KR102426027B1 - 음향방사력 임펄스 영상 개선을 위한 위상 제어 장치 - Google Patents

음향방사력 임펄스 영상 개선을 위한 위상 제어 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음향방사력 임펄스 영상 개선을 위한 위상 제어 장치에 대한 것이다.
본 발명에 따른 음향방사력 임펄스 영상 개선을 위한 위상 제어 장치는 복수의 분할 소자로 이루어진 압전 소자를 포함하고, 상기 압전 소자에 의해 발생한 초음파 신호를 타겟에 송신 후 반사 신호를 수신하는 초음파 변환자와, 상기 압전 소자의 위상을 조절하기 위한 입력 신호를 생성하여 상기 분할 소자 각각에 인가하는 신호 발생기 및 상기 반사 신호를 분석하여 상기 타겟의 탄성을 산출하는 신호 처리기를 포함한다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 초음파 신호의 위상을 제어하여 초음파 음장의 측방향 및 고도방향 빔 폭을 조절함으로써 푸싱 펄스에 의한 힘의 전달이 균일하고, 변위 추정값의 오차가 감쇠되어 조직 변위의 해상도가 향상되는 효과가 있다.

Description

음향방사력 임펄스 영상 개선을 위한 위상 제어 장치{PHASE CONTROL APPARATUS FOR IMPROVING ACOUSTIC RADIATION FORCE IMPULSE IMAGE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 음향방사력 임펄스 영상 개선을 위한 위상 제어 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초음파 신호의 위상을 제어하여 초음파 음장의 측방향(Lateral direction) 및 고도방향(Elevational direction)의 빔 폭을 조절할 수 있도록 하는 음향방사력 임펄스 영상 개선을 위한 위상 제어 장치에 관한 것이다.
초음파 영상에서 정상적인 조직과 종양 조직 같은 비정상적인 조직의 강성(Stiffness)은 서로 다르다. 이러한 차이를 초음파 음향 방사력(Acoustic radiation force)을 이용하여 검출하고 영상화 해주는 음향 방사력 임펄스(Acoustic radiation force impulse: ARFI) 영상은 유방, 간, 전립선 같은 인간 장기의 병리 상태를 진단하기 위해 자주 사용되어왔다.
이러한 ARFI 영상을 얻기 위해서 초음파 변환자는, 수백 사이클로 구성된 푸싱 펄스(Pushing pulse)를 짧은 시간 동안 전송해서 국소 조직의 움직임을 생성 한 다음 추적 펄스(Tracking pulse)를 전송해서 조직의 변위(Displacement)를 측정한다. 이때 신호처리 기법인 상호 상관(Cross-correlation) 기법을 사용해서 획득된 조직의 변위를 정량적으로 계산한다.
그러나 일반적인 ARFI 영상 기법은 푸싱 펄스에 의한 힘의 전달이 균일하지 않아 지터(Jitter)라고 일컫는 변위 추정값의 오차가 발생하기 쉽고, 추적 과정에서 변위가 과소평가(Underestimation)되어 결과적으로 조직 변위의 해상도 즉, 정확도가 낮아지는 문제점을 가지고 있다.
그러나 푸싱 펄스의 빔 폭을 추적 펄스의 빔 폭보다 넓게 만들어 송수신 할 수 있다면, 푸싱 펄스에 의한 힘의 균일성이 증가해서 변위 추적의 정확도가 높아질 수 있기 때문에 상기 문제점을 해결할 수 있다.
추적 펄스의 빔 폭을 제어하는 일반적인 방법 중 하나는 F-number (집속거리/구경크기)를 크게 만들어 사용하는 것인데, 이 방법은 에너지가 비례해서 낮아진다는 문제점이 있다.
다른 방법은 서로 다른 주파수를 가진 다중 소자를 사용한 변환자를 사용하는 것으로써, 푸싱 펄스는 저주파수 초음파를 사용하고 추적 펄스는 고주파를 사용하는 방법이다. 그러나 이 방법은 두 소자를 정확하게 정렬시켜야 하는 다중 소자 변환자 제작 공정이 매우 어려운 문제점이 있다.
따라서 이러한 ARFI 영상의 고질적인 문제점을 해결하기 위한 새로운 기술의 개발이 요구된다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0023436호(2010. 03. 04. 공개)에 개시되어 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 초음파 신호의 위상을 제어하여 초음파 음장의 측방향 및 고도방향의 빔 폭을 조절할 수 있도록 하는 음향방사력 임펄스 영상 개선을 위한 위상 제어 장치를 제공하기 위한 것이다.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 음향방사력 임펄스 영상 개선을 위한 위상 제어 장치는, 복수의 분할 소자로 이루어진 압전 소자를 포함하고, 상기 압전 소자에 의해 발생한 초음파 신호를 타겟에 송신 후 반사 신호를 수신하는 초음파 변환자; 상기 압전 소자의 위상을 조절하기 위한 입력 신호를 생성하여 상기 분할 소자 각각에 인가하는 신호 발생기; 및 상기 반사 신호를 분석하여 상기 타겟의 탄성을 산출하는 신호 처리기를 포함한다.
이때, 상기 압전 소자는 상기 신호 발생기로부터 생성된 동일 위상의 입력 신호를 각각의 분할 소자를 통해 인가받고, 상기 초음파 변환자는 상기 동일 위상의 입력 신호에 대응하여 상기 압전 소자로부터 단일 집속점(Single-focal point)의 초음파를 발생할 수 있다.
또한, 상기 압전 소자는 상기 신호 발생기로부터 생성된 서로 다른 위상이 혼합된 혼합 위상의 입력 신호를 각각의 분할 소자를 통해 인가받고, 상기 초음파 변환자는 상기 혼합 위상의 입력 신호에 대응하여 상기 압전 소자로부터 다중 집속점(Multi-focal point)의 초음파를 발생할 수 있다.
또한, 상기 압전 소자는 2n개의 분할 소자로 분할되고, 각각의 분할 소자는 배열 위치에 따라 제1 및 제2 그룹으로 구분되며, 상기 신호 발생기는 제1 위상의 입력 신호를 상기 제1 그룹의 분할 소자에 각각 인가하고, 상기 제1 위상의 입력 신호에서 위상이 반전된 제2 위상의 입력 신호를 상기 제2 그룹의 분할 소자에 각각 인가할 수 있다.
또한, 상기 압전 소자는 상기 제1 그룹의 분할 소자와 상기 제2 그룹의 분할 소자가 서로 이웃하도록 번갈아 배열될 수 있다.
또한, 상기 압전 소자는 단일 소재에 의한 벌크(Bulk) 타입 또는 복합 소재에 의한 복합체(Composite) 형태로 구현될 수 있다.
또한, 상기 초음파 변환자는 상기 압전 소자를 통해 다중 주파수 성분을 가진 초음파 신호를 발생하고, 단일 소자 변환자(Single element transducer), 환형 변환자(Annular transducer) 및 배열형 변환자(Array transducer) 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 초음파 변환자는 상기 단일 소자 변환자 또는 상기 환형 변환자 구조인 경우, 상기 단일 소자 변환자 또는 상기 환형 변환자 구조인 경우, 구경(Aperture) 형태가 반구형 또는 반원통형인 압전 소자가 삽입되고, 상기 배열형 변환자인 경우, 초음파 신호의 시간 지연을 통해 집속 거리를 결정할 수 있다.
또한, 상기 초음파 변환자는 일면에 볼록 렌즈 또는 오목 렌즈를 구비할 수 있다.
또한, 상기 신호 처리기는 상기 반사 신호로부터 상기 타겟의 이동량을 측정하여 상기 타겟의 이동량에 대응하는 탄성 정보를 산출할 수 있다.
또한, 상기 신호 발생기는 기준선을 잡아주기 위한 기준 신호(Reference signal)를 인가하는 제1 구동 모드, 타겟을 흔들어주기 위한 푸싱 신호(Pushing signal)를 인가하는 제2 구동 모드, 그리고 푸싱 신호 인가 직후 상기 제1 구동 모드와 동일한 신호 타입을 가진 검출 신호(Detection signal)를 인가하는 제3 구동 모드를 순차적으로 연속 발생시킬 수 있다.
또한, 상기 신호 처리기는 상기 기준 신호 인가 시 획득한 제1 반사 신호 대비 상기 검출 신호 인가 시 획득한 제2 반사 신호를 비교하여 상기 푸싱 신호에 따른 흔들림에 의한 상기 타겟의 이동량을 측정하고, 상기 이동량에 대응하는 탄성 정보를 산출할 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제3 구동 모드는 상기 압전 소자에 동일 위상의 입력 신호를 인가하는 동일 위상 모드이고, 상기 제2 구동 모드는 제1 위상의 입력 신호를 각 분할 소자의 배열 위치에 따라 기 구분된 제1 그룹의 분할 소자에 각각 인가하고, 제1 위상의 입력 신호에서 위상이 반전된 제2 위상의 입력 신호를 제2 그룹의 분할 소자에 각각 인가하는 혼합 위상 모드일 수 있다.
또한, 상기 제1 내지 제3 구동 모드는 상기 압전 소자에 동일 위상의 입력 신호를 인가하는 동일 위상 모드일 수 있다.
또한, 상기 신호 처리기는 상기 입력 신호에 따른 반사 신호를 분석하여 음향 방사력 임펄스(ARFI) 영상을 획득할 수 있다.
또한, 상기 신호 처리기는 상기 입력 신호에 따른 반사 신호를 분석하여 B-모드(B-mode) 초음파 영상을 획득할 수 있다.
또한, 상기 신호 처리기로부터 획득한 B-모드(B-mode) 초음파 영상과 음향 방사력 임펄스(ARFI) 영상을 정합하여 출력하는 디스플레이를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 초음파 신호의 위상을 제어하여 초음파 음장의 측방향 및 고도방향 빔 폭을 조절함으로써 푸싱 펄스에 의한 힘의 전달이 균일하고, 변위 추정값의 오차가 감쇠되어 조직 변위의 해상도가 향상되는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면, 위상 제어와 분할 빔이 가능한 초음파 변환자를 이용하여 푸싱 펄스의 빔 폭을 넓힐 수 있어 획득되는 타겟의 음향방사력 임펄스(ARFI) 영상의 해상도를 크게 증가 시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 음향방사력 임펄스 영상 개선을 위한 위상 제어 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 초음파 변환자가 단일 집속점(Single-focal point)의 초음파를 발생하는 것을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 초음파 변환자가 분할 다중 집속점(Multi-focal point)의 초음파를 발생하는 것을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에서 탄성 정보 획득을 위해 초음파 변환자에 인가하는 신호 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5은 본 발명의 실시 예에서 획득되는 영상을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 초음파 변환자의 실제 모형을 도시한 도면이다.
도 7은 도 1에 도시된 초음파 변환자의 타입을 예시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 성능을 종래 기술과 비교한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 음향방사력 임펄스 영상 개선을 위한 위상 제어 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1에서와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 음향방사력 임펄스 영상 개선을 위한 위상 제어 장치(100)는, 초음파 변환자(110), 신호 발생기(120) 및 신호 처리기(130)를 포함한다.
먼저 초음파 변환자(110)는 복수의 분할 소자(111a, 111a', 111b, 111b')로 이루어지는 압전 소자(111)와 이를 내장하기 위한 하우징(112)를 포함하여 구성되고, 압전 소자(111)에 의해 발생한 초음파 신호를 타겟(T)에 송신 후 반사 신호를 수신한다.
도 1의 경우 2×2 형태로 분할된 4개의 압전 소자(111)를 포함한 것을 예시하고 있다. 여기서 압전 소자(111)는 단일 소재에 의한 벌크(bulk) 타입 또는 복합 소재에 의한 복합체(Composite) 형태로 구현될 수 있다.
초음파 에너지는 인체에 무해하고 음향 임피던스 차가 적절할 경우 타겟(T) 내부로 충분한 에너지가 송수신될 수 있는 장점이 있다. 본 발명의 실시예는 이러한
초음파를 에너지원으로 사용함으로써 타겟(T)의 탄성 정보를 정확하게 얻을 수 있다. 여기서 타겟(T)은 진단하고자 하는 인체의 부위를 의미한다.
도 1은 네 개의 분할 소자(111a, 111a', 111b, 111b') 형태로 예시되어 있지만, 본 발명의 실시 예가 반드시 이에 한정되지 않으며 적어도 2개 이상 분할된 소자 형태를 가진 초음파 변환자(110)에 모두 적용될 수 있다. 또한 분할 소자(111a, 111a', 111b, 111b')의 단면 형태는 반드시 사각형 형태로 한정되지 않는다.
그리고 신호 발생기(120)는 압전 소자(111)의 위상을 조절하기 위한 입력 신호를 생성하여 분할 소자(111a, 111a', 111b, 111b') 각각에 인가한다.
이때, 신호 발생기(120)는 위상 제어기(121)에서 보낸 제어 신호(명령)에 따라 소정의 입력 신호를 생성하여 송신 빔포머(122)에 의해 시간 지연을 주어 입력 신호 패턴을 형성한 후 송신 증폭기(123)를 통해 증폭시켜 송수신 스위치(113)를 통해 해당 압전 소자(111)로 각각 전달할 수 있다. 이때, 위상 제어기(121)는 입력 신호에 대한 위상, 인가 시간, 주기 등을 결정할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 압전 소자(111)는 4개의 분할 소자(111a, 111a', 111b, 111b')로 분할되어 2개의 그룹으로 구분될 수 있다. 이때, 압전 소자(111)는 배열 위치에 따라 제1 그룹과 제2 그룹으로 구분되며, 제1 그룹의 분할 소자(111a, 111a')와 제2 그룹의 압전 소자(111b, 111b')가 서로 이웃하도록 번갈아 배열되는 것이 바람직하다. 즉, 도 1에서와 같이 상하 및 좌우의 모든 방향에 대해 제1 그룹의 분할 소자(111a, 111a')와 제2 그룹의 분할 소자(111b, 111b')와 서로 이웃한 형태를 가진다.
여기서, 신호 발생기(120)는 두 그룹의 압전 소자(111)에 대해 모두 동일 위상의 입력 신호를 인가함으로써 단일 집속점의 초음파(Single-focal point)를 생성할 수도 있고(제1 실시예), 두 그룹의 압전 소자에 대해 서로 반전된 위상의 입력 신호를 인가함으로써 다중 집속점의 초음파(Multi-focal point)를 생성할 수도 있다(제2 실시예).
도 2는 도 1의 초음파 변환자가 단일 집속점(Single-focal point)의 초음파를 발생하는 것을 나타낸 도면이다.
도 2의 (a)는 동일 위상(즉, 제1 위상)의 입력 신호를 각각의 분할 소자(111a, 111a', 111b, 111b')에 인가하여 단일 집속점의 초음파가 발생되는 것을 나타낸 것이고, 도 2의 (b)는 발생되는 초음파의 시뮬레이션 영상을 나타낸 것이다.
도 2을 참고하여 제1 실시예를 설명하자면, 압전 소자(111)는 신호 발생기(120)로부터 생성된 동일 위상의 입력 신호를 각각의 분할 소자(111a, 111a', 111b, 111b')를 통해 인가받는다. 이때, 초음파 변환자(110)는 동일 위상의 입력 신호에 대응하여 압전 소자(111)로부터 단일 집속점(Single-focal point)의 초음파를 발생할 수 있다.
여기서, 신호 발생기(120)는 도 1과 같이 제1 및 제2 신호 발생기(120-1, 120-2)를 포함하는데, 제1 신호 발생기(120-1)에서 제1 위상의 입력 신호를 생성한 후 제1 송신 빔포머(122-1)를 통해 빔 포밍이 수행되고 제1 송신 증폭기(123-1)를 통해 증폭시켜 송수신 스위치(113)를 통해 제1 그룹의 분할 소자(111a, 111a')에 각각 인가하고, 이와 동시에 제2 신호 발생기(120-2)에서도 제1 위상의 입력 신호를 생성한 후 제2 송신 빔포머(122-2)를 통해 빔 포밍이 수행되고 제2 송신 증폭기(123-2)를 통해 증폭시켜 송수신 스위치(113)를 통해 제2 그룹의 분할 소자(111b, 111b')에 각각 인가하면 된다.
따라서 제1 실시예의 경우, 초음파 변환자(110)는 동일 위상의 입력 신호를 압전 소자(111)에 인가하여 도 2의 (b)에서와 같이 단일의 집속점이 형성된 초음파를 타겟(T)의 표면에 송신할 수 있다.
도 3은 도 1의 초음파 변환자가 분할 다중 집속점(Multi-focal point)의 초음파를 발생하는 것을 나타낸 도면이다.
도 3의 (a)는 혼합 위상(즉, 제1 위상, 제2 위상)의 입력 신호를 각각의 분할 소자(111a, 111a', 111b, 111b')에 인가하여 다중 집속점의 초음파가 발생되는 것을 나타낸 것이고, 도 3의 (b)는 발생되는 초음파의 시뮬레이션 영상을 나타낸 것이다.
도 3을 참고하여 제2 실시예를 설명하자면, 압전 소자(111)는 신호 발생기(120)로부터 생성된 서로 다른 위상이 혼합된 혼합 위상의 입력 신호를 각각의 분할 소자(111a, 111a', 111b, 111b')를 통해 인가받는다. 구체적으로, 제1 그룹의 분할 소자(111a, 111a')에는 제1 위상이 인가되고, 제2 그룹의 분할 소자(111b, 111b')에는 제2 위상(제1 위상의 반전 위상)이 인가되므로, 결과적으로 두 가지 위상(제1 위상, 제2 위상)이 혼합된 혼합 위상의 입력 신호가 초음파 변환자(110)에 인가된다. 이때, 초음파 변환자(110)는 혼합 위상의 입력 신호에 대응하여 압전 소자(111)로부터 다중 집속점(Multi-focal point)의 초음파를 발생할 수 있다. 따라서, 제2 실시예의 경우 초음파 변환자(110)는 타겟(T)의 표면에 대해 다중 집속점의 초음파를 송신할 수 있다.
여기서, 신호 발생기(120)는 도 1과 같이 제1 및 제2 신호 발생기(120-1, 120-2)를 포함하는데, 제1 신호 발생기(120-1)에서 제1 위상의 입력 신호를 생성한 후 제1 송신 빔포머(122-1)를 통해 빔 포밍이 수행되고 제1 송신 증폭기(123-1)를 통해 증폭시켜 송수신 스위치(113)를 통해 제1 그룹의 분할 소자(111a, 111a')에 각각 인가하고, 이와 동시에 제2 신호 발생기(120-2)에 제1 위상과 반전된 제2 위상의 입력 신호를 생성한 후 제2 송신 빔포머(122-2)를 통해 빔 포밍이 수행되고 제2 송신 증폭기(123-2)를 통해 증폭시켜 송수신 스위치(113)를 통해 제2 그룹의 분할 소자(111b, 111b')에 각각 인가하면 된다. 즉, 상하 및 좌우로 이웃한 소자들 간에 제1 위상과 제2 위상이 서로 교번하여 입력되게 된다.
따라서 제2 실시예의 경우, 초음파 변환자(110)는 혼합 위상의 입력 신호를 압전 소자(111)에 인가하여 도 3의 (b)에서와 같이 다중의 집속점이 형성된 초음파를 타겟(T)의 표면에 송신할 수 있다.
다중 집속점은 단일 집속점에 비해 초음파의 음향 방사력이 더욱 넓은 영역의 조직에 영향을 미친다. 본 실시예의 경우 조직(타겟)의 탄성 계수를 측정할 수 있는 초음파 기반 음향방사력 임펄스 영상을 이용하여 낭포(Cyst)를 확인하는 기술로, 상술한 다중 집속점을 이용할 경우 탄성 계측 과정에서 조직 표면의 이동량이 더 많아지고 균일해지기 때문에 고해상도의 음향 방사력 임펄스(ARFI)영상을 획득하여 탄성 정보를 얻는 것이 가능해진다.
그리고 신호 처리기(130)는 전달받은 반사 신호를 분석하여 타겟(T)의 탄성을 산출한다.
자세하게는, 신호 처리기(130)는 반사 신호로부터 타겟(T)의 이동량을 측정하여 타겟(T)의 이동량에 대응하는 탄성 정보를 산출할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서 탄성 정보를 획득하기 위한 초음파 인가 신호는 다음과 같이 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에서 탄성 정보 획득을 위해 초음파 변환자에 인가하는 신호 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 4와 같이, 타겟(T)의 탄성 정보를 획득하기 위하여 기준선을 잡아주기 위한 동일 위상 기준 신호(이하, 기준 신호), 혼합 위상 푸싱 신호(이하, 푸싱 신호), 동일 위상 검출 신호(이하, 검출 신호)가 압전 소자(111)에 순차적으로 인가된다.
따라서, 신호 발생기(120)는 타겟(T)의 이동량(변위) 측정을 위한 기준선을 잡아주기 위한 기준 신호(Reference signal)를 인가하는 제1 구동 모드, 타겟(T)을 흔들어주기 위한 푸싱 신호(Pushing signal)를 인가하는 제2 구동 모드, 그리고 푸싱 신호 인가 직후 제1 구동 모드와 동일한 신호 타입을 가진 검출 신호(Detection signal)를 인가하는 제3 구동 모드를 순차적으로 연속 발생시킨다.
여기서, 기준 신호는 기준이 되는 초음파 수신 신호의 영상을 얻기 위한 것이고, 푸싱 신호는 타겟의 표면에 스트레스를 인가(즉, 초음파 펄스를 길게하여 타겟을 흔들어 줌)하여 변위를 유도하기 위한 것이며, 검출 신호는 푸싱 신호 인가 직후에 복귀하는 동안의 조직의 변화(시간에 따른 이동량, 즉 흔들림 감지)를 초음파 수신 신호의 영상에서 검출하기 위한 것이다.
따라서, 초음파 변환자(110)는 제1, 제2, 제3 구동 모드에 따라 초음파 신호를 송신하고 그에 대한 반사 신호를 각 모드에 대해 수신한다. 그러면, 신호 처리기(130)는 기준 신호 인가 시 획득한 제1 반사 신호 대비 검출 신호 인가 시 획득한 제2 반사 신호를 비교하여 푸싱 신호에 따른 흔들림에 의한 타겟(T)의 이동량을 측정하고, 측정된 이동량에 대응하는 탄성을 산출할 수 있다.
도 4와 같이, 제1 및 제3 구동 모드가 압전 소자(111)에 동일 위상의 입력 신호를 인가하는 동일 위상 모드이고, 제2 구동 모드가 제1 위상의 입력 신호를 각 분할 소자(111a, 111a', 111b, 111b')의 배열 위치에 따라 기 구분된 제1 그룹의 분할 소자(예를 들면, 111a, 111a')에 각각 인가하고, 제1 위상의 입력 신호에서 위상이 반전된 제2 위상의 입력 신호를 제2 그룹의 분할 소자(예를 들면, 111b, 111b')에 각각 인가하는 혼합 위상 모드인 경우, 신호 처리기(130)는 입력 신호에 따른 반사 신호를 분석하여 음향 방사력 임펄스(ARFI) 영상을 획득할 수 있다.
즉, 동일 위상의 신호를 송수신해서 기준 신호로 잡고, 혼합 위상의 푸싱 신호를 송신해서 타겟의 움직임을 유발하는데, 이때, 푸싱 신호는 위상이 반전되어 분할(다중) 초점이 발생되어 푸싱 신호의 빔 폭이 증가되는 효과가 있다. 이어서 동일 위상의 검출 신호를 송수신하는데, 동일 위상의 신호를 송수신 하면 단일 초점이 발생되어 다중 초점 대비 빔 폭이 좁아지기 때문에 ARFI 영상의 해상도가 증가 될 수 있다.
여기서, 초음파 신호로부터 영상을 획득하는 것은 기 공지된 기법에 해당하므로 상세한 설명은 생략한다.
즉, 혼합 위상 모드의 푸싱 신호에 의해 다중 집속점이 형성되고, 이로 인해 보다 정밀한 조직의 이동량은 동일 위상 모드의 검출 신호에 의해 획득이 가능해진다.
또한, 이 경우 각각의 송신 신호의 주파수, 싸이클 수, 진폭 등은 타겟(T)에 맞춰서 조절이 가능하며, 맞춤형 진단을 위해 적응적(Adaptive) 신호 처리 기술이 적용될 수도 있다.
그리고, 도 4와 달리 제1 내지 제3 구동 모드가 압전 소자(111)에 동일 위상의 입력 신호를 인가하는 동일 위상 모드인 경우, 신호 처리기(130)는 입력 신호에 따른 반사 신호를 분석하여 B-모드(B-mode) 초음파 영상을 획득할 수 있다.
여기서, 제1 내지 제3 구동 모드를 모두 동일 위상 모드로 구성하여 얻은 초음파 수신 신호의 분석 결과를, 도 4와 같이 제2 구동 모드를 혼합 위상 모드로 구성하여 얻은 초음파 수신 신호 분석 결과와 혼합하면 보다 정밀한 측정이 가능할 수 있다.
따라서 디스플레이(140)는 신호 처리기(130)로부터 획득한 B-모드(B-mode) 초음파 영상과 음향 방사력 임펄스(ARFI) 영상을 정합하여 출력할 수도 있다.
도 5은 본 발명의 실시 예에서 획득되는 영상을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 5의 (a)는 동일 위상 모드로만 획득한 B-모드(B-mode) 초음파 영상을 나타낸 것이고, 도 5의 (b)는 동일 위상 모드로만 획득한 음향 방사력 임펄스(ARFI) 영상을 나타낸 것이며, 도 5의 (c)는 본 발명이 실시 예에 따라 동일 위상 모드와 혼합 위상 모드를 이용하여 획득한 음향 방사력 임펄스(ARFI) 영상을 나타낸 것이다.
도 5의 (a)에서와 같이 B-mode(Brightness mode) 영상에서는 구형의 낭포(Cyst) 타겟이 잘 보이지 않는다. 또한, 동일 위상의 푸싱 신호 및 검출 신호를 사용한 음향 방사력 임펄스(ARFI) 영상의 경우 도 5의 (b)에서와 같이 중심에 낭포 타겟이 보이지만, 모양이 선명하지 않은 문제점이 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예에서는 반전 위상의 푸싱 신호와 동일 위상의 검출 신호를 연속으로 사용함으로써 도 5의 (c)와 같이 낭포(Cyst) 타겟이 선명하게 보이는 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따르면 음향 방사력 임펄스(ARFI) 영상의 해상도가 크게 증가함을 확인할 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 초음파 변환자의 실제 모형을 도시한 도면이다.
본 발명의 실시 예에서 사용된 초음파 변환자(110)는 도 6에서와 같이 같이 초음파 구경 형태가 두 개 이상으로 분할된(Segmented) 소자 형태를 가지고 있다. 이러한 구조에 따르면 다수의 초음파 변환자(110)를 사용하는 것과는 달리 초음파 에너지를 매우 정밀하게 일정 영역에 모이도록 할 수 있고 해당 영역에서 단일 또는 다중의 집속점을 형성할 수 있어 정밀 진단이 가능한 이점을 제공한다.
도 7은 도 1에 도시된 초음파 변환자의 타입을 예시한 도면이다.
도 7의 (a)는 단일 소자 변환자(Single element transducer)의 예시한 것이고, 도 7의 (b)는 환형 변환자(Annular transducer)를 예시한 것이며, 도 7의 (c)는 배열형 변환자(Array transducer)를 예시한 것이다.
도 7에서와 같이, 초음파 변환자(110)는 다양한 구조로 설계될 수 있으며, 단일 소자 변환자 또는 환형 변환자 구조인 경우, 구경(Aperture) 형태가 반구형 또는 반원통형인 압전 소자(111)가 삽입되고, 배열형 변환자인 경우, 초음파 신호의 시간 지연을 통해 집속 거리를 결정할 수도 있다.
또한, 초음파 변환자(110)는 압전 소자(111)의 표면 집속 능력을 향상시키기 위하여 일면에 볼록 렌즈 또는 오목 렌즈를 구비할 수도 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 성능을 종래 기술과 비교한 도면이다.
도 8의 (a)는 종래 기술과 본 발명의 실시 예에 따른 타겟의 이동량을 비교한 그래프이고, 도 8의 (b)는 종래 기술과 본 발명의 실시 예에 따른 변위 추정값의 오차(Jitter)를 비교한 그래프이다.
먼저, 도 8의 (a)에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시 예에 따른 위상이 반전된 펄스(Out-of-phase)를 사용할 경우 종래 기술에 따른 동일 위상(In-phase) 대비 타겟(T)의 이동량 기울기가 완만해져 타겟(T)을 움직이는 힘이 균일하게 전달되는 것을 확인할 수 있다.
도 8의 (b)에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시 예에 따른 위상이 반전된 펄스(Out-of-phase)를 사용할 경우 종래 기술에 따른 동일 위상(In-phase) 대비 지터가 감쇠되어 결과적으로 이미지의 대조도가 높아짐을 정량적으로 확인 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 음향방사력 임펄스 영상 개선을 위한 위상 제어 장치는 초음파 신호의 위상을 제어하여 초음파 음장의 측방향 및 고도방향 빔 폭을 조절함으로써 푸싱 펄스에 의한 힘의 전달이 균일하고, 변위 추정값의 오차가 감쇠되어 조직 변위의 해상도가 향상되는 효과가 있다.
또한 본 발명의 실시 예에 따르면, 위상 제어와 분할 빔이 가능한 초음파 변환자를 이용하여 푸싱 펄스의 빔 폭을 넓힐 수 있어 획득되는 타겟의 음향방사력 임펄스(ARFI) 영상의 해상도를 크게 증가 시킬 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 위상 제어 장치 110 : 초음파 변환자
111 : 압전 소자 112 : 하우징
113 : 송수신 스위치 120 : 신호 발생기
121 : 위상 제어기 122 : 송신 빔포머
123 : 송신 증폭기 130 : 신호 처리기
131 : 수신 증폭기 132 : 수신 빔포머
140 : 디스플레이

Claims (17)

  1. 음향방사력 임펄스 영상 개선을 위한 위상 제어 장치에 있어서,
    복수의 분할 소자로 이루어진 압전 소자를 포함하고, 상기 압전 소자에 의해 발생한 초음파 신호를 타겟에 송신 후 반사 신호를 수신하는 초음파 변환자;
    상기 압전 소자의 위상을 조절하기 위한 입력 신호를 생성하여 상기 분할 소자 각각에 인가하는 신호 발생기; 및
    상기 반사 신호를 분석하여 상기 타겟의 탄성을 산출하는 신호 처리기를 포함하며,
    상기 압전 소자는,
    상기 신호 발생기로부터 생성된 서로 다른 위상이 혼합된 혼합 위상의 입력 신호를 각각의 분할 소자를 통해 인가받고,
    상기 초음파 변환자는,
    상기 혼합 위상의 입력 신호에 대응하여 상기 압전 소자로부터 다중 집속점(Multi-focal point)의 초음파를 발생하는 위상 제어 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압전 소자는,
    2n개의 분할 소자로 분할되고,
    각각의 분할 소자는 배열 위치에 따라 제1 및 제2 그룹으로 구분되며,
    상기 신호 발생기는,
    제1 위상의 입력 신호를 상기 제1 그룹의 분할 소자에 각각 인가하고, 상기 제1 위상의 입력 신호에서 위상이 반전된 제2 위상의 입력 신호를 상기 제2 그룹의 분할 소자에 각각 인가하는 위상 제어 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 압전 소자는,
    상기 제1 그룹의 분할 소자와 상기 제2 그룹의 분할 소자가 서로 이웃하도록 번갈아 배열되는 위상 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 압전 소자는,
    단일 소재에 의한 벌크(Bulk) 타입 또는 복합 소재에 의한 복합체(Composite) 형태로 구현되는 위상 제어 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 변환자는,
    상기 압전 소자를 통해 다중 주파수 성분을 가진 초음파 신호를 발생하고,
    단일 소자 변환자(Single element transducer), 환형 변환자(Annular transducer) 및 배열형 변환자(Array transducer) 중 어느 하나의 구조를 가지는 위상 제어 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 초음파 변환자는,
    상기 단일 소자 변환자 또는 상기 환형 변환자 구조인 경우, 구경(Aperture) 형태가 반구형 또는 반원통형인 압전 소자가 삽입되고,
    상기 배열형 변환자인 경우, 초음파 신호의 시간 지연을 통해 집속 거리를 결정하는 위상 제어 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 변환자는,
    일면에 볼록 렌즈 또는 오목 렌즈를 구비하는 위상 제어 장치.
  10. 제1항에 있어서.
    상기 신호 처리기는,
    상기 반사 신호로부터 상기 타겟의 이동량을 측정하여 상기 타겟의 이동량에 대응하는 탄성 정보를 산출하는 위상 제어 장치.
  11. 제1항에 있어서.
    상기 신호 발생기는,
    기준선을 잡아주기 위한 기준 신호(Reference signal)를 인가하는 제1 구동 모드, 타겟을 흔들어주기 위한 푸싱 신호(Pushing signal)를 인가하는 제2 구동 모드, 그리고 푸싱 신호 인가 직후 상기 제1 구동 모드와 동일한 신호 타입을 가진 검출 신호(Detection signal)를 인가하는 제3 구동 모드를 순차적으로 연속 발생시키는 위상 제어 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 신호 처리기는,
    상기 기준 신호 인가 시 획득한 제1 반사 신호 대비 상기 검출 신호 인가 시 획득한 제2 반사 신호를 비교하여 상기 푸싱 신호에 따른 흔들림에 의한 상기 타겟의 이동량을 측정하고, 상기 이동량에 대응하는 탄성 정보를 산출하는 위상 제어 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 제1 및 제3 구동 모드는,
    상기 압전 소자에 동일 위상의 입력 신호를 인가하는 동일 위상 모드이고,
    상기 제2 구동 모드는,
    제1 위상의 입력 신호를 각 분할 소자의 배열 위치에 따라 기 구분된 제1 그룹의 분할 소자에 각각 인가하고, 제1 위상의 입력 신호에서 위상이 반전된 제2 위상의 입력 신호를 제2 그룹의 분할 소자에 각각 인가하는 혼합 위상 모드인 위상 제어 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 신호 처리기는,
    상기 입력 신호에 따른 반사 신호를 분석하여 음향 방사력 임펄스(ARFI) 영상을 획득하는 위상 제어 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 구동 모드는,
    상기 압전 소자에 동일 위상의 입력 신호를 인가하는 동일 위상 모드인 위상 제어 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 신호 처리기는,
    상기 입력 신호에 따른 반사 신호를 분석하여 B-모드(B-mode) 초음파 영상을 획득하는 위상 제어 장치.
  17. 제14항 또는 제16항에 있어서,
    상기 신호 처리기로부터 획득한 B-모드(B-mode) 초음파 영상과 음향 방사력 임펄스(ARFI) 영상을 정합하여 출력하는 디스플레이를 더 포함하는 위상 제어 장치.
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