KR101627821B1 - 가상음원 기반 초음파 집속방법 및 이를 이용한 초음파 장치 - Google Patents

가상음원 기반 초음파 집속방법 및 이를 이용한 초음파 장치 Download PDF

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Abstract

가상음원 기반 초음파 집속방법 및 이를 이용한 초음파 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 집속방법은 송신초점들에 각각 가상의 송신음원을 두고, 서로 상이한 가상 송신음원으로 초음파 신호를 송신하는 단계와, 수신초점들에 각각 가상의 수신음원을 두고, 하나의 가상 송신음원을 거쳐 서로 상이한 가상 수신음원으로 수신되는 초음파 반사신호들을 합성집속하는 단계를 포함한다.

Description

가상음원 기반 초음파 집속방법 및 이를 이용한 초음파 장치 {Method for synthetic focusing ultrasound field based on virtual source and ultrasonic apparatus using the method}
본 발명은 초음파 집속 기술에 관한 것이다.
초음파 영상에서의 해상도는 축(axial) 방향과 측(lateral) 방향 해상도로 구별된다. 일반적으로 축 방향의 해상도는 초음파 빔의 스펙트럼의 폭과 관련이 있다. 축 방향의 해상도를 증가시키기 위하여 시간 폭이 작은 펄스 형태의 신호를 사용할 수 있다. 측 방향 해상도는 일반적으로 메인 로브(main lobe)의 폭에 의하여 결정되는데 프로브의 크기와 사용하는 주파수에 의하여 좌우되며 회절 때문에 초음파가 대상체 내를 진행하면서 빔이 퍼지므로 축 방향 해상도에 비해 떨어진다.
초음파 영상에서의 측 방향 해상도를 증대시키는 방법으로는 집속(focusing) 방법이 이용된다. 집속에는 각각 다른 시간에 얻은 여러 개의 음장을 중첩하여 합성하는 합성집속(synthetic focusing) 방식이 있다.
일 실시 예에 따라, 측 방향의 해상도를 향상시키기 위한 가상음원 기반 초음파 집속방법 및 이를 이용한 초음파 장치를 제안한다.
일 실시 예에 따른 초음파 집속방법은, 송신초점들에 각각 가상의 송신음원을 두고 서로 상이한 가상 송신음원으로 초음파 신호를 송신하는 단계와, 수신초점들에 각각 가상의 수신음원을 두고 하나의 가상 송신음원을 거쳐 서로 상이한 가상 수신음원으로 수신되는 초음파 반사신호들을 합성집속하는 단계를 포함한다.
일 실시 예에 따른 하나의 가상 송신음원의 위치는 각 가상 수신음원의 위치와 상이하거나 동일하다. 프로브의 측 방향을 따라 서로 상이한 송신초점 위치에 차례대로 가상 송신음원이 고정 배치됨에 따라, 각 송신위치 별로 프로브의 축 방향으로 미리 정해진 깊이를 가지는 하나의 송신초점이 형성되고 해당 송신초점에 고정된 하나의 가상 송신음원이 배치될 수 있다. 프로브의 측 방향을 따라 서로 상이한 수신초점 위치에 차례대로 가상 수신음원이 고정 배치됨에 따라, 각 수신위치 별로 프로브의 축 방향으로 미리 정해진 깊이를 가지는 하나의 수신초점이 형성되고 해당 수신초점에 고정된 하나의 가상 수신음원이 배치될 수 있다.
일 실시 예에 따른 합성집속하는 단계는, 고정된 가상 송신음원으로 송신된 초음파 신호에 의해 영상 점에 대한 정보를 포함하는 제1 초음파 반사신호를 제1 가상 수신음원을 통해 수신하는 단계와, 동일한 가상 송신음원으로 송신된 초음파 신호에 의해 동일한 영상 점에 대해 상이한 정보를 포함하는 제2 초음파 반사신호를 제2 가상 수신음원을 통해 수신하는 단계와, 수신된 제1 초음파 반사신호와 제2 초음파 반사신호를 합성집속하는 단계를 포함한다.
일 실시 예에 따른 합성집속하는 단계는, 수신된 초음파 반사신호들의 수신 지연시간을 계산하는 단계와, 수신된 각 초음파 반사신호 별로 계산된 수신 지연시간을 반영한 후 합성집속하는 단계를 포함한다. 수신 지연시간을 계산하는 단계에서, 초점 깊이, 영상 점까지의 거리 및 프로브 소자 간의 위치관계를 이용하여 수신 지연시간을 계산할 수 있다.
일 실시 예에 따른 초음파 집속방법은, 제1 가상 송신음원으로 송신된 초음파 신호에 의해 영상 점에 대한 정보를 포함하는 제1 초음파 반사신호를 프로브 소자를 통해 수신하는 단계와, 제2 가상 송신음원으로 송신된 초음파 신호에 의해 동일한 영상 점에 대해 상이한 정보를 포함하는 제2 초음파 반사신호를 동일한 프로브 소자를 통해 수신하는 단계와, 수신된 각 초음파 반사신호를 합성집속하는 단계를 더 포함한다.
일 실시 예에 따른 가상 송신음원 및 가상 수신음원은 프로브의 각 소자와 평행하게 형성된다. 가상 송신음원 및 가상 수신음원은 프로브의 기준 소자를 중심으로 동일한 거리에 있는 원주(circumference) 상에 형성될 수 있다. 일 실시 예에 따른 합성집속하는 단계에서, 합성집속 시에 수신 데이터에 아포다이제이션을 수행한다.
다른 실시 예에 따른 초음파 집속방법은, 송신초점들에 각각 가상의 송신음원을 두고 서로 상이한 가상 송신음원으로 송신되어 되돌아오는 초음파 반사신호들을 합성집속하는 송신음장 합성집속 단계와, 수신초점들에 각각 가상의 수신음원을 두고 서로 상이한 가상 수신음원으로 되돌아오는 초음파 반사신호들을 합성집속하는 수신음장 합성집속 단계를 포함한다.
일 실시 예에 따른 수신음장 합성집속 단계는, 고정된 제1 가상 송신음원으로 송신된 초음파 신호에 의해 제1 영상 점에 대한 정보를 포함하는 제1 초음파 반사신호를 제1 가상 수신음원을 통해 수신하는 단계와, 고정된 제1 가상 송신음원으로 송신된 초음파 신호에 의해 제1 영상 점에 대한 상이한 정보를 포함하는 제2 초음파 반사신호를 제2 가상 수신음원을 통해 수신하는 단계와, 수신된 제1 초음파 반사신호와 제2 초음파 반사신호를 합성집속하는 단계를 포함한다.
일 실시 예에 따른 하나의 가상 송신음원의 위치와 각 가상 수신음원의 위치는 서로 상이하거나 동일하다. 프로브의 측 방향을 따라 서로 상이한 송신초점 위치에 차례대로 가상 송신음원이 고정 배치됨에 따라, 각 송신위치 별로 프로브의 축 방향으로 미리 정해진 깊이를 가지는 하나의 송신초점이 형성되고 해당 송신초점에 고정된 하나의 가상 송신음원이 배치될 수 있다. 프로브의 측 방향을 따라 서로 상이한 수신초점 위치에 차례대로 가상 수신음원이 고정 배치됨에 따라, 각 수신위치 별로 프로브의 축 방향으로 미리 정해진 깊이를 가지는 하나의 수신초점이 형성되고 해당 수신초점에 고정된 하나의 가상 수신음원이 배치될 수 있다.
다른 실시 예에 따른 초음파 장치는, 제1 송신초점으로 송신되는 초음파 신호에 대응하는 제1 송신신호와 제2 송신초점으로 송신되는 초음파 신호에 대응하는 제2 송신신호를 프로브에 제공하는 송신부와, 송신초점들 중에서 하나의 송신초점을 거쳐 제1 수신초점을 통해 수신되어 영상 점에 대한 정보를 가진 제1 초음파 반사신호에 대응하는 제1 수신신호와, 동일한 송신초점을 거쳐 제2 수신초점을 통해 수신되어 동일한 영상 점에 대해 상이한 정보를 가진 제2 초음파 반사신호에 대응하는 제2 수신신호를 프로브로부터 획득하는 수신부와, 획득된 제1 수신신호와 제2 수신신호를 합성집속하여 수신 데이터를 생성하는 수신신호 처리부를 포함한다.
하나의 송신초점에 형성되는 가상 송신음원의 위치는 각 가상 수신음원의 위치와 서로 상이하거나 동일할 수 있다. 프로브의 측 방향을 따라 서로 상이한 송신초점 위치에 차례대로 가상 송신음원이 고정 배치됨에 따라, 각 송신위치 별로 프로브의 축 방향으로 미리 정해진 깊이를 가지는 하나의 송신초점이 형성되고 해당 송신초점에 고정된 하나의 가상 송신음원이 배치될 수 있다. 프로브의 측 방향을 따라 서로 상이한 수신초점 위치에 차례대로 가상 수신음원이 고정 배치됨에 따라, 각 수신위치 별로 프로브의 축 방향으로 미리 정해진 깊이를 가지는 하나의 수신초점이 형성되고 해당 수신초점에 고정된 하나의 가상 수신음원이 배치될 수 있다. 초음파 장치는 수신신호 처리부를 통해 생성된 수신 데이터로부터 초음파 영상을 생성하는 영상 생성부를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 모든 영상 점에서 송수신 집속을 하므로 초음파 영상의 해상도가 향상된다. 특히, 송신집속 및 수신집속 모두에 가상음원 기반 합성집속 방식을 사용함에 따라 다른 방식에 비해 초음파 영상의 측 방향 해상도를 높일 수 있다. 나아가, 기존 하드웨어에서 수행하던 집속을 소프트웨어적으로 수행함에 하드웨어 용량을 줄일 수 있다. 또한, 해닝 아포다이제이션(hanning apodization)을 통해 클러터(clutter)를 제거할 수 있다. 나아가, 합성 구경을 형성하는 초점 깊이를 탄력적으로 결정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 집속방법을 도시한 흐름도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수신음장 합성집속 방법을 도시한 흐름도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수신음장 합성집속 방법 중 1단계를 설명하기 위한 음장 파형도,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수신음장 합성집속 방법 중 2단계를 설명하기 위한 음장 파형도,
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 집속 시의 송신 지연시간 및 수신 지연시간 계산 프로세스를 설명하기 위한 계산 모델을 도시한 개념도,
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 가상음원 배치 예를 도시한 참조도,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 아포다이제이션 시의 초음파 영상을 도시한 참조도,
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 장치의 구성도,
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 FVSSAI 방식의 초음파 영상을 다른 방식의 초음파 영상과 비교한 그래프,
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 FVSSAI 방식의 빔 패턴을 다른 방식의 빔 패턴과 비교한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 집속방법을 도시한 흐름도이다.
초음파 영상의 공간 해상도(spatial resolution)를 높이기 위해서는 초음파 빔을 집속(focusing) 하는 것이 필요하다. 도 1을 참조하면, 일 실시 예에 따른 초음파 장치는 송신음장 집속(transmit sound field focusing)과 수신음장 집속(receive sound field focusing) 모두에 합성(구경) 집속(synthetic(aperture) focusing) 방법을 사용한다. 합성집속 방법은 집속 시에 서로 상이한 시간에 얻은 여러 개의 음장을 중첩하여 합성함에 따라 모든 영상 점(imaging point)에 대해 집속이 가능하도록 하는 방식이다. 합성집속을 통해 초음파 영상을 생성하는 방식을 합성구경영상(synthetic aperture imaging: SAI) 방식이라 한다.
일 실시 예에 따른 초음파 장치는 물리적인 송수신 소자를 음원으로 사용하는 것이 아니라, 집속점인 초점(focal point)들을 가상적인 음원(virtual source)인 가상 송신음원(virtual transmit source: VTS)과 가상 수신음원(virtual receive source: VRS)으로 사용한다. 이 경우, 마치 송신초점에 송신소자가 있어 그 송신소자로부터 송신음장이 송신되고, 수신초점에 수신소자가 있어 그 수신소자로 수신음장이 수신되는 것과 같다. 예를 들어, 가상 송신음원을 두고, 초음파 송신 시에 가상 송신음원을 이용하여 송신음장 합성집속을 수행한다(100). 또한, 가상 수신음원을 두고, 초음파 수신 시에 가상 수신음원을 이용하여 수신음장 합성집속을 수행한다(110).
송신 합성집속 및 수신 합성집속 모두에 가상음원을 이용하여 초음파 영상을 생성한다는 점에서, 이러한 방식을 풀 가상 합성구경영상(full virtual source synthetic aperture imaging: FVSSAI, 이하 FVSSAI라 칭함) 방식이라 명한다. 이와 대비되는 양방향 픽셀 기반 집속(bidirectional pixel based focusing: BiPBF, 이하 BiPBF라 칭함) 방식은 송신음장의 집속은 합성집속 방법을 사용하고, 수신집속은 동적 집속(dynamic receive focusing) 방법을 사용하는 방식이다. BiPBF는 송신 집속 시에만 가상 송신음원을 이용하여 송신 합성집속을 수행한다는 점에서, 송수신 집속 모두에 가상음원을 이용하는 FVSSAI 방식과 구별된다.
이하, 가상 송신음원 기반 송신음장 합성집속 단계(100)와 가상 수신음원 기반 수신음장 합성집속 단계(110)에 대해 상세히 후술한다.
가상 송신음원 기반 송신음장 합성집속 단계(100)에서, 초음파 장치는 서로 상이한 초점들을 각각 가상 송신음원으로 두고, 서로 상이한 프로브 소자 위치 각각에서 서로 상이한 가상 송신음원으로 초음파 신호를 송신한다. 그리고 서로 상이한 가상 송신음원을 거쳐 소정의 영상 점으로부터 동일한 프로브 소자 위치로 동일한 영상 점에 대한 서로 다른 정보를 가진 초음파 반사신호들을 수신한다. 이때 수신되는 초음파 반사신호들을 합성집속한다. 송신 합성집속 시, 수신된 초음파 반사신호 별로 수신 지연시간을 반영한 후 합성집속할 수 있다. 각각의 송신에서 수신된 초음파 반사신호 별로 수신 시간지연을 반영하면, 송신소자 별로 집속지연을 주어 동시에 송신하는 것과 유사한 효과를 가질 수 있다. 이렇게 집속지연을 주어 수신된 신호들을 합성하면 임의의 점에 송신집속하는 효과를 낼 수 있다.
가상 수신음원 기반 수신음장 합성집속 단계(110)에서, 초음파 장치는 서로 상이한 초점들을 각각 가상 수신음원으로 두고, 하나의 가상 송신음원으로부터 영상 점 방향으로 초음파가 송신한다. 그리고 그 영상 점으로부터 반사되어 되돌아오는 초음파 반사신호들을 서로 상이한 가상 수신음원에서 각각 수신하며, 수신된 각 초음파 반사신호들을 합성집속한다.
가상 송신음원들과 가상 수신음원들은 각각 고정 배치될 수 있다. 예를 들어, 가상 송신음원들은 프로브의 측(lateral) 방향을 따라 서로 상이한 송신초점 위치에 차례대로 고정 배치될 수 있다. 이 경우, 각 송신위치 별로 프로브의 축(axial) 방향으로 미리 정해진 깊이(depth)를 가지는 하나의 송신초점이 형성되고, 해당 송신초점에 고정된 하나의 가상 송신음원이 배치된다. 가상 수신음원들 역시 프로브의 측 방향을 따라 서로 상이한 수신초점 위치에 차례대로 고정 배치될 수 있다. 이 경우, 각 수신위치 별로 프로브의 축 방향으로 미리 정해진 깊이를 가지는 하나의 수신초점이 형성되고, 해당 수신초점에 고정된 하나의 가상 수신음원이 배치된다.
전술한 바와 같이, 송신위치 별로 하나의 고정된 송신초점을 가지고 수신위치 별로 하나의 고정된 수신초점을 가지는 합성집속 방식을 고정 합성집속 방식이라고 한다. 이러한 고정 합성집속 방식은 동일한 위치에서 다수의 초점들을 배치하고 초점들을 동적으로 변화시켜 가면서 초음파 신호를 복수 회 집속시키는 동적 집속(dynamic focusing)과 구별된다. 하나의 가상 송신음원을 거쳐 반사되는 초음파 반사신호를 수신하는 가상 수신음원들의 위치는 해당 가상 송신음원의 위치와 상이하거나 동일할 수 있다. 가상음원을 이용한 초음파 영상획득을 통해, 모든 점에서 송신집속 및 수신집속하여 측 방향의 해상도를 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수신음장 합성집속 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 수신음장 합성집속을 위해, 프로브의 측 방향으로 가상 송신음원들과 가상 수신음원들을 배치한다(200). 이때 프로브의 측 방향을 따라 서로 상이한 송신초점 위치에 차례대로 가상 송신음원이 고정 배치됨에 따라 각 송신위치 별로 하나의 고정된 가상 송신음원을 가질 수 있다. 또한, 프로브의 측 방향을 따라 서로 상이한 수신초점 위치에 차례대로 가상 수신음원이 고정 배치됨에 따라 각 수신위치 별로 하나의 고정된 가상 수신음원을 가질 수 있다. 그리고 소정의 가상 송신음원의 위치와 소정의 가상 송신음원을 거쳐 초음파 반사신호를 수신하는 가상 수신음원들의 위치는 서로 상이하거나 동일할 수 있다.
이어서, 초음파 장치는 가상 송신음원을 향해 초음파 신호를 송신한다(210). 그리고 하나의 가상 송신음원으로 송신된 초음파 신호에 의해 소정의 영상 점에 대한 서로 상이한 정보를 가지는 초음파 반사신호들을 서로 상이한 가상 수신음원을 통해 수신한다(220). 이어서, 수신된 각 초음파 반사신호들을 합성집속한다(230). 합성집속 시에, 수신된 각 초음파 반사신호들의 수신 지연시간을 계산하고, 수신된 각 초음파 반사신호 별로 수신 지연시간을 반영하여 합성집속할 수 있다.
수신음장 합성집속 프로세스의 예를 들어, 프로브를 통해 고정된 제1 가상 송신음원으로 초음파 신호를 송신하고, 송신된 초음파 신호에 의해 제1 영상 점에 대한 정보를 포함하는 제1 초음파 반사신호를 제1 가상 수신음원을 통해 수신한다. 이어서, 고정된 제1 가상 송신음원으로 송신된 초음파 신호에 의해 제1 영상 점에 대한 상이한 정보를 포함하는 제2 초음파 반사신호를 제2 가상 수신음원을 통해 수신한다. 그리고 수신된 제1 초음파 반사신호와 제1 초음파 반사신호를 합성집속한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수신음장 합성집속 방법 중 1단계를 설명하기 위한 음장 파형도이다.
초음파 장치는 프로브를 통해 대상체에 초음파 신호를 송신하고, 송신된 초음파 신호는 대상체로부터 반사되어 프로브를 통해 수신된다. 송신음장의 파형은 도 3에 도시된 바와 같이 집속점인 초점에 모였다가 다시 퍼지는 원호(spherical)의 모양을 가진다. 이는 마치 초점에 한 개의 송신소자가 있어 그 송신소자의 양 방향으로 음장이 진행하는 것과 같다. 이때 초점에 형성되는 가상의 송신소자를 가상 송신음원이라 칭한다.
일 실시 예에 따라 프로브의 측 방향을 따라 서로 상이한 송신초점 위치에 차례대로 가상 송신음원이 고정 배치된다. 이 경우, 각 송신위치 별로 하나의 고정된 가상 송신음원을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 프로브의 제1 소자를 통해 송신되어 진행하는 빔 상에 하나의 제1 가상 송신음원 VTS1(310)이 고정 배치되고, 프로브의 제2 소자를 통해 송신되어 진행하는 빔 상에 다른 하나의 제2 가상 송신음원 VTS2(320)이 고정 배치된다. 송신초점은 도 3에 도시된 바와 같이 프로브 내 각 송신위치에서 축(axial) 방향으로 미리 정해진 깊이의 초점에 형성될 수 있다. 미리 정해진 깊이는 각 송신위치에서 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수신음장 합성집속 방법 중 2단계를 설명하기 위한 음장 파형도이다.
도 4를 참조하면, 하나의 고정된 가상 송신음원 VTS(300)에 대해 동시에 여러 수신초점에 수신집속을 수행하여 동시에 여러 개의 가상 수신음원을 형성한다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 가상 수신음원 VRS1(410), 제2 가상 수신음원 VRS2(420) 및 제3 가상 수신음원 VRS3(430)이 형성된다. 그러면, 하나의 가상 송신음원 VTS(300)에서 영상 점(Imaging point)(500) 방향으로 초음파 신호를 송신하고, 영상 점(500)으로부터 각 가상 수신음원(410,420,430)에서 초음파 반사신호를 수신한 것과 같은 형태가 된다. 이때, 각 초음파 반사신호에 집속지연을 반영한 후 합성한다.
도 4에서는 가상 수신음원 VRS1(410), VRS2(420) 및 VRS3(430)가 가로 상 동일한 직선에 위치하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 실시 예일 뿐, 위치는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 가상 송신음원 및 가상 수신음원은 프로브의 각 소자와 평행하게 형성될 수 있고, 프로브의 기준 소자를 중심으로 동일한 거리에 있는 원주 상에 형성될 수 있다. 또는 랜덤하게 형성될 수도 있다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 집속 시의 송신 지연시간 및 수신 지연시간 계산 프로세스를 설명하기 위한 계산 모델을 도시한 개념도이다.
도 5 및 도 6을 참조하여 송신집속과 수신집속 시 지연시간을 정량적으로 나타내면, 가상 송신음원 VTS(300)의 x축 좌표가 Tsc이고, 가상 수신음원 VRS(400)의 x축 좌표가 Rsc이고, 영상 점(Imaging point)(500)의 x축 좌표가 Isc이면, 가상 송신음원 VTS(300)과 영상 점(500)의 x축 좌표 간의 거리는 xt이고, 가상 수신음원 VRS(400)과 영상 점(500)의 x축 좌표 간의 거리는 xr이 되며, 영상 점(500)까지의 도달 거리는 Zp가 된다. 그러면, xt=tsc-Isc이고, xr=Isc-Rsc이며, Zp=vt/2이다.
가상 송신음원 VTS(300)에서 영상 점(500)까지의 거리 rtx는
Figure 112015118396615-pat00001
이고, 영상 점(500)에서 가상 수신음원 VRS(400)까지의 거리 rrx는
Figure 112015118396615-pat00002
이다. rr=rtx+rrx이고, 집속점 f까지의 도달 거리가 Zf이다. Zp>Zf이면, 송신지연 ttx _d는
Figure 112015118396615-pat00003
이고, Zp<Zf이면, 송신지연 ttx _d는
Figure 112015118396615-pat00004
이다. ttol은 신호 전체에 원하는 지연을 가해주는 상수이다. 한편, Zp>Zf이면, 수신지연 trx _d는
Figure 112015118396615-pat00005
이고, Zp<Zf이면, 수신지연 trx _d는
Figure 112015118396615-pat00006
이다. td=ttx_d+trx _ d이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 가상음원 배치 예를 도시한 참조도이다.
도 7a를 참조하면, 프로브의 각 소자위치에서 가상음원이 배치되는 초점까지의 거리인 초점깊이(focal depth)는 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 예를 들어, 도 7a에 도시된 바와 같이 프로브 0으로부터 제1 초점까지의 거리인 제1 초점 f0의 초점깊이와, 프로브 2로부터 제2 초점까지의 거리인 제2 초점 f2의 초점깊이는 서로 상이하다.
도 7b를 참조하면, 가상음원은 프로브의 각 소자와 평행하게 형성될 수 있다. 다른 예로, 가상음원은 프로브의 기준소자를 중심으로 동일한 거리에 있는 원주(circumference) 상에 형성될 수 있다. 가상음원들의 위치를 이와 같이 설정하는 이유는 섹터 주사 방식의 특성으로부터 기인하는 것인데, 선형 주사에서와는 달리 섹터 주사에서는 한 점(프로브 소자의 중심점)이 모든 주사선의 출발점이 되므로 원주 상에 가상음원의 위치를 설정하면 해상도 열화 방지 조건을 만족할 수 있기 때문이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 아포다이제이션 시의 초음파 영상을 도시한 참조도이다.
도 8을 참조하면, 송신 및 수신 합성집속 시에 수신 데이터에 아포다이제이션(apodization)을 수행한다. 예를 들어, 제1 수신신호에는 1의 가중치를 적용하고, 제2 수신신호에는 0.7의 가중치를 적용하고, 제3 수신신호에는 0.5의 가중치를 적용한 후, 가중치가 적용된 제1 수신신호, 제2 수신신호 및 제3 수신신호를 합성한다. 이와 같이 집속을 위하여 가중치를 적용하는 것을 아포다이제이션이라 표현될 수 있다. 서로 다른 가중치의 적용은 초음파 영상의 해상도를 개선하는데 이용된다.
일 실시 예에 따른 초음파 장치는 해닝 아포다이제이션(hanning apodization)을 수행한다. 일반적으로 참조부호 800의 초음파 영상과 같이 가상 송신음원이 위치하는 초점깊이 부근에서 날개 모양의 클러터(clutter)가 발생할 수 있다. 클러터를 제거하기 위해 가상 송신소자(Xt)에 대한 해닝 아포다이제이션과, 가상 수신소자(Xr)에 대한 해닝 아포다이제이션, 이렇게 두 번의 아포다이제이션을 수행하면, 참조부호 820의 초음파 영상과 같이 날개 모양의 클러터가 제거됨을 확인할 수 있다. 참조부호 810은 Xr 해닝 아포다이제이션을 수행한 초음파 영상을 도시한 것이고, 참조부호 820은 Xr 해닝 아포다이제이션 및 Xt 해닝 아포다이제이션을 수행한 초음파 영상을 도시한 것이다. 다만, 해닝 아포다이제이션 시에 초음파 영상의 타겟들이 비대해질 수 있는데, 이는 합성(synthesis)의 수(number)를 늘림에 따라 해결할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 장치의 구성도이다.
도 9를 참조하면, 초음파 장치(1)는 송신부(10), 수신부(12), 수신신호 처리부(14), 저장부(15), 영상 생성부(16) 및 출력부(18)를 포함한다. 다만, 도 9에 도시된 초음파 장치(1)는 본 발명의 하나의 구현 예에 불과하며, 도 9에 도시된 구성 요소들을 기초로 하여 여러 가지 변형이 가능함을 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다. 예를 들어, 초음파 장치(1)는 프로브(2)를 더 포함하도록 구성될 수도 있다.
송신부(10)는 대상체 내부의 소정의 초점으로 송신되는 초음파 신호에 대응하는 송신신호를 프로브(2)로 송신한다. 프로브(2)는 송신부(10)로부터 송신신호를 수신하고, 수신된 송신신호를 초음파 신호로 변환하여 대상체로 송신한다. 송신신호의 일 예는 전기적 신호이나 이에 한정되지는 않는다. 또한, 프로브(2)는 대상체로 송신한 초음파 신호에 대응하여, 대상체로부터 초음파 신호를 수신한다. 이때, 수신된 초음파 신호는 송신된 초음파 신호에 대한 응답신호로서 대상체로부터 반사되거나 회절된 초음파 신호를 의미한다. 프로브(2)는 수신된 초음파 신호를 수신신호로 변환하여 수신부(12)로 송신한다. 수신신호의 일 예는 전기적 신호이나 이에 한정되지는 않는다.
프로브(2)는 적어도 하나의 초점을 향하여 초음파 신호를 송신하고, 각각의 송신에 대응하여 대상체로부터 초음파 반사신호를 수신한다. 이때, 프로브(2)는 초점을 향하여 초음파 신호를 송신한다. 대상체 내부의 초점으로 초음파 신호들을 집속시키는 것은 송신 집속을 의미할 수 있다. 이와 같은 송신 집속은 송신부(10)에서 생성되는 송신신호들 각각에 송신 지연시간을 적용시킴으로써 수행될 수 있다. 대상체로부터 수신된 초음파 신호들을 집속시키는 것은 수신 집속을 의미할 수 있다. 이와 같은 수신 집속은 프로브(2)로부터 수신부(12)로 전달되는 수신신호들 각각에 수신 지연시간을 적용시킴으로써 수행될 수 있다.
송신부(10)는 가상 송신음원에 해당하는 초점들 각각으로 초음파 신호를 송신하기 위해, 복수 회 송신신호를 생성한다. 구체적으로, 송신부(10)는 대상체 내부의 제1 초점으로 송신되는 초음파 신호에 대응하는 제1 송신신호를 생성하여 프로브(2)로 제공하고, 제1 초점과 다른 위치의 제2 초점으로 송신되는 초음파 신호에 대응하는 제2 송신신호를 프로브(2)로 제공한다. 예를 들어, 송신부(10)는 제1 송신위치에서 제1 초점으로 초음파 신호를 송신 또는 집속시키기 위해 프로브(2)에 제1 송신신호를 송신하고, 제2 송신위치에서 제2 초점으로 초음파 신호를 송신 또는 집속시키기 위해 프로브(2)에 제2 송신신호를 송신한다. 이때, 제1 초점 및 제2 초점은 가상 송신음원들이다.
수신부(12)는 하나의 가상 송신음원을 대상으로 서로 상이하거나 동일한 가상 수신음원을 통해 수신된 제1 수신신호와 제2 수신신호를 프로브(2)로부터 획득한다. 제1 수신신호는 하나의 가상 송신음원으로 송신된 초음파 신호에 의해 하나의 영상 점에 대한 소정의 정보를 포함하며, 제1 가상 수신음원을 통해 수신한 제1 초음파 반사신호를 프로브(2)에서 수신신호로 변환한 것이다. 제2 수신신호는 동일한 가상 송신음원으로 송신된 초음파 신호에 의해 동일한 영상 점에 대해 상이한 정보를 포함하며, 제2 가상 수신음원을 통해 수신한 제2 초음파 반사신호를 프로브(2)에서 수신신호로 변환한 것이다.
수신부(12)는 획득한 제1 수신신호 및 제2 수신신호에 신호 프로세싱을 수행하고, 수행된 제1 수신신호 및 제2 수신신호를 수신신호 처리부(14)로 전달할 수 있다. 예를 들어, 수신부(12)는 획득한 제1 수신신호 및 제2 수신신호에 신호 프로세싱을 수행하여 디지털 신호들로 변환하고, 변환된 제1 수신신호 및 제2 수신신호를 수신신호 처리부(14)로 전달할 수 있다. 이를 위해, 수신부(12)는 신호 프로세싱을 위한 증폭기, A/D 컨버터, 연산기, 노이즈 필터 등을 포함할 수 있다.
다만, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 수신부(12)는 프로브(2)로부터 획득한 제1 수신신호 및 제2 수신신호를 신호 프로세싱 없이 수신신호 처리부(14)로 전달하고, 수신신호 처리부(14)에서 신호 프로세싱을 수행할 수도 있다. 또한, 수신부(12)는 제1 수신신호 및 제2 수신신호에 신호 프로세싱을 수행하고, 수행된 제1 수신신호 및 제2 수신신호를 저장부(15)에 저장할 수 있다.
수신신호 처리부(14)는 제1 수신신호와 제2 수신신호에 합성지연을 적용한다. 예를 들어, 수신신호 처리부(14)는 제2 수신신호에 수신 지연시간을 적용하고 수신 지연시간이 적용된 제2 수신신호와 제1 수신신호를 합성한다. 수신신호 처리부(14)는 수신신호 또는 수신 데이터를 저장부(15)에 저장할 수 있다.
영상 생성부(16)는 수신신호 처리부(14)를 통해 신호처리된 수신 데이터로부터 영상 데이터를 생성하고 영상 데이터에 기초하여 초음파 영상을 생성한다. 예를 들어, 영상 생성부(16)는 영상 데이터를 출력부(18)의 포맷에 맞게 스캔 변환하여 초음파 영상을 생성한다. 또한, 영상 생성부(16)는 생성된 초음파 영상을 출력부(18)로 송신할 수 있다. 초음파 영상을 출력하는 출력부(18)는 초음파 영상을 스크린, 종이 또는 공간 상에 디스플레이하는 장치가 포함되나, 이에 한정되지 않는다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 FVSSAI 방식의 초음파 영상을 다른 방식의 초음파 영상과 비교한 그래프이다.
도 10을 참조하면, 일반적인 방식(1000)의 초음파 영상, BiPBF(1010)의 초음파 영상, 합성 구경 연속 빔포밍 방식(synthetic aperture sequential beam-forming: SASB, 이하 SASB라 칭함)(1020)의 초음파 영상에 비하여, FVSSAI 방식(1030)의 초음파 영상이 클러터가 적게 나타남을 확인할 수 있다. 이때, 합성 횟수는 64회인 경우를 예로 들었다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 FVSSAI 방식의 빔 패턴을 다른 방식의 빔 패턴과 비교한 그래프이다.
도 11을 참조하면, 일반적인 방식(1000), BiPBF 방식(1010). SASB 방식(1020)에 비하여, FVSSAI 방식(1030)이 빔을 잘 집속하고 있음을 확인할 수 있다. 이때, 집속점까지의 거리가 70mm인 경우를 예로 들었다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 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.
1: 초음파 장치 10: 송신부
12: 수신부 14: 수신신호 처리부
15: 저장부 16: 영상 생성부
18: 출력부

Claims (21)

  1. 송신초점들에 각각 가상의 송신음원을 두고, 서로 상이한 가상 송신음원으로 초음파 신호를 송신하는 단계; 및
    수신초점들에 각각 가상의 수신소자를 두고, 하나의 가상 송신음원을 거쳐 서로 상이한 가상 수신소자로 수신되는 초음파 반사신호들을 합성집속하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 집속방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나의 가상 송신음원의 위치는 각 가상 수신소자들의 위치와 상이하거나 동일한 것을 특징으로 하는 초음파 집속방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    프로브의 측 방향을 따라 서로 상이한 송신초점 위치에 차례대로 가상 송신음원이 고정 배치됨에 따라, 각 송신위치 별로 프로브의 축 방향으로 미리 정해진 깊이를 가지는 하나의 송신초점이 형성되고 해당 송신초점에 고정된 하나의 가상 송신음원이 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 집속방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    프로브의 측 방향을 따라 서로 상이한 수신초점 위치에 차례대로 가상 수신소자가 고정 배치됨에 따라, 각 수신위치 별로 프로브의 축 방향으로 미리 정해진 깊이를 가지는 하나의 수신초점이 형성되고 해당 수신초점에 고정된 하나의 가상 수신소자가 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 집속방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 합성집속하는 단계는
    고정된 가상 송신음원으로 송신된 초음파 신호에 의해 영상 점에 대한 정보를 포함하는 제1 초음파 반사신호를 제1 가상 수신소자를 통해 수신하는 단계;
    동일한 가상 송신음원으로 송신된 초음파 신호에 의해 동일한 영상 점에 대해 상이한 정보를 포함하는 제2 초음파 반사신호를 제2 가상 수신소자를 통해 수신하는 단계; 및
    수신된 제1 초음파 반사신호와 제2 초음파 반사신호를 합성집속하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 집속방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 합성집속하는 단계는
    수신된 초음파 반사신호들의 수신 지연시간을 계산하는 단계; 및
    수신된 각 초음파 반사신호 별로 상기 계산된 수신 지연시간을 반영한 후 합성집속하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 집속방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 수신 지연시간을 계산하는 단계는
    초점 깊이, 영상 점까지의 거리 및 프로브 소자 간의 위치관계를 이용하여 수신 지연시간을 계산하는 것을 특징으로 하는 초음파 집속방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 초음파 집속방법은
    제1 가상 송신음원으로 송신된 초음파 신호에 의해 영상 점에 대한 정보를 포함하는 제1 초음파 반사신호를 프로브 소자를 통해 수신하는 단계; 및
    제2 가상 송신음원으로 송신된 초음파 신호에 의해 동일한 영상 점에 대해 상이한 정보를 포함하는 제2 초음파 반사신호를 동일한 프로브 소자를 통해 수신하는 단계; 및
    수신된 각 초음파 반사신호를 합성집속하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 집속방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    가상 송신음원 및 가상 수신소자는 프로브의 각 소자와 평행하게 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 집속방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    가상 송신음원 및 가상 수신소자는 프로브의 기준 소자를 중심으로 동일한 거리에 있는 원주(circumference) 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 집속방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 합성집속하는 단계는
    합성집속 시에 수신 데이터에 아포다이제이션을 수행하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 초음파 집속방법.
  12. 송신초점들에 각각 가상의 송신음원을 두고, 서로 상이한 가상 송신음원으로 송신되어 프로브 소자 위치에서 수신되는 초음파 반사신호들을 합성집속하는 송신음장 합성집속 단계; 및
    수신초점들에 각각 가상의 수신소자를 두고, 하나의 가상 송신음원으로부터 초음파 신호를 송신하고 서로 상이한 가상 수신소자에서 수신되는 초음파 반사신호들을 합성집속하는 수신음장 합성집속 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 집속방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 수신음장 합성집속 단계는,
    고정된 제1 가상 송신음원으로 송신된 초음파 신호에 의해 제1 영상 점에 대한 정보를 포함하는 제1 초음파 반사신호를 제1 가상 수신소자를 통해 수신하는 단계;
    상기 고정된 제1 가상 송신음원으로 송신된 초음파 신호에 의해 상기 제1 영상 점에 대한 상이한 정보를 포함하는 제2 초음파 반사신호를 제2 가상 수신소자를 통해 수신하는 단계; 및
    수신된 제1 초음파 반사신호와 제2 초음파 반사신호를 합성집속하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 집속방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 하나의 가상 송신음원의 위치와 각 가상 수신소자의 위치는 서로 상이하거나 동일한 것을 특징으로 하는 초음파 집속방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    프로브의 측 방향을 따라 서로 상이한 송신초점 위치에 차례대로 가상 송신음원이 고정 배치됨에 따라, 각 송신위치 별로 프로브의 축 방향으로 미리 정해진 깊이를 가지는 하나의 송신초점이 형성되고 해당 송신초점에 고정된 하나의 가상 송신음원이 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 집속방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    프로브의 측 방향을 따라 서로 상이한 수신초점 위치에 차례대로 가상 수신소자가 고정 배치됨에 따라, 각 수신위치 별로 프로브의 축 방향으로 미리 정해진 깊이를 가지는 하나의 수신초점이 형성되고 해당 수신초점에 고정된 하나의 가상 수신소자가 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 집속방법.
  17. 가상 송신음원인 제1 송신초점으로 송신되는 초음파 신호에 대응하는 제1 송신신호와 가상 송신음원인 제2 송신초점으로 송신되는 초음파 신호에 대응하는 제2 송신신호를 프로브에 제공하는 송신부;
    가상의 송신초점들 중에서 하나의 송신초점을 거쳐 가상 수신소자인 제1 수신초점을 통해 수신되어 영상 점에 대한 정보를 가진 제1 초음파 반사신호에 대응하는 제1 수신신호와, 동일한 송신초점을 거쳐 가상 수신소자인 제2 수신초점을 통해 수신되어 동일한 영상 점에 대해 상이한 정보를 가진 제2 초음파 반사신호에 대응하는 제2 수신신호를 상기 프로브로부터 획득하는 수신부; 및
    획득된 제1 수신신호와 제2 수신신호를 합성집속하여 수신 데이터를 생성하는 수신신호 처리부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 하나의 송신초점에 형성되는 가상 송신음원의 위치는 각 가상 수신소자의 위치와 서로 상이하거나 동일한 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    프로브의 측 방향을 따라 서로 상이한 송신초점 위치에 차례대로 가상 송신음원이 고정 배치됨에 따라, 각 송신위치 별로 프로브의 축 방향으로 미리 정해진 깊이를 가지는 하나의 송신초점이 형성되고 해당 송신초점에 고정된 하나의 가상 송신음원이 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
  20. 제 17 항에 있어서,
    프로브의 측 방향을 따라 서로 상이한 수신초점 위치에 차례대로 가상 수신소자가 고정 배치됨에 따라, 각 수신위치 별로 프로브의 축 방향으로 미리 정해진 깊이를 가지는 하나의 수신초점이 형성되고 해당 수신초점에 고정된 하나의 가상 수신소자가 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
  21. 제 17 항에 있어서, 상기 초음파 장치는
    상기 수신신호 처리부를 통해 생성된 수신 데이터로부터 초음파 영상을 생성하는 영상 생성부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 장치.
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