KR102550262B1 - Apparatus of ultrasound imaging using random interference and method of the same - Google Patents
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Abstract
본 개시의 일 실시 예는 무작위 간섭을 이용한 초음파 이미징 장치에 있어서, 복수의 트랜스듀서 엘리먼트의 트랜스듀서 어레이를 포함하는 프로브(probe); 및 상기 복수의 트랜스듀서 엘리먼트들 각각에 대한 무작위 시퀀스들을 생성하고, 상기 트랜스듀서 어레이를 통해 상기 무작위 시퀀스들에 대응하는 초음파 신호들을 송신하고, 상기 트랜스듀서 어레이를 통해 상기 송신한 초음파 신호들에 대응하는 에코 신호들을 수신하고, 상기 무작위 시퀀스들에 대응하는 전송 행렬들을 이용하여 상기 수신한 에코 신호들에 대응하는 초음파 이미지를 생성하는 프로세서를 포함하는 초음파 이미징 장치를 제공한다.One embodiment of the present disclosure is an ultrasound imaging apparatus using random interference, comprising: a probe including a transducer array of a plurality of transducer elements; and generating random sequences for each of the plurality of transducer elements, transmitting ultrasound signals corresponding to the random sequences through the transducer array, and corresponding to the transmitted ultrasound signals through the transducer array. and a processor configured to receive echo signals corresponding to the random sequences and to generate an ultrasound image corresponding to the received echo signals using transmission matrices corresponding to the random sequences.
Description
본 개시(disclosure)는 무작위 간섭을 이용한 초음파 이미징 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present disclosure relates to an ultrasound imaging apparatus and method using random interference.
초음파 이미징은 널리 통용되고 선호되는 진단 이미지 기법으로, 트랜스듀서(transducer)를 통해 초음파 신호를 송신하고, 송신된 초음파 신호의 에코 신호를 획득하고, 획득한 에코 신호를 분석하여 관심 영역에 대한 이미지를 생성하는 기술을 의미한다.Ultrasound imaging is a widely used and preferred diagnostic imaging technique, which transmits an ultrasound signal through a transducer, acquires an echo signal of the transmitted ultrasound signal, and analyzes the acquired echo signal to produce an image of a region of interest. technology that creates
초음파 이미징의 분해능(resolution)는 공간적으로 다양하며, 송신된 신호의 주파수, 빔 폭, 조리개 크기 및 송신 초점 깊이와 같은 파라미터들에 따라 달라진다. 이러한 파라미터들은 초음파의 초점을 맞추는 기능을 제한하므로, 최종 분해능에는 물리적 제한이 따를수 밖에 없다. 광학 이미징과 유사하게 초음파 이미징의 분해능은 회절 한계(diffraction limit)에 의해 정의된다. 단일 사이클 펄스에 대한 초음파 이미징의 이론적 공간 분해능(theoretical spatial resolution)은 음파 파장의 절반이다. 그러나, 최상의 축 방향 분해능(axial resolution) 및 측면 분해능(lateral resolution)은 높은 초음파 감쇠(ultrasound attenuation) 및 스펙클 노이즈(speckle noise)로 인해 회절 한계보다 몇 배는 낮다. 이러한 한계를 넘어서는 분해능을 달성하면 의료 진단의 정확성을 향상시키는데 크게 도움이 될 것이다.The resolution of ultrasound imaging is spatially variable and depends on parameters such as the frequency of the transmitted signal, the beam width, the aperture size, and the transmit focal depth. Since these parameters limit the ability to focus ultrasound, there are physical limitations on the final resolution. Similar to optical imaging, the resolution of ultrasound imaging is defined by the diffraction limit. The theoretical spatial resolution of ultrasound imaging for a single cycle pulse is half the wavelength of an acoustic wave. However, the best axial and lateral resolutions are several orders of magnitude below the diffraction limit due to high ultrasonic attenuation and speckle noise. Achieving resolution beyond these limits would greatly help improve the accuracy of medical diagnosis.
도 1은 종래의 초음파 이미징 방법의 일 예를 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing an example of a conventional ultrasound imaging method.
도 1을 참조하면, 종래의 초음파 이미징 방법 중 일 예는 빔포밍(beamforming)을 이용한 초음파 이미징 방법이다. 이는 트랜스듀서 어레이(transducer array)에 포함된 복수의 트랜스듀서 중에서 적어도 일부의 트랜스듀서가 관심 영역(ROI: Region of Interest) 또는 관측 영역(Region of View)내의 특정 지점에서 보강 간섭되고 그 이외의 지점에서는 상쇄 간섭되는 초음파를 송신하며, 그 송신한 초음파에 대응하는 에코 신호를 수신하고 수신한 에코 신호의 강도를 측정함으로써 해당 특정 지점에 대한 이미지를 생성한다. 그리고, 이러한 초음파 송신 및 수신 과정을 관심 영역 내의 모든 지점마다 순차적으로 수행함으로써 관심 지역에 대한 이미지를 생성할 수 있다. 이러한 빔포밍을 이용한 초음파 이미징은 관심 지역의 각 지점들을 순차적으로 스캔하기 때문에 시간 분해능(temporal resolution)이 낮고, 회절로 인해 이미지 품질이 낮다.Referring to FIG. 1 , one example of a conventional ultrasound imaging method is an ultrasound imaging method using beamforming. This means that at least some of the transducers among a plurality of transducers included in the transducer array constructively interfere at a specific point within the Region of Interest (ROI) or Region of View, and at other points. In [0041] , an ultrasonic wave with destructive interference is transmitted, an echo signal corresponding to the transmitted ultrasonic wave is received, and an image of a specific point is generated by measuring the intensity of the received echo signal. In addition, an image of the region of interest may be generated by sequentially performing such ultrasonic transmission and reception processes at every point in the region of interest. Ultrasound imaging using such beamforming has low temporal resolution and low image quality due to diffraction because each point of the region of interest is sequentially scanned.
도 2는 초음파 이미징에서의 축 방향 분해능과 측면 분해능을 설명하기 위한 도면이다.2 is a diagram for explaining axial resolution and lateral resolution in ultrasound imaging.
도 2를 참조하면, 측면 분해능은 트랜스듀서에서 송신되는 초음파에 수직한 방향의 분해능 또는 트랜스듀서 어레이에서 송신되는 초음파의 파면과 평행한 방향의 분해능을 의미하며, 축 방향 분해능은 트랜스듀서 어레이에서 송신되는 초음파에 평행한 방향의 분해능 또는 트랜스듀서 어레이에서 송신되는 초음파의 파면에 수직한 방향의 분해능을 의미한다.Referring to FIG. 2, lateral resolution refers to resolution in a direction perpendicular to the ultrasonic wave transmitted from the transducer or resolution in a direction parallel to the wavefront of the ultrasonic wave transmitted from the transducer array, and axial resolution refers to the resolution transmitted from the transducer array. It means the resolution in the direction parallel to the ultrasonic wave being transmitted or the resolution in the direction perpendicular to the wavefront of the ultrasonic wave transmitted from the transducer array.
종래의 초음파 시스템에서는 최고의 측면 분해능은 송신 펄스의 한 파장(λ)만큼이며, 진동수의 범위가 3-15MHz인 보편적인 초음파를 이용할 경우 측면 분해능은 0.5mm에서 0.1mm이다. 또한, 최고의 축 방향 분해능은 송신 펄스의 두 파장(2λ)만큼이며, 진동수의 범위가 3-15MHz인 보편적인 초음파를 이용할 경우, 축 방향 분해능은 1.0mm에서 0.2mm이다.In a conventional ultrasound system, the highest lateral resolution is as much as one wavelength (λ) of a transmission pulse, and when using a universal ultrasound having a frequency range of 3 to 15 MHz, the lateral resolution is 0.5 mm to 0.1 mm. In addition, the highest axial resolution is as much as two wavelengths (2λ) of the transmission pulse, and when using a universal ultrasonic wave with a frequency range of 3-15 MHz, the axial resolution is 1.0 mm to 0.2 mm.
본 개시는 무작위 간섭을 이용한 고 분해능의 초음파 이미징 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.An object of the present disclosure is to provide a high-resolution ultrasound imaging apparatus and method using random interference.
본 개시의 일 실시 예는, 무작위 간섭을 이용한 초음파 이미징 장치에 있어서, 복수의 트랜스듀서 엘리먼트의 트랜스듀서 어레이를 포함하는 프로브(probe); 및 상기 복수의 트랜스듀서 엘리먼트들 각각에 대한 무작위 시퀀스들을 생성하고, 상기 트랜스듀서 어레이를 통해 상기 무작위 시퀀스들에 대응하는 초음파 신호들을 송신하고, 상기 트랜스듀서 어레이를 통해 상기 송신한 초음파 신호들에 대응하는 에코 신호들을 수신하고, 상기 무작위 시퀀스들에 대응하는 전송 행렬들을 이용하여 상기 수신한 에코 신호들에 대응하는 초음파 이미지를 생성하는 프로세서를 포함하는 초음파 이미징 장치와 그 방법을 제공한다.One embodiment of the present disclosure is an ultrasound imaging apparatus using random interference, comprising: a probe including a transducer array of a plurality of transducer elements; and generating random sequences for each of the plurality of transducer elements, transmitting ultrasound signals corresponding to the random sequences through the transducer array, and corresponding to the transmitted ultrasound signals through the transducer array. and a processor for receiving echo signals corresponding to the random sequences and generating an ultrasound image corresponding to the received echo signals using transmission matrices corresponding to the random sequences.
상기 프로세서는 미리 정해진 개수만큼의 원소를 -1 또는 1 중에서 균일하게 선택하여 상기 무작위 시퀀스들을 생성할 수 있다.The processor may generate the random sequences by uniformly selecting a predetermined number of elements from −1 or 1.
상기 프로세서는 상기 무작위 시퀀스들을 반주기 사인파(half-cycle sine wave)와 합성곱하여 무작위 시퀀스 전기 신호를 생성하고, 상기 트랜스듀서 어레이를 통해 상기 무작위 시퀀스 전기 신호에 대응하는 상기 초음파 신호들을 송신할 수 있다.The processor may generate a random sequence electrical signal by convolutional multiplying the random sequences with a half-cycle sine wave, and transmit the ultrasound signals corresponding to the random sequence electrical signal through the transducer array.
상기 프로세서는 상기 트랜스듀서 어레이에 포함된 상기 복수의 트랜스듀서 엘리먼트 중에서 적어도 하나 이상을 이용하여 상기 대응하는 초음파 신호들을 동시에 송신할 수 있다.The processor may simultaneously transmit the corresponding ultrasound signals using at least one or more of the plurality of transducer elements included in the transducer array.
상기 프로세서는 상기 트랜스듀서 어레이에 포함된 상기 복수의 트랜스듀서 엘리먼트를 모두 이용하여 상기 대응하는 초음파 신호들을 동시에 송신할 수 있다.The processor may simultaneously transmit the corresponding ultrasound signals using all of the plurality of transducer elements included in the transducer array.
상기 프로세서는 상기 트랜스듀서 어레이에 포함된 상기 복수의 트랜스듀서 엘리먼트 중에서 적어도 하나 이상을 이용하여 상기 에코 신호들을 수신할 수 있다.The processor may receive the echo signals using at least one of the plurality of transducer elements included in the transducer array.
상기 전송 행렬들 각각은 상기 에코 신호들의 수신에 이용되는 수신 엘리먼트 각각에 대응하며, 각 열(column)이 대응하는 수신 엘리먼트에서 수신한 공간 임펄스 응답들(spatial impulse response)로 구성될 수 있다.Each of the transmission matrices may correspond to each receiving element used to receive the echo signals, and each column may include spatial impulse responses received by the corresponding receiving element.
상기 프로세서는 상기 각 수신 엘리먼트마다 대응하는 에코 신호 및 대응하는 전송 행렬을 이용하여 개별적으로 초음파 이미지를 생성하고, 상기 개별적으로 생성한 초음파 이미지들의 평균을 계산하여 최종 초음파 이미지를 생성할 수 있다.The processor may individually generate ultrasound images for each receiving element using a corresponding echo signal and a corresponding transmission matrix, and may generate a final ultrasound image by calculating an average of the individually generated ultrasound images.
상기 프로세서는 최적화 문제 를 풀이하여 제i 수신 엘리먼트에 대응하는 제i 초음파 이미지 fi를 생성하며, Gi는 상기 제i 수신 엘리먼트에 대응하는 제i 전송 행렬이고, pi는 상기 제i 수신 엘리먼트에서 수신한 제i 에코 응답이고, NR은 상기 수신 엘리먼트들의 개수이고, ε는 정칙화(regularization) 파라미터일 수 있다.The process is an optimization problem to generate an ith ultrasound image f i corresponding to the ith receiving element, G i is an ith transmission matrix corresponding to the ith receiving element, and p i is the ith received by the ith receiving element. Echo response, N R may be the number of the receiving elements, and ε may be a regularization parameter.
상기 프로세서는 상기 각 수신 엘리먼트에서 개별적으로 획득하는 초음파 이미지가 동일하다고 가정하여, 상기 에코 신호들과 상기 전송 행렬들 사이의 단일한 관계식을 생성하고, 상기 관계식에서 역행렬 연산을 통해 최종 초음파 이미지를 생성할 수 있다.The processor assumes that the ultrasound images individually acquired by each receiving element are the same, generates a single relational expression between the echo signals and the transmission matrices, and generates a final ultrasound image through an inverse matrix operation in the relational expression. can do.
상기 프로세서는 상기 단일한 관계식 을 생성하고, 역행렬 연산을 이용한 수학식 을 풀이하여 상기 최종 초음파 이미지 f를 생성하며, Gi는 상기 제i 수신 엘리먼트에 대응하는 제i 전송 행렬이고, pi는 상기 제i 수신 엘리먼트에서 수신한 제i 에코 응답이고, NR은 상기 수신 엘리먼트들의 개수일 수 있다.The processor is the single relational expression , and the equation using the inverse matrix operation The final ultrasound image f is generated by solving , G i is an i th transmission matrix corresponding to the i th receiving element, p i is an i th echo response received by the i th receiving element, and N R is the It may be the number of receiving elements.
상기 프로세서는 상기 생성된 초음파 이미지를 디스플레이를 통해 출력할 수 있다.The processor may output the generated ultrasound image through a display.
본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 트랜스듀서 어레이가 한 번만 초음파 신호를 송신하더라도 관심 영역 전체에 대한 이미지를 획득할 수 있고, 시간 분해능이 높은 초음파 이미징이 가능하다.According to various embodiments of the present disclosure, even if the transducer array transmits an ultrasound signal only once, an image of the entire region of interest may be obtained, and ultrasound imaging with high temporal resolution may be performed.
또한, 본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 관심 영역 내에서의 각 지점에서의 공간 임펄스 응답(spatial impluse response)를 이용하여 이미지를 획득함에 따라, 기존의 빔포밍을 이용한 초음파 이미징 방법에 비하여 축 방향 분해능과 측면 분해능이 높은 초음파 이미징이 가능하다.In addition, according to various embodiments of the present disclosure, as an image is obtained using a spatial impulse response at each point in the region of interest, compared to the conventional ultrasound imaging method using beamforming, the axial direction Ultrasound imaging with high resolution and lateral resolution is possible.
도 1은 종래의 초음파 이미징 방법의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 초음파 이미징에서의 축 방향 분해능과 측면 분해능을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 이미징 장치(100)를 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 무작위 간섭을 이용한 초음파 이미징 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 무작위 간섭을 이용한 초음파 이미징 방법을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 4에 도시된 초음파 이미지를 생성하는 단계(S407)의 일 예를 나타낸 동작 흐름도이다.
도 7은 도 4에 도시된 초음파 이미지를 생성하는 단계(S407)의 일 예를 나타낸 동작 흐름도이다.
도 8은 관심 영역 내의 공간 지점(spatial point) 중에서 하나를 나타낸 도면이다.
도 9는 무작위 시퀀스 전기 신호의 예시들과 공간 응답의 예시들을 나타낸 도면이다.
도 10 내지 12는 송신 엘리먼트(Tx)와 수신 엘리먼트(Rx) 쌍에 따른 에코 신호들을 나타낸 도면이다.
도 13은 빔포밍을 이용한 초음파 이미징 시뮬레이션 결과와 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 이미징 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 14는 빔포밍을 이용한 초음파 이미징 시뮬레이션 결과와 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 이미징 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 15는 도 14에 도시된 시뮬레이션에 대한 강도 프로파일들을 나타낸 도면이다.
도 16은 본 개시의 일 실시 예에서 초음파 이미징에 사용할 수신 엘리먼트의 수와 그 결과의 품질을 비교한 도면이다.
도 17은 실리콘 팬텀(silicon phantom)에 대한 빔포밍을 이용한 초음파 이미징 결과와 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 이미징 결과를 나타낸 도면이다.
도 18은 실리콘 팬텀(silicon phantom)에 대한 빔포밍을 이용한 초음파 이미징 결과와 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 이미징 결과를 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing an example of a conventional ultrasound imaging method.
2 is a diagram for explaining axial resolution and lateral resolution in ultrasound imaging.
3 is a block diagram illustrating an
4 is an operation flowchart illustrating an ultrasound imaging method using random interference according to an embodiment of the present disclosure.
5 is a diagram illustrating an ultrasound imaging method using random interference according to an embodiment of the present disclosure.
FIG. 6 is an operational flowchart illustrating an example of generating an ultrasound image shown in FIG. 4 ( S407 ).
FIG. 7 is an operation flowchart illustrating an example of generating an ultrasound image shown in FIG. 4 ( S407 ).
8 is a diagram showing one of spatial points in a region of interest.
9 is a diagram showing examples of random sequence electrical signals and examples of spatial response.
10 to 12 are views illustrating echo signals according to a pair of a transmission element (Tx) and a reception element (Rx).
13 is a diagram showing results of ultrasound imaging simulation using beamforming and ultrasound imaging simulation results according to an embodiment of the present disclosure.
14 is a diagram showing results of ultrasound imaging simulation using beamforming and ultrasound imaging simulation results according to an embodiment of the present disclosure.
FIG. 15 is a diagram showing intensity profiles for the simulation shown in FIG. 14 .
16 is a diagram comparing the number of receiving elements to be used for ultrasound imaging and the quality of the results according to an embodiment of the present disclosure.
17 is a diagram showing ultrasound imaging results using beamforming for a silicon phantom and ultrasound imaging results according to an embodiment of the present disclosure.
18 is a diagram showing ultrasound imaging results using beamforming for a silicon phantom and ultrasound imaging results according to an embodiment of the present disclosure.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 '모듈' 및 '부'는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 개시의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, the embodiments disclosed in this specification will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the same or similar elements are given the same reference numerals regardless of reference numerals, and redundant description thereof will be omitted. The suffixes 'module' and 'unit' for the components used in the following description are given or used together in consideration of ease of writing the specification, and do not have meanings or roles that are distinct from each other by themselves. In addition, in describing the embodiments disclosed in this specification, if it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the embodiment disclosed in this specification, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in this specification, the technical idea disclosed in this specification is not limited by the accompanying drawings, and all changes included in the spirit and technical scope of the present disclosure , it should be understood to include equivalents or substitutes.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms including ordinal numbers, such as first and second, may be used to describe various components, but the components are not limited by the terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.It is understood that when a component is referred to as being 'connected' or 'connected' to another component, it may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in the middle. It should be. On the other hand, when a component is referred to as being 'directly connected' or 'directly connected' to another component, it should be understood that no other component exists in the middle.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 이미징 장치(100)를 나타낸 블록도이다.3 is a block diagram illustrating an
도 3을 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 이미징 장치(100)는 프로브(110), 디스플레이(120), 메모리(130), 전원 공급부(140) 및 프로세서(150) 등을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3 , an
프로브(110)는 초음파 이미징 방법에서 초음파를 송신 및 그에 대응하는 에코 신호를 수신하기 위한 트랜스듀서(transducer)를 포함하는 모듈을 의미한다.The
프로브(110)는 트랜스듀서 어레이(transducer array, 111)를 포함하고, 트랜스듀서 어레이(111)는 복수의 트랜스듀서 엘리먼트들(transducer elements, 112)을 포함할 수 있다. 트랜스듀서 어레이(111)에 포함된 복수의 트랜스듀서 엘리먼트들(112)은 일정한 간격으로 일렬로 배열될 수 있다. 각 트랜스듀서 엘리먼트들(112)은 송신 엘리먼트(transmitting element, 112a) 및 수신 엘리먼트(receiving element, 112b)를 포함할 수 있다.The
초음파 트랜스듀서 또는 트랜스듀서는 전기 신호를 초음파 신호로 변환하고, 역으로 초음파 신호를 전기 신호로 변환할 수 있는 구성 요소를 지칭할 수 있다. 트랜스듀서는 복수의 트랜스듀서 엘리먼트들(112)의 배열로 구성되어 트랜스듀서 어레이(111)를 구성할 수 있으며, 각 트랜스듀서 엘리먼트(112)는 트랜스듀서 어레이(111)에서 단위 트랜스듀서를 의미할 수 있다.An ultrasonic transducer or transducer may refer to a component capable of converting an electrical signal into an ultrasonic signal and conversely converting an ultrasonic signal into an electrical signal. The transducer may be composed of an array of a plurality of
일 실시 예에서, 각 트랜스듀서 엘리먼트(112)는 압전 트랜스듀서 엘리먼트일 수 있고, 이 경우 각 트랜스듀서 엘리먼트(112)는 단일 압전 결정(piezoeletric crystal)일 수 있다.In one embodiment, each
송신 엘리먼트(112a)는 트랜스듀서 엘리먼트(112)가 전기 신호를 초음파 신호로 변환하여 송신하는 기능을 지칭할 수 있다. 수신 엘리먼트(112b)는 트랜스듀서 엘리먼트(112)가 반사된 초음파 신호를 수신하고, 수신한 초음파 신호를 전기 신호로 변환하는 기능을 지칭할 수 있다.The
트랜스듀서 어레이(111)는 프로세서(150)의 제어에 의하여 초음파 신호를 생성한다. 다만, 실시 예에 따라, 프로브(110)에 별도의 초음파 발생을 위한 프로세서(미도시)가 포함될 수 있고, 이 경우에는 트랜스듀서 어레이(111)는 프로브(110) 내의 프로세서(미도시)의 제어에 의해 초음파 신호를 생성할 수 있다. 그리고, 프로브(110) 내의 프로세서(미도시)는 초음파 발생기 또는 초음파 발생 컨트롤러라 칭할 수도 있으며, 이는 프로세서(150)에 의하여 제어될 수 있다.The
디스플레이(120)는 프로세서(150)에서 생성된 초음파 이미지 데이터를 R, G, B 신호, 그레이 스케일 신호, 흑백 신호 등으로 변환하여 이미지를 출력할 수 있다.The
메모리(130)는 초음파 이미징 장치(100)의 제어 또는 동작에 필요한 여러 종류의 프로그램, 애플리케이션 데이터 등을 저장할 수 있다. The
메모리(130)는 프로브(110)를 통해 송신한 초음파 신호, 프로브(110)를 통해 수신한 초음파 신호 또는 에코 신호를 저장할 수 있다. 송신 초음파 신호나 수신 초음파 신호는 메모리(130)에 임시적으로 저장될 수 있다.The
메모리(130)는 에코 신호로부터 초음파 이미지를 생성하는데 이용하는 전송 행렬들(transmission matrics)을 저장할 수 있다. 전송 행렬들은 초음파 이미지 생성을 위한 관심 영역(ROI) 내에서의 공간 임펄스 응답(spatial impluse response)를 포함하는 행렬이며, 이에 대한 구체적인 설명은 후술한다.The
전원 공급부(140)는 초음파 이미징 장치(100)에 전원을 공급할 수 있다.The
프로세서(150)는 초음파 이미징 장치(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.The
프로세서(150)는 초음파 신호 생성 명령을 생성하여 프로브(110)에 전달함으로써, 프로브(110)를 통해 초음파 신호를 생성 및 송신할 수 있다. 이에 관한 구체적인 설명은 후술한다.The
프로세서(150)는 프로브(110)로부터 획득한 에코 신호에 대응하는 전기 신호(이하, 응답 신호)를 분석하여 초음파 이미지를 생성할 수 있다. 이를 위해, 프로세서(150)는 프로브(110)로부터 획득한 응답 신호와 전송 행렬을 이용하여 초음파 이미지를 생성할 수 있다.The
프로세서(150)는 디스플레이(120)를 통해 생성한 초음파 이미지를 출력할 수 있다.The
일 실시 예에서, 초음파 이미징 장치(100)의 2 이상의 구성 요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나, 혹은 하나의 구성요소가 2 이상의 구성 요소로 세분되어 구성될 수 있다. 또한, 각 블록에서 수행하는 기능은 본 개시의 실시 예를 설명하기 위한 것이며, 그 구체적인 동작이나 장치는 본 개시의 권리 범위를 제한하지 아니한다.In an embodiment, two or more components of the
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 무작위 간섭을 이용한 초음파 이미징 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.4 is an operation flowchart illustrating an ultrasound imaging method using random interference according to an embodiment of the present disclosure.
도 4를 참조하면, 초음파 이미징 장치(100)의 프로세서(150)는 각 트랜스듀서 엘리먼트(111)에 대한 무작위 시퀀스들(random sequences)을 생성한다(S401).Referring to FIG. 4 , the
프로세서(150)는 프로브(110)를 통해 무작위 시퀀스 초음파 신호를 송신시키기 위하여,트랜스듀서 어레이(111) 또는 각 트랜스듀서 엘리먼트(112)에서의 초음파 신호의 생성에 이용될 무작위 시퀀스를 생성한다. The
무작위 시퀀스는 무작위 시퀀스 초음파 신호의 생성에 이용된다.A random sequence is used to generate a random sequence ultrasound signal.
무작위 시퀀스는 각 트랜스듀서 엘리먼트(112)마다 대응되어 생성되며, 따라서 각 트랜스듀서 엘리먼트(112)에 대응하는 무작위 시퀀스는 서로 동일하지 않다. 다만, 각 무작위 시퀀스가 무작위로 생성되기 때문에, 낮은 가능성이지만 서로 다른 트랜스듀서 엘리먼트(112)에 대응하는 무작위 시퀀스들이 서로 동일할 수도 있다.Random sequences are generated corresponding to each
프로세서(150)는 미리 정해진 길이를 갖는 무작위 시퀀스들을를 생성할 수 있다. 즉, 각 트랜스듀서 엘리먼트(112)에 대응하는 무작위 시퀀스는 서로 동일하지 않더라도 그 길이가 동일하게 생성될 수 있다.The
프로세서(150)는 미리 정해진 길이를 가지면서 각 원소를 바이너리 세트(binary set) {-1, 1}에서 (균일하게) 선택함으로써 무작위 시퀀스를 생성할 수 있다. 예컨대, 프로세서(150)는 길이가 13인 무작위 시퀀스 w1=(-1, -1, -1, -1, 1, 1, -1, 1, -1, 1, -1, 1)를 생성할 수 있다.The
프로세서(150)는 각 트랜스듀서 엘리먼트(112)에 대응하는 무작위 시퀀스들을 생성하며, 이에 의해 생성된 무작위 시퀀스들은 초음파 이미징을 하는 동안이나 초음파 이미징을 위한 전송 행렬을 결정할 때에도 동일하게 이용될 수 있다. 즉, 무작위 시퀀스는 그 패턴이 무작위로 결정됨을 의미하며, 매 초음파 이미징을 시도할 때마다 또는 시간이 흐름에 따라 그 패턴이 지속적으로 무작위로 변경됨을 의미하는 것이 아니다. 만약, 제1 트랜스듀서 엘리먼트에 대응하는 제1 무작위 시퀀스가 생성되면, 제1 트랜스듀서 엘리먼트는 제1 무작위 시퀀스에 대응하는 초음파 신호 펄스를 반복적으로 송신할 수 있다. 따라서, 별도의 설정 변경이 없다면 각 트랜스듀서 엘리먼트(112)에 대응하여 생성되는 무작위 시퀀스들은 변경되지 않을 수 있다.The
그리고, 프로세서(150)는 트랜스듀서 어레이(111)를 통해 무작위 시퀀스들에 대응하는 초음파 신호들을 송신한다(S403).Then, the
프로세서(150)는 생성된 무작위 시퀀스에 대응하는 무작위 시퀀스 전기 신호를 생성하고, 각 트랜스듀서 엘리먼트(112)에 그에 대응하는 무작위 시퀀스 전기 신호를 전송함으로써, 무작위 시퀀스 전기 신호에 대응하는 (무작위 시퀀스) 초음파 신호들을 생성 및 송신할 수 있다.The
그리고, 프로세서(150)는 하기 [수학식 1] 내지 [수학식 3]과 같이, 생성된 무작위 시퀀스를 반주기 사인파(half-cycle sine wave)와 합성곱하여 무작위 시퀀스 전기 신호를 생성할 수 있다.Then, the
상기 [수학식 1] 내지 [수학식 3]에서, wj(t)는 j번째 트랜스듀서 엘리먼트(112)에 대응하는 무작위 시퀀스 전기 신호이고, Nw는 무작위 시퀀스의 길이이고, wj,n은 j번째 트랜스듀서 엘리먼트(112)에 대응하는 무작위 시퀀스 wj의 n번째 원소이며 그 값이 -1 또는 1이다. 그리고, A는 진폭이고, fc는 반주기 사인파의 기본 신호의 명목 진동수(nominal frequency)이고, 2T는 기본 신호의 주기이다. 예컨대, 도 9의 (a)에 도시된 무작위 시퀀스 전기 신호는 무작위 시퀀스 w1=(-1, -1, -1, -1, 1, 1, -1, 1, -1, 1, -1, 1)에 대응하는 전기 신호이다. In [Equation 1] to [Equation 3], w j (t) is a random sequence electrical signal corresponding to the j-
상술한 것과 같이, 트랜스듀서 엘리먼트(112)가 무작위 시퀀스 전기 신호를 (무작위 시퀀스) 초음파 신호로 변환하고, 변환한 초음파 신호를 송신하는 기능을 수행하는 측면에서, 트랜스듀서 엘리먼트(112)는 송신 트랜스듀서 엘리먼트 또는 송신 엘리먼트(112a)라 칭할 수 있다.As described above, in terms of the
각 트랜스듀서 엘리먼트(112)는 생성된 초음파 신호를 동일한 시점에 송신을 시작하며, 각 트랜스듀서 엘리먼트(112)에 대응하는 무작위 시퀀스 전기 신호들이 모두 동일한 길이를 갖고 있으므로, 모든 트랜스듀서 엘리먼트(112)는 동일한 기간 동안 각자의 초음파 신호를 송신할 수 있다. 이와 같이, 모든 트랜스듀서 엘리먼트(112)가 동시에 각자의 무작위 시퀀스 초음파 신호를 송신함으로써, 무작위 간섭의 초점이 맞지 않는 입사 초음파 파면(an unfocused incident ultrasound wavefront of random interference)을 생성할 수 있다.Each
그리고, 프로세서(150)는 트랜스듀서 어레이(111)를 통해 에코 신호들(echo signals)을 수신한다(S405).Then, the
트랜스듀서 어레이에(111)에서 송신된 초음파 신호는 매질(medium)의 관심 영역(ROI)에 전달되며, 관심 영역 내의 산란체(scatterer)에서 초음파 신호들이 반사 또는 산란되어 트랜스듀서 어레이(111)에 다시 전달될 수 있다. 그리고, 트랜스듀서 어레이(111)에 포함된 각 트랜스듀서 엘리먼트(112)는 이러한 반사된 초음파 신호 또는 에코 신호를 수신하고, 수신한 초음파 신호 또는 에코 신호를 전기 신호로 변환할 수 있다. 수신한 초음파 신호와 에코 신호는 초음파 신호 자체를 지칭할 수도 있지만, 특별히 구분하지 않는다면 초음파 신호로부터 변환된 전기 신호를 지칭할 수도 있다.The ultrasonic signal transmitted from the
상술한 것과 같이, 트랜스듀서 엘리먼트(112)가 초음파 신호를 수신하고, 수신한 초음파 신호를 전기 신호로 변환하는 기능을 수행하는 측면에서, 트랜스듀서 엘리먼트(112)는 수신 트랜스듀서 엘리먼트 또는 수신 엘리먼트(112b)라 칭할 수 있다.As described above, in terms of the
각 트랜스듀서 엘리먼트(112)에서 수신하는 에코 신호들은 서로 동일하지 않다. 이는 트랜스듀서 어레이(111)에는 복수 개의 트랜스듀서 엘리먼트(112)가 포함되어 있으며, 각 트랜스듀서 엘리먼트(112)가 공간적으로 서로 다른 위치에 배치됨에 따라 초음파 신호가 이동하는 경로에 차이가 발생하기 때문이다. 초음파 신호는 송신 엘리먼트(112a), 관심 영역 내의 산란체 그리고 수신 엘리먼트(112b)의 경로로 이동하며, 송신 엘리먼트(112a) 또는 수신 엘리먼트(112b) 중에서 하나라도 다르다면 경로가 다르므로 경로 길이뿐만 아니라 경로상의 산란체가 달라질 수 있다. 따라서, 경로의 차이는 여러 에코 신호들 사이의 시간차 또는 시간 지연(time delay)뿐만 아니라 파형의 차이를 초래한다.Echo signals received by each
초음파 이미징 장치(100)가 각 트랜스듀서 엘리먼트(112)를 통해 무작위 시퀀스 초음파 신호를 송신하는 이유는, 관심 영역 내의 개별적인 점 산란체들(individual point scatterers)에서의 공간 응답들(spatial responses)이 서로 비간섭(mutually incoherent)되도록 만들기 위함이다. 매질에 무작위 시퀀스 초음파 신호가 전파될 때, 조직(tissue) 등에서 에너지가 반사되며, 이러한 경우 개별적인 산란체는 고유한 임펄스 응답(unique impluse response)을 갖는다. The reason why the
그리고, 프로세서(150)는 무작위 시퀀스들에 대응하는 전송 행렬들(transmission matrics)을 이용하여 수신한 에코 신호들에 대응하는 초음파 이미지를 생성한다(S407).Then, the
각 전송 행렬의 열(column)은 관심 영역 내의 각 공간 지점들(spatial points)에 대응하는 임펄스 응답 (공간 임펄스 응답)으로 구성되어 있다. A column of each transmission matrix is composed of an impulse response (spatial impulse response) corresponding to each spatial point in the region of interest.
각 전송 행렬은 각 수신 엘리먼트(112b)에 하나씩 대응한다. 즉, 제1 수신 엘리먼트에 대응하는 제1 전송 행렬은 제1 수신 엘리먼트에서 획득하는 공간 임펄스 응답들로 구성된다. 그리고, 제1 전송 행렬의 제1 열은 관심 영역(ROI) 내의 제1 공간 지점(a first spatial point)에 대한 제1 수신 엘리먼트에서의 공간 임펄스 응답일 수 있다. 다만, 송신 엘리먼트(112a)가 복수 개 존재하므로, 제1 공간 지점에 대한 제1 수신 엘리먼트에서의 공간 임펄스 응답은 복수의 송신 엘리먼트(112a)로부터 송신된 개별적인 초음파 신호들에 대한 에코 신호들의 합을 정규화한 신호를 의미할 수 있다. 또한, 각 송신 엘리먼트(112a)가 공간적으로 다른 위치에 배치되므로, 초음파 신호가 전파되는 경로가 달라 경로차에 의한 시간차가 존재할 수 있다. 이에, 공간 임펄스 응답은 복수의 송신 엘리먼트(112a)로부터 송신된 개별적인 초음파 신호들에 대한 에코 신호들에 대하여 경로차에 따른 딜레이를 부가하여 합하고 정규화하여 획득할 수도 있다.Each transmit matrix corresponds one to each receive
특정 수신 엘리먼트(112b)에 대응하는 전송 행렬의 각 열은 해당 수신 엘리먼트(112b)에서의 관심 영역 내의 각 공간 지점에 대한 공간 임펄스 응답들로 구성되므로, 해당 수신 엘리먼트(112b)에서 수신하는 에코 신호는 각 공간 지점에 대한 공간 임펄스 응답의 선형 조합(linear combination)으로 표현될 수 있다. 그리고, 이러한 선형 조합의 가중치는 관심 영역 내의 각 공간 지점에 대한 가중치 또는 강도(intensity)를 의미할 수 있다.Since each column of the transmission matrix corresponding to a
상기 [수학식 4]는 제i 수신 엘리먼트에서 수신한 제i 에코 신호 pi, 제i 수신 엘리먼트에 대응하는 제i 전송 행렬 Gi 및 제i 수신 엘리먼트에서 측정한 제i 이미지 fi 사이의 관계를 나타낸다. i는 수신 엘리먼트(112b)에 대한 인덱스(index)로, 총 수신 엘리먼트(112b)의 개수 NR 이하의 자연수이다. 초음파 신호 및 에코 신호에 대한 샘플의 수가 M개이고, 관심 영역 내의 공간 지점들(spatial points) 또는 점 산란체들(point scaterers)의 수가 NS인 경우, 제i 에코 신호 pi는 크기가 M인 1차원 벡터이고, 제i 전송 행렬 Gi는 크기가 MХNS인 2차원 행렬이며, 제i 이미지 fi는 크기가 NS인 1차원 벡터이다.
총 수신 엘리먼트(112b)의 개수가 NR인 경우, 총 NR개의 이미지들을 하기 [수학식 5]와 같이 표현할 수 있다.When the total number of receiving
프로세서(150)는 각 수신 엘리먼트(112b)에 대응하는 초음파 이미지들의 평균을 2차원의 이미지로 변환함으로써 최종 초음파 이미지를 생성할 수 있다. 그러나, 상술한 [수학식 4] 및 [수학식 5]를 이용하여 이미지를 생성하는 구체적인 방법은 후술한다.The
프로세서(150)는 메모리(130)에 생성한 초음파 이미지를 영구적으로 또는 임시로 저장할 수 있다.The
그리고, 프로세서(150)는 디스플레이(120)를 통해 생성한 초음파 이미지를 출력한다(S409).Then, the
프로세서(150)는 생성한 초음파 이미지를 실시간으로 출력할 수 있다. 여기서, 실시간으로 이미지를 출력한다는 것의 의미는 초음파 신호를 송신한 이후에 그에 대응하는 이미지를 생성하고, 별도의 대기 시간 없이 변환한 이미지를 출력한다는 것을 의미할 수 있다. 따라서, 프로브(110)를 통해 초음파 신호를 송신하고 그에 대응하는 에코 신호를 수신하는 과정에서 초음파 신호가 전파되는 시간이 소요되기에, 그 만큼의 딜레이가 발생할 수 있다. 또한, 이미지 변환에 시간이 소요된다면 그 만큼의 딜레이가 발생할 수 있다.The
도 4에 도시된 단계들 중에서 적어도 일부는 병렬적으로 수행될 수 있다.At least some of the steps shown in FIG. 4 may be performed in parallel.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 무작위 간섭을 이용한 초음파 이미징 방법을 나타낸 도면이다.5 is a diagram illustrating an ultrasound imaging method using random interference according to an embodiment of the present disclosure.
도 5를 참조하면, 프로브(110)에는 복수의 트랜스듀서(112)가 포함되며, 각 트랜스듀서(112)는 무작위 시퀀스 전기 신호들(511_1 및 511_2)에 기초하여 생성된 무작위 시퀀스 초음파 신호들(512_1 및 512_2)을 송신한다. 송신된 초음파 신호들(512_1 및 512_2)은 관심 영역 내에서 보강 간섭 및 상쇄 간섭이 일어난다.Referring to FIG. 5 , the
그리고, 각 트랜스듀서(112)는 송신된 초음파 신호들(512_1 및 512_2)에 대응하는 에코 신호(541)를 수신한다. 각 트랜스듀서(112)마다 개별적으로 에코 신호들을 수신할 수 있으며, 도 5에서는 설명의 편의성을 위해 하나의 수신 트랜스듀서(521)에서 수신하는 에코 신호(541)만을 도시하였다. 수신 트랜스듀서(521)에 대응하는 에코 신호(541)는 샘플링되어 벡터 p로 표현될 수 있다.Also, each
수신 트랜스듀서(521)에 대응하는 전송 행렬 G(532)를 이용하여 수신 트랜스듀서(521)에 대응하는 에코 신호(541)로부터 초음파 이미지(551)를 생성할 수 있다. 수신 트랜스듀서(521)에 대응하는 전송 행렬 G(532)의 각 열은 관심 영역 내의 각 공간 지점 또는 각 점 산란체에 대응하는 공간 임펄스 응답들(531_1 및 531_NS)로 구성된다. 제1 공간 임펄스 응답(531_1)은 관심 영역 내의 제1 지점 및 수신 트랜스듀서(521)에 대한 임펄스 응답을 의미하며, 제NS 공간 임펄스 응답(531_NS)는 관심 영역 내의 제NS 지점 및 수신 트랜스듀서(521)에 대한 임펄스 응답을 의미한다.The
에코 신호(541)는 각 공간 지점 임펄스 응답들(531_1 및 531_NS)의 선형 조합으로 표현할 수 있고, 이와 같은 선형 관계는 상기 [수학식 4] 및 상기 [수학식 5]와 같이 표현될 수 있다. 이러한 선형 관계를 풀이하면 초음파 이미지(551)를 획득할 수 있다.The
도 6은 도 4에 도시된 초음파 이미지를 생성하는 단계(S407)의 일 예를 나타낸 동작 흐름도이다.FIG. 6 is an operational flowchart illustrating an example of generating an ultrasound image shown in FIG. 4 ( S407 ).
도 6을 참조하면, 프로세서(150)는 각 수신 엘리먼트(112b)마다 개별적으로 초음파 이미지를 생성한다(S601).Referring to FIG. 6 , the
초음파 이미지의 생성에 이용되는 수신 엘리먼트(112b)는 트랜스듀서 어레이(111)에 포함된 모든 트랜스듀서 엘리먼트(112)일 수도 있고, 트랜스듀서 어레이(111)에 포함된 트랜스듀서 엘리먼트(112) 중에서 일부일 수도 있다. 초음파 이미지의 생성에 이용되는 수신 엘리먼트(112b)는 사용자의 설정에 의하여 결정될 수도 있으며, 미리 정해진 설정 값에 따라 다양하게 결정될 수도 있다.The receiving
프로세서(150)는 하기 [수학식 6]의 최적화 문제를 풀이하여 제i 수신 엘리먼트에 대응하는 제i 초음파 이미지 fi를 생성한다. The
상기 [수학식 6]에서 ε는 정칙화(regularization) 파라미터이다. 정칙화 파라미터는 최적화 문제의 해(solution)의 품질에 영향을 끼친다. 예컨대, 정칙화 파라미터 ε는 3Х10-3일 수 있다.In [Equation 6] above, ε is a regularization parameter. Regularization parameters affect the quality of solutions of optimization problems. For example, the regularization parameter ε may be 3Х10 -3 .
그리고, 프로세서(150)는 각 초음파 이미지들의 평균을 계산하여 최종 초음파 이미지를 생성한다(S603).Then, the
프로세서(150)는 상기 [수학식 6]의 최적화 문제를 풀이하여 제i 수신 엘리먼트에 대응하는 제i 초음파 이미지 fi를 생성하면, 하기 [수학식 7]과 같이 생성된 초음파 이미지들의 평균을 산출하여 최종 초음파 이미지 fcompound를 생성할 수 있다.When the
상술한 것과 같이, 상기 [수학식 7]에서 NR은 수신 엘리먼트의 개수이다.As described above, in [Equation 7], N R is the number of receiving elements.
최종 초음파 이미지 fcompound는 관심 영역 내의 점 산란체의 개수를 나타내는 크기가 NS인 1차원 벡터로 표현되며, 이를 2차원으로 변환함으로써 우리가 일반적으로 관찰하는 초음파 이미지를 획득할 수 있다.The final ultrasound image f compound is expressed as a one-dimensional vector of size NS representing the number of point scatterers in the region of interest, and by converting it into a two-dimensional vector, an ultrasound image that we generally observe can be obtained.
도 7은 도 4에 도시된 초음파 이미지를 생성하는 단계(S407)의 일 예를 나타낸 동작 흐름도이다.FIG. 7 is an operation flowchart illustrating an example of generating an ultrasound image shown in FIG. 4 ( S407 ).
도 7을 참조하면, 프로세서(150)는 각 수신 엘리먼트(112b)에서 획득하는 초음파 이미지가 동일하다고 가정하여, 에코 신호들과 전송 행렬들 사이의 단일한 관계식을 생성한다(S701).Referring to FIG. 7 , the
상기 도 6에 도시된 실시 예에서는 프로세서(150)가 각 수신 엘리먼트(112b)마다 그에 대응하는 전송 행렬을 이용하여 개별적으로 초음파 이미지를 생성하고, 각 수신 엘리먼트(112b)에 대응하여 생성된 초음파 이미지들의 평균을 계산하여 최종 초음파 이미지를 생성했다. 하지만, 서로 다른 수신 엘리먼트(112b)를 이용하더라도 실제 측정하고자 하는 대상 또는 관심 영역은 동일하기 때문에, 모든 수신 엘리먼트(112b)에서 동일한 초음파 이미지를 획득한다고 가정할 수 있다. 이와 같은 가정을 하게 될 경우, 상기 [수학식 5]는 하기 [수학식 8]과 같이 표현할 수 있다.In the embodiment shown in FIG. 6, the
그리고, 상기 [수학식 8]은 하기 [수학식 9] 및 [수학식 10] 같이 에코 신호들과 전송 행렬들 사이의 단일한 관계식으로 표현될 수 있다.Also, [Equation 8] can be expressed as a single relational expression between echo signals and transmission matrices as shown in [Equation 9] and [Equation 10] below.
상술한 것과 같이, 상기 [수학식 9] 및 [수학식 10]에서, pi는 크기가 M인 1차원 벡터이며, Gi는 크기가 MХNS인 2차원 행렬이다. 따라서, pT는 크기가 M*NR인 1차원 행렬이며, GT는 크기가 (M*NR)ХNS인 2차원 행렬이다.As described above, in [Equation 9] and [Equation 10], p i is a one-dimensional vector having a size of M, and G i is a two-dimensional matrix having a size of MХN S . Therefore, p T is a one-dimensional matrix of size M*N R , and G T is a two-dimensional matrix of size (M*N R )ХN S .
그리고, 프로세서(150)는 생성한 관계식에서 역행렬 연산을 통해 초음파 이미지를 생성한다(S703).Then, the
상기 [수학식 9] 및 [수학식 10]과 같이, 복수의 수신 트랜스듀서들(112b)에서 수신한 에코 신호들과 그에 대응하는 전송 행렬들 사이의 단일한 관계식이 생성되었으므로, 프로세서(150)는 역행렬 연산을 통해 초음파 이미지 f를 생성할 수 있다.As shown in [Equation 9] and [Equation 10] above, since a single relational expression between the echo signals received by the plurality of receiving
프로세서(150)는 하기 [수학식 11]과 같이 상기 [수학식 10]에서 양 변의 좌측에 재배열된 전송 행렬 GT의 전치 행렬(transpose matrix)을 곱하고, 하기 [수학식 12]와 같이 역행렬 연산을 통해 초음파 이미지 f를 계산할 수 있다.The
도 8은 관심 영역 내의 공간 지점(spatial point) 중에서 하나를 나타낸 도면이다.8 is a diagram showing one of spatial points in a region of interest.
도 8을 참조하면, 관심 영역 내에는 초음파 이미징에서 측정 대상이 되는 공간 지점들(801)이 복수 개 포함된다. 그리고, 프로브(110)에 포함된 트랜스듀서 엘리먼트(112)는 무작위 시퀀스 초음파 신호를 송신하고, 특정 공간 지점(801)에서 반사 또는 산란된 초음파 신호를 다시 수신할 수 있다.Referring to FIG. 8 , a plurality of
각 송신 엘리먼트(112a), 각 수신 엘리먼트(112b) 및 각 공간 지점들(801)의 위치는 임의의 기준점에 대한 벡터로 표현할 수 있고, 그에 따라 프로브(110)에서 송신된 초음파의 전파 경로를 벡터로 표현할 수 있다. The positions of each transmitting
NT개의 송신 엘리먼트들(112a) 중에서 j번째 송신 엘리먼트 (또는 제j 송신 엘리먼트)의 위치를 벡터 rj, NR개의 수신 엘리먼트들(112b) 중에서 i번째 수신 엘리먼트 (또는 제i 수신 엘리먼트)의 위치를 벡터 ri, 그리고 NS개의 공간 지점들(801) 중에서 k번째 공간 지점 (또는 제k 공간 지점)의 위치를 벡터 rk로 정의할 수 있다. 이 경우, 제j 송신 엘리먼트에서 송신된 초음파가 제k 공간 지점까지 전파되는 경로는 벡터 rk-rj로 표현할 수 있고, 제k 공간 지점에서 산란된 초음파가 제i 수신 엘리먼트로 전파되는 경로는 벡터 ri-rk로 표현할 수 있다.The position of the j-th transmission element (or the j-th transmission element) among the N T transmission elements 112a is the vector r j , the position of the i-th reception element (or the i-th reception element) among the N R reception elements 112b. A location may be defined as a vector r i , and a location of a k th spatial point (or k th spatial point) among the N S
상술한 제i 수신 엘리먼트에 대응하는 제i 전송 행렬 Gi의 각 열(column)은 각 공간 지점에서 산란되어 제i 수신 엘리먼트에서 수신되는 공간 임펄스 응답이다. 구체적으로, 제i 전송 행렬 Gi는 하기 [수학식 13]과 같이 표현할 수 있고, 제i 전송 행렬의 k번째 열 gi,k는 제k 공간 지점에서 산란되어 제i 수신 엘리먼트에서 수신되는 에코 신호이다.Each column of the ith transmission matrix G i corresponding to the above-described ith receiving element is a spatial impulse response scattered at each spatial point and received at the ith receiving element. Specifically, the i-th transmission matrix G i can be expressed as in [Equation 13], and the k-th column g i,k of the i-th transmission matrix is an echo scattered at the k-th spatial point and received at the i-th receiving element. It's a signal.
그러나, 제i 전송 행렬의 k번째 열 gi,k는 제k 공간 지점에서 산란되어 제i 수신 엘리먼트에서 수신되는 에코 신호를 의미하지만, 이는 복수의 송신 엘리먼트들(112a)에서 송신된 초음파 신호들에 대한 에코 신호의 합성 신호이다. 서로 다른 송신 엘리먼트(112a)에서 송신된 초음파 신호는 제k 공간 지점에서 산란되어 제i 수신 엘리먼트까지의 전파 경로는 ri-rk로 동일하며, 각자 송신되는 제j 송신 엘리먼트에서 제k 공간 지점까지의 전파 경로 rk-rj가 상이하다. 이에 따라, 서로 다른 송신 엘리먼트(112a)에서 송신된 초음파 신호는 서로 전파 경로가 다르기 때문에 서로 전파되는데 시간차가 존재한다. 따라서, 프로세서(150)는 전송 행렬의 각 열을 결정할 때, 초음파 신호의 전파 경로의 차이에 따른 시간차를 고려하여 시간 지연된 에코 신호들을 합하고 정규화할 수 있다.However, the k-th column g i,k of the i-th transmission matrix denotes an echo signal scattered at the k-th spatial point and received at the i-th receiving element, which corresponds to the ultrasonic signals transmitted by the plurality of transmitting elements 112a. is a synthesized signal of the echo signal for Ultrasonic signals transmitted from
도 9는 무작위 시퀀스 전기 신호의 예시들과 공간 응답의 예시들을 나타낸 도면이다.9 is a diagram showing examples of random sequence electrical signals and examples of spatial response.
도 9의 (a)와 (b)는 각각 길이가 13인 무작위 시퀀스에 대응하는 무작위 시퀀스 전기 신호를 나타내며, 사인파 진동수 fc가 3MHz이다. 이에 따라, 도 9의 (a)와 (b)에 도시된 무작위 시퀀스 전기 신호 또는 여기 신호(excitation signal)은 길이가 4.5μs이다.9(a) and (b) respectively show random sequence electrical signals corresponding to a random sequence having a length of 13, and a sine wave frequency f c is 3 MHz. Accordingly, the random sequence electric signal or excitation signal shown in (a) and (b) of FIG. 9 has a length of 4.5 μs.
구체적으로, 도 9의 (a)에 도시된 무작위 시퀀스 전기 신호는 무작위 시퀀스 w1=(-1, -1, -1, -1, 1, 1, -1, 1, -1, -1, 1, -1, 1)에 대응하여 생성된 전기 신호이며, 도 9의 (b)에 도시된 무작위 시퀀스 전기 신호는 무작위 시퀀스 w2=(-1, -1, -1, -1, 1, -1, 1, 1, 1, -1, 1, 1, 1)에 대응하여 생성된 전기 신호이다.Specifically, the random sequence electrical signal shown in (a) of FIG. 9 is the random sequence w 1 =(-1, -1, -1, -1, 1, 1, -1, 1, -1, -1, 1, -1, 1), and the random sequence electrical signal shown in (b) of FIG. 9 is a random sequence w 2 = (-1, -1, -1, -1, 1, -1, 1, 1, 1, -1, 1, 1, 1) is an electrical signal generated in response to
도 9의 (c)와 도 9의 (d)는 관심 영역 내의 두 공간 지점들 rk=1, rk=2에서의 공간 응답들을 나타낸다. 프로브(110)의 트랜스듀서 어레이(111)의 중간 위치를 기준점 (또는 원점)으로 가정하였을 때, 제1 공간 지점 rk=1의 좌표는 (0.25mm, 0.55mm)이고 제2 공간 지점 rk=2의 좌표는 (-0.25mm, 0.55mm)이다.9(c) and 9(d) show spatial responses at two spatial points r k=1 and r k=2 in the region of interest. Assuming that the middle position of the
구체적으로, 도 9의 (c)는 두 트랜스듀서 엘리먼트들만을 이용하여 무작위 시퀀스 초음파 신호들을 송신하였을 때의 두 공간 지점에서의 공간 응답을 나타낸다. 도 9의 (c)에서 확인할 수 있듯, 두 개의 초음파 신호들만을 송신한 경우에는 서로 다른 두 공간 지점들에 대한 공간 응답이 매우 유사함을 알 수 있다. 즉, 공간 분해능이 낮다.Specifically, (c) of FIG. 9 shows spatial responses at two spatial points when random sequence ultrasound signals are transmitted using only two transducer elements. As can be seen in (c) of FIG. 9 , when only two ultrasound signals are transmitted, it can be seen that spatial responses to two different spatial points are very similar. That is, the spatial resolution is low.
반면, 도 9의 (d)는 128개의 트랜스듀서 엘리먼트들을 이용하여 무작위 시퀀스 초음파 신호들을 송신하였을 때의 두 공간 지점에서의 공간 응답을 나타낸다. 도 9의 (d)에서 확인할 수 있듯, 많은 초음파 신호들을 송신할 경우에는 서로 인접한 두 공간 지점들에 대한 공간 응답이 크게 차이남을 알 수 있다. 즉, 서로 독립적인 무작위 시퀀스 초음파 신호들을 많이 송신시킬수록 인접한 공간 지점들 사이의 공간 응답 사이의 상관 관계(correlation)를 줄일 수 있고, 공간 분해능을 높일 수 있다.On the other hand, (d) of FIG. 9 shows spatial responses at two spatial points when random sequence ultrasound signals are transmitted using 128 transducer elements. As can be seen in (d) of FIG. 9, when many ultrasonic signals are transmitted, it can be seen that the spatial response of two adjacent spatial points differs greatly. That is, as more independent random sequence ultrasound signals are transmitted, correlation between spatial responses between adjacent spatial points may be reduced and spatial resolution may be increased.
도 10 내지 12는 송신 엘리먼트(Tx)와 수신 엘리먼트(Rx) 쌍에 따른 에코 신호들을 나타낸 도면이다.10 to 12 are views illustrating echo signals according to a pair of a transmission element (Tx) and a reception element (Rx).
도 10 내지 12에서, 트랜스듀서 어레이(111)에는 128개의 트랜스듀서 앨리먼트(112)가 포함되어 있다.10 to 12, the
도 10은 제1 송신 엘리먼트(j=1)만이 활성화되어 초음파 신호를 송신하였을 때, 제1 수신 엘리먼트(i=1) 내지 제10 수신 엘리먼트(i=10)에서 수신한 정규화된(normalized) 에코 신호들을 나타낸다. 도 10을 참조하면, 제1 송신 엘리먼트에서만 초음파 신호가 송신되었기 때문에 서로 다른 수신 엘리먼트들에서 수신하는 에코 신호들이 유사한 파형을 갖는 것을 확인할 수 있다.10 shows normalized echoes received by the first receiving element (i=1) to the tenth receiving element (i=10) when only the first transmitting element (j=1) is activated and transmits an ultrasonic signal. indicate signals. Referring to FIG. 10 , since the ultrasonic signal is transmitted only from the first transmitting element, it can be confirmed that echo signals received by different receiving elements have similar waveforms.
도 11은 제1 송신 엘리먼트(j=1) 내지 제10 송신 엘리먼트(j=10)가 하나씩 활성화되어 초음파 신호를 송신하였을 때, 제1 수신 엘리먼트(i=1)에서 수신한 정규화된 에코 신호들을 나타낸다. 도 11을 참조하면, 서로 다른 송신 엘리먼트들에서 개별적으로 서로 다른 초음파 신호가 송신되었기 때문에, 제1 수신 엘리먼트에서 수신하는 에코 신호들이 매우 다른 파형을 갖는 것을 확인할 수 있다.11 shows normalized echo signals received by the first receiving element (i = 1) when the first transmitting elements (j = 1) to the tenth transmitting elements (j = 10) are activated one by one and transmit ultrasonic signals. indicate Referring to FIG. 11 , since different ultrasonic signals are individually transmitted from different transmitting elements, it can be seen that echo signals received by the first receiving element have very different waveforms.
도 12는 제20 송신 엘리먼트(j=20)부터 제110 송신 엘리먼트(j=110)까지의 10단위 송신 엘리먼트들이 하나씩 활성화되어 초음파 신호를 송신하였을 때, 제1 수신 엘리먼트(i=1)에서 수신한 정규화된 에코 신호들을 나타낸다. 도 12를 참조하면, 도 11과 마찬가지로, 서로 다른 송신 엘리먼트들에서 개별적으로 서로 다른 초음파 신호가 송신되었기 때문에, 제1 수신 엘리먼트에서 수신하는 에코 신호들이 매우 다른 파형을 갖는 것을 확인할 수 있다. 나아가, 도 12를 참조하면, 활성화된 송신 엘리먼트들이 서로 공간적으로 이격되어 있기 때문에 초음파 신호의 전파 경로에 차이가 존재하며, 이에 따라 각 에코 신호에 시간차 (또는 시간 지연)이 발생하는 것을 확인할 수 있다.FIG. 12 shows that when 10 unit transmission elements from the 20th transmission element (j = 20) to the 110th transmission element (j = 110) are activated one by one to transmit ultrasonic signals, the first reception element (i = 1) receives the signal. represents normalized echo signals. Referring to FIG. 12 , as in FIG. 11 , since different ultrasonic signals are individually transmitted from different transmitting elements, it can be seen that echo signals received by the first receiving element have very different waveforms. Furthermore, referring to FIG. 12, since the activated transmission elements are spatially spaced apart from each other, there is a difference in the propagation path of the ultrasonic signal, and accordingly, it can be confirmed that a time difference (or time delay) occurs in each echo signal. .
후술하는 도 13 내지 16의 시뮬레이션은 128개의 트랜스듀서 엘리먼트들(112)로 구성된 트랜스듀서 어레이(111)를 이용하여 수행되었으며, 각 트랜스듀서 엘리먼트(112) 폭이 0.3mm이고 높이가 4.5mm이며 0.03mm의 간격으로 배치되어 있다. 중심 주파수(central frequency)는 3MHz이고, 샘플링 주파수(sampling frequency)는 40MHz이다. 관심 영역은 축 방향 35mm에서 55mm 및 측면 방향 -10mm에서 10mm의 범위이다. 관심 영역에는 분해능 d=0.25mm의 가상 그리드(virtual grid)가 설정되며, 그에 따라 점 산란체의 개수는 NS=6561개이다. 그리고, 팬텀의 음향 성질은 인체의 음향 성질과 유사하게 설정하여, 소리의 속도는 c0=1540m/s로 설정하였다.The simulations of FIGS. 13 to 16 described later were performed using a
도 13은 빔포밍을 이용한 초음파 이미징 시뮬레이션 결과와 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 이미징 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.13 is a diagram showing results of ultrasound imaging simulation using beamforming and ultrasound imaging simulation results according to an embodiment of the present disclosure.
도 13의 (a)는 두 인접한 점 대상을 포함하는 합성 팬텀에 대한(synthetic phantom)을 나타내며, 두 인접한 점은 깊이 45mm 지점에 위치하며 두 점 사이는 측면 방향으로 0.25mm 이격되어 있다.13(a) shows a synthetic phantom including two adjacent point objects, the two adjacent points are located at a depth of 45 mm, and the two points are separated by 0.25 mm in the lateral direction.
도 13의 (b)는 도 13의 (a)에 도시된 팬텀에 대하여, 종래의 빔포밍을 이용한 초음파 이미징 결과를 나타내며, 이는 초점이 축 방향으로 45mm로 설정된128개의 스캔라인(scanline)을 이용하여 생성되었다. 도 13의 (b)를 참조하면, 두 점이 서로 구분되지 않으며, 사이드 로브(sidelobe)가 나타난다.FIG. 13(b) shows ultrasound imaging results using conventional beamforming for the phantom shown in FIG. was created by Referring to (b) of FIG. 13, two points are not distinguished from each other, and a sidelobe appears.
도 13의 (c)는 도 13의 (a)에 도시된 팬텀에 대하여, 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 이미징 결과를 나타낸다. 도 13의 (c)를 참조하면, 두 점이 매우 명확히 구분되며, 다른 노이즈가 포함되지 않았음을 확인할 수 있다.FIG. 13(c) shows ultrasound imaging results of the phantom shown in FIG. 13(a) according to an embodiment of the present disclosure. Referring to (c) of FIG. 13, it can be seen that the two points are very clearly distinguished and no other noise is included.
도 13의 (d)는 단일 채널에서 획득한 라디오 주파수(RF: Radio Frequency) 신호와 본 개시의 일 실시 예에 따라 재구축된(reconstructed) 신호를 비교한 도면이다. 원본 RF 신호는 두 점에 대한 임펄스 응답의 중첩(superposition)이다. 도 13의 (d)를 참조하면, 원본 RF 신호와 본 개시의 일 실시 예에 따라 재구축된 신호가 일치함을 확인할 수 있다.13(d) is a diagram comparing a radio frequency (RF) signal obtained from a single channel and a reconstructed signal according to an embodiment of the present disclosure. The original RF signal is the superposition of the impulse response for two points. Referring to (d) of FIG. 13 , it can be confirmed that the original RF signal and the reconstructed signal match according to an embodiment of the present disclosure.
도 13의 (e)는 축 방향 45mm 지점에서의 강도 프로파일(intensity profile)을 비교한 도면이다. 도 13의 (e)를 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 강도 프로파일은 두 점의 경계선을 명확히 구분하며, 원본 이미지에 대한 강도 이미지 프로파일과 일치함을 확인할 수 있다. 반면, 기존의 빔포밍을 이용하는 focused B-mode 초음파 이미징에 따른 강도 프로파일은 두 점의 경계선을 전혀 구분하지 못한다.13(e) is a diagram comparing intensity profiles at a point of 45 mm in the axial direction. Referring to (e) of FIG. 13 , it can be confirmed that the intensity profile according to an embodiment of the present disclosure clearly distinguishes the boundary between two points and matches the intensity image profile of the original image. On the other hand, the intensity profile according to focused B-mode ultrasound imaging using conventional beamforming cannot distinguish the boundary between two points at all.
도 14는 빔포밍을 이용한 초음파 이미징 시뮬레이션 결과와 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 이미징 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.14 is a diagram showing results of ultrasound imaging simulation using beamforming and ultrasound imaging simulation results according to an embodiment of the present disclosure.
도 14의 (a)는 Shepp-Logan 팬텀을 나타낸다. 도 14의 (a)를 참조하면, Shepp-Logan 팬텀은 강도(intensity)가 다른 많은 수의 산란체를 포함한다.14(a) shows the Shepp-Logan phantom. Referring to (a) of FIG. 14, the Shepp-Logan phantom includes a large number of scatterers having different intensities.
도 14의 (b)는 도 14의 (a)에 도시된 팬텀에 대하여, 종래의 빔포밍을 이용한 초음파 이미징 결과를 나타낸다. 도 14의 (b)를 참조하면, 이미지가 뿌옇고(blur), 내부의 원이 보이지 않는다.FIG. 14(b) shows ultrasound imaging results using conventional beamforming for the phantom shown in FIG. 14(a). Referring to (b) of FIG. 14 , the image is blurry and the inner circle is not visible.
도 14의 (c)는 도 14의 (a)에 도시된 팬텀에 대하여, 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 이미징 결과를 나타낸다. 도 14의 (c)를 참조하면, 이미지에서 경계선이 명확하며(clear), 내부의 원도 명확히 나타난다. 또한, 대비(contrast)가 원본 팬텀 이미지와 유사하다.FIG. 14(c) shows ultrasound imaging results of the phantom shown in FIG. 14(a) according to an embodiment of the present disclosure. Referring to (c) of FIG. 14 , the boundary line is clear in the image, and the inner circle is also clearly visible. Also, the contrast is similar to the original phantom image.
도 15는 도 14에 도시된 시뮬레이션에 대한 강도 프로파일들을 나타낸 도면이다.FIG. 15 is a diagram showing intensity profiles for the simulation shown in FIG. 14 .
도 15를 참조하면, 축 방향 45mm 지점에서, 본 개시의 일 실시 예에 따른 강도 프로파일은 원본 이미지와 매우 유사함을 확인할 수 있다. 반면, 기존의 빔포밍을 이용하는 focused B-mode 초음파 이미징에 따른 강도 프로파일은 사이드 로브를 포함하여 원본 이미지에서 경계선을 전혀 구분하지 못한다.Referring to FIG. 15 , it can be seen that the intensity profile according to an embodiment of the present disclosure is very similar to the original image at a point of 45 mm in the axial direction. On the other hand, the intensity profile according to focused B-mode ultrasound imaging using conventional beamforming cannot distinguish the boundary line from the original image at all, including side lobes.
도 16은 본 개시의 일 실시 예에서 초음파 이미징에 사용할 수신 엘리먼트의 수와 그 결과의 품질을 비교한 도면이다.16 is a diagram comparing the number of receiving elements to be used for ultrasound imaging and the quality of the results according to an embodiment of the present disclosure.
도 16에 도시된 예시에서, 프로브(110)의 트랜스듀서 어레이(111)에는 128개의 트랜스듀서 엘리먼트(112)가 포함되어 있다. 즉, 128개의 송신 엘리먼트(112a)를 이용하여 초음파 신호를 송신하고, 128개의 수신 엘리먼트(112b) 중에서 적어도 일부를 이용하여 에코 신호를 수신한다.In the example shown in FIG. 16 , the
도 16의 (a)는 Shepp-Logan 팬텀의 원본 이미지를 나타내며, 도 16의 (b) 내지 (e)는 적어도 하나 이상의 수신 엘리먼트(112b)를 이용하여 에코 신호를 수신하고, 수신한 신호에 기초하여 생성한 초음파 이미지를 나타낸다. 각 이미지에 이용된 수신 엘리먼트(112b)의 종류와 수는 하기 [표 1]과 같다.(a) of FIG. 16 shows the original image of the Shepp-Logan phantom, and (b) to (e) of FIG. 16 receive an echo signal using at least one receiving
도 16의 (b)는 모든 128개의 수신 엘리먼트(112b)를 이용하여 생성한 초음파 이미지를 나타내며, 원본 이미지의 디테일을 잘 나타냄을 확인할 수 있다. 도 16의 (g)는 트랜스듀서 어레이(111)의 중앙부에 위치한 15개의 수신 엘리먼트(112b)를 이용하여 생성한 초음파 이미지를 나타내며, 모든 수신 엘리먼트를 이용하여 생성한 초음파 이미지(도 16의 (b))보다도 MSE(Mean Squared Error)가 더 낮고, PSNR(Peak Signal-to-Noise Ratio) 및 SNR(Signal-to-Noise Ratio)이 더 향상됨을 확인할 수 있다. 이러한 현상은 트랜스듀서 엘리먼트(112)의 수용각(acceptance angle)로 설명할 수 있다. 무작위 간섭의 효과는 무작위 파동의 수에 종속되며, 관심 영역의 중앙에서 무작위 간섭이 더 강하다. 따라서, 더 나은 성능을 제공할 수 있도록, 모든 수신 엘리먼트(112b)를 사용하지 않고 트랜스듀서 어레이(111)의 중앙부에 위치한 일부의 수신 엘리먼트들(112b)를 선택적으로 사용하여 초음파 이미지를 생성할 수도 있다.또한, 도 16의 (h)는 오직 하나의 수신 엘리먼트(112)만을 이용하여 생성한 초음파 이미지를 나타내는데, 노이즈가 포함되었지만 팬텀의 경계선을 잘 나타냄을 확인할 수 있다. 즉, 비록 하나의 수신 엘리먼트(112b)만을 이용하더라도 유의미한 품질을 갖는 초음파 이미지를 생성할 수 있다.(b) of FIG. 16 shows an ultrasound image generated using all 128 receiving
후술하는 도 17 및 18의 실험은 128개의 압전(piezo-electric) 트랜스듀서 엘리먼트들(112)로 구성된 트랜스듀서 어레이(111)를 이용하여 수행되었으며, 각 트랜스듀서 엘리먼트(112) 폭이 0.3mm이고 높이가 4.5mm이며 0.03mm의 간격으로 배치되어 있다. 중심 주파수(central frequency)는 3-12MHz이고, 샘플링 주파수(sampling frequency)는 40MHz이며, 송신 초음파 신호의 주파수는 3MHz이다. 관심 영역은 축 방향 길이가 60mm이고, 측면 방향 길이가 40mm이다. 관심 영역에는 분해능 d=0.25mm의 가상 그리드(virtual grid)가 설정되며, 그에 따라 점 산란체의 개수는 NS=38801개이다. The experiments of FIGS. 17 and 18 to be described later were performed using a
도 17은 실리콘 팬텀(silicon phantom)에 대한 빔포밍을 이용한 초음파 이미징 결과와 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 이미징 결과를 나타낸 도면이다.17 is a diagram showing ultrasound imaging results using beamforming for a silicon phantom and ultrasound imaging results according to an embodiment of the present disclosure.
도 17에서 사용된 실리콘 팬텀은 인간의 조직의 성질을 모사한 고체 탄성 하이드로겔(solid elastic hyderogel)로 만들어진다. 이 팬텀의 관심 영역에는 직경 0.1mm의 나일론 와이어 8개와 낭포(cyst)가 포함되어 있으며, 각 나일론 와이어는 10mm 간격으로 이격되어 있다.The silicone phantom used in FIG. 17 is made of a solid elastic hydrogel that mimics the properties of human tissue. The region of interest in this phantom contains eight 0.1 mm diameter nylon wires and a cyst, each nylon wire spaced 10 mm apart.
도 17의 (a)는 상술한 실리콘 팬텀에 대하여, 128개의 스캔라인을 갖는 기존의 빔포밍을 이용한 초음파 이미징 결과를 나타낸다. 그리고, 도 17의 (b)는 상술한 실리콘 팬텀에 대하여, 본 개시의 일 실시 예에 따른 무작위 간섭을 이용한 초음파 이미징 결과를 나타낸다. 두 초음파 이미징 결과를 비교하면, 무작위 간섭을 이용한 초음파 이미징 결과는 기존의 빔포밍을 이용한 초음파 이미징 결과와 대비하여, 사이드 로브 없이 깔끔한 나일론 와이어를 확인할 수 있으며 스페클 노이즈도 현저히 적음을 확인할 수 있다.17(a) shows ultrasound imaging results using conventional beamforming having 128 scan lines for the silicon phantom described above. And, (b) of FIG. 17 shows ultrasound imaging results using random interference with respect to the above-described silicon phantom according to an embodiment of the present disclosure. Comparing the two ultrasound imaging results, the ultrasound imaging result using random interference can confirm a neat nylon wire without side lobes and significantly less speckle noise, in contrast to the ultrasound imaging result using conventional beamforming.
도 18은 실리콘 팬텀(silicon phantom)에 대한 빔포밍을 이용한 초음파 이미징 결과와 본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 이미징 결과를 나타낸 도면이다.18 is a diagram showing ultrasound imaging results using beamforming for a silicon phantom and ultrasound imaging results according to an embodiment of the present disclosure.
도 18에서 사용된 실리콘 팬텀의 관심 영역에는 직경 0.08mm의 나일론 와이어 12개가 포함되어 있으며, 각 나일론 와이어는 축 방향과 측면 방향으로 각각 4mm, 3mm, 2mm, 1mm, 0.5mm 및 0.25mm의 간격으로 이격되어 있다.The region of interest of the silicon phantom used in FIG. 18 contained 12 nylon wires with a diameter of 0.08 mm, and each nylon wire was spaced at intervals of 4 mm, 3 mm, 2 mm, 1 mm, 0.5 mm, and 0.25 mm in the axial and lateral directions, respectively. are spaced apart
도 18의 (a)는 상술한 실리콘 팬텀에 대하여, 128개의 스캔라인을 갖는 기존의 빔포밍을 이용한 초음파 이미징 결과를 나타내며, 도 18의 (c)는 도 18의 (a)의 이미지의 나일론 와이어 영역을 확대한 이미지이다. 그리고, 도 18의 (b)는 상술한 실리콘 팬텀에 대하여, 본 개시의 일 실시 예에 따른 무작위 간섭을 이용한 초음파 이미징 결과를 나타내며, 도 18의 (d)는 도 18의 (b)의 이미지의 나일론 와이어 영역을 확대한 이미지이다. 두 초음파 이미징 결과를 비교하면, 무작위 간섭을 이용한 초음파 이미징 결과는 기존의 빔포밍을 이용한 초음파 이미징 결과와 대비하여, 나일론 와이어의 디테일을 보다 명확히 나타냄을 확인할 수 있다.18(a) shows the result of ultrasound imaging using conventional beamforming having 128 scan lines for the silicon phantom described above, and FIG. 18(c) shows the nylon wire of the image of FIG. 18(a). This is an enlarged image of the area. In addition, FIG. 18(b) shows ultrasound imaging results using random interference for the above-described silicon phantom according to an embodiment of the present disclosure, and FIG. 18(d) shows the image of FIG. 18(b). This is an enlarged image of the nylon wire area. Comparing the two ultrasound imaging results, it can be confirmed that the ultrasound imaging result using random interference represents the details of the nylon wire more clearly, compared to the ultrasound imaging result using conventional beamforming.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 전술한 방법은 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다.According to an embodiment of the present disclosure, the above-described method can be implemented as computer readable code on a medium on which a program is recorded. The computer-readable medium includes all types of recording devices in which data that can be read by a computer system is stored. Examples of computer-readable media include Hard Disk Drive (HDD), Solid State Disk (SSD), Silicon Disk Drive (SDD), ROM, RAM, CD-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage device, etc. there is
Claims (14)
복수의 트랜스듀서 엘리먼트의 트랜스듀서 어레이를 포함하는 프로브(probe); 및
상기 복수의 트랜스듀서 엘리먼트들 각각에 대한 무작위 시퀀스들을 생성하고, 상기 트랜스듀서 어레이를 통해 상기 무작위 시퀀스들에 대응하는 초음파 신호들을 송신하고, 상기 트랜스듀서 어레이를 통해 상기 송신한 초음파 신호들에 대응하는 에코 신호들을 수신하고, 상기 무작위 시퀀스들에 대응하는 전송 행렬들을 이용하여 상기 수신한 에코 신호들에 대응하는 초음파 이미지를 생성하는 프로세서
를 포함하고,
상기 프로세서는
상기 무작위 시퀀스들을 반주기 사인파(half-cycle sine wave)와 합성곱하여 무작위 시퀀스 전기 신호를 생성하고, 상기 트랜스듀서 어레이를 통해 상기 무작위 시퀀스 전기 신호에 대응하는 상기 초음파 신호들을 송신하는,
초음파 이미징 장치.In the ultrasonic imaging device using random interference,
a probe comprising a transducer array of a plurality of transducer elements; and
generating random sequences for each of the plurality of transducer elements, transmitting ultrasound signals corresponding to the random sequences through the transducer array, and corresponding to the transmitted ultrasound signals through the transducer array; A processor for receiving echo signals and generating an ultrasound image corresponding to the received echo signals using transmission matrices corresponding to the random sequences
including,
The processor
generating a random sequence electrical signal by convolutional multiplying the random sequences with a half-cycle sine wave, and transmitting the ultrasonic signals corresponding to the random sequence electrical signal through the transducer array;
ultrasound imaging device.
상기 프로세서는
미리 정해진 개수만큼의 원소를 -1 또는 1 중에서 균일하게 선택하여 상기 무작위 시퀀스들을 생성하는, 초음파 이미징 장치.The method of claim 1,
The processor
An ultrasound imaging apparatus generating the random sequences by uniformly selecting a predetermined number of elements from -1 or 1.
상기 프로세서는
상기 트랜스듀서 어레이에 포함된 상기 복수의 트랜스듀서 엘리먼트 중에서 적어도 하나 이상을 이용하여 상기 대응하는 초음파 신호들을 동시에 송신하는, 초음파 이미징 장치.The method of claim 1,
The processor
The ultrasound imaging apparatus, wherein the corresponding ultrasound signals are simultaneously transmitted using at least one of the plurality of transducer elements included in the transducer array.
상기 프로세서는
상기 트랜스듀서 어레이에 포함된 상기 복수의 트랜스듀서 엘리먼트를 모두 이용하여 상기 대응하는 초음파 신호들을 동시에 송신하는, 초음파 이미징 장치.The method of claim 4,
The processor
The ultrasound imaging apparatus of claim 1 , wherein the corresponding ultrasound signals are simultaneously transmitted using all of the plurality of transducer elements included in the transducer array.
상기 프로세서는
상기 트랜스듀서 어레이에 포함된 상기 복수의 트랜스듀서 엘리먼트 중에서 적어도 하나 이상을 이용하여 상기 에코 신호들을 수신하는, 초음파 이미징 장치.The method of claim 1,
The processor
and receiving the echo signals using at least one of the plurality of transducer elements included in the transducer array.
상기 전송 행렬들 각각은
상기 에코 신호들의 수신에 이용되는 수신 엘리먼트 각각에 대응하며, 각 열(column)이 대응하는 수신 엘리먼트에서 수신한 공간 임펄스 응답들(spatial impulse response)로 구성되는, 초음파 이미징 장치.The method of claim 1,
Each of the transfer matrices is
Corresponds to each receiving element used to receive the echo signals, and each column is composed of spatial impulse responses received by the corresponding receiving element.
상기 프로세서는
상기 각 수신 엘리먼트마다 대응하는 에코 신호 및 대응하는 전송 행렬을 이용하여 개별적으로 초음파 이미지를 생성하고, 상기 개별적으로 생성한 초음파 이미지들의 평균을 계산하여 최종 초음파 이미지를 생성하는, 초음파 이미징 장치.The method of claim 7,
The processor
The ultrasound imaging apparatus of claim 1 , wherein ultrasound images are individually generated for each receiving element using a corresponding echo signal and a corresponding transmission matrix, and a final ultrasound image is generated by calculating an average of the individually generated ultrasound images.
상기 프로세서는
최적화 문제
를 풀이하여 제i 수신 엘리먼트에 대응하는 제i 초음파 이미지 fi를 생성하며, Gi는 상기 제i 수신 엘리먼트에 대응하는 제i 전송 행렬이고, pi는 상기 제i 수신 엘리먼트에서 수신한 제i 에코 응답이고, NR은 상기 수신 엘리먼트들의 개수이고, ε는 정칙화(regularization) 파라미터인, 초음파 이미징 장치.The method of claim 8,
The processor
optimization problem
to generate an ith ultrasound image f i corresponding to the ith receiving element, G i is an ith transmission matrix corresponding to the ith receiving element, and p i is the ith received by the ith receiving element. An echo response, N R is the number of the receiving elements, and ε is a regularization parameter.
상기 프로세서는
상기 각 수신 엘리먼트에서 개별적으로 획득하는 초음파 이미지가 동일하다고 가정하여, 상기 에코 신호들과 상기 전송 행렬들 사이의 단일한 관계식을 생성하고, 상기 관계식에서 역행렬 연산을 통해 최종 초음파 이미지를 생성하는, 초음파 이미징 장치.The method of claim 7,
The processor
Assuming that the ultrasound images individually acquired by each receiving element are the same, a single relational expression between the echo signals and the transmission matrices is generated, and a final ultrasound image is generated through an inverse matrix operation in the relational expression. imaging device.
상기 프로세서는
상기 단일한 관계식 을 생성하고, 역행렬 연산을 이용한 수학식 을 풀이하여 상기 최종 초음파 이미지 f를 생성하며, GT는 제NR 수신 엘리먼트에 대응하는 전송 행렬이고, pT는 상기 제NR 수신 엘리먼트에 대응하는 에코 응답이고, NR은 상기 수신 엘리먼트의 개수인, 초음파 이미징 장치.The method of claim 10,
The processor
The above single relation , and the equation using the inverse matrix operation The final ultrasound image f is generated by solving , where G T is a transmission matrix corresponding to the N R th receiving element, p T is an echo response corresponding to the N R th receiving element, and N R is the Repairman, Ultrasound Imaging Device.
디스플레이
를 더 포함하고,
상기 프로세서는
상기 생성된 초음파 이미지를 상기 디스플레이를 통해 출력하는, 초음파 이미징 장치.The method of claim 1,
display
Including more,
The processor
An ultrasound imaging device that outputs the generated ultrasound image through the display.
트랜스듀서 어레이에 포함된 복수의 트랜스듀서 엘리먼트들 각각에 대한 무작위 시퀀스들을 생성하는 단계;
상기 트랜스듀서 어레이를 통해 상기 무작위 시퀀스들에 대응하는 초음파 신호들을 송신하는 단계;
상기 트랜스듀서 어레이를 통해 상기 송신한 초음파 신호들에 대응하는 에코 신호들을 수신하는 단계; 및
상기 무작위 시퀀스들에 대응하는 전송 행렬들을 이용하여 상기 수신한 에코 신호들에 대응하는 초음파 이미지를 생성하는 단계
를 포함하고,
상기 초음파 신호들을 송신하는 단계는
상기 무작위 시퀀스들을 반주기 사인파(half-cycle sine wave)와 합성곱하여 무작위 시퀀스 전기 신호를 생성하고, 상기 트랜스듀서 어레이를 통해 상기 무작위 시퀀스 전기 신호에 대응하는 상기 초음파 신호들을 송신하는,
초음파 이미징 방법.In the ultrasound imaging method using random interference,
generating random sequences for each of a plurality of transducer elements included in the transducer array;
transmitting ultrasound signals corresponding to the random sequences through the transducer array;
receiving echo signals corresponding to the transmitted ultrasound signals through the transducer array; and
generating ultrasound images corresponding to the received echo signals using transmission matrices corresponding to the random sequences;
including,
Transmitting the ultrasonic signals
generating a random sequence electrical signal by convolutional multiplying the random sequences with a half-cycle sine wave, and transmitting the ultrasonic signals corresponding to the random sequence electrical signal through the transducer array;
ultrasound imaging method.
트랜스듀서 어레이에 포함된 복수의 트랜스듀서 엘리먼트들 각각에 대한 무작위 시퀀스들을 생성하는 단계;
상기 트랜스듀서 어레이를 통해 상기 무작위 시퀀스들에 대응하는 초음파 신호들을 송신하는 단계;
상기 트랜스듀서 어레이를 통해 상기 송신한 초음파 신호들에 대응하는 에코 신호들을 수신하는 단계; 및
상기 무작위 시퀀스들에 대응하는 전송 행렬들을 이용하여 상기 수신한 에코 신호들에 대응하는 초음파 이미지를 생성하는 단계
를 포함하고,
상기 초음파 신호들을 송신하는 단계는
상기 무작위 시퀀스들을 반주기 사인파(half-cycle sine wave)와 합성곱하여 무작위 시퀀스 전기 신호를 생성하고, 상기 트랜스듀서 어레이를 통해 상기 무작위 시퀀스 전기 신호에 대응하는 상기 초음파 신호들을 송신하는,
컴퓨터로 읽을 수 있는 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.A computer program stored in a computer readable medium recording an ultrasound imaging method using random interference, the method comprising:
generating random sequences for each of a plurality of transducer elements included in the transducer array;
transmitting ultrasound signals corresponding to the random sequences through the transducer array;
receiving echo signals corresponding to the transmitted ultrasound signals through the transducer array; and
generating ultrasound images corresponding to the received echo signals using transmission matrices corresponding to the random sequences;
including,
Transmitting the ultrasonic signals
generating a random sequence electrical signal by convolutional multiplying the random sequences with a half-cycle sine wave, and transmitting the ultrasonic signals corresponding to the random sequence electrical signal through the transducer array;
A computer program stored on a computer-readable medium.
Priority Applications (1)
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