KR100752334B1 - 2 dimensional curved array transducer for use in ultrasound imaging apparatus - Google Patents

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Abstract

본 발명은 3차원 내지 4차원 초음파 영상 형성 시스템에서 사용되는 2차원 배열 변환자에 관한 것으로서, 변환자들이 하나 이상의 곡률을 갖는 곡면상에 배치되는 2차원 곡면 배열 변환자에 관한 것이다. 2차원 곡면 배열 변환자는 N ×M 변환자들을 포함하고, N 및 M은 상기 곡면 배열 변환자를 이용하여 형성할 수 있는 3차원 초음파 영상의 시야각(view angle) 및 볼륨각(volume angle)에 따라 결정된다. 2차원 곡면 배열 변환자를 제어하기 위하여, 열 변환자들을 스위칭하기 위한 고전압 스위칭 소자들과, 상기 스위칭 소자들이 상기 배열 변환자 중의 임의의 변환자들을 단락시키도록 제어하기 위한 스위칭 제어부가 추가로 구비된다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to two-dimensional array transducers used in three- to four-dimensional ultrasound image forming systems, wherein the transducers are disposed on curved surfaces having one or more curvatures. The 2D surface array transducer includes N × M transducers, and N and M are determined according to the view angle and volume angle of the 3D ultrasound image that can be formed using the surface array transducer. do. In order to control the two-dimensional curved array transducer, there is further provided high voltage switching elements for switching the thermal transducers, and a switching controller for controlling the switching elements to short any of the array transducers. .

Description

초음파 영상 형성 장치용 이차원 곡면 배열 변환자{2 DIMENSIONAL CURVED ARRAY TRANSDUCER FOR USE IN ULTRASOUND IMAGING APPARATUS}Two-Dimensional Surface Array Transducer for Ultrasound Imaging Apparatus {2 DIMENSIONAL CURVED ARRAY TRANSDUCER FOR USE IN ULTRASOUND IMAGING APPARATUS}

도 1a는 2차원 곡면 배열 변환자가 표면에 배치되는 구의 입체도.1A is a three-dimensional view of a sphere with a two-dimensional curved array transducer disposed on a surface thereof.

도 1b는 도 1a의 구를 위에서 바라본 단면도.FIG. 1B is a sectional view from above of the sphere of FIG. 1A; FIG.

도 1c는 도 1a의 구를 측면에서 바라본 단면도.1C is a cross-sectional side view of the sphere of FIG. 1A;

도 1d는 2차원 곡면 배열 변환자가 2가지 곡률을 갖는 곡면상에 위치하는 경우를 도시한 도면.FIG. 1D illustrates a case where a two-dimensional curved array transducer is located on a curved surface having two curvatures. FIG.

도 2는 2차원 곡면 배열 변환자의 구조를 전면에서 도시한 도면.2 is a front view showing the structure of a two-dimensional surface array transducer;

도 3은 고도 방향으로 배열 소자들을 폴딩한 예.3 shows an example of folding the array elements in the elevation direction.

도 4는 제2 실시예에 따른 2차원 배열 변환소자의 묶음 형태에 고도방향 폴딩을 적용하는 것을 모식적으로 도시한 도면.4 is a diagram schematically illustrating the application of the high-direction folding to the bundle of the two-dimensional array conversion element according to the second embodiment.

도 5는 측 방향으로 배열 소자들을 폴딩한 예.5 shows an example of folding the array elements in the lateral direction.

도 6은 제3 실시예에 따른 2차원 배열 변환소자의 묶음 형태에 측 방향 및 고도방향 두 방향 모두 폴딩을 적용하는 것을 도시한 도면.FIG. 6 is a view illustrating the folding of the two-dimensional array converter according to the third embodiment in both lateral and altitude directions.

도 7은 제3 실시예에 따른 2차원 배열 변환소자의 묶음 형태의 변환 형태에 측 방향 및 고도방향 두 방향 모두 폴딩을 적용한 것을 도시한 도면.FIG. 7 is a view illustrating the folding of the two-dimensional array converter according to the third exemplary embodiment in which folding is applied in both lateral and altitude directions. FIG.

도 8은 본 발명의 2차원 곡면 배열 변환자를 이용하는 초음파 영상 형성 시 스템을 도시한 도면.8 is a diagram illustrating an ultrasound image forming system using the 2D curved array transducer of the present invention.

도 9은 본 발명의 다른 실시예에 따른 변환자, 송신 트랜지스터 및 크로스 포인트 스위치들의 연결관계를 도시한 도면.9 illustrates a connection relationship between a transducer, a transmission transistor, and cross point switches according to another exemplary embodiment of the present invention.

도 10은 도 9의 수신용 버퍼 및 크로스 포인트 스위치 블록(110)의 회로의 일례.10 is an example of a circuit of the receiving buffer and cross point switch block 110 of FIG.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>

1 : 입력부1: input unit

5 : 스위칭 제어부5: switching control unit

11 : 펄서11: pulsar

21 : 송수신 스위치21: transmit and receive switch

31 : 수신부31: receiving unit

37 : 비임 형성부37: beam forming portion

현재까지의 일반적인 초음파 진단장치는 일차원 배열 변환자를 이용하여 인체 내부의 이차원 단면영상을 제공하였다. 최근 들어 3차원(또는 4차원) 영상을 얻기 위해 이차원 배열 변환자(array transducer)를 이용하는 방법이 시도되고 있다. 하지만 이 경우 일차원 배열 변환자를 사용할 경우보다 채널의 수가 기하급수적으로 늘어나 실제 시스템 구현시 현재의 기술로는 많은 한계를 갖는다. 예를 들 어, 3차원(또는 4차원) 영상을 얻기 위해 편향이 가능한 기존의 위상 배열 변환자(phased array transducer)를 2차원으로 확장한 일반적인 개념의 2차원 변환자는 기하급수적으로 늘어나는 채널의 수(예를 들어 64채널의 일차원 위상 배열 변환자를 이차원 위상 배열 변환자로 확장한다면 채널 수는 64x64=4096) 때문에 시스템의 복잡도는 매우 증가하며 사실상 구현 가능성이 낮다. 설사 방대한 시스템을 고집적 회로 등을 사용하여 구현한다고 하더라도 시스템 본체로부터 변환자를 포함하는 프로브로 연결되는 막대한 양의 전기선 때문에 시술자가 진단에 사용하기에 무겁고 불편하여 무리가 따를 수밖에 없는 상황이다. 만약 이러한 상황을 해소하기 위해 현재의 기술로 구현 가능한 채널의 수(예:256 또는 512)로 전체 채널의 수를 제한한다면 급격한 해상도 저하를 낳게 된다.Until now, the general ultrasonic diagnostic apparatus provided a two-dimensional cross-sectional image of the inside of a human body using a one-dimensional array transducer. Recently, a method of using a two-dimensional array transducer has been attempted to obtain a three-dimensional (or four-dimensional) image. However, in this case, the number of channels increases exponentially than the case of using the one-dimensional array transformer, and there are many limitations with the current technology in the actual system implementation. For example, a general concept two-dimensional transducer that extends a conventional phased array transducer that can be deflected in two dimensions to obtain a three-dimensional (or four-dimensional) image is the number of channels that grow exponentially. (For example, if you extend a 64-channel one-dimensional phased array transformer to a two-dimensional phased array transformer, the number of channels is 64x64 = 4096). Even if a large system is implemented using an integrated circuit, a large amount of electric wires connected from the system main body to a probe including a transducer are heavy and inconvenient for the operator to use for diagnosis, which leads to an unreasonable situation. If the current channel is limited to the number of channels (for example, 256 or 512) that can be implemented in order to solve this situation, the resolution will be drastically reduced.

또한 이러한 2차원 위상 배열 변환자는 각 주사선을 얻기 위해 빔의 편향(steering)을 반드시 필요로 하는데, 이 경우 원치 않는 그레이팅 로브(grating lobe)를 발생시키지 않으려면, 각 배열 변환자 소자간의 간격을 0.5λ[λ:wave length(파장)] 이하로 제한하여야 한다. 따라서 이는 전체 배열 변환자의 크기를 제한하여 해상도 저하를 유발한다.In addition, these two-dimensional phased array transformers require beam steering to obtain each scan line, in which case the spacing between the array transducer elements is 0.5 to avoid unwanted grating lobes. It should be limited to less than [lambda] [wave length]. Therefore, this limits the size of the entire array transformer and causes resolution degradation.

3차원(또는 4차원) 영상을 얻기 위한 또 다른 방법으로는 위에서 언급한 이차원 배열 변환자를 사용하는 대신 기존의 일차원 배열 변환자를 기계적으로 움직여(고도방향 또는 프레임 진행방향으로) 3차원(또는 4차원) 영상을 얻는 방법이 있다. 하지만 이러한 방법의 경우 기계적으로 움직이는 1차원 배열 변환자의 정확한 위치정보를 알아야 하며, 이를 모터를 이용하여 정확히 조정해야 되는 어려움이 따 른다. 또한 무엇보다 이 경우 단순히 일차원 배열 변환자를 고도방향 또는 프레임 진행 방향으로 움직이므로 여전히 고도방향 해상도는 기존의 1차원 배열 변환자를 사용했을 경우와 같이 음향 렌즈에 의해 제한되게 된다. 즉, 1차원 배열 변환자를 사용하므로, 측 방향으로는 각 변환 소자 별로 다른 시간지연을 가해 빔을 원하는 곳에 집속시킬 수 있지만 고도방향으로는 렌즈에 의한 집속 효과밖에 없게 된다. 즉, 1차원 배열 변환자를 기계적으로 움직여 3차원(또는 4차원) 영상을 얻는 방법은 기존의 일차원 배열 변환자가 갖는 고도방향 해상도의 저하를 극복할 수 없으며, 기계적으로 배열 변환자를 정확히 제어해야되는 어려움이 따르며 동시에 필수 불가피하게 따르는 기계 부분에 대한 마모는 제품의 사용 기간을 단축시킬 수 있으며 많은 사용상의 문제를 야기할 수 있다. Another way to obtain a three-dimensional (or four-dimensional) image is to move the existing one-dimensional array transducer mechanically (in high or frame advancing directions) instead of using the two-dimensional array transformers mentioned above. ) There is a way to get the image. However, in this method, it is necessary to know the exact position information of the mechanically moving one-dimensional array transducer, which requires the accurate adjustment using a motor. Also, in this case, since the one-dimensional array transducer is simply moved in the altitude direction or the frame advancing direction, the altitude resolution is still limited by the acoustic lens as in the case of using the conventional one-dimensional array transducer. That is, since the one-dimensional array transducer is used, the beam can be focused where desired by applying a different time delay for each conversion element in the lateral direction, but in the altitude direction, only the focusing effect by the lens is obtained. That is, the method of mechanically moving the one-dimensional array transducer to obtain a three-dimensional (or four-dimensional) image cannot overcome the degradation of the high resolution of the conventional one-dimensional array transducer, and it is difficult to accurately control the array transducer mechanically. This and at the same time inevitably wear on the machine parts can shorten the service life of the product and cause many usage problems.

따라서 본 발명의 목적은 커다란 해상도의 저하 없이 현재 기술로 구현이 가능한 새로운 구조의 2차원 곡면 배열 변환자를 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a two-dimensional surface array transducer of a novel structure that can be implemented by the current technology without a significant loss of resolution.

본 발명의 또다른 목적은 상기 2차원 곡면 배열 변환자를 포함하는 초음파 영상 형성 장치를 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide an ultrasound image forming apparatus including the 2D curved array transducer.

본 발명의 또다른 목적은 상기 2차원 곡면 배열 변환자를 포함하는 초음파 영상 형성장치에서 영상 형성에 필요한 연산의 양을 감소시키는 바업을 제공하는데 있다.It is still another object of the present invention to provide a bar-up for reducing the amount of computation required for image formation in an ultrasonic image forming apparatus including the 2D curved array transducer.

상기 목적을 달성하기 위하여, 변환자들이 하나 이상의 곡률을 갖는 곡면상 에 배치되는 초음파 영상 진단 장치용 2차원 곡면 배열 변환자가 제공된다.In order to achieve the above object, a two-dimensional curved array transducer for an ultrasound imaging apparatus is provided, wherein the transducers are arranged on a curved surface having at least one curvature.

상기 곡면 배열 변환자는 N ×M 변환자들을 포함하고, N 및 M은 상기 곡면 배열 변환자를 이용하여 형성할 수 있는 3차원 초음파 영상의 시야각(view angle) 및 볼륨각(volume angle)에 따라 결정되며, 상기 곡면은 구면일 수 있다.The curved array transducer includes N × M transformers, and N and M are determined according to a view angle and a volume angle of a 3D ultrasound image that may be formed using the curved array transducer. The curved surface may be a spherical surface.

또한, 본 발명의 2차원 곡면 배열 변환자에는 상기 배열 변환자들을 스위칭하기 위한 고전압 스위칭 소자들이 부착되며, 상기 스위칭 소자들이 상기 배열 변환자 중의 임의의 변환자들을 단락시키도록 제어하기 위한 스위칭 제어부가 구비된다.In addition, a high voltage switching element for switching the array transducers is attached to the two-dimensional curved array transducer of the present invention, and a switching controller for controlling the switching elements to short-circuit any of the array transducers. It is provided.

기존의 1차원 위상 배열 변환자의 가장 큰 문제점은 빔의 편향에 의해 주사선을 획득해야 한다는 것이다. 위상 배열 변환자처럼 빔을 편향하여 주사선을 획득할 경우, 그레이팅 로브(grating-lobe)가 발생할 수 있고, 이를 피하기 위해서는 반드시 배열 소자의 간격이 0.5λ이하로 제한된다. 1차원 곡면 배열 변환자(convex 또는 concave 배열 변환자)의 경우에는 이와 같은 제한이 없어서 배열 변환자 간격을 λ이상으로 확장시킬 수 있다. 이론적으로는 빔을 편향시키지 않는 곡면 배열 변환자의 경우, 원치 않는 그레이팅 로브(grating-lobe)를 발생시키지 않으려면 배열 소자의 간격은 λ이하가 되어야 한다. 하지만 이것은 연속파(CW: Continuous Wave)를 사용했을 경우에 대한 것이고, 광 대역(wide-band)의 펄스를 사용하는 실제 상황에서는 이러한 조건이 어느 정도 완화된다. 따라서, 실제로는 λ이상 간격으로 설계된 곡면 배열 변환자가 많이 사용된다.The biggest problem of the conventional one-dimensional phased array transducer is that the scanning line must be obtained by deflection of the beam. When a scanning line is obtained by deflecting a beam like a phased array transducer, a grating-lobe may occur, and the spacing of array elements is necessarily limited to 0.5 lambda or less to avoid this. In the case of the one-dimensional surface array transformer (convex or concave array transformer), there is no such restriction, and thus the array transformer spacing can be extended to be larger than λ. Theoretically, for curved array transducers that do not deflect the beam, the spacing of array elements should be less than [lambda] in order not to cause unwanted grating-lobes. However, this is for the case of continuous wave (CW), which is alleviated to some extent in real-world situations using wide-band pulses. Therefore, in practice, many surface array transducers designed with intervals of λ or more are used.

이와 같이 편향없이 단순한 선형 주사(linear scan)에 의해서 주사선을 얻을 수 있는 곡면 배열 변환자는 배열 소자의 크기 및 간격이 이론적으로 선형 배열 변환자에 비해 2배 이상 커질 수 있어서 전체 개구(aperture)의 크기 증대에 따른 해상도의 개선 및 SNR(Signal-to-Noise Ratio)의 향상을 기대할 수 있다. The curved array transducers, which can obtain scan lines by simple linear scan without deflection, can theoretically be twice as large as the linear array transducers because the size and spacing of the array elements are theoretically larger. Improvement in resolution and signal-to-noise ratio (SNR) can be expected.

본 발명은 이와 같은 특성을 갖도록 구현한, 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같은 새로운 구조의 2차원 곡면 배열 변환자 및 이를 포함하는 초음파 영상 시스템에 관한 것이다. 즉, 기존의 1차원 곡면 배열 변환자가 갖는 장점을 2차원, 3차원, 및 4차원 초음파 영상 시스템에 그대로 적용할 수 있도록 하는, 2차원 곡면 배열 변환자에 관한 것이다. 2차원 곡면 배열은 원거리 시야 및 근거리 시야가 모두 적절히 넓기 때문에 복부용으로는 적절하다. The present invention relates to a two-dimensional surface array transducer having a new structure as shown in FIGS. 1 and 2 and an ultrasonic imaging system including the same, implemented to have such characteristics. That is, the present invention relates to a two-dimensional curved array transducer, which allows the advantages of the existing one-dimensional curved array transducer to be applied to two-dimensional, three-dimensional, and four-dimensional ultrasound imaging systems as they are. Two-dimensional curved arrays are suitable for the abdomen because both the far field and near field of view are adequately wide.

도 1에는 본 발명에 따른 2차원 곡면 배열 변환자가 표면에 배치되는 가상의 구(sphere)의 3차원 형상도 및 위, 측면에서 본 단면도가 도시되어 있다. 도 1a는 2차원 곡면 배열 변환자가 표면에 배치되는 구(sphere)를 입체적으로 도시한 도면으로서, R은 2차원 변환소자들이 표면상에 위치하는 구의 반지름을 나타내고 a, b는 각각 측 방향(주사선이 진행하는 방향)과 고도 방향(프레임이 진행하는 방향)으로의 시야각(view angle)을 나타내고, 구 표면에 빗금으로 표시한 영역에 배열 변환자가 배치된다. 도 1a와 같이 구 표면 S상에 2차원 곡면 변환 소자가 분포되어 있다면 R은 모든 변환소자에서 동일하다. 이때 주사선 진행 방향과 프레임 진행방향은 도 1a에 도시된 것과 반대로 결정하여도 무방하다.Figure 1 shows a three-dimensional top view and a cross-sectional view from above and from the side of a virtual sphere in which a two-dimensional curved array transducer according to the present invention is disposed on a surface. FIG. 1A is a three-dimensional view of a sphere in which a two-dimensional curved array transducer is disposed on a surface, in which R represents a radius of a sphere where two-dimensional conversion elements are located on a surface, and a and b are lateral directions (scanning lines). An array transducer is arranged in an area indicated by hatching on the surface of the sphere, showing the viewing angle in the direction in which the direction of travel) and the altitude direction (the direction in which the frame proceeds). If the two-dimensional curved conversion element is distributed on the spherical surface S as shown in Fig. 1A, R is the same in all the conversion elements. In this case, the scan line advancing direction and the frame advancing direction may be determined opposite to those shown in FIG. 1A.

도 1b는 도 1a의 구를 위에서 바라본 단면도이다. 도 1b에 도시된 바와 같이 a는 한 프레임에서 제공되는 시야각을 결정짓는다. 도 1c는 도1a를 측면에서 바라본 단면도이다. 도 1c에 도시된 바와 같이 b는 프레임이 진행하는 방향으로의 볼륨각(volume angle)을 결정짓는다. 설계 및 목적에 따라서 a, b는 서로 다르게 설계될 수도 있다. 즉, 가로 및 세로폭이 서로 다르게 2차원 곡면 변환자를 설계할 수 있다.FIG. 1B is a sectional view from above of the sphere of FIG. 1A; FIG. As shown in FIG. 1B, a determines the viewing angle provided in one frame. FIG. 1C is a cross-sectional view of FIG. 1A seen from the side. As shown in FIG. 1C, b determines the volume angle in the direction in which the frame proceeds. Depending on the design and purpose, a and b may be designed differently. That is, the two-dimensional surface transducer can be designed differently in width and height.

또한 이러한 변수 R, a, 및 b 등은 변환소자들이 위치하는 표면이 도 1a, b, c에서와 같이 구인지 도 1d와 같이 임의의 곡면인지에 따라서도 다를 수 있다. 도 1d은 두개의 정점(c1, c2)에서 각각 반지름이 R1, R2인 도우넛 형태의 표면상에 2차원 곡면 배열 변환자가 위치하는 경우를 도시한 도면이다. 이때는 R은 각각의 변환자별로 달라질 수 있으며 이 때 a 및 b 각각의 역할은 구인 경우와 동일하며, 서로 같을 수도 있고, 다를 수도 있다.In addition, the variables R, a, and b may be different depending on whether the surface on which the conversion elements are located is a sphere as shown in FIGS. FIG. 1D illustrates a case in which two-dimensional curved array transducers are positioned on a donut-shaped surface having radii R1 and R2 at two vertices c1 and c2, respectively. In this case, R may be different for each transducer, and the roles of a and b are the same as in the case of a sphere, and may be the same as or different from each other.

도 2는 도 1a에 도시된 구의 표면 S상에 위치하는 2차원 곡면 배열 변환자를 빔이 전파되는 전면에서 바라본 경우를 도시한 도면이다. 주사선이 이동하는 측 방향(a)과 프레임이 진행되는 고도방향(b) 각각으로의 전체 배열소자 수를 N, M으로 나타내고, 각 방향으로의 실제 활성(active) 채널을 구성하는 소자를 각각 N', M'로 표현하였다(N>=N', M>=M'). 또한 한 개의 변환소자의 각각의 방향에 대한 크기는 d, h로 나타내었다. 이러한 값들은 변환자를 포함하는 초음파 진단장치가 사용되는 상황, 진단 분야 등에 따라서 충분히 변경되어 설계될 수 있다.FIG. 2 is a view showing a case where the two-dimensional curved array array located on the surface S of the sphere shown in FIG. 1A is viewed from the front surface where the beam propagates. N and M represent the total number of array elements in each of the side direction (a) in which the scan line moves and the altitude direction (b) in which the frame proceeds, and each N element that constitutes the actual active channel in each direction. ', M' (N> = N ', M> = M'). In addition, the size of each conversion element is represented by d and h. These values may be sufficiently changed according to the situation in which the ultrasonic diagnostic apparatus including the transducer is used, the diagnostic field, and the like.

도 1과 같은 2차원 곡면 배열 변환자를 이용하는 경우 각 주사선 획득시 빔을 편향할(steering) 필요 없이 소정의 주사선에 해당하는 변환소자의 2차원 개구(즉, 소정의 주사선에 대응하여 활성화되는 변환자들의 집합)가 향하는 방향의 집속 점으로 빔을 송신한다. 따라서, 1차원 곡면 배열 변환자가 갖는 최대의 장점을 그대로 유지할 수 있다. 즉, 빔을 편향할 경우 배열 소자의 간격이 제한(0.5λ)되는데 비하여, 본 발명의 2차원 곡면 배열 변환자에서는 변환 소자간의 간격이 λ이상으로 확장시킬 수 있어 전체 구경의 크기가 증대되므로 해상도 및 SNR의 개선이 기대된다. In the case of using the two-dimensional curved array transducer as shown in FIG. 1, the two-dimensional opening of the conversion element corresponding to the predetermined scan line (that is, the transducer activated corresponding to the predetermined scan line) without having to deflect the beam when obtaining each scan line. Beams are sent to the focus point in the direction of the heading. Therefore, the greatest advantage of the one-dimensional curved array transducer can be maintained as it is. In other words, when the beam is deflected, the spacing of the array elements is limited (0.5λ), whereas in the two-dimensional curved array transducer of the present invention, the spacing between the converting elements can be extended to be λ or more, so that the size of the entire aperture is increased, so that the resolution is increased. And improvement of SNR is expected.

또한 이러한 구조의 2차원 곡면 배열 변환자를 사용할 경우, 각 해당 주사선을 얻기 위해 실제 활성화되는 소자들(active channel, active transducers)에 대한 송신 및 수신 지연은 주사선 진행 방향 또는 프레임 진행방향으로 일정한 규칙성을 갖는다. 따라서, 이러한 성질을 이용하여 전체 변환자의 제어 및 영상획득을 쉽고 빠르며 최소한의 하드웨어를 이용하여 할 수 있다.In addition, when using the two-dimensional curved array transducer of this structure, the transmission and reception delays for the active channels (active transducers) that are actually activated to obtain each corresponding scan line have a constant regularity in the scan line or frame progress direction. Have Therefore, by using this property, the control and image acquisition of the entire transducer can be easily and quickly performed using minimal hardware.

본 발명의 2차원 곡면 배열 변환자를 이용한 실제 실시예를 이하에서설명한다. 우선 현실적으로 구현 가능성이 큰, x축과 y축으로 각각 64개의 배열 소자(즉, 총 4096개의 변환소자)를 갖는 2차원 곡면 배열 변환자를 고려하기로 한다. 이 경우 실제 활성 채널 수를 256으로 제한한다면, x, y축으로 각각 16개씩 할당하여 16x16 소자 그룹을 개구로 할 수 있다(도 2 참조). A practical embodiment using the two-dimensional curved array transducer of the present invention is described below. First, consider a two-dimensional curved array transducer having 64 array elements (that is, a total of 4096 conversion elements) on the x-axis and the y-axis, which are practically feasible. In this case, if the actual number of active channels is limited to 256, the 16x16 device group may be an opening by allocating 16 units on the x and y axes (see FIG. 2).

본 발명의 2차원 곡면 배열 변환자의 구조에 따르면 정사각형 개구뿐만 아니라 개구의 형태(X ×Y)를 다양하게 선택할 수 있다. 개구의 형태의 선택에 의해 해상도와 프레임율 간의 트레이드 오프할 수 있고 따라서 시스템 성능의 선택의 폭이 넓다. 즉, X ×Y 개구를 각 응용분야 또는 진단 목적에 따라 가장 적합한 형태로 이용함으로써 한 개의 변환자를 사용하는 초음파 영상 시스템에서 다양한 모드 의 제공이 가능하다.According to the structure of the two-dimensional curved array transducer of the present invention, not only the square opening but also the shape of the opening (X × Y) can be variously selected. The selection of the shape of the opening allows tradeoff between resolution and frame rate, and thus the choice of system performance is wide. That is, by using the X × Y opening in the most suitable form for each application or diagnostic purposes, it is possible to provide a variety of modes in the ultrasound imaging system using a single transducer.

본 발명의 제1실시예에 따르면 앞서 예로 든 것과 같이 16x16의 활성 채널이 사용된다. 이 경우 배열 소자의 간격이 동일하다면 기존의 1차원 곡면 배열 변환자를 사용한 64채널 시스템에 비해 해상도는 1/4로 떨어지지만 2차원 영상에서 고도 방향으로 측 방향과 동일한 해상도를 얻을 수 있는 장점이 있다. 이 경우 주사선 방향 및 프레임 방향 각각으로 다중 빔(multi-beam receive focusing) 기법을 적용한다면 3차원 또는 4차원 초음파 영상장치에서 빠른 볼륨 레이트(volume rate, volume/sec) 획득이 가능하다. 즉, 16x16 개구를 사용하면 해상도 관점에서는 어느 정도의 화질 저하는 있을 수 있지만 볼륨 레이트(volume rate)가 가장 중요한 요소가 되는 4차원 초음파 영상 장치에 본 실시예가 적합한 실시예가 될 수 있다.According to the first embodiment of the present invention, 16x16 active channels are used as exemplified above. In this case, if the spacing of the array elements is the same, the resolution is reduced to 1/4 compared to the 64-channel system using the conventional 1-dimensional curved array transducer, but there is an advantage that the same resolution as the lateral direction can be obtained in the high-direction direction in the 2D image. . In this case, if a multi-beam receive focusing technique is applied in each of the scan line direction and the frame direction, a fast volume rate (volume / sec) can be obtained in a 3D or 4D ultrasound imaging apparatus. In other words, the use of the 16x16 aperture may result in some deterioration in image quality from the viewpoint of resolution, but this embodiment may be a suitable embodiment for a four-dimensional ultrasound imaging apparatus in which a volume rate is the most important factor.

본 발명의 제2 실시예에 따르면 32 ×16개의 변환자를 활성 변환자 세트로 사용한다. 다만, 채널의 수(제어하여야 하는 채널의 수)를 16 ×16인 경우와 동일하게 유지하기 위하여 고도 방향으로 대칭성을 이용하여 폴딩을 한다. 도 3은 고도 방향으로 배열 소자들을 폴딩한 경우 즉, 고도 방향으로 대칭인 소자들을 서로 연결한 경우를 도시하고 있다. 이때, 서로 연결된 또는 폴딩된 소자들은 집속점 또는 스캔라인에 대해 대칭성을 갖는 변환자들로서, 송신시는 동시에 펄스가 송신되고, 수신시는 적용되는 지연의 값이 동일한 소자쌍이다. According to the second embodiment of the present invention, 32 x 16 transducers are used as the active transducer set. However, in order to keep the number of channels (the number of channels to be controlled) the same as the case of 16 × 16, folding is performed using symmetry in the elevation direction. 3 illustrates a case in which the array elements are folded in the altitude direction, that is, the elements symmetric in the altitude direction are connected to each other. At this time, the connected or folded elements are transducers having symmetry with respect to a focal point or a scan line, and a pulse is transmitted simultaneously at the time of transmission, and is a pair of devices having the same delay value at the time of reception.

도 3은 제1 실시예에 비하여 해상도를 다소 높이면서도, 볼륨 레이트의 손실은 막는 방식이다. 3차원 또는 4차원 영상 분야에서는 빠른 프레임율(frame-rate)이 기본적인 요구조건이므로 수신 다중 빔(receive multi-beam) 기능은 반드 시 요구된다. 도 3에 도시된 실시예에 따르면 측(x) 방향으로 놓인 변환소자들은 폴딩(folding)되지 않았으므로, 주사선 진행 방향(x 방향, 측 방향)으로의 다중 빔을 구현할 수 있는 반면에, 고도방향(또는 프레임 진행방향)으로 위치한 변환소자들은 폴딩(folding)되므로 프레임 방향에 대한 다중 빔은 구현되기 어렵다. 대신 프레임 보간(interpolation) 기법 등을 적용하여 볼륨 레이트(volume rate)은 그대로 유지할 수도 있다.3 is a method of slightly increasing the resolution compared to the first embodiment while preventing the loss of the volume rate. In a 3D or 4D image field, a fast frame rate is a basic requirement, so a receive multi-beam function is required. According to the embodiment shown in FIG. 3, since the conversion elements placed in the lateral (x) direction are not folded, the multi-beams in the scan line traveling direction (x direction and lateral direction) can be realized, while the altitude direction Since the conversion elements located in (or the frame advancing direction) are folded, it is difficult to implement multiple beams in the frame direction. Instead, the volume rate may be maintained as it is by applying a frame interpolation technique.

본 발명의 제2실시예에서는 32 ×16 소자 그룹 형태의 개구를 사용하고, 프레임 진행 방향의 변환소자들에 대해서 도 3의 상하 대칭 폴딩을 적용한다. 이 경우 대칭소자들을 폴딩하였으므로 계산량 측면에서는 32 ×8 채널이 되고, 따라서 16x16인 실시예와 계산량은 동일하되 2 배의 측 방향 해상도 및 SNR의 개선을 기대할 수 있다.In the second embodiment of the present invention, an opening in the form of a 32 x 16 element group is used, and the symmetrical folding shown in FIG. 3 is applied to the conversion elements in the frame advancing direction. In this case, since the symmetrical elements are folded, it is 32 × 8 channel in terms of calculation amount. Therefore, the calculation amount is the same as the embodiment of 16 × 16, but the lateral resolution and the SNR can be expected to be doubled.

또한 수용할 만한 그레이팅 로브 조건하에서 x축 소자들의 간격을 늘린다면(d=1.5∼2λ) 실제 측방향 해상도를 좀 더 증가시킬 수 있다. 또한 1차원의 경우에 비하여, 고도 방향으로도 전기적인 집속이 가능하므로 실제 전체 해상도는 더욱 향상될 수 있다.In addition, increasing the spacing of the x-axis elements under acceptable grating lobe conditions (d = 1.5-2λ) can further increase the actual lateral resolution. In addition, compared to the case of the one-dimensional, since the electric focus in the altitude direction is possible, the actual overall resolution can be further improved.

도 4는 본발명의 제2실시예에 따라서, 전체 배열 소자 중에서 임의의 한 주사선에 대응하여 구동되는 채널의 형태를 나타내고 있다. 도 4에서 B 부분은 A 부분과 도 3과 같은 형태로 폴딩되는 블록인데, 고도방향(프레임 진행방향)으로 서로 대칭으로 묶여져 있다.Fig. 4 shows the form of a channel driven corresponding to any one scan line among the entire array elements according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 4, the portion B is a block folded in the form of the portion A and the same as FIG. 3, and are symmetrically tied to each other in an altitude direction (frame progress direction).

앞서 설명한 실시예는 본 발명의 2차원 곡면 배열 변환자를 3차원 또는 4차 원 초음파 영상 획득에 사용하는 경우에 적합한 실시예이다. 2차원 변환자를 사용하는 영상 형성장치라 하여도 2차원 영상은 기본 기능으로 제공해야 하는 경우가 많다. 제3 실시예는 본발명의 2차원 곡면 배열 변환자를 이용하여 고해상도 2차원 영상을 획득하기 위한 것이다. 3차원 영상과 2차원 영상 모두 임상적으로 가장 활발히 응용되고 있는 진단 분야는 산부인과로 볼 수 있는데, 이 때 2차원 초음파 영상의 프레임율은 심초음파에 비하면 그렇게 부각되는 부분이 아니며, 기술적으로 다중 빔을 사용하지 않고 단일 빔(single-beam receive focusing)만으로도 충분하다. 고도 또는 측방향 모두 다중 비임을 사용하지 않는 경우는 도 3과 같은 고도방향으로의 폴딩뿐만 아니라 측 방향 대칭성을 이용한 측방향 폴딩까지 동시에 적용할 수 있어서, 훨씬 효율적으로 시스템을 운용할 수 있다. 도 5는 측 방향, 즉 주사선 진행 방향으로의 폴딩을 도시하고 있다. 전술한 예와 마찬가지로 256 채널을 제공하는 시스템인 경우, 시스템이 실제 처리할 수 있는 것은 64 ×16 활성 변환자 그룹이고 이 값에 의해 2차원 영상의 해상도가 결정된다. 이때 64 ×16이라는 값은 실제 처리가능한 채널수인 256 = 32 ×8에서 양방향 폴딩을 고려한 값이다. 따라서, 배열 소자간 간격이 λ이상이므로 측 방향으로는 기존의 64 채널 시스템이 낼 수 있는 이상의 해상도 제공이 가능할뿐더러 고도 방향으로 16채널에 의해서 집속하고 있으므로 전체적인 2차원 초음파 영상의 해상도가 증가된다. The above-described embodiments are suitable for the case where the 2D curved array transducer of the present invention is used to acquire 3D or 4D ultrasound images. Even in an image forming apparatus using a 2D converter, a 2D image is often required to be provided as a basic function. The third embodiment is for acquiring a high resolution two-dimensional image by using the two-dimensional curved array transducer of the present invention. Obstetrics and gynecology is the most clinically applied diagnostic field for both 3D and 2D imaging. In this case, the frame rate of the 2D ultrasound image is not so prominent as compared to echocardiography. A single-beam receive focusing is sufficient without using When neither the altitude nor the lateral direction uses multiple beams, not only the folding in the altitude direction as shown in FIG. 3 but also the lateral folding using the lateral symmetry can be applied simultaneously, so that the system can be operated more efficiently. Fig. 5 shows the folding in the lateral direction, that is, the scanning line advancing direction. As in the above example, in the case of a system providing 256 channels, the system can actually process 64 x 16 active transducer groups, and the value of the 2D image is determined by this value. In this case, the value of 64 × 16 is a value considering bidirectional folding at 256 = 32 × 8, which is the actual number of channels that can be processed. Therefore, since the spacing between the array elements is greater than or equal to λ, the resolution of the conventional 64 channel system can be provided in the lateral direction and the focus of the 16 channels in the high direction increases the resolution of the overall 2D ultrasound image.

도 6은 이런 상황에서 전체 2차원 배열 소자의 분포에서 임의의 한 주사선에 상응하여 구동되는 채널의 형태를 나타내고 있다. 도 6에서 C와 D 및 E와 F는 각각 도 5와 같은 형태의 주사선 진행방향으로 폴딩된 블록이면서 동시에 C와 E 및 D 와 F는 도 3과 같이 프레임 진행방향으로 대칭으로 묶여져 있다. 따라서 256 채널 시스템을 사용하여 1024 채널 시스템이 낼 수 있는 성능을 낼 수 있다. Fig. 6 shows the shape of the channel driven corresponding to any one scan line in the distribution of the entire two-dimensional array element in this situation. In FIG. 6, C, D, E, and F are blocks folded in the scan line advancing direction as shown in FIG. 5, while C, E, D, and F are symmetrically bound in the frame advancing direction as shown in FIG. Thus, a 256-channel system can be used to achieve the performance that a 1024-channel system can deliver.

도 7은 제3 실시예를 변형한 실시예로서 도 6에 제시된 폴딩방법의변환된 형태이다. 즉, 대칭성을 갖는 네 블록 G, H, I, J는 각각 주사선 진행 방향으로 또는 프레임 진행 방향으로 폴딩되어 있다는 기본 개념은 동일하지만, 개구에 포함되는 동시에 활성화되는 변환자 그룹의 형태를 다르게 구성한 경우이다. 도 7은 전체적인 2차원 변환 소자의 분포가 타원형을 취하도록 한 것이며, 이런 식으로 다양한 형태의 개구를 사용함으로써 측 방향 및 고도방향 해상도의 트레이드오프가 가능하므로, 최적의 초음파 영상을 구성하는데 일조할 수 있다.7 is a modified embodiment of the folding method shown in FIG. 6 as a modified embodiment of the third embodiment. That is, the basic concept that the four blocks G, H, I, and J, which are symmetrical, are folded in the scan line advancing direction or the frame advancing direction, respectively, but have a different configuration of a group of transducers simultaneously included in the opening. to be. 7 shows that the distribution of the overall two-dimensional conversion element takes an elliptical shape. In this way, tradeoffs of lateral and altitude resolutions are possible by using various types of openings, thereby helping to construct an optimal ultrasound image. Can be.

이와 같이 상하 또는 좌우로 폴딩을 하여 지연값의 규칙성을 이용하는 방법을 확대하면 다양한 형태로 배치된 변환자 소자들을 하나의 채널로 묶는 것도 가능하다. 예를 들어, 지연값의 규칙성을 가장 최대로 이용하기 위하여 소정의 시점에 소정의 집속점에서 같은 거리(또는 매우 유사한 거리)에 있는 변환자들을 모두 찾으면 원형 또는 원호 모양으로 배치된 변환자들의 그룹을 형성할 수 있다. 비임형성 연산시 하나의 채널은 동시에 연산되므로 하나의 채널로 묶이는 변환자 소자들의 개수가 많을수록 영상 형성 시스템의 연산의 복잡도는 낮아진다. 2차원 곡면 변환자를 이용하는 경우 지연값의 규칙성을 이용하기 위한 방법으로 본 명세서에서는 2 변환자, 4 변환자, 원형 변환자 그룹 등을 단일의 채널로 합치는 방법에 대하여 설명하였으나, 그 이외에도 다양한 방법으로 지연값의 규칙성을 이용하여 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다. By expanding the method of using the regularity of the delay value by folding up and down or left and right as described above, it is possible to group the transducer elements arranged in various forms into one channel. For example, in order to make the best use of the regularity of the delay values, all the transducers at the same point in time (or very similar distances) at a given focal point are found. Groups can be formed. Since one channel is simultaneously calculated during the beamforming operation, the larger the number of transducer elements grouped into one channel, the lower the complexity of the operation of the image forming system. As a method for using the regularity of the delay value in the case of using the 2D surface transducer, a method of combining 2, 4, and circular transform groups into a single channel has been described. In this way, the regularity of the delay value can be used to improve the performance of the system.                     

본발명의 일실시예에 따르면 폴딩(또는 다수의 변환자 채널 형성)을 구현하기 위하여 각각의 변환자에 다중 스위치를 단다. 변환자에 연결된 스위치들을 제어함으로써, 임의의 변환자들을 하나의 그룹으로 모아 단락시키는 것이 가능하다.According to one embodiment of the present invention, multiple switches are placed on each transducer to implement folding (or multiple transducer channel formation). By controlling the switches connected to the transducers, it is possible to group arbitrary transducers into one group and short-circuit them.

도 1에서는 본 발명에 따른 곡면 변환자의 몇가지 예가 도시되었으나, 본 발명의 곡면 변환자는 이에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태의 곡면 변환자를 포함할 수 있다. 예를 들어 원통형이나, 원뿔형의 표면일부에 변환자들을 배열하여 곡면 변환자를 형성하는 것도 가능하다. 이 경우, 전술한 폴딩 방법은 곡면 변환자의 형태적인 특성에 따라 선택되어야 한다. 예를 들어 원뿔형의 일부에 배열된 곡면 변환자의 경우 2방향 대칭성을 갖지 않으므로 한방향 폴딩만이 가능하다.1 illustrates some examples of the curved transducer according to the present invention, the curved transducer of the present invention is not limited thereto, and may include various types of curved transducers. For example, it is also possible to form transducers by arranging transducers on a cylindrical or conical surface. In this case, the above-described folding method should be selected according to the shape characteristics of the curved surface transducer. For example, curved transducers arranged on part of a cone do not have two-way symmetry, so only one-way folding is possible.

도 8은 본 발명의 2차원 곡면 배열 변환자를 포함하고, 변환자들을 스위치를 이용하여 폴딩을 구현하는 초음파 영상 형성 시스템의 일실시예를 도시한 도면이다. 펄서(11)는 이극성 펄스(bipolar pulse)를 출력하기 위한 것으로서, 이진 수열을 입력받아 입력부(1)에 포함되어 있는 2차원 배열 변환자(transducer)가 구동될 수 있도록 증폭된 신호를 변환자에 공급해주는 역할을 한다.FIG. 8 is a diagram illustrating an embodiment of an ultrasound image forming system including a 2D curved array transducer of the present invention and implementing folding of the transducers using a switch. The pulser 11 is for outputting a bipolar pulse. The pulser 11 receives a binary sequence and converts an amplified signal so that a two-dimensional array transducer included in the input unit 1 can be driven. To serve.

송신 집속 지연 메모리(TX focus delay memory)(14)는 배열 변환자를 통해 인체 내로 송신하려는 초음파 펄스의 지연 패턴을 저장하고, 이 지연값을 펄서에 입력한다. 펄서(11)의 출력인 미리 정해진 크기의 전압은 지연값에 따라 각 변환자로 적절한 시점에 인가되고, 그 결과 각 변환자로부터 출력되는 초음파 펄스가 인체 내로 전송된다. 각 변환자(1)에 대한 송신 지연을 결정하는 방법으로서, 인체내의 소정의 지점으로 초음파 펄스의 에너지가 집속되도록 하는 고정 집속 기법 이 주로 사용된다. 근래에는 수신시에는 대상체의 각 지점마다 동적 집속을 하는 한편, 송신시에는 고정 집속 기법을 사용함으로써 생기는 해상도의 한계를 극복하기 위한 합성 구경(synthetic aperture) 기법이나 다중 집속 방식을 사용하는 것에 대한 관심이 증대되어 오고 있다.A TX focus delay memory 14 stores a delay pattern of ultrasonic pulses to be transmitted into the human body through an array transducer and inputs the delay value to the pulser. The voltage of a predetermined magnitude, which is the output of the pulser 11, is applied at an appropriate time to each transducer according to the delay value, and as a result, ultrasonic pulses output from each transducer are transmitted into the human body. As a method of determining the transmission delay for each transducer 1, a fixed focusing technique for focusing the energy of the ultrasonic pulse to a predetermined point in the human body is mainly used. In recent years, attention has been paid to the use of synthetic aperture techniques or multiple focusing techniques to overcome the limitations of resolution caused by the use of fixed focusing techniques for dynamic focusing at each point of the object during reception. This has been increasing.

입력부(1)는 2차원 곡면 배열 변환자 및 변환자들에 부착된 그룹화 스위치들을 포함한다. 2차원 곡면 배열 변환자는 다수의 요소로 구성되어 있고, 펄서(11)로부터의 전압 입력에 응답하여 초음파 펄스를 출력한다. 다수의 변환자를 포함하는 배열 변환자 중에서 일부 변환자만이 일회 송신시 사용될 수 있다. 예를 들어 64 ×64개의 변환자가 포함되어 있는 영상 형성 장치라 하여도, 한번 송신할 때 2차원 개구(aperture) 내의 32 ×32개의 변환자만 초음파를 송신할 수 있다. 변환자에 부착된 그룹화 스위치들은 다수의 변환자들을 하나의 입력채널로 묶는 역할을 한다. The input unit 1 comprises a two-dimensional curved array transducer and grouping switches attached to the transducers. The two-dimensional curved array transducer is composed of a plurality of elements and outputs ultrasonic pulses in response to the voltage input from the pulser 11. Of the array transformers that include multiple transformers, only some of them can be used in one transmission. For example 64 Even in an image forming apparatus including x64 transducers, 32 in a two-dimensional aperture in one transmission Only × 32 transducers can transmit ultrasound. Grouping switches attached to the transducer serve to group multiple transducers into one input channel.

스위칭 제어부(5)는 입력부에 포함된 그룹화 스위치들에 제어신호를 공급하는 역할을 한다. 본발명의 실시예에서는 입력부 및 스위칭 제어부(5)가 프로브 내부에 위치할 수 있고, 또는 입력부만이 프로브 측에 위치하고 스위칭 제어부(5)는 시스템의 본체 쪽에 있을 수 있다. The switching controller 5 supplies a control signal to the grouping switches included in the input unit. In an embodiment of the present invention the input and switching control 5 can be located inside the probe, or only the input can be located on the probe side and the switching control 5 can be on the main body side of the system.

스위칭 제어부(5)의 제어에 의해 스위치가 동작하여 다수의 변환자들이 그룹을 형성하게 되고 하나의 그룹이 하나의 채널을 형성한다. 따라서, 입력부(1)로부터 송수신 스위치(21)로의 출력 신호의 수는 변환자의 수가 아니라 최대 채널의 수 이다. 최대 채널의 수보다 실제 형성되는 채널의 수가 작은 경우, 실제 채널만큼의 신호만이 스위치(21) 후단부에서 영상 형성에 이용된다. 최대 채널의 수는 변환자들을 그룹화하는 방법에 따라 달라질 수 있다.The switch operates under the control of the switching control unit 5 so that a plurality of transducers form a group, and one group forms one channel. Therefore, the number of output signals from the input unit 1 to the transmission / reception switch 21 is not the number of transducers but the maximum number of channels. When the number of channels actually formed is smaller than the maximum number of channels, only signals of the actual channels are used for image formation at the rear end of the switch 21. The maximum number of channels may vary depending on how to group the transformers.

도 8의 스위치(21)는 펄서(11)에서 방출되는 고압의 전력이 수신부에 영향을 주지 않도록 하는 디플렉서(diplexer)의 역할을 한다. 즉, 변환자가 송신 및 수신을 번갈아 가며 수행할 때, 송신부와 수신부를 변환자에 적절히 스위칭해 주는 역할을 한다. The switch 21 of FIG. 8 serves as a diplexer to prevent the high voltage power emitted from the pulser 11 from affecting the receiver. That is, when the converter alternately transmits and receives, it functions to switch the transmitter and receiver appropriately to the transducer.

수신부(31)는 예를 들어, 전치 증폭기(Pre-Amplifier), 초음파가 신체 내부를 통과하면서 발생하는 감쇄를 보정해주기 위한 TGC(Time Gain Compression, 시간 이득 보상) 유니트 및 ADC(analog-digital converter, 아날로그-디지털 변환기)로 구성되어 있고, 수신 신호를 증폭하여 디지털 신호로 변환한다.The receiver 31 may include, for example, a pre-amplifier, a time gain compression (TGG) unit for correcting attenuation generated when ultrasonic waves pass through the body, and an analog-digital converter (ADC). Analog-to-digital converter), and amplifies the received signal into a digital signal.

비임 형성부(37)는 수신 집속 지연 제어부(36)로부터의 지연값을 참조해서 수신 집속을 수행한다. 본발명에서 비임 형성부(37)의 역할은 종래의 1차원 또는 2차원 영상 시스템과 비임 형성부와는 상이하다. 본 발명에서 입력부의 배열 변환자가 N ×M 2차원 곡면 배열이고 2차원 개구가 N′×M′인 경우 그룹화 스위치의 작용에 의해 다수의 변환자 소자를 하나의 그룹으로 묶게 되므로 그 결과 C ×1의 1차원 배열 또는 N″×M″형태의 2 차원 배열 신호가 변환자 그룹으로부터 출력되고, 이때 C는 그룹(또는 채널)의 수이고, N″≤N′, M′≤M″이다. 따라서, 비임 형성부(37)는 이 1차원 또는 2차원 결과 데이터에 적절한 지연을 가하여 합산하는 역할을 수행한다. The beam forming unit 37 performs the focusing with reference to the delay value from the reception focusing delay control section 36. The role of the beam forming unit 37 in the present invention is different from the conventional one or two-dimensional imaging system and the beam forming unit. In the present invention, when the array transducer of the input unit is an N × M two-dimensional curved array and the two-dimensional opening is N ′ × M ′, a plurality of transducer elements are grouped into one group by the action of the grouping switch. As a result, C × 1 A one-dimensional array or a two-dimensional array signal in the form of N ″ × M ″ is output from the transducer group, where C is the number of groups (or channels), where N ″ ≦ N ′ and M ′ ≦ M ″. Therefore, the beam forming unit 37 performs a role of adding and adding an appropriate delay to the one-dimensional or two-dimensional result data.                     

각 그룹(또는 채널)에 속하는 변환자의 수가 달라질 수 있으므로, 비임 형성부에서 각 채널의 신호가 합산되기 이전에 특정 그룹에 포함되는 변환자의 수를 보상하는 정규화의 과정을 거치도록 할 수 있다. 이 정규화는 수신부(31)에서 이루어지거나 혹은 아포다이제이션 계산시, 정규화를 함께 수행할 수 있다. 이를 위하여 스위칭 제어부(5)는 채널 내의 소자수에 대한 정보를 수신부 또는 아포다이제이션 블록(비임형성부에 포함됨, 도시되지 않음)에 제공한다. 또는 그룹에 속하는 변환자의 수가 크게 변하지 않도록 조정하여(전술한 성긴 변환자 그룹 등을 이용) 정규화 과정을 생략하도록 하는 것도 가능하다.Since the number of transformers belonging to each group (or channel) may vary, the beam forming unit may perform a process of normalization that compensates the number of transformers included in a specific group before the signals of each channel are summed. This normalization may be performed by the receiver 31 or may be performed together with the normalization when calculating an apodization. To this end, the switching control unit 5 provides information on the number of elements in the channel to the receiver or apodization block (included in the beam forming unit, not shown). Alternatively, the normalization process may be omitted by adjusting the number of transformers belonging to the group so as not to change significantly (using the coarse transformer group described above).

신호 처리부(41)는 엔벨로프 검출(envelope detection), 로그 압축(log compression) 등을 수행한 후, 결과 데이터를 3차원 영상으로서 디스플레이 장치에 표시하기 위한 형태로 변환한다. 도 8에 도시된 영상 시스템은 B모드 데이터 표시뿐 아니라, 컬러 도플러, 스펙트럴 도플러, 티슈 특성화(tissue characterization) 등 여러 가지 모드로 사용할 수 있다.The signal processor 41 performs envelope detection, log compression, and the like, and then converts the result data into a form for displaying on a display device as a 3D image. The image system shown in FIG. 8 may be used in various modes such as color Doppler, spectral Doppler, tissue characterization, as well as B mode data display.

도 8에 도시된 실시예에서는 스위칭 제어 및 송수신 접속지연 계산 등 계산량이 많은 작업이 별도의 블록에서 이루어지는 것으로 도시하였으나, 계산 성능이 좋은 고속의 프로세서를 사용하여 하나의 프로세서에서 필요한 연산의 대부분을 수행하는 것도 가능하다. 또한 미리 가능한 계산결과들을 구하여 메모리에 저장해 놓은 후 LUT(Lookup Table)를 참조하는 것으로 실시간 연산을 대신함으로써 연산속도를 증가시킬 수 있다. In FIG. 8, although a large amount of computation is performed in a separate block, such as switching control and transmission / reception of connection delay, the processor performs most of operations required by one processor using a high speed processor having good computation performance. It is also possible. Also, by calculating the possible calculation results in advance and storing them in the memory, the LUT (Lookup Table) can be referred to.

본 발명에 따른 2차원 곡면 배열 변환자의 제어를 위해 스위치를 연결하는 방법을 살펴보기로 한다. 본 발명의 일 실시예에서는 입력부의 변환자 소자 각각마다 채널 수만큼의 스위치를 붙일 수 있다. 그러나 이 경우, 본 발명의 스위칭 회로의 복잡도는 N ×N ×CN이며 이때 N ×N은 배열 변환자의 크기이고 CN는 N ×N 배열 변환자 내의 독립된 신호 채널의 수이다. 예를 들어 64 ×64 배열 변환자에 채널수가 64 ×32개인 경우 소자 각각이 임의의 채널에 연결되게 하자면 각 소자다 64 ×32개의 스위치가 필요하다. 스위치 회로의 집적도가 매우 높은 경우 이와 같은 구조도 가능하지만, 회로를 좀더 실현가능하고 간단하게 만들기 위하여 스위칭 회로의 복잡도를 줄이기 위한 다른 실시예를 구현하는 것도 가능하다. CN은 변환자들을 폴딩하는 방법에 따라 크게 달라질 수 있고, 가능하면 많은 소자가 하나의 채널로 연결되도록 폴딩함으로써 CN값을 줄일 수 있다.A method of connecting a switch for controlling a 2D curved array transducer according to the present invention will be described. In one embodiment of the present invention, each switch element of the input unit may be attached with as many switches as the number of channels. In this case, however, the complexity of the switching circuit of the present invention is N × N × C N , where N × N is the size of the array transformer and C N is the number of independent signal channels in the N × N array transformer. For example, if a 64 × 64 array converter has 64 × 32 channels, each device requires 64 × 32 switches. Such a structure is possible when the integration degree of the switch circuit is very high, but it is also possible to implement other embodiments to reduce the complexity of the switching circuit in order to make the circuit more feasible and simple. C N can vary greatly depending on how the folds are transformed and, if possible, the C N value can be reduced by folding as many devices as one channel.

본 발명의 다른 실시예에 따르면 계층적인 방법으로 스위치를 연결한다. 즉, 배열 변환자에서 블록을 정의하여 하나의 블록 내에서 그룹으로 먼저 묶고 단계별로 상위 블록에 연결한다. 블록 크기를 M ×N이라 하고 단일 블록 내의 총 그룹의 수가 CM인 경우 각각의 소자에는 CM개의 스위치가 붙는다. 다시 각 블록마다 M개의 그룹을 CN개의 채널에 임의로 접속하는 스위치가 필요하다. 따라서 총 스위치 수는 (각각의 소자마다 필요한 스위치 ×소자 개수) + (각 블럭마다 필요한 스위치수 ×블럭 개수) = CM ×N ×N + CM ×CN ×N ×N /(M ×M) 이다. 이와 같은 방식으로 계층적 구조를 사용하지 않은 경우에 비하여 스위치의 개수를 상당히 줄 일 수 있다. According to another embodiment of the present invention, the switches are connected in a hierarchical manner. In other words, you define blocks in the array transformer, group them together in a block first, and connect them to the parent block step by step. If the block size is called M × N and the total number of groups in a single block is C M , then each device has C M switches. Again, a switch for arbitrarily connecting M groups to C N channels for each block is needed. Therefore, the total number of switches is (Switch × number of elements required for each element) + (Switch × number of blocks required for each block) = C M × N × N + C M × C N × N × N / (M X M). In this way, the number of switches can be significantly reduced compared to the case where no hierarchical structure is used.

본 실시예를 변형하면 이층 구조뿐 아니라 다층의 구조로 스위치를 연결함으로써 스위치의 개수를 더 줄일 수 있다.Modification of this embodiment can further reduce the number of switches by connecting the switches in a multilayer structure as well as a two-layer structure.

본발명에 따라 채널별로 변환자들을 단락시켜 그룹화하기 위한 스위치를 부착한 변환자 배열을 제조하는 방법으로는 후술하는 다양한 방법을 사용할 수 있다.According to the present invention, various methods described below may be used as a method of manufacturing a transducer array including a switch for shorting and grouping transducers for each channel.

영상 시스템이 본체와 프로브로 구성될 때, 프로브 측에 스위치가 위치하는 것이 회로 설계상 더욱 바람직하다. 프로브는 진단의 편의상 가벼운 것이 바람직하고 이를 위하여 소자 레벨에서 웨이퍼상에 변환자 소자와 스위치를 같이 집적시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 회로를 만드는 공정과 유사한 공정의 예로는 CMUT(Capacitor Micromachined Ultrasonic Transducer) 제작공정, AMA(active mirror array) 제작공정등이 있다. 예를 들어 미국 특허 제 5,682,260호에는 M ×N 액츄에이터 배열 아래에 M ×N 능동 매트릭스 배열(active matrix array)를 가진 구조가 도시되어 있다. 상기 특허에 개시된 능동 매트릭스 배열은 실제 동작상 아날로그 스위치와 유사하고, 액츄에이터는 본 발명에서의 배열 변환자에 해당하는 것이다. 즉, 상기 특허에 개시된 것과 유사한 반도체 공정으로 액츄에이터(본 발명의 경우 프로브 소자) 바로 아래에 각각 스위치를 구비할 수 있다. 다만 실제로, 현재의 초음파진단기에 필요한 스위치는 고전압을 감당할 수 있는 스위치이고 상기 특허에서의 스위치는 보통 저전압 (수 Vpp)용인 점에 따른 공정상의 차이가 있을 수 있다. When the imaging system consists of a main body and a probe, it is more preferable in circuit design that the switch is located on the probe side. The probe is preferably light for convenience of diagnosis and for this purpose it is desirable to integrate the transducer and switch together on the wafer at the device level. Examples of processes similar to those for making such circuits include a manufacturing process of a capacitor micromachined ultrasonic transducer (CMUT) and an manufacturing process of an active mirror array (AMA). For example, US Pat. No. 5,682,260 discloses M × N actuator array below M A structure with an × N active matrix array is shown. The active matrix arrangement disclosed in this patent is similar to an analog switch in practical operation, and the actuator corresponds to the array transducer in the present invention. In other words, a semiconductor process similar to that disclosed in the above patent may be provided with a switch directly under the actuator (probe element in the present invention). However, in practice, the switch required for the current ultrasonic diagnostic apparatus can be a switch capable of withstanding a high voltage, and the switch in the patent may have a process difference in that it is usually for a low voltage (a few Vpp).

본 발명에서 그룹화 스위치만을 IC칩으로 집적하는 경우 스위치(트랜지스터) 하나의 면적을 40볼트 공정에서 대략 계산하고, 이에 제어부와 와이어링의 면적(각각 대략 트랜지스터 면적의 30%씩을 차지)을 더하고, 수만개의 스위치가 하나의 초음파 장치에 필요하다는 가정하에 집적화된 스위치의 면적을 계산해보면 대략적으로 초음파 장치의 프로브내에 장착이 가능한 면적이 된다. 스위치의 면적이 상대적으로 좁은 저전압 스위치(송신 전압이 +20, -20 볼트인 경우 사용가능한 스위치)에 대하여 설명하였지만, 송신 전압이 낮아도 전압이 인가되는 변환자의 개수가 2차원 처리 장치에 비해 상대적으로 많아서 진단대상에 전달되는 초음파 전력이 커지므로, 낮은 송신 전압의 영향이 줄어들 수 있다. 특히, 부호화 펄스 여기(coded pulse excitation)방식 등을 사용함으로써 저전압에도 불구하고 전달되는 전력을 증가시킬 수 있다. In the present invention, when only the grouping switch is integrated into the IC chip, the area of one switch (transistor) is approximately calculated in a 40 volt process, and the control unit and the wiring area (each occupying approximately 30% of the transistor area) are added to tens of thousands. Calculating the area of the integrated switch on the assumption that the switch is required for one ultrasound device, the area can be mounted in the probe of the ultrasound device. Although a low voltage switch (a switch that can be used when the transmit voltage is +20 or -20 volts) has been described with a relatively small area of the switch, the number of transducers to which the voltage is applied even when the transmit voltage is low is relatively higher than that of the two-dimensional processing apparatus. Since the ultrasonic power delivered to the diagnosis target increases, the influence of the low transmission voltage can be reduced. In particular, by using a coded pulse excitation method or the like, power delivered in spite of low voltage can be increased.

칩 제조 단계에서 변환자와 스위치를 동시에 집적화하기 용이하지 않은 경우 변환자 소자와 이산 소자(discrete component)인 스위치 사이를 수많은 선을 유연한(flexible) PCB를 사용하여 연결하는 방법을 사용하는 것도 가능하다. If it is not easy to simultaneously integrate the transducer and the switch at the chip manufacturing stage, it is also possible to use a flexible PCB to connect a large number of lines between the transducer element and the discrete component switch. .

웨이퍼 단위로 집적화하는 기술 이외에도, 최근 매우 향상되어 있는 IC 패키징 기술을 사용하여 스위치와 변환자를 집적시킨 회로를 만드는 것이 가능하다. 예를 들어 BGA(Ball Grid Array)를 이용한 패키징 기술 등을 사용하는 것이 바람직하다. 즉, 프로브 측과 스위치를 BGA로 처리하면 양자를 직접 결합시킬 수 있다. In addition to the technology of integrating on a wafer basis, it is possible to make a circuit integrating a switch and a transducer using IC packaging technology which has been greatly improved in recent years. For example, it is preferable to use a packaging technique using a ball grid array (BGA). In other words, by treating the probe side and the switch with BGA, both can be directly coupled.

혹은 패키징 없이 반도체 다이(die)를 바로 인쇄회로기판에 붙이는 패키징 기술을 활용하여 스위치와 변환자를 집적 접속시킴으로서 회로의 크기를 줄일 수도 있다. 예를 들어 플립칩 패키징(Flip Chip Packaging: FCP)이나 칩-온-필름(Chip on Film: COF) 등의 고집적도 패키징 기술을 사용하여 본 발명의 변환자와 스위치 집적회로 등을 패키징함으로써 프로브 또는 관련 회로의 크기를 줄일 수 있다.Alternatively, packaging size can be reduced by integrating switches and transducers using a packaging technology that directly attaches a semiconductor die to a printed circuit board without packaging. For example, by using a high density packaging technology such as flip chip packaging (FCP) or chip on film (COF) to package the converter and the switch integrated circuit of the present invention, The size of the associated circuit can be reduced.

변환자의 폴딩을 위한 스위치가 변환자에 연결되어 구성된 회로의 다른 실시예가 도 9에 도시되어 있다. 도 9의 회로에서는 변환자 소자마가 송신용 트랜지스터를 따로 가지고, 수신용 버퍼도 갖추고 있다. 송신용 트랜지스터가 고압용으로 크기가 다소 클 수 있지만, 스위치용 트랜지스터와 송신용 트랜지스터의 크기가 별로 차이 나지 않으므로 스위치 한두개 더 추가된 것과 비슷한 영향을 준다고 할 수 있다. 이때 도 9에 도시된 송신용 트랜지스터는 도 8에서 펄서의 역할 즉, 고압펄스파형을 생성하여 소자에 인가해주는 역할을 수행한다.Another embodiment of a circuit in which a switch for folding the transducer is configured connected to the transducer is shown in FIG. 9. In the circuit of Fig. 9, the transducer element has a separate transmitting transistor and also has a receiving buffer. Transmitting transistors may be somewhat larger in size for high voltages, but the size of the switching transistors and the transmitting transistors does not differ so much that it can be said to have a similar effect to the addition of one or two more switches. In this case, the transmitting transistor illustrated in FIG. 9 plays a role of a pulser in FIG. 8, that is, generates a high voltage pulse waveform and applies it to a device.

도 8에는 변환자를 그룹화하기 위한 스위치들을 배열 변환자에 직접 연결하고, 입력부 전체에 대해 송신 및 수신이 송수신스위치(21)에 의해 스위칭되는 실시예가 도시되었다. 도 9 및 도 10은 폴딩용 스위치, 송수신 스위치(21) 및 송신용 펄서를 구현하는 다른 실시예를 도시하고 있다. 도 10은 각 변환자별로 송신 트랜지스터(Tr1, Tr2)와 전압리미터를 구비한 회로를 도시하고 있다. 송신 트랜지스터는 도 8에서 펄서의 기능과 동일한 기능 즉, Tr1 또는 Tr2가 온 상태가 됨으로써+20볼트 또는 -20볼트 펄스를 변환자에 인가하는 역할을 수행한다. Tr1 및 Tr2를 이용하여 송신하는 동안 및 그 전후의 시간에는 수신 트랜지스터(Tr3)가 오프 상태로 되어서 송신용 고전압이 수신단에는 영향을 주지 않도록 하여야 한다. 8 shows an embodiment in which switches for grouping transducers are directly connected to the array transducers, and transmission and reception are switched by the transmission / reception switch 21 for the entire input unit. 9 and 10 show another embodiment of implementing a folding switch, a transmitting / receiving switch 21 and a transmitting pulser. FIG. 10 shows a circuit including transmission transistors Tr1 and Tr2 and a voltage limiter for each transducer. The transmitting transistor serves to apply a +20 volt or -20 volt pulse to the transducer by turning on the same function as that of the pulser, that is, Tr1 or Tr2 in FIG. 8. During and before the transmission using Tr1 and Tr2, the receiving transistor Tr3 is turned off so that the high voltage for transmission does not affect the receiving end.

송신후 충분한 시간후에는 수신 트랜지스터(Tr3)가 온 상태가 되어 변환자로 부터의 수신신호를 버퍼 및 크로스 포인트 스위치부(110)로 전달한다.After a sufficient time after transmission, the receiving transistor Tr3 is turned on to transmit the received signal from the converter to the buffer and the cross point switch unit 110.

도 10은 이중비임의 경우 수신용 버퍼 및 크로스 포인트 스위치 블록(110)의 회로의 일례를 도시하고 있다. 이중 비임이 서로 영향을 주지 않도록 하기 위하여 각 변환자마다 두개의 버퍼가 연결되어 있다. 다중 비임의 경우 버퍼의 개수 및 스위치 세트들의 수가 늘어날 수 있다. 송신용 크로스 포인트 스위치 블록(120)는 도 10의 회로에서 버퍼 및 비임2용 스위치를 제외한 부분과 동일하다(도시하지 않음.)FIG. 10 shows an example of a circuit of the receiving buffer and the cross point switch block 110 in the case of the double beam. To ensure that the double beams do not affect each other, two buffers are connected to each translator. In the case of multiple beams, the number of buffers and the number of switch sets may increase. The transmission cross point switch block 120 is identical to the portion of the circuit of FIG. 10 except for the buffer and the beam 2 switch (not shown).

지금까지는 본 발명의 몇몇 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상을 벋어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형과 수정이 가능하다. Although some embodiments of the present invention have been described so far, the present invention is not limited thereto, and various modifications and changes can be made without departing from the spirit of the present invention.

본발명의 2차원 곡면 배열 변환자는 배열 소자의 크기 및 간격이 선형 배열 변환자에 비해 커질 수 있어서 전체 개구(aperture)의 크기가 증대되므로 해상도의 개선 및 SNR(Signal-to-Noise Ratio)의 향상을 기대할 수 있다.In the two-dimensional curved array transducer of the present invention, the size and spacing of the array elements can be larger than that of the linear array transducer, thereby increasing the size of the entire aperture, thereby improving resolution and improving signal-to-noise ratio (SNR). You can expect.

본 발명에서 제안하고 있는 2차원 곡면 배열 변환자를 적용하면 전체 시스템의 하드웨어 변경 없이 단지 2차원 변환소자들에 대한 그룹의 구성 또는 스위칭 제어만 바꿔줌으로써 진단 목적에 가장 적절한 방식으로 이용할 수 있으므로, 시스템의 활용도가 증대된다.Applying the two-dimensional surface array transducer proposed in the present invention can be used in the most appropriate manner for diagnostic purposes by changing only the group configuration or switching control of the two-dimensional conversion elements without changing the hardware of the entire system, Utilization is increased.

Claims (5)

초음파 영상 형성 장치에서 사용되는 변환자 프로브에 있어서, In the transducer probe used in the ultrasound image forming apparatus, 변환자들이 적어도 하나의 곡률을 갖는 곡면상에 배치되는 초음파 영상 진단 장치용 2차원 곡면 배열 변환자와,A two-dimensional surface array transducer for an ultrasound imaging apparatus, the transducers being disposed on a curved surface having at least one curvature, 주사선 진행방향 및 프레임 진행방향중 적어도 하나의 진행방향으로 대칭성을 갖는 변환자를 폴딩하는 스위칭 소자들을 포함하는 변환자 프로브.A transducer probe comprising switching elements for folding the transducer having symmetry in at least one of the scan line travel direction and the frame travel direction. 제1항에 있어서, 상기 곡면 배열 변환자는 N ×M 변환자들을 포함하고, N 및 M은 상기 곡면 배열 변환자를 이용하여 형성할 수 있는 3차원 초음파 영상의 시야각(view angle) 및 볼륨각(volume angle)에 따라 결정되는 변환자 프로브.The method of claim 1, wherein the surface array transformer is N A transducer probe comprising x M transducers, wherein N and M are determined according to a view angle and a volume angle of a three-dimensional ultrasound image that can be formed using the curved array transducer. 제1항에 있어서 상기 곡면은 구면인 변환자 프로브.The transducer probe of claim 1 wherein said curved surface is a spherical surface. 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 스위칭 소자들이 상기 배열 변환자 중의 임의의 변환자들을 단락시키도록 제어하기 위한 스위칭 제어부를 더 포함하는 변환자 프로브.2. The transducer probe of claim 1 further comprising a switching controller for controlling the switching elements to short circuit any of the array transducers.
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