KR20200063573A

KR20200063573A - 3D Photoacoustic imaging apparatus

Info

Publication number: KR20200063573A
Application number: KR1020180149424A
Authority: KR
Inventors: 송철규; 이명영
Original assignee: 전북대학교산학협력단
Priority date: 2018-11-28
Filing date: 2018-11-28
Publication date: 2020-06-05
Also published as: WO2020111731A1; KR102180436B1

Abstract

Disclosed is a 3D photoacoustic imaging device capable of generating a 3D photoacoustic image by scanning an ultrasonic collection unit, and capable of variously adjusting a resolution of the 3D photoacoustic image. The 3D photoacoustic imaging device, according to an embodiment of the present invention, comprises: a laser irradiation unit for emitting a laser pulse to an object; an ultrasonic collection unit for collecting photoacoustic signals generated by thermoelastic expansion of the object by means of the laser pulse; a scanning unit for scanning an inspection area of the object by moving the ultrasonic collection unit; and a photoacoustic generation unit for generating a 3D photoacoustic image by using the photoacoustic signals collected from the ultrasonic collection unit. The photoacoustic generation unit generates 2D photoacoustic images by using the photoacoustic signals collected while moving the ultrasonic collection unit, and combines the 2D photoacoustic images on the basis of scan positions of the ultrasonic collection unit so as to generate the 3D photoacoustic image.

Description

3D photoacoustic imaging apparatus

본 발명은 3차원 광음향 영상 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대상체의 검사 영역을 스캔하여 순차적으로 수집된 광음향 신호들을 이용하여 3차원 광음향 영상을 생성하는 3차원 광음향 영상 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a 3D photoacoustic imaging apparatus, and more particularly, to a 3D photoacoustic imaging apparatus that generates a 3D optoacoustic image using sequentially collected optoacoustic signals by scanning an inspection area of an object. will be.

광음향 이미징(Photoacoustic imaging) 기술은 광음향 효과(Photoacoustic effect)를 이용하여 생체조직 등의 대상체를 영상화하는 기술이다. 비이온화(non-ionizing) 레이저 펄스를 대상체에 방사하면, 방출된 에너지는 대상체에서 열로 변환되고, 그 중 열탄성 팽창(Thermoelastic expansion)으로 인해 넓은 대역의 초음파가 생성이 된다. 이와 같이 레이저 펄스에 의해 대상체에서 발생된 초음파를 초음파 트랜스듀서를 사용하여 수집하고, 수집된 초음파 정보를 이용하여 이미지를 구성하는 것이 광음향 이미징 기술이다.Photoacoustic imaging technology is a technique for imaging an object such as a biological tissue using a photoacoustic effect. When a non-ionizing laser pulse is radiated to an object, the emitted energy is converted into heat in the object, and among them, a wide band of ultrasonic waves is generated due to thermoelastic expansion. As described above, photoacoustic imaging technology is to collect ultrasonic waves generated from an object by a laser pulse using an ultrasonic transducer and to construct an image using the collected ultrasonic information.

특허문헌 1(대한민국 공개특허공보 10-2017-0093378, 2017.08.16. 공개)에는 광음향 이미징 기반의 혈전 탐지 시스템이 개시되어 있다. 특허문헌 1에 개시된 광음향 이미징 기술은 대상체의 검사 영역이 광음향을 감지하는 초음파 센서의 위치로 제한된다. 또한, 초음파 센서에 의해 수집되는 광음향 정보로부터 생성하는 2차원 영상으로는 대상체의 혈전 등의 질환을 정확하게 판별하기 어려운 문제점이 있다.Patent Document 1 (Republic of Korea Patent Publication No. 10-2017-0093378, published on August 16, 2017) discloses a thrombus detection system based on photoacoustic imaging. The photoacoustic imaging technology disclosed in Patent Document 1 is limited to the position of the ultrasonic sensor in which the inspection area of the object detects photoacoustic. In addition, a two-dimensional image generated from photoacoustic information collected by an ultrasonic sensor has a problem that it is difficult to accurately determine a disease such as a blood clot of an object.

KR10-2017-0093378 AKR10-2017-0093378 A

본 발명은 초음파 수집부를 스캔하여 3차원 광음향 영상을 생성할 수 있는 3차원 광음향 영상 장치를 제공하기 위한 것이다.The present invention is to provide a 3D photoacoustic imaging apparatus capable of generating a 3D photoacoustic image by scanning an ultrasonic collector.

또한, 본 발명은 3차원 광음향 영상의 해상도를 다양하게 조절할 수 있는 3차원 광음향 영상 장치를 제공하기 위한 것이다.In addition, the present invention is to provide a 3D photoacoustic imaging apparatus capable of variously adjusting the resolution of a 3D photoacoustic image.

본 발명에 따른 3차원 광음향 영상 장치는 레이저 펄스를 대상체에 조사하는 레이저 조사부; 상기 레이저 펄스에 의해 상기 대상체가 열탄성 팽창되어 발생되는 광음향 신호를 수집하는 초음파 수집부; 상기 초음파 수집부를 이동시켜 상기 대상체의 검사 영역을 스캔하는 스캔부; 및 상기 초음파 수집부로부터 수집된 상기 광음향 신호를 이용하여 3차원 광음향 영상을 생성하는 광음향 생성부를 포함한다. 상기 광음향 생성부는, 상기 초음파 수집부를 이동시키면서 수집한 광음향 신호들을 이용하여 2차원 광음향 영상들을 생성하고, 상기 2차원 광음향 영상들을 상기 초음파 수집부의 스캔 위치들을 기반으로 결합하여 상기 3차원 광음향 영상을 생성한다.A 3D photoacoustic imaging apparatus according to the present invention includes a laser irradiation unit that irradiates a laser pulse to an object; An ultrasonic collection unit for collecting the photoacoustic signal generated by the thermal elastic expansion of the object by the laser pulse; A scanning unit that moves the ultrasound collection unit to scan an inspection area of the object; And an optoacoustic generator for generating a three-dimensional optoacoustic image using the optoacoustic signal collected from the ultrasonic collector. The photoacoustic generation unit generates two-dimensional photoacoustic images using the photoacoustic signals collected while moving the ultrasonic collection unit, and combines the two-dimensional photoacoustic images based on scan positions of the ultrasonic collection unit to generate the three-dimensional image. Create photoacoustic images.

본 발명의 실시예에 따른 3차원 광음향 영상 장치는 상기 초음파 수집부로부터 상기 광음향 신호들을 수집하여 상기 스캔부를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.The 3D photoacoustic imaging apparatus according to an embodiment of the present invention may further include a control unit that collects the photoacoustic signals from the ultrasonic collection unit and controls the scan unit.

상기 제어부는, 상기 초음파 수집부로부터 제1 위치에서 광음향 신호가 수집되면, 제2 위치에서 광음향 신호를 수집하기 위해 상기 초음파 수집부를 이동시키도록 상기 스캔부를 제어할 수 있다.When the photoacoustic signal is collected at the first location from the ultrasonic collection unit, the controller may control the scan unit to move the ultrasonic collection unit to collect the photoacoustic signal at the second location.

상기 초음파 수집부는 상기 광음향 신호를 수집하는 프로브 유닛을 포함하고, 상기 프로브 유닛은, 상기 대상체의 반대 측으로 함몰된 반구 형상으로 형성되는 프로브 지지부와, 상기 프로브 지지부의 반구면 상에 2차원 배열되는 다수의 초음파 프로브를 포함할 수 있다.The ultrasonic collection unit includes a probe unit that collects the photoacoustic signal, and the probe unit is two-dimensionally arranged on a hemispherical surface of a probe support portion formed in a hemispherical shape recessed toward the opposite side of the object. It may include a plurality of ultrasonic probes.

상기 레이저 조사부는 상기 레이저 펄스를 생성하는 레이저 발생부와, 상기 레이저 펄스를 상기 대상체로 출력하는 레이저 출력부를 포함하고, 상기 레이저 출력부는 상기 프로브 유닛의 중앙에 마련될 수 있다.The laser irradiation unit includes a laser generating unit that generates the laser pulse, and a laser output unit that outputs the laser pulse to the object, and the laser output unit may be provided at the center of the probe unit.

상기 스캔부는 상기 프로브 유닛을 상기 대상체를 중심으로 회전시키도록 구성될 수 있다.The scan unit may be configured to rotate the probe unit around the object.

상기 스캔부는, 상기 초음파 수집부를 상하 방향으로 이동시켜 상기 대상체의 검사 영역을 상기 상하 방향으로 스캔하는 제1 스테이지; 및 상기 초음파 수집부를 상기 대상체를 중심으로 회전시켜 상기 대상체의 검사 영역을 둘레 방향으로 스캔하는 제2 스테이지를 포함할 수 있다.The scan unit may include: a first stage that moves the ultrasound collection unit in the vertical direction to scan the inspection area of the object in the vertical direction; And a second stage that rotates the ultrasound collection unit around the object and scans the inspection area of the object in a circumferential direction.

상기 제2 스테이지는, 상하 방향의 축을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 원형의 회전판; 상기 회전판을 회전 구동시키는 구동부; 상기 회전판의 주연부 일측에 하방으로 설치되는 지지대; 및 상기 회전판의 상기 지지대 반대편의 주연부에 하방으로 설치되는 평형 유지대를 포함할 수 있다. 상기 초음파 수집부는 상기 지지대에 상기 대상체를 향하는 방향으로 결합될 수 있다.The second stage may include a circular rotating plate rotatably installed around an axis in the vertical direction; A driving unit for rotationally driving the rotating plate; A support installed downwardly on one side of the periphery of the rotating plate; And an equilibrium holder which is installed downward on a periphery of the rotating plate opposite to the support. The ultrasonic collection unit may be coupled to the support in the direction toward the object.

상기 제2 스테이지는 상기 초음파 수집부를 상기 둘레 방향을 따라 설정 간격으로 이동시킨 후 정지시키는 스텝 모터를 포함할 수 있다.The second stage may include a step motor that stops after moving the ultrasonic collection unit at a predetermined interval along the circumferential direction.

상기 레이저 조사부는 상기 제2 스테이지가 상기 설정 간격으로 이동 후 정지될 때마다 상기 레이저 펄스를 상기 대상체에 조사하고, 상기 초음파 수집부는 상기 설정 간격마다 상기 광음향 신호를 수집할 수 있다.The laser irradiation unit may irradiate the laser pulse to the object whenever the second stage is stopped after moving at the preset interval, and the ultrasound collection unit may collect the photoacoustic signal at each preset interval.

상기 레이저 조사부는 상기 레이저 펄스와 동기화된 트리거 신호를 출력하고, 상기 광음향 생성부는 상기 트리거 신호에 동기화하여 상기 초음파 수집부로부터 상기 광음향 신호를 수집하여 상기 2차원 광음향 영상을 생성할 수 있다.The laser irradiation unit may output a trigger signal synchronized with the laser pulse, and the photoacoustic generator may synchronize the trigger signal to collect the photoacoustic signal from the ultrasonic collection unit to generate the two-dimensional photoacoustic image. .

상기 레이저 조사부는 상기 레이저 펄스의 파장을 가변할 수 있는 파장가변 레이저를 포함할 수 있다. 상기 레이저 조사부는 상기 대상체에 열팽창 탄성을 유발하여 상기 대상체의 대상 물질들로부터 초음파 신호를 발생시키는 파장 범위에서 상기 레이저 펄스의 파장을 가변시킬 수 있다. 상기 제어부는 상기 파장가변 레이저의 파장 및 반복률을 제어할 수 있다.The laser irradiation unit may include a tunable laser that can change the wavelength of the laser pulse. The laser irradiation unit may vary the wavelength of the laser pulse in a wavelength range that induces thermal expansion elasticity on the object to generate an ultrasonic signal from target materials of the object. The control unit may control the wavelength and repetition rate of the tunable laser.

본 발명의 실시예에 따른 3차원 광음향 영상 장치는 상기 광음향 생성부에 의해 생성된 3차원 광음향 영상을 표시하는 디스플레이부를 더 포함할 수 있다.The 3D photoacoustic imaging apparatus according to an embodiment of the present invention may further include a display unit displaying a 3D photoacoustic image generated by the photoacoustic generating unit.

본 발명의 실시예에 의하면, 초음파 수집부를 스캔하여 3차원 광음향 영상을 생성할 수 있는 3차원 광음향 영상 장치가 제공된다.According to an embodiment of the present invention, a 3D photoacoustic imaging apparatus capable of generating a 3D photoacoustic image by scanning an ultrasonic collector is provided.

또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 3차원 광음향 영상의 해상도를 다양하게 조절할 수 있는 3차원 광음향 영상 장치가 제공된다.In addition, according to an embodiment of the present invention, a 3D photoacoustic imaging apparatus capable of variously adjusting the resolution of a 3D photoacoustic image is provided.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 광음향 영상 장치를 개략적으로 보여주는 측면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 광음향 영상 장치의 저면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 광음향 영상 장치를 구성하는 초음파 수집부의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 광음향 영상 장치의 구성도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 광음향 영상 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 광음향 영상 장치의 동작 흐름도이다.1 is a side view schematically showing a 3D photoacoustic imaging apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a bottom view of a 3D photoacoustic imaging apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a front view of an ultrasound collection unit constituting a 3D photoacoustic imaging apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is a block diagram of a 3D photoacoustic imaging apparatus according to an embodiment of the present invention.
5 and 6 are views for explaining the operation of the 3D photoacoustic imaging apparatus according to an embodiment of the present invention.
7 is an operation flowchart of a 3D photoacoustic imaging apparatus according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them will be clarified with reference to embodiments described below in detail together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, and only the present embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the art to which the present invention pertains. It is provided to completely inform the person having the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명의 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art to which the present invention pertains may easily practice. The present invention can be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In addition, since the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of description, the present invention is not necessarily limited to what is illustrated.

본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.In the present specification, when a part is to “include” a certain component, it means that the component may further include other components, not to exclude other components, unless otherwise stated. In the drawings, parts not related to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and the same reference numerals are attached to the same or similar elements throughout the specification.

비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.Although the first, second, etc. are used to describe various components, it goes without saying that these components are not limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another component. Therefore, it goes without saying that the first component mentioned below may be the second component within the technical spirit of the present invention.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.The same reference numerals refer to the same components throughout the specification.

본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하며, 당업자가 충분히 이해할 수 있듯이 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시 가능할 수도 있다.Each of the features of the various embodiments of the present invention may be partially or entirely combined or combined with each other, and technically various interlocking and driving may be possible as those skilled in the art can fully understand, and each embodiment may be independently implemented with respect to each other. It can also be implemented together in an associative relationship.

한편, 본 발명의 명세서에서 구체적으로 언급되지 않은 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대될 수 있는 잠정적인 효과는 본 명세서에 기재된 것과 같이 취급되며, 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공된 것인바, 도면에 도시된 내용은 실제 발명의 구현모습에 비해 과장되어 표현될 수 있으며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성의 상세한 설명은 생략하거나 간략하게 기재한다.On the other hand, the potential effects that can be expected by the technical features of the present invention, which are not specifically mentioned in the specification of the present invention, are treated as described in the present specification, and this embodiment is applied to those skilled in the art. Since the present invention is provided to more fully describe the contents shown in the drawings, it may be exaggeratedly expressed as compared to the actual implementation of the invention, and a detailed description of a configuration determined to unnecessarily obscure the subject matter of the present invention Omitted or briefly described.

이하에서는 첨부되는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 광음향 영상 장치를 개략적으로 보여주는 측면도이다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 광음향 영상 장치의 저면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 광음향 영상 장치(100)는 레이저 조사부(110), 초음파 수집부(120), 스캔부(130), 광음향 생성부(140)를 포함한다.1 is a side view schematically showing a 3D photoacoustic imaging apparatus according to an embodiment of the present invention. 2 is a bottom view of a 3D photoacoustic imaging apparatus according to an embodiment of the present invention. 1 and 2, the 3D photoacoustic imaging apparatus 100 according to an embodiment of the present invention includes a laser irradiation unit 110, an ultrasonic collection unit 120, a scanning unit 130, and an optoacoustic generation unit ( 140).

3차원 광음향 영상 장치(100)는 광음향 효과(Photoacoustic effect)에 의해 생체조직 등의 대상체(10)에 열탄성 팽창(thermoelastic expansion)을 유발하는 레이저 펄스를 조사하고, 레이저 펄스에 의해 대상체(10)의 열탄성 팽창에 의해 대상체로부터 발생되는 광음향 신호를 수집하여 광음향 단층촬영에 의해 3차원 광음향 분자영상(Photoacoustic image)을 생성한다.The 3D photoacoustic imaging apparatus 100 irradiates a laser pulse that causes thermoelastic expansion to an object 10 such as a biological tissue by a photoacoustic effect, and the object ( The photoacoustic signal generated from the object is collected by the thermoelastic expansion of 10) to generate a 3D photoacoustic image by photoacoustic tomography.

레이저 조사부(110)는 대상체(10)에 레이저 펄스를 조사한다. 신체조직 등의 대상체에 방출되는 레이저 펄스는 비이온화(non-ionizing) 레이저 펄스일 수 있다. 레이저 펄스는 대상체(10)에 열팽창 탄성을 유발하여 대상체(10)의 대상 물질로부터 초음파 신호를 발생시키는 파장을 가질 수 있다. 실시예에서, 대상 물질은 경동맥 혈전을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The laser irradiation unit 110 irradiates a laser pulse to the object 10. The laser pulse emitted to an object such as body tissue may be a non-ionizing laser pulse. The laser pulse may have a wavelength that induces thermal expansion elasticity on the object 10 to generate an ultrasonic signal from the target material of the object 10. In an embodiment, the target material may include, but is not limited to, a carotid artery thrombus.

실시예에서, 레이저 조사부(110)는 비이온화(non-ionizing) 레이저 펄스를 생성하는 펄스 레이저 장치 등의 레이저 발생부(112)와, 레이저 발생부(120)에 의해 생성된 레이저 펄스를 레이저 출력부(116)로 전달하는 레이저 전달부(광파이버)(114)와, 레이저 전달부(114)를 통해 전달된 레이저 펄스를 대상체에 출력하는 레이저 출력부(116)를 포함할 수 있다.In an embodiment, the laser irradiator 110 laser outputs a laser pulse generated by the laser generator 112, such as a pulse laser device that generates a non-ionizing laser pulse, and a laser pulse generated by the laser generator 120. It may include a laser transmission unit (optical fiber) 114 for transmitting to the unit 116, and a laser output unit 116 for outputting a laser pulse transmitted through the laser transmission unit 114 to the object.

레이저 발생부(112)는 파장 가변 레이저로 제공될 수 있다. 레이저 발생부(112)는 다양한 파장의 레이저 펄스를 생성하여 대상체에 조사할 수 있다. 레이저 발생부(112)에 의해 발생되는 레이저 펄스의 펄스 주기는 미리 설정되거나 스캔부(130)에 의해 이동하는 초음파 수집부(120)의 위치에 따라 제어될 수 있다. 경동맥 혈전 탐지를 위한 광음향 영상을 생성하는 경우, 레이저 펄스의 파장은 1210 nm를 포함하도록 설정될 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.The laser generator 112 may be provided as a tunable laser. The laser generator 112 may generate laser pulses of various wavelengths and irradiate the object. The pulse period of the laser pulse generated by the laser generator 112 may be preset or controlled according to the position of the ultrasonic collection unit 120 moved by the scan unit 130. When generating a photoacoustic image for carotid thrombus detection, the wavelength of the laser pulse may be set to include 1210 nm, but is not limited thereto.

초음파 수집부(120)는 레이저 조사부(110)에 의해 방출된 레이저 펄스에 의해 대상체(10)가 반응(열탄성 팽창)하여 발산하는 초음파 대역의 광음향 신호를 수집한다. 초음파 수집부(120)는 초음파 대역의 광음향 신호를 수집하기 위한 프로브유닛을 포함할 수 있다.The ultrasonic collection unit 120 collects the photoacoustic signal of the ultrasonic band emitted by the object 10 by reaction (thermoelastic expansion) by the laser pulse emitted by the laser irradiation unit 110. The ultrasonic collection unit 120 may include a probe unit for collecting photoacoustic signals in the ultrasonic band.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 광음향 영상 장치를 구성하는 초음파 수집부의 정면도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 초음파 수집부(120)는 레이저 출력부(116)의 주변 영역에 다수의 초음파 프로브가 배열된 어레이 초음파 프로브 유닛으로 제공될 수 있다. 레이저 출력부(116)는 프로브 유닛의 중앙에 배치될 수 있다.3 is a front view of an ultrasound collection unit constituting a 3D photoacoustic imaging apparatus according to an embodiment of the present invention. 1 to 3, the ultrasound collection unit 120 may be provided as an array ultrasound probe unit in which a plurality of ultrasound probes are arranged in a peripheral area of the laser output unit 116. The laser output unit 116 may be disposed at the center of the probe unit.

초음파 수집부(120)는 프로브 지지부(122)와, 다수의 초음파 프로브(120a)를 포함할 수 있다. 초음파 수집부(120)는 128 채널 등의 다채널 초음파 프로브(120a)로 제공될 수 있다. 프로브 지지부(122)는 스캔부(130)의 회전판(136)의 하면에 설치되어 하방으로 연장되는 지지대(138a)의 하단부에 고정될 수 있다. 초음파 수집부(120)는 지지대(138a)에 대상체(10)를 향하는 방향으로 결합될 수 있다.The ultrasound collection unit 120 may include a probe support unit 122 and a plurality of ultrasound probes 120a. The ultrasound collection unit 120 may be provided as a multi-channel ultrasound probe 120a such as 128 channels. The probe support 122 may be installed on the lower surface of the rotating plate 136 of the scan unit 130 and fixed to the lower end of the support 138a extending downward. The ultrasound collection unit 120 may be coupled to the support 138a in a direction toward the object 10.

프로브 지지부(122)는 대상체(10)를 향하는 전면부가 대상체(10)의 반대 측으로 함몰된 반구면(124)으로 형성될 수 있다. 프로브 지지부(124)는 다수의 초음파 프로브(120a)는 프로브 지지부(122)의 반구면(124) 상에 2차원 배열될 수 있다. 다수의 초음파 프로브(120a)는 매트릭스 구조, 동심 구조 등의 다양한 형태로 배열될 수 있다.The probe support 122 may be formed with a hemispherical surface 124 in which the front portion toward the object 10 is recessed toward the opposite side of the object 10. The probe support 124 may have a plurality of ultrasonic probes 120a arranged two-dimensionally on the hemispherical surface 124 of the probe support 122. The plurality of ultrasonic probes 120a may be arranged in various forms such as a matrix structure and a concentric structure.

스캔부(130)는 초음파 수집부(130)를 이동시켜 대상체(10)의 검사 영역을 스캔할 수 있다. 실시예에서, 스캔부(130)는 초음파 수집부(120)의 프로브 지지부(122)와 초음파 프로브(120a)들을 대상체(10)를 중심으로 회전시키도록 구성될 수 있다. 스캔부(130)는 초음파 수집부(130)를 360° 또는 대상체의 검사 영역에 해당하는 각도 범위로 회전시킬 수 있다.The scan unit 130 may scan the inspection area of the object 10 by moving the ultrasound collection unit 130. In an embodiment, the scan unit 130 may be configured to rotate the probe support unit 122 and the ultrasonic probes 120a of the ultrasonic collection unit 120 around the object 10. The scan unit 130 may rotate the ultrasound collection unit 130 in an angle range corresponding to 360° or an inspection area of the object.

실시예에서, 스캔부(130)는 제1 스테이지(132)와 제2 스테이지(134)를 포함할 수 있다. 제1 스테이지(132)는 제2 스테이지(134) 및 이에 설치된 초음파 수집부(120)를 상하 방향으로 이동시켜, 대상체(10)의 검사 영역을 상하 방향으로 스캔할 수 있다. 제1 스테이지(132)는 초음파 수집부(120)를 상하 방향을 따라 일정 간격으로 이동시킨 후 정지시키는 스텝 모터를 포함할 수 있다.In an embodiment, the scan unit 130 may include a first stage 132 and a second stage 134. The first stage 132 may move the second stage 134 and the ultrasonic collection unit 120 installed therein in the vertical direction, and scan the inspection area of the object 10 in the vertical direction. The first stage 132 may include a step motor that stops after moving the ultrasonic collection unit 120 at regular intervals along the vertical direction.

제2 스테이지(134)는 초음파 수집부(120)를 대상체(10)를 중심으로 회전시켜 대상체(10)의 검사 영역을 둘레 방향으로 스캔할 수 있다. 실시예에서, 제2 스테이지(134)는 상하 방향의 축(134a)을 중심으로 회전 가능하게 설치되는 원형의 회전판(136)과, 회전판(136)을 회전 구동시키는 구동부(도시 생략)와, 회전판(136)의 주연부 일측에 하방으로 설치되는 지지대(138a) 및 회전판(136)의 지지대(138a) 반대편의 주연부에 하방으로 설치되는 평형 유지대(counter weight)(138b)를 포함할 수 있다. 제2 스테이지(134)의 구동부는 초음파 수집부(120)를 둘레 방향을 따라 설정 간격으로 이동시킨 후 정지시키는 스텝 모터를 포함할 수 있다.The second stage 134 may rotate the ultrasound collection unit 120 around the object 10 to scan the inspection area of the object 10 in the circumferential direction. In an embodiment, the second stage 134 includes a circular rotating plate 136 rotatably installed around the vertical axis 134a, a driving unit (not shown) for rotationally driving the rotating plate 136, and a rotating plate It may include a support 138a installed downward on one side of the periphery of 136 and a counterweight 138b installed downward on the periphery of the opposite side of the support 138a of the rotating plate 136. The driving unit of the second stage 134 may include a step motor that stops after moving the ultrasonic collection unit 120 at a predetermined interval along the circumferential direction.

지지대(138a)와 초음파 수집부(120)의 하중에 의해 회전판(136)이 기울어질 경우, 스캔 방향이 틀어져 정확한 3차원 광음향 영상을 생성하지 못하게 된다. 따라서, 회전판(136)의 평형을 유지하기 위하여 평형 유지대(138b)는 지지대(138a)와 초음파 수집부(120)의 하중을 고려하여 스캔부(130)의 평형을 유지할 수 있는 중량으로 설계될 수 있다.When the rotating plate 136 is inclined by the load of the support 138a and the ultrasonic collector 120, the scan direction is distorted, and thus it is impossible to generate an accurate 3D photoacoustic image. Therefore, in order to maintain the balance of the rotating plate 136, the balance holder 138b may be designed with a weight capable of maintaining the balance of the scan unit 130 in consideration of the load of the support 138a and the ultrasonic collection unit 120. Can be.

광음향 생성부(140)는 초음파 수집부(120)로부터 수집된 광음향 신호를 이용하여 3차원 광음향 영상을 생성할 수 있다. 광음향 생성부(140)는 스캔부(130)에 의해 초음파 수집부(120)를 이동시키면서 수집한 광음향 신호들을 이용하여 2차원 광음향 영상들을 생성하고, 2차원 광음향 영상들을 초음파 수집부(120)의 스캔 위치들을 기반으로 결합하여 3차원 광음향 영상을 생성할 수 있다.The photoacoustic generation unit 140 may generate a 3D photoacoustic image using the photoacoustic signal collected from the ultrasonic collection unit 120. The photoacoustic generating unit 140 generates two-dimensional photoacoustic images by using the photoacoustic signals collected while moving the ultrasonic collection unit 120 by the scan unit 130, and the two-dimensional photoacoustic images are collected by the ultrasonic collector Based on the scan positions of 120, a 3D photoacoustic image may be generated.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 3차원 광음향 영상 장치의 구성도이다. 도 1 내지 도 4를 참조하면, 3차원 광음향 영상 장치(100)는 제어부(150)를 포함할 수 있다. 제어부(150)는 초음파 수집부(120)로부터 광음향 신호들을 수집하여 레이저 조사부(110)의 레이저 발생부(112) 및 스캔부(130)를 제어한다.4 is a block diagram of a 3D photoacoustic imaging apparatus according to an embodiment of the present invention. 1 to 4, the 3D photoacoustic imaging apparatus 100 may include a control unit 150. The control unit 150 controls the laser generation unit 112 and the scan unit 130 of the laser irradiation unit 110 by collecting photoacoustic signals from the ultrasound collection unit 120.

제어부(150)는 초음파 수집부(120)로부터 제1 위치에서 광음향 신호가 수집되면, 제2 위치에서 광음향 신호를 수집하기 위해 초음파 수집부(120)를 이동시키도록 스캔부(130)를 제어할 수 있다. 실시예에서, 제어부(150)는 파장가변 레이저의 파장 및 반복률(펄스 주기)을 제어할 수 있다. 레이저 조사부(110)는 제어부(150)로부터의 제어 신호에 따라, 제2 스테이지(134)가 설정 간격으로 이동 후 정지될 때마다 레이저 펄스를 대상체(10)에 조사할 수 있다. 제어부(150)는 초음파 수집부(120)의 현재 위치와 목표 위치를 비교하여 스캔부(130)의 동작을 결정하여 스캔부(130)를 제어한다. 초음파 수집부(120)는 제어부(150)로부터의 제어 신호에 따라, 설정 간격마다 광음향 신호를 수집할 수 있다.When the photoacoustic signal is collected at the first position from the ultrasonic collection unit 120, the controller 150 moves the scan unit 130 to move the ultrasonic collection unit 120 to collect the photoacoustic signal at the second position. Can be controlled. In an embodiment, the control unit 150 may control the wavelength and repetition rate (pulse period) of the tunable laser. The laser irradiation unit 110 may irradiate the object 10 with a laser pulse whenever the second stage 134 is stopped after moving at a predetermined interval according to a control signal from the control unit 150. The control unit 150 controls the scan unit 130 by determining the operation of the scan unit 130 by comparing the current position and the target position of the ultrasound collection unit 120. The ultrasound collection unit 120 may collect the photoacoustic signal for each set interval according to a control signal from the control unit 150.

도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 광음향 영상 장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 광음향 영상 장치의 동작 흐름도이다. 도 5 내지 도 7을 참조하여 설명하면, 먼저 도 5에 도시된 바와 같이 레이저 출력부(116)에 의해 방출된 레이저 펄스(LS)가 대상체로 조사되면(S10), 레이저 펄스(LS)에 의해 대상체로부터 발생되는 초음파 대역의 광음향 신호(PS)가 도 6에 도시된 바와 같이 초음파 수집부(120)로 수집될 수 있다(S20).5 and 6 are views for explaining the operation of the 3D photoacoustic imaging apparatus according to an embodiment of the present invention. 7 is an operation flowchart of a 3D photoacoustic imaging apparatus according to an embodiment of the present invention. 5 to 7, first, as shown in FIG. 5, when the laser pulse LS emitted by the laser output unit 116 is irradiated to the object (S10 ), by the laser pulse LS The photoacoustic signal PS of the ultrasound band generated from the object may be collected by the ultrasound collection unit 120 as shown in FIG. 6 (S20).

초음파 수집부(120)는 상하 방향으로 제1 간격 마다 광음향 신호를 수집하고, 둘레 방향으로 제2 간격 마다 광음향 신호를 수집할 수 있다. 초음파 수집부(120)는 스캔부(130)에 의해 대상체(10)의 검사 영역을 따라 상하 방향 및 둘레(회전) 방향으로 이동하면서 제1 간격 및 제2 간격으로 설정 위치들 마다 광음향 신호들을 순차적으로 수집한다.The ultrasound collection unit 120 may collect the photoacoustic signal every first interval in the vertical direction and the photoacoustic signal every second interval in the circumferential direction. The ultrasound collection unit 120 transmits photoacoustic signals for each of the set positions at the first interval and the second interval while moving in the vertical direction and the circumferential (rotation) direction along the inspection area of the object 10 by the scan unit 130 Collect sequentially.

본 발명의 실시예에 의하면, 대상체로부터 발생되는 광음향 신호(PS)가 초음파 수집부(120)의 반구면(124)에 의해 효율적으로 수집될 수 있다. 초음파 수집부(120)에 의해 수집된 광음향 신호(PS)는 광전달부(광파이버)를 통해 광음향 생성부(140)로 전달될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the photoacoustic signal PS generated from an object may be efficiently collected by the hemispherical surface 124 of the ultrasonic collector 120. The photoacoustic signal PS collected by the ultrasonic collection unit 120 may be transmitted to the photoacoustic generation unit 140 through a light transmission unit (optical fiber).

대상체(10)의 검사 영역을 스캔하면서 정확한 위치에서 광음향 신호를 수집하기 위하여, 레이저 조사부(110)는 레이저 펄스와 동기화된 트리거 신호(triger signal)를 출력할 수 있다. 레이저 조사부(110)로부터 출력되는 트리거 신호는 제어부(150)를 통해 스캔부(130) 및 광음향 생성부(150)로 전달될 수 있다.In order to collect the photoacoustic signal at the correct position while scanning the inspection area of the object 10, the laser irradiation unit 110 may output a trigger signal synchronized with the laser pulse. The trigger signal output from the laser irradiation unit 110 may be transmitted to the scan unit 130 and the photoacoustic generation unit 150 through the control unit 150.

광음향 생성부(150)는 트리거 신호에 동기화하여 초음파 수집부(120)로부터 광음향 신호(PS)를 수집한 후, 수집된 광음향 신호(PS)를 이용하여 2차원 광음향 영상을 생성할 수 있다. 제어부(150)는 초음파 수집부(120)로부터 제1 위치에서 광음향 신호가 수집되면, 대상체(10)의 검사 영역을 스캔하기 위하여 초음파 수집부(120)를 제2 위치로 이동시키도록 스캔부(130)를 제어할 수 있다(S30, S40).The photoacoustic generation unit 150 collects the photoacoustic signal PS from the ultrasonic collection unit 120 in synchronization with the trigger signal, and then generates a two-dimensional photoacoustic image using the collected photoacoustic signal PS. Can be. When the photoacoustic signal is collected from the ultrasound collection unit 120 at the first position, the control unit 150 scans the ultrasound collection unit 120 to move the ultrasound collection unit 120 to the second position in order to scan the inspection area of the object 10. 130 can be controlled (S30, S40).

스캔부(130)에 의해 초음파 수집부(120)가 미리 결정된 스캔 위치로 이동되면, 다시 레이저 조사부(110)에 의해 레이저 펄스가 출사되고, 초음파 수집부(120)에 의해 광음향 신호가 수집된다. 광음향 생성부(140)는 대상체(10)의 검사 영역을 스캔하면서 초음파 수집부(120)에 의해 순차적으로 수집된 광음향 신호들을 이용하여 스캔 위치로 이동될 때마다 2차원 광음향 영상을 생성할 수 있다.When the ultrasound collection unit 120 is moved to a predetermined scan position by the scan unit 130, the laser pulse is emitted by the laser irradiation unit 110 again, and the photoacoustic signal is collected by the ultrasound collection unit 120. . The photoacoustic generator 140 scans the inspection area of the object 10 and generates a two-dimensional photoacoustic image each time it is moved to a scan position by using the photoacoustic signals sequentially collected by the ultrasonic collector 120. can do.

광음향 생성부(140)는 설정된 스캔 범위에 대하여 모든 광음향 신호들이 수집되면, 2차원 광음향 영상들을 스캔 위치(스캔 각도)들을 기반으로 결합하여 3차원 광음향 영상을 생성할 수 있다(S50, S60). 실시예에서, 광음향 생성부(140)는 광음향 신호를 수집한 초음파 수집부(120)의 수집 방향에 따라 2차원 광음향 영상들의 방향을 회전시켜 공통 좌표계로 정합하여 2차원 광음향 영상들을 결합함으로써 3차원 광음향 영상을 생성할 수 있다. 광음향 생성부(140)에 의해 생성된 3차원 광음향 영상은 디스플레이부(160)를 통해 표시될 수 있다(S70).When all the optoacoustic signals are collected for a set scan range, the optoacoustic generator 140 may combine the two-dimensional optoacoustic images based on scan positions (scan angles) to generate a three-dimensional optoacoustic image (S50 ). , S60). In an embodiment, the photoacoustic generating unit 140 rotates the directions of the 2D photoacoustic images according to the collection direction of the ultrasonic collection unit 120 that collects the photoacoustic signals to match the common coordinate system to rotate the 2D photoacoustic images. By combining, a 3D photoacoustic image can be generated. The 3D photoacoustic image generated by the photoacoustic generator 140 may be displayed through the display 160 (S70 ).

본 발명의 실시예에 따른 3차원 광음향 영상 장치는 초음파 수집부(120)를 상하 방향 및 회전 방향으로 이동(스캔) 가능하고, 초음파 센서부(120)의 이동(스캔) 간격을 조절 가능하여 원하는 해상도로 신체 조직을 촬영하여 3차원 광음향 영상을 생성할 수 있다.The 3D photoacoustic imaging apparatus according to an embodiment of the present invention can move (scan) the ultrasonic collection unit 120 in the vertical direction and the rotational direction, and can adjust the movement (scan) interval of the ultrasonic sensor unit 120. A 3D photoacoustic image can be generated by photographing body tissue at a desired resolution.

또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 초음파 수집부(120)의 이동(스캔) 간격을 미세하게 조절하면서 광음향 신호들을 수집하여, 수집된 광음향 신호들을 기반으로 고해상도 3차원 광음향 영상을 생성할 수 있으며, 초음파 수집부(120)의 이동(스캔) 간격을 사용자가 원하는 간격으로 조절하여 광음향 영상의 해상도를 다양하게 조절할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the photoacoustic signals are collected while finely adjusting the movement (scan) interval of the ultrasonic collection unit 120 to generate a high resolution 3D photoacoustic image based on the collected photoacoustic signals. In addition, the resolution of the photoacoustic image may be variously adjusted by adjusting a movement (scan) interval of the ultrasound collection unit 120 at a desired interval.

또한, 레이저 조사부(110)에서 발생하는 레이저 펄스와 동기화된 트리거 신호에 맞춰 스캔 위치에 동기화하여 광음향 데이터를 수집하여 광음항 영상을 생성함으로써, 광음향 신호의 정확성을 높여 3차원 광음향 영상의 정확성을 높이고, 선명한 3차원 광음향 영상을 얻을 수 있다.In addition, by synchronizing with the laser pulse generated by the laser irradiation unit 110 to the scan position in synchronization with the trigger signal to collect the photoacoustic data to generate a photoacoustic term image, the accuracy of the photoacoustic signal is increased to improve the 3D photoacoustic image. The accuracy can be improved and a clear 3D photoacoustic image can be obtained.

또한, 레이저 조사부(110)의 트리거 신호에 의해 광음향 신호 수집 및 광음향 영상 생성 시점을 동기화하여 제어할 수 있어, 3차원 광음향 영상을 생성하기 위한 광음향 데이터를 고속으로 수집하여, 3차원 광음향 영상을 생성하는데 소요되는 시간을 단축할 수 있다.In addition, it is possible to synchronize and control the photoacoustic signal collection and photoacoustic image generation timing by the trigger signal of the laser irradiation unit 110 to collect the photoacoustic data for generating a 3D photoacoustic image at a high speed, and to perform 3D The time taken to generate the photoacoustic image can be shortened.

본 발명의 실시예에 따른 3차원 광음향 영상 장치는 예를 들어, 염증성 혈관 의 내부 구조를 파악하고, 속성을 판별하는데 활용될 수 있다.The 3D photoacoustic imaging apparatus according to an embodiment of the present invention may be utilized, for example, to grasp the internal structure of inflammatory blood vessels and to determine properties.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto, and it is possible to carry out various modifications within the scope of the claims and detailed description of the invention and the accompanying drawings. It is natural to fall within the scope of.

10: 대상체
100: 3차원 광음향 영상 장치
110: 레이저 조사부
112: 레이저 발생부
114: 레이저 전달부
116: 레이저 출력부
120: 초음파 수집부
120a: 초음파 프로브
122: 프로브 지지부
124: 반구면
130: 스캔부
132: 제1 스테이지
134: 제2 스테이지
134a: 축
136: 회전판
138a: 지지대
138b: 평형 유지대
140: 광음향 생성부
150: 제어부
160: 디스플레이부10: object
100: 3D photoacoustic imaging device
110: laser irradiation unit
112: laser generator
114: laser transmission unit
116: laser output unit
120: ultrasonic collection unit
120a: ultrasonic probe
122: probe support
124: hemispherical surface
130: scan unit
132: first stage
134: second stage
134a: axis
136: rotating plate
138a: support
138b: balance stand
140: photoacoustic generator
150: control unit
160: display unit

Claims

A laser irradiation unit that irradiates a laser pulse to the object;
An ultrasonic collection unit for collecting the photoacoustic signal generated by the thermal elastic expansion of the object by the laser pulse;
A scanning unit that moves the ultrasound collection unit to scan an inspection area of the object; And
And an optoacoustic generator for generating a three-dimensional optoacoustic image using the optoacoustic signal collected from the ultrasonic collector,
The photoacoustic generation unit,
Generating two-dimensional photoacoustic images using the photoacoustic signals collected while moving the ultrasonic collector, and combining the two-dimensional photoacoustic images based on scan positions of the ultrasonic collector to generate the three-dimensional photoacoustic image 3D photoacoustic imaging device.

According to claim 1,
And a control unit configured to collect the photoacoustic signals from the ultrasonic collection unit and control the scan unit.

According to claim 2,
When the photoacoustic signal is collected at the first location from the ultrasonic collection unit, the control unit controls the scan unit to move the ultrasonic collection unit to collect the photoacoustic signal at the second location.

According to claim 1,
The ultrasonic collection unit includes a probe unit for collecting the photoacoustic signal,
The probe unit is a three-dimensional photoacoustic imaging apparatus including a probe support formed in a hemispherical shape recessed to the opposite side of the object, and a plurality of ultrasonic probes arranged two-dimensionally on a hemisphere surface of the probe support.

The method of claim 4,
The laser irradiation unit includes a laser generating unit for generating the laser pulse, and a laser output unit for outputting the laser pulse to the object,
The laser output unit is a three-dimensional photoacoustic imaging device provided in the center of the probe unit.

The method of claim 4 or 5,
The scanning unit is a three-dimensional photoacoustic imaging device configured to rotate the probe unit around the object.

The method of claim 6,
The scan unit,
A first stage that scans the inspection region of the object in the vertical direction by moving the ultrasonic collection unit in the vertical direction; And
And a second stage that scans the inspection area of the object in a circumferential direction by rotating the ultrasound collection unit around the object.

The method of claim 7,
The second stage,
A circular rotating plate rotatably installed around an axis in the vertical direction;
A driving unit for rotationally driving the rotating plate;
A support installed downwardly on one side of the periphery of the rotating plate; And
It includes a balance holder that is installed downward on the periphery of the opposite side of the support of the rotating plate,
The ultrasonic collection unit is a three-dimensional photoacoustic imaging device coupled to the support in the direction toward the object.

The method of claim 7,
The second stage is a three-dimensional photoacoustic imaging apparatus including a step motor that stops after moving the ultrasonic collection unit at a predetermined interval along the circumferential direction.

The method of claim 9,
The laser irradiation unit irradiates the laser pulse to the object whenever the second stage is stopped after moving at the set interval,
The ultrasonic collection unit is a three-dimensional photoacoustic imaging device that collects the photoacoustic signal at each set interval.

According to claim 1,
The laser irradiation unit outputs a trigger signal synchronized with the laser pulse,
The photoacoustic generator generates a two-dimensional photoacoustic image by collecting the photoacoustic signal from the ultrasonic collector in synchronization with the trigger signal.

According to claim 2,
The laser irradiation unit is a three-dimensional photoacoustic imaging apparatus including a wavelength-tunable laser capable of changing the wavelength of the laser pulse.

The method of claim 12,
The laser irradiation unit is a three-dimensional photoacoustic imaging device that induces thermal expansion elasticity on the object to vary the wavelength of the laser pulse in a wavelength range that generates an ultrasonic signal from the target materials of the object.

The method of claim 12,
The controller is a three-dimensional photoacoustic imaging device that controls the wavelength and repetition rate of the tunable laser.

According to claim 1,
And a display unit displaying a 3D photoacoustic image generated by the photoacoustic generator.