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

무작위 간섭을 이용한 초음파 이미징 장치 및 그 방법 {APPARATUS OF ULTRASOUND IMAGING USING RANDOM INTERFERENCE AND METHOD OF THE SAME}Ultrasonic imaging apparatus and method using random interference {APPARATUS OF ULTRASOUND IMAGING USING RANDOM INTERFERENCE AND METHOD OF THE SAME}

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

Figure 112021021197827-pat00001
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
Figure 112021021197827-pat00001
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

Figure 112021021197827-pat00002
을 생성하고, 역행렬 연산을 이용한 수학식
Figure 112021021197827-pat00003
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
Figure 112021021197827-pat00002
, and the equation using the inverse matrix operation
Figure 112021021197827-pat00003
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 ultrasound imaging apparatus 100 according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
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 ultrasound imaging apparatus 100 according to an exemplary embodiment of the present disclosure.

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 ultrasound imaging apparatus 100 according to an embodiment of the present disclosure may include a probe 110, a display 120, a memory 130, a power supply 140, a processor 150, and the like. can

프로브(110)는 초음파 이미징 방법에서 초음파를 송신 및 그에 대응하는 에코 신호를 수신하기 위한 트랜스듀서(transducer)를 포함하는 모듈을 의미한다.The probe 110 means a module including a transducer for transmitting ultrasound and receiving an echo signal corresponding thereto in the ultrasound imaging method.

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 probe 110 includes a transducer array 111 , and the transducer array 111 may include a plurality of transducer elements 112 . A plurality of transducer elements 112 included in the transducer array 111 may be arranged in a row at regular intervals. Each of the transducer elements 112 may include a transmitting element 112a and a receiving element 112b.

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 transducer elements 112 to configure the transducer array 111, and each transducer element 112 may mean a unit transducer in the transducer array 111. can

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 transducer element 112 may be a piezoelectric transducer element, in which case each transducer element 112 may be a single piezoelectric crystal.

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 transmission element 112a may refer to a function in which the transducer element 112 converts an electrical signal into an ultrasonic signal and transmits the ultrasonic signal. The receiving element 112b may refer to a function of receiving an ultrasonic signal reflected by the transducer element 112 and converting the received ultrasonic signal into an electrical signal.

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 transducer array 111 generates ultrasonic signals under the control of the processor 150 . However, according to embodiments, the probe 110 may include a separate processor (not shown) for generating ultrasound, and in this case, the transducer array 111 controls the processor (not shown) in the probe 110. An ultrasonic signal can be generated by Also, a processor (not shown) in the probe 110 may be referred to as an ultrasonic generator or an ultrasonic generator controller, and may be controlled by the processor 150 .

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 display 120 may output an image by converting the ultrasound image data generated by the processor 150 into R, G, B signals, gray scale signals, black and white signals, and the like.

메모리(130)는 초음파 이미징 장치(100)의 제어 또는 동작에 필요한 여러 종류의 프로그램, 애플리케이션 데이터 등을 저장할 수 있다. The memory 130 may store various types of programs and application data necessary for controlling or operating the ultrasound imaging apparatus 100 .

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 memory 130 may store an ultrasonic signal transmitted through the probe 110 and an ultrasonic signal or echo signal received through the probe 110 . The transmitted ultrasound signal or the received ultrasound signal may be temporarily stored in the memory 130 .

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 memory 130 may store transmission matrices used to generate ultrasound images from echo signals. Transmission matrices are matrices including spatial impulse responses within a region of interest (ROI) for generating an ultrasound image, and a detailed description thereof will be described later.

전원 공급부(140)는 초음파 이미징 장치(100)에 전원을 공급할 수 있다.The power supply 140 may supply power to the ultrasound imaging apparatus 100 .

프로세서(150)는 초음파 이미징 장치(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.The processor 150 may control overall operations of the ultrasound imaging apparatus 100 .

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 processor 150 may generate and transmit an ultrasound signal through the probe 110 by generating and transmitting an ultrasound signal generation command to the probe 110 . A detailed description of this will be given later.

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 processor 150 may generate an ultrasound image by analyzing an electrical signal (hereinafter referred to as a response signal) corresponding to the echo signal obtained from the probe 110 . To this end, the processor 150 may generate an ultrasound image using a response signal and a transmission matrix obtained from the probe 110 .

프로세서(150)는 디스플레이(120)를 통해 생성한 초음파 이미지를 출력할 수 있다.The processor 150 may output the generated ultrasound image through the display 120 .

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 ultrasound imaging apparatus 100 may be combined into one component, or one component may be subdivided into two or more components. In addition, the functions performed in each block are for explaining an embodiment of the present disclosure, and the specific operation or device does not limit the scope of the present disclosure.

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 processor 150 of the ultrasound imaging apparatus 100 generates random sequences for each transducer element 111 (S401).

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 processor 150 generates a random sequence to be used for generating an ultrasound signal in the transducer array 111 or each transducer element 112 to transmit the random sequence ultrasound signal through the probe 110 .

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 transducer element 112, and therefore, random sequences corresponding to each transducer element 112 are not identical to each other. However, since each random sequence is randomly generated, random sequences corresponding to different transducer elements 112 may be identical to each other, although there is a low probability.

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 processor 150 may generate random sequences having a predetermined length. That is, random sequences corresponding to each transducer element 112 may be generated to have the same length even if they are not identical to each other.

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 processor 150 may generate a random sequence by (uniformly) selecting each element from a binary set {-1, 1} while having a predetermined length. For example, processor 150 generates a random sequence w 1 =(-1, -1, -1, -1, 1, 1, -1, 1, -1, 1, -1, 1) of length 13. can do.

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 processor 150 generates random sequences corresponding to each transducer element 112, and the random sequences generated thereby may be equally used during ultrasound imaging or when determining a transmission matrix for ultrasound imaging. That is, the random sequence means that the pattern is randomly determined, and does not mean that the pattern continuously and randomly changes each time ultrasound imaging is attempted or over time. If a first random sequence corresponding to the first transducer element is generated, the first transducer element may repeatedly transmit ultrasonic signal pulses corresponding to the first random sequence. Accordingly, random sequences generated corresponding to each transducer element 112 may not be changed unless a separate setting is changed.

그리고, 프로세서(150)는 트랜스듀서 어레이(111)를 통해 무작위 시퀀스들에 대응하는 초음파 신호들을 송신한다(S403).Then, the processor 150 transmits ultrasound signals corresponding to the random sequences through the transducer array 111 (S403).

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 processor 150 generates a random sequence electrical signal corresponding to the generated random sequence and transmits the corresponding random sequence electrical signal to each transducer element 112, thereby corresponding to the random sequence electrical signal (random sequence). It can generate and transmit ultrasonic signals.

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 processor 150 may generate a random sequence electrical signal by multiplying the generated random sequence with a half-cycle sine wave as shown in [Equation 1] to [Equation 3] below.

Figure 112021021197827-pat00004
Figure 112021021197827-pat00004

Figure 112021021197827-pat00005
Figure 112021021197827-pat00005

Figure 112021021197827-pat00006
Figure 112021021197827-pat00006

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-th transducer element 112, N w is the length of the random sequence, and w j,n is the n-th element of the random sequence w j corresponding to the j-th transducer element 112 and has a value of -1 or 1. And, A is the amplitude, f c is the nominal frequency of the fundamental signal of the half-cycle sine wave, and 2T is the period of the fundamental signal. For example, 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 , is an electrical signal corresponding to 1).

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 transducer element 112 performing a function of converting a random sequence electrical signal into a (random sequence) ultrasonic signal and transmitting the converted ultrasonic signal, the transducer element 112 is a transmission transformer. It may be referred to as a reducer element or a transmission element 112a.

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 transducer element 112 starts transmitting the generated ultrasonic signal at the same time point, and since all random sequence electrical signals corresponding to each transducer element 112 have the same length, all transducer elements 112 may transmit its own ultrasonic signal during the same period. As such, all transducer elements 112 may simultaneously transmit their respective random sequence ultrasound signals, thereby generating an unfocused incident ultrasound wavefront of random interference.

그리고, 프로세서(150)는 트랜스듀서 어레이(111)를 통해 에코 신호들(echo signals)을 수신한다(S405).Then, the processor 150 receives echo signals through the transducer array 111 (S405).

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 transducer array 111 is transmitted to the region of interest (ROI) of the medium, and the ultrasonic signals are reflected or scattered by a scatterer in the region of interest to the transducer array 111. can be passed back. Also, each transducer element 112 included in the transducer array 111 may receive the reflected ultrasonic signal or echo signal and convert the received ultrasonic signal or echo signal into an electrical signal. The received ultrasonic signal and echo signal may refer to the ultrasonic signal itself, but may also refer to an electrical signal converted from the ultrasonic signal unless otherwise specified.

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 transducer element 112 performing a function of receiving an ultrasonic signal and converting the received ultrasonic signal into an electrical signal, the transducer element 112 is a receiving transducer element or a receiving element ( 112b).

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 transducer element 112 are not identical to each other. This is because the transducer array 111 includes a plurality of transducer elements 112, and as each transducer element 112 is spatially disposed in a different position, a difference occurs in the path along which the ultrasonic signal moves. am. The ultrasonic signal travels along the path of the transmitting element 112a, the scattering body in the region of interest, and the receiving element 112b. If either of the transmitting element 112a or the receiving element 112b is different, the path is different. Scatterers on the path may vary. Therefore, a difference in path results in a difference in waveform as well as a time difference or time delay between several echo signals.

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 ultrasonic imaging apparatus 100 transmits a random sequence ultrasonic signal through each transducer element 112 is that spatial responses in individual point scatterers in the region of interest are different from each other. To make it mutually incoherent. When a random sequence ultrasonic signal propagates in a medium, energy is reflected from tissue or the like, and in this case, each scattering body has a unique impulse response.

그리고, 프로세서(150)는 무작위 시퀀스들에 대응하는 전송 행렬들(transmission matrics)을 이용하여 수신한 에코 신호들에 대응하는 초음파 이미지를 생성한다(S407).Then, the processor 150 generates ultrasound images corresponding to the received echo signals using transmission matrices corresponding to the random sequences (S407).

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 element 112b. That is, the first transmission matrix corresponding to the first receiving element is composed of spatial impulse responses obtained from the first receiving element. Also, a first column of the first transmission matrix may be a spatial impulse response at the first receiving element with respect to a first spatial point within the ROI. However, since there are a plurality of transmitting elements 112a, a spatial impulse response at the first receiving element for a first spatial point is the sum of echo signals for individual ultrasonic signals transmitted from the plurality of transmitting elements 112a. It may mean a normalized signal. In addition, since each transmission element 112a is spatially disposed at a different location, the propagation path of the ultrasonic signal is different, and a time difference due to a path difference may exist. Accordingly, the spatial impulse response may be obtained by adding a delay according to a path difference to the echo signals of the individual ultrasound signals transmitted from the plurality of transmitting elements 112a, summing them, and normalizing them.

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 specific receiving element 112b is composed of spatial impulse responses for each spatial point in the ROI of the corresponding receiving element 112b, the echo signal received by the corresponding receiving element 112b can be expressed as a linear combination of spatial impulse responses for each spatial point. And, the weight of this linear combination may mean a weight or intensity for each spatial point in the region of interest.

Figure 112021021197827-pat00007
Figure 112021021197827-pat00007

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.Equation 4 above is a relationship between the ith echo signal p i received at the ith receiving element, the ith transmission matrix G i corresponding to the ith receiving element, and the ith image f i measured at the ith receiving element. indicates i is an index of the receiving element 112b, and is a natural number less than or equal to N R , the total number of receiving elements 112b. When the number of samples for the ultrasound signal and the echo signal is M and the number of spatial points or point scatterers in the region of interest is N S , the ith echo signal pi has a size of M is a 1-dimensional vector, the ith transfer matrix Gi is a 2-dimensional matrix of size MХN S , and the ith image f i is a 1-dimensional vector of size N S .

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 elements 112b is N R , the total number of N R images can be expressed as in [Equation 5].

Figure 112021021197827-pat00008
Figure 112021021197827-pat00008

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 processor 150 may generate a final ultrasound image by converting an average of ultrasound images corresponding to each receiving element 112b into a 2D image. However, a detailed method of generating an image using [Equation 4] and [Equation 5] described above will be described later.

프로세서(150)는 메모리(130)에 생성한 초음파 이미지를 영구적으로 또는 임시로 저장할 수 있다.The processor 150 may permanently or temporarily store the generated ultrasound image in the memory 130 .

그리고, 프로세서(150)는 디스플레이(120)를 통해 생성한 초음파 이미지를 출력한다(S409).Then, the processor 150 outputs the generated ultrasound image through the display 120 (S409).

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 processor 150 may output the generated ultrasound image in real time. Here, outputting an image in real time may mean generating an image corresponding to the ultrasonic signal after transmitting the ultrasonic signal, and outputting the converted image without a separate waiting time. Therefore, since it takes time for the ultrasonic signal to propagate in the process of transmitting the ultrasonic signal through the probe 110 and receiving the corresponding echo signal, a corresponding delay may occur. In addition, if time is required for image conversion, a corresponding amount of delay may occur.

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 probe 110 includes a plurality of transducers 112, and each transducer 112 generates random sequence ultrasound signals (generated based on random sequence electrical signals 511_1 and 511_2). 512_1 and 512_2) are transmitted. The transmitted ultrasound signals 512_1 and 512_2 cause constructive and destructive interference within the region of interest.

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 transducer 112 receives an echo signal 541 corresponding to the transmitted ultrasonic signals 512_1 and 512_2. Each transducer 112 may individually receive echo signals, and FIG. 5 shows only the echo signal 541 received by one receiving transducer 521 for convenience of explanation. The echo signal 541 corresponding to the receiving transducer 521 may be sampled and expressed as a vector p.

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 ultrasound image 551 may be generated from the echo signal 541 corresponding to the receiving transducer 521 by using the transmission matrix G 532 corresponding to the receiving transducer 521 . Each column of the transmission matrix G 532 corresponding to the receiving transducer 521 is composed of spatial impulse responses 531_1 and 531_N S corresponding to each spatial point or point scatterer in the region of interest. The first spatial impulse response 531_1 denotes an impulse response to a first point in the region of interest and the receiving transducer 521, and the N th spatial impulse response 531_NS 531_N S denotes a first point in the region of interest and an impulse response to the receiving transducer 521 . It means the impulse response to the transducer 521.

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 echo signal 541 can be expressed as a linear combination of the spatial point impulse responses 531_1 and 531_NS , and such a linear relationship can be expressed as [Equation 4] and [Equation 5] above. . By solving this linear relationship, an ultrasound image 551 can be obtained.

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 processor 150 individually generates ultrasound images for each receiving element 112b (S601).

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 element 112b used to generate an ultrasound image may be all of the transducer elements 112 included in the transducer array 111, or may be some of the transducer elements 112 included in the transducer array 111. may be The receiving element 112b used to generate the ultrasound image may be determined by a user's setting or may be variously determined according to a predetermined setting value.

프로세서(150)는 하기 [수학식 6]의 최적화 문제를 풀이하여 제i 수신 엘리먼트에 대응하는 제i 초음파 이미지 fi를 생성한다. The processor 150 generates the ith ultrasound image f i corresponding to the ith receiving element by solving the optimization problem of [Equation 6] below.

Figure 112021021197827-pat00009
Figure 112021021197827-pat00009

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 processor 150 generates a final ultrasound image by calculating an average of each ultrasound image (S603).

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 processor 150 generates the ith ultrasound image f i corresponding to the ith receiving element by solving the optimization problem of [Equation 6], the average of the generated ultrasound images is calculated as shown in [Equation 7] below. Thus, the final ultrasound image f compound can be generated.

Figure 112021021197827-pat00010
Figure 112021021197827-pat00010

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 processor 150 assumes that the ultrasound images acquired by each receiving element 112b are the same, and generates a single relational expression between echo signals and transmission matrices (S701).

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 processor 150 individually generates an ultrasound image for each receiving element 112b using a corresponding transmission matrix, and the ultrasound image generated corresponding to each receiving element 112b. The average of them was calculated to generate the final ultrasound image. However, even if different receiving elements 112b are used, since the object or region of interest to be actually measured is the same, it can be assumed that the same ultrasound image is acquired in all the receiving elements 112b. When this assumption is made, [Equation 5] can be expressed as [Equation 8] below.

Figure 112021021197827-pat00011
Figure 112021021197827-pat00011

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.

Figure 112021021197827-pat00012
Figure 112021021197827-pat00012

Figure 112021021197827-pat00013
Figure 112021021197827-pat00013

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 processor 150 generates an ultrasound image through an inverse matrix operation in the generated relational expression (S703).

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 transducers 112b and the corresponding transmission matrices is generated, the processor 150 may generate an ultrasound image f through an inverse matrix operation.

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 processor 150 multiplies the transpose matrix of the rearranged transmission matrix G T to the left side of both sides in [Equation 10] as shown in [Equation 11] below, and the inverse matrix as shown in [Equation 12] below. An ultrasound image f may be calculated through operation.

Figure 112021021197827-pat00014
Figure 112021021197827-pat00014

Figure 112021021197827-pat00015
Figure 112021021197827-pat00015

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 spatial points 801 to be measured in ultrasound imaging are included in the ROI. Also, the transducer element 112 included in the probe 110 may transmit a random sequence ultrasound signal and receive the ultrasound signal reflected or scattered at a specific spatial point 801 again.

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 element 112a, each receiving element 112b, and each spatial point 801 can be expressed as a vector with respect to an arbitrary reference point, and thus the propagation path of the ultrasonic wave transmitted from the probe 110 is a vector. can be expressed as

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 spatial points 801 may be defined as a vector r k . In this case, the propagation path of the ultrasonic wave transmitted from the j th transmitting element to the k th spatial point can be expressed as a vector r k -r j , and the propagation path of the ultrasonic wave scattered from the k th spatial point to the i th receiving element is It can be expressed as a vector r i -r k .

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.

Figure 112021021197827-pat00016
Figure 112021021197827-pat00016

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 different transmission elements 112a are scattered at the kth spatial point, and the propagation path to the ith receiving element is equal to r i -r k , and the kth spatial point is transmitted from the jth transmitting element to the ith receiving element. The propagation path to r k -r j is different. Accordingly, since the ultrasonic signals transmitted from the different transmission elements 112a have different propagation paths, there is a time difference in propagating each other. Accordingly, when determining each column of the transmission matrix, the processor 150 may sum and normalize the time-delayed echo signals by considering the time difference according to the difference in the propagation path of the ultrasonic signal.

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 transducer array 111 of the probe 110 is the reference point (or origin), the coordinates of the first spatial point r k=1 are (0.25mm, 0.55mm) and the second spatial point r k The coordinates of =2 are (-0.25mm, 0.55mm).

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 transducer array 111 includes 128 transducer elements 112.

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 transducer array 111 composed of 128 transducer elements 112, and each transducer element 112 had a width of 0.3 mm, a height of 4.5 mm, and a height of 0.03 mm. They are spaced at intervals of mm. The central frequency is 3 MHz and the sampling frequency is 40 MHz. The region of interest ranged from 35 mm to 55 mm in the axial direction and −10 mm to 10 mm in the lateral direction. A virtual grid with resolution d = 0.25 mm is set in the region of interest, and accordingly, the number of point scatterers is N S = 6561. In addition, the acoustic properties of the phantom were set to be similar to those of the human body, and the speed of sound was set to c 0 =1540 m/s.

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 transducer array 111 of the probe 110 includes 128 transducer elements 112 . That is, ultrasonic signals are transmitted using 128 transmitting elements 112a, and echo signals are received using at least some of the 128 receiving elements 112b.

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 element 112b and based on the received signal. shows the ultrasound image generated by The types and numbers of receiving elements 112b used for each image are shown in Table 1 below.

NameName # of receiving element# of receiving element MSEMSE PSNR [dB]PSNR [dB] SNR [dB]SNR [dB] (a)(a) Original phantom imageOriginal phantom image -- -- -- -- (b)(b) All elements of the arrayAll elements of the array 128128 0.01580.0158 17.9917.99 5.605.60 (c)(c) Every 3rd elementEvery 3rd element 4343 0.01620.0162 17.9017.90 5.515.51 (d)(d) Every 5th elementEvery 5th element 2626 0.01640.0164 17.8617.86 5.475.47 (e)(e) Elements in the inverval [30,98]Elements in the inverval [30,98] 6969 0.01200.0120 19.2119.21 6.816.81 (f)(f) Elements in the inverval [40,88]Elements in the inverval [40,88] 4949 0.01190.0119 19.2319.23 6.846.84 (g)(g) Every 2nd element in the inverval [50,78]Every 2 nd element in the inverval [50,78] 1515 0.01220.0122 19.2019.20 6.806.80 (h)(h) Single elementsingle element 1One 0.02550.0255 15.9315.93 3.543.54

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 elements 112b, and it can be seen that details of the original image are well represented. 16(g) shows an ultrasound image generated using 15 receiving elements 112b located in the center of the transducer array 111, and an ultrasound image generated using all the receiving elements ((b in FIG. 16) )), MSE (Mean Squared Error) is lower, and PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio) and SNR (Signal-to-Noise Ratio) are further improved. This phenomenon can be explained by the acceptance angle of the transducer element 112. The effect of random interference is dependent on the number of random waves, and random interference is stronger in the center of the region of interest. Therefore, in order to provide better performance, an ultrasound image may be generated by selectively using some of the receiving elements 112b located in the center of the transducer array 111 instead of using all of the receiving elements 112b. Also, (h) of FIG. 16 shows an ultrasound image generated using only one receiving element 112, and although noise is included, it can be confirmed that the boundary line of the phantom is well represented. That is, even if only one receiving element 112b is used, an ultrasound image having significant quality can be generated.

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 transducer array 111 composed of 128 piezo-electric transducer elements 112, each transducer element 112 having a width of 0.3 mm and They are 4.5 mm high and are spaced at intervals of 0.03 mm. The central frequency is 3-12 MHz, the sampling frequency is 40 MHz, and the frequency of the transmitted ultrasonic signal is 3 MHz. The region of interest has an axial length of 60 mm and a lateral length of 40 mm. A virtual grid with resolution d = 0.25 mm is set in the region of interest, and accordingly, the number of point scatterers is N S =38801.

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)

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 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.
청구항 1에 있어서,
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.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
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.
청구항 4에 있어서,
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.
청구항 1에 있어서,
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.
청구항 1에 있어서,
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.
청구항 7에 있어서,
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.
청구항 8에 있어서,
상기 프로세서는
최적화 문제
Figure 112021021197827-pat00017

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
Figure 112021021197827-pat00017

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.
청구항 7에 있어서,
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.
청구항 10에 있어서,
상기 프로세서는
상기 단일한 관계식
Figure 112023052024473-pat00038
을 생성하고, 역행렬 연산을 이용한 수학식
Figure 112023052024473-pat00039
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
Figure 112023052024473-pat00038
, and the equation using the inverse matrix operation
Figure 112023052024473-pat00039
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.
청구항 1에 있어서,
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.
무작위 간섭을 이용한 초음파 이미징 방법에 있어서,
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.
무작위 간섭을 이용한 초음파 이미징 방법을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램에 있어서, 상기 방법은
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.
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