하기 위한초음파 진단 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도플러 효과를 이용하여 인체내의 조직 속도를 저역 통과 필터를 사용하지 않고도 효과적이고 자동적으로 측정하기 위한 초음파 진단 장치 및 방법에 관한 것이다. 이 초음파 진단 장치는 초음파 신호를 인체내로 송신하고 반사된 신호를 샘플링함으로써 샘플 데이터를 발생시키기 위한 샘플 데이터 발생 수단, 상기 샘플 데이터를 처리하여 인체 조직의 속도 성분과 혈류 속도 성분을 포함한 주파수 분포 데이터를 발생시키기 위한 수단, 상기 주파수 분포 데이터 중에서 혈류 속도 성분의 최대치를 이용하여 상기 인체 조직 속도 성분에 해당하는 주파수 분포 데이터를 추출하기 위한 인체 조직 속도 검출 수단, 및 상기 추출된 인체 조직 속도 성분의 주파수 분포 데이터를 디스플레이하기 위한 표시 수단을 포함한다. 이 초음파 진단 장치는 저역 통과 필터를 사용하지 않고 샘플 데이터에 대하여 일정 이득 수준을 곱하여 혈류 속도 성분을 제거함으로써 필터 차수로 인한 지연문제를 방지할 뿐만 아니라 보간이 필요한 데이터 구간도 획기적으로 줄일 수 있다. 그 결과, 측정된 조직 속도 성분에 대한 데이터 신뢰도가 높아지고 계산처리 과정의 간단화로 인하여 실시간 처리 능력이 매우 향상된다.

Description

도플러 효과를 이용하여 인체 조직 속도를 측정하기 위한 초음파 진단 장치 및 방법{ULTRASONIC DIAGNOSTIC APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING HUMAN TISSUE VELOCITIES USING DOPPLER EFFECT}
본 발명은 초음파 진단 시스템에 관한 것으로, 특히 도플러 효과를 이용하여 인체내의 조직 속도를 효과적으로 자동측정하는 초음파 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
혈류 속도 검출과 인체내의 조직 속도 검출에는 도플러 효과를 이용하는 초음파 진단 시스템이 널리 사용되고 있다. 이러한 시스템에서는 초음파 배열 변환자에서 초음파 신호를 적혈구와 같은 목표물로 송신하고 목표물에서 반사된 신호를 수신한 후, 목표물의 이동에 의한 수신 신호의 주파수 편이 또는 위상 편이를 검출하여 목표물의 속도를 결정한다.
도 1은 초음파 신호를 이용하여 혈류 속도 및 조직 속도를 측정하는 원리를 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 배열 변환자(transducer array; 103)에서 초음파 신호를 목표물(101)로 송신하고 목표물(101)에서 반사된 신호를 일정한 시점, 예를 들어서, t=t0에서 샘플링하는 동작을 여러 차례, 예를 들면 2N회 반복한다. 목표물(101)이 이동한다면, 이에 따라 t0에서 샘플링한 신호의 위상이 변화하게 된다. 위상의 변화량으로부터 목표물(101)의 이동속도 v를 수학식 1에 따라 계산할 수 있다.
여기서, TPRF는 초음파 신호를 송신하는 주기, 즉 펄스 반복 주파수(Pulse Repitition Frequncy, PRF)의 역수이며, λ0는 송신되는 초음파 신호의 중심 주파수이며, ΔΘ는 위상의 변화량이다. 수학식 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 목표물의 이동 속도는 목표물에서 반사된 신호의 위상의 변화량에 비례한다. 또한, 신호의 주파수 편이는 위상의 변화량에 비례하므로, 목표물의 이동속도 v는 반사 신호의 주파수 편이량에 비례한다. 따라서, 목표물에서 반사된 신호의 주파수를 측정하여 목표물의 이동 속도를 계산할 수 있다.
도 2는 혈류 속도 및 인체 조직 속도를 측정하기 위한 전형적인 초음파 진단 시스템의 블록도이다. 배열 변환자(transducer array; 103)는 초음파 신호를 목표물로 송신하고, 목표물에서 반사된 초음파 신호를 수신한다. 배열 변환자(103)에서 수신된 신호는 프리-앰프(pre-amp, 104)에서 증폭된다. TGC 앰프(105)에서는 인체내에서 초음파의 이동 거리에 따른 감쇄를 보상하기 위하여 시간에 따른 이득(gain)을 변화시키면서 프리-앰프(104)로부터의 신호를 증폭한다. TGC 앰프(105)의 출력 신호는 A/D 변환기(106)에서 디지털 신호로 변환되어, 직교 복조기(quadrature demodulator, 107)에서 복조된 후, 디지털 신호 처리기(108)에 입력된다. 디지털 신호 처리기(108)는 2N회의 초음파 신호 송신으로부터 획득한 (2N)개의 샘플 데이터로부터 목표물의 속도를 검출하여, 이를 표시 장치(109)에 표시한다.
배열 변환자(103)에서 송신된 초음파 신호는 인체내의 혈액, 조직 및 근육 등으로부터 반사되며, 혈액에서는 서로 다른 속도를 가진 다수의 적혈구가 초음파 신호를 반사한다. 따라서, 디지털 신호 처리기(108)에 입력되는 샘플 데이터는 다수의 속도 성분을 포함하고 있으므로, 디지털 신호 처리기(108)는 샘플 데이터의 속도 분포 스펙트럼 ― 이를 스펙트럴 도플러(spectral Doppler)라 함 ― 을 계산하여 표시 장치(109)에 표시한다.
도 3은 도 2에 도시된 디지털 신호 처리기(108)의 세부 구성을 도시하는 도면이다. 도 2의 초음파 진단 시스템이 혈류 속도를 측정하기 위한 것이라면, 클러터 필터부(301)는 소위 클러터라 지칭되는, 혈액 이외의 조직으로부터 반사되는 신호를 차단하기 위해 사용된다. 혈액 이외의 조직 및 근육은 혈액에 비하여 상대적으로 느리게 움직이기 때문에, 이들로부터 반사되는 신호는 주로 저주파 대역에 위치한다. 따라서, 혈류 성분의 속도를 구하기 위한 클러터 필터부(301)는 고역 통과 필터(high-pass filter)를 사용하는 것이 전형적이다.
반면에, 도 2의 초음파 진단 시스템이 인체내의 조직 성분의 속도를 측정하기 위한 것이라면, 클러터 필터부(301)는 인체내의 조직 성분 이외의 혈액으로부터 반사되는 신호를 차단하기 위해 사용된다. 전술한 바와 같이, 조직으로부터 반사된 신호는 주로 저주파 대역에 위치하고 혈액으로부터 반사된 신호는 고주파 대역에 위치하므로, 조직 속도 성분을 구하기 위한 클러터 필터부(301)는 고역 통과 필터 대신에 저역 통과 필터(low-pass filter)를 사용하여 혈류 속도 성분을 제거한다.
FFT부(Fast Fourier Transforming part, 302)는 2N개의 샘플 데이터를 푸리에 변환하여, 2N개의 주파수 성분을 갖는 주파수 분포 데이터를 생성한다. 이러한 주파수 분포 데이터는 목표물의 속도 분포 스펙트럼에 해당한다. 후처리 부(post-processing portion; 303)에서는 보다 좋은 영상을 얻기 위하여 주파수 분포 데이터에 대하여 로그압축(log compression) 및 기저선 천이(base line shifting)와 같은 공지된 신호 처리를 수행한다. 디지털 신호 처리기(108)에서 출력된 주파수 분포 데이터, 즉 목표물의 속도 분포 스펙트럼은 표시 장치(109)에 표시된다.
도 4는 전형적인 주파수 분포 데이터를 도시한 그래프이다. 도 4에서 x축은 각각의 주파수 성분의 주파수를 나타내며, y축은 각 주파수 성분의 전력을 나타낸다. 본 명세서에서는 주파수 분포 데이터가 각 주파수 성분의 전력을 나타내는 경우를 예시하고 있지만, 주파수 분포 데이터는 다른 값, 예를 들어서, 전력의 제곱근을 나타낼 수도 있다. 도 4의 그래프에서 양의 주파수와 음의 주파수 성분은 서로 반대방향으로 이동하는 목표물에서 반사된 신호 성분을 표시한다. 도 4의 그래프에서는 음의 주파수 성분의 전력이 양의 주파수 성분의 전력보다 큰 값을 갖는 경향이 있는데, 이는 혈류가 전체적으로 한 방향, 예컨대 배열 변환자에서 멀어지는 방향으로 움직이고 있음을 의미한다.
위와 같이, 종래의 초음파 진단 시스템에서는 인체내의 조직 속도 성분을 검출하기 위해서 저역 통과 필터를 사용하여 혈류 속도 성분을 제거하는 방법을 사용하는데, 이와 같은 방법에서는 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 저역 통과 필터 설계시 인체내의 조직 속도 성분과 혈류 속도 성분을 정확히 구별할 수 있는 차단주파수를 구하는 것이 어려울 뿐만 아니라 인체내의 조직 속도 성분이 변화할 때마다 차단주파수를 변경하기가 곤란하다. 이를 도 5 및 6을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5는 종래의 저역 통과 필터를 사용하여 인체내의 조직 속도 성분을 검출하는 개략적인 개념도를 보인 것이고, 도 6은 종래의 저역 통과 필터를 사용하여 인체내의 조직 속도 성분을 검출하는 시스템에서 조직 속도 성분과 혈류 속도 성분을 구별할 수 있는 차단 주파수 설계상의 문제점을 보인 도면이다.
도 5에 도시한 바와 같이, 종래의 초음파 진단 시스템에서는 저주파 대역에 나타나는 인체내의 조직 속도 성분(701)을 검출하기 위하여 조직 속도 성분(701)의 최대치(701-1)를 기준으로 저역 통과 필터(703)를 설계한다. 이때, 인체 조직 속도 성분(701)과 혈류 속도 성분(702)을 정확히 구분할 수 있는 차단 주파수(704)를 잘 정하는 것이 매우 중요한데, 도 5와 같은 설계는 실제 시스템에서는 구현이 불가능한 이상적인 설계일 뿐, 실제로는 종래의 시스템에서 저역 통과 필터가 도 6과 같이 설계된다.
조직 속도 성분이 제한된 속도 범위 내에서만 존재한다면 도 5와 같이 조직 속도 성분(701)의 최대치(701-1)를 기준으로 저역 통과 필터(703)를 설계할 수 있다. 그러나, 실제로는 조직 속도 성분(701)이 측정하는 대상마다 다르기 때문에 하나의 고정된 차단주파수 값을 정하기는 매우 어렵다. 도 6에 도시된 바와 같이, 조직 속도 성분(701)이 낮은 혈류 속도 성분(702)과 섞여 있는 경우에는, 낮은 차단 주파수를 갖는 필터(703-1)를 설계하면 조직 속도 성분(701)이 소정 부분(701-2)만큼 줄어들게 되고, 높은 차단 주파수를 갖는 필터(703-2)를 설계하면 혈류 속도 성분(702)이 포함된다. 따라서, 제한된 차수의 필터를 설계함에 있어서 조직 속도 성분(701)과 혈류 속도 성분(702)을 정확히 선별해 낼 수 있는 차단주파수(704)를 구하는 것이 매우 어렵다.
둘째, 디지털 신호 처리 분야에서 발생되는 에일리어싱(aliasing) 현상으로 인하여 인체내의 조직 속도 성분이 잘못 계산되는 문제점이 있다. 이를 도 7을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
앞에서 설명한 바와 같이, 인체내의 조직 속도 성분은 낮은 주파수 영역에 나타나고, 혈류 속도 성분은 높은 주파수 영역에 나타난다. 그러나, 만약 샘플링 주파수가 충분히 높지 않으면 에일리어싱(aliasing) 현상이 발생하여 도 7과 같이 혈류 속도 성분(702)이 에일리어싱되어 인체내의 조직 속도 성분(701)과 같은 영역에 나타나거나 왜곡된 영역에 나타난다. 즉, 도 7과 같이 혈류 속도 성분(702)이에일리어싱되어 조직 속도 성분(701)내에 나타날 경우에, 속도 성분과 전력 성분을 구하게 되면 혈류 속도 성분이 포함된 주파수 대역에서는 조직 속도 성분값이 실제보다 크게 나타나게 된다. 따라서, 혈류 속도 성분(702)이 변할때마다(즉, 속도 변화) 주파수 대역에서의 조직 속도 성분값이 실제값과 다르게 나타나고 전력 성분도 마찬가지로 실제값과 다르게 된다. 결과적으로 인체내의 조직 속도를 잘못 측정하게 되어 측정된 데이터의 신뢰성이 매우 떨어지게 된다.
셋째, 종래의 초음파 진단 시스템은 저역 통과 필터를 사용하기 때문에 제한된 차수의 유한 임펄스 응답(FIR) 필터로는 인체내의 조직 속도 성분과 혈류 속도 성분을 선별해 낼 수 있는 차단주파수를 가진 필터를 설계하기가 어려운 문제점이 있다. 만약, 차수를 늘려서 원하는 차단 주파수를 가진 필터를 설계한다 하더라도 필터의 차수(N-1)/2 만큼의 지연이 생겨 실시간 처리 능력이 떨어지고, 갭 채우기 모드(Gap filling mode)에서는 {갭(Gap) 수 + 필터의 차수(N) - 1} 만큼의 데이터 구간을 채워야 하는 문제가 발생한다. 이하, 상술한 세번째 문제점을 도 8 내지 도 12를 참조하여 자세히 설명한다.
도 8은 일반적인 B/D 동시 모드(simultaneous mode)에서의 타이밍 시퀀스를 도시한 것이고, 도 9는 갭 채우기 모드(Gap filling mode)에서의 타이밍 시퀀스를 도시한 것이고, 도 10은 스펙트럼 갭 채우기(spectrum gap filling)의 원리를 나타낸 것이다. 여기서, B 모드는 토모그래프(tomograph) 화상을 얻기 위한 것이고, D 모드는 도플러 데이터를 얻기 위한 것이다. B/D 동시 모드는 양자를 모두 얻기 위한 것이다.
도 8에 도시된 일반적인 초음파 진단 시스템의 B/D 동시 모드에서는 도플러 펄스 반복 주파수(PRF)를 충분히 높게 할 수 없다. 따라서, 예를 들어 심장에서의 혈류를 PW(Pulsed-wave) 도플러 동시 모드로 관찰하는 경우, 에일리어싱이 심하게 나타나서 보여지는 도플러 스펙트럼을 유용하게 해석하기 어려울 수 있다. 이때, PW(Pulsed-wave) 도플러 동시 모드를 도 9와 같은 타이밍 시퀀스로 구현하고 이때 발생하는 시간 갭(time gap)을 앞/뒤의 도플러 신호로부터 영상/음성 아티팩트(image/audio artifact)가 거의 없도록 근사적으로 복원하면 현재의 제한된 도플러 PRF를 거의 2배까지 올릴 수 있다. 이때, 도 9에서 B-모드를 얻는데 사용되는 시간(혹은 구간)은 최소한의 B-모드 프레임 레이트(PRF에 따라 연동됨)와 연관되어 있고, 이 구간이 갭으로 작용하여 이 갭을 채우는(filling) 것이 측정 데이터의 신뢰성 향상에 큰 역할을 한다. 도 10은 스펙트럼 갭 채우기의 원리를 나타낸 것으로, 종래의 초음파 진단 시스템에서는 t1 부터 t2까지의 갭구간을 선형 보간법(linear interpolation)을 이용하여 채워넣고 있다. 이때, {갭(Gap) 수 + 필터의 차수(N) - 1} 만큼의 데이터 구간이 채워져야 하는데, 이를 갭수가 4이고 필터 차수가 5인 경우를 도시한 도 11을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 11에서 보듯이, 갭수가 4이고, 필터 차수가 5인 경우, 위의 관계식{갭(Gap) 수 + 필터의 차수(N) - 1}에 의해 필터링된 데이터(filtered data)는 8개가 된다. 즉, 이는 갭이 포함된 구간을 채우고자 할때, 갭인 구간은 4개이지만 실제로 채워야 하는 구간은 8개가 된다는 의미이다. 왜냐하면 갭인 구간의 데이터는 왜곡된 데이터이거나 제로(zero)이기 때문에 필터링된 데이터(filtered data)도 왜곡될 수 밖에 없고, 필터 차수를 늘리면 그만큼 채워야 하는 구간이 늘어나게 되어 조직 성분과 혈류 속도 성분의 구별이 어려워지므로 필터차수를 늘리는 것은 제한된다.
따라서, 필터차수를 늘리는 것은 제한될 수 밖에 없는 상태에서 만약 필터차수를 임의로 늘린다면 필터의 차수(N-1)/2 만큼의 지연이 생겨 실시간 처리 능력이 떨어지는 문제점이 유발되는데 이를 도 12를 참조하여 상세히 설명한다. 도 12에서 보듯이, 필터차수가 9이면 데이터가 1에서 9까지 입력되어야 필터링된 데이터(filtered data) 1이 출력되는데, 이 값은 데이터 5의 구간에서 나오고, 4만큼의 지연이 생긴다. 이러한 상태에서, 만약 차수가 늘어나면 앞에서 설명한 바와 같이 (필터차수(N)-1)/2 만큼의 지연도 늘어나게 된다. 따라서, 차수가 늘어나게 되면 그만큼 지연구간이 길어져 실시간 처리 능력이 저하되는 것이다.
결론적으로, 상술한 세 가지 문제점에 의해 종래의 초음파 진단 시스템이 저역 통과 필터를 사용하여 인체내 조직 속도 성분을 효율적으로 측정하지 못하였고, 그에 따라 측정 데이터의 신뢰성이 떨어졌다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 도플러 효과를 이용하여 인체내의 조직 속도를 효과적으로 자동측정하는 초음파 진단 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 저역 통과 필터를 사용하지 않고 인체내의 조직 속도를 실시간으로 측정하는 초음파 진단 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 저역 통과 필터를 사용하지 않고 혈류 속도 성분을 효과적으로 제거함으로써 인체내의 조직 속도를 신뢰성있게 측정하는 초음파 진단 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 초음파 신호를 이용하여 혈류 속도 및 조직 속도를 측정하는 원리를 도시한 도면.
도 2는 혈류 속도 및 인체 조직 속도를 측정하기 위한 전형적인 초음파 진단 시스템의 블록도.
도 3은 도 2에 도시된 디지털 신호 처리기의 세부 구성을 도시한 도면.
도 4는 반사된 초음파 신호로부터 계산된 전형적인 주파수 분포 데이터를 도시한 그래프.
도 5는 종래의 저역 통과 필터를 사용하여 인체내의 조직 속도 성분을 검출하는 개략적인 개념도.
도 6은 종래의 저역 통과 필터를 사용하여 인체내의 조직 속도 성분을 검출하는 시스템에서 조직 속도 성분과 혈류 속도 성분을 구별할 수 있는 차단 주파수 설계를 보인 도면.
도 7은 혈류 속도 성분(702)이 에일리어싱(aliasing)되어 조직 속도 성분(701)에 포함된 것을 보인 도면.
도 8은 일반적인 B/D 동시 모드에서의 타이밍 시퀀스를 도시한 도면.
도 9는 갭 채우기 모드(Gap filling mode)에서의 타이밍 시퀀스를 도시한 도면.
도 10은 스펙트럼 갭 채우기(spectrum gap filling)의 원리를 나타낸 도면.
도 11은 갭 채우기 모드에서 갭과 필터 차수 사이의 관계를 도시한 도면.
도 12는 필터차수의 증가에 따른 지연(delay)구간의 증가를 보인 도면.
도 13은 본 발명에 따른 초음파 진단 장치에서 인체 조직 속도를 검출하기 위한 디지탈 신호 처리기의 내부 블럭도.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 인체내에서 반사된 신호의 주파수 영역내에서 조직 속도 성분과 혈류 속도 성분의 분포와 함께, 혈류 속도 성분의 최대치에 따라 결정되는 이득 수준을 개략적으로 보인 개념도.
도 15는 본 발명에 따른 초음파 진단 장치를 사용하여 심장벽 또는 판막속도를 측정한 화면의 일예를 도시한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
400 : 인체 조직 속도 검출 수단
401 : 주파수 분석기
402 : 이득 수준 결정기
403 : 승산기
404 : FFT부
405 : 후처리부
406 : DC 제거기
501 : 주파수 영역에서의 인체 조직 속도 성분
502 : 주파수 영역에서의 혈류 속도 성분
503 : 이득 결정기에 의해서 곱해지는 이득 수준
504 : 혈류 속도 성분의 최대치
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초음파 진단 장치는, 도플러 효과를 이용하여 인체 조직 속도를 측정하기 위한 초음파 진단 장치에 있어서, 초음파 신호를 인체내로 송신하고 반사된 신호를 샘플링함으로써 샘플 데이터를 발생시키기 위한 샘플 데이터 발생 수단, 상기 샘플 데이터를 처리하여 인체 조직의 속도 성분과 혈류 속도 성분을 포함한 주파수 분포 데이터 - 상기 주파수 분포 데이터는 각각 해당하는 전력 레벨을 갖는 다수의 주파수 성분을 포함함 - 를 발생시키기 위한 수단, 상기 주파수 분포 데이터 중에서 혈류 속도 성분의 최대치를 이용하여 상기 인체 조직 속도 성분에 해당하는 주파수 분포 데이터를 추출하기 위한 인체 조직 속도 검출 수단, 및 상기 추출된 인체 조직 속도 성분의 주파수 분포 데이터를 디스플레이하기 위한 표시 수단을 포함한다.
상기 인체 조직 속도 검출 수단은, 상기 인체 조직 속도 성분과 상기 혈류 속도 성분을 포함한 상기 주파수 분포 데이터를 입력받는 수단, 상기 주파수 분포 데이터에서 DC 성분을 제거하는 수단, 상기 주파수 분포 데이터에서 상기 혈류 속도 성분을 별도로 추출하기 위한 수단, 상기 추출된 혈류 속도 성분의 최대치를 결정하는 수단, 상기 혈류 속도 성분의 최대치에 곱해질 일정 수준의 이득을 결정하는 수단, 및 상기 일정 수준의 이득을 상기 입력 수단에 입력된 상기 주파수 분포 데이터와 곱셈연산하는 승산 수단을 포함한다.
본 발명에 따라 도플러 효과를 이용하여 인체 조직 속도를 측정하기 위한 초음파 진단 방법은, 초음파 신호를 인체내로 송신하고 반사된 신호를 샘플링함으로써 샘플 데이터를 발생시키는 단계, 상기 샘플 데이터를 처리하여 인체 조직의 속도 성분과 혈류 속도 성분을 포함한 주파수 분포 데이터 - 상기 주파수 분포 데이터는 각각 해당하는 전력 레벨을 갖는 다수의 주파수 성분을 포함함 - 를 발생시키는 단계, 상기 주파수 분포 데이터 중에서 혈류 속도 성분의 최대치를 이용하여 상기 인체 조직 속도 성분에 해당하는 주파수 분포 데이터를 추출하는 단계, 상기 추출된 인체 조직 속도 성분의 주파수 분포 데이터를 디스플레이하는 단계를 포함한다.
상기 인체 조직 속도 성분의 주파수 분포 데이터 추출 단계는, 상기 인체 조직 속도 성분과 상기 혈류 속도 성분을 포함한 상기 주파수 분포 데이터를 입력받는 단계, 상기 주파수 분포 데이터에서 DC 성분을 제거하는 단계, 상기 주파수 분포 데이터에서 상기 혈류 속도 성분을 별도로 추출하는 단계, 상기 추출된 혈류 속도 성분의 최대치를 결정하는 단계, 상기 혈류 속도 성분의 최대치에 곱해질 일정 수준의 이득을 결정하는 단계, 및 상기 일정 수준의 이득을 상기 입력 수단에 입력된 상기 주파수 분포 데이터와 곱셈연산하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 인체 조직 속도를 측정하기 위한 초음파 진단 장치의 구성은 도 2에 도시된 종래의 초음파 진단 장치의 구성과 비교하여, 디지탈 신호 처리기의 내부 구성 및 역할만 다르고 그 외의 다른 구성은 동일하므로 본 발명의 디지탈 신호 처리기(208)를 제외한 다른 구성에 대해서는 도 2의 도면부호와 동일하게 적용한다.
도 13은 본 발명에 따른 초음파 진단 장치에서 인체 조직 속도를 검출하기 위한 디지탈 신호 처리기(208)의 내부 블럭도이고, 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 인체내에서 반사된 신호의 주파수 영역내에서 조직 속도 성분과 혈류 속도 성분의 분포와 함께, 혈류 속도 성분의 최대치에 따라 결정되는 이득 수준을 개략적으로 보인 개념도이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파 진단 장치는 도 3에 도시된 종래의 클러터 필터부(301)를 대신하여 인체 조직 속도 검출 수단(400)을 구비한다. 인체 조직 속도 검출 수단(400)은 직교 복조기(107)로부터 출력되는 샘플데이터(즉, I/Q 데이터)에서 혈류 속도 성분을 골라내어 이를 효과적으로 제거함으로써 인체 조직 속도 성분만을 출력한다.
인체 조직 속도 검출 수단(400)은 직교 복조기(107)로부터 출력된 샘플 데이터 중에서 인체 조직 속도 성분을 분리검출하기 위해 DC 제거기(406), 주파수 분석기(401), 이득 수준 결정기(402) 및 승산기(403)를 사용한다.
인체 조직 속도 검출 수단(400)의 동작을 설명하면 다음과 같다.
직교 복조기(107)로부터 출력된 샘플 데이터(즉, 목표물로부터 반사된 초음파 신호)는 도 14의 주파수 분포도에서 보듯이 저주파 대역의 인체 조직 속도 성분(501)과 고주파 대역의 혈류 속도 성분(502)을 포함하는데, 이 샘플 데이터는 DC 제거기(406)와 주파수 분석기(401)에 동시에 입력된다. 샘플 데이터를 주파수분석기(401)에 입력하는 것은 혈류 속도 성분을 나타내는 영역을 분리하기 위한 것으로, 주파수 분석기(401)의 구성은 고주파 대역의 혈류 속도 성분(502)을 분리검출하기 위한 고역 통과 필터를 포함한다. 고역 통과 필터를 통과한 샘플 데이터에는 혈류 속도 성분만이 남아 있고 인체내의 조직 속도 성분은 제거되어 있다. 이 샘플 데이터를 주파수 분석기(401) 내부의 FFT부(미도시)를 통해 고속 푸리에 변환(FFT)하여 혈류 속도 성분의 주파수 분포 데이터를 구한다.
주파수 분석기(401)에서는 혈류 속도 성분의 주파수 분포 데이터 중에서 혈류 속도 성분의 최대치(즉, 최대크기)(504)를 구한다. 이때, 혈류 속도 성분의 최대치(504)를 구하는데 있어서 일정 시간(예를 들어, 일정 심박기간)동안의 시간적 평균개념을 이용하여 효과적인 값을 구한다. 예를 들어, 인체 조직 성분중 심장 판막의 경우, 심장 박동에 맞추어 혈류 속도 성분값이 일정한 주기를 가지고 반복하게 되는데, 이 경우에는 심박 주기 동안의 혈류 속도 성분을 가지고 최대치를 구하는 것이 임의의 시간동안 혈류 속도 성분의 최대치를 구하는 것보다 바람직하다.
이득 수준 결정기(402)에서는 효과적으로 혈류 속도 성분을 제거할 수 있는 이득 수준이 결정되는데, 이때 이득 수준은 앞에서 구한 혈류 속도 성분의 최대치에 따라 결정된다. 예를 들어, 주파수 분석기(401)에서 구해진 혈류 속도 성분의 최대치가 A라는 값일 경우에, 이 최대치 A의 성분을 0에 가장 가깝게 만들 수 있는 수치가 이득 수준으로 결정된다. 즉, 혈류 속도 성분의 최대치(A)에 0.03을 곱해서 그 크기가 0에 가장 가깝게 근접하였다면, 이득 수준 결정기(402)의 후단에 연결된 승산기(403)에 의해 곱해질 이득 수준으로서 0.03을 결정한다. 이와 유사한 방식으로, 혈류 속도 성분의 최대치가 상기 경우의 두배(즉,2A)인 경우에는 이득 수준 결정기(402)는 0.015를 승산기(403)에서 곱해질 이득 수준으로 결정한다.
직교 복조기(107)로부터 직접 입력된 샘플 데이터는 DC제거기(406)를 거치면서 DC가 제거된다.
따라서, 승산기(403)에서는 DC제거기(406)로부터 DC가 제거된 입력 샘플 데이터에 이득 수준 결정기(403)에 의해 결정된 이득 수준(503)을 곱셈함으로써 원래의 샘플 데이터(조직 속도 성분과 혈류 속도 성분을 모두 포함함)로부터 혈류 속도 성분(502)을 제거한다. 결과적으로, 인체 조직 속도 검출 수단(400)은 입력된 샘플 데이터 중에서 인체 조직 속도 성분만을 분리검출하게 되는 것이다.
이후, 인체 조직 속도 검출 수단(400)에 의해 검출된 인체 조직 속도 성분은 FFT부(404)로 입력되고, FFT부(404)는 인체 속도 성분을 포함한 2N개의 샘플 데이터를 고속 푸리에 변환(FFT)하여 2N개의 주파수 성분을 갖는 주파수 분포 데이터를 생성한다. 이러한 주파수 분포 데이터는 목표물인 인체 조직 속도 성분의 속도 분포 스펙트럼에 해당하는데, 후처리부(405)에서는 보다 좋은 영상을 얻기 위하여 주파수 분포 데이터에 대하여 로그 압축 및 기저선 천이와 같은 공지된 신호처리를 수행하는데, 특히 후처리부(405)를 통한 후처리 과정에서 인체 조직 속도 검출 수단(400)에 의해 검출된 인체 조직 속도 성분에 대하여 적절한 이득을 곱하게 되는데, 이는 승산기(403)에 의해 곱해진 이득 수준만큼 원래의 인체 조직 속도 성분의 크기가 줄어들게 되므로 이를 보상하고자 후처리부(405)에서 다시 일정 수준의 이득을 곱해주는 것이다. 이와 같이, 후처리부(405)에 의해 최종적으로 출력되는 인체 조직 속도 성분을 나타내는 주파수 분포 데이터(즉, 인체 조직 속도 성분의 속도 분포 스펙트럼)는 표시부(109)로 입력되어 화면에 표시된다.
위와 같이, 본 발명에 따른 초음파 진단 장치는 조직 속도 성분과 혈류 속도 성분이 모두 포함되어 있는 신호에 1 이하의 값(예를 들어, 0.04 혹은 0.03 등)을 곱하여 상대적으로 작은 값을 가진 혈류 속도 성분을 효율적으로 제거한다.
도 15는 위와 같이 구성된 인체 조직 속도 성분 검출 수단(400)을 구비한 본 발명에 따른 초음파 진단 장치를 사용하여 심장벽 또는 판막속도를 측정한 화면의 일예를 보인 것이다.
전술한 인체 조직 속도 성분 검출 수단을 구비한 본 발명에 따른 초음파 진단 장치는 앞에서 설명한 종래의 초음파 진단 장치의 단점을 보완하여 다음과 같은 장점을 가진다.
첫째, 인체내의 조직 속도 성분을 검출하기 위해 종래에 사용하던 저역 통과 필터 대신에 인체내의 조직 속도 성분과 혈류 속도 성분의 크기 차이를 이용하여 혈류 속도 성분이 제거될 수 있는 적절한 이득 수준을 곱하는 방식을 사용함으로써 마치 저역 통과 필터를 사용한 것과 같은 효과를 낸다. 따라서, 인체내의 조직 속도 성분이 변하더라도(즉, 속도가 변하더라도) 이득을 결정하는 것과는 무관하고 저역 통과 필터도 사용하지 않기 때문에 종래의 방법처럼 차단 주파수를 바꿔야 할 필요가 없게 된다.
둘째, 속도 성분과 전력 성분을 검출하는 경우, 혈류 속도 성분이 에일리어싱되어 인체내의 조직 속도 성분 영역이나 왜곡된 영역에 포함되어도 적절한 이득을 곱하여 혈류 속도 성분을 제거하기 때문에 속도 성분과 전력 성분의 왜곡이 단지 크기에만 국한된다. 이와 같은 크기 성분의 왜곡은 후처리 과정에서 적절한 이득을 곱하여 원래의 크기로 복원가능하므로 종래의 방법에서 발생될 수 있던 혈류 속도 성분 때문에 조직 속도 성분의 크기가 왜곡되는 경우를 완전 차단한다. 따라서, 종래에 에일리어싱(aliasing) 현상으로 인하여 인체내의 조직 속도 성분이 잘못 계산되는 단점을 미연에 방지하므로 측정 데이터의 신뢰성이 매우 높다.
셋째, 본 발명에 따른 초음파 진단 장치는 인체 조직 속도를 검출하기 위해서 저역 통과 필터를 사용하지 않기 때문에 종래의 방법에서 필터 사용으로 인해 발생되던 필터의 차수(N-1)/2 만큼의 지연이 발생되지 않으므로 실시간 처리 능력이 향상되고, 갭 채우기 모드(Gap filling mode)에서도 채워야 할 데이터 구간이 필터 차수만큼 줄어들어 종래의 방법보다 계산과정이 훨씬 간단해지므로 매우 효율적이다.
상술한 실시예는 본 발명의 원리를 응용한 다양한 실시예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않음을 이해해야 한다. 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질로부터 벗어남이 없이 여러가지 변형이 가능함을 명백히 알 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 도플러 효과를 이용한 초음파 진단 장치 및 방법은 저역 통과 필터를 사용하지 않고 인체내의 조직 속도를 실시간으로 측정한다.
또한, 인체 조직 속도 검출을 위해 저역 통과 필터를 사용하지 않고, 조직 속도 성분과 혈류 속도 성분이 모두 포함된 샘플 데이터에 대하여 혈류 속도 성분을 제거할 수 있는 1 이하의 일정 이득 수준을 곱하여 혈류 속도 성분을 제거함으로써 필터 차수로 인한 지연문제를 방지할 뿐만 아니라 보간이 필요한 데이터 구간도 획기적으로 줄일 수 있다. 따라서, 측정된 조직 속도 성분에 대한 데이터 신뢰도가 높아지고 계산처리 과정의 간단화로 인하여 실시간 처리 능력이 매우 향상된다.

Claims (10)

  1. 도플러 효과를 이용하여 인체 내의 조직 속도를 측정하기 위한 초음파 진단 장치에 있어서,
    초음파 신호를 인체로 전송하고 상기 인체로부터 반사된 에코(echo) 신호를 샘플링함으로써 샘플 데이터를 발생하기 위한 샘플 데이터 발생수단과,
    상기 샘플 데이터를 처리하여 상기 인체 내의 조직의 속도 성분 및 혈류의 속도 성분을 포함하는 주파수 분포 데이터 ― 상기 주파수 분포 데이터는 각각 해당하는 전력 레벨(level)을 갖는 다수의 주파수 성분을 포함함 ― 를 발생하기 위한 수단과,
    상기 주파수 분포 데이터로부터 상기 조직의 속도 성분에 대응하는 주파수 분포 데이터를 추출하기 위한 검출 수단과,
    상기 검출 수단과 연결되어 있으며 상기 추출된 주파수 분포 데이터를 디스플레이하기 위한 수단
    을 포함하되,
    상기 검출 수단은,
    상기 조직의 속도 성분 및 혈류의 속도 성분을 포함하는 상기 주파수 분포 데이터를 입력받기 위한 입력 수단과,
    상기 주파수 분포 데이터의 DC(direct current) 성분을 제거하기 위한 제거 수단과,
    상기 주파수 분포 데이터로부터 상기 혈류의 속도 성분을 추출하기 위한 추출 수단과,
    상기 추출된 혈류의 속도 성분의 최대값을 결정하기 위한 결정 수단과,
    상기 결정된 최대값에 근거하여 이득 레벨을 결정하기 위한 결정 수단과,
    상기 결정된 이득 레벨을 상기 결정된 최대값과 승산하기 위한 승산 수단
    을 포함하며,
    상기 결정된 이득 레벨은 상기 결정된 최대값과 승산되어 상기 결정된 최대값을 제로(zero)에 근접하도록 만드는 값으로 결정되는 초음파 진단 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 결정된 최대값은 사전설정된 시간 동안 상기 혈류의 속도 성분의 평균값에 근거하여 결정되는 초음파 진단 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 검출 수단은 상기 결정된 이득 레벨을 상기 추출된 주파수 분포 데이터에 곱하여 상기 조직의 속도 성분의 진폭 손실을 보상하기 위한 수단을 더 포함하는 초음파 진단 장치.
  6. 인체에 초음파를 송신하고 상기 인체로부터 반사된 에코 신호에 도플러 효과를 적용하여 상기 인체 내의 조직 속도를 측정하기 위한 방법에 있어서,
    (a) 초음파 신호를 인체로 전송하고 상기 인체로부터 반사된 에코(echo) 신호를 샘플링함으로써 샘플 데이터를 발생하는 단계와,
    (b) 상기 샘플 데이터를 처리하여 상기 인체 내의 조직의 속도 성분 및 혈류의 속도 성분을 포함하는 주파수 분포 데이터 ― 상기 주파수 분포 데이터는 각각 해당하는 전력 레벨을 갖는 다수의 주파수 성분을 포함함 ― 를 발생하는 단계와,
    (c) 상기 주파수 분포 데이터로부터 상기 조직의 속도 성분에 대응하는 주파수 분포 데이터를 추출하는 단계와,
    (d) 상기 추출된 주파수 분포 데이터를 디스플레이하는 단계
    를 포함하되,
    상기 주파수 분포 데이터 추출 단계 (c)는,
    (c1) 상기 조직의 속도 성분 및 혈류의 속도 성분을 포함하는 상기 주파수 분포 데이터를 입력받는 단계와,
    (c2) 상기 주파수 분포 데이터의 DC(direct current) 성분을 제거하는 단계와,
    (c3) 상기 주파수 분포 데이터로부터 상기 혈류의 속도 성분을 추출하는 단계와,
    (c4) 상기 추출된 혈류의 속도 성분의 최대값을 결정하는 단계와,
    (c5) 상기 결정된 최대값에 근거하여 이득 레벨(level)을 결정하는 단계와,
    (c6) 상기 결정된 이득 레벨을 상기 결정된 최대값과 승산하는 단계
    를 포함하며,
    상기 결정된 이득 레벨은 상기 결정된 최대값과 승산되어 상기 결정된 최대값을 제로(zero)에 근접하도록 만드는 값으로 결정되는 초음파 진단 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 결정된 최대값은 사전설정된 시간 동안 상기 혈류의 속도 성분의 평균값에 근거하여 결정되는 초음파 진단 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 주파수 분포 데이터 추출 단계 (c)는 상기 결정된 이득 레벨을 상기 추출된 주파수 분포 데이터에 곱하여 상기 조직의 속도 성분의 진폭 손실을 보상하는 단계를 더 포함하는 초음파 진단 방법.
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