KR20210025400A - 휴대용 하이브리드 초음파 진단장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 휴대용 하이브리드 초음파 진단장치는 초음파 프로브; 초음파 영상 생성부; 및 전력 공급부를 포함하고, 상기 초음파 프로브는, 상기 고전압 펄스에 대응하여 상기 초음파 신호 중에서 리니어(linear) 초음파 신호를 상기 피검체로 송신하고, 상기 피검체로부터 반사된 리니어 초음파 에코신호를 수신하는 제1 압전소자 어레이; 상기 고전압 펄스에 대응하여 상기 초음파 신호 중에서 컨벡스(convex) 초음파 신호를 상기 피검체로 송신하고, 상기 피검체로부터 반사된 컨벡스 초음파 에코신호를 수신하는 제2 압전소자 어레이; 상기 초음파 영상 생성부로부터 전달된 동작 제어신호에 대응하여 상기 제1 압전소자 어레이 및 상기 제2 압전소자 어레이 중 어느 하나의 동작을 스위칭하는 어레이 스위치부; 및 상기 제1 압전소자 어레이 또는 상기 제2 압전소자 어레이를 구성하는 압전소자들 중 선택된 압전소자들로 상기 고전압 펄스를 출력하도록 스위칭 동작을 수행하는 멀티 플렉서를 포함하고, 상기 동작 제어신호는 상기 초음파 영상 데이터 중 상기 제1 압전소자 어레이에 대응하는 리니어 스캐닝 데이터 또는 상기 제2 압전소자 어레이에 대응하는 컨벡스 스캐닝 데이터 중 어느 하나의 데이터 생성을 위한 동작모드 선택신호를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

휴대용 하이브리드 초음파 진단장치{Portable Hybrid Ultrasonic Diagnostic Apparatus}
본 발명은 휴대용 초음파 진단장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 리니어 타입 또는 컨벡스 타입으로 전환하여 사용할 수 있는 휴대용 하이브리드 초음파 진단장치에 관한 것이다.
초음파 진단장치는 무침습 및 비파괴 특성을 가지고 있어, 대상체 내부의 정보를 얻기 위한 의료분야에 널리 이용되고 있다. 초음파 진단장치는 대상체를 직접 절개하여 관찰하는 외과 수술의 필요 없이, 대상체 내부 조직의 고해상도의 영상을 의사에게 제공할 수 있으므로 의료분야에 매우 중요하게 이용되고 있다.
초음파 진단장치는 피검체의 체표로부터 체내의 목적 부위를 향하여 초음파 신호를 조사하고, 반사된 초음파 신호로부터 정보를 추출하여 연부조직의 단층이나 혈류에 관한 이미지를 무침습으로 얻을 수 있는 장치이다.
초음파 진단장치는 X-레이 검사장치, CT 스캐너(Computerized Tomography Scanner), MRI 스캐너(Magnetic Resonance ImageScanner), 핵의학 검사장치 등과 같은 다른 영상 진단장치와 비교할 때, 소형이고 저렴하며, 실시간으로 표시가능하고, X-레이 등의 피폭이 없어 안전성이 높은 장점이 있기 때문에, 심장, 복부 내장, 비뇨기 및 생식기의 진단을 위해 널리 이용되고 있다.
그런데, 종래의 초음파 진단장치는 리니어 스캐닝 데이터를 획득하기 위한 구조와 컨벡스 스캐닝 데이터르 획득하기 위한 구조가 상이하고, 이를 처리하는 방식이 상이하여 리니어 스캐닝 데이터를 획득하기 위한 초음파 진단장치와 컨벡스 스캐닝 데이터를 회득하기 위한 초음파 진단장치를 별도로 구비해야 하는 문제점이 있었다.
공개특허공보 KR 10-2012-0090470호(2012.08.17)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 초음파 영상 데이터 중에서 리니어 스캐닝 데이터 또는 컨벡스 초음파 스캐닝 데이터를 획득하기 위해, 리니어 모드 또는 컨벡스 모드로 모드 전환이 이루어질 수 있도록 하는 휴대용 하이브리드 초음파 진단장치에 관한 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 휴대용 하이브리드 초음파 진단장치는 초음파 신호를 피검체로 송신한 후에 상기 피검체로부터 반사된 초음파 에코 신호를 수신하는 초음파 프로브; 상기 초음파 신호의 생성을 위해 고전압 펄스를 생성하여 상기 초음파 프로브로 출력하고, 상기 초음파 프로브에서 수신한 상기 초음파 에코 신호에 대응하는 초음파 영상 데이터를 생성하고, 상기 생성된 초음파 영상 데이터를 디스플레이 장치로 전송하는 초음파 영상 생성부; 및 전력을 충전 및 방전하는 배터리를 포함하고, 상기 배터리에 충전된 전력을 이용하여 상기 초음파 영상 생성부의 구동을 위한 전력을 공급하는 전력 공급부를 포함하고, 상기 초음파 프로브는, 상기 고전압 펄스에 대응하여 상기 초음파 신호 중에서 리니어(linear) 초음파 신호를 상기 피검체로 송신하고, 상기 피검체로부터 반사된 리니어 초음파 에코신호를 수신하는 제1 압전소자 어레이; 상기 고전압 펄스에 대응하여 상기 초음파 신호 중에서 컨벡스(convex) 초음파 신호를 상기 피검체로 송신하고, 상기 피검체로부터 반사된 컨벡스 초음파 에코신호를 수신하는 제2 압전소자 어레이; 상기 초음파 영상 생성부로부터 전달된 동작 제어신호에 대응하여 상기 제1 압전소자 어레이 및 상기 제2 압전소자 어레이 중 어느 하나의 동작을 스위칭하는 어레이 스위치부; 및 상기 제1 압전소자 어레이 또는 상기 제2 압전소자 어레이를 구성하는 압전소자들 중 선택된 압전소자들로 상기 고전압 펄스를 출력하도록 스위칭 동작을 수행하는 멀티 플렉서를 포함하고, 상기 동작 제어신호는 상기 초음파 영상 데이터 중 상기 제1 압전소자 어레이에 대응하는 리니어 스캐닝 데이터 또는 상기 제2 압전소자 어레이에 대응하는 컨벡스 스캐닝 데이터 중 어느 하나의 데이터 생성을 위한 동작모드 선택신호를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 압전소자 어레이와 상기 제2 압전소자 어레이는, 각각 전면 방향을 향해 있으며, 서로 선형 형태로 병렬 배열되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 초음파 영상 생성부는, 상기 동작모드 선택신호에 따라, 상기 리니어 초음파 신호 및 상기 컨벡스 초음파 신호 중 어느 하나의 전기적 고전압 펄스를 생성하는 펄스생성모듈; 상기 리니어 초음파 에코신호 및 상기 컨벡스 초음파 에코신호 중 어느 하나의 신호 크기를 증폭하여 디지털신호로 변환시키는 신호처리모듈;
상기 펄스생성모듈에서 생성된 상기 고전압 펄스를 상기 초음파 프로브에 전송하거나, 상기 초음파 프로브로부터 상기 리니어 초음파 에코신호 또는 상기 컨벡스 초음파 에코신호를 수신하여 상기 신호처리모듈로 전달하는 송수신 모듈; 상기 펄스생성모듈로 하여금 상기 초음파 프로브에 대응하는 상기 고전압 펄스를 생성하게 하고, 상기 신호처리모듈에서 변환된 디지털 신호에 따라 상기 제1 압전소자 어레이에 대응하는 상기 리니어 스캐닝 데이터 또는 상기 제2 압전소자 어레이에 대응하는 상기 컨벡스 스캐닝 데이터를 생성하는 빔포밍 모듈; 상기 빔포밍 모듈을 제어하여 상기 초음파 프로브에 대응하는 빔포밍을 수행하게 하고, 상기 빔포밍 모듈로부터 수신된 상기 초음파 영상 데이터를 상기 디스플레이 장치로 전송하도록 제어하는 프로세싱 모듈; 및 상기 리니어 스캐닝 데이터 또는 상기 컨벡스 스캐닝 데이터의 전송을 위해, 상기 디스플레이 장치와 통신망을 통해 연결되어 있는 통신 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 빔포밍 모듈은, 상기 리니어 스캐닝 데이터의 생성을 위한 상기 동작모드 선택신호에 따라, 초음파속도의 딜레이값 또는 스티어링(steering)에 따른 보정값을 산출하여 리니어 빔포밍에 대응하는 고전압 펄스를 생성하도록 처리하는 것을 특징으로 한다.
상기 빔포밍 모듈은, 상기 컨벡스 스캐닝 데이터의 생성을 위한 상기 동작모드 선택신호에 따라, 상기 초음파 프로브와 상기 피사체와 거리에 따른 가상 컨벡스 빔포밍을 위한 고전압 펄스를 생성하도록 처리하는 것을 특징으로 한다.
상기 프로세싱 모듈은, 리니어 스캐닝 컨버전 알고리즘을 이용해, 상기 빔포밍 모듈에서 생성된 상기 리니어 스캐닝 데이터에 대응하는 초음파 영상 데이터를 생성하고, 컨벡스 스캐닝 컨버전 알고리즘을 이용해, 상기 빔포밍 모듈에서 생성된 상기 컨벡스 스캐닝 데이터에 대응하는 초음파 영상 데이터를 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기 프로세싱 모듈은, 상기 디스플레이 장치에서 생성되어 상기 통신 모듈을 통해 전송된 리니어 동작모드명령 또는 컨벡스 동작모드명령에 따라 상기 동작모드 선택신호를 생성하여 상기 빔포밍 모듈을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 초음파 영상 데이터 중에서 리니어 스캐닝 데이터 또는 컨벡스 초음파 스캐닝 데이터를 획득하기 위해, 리니어 모드 또는 컨벡스 모드로 모드 전환이 이루어질 수 있도록 함으로써, 리니어 스캐닝 데이터 또는 컨벡스 스캐닝 데이터를 획득하기 위해 2가지 타입의 초음파 프로브를 구비하지 않고서도, 하나의 초음파 프로브를 통해 리니어 초음파 영상 데이터 또는 컨벡스 초음파 영상 데이터를 획득할 수 있다. 따라서, 상황에 따라 하나의 초음파 진단장치를 이용해 리니어 초음파 영상 데이터 또는 컨벡스 초음파 영상 데이터를 용이하게 얻을 수 있으며, 비용면에서도 서로 다른 기능을 하는 복수의 디바이스들을 구비하지 않아도 되는 절감 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 휴대용 하이브리드 초음파 진단장치의 구성 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 초음파 프로브를 설명하기 위한 일 실시예의 블록도이다.
도 3은 도 1에 도시된 초음파 프로브를 설명하기 위한 일 실시예의 구조도이다.
도 4는 도 1에 도시된 초음파 영상 생성부를 설명하기 위한 일 실시예의 블록도이다.
도 5는 리니어(linear) 모드에서 빔포밍 계산 과정을 설명하기 위한 참조도이다.
도 6은 컨벡스 모드에서 빔포밍 계산 과정을 설명하기 위한 참조도이다.
도 7은 Phased-Array 모드에서 빔포밍 계산 과정을 설명하기 위한 참조도이다.
도 8은 Curve-Phased-Array 모드에서 빔포밍 계산 과정을 설명하기 위한 참조도이다.
도 9는 Virtual Convex 모드에서 빔포밍 계산 과정을 설명하기 위한 참조도이다.
도 10은 초음파 프로브(100)의 중심점과 엘리먼트 간의 각도를 나타내는 참조도이다.
도 11은 Scanline에 따른 총 거리의 도식도이다.
도 12는 초음파의 Near field와 Far field를 설명하기 위한 참조도이다.
도 13은 Rx 빔포밍 플로우 다이어그램을 예시하는 참조도이다.
도 14는 Rx 빔포밍 계산방법을 예시하는 참조도이다.
도 15는 Rx 빔포밍 합산 타이밍 다이어그램을 예시하는 참조도이다.
도 16은 Rx 빔포밍 합산 데이터 플로우 다이어그램을 예시하는 참조도이다.
도 17는 PA 구조의 특성에 따른 빔포밍 계산을 예시하는 참조도이다.
도 18은 PA 구조의 특성에 따른 신호처리 구현 플로우를 예시하는 참조도이다.
도 19는 리니어 빔포닝 딜레이를 설명하기 위한 참조 그래프이다.
도 20은 Phased 모드의 Tx 빔포밍 시뮬레이션을 설명하기 위한 참조 그래프이다.
도 21은 Virtual 컨벡스 모드의 Tx 빔포밍 시뮬레이션을 설명하기 위한 참조 그래프이다.
도 22는 리니어 타입의 Rx 빔포밍 시뮬레이션을 설명하기 위한 참조 그래프이다.
도 23은 Phased 타입의 Rx 빔포밍 시뮬레이션을 설명하기 위한 참조 그래프이다.
도 24는 Virtual 컨벡스 타입의 Rx 시뮬레이션을 설명하기 위한 참조 그래프이다.
도 25는 리니어 타입의 Scan Conversion output map을 설명하기 위한 참조도이다.
도 26은 Memory map을 만드는 Matlab code를 예시하는 도면이다.
도 27은 시뮬레이션용 테스트 패턴을 나타내는 참조도이다.
도 28은 Pixel Interpolation을 설명하기 위한 참조도이다.
도 29는 리니어 타입 Scan Conversion Image를 나타내는 참조도이다.
도 30은 Virtual 컨벡스 타입의 Scan Conversion map을 설명하는 참조도이다.
도 31은 Memory map을 만드는 Matlab code를 예시하는 참조도이다.
도 32는 시뮬레이션용 테스트 패턴을 나타내는 참조도이다.
도 33은 Pixel Interpolation을 설명하기 위한 참조도이다.
도 34는 Virtual Convex Type Scan Conversion Image를 예시하는 참조도이다.
도 35는 Sector type의 Scan Conversion output map을 설명하기 위한 참조도이다.
도 36은 메모리 맵을 만드는 Matlab code를 예시하는 참조도이다.
도 37은 시뮬레이션용 테스트 패턴을 설명하기 위한 참조도이다.
도 38은 Pixel Interpolation을 예시하는 참조도이다.
도 39는 Sector Type Scan Conversion Image를 예시하는 참조도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 아래의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공하는 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면, 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 휴대용 하이브리드 초음파 진단장치(10)의 구성 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 휴대용 하이브리드 초음파 진단장치(10)는 초음파 프로브(100), 초음파 영상 생성부(200) 및 전력 공급부(300)를 포함한다.
초음파 프로브(100)는 초음파 신호를 피검체로 송신한 후에 상기 피검체로부터 반사된 초음파 에코 신호를 수신한다. 초음파 프로브(100)에 대한 구체적인 내용은 후술한다.
초음파 영상 생성부(200)는 초음파 신호의 생성을 위해 고전압 펄스를 생성하여 초음파 프로브로 출력하고, 초음파 프로브에서 수신한 상기 초음파 에코 신호에 대응하는 초음파 영상 데이터를 생성하고, 상기 생성된 초음파 영상 데이터를 디스플레이 장치로 전송한다. 초음파 영상 생성부(200)에 대한 구체적인 내용은 후술한다.
전력 공급부(300)는 초음파 영상 생성부(200) 및/또는 초음파 프로브(100)의 구동을 위한 전력을 공급한다. 이를 위해, 전력 공급부(300)는 전력을 충전 및 방전하는 배터리를 포함하며, 배터리에 충전된 전력을 이용하여 초음파 영상 생성부(200) 및/또는 초음파 프로브(100)의 동작 전력을 제공한다.
도 2는 도 1에 도시된 초음파 프로브(100)를 설명하기 위한 일 실시예의 블록도이다. 또한, 도 3은 도 1에 도시된 초음파 프로브(100)를 설명하기 위한 일 실시예의 구조도이다.
도 2를 참조하면, 초음파 프로브(100)는 제1 압전소자 어레이(110), 제2 압전소자 어레이(120), 어레이 스위치부(130), 및 멀티 플렉서(140)를 포함한다.
제1 압전소자 어레이(110)는 초음파 신호 중에서 리니어(linear) 초음파 신호를 피검체로 송신하고, 피검체로부터 반사된 리니어 초음파 에코신호를 수신한다.
제1 압전소자 어레이(110)는 압전 물질(piezoelectric material)로 형성된 압전소자들로 구성된다. 압전 물질은 진동하여 음파의 펄스를 발생시켜 인체 내로 송신을 하기도 하고 반사된 에코를 수신하여 전기적 신호로 바꾸는 두 가지 역할을 한다. 최근 압전 물질은 전기음향 변환 효율이 가장 좋은 압전 세라믹 lead zirconatetitante(PZT)이 주로 이용되고 있다. 제1 압전소자 어레이(110)는 일반적으로 64, 128, 192개 등 많은 개수의 압전소자가 배열형태로 배치되도록 구성된다. 이때, 압전소자를 구동하는 전기적 펄스의 범위는 +100V~-100V 까지의 고전압을 사용한다.
제2 압전소자 어레이(120)는 초음파 신호 중에서 컨벡스(convex) 초음파 신호를 피검체로 송신하고, 피검체로부터 반사된 컨벡스 초음파 에코신호를 수신한다.
제2 압전소자 어레이(120)도 압전 물질로 형성된 압전소자들로 구성된다. 제2 압전소자 어레이(120)도 64, 128, 192개 등 많은 개수의 압전소자가 배열형태로 배치되도록 구성된다. 이때, 제2 압전소자 어레이(120)도 압전소자를 구동하는 전기적 펄스의 범위는 +100V~-100V 까지의 고전압을 사용할 수 있다.
제1 압전소자 어레이(110)와 제2 압전소자 어레이(120)는 각각 전면 방향을 향해 있으며, 서로 선형 형태로 병렬 배열되어 있다.
도 3을 참조하면, 제1 압전소자 어레이(110)와 제2 압전소자 어레이(120)는 다수의 압전소자들이 전방을 향해 선형형태로 병렬 배열되어 있음을 확인할 수 있다. 특히, 제2 압전소자 어레이(120)의 구조는 컨벡스 초음파 신호를 피검체로 송신하고, 피검체로부터 반사된 컨벡스 초음파 에코신호를 수신하기 위한 구조로서 일반적인 볼록하게 돌출된 형태가 아닌 선형 형태의 구조를 갖는다. 이는, 제1 압전소자 어레이(110)와 외부 형상의 동일성을 유지하기 위함이다. 제2 압전소자 어레이(120)의 어레이 구조가 라인 형태이고, 이러한 구조하에서 컨벡스 초음파 신호 또는 컨벡스 초음파 에코신호를 입출력하기 위해서는 후술하는 바와 같이, 빔포밍 모듈(250)에서 라인 형태의 구조에 적합한 빔포밍 처리 과정이 요구된다. 이에 대한 내용을 후술한다.
어레이 스위치부(130)는 초음파 영상 생성부(200)로부터 전달된 동작 제어신호에 대응하여 제1 압전소자 어레이(110) 및 제2 압전소자 어레이(120) 중 어느 하나의 동작을 스위칭한다.
이러한, 동작 제어신호는 초음파 영상 데이터 중 제1 압전소자 어레이(110)에 대응하는 리니어 스캐닝 데이터 또는 제2 압전소자 어레이(120)에 대응하는 컨벡스 스캐닝 데이터 중 어느 하나의 데이터 생성을 위한 동작모드 선택신호를 포함한다. 동작모드 선택신호는 초음파 영상 생성부(200)에서 생성되어 전송되는 동작 제어신호이다.
멀티플렉서(140)는 제1 압전소자 어레이(110) 또는 제2 압전소자 어레이(120)를 구성하는 압전소자들 중 선택된 압전소자들로 고전압 펄스를 출력하도록 스위칭 동작을 수행한다.
멀티플렉서(140)는 신호 핀의 개수를 줄여주는 역할을 수행하는 것으로, 제1 압전소자 어레이(110) 및 제2 압전소자 어레이(120)를 구성하는 압전소자들과 송수신모듈(210) 사이의 신호 라인의 개수를 정합한다. 즉, 초음파 신호 송신 및 초음파 에코신호 수신시에 제1 압전소자 어레이(110) 또는 제2 압전소자 어레이(120)에 있는 모든 압전 소자들을 동시에 사용하지 않고 초음파 에코 데이터를 수집하려는 위치에 있는 일부 압전 소자만을 사용할 수 있도록, 해당 압전 소자들을 전기적으로 선택하여 송수신모듈(210)에 연결한다. 예를 들어, 제1 압전소자 어레이(110) 또는 제2 압전소자 어레이(120)의 압전소자들의 개수는 각각 64, 128, 192개 등일 수 있으며, 멀티플렉서(140)의 동작에 의해 신호라인의 개수를 선택적으로 조정할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 초음파 영상 생성부(200)를 설명하기 위한 일 실시예의 블록도이다.
도 4를 참조하면, 초음파 영상 생성부(200)는 송수신 모듈(210), 펄스 생성모듈(220), 신호처리모듈(230), 빔포밍모듈(240), 프로세싱모듈(250), 통신모듈(260)을 포함한다.
송수신 모듈(210)은 펄스 생성모듈(220)에서 생성된 고전압 펄스를 초음파 프로브(100)에 전송하거나, 초음파 프로브(100)에서 전송된 아날로그 신호를 신호처리모듈(230)로 전송한다.
특히, 송수신 모듈(210)은 리니어 초음파신호 또는 컨벡스 초음파신호의 출력을 위한 고전압 펄스를 초음파 프로브(100)에 전송하거나, 초음파 프로브(100)로부터 리니어 초음파 에코신호 또는 컨벡스 초음파 에코신호를 수신하여 신호처리모듈(230)로 전달한다.
펄스생성모듈(220)은 초음파를 발생시키기 위해 제1 압전소자 어레이(110) 또는 제2 압전소자 어레이(120)에 인가하는 전기적 펄스를 생성한다. 특히, 펄스생성모듈(220)은 동작모드 선택신호에 따라, 리니어 초음파 신호 및 컨벡스 초음파 신호 중 어느 하나의 전기적 고전압 펄스를 생성한다.
신호처리모듈(230)은 피검사체에서 돌아오는 초음파 에코신호의 크기가 매우 작기 때문에 이를 증폭하여 디지털신호로 변화시킨다. 특히, 신호처리모듈(230)은 리니어 초음파 에코신호 및 컨벡스 초음파 에코신호 중 어느 하나의 신호 크기를 증폭하여 디지털신호로 변환시킨다.
빔포밍모듈(240)은 펄스생성모듈(220)로 하여금 초음파 프로브(100)에 대응하는 고전압 펄스를 생성하도록 하고, 신호처리모듈(230)에서 변환된 디지털 신호에 따라 제1 압전소자 어레이(110)에 대응하는 리니어 스캐닝 데이터 또는 제2 압전소자 어레이(120)에 대응하는 컨벡스 스캐닝 데이터를 생성한다.
초음파 프로브(100)에 적합한 파라미터를 이용하여 펄스생성모듈(220)로 하여금 적합한 고전압 펄스를 생성하게 하는 것을 TX 빔포밍이라 하는데, 이것은 초음파를 송신할 때 특정 거리에 있는 초점에 초음파의 에너지를 집속시키기 위해 압전소자의 위치에 따라 전기적 펄스에 시간을 지연시키는 것을 의미한다. 또한, 신호처리모듈(230)에서 변환된 디지털 신호를 수신하여 초음파 프로브(100)에 정합되도록 데이터 변환을 수행하여 프로세싱모듈(250)로 전달하는 역할을 하는 것을 RX 빔포밍이라 하는데 이것은 초음파 에코신호를 수신할 때 압전소자의 위치 및 수신 시간에 따라 각 압전소자에서 나오는 전기적 신호를 시간 지연시키고 시간 지연된 신호를 합산하여 초음파 데이터를 생성한다.
빔포밍모듈(240)은 리니어 스캐닝 데이터의 생성을 위한 상기 동작모드 선택신호에 따라, 초음파속도의 딜레이값 또는 스티어링(steering)에 따른 보정값을 산출하여 리니어 빔포밍에 대응하는 고전압 펄스를 생성하도록 처리한다. 또한, 빔포밍 모듈(240)은, 컨벡스 스캐닝 데이터의 생성을 위한 상기 동작모드 선택신호에 따라, 상기 초음파 프로브와 상기 피사체와 거리에 따른 가상 컨벡스 빔포밍을 위한 고전압 펄스를 생성하도록 처리한다.
빔포밍 모듈(240)은 Tx 빔포밍으로서 다음과 같은 동작을 수행한다.
압전소자들은 구조적으로 고정되어 있어 구조적 포커싱 이외에, 빔포밍 모듈(240)은 Tx 빔포밍으로서 포커싱 신호 처리를 위한 다음과 같은 계산 과정을 수행한다.
도 5는 리니어(linear) 모드에서 빔포밍 계산 과정을 설명하기 위한 참조도이다.
1) 리니어(linear) 모드에서 빔포밍 계산 과정은 다음과 같다.
제1 단계: 센터에서 엘리먼트(압전소자) 거리로 x축값 구한다.
제2 단계: 깊이(depth)로 z축 거리 구한다.
제3 단계: 피타고라스 정리를 이용하여 빗변 길이를 구한다.
제4 단계: 주파수와 초음파 속도로 딜레이(delay)값을 구한다.
2) 리니어 모드에서 스티어링(steering) 과정은 다음과 같다.
제1 단계: 센터에서 15[도] steer된 지점의 x좌표를 구한다.
x1=depth*tan15[도]
제2 단계: 압전소자 위치만큼 보상해준다.
x= x1 + x2
제3 단계: 피타고라스 정리를 이용하여 빗변 길이를 구한다.
제4 단계: 주파수와 초음파 속도로 딜레이(delay)값을 구한다.
delay = (빗변*Fs)/초음파 속도
도 6은 컨벡스 모드에서 빔포밍 계산 과정을 설명하기 위한 참조도이다. 컨벡스 모드에서 빔포밍 계산 과정은 다음과 같다.
제1 단계: 삼각함수를 이용하여 r_x를 구한다.
r=50, x: 삼각함수 공식, r_x=r*cos(theta*pi/180)-r
제2 단계: focal point와 엘리먼트의 삼각형의 빗변을 구한다.
빗변=피타고라스 정리
x= (depth +r_x), y=r*sin(theta*pi/180)
도 7은 Phased-Array 모드에서 빔포밍 계산 과정을 설명하기 위한 참조도이다. Phased-Array 모드에서 빔포밍 계산 과정은 다음과 같다.
제1 단계: line에 맞는 theta를 이용하여 x1을 구한다.
x1=depth*sin(theta*pi/180)
x3=x1 + x2
제2 단계: z를 구한다.
z=depth*cos(theta*pi/180)
제3 단계: 빗변의 길이를 구한다.
r_n=피타고라스 정리
제4 단계: 주파수와 초음파 속도로 delay값을 구한다.
delay=(빗변*Fs)/초음파속도
도 8은 Curve-Phased-Array 모드에서 빔포밍 계산 과정을 설명하기 위한 참조도이다. Curve-Phased Array 모드에서 계산 과정을 다음과 같다.
제1 단계: line에 맞는 theta를 이용하여 x1을 구한다.
x1=depth*sin(theta*pi/180)
x3=x1 + x2 - x4
제2 단계: z를 구한다.
z=(depth*cos(theta*pi/180)) - z2
제3 단계: 빗변의 길이를 구한다.
r_n=피타고라스 정리
제4 단계: 주파수와 초음파 속도로 delay값을 구한다.
delay=(빗변*Fs)/초음파속도
도 9는 Virtual Convex 모드에서 빔포밍 계산 과정을 설명하기 위한 참조도이다. 도 10은 초음파 프로브(100)의 중심점과 엘리먼트 간의 각도를 나타내는 참조도이고, 도 11은 Scanline에 따른 총 거리의 도식도이다.
Virtual Convex 모드에서 계산 과정을 다음과 같다.
제1 단계: 기준점 에서 부터 elements 의 거리를 구한다.
알고 있는 정보 : 정의한 angle 값, element pitch 값
예) pitch = 0.3 angle = 15°N_sl= 128
제2 단계: sc0 번의 중심 엘리먼트 pitch 정보로 높이를 구한다.
예) Element_mm = ((-N_sl*0.5+0.5)*pitch + (0:1:N_sl-1)*pitch)
제3 단계: 삼각형의 밑변을 구한다.
tan(angle) = b/a = b / element_lenth
tan(
Figure pat00001
)는 밑변 / 높이의 비율이다.
높이는 pitch 정보로 알고있으니 높이를 tan(
Figure pat00002
)로 나누면 밑변을 알 수 있다.
제4 단계: 밑변과 높이를 이용하여 빗변을 구한다.
빗변 = SQRT(밑변^2 + 높이^2)
Element_radius_sc (index_sc, 1) = sqrt (Element_mm(index_sc, 1)^2 + Center_Radius^2)
제5 단계: 초음파 프로브의 중심과 스캔라인별 angle의 위치가 달라 엘리먼트의 스캔라인별 angle을 다시 구해야 한다.
Element_angle_sc(index_sc,1) = acosd(Center_Radius/Element_radius_sc)
제6 단계: 스캔라인의 총 거리를 구한다.
focal_depth + element_radius_sc = sc_total_r
제7 단계: 엘리먼트의 위치에 따른 각도를 이용하여 Focus_x_sc를 구한다.
Focus_x_sc = sc_total_r * sind (Element_angle_sc)
제8 단계: 초음파 프로브로부터 focal point 까지의 x 값을 구한다.
current_x = Focus_x_sc - current_element_x
제9 단계: focal depth를 이용하여 밑변을 구한다.
focus_z = focal_depth * cosd (Element_angle_sc)
제10 단계: 밑변과 높이를 이용하여 빗변을 구한다.
current_delay = SQRT( current_x^2 +focus_z^2)
제11 단계: 초음파속도와 주파수로 나눈다.
my_delay = current_delay *Fs / SoundSpeed
도 12는 초음파의 Near field와 Far field를 설명하기 위한 참조도이다.
NFL(Near Field Length)에 따른 주파수별 영역은, 초음파가 일정거리까지 직경으로 진행하다 발산되기 전까지의 영역을 Near Field Length로 정의를 한다. 각 주파수별 Near field length는 주파수가 높아질수록 더 길어지며 모드에 따라 달라진다.
초음파 신호의 감쇠계수 및 감쇠율을 다음과 같이 설명한다.
표 1은 감쇠계수를 나타내는 표이다.
상대적강도(dB) 반사된 빔에서 남아있는 강도 % 잃은 강도
0 1/1 100 0
-1 1/1.26 79 21
-2 1/1.6 63 37
-3 1/2 50 50
-6 1/4 25 75
-10 1/10 10 90
-20 1/100 1 99
-30 1/1000 0.1 99.9
-40 1/10000 0.01 99.99
표 2는 생체조직에 대한 감쇠계수를 나타내는 표이다.
매질 1MHz 에서 감쇠계수(dB/cm)
물(water) 0.0002
혈액blood) 0.2
연부조직(soft tissue) 0.5
지방(fat) 0.6
간(river) 0.7
성인 뇌(brain) 0.8
콩팥(kidney) 1.0
근육(muscle) 1.5
뼈(bone) 10
허파(lung) 41
연부조직 (soft tissue) 주파수별 감쇠율
2MHz : 30dB / 연부조직 감쇠계수 0.5 * 주파수 2 = 30 cm
3.5MHz : 30dB / 연부조직 감쇠계수 0.5 * 주파수 3.5 = 17 cm
4MHz : 30dB / 연부조직 감쇠계수 0.5 * 주파수 4 = 15cm
5MHz : 30dB / 연부조직 감쇠계수 0.5 * 주파수 5 = 12cm
6MHz : 30dB / 연부조직 감쇠계수 0.5 * 주파수 6 = 10cm
7.5MHz : 30dB / 연부조직 감쇠계수 0.5 * 주파수 7.5 = 8cm
9 MHz : 30dB / 연부조직 감쇠계수 0.5 * 주파수 9 = 6.6cm
10 MHz : 30dB / 연부조직 감쇠계수 0.5 * 주파수 10 = 6cm
빔포밍 모듈(240)은 Near field length와 주파수의 감쇠에 따른 Beamforming의 한계를 예상할 수 있으므로 이를 반영한 Tx Beamforming 설계를 수행한다.
빔포밍 모듈(240)은 Rx 빔포밍으로서 다음과 같은 동작을 수행한다.
도 13은 Rx 빔포밍 플로우 다이어그램을 예시하는 참조도이다.
초음파는 초점에서 가까운 거리에 있는 소자들에서 발사된 초음파 보다 늦게 도달되게 되며 반사파를 수신함에 있어서도 동일한 시간적인 차이가 발생하게 된다. Tx는 focal point를 정하고 한순간 firing하지만 Rx는 sample마다 입력되는 신호를 focal point로 보고 계산한다.
Rx 신호는 focal point 의 위치에 따라 시간적인 차이를 두어 transducer 에 입력으로 전달 받는다. 입력된 신호는 Low Noise Amplifier(LNA) 를 통하여 노이즈를 제거한 후 Variable Gain Amplifier(VGA)를 통하여 적절한 gain 을 주어 신호의 크기를 조절한다.
나이키스트 주파수보다 높은 주파수를 감쇠시켜 앨리어싱 요소들이 수집되는 것을 막아주기 때문에 Anti Aliasing Filter(AAF)를 거친다. 이전까지 아날로그였던 신호를 Analog Digital Converter(ADC)를 거쳐 디지털 신호로 변환한다. FIFO를 통하여 딜레이에 맞는 신호를 출력하여 합하는 흐름을 보여준다.
Target으로부터 transducer에 입력의 순서를 보여준다. 가까운 Array부터 입력이 전달되며 입력된 순서로 저장되어야 한다. 멀리서 늦게 들어온 신호를 기다리기 위한 저장이며, 딜레이의 계산은 가장 먼저 입력된 신호로부터 Array 거리에 따른 차이를 초음파속도로 나누어 샘플링 주파수에 맞추어 계산된다.
도 14는 Rx 빔포밍 계산방법을 예시하는 참조도이고, 도 15는 Rx 빔포밍 합산 타이밍 다이어그램을 예시하는 참조도이고, 도 16은 Rx 빔포밍 합산 데이터 플로우 다이어그램을 예시하는 참조도이다.
연속된 입력데이터를 받으며 계산된 delay 별로 저장된 메모리 또는 레지스터에서 해당 데이터를 이용하여 합해서 한 라인 데이터를 만들어 내는 과정을 간략화한 것이다. 또한 sampling rate에 따라 axial 해상도가 올라가며 sampling rate 사이를 interpolation 하여 sample rate의 한계를 보완할 수 있다.
Phased Array 모드의 Rx 빔포밍을 설명하면 다음과 같다.
도 17는 PA 구조의 특성에 따른 빔포밍 계산을 예시하는 참조도이고, 도 18은 PA 구조의 특성에 따른 신호처리 구현 플로우를 예시하는 참조도이다.
sin(theta)과 cos(theta)값은 메모리로 가지고 있으며 Tx 동작시 설정 depth에 따라 고정 값을 계산한다. 엘리먼트들의 picth 정보는 파라미터로 정의하고, SQRT 에서 가장 많은 딜레이 지연이 있음을 확인 할 수 있다.
전술한 빔포밍 알고리즘에 대한 Matlab 시뮬레이션 검증은 다음과 같다.
1) Tx 빔포밍 시뮬레이션 검증
Tx Frequency 180MHz, focal point 10 ~ 100mm, Sound Speed 1540m/s, 128 Scanline, 128 element, 24 channel, 0.3mm element pitch를 기준으로 시뮬레이션을 진행한다.
도 19는 리니어 빔포닝 딜레이를 설명하기 위한 참조 그래프이고, 도 20은 Phased 모드의 Tx 빔포밍 시뮬레이션(좌 10mm, 우 100mm)을 설명하기 위한 참조 그래프이고, 도 21은 Virtual 컨벡스 모드의 Tx 빔포밍 시뮬레이션(좌 10mm, 우 100mm)을 설명하기 위한 참조 그래프이다.
2) Rx 빔포밍 시뮬레이션 검증
Rx Frequency 45MHz, Sound Speed 1540m/s, 128 Scanline, 128 element, 24 channel, 0.3mm element pitch를 기준으로 시뮬레이션을 진행한다.
도 22는 리니어 타입의 Rx 빔포밍 시뮬레이션(왼쪽부터 10, 50, 100mm)을 설명하기 위한 참조 그래프이고, 도 23은 Phased 타입의 Rx 빔포밍 시뮬레이션(왼쪽부터 10, 50, 100mm)을 설명하기 위한 참조 그래프이고, 도 24는 Virtual 컨벡스 타입의 Rx 시뮬레이션(왼쪽부터 10, 50, 100mm)을 설명하기 위한 참조 그래프이다.
프로세싱 모듈(250)은 빔포밍 모듈(240)을 제어하여 초음파 프로브(100)에 대응하는 빔포밍을 수행하게 하고, 빔포밍 모듈(240)로부터 수신된 초음파 영상 데이터를 디스플레이 장치(미도시)로 전송하도록 제어한다.
프로세싱 모듈(250)은 초음파 스캔 데이터를 통신모듈(260)를 통해 디스플레이 장치(미도시)에 전송하거나 전체 시스템을 제어하는 기능을 수행한다. 또한, 통신에 사용되는 전송선로의 대역폭을 줄이기 위해 필요시 스캔 데이터의 압축을 실행하기도 한다.
이때, 프로세싱 모듈(250)은 리니어 스캐닝 컨버전 알고리즘을 이용해, 빔포밍 모듈(240)에서 생성된 리니어 스캐닝 데이터에 대응하는 리니어 초음파 영상 데이터를 생성하고, 컨벡스 스캐닝 컨버전 알고리즘을 이용해, 빔포밍 모듈(240)에서 생성된 컨벡스 스캐닝 데이터에 대응하는 리니어 초음파 영상 데이터를 생성한다. 프로세싱 모듈(250)은 디스플레이 장치에서 생성되어 상기 통신 모듈을 통해 전송된 리니어 동작모드명령 또는 컨벡스 동작모드명령에 따라 상기 동작모드 선택신호를 생성하여 상기 빔포밍 모듈을 제어한다.
프로세싱 모듈(250)은 리니어 스캐닝 알고리즘을 수행하며, Scan conversion은 실제 송수신하는 빔포밍 알고리즘을 따라 수행한다. 특히 Rx 빔포밍 결과를 통해 나오는 것이 실제 메모리 맵(memory map)에 적재되므로, 내삽(interpolation)을 할 때 원본 데이터를 참조함으로 원본 데이터의 스캔 라인(scan line)의 위치와 샘플 위치를 적절하게 찾아낸다.
도 25는 리니어 타입의 Scan Conversion output map을 설명하기 위한 참조도이고, 도 26은 Memory map을 만드는 Matlab code를 예시하는 도면이고, 도 27은 시뮬레이션용 테스트 패턴을 나타내는 참조도이다.
리니어 타입은 엘리먼트가 존재하는 곳에서 scan line data가 생성되므로 엘리먼트 사이즈 만큼 영상이 재구성된다. 컴퓨터 모사를 통해 DSC 결과를 예측해 볼 때 영상 데이터의 조건은 다음과 같다.
Scan line : 128, Sample Data 1024
총 3가지 type의 test pattern을 memory에 mapping 한다.
Case I : Axial 방향
Case II : Lateral 방향
Case III : Axail + Lateral 방향의 data
Data 값은 Black (0), White value (255)의 밝기 값이 반복된 memory map
모사에 사용된 초음파 프로브 타입은 128 element를 갖는 리니어 프로브로 실험할 수 있다.
초음파 프로브 조건 : element 128, pitch 0.3
공통 조건 : Scan data를 얻는 View Depth는 60mm이며, Scan conversion output image는 512 by 512 pixel을 가진다.
리니어 타입을 위한 Scan conversion 알고리즘은 다음과 같다.
모니터상의 화면 픽셀 거리 계산 ( x축 : dx , y축 : dy )
Current Pixel Distance = View Depth / Display Pixel number
한 픽셀 당 거리는 512 by 512에서 현재 스캔 중인 View Depth 기준 display pixel 수인 512로 나눈 값으로 계산한다. ( x축과 y축의 픽셀 거리는 같고, 실제 거리로 계산된다.)
디스플레이 할 현재 픽셀의 위치(거리 좌표)에 대한 실제 메모리 상의 scan line 위치와 샘플 위치를 계산한다.
Original Scan line position = Current Display X distance / ( Probe Aperture Size / Scan line number )
Memory 상의 scan line 위치는 현재 pixel의 거리를 프로브 사이즈를 총 scan line 수로 나눈 값으로 나누어 계산한다.
Original Depth position = Current Display Y distance / Memory Sample distance
Memory 상의 sample 위치는 현재 pixel의 거리를 memory 상의 sample간 거리로 나누어 계산한다.
Display 할 현재 pixel에 값 채워 넣는 방법 (bilinear interpolation method)
도 28은 Pixel Interpolation을 설명하기 위한 참조도이고, 도 29는 리니어 타입 Scan Conversion Image를 나타내는 참조도이다.
변수들에 대해서 최종 interpolation point를 계산하는 것을 축약하면 아래와 같다.
P = ( 1 - dx) * ( 1 - dy ) * P00 + (1 - dy ) * dx * P10 + dy * ( 1-dx) * P01 + dx * dy * P11
P : interpolation point, dx : 왼쪽 scanline 사이의 거리, dy : 위쪽 sample 사이의 거리, P00 : left top에 있는 memory 값, P10 : right top에 있는 memory 값, P01 : left bottom에 있는 memory 값, P11 : right bottom에 있는 memory 값
memory map에서 실제 송수신 구조에 따라 Linear type의 Scan conversion output image가 표현됨을 알 수 있다.
Virtual 컨벡스 스캔 알고리즘 및 시뮬레이션을 설명하면 다음과 같다.
도 30은 Virtual 컨벡스 타입의 Scan Conversion map을 설명하는 참조도이고, 도 31은 Memory map을 만드는 Matlab code를 예시하는 참조도이고, 도 32는 시뮬레이션용 테스트 패턴을 나타내는 참조도이다.
Scan conversion은 실제 송수신하는 빔포밍 알고리즘을 그대로 따르게 된다. 특히 Rx 빔포밍 결과를 통해 나오는 것이 실제 메모리 맵에 적재되므로, 내삽(interpolation)을 할 때 원본 데이터를 참조함으로 원본 데이터의 scan line의 위치와 샘플 위치를 잘 찾아 내야 한다.
Virtual 컨벡스 타입은 컨벡스 타입처럼 가상의 위치에서 송수신하도록 scan line data가 생성되므로, FOV angle 만큼 영상이 재구성된다. 컴퓨터 모사를 통해 DSC 결과를 예측해 수 있다.
영상 데이터의 조건은 다음과 같다.
Scan line : 128, Sample Data 1024
총 3가지 type의 test pattern을 memory에 mapping 한다.
Case I : Axial 방향
Case II : Lateral 방향
Case III : Axail + Lateral 방향의 data
Data 값은 Black (0), White value (255)의 밝기 값이 반복된 memory map
모사에 사용된 프로브 타입은 128 element를 갖는 리니어 초음파 프로브로 실험한다. 리니어 초음파 프로브 조건 : element 128, pitch 0.3, 최대 Steer Angle 15 degree, FOV 30 degree
Virtual 컨벡스 타입을 위한 Scan conversion 알고리즘은 다음과 같다.
도 33은 Pixel Interpolation을 설명하기 위한 참조도이고, 도 34는 Virtual Convex Type Scan Conversion Image를 예시하는 참조도이다.
모니터상의 화면 픽셀 거리 계산 ( x축 : dx , y축 : dy )
Current Pixel Distance = View Depth / Display Pixel number
한 픽셀 당 거리는 512 by 512에서 현재 스캔 중인 View Depth 기준 display pixel 수인 512로 나눈 값으로 계산한다( x축과 y축의 픽셀 거리는 같고, 실제 거리로 계산됨).
Display 할 현재 pixel의 위치에 대한 실제memory의 scan line 위치와 sample 위치 계산한다.
Original Scan line position = Current Display X distance / ( Probe FOV angle / Scan line number )
Memory상의 scan line 위치는 현재 pixel의 거리를 프로브 사이즈를 총 scan line 수로 나눈 값으로 나누어 계산한다.
Original Depth position = Current Display Y distance / Memory Sample distance
메모리 상의 샘플 위치는 현재 픽셀의 거리를 메모리 상의 샘플 간 거리로 나누어 계산한다.
디스플레이 할 현재 픽셀에 값을 채워 넣는 방법 (bilinear interpolation method)
변수들에 대해서 최종 interpolation point를 계산하는 것을 축약하면 아래와 같다.
P = ( 1 - dx) * ( 1 - dy ) * P00 + (1 - dy ) * dx * P10 + dy * ( 1-dx) * P01 + dx * dy * P11
메모리 맵에서 실제 송수신 구조에 따라 Virtual 컨벡스 타입의 Scan conversion output image가 표현됨을 알 수 있다.
Sector Scan 알고리즘 및 시뮬레이션을 설명하면 다음과 같다.
도 35는 Sector type의 Scan Conversion output map을 설명하기 위한 참조도이다. 도 36은 메모리 맵을 만드는 Matlab code를 예시하는 참조도이고, 도 37은 시뮬레이션용 테스트 패턴을 설명하기 위한 참조도이다.
Scan conversion은 실제 송수신하는 빔포밍 알고리즘을 그대로 따르게 된다. 특히 Rx 빔포밍 결과를 통해 나오는 것이 실제 메모리 맵에 적재되므로, 내삽(interpolation)을 할 때 원본 데이터를 참조함으로 원본 데이터의 scan line의 위치와 샘플 위치를 잘 찾아내야 한다.
Sector type은 element의 center에서 초음파 빔을 steer하여 scan line data가 생성되므로 Min, Max Steer Angle만큼 영상이 재구성 됨. 컴퓨터 모사를 통해 DSC 결과를 예측해 볼 때 영상 데이터의 조건은 다음과 같다.
Scan line : 128, Sample Data 1024
총 3가지 type의 test pattern을 memory에 mapping
Case I : Axial 방향
Case II : Lateral 방향
Case III : Axail + Lateral 방향의 data
Data 값은 Black (0), White value (255)의 밝기 값이 반복된 memory map
모사에 사용된 probe type은 128 element를 갖는 Linear probe로 실험한다. Probe 조건 : element 64, pitch 0.24, FOV(Field of View) 60 degree
Sector Type을 위한 Scan conversion 알고리즘은 다음과 같다.
도 38은 Pixel Interpolation을 예시하는 참조도이고, 도 39는 Sector Type Scan Conversion Image를 예시하는 참조도이다.
모니터상의 화면 픽셀 거리 계산 ( x축 : dx , y축 : dy )
Current Pixel Distance = View Depth / Display Pixel number
한 픽셀 당 거리는 512 by 512에서 현재 스캔 중인 View Depth 기준 display pixel 수인 512로 나눈 값으로 계산한다.
Display 할 현재 pixel의 위치에 대한 실제 memory의 scan line 위치와 sample 위치 계산한다.
Original Scan line position = Current Display X distance / ( Probe FOV angle / Scan line number )
Memory상의 scan line 위치는 현재 pixel의 거리를 프로브 사이즈를 총 scan line 수로 나눈 값으로 나누어 계산한다.
Original Depth position = Current Display Y distance / Memory Sample distance
메모리 상의 샘플 위치는 현재 픽셀의 거리를 메모리 상의 샘플 간 거리로 나누어 계산한다.
디스플레이 할 현재 픽셀에 값 채워 넣는 방법(bilinear interpolation method)
변수들에 대해서 최종 interpolation point를 계산하는 것을 축약하면 아래와 같다.
P = ( 1 - dx) * ( 1 - dy ) * P00 + (1 - dy ) * dx * P10 + dy * ( 1-dx) * P01 + dx * dy * P11
P : interpolation point, dx : 왼쪽 scanline 사이의 거리, dy : 위쪽 sample 사이의 거리, P00 : left top에 있는 memory 값, P10 : right top에 있는 memory 값, P01 : left bottom에 있는 memory 값, P11 : right bottom에 있는 memory 값
메모리 맵에서 실제 송수신 구조에 따라 Sector type의 Scan conversion output image가 표현됨을 알 수 있다.
통신모듈(260)은 초음파 영상 데이터의 생성 및 전송을 위해, 디스플레이 장치와 데이터를 송수신한다. 통신모듈(260)은 외부 전자 기기와 데이터를 송수신하는 통신 모듈로서, 통신모듈(260)은 유무선 통신 방식을 사용할 수 있는데 유선 통신 방식으로는 USB 케이블 등의 유선 케이블을 이용할 수 있으며, 무선 통신 방식으로는 블루투스(Bluetooth), 무선 USB(Wireless USB), Wireless LAN, 와이파이(WiFi), 지그비(Zigbee) 또는 적외선 통신인 IrDA(Infrared Data Association) 중 하나의 방식을 이용한 모듈일 수 있다.
통신모듈(260)은 프로세싱모듈(250)의 제어에 따라 생성된 초음파 영상을 디스플레이 장치로 전송할 수 있다. 이때, 디스플레이 장치는 PC, 스마트폰, 태블릿형 기기, 패드형 기기, PDA 등 일 수 있다.
이러한 디스플레이장치는 데이터 통신을 수행하는 데이터통신부, 사용자로부터 메뉴신호를 입력받는 메뉴입력부, 초음파 영상 및 메뉴를 표시하는 화면표시부, 및 프로세싱모듈(250)과 제어신호를 주고받는 제어부를 구비할 수 있다.
이때, 디스플레이장치의 데이터통신부는 휴대용 하이브리드 초음파 진단장치에서 보내온 스캔데이터를 수신하여 제어부에 전달하고, 제어부는 스캔데이터를 이용하여 초음파 영상을 만드는 스캔 컨버젼(scan coversion) 과정을 수행하고 이후 화질을 향상시키기 위해 필요한 포스트 프로세싱(post processing)을 수행하며, 제어부는 휴대용 하이브리드 초음파 진단장치에서 보내온 스캔데이터가 압축되어 있는 경우 압축을 해제하는 과정도 수행한다. 또한, 화면표시부는 제어부가 만든 초음파 영상을 화면에 표시하여 사용자가 볼 수 있도록 하고, 메뉴입력부는 사용자의 입력을 받아 제어부에 전달하고 제어부는 이를 직접 처리하거나 데이터통신부를 이용하여 휴대용 하이브리드 초음파 진단장치에 전달한다.
또한, 본 발명에 따른 휴대용 하이브리드 초음파 진단장치는 자체적으로 디스플레이부를 포함할 수도 있다. 즉, 휴대용 하이브리드 초음파 진단장치는 통신 모듈을 통하여 생성된 초음파 영상을 타 전자 장치에 전송하여 디스플레이할 수도 있으며, 자체적으로 구비하고 있는 디스플레이부에 직접 표시하도록 구성될 수도 있다.
이상 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명하였다. 하지만, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 기술된 것이고 본 발명의 내용을 이에 한정하거나 제한하기 위하여 기술된 것은 아니다, 그러므로, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예를 실시하는 것이 가능할 것이다, 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사항에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 초음파 신호를 피검체로 송신한 후에 상기 피검체로부터 반사된 초음파 에코 신호를 수신하는 초음파 프로브;
    상기 초음파 신호의 생성을 위해 고전압 펄스를 생성하여 상기 초음파 프로브로 출력하고, 상기 초음파 프로브에서 수신한 상기 초음파 에코 신호에 대응하는 초음파 영상 데이터를 생성하고, 상기 생성된 초음파 영상 데이터를 디스플레이 장치로 전송하는 초음파 영상 생성부; 및
    전력을 충전 및 방전하는 배터리를 포함하고, 상기 배터리에 충전된 전력을 이용하여 상기 초음파 영상 생성부의 구동을 위한 전력을 공급하는 전력 공급부를 포함하고,
    상기 초음파 프로브는,
    상기 고전압 펄스에 대응하여 상기 초음파 신호 중에서 리니어(linear) 초음파 신호를 상기 피검체로 송신하고, 상기 피검체로부터 반사된 리니어 초음파 에코신호를 수신하는 제1 압전소자 어레이;
    상기 고전압 펄스에 대응하여 상기 초음파 신호 중에서 컨벡스(convex) 초음파 신호를 상기 피검체로 송신하고, 상기 피검체로부터 반사된 컨벡스 초음파 에코신호를 수신하는 제2 압전소자 어레이;
    상기 초음파 영상 생성부로부터 전달된 동작 제어신호에 대응하여 상기 제1 압전소자 어레이 및 상기 제2 압전소자 어레이 중 어느 하나의 동작을 스위칭하는 어레이 스위치부; 및
    상기 제1 압전소자 어레이 또는 상기 제2 압전소자 어레이를 구성하는 압전소자들 중 선택된 압전소자들로 상기 고전압 펄스를 출력하도록 스위칭 동작을 수행하는 멀티 플렉서를 포함하고,
    상기 동작 제어신호는 상기 초음파 영상 데이터 중 상기 제1 압전소자 어레이에 대응하는 리니어 스캐닝 데이터 또는 상기 제2 압전소자 어레이에 대응하는 컨벡스 스캐닝 데이터 중 어느 하나의 데이터 생성을 위한 동작모드 선택신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 하이브리드 초음파 진단장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 압전소자 어레이와 상기 제2 압전소자 어레이는,
    각각 전면 방향을 향해 있으며, 서로 선형 형태로 병렬 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 하이브리드 초음파 진단장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 초음파 영상 생성부는,
    상기 동작모드 선택신호에 따라, 상기 리니어 초음파 신호 및 상기 컨벡스 초음파 신호 중 어느 하나의 전기적 고전압 펄스를 생성하는 펄스생성모듈;
    상기 리니어 초음파 에코신호 및 상기 컨벡스 초음파 에코신호 중 어느 하나의 신호 크기를 증폭하여 디지털신호로 변환시키는 신호처리모듈;
    상기 펄스생성모듈에서 생성된 상기 고전압 펄스를 상기 초음파 프로브에 전송하거나, 상기 초음파 프로브로부터 상기 리니어 초음파 에코신호 또는 상기 컨벡스 초음파 에코신호를 수신하여 상기 신호처리모듈로 전달하는 송수신 모듈;
    상기 펄스생성모듈로 하여금 상기 초음파 프로브에 대응하는 상기 고전압 펄스를 생성하게 하고, 상기 신호처리모듈에서 변환된 디지털 신호에 따라 상기 제1 압전소자 어레이에 대응하는 상기 리니어 스캐닝 데이터 또는 상기 제2 압전소자 어레이에 대응하는 상기 컨벡스 스캐닝 데이터를 생성하는 빔포밍 모듈;
    상기 빔포밍 모듈을 제어하여 상기 초음파 프로브에 대응하는 빔포밍을 수행하게 하고, 상기 빔포밍 모듈로부터 수신된 상기 초음파 영상 데이터를 상기 디스플레이 장치로 전송하도록 제어하는 프로세싱 모듈; 및
    상기 리니어 스캐닝 데이터 또는 상기 컨벡스 스캐닝 데이터의 전송을 위해, 상기 디스플레이 장치와 통신망을 통해 연결되어 있는 통신 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 하이브리드 초음파 진단장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 빔포밍 모듈은,
    상기 리니어 스캐닝 데이터의 생성을 위한 상기 동작모드 선택신호에 따라, 초음파속도의 딜레이값 또는 스티어링(steering)에 따른 보정값을 산출하여 리니어 빔포밍에 대응하는 고전압 펄스를 생성하도록 처리하는 것을 특징으로 하는 휴대용 하이브리드 초음파 진단장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 빔포밍 모듈은,
    상기 컨벡스 스캐닝 데이터의 생성을 위한 상기 동작모드 선택신호에 따라, 상기 초음파 프로브와 상기 피사체와 거리에 따른 가상 컨벡스 빔포밍을 위한 고전압 펄스를 생성하도록 처리하는 것을 특징으로 하는 휴대용 하이브리드 초음파 진단장치.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 프로세싱 모듈은,
    리니어 스캐닝 컨버전 알고리즘을 이용해, 상기 빔포밍 모듈에서 생성된 상기 리니어 스캐닝 데이터에 대응하는 리니어 초음파 영상 데이터를 생성하고,
    컨벡스 스캐닝 컨버전 알고리즘을 이용해, 상기 빔포밍 모듈에서 생성된 상기 컨벡스 스캐닝 데이터에 대응하는 리니어 초음파 영상 데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 휴대용 하이브리드 초음파 진단장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 프로세싱 모듈은,
    상기 디스플레이 장치에서 생성되어 상기 통신 모듈을 통해 전송된 리니어 동작모드명령 또는 컨벡스 동작모드명령에 따라 상기 동작모드 선택신호를 생성하여 상기 빔포밍 모듈을 제어하는 것을 특징으로 하는 휴대용 하이브리드 초음파 진단장치.
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