KR101646626B1 - Beamformer and beamforming method based on post phase rotation - Google Patents
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Abstract
본 발명은 후치 기반 위상 회전을 수행하는 빔 집속기 및 빔 집속 방법에 관한 것으로서, 보다 바람직하게는 영상점으로부터 반사되어 변환자로 수신된 신호를 디지털 신호로 표본화하는 표본화부; 상기 표본화된 디지털 신호로부터 동상 성분과 직교 성분을 분리하는 믹서부; 성분이 분리된 상기 동상 성분 신호와 상기 직교 성분 신호에 대하여 필터링을 수행하는 저역 통과 필터부; 필터링된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 표본화 지연(coarse delay) 시간을 보상하는 표본화 지연 보상부; 표본화 지연 시간이 보상된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호의 데이터 양을 줄이는 데시메이션부; 및 데시메이션된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호를 입력받고, 입력받은 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 서로 다른 미세 지연시간 보상값을 갖는 복수 개의 위상 회전기 중 소정의 위상 회전기를 선택하여, 선택한 위상 회전기로 데시메이션된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호를 출력하는 디멀티플렉서부; 를 각 채널 별로 포함하며, 동일한 미세 지연시간 보상이 필요한 각 채널별 디멀티플렉서부의 출력신호를 합한 후, 위상 회전을 수행하는 복수 개의 위상 회전기를 포함하는 위상 회전부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의해, 본 발명의 후치 기반 위상 회전을 수행하는 빔 집속기 및 빔 집속 방법은 사용되는 채널의 수가 증가하더라도 각 채널로부터 출력된 신호에 대한 위상 회전을 한 번에 수행함으로써, 위상 회전을 위한 연산 처리 속도 및 구현 비용이 증가하는 것을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a beam concentrator and a beam focusing method for performing posture-based phase rotation, more particularly, to a sampling unit for sampling a signal received by a transducer reflected from an image point into a digital signal. A mixer unit for separating the in-phase component and the quadrature component from the sampled digital signal; A low-pass filter for filtering the in-phase component signal and the quadrature component signal, the components of which are separated; A sampling delay compensation unit for compensating a coarse delay time for the filtered in-phase component signal and the quadrature component signal; A decimation unit for reducing a data amount of the in-phase component signal and the quadrature component signal in which the sampling delay time is compensated; And a phase rotator selecting unit that selects a predetermined phase rotator among a plurality of phase rotators having different fine delay time compensation values for the in-phase component signal and the quadrature component signal that are input, A demultiplexer for outputting the in-phase component signal and the quadrature component signal decimated by the selected phase rotator; And a phase rotator including a plurality of phase rotators for performing phase rotation after summing the output signals of the demultiplexer units for the respective channels that need the same fine delay time compensation for each channel.
According to this configuration, even if the number of used channels increases, the beam concentrator and the beam focusing method for performing posterior-based phase rotation of the present invention perform phase rotation on signals output from the respective channels at one time, It is possible to reduce an increase in the processing speed and the implementation cost.
Description
본 발명은 후치 기반 위상 회전을 수행하는 빔 집속기 및 빔 집속 방법에 관한 것으로, 특히 모든 채널에서 각각 연산되는 위상 회전 빔 집속 연산을 각 채널별 출력 데이터 묶어 후치 기반의 구조를 통해 위상 회전 연산을 수행함으로써, 연산량 및 제조 비용을 감소시키는 후치 기반 위상 회전을 수행하는 빔 집속기 및 빔 집속 방법에 관한 것이다.
In particular, the present invention relates to a beam concentrator and a beam focusing method for performing a posture-based phase rotation. More particularly, the present invention relates to a phase rotation beam focusing operation, The present invention relates to a beam concentrator and a beam focusing method for performing a posture-based phase rotation that reduces computational complexity and manufacturing cost.
IT 기술이 급격히 발전함에 따라 다른 분야에서도 IT 기술이 융합되어 발전하고 있는데, 그 중에서도 특히 IT 기술이 의료 분야에 융합되어 널리 적용되고 있는 추세이다. 이처럼 IT 기술이 의료 분야에 적용되고 있는 기술 중 하나인 의료용 초음파는 초음파 신호를 이용하여 인체 내 근육, 힘줄, 내부 장기들, 내부 장기의 크기 및 구조, 병리학적 손상을 실시간으로 단층 영상으로 가시화하는 진단 의료 영상 기술 중 하나이다. As IT technology develops rapidly, IT technology is converging in other fields. In particular, IT technology is being widely applied to medical field. The medical ultrasonic wave, which is one of the technologies that IT technology is applied to the medical field, uses ultrasound signals to visualize the size, structure and pathological damage of muscles, tendons, internal organs and internal organs in the human body as tomographic images in real time It is one of diagnostic medical imaging technology.
이러한 의료용 초음파 기술은 인체 내부에서 반사된 초음파 신호의 에너지를 측정하여 인체의 내부를 비 침습적으로 영상화 할 수 있다. 이때, 사용되는 초음파 동적 수신 빔 집속은 인체 내 각 깊이에서 반사되어 변환자(Transducer)로 돌아오는 초음파 신호를 집속 복원하는 기술로서, 초음파 영상의 측방향(Lateral Direction) 해상도와 축방향(Axial Direction) 해상도를 증가시키기 위해 주로 사용된다. Such medical ultrasound technology can measure the energy of an ultrasound signal reflected from the inside of the human body to non-invasively image the inside of the human body. At this time, the ultrasound dynamic receive beam focusing is a technique of focusing and restoring an ultrasound signal reflected at each depth in the human body and returning to a transducer. The ultrasound dynamic receive beam focusing is a technique of adjusting the lateral direction resolution of the ultrasound image and the axial direction ) It is mainly used to increase the resolution.
도 1은 종래 기술에 따른 송수신 빔 집속의 개념도로서, 도 1(a)는 송신 빔 집속 과정을 나타내고, 도 1(b)는 수신 빔 집속 과정을 나타낸다. FIG. 1 is a conceptual diagram of a transmitting / receiving beam focusing according to the prior art. FIG. 1 (a) shows a transmitting beam focusing process and FIG. 1 (b) shows a receiving beam focusing process.
도 1(a)에 도시된 바와 같이, 송신 빔 집속은 빔 송신 시 변환자의 각각의 배열 변환자에서 가변의 지연시간을 적용하여 하나의 집속점으로 집속하도록 하는 것으로서, 신호의 동상(Inphase) 성분은 보강간섭이 일어나도록 하여 증폭된 신호를 복원하고(빔 집속), 상기 신호의 동상 성분을 제외한 나머지 성분은 상쇄간섭을 통해 상쇄시킨다.As shown in Fig. 1 (a), the transmission beam focusing is performed by applying a variable delay time in each array transducer of the transducer during beam transmission so as to converge to one focusing point, and the inphase component (Beam focusing) such that the constructive interference occurs, and the remaining components except the in-phase component of the signal are canceled by destructive interference.
도 1(b)에 도시된 바와 같이, 대상체로부터 반사된 초음파 신호가 변환자(Transducer)의 배열소자들로 입력된다. 이때, 상기 대상체로부터 각 배열소자까지의 거리가 서로 다르기 때문에 대상체로부터 반사된 초음파 신호가 배열소자로 수신되는 시간 또한 각각 다르다. 따라서, 대상체와 각각의 배열소자간 거리에 따라 복수 개의 초음파 신호에 서로 다른 지연시간을 적용한 후, 상기 복수 개의 초음파 신호를 하나로 집속 복원한다. 1 (b), the ultrasonic signals reflected from the object are input to the array elements of the transducer. At this time, since the distances from the object to the array elements are different from each other, the time at which the ultrasonic signals reflected from the object are received by the array element also differs. Accordingly, after applying a different delay time to the plurality of ultrasonic signals according to the distance between the object and each array element, the plurality of ultrasonic signals are converged and restored.
특히, 표본화 되어 영상을 구성하는 신호 데이터의 간격이 지연 해상도(Delay resolution) 측면에서 초음파 배열 변환자의 중심 주파수의 16배 이상 지연 해상도가 적용되어야 정밀한 빔 집속이 가능하다. 하지만 고속 표본화를 이용하여 시스템을 구현할 경우에는 비용을 고려하면 비효율적이므로, 통상적으로 중심 주파수의 4배 내지 8배 정도로 신호를 표본화하고, 나머지 2배 내지 4배 세밀한 지연 해상도는 빔 집속기 종류에 따라 각각 다른 방식으로 적용한다. 이와 같이 세밀한 지연 해상도를 구현하는 방법에 따라 빔 집속 종류가 달라지게 되는데, 빔 집속기 종류에는 보간(Interpolation) 빔 집속기, 소수 지연 필터(Fractional delay filter) 빔 집속기, 위상 회전(Phase Rotation) 빔 집속기, 분석 신호(Analytic signal) 빔 집속기 등이 존재한다. Particularly, when the interval of the signal data constituting the sampled image is delayed more than 16 times the center frequency of the ultrasonic array transducer in terms of delay resolution, precise beam focusing is possible. However, when the system is implemented using the high-speed sampling, it is inefficient considering the cost. Therefore, the signal is typically sampled at 4 to 8 times the center frequency, and the remaining 2 to 4 times the finer resolution depends on the type of the beam concentrator Apply them in different ways. The types of beam focusing are different according to the method of implementing the fine delay resolution. The types of beam focusing devices include an interpolation beam concentrator, a fractional delay filter beam concentrator, a phase rotator, Beam concentrators, and analytic signal beam concentrators.
이때, 표본화된 신호의 간격 또는 지연 해상도를 표본화 지연(coarse delay, 또는 rough delay), 빔 집속기를 이용해 적용한 지연 해상도 간격을 미세 지연(fine delay)이라고 한다.In this case, the interval or delay resolution of the sampled signals is referred to as a coarse delay (rough delay), and the delay resolution interval applied using the beam concentrator is referred to as a fine delay.
이 중에서 위상 회전 빔 집속기는 송신 신호의 중심주파수를 기준으로 신호의 위상 회전(phase rotation)을 통해 중심주파수의 16배 이상의 미세 지연을 적용하는데, 이때 수신 신호는 복조(demodulation)과정을 통해 낮은 주파수 대역인 기저 대역(baseband)으로 이동한다. 따라서, 복조과정을 거친 후의 신호는 데시메이션(decimation)하여 데이터량을 낮출 수 있다. Among them, the phase rotation beam concentrator applies a fine delay of 16 times or more the center frequency through the phase rotation of the signal based on the center frequency of the transmission signal. At this time, the received signal is demodulated And moves to a baseband which is a frequency band. Therefore, the signal after the demodulation process can be decimated to reduce the amount of data.
하지만 이러한 위상 회전 방식은 상기 미세 지연 적용을 위해 각 채널마다 위상 회전 연산을 수행하는 연산 블록이 존재하는데, 이때 채널의 수가 증가하게 되면, 각 채널 마다 위상 회전 연산을 위한 연산 위상 회전 블록의 수도 함께 증가하게 되므로, 연산량 및 하드웨어 제조 비용이 증가한다는 문제점이 발생했다.
However, in this phase rotation method, there exists a calculation block for performing phase rotation calculation for each channel for applying the fine delay. When the number of channels increases, the number of calculation phase rotation blocks for the phase rotation calculation for each channel There is a problem that the amount of computation and hardware cost increase.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 채널 수의 급격한 증가와 상관없이 채널별 출력된 위상 회전 연산을 위한 처리 속도가 증가하는 것을 방지하고, 제조 비용을 감소시킬 수 있는 후치 기반 위상 회전을 수행하는 빔 집속 방법을 제공하고자 한다.
In order to solve the problems of the prior art as described above, the present invention provides a method and apparatus for preventing a processing speed for a phase rotation calculation output for each channel from being increased regardless of a sharp increase in the number of channels, And to provide a beam focusing method for performing phase rotation.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 초음파 영상 시스템에서 사용되는 후치 기반 위상 회전을 수행하는 빔 집속기는 영상점으로부터 반사되어 변환자로 수신된 신호를 디지털 신호로 표본화하는 표본화부; 상기 표본화된 디지털 신호로부터 동상 성분과 직교 성분을 분리하는 믹서부; 성분이 분리된 상기 동상 성분 신호와 상기 직교 성분 신호에 대하여 기저 대역 외에 신호를 제거하는 저역 통과 필터부; 필터링된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 표본화 지연(coarse delay 혹은 rough delay)을 보상하는 표본화 지연 보상부; 표본화 지연이 보상된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호의 데이터 양을 줄이는 데시메이션부; 및 데시메이션된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호를 입력받고, 입력받은 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 서로 다른 미세 지연시간 보상값을 갖는 복수 개의 위상 회전기 중 소정의 위상 회전기를 선택하여, 선택한 위상 회전기로 데시메이션된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호를 출력하는 디멀티플렉서부;를 각 채널 별로 포함하며, 동일한 미세 지연시간 보상이 필요한 각 채널별 디멀티플렉서부의 출력신호를 합한 후, 위상 회전을 수행하는 복수 개의 위상 회전기를 포함하는 위상 회전부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. A beam concentrator for performing a posture-based phase rotation used in an ultrasound imaging system to solve the above problems includes a sampling unit for sampling a signal received by the transducer reflected from an image point into a digital signal; A mixer unit for separating the in-phase component and the quadrature component from the sampled digital signal; A low-pass filter for removing a signal outside the baseband with respect to the in-phase component signal and the quadrature component signal, the components of which are separated; A sampling delay compensation unit for compensating a coarse delay or a rough delay for the in-phase component signal and the filtered quadrature component signal; A decimation unit for reducing an amount of data of the in-phase component signal and the quadrature component signal in which the sampling delay is compensated; And a phase rotator selecting unit that selects a predetermined phase rotator among a plurality of phase rotators having different fine delay time compensation values for the in-phase component signal and the quadrature component signal that are input, And a demultiplexer section for outputting the in-phase component signal and the quadrature component signal decimated by the selected phase rotator. The sum of the output signals of the demultiplexer sections for each channel requiring the same fine delay time compensation is subjected to phase rotation And a phase rotation unit including a plurality of phase rotators.
특히, 사용되는 채널 수 보다 적은 수가 구비되는 위상 회전부를 포함할 수 있다.In particular, it may include a phase rotation part having a number smaller than the number of used channels.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 초음파 영상 시스템에서 사용되는 후치 기반 위상 회전을 수행하는 빔 집속 방법은 표본화부가 영상점으로부터 반사되어 변환자로 수신된 신호를 디지털 신호로 표본화하는 단계; 믹서부가 상기 표본화된 디지털 신호로부터 동상 성분과 직교 성분을 분리하는 단계; 저역 통과 필터부가 성분이 분리된 상기 동상 성분 신호와 상기 직교 성분 신호에 대하여 기설정된 대역으로 필터링을 수행하는 단계; 표본화 지연 보상부가 필터링된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 표본화 지연을 보상하는 단계; 데시메이션부가 표본화 지연이 보상된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호의 데이터 양을 줄이는 단계; 및 디멀티플렉서부가 데시메이션된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호를 입력받고, 입력받은 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 서로 다른 미세 지연시간 보상값을 갖는 복수 개의 위상 회전기 중 소정의 위상 회전기를 선택한 후, 선택한 위상 회전기로 데시메이션된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호를 출력하는 단계;를 각 채널별로 포함하며, 위상 회전부가 동일한 미세 지연시간 보상이 필요한 각 채널별 디멀티플렉서부의 출력신호를 합한 후, 위상 회전을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a beam focusing method for performing posture-based phase rotation in an ultrasound imaging system, the method comprising: sampling a signal received by a sampling unit as a digital signal by being reflected from an image point; Separating the in-phase component and the quadrature component from the sampled digital signal; Performing filtering on the in-phase component signal from which the low-pass filter sub-component is separated and the quadrature component signal in a predetermined band; Compensating the sampling delay for the in-phase component signal and the quadrature component signal filtered by the sampling delay compensator; Reducing the data amount of the in-phase component signal and the quadrature component signal in which the decimation-added sampling delay is compensated; And a demultiplexer section receiving the in-phase component signal and the quadrature component signal decimated and selecting a predetermined phase rotator among a plurality of phase rotators having different fine delay time compensation values for the in-phase component signal and the quadrature component signal, And outputting the in-phase component signal and the quadrature component signal decimated by the selected phase rotator, and outputting the in-phase component signal and the quadrature component signal decimated by the selected phase rotator, And performing phase rotation on the basis of the phase rotation.
본 발명의 후치 기반 위상 회전을 수행하는 빔 집속기 및 빔 집속 방법은 초음파 영상 시스템에서 사용되는 채널의 수가 급격히 증가하더라도 각 채널별 출력 신호에 대하여 위상 회전 연산을 묶어 수행함으로써, 채널 수 증가와 상관없이 위상 회전을 위한 연산 처리량이 증가하는 것을 방지하고, 각 채널별 위상 회전부 구비에 따라 하드웨어 제조 비용이 증가하는 것을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
The beam concentrator and the beam focusing method for performing the posture-based phase rotation according to the present invention perform a phase rotation operation on the output signals of each channel even when the number of channels used in the ultrasound imaging system is rapidly increased, It is possible to prevent an increase in computational throughput for phase rotation without increasing the cost of hardware and to reduce an increase in hardware manufacturing cost according to the provision of the phase rotation part for each channel.
도 1은 일반적인 송수신 빔 집속의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 후치 기반 위상 회전 빔 집속기를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 디멀티플렉서부와 위상회전부의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4(a)은 복소 평면에서의 위상 회전을 도식화한 도면이다.
도 4(b)는 위상 회전기의 내부 구조도이다.
도 5(a)는 본 발병의 실시 예에 따라 송신 신호의 한주기 내 표본화 지연(중심주파수의 4배)에 해당하는 위상과(색칠된 점) 세밀 지연 (중심주파수의 16배) 에 해당하는 위상(빈 점)을 나타낸 도면이다.
도 5(b)는 도5(a)를 기반으로 송신한 신호의 한 주기 내 표본화 지연의 위상(실선)과 세밀 지연의 위상(점선)을 복소 평면상에 도식화한 도면이다.1 is a conceptual diagram of a general transmit / receive beam focusing.
2 is a view illustrating a posture-based phase rotating beam integrator according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a structure of a demultiplexer unit and a phase rotation unit according to an embodiment of the present invention.
4 (a) is a diagram showing a phase rotation in a complex plane.
4 (b) is an internal structure of the phase rotator.
5 (a) is a graph showing the relationship between the phase corresponding to the sampling delay (four times the center frequency) and the fine delay (16 times the center frequency) within one period of the transmission signal Phase (blank point).
5B is a graphical representation of a phase (solid line) and a fine delay phase (dotted line) in a complex plane in one period of a signal transmitted based on FIG. 5A.
이하, 본 발명을 바람직한 실시 예와 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments and accompanying drawings, which will be easily understood by those skilled in the art. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
먼저, 본 발명에 대하여 설명하기에 앞서, 초음파 신호를 이용한 영상 시스템에서 사용되는 초음파 빔 집속과정에 대하여 간략히 살펴보도록 한다. First, before describing the present invention, an ultrasonic beam focusing process used in an image system using an ultrasonic signal will be briefly described.
초음파 빔 집속 방법은 크게 송신 빔 집속과, 수신 빔 집속으로 나누어진다. Ultrasonic beam focusing methods are classified into transmission beam focusing and receiving beam focusing.
송신 빔 집속은 빔 송신 시, 변환자(Transducer)에 대한 각각의 배열 소자에서 가변시간을 반영하여 하나의 집속점으로 빔이 집속하도록 하는 방법을 나타낸다.The transmit beam focusing refers to a method of causing the beam to converge at one focus point in the beam transmission, reflecting the variable time in each array element for the transducer.
수신 빔 집속 방법은 영상점으로부터 반사되어 들어오는 초음파 신호가 각각의 배열 소자들로 서로 다른 시간에 각각 도달하는데, 이러한 각각의 초음파 신호들에 대하여 배열 소자들로 도달하는 시간 차이만큼 시간 지연을 적용한 후에 상기 초음파 신호들을 합하면, 상기 대상체로부터 반사되어 변환자로 수신된 상기 초음파 신호들 간의 위상이 서로 일치함으로써, 가장 큰 진폭을 갖도록 한다. In the receiving beam focusing method, an ultrasonic signal reflected from an image point arrives at each of the array elements at different times. After applying a time delay to the array elements for each of the ultrasonic signals, When the ultrasonic signals are added together, the phases of the ultrasonic signals reflected from the object and received as the transducers coincide with each other, thereby having the largest amplitude.
이러한 빔 집속 방법을 통해 높은 해상도의 초음파 영상을 획득하기 위해서는 각 배열 변환자에 할당하는 가변 시간 지연값을 배열 변환자 중심주파수(fo)의 16 배로 표본화하여야 하지만 A/D 표본화 변환기(Analog to Digital Converter)의 성능과 집속에 사용되는 메모리의 크기 등의 비효율성을 고려하여, 먼저 이보다 낮은 중심주파수의 4배 내지 8배 정도를 표본화 주파수(sampling frequency)로 표본화한 후 2배 내지 4배 보간함으로써, 중심주파수의 16배 정도 되는 16f0로 표본화하여 디지털 빔 집속 시스템에서 사용한다.In order to acquire a high-resolution ultrasound image through such a beam focusing method, the variable time delay value allocated to each array transformer should be sampled at 16 times the array transformer center frequency fo, but the A / D sampling converter Converter and a memory size used for focusing are firstly sampled at a sampling frequency of about 4 to 8 times lower than the center frequency and then interpolated by a factor of 2 to 4 , 16f 0 , which is about 16 times the center frequency, and used in a digital beam focusing system.
이처럼, 빔 집속을 위해 사용되는 다양한 방법 중에서도 위상 회전 빔 집속은 중심 주파수를 기준으로 신호의 위상 회전을 통해 세밀 지연(Fine delay) 해상도를 획득한다. 이때, 상기 신호는 복조과정을 통해 낮은 주파수 대역인 기저대역으로 이동한다. 따라서 위상 회전 빔 집속부에서 출력된 신호는 에일리어싱(aliasing) 에러가 나타나지 않는 범위 내에서 데시메이션(decimation) 처리하여 데이터 처리율(processing rate)을 낮출 수 있다. Thus, among the various methods used for beam focusing, the phase rotation beam focusing acquires fine delay resolution through the phase rotation of the signal with respect to the center frequency. At this time, the signal moves to a baseband which is a low frequency band through a demodulation process. Therefore, the signal output from the phase rotation beam focusing unit can be decimated within a range where an aliasing error does not occur, thereby lowering the data processing rate.
이하, 도 2 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 후치 기반 위상 회전을 수행하는 빔 집속기에 대하여 자세히 살펴보도록 한다. Hereinafter, a beam concentrator for performing posture-based phase rotation according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 2 to FIG.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 후치 기반 위상 회전을 수행하는 빔 집속기를 나타낸 도면이다.FIG. 2 illustrates a beam concentrator for performing posture-based phase rotation according to an embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 후치 기반 위상 회전을 수행하는 빔 집속기(100)는 표본화부(110), 믹서부(120), 저역 통과 필터부(130), 표본화 지연 보상부(140), 데시메이션부(150), 디멀티플렉서부(160) 및 위상 회전부(170) 를 포함한다. 2, the
표본화부(110)는 영상점으로부터 반사된 신호를 수신하여 디지털 신호로 표본화를 수행한다. The
믹서부(120)는 표본화된 상기 디지털 신호에 중심주파수를 기준으로 하는 COS, SIN 곱셈을 수행하는 직교 복조 과정을 통해 상기 디지털 신호로부터 동상(Inphase) 성분의 신호와 직교(Quadrature) 성분의 신호를 각각 분리하며 이를 통해 신호 대역을 기저 대역(Baseband)으로 낮출 수 있다.The
저역 통과 필터부(130)는 입력 받은 신호로부터 성분이 분리된 상기 동상 성분 신호와 상기 직교 성분 신호에 대하여 기저 대역 외 나머지 신호를 제거한다. The low-
표본화 지연 보상부(140)는 특정 영상점에 대해 지연계산부로부터 연산되어 입력받은 표본화 지연(coarse delay)을 기설정된 대역으로 필터링된 상기 동상 성분 신호와 상기 직교 성분 신호에 대하여 각각 보상한다. The
데시메이션부(150)는 신호의 복조 과정을 통해 낮은 주파수 대역인 기저 대역(Baseband)으로 내려온 표본화 지연이 보상된 상기 동상 성분 신호와 상기 직교 성분 신호에 대하여 에일리어싱(aliasing) 에러가 없는 범위에서 특정 비율로 데이터 양이 줄어들도록 데이터를 솎아내는 동작을 수행한다. The
디멀티플렉서부(160)는 데시메이션된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호를 입력받고, 입력받은 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 서로 다른 미세 지연시간 보상값을 갖는 복수 개의 위상 회전기 중 소정의 위상 회전기를 선택하여, 선택한 위상 회전기로 데시메이션된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호를 출력한다.The
위상 회전부(170)는 동일한 미세 지연시간 보상이 필요한 각 채널별 디멀티플렉서부의 출력신호를 합한 후, 위상 회전을 수행하는 복수 개의 위상 회전기를 포함한다. 이러한 위상 회전부(170)는 신호의 빔 집속을 위해 사용되는 채널의 수 보다 적은 수가 구비되어, 채널 수가 급격히 증가하더라도 위상 회전을 위한 연산의 처리 속도가 급격히 증가하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다. The
또한, 채널 수 보다 적은 수의 위상 회전부가 구비됨에 따라, 다수의 위상 회전부의 구비 시 예상되는 발열 또는 전력소모량을 줄일 수 있다. In addition, since the number of phase rotation parts is smaller than the number of channels, the heat generation or power consumption expected when the plurality of phase rotation parts are provided can be reduced.
도 3은 디멀티플렉서부와 위상 회전부간의 신호 전달과정을 나타낸 도면이다. 3 is a diagram illustrating a signal transfer process between the demultiplexer unit and the phase rotation unit.
도 3에 도시된 바와 같이, n 개의 채널이 존재하면, n 개의 디멀티플렉서부(160)가 존재하고, 이때, 상기 디멀티플렉서부(160)의 개수보다 적은 수의 위상 회전기를 포함하는 위상 회전부(170)가 존재한다. 3, if there are n channels, there are n demultiplexer
이에 따라, 데시메이션된 동상 성분 신호와 직교 성분 신호가 상기 디멀티플렉서부(160)로 입력되면, 상기 디멀티플렉서부(160)는 서로 다른 미세 지연 보상값을 각각 갖는 복수 개의 위상 회전기 중 원하는 미세 지연 보상값을 갖는 위상 회전기를 선택하고, 선택한 위상 회전기로 입력받은 데시메이션된 동상 성분 신호와 직교 성분 신호를 출력하여 전송한다. Accordingly, when the decimated in-phase component signal and the quadrature component signal are input to the
이후, 위상 회전부 내 복수 개의 위상 회전기는 입력받은 신호에 대하여, 동일한 미세 지연시간에 대한 보상이 필요한 각 채널별 디멀티플렉서부로부터 입력받은 신호를 서로 합하고, 합한 신호에 대하여 위상 회전을 각각 수행한다.Then, the plurality of phase rotators in the phase rotation unit combine the signals received from the demultiplexer units for each channel, which need to be compensated for the same fine delay time, and perform phase rotation on the sum signals.
이하, 수학식 1 및 도 4(a) 내지 도 4(b)를 참조하여 본 발명의 위상 회전을 통한 지연시간 과정에 대하여 자세히 살펴보도록 한다.Hereinafter, the delay time process through phase rotation according to the present invention will be described in detail with reference to
먼저, 복소 평면에서의 위상 회전 과정은 하기의 수학식 1을 통해 살펴볼 수 있다. First, the phase rotation process in the complex plane can be found by the following equation (1).
상기 수학식 1에 기재된 바와 같이, 동상 성분(I) 데이터 및 직교 성분(Q) 데이터에 보상해야 하는 위상만큼의 COS, SIN 값을 곱하여 원하는 위상이 보상된 동상 성분 데이터 및 직교 성분 데이터를 각각 출력하는 것을 나타낸다.(I) data and quadrature component (Q) data are multiplied by the COS and SIN values corresponding to the phase to be compensated, and the in-phase component data and the quadrature component data with the desired phase compensation are output Lt; / RTI >
도 4(a)는 복소 평면에서의 상기 수학식 1에 표현된 위상 회전 과정을 도식화한 도면이며, 도 4(b)는 이를 구현한 위상 회전기의 내부 구조도이다.FIG. 4 (a) is a diagram illustrating a phase rotation process expressed by
이하에서는 복소 평면상에 위상 회전 모형을 통해 중심주파수의 16배 지연 해상도를 구현한다고 가정한 경우에, 하기의 표 1을 통해 일반적인 위상변환 빔집속기와 본 발명에 따른 후치 기반 위상 회전을 수행하는 빔 집속기의 구성을 비교하여 살펴보도록 한다. Hereinafter, when it is assumed that a 16-times delayed resolution of the center frequency is implemented on the complex plane through the phase rotation model, the following table 1 shows a general phase conversion beam focusing device and a beam Let's take a look at the structure of the companion.
(본 발명)Posture-based phase rotation beam assembly
(Invention)
상기 표 1에 기재된 바와 같이, 일반적인 위상 회전 빔집속기와 본 발명의 후치기반 위상 회전 빔집속기를 비교하면, 서로 동일한 N 개의 채널을 가질 때, 일반적인 위상 회전 빔집속기에서의 위상 회전부는 채널 수에 신호의 동상 성분과 직교 성분에 대한 위상 회전을 반영하면 N 개의 위상 회전기를 필요로 하는 반면, 본 발명에 따른 후치 기반 위상 회전을 수행하는 빔 집속기는 채널 수가 상기 일반적인 위상 변환 빔 집속기와 동일한 수인 N 개의 채널인 경우, 구현하고자 하는 지연해상도 (예: 16f0) 대비 중심 주파수 (예: f0) 의 비율을 P (예: 16) 라고 할 때 P 개 구비하는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기 채널 수 N 개가 앞서 구한 위상 회전기 P 개보다 큰 경우에 본 발명을 적용하는 경우, 연산 처리량의 감소 및 하드웨어 구현 비용이 감소할 수 있다. 일반적인 초음파 시스템에서는 중심주파수의 16배 정도를 지연해상도로 구현하고, 32채널 이상의 초음파 시스템을 구현하고 사용하기 때문에 본 발명이 효과적임을 알 수 있다. As shown in Table 1, when comparing a conventional phase rotation beam scanner and the posture-based phase rotation beam scanner of the present invention, when having the same N channels, the phase rotation unit in a general phase rotation beam scanning system outputs a signal N phase rotators are required to reflect the phase rotation of the inphase component and the quadrature component of the conventional phase shifter, whereas the beam concentrator that performs the posture-based phase rotation according to the present invention requires the same number of channels as the conventional phase- In the case of N channels, it can be seen that P is provided when the ratio of the center frequency (for example, f 0 ) to the delay resolution (for example, 16f 0 ) to be implemented is P (for example, 16). Therefore, when the present invention is applied to the case where the number N of the channels is larger than the number P of the phase rotators obtained previously, the reduction of the computational processing amount and the hardware implementation cost can be reduced. In the general ultrasonic system, the present invention is effective because it implements 16 times the center frequency with a delay resolution and implements 32 ultrasonic systems or more.
도 5(a)에 도시된 바와 같이, 중심주파수 f0 한 주기를 기준으로 하여 색칠된 점은 표본화 지연 간격의 신호를 나타내고, 빈 점은 세밀 지연 간격의 신호를 나타낸다. As shown in FIG. 5 (a), a point painted on the basis of a center frequency f 0 represents a signal of a sampling delay interval, and an empty point represents a signal of a fine delay interval.
이러한 표본화 지연 간격 및 세밀 지연 간격을 복소 평면 상에 표시하면, 도 5(b)에 도시된 바와 같이, 복소 평면 상에 표시된 실선은 중심 주파수의 4배로 표본화된 표본화 지연 간격에 해당하는 위상차를 나타내고, 복소 평면 상에 표시된 점선은 중심 주파수의 16배로 세밀 지연 간격에 해당하는 위상차를 나타낸다. When the sampling delay interval and the fine delay interval are displayed on the complex plane, as shown in Fig. 5 (b), the solid line indicated on the complex plane represents the phase difference corresponding to the sampling delay interval sampled at four times the center frequency , And the dotted line on the complex plane represents the phase difference corresponding to the finer delay interval which is 16 times the center frequency.
이에 따라, 위상 회전부 내 위상 회전기의 개수 P는 복소 평면상에 나타난 화살표의 총 개수인 16개로 설정할 수 있다. Accordingly, the number P of phase rotators in the phase rotation section can be set to 16, which is the total number of arrows shown on the complex plane.
특히, 상기 위상 회전부(170)는 서로 다른 지연시간을 갖는 복수 개의 위상 회전기를 가진다. 예를 들어, 한 주기를 1로 가정했을 때, 본 발명에 구비되는 제1 위상 회전부 Q1은 1/16 주기만큼의 위상차를 나타낼 수 있고, 제2 위상회전기 Q2는 2/16 주기만큼의 위상차, 및 제3 위상 회전부 Q3은 3/16 주기만큼의 위상차에 해당하는 위상값을 회전시킬 수 있다. 이에 상기 각 채널의 디멀티플렉서부(160)는 상술한 16개의 위상 회전기에 데시메이션부(150)에서 출력된 신호에 보상해야 할 총 지연 시간 간격을 참조하여 일대다(1:16) 디멀티플렉싱이 가능하다.In particular, the
이하, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 초음파 영상 시스템에서 사용되는 후치 기반 위상 회전을 수행하는 빔 집속 방법에 대하여 자세히 살펴보도록 한다.Hereinafter, a beam focusing method for performing posterior-based phase rotation used in an ultrasound imaging system according to another embodiment of the present invention will be described in detail.
본 발명의 초음파 영상 시스템에서 사용되는 후치 기반 위상 회전을 수행하는 빔 집속 방법은 PC 시스템을 기반으로 하여 마이크로 프로세서를 통해 구현될 수 있다. The beam focusing method for performing posture-based phase rotation used in the ultrasound imaging system of the present invention can be implemented through a microprocessor based on a PC system.
표본화부가 영상점으로부터 반사되어 변환자로 수신된 신호를 디지털 신호로 표본화한다. The sampling unit reflects the signal received from the image point and converts it into a digital signal.
믹서부가 상기 표본화된 디지털 신호에 중심 주파수를 기준으로 하는 CON, SIN 곱셈을 수행하는 직교 복조 과정을 통해 상기 디지털 신호로부터 동상 성분과 직교 성분을 분리하며, 이러한 성분의 분리 과정을 통해 신호 대역을 기저대역(Baseband)로 낮출 수 있다. The mixer separates the in-phase component and the quadrature component from the digital signal through a quadrature demodulation process of performing the CON and SIN multiplication based on the center frequency on the sampled digital signal, separates the in- And can be lowered to a baseband.
이후, 저역 통과 필터부가 기저 대역을 제외한 나머지 신호를 제거하는 동작을 수행한다. Thereafter, the low pass filter removes the remaining signals except for the baseband.
이어서, 표본화 지연 보상부가 필터링된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 지연 계산부에서 계산된 표본화를 수행한 간격의 표본화 지연(coarse delay)을 각각 보상한다. Then, the sampling delay compensator compensates for the in-phase component signal and the quadrature component signal, which are filtered by the sampling delay compensator, respectively, and coarse delay of the sampling interval calculated by the delay calculator.
데시메이션부가 신호 대역이 기저 대역(Baseband)으로 내려오고, 표본화 지연이 보상된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 에일리어싱(aliasing)에러가 없는 범위에서 특정 비율로 데이터 양이 줄어들도록 데이터를 솎아내는 동작을 수행한다. The data amount is reduced so that the amount of data is reduced at a specific ratio within a range where the decimation-added signal band falls to the baseband and no aliasing error occurs for the in-phase component signal and the quadrature component signal for which the sampling delay is compensated And performs the exporting operation.
이후, 디멀티플렉서부가 데시메이션된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호를 입력받고, 입력받은 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 서로 다른 미세 지연시간 보상값을 갖는 복수 개의 위상 회전기 중 소정의 위상 회전기를 선택한 후, 선택한 위상 회전기로 데시메이션된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호를 출력한다. 즉, 특정 영상점에서 보상해주어야 할 위상에 따라 위상 회전부 내 전체 위상 회전기 P개 중 하나의 위상 회전기를 선택하여 일대다(1:P) 디멀티플렉싱을 수행한다.Thereafter, the in-phase component signal and the quadrature component signal, which are demultiplexed by the demultiplexer section, are received, and a predetermined phase rotator among the plurality of phase rotators having different fine delay time compensation values with respect to the received in- And outputs the in-phase component signal and the quadrature component signal decimated by the selected phase rotator. That is, one phase rotator among the P phase rotators in the phase rotation unit is selected according to the phase to be compensated at a specific image point to perform 1: P (1: P) demultiplexing.
이와 같이, 상술한 과정을 각 채널 별로 수행한 후, 위상 회전부는 각 채널별 디멀티플렉서부로부터 출력된 신호 중 지연시간부를 참조하여 보상 해주어야 할 위상이 동일한 복수 개의 데이터를 일대다(1:P) 디멀티플렉싱을 통하여 선택적으로 입력받아 합한 후, 위상 회전을 수행한다. After the above process is performed for each channel, the phase rotation unit refers to a delay time unit among the signals output from the demultiplexer unit for each channel, and outputs a plurality of data having the same phase to be compensated, Multiplexing, and phase rotation is performed.
또한, 이러한 후치 기반의 위상 회전을 수행하는 빔 집속 방법은 컴퓨터로 실행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독가능 기록매체에 저장될 수 있다. 이때, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 장치의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, DVD±ROM, DVD-RAM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 하드 디스크(hard disk), 광데이터 저장장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 장치에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.In addition, the beam focusing method for performing such posterior-based phase rotation can be stored in a computer-readable recording medium on which a program for executing by a computer is recorded. At this time, the computer-readable recording medium includes all kinds of recording apparatuses in which data that can be read by a computer system is stored. Examples of the computer readable recording medium include ROM, RAM, CD-ROM, DVD 占 ROM, DVD-RAM, magnetic tape, floppy disk, hard disk, optical data storage, and the like. In addition, the computer-readable recording medium may be distributed to network-connected computer devices so that computer-readable codes can be stored and executed in a distributed manner.
본 발명의 후치 기반 위상 회전을 수행하는 빔 집속기 및 빔 집속 방법은 초음파 영상 시스템에서 사용되는 채널의 수가 급격히 증가하더라도 각 채널별 출력 신호에 대하여 위상 회전 연산을 묶어 수행함으로써, 채널 수 증가와 상관없이 위상 회전을 위한 연산 처리량이 증가하는 것을 방지하고, 각 채널별 위상 회전부 구비에 따라 하드웨어 제조 비용이 증가하는 것을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.The beam concentrator and the beam focusing method for performing the posture-based phase rotation according to the present invention perform a phase rotation operation on the output signals of each channel even when the number of channels used in the ultrasound imaging system is rapidly increased, It is possible to prevent an increase in computational throughput for phase rotation without increasing the cost of hardware and to reduce an increase in hardware manufacturing cost according to the provision of the phase rotation part for each channel.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 첨부된 특허청구범위에 속하는 것은 당연하다.
While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Do.
110: 표본화부(ADC) 120: 믹서부
130: 저역 통과 필터부 140: 표본화 지연 보상부
150: 데시메이션부 160: 디멀티플렉서부
170: 위상 회전부110: Sampling unit (ADC) 120: Mixer unit
130: Low pass filter unit 140: Sampling delay compensation unit
150: decimation unit 160: demultiplexer unit
170:
Claims (4)
영상점으로부터 반사되어 변환자로 수신된 신호를 디지털 신호로 표본화하는 표본화부;
상기 표본화된 디지털 신호로부터 동상 성분과 직교 성분을 분리하는 믹서부;
성분이 분리된 상기 동상 성분 신호와 상기 직교 성분 신호에 대하여 필터링을 수행하는 저역 통과 필터부;
필터링된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 표본화 지연(coarse delay) 시간을 보상하는 표본화 지연 보상부;
표본화 지연 시간이 보상된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호의 데이터 양을 줄이는 데시메이션부; 및
데시메이션된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호를 입력받고, 입력받은 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 세밀 지연 간격 별로 서로 다른 미세 지연시간 보상값을 갖는 복수 개의 위상 회전기 중 소정의 위상 회전기를 선택하여, 선택한 위상 회전기로 데시메이션된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호를 출력하는 디멀티플렉서부;
를 각 채널 별로 포함하며,
동일한 미세 지연시간 보상이 필요한 각 채널별로 디멀티플렉서부의 출력신호를 합한 후, 상기 세밀 지연 간격에 해당하는 위상차를 생성하는 위상 회전을 수행하는 복수 개의 위상 회전기를 포함하는 위상 회전부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 후치 기반 위상 회전을 수행하는 빔 집속기.
A beam concentrator for performing posture-based phase rotation used in an ultrasound imaging system,
A sampling unit for sampling the signal reflected from the image point and received by the converter into a digital signal;
A mixer unit for separating the in-phase component and the quadrature component from the sampled digital signal;
A low-pass filter for filtering the in-phase component signal and the quadrature component signal, the components of which are separated;
A sampling delay compensation unit for compensating a coarse delay time for the filtered in-phase component signal and the quadrature component signal;
A decimation unit for reducing a data amount of the in-phase component signal and the quadrature component signal in which the sampling delay time is compensated; And
Phase component signal and a quadrature component signal, which have been decimated, and a predetermined phase rotator among a plurality of phase rotators having different fine delay time compensation values for the in-phase component signal and the quadrature component signal, And outputting the in-phase component signal and the quadrature component signal decimated by the selected phase rotator;
For each channel,
A phase rotator including a plurality of phase rotators for summing output signals of the demultiplexer for each channel requiring the same fine delay time compensation and then performing phase rotation to generate a phase difference corresponding to the fine delay interval;
Based phase rotation. ≪ RTI ID = 0.0 > [10] < / RTI >
상기 위상 회전부는
사용되는 채널 수 보다 적은 수의 위상 회전기가 구비되는 것을 특징으로 하는 후치 기반 위상 회전을 수행하는 빔 집속기.
The method according to claim 1,
The phase rotation unit
Characterized in that a number of phase rotators less than the number of channels used is provided.
표본화부가 영상점으로부터 반사되어 변환자로 수신된 신호를 디지털 신호로 표본화하는 단계;
믹서부가 상기 표본화된 디지털 신호로부터 동상 성분과 직교 성분을 분리하는 단계;
저역 통과 필터부가 성분이 분리된 상기 동상 성분 신호와 상기 직교 성분 신호에 대하여 기설정된 대역으로 필터링을 수행하는 단계;
표본화 지연 보상부가 필터링된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 표본화 지연 시간을 보상하는 단계;
데시메이션부가 표본화 지연 시간이 보상된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호의 데이터 양을 줄이는 단계; 및
디멀티플렉서부가 데시메이션된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호를 입력받고, 입력받은 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 세밀 지연 간격 별로 서로 다른 미세 지연시간 보상값을 갖는 복수 개의 위상 회전기 중 소정의 위상 회전기를 선택한 후, 선택한 위상 회전기로 데시메이션된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호를 출력하는 단계;
를 각 채널별로 포함하며,
위상 회전부가 동일한 미세 지연시간 보상이 필요한 각 채널별로 디멀티플렉서부의 출력신호를 합한 후, 상기 세밀 지연 간격에 해당하는 위상차를 생성하는 위상 회전을 수행하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 후치 기반 위상 회전을 수행하는 빔 집속 방법.
A beam focusing method for performing a posture-based phase rotation used in an ultrasound imaging system,
Sampling the signal received by the sampling unit as a digital signal by being reflected from the image point;
Separating the in-phase component and the quadrature component from the sampled digital signal;
Performing filtering on the in-phase component signal from which the low-pass filter sub-component is separated and the quadrature component signal in a predetermined band;
Compensating a sampling delay time for the in-phase component signal and the quadrature component signal filtered by the sampling delay compensation section;
Reducing the data amount of the in-phase component signal and the quadrature component signal in which the decimation-added sampling delay time is compensated; And
Phase component signal and a quadrature component signal of which the demultiplexer has been decimated and the quadrature component signal which is decimated by the demultiplexer, Selecting the rotator, and outputting the in-phase component signal and the quadrature component signal decimated by the selected phase rotator;
For each channel,
Performing a phase rotation to generate a phase difference corresponding to the finer delay interval after summing the output signals of the demultiplexer sections for each channel in which the phase rotation section needs the same fine delay time compensation;
Based phase rotation. ≪ Desc / Clms Page number 13 >
A computer-readable recording medium on which a program for executing the method according to claim 3 is recorded.
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