KR100830152B1 - Method for forming ultrasound image by decreasing decorrelation of elasticity signal - Google Patents
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Abstract
본 발명은 시간 또는 공간에 따라 변화하는 탄성영상 신호의 비상관도를 감소시켜 영상을 구현하는 초음파 영상 형성 방법을 제공한다. 특히 본 발명은 탄성 영상법에서 압축 전, 후의 신호 사이에 비상관도를 감소시키기 위해 하나의 신호를 이동시킴에 따라 발생하는 위상변화를 보상하여 탄성 영상을 구현하는 초음파 영상 형성 방법을 제공한다.The present invention provides an ultrasound image forming method for realizing an image by reducing the uncorrelation of an elastic image signal that changes with time or space. In particular, the present invention provides an ultrasound image forming method for realizing an elastic image by compensating for a phase change generated by moving one signal to reduce uncorrelation between signals before and after compression in an elastic imaging method.
초음파, 영상, 비상관도, 지연시간, 추정, 이동, 위상변화, 보상 Ultrasound, Imaging, Uncorrelated Diagram, Delay Time, Estimation, Shift, Phase Shift, Compensation
Description
도 1은 압축 전과 후의 초음파 수신신호를 보이는 그래프.1 is a graph showing an ultrasonic signal before and after compression.
도 2는 변위 계산을 위한 지연 신호 모델을 보이는 개략도.2 is a schematic diagram showing a delay signal model for displacement calculation.
도 3a는 인접하는 윈도우들 내에서 압축 전, 후의 수신신호를 보이는 그래프.3A is a graph showing received signals before and after compression in adjacent windows.
도 3b는 추정된 지연시간만큼 이동된 압축 후의 신호를 압축 전의 신호와 함께 보이는 그래프.3B is a graph showing the signal after compression shifted by the estimated delay time together with the signal before compression.
*도면의 주요부분에 대한 도면부호의 설명** Description of the reference numerals for the main parts of the drawings *
101: 트랜스듀서101: transducer
102: 압축 전 초음파 수신신호102: ultrasonic signal received before compression
103: 압축 후 초음파 수신신호103: ultrasonic signal received after compression
본 발명은 초음파 영상 형성 방법에 관한 것으로서, 특히 압축 전, 후 탄성 영상 신호의 비상관도를 감소시켜 변위 추정오차를 줄이는 초음파 영상 형성 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
초음파 영상 형성 장치는 진단하고자 하는 대상체를 향하여 초음파를 송신하고 반사된 초음파로부터 대상체의 영상을 형성하여 표시하는 장치로서, 의료 분야에서 널리 사용되고 있다.The ultrasound image forming apparatus is a device for transmitting ultrasound toward an object to be diagnosed and forming and displaying an image of the object from reflected ultrasound, and is widely used in the medical field.
초음파 영상은 조직 사이의 임피던스 차이에 따라 달라지는 반사계수를 이용하는 B-모드(B-mode)로써 주로 표현된다. 그러나, 종양이나 암조직과 같이 주위의 조직과 반사계수가 크게 차이 나지 않는 부분은 초음파 영상에서 관찰되기 어렵다. 이와 같이 반사계수가 차이가 나지 않는 조직은 기계적인 특성을 영상화하는 탄성영상법(Elastography)으로 표현할 수 있다. 탄성영상법은 B-모드(B-mode) 영상에서 진단할 수 없는 조직의 기계적인 성질을 영상화하므로 병변의 진단에 큰 도움을 준다.Ultrasound images are often represented as B-modes using a reflection coefficient that varies with impedance differences between tissues. However, it is difficult to observe the portion of the surrounding tissues, such as tumors or cancer tissues, where the reflection coefficient is not significantly different from the ultrasound images. As such, tissues having no difference in reflection coefficient may be expressed by elastic imaging to image mechanical characteristics. Elastic imaging is helpful in diagnosing lesions by imaging the mechanical properties of tissues that cannot be diagnosed in B-mode imaging.
탄성 영상법은, 초음파 진단장치로부터 입력되는 RF 수신 데이터를 이용하여 상호상관 (cross correlation) 계수를 구하는 방법과 복소수의 기저대역 신호를 이용하여 자기상관(autocorrelation) 계수를 계산하고 위상차로부터 변위를 계산하는 방법으로 나눌 수 있다. 후자는 기저대역 신호를 이용함에 따라 RF 수신 데이터를 이용하는 경우보다 적은 량의 데이터를 계산할 수 있어 계산 속도를 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나, 자기상관법을 통해 계산되는 값은 시간에 대한 값이 아니라 위상의 값이므로 이를 다시 시간으로 변화하는 과정이 필요하다. 위상 값을 시간 값으로 변화시키기 위해 초음파 송신 신호의 중심 주파수를 이용한다. 중심 주파수는 대상체의 깊이에 따라 달라지므로, 고정된 중심주파수를 사용할 경우 오차가 발생한다. 또한 자기상관으로 위상을 계산하는 경우, 두 신호 사이의 위상 차가 송신 초음파 파장의 1/2 보다 크면 엘리어싱(aliasing)이 발생하므로 이를 보상하기 위한 과정이 추가적으로 필요하다. 아울러, 대상체의 깊이가 증가할수록 위상차가 커지므로 비교하고자 하는 신호의 모양이 달라져 비상관도(de-correlation)가 큰 데이터를 사용하게 되므로 오차가 커진다.In the elastic imaging method, cross correlation coefficients are obtained using RF received data input from an ultrasonic diagnostic apparatus, and autocorrelation coefficients are calculated using complex baseband signals, and displacements are calculated from phase differences. Can be divided into The latter has the advantage that the calculation speed can be increased by using a baseband signal to calculate a smaller amount of data than using RF received data. However, since the value calculated through autocorrelation is not a value for time but a value of phase, it is necessary to change it back to time. The center frequency of the ultrasonic transmission signal is used to change the phase value to a time value. Since the center frequency depends on the depth of the object, an error occurs when a fixed center frequency is used. In addition, when the phase is calculated by autocorrelation, aliasing occurs when the phase difference between the two signals is larger than 1/2 of the transmission ultrasound wavelength, and thus a process for compensating for this is additionally required. In addition, since the phase difference increases as the depth of the object increases, the shape of the signal to be compared is changed, and thus the error increases because data having large de-correlation is used.
상대적으로 깊이가 깊은 영역에서 비상관도가 큰 데이터를 사용함에 따른 오차를 감소시키기 위해 "탄성영상신호의 비상관도를 감소시켜 초음파 영상을 형성하는 방법" 명칭의 대한민국 출원 2005-109477호에는 상대적으로 깊이가 얕은 영역에서 압축 전, 후 두 신호의 위상차로 지연시간을 추정한 뒤, 상대적으로 깊이가 깊은 영역에서 지연시간이 줄어드는 방향으로 추정된 지연시간 만큼 하나의 신호를 이동시킨 후 다시 지연시간을 계산하고, 추정된 지연시간과 이동 후 계산된 지연시간의 합으로 최종의 지연시간을 결정하는 방법이 제시되었다.In order to reduce the error caused by the use of large uncorrelated data in a relatively deep area, Korean application 2005-109477 entitled "Method of Reducing the Uncorrelation of Elastic Image Signals to Form Ultrasound" Image In the shallow region, the delay time is estimated by the phase difference between the two signals before and after compression, and then the delay time is calculated by moving one signal by the estimated delay time in the direction of decreasing the delay time in the relatively deep region. Then, a method of determining the final delay time by the sum of the estimated delay time and the delay time calculated after the movement is proposed.
그러나, 전술한 종래 기술은 신호 이동에 따라 발생하는 위상변화를 반영하지 못하는 문제점이 있었다. 이동에 따른 이상변화를 보상하기 위해, 위상이 0(zero)이 되도록 반복적으로 신호를 이동시켜 변위를 계산하는 방법을 고려해볼 수 있지만, 이 경우 반복적인 신호이동에 의해 계산 시간이 늘어나는 단점이 있다.However, the above-described prior art has a problem in that it does not reflect the phase change generated by the signal movement. In order to compensate for the abnormal change caused by the movement, it is possible to consider the method of calculating the displacement by repeatedly moving the signal so that the phase becomes zero, but in this case, the calculation time is increased by the repeated signal movement. .
본 발명은 탄성영상 신호의 비상관도를 감소시켜 변위 추정오차를 줄이는 초음파 영상 형성 방법을 제공한다. 특히 본 발명은, 조직의 단단한 정도를 측정하는 탄성 영상법에서 압축 전, 후의 신호 사이에 비상관도를 감소시키기 위해 하나의 신호를 이동시킴에 따라 발생하는 위상변화를 보상하여 탄성 영상을 구현하는 초음파 영상 형성 방법을 제공한다.The present invention provides an ultrasonic image forming method for reducing displacement estimation error by reducing the uncorrelation of an elastic image signal. In particular, the present invention, in the elastic imaging method for measuring the rigidity of the tissue, the ultrasound to implement the elastic image by compensating for the phase change generated by moving one signal in order to reduce the non-correlation between the signals before and after compression It provides an image forming method.
본 발명에 따른 초음파 영상 형성 방법은 압축되지 않은 대상체에서 반사된 초음파 신호로부터 얻어진 제1 수신신호와 압축된 대상체에서 반사된 초음파 신호로부터 얻어진 제2 수신신호-상기 제1 수신신호 및 제2 수신신호 사이의 지연시간은 대상체의 깊이에 따라 변하며, 상기 제1 수신신호 및 상기 제2 수신신호는 다수의 영역으로 분할됨-를 입력받는 단계; 제1 영역에서 상기 제1 수신신호와 제2 수신신호의 위상차로부터 지연을 추정하는 단계; 상기 제1 영역에 인접한 제2 영역의 상기 제1 수신신호 및 상기 제2 수신신호 중 선택된 어느 하나를 상기 추정된 지연 만큼 이동시키는 단계; 상기 이동이 완료된 후, 상기 제2 영역 내에서 상관도를 이용하여 이동된 신호와 이동되지 않은 신호 사이의 변위를 계산하되, 상기 변위는 상기 이동에 따른 위상변화를 보상하여 계산하는 단계; 상기 추정 지연 및 상기 변위에 근거하여 상기 제2 영역에서 상기 압축에 따른 상기 제1 수신신호와 상기 제2 수신신호 사이의 지연을 계산하는 단계; 및 상기 계산된 지연에 기초하여 상기 대상체의 초음파 영상을 형성하는 단계를 포함한다.The ultrasound image forming method according to the present invention includes a first received signal obtained from an ultrasound signal reflected from an uncompressed object and a second received signal obtained from an ultrasound signal reflected from a compressed object—the first received signal and the second received signal. Receiving a delay time between the first and second received signals, wherein the first and second received signals are divided into a plurality of areas; Estimating a delay from a phase difference between the first and second received signals in a first region; Moving any one selected from the first received signal and the second received signal of a second area adjacent to the first area by the estimated delay; After the movement is completed, calculating a displacement between the moved signal and the unmoved signal using the correlation in the second region, wherein the displacement is calculated by compensating for the phase change according to the movement; Calculating a delay between the first received signal and the second received signal according to the compression in the second region based on the estimated delay and the displacement; And forming an ultrasound image of the object based on the calculated delay.
또한, 본 발명에 따른 초음파 영상 형성 방법은, 압축되지 않은 대상체에서 반사된 초음파 신호로부터 얻어진 제1 수신신호와 압축된 대상체에서 반사된 초음파 수신신호로부터 얻어진 제2 수신신호-상기 제1 수신신호 및 상기 제2 수신신호 사이의 지연은 대상체의 깊이에 따라 변하고, 상기 제1 수신신호 및 상기 제2 수신신호는 다수의 영역으로 분할되며, 상기 제1 수신신호 및 제2 수신신호는 위상함수로 표현됨-을 얻는 단계; 제1 영역에서 제1 수신신호와 제2 수신신호의 위상차로부터 지연을 추정하는 단계; 상기 제1 영역에 인접한 제2 영역의 상기 제1 수신신호 및 상기 제2 수신신호 중 선택된 어느 하나를 상기 추정된 지연 만큼 이동시키는 단계; 상기 이동이 완료된 후, 상기 제2 영역 내에서 상관도를 이용하여 이동된 신호와 이동되지 않은 신호 사이의 변위를 계산하되, 상기 변위는 상기 이동에 따른 위상변화를 보상하여 계산하는 단계; 상기 제1 수신신호와 상기 제2 수신신호 중 어느 하나의 위상함수를 미분하여 순시주파수를 구하는 단계; 상기 추정된 지연, 상기 변위 및 상기 순시주파수를 이용하여 상기 제2 영역에서 상기 압축에 따른 상기 제1 수신신호와 상기 제2 수신신호 사이의 지연을 계산하는 단계; 및 상기 계산된 지연에 기초하여 상기 대상체의 초음파 영상을 형성하는 단계를 포함한다.In addition, the ultrasound image forming method according to the present invention, the first received signal obtained from the ultrasonic signal reflected from the uncompressed object and the second received signal obtained from the ultrasonic signal reflected from the compressed object-the first received signal and The delay between the second received signal varies according to the depth of the object, the first received signal and the second received signal are divided into a plurality of regions, and the first received signal and the second received signal are represented by a phase function. Obtaining-; Estimating a delay from a phase difference between the first received signal and the second received signal in the first region; Moving any one selected from the first received signal and the second received signal of a second area adjacent to the first area by the estimated delay; After the movement is completed, calculating a displacement between the moved signal and the unmoved signal using the correlation in the second region, wherein the displacement is calculated by compensating for the phase change according to the movement; Obtaining an instantaneous frequency by differentiating a phase function of any one of the first and second received signals; Calculating a delay between the first received signal and the second received signal according to the compression in the second region using the estimated delay, the displacement, and the instantaneous frequency; And forming an ultrasound image of the object based on the calculated delay.
이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
먼저, 단위 면적당 가해지는 힘인 응력, 즉 스트레스(stress)를 인가하기 전에 대상체에 초음파를 인가하여 RF 기준신호(제1 수신신호)를 얻고, 대상체의 표면에 스트레스를 가하여 대상체를 압축하면서 RF 수신신호(제2 수신신호)를 얻는다.First, before applying a stress, that is, a force applied per unit area, that is, stress, an ultrasonic wave is applied to an object to obtain an RF reference signal (first received signal), and a stress is applied to the surface of the object to compress the object while compressing the RF received signal. (Second received signal) is obtained.
도 1은 압축 전과 후, 즉 스트레스 인가 전, 후의 수신신호 모양을 보인다. 대상체에 압축을 가하면 대상체 내의 반사체들이 압축 방향으로 이동한다. 이러한 반사체의 이동에 따라 압축되기 전과 비교할 때 수신신호의 이동이 나타난다. 따라서, 두 신호 사이의 이동, 즉 지연시간을 계산함으로써 매질의 변위를 구할 수 있 다. 이러한 변위는 대상체의 단단함에 따라 달라지므로, 변위에 의해 매질의 특성을 알 수 있다.1 shows the shape of a received signal before and after compression, that is, before and after applying stress. Applying compression to the object moves the reflectors in the object in the compression direction. As a result of the movement of the reflector, the movement of the received signal appears as compared with before the compression. Therefore, the displacement of the medium can be obtained by calculating the movement, or delay, between the two signals. Since the displacement varies depending on the rigidity of the object, the displacement may be used to determine the characteristics of the medium.
한편, 도 1에 보이는 바와 같이, 트랜스듀서(101)에 가까운 곳에서는 스트레스에 의한 신호의 이동이 작지만 먼 곳에서는 변위가 누적되어 신호 간 이동이 크게 나타난다.On the other hand, as shown in Figure 1, the movement of the signal due to stress is small in the near to the
조직에 일정한 압력을 한 반향으로 가하면 조직의 단단한 정도에 따라 변형 정도가 다르게 나타난다. 따라서 외부 또는 내부에서 인가된 힘에 대하여 매질의 이동 변위(displacement)를 계산하고, 변위의 함수를 미분하여 기울기를 구하면 변형률 즉, 스트레인(strain)을 구할 수 있다. 이 스트레인 값에 기초하여 탄성영상을 구성한다.When a single pressure is applied to the tissue, the degree of deformation varies depending on the rigidity of the tissue. Therefore, by calculating the displacement of the medium with respect to the force applied from the outside or the inside, and calculating the slope by differentiating the function of the displacement, the strain, that is, the strain, can be obtained. An elastic image is constructed based on this strain value.
본 발명의 실시예에서는, 변위를 구하기 위해, 압축 전, 후의 RF 신호를 복조하여 기저대역(base band)의 I/Q 신호로 바꾸고 자기상관(autocorrelation)을 구하여 위상차를 계산한다.In the embodiment of the present invention, in order to calculate the displacement, the RF signal before and after compression is demodulated and converted into an I / Q signal of a base band, and autocorrelation is obtained to calculate a phase difference.
먼저, 지연시간 추정을 위한 모델을 설명한다. 지연시간 추정을 위한 모델은 도 2에 보이는 바와 같이, 선형지연을 갖는 전역통과필터를 이용하여 압축에 의한 지연시간을 모델링한다. 초음파 송신 중심주파수가 ω0이고, 시간에 따른 진폭 및 위상을 각각 r(t) 및 φ(t)라 할 때, 압축 전의 수신신호 x1(t)와 압축 후의 신호 x2(t)를 각각 다음의 수학식 1 및 수학식 2와 같이 정의한다.First, a model for estimating delay time will be described. As shown in FIG. 2, the model for delay estimation models a delay time due to compression using a global pass filter having a linear delay. When the ultrasonic transmission center frequency is ω 0 and the amplitude and phase over time are r (t) and φ (t), respectively, the received signal x 1 (t) before compression and the signal x 2 (t) after compression are respectively. It is defined as
수학식 2에서 tg 및 tp는 각각 압축에 의한 군지연 및 위상지연을 나타낸다. 군지연 tg와 위상지연 tp가 같다고 가정하면, 압축 전의 수신신호 x1(t)와 압축 후의 신호 x2(t) 각각의 복조후 기저대역의 복소신호는 수학식 3 및 수학식 4와 같다.In Equation 2, t g and t p represent group delay and phase delay due to compression, respectively. Assuming that the group delay t g and the phase delay t p are equal, the baseband complex signal after demodulation of the received signal x 1 (t) before compression and the signal x 2 (t) after compression is represented by the following equations (3) and (4). same.
유한구간, 즉 일정크기의 상관 윈도우에서 두 신호의 위상차 Δ Φ0(압축에 따른 변위)는 상관도(correlation) 계산으로부터 수학식 5와 같이 된다.The phase difference Δ Φ 0 (displacement due to compression) of two signals in a finite interval, that is, a constant magnitude correlation window, is expressed by Equation 5 from the correlation calculation.
수학식 5에서 'arg'는 위상을 구하는 함수이고, '<·>'는 상관도를 계산하는 함수이다. 수학식 5의 를 테일러 급수(Taylor series)로 1차항까지 전개하여 다음의 수학식 6을 얻는다.In Equation 5, 'arg' is a function for calculating a phase, and '<·>' is a function for calculating a correlation. Of equation (5) Is expanded to the first term in the Taylor series to obtain the following equation (6).
이를 수학식 5에 대입하여 정리하면 위상차 Φ0는 근사적으로 다음의 수학식 7과 같이 표현된다.Putting this into Equation 5, the phase difference Φ 0 is expressed as Equation 7 below.
이를 군지연 tg에 대해 정리하면 수학식 8을 얻는다.Summarizing this for the group delay t g , we obtain
는 위상의 미분이므로 수학식 8에 보인 바와 같이 는 기저대역 신호의 순시주파수(instantaneous frequency) ωB(t)에 해당한다. 따라서 는 수학식 9와 같이 표현될 수 있다. Since is the derivative of the phase, as shown in (8) Corresponds to the instantaneous frequency ω B (t) of the baseband signal. therefore May be expressed as in Equation (9).
수학식 9에서 'T'는 샘플링 시간 간격이다. ω0 ≫ ωB(t)이면 다음의 수학식 10과 같은 근사식으로 군지연 tg를 표현할 수 있다.In Equation 9, 'T' is a sampling time interval. If ω 0 ≫ ω B (t), the group delay t g can be expressed by the following equation (10).
그러나, 초음파 신호는 넓은 주파수 대역폭을 갖고, 대상체의 깊이에 따라 주파수가 변하므로 분모를 상수인 초음파 송신중심 주파수 ω0로 고정하면 오차가 발생한다. 이와 같은 오차는 기저대역 신호의 순시 주파수 성분을 고려함으로써 오차를 줄일 수 있다.However, since the ultrasonic signal has a wide frequency bandwidth and the frequency changes according to the depth of the object, an error occurs when the denominator is fixed to the constant ultrasonic transmission center frequency ω 0 . Such an error can be reduced by considering the instantaneous frequency component of the baseband signal.
대상체를 압축할 경우 대상체의 깊이가 증가할수록 대상체 전체의 변위가 커져 비교하고자 하는 신호의 모양이 크게 달라진다. 이에 따라, 비상관도가 큰 데이터를 이용하여 계산하므로 오차가 커진다. 이를 극복하기 위해 대상체의 깊이가 상대적으로 낮은 영역에서 두 신호의 위상차로 지연시간을 추정한 뒤, 지연시간이 줄어드는 방향으로 추정된 지연시간 만큼 하나의 신호를 먼저 이동시킨 후 다시 지연시간을 계산한다. 최종의 지연시간 값은 추정된 지연시간과 이동 후 계산된 지연시 간의 합으로 주어진다. 이를 도 3a 및 도 3b를 참조하여 상세하게 설명한다.When the object is compressed, as the depth of the object increases, the displacement of the entire object increases, so that the shape of the signal to be compared varies greatly. As a result, the error is increased because the data is calculated using large uncorrelated data. In order to overcome this, the delay time is estimated by the phase difference of two signals in the region where the depth of the object is relatively low, then one signal is first moved by the estimated delay time in the direction of decreasing the delay time, and then the delay time is calculated again. . The final delay time value is given as the sum of the estimated delay time and the delay time calculated after the movement. This will be described in detail with reference to FIGS. 3A and 3B.
도 3a 및 도 3b에서 윈도우 w(n) 및 w(n+1)은 각각 대상체의 깊이가 상대적으로 얕을 때와 깊을 때 압축 전, 후의 수신신호(제1 수신신호 및 제2 수신신호)를 보이는 윈도우이다. 깊이는 대상체내 반사체(조직)와 프로브 간의 상대적 깊이이다. 한편, 윈도우w(n) 및 w(n+1)는 시간 경과에 따른 압축 전후의 수신신호들을 보이는 윈도우일 수도 있다.In FIGS. 3A and 3B, the windows w (n) and w (n + 1) respectively indicate received signals (first and second received signals) before and after compression when the object is relatively shallow and deep. This window is visible. Depth is the relative depth between the reflector (tissue) and the probe in the object. Meanwhile, the windows w (n) and w (n + 1) may be windows showing received signals before and after compression over time.
두 윈도우의 비교를 통하여 알 수 있듯이, 대상체의 깊이가 상대적으로 깊을 때(시간의 경과가 클 때) 위상차가 더 커짐을 알 수 있다. 위상차가 π 이상이면 엘리어싱(aliasing)이 발생한다. 두 윈도우가 인접한 경우 신호의 위상차가 크지 않으므로 엘리어싱을 효과적으로 방지할 수 있다. 도 3a의 윈도우 w(n) 내 압축에 따른 지연시간이 td(n)로 추정될 때, 그에 인접하는 윈도우 w(n+1) 내 압축에 따른 지연시간을 td(n+1)로 가정한다.As can be seen from the comparison of the two windows, it can be seen that the phase difference becomes larger when the depth of the object is relatively deep (when time passes). If the phase difference is π or more, aliasing occurs. If the two windows are adjacent, the phase difference of the signal is not large so that aliasing can be effectively prevented. When the delay time due to the compression in the window w (n) of FIG. 3A is estimated as t d (n), the delay time due to the compression in the window w (n + 1) adjacent to it is t d (n + 1). Assume
도 3b에 보이는 바와 같이, 추정된 지연시간 td(n) 만큼 선형 보간(interpolation)을 이용하여 압축 전 수신신호를 이동시키면, 이동에 따라 윈도우 w(n) 내의 신호의 위상차는 0에 가까워진다. 도 3b에서는 압축 전 신호를 이동하는 예를 보이고 있으나, 이동되는 신호는 압축 전 신호와 압축 후 신호 모두 가능하다. 이동 후 계산된 w(n+1) 내 신호의 시간지연을 τ(n+1)이라 할 때, τ(n+1)은 이동 전의 시간지연 td(n+1) 보다 작아진다. 이에 따라, 압축 전, 후 수신신호 사이의 상관도가 높아져 노이즈 감소 효과를 얻을 수 있고, 위상차도 적어져 엘리 어싱의 발생을 방지할 수 있다.As shown in FIG. 3B, when the received signal before compression is moved using linear interpolation by the estimated delay time t d (n), the phase difference of the signal in the window w (n) becomes close to zero as the movement is performed. . Although FIG. 3B shows an example of moving the pre-compression signal, the moving signal may be both a pre-compression signal and a post-compression signal. When the time delay of the signal in w (n + 1) calculated after the movement is τ (n + 1), τ (n + 1) becomes smaller than the time delay t d (n + 1) before the movement. Accordingly, the correlation between the received signals before and after compression is increased to obtain a noise reduction effect, and the phase difference is also reduced to prevent the occurrence of aliasing.
신호 이동 후 윈도우 w(n+1)의 시간지연 τ(n+1)에는 이미 추정된 지연시간 이 반영되었으므로, 최종 지연시간은 τ(n+1)과 의 합에 기초하여 계산된다. 즉, 다음의 수학식 11과 같이 비상관도가 큰 윈도우 w(n+1) 내의 압축에 따른 지연시간 td(n+1)를 그대로 반영하여 영상을 형성하지 않고, 대상체의 깊이가 상대적으로 얕은 영역인 윈도우 w(n)내의 지연시간 td(n)에 대한 지연시간 차이 τ(n+1)를 반영하여 영상을 형성한다.The delay time already estimated at the time delay τ (n + 1) of the window w (n + 1) after the signal shift. Is reflected, the final delay time is τ (n + 1) and Is calculated based on the sum of. That is, as shown in Equation 11 below, the image is not formed by reflecting the delay time t d (n + 1) due to the compression in the large uncorrelated window w (n + 1), and the depth of the object is relatively shallow. The image is formed by reflecting the delay time difference τ (n + 1) with respect to the delay time t d (n) in the window w (n).
전술한 바와 같이, 추정된 지연시간 td를 δ로 근사할 때, 이동한 후 윈도우 w(n+1)에서의 변위 τ(n+1)는 압축에 의한 군지연 tg와 δ의 차이가 된다(τ(n+1)=tg-δ)).As described above, when the estimated delay time t d is approximated to δ, the displacement τ (n + 1) in the window w (n + 1) after the movement is different from the group delay t g and δ due to compression. (Τ (n + 1) = t g -δ).
압축 전, 후 초음파 신호의 비상관도를 줄이기 위해 압축 전, 후 신호의 지연시간(위상차)을 추정한 뒤, 지연시간(위상차)이 감소하는 방향으로 두 신호 중 한 신호를 이동시킨 후 다음의 과정에 따라 압축에 따른 군지연 tg를 구한다.In order to reduce the uncorrelation of the ultrasonic signal before and after compression, the delay time (phase difference) of the signal before and after compression is estimated, and then one of the two signals is moved in the direction in which the delay time (phase difference) decreases. According to the group delay tg according to the compression is obtained.
수학식 4와 같이 표현되는, 압축 후 수신신호의 복조후 기저대역의 복소신호 xb2(t)에서 군지연 tg를 상쇄시키는 방향으로 δ 만큼 이동시킨 신호는 다음의 수학 식 12와 같다.The signal shifted by δ in the direction of canceling the group delay t g from the baseband complex signal x b2 (t) after demodulation of the received signal after compression as expressed by Equation 4 is expressed by Equation 12 below.
수학식 3으로 표현되는, 압축 전 수신신호의 복조후 기저대역의 복소신호 xb1(t)와 수학식 12로 표현되는 xb2(t+δ)로부터 다음의 수학식 13을 얻는다.The following equation (13) is obtained from the baseband complex signal x b1 (t) represented by equation (3) and x b2 (t + δ) expressed by equation (12) after demodulation of the pre-compression received signal.
ΔΦδ를 테일러(Tayler) 급수를 이용한 근사식으로 나타내면 다음의 수학식 14와 같다.When ΔΦ δ is expressed as an approximation equation using a Taylor series, it is expressed by Equation 14 below.
다음의 수학식 15는 수학식 14를 군지연에 tg에 대해 정리하여 나타낸 것이다.Equation (15) below summarizes equation (14 ) with respect to t g in group delay.
수학식 15는 δ로 근사된 윈도우(w) 내 압축 전, 후 수신신호의 추정된 지연 시간만큼 윈도우 w(t+1) 내 압축 후의 신호를 이동시킴에 따른 군지연을 보인다. δ=0인 경우 수학식 15는 신호를 이동시키지 않은 경우인 수학식 8과 같아진다. 아울러,δ=tg인 경우, 수학식 15로부터 군지연은 다음의 수학식 16과 같이 표현된다.Equation 15 shows a group delay as the signal after compression in the window w (t + 1) is moved by the estimated delay time of the received signal before and after compression in the window w approximated by δ. In case of δ = 0, Equation 15 is equal to
즉, 신호의 이동에 의해 변위를 보상하더라도 위상차는 0이 되지 않는다. 위상차가 0이 되지 않는 원인은 수학식 4와 같이 표현되는, 압축 후 수신신호의 복조후 기저대역의 복소신호 xb2(t)에서 군지연 tg를 상쇄시키는 방향으로 δ 만큼 신호를 이동시킴에 따라 변화하는 위상을 보상하지 않았기 때문이다. 그러므로, 신호의 이동 후 위상차가 0이 되도록 하기 위해서는, 신호의 이동에 따라 발생하는 위상변화를 보상해야 한다. 신호를 δ 만큼 이동함에 따른 위상변화는 이므로 이를 상관도(correlation) 계산에 반영하면, 수학식 14는 다음의 수학식 17과 같이 표현된다.That is, even if the displacement is compensated for by the movement of the signal, the phase difference does not become zero. The reason why the phase difference does not become zero is that the signal is shifted by δ in the direction of canceling the group delay t g from the baseband complex signal x b2 (t) after demodulation of the received signal after compression, as expressed by Equation (4). This is because they do not compensate for the changing phase. Therefore, in order for the phase difference to be zero after the movement of the signal, it is necessary to compensate for the phase change occurring in accordance with the movement of the signal. The phase change as the signal moves by δ Since this is reflected in the correlation calculation, Equation 14 is expressed as Equation 17 below.
수학식 17로부터 다음의 수학식 18을 얻는다.From Equation 17, the following Equation 18 is obtained.
수학식 18에서 δ=tg가 되면 이 된다. 그러나, 이면 는 0이 되지 않으므로, 로부터 (tg-δ) 및 tg를 계산할 수 있다. 수학식 17과 18을 이용하면 작은 변위를 계산하게 되므로 신호의 엘리어싱(aliasing)을 피할 수 있고, 종래에 위상을 보상하기 위해, 즉 위상이 0(zero)가 되도록 신호를 반복적으로 이동시키는 과정을 생략할 수 있다. 또한, 신호의 이동에 따른 신호 크기(amplitude)의 변화와 위상의 변화를 같이 고려함으로써 계산의 정확도를 높일 수 있다.When δ = t g in Equation 18 Becomes But, Back side Does not become 0, so (T g -δ) and t g can be calculated from By using Equations 17 and 18, small displacements are calculated, so that aliasing of signals can be avoided, and the process of repeatedly moving a signal to compensate for the phase, that is, the phase becomes zero, is conventionally used. Can be omitted. In addition, the accuracy of the calculation can be improved by considering the change in signal amplitude and the change in phase according to the movement of the signal.
이하, 탄성영상신호의 비상관도를 감소시켜 초음파 영상을 형성하는 과정을 설명한다.Hereinafter, a process of forming an ultrasound image by reducing the uncorrelation of the elastic image signal will be described.
본 발명의 실시예에 따라, 압축되지 않은 대상체에서 반사된 초음파 신호로부터 얻어진 제1 수신신호와 압축된 대상체에서 반사된 초음파 신호로부터 얻어진 제2 수신신호를 입력받는다. 제1 수신신호 및 제2 수신신호 사이의 지연시간은 대상체의 깊이에 따라 변하며, 제1 수신신호 및 제2 수신신호는 다수의 영역으로 분할된다. 제1 수신신호 및 제2 수신신호는 중심주파수가 ω0인 송신 초음파로부터 얻어진 신호이다. 또한, 압축에 의해 제1 수신신호와 제2 수신신호 사이에 군지연 tg 가 발생한다. 이와 같은 제1 수신신호 및 제2 수신신호는 각각 전술한 수학식 3 및 수학식 4와 같이 표현된다.According to an embodiment of the present invention, the first received signal obtained from the ultrasonic signal reflected from the uncompressed object and the second received signal obtained from the ultrasonic signal reflected from the compressed object are received. The delay time between the first and second received signals varies according to the depth of the object, and the first and second received signals are divided into a plurality of regions. The first received signal and the second received signal are signals obtained from transmission ultrasonic waves whose center frequency is ω 0 . Further, the group delay t g is generated between the first received signal and the second received signal by the compression. The first received signal and the second received signal are represented by Equations 3 and 4, respectively.
도 3b의 윈도우 w(n)와 같은 제1 영역에서 제1 수신신호와 제2 수신신호의 위상차로부터 지연을 추정한다. 여기서 추정된 지연은 도 3b의 윈도우 w(n) 내에서의 압축 전, 후 신호의 위상차 δ에 해당한다.The delay is estimated from the phase difference between the first received signal and the second received signal in the first region such as the window w (n) of FIG. 3B. The estimated delay corresponds to the phase difference δ of the signal before and after compression in the window w (n) of FIG. 3B.
이어서, 도 3b의 윈도우 w(n+1)와 같이 제1 영역에 인접한 제2 영역에서 제1 수신신호 및 제2 수신신호 중 선택된 어느 하나를 추정된 지연(δ) 만큼 이동시킨다. 이동이 완료된 후, 제2 영역 내에서 수학식 5에 보이는 상관도를 이용하여 이동된 신호와 이동되지 않은 신호 사이의 변위를 계산한다. 이때, 이동에 따른 위상변화 를 보상하여 변위를 계산한다. 이에 따라 계산된 변위는 전술한 수학식 17과 같이 표현된다.Subsequently, any one selected from the first reception signal and the second reception signal in the second area adjacent to the first area as shown in the window w (n + 1) of FIG. 3B is moved by the estimated delay δ. After the movement is completed, the displacement between the moved signal and the unmoved signal is calculated using the correlation shown in Equation 5 in the second region. At this time, the phase change according to the movement Compute the displacement by compensating for it. The displacement calculated according to this is represented by Equation 17 described above.
추정 지연(δ) 및 변위에 근거하여 제2 영역에서 압축에 따른 제1 수신신호와 제2 수신신호 사이의 지연을 계산한다. 압축에 따른 상기 제1 수신신호와 제2 수신신호 사이의 계산된 지연은 수학식 17로부터 얻어지는 군지연 tg에 해당한다.Based on the estimated delay δ and the displacement, a delay between the first received signal and the second received signal according to compression in the second region is calculated. The calculated delay between the first and second received signals due to compression corresponds to a group delay t g obtained from equation (17).
다음으로, 계산된 지연(군지연 tg)에 기초하여 상기 대상체의 초음파 영상을 형성한다.Next, an ultrasound image of the object is formed based on the calculated delay (group delay t g ).
전술한 제1 영역은 상기 제2 영역보다 상대적으로 대상체의 깊이가 얕은 영역에 대응한다.The first region described above corresponds to a region having a shallower depth of the object than the second region.
본 발명의 다른 실시예에 따라 변위를 계산한 다음, 수학식 9를 기초로 제1 수신신호와 제2 수신신호 중 어느 하나의 위상함수를 미분하여 순시주파수를 계산한다. 즉, 순시주파수는 샘플링 시간(T) 동안의 상기 제1 수신신호 또는 상기 제2 수신신호의 상관도에 기초하여 계산한다. 이 경우, 압축에 따른 제1 수신신호와 제2 수신신호 사이의 지연은 추정된 지연, 변위 및 순시주파수를 이용하여 계산한다.After calculating the displacement according to another embodiment of the present invention, the instantaneous frequency is calculated by differentiating a phase function of any one of the first and second received signals based on Equation (9). That is, the instantaneous frequency is calculated based on the correlation between the first received signal or the second received signal during the sampling time T. In this case, the delay between the first and second received signals due to compression is calculated using the estimated delay, displacement and instantaneous frequency.
전술한 바와 같이 이루어지는 본 발명은, 매질의 깊이에 따라 다른 초음파 송신 주파수를 사용함으로써 위상을 시간 값으로 변환하는 과정에서 발생하는 오차를 줄일 수 있다. 아울러, 데이터의 이동으로 데이터의 상관도를 높이고 작은 변위를 계산하게 되므로 신호의 엘리어싱(aliasing)을 피할 수 있다. 데이터 이동에 의한 신호 크기(amplitude)의 변화와 위상의 변화를 같이 고려함으로써 정확한 변위를 계산할 수 있다.According to the present invention made as described above, by using different ultrasonic transmission frequencies according to the depth of the medium, it is possible to reduce the error occurring in the process of converting the phase to a time value. In addition, since the data is moved and the correlation of the data is increased and a small displacement is calculated, aliasing of the signal can be avoided. Accurate displacement can be calculated by considering the change in signal amplitude and the change in phase due to data movement.
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