KR101541606B1 - 초음파 신호의 포락선 검출 방법 및 그 장치 - Google Patents

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Abstract

포락선 검출 방법 및 그 장치가 개시된다. 포락선 검출 방법은 대상 객체를 통해 반사된 초음파 신호를 수신하는 단계; 상기 수신한 신호에서 펄스의 차이를 이용하여 각 피크를 검출하는 단계; 및 상기 검출된 피크를 직선 또는 곡선으로 연결하여 포락선을 검출하는 단계를 포함한다.

Description

초음파 신호의 포락선 검출 방법 및 그 장치{Envelope detection method and apparatus of ultrasound signal}
본 발명은 초음파 신호의 포락선 검출 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
초음파 B-mode 영상은 넓은 주파수 대역폭을(Frequency Band-width)를 가진 짧은 주기의 고주파 펄스(High Frequency Pulse)를 이용하여 만들어진다. 전송된 초음파 펄스는 전송된 형태 그대로 객체에서 반사되어 트랜스듀서(Transducer)로 입력된다.
반사된 신호는 시간 축으로 펄스가 계속적으로 이어지게 되며, 이를 2차원으로 영상화하면 고주파 성분이 남아있는 영상이 나타나며, 포락선을 검출하게 되면 고주파 성분이 제거되면서 영상화하려는 타겟만이 보여지게 된다.
이처럼 고주파 성분을 제거하여 타겟을 영상화하기 위해서는 포락선을 검파하는 것이 중요하다.
힐버트 트랜스폼 기법(Hilbert Transform, Malene Schlaikjer, Jan P. Bagge, Ole M. Sorensen, and Jorgem Arendit Jensen “Trade off study on different envelope detectors for B-mode imaging” Ultrasonics, 2003 IEEE Symposium)에 따른 포락선 검파는 이상적이기는 하나 구현 방법이 복잡하고 많은 비용 및 연산 시간이 걸리는 단점이 있다.
한편, In-phase Quadrature Demodulation(Jin Ho Chang, Jesse T. Yen, and K. Kirk Shung “A Novel Envelope Detector for High-Frame Rate, High Frequency Ultrasound Imaging” ieee transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, vol. 54, no. 9, september 2007) 기법은 로우 데이터(raw data)에서 중심 주파수(Center Frequency)에 Sine, Cosine 신호를 한 뒤 로우 패스 필터를 통과시킨다.
그러나 중심 주파수를 잘못 선정하는 경우 변조가 정확히 이루어지지 않아 포락선 검파가 제대로 이루어지지 못하는 문제점이 있다.
따라서 정확한 포락선 검파뿐만 아니라 포락선 검파 시간을 단축할 수 있는 기법이 요구되고 있다.
특히, 초음파 진단에 있어서 다양한 신호 및 이미지 처리가 추가됨에 따라 빠른 속도로 초음파 데이터를 처리할 수 있는 기법의 필요성이 증대되고 있다.
본 발명은 정확도가 높으면서도 연산 시간을 대폭 단축시킬 수 있는 초음파 신호의 포락선 검출 방법 및 그 장치를 제안하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 정확도가 높으면서도 연산 시간을 대폭 단축시킬 수 있는 초음파 신호의 포락선 검출 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, (a) 대상 객체를 통해 반사된 초음파 신호를 수신하는 단계; (b) 상기 수신한 신호에서 펄스의 차이를 이용하여 각 피크를 검출하는 단계; 및 (c) 상기 검출된 피크를 직선 또는 곡선으로 연결하여 포락선을 생성하는 단계를 포함하는 포락선 검출 방법이 제공될 수 있다.
상기 (b) 단계 이전에, 상기 수신한 신호에 대해 절대값 연산을 수행하는 단계를 더 포함한다.
상기 (b) 단계는, 시간에 따른 절대값의 차이를 이용하여 상기 피크를 검출하되,
상기 절대값이 증가하다가 감소하는 시점의 절대값을 피크로 판단하여 검출할 수 있다.
상기 곡선은, 2차 곡면(quadric) 또는 입방형(cubic) 형태일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 정확도가 높으면서도 연산 시간을 대폭 단축시킬 수 있는 초음파 신호의 포락선 검출 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 대상 객체를 통해 반사된 초음파 신호를 수신하는 수신부; 상기 수신한 신호에서 펄스의 차이를 이용하여 각 피크를 검출하는 피크 검출부; 및 상기 검출된 피크를 직선 또는 곡선으로 연결하여 포락선을 생성하는 포락선 검출부를 포함하는 포락선 검출 장치가 제공될 수 있다.
상기 수신한 신호에 대해 절대값 연산을 수행하는 전처리부를 더 포함하되, 상기 피크 검출부는 상기 전처리부에 의해 변환된 절대값의 차이를 이용하여 피크를 검출할 수 있다.
상기 피크 검출부는, 시간에 따른 절대값의 차이를 이용하여 상기 피크를 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 포락선 검출 방법 및 그 장치를 제공함으로써, 대상 객체를 통해 반사된 신호에서 피크 검출을 통해 포락선을 생성하기 때문에 포락선 검출의 정확도를 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 포락선 검출시 필터링을 이용하지 않음으로써 정확한 값(value)에 기반하여 포락선을 검출할 수 있다.
또한, 본 발명은 포락선 검출시 필터링이 필요치 않아 연산속도가 빠르고, 획득된 영상의 퀄리티를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 포락선 검출 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사된 초음파 신호의 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 피크 검출을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 피크 연결 형태를 설명하기 위해 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 피크 연결 형태에 따른 검출된 포락선을 예시한 도면.
도 6은 종래의 방법과 본 발명의 일 실시예에 따른 종래와의 검출된 포락선을 비교한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 포락선 검출 방법을 나타낸 순서도.
도 8은 종래의 방법과 본 발명의 일 실시예에 따른 검출된 포락선을 이용해 획득된 영상을 비교한 도면.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 초음파 신호에서 신호의 차이(difference)를 이용하여 피크(peak)를 검출한 후 검출된 피크를 선 또는 곡선으로 연결하여 포락선을 검출할 수 있는 발명에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 포락선 검출 장치의 내부 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반사된 초음파 신호의 예시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 피크 검출을 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 피크 연결 형태를 설명하기 위해 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 피크 연결 형태에 따른 검출된 포락선을 예시한 도면이고, 도 6은 종래의 방법과 본 발명의 일 실시예에 따른 종래와의 검출된 포락선을 비교한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 포락선 검출 장치(100)는 수신부(110), 전처리부(115), 피크 검출부(120), 포락선 검출부(125), 메모리(130) 및 제어부(135)를 포함하여 구성된다.
수신부(110)는 대상 객체에 방사되어 반사된 초음파 신호를 수신하기 위한 수단이다.
전처리부(115)는 수신부(110)를 통해 수신된 초음파 신호를 대상으로 절대값 연산을 수행하기 위한 수단이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 반사된 초음파 신호는 펄스가 시간을 축으로 지속적으로 이어지며, 펄스는 양의값과 음의값을 모두 포함하는 형태가 된다. 도 2와 같이 초음파 신호의 펄스가 음의값과 양의값이 모두 혼재되어 있는 경우, 정확한 포락선 검출이 어려운 문제가 있다.
이에, 전처리부(115)를 통해 반사된 초음파 신호의 펄스를 절대값 연산을 통해 모두 양의값으로 변경한 후 피크 검출이 수행될 수 있다.
나아가, 초음파 영상은 양의 값만을 취하여 생성하기 때문에 절대값 연산을 수행하는 것이 필요하다.
피크 검출부(120)는 전처리부(115)를 통해 변환된 절대값의 차이를 이용하여 각 피크를 검출하기 위한 수단이다.
예를 들어, 피크 검출부(120)는 시간에 따른 절대값의 차이를 이용하여 절대값이 증가하다가 감소하는 시점의 절대값을 피크로 판단한다. 즉, 절대값이 to, t1 및 t2 시점에 1, 2, 1인 경우, t1 시점의 절대값을 피크로 판단한다.
도 3에는 피크 검출부(120)가 검출한 피크가 도시되어 있다. 포락선 검출부(125)는 피크 검출부(120)를 통해 검출된 각 피크를 선 또는 곡선으로 연결하여 포락선을 생성하기 위한 수단이다.
포락선 검출부(125)는 도 4에 도시된 바와 같이, 피크 검출부(120)를 통해 검출된 각 피크를 직선(line), 2차 곡면(quadric) 및 입방형(cubic) 형태 중 어느 하나로 연결하여 포락선을 생성할 수 있다. 도 4에는 각각의 피크 연결 방식에 따른 포락선 형태가 예시되어 있다.
data length 1Q Demod.(종래) Peak Detection(본 발명)
1000 0.233ms 0.053ms
2000 0.437ms 0.103ms
3000 0.625ms 0.153ms
상술한 표 1에서 보여지는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 피크 검출을 통한 포락선 생성 방법은 시간 지연이 발생하지 않고, 필터링을 사용하지 않기 때문에 연산 속도가 매우 빠른 것을 알 수 있다.
도 5에는 연결 형태에 따른 검출된 포락선이 예시되어 있다. 도 5에서 보여지는 바와 같이, 연결 형태에 따라 일부 세부적인 포락선에서의 차이는 있으나, 전체 포락선의 패턴은 유사한 것을 알 수 있다.
도 6에는 종래의 방법과 본 발명의 일 실시예에 따른 검출된 포락선이 예시되어 있다. 도 6에서 보여지는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 포락선 검출 방법은 필터가 필요치 않아 필터 파라미터(예를 들어, order, 컷오프 주파수(cut off freq.)나 센터 주파수(center frequency)에 상관없이 포락선을 검출할 수 있는 이점이 있다.
또한, 도 6에서 보여지는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 반사 신호에 대해 절대값을 취한 후 펄스의 최소값 및 최대값의 차이를 이용하여 포락선을 검출함으로써 필터링이 없어 신호의 정확한 값에 기반하여 포락선을 검출할 수 있을 뿐만 아니라 연산 속도가 매우 빠르고 시간 지연(time delay)가 발생하지 않는 이점이 있다.
메모리(130)는 본 발명의 일 실시예에 따른 포락선 검출 장치(100)를 운용하기 위해 필요한 다양한 알고리즘, 포락선 검출 과정에서 도출된 데이터(예를 들어, 변환된 초음파 신호, 각 피크, 검출된 포락선) 등을 저장하기 위한 수단이다.
제어부(135)는 본 발명의 일 실시예에 따른 포락선 검출 장치(100)의 내부 구성 요소들(예를 들어, 수신부(110), 전처리부(115), 피크 검출부(120), 포락선 검출부(125), 메모리(130) 등)을 제어하기 위한 수단이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 포락선 검출 방법을 나타낸 순서도이고, 도 8은 종래의 방법과 본 발명의 일 실시예에 따른 검출된 포락선을 이용해 획득된 영상을 비교한 도면이다. 이하에서 설명되는 각각의 단계는 포락선 검출 장치(100)의 내부 구성 요소에 의해 수행되나 이해와 설명의 편의를 도모하기 위해 포락선 검출 장치로 통칭하여 설명하기로 한다.
또한, 이하에서는 초음파 송신 모듈을 통해 초음파 신호가 대상 객체에 방사된 이후 반사된 신호를 수신하여 포락선을 검출하는 과정에 대해 설명하기로 한다.
단계 710에서 포락선 검출 장치(100)는 대상 객체를 통해 반사된 초음파 신호를 수신한다. 이하에서는 이해와 설명의 편의를 도모하기 위해 반사된 초음파 신호를 반사 신호라 통칭하여 설명하기로 한다.
또한, 전술한 바와 같이, 대상 객체를 통해 반사된 반사 신호는 시간 축을 기준으로 펄스가 지속적으로 이어지는 형태를 취하며, 반사 신호의 펄스는 음의값과 양의값을 모두 갖는다.
이에, 포락선 검출 장치(100)는 수신한 반사 신호에서의 피크 검출을 위해, 전처리 과정으로써 수신한 반사 신호에 대해 절대값 연산을 수행한다(단계 715).
즉, 포락선 검출 장치(100)는 수신한 반사 신호의 펄스값 중 음의값을 양의값으로 변경할 수 있다.
단계 720에서 포락선 검출 장치(100)는 절대값 연산이 완료된 반사 신호의 각 펄스의 차이를 이용하여 각 피크를 검출한다.
예를 들어, 포락선 검출 장치(100)는 절대값 연산이 완료된 반사 신호의 각 펄스의 최소값 및 최대값의 차이로 각각의 피크를 검출할 수 있다.
다른 예를 들어, 포락선 검출 장치는 일정 시간 간격으로 해당 시간 간격내에 포함된 모든 펄스의 최소값 및 최대값의 차이로 각 피크를 검출할 수도 있다.
단계 725에서 포락선 검출 장치(100)는 검출된 각 피크를 직선 또는 곡선으로 연결하여 포락선을 검출한다.
이미 전술한 바와 같이, 포락선 검출 장치(100)는 검출된 각 피크를 직선 또는 곡선으로 연결하여 포락선을 검출할 수 있다.
도 8에는 종래의 방법과 본 발명의 일 실시예에 따른 포락선 검출에 따른 비교 영상을 도시한 도면이다. 810은 원본 영상을 나타낸 것이고, 910은 1차 변조를 이용한 포락선 검출을 통해 획득된 영상이고, 920은 본 발명의 일 실시예에 따른 포락선 검출을 통해 획득된 영상이다.
도 9에서 보여지는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 포락선 검출 방법은 필터링 등의 방법을 이용하지 않음으로써 포락선 검출에 따른 영상 획득을 위한 수행 시간이 매우 빠를 뿐만 아니라 종래의 방법에 대해 획득된 이미지 퀄리티가 향상된 것을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 신호를 이용한 포락선 검출 방법은 다양한 전자적으로 정보를 처리하는 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 저장 매체에 기록될 수 있다. 저장 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
저장 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 소프트웨어 분야 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 저장 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 전자적으로 정보를 처리하는 장치, 예를 들어, 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110: 수신부
115: 전처리부
120: 피크 검출부
125: 포락선 검출부
130: 메모리
135: 제어부

Claims (9)

  1. (a) 대상 객체를 통해 반사된 초음파 신호를 수신하는 단계;
    (b) 상기 수신한 신호에서 펄스의 진폭 차이를 이용하여 각 피크를 검출하는 단계; 및
    (c) 상기 검출된 피크를 직선 또는 곡선으로 연결하여 포락선을 생성하는 단계를 포함하는 포락선 검출 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 (b) 단계 이전에,
    상기 수신한 신호에 대해 진폭의 절대값 연산을 수행하는 단계를 더 포함하는 포락선 검출 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    시간에 따른 진폭의 절대값의 차이를 이용하여 상기 피크를 검출하는 것을 특징으로 하는 포락선 검출 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    상기 절대값이 증가하다가 감소하는 시점의 절대값을 피크로 판단하여 검출하는 것을 특징으로 하는 포락선 검출 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 곡선은,
    2차 곡면(quadric) 또는 입방형(cubic) 형태인 것을 특징으로 하는 포락선 검출 방법.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 하나의 항에 따른 방법을 수행하기 위한 프로그램 코드를 기록한 기록매체 제품..
  7. 대상 객체를 통해 반사된 초음파 신호를 수신하는 수신부;
    상기 수신한 신호에서 펄스의 진폭 차이를 이용하여 각 피크를 검출하는 피크 검출부; 및
    상기 검출된 피크를 직선 또는 곡선으로 연결하여 포락선을 생성하는 포락선 검출부를 포함하는 포락선 검출 장치.
  8. .제7 항에 있어서,
    상기 수신한 신호에 대해 진폭의 절대값 연산을 수행하는 전처리부를 더 포함하되,
    상기 피크 검출부는 상기 전처리부에 의해 변환된 절대값의 차이를 이용하여 피크를 검출하는 것을 특징으로 하는 포락선 검출 장치.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 피크 검출부는,
    시간에 따른 진폭의 절대값의 차이를 이용하여 상기 피크를 검출하는 것을 특징으로 하는 포락선 검출 장치.
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