KR101971620B1 - 샘플링 방법, 이를 수행하는 장치, 프로브, 수신 빔포밍 장치 및 의료영상시스템 - Google Patents

샘플링 방법, 이를 수행하는 장치, 프로브, 수신 빔포밍 장치 및 의료영상시스템 Download PDF

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Abstract

샘플링 방법에 따르면, 피사체로부터 반사된 에코신호를 수신하고, 샘플링 주파수를 이용하여, 상기 수신된 에코신호를 샘플링하고, 샘플링 결과에 따라 추출된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 저장한다.

Description

샘플링 방법, 이를 수행하는 장치, 프로브, 수신 빔포밍 장치 및 의료영상시스템{Method for sampling, apparatus, probe, beamforming apparatus for receiving, and medical imaging system performing the same}
샘플링 방법, 이를 수행하는 장치, 프로브, 수신 빔포밍 장치 및 의료영상시스템이 개시된다.
피사체로부터 반사된 에코신호를 이용하여 실시간 3차원 진단영상을 생성할 수 있다. 피사체에 대한 실시간 3차원 진단영상은 피사체 내부의 해부학적 정보를 사용자가 용이하게 인식할 수 있도록 제공해주기에, 사용자의 진단 편의성 및 진단 정확성을 향상시킬 수 있다. 이와 같이, 피사체에 대한 볼륨(volume) 정보를 포함하는 실시간 3차원 진단영상을 생성하기 위하여, 피사체로부터 반사된 에코신호를 디지털화하기 위한 샘플링 작업을 수행하여야 한다.
효율적인 샘플링 방법, 이를 수행하는 장치, 프로브, 수신 빔포밍 장치 및 의료영상시스템을 제공한다. 또한, 상기 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다. 해결하려는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 샘플링 방법은 피사체로부터 반사된 에코신호를 수신하는 단계; I(In-phase)성분 데이터 및 Q(Quadrature)성분 데이터를 추출하는 샘플링 주파수를 이용하여, 상기 수신된 에코신호를 샘플링하는 단계; 및 상기 샘플링 결과에 따라 추출된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 교차배치하여 저장하는 단계;를 포함한다.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 상기된 샘플링 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.
상기 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 샘플링 장치는 피사체로부터 반사된 에코신호를 수신하는 에코신호 수신부; I(In-phase)성분 데이터 및 Q(Quadrature)성분 데이터를 추출하는 샘플링 주파수를 이용하여, 상기 수신된 에코신호를 샘플링하는 샘플링부; 및 상기 샘플링 결과에 따라 추출된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 교차배치하여 저장하는 저장부;를 포함한다.
상기 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 프로브는 피사체로부터 에코신호를 수신하는 트랜스듀서-어레이; 및 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 추출하는 샘플링 주파수를 이용하여 상기 트랜스듀서-어레이로부터 수신된 에코신호를 샘플링하고, 샘플링 결과에 따라 추출된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 출력하는 샘플링부;를 포함한다.
상기 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 수신 빔포밍 장치는 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 추출하는 샘플링 주파수를 이용하여 복수의 채널들 각각에 대한 에코신호를 샘플링하고, 샘플링 결과에 따라 추출된 복수의 채널들 각각에 대한 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 출력하는 샘플링부; 상기 출력된 복수의 채널들 각각에 대한 I성분 데이터 및 Q성분 데이터에 대하여 보간 작업을 수행하는 보간기; 및 상기 보간 작업이 수행된 복수의 채널들 각각에 대한 I성분 데이터 및 Q성분 데이터에 대하여 빔포밍 작업을 수행하여, I성분 데이터 및 Q성분 데이터 각각에 대하여 빔포밍된 신호를 생성하는 빔포머; 를 포함한다.
상기 또 다른 기술적 과제를 해결하기 위한 의료영상시스템은 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 추출하는 샘플링 주파수를 이용하여 피사체로부터 반사된 에코신호를 샘플링하고, 샘플링 결과에 따라 추출된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 출력하는 프로브; 및 상기 출력된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 이용하여 상기 피사체에 대한 진단영상을 생성하는 진단영상 생성장치;를 포함한다.
상기된 바에 따르면, 피사체에 대한 진단영상을 생성하기 위하여, 피사체로부터 반사된 에코신호를 샘플링함에 있어서, 하드웨어 복잡도를 감소시키면서 효율적으로 샘플링할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플링 장치의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 저장부에서 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 저장하는 방법의 일 예를 도시한 도면이다.
도 3a는 본 실시예에 따른 샘플링 장치의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 3b는 본 실시예에 따른 샘플링 장치의 또 다른 예를 도시한 도면이다.
도 4a는 본 실시예에 따른 수신 빔포밍 장치의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4b는 본 실시예에 따른 진단시스템의 일 예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 실시예에 따른 의료영상시스템의 일 예를 도시한 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따른 샘플링 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 샘플링 장치(100)의 일 예를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 샘플링 장치(100)는 에코신호 수신부(110), 샘플링부(120) 및 저장부(130)로 구성된다.
도 1에 도시된 샘플링 장치(100)에는 본 실시예와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다. 또한, 도 1에 도시된 샘플링 장치(100)의 에코신호 수신부(110) 및 샘플링부(120)은 하나 또는 복수 개의 프로세서에 해당할 수 있다.
본 실시예에 따른 샘플링 장치(100)는 피사체로부터 반사된 에코신호를 샘플링한다. 이때, 샘플링은 샘플링 주파수를 이용하여, 아날로그 신호로부터 복수의 디지털 데이터를 추출하는 것을 나타낼 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
에코신호 수신부(110)는 피사체로부터 반사된 에코신호를 수신한다. 이때, 피사체로부터 반사된 에코신호는 피사체로부터 반사된 RF(Radio Frequency)신호인 초음파신호가 될 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 피사체에 송신된 신호가 반사된 신호를 모두 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 피사체는 인체의 간, 복부, 심장, 뇌 등 인체 내의 장기를 모두 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 본 실시예에 따른 에코신호 수신부(110)는 피사체로부터 에코신호를 수신하는 트랜스듀서(transducer)가 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
샘플링부(120)는 I(In-phase)성분 데이터 및 Q(Quadrature)성분 데이터를 추출하는 샘플링 주파수를 이용하여, 에코신호 수신부(110)에서 수신된 에코신호를 샘플링한다.
예를 들어 설명하면, 샘플링부(120)는 에코신호를 샘플링하여, 에코신호에 대한 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 상호교차하여 추출할 수 있다. 이때, I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 상호교차하여 추출한다 함은 샘플링 결과에 따라 추출되는 데이터가 순차적으로 I성분 데이터, Q성분 데이터와 같은 형식이 되거나, 또는 순차적으로 Q성분 데이터, I성분 데이터와 같은 형식이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 샘플링부(120)는 에코신호를 샘플링하여, 에코신호에 대한 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 상호교차하여 순차적으로 추출할 수 있다. 이때, 순차적이라 함은 샘플링부(120)에서 샘플링되는 순서를 의미할 수 있다. 이에 관하여, 이하 수학식 1 내지 5에서 상세히 설명한다.
이에 따라, 샘플링부(120)에서 샘플링 주파수를 이용하여 에코신호를 샘플링함에 따라, 에코신호로부터 에코신호의 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 직접 추출할 수 있다. 이때, 에코신호로부터 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 직접 추출한다 함은 에코신호에 대한 복조과정을 수행하지 않고, 에코신호를 샘플링함에 따라 I성분 데이터 및 Q성분 데이터가 추출될 수 있음을 나타낸다.
좀 더 상세히 설명하면, 에코신호에 대한 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 추출하기 위하여 복조기(demodulator)를 이용하여 복조과정을 수행하는 경우, 복조기는 코사인 룩업테이블(cos look-up table), 사인 룩업테이블(sin look-up table), 곱셈기 등의 하드웨어 장치를 포함하여야 한다. 반면에, 본 실시예에 따른 샘플링부(120)에서는 에코신호에 대한 복조과정을 수행하지 않으면서도 소정의 샘플링 주파수를 사용하여 에코신호로부터 에코신호의 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 직접 추출할 수 있기에, 샘플링 장치(100)의 하드웨어 복잡도(complexity)를 감소시킬 수 있다. 이때, 소정의 주파수는 에코신호에 대한 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 추출하는 샘플링 주파수가 될 수 있다.
예를 들어 설명하면, I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 추출하는 샘플링 주파수는 샘플링 이론(Sampling Theory)에 따른 최소 샘플링 주파수가 될 수 있다. 이때, 최소 샘플링 주파수는 피사체로 송신신호를 송신하는 트랜스듀서의 중심주파수의 4배에 해당하는 주파수, 에코신호 수신부(110)에서 수신된 에코신호 주파수의 4배에 해당하는 주파수, 또는 송신신호 주파수의 4배에 해당하는 주파수 중 어느 하나가 될 수 있다.
트랜스듀서의 중심주파수에 대하여 좀 더 상세히 설명하면, 샘플링 이론에 따른 최소 샘플링 주파수는 피사체로 송신신호를 송신하는 트랜스듀서의 중심주파수(center frequency)의 4배에 해당하는 주파수가 될 수 있다. 이때, 트랜스듀서는 샘플링 장치(100)의 에코신호 수신부(110)에 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 에코신호 수신부(110)의 외부에 존재할 수도 있다.
송신신호 주파수 및 에코신호 주파수에 대하여 좀 더 상세히 설명하면, 트랜스듀서는 피사체로 송신신호를 송신하고, 피사체로부터 반사된 에코신호를 수신한다. 이때, 송신신호 및 에코신호의 주파수는 트랜스듀서의 중심주파수 또는 트랜스듀서의 중심주파수와 유사한 주파수를 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
예를 들어 설명하면, 중심주파수가 f1인 트랜스듀서에서 피사체로 신호를 송신하는 경우, 송신신호 주파수 및 피사체로부터 반사된 에코신호의 주파수는 트랜스듀서의 중심주파수인 f1이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 트랜스듀서의 중심주파수인 f1의 하모닉(harmonic) 주파수를 더 포함할 수 있다.
다른 예를 들어 설명하면, 중심주파수가 f1인 트랜스듀서에서 피사체로 신호를 송신하는 경우, 송신신호 주파수 및 피사체로부터 반사된 에코신호의 주파수는 트랜스듀서의 중심주파수인 f1가 유사한 주파수가 될 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 트랜스듀서의 중심주파수인 f1가 유사한 주파수인 기본 주파수에 대한 하모닉(harmonic) 주파수를 더 포함할 수 있다. 즉, 송신신호가 송신되고 에코신호가 피사체로부터 반사되는 동안, 송신신호 및 에코신호는 변형될 수 있다. 이에 따라, 송신신호 및 에코신호는 트랜스듀서의 중심주파수인 f1이 아니라, f1가 유사한 주파수를 가질 수 있다.
이러한 경우, 샘플링 장치(100)의 사용자는 송신신호의 주파수로서 송신신호의 기본 주파수 또는 하모닉 주파수 중 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있고, 에코신호의 주파수로서 에코신호의 기본 주파수 또는 하모닉 주파수 중 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있다.
다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 트랜스듀서의 중심주파수가 에코신호의 주파수 또는 송신신호의 주파수와 동일한 경우를 예로 들어 설명하나, 이에 한정되지 않는다.
송신신호의 주파수, 송신신호를 송신하는 트랜스듀서의 중심주파수, 또는, 에코신호의 주파수는 f0인 경우, 송신신호 또는 에코신호의 대역폭은 2f0 또는 그 이하가 되기에, 송신신호 또는 에코신호에 대한 최대 주파수는 2f0 또는 그 이하가 될 수 있다. 그러하기에, 샘플링 이론에 따른 최소 샘플링 주파수는 트랜스듀서의 중심주파수의 4배, 에코신호의 주파수의 4배, 또는 송신신호의 주파수의 4배인 4f0가 될 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 샘플링부(120)는 송신신호를 송신하는 트랜스듀서의 중심주파수, 에코신호의 주파수, 또는 송신신호의 주파수 중 어느 하나의 4배에 해당하는 샘플링 주파수를 이용하여, 에코신호를 샘플링할 수 있다.
이하에서, 샘플링부(120)에서 송신신호를 송신하는 트랜스듀서의 중심주파수, 에코신호의 주파수, 또는 송신신호의 주파수 중 어느 하나의 4배에 해당하는 샘플링 주파수를 이용하여 에코신호를 샘플링함에 따라, 에코신호에 대한 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 추출하는 과정에 관하여 예를 들어 설명한다.
샘플링부(120)로 입력되는 에코신호는 I성분 신호 및 Q성분 신호를 사용하여 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011085622009-pat00001
수학식 1에서 r(t)는 시간에 따른 에코신호, t는 시간, fr은 에코신호의 주파수, rI(t)는 I성분 신호 및 rQ(t)는 Q성분 신호가 될 수 있다. 이때, 에코신호의 주파수 fr은 트랜스듀서의 중심주파수 f0, 또는 송신신호의 주파수 fr가 될 수 있다.
또한, 수학식 1에서는 에코신호가 기본 주파수 fr만을 가지는 것으로 표현하였으나, 이에 한정되지 않고, 에코신호가 기본 주파수 fr에 대한 하모닉 주파수를 더 포함할 수도 있다. 이러한 경우, 사용자는 에코신호의 주파수로서 기본 주파수 또는 하모닉 주파수 중 어느 하나를 선택할 수 있다.
샘플링부(120)에서 에코신호를 샘플링 주기 Ts에 따라 샘플링하면, 에코신호는 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011085622009-pat00002
수학식 2에서 Ts는 샘플링 주기, n은 샘플링 수를 나타낼 수 있다. 상기에서 설명한 바와 같이, 샘플링부(120)는 에코신호 주파수의 4배에 해당하는 4fr을 이용하여 샘플링을 수행하기에, 샘플링 주기 Ts는 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011085622009-pat00003
따라서, 수학식 3을 수학식 2에 대입함에 따라, 샘플링부(120)에 의하여 샘플링된 에코신호는 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011085622009-pat00004
이에 따라, 샘플링부(120)에서의 샘플링 결과에 따라 상호교차하여 순차적으로 추출된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터는 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112011085622009-pat00005
수학식 5에서 I(0)은 첫 번째 샘플링 결과에 따라 추출된 I성분 데이터, Q(1)은 두 번째 샘플링 결과에 따라 추출된 Q성분 데이터, -I(2)는 세 번째 샘플링 결과에 따라 추출된 I성분 데이터가 될 수 있고, 이와 같은 형식으로 샘플링부(120)에서의 샘플링 결과에 따라 I성분 데이터 및 Q성분 데이터가 상호교차하여 순차적으로 추출될 수 있다.
상기에서와 같이, 샘플링부(120)는 에코신호에 대하여 인터리브드 다운-샘플링(interleaved down-sampling)을 수행할 수 있다. 이에 따라, 샘플링부(120)에서의 샘플링에 따른 I성분 데이터 및 Q성분 데이터 각각은 트랜스듀서의 중심주파수, 에코신호 주파수, 또는 송신신호 주파수의 2배에 해당하는 2f0의 샘플링 레이트(sampling rate)로 다운-샘플링된 데이터가 될 수 있다.
다만, 본 실시예에 따른 샘플링 주파수는 최소 샘플링 주파수, 트랜스듀서의 중심주파수의 4배에 해당하는 주파수, 에코신호 주파수의 4배에 해당하는 주파수, 또는 송신신호 주파수의 4배에 해당하는 주파수에 한정되지 않고, 에코신호에 대한 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 추출할 수 있는 주파수를 모두 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 샘플링부(120)는 아날로그 신호인 에코신호를 디지털 신호인 I성분 데이터 및 Q성분 데이터로 변환하는 ADC(Analog to Digital Converter)가 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
저장부(130)는 샘플링부(120)의 샘플링 결과에 따라 추출된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 교차배치하여 저장한다. 예를 들어 설명하면, 저장부(130)는 상기 수학식 5에서 설명한 바와 같이 I(0), Q(1), -I(2), -Q(3)와 같은 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 순차적으로 교차배치하여 저장할 수 있다.
좀 더 상세히 설명하면, 샘플링부(120)의 샘플링 결과에 따라 I성분 데이터 및 Q성분 데이터가 순차적으로 교차하여 추출되기에, 저장부(130)는 하나의 포트를 이용하여 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 입력받더라도, I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 순차적으로 교차배치하여 저장할 수 있다. 이에 따라, 저장부(130)는 한 개의 입력포트를 구비하는 원-포트 메모리(one-port memory)가 될 수 있다.
그러하기에, 본 실시예에 따른 저장부(130)는 하나의 포트를 통하여 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 입력받고, 입력받은 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 순차적으로 교차배치하여 저장한다. 이에 관하여, 이하 도 2에서 상세히 설명한다.
추가적으로, 저장부(130)로부터 출력되는 I성분 데이터 및 Q성분 데이터는 베이스밴드(base-band) 신호가 될 수 있기에, 저장부(130)에 저장된 신호를 이용하여 진단영상을 생성하는 경우, I성분 데이터 및 Q성분 데이터의 전송을 위한 데이터 레이트(data rate)를 감소시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 저장부(130)는 통상적인 저장매체로서 하드디스크드라이브(Hard Disk Drive, HDD), ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 플래쉬메모리(Flash Memory) 및 메모리카드(Memory Card)를 모두 포함할 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 샘플링 장치(100)는 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 추출하는 샘플링 주파수를 이용하여 에코신호를 샘플링함에 따라, 에코신호에 대한 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 직접 추출할 수 있다.
그러하기에, 샘플링 장치(100)는 복조기 없이 에코신호를 샘플링하기에, 하드웨어 복잡도를 감소시키면서도 에코신호를 효율적으로 샘플링할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 샘플링 장치(100)를 이용하여, 피사체에 대한 진단영상을 생성하기 위하여 사용되는 프론트-엔드(front-end)가 프로브(probe)에 포함될 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 미드-엔드(mid-end) 또는 백-엔드(back-end)와 같은 범용 컴퓨터 시스템, 사용자 단말 등에 포함될 수도 있다.
도 2는 도 1에 도시된 저장부(130)에서 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 저장하는 방법의 일 예를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 저장부(130)는 상기 수학식 5에서 설명한 바와 같이 I(0), Q(1), -I(2), -Q(3)와 같은 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 순차적으로 교차배치하여 저장한다.
이때, I성분 데이터 및 Q성분 데이터는 에코신호를 트랜스듀서의 중심주파수, 에코신호 주파수의 4배, 또는 송신신호 주파수의 4배에 해당하는 4f0의 샘플링 주파수로 인터리브드 다운-샘플링(interleaved down-sampling)함에 따라 추출될 수 있고, I성분 데이터 및 Q성분 데이터 각각은 트랜스듀서의 중심주파수 또는 에코신호 주파수의 2배에 해당하는 2f0의 샘플링 레이트(sampling rate)로 다운-샘플링된 데이터가 될 수 있다.
본 실시예에 따른 저장부(130)는 하나의 포트를 통하여 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 입력받고, 입력받은 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 순차적으로 교차배치하여 저장한다.
또한, 저장부(130)는 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 순차적으로 교차배치하여 저장하기에, 저장부(130)에 저장된 데이터를 인터리빙(interleaving) 형태로 독출하여, I성분 데이터 및 Q성분 데이터 각각을 구별하여 사용할 수 있다.
도 3a는 본 실시예에 따른 샘플링 장치(100)의 다른 예를 도시한 도면이다. 도 3a를 참조하면, 샘플링 장치(100)는 에코신호 수신부(110), LPF(Low Pass Filter)(115), 샘플링부(120), 저장부(130), 데시메이터(decimator)(140) 및 출력부(150)로 구성된다.
도 3a에 도시된 샘플링 장치(100)는 도 1에 도시된 샘플링 장치(100)의 일 실시예에 해당한다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 샘플링 장치(100)는 도 3a에 도시된 유닛들에 한정되지 않는다. 또한, 도 1과 관련하여 기재된 내용은 도 3a에 도시된 샘플링 장치(100)에도 적용이 가능하기에 중복되는 설명은 생략한다.
에코신호 수신부(110)는 피사체로부터 반사된 에코신호를 수신한다. 또한, 본 실시예에 따른 에코신호 수신부(110)는 에코신호에 대한 잡음을 감소시키는 저잡음 증폭기(LNA: Low Noise Amplifier)(미도시) 및 입력되는 신호에 따라 이득(gain) 값을 제어하는 가변 이득 증폭기(VGA: Variable Gain Amplifier)(미도시) 또는 전-증폭기(Preamp)(미도시)를 포함할 수 있다. 이때, 가변 이득 증폭기는 집속점과의 거리에 따른 이득을 보상하는 TGC(Time Gain compensation)이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
LPF(115)는 에코신호 수신부(110)에서 수신된 에코신호에 대하여 저대역통과 필터링을 수행한다. 예를 들어 설명하면, LPF(115)는 고주파 성분에 의한 알리아싱(aliasing)을 방지하는 안티-알리아싱(Anti-aliasing) 필터가 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 이때, LPF(115)는 에코신호 수신부(110)와 결합되어 하나의 ADC로 구현될 수도 있다.
샘플링부(120)는 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 추출하는 샘플링 주파수를 이용하여, LPF(115)에서 필터링된 에코신호를 샘플링한다. 이에 따라, 샘플링부(120)는 필터링된 에코신호로부터 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 직접 추출할 수 있다.
저장부(130)는 샘플링부(120)에서 샘플링에 따라 추출된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 교차배치하여 저장한다.
데시메이터(140)는 저장부(130)에 저장된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터에 대하여 데시메이팅 작업을 수행한다. 예를 들어 설명하면, 데시메이터(140)는 샘플링부(120)의 샘플링에 따른 샘플링 간격보다 더 큰 간격으로 다운-샘플링할 수 있다. 즉, 샘플링부(120)에서 4f0의 샘플링 주파수를 이용하여 샘플링한 경우, 데시메이터(140)는 4f0 이하(예를 들면, 2f0)의 샘플링 주파수를 이용하여 다운-샘플링할 수 있다.
본 실시예에 따른 데시메이터(140)는 다운-샘플링하는 데시메이션 필터(decimation filter)가 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 데시메이터(140)는 저장부(130)에 저장된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 인터리빙(interleaving) 형태로 독출하여, 데시메이팅 작업을 수행할 수 있다.
그러하기에, 데시메이터(140)는 하나의 입력포트를 구비하는 저장부(130)로부터 I성분 데이터 및 Q성분 데이터 각각을 구별하여 독출하고, 독출된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터 각각에 대한 데시메이팅 작업을 수행할 수 있다.
본 실시예에 따른 데시메이터(140)는 데이터 레이트(data rate)를 감소시킴에 따라 샘플링 수를 줄일 수 있으나, 데시메이터(140)에서의 데시메이팅 작업 이후 처리작업에서 LPF(미도시)가 포함되어야 하기에 하드웨어 복잡도가 증가될 수 있다. 그러하기에, 본 실시예에 따른 샘플링 장치(100)는 데이터의 양 및 하드웨어 복잡도를 고려하여, 데시메이터(140)의 사용 여부를 결정할 수 있다.
출력부(150)는 데시메이터(140)에서 데시메이팅 작업이 수행된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 출력한다. 이때, 출력부(150)는 PCI, PCI-express, USB 등의 유선 전송(wire transmission), Wifi, Zigbee 등과 같은 무선 전송(wireless transmission), 또는 데이터/제어 버스(data/control bus) 등을 이용하여 데이터를 출력할 수 있다.
이때, 출력부(150)를 통하여 출력된 데이터는 범용 컴퓨터 시스템, 휴대용 단말기, 팩시밀리, 의료영상시스템, 초음파 영상장치 등과 같은 외부장치로 전송될 수 있다.
본 실시예에 따른 샘플링 장치(100)는 에코신호로부터 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 추출하는 샘플링 주파수를 이용하여 샘플링하기에 하드웨어 복잡도를 감소시킬 수 있고, 또한, 데시메이팅 작업을 수행함에 따라 데이터 전송량을 감소시킬 수 있다.
그러하기에, 샘플링 장치(100)의 소형화가 보장될 수 있고, 또한, 샘플링 장치(100)는 피사체로부터 반사된 에코신호에 대하여 샘플링된 데이터를 실시간으로 전송할 수 있다. 따라서, 샘플링 장치(100)의 컴팩트(compact)한 디자인(design)이 보장될 수 있고, 이에 따라, 본 실시예에 따른 샘플링 장치(100)는 프론트-엔드 또는 프로브(probe)에 포함되어 구현될 수 있다.
도 3b는 본 실시예에 따른 샘플링 장치(100)의 또 다른 예를 도시한 도면이다. 도 3b를 참조하면, 샘플링 장치(100)는 에코신호 수신부(110), 아날로그 빔포머(112), LPF(Low Pass Filter)(115), 샘플링부(120), 저장부(130), 및 출력부(150)로 구성된다.
도 3b에 도시된 샘플링 장치(100)는 도 1에 도시된 샘플링 장치(100)의 일 실시예에 해당한다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 샘플링 장치(100)는 도 3b에 도시된 유닛들에 한정되지 않는다. 또한, 도 1과 관련하여 기재된 내용은 도 3b에 도시된 샘플링 장치(100)에도 적용이 가능하기에 중복되는 설명은 생략한다.
또한, 도 3b에 도시된 샘플링 장치(100)는 아날로그 빔포머(112)가 추가되고 데시메이터(140)가 제외된 점을 제외하고는 도 3a에 도시된 샘플링 장치(100)와 동일하기에 중복되는 설명은 생략한다.
에코신호 수신부(110)는 피사체에서 반사된 에코신호를 트랜스듀서-어레이(50)로부터 수신한다.
아날로그 빔포머(112)는 에코신호 수신부(110)에서 출력되는 에코신호에 대하여 아날로그 빔포밍을 수행한다. 64 X 64 트랜스듀서-어레이(50)가 64개의 서브-어레이(sub-array)로 구성되는 경우를 예로 들어 설명하면, 에코신호 수신부(110)는 64 채널의 에코신호를 수신하고, 아날로그 빔포머(112)는 64 채널의 에코신호를 합성하여 하나의 채널에 해당하는 에코신호를 출력할 수 있다.
이때, 아날로그 빔포머(112)는 송신신호에서 사용된 지연시간 값을 적용하여 아날로그 빔포밍을 수행할 수 있다. 본 실시예에 따른 지연시간 값은 송신신호를 송신하는 트랜스듀서-어레이(50)와 집속점 간의 거리에 따른 지연시간이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
이처럼, 샘플링 장치(100)에 아날로그 빔포머(112)가 구비됨에 따라, 2차원 트랜스듀서-어레이(50)로부터 수신된 에코신호를 샘플링하기 위하여 2차원 트랜스듀서-어레이(50)에 포함된 트랜스듀서들의 개수에 대응하는 샘플링 장치(100)가 마련되어야 함에 따라 하드웨어 복잡도가 증가하는 경우를 방지할 수 있다.
LPF(115)는 아날로그 빔포머(112)에서 출력되는 에코신호에 대하여 저대역통과 필터링을 수행하고, 샘플링부(120)는 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 추출하는 샘플링 주파수를 이용하여, LPF(115)에서 필터링된 에코신호를 샘플링한다. 이에 따라, 샘플링부(120)는 필터링된 에코신호로부터 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 직접 추출할 수 있다.
저장부(130)는 샘플링부(120)에서 샘플링에 따라 추출된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 교차배치하여 저장하고, 출력부(150)는 저장부(130)에 저장된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 출력한다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 샘플링 장치(100)는 트랜스듀서-어레이(50)의 서브-어레이의 개수만큼 마련될 수 있다. 64 X 64 트랜스듀서-어레이(50)가 64개의 서브-어레이(sub-array)로 구성되는 경우를 예로 들어 설명하면, 64개의 서브-어레이 각각으로부터 출력되는 에코신호를 샘플링하기 위하여 64개의 샘플링 장치(100)가 마련될 수 있다.
이에 따라, 하드웨어의 복잡도를 감소시키면서도 고해상도의 진단영상을 생성하기 위한 샘플링을 수행할 수 있다.
도 4a는 본 실시예에 따른 수신 빔포밍 장치(40)의 일 예를 도시한 도면이다. 도 4a를 참조하면, 수신 빔포밍 장치(40)는 샘플링 장치(100), 보간기(interpolator)(330), 빔포머(beamformer)(340), 중간 처리부(mid-processing)(350), 에코 처리부(echo-processing)(360)로 구성되고, 빔포머(340)는 위상 회전기(phase rotator)들(342a, 342b), 아포디제이션 및 구경 제어(apodization and aperture control) 모듈들(344a, 344b) 및 합성부들(346a, 346b)로 구성되고, 중간 처리부(350)는 게인 제어(gain control) 모듈(351), 믹서(mixer)(352), LPF(353), 데시메이터(354), 포락선 검출 모듈(envelope detection)(355), 도플러/컬러(doppler /color) 처리부(356)로 구성된다. 본 실시예에 따른 모듈은 하드웨어, 하드웨어를 구동시키기 위한 소프트웨어, 또는 이들의 조합을 포함한다.
도 4a에 도시된 샘플링 장치(100)는 도 1 및 도 3a 내지 도 3b에 도시된 샘플링 장치(100)의 일 실시예에 해당한다. 이에 따라, 도 1 및 도 3a 내지 도 3b와 관련하여 기재된 내용은 도 4a에 도시된 샘플링 장치(100)에도 적용이 가능하기에 중복되는 설명은 생략한다.
도 4a에 도시된 수신 빔포밍 장치(40)에는 본 실시예와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 4b에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
샘플링 장치(100)는 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 추출하는 샘플링 주파수를 이용하여 트랜스듀서-어레이로부터 수신된 에코신호를 샘플링하고, 샘플링 결과에 따라 추출된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 보간기(330)로 출력한다.
도 4a에서는 설명의 편의를 위하여, 샘플링 장치(100)가 32개의 채널들 각각에 대응하여 마련되는 경우를 예로 들어 설명하나, 이에 한정되지 않는다. 이러한 경우, 샘플링 장치(100)는 32개의 채널들 각각에 대하여 추출된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 보간기(330)로 출력한다.
보간기(330)는 샘플링 장치(100)로부터 출력되는 32개의 채널들 각각에 대한 I성분 데이터 및 Q성분 데이터에 대하여 보간 작업을 수행한다. 예를 들어 설명하면, 보간기(330)는 코스 지연(coarse delay)를 위한 시간지연 값을 적용한다. 이때, 시간지연 값은 시간지연 계산기(미도시)에 의하여 산출될 수 있다. 시간지연 계산기와 관련된 보간기(330)의 동작에 관하여, 이하 도 4b에서 좀 더 상세히 설명한다.
또한, 본 실시예에 따르면 하나의 보간기(330)를 이용하여 I성분 데이터 및 Q성분 데이터 모두에 대한 보간 작업을 수행할 수 있다.
추가적으로, 샘플링부(120)에서의 샘플링에 따른 I성분 데이터 및 Q성분 데이터 각각은 트랜스듀서의 중심주파수, 에코신호 주파수, 또는 송신신호 주파수의 2배에 해당하는 2f0의 샘플링 레이트(sampling rate)로 다운-샘플링된 데이터가 될 수 있기에, 본 실시예에 따른 샘플링 장치(100)는 2f0의 샘플링 레이터로 다운-샘플링된 데이터에 대하여 반대역 필터(half band filter)를 이용하여 소정의 데이터 처리 작업을 수행할 수 있다.
빔포머(340)는 보간기(330)로부터 출력되는 32개의 채널들 각각에 대한 I성분 데이터 및 Q성분 데이터에 대하여 빔포밍 작업을 수행하여, I성분 데이터 및 Q성분 데이터 각각에 대한 하나의 빔포밍된 신호를 생성한다. 예를 들어 설명하면, 빔포머(340)는 위상 회전기들(342a 및 342b), 아포디제이션 및 구경 제어 모듈들(344a 및 344b), 합성부(346a 및 346b)를 이용하여 빔포밍 작업을 수행할 수 있다.
위상 회전기들(342a 및 342b)은 32개의 채널들 각각에 대한 I성분 데이터 및 Q성분 데이터에 대하여 파인 지연(fine delay)을 위한 위상 회전을 수행한다.
예를 들어 설명하면, 위상 회전기들(342a 및 342b)은 I성분 데이터 및 Q성분 데이터 각각에 대하여 시간지연 계산기(미도시)에서 계산된 파인 지연을 위한 시간지연 값을 이용하여 빔포밍 작업을 수행할 수 있다. 좀 더 상세히 설명하면, 위상 회전기들(342a 및 342b)은 I성분 데이터 및 Q성분 데이터에 대하여 파인 지연을 위한 시간지연 값을 위상의 형태로 변환하고, 변환된 위상을 I성분 데이터 및 Q성분 데이터에 곱하여 빔포밍 작업을 수행할 수 있다.
또한, 위상 회전기들(342a 및 342b)은 혼합 주파수(mixing frequency)에 해당하는 트랜스듀서의 중심주파수, 에코신호 주파수, 또는 송신신호 주파수를 복구하기 위한 위상 회전을 수행할 수 있다.
아포디제이션 및 구경 제어 모듈(344a 및 344b)은 32개의 채널들 각각에 대한 I성분 데이터 및 Q성분 데이터에 대하여 구경 제어 및 아포디제이션 윈도우 값을 적용한다. 아포디제이션 및 구경 제어 모듈(344a 및 344b)는 I성분 데이터 및 Q성분 데이터에 대하여 채널별로 구경 제어(aperture control)를 수행하면서, 아포디제이션 윈도우(apodization window) 값을 적용할 수도 있다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 빔포머(340)는 채널별 가중치 부여를 위한 아포디제이션을 적용할 수 있고, 또한, 동적 구경 성장(dynamic aperture growth)를 위한 구경 제어를 수행할 수도 있다.
합성부들(346a 및 346b)은 32개의 채널들 각각에 대한 I성분 데이터 및 Q성분 데이터에 대하여 합산 작업을 수행한다. 이에 따라, 빔포머(340)는 I성분 데이터 및 Q성분 데이터 각각에 대하여 빔포밍된 신호를 출력할 수 있다. 복수의 채널들에 대한 I성분 데이터 및 Q성분 데이터 각각은 하나의 I성분 데이터 및 Q성분 데이터로 합성될 수 있다.
중간 처리부(350)는 빔포머(340)에서 출력된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터 각각에 대한 빔포밍된 신호에 대하여 중간 처리 작업을 수행할 수 있다. 예를 들어 설명하면, 중간 처리부(350)는 게인 제어 모듈(351), 믹서(352), LPF(353), 데시메이터(354), 포락선 검출 모듈(355), 및 도플러/컬러 처리부(356)를 이용하여 중간 처리 작업을 수행할 수 있다.
게인 제어 모듈(351)은 I성분 데이터 및 Q성분 데이터 각각에 대하여 게인을 제어한다.
믹서(352)는 게인 제어 모듈(351)로부터 출력되는 I성분 데이터 및 Q성분 데이터에 대하여 믹싱 작업을 수행한다. 예를 들어 설명하면, 믹서(352)는 깊이(depth)에 따라 달라지는 주파수 변화(frequency variation)를 보상해 주기 위하여, 소정의 깊이들을 기준으로 분리된 복수의 영역들 각각에 대하여 동적 주파수 변화(dynamic frequency variation)에 따른 위상 회전을 수행할 수 있다. 이에 따라, 믹서(352)는 동적 로컬 오실레이터(dynamic local oscillator)가 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
LPF(353)는 믹서(352)로부터 출력되는 I성분 데이터 및 Q성분 데이터에 대하여 저역통과 필터링을 수행한다. 예를 들어 설명하면, LPF(353)는 믹서(352)에서 선택된 중심주파수에 따라, 믹서(352)에서 출력된 신호의 기본(fundamental) 주파수 성분 또는 하모닉(harmonic) 주파수 성분 등을 이용하여 저역통과 필터링을 수행할 수 있다. 즉, LPF(353)는 믹서(352)에서 출력된 신호의 기본 주파수 성분 또는 하모닉 주파수 성분 등을 원하는 주파수 대역의 신호 성분을 얻거나 또는 원하지 않는 주파수 대역의 신호 성분을 제거하기 위하여 사용할 수 있다.
데시메이터(354)는 LPF(353)로부터 출력되는 I성분 데이터 및 Q성분 데이터에 대하여 데시메이팅 작업을 수행한다. 예를 들어 설명하면, 데시메이터(354)는 데시메이션 필터를 포함할 수 있고, 데시메이터(354)는 업샘플링된 신호를 원하는 레이트(rate)까지 다운샘플링하기 위하여 사용할 수 있다.
포락선 검출 모듈(355)은 데시메이터(354)로부터 출력되는 I성분 데이터 및 Q성분 데이터에 대하여 포락선을 검출하고, 도플러/컬러 처리부(356)는 데시메이터(354)로부터 출력되는 I성분 데이터 및 Q성분 데이터에 대하여 도플러/컬러 처리 작업을 수행한다.
예를 들어 설명하면, 게인 제어 모듈(351), 믹서(352), LPF(353), 데시메이터(354), 포락선 검출 모듈(355)은 B(Brightness)-모드 이미지를 생성하기 위한 DSP(Digital Signal Processor)가 될 수 있다.
다른 예를 들어 설명하면, 게인 제어 모듈(351), 믹서(352), LPF(353), 데시메이터(354), 도플러/컬러 처리부(356)는 D(Doppler)-모드 이미지 및 C(Color)-모드 이미지를 생성하기 위한 DSP(Digital Signal Processor)가 될 수 있다.
에코 처리부(360)는 중간 처리부(350)에서 출력된 데이터에 대하여 에코 처리 작업을 수행할 수 있다. 예를 들어 설명하면, 에코 처리부(360)는 스캔변환을 수행하는 DSC(Digital Scan Converter)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 에코 처리부(360)에서 스캔변환된 데이터는 피사체에 대한 진단영상이 될 수 있다.
도 4b는 본 실시예에 따른 진단시스템(400)의 일 예를 도시한 도면이다. 도 4b를 참조하면, 진단시스템(400)은 프로브(200) 및 진단영상 생성장치(300)로 구성될 수 있고, 프로브(200)는 트랜스듀서-어레이(transducer-array)(50) 및 샘플링 장치(100)로 구성되고, 진단영상 생성장치(300)는 저장부(310), 시간지연 계산기(time delay calculator)(320), 보간기 (330), 빔포머(340), 중간 처리부(350), 에코 처리부(360) 및 표시부(370)로 구성된다.
도 4b에 도시된 샘플링 장치(100)는 도 1 및 도 3a 내지 도 3b에 도시된 샘플링 장치(100)의 일 실시예에 해당한다. 이에 따라, 도 1 및 도 3a 내지 도 3b와 관련하여 기재된 내용은 도 4b에 도시된 샘플링 장치(100)에도 적용이 가능하기에 중복되는 설명은 생략한다.
도 4b에 도시된 진단시스템(400)에는 본 실시예와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 4b에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
이와 관련하여, 도 4b에서는 설명의 편의를 위하여 진단시스템(400)이 피사체로부터 반사된 에코신호를 이용하여 진단영상을 생성 및 표시하는 구성을 도시하였으나, 이에 한정되지 않고, 피사체에 송신신호를 송신하는 구성을 더 포함할 수도 있다.
프로브(200)는 트랜스듀서-어레이(50)를 이용하여 피사체로부터 에코신호를 수신하고, 샘플링 장치(100)를 이용하여 피사체로부터 반사된 에코신호를 샘플링 한 결과를 진단영상 생성장치(300)로 출력한다.
트랜스듀서-어레이(50)는 피사체로부터 반사된 에코신호를 수신하는 적어도 하나 이상의 트랜스듀서를 포함한다. 본 실시예에 따른 트랜스듀서는 전기신호를 초음파 신호로 변환하여 피사체에 송신하고, 상기 피사체로부터 반사된 초음파 신호를 수신하고, 수신된 초음파 신호를 전기신호로 재변환한다. 이때, 피사체로부터 반사된 초음파 신호 또는 피사체로부터 반사된 초음파 신호가 전기신호로 재변환된 신호는 에코신호가 될 수 있다.
도 4b에서는 설명의 편의를 위하여 트랜스듀서-어레이(50)가 2차원 어레이-트랜스듀서(array-transducer)인 경우를 도시하였으나, 이에 한정되지 않고, 트랜스듀서-어레이(50)는 1차원 어레이-트랜스듀서가 될 수도 있다.
트랜스듀서-어레이(50)가 1차원 어레이-트랜스듀서인 경우, 피사체의 내부 단면에 대한 2차원 진단영상을 생성하는 에코신호를 출력할 수 있다. 다만, 1차원 어레이-트랜스듀서를 이용하여 3차원 진단영상을 생성하고자 하는 경우, 1차원 어레이-트랜스듀서를 기계적으로 이동시키면서 피사체 내부의 볼륨(volume) 정보를 획득한다.
이처럼, 1차원 어레이-트랜스듀서의 기계적 이동을 통하여 3차원 진단영상을 획득하고자 하는 경우, 진단영상의 형성속도와 같은 시간 해상도(temporal resolution) 또는 공간 해상도(spatial resolution) 측면에서의 성능이 제한적이게 된다.
또한, 트랜스듀서-어레이(50)가 2차원 어레이-트랜스듀서인 경우, 피사체에 대한 볼륨정보를 가지는 3차원 진단영상을 생성하는 에코신호를 출력할 수 있다. 2차원 어레이-트랜스듀서를 이용하는 경우, 피사체의 3차원 영상 점에서 최적의 공간 해상도를 얻을 수 있고, 또한, 기계적 이동방식이 아닌 전기적 스위칭방식을 사용함에 따라, 실시간 고해상도 3차원 진단영상을 획득할 수 있다.
다만, 2차원 어레이-트랜스듀서를 사용하는 경우, 하드웨어 복잡도 및 방대한 양의 데이터 실시간 전송을 위한 케이블의 수가 증가하게 된다. 그러하기에, 본 실시예에 따른 샘플링 장치(100)는 트랜스듀서-어레이(50)로부터 출력되는 에코신호를 샘플링하여 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 직접 추출하고, 이를 이용하여 수신 빔집속을 수행함에 따라, 하드웨어 복잡도를 감소시킬 수 있다.
도 4b에서는 설명의 편의를 위하여 하나의 샘플링 장치(100)만을 도시하였으나, 이에 한정되지 않고, 본 실시예에 따른 샘플링 장치(100)는 트랜스듀서-어레이(50)에 포함된 트랜스듀서들 각각에 대응하여 마련되거나, 또는, 트랜스듀서-어레이(50)에 따른 복수의 서브-어레이들 각각에 대응하여 마련될 수도 있다. 이때, 하나의 채널은 트랜스듀서-어레이(50)에 포함된 하나의 트랜스듀서가 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
이하에서는 샘플링 장치(100)가 트랜스듀서-어레이(50)에 따른 어느 하나의 서브-어레이에 대응하여 마련된 경우를 예로 들어 설명한다.
샘플링 장치(100)는 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 추출하는 샘플링 주파수를 이용하여 트랜스듀서-어레이(50)로부터 수신된 에코신호를 샘플링하고, 샘플링 결과에 따라 추출된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 진단영상 생성장치(300)로 출력한다. 이때, I성분 데이터 및 Q성분 데이터는 데시메이팅 작업이 수행된 데이터가 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 샘플링 장치(100)는 PCI, PCI-express, USB 등의 유선 전송 또는 Wifi, Zigbee 등과 같은 무선 전송 등을 이용하여 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 진단영상 생성장치(300)로 출력할 수 있다.
진단영상 생성장치(300)는 프로브(200)에서 출력되는 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 이용하여 진단영상을 생성한다. 본 실시예에 따른 진단영상 생성장치(300)는 백-엔드(Back-end) 시스템, 미드-엔드(Mid-end) 시스템 또는 범용 컴퓨터 시스템 등에서 CPU또는 GPU 기반으로 구현이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 또한, 본 실시예에 따른 진단영상은 초음파 영상이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
저장부(310)는 프로브(200)에서 출력되는 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 저장한다. 이에 따라, 저장부(310)는 두 개의 입력포트를 구비하는 투-포트 메모리(two-port memory)가 될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 저장부(310)는 프로브(200)에 포함된 복수의 샘플링 장치(100)들 각각에서 출력되는 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 서로 구별하여 저장할 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 프로브(200)에 포함된 복수의 샘플링 장치(100)들 각각에 대응하는 복수의 저장공간들을 포함할 수도 있다.
본 실시예에 따른 저장부(310)는 통상적인 저장매체로서 하드디스크드라이브(Hard Disk Drive, HDD), ROM(Read Only Memory), RAM(Random Access Memory), 플래쉬메모리(Flash Memory) 및 메모리카드(Memory Card)를 모두 포함할 수 있다.
시간지연 계산기(320)는 코스 지연(coarse delay)을 위한 시간지연 값 및 파인 지연(fine delay)을 위한 시간지연 값을 계산한다. 본 실시예에 따른 시간지연 계산기(320)는 피사체의 집속점과 송신신호가 송신된 트랜스듀서-어레이(50) 간의 거리를 고려하여, 시간지연 값들을 계산할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
이때, 코스 지연을 위한 시간지연 값은 저장부(310) 및 보간기(330) 간에 적용되고, 파인 지연을 위한 시간지연 값은 빔포머(340)에서 적용될 수 있다.
이에 따라, 시간지연 계산기(320)에서 계산된 코스 지연을 위한 시간지연 값은 저장부(310)로부터 보간기(330)로 전송되는 I성분 데이터 및 Q성분 데이터 각각에 적용되고, 시간지연 계산기(320)에서 계산된 파인 지연을 위한 시간지연 값은 빔포머(340)로 입력되는 I성분 데이터 및 Q성분 데이터 각각에 적용된다.
또한, 시간지연 계산기(320)는 복수의 샘플링 장치(100)들 각각에 대응하여 시간지연 값들을 계산할 수 있다. 즉, 시간지연 계산기(320)는 트랜스듀서-어레이(50)에 따른 채널별 또는 서브-어레이별로 시간지연 값들을 계산할 수 있다.
보간기(330)는 저장부(310)로부터 출력되는 복수의 채널들 또는 복수의 서브-어레이들 각각에 대한 I성분 데이터 및 Q성분 데이터에 대하여 보간 작업을 수행한다. 즉, 보간기(330)는 트랜스듀서-어레이(50)에 따른 채널별 또는 서브-어레이별로 보간 작업을 수행할 수 있다.
예를 들어 설명하면, 보간기(330)는 저장부(310)로부터 출력되는 I성분 데이터 및 Q성분 데이터에 대하여 코스 지연을 위한 시간지연 값을 적용하고, 또한, 보간기(330)는 보간 필터(interpolation filter)를 이용하여 I성분 데이터 및 Q성분 데이터 각각을 업-샘플링(up-sampling)할 수 있다. 다만, 본 실시예에 따른 보간기(330)는 경우에 따라서 I성분 데이터 및 Q성분 데이터 각각을 업-샘플링하지 않을 수도 있다.
빔포머(340)는 보간기(330)로부터 출력되는 복수의 채널들 또는 복수의 서브-어레이들 각각에 대한 I성분 데이터 및 Q성분 데이터에 대하여 빔포밍 작업을 수행한다. 예를 들어 설명하면, 빔포머(340)는 위상-회전 빔포머(phase-rotation beamformer)가 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
중간 처리부(350)는 빔포머(340)에서 출력된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터에 대하여 중간 처리 작업을 수행할 수 있고, 에코 처리부(360)는 중간 처리부(350)에서 출력된 데이터에 대하여 에코 처리 작업을 수행할 수 있다.
도 4b에 도시된 빔포머(340), 중간 처리부(350) 및 에코 처리부(360)는 도 4a에 도시된 빔포머(340), 중간 처리부(350) 및 에코 처리부(360)에서 수행되는 동작을 수행할 수 있기에, 중복되는 설명은 생략한다.
표시부(370)는 에코 처리부(360)에서 출력된 진단영상을 표시한다. 예를 들어 설명하면, 표시부(370)는 진단영상 생성장치(300)에 마련된 디스플레이 패널, 마우스, LCD 화면, 모니터 등의 출력 장치를 모두 포함한다.
다만, 본 실시예에 따른 진단영상 생성장치(300)는 표시부(370)를 구비하지 않고, 진단영상 생성장치(300)에서 생성된 진단영상을 외부의 표시장치(미도시)로 출력하기 위한 출력부(미도시)를 구비할 수도 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 알 수 있다.
이에 따라, 진단영상 생성장치(300)는 하드웨어의 복잡도가 감소 됨에 따라 집적화된 프로브(200)를 사용하여 피사체로부터 반사된 에코신호에 대한 샘플링 데이터를 획득할 수 있고, 진단영상 생성장치(300)는 획득된 데이터를 이용하여 실시간 고해상도 진단영상을 생성 및 표시할 수 있다.
또한, 진단영상 생성장치(300)는 범용 컴퓨터 시스템, 휴대용 단말기 등과 같은 엔드-유저(end-user) 단에서 소프트웨어 기반으로 구현가능하기에, 집적화된 프로브(200)로부터 출력되는 데이터를 이용하여 진단영상을 편리하게 생성할 수 있다.
도 5는 본 실시예에 따른 의료영상시스템(500)의 일 예를 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 의료영상시스템(500)은 진단시스템(400), 저장부(510), 표시부(520) 및 출력부(530)로 구성되고, 진단시스템(400)은 프로브(200) 및 진단영상 생성장치(300)로 구성된다.
도 5에 도시된 진단시스템(400)은 도 4b에 도시된 진단시스템(400)의 일 실시예에 해당한다. 이에 따라, 도 4b와 관련하여 기재된 내용은 도 5에 도시된 진단시스템(400)에도 적용이 가능하기에 중복되는 설명은 생략한다.
도 5에 도시된 의료영상시스템(500)에는 본 실시예와 관련된 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 5에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
진단시스템(400)은 프로브(200) 및 진단영상 생성장치(300)를 이용하여, 피사체에 대한 진단을 수행하기 위한 진단영상을 생성할 수 있다.
프로브(200)는 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 추출하는 샘플링 주파수를 이용하여 피사체로부터 반사된 에코신호를 샘플링하고, 샘플링 결과에 따라 추출된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 출력한다.
이때, 프로브(200)는 에코신호를 샘플링하여 에코신호에 대한 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 상호교차하여 추출하고, 추출된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 출력할 수 있다.
진단영상 생성장치(300)는 프로브(200)로부터 출력된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 이용하여 피사체에 대한 진단영상을 생성한다.
저장부(510)는 진단영상 생성장치(300)에서 생성된 진단영상을 저장하고, 표시부(520)는 진단영상 생성장치(300)에서 생성된 진단영상을 표시한다. 다만, 본 실시예에 따른 의료영상시스템(500)은 표시부(520)를 구비하지 않고, 진단영상 생성장치(300)에서 생성된 진단영상을 외부의 표시장치(미도시)로 출력하기 위한 출력부(530)를 구비할 수도 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 알 수 있다
출력부(530)는 진단영상 생성장치(300)에서 생성된 진단영상을 유, 무선 네트워크 또는 유선 직렬 통신 등을 통하여 외부장치로 출력한다. 이때, 출력부(530)는 유, 무선 네트워크 또는 유선 직렬 통신 등을 통하여 외부장치와 데이터를 송수신할 수 있고, 본 실시예에 따른 네트워크(network)는 인터넷(Internet), LAN(Local Area Network), Wireless LAN(Wireless Local Area Network), WAN(Wide Area Network), PAN(Personal Area Network) 등을 포함하나 이에 한정되지 않고 정보를 송수신할 수 있는 다른 종류의 네트워크가 될 수도 있음을 알 수 있다.
이에 따라, 또한, 본 실시예에 따른 저장부(510) 및 출력부(530)는 영상 판독 및 검색 기능을 더 포함시켜 PACS(Picture Archiving Communication System)와 같은 형태로 일체화될 수도 있음을 본 실시예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 알 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 의료영상시스템(500)은 집적화된 스마트 프로브(200)를 사용하여 생성된 고선명의 3차원 진단영상을 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 도 4b 내지 도 5에서는 샘플링 장치(100)가 프로브(200)에 포함된 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않고, 샘플링 장치(100)는 진단영상 생성장치(300)에 포함될 수도 있다.
도 6은 본 실시예에 따른 샘플링을 수행하는 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 6을 참조하면, 샘플링을 수행하는 방법은 도 1, 도 3a 내지 도 3b, 도 4a 내지 도 4b, 도 5에 도시된 샘플링 장치(100), 수신 빔포밍 장치(40), 진단시스템(400) 또는 의료영상시스템(500)에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 이하에서 생략된 내용이라 하더라도 도 1, 도 3a 내지 도 3b, 도 4a 내지 도 4b, 도 5에 도시된 샘플링 장치(100), 수신 빔포밍 장치(40), 진단시스템(400) 또는 의료영상시스템(500)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 6의 샘플링을 수행하는 방법에도 적용됨을 알 수 있다.
601 단계에서 에코신호 수신부(110)는 피사체로부터 반사된 에코신호를 수신한다.
602 단계에서 샘플링부(120)는 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 추출하는 샘플링 주파수를 이용하여, 상기 601 단계에서 수신된 에코신호에 대하여 샘플링을 수행한다. 예를 들어 설명하면, 샘플링 주파수는 샘플링 이론(Sampling Theory)에 따른 최소 샘플링 주파수가 될 수 있다.
603 단계에서 저장부(130)는 상기 602 단계의 샘플링 수행에 따라 추출된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 교차배치하여 저장한다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 샘플링을 수행하는 방법에 따르면 에코신호로부터 직접 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 추출할 수 있기에, 복조 작업을 수행하지 않음에 따라, 하드웨어 복잡도를 감소시키면서도 실시간 고해상도 진단영상을 생성할 수 있다. 또한, 샘플링된 데이터의 양을 감소시키면서도 실시간 고해상도 진단영상을 생성할 수 있다.
샘플링 장치(100)가 트랜스듀서-어레이(50)와 접합되어 프로브(200)로 구현되는 경우, 진단영상 생성장치(300)를 포함하는 범용 컴퓨터 시스템에서 소프트웨어 기반으로 빔포밍 및 신호처리 알고리즘을 구현할 수 있다. 이에 따라, 재설정 가능(reconfigurable)하고, 프로그래밍 가능(programmable)한 초음파 영상 시스템이 구현가능하게 될 수 있다.
이러한 경우, 초음파 알고리즘의 연구자, 개발자, 또는, 초음파 영상을 분석하는 IAE(Image Analysis Engineer)에게 최적화된 시스템 개발 환경을 제공해줄 수 있고, 이에 따라, 고객 요구에 신속히 대응하는 초음파 영상장치를 구현할 수 있다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 샘플링 방법을 이용하여, 2차원 어레이-트랜스듀서를 이용한 3차원 초음파 영상 장치의 효용성을 극대화함에 따라, 피사체에 대한 실시간 3차원 초음파 영상을 획득할 수 있고, 또한, 심장의 3차원 컬러 플로(color flow) 영상과 같은 임상정보를 제공할 수도 있다.
한편, 상술한 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 또한, 상술한 방법에서 사용된 데이터의 구조는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 여러 수단을 통하여 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 램, USB, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.
본 실시예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 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.
100 ... 샘플링 장치
110 ... 에코신호 수신부
120 ... 샘플링부
130 ... 저장부

Claims (20)

  1. 피사체로부터 반사된 에코신호를 수신하는 단계;
    I(In-phase)성분 데이터 및 Q(Quadrature)성분 데이터를 추출하는 샘플링 주파수를 이용하여, 상기 수신된 에코신호를 샘플링하는 단계; 및
    상기 샘플링 결과에 따라 추출된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 반복적 패턴으로 순차적으로 교차배치하여 저장하는 단계;를 포함하는 샘플링 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플링 주파수는 샘플링 이론(Sampling Theory)에 따른 최소 샘플링 주파수인 샘플링 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플링하는 단계는 상기 피사체로 송신신호를 송신하는 트랜스듀서의 중심주파수의 4배에 해당하는 샘플링 주파수를 이용하여, 상기 수신된 에코신호를 샘플링하는 샘플링 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플링하는 단계는 송신신호 주파수 또는 상기 수신된 에코신호 주파수의 4배에 해당하는 샘플링 주파수를 이용하여, 상기 수신된 에코신호를 샘플링하는 샘플링 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플링하는 단계는 상기 수신된 에코신호를 샘플링하여 상기 수신된 에코신호에 대한 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 상호교차하여 추출하는 샘플링 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 저장하는 단계는 하나의 포트를 통하여 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 입력받아 저장하는 샘플링 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 저장된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 인터리빙(interleaving) 형태로 독출하는 단계; 및
    상기 독출된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터에 대하여 데시메이팅(decimating) 작업을 수행하는 단계;를 더 포함하는 샘플링 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 컴퓨터 프로그램을 저장한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
  9. 피사체로부터 반사된 에코신호를 수신하는 에코신호 수신부;
    I(In-phase)성분 데이터 및 Q(Quadrature)성분 데이터를 추출하는 샘플링 주파수를 이용하여, 상기 수신된 에코신호를 샘플링하는 샘플링부; 및
    상기 샘플링 결과에 따라 추출된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 반복적 패턴으로 순차적으로 교차배치하여 저장하는 저장부;를 포함하는 샘플링 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 샘플링 주파수는 샘플링 이론(Sampling Theory)에 따른 최소 샘플링 주파수인 샘플링 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 샘플링부는 상기 피사체로 송신신호를 송신하는 트랜스듀서의 중심주파수, 상기 수신된 에코신호의 주파수, 또는 상기 송신신호의 주파수 중 어느 하나의 4배에 해당하는 샘플링 주파수를 이용하여, 상기 수신된 에코신호를 샘플링하는 샘플링 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 샘플링부는 상기 수신된 에코신호를 샘플링하여 상기 수신된 에코신호에 대한 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 상호교차하여 추출하는 샘플링 장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 저장부는 하나의 포트를 통하여 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 입력받고, 상기 입력받은 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 순차적으로 교차배치하여 저장하는 샘플링 장치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 저장된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 인터리빙(interleaving) 형태로 독출하고, 상기 독출된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터에 대하여 데시메이팅(decimating) 작업을 수행하는 데시메이터(decimator);를 더 포함하는 샘플링 장치.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 수신된 에코신호에 대하여 아날로그 빔포밍을 수행하는 아날로그 빔포머;를 더 포함하고,
    상기 샘플링부는 상기 아날로그 빔포밍된 에코신호를 샘플링하는 샘플링 장치.
  16. I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 추출하는 샘플링 주파수를 이용하여 복수의 채널들 각각에 대한 에코신호를 샘플링하고, 샘플링 결과에 따라 반복적 패턴으로 순차적으로 교차배치하여 추출된 복수의 채널들 각각에 대한 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 출력하는 샘플링부;
    상기 출력된 복수의 채널들 각각에 대한 I성분 데이터 및 Q성분 데이터에 대하여 보간 작업을 수행하는 보간기; 및
    상기 보간 작업이 수행된 복수의 채널들 각각에 대한 I성분 데이터 및 Q성분 데이터에 대하여 빔포밍 작업을 수행하여, I성분 데이터 및 Q성분 데이터 각각에 대하여 빔포밍된 신호를 생성하는 빔포머; 를 포함하는 수신 빔포밍 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 샘플링부는 상기 복수의 채널들 각각에 대한 에코신호를 샘플링하여 상기 복수의 채널들 각각에 대한 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 상호교차하여 추출하는 수신 빔포밍 장치.
  18. 피사체로부터 에코신호를 수신하는 트랜스듀서-어레이; 및
    I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 추출하는 샘플링 주파수를 이용하여 상기 트랜스듀서-어레이로부터 수신된 에코신호를 샘플링하고, 샘플링 결과에 따라 반복적 패턴으로 순차적으로 교차배치하여 추출된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 출력하는 샘플링부;를 포함하는 프로브.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 샘플링부는 상기 샘플링 결과에 따라 추출된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 교차배치하여 저장하고, 상기 저장된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 인터리빙 형태로 독출하고, 상기 독출된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 출력하는 프로브.
  20. I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 추출하는 샘플링 주파수를 이용하여 피사체로부터 반사된 에코신호를 샘플링하고, 샘플링 결과에 따라 반복적 패턴으로 순차적으로 교차배치하여 추출된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 출력하는 프로브; 및
    상기 출력된 I성분 데이터 및 Q성분 데이터를 이용하여 상기 피사체에 대한 진단영상을 생성하는 진단영상 생성장치;를 포함하는 의료영상시스템.
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