KR20040111391A - 초음파 영상 소프트웨어 및 하드웨어 팩 - Google Patents

Abstract

초음파 영상 팩 (16) 은 초음파 영상 처리를 위한 하드웨어 부분과 마이크로컴퓨터에 설치되는 소프트웨어 부분을 구비하며, 상기 하드웨어 부분은 적어도 일부분이 구성가능한 전자회로들의 모듈에 연결되는 하나 이상의 초음파 프로브 (17) 를 구비하고, 상기 모듈은 아날로그 FEC 회로 (31), 아날로그/디지털 변환기의 세트, 전자 게이트 (33, 34) 의 네트워크, 및 이 모듈과 마이크로컴퓨터 사이에 고-속 링크 (35) 를 구비하며, 상기 소프트웨어 부분은 이동형 매체 (26) 상에 저장된다.

Description

초음파 영상 소프트웨어 및 하드웨어 팩 {ULTRASONIC IMAGING SOFTWARE AND HARDWARE PACK}

본 발명은 초음파 영상 소프트웨어 및 하드웨어 팩에 관한 것이다.

1970년대말 이전에 초음파 영상이 도입된 후, 초음파 영상은 비약적으로 발전해왔다. 그러나, 1970년대말 무렵에 전자-스캐닝 프로브 (electronic-scanning probes) 가 사용되어진 이후로, 전자 영상 하드웨어의 일반적인 구조는 거의 변화되지 않은 상태로 있어 왔으며, 이러한 하드웨어 어셈블리를 초음파 영상 장치라 한다.

초음파 영상 장치는 자체 전력공급 블록을 가지고, 자율적인 방식으로 작동하는 완전한 장치이다. 어떤 초음파 검사장치 (echographs) 는 부피가 크고 거대한 이동용 바퀴상에 탑재되며, 다소 부피가 작은 다른 초음파 검사장치는 휴대용이며, 이러한 목적을 위해서 핸들이 제공된다.

일반적으로, 실시간으로 양질의 영상을 생성하기 위해서, 고급 초음파 영상장치는 다 수의 센서들 (바람직하게는, 적어도 64개의 센서들) 을 가지는 프로브와, 이 센서들로부터 신호를 처리하기 위한 다 수의 회로들 (채널들 각각을 위한 증폭회로들, 수신 신호로부터 전송 신호를 분리하기 위한 회로들, 채널 형성 회로들-"빔 형성 회로"라고도 함), 흑백 영상 프로세서들, 도플러 영상 프로세서들, 영상 변환기들-"스캔 변환기들"이라 함, 등)을 포함하기 때문에, 고급 장치들은 부피가 크고/또는 매우 고가였다.

심지어 약 15년전만 하더라도, 상술한 회로들 중, 오직 영상 프로세서만이 디지털방식이었다. 그 이후로, 디지털 집적회로들의 소형화와 회로 기능들의 집약성 증가 덕분에, 디지털 프로세서의 조력을 받아 초음파 검사장치의 다양한 기능들이 실현되어왔다. 초음파 검사장치의 프로브들에 의해 수집된 에코들 (echoes) 이 아날로그 신호들 이라는 것을 고려하면, 이러한 아날로그 신호들은 디지털 프로세서에 의해 처리될 수 있는 디지털 신호들로 변환되어야만 한다. 각 채널들로부터의 에코들은 아날로그/디지털 변환기에 의해 디지털화된다. 이러한 변환기들로부터의 신호들의 처리 체인 (processing chain) 에서 개수와 위치는, 이들 변환기들의 특성뿐만아니라, 특히 이 처리 체인의 디지털 프로세서의 계산능력에 좌우된다.

이러한 에코들은, 저 레벨을 가지는 수신신호로부터 고 레벨을 가지는 전송신호를 분리하기 위한 회로를 포함하는 "전위" (front-end) 회로들 (이른바 'FEC' 즉, "Front End Conditioning") 에서 처리된다 (전달 손실 (propagation losses) 을 보상하기 위해서, 시간에 따라 변하는 증폭 레벨을 가지는 저 노이즈 증폭기들에 의해 증폭된다). 일반적으로, 이들 FEC 회로들 다음에 아날로그/디지털 변환기들이 뒤이어지고, 그 다음에 빔 형성기가 이어진다. 빔 형성기의 입력에서, 데이터 스트림은, 처리될 64 채널 신호들에 대해 20 Gbits/s 정도이다. 이러한 처리는 상기 목적을 위해 설계된 특수 프로세서들으로만 수행될 수 있다. (비안정적이고 제한된 지연을 가지는) 지연 라인들 (delay lines) 로 아날로그-채널을 실현시키는 것 이외에도, 최근의 고급 초음파 검사장치는, 비싸면서 많은 공간을 점유하는 디지털 프로세서를 요구한다. 센서의 채널 수가 감소되면, 초음파 검사장치의 가격과 이들이 점유하는 공간은 감소될 수 있지만, 그렇게 하는 것은 초음파 검사 영상의 질에 유익하지 못하다.

초음파 검사장치의 제조에 대한 또 다른 최근의 업그레이드는, 초음파 검사장치에 고유한 회로들과 소프트웨어를 개인용 컴퓨터들에 합체시킴으로써, 개인용 컴퓨터들 (PCs) 을 사용하는 것을 포함한다. 따라서, 예를 들어, 미국 특허 제 6 325 759 호는 PC 의 마더보더상에 초음파 검사장치의 빔 형성기가 탑재되어 구성될 수 있는 초음파 영상 장치를 개시한다. 그러한 해결책은, 비록 초음파 영상 장치의 가격을 낮추게 하더라도, 업그레이드 되었다고 할 수 없다.

미국 특허 5 957 846 호는 프로브의 하우징 내부로 FEC 회로들과 빔 형성기가 병합되어 설명되지는 않았지만, 링크에 의해서 휴대용 마이크로 컴퓨터와 연결된 콤팩트한 초음파 영상 장치를 개시한다. 이러한 목적을 위해서, 공지 장치는, 종래의 LC 회로들에 의해서 가능한 것보다 훨씬 더 효과적인 방식으로, 아날로그형으로 지연을 발생시키는 특별한 구성요소, 즉 CCD 들을 요구한다. 단지 하나의 아날로그/디지털 변환기만이 필요하다. 이러한 해결책은, 비록 특별히 콤팩트한 장치를 얻는 것이 가능하지만, 특히 처리되는 신호의 동적 범위 (dynamic range) 에 대해, 장치를 형성하는 아날로그 채널의 모든 결점들을 나타내며, 영상들간의 처리도 불가능하게 한다.

또한, 초음파 검사 영상들을, 보다 완전하고 보다 신뢰할 수 있는 분석이 이루어지도록 가능하도록 다른 유형의 영상들과 결합시키는 것이 점점 더 필요하다. 그러면, 임상 시험들과의 통합에 대해서 설명한다. 따라서, 예를 들어, 리소트러티 (lithotrity : 방광결석의 쇄석술) 의 경우에, 파쇄시킬 결석에 대한 초음파 영상에 의해 차팅 (charting) 하는 것이 필요하다. 완전한 초음파 검사장치를 실현할 필요 없다.

또한, 수많은 애플리케이션 (application) 에서는, 검출 (detection) 이전에 이 값들을 다른 정보와 병합할 수 있도록, 진폭과 위상값 형태의 미가공 데이터 (raw data) 를 입수하여야 한다. 이들 미가공 데이터에 접근하기 위해서, 초음파 영상 장치를 해체하고 이들 데이터를 전달하는 회로상에 신호 탭들 (signal taps) 을 설치하는 시도가 이미 있었지만, 장치내의 수 많은 하드웨어와 소프트웨어의 최적화 문제들로 인하여 , 항상 그 결과는 만족스럽지 못했고 , "루프를 개방하는 것 (opening the loop) " 에 의해서 동작이 교란된다. 이러한 문제점을 피하기 위해서, 필요로 하는 미가공 데이터에 접근할 수 있는 비싸고 특별한 측정 장비들이 제작되고 있다.

본 발명의 목적은, 모듈식으로서 업그레이드 가능하고, 최소의 비용으로 이들 시험 질을 손상함이 없이, 초음파 검사가 다른유형의 시험과 보다 용이하게 통합될 수 있는 초음파 영상 "팩"을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 초음파 영상 팩은, 초음파 영상 사전처리를 위한 하드웨어 부분과 마이크로 컴퓨터에 설치되어질 소프트웨어 부분으로 구비되며, 하드웨어 부분은 적어도 일부분이 구성가능한 전자회로들의 모듈에 접속된 1 개 이상의 초음파프로브를 구비하고, 상기 모듈은 아날로그 FEC 회로, 아날로그/디지털 변환기, 논리 전자 게이트의 어레이, 및 이 모듈과 마이크로 컴퓨터 사이의 고효율 링크 (high throughput link) 를 구비하며, 소프트웨어 부분은 이동형 매체 (removable medium) 상에 저장된다.

일 실시형태에서, 상기 전자 게이트의 어레이는 소프트웨어로 구성가능한 채널 형성용의 특수 칩, 분산된 메모리 (disributed memory), 디지털 필터, 디모듈레이터, 및 제어 인터페이스이다.

다른 실시형태에서, 소프트웨어 부분은 하드웨어 부분의 구성가능한 요소들을 구성하고, 초음파 영상 데이터를 계산하고 표시하기 위한 프로그램들을 마이크로 컴퓨터상에 설치한다.

또 다른 실시형태에서, 상기 마이크로 컴퓨터상에 설치된 프로그램들은, 초음파 영상을 그레이 레벨 및/또는 칼러 도플러 영상으로서 생성하기 위한, 및/또는 연속적인 도플러 정보를 생성하기 위한, 및/또는 파라미터들의 처리 및/또는 외부의 데이터와의 병합처리를 제어하기 위한 버튼들을 디스플레이하기 위한 프로그램들을 포함한다.

또 다른 실시형태에서, 상기 아날로그/디지털 변환기는 소프트웨어로 구성가능한 시그마-델타형이다.

또 다른 실시형태에서, 상기 전자 게이트의 어레이는 필드 프로그래머블 게이트 어레이형의 회로를 포함한다.

또 다른 실시형태에서, 상기 고효율 링크는 수 개의 디지털 채널들을 전송한다.

또 다른 실시형태에서, 상기 하드웨어 및 소프트웨어 어셈블리는 의료 기기 어셈블리에 합체된다.

또 다른 실시형태에서, 상기 의료 기기 어셈블리는 수술 또는 마이크로 수술용 장비를 포함한다.

또 다른 실시형태에서, 상기 의료 기기 어셈블리는 상기 초음파 데이터에 보충적인 의료 데이터를 제공하는 장치를 포함한다.

또 다른 실시형태에서, 상기 보충적인 의료 데이터는 다음의 데이터 종류들, 광학 카메라들로부터의 데이터, 진단과 부인과학 (gynecological) 및/또는 심장 모니터링 데이터 중에서 적어도 하나 이상을 포함한다.

본 발명은 비한정적인 예인, 첨부된 도면을 참조한 실시형태들의 상세한 설명을 통해 보다 이해될 수 있으며, 여기서,

도 1은 종래기술의 초음파 시스템의 블록도;

도 2는 본 발명에 따른 실시형태의 간이 블록도; 및

도 3은 도 2의 초음파 시스템의 예시적인 실시형태의 상세 블록도이다.

도 1에 선도로 (diagrammatically) 도시된 종래 기술의 초음파 시스템은, 피검자 신체에 접촉위치되는 음향 안테나인 멀티소자 프로브 (1) 를 포함한다. 이러한 안테나의 유형으로 몇 가지가 있으며, 일반적으로 3 개의 카테고리들, 기계식 안테나, "위상형 어레이" (phased arrays) 라 지칭하는 안테나, 및 "선형 안테나" (linear antennas) 라 지칭하는 선형-스캐닝 안테나로 분류된다. 마지막 2개의 카테고리들을 "전자식" 이라고 한다. 이들 2 개의 카테고리들에 대하여, 다양한 단위 센서들에 의해서 신체의 한 지점으로부터 수신되는 신호들은, 전달 손실과 지연을 보상하기 위한 특정 처리 과정을 겪는다. 이러한 지연들은, 단위 센서들 각각으로부터 발산되는 모든 초음파 방출이 상기 프로브에 의해 조사되는 신체에 동위상으로 (in phase) 도달되고 그 신체에 의해 반사된 모든 신호가 동위상으로 합쳐지게 계산된다.

소위, "위상형 어레이" 안테나의 경우, 안테나를 따라 평면에서 선형적으로 변하는 지연 원리를 파라볼릭 원리 (parabolic law) 와 혼합함으로써, 상기 프로브에 의해서 방출되는 이축 초음파 빔의 수렴을 보장하고 각각의 단위 센서들간 지연에 대응하여 축을 따라 위치하는 지점들로부터 에코들을 수집하는 것이 가능하게 된다. 일 방향으로 시간에 걸쳐 수집된 일련의 에코들을 라인 또는 채널이라 한다. 디스플레이 스크린 (2) 상에 표시되는 초음파 영상은 피검자 신체의 표면을 덮는 라인들의 전체 세트로 이루어진다.

상기 프로브 (1) 이후에 멀티플렉서 (3) 가 이어지고, "전위 조절기" (front end conditioning (FEC)) 라 지칭하는 회로들의 어셈블리 (4) 가 뒤이어진다. 이 어셈블리 (4) 는, 프로브 (1) 에 초음파 관측 신호들을 전송하고, 초음파 신호의 전달 손실을 보상하기 위해서 저 노이즈 증폭기에 의해 시간에 따라 변하는 증폭레벨로 에코들을 증폭하여, 프로브 (1) 에 의해서 감지되는 에코들을 수집하는 것을 담당한다. 또한, 상기 어셈블리는 저 레벨의 수신 신호들 (에코들) 로부터 고 레벨의 전송 신호들을 분리시키는 회로를 구비한다.

FEC (4) 다음에, 기껏해야 아날로그 채널에서 존재하는 수 만큼 (즉, 프로브 (1) 에 있는 단위 센서들의 수 만큼) 의 변환기들을 포함하는 아날로그/디지털 변환기의 어셈블리 (5) 가 뒤이어진다. 어셈블리 (5) 의 다양한 변환기들로부터 방출되는 디지틸 신호들은 "빔 형성기" 또는 "채널 형성기"라 하는 회로 (6) 에 의해 처리되어지며 (여파되고, 지연되며 및 함께 가산되며), 이러한 회로 (6) 는 에코들의 프로세서로 이루어진다. 영상 라인에 대응하는 신호는 시간함수로서 회로 (6) 의 출력측에 수집된다. 조사되는 라인들의 전체 세트상에 방출/수신 동작이 (상기 영상라인에 평행한 프로브를 이동시킴으로써) 반복됨으로써, 전체 초음파 영상이 형성된다.

빔 형성동안에 동시에 함께 가산되는 신호들의 수 (프로브 (1) 의 단위 센서들의 수와 동일하거나 작은) 의 파라미트 n 은 초음파 영상 장치의 매우 중요한 파라미터이다. 관측되는 영상의 질, 및 특히 영상의 콘트라스트 (contrast) 는 상기 파라미터 n 에 직접적으로 관계된다. 특히, 프로브를 붙인 신체의 한 지점으로부터 생기는 에코가 프로브의 단위 센서들 중 어느 하나상에 진폭 A 의 신호를 제공하는 것으로 간주하면, 이 에코만에 대해 채널 형성 회로의 출력측에서 신호의 진폭은 n·A 이다. 이 신호는, 함께 동시에 도달되지 않는 신호들보다 n 배 강할 것이다.

빔 형성기 (6) 다음에 몇 개의 특정 프로세서들, 즉 흑백 영상 프로세서 (7), 혈액 터뷸런스 (blood turbulence) (이른바, " 색 혈류 영상 지도화 (color flow mapping)) 를 검출하기 위한 프로세서 (8) 및 도플러 프로세서 (9) 가 이어진다. 상기 프로세서 (7) 는 그레이 레벨에 기초하여 영상에서 각 지점에서의 세기가 대응 에코의 진폭에 의존하는 종래의 초음파 검사 영상을 형성한다. 상기 프로세서 (7) 는 이러한 진폭을 검출하고, 다수의 에코들간에 간섭에 의한 얼룩 (speckle) 을 피하기 위해서 다양한 처리 동작을 수행하며, 동적 범위가 한정되는 스크린 (2) 상의 디스플레이에 신호가 적합하도록 하는 동적 범위 압축 (dynamic range compression) 을 수행한다.

도플러 영상 프로세서 (8) 는 영상의 각 지점에 대하여, 혈액 (blood) 의 평균 속도에 대응하는, 에코 주파수의 평균값을 계산한다. 도플러 영상은 일반적으로 흑백 영상위에 칼러 코드화된 형태로 중첩된다. 다음으로, 칼러 영상에 대해서 설명한다.

프로세서 (9) 는 도플러 주파수에서 완전한 변화 스펙트럼을 제공하므로써, 혈류 흐름이 격렬한 성질인지 그렇지 않은지에 대한 지표를 제공한다.

이들 3 개의 프로세서 (7 내지 9) 는 섹터를 형성하는 라인들을 따라 도달하여 수집된 신호를 스크린상에 관측가능한 비디오 영상으로 변환하는 영상 변환기 ("스캔 변환기") (10) 에 연결된다.

또한, 공지의 초음파 영상 시스템은, 프로세서들 (6 내지 9) 를 제어하는 명령 및 구동 회로 (14) 에 의해 사용자가 기계의 파라미터들을 선택하고 변경하며 모니터 (2) 를 제어하기 위해 키 패드 (12) 와 명령 버튼들 (13) 이 제공된 제어 패널 (11) 을 포함한다. 또한, 상기 초음파 시스템은 메모리들 (15), 영상 레코더 (비디오 레코더, DVD 레코드 등), 모니터 (2) 의 스크린상에 디스플레이되는영상들에 충실한 영상을 프린트하기 위한 복사장치 등과 같은 다양한 주변장치를 포함한다 (도 1에서 미도시).

도 2에는 본 발명에 따른 하드웨어 및 소프트웨어 팩 (16) 의 주요 소자들이 도시된다. 하드웨어 부분은, 예를 들어 128 채널들을 가지는, 즉 바람직하게는, 도 3을 참조하여 보다 상세하게 설명되는 주문형 회로들의 모듈 (18) 에 케이블 (17A) 를 통하여 연결되는 디멀티플렉서, 예를 들어, (128 입력 채널들을 가지는 본 예에 대하여 64 출력 채널들을 가지는) 128 ∏64 디멀티플렉서가 제공된 전자 프로브 (17) 을 포함한다. 상기 모듈 (18) 은 본질적으로 FEC 회로들 (19), n 개의 아날로그/디지털 변환기의 어셈블리 (20), 빔 형성 장치 (21), 제어장치 (22), 및 고효율 출력 인터페이스 (23) (예를 들어, IEEE 1394 타입) 을 포함한다. 상기 장치 (22) 는 장치 (19, 20, 21, 23) 을 제어한다. 인터페이스 (23) 는 고효율 링크 (24) 에 의해 적절한 마이크로 컴퓨터 (25) 에 연결되며, 마이크로 컴퓨터 (25) 는 예를 들어, 이동가능한 PC (25) 일 수도 있고 하드웨어 부분이 어떠한 변형도 겪지 않는다. 상기 링크 (24) 는 모듈 (18) 로부터 수 개의 디지털 채널들을 PC (25) 로 전송한다. 또한, 어셈블리 (16) 는 예를 들어, CD-ROM (26) 또는 다른 이동형 메모리 매체 (DVD-ROM, 이동형 하드 디스크 등) 에 저장될 수 있는 소프트웨어 부분, 및 프린트되거나 또는 바람직하게는, 이동형 매체 (26) 상에 저장되는 (적당하기로는, 테스트와 유지 관리용 가이드를 가지는) 설치 및 사용 가이드를 포함한다.

소프트웨어 부분은 소프트웨어를 최적의 방법으로 이용할 수 있게 하는 특징들 (충분한 메모리와 고속 프로세서) 을 가진 상기 PC (25) 상에 용이하게 설치될 수 있다. 본 발명의 팩설치는, CD-ROM (26) 이 PC 의 대응하는 판독기 (reader) 로 삽입되어질 때, 구성요소들 사이 (소자 (17, 18) 와 PC (25) 사이) 의 전기적 연결을 세팅하고 상기 소프트웨어를 작동시키는 것으로 이루어진다. 상기 소프트웨어는, 빔 형성기 (21) 에 의해서 형성된 채널들을 수신한 후 여파 (filter) 와 검파 (detect) 하여 비디오 영상으로 변환하고 그것들을 스크린상에 디스플레이하고 도플러 계산을 수행하며 도플러 영상들을 생성하고 기타 필요한 처리를 할 수 있는 PC 의 구성 뿐만 아니라, 사용되는 프로브의 기능으로서, 수행되는 처리 기능으로서, 상기 모듈 (18) 의 다양하게 구성가능한 회로들의 구성을 제어한다.

따라서, 사용자는 시각화될 신체의 선택된 프로브의 접촉에 의한 종래의 초음파 이미징 또는 프로브로부터 생기는 미가공 데이터의 복구, 또는 부분적으로 처리된 데이터의 복구와 같은 자신의 요구에 따라 이용할 초음파 영상 데이터의 모든 양상들에, 이들을 다른 형의 데이터와 병합할 의도로, 액세스한다.

소프트웨어 부분의 애플리케이션 프로그램은 모듈 (18) 의 동작 파라미터들 (이 블록의 다양한 회로를 통과하는 신호들의 파장들, 프로브의 단위 센서들을 활성화시키기 위한 여자 전압, 여파 파라미터 등) 뿐만 아니라, 특히, 데이터 처리의 실질적 구성 및 모듈 (18) 에 의해 형성되는 전위 프로세서의 실질적 구성을 포함한다. (이동형 매체 (26) 상에 기록된) 사용자 프로그램을 변경시킴으로써 , 본 발명의 팩에 의해서 수행되는 데이터 처리의 종류를 신중하게 변경시키는 것이가능하다.

따라서, 본 발명의 팩은 저렴한 개발비용과, 특히 저렴한 제조비용 및 높은 성능을 가진다. 하드웨어 개발은 모듈 (18) 의 회로들을 지지하는 카드에 의해 제한된다. 이 팩은 종래의 프로브에도 플러그되어지지만, 또한 특정 프로브들을 사용할 수 있다. PC (25) 는 일반적으로 시중에서 판매되는 유형, (예를 들면, 700 MHz 프로세서, 128 Mbits 용량의 RAM 메모리, CR-ROM 판독기, 및 10 Gbyte 하드 디스크) 중의 하나이다.

PC 는 이동형 매체 (26) 의 적절한 소프트웨어를 로딩하여 간단히 최적화될 수 있으며, 새로운 처리 알고리즘들이 출현하면 물리적으로 모듈 (18) 을 변경함이 없이 곧바로 그것들을 상기 PC 에 로드할 수 있다.

초음파 검사장치에서 최근의 발전은 특히 초음파 검사장치의 소프트웨어 부분과 관련된다. 예를 들어, 다음을 들 수 있다.

●2D 윤곽 (2D contour) 의 영상들을 형성하고, 프로브를 이동시켜 3D 영상을 구성하는 3D 이미징;

●도플러 세기 영상들;

●(도플러 속도가 '0' 인 위치의) 프로브 센서들 라인에 평행한 혈액 속도들의 영상;

●외부로부터 가해지는 변형 (deformation) 하에서 다양한 영상들 사이의 변형 또는 상관 관계 이미징 및 피검 조직들의 변형 계산;

●상술한 영상 절차들의 알고리즘들을 이용한 신축성 이미징.

이러한 모든 개선된 특징들은, 단순히 소프트웨어를 업데이트시킴으로써, 본 발명에 따른 장착된 제품 풀 (installed pool of products) 에 구현될 수 있다.

이러한 구성에 의해, 본 발명의 팩은 매우 다양한 구성과 애플리케이션들에 이용될 수 있으므로, 실제로 그것의 하드웨어 부분을 규격화 할 수 있다. 새로운 애플리케이션들을 개발하기 위해서, 보통 새로운 하드웨어가 아닌, 단순히 새로운 소프트웨어를 개발하는 것이 필요 할 것이다. 또한, 안테나 처리하기 위한 (프로브로부터 신호들을 처리하기 위한) 새로운 알고리즘은, 예를 들어, 소프트웨어 업데이트에 의해서 적응성 안테나를 사용할 수 있도록 장착될 수도 있다.

마이크로 컴퓨터의 구성요소들, 특히 하드 디스크의 용량 (100 Gbytes 이상의 하드디스크가 현재 상용화됨) 이 빠르게 업그레이드되고 있다는 점을 고려하면, 단지 수 개의 영상이 아닌 매우 긴 전체 검사를 용이하게 저장할 수 있다. 또한, PC 에 전송되는 정보가 신호의 진폭과 위상 형태이기 때문에, 위상신호는 수 년 후, 검사시에 발명되어 있지 않은 알고리즘의 도움으로 저장되고 처리될 수 있다.

상이한 센서들에 의해서 제공되는 정보는 다 수의 의료 애플리케이션에서 이용되고 있다. 예를 들어, 컴퓨터-보조 수술 또는 마이크로 수술의 경우가 그렇다. 광학 카메라들은, 다른 광학 카메라들에 의해 제공되는, 실질 영상과 비교되는 합성 영상을 만들어내는데 사용되어, 취급할 장기 부분이 더욱 선명하게 차트화될 수 있다. 광학 카메라가 이러한 장기의 외관만이 보여지도록 하는 반면에, 음향 "카메라" (초음파 프로브) 는 장기를 개방시키지 않고서도 그 내부를 볼수 있게 하여 주며, 외과용 메스 (scalpel) 의 자국 최적화가 불필요하게 되므로, 수술 외상 (operative trauma) 을 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 팩은 수술용 또는 마이크로 수술용 장비로 이루어지는 의료 기기 어셈블리 (medical instrumentation assembly) 와 바람직하게 통합된다. 이러한 의료 기기 어셈블리는 초음파 데이터에 보충적 의료 데이터 (medical data) 를 제공하는 장치를 포함한다. 이러한 보충적 의료 데이터는, 예를 들어, 광학 카메라로부터의 데이터 및/또는 진단과 부인과학 및/또는 심장을 모티터링하는 데이터이다.

도 3에 상기 팩 (16) 의 예시적 실시형태가 도시된다. 이러한 팩은 필수적으로 3 개 부분 즉, 프로브 (17), 모듈 (18), PC에 설치되는 소프트웨어 부분 (26A) 를 포함한다.

프로브 (17) 는 압전 센서들의 어셈블리 (27), 멀티플렉서 (28) 및 프로브의 특징 파라미터들과 프로브의 실체 (identity) 를 저장하는 메모리 (29) 를 포함한다.

프로브 (17) 는 커넥터 (30) 를 포함하는 케이블에 의해서, 5 개의 주요 서브 어셈블리들, 즉 FEC 회로들 (31), 아날로그/디지털 변환기 (32), 빔 형성 회로들(33), 분산-메모리, 제어, 복조 및 인터페이스 회로들 (34), 및 PC 에 접속하기 위한 인터페이스 (35) 를 포함하는 모듈 (18) 에 연결된다. 회로들 (31 내지 35) 는 각각 도 2의 소자들 (19 내지 23) 에 대응한다. 모듈 (18) 은, 회로 (31) 에 전력을 공급하는 고 전압 전력 공급원 (36), 서브 어셈블리 (31) 의 증폭기들을 제어하는 디지털/아날로그 변환기들 (37), 모듈 (33) 과 동일한 추가 빔 형성 모듈들 (38) 을 더 포함하고, 이것들은 변환기들의 어셈블리 (32), 버퍼 메모리 (39), 및 상기 어셈블리 (34) 에 연결되는 마이크로콘트롤러 (40) 의 출력측에 연결된다.

FEC 서브 어셈블리 (31) 는, 전력공급원 (36) 에 의해서 전력을 제공받고 커넥터 (30) 에 의해서 일측이 프로브 (17) 에 연결되고 타측이 디플렉서 (42; diplexer) 에 의해서 증폭회로들 (43) 에 연결되는 초음파 펄스 발생기 (41) 를 포함한다. 이들 증폭회로들은 변환기들 (37) 을 거쳐 PC (도시되지 않은 링크를 통하여) 의 프로그램에 의해서 제어된다.

빔 형성기 (33) 는 일측상에 펄스 발생기 (41) 를 제어하기 위한 회로 (44) 를 구비하고, 타측상에는 변환기 (32) 의 출력에 연결되고 오프셋 보상기 (45; offset compensator), 조 지연 회로 (46; coarse delay circuit), 멀티플 스캔 라인들을 처리하는 회로 (47), 에포다이제이션 및 증폭 회로 (48; apodization and amplication circuit), 각각, 영 위상 가산 (zero phase addition) (위상 시프트 없음) 과 180。 위상 시프트를 위한 2 개의 병렬 회로 (49, 50), 및 케스케이드 가산회로 (51) 로 연속적으로 구성되는 신호 디지털 처리 체인 (signal digital processing chain) 을 포함한다. 회로 (51) 는 회로 (38) 의 출력측에 타측이 연결된다.

어셈블리 (34) 는, 진행되는 신호 처리순서로, 회로 (51) 의 출력에 연결되는 보간 및 가산 회로 (52; interpolation and addition circuit), 가변-특성 데시메이션 필터 (53; variable-characteristics and decimation filter), 출력측이 일시 및 동시에 3 개의 회로들, 즉 힐버트 트랜스폼 및 데시메이션 필터 (55; Hilbert transform and decimation filter), 지연 및 데시메이션 회로 (56; delay and decimation circuit), 그리고 데시메이션 로-패스 필터 (58; decimation low-pass filter) 와 데시메이터 누산기 (59; decimator accumulator) 가 뒤이어지는 혼합기 (57; mixer) 에 연결되는 하이-패스 필터 (54; high-pass filter) 를 포함한다. 회로들 (55, 56, 59) 의 출력들은 인터페이스 및 제어 회로 (60) 에 연결된다. 회로 (60) 는, 메모리 (39), 마이크로콘트롤러 (40), 고효율 인터페이스 (35), 전력 공급원 (36) 을 제어하고 모니터링하는 회로 (61) 에 쌍방향으로 연결된다. 이 기능들은 모듈들 (17, 18) 의 서브 어셈블리들의 다양한 블록들에 의해 담당되며, 그 자체가 공지되어 있으므로 본 명세서에서는 상세하게 설명하지 않는다.

또한, 도 3에 기능 블록 형태로 도시된 것은 PC (25) 상에 설치되고 동작중인 본 발명 팩의 소프트웨어 부분 (26A) 이다. 소프트웨어 부분은 하드웨어 부분의 구성가능한 소자들을 구성하며, 마이크로 컴퓨터 (25) 상에 초음파 영상 데이터를 계산하여 표시하는 프로그램들을 설치한다. 입력측에서, 이 소프웨어 부분 (26A) 은 모드 B, 모드 M 에서 도플러 칼러와 펄스화된 도플러의 처리를 위한 기능부 (62) 와 모듈 (18) 의 구성가능한 회로들을 구성하기 위한 기능부 (63) 를 포함한다. 이들 2 개의 기능부 (62, 63) 는 인터페이스 (35) 를 거쳐 모듈 (18) 과 통신한다. 기능부 (62) 는 모듈 (18) 과 쌍방향으로 데이터를 교환하며, 기능부 (63) 은 모듈 (18) 에 구성 명령들과 대응 데이터를 신속하게 전달한다.

기능부 (62) 는 디스플레이 및 사용자 인터페이스 기능부 (64) 를 제어한다. 기능부 (64) 는 기능부 (62) 에 의해서 처리되는 영상의 디스플레이를 PC 의 스크린상에 생성하고, 또한, 모듈 (18) 로부터 출력되는 미가공된 또는 처리된 데이터를 측정 기능부 (65) 에 전달하고, 주변 하드웨어 (67) 를 제어 및, 예를 들어, 인터넷 형의 인터페이스가 될 수도 있는 인터페이스 (68) 에 의해서 전송되는 데이터를 교환하기 위한 기능부 (66) 에 전달한다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 서브 어셈블리 (33, 34) 는 논리 게이트들로 이루어지는 프로그램가능한 FPGA (필드 프로그래머블 게이트 어레이 (Field Programmable Gate Array)) 회로들, 예를 들어 Xilinx 사의 회로들로 구성된다. 서브 어셈블리 (33, 34) 를 위해서, 모듈 (18) 은 5 개의 게이트들을 포함하는데, 이것들은 n=64 센서들의 4 채널, 또는 128 센서들의 2 채널, 또는 128 센서들의 1 채널을 처리하도록 구성된다. 현재의 기술들에 따라 구현된, 회로 어셈블리 (31 내지 34) 는 FEC (31) 가 통합되지 않을 경우 20 ×30 ㎝ 의 공간을 점유한다. 만약 이들 FEC 들을 구현하기 위해서 특정 아날로그 집적회로들이 이용되어진다면, 소자 (31 내지 34) 에 의해 점유되는 공간은 3 분의 1 이 될 수 있다.

변형 실시형태들에 따르면, 64 또는 128 센서들을 가지는 "위상형 어레이" 유형의 프로브들, 또는 128, 192, 또는 256 센서들을 가지는 선형 또는 곡선 프로브들을 사용하는 것을 가능하게 하는 입력 멀티플렉서들은, 상기 FEC (31) 의 바로전단에 더해진다.

유용한 실시형태에 따르면, 아날로그/디지털 변환기들 (32) 은 완전하지 않다: 사용은 초-급속 변환기들로 이루어지지만 낮은 "깊이" (depth) 로 이루어진다 (즉, 최소 하나의 데이터는 1 입력 비트와 1 부호 비트로 정의됨). 일예로, 초음파 신호들의 최대 주파수는 약 15 MHz 이다. 나이퀴스트 표준 (Nyquist criterion) 호환제품은 클럭주파수가 33 MHz 인 변환기들 (32) 을 권장한다. 상기 센서들로부터 정보의 최소 깊이는 10 비트와 1 부호 비트이고, 설명한 본 실시형태는 수 백 MHz 의 클럭 주파수들에서 동작되는 초-고속 변환기를 사용한다. "시그마-델타" (sigma-delta) 라 지칭되는 계산 알고리즘은 손실된 깊이 비트들 (missing depth bits) 을 계산하기 위해서 오버 샘플링 (over sampling) 을 이용한다. 이 알고리즘은 소프트웨어의 형태, 즉 PC 로부터 발생된 명령들을 통해 인터페이스 (35) 를 통과하여 모듈 (18) 의 FPGA 게이트 어레이에 저장될 수 있다. 따라서, 본 발명의 팩 구성은 아날로그/디지털 변환기까지 연장된다.

다른 실시형태에 따르면, 변환기 (32) 는 약 300 MHz 의 클럭 주파수, 그러나 깊이에서는 약간의 데이터 (예를 들어, 8비트들) 를 가지는 회로들의 조력으로 구현된다. 계산에 의해서, 이들 8-비트 변환기들은 약 33 MHz 의 클럭 주파수를 가지는 11-비트 변환기들로 변형된다.

저-깊이 변환기들을 가지는 이들 실시형태에서, 서브 어셈블리 (33) 의 입력에 연결되어야만 하는 변환기의 출력 수에 있어서 큰 감소에 그 이점이 있고, 모듈 (18) 에 의해서 점유되는 공간을 매우 실질적으로 감소시킬 수 있다.

또 다른 실시형태에 따르면, 프로브는 수 개 행방향 센서들을 포함한다. 1.5 D 형이라 한다. 물론, 그러한 프로브에 플러그될 수도 있지만, 모듈 (18) 은 적절한 특정 커넥터를 구비해야만 한다. 향상된 채널 형성의 영상들은 모듈 (18) 에 대응하는 운영 소프트웨어를 로딩함으로써 획득될 수 있다.

또 다른 실시형태에 따르면, 2-차원 프로브 즉, 2D 초음파 센서 어레이를 포함하는 프로브가 사용된다. 물론 이 경우, 상기 FEC 들에 의해 점유되는 공간이 증가되며, 이것은 프로브의 단위 센서들의 총 수에 의존한다. 그러나, 한편으로, 빔 형성 기능은 단지 약간의 보충회로들을 포함한다.

Claims (12)

1. 초음파 영상 사전처리를 위한 하드웨어 부분 및 마이크로컴퓨터에 설치되는 소프트웨어 부분을 구비하고, 상기 하드웨어 부분은 적어도 일부분이 구성가능한 전자회로들의 모듈에 접속되는 (17A) 하나 이상의 초음파 프로브 (17) 를 구비하며, 상기 모듈은 아날로그 FEC 회로 (31), 아날로그/디지털 변환기의 어셈블리, 논리 전자 게이트 (33, 34) 의 어레이, 및 이 모듈과 마이크로 컴퓨터 사이에 고효율 링크 (35) 를 구비하고, 상기 소프트웨어 부분은 이동형 매체 (26) 상에 저장되는, 초음파 영상 소프트웨어 및 하드웨어 팩.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전자 게이트의 어레이는 소프트웨어로 구성가능한 채널 형성 (33) 용 특수 칩, 분산된 메모리, 디지털 필터, 디모듈레이터 및 제어 인터페이스 (34) 인 것을 특징으로 하는, 초음파 영상 소프트웨어 및 하드웨어 팩.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   소프트웨어 부분은 하드웨어 부분의 구성가능한 요소들 (32, 33, 34) 을 구성하고, 상기 초음파 영상 데이터를 계산하고 표시하기 위한 프로그램을 상기 마이크로 컴퓨터상에 설치하는 것을 특징으로 하는, 초음파 영상 소프트웨어 및 하드웨어 팩.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 마이크로 컴퓨터상에 설치되는 프로그램들은, 초음파 영상을 그레이 레벨 및/또는 칼러 도플러 영상으로서 생성하기 위한, 및/또는 연속 도플러 정보를 생성하기 위한, 및/또는 파라미터들 (13) 의 처리 및/또는 외부의 데이터와의 병합처리를 제어하기 위한 버튼들을 디스플레이하기 위한 프로그램들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 영상 소프트웨어 및 하드웨어 팩.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 아날로그/디지털 변환기는 소프트웨어로 구성가능한 시그마-델타형인 것을 특징으로 하는, 초음파 영상 소프트웨어 및 하드웨어 팩.
6. 제 2 항 내지 제 5 항에 있어서,

   상기 전자 게이트들의 어레이는 필드 프로그래머블 게이트 어레이 (FPGA) 형의 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 영상 소프트웨어 및 하드웨어 팩.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 고효율 링크는 수 개의 디지털 채널들을 전송하는 것을 특징으로 하는, 초음파 영상 소프트웨어 및 하드웨어 팩.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 고효율 링크는 IEEE 1394 형인 것을 특징으로 하는, 초음파 영상 소프트웨어 및 하드웨어 팩.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 팩은 의료 기기 어셈블리에 통합되는 것을 특징으로 하는, 초음파 영상 소프트웨어 및 하드웨어 팩.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 기기 어셈블리는 수술용 또는 마이크로 수술용 장비를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 영상 소프트웨어 및 하드웨어 팩.
11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,

    상기 의료 기기 어셈블리는 초음파 데이터에 보충적인 의료 데이터를 제공하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 영상 소프트웨어 및 하드웨어 팩.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 보충적 의료 데이터는 다음 데이터의 종류들, 즉 광학 카메라들로부터의 데이터, 진단과 부인과학 및/또는 심장 모니터링 데이터 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 영상 소프트웨어 및 하드웨어 팩.