KR102210014B1 - 영상처리장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

영상처리장치는 복수의 주파수 대역을 갖는 신호를 수신하는 수신부, 제2 주파수 대역의 신호가 임계값 이상의 신호 강도를 포함하도록 신호를 제1 주파수 대역 및 제2 주파수 대역으로 분할하고, 분할된 제1 주파수 대역 및 제2 주파수 대역 각각에 대한 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상을 생성하는 영상 복원부, 및 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상을 합성하는 영상 합성부를 포함한다.

Description

영상처리장치 및 그 제어방법{IMAGE PROCESSING APPARATUS AND CONTROLLING METHOD THEREOF}
본 발명은 영상을 처리하는 영상처리장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 영상처리장치는 환자의 정보를 획득하여 영상을 제공하는 장치이다. 영상처리장치는 X선 장치, 초음파 진단 장치, 컴퓨터 단층촬영 장치 및 자기공명영상 장치 등이 있다.
다만, 각 영상처리장치는 다음과 같은 특징을 포함하고 있다. 예를 들어, 자기공명영상 장치는 방사선 노출을 사용하지 않으며, 영상 촬영 조건이 상대적으로 자유롭고, 연부 조직에서의 우수한 대조도와 다양한 진단 정보 영상을 제공하나, 영상 획득 시간이 상대적으로 길고 촬영 시에 많은 비용이 든다. 또한, 컴퓨터 단층 촬영 장치는 영상 획득 시간이 짧고, 비용이 저렴하나, 상대적으로 높은 해상도를 제공하지 못하며, 환자가 방사선에 노출될 수 있다.
다수의 주파수 대역 별로 영상을 분할하고 합성함으로써 영상 처리를 수행하는 영상처리장치 및 그 제어방법을 제안하고자 한다.
일 측면에 따른 영상처리장치는, 복수의 주파수 대역을 갖는 신호를 수신하는 수신부, 제2 주파수 대역의 신호가 임계값 이상의 신호 강도를 포함하도록 신호를 제1 주파수 대역 및 제2 주파수 대역으로 분할하고, 분할된 제1 주파수 대역 및 제2 주파수 대역 각각에 대한 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상을 생성하는 영상 복원부, 및 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상을 합성하는 영상 합성부를 포함한다.
또한, 영상 복원부는 제1 주파수 대역 및 제2 주파수 대역이 균등한 신호 강도를 포함하도록 신호를 분할할 수 있다.
또한, 영상 복원부는 고조파 대역의 신호가 임계값 이상의 신호 대 잡음비를 포함하도록 신호를 기본파 대역 및 고조파 대역으로 분할하고, 영상 복원부는 기본파 대역 및 고조파 대역 각각에 대한 복원 영상을 생성할 수 있다.
또한, 영상 복원부는 신호가 초점 영역과 가까운 영상에 대한 신호일수록 고조파 대역의 대역폭을 확장시킬 수 있다.
또한, 영상 복원부는 분할된 각 신호에 대하여 디컨볼루션을 수행 할 수 있다.
또한, 영상 복원부는, 분할된 각 신호의 점확산 함수를 추정하고, 분할된 각 신호와 점확산 함수를 디컨볼루션하여 복원 영상을 생성할 수 있다.
또한, 영상 복원부는, 제2 주파수 대역의 신호가 임계값 이상의 신호 강도를 포함하도록 신호를 제1 주파수 대역 및 제2 주파수 대역으로 분할하는 영상 분할부, 분할된 각 신호의 점확산함수를 추정하는 PSF추정부, 및 분할된 각 신호에 대응하는 점확산함수와 분할된 각 신호를 디컨볼루션하여 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상을 생성하는 디컨볼루션부를 포함할 수 있다.
또한, 영상 합성부는 관심 영역의 대조도 강도에 따라 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상의 가중치를 달리하여 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상을 합성할 수 있다.
또한, 영상 합성부는 관심 영역의 대조도 강도에 비례하는 가중치를 제2 복원 영상에 부여하여 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상을 합성할 수 있다.
또한, 영상 합성부는 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상을 합성하여 결합영상을 생성하고, 결합영상을 이진화하여 두 영역으로 구분하되, 어느 한 영역은 관심 영역의 대조도 강도에 따라, 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상에 대하여 가중치를 달리 부여하고, 다른 영역은 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상에 대하여 가중치를 동일하게 부여할 수 있다.
또한, 영상 합성부는, 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상을 결합하여 결합영상을 생성하는 영상 결합부, 결합 영상을 밝기에 따라 이진화하는 바이너리 이미지 생성부, 관심 영역의 대조도 대 잡음 비를 산출하는 CNR산출부, 및 관심 영역의 대조도 대 잡음 비에 따라 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상의 가중치를 달리 부여하는 가중치 인가부를 포함할 수 있다.
또한, 영상 결합부는 가중치가 부여된 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상을 결합할 수 있다.
다른 측면에 따른 영상 처리장치의 제어방법은, 복수의 주파수 대역을 갖는 신호를 수신하는 단계, 제2 주파수 대역의 신호가 임계값 이상의 신호 강도를 포함하도록 신호를 제1 주파수 대역 및 제2 주파수 대역으로 분할하는 단계, 분할된 제1 주파수 대역 및 제2 주파수 대역 각각에 대한 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상을 생성하는 단계, 및 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상을 합성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 분할하는 단계는 제1 주파수 대역 및 제2 주파수 대역이 균등한 신호 강도를 포함하도록 신호를 분할할 수 있다.
또한, 분할하는 단계는 고조파 주파수 대역의 신호가 임계값 이상의 신호 대 잡음비를 포함하도록 신호를 기본파 주파수 대역 및 고조파 주파수 대역으로 분할하고, 복원 영상을 생성하는 단계는 분할된 기본파 주파수 대역 및 고조파 주파수 대역 각각에 대한 복원 영상을 생성할 수 있다.
또한, 분할하는 단계는 신호가 초점 영역과 가까운 영상에 대한 신호일수록 고조파 대역의 대역폭을 확장시킬 수 있다.
또한, 복원 영상을 생성하는 단계는 분할된 각 신호에 대하여 디컨볼루션 또는 필터링을 수행할 수 있다.
또한, 합성하는 단계는 관심 영역의 대조도 강도에 따라 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상의 가중치를 달리하여 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상을 합성할 수 있다.
또한, 합성하는 단계는 관심 영역의 대조도 강도에 비례하는 가중치를 제2 복원 영상에 부여하여 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상을 합성할 수 있다.
또한, 합성하는 단계는, 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상을 합성하여 결합영상을 생성하는 단계, 결합영상을 이진화하여 두 영역으로 구분하는 단계, 및 어느 한 영역은 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상에 대하여 동일한 가중치를 부여하고, 다른 영역은 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상에 대하여 관심 영역의 대조도 강도에 따라 가중치를 달리 부여하는 단계를 포함할 수 있다.
제안된 영상처리장치 및 그 제어방법은 영상을 적응적으로 분할함으로써 영상의 잡음을 억제하고 신호 대 잡음 비를 향상시킬 수 있다.
또한, 제안된 영상처리장치 및 그 제어방법은 영상을 적응적으로 합성함으로써 영상의 잡음을 억제하고 대조도 대 잡음 비를 향상시킬 수 있다.
도 1은 초음파 영상 장치의 일 실시예에 따른 사시도이다.
도 2는 초음파 영상 장치의 일 실시예에 따른 제어 블럭도이다.
도 3은 송신 빔포머를 예시한 구성도이다.
도 4는 수신 빔포머를 예시한 구성도이다.
도 5a는 대상체의 목표 부위에 대한 원 영상과 초음파 영상 간의 관계를 설명하기 위한 도면이며, 도 5b는 목표 부위에 대한 초음파 영상과 복원 영상 간의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 인체 내 특정 부위에서 반사되는 초음파에 대한 개략적인 도면이다.
도 7은 반사되는 초음파에 대응하는 입력신호(I)의 주파수에 따른 강도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 목표 부위에 대한 원 영상, 및 초음파 영상을 대조한 것이다.
도 9는 영상 처리부의 구성 블럭도이다.
도 10은 영상 분할부가 수신한 영상을 주파수 대역 또는 고조파 성분 별로 분할하는 방법의 순서도이다.
도 11은 영상 분할부가 초음파 영상을 분할하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 피크 샤프닝 필터를 생성하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 필터링을 수행하기 전의 영상과 필터링를 수행한 후의 영상을 비교하기 위한 도면이다.
도 14는 입력신호(I)에 대응하는 초음파 영상(a) 및 영상 결합부(551)가 생성한 제 1 결합 영상(b)을 대조한 도면이다.
도 15는 영상 합성부의 구성 블록도이다.
도 16은 입력 신호(I)에 대응하는 초음파 영상(a) 및 영상 결합부가 생성한 제 2 결합 영상(b)을 대조한 도면이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시 예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 제 1, 제 2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.영상처리장치는 대상체의 내부 또는 외부영상을 영상 촬영부, 및 영상 촬영부로부터 수신한 영상을 정합하는 호스트 장치를 포함할 수 있다.
영상 촬영부는 영상처리장치의 호스트 장치와 소정 거리 이격되어 설치될 수 있으며, 영상 촬영부와 호스트 장치는 각종 유무선 통신 프로토콜로 연결되어 있을 수 있으며, 하나의 장치에 결합되어 있을 수도 있다.
예를 들어, 영상 촬영부는 호스트 장치와 의료용 디지털 영상 및 통신(DICOM, Digital Imaging and Communications in Medicine) 표준에 따라 데이터 통신을 수행할 수 있으나, 이에 한정되는 것이 아니며, 영상촬영부와 호스트 장치는 GSM(global System for Mobile Communication), CDMA(Code Division Multiple Access), WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access), TDMA(Time Division Multiple Access), LTE(Long Term Evolution) 등과 같은 이동 통신 프로토콜, WLAN(Wireless Local Access Network), 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee), NFC, 등과 같은 근거리 통신 프로토콜로도 연결될 수 있다.
이때, 영상 촬영부는 대상체의 내부 영상을 획득하는 것으로, 영상 촬영부는 방사선, 자기 공명 현상, 또는 초음파를 이용하여 내부 영상을 획득할 수 있다. 예를 들어, 영상 촬영부는 컴퓨터 단층 촬영(Computed Tomography, CT) 장치, 양전자 단층 촬영(Positron Emission Tomography, PET) 장치, 단일 광자 컴퓨터 단층 촬영(single photon emission computed tomography, SPECT) 장치, 또는 유방촬영 장치(Mammography) 등과 같이 방사선을 이용하여 대상체 내부의 영상을 획득할 수 있다. 또한, 영상 촬영부는 자기 공명 촬영(Magnetic Resonance Imaging) 장치와 같이 자기 공명을 이용하여 대상체 내부의 영상을 획득하거나, 초음파을 이용하여 대상체 내부의 영상을 획득할 수 있다.
상술한 바와 같이, 영상 촬영부는 다양한 방법으로 대상체의 영상을 획득할 수 있으나, 각 영상 획득 방법은 장단점을 가지고 있다. 예를 들어, 컴퓨터 단층 촬영은 상대적으로 검사시간이 짧고, 비용이 다소 저렴하나, 자기 공명 촬영 방법은 검사 시간이 상대적으로 길고, 많은 비용이 소비되나 높은 해상도를 가진 영상을 획득할 수 있다.
또한, 대상체의 내부 구조 또는 특징 등에 따라 각 영상 획득 방법의 선호도가 다르다. 예를 들어, 대상체가 인체인 경우 장기의 구조 또는 각 장기의 특징에 따라서 각 장기 별로 인체의 질병 진단을 위하여 선호되는 영상 획득 방법은 상이할 수 있다. 따라서, 각 장기 별로 선호되는 영상 획득 방법으로 영상을 획득하고, 각 장기 별로 선호되는 영상 획득 방법으로 획득한 영상들을 정합하여 진단을 더 용이하게 할 수 있다. 또한, 각 장기 별로 선호되는 방법으로 영상을 획득하므로 진단을 위한 영상을 획득하는데 필요한 시간 및 비용을 절감할 수 있다.
이하 설명의 편의를 위하여 초음파 영상 촬영 방식을 적용하여 영상을 생성하는 초음파 영상 장치를 영상처리장치의 일 예로서 설명하나, 이에 한정되는 것이 아니며, 촬영 방식은 다른 내부 영상을 획득하는 다른 방법으로 치환, 변경될 수 있다. 아울러, 더 많은 영상 획득 방법을 적용하여 영상을 할 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 초음파 영상 장치 및 초음파 영상 장치의 제어 방법을 후술된 실시예들에 따라 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 초음파 영상 장치의 일 실시예에 따른 사시도이다.
도 1에 도시한 바와 같이 초음파 영상 장치(100)는 프로브(200), 본체(300), 입력부(710), 디스플레이부(720)을 포함할 수 있다.
프로브(200)에는 케이블의 일단이 연결되며, 케이블의 타단에는 수 커넥터(male connector; 미도시)가 연결될 수 있다. 케이블의 타단에 연결된 수 커넥터는 본체(300)의 암 커넥터(female connector; 미도시)와 물리적으로 결합할 수 있다.
프로브(200)는 적어도 하나의 트랜스듀서(transducer; T)를 포함하고, 이를 이용하여 초음파 신호를 대상체로 송신하고, 대상체로부터 반사된 에코(echo) 초음파를 수신할 수 있다. 적어도 하나의 트랜스듀서(T)는 도 1에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 열을 형성하며 프로브(200)의 일 말단에 구비될 수 있다.
여기서 대상체는 인간이나 동물의 생체, 또는 혈관, 뼈, 근육 등과 같은 생체 내 조직일 수도 있으나 이에 한정되지는 않으며, 초음파 영상 장치(100)에 의해 그 내부 구조가 영상화 될 수 있는 것이라면 대상체가 될 수 있다.
그리고 트랜스듀서의 중심을 기준으로 직각을 이루는 세방향을 축 방향(axis dirextion; A), 측 방향(lateral direction; L), 고도 방향(elevation direction; E)으로 각각 정의할 수 있다. 구체적으로, 초음파가 조사되는 방향을 축 방향(A)으로 정의하고, 트랜스듀서가 열을 형성하는 방향을 측 방향(L)으로 정의하며, 축 방향 및 측 방향과 수직한 나머지 한 방향을 고도 방향(E)으로 정의할 수 있다.
본체(300)는 초음파 영상 장치(100)의 주요 구성요소 예를 들어, 송신 신호 생성부(도 3의 361)를 수납할 수 있다. 검사자가 초음파 진단 명령을 입력하는 경우, 송신 신호 생성부(361)는 송신 신호를 생성하여 프로브(200)로 전송할 수 있다.
본체(300)에는 하나 이상의 암 커넥터(female connector; 미도시)가 구비될 수 있으며, 케이블과 연결된 수 커넥터(male connector; 미도시)와 물리적으로 결합되어 본체(300)와 프로브(200)가 상호간에 발생한 신호를 서로 송수신 할 수 있도록 한다. 예를 들어, 송신 신호 생성부(361)에 의해 생성된 송신 신호는 본체(300)의 암 커넥터와 연결된 수 커넥터 및 케이블을 거쳐 프로브(200)로 전송될 수 있다.
또한, 본체(300)의 하부에는 초음파 영상 장치(100)를 특정 장소에 고정시키거나, 특정 방향으로 이동시킬 수 있는 복수의 캐스터(caster)가 장착될 수도 있다.
입력부(710)는 사용자로부터 초음파 영상 장치(100)의 동작과 관련된 명령을 입력 받을 수 있는 부분이다. 예를 들어, 사용자는 입력부(710)를 통해 초음파 진단 시작, 진단 부위 선택, 진단 종류 선택, 출력되는 초음파 영상에 대한 모드 선택 등을 수행하기 위한 명령을 입력할 수 있다. 그리고 입력부(710)에서 입력 받은 명령은 유선 통신이나 무선 통신을 통해 본체(300)로 전송될 수 있다.
사용자는 초음파 영상 장치(100)를 이용하여 대상체의 진단을 수행하는 자로서 의사, 방사선사, 간호사 등을 포함하는 의료진일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 초음파 영상 장치(100)를 사용하는 자이면 모두 사용자가 될 수 있는 것으로 한다. 그리고, 초음파 영상에 대한 모드는 A-모드(Amplitude mode), B-모드(Brightness mode), D-모드(Doppler mode), E-모드(Elastography mode), 및 M-모드(Motion mode) 등이 그 예가 될 수 있다.
입력부(710)는 키보드, 마우스, 트랙볼, 터치 스크린, 풋 스위치(foot switch) 및 풋 페달(foot pedal) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
입력부(710)는 도 1에서와 같이 본체(300)의 상부에 위치할 수도 있으나, 입력부(710)가 풋 스위치(foot switch) 및 풋 페달(foot pedal)등으로 구현되는 경우에는 본체(300)의 하부에 마련되는 것도 가능하다.
또한, 입력부(710)가 터치 스크린 등과 같이 GUI(Graphical User interface), 즉 소프트웨어적으로 구현되는 경우에는 후술할 디스플레이부(720)를 통해 디스플레이될 수 있다.
입력부(710)의 주변에는 프로브(200)를 거치하기 위한 프로브 홀더가 하나 이상 구비될 수 있다. 따라서 사용자는 초음파 영상 장치(100)를 사용하지 않을 때, 프로브 홀더에 프로브(200)를 거치하여 보관할 수 있다.
디스플레이부(720)는 초음파 진단 과정에서 얻어진 영상을 디스플레이한다. 디스플레이부(720)는 사용자가 선택한 모드에 대응하여 영상을 디스플레이하고, 만약, 선택된 모드가 없다면 사용자가 사전에 설정해 놓은 기본 모드 예를 들어, B-모드 영상으로 디스플레이할 수 있다. 또한, 디스플레이부(720)는 후술할 영상 처리부(500)에 의해 일정한 영상 처리가 수행된 초음파 영상을 디스플레이할 수도 있다.
디스플레이부(720)는 도 1에서와 같이 본체(300)와 결합되어 장착될 수 있으나, 본체(300)와 분리 가능하도록 구현될 수도 있다. 그리고 도 1에 도시하지는 않았으나, 초음파 영상 장치(100)의 동작과 관련된 어플리케이션(예를 들면, 초음파 진단에 필요한 메뉴나 안내 사항)을 디스플레이하는 별도의 서브 디스플레이부를 포함할 수 있다.
디스플레이부(720)는 브라운관(Cathod Ray Tube: CRT)이나, 액정 표시 패널(Liquid Crystal Display: LCD), 유기 발광다이오드 표시장치(Light Emitting Diode: LED) 등으로 적용할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
도 2는 초음파 영상 장치의 일 실시예에 따른 제어 블럭도이다.
도 2를 참조하면, 초음파 영상 장치(100)는 프로브(200), 빔 포밍부(350), 제어부(400), 영상 처리부(500), 입력부(710), 및 디스플레이부(720)에 의해 대상체 내부를 영상화 할 수 있다.
제어부(400)는 초음파 영상 장치(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(400)는 입력부(710)를 통해 입력된 지시나 명령에 대응하여 송신 빔포머(250), 수신 빔포머(260), 영상 처리부(500) 및 디스플레이부(720) 중 적어도 하나를 제어하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다. 경우에 따라 제어부(400)는 유선 통신 또는 무선 통신을 통해 외부 장치로부터 수신한 지시나 명령에 대응하여 각 구성요소를 제어하기 위한 제어 신호를 생성할 수도 있다.
또한, 제어부(400)는 프로세서(Processor), 초음파 영상 장치(100)의 제어를 위한 제어 프로그램이 저장된 롬(ROM) 및 초음파 영상 장치(100)의 외부에서부터 입력되는 신호 또는 데이터를 저장하거나, 초음파 영상 장치(100)에서 수행되는 다양한 작업에 대응되는 저장 영역으로 사용되는 램(RAM)을 포함할 수 있다.
한편, 프로세서는 코어(core)와 GPU를 포함하는SoC(System On Chip) 형태로 구현될 수 있다. 프로세서는 싱글 코어, 듀얼 코어, 트리플 코어, 쿼드 코어 및 그 배수의 코어를 포함할 수 있다.
또한, 제어부(400)는 제어부(400)와 전기적으로 연결되는 별개인 회로 기판에 프로세서, 램 또는 롬을 포함하는 프로세싱 보드(graphic processing board)를 포함할 수 있다. 프로세서, 롬 및 램은 내부 버스(bus)를 통해 상호 연결될 수 있다.
프로브(200)는 적어도 하나의 트랜스듀서(T)를 구비하여, 초음파를 대상체로 송신하고, 대상체로부터 반사된 에코(echo) 초음파를 수신하며, 전기적 신호와 초음파를 상호 변환시킨다.
구체적으로, 프로브(200)가 외부 전원 장치나 또는 내부 축전 장치 예를 들면, 배터리 등과 같은 전원으로부터 전류을 공급받으면, 인가되는 전류에 따라 각각의 트랜스듀서가 진동하면서 초음파를 발생시키고, 외부의 대상체에 조사한다. 각 트랜스듀서는 대상체로부터 반사되어 돌아오는 에코 초음파를 다시 수신하고, 수신된 에코 초음파에 따라 진동하면서 진동 주파수에 대응하는 주파수의 전류를 생성한다.
이 때 트랜스듀서(T)는 이용 방식에 따라 자성체의 자왜효과를 이용하는 자왜 초음파 트랜스듀서(Magnetostrictive Ultrasound Transducer)나, 미세가동된 수백 또는 수천 개의 박막의 진동을 이용하여 초음파 신호를 송수신하는 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer: cMUT, 이하 cMUT라 칭함), 압전물질의 압전효과를 이용한 압전 초음파 트랜스듀서(Piezoelectric Ultrasonic Transducer) 등이 될 수 있다.
또한, 트랜스듀서(T)는 배열 방식에 따라 직선 배열(Linear array), 곡면 열(Convex array), 위상 배열(Phased array), 동심원 배열(Sector array) 등의 트랜스듀서가 될 수 있으며, 이 때 배열 형태는 일렬로 배열되거나, 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 트랜스듀서가 일렬로 배열되는 경우에는 고도 방향으로(elevation direction)으로 스윙시키며 복수의 초음파 영상을 획득할 수 있고, 매트릭스 형태로 배열되는 경우에는 한번의 초음파 송신으로 복수의 초음파 영상을 획득할 수 있게 되는 것이다.
또한, 트랜스듀서는 펄스 초음파를 이용하여 초음파를 발생시킬 수 있으나 반드시 이에 한정되지 아니하고, 골레이(golay) 및 처프(chirp)와 같은 여자 코딩(excitation coding)을 이용하여 초음파를 발생시킬 수 있다. 처프를 이용할 경우, 주파수 변조 신호를 사용함으로써 초음파 영상 장치는 광대역 주파수 신호를 합성할 수 있다.
그러나 상술한 예에 한정되는 것은 아니며, 당업계에 알려져 있는 임의의 다른 종류의 트랜스듀서로 구현될 수 있음은 물론이다.
빔 포밍부(350)는 송신 빔포머(360)와 수신 빔포머(370)를 포함하여, 아날로그 신호와 디지털 신호를 상호 변환하고, 적어도 하나의 트랜스듀서(T)가 송신하거나 또는 적어도 하나의 트랜스듀서로부터 수신되는 초음파의 시간차를 조절할 수 있다.
이하 도 3 및 도 4를 참조하여 빔 포밍부(140)의 구조 및 동작을 구체적으로 설명하기로 한다. 도 3은 송신 빔포머(360)를 예시한 구성도이며, 도 4는 수신 빔포머(370)를 예시한 구성도이다.
도 3을 참조하면, 송신 빔포머(360)는 송신 신호 생성부(361), 시간 지연부(362)를 이용하여 송신 빔포밍(transmit beamforming)을 수행할 수 있다. 송신 빔포밍이란 적어도 하나의 트랜스듀서(T)에서 발생된 초음파를 초점(focal point)에 집속시키는 것을 말한다. 즉, 적어도 하나의 트랜스듀서(T)에서 발생된 초음파가 초점에 도달하는 시간 차이를 극복하기 위하여 적절한 순서를 정해서 트랜스듀서(T)에서 초음파를 발생시키는 것을 말한다.
좀 더 구체적으로, 송신 빔포머(360)의 송신 신호 생성부(361)가 제어부(400)의 제어 신호에 따라 적어도 하나의 트랜스듀서(T)에 송신 신호를 발생시킨다. 이 때, 송신 신호는 고주파 교류전류 형태로, 트랜스듀서의 개수에 대응되게 발생될 수 있다. 송신 신호 생성부(361)에서 발생된 송신 신호는 시간 지연부(362)로 전송된다.
시간 지연부(362)는 각각의 송신 신호에 시간 지연을 가하여, 대응되는 트랜스듀서(T)에 도달하는 시간을 조절할 수 있다. 시간 지연부(362)에 의해 시간 지연된 송신 신호가 트랜스듀서(T)에 인가되면, 트랜스듀서(T)는 송신 신호의 주파수에 대응하는 초음파를 발생시킨다. 각 트랜스듀서(T)에서 발생된 초음파는 초점(focal point)에서 집속(focusing)된다. 트랜스듀서(T)에서 발생된 초음파가 집속되는 초점의 위치는 송신 신호에 어떤 형태의 지연 패턴이 적용되었는지에 따라 달라질 수 있다.
도 3에는 5개의 트랜스듀서(t1, t2, t3, t4, t5)가 예시되어 있으며, 송신 신호들에 적용될 수 있는 3가지의 지연 패턴이 굵은 실선, 중간 굵기의 실선, 가는 실선으로 예시되어 있다.
만약, 송신 신호 생성부(361)에서 발생된 송신 신호들에 대해 굵은 실선과 같은 형태의 지연 패턴을 적용하는 경우, 각 트랜스듀서(t1~t5)에서 발생된 초음파는 제1 초점(F1)에서 집속된다.
그리고 송신 신호 생성부(361)에서 발생된 각 송신 신호에 대해 중간 굵기의 실선과 같은 형태의 지연 패턴을 적용하는 경우, 각 트랜스듀서(t1~t5)에서 발생된 초음파는 제1 초점(F1)보다 먼 제2 초점(F2)에서 집속된다.
또한 송신 신호 생성부(361)에서 발생된 각 송신 신호에 대해 가는 실선과 같은 형태의 지연 패턴을 적용하는 경우, 각 트랜스듀서(t1~t5)에서 발생된 초음파는 제2 초점(F2)보다 먼 제3 초점(F3)에서 집속된다.
상술한 바와 같이, 송신 신호 생성부(361)에서 발생된 송신 신호에 적용되는 지연 패턴에 따라 초점의 위치가 달라진다. 하나의 지연 패턴만을 적용하는 경우, 대상체에 조사되는 초음파는 고정된 초점에서 집속(fixed-focusing)되는 반면, 다른 지연 패턴을 적용하는 경우에는, 대상체로 조사되는 초음파는 여러 개의 초점에서 집속(multi-focusing)되는 것이다.
이처럼 각 트랜스듀서(T)에서 발생된 초음파는 한 지점에만 고정 집속되거나 여러 지점에 다중 집속되고, 집속된 초음파는 대상체 내부로 조사된다. 대상체 내부로 조사된 초음파는 대상체 내의 목표 부위에서 반사되고, 반사된 에코 초음파는 트랜스듀서(T)로 수신된다. 트랜스듀서(T)는 수신된 에코 초음파를 전기 신호로 변환하여 출력한다. 이때, 변환된 전기적 신호를 수신 신호(S)라 정의할 수 있다. 트랜스듀서(T)에서 출력된 수신 신호(S)는 증폭 및 필터링된 후, 디지털 신호로 변환되어 수신 빔포머(370)로 제공된다.
도 4를 참조하면, 수신 빔포머(370)는 시차 보정부(372) 및 집속부(371)을 포함하여, 디지털 신호로 변환된 수신 신호(S)에 대해 수신 빔포밍(receive beamforming)을 수행할 수 있다. 수신 빔포밍이란 각 트랜스듀서(T)에서 출력되는 수신 신호(S)들 간에 존재하는 시차를 보정하여, 집속시키는 것을 말한다.
구체적으로, 시차 보정부(372)는 각 트랜스듀서(T)에서 출력된 수신신호(S)들을 일정 시간 동안 지연시켜 수신 신호들이 동일한 시간에 집속부(371)로 전달될 수 있도록 한다.
그리고 집속부(371)는 시차 보정부(372)에 의해 시차가 보정된 수신 신호(S)들을 하나로 집속할 수 있다. 집속부(371)는 입력되는 수신 신호마다 소정의 가중치 예를 들어, 빔포밍 계수를 부가하여 소정 수신 신호(S)를 다른 수신 신호에 비하여 강조 또는 감쇄시켜 집속할 수 있다. 집속된 수신 신호(S)는 영상 처리부(500)로 제공되는데, 이와 같이 영상 처리부(500)에 제공되는 신호를 입력 신호(I)라 정의할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 영상 처리부(500)는 송수신부(505), 영상 복원부(510), 영상후처리부(530), 및 영상 합성부(550)를 포함할 수 있다.
영상 처리부(500)는 각 주파수 대역마다 신호 대 잡음비가 다른 특성을 이용하여, 다수의 주파수 대역으로 초음파 영상을 분할했다가 분할한 각 초음파 영상의 적절한 점 확산 함수(Point Spread Function, 이하 PSF라 칭함)를 추정하고, 추정된 점 확산 함수에 기초하여 디컨볼루션(deconvolution)을 수행함으로써 목표 부위의 원 영상에 가까운 복원 영상을 획득한다. 또한, 영상 처리부(500)는 관심 영역의 밝기에 따라 각 주파수 대역의 복원 영상을 합성하여 결합 영상을 생성한다.
원 영상, 복원 영상에 대한 보다 구체적인 설명을 위해 도 5a 내지 도 8을 참조하기로 한다.
도 5a는 대상체의 목표 부위에 대한 원 영상과 초음파 영상 간의 관계를 설명하기 위한 도면이며, 도 5b는 목표 부위에 대한 초음파 영상과 복원 영상 간의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a에는 원 영상(x)과 초음파 영상(y)이 좌측과 우측에 차례로 도시되어 있다. 도 5b에는 초음파 영상(y)과 복원 영상(R)이 좌측과 우측에 차례로 도시되어 있다. 원 영상(x)은 대상체의 목표 부위에 대해 획득하고자 하는 이상적인 영상(ideal image)을 의미하며, 초음파 영상(y)은 전술한 입력 신호(I)에 대응하여 생성된 영상을 의미한다. 그리고 복원 영상(R)은 초음파 영상(y)을 원 영상(x)에 가깝게 복원한 영상을 말한다.
입력 신호(I)는 프로브(200)에 의한 초음파 송수신과 빔 포밍부(350)에 의한 빔 포밍 과정을 거쳐 제공된 신호이다. 목표 지점에 초음파가 전송되면 의도된 효과를 발생하고, 의도된 효과란 예를 들어 목표 지점에 대한 2차원 또는 3차원 이미지 형성, 목표 지점의 열 변형 또는 목표 지점의 세포의 일부분의 파괴와 같은 것이 될 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
프로브에서 생성된 초음파(입사파)는 대상체에 도달하는 과정에서 왜곡이 될 수 있고 이로 인하여 반사파에 대응하는 입력 신호(I)는 고조파 성분을 포함하게 된다.
도 6은 인체 내 특정 부위에서 반사되는 초음파의 실시 예를 개략적으로 도시한 것이고, 도 7은 반사되는 초음파에 대응하는 입력신호(I)의 주파수에 따른 강도를 나타낸 그래프이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 입사파(Tx)는 인체 내부의 목표 지점(T)에 도달하는 과정에서 왜곡이 되고 목표 지점(T)에서 예를 들어 열변형과 같은 의도된 효과를 발생시키고 다시 반사파(Rx)로 되어 프로브에서 수신이 될 수 있다.
입사파(Tx)는 대상체를 거쳐 목표 지점(T)에 도달하는 과정에서 일부가 손실이 될 수 있지만 의도된 효과에 따라 60 ~80 %가 목표 지점에서 열로 변환이 되고 나머지 40~20 %가 반사파(Rx)로 되어 되돌아간다. 열로 변환되는 과정에서 예를 들어 피하 조직에 화상과 같은 열 변형을 발생시킬 수 있는데, 열 변형을 발생시키는 경우 작은 기포 또는 공기 방울이 발생되고 초음파에 의하여 이들 기포 또는 물방울이 파열될 수 있다. 열 변형 또는 작은 기포의 파괴로 인하여 초음파는 많은 고조파 성분을 포함하게 된다. 그리고 열 변형의 정도 기포의 발생 정도 또는 기포의 파열 정도에 따라 포함되는 고조파의 양이 달라질 수 있다. 일반적으로 정도가 심하면 더욱 많은 고조파 성분(A2)을 포함하게 된다.
더욱 많은 고조파 성분(A2)이란 물리적으로 의미를 가지는 고조파 성분을 의미한다. 예를 들어 기본파(A1)의 주파수의 2배, 3배, 4배 또는 그 이상의 고조파가 발생될 수 있지만 (수학적으로 기본 주파수의 임의의 정수배의 고조파가 발생될 수 있다) 프로브(200)에 수신 되어 분할 및 합성이 가능한 고조파 성분은 미리 설정된 임계값 이상의 크기를 갖는 고조파 성분일 수 있다.
이하 기술하는 고조파 성분(A2)은 상술한 더욱 많은 고조파 성분(A2)을 의미하는 것으로서, 물리적으로 분리되어 증폭 또는 노이즈 제거와 같은 과정을 거친 후 초음파 영상의 합성이 가능한 고조파 성분일 수 있다.
따라서 입력신호(I)는 이와 같은 기본파 성분(A1) 및 고조파 성분(A2)을 포함할 수 있다.
또한, 입력신호(I)는 고조파 성분 외에 프로브(200)나 빔 포밍부(350) 등의 기술적 성질이나 물리적 특성으로 인하여 변형되고, 여기에 잡음(noise, n)이 부가된 신호이다. 따라서, 입력 신호(I)에 대응하여 생성된 초음파 영상(y)은 도 5a에 도시된 바와 같이 원 영상(x) 에 비해 경계가 흐리고 잡음이 섞여 있는, 즉 원 영상(x)에 비해 저하(degradation)된 화질을 갖게 된다. 도 8a 및 도 8b를 참조하여, 원 영상과 초음파 영상 간의 잡음으로 인한 관계를 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 8a의 좌측 및 우측에는 목표 부위에 대한 원 영상 및 초음파 영상이 각각 예시되어 있다. 도 8a에 도시되어 있듯이, 원 영상에서 목표 부위가 점으로 표시된다면, 초음파 영상에서 목표 부위는 상하 및 좌우로 퍼진 모양으로 표시된다. 이러한 차이 즉, 원 영상과 초음파 영상 간의 차이는 목표 부위의 깊이가 깊어질수록 커진다. 이 때, 깊이가 깊어지는 방향은 축 방향의 증가 방향으로 정의될 수 있다.
도 8b의 좌측 및 우측에는 서로 다른 깊이를 가지는 목표 부위들에 대한 원 영상 및 초음파 영상이 각각 예시되어 있다. 도 8b에 도시되어 있듯이, 프로브(200)로부터 가까운 곳에 위치한 목표 부위는 원 영상의 목표 부위와 유사한 형태로 표시된다. 그러나, 프로브(200)로부터 먼 곳에 위치한 목표 부위는 원 영상의 목표 부위와 상당히 다른 형태로 표시되는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 프로브(200)나 빔 포밍부(350) 등의 기술적 성질이나 물리적 특성, 그리고 잡음(n)에 의해 화질이 저하된 초음파 영상(y)이 생성된다. 이 때, 프로브(200)나 빔 포밍부(350) 등의 기술적 성질이나 물리적 특성으로 인한 변형을 점 확산 함수 h로 표현하고, 잡음을 n로 표현하면, 원 영상(x)과 초음파 영상(y)과의 관계는 공간 영역(spatial domain)에서 하기의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112014066664164-pat00001
여기서, x는 원 영상, y은 초음파 영상, h는 점 확산 함수, n은 잡음을 의미하며, 연산 *는 컨볼루션(convolution)을 의미한다.
만약, 잡음이 없다고 가정하면, 초음파 영상(y)은 원 영상(x)과 점 확산 함수(h)의 컨볼루션으로 표현할 수 있다. 따라서, 점 확산 함수(h)를 알 수 있으면, 초음파 영상(y)과 점 확산 함수(h)를 디컨볼루션(deconvolution)하여 초음파 영상(y)에 대응되는 원 영상(x)을 얻을 수 있게 된다.
그러므로 도 5b에 도시된 바와 같이 영상 처리부(500)는 적절한 점확산 함수(h)를 추정하고, 추정된 점 확산 함수(h)와 초음파 영상(g)의 디컨볼루션을 수행함으로써 목표 부위의 원 영상(x)과 유사한 복원 영상(R)을 획득하는 것이다.
한편, 원 영상과 더욱 유사한 복원 영상(R)을 획득하기 위해 영상 처리부(500)는 대상체의 열 변형 또는 작은 기포의 파괴와 같은 의미 있는 고조파 성분을 확인할 수 있도록 입력신호(I)에 대응하는 초음파 영상을 분할하고 분할된 각 초음파 영상(y)을 추정된 점 확산 함수(h)와 디컨볼루션을 수행한 후 하나의 초음파 영상으로 합성될 수 있다.
구체적으로, 네트워크를 통해 빔포밍부(350) 또는 디스플레이부(720)와 연결된 송수신부(505)가 영상을 빔 포밍부(350)로부터 수신하고, 영상 복원부(510)가 주파수 대역 별로 분할된 각각의 초음파 영상(y)에 기초하여 점 확산 함수를 추정한다. 그리고 추정된 점 확산 함수를 이용하여 디컨볼루션(deconvolution)을 수행함으로 초음파 영상에 대한 복원 영상을 획득한다. 획득된 복원 영상에 대해 영상 후처리부(530)가 필터링을 수행한다. 그리고 필터링된 영상에 기초하여 영상 복원부(510)가 다시 점 확산 함수를 추정하고 디컨볼루션을 수행한다. 이와 같은 과정의 반복 수행은 보다 적절한 점 확산 함수의 추정이 가능하도록 하고, 최종적으로 획득된 복원 영상이 목표 부위의 원 영상과 동일하거나 유사하도록 돕는다. 이후 영상 합성부(550)는 분할되어 개별적으로 디컨볼루션, 및 필터링이 수행된 각 초음파 영상에 대한 복원 영상을 합성한다.
영상 복원부(510), 영상 후처리부(530), 및 영상 합성부(550)의 구성 및 구성간의 관계를 더욱 구체적으로 설명하게 위해 먼저 도 9를 참조할 수 있다. 도 9는 영상 처리부의 일 실시예에 따른 블럭도이다.
도 2 및 도 9를 참조하면, 영상 복원부(510)는 영상 분할부(511), PSF 추정부(522), 디컨볼루션부(523)를 포함할 수 있으며, 영상 후처리부(530)는 피크 검출부(531), 피크 샤프닝 필터(peak sharpening filter) 생성부(532), 필터링부(533)을 포함할 수 있다.
도 10은 영상 복원부, 영상 후처리부, 및 영상 합성부의 제어흐름을 나타내는 순서도이다.
우선, 영상 처리부(500)의 송수신부(505)는 빔포밍부(350)로부터 영상을 수신한다. 송수신부(505)는 네트워크를 통해 빔포밍부(350) 또는 디스플레이부(720)와 접속할 수 있고, 네트워크는 근거리 통신망(Local Area Network; LAN), 광역 통신망(Wide Area Network; WAN) 또는 부가가치 통신망(Value Added Network; VAN) 등과 같은 유선 네트워크나 이동 통신망(mobile radio communication network) 또는 위성 통신망 등과 같은 모든 종류의 무선 네트워크로 구현될 수 있다. 또한, 빔포밍부(350) 또는 디스플레이부(720)와 함께 하나의 장치 내에서 구현되는 경우, 하나의 장치 내에서 함께 집적 또는 결합되어 회로를 통해 연결되는 것도 가능하다. 수신한 영상은 다양한 주파수를 갖는 신호의 형태로 전송된 것일 수 있다.
영상 분할부(511)는 초음파 영상의 주파수에 따른 신호 대 잡음비를 산출하고, 입력 신호(I)에 대응되는 초음파 영상을 적어도 하나의 주파수 대역 별로 분할할 수 있다(1010). 초음파 영상을 분할하는 것은 초음파 영상을 분석한 결과에 기초하여 이루어질 수 있으며, 이 때, 고조파 성분 존재여부를 분할의 기준으로 할 수 있다.
즉, 일 실시예에 따른 영상 분할부(511)는 입력 신호(I)에 대응되는 초음파 영상을 주파수 대역 별로 분할할 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 초음파 영상의 주파수 도메인에서 신호 대 잡음비는 초음파 영상의 기본파(fundamental, A1), 또는 고조파(harmonic wave, A2) 근방의 주파수 영역에서 높은 특징을 갖는다.
이하 초음파 영상이 기본파 및 2차 고조파 성분을 포함하는 것을 일 예로서 설명하나, 반드시 이에 한정되지 아니하고 기본파의 어느 정수배의 주파수를 갖는 고조파, 저조파(subharmonic wave), 분수조파(fractional wave) 성분을 더 포함할 수 있다.
또한, "기본파 또는 고조파 근방의 주파수 영역(area)"은 임의로 제어부에 의해 샘플링된 기본파 또는 고조파 근방의 주파수 영역일 수 있고, 사용자 또는 제조자에 의해 설정된 영역일 수 있으며, 이하 "주파수 영역"이라 한다.
다시 도 9 및 도 10을 참조하면, 초음파 영상 장치의 영상 분할부(511)는 2차 고조파 주파수 영역의 신호 대 잡음 비에 반비례하여 2차 고조파 주파수 영역의 대역폭을 증가시킨다(1020). 구체적으로 기본파 주파수 영역의 신호 대 잡음 비와 2차 고조파 주파수 영역의 신호 대 잡음 비가 균등하도록 2차 고조파 주파수 영역을 기본파 주파수 영역으로 확장시켜 2차 고조파 주파수 영역의 대역을 설정할 수 있다.
도 11은 구체적으로 영상 분할부(511)가 초음파 영상을 분할하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 11a를 참조하면, 기본파 주파수 영역과 2차 고조파 주파수 영역의 구분이 명확할 정도로 초음파 영상의 2차 고조파 주파수 영역에서 신호 대 잡음 비는 높은 값을 갖는다. 따라서 도 11a의 2차 고조파 주파수 영역은 도 11b보다 상대적으로 좁은 대역폭이 할당될 수 있다.
한편 도 11b를 참조하면, 기본파 주파수 대역과 2차 고조파 주파수 대역은 구분이 명확하지 않을 정도로 초음파 영상의 2차 고조파 주파수 영역에서 신호 대 잡음 비는 낮다. 이 경우, 영상 분할부(511)는 기본파 주파수 영역과 2차 고조파 주파수 영역의 신호 대 잡음비가 균등하도록 대역폭을 조절하여 초음파 영상을 분할한다. 즉 도 11b의 2차 고조파 주파수 영역은 도 11a보다 상대적으로 넓은 대역폭이 할당될 수 있다.
구체적으로 도 11c를 참조하면, 영상 분할부(511)는 도 11b와 같은 신호 대 잡음 비의 경우, 초음파 영상의 해상도를 높이기 위해 2차 고조파 대역을 기본파 주파수 영역 쪽으로 확장시켜 초음파 영상을 분할할 수 있다.
또한, 다른 실시예에 따르면 영상 분할부(511)는 근거리 영역 또는 초점(focusing point) 영역일수록, 즉 초점 영역에 가까운 영상일 수록, 고조파 주파수 대역의 대역폭이 기본파 대역의 대역폭보다 넓도록 고조파 주파수 영역을 확장시킬 수 있고, 원거리 영역 또는 비 초점 영역일수록 고조파 주파수 영역의 대역폭이 기본파 영역의 대역폭보다 좁도록 고조파 주파수 영역을 축소시킬 수 있다. 따라서, 근거리 영역 또는 초점 영역의 초음파 영상에 대해서는 해상력의 저하 없이 스패클(speckle) 잡음을 억제하고, 원거리 영역 또는 비 초점 영역의 초음파 영상에 대해서는 신호 대 잡음 비를 향상시킬 수 있다.
도 11은 초음파 영역을 분할하는 방법의 일 예에 불과하므로, 초음파 영상에서 분할 영역의 개수는 도 11에서보다 더 많아질 수도 있고, 더 적어질 수도 있다. 물론, 영상 분할부(511)는 다른 상황 변수(예를 들어, 음속, 목표 부위의 깊이)를 기준으로 초음파 영상을 분할하는 것도 가능하다.
복수의 초음파 영상을 분할하는 경우, 영상 분할부(511)는 동일한 방식을 적용하여 각 초음파 영상을 분할할 수도 있다. 다만, 설명의 편의를 위하여 도 5에 예시된 단일의 초음파 영상을 기초로, 그리고 신호 대 잡음비에 따라 주파수 대역 별로 분할된 초음파 영상을 기초로 이하 구체적으로 설명하기로 한다.
다시 도 9 및 도 10을 참조하면 초음파 영상 장치는 분할된 각 초음파 영상에 대하여 디컨볼루션을 수행하는데(1030), 이를 위하여 PSF 추정부(522)는 초음파 영상에 대해 적어도 하나의 점 확산 함수를 추정할 수 있다. 이 때, 추정되는 적어도 하나의 점 확산 함수는 1차원 점 확산 함수만을 포함할 수도 있고, 2차원 점 확산 함수만을 포함할 수도 있다. 또한 1차원 점 확산 함수 및 2차원 점 확산 함수를 모두 포함하고 있는 것도 가능하다. 실시예에 따라서는 3차원이나 4차원 등의 더 높은 차원의 점 확산 함수들을 포함하고 있을 수도 있다.
1차원 점 확산 함수를 추정하는 방식의 한 예로 ARMA(Autoreyessive Moving Average) 방식이 이용될 수 있다. 이와 같은 1차원 점확산 함수 추정은 빠른 시간 안에 이루어질 수 있다는 장점이 있다.
그리고 2차원 점 확산 함수를 추정하는 방식의 한 예로는 켑스트럼(Cepstrum) 방식이 이용될 수 있다. 켑스트럼 방식은 공간 영역(spatial domain)에서의 초음파 영상을 켑스트럼 영역(Cepstrum domain)으로 전환한 다음, 켑스트럼 영역에서 2차원 점 확산 함수를 추정하는 방식이다.
이와 같은 켑스트럽 방식은 초음파 영상의 크기 정보만을 고려하여 2차원 점 확산 함수를 추정하는 방식과, 초음파 영상의 크기 정보 및 위상 정보를 모두 고려하여 2차원 점 확산 함수를 추정하는 방식으로 분류된다. 크기 정보만을 고려하여 추정하는 방식은 추정 속도를 높일 수 있고, 크기 및 위상 정보를 모두 고려하여 추정하는 방식은 추정의 정확도를 높일 수 있다.
디컨볼루션부(523)는 PSF 추정부(522)에서 추정된 점 확산 함수와 주파수 대역 별로 분할된 각 초음파 영상을 디컨볼루션하여, 각 초음파 영상에 대한 복원 영상을 생성할 수 있다. 한편, 일 실시예에 따른 영상 복원부는 디컨볼루션부(523)를 이용하여 디컨볼루션을 수행하나 반드시 이에 한정되지 아니하고, 변조된 초음파 영상에 대하여 복조 과정을 수행하는 디모듈레이션부(미도시)를 포함할 수 있다.
디컨볼루션을 수행하는 방법의 일 예로서, 하기의 수학식 2를 이용할 수 있다.
Figure 112014066664164-pat00002
여기서, R은 각 주파수 대역 별 복원 영상, y은 주파수 대역 별로 분할된 각 초음파 영상을 의미하고, h는 수학식 4의 점 확산 함수를 의미한다.
디컨볼루션부(523)는 상술한 수학식 2를 이용하여 초음파 영상 y과 점 확산 함수 h를 디컨볼루션하고, 이로써 복원 영상 R을 생성할 수 있다.
구체적으로, 기본파 주파수 대역의 초음파 영상에 대응하여 확산함수(h1)가 추정되면, 디컨볼루션부(523)는 기본파 주파수 대역의 초음파 영상과 확산함수(h1)를 디컨볼루션하여 제 1 복원 영상(R1)을 생성한다.
또한, 고조파 주파수 대역의 초음파 영상에 대응하여 확산함수(h2)가 추정되면, 디컨볼루션부(523)는 고조파 주파수 대역의 초음파 영상과 확산함수(h2)를 디컨볼루션하여 제 2 복원 영상(R2)을 생성한다.
다시 도 9 및 도 10을 참조하면, 초음파 영상 장치는 각 복원 영상에 대하여 필터링을 수행하는데(1040), 이를 위하여 영상 후처리부(530)의 피크 검출부(531)는 디컨볼루션부(523)로부터 입력받은 각 주파수 대역에 대한 복원 영상에서 피크(peak) 지점을 검출할 수 있다.
여기서, 피크 지점은 2차원 영상에서 2차원 피크 지점이 될 수도 있고, 측 방향(L)이나 고도 방향(E)으로 단면화된 1차원 영상에서 1차원 피크 지점이 될 수도 있다.
피크 검출부(531)에서 피크 지점이 검출되면, 피크 샤프닝 필터 생성부(532)는 각 주파수 대역에 대한 복원 영상에서 피크 지점을 강조하기 위한 피크 샤프닝 필터(peak sharpening filter)를 생성할 수 있다.
필터링부(533)는 각 복원 영상을 그에 대응하여 생성된 피크 샤프닝 필터를 이용하여 차례대로 필터링 할 수 있다.
피크 검출부(531)에서 피크 지점을 검출하고, 피크 샤프닝 필터 생성부(531)에서 필터를 생성하고, 필터링부(533)에서 필터링하는 과정을 더욱 자세하게 설명하기 위해 도 12 내지 도 13을 참조할 수 있다.
도 12는 피크 샤프닝 필터를 생성하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로, 도 12의 (a)는 영상의 좌표와 영상값을 예시한 도면이고, 도 12의 (b)는 영상의 피크 지점을 검출한 도면이며, 도 12의 (c)는 피크 지점을 기초로 생성된 피크 샤프닝 필터(F1)의 도면이다. 여기서, 영상은 디컨볼루션이 수행된 복원 영상이 될 수 있다. 그리고 도 12의 (a) 내지 도 12의 (c)의 가로축은 공간 영역에서의 좌표를 의미하고, 도 12의 (a)의 세로축은 영상값을 의미하는 것으로, 도 12의 (c)의 세로축은 필터값을 의미하는 것으로 볼 수 있다.
도 12의 (a)에 예시된 바와 같이 영상에서 좌표 X1 의 영상값은 Y이고, X1을 기준으로 하여 X1 에서 멀어질수록 영상값이 점점 줄어들어, 좌표 X0 또는 X2 의 영상값은 3/4Y가 된다. 주변보다 높은 영상값을 갖는 지점을 피크 지점으로 할 때, 피크 검출부(531)는 도 12의 (b)에 도시된 바와 같이 X1을 피크 지점으로 검출하여 임펄스(impulse) 신호로 만든다.
이와 같이 피크 지점에 대한 임펄스 신호가 만들어지면, 피크 샤프닝 필터 생성부(532)는 임펄스 신호에 저역 통과 필터를 적용시켜 가우시안(Gaussian) 형태로 만든다. 즉, 피크 지점에서 멀어질수록 필터값이 감소하는 필터를 생성하는 것이다. 따라서, 피크 샤프닝 필터 생성부(532)는 도 12의 (c)에 도시된 바와 같이 피크 지점 X1 의 필터값이 1이고, 피크 지점에서 떨어진 좌표 X0 또는 X2 의 필터값이 1/2인 필터를 생성할 수 있다.
상술한 바와 같이 피크 샤프닝 필터 생성부(532)가 가우시안 형태의 피크 샤프닝 필터를 생성하면, 필터링부(533)가 디컨볼루션이 수행된 복원 영상과 그에 대응하여 생성된 피크 샤프닝 필터를 내적(inner poduct)하는 필터링을 수행한다. 따라서, 복원 영상에서 피크 지점이 강조되는, 더 정확하게 말하면, 복원 영상에서 피크 지점이 샤프닝(sharpening)되는 영상이 생성될 수 있다. 도 13은 필터링을 수행하기 전의 영상과 필터링를 수행한 후의 영상을 비교하기 위한 도면이다. 여기서, 좌측에 도시된 영상은 도 12의 (a)에 도시된 필터링 수행 전의 영상이고, 우측에 도시된 영상은 도 12 의 (c)의 필터를 이용하여 필터링을 수행한 후의 영상이다.
필터링을 수행한 후의 영상에서 피크 지점 X1 은 필터링 수행 전의 영상과 마찬가지로 영상값 Y를 갖는다. 그러나 X1 에서 멀어질수록 영상값이 줄어드는 정도가 필터링 수행 전의 영상에서보다 더 커진다. 따라서, 필터링 수행 전 영상에서 3/4Y 의 영상값을 갖는 좌표 X0 또는 X2 가, 필터링을 수행한 후의 영상에서는 3/8Y 의 영상값을 갖게 된다.
즉, 필터링을 수행한 후의 영상은 필터링 수행 전의 영상에 비해 피크 지점이 샤프닝되는 것이다.
상술한 바와 같이 필터링부(533)는 디컨볼루션부(523)로부터 입력받은 제 각 주파수 대역에 대응하는 복원 영상에 대하여 각각 필터링을 수행할 수 있다.
한편, 영상 후처리부(530)는 복원 영상에 대한 후처리로서 컨벌루션에 의해 증가된 잡음을 감소시키기 위한 잡음 감쇠(noise reduction; NR) 과정 등을 수행할 수 있다. 잡음 감쇠 기법으로는 wavelet 영역에서 계수 저감(wavelet shrinkage)이나 median filter, bilateral filter 등이 있고, 그 외에 로그 압축(log compression), DSC(Digital scan converter)을 더 수행할 수 있다.
다시 도 9 및 도 10을 참조하면, 초음파 영상 장치는 필터링된 각 복원 영상을 결합하기 위하여 영상을 합성할 수 있는데(1050), 이를 위하여 영상 합성부(550)는 필터링된 각 주파수 대역의 복원 영상을 하나의 영상으로 결합하고, 특정 주파수 대역의 신호 강도를 증폭시켜 영상을 합성할 수 있다. 이를 위하여 영상 합성부(550)는 영상 결합부(551), 바이너리 이미지 생성부(552), CNR 산출부(553), 및 가중치 인가부(554)를 포함한다.
먼저 영상 결합부(551)는 필터링부(533)로부터 수신한 각 주파수 대역의 복원 영상을 결합하여 제 1 결합영상을 생성한다. 생성된 제 1 결합 영상은 송수신부(505)를 통해 디스플레이부(720)로 전송될 수 있다.
도 14는 입력신호(I)에 대응하는 초음파 영상(a) 및 영상 결합부(551)가 생성한 제 1 결합 영상(b)을 대조한 도면이다.
도 14를 참조하면, 영상 복원부의 영상 분할 및 디컨볼루션 수행에 의해 기존의 초음파 영상(a)에 대비하여 밝기가 고르고 반점이 줄어든 제 1 결합 영상(b)을 확인할 수 있다. 즉 이와 같은 제 1 결합 영상(b)의 생성과정에 의해 영상의 해상력을 향상시킬 수 있고, 잡음을 감소시킬 수 있다.
한편, 다른 실시예에 따르면 영상 처리부(500)는 복원 영상의 대조도 대 잡음 비를 이용하여 각 복원 영상을 적응적으로 합성할 수 있고, 제 2 결합 영상을 생성할 수 있다.
도 15는 영상 합성부의 구성 블록도로서, 도 15를 참조하면, 영상 합성부(550)는 각 복원 영상을 결합하여 결합 영상을 생성하는 영상 결합부(551) 외에, 제 1 결합 영상을 이진화하는 바이너리 이미지 생성부(552), 관심 영역의 대조도 대 잡음 비를 산출하는 CNR산출부(553), 및 각 복원 영상에 가중치를 인가하여 합성하는 가중치 인가부(554)를 더 포함할 수 있다.
바이너리 이미지 생성부(552)는 영상 결합부(551)가 생성한 제 1 결합영상을 미리 설정된 임계값을 기준으로 문턱치화(Thesholding)하여, 어두운 영역 또는 밝은 영역으로 제 1 결합영상의 픽셀 영역을 구분한다. 한편, 바이너리 이미지 생성부(552)는 제 1 결합영상뿐만 아니라 입력신호(I)에 대응하는 초음파 영상을 미리 설정된 임계값을 기준으로 문턱치화하는 것도 가능하다.
미리 설정된 임계값은 사용자에 의해 미리 설정된 값일 수 있고, 입력부를 통해 사용 중에 입력 받는 것도 가능하나 제조 단계에서 미리 설정된 것일 수도 있다.
이어서 CNR산출부(553)는 밝은 영역 또는 어두운 영역 중 임의의 관심 영역에 대한 대조도 대 잡음 비(Contrast to Noise Ratio, CNR)를 산출한다. 대조도 대 잡음 비는 대조도와 잡음과의 크기의 비를 나타낸 것으로서, 대조분해능으로 배경 대비 해당 영역의 상대적인 신호강도를 의미한다.
이때, CNR산출부(553)는 수학식 3과 같은 방법으로 CNR을 산출할 수 있다.
Figure 112014066664164-pat00003
여기서, ROI는 관심 영역(관찰 대상 영역), M.V는 신호 크기의 평균, SD는 표준편차, BG는 배경(비관심 영역)을 의미한다.
이어서, 가중치 인가부(554)는 대조도 대 잡음 비에 따라 각 영역에 대한 고조파 성분의 가중치를 산출하는 가중치 산출부(미도시)로부터 산출한 가중치를 각 영역에 부여한다.
예를 들어, CNR산출부(553)가 제 1 관심 영역에 대하여 대조도 대 잡음 비를 10dB로서 산출하고, 제 2 관심 영역에 대하여 대조도 대 잡음 비를 20dB으로서 산출한 경우, 가중치 인가부(554)는 제 1 관심 영역의 고조파 주파수 대역의 복원 영상보다 제 2 관심 영역의 고조파 주파수 대역의 복원 영상에 더 가중치를 부여한다.
이를 수학식으로 나타내면 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112014066664164-pat00004
여기서 R는 가중치 인가부의 결과 영상, rf는 기본파 주파수 대역의 복원 영상, rh는 고조파 주파수 대역의 복원영상, w는 가중치, f는 가중치 산출부의 산출 방법, th는 임계값을 의미한다.
즉, 가중치 인가부(554)는 기본파 주파수 대역의 복원 영상 신호 강도 및 고조파 주파수 대역의 복원 영상 신호 강도의 평균값과 임계값을 비교하고, 평균값이 임계값보다 작은 경우 어두운 영역으로 판단하여 대조도 대 잡음 비에 따라 관심 영역의 고조파 성분(예를 들어, 2차 고조파 주파수 대역에 대한 복원 영상)에 대한 가중치를 부여하고, 평균값이 임계값보다 더 큰 경우 밝은 영역으로 판단하여 미리 설정된 가중치를 부여할 수 있다. 수학식 4를 참조하면, 가중치는 0 이상 1 이하의 값을 가질 수 있고, 미리 설정된 가중치는 기본파 및 고조파 성분에 균등한 가중치를 부여하기 위해 0.5일 수 있다.
또한, 대조도 대 잡음 비에 따라 부여되는 관심 영역의 고조파 성분(예를 들어, 2차 고조파 주파수 대역에 대한 복원 영상)에 대한 가중치는 대조도 대 잡음 비에 비례하는 값일 수 있다.
이어서 영상 결합부(551)는 고조파 성분(예를 들어, 2차 고조파 주파수 대역에 대한 복원 영상)에 대한 가중치가 각각 부여된 픽셀 영역을 결합하여 제 2 결합 영상을 생성한다.생성된 제 2 결합 영상은 송수신부(505)를 통해 디스플레이부(720)로 전송될 수 있다.
도 16은 입력 신호(I)에 대응하는 초음파 영상(a) 및 영상 결합부(551)가 생성한 제 2 결합 영상(b)을 대조한 도면이다.
도 16을 참조하면, 영상 복원부의 영상 분할 및 영상 합성부의 영상 합성에 의해 어두운 영역에 대하여 대조도 대 잡음 비가 향상되고, 클러터(clutter) 잡음이 억제된 결합 영상(b)이 생성될 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시 예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
200 : 초음파 프로브 350 : 빔 포밍부
360 : 송신 빔포머 370 : 수신 빔포머
400 : 제어부 500 : 영상 처리부
510 : 영상 복원부 530 : 영상 후처리부
550: 영상 합성부 710 : 입력부
720 : 디스플레이부

Claims (20)

  1. 복수의 주파수 대역을 갖는 신호를 수신하는 수신부;
    제2 주파수 대역의 신호가 임계값 이상의 신호 강도를 포함하도록 상기 신호를 제1 주파수 대역 및 제2 주파수 대역으로 분할하고, 분할된 제1 주파수 대역 및 제2 주파수 대역 각각에 대한 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상을 생성하는 영상 복원부; 및
    상기 제1 복원 영상 및 상기 제2 복원 영상을 합성하는 영상 합성부를 포함하고,
    상기 영상 복원부는 고조파 대역의 신호가 임계값 이상의 신호 대 잡음비를 포함하도록 상기 신호를 기본파 대역 및 고조파 대역으로 분할하고, 상기 신호가 초점 영역과 가까운 영상에 대한 신호일수록 상기 고조파 대역의 대역폭을 확장시키고, 상기 기본파 대역 및 고조파 대역 각각에 대한 복원 영상을 생성하는 영상처리장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 복원부는 제1 주파수 대역 및 제2 주파수 대역이 균등한 신호 강도를 포함하도록 상기 신호를 분할하는 영상처리장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 복원부는 분할된 각 신호에 대하여 디컨볼루션을 수행하는 영상처리장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 복원부는, 분할된 각 신호의 점확산 함수를 추정하고, 분할된 각 신호와 상기 점확산 함수를 디컨볼루션하여 복원 영상을 생성하는 영상처리장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 복원부는,
    제2 주파수 대역의 신호가 임계값 이상의 신호 강도를 포함하도록 상기 신호를 제1 주파수 대역 및 제2 주파수 대역으로 분할하는 영상 분할부;
    분할된 각 신호의 점확산함수를 추정하는 PSF추정부; 및
    상기 분할된 각 신호에 대응하는 점확산함수와 상기 분할된 각 신호를 디컨볼루션하여 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상을 생성하는 디컨볼루션부를 포함하는 영상처리장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 합성부는 관심 영역의 대조도 강도에 따라 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상의 가중치를 달리하여 상기 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상을 합성하는 영상처리장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 합성부는 관심 영역의 대조도 강도에 비례하는 가중치를 상기 제2 복원 영상에 부여하여 상기 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상을 합성하는 영상처리장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 합성부는 상기 제1 복원 영상 및 상기 제2 복원 영상을 합성하여 결합영상을 생성하고, 상기 결합영상을 이진화하여 두 영역으로 구분하되,
    어느 한 영역은 관심 영역의 대조도 강도에 따라, 상기 제1 복원 영상 및 상기 제2 복원 영상에 대하여 가중치를 달리 부여하고,
    다른 영역은 상기 제1 복원 영상 및 상기 제2 복원 영상에 대하여 가중치를 동일하게 부여하는 영상처리장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 합성부는,
    상기 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상을 결합하여 결합영상을 생성하는 영상 결합부;
    상기 결합 영상을 밝기에 따라 이진화하는 바이너리 이미지 생성부;
    관심 영역의 대조도 대 잡음 비를 산출하는 CNR산출부; 및
    관심 영역의 대조도 대 잡음 비에 따라 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상의 가중치를 달리 부여하는 가중치 인가부를 포함하는 영상처리장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 영상 결합부는 상기 가중치가 부여된 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상을 결합하는 영상처리장치.
  13. 영상 처리장치의 제어방법에 있어서,
    복수의 주파수 대역을 갖는 신호를 수신하는 단계;
    제2 주파수 대역의 신호가 임계값 이상의 신호 강도를 포함하도록 상기 신호를 제1 주파수 대역 및 제2 주파수 대역으로 분할하는 단계;
    분할된 제1 주파수 대역 및 제2 주파수 대역 각각에 대한 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상을 생성하는 단계; 및
    상기 제1 복원 영상 및 상기 제2 복원 영상을 합성하는 단계를 포함하고,
    상기 분할하는 단계는 고조파 주파수 대역의 신호가 임계값 이상의 신호 대 잡음비를 포함하도록 상기 신호를 기본파 주파수 대역 및 고조파 주파수 대역으로 분할하는 단계와 상기 신호가 초점 영역과 가까운 영상에 대한 신호일수록 상기 고조파 대역의 대역폭을 확장시키는 단계를 포함하고,
    상기 복원 영상을 생성하는 단계는 분할된 기본파 주파수 대역 및 고조파 주파수 대역 각각에 대한 복원 영상을 생성하는 단계를 포함하는 제어방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 분할하는 단계는 제1 주파수 대역 및 제2 주파수 대역이 균등한 신호 강도를 포함하도록 상기 신호를 분할하는 제어방법.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 복원 영상을 생성하는 단계는 분할된 각 신호에 대하여 디컨볼루션 또는 필터링을 수행하는 제어방법.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 합성하는 단계는 관심 영역의 대조도 강도에 따라 상기 제1 복원 영상 및 상기 제2 복원 영상의 가중치를 달리하여 상기 제1 복원 영상 및 제2 복원 영상을 합성하는 제어방법.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 합성하는 단계는 관심 영역의 대조도 강도에 비례하는 가중치를 상기 제2 복원 영상에 부여하여 상기 제1 복원 영상 및 상기 제2 복원 영상을 합성하는 제어방법.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 합성하는 단계는,
    상기 제1 복원 영상 및 상기 제2 복원 영상을 합성하여 결합영상을 생성하는 단계;
    상기 결합영상을 이진화하여 두 영역으로 구분하는 단계; 및
    어느 한 영역은 상기 제1 복원 영상 및 상기 제2 복원 영상에 대하여 동일한 가중치를 부여하고, 다른 영역은 상기 제1 복원 영상 및 상기 제2 복원 영상에 대하여 관심 영역의 대조도 강도에 따라 가중치를 달리 부여하는 단계를 포함하는 제어방법.
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