KR102220822B1 - Arfi 이미징을 위한 교정 - Google Patents

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지멘스 메디컬 솔루션즈 유에스에이, 인크.
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Abstract

시스템 및 방법은, 제1 축(120)을 따른 물질(110) 쪽으로의 초음파 푸시 펄스(140)의 송신 ―초음파 푸시 펄스는 제1 주파수, 제1 F 수, 및 제1 초점 깊이와 연관됨―, 푸시 펄스에 대한 응답으로, 축을 따른 물질의 변위의 결정, 제1 축을 따른 물질 쪽으로의 제2 초음파 펄스(160)의 송신 ―제2 초음파 펄스는, 각각, 제1 주파수, 제1 F 수, 및 제1 초점 깊이와 실질적으로 유사한 제2 주파수, 제2 F 수, 및 제2 초점 깊이와 연관됨―, 제2 초음파 펄스에 대한 응답으로, 물질로부터의 에코 신호들(165)의 수신, 제1 F 수 및 제1 초점 깊이에서의 고정 초점에 기반한 에코 신호들의 빔형성, 축을 따른 빔형성된 에코 신호들의 크기의 결정, 축을 따른 물질의 결정된 변위 및 축을 따른 빔형성된 에코 신호들의 크기에 기반한, 축을 따른 물질의 상대 탄성의 결정, 및 축을 따른 물질의 결정된 상대 탄성에 기반한 이미지의 생성을 포함한다.

Description

ARFI 이미징을 위한 교정{CALIBRATION FOR ARFI IMAGING}
[0001] 종래의 초음파 이미징 시스템(imaging system)은 볼륨(volume) 내의 음향 임피던스(impedance) 불연속들을 검출함으로써 이 볼륨의 내부 이미지(image)를 생성한다. 더욱 구체적으로, 종래의 초음파 이미징은, 초음파 빔(beam)들을 볼륨 안으로 송신하고, 이 볼륨 내의 음향 임피던스 불연속들로부터 반사되는 신호들을 검출하는 것을 수반한다. 상이한 물질들이 통상적으로, 상이한 음향 임피던스들을 나타내기 때문에, 검출된 음향 임피던스 불연속들은 볼륨 내의 상이한 물질들의 위치들을 표현한다.
[0002] (예컨대, 간 내의) 연조직 및 경조직(stiff tissue)은 유사한 음향 임피던스들을 나타낼 수 있다. 그러한 연조직과 경조직 사이에는 단지 작은 음향 임피던스 불연속만이 존재할 수 있기 때문에, 초음파 빔들은 조직들 사이의 경계에서는 상당히 반사되지 않을 것이다. 그에 따라서, 종래의 초음파 이미지는 연조직과 경조직을 충분히 구별하지 못할 것이다.
[0003] 유사한 음향 임피던스들을 갖는 연조직 및 경조직은 응력을 겪을 때 상이하게 반응을 보일 수 있다. 주어진 충격력에 대해, 더욱 연조직들일수록, 더욱 경조직들보다 더 멀리 이동하고, 피크(peak) 변위에 도달하는 데 더 오래 걸리며, 그리고 더욱 느리게 회복된다. 음향 방사력 임펄스(ARFI; acoustic radiation force impulse) 이미징은, 조직들의 상대 강성도(stiffness)에 기반하여 이 조직들을 구별하는 이미지들을 생성하기 위해 이들 상이한 반응들을 활용한다. ARFI 이미징은, 초음파 "푸시" 펄스(push pulse)를 사용하여 조직을 기계적으로 압박하고, 결과적인 축상의(on-axis) 조직 변위를 추적하는 것을 수반한다. 변위의 상대적인 차이들이 결정되고, 그레이스케일(grayscale) 또는 컬러 코딩(color coding)을 사용하여 디스플레이되어서(displayed), 조직 내의 구역들의 상대 강성도가 묘사된다.
[0004] 조직 내에서의 푸시 펄스의 세기는 깊이-종속적이고, 푸시 펄스의 초점 구역까지의 경로를 따른 회절 및 감쇠, 초점 이득, 및 조직의 흡수 특성들에 의해 영향을 받는다. 조직 변위가 조직 내에서의 세기 기울기(gradient)들에 비례하기 때문에, 균질한 조직의 ARFI-생성 변위 프로파일(profile)은 초점에서의, 그리고 얕은 깊이들에서의 더 큰 변위(즉, 더욱 경조직)를 오해하게 묘사할 것이다.
[0005] 종래의 ARFI 시스템들은, 관심 구역 내에서의 세기 기울기들에 기반하여, 이 구역의 변위 프로파일(즉, ARFI 이미지)을 정규화하려고 시도한다. 예컨대, 관심 구역의 변위 프로파일과 동일한 초점을 갖는 푸시 펄스를 사용하여, 균질한 팬텀(phantom)의 변위 프로파일이 생성된다. 그런 다음, 균질한 팬텀의 변위 프로파일을 나눔(dividing out)으로써, 관심 구역의 변위 프로파일이 정규화된다. 이 접근법은, 관심 구역의 특정 조직 내에서의 세기 기울기들을 설명(account for)하지 못한다. 시스템들은, 이미징되는(imaged) 조직 내에서의 실제 세기 기울기들에 기반하여, ARFI 이미지를 교정할 것을 요구받는다.
[0006] 실시예들의 구성 및 사용(usage)은 첨부된 도면들에서 예시된 다음의 명세서를 고려할 때 자명해질 것이며, 이 도면들에서 유사한 참조 번호들은 유사한 부분들을 표기하고, 여기서:
[0007] 도 1은 일부 실시예들에 따른, 교정된 ARFI 이미지를 생성하기 위한 프로세스(process)를 예시하고;
[0008] 도 2는 일부 실시예에 따른, 초음파 이미징 장치의 블록 다이어그램(block diagram)이고;
[0009] 도 3은 일부 실시예들에 따른, 포커싱된(focused) 초음파 펄스의 송신을 예시하고;
[0010] 도 4는 일부 실시예에 따른, 초음파 펄스의 포커싱된 수신을 예시하고;
[0011] 도 5는 일부 실시예들에 따른, 교정된 ARFI 이미지를 생성하기 위한 프로세스의 흐름 다이어그램이고;
[0012] 도 6은 일부 실시예들에 따른, 고정된 축상의 깊이에서의 시간에 걸친 변위의 그래프(graph)이고;
[0013] 도 7은 일부 실시예들에 따른, 축상의 깊이에 대한 최대 변위의 그래프이고;
[0014] 도 8은 일부 실시예들에 따른, 축상의 깊이에 대한 고정-초점 B-모드(mode) 수신 펄스 진폭의 그래프이고;
[0015] 도 9는 일부 실시예들에 따른, 축상의 깊이에 대한 정규화된 최대 변위의 그래프이고;
[0016] 도 10은 일부 실시예들에 따른, 2-차원 ARFI 이미지의 획득을 예시하고;
[0017] 도 11a는 최대 변위를 표현하는 미가공(raw) 이미지이며; 그리고
[0018] 도 11b는 일부 실시예들에 따른, 최대 변위를 표현하는 정규화된 이미지이다.
[0019] 다음의 설명은 당업자가 설명된 실시예들을 실시하고 사용하는 것을 가능하게 하기 위해 제공되고, 설명된 실시예들을 수행하기 위해 고려된 최선의 모드를 제시한다. 그러나, 다양한 수정들이 당업자들에게 자명하게 유지될 것이다.
[0020] 일부 실시예들은 ARFI 이미지의 효율적인 그리고 정확한 생성을 제공한다. 더욱 구체적으로, 일부 실시예들은, 이미징되고 있는 조직에 적용되는 실제 깊이-종속적 힘에 기반하여 ARFI 이미지를 교정하기 위해 본 발명의 시스템을 제공한다. 그러한 이미지는 이미징되는 조직들의 상대 강성도를 종래의 시스템들보다 더욱 정확하게 묘사할 수 있다.
[0021] 일부 실시예들에 의해 해결되는 기술적인 문제점은, 종래의 ARFI 시스템들이 이미징되고 있는 조직의 감쇠 및 회절 패턴(pattern)들을 설명하지 못하는 것이다. 일부 실시예들은, B-모드 이미지를 획득하기 위해 사용되는 매개변수들의 특정 제어, 그리고 이미징되는 조직의 감쇠 및 회절 패턴들에 기반하여 ARFI 이미지를 정규화하기 위한 B-모드 이미지의 사용을 통해, 기술적인 해결책을 제공한다.
[0022] 도 1은 일부 실시예들에 따른 구현을 예시한다. 일반적으로, 초음파 변환기(100)는 초음파 빔들을 볼륨(110) 안으로 송신하고, 이 볼륨(110)으로부터 초음파 신호들을 수신한다. 볼륨(110)은 인체를 포함할 수 있지만, 실시예들은 이에 제한되지 않는다. 초음파 변환기(100)는 임의의 적절한 초음파 변환기, 이를테면, 위상-어레이(phased-array), 선형 또는 볼록(convex) 초음파 변환기(그러나, 이에 제한되지 않음)를 포함할 수 있다.
[0023] 도 1은 일부 실시예들에 따른, ARFI 이미지의 하나의 라인(line)의 획득을 묘사한다. 이 라인은, 측방향 축 상의 지점으로부터 Z-방향으로 축(120)을 따라 연장된다. 아래에서-설명된 초음파 빔들(130 내지 160) 각각은, 상이한 시간들에서도 불구하고, 축(120) 주위에 중심이 놓인다(centered).
[0024] 기술분야에서 알려져 있는 바와 같이, 초음파 빔들(130 내지 150)은 ARFI 이미지를 획득하기 위해 사용된다. 특히, 송신/수신 빔들(130)은, 기술분야에서 알려져 있는 바와 같이, B-모드 초음파 추적 펄스의 송신 및 대응하는 기준선(baseline) 추적 에코(echo) 신호의 수신을 묘사한다. 기준선 추적 에코 신호는, ARFI 푸시 펄스에 앞서 축(120)을 따라 생리적 모션(motion)에 기인하는 조직 변위들을 측정하도록 의도된다. 초기 위치들을 얻기 위해, 기준선 추적 에코 신호들의 하나 이상의 세트(set)들이 획득되어 사용(예컨대, 평균)될 수 있다. 그런 다음, 초음파 변환기(100)는 축(120)을 따라 빔(140)을 송신한다. 빔(140)은, 축(120)을 따라 그리고 축(120)의 방향으로 조직을 변위시키도록 의도되는 푸시 펄스를 포함한다. 푸시 펄스의 송신은 기술분야에서 알려져 있고, 통상적으로, B-모드 데이터(data)를 생성하기 위해 사용되는 송신 펄스보다 더욱 많은 주기들로 구성된다.
[0025] 다음 차례로, 시간에 걸친 조직의 결과적인 변위를 모니터링(monitor)하기 위해 초음파 신호들(150)이 사용된다. 각각의 수신 신호 또는 신호들(150)은, 주어진 시점에서의 조직들의 위치들을 표시하는 데이터의 프레임(frame)을 표현하는 변위 추적 에코 신호이다. 기술분야에서 알려져 있는 바와 같이, 변위 추적 에코 신호들이 교차-상관되어, 축(120)을 따른 각각의 지점(z)에 대한 시간에 걸친 변위 크기(magnitude)가 결정될 수 있다. 생리적 모션에 의해 유발되는 변위들을 필터링(filter out)하기 위해, 시간 변위 프로파일들에 모션 필터(filter)가 적용된다. 그런 다음, 이 데이터는, 각각의 지점(z)에서 경험되는 최대 변위를 표시하는 최대 변위 프로파일을 결정하기 위해 사용된다.
[0026] 변위 추적 에코 신호들에 의해 추적되는 변위들은 초음파 푸시 펄스와 기본적인 생리적 모션 둘 모두에 의해 유발된다. 위에서-설명된 기준선 추적 에코 신호는, 기본적인 생리적 모션을 모델링(model)하기 위해 사용될 수 있으며, 이 기본적인 생리적 모션은, 푸시 펄스에 의해서만 유발되는 최대 변위들을 얻기 위해, 최대 변위 프로파일로부터 차감된다. 일부 실시예들은, 기준선 데이터의 적절한 다항식 모델(model)을 얻기 위하여, 푸시 펄스에 앞서 10-20개의 기준선 추적 펄스/에코 신호 쌍들을 사용한다.
[0027] 위에서 설명된 기준선 추적에 부가하여, 생리적 모션은 또한, 조직이 이 조직의 본래 상태로 되돌아간 후에 얻어지는 추적 신호들을 사용하여 모델링될(modeled) 수 있다. 이들 추적 신호들로부터 결정된 변위 값들에 다항식을 근사(fitting)시키는 것은, 위에서 설명된 바와 같이 필터링될(filtered out) 기본적인 생리적 모션의 더 나은 추정치를 제공할 수 있다.
[0028] 부가적인 B-모드 데이터를 획득하기 위해 빔(160)과 신호(165)가 사용된다. 일부 실시예들에 따라, 송신 빔(160)의 매개변수들은 푸시 펄스(140)의 매개변수들과 실질적으로 유사하다. 예컨대, 송신 빔(160)은, 푸시 펄스(140)의 매개변수들과 유사한 주파수, F-수(F number)/애퍼처 사이즈(aperture size), 초점 및 아포다이제이션(apodization) 함수 매개변수들을 사용하여 생성될 수 있다. 송신 빔(160)의 주기들의 수(예컨대, 2-8개의 주기들)는 좁은 주파수 대역을 나타내기에 적절하다. 그에 반해서, 푸시 펄스(140)는 수백 개의 주기들로 구성될 수 있다.
[0029] 수신 신호(160)는 후방산란 신호이고, 종래의 동적 수신 빔형성(beamforming)과 대조적으로, 고정 초점을 사용하여 수신된다. 고정 초점 위치는 푸시 펄스(140) 및 송신 빔(160)의 초점과 실질적으로 유사하다. 그런 다음, Z의 함수로써 수신 신호(160)의 진폭이 결정된다.
[0030] 최대 변위 프로파일은, Z의 함수로써 수신 신호(160)의 진폭으로 정규화된다. 일부 실시예들에 따라, 정규화는 최대 변위 프로파일을 수신 신호(160)의 진폭으로 나누는 것으로 구성된다. 아래에서 상세히 설명될 바와 같이, 결과적인 함수는, 이미징되는 조직 내에서의 감쇠 및 회절 효과들에 의해 유발되는, 최대 변위 프로파일에서의 인공물(artifact)들을 감소시키면서, 축(120)을 따른 조직들의 상대 강성도를 표현한다.
[0031] 도 2는 일부 실시예들에 따른, 초음파 이미징 시스템(200)의 블록 다이어그램이다. 시스템(200)은 본원에서 설명된 프로세스들 중 하나 이상을 구현할 수 있다. 시스템(200)은 위상-어레이 초음파 이미징 시스템이지만, 실시예들은 이에 제한되지 않는다. 통상적인 위상 어레이 시스템들은 64개 내지 256개의 수신 채널(channel)들 및 비슷한 수의 송신 채널들을 활용한다. 명확성을 위해, 도 2는 단일 송신-및-수신 채널을 예시한다.
[0032] 시스템(200)은 변환기 엘리먼트(element)(205) 및 송신/수신 스위치(switch)(210)를 포함한다. 변환기 엘리먼트(205)는 압전기 또는 용량성 멤브레인(membrane) 엘리먼트들의 1-차원, 1.25-차원, 1.5-차원, 1.75-차원 또는 2-차원 어레이의 엘리먼트를 포함할 수 있다. 송신/수신 스위치(210)는, (예컨대, 엘리먼트(205)에 걸친 전압의 인가에 대한 응답으로) 엘리먼트(205)를 통한 초음파 에너지(energy)의 송신을 허용하도록, 또는 수신된 초음파 에너지(즉, 에코들)에 대한 응답으로 엘리먼트(205)에 의해 생성된 전압의 수신을 허용하도록 동작된다.
[0033] 송신 빔형성기(beamformer)(215)는, 디지털-아날로그 컨버터(digital-to-analog converter)(220) 및 고-전압(high-voltage) 송신기(225)와 함께, 복수의 채널들에 대한 파형들을 생성하도록 동작가능하며, 여기서, 각각의 파형은 상이한 진폭, 지연, 및/또는 위상을 나타낼 수 있다. 수신 빔형성기(230)는 복수의 채널들로부터 신호들을 수신하며, 이 신호들 각각은 증폭(235), 필터링(filtering)(240), 아날로그-디지털 컨버전(analog-to-digital conversion)(245), 지연들 및/또는 위상 회전기들, 및 하나 이상의 합산기들에 영향을 받을 수 있다. 수신 빔형성기(230)는, 각각의 송신 빔에 대한 응답으로, 하나 이상의 수신 빔들을 형성하기 위해, 상대적인 지연들, 위상들, 및/또는 아포다이제이션을 적용하도록 하드웨어(hardware) 또는 소프트웨어(software)에 의해 구성될 수 있다. 수신 빔형성기(230)는, 기술분야에서 알려져 있는 바와 같은 동적 수신 포커싱(focusing)을 제공할 뿐만 아니라 고정 초점 수신도 제공할 수 있다.
[0034] 수신 빔형성기(230)에 의해 형성되는 수신 빔들은, 송신 빔들 및 수신 빔들이 통과한 물질을 표현한다. 수신 빔들은, 프로세싱(processing)을 위해 프로세서(processor)(250)에 출력된다. 예컨대, 프로세서(250)는 수신 빔들에 기반하여 이미지들을 생성할 수 있다.
[0035] 프로세서(250)는, 본원에서 설명된 프로세스들을 수행하기 위해 그리고/또는 이 프로세스들을 수행하도록 시스템(200)의 다른 구성요소들을 제어하기 위해, 메모리(memory)(260)에 저장된 프로세서-실행가능 프로그램 코드(processor-executable program code)를 실행할 수 있다. 프로세서(250)는, 빔형성된(beamformed) 초음파 샘플(sample)들에 기반하여 데이터(예컨대, 이미지 데이터)를 생성하기 위한 B-모드 검출기, 도플러(Doppler) 검출기, 펄스파(pulsed wave) 도플러 검출기, 상관 프로세서, 푸리에(Fourier) 변환 프로세서, 주문형 집적 회로, 일반 프로세서, 제어 프로세서, 이미지 프로세서, 필드 프로그램가능 게이트 어레이(field programmable gate array), 디지털(digital) 신호 프로세서, 아날로그(analog) 회로, 디지털 회로, 이들의 결합들, 또는 다른 현재-알려진 또는 추후-개발되는 디바이스(device)를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 프로세서(250)는 조직 변위를 결정하기 위한 전용 프로세서를 포함한다.
[0036] 일부 실시예들에 따라, 프로세서(250)는, 수신된 B-모드 신호들에 기반하여, ARFI 푸시 펄스가 원인인 조직 변위를 추정하도록 구성된다. 추정은 상관, 추적, 모션 검출, 또는 다른 기법들을 사용할 수 있다. 아래에서 설명될 바와 같이, 프로세서(250)는, 정규화된 변위 값들을 대응하는 이미지 위치들에서의 디스플레이(display) 값들에 매핑(mapping)함으로써, 이미지를 생성할 수 있다. 생성된 이미지는 메모리(260)에 저장될 수 있다.
[0037] 메모리(260)는 비-일시적인 컴퓨터(computer) 판독가능 저장 매체, 이를테면 랜덤 액세스 메모리(Random Access Memory) 및/또는 비-휘발성 메모리(예컨대, 플래시(Flash) 메모리, 하드 디스크(hard disk) 메모리)를 포함할 수 있다. 디스플레이(255)는, 프로세서(250)에 의해 생성된 이미지 데이터에 기반하여 이미지들을 디스플레이(displaying)하기 위한 음극선관 디스플레이, 액정 디스플레이, 발광 다이오드(diode) 디스플레이, 플라즈마(plasma) 디스플레이, 또는 다른 유형의 디스플레이를 포함할 수 있다. 디스플레이(255)는 관심 구역에서의 상이한 위치들의 상대 탄성을 표현하는 이미지를 디스플레이할 수 있다.
[0038] 도 3 및 도 4는 일부 실시예들에 따른, 포커싱된 초음파 송신 및 수신을 예시한다. 송신 빔형성기(320)는, 도시된 바와 같이, N개(여기서, N = 송신 채널들의 수)의 각각-지연된 고-전압 송신 펄스들을 생성하도록 고-전압 송신기들(330)을 제어한다. 이들 펄스들은, 초점 영역(300)에 포커싱되는 초음파 빔을 생성하기 위해 변환기 어레이(305)의 개별적인 변환기 엘리먼트들을 여기시킨다(excite).
[0039] 도 4에서 도시된 바와 같이, 변환기 어레이(305)의 변환기들은 음향 임피던스 불연속들로부터 반사된 음향 에너지를 수신하고, 결과적인 전기 신호들은 별개의 수신 채널들로 라우팅된다(routed). 신호들은 증폭기들(435) 및 필터들(440)에 의해 프로세싱되며(processed), 그리고 디지털화된다(digitized). 지연 프로파일에 기반하여, 디지털화된 신호들은 지연되며, 그리고 초점 영역(400)에 포커싱된 수신 빔형성된 신호를 생성하기 위하여, 수신 빔형성기(450)에서 합산된다. 일부 실시예들에 따라, 초점 영역들(300 및 400)은 빔들(160 및 165)에 대해 위에서 설명된 송신/수신 시퀀스(sequence) 동안 실질적으로 콜로케이팅된다(co-located).
[0040] 도 5는 일부 실시예들에 따른, 상대 탄성을 묘사하는 이미지를 생성하기 위한 프로세스(500)의 흐름 다이어그램이다. 프로세스(500)는 시스템(200)의 엘리먼트들에 의해 실행될 수 있지만, 실시예들은 이에 제한되지 않는다. 본원에서 언급된 프로세스(500) 및 모든 다른 프로세스들은, 비-일시적인 컴퓨터-판독가능 매체(computer-readable media), 이를테면 플로피(floppy) 디스크, CD-ROM, DVD-ROM, 플래시 드라이브(drive), 및 자기 테이프(tape) 중 하나 이상으로부터 판독되고, 그런 다음, 압축된, 컴파일링되지 않은(uncompiled) 그리고/또는 암호화된 포맷(format)으로 저장되는 프로세서-실행가능 프로그램 코드로 구현될 수 있다. 일부 실시예들에 따른 프로세스들의 구현을 위해, 프로그램 코드 대신에 또는 이 프로그램 코드와 결합하여, 일부 실시예들에서, 하드-와이어링된(hard-wired) 회로가 사용될 수 있다. 그러므로, 실시예들은 하드웨어와 소프트웨어의 임의의 특정 결합으로 제한되지 않는다.
[0041] 처음에, S510에서, 기술분야에서 알려져 있는 바와 같이, 송신 빔과 수신 빔의 하나 이상의 쌍들을 사용하여, 관심 구역을 통한 축방향 라인(axial line)의 기준선 B-모드 데이터가 획득된다. 송신 빔들은, B-모드 데이터를 획득하기에 적절한 임의의 빔 매개변수들을 사용하여 형성될 수 있다. 수신 빔들은, 기술분야에서 알려져 있는 바와 같이, 동적 수신 포커싱 기법들을 사용하여 수신될 수 있다. 기준선 B-모드 데이터는 축방향 라인을 따른 음향 임피던스 불연속들을 표현한다.
[0042] S515에서, 관심 구역을 변위시키기 위해 푸시 펄스가 송신된다. 푸시 펄스는 S510의 빔들과 동일한 축을 따라 송신되고, 이 축을 따라 관심 구역의 조직을 압박한다. 푸시 펄스는 제1 주파수, F-수/애퍼처 사이즈, 및 선택적으로 아포다이제이션 함수에 기반하여 송신된다. 예컨대, 푸시 펄스는 2cm의 초점 깊이, 2.5의 F수(Fnum) 및 4MHz의 주파수, 그리고 S510에서 B-모드 데이터를 획득하기 위해 사용된 송신들과 유사하거나 또는 그보다 더 높은 전력 진폭 레벨들을 갖는 400-주기 송신 파형을 포함할 수 있다.
[0043] 다음 차례로, S520에서, 시간에 걸쳐 연속적인 B-모드 데이터가 획득된다. 연속적인 B-모드 데이터는, 동일한 축을 따라 그리고 조직의 변위 동안 다양한 간격들로 획득된다. 일부 실시예들에서, 연속적인 B-모드 데이터는, 5 kHz 내지 10 kHz의 펄스 반복 주파수들에서 720 mW/cm2 미만의 세기 및 1.0의 F수를 갖는 1-5 주기 펄스들을 사용하여 3-5 마이크로초(msec) 동안 획득된다. 아래에서 설명될 바와 같이, 푸시 펄스에 의해 유발되는 조직 변위는 S510에서 획득된 데이터와 S520에서 획득된 데이터의 비교에 기반하여 결정될 것이다.
[0044] S525에서, 축을 따라 B-모드 펄스가 송신된다. B-모드 펄스는, 푸시 펄스의 매개변수들과 실질적으로 유사한 매개변수들을 사용하여 송신된다. 본 예에서, B-모드 펄스는, 2cm의 초점 깊이, 2.5의 F수 및 4MHz의 주파수로 송신될 수 있다. 이 B-모드 펄스의 주기들의 수(예컨대, 3.5개의 주기들)는 푸시 펄스의 주기들의 수 미만일 수 있다.
[0045] S525에서 송신된 B-모드 펄스에 대응하여, S530에서 B-모드 신호들이 수신된다. 예컨대, 수신 빔형성기는, S525에서 송신된 B-모드 펄스와 실질적으로 동일한 초점 깊이에 고정되는 초점 깊이(예컨대, 2cm)에 기반하여, 수신 신호들로부터 수신 빔을 형성한다. 일부 실시예들에 따라, S530은, 시스템(200)의 동적 수신 초점 기능의 비활성화(disabling)를 포함한다.
[0046] S535에서, 축 방향으로의 관심 구역의 변위가 결정된다. 더욱 구체적으로, S505에서 획득된 기준선 B-모드 데이터 및 S510에서 획득된 연속적인 B-모드 데이터에 기반하여, 복수의 깊이들(즉, z-위치들) 각각에 대한 시간에 걸친 변위가 결정된다. 기술분야에서 알려진 상관-기반 추적 알고리즘(algorithm)들을 사용하여 푸시-전(pre-push) 및 푸시-후(post-push) B-모드 데이터에서의 스페클(speckle) 패턴들의 이동을 추적함으로써, 변위가 결정될 수 있다. 상관-기반 추적 알고리즘의 분해능(resolution)은 크래머-라오 하한(Cramer-Rao lower bound)으로부터 도출될 수 있으며, 그리고 신호-대-잡음비(SNR; signal-to-noise ratio), 상관될 에코들의 피크 상관 및 대역폭, 그리고 추적 빔들의 중심 주파수에 따라 좌우된다. 통상적인 초음파 데이터(즉, 각각, SNR=45 dB, ρ=0.99, BW=70%, fo=7.2 MHz)에 적용될 때, 크래머-라오 하한은 10분의 1 미크론(micron) 정도의 최소 축방향 변위를 예측한다.
[0047] 종래의 초음파 이미징 시스템들에 의해 획득되는 B-모드 데이터는, 라디오-주파수(RF; radio-frequency) 데이터 대신에, 복조된 동상 및 직교상(IQ; in-phase and quadrature) 데이터를 포함할 수 있다. IQ 데이터는, RF 데이터로 다시 재변조되고 위에서 논의된 바와 같이 교차-상관을 사용하여 추적될 수 있다. 그러나, 기술분야에서 알려져 있는 바와 같이, 시간에 걸쳐, 각각의 깊이에서, IQ 데이터에서의 위상 시프트(shift)를 추정함으로써 직접적으로 변위들을 컴퓨팅(compute)하기 위해, 자기상관-기반 방법들이 사용될 수 있다. 위상 겹침 인공물(phase wrapping artifact)들을 방지하기 위해, 각각의 깊이에서의 위상 시프트는, 음향 파장의 절반(one-half)의 최대 병진(translation)으로 제한되는 국소화된 변위를 표현한다.
[0048] 도 6은 일부 실시예들에 따른, 고정된 축상의 깊이(Z = 2cm)에서의 시간(t)에 걸친 변위(D)의 그래프이다. 기술분야에서 알려져 있는 바와 같이, Z = 2cm에서의 시간에 걸친 변위(D)는, S510에서 획득된 데이터와 S520에서 획득된 데이터 사이의 상관에 기반하여, S535에서 결정될 수 있다. 시간(tP)은, 푸시 펄스가 송신된 시간을 표현한다. 도 6이 단일 축상의 깊이와 연관된 변위 데이터를 예시하지만, S535는 다른 축상의 깊이들에 대한 변위 데이터를 얻는 것을 포함한다.
[0049] S540에서, 각각의 깊이에서 경험된 최대 변위가 결정된다. 최대 변위는, S535에서 복수의 깊이들 각각에 대해 결정된 시간 변위 프로파일들에 기반하여 결정될 수 있다. 도 7은 일부 실시예들에 따른, 축상의 깊이 대 최대 변위의 프로파일이다. 도시된 바와 같이, 도 7의 프로파일은 축상의 깊이(Z)에 대한 최대 변위(Dmax)를 그린다. 도시된 바와 같이, 도 6의 그래프에서의 변위(D)의 최대 값은, Z = 2에서 도 7의 프로파일 상에 그려진다. 도 7의 프로파일은, S535에서 결정된 각각의 프로파일의 최대 변위 값들(이 최대 변위 값들이 대응하는 Z 값들에 그려짐)로 구성된다.
[0050] 다음 차례로, S545에서, (예컨대, 엔벨로프(envelope) 검출을 사용하여) 기술분야에서 알려져 있는 바와 같이, 깊이의 함수로써, S530에서 수신된 B-모드 신호들의 크기가 결정된다. 일부 실시예들에 따라, abs(Hilbertz(RF(x, z))를 계산함으로써 크기가 결정되지만, 실시예들은 이에 제한되지 않는다. 일부 실시예들에서, S545는, 결정된 크기를 깊이-종속적 이득 함수(예컨대, FeGain(z))로 나눔으로써, 프론트-엔드 아날로그 이득(front-end analog gain)에 대한 보상을 포함한다.
[0051] 도 8은 일부 실시예들에 따른, 축상의 깊이 대 고정-초점 B-모드 수신 펄스 진폭의 그래프이다. S550에서, 관심 구역 내의 상대 탄성들은, S545에서 결정된 깊이에 걸친 크기 및 S540에서 결정된 깊이에 걸친 최대 변위에 기반하여 추정된다.
[0052] 일부 실시예들에 따라, S550은, 최대 변위 프로파일을 S545에서 결정된 깊이에 걸친 크기로 나누는 것으로 구성된다. 도 9는 일부 실시예들에 따른, 깊이에 걸친, 그에 따라(thusly)-정규화된 최대 변위의 그래프이다. 아래에서 설명될 바와 같이, 각각의 깊이에서의 정규화된 최대 변위는, 그 깊이에서의 조직의 탄성에 반비례(inversely proportional)한다. 유리하게, 정규화는, 이미징되고 있는 실제 조직의 감쇠 및 회절 패턴들을 설명한다.
[0053] 특히, S535에서 획득된 변위 프로파일은 displ(z)로서 기록될 수 있으며, 그리고 다음과 같이
Figure 112018125372317-pat00001
에 비례하며: displ(z)
Figure 112018125372317-pat00002
, 여기서 E(z)는 깊이(z)에서의 조직의 탄성 특성들에 관련된 상수이고, 강성도에 반비례하며(E가 작다 = 경조직, E가 크다 = 연조직),
Figure 112018125372317-pat00003
은 감쇠의 부재 시 축상의 세기 프로파일이고, D(z)는 감쇠의 부재 시 축상의 송신 빔 프로파일이고(즉,
Figure 112018125372317-pat00004
), f는 빔 주파수이며, 그리고
Figure 112018125372317-pat00005
는 조직의 감쇠 계수이다. 그에 따라서, 지수
Figure 112018125372317-pat00006
는, 빔 경로를 따른 감쇠에 기인하는 세기의 감소를 표현한다.
[0054] S545에서 결정된 크기는 BSC(z)로서 표현될 수 있으며, 그리고
Figure 112018125372317-pat00007
에 비례한다. S525의 송신 빔과 S530의 수신 빔의 동일한 초점 때문에,
Figure 112018125372317-pat00008
이다. 그에 따라서,
Figure 112018125372317-pat00009
이고,
Figure 112018125372317-pat00010
이다.
[0055] 그러므로, S550에서, 본 발명자들은 (S535로부터의) displ(z)
Figure 112018125372317-pat00011
및 (S545로부터의)
Figure 112018125372317-pat00012
을 갖는다. S550에서 displ(z)을 BSC(z)로 나누는 것이
Figure 112018125372317-pat00013
항을 소거하여서, 깊이의 함수로써, 회절 및 감쇠 효과들의 부재 시 조직의 탄성 특성들을 표현하는 E(z)에 비례하는 정규화된 변위가 야기된다.
[0056] 그에 따라서, B-모드 펄스의 초점 깊이, 주파수 및 F수와 푸시 펄스의 초점 깊이, 주파수 및 F수가 더욱 유사할수록,
Figure 112018125372317-pat00014
항을 소거하기 위한, 즉, displ(z)에 영향을 끼치는 회절 및 감쇠 효과들을 최소화하기 위한 위의 기법은 더욱 효과적이다. 그러므로, 일부 실시예들은, 회절 및 감쇠 효과들의 적절한 감소를 제공하는 정도로, 푸시 펄스의 개개의 매개변수들과 실질적으로 유사한 초점 깊이, 주파수 및 F수를 갖는 B-모드 펄스를 사용한다. 일부 실시예들에서, B-모드 펄스의 실질적으로 유사한 매개변수 값들은 푸시 펄스의 개개의 초점 깊이, 주파수 및 F수로부터 5mm, 100hz, 및 0.1만큼 변할 수 있다. 실시예들은 이들 범위들로 제한되지 않는다.
[0057] S555에서, 축방향 라인의 이미지를 생성하기 위해, 정규화된 변위가 사용된다. 예컨대, 축방향 라인 상의 각각의 지점(z)에 대한 정규화된 변위들은 컬러, 그레이스케일, 밝기, 색상, 또는 디스플레이 픽셀(pixel)의 다른 특성에 매핑된다(mapped). 일부 실시예들에서, 제1 컬러(예컨대, 적색)가 더 큰 변위를 표시하고, 제2 컬러(예컨대, 청색)가 더 낮은 변위를 표시하도록, 컬러들의 범위가 매핑된다.
[0058] 프로세스(500)는 관심 구역을 통한 다른 축방향 라인들에 대해 반복될 수 있고, 각각의 축방향 라인에 대해 생성된 이미지 데이터가 2-차원 이미지로 결합될 수 있다. 도 10은 볼륨(1000) 안으로 송신되는 푸시 펄스들, 및 볼륨(1000)을 통한 각각의 축방향 스캔(scan) 라인에 대해 프로세스(500)를 실행함으로써 생성되는 결과적인 이미지를 예시한다.
[0059] 도 11a는 본원에서 설명된 정규화 이전의 변위 이미지(1100)를 묘사한다. 변위 이미지(1100)는 많은 축방향 라인들 각각에 대해 깊이의 함수로써 최대 변위(S540에서 결정됨)를 묘사한다. 도 11b의 정규화된 변위 이미지(1150)는, 각각의 축방향 라인에 대해, 깊이의 함수로써, 위에서 설명된 수신 B-모드 신호들의 크기에 기반하는 정규화 이후의 최대 변위를 묘사한다. 도시된 바와 같이, 이미지(1150)는, 이미지(1100)보다 상당히 더욱 명확하게, 이미징되는 조직 내의 상대 탄성들의 차이들을 묘사한다.
[0060] 일부 실시예들에 따라, 본원에서 설명된 바와 같이 생성된 탄성 이미지는 다른 이미지 정보와 결합되어 이 다른 이미지 정보와 함께 디스플레이될(displayed) 수 있다. 예컨대, 탄성 이미지는 B-모드 이미지의 컬러 오버레이(overlay)로서 디스플레이될 수 있다. 게다가, 잡음을 제거하고, 밝기를 조정하고, 시야를 시준하며, 그리고/또는 디스플레이 디바이스의 디스플레이 특성들에 프레임들을 일치시키기 위해, 알려진 프로세싱 기법들이 이미지에 적용될 수 있다.
[0061] 일부 실시예들에 따라, 사용자는 디스플레이된 탄성 이미지 내에서 2 이상의 관심 구역(ROI; region of interest)들을 선택할 수 있다. 예컨대, 하나의 선택된 ROI는 병변을 포함할 수 있고, 다른 선택된 ROI는 정상 조직을 포함할 수 있다. 그런 다음, 구역들의 탄성 사이의 비(ratio)가 결정되어 디스플레이된다. 이러한 비는, 병변 유형을 식별하기 위해 또는 상태(condition)의 정도를 정량화하기 위해 사용될 수 있다. 더욱 정확한 탄성 이미지들을 제공함으로써, 이러한 비는 종래의 시스템들에서보다 더욱 정확하게 결정될 수 있다.
당업자들은, 청구항들의 범위 및 사상을 벗어나지 않으면서, 위에서-설명된 실시예들의 다양한 적응들 및 수정들이 구성될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 그러므로, 본원에서 구체적으로 설명된 바 이외에도, 청구항들이 실시될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (10)

  1. 초음파 이미징 시스템으로서,
    초음파 변환기(100), 수신 빔형성기(230), 프로세서(250), 및 디스플레이(255)를 포함하고,
    상기 초음파 변환기(100)는,
    초음파 푸시 펄스(push pulse)(140)를 제1 축(120)을 따라 물질(110) 쪽으로 송신하고 ― 상기 초음파 푸시 펄스는 제1 주파수, 제1 F-수(F number), 및 제1 초점 깊이와 연관됨 ―,
    제2 초음파 펄스(160)를 상기 제1 축을 따라 상기 물질 쪽으로 송신하며 ― 상기 제2 초음파 펄스는 제2 주파수, 제2 F-수, 및 제2 초점 깊이와 연관됨 ―, 그리고
    상기 제2 초음파 펄스에 대한 응답으로, 상기 물질로부터 에코(echo) 신호들(165)을 수신하도록
    구성되고,
    상기 수신 빔형성기(230)는, 상기 제1 F-수 및 상기 제1 초점 깊이에서의 고정 초점에 기반하여, 상기 에코 신호들을 빔형성(beamform)하도록 수신 애퍼처(aperture)를 제어하도록 구성되고,
    상기 프로세서(250)는,
    상기 초음파 푸시 펄스에 대한 응답으로, 상기 제1 축을 따른 상기 물질의 변위를 결정하고,
    상기 제1 축을 따른 빔형성된(beamformed) 에코 신호들의 크기를 결정하고,
    상기 제1 축을 따른 상기 빔형성된 에코 신호들의 크기에 대한 상기 제1 축을 따른 상기 물질의 결정된 변위의 비(ratio)를 결정함으로써, 상기 제1 축을 따른 상기 물질의 상대 탄성을 결정하며, 그리고
    상기 제1 축을 따른 상기 물질의 결정된 상대 탄성에 기반하여, 상기 제1 축을 따른 복수의 위치들 각각에서의 이미지(image)의 픽셀(pixel) 값들을 결정하도록
    구성되고,
    상기 디스플레이(255)는 상기 이미지를 디스플레이하도록 구성되는,
    초음파 이미징 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 푸시 펄스에 대한 응답으로, 상기 제1 축을 따른 상기 물질의 변위를 결정하는 것은, 상기 초음파 푸시 펄스에 대한 응답으로, 상기 제1 축을 따른 상기 물질의 각각의 지점에서의 최대 변위를 결정하는 것을 포함하며, 그리고
    상기 제1 축을 따른 상기 물질의 상대 탄성을 결정하는 것은, 상기 제1 축을 따른 상기 물질의 각각의 지점에서의 결정된 최대 변위 및 상기 제1 축을 따른 상기 빔형성된 에코 신호들의 크기에 기반하는,
    초음파 이미징 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 주파수, 상기 제2 F-수, 및 상기 제2 초점 깊이는 각각 상기 제1 주파수, 상기 제1 F-수, 및 상기 제1 초점 깊이와 실질적으로 유사한,
    초음파 이미징 시스템.
  4. 삭제
  5. 초음파 이미징 시스템을 이용한 ARFI 이미징을 위한 방법으로서,
    초음파 푸시 펄스(140)를 제1 축(120)을 따라 물질(110) 쪽으로 송신하는 단계 ― 상기 초음파 푸시 펄스는 제1 주파수, 제1 F-수, 및 제1 초점 깊이와 연관됨 ―;
    상기 초음파 푸시 펄스에 대한 응답으로, 상기 제1 축을 따른 상기 물질의 변위를 결정하는 단계;
    제2 초음파 펄스(160)를 상기 제1 축을 따라 상기 물질 쪽으로 송신하는 단계 ― 상기 제2 초음파 펄스는 제2 주파수, 제2 F-수, 및 제2 초점 깊이와 연관됨 ―;
    상기 제2 초음파 펄스에 대한 응답으로, 상기 물질로부터 에코 신호들(165)을 수신하는 단계;
    상기 제1 F-수 및 상기 제1 초점 깊이에서의 고정 초점에 기반하여, 상기 에코 신호들을 빔형성하는 단계;
    상기 제1 축을 따른 빔형성된 에코 신호들의 크기를 결정하는 단계;
    상기 제1 축을 따른 상기 빔형성된 에코 신호들의 크기에 대한 상기 제1 축을 따른 상기 물질의 결정된 변위의 비(ratio)를 결정함으로써, 상기 제1 축을 따른 상기 물질의 상대 탄성을 결정하는 단계; 및
    상기 제1 축을 따른 상기 물질의 결정된 상대 탄성에 기반하여, 이미지를 생성하는 단계
    를 포함하는,
    방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 초음파 푸시 펄스에 대한 응답으로, 상기 제1 축을 따른 상기 물질의 상기 변위를 결정하는 단계는, 상기 초음파 푸시 펄스에 대한 응답으로, 상기 제1 축을 따른 상기 물질의 각각의 지점에서의 최대 변위를 결정하는 단계를 포함하며, 그리고
    상기 제1 축을 따른 상기 물질의 상기 상대 탄성은, 상기 제1 축을 따른 상기 물질의 각각의 지점에서의 결정된 최대 변위 및 상기 제1 축을 따른 상기 빔형성된 에코 신호들의 크기에 기반하여 결정되는,
    방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 주파수, 상기 제2 F-수, 및 상기 제2 초점 깊이는 각각 상기 제1 주파수, 상기 제1 F-수, 및 상기 제1 초점 깊이와 실질적으로 유사한,
    방법.
  8. 삭제
  9. 초음파 이미징 시스템으로서,
    초음파 푸시 펄스(140)를 제1 축(120)을 따라 물질(110) 쪽으로 송신하고 ― 상기 초음파 푸시 펄스는 제1 주파수, 제1 F-수, 및 제1 초점 깊이와 연관됨 ―;
    상기 초음파 푸시 펄스에 대한 응답으로, 상기 제1 축을 따른 상기 물질의 변위를 결정하고;
    제2 초음파 펄스(160)를 상기 제1 축을 따라 상기 물질 쪽으로 송신하고 ― 상기 제2 초음파 펄스는 제2 주파수, 제2 F-수, 및 제2 초점 깊이와 연관됨 ―;
    상기 제2 초음파 펄스에 대한 응답으로, 상기 물질로부터 에코 신호들(165)을 수신하고;
    상기 제1 F-수 및 상기 제1 초점 깊이에서의 고정 초점에 기반하여, 상기 에코 신호들을 빔형성하고;
    상기 제1 축을 따른 빔형성된 에코 신호들의 크기를 결정하고;
    상기 제1 축을 따른 상기 빔형성된 에코 신호들의 크기에 대한 상기 제1 축을 따른 상기 물질의 결정된 변위의 비(ratio)를 결정함으로써, 상기 제1 축을 따른 상기 물질의 상대 탄성을 결정하며; 그리고
    상기 제1 축을 따른 상기 물질의 결정된 상대 탄성에 기반하여, 이미지를 생성하도록 구성된,
    초음파 이미징 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 초음파 푸시 펄스에 대한 응답으로, 상기 제1 축을 따른 상기 물질의 상기 변위를 결정하는 것은, 상기 초음파 푸시 펄스에 대한 응답으로, 상기 제1 축을 따른 상기 물질의 각각의 지점에서의 최대 변위를 결정하는 것을 포함하며, 그리고
    상기 제1 축을 따른 상기 물질의 상기 상대 탄성은, 상기 제1 축을 따른 상기 물질의 결정된 최대 변위 및 상기 제1 축을 따른 상기 빔형성된 에코 신호들의 크기에 기반하여 결정되는,
    초음파 이미징 시스템.
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