KR102530598B1 - 초음파 진단 장치 및 초음파 진단 장치의 동작 방법 - Google Patents

초음파 진단 장치 및 초음파 진단 장치의 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파 진단 장치의 동작 방법에 관한 것이다. 본 발명의 동작 방법은, 압축 감지 데이터를 수신하는 단계, 압축 감지 데이터에 대해 최적화를 수행하여 주파수 도메인 데이터를 생성하는 단계, 주파수 도메인 데이터를 변환하여 시간 도메인 분석 데이터를 생성하는 단계, 그리고 시간 도메인 분석 데이터를 이용하여 B-모드 이미지를 생성하는 단계를 포함한다.

Description

초음파 진단 장치 및 초음파 진단 장치의 동작 방법{ULTRASONIC DIAGNOSIS DEVICE AND OPERATING METHOD OF ULTRASONIC DIAGNOSIS DEVICE}
본 발명은 전자 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 감소된 계산 과정을 갖는 압축 감지 데이터를 분석하는 초음파 진단 장치 및 초음파 진단 장치의 동작 방법에 관한 것이다.
진단의학 분야에서, 초음파 진단 장치는 널리 사용되고 있다. 초음파 진단 장치는 인체에 초음파를 방출하고, 인체로부터 반사되는 초음파를 이용하여 B-모드(Brightness Mode) 이미지와 같은 영상을 제공한다. 다른 진단 장치들과 비교할 때, 초음파 진단 장치는 부작용이 적고 제조 비용이 저렴하다는 장점을 갖는다.
초음파 진단 장치에 압축 감지(compressed sensing)가 사용될 수 있다. 압축 감지에 기반하여, 초음파 진단 장치는 감지의 결과 데이터를 압축하여 저장할 수 있다. 초음파 진단 장치는 압축된 감지 데이터의 압축을 해제하고, 그리고 압축 해제된 데이터로부터 분석 데이터(analytic data)를 생성할 수 있다. 분석 데이터는 B-모드 이미지, 감쇠 계수 지도 등과 같은 초음파 진단 정보를 제공하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 목적은 감소된 계산 과정을 갖는 압축 감지 데이터를 분석하는 초음파 진단 장치 및 초음파 진단 장치의 동작 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 초음파 진단 장치의 동작 방법은, 압축 감지 데이터를 수신하는 단계; 상기 압축 감지 데이터에 대해 최적화를 수행하여 주파수 도메인 데이터를 생성하는 단계; 상기 주파수 도메인 데이터를 변환하여 시간 도메인 분석 데이터를 생성하는 단계; 그리고 상기 시간 도메인 분석 데이터를 이용하여 B-모드 이미지를 생성하는 단계를 포함한다.
실시 예로서, 상기 시간 도메인 분석 데이터를 생성하는 단계는: 상기 주파수 도메인 데이터의 주파수 성분을 수정하여 수정된 주파수 성분 데이터를 생성하는 단계를 포함한다.
실시 예로서, 상기 수정된 주파수 성분 데이터를 생성하는 단계는: 상기 주파수 도메인 데이터의 주파수 성분들 중에서 음의 주파수 성분들을 제거하는 단계를 포함한다.
실시 예로서, 상기 수정된 주파수 성분 데이터를 생성하는 단계는: 상기 주파수 도메인 데이터의 상기 주파수 성분들 중에서 양의 주파수 성분들을 증가시키는 단계를 포함한다.
실시 예로서, 상기 양의 주파수 성분들은 두 배로 증가된다.
실시 예로서, 상기 수정된 주파수 성분 데이터는 상기 시간 도메인 분석 데이터가 특정한 변환에 의해 변환된 형태에 대응한다.
실시 예로서, 상기 특정한 변환은 푸리에 변환, 이산 푸리에 변환, 디지털 푸리에 변환 중 적어도 하나를 포함한다.
실시 예로서, 상기 시간 도메인 분석 데이터를 생성하는 단계는: 상기 수정된 주파수 성분 데이터에 대해 특정한 변환을 수행하여 상기 시간 도메인 분석 데이터를 생성하는 단계를 더 포함한다.
실시 예로서, 상기 특정한 변환은 푸리에 역변환, 이산 푸리에 역변환, 디지털 푸리에 역변환 중 적어도 하나를 포함한다.
실시 예로서, 상기 B-모드 이미지를 생성하는 단계는: 상기 시간 도메인 분석 데이터에 대해 포락선 검출을 수행하는 단계를 포함한다.
실시 예로서, 상기 주파수 도메인 데이터에 대해 주파수 도메인 분석을 수행하여 감쇠 계수 지도를 생성하는 단계를 더 포함한다.
실시 예로서, 상기 감쇠 계수 지도를 생성하는 단계는: 상기 주파수 도메인 분석 데이터에 대해 중심 다운시프트 방법(Centroid Downshift Method)을 수행하는 단계를 더 포함한다.
실시 예로서, 상기 B-모드 이미지 및 상기 감쇠 계수 지도를 합성하여 Q-모드 이미지를 생성하는 단계를 더 포함한다.
실시 예로서, 상기 Q-모드 이미지는 제1 영역 및 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역은 상기 B-모드 이미지의 대응하는 부분의 이미지를 포함하고, 그리고 상기 제2 영역은 상기 감쇠 계수 지도의 대응하는 부분의 지도를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 초음파 진단 장치는: 압축 감지 데이터를 저장하는 저장소; 그리고 상기 압축 감지 데이터를 수신하고, 상기 압축 감지 데이터에 대해 최적화를 수행하여 주파수 도메인 데이터를 생성하고, 상기 주파수 도메인 데이터를 변환하여 제1 시간 도메인 분석 데이터를 생성하고, 그리고 상기 제1 시간 도메인 분석 데이터를 이용하여 B-모드 이미지를 생성하도록 구성되는 신호 처리기를 포함한다.
실시 예로서, 초음파 진단 장치는 제1 초음파 신호를 방사하고, 제2 초음파 신호를 수신하고, 그리고 상기 제2 초음파 신호로부터 제2 시간 도메인 신호를 생성하도록 구성되는 초음파 트랜스듀서; 그리고 상기 제2 시간 도메인 신호를 수신하고, 상기 제2 시간 도메인 신호로부터 상기 압축 감지 데이터를 생성하고, 그리고 상기 압축 감지 데이터를 상기 저장소에 저장하도록 구성되는 신호 압축기를 더 포함한다.
실시 예로서, 상기 신호 압축기는 상기 신호 처리기 또는 상기 초음파 트랜스듀서의 내부에 포함된다.
실시 예로서, 상기 초음파 진단 장치는 스마트폰, 스마트패드, 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 의료 장치 중 적어도 하나로 구현된다.
실시 예로서, 상기 신호 처리기는 상기 주파수 도메인 데이터를 이용하여 감쇠 계수 지도를 생성하도록 더 구성된다.
실시 예로서, 상기 신호 처리기는 상기 B-모드 이미지 및 상기 감쇠 계수 지도를 합성하여 Q-모드 이미지를 생성하도록 더 구성된다.
실시 예로서, 상기 B-모드 이미지, 상기 감쇠 계수 지도, 그리고 상기 Q-모드 이미지를 선택적으로 표시하도록 구성되는 표시 장치를 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 압축된 감지 데이터의 압축 해제의 과정은 시간 도메인 신호를 복원하는 연산을 생략할 수 있다. 또한, 압축 해제된 데이터를 분석하는 과정은 힐버트 변환을 생략할 수 있다. 따라서, 감소된 계산 과정을 갖는 압축 감지를 수행하는 초음파 진단 장치 및 초음파 진단 장치의 동작 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 진단 장치를 보여준다.
도 2는 시간 도메인 감지 데이터(x)의 예를 보여준다.
도 3은 시간 도메인 감지 데이터(x)의 힐버트 변환의 결과의 예를 보여준다.
도 4는 시간 도메인 분석 데이터의 예를 보여준다.
도 5는 초음파 진단 장치의 동작 방법의 예를 보여준다.
도 6 내지 도 9는 기준 TM 팬텀 및 샘플 TM 팬텀으로부터 획득된 결과들을 보여준다.
도 8 및 도 9는 회절 보상(DC)에 사용되는 기준 TM 팬텀들을 보여준다.
도 10 및 도 11은 합성기(160)가 감쇠 계수 지도 및 B-모드 이미지를 합성하여 생성하는 Q-모드 이미지의 예들을 보여준다.
도 12는 초음파 진단 장치가 다양하게 구현되는 예를 보여준다
이하에서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 진단 장치(100)를 보여준다. 도 1을 참조하면, 초음파 진단 장치(100)는 초음파 트랜스듀서(110), 신호 압축기(120), 저장소(130), 신호 처리기(140), 그리고 합성기(160)를 포함할 수 있다.
초음파 트랜스듀서(110)는 대상을 향해 제1 초음파 신호를 방사할 수 있다. 초음파 트랜스듀서(110)는 제1 초음파 신호가 대상에 의해 반사된 결과를 제2 초음파 신호로 수신할 수 있다. 초음파 트랜스듀서(110)는 제2 초음파 신호로부터 시간 도메인 감지 데이터(x)를 생성하고, 그리고 시간 도메인 감지 데이터(x)를 출력할 수 있다.
신호 압축기(120)는 초음파 트랜스듀서(110)로부터 시간 도메인 감지 데이터(x)를 수신할 수 있다. 신호 압축기(120)는 시간 도메인 신호(x)를 압축하여 압축된 감지 데이터(y)를 생성할 수 있다. 예시적으로, 신호 압축기(120)는 초음파 트랜스듀서(110)에 포함되거나, 또는 신호 처리기(140)에 포함될 수 있다.
저장소(130)는 신호 압축기(120)로부터 압축된 감지 데이터(y)를 수신할 수 있다. 저장소(130)는 압축된 감지 데이터(y)를 저장할 수 있다. 저장소(130)는 동적 랜덤 액세스 메모리(DRAM)와 같은 휘발성 메모리, 또는 플래시 메모리와 같은 불휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 저장소(130)는 초음파 트랜스듀서(110)에 포함되거나, 또는 신호 처리기(140)에 포함될 수 있다.
신호 처리기(140)는 저장소(130)로부터 압축된 감지 데이터(y)를 수신할 수 있다. 신호 처리기(140)는 압축된 감지 데이터(y)로부터 감쇠 계수 지도(171) 또는 B-모드 이미지(172)를 생성할 수 있다. 신호 처리기(140)는 복원기(141), 주파수 도메인 분석기(142), 주파수 성분 수정기(143), 푸리에 역변환기(144), 그리고 시간 도메인 분석기(145)를 포함할 수 있다.
복원기(141)는 압축된 감지 데이터(y)에 대해 최적화를 수행할 수 있다. 복원기(141)는 최적화의 결과로 주파수 도메인 데이터(
Figure 112020123532967-pat00001
)를 생성할 수 있다. 주파수 도메인 데이터(
Figure 112020123532967-pat00002
)는 주파수 도메인 분석기(142) 및 주파수 성분 수정기(143)로 전달될 수 있다.
예시적으로, 압축된 감지 데이터(y)는 확률적으로 손실 없이 원본 데이터로 복원될 수 있다. 즉, 최적화의 결과는 원본 데이터와 확률적으로 동일하거나 다를 수 있다. 최적화의 결과를 원본 데이터와 구별하기 위하여, 최적화의 결과 데이터 및 최적화의 결과에 기반한 데이터는 바(bar)를 포함하는 기호로 참조될 수 있다.
주파수 도메인 분석기(142)는 주파수 도메인 데이터(
Figure 112020123532967-pat00003
)를 수신할 수 있다. 주파수 도메인 분석기(142)는 주파수 도메인 데이터(
Figure 112020123532967-pat00004
)에 대해 주파수 도메인 분석을 수행하여 감쇠 계수 지도(171)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 주파수 도메인 분석은 중심 다운시프트 방법을 포함할 수 있다.
주파수 성분 수정기(143)는 주파수 도메인 데이터(
Figure 112020123532967-pat00005
)를 수신할 수 있다. 주파수 성분 수정기(143)는 주파수 도메인 데이터(
Figure 112020123532967-pat00006
)의 주파수 성분을 수정하여 수정된 주파수 도메인 데이터(
Figure 112020123532967-pat00007
)를 생성할 수 있다.
푸리에 역변환기(144)는 수정된 주파수 도메인 데이터(
Figure 112020123532967-pat00008
)에 대해 푸리에 역변환을 수행할 수 있다. 예를 들어, 푸리에 역변환은 이산 푸리에 역변환(또는 빠른 역변환) 또는 디지털 푸리에 역변환(또는 빠른 역변환)을 포함할 수 있다. 푸리에 역변환기(144)는 푸리에 역변환의 결과로 시간 도메인 분석 데이터(
Figure 112020123532967-pat00009
)를 생성할 수 있다.
시간 도메인 분석기(145)는 시간 도메인 분석 데이터(
Figure 112020123532967-pat00010
)를 수신할 수 있다. 시간 도메인 분석기(145)는 시간 도메인 분석 데이터(
Figure 112020123532967-pat00011
)에 대해 시간 도메인 분석을 수행할 수 있다. 예를 들어, 시간 도메인 분석은 포락선(envelope) 검출을 포함할 수 있다. 시간 도메인 분석기(145)는 시간 도메인 분석의 결과로 B-모드 이미지(172)를 생성할 수 있다.
초음파 진단 장치(100)는 합성기(160)를 더 포함할 수 있다. 합성기(160)는 감쇠 계수 지도(171) 및 B-모드 이미지(172)를 합성하여 Q-모드 이미지(173)를 포함할 수 있다. Q-모드 이미지(173)는 제1 영역 및 제2 영역을 포함할 수 있다. Q-모드 이미지(173)의 제1 영역은 B-모드 이미지(172)의 대응하는 부분을 포함할 수 있다. Q-모드 이미지(173)의 제2 영역은 감쇠 계수 지도(171)의 대응하는 부분을 포함할 수 있다. 예시적으로, 합성기(160)는 신호 처리기(140)에 포함될 수 있다.
예시적으로, 도 1의 구성 요소들 중 전부 또는 일부는 하드웨어(예를 들어, 집적 회로 등)로 구현되고, 나머지 전부 또는 나머지 일부는 프로세서에서 실행되는 소프트웨어의 형태로 구현될 수 있다.
Ⅰ. 압축 감지(compressed sensing)
압축 감지(Compressed Sensing)는 연속 시간 신호(continuous-time signal)를 이산 시간 신호(discrete-time signal)로 변환하는 샘플링(sampling) 기술의 하나일 수 있다. 나이키스트 샘플링(Nyquist sampling) 이론에 따르면, 원본 신호의 주파수의 2배 이상의 주파수, 또는 원본 신호의 주기의 절반 이하의 주기로 샘플링이 수행되어야 원본 신호가 손실 없이 복원될 수 있다.
압축 감지에 따르면, 나이키스트 샘플링 주기보다 큰 주기로, 또는 더 낮은 샘플링 주파수로 샘플링이 수행되어도, 통계적으로 원본 신호의 특성을 보존하는 신호가 복원될 수 있다. 이때 압축 감지의 샘플링 주기는 일정하지 않고 임의의(random) 주기일 수 있다.
압축 감지를 적용하기 위하여, 전체 N개의 신호 성분들 중에서 영이 아닌(non-zero) 값을 가지는 신호의 개수가 K (K << N)개가 되는 K-스파스(K-sparse) 조건이 충족되어야 한다. 시간 도메인 감지 데이터(x)가 K-스파스 조건을 만족하지 못하는 경우, 적절한 변환(transformation)을 통해 원본 신호를 특성 공간(feature space)에서 K-스파스의 특성을 갖는 신호로 변환함으로써, 압축 감지가 적용될 수 있다.
예를 들어, 시간 도메인 감지 데이터(x)는 N개의 시간 성분들을 가질 수 있다. 압축 감지를 통해 M(M << N)개의 성분들을 샘플링하기 위한 측정 행렬(measurement matrix), 예를 들어 'MxN' 차원의 측정 행렬(A)을 가정하면, 압축된 감지 데이터(y)는 수학식 1로 표현될 수 있다.
Figure 112020123532967-pat00012
시간 도메인 감지 데이터(x)가 K-스파스한 경우, 압축된 감지 데이터(y)로부터 시간 도메인 감지 데이터(x)가 통계적으로 완전하게 복원될 수 있다. 감지 데이터(x)가 K-스파스 하지 않은 경우, 감지 데이터(x)는 적절한 변환(transform)을 통해 K-스파스 한 데이터로 변환될 수 있다. 이후에 변환된 데이터에 측정 행렬(A)이 적용될 수 있다. 측정 행렬(A)의 특성은 감지 데이터(x)의 종류 및 특성, 그리고 압축된 감지 데이터(y)를 처리하는 장치의 종류 및 특성에 기반하여 선택될 수 있다.
예를 들어, 감지 데이터(x) 중에서 고주파 성분은 잡음에 해당하고, 그리고 저주파 성분은 정보에 해당할 수 있다. 감지 데이터(x)에 적용되는 변환은 감지 데이터(x)를 주파수 도메인 데이터로 변환하고, 그리고 주파수 도메인 데이터의 주파수 성분들 중에서 고주파 성분들을 제외한 저주파 성분들을 압축된 감지 데이터(y)로 남겨둘 수 있다.
예를 들어, 감지 데이터(x)에 적용되는 변환은 푸리에 변환을 포함할 수 있다. 감지 데이터(x)에 적용되는 변환은 기저 행렬(B)일 수 있으며, 'NxN'의 차원을 가질 수 있다. 기저 행렬(B)에 의해 생성되는 변환 데이터는 'f'일 수 있다. 즉, 감지 데이터(x), 기저 행렬(B) 및 변환 데이터(f)는 수학식 2로 정의될 수 있다.
Figure 112020123532967-pat00013
수학식 1 및 수학식 2를 결합하면, 압축된 감지 데이터(y)는 수학식 3으로 정의될 수 있다.
Figure 112020123532967-pat00014
수학식 3에서, 행렬(T)은 수학식 4로 표현될 수 있다.
Figure 112020123532967-pat00015
압축된 감지 데이터(y)로부터 변환 데이터(f)를 복원하기 위하여, 행렬(T)은 수학식 5에 의해 정의되는 RIP(Restricted Isometry Property)의 조건을 만족하여야 한다.
Figure 112020123532967-pat00016
수학식 5에서,
Figure 112020123532967-pat00017
는 RIP 상수이고, 0보다 크고 그리고 1보다 작을 수 있다.
압축된 감지 데이터(y)로부터 변환 데이터(f)에 대응하는 주파수 도메인 데이터(
Figure 112020123532967-pat00018
)를 복원할 때, 복원기(141)에 의해 최적화(optimization)가 수행될 수 있다. 예를 들어, 최적화는 L1-최소화(L1-minimization)에 기반한 선형 프로그램을 통해 수행될 수 있다. 예를 들어, 주파수 도메인 데이터(
Figure 112020123532967-pat00019
)는 수학식 6에 기반하여 복원될 수 있다.
Figure 112020123532967-pat00020
초음파 진단 장치(100)의 신호 처리기(140)의 복원기(141)는 수학식 6에 기반하여 압축 데이터(y)로부터 주파수 도메인 데이터(
Figure 112020123532967-pat00021
)를 생성할 수 있다.
Ⅱ. 주파수 도메인 분석
주파수 도메인 분석기(142)는 주파수 도메인 데이터(
Figure 112020123532967-pat00022
)에 대해 주파수 도메인 분석을 수행하여 감쇠 계수 지도(171)를 생성할 수 있다. 주파수 도메인 분석은 중심 다운시프트 방법을 포함할 수 있다. 이하에서, 중심 다운시프트 방법이 기술된다.
초음파 펄스-에코 시스템(ultrasound pulse-echo system)은 인체 내부의 장기를 시각화하고, 그리고 연조직의 병리학적 상태를 평가하는 데 사용될 수 있다. 스캔 된 조직의 상태를 분석하기 위해, 초음파 펄스-에코 시스템(ultrasound pulse-echo system)은 감지 데이터(x)에서 음속, 통합 후방 산란(integrated backscatter), 그리고 및 산란체(scatterrer)의 크기를 포함하는 초음파 파라미터들을 추출할 수 있다. 초음파 감쇠는 양성 종양과 악성 종양을 구별하고 정량 초음파 (quantitative ultrasound)(QUS)에 대한 기본 정보를 제공하는 연조직 평가에서 사용될 수 있다.
주파수 영역에서 표현을 단순화하기 위해, 초음파 펄스-에코 시스템의 감쇠 추정 방법은 관심 영역 (ROI)에서 일정한 음속과 선형 주파수 의존성을 가정할 수 있다. 초음파 펄스-에코 시스템은 연조직에서 전파되는 음파의 약한 산란을 무시하는 본(Born) 근사를 적용한 후, 주파수 영역에서 반사된 무선 주파수 신호의 강도(R(f,z))는 펄스 특성(G(f)), 회절 효과(D(f,z)), 후방 산란체(B(f)), 및 감쇠(A(f,z))의 곱일 수 있다. 강도(R(f,z))는 수학식 7로 정의될 수 있다.
Figure 112020123532967-pat00023
'z'는 초음파 트랜스듀서(110)의 접촉면과 관심 영역(ROI)(Region of Interest)의 중심 사이의 거리를 나타낸다. 펄스 특성(G(f))은 초음파 트랜스듀서(110)의 기하학적 설계 및 빔 셰이핑 파라미터들과 밀접하게 관련된 송신 펄스 특성을 나타낸다. 발산(Insonifying) 펄스는 분광 영역에서 가우시안(Gaussian)으로 모델링되고, 그리고 RMS(root-mean-square) 에러 분석에서 10% 내의 정확도를 가질 수 있다.
초음파 진단 장치(100)의 초음파 트랜스듀서(110)는 어레이 변환기를 포함할 수 있고, 어레이 변환기는 빔 포커싱 기술을 사용하여 관심 영역(ROI)에서 공간 해상도를 향상시킬 수 있다. 대상을 전파하는 음파는 조직의 깊이를 따라 회절 효과(D(f,z))를 경험할 수 있다. 초음파 트랜스듀서(110)는 선형 배열 변환기를 이용하여 감지 데이터(x)를 획득할 수 있고, 감지 데이터(x)는 초점의 전단 및 후단(초음파 트랜스듀서(110)와 초점을 연결하는 축 상에서)에서 발생하는 회절 효과(D(f,z))를 포함할 수 있다.
파워 스펙트럼의 스펙트럼 성분들은 빔 초점의 이전 또는 이후에도 왜곡될 수 있다. 회절 효과(D(f,z))를 보상하기 위해, 감쇠 특성이 실험적으로 알려진 두 개의 기준 TM(Tissue Mimicking) 팬텀이 사용될 수 있다. 예를 들어, 동일한 설정(예를 들어, 동일한 초점 및 동일한 TGC(Time, Gain, 및 Compensation) 및 빔 패턴)에 기반하여 획득된 기준 팬텀의 반사 신호 및 샘플 팬텀의 반사 신호는 동일한 회절 효과를 나타낼 수 있다. 따라서, 동일한 깊이에서 중심 주파수의 변화를 비교함으로써, 회절 효과(D(f,z))가 제거 될 수 있다.
관심 영역(ROI)에 무작위로 분포된 작은 산란체들이 많으므로, 후방 산란체(B(f))는 에코 신호의 주파수 도메인의 확률 모델로 제공될 수 있다. 후방 산란체(B(f))는 주파수 성분의 제곱승수로 통합되는 비선형 주파수 종속성으로 고려될 수 있다.
빔 경로를 통한 누적 감쇠는 주파수와 거리에 따라 모델링될 수 있다. 매체에서, 균일한 감쇠 특성을 갖는 매체에서, 감쇠(A(f,z))는 수학식 8로 정의될 수 있다.
Figure 112020123532967-pat00024
'α(f)'는 Neper/cm (또는 dB/cm)로 표현되는 주파수 종속 감쇠일 수 있다. 'α(f)'는 주파수에 대한 선형 의존성을 나타내므로, 'α(f) = βf'로 표현될 수 있다. β로 표현되는 감쇠 계수는 감쇠 기울기일 수 있으며, Neper/cm/MHz (또는 dB/cm/MHz)로 표현될 수 있다.
초음파 진단 장치(100)에서, 감쇠 계수의 추정은 연조직의 주파수에 따른 감쇠에 기반할 수 있다. 주어진 깊이에서 반사된 신호의 전력 스펙트럼의 더 높은 주파수 성분은 더 낮은 주파수 성분보다 빠르게 감쇠하므로, 중심 주파수의 위치가 더 낮은 주파수로 이동(다운시프트)할 수 있다. 연조직의 감쇠 계수(β)는 10MHz의 주파수에서 선형적일 수 있다. 더 높은 주파수 영역에서, 감쇠의 선형성으로 인해, 깊이에 대한 중심 주파수의 다운시프트는 감쇠 계수(β)에 비례할 수 있다. 가우시안 형태의 전송 펄스를 가정하면, 깊이(z)에 대한 다운시프트의 기울기와 감쇠 계수(β)의 관계는 수학식 9로 정의될 수 있다.
Figure 112020123532967-pat00025
σ2는 송신 펄스의 분산이고, fc(z)는 깊이(z)에서 전력 스펙트럼의 중심 주파수를 나타낸다.
수학식 7 내지 수학식 9를 참조하여 설명된 주파수 도메인 분석에 기반하여, 주파수 도메인 분석기(142)는 감쇠 계수 지도(171)를 생성할 수 있다.
Ⅲ. 시간 도메인 분석
시간 도메인에서, 감지 데이터(x)의 포락선은 시간에 따라 변하는 신호의 순간 진폭을 나타낼 수 있다. 감지 데이터(x)에 한 타임 도메인 분석을 수행하기 위하여, 시간 도메인 감지 데이터(x)로부터 시간 도메인 분석 데이터(예를 들어, xa)가 생성될 수 있다. 예를 들어, 실수 형태로 표현되는 감지 데이터(x)를 복소수 형태로 변환함으로써 시간 도메인 분석 데이터(xa)가 획득될 수 있다. 시간 도메인 분석 데이터(xa)는 수학식 10으로 정의될 수 있다.
Figure 112020123532967-pat00026
수학식 10에서, 'xa(t)'는 시간 도메인 분석 데이터(xa)에 대응하고, 그리고 'x(t)'는 시간 도메인 감지 데이터(x)에 대응할 수 있다. 시간 도메인에서, 시간 도메인 분석 데이터(xa)의 실수 부분은 감지 데이터(x)이고, 그리고 허수 부분은 음의 주파수 성분을 억제하는 힐버트 변환에 기반하여 계산될 수 있다. 허수 부분은 수학식 11에 의해 정의될 수 있다.
Figure 112020123532967-pat00027
'p.v.'는 적분의 코시 주요 값(Cauchy principle value)일 수 있다.
도 2는 시간 도메인 감지 데이터(x)의 예를 보여준다. 도 2에서, 가로축은 주파수를 가리키고, 세로축은 파워를 가리킬 수 있다. 도 3은 시간 도메인 감지 데이터(x)의 힐버트 변환의 결과의 예를 보여준다. 도 3에서, 가로축은 주파수를 가리키고, 세로축은 파워를 가리킬 수 있다. 도 4는 시간 도메인 분석 데이터(xa)의 예를 보여준다. 도 4에서, 가로축은 주파수를 가리키고, 세로축은 파워를 가리킬 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 시간 도메인 분석 데이터(xa)는 음의 주파수 성분을 갖지 않는다. 또한, 시간 도메인 분석 데이터(xa)의 양의 주파수 성분들의 크기들은 시간 도메인 감지 데이터(x)의 양의 주파수 성분들의 크기들의 두 배일 수 있다. 시간 도메인 분석 데이터(xa)의 양의 주파수 성분들은 N-포인트 이산(또는 디지털) 푸리에 변환(DFT)에 기반하여 수학식 12와 같이 획득될 수 있다.
Figure 112020123532967-pat00028
'x[n]'은 시간 도메인 감지 데이터(x)에 기반한 'x(nT)'일 수 있다. 'X[m]'은 시간 도메인 감지 데이터(x)의 이산 성분(x[n])의 N-포인트 DFT 계수일 수 있다.
시간 도메인 분석 데이터(xa)의 DFT의 계수(Z[m])는 'X[m]'으로부터 수학식 13에 기반하여 획득될 수 있다.
Figure 112020123532967-pat00029
다시 도 1을 참조하면, 주파수 성분 수정기(143)는 주파수 도메인 데이터(
Figure 112020123532967-pat00030
)로부터 수학식 13에 기반하여, 수정된 주파수 도메인 데이터(
Figure 112020123532967-pat00031
)를 생성할 수 있다. 예시적으로, 수정된 주파수 도메인 데이터(
Figure 112020123532967-pat00032
)는 시간 도메인 분석 데이터(
Figure 112020123532967-pat00033
)의 주파수 성분들에 대응할 수 있다. 따라서, 푸리에 역변환기(144)는 수정된 주파수 도메인 데이터(
Figure 112020123532967-pat00034
)에 대해 푸리에 역변환을 수행함으로써, 시간 도메인 분석 데이터(
Figure 112020123532967-pat00035
)를 생성할 수 있다.
시간 도메인 분석기(145)는 시간 도메인 분석 데이터(
Figure 112020123532967-pat00036
)에 대해 시간 도메인 분석을 수행할 수 있다. 시간 도메인 분석은 포락선 검출을 포함할 수 있다. 포락선 검출은 수학식 14에 기반하여 수행될 수 있다.
Figure 112020123532967-pat00037
시간 도메인 분석기(145)는 수학식 14에 기반한 포락선 검출의 결과에 기반하여, B-모드 이미지(172)를 생성할 수 있다.
B-모드 이미지를 획득하기 위한 방법의 일 실시 예는, 압축된 감지 데이터(y)에 대해 최적화를 수행하여 주파수 도메인 데이터(
Figure 112020123532967-pat00038
)를 생성하고, 주파수 도메인 데이터(
Figure 112020123532967-pat00039
)를 시간 도메인 데이터로 변환하고, 시간 도메인 데이터에 대해 푸리에 변환을 수행하여 주파수 도메인 데이터를 생성하고, 시간 도메인 신호에 대해 힐버트 변환을 수행하여 시간 도메인 분석 데이터를 생성하고, 그리고 주파수 도메인 분석 및 시간 도메인 분석을 수행하는 절차들을 포함할 수 있다.
위에서 언급된 일 실시 예와 비교하면, 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 진단 장치(100)는 주파수 도메인 데이터(
Figure 112020123532967-pat00040
)를 시간 도메인 데이터로 변환하는 연산, 및 시간 도메인 데이터에 대해 힐버트 변환을 수행하는 과정을 생략할 수 있다. 또한, 푸리에 변환을 수행하는 연산은 푸리에 역변환을 수행하는 연산으로 대체될 수 있다. 시간 도메인 분석 및 주파수 도메인 분석에 도달하기까지의 연산들의 수가 감소하므로, 초음파 진단 장치(100)의 연산 속도가 향상되고, 소비 전력이 절감되고, 그리고 오차 누적으로 인한 오류가 감소할 수 있다.
도 5는 초음파 진단 장치(100)의 동작 방법의 예를 보여준다. 도 1 및 도 5를 참조하면, S110 단계에서, 신호 처리기(140)는 저장소(130)로부터 압축된 감지 데이터(y)를 수신할 수 있다. S120 단계에서, 복원기(141)는 압축된 감지 데이터(y)에 대해 최적화를 수행하여 주파수 도메인 데이터(
Figure 112020123532967-pat00041
)를 생성할 수 있다. 최적화는 수학식 6에 기반할 수 있다.
S130 단계에서, 주파수 도메인 분석기(142)는 주파수 도메인 데이터(
Figure 112020123532967-pat00042
)에 대해 주파수 도메인 분석을 수행하여 감쇠 계수 지도(171)를 생성할 수 있다. 주파수 도메인 분석은 수학식 9에 기반할 수 있다.
S140 단계에서, 주파수 성분 수정기(143)는 주파수 도메인 데이터(
Figure 112020123532967-pat00043
)의 주파수 성분들을 수정하여 수정된 주파수 도메인 데이터(
Figure 112020123532967-pat00044
)를 생성할 수 있다. 주파수 성분들의 수정은 수학식 13에 기반할 수 있다.
S150 단계에서, 푸리에 역변환기(144)는 수정된 주파수 도메인 데이터(
Figure 112020123532967-pat00045
)에 대해 역 푸리에 변환을 수행하여 시간 도메인 분석 데이터(
Figure 112020123532967-pat00046
)를 생성할 수 있다. 역 푸리에 변환은 이산 또는 디지털 역 푸리에 변환(또는 빠른 역 푸리에 변환)을 포함할 수 있다.
S160 단계에서, 시간 도메인 분석기(145)는 시간 도메인 분석 데이터(
Figure 112020123532967-pat00047
)에 대해 시간 도메인 분석을 수행하여 B-모드 이미지(172)를 생성할 수 있다. 시간 도메인 분석은 수학식 14에 기반할 수 있다.
S170 단계에서, 합성기(160)는 감쇠 계수 지도(171) 및 B-모드 이미지(172)를 합성하여 Q-모드 이미지(173)를 생성할 수 있다. 예시적으로, 합성기(160) 및 Q-모드 이미지(173)는 옵션으로 제공될 수 있다.
예시적으로, 초음파 진단 장치(100)는 감쇠 계수 지도, B-모드 이미지, 또는 Q-모드 이미지를 표시하기 위한 표시 장치를 더 포함하고, 그리고 초음파 진단 장치(100)의 동작 방법은 감쇠 계수 지도, B-모드 이미지, 또는 Q-모드 이미지를 표시 장치를 이용하여 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다.
초음파 진단 장치(100)의 성능을 검증하기 위하여, 선형 회절 이론에 기반한 주파수 도메인 모델을 사용하여, 서로 다른 감쇠 특성들을 갖는 수치적(numerical) 신호들이 기준 TM 팬텀 및 샘플 TM 팬텀에 방사될 수 있다. 초음파 트랜스듀서(110)의 송신기 및 수신기는 0.2mm의 중심 간 간격을 갖는 128개의 압전 소자들(0.2mm×10mm(방위 방향×고도 방향))을 포함할 수 있다. 배열의 각 요소는 개별 빔 라인을 생성할 수 있다. 즉, 초음파 트랜스듀서(110)의 요소들의 어레이의 집합 필드는 단일 요소들의 동시 여기의 중첩일 수 있다. 동적 조리개 및 반사된 신호에 대한 동적 포커싱이 적용될 수 있다. 곡률(F)의 값은 2일 수 있다. 전송 펄스들의 각각은 5MHz의 중심 주파수를 갖고, 그리고 80%의 대역폭을 갖는 가우스 함수일 수 있다.
도 6 내지 도 9는 기준 TM 팬텀 및 샘플 TM 팬텀으로부터 획득된 결과들을 보여준다. 도 6 내지 도 9에서, 가로축은 폭(width)을 가리키고, 그리고 세로축은 깊이(depth)를 가리킬 수 있다.
기준 TM 팬텀 및 샘플 TM 팬텀은 34mm의 폭, 80mm의 깊이, 그리고 10mm의 두께를 가질 수 있다. 빔 라인 사이의 간격은 0.2mm일 수 있다. 트랜스듀서는 팬텀과 직접 접촉할 수 있고, 그리고 축 방향 전송 초점과 고도 초점은 80mm일 수 있다. 음속은 팬텀의 전체 깊이에서 1540m/s로 균일할 수 있다. 후방 산란의 검증을 위해, 50μm의 폴리스티렌 비드가 분포될 수 있다. 초음파 신호는 1MHz 내지 15MHz 범위에서 0.1MHz 단위로 조정될 수 있다.
도 6 및 도 7은 샘플 TM 팬텀들의 결과들의 예들을 보여준다. 샘플 TM 팬텀들의 각각은 배경 매체에 대비되는 후방 산란 특성을 가진 원통형 영역을 포함할 수 있다. 원통형 영역에서 폴리스티렌 산란체들의 수 또는 밀도가 조정될 수 있다. 도 6의 샘플 TM 팬텀의 후방 산란 강도는 배경 매체보다 원통형 영역에서 12dB 더 높을 수 있다. 도 7의 샘플 TM 팬텀의 후방 산란 강도는 배경 매체보다 원통형 영역에서 12dB 더 낮을 수 있다. 원통형 영역 및 배경의 감쇠 계수는 동일할 수 있다. 샘플 TM 팬텀들의 감쇠 계수들은 0.5dB/cm/MHz일 수 있다.
도 8 및 도 9는 회절 보상(DC)에 사용되는 기준 TM 팬텀들을 보여준다. 기준 TM 팬텀들에서, 전체 매체의 후방 산란 및 감쇠 속성이 균일할 수 있다. 산란 수 밀도는 각 기준 TM 팬텀에 대해 9.7/mm3일 수 있다. 도 8의 기준 TM 팬텀에서 감쇠 계수는 0.3dB/cm/MHz이고, 그리고 도 9의 기준 TM 팬텀에서 감쇠 계수는 0.7dB/cm/MHz일 수 있다.
도 6 내지 도 9를 참조하여 보여진 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 초음파 진단 장치(100)는 본 발명의 실시 예에 따른 방법들에 기반하여 B-모드 이미지를 정상적으로 생성하고 그리고 출력할 수 있다.
도 10 및 도 11은 합성기(160)가 감쇠 계수 지도(171) 및 B-모드 이미지(172)를 합성하여 생성하는 Q-모드 이미지(173)의 예들을 보여준다. Q-모드 이미지(173)는 주파수 도메인의 정량적 측정 및 B-모드 이미지의 공간적(또는 생체 내의 해부학적) 관계의 포괄적인 정보를 제공할 수 있다. 따라서, 배타적 시간 영역 분석(즉, 전통적인 B-모드 이미지 분석)에서 제공 할 수 없는 전문적인 병리학적 판단을 지원할 수 있다.
예를 들어, 간의 초음파 영상에서 감쇠가 상대적으로 강하게 표시되면, 지방간의 병리학적 판단이 의심될 수 있다. 반대로, 간의 초음파 영상에서 감쇠가 상대적으로 약하게 표시되면, 간 경화의 병리학적 판단이 의심될 수 있다. 또한, 시간 및 주파수 영역에서 정량 분석이 결합되면, Q-모드 이미지(173)는 기계 학습을 위한 정보로 사용될 수 있다.
예시적으로, Q-모드 이미지(173)의 일부로서 감쇠 계수 지도(171)가 사용되지만, 감쇠 계수 지도(171), 후방 산란 특성 지도, 음속 지도, 탄성 지도 등과 같은 다양한 주파수 도메인의 정보들 중 하나 또는 둘 이상의 조합이 B-모드 이미지(172)와 결합되어 Q-모드 이미지(173)를 구성할 수 있다.
도 12는 초음파 진단 장치(100)가 다양하게 구현되는 예를 보여준다. 도 1 및 도 12를 참조하면, 초음파 트랜스듀서(210)는 도 1의 초음파 트랜스듀서(110)에 대응할 수 있다.
초음파 진단 장치(100)는 초음파 트랜스듀서(210) 및 본체(220)로 구현될 수 있다. 본체(220)는 스마트폰, 스마트 패드 등과 같은 모바일 장치, 노트북 컴퓨터, 데스트톱 컴퓨터 등과 같은 고정식 컴퓨터, 또는 초음파 진단을 수행하도록 구성되는 의료 장치로 구현될 수 있다.
신호 압축기(120) 또는 저장소(130)는 초음파 트랜스듀서(210)에 포함되거나 또는 본체(220)에 포함될 수 있다. 신호 처리기(140) 또는 합성기(160)는 초음파 트랜스듀서(210)에 포함되거나 또는 본체(220)에 포함될 수 있다.
도 1의 구성 요소들 중 전부 또는 일부는 초음파 트랜스듀서(210) 또는 본체(220)에서 하드웨어(예를 들어, 집적 회로 등)로 구현되고, 나머지 전부 또는 일부는 본체(220)의 프로세서에서 실행되는 소프트웨어의 형태로 구현될 수 있다.
100: 초음파 진단 장치
110: 초음파 트랜스듀서
120: 신호 압축기
130: 저장소
140: 신호 처리기
141: 복원기
142: 주파수 도메인 분석기
143: 주파수 성분 수정기
144: 푸리에 역변환기
145: 시간 도메인 분석기
160: 합성기

Claims (21)

  1. 초음파 진단 장치의 동작 방법에 있어서:
    압축 감지 데이터를 수신하는 단계;
    상기 압축 감지 데이터에 대해 최적화를 수행하여 주파수 도메인 데이터를 생성하는 단계;
    상기 주파수 도메인 데이터를 변환하여 시간 도메인 분석 데이터를 생성하는 단계; 그리고
    상기 시간 도메인 분석 데이터를 이용하여 B-모드 이미지를 생성하는 단계를 포함하는 동작 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시간 도메인 분석 데이터를 생성하는 단계는:
    상기 주파수 도메인 데이터의 주파수 성분을 수정하여 수정된 주파수 성분 데이터를 생성하는 단계를 포함하는 동작 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수정된 주파수 성분 데이터를 생성하는 단계는:
    상기 주파수 도메인 데이터의 주파수 성분들 중에서 음의 주파수 성분들을 제거하는 단계를 포함하는 동작 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수정된 주파수 성분 데이터를 생성하는 단계는:
    상기 주파수 도메인 데이터의 상기 주파수 성분들 중에서 양의 주파수 성분들을 증가시키는 단계를 포함하는 동작 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 양의 주파수 성분들은 두 배로 증가되는 동작 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 수정된 주파수 성분 데이터는 상기 시간 도메인 분석 데이터가 특정한 변환에 의해 변환된 형태에 대응하는 동작 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 특정한 변환은 푸리에 변환, 이산 푸리에 변환, 디지털 푸리에 변환 중 적어도 하나를 포함하는 동작 방법.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 시간 도메인 분석 데이터를 생성하는 단계는:
    상기 수정된 주파수 성분 데이터에 대해 특정한 변환을 수행하여 상기 시간 도메인 분석 데이터를 생성하는 단계를 더 포함하는 동작 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 특정한 변환은 푸리에 역변환, 이산 푸리에 역변환, 디지털 푸리에 역변환 중 적어도 하나를 포함하는 동작 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 B-모드 이미지를 생성하는 단계는:
    상기 시간 도메인 분석 데이터에 대해 포락선 검출을 수행하는 단계를 포함하는 동작 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 주파수 도메인 데이터에 대해 주파수 도메인 분석을 수행하여 감쇠 계수 지도를 생성하는 단계를 더 포함하는 동작 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 감쇠 계수 지도를 생성하는 단계는:
    상기 주파수 도메인 분석 데이터에 대해 중심 다운시프트 방법(Centroid Downshift Method)을 수행하는 단계를 더 포함하는 동작 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 B-모드 이미지 및 상기 감쇠 계수 지도를 합성하여 Q-모드 이미지를 생성하는 단계를 더 포함하는 동작 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 Q-모드 이미지는 제1 영역 및 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역은 상기 B-모드 이미지의 대응하는 부분의 이미지를 포함하고, 그리고 상기 제2 영역은 상기 감쇠 계수 지도의 대응하는 부분의 지도를 포함하는 동작 방법.
  15. 압축 감지 데이터를 저장하는 저장소; 그리고
    상기 압축 감지 데이터를 수신하고, 상기 압축 감지 데이터에 대해 최적화를 수행하여 주파수 도메인 데이터를 생성하고, 상기 주파수 도메인 데이터를 변환하여 제1 시간 도메인 분석 데이터를 생성하고, 그리고 상기 제1 시간 도메인 분석 데이터를 이용하여 B-모드 이미지를 생성하도록 구성되는 신호 처리기를 포함하는 초음파 진단 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    제1 초음파 신호를 방사하고, 제2 초음파 신호를 수신하고, 그리고 상기 제2 초음파 신호로부터 제2 시간 도메인 신호를 생성하도록 구성되는 초음파 트랜스듀서; 그리고
    상기 제2 시간 도메인 신호를 수신하고, 상기 제2 시간 도메인 신호로부터 상기 압축 감지 데이터를 생성하고, 그리고 상기 압축 감지 데이터를 상기 저장소에 저장하도록 구성되는 신호 압축기를 더 포함하는 초음파 진단 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 신호 압축기는 상기 신호 처리기 또는 상기 초음파 트랜스듀서의 내부에 포함되는 초음파 진단 장치.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 초음파 진단 장치는 스마트폰, 스마트패드, 컴퓨터, 노트북 컴퓨터, 의료 장치 중 적어도 하나로 구현되는 초음파 진단 장치.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 신호 처리기는 상기 주파수 도메인 데이터를 이용하여 감쇠 계수 지도를 생성하도록 더 구성되는 초음파 진단 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 신호 처리기는 상기 B-모드 이미지 및 상기 감쇠 계수 지도를 합성하여 Q-모드 이미지를 생성하도록 더 구성되는 초음파 진단 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 B-모드 이미지, 상기 감쇠 계수 지도, 그리고 상기 Q-모드 이미지를 선택적으로 표시하도록 구성되는 표시 장치를 더 포함하는 초음파 진단 장치.
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