KR101407425B1 - 최적 스펙클 추적을 위한 이중 경로 처리 - Google Patents

최적 스펙클 추적을 위한 이중 경로 처리 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일반적으로는, 시간상으로, 조직과 같은 표적 움직임의 일련의 이미지를 획득하기 위해, 스펙클 추적에 대한 향상기술 및 완화기술을 결합하는 개선된 시스템과 방법에 관한 것이다. 이 방법은, 인간 신체 내로 음파를 전송하고 상기 음파의 에코를 출력하는, 전송 및 출력 단계; 스캔 라인 데이터를 생성하기 위해 상기 에코를 수신하고 빔 형성하는 형성 단계; 스펙클을 감소시키는 방법을 이용하여 해부 정보를 디스플레이하기 위해 스캔 라인 데이터 처리하는 단계; 스펙클을 감소시키지 않는 방법 또는 절차를 이용하여 스캔 라인 데이터를 처리하는 단계; 및 하나의 스캔 시퀀스 동안, 스펙클을 감소시키게 처리된 데이터와 스펙클을 감소시키는 것 없이 처리된 데이터인 2개의 스캔 라인 데이터를 동시에 획득하는 단계를 포함한다.
스펙클, 진단, 초음파, 에코, 빔

Description

최적 스펙클 추적을 위한 이중 경로 처리{DUAL PATH PROCESSING FOR OPTIMAL SPECKLE TRACKING}
본 발명은 일반적으로 초음파 이미징에 대한 것으로, 더 상세하게는 향상 및 완화된 초음파 스펙클 패턴 둘 다를 이용하는 초음파 이미징에 관한 것이다.
과거 10년 동안, 초음파 이미지 품질에 대한 중요한 개선이 주파수 합성 및 공간 합성(SonoCT) 기술을 포함하는 고급 합성 기술로부터 발생하였다. 이들 기술은 초음파 스펙클을 완화시킴으로써 동작하고, 이 스펙클은 라레이(raleigh) 산란 에코로부터 획득되는 보강/상쇄 간섭 패턴에 관계되는 인공적인 잡음 패턴이다.
스펙클은 초음파 빔의 분석 셀 내에 포함되는 다수의 작은 해부 조직 표적과 결합되는 무작위 보강 간섭과 상쇄 간섭에 의해 야기된다. 이들 표적, 즉 라레이 산란은 정의에 의해, 질문성(interrogating) 음파의 파장 보다 훨씬 짧다. 전송된 사운드 빔(sound beam)은 넓은 대역이 되기 쉬운 경향이 있고, 이는 이 빔이 다양한 파장을 갖는 음파를 포함하는 개념을 언급한다. 당업자에 의해 알려진 바와 같이, 상이한 파장은 상이한 보강 간섭 패턴과 상쇄 간섭 패턴을 가지며, 따라 상이한 스펙클 패턴을 갖는다. 프리즘이 백광을 그 구성 파장(컬러)로 분리하는 방식과 거의 유사하게, 쿼드러처 대역 필터(quadrature bandpass filter)는 되돌아오는 사 운드 에코를 2개 그룹으로 분리하는데, 즉 하나는 더 짧은 파장, 다른 하나는 더 긴 파장을 갖는다. 이 2개 그룹은 그러므로 상이한 간섭 패턴을 가지며, 따라서 상이한 스펙클 패턴을 가질 것이다.
최근에, 혈액 및 조직의 속도 및 변위 둘 다를 추적하려는 욕구가 있다(1D, 2D 및 3D 공간에서). 초음파 이미징으로부터 획득된 이 스펙클 패턴이 짧은 거리에 대하여 조직 및 조직 변위를 추적하는데 도움이 되므로, 조직 속도 및 변위의 정확한 측정이 시간상으로 획득되는 유사한 스펙클 패턴과 공간상으로 획득되는 스펙클 패턴을 교차 상관시킴으로써 계산될 수 있다. 이들 기술은 2D 스펙클 추적, 및 3D 스펙클 추적과 같은 산업에서 참조되고 있다. 최적 흑백(BW) 이미지 품질이 되돌아오는 에코의 초음파 스펙클을 완화시킴으로써 획득될지라도, 최적 스펙클 추적(변위 및 속도)은 이 초음파 스펙클이 개선된 경우에 획득된다.
본 발명은 일반적으로는, 시간상으로, 조직과 같은 표적 움직임의 일련의 이미지를 획득하기 위해, 스펙클 추적에 대한 향상기술 및 완화기술을 결합하는 개선된 시스템과 방법에 관한 것이다.
이 방법은, 인간 신체 내로 음파를 전송하고 상기 음파의 에코를 출력하는, 전송 및 출력 단계; 스캔 라인 데이터를 생성하기 위해 상기 에코를 수신하고 빔 형성하는 단계; 스펙클을 감소시키는 방법을 이용하여 해부 정보를 디스플레이하기 위해 스캔 라인 데이터 처리하는 단계; 스펙클을 감소시키지 않는 방법 또는 절차를 이용하여 스캔 라인 데이터를 처리하는 단계; 및 하나의 스캔 시퀀스 동안, 스펙클을 감소시키게 처리된 데이터와 스펙클을 감소시키는 것 없이 처리된 데이터인 2개의 스캔 라인 데이터를 동시에 획득하는 단계를 포함한다.
본 발명의 전술 및 다른 목적, 측면, 특징, 및 이점은 이하 설명 및 청구항으로부터 더 명백할 것이다.
도면에서, 유사 참조 기호는 일반적으로 상이한 도면 전체에 걸쳐 동일한 부분을 지칭한다. 또한, 도면은 반드시 일정한 비율에 따른 것은 아니며, 일반적으로 대신에 본 발명의 원리를 예시하기 위해 강조된다.
도 1은 저주파수 쿼드러처 대역 필터로부터 생성된 환자 신체(조직)의 일부분에 대한 예시적인 스펙클 이미지.
도 2는 환자 신체(조직)의 일부분의 예시적인 합성 팬텀 이미지(phantom image) 또는 진짜 이미지.
도 3은 저주파수 쿼드러처 대역 필터로부터 생성된 환자 신체(조직)의 일부분에 대한 또 다른 예시적인 스펙클 이미지.
도 4는 나중 시간에서의 도 3의 조직.
도 5는 환자 신체(조직)의 일부분에 대한 또 다른 예시적인 합성 팬텀 이미지 또는 진짜 이미지.
도 6은 나중 시간에서의 도 5에 도시된 조직의 진짜 이미지.
도 7은 스펙클 패턴을 감소시키기 위해 구성된 종래 기술의 초음파 이미징 시스템의 예시적인 개략도.
도 8은 최적 스펙클 추적을 위해 구성된 종래 기술의 초음파 이미징 시스템의 예시적인 개략도.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른, 최적 스펙클 추적을 위해 구성된 초음파 이미징 시스템에 대한 예시적인 개략도.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른, 최적 스펙클 추적을 위해 구성된 초음파 이미징 시스템의 예시적인 개략도.
본 발명은 또한 개선된 초음파 스펙클 패턴과 완화된 초음파 스펙클 패턴 둘 다를 이용하는 초음파 이미징에 관한 것이다. 단일 스캔 라인에 대응하는 되돌아오는 디지털화된 에코가 복제되고 2개의 별도 처리 경로로 보내진다. 하나의 경로는 흑백(BW) 이미지 품질, 즉 감소된 스펙클에 대하여 최적화된다. 다른 하나의 경로는 스펙클 추적, 즉 향상된 스펙클에 대하여 최적화된다.
표적(예를 들면 인간 조직)이 초음파를 이용하여 쪼이게 되는 경우, 이 표적은 초음파 신호를 보강 또는 상쇄 간섭할 수 있다. 표적 조직의 이미지는 입자가 거칠게 보이거나, 결을 갖는 것으로 보인다. 이러한 입자가 거칠게 보이는 외관은 스펙클로서 명칭된다. 이 스펙클은 이미지에서의 기초적인 데이터와 관계가 없다. 스펙클은 단순하게 조직이 움직임에 따라 변경되는 데이터에서의 임의 범프 또는 잡음이다. 따라서, 스펙클 추적, 즉 시간상으로 스펙클 데이터를 캡쳐하는 것은 조직 움직임 및/또는 변위 또는 혈액 흐름을 추적하는 것을 가능하게 한다.
예를 들면, 스펙클은 다음과 같이 심장 사이클을 통하여 심장 박동 또는 움 직임을 추적하기 위해 사용될 수 있다. 혈액이 조직을 적절하게 통과하는 경우, 조직은 유연해진다. 혈액이 조직을 적절하게 통과하지 않는 경우, 조직은 경직된다. 심장은 스폰지와 유사하고 수축적인 성질을 갖는다. 심장이 박동함에 따라, 심장은 압축되고 원상태로 돌아간다. 그러나, 죽은 또는 손상된 조직은 압축되거나 움직이지 않는다. 그러므로, 시간상으로 심장의 초음파 이미징으로부터 스펙클 패턴의 추적은 심장의 박동 또는 움직임, 또는 이의 부족을 추적하는 것을 가능하게 한다.
도 1은 저주파수 쿼드러처 대역폭 필터로부터 생성되는, 환자 신체의 일부분, 즉 조직에 대한 스펙클 이미지를 보여준다. 도 2는 환자 신체의 일부분, 즉 조직의 합성 팬텀 또는 진짜 이미지를 보여준다. 도 2에서, 인공적인 스펙클 모두가 제거되면, 이는 좌측상의 포인트 표적, 상단 좌측에서의 작은 블랙 혈관, 및 백그라운드 그레이 레벨에서의 미묘한 변동(더 낮은 우측)을 보는 것을 더 쉽게 만든다. 따라서, 도 2는 2D 및/또는 해부학적 표현으로부터 최적으로 여겨질 수 있다. 그러나, 이 조직이 움직이고, 위치에서 이러한 변위 관련 변화를 검출하길 원하면, 도 2는 유용하지 않은데, 왜냐하면 임의의 중요한 "결"(특히 더 낮은 우측에서)이 부족하기 때문이다. 따라서, 움직임의 검출은 도 2를 이용하면 매우 어려울 것이다.
도 3에서, 중심에서의 회색 박스에 의해 예시된 임의적인 조직 영역이 추적을 위해 식별된다. 이 회색 박스는 관심 영역(ROI: Region Of Interest)으로 알려져 있는 영역을 예시한다. 도 4는 ROI와 함께 그러나, 더 나중 시간에서의 동일한 조직을 보여준다. ROI가 예시하는 바와 같이, 조직은 도 3에 도시된 그 원래 위치 로부터 움직이게 된다. 그러나, 더 중요하게는, 또한 스펙클 또는 그레인(grain)으로서 알려진 결은 도 3 및 도 4 둘 다에서 동일하다. 다양한 "스펙클 추적" 방법이 임의의 주어진 조직이 얼마나 움직였는지를 결정하도록 허용하는 것은 이러한 결이다.
도 5는 도 3과 같이, 동일한 시간에서의 동일한 조직을 예시한다. 그러나, 이 경우에서, 모든 스펙클이 제거된다. 다시, 특정 조직 영역(ROI, 회색 박스)이 추적을 위해 식별된다. 도 5에서 사용된 바와 동일한 스펙클 감소 기술을 이용하여, 도 6은 더 나중 시간에서의 동일한 조직을 예시한다. 그러나, 도 6에서, 모든 스펙클이 제거되기 때문에, 임의 스펙클 추적 방법이 도 5의 ROI에서 원하는 조직이 얼마나 멀리 움직였는지를 결정할 방식이 없다. 따라서, 모든 스펙클의 제거는 조직의 움직임에 대한 추적을 차단한다.
도 7을 참조하면, 스펙클 패턴을 감소시키기 위해 구성된 종래 초음파 이미징 시스템(100)의 개략도가 도시된다. 이미징 시스템(100)은 초음파 트랜듀서(XD)(105), 스캐너(110), 제 1 쿼드러처 대역 필터(QBP1)(115), 제 2 쿼드러처 대역 필터(QBP2)(120), 로그검출(LogDetect)(125), 로그검출(130), 평균화 수단(135), 멀티 레이트 저역 필터(LPF)(140), 소노(Sono)CT(145), 및 디스플레이(150)를 포함한다. 바람직한 실시예에서, 후속하는 처리 단계가 디지털 하드웨어를 이용하거나, 또는 CPU의 일부로서 소프트웨어를 이용하여 처리되도록 스캐너(110)가 되돌아오는 에코를 디지털화하는 것이 예측된다. 평균화 수단(135)은 로그검출(125 및 130)의 2개 출력을 합하고, 그 결과를 반으로 하는 것처럼 단순할 수 있다.
동작에서, 초음파 트랜듀서(XD)(105)는 전기적 신호를 음파로 변환하고 음파를 전기적 신호로 변환하는 초음파 압전 트랜듀서이다. XD(105)는 대상(환자)을 스캔하고 초음파를 생산하여 이를 스캐너(110)에 출력하는데, 이 스태너는 초음파 빔을 조정하고 집광시키기 위해 사용되는 위상-파 빔형성기이다. 스캐너(110)의 출력은 QBP1(115) 및 QBP2(120)에 입력된다. 이 QBP1(115) 및 QBP2(120)는 각각 힐버트 트랜스포머(1-3MHz)를 포함하는 대역 필터이다. QBP1(115)는 2MHz에서 집중되고, QBP2(120)는 3MHz에서 집중된다. QBP1(115) 및 QBP2(120)는 각각 실수 동위상 신호 및 복소 쿼드러처 신호(Quadrature signal)를 가지는 IQ 신호로 명칭된 복소 분석 신호를 출력한다. 제곱의 합의 제곱근을 취함으로써, 다음식과 같이 에코의 포락선을 계산할 수 있다.
포락선 =
Figure 112009026117594-pct00001
로그검출(125) 및 로그검출(130)은 각각 QBP1(115)와 QBP2(120)로부터 복소 신호를 수신하고, 수신된 복소 신호의 포락선을 검출하며, 이후 검출된 결과의 로그를 취한다. 상이한 주파수 대역폭 필터로부터 검출된 신호를 결합하는 방법이 "주파수 합성"으로서 명명되고, 초음파 산업에서 잘 확립된 기술임을 주목하자.
평균화 수단(135)은 로그검출(125) 및 로그검출(130)로부터 로그된 포락선을 수신한다. 로그검출(125) 및 로그검출(130)로부터의 로그된 포락선은 2개의 상이한 주파수(예를 들면, 각각 2 및 3 MHz)로부터 도출된다. 스펙클은 기초 신호가 동일 하게 남아있으면서 주파수 함수로서 변경된다. 로그된 포락선이 함께 평균되는 경우, 이 스펙클은 평균화된다. 평균화된 신호는 이후 멀티 레이트 저역 필터(140)에 입력되고 소노CT(145)에 출력된다. 이 스펙클이 기초 평균 신호보다 더 빠르게 변동될 수 있으므로, 이러한 데이터의 저역 필터링은 추가로 스펙클 변동을 감소시킬 것이다. 멀티 레이트 저역 필터(140)는 또한 높은 공간 주파수 정보를 감소시키며, 이에 의해 신호가 10분의 1이 되는 것을 허용한다. 이는 수천에서 불과 백으로 스캔 라인당 샘플의 개수를 감소시킨다. 더 적은 샘플의 경우는 다운스트림 처리 연산의 계산적 짐을 감소시킨다.
소노CT(145)는 복합 이미징 디바이스이고, 이 디바이스는 상이한 시야각으로터 이미지를 획득하고 이후 이들을 단일 이미지로 결합한다. 스펙클 패턴은 시야각에 따라 변동된다. 평균화 수단(135)의 출력을 멀티 레이트 저역 필터(140) 및 소노CT(145)로의 입력하는 목적은 추가로 초음파 이미지로부터 스펙클을 제거하는 것이다. 이후, 소노CT(145)의 출력은 모니터와 같은 디스플레이(150)에 입력된다.
도 8을 참조하면, 최적 스펙클 추적을 위해 구성된 종래 초음파 이미징 시스템(200)의 개략도가 도시된다. 이 이미징 시스템(200)은 초음파 트랜듀서(XD)(105), 스캐너(110), 쿼드러처 대역 필터(QBP1)(115), 로그검출(125), 멀티 레이트 대역 필터(202), 스펙클 추적기(205), 및 디스플레이(150)를 포함한다.
동작에서, XD(105)는 초음파를 생성하고 이들을 스캐너(110)에 출력한다. 스캐너(110)의 출력은 QBP1(115)에 입력된다. QBP1(115)는 위에 기술된 IQ 신호를 출력한다. 로그검출(125)는 QBP1(115)로부터 복소 신호를 수신하고 수신된 복소 신호 의 포락선을 검출한다. 이 포락선은 이후 멀티 레이트 저역 필터(202)에 입력되고, 스펙클 추적기(205)에 출력된다. 최적 스펙클 감소를 위해 도 7에 사용된 멀티 레이트 저역 필터(140)와 다르게, 이 멀티 레이트 저역 필터(202)는 낮은 평활 및 잠재적으로는 낮은 데시메이션(decimation)을 제공한다. 최적 스펙클 추적에 대하여, 스펙클이 향상되어, 스펙클을 마스킹하기 위해 사용된 종래 기술이 이제 이롭지 못한 것이 요구된다. 스펙클 추적기(205)는 상이한 시점에서 스펙클을 추적하는, 즉 스펙클에서의 변동을 획득하기 위해 표적(예를 들면, 조직)이 움직임에 따라 이미지 데이터를 기록하는 교차 상관 디바이스이다. 상이한 시점에서 스펙클을 교차 상관시킴으로써, 스펙클 추적기는 조직 변위, 조직 움직임, 및 조직 압축을 계산할 수 있다. 스펙클 추적기(205)의 출력은 이후 디스플레이(150)에 입력된다.
"스펙클 추적"에 대한 수많은 공개된 방법이 있다(예를 들면, 미국특허번호 제5,876,342호, Chen 등). 추적 성능 및 속도 둘 다를 위해 전형적으로 사용되는 방법은 "정규화된 교차-상관(Normalized Cross-Correlation)' 방법이다. 이는 다음식과 같이 정의된다.
Figure 112009026117594-pct00002
여기서,
NCC는 정규화된 교차 상관 함수이고,
dx, dy는 스펙클이 얼마나 멀리 움직였는지를 결정하기 위한 검색 공간이며,
x∈ROI는 관심 영역(ROI: Region Of Interest)에서 x & y에 대해 취해진 덧셈이고,
u1은 시간 1에서의 이미지이며,
u2는 시간 2에서의 이미지이다.
이 공식은 다음과 같이 적용된다.
1. 먼저, 제 1 이미지에서 추적하기 위해 선택된 관심영역(ROI)이 식별된다. 복수의 ROI가 선택될 수 있고, 모든 픽셀(또는 3D 용적에서의 모든 복셀)이 추적을 위해 선택될 수 있음을 주목하자. 이는 ROI 및 제 1 이미지, 즉 u1에서의 ROI 및 x 및 y의 범위를 정의한다.
2. 다음으로는, dx 및 dy는 동일한 크기의 ROI를 더 나중 시간에서 관찰된 이미지, 즉 u2내에 옮기도록 변동된다.
3. 각 dx 및 dy에 대하여, 정규화된 교차 상관(NCC) 함수가 평가된다.
4. 단계 2 및 단계 3은 NCC의 피크 최대값이 관찰될때까지 반복된다. 1.0의 NCC값은 최대 상관을 가리킨다. 이 피크값에서 dx 및 dy의 값은 ROI에서 원하는 조직이 얼마나 멀리 움직였는지를 가리킨다.
당업자에게는 명백한 바와 같이, 소스(ROI(u1에서) 내에서, 또는 변위된 ROI(u2에서) 내에서 임의 결 또는 스펙클 변동의 부족은 NCC 검색 알고리즘이 실패하는 것을 야기한다. 1.0의 상관값은 dx 및 dy의 모든 변위된 값에 대하여 관찰되고, 따라서 피크가 식별되지 않을 수 있다.
본 발명은 이미지 향상 초음파 신호 경로로부터 획득된 데이터 및 스펙클 향상 초음파 신호 경로로부터 획득된 데이터를 결합하여 시간상으로 조직의 움직임의 일련의 이미지를 획득하기 위한 개선된 시스템 및 방법을 제공한다.
도 9를 참조하면, 최적 스펙클 추적을 위해 구성된 초음파 이미징 시스템(300)의 바람직한 실시예의 개략도가 도시된다. 이미징 시스템(300)은 초음파 트랜듀서(XD)(105), 스캐너/빔형성기(110), 제 1 쿼드러처 대역 필터(QBP1)(115), 제2 쿼드러처 대역 필터(QBP2)(120), 로그검출(125), 로그검출(130), 평균화 수단(135), 제 1 멀티 레이트 저역 필터(305), 제 2 멀티 레이트 저역 필터(310), 스펙클 추적기(205), 소노CT(145), 및 디스플레이(150)를 포함한다.
동작에서, 스캐너(110)는 전기 신호를 초음파 트랜듀서(XD)(105)로 보내며, 이 트랜듀서는 이 전기 신호를 음파로 변환한다. 이들 음파는 신체내로 전파되고, 다양한 해부 구조를 반사한다. 되돌아오는 음파 에코는 동일한 초음파 트랜듀서(XD)(105)에 의해 전기 신호로 다시 변환되고, 이후 다시 스캐너(110)로 보내진다. 이후, 스캐너(110)는 특정 스캔 방향 및 깊이로부터 에코를 격리시키기 위해 이들 신호를 처리하며, 이에 의해 이들 위치에서 해부 구조를 확인한다.
스캐너(110)의 출력은 QBP1(115)와 QBP2(120)에 입력된다. 일실시예에 있어서, QBP1(115)는 2MHz에 집중되고, QBP2(120)는 3MHz에 집중된다. QBP1(115) 및 QBP2(120)는 각각 IQ신호를 출력하며, 이 신호는 신호 잡음이 제거된 복소 신호이다. 로그검출(125) 및 로그검출(130)은 각각 QBP1(115)와 QBP2(120)로부터 복소 신호를 수신하고, 이 수신된 복소 신호의 포락선을 검출한다. 위에 기술된 바와 같 이, 평균화 수단(135)은 신호 경로(320)를 통하여 로그검출(125) 및 및 로그검출(130)로부터 신호 포락선을 수신하고, 이미지로부터 잡음(스펙클)을 평균화한다.
평균화된 신호는 이후 멀티 레이트 저역 필터(310)에 입력된다. 멀티 레이트 저역 필터(310)의 출력은 소노CT(145)에 입력되고, 이 소노CT는 상이한 시야각으로부터 이미지를 획득하고 이후 이들을 단일 이미지로 결합한다. 소노CT(145)의 출력은 이후 디스플레이(150)에 입력된다.
로그검출(125)로부터의 신호 포락선이 또한 신호 경로(315)를 통하여 멀티 레이트 저역 필터(305)에 입력된다. 멀티 레이트 저역 필터(305)의 출력은 스펙클 추적기(205)에 입력되고, 이 추적기는 상이한 시점에서 스펙클을 추적한다. 위에 언급된 바와 같이, 상이한 시점에서 이 스펙클을 교차 상관시킴으로써, 스펙클 추적기는 조직 변위, 조직 움직임, 및 조직 압축을 계산할 수 있다. 이후, 스펙클 추적기(205)의 출력은 디스플레이(150)에 입력된다.
스펙클 추적기(205)로부터의 스펙클 데이터 및 소노CT(145)로부터의 이미지 데이터는 동시에 디스플레이(150)에 의해 획득된다. 이 스펙클 데이터 또는 "기능 정보"가 그래프 또는 제 2 이미지로서, 해부 이미지 데이터와 함께 나란히 디스플레이될 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 이러한 기능 정보는 예를 들면 해부 이미지와 상이한 컬러를 사용하여, 해부 이미지 데이터의 상단에 오버레이되거나 또는 중첩될 수 있다. 이러한 이미지는 종종 "파라메터 이미지"로서 초음파 산업에서 종종 참조된다.
따라서, 스펙클 데이터는 파라메터 이미지를 생성하기 위해 이미지 데이터에 중첩될 수 있으며, 이는 이미징된 조직의 움직임이 관찰되는 것을 허용한다. 스펙클 데이터는 그 값에 기초하는 다양한 컬러로 디스플레이될 수 있다. 예를 들면, 일실시예에 있어서, 움직이는 조직을 가리키는 "변동하는" 스펙클 데이터는 녹색으로 디스플레이되고, 움직이지 않는 조직을 가리키는 "변동이 없는" 스펙클 데이터는 회색으로 디스플레이된다. 유리하게는, "컬러화된" 스펙클 데이터가 동시에 획득되는 이미지 데이터에 중첩되는 경우, 움직이는 조직과 움직이지 않는 조직이 관찰될 수 있다. 조직 움직임에 덧붙여, 획득된 스펙클 데이터 이미지 데이터가 혈액 흐름을 관찰하기 위해 사용될 수 있다. 혈액이 흐름에 따라, 조직은 시간상으로 팽창하고 수축하며, 따라서 이는 변동하는 스펙클 데이터를 야기한다. 만일 혈액 흐름이 없다면, 획득된 스펙클 데이터는 변동되지 않을 것이다.
스펙클 추적기(205)의 직접 출력은 질문된 해부체에 대한 움직임 및 변위 정보를 제공한다. 이러한 정보는 수많은 함수적 속성을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 일실시예에 있어서, 변위 필드는 시간에 대하여 차별화되어 상이한 구조의 속도를 결정할 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 변위에서의 공간적 차이는 국소적 변형을 계산하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 변형의 측정은 건강하고 수축하는 심장 근육의 이들 부분, 및 국소 빈혈적이고, 죽은, 그리고 수축이 없는 이들 부분을 차별화시키기 위해 이용될 수 있다. 또 다른 일실시예에 있어서, 움직임 필드는 타이밍 분석을 위해 이용되어 심장의 상이한 부분이 수축하고 있는 때를 결정할 수 있다. 정상의 건강한 심장에 있어서, 좌심실의 모든 부분은 동시에 수축하는 경향이 있다. 그러나, 비동시성 수축을 갖는 병든 심장에 있어서, 심근의 상이한 부분 은 상이한 시간에 수축되며, 이는 덜 효율적인 펌핑을 야기한다.
위에 도출된 측정값 모두는 전용 하드웨어, 또는 컴퓨터 상에서 동작하는 소프트웨어를 이용하여 계산될 수 있다. 또한, 이러한 측정값을 실시간(음파가 획득되고 있는 동안), 또는 비실시간(획득후)으로 도출하는 것이 가능할 수 있다.
위에 기술된 본 발명 시스템 및 방법은 가슴 조직 내의 종양을 검출하기 위해 유용할 수 있다. 유방 뢴트겐 조영법(mammography)과 같은 현재 방법은 종양이 40대 내지 50대의 나이든 여성과 같은 밀도가 낮은 조직에 의해 둘러싸게 되는 경우만 효과적이다. 본 발명은 둘러싸고 있는 조직 밀도와 무관하게, 효과적으로는 종양, 즉 혈액 흐름 또는 조직 움직임이 없는 영역을 검출하고, 따라서 20대 내지 50 대의 나이든 여성에서 종양을 검출할 수 있다.
위에 기술된 본 발명 방법은 또한 심장의 침범된 영역을 찾기에 효과적이다. 이러한 영역은 손상되어서, 감소된 혈액 흐름이, 따라서 감소된 움직임을 가지며, 이러한 움직임이 추적되고 관찰될 수 있다.
더욱이, 본 발명은 이온화하는 방사 또는 방사성 안료의 도입을 수반하는 현재의 진단 방법 보다 더 빠르고, 안전하며 덜 침습적이다.
도 9에 도시된 실시예의 핵심 한계는 QBP-필터-로그검출 처리 뱅크(예를 들면, QBP 필터(115)와 로그검출(125)) 중 하나가 감소된 스펙클 이미지 품질 경로와 최적 스펙클 추적 경로 둘 다에 의해 공유된다는 점이다. 반면에, 이러한 공유는 단지 2개의 QBP-필터-로그검출 뱅크에 의한 더 낮은 비용의 구현예를 야기할 수 있으며, 이는 잠재적으로는 감소된 스펙클 이미지 품질 경로와 최적 스펙클 추적 경 로 둘 다의 성능을 손상시킨다. 예를 들면, 이 경로 중 하나가 기본 주파수 동작을 위해 구성되고(QBP 필터는 전송 주파수에 가까운 중심 주파수를 가짐), 다른 하나의 경로는 조직 고조파 이미징(Tissue Harmonic Imaging)을 위해 구성(QBP 필터는 전송 주파수의 중심 주파수에 2배의 중심 주파수를 가짐)되는 것이 바람직할 수 있다.
도 10을 참조하면, 도 9의 성능 제한을 해소하기 위한 대안적인 실시예에 있어서, 최적 스펙클 추적을 위해 구성된 초음파 이미징 시스템(400)의 개략도가 도시된다. 이미징 시스템(400)은 초음파 트랜듀서(XD)(105), 스캐너/빔형성기(110), 제 1 쿼드러처 대역 필터(QBP1)(115), 제 2 쿼드러처 대역 필터(QBP2)(120), 제 3 쿼드러처 대역 필터(QBP3)(405), 로그검출(125), 로그검출(130), 로그검출(410), 평균화 수단(135), 제 1 멀티 레이트 저역 필터(305), 제 2 멀티 레이트 저역 필터(140), 스펙클 추적기(205), 소노CT(145), 및 디스플레이(150)를 포함한다.
동작에서, XD(105)는 초음파를 전기 신호로 변환하고, 이들을 스캐너(110)로 출력한다. 스캐너(110)의 출력은 QBP1(115), QBP2(120) 및 QBP3(405)에 입력된다. 일실시예에 있어서, QBP1(115)는 2MHz에 집중되고, QBP2(120)는 3MHz에 집중된다. 이는 전송 주파수가 2.5MHz에 집중되고, QBP1(115) 및 QBP2(120)는 전송 주파수에 근접한 기본 주파수에서 주파수 합성을 실행하는 것을 시도한다. 이들 주파수는 최적 이미지 품질 및 최적 스펙클 감소를 위해 선택될 수 있다. 이러한 동일한 시나리오에 있어서, 최적 스펙클 추적이 조직 고조파 이미징(미국특허번호 제5,879,303호를 참조)을 이용하여 실행되어야 한다는 결론이 내려질 수 있다. 이 경우에서, 5MHz에서 집중된 QBP3(405)를 갖는 것이 적절할 것이며, 이는 전송된 음파의 주파수에 2배가 될 것이다. QBP1(115), QBP2(120), 및 QBP3(405)는 각각 IQ 신호를 출력하며, 이 신호는 신호 잡음이 제거된 복소 신호이다. 로그검출(125) 및 로그검출(130)은 각각 QBP1(115)와 QBP2(120)로부터 복소 신호를 수신하고, 수신된 복소 신호의 포락선을 검출한다. 고그 검출(410)은 QBP3(405)로부터 복소 신호를 수신하고, 수신된 복소 신호의 포락선을 검출한다.
평균화 수단(135)은 로그검출(125) 및 로그검출(130)로부터 신호 포락선을 수신하고, 이 이미지로부터 스펙클을 평균한다. 평균화된 신호는 이후 멀티 레이트 저역 필터(310)에 입력된다. 멀티 레이트 저역 필터(310)의 출력은 소노CT(145)에 입력된다. 소노CT(145)의 출력은 모니터와 같은 디스플레이(150)에 입력된다.
동시에, 로그검출(410)로부터의 신호 포락선이 멀티 레이트 저역 필터(305)에 입력된다. 멀티 레이트 저역 필터(305)의 출력은 스펙클 추적기(205)에 입력된다. 스펙클 추적기(205)의 출력은 이후 디스플레이(150)에 입력된다.
실시예 및 블럭도 모두는 하나의 경로가 최적 이미지 품질과 감소된 스펙클을 위해 최적화되고, 제 2 경로는 스펙클 추적 및 향상된 스펙클을 위해 최적화되도록 동일한 스캔 라인을 처리하는 상이한 방법을 기술한다. 스캔 라인은 신체 내의 특정 조준선을 질문하는 단수의 사운드빔으로 정의되며, 이는 축방향 깊이의 치수를 갖는다(예를 들면 mm단위로). 이러한 스캔 라인이 어떻게 순차적으로 되는 지에 따라, 상이한 이미징 모드 및 디스플레이가 획득될 수 있다. 일실시예에 있어서, 스캔 라인은 동일한 조준선(M-모드로 참조됨)을 질문할 수 있다. 제 2 실시예 에 있어서, 스캔 라인은 2D 또는 B-모드 동작으로서 명명되는, 신체 내에서 단층 X선 사진 촬영의 슬라이스를 통하여 순차화될 수 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 스캔 라인은 방위(측방향각(lateral)) 및 고도 치수 둘 다에서 변동되고, 이에 의해 용적을 스캐닝할 수 있다(3D 또는 4D 이미징으로 명명됨).
또한, 평균적인 당업자에게 명백한 바와 같이, 본 발명은 단일 소자의 기계적 트랜듀서, 위상 어레이, 리니어(Linear), 곡선 리니어 어레이(CLA: Curved-Linear Array), 2D 매트릭스 어레이, 및 위상 어레이 워블러를 포함하나, 이에 제한되지 않는 임의 타입의 초음파 트랜듀서에 적용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 단일 처리 경로가 선 단위 기초로 변동되도록, 하나의 수신 스캔 이벤트 동안, 이 경로가 스펙클 처리를 위해 최적화되도록, 그리고, 또 동일한 조준선일 수 있는 다른 수신 스캔 이벤트 동안, 이 경로는 완화된 스펙클을 가지는 최적 이미지 품질을 위해 최적화되도록, 병렬 처리 경로는 시간 다중화되는 것으로 가정된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 스펙클 추적을 위해 사용된 처리는 대역 필터를 위한 RF 필터의 이용을 수반하지만 로그검출을 가지지 않는다. 본 발명의 또 다른 실시예는 스펙클 추적 경로에서 사용된 주파수 컷오프 미만의 주파수 컷오프에서 사후 검출되는 저역 필터를 제한함으로써 스펙클을 감소시키는 것을 수반한다.
여기에 기술된 본 발명의 변형, 개조, 및 다른 구현예는 본 발명의 기술사상 및 범위를 벗어나지 않으면서도 당업자에게 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명은 선 행하는 예시적인 설명에 의해서만 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 일반적으로는, 시간상으로, 조직과 같은 표적 움직임의 일련의 이미지를 획득하기 위해, 스펙클 추적에 대한 향상기술 및 완화기술을 결합하는 개선된 시스템과 방법에 이용 가능하다. 이 방법은, 인간 신체 내로 음파를 전송하고 상기 음파의 에코를 출력하는, 전송 및 출력 단계; 스캔 라인 데이터를 생성하기 위해 상기 에코를 수신하고 빔 형성하는 단계; 스펙클을 감소시키는 방법을 이용하여 해부 정보를 디스플레이하기 위해 스캔 라인 데이터 처리하는 단계; 스펙클을 감소시키지 않는 방법 또는 절차를 이용하여 스캔 라인 데이터를 처리하는 단계; 및 하나의 스캔 시퀀스 동안, 스펙클을 감소시키게 처리된 데이터와 스펙클을 감소시키는 것 없이 처리된 데이터인 2개의 스캔 라인 데이터를 동시에 획득하는 단계를 포함한다.

Claims (22)

  1. 초음파 시스템으로서,
    인간 신체 내로 음파를 전송하고 상기 음파의 에코를 출력하는, 전송 및 출력 수단;
    적어도 하나의 스캔 라인 데이터를 생성하기 위해 상기 에코를 수신하고 빔 형성하는 수신 및 형성 수단;
    해부 정보를 디스플레이하기 위해 상기 스캔 라인 데이터 중 하나를 처리하기 위한 제 1 처리 수단으로서, 스펙클(speckle)을 감소시키는 것을 포함하는, 제 1 처리 수단;
    상기 스캔 라인 데이터 중 하나를 처리하기 위한 제 2 처리 수단으로서, 스펙클을 감소시키는 것을 포함하지 않는, 제 2 처리 수단; 및
    하나의 스캔 시퀀스 동안 동시에 상기 제 1 처리 수단을 이용하여 처리된 스캔 라인 데이터 중 하나와 상기 제 2 처리 수단을 이용하여 처리된 스캔 라인 데이터 중 하나를 획득하는 획득 수단을 포함하고,
    스펙클을 감소시키는 것은 주파수 합성을 이용하여 이루어지고,
    상기 초음파 시스템은 2개 이상의 필터 뱅크를 추가로 포함하되, 각 필터 뱅크는 검출기 및 각 필터 뱅크에 대하여 고유 응답을 가지는 대역 필터를 포함하는, 초음파 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 처리 수단 및 제 2 처리 수단은 동일한 스캔 라인 데이터를 처리하는, 초음파 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 처리 수단 및 제 2 처리 수단은 상기 하나의 스캔 시퀀스로부터 상이한 스캔 라인 데이터를 처리하는, 초음파 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 처리 수단은 RF 대역 필터를 포함하는, 초음파 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 처리 수단은 RF 대역 필터를 포함하는, 초음파 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 처리 수단은 상기 에코의 포락선을 검출하는 수단을 포함하는, 초음파 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 처리 수단은 검출된 포락선의 로그를 취하는 수단을 포함하는, 초음파 시스템.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 스캔 시퀀스는 단일 조준선, 평면, 용적 중 적어도 하나를 질문하는, 초음파 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    음파를 전송하기 위한, 상기 전송 및 출력 수단은 위상 어레이, 선형, 굴곡 선형(curved linear) 어레이, 기계적 워블러, 및 3D 워블러로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 초음파 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 처리 수단 및 제 2 처리 수단은 RF 대역 필터를 포함하는, 초음파 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 처리 수단은 전용 하드웨어를 이용하거나, CPU로 동작하는 소프트웨어를 이용하여 성취될 수 있는, 초음파 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 처리 수단은 전용 하드웨어를 이용하거나, CPU로 동작하는 소프트웨어를 이용하여 성취될 수 있는, 초음파 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 처리 수단을 이용하여 처리된 스캔 라인 데이터 중 하나는 파라메터 이미징 디스플레이 기술(parametric imaging display technique)을 이용하여, 상기 해부 정보 상에 중첩될 수 있는, 초음파 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 처리 수단을 이용하여 처리된 스캔 라인 데이터 중 하나는 이전 스캔 시퀀스로부터 획득된 데이터와 교차 상관되는, 초음파 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    교차 상관된 데이터는 변형, 변형율, 탄성도, 벽 비후, 및 수축 타이밍을 위해 사용될 수 있는, 초음파 시스템.
  19. 제 1 항에 있어서,
    스펙클을 감소시키는 것은 스펙클 추적 경로에서 사용된 주파수 컷오프 미만의 주파수 컷오프에서 사후 검출된 저역 필터를 제한함으로써 이루어지는, 초음파 시스템.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나의 스캔 시퀀스는 시간상으로 조직의 공간적 변위를 결정하기 위해 반복될 수 있는, 초음파 시스템.
  21. 삭제
  22. 삭제
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