KR20150008261A

KR20150008261A - 빔 포머, 빔 포밍 방법, 상기 초음파 영상 장치 및 초음파 영상 장치의 제어 방법

Info

Publication number: KR20150008261A
Application number: KR1020130081652A
Authority: KR
Inventors: 김규홍; 박성찬; 박수현; 강주영; 김정호; 배무호
Original assignee: 삼성전자주식회사; 한림대학교 산학협력단
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2013-07-11
Publication date: 2015-01-22
Also published as: US20150016226A1

Abstract

빔 포밍을 수행하는 빔 포머는, 입력 신호를 적어도 하나의 변환 함수를 이용하여 변환한 변환 신호에 대한 공분산(covariace)을 연산하고, 상기 연산된 공분산을 테플리츠 행렬 형태로 근사화하고, 상기 근사화한 결과를 기초로 상기 변환 신호에 대한 가중치인 변환 신호 가중치를 연산하는 가중치 연산부 및 상기 가중치 연산부에서 연산한 변환 신호 가중치를 이용하여 결과 신호를 생성하는 합성부를 포함한다.

Description

빔 포머, 빔 포밍 방법, 상기 초음파 영상 장치 및 초음파 영상 장치의 제어 방법{Beam former, method for beam forming, ultrasonic imaging apparatus and method for controlling the ultrasonic imaging apparatus}

빔 포머 및 빔 포밍 방법에 관한 것이다.

초음파 영상 장치(Ultrasonic imaging apparatus)는, 초음파(ultrasonic wave)의 성질을 이용하여 피사체, 예를 들어 인체 내부의 각종 조직에 대한 단층 영상을 획득하는 장치이다. 초음파 영상 장치는, 엑스선 등에 의한 피폭의 위험성이 없을 뿐만 아니라 실시간으로 영상을 표시할 수 있고, 또한 다른 영상 장치, 일례로 자기 공명 영상 장치(Magnetic resonance imaging apparatus)에 비해 상대적으로 저렴하고 소형이어서 의료 분야 등 다양한 분야에서 널리 이용되고 있다.

초음파 영상 장치는 피사체 내부의 목표 부위로부터 전달되는 초음파를 수집한 후, 수집된 초음파의 정보를 기초로 초음파 영상을 생성하도록 한다.피사체 내부의 목표 부위에서 전달되는 초음파는 초음파 영상 장치에서 조사한 초음파가 반사된 에코 초음파일 수도 있고, 광음향 영상 장치(photoacoustic imaging apparatus)가 목표 부위에 조사한 레이저에 의해 발생된 초음파일 수도 있다.

초음파 영상 장치는, 수집된 초음파 신호에 대한 복수의 채널 데이터에 대한 빔 포밍(beam-forming)을 수행한 후, 점 확산 함수 등을 이용하여 원 영상을 복원하여 피사체의 내부 구조 파악에 적절한 초음파 영상을 생성하여 사용자에게 표시할 수 있다.

초음파 영상 장치 등 빔 포밍 과정을 처리하는 다양한 빔 포밍 장치에 있어서, 빔 포밍 장치의 빔 포밍에 요구되는 연산량을 감소시킴으로써 빔 포밍 장치의 리소스(resource) 사용량을 절감하고 아울러 연산 속도를 개선시킬 수 있도록 하는 빔포머, 빔 포밍 방법, 빔 포머를 이용하는 초음파 영상 장치 및 초음파 영상 장치의 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제의 해결을 위하여 빔 포머, 상기 빔 포머를 이용하는 초음파 영상 장치, 상기 빔 포머를 이용한 빔 포밍 방법 및 상기 빔 포머를 이용한 초음파 영상 장치의 제어 방법이 제공된다.

입력 신호를 변환하여 획득한 변환 신호에 대한 공분산(covariace) 행렬(matrix)을 연산하고, 상기 연산된 공분산 행렬을 테플리츠 행렬(Teoplitz matrix) 형태로 근사화하고, 상기 근사화한 결과를 기초로 상기 입력 신호에 대한 가중치인 입력 신호 가중치 또는 상기 변환 신호에 대한 가중치인 변환 신호 가중치를 연산하는 가중치 연산부 및 상기 가중치 연산부에서 연산한 상기 입력 신호에 대한 입력 신호 가중치 또는 상기 변환 신호 가중치를 이용하여 결과 신호를 생성하는 합성부를 포함할 수 있다.

여기서 상기 가중치 연산부는, 상기 연산된 공분산 행렬을 테플리츠 행렬 형태로 근사화하여 연산하도록 할 수 있으며, 구체적으로 하기의 수학식 1에 따라 상기 변환된 신호에 대한 연산된 공분산 행렬을 테플리츠 행렬 형태로 근사화한 근사 행렬을 연산할 수 있다.

[수학식 1]

여기서

이고,

는 상기 변환 신호에 대한 공분산 R의 l행, m열 원소이고,

는 상기 근사 행렬의 m번째 대각선(diagonal)의 값이며, L은 상기 변환 신호에 대한 공분산 R의 행의 개수이다.

또한 상기 가중치 연산부는, 상기 연산된 근사 행렬의 역변환을 획득한 후 상기 획득된 근사 행렬의 역변환을 이용하여 상기 변환 신호 가중치를 연산하도록 할 수 있다. 이 경우 가중치 연산부는 하기의 수학식 2에 따라 상기 변환 신호에 대한 변환 신호 가중치를 연산하도록 할 수 있다.

[수학식 2]

여기서 β는 상기 변환 신호에 대한 변환 신호 가중치,

은 상기 근사 행렬, v₁은 조향 벡터이다.

초음파 영상 장치는, 피사체로 초음파를 조사하고 피사체로부터 반사되는 초음파 신호를 수신하고 수신된 초음파를 변환하여 초음파 신호를 출력하는 초음파 탐침부 및 적어도 하나의 변환 함수를 이용하여 초음파 신호를 변환하여 변환된 초음파 신호를 생성하고, 상기 변환된 초음파 신호에 대한 공분산을 연산하고, 상기 연산된 공분산 행렬을 테플리츠 행렬 형태로 근사화하고, 상기 근사화한 결과를 기초로 상기 초음파 신호에 대한 가중치인 입력 신호 가중치 또는 상기 변환 신호에 대한 가중치인 변환 신호 가중치를 연산한 후, 상기 초음파 신호에 대한 초음파 신호 가중치 또는 상기 변환 신호 가중치를 이용하여 빔 포밍을 수행하는 빔 포밍부를 포함할 수 있다.

한편 빔 포밍 방법은, 입력 신호를 적어도 하나의 변환 함수를 이용하여 변환하여 획득된 변환 신호를 생성하는 변환 신호 생성 단계, 변환된 신호에 대한 공분산을 연산하는 공분산 연산 단계, 상기 연산된 공분산 행렬을 테플리츠 행렬 형태로 근사화하는 근사화 단계, 상기 근사화한 결과를 기초로 상기 입력 신호에 대한 입력 신호 가중치 또는 상기 변환 신호에 대한 변환 신호 가중치를 연산하는 가중치 연산 단계 및 상기 입력 신호에 대한 입력 신호 가중치 또는 상기 변환 신호 가중치를 이용하여 결과 신호를 생성하는 결과 신호 생성 단계를 포함할 수 있다.

초음파 영상 장치의 제어 방법은, 목표 부위로 초음파를 조사하고 목표 부위에서 반사되는 에코 초음파를 수신하고 수신된 에코 초음파를 변환하여 초음파 신호를 획득하는 초음파 신호 획득 단계, 상기 획득한 초음파 신호 사이의 시간차를 보정하여 시간차가 보정된 초음파 신호를 생성하는 시간차 보정 단계, 상기 시간차가 보정된 초음파 신호를 변환하는 신호 변환 단계, 상기 변환된 초음파 신호에 대한 공분산을 연산하는 공분산 연산 단계, 상기 연산된 공분산을 테플리츠 행렬 형태로 근사화하는 근사화 단계, 상기 근사화한 결과를 기초로 상기 초음파 신호에 대한 초음파 신호 가중치 또는 상기 변환된 초음파 신호에 대한 변환 초음파 신호 가중치를 연산하는 가중치 연산 단계 및 상기 변환 초음파 신호 가중치를 이용하여 빔 포밍된 초음파 신호를 생성하는 빔 포밍된 초음파 신호 생성 단계를 포함할 수 있다.

상술한 바와 같은 빔포머, 빔 포밍 방법에 의하면 입력 신호로부터빔 포밍된결과 신호를 획득하는 빔 포밍과정에 있어서 빔 포밍 결과의 품질 저하 없이 빔 포밍에 요구되는 연산량을 감소시킬 수 있게 된다.

이에 따라서 빔포밍을 수행하는 각종 장치, 예를 들어 초음파 영상 장치가 빔 포밍을 위해 요구하는 리소스를 절감할 수 있게 되고, 더 나아가 빔포밍을 수행하는 장치의 과부화 등과 같은 각종 문제점을 해결하는 효과도 얻을 수 있다.

또한 빔 포밍 장치의 리소스 사용량의 감소에 기인하여 빔포밍 장치에서 소비하는 소비 전력의 감소, 저사양의 연산 장치의 이용 등에 기인한 비용 절감의 효과도 얻을 수 있다.

뿐만 아니라 입력 신호에 대한 빔 포밍 속도의 증가 및 빔 포밍시간의 단축을 통하여 빔 포밍을 수행하는 장치가 빔 포밍을 신속하게 처리할 수 있도록 한다.

따라서 빔 포머를 이용하는 각종 영상 장치, 예를 들어 초음파 영상 장치에 있어서 초음파 영상을 실시간으로 구현 및 사용자에게 표시 가능하게 되는 장점도 얻을 수 있다.

도 1은 빔 포머의 일 실시예에 대한 구성도이다.
도 2는 가중치 연산부의 일 실시예에 대한 블록도이다.
도 3은빔 포머의 다른 실시예에 대한 구성도이다.
도 4 및 도 5는 빔 포머의 또 다른 실시예에 대한 구성도이다.
도 6은 가중치 연산 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.
도 7은 빔 포밍 방법의 일실시예에 대한 흐름도이다
도 8는 초음파 영상 장치의 일 실시예에 대한 사시도이다.
도 9은 초음파 영상 장치의 일 실시예에 대한 구성도이다.
도 10은 초음파 탐침부의 일 실시예에 대한 평면도이다.
도 11은초음파 영상 장치의 빔 포밍부에 대한 구성도이다.
도 12 및 도 13은 빔 포밍부의여러실시예를 도시한 구성도이다.
도 14는 초음파 영상 장치를 제어하는 방법의 일 실시예에 대한 흐름도이다.

이하 도 1 내지 도 7을 참조하여 빔 포머 및 빔 포밍 방법의 일 실시예에 대해서 설명한다.

도 1은 빔 포머 중 가중치 연산의 일 실시예에 대한 구성도이다.

빔 포머(1)는 특정목표 부위에서 전달된 파(wave)의 크기를 추정하기 위하여 복수 채널의 신호, 일례로 음파 신호나 초음파 신호를 이용하여 빔 포밍을 수행하도록 한다.

빔 포밍이란, 목표 부위에서 전달되고 수신한 복수의 신호를 집속하여 하나의 출력 신호를 생성하도록 하는 것이다. 구체적으로 목표 부위로부터 복수 채널의 신호, 일례로 복수의 초음파 신호가 입력되었을 때, 입력된 각 채널의 신호의 시간차를 보정하고, 시간차가 보정된 각 신호마다 소정의 가중치, 즉 빔 포밍 계수를 가중합하여 특정 채널의 신호를 강조하거나 다른 채널의 신호는 상대적으로 감쇠시켜 복수 채널의 신호를 집속하도록 하는 것이다.

빔포밍에 사용되는 빔 포밍 계수의 특성에 따라서, 빔 포밍은 데이터 독립형 빔 포밍 방식(data-independent beamforming)과 적응형 빔 포밍 방식(adaptive beamforming, data-dependent beamforming)으로 구분될 수 있다. 데이터 독립형 빔 포밍은, 입력신호와 무관하게 정해진 가중치를 입력 신호에 적용하여 빔 포밍을 수행하는 방식이다. 적응형 빔 포밍은 입력되는 초음파 신호를 기초로 최적의 가중치를 별도로 연산한 후 별도로 연산된 가중치를 이용하여 빔 포밍을 수행하는 방식이다. 따라서 적응형 빔 포밍에서 이용되는 가중치는 입력 신호에 의존하게 된다.

이와 같은 빔 포밍을 수행하는 빔 포머(1)는, 초음파 영상 장치, 음파 탐지 장치(sonar) 또는 레이더(Rader) 등에서 이용될 수 있고, 또한 음향 신호 처리 분야의 어레이 마이크로폰(array microphone)이나 어레이 스피커(array speaker) 등에서도 이용될 수 있다. 뿐만 아니라 어레이 안테나(array antenna)에서도 이용될 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 빔 포머(1)는 구체적으로 가중치 연산부(20) 및 합성부(30)를 포함하고 있을 수 있다.

가중치 연산부(20)는 입력 신호(x) 또는 입력 신호(x)를 변환시킨 변환 신호(u)를 이용하여 입력 신호(x) 또는 변환 신호(u)에 적용될 가중치, 즉 입력 신호 가중치(ω) 또는 변환 신호 가중치(β)를 연산하도록 한다. 연산된 입력 신호 가중치(ω) 또는 변환 신호 가중치(β)는 빔 포머(1)가 빔 포밍을 위해 각 신호에 부가되는 가중치, 즉 빔 포밍 계수로 이용될 수 있다.가중치 연산부(20)는 입력 신호 가중치(ω) 또는 변환 신호 가중치(β)를 연산한 후, 연산된 입력 신호 가중치(ω) 또는 변환 신호 가중치(β)를 합성부(30)로 전달하여 입력 신호(x) 또는 변환 신호(u)와 입력 신호 가중치(ω) 또는 변환 신호 가중치(β)가 가중합될 수 있도록 한다.

변환 신호(u)는 입력 신호(x)를 소정의 변환 함수(V)를 이용하여 변환한 신호이다. 변환 신호(u)는 다음의 수학식 1에 따라 연산될 수 있다.

여기서 x는 입력 신호이고, V는 소정의 변환 함수이다.u는 입력 신호를 소정의 변환 함수(V)를 이용하여 변환하여 획득한 변환 신호를 의미한다.

구체적으로 입력 신호 x 및 변환 신호 u는 (A×B)의 행렬로 표현될 수 있다. 여기서 A와 B는 자연수이다. 특히 B가 1이면 입력 신호 x 및 변환 신호 u는 (A×1)의 행렬로 표현된다. 이는 하기의 수학식 2 및 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

여기서 m과 n은 양의 정수이며, 수학식 2 및 수학식 3과 같이 입력 신호 x와 변환 신호 u가 주어지는 경우 입력 신호 x의 차원은 m차원이고, 변환 신호 u의 차원은 n차원이다. 입력 신호 x는 복수의 채널을 통해 입력되는 복수의 입력 신호로 이루어져 있을 수 있다. 즉 복수 채널의 입력 신호들의 집합일 수도 있다.

아울러 변환 신호 u 역시 마찬가지로 복수의 채널로 출력되는 복수 채널의 변환 신호들의 집합일 수도 있다. 수학식 2의 입력 신호 x에 대한 행렬의 각 성분, 즉 x₁ 내지 x_m은 이와 같이 각 채널의 입력 신호를 의미한다. 마찬가지로 수학식 3의 변환 신호 u의 각 성분, 즉 u₁ 내지 u_n은 각 채널의 입력 신호가 변환되어 획득된 변환 신호를 의미한다. 입력 신호 x 및 변환 신호 u에 대한 행렬의 각 성분 역시 소정의 행렬, 예를 들어 (1×a)행렬로 주어질 수 있다.

입력 신호의 변환을 위해 이용되는 변환 함수(V)는적어도 하나의 기저 벡터(basis vector) 또는 복수의 기저 벡터들의 조합으로 형성된 것일 수 있다. 실시예에 따라서 변환 함수(V)를 이루는 이와 같은 복수의 기저 벡터는 서로 직교하는 것일 수 있으며, 더 구체적으로 복수의 기저 벡터는 고유 벡터(eigenvector) 또는 푸리에 기저 벡터(Fourier basis vector)일 수 있다.

예를 들어 변환 함수(V)는 최소 분산(minimum variance)에 따라 입력 신호 가중치(ω)의 최적값에 대한 주성분 분석을 통해 획득된 적어도 하나의 기저 벡터또는 복수의 기저 벡터들의 조합으로 이루어져 있을 수도 있다.

변환 함수(V)는 빔 포머(1)를 이용하는 시스템 장치에 미리 정의된 설정이나 또는 사용자의 선택에 따라서 결정될 수 있다. 예를 들어 변환 함수(V)는 별도의 변환 함수 데이터베이스에 저장된 복수의 기저 벡터(basis vector) 중 사용자의 선택에 따라서 선택된 복수의 기저 벡터의 조합으로 결정될 수도 있다.

실시예에 따라서 경험적으로 또는 이론적으로 얻을 수 있는 다양한 입력 신호(x)를 기초로 적어도 하나의 변환 함수(V)를 별도로 미리 계산하여 다양한 입력 신호(x)에 대입되거나 또는 적용될 수 있는 적어도 하나의 변환 함수(V)들을 미리 별도로 정의한 후, 계산된 적어도 하나의 변환 함수(V)들을 별도의 변환 함수 데이터베이스(도 3의 40)에 저장해 놓을 수도 있다. 그러면 빔 포머(1)는 입력 신호(x)에 따라서 변환 함수 데이터베이스(40)에 저장된 적어도 하나의 변환 함수(V)들 중에서 적어도 하나의 변환 함수(V)를 선택하도록 하고, 선택된 변환 함수(V)를 수학식 1에 대입하여 입력 신호(x)를 변환하는 것도 가능할 것이다.

가중치 연산부(20)의 일 실시예에 따르면 가중치 연산부(20)는 도 2에 도시된 바에 따라서 입력 신호 가중치(ω) 또는 변환 신호 가중치(β)를 연산하도록 할 수 있다. 도 2는 가중치 연산부의 일 실시예에 대한 블록도이다.

구체적으로 가중치 연산부(20)는 공분산연산부(21), 근사화부(22), 역행렬계산부(23) 및 제1 가중치 계산부(24)를 포함할 수 있으며, 실시예에 따라서 제2 가중치 계산부(25)를 더 포함할 수도 있다.

공분산연산부(21)는 입력 신호(x)를 변환하여 획득한 변환 신호(u)에 대한 공분산(covariace)을 연산하도록 한다. 공분산은 하기의 수학식 4에 의해 연산될 수 있다.

만약 변환 신호(u)가 가중치 연산부에 입력되는 경우 공분산연산부(21)는 하기의 수학식 5에 따라 공분산을 연산한다.

여기서 R₁은 공분산을 의미하고, u는 변환 신호를 의미한다.

이와 다르게 만약 입력 신호(x)가 가중치 연산부(20)에 입력되는 경우에는 공분산연산부(21)는 하기의 수학식 6에 따라서 공분산을 연산한다.

여기서 R₁은 공분산을 의미하고, V는 상술한 변환 함수를 의미하며, x는 입력 신호를 의미한다. 여기서 상술한 수학식 1을 대입하면,하기의 수학식 7에 기재된 바와 같이,입력 신호(x) 및 수학식 6을 이용해 공분산을 연산하는 것은 수학식 5에 기재된 변환 신호(u)에 대한 공분산을 연산하는 것과 동일하게 된다.

공분산연산부(21)에서 변환 신호(u)에 대한 공분산(R₁)을 연산하면 연산 결과는 근사화부(22)로 전달된다. 근사화부(22)의 일 실시예에 의하면 근사화부(22)는 연산된 공분산(R₁)을 이용하여 테플리츠 근사화를 수행한다. 다시 말해서 근사화부(22)는소정의 행렬 형태로 표현된 공분산(R₁)을 기초로 테플리츠 행렬 형태의 근사 행렬을 생성한다.

테플리츠 행렬은 각각의 대각선(diagonal) 상의 모든 요소들의 값이 동일한 행렬을 의미한다. 테플리츠 행렬은 역행렬을 연산하는 것이 간단하고, 정보처리장치를 이용하여 역행렬을 연산하는 경우 다른 행렬에 비해 연산량이 적다. 따라서 역행렬 연산 속도를 개선시킬 수 있다.

공분산연산부(22)는 하기의 수학식 8을 이용하여 테플리츠 근사화를 수행할 수 있다.

여기서

는 공분산(R₁)의 l행, m열의 요소를 의미한다.L은 상기 변환 신호에 대한 공분산 R의 행의 개수를 의미한다.

수학식 8에 따라

이 획득되면,

을 공분산(R₁)을 근사화한 근사 행렬(

)의 m번째 대각선에 입력한다. 그 결과 최종적으로 공분산(R₁)을 테플리츠 근사화한 근사 행렬

이 획득될 수 있다.

근사화부(22)에서 연산된 근사 행렬

은 역행렬계산부(23)로 전달된다. 역행렬계산부(23)는 근사 행렬

에 대한 역행렬

을 연산할 수 있다.

역행렬계산부(23)에 의해 연산된 역행렬

은 제1 가중치 계산부(24)로 전달된다. 제1 가중치 계산부(24)는 전달된 근사 행렬의 역행렬을 기초로 변환 신호 가중치(β)를 연산한다. 제1 가중치 계산부(24)는 실시예에 따라서 다음의 수학식 9에 따라 변환 신호 가중치(β)를 연산하도록 할 수 있다.

여기서 β는 연산된 변환 신호 가중치이다.

은 상술한 역행렬계산부(23)에서 계산한 근사 행렬

에 대한 역행렬이다. v₁은 조향 벡터이다.

여기서 a는 변환 전에 미리 정의된 조향 벡터를 의미하고, v₁은 변환된 조향 벡터를 의미한다.

상술한 수학식 9에 의해 연산된 변환 신호 가중치(β)는 입력되는 입력 신호(x)에 따라 달라질 수 있고, 또한 공분산연산부(21)에서 이용된 변환 함수(V)에 따라서도 달라질 수 있다. 이 경우 변환 함수(V)는 사전에 미리 연산되어 정의되어 있고 입력 신호(x)에 따라서 선택되어 사용될 수 있으므로 변환 신호 가중치(β)는 입력 신호(x)에 따라 주로 변화하게 된다.

변환 신호 가중치(β)는 소정의 열벡터(column vector)로 주어질 수 있다. 만약 변환 함수(V)가 (MⅹN)의 행렬로 표현되는 경우에는 변환 신호 가중치(β)는 (Nⅹ1)행렬, 즉 (Nⅹ1) 열벡터로 주어진다.

연산된 변환 신호 가중치(β)는 제2 가중치 계산부(25) 또는 합성부(30)로 전달된다. 만약 합성부(30)에 변환 신호(u)가 입력되는 경우라면 제1 가중치 계산부(24)는 연산된 변환 신호 가중치(β)를 합성부(30)로 전달하도록 할 수 있다. 만약 합성부(30)에 입력 신호(x)가 입력되는 경우라면 제1 가중치 계산부(24)는 연산된 변환 신호 가중치(β)를 제2 가중치 계산부(25)로 전달하도록 할 수도 있다.

제2 가중치 계산부(25)는 연산된 변환 신호 가중치(β)를 기초로 입력 신호 가중치(ω)를 연산한다. 입력 신호 가중치(ω)는 변환 신호(u)에 이용되는 변환 함수와 제1 가중치 계산부(24)에서 연산한 변환 신호 가중치(β)를 조합하여 연산될 수 있다. 이를 위해서 제2 가중치 계산부(25)는 공분산연산부(21)에서 이용된 변환 함수(V)를 호출한 후 변환 신호 가중치(β)와 호출된 변환 함수(V)를 조합하여 입력 신호 가중치(ω)를 연산할 수 있다.이를 수학식으로 표현하면 다음의 수학식 11과 같다.

이와 같이 연산된 입력 신호 가중치(ω)는 입력 신호(x)의 빔 포밍을 위해 최적의 가중치가 될 수 있다. 만약 입력 신호 가중치(ω)가 입력 신호(x)에 대한 최적값이라고 하자. 이 경우 수학식 11을 검토하였을 때, 결국 변환 신호 가중치(β)는, 입력 신호(x)에 대한 입력 신호 가중치(ω)의 최적값을 연산하기 위해 적어도 하나의 변환 함수(V)에 부가되는 가중치임을 알 수 있다.

연산된 입력 신호 가중치(ω)는 합성부(30)로 전달된다.

합성부(30)는 입력 신호(x)와 입력 신호 가중치(ω)를 이용하여 결과 신호(z)를 생성하거나, 또는 변환 신호(u)와 변환 신호 가중치(β)를 이용하여 결과 신호(z)를 생성하도록 할 수 있다.

만약 가중치 연산부(20)가 제1 가중치 계산부(24) 및 제2 가중치 계산부(25)를 통해 입력 신호 가중치(ω)를 연산하여 출력한다면, 합성부(30)는 입력되는 입력 신호(x)와 입력 신호 가중치(ω)를 하단의 수학식 12와 같이 가중합하여 결과 신호(z)를 생성한 후 이를 외부로 출력한다.

만약 가중치 연산부(20)가 제1 가중치 계산부(24)를 통해 변환 신호 가중치(β)를 연산하여 출력한다면 합성부(30)는 입력되는 변환 신호(u)와 변환 신호 가중치(β)를 하단의 수학식 13과 같이 가중합하여 결과 신호(z)를 생성한 후 생성된 결과 신호(z)를 출력하도록 할 수도 있다.

수학식 12 및 수학식 13에 따라 출력되는 결과 신호는 동일하다. 즉 입력 신호(x)에 대해 입력 신호 가중치(ω)를 연산한 후 입력 신호(x)와 입력 신호 가중치(ω)를 가중합한 결과 신호(z)와, 변환 신호(u)에 대해 변환 신호 가중치(β)를 연산한 후, 변환 신호(u)와 변환 신호 가중치(β)를 가중합한 결과 신호(z)는 동일하다. 이는 아래의 수학식 14와 같이 증명될 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 입력 신호(x) 또는 입력 신호(x)를 소정의 변환 함수(V)에 따라 변환환 변환 신호(u)를 입력받은 합성부(30)는 입력 신호 가중치(ω) 또는 변환 신호 가중치(β)를 이용하여 결과 신호(z)를 생성할 수 있게 되고, 결과적으로 빔 포머(1)는 소정의 입력 신호(x)에 대해 빔 포밍이 수행된 결과 신호(z)를 생성하여 출력할 수 있게 된다.

도 3은 빔 포머의 다른 실시예에 대한 구성도이다. 도 3에 도시된 바와 같이 빔 포머(1)는 변환부(10), 가중치 연산부(20) 및 합성부(30)를 포함할 수 있다.

변환부(10)는 입력 신호(x)에 변환 함수(V)를 적용하여 변환 신호(u)로 변환하도록 한다. 구체적으로 변환부(10)는 도 3에 도시된 바와 같이 외부로부터 입력 신호(x)를 전달받고,(①) 전달받은 입력 신호(x)를 소정의 변환 함수(V)를 이용하여 변환하도록 하여 입력 신호(x)를 변환한 변환 신호(u)를 출력하도록 한다.

변환부(10)는, 일 실시예에 의하면 사용자 또는 시스템 설계자 등에 의해 미리 설정된 변환 함수(V)에 따라서 입력 신호(x)를 변환할 수도 있다. 또한 다른 실시예에 의하면 변환부(10)는 적어도 하나의 변환 함수(V)로 구축된 변환 함수 데이터베이스(50)로부터 입력 신호(x)의 변환을 위한 변환 함수(V)를 전달받고, (②) 데이터베이스(50)로부터 전달받은 변환 함수를 이용하여 변환 신호(u)를 생성할 수도 있다.

변환부(10)는 구체적으로 수학식 1에 기재된 바와 같이 변환 함수(V)를 입력 신호(x)에 적용하여 변환 신호(u)를 생성하도록 할 수 있다.

이 경우 수학식 1의 변환 함수(V)가 적절히 주어지는 경우 변환 신호 u의 차원은 입력 신호 x의 차원보다 감소하게 된다. 예를 들어 만약 변환 함수가 (M×N)의 형태로 주어지고, 입력 신호가 (M×1)의 형태로 주어지며(즉, 입력 신호 x의 차원이 M차원) M이 N보다 크다면(M>N), 변환 신호 u는 (N×1) 형태의 행렬이 되어 변환 신호(u)의 차원이 입력 신호(x)보다 작아지게 된다. 차원이 작아지면 상대적으로 연산량이 감소하게 되어 연산에 필요한 리소스 요구량이 감소하고, 연산의 속도가 증가할 수 있다.

변환부(10)에 의해 생성된 변환 신호(u)는, 도 3에 도시된 바와 같이 가중치 연산부(20)로 전달된다.

가중치 연산부(20)는 일 실시예에 의하면 도 2에 도시된 바와 같이 공분산 연산부(21), 근사화부(22), 역행렬 계산부(23), 제1 가중치 계산부(24) 및 제2 가중치 계산부(25)를 통하여 입력 신호(x)에 대한 입력 신호 가중치(ω)를 연산하도록 한다. 연산된 입력 신호 가중치(ω)는 합성부(30)로 전달된다.

이 경우 변환부(10)에 의해 미리 변환 신호(u)가 연산 및 생성되었기 때문에 공분산 연산부(21)는 상술한 수학식 5를 이용하여 변환 신호(u)에 대한 공분산을 연산할 수 있다.

합성부(30)는 가중치 연산부(20)로부터 입력 신호 가중치(ω)를 전달받고, 입력 신호(x)와 입력 신호 가중치(ω)를 이용하여 결과 신호(z)를 생성하도록 한다. 구체적으로 합성부(30)는 입력 신호(x)와 입력 신호 가중치(ω)를 수학식 12에 기재된 바와 같이 가중합하여 결과 신호(z)를 생성하도록 할 수 있다.

도 4는 빔 포머의 다른 실시예에 대한 구성도이다. 도 4 에 도시된 바와 같이 빔 포머(1)는 변환부(10), 가중치 연산부(20) 및 합성부(30)를 포함할 수 있다.

변환부(10)는 상술한 바와 동일하게 입력 신호(x)에 소정의 변환 함수(V)를 적용하여 변환 신호(u)로 변환하도록 한다. 변환부(10)는 생성된 변환 신호를 가중치 연산부(20) 및 합성부(30) 양자 모두로 전달된다. 이 경우 변환부(10)는 변환 함수 데이터베이스(50)를 열람하여 입력 신호(x)에 적절한 변환 함수(V)를 호출한 후 호출된 변환 함수(V)를 이용하여 수학식 1에 기재된 바와 같이 입력 신호(x)를 변환하도록 할 수 있다.

가중치 연산부(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 공분산 연산부(21), 근사화부(22), 역행렬 계산부(23) 및 제1 가중치 계산부(24)를 통하여 변환 신호(u)에 대한 변환 신호 가중치(β)를 연산하도록 할 수 있다.

상술한 바와 동일하게 변환부(10)에 의해 미리 변환 신호(u)가 생성되었기 때문에 공분산 연산부(21)는 상술한 수학식 5를 이용하여 변환 신호(u)에 대한 공분산을 연산하도록 할 수 있을 것이다.

연산된 변환 신호 가중치(β)는 합성부(30)로 전달된다.

합성부(30)는 변환부(10)로부터 변환 신호(u)를 전달받고, 가중치 연산부(20)로부터 변환 신호 가중치(β)를 전달받는 후, 변환부(10)로부터 전달된 변환 신호(u)와 가중치 연산부(20)로부터 전달된 변환 신호 가중치(β)를 이용하여 결과 신호(z)를 생성하도록 한다. 합성부(30)는 결과 신호(z)의 생성을 위해 변환 신호(u)와 변환 신호 가중치(β)를 수학식 13에 기재된 바와 같이 가중합시킨다.

도 5는 빔 포머의 또 다른 실시예에 대한 구성도이다. 도 5에 도시된 바와 같이 빔 포머(1)는 일 실시예에 있어서 변환 함수 선택부(40)를 더 포함할 수 있다. 변환 함수 선택부(40)는 변환 함수 데이터베이스(50)에 저장된 복수의 변환 함수(V₁ 내지 V_n) 중에서 적어도 하나의 변환 함수(V)를 선택하도록 한다. 선택된 변환 함수(V)는 변환부(10)나 가중치 연산부(20) 중 어느 하나로 전달된다. 실시예에 따라서 변환부(10)나 가중치 연산부(20) 양자 모두에게 선택된 변환 함수(V)가 전달될 수도 있다.

변환 함수 선택부(40)는 미리 정해진 소정의 설정에 따라 변환 함수 데이터베이스(50)에 저장된 복수의 변환 함수(V₁ 내지 V_n) 중 적어도 하나의 변환 함수(V)를 선택한다. 이 경우 변환 함수 선택부(40)는 입력되는 입력 신호(x)에 따라서 적절한 변환 함수(V)를 선택하도록 하는 것도 가능하다. 또한 변환 함수 선택부(40)는 사용자 등으로부터 입력되는 지시 또는 명령에 따라서 변환 함수(V)를 선택하도록 할 수도 있다.

구체적으로 변환 함수 선택부(40)는 도 3에 도시된 바와 같이 변환부(10)나 가중치 연산부(20)와 동일하게 입력 신호(x)를 전달받고, 입력 신호(x)를 분석한 후 변환 함수 데이터베이스(50)를 열람하여 변환 함수 데이터베이스(50)에 저장된 적어도 하나의 변환 함수 중에서 전달받은 입력 신호(x)에 상응하는 최적의 변환 함수(V)를 선택하도록 할 수 있다.

변환 함수 선택부(40)는 상술한 방법으로 선택한 변환 함수(V)에 대한 정보를 변환부(10)나 가중치 연산부(20) 또는 양자 모두로 전달하고, 변환부(10)나 가중치 연산부(20) 또는 양자 모두는 전달받은 변환 함수(V)에 대한 정보에 따라서 변환 함수 데이터베이스(50)로부터 변환 함수(V)를 호출하도록 한다. 물론 변환 함수 선택부(40)가 변함 함수 데이터베이스(50)로부터 변환 함수(V)를 호출하여 전달받은 후, 전달받은 변환 함수(V)를 변환부(10)나 가중치 연산부(20) 또는 양자 모두에 전달하도록 하는 것도 가능할 것이다. 변환부(10)는 상술한 바와 같이 전달받은 변환 함수(V)를 기초로 변환 신호(u)를 연산한 후, 가중치 연산부(20)로 전달한다. 실시에에 따라서 변환 신호(u)를 합성부(30)로도 전달할 수도 있다. 가중치 연산부(20)는 전달받은 변환 함수(V)를 이용하여 입력 신호 가중치(ω) 또는 변환 신호 가중치(β)를 연산하여 합성부(30)로 전달한다.

이하 상술한 빔 포머(1)에 의해 수행될 수 있는 빔 포밍 방법의 일 실시예에 대해 설명하도록 한다. 먼저 빔 포밍에 이용되는 가중치 연산 방법의 일 실시예를 설명한다. 도 6은 가중치 연산 방법의 일 실시예를 도시한 흐름도이다.

도 6에 도시된 바를 참조하면 빔 포밍을 수행하기 위해서 먼저 소정의 신호가 입력된다.(s501) 이 경우 입력되는 신호는 가공전의 데이터 신호(x, raw data)일 수도 있고, 또한 가공전의 데이터 신호(x)를 소정의 변환 함수(V)를 이용하여 변환하여 획득한 변환 신호(u)일 수도 있다.

이어서 변환 신호(u)에 대한 공분산을 연산한다.(s512) 이 경우 가공전의 데이터 신호(x)가 입력된 경우에는 가공전의 데이터 신호(x)를 먼저 변환하여 변환 신호(u)를 획득한 후 획득된 변환 신호(u)를 이용하여 공분산을 연산할 수도 있다. 이 경우 상술한 수학식 5가 이용될 수도 있을 것이다. 또한 가공전의 데이터 신호(x) 및 변환 함수(V)를 이용하여 변환 신호(u)에 대한 공분산을 연산하도록 할 수도 있다. 이 경우 상술한 수학식 6이 이용될 수 있다. 연산된 공분산은 행렬의 형태로 표현될 수 있다.

연산된 공분산을 근사화한다.(s513) 예를 들어 상술한 수학식 8에 따라 연산된 공분산을 테플리츠 행렬 형태로 변환하여 근사 행렬을 연산하도록 하여 연산된 공분산은 근사화한다.

근사화된 공분산을 이용하여 가공전의 데이터 신호(x) 또는 가공전의 데이터 신호(x)의 변환 신호(u)에 대한 가중치를 연산한다.(s514)

만약 가중치가 부가될 데이터가 가공전의 데이터 신호(x)인 경우에는 근사화된 공분산의 역행렬을 연산하고, 수학식 9에 따라 변환 신호 가중치(β)를 연산한 후, 수학식 11에 따라 변환 신호 가중치(β)와 변환 함수(V)를 곱하여 가공전의 데이터 신호(x)에 대한 가중치(ω)를 연산한다.

만약 가중치가 부가될 데이터가 가공전의 데이터 신호(x)를 변환한 변환 신호(u)인 경우에는 근사화된 공분산의 역행렬을 연산하고, 수학식 9에 따라 변환 신호 가중치(β)를 연산하여 변환 신호(u)에 대한 가중치(β)를 연산하도록 한다.

그 결과 빔 포밍에 사용될 가중치, 즉 빔 포밍 계수가 연산된다.

이하 빔 포밍 방법의 일 실시예에 대해서 설명한다. 도 7 은 빔 포밍 방법의 일 실시예에 대한 흐름도이다. 도 7에 도시된 바에 의하면 먼저 외부의 신호 수신 수단, 예를 들어 초음파 프로브의 트랜스듀서(transducer)로부터 가공전의 데이터 신호(x)가 입력된다.(s510)

실시예에 따라서 가공전의 데이터 신호(x)를 소정의 변환 함수(V)를 이용하여 변환하여 변환 신호(u)를 생성하도록 한다.(s511) 물론 설명한 바와 같이 변환 신호(u)를 반드시 생성해야 하는 것은 아니다.

변환 신호(u)에 대한 공분산(R₁)을 연산한다.(s512) 이 경우 변환 신호(u)가 앞선 단계 s511을 통해 미리 획득된 경우라면 수학식 5에 따라 공분산(R₁)을 연산하여 획득하고, 변환 신호(u)가 획득되지 않은 경우라면 수학식 6에 따라 소정의 변환 함수(V) 및 가공전의 데이터 신호(x)를 이용하여 변환 신호(u)에 대한 공분산(R₁)을 연산 및 획득한다.

변환 신호(u)에 대한 공분산(R₁)이 획득된 후, 변환 신호(u)에 대한 공분산(R₁)을 기초로 근사 행렬을 생성하도록 한다.(s513) 이 경우 행렬 형태로 표현된 공분산(R₁)을 테플리츠 행렬 형태로 변환하도록 할 수 있다. 테플리츠 행렬 형태로 변환하기 위하여 상술한 수학식 8이 이용될 수 있다.

근사 행렬이 획득되면 근사 행렬의 역행렬을 연산한다.(s514)

그리고 연산된 근사 행렬의 역행렬을 상술한 수학식 9에 대입하여, 제1 가중치, 즉 변환 신호 가중치(β)를 연산한다.(s515)

빔 포밍 방법의 일 실시예에 의하면 변환 신호 가중치(β)가 연산된 후 변환 신호 가중치(β)와 변환 함수(V)를 조합하여 제2 가중치, 즉 입력 신호 가중치(ω)를 연산하도록 한다.(s516) 이 경우 수학식 11이 이용될 수 있다.

입력 신호 가중치(ω) 및 가공전의 데이터 신호(x)를 수학식 12에 도시된 바와 같이 가중합하여 결과 신호(z), 즉 빔 포밍된 신호를 생성한다.(s517) 이에 따라 가공전의 데이터 신호에 대한 빔 포밍이 완료된다.

한편 빔 포밍 방법의 다른 일 실시예에 의하면 변환 신호 가중치(β)가 연산된 후 변환 신호 가중치(β)와 변환 신호(u)를 가중합하여 결과 신호(z)를 생성하도록 할 수도 있다.(s518) 이 방버에 의하면 도 7에 도시된 바와 같이 단계가 더 축소될 수 있다. 다만 이 경우엔 변환 신호 생성 단계(s511)의 선행이 필수적일 것이다.

이하 도 8 내지 도 14를 참조하여 상술한 바와 같이 빔 포머(1)가 적용된 일례로서 초음파 영상 장치의 일 실시예에 대해 설명하고, 아울러 이와 같은 초음파 영상 장치를 제어하는 방법에 대해 설명하도록 한다.

도 8은 초음파 영상 장치의 일 실시예에 대한 사시도이고, 도 9는 초음파 영상 장치의 일 실시예에 대한 구성도이다.

도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 초음파 영상 장치는, 피사체(ob)로부터 초음파를 수신하여 전기적 신호, 즉 초음파 신호로 변환하는 초음파 탐침부(p)와, 초음파 신호를 기초로 초음파 영상을 생성하는 본체부(m)를 포함하고 있을 수 있다.

구체적으로 도 9에 도시된 바를 참조하면 초음파 영상 장치의 초음파 탐침부(p)는 초음파 발생부(p11) 및 초음파 수신부(p12)를 포함하고, 본체부(m)는 빔 포밍부(100)나 시스템 제어부(200) 등을 포함하고 있을 수 있다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 초음파 신호를 기초로 초음파 영상을 생성하기 위한 각종 구성, 일례로 도 9의 빔 포밍부(100)나 영상 처리부(220) 등이 초음파 프로브에 형성되어 있는 실시예도 가능할 것이다. 또한 입력부(i)나 디스플레이부(d)는 본체부(m)와 별도로 연결된 워크 스테이션 등에 마련되어 있고, 유무선 통신망을 통해 본체부(m)와 지시나 명령, 영상 데이터를 송수신하도록 할 수도 있을 것이다. 다만 이하에서는 설명의 편의를 위해서 초음파 프로브가 초음파 탐침부(p)의 역할을 하고 빔 포밍이나 영상 처리 등은 본체부(m)에서 수행되는 초음파 영상 장치의 일 실시예를 기초로 설명하도록 한다.

초음파 탐침부(p)는 초음파를 이용하여 피사체(ob)의 목표 부위(ob1)에 대한 정보를 수집하는데, 일례로 도 8에 도시된 것처럼 초음파 프로브(ultrasonic probe)일 수 있다.

도 9를 참조하면 초음파 탐침부(p)는 초음파를 발생시켜 피사체(ob) 내부의 목표 부위(ob1)에 조사하는 초음파 발생부(p11) 및 에코 초음파를 수신하는 초음파 수신부(p12)를 포함할 수 있다.

초음파 발생부(p11)는 본체부(m) 등에 마련된 초음파 발생 제어부(210)의 제어에 따라서 초음파 발생부(p11)에 인가되는 펄스 신호 또는 교류 전류에 따라서 초음파를 생성한다. 초음파 발생부(p11)에서 발생된 초음파는 피사체 내부의 목표 부위(ob1)에서 반사된다. 초음파 수신부(p12)는 반사된 초음파 즉, 에코 초음파를 수신하고 에코 초음파의 주파수에 따라 진동하여 수신한 에코 초음파를 소정의 전기적 신호(이하 초음파 신호)로 변환시켜 출력한다. 그 결과 초음파 수신부(p12)는 초음파 신호(x)를 출력할 수 있게 된다. 만약 초음파 영상 장치의 일 실시예에 따라서 초음파 영상 장치가 광음향 영상 장치(photoacoustic imaging apparatus)와 결합되어 있는 이종 영상 장치인 경우, 초음파 수신부(p12)는 레이저 등의 조사에 기인하여 목표 부위(ob1)에서 발생한 음파, 예를 들어 초음파를 수신하도록 할 수도 있다.

이와 같은 초음파 발생부(p11) 및 초음파 수신부(p12)의 기능은 초음파 탐침부(p) 말단에 배치된 초음파 트랜스듀서(p10)에 의해 수행될 수 있다. 도 10은 초음파 탐침부의 일 실시예에 대한 평면도이다. 초음파 트랜스듀서(p10)는 도 13에 도시된 바와 같이 초음파 탐침부(p)의 일 말단에 설치된다.

트랜스듀서란 어떤 형태의 에너지, 일례로 전기 에너지를 다른 형태의 에너지, 일례로 파동 에너지나 빛 에너지 등으로 변환하는 장치를 말한다. 초음파 트랜스듀서(p10)는 파동 에너지와 전기적 에너지를 상호 변환시킨다. 구체적으로 초음파 트랜스듀서(p10)는 입력되는 소정의 펄스 전류에 따라 진동하여 초음파를 생성하도록 하고, 또한 외부에서 수신되는 초음파, 예를 들어 에코 초음파에 따라 진동하여 소정 펄스의 전기적 신호를 생성하도록 한다. 이에 따라서 초음파 트랜스듀서(p10)는 상술한 초음파 발생부(p11) 및 초음파 수신부(p12)의 기능을 모두 수행할 수 있게 된다.

구체적으로 초음파 트랜스듀서(p10)는, 외부의 전원 공급 장치나 또는 내부의 축전 장치, 예를 들어 배터리 등과 같은 전원(211)으로부터 교류 전류를 공급받고, 인가되는 전원에 따라서 초음파 트랜스듀서(p10)의 압전 진동자나 박막 등이 진동함으로써 초음파를 생성한다. 반대로 초음파 트랜스듀서(p10)는 초음파의 수신에 따라 압전 물질이나 박막이 진동하게 되면 압전 물질이나 박막의 진동 주파수에 대응하는 주파수의 교류 전류를 생성하여 초음파를 전기적 신호, 즉 초음파 신호(x)로 변환한다.

도 10에 도시된 바와 같이 복수 개의 초음파 트랜스듀서(p10)가 초음파 탐침부(p)의 말단에 설치되어 있을 수 있다. 예를 들어 초음파 탐침부(p)의 말단에 64개 또는 128개의 초음파 트랜스듀서(p10)가 설치되어 있을 수 있다. 이와 같이 복수의 초음파 트랜스듀서(p10)가 초음파 탐침부(p)의 일 말단에 설치된 경우에는 전달되는 초음파 신호 역시 초음파 트랜스듀서(p10)의 개수에 상응하는 복수의 채널, 일례로 64개 또는 128개(c1 내지 c10)의 채널로 빔포밍부(100)로 전달된다.

이상 설명한 초음파 트랜스듀서(p10)로는, 자성체의 자왜 효과를 이용하는 자왜 초음파 트랜스듀서(Magnetostrictive Ultrasonic Transducer), 압전 물질의 압전 효과를 이용한 압전 초음파 트랜스듀서(Piezoelectric Ultrasonic Transducer) 또는 미세 가공된 수백 또는 수천 개의 박막의 진동을 이용하여 초음파를 송수신하는 정전용량 미세가공 초음파 트랜스듀서(cMUT, Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer) 등이 이용될 수 있다. 이외에 전기적 신호에 따라 초음파를 생성하거나 또는 초음파에 따라 전기적 신호를 생성할 수 있는 다른 종류의 트랜스듀서 역시 이상 설명한 초음파 트랜스듀서로 이용될 수 있다.

도 9에 도시된 바에 의하면 본체부(m)는 빔포밍부(100), 시스템 제어부(200), 초음파 발생 제어부(210), 영상 처리부(220), 저장부(221), 입력부(i) 및 디스플레이부(d)를 포함하고 있을 수 있다.

빔 포밍부(100)는 초음파 탐침부(p)로부터 복수 채널의 초음파 신호를 전달받고, 초음파 신호(x)를 빔 포밍한다.

도 11은 빔 포밍부(100)의 일 실시예를 도시한 도면이다. 빔 포밍부(100)는 도 11에 도시된 바와 같이 시차보정부(110) 및 집속부(120)를 포함하고 있을 수 있다.

도 11에 도시된 바와 같이 피사체(ob)의 목표 부위(ob1)에서 반사되거나 또는 생성된 초음파는 상술한 바와 같이 초음파 수신부(p11), 일례로 초음파 트랜스듀서(p10)에 의해 수신된다.

초음파 탐침부(p)에 설치된 각각의 초음파 트랜스듀서(T1 내지 T6)와 목표 부위(ob1) 사이의 거리는 서로 상이하고 음속은 거의 일정하기 때문에 동일한 목표 부위(ob1)에서 반사되거나 또는 생성된 초음파라고 하더라도 각각의 초음파 트랜스듀서(T1 내지 T6)는 서로 상이한 시간에 동일 목표 부위(ob1)의 초음파를 수신하게 된다. 다시 말해서 동일한 목표 부위(ob1)의 초음파에 따라 각각의 초음파 트랜스듀서(T1 내지 T6)에서 출력하는 초음파 신호 사이에는 소정의 시간차가 존재한다. 따라서 각각의 초음파 트랜스듀서(T1 내지 T6)가 서로 다른 시간에 수신한 초음파라고 하더라도 동일한 목표 부위(ob1)에서 전달된 초음파 일 수 있다. 그러므로 각 초음파 트랜스듀서(T1 내지 T6)에 의해 발생된 초음파 신호 사이의 시간 차를 먼저 보정 해줄 필요가 있다.

빔 포밍부(100)의 시차보정부(110)는 이와 같은 초음파 신호 간의 시간 차를 보정한다. 예를 들어 시차보정부(110)는 도 11에 도시된 바와 같이 특정 채널로 입력되는 초음파 신호의 전송을 미리 정해진 바에 따라 일정 정도 지연시켜, 각 채널로 입력되는 초음파 신호(x)가 동일한 시간에 집속부(120)에 도달하도록 한다.

집속부(120)는 시간차가 보정된 초음파 신호(x)를 집속하도록 한다.

구체적으로 집속부(120)는 입력된 각 초음파 신호마다 소정의 가중치, 즉 빔 포밍 계수를 부가하여 특정 위치의 신호를 강조하거나 다른 위치의 신호는 상대적으로 감쇠시켜 초음파 신호를 집속하도록 한다. 이에 따라 사용자의 요구 사항이나 사용자의 편의에 따른 초음파 영상을 생성할 수 있게 된다.

이 경우 집속부(120)는 초음파 수신부(p12)에 의해 출력되는 초음파 신호와 무관하게 정해진 빔 포밍 계수를 이용하여 초음파 신호를 집속하도록 할 수 있다.(데이터 독립형 빔 포밍 방식) 또한 입력되는 초음파 신호를 기초로 최적의 빔 포밍 계수를 연산한 후 연산된 빔 포밍 계수를 이용하여 초음파 신호를 집속하도록 할 수도 있다.(적응형 빔 포밍 방식)

초음파 영상 장치에서 수행되는 빔 포밍 프로세스는 일반적으로 다음의 수학식 15와 같이 표현될 수 있다.

여기서 n은 목표 부위(ob1)의 위치를 의미하는 값이고, m은 트랜스듀서(p10)가 수집한 초음파 신호의 채널에 대한 식별 번호를 의미하며, w_m[n] 은 n의 위치에서 반사되고 m번째 트랜스듀서(p10)가 수집한 m번째 채널의 초음파 신호에 부가되는 빔 포밍 계수(w)를 의미한다. 한편 Δ_m은 특정 채널로 입력되는 초음파 신호의 전송 시간을 일정 정도로 지연시키는 시간 지연값이다. 시간 지연은 상술한 바와 같이 시차보정부(110)에서 수행된다. 따라서

은 시차가 보정된 각 채널의 초음파 신호를 의미한다.

만약 입력 신호가 시간차가 이미 보정된 것이라고 가정한다면 상술한 수학식 15는 하기의 수학식 16과 같이 다시 쓰여질 수 있다.

즉, 일반적인 초음파 빔 포밍은 수학식 15 및 수학식 16에 기재된 바와 같이 각 채널의 초음파 신호(x)의 시간차를 보정한 후 시간차가 보정된 신호(x-Δx)에 소정의 가중치를 부가하여 집속된 초음파 신호(x')를 출력한다.(delay and sum)

이하 도 12 및 도 13을 참조하여 빔 포밍부(100)의 집속부(120)의 일 실시예에 대해 설명하도록 한다. 도 12는 빔 포밍부의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 도 12에 도시된 바와 같이 집속부(120)는 변환부(121), 가중치 연산부(122), 합성부(123) 및 변환 함수 선택부(124)를 포함하고 있을 수 있다.

변환부(121)는, 시차보정부(110)에 의해 시간차가 보정된 복수 채널의 초음파 신호(x)를 입력받고, 입력된 복수의 초음파 신호(x)를 변환하여 변환 초음파 신호(u)를 생성한다. 생성된 변환 초음파 신호(u)는 가중치 연산부(122)로 전달된다. 실시예에 따라서 생성된 변환 초음파 신호(u)는 합성부(123)로 전달될 수도 있다.

변환부(121)는 소정의 변환 함수(V)를 이용하여 변환 초음파 신호(u)를 생성한다. 이 경우 변환부(121)는 상술한 수학식 1을 이용하여 변환 초음파 신호(u)를 연산할 수 있다.

한편 변환부(121)에서 이용하는 소정의 변환 함수(V)는 별도의 변환 함수 데이터베이스(130)에 저장되어 있는 것일 수 있다. 변환 함수 데이터베이스(130)는 미리 정의된 적어도 하나의 변환 함수(V₁ 내지 V_n)로 구축된 데이터베이스이다. 변환 함수 데이터베이스(130)의 적어도 하나의 변환 함수(V)는 경험적으로 또는 이론적으로 얻을 수 있는 다양한 형태의 초음파 신호(x)를 기초로 미리 계산하여 획득된 것일 수 있다. 또한 변환 함수 데이터베이스(130)에 포함된 변환 함수(V)들은, 별도로 미리 연산된 빔 포밍 계수(w)를 기초로 획득한 기저 벡터 또는 복수의 기저 벡터의 조합으로 이루어져 있을 수 있다. 미리 연산된 빔 포밍 계수(w)는 입력되거나 또는 입력 가능한 초음파 신호(x)를 이용하여 연산된다. 이 경우 빔 포밍 계수(w)는 복수의 채널의 초음파 신호에 대해 최소 분산법을 적용하여 얻은 최적의 빔 포밍 계수(w^*)일 수 있다. 빔 포밍 계수(w)를 기초로 획득한 기저 벡터들은 빔 포밍 계수(w 또는 w^*)에 대해 주 성분 분석을 수행하여 획득될 수 있다. 한편 변환 함수(V)를 이루는 복수의 기저 벡터는 서로 직교하는 직교 벡터일 수 있으며, 더욱 구체적으로는 고유 벡터이거나 푸리에 기저 벡터일 수 있다.

변환부(121)는 직접 변환 함수 데이터 베이스(130)로부터 소정의 변환 함수(V)를 호출할 수도 있지만, 변환 함수 선택부(124)의 도움을 받아 변환 함수(V)를 선택 및 호출하도록 할 수도 있다.

가중치 연산부(122)는, 도 12에 도시된 바와 같이 변환부(121)로부터 변환 초음파 신호(u)를 전달받고 전달받은 변환 초음파 신호(u)를 기초로 합성부(123)에서 이용될 가중치를 연산한다. 구체적으로 가중치 연산부(122)는 시차보정부(110)에서 전달되는 시간차가 보정된 복수 채널의 초음파 신호 또는 변환부(10)에서 출력되는 변환 초음파 신호(u)에 대한 초음파 신호 가중치(ω) 또는 변환 초음파 신호 가중치(β)를 계산하도록 한다.

가중치 연산부(122)는 변환부(121)에서 초음파 신호(x)를 변환하여 획득한 변환 신호(u)의 공분산을 연산한다. 이 경우 상술한 수학식 5가 이용될 수 있다. 만약 변환부(121)가 없는 경우라면 가중치 연산부(122)는 상술한 수학식 6에 따라서 시차가 보정된 초음파 신호(x) 및 변환 함수 데이터베이스(130)에서 독출한 소정의 변환 함수(V)를 이용하여 소정의 변환 함수(V)에 의해 변환된 신호에 대한 공분산(R₁)을 연산한다.

이어서 가중치 연산부(122)는 연산된 공분산(R₁)을 기초로 테플리츠 행렬을 생성한다. 구체적으로 가중치 연산부(122)는 상술한 수학식 8에 따라서 소정의 행렬 형태로 표현된 공분산(R₁)을 기초로 테플리츠 행렬 형태의 근사 행렬을 생성한다. 미리 설명한 바와 같이 테플리츠 행렬은 역행렬의 연산이 간단하여 역행렬 연산 프로세스를 적은 리소스를 소모하여 신속하게 처리할 수 있다.

가중치 연산부(122)는 근사 행렬의 역행렬을 연산한 후, 연산된 역행렬을 이용하여 변환 초음파 신호 가중치(β)를 연산한다. 이 경우 상술한 수학식 9가 이용될 수 있다.

가중치 연산부(122)는 변환 초음파 신호 가중치(β)를 기초로 초음파 신호 가중치(ω)를 연산한다. 이 경우 상술한 수학식 11에 따라 초음파 신호 가중치(ω)를 연사하도록 할 수 있다. 즉, 변환 초음파 신호 가중치(β)와 변환 함수(V)를 가중합하여 초음파 신호 가중치(ω)를 연산 및 획득할 수 있다.

여기서 이용되는 변환 함수(V)는 변환 함수 데이터베이스(130)로부터 읽어들일 수 있다. 이때 독출되는 변환 함수(V)는 변환부(121)에서 변환 초음파 신호(u)를 연산하기 위해 사용한 변환 함수(V)와 동일한 변환 함수(V)일 수도 있고, 필요에 따라서 다른 변환 함수(V)일 수도 있다.

연산된 초음파 신호 가중치(ω)는 합성부(123)로 전달된다.

합성부(123)는 초음파 신호(x)와 초음파 신호 가중치(ω)를 이용하여 빔 포밍된 초음파 신호(z)를 생성한다. 합성부(123)는 초음파 신호(x)와 초음파 신호 가중치(ω)를 가중합하여 빔 포밍된 초음파 신호(z)를 생성할 수 있으며, 이 경우 상술한 수학식 12가 이용될 수 있다.

변환 함수 선택부(124)는 사용자나 시스템 관리자에 의해 미리 정의된 설정 또는 별도의 입력부(i)를 통해 입력되는 사용자의 선택에 따라서 변환 함수 데이터베이스(130)로부터 변환부(121) 및 가중치 연산부(122) 중 어느 하나 또는 양자 모두에서 사용되는 변환 함수(V)를 선택하도록 한다. 이 경우 도 9에 도시된 시스템 제어부(200)가 적절한 제어 명령을 생성하고 생성된 제어 명령을 변환 함수 선택부(124)로 전달하여, 변환 함수 선택부(124)가 소정의 변환 함수(V)를 선택하도록 할 수도 있다.

상술한 변환부(121), 가중치 연산부(122) 및 합성부(123) 등을 이용하여 집속부(120)는 시차 보정된 초음파 신호(x)를 기초로 빔 포밍된 초음파 신호(z)를 생성하여 출력할 수 있게 된다. 빔 포밍부(100)에서 출력되는 빔 포밍된 초음파 신호(z)는 도 9에 도시된 바와 같이 영상 처리부(220)로 전달된다.

도 13은 빔 포밍부(100)의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다. 도 13에 도시된 바와 같이 집속부(120)는 변환부(121), 가중치 연산부(122), 합성부(123) 및 변환 함수 선택부(124)를 포함하고 있을 수 있다.

도 13에 도시된 바에 의하면 도 12를 통해 설명한 바와 동일하게 변환부(121)는 시차보정부(110)에서 전달된 시차가 보정된 초음파 신호(x)를 소정의 변환 함수(V)에 따라 변환하도록 한다. 여기서 변환부(121)는 가중치 연산부(122)에 변환 초음파 신호(u)를 전달하면서, 합성부(123)에도 변환 초음파 신호(u)를 전달한다.

가중치 연산부(122)는 변환 신호에 대한 공분산을 연산하고, 연산된 공분산에 근사한 테플리츠 행렬을 생성한 후, 생성된 테플리츠 행렬을 이용하여 변환 신호(u)에 대한 가중치인 변환 초음파 신호 가중치(β)를 연산한다. 여기서 가중치 연산부(122)는 변환 초음파 신호 가중치(β)를 합성부(123)로 전달한다. 도 12를 참조하여 설명한 실시예와는 다르게 가중치 연산부(122)는 변환 초음파 신호 가중치(β)를 이용하여 초음파 신호 가중치(ω)를 연산하지는 않는다.

합성부(123)는 변환부(121)에서 전달된 변환 초음파 신호(u)와 변환 초음파 신호 가중치(β)를 이용하여 빔 포밍된 초음파 신호(z)를 생성한다. 구체적으로 합성부(123)는 변환 초음파 신호(u)와 변환 초음파 신호 가중치(β)를 상술한 수학식 13을 이용하여 가중합하여 빔 포밍된 초음파 신호(z)를 생성할 수 있다. 이 경우 수학식 14를 통해 설명한 바와 같이 도 12의 실시예와 동일한 빔 포밍된 초음파 신호(z)를 합성부(123)가 출력하게 된다.

빔 포밍부(100)가 도 12 및 도 13을 통해 설명한 바와 같이 초음파 신호(x)를 집속하여 빔 포밍된 초음파 신호를 출력하면 출력된 빔 포밍된 초음파 신호는 도 9에 도시된 바와 같이 영상 처리부(220)로 전달된다.

초음파 영상 장치의 영상처리부(220)는 빔 포밍된 초음파 신호(z)를 기초로 사용자, 예를 들어 의사나 환자 등이 시각적으로 피사체, 예를 들어 인체의 내부를 확인할 수 있는 형태로 영상화하여 초음파 영상을 생성한다.

영상처리부(220)는 실시예에 따라서 소정의 점 확산 함수(PSF, point spread function)을 이용하여 빔 포밍된 초음파 신호(z)를 기초로 원래의 영상과 동일하거나 유사한 초음파 영상을 복원하도록 할 수도 있다.

또한 영상처리부(220)는 복원된 초음파 영상에 대해 별도의 추가적인 영상 처리를 더 수행할 수도 있다. 예를 들어 영상처리부(220)는 초음파 영상의 대조도(contrast)나 명암(brightness) 또는 선예도(sharpness)를 보정하거나 또는 재조정하는 등의 영상 후처리(post-processing)를 더 수행할 수도 있다. 이 경우 영상처리부(220)는 생성된 초음파 영상의 일부분만을 더 강조하거나 또는 약화시키도록 영상 처리를 수행할 수도 있다. 또한 만약 복수의 초음파 영상이 생성된 경우에는 영상처리부(220)는 복수의 초음파 영상을 이용하여 입체 초음파 영상을 생성할 수도 있을 것이다. 이와 같은 영상처리부(220)의 추가적인 영상 처리는 기정해진 설정에 따라 수행될 수도 있고, 입력부(i)를 통해 입력되는 사용자의 지시 또는 명령에 따라 더 수행될 수도 있다.

영상 처리부(220)에서 복원되거나 또는 별도의 영상 처리가 수행된 초음파 영상은 저장부(221) 또는 디스플레이부(d)로 전달된다.

저장부(221)는 영상처리부(220)에서 생성한 초음파 영상 또는 추가적인 후처리가 수행된 초음파 영상을 일시적 또는 비일시적으로 저장한다.

디스플레이부(d)는 영상처리부(220)에서 생성되거나 저장부(221)에 저장된 초음파 영상을, 사용자의 요청이나 시스템 설정 등에 따라 사용자에게 표시하여 사용자가 피사체(ob) 내부의 구조나 조직 등을 시각적으로 확인할 수 있도록 한다. 이 경우 디스플레이부(d)는 생성된 초음파 영상을 실시간(real-time)으로 사용자에게 표시하도록 할 수도 있다.

초음파 영상 장치의 본체부(m)는 초음파 발생 제어부(210)를 포함하고 있을 수 있다. 초음파 발생 제어부(210)는 일 실시예에 의하면 시스템 제어부(200) 등의 명령에 따라서 펄스 신호를 생성하여 초음파 발생부(p11)에 전달하여 초음파 발생부(p11)가 펄스 신호에 따라 초음파를 생성하도록 한다. 생성된 초음파는 피사체(ob)로 조사된다. 또한 초음파 발생 제어부(210)는 다른 실시예에 의하면 시스템 제어부(200) 등의 제어 명령에 따라서 전원(211)에 대한 별도의 제어 신호를 생성하도록 할 수 있다. 전원 (211)은 초음파 발생 제어부(210)의 제어에 따라서 초음파 발생부(p11)로 소정의 교류 전류를 인가하여 초음파 발생부(p11)의 압전 소자나 박막 등이 진동하도록 함으로써 초음파 발생부(p11)가 초음파를 발생시키도록 한다.

초음파 영상 장치의 본체부(m)는 시스템 제어부(200)를 포함하고 있을 수 있다. 시스템 제어부(220)는 상술한 초음파 탐침부(p), 빔 포밍부(100), 초음파 발생 제어부(210), 영상처리부(220), 저장부(221) 및 디스플레이부(d) 등 초음파 영상 장치의 전반적인 동작을 제어하도록 한다.

실시예에 따라서 시스템 제어부(220)는 미리 정해진 시스템 설정에 따라서 초음파 영상 장치의 동작을 제어하도록 할 수도 있고, 별도의 입력부(i)를 통해 입력되는 사용자의 지시 또는 명령에 따라서 소정의 제어 명령을 생성한 후 초음파 영상 장치의 동작을 제어하도록 할 수 있다.

입력부(i)는 초음파 영상 장치의 제어를 위해 사용자로부터 소정의 지시나 명령을 입력 받는다. 입력부(i)는 예를 들어 키보드(keyboard), 마우스(mouse), 트랙볼(trackball) 또는 터치스크린(touch screen) 등과 같은 다양한 사용자 인터페이스를 포함하고 있을 수 있다.

이하 도 14를 참조하여 상술한 초음파 영상 장치를 제어하는 방법에 대해 설명하도록 한다. 도 14는 초음파 영상 장치를 제어하는 방법의 일 실시예에 대한 흐름도이다.

도 14에 도시된 바와 같이 먼저 대상체(ob) 내부의 목표 부위에 초음파 조사 초점(focus)이 맞춰져 목표 부위로 초음파가 조사되면 조사된 초음파는 목표 부위에서 반사된다. 반사된 초음파, 즉 에코 초음파는 초음파 프로브에 의해 수신된다.(s520)

초음파 프로브는 에코 초음파를 전기적 신호로 변환하여 초음파 신호(x)를 획득하도록 한다. 구체적으로 상술한 초음파 트랜스듀서(p10)가 에코 초음파를 전기적 신호로 변환한다.(s521)

각각의 초음파 트랜스듀서(p10)가 수신한 각각의 초음파 신호(x) 사이에는 상술한 바와 같이 시간차가 존재하기 때문에 먼저 초음파 신호의 시간차가 보정된다.(s522) 이 경우 먼저 입력되는 초음파 신호를 일정 시간 동안 지연시킨 뒤에 출력하도록 하는 방법이 이용될 수 있다.

시간 지연된 초음파 신호(x)에 따라서 초음파 신호(x)에 적절한 변환 함수(V)가 결정된다.(s523) 그러면 결정된 변환 함수(V)에 따라 초음파 신호(x)가 변환되어 변환 초음파 신호(u)가 생성된다.(s524)

변환된 초음파 신호(u)에 대한 공분산(R)이 연산된다.(s524) 이 경우 상술한 수학식 5가 이용될 수 있을 것이다. 연산된 공분산(R)을 테플리츠 행렬의 형태로 근사화한다.(s525) 이 경우 수학식 8을 참조하여 설명한 바와 같이 테플리츠 행렬 형태의 근사 행렬이 연산될 수 있다.

근사 행렬을 이용하여 초음파 신호에 대한 가중치를 연산한다.(s526) 상세하게는 먼저 테플리츠 행렬 형태의 근사 행렬의 역행렬을 연산한 후, 수학식 9를 이용하여 변환 초음파 신호 가중치(β)를 연산한다. 그리고 변환 초음파 신호 가중치(β)에 변환 함수(V)를 수학식 11과 같이 부가하여 초음파 신호 가중치(ω)를 연산한다.

연산된 초음파 신호 가중치(ω)와 초음파 신호(x)를 가중합하여(s527) 빔 포밍된 초음파 신호(z)를 생성하여 출력한다.(s528) 이후 출력된 빔 포밍된 초음파 신호(z)를 이용하여 초음파 영상을 생성하도록 한다.(s529)

상술한 방법에 의하면 빔 포밍의 연산량을 크게 감소시킬 수 있다. O(M)은 기존 빔 포밍 방법의 복잡성(complexity)을 의미할 때, 최소 분산법을 이용하는 빔 포밍 방법에 의한 복잡성은 O(M³)으로 주어진다. 최소 분산법을 이용하는 빔 포밍 방법의 연산량은 O(M³)과 동일하거나 정비례한다. 여기서 예를 들어 최소 분산법을 이용하는 빔 포밍에 있어서 입력되는 초음파 신호의 채널 수가 128개라고 하자. 그러면 필요한 연산량은 하기의 수학식 17과 같이 주어진다.

한편 상술한 바와 같은 빔 포밍 방법을 이용하는 경우에는 빔 포밍 방법에 의한 복잡성은 O(M²)로 주어진다. 따라서 연산량은 하단의 수학식 18과 같이 주어진다.

따라서 연산량이 급격히 줄어들었음을 알 수 있다. 만약 상술한 변환 함수(V)가 초음파 신호의 차원을 감소시키는 변환 함수인 경우에는 그 연산량은 더욱 더 줄어든다. 예를 들어 변환 함수(V)에 의해 감소된 차원이 10차원인 경우 연산량을 하기의 수학식 19와 같이 주어진다.

만약 상술한 변환 함수(V)가 초음파 신호의 차원을 감소시키는 변환 함수이고, 상술한 바와 같은 빔 포밍부(100)를 이용하는 경우이며, 변환 함수에 의해 변환된 차원이 10차원이라면 연산량은 하기의 수학식 20과 같이 주어질 것이다.

그러므로 최소 분산법만을 이용한 적응형 빔 포밍 방법보다 더욱 연산량이 감소됨을 알 수 있다. 따라서 고속, 고성능의 적응형 빔 포밍 방법을 구현할 수 있게 된다. 그에 따라 초음파 영상을 사용자에게 실시간으로 표시할 수도 있게 되는 것이다.

이상 상술한 빔 포머 또는 빔 포밍 방법이 적용된 일 실시예로서 초음파 영상 장치에 대해 설명하였으나, 상술한 빔 포머 또는 빔 포밍 방법의 적용 대상은 단지 초음파 영상 장치에 한정되는 것은 아니며, 빔 포밍을 필요로 하는 다른 여타의 장치, 예를 들어 레이더 장치나 음파 탐지 장치, 또한 음향 신호 처리 분야의 어레이 마이크로폰(array microphone)이나 어레이 스피커(array speaker 또는 어레이 안테나(array antenna) 등 역시 상술한 빔 포머 또는 빔 포밍 방법이 적용될 수 있다.

10 : 변환부 20 : 가중치 연산부
30 : 합성부 40 : 변환 함수 선택부
50 : 변환 함수 데이터베이스 100 : 빔 포밍부
110 : 시차 보정부 120 : 집속부
121 : 변환부 122 : 가중치 연산부
123 : 합성부 200 : 시스템 제어부
210 : 초음파 발생 제어부 220 : 영상처리부
221 : 저장부

Claims

입력 신호를 변환하여 획득한 변환 신호에 대한 공분산(covariace)을 연산하고, 상기 연산된 공분산을 테플리츠 행렬(Teoplitz matrix) 형태로 근사화하고, 상기 근사화한 결과를 기초로 상기 입력 신호에 대한 가중치인 입력 신호 가중치 또는 상기 변환 신호에 대한 가중치인 변환 신호 가중치를 연산하는 가중치 연산부; 및
상기 입력 신호에 대한 입력 신호 가중치 또는 상기 변환 신호에 대한 변환 신호 가중치를 이용하여 결과 신호를 생성하는 합성부;
를 포함하는 빔 포머.
제1항에 있어서,
상기 가중치 연산부는, 상기 연산된 공분산을 테플리츠 행렬 형태로 근사화하여 근사 행렬을 연산하고, 상기 연산된 근사 행렬의 역변환을 획득한 후 상기 획득된 근사 행렬의 역변환을 이용하여 상기 변환 신호 가중치를 연산하는 빔 포머.
제1항에 있어서,
상기 가중치 연산부는, 하기의 수학식 1에 따라 상기 변환된 신호에 대한 연산된 공분산을 테플리츠 행렬 형태로 근사화하여 상기 근사 행렬을 연산하는 빔 포머.

[수학식 1]

여기서
이고,
는 상기 변환 신호에 대한 공분산 R의 l행, m열 원소이고,
는 상기 근사 행렬의 m번째 대각선(diagonal)의 값이며, L은 상기 변환 신호에 대한 공분산 R의 행의 개수.
제2항에 있어서,
상기 가중치 연산부는 하기의 수학식 2에 따라 상기 변환 신호에 대한 변환 신호 가중치를 연산하는 빔 포머.
　
[수학식 2]

여기서 β는 상기 변환 신호에 대한 변환 신호 가중치,
은 상기 근사 행렬, v₁은 조향 벡터.
제4항에 있어서,
상기 조향 벡터 v₁은, 상기 적어도 하나의 변환 함수 V를 이용하여 변환된 조향 벡터인 빔 포머.
제1항에 있어서,
상기 변환 신호 가중치는, 상기 입력 신호에 대한 입력 신호 가중치의 최적값을 연산하기 위해 상기 적어도 하나의 변환 함수에 부가되는 가중치인 빔 포머.
제1항에 있어서,
상기 변환부는 하기의 수학식 3에 따라 상기 변환 신호를 연산하는 빔 포머.
　
[수학식 3]

여기서 u는 변환 신호이고, V는 변환 함수이며, x는 입력 신호.　
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 변환 함수는, 최소 분산(minimum variance)에 따라 연산된 상기 입력 신호 가중치의 최적값에 대한 주성분 분석을 통해 획득된 기저 벡터의 조합으로 형성된 빔 포머.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 변환 함수는, 상기 입력 신호의 차원을 감소시키는 빔 포머.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 변환 함수는, 적어도 하나의 직교 기저 벡터를 기초로 형성된 빔 포머.
제10항에 있어서,
상기 적어도 하나의 직교 기저 벡터는 고유 벡터(eigenvector) 또는 푸리에 기저 벡터(Fourier basis vector)인 빔 포머.
피사체로 초음파를 조사하고 피사체로부터 반사되는 초음파 신호를 수신하고 수신된 초음파를 변환하여 초음파 신호를 출력하는 초음파 탐침부; 및
적어도 하나의 변환 함수를 이용하여 초음파 신호를 변환하여 변환된 초음파 신호를 생성하고, 상기 변환된 초음파 신호에 대한 공분산을 연산하고, 상기 연산된 공분산을 테플리츠 행렬 형태로 근사화하고, 상기 근사화한 결과를 기초로 상기 초음파 신호에 대한 가중치인 입력 신호 가중치 또는 상기 변환 신호에 대한 가중치인 변환 신호 가중치를 연산한 후, 상기 초음파 신호에 대한 초음파 신호 가중치 또는 상기 변환 신호 가중치를 이용하여 빔 포밍을 수행하는 빔 포밍부;
를 포함하는 초음파 영상 장치.
　
제12항에 있어서,
상기 연산된 공분산을 테플리츠 행렬 형태로 근사화하여 근사 행렬을 연산하고, 상기 연산된 근사 행렬의 역변환을 획득한 후 상기 획득된 근사 행렬의 역변환을 이용하여 상기 변환 신호 가중치를 연산하는 초음파 영상 장치.
제12항에 있어서,
상기 빔 포밍부는, 상기 초음파 탐침부에서 출력된 복수의 초음파 신호 사이의 시간차를 보정하여 시간차가 보정된 복수의 초음파 신호를 생성하고, 상기 시간차가 보정된 복수의 초음파 신호를 변환하여 복수의 변환된 초음파 신호를 생성하는 초음파 영상 장치.
제12항에 있어서,
상기 빔 포밍부는, 하기의 수학식 1에 따라 상기 변환된 신호에 대한 연산된 공분산을 테플리츠 행렬 형태로 근사화하여 근사 행렬을 연산하는 초음파 영상 장치.
[수학식 1]

여기서
이고,
는 상기 변환 신호에 대한 공분산 R의 l행, m열 원소이고,
는 상기 근사 행렬의 m번째 대각선(diagonal)의 값이며, L은 상기 변환 신호에 대한 공분산 R의 행의 개수.
　제15항에 있어서,
상기 빔 포밍부는, 하기의 수학식 2에 따라 상기 변환된 초음파 신호에 대한 변환 초음파 신호 가중치를 연산하는 초음파 영상 장치.
　
[수학식 2]

여기서 β는 상기 변환된 초음파 신호에 대한 변환 초음파 신호 가중치,
은 상기 근사 행렬, v₁은 조향 벡터.
입력 신호를 적어도 하나의 변환 함수를 이용하여 변환하여 획득된 변환 신호에 대한 공분산을 연산하는 공분산 연산 단계;
상기 연산된 공분산을 테플리츠 행렬 형태로 근사화하는 근사화 단계;
상기 근사화한 결과를 기초로 상기 입력 신호에 대한 입력 신호 가중치 또는 상기 변환 신호에 대한 변환 신호 가중치를 연산하는 가중치 연산 단계;
상기 입력 신호에 대한 입력 신호 가중치 또는 상기 변환 신호 가중치를 이용하여 결과 신호를 생성하는 결과 신호 생성 단계;
를 포함하는 빔 포밍 방법.
　
제17항에 있어서,
상기 근사화 단계는 상기 연산된 공분산을 테플리츠 행렬 형태로 근사화하여 근사 행렬을 연산하는 단계인 빔 포밍 방법.
제18항에 있어서,
상기 근사화 단계는 하기의 수학식 1에 따라 상기 변환 신호에 대한 연산된 공분산을 테플리츠 행렬 형태로 근사화하여 근사 행렬을 연산하는 빔 포밍 방법.

[수학식 1]

여기서
이고,
는 상기 변환 신호에 대한 공분산 R의 l행, m열 원소이고,
는 상기 근사 행렬의 m번째 대각선(diagonal)의 값이며, L은 상기 변환 신호에 대한 공분산 R의 행의 개수.
제18항에 있어서,
상기 가중치 연산 단계는, 상기 근사 행렬의 역변환을 연산하는 단계; 및
상기 연산된 근사 행렬의 역변환을 이용하여 상기 변환 신호 가중치를 연산하는 단계;
를 포함하는 빔 포밍 방법.
제20항에 있어서,
상기 가중치 연산 단계는 하기의 수학식 2에 따라 상기 변환 신호에 대한 변환 신호 가중치를 연산하는 빔 포밍 방법.

[수학식 2]

여기서 β는 상기 변환 신호에 대한 변환 신호 가중치,
은 상기 근사 행렬, v₁은 조향 벡터.
제17항에 있어서,
상기 적어도 하나의 변환 함수는, 최소 분산법에 따라 연산된 상기 입력 신호에 대한 가중치인 입력 신호 가중치의 최적값에 대한 주성분 분석을 통해 획득된 기저 벡터의 조합으로 형성된 빔 포밍 방법.
　　　
목표 부위로 초음파를 조사하고 목표 부위에서 반사되는 에코 초음파를 수신하고 수신된 에코 초음파를 변환하여 초음파 신호를 획득하는 초음파 신호 획득 단계;
상기 획득한 초음파 신호 사이의 시간차를 보정하여 시간차가 보정된 초음파 신호를 생성하는 시간차 보정 단계;
상기 시간차가 보정된 초음파 신호를 변환하는 신호 변환 단계;
상기 변환된 초음파 신호에 대한 공분산을 연산하는 공분산 연산 단계;
상기 연산된 공분산을 테플리츠 행렬 형태로 근사화하는 근사화 단계;
상기 근사화한 결과를 기초로 상기 초음파 신호에 대한 초음파 신호 가중치 또는 상기 변환된 초음파 신호에 대한 변환 초음파 신호 가중치를 연산하는 가중치 연산 단계; 및
상기 변환 초음파 신호 가중치를 이용하여 빔 포밍된 초음파 신호를 생성하는 빔 포밍된 초음파 신호 생성 단계;
를 포함하는 초음파 영상 장치의 제어 방법.
제23항에 있어서,
상기 근사화 단계는 상기 연산된 공분산을 테플리츠 행렬 형태로 근사화하여 근사 행렬을 연산하는 단계이고,
상기 가중치 연산 단계는, 상기 근사 행렬의 역변환을 연산하고, 상기 연산된 근사 행렬의 역변환을 이용하여 상기 변환 신호 가중치를 연산하는 단계인 초음파 영상 장치의 제어 방법.