KR20210137561A

KR20210137561A - 기본 및 고조파 신호들을 사용하는 정량적 초음파

Info

Publication number: KR20210137561A
Application number: KR1020217033590A
Authority: KR
Inventors: 야신 래비드
Original assignee: 지멘스 메디컬 솔루션즈 유에스에이, 인크.
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2020-02-06
Publication date: 2021-11-17
Also published as: WO2020190410A1; KR102628879B1; CN113631953A; US11617567B2; US11331078B2; US20220240900A1; DE112020001333T5; US20200297322A1

Abstract

시스템 및 방법은 기본 주파수 대역에 대한 기준 팬텀의 에코 신호 전력 스펙트럼 및 고조파 주파수 대역에 대한 기준 팬텀의 에코 신호 전력 스펙트럼의 저장, 기본 주파수 대역에 대한 조직 영역의 에코 신호 전력 스펙트럼 및 고조파 주파수 대역에 대한 조직 영역의 에코 신호 전력 스펙트럼의 획득, 기본 주파수 대역에 대한 조직 영역의 에코 신호 전력 스펙트럼 및 기본 주파수 대역에 대한 기준 팬텀의 에코 신호 전력 스펙트럼에 기반한 제1 후방 산란 계수의 결정, 고조파 주파수 대역에 대한 조직 영역의 에코 신호 전력 스펙트럼 및 고조파 주파수 대역에 대한 기준 팬텀의 에코 신호 전력 스펙트럼에 기반한 제2 후방 산란 계수의 결정, 및 제1 후방 산란 계수 및 제2 후방 산란 계수에 기반한 조직 영역의 비선형성의 결정을 포함한다.

Description

기본 및 고조파 신호들을 사용하는 정량적 초음파

[0001] 종래의 초음파 이미징 시스템(imaging system)은 볼륨(volume) 내의 음향 임피던스(impedance) 불연속(discontinuity)들을 검출함으로써 이 볼륨의 내부 이미지(image)(즉, B-모드(mode) 이미지)를 생성한다. 더욱 구체적으로, 종래의 초음파 이미징은, 초음파 빔(beam)들을 볼륨 안으로 송신하고, 이 볼륨 내의 음향 임피던스 불연속들로부터 반사되는 반환된 신호들을 검출하는 것을 수반한다. 상이한 물질들이 통상적으로, 상이한 음향 임피던스들을 나타내기 때문에, 검출된 음향 임피던스 불연속들은 볼륨 내의 상이한 물질들의 위치들을 표현한다.

[0002] 위에서 설명된 B-모드 이미지들은 조직의 정성적 특징들을 묘사하지만, 조직에 대한 정량적 정보를 직접적으로 제공하지는 않는다. 반면에, 정량적 초음파 시스템들은 관심 영역(ROI; Region of Interest)의 감쇠 계수(AC; attenuation coefficient) 및 후방 산란 계수(BSC; backscatter coefficient)를 결정할 수 있다. AC는 조직에서 초음파 에너지(energy) 손실의 척도이고, BSC는 조직에서 반환된 초음파 에너지의 척도이다. 이들과 같은 정량적 초음파 값들은 강성(stiffness) 및 지방량(fat fraction)과 같은 조직의 특성들을 특성화하는 데 도움이 된다. 추가적인 정량적 초음파 측정들은 이러한 특성화에 더욱 도움이 될 것이다.

[0003] AC 및 BSC를 결정하는 것은 획득하는 초음파 시스템의 시스템 효과들에 대한 보상을 요구한다. 이러한 효과들은 송신-펄스(pulse) 전력, 트랜스듀서(transducer) 감도, 빔-포커싱 패턴(beam-focusing pattern) 및 깊이 종속 수신기 이득을 포함한다. 종래에, 보상은 기본 주파수 대역의 조직 샘플(sample)의 에코 신호 전력 스펙트럼(echo signal power spectrum)을 동일한 깊이로부터 기본 주파수 대역의 잘 특성화된 기준 팬텀(reference phantom)의 에코 신호 전력 스펙트럼으로 나누는 것을 포함한다. 결과적인 몫(quotient)은 조직 샘플과 기준 팬텀의 감쇠 및 후방 산란 특성들에 의존하는 정규화된 스펙트럼이다. 기준 팬텀의 특성들이 알려져 있기 때문에, 조직 샘플의 AC 및 BSC는 정규화된 스펙트럼으로부터 도출될 수 있다.

[0004] 전술된 결정의 하나의 단점은 임상 스캔(clinical scan) 시에 기준 팬텀 데이터(data)를 획득할 필요가 있다는 것이다. 이러한 추가 획득은 작업 흐름 및 환자 스루풋(throughput)을 저해한다. 더욱이, 그러한 결정들의 정확성은 많은 시나리오(scenario)들에서 부족한 것으로 보여졌다. 전술된 결정은 또한 조직 비선형성(non-linearity)과 같은 다른 잠재적으로 유용한 정량적 측정들을 제공하는 데 실패했다.

[0005] 실시예들의 구성 및 사용(usage)은 첨부된 도면들에서 예시된 다음의 명세서를 고려할 때 자명해질 것이며, 이 도면들에서 유사한 참조 번호들은 유사한 부분들을 표기하고, 여기서:
[0006] 도 1은 일부 실시예들에 따른 정량적 초음파 시스템의 블록도(block diagram)이다.
[0007] 도 2는 일부 실시예들에 따른 정량적 초음파 값들을 결정하기 위한 프로세스(process)의 흐름도이다.
[0008] 도 3은 일부 실시예들에 따른 기준 팬텀 교정 데이터를 획득하기 위한 초음파 시스템의 블록도이다.
[0009] 도 4는 일부 실시예들에 따른 기준 팬텀 교정 데이터를 결정하기 위한 데이터의 표로 작성된 표현이다.
[0010] 도 5는 일부 실시예들에 따른 정량적 초음파 값들을 포함하는 초음파 이미지이다.
[0011] 도 6은 일부 실시예들에 따른 초음파 이미징 시스템의 블록도이다.

[0012] 다음의 설명은 당업자가 설명된 실시예들을 실시하고 사용하는 것을 가능하게 하기 위해 제공되고, 설명된 실시예들을 수행하기 위해 고려된 최선의 모드를 제시한다. 그러나, 다양한 수정들이 당업자들에게 자명하게 유지될 것이다.

[0013] 일부 실시예들은 정량적 초음파 값들의 효율적이고 정확한 결정을 제공한다. 더 구체적으로, 일부 실시예들은, 고조파 주파수 대역으로부터의 에코 신호 전력 스펙트럼들에 기반하여, AC 및 BSC를 결정하기 위한 본 발명의 시스템을 제공한다. 고조파 주파수 대역을 사용하는 것이 임상적으로 더 바람직하다. 고조파 신호들을 사용하는 것의 임상적 이점은 감소된 잔향(reverberation), 클러터 잡음(clutter noise) 및 위상 수차(phase aberration)로 인한 QUS 추정들의 반복성과 재현성(reproducibility)이 향상된다는 것이다.

[0014] 이러한 실시예들은 고조파 주파수 대역에서 잘 특성화된 기준 팬텀의 미리 저장된 에코 신호 전력 스펙트럼들(또는 전력 스펙트럼들이 컴퓨팅될(computed) 수 있는 RF 또는 IQ 신호 데이터)을 활용하여, 임상 데이터 획득 시에 또는 근처에서 교정 데이터를 획득할 필요성을 제거할 수 있다.

[0015] 일부 실시예들은 유리하게는 조직 비선형성의 정량적 값들을 결정한다. 대조적으로, 위에서 설명된 종래의 시스템들은, 기준 팬텀의 비선형성이 ROI에서 조직의 비선형성과 실질적으로 동일하다고 가정한다.

[0016] 도 1은 일부 실시예들에 따른 구현을 예시한다. 시스템(100)은 초음파 유닛(unit)(110), 초음파 트랜스듀서(120) 및 디스플레이(display)(130)를 포함한다. 볼륨(140)은 인체를 포함할 수 있지만, 실시예들은 이에 제한되지 않는다. 초음파 트랜스듀서(100)는 임의의 적절한 초음파 트랜스듀서, 이를테면, 위상-어레이(phased-array), 선형 또는 볼록(convex) 초음파 트랜스듀서(그러나, 이에 제한되지 않음)를 포함할 수 있다.

[0017] 일반적으로, 유닛(110)의 프로세싱(processing) 유닛(112)은 초음파 빔들을 볼륨(140)으로 송신하고 그로부터 음향 무선 주파수 신호들을 수신하도록 트랜스듀서(120)를 제어하기 위한 프로그램 코드(program code)를 실행할 수 있다. 유닛(110)의 프로세싱 유닛(112)은, 수신된 신호들에 기반하여, 이미지들을 생성하고 그리고/또는 정량적 초음파 값들을 결정하기 위한 프로그램 코드를 실행할 수 있다. 이미지들 및/또는 결정된 값들은 디스플레이(130) 상에서 기술자에게 디스플레이될(displayed) 수 있다.

[0018] 일부 실시예들에 따라, 기술자는 볼륨(140)의 ROI로부터 고조파 주파수 대역의 에코 신호 전력 스펙트럼을 획득하기 위해 시스템(100)을 동작시킨다. 획득은 RF 또는 IQ 신호들을 획득하는 것 및 그로부터 고조파 주파수 대역의 에코 신호 전력 스펙트럼을 컴퓨팅(computing)하는 것을 포함할 수 있다. 획득은, 주파수, F-수/조리개 크기(F-number/aperture), 포커스(focus) 및 아포다이제이션 함수 파라미터(apodization function parameter)들의 특정 값들을 포함할 수 있는 제1 스캔 설정들을 사용하여 수행된다. 트랜스듀서(120)는 초음파 빔들을 ROI로 송신하기 위해 송신 유닛(116)과 함께 동작하고, 수신기 유닛(118)은 스캔 설정들에 따라 ROI로부터 고조파 주파수 대역의 반사된 신호들을 수신하기 위해 트랜스듀서(120)와 함께 동작한다.

[0019] 다음에, 제1 스캔 설정들에 대응하는 고조파 교정 데이터가 저장소(114)로부터 리트리브(retrieve)된다. 고조파 교정 데이터는, 제1 스캔 설정들과 동일하거나 실질적으로 유사한 스캔 설정들을 사용하여 기준 팬텀으로부터 획득된 고조파 주파수 대역의 에코 신호 전력 스펙트럼(또는 에코 신호 전력 스펙트럼이 도출될 수 있는 데이터)을 포함할 수 있다. 고조파 교정 데이터의 획득 및 저장은 아래에 상세히 설명된다.

[0020] 볼륨(140)으로부터 획득된 에코 신호 전력 스펙트럼들은 에코 신호 전력 스펙트럼을 저장된 에코 신호 전력 스펙트럼으로 나눔으로써 정규화된다. 결과는 ROI의 조직들 및 기준 팬텀의 감쇠 및 후방 산란 특성들에만 의존하는 정규화된 스펙트럼이다. 기준 팬텀의 감쇠 및 후방 산란 특성들이 알려져 있기 때문에, 조직들의 AC 및 BSC는, 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이, 정규화된 스펙트럼으로부터 도출될 수 있다.

[0021] 일부 실시예들에 따라, 기본 주파수 대역의 에코 신호 전력 스펙트럼은 또한 볼륨(140)의 ROI로부터 획득된다. 획득은 위에서 언급된 제1 스캔 설정들과 상이하거나 이들로부터 유래될 수 있는 제2 스캔 설정들을 사용하여 수행된다. 제2 스캔 설정들에 대응하는 기본 교정 데이터는 저장소(114)로부터 리트리브된다. 기본 교정 데이터는, 제2 스캔 설정들과 동일하거나 실질적으로 유사한 스캔 설정들을 사용하여 기준 팬텀으로부터 획득된 기본 주파수 대역의 에코 신호 전력 스펙트럼(또는, 다시, 에코 전력 신호 스펙트럼이 도출될 수 있는 RF 또는 IQ 데이터)을 포함한다.

[0022] 볼륨(140)으로부터 획득된 기본 주파수 대역의 에코 신호 전력 스펙트럼들은 에코 신호 전력 스펙트럼들을 기본 교정 데이터로 나눔으로써 정규화되어, ROI의 조직들 및 기준 팬텀의 감쇠 및 후방 산란 특성들에만 의존하는 또 다른 정규화된 스펙트럼을 발생시킨다. 조직들의 AC 및 BSC가 또한 이러한 정규화된 스펙트럼으로부터 도출될 수 있다.

[0023] 일부 실시예들에 따라, ROI의 비선형성은, 고조파 주파수 대역 데이터로부터 도출된 BSC 및 기본 주파수 대역 데이터로부터 도출된 BSC에 기반하여 결정될 수 있다. 이러한 결정은, 기준 팬텀 및 ROI의 비선형성들이 동일하다고 가정하는 종래의 시스템들에 비해 ROI의 향상된 특성화를 제공한다.

[0024] 도 2는 일부 실시예들에 따른 정량적 초음파 값들을 결정하기 위한 프로세스(200)의 흐름도이다. 프로세스(200)는 시스템(100)의 엘리먼트(element)들에 의해 실행될 수 있지만, 실시예들이 이에 제한되지 않는다. 프로세스(200) 및 본원에서 언급된 모든 다른 프로세스들은 하드 디스크(hard disk), 휘발성 또는 비휘발성 랜덤 액세스 메모리(random access memory), DVD-ROM, 플래시 드라이브(Flash drive) 및 자기 테이프(magnetic tape)와 같은 비일시적 컴퓨터(computer) 판독 가능한 매체들 중 하나 이상으로부터 판독된 프로세서(processor) 실행 가능한 프로그램 코드로 구현되고, 그런 다음 압축된, 컴파일링되지 않은(uncompiled) 그리고/또는 암호화된 포맷(format)으로 저장된다. 일부 실시예들에서, 일부 실시예들에 따른 프로세스들의 구현을 위한 프로그램 코드 대신에 또는 이와 조합하여 하드-와이어 회로(hard-wired circuitry)가 사용될 수 있다. 따라서, 실시예들은 하드웨어(hardware) 및 소프트웨어(software)의 임의의 특정 조합으로 제한되지 않는다.

[0025] 초기에, S210에서, 기준 팬텀이 스캔되어, RF 또는 IQ 데이터를 획득하고, 기본 주파수 대역 및 그로부터의 고조파 주파수 대역의 에코 신호 전력 스펙트럼들을 결정한다. 기준 팬텀은 특정 스캔 설정들을 사용하여 스캔된다. 일부 실시예들에서, 기본 주파수 대역 및 고조파 주파수 대역의 추가적인 에코 신호 전력 스펙트럼들은 다른 스캔 설정들을 사용하여 S210에서 획득된다.

[0026] 도 3은 일부 실시예들에 따라 S210을 수행하는 시스템(300)을 예시한다. 시스템(300)은 초음파 시스템 제공자, 팬텀 제공자, 또는 다른 비임상 엔티티(entity)에 의해 동작될 수 있다. 초음파 유닛(310)의 프로세싱 유닛(312)은, 팬텀(340)에 신호를 송신하고 팬텀(340)으로부터 신호를 수신하도록 트랜스듀서(320)를 제어하기 위해 저장소(314)의 스캐닝 프로그램을 실행한다. 팬텀(340)은 예상된 ROI(예컨대, 성인 남성 몸통)를 나타내고, 초음파 유닛(310) 및 트랜스듀서(320)는 예상된 ROI를 스캔하는 데 사용될 것으로 예상되는 초음파 유닛들 및 트랜스듀서들의 제품-등가 버전(production-equivalent version)들을 포함할 수 있다. 저장소(314)는 획득된 전력 스펙트럼들을 저장한다.

[0027] 다음에, S220에서, 기본 주파수 대역 및 고조파 주파수 대역의 획득된 에코 신호 전력 스펙트럼이 초음파 시스템에 저장된다. 일부 실시예들에서, 저장된 데이터는, 기본 주파수 대역 및 고조파 주파수 대역의 에코 신호 전력 스펙트럼들이 도출될 수 있는 데이터를 포함한다. 일부 예들에서, 스펙트럼들은 고객에게 배송될 초음파 시스템의 위에 설명된 기본 및 고조파 교정 데이터로서 저장된다. 일부 실시예들에 따라, 스펙트럼들은 개개의 스펙트럼을 획득하는 데 사용되는 스캔 설정들과 연관하여 저장된다.

[0028] 도 4는 일부 실시예들에 따라 S220에서 저장된 데이터의 표로 작성된 표현이다. 표(400)는 각각의 획득된 전력 스펙트럼과, 전력 스펙트럼을 획득하는 데 사용되는 기준 팬텀 및 스캔 설정들을 연관시킨다. 도시된 바와 같이, S210에서 하나 초과의 타입(type)의 기준 팬텀이 스캔될 수 있다. 각각의 기준 팬텀/스캔 설정 쌍은 기본 주파수 대역 전력 스펙트럼 데이터 및 고조파 주파수 대역 전력 스펙트럼 데이터와 연관된다. 스펙트럼 데이터 열(column)들의 값들은 대응하는 스펙트럼 데이터를 포함하는 파일(file)들의 파일네임(filename)들로 구성될 수 있다.

[0029] 일부 실시예들에서, S210 및 S220은, 내부에서 획득된 데이터의 임상 사용 훨씬 전에(예컨대, 초음파 시스템을 진료소로 배송하기 전에) 일정 시간 기간 동안 수행된다. 따라서, S220과 S230 사이의 점선 화살표는, 프로세스(200)의 다른 인접한 단계들 사이의 시간보다 상당히 더 길 수 있는 시간의 경과를 나타낸다.

[0030] S230에서, 예컨대, 임상 설정에서, 스펙트럼들이 저장된 초음파 시스템은 ROI로부터 기본 주파수 대역 및 고조파 주파수 대역의 에코 신호 전력 스펙트럼들을 획득하도록 동작된다. 획득은 S210에서 대응하는 기준 팬텀의 교정 데이터를 생성하는 데 사용된 제1 스캔 설정들을 사용한다. 일부 실시예들에서, 제1 스캔 설정들은 초음파 시스템의 디폴트(default) 스캔 설정들로서 설정된다.

[0031] S230의 일부 실시예들에 따라, 초음파 시스템은 3MHz 중심 주파수 및 2-4MHz의 주파수 대역폭을 갖는 신호를 송신한다. 그런 다음, 기본 신호가 2-4MHz의 범위에서 수신된다. 고조파 주파수 대역의 신호들을 획득하기 위해, 1.5MHz 중심 주파수에서 그리고 1-2MHz 사이의 대역폭을 갖는 신호가 송신된다. 결과적으로 수신된 고조파 신호는, 예컨대, 중심 주파수의 두 배 또는 2-4MHz 사이의 주파수 대역을 나타낼 수 있다. 따라서, QUS 값들의 후속 계산들은 2-4MHz 사이의 주파수들과 연관된다.

[0032] 다음에, S240에서, 제1 스캔 설정들에 대응하여 저장된 교정 데이터가 결정된다. 결정된 교정 데이터는, 제1 스캔 설정들을 사용하여 획득된 기본 주파수 대역 및 고조파 주파수 대역의 에코 신호 전력 스펙트럼들 및 ROI에 대응하는 기준 팬텀으로 구성된다. 예컨대, S240은 표(400)의 행(row) 내에서 적절한 기준 팬텀 및 스캔 설정들을 식별하는 것, 및 표(400)의 동일한 행 내에서 식별된 저장된 기본 및 고조파 교정 데이터 파일들을 획득하는 것을 포함할 수 있다.

[0033] 제1 AC 및 제1 BSC가 S250에서 결정된다. 결정은 S230에서 획득된 기본 주파수 대역의 에코 신호 전력 스펙트럼들 및 S240에서 결정된 기본 주파수 대역의 교정 에코 신호 전력 스펙트럼들에 기반한다. 실시예들은 S250에서의 결정에 대한 이하의 설명으로 제한되지 않는다.

[0034] 초기에, ROI의 각각의 무선 주파수 에코 라인(line)은 몇몇의 중첩하는 시간-게이티드 윈도우(overlapping time-gated window)들로 분할된다. 푸리에 변환(Fourier Transform)은 모든 각각의 윈도우에 적용되며, 동일한 깊이에 대응하는 윈도우들의 전력 스펙트럼들이 평균화된다. 기준 팬텀의 대응하는 ROI에 대해 동일한 절차가 수행된다. 표준 펄스 에코 이미징에서, 통계적으로 균질한 조직에서 윈도우 영역(windowed region)의 기본 주파수 대역에서 측정된 전력 스펙트럼은 수학식 (1)으로 주어진다.

(1)

[0035] 아래 첨자 s는 샘플(즉, ROI의 조직)을 나타낸다. 트랜스듀서 표면으로부터 ROI 내 특정 시간-게이티드 윈도우의 중심까지의 거리는 z로 표시된다. 주파수는 f로 표시된다.

는 송신 펄스의 전달 함수를 나타낸다.

및

는 각각 트랜스듀서 전기-음향 및 음향-전기 전달 함수들을 나타낸다.

는 트랜스듀서 지오메트리(windowed region) 및 송신 및 수신 포커싱에 관련된 회절의 효과들을 나타낸다.

및

는 각각 샘플의 주파수 종속 AC 및 BSC 값들이다.

[0036] 유사하게, 기준 팬텀으로부터 후방 산란된 신호의 전력 스펙트럼은 다음과 같다.

(2)

[0037] 샘플의 전력 스펙트럼들을 기준 팬텀의 전력 스펙트럼들로 나누는 것은 다음을 산출한다.

(3)

[0038] 기준 팬텀의 알려진 감쇠 및 후방 산란 특성들을 보상하면, 수학식 (3)은 다음과 같이 된다.

(4)

[0039] 자연 로그(natural logarithm)를 컴퓨팅하는 것은 다음을 산출한다.

(5)

[0040] 그런 다음, 감쇠 계수

(np/cm) 및 후방 산란 계수

(1/cm-str)는 수학식 (5)에 맞은 라인 대 깊이(z)의 절편(

) 및 기울기(

)로부터 도출될 수 있다.

[0041] 제2 AC 및 제2 BSC가 S260에서 결정된다. S260에서의 결정은 S230에서 획득된 고조파 주파수 대역의 에코 신호 전력 스펙트럼 및 S240에서 결정된 고조파 주파수 대역의 교정 에코 신호 전력 스펙트럼에 기반한다. 실시예들은 S260에서의 결정에 대한 이하의 설명으로 제한되지 않는다.

[0042] AC 및 BSC를 추정하기 위해 고조파 주파수 대역을 사용하는 것은 조직 비선형성을 설명하는 새로운 모델(model)을 요구한다. 기본 주파수(f)에서 P₀의 평면파로부터의 제2 고조파 압력은 다음과 같이 주어진다.

(6)

여기서

및

는 각각 기본 및 고조파 신호의 감쇠 계수들(np/cm)이고, K는 비선형성 파라미터(parameter)(B/A)에 비례하는 상수이다.

[0043] 수학식 (6)의 비율 항은 지수 함수들의 테일러 급수(Taylor series)를 사용하여 추가로 단순화될 수 있다.

(7)

여기서 마지막 단계는 공통 가정

및 테일러 급수 근사화를 사용한다.

[0044] 임상 트랜스듀서 어레이를 사용하는 포커싱된(focused) 송신의 경우에,

는 다음과 같이 모델링된다(modeled).

(8)

여기서

는 송신 펄스의 전달 함수이고,

는 송신에 대한 전기-기계적 전달 함수이며,

는 송신에 대한 회절 패턴이다. 수학식들 (7) 및 (8)을 사용하면:

(9)

[0045] 수신된 제2 고조파 신호의 전력 스펙트럼은 다음과 같이 주어진다.

(10)

여기서

는 수신에 대한 전기-기계적 전달 함수이고,

는 수신에 대한 회절 패턴이며,

는 제2 고조파 주파수에서 후방 산란 계수(np/cm-str)이고,

는 반환된 고조파 신호의 감쇠를 설명한다. 수학식들 (9) 및 (10)을 결합하면:

(11)

[0046] THI(Tissue Harmonic Imaging) 모드에서, 위상이 180°다른 2개의 펄스들로부터의 무선 주파수 신호들이 합산되어 고조파 신호들을 획득한다.

[0047] ROI의 각각의 무선 주파수 에코 라인은 몇몇의 중첩하는 시간 게이티드 윈도우들로 분할된다. 푸리에 변환은 모든 각각의 윈도우에 적용되며, 동일한 깊이에 대응하는 윈도우들의 전력 스펙트럼들이 평균화된다. 기준 팬텀의 대응하는 ROI에 대해 동일한 절차가 수행된다.

[0048] ROI에서 샘플 및 기준의 전력 스펙트럼들은 수학식 (11)으로 주어진다. 괄호들 안의 항은 샘플 및 기준 둘 모두에 대해 동일한 것으로 가정된다. 샘플 및 기준으로부터의 전력 스펙트럼의 비율을 컴퓨팅함으로써, 수학식 (3)과 유사한 수학식이 획득된다.

(12)

[0049] 기준 팬텀의 알려진 감쇠, 후방 산란 및 비선형성을 보상하면, 수학식 (12)는 다음과 같이 된다.

(13)

[0050] 자연 로그를 컴퓨팅하는 것은 다음을 산출한다.

(14)

[0051] 주파수(

)에서 감쇠 계수(

(dB/cm))는 수학식 (14)에 맞는 라인 대 깊이(z)의 기울기로부터 도출될 수 있다. 수학식 (14)에 맞는 라인 대 깊이(z)의 절편은 비선형성 항

에 의해 바이어싱된(biased)

을 산출한다.

[0052] 프로세스(200)로 돌아가서, S250에서 결정된 제1 BSC 및 S260에서 결정된 제2 BSC에 기반하여 ROI의 비선형성이 S270에서 결정된다. 위의 예에서 계속해서, 수학식 (14)의 비선형성 항

은 수학식 (5)에 기반하여 기본 주파수 대역 ― 여기서 기본 주파수가 이제

임 ― 을 사용하여

을 측정하고 그 결과를 수학식 (14)에 대입함으로써 추정될 수 있다.

[0053] ROI 이미지가 S280에서 생성되어 디스플레이된다. 이미지는, 당업계에 알려진 바와 같이, S230에서 획득된 스펙트럼들 중 하나 또는 둘 모두에 기반하여 생성될 수 있다. 이미지는 또한 비선형성, 및 수신된 신호들에 기반하여 결정된 임의의 다른 값들을 나타낼 수 있다.

[0054] 도 5는 일부 실시예들에 따라 S280에서 생성 및 디스플레이되는 이미지(500)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 결정된 값들인 전단파 속도(Vs), 탄성(E), AC, BSC, UDFF(ultrasonically-derived fat fraction) 및 비선형성(K)은 초음파 B-모드 이미지 데이터와 동시에 디스플레이된다. 이러한 정량적 측정들은, B-모드 이미지들의 정성적 해석을 제거하고 그리고 시스템 종속 요인들을 감소시킴으로써, 의료 초음파의 진단 능력을 향상시킬 수 있다.

[0055] 기본 대역과 고조파 대역에 기반한 AC의 추정치들은 등가이어야 한다. 따라서, 이미지(500)는 추정치 또는 둘의 평균 중 어느 하나를 디스플레이할 수 있다. 일부 실시예들에서, 가변성은 2개의 AC 추정치들의 가중된 평균을 결정하고 디스플레이(displaying)함으로써 감소될 수 있다.

[0056] BSC의 경우에, 고조파 대역에 기반하여 S260에서 결정된 BSC 값은 비선형성 항에 의해 바이어싱된다. 따라서, S280에서 디스플레이되는 BSC는 기본 대역에 기반하여 S250에서 결정된 BSC 값일 수 있다. 비선형성 항이 무시할 수 있는 것으로 가정되면, 2개의 BSC 값들의 평균이 디스플레이될 수 있다.

[0057] 도 6은 일부 실시예들에 따른 초음파 이미징 시스템(600)의 블록도이다. 시스템(600)은 본원에서 설명된 프로세스들 중 하나 이상을 구현할 수 있다. 시스템(600)은 위상-어레이 초음파 이미징 시스템이지만, 실시예들은 이에 제한되지 않는다. 통상적인 위상 어레이 시스템들은 64개 내지 256개의 수신 채널(channel)들 및 비슷한 수의 송신 채널들을 활용한다. 명확성을 위해, 도 6은 단일 송신-및-수신 채널을 예시한다.

[0058] 시스템(600)은 트랜스듀서 엘리먼트(605) 및 송신/수신 스위치(switch)(610)를 포함한다. 트랜스듀서 엘리먼트(605)는 압전기 또는 용량성 멤브레인(membrane) 엘리먼트들의 1-, 1.25-, 1.5-, 1.75- 또는 2-차원 어레이의 엘리먼트를 포함할 수 있다. 송신/수신 스위치(610)는, (예컨대, 엘리먼트(605)에 걸친 전압의 인가에 대한 응답으로) 엘리먼트(605)를 통한 초음파 에너지의 송신을 허용하도록, 또는 수신된 초음파 에너지(즉, 에코들)에 대한 응답으로 엘리먼트(605)에 의해 생성된 전압의 수신을 허용하도록 동작된다.

[0059] 송신 빔포머(beamformer)(615)는, 디지털-아날로그 컨버터(digital-to-analog converter)(620) 및 고-전압(high-voltage) 송신기(625)와 함께, 복수의 채널들에 대한 파형들을 생성하도록 동작 가능하며, 여기서, 각각의 파형은 상이한 진폭, 지연, 및/또는 위상을 나타낼 수 있다. 수신 빔포머(630)는 복수의 채널들로부터 신호들을 수신하며, 이 신호들 각각은 증폭(635), 필터링(filtering)(640), 아날로그-디지털 컨버전(analog-to-digital conversion)(645), 지연들 및/또는 위상 회전기들, 및 하나 이상의 합산기들에 영향을 받을 수 있다. 수신 빔포머(630)는, 각각의 송신 빔에 대한 응답으로, 하나 이상의 수신 빔들을 형성하기 위해, 상대적인 지연들, 위상들, 및/또는 아포다이제이션을 적용하도록 하드웨어 또는 소프트웨어에 의해 구성될 수 있다. 수신 빔포머(630)는, 당업계에 알려진 바와 같은 동적 수신 포커싱을 제공할 뿐만 아니라 고정 포커스 수신도 제공할 수 있다.

[0060] 수신 빔포머(630)에 의해 형성되는 수신 빔들은, 송신 빔들 및 수신 빔들이 통과한 물질을 표현한다. 수신 빔들은, 프로세싱을 위해 프로세서(650)에 출력된다. 예컨대, 프로세서(650)는 수신 빔들에 기반하여 이미지들을 생성할 수 있다.

[0061] 프로세서(650)는, 본원에서 설명된 프로세스들을 수행하기 위해 그리고/또는 이 프로세스들을 수행하도록 시스템(600)의 다른 구성요소들을 제어하기 위해, 메모리(660)에 저장된 프로세서-실행 가능한 프로그램 코드를 실행할 수 있다. 프로세서(650)는, 빔포밍된(beamformed) 초음파 샘플들에 기반하여 데이터(예컨대, 이미지 데이터)를 생성하기 위한 B-모드 검출기, 도플러(Doppler) 검출기, 펄스파(pulsed wave) 도플러 검출기, 상관 프로세서, 푸리에 변환 프로세서, 주문형 집적 회로, 일반 프로세서, 제어 프로세서, 이미지 프로세서, 필드 프로그래밍 가능한 게이트 어레이(field programmable gate array), 디지털 신호 프로세서, 아날로그 회로, 디지털 회로, 이들의 결합들, 또는 다른 현재-알려진 또는 추후-개발되는 디바이스(device)를 포함할 수 있다.

[0062] 메모리(660)는 비-일시적인 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체, 이를테면, 랜덤 액세스 메모리 및/또는 비-휘발성 메모리(예컨대, 플래시 메모리, 하드 디스크 메모리)를 포함할 수 있다. 메모리(660)는 프로그램 코드, 교정 데이터, B-모드 이미지들 및/또는 임의의 다른 적절한 데이터를 저장할 수 있다. 디스플레이(655)는, 이미지들 및/또는 측정된 값들을 디스플레이하기 위한 음극선관 디스플레이, 액정 디스플레이, 발광 다이오드(diode) 디스플레이, 플라즈마(plasma) 디스플레이, 또는 다른 타입의 디스플레이를 포함할 수 있다.

[0063] 당업자들은, 청구항들의 범위 및 사상을 벗어나지 않으면서, 위에서-설명된 실시예들의 다양한 적응들 및 수정들이 구성될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 그러므로, 본원에서 구체적으로 설명된 바 이외에도, 청구항들이 실시될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

Claims

초음파 시스템(ultrasound system)으로서:
기본 주파수 대역(fundamental frequency band)에 대한 기준 팬텀(reference phantom)의 에코 신호 전력 스펙트럼(echo signal power spectrum) 및 고조파 주파수 대역(harmonic frequency band)에 대한 상기 기준 팬텀의 에코 신호 전력 스펙트럼을 저장하는 메모리(memory); 및
프로세싱 유닛(processing unit)을 포함하고,
상기 프로세싱 유닛은:
상기 기본 주파수 대역에 대한 조직 영역의 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 조직 영역의 에코 신호 전력 스펙트럼을 획득하도록 상기 초음파 시스템을 제어하고;
상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 조직 영역의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼에 기반하여 제1 후방 산란 계수(backscatter coefficient)를 결정하고;
상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 조직 영역의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼에 기반하여 제2 후방 산란 계수를 결정하고; 그리고
상기 제1 후방 산란 계수 및 상기 제2 후방 산란 계수에 기반하여 상기 조직 영역의 비선형성(non-linearity)을 결정하는,
초음파 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 조직 영역의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼은 실질적으로 유사한 스캔 설정(scan setting)들을 사용하여 획득된,
초음파 시스템.
제2 항에 있어서,
상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 조직 영역의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼은 실질적으로 유사한 스캔 설정들을 사용하여 획득된,
초음파 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 메모리는 상기 기본 주파수 대역에 대한 제2 기준 팬텀의 에코 신호 전력 스펙트럼 및 고조파 주파수 대역에 대한 제2 기준 팬텀의 에코 신호 전력 스펙트럼을 저장하고, 그리고
상기 프로세싱 유닛은, 상기 조직 영역과 상기 기준 팬텀 사이의 상관 관계에 기반하여, 상기 제1 후방 산란 계수의 결정을 위한 상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼, 및 상기 제2 후방 산란 계수의 결정을 위한 상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼을 사용하기로 추가로 결정하는,
초음파 시스템.
제4 항에 있어서,
상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼은 제1 스캔 설정들을 사용하여 획득되었고,
상기 메모리는 상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 제2 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 제2 에코 신호 전력 스펙트럼을 저장하고, 상기 제2 에코 신호 전력 스펙트럼들은 제2 스캔 설정들을 사용하여 획득되고,
상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 조직 영역의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 조직 영역의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼은 제3 스캔 설정들을 사용하여 획득되고,
상기 프로세싱 유닛은, 상기 제1 스캔 설정들과 상기 제3 스캔 설정들 사이의 상관 관계에 기반하여, 상기 제1 후방 산란 계수의 결정 및 상기 제2 후방 산란 계수의 결정을 위한 상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼을 사용하기로 결정하는,
초음파 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 프로세싱 유닛은,
상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 조직 구역의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼, 상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼, 및 상기 기준 팬텀의 감쇠 계수에 기반하여, 상기 조직 구역의 감쇠 계수를 결정하도록 추가로 구성되는,
초음파 시스템.
제6 항에 있어서,
상기 조직 구역의 상기 감쇠 계수, 상기 제2 후방 산란 계수, 상기 조직 구역의 B-모드(mode) 이미지 및 상기 비선형성을 동시에 디스플레이(display)하기 위한 디스플레이를 더 포함하는,
초음파 시스템.
기본 주파수 대역에 대한 기준 팬텀의 에코 신호 전력 스펙트럼 및 고조파 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 에코 신호 전력 스펙트럼을 초음파 시스템에 저장하는 단계;
상기 기본 주파수 대역에 대한 조직 영역의 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 조직 영역의 에코 신호 전력 스펙트럼을 획득하도록 상기 초음파 시스템을 제어하는 단계;
상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 조직 영역의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼에 기반하여 제1 후방 산란 계수를 결정하는 단계;
상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 조직 영역의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼에 기반하여 제2 후방 산란 계수를 결정하는 단계; 및
상기 제1 후방 산란 계수 및 상기 제2 후방 산란 계수에 기반하여 상기 조직 영역의 비선형성을 결정하는 단계를 포함하는,
방법.
제8 항에 있어서,
상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 조직 영역의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼은 실질적으로 유사한 스캔 설정들을 사용하여 획득되는,
방법.
제9 항에 있어서,
상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 조직 영역의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼은 실질적으로 유사한 스캔 설정들을 사용하여 획득된,
방법.
제8 항에 있어서,
기본 주파수 대역에 대한 제2 기준 팬텀의 에코 신호 전력 스펙트럼 및 고조파 주파수 대역에 대한 제2 기준 팬텀의 에코 신호 전력 스펙트럼을 저장하는 단계, 및
상기 조직 영역과 상기 기준 팬텀 사이의 상관 관계에 기반하여, 상기 제1 후방 산란 계수의 결정을 위한 상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 제2 후방 산란 계수의 결정을 위한 상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼을 사용하기로 결정하는 단계를 더 포함하는,
방법.
제11 항에 있어서,
상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼은 제1 스캔 설정들을 사용하여 획득되었고,
상기 방법은:
상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 제2 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 제2 에코 신호 전력 스펙트럼을 상기 초음파 시스템에 저장하는 단계 ― 상기 제2 에코 신호 전력 스펙트럼들은 제2 스캔 설정들을 사용하여 획득됨 ― 를 더 포함하고,
상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 조직 영역의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 조직 영역의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼은 제3 스캔 설정들을 사용하여 획득되고,
상기 방법은:
상기 제1 스캔 설정들과 상기 제3 스캔 설정들 사이의 상관 관계에 기반하여, 상기 제1 후방 산란 계수의 결정을 위한 상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 제2 후방 산란 계수의 결정을 위한 상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼을 사용하기로 결정하는 단계를 더 포함하는,
방법.
제8 항에 있어서,
상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 조직 구역의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼, 상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼, 및 상기 기준 팬텀의 감쇠 계수에 기반하여, 상기 조직 구역의 감쇠 계수를 결정하는 단계를 더 포함하는,
방법.
제13 항에 있어서,
상기 조직 구역의 상기 감쇠 계수, 상기 제2 후방 산란 계수, 상기 조직 구역의 B-모드 이미지 및 상기 비선형성을 동시에 디스플레이하는 단계를 더 포함하는,
방법.
초음파 이미징(imaging) 시스템으로서,
기본 주파수 대역에 대한 기준 팬텀의 에코 신호 전력 스펙트럼 및 고조파 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 에코 신호 전력 스펙트럼을 저장하고;
상기 기본 주파수 대역에 대한 조직 영역의 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 조직 영역의 에코 신호 전력 스펙트럼을 획득하고;
상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 조직 영역의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼에 기반하여 제1 후방 산란 계수를 결정하고;
상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 조직 영역의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼에 기반하여 제2 후방 산란 계수를 결정하고; 그리고
상기 제1 후방 산란 계수 및 상기 제2 후방 산란 계수에 기반하여 상기 조직 영역의 비선형성을 결정하는,
초음파 이미징 시스템.
제15 항에 있어서,
상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 조직 영역의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼은 실질적으로 유사한 스캔 설정들을 사용하여 획득되는,
초음파 이미징 시스템.
제15 항에 있어서,
기본 주파수 대역에 대한 제2 기준 팬텀의 에코 신호 전력 스펙트럼 및 고조파 주파수 대역에 대한 제2 기준 팬텀의 에코 신호 전력 스펙트럼을 저장하고, 그리고
상기 조직 영역과 상기 기준 팬텀 사이의 상관 관계에 기반하여, 상기 제1 후방 산란 계수의 결정을 위한 상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 제2 후방 산란 계수의 결정을 위한 상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼을 사용하기로 추가로 결정하는,
초음파 이미징 시스템.
제17 항에 있어서,
상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼은 제1 스캔 설정들을 사용하여 획득되었고,
상기 시스템은:
상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 제2 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 제2 에코 신호 전력 스펙트럼을 저장하고 ― 상기 제2 에코 신호 전력 스펙트럼들은 제2 스캔 설정들을 사용하여 획득됨 ― ,
상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 조직 영역의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 조직 영역의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼은 제3 스캔 설정들을 사용하여 획득되고,
상기 시스템은:
상기 제1 스캔 설정들과 상기 제3 스캔 설정들 사이의 상관 관계에 기반하여, 상기 제1 후방 산란 계수의 결정을 위한 상기 기본 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼 및 상기 제2 후방 산란 계수의 결정을 위한 상기 고조파 주파수 대역에 대한 상기 기준 팬텀의 상기 에코 신호 전력 스펙트럼을 사용하기로 결정하는,
초음파 이미지 시스템.