KR20150050728A - 초음파 영상 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

초음파 영상 장치는, 대상체로부터 반사된 에코 초음파를 수신하여 전기적 신호로 변환하는 초음파 프로브; 상기 변환된 신호를 빔 포밍하여 출력하는 빔 포밍부; 상기 출력된 신호에 대응하는 초음파 영상에 기초하여 제 1 점 확산 함수(Point Spread Function; PSF)를 추정하고, 상기 제 1 점 확산 함수를 이용하여 상기 초음파 영상의 상황 변수를 판단하고, 상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 제 2 점 확산 함수를 추정하고, 상기 제 2 점 확산 함수를 이용하여 상기 초음파 영상에 대한 복원 영상을 생성하는 영상 복원부; 및 상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 상기 복원 영상을 필터링하여 출력하는 영상 필터링부; 를 포함할 수 있다.
이와 같은 초음파 영상 장치 및 그 제어 방법을 통하여 초음파 영상 분석을 통해 입력 신호의 주파수 정도를 인지하여, 영상 복원 시 사용되는 PSF의 형태와 영상 필터링 시 사용되는 필터의 모양을 적응적으로 변화시킬 수 있고, 따라서 고해상도 영상을 획득할 수 있다.

Description

초음파 영상 장치 및 그 제어 방법{Ultrasound imaging apparatus and control method for the same}
초음파 영상 분석을 통해 영상 복원과 필터링을 실행하는 초음파 영상 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
초음파 영상 장치(Ultrasound imaging apparatus)는 대상체 표면에서 대상체로 초음파를 조사하고 대상체로부터 반사된 초음파, 즉 에코 초음파를 검출하여, 연부 조직의 단층이나 혈류와 같은 대상체 내부의 피검 부위에 대한 영상을 생성함으로 필요한 피검 부위에 대한 정보를 제공한다.
초음파 영상 장치는 X선 장치, CT스캐너(Computerized Tomography Scanner), MRI(Magnetic Resonance Image), 핵의학 진단 장치 등의 다른 영상진단 장치와 비교할 때, 소형이고 저렴하며, 무침습 및 비파괴 특성을 가지고 있어 산부인과 진단을 비롯하여, 심장, 복부, 비뇨기과 진단을 위해 널리 이용되고 있다.
초음파 영상 장치는 대상체의 초음파 영상을 얻기 위하여 초음파 발생 수단인 프로브(Probe)를 이용한다. 프로브는 적어도 하나의 트랜스듀서(Transducer)를 포함하여 트랜스듀서별로 초음파를 대상체로 송신하고, 대상체로부터 에코 초음파를 수신하는데, 트랜스듀서에 수신되는 에코 초음파의 시간차를 극복하기 위하여 빔 포밍(beam forming) 과정이 수행된다. 초음파 영상 장치는 빔 포밍이 수행된 후의 신호에 기초하여 대상체의 초음파 영상을 획득하게 된다.
초음파 영상 분석을 통해 영상 복원과 필터링을 실행하는 초음파 영상 장치 및 초음파 영상 장치를 제어하는 방법을 제공한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 초음파 영상 장치 및 초음파 영상 장치의 제어 방법이 제공된다.
초음파 영상 장치는, 대상체로부터 반사된 에코 초음파를 수신하여 전기적 신호로 변환하는 초음파 프로브; 상기 변환된 신호를 빔 포밍하여 출력하는 빔 포밍부; 상기 출력된 신호에 대응하는 초음파 영상에 기초하여 제 1 점 확산 함수(Point Spread Function; PSF)를 추정하고, 상기 제 1 점 확산 함수를 이용하여 상기 초음파 영상의 상황 변수를 판단하고, 상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 제 2 점 확산 함수를 추정하고, 상기 제 2 점 확산 함수를 이용하여 상기 초음파 영상에 대한 복원 영상을 생성하는 영상 복원부; 및 상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 상기 복원 영상을 필터링하여 출력하는 영상 필터링부; 를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 상황 변수는 주파수 성분을 포함할 수 있다.
그리고 상기 영상 복원부는, 상기 제 1 점 확산 함수의 모양(shape)으로 상기 초음파 영상의 상황 변수를 판단하는 초음파 영상 장치일 수 있다.
상기 영상 복원부는, 상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 위상 파라미터를 선택하고, 상기 선택된 위상 파라미터를 이용하여 제 2 점 확산 함수를 추정하는 초음파 영상 장치일 수도 있다.
초음파 영상 장치의 상기 영상 필터링부는, 상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 필터 파라미터를 선택하고, 상기 선택된 필터 파라미터를 이용하여 복원 영상을 필터링할 수 있다.
이 때, 상기 영상 필터링부는, 상기 초음파 영상의 고주파 영역에 대해, 저역통과 필터(low pass filter)에 대응되는 필터 파라미터를 선택할 수 있다.
그리고 상기 영상 필터링부는, 상기 초음파 영상의 중주파 영역에 대해, 대역통과 필터(band pass filter)에 대응하는 필터 파라미터를 선택할 수도 있다.
상기 영상 필터링부는, 상기 초음파 영상의 저주파 영역에 대해, 고역통과 필터(high pass filter)에 대응하는 필터 파라미터를 선택하는 것도 가능하다.
초음파 영상 장치는, 주파수 성분에 따라 미리 설정된 적어도 하나의 위상 파라미터와 적어도 하나의 필터 파라미터를 저장하는 저장부; 를 더 포함할 수도 있다.
초음파 영상 장치의 제어 방법은, 초음파 영상에 기초하여 제 1 점 확산 함수(Point Spread Function; PSF)를 추정하는 단계; 상기 제 1 점 확산 함수를 이용하여 상기 초음파 영상의 상황 변수를 판단하는 단계; 상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 제 2 점 확산 함수를 추정하는 단계; 상기 제 2 점 확산 함수를 이용하여 상기 초음파 영상에 대한 복원 영상을 생성하는 단계; 상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 상기 복원 영상을 필터링하여 출력하는 단계;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 상황 변수는, 주파수 성분을 포함할 수 있다. 상기 제 1 점 확산 함수를 이용하여 상기 초음파 영상의 상황 변수를 판단하는 단계는, 상기 제 1 점 확산 함수의 모양(shape)으로 상기 초음파 영상의 상황 변수를 판단하는 것을 포함하는 초음파 영상 장치의 제어 방법일 수도 있다.
상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 제 2 점 확산 함수를 추정하는 단계는, 상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 위상 파라미터를 선택하고, 상기 선택된 위상 파라미터를 이용하여 제 2 점 확산 함수를 추정하는 것을 포함하는 초음파 영상 장치의 제어 방법일 수도 있다.
상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 상기 복원 영상을 필터링하여 출력하는 단계는, 상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 필터 파라미터를 선택하고, 상기 선택된 필터 파라미터를 이용하여 복원 영상을 필터링하는 것을 포함하는 초음파 영상 장치의 제어 방법도 가능하다.
상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 상기 복원 영상을 필터링하여 출력하는 단계는, 상기 초음파 영상의 고주파 영역에 대해, 저역통과 필터(low pass filter)에 대응되는 필터 파라미터를 선택하는 것을 포함할 수 있다.
상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 상기 복원 영상을 필터링하여 출력하는 단계는, 상기 초음파 영상의 중주파 영역에 대해, 대역통과 필터(band pass filter)에 대응하는 필터 파라미터를 선택하는 것을 포함할 수도 있다.
상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 상기 복원 영상을 필터링하여 출력하는 단계는, 상기 초음파 영상의 저주파 영역에 대해, 고역통과 필터(high pass filter)에 대응하는 필터 파라미터를 선택하는 것을 포함하는 것도 가능하다.
상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 제 2 점 확산 함수를 추정하는 단계는, 주파수 성분에 따라 미리 설정된 적어도 하나의 위상 파라미터를 저장하는 위상 파라미터 데이터베이스(Data Base)에서 상기 위상 파라미터를 선택하는 것을 포함하는 초음파 영상 장치의 제어 방법일 수 있다.
상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 상기 복원 영상을 필터링하여 출력하는 단계는, 주파수 성분에 따라 미리 설정된 적어도 하나의 필터 파라미터를 저장하는 필터 파라미터 데이터베이스(Data Base)에서 상기 필터 파라미터를 선택하는 것을 포함하는 초음파 영상 장치의 제어 방법일 수도 있다.
이와 같은 초음파 영상 장치 및 그 제어 방법에 의하면, 초음파 영상 분석을 통해 입력 신호의 주파수 정도를 인지하여, 영상 복원 시 사용되는 PSF의 형태와 영상 필터링 시 사용되는 필터의 모양을 적응적으로 변화시킬 수 있고, 따라서 고해상도 영상을 획득할 수 있다.
도 1은 초음파 영상 장치의 일 실시예에 따른 사시도이다.
도 2는 초음파 영상 장치의 일 실시예에 따른 제어 블럭도이다.
도 3은 송신 빔포머(360)를 예시한 구성도이다.
도 4는 수신 빔포머(370)을 도신한 구성도이다.
도 5a는 대상체의 목표 부위에 대한 원 영상과 초음파 영상 간의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 5b는 목표 부위에 대한 초음파 영상과 복원 영상 간의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a의 좌측 및 우측에는 목표 부위에 대한 원 영상 및 초음파 영상이 각각 예시되어 있다.
도 6b의 좌측 및 우측에는 서로 다른 깊이를 가지는 목표 부위들에 대한 원 영상 및 초음파 영상이 각각 예시되어 있다.
도 7은 영상 복원부의 일 실시예에 따른 블럭도이다.
도 8은 초음파 영상을 예시한 도면이다.
도 9a 내지 도 9c는 도 8에 예시된 초음파 영상에 기초하여 추정된 제 1 PSF의 그래프이다.
도 10은 필터 파라미터 DB를 예시한 도면이다.
도 11에는 도 8에 예시된 초음파 영상의 저주파 영역에 대해, 복원 영상과 필터링된 영상이 각각 도시되어 있다.
도 12에는 도 8에 예시된 초음파 영상의 고주파 영역에 대해, 복원 영상과 필터링된 영상이 각각 도시되어 있다.
도 13에는 초음파 영상과 필터링까지 수행된 결과 영상이 각각 도시되어 있다.
도 14는 초음파 영상 장치의 제어 방법의 일 실시예에 따른 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 초음파 영상 장치 및 초음파 영상 장치의 제어 방법을 후술된 실시예들에 따라 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 초음파 영상 장치의 일 실시예에 따른 사시도이다.
도 1에 도시한 바와 같이 초음파 영상 장치(100)는 프로브(200), 본체(300), 입력부(710), 디스플레이부(720)을 포함할 수 있다.
프로브(200)에는 케이블의 일단이 연결되며, 케이블의 타단에는 수 커넥터(male connector; 미도시)가 연결될 수 있다. 케이블의 타단에 연결된 수 커넥터는 본체(300)의 암 커넥터(female connector; 미도시)와 물리적으로 결합할 수 있다.
프로브(200)는 적어도 하나의 트랜스듀서(transducer; T)를 포함하고, 이를 이용하여 초음파 신호를 대상체로 송신하고, 대상체로부터 반사된 에코(echo) 초음파를 수신할 수 있다. 적어도 하나의 트랜스듀서(T)는 도 1에 도시된 바와 같이 적어도 하나의 열을 형성하며 프로브(200)의 일 말단에 구비될 수 있다.
여기서 대상체는 인간이나 동물의 생체, 또는 혈관, 뼈, 근육 등과 같은 생체 내 조직일 수도 있으나 이에 한정되지는 않으며, 초음파 영상 장치(100)에 의해 그 내부 구조가 영상화 될 수 있는 것이라면 대상체가 될 수 있다.
그리고 트랜스듀서의 중심을 기준으로 직각을 이루는 세방향을 축 방향(axis dirextion; A), 측 방향(lateral direction; L), 고도 방향(elevation direction; E)으로 각각 정의할 수 있다. 구체적으로, 초음파가 조사되는 방향을 축 방향(A)으로 정의하고, 트랜스듀서가 열을 형성하는 방향을 측 방향(L)으로 정의하며, 축 방향 및 측 방향과 수직한 나머지 한 방향을 고도 방향(E)으로 정의할 수 있다.
본체(300)는 초음파 영상 장치(100)의 주요 구성요소 예를 들어, 송신 신호 생성부(도 3의 361)를 수납할 수 있다. 검사자가 초음파 진단 명령을 입력하는 경우, 송신 신호 생성부(361)는 송신 신호를 생성하여 프로브(200)로 전송할 수 있다.
본체(300)에는 하나 이상의 암 커넥터(female connector; 미도시)가 구비될 수 있으며, 케이블과 연결된 수 커넥터(male connector; 미도시)와 물리적으로 결합되어 본체(300)와 프로브(200)가 상호간에 발생한 신호를 서로 송수신 할 수 있도록 한다. 예를 들어, 송신 신호 생성부(361)에 의해 생성된 송신 신호는 본체(300)의 암 커넥터와 연결된 수 커넥터 및 케이블을 거쳐 프로브(200)로 전송될 수 있다.
또한, 본체(300)의 하부에는 초음파 영상 장치(100)를 특정 장소에 고정시키거나, 특정 방향으로 이동시킬 수 있는 복수의 캐스터(caster)가 장착될 수도 있다.
입력부(710)는 사용자로부터 초음파 영상 장치(100)의 동작과 관련된 명령을 입력 받을 수 있는 부분이다. 예를 들어, 사용자는 입력부(210)를 통해 초음파 진단 시작, 진단 부위 선택, 진단 종류 선택, 출력되는 영상에 대한 디스플레이 모드의 선택 등을 수행하기 위한 명령을 입력할 수 있다. 그리고 입력부(710)에서 입력 받은 명령은 유선 통신이나 무선 통신을 통해 본체(300)로 전송될 수 있다.
여기서, 사용자는 초음파 영상 장치(100)를 이용하여 대상체의 진단을 수행하는 자로서 의사, 방사선사, 간호사 등을 포함하는 의료진일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 초음파 영상 장치(100)를 사용하는 자이면 모두 사용자가 될 수 있는 것으로 한다. 그리고, 디스플레이 모드는 A-모드(Amplitude mode), B-모드(Brightness mode), D-모드(Doppler mode), E-모드(Elastography mode), 및 M-모드(Motion mode) 등이 그 예가 될 수 있다.
입력부(710)는 키보드, 마우스, 트랙볼, 터치 스크린, 풋 스위치(foot switch) 및 풋 페달(foot pedal) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
입력부(710)는 도 1에서와 같이 본체(300)의 상부에 위치할 수도 있으나, 입력부(710)가 풋 스위치(foot switch) 및 풋 페달(foot pedal)등으로 구현되는 경우에는 본체(300)의 하부에 마련되는 것도 가능하다.
그리고 입력부(710)가 터치 스크린 등과 같이 GUI(Graphical User interface), 즉 소프트웨어적으로 구현되는 경우에는 후술할 디스플레이부(720)를 통해 디스플레이될 수 있다.
입력부(710)의 주변에는 프로브(200)를 거치하기 위한 프로브 홀더가 하나 이상 구비될 수 있다. 따라서 사용자는 초음파 영상 장치(100)를 사용하지 않을 때, 프로브 홀더에 프로브(200)를 거치하여 보관할 수 있다.
디스플레이부(720)는 초음파 진단 과정에서 얻어진 영상을 디스플레이 한다. 디스플레이부(720)는 사용자가 선택한 모드에 대응하여 영상을 디스플레이하고, 만약, 선택된 모드가 없다면 사용자가 사전에 설정해 놓은 기본 모드 예를 들어, B-모드 영상으로 디스플레이할 수 있다.
디스플레이부(720)는 도 1에서와 같이 본체(300)와 결합되어 장착될 수 있으나, 본체(300)와 분리 가능하도록 구현될 수도 있다. 그리고 도 1에 도시하지는 않았으나, 초음파 영상 장치(100)의 동작과 관련된 어플리케이션(예를 들면, 초음파 진단에 필요한 메뉴나 안내 사항)을 디스플레이하는 별도의 서브 디스플레이부를 포함할 수 있다.
디스플레이부(720)는 브라운관(Cathod Ray Tube: CRT)이나, 액정 표시 패널(Liquid Crystal Display: LCD), 유기 발광다이오드 표시장치(Light Emitting Diode: LED) 등으로 적용할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
도 2는 초음파 영상 장치의 일 실시예에 따른 제어 블럭도이다.
도 2를 참조하면, 초음파 영상 장치(100)는 프로브(200), 빔 포밍부(350), 제어부(400), 영상 처리부(500), 저장부(600), 입력부(710), 디스플레이부(720)에 의해 대상체 내부를 영상화 할 수 있다.
제어부(400)는 초음파 영상 장치(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(400)는 입력부(710)를 통해 입력된 지시나 명령에 대응하여 송신 빔포머(360), 수신 빔포머(370), 영상 처리부(500) 및 디스플레이부(720) 중 적어도 하나를 제어하기 위한 제어 신호를 생성할 수 있다. 경우에 따라 제어부(400)는 유선 통신 또는 무선 통신을 통해 외부 장치로부터 수신한 지시나 명령에 대응하여 각 구성요소를 제어하기 위한 제어 신호를 생성할 수도 있다.
프로브(200)는 적어도 하나의 트랜스듀서(T)를 구비하여, 초음파를 대상체로 송신하고, 대상체로부터 반사된 에코(echo) 초음파를 수신하며, 전기적 신호와 초음파를 상호 변환시킬 수 있다.
구체적으로, 프로브(200)가 외부 전원 장치나 또는 내부 축전 장치 예를 들면, 배터리 등과 같은 전원으로부터 전류을 공급받으면, 인가되는 전류에 따라 각각의 트랜스듀서가 진동하면서 초음파를 발생시키고, 외부의 대상체에 조사한다. 각 트랜스듀서는 대상체로부터 반사되어 돌아오는 에코 초음파를 다시 수신하고, 수신된 에코 신호에 따라 진동하면서 진동 주파수에 대응하는 주파수의 전류를 생성한다.
이 때 트랜스듀서(T)는 이용 방식에 따라 자성체의 자왜효과를 이용하는 자왜 초음파 트랜스듀서(Magnetostrictive Ultrasound Transducer)나, 미세 가동된 수백 또는 수천 개의 박막의 진동을 이용하여 초음파 신호를 송수신하는 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer: cMUT, 이하 cMUT라 칭함), 압전물질의 압전효과를 이용한 압전 초음파 트랜스듀서(Piezoelectric Ultrasonic Transducer) 등이 될 수 있다.
또한, 트랜스듀서(T)는 배열 방식에 따라 직선 배열(Linear array), 곡면 열(Convex array), 위상 배열(Phased arry), 동심원 배열(Sector array) 등의 트랜스듀서가 될 수 있으며, 이 때 배열 형태는 일렬로 배열되거나, 매트릭스 형태로 배열될 수 있다. 트랜스듀서가 일렬로 배열되는 경우에는 고도 방향으로 (elevation direction)으로 스윙시키며 복수의 초음파 영상을 획득할 수 있고, 매트릭스 형태로 배열되는 경우에는 한번의 초음파 송신으로 복수의 초음파 영상을 획득할 수 있게 되는 것이다.
그러나 상술한 예에 한정되는 것은 아니며, 당업계에 알려져 있는 임의의 다른 종류의 트랜스듀서로 구현될 수 있음은 물론이다.
빔 포밍부(350)는 송신 빔포머(360)와 수신 빔포머(370)를 포함하여, 아날로그 신호와 디지털 신호를 상호 변환하고, 적어도 하나의 트랜스듀서(T)가 송신하는 또는 적어도 하나의 트랜스듀서로부터 수신되는 초음파의 시간차를 조절할 수 있다.
이하 도 3 및 도 4를 참조하여 빔 포밍부(140)의 구조 및 동작을 구체적으로 설명하기로 한다. 도 3은 송신 빔포머(360)를 예시한 구성도이며, 도 4는 수신 빔포머(370)을 도신한 구성도이다.
도 3을 참조하면, 송신 빔포머(360)는 송신 신호 생성부(361), 시간 지연부(362)를 이용하여 송신 빔포밍(transmit beamforming)을 수행할 수 있다. 송신 빔포밍이란 적어도 하나의 트랜스듀서(T)에서 발생된 초음파를 초점(focal point)에 집속시키는 것을 말한다. 즉, 적어도 하나의 트랜스듀서(T)에서 발생된 초음파가 초점에 도달하는 시간 차이를 극복하기 위하여 적절한 순서를 정해서 트랜스듀서(T)에서 초음파를 발생시키는 것을 말한다.
좀 더 구체적으로, 송신 빔포머(360)의 송신 신호 생성부(361)가 제어부(400)의 제어 신호에 따라 적어도 하나의 트랜스듀서(T)에 송신 신호를 발생시킨다. 이 때, 송신 신호는 고주파 교류전류 형태로, 트랜스듀서의 개수에 대응되게 발생될 수 있다. 송신 신호 생성부(361)에서 발생된 송신 신호는 시간 지연부(362)로 전송된다.
시간 지연부(362)는 각각의 송신 신호에 시간 지연을 가하여, 대응되는 트랜스듀서(T)에 도달하는 시간을 조절할 수 있다. 시간 지연부(362)에 의해 시간 지연된 송신 신호가 트랜스듀서(T)에 인가되면, 트랜스듀서(T)는 송신 신호의 주파수에 대응하는 초음파를 발생시킨다. 각 트랜스듀서(T)에서 발생된 초음파는 초점(focal point)에서 집속(focusing)된다. 트랜스듀서(T)에서 발생된 초음파가 집속되는 초점의 위치는 송신 신호에 어떤 형태의 지연 패턴이 적용되었는지에 따라 달라질 수 있다.
도 3에는 5개의 트랜스듀서(t1, t2, t3, t4, t5)가 예시되어 있으며, 송신 신호들에 적용될 수 있는 3가지의 지연 패턴이 굵은 실선, 중간 굵기의 실선, 가는 실선으로 예시되어 있다.
만약, 송신 신호 생성부(361)에서 발생된 송신 신호들에 대해 굵은 실선과 같은 형태의 지연 패턴을 적용하는 경우, 각 트랜스듀서(t1~t5)에서 발생된 초음파는 제1 초점(F1)에서 집속된다.
그리고 송신 신호 생성부(361)에서 발생된 각 송신 신호에 대해 중간 굵기의 실선과 같은 형태의 지연 패턴을 적용하는 경우, 각 트랜스듀서(t1~t5)에서 발생된 초음파는 제1 초점(F1)보다 먼 제2 초점(F2)에서 집속된다.
또한 송신 신호 생성부(361)에서 발생된 각 송신 신호에 대해 가는 실선과 같은 형태의 지연 패턴을 적용하는 경우, 각 트랜스듀서(t1~t5)에서 발생된 초음파는 제2 초점(F2)보다 먼 제3 초점(F3)에서 집속된다.
상술한 바와 같이, 송신 신호 생성부(361)에서 발생된 송신 신호에 적용되는 지연 패턴에 따라 초점의 위치가 달라진다. 하나의 지연 패턴만을 적용하는 경우, 대상체에 조사되는 초음파는 고정된 초점에서 집속(fixed-focusing)되는 반면, 다른 지연 패턴을 적용하는 경우에는, 대상체로 조사되는 초음파는 여러 개의 초점에서 집속(multi-focusing)되는 것이다.
이처럼 각 트랜스듀서(T)에서 발생된 초음파는 한 지점에만 고정 집속되거나 여러 지점에 다중 집속되고, 집속된 초음파는 대상체 내부로 조사된다. 대상체 내부로 조사된 초음파는 대상체 내의 목표 부위에서 반사되고, 반사된 에코 초음파는 트랜스듀서(T)로 수신된다. 트랜스듀서(T)는 수신된 에코 초음파를 전기 신호로 변환하여 출력한다. 이 때, 변환된 전기적 신호를 수신 신호(S)라 정의할 수 있다. 트랜스듀서(T)에서 출력된 수신 신호(S)는 증폭 및 필터링된 후, 디지털 신호로 변환되어 수신 빔포머(370)로 제공된다.
도 4를 참조하면, 수신 빔포머(370)는 시차 보정부(372) 및 집속부(371)을 포함하여, 디지털 신호로 변환된 수신 신호(S)에 대해 수신 빔포밍(receive beamforming)을 수행할 수 있다. 수신 빔포밍이란 각 트랜스듀서(T)에서 출력되는 수신 신호(S)들 간에 존재하는 시차를 보정하여, 집속시키는 것을 말한다.
구체적으로, 시차 보정부(372)는 각 트랜스듀서(T)에서 출력된 수신 신호들을 일정 시간 동안 지연시켜 수신 신호들이 동일한 시간에 집속부(371)로 전달될 수 있도록 한다.
그리고 집속부(371)는 시차 보정부(372)에 의해 시차가 보정된 수신 신호(S)들을 하나로 집속할 수 있다. 집속부(371)는 입력되는 수신 신호마다 소정의 가중치 예를 들어, 빔포밍 계수를 부가하여 소정의 수신 신호를 다른 수신 신호(S)에 비하여 강조 또는 감쇄시켜 집속할 수 있다. 집속된 수신 신호는 영상 처리부(500)로 제공되는데, 이와 같이 영상 처리부(500)에 제공되는 신호를 입력 신호(I)라 정의할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 영상 처리부(500)는 영상 복원부(510), 영상 필터링부(530)를 포함 할 수 있으며, 저장부(600)는 영상 복원부(510)에 제공되는 위상 파라미터를 저장하는 위상 파라미터 DB(Data Base)(610), 영상 필터링부(530)에 제공되는 필터 파라미터를 저장하는 필터 파라미터 DB(Data Base)(620)를 포함할 수 있다.
영상 복원부(510)는 점 확산 함수(Point Spread Function; 이하 PSF라 칭함)를 추정하고, 추정된 점 확산 함수에 기초하여 디콘볼루션(deconvolution)을 수행함으로써 목표 부위의 원 영상에 가까운 복원 영상을 획득한다. 원 영상, 복원 영상을 비롯하여 영상 복원부(510)에 대한 보다 구체적인 설명을 위해 도 5a 내지 도 9c를 참조하기로 한다.
도 5a는 대상체의 목표 부위에 대한 원 영상과 초음파 영상 간의 관계를 설명하기 위한 도면이며, 도 5b는 목표 부위에 대한 초음파 영상과 복원 영상 간의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a에는 원 영상(fR)과 초음파 영상(gR)이 좌측과 우측에 차례로 도시되어 있다. 도 5b에는 초음파 영상(gR)과 복원 영상(f)이 좌측과 우측에 차례로 도시되어 있다. 원 영상(fR)은 대상체의 목표 부위에 대해 획득하고자 하는 이상적인 영상(ideal image)을 의미하며, 초음파 영상(gR)은 전술한 입력 신호(I)에 대응하는 영상을 의미한다. 그리고 복원 영상(f)은 초음파 영상(gR)을 원 영상(fR)에 가깝게 복원한 영상을 말한다.
입력 신호(I)는 프로브(200)에 의한 초음파 송수신과 빔 포밍부(350)에 의한 빔 포밍 과정을 거쳐 제공된 신호이다. 즉, 입력 신호(I)는 프로브(200)나 빔 포밍부(350) 등의 기술적 성질이나 물리적 특성으로 인하여 변형되고, 여기에 잡음(noise)이 부가된 신호이다. 따라서, 입력 신호(I)에 기초하여 생성된 초음파 영상(gR)은 도 5a에 도시된 바와 같이 원 영상(fR) 에 비해 경계가 흐리고 잡음이 섞여 있는, 즉 원 영상(fR)에 비해 저하(degradation)된 화질을 갖게 된다. 도 6a 및 도 6b를 참조하여, 원 영상과 초음파 영상 간의 관계를 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 6a의 좌측 및 우측에는 목표 부위에 대한 원 영상 및 초음파 영상이 각각 예시되어 있다. 도 6a에 도시되어 있듯이, 원 영상에서 목표 부위가 점으로 표시된다면, 초음파 영상에서 목표 부위는 상하 및 좌우로 퍼진 모양으로 표시된다. 이러한 차이 즉, 원 영상과 초음파 영상 간의 차이는 목표 부위의 깊이가 깊어질수로 커진다. 이 때, 깊이가 깊어지는 방향은 축 방향의 증가 방향으로 정의될 수 있다.
도 6b의 좌측 및 우측에는 서로 다른 깊이를 가지는 목표 부위들에 대한 원 영상 및 초음파 영상이 각각 예시되어 있다. 도 6b에 도시되어 있듯이, 프로브(200)로부터 가까운 곳에 위치한 목표 부위는 원 영상의 목표 부위와 유사한 형태로 표시된다. 그러나, 프로브(200)로부터 먼 곳에 위치한 목표 부위는 원 영상의 목표 부위와 상당히 다른 형태로 표시되는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 프로브(200)나 빔 포밍부(350) 등의 기술적 성질이나 물리적 특성, 그리고 잡음(noise)에 의해 화질이 저하된 초음파 영상(gR)이 생성된다. 이 때, 프로브(200)나 빔 포밍부(350) 등의 기술적 성질이나 물리적 특성으로 인한 변형을 점 확산 함수 hR로 표현하고, 잡음(noise)을 w로 표현하면, 원 영상(fR)과 초음파 영상(gR)과의 관계는 공간 영역(spatial domain)에서 하기의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서, fR은 원 영상, gR은 초음파 영상, hR은 점 확산 함수, w는 잡음을 의미하며, 연산 *는 컨볼루션(convolution)을 의미한다.
만약, 잡음이 없다고 가정하면, 초음파 영상(gR)은 원 영상(fR)과 점 확산 함수(hR)의 컨볼루션으로 표현할 수 있다. 따라서, 점 확산 함수(hR)를 알 수 있으면, 초음파 영상(gR)과 점 확산 함수(hR)를 디컨볼루션(deconvolution)하여 초음파 영상(gR)에 대응되는 원 영상(fR)을 얻을 수 있게 된다.
그러므로 도 5b에 도시된 바와 같이 영상 복원부(510)는 적절한 점 확산 함수(h)를 추정하고, 추정된 점 확산 함수(h)와 초음파 영상(g)의 디컨볼루션을 수행함으로써 목표 부위의 원 영상(fR)과 동일하거나 유사한 복원 영상(f)을 획득하는 것이다. 복원 영상(h)의 획득을 위한 영상 복원부(510)의 구성은 도 7를 참조할 수 있다. 도 7은 영상 복원부의 일 실시예에 따른 블럭도이다.
영상 복원부(510)는 도 7에 도시된 바와 같이 PSF 추정부(511), 영상 분석부(512), 디컨볼루션부(513)를 포함할 수 있다.
PSF 추정부(511)는 입력 신호에 대응하는 초음파 영상에 대해 제 1 PSF 및 제 2 PSF를 추정할 수 있다. 이 때, 추정되는 제 1 PSF와 제 2 PSF 각각은 적어도 하나의 점 확산 함수들의 집합으로, 1차원 점 확산 함수만을 포함할 수도 있고, 2차원 점 확산 함수만을 포함할 수도 있다. 또한 1차원 점 확산 함수 및 2차원 점 확산 함수를 모두 포함하고 있는 것도 가능하다. 실시예에 따라서는 3차원이나 4차원 등의 더 높은 차원의 점 확산 함수들을 포함하고 있을 수도 있다.
1차원 점 확산 함수를 추정하는 방식의 한 예로 ARMA(Autoregressive Moving Average) 방식이 이용될 수 있다. 이와 같은 1차원 점 확산 함수 추정은 빠른 시간 안에 이루어질 수 있다는 장점이 있다.
그리고 2차원 점 확산 함수를 추정하는 방식의 한 예로는 켑스트럼(Cepstrum) 방식이 이용될 수 있다. 켑스트럼 방식은 공간 영역(spatial domain)에서의 초음파 영상을 켑스트럼 영역(Cepstrum domain)으로 전환한 다음, 켑스트럼 영역에서 2차원 점 확산 함수를 추정하는 방식이다.
이와 같은 켑스트럽 방식은 초음파 영상의 크기 정보만을 고려하여 2차원 점 확산 함수를 추정하는 방식과, 초음파 영상의 크기 정보 및 위상 정보를 모두 고려하여 2차원 점 확산 함수를 추정하는 방식으로 분류된다. 크기 정보만을 고려하여 추정하는 방식은 추정 속도를 높일 수 있고, 크기 및 위상 정보를 모두 고려하여 추정하는 방식은 추정의 정확도를 높일 수 있다.
PSF 추정부(511)는 상술한 방식 등을 이용하여 1차원 점 확산 함수나 복수차원 점 확산 함수를 추정할 수 있으나, 이하에서는 설명의 편의를 위해 켑스트럼 방식을 이용하여 2차원 점 확산 함수를 추정하는 것으로 하여 상술하도록 한다.
먼저, PSF 추정부(511)는 초음파 영상의 크기 정보만를 이용하여 제 1 PSF를 추정할 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명을 위해 하기의 수학식 2 내지 수학식 6을 참조하기로 한다.
Figure pat00002
여기서, gR은 수학식 1의 초음파 영상을 의미하고, DFT는 이산 퓨리에 변환(Discrete Fourier Transform)을, log는 로그(logarithm) 함수를 각각 의미한다.
즉, 수학식 2는 수학식 1의 초음파 영상(gR)에서 잡음(w)을 제거하고, 이산 퓨리에 변환(DFT)을 수행한 후, 로그 함수를 이용하여 선형 형태로 바꾸고, 다시 역 이산 퓨리에 변환(Inverse Discrete Fourier Transform; IDFT)을 수행하여 켑스트럼 영역으로 변환한다.
Figure pat00003
수학식 3은 버터워스 필터(butterworth filter)를 이용하여 수학식 2에서 표현된 켑스트럼 영역상의 초음파 영상
Figure pat00004
으로부터 켑스트럼 영역상의 점 확산 함수인
Figure pat00005
를 구한다.
Figure pat00006
수학식 4는 수학식 3에서 구해진 켑스트럼 영역상의 점 확산 함수
Figure pat00007
를 다시 공간 영역의 점 확산 함수인 h1으로 변환시킨다. 여기서, exp는 지수함수(exponential function)을 의미한다.
PSF 추정부(511)는 상술한 수학식 2 내지 수학식 4의 과정을 통해 얻어진 h1를 제 1 PSF으로 추정할 수 있다.
Figure pat00008
Figure pat00009
수학식 5는 수학식 3의 점 확산 함수
Figure pat00010
에 윈도우 amin 을 적용시켜 새로운 점 확산 함수
Figure pat00011
을 얻는다. 따라서,
Figure pat00012
는
Figure pat00013
와 마찬가지로 켑스트럼 영역에서의 점 확산 함수가 된다.
Figure pat00014
Figure pat00015
수학식 6은 수학식 3의 점 확산 함수
Figure pat00016
에 윈도우 amax 을 적용시켜 또 다른 점 확산 함수
Figure pat00017
을 얻는다. 마찬가지로,
Figure pat00018
는 켑스트럼 영역에서의 점 확산 함수가 된다.
PSF 추정부(511)는 상술한 수학식 5와 수학식 6의
Figure pat00019
과
Figure pat00020
이 공간 영역으로 전환된 hmin 또는 hmax 를 제 1 PSF으로 추정할 수 있다.
상술한 바에 따라 얻어진 점 확산 함수 h1, hmin, hmax 는 초음파 영상의 크기 정보만을 고려한 것이다. 따라서, PSF 추정부(511)는 제 1 PSF를 고속으로 추정할 수 있다. 다만, 추정의 정확도를 높이기 위해 제 1 PSF를 기초로 하여 제 2 PSF를 다시 추정할 수 있다.
이에 대한 구체적인 설명에 앞서 도 7에 도시된 영상 분석부(512)와 저장부(600)의 위상 파라미터 DB(610)에 대해 상술하기로 한다.
먼저, 영상 분석부(512)는 PSF 추정부(511)에서 추정된 제 1 PSF를 이용하여 초음파 영상의 상황 변수를 분석할 수 있다.
여기서 초음파 영상의 상황 변수는, 초음파 영상의 생성을 위한 프로브의 종류, 프로브와 목표 부위 사이의 거리(즉, 목표 부위의 깊이), 초음파의 속도(음속) 등과, 생성된 초음파 영상의 주파수 성분 등을 포함할 수 있다. 다만, 설명의 편의를 위해 이하에서는 초음파 영상의 상황 변수를 초음파 영상의 주파수 성분으로 하여 상술하기로 한다.
초음파 영상의 주파수 성분을 분석하는 과정은 도 8 내지 도 9c를 참조하여 상술할 수 있다. 도 8은 초음파 영상을 예시한 도면이고, 도 9a 내지 도 9c는 도 8에 예시된 초음파 영상에 기초하여 추정된 제 1 PSF의 그래프이다.
더 구체적으로, 도 9a는 도 8의 초음파 영상에서 FR1 영역에 대응되는 제 1 PSF의 그래프이고, 도 9b는 도 8의 초음파 영상에서 FR2 영역에 대응되는 제 1 PSF의 그래프이며, 도 9c는 도 8의 초음파 영상에서 FR3 영역에 대응되는 제 1 PSF의 그래프이다. 그리고 도 9a 내지 도 9c의 오른쪽 상단은 2차원 점 확산 함수의 그래프를, 왼쪽 하단은 1차원 점 확산 함수의 그래프(2차원 점 확산 함수의 측 방향에 대한 단면 그래프)이다.
도 9a 내지 도 9c를 비교하면, FR2 영역에 대응되는 2차원 점 확산 함수의 상하, 좌우로의 퍼짐 정도는, FR3 영역에 대응되는 2차원 점 확산 함수의 퍼짐 정도에 비해 작으나, FR1 영역에 대응되는 2차원 점 확산 함수의 퍼짐 정도에 비해서는 크다.
마찬가지로, FR2 영역에 대응되는 1차원 점 확산 함수의 좌우로의 퍼짐 정도(w2)는, FR3 영역에 대응되는 1차원 점 확산 함수의 퍼짐 정도(w3)에 비해 작으나, FR1 영역에 대응되는 1차원 점 확산 함수의 퍼짐 정도에 비해서는 크다.
영상 분석부(512)는 제 1 PSF의 모양 또는 퍼짐 정도를 비교하여, 제 1 PSF의 퍼짐 정도가 작은 FR1 영역은 고주파 영역인 것으로, 제 1 PSF의 퍼짐 정도가 큰 FR3 영역은 저주파 영역인 것으로, 그리고 제 1 PSF의 퍼짐 정도가 중간인 FR2 영역은 중주파 영역인 것으로 판단할 수 있다. 여기서 고주파 영역은 고주파 성분이 많은 영역을 의미하고, 저주파 영역은 저주파 성분이 많은 영역을 의미한다.
다음으로, 위상 파라미터 DB(610)는 주파수 성분에 따라 미리 설정된 위상 파라미터를 저장할 수 있다. 여기서, 위상 파라미터는 제 1 PSF에 기초하여, 새로운 점 확산 함수의 집합인 제 2 PSF를 추정하는데 필요한 위상 정보로 정의될 수 있다.
구체적으로, 고주파에 대한 위상 파라미터는
Figure pat00021
, 중주파에 대한 위상 파라미터는
Figure pat00022
, 저주파에 대한 위상 파라미터는
Figure pat00023
으로 미리 설정되어 있다고 할 때, 위상 파라미터 DB(610)는 미리 설정된 바와 동일하게 고주파의 위상 파라미터는
Figure pat00024
, 중주파의 위상 파라미터는
Figure pat00025
, 저주파의 위상 파라미터는
Figure pat00026
으로 저장할 수 있다.
이와 같은 위상 파라미터 DB(610)는 롬(Read Only Memory: ROM), 피롬(Programmable Read Only Memory: PROM), 이피롬(Erasable Programmable Read Only Memory: EPROM), 플레시 메모리와 같은 비휘발성 메모리 소자, 또는 램(Random Access Memory: RAM)과 같은 휘발성 메모리 소자, 또는 하드 디스크, 광 디스크와 같은 저장 장치로 구현될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 당업계에 알려져 있는 임의의 다른 형태로 구현될 수도 있다.
PSF 추정부(511)는 초음파 영상의 주파수 성분에 기초하여 위상 파라미터 DB(610)로부터 위상 파라미터를 선택하고, 선택된 위상 파라미터를 이용하여 제 2 PSF를 추정할 수 있다.
도 8에 도시된 초음파 영상을 다시 참조하면, FR1 영역은 고주파 영역이므로, PSF 추정부(511)는 위상 파라미터 DB(610)에 저장된 위상 파라미터 중 고주파에 대응되는 위상 파라미터
Figure pat00027
를 선택한다. 그리고 FR2 영역은 중주파 영역이므로, PSF 추정부(511)는 위상 파라미터 DB(610)에 저장된 위상 파라미터 중 중주파에 대응되는 위상 파라미터
Figure pat00028
를 선택한다. 마찬가지로, FR3 영역은 저주파 영역이므로, PSF 추정부(511)는 위상 파라미터 DB(610)에 저장된 위상 파라미터 중 저주파에 대응되는 위상 파라미터
Figure pat00029
를 선택한다.
상술한 바와 같이 적어도 하나의 위상 파라미터를 선택하면, PSF 추정부(511)는 선택된 위상 파라미터를 계수(coefficient)로 하여 제 2 PSF를 추정한다. 이에 대한 구체적인 설명을 위해 하기에 예시된 수학식들을 참조하기로 한다.
Figure pat00030
여기서
Figure pat00031
는 위상 파라미터이고,
Figure pat00032
는 수학식 5를 통해 얻어진 켑스트럼 영역의 제 1 PSF이며,
Figure pat00033
은 수학식 6을 통해 얻어진 켑스트럼 영역의 제 1 PSF이다.
초음파 영상의 고주파 영역은
Figure pat00034
를 계수로 하여, 즉 위상 파라미터
Figure pat00035
에
Figure pat00036
를 대입시켜 점 확산 함수
Figure pat00037
를 구한다. 이렇게 구해진
Figure pat00038
를
Figure pat00039
로 정의할 수 있다. 중주파 영역은
Figure pat00040
를 계수로 하여 점 확산 함수
Figure pat00041
를 구하고, 이렇게 구해진
Figure pat00042
를
Figure pat00043
로 정의할 수 있다. 그리고 저주파 영역은
Figure pat00044
를 계수로 하여
Figure pat00045
를 구하고, 이렇게 구해진 점 확산 함수
Figure pat00046
를
Figure pat00047
로 정의할 수 있다. 이 때,
Figure pat00048
,
Figure pat00049
,
Figure pat00050
는 켑스트럼 영역에서의 점 확산 함수가 된다.
Figure pat00051
수학식 8은 수학식 7에서 구해진 켑스트럼 도메인의 점 추정 함수
Figure pat00052
를 공간 영역의 점 확산 함수인 h2으로 변환한다. 이와 같이, 수학식 7에서 구해진
Figure pat00053
를 공간 영역으로 변환한 점 확산 함수를 h21으로 정의하고,
Figure pat00054
를 공간 영역으로 변환한 점 확산 함수를 h22으로 정의하고,
Figure pat00055
를 공간 영역으로 변환한 점 확산 함수를 h23으로 정의할 수 있다.
PSF 추정부(511)는 상술한 수학식 7 내지 수학식 8의 과정을 통해 얻어진 적어도 하나의 h2를 제 2 PSF으로 추정할 수 있다. 구체적으로, PSF 추정부(511)는 h21 를 고주파 영역에 대응하는 제 2 PSF로, h22 를 중주파 영역에 대응하는 제 2 PSF로, h23 를 저주파 영역에 대응하는 제 2 PSF로 각각 추정할 수 있다.
상술한 바와 같이, PSF 추정부(511)는 제 1 PSF와 위상 파라미터를 이용하여 제 2 PSF를 추정한다. 즉, PSF 추정부(511)는 초음파 영상의 크기 정보와 위상 정보를 모두 고려하여 제 2 PSF를 추정한다. 따라서, 제 2 PSF는 초음파 영상의 크기 정보만을 고려하여 추정된 제 1 PSF에 비해 이상적인 PSF에 가깝다.
PSF 추정부(511)가 제 2 PSF의 추정까지 완료하면, 도 7에 도시된 디컨볼루션부(512)가 제 2 PSF를 초음파 영상과 디컨볼루션(deconvolution)하여 초음파 영상에 대한 복원 영상을 생성한다.
예를 들어, 전술한 수학식 8을 통해 초음파 영상의 고주파 영역에 대해 h21 가, 중주파 영역에 대해 h22 가, 저주파 영역에 대해 h23 가 제 2 PSF로 각각 추정되었으므로, 디컨볼루션부(512)는 초음파 영상에서 고주파 영역은 h21와 디컨볼루션하고, 중주파 영역은 h22와 디컨볼루션하며, 저주파 영역은 h23와 디컨볼루션하여 전 영역에 대한 복원 영상을 생성한다.
도 2를 다시 참조하면, 영상 필터링부(530)은 초음파 영상의 주파수 성분에 기초하여 필터 파라미터 DB(620)로부터 필터 파라미터를 선택하고, 선택된 필터 파라미터를 이용하여 복원 영상을 필터링한다. 여기서, 필터 파라미터는 복원 영상의 필터링에 필요한 필터의 종류를 결정하는 인자로 정의될 수 있다.
도 10은 필터 파라미터 DB를 예시한 도면이다.
도 10에는 1 내지 8의 필터 파라미터가 저장된 필터 파라미터 DB(620)가 예시되어 있다. 1, 2, 3의 필터 파라미터를 선택하는 것은 저역통과 필터(Low Pass Filter; LPF)를 선택하는 것과 동일하고, 4, 5의 필터 파라미터를 선택하는 것은 대역통과 필터(Band Pass Filter; BPF)를 선택하는 것과 동일하며, 6, 7, 8의 필터 파라미터를 선택하는 것은, 고역통과 필터(High Pass Filter; HPF)를 선택하는 것과 동일하다. 그리고 1에 가까운 필터 파라미터를 선택할수록 저역통과 필터의 차단 주파수가 작아지며, 8에 가까운 필터 파라미터를 선택할수록 고역통과 필터의 차단 주파수가 커진다.
이와 같은 필터 파라미터 DB(620)는 위상 파라미터 DB와 마찬가지로 롬(Read Only Memory: ROM), 피롬(Programmable Read Only Memory: PROM), 이피롬(Erasable Programmable Read Only Memory: EPROM), 플레시 메모리와 같은 비휘발성 메모리 소자, 또는 램(Random Access Memory: RAM)과 같은 휘발성 메모리 소자, 또는 하드 디스크, 광 디스크, 그리고 당업계에 알려져 있는 임의의 다른 형태로 구현될 수 있다.
영상 필터링부(530)는 초음파 영상의 고주파 영역에 대해, 저역통과 필터에 대응되는 필터 파라미터를 선택한다. 따라서, 도 10의 예시에서는 1, 2, 3의 필터 파라미터를 선택한다. 그리고 영상 필터링부(530)는 초음파 영상의 중주파 영역에 대해, 대역통과 필터에 대응되는 필터 파라미터를 선택한다. 따라서, 도 10의 예시에서는 4, 5의 필터 파라미터를 선택한다. 또한, 영상 필터링부(530)는 초음파 영상의 저주파 영역에 대해, 고역통과 필터에 대응되는 필터 파라미터를 선택한다. 따라서, 도 10의 예시에서는 6, 7, 8의 필터 파라미터를 선택한다.
상술한 바와 같이 적어도 하나의 필터 파라미터를 선택하면, 영상 필터링부(530)는 선택된 필터 파라미터에 대응되는 필터를 복원 영상에 적용시킬 수 있다.
구체적으로, 복원 영상에서 초음파 영상의 고주파 영역과 대응되는 영역을 제 1영역으로, 복원 영상에서 초음파 영상의 중주파 영역과 대응되는 영역을 제 2영역으로, 복원 영상에서 초음파 영상의 저주파 영역과 대응되는 영역을 제 3영역으로 정의할 때, 영상 필터링부(530)는 제 1영역에 저역통과 필터를 적용시키고, 제 2영역에 대역통과 필터를 적용시키며, 제 3영역에 고역통과 필터를 적용시키는 것이다.
제 1영역에는 저역통과 필터가 적용되므로, 해상력이 과도하게 향상되거나 작은 반점(speckle)이 더욱 도드라져 보이는 현상을 방지할 수 있게 된다. 반면, 제 3 영역에는 고역통과 필터가 적용되므로, 작은 반점(speckle)이 과도하게 저감되는 현상을 방지할 수 있게 된다.
영상 필터링부(530)는 필터링된 결과 영상을 디스플레이부(720)에 출력한다.
도 11에는 도 8에 예시된 초음파 영상의 저주파 영역에 대해, 복원 영상과 필터링된 영상이 각각 도시되어 있다.
구체적으로, 도 11의 (a)에는 저주파 영역(FR3 영역)과 제 2 PSF의 디컨볼루션으로 생성된 FR3 영역의 복원 영상이 도시되어 있으며, 도 11의 (b)에는 도 11의 (a)의 복원 영상에 고역통과 필터가 적용되어 생성된 FR3 영역의 결과 영상이 도시되어 있다. 도 11의 (b)에는 작은 반점(speckle)이 과도하게 저감되는 현상이 없으며, 도 11의 (a)에 비해 해상력도 향상되었다.
도 12에는 도 8에 예시된 초음파 영상의 고주파 영역에 대해, 복원 영상과 필터링된 영상이 각각 도시되어 있다.
구체적으로, 도 12의 (a)에는 고주파 영역(FR1 영역)과 제 2 PSF의 디컨볼루션으로 생성된 FR1 영역의 복원 영상이 도시되어 있으며, 도 12의 (b)에는 도 12의 (a)의 복원 영상에 고역통과 필터가 적용되어 생성된 FR1 영역의 결과 영상이 도시되어 있다. 도 12의 (b)는 도 11의 (a)와 비교할 때, 해상력이 과도하게 향상되거나 작은 반점(speckle)이 과도하게 도드라져 보이는 현상이 비교적 적다.
도 13에는 초음파 영상과 필터링까지 수행된 결과 영상이 각각 도시되어 있다. 즉, 도 13의 (a)에는 초음파 영상이, 도 13의 (b)에는 결과 영상이 도시되어 있다.
도 13을 참조하면, 초음파 영상의 저주파 영역이 결과 영상에서 해상력이 향상되었으며, 초음파 영상의 고주파 영역이 결과 영상에서 부드러운 형태로 변환되었다. 즉, 해상력이 전 영역에서 균일한 결과 영상이 출력될 수 있다.
이상으로 초음파 영상 장치의 구성 및 각 구성의 역할을 실시예들을 바탕으로 설명하였으며, 이하에서는 주어진 흐름도를 참조하여 초음파 영상 장치의 제어 방법을 살펴보기로 한다.
도 14는 초음파 영상 장치의 제어 방법의 일 실시예에 따른 흐름도이다.
먼저, 초음파 영상이 입력된다(800).
초음파 영상은 전술한 바와 같이 입력 신호(I)에 대응되는 영상이다. 따라서, 초음파 영상은 프로브(200)나 빔 포밍부(350) 등의 기술적 성질이나 물리적 특성으로 인하여 변형되고, 여기에 잡음(noise)이 부가된 영상이다. 즉, 초음파 영상은 저하(degradation)된 화질을 갖게 된다.
입력된 초음파 영상에 기초하여 제 1 PSF를 추정한다(810).
점 확산 함수의 추정에서, 공간 영역(spatial domain)에서의 초음파 영상을 켑스트럼 영역(Cepstrum domain)으로 전환한 다음, 켑스트럼 영역에서 2차원 점 확산 함수를 추정하는 방식, 즉 켑스트럼 방식이 적용될 수 있다. 켑스트럼 방식으로 점 확산 함수를 추정할 때, 제 1 PSF는 초음파 영상의 크기 정보만를 고려하여 추정될 수 있다.
제 1 PSF를 이용하여 초음파 영상의 상황 변수를 판단한다(820).
여기서, 상황 변수는 주파수 성분을 포함할 수 있다. 따라서, 제 1 PSF의 모양 또는 퍼짐 정도를 비교하여, 제 1 PSF의 퍼짐 정도가 작은 영역은 고주파 영역인 것으로, 제 1 PSF의 퍼짐 정도가 큰 영역은 저주파 영역인 것으로, 그리고 제 1 PSF의 퍼짐 정도가 중간인 영역은 중주파 영역인 것으로 판단할 수 있다.
초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 위상 파라미터 및 필터 파라미터를 선택한다(830).
위상 파라미터를 선택 방법의 한 예는 다음과 같다. 초음파 영상의 고주파 영역에 대해, 위상 파라미터 DB(610)에 저장된 위상 파라미터 중 고주파에 대응되는 위상 파라미터
Figure pat00056
를 선택한다. 그리고 중주파 영역에 대해, 위상 파라미터 DB(610)에 저장된 위상 파라미터 중 중주파에 대응되는 위상 파라미터
Figure pat00057
를 선택한다. 마찬가지로, 저주파 영역에 대해, 위상 파라미터 DB(610)에 저장된 위상 파라미터 중 저주파에 대응되는 위상 파라미터
Figure pat00058
를 선택한다.
또한, 필터 파라미터를 선택 방법의 한 예는 다음과 같다. 초음파 영상의 고주파 영역에 대해, 필터 파라미터 DB(620)에 저장된 필터 파라미터 중 저역통과 필터에 대응되는 필터 파라미터를 선택한다. 그리고 중주파 영역에 대해, 필터 파라미터 DB(620)에 저장된 필터 파라미터 중 대역통과 필터에 대응되는 필터 파라미터를 선택한다. 마찾가지로, 저주파 영역에 대해, 필터 파라미터 DB(620)에 저장된 필터 파라미터 중 고역통과 필터에 대응되는 필터 파라미터를 선택한다.
선택된 위상 파라미터를 이용하여 제 2 PSF를 추정한다(840).
예를 들어, 전술한 수학식 7에서 초음파 영상의 고주파 영역은
Figure pat00059
를 계수로 하여, 즉 위상 파라미터
Figure pat00060
에
Figure pat00061
를 대입시켜 점 확산 함수
Figure pat00062
를 구하고, 중주파 영역은
Figure pat00063
를 계수로 하여 점 확산 함수
Figure pat00064
를 구하며, 저주파 영역은
Figure pat00065
를 계수로 하여 점 확산 함수
Figure pat00066
를 구한다.
이 때,
Figure pat00067
,
Figure pat00068
,
Figure pat00069
는 켑스트럼 영역에서의 점 확산 함수이다. 따라서, 전술한 수학식 8을 이용하여
Figure pat00070
를 공간 영역으로 변환한 점 확산 함수 h21,
Figure pat00071
를 공간 영역으로 변환한 점 확산 함수 h22,
Figure pat00072
를 공간 영역으로 변환한 점 확산 함수를 h23을 각각 획득한다. 이와 같이 획득된 h21 를 고주파 영역에 대응하는 제 2 PSF로, h22 를 중주파 영역에 대응하는 제 2 PSF로, h23 를 저주파 영역에 대응하는 제 2 PSF로 각각 추정할 수 있다.
즉, 켑스트럼 방식으로 점 확산 함수를 추정할 때, 제 2 PSF는 초음파 영상의 크기 정보와 위상 정보를 모두 고려하여 추정될 수 있다. 따라서, 제 2 PSF는 초음파 영상의 크기 정보만을 고려하여 추정된 제 1 PSF에 비해 이상적인 PSF에 가깝게 된다.
제 2 PSF가 추정되면, 추정된 제 2 PSF를 이용하여 복원 영상을 생성한다(850).
다시 말하면, 제 2 PSF를 초음파 영상과 디컨볼루션(deconvolution)하여 초음파 영상에 대한 복원 영상을 생성한다. 즉, 840단계에서 예시한 바에 따라 획득된 제 2 PSF, 즉, h21, h22, h23를 그에 대응되는 초음파 영상의 주파수 영역과 각각 디컨볼루션하는 것이다. 구체적으로, 고주파 영역에 대응하여 획득된 h21는 초음파 영역에서 고주파 영역과 디컨볼루션하고, 중주파 영역에 대응하여 획득된 h22는 초음파 영역에서 중주파 영역과 디컨볼루션하며, 저주파 영역에 대응하여 획득된 h23는 초음파 영역에서 저주파 영역과 디컨볼루션하여 전 영역에 대한 복원 영상을 생성한다.
그리고 830단계에서 선택된 필터 파라미터를 이용하여 복원 영상을 필터링하고 출력한다(860).
복원 영상에서 초음파 영상의 고주파 영역과 대응되는 영역을 제 1영역으로, 복원 영상에서 초음파 영상의 중주파 영역과 대응되는 영역을 제 2영역으로, 복원 영상에서 초음파 영상의 저주파 영역과 대응되는 영역을 제 3영역으로 정의할 때, 제 1영역에는 저역통과 필터가 적용되고, 제 2영역에는 대역통과 필터가 적용되며, 제 3영역에는 고역통과 필터가 적용되는 것이다. 이와 같이 영역별로 필터링된 영상을 디스플레이부로 출력하여 사용자가 대상체 내부의 결과 영상을 확인할 수 있게 한다.
여기서, 결과 영상은 도 13을 통해 설명한 바와 같이 초음파 영상에 비해 저주파 영역의 해상력이 향상되고, 고주파 영역의 형태가 부드럽게 변환된 것으로, 사용자의 초음파 진단에 도움을 줄 수 있다.
이상과 같이 예시된 도면을 참조로 하여, 초음파 영상 장치 및 초음파 영상 장치의 제어 방법의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시 될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
200 : 초음파 프로브 350 : 빔 포밍부
360 : 송신 빔포머 370 : 수신 빔포머
400 : 제어부 510 : 영상 복원부
511 : PSF 추정부 512 : 영상 분석부
513 : 디컨볼루션부 530 : 영상 필터링부
600 : 저장부 610 : 위상 파라미터 DB
620 : 필터 파라미터 DB 710 : 입력부
720 : 디스플레이부

Claims (24)

  1. 대상체로부터 반사된 에코 초음파를 수신하여 전기적 신호로 변환하는 초음파 프로브;
    상기 변환된 신호를 빔 포밍하여 출력하는 빔 포밍부;
    상기 출력된 신호에 대응하는 초음파 영상에 기초하여 제 1 점 확산 함수(Point Spread Function; PSF)를 추정하고, 상기 제 1 점 확산 함수를 이용하여 상기 초음파 영상의 상황 변수를 판단하고, 상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 제 2 점 확산 함수를 추정하고, 상기 제 2 점 확산 함수를 이용하여 상기 초음파 영상에 대한 복원 영상을 생성하는 영상 복원부; 및
    상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 상기 복원 영상을 필터링하여 출력하는 영상 필터링부;
    를 포함하는 초음파 영상 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상황 변수는,
    주파수 성분을 포함하는 초음파 영상 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 복원부는,
    상기 제 1 점 확산 함수의 모양(shape)으로 상기 초음파 영상의 상황 변수를 판단하는 초음파 영상 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 복원부는,
    상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 위상 파라미터를 선택하고, 상기 선택된 위상 파라미터를 이용하여 제 2 점 확산 함수를 추정하는 초음파 영상 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 필터링부는,
    상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 필터 파라미터를 선택하고, 상기 선택된 필터 파라미터를 이용하여 복원 영상을 필터링하는 초음파 영상 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 영상 필터링부는,
    상기 초음파 영상의 고주파 영역에 대해, 저역통과 필터(low pass filter)에 대응되는 필터 파라미터를 선택하는 초음파 영상 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 영상 필터링부는,
    상기 초음파 영상의 중주파 영역에 대해, 대역통과 필터(band pass filter)에 대응하는 필터 파라미터를 선택하는 초음파 영상 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 영상 필터링부는,
    상기 초음파 영상의 저주파 영역에 대해, 고역통과 필터(high pass filter)에 대응하는 필터 파라미터를 선택하는 초음파 영상 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    주파수 성분에 따라 미리 설정된 적어도 하나의 위상 파라미터와 적어도 하나의 필터 파라미터를 저장하는 저장부;
    를 더 포함하는 초음파 영상 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 복원부는,
    상기 초음파 영상을 켑스트럼 영역(Cepstrum domain)으로 전환하고 켑스트럼 영역에서 2차원 점 확산 함수를 추정하는 켑스트럼(Cepstrum) 방식을 이용하여 제 1 점 확산 함수 및 제 2 점 확산 함수를 추정하는 초음파 영상 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 복원부는,
    상기 초음파 영상과 상기 추정된 제 2 점 확산 함수를 디컨볼루션하여 복원 영상을 생성하는 초음파 영상 장치.
  12. 초음파 영상에 기초하여 제 1 점 확산 함수(Point Spread Function; PSF)를 추정하는 단계;
    상기 제 1 점 확산 함수를 이용하여 상기 초음파 영상의 상황 변수를 판단하는 단계;
    상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 제 2 점 확산 함수를 추정하는 단계;
    상기 제 2 점 확산 함수를 이용하여 상기 초음파 영상에 대한 복원 영상을 생성하는 단계;
    상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 상기 복원 영상을 필터링하여 출력하는 단계;
    를 포함하는 초음파 영상 장치의 제어 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 상황 변수는,
    주파수 성분을 포함하는 초음파 영상 장치의 제어 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 점 확산 함수를 이용하여 상기 초음파 영상의 상황 변수를 판단하는 단계는,
    상기 제 1 점 확산 함수의 모양(shape)으로 상기 초음파 영상의 상황 변수를 판단하는 것을 포함하는 초음파 영상 장치의 제어 방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 제 2 점 확산 함수를 추정하는 단계는,
    상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 위상 파라미터를 선택하고, 상기 선택된 위상 파라미터를 이용하여 제 2 점 확산 함수를 추정하는 것을 포함하는 초음파 영상 장치의 제어 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 상기 복원 영상을 필터링하여 출력하는 단계는,
    상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 필터 파라미터를 선택하고, 상기 선택된 필터 파라미터를 이용하여 복원 영상을 필터링하는 것을 포함하는 초음파 영상 장치의 제어 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 상기 복원 영상을 필터링하여 출력하는 단계는,
    상기 초음파 영상의 고주파 영역에 대해, 저역통과 필터(low pass filter)에 대응되는 필터 파라미터를 선택하는 것을 포함하는 초음파 영상 장치의 제어 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 상기 복원 영상을 필터링하여 출력하는 단계는,
    상기 초음파 영상의 중주파 영역에 대해, 대역통과 필터(band pass filter)에 대응하는 필터 파라미터를 선택하는 것을 포함하는 초음파 영상 장치의 제어 방법.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 상기 복원 영상을 필터링하여 출력하는 단계는,
    상기 초음파 영상의 저주파 영역에 대해, 고역통과 필터(high pass filter)에 대응하는 필터 파라미터를 선택하는 것을 포함하는 초음파 영상 장치의 제어 방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 제 2 점 확산 함수를 추정하는 단계는,
    주파수 성분에 따라 미리 설정된 적어도 하나의 위상 파라미터를 저장하는 위상 파라미터 데이터베이스(Data Base)에서 상기 위상 파라미터를 선택하는 것을 포함하는 초음파 영상 장치의 제어 방법.
  21. 제 16 항에 있어서,
    상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 상기 복원 영상을 필터링하여 출력하는 단계는,
    주파수 성분에 따라 미리 설정된 적어도 하나의 필터 파라미터를 저장하는 필터 파라미터 데이터베이스(Data Base)에서 상기 필터 파라미터를 선택하는 것을 포함하는 초음파 영상 장치의 제어 방법.
  22. 제 12 항에 있어서,
    초음파 영상에 기초하여 제 1 점 확산 함수(Point Spread Function; PSF)를 추정하는 단계는,
    상기 초음파 영상을 켑스트럼 영역(Cepstrum domain)으로 전환하고 켑스트럼 영역에서 2차원 점 확산 함수를 추정하는 켑스트럼(Cepstrum) 방식을 이용하여 제 1 점 확산 함수를 추정하는 것을 포함하는 초음파 영상 장치의 제어 방법.
  23. 제 12 항에 있어서,
    상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 제 2 점 확산 함수를 추정하는 단계는,
    상기 초음파 영상을 켑스트럼 영역(Cepstrum domain)으로 전환하고 켑스트럼 영역에서 2차원 점 확산 함수를 추정하는 켑스트럼(Cepstrum) 방식을 이용하여 제 2 점 확산 함수를 추정하는 것을 포함하는 초음파 영상 장치의 제어 방법.
  24. 제 12 항에 있어서,
    상기 초음파 영상의 상황 변수에 기초하여 상기 복원 영상을 필터링하여 출력하는 단계는,
    상기 초음파 영상과 상기 추정된 제 2 점 확산 함수를 디컨볼루션하여 복원 영상을 생성하는 초음파 영상 장치의 제어 방법.
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