KR102146374B1 - 초음파 영상장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

초음파 신호를 영상화하는 초음파 영상장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
초음파 영상장치의 제어방법의 일 실시예에 따르면, 복수의 엘리먼트(Element)가 2차원으로 배열된 2D 어레이 프로브를 이용하는 초음파 영상장치의 제어방법에 있어서, 상기 복수의 엘리먼트 전부에서 초음파를 송신하고 상기 복수의 엘리먼트 중 미리 정해진 일부에서 에코 초음파를 수신하도록 설정하는 단계; 상기 설정에 따라 결정되는 분해능 취약 영역에 대상체의 관심단면이 포함되는지 결정하는 단계; 및 상기 관심단면이 상기 분해능 취약 영역에 속한다면, 상기 설정에 따라 상기 초음파를 송신하고 상기 에코 초음파를 수신하여, 상기 송신된 초음파의 집속 여부에 대응하는 빔포밍 방법에 따라 상기 관심 단면에 대한 초음파 영상을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

초음파 영상장치 및 그 제어방법{ultrasonic apparatus and control method for the same}
초음파 신호를 영상화하는 초음파 영상장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
초음파 진단 장치는 대상체의 체표로부터 체내의 특정 부위를 향하여 초음파를 조사하고, 반사된 에코 초음파의 정보를 이용하여 연부조직의 단층이나 혈류에 관한 이미지를 비침습적으로 얻는 장치이다.
초음파 진단 장치는 소형이고 저렴하며, 실시간으로 표시 가능하고, X선 등의 피폭이 없어 안전성이 높은 장점이 있다. 이러한 장점들로 인하여 초음파 진단 장치는 심장, 유방, 복부, 비뇨기 및 산부인과 진단을 위해 널리 이용되고 있다.
초음파 진단 장치는 초음파 프로브를 통해 초음파를 조사하게 되는데, 이러한 초음파 프로브는 트랜스듀서 엘리먼트(Element)가 배열되는 방식에 따라 구분될 수 있다. 최근에는 엘리먼트가 2차원으로 배열되는 2D 어레이 프로브(2D Array Probe)를 이용하여 초음파를 조사하고, 이를 기초로 초음파 영상을 생성하는 방법에 대하여 활발한 연구가 진행되고 있다.
초음파 영상장치 및 그 제어방법의 일 측면은, 2D 어레이 프로브의 코어레이(Coarray)를 이용하여 초음파를 송수신할 때, 분해능을 높일 수 있는 초음파 영상장치 및 그 제어방법을 제공한다.
초음파 영상장치의 제어방법의 일 실시예에 따르면, 복수의 엘리먼트(Element)가 2차원으로 배열된 2D 어레이 프로브를 이용하는 초음파 영상장치의 제어방법에 있어서, 상기 복수의 엘리먼트 전부에서 초음파를 송신하고 상기 복수의 엘리먼트 중 미리 정해진 일부에서 에코 초음파를 수신하도록 설정하는 단계; 상기 설정에 따라 결정되는 분해능 취약 영역에 대상체의 관심단면이 포함되는지 결정하는 단계; 및 상기 관심단면이 상기 분해능 취약 영역에 속한다면, 상기 설정에 따라 상기 초음파를 송신하고 상기 에코 초음파를 수신하여, 상기 송신된 초음파의 집속 여부에 대응하는 빔포밍 방법에 따라 상기 관심 단면에 대한 초음파 영상을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
초음파 영상장치의 일 실시예에 따르면, 2D 어레이 프로브의 복수의 엘리먼트(Element) 전부에서 초음파를 송신하고 상기 복수의 엘리먼트 중 미리 정해진 일부에서 에코 초음파를 수신하도록 설정하는 제어부; 상기 설정에 따라 결정되는 분해능 취약 영역에 대상체의 관심단면이 포함되는지 결정하는 연산부; 상기 설정에 따라 상기 초음파를 송신하여 상기 에코 초음파를 수신하는 2D 어레이 프로브; 상기 관심단면이 상기 분해능 취약 영역에 속하지 않는다면, 상기 에코 초음파의 집속 여부에 대응하는 빔포밍 방법에 따라 빔포밍하여 에코 신호를 생성하는 빔포머; 상기 에코 신호를 기초로 상기 대상체의 관심단면에 대한 초음파 영상을 생성하는 영상처리부를 포함할 수 있다.
초음파 영상장치 및 그 제어방법의 일 측면에 의하면, 코어레이를 이용하여 높은 분해능의 초음파 영상을 획득할 수 있다.
초음파 영상장치 및 그 제어방법의 다른 측면에 의하면, 초음파를 집속하여 전송할 경우 높은 프레임률(Frame-Rate)을 획득할 수 있다.
도 1은 초음파 영상장치의 일 실시예를 도시한 사시도이다.
도 2a 내지 2c는 초음파 프로브의 일 실시예인 2D 어레이 프로브에 대하여 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 초음파 영상장치의 일 실시예에 따른 제어 블록도를 도시한 도면이다.
도 4a 및 4b는 코어레이의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 분해능 취약 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 와 6b는 집속된 초음파에 의해 수신된 에코 초음파의 점 확산 함수를 나타내는 그래프이다.
도 7은 송신 시 수행하는 초음파 집속을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 집속점, 가상 소스 및 가상 애퍼쳐의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 후향 송신 빔포밍에 따른 초음파의 송수신 방법의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10a 와 10b는 평면파 형태의 초음파에 의해 수신된 에코 초음파의 점 확산 함수를 나타내는 그래프이다.
도 11은 코히어런트 각 컴파운딩을 위한 초음파 송신 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12a 내지 12c는 초음파를 집속시켜 획득한 초음파 영상의 실시예를 도시한 도면이다.
도 13a 내지 13c는 평면파 형태의 초음파를 송신하여 획득한 초음파 영상의 실시예를 도시하고 있다.
도 14는 초음파 영상장치의 제어방법의 일 실시예에 따른 흐름도이다.
도 15는 코어레이를 사용하여 후향 전송 빔포밍을 수행하는 방법의 일 실시예에 따른 흐름도이다.
도 16은 코어레이를 사용하여 코히어런트 각 컴파운딩을 수행하는 방법의 일 실시예에 따른 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 초음파 영상장치 및 그 제어방법의 실시예를 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 초음파 영상장치의 일 실시예를 도시한 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 초음파 영상장치는 본체(100), 초음파 프로브(110), 입력부(150), 디스플레이(160)를 포함할 수 있다.
본체(100)의 일측에는 하나 이상의 암 커넥터(female connector; 145)가 구비될 수 있다. 암 커넥터(145)에는 케이블(130)과 연결된 수 커넥터(male connector; 140)가 물리적으로 결합될 수 있다.
한편, 본체(100)의 하부에는 초음파 장치의 이동성을 위한 복수개의 캐스터(미도시)가 구비될 수 있다. 복수개의 캐스터는 초음파 장치를 특정 장소에 고정시키거나, 특정 방향으로 이동시킬 수 있다.
초음파 프로브(110)는 대상체의 체표에 접촉하는 부분으로, 초음파를 송수신할 수 있다. 구체적으로, 초음파 프로브(110)는 본체(100)로부터 제공받은 송신 신호에 따라, 초음파를 대상체의 내부로 송신하고, 대상체 내부의 특정 부위로부터 반사된 에코 초음파를 수신하여 본체(100)로 송신하는 역할을 한다. 이러한 초음파 프로브(110)에는 케이블(130)의 일단이 연결되며, 케이블(130)의 타단에는 수 커넥터(140)가 연결될 수 있다. 케이블(130)의 타단에 연결된 수 커넥터(140)는 본체(100)의 암 커넥터(145)와 물리적으로 결합할 수 있다.
이하에서는 도 2a 내지 2c를 참조하여, 초음파 프로브의 일 실시예인 2D 어레이 프로브에 대하여 설명한다. 도 2a는 2D 어레이 프로브의 일 실시예에 따른 외관을 도시한 도면이고, 도 2b는 2D 어레이 프로브의 일 실시예로 초음파를 피라미드 스캔하는 경우를 예시하는 도면이다.
초음파 프로브는 트랜스듀서 엘리먼트(Element)의 배열방식에 따라 그 종류를 구분할 수 있다. 초음파 프로브의 일면에 엘리먼트가 1차원으로 배열되는 1D 어레이 프로브(1D Array Probe)는, 엘리먼트가 직선으로 배열되는 리니어 어레이 프로브(Linear Array Probe), 위상 배열 어레이 프로브(Phased Array Probe) 및 엘리먼트가 곡선으로 배열되는 컨벡스 어레이 프로브(Convex Array Probe)를 포함한다. 이와는 달리 엘리먼트가 2차원으로 배열되는 초음파 프로브를 2D 어레이 프로브(2D Array Probe)라고 한다.
도 2a와 같이, 2D 어레이 프로브(110)는 일면에 엘리먼트가 2차원으로 배열될 수 있다. 도 2a에서는 엘리먼트가 평면상에 배열되는 경우를 예시하고 있으나, 2D 어레이 프로브(110)의 일면에 엘리먼트가 곡면을 형성하며 배열될 수도 있다.
도 2b를 참조하면, 2D 어레이 프로브(110)는 1D 어레이 프로브에 비해 더 넓은 영역에 초음파를 송신할 수 있다. 특히 1차원으로 배열된 엘리먼트에 의해 초음파가 송신되면 획득되는 정보는 대상체의 단면에 대한 것일 수 있으나, 2차원으로 배열된 엘리먼트에 의해 초음파가 송신되면 대상체 볼륨에 대한 정보를 획득할 수 있다.
이처럼 2D 어레이 프로브(110)에 의해 획득되는 정보의 양이 1D 어레이 프로브에 의해 획득되는 것보다 많기 때문에, 하드웨어의 복잡도가 증가하게 된다. 따라서 이와 같은 문제를 해결하기 위해, 코어레이(Coarray)를 이용할 수 있으며 이에 대하여는 후술한다.
도 2c는 2D 어레이 프로브(110)를 통해 피라미드 스캔으로 송신되는 초음파를 3차원 공간상에서 설명하기 위한 도면이다. 도 2c에서는 xy평면에 트랜스듀서 엘리먼트가 직사각형의 형태로 배열되며, 배열된 엘리먼트로부터 송신되는 초음파에 의해 대상체의 볼륨 정보를 획득할 수 있다.
이하에서는 x축 방향을 측방향(Lateral 또는 Azimuthal), y축 방향을 고도방향(Elevational), z축 방향을 축방향(Axial)이라 한다.
다시 도 1을 참조하면, 입력부(150)는 초음파 영상장치의 동작과 관련된 명령을 입력받을 수 있는 부분이다. 예를 들면, A-모드(Amplitude mode), B-모드(Brightness mode), M-모드(Motion mode) 등의 모드 선택 명령이나, 초음파 진단 시작 명령을 입력받을 수 있다. 입력부(150)를 통해 입력된 명령은 유선 통신 또는 무선 통신을 통해 본체(100)로 전송될 수 있다.
입력부(150)는 예를 들어, 키보드, 풋 스위치(foot switch) 및 풋 페달(foot pedal) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 키보드는 하드웨어적으로 구현되어, 본체(100)의 상부에 위치할 수 있다. 이러한 키보드는 스위치, 키, 조이스틱 및 트랙볼 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다른 예로 키보드는 그래픽 유저 인터페이스와 같이 소프트웨어적으로 구현될 수도 있다. 이 경우, 키보드는 서브 디스프레이부(161)나 메인 디스플레이부(162)를 통해 디스플레이될 수 있다. 풋 스위치나 풋 페달은 본체(100)의 하부에 마련될 수 있으며, 조작자는 풋 페달을 이용하여 초음파 영상 생성 장치의 동작을 제어할 수 있다.
디스플레이(160)는 메인 디스플레이(161)와 서브 디스플레이(162)를 포함할 수 있다.
서브 디스플레이(162)는 본체(100)에 마련될 수 있다. 도 1은 서브 디스플레이(162)가 입력부(150)의 상부에 마련된 경우를 보여주고 있다. 서브 디스플레이(162)는 초음파 영상 생성 장치의 동작과 관련된 어플리케이션을 디스플레이할 수 있다. 예를 들면, 서브 디스플레이(162)는 초음파 진단에 필요한 메뉴나 안내 사항 등을 디스플레이할 수 있다. 이러한 서브 디스플레이(162)는 예를 들어, 브라운관(Cathod Ray Tube: CRT), 액정표시장치(Liquid Crystal Display: LCD) 등으로 구현될 수 있다.
메인 디스플레이(161)는 본체(100)에 마련될 수 있다. 도 1은 메인 디스플레이(161)가 서브 디스플레이(162)의 상부에 마련된 경우를 보여주고 있다. 메인 디스플레이(161)는 초음파 진단 과정에서 얻어진 초음파 영상을 디스플레이할 수 있다. 이러한 메인 디스플레이(161)는 서브 디스플레이(162)와 마찬가지로 브라운관 또는 액정표시장치로 구현될 수 있다. 도 1는 메인 디스플레이(161)가 본체(100)에 결합되어 있는 경우를 도시하고 있지만, 메인 디스플레이(161)는 본체(100)와 분리 가능하도록 구현될 수도 있다.
도 1는 초음파 장치에 메인 디스플레이(161)와 서브 디스플레이(162)가 모두 구비된 경우를 보여주고 있으나, 경우에 따라 서브 디스플레이(162)는 생략될 수도 있다. 이 경우, 서브 디스플레이(162)를 통해 디스플레이되는 어플리케이션이나 메뉴 등은 메인 디스플레이(161)를 통해 디스플레이될 수 있다.
도 3은 초음파 영상장치의 일 실시예에 따른 제어 블록도를 도시한 도면이다.
초음파 영상장치의 일 실시예는 2D 어레이 프로브의 복수의 엘리먼트(Element) 전부에서 초음파를 송신하고 상기 복수의 엘리먼트 중 미리 정해진 일부에서 에코 초음파를 수신하도록 설정하는 제어부(230); 상기 설정에 따라 결정되는 분해능 취약 영역에 대상체의 관심단면이 포함되는지 결정하는 연산부(210); 상기 설정에 따라 상기 초음파를 송신하여 상기 에코 초음파를 수신하는 2D 어레이 프로브; 상기 관심단면이 상기 분해능 취약 영역에 속한다면, 상기 에코 초음파의 집속 여부에 대응하는 빔포밍 방법에 따라 빔포밍하여 에코 신호를 생성하는 빔포머(220); 상기 에코 신호를 기초로 상기 대상체의 관심단면에 대한 초음파 영상을 생성하는 영상처리부(240)를 포함할 수 있다. 또한 생성된 초음파 영상을 화면에 표시하는 디스플레이를 더 포함할 수 있다.
초음파 영상장치의 일 실시예는 대상체로 초음파를 송신하기 위해 2D 어레이 프로브(110)를 이용할 수 있다. 도 2a 내지 2c에서 살핀 바와 같이, 2D 어레이 프로브(110)는 일면에 트랜스듀서 엘리먼트를 2차원 배열하여 대상체에 대한 볼륨 데이터를 획득할 수 있다.
2D 어레이 프로브(110)는 초음파의 송수신에 관여하는 엘리먼트의 수가 많기 때문에, 하드웨어의 복잡도가 문제된다. 특히, 2D 어레이 프로브(110)의 모든 엘리먼트를 이용하여 대상체로 초음파를 송신하고, 이에 대응하는 에코 초음파를 모든 엘리먼트를 이용하여 수신할 경우, 추후 빔포밍 및 영상 처리 과정에서 처리해야 할 정보량과 그에 따른 연산량이 너무 많아진다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 2D 어레이 프로브(110)는 코어레이(Coarray)를 활용할 수 있다. 여기서 코어레이란 전송 애퍼쳐(Transmit Aperture)와 수신 애퍼쳐(Receive Aperture)의 조합으로 초음파를 송수신하는 효과를 나타내는 어레이 방식이다.
도 4a 및 4b는 코어레이의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 음영표시가 된 부분이 실제 사용되는 엘리먼트를 의미한다.
도 4a는 2D 어레이 프로브에서 초음파를 송신할 때 사용하는 엘리먼트의 일 실시예를 도시하고 있다. 도 4a는 2D 어레이 프로브의 복수의 엘리먼트 전부를 초음파 송신에 이용하는 경우를 예시하고 있다. 앞서 언급한 것처럼, 2D 어레이 프로브(110)는 2차원으로 배열된 엘리먼트를 이용하여 초음파를 송신할 수 있다. 이를 통해 프로브 자체의 움직임 없이도 1D 어레이 프로브보다 넓은 범위에 대한 에코 초음파를 발생시킬 수 있다.
도 4b는 2D 어레이 프로브(110)에서 에코 초음파를 수신할 때 사용하는 엘리먼트의 일 실시예를 도시하고 있다. 넓은 범위에서 발생한 에코 초음파를 2D 어레이 프로브(110)의 모든 엘리먼트에서 수신할 경우, 이에 따른 하드웨어 복잡도나 처리해야 할 정보량이 많아진다. 이를 해결하고자, 2D 어레이 프로브(110)의 복수의 엘리먼트 중 일부의 엘리먼트만을 이용하여 에코 초음파를 수신할 수 있다. 도 4b는 에코 초음파 수신을 위해 X자 형 어레이(X-Shape Array)를 이용한다.
2D 어레이 프로브(110)의 일부 소자를 통해 에코 초음파를 수신하면 모든 소자를 통해 에코 초음파를 수신하는 것보다 획득되는 정보의 양이 적을 수 있다. 이 경우, 생성되는 초음파 영상의 분해능이 저하될 우려가 있다. 이에 대하여는 후술할 연산부(210)를 통해 설명하도록 한다.
도 4a 및 4b는 코어레이의 일 실시예를 도시하고 있으나, 송신에 사용하는 엘리먼트와 수신에 사용하는 엘리먼트를 필요에 따라 설정할 수 있다. 사용자는 입력부를 통해 원하는 코어레이를 입력하면 이를 기초로 제어부(230)가 설정하거나, 이와는 달리 장치 내부 연산결과 또는 하드웨어적 구현을 기초로 제어부(230)가 설정할 수 있다.
이하에서는 설명의 편의상, 2D 어레이 프로브(110)가 사용하는 코어레이는 송신 시 전체 엘리먼트를 이용하고, 수신 시 X자 형태의 어레이를 이용하는 경우를 전제로 설명한다. 그러나 이는 초음파 영상장치 및 그 제어방법의 일 실시예에 불과하므로, 이와 같은 실시예에 한정되지 않는다.
연산부(210)는 2D 어레이 프로브(110)의 코어레이 설정에 따라 결정되는 분해능 취약 영역에 대상체의 관심단면이 포함되는지 결정할 수 있다. 여기서 분해능 취약 영역이란, 2D 어레이 프로브(110)의 모든 소자를 사용하여 초음파를 송수신하는 것과 코어레이를 사용하여 초음파를 송수신 하는 것이 등가를 이루지 않는 영역을 의미한다. 또한 대상체의 관심 단면이란 최종적으로 초음파 영상을 생성하고자 하는 대상체 내부의 위치를 의미하며, 사용자가 입력부를 통해 입력하거나 장치 내부 연산에 의해 결정될 수 있다.
전체의 엘리먼트를 이용하여 에코 초음파를 수신하는 경우에 비해, 일부의 엘리먼트만으로 에코 초음파를 수신할 경우 특정 영역에서 더 적은 정보를 획득할 위험이 있다. 이는 최종적으로 생성되는 초음파 영상의 분해능 저하를 가져오므로, 이와 같은 영역은 분해능 취약 영역이 된다. 분해능 취약 영역에서 에코 초음파를 수신할 경우 그에 대응하는 빔포밍을 수행하여, 생성되는 초음파 영상의 분해능 저하를 막을 수 있다.
분해능 취약 영역은 코어레이 설정에 따라 결정될 수 있다.
코어레이는 수학적으로 송신 엘리먼트와 수신엘리먼트 위치의 벡터 합의 집합으로 정의된다. 송신 애퍼쳐와 수신 애퍼쳐의 코어레이 쌍의 집합 C는 수학식 1과 같이 정의된다.
[수학식 1]
Figure 112013104860300-pat00001

여기서 AT는 전송 애퍼쳐에서 각 점들의 집합이고 AR은 수신 애퍼쳐에서 각 점들의 집합을 의미한다.
코어레이 연산은 송신 애퍼쳐와 수신 애퍼쳐의 컨볼루션(Convolution)으로 표현될 수 있다. 수학식 2는 크기가 N*M인 2D 어레이 프로브(110)에서 초음파를 송신할 때 전체 엘리먼트를 사용하고 에코 초음파를 수신할 때 전체 엘리먼트를 사용하는 경우의 코어레이 연산을 의미하고, 수학식 3은 크기가 N*M인 2D 어레이 프로브(110)에서 전체 엘리먼트를 사용하여 초음파를 송신하고 X자 형태의 어레이를 사용하여 에코 초음파를 수신하는 경우의 코어레이 연산을 의미한다.
[수학식 2]
Figure 112013104860300-pat00002

[수학식 3]
Figure 112013104860300-pat00003

여기서 λ는 송신되는 초음파의 파장이고, d는 엘리먼트 간격(Pitch of Elements)이며, α와 β는 수학식 4와 수학식 5를 만족한다.
[수학식 4]
Figure 112013104860300-pat00004

[수학식 5]
Figure 112013104860300-pat00005
여기서 x, y, z 는 도 2c에서 설명한 공간상의 좌표를 의미한다.
수학식 2와 3은 크기가 M*N인 2D 어레이 프로브(110)에서의 불연속 애퍼쳐 공간과 연속 이미지 공간(α, β)과의 푸리에 변환 관계(Fourier Transform Relation)를 나타낸다.
만약 α 또는 β가 0으로 설정되면, 수학식 2와 3이 동일해진다. α가 0이라면 yz평면을 의미하고 β가 0이라면 xz평면을 의미하므로, xz평면 또는 yz평면에 대하여 초음파를 송신하고 에코 초음파를 수신할 때, 엘리먼트 전체를 사용하여 에코 초음파를 수신하는 것과 X자 형태의 어레이를 통해 에코 초음파를 수신하는 것의 결과가 동일함을 확인할 수 있다.
그러나 xy-z평면에 대하여 초음파를 송신하고 에코 초음파를 수신하는 경우에는, α 와 β가 0이 아닌 실수 값을 가진다. 이러한 α 와 β를 수학식 2와 3에 대입하면 그 결과가 서로 달라진다. 따라서 전체 엘리먼트를 사용하여 초음파를 수신하는 것과 X자 형태의 어레이를 통해 에코 초음파를 수신하는 것은 더 이상 등가가 아닐 수 있다.
에코 초음파 수신 결과가 전체 엘리먼트를 사용한 경우와 등가가 아니라면, 생성되는 초음파 영상의 분해능 저하를 유발할 수 있고, 이러한 영상을 기초로 초음파 진단 시 그 정확도가 낮아 환자의 건강을 위협할 수도 있다.
이를 해결하기 위해 전체 엘리먼트를 사용하여 에코 초음파를 수신하는 경우와 코어레이를 사용하여 에코 초음파를 수신하는 경우가 등가가 아닌 평면의 집합을 분해능 취약 영역으로 설정하고, 이 영역에 대하여 코어레이를 사용하여 에코 초음파를 수집하면, 수집한 에코 초음파에 대하여 적절한 빔포밍을 수행할 수 있다. 이때 수행되는 빔포밍은 통상의 동적 수신 집속(Dynamic Receive focusing)뿐만 아니라, 초음파 영상의 분해능 저하를 막는 추가적 과정이 부가될 수 있다.
수학식 3는 X자 형 어레이를 통해 에코 초음파를 수신하는 경우에 관한 것이나 이는 일 실시예에 불과하므로, 코어레이의 형태에 따라 관련 수식이 달라질 수 있다. 따라서 사용하고자 하는 코어레이가 설정되면, 설정에 대응하는 수식이 결정되고, 이러한 수식에 따라 분해능 취약 영역이 결정될 수 있다.
연산부(210)는 이렇게 결정되는 분해능 취약 영역은 사용자의 입력 또는 장치 내부 연산에 의해 선택된 대상체의 관심단면이 포함되는지 결정할 수 있다.
도 5를 참조하면, 3차원 공간 상에서 빗금 친 영역이 xz평면과 yz평면을 의미한다. 이 영역에서는 X자 형 어레이를 사용하여 에코 초음파를 수신하더라도 전체 엘리먼트를 사용하는 경우와 등가를 이룬다. 그러나 빗금 친 영역을 제외한 음영처리 된 영역은, X자 형 어레이를 사용할 경우 전체 엘리먼트를 사용하는 경우와 다른 결과를 얻게 된다. 따라서 이 경우 음영처리 된 영역이 분해능 취약 영역으로 결정되고, 연산부(210)는 대상체의 관심영역이 분해능 취약 영역에 속하는지를 판단하게 된다.
빔포머(220)는 관심단면이 분해능 취약 영역에 속하는 것으로 연산부(210)가 판단한 경우, 송신된 초음파의 집속 여부에 대응하는 빔포밍 방법에 따라 빔포밍하여 에코 신호를 생성할 수 있다.
빔포머(220)는 위에서 언급한 것처럼, 코어레이를 사용할 때 발생하는 분해능 저하를 막기 위한 추가적인 과정을 부가하여 빔포밍을 수행한다. 빔포머(220)에서 수행되는 빔포밍의 실시예로 동적 수신 집속(Dynamic Receive Focusing), 후향 전송 빔포밍(Retrospective Transmit Beamforming) 또는 코히어런트 각 컴파운딩(Coherent Angular Compounding)을 포함할 수 있다.
빔포머(220)의 일 실시예는 동적 수신 집속을 수행하는 동적 수신 집속 빔포머(Dynamic Receive Focusing Beamformer; 223), 후향 전송 빔포밍을 수행하는 후향 전송 빔포머(Retrospective Transmit Beamformer; 221) 또는 코히어런트 각 컴파운딩 빔포머(Coherent Angular Compounding Beamformer; 222)를 포함할 수 있다.
빔포머(220)가 빔포밍을 수행하는 방법에 대하여는 제어부(230)를 통해 구체적으로 설명한다.
제어부(230)는 2D 어레이 프로브(110)의 코어레이를 설정할 수 있다. 앞서 언급한 것처럼, 송신 시 복수의 엘리먼트 전부를 사용하고 수신 시 X자 형 어레이를 사용하도록 설정할 수 있다.
또한 제어부(230)는 송신할 초음파의 집속 여부에 따라, 초음파의 조향(Steering) 방식을 제어할 수 있다. 송신되는 초음파의 집속 여부는 추후 빔포머(220)에서 진행할 빔포밍 방법을 결정하기 때문이다.
송신하는 초음파를 집속할 경우에도, 코어레이 설정에 따라 분해능 취약 영역이 결정되며, 관심단면이 분해능 취약 영역에 속한다면 정확한 초음파 영상을 생성하기 어렵다. 이에 대하여는 도 6a 및 6b를 통해 실험적으로 확인할 수 있다.
도 6a 와 6b는 집속된 초음파에 의해 수신된 에코 초음파의 점 확산 함수(Point Spread Function)를 나타내는 그래프이다. 특히 도 6a는 관심 영역이 xz평면 또는 yz평면일 때이고, 도 6b는 관심영역이 z축을 중심으로 45도 회전된 xz평면 또는 yz평면일 때이다. 도 6b의 관심영역을 대각면(Diagonal Plane)이라 한다.
도 6a 와 6b에서 실선은 전체 엘리먼트로 초음파를 송신하여 전체 엘리먼트로 에코 초음파를 수신할 때 수신되는 에코 초음파의 점 확산 함수를 나타내며, 점선은 전체 엘리먼트로 초음파를 송신하여 X자 형 어레이로 에코 초음파를 수신할 때 수신되는 에코 초음파의 점 확산 함수를 나타낸다.
도 6a와 같이, 집속된 초음파를 송신하여 xz평면 또는 yz평면으로부터 발생되는 에코 초음파를 수신하면, 전체 엘리먼트로 수신하는 경우와 코어레이를 사용할 때의 결과가 등가를 이룬다. 따라서 이 경우에는 일반적인 빔포밍을 수행할 수 있다. 여기서 일반적인 빔포밍이란 송신 고정 집속 및 수신 동적 집속 방법에 의한 빔포밍을 의미할 수 있다.
그러나 도 6b와 같이, 집속된 초음파를 송신하여 대각면으로부터 발생되는 에코 초음파를 수신하면, 전체 엘리먼트로 수신하는 경우와 코어레이를 사용하여 수신할 때의 결과가 다르게 된다.
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이러한 문제를 해결하기 위해 후향 전송 빔포밍 방법을 사용할 수 있다. 이하에서는 도 7 내지 9 를 참조하여 후향 전송 빔포밍 방법을 설명한다.
도 7은 송신 시 수행하는 초음파 집속을 설명하기 위한 도면이다.
초음파를 집속하고자 하는 위치인 집속점에서부터 각 엘리먼트 간의 서로 다른 거리를 감안하여 각기 다른 시간지연(Time-Delay)를 줌으로써 집속점에서만 송신 신호가 최대가 되도록 할 수 있다. 구체적으로, 초음파를 발생시키기 위한 송신 신호를 생성한다. 송신 신호는 송신 지연부(Delay Unit)로 전달되고, 송신 지연부는 전달받은 송신 신호에 서로 다른 시간 지연을 적용할 수 있다. 시간 지연이 적용된 송신 신호는 파워 앰프(Power Amp)를 통해 복수의 트랜스듀서 엘리먼트로 전달될 수 있다. 이러한 과정을 통해 트랜스듀서에서 출력되는 초음파는 서로 다른 송신 지연 시간에 기초하여 집속점에 도달하였을 때 동일한 위상을 갖게 된다.
동적 송신 집속(Dynamic Transmit Focusing)은 하나의 스캔라인(Scanline)에 위치한 복수의 집속점들로 초음파 신호를 복수 회 집속 시키는 것을 의미한다. 예를 들어, 복수의 스캔라인들 중 어느 하나에 10개의 집속점들로 초음파 신호들을 10회 집속 시키는 경우, 초음파 영상의 분해능이 향상될 수 있다. 다만, 대상체 내에서 전달되는 초음파의 진행 속도(1540m/s)를 감안하였을 때 송신 시 하나의 스캔라인에 10개의 집속점들로 초음파를 집속시키는 것은 실시간 영상화에 걸림돌이 될 수 있다.
제어부(230)는 서로 다른 스캔라인에 서로 다른 집속점들로 초음파를 집속시키고, 서로 다른 집속점들로부터 반사되는 에코 초음파를 가상 소스(Virtual Source)로 가정하여 초음파 영상을 획득하도록 2D 어레이 프로브(110)를 제어함으로써, 송신 동적 집속이 가능하도록 한다. 이와 같이, 복수의 가상 소스를 통해 초음파 영상을 획득하는 방법은 합성 애퍼쳐(Snthetic Aperture Imaging) 방법일 수 있다. 특히, 가상 소스가 2D 어레이 프로브(110)의 전방에 위치하여, 가상 소스의 전방과 후방으로 구면파가 진행되도록, 가상소스를 구성하는 방법은 후향 송신 빔포밍(Retrospective Transmit Beamforming) 방법일 수 있다.
후향 송신 빔포밍 방법을 설명하기 위해, 도 8을 참조하여 집속점, 가상 소스 및 가상 애퍼쳐의 개념을 먼저 설명한다.
도 8의 좌측 그림을 보면, 트랜스듀서 어레이를 구성하는 복수의 엘리먼트로부터 생성된 초음파가 집속점으로 집속되는 경우를 나타낸다. 송신된 초음파의 폭은 트랜스듀서로부터 집속점까지 점차 좁아지며, 집속점에 이른 이후 초음파 폭이 점차 증가하는 형태를 갖는다.
이는 집속점의 위치에 가상 소스가 존재하고, 가상 소스로부터 초음파가 발생하는 것으로 가정할 수 있다. 즉, 도 8의 좌측 그림을 가운데 그림으로 치환할 수 있다. 그 결과, 집속점은 가상 소스로 치환되고, 1회의 초음파 송신으로 한 개의 가상 소스가 구성될 수 있다.
일반적으로, 대상체로부터 수신한 에코 초음파는 복수의 엘리먼트로부터 송신된 초음파가 대상체에 도달한 모든 영역의 정보를 갖는다. 만약 송신되는 초음파의 폭이 넓다면 더 넓은 영역의 정보를 획득할 수 있다. 따라서 초음파를 조향(Steering)하여 송신 할 경우, 즉 복수의 스캔라인을 따라 초음파를 송신할 경우, 어느 하나의 스캔라인을 따라 진행하는 초음파가 다른 스캔라인 상의 영상점에 대한 정보를 포함할 수 있다.
도 8의 우측 그림을 보면, 세 개의 가상 소스가 존재하고 이들은 가상 애퍼쳐(Virtual Aperture)를 형성한다. 각각의 가상 소스에서 발생한 송신 영역은 영상점 A와 B에 해당하는 정보를 모두 포함하고 있다. 가상의 애퍼쳐로부터 송신된 초음파는 각각 다른 시간 지연을 가지고 영상점 A와 B에 도달할 수 있고, 동적 수신 집속 시에 송신에 대한 추가의 가변 지연 보상을 통하여 동적 송신 집속을 가능하게 할 수 있다. 이하에서는 동적 송신 집속 방법중의 하나인 후향 송신 빔포밍 방법을 설명한다.
도 9는 후향 송신 빔포밍에 따른 초음파의 송수신 방법의 일 실시예를 리니어 스캔을 전제로 설명하기 위한 도면이다.
2D 어레이 프로브(110)의 복수의 엘리먼트 중 A 그룹에 속한 복수의 엘리먼트는 복수의 스캔라인 들 중 제 1 스캔라인 L0에 위치한 제 1 집속점 f0를 향하여 초음파를 송신할 수 있다. 이 때, A 그룹에 속한 엘리먼트 각각으로부터 송신되는 복수의 초음파는 서로 다른 지연시간이 적용될 수 있다. 이를 통해 복수의 초음파는 제 1 집속점 f0에 집속될 수 있다. 복수의 엘리먼트 중 에코 초음파를 수신하는 엘리먼트 0은 A 그룹에 속한 엘리먼트로부터 제 1 집속점 f0로 송신되는 초음파에 의해 발생한 제 1 에코 초음파를 수신할 수 있다.
이와 같은 방식으로, 복수의 엘리먼트 중 B 그룹에 속한 엘리먼트는 복수의 스캔라인 들 중 제 2 스캔라인 L2에 위치한 제 2 집속점 f2를 향하여 초음파를 송신할 수 있다. 또한, B 그룹에 속한 엘리먼트 각각으로부터 송신되는 복수의 초음파는 서로 다른 지연시간이 적용될 수 있다. 이를 통해 복수의 초음파는 제 2 집속점 f2에 집속될 수 있다. 복수의 엘리먼트 중 엘리먼트 0은 B 그룹에 속한 엘리먼트로부터 제 2 집속점 f2로 송신되는 초음파에 의해 발생한 제 2 에코 초음파를 수신할 수 있다.
도 9의 P1, P2, P3 및 P4 각각은 영상 점을 의미한다. 이와 같은 영상점들은 복수의 엘리먼트로부터 정의된 복수의 스캔라인들 각각에 포함된다. 예를 들어, P1과 P2는 제 1 스캔라인 L0에 포함된 영상점들이다. 한편, P1'은 P1과 f0를 중심으로 하는 같은 동심원상(점선)에 있기 때문에, P1'으로부터 제 1 스캔라인 L0에 위치한 제 1 집속점 f0까지 초음파가 도달하는 시간은 P1으로부터 제 1 집속점 f0까지 초음파가 도달하는 시간과 같다.
수신 엘리먼트가 수신하는 제 1 에코 초음파와 제 2 에코 초음파는, 영상점 P1에 대한 정보를 포함할 수 있다. 구체적으로, 영상점 P1은 제 1 스캔라인 L0에 포함된 복수의 영상점들 중 하나이고, 제 1 에코 초음파는 영상점 P1으로부터 반사된 성분을 포함하며, 제 2 에코 초음파 역시 영상점 P1으로부터 반사된 성분을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제 1 스캔라인 L0의 제 1 집속점 f0를 향하여 A 그룹에 속한 엘리먼트 0에서 송신된 초음파는 Z1의 경로를 t1 시간 동안 진행하여 영상점 P1에 도달한다. 그 결과, 영상점 P1에서 반사된 에코 초음파는 Z1의 경로를 t1 시간 동안 진행하여 엘리먼트 0에 의해 수신될 수 있다.
또한 제 2 스캔라인 L2의 제 2 집속점 f2를 향하여 B 그룹에 속한 엘리먼트 2에서 송신된 초음파는 Z2의 경로를 t2 시간 동안 진행하여 영상점 P1에 도달하고, 영상점 P1에서 반사된 에코 초음파는 Z1의 경로를 t3 시간 동안 진행하여 엘리먼트 0에 의해 수신될 수 있다. 이 때, 제 2 스캔라인에 따라 제 2 집속점 f2를 향하여 송신된 초음파는 엘리먼트 2로부터 Z2의 경로를 t2 시간동안 진행할 수 있다. 그 때의 위치는 P1과 f2를 중심으로 하는 같은 동심원상(점선)에 있기 때문에, 그 위치로부터 에코 초음파가 수신 트랜스듀서 0에 도달하는데 필요한 시간 t3는 에코 초음파가 영상점 P1으로부터 수신 트랜스듀서 0에 도달하는데 필요한 시간 t1과 같게 된다.
수신 엘리먼트에서 수신한 제 1 에코 신호 및 제 2 에코 신호를 빔포밍하여 에코 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 제 2 에코 초음파에 적절한 수신 지연시간을 적용하고, 적용된 제 2 에코 초음파와 제 1 에코 초음파를 합성할 수 있다. 뿐만 아니라, 제 3 에코 초음파를 더 수신하여, 제 1 에코 초음파, 제 2 에코 초음파 및 제 3 에코 초음파를 합성할 수도 있다. 이 때, 제 3 에코 초음파는 다른 그룹에 속한 복수의 엘리먼트에서 다른 스캔라인에 위치한 다른 집속점으로 초음파를 송신한 후, 엘리먼트 0에서 수신하는 에코 초음파를 의미할 수 있다.
수신 엘리먼트의 스캔라인에 위치하는 복수의 영상점들 각각으로부터 반사된 에코 초음파가 같은 시간에 더해질 수 있도록 제 2 에코 초음파에 적용되는 수신 지연시간을 조정할 수 있다. 예를 들어, 영상점 P1으로부터 반사되는 에코 초음파의 위상을 크게 하기 위하여, 영상점 P1으로부터 반사된 제 2 에코 초음파에 적절한 수신 지연 시간을 적용하여 제 1 에코 초음파에 합성할 수 있다. 이러한 합성을 코히어런트 합(Coherent Sum)이라고 한다.
수신 엘리먼트에서 수신한 복수의 에코 초음파를 합하면 초음파 영상의 기초가 되는 에코 신호를 생성할 수 있다.
이처럼 후향 전송 빔포밍을 수행하면, 가상 애퍼쳐에 포함된 가상 소스들을 이용하여 수신 엘리먼트로부터 정의된 스캔라인 상에 존재하는 영상점들 각각에서 동적 송신 집속이 가능해 진다.
도 9는 리니어 스캔을 전제로 후향 전송 빔포밍을 설명하였으나, 집속된 초음파를 조향하는 경우(피라미드 스캔)에도 동일한 방법으로 후향 전송 빔포밍이 수행될 수 있다.
제어부(230)는 도 7, 8 및 9를 통해 설명한 후향 전송 빔포밍을 수행하기 위해, 2D 어레이 프로브(110)를 제어할 수 있다. 이에 앞서 제어부(230)는 2D 어레이 프로브(110)의 코어레이 설정을 수행하는 것을 전제로 한다.
구체적으로 제어부(230)는 복수의 엘리먼트 전부를 이용하여, 대상체 내부의 복수의 집속점으로 복수의 스캔라인을 따라 복수의 초음파를 조사하도록 2D 어레이 프로브(110)를 제어할 수 있다. 또한 복수의 엘리먼트 중 일부, 예를 들어 X자 형 어레이를 이용하여 복수의 스캔라인이 위치하는 대상체 내부의 정보가 포함된 복수의 에코 초음파를 수신하도록 2D 어레이 프로브(110)를 제어할 수 있다. 즉, 코어레이를 이용하여 복수의 집속점으로 초음파를 조향하여 송신할 수 있다.
이와 같은 제어부(230)의 제어에 따라 2D 어레이 프로브(110)는 복수의 에코 초음파를 수신할 수 있다.
후향 전송 빔포머(221)는 이렇게 수신한 복수의 에코 초음파 중 대상체 내부의 동일한 위치의 정보를 포함하는 적어도 두 개를 코히어런트 합할 수 있다. 코히어런트 합의 결과 각각의 스캔라인에 대응하는 각각의 에코 신호를 생성할 수 있다. 복수의 가상 소스를 가정하는 후향 전송 빔포밍 방식에 따를 경우, 복수의 영상점에 송신 집속이 이루어지게 되어, 결과적으로 집속점 이외의 영역에 대한 초음파 영상의 분해능이 낮아지는 문제를 해결할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 제어부(230)는 초음파를 집속하지 않고 평면파 형태로 전송하는 경우에도, 초음파의 조향 방식을 제어할 수 있다.
초음파를 집속하지 않고 송신할 경우에도, 코어레이 설정에 따른 분해능 저하의 문제가 발생할 수 있다. 이하에서는 도 10a 및 10b를 통해 이러한 문제를 시뮬레이션 결과를 통해 설명한다.
도 10a 와 10b는 평면파 형태의 초음파에 의해 수신된 에코 초음파의 점 확산 함수를 나타내는 그래프이다. 특히 도 10a는 관심 영역이 xz평면 또는 yz평면일 때이고, 도 10b는 관심영역이 z축을 중심으로 45도 회전된 xz평면 또는 yz평면일 때이다. 도 10b의 관심영역을 대각면(Diagonal Plane)이라 한다.
도 10a 와 10b에서 실선은 전체 엘리먼트로 초음파를 송신하여 전체 엘리먼트로 에코 초음파를 수신할 때 수신되는 에코 초음파의 점 확산 함수를 나타내며, 점선은 전체 엘리먼트로 초음파를 송신하여 X자 형 어레이로 에코 초음파를 수신할 때 수신되는 에코 초음파의 점 확산 함수를 나타낸다.
도 10a와 같이, 집속되지 않은 평면파 형태의 초음파를 송신하여 xz평면 또는 yz평면으로부터 발생되는 에코 초음파를 수신하면, 전체 엘리먼트로 수신하는 경우와 코어레이를 사용할 때의 결과가 유사하다. 따라서 이 경우에는 일반적인 빔포밍을 수행할 수 있다. 여기서 일반적인 빔포밍이란 평면파 형태의 에코 초음파를 수신하여 동적 수신 집속을 통해 에코 신호를 생성하는 과정을 의미할 수 있다.
그러나 도 10b와 같이, 평면파 형태의 초음파를 송신하여 대각면으로부터 발생되는 에코 초음파를 수신하면, 전체 엘리먼트로 수신하는 경우와 코어레이를 사용하여 수신할 때의 결과가 크게 차이가 남을 확인할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 코히어런트 각 컴파운딩(Coherent Angular Compounding)을 사용할 수 있다.
코히어런트 각 컴파운딩은 송신시 여러 각도로 평면파 형태의 초음파를 송신하고, 이에 대응하는 평면파 형태의 에코 초음파를 수신 한 뒤, 이를 합성하여 에코 신호를 생성하는 것을 의미한다. 코히어런트 각 컴파운딩은 여러 차례 평면파를 송수신하여 초음파 영상을 위한 에코 신호를 생성하므로, 합성 횟수가 늘어날수록 생성되는 영상의 품질과 신뢰도가 높아질 수 있다.
도 11은 코히어런트 각 컴파운딩을 위한 초음파 송신 방법을 설명하기 위한 도면이다.
제어부(230)는 코히어런트 각 컴파운딩을 위해 평면파 형태의 초음파를 조향하여 대상체로 조사하도록 2D 어레이 프로브(110)를 제어할 수 있다. 이를 위해 각 엘리먼트에서 송신 시간지연을 적용할 수 있다.
도 11을 참조하면, 제어부(230)는 모든 엘리먼트를 사용하여 a 방향으로 진행하는 평면파 A를 송신하도록 2D 어레이 프로브(110)를 제어할 수 있다. 또한 제어부(230)는 모든 엘리먼트를 사용하여 b 방향으로 진행하는 평면파 B를 송신하도록 2D 어레이 프로브(110)를 제어할 수 있다. 이와 같이 진행방향을 달리하는 평면파를 대상체로 송신함으로써 코히어런트 각 컴파운딩을 위한 에코 초음파를 수신할 수 있다.
제어부(230)는 평면파 형태의 초음파를 조향하여 송신하기 위해, 각 엘리먼트에 송신 지연시간을 적용할 수 있는데, 이는 수학식 6을 따른다.
[수학식 6]
Figure 112013104860300-pat00006

여기서 Td는 각 엘리먼트에 적용되는 송신 지연시간을 의미하고, (x,y)는 각 엘리먼트의 위치를 나타내며, Θx 및 Θy는 x축 또는 y축을 기준으로 기울어진 각도를 의미한다.
제어부(230)는 위의 송신 지연시간을 기초로 평면파를 조향하여 송신하고, 이에 대응하는 평면파 형태의 복수의 에코 초음파를 일부 엘리먼트, 예를 들어 X자 형 어레이를 이용하여 수신하도록 2D 어레이 프로브(110)를 제어할 수 있다.
코히어런트 각 컴파운딩 빔포머(222)는 복수의 에코 초음파 중에서 동일한 위치의 정보를 포함하는 적어도 두 개를 코히어런트 합할 수 있다. 이를 통해, 코히어런트 각 컴파운딩 빔포머(222)는 초음파 영상의 기초가 되는 에코 신호를 생성할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 영상처리부(240)는 빔포머로부터 에코 신호를 전달받아 이를 초음파 영상으로 변환할 수 있다. 이 때, 생성되는 초음파 영상은 대상체 내부의 관심단면에 대한 영상일 수 있다. 에코 신호를 초음파 영상으로 변환하는 방법은 통상의 기술자에게 널리 알려진 기술이므로 자세한 설명은 생략한다.
디스플레이(160)는 영상처리부(240)에서 생성된 초음파 영상을 화면에 표시할 수 있다.
도 12a 내지 12c는 초음파를 집속시켜 획득한 초음파 영상의 실시예를 도시하고 있다.
도 12a는 관심단면이 xz평면인 경우를 예시하고 있고, 도 12b는 관심단면이 대각평면인 경우를 예시하고 있으며, 도 12c는 관심단면이 대각평면인 경우 후향 전송 빔포밍 방법에 의해 획득한 영상을 예시하고 있다.
도 12a와 같이 관심단면이 xz평면인 경우, 집속된 초음파를 송신하여 획득한 초음파 영상은 측방향 분해능이 우수하다. 반면 도 12b와 같이 관심단면이 대각평면인 경우, 초음파 영상의 측방향 분해능이 떨어짐을 확인할 수 있다. 특히 송신하는 초음파의 집속 깊이인 30mm 근방을 제외한 다른 영역의 분해능이 낮아진다. 이를 개선하기 위해 후향 전송 빔포밍을 통해 양방향 집속이 이루어지도록 할 수 있고, 그 결과 도 12c와 같이 측방향 분해능이 우수한 초음파 영상을 획득할 수 있다.
디스플레이(160)는 초음파를 집속시켜 획득한 초음파 영상 뿐만 아니라, 평면파 형태의 초음파를 송신하여 획득한 초음파 영상을 화면에 표시할 수 있다.
도 13a 내지 13c는 평면파 형태의 초음파를 송신하여 획득한 초음파 영상의 실시예를 도시하고 있다.
도 13a는 관심단면이 xz평면인 경우를 예시하고 있고, 도 13b는 관심단면이 대각평면인 경우를 예시하고 있으며, 도 13c는 관심단면이 대각평면인 경우 코히어런트 각 컴파운딩에 의해 획득한 영상을 예시하고 있다.
도 13a와 같이 관심단면이 xz평면인 경우, 집속된 초음파를 송신하여 획득한 초음파 영상은 측방향 분해능이 우수하다. 반면 도 13b와 같이 관심단면이 대각평면인 경우, 초음파 영상의 측방향 분해능이 떨어짐을 확인할 수 있다. 이를 개선하기 위해 진행방향이 다른 복수의 평면파를 송신하여 대응하는 에코 초음파를 수신하고, 수신한 에코 초음파를 코히어런트 각 컴파운딩 함으로써 13c와 같이 측방향 분해능이 우수한 초음파 영상을 획득할 수 있다.
도 14는 초음파 영상장치의 제어방법의 일 실시예에 따른 흐름도이다.
먼저 2D 어레이 프로브(110)의 코어레이를 설정할 수 있다.(300) 이는 사용자 또는 장치 내부 연산에 의해 결정되는 코어레이를 제어부(230)가 설정하게 된다. 이 때, 설정되는 코어레이는 복수의 엘리먼트 전부를 이용하여 초음파를 송신하고 복수의 엘리먼트 중 일부, 예를 들어 X자 형 어레이를 이용하여 에코 초음파를 수신할 수 있다.
코어레이가 설정되면, 초음파 영상으로 생성하고자 하는 대상체 내부의 관심단면을 입력 받을 수 있다.(310) 이 때, 관심단면은 사용자 또는 장치 내부 연산에 의해 입력될 수 있다.
다음으로, 입력받은 관심단면이 분해능 취약 영역에 속하는지를 판단한다.(320) 분해능 취약 영역이란, 복수의 엘리먼트 전부를 이용하여 초음파를 송수신하는 경우와 코어레이를 이용하여 초음파를 송수신하는 경우의 결과가 다른 영역을 의미한다. 이 경우 초음파 영상의 분해능이 떨어지므로 그에 맞는 빔포밍을 수행할 필요가 있다.
만약 관심단면이 분해능 취약 영역에 속하지 않으면, 일반적인 방식으로 초음파를 송수신하여 빔포밍을 수행한다.(360) 여기서 일반적인 방식이란, 복수의 엘리먼트 전부를 이용하여 초음파를 송수신하는 경우에 사용하는 동적 수신 집속일 수 있다. 빔포밍의 결과로 에코 신호를 획득할 수 있다.
그러나 관심단면이 분해능 취약 영역에 속한다면, 그에 맞는 빔포밍을 수행하여야 한다. 빔포밍 방법은 초음파를 집속할지에 따라 결정되므로, 초음파를 집속하여 송신할 것인지를 먼저 판단한다.
초음파를 집속할 것이라면, 초음파를 대상체 내부로 집속하여 송신한다.(340) 특히 후에 수행할 후향 전송 빔포밍을 위해, 복수의 집속점으로 조향하여 초음파를 송신할 수 있다.
송신된 초음파에 대응하여 에코 초음파를 획득한 후, 이를 기초로 후향 전송 빔포밍을 수행하게 된다.(341) 후향 전송 빔포밍의 결과로 에코 신호를 생성할 수 있다. 후향 전송 빔포밍 방법은 도 15를 통해 설명하도록 한다.
만약 초음파를 집속하지 않는다면, 평면파 형태의 초음파를 대상체로 송신할 수 있다.(350) 특히 후에 수행할 코히어런트 각 컴파운딩을 위해, 서로 다른 진행방향을 가지는 복수의 평면파를 대상체로 송신할 수 있다.
송신된 초음파에 대응하여 에코 초음파를 획득한 후, 이를 기초로 코히어런트 각 컴파운딩을 수행하게 된다.(351) 코히어런트 각 컴파운딩을 통해 에코 신호를 생성할 수 있다. 코히어런트 각 컴파운딩은 도 16을 통해 설명하도록 한다.
빔포밍에 의해 생성된 에코 신호를 기초로 관심단면에 대한 초음파 영상을 생성하게 된다.(370)
도 15는 코어레이를 사용하여 후향 전송 빔포밍을 수행하는 방법의 일 실시예에 따른 흐름도이다.
먼저 2D 어레이 프로브의 전체 엘리먼트를 통해 초음파를 송신하여 대상체 내부의 집속점에 집속시킨다.(400) 또한 후에 수행할 빔포밍을 위해 서로 다른 집속점에 초음파가 집속되도록 초음파를 조향시킬 수 있다.(410)
다음으로, 일부 엘리먼트, 예를 들어 X자 형 어레이를 이용하여 각각의 스캔라인이 위치하는 대상체 내부의 정보를 포함하는 에코 초음파를 수신할 수 있다.(420) 이 때, 수신된 에코 초음파를 일반적인 빔포밍을 통해 영상화하면 집속점 이외의 영역에서 분해능이 낮다.
따라서 이를 보완하기 위해 후향 전송 빔포밍을 수행한다. 즉 동일한 위치의 정보를 포함하는 적어도 두 개의 에코 초음파를 코히어런트 합하여 각각의 스캔라인에 대응하는 각각의 에코 신호를 생성한다.(430) 이렇게 생성된 에코 신호를 기초로 관심 단면에 대한 초음파 영상을 생성할 수 있다.(440)
도 16은 코어레이를 사용하여 코히어런트 각 컴파운딩을 수행하는 방법의 일 실시예에 따른 흐름도이다.
우선, 전체 엘리먼트를 이용하여 평면파 형태의 초음파를 대상체로 송신한다.(500) 또한, 후에 수행할 빔포밍을 위해, 진행방향을 달리하는 평면파 형태의 초음파가 송신되도록 초음파를 조향한다.(510) 이를 위해 각각의 엘리먼트에 송신 지연시간을 적용할 수 있다.
다음으로, 일부 엘리먼트를 이용하여 평면파 형태의 각각의 초음파에 의해 발생된 평면파 형태의 각각의 에코 초음파를 수신한다.(520) 이를 일반적인 빔포밍 방법에 의해 영상화 할 경우, 초음파 영상의 측방향 분해능이 매우 낮을 수 있다.
이를 보완하기 위해, 코히어런트 각 컴파운딩을 수행할 수 있다. 즉, 적어도 대개의 평면파 형태의 에코 초음파를 코히어런트 합하여 대상체에 대한 에코 신호를 생성할 수 있다.(530) 이렇게 생성된 에코신호를 기초로 관심 단면에 대한 초음파 영상을 생성할 수 있다.(540)
110: 2D 어레이 프로브
160: 디스플레이
210: 연산부
220: 빔포머
230: 제어부
240: 영상처리부

Claims (21)

  1. 복수의 엘리먼트(Element)가 2차원으로 배열된 2D 어레이 프로브를 이용하는 초음파 영상장치의 제어방법에 있어서,
    상기 복수의 엘리먼트 전부에서 초음파를 송신하고 상기 복수의 엘리먼트 중 미리 정해진 일부에서 에코 초음파를 수신하도록 설정하는 단계;
    상기 설정에 따라 결정되는 분해능 취약 영역에 대상체의 관심단면이 포함되는지 결정하는 단계; 및
    상기 관심단면이 상기 분해능 취약 영역에 속한다면, 상기 설정에 따라 상기 초음파를 송신하고 상기 에코 초음파를 수신하여, 상기 송신된 초음파의 집속 여부에 대응하는 빔포밍 방법에 따라 상기 관심 단면에 대한 초음파 영상을 생성하는 단계를 포함하는 초음파 영상장치의 제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분해능 취약 영역에 상기 관심단면이 포함되는지 결정하는 단계는,
    상기 에코 초음파를 상기 복수의 소자 전부에서 수신할 때와 상기 복수의 소자 일부에서 수신할 때의 결과가 동일한지 판단하는 것을 포함하는 초음파 영상장치의 제어방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 영상을 생성하는 단계는,
    상기 초음파를 집속시키는 경우, 복수의 스캔라인(Scanline)을 따라 송신된 상기 복수의 초음파에 대응하는 상기 복수의 에코 초음파를 수신하고, 상기 복수의 에코 초음파 중 동일한 위치의 정보를 포함하는 적어도 두 개의 코히어런트 합(Coherent Sum)을 기초로 상기 관심단면에 대한 상기 초음파 영상을 생성하는 초음파 영상장치의 제어방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 초음파 영상을 생성하는 단계는,
    상기 2D 어레이 프로브의 상기 복수의 엘리먼트 전부를 이용하여, 상기 대상체 내부의 복수의 집속점으로 상기 복수의 스캔라인을 따라 상기 복수의 초음파를 송신하는 것을 포함하는 초음파 영상장치의 제어방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 초음파 영상을 생성하는 단계는,
    상기 2D 어레이 프로브의 상기 일부 엘리먼트를 이용하여, 상기 복수의 스캔라인이 위치하는 상기 대상체 내부의 정보가 포함된 상기 복수의 에코 초음파를 수신하는 것을 포함하는 초음파 영상장치의 제어방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 초음파 영상을 생성하는 단계는,
    상기 복수의 에코 초음파 중 상기 대상체 내부의 동일한 위치의 정보를 포함하는 적어도 두 개를 코히어런트 합하여 각각의 스캔라인에 대응하는 각각의 에코 신호를 생성하고, 상기 각각의 에코 신호를 기초로 상기 관심 단면에 대한 상기 초음파 영상을 생성하는 초음파 영상장치의 제어방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 영상을 생성하는 단계는,
    상기 초음파를 집속하지 않는 경우, 진행방향을 달리하는 복수의 평면파에 의해 발생된 복수의 에코 초음파를 수신하고, 상기 복수의 에코 초음파 중 동일한 위치의 정보를 포함하는 적어도 두 개의 코히어런트 합(Coherent Sum)을 기초로 상기 관심 단면에 대한 상기 초음파 영상을 생성하는 초음파 영상장치의 제어방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 초음파 영상을 생성하는 단계는,
    상기 2D 어레이 프로브의 상기 복수의 엘리먼트 전부를 이용하여 평면파 형태의 서로 다른 진행방향을 가지는 복수의 초음파를 상기 대상체로 전송하는 초음파 영상장치의 제어방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 초음파 영상을 생성하는 단계는,
    상기 2D 어레이 프로브의 상기 일부 엘리먼트를 이용하여 상기 복수의 초음파에 의해 상기 대상체 내부로부터 발생된 평면파 형태의 상기 복수의 에코 초음파를 수신하는 초음파 영상장치의 제어방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 초음파 영상을 생성하는 단계는,
    평면파 형태의 상기 복수의 에코 초음파 중 동일한 위치의 정보를 포함하는 적어도 두 개를 코히어런트 합하여 상기 대상체에 대한 에코 신호를 생성하고, 상기 에코 신호를 기초로 상기 관심 단면에 대한 상기 초음파 영상을 생성하는 초음파 영상장치의 제어방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 엘리먼트 중 미리 정해진 일부에서 에코 초음파를 수신하도록 설정하는 단계는,
    상기 복수의 엘리먼트 중 서로 다른 대각선 방향으로 배열되는 엘리먼트에서 상기 에코 초음파를 수신하도록 설정하는 초음파 영상장치의 제어방법.
  12. 2D 어레이 프로브의 복수의 엘리먼트(Element) 전부에서 초음파를 송신하고 상기 복수의 엘리먼트 중 미리 정해진 일부에서 에코 초음파를 수신하도록 설정하는 제어부;
    상기 설정에 따라 결정되는 분해능 취약 영역에 대상체의 관심단면이 포함되는지 결정하는 연산부;
    상기 설정에 따라 상기 초음파를 송신하여 상기 에코 초음파를 수신하는 2D 어레이 프로브;
    상기 관심단면이 상기 분해능 취약 영역에 속하지 않는다면, 상기 에코 초음파의 집속 여부에 대응하는 빔포밍 방법에 따라 빔포밍하여 에코 신호를 생성하는 빔포머;
    상기 에코 신호를 기초로 상기 대상체의 관심단면에 대한 초음파 영상을 생성하는 영상처리부를 포함하는 초음파 영상장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 연산부는 상기 에코 초음파를 상기 복수의 소자 전부에서 수신할 때와 상기 복수의 소자 일부에서 수신할 때의 결과가 동일하지 않은 상기 분해능 취약 영역에 상기 관심단면이 포함되는지 판단하는 초음파 영상장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 빔포머는,
    상기 초음파를 집속하여 송신한 경우, 복수의 스캔라인(Scanline)을 따라 송신된 상기 복수의 초음파에 대응하는 상기 복수의 에코 초음파 중 동일한 위치의 정보를 포함하는 적어도 두 개를 코히어런트 합(Coherent Sum)하여 상기 에코 신호를 생성하는 후향 전송 빔포머(Retrospective Transmit Beamformer)를 포함하는 초음파 영상장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 엘리먼트 전부를 이용하여, 상기 대상체 내부의 복수의 집속점으로 상기 복수의 스캔라인을 따라 상기 복수의 초음파를 조사하도록 상기 2D 어레이 프로브를 제어하는 초음파 영상장치.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 일부 엘리먼트를 이용하여, 상기 복수의 스캔라인이 위치하는 상기 대상체 내부의 정보가 포함된 상기 복수의 에코 초음파를 수신하도록 상기 2D 어레이 프로브를 제어하는 초음파 영상장치.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 후향 전송 빔포머는,
    상기 복수의 에코 초음파 중 상기 대상체 내부의 동일한 위치의 정보를 포함하는 적어도 두 개를 코히어런트 합하여 각각의 스캔라인에 대응하는 각각의 에코 신호를 생성하는 초음파 영상장치.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 빔포머는,
    상기 초음파를 집속하지 않고 송신한 경우, 진행방향을 달리하는 복수의 평면파에 의해 발생된 복수의 에코 초음파 중 동일한 위치의 정보를 포함하는 적어도 두 개를 코히어런트 합(Coherent Sum)하여 상기 에코 신호를 생성하는 코히어런트 각 컴파운딩 빔포머(Coherent Angular Compounding Beamformer)를 포함하는 초음파 영상장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 복수의 엘리먼트 전부를 이용하여, 상기 평면파 형태의 서로 다른 진행방향을 가지는 복수의 초음파를 상기 대상체로 전송하도록 상기 2D 어레이 프로브를 제어하는 초음파 영상장치.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 일부 엘리먼트를 이용하여, 상기 복수의 초음파에 의해 상기 대상체 내부로부터 발생된 평면파 형태의 상기 복수의 에코 초음파를 수신하도록 상기 2D 어레이 프로브를 제어하는 초음파 영상장치.
  21. 제 12 항에 있어서,
    상기 2D 어레이 프로브는,
    상기 복수의 엘리먼트 중 서로 다른 대각선 방향으로 배열되는 엘리먼트에서 상기 에코 초음파를 수신하도록 설정되는 초음파 영상장치.
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