KR101581689B1 - 움직임 보정을 이용한 광음향 영상 획득 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 움직임을 보정을 이용한 광음향 영상 획득 기술에 관한 것으로서, 광음향 영상의 획득 방법은, 피측정 대상에 광자를 인가한 후 피측정 대상에 흡수된 광자에 의해 발생하는 초음파 신호를 수신하고, 광자 인가 및 초음파 신호 수신 과정을 반복함으로써 시간에 따라 수신된 초음파 신호들로부터 피측정 대상에 대한 복수 개의 프레임 영상을 획득하고, 획득된 프레임 영상 중 가장 최근의 프레임을 기준으로 이전 프레임에서 영상 내에 발생한 움직임을 각각 보상하며, 움직임이 보상된 복수 개의 프레임 영상을 누적하여 하나의 광음향 영상을 생성한다.

Description

움직임 보정을 이용한 광음향 영상 획득 장치 및 방법{Apparatus and method for obtaining photoacoustic image using motion compensatiion}

본 발명은 진단, 분석 또는 치료를 위한 의료 영상 기술에 관한 것으로, 특히 광 인가 레이저 및 초음파 프로브(probe)를 이용하여 피측정 대상으로부터 광음향 영상을 획득하는 광음향 영상 획득 장치 및 방법에 관한 것이다.

초음파(ultrasound, US) 영상은 초음파 프로브(probe)를 이용하여 인체 내의 관찰 영역에 초음파 신호를 인가하고 조직으로부터 반사되어 돌아오는 초음파 신호를 수신하여 그 신호에 포함된 정보를 추출함으로써 관찰 영역의 구조 및 특성을 영상화하는 장비이다. 이는 X-ray, CT, MRI, PET 등의 다른 의료영상 시스템들과 비교하였을 때 낮은 비용으로 인체에 해가 없는 실시간 영상을 얻을 수 있다는 장점을 갖는다.

다음으로, 광음향(photoacoustic, PA) 영상은 인체 내의 관찰 영역에 광자를 인가하고, 조직에 흡수된 광자들에 의해 직접 발생하는 초음파 신호를 수신하여 그 신호로부터 영상 정보를 추출한다. 광자들이 조직 내에 흡수되어 초음파가 발생하는 이러한 특이한 상황은 조직이 광자들을 흡수할 때 가열되기 때문이 나타나는 현상으로서, 펄스 레이저로 흡수성 조직 구조를 비추면, 조직의 온도가 바뀌고, 그 결과로서 조직의 구조가 팽창한다. 이렇게 팽창하는 구조로부터 압력파가 밖으로 전파되며, 이러한 압력파는 초음파 변환기(transducer)에 의해 검출될 수 있다. 광음향 영상의 장점은 광흡수 대조비를 토대로 하는 영상을 얻을 수 있으면서도 초음파 정도의 분해능을 얻을 수 있다는 점에 있으며, MRI에 비해 매우 저렴할 뿐만 아니라, 환자들이 전리방사선에 노출될 위험이 없다는 점이다. 이하에서 인용되는 선행기술문헌에는 이러한 광음향 영상을 활용하여 유방암 진단에 활용하는 기술적 수단이 제시되어 있다.

따라서, 이러한 이론적 토대 위에서 구현 환경과 활용예를 고려하여 실제 의료 환경에서 환자의 피측정 부위에 대한 정교한 영상을 취득할 수 있는 광음향 영상 기술의 개발이 요구된다.

유방암 진단용 광음향 영상 시스템 개발, 이순혁, 지윤서, 이레나, 한국의학물리학회, 2013년.

본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 광음향 영상의 경우 초음파에 비해 신호대 잡음비(signal-to-noise ratio, SNR)이 낮다는 특성으로 인해 나타나는 낮은 영상 품질의 한계를 극복하고, 특히 피측정 대상이 움직이는 경우 이러한 움직임으로 인해 나타나는 오차의 문제 및 그 결과로서 취득된 영상의 화질 열화의 문제를 해결하고자 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 광음향 영상의 획득 방법은, 광음향 영상 시스템이 피측정 대상에 광자를 인가하고, 상기 피측정 대상에 흡수된 광자에 의해 발생하는 초음파 신호를 수신하는 단계; 상기 광음향 영상 시스템이 상기 광자 인가 및 초음파 신호 수신 과정을 반복함으로써 시간에 따라 수신된 상기 초음파 신호들로부터 상기 피측정 대상에 대한 복수 개의 프레임 영상을 획득하는 단계; 상기 광음향 영상 시스템이 획득된 상기 프레임 영상 중 가장 최근의 프레임을 기준으로 이전 프레임에서 영상 내에 발생한 움직임을 각각 보상하는 단계; 및 상기 광음향 영상 시스템이 움직임이 보상된 상기 복수 개의 프레임 영상을 누적하여 하나의 광음향 영상을 생성하는 단계;를 포함한다.

일 실시예에 따른 광음향 영상의 획득 방법에서, 상기 움직임을 보상하는 단계는, 가장 최근의 프레임과 일정 시간 간격으로 취득한 복수 개의 프레임 영상에 대하여, 상기 가장 최근의 프레임으로부터 상기 일정 시간 간격으로 인접하는 프레임 간의 영상 움직임 벡터를 각각 추정하는 단계; 및 상기 추정된 영상 움직임 벡터를 순차적으로 연결함으로써 영상 내에 발생한 움직임을 보상하는 단계;를 포함한다.

또한, 일 실시예에 따른 상기 광음향 영상의 획득 방법에서, 상기 영상 움직임 벡터를 추정하는 단계는, 획득된 상기 프레임 영상 내의 하나의 프레임에 대해 기준이 되는 기준 매크로 블록(macro block)을 설정하고, 이와 비교하고자 하는 이전 프레임의 동일 위치에 대조 매크로 블록을 설정하는 단계; 상기 가장 최근의 프레임을 기준으로 이전 프레임과의 변화를 탐지하기 위해 기준 매크로 블록과 대조 매크로 블록 간의 차이를 각각 산출하는 단계; 및 산출된 상기 매크로 블록들 간의 차이로부터 움직임의 감지된 위치와 기준점 간의 간격을 이용하여 인접하는 프레임 간의 영상 움직임 벡터를 추정하는 단계;를 포함한다.

나아가, 일 실시예에 따른 상기 광음향 영상의 획득 방법에서, 상기 영상 움직임 벡터를 추정하는 단계는, 스텝 크기(step size)를 순차적으로 감소시키는 반복 탐색 과정을 통해 수행되며, 최초의 기준 매크로 블록과 이에 대응하는 대조 매크로 블록의 주위에서 초기 스텝 크기만큼 이격되어 위치한 매크로 블록 간의 차이를 산출하고, 산출된 차이값이 가장 작은 지점을 새로운 매크로 블록으로 갱신하며, 스텝 크기를 감소시킨 후 상기 차이값 산출과 매크로 블록 갱신을 일정 횟수만큼 반복한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광음향 영상의 획득 방법은, 광음향 영상 시스템이 피측정 대상에 미리 설정된 파장별로 광자를 인가하고, 상기 피측정 대상에 흡수된 광자에 의해 발생하는 초음파 신호를 수신하는 단계; 상기 광음향 영상 시스템이 상기 광자 인가 및 초음파 신호 수신 과정을 반복함으로써 시간에 따라 수신된 상기 초음파 신호들로부터 상기 피측정 대상에 대한 복수 개의 프레임 영상을 획득하는 단계; 상기 광음향 영상 시스템이 획득된 상기 프레임 영상 중 가장 최근의 프레임을 기준으로 이전 프레임에서 영상 내에 발생한 움직임을 각각 보상하는 단계; 및 상기 광음향 영상 시스템이 상기 파장별로 획득된 영상 중 특징점이 가장 명확하게 나타나는 파장의 영상을 기준으로, 움직임이 보상된 상기 복수 개의 프레임 영상을 누적하여 하나의 광음향 영상을 생성하는 단계;를 포함한다.

다른 실시예에 따른 광음향 영상의 획득 방법에서, 상기 파장별로 광자를 인가하는 단계는, 미리 설정된 파장을 순차적으로 변화시키면서 광자를 인가하여 프레임 영상을 획득하고, 소정 시간 지연 후 재차 미리 설정된 파장을 순차적으로 변화시키면서 광자를 인가하여 프레임 영상을 획득하는 과정을 반복함으로써, 파장별 프레임 데이터의 취득간 시간 간격을 일정하게 유지시킬 수 있다.

다른 실시예에 따른 광음향 영상의 획득 방법에서, 상기 움직임을 보상하는 단계는, 가장 최근의 프레임과 일정 시간 간격으로 취득한 복수 개의 프레임 영상에 대하여, 상기 가장 최근의 프레임으로부터 상기 일정 시간 간격으로 인접하는 프레임 간의 영상 움직임 벡터를 각각 추정하는 단계; 및 상기 추정된 영상 움직임 벡터를 순차적으로 연결함으로써 영상 내에 발생한 움직임을 보상하는 단계;를 포함한다.

다른 실시예에 따른 광음향 영상의 획득 방법에서, 상기 미리 설정된 파장은, 상기 피측정 대상을 구성하는 조직 또는 상기 피측정 대상 내에 위치하는 병변 조직에 반응하는 복수의 레이저 파장 중에서 선택될 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 광음향 영상 시스템은, 피측정 대상에 광자를 인가하는 광 인가부; 상기 피측정 대상에 흡수된 광자에 의해 발생하는 초음파 신호를 수신하는 프로브(probe); 상기 광자 인가 및 초음파 신호 수신 과정을 반복함으로써 시간에 따라 수신된 상기 초음파 신호들로부터 상기 피측정 대상에 대해 획득된 복수 개의 프레임 영상을 저장하는 저장부; 및 상기 프레임 영상 중 가장 최근의 프레임을 기준으로 이전 프레임에서 영상 내에 발생한 움직임을 각각 보상하고, 움직임이 보상된 상기 복수 개의 프레임 영상을 누적하여 하나의 광음향 영상을 생성하는 처리부;를 포함한다.

일 실시예에 따른 광음향 영상 시스템에서, 상기 처리부는, 가장 최근의 프레임과 일정 시간 간격으로 취득한 복수 개의 프레임 영상에 대하여, 상기 가장 최근의 프레임으로부터 상기 일정 시간 간격으로 인접하는 프레임 간의 영상 움직임 벡터를 각각 추정하고, 상기 추정된 영상 움직임 벡터를 순차적으로 연결함으로써 영상 내에 발생한 움직임을 보상할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따른 상기 광음향 영상 시스템에서, 상기 처리부는, 획득된 상기 프레임 영상 내의 하나의 프레임에 대해 기준이 되는 기준 매크로 블록(macro block)을 설정하고, 이와 비교하고자 하는 이전 프레임의 동일 위치에 대조 매크로 블록을 설정하고, 상기 가장 최근의 프레임을 기준으로 이전 프레임과의 변화를 탐지하기 위해 기준 매크로 블록과 대조 매크로 블록 간의 차이를 각각 산출하며, 산출된 상기 매크로 블록들 간의 차이로부터 움직임의 감지된 위치와 기준점 간의 간격을 이용하여 인접하는 프레임 간의 영상 움직임 벡터를 추정할 수 있다.

나아가, 일 실시예에 따른 상기 광음향 영상 시스템에서, 상기 처리부는 스텝 크기(step size)를 순차적으로 감소시키는 반복 탐색 과정을 통해 상기 영상 움직임 벡터를 추정하되, 최초의 기준 매크로 블록과 이에 대응하는 대조 매크로 블록의 주위에서 초기 스텝 크기만큼 이격되어 위치한 매크로 블록 간의 차이를 산출하고, 산출된 차이값이 가장 작은 지점을 새로운 매크로 블록으로 갱신하며, 스텝 크기를 감소시킨 후 상기 차이값 산출과 매크로 블록 갱신을 일정 횟수만큼 반복한다.

일 실시예에 따른 광음향 영상 시스템에서, 상기 광 인가부는 피측정 대상에 미리 설정된 파장별로 광자를 인가하고, 상기 처리부는 상기 파장별로 획득된 영상 중 특징점이 가장 명확하게 나타나는 파장의 영상을 기준으로, 움직임이 보상된 상기 복수 개의 프레임 영상을 누적하여 하나의 광음향 영상을 생성할 수 있다.

또한, 일 실시예에 따른 상기 광음향 영상 시스템에서, 상기 광 인가부는, 미리 설정된 파장을 순차적으로 변화시키면서 광자를 인가하여 프레임 영상을 획득하고, 소정 시간 지연 후 재차 미리 설정된 파장을 순차적으로 변화시키면서 광자를 인가하여 프레임 영상을 획득하는 과정을 반복함으로써, 파장별 프레임 데이터의 취득간 시간 간격을 일정하게 유지시킬 수 있다.

나아가, 일 실시예에 따른 상기 광음향 영상 시스템에서, 상기 처리부는, 가장 최근의 프레임과 일정 시간 간격으로 취득한 복수 개의 프레임 영상에 대하여, 상기 가장 최근의 프레임으로부터 상기 일정 시간 간격으로 인접하는 프레임 간의 영상 움직임 벡터를 각각 추정하고, 상기 추정된 영상 움직임 벡터를 순차적으로 연결함으로써 영상 내에 발생한 움직임을 보상할 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 광음향 영상 취득 과정에서 발생 가능한 움직임 오차를 보상해줌으로써 영상 평준화 과정이나 분자 광음향 영상 복원 과정에서 더 향상된 신호대 잡음비와 축방향 해상도, 그리고 대조도를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 특히 분자 광음향 영상 복원과 영상 평준화 모두에 움직임 보상 기법을 적용함으로써 영상의 질을 비약적으로 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광음향 영상의 획득 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 방법을 위한 평준화를 이용한 광음향 영상 시스템의 구조를 예시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다파장을 이용한 광음향 영상의 획득 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 3의 방법을 위한 분자 광음향 영상 시스템의 구조를 예시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들이 채택하고 있는 인터 프레임 움직임 보상(inter-frame motion compensation)을 구현하기 위한 신호 처리 블록의 구조를 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 움직임을 보정하는 광음향 영상 시스템을 도시한 블록도이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 평준화를 이용하여 신호대 잡음비(SNR)를 향상시킨 실험 결과를 예시한 도면이다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 평준화를 이용하여 신호대 잡음비(SNR)를 향상시킨 실험 결과를 예시한 도면이다.

이하에서는 본 발명의 실시예들이 구현되는 환경의 특징과 이러한 환경 하에서 본 발명의 실시예들이 채택하고 있는 기본 아이디어를 개괄적으로 제시한 후, 구체적인 기술적 수단을 순차적으로 설명하도록 한다.

기존 광음향 영상 시스템(Photoacoustic Imaging System)은 데이터 취득 시 발생 가능한 측정 대상의 움직임에 의한 오차(Motion artifact)에 대한 보상 과정 없이 이 데이터를 영상화하여 사용한다. 이러한 광음향 영상의 해상도, 대조도 및 낮은 신호대 잡음비를 향상시키기 위해서 시간에 따라 여러 영상을 복원하여 평준화하는 방식이나 분자 광음향 영상 기법 등이 사용될 수 있다. 그러나, 측정 대상이 살아있는 조직이나 기관, 생물체인 경우 제한된 레이저 인가 빈도수의 제한으로 복원되는 광음향 영상은 오류, 예를 들어 영상 번짐(blurring artifacts)을 포함하게 된다. 특히, 영상 취득시 필연적으로 발생되는 움직임은 이러한 기법의 효과를 저하시키게 되므로 움직임 보상 기법을 적용하여 영상의 질 향상 정도를 최적화시킬 필요가 있다. 또한 광음향 영상과 초음파 영상을 융합함에 있어서, 여러 진보적 초음파 영상 기법의 융합을 위해 더 많은 영상 취득 시간을 요구하는 경우, 광음향 영상 기법의 데이터 취득 간격을 더욱 줄이면서도 영상의 질을 유지함으로써 이러한 진보적 초음파 영상 기법과 광음향 영상의 융합을 가능하게 할 수 있다.

이하에서 제안되는 본 발명의 실시예들은 영상 복원 과정에서 움직임에 의한 오차를 최소화시킴으로써 광음향 영상의 신호대 잡음비를 향상시거나 분자 광음향 영상에서의 대조도를 향상시키는 방법을 제안하고자 한다. 특히, 이하에서 제안되는 시스템 구성도를 가지고 연속적인 이미지 프레임 상에서 대상의 움직임을 계산하고 이미지를 보상해줌으로써 영상 평균화 시 올바른 위치에 대상이 위치하여 움직임에 의한 오류(Motion artifact)의 최소화를 도모하고, 광음향 영상 기법에 최적화된 품질의 영상과 향상된 분자 광음향 영상 대조도 정보를 사용자에게 제공하고자 한다.

이를 위해, 본 발명의 실시예들은, 영상 처리 과정에서 사용되는 다수의 영상 프레임 데이터 중에서 가장 최근 데이터를 기준으로 이전 데이터에 생긴 움직임을 보상하고 치환된 데이터 세트를 통해 영상 평준화 및 분자 광음향 영상 기법을 구현한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시 예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광음향 영상의 획득 방법을 도시한 흐름도이다.

S110 단계에서, 광음향 영상 시스템은 피측정 대상에 광자를 인가하고, 상기 피측정 대상에 흡수된 광자에 의해 발생하는 초음파 신호를 수신한다.

S120 단계에서, 상기 광음향 영상 시스템은 상기 광자 인가 및 초음파 신호 수신 과정(S110 단계)을 반복함으로써 시간에 따라 수신된 상기 초음파 신호들로부터 상기 피측정 대상에 대한 복수 개의 프레임 영상을 획득한다.

S130 단계에서, 상기 광음향 영상 시스템은 상기 S120 단계를 통해 획득된 상기 프레임 영상 중 가장 최근의 프레임을 기준으로 이전 프레임에서 영상 내에 발생한 움직임을 각각 보상한다. 보다 구체적으로, 가장 최근의 프레임과 일정 시간 간격으로 취득한 복수 개의 프레임 영상에 대하여, 상기 가장 최근의 프레임으로부터 상기 일정 시간 간격으로 인접하는 프레임 간의 영상 움직임 벡터를 각각 추정한다. 그런 다음, 상기 추정된 영상 움직임 벡터를 순차적으로 연결함으로써 영상 내에 발생한 움직임을 보상한다. 이러한 영상 움직임 벡터 추정을 위한 데이터는 빔 집속 후 결과물, 포락선이 검출된 결과물, 로그 변환된 결과물 혹은 화면에 뿌려지는 영상 등 그 종류에 구애받지 아니한다.

이때, 영상 움직임 벡터를 추정하는 과정은 다음과 같은 절차에 따라 수행될 수 있다. 우선, 획득된 상기 프레임 영상 내의 하나의 프레임에 대해 기준이 되는 기준 매크로 블록(macro block)을 설정하고, 이와 비교하고자 하는 이전 프레임의 동일 위치에 대조 매크로 블록을 설정한다. 그런 다음, 상기 가장 최근의 프레임을 기준으로 이전 프레임과의 변화를 탐지하기 위해 기준 매크로 블록과 대조 매크로 블록 간의 차이를 각각 산출한다. 이제, 산출된 상기 매크로 블록들 간의 차이로부터 움직임의 감지된 위치와 기준점 간의 간격을 이용하여 인접하는 프레임 간의 영상 움직임 벡터를 추정할 수 있다.

또한, 영상 움직임 벡터를 추정하는 단계는, 스텝 크기(step size)를 순차적으로 감소시키는 반복 탐색 과정을 통해 수행될 수 있다. 이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 광음향 영상 시스템은, 최초의 기준 매크로 블록과 이에 대응하는 대조 매크로 블록의 주위에서 초기 스텝 크기만큼 이격되어 위치한 매크로 블록 간의 차이를 산출하고, 산출된 차이값이 가장 작은 지점을 새로운 매크로 블록으로 갱신하며, 스텝 크기를 감소시킨 후 상기 차이값 산출과 매크로 블록 갱신을 일정 횟수만큼 반복함으로써 영상 움직임 벡터를 추정할 수 있다.

상기된 매크로 블록과 반복 탐색 과정을 이용한 영상 움직임 벡터의 추정 방법은 이후, 도 5를 통해 보다 구체적으로 기술하도록 한다.

S140 단계에서, 상기 광음향 영상 시스템은 S130 단계를 통해 움직임이 보상된 상기 복수 개의 프레임 영상을 누적하여 하나의 광음향 영상을 생성한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 방법을 위한 평준화를 이용한 광음향 영상 시스템의 구조를 예시한 블록도로서, 크게 광음향/초음파 영상 시스템(10), 수집된 영상 프레임을 처리하는 워크 스테이션(20) 및 디스플레이 장치(40)로 구성된다.

도 2에서는, 획득한 영상 데이터 중 마지막으로 얻은 영상 I(0)를 기준 영상으로 두고 이전에 얻은 I(-T)~I(-NT)까지의 영상에 대한 움직임 보상 후 영상 처리를 통해 화면에 보이는 시스템 구조를 제안한다. 여기에서 T는 영상 취득 간의 시간차이며 N은 영상 처리에 사용하는 시간축 프레임 수(즉, N은 자연수)를 나타낸다.

광음향/초음파 영상 시스템(10)은 광음향 영상 프레임을 획득하기 위한 물리적인 구성을 포함하며, 피측정 대상에 광자를 인가할 수 있는 레이저 인가 수단과 피측정 대상으로부터 반사되는 초음파 신호를 포집할 수 있는 프로브(probe)를 포함할 수 있다. 도 2의 구성도에서 영상 취득을 위한 광음향/초음파 영상 시스템(10)은 영상 구성을 위한 다수의 프레임 데이터를 시간에 따라 취득하고 이를 시스템과 연동되는 워크 스테이션(20)에 저장하게 된다. 광음향/초음파 영상 시스템(10)의 개별 구성의 구체적인 동작은 본 발명의 본질을 흐릴 우려가 있으므로 여기서는 생략하도록 한다.

먼저 평준화를 사용할 때에 실제 사용자가 현재 촬영하고 있는 인체 부위의 영상은 가장 최근에 취득한 영상인 I(0)를 기준 영상으로 설정하고, 그 이전에 시간 T 간격으로 각각 N번 취득한 I(-T) 내지 I(-TN)의 경우 앞서 설정된 기준 영상에 대해 움직임을 보상한 후, 누적함으로써 신호대 잡음비를 향상시키고 잔상 영상 에러를 감소시킬 수 있다.

이를 위해, 영상 처리를 위한 워크 스테이션(20)은, 각각의 프레임을 저장하는 임시 공간인 메모리(21, 25)와 이들 중간에서 움직임을 보상하거나, 누적하는 움직임 보정 수단(23) 및 영상 누적 수단(27)을 포함한다. 이러한 메모리(21, 25)는 전자적인 영상 데이터를 저장할 수 있는 물리적인 하드웨어로서 구현될 수 있으며, 움직임 보정 수단(23) 및 영상 누적 수단(27)은 이들 메모리(21, 25)와 전기적으로 연결되어 필요한 데이터를 독출하고 미리 설정된 규칙에 따른 영상 처리후 이를 재차 메모리(25)에 저장하거나 디스플레이 장치(40)로 출력하는 역할을 수행한다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다파장을 이용한 광음향 영상의 획득 방법을 도시한 흐름도로서, 앞서 소개된 도 1 및 도 2의 실시예와는 달리, 도 3을 통해 제안되는 분자 광음향 영상 기법의 경우, 다파장을 이용하게 된다.

S310 단계에서, 광음향 영상 시스템은 피측정 대상에 미리 설정된 파장별로 광자를 인가하고, 상기 피측정 대상에 흡수된 광자에 의해 발생하는 초음파 신호를 수신한다. 여기서, 파장별로 광자를 인가하는 과정은, 미리 설정된 파장을 순차적으로 변화시키면서 광자를 인가하여 프레임 영상을 획득하고, 소정 시간 지연 후 재차 미리 설정된 파장을 순차적으로 변화시키면서 광자를 인가하여 프레임 영상을 획득하는 과정을 반복함으로써, 파장별 프레임 데이터의 취득간 시간 간격을 일정하게 유지시키게 된다.

한편, 미리 설정된 파장이란, 상기 피측정 대상을 구성하는 조직 또는 상기 피측정 대상 내에 위치하는 병변 조직에 반응하는 복수의 레이저 파장 중에서 선택된 것이 바람직하다.

S320 단계에서, 상기 광음향 영상 시스템은 상기 광자 인가 및 초음파 신호 수신 과정을 반복함으로써 시간에 따라 수신된 상기 초음파 신호들로부터 상기 피측정 대상에 대한 복수 개의 프레임 영상을 획득한다.

S330 단계에서, 상기 광음향 영상 시스템은 S320 단계를 통해 획득된 상기 프레임 영상 중 가장 최근의 프레임을 기준으로 이전 프레임에서 영상 내에 발생한 움직임을 각각 보상한다.

이 과정은 다음과 같은 일련의 방법에 따른다. 우선, 가장 최근의 프레임과 일정 시간 간격으로 취득한 복수 개의 프레임 영상에 대하여, 상기 가장 최근의 프레임으로부터 상기 일정 시간 간격으로 인접하는 프레임 간의 영상 움직임 벡터를 각각 추정한다. 그런 다음, 상기 추정된 영상 움직임 벡터를 순차적으로 연결함으로써 영상 내에 발생한 움직임을 보상할 수 있다.

S340 단계에서, 상기 광음향 영상 시스템은 S330 단계를 통해 상기 파장별로 획득된 영상 중 특징점이 가장 명확하게 나타나는 파장의 영상을 기준으로, 움직임이 보상된 상기 복수 개의 프레임 영상을 누적하여 하나의 광음향 영상을 생성한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 3의 방법을 위한 분자 광음향 영상 시스템의 구조를 예시한 블록도로서, 앞서 소개한 도 2에서와 유사하게 크게 광음향/초음파 영상 시스템(10), 수집된 영상 프레임을 처리하는 워크 스테이션(30) 및 디스플레이 장치(40)로 구성된다.

도 4의 분자 광음향 영상 기법에서는 I(λ₀) ~ I(λ_M) 까지 취득한 다파장 영상을 통하여 구현된다. 여기서, λ는 M+1개의 서로 다른 파장을 의미한다. 도 2의 영상 평준화 때와는 달리, 도 4의 실시예에서는 사용하는 분자 광음향 영상 응용에 따라 각 파장 영상의 융합 방법이 달라지므로 취득된 영상을 사용함에 있어 관심 조직이 비관심 조직에 비하여 가장 특징점을 갖는 파장의 데이터를 기준 영상으로 선정하는 것이 바람직하다.

이러한 분자 광음향 영상 기법은 다중 파장의 광 에너지를 조직에 송신하여 발생한 초음파 신호를 수집하여 특정 분자에 대한 대조도를 확보하는 기법으로 제일 대표적으로는 산소 포화도 영상 기법이 있다. 이는 산소를 포함한 헤모글로빈과 포함하지 않은 헤모글로빈의 흡광도가 파장별로 상이함을 이용한 것이다. 특히 흡광도가 서로 다른 파장인 561 nm와 서로 같은 파장인 570 nm의 광 에너지를 이용하여 취득한 초음파 신호의 크기의 비율을 이용하여 산소 포화도를 추정하는 방법을 이용한다. 결과적으로 이처럼 다중 파장에 의해 취득된 데이터로 특정 분자에 대한 대조도를 확보하는데 영상 간의 신호 위치 변환은 대조도를 떨어뜨리는 직접적인 원인이 된다.

광음향/초음파 영상 시스템(10)은 광음향 영상 프레임을 획득하기 위한 물리적인 구성을 포함하며, 피측정 대상에 광자를 인가할 수 있는 레이저 인가 수단과 피측정 대상으로부터 반사되는 초음파 신호를 포집할 수 있는 프로브(probe)를 포함할 수 있다. 도 4의 구성도에서 영상 취득을 위한 광음향/초음파 영상 시스템(10)은 영상 구성을 위한 다수의 프레임 데이터를 미리 설정된 파장별로 시간에 따라 취득하고 이를 시스템과 연동되는 워크 스테이션(30)에 저장하게 된다. 광음향/초음파 영상 시스템(10)의 개별 구성의 구체적인 동작은 본 발명의 본질을 흐릴 우려가 있으므로 여기서는 생략하도록 한다.

도 4에서 분자 광음향 영상 기법을 구현할 때에는 각 파장 영상 데이터에 대해 영상의 대조도가 복원될 분자 광음향 영상의 질을 결정하는 가장 중요한 요소이므로 움직임 보상을 통한 영상 평준화 기법을 통해 각 파장 데이터를 만들고, 이러한 다파장 영상 데이터를 통해 분자 광음향 영상 기법을 수행함으로써 영상의 질을 비약적으로 향상시킬 수 있다.

또한, 데이터 취득은 파장별로 따로 묶어서 얻는 것이 아니라 서로 번갈아 취득함으로써 영상과 영상 간의 움직임 정도를 균일하게 만들면 파장별 데이터 변화를 추정해야하는 분자 광음향 영상에서 훨씬 효율적일 수 있다. 이는 파장 데이터 간 시간 간격이 벌어지면 특정 분자에 대한 분해능이 떨어질 수 있기 때문이다. 예를 들어, I(λ₀, 1~N), I(λ₁, 1~N), ... , I(λ_M, 1~N)의 순서를 통해 데이터를 취득하여 분자 광음향 영상을 수행할 경우, 파장별 영상 데이터 취득간 데이터 취득간 시간 간격이 NT로 벌어져 분자 광음향 영상의 질이 떨어질 수 있다. 이에 반해, I(λ₀, 1), I(λ₁, 1), ..., I(λ_M, 1), I(λ₀, 2), I(λ₁, 2), ..., I(λ_M, 2), ... , I(λ₀, N), I(λ₁, N), ..., I(λ_M, N) 의 순서를 통해 데이터를 취득하여 영상을 구현하면 파장별 영상 데이터 취득간 시간 간격이 T로 줄어들어 분자 흡광 특성 구분성이 높아져 영상의 질이 향상될 수 있다. 이 외에도 선택된 파장의 개수 및 파장 변환 시간에 따라 데이터를 취득하는 순서 및 파장의 순서를 효율을 고려하여 가변적으로 결정할 수 있다.

이를 위해, 영상 처리를 위한 워크 스테이션(30)은, 각각의 프레임을 저장하는 임시 공간인 메모리(31, 35)와 이들 중간에서 움직임을 보상하거나, 복원하는 움직임 보정 수단(33) 및 다중 스펙트럼 영상 복원 수단(37)을 포함한다. 이러한 메모리(31, 35)는 전자적인 영상 데이터를 저장할 수 있으며, 움직임 보정 수단(33) 및 다중 스펙트럼 영상 복원 수단(37)은 이들 메모리(31, 35)와 연결되어 필요한 데이터를 독출하고 미리 설정된 규칙에 따른 영상 처리후 이를 재차 메모리(35)에 저장하거나 디스플레이 장치(40)로 출력하는 역할을 수행한다.

도 5는 본 발명의 실시예들이 채택하고 있는 인터 프레임 움직임 보상(inter-frame motion compensation)을 구현하기 위한 신호 처리 블록의 구조를 예시한 도면이다. 도 5의 신호 처리 블록을 설명하기에 앞서 여기에 반영된 기초 기술들을 분설하도록 한다.

(1) 블럭 매칭 알고리즘( Block Matching Algorithm , BMA )

BMA는 동영상 압축 기술에서 움직임 평가(Motion estimation)를 위해 활용될 수 있다. 움직임 평가를 진행하기 위하여 먼저 가장 최근에 획득한 영상 프레임에서 기준 매크로 블럭(macro block)들을 설정한다. 또한, 대조군으로서의 매크로 블럭들은 이전의 영상 프레임에서 설정되고, 이때 각각의 기준 매크로 블럭과 동일한 위치상에 위치하는 매크로 블럭을 선택한다. 이렇게 선택된 기준 매크로 블럭과 대조 매크로 블럭들은 서로간의 가격 함수(cost function)로서, 예를 들어 평균 절대차(Mean absolute difference, MAD)를 사용하여 그 차이값을 계산하며, 이때 MAD는 다음과 같은 수학식 1을 활용하여 산출될 수 있다.

여기서 N과 M은 각각 매크로 블럭의 축(axial) 방향과 측(lateral) 방향의 화소(pixel) 수이며, C_ij와 R_ij는 각각 대조 매크로 블럭과 기준 매크로 블럭을 의미한다.

(2) 3단계 탐색 기법( Three Step Searching Technique , TSS )

가격 함수(Cost function)을 위와 동일하게 MAD로 사용하고, C_ij와 R_ij가 가지는 각각의 매크로 블럭들 간의 움직임 벡터(motion vector)들은 순차적으로 TSS를 사용하여 구한다. 이때 TSS는 최적화를 위해 3번의 반복 탐색 과정에서 스텝 크기(step size)를 점차 줄여나가는 방법을 사용한다(즉, 3단계 탐색 기법을 의미한다.).

블럭 매칭 알고리즘과 3단계 탐색 기법을 결합하여 적용하는 과정에서, MAD의 값은 최초로 기준 매크로 블럭과 선택된 대조 매크로 블럭의 8방향으로 초기 스텝 크기(step size)인 S 화소(pixel)만큼 떨어진 부분에 위치하는 매크로 블럭간의 MAD를 구한다. 이를 이용하여, 대조 매크로 블럭은 가장 작은 MAD값을 보인 지점에 위치하는 새로운 매크로 블럭으로 갱신/대체되고, 스텝 크기를 기존의 절반으로 줄여 다시 위의 과정을 진행한다. 다시 스텝 크기를 절반으로 줄이고 위의 과정을 반복함으로써 총 3번의 탐색과정을 진행하게 되며, 이 결과로 각 매크로 블럭들의 움직임이 감지된 위치와 기준점 간의 간격을 움직임 벡터(motion vector)로 나타낼 수 있다. 여기서 스텝 크기 및 움직임 예측을 위한 MAD 탐색의 횟수는 어느 정도의 예측 정확성을 가지고 싶은지의 정도에 따라 조절 가능하다.

(3) 프레임 움직임 보상( Frame Motion Compensation , FMC )

이 기술은 광음향 영상에서 블럭 매칭 알고리즘을 적용시킬 때 부가적으로 활용될 수 있는 영화 개선 방법이다. 이 방법은 블럭 매칭 알고리즘의 여러 파생 기법들(예를 들어, TSS가 될 수 있다.)을 모두 사용할 수 있으며, 움직임 벡터를 계산하고 이를 사용하여 프레임 평균화를 실시한 광음향 영상에서 나타날 수 있는 움직임 오차(motion artifact)를 줄이는 데에 도움이 된다.

본 발명의 실시예들이 채택하고 있는 바와 같이, 움직임 보상을 위해서는 가장 최근에 획득한 영상을 기준으로 두고, 과거의 영상들과 비교하여 움직임 오차로 인한 간섭을 줄인다. 과거의 영상들 각각에 대하여 비교를 하기 때문에, 비교하는 영상간의 시간차의 간격이 순차적으로 증가하게 되고, 단방향으로의 움직임에 대해서는 이러한 변화하는 시간차가 모션을 찾는 과정에 대체적으로 불이익을 주게 된다. 이는 단방향인 경우 시간차가 증가할수록 모션의 크기가 커지는 경향을 가지기 때문에, 한정된 탐색 범위를 가지는 단순한 블럭 매칭 알고리즘을 적용하기가 어려워지기 때문이다.

(4) 인터 프레임 움직임 보상( Inter - frame Motion Compensation , IFMC )

단순한 블럭 매칭 알고리즘에 기반한 프레임 움직임 보상 기법을 적용할 경우, 프레임간에 탐지 가능한 모션의 크기의 한계를 가지고 있고, 이 크기의 최대 범위는 반복되는 스텝 크기(step size)의 합으로 주어진다. (예를 들어, 스텝 크기가 S라고 가정할 때, TSS의 경우 S+S/2+S/4가 될 수 있다.). 특히, 프레임 평준화(Frame averaging)을 위해 취득된 영상에서 첫 번째와 마지막 프레임 간의 움직임은 쉽게 이 한계 범위를 넘어가는데, 이는 움직임이 각 프레임간에 누적되므로 시간차가 커질수록 움직임이 커지기 때문이다. 이로 인하여 전체적인 영상에서 움직임이 크게 발생한 경우에는 이를 감지하기 어려워지게 된다.

그러므로, 본 발명의 실시예들이 제안하고 있는 기술('인터 프레임 움직임 보상'이라고 명명한다.)에서는 기존의 프레임 평준화의 한계를 극복하기 위해 프레임간의 움직임 보상이 결합된 프레임 평준화 기법을 제안한다.

도 5를 참조하면, 매크로 블럭을 이용한 블럭 매칭을 다단계 탐색을 통해 구현하되, 프레임 간의 움직임 보상이 가능하도록 프레임 처리를 수행하는 신호 처리 블록의 구조을 제시하고 있음을 알 수 있다. 즉, 움직임 보상이 각 영상 프레임 간에 이루어지고 있으며, 이를 계층화하여 수행된 결과가 누적되어 평준화 영상을 출력하는 구성을 보여준다. 예를 들어, Img#1~Img#N의 시간 별로 얻어진 영상을 가지고 있으며 Img#N이 가장 최근 얻어낸 영상이라면, 모든 #1~#N-1 영상 데이터는 #N 데이터와의 상대적인 움직임을 추정하여 보상해줄 필요가 있다. 이를 위해 가장 처음 얻어진 Img#1은 바로 이전 데이터와의 움직인 보상된 결과를 통해 계속적으로 가장 최근 데이터와 움직임이 보상되기까지 순차적인 보상을 하게 된다. 이러한 과정은 Img#2~Img#N-1에 대해서도 모두 이루어지게 되므로 결과적으로는 모든 영상이 Img#N의 형태적 기준으로 수렴하여 움직임이 보상될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 움직임을 보정하는 광음향 영상 시스템을 도시한 블록도로서, 앞서 도 2 및 도 4의 시스템 구조를 포괄하므로, 설명의 중복을 피하기 위해 여기서는 하드웨어의 연결 관계를 중심으로 각 구성이 수행하는 동작의 개요만을 약술하도록 한다.

광음향 영상 취득 수단(10)은, 피측정 대상(50)에 광자를 인가하는 광 인가부(11)와 피측정 대상(50)에 흡수된 광자에 의해 발생하는 초음파 신호를 수신하는 프로브(probe)(12)를 포함한다.

광음향 영상 처리 수단(20)은, 적어도 하나 이상의 물리적인 저장 매체로 구성된 저장부(21)와 실질적인 영상 처리를 담당하는 프로세서(processor)를 구비하는 처리부(22)를 포함한다.

저장부(21)는 상기 광자 인가 및 초음파 신호 수신 과정을 반복함으로써 시간에 따라 수신된 상기 초음파 신호들로부터 상기 피측정 대상에 대해 획득된 복수 개의 프레임 영상을 저장한다. 또한, 영상 처리 과정에서 생성된 임시 프레임 영상들을 저장할 수도 있다.

처리부(22)는 저장부(21)에 저장된 영상 프레임 데이터를 독출하여, 상기 프레임 영상 중 가장 최근의 프레임을 기준으로 이전 프레임에서 영상 내에 발생한 움직임을 각각 보상하고, 움직임이 보상된 상기 복수 개의 프레임 영상을 누적하여 하나의 광음향 영상을 생성하여 디스플레이 수단(40)으로 출력한다.

이러한 처리부(22)는, 가장 최근의 프레임과 일정 시간 간격으로 취득한 복수 개의 프레임 영상에 대하여, 상기 가장 최근의 프레임으로부터 상기 일정 시간 간격으로 인접하는 프레임 간의 영상 움직임 벡터를 각각 추정하고, 상기 추정된 영상 움직임 벡터를 순차적으로 연결함으로써 영상 내에 발생한 움직임을 보상한다.

특히, 처리부(22)는, 획득된 상기 프레임 영상 내의 하나의 프레임에 대해 기준이 되는 기준 매크로 블록(macro block)을 설정하고, 이와 비교하고자 하는 이전 프레임의 동일 위치에 대조 매크로 블록을 설정하고, 상기 가장 최근의 프레임을 기준으로 이전 프레임과의 변화를 탐지하기 위해 기준 매크로 블록과 대조 매크로 블록 간의 차이를 각각 산출하며, 산출된 상기 매크로 블록들 간의 차이로부터 움직임의 감지된 위치와 기준점 간의 간격을 이용하여 인접하는 프레임 간의 영상 움직임 벡터를 추정할 수 있다.

나아가, 상기 처리부(22)는 스텝 크기(step size)를 순차적으로 감소시키는 반복 탐색 과정을 통해 상기 영상 움직임 벡터를 추정하되, 최초의 기준 매크로 블록과 이에 대응하는 대조 매크로 블록의 주위에서 초기 스텝 크기만큼 이격되어 위치한 매크로 블록 간의 차이를 산출하고, 산출된 차이값이 가장 작은 지점을 새로운 매크로 블록으로 갱신하며, 스텝 크기를 감소시킨 후 상기 차이값 산출과 매크로 블록 갱신을 일정 횟수만큼 반복하여 수행할 수 있다.

한편, 다중 파장을 이용하는 분자 광음향 영상을 구현함에 있어서, 상기 광 인가부(11)는 피측정 대상(50)에 미리 설정된 파장별로 광자를 인가하고, 상기 처리부(22)는 상기 파장별로 획득된 영상 중 특징점이 가장 명확하게 나타나는 파장의 영상을 기준으로, 움직임이 보상된 상기 복수 개의 프레임 영상을 누적하여 하나의 광음향 영상을 생성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 광 인가부(11)는, 미리 설정된 파장을 순차적으로 변화시키면서 광자를 인가하여 프레임 영상을 획득하고, 일정 시간 지연 후 재차 미리 설정된 파장을 순차적으로 변화시키면서 광자를 인가하여 프레임 영상을 획득하는 과정을 반복함으로써, 파장별 프레임 데이터의 취득간 시간 간격을 일정하게 유지시키는 것이 바람직하다.

이러한 다중 파장을 이용하는 분자 광음향 영상을 구현하고자 할 경우, 상기 처리부(22)는, 가장 최근의 프레임과 일정 시간 간격으로 취득한 복수 개의 프레임 영상에 대하여, 상기 가장 최근의 프레임으로부터 상기 일정 시간 간격으로 인접하는 프레임 간의 영상 움직임 벡터를 각각 추정하고, 상기 추정된 영상 움직임 벡터를 순차적으로 연결함으로써 영상 내에 발생한 움직임을 보상하게 된다.

도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 평준화를 이용하여 신호대 잡음비(SNR)를 향상시킨 실험 결과를 예시한 도면이다.

도 7a에서 흰색 화살표로 표시된 인위적 움직임에 대해, 종래의 움직임 보상을 수행하지 않은 프레임 평균화 기법(도 7b)에 비하여 본 발명의 실시예들이 제안하고 있는 움직임 보상을 수행하여 평준화한 경우(도 7c) 신호대 잡음비의 향상을 볼 수 있다. 마지막으로 도 7d에서는 향상된 해상도를 비교한 그래프를 보인다. 도 7d를 참조하면, 기준 이미지에 대비하여, 본 발명의 실시예들이 제안하고 있는 움직임 보상 기법(FA-IFMC method)을 적용한 경우에 나타나는 우수한 해상도를 확인할 수 있다.

도 7a 내지 도 7d에 나타난 것처럼 영상 평준화에 움직임 보상 알고리즘을 사용하여 영상 질을 향상시킬 수 있음을 실험을 통해 확인할 수 있었다. TSS 알고리즘과 블록 매칭 알고리즘을 접목하여 시간에 따른 영상 데이터에 대한 움직임을 T 간격으로 추정하였다. 즉, I(0)↔I(-T), I(-T)↔I(-2T), ... , I(-T(N-1))↔I(-TN)간 영상 움직임 벡터를 추정하고, 각 영상을 각각 추정된 벡터를 연결하여 움직임을 보상함으로써 최적 영상을 취득하였다.

실험은 닭 가슴살에 직경 0.9mm의 흑연 심을 삽입하여, 이를 Nd:Yag 레이저 시스템을 이용해 700nm의 파장을 갖는 10Hz의 레이저 펄스를 인가하였다. 이때 발생하는 신호를 초음파 영상 시스템의 프로브를 사용해 수신하였는데, 인위적인 움직임을 가해주기 위하여 0.2mm 단위로 우측, 하측으로 각각 8번씩 움직인 후에 수신하였다. 이렇게 얻은 rf-data를 각 위치별로 4프레임씩 평균화하고, 이를 포락선 검출(envelope detection)과 주사 변환(scan-conversion)을 통해 영상화한 뒤 종래의 방식과 본 발명의 실시예들을 통해 제안된 방식을 통해 프레임 평준화를 적용하였다.

기준 이미지(도 7b)의 경우 동일한 위치에서 64프레임의 rf-data를 평균화한 뒤 영상화한 결과이다. 영상에 나타난 바와 같이 기존의 방식(도 7b)에서 나타나던 잡음 신호가 제안된 방식(도 7c)을 통한 경우 없어지는 것을 볼 수 있으며, 또한 타겟의 신호 역시 기준 이미지와 같은 위치에 위치하게 되고, 신호 또한 분산되지 않고 올바른 위치에 나타나는 것을 볼 수 있다. 측정된 PSNR의 향상은 6.3 dB, 축방향 해상도는 0.83 mm 향상됨을 확인하였다. 이러한 실험 결과를 정리하면 다음의 표 1과 같다.

	기존의 방식	제안된 방식
PSNR	23.4 dB	29.7 dB
축방향 해상도	1.49 mm	0.66 mm

도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 평준화를 이용하여 신호대 잡음비(SNR)를 향상시킨 실험 결과를 예시한 도면으로서, 향상된 분자 흡광 대조도를 제공할 수 있음을 보여주고 있다.

석회화 조직을 포함한 유방 검체에 대해 본 발명의 실시예들이 채택하고 있는 제안 기법이 기존 방식에 비하여 석회화 조직에 대한 대조도를 향상시킨다는 결과를 확인하고자 실험을 진행하였다.

이러한 검체는 물 속에 담겨 있으며 조직은 물보다 밀도가 낮아 물 내부의 흐름에 민감하게 그 형태가 바뀌게 된다. 또한 각 파장 영상 데이터에 임의로 움직임을 0.5 mm 정도 주어 영상을 분자 복원하였다.

도 8a의 영상은 해당 검체의 x-ray mammography 영상으로 검체 내부의 석회화 조직의 위치를 보여준다. 또한 도 8b의 영상은 각 700 nm, 800 nm의 레이저로 얻은 광음향 영상을 보여준다. 이를 통해 도 8c의 분자 광음향 영상을 얻게 된다.

도 8c의 상단 영상은 움직임 보상 없이 수행한 광음향 영상을 초음파 영상에 정합시킨 영상이고, 하단 영상은 본 발명의 실시예들에 따라 제안된 방식으로 복원한 분자 광음향 영상이다. 한눈에 볼 수 있듯, 움직임 보상을 수행하지 않은 경우 목적한 석회화 조직 외의 부분에서 신호가 검출됨에 따라 진단에 있어 민감도 및 정확도를 떨어뜨리는 요인으로 작용할 수 있을 것임을 알 수 있다. 반면 제안된 방법의 경우 원하는 석회화 조직에 대한 대조도만 최적화시킴으로써 진단에 있어 민감도 및 정확도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 광음향 영상 취득 과정에서 발생 가능한 움직임 오차를 보상해줌으로써 영상 평준화 과정이나 분자 광음향 영상 복원 과정에서 더 향상된 신호대 잡음비와 축방향 해상도, 그리고 대조도를 얻을 수 있다. 특히 분자 광음향 영상 복원과 영상 평준화 모두에 움직임 보상 기법을 적용함으로써 영상의 질을 비약적으로 향상시킬 수 있다.

이러한 일련의 움직임 보상(Motion compensation) 기법을 적용한다면, 첫째 광음향 영상의 프레임 평준화 과정에서 발생가능한 움직임을 보상해줌으로써 각 파장별 영상의 질을 향상시킬 수 있으며, 둘째 광음향 분광(spectroscopy) 영상 취득에서 각 파장별 영상 간에 발생하는 움직임을 보상하여 움직임 오차(motion artifact)로 인한 오류를 최소한으로 줄일 수 있고, 이를 통해 원하는 부위의 원하는 측정 대상에 대한 영상을 효율적으로 획득할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예들은 프로브 구조체의 동작 제어 및 프로브 구조체를 통해 획득된 개별 영상에 대한 영상 처리 과정을 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현하는 것을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 다양한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 광음향 영상 취득 수단
11 : 광 인가부 12 : 프로브
20 : 광음향 영상 처리 수단
21, 25, 31, 35 : 저장부/메모리
22 : 처리부
23, 33 : 움직임 보상 수단
27 : 영상 누적 수단 37 : 다중 스펙트럼 영상 복원 수단
40 : 디스플레이 수단
50 : 피측정 대상

Claims (15)

1. 광음향 영상 시스템이 피측정 대상에 광자를 인가하고, 상기 피측정 대상에 흡수된 광자에 의해 발생하는 초음파 신호를 수신하는 단계;
   상기 광음향 영상 시스템이 상기 광자 인가 및 초음파 신호 수신 과정을 반복함으로써 시간에 따라 수신된 상기 초음파 신호들로부터 상기 피측정 대상에 대한 복수 개의 프레임 영상을 획득하는 단계;
   상기 광음향 영상 시스템이 획득된 상기 프레임 영상 중 가장 최근의 프레임을 기준으로 이전 프레임에서 영상 내에 발생한 움직임을 각각 보상하는 단계; 및
   상기 광음향 영상 시스템이 움직임이 보상된 상기 복수 개의 프레임 영상을 누적하여 하나의 광음향 영상을 생성하는 단계;를 포함하며,
   상기 프레임 영상 중 인접하는 프레임 간에 움직임 보상을 수행하되, 프레임 간의 움직임 보상 결과를 계층적으로 누적함으로써 프레임이 평준화된 상기 하나의 광음향 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 광음향 영상의 획득 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 움직임을 보상하는 단계는,
   가장 최근의 프레임과 일정 시간 간격으로 취득한 복수 개의 프레임 영상에 대하여, 상기 가장 최근의 프레임으로부터 상기 일정 시간 간격으로 인접하는 프레임 간의 영상 움직임 벡터를 각각 추정하는 단계; 및
   상기 추정된 영상 움직임 벡터를 순차적으로 연결함으로써 영상 내에 발생한 움직임을 보상하는 단계;를 포함하는 광음향 영상의 획득 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 영상 움직임 벡터를 추정하는 단계는,
   획득된 상기 프레임 영상 내의 하나의 프레임에 대해 기준이 되는 기준 매크로 블록(macro block)을 설정하고, 이와 비교하고자 하는 이전 프레임의 동일 위치에 대조 매크로 블록을 설정하는 단계;
   상기 가장 최근의 프레임을 기준으로 이전 프레임과의 변화를 탐지하기 위해 기준 매크로 블록과 대조 매크로 블록 간의 차이를 각각 산출하는 단계; 및
   산출된 상기 매크로 블록들 간의 차이로부터 움직임의 감지된 위치와 기준점 간의 간격을 이용하여 인접하는 프레임 간의 영상 움직임 벡터를 추정하는 단계;를 포함하는 광음향 영상의 획득 방법.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 영상 움직임 벡터를 추정하는 단계는, 스텝 크기(step size)를 순차적으로 감소시키는 반복 탐색 과정을 통해 수행되며,
   최초의 기준 매크로 블록과 이에 대응하는 대조 매크로 블록의 주위에서 초기 스텝 크기만큼 이격되어 위치한 매크로 블록 간의 차이를 산출하고, 산출된 차이값이 가장 작은 지점을 새로운 매크로 블록으로 갱신하며, 스텝 크기를 감소시킨 후 상기 차이값 산출과 매크로 블록 갱신을 일정 횟수만큼 반복하는 것을 특징으로 하는 광음향 영상의 획득 방법.
5. 광음향 영상 시스템이 피측정 대상에 미리 설정된 파장별로 광자를 인가하고, 상기 피측정 대상에 흡수된 광자에 의해 발생하는 초음파 신호를 수신하는 단계;
   상기 광음향 영상 시스템이 상기 광자 인가 및 초음파 신호 수신 과정을 반복함으로써 시간에 따라 수신된 상기 초음파 신호들로부터 상기 피측정 대상에 대한 복수 개의 프레임 영상을 획득하는 단계;
   상기 광음향 영상 시스템이 획득된 상기 프레임 영상 중 가장 최근의 프레임을 기준으로 이전 프레임에서 영상 내에 발생한 움직임을 각각 보상하는 단계; 및
   상기 광음향 영상 시스템이 상기 파장별로 획득된 영상 중 특징점이 가장 명확하게 나타나는 파장의 영상을 기준으로, 움직임이 보상된 상기 복수 개의 프레임 영상을 누적하여 하나의 광음향 영상을 생성하는 단계;를 포함하며,
   상기 프레임 영상 중 인접하는 프레임 간에 움직임 보상을 수행하되, 프레임 간의 움직임 보상 결과를 계층적으로 누적함으로써 프레임이 평준화된 상기 하나의 광음향 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 광음향 영상의 획득 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 파장별로 광자를 인가하는 단계는,
   미리 설정된 파장을 순차적으로 변화시키면서 광자를 인가하여 프레임 영상을 획득하고, 소정 시간 지연 후 재차 미리 설정된 파장을 순차적으로 변화시키면서 광자를 인가하여 프레임 영상을 획득하는 과정을 반복함으로써, 파장별 프레임 데이터의 취득간 시간 간격을 일정하게 유지시키는 것을 특징으로 하는 광음향 영상의 획득 방법.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 움직임을 보상하는 단계는,
   가장 최근의 프레임과 일정 시간 간격으로 취득한 복수 개의 프레임 영상에 대하여, 상기 가장 최근의 프레임으로부터 상기 일정 시간 간격으로 인접하는 프레임 간의 영상 움직임 벡터를 각각 추정하는 단계; 및
   상기 추정된 영상 움직임 벡터를 순차적으로 연결함으로써 영상 내에 발생한 움직임을 보상하는 단계;를 포함하는 광음향 영상의 획득 방법.
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 미리 설정된 파장은,
   상기 피측정 대상을 구성하는 조직 또는 상기 피측정 대상 내에 위치하는 병변 조직에 반응하는 복수의 레이저 파장 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 광음향 영상의 획득 방법.
9. 피측정 대상에 광자를 인가하는 광 인가부;
   상기 피측정 대상에 흡수된 광자에 의해 발생하는 초음파 신호를 수신하는 프로브(probe);
   상기 광자 인가 및 초음파 신호 수신 과정을 반복함으로써 시간에 따라 수신된 상기 초음파 신호들로부터 상기 피측정 대상에 대해 획득된 복수 개의 프레임 영상을 저장하는 저장부; 및
   상기 프레임 영상 중 가장 최근의 프레임을 기준으로 이전 프레임에서 영상 내에 발생한 움직임을 각각 보상하고, 움직임이 보상된 상기 복수 개의 프레임 영상을 누적하여 하나의 광음향 영상을 생성하는 처리부;를 포함하며,
   상기 프레임 영상 중 인접하는 프레임 간에 움직임 보상을 수행하되, 프레임 간의 움직임 보상 결과를 계층적으로 누적함으로써 프레임이 평준화된 상기 하나의 광음향 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 광음향 영상 시스템.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 처리부는,
    가장 최근의 프레임과 일정 시간 간격으로 취득한 복수 개의 프레임 영상에 대하여, 상기 가장 최근의 프레임으로부터 상기 일정 시간 간격으로 인접하는 프레임 간의 영상 움직임 벡터를 각각 추정하고,
    상기 추정된 영상 움직임 벡터를 순차적으로 연결함으로써 영상 내에 발생한 움직임을 보상하는 것을 특징으로 하는 광음향 영상 시스템.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 처리부는,
    획득된 상기 프레임 영상 내의 하나의 프레임에 대해 기준이 되는 기준 매크로 블록(macro block)을 설정하고, 이와 비교하고자 하는 이전 프레임의 동일 위치에 대조 매크로 블록을 설정하고,
    상기 가장 최근의 프레임을 기준으로 이전 프레임과의 변화를 탐지하기 위해 기준 매크로 블록과 대조 매크로 블록 간의 차이를 각각 산출하며,
    산출된 상기 매크로 블록들 간의 차이로부터 움직임의 감지된 위치와 기준점 간의 간격을 이용하여 인접하는 프레임 간의 영상 움직임 벡터를 추정하는 것을 특징으로 하는 광음향 영상 시스템.
12. 제 10 항에 있어서,
    상기 처리부는 스텝 크기(step size)를 순차적으로 감소시키는 반복 탐색 과정을 통해 상기 영상 움직임 벡터를 추정하되,
    최초의 기준 매크로 블록과 이에 대응하는 대조 매크로 블록의 주위에서 초기 스텝 크기만큼 이격되어 위치한 매크로 블록 간의 차이를 산출하고, 산출된 차이값이 가장 작은 지점을 새로운 매크로 블록으로 갱신하며, 스텝 크기를 감소시킨 후 상기 차이값 산출과 매크로 블록 갱신을 일정 횟수만큼 반복하는 것을 특징으로 하는 광음향 영상 시스템.
13. 제 9 항에 있어서,
    상기 광 인가부는 피측정 대상에 미리 설정된 파장별로 광자를 인가하고,
    상기 처리부는 상기 파장별로 획득된 영상 중 특징점이 가장 명확하게 나타나는 파장의 영상을 기준으로, 움직임이 보상된 상기 복수 개의 프레임 영상을 누적하여 하나의 광음향 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 광음향 영상 시스템.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 광 인가부는,
    미리 설정된 파장을 순차적으로 변화시키면서 광자를 인가하여 프레임 영상을 획득하고, 소정 시간 지연 후 재차 미리 설정된 파장을 순차적으로 변화시키면서 광자를 인가하여 프레임 영상을 획득하는 과정을 반복함으로써, 파장별 프레임 데이터의 취득간 시간 간격을 일정하게 유지시키는 것을 특징으로 하는 광음향 영상 시스템.
15. 제 13 항에 있어서,
    상기 처리부는,
    가장 최근의 프레임과 일정 시간 간격으로 취득한 복수 개의 프레임 영상에 대하여, 상기 가장 최근의 프레임으로부터 상기 일정 시간 간격으로 인접하는 프레임 간의 영상 움직임 벡터를 각각 추정하고,
    상기 추정된 영상 움직임 벡터를 순차적으로 연결함으로써 영상 내에 발생한 움직임을 보상하는 것을 특징으로 하는 광음향 영상 시스템.

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