KR102651449B1 - 임의의 매질 내에서의 초음파 속도를 결정하는 방법 - Google Patents

임의의 매질 내에서의 초음파 속도를 결정하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 임의의 매질 내부의 대상체에서 발생하는 초음파의 파면 이미지에 기초하여 해당 매질 내에서의 초음파 속도를 결정하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 속도 결정 방법은 임의의 매질 내 대상체에 레이저 펄스를 조사하는 단계, 상기 대상체에서 발생하는 초음파의 파면 이미지를 생성하는 단계, 상기 파면 이미지에 기초하여 상기 대상체의 깊이를 산출하는 단계 및 상기 대상체의 깊이가 시간에 따라 일정하도록 상기 초음파의 속도를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

임의의 매질 내에서의 초음파 속도를 결정하는 방법{METHOD FOR DETERMINING VELOCITY OF ULTRASONIC WAVE IN ANY MEDIUM}
본 발명은 임의의 매질 내부의 대상체에서 발생하는 초음파의 파면 이미지에 기초하여 해당 매질 내에서의 초음파 속도를 결정하는 방법에 관한 것이다.
광음향 영상화(Photoacoustic Imaging; PAI) 기법은, 특정 매질 내 관찰하고자 하는 대상체에 레이저 펄스를 조사하였을 때 대상체에서 발생하는 초음파를 이용하여 대상체의 형태학적 및 기능적 특성을 분석하는 기법이다.
이와 관련하여, 대상체의 구조를 영상화 하기 위해 다양한 복원(reconstruction) 알고리즘이 이용되고 있으나, 대부분의 복원 알고리즘은 매질 내에서 이미 알려진 초음파 속도를 이용하여 구조 복원을 수행한다.
다만, 초음파의 속도는 동일한 매질 내에서도 온도, 밀도, 압력 등의 다양한 요인에 따라 변화되기 때문에, 종래 복원 알고리즘을 통해 복원된 대상체의 구조는 실제 구조 대비 상당히 왜곡되는 문제점이 있다.
본 발명은 대상체가 어떠한 매질에 내포되더라도 대상체에서 발생하는 초음파의 속도를 정확하게 결정하고, 이를 대상체의 구조 복원에 이용하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 속도 결정 방법은 임의의 매질 내 대상체에 레이저 펄스를 조사하는 단계, 상기 대상체에서 발생하는 초음파의 파면 이미지를 생성하는 단계, 상기 파면 이미지에 기초하여 상기 대상체의 깊이를 산출하는 단계 및 상기 대상체의 깊이가 시간에 따라 일정하도록 상기 초음파의 속도를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 파면 이미지를 생성하는 단계는 상기 매질의 경계면에 도달한 상기 초음파의 상기 파면 이미지를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 대상체의 깊이를 산출하는 단계는 상기 파면 이미지에 포함된 대칭 파형의 너비를 식별하는 단계와, 상기 대칭 파형의 너비 및 상기 초음파의 전파 시간에 기초하여 상기 대상체의 깊이를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 초음파의 전파 시간은 상기 레이저 펄스의 조사 시점으로부터 상기 파면 이미지의 생성 시점까지의 시간인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 대상체의 깊이는 상기 초음파의 속도를 독립변수로 하는 종속변수인 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 대상체의 깊이를 산출하는 단계는 하기 [수학식]에 따라 상기 대상체의 깊이(z)를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
[수학식]
(v는 상기 초음파의 속도, ti는 상기 초음파의 전파 시간, wi는 상기 초음파의 전파 시간이 ti일 때 상기 파면 이미지에 포함된 대칭 파형의 너비)
일 실시예에서, 상기 대상체의 깊이를 산출하는 단계는 상기 파면 이미지에 포함된 대칭 파형의 대칭축을 설정하는 단계와, 상기 대칭축으로부터 상기 대칭 파형까지의 거리를 검출하는 단계와, 상기 검출된 거리 및 상기 초음파의 전파 시간에 기초하여 상기 대상체의 깊이를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 대칭축으로부터 상기 대칭 파형까지의 거리를 검출하는 단계는 상기 대칭축이 상기 파면 이미지의 수평축 또는 수직축이 되도록 상기 파면 이미지를 회전시키는 단계와, 상기 수평 축 또는 수직 축으로부터 상기 대칭 파형까지의 거리를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 파면 이미지를 생성하는 단계는 기준 시간 간격에 따라 상기 파면 이미지를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 초음파의 속도를 결정하는 단계는 상기 기준 시간 간격에 따라 기준 횟수로 산출된 상기 대상체의 깊이가 일정하도록 상기 초음파의 속도를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 초음파의 속도를 결정하는 단계는 시간에 따라 산출된 대상체의 깊이값에 근사하는 선형 함수를 생성하는 단계와, 상기 선형 함수의 기울기가 0이 되는 상기 초음파의 속도를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 결정된 초음파의 속도에 기초하여 상기 대상체의 구조를 복원하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 대상체가 어떠한 매질에 내포되더라도 대상체에서 발생하는 초음파의 속도를 정확하게 결정함으로써, 광음향 영상화(PAI)분야에서 초음파 속도에 기반한 구조 복원의 정확도를 현저하게 향상시킬 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 속도 결정 방법을 도시한 순서도.
도 2는 레이저 조사에 따른 광음향 효과를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 속도 결정을 위한 구성요소들을 도시한 도면.
도 4는 대상체의 구조를 예시적으로 표현한 팬텀(phantom) 구조를 도시한 도면.
도 5는 초음파의 속도 측정에 이용되는 제1 대상체와 3차원 구조 복원에 이용되는 제2 대상체를 분리하여 나타낸 도면.
도 6은 매질의 경계면에서 발생하는 파면 이미지를 도시한 도면.
도 7은 도 6에 도시된 파면 이미지가 시간에 따라 퍼지는 모습을 도시한 도면.
도 8 및 도 9는 파면 이미지에 기초하여 대상체의 깊이를 산출하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 파형의 너비를 식별하는 과정을 순차 도시한 도면.
도 11은 시간에 따라 산출된 대상체의 깊이값에 근사하는 선형 함수를 도시한 그래프.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 결정된 초음파 속도에 기초하여 복원된 대상체의 3차원 구조를 도시한 도면.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
본 명세서에서 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
또한, 본 명세서에서 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B 를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다
본 발명은 임의의 매질 내부의 대상체에서 발생하는 초음파의 파면 이미지에 기초하여 해당 매질 내에서의 초음파 속도를 결정하는 방법에 관한 것이다. 이하, 도 1 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 일 실시에에 따른 초음파 속도 결정 방법을 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 속도 결정 방법을 도시한 순서도이다. 한편, 도 2는 레이저 조사에 따른 광음향 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 속도 결정을 위한 구성요소들을 도시한 도면이다.
도 4는 대상체의 구조를 예시적으로 표현한 팬텀(phantom) 구조를 도시한 도면이고, 도 5는 초음파의 속도 측정에 이용되는 제1 대상체와 3차원 구조 복원에 이용되는 제2 대상체를 분리하여 나타낸 도면이다.
도 6은 매질의 경계면에서 발생하는 파면 이미지를 도시한 도면이고, 도 7은 도 6에 도시된 파면 이미지가 시간에 따라 퍼지는 모습을 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9는 파면 이미지에 기초하여 대상체의 깊이를 산출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 파형의 너비를 식별하는 과정을 순차 도시한 도면이고, 도 11은 시간에 따라 산출된 대상체의 깊이값에 근사하는 선형 함수를 도시한 그래프이다.
한편, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따라 결정된 초음파 속도에 기초하여 복원된 대상체의 3차원 구조를 도시한 도면.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 속도 결정 방법은 임의의 매질 내 대상체에 레이저 펄스를 조사하는 단계(S10), 대상체에서 발생하는 초음파의 파면 이미지를 생성하는 단계(S20), 파면 이미지에 기초하여 대상체의 깊이를 산출하는 단계(S30), 대상체의 깊이가 일정하도록 초음파의 속도를 결정하는 단계(S40) 및 초음파의 속도에 기초하여 대상체의 구조를 복원하는 단계(S50)를 포함할 수 있다.
다만, 도 1에 도시된 초음파 속도 결정 방법은 일 실시예에 따른 것이고, 발명을 이루는 각 단계들이 도 1에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 단계들이 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.
본 발명의 초음파 속도 결정 방법은 광음향 영상화(Photoacoustic Imaging; PAI) 기법에 이용될 수 있다. 광음향 영상화(PAI) 기법은 특정 매질 내 관찰하고자 하는 대상체에 레이저 펄스를 조사하였을 때, 대상체에게 발생하는 초음파를 이용하여 대상체의 형태학적 및 기능적 특성을 분석하는 기법이다.
도 2를 참조하면, 임의의 매질(20) 내의 대상체(10)에 짧은 펄스 폭을 갖는 레이저 펄스를 조사하면, 광음향 효과(photoacoustic effect)에 의해 레이저를 흡수한 대상체(10) 내에서 레이저 에너지는 열 에너지로 변환되고, 이 때 발생하는 열팽창으로 인해 대상체(10)에서는 초음파가 생성된다.
광음향 영상화 기법(PAI)에서는 대상체(10)에서 생성된 초음파를 센싱하고 이에 기초하여 대상체(10)의 구조를 복원하는데, 기존에는 구조 복원에 핵심 파라미터가 되는 초음파의 속도에, 대상체(10)를 내포하는 매질(20)내에서 이미 알려진 초음파의 속도를 그대로 적용하였다.
그러나, 초음파의 속도는 동일한 매질(20) 내에서도 온도, 밀도, 압력 등의 다양한 요인에 따라 변화되기 때문에, 기존 광음향 영상화 기법(PAI)에 의해 복원된 대상체(10)의 구조는 실제 구조 대비 상당히 왜곡되는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 대상체(10)가 어떠한 매질(20)에 내포되더라도 대상체(10)에서 발생하는 초음파의 속도를 정확하게 결정하고, 이를 대상체(10)의 구조 복원에 이용하는 것을 목적으로 한다.
도 3을 참조하면, 전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 레이저 소스(110), 광원(120), 이미지 센서(130) 및 영상 복원 모듈(140)을 포함할 수 있다. 레이저 소스(110)는 대상체(10)에 레이저 펄스를 조사함으로써 대상체(10)에 광음향 효과를 발생시킬 수 있고, 광원(120)은 대상체(10)에 펄스 광을 조사함으로써 이미지 센서(130)가 대상체(10)에서 발생하는 초음파를 센싱하도록 할 수 있다.
한편, 이미지 센서(130)는 초음파를 센싱하여 파면 이미지를 생성하고 이에 기초하여 초음파의 속도를 결정할 수 있고, 영상 복원 모듈(140)은 이미지 센서(130)에 의해 결정된 초음파의 속도에 기초하여 대상체(10)의 구조를 복원 및 영상화할 수 있다.
이러한 동작을 위해 이미지 센서(130) 및 영상 복원 모듈(140)은 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 제어기(controller), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 프로세서(processors), 마이크로 프로세서(microprocessors) 중 적어도 하나의 물리적인 요소를 포함할 수 있다.
이하, 도 3에 도시된 각 구성요소들이 도 1에 도시된 단계들을 수행하는 과정을 설명하도록 한다.
레이저 소스(110)는 임의의 매질(20) 내 대상체(10)에 레이저 펄스를 조사할 수 있다(S10).
다시 도 3을 참조하면, 레이저 소스(110)는 짧은 펄스 폭을 갖는 레이저 펄스를 조사할 수 있고, 조사된 레이저 펄스는 특정 파장의 빔을 반사 또는 투과시키는 빔 스플리터(beam splitter), 예컨대 다이크로익 미러(dichroic mirror)를 통해 매질(20) 내 대상체(10)에 조사될 수 있다. 이에 따라, 대상체(10)에서는 광음향 효과로 인한 초음파가 발생할 수 있다.
한편, 이미지 센서(130)는 대상체(10)에서 발생하는 초음파의 파면 이미지(200)를 생성할 수 있고(S20), 이를 위해 광원(120)은 대상체(10)에 광을 조사할 수 있다. 구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이 광원(120)에서 출력된 광은 빔 스플리터에 의해 분기되어 미러와 대상체(10)에 각각 조사될 수 있다. 이 때, 각각의 광 경로 상에는 적어도 하나의 렌즈 및 ND 필터(Neutral Density Filter; NDF) 가 구비될 수 있다.
미러에서 반사된 광과 대상체(10)에서 반사된 광은 결합되어 간섭신호를 형성하고, 이미지 센서(130)는 간섭신호를 센싱하여 초음파의 파면 이미지(200)를 생성할 수 있다. 구체적으로, 레이저 소스(110)가 t0 시점에 대상체(10)에 레이저 펄스를 조사한 뒤 광원(120)이 ts 시점에 대상체(10)에 광을 조사한 경우, 이미지 센서(130)는 ts 시점의 파면 이미지(200), 즉 t0 시점에 발생하여 ts 시점까지 전파된 초음파의 파면 이미지(200)를 생성할 수 있다.
이 때, 파면 이미지(200)는 매질(20)의 경계면에 도달한 초음파의 이미지일 수 있다. 구체적으로, 매질(20) 내 대상체(10)에서 초음파가 발생하면 해당 초음파는 대상체(10)로부터 구면파(spherical wave) 형태로 확산될 수 있고, 확산되는 구면파는 대상체(10)의 깊이에 따라 매질(20)의 경계면에 순차적으로 부딪힐 수 있다. 이 때, 이미지 센서(130)는 매질(20)의 경계면에 도달한 초음파의 파면 이미지(200)를 생성할 수 있다.
이하 도 4 및 도 5에 도시된 대상체(10)를 예로 들어 파면 이미지(200)와 이를 통한 초음파의 속도 결정 방법을 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4를 참조하면, 생체 내 혈관을 모사한 팬텀(phantom) 구조가 도시되어 있다. 여기서 대상체(10)는 200um의 직경을 갖는 PET(polyethylene terephthalate) 섬유일 수 있고, 매질(20)은 PDMS(polydimethylsiloxane)로, 구체적으로 실리콘과 경화제(curing agent)가 10:1 비율로 섞인 물질일 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명에서는 설명의 편의를 위하여 도 4에 도시된 대상체(10)를 초음파의 속도 측정에 이용되는 제1 대상체(10a)와, 3차원 구조 복원에 이용되는 제2 대상체(10b)로 분리하여 설명하도록 한다. 다만, 본 명세서에서 제1 및 제2의 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
도 4 및 도 5를 함께 참조하면, 깊이 방향으로 기울어진 직선 형태의 제1 대상체(10a)에서 발생한 초음파는 매질(20)의 상부 경계면으로 확산될 수 있다. 이 때, 제1 대상체(10a) 중 깊이가 얕은 부분에서 발생한 초음파는 매질(20)의 경계면에 더 일찍 도달할 수 있고, 깊이가 깊은 부분에서 발생한 초음파는 매질(20)의 경계면에 더 늦게 도달할 수 있다.
이에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이 파면 이미지(200)에는 제1 대상체(10a)에서 확산된 초음파가 매질(20)의 경계면에 맞닿은 형상(210)이 표현될 수 있다. 초음파는 구면파 형태로 확산되므로 제1 대상체(10a)의 일 지점에서 확산된 초음파는 경계면의 두 지점에 맞닿을 수 있으며, 이 때, 초음파가 매질(20)의 경계면에 도달하는 시간은 제1 대상체(10a)의 위치별로 차이가 나므로, 두 지점 간의 너비는 제1 대상체(10a)의 깊이가 깊어짐에 따라 좁아질 수 있다.
도 7을 참조하면, 점차 넓게 퍼지는 구면파의 특성으로 인해 전술한 파면 이미지(200)는 시간에 따라 달리 생성될 수 있다. 예컨대, 광원(120)이 ts, ts+1, ts+2 시점에서 순차적으로 광을 조사함에 따라, 이미지 센서(130)가 각 시점(ts, ts+1, ts+2)에서 파면 이미지(200)를 생성한 경우, 파면 이미지(200) 내 초음파 형상(210)의 너비는 더 커지면서 초음파의 세기는 더 약해질 수 있다.
이미지 센서(130)는 파면 이미지(200)에 기초하여 대상체(10)의 깊이를 산출할 수 있다(S30). 앞서 설명한 바와 같이 대상체(10)에서 발생한 초음파는 구면파 형태로 전파되어 매질(20)의 상부 경계면에 도달하며, 파면 이미지(200) 내 초음파의 형상(210)은 대상체(10)의 깊이 및 초음파의 전파 시간에 따라 달라질 수 있다. 이미지 센서(130)는 이러한 특징을 이용하여 대상체(10)의 깊이를 산출할 수 있다.
구체적으로, 이미지 센서(130)는 파면 이미지(200)에 포함된 대칭 파형(210)의 너비를 식별하고, 대칭 파형(210)의 너비 및 초음파의 전파 시간(ti)에 기초하여 대상체(10)의 깊이를 산출할 수 있다.
다시 도 6 및 도 7을 참조하면, 제1 대상체(10a)에서 발생한 구면파 형태의 초음파는 매질(20)의 경계면에서 두 지점에 맞닿을 수 있다. 이에 따라, 파면 이미지(200) 내 초음파의 형상(210)은 대칭성을 가질 수 있고, 이하에서는 파면 이미지(200) 내에서 대칭성을 갖는 초음파의 형상(210)을 대칭 파형(210)으로 정의하도록 한다.
도 8 및 도 9를 함께 참조하면, 제1 대상체(10a)에서 발생한 초음파는 제1 대상체(10a)의 깊이에 따라 매질(20)의 경계면에 순차적으로 부딪히며, 이에 따라 매질(20)의 경계면에는 대칭 파형(210)이 형성될 수 있다. 이 때, 제1 대상체(10a)의 깊이와 대칭 파형(210)의 너비의 절반은 각각 직각 삼각형의 두 변으로 나타낼 수 있고, 초음파의 전파 거리는 직각 삼격형의 빗변으로 나타낼 수 있다.
이미지 센서(130)는 대칭 파형(210)의 너비를 측정하고 이의 절반을 직각 삼각형의 밑변으로 결정할 수 있다. 또한, 이미지 센서(130)는 초음파의 전파 거리, 즉 초음파의 전파 시간(ti)과 초음파 속도의 곱을 직각 삼각형의 빗변으로 결정할 수 있다.
여기서 초음파의 전파 시간(ti)은 레이저 펄스의 조사 시점으로부터 파면 이미지(200)의 생성 시점까지의 시간일 수 있다. 예를 들어, 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이 레이저 소스(110)가 t0 시점에 대상체(10)에 레이저 펄스를 조사한 뒤, 광원(120)이 ts 시점에 대상체(10)에 광을 조사하여 ts 시점의 파면 이미지(200)가 생성된 경우, 초음파가 매질(20)의 경계면까지 전파된 시간(ti)은 ts-t0로 정의될 수 있다.
피타고라스의 정리(Pythagorean Theorem)에 따라 대상체(10)의 깊이는 초음파의 속도를 독립변수로 하는 종속변수로 나타낼 수 있고, 이미지 센서(130)는 피타고라스 정리에 따라 대상체(10)의 깊이를 산출할 수 있다.
구체적으로, 이미지 센서(130)는 하기 [수학식 1]에 따라 대상체(10)의 깊이(z)를 산출할 수 있다.
(v는 초음파의 속도, ti는 초음파의 전파 시간, wi는 초음파의 전파 시간이 ti일 때 대칭 파형(210)의 너비)
여기서 대칭 파형(210)의 너비는 측정값이고, 초음파의 전파 시간은 레이저 펄스 및 광의 조사 시간 간의 차이(알려진 값)인 바, 대상체(10)의 깊이는 초음파의 속도를 단일의 독립변수로 하는 종속변수로 표현될 수 있다.
이하에서는 이미지 센서(130)가 대칭 파형(210)의 너비를 측정하는 방법을 구체적으로 설명하도록 한다.
이미지 센서(130)는 파면 이미지(200)에 포함된 대칭 파형(210)의 대칭축을 설정하고, 대칭축으로부터 대칭 파형(210)까지의 거리를 검출함으로써, 대칭 파형(210)의 너비를 측정할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 대칭 파형(210)을 대칭축을 기준으로 서로 대칭 배치되는 제1 파형(210a) 및 제2 파형(210b)으로 분리 설명하도록 한다.
도 10을 참조하면, 이미지 센서(130)는 대칭 파형(210)을 구성하는 제1 및 제2 파형(210a, 210b)을 각각 식별할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서(130)는 클러스터링(clustering) 기법을 이용하여 제1 및 제2 파형(210a, 210b)을 구성하는 신호를 각각 선별(signal selection)하고, 해당 데이터에 선형 근사(linear fitting)를 적용하여 제1 및 제2 파형(210a, 210b)에 각각 대응하는 직선을 생성할 수 있다.
이어서, 이미지 센서(130)는 두 직선 사이의 중앙선을 대칭축으로 설정(setting symmetry axis)할 수 있다. 구체적으로, 이미지 센서(130)는 두 직선의 사잇각을 등분하는 직선을 중앙선으로 식별할 수 있고, 이를 대칭축으로 설정할 수 있다. 이어서, 이미지 센서(130)는 대칭축으로부터 제1 및 제2 파형(210a, 210b)까지의 거리, 구체적으로는 대칭축의 법선 방향으로 대칭축과 제1 및 제2 파형(210a, 210b) 사이의 거리를 검출할 수 있다.
한편, 대칭축으로부터 대칭 파형(210)까지의 거리를 검출함에 있어서, 이미지 센서(130)는 이미지 회전에 의한 축변환을 수행할 수 있다. 보다 구체적으로, 이미지 센서(130)는 대칭축이 파면 이미지(200)의 수평축 또는 수직축이 되도록 파면 이미지(200)를 회전시킬 수 있고, 수평축 또는 수직축으로부터 대칭 파형(210)까지의 거리를 검출할 수 있다.
다시 도 10을 참조하면, 이미지 센서(130)는 대칭축을 설정한 뒤 대칭축이 수직축(y축)이 되도록 파형 이미지를 시계 방향으로 회전(image rotation)시킬 수 있다. 이어서, 이미지 센서(130)는 수직축(y축)으로부터 제1 및 제2 파형(210a, 210b)까지의 거리, 즉, 수평축 거리(x값)를 검출할 수 있다. 구체적으로, 이미지 센서(130)는 동일한 y값을 갖는 제1 및 제2 파형(210a, 210b) 사이의 x축 거리(w)를 검출할 수 있으며, 예컨대, 라인 프로파일링(line profiling) 기법을 이용하여 제1 및 제2 파형(210a, 210b) 중 측정 대상이 되는 두 피크값 사이의 거리를 검출할 수 있다.
한편, 이미지 센서(130)가 대칭축과 제1 파형(210a) 사이의 거리, 또는 대칭 축과 제2 파형(210b) 사이의 거리를 검출한 경우, 해당 거리들은 전술한 [수학식 1]의 대칭 파형(210)의 너비의 절반(w/2)이므로, 이미지 센서(130)는 검출된 거리와 초음파의 전파 시간에 기초하여 대상체(10)의 깊이를 산출할 수 있다.
대상체(10)의 깊이가 산출되면, 이미지 센서(130)는 대상체(10)의 깊이가 시간에 따라 일정하도록 초음파의 속도를 결정할 수 있다(S40).
도 4 및 도 5에 도시된 제1 대상체(10a)의 깊이는 실제로 일정하므로, 이미지 센서(130)는 초음파의 속도를 독립변수로 하는 대상체(10)의 깊이가 시간에 관계없이 일정하도록 초음파의 속도를 결정할 수 있다.
예컨대, 초음파의 전파 시간이 t1일 때 대상체(10)의 깊이(z1)는 일 수 있고, 초음파의 전파 시간이 t2일 때 대상체(10)의 깊이(z2)는 일 수 있다. 여기서 t1, t2, w1, w2는 모두 알려진 값이거나 측정된 값이므로 이미지 센서(130)는 z1=z2가 되는 v를 결정할 수 있다.
한편, 초음파 속도 결정의 정확도를 향상시키기 위하여, 이미지 센서(130)는 앞선 예시와 같은 두 시점이 아닌, 복수의 시점에서 산출된 대상체(10)의 깊이가 일정하도록 초음파의 속도를 결정할 수 있다.
구체적으로, 이미지 센서(130)는 기준 시간 간격에 따라 파면 이미지(200)를 생성하고, 기준 시간 간격에 따라 기준 횟수로 산출된 대상체(10)의 깊이가 일정하도록 초음파의 속도를 결정할 수 있다.
예를 들어, 이미지 센서(130)는 기준 시간 간격의 각 시점, ts, ts+1, ts+2, ts+3, …, ts+n 에서 파면 이미지(200)를 생성할 수 있고, 각 파면 이미지(200)를 기준으로 대상체(10)의 깊이를 산출할 수 있다. 이어서, 이미지 센서(130)는 각 시점에서 산출된 대상체(10)의 깊이가 일정하도록 초음파의 속도를 결정하되, 연산 속도를 향상시키기 위해 기준 횟수, 예컨대 20회 연달아 산출된 대상체(10)의 깊이가 일정하도록 초음파의 속도를 결정할 수 있다.
한편, 이미지 센서(130)는 초음파의 속도를 결정하기 위하여 선형 근사(linear fitting)를 이용할 수 있다. 구체적으로, 이미지 센서(130)는 시간에 따라 복수개 산출된 대상체(10)의 깊이값에 근사하는 일차 선형 함수를 생성하고, 선형 함수의 기울기가 0이 되는 초음파의 속도를 결정할 수 있다.
도 11을 참조하면, 도 4 및 도 5에 도시된 실험예에서, 제1 대상체(10a)의 깊이값(20회 연달아 산출)에 근사된 일차 선형 함수의 기울기는, 초음파의 속도가 942.47m/s일 때 0이될 수 있다. 이에 따라, 이미지 센서(130)는 앞서 전제한 실험 환경에서 PDMS 내 초음파의 속도를 기 알려진 1076m/s가 아닌 942.47m/s로 결정할 수 있다.
영상 복원 모듈(140)은, 이미지 센서(130)에 의해 결정된 초음파의 속도에 기초하여 대상체(10)의 구조를 복원할 수 있다(S50).
다시 도 5를 참조하면, 복원되는 대상체(10)의 구조는 초음파의 속도 결정에 이용되었던 제1 대상체(10a)뿐만 아니라 제2 대상체(10b)의 구조 역시 함께 복원될 수 있다. 본 발명의 영상 복원 모듈(140)은 광음향 영상화(PAI) 분야에서 초음파의 속도에 기초하여 대상체(10)의 구조를 복원하는 임의의 복원 알고리즘을 이용할 수 있다.
도 12를 참조하면, 영상 복원 모듈(140)이 PDMS 내 초음파의 속도로 기 알려진 1076m/s에 기초하여 제2 대상체(10b)의 구조를 복원한 경우, 복원 영상(400)에서 제2 대상체(10b)의 구조는 도 4 및 도 5에 도시된 실제 구조 대비 상당히 왜곡된 것을 확인할 수 있다. 반면에, 영상 복원 모듈(140)이 본 실험예에서 계산된 초음파의 속도인 942.47m/s에 기초하여 제2 대상체(10b)의 구조를 복원한 경우, 복원 영상(400)에서 제2 대상체(10b)의 구조는 도 4 및 도 5에 도시된 실제 구조와 매우 유사한 것을 확인할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 대상체(10)가 어떠한 매질(20)에 내포되더라도 대상체(10)에서 발생하는 초음파의 속도를 정확하게 결정함으로써, 광음향 영상화(PAI)분야에서 초음파 속도에 기반한 구조 복원의 정확도를 현저하게 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (11)

  1. 임의의 매질 내 대상체에 레이저 펄스를 조사하는 단계;
    상기 대상체에서 발생하는 초음파의 파면 이미지를 생성하는 단계;
    상기 파면 이미지에 기초하여 상기 대상체의 깊이를 산출하는 단계; 및
    상기 대상체의 깊이가 시간에 따라 일정하도록 상기 초음파의 속도를 결정하는 단계를 포함하는
    초음파 속도 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파면 이미지를 생성하는 단계는
    상기 매질의 경계면에 도달한 상기 초음파의 상기 파면 이미지를 생성하는 단계를 포함하는
    초음파 속도 결정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 대상체의 깊이를 산출하는 단계는
    상기 파면 이미지에 포함된 대칭 파형의 너비를 식별하는 단계와,
    상기 대칭 파형의 너비 및 상기 초음파의 전파 시간에 기초하여 상기 대상체의 깊이를 산출하는 단계를 포함하는
    초음파 속도 결정 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 초음파의 전파 시간은 상기 레이저 펄스의 조사 시점으로부터 상기 파면 이미지의 생성 시점까지의 시간인
    초음파 속도 결정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 대상체의 깊이는 상기 초음파의 속도를 독립변수로 하는 종속변수인
    초음파 속도 결정 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 대상체의 깊이를 산출하는 단계는
    하기 [수학식]에 따라 상기 대상체의 깊이(z)를 산출하는 단계를 포함하는
    [수학식]

    (v는 상기 초음파의 속도, ti는 상기 초음파의 전파 시간, wi는 상기 초음파의 전파 시간이 ti일 때 상기 파면 이미지에 포함된 대칭 파형의 너비)
    초음파 속도 결정 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 대상체의 깊이를 산출하는 단계는
    상기 파면 이미지에 포함된 대칭 파형의 대칭축을 설정하는 단계와,
    상기 대칭축으로부터 상기 대칭 파형까지의 거리를 검출하는 단계와,
    상기 검출된 거리 및 상기 초음파의 전파 시간에 기초하여 상기 대상체의 깊이를 산출하는 단계를 포함하는
    초음파 속도 결정 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 대칭축으로부터 상기 대칭 파형까지의 거리를 검출하는 단계는
    상기 대칭축이 상기 파면 이미지의 수평축 또는 수직축이 되도록 상기 파면 이미지를 회전시키는 단계와,
    상기 수평 축 또는 수직 축으로부터 상기 대칭 파형까지의 거리를 검출하는 단계를 포함하는
    초음파 속도 결정 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 파면 이미지를 생성하는 단계는
    기준 시간 간격에 따라 상기 파면 이미지를 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 초음파의 속도를 결정하는 단계는
    상기 기준 시간 간격에 따라 기준 횟수로 산출된 상기 대상체의 깊이가 일정하도록 상기 초음파의 속도를 결정하는 단계를 포함하는
    초음파 속도 결정 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 초음파의 속도를 결정하는 단계는
    시간에 따라 산출된 대상체의 깊이값에 근사하는 선형 함수를 생성하는 단계와,
    상기 선형 함수의 기울기가 0이 되는 상기 초음파의 속도를 결정하는 단계를 포함하는
    초음파 속도 결정 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 결정된 초음파의 속도에 기초하여 상기 대상체의 구조를 복원하는 단계를 더 포함하는
    초음파 속도 결정 방법.
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