KR20160030753A - 송신 빔포밍 장치, 수신 빔포밍 장치, 이들을 포함하는 초음파 프로브 및 빔포밍 방법 - Google Patents

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Abstract

지연 해상도를 유동적으로 설정함으로써, 사용되는 데이터의 양을 감소시킬 수 있는 송신 빔포밍 장치, 수신 빔포밍 장치, 이들을 포함하는 프로브, 초음파 진단 장치 및 빔포밍 방법을 제공한다.
송신 빔포밍 장치는, 다중 초음파 트랜스듀서 엘리먼트를 통해 초음파 빔을 송신하는 송신 빔포밍 장치는, 각각의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에 대응되는 송신 신호에 지연 시간을 가하여 송신 신호 패턴을 형성하는 송신 빔포머; 및 상기 지연 시간을 가하기 위해 적용되는 지연 주파수(delay frequency)를 결정하는 송신 제어부;를 포함한다.

Description

송신 빔포밍 장치, 수신 빔포밍 장치, 이들을 포함하는 초음파 프로브 및 빔포밍 방법 {TRANSMIT BEAMFORMING APPARATUS, RECEIVE BEAMFORMING APPARATUS, ULTRASOUND PROBE HAVING THE SAME, AND METHOD FOR BEAMFORMING}
초음파 빔을 집속하는 송신 빔포밍 장치, 수신 빔포밍 장치, 이들을 포함하는 초음파 프로브 및 빔포밍 방법에 관한 것이다.
초음파 진단 장치는 대상체의 표면으로부터 체내의 목표 부위를 향하여 초음파 신호를 조사하고, 반사된 초음파 신호(초음파 에코신호)의 정보를 이용하여 연부조직의 단층 영상이나 혈류에 관한 영상을 무침습으로 얻는 장치이다.
초음파 진단 장치는 X선 영상 장치, 자기 공명 영상 장치, 핵의학 진단 장치 등의 다른 화상 진단 장치와 비교할 때, 소형이고 저렴하며, 실시간으로 영상을 표시할 수 있고, X선 등의 피폭이 없어 안전성이 높은 장점을 갖고 있어 심장, 복부, 비뇨기 및 산부인과 진단을 위해 널리 이용되고 있다.
체내에 초음파 신호를 조사하기 위해 전기적 신호와 초음파 신호를 상호 변환하는 트랜스듀서 어레이가 사용되는바, 트랜스듀서 어레이는 복수의 트랜스듀서 엘리먼트(element)로 이루어진다. 이 때, 복수의 트랜스듀서 엘리먼트에서 발생된 초음파 신호를 원하는 동일한 시간에 체내의 한 지점에 집속시키거나, 체내의 한 지점으로부터 반사되어 돌아오는 초음파 에코 신호가 각 트랜스듀서 엘리먼트에 도달하는 시간 차이를 극복하기 위해, 조사되는 초음파 신호 또는 수신되는 초음파 에코 신호에 적절한 시간 지연(delay time)을 주는 것을 빔포밍(beamforming)이라 한다.
빔포밍 방식에 따라 아날로그 빔포밍과 디지털 빔포밍으로 나눌 수 있다. 아날로그 빔포밍은 채널 별로 아날로그-디지털 변환기(ADC)를 구비할 필요가 없어 하드웨어를 소형화할 수 있다는 장점이 있다.
지연 해상도를 유동적으로 설정함으로써 아날로그 빔포밍 회로가 갖는 하드웨어 디자인의 복잡성과 빔포밍을 제어하는데 사용되는 데이터의 양을 감소시킬 수 있는 송신 빔포밍 장치, 수신 빔포밍 장치, 이들을 포함하는 초음파 프로브 및 빔포밍 방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 송신 빔포밍 장치는, 다중 초음파 트랜스듀서 엘리먼트를 통해 초음파 빔을 송신하는 송신 빔포밍 장치는, 상기 다중 초음파 트랜스듀서 엘리먼트 중 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에 대응되는 송신 신호에 지연 시간을 가하여 송신 신호 패턴을 형성하는 송신 빔포머; 및 상기 지연 시간을 가하기 위해 적용되는 지연 주파수(delay frequency)를 결정하는 송신 제어부;를 포함한다.
상기 송신 빔포밍 장치는, 상기 송신 신호의 출력 타이밍을 제어하는 송신 클럭 신호를 생성하는 클럭 발생기;를 더 포함할 수 있다.
상기 클럭 발생기는, 상기 지연 주파수에 동기되어 상기 송신 클럭 신호를 생성하는 송신할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 다중 초음파 트랜스듀서 엘리먼트가 2차원 어레이(2D array)인지 여부, 초점 깊이(focal depth), 활성화 초음파 트랜스듀서 엘리먼트의 개수, 스티어링(steering) 각도 및 구경(aperture)의 크기를 포함하는 파라미터 중 적어도 하나에 기초하여 상기 지연 주파수를 결정할 수 있다.
상기 송신 제어부는, 상기 초점 깊이가 길수록 상기 지연 주파수를 낮게 결정할 수 있다.
상기 송신 제어부는, 상기 활성화 초음파 트랜스듀서 엘리먼트의 개수가 많을수록 상기 지연 주파수를 낮게 결정할 수 있다.
상기 송신 제어부는, 상기 구경의 크기가 클수록 상기 지연 주파수를 낮게 결정할 수 있다.
상기 송신 제어부는, 상기 다중 초음파 트랜스듀서 엘리먼트가 2차원 어레이인 경우에는 1차원 어레이인 경우보다 상기 지연 주파수를 낮게 결정할 수 있다.
상기 송신 제어부는, 상기 파라미터 중 적어도 하나에 기초하여 상기 적어도 하나의 트랜스듀서 엘리먼트에 대응되는 제1지연 시간을 산출할 수 있다.
상기 송신 제어부는, 상기 설정된 지연 주파수 및 상기 제1지연 시간에 기초하여 상기 적어도 하나의 트랜스듀서 엘리먼트에 대응되는 제2지연 시간을 산출할 수 있다.
상기 송신 빔포머는, 상기 적어도 하나의 트랜스듀서 엘리먼트에 대응되는 송신 신호에 상기 제2지연 시간을 가하여 송신 신호 패턴을 형성할 수 있다.
일 실시예에 따른 다중 초음파 트랜스듀서 엘리먼트가 초음파 에코 신호를 수신하여 변환한 아날로그 수신 신호를 집속시키는 수신 빔포밍 장치는, 상기 다중 초음파 트랜스듀서 엘리먼트 중 적어도 하나의 트랜스듀서 엘리먼트에서 변환된 아날로그 수신 신호에 지연 시간을 가하여 집속시키는 수신 빔포머; 및 상기 지연 시간을 가하기 위해 적용되는 지연 주파수(delay frequency)를 결정하는 수신 제어부;를 포함한다.
상기 수신 빔포머는, 상기 아날로그 수신 신호에 지연 시간을 가하기 위해 상기 아날로그 수신 신호를 홀드(hold)할 수 있다.
상기 수신 빔포밍 장치는, 상기 수신 빔포머가 상기 아날로그 수신 신호를 홀드하는 시간을 제어하기 위한 수신 클럭 신호를 생성하는 클럭 발생기;를 더 포함할 수 있다.
상기 클럭 발생기는, 상기 지연 주파수에 동기되어 상기 수신 클럭 신호를 생성할 수 있다.
상기 수신 빔포머는, 상기 적어도 하나의 트랜스듀서 엘리먼트로부터 수신된 아날로그 수신 신호를 상기 지연 시간에 따라 샘플링하여 홀드하고 동시에 출력함으로써 집속킬 수 있다.
상기 수신 빔포머의 샘플링 타이밍은, 상기 수신 클럭 신호에 의해 제어될 수 있다.
일 측면에 따른 송신 빔포밍 장치, 수신 빔포밍 장치, 이들을 포함하는 프로브 및 빔포밍 방법에 따르면, 지연 해상도를 유동적으로 설정함으로써 아날로그 빔포밍 회로가 갖는 하드웨어 디자인의 복잡성과 빔포밍을 제어하는데 사용되는 데이터의 양을 감소시킬 수 있다.
도 1은 1차원 어레이 트랜스듀서를 이용한 송신 빔포밍의 동작을 나타낸 도면이다.
도 2는 송신 빔포밍 시에 적용되는 송신 신호의 지연을 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 송신 빔포밍 장치의 제어 블록도이다.
도 4는 송신 빔포머로부터 출력되는 송신 신호의 패턴과, 출력된 송신 신호가 집속점에 집속되기까지의 신호의 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 클럭 발생기의 클럭 주파수와 송신 빔포머에 입력되는 클럭 신호의 일 예시를 나타낸 도면이다.
도 6은 64x1의 1차원 트랜스듀서 어레이에 대해 클럭 주파수를 다르게 하여 획득한 빔 프로파일(beam profile)을 나타낸 그래프이다.
도 7 및 도 8은 1차원 어레이 트랜스듀서에서 지연 정보가 증가하는 경우에 나타나는 빔포밍 효과의 변화를 나타낸 도면이다.
도 9는 64x1의 1차원 어레이 트랜스듀서의 빔 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 10은 64x16의 2차원 어레이 트랜스듀서의 빔 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 11은 64x64의 2차원 어레이 트랜스듀서의 빔 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 12는 초점 깊이에 따라 달라지는 지연 시간의 차이를 나타내는 도면이다.
도 13은 10mm의 초점 깊이에 대한 64x64의 2차원 어레이 트랜스듀서의 빔 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 14는 측 방향으로 집속점이 이동하여도 동일한 트랜스듀서 엘리먼트가 활성화되는 경우를 나타내는 도면이다.
도 15는 집속점이 측 방향으로 이동함에 따라 활성화되는 트랜스듀서 엘리먼트가 달라지는 경우를 나타내는 도면이다.
도 16은 도 15의 경우를 구현할 수 있는 초음파 프로브의 제어 블록도이다.
도 17은 집속점의 위치가 축 방향으로 이동하는 경우의 구경 크기의 변화를 나타낸 도면이다.
도 18은 송신 제어부가 트랜스듀서 엘리먼트의 지연 시간을 산출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 초점 거리가 5mm이고, 16x16의 2차원 어레이 엘리먼트가 활성화된 경우에 대한 빔 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 20은 초점 거리가 30mm이고, 64x64의 2차원 어레이 엘리먼트가 활성화된 경우에 대한 빔 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 21은 수신 빔포밍 시에 적용되는 수신 신호의 지연을 나타낸 도면이다.
도 22는 수신 빔포밍 시에 적용되는 수신 동적 집속을 나타낸 도면이다.
도 23은 일 실시예에 따른 수신 빔포밍 장치의 제어 블록도이다.
도 24는 샘플 & 홀드 방식에 따라 수신 빔포밍을 수행하는 경우에 수신 빔포머에 입력되는 수신 클럭 신호의 패턴과 수신 빔포머로부터 출력되는 수신 신호의 패턴을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 25는 각각의 엘리먼트에 대한 수신 클럭 신호의 일 예시를 나타낸 타이밍도이다.
도 26은 일 실시예에 따른 초음파 프로브의 제어 블록도이다.
도 27은 1차원 어레이 트랜스듀서를 포함하는 초음파 프로브의 외관도이다.
도 28은 2차원 어레이 트랜스듀서를 포함하는 초음파 프로브의 외관도이다.
도 29는 송신 빔포밍 장치와 수신 빔포밍 장치가 클럭 발생기와 제어부를 공유하는 예시에 관한 제어 블록도이다.
도 30은 일 실시예에 따른 초음파 진단 장치의 제어 블록도이다.
도 31은 일 실시예에 따른 초음파 진단 장치의 외관도이다.
도 32는 일 실시예에 따른 송신 빔포밍 방법에 관한 순서도이다.
도 33은 일 실시예에 따른 수신 빔포밍 방법에 관한 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 1차원 어레이 트랜스듀서를 이용한 송신 빔포밍의 동작을 나타낸 도면이고, 도 2는 송신 빔포밍 시에 적용되는 송신 신호의 지연을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 초음파 영상화가 이루어지는 3차원 공간은 고도 방향(elevational direction)에 해당하는 y축, 측 방향(lateral direction)에 해당하는 x축 및 축 방향(axial direction)에 해당하는 z축으로 정의될 수 있다.
2차원 초음파 영상의 공간 해상도(spatial resolution)는 축 방향 해상도와 측 방향 해상도에 의해 결정될 수 있다. 축 방향 해상도는 초음파 빔의 축을 따라 나열된 두 물체를 구별할 수 있는 능력을 의미하고, 측 방향 해상도는 초음파 빔의 축과 직각으로 나열된 두 물체를 구별할 수 있는 능력을 의미한다.
축 방향 해상도는 송신하는 초음파 신호의 펄스 폭(pulse width)에 의해 결정되는바, 짧은 펄스 폭을 갖는 고주파 초음파 신호일수록 우수한 축 방향 해상도를 갖는다. 측 방향 해상도와 고도 방향 해상도는 초음파 빔의 폭(width)에 의해 결정되는바, 초음파 빔의 폭이 좁을수록 우수한 측 방향 해상도를 갖는다.
따라서, 초음파 영상의 해상도, 특히 측 방향 해상도를 향상시키기 위해 복수의 트랜스듀서 엘리먼트(transducer element)로부터 송신되는 초음파 신호를 스캔 라인 상의 집속점(focal point)에 집속시킴으로써 폭이 좁은 초음파 빔을 형성할 수 있으며, 이를 송신 빔포밍(transmit beamforming)이라 한다.
1차원 어레이 트랜스듀서(1D array transducer)는 1차원으로 배열된 복수의 트랜스듀서 엘리먼트로 이루어진다. 2차원의 초음파 단면 영상을 얻기 위해서는 복수의 스캔 라인(scan line)이 필요하고, 첫 번째 스캔 라인부터 마지막 스캔 라인까지 상술한 바와 같은 집속점에 대한 빔포밍을 수행할 수 있다.
모든 스캔 라인에 대해 초음파 신호를 송신하고, 대상체의 내부 물질들로부터 반사되어 돌아오는 초음파 에코 신호를 수신하면 xz 평면 상의 2차원 초음파 단면 영상을 얻을 수 있다.
초음파 빔을 한 점에 집속시키기 위해서는, 복수의 트랜스듀서 엘리먼트로부터 송신되는 초음파 신호가 한 집속점에 동시에 도달하도록 제어해야 한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 트랜스듀서 엘리먼트마다 집속점까지의 거리가 다르기 때문에, 각 트랜스듀서 엘리먼트(이하 엘리먼트라 한다.)로부터 송신되는 초음파 신호에 적절한 시간 지연(time delay)을 주어 동일한 집속점에 동시에 도달할 수 있도록 한다.
도 2를 참조하면, 활성화된 모든 엘리먼트로부터 초음파 신호가 집속점을 향해 동시에 송신된다면, 집속점에 가장 가까운 엘리먼트로부터 송신되는 초음파 신호는 집속점에 가장 먼저 도달하게 되고, 집속점에서 먼 엘리먼트일수록 그로부터 송신되는 초음파 신호가 도달하는 시간이 지연된다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 엘리먼트에서 초음파 신호로 변환되는 전기 신호인 송신 신호를 줄 때부터 시간 지연을 고려할 수 있다. 집속점에 가장 가까운 엘리먼트에는 송신 신호를 가장 늦게 주고, 집속점에서 먼 엘리먼트일수록 송신 신호를 빨리 주어 빔포밍을 수행할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 송신 빔포밍 장치의 제어 블록도이다.
도 3을 참조하면, 송신 빙포밍 장치(100)는 송신 신호에 대한 빔 포밍을 수행하는 송신 빔포머(130), 송신 빔포머(130)로부터 출력되는 송신 신호에 시간 지연을 주기 위한 클럭(clock)을 발생시키는 클럭 발생기(120) 및 송신 빔포머(130)와 클럭 발생기(120)를 제어하는 송신 제어부(110)를 포함한다.
송신 빔포머(130)는 미리 설정된 주파수 또는 밴드 폭을 갖는 송신 신호에 시간 지연을 주어 송신 신호 패턴을 형성한다. 송신 신호에 관한 정보는 송신 제어부(110)로부터 제공받을 수도 있고, 송신 빔포머(130)에 미리 저장될 수도 있으며, 송신 빔포머(130)가 내장되는 초음파 프로브 내에 다른 프로세서나 컨트롤러로부터 제공받을 수도 있고, 송신 빔포머(130)를 포함하는 초음파 진단 장치의 백-엔드(Back-end) 부분으로부터 제공받는 것도 가능하다.
클럭 발생기(120)는 클럭의 주파수를 가변할 수 있는 가변 클럭 발생기이다. 클럭 발생기(120)에서 생성하는 클럭 신호는 특정 주파수의 클럭에 동기되어 있으며, 이 특정 주파수 클럭을 기준으로 0 또는 1의 값으로 코딩(coding)될 수 있다. 클럭 발생기(120)가 송신 클럭 신호를 생성하여 송신 빔포머(130)에 입력하면, 송신 빔포머(130)는 입력된 송신 클럭 신호에 따라 각각의 엘리먼트 별로 송신 신호를 출력한다.
송신 제어부(110)는 파라미터에 따라 클럭 발생기(120)의 클럭 주파수를 산출하여 유동적으로 설정할 수 있는바, 이에 관한 구체적인 설명은 후술하도록 한다.
송신 빔포머(130)에서 시간 지연되어 출력된 송신 신호는 펄스 발생기(200)로 입력되고, 펄스 발생기(200)는 송신 신호에 대응되는 송신 펄스 신호를 생성하여 트랜스듀서 모듈(300)에 입력한다. 트랜스듀서 모듈(300)은 트랜스듀서 어레이를 포함하고, 트랜스듀서 어레이는 복수의 트랜스듀서 엘리먼트를 포함한다. 트랜스듀서 어레이는 1차원 어레이일 수도 있고, 2차원 어레이일 수도 있다.
도 4는 송신 빔포머로부터 출력되는 송신 신호의 패턴과, 출력된 송신 신호가 집속점에 집속되기까지의 신호의 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 5는 클럭 발생기의 클럭 주파수와 송신 빔포머에 입력되는 클럭 신호의 일 예시를 나타낸 도면이다.
도 4의 예시와 같이, 채널의 개수가 N개라고 한다면, 송신 빔포머(130)에서는 송신 빔포밍이 수행된 N개의 송신 신호가 출력되고, 펄스 발생기(200)는 각각의 채널에 대응되는 N개의 펄서(pulser)를 포함한다. 집속점이 N개의 채널 중심에 위치하는 경우에는, 첫 번째 엘리먼트(300-1)와 N 번째 엘리먼트(300-N)가 집속점으로부터 가장 멀다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 송신 빔포머(130)로부터 첫 번째 채널의 송신 신호와 N 번째 채널의 송신 신호가 가장 먼저 출력되고, 채널의 중심으로 갈수록 송신 신호가 늦게 출력된다.
송신 빔포머(130)로부터 출력된 시간 지연된 송신 신호들은 각각의 펄서(200-1,200-2,200-3 내지 200-N)에 입력되고, 각각의 펄서(200-1,200-2,200-3 내지 200-N)는 고전압의 송신 펄스 신호를 생성하여 각각의 엘리먼트(300-1,300-2,300-3 내지 300-N)에 입력한다. 각각의 엘리먼트(300-1,300-2,300-3 내지 300-N)는 송신 펄스 신호를 입력 받은 순서대로 그에 대응되는 초음파 신호로 변환하여 집속점을 향해 조사한다. 따라서, 집속점에는 동일한 위상을 갖는 N개의 초음파 신호가 도달하고, 이로 인해 영상의 해상도와 신호 대 잡음비가 향상될 수 있다.
상기 도 4의 예시에서 N=5인 것으로 가정하여 도 5를 설명한다. 도 5에 도시된 바와 같이 집속점이 5개의 엘리먼트 중 엘리먼트 3에 가장 가까운 지점에 위치하는 경우, 엘리먼트 1과 엘리먼트 5에 가장 먼저 송신 신호를 입력하고, 그 다음 엘리먼트 2와 엘리먼트 4에 입력하고, 집속점에 가장 가까운 엘리먼트 3에는 가장 늦게 송신 신호를 입력한다. 엘리먼트 3을 기준으로 엘리먼트 1은 T1만큼, 엘리먼트 2는 T2만큼, 엘리먼트 4는 T4만큼, 엘리먼트 5는 T5만큼 송신 신호를 빨리 입력 받을 수 있는 바, T1, T2, T4, T5가 각 엘리먼트의 지연 시간에 해당한다. 여기서, T1과 T5, T2와 T4는 동일한 값일 수도 있다. 도 5의 예시와 같이, 클럭 발생기(120)가 160MHz의 클럭에 동기되어 있다면, 클럭 발생기(120)의 클럭 주파수는 160MHz가 되고, 6.25ns 당 한 번씩 신호를 출력할 수 있다.
클럭 발생기(120)가 송신 빔포머(130)에 송신 클럭 신호를 입력하면, 송신 제어부(110)가 각 엘리먼트 별 송신 지연 시간을 고려하여 송신 클럭 신호의 타이밍을 조절한다. 이를 위해, 송신 제어부(110)는 각 엘리먼트의 송신 지연 시간을 산출하고, 각 엘리먼트의 송신 지연 시간에 맞추어 클럭 발생기(120)가 송신 클럭 신호를 출력할 수 있도록 제어할 수 있다.
도 5의 클럭 발생기(120)는 160MHz의 클럭 주파수를 갖고, 6.25ns 당 한 번씩 신호를 출력할 수 있다. 따라서, T1, T2, T3, T4가 6.25ns의 배수 또는 약수에 해당하는 경우에는 산출된 지연 시간에 정확히 맞추어 송신 클럭 신호를 출력할 수 있지만, 그렇지 않은 경우에는 지연 에러(delay error)가 발생하게 된다.
이와 같이, 클럭 발생기의 클럭 주파수가 지연 에러에 미치는 영향을 도 6의 그래프를 함께 참조하여 설명한다.
도 6은 64x1의 1차원 트랜스듀서 어레이에 대해 클럭 주파수를 3 MHz, 6 MHz, 10 MHz, 20 MHz, 40 MHz, 80 MHz, 160 MHz, 320MHz로 다르게 하여 획득한 빔 프로파일(beam profile)을 나타낸 그래프이다.
가로축의 중심은 트랜스듀서 어레이의 중심을 나타내고 세로축은 지향성(directivity)을 나타낸다. 메인 로브(main lobe)와 사이드 로브(side lobe)의 차이가 클수록 빔포밍의 효과가 우수하다고 볼 수 있다. 도 6을 참조하면, 클럭 주파수가 3MHz인 경우에 메인 로브와 사이드 로브의 차이가 가장 작아 빔포밍이 가장 잘 수행되지 않은 것으로 볼 수 있고, 클럭 주파수가 점점 커지면서 메인 로브와 사이드 로브의 차이가 커져 빔포밍이 잘 수행된 것을 확인할 수 있다.
상기 도 5를 참조하면, 클럭 발생기(120)의 클럭 주파수가 클수록, 지연 에러가 줄어든다는 것을 알 수 있다. 또한, 상기 도 6을 참조하면, 클럭 발생기(120)의 클럭 주파수가 클수록 우수한 빔포밍 효과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 다시 말해, 클럭 발생기(120)의 클럭 주파수 또는 그의 역수는 클럭 발생기(120)가 얼마나 자주 클럭 신호를 출력할 수 있는지 또는 얼마나 세밀하게 지연 시간을 조절할 수 있는지를 나타내는 지표가 될 수 있다. 따라서, 클럭 발생기(120)의 클럭 주파수를 지연 샘플링 주파수(delay sampling frequency) 또는 지연 주파수(delay frequency)라 할 수 있고, 클럭 주파수의 역수를 지연 해상도(delay resolution)이라 할 수 있다.
지연 해상도가 낮을수록 지연 에러를 감소시키고 빔포밍 효과를 향상시킬 수 있으나, 송신 빔포밍 장치에서 처리해야 하는 데이터의 양이 증가하여 하드웨어의 간소화 및 소형화를 도모하기 어려워진다. 따라서, 일 실시예에 따른 송신 빔포밍 장치는 파라미터에 따라 지연 주파수를 유동적으로 설정함으로써 송신 빔포밍 장치의 데이터 처리량을 제한하면서도 최적의 빔포밍 효과를 얻을 수 있다.
이하, 빔포밍 효과에 영향을 주는 파라미터에 대해 설명하도록 한다.
도 7 및 도 8은 1차원 어레이 트랜스듀서에서 지연 정보가 증가하는 경우에 나타나는 빔포밍 효과의 변화를 나타낸 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 1차원 어레이 트랜스듀서에서 전체 구경(aperture)의 크기는 그대로 유지된 상태에서 엘리먼트의 개수가 늘어나면, 지연 정보도 늘어나게 되고 이 때문에 빔포밍의 효과가 향상된다.
도 8은 이에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다. 구체적으로 64x1의 어레이 트랜스듀서에 대해 빔 프로파일을 획득하고, 512x1의 어레이 트랜스듀서에 대해 빔 프로파일을 획득하였다. 두 경우 모두 지연 주파수는 20MHz로 하였다.
도 8에 도시된 바와 같이, 동일한 지연 주파수에서 64x1의 어레이 트랜스듀서보다 512x1의 어레이 트랜스듀서가 메인 로브와 사이드 로브 사이의 차이가 크게 측정되는 것을 알 수 있다. 다시 말해, 512x1의 어레이 트랜스듀서가 더 우수한 빔포밍 효과를 나타냄을 확인할 수 있다. 다시 말해, 동일한 지연 주파수를 적용하더라도 엘리먼트의 수가 증가할수록 빔포밍의 효과가 우수하게 나타날 수 있다. 따라서, 송신 제어부(110)는 지연 주파수를 설정함에 있어서 초음파 이미징에 사용되는 엘리먼트의 수를 고려할 수 있다.
1차원 어레이 트랜스듀서 내에서 구경의 크기는 그대로 유지하면서 엘리먼트의 수만 계속하여 증가시키게 되면, 엘리먼트의 크기와 피치(pitch)가 너무 작아지기 때문에 현실적으로 구현하는데 한계가 있다. 따라서, 2차원 방향으로 어레이를 추가하는 것을 고려해볼 수 있다.
도 9는 64x1의 1차원 어레이 트랜스듀서의 빔 프로파일을 나타낸 그래프이고, 도 10은 64x16의 2차원 어레이 트랜스듀서의 빔 프로파일을 나타낸 그래프이며, 도 11은 64x64의 2차원 어레이 트랜스듀서의 빔 프로파일을 나타낸 그래프이다. 도 9 내지 도 11의 빔 프로파일은 30mm의 초점 깊이(focal depth)에서 측정된 것이다.
도 9 내지 도 11의 그래프에서, 지연 주파수가 10MHz인 경우의 빔 프로파일들을 비교하면, 트랜스듀서 엘리먼트의 수가 2차원 방향으로 증가할수록 사이드 로브가 점점 작아지고, 결과적으로 메인 로브와 사이드 로브의 차이가 커지면서 빔포밍 효과가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 다시 말해, 동일한 지연 주파수를 적용하더라도 엘리먼트의 수가 2차원 방향으로 증가할수록 빔포밍의 효과가 우수하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 송신 제어부(110)는 지연 주파수를 설정함에 있어서 초음파 이미징에 사용되는 엘리먼트가 2차원 어레이인지 여부를 함께 고려할 수 있다.
도 12는 초점 깊이에 따라 달라지는 지연 시간의 차이를 나타내는 도면이고, 도 13은 10mm의 초점 깊이에 대한 64x64의 2차원 어레이 트랜스듀서의 빔 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 12를 참조하면, 집속점과 가장 가까운 엘리먼트 사이의 거리와 가장 먼 엘리먼트 사이의 거리의 차이는 두 개의 집속점 FP1과 FP2 중 초점 깊이가 더 짧은 FP1에서 더 크게 나타난다. 도 12에서 트랜스듀서 모듈(300)을 중심으로 좌측에 도시된 신호는 트랜스듀서 모듈(300)에 입력되는 송신 신호로서, 각 엘리먼트 별 송신 신호를 연결하면 지연 프로파일(delay profile)이 된다. 실선의 지연 프로파일은 FP1에 대한 것이고, 점선의 지연 프로파일은 FP2에 대한 것이다. 따라서, 각 엘리먼트 별 지연 시간의 차이 및 최대 지연(maximum delay)은 FP2보다 FP1에서 더 크게 나타남을 확인할 수 있다.
도 11의 빔 프로파일과 도 13의 빔 프로파일을 비교하면, 두빔 프로파일은 모두 64x64의 2차원 어레이 트랜스듀서에 대해 획득된 것으로서, 도 11은 초점 깊이를 30mm로 하여 획득된 것이고 도 13은 초점 깊이를 10mm로 하여 획득된 것이다. 도 11의 빔 프로파일은 측정 대상인 모든 지연 주파수 대역에서 고르게 우수한 빔포밍 효과를 나타내고 있으나, 도 13의 빔 프로파일에서는 일부 지연 주파수 대역, 특히 10MHz의 지연 주파수 대역에서는 사이드 로브가 상대적으로 크게 나타나 빔포밍 효과가 좋지 않은 것을 알 수 있다. 상기 도 11과 도 13의 그래프에 기초하면, 64x64의 2차원 어레이 트랜스듀서 조건에서, 초점 깊이가 30mm인 경우에는 10MHz의 지연 주파수도 사용 가능하나, 초점 깊이가 10mm인 경우에는 지연 주파수가 20MHz 이상이 바람직하다. 다시 말해, 엘리먼트에 대한 조건이 동일한 경우에, 초점 깊이가 길수록 낮은 지연 주파수를 사용해도 우수한 빔포밍 효과를 얻을 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 송신 제어부(110)는 지연 주파수를 설정함에 있어서 초음파 이미징에 사용되는 초점 깊이를 함께 고려할 수 있다.
한편, 집속점의 위치에 따라 초점 거리 및 구경의 크기 또는 활성화 엘리먼트가 달라질 수 있는바, 이하 구체적으로 설명한다.
도 14는 측 방향으로 집속점이 이동하여도 동일한 트랜스듀서 엘리먼트가 활성화되는 경우를 나타내는 도면이고, 도 15는 집속점이 측 방향으로 이동함에 따라 활성화되는 트랜스듀서 엘리먼트가 달라지는 경우를 나타내는 도면이며, 도 16은 도 15의 경우를 구현할 수 있는 초음파 프로브의 제어 블록도이다.
도 1에서 설명한 바와 같이, 하나의 2차원 단면 영상을 얻기 위해 복수의 스캔 라인에 대해 초음파 신호를 송신할 수 있고, 스캔 라인마다 그에 대응되는 집속점이 존재한다. 따라서, 하나의 2차원 단면 영상을 얻기 위해 집속점을 바꾸어가면서 초음파 신호를 송신할 수 있다.
도 14의 예시와 같이, 8x1의 1차원 어레이 트랜스듀서를 이용하여 측 방향으로 나열된 7개의 집속점(FP1, FP2, FP3, FP4, FP5, FP6, FP7)에 대해 초음파 신호를 송신하는 경우에, 모든 초점에 대해 구경의 크기(AP) 및 활성화되는 엘리먼트(300-1,300-2,300-3,300-4,300-5,300-6,300-7,300-8)의 위치를 동일하게 유지할 수도 있다. 다만, 이 경우에도 각 엘리먼트에 적용되는 지연 시간은 달라질 수 있다. 예를 들어 집속점 1(FP1)에 대해 적용되는 엘리먼트 1(300-1)의 지연 시간은 집속점 7(FP7)에 대해 적용되는 엘리먼트 1(300-1)의 지연 시간과 달라지게 된다. 따라서, 송신 제어부(110)는 각 집속점마다 지연 주파수를 동일하게 적용하는 경우에도 각 엘리먼트에 적용되는 지연 시간은 각 집속점마다 새로 산출하여 적용할 수 있다.
도 15의 예시와 같이, 집속점이 측 방향으로 이동함에 따라 구경의 크기(AP)는 동일하게 유지하면서, 활성화되는 트랜스듀서 엘리먼트의 위치가 달라지는 것도 가능하다.
예를 들어, 하나의 집속점에 대해 4개의 트랜스듀서 엘리먼트를 활성화시키되, 집속점 1(FP1)에 대해서는 첫 번째 엘리먼트부터 네 번째 엘리먼트까지 활성화시켜 초음파 신호를 송신하고, 집속점 2(FP2)에 대해서는 다섯 번째 엘리먼트부터 여덟 번째 엘리먼트까지 활성화시켜 초음파 신호를 송신하고, 집속점 3(FP3)에 대해서는 아홉 번째 엘리먼트부터 열두 번째 엘리먼트까지 활성화시켜 초음파 신호를 송신하고, 집속점 4(FP4)에 대해서는 열세 번째 엘리먼트부터 열여섯 번째 엘리먼트까지 활성화시켜 초음파 신호를 송신할 수 있다.
이를 위해, 도 16에 도시된 바와 같이, 펄스 발생기(200)와 트랜스듀서 모듈(300) 사이에 트랜스듀서 엘리먼트를 선택적으로 활성화시키는 스위치(210)를 구비할 수 있다. 일 예로 HV(High Voltage) MUX(210)를 구비하여 집속점에 따라 활성화될 엘리먼트를 선택할 수 있다.
도 16의 구성을 상기 도 15의 예시에 대해 적용하면, M=4가 되고 N=16이 된다. 외부로부터 초점 깊이, 스티어링 각도, 활성화 엘리먼트의 개수, 구경 크기 등을 포함하는 파라미터가 입력되면, 송신 제어부(110)가 입력된 파라미터에 기초하여 지연 주파수 및 각 엘리먼트 별 지연 시간을 산출하고, 산출된 지연 주파수와 각 엘리먼트 별 지연 시간에 따라 클럭 발생기(120)를 제어할 수 있다.
집속점 1(FP1)에 대해 초음파 신호를 송신하는 경우에는 송신 빔포머(130)에서 첫 번째 엘리먼트부터 네 번째 엘리먼트에 대한 송신 신호가 출력되고, 송신 신호의 출력 타이밍은 클럭 발생기(120)에 의해 조절되어 각 엘리먼트 별로 지연 시간이 적용될 수 있다. 이 때 발생되는 지연 에러는 송신 제어부(110)에서 산출한 지연 주파수에 따라 달라질 수 있다.
출력된 송신 신호는 네 개의 채널에 대응되는 펄서 1(200-1), 펄서 2(200-2), 펄서 3(200-3) 및 펄서 4(M=4,200-4)에 입력되고, 각각의 펄서들은 입력된 송신 신호를 펄스 신호로 변환하여 송신 펄스 신호를 출력한다. 출력된 네 개의 송신 펄스 신호는 HV MUX(210)로 입력되고, HV MUX(210)는 16개의 트랜스듀서 엘리먼트 중 첫 번째 엘리먼트부터 네 번째 엘리먼트로 송신 펄스 신호를 각각 출력할 수 있다.
첫 번째 엘리먼트부터 네 번째 엘리먼트까지 각각 송신 펄스 신호가 입력되면, 각각의 엘리먼트는 입력된 송신 펄스 신호를 초음파 신호로 변환하여 집속점 1(FP1)에 송신한다. 전술한 바와 같이, 송신 제어부(110)에서 지연 시간을 산출하고 클럭 발생기(120)가 산출된 지연 시간에 따라 송신 빔포머(130)의 송신 신호 출력 타이밍을 조절하였으므로 네 개의 엘리먼트에서 출력된 초음파 신호는 동시에 집속점 1(FP1)에 도달할 수 있다.
집속점 2(FP2)에 대해 초음파 신호를 송신하는 경우에는 송신 빔포머(130)에서 다섯 번째 엘리먼트부터 여덟 번째 엘리먼트에 대한 송신 신호가 출력되고, 송신 신호의 출력 타이밍은 클럭 발생기(120)에 의해 조절되어 각 엘리먼트 별 지연 시간이 적용될 수 있다. 이 때 발생되는 지연 에러는 송신 제어부(110)에서 산출한 지연 주파수에 따라 달라질 수 있고, 산출된 지연 주파수는 집속점 1(FP1)에 대해 산출된 지연 주파수와 같을 수도 있고 다를 수도 있다.
출력된 송신 신호는 네 개의 채널에 대응되는 펄서 1(200-1), 펄서 2(200-2), 펄서 3(200-3) 및 펄서 4(M=4,200-4)에 입력되고, 각각의 펄서들은 입력된 송신 신호를 펄스 신호로 변환하여 송신 펄스 신호를 출력한다. 출력된 네 개의 송신 펄스 신호는 HV MUX(210)로 입력되고, HV MUX(210)는 16개의 트랜스듀서 엘리먼트 중 다섯 번째 엘리먼트부터 여덟 번째 엘리먼트로 송신 펄스 신호를 각각 출력할 수 있다.
다섯 번째 엘리먼트부터 여덟 번째 엘리먼트까지 각각 송신 펄스 신호가 입력되면, 각각의 엘리먼트는 입력된 송신 펄스 신호를 초음파 신호로 변환하여 집속점 2(FP2)에 송신한다. 전술한 바와 같이, 송신 제어부(110)에서 지연 시간을 산출하고 클럭 발생기(120)가 산출된 지연 시간에 따라 송신 빔포머(130)의 송신 신호 출력 타이밍을 조절하였으므로 네 개의 엘리먼트에서 출력된 초음파 신호는 동일한 시간에 집속점 2(FP2)에 도달할 수 있다.
집속점 3(FP3)에 대해 초음파 신호를 송신하는 경우에는 송신 빔포머(130)에서 아홉 번째 엘리먼트부터 열두 번째 엘리먼트에 대한 송신 신호가 출력되고, 송신 신호의 출력 타이밍은 클럭 발생기(120)에 의해 조절되어 각 엘리먼트 별 지연 시간이 적용될 수 있다. 이 때 발생되는 지연 에러는 송신 제어부(110)에서 산출한 지연 주파수에 따라 달라질 수 있는바, 산출된 지연 주파수는 집속점 1(FP1) 또는 집속점 2(FP2)에 대해 산출된 지연 주파수와 같을 수도 있고, 다를 수도 있다.
출력된 송신 신호는 네 개의 채널에 대응되는 펄서 1(200-1), 펄서 2(200-2), 펄서 3(200-3) 및 펄서 4(M=4,200-4)에 입력되고, 각각의 펄서들은 입력된 송신 신호를 펄스 신호로 변환하여 송신 펄스 신호를 출력한다. 출력된 네 개의 송신 펄스 신호는 HV MUX(210)로 입력되고, HV MUX(210)는 16개의 트랜스듀서 엘리먼트 중 아홉 번째 엘리먼트부터 열두 번째 엘리먼트로 송신 펄스 신호를 각각 출력할 수 있다.
아홉 번째 엘리먼트부터 열두 번째 엘리먼트까지 각각 송신 펄스 신호가 입력되면, 각각의 엘리먼트는 입력된 송신 펄스 신호를 초음파 신호로 변환하여 집속점 3(FP3)에 송신한다. 전술한 바와 같이, 송신 제어부(110)에서 지연 시간을 산출하고 클럭 발생기(120)가 산출된 지연 시간에 따라 송신 빔포머(130)의 송신 신호 출력 타이밍을 조절하였으므로 네 개의 엘리먼트에서 출력된 초음파 신호는 동일한 시간에 집속점 3(FP3)에 도달할 수 있다.
집속점 4(FP4)에 대해 초음파 신호를 송신하는 경우에는 송신 빔포머(130)에서 열세 번째 엘리먼트부터 열여섯 번째 엘리먼트에 대한 송신 신호가 출력되고, 송신 신호의 출력 타이밍은 클럭 발생기(120)에 의해 조절되어 각 엘리먼트 별 지연 시간이 적용될 수 있다. 이 때 발생되는 지연 에러는 송신 제어부(110)에서 산출한 지연 주파수에 따라 달라질 수 있는바, 지연 주파수는 집속점 1(FP1), 집속점 2(FP2) 또는 집속점 3(FP3)에 대해 산출된 지연 주파수와 같을 수도 있고 다를 수도 있다.
출력된 송신 신호는 네 개의 채널에 대응되는 펄서 1(200-1), 펄서 2(200-2), 펄서 3(200-3) 및 펄서 4(M=4,200-4)에 입력되고, 각각의 펄서들은 입력된 송신 신호를 펄스 신호로 변환하여 송신 펄스 신호를 출력한다. 출력된 네 개의 송신 펄스 신호는 HV MUX(210)로 입력되고, HV MUX(210)는 16개의 트랜스듀서 엘리먼트 중 열세 번째 엘리먼트부터 열여섯 번째 엘리먼트로 송신 펄스 신호를 각각 출력할 수 있다.
열세 번째 엘리먼트부터 열여섯 번째 엘리먼트까지 각각 송신 펄스 신호가 입력되면, 각각의 엘리먼트는 입력된 송신 펄스 신호를 초음파 신호로 변환하여 집속점 4(FP4)에 송신한다. 전술한 바와 같이, 송신 제어부(110)에서 지연 시간을 산출하고 클럭 발생기(120)가 산출된 지연 시간에 따라 송신 빔포머(130)의 송신 신호 출력 타이밍을 조절하였으므로 네 개의 엘리먼트에서 출력된 초음파 신호는 동일한 시간에 집속점 4(FP4)에 도달할 수 있다.
한편, 상기 도 15의 예시에서는 집속점의 위치가 측 방향으로 달라지더라도 활성화되는 엘리먼트의 개수 및 구경의 크기는 동일한 것으로 하였으나, 이는 송신 빔포밍 장치(100) 실시예에 적용될 수 있는 일 예시에 불과하며, 이미징에 관련된 파라미터 또는 기타 초음파 이미징에 적용되는 다른 조건들에 따라 집속점의 위치가 달라지면서 구경의 크기도 달라질 수 있음은 물론이다.
도 17은 집속점의 위치가 축 방향으로 이동하는 경우의 구경 크기의 변화를 나타낸 도면이다.
도 11 내지 도 13에서는 집속점의 위치가 축 방향으로 이동하여 초점 깊이는 달라지지만 구경의 크기(AP)는 동일하게 유지되는 경우를 예로 들어 설명하였다. 그러나, 실제 초음파 이미징에서는 F 넘버를 고려하여 초점 깊이에 따라 구경의 크기를 다르게 적용할 수 있다. 이를 동적 구경(dynamic aperture)이라고도 하며, 여기서의 구경은 초음파 프로브에 구비된 트랜스듀서 모듈의 전체 크기를 의미하는 것이 아니라, 집속점에 따라 활성화되는 엘리먼트의 개수와 피치(pitch)에 의해 정의되는 크기를 의미한다.
F 넘버는 (초점 깊이)/(구경 크기)를 나타내는 값으로서, F 넘버가 작을수록 영상의 밝기가 밝아진다. 따라서, F 넘버를 적절하게 제어함으로써 원하는 밝기의 초음파 영상을 얻을 수 있는바, 일 예로 F 넘버가 0.5가 되도록 제어할 수 있다. 상기 F 넘버 값은 일반적인 초음파 이미징에 적용될 수 있는 값이나, 송신 빔포밍 장치의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 값 0.5 외에도 다른 적절한 값이 F 넘버로 설정될 수 있다.
F 넘버가 일정한 값으로 설정된 경우에, 초점 깊이가 증가하면 구경 크기도 증가하고 초점 깊이가 줄어들면 구경 크기도 줄어든다. 따라서, 도 17에 도시된 바와 같이, 초점이 축 방향으로 이동하면서(FP1→FP2→FP3→FP4) 초점 깊이가 증가하게 되면(FD1→FD2→FD3→FD4) 그에 대응되는 구경의 크기도 증가한다(AP1→ AP2→ AP3→ AP4).
지금까지 상술한 지연 주파수에 영향을 주는 파라미터에 관한 내용에 기초하여 송신 제어부(110)에서 지연 주파수를 산출하는 동작을 설명하도록 한다.
먼저, 송신 제어부(110)는 트랜스듀서 모듈(300)이 초점 깊이, 스티어링 각도, 구경의 크기, 활성화 트랜스듀서 엘리먼트의 개수 등의 파라미터에 따라 각 엘리먼트의 지연 시간을 산출한다.
도 18은 송신 제어부가 트랜스듀서 엘리먼트의 지연 시간을 산출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
집속점의 위치가 도 18에 도시된 바와 같고, 스티어링 각도가 θ이며, 트랜스듀서 모듈(300) 중 활성화될 엘리먼트의 중심으로부터 집속점까지의 거리가 R, 활성화될 엘리먼트의 중심으로부터 지연 시간 산출 대상인 i번째 엘리먼트 까지의 X축 방향 거리가 xi인 경우, 송신 지연 시간(Tt)은 아래 [수학식 1]과 같다.
[수학식 1]
Figure pat00001

여기서, c는 음속을 나타낸다.
트랜스듀서 모듈(300)이 스티어링을 하지 않은 경우에는 θ=0으로 설정할 수 있다. 다시 말해, 상기 [수학식 1]의 변수들을 이미징 환경에 맞게 설정함으로써 각각의 엘리먼트의 지연 시간을 산출할 수 있다. 한편, 지연 시간들은 필요할 때마다 산출되는 것도 가능하고, 미리 산출되어 테이블 형태로 저장되는 것도 가능하다.
송신 제어부(110)는 송신 빔포머(130)가 각 엘리먼트 별 지연 시간에 따라 송신 신호를 출력할 수 있도록 클럭 발생기(120)를 제어한다. 이 때 클럭 발생기(120)의 지연 주파수를 유동적으로 설정하여 송신 빔포밍 장치(100)의 데이터 처리량을 최소화하면서도 최적의 빔포밍 효과를 얻을 수 있다. 구체적으로, 송신 제어부(110)는 초점 깊이, 스티어링 각도, 활성화 트랜스듀서 엘리먼트의 개수, 구경의 크기, 송신 신호의 특성, 트랜스듀서 모듈(300)이 2차원 어레이인지 여부 등을 포함하는 파라미터 중에서 어느 하나의 파라미터 또는 복수의 파라미터에 기초하여 지연 주파수를 산출할 수 있다.
도 7 및 도 8에서는 1차원 어레이 트랜스듀서의 동일한 구경 내에서 엘리먼트의 수가 증가하면, 동일한 지연 주파수를 적용하더라도 빔포밍 효과가 더 향상됨을 확인하였고, 도 9 내지 도 11에서는 트랜스듀서 엘리먼트가 2차원 방향으로 증가하면 동일한 지연 주파수를 적용하더라도 빔포밍 효과가 더 향상됨을 확인하였다.
또한, 도 12 및 도 13에서는 동일한 구경에 대해 초점 깊이가 증가하면 동일한 지연 주파수를 적용하더라도 빔포밍 효과가 더 향상됨을 확인하였으며, 도 14 내지 도 16에서는 집속점이 달라지더라도 초점 거리와 구경의 크기가 동일한 경우를, 도 17에서는 집속점이 축 방향으로 이동하여 초점 깊이가 달라지면 F 넘버에 따라 구경의 크기도 달라지는 경우를 설명하였다. 따라서, 송신 제어부(110)는 집속점마다 지연 주파수를 산출할 수 있고, 지연 주파수를 산출함에 있어서, 트랜스듀서 모듈(300)이 2차원 어레이 트랜스듀서를 포함하는지 여부, 초점 깊이, 구경 크기, 스티어링 각도 활성화 엘리먼트의 개수 등을 포함하는 파라미터 중 어느 하나의 파라미터 또는 복수의 파라미터들을 고려할 수 있다. 구체적으로, 송신 제어부(110)는 트랜스듀서 모듈(300)이 1차원 어레이 트랜스듀서를 포함하는 경우보다 2차원 어레이 트랜스듀서를 포함하는 경우(엘리먼트의 개수가 동일한 조건에서), 초점 깊이가 짧은 경우보다 긴 경우, 구경 크기가 작은 경우보다 큰 경우 및 동일한 구경 크기이더라도 엘리먼트의 수가 적은 경우보다 많은 경우에 더 낮은 지연 주파수를 산출할 수 있다.
도 19는 초점 거리가 5mm이고, 16x16의 2차원 어레이 엘리먼트가 활성화된 경우에 대한 빔 프로파일을 나타낸 그래프이고, 도 20은 초점 거리가 30mm이고, 64x64의 2차원 어레이 엘리먼트가 활성화된 경우에 대한 빔 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 19의 빔 프로파일을 참조하면, 초점 거리가 5mm이고, 16x16의 2차원 어레이 엘리먼트가 활성화된 경우에는 지연 주파수가 20MHz 이상만 되어도 우수한 빔포밍 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 송신 제어부(110)는 클럭 발생기(120)의 클럭 주파수를 20MHz로 설정할 수 있다.
도 20의 빔 프로파일을 참조하면, 초점 거리가 30mm이고, 64x64의 2차원 어레이 엘리먼트가 활성화된 경우에는 지연 주파수가 10MHz 이상만 되어도 우수한 빔포밍 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 송신 제어부(110)는 지연 주파수를 10MHz로 설정할 수 있다.
지연 주파수에 따라 송신 빔포머(130)에 가해줄 수 있는 지연 시간이 달라질 수 있다. 예를 들어, 지연 주파수가 10MHz이면, 지연 해상도는 1/10MHz=0.1μs가 되므로, 0.1μs마다 한 번씩 송신 클럭 신호를 출력할 수 있는바, 지연 시간이 0.13μs인 엘리먼트에 대해서는 정확한 지연 시간을 줄 수가 없으므로 지연 해상도를 고려하여 지연 시간을 다시 산출한다.
따라서, 송신 제어부(110)는 설정된 지연 주파수에 따라 각 엘리먼트 별로 지연 시간을 다시 산출할 수 있고, 이 때 아래 [수학식 2]를 이용할 수 있다.
[수학식 2]
Td2 = Round[Td1/Tdr]x Tdr
여기서, Td2는 지연 주파수에 따라 다시 산출되는 제2지연 시간을 나타내고, Td1는 지연 주파수와 무관하게 산출된 제1지연 시간(앞서 설명한 Tt)을 나타내며, Tdr은 지연 해상도(=1/지연 주파수)를 나타낸다. Round[]는 라운드 함수를 나타내는 것으로서, 라운드 함수는 [] 안의 값을 반올림한다.
상기 예시를 [수학식 2]에 적용하면, 제1지연 시간 Td1은 0.13μs가 되고, 지연 해상도 Tdr은 0.1μs가 된다. 그리고, [수학식 2]를 계산하면, 제2지연 시간 Td2는 0.1μs가 되는바, 송신 제어부(110)는 해당 엘리먼트에 대한 지연 시간이 0.1μs 가 되도록 클럭 발생기(120)로부터 출력되는 송신 클럭 신호를 제어할 수 있다.
지금까지 지연 주파수를 유동적으로 설정하는 송신 빔포밍 장치(100)에 대해 설명하였다. 초음파 에코 신호를 수신할 때에도 시간 지연에 대한 개념이 동일하게 적용될 수 있으므로, 일 실시예에 따른 수신 빔포밍 장치도 지연 주파수를 유동적으로 설정하여 처리되는 데이터의 양을 최소화하면서 우수한 빔포밍 효과를 얻을 수 있다. 이하 지연 주파수를 유동적으로 설정하는 수신 빔포밍 장치(400)의 실시예를 구체적으로 설명하도록 한다.
도 21은 수신 빔포밍 시에 적용되는 수신 신호의 지연을 나타낸 도면이고, 도 22는 수신 빔포밍 시에 적용되는 수신 동적 집속을 나타낸 도면이다.
상기 도 2에서 설명한 바와 같이 송신 빔포밍을 수행함으로써 집속점에 동일한 위상의 초음파 신호가 도달하게 되면, 집속점으로부터 에코 신호가 발생하여 다시 트랜스듀서 모듈(300)로 돌아가게 된다. 집속점에 초음파 신호를 송신할 때와 마찬가지로, 트랜스듀서 엘리먼트마다 집속점과의 거리가 다르기 때문에 초음파 에코 신호가 도달하는 시간이 각각 달라지게 된다. 구체적으로, 집속점과 가장 가까운 엘리먼트에 초음파 에코 신호가 가장 먼저 도달하고, 집속점과 가장 먼 엘리먼트에 초음파 에코 신호가 가장 늦게 도달한다. 각각의 엘리먼트에서 수신한 단일 신호만으로는 정확한 위치 정보를 얻기 어렵다. 따라서, 송신 빔포밍과 마찬가지로, 시간 차이를 두고 각각의 엘리먼트에 도달한 수신 신호들에 적절한 지연 시간을 주어 같은 시간에 합산함으로써 신호 대 잡음비를 향상시키는 것이 수신 빔포밍이다.
수신 빔포밍에 지연 시간과 빔포밍의 개념이 적용되는 것은 송신 빔포밍과 동일하다. 그러나, 송신 빔포밍은 스캔 라인마다 하나씩 존재하는 집속점에 대해 수행하는 반면, 수신 빔포밍은 스캔 라인 마다 여러 개 존재하는 집속점에 대해 수행할 수 있다. 이는 하나의 집속점에 대해 초음파 신호를 조사했더라도, 해당 스캔 라인 상에 존재하는 여러 집속점들에서 초음파 에코 신호가 발생되어 이 점들로부터 에코 신호를 수신하기 때문이다. 이 때, 초음파 에코 신호가 발생되는 점은 영상점(imaging point)라 하기도 하고, 집속점이라 하기도 한다. 이하 실시예에서는 집속된 초음파 신호를 송신하는 점뿐만 아니라, 집속된 초음파 신호에 의해 초음파 에코 신호가 발생되는 점도 수신 집속에 사용되는 점이므로 집속점이라 하기로 한다.
예를 들어, 도 22에 도시된 바와 같이, 하나의 스캔 라인 상에 존재하는 여덟 개의 집속점(FP1, FP2, FP3, FP4, FP5, FP6, F7, FP8)으로부터 초음파 에코 신호가 발생하는 경우, 트랜스듀서 모듈(300)로부터 가장 가까운 집속점 1(FP1)에서 발생된 초음파 에코 신호부터 트랜스듀서 모듈(300)에 도달하여 엘리먼트 별 지연 시간 차이가 가장 큰 지연 프로파일을 생성한다. 그리고, 집속점 2(FP2)에서 발생된 초음파 에코 신호부터 집속점 8(FP8)에서 발생된 초음파 에코 신호까지 순서대로 트랜스듀서 모듈(300)에 도달하고, 트랜스듀서 모듈(300)에서 가장 먼 집속점 8(FP8)에서 발생된 초음파 에코 신호는 엘리먼트 별 지연 시간 차이가 가장 작은 지연 프로파일을 생성한다.
일 실시예에 따른 수신 빔포밍 장치(400)는 수신 빔포밍을 수행하기 위해 지연 주파수를 유동적으로 설정함에 있어서, 하나의 스캔 라인 상에 존재하는 여러 집속점마다 지연 주파수를 설정할 수 있다. 이하, 수신 빔포밍 장치(400)의 구성과 동작을 구체적으로 설명한다.
도 23은 일 실시예에 따른 수신 빔포밍 장치의 제어 블록도이다.
도 23을 참조하면, 수신 빔포밍 장치(400)는 수신 신호에 대한 빔 포밍을 수행하는 수신 빔포머(430), 수신 빔포머(430)로부터 출력되는 수신 신호에 시간 지연을 주기 위한 클럭(clock)을 발생시키는 클럭 발생기(420) 및 수신 빔포머(430)와 클럭 발생기(420)를 제어하는 수신 제어부(410)를 포함한다.
집속점으로부터 반사되어 돌아오는 초음파 에코 신호는 트랜스듀서 모듈(300)에 입력되고, 트랜스듀서 모듈(300)은 입력된 초음파 에코 신호를 아날로그 전기 신호로 변환한다.
트랜스듀서 모듈(300)에서 변환된 아날로그 전기 신호는 아날로그 수신기(500)로 입력된다. 아날로그 수신기(500)는 초음파 에코 신호가 변환된 아날로그 전기 신호에 대해 신호 처리나 시간 지연 처리를 하기 전에 신호를 증폭시키고, 이득(gain)을 조절하거나 깊이에 따른 감쇠를 보상할 수 있다.
수신 빔포머(430)는 아날로그 빔포머로 구현되어, 아날로그 수신기(500)로부터 출력된 아날로그 수신 신호가 디지털 신호로 변환되기 전에 지연 시간을 주어 수신 빔포밍을 수행할 수 있다. 수신 빔포머(430)에서 아날로그 수신 신호에 대해 지연 시간을 주기 위해 다양한 방식이 적용할 수 있다. 일 예로, L(inductor), C(capacitor) 소자를 이용한 지연 라인(delay line)을 만들고, 각 지연 라인의 지연 시간을 클럭 발생기(420)에서 출력되는 클럭 신호를 통해 제어할 수 있다. 다른 예로는, 아날로그 수신기(500)로부터 입력된 아날로그 수신 신호를 입력 순서대로 샘플링하여 홀드(hold)하고 있다가 같은 시간에 합산하되, 샘플링 타이밍을 클럭 발생기(420)에서 출력되는 클럭 신호를 통해 제어하는 것도 가능하다. 이 밖에도 아날로그 수신기(500)로부터 출력되는 아날로그 수신 신호를 홀드하고 있다가 동시에 출력함으로써 지연 시간을 가할 수 있고, 클럭 발생기(420)에서 출력되는 클럭 신호를 이용하여 지연 시간을 조절하는 방식이면 모두 당해 실시예에 적용 가능하며, 이를 구현하기 위해 사용되는 소자의 구성이나 종류에는 제한을 두지 않는다.
이하 실시예에서는 구체적인 설명을 위하여 수신 빔포머(430)에서 아날로그 수신 신호를 입력 순서대로 샘플링하여 홀드하고 있다가 같은 시간에 출력함으로써 합산하는 방식을 예로 들어 설명한다.
도 24는 샘플 & 홀드 방식에 따라 수신 빔포밍을 수행하는 경우에 수신 빔포머에 입력되는 수신 클럭 신호의 패턴과 수신 빔포머로부터 출력되는 수신 신호의 패턴을 개략적으로 나타낸 도면이다.
전술한 바와 같이, 집속점에서 발생되어 트랜스듀서 모듈(300)로 돌아가는 초음파 에코 신호는 집속점으로부터 가장 가까운 엘리먼트에 가장 먼저 도착하고 집속점으로부터 먼 엘리먼트 일수록 도착 시간이 늦어진다.
아날로그 수신기(500)는 각각의 엘리먼트에서 초음파 에코 신호가 전기적인 아날로그 신호로 변환되어 출력 되는대로 이를 입력 받아 증폭 및 이득 보정을 수행하여 수신 빔포머(430)에 입력한다. 따라서, 도 24의 트랜스듀서 모듈(300)을 구성하는 다섯 개의 엘리먼트(300-1,300-2,300-3,300-4,300-5) 중 집속점에 가장 가까운 엘리먼트가 세 번째의 엘리먼트(300-3)인 경우에는, 수신 빔포머(430)에 입력되는 아날로그 수신 신호는 도 24에 도시된 바와 같이 세 번째 엘리먼트(300-3)에 대응되는 신호가 가장 먼저 입력되는 패턴을 갖는다.
수신 빔포머(430)에는 채널의 수에 대응되는 샘플 & 홀드 회로(430-1,430-2,430-3,430-4,430-5)가 포함될 수 있는바, 각각의 샘플 & 홀드 회로에는 각각의 엘리먼트에 대응되는 아날로그 수신 신호가 입력된다. 전술한 바와 같이, 엘리먼트 별로 초음파 에코 신호가 도달하는 시간이 다르기 때문에 샘플 & 홀드 회로에서의 샘플링 타이밍도 달라진다. 따라서, 클럭 발생기(420)에서 각각의 샘플 & 홀드 회로의 샘플링 타이밍을 제어하기 위한 수신 클럭 신호를 생성하여 샘플 & 홀드 회로에 입력할 수 있다.
도 24에 도시된 바와 같이, 아날로그 수신 신호가 가장 먼저 입력되는 세 번째 샘플 & 홀드 회로(430-3)에 가장 먼저 수신 클럭 신호를 입력하고, 그 다음 두 번째 샘플 & 홀드 회로(430-2) 및 네 번째 샘플 & 홀드 회로(430-4)에 수신 클럭 신호를 입력하고, 마지막으로 첫 번째 샘플 & 홀드 회로(430-1) 및 다섯 번째 샘플 & 홀드 회로(430-5)에 수신 클럭 신호를 입력할 수 있다. 여기서, 샘플 & 홀드 회로에 입력되는 수신 클럭 신호는 샘플링 타이밍을 제어하기 위한 신호이므로, 샘플 클럭(sample clock) 신호라고도 할 수 있다. 각각의 샘플 & 홀드 회로는 수신 클럭 신호가 입력되는 시점에 아날로그 수신 신호를 샘플링하여 홀드하고 있다가 출력한다. 출력된 아날로그 수신 신호는 아날로그 합산기(440)에서 합산되어 백-엔드(back-end)로 전달된다.
한편, 도 24의 실시예에서는 수신 빔포밍 장치(400)에 아날로그-디지털 변환기가 포함되지 않고, 아날로그 형태의 수신 신호가 백-엔드로 전달되는 것으로 하였으나, 수신 빔포밍 장치(400)의 실시예가 이에 한정되는 것은 아닌바, 수신 빔포밍 장치(400)에 아날로그-디지털 변환기가 포함되어 디지털 형태의 수신 신호를 백-엔드로 전달하는 것도 가능하다.
수신 빔포밍 장치(400)의 클럭 발생기(420)도 송신 빔포밍 장치(100)의 클럭 발생기(120)와 마찬가지로 클럭의 주파수를 가변할 수 있는 가변 클럭 발생기로 구현된다. 클럭 발생기(420)에서 생성하는 클럭 신호는 특정 주파수의 클럭에 동기되어 있으며, 이 특정 주파수 클럭을 기준으로 0 또는 1의 값으로 코딩될 수 있다. 클럭 발생기(420)로부터 수신 빔포머(430)로 입력되는 수신 클럭 신호에 의해 아날로그 수신 신호에 지연 시간이 가해질 수 있으므로, 클럭 발생기(420)의 클럭 주파수 역시 지연 주파수 또는 지연 샘플링 주파수라 할 수 있고, 그 역수는 지연 해상도에 해당한다.
도 25는 각각의 엘리먼트에 대한 수신 클럭 신호의 일 예시를 나타낸 타이밍도이다.
도 22에 도시된 바와 같이, 하나의 스캔 라인 상에 존재하는 복수의 집속점에서 초음파 에코 신호가 발생되어 트랜스듀서 모듈(300)에 가까운 순서대로 도달하는바, 당해 예시에서는 집속점 1(FP1), 집속점 2(FP2), 집속점 3(FP3), 집속점 4(FP4) 및 집속점 5(FP5)에서 발생된 초음파 에코 신호가 트랜스듀서 모듈에(300)에 도달한 것으로 하여 설명한다.
클럭 발생기(420)는 도 25에 도시된 바와 같은 수신 클럭 신호를 생성하여 각각의 샘플 & 홀드 회로에 입력할 수 있다. 수신 클럭 신호의 하강 엣지(falling edge)에서 샘플링이 수행되는 것으로 한다.
수신 제어부(410)는 각 엘리먼트 별 지연 시간을 고려하여 수신 클럭 신호의 타이밍을 조절한다. 이를 위해, 수신 제어부(410)는 각각의 엘리먼트로부터 출력된 아날로그 수신 신호에 대한 수신 지연 시간을 산출하고, 각 엘리먼트의 수신 지연 시간에 맞추어 클럭 발생기(420)가 수신 클럭 신호를 출력할 수 있도록 제어할 수 있다.
여기서, 수신 지연 시간은 하나의 스캔 라인 상에 존재하는 모든 집속점에 대해 산출될 수 있고, 수신 지연 시간의 산출을 위해 아래 [수학식 3]이 적용될 수 있고, TR은 수신 지연 시간을 의미한다. 각각의 변수에 대한 설명은 [수학식 1] 및 도 18을 참조한다.
[수학식 3]
Figure pat00002

수신 지연 시간은 필요할 때마다 수신 제어부(410)에 의해 산출되는 것도 가능하고, 미리 산출되어 테이블 형태로 저장되는 것도 가능하다.
한편, 도 25의 예시에서는 클럭 발생기(420)의 클럭 주파수가 160MHz인 것으로 도시하였다. 이 경우, 지연 해상도는 6.25ns가 되고, 6.25ns 당 한 번씩 샘플 클럭 신호를 출력할 수 있다. 따라서, 각각의수신 지연 시간이 6.25ns의 배수 또는 약수에 해당하는 경우에는 산출된 수신 지연 시간에 정확히 맞추어 수신 클럭 신호를 출력할 수 있지만, 그렇지 않은 경우에는 지연 에러(delay error)가 발생하게 된다. 클럭 발생기(420)의 클럭 주파수가 지연 에러에 주는 영향은 상기 송신 빔포밍 장치(100)의 실시예에서 설명한 바와 같다.
구체적으로, 1차원 어레이 트랜스듀서의 동일한 구경 내에서 엘리먼트의 수가 증가하면, 동일한 지연 주파수를 적용하더라도 빔포밍 효과가 더 향상될 수 있고, 트랜스듀서 엘리먼트의 개수가 2차원 방향으로 증가하면 동일한 지연 주파수를 적용하더라도 빔포밍 효과가 더 향상될 수 있다. 또한, 동일한 구경에 대해 초점 깊이가 증가하면 동일한 지연 주파수를 적용하더라도 빔포밍 효과가 더 향상될 수 있으며, 초음파 이미징 방식에 따라 집속점이 달라지더라도 초점 거리와 구경의 크기가 동일한 경우도 있고, 집속점이 축 방향으로 이동하여 초점 깊이가 달라지면 F 넘버에 따라 구경의 크기도 달라지는 경우도 있다.
따라서, 수신 제어부(410)는 집속점마다 지연 주파수를 산출할 수 있고, 지연 주파수를 산출함에 있어서, 트랜스듀서 모듈(300)이 2차원 어레이 트랜스듀서를 포함하는지 여부, 초점 깊이, 구경 크기, 활성화 트랜스듀서 엘리먼트의 개수, 스티어링 각도 등을 포함하는 파라미터 중 어느 하나의 파라미터 또는 복수의 파라미터들을 고려할 수 있다.
수신 제어부(410)는 트랜스듀서 모듈(300)이 1차원 어레이 트랜스듀서를 포함하는 경우보다 2차원 어레이 트랜스듀서를 포함하는 경우(동일한 엘리먼트 개수를 갖는 경우에), 초점 깊이가 짧은 경우보다 긴 경우, 구경 크기가 작은 경우보다 큰 경우 및 동일한 구경 크기이더라도 엘리먼트의 수가 적은 경우보다 많은 경우에 더 낮은 지연 주파수를 산출할 수 있다.
또한, 송신 빔포밍 장치(100)의 실시예와 마찬가지로, 지연 주파수에 따라 수신 빔포머(430)에 가해줄 수 있는 지연 시간이 달라질 수 있다. 예를 들어, 지연 주파수가 10MHz이면, 지연 해상도는 1/10MHz=0.1μs가 되므로, 0.1μs마다 한 번씩 수신 클럭 신호(샘플 클럭 신호)를 출력할 수 있는바, 지연 시간이 0.13μs인 아날로그 수신 신호에 대해서는 정확한 지연 시간을 줄 수가 없으므로 지연 해상도를 고려하여 지연 시간을 다시 산출해야 한다. 따라서, 수신 제어부(410)는 설정된 지연 주파수에 따라 각각의 아날로그 수신 신호 별로 지연 시간을 다시 산출할 수 있고, 이 때 [수학식 2]를 이용할 수 있는바, [수학식 2]의 Td1에 상기 [수학식 3]에 의해 산출된 수신 지연 시간 TR을 대입한다. 그리고, 수신 제어부(410)는 클럭 발생기(420)가 다시 산출된 지연 시간에 따른 샘플 클럭 신호를 출력하도록 제어할 수 있다.
이로써, 수신 빔포밍 장치(400)도 송신 빔포밍 장치(100)와 마찬가지로, 지연 주파수를 유동적으로 설정함으로써 처리되는 데이터의 양을 제한하면서 우수한 빔포밍 효과를 얻을 수 있다.
송신 빔포밍 장치(100)와 수신 빔포밍 장치(400)는 전체 초음파 진단 장치에 있어서, 프론트-엔드에 해당하는 초음파 프로브에 포함될 수도 있고, 백-엔드에 해당하는 본체에 포함될 수도 있다. 송신 빔포밍 장치(100)와 수신 빔포밍 장치(400)의 실시예는 이에 관한 제한을 두지 않으므로, 송신 빔포밍 장치(100)와 수신 빔포밍 장치(400)의 구성 요소 전부 또는 일부가 프론트-엔드 및 백-엔드 중 어느 부분에 포함되어도 무방하다.
이하, 송신 빔포밍 장치(100)와 수신 빔포밍 장치(400)를 포함하는 초음파 프로브의 실시예를 설명하도록 한다.
도 26은 일 실시예에 따른 초음파 프로브의 제어 블록도이다.
도 26을 참조하면, 초음파 프로브(10)는 초음파 송신 신호를 집속시키는 송신 빔포밍 장치(100) 및 아날로그 수신 신호를 집속하는 수신 빔포밍 장치(400)를 포함한다. 송신 빔포밍 장치(100)와 수신 빔포밍 장치(400)에 관한 설명은 전술한 실시예에서와 같으므로 여기서는 자세한 설명을 생략하도록 한다.
또한, 초음파 프로브(10)는 송신 빔포밍 장치(100)에서 초음파 송신 신호를 집속시키기 위해 형성한 송신 신호 패턴에 따라 송신 펄스 신호를 발생시키는 펄스 발생기(200) 및 트랜스듀서 모듈(300)이 수신하여 전기 신호로 변환한 초음파 에코 신호에 대해 증폭 및 이득 보정을 수행하는 아날로그 수신기(500)를 더 포함할 수 있다.
펄스 발생기(200)는 트랜스듀서 모듈(300)에 포함되는 트랜스듀서 엘리먼트의 개수 또는 채널의 개수에 대응되는 수만큼의 펄서를 포함할 수 있고, 예를 들어, 각각의 펄서는 -80V 내지 +80V 또는 0V 내지 200V 정도의 전압 펄스를 송신 펄스 신호로서 발생시켜 트랜스듀서 모듈(300)을 구성하는 각각의 엘리먼트에 입력할 수 있다. 펄스 발생기(200)와 트랜스듀서 모듈(300)은 케이블을 통해 연결될 수 있다.
트랜스듀서 모듈(300)은 입력된 송신 펄스 신호를 초음파 신호로 변환하여 집속점을 향해 조사한다. 트랜스듀서 모듈(300)에는 엘리먼트 별로 시간 지연이 가해진 송신 펄스 신호가 입력므로, 집속점에서 먼 엘리먼트부터 순서대로 초음파 신호가 출발하여 동시에 집속점에 도달할 수 있다.
모든 스캔 라인에 대해 초음파 신호의 송신이 완료되면 트랜스듀서 모듈(300)은 송신 모드에서 수신 모드로 전환하여 초음파 에코 신호를 수신하는바, 도면에 도시되지는 않았으나 초음파 프로브(10)는 송수신 스위치를 더 포함하여 트랜스듀서 모듈(300)을 송신 모드와 수신 모드 사이에서 전환시킬 수 있다.
또한, 도 16에 도시된 바와 같이 펄스 발생기(200)와 트랜스듀서 모듈(300) 사이에 HV MUX와 같은 스위치(210)를 더 포함하여 집속점의 위치에 따라 트랜스듀서 엘리먼트를 선택적으로 활성화시킬 수 있다.
전술한 바와 같이, 초음파 에코 신호는 송신 초음파 신호의 집속점 뿐만 아니라, 하나의 스캔 라인 상에 존재하는 다수의 집속점에서 발생할 수 있다. 따라서, 트랜스듀서 모듈(300)은 다수의 집속점에서 발생하는 초음파 에코 신호를 수신하여 전기적인 신호로 변환하고, 이 전기적인 신호가 아날로그 수신 신호가 된다.
아날로그 수신기(500)는 미세한 크기의 아날로그 수신 신호를 증폭시키는 전증폭기(pre-amplifier)를 포함할 수 있는바, 전증폭기로 저잡음 증폭기(low noise amplifier; LNA)를 사용할 수 있다. 또한, 입력되는 신호에 따라 이득(gain) 값을 제어하는 가변 이득 증폭기(variable gain amplifier; VGA)(미도시)를 포함할 수 있다. 이때, 가변 이득 증폭기로 집속점 또는 집속점과의 거리에 따른 이득을 보상하는 TGC(Time Gain compensation)이 사용될 수 있으나, 초음파 프로브(10)의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
아날로그 수신기(500)에서 전처리가 수행된 아날로그 수신 신호는 수신 빔포밍 장치(400)에 입력되고, 수신 빔포밍 장치(400)는 트랜스듀서 모듈(300)이 2차원 어레이 트랜스듀서를 포함하는지 여부, 초점 깊이, 스티어링 각도, 구경 크기, 활성화된 엘리먼트의 개수 등을 포함하는 파라미터 중 적어도 하나에 기초하여 지연 주파수를 유동적으로 설정하고, 설정된 지연 주파수에 따라 아날로그 수신 신호에 지연 시간을 가하여 아날로그 수신 신호를 집속시킨다.
집속된 아날로그 수신 신호는 초음파 프로브(10)로부터 출력되어 백-엔드로 전달되고, 백-엔드에서 디지털 신호로 변환되어 초음파 영상을 생성하기 위한 각종 영상 처리가 수행될 수 있다. 다만, 초음파 프로브(10)의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 초음파 프로브(10)에 아날로그-디지털 변환기를 구비하여 아날로그 수신 신호를 디지털 신호로 변환한 후에 백-엔드로 전달하는 것도 가능하다..
도 27은 1차원 어레이 트랜스듀서를 포함하는 초음파 프로브의 외관도이고, 도 28은 2차원 어레이 트랜스듀서를 포함하는 초음파 프로브의 외관도이다.
일 예로, 트랜스듀서 모듈(300)은 도 27에 도시된 바와 같이 1차원 어레이 트랜스듀서를 포함할 수 있다. 1차원 어레이 트랜스듀서를 구성하는 각각의 트랜스듀서 엘리먼트는 초음파 신호와 전기 신호를 상호 변환시킬 수 있다. 이를 위해, 트랜스듀서 엘리먼트는 자성체의 자왜효과를 이용하는 자왜 초음파 트랜스듀서(Magnetostrictive Ultrasonic Transducer), 압전 물질의 압전 효과를 이용한 압전 초음파 트랜스듀서(Piezoelectric Ultrasonic Transducer) 또는 압전형 미세가공 초음파 트랜스듀서(piezoelectric micromachined ultrasonic transducer, pMUT) 등으로 구현될 수 있으며, 미세 가공된 수백 또는 수천 개의 박막의 진동을 이용하여 초음파를 송수신하는 정전용량형 미세가공 초음파 트랜스듀서(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer, 이하 cMUT으로 약칭한다)로 구현되는 것도 가능하다.
한편, 초음파 프로브(10)는 도 27에 도시된 바와 같이 트랜스듀서 모듈(300)이 선형(linear)으로 배열되는 것도 가능하고, 곡면(convex)으로 배열되는 것도 가능하다. 두 경우 모두 초음파 프로브(10)의 기본적인 동작 원리는 동일하나, 곡면 프로브의 경우에는 트랜스듀서 모듈(300)로부터 조사되는 초음파 빔이 부채꼴 모양이기 때문에, 생성되는 초음파 영상도 부채꼴 모양이 될 수 있다.
다른 예로서, 트랜스듀서 모듈(300)은 도 28에 도시된 바와 같이 2차원 어레이 트랜스듀서를 포함할 수도 있다. 2차원 어레이 트랜스듀서를 포함하는 경우에는 대상체의 내부를 3차원 영상화할 수 있다.
2차원 어레이 트랜스듀서를 구성하는 각각의 트랜스듀서 엘리먼트에 관한 설명은 1차원 어레이 트랜스듀서를 구성하는 트랜스듀서 엘리먼트에 관한 설명과 동일하므로 생략한다.
트랜스듀서 모듈(300)이 2차원 어레이 트랜스듀서를 포함하는 경우에는, 동일한 지연 주파수를 적용하더라도 동일한 엘리먼트 개수를 갖는 1차원 어레이 트랜스듀서를 포함하는 경우보다 더 우수한 빔포밍 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 송신 빔포밍 장치(100)와 수신 빔포밍 장치(400)가 지연 주파수를 설정함에 있어서, 1차원 어레이 트랜스듀서를 포함하는 경우보다 상대적으로 낮은 지연 주파수를 설정할 수 있다.
초음파 프로브(10)는 케이블(11)을 통해 초음파 진단 장치의 본체와 연결되어 초음파 프로브(10)의 제어에 필요한 각종 신호를 입력 받거나, 초음파 프로브(10)가 수신한 초음파 에코 신호에 대응되는 아날로그 신호 또는 디지털 신호를 본체로 전달할 수 있다.
그러나, 초음파 프로브(10)의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 무선 프로브(wireless probe)로 구현되어 초음파 프로브(10)와 본체 사이에 형성된 네트워크를 통해 신호를 주고 받는 것도 가능하다.
한편, 송신 빔포밍 장치(100)의 클럭 발생기(120)와 송신 제어부(110)가 수신 빔포밍 장치(400)의 클럭 발생기(420)와 수신 제어부(410)와 서로 동일한 구성으로 구현되는 것도 가능하다.
도 29는 송신 빔포밍 장치와 수신 빔포밍 장치가 클럭 발생기와 제어부를 공유하는 예시에 관한 제어 블록도이다.
도 29에 도시된 바와 같이, 초음파 프로브(10)는 송신 빔포밍 장치(100)와 수신 빔포밍 장치(400)가 물리적으로 분리된 별도의 모듈로 구현되는 것이 아니라, 전술한 송신 제어부(110)와 수신 제어부(410)의 동작이 제어부(510)에 의해 수행되고, 송신 빔포밍 장치(100)의 클럭 발생기(120)와 수신 빔포밍 장치(400)의 클럭 발생기(420)의 동작이 클럭 발생기(520)에 의해 수행되는 것이 가능하다.
아울러, 클럭 발생기와 제어부뿐만 아니라, 다른 구성들 역시 물리적으로 분리된 것이 아니므로, 서로 물리적 구성의 일부 또는 전부를 공유할 수 있고, 하나의 물리적 구성이 여러 구성 요소들의 동작을 수행할 수 있음은 물론이다.
이하 송신 빔포밍 장치(100)와 수신 빔포밍 장치(400)를 포함하는 초음파 진단 장치의 실시예를 설명하도록 한다.
도 30은 일 실시예에 따른 초음파 진단 장치의 제어 블록도이고, 도 31은 일 실시예에 따른 초음파 진단 장치의 외관도이다.
도 30을 참조하면, 일 실시예에 따른 초음파 진단 장치(1)는 송신 빔포밍 장치(100), 펄스 발생기(200), 트랜스듀서 모듈(300), 수신 빔포밍 장치(400), 아날로그 수신기(500) 및 아날로그-디지털 변환기(650)와 함께, 사용자 인터페이스에 해당하는 입력부(610) 및 디스플레이부(620)를 포함하고, 수신 빔포밍 장치(400)에서 집속된 아날로그 수신 신호가 디지털 신호로 변환되어 전달되면 신호 처리를 수행하여 초음파 영상 데이터를 형성하는 신호 처리부(630), 초음파 영상 데이터가 디스플레이부(620)에 표시될 수 있도록 각종 변환과 영상 처리를 수행하는 영상 처리부(640)를 포함할 수 있다.
일 예로, 신호 처리부(630)는 DSP(Digital Signal Processor)로 구현될 수 있으며, 집속된 디지털 수신 신호에 기초하여 초음파 에코 신호들의 크기를 검출하는 포락선 검파 처리를 수행하여 초음파 영상 데이터를 형성한다. 구체적으로, 신호 처리부(630)는 각 스캔 라인 상에 존재하는 다수의 집속점의 위치 정보 및 각 점에서 얻어지는 데이터에 기초하여 초음파 영상 데이터를 형성한다. 여기서, 초음파 영상 데이터는 각 점의 X-Y 좌표계 상의 좌표, 수직 스캔 라인에 대한 각 스캔 라인의 각도 정보 및 각 점에서 얻어지는 데이터 등을 포함한다.
영상 처리부(640)는 초음파 영상 데이터가 디스플레이부(620)에 표시될 수 있도록 스캔 변환하는 스캔 변환기를 포함할 수 있다. 또한, 사용자가 원하는 모드의 초음파 영상을 디스플레이부(620)에 디스플레이 하기 위해, 스캔 변환된 초음파 영상 데이터에 다양한 영상 처리를 수행할 수 있다. 예를 들어, 영상 처리부(640)는 A-모드(Amplitude mode), B-모드(Brightness mode), M-모드(Motion mode) 또는 도플러 모드(Doppler mode) 등 다양한 모드의 초음파 영상을 생성하여 디스플레이부(620)를 통해 표시할 수 있다. 또한, 초음파 프로브(10)가 2차원 어레이 트랜스듀서를 포함하거나, 고도 방향으로 구동 가능한 1차원 어레이 트랜스듀서를 포함하는 경우에는 복수의 2차원 단면 영상을 이용하여 3차원 초음파 영상을 생성하는 것도 가능하다.
도 30과 도 31을 함께 참조하면, 초음파 프로브(10)는 케이블(11)을 통해 초음파 진단 장치(1)의 본체(2)와 연결될 수 있고, 초음파 프로브(10)에서 아날로그 수신 신호가 케이블(11)을 통해 본체(2)로 전달되면, 아날로그-디지털 변환기(650)가 아날로그 수신 신호를 디지털 수신 신호로 변환하고, 신호 처리부(630) 및 영상 처리부(640)가 디지털 수신 신호에 대해 상술한 동작을 수행하여 초음파 영상을 생성한다.
케이블(11)의 일 측 말단은 초음파 프로브(10)와 연결되고, 타 측 말단에는 본체(2)의 슬롯(7)에 결합 또는 분리가 가능한 커넥터(12)가 마련될 수 있다. 케이블(11)을 이용하여 본체(2)와 초음파 프로브(10) 사이에 제어 명령이나 데이터를 주고 받을 수 있다. 예를 들어, 사용자가 입력부(610)를 통해 초점 깊이, 구경 크기 또는 스티어링 각도 등에 관한 정보를 입력하면, 이 정보들은 케이블(11)을 통해 초음파 프로브(10)로 전달되어 송신 빔포밍 장치(100)와 수신 빔포밍 장치(400)가 지연 주파수를 설정하는데 사용될 수 있다. 또는, 전술한 바와 같이 초음파 프로브(10)가 무선 프로브로 구현되는 경우에는, 초음파 프로브(10)는 케이블(11)이 아닌 무선 네트워크를 통해 본체(2)와 연결된다. 무선 네트워크를 통해 본체(2)와 연결되는 경우에도 본체(2)와 초음파 프로브(10)는 전술한 제어 명령이나 데이터를 주고 받을 수 있다.
이하 일 측면에 따른 송신 빔포밍 방법 및 수신 빔포밍 방법에 대한 실시예를 설명한다.
도 32는 일 실시예에 따른 송신 빔포밍 방법에 관한 순서도이다. 당해 실시예에 따른 송신 빔포밍 방법에는 전술한 실시예에 따른 송신 빔포밍 장치(100)가 사용될 수 있다.
도 32를 참조하면, 먼저 초점 깊이 또는 구경의 크기가 설정되면(711의 예), 해당 집속점에 초음파 신호를 송신하기 위해 사용되는 각각의 트랜스듀서 엘리먼트의 제1송신 지연 시간을 계산한다(712). 또한, 스티어링이 이루어지는 경우에는 스티어링 각도도 함께 설정될 수 있으며, 제1송신 지연 시간을 계산하기 전에 초점 깊이, 구경의 크기 또는 스티어링 각도에 따라 활성화될 트랜스듀서 엘리먼트를 설정하는 것을 더 포함할 수 있고, 활성화될 트랜스듀서 엘리먼트에 대해 제1송신 지연 시간을 계산하는 것으로 할 수 있다. 제1송신 지연 시간을 계산하기 위해 상기 [수학식 1]을 사용할 수 있다.
트랜스듀서 모듈(300)이 2차원 어레이 트랜스듀서를 포함하는지 여부, 초점 깊이, 구경 크기, 활성화 엘리먼트의 개수, 스티어링 각도 등을 포함하는 파라미터 중 적어도 하나를 고려하여 송신 지연 주파수를 산출한다(713).구체적으로, 송신 제어부(110)는 트랜스듀서 모듈(300)이 1차원 어레이 트랜스듀서를 포함하는 경우보다 2차원 어레이 트랜스듀서를 포함하는 경우, 초점 깊이가 짧은 경우보다 긴 경우, 구경 크기가 작은 경우보다 큰 경우 및 동일한 구경 크기이더라도 엘리먼트의 수가 적은 경우보다 많은 경우에 더 낮은 송신 지연 주파수를 산출할 수 있다. 지연 주파수의 산출에 관한 구체적인 설명은 도 1 내지 도 20을 참조하여 설명한 바와 같다.
지연 주파수는 지연 해상도의 역수에 해당하는바, 지연 해상도에 따라 송신 신호에 가해줄 수 있는 지연 시간이 달라질 수 있다. 따라서, 산출된 송신 지연 주파수에 기초하여 각 엘리먼트 별 지연 시간을 다시 산출하는바, 이 때 산출되는 지연 시간을 제2송신 지연 시간이라 하기로 한다. 제2송신 지연 시간은 상기 [수학식 2]에 제1지연 시간과 지연 주파수를 대입하여 산출할 수 있다(714).
산출된 지연 주파수와 제2송신 지연 시간을 각 트랜스듀서 엘리먼트에 적용하여 송신 빔포밍을 수행한다(715).
아울러, 하나의 스캔 라인 또는 하나의 집속점에 대한 스캔이 완료되면 다른 집속점에 대한 스캔이 수행되는바, 집속점의 위치가 달라질 때마다 전술한 711 단계 내지 715 단계가 반복적으로 수행되어 하나의 2차원 단면 영상이 생성될 수 있다.
도 33은 일 실시예에 따른 수신 빔포밍 방법에 관한 순서도이다. 당해 실시예에 따른 수신 빔포밍 방법에는 전술한 실시예에 따른 수신 빔포밍 장치(400)가 사용될 수 있다.
도 33을 참조하면, 먼저 초점 깊이 또는 구경의 크기가 설정 또는 변경되면(721의 예), 해당 집속점으로부터 수신된 수신 신호를 집속하기 위해 사용되는 각각의 트랜스듀서 엘리먼트에 대한 제1수신 지연 시간을 산출한다(722).
집속점의 위치에 따라 초음파 에코 신호의 수신에 사용되는 트랜스듀서 엘리먼트의 위치가 달라지는 경우에는, 제1수신 지연 시간을 산출하기 전에 활성화될 엘리먼트의 위치를 설정하고, 설정된 엘리먼트에 대한 제1수신 지연 시간을 산출하는 것으로 할 수 있다. 제1수신 지연 시간을 산출하기 위해 상기 [수학식 3]을 사용할 수 있다.
트랜스듀서 모듈(300)이 2차원 어레이 트랜스듀서를 포함하는지 여부, 초점 깊이, 구경 크기, 스티어링 각도, 활성화 엘리먼트의 개수 등을 포함하는 파라미터 중 적어도 하나를 고려하여 수신 지연 주파수를 산출한다(723). 구체적으로, 수신 제어부(410)는 트랜스듀서 모듈(300)이 1차원 어레이 트랜스듀서를 포함하는 경우보다 2차원 어레이 트랜스듀서를 포함하는 경우(동일한 엘리먼트를 갖는 조건에서), 초점 깊이가 짧은 경우보다 긴 경우, 구경 크기가 작은 경우보다 큰 경우 및 동일한 구경 크기이더라도 엘리먼트의 수가 적은 경우보다 많은 경우에 더 낮은 수신 지연 주파수를 산출할 수 있다. 지연 주파수의 산출에 관한 구체적인 설명은 도 21 내지 도 25를 참조하여 설명한 바와 같다.
지연 주파수는 지연 해상도의 역수에 해당하는바, 지연 해상도에 따라 수신 신호에 가해줄 수 있는 지연 시간이 달라질 수 있다. 따라서, 산출된 수신 지연 주파수에 기초하여 각 엘리먼트 별 지연 시간을 다시 산출하는바, 이 때 산출되는 지연 시간을 제2수신 지연 시간이라 하기로 한다. 제2수신 지연 시간은 상기 [수학식 2]에 제1수신 지연 시간과 수신 지연 주파수를 대입하여 산출할 수 있다(724).
산출된 수신 지연 주파수와 제2수신 지연 시간을 각 트랜스듀서 엘리먼트에 적용하여 수신 빔포밍을 수행한다(725).
그리고, 수신 빔포머(430)로부터 수신 빔포밍이 수행되어 집속된 아날로그 수신 신호가 출력되면, 백-엔드에 해당하는 초음파 진단 장치(1)의 본체에서는 아날로그 수신 신호를 이용하여 초음파 영상을 생성할 수 있다. 한편, 도 22에 도시된 바와 같이 하나의 스캔 라인 상에는 여러 개의 집속점이 존재할 수 있는바, 모든 집속점에 대한 수신 빔포밍이 완료될 때까지(726의 예) 상기 721 단계 내지 725 단계를 반복하여 수행할 수 있다. 아울러, 하나의 스캔 라인에 대한 스캔이 완료되면 다른 스캔 라인에 대한 스캔이 수행되는바, 스캔 라인의 위치가 달라질 때마다 전술한 721 단계 내지 726 단계가 반복적으로 수행되어 하나의 2차원 단면 영상이 생성될 수 있다.
지금까지 상술한 송신 빔포밍 장치, 수신 빔포밍 장치, 이들을 포함하는 초음파 프로브와 초음파 진단장치, 송신 빔포밍 방법 및 수신 빔포밍 방법에 의하면, 집속점의 위치, 활성화되는 엘리먼트의 개수 또는 그 위치, 신호 특성 등을 고려하여 지연 주파수를 유동적으로 설정함으로써, 장치 내에서 처리되는 데이터의 양을 최소화하면서 빔포밍의 효과를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 장치들 및 방법들에는 아날로그 빔포머를 사용함으로써, 복잡한 하드웨어 구조를 피할 수 있고, 초음파 프로브의 면적을 감소시켜 초음파 프로브의 소형화를 실현시킬 수 있다.
100 : 송신 빔포밍 장치
110 : 송신 제어부
120 : 클럭 발생기
130 : 송신 빔포머
400 : 수신 빔포밍 장치
410 : 수신 제어부
420 : 클럭 발생기
430 : 수신 빔포머
440 : 아날로그 합산기
10 : 초음파 프로브
200 : 펄스 발생기
300 : 트랜스듀서 모듈
500 : 아날로그 수신기
510 : 제어부
520 : 클럭 발생기
1 : 초음파 진단 장치

Claims (62)

  1. 다중 초음파 트랜스듀서 엘리먼트를 통해 초음파 빔을 송신하는 송신 빔포밍 장치에 있어서,
    상기 다중 초음파 트랜스듀서 엘리먼트 중 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에 대응되는 송신 신호에 지연 시간을 가하여 송신 신호 패턴을 형성하는 송신 빔포머; 및
    상기 지연 시간을 가하기 위해 적용되는 지연 주파수(delay frequency)를 결정하는 송신 제어부;를 포함하는 송신 빔포밍 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 신호의 출력 타이밍을 제어하는 송신 클럭 신호를 생성하는 클럭 발생기;를 더 포함하는 송신 빔포밍 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 클럭 발생기는,
    상기 지연 주파수에 동기되어 상기 송신 클럭 신호를 생성하는 송신 빔포밍 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 제어부는,
    상기 다중 초음파 트랜스듀서 엘리먼트가 2차원 어레이(2D array)인지 여부, 초점 깊이(focal depth), 활성화 초음파 트랜스듀서 엘리먼트의 개수, 스티어링(steering) 각도 및 구경(aperture)의 크기를 포함하는 파라미터 중 적어도 하나에 기초하여 상기 지연 주파수를 결정하는 송신 빔포밍 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 송신 제어부는,
    상기 초점 깊이가 길수록 상기 지연 주파수를 낮게 결정하는 송신 빔포밍 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 송신 제어부는,
    상기 활성화 초음파 트랜스듀서 엘리먼트의 개수가 많을수록 상기 지연 주파수를 낮게 결정하는 송신 빔포밍 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 송신 제어부는,
    상기 구경의 크기가 클수록 상기 지연 주파수를 낮게 결정하는 송신 빔포밍 장치.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 송신 제어부는,
    상기 다중 초음파 트랜스듀서 엘리먼트가 2차원 어레이인 경우에는 1차원 어레이인 경우보다 상기 지연 주파수를 낮게 결정하는 송신 빔포밍 장치.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 송신 제어부는,
    상기 파라미터 중 적어도 하나에 기초하여 상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에 대응되는 제1지연 시간을 산출하는 송신 빔포밍 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 송신 제어부는,
    상기 결정된 지연 주파수 및 상기 제1지연 시간에 기초하여 상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에 대응되는 제2지연 시간을 산출하는 송신 빔포밍 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 송신 제어부는,
    아래 [수학식 2]를 이용하여 상기 제2지연 시간을 산출하는 송신 빔포밍 장치.
    [수학식 2]
    Td2 = Round[Td1/Tdr]x Tdr
    Td2는 제2지연 시간을 나타내고, Td1는 제1지연 시간을 나타내며, Tdr은 지연 해상도(=1/지연 주파수)를 나타내고, Round[]는 [] 안의 값을 반올림 하는 라운드 함수를 나타낸다.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 송신 빔포머는,
    상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에 대응되는 송신 신호에 상기 제2지연 시간을 가하여 송신 신호 패턴을 형성하는 송신 빔포밍 장치.
  13. 다중 초음파 트랜스듀서 엘리먼트가 초음파 에코 신호를 수신하여 변환한 아날로그 수신 신호를 집속시키는 수신 빔포밍 장치에 있어서,
    상기 다중 초음파 트랜스듀서 엘리먼트 중 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에서 변환된 아날로그 수신 신호에 지연 시간을 가하여 집속시키는 수신 빔포머; 및
    상기 지연 시간을 가하기 위해 적용되는 지연 주파수(delay frequency)를 결정하는 수신 제어부;를 포함하는 수신 빔포밍 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 수신 빔포머는,
    상기 아날로그 수신 신호에 상기 지연 시간을 가하기 위해 상기 아날로그 수신 신호를 홀드(hold)하는 수신 빔포밍 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 수신 빔포머가 상기 아날로그 수신 신호를 홀드하는 시간을 제어하기 위한 수신 클럭 신호를 생성하는 클럭 발생기;를 더 포함하는 수신 빔포밍 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 클럭 발생기는,
    상기 지연 주파수에 동기되어 상기 수신 클럭 신호를 생성하는 수신 빔포밍 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 수신 빔포머는,
    상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트로부터 수신된 아날로그 수신 신호를 상기 지연 시간에 따라 샘플링하여 홀드하고 동시에 출력함으로써 집속시키는 수신 빔포밍 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 수신 빔포머의 샘플링 타이밍은,
    상기 수신 클럭 신호에 의해 제어되는 수신 빔포밍 장치.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 집속된 아날로그 수신 신호를 합산하는 아날로그 합산기를 더 포함하는 수신 빔포밍 장치.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 수신 제어부는,
    상기 다중 초음파 트랜스듀서 엘리먼트가 2차원 어레이(2D array)인지 여부, 초점 깊이(focal depth), 활성화 초음파 트랜스듀서 엘리먼트의 개수, 스티어링(steering) 각도 및 구경(aperture)의 크기를 포함하는 파라미터 중 적어도 하나에 기초하여 상기 지연 주파수를 결정하는 수신 빔포밍 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 수신 제어부는,
    상기 초점 깊이가 길수록 상기 지연 주파수를 낮게 결정하는 수신 빔포밍 장치.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 수신 제어부는,
    상기 활성화 초음파 트랜스듀서 엘리먼트의 개수가 많을수록 상기 지연 주파수를 낮게 결정하는 수신 빔포밍 장치.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 수신 제어부는,
    상기 구경의 크기가 클수록 상기 지연 주파수를 낮게 결정하는 수신 빔포밍 장치.
  24. 제 20 항에 있어서,
    상기 수신 제어부는,
    상기 다중 초음파 트랜스듀서 엘리먼트가 2차원 어레이인 경우에는 1차원 어레이인 경우보다 상기 지연 주파수를 낮게 결정하는 수신 빔포밍 장치.
  25. 제 20 항에 있어서,
    상기 수신 제어부는,
    상기 파라미터 중 적어도 하나에 기초하여 상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에 대응되는 제1지연 시간을 산출하는 수신 빔포밍 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 수신 제어부는,
    상기 결정된 지연 주파수 및 상기 제1지연 시간에 기초하여 상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에 대응되는 제2지연 시간을 산출하는 수신 빔포밍 장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 수신 제어부는,
    상기 아날로그 수신 신호에 상기 제2지연 시간을 가하여 집속시키는 수신 빔포밍 장치.
  28. 집속점에 초음파 신호를 송신하고, 상기 집속점으로부터 발생된 초음파 에코 신호를 수신하여 아날로그 수신 신호로 변환하는 다중 초음파 트랜스듀서 엘리먼트;
    상기 초음파 신호를 상기 집속점에 집속시키기 위해, 상기 다중 초음파 트랜스듀서 엘리먼트 중 적어도 하나에 입력되는 송신 신호를 지연시키는 송신 빔포머;
    상기 아날로그 수신 신호를 집속시키기 위해, 상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트로부터 출력되는 아날로그 수신 신호를 지연시키는 수신 빔포머; 및
    상기 송신 신호 또는 상기 아날로그 수신 신호를 지연시키기 위해 적용되는 지연 주파수(delay frequency)를 결정하는 제어부;를 포함하는 초음파 프로브.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 송신 빔포머가 상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에 입력되는 송신 신호를 지연시키도록, 상기 송신 신호의 출력 타이밍을 제어하는 송신 클럭 신호를 생성하는 클럭 발생기;를 더 포함하는 초음파 프로브.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 수신 빔포머는,
    상기 아날로그 수신 신호에 지연 시간을 가하기 위해 상기 아날로그 수신 신호를 홀드하는 초음파 프로브.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 클럭 발생기는,
    상기 수신 빔포머가 상기 아날로그 수신 신호를 홀드하는 시간을 제어하기 위한 수신 클럭 신호를 생성하는 초음파 프로브.
  32. 제 31 항에 있어서,
    상기 클럭 발생기는,
    상기 지연 주파수에 동기되어 상기 송신 클럭 신호 또는 상기 수신 클럭 신호를 생성하는 초음파 프로브.
  33. 제 28 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 다중 초음파 트랜스듀서 엘리먼트가 2차원 어레이(2D array)인지 여부, 초점 깊이(focal depth), 활성화 초음파 트랜스듀서 엘리먼트의 개수, 스티어링(steering) 각도 및 구경(aperture)의 크기를 포함하는 파라미터 중 적어도 하나에 기초하여 상기 지연 주파수를 결정하는 초음파 프로브.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 초점 깊이가 길수록 상기 지연 주파수를 낮게 결정하는 초음파 프로브.
  35. 제 33 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 활성화 초음파 트랜스듀서 엘리먼트의 개수가 많을수록 상기 지연 주파수를 낮게 결정하는 초음파 프로브.
  36. 제 33 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 구경의 크기가 클수록 상기 지연 주파수를 낮게 결정하는 초음파 프로브.
  37. 제 33 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 다중 초음파 초음파 트랜스듀서 엘리먼트가 2차원 어레이인 경우에는 1차원 어레이인 경우보다 상기 지연 주파수를 낮게 결정하는 초음파 프로브.
  38. 제 33 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 파라미터 중 적어도 하나에 기초하여 상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에 대응되는 제1지연 시간을 산출하는 초음파 프로브.
  39. 제 38 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 결정된 지연 주파수 및 상기 제1지연 시간에 기초하여 상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에 대응되는 제2지연 시간을 산출하는 초음파 프로브.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    아래 [수학식 2]를 이용하여 상기 제2지연 시간을 산출하는 초음파 프로브.
    [수학식 2]
    Td2 = Round[Td1/Tdr]x Tdr
    Td2는 제2지연 시간을 나타내고, Td1는 제1지연 시간을 나타내며, Tdr은 지연 해상도(=1/지연 주파수)를 나타내고, Round[]는 [] 안의 값을 반올림 하는 라운드 함수를 나타낸다.
  41. 제 39 항에 있어서,
    상기 송신 빔포머는,
    상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에 입력되는 송신 신호에 상기 제2지연 시간을 가하여 상기 초음파 신호를 집속시키는 초음파 프로브.
  42. 제 39 항에 있어서,
    상기 수신 빔포머는,
    상기 각각의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트로부터 출력되는 아날로그 수신 신호에 상기 제2지연 시간을 가하여 집속시키는 초음파 프로브.
  43. 제 28 항에 있어서,
    상기 다중 트랜스듀서 엘리먼트는, 2차원으로 배열된 초음파 프로브.
  44. 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트를 통해 초음파 빔을 송신하는 송신 빔포밍 방법에 있어서,
    상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에 적용될 지연 주파수를 결정하는 단계;
    상기 결정된 지연 주파수에 따라 상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에 대응되는 송신 신호에 지연 시간을 가하여 출력하는 단계; 및
    상기 지연 시간이 가해진 송신 신호에 따라 송신 신호 펄스를 생성하는 단계;를 포함하는 송신 빔포밍 방법.
  45. 제 44 항에 있어서,
    상기 송신 신호의 출력 타이밍을 제어하는 송신 클럭 신호를 생성하는 단계;를 더 포함하는 송신 빔포밍 방법.
  46. 제 45 항에 있어서,
    상기 송신 클럭 신호를 생성하는 단계는,
    상기 지연 주파수에 동기되어 상기 송신 클럭 신호를 생성하는 것을 포함하는 송신 빔포밍 방법.
  47. 제 44 항에 있어서,
    상기 지연 주파수를 결정하는 단계는,
    상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트가 2차원 어레이(2D array)인지 여부, 초점 깊이(focal depth), 활성화 트랜스듀서 엘리먼트의 개수, 스티어링(steering) 각도 및 구경(aperture)의 크기를 포함하는 파라미터 중 적어도 하나에 기초하여 상기 지연 주파수를 결정하는 것을 포함하는 송신 빔포밍 방법.
  48. 제 47 항에 있어서,
    상기 지연 주파수를 결정하는 단계는,
    상기 초점 깊이가 길수록, 상기 활성화 초음파 트랜스듀서 엘리먼트의 개수가 많을수록 또는 상기 구경의 크기가 클수록 상기 지연 주파수를 낮게 결정하는 것을 포함하는 송신 빔포밍 방법.
  49. 제 47 항에 있어서,
    상기 지연 주파수를 결정하는 단계는,
    상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트가 2차원 어레이인 경우에는 1차원 어레이인 경우보다 상기 지연 주파수를 낮게 결정하는 것을 포함하는 송신 빔포밍 방법.
  50. 제 47 항에 있어서,
    상기 파라미터 중 적어도 하나에 기초하여 상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에 대응되는 제1지연 시간을 산출하는 단계; 및
    상기 결정된 지연 주파수 및 상기 제1지연 시간에 기초하여 상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에 대응되는 제2지연 시간을 산출하는 단계를 더 포함하는 송신 빔포밍 방법.
  51. 제 50 항에 있어서,
    상기 송신 신호에 지연 시간을 가하여 출력하는 단계는,
    상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에 대응되는 송신 신호에 상기 제2지연 시간을 가하는 것을 포함하는 송신 빔포밍 방법.
  52. 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트가 초음파 에코 신호를 수신하여 변환한 아날로그 수신 신호를 집속시키는 수신 빔포밍 방법에 있어서,
    상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에 적용될 지연 주파수를 결정하는 단계;
    상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에서 변환된 아날로그 수신 신호에 상기 결정된 지연 주파수에 따라 지연 시간을 가하여 출력하는 단계; 및
    상기 지연 시간이 가해진 아날로그 신호를 합산하는 단계;를 포함하는 수신 빔포밍 방법.
  53. 제 52 항에 있어서,
    상기 아날로그 수신 신호에 지연 시간을 가하여 출력하는 단계는,
    상기 아날로그 수신 신호를 상기 지연 시간만큼 홀드(hold)하는 것을 포함하는 수신 빔포밍 방법.
  54. 제 53 항에 있어서,
    상기 아날로그 수신 신호를 홀드하는 시간을 제어하기 위한 수신 클럭 신호를 생성하는 단계;를 더 포함하는 수신 빔포밍 방법.
  55. 제 54 항에 있어서,
    상기 수신 클럭 신호를 생성하는 단계는,
    상기 지연 주파수에 동기되어 상기 수신 클럭 신호를 생성하는 것을 포함하는 수신 빔포밍 방법.
  56. 제 55 항에 있어서,
    상기 아날로그 수신 신호에 지연 시간을 가하여 출력하는 단계는,
    상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에서 변환된 아날로그 수신 신호를 상기 지연 시간에 따라 샘플링하여 홀드하고 동시에 출력함으로써 집속시키는 것을 포함하는 수신 빔포밍 방법.
  57. 제 56 항에 있어서,
    상기 수신 빔포머의 샘플링 타이밍은,
    상기 수신 클럭 신호에 의해 제어되는 수신 빔포밍 방법.
  58. 제 52 항에 있어서,
    상기 지연 주파수를 결정하는 단계는,
    상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트가 2차원 어레이인지 여부, 초점 깊이, 활성화 초음파 트랜스듀서 엘리먼트의 개수, 스티어링 각도 및 구경의 크기를 포함하는 파라미터 중 적어도 하나에 기초하여 상기 지연 주파수를 결정하는 것을 포함하는 수신 빔포밍 방법.
  59. 제 58 항에 있어서,
    상기 지연 주파수를 결정하는 단계는,
    상기 초점 깊이가 길수록, 상기 활성화 초음파 트랜스듀서 엘리먼트의 개수가 많을수록 또는 상기 구경의 크기가 클수록 상기 지연 주파수를 낮게 결정하는 것을 포함하는 수신 빔포밍 방법.
  60. 제 58 항에 있어서,
    상기 지연 주파수를 결정하는 단계는,
    상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트가 2차원 어레이인 경우에 1차원 어레이인 경우보다 상기 지연 주파수를 낮게 결정하는 것을 포함하는 수신 빔포밍 방법.
  61. 제 58 항에 있어서,
    상기 파라미터 중 적어도 하나에 기초하여 상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에 대응되는 제1지연 시간을 산출하는 단계; 및
    상기 결정된 지연 주파수 및 상기 제1지연 시간에 기초하여 상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에 대응되는 제2지연 시간을 산출하는 단계를 더 포함하는 수신 빔포밍 방법.
  62. 제 61 항에 있어서,
    상기 아날로그 수신 신호에 지연 시간을 가하여 출력하는 단계는,
    상기 적어도 하나의 초음파 트랜스듀서 엘리먼트에서 변환된 아날로그 수신 신호에 상기 제2지연 시간을 가하여 출력하는 것을 포함하는 수신 빔포밍 방법.
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