KR20230097458A - 초음파 스캐너 및 상기 초음파 스캐너에서의 초음파 신호 보정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 스캐너에 관한 것이다. 상기 초음파 스캐너는 한 방향으로는 모터를 이용한 기계식 회전을 하고 다른 방향으로는 운용자의 수동 회전을 이용한 방광 스캐너로써, 방광 내 요 용적을 구할 때 단일 소자 초음파 트랜스듀서의 원치 않는 물리적 위치 이동이 야기할 수 있는 요(urine) 용적 추정 오차를 줄일 수 있도록 구성된다. 본 발명에 따른 초음파 스캐너의 제어부는 초음파 트랜스듀서로부터 초음파 에코 신호가 수신되면, 수동 조작에 의한 초음파 프로브의 기울기 각도를 고려하여 초음파 에코 신호들에 대한 좌표를 보정하고, 보정된 좌표의 초음파 에코 신호들을 이용하여 부채꼴 형상의 2차원 초음파 영상을 획득하는 것을 특징으로 한다.

Description

초음파 스캐너 및 상기 초음파 스캐너에서의 초음파 신호 보정 방법{Method of calibrating position data for ultrasound signal in a manual-panning-based ultrasound scanner}

본 발명은 초음파 스캐너에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 3차원 주사 방식의 초음파 스캐너를 활용하여 방광을 채우고 있는 요(urine)의 용적을 측정하기 위하여 사용되는 휴대형의 방광 스캐너에 있어서, 운용자에 의한 수동 회전에 따른 초음파 주사에서 발생되는 초음파 트랜스듀서의 물리적 위치 오차를 추출하고, 이를 이용하여 초음파 에코 신호의 좌표를 보정함으로써, 방광 내 요 용적을 정확하게 측정할 수 있도록 하는 초음파 스캐너에 관한 것이다.

정상인의 경우 방광에 일정량 이상의 요가 채워질 경우 요의를 느껴 자발적으로 배뇨를 할 수 있으나 여러 병증에 기인하는 배뇨 장애가 있는 환자의 경우 요의를 느끼지 못하거나 요의를 느끼더라도 자발적으로 배뇨를 할 수 없어 너무 많은 양의 요(urine)가 방광을 채우는 일이 발생할 수 있고, 이런 일이 발생하면 방광 관련된 합병증들이 유발될 위험이 있다. 이런 환자를 돌보기 위해서는 주기적으로 혹은 필요 상황이 발생할 때마다 방광 내에 축적된 요 용적을 측정해야 한다. 이와 같이, 환자에 대한 요 용적 측정을 위하여, 휴대가 간편한 휴대형(hand-held) 3차원 초음파 스캐너가 사용된다.

본 명세서에서는, 방광 내에 축적된 요의 용적을 측정하기 위한 특수 용도의 휴대형 3차원 초음파 스캐너를 '방광 스캐너(bladder scanner)'라 부르기로 한다. 방광 스캐너는, 일반 의료용 초음파 스캐너와 달리, 방광 내 요 용적을 측정하는 것을 주 목적으로 하므로, 3차원 초음파 영상으로부터 방광 부분을 자동으로 분할(segmentation)하여 요 용적을 계산하고 그 계산 값을 수치로 보여주는 것을 주요 기능으로 하며, 획득한 초음파 단면 영상을 디스플레이 장치상에 도시하는 것은 부차적인 기능이 된다. 특히, 전술한 방광 스캐너는 의료인이 휴대할 수 있도록 하기 위하여 크기와 무게를 최소화시킨 것을 특징으로 하며, 이로 인해 방광 스캐너는 요의 용적을 측정하는 데에 특화되어 있으며 여타의 부차적인 기능은 제거된다.

방광 스캐너의 제작 비용을 줄이기 위해 모터로 구동하여 단일 소자의 초음파 트랜스듀서를 부채꼴(sector) 형태로 주사하는 방식을 많이 사용한다. 방광에 대해 3차원 주사를 하기 위해서는 부채꼴 주사를 여러 방향으로 순차적으로 행하여 복수 개의 방광의 단면 영상들을 획득하는 것이 필요하다. 이를 위해서는 트랜스듀서의 스캔 방향을 두 방향으로 조정하기 위하여, 서로 다른 방향으로 구동되는 2개의 모터를 구비하는 경우, 모터 구동부의 크기와 무게가 증가하게 된다.

따라서, 방광 스캐너를 최대한 작고 가볍게 만들기 위해, 단일 모터를 탑재하여 한쪽 방향으로의 회전은 모터를 이용하고 다른 쪽 방향으로의 회전은 운용자(operator)의 손 움직임을 이용할 수 있다. 본 발명은 운용자에 의한 수동 회전에 따른 초음파 주사 방식의 방광 스캐너에서 발생할 수 있는 요 용적의 추정 오차를 줄이는 방법에 관한 것이다.

방광 스캐너는 방광 내의 용적을 간편하게 측정하는 특수 용도만으로 사용되기 때문에 일반적인 초음파 스캐너와 비교하여 그 크기가 작고 또한 값이 싼 특징이 있다. 방광 스캐너의 제작 비용을 줄이기 위해 일반적으로 단일 소자의 초음파 트랜스듀서(transducer)를 사용한다. 일반적인 초음파 스캐너에서는 여러 개의 트랜스듀서를 선(line) 모양으로, 혹은 면 모양으로 배열한 위상배열형 트랜스듀서(phased array transducer)가 탑재되는데, 이들은 값이 비싸고 구동 방식이 복잡하여 방광 스캐너로 채용하기가 어려운 문제가 있다. 따라서 방광 스캐너에서는 단일 소자의 트랜스듀서를 이용하는 것이 일반적이다. 단일 소자 트랜스듀서를 이용하여 체적 영상을 얻기 위해서는 3차원 주사가 필요하며, 일반적으로 2차원 단면에 대한 영상을 획득하는 부채꼴(sector) 주사를 여러 각도에서 회전시켜 3차원 영상을 획득하는 방식이 사용된다.

도 1은 일반적인 방광 스캐너를 도시한 구조도이다. 도 1을 참조하면, 일반적인 방광 스캐너(10)는 전체 동작을 제어하는 제어부, 초음파 트랜스듀서(110), 제1 모터(120), 제2 모터(130), 모터 구동부 등을 구비한다. 전술한 방광 스캐너는 상단부에 초음파 트랜스듀서(110)가 있으며, 트랜스듀서의 두께는 초음파의 주파수에 의해서 결정되는데 방광 스캔에 사용되는 주파수는 일반적으로 2-3MHz 정도이다. 트랜스듀서의 모양은 일반적으로 원형이며 그 직경은 초음파로 측정해야 할 방광의 최대 깊이를 고려하여 결정하는데 일반적으로 10-15mm 정도이다. 초음파 트랜스듀서(110)는 모터 구동부(140)에 기계적으로 연결되어 있다. 모터 구동부는 제1 모터 및 제2 모터를 구동하여 초음파 트랜스듀서를 회전시켜 초음파 스캔을 하는 역할을 담당하는데, 일반적으로 2차원 단면 영상을 획득하기 위한 부채꼴 주사가 많이 채용된다. 초음파 트랜스듀서(110)와 모터 구동부, 그리고 초음파 구동회로부 등은 방광 스캐너의 커버링(covering; 140) 내에 배치되고 고정된다.

도 2는 일반적인 방광 스캐너에 있어서, 모터를 이용하여 단일 소자인 초음파 트랜스듀서를 회전시켜 초음파 신호를 획득하기 위한 부채꼴 주사 과정을 설명하기 위하여 도시한 모식도이다. 도 2에 보인 것과 같이 초음파 트랜스듀서를 φ 각도만큼 회전하면 트랜스듀서에서 나오는 초음파 빔은 중심축 y에 대해 φ 각도만큼 회전하게 된다. 이 때, 초음파 트랜스듀서의 회전축은 초음파 트랜스듀서의 하단면에 중심점(O)를 두는 것이 바람직하다.

도 3은 일반적인 방광 스캐너에 있어서, 종래의 방법에 따라 초음파 트랜스듀서의 회전축을 회전시키는 방향을 도시한 그림이다. 모터 구동부(130)가 일정한 각속도로 트랜스듀서를 회전하면 도 3a에 보인 것과 같은 부채꼴 주사를 만들어낼 수 있다. 도 3a에서 주사선의 수는 M+1 개이며 인접하는 주사선 사이의 각도 Δφ는 일정한 값을 갖도록 하는 것이 바람직하다. 부채꼴 주사각은 방광 전체를 스캔할 수 있도록 설정해야 하며 보통 120^o 정도이다. 한 개의 부채꼴 주사는 하나의 단면 영상을 만들어내므로 3차원 영상을 얻기 위해서는 부채꼴의 방향을 바꾸어가며 순차적으로 주사를 해야 한다. 일반적으로 쓰이는 방법은 도 2에 보인 것과 같이 부채꼴 주사를 하면서 트랜스듀서를 중심축 y-축에 대해 등속도로 회전하는 것이다. 도 2에서는 이 회전각을 θ라 표시하였다. 한 개의 부채꼴 주사를 한 뒤 Δθ 만큼 회전하여 또 한 개의 부채꼴 주사를 반복하면 도 3b에 보인 것과 같은 주사의 궤적을 만들어 낼 수 있다. θ방향으로의 회전을 180^o 만큼 하면 3차원 체적 영상을 얻을 수 있다.

도 4는 서로 다른 방향으로 구동되는 2개의 모터를 구비하는 방광 스캐너에 있어서, 3차원 영상을 획득하기 위하여 모터 구동에 의하여 방광 스캐너가 회전되는 방향을 도시한 모식도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 방광 스캐너를 환자의 하복부, 즉 방광이 있는 복부면에 위치시키고 위에서 설명한 3차원 주사를 행하면 방광 주위에 대한 3차원 영상을 획득할 수 있다. 방광 스캐너의 3차원 주사는 일반적인 초음파 스캐너에 비해 매우 저속이며 보통의 주사 속도는 수 초(sec)정도이다. 트랜스듀서는 부채꼴 면 Si (i=0, 1, 2, ... , N) 내에서 일정한 각속도로 왕복 운동을 하면서 초음파 펄스를 송신하고 인체 내에서 반사되어 나오는 초음파 에코 신호를 수신한다. 부채꼴 면의 수가 크면 보다 정밀한 3차원 주사를 할 수 있으나 방광 스캐너의 측정 시간이 길어지는 문제가 수반되므로 통상 부채꼴 면 수는 10 내지 20 정도이다. 이와 같이, 단일의 초음파 트랜스듀서를 사용하여 3차원 주사를 하기 위해서는 초음파 트랜스듀서를 두 방향으로 회전하는 것이 필요하며, 따라서 두 방향의 자유도를 가진 스캔 구조가 필요하다. 두 방향의 자유도를 가진 스캔 구조를 실현하기 위해 통상 두 개의 모터가 사용되는데, 이로 인하여 방광 스캐너가 커지고 무거워지는 문제가 생긴다.

서로 다른 방향에 대하여 부채꼴 주사를 하여 서로 다른 위치에 대한 복수 개의 단면 영상들을 얻게 되면, 이들 복수 개의 단면 영상들로부터 요 용적을 추정할 수 있다. 복수 개의 단면 영상들로부터 요 용적을 추정하는 알고리즘은 공지 기술로서 다양한 방법들이 사용되고 있으며, 특히 한국등록특허공보 제 10-0763453호, 한등록특허공보 제 10-1874613호 등에 구체적으로 설명되어 있다.

트랜스듀서에서 발사된 초음파 펄스는 인체 내부를 직진하면서 부분적으로 반사 혹은 산란되면서 그 크기가 점점 줄어들게 된다. 인체 내 어느 특정 부위에서 반사 혹은 산란되는 정도는 그 부위의 음향 임피던스(acoustic impedance)가 주변의 음향 임피던스와 얼마나 큰 차이를 가지고 있느냐에 따라 달라진다. 일반적인 생체 조직, 즉 근육이나 내장 조직은 세포가 모인 조직으로 이루어져 있기 때문에 같은 근육 조직 내에서도 반사와 산란이 일어난다. 그러나 방광에 있는 요(urine)는 균일한 액체 성분이기 때문에 생체 조직에 비해 음향 임피던스의 균일도가 높아 요 내에서는 초음파의 반사와 산란이 거의 일어나지 않는다. 따라서 초음파 영상에서 방광 내 요는 낮은 휘도를 갖게 된다. 방광 내 요와 주변의 생체 조직 사이의 큰 대조도를 이용하여 단면 영상에서 방광 내 요 부위를 분할한 뒤 이를 3차원적으로 정렬하면 방광의 3차원 영상을 얻을 수 있다. 이 3차원 방광 영상으로부터 요 용적을 추정할 수 있는 것이다. 도 3에 보인 방식으로 초음파 주사를 하게 되면 모든 단면의 모든 주사선이 하나의 점 O에서 시작하게 되며, 따라서 모든 각도에 얻은 단면 영상들은 같은 배율을 가지게 된다. 즉 각각의 단면 영상에 대해 점 O를 시발점으로 하는 콘(cone) 모양의 좌표계를 적용할 수 있어 요 용적의 계산이 단순해진다.

방광 스캐너를 소형화 그리고 경량화하기 위하여 단일 모터만을 구비함으로써, 모터에 의한 회전은 한쪽 방향으로만 시행하고 나머지 한 방향은 운용자(operator)가 수동으로 회전시킬 수 있도록 구성한다. 도 5는 기존의 단일 모터를 갖는 방광 스캐너에 있어서, 3차원 영상을 획득하기 위한 회전 및 주사 상황을 도시한 모식도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 단일 모터를 갖는 방광 스캐너는, 모터를 이용하여 트랜스듀서를 제1 방향으로 자동으로 회전시켜 부채꼴 주사를 하는 동안, 운용자가 제1 방향과 직각인 제 2방향을 따라 방광 스캐너를 수동으로 기울이면서 주사를 할 수 있다. 모터는 전기적인 제어에 의해 등속의 각운동을 만들어 낼 수 있으나, 운용자가 방광 스캐너를 수동으로 회전시키면서 주사를 하는 경우 등속의 각운동을 만들어 내는 것은 어려운 일이다. 따라서, 방광 스캐너에 각 센서를 부착하여 스캐너의 각도를 측정하는 것이 필요하다.

인체 복부 표면에 방광 스캐너를 놓고 운용자의 수동 회전에 의한 초음파 주사를 행하면 주사선이 더 이상 하나의 점으로 수렴되지 않는 문제가 발생한다. 도 4에서와 같이 초음파 스캐너를 모터로 구동하면 방광 스캐너의 외관은 환자의 복부 표면에 고정된 상태에서 주사를 할 수 있다. 그러나, 도 5에서와 같이, 운용자가 수동으로 직접 방광 스캐너를 기울이는 경우, 방광 스캐너의 외관 표면이 환자 복부 표면을 따라 움직이게 된다. 특히, 방광 스캐너의 외관인 프로브 커버링의 표면과 초음파 트랜스듀서가 물리적으로 이격되어 있으므로, 프로브 커버링의 하단이 움직임에 따라 초음파 트랜스듀서의 위치 이동이 발생하게 된다. 그 결과, 운용자에 의한 수동 회전에 따른 초음파 주사를 하는 동안 초음파 트랜스듀서의 위치가 고정되지 않고 공간적으로 이동하는 문제가 생기는 것이다. 따라서, 운용자에 의한 수동 회전에 따른 초음파 주사를 행해 복수 개의 단면 영상을 얻은 뒤 트랜스듀서의 위치 이동을 고려하지 않고 요 용적을 계산하면 오차가 발생하게 된다.

한국등록특허공보 제 10-0763453호

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 한 방향으로는 모터를 이용한 기계식 회전을 하고 다른 방향으로는 운용자에 의한 수동 회전을 이용한 방광 스캐너로 방광 내 요 용적을 구할 때 발생하는 단일 소자 초음파 트랜스듀서의 원치 않는 물리적 위치 이동을 고려하여, 초음파 에코 신호의 좌표를 보정하고, 이러한 좌표 보정을 통해 요 용적 추정 오차를 줄일 수 있도록 구성된 초음파 스캐너를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 초음파 스캐너는, 측정 대상물로 초음파 신호를 송신하고, 측정 대상물로부터 반향된 초음파 에코 신호를 수신하여 제공하는 초음파 트랜스듀서; 상기 초음파 트랜스듀서의 중심축에 연결된 단일의 모터; 상기 초음파 트랜스듀서 및 모터가 내부에 탑재된 초음파 프로브; 상기 초음파 프로브의 중심축에 장착되어 제2 방향에 대한 초음파 프로브의 기울기 각도를 감지하여 제공하는 기울기 센서; 및 상기 모터를 이용하여 상기 초음파 트랜스듀서를 제2 방향에 수직인 제1 방향을 따라 회전 이동시켜 부채꼴 형상의 2차원 초음파 영상을 획득하고, 운용자의 수동 조작에 의한 기울기 각도의 변화에 대응하여 복수 개의 기울기 각도에서 2차원 초음파 영상들을 획득하고, 복수 개의 2차원 초음파 영상들을 이용하여 사전 설정된 3차원 정보를 추출하는 제어부;를 구비하고,

상기 제어부는 초음파 트랜스듀서로부터 초음파 에코 신호가 수신되면, 수동 조작에 의한 초음파 프로브의 기울기 각도를 고려하여 초음파 에코 신호들에 대한 좌표를 보정하고, 보정된 좌표의 초음파 에코 신호들을 이용하여 부채꼴 형상의 2차원 초음파 영상을 획득하는 것을 특징으로 한다.

전술한 특징에 따른 초음파 스캐너에 있어서, 상기 제어부는, 초음파 트랜스듀서로부터 초음파 에코 신호가 수신되면, 수동 조작에 의한 초음파 프로브의 기울기 각도를 고려하여 초음파 에코 신호들에 대한 좌표를 보정하는 좌표 보정 모듈; 모터를 구동하여, 상기 초음파 트랜스듀서를 제2 방향에 수직인 제1 방향을 따라 회전 이동시키고, 회전 이동에 따라 초음파 에코 신호들을 획득하고, 상기 초음파 에코 신호는 상기 좌표 보정 모듈을 이용하여 좌표를 보정하고, 좌표가 보정된 초음파 에코 신호들을 이용하여 부채꼴 형상의 2차원 초음파 영상을 획득하는 2차원 초음파 영상 획득 모듈; 및 수동 조작에 의한 기울기 각도의 변화에 대응하여, 상기 2차원 초음파 영상 획득 모듈을 반복 구동하여, 복수 개의 기울기 각도에서의 2차원 초음파 영상들을 획득하고, 복수 개의 2차원 초음파 영상들을 이용하여 사전 설정된 3차원 정보를 추출하는 3차원 정보 추출 모듈;을 구비하는 것이 바람직하다.

전술한 특징에 따른 초음파 스캐너에 있어서, 상기 좌표 보정 모듈은, 초음파 트랜스듀서로부터 초음파 에코 신호가 수신되면, 초음파 트랜스듀서의 기준 위치로 사전 설정된 원점을 기준으로 하여 초음파 에코 신호에 대한 초기 좌표(x,y)를 구하고, 상기 기울기 센서로부터 제공되는 초음파 프로브의 기울기 각도(θ)를 이용하여, 초음파 트랜스듀서가 원점으로부터 이탈된 정도를 나타내는 오차값(Δx,Δy)을 계산하고, 상기 오차값을 이용하여 초음파 에코 신호에 대한 초기 좌표를 보정하고, 초음파 에코 신호에 대한 보정된 좌표(x',y')를 제공하는 것이 바람직하다.

기존의 초음파 스캐너가 일 방향으로는 모터를 이용한 기계적 회전을 하고 다른 일 방향으로는 운용자에 의한 수동 회전을 하도록 구성됨으로써, 초음파 트랜스듀서가 초기 기준점을 이탈하게 되고, 그 결과 초음파 에코 신호의 좌표를 정확하게 계산하지 못하게 된다.

따라서, 본 발명에 따른 초음파 스캐너는 초음파 트랜스듀서의 위치 이탈에 따른 오차값을 계산하고, 이를 이용하여 초음파 에코 신호의 좌표를 보정하게 된다. 그 결과, 초음파 에코 신호에 대한 정확한 위치를 획득할 수 되어, 초음파 영상의 왜곡을 최소화시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 초음파 스캐너는 초음파 영상의 왜곡을 최소화시킴으로써, 본 발명에 따른 초음파 스캐너를 이용하여 방광 내 요 용적 계산하는 경우 종래의 방법에 비교하여 요 용적의 추정 오차를 크게 줄일 수 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 2개의 모터를 이용하여 3차원 영상을 얻도록 구성된 방광 스캐너를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 방광 스캐너에 있어서, 부채꼴 주사를 하기 위한 초음파 트랜스듀서의 회전을 설명하기 위하여 도시한 그림이다.
도 3은 도 1의 방광 스캐너에 있어서, 부채꼴 주사를 이용한 3차원 초음파 스캔 궤적을 도시한 그림이다.
도 4는 도 1의 방광 스캐너에 있어서, 3차원 영상을 얻기 위하여 모터가 방광 스캐너를 회전시키는 방향을 도시한 모식도이다.
도 5는 종래의 기술에 따른 1개의 모터를 이용하여 3차원 영상을 얻는 방광 스캐너에 있어서, 운용자가 방광 스캐너를 수동으로 좌우 회전시키는 방향을 도시한 모식도이다.
도 6은 도 5에 따른 방광 스캐너에 있어서, 이상적인 3차원 초음파 스캔 궤적을 도시한 그림이다.
도 7은 도 5에 따른 방광 스캐너에 있어서, 운용자가 손으로 방광 스캐너를 기울일 때 초음파 트랜스듀서가 움직이는 궤적을 도시한 것이다.
도 8은 도 5에 따른 방광 스캐너에 있어서, 운용자가 손으로 움직이는 방광 스캐너의 실제 스캔 궤적을 도시한 것이다.
도 9는 초음파 에코 신호를 예시적으로 도시한 것이다.
도 10은 방광 스캐너에 있어서, 모터를 이용하여 초음파 트랜스듀서를 회전시키는 기계식 주사 방식에서의 좌표를 설명하기 위하여 도시한 그래프이다.
도 11은 도 5에 따른 방광 스캐너에 있어서, 운용자가 수동으로 방광 스캐너를 회전시키는 주사 방식에서의 좌표를 설명하기 위하여 도시한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 스캐너의 구조를 개략적으로 도시한 블록도이다.

이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 스캐너 및 상기 초음파 스캐너에서의 위치 보정 방법에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초음파 스캐너를 도시한 블록도이다. 도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 초음파 스캐너(90)는, 단일 소자로 구성된 초음파 트랜스듀서(91)와 모터(92), 기울기 센서(94)가 탑재된 초음파 프로브(93) 및 제어부(95)를 구비하며, 상기 제어부는 마이크로프로세서 등으로 구성되어 초음파 프로브의 내부에 탑재되거나 별도의 장치에 탑재되어 초음파 프로브와 물리적으로 연결될 수 있다.

단일 소자로 구성된 상기 초음파 트랜스듀서(91)는 초음파 신호를 송신하고, 대상으로부터 반향된 초음파 에코 신호를 수신하여 제공한다. 상기 모터(92)는 상기 초음파 트랜스듀서의 중심축에 연결되어, 상기 제어부의 제어에 따라 상기 초음파 트랜스듀서를 제1 방향을 따라 회전 구동한다. 상기 초음파 프로브(93)는 상기 초음파 트랜스듀서 및 모터, 기울기 센서가 내부에 탑재된다. 상기 기울기 센서(94)는 상기 초음파 프로브의 중심축에 장착되어 제2 방향에 대한 초음파 프로브의 기울기 각도를 감지하여 제공한다. 상기 제2 방향은 제1 방향에 대하여 수직 방향이다.

상기 제어부(95)는, 좌표 보정 모듈(950), 2차원 초음파 영상 획득 모듈(952), 3차원 정보 추출 모듈(954)을 구비하여, 상기 모터를 이용하여 상기 초음파 트랜스듀서를 제2 방향에 수직인 제1 방향을 따라 회전 이동시켜 부채꼴 형상의 2차원 초음파 영상을 획득하고, 수동 조작에 의한 기울기 각도의 변화에 대응하여 복수 개의 기울기 각도에서 2차원 초음파 영상들을 획득하고, 복수 개의 2차원 초음파 영상들을 이용하여 사전 설정된 3차원 정보를 추출한다. 운용자가 수동으로 초음파 프로브를 제2 방향을 따라 회전 이동시키면, 상기 제어부는 모터를 구동하여 초음파 프로브 내의 초음파 트랜스듀서를 제2 방향에 수직인 제1 방향을 따라 회전 이동시키면서 스캐닝하게 되어, 복수 개의 2차원 초음파 영상들을 획득하게 된다. 특히, 상기 제어부(95)는 초음파 트랜스듀서로부터 초음파 에코 신호가 수신되면, 수동 조작에 의한 초음파 프로브의 기울기 각도를 고려하여 초음파 에코 신호들에 대한 좌표를 보정하고, 보정된 좌표의 초음파 에코 신호들을 이용하여 부채꼴 형상의 2차원 초음파 영상을 획득하는 것을 특징으로 한다.

상기 좌표 보정 모듈(950)은, 측정지점과 맞닿는 초음파 프로브의 커버링 하단부와 측정 센서인 초음파 트랜스듀서가 물리적으로 서로 이격되어 있기 때문에 발생되는 물리적 오차를 보정하기 위한 모듈이다. 상기 좌표 보정 모듈(950)은, 초음파 트랜스듀서로부터 초음파 에코 신호가 수신되면, 초음파 트랜스듀서의 기준 위치로 사전 설정된 원점을 기준으로 하여 초음파 에코 신호에 대한 초기 좌표(x,y)를 구하고, 상기 기울기 센서로부터 제공되는 초음파 프로브의 기울기 각도(θ)를 이용하여, 초음파 트랜스듀서가 원점으로부터 이탈된 정도를 나타내는 오차값(Δx,Δy)을 계산하고, 상기 오차값을 이용하여 초음파 에코 신호에 대한 초기 좌표를 보정하고, 초음파 에코 신호에 대한 보정된 좌표(x',y')를 제공하는 것이 바람직하다. 상기 좌표 보정 모듈의 보정된 좌표(x',y')는 아래의 수학식들에 의해 구해진다.

여기서, (x,y)는 원점을 기준으로 한 초음파 에코 신호에 대한 초기 좌표이며, (x',y')은 초음파 프로브의 기울기를 고려한 초음파 에코 신호에 대한 보정 좌표이며, Δd는 초음파 프로브의 축방향으로의 이동량이며, R은 초음파 프로브 하단부 커버링의 반경을 나타낸다.

상기 2차원 초음파 영상 획득 모듈(952)은 모터를 구동하여, 상기 초음파 트랜스듀서를 제2 방향에 수직인 제1 방향을 따라 회전 이동시키고, 회전 이동에 따라 초음파 에코 신호들을 획득하고, 상기 초음파 에코 신호는 상기 좌표 보정 모듈을 이용하여 좌표를 보정하고, 좌표가 보정된 초음파 에코 신호들을 이용하여 부채꼴 형상의 2차원 초음파 영상을 획득한다.

상기 3차원 정보 추출 모듈(954)및 수동 조작에 의한 기울기 각도의 변화에 대응하여, 상기 2차원 초음파 영상 획득 모듈을 반복 구동하여, 복수 개의 기울기 각도에서의 2차원 초음파 영상들을 획득하고, 복수 개의 2차원 초음파 영상들을 이용하여 사전 설정된 3차원 정보를 추출하게 된다. 상기 3차원 정보는, 방광의 체적으로 구해지는 요 용적인 것을 특징으로 한다.

이하, 전술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 초음파 스캐너인 방광 스캐너의 동작에 대하여 보다 구체적으로 설명한다. 본 발명에 따른 방광 스캐너는 단일의 모터를 구비하여 일 방향으로는 모터 구동에 의한 기계적 회전을 하면서 초음파 스캔을 하며, 다른 방향으로는 운용자에 의한 수동 조작에 따른 좌우 회전을 하면서 초음파 스캔을 한다.

도 5는 본 발명에 따른 단일 모터를 갖는 방광 스캐너를 운용자가 좌우방향으로 수동 회전시키면서 스캐닝하는 것을 도시한 모식도이다. 도 5를 참조하면, 운용자는 방광 스캐너를 손으로 잡고 방광 스캐너를 좌우로 기울이면서 초음파 스캔을 한다. 방광 스캐너에 내장된 모터 구동부는 종래의 기술처럼 부채꼴 주사를 하는데 이 경우 부채꼴 주사는 상하 방향으로 행해진다.

도 6은 본 발명에 따른 단일 모터를 갖는 방광 스캐너에서의 이상적인 3차원 초음파 스캔 궤적을 도시한 것이다. 운용자에 의한 수동 회전에 따른 기울임 각도를 θ라 하면, 도 6a와 같은 주사면이 얻어지게 된다. 도 6a에서 각각의 부채꼴 면은 모터 구동에 의한 초음파 트랜스듀서의 회전에 따른 초음파 주사에 의해 획득된 것이며, 부채꼴 면의 집합은 운용자에 의한 수동 회전에 따른 주사에 의해서 획득된 것이다. 도 6b의 부채꼴 면을 선으로 표시하면 도 6a와 같은 주사면의 집합을 얻을 수 있다. 도 6b에서 하나의 선은 도 6a에서 하나의 주사면에 대응한다. 인접하는 주사면 사이의 각도 Δθ는 일정한 것이 바람직하나 일정한 속도로 수동 회전을 시키는 것은 어려운 일이므로 Δθ는 각 주사면마다 달라질 수 있다. 그러나, Δθ값을 안다면 초음파 영상의 체적 영상을 구하는데 활용할 수 있으며, 따라서, 체적 영상을 구할 수 있다. 방광 스캐너의 상단부에 각도 센서를 부착함으로써, 각각의 부채꼴 주사면을 획득할 때의 주사각(θ)을 구할 수 있으며, 따라서 주사면 사이의 Δθ 값도 구할 수 있다.

도 6a 및 6b에서 각각의 주사면을 S_i로 표시하였으며 주사면 수는 N+1 개이다. 주사면 수가 많아질수록 3차원 체적영상의 해상도는 좋아지지만 3차원 체적 영상을 구하는 시간이 길어지므로 주사면의 수는 보통 10 내지 20으로 하는 것이 좋다. 도 6b에서 모든 주사선은 점 O에서 나오는 것으로 상정하였으나 실제 상황에서는 그렇지 않다. 방광 스캐너의 프로브 내 모터에 의해 부채꼴 주사를 하는 동안 운용자가 손을 이용하여 프로브를 부채꼴 주사와 직각인 방향으로 기울이면 그 방향으로 또 하나의 부채꼴 주사를 만들어 내는데 이 상황을 도 7에 보였다.

도 7은 본 발명에 따른 방광 스캐너를 손으로 기울일 때 초음파 트랜스듀서가 움직이는 궤적을 도시한 것이다. 모터를 이용한 부채꼴 주사를 z-축 방향으로 하고 손을 이용한 부채꼴 주사를 x-축 방향으로 한다고 상정을 해보자. x-축 방향으로 초음파 프로브를 기울이면 모터에 의한 부채꼴 주사와는 달리 초음파 트랜스듀서의 위치가 점(O)에 고정되지 않고 기울임 각도(θ)에 따라 바뀌게 된다. 이는 방광 스캐너를 기울임에 따라 반구 모양의 방광 스캐너 외관의 하단부가 환자의 복부 표면에 접촉을 유지한 상태에서 x-축 방향으로 움직이기 때문이다. 즉, 외관 하단부(즉, 초음파 프로브의 커버링 하단부)와 환자 복부 표면 사이의 접점이 고정되지 않고 x-축 방향으로 이동한다는 것이다. 초음파 프로브와 환자 복부면 사이에는 공기층이 형성되지 않도록 접촉을 잘 유지해야 한다. 그렇지 않으면 공기층에서 초음파가 과도하게 반사되어 양질의 초음파 영상을 얻을 수 없기 때문이다.

방광 스캐너를 손으로 기울이면 트랜스듀서의 위치는 도 7에 보인 것과 같이 x-축(좌우) 방향으로 이동할 뿐만 아니라 y-축(높이) 방향으로도 바뀌게 된다. 이는 모터에 의한 부채꼴 주사를 위해 초음파 트랜스듀서와 프로브 커버링 사이에 어느 정도의 거리가 이격되어 있어야 하기 때문이다. 이러한 이격 거리는 보통 수mm 정도이다. 따라서, 운용자가 수동으로 프로브를 기울이는 각도에 따라 트랜스듀서의 위치 (x, y)가 한 점에 고정되지 않고 바뀌게 되는 것이다. 이런 상황에서 초음파 에코 신호를 수집한 뒤 도 6에 보인 것과 같은 이상적인 부채꼴 스캔을 가정하여 영상을 구하게 되면 그 영상의 형상 왜곡이 발생하게 된다. 영상의 왜곡 정도가 심하지 않으면 초음파 영상을 육안으로 볼 때 그 왜곡을 인지하기가 어려울 수 있다. 그러나 수집한 초음파 영상에서 요 용적을 추정하는 경우에는 추정 오차가 매우 커질 수 있다. 예를 들어 영상의 한 방향으로의 왜곡이 2% 수준이라면 용적 계산에서는 그 오차가 이의 세 제곱, 즉 8%까지 커질 수 있는 것이다. 따라서, 요 용적을 계산하는 경우 초음파 스캔의 실제 궤적을 고려해야만 한다.

도 7에서 초음파 프로브를 θ만큼 기울일 경우 초음파 프로브의 x 축 방향으로의 이동량 Δx와 방광 스캐너의 축 방향, 즉 z' 방향으로의 이동량 Δd는 아래의 식으로 표현된다.

위식에서 R은 초음파 프로브 하단부 커버링의 반경을 나타내며 θ는 손에 의한 초음파 프로브의 기울임 각도이다.

도 8은 본 발명에 따른 방광 스캐너에 있어서, 방광 스캐너를 손으로 움직이는 경우 실제 스캔 궤적을 도시한 것이다. Δx와 Δd를 고려한 주사면은 도 8과 같이 된다. 이제 초음파 주사면은 하나의 점 O에 수렴되지 않고 기울임 각도 θ에 따라 수학식 6 및 수학식 7에 의해 바뀐다는 것이다. 각각의 부채꼴 주사면의 수렴점이 다르므로 3차원 체적영상을 구할 때 이를 고려해야만 초음파 영상의 왜곡을 없앨 수 있을 뿐만 아니라, 방광 체적도 오차 없이 구할 수 있게 된다.

도 9는 본 발명에 따른 방광 스캐너에 있어서, 인체에서 반사되어 나오는 초음파 에코 신호를 초음파 트랜스듀서가 수신한 파형을 도시한 것이다. θ의 스캔 각도에서 수신한 초음파 에코 신호를 S_θ(t)라 표시한다. 초음파 에코 신호가 생성되는 깊이 r은 수학식 8을 만족한다.

여기서, c는 인체 내에서 음속이며 인체 연조직 내에서 약 1500m/s 정도이다. 시간 t와 깊이 r은 선형 관계에 있으므로 초음파 에코 신호는 시간의 함수이면서 동시에 깊이 함수로서, 수학식 9로 표현된다.

도 3에 보인 것과 같이 기계식 주사를 하는 경우 모든 주사선을 점 O로 수렴된다.

도 10은 기계식 주사 방식에서의 좌표로서, 각도 θ에서 수집한 주사선을 도시한 것이다. 주사선은 xy-평면에 대해 극좌표에 대응하므로, 깊이 r의 위치에서 초음파 에코 신호는 직각좌표계 상의 초음파 영상 I(x,y)에 수학식 10으로 대응된다.

수학식 10을 활용하여 모든 각도의 에코신호를 변환하면 직각 좌표계에서의 초음파 영상을 얻게 되는 것이다.

운용자에 의한 수동 회전에 따른 초음파 주사의 경우, 전술한 대로 주사선들이 한 점에 모이지 않고 Δd, Δx의 변위를 만들어낸다. 도 11은 본 발명에 따른 초음파 스캐너에 있어서, 기계식 회전에 따른 초음파 주사의 xy좌표계와 수동 회전에 따른 초음파 주사의 x'y' 좌표계를 도시한 것이다. 기계식 회전에 따른 초음파 주사에서는 점 O를 중심으로 주사선이 모이므로 모든 각도에서 xy-평면이 고정돼 있지만, 운용자에 의한 수동 회전에 따른 초음파 주사에서는 각도에 따라 x'y' 평면이 평행 이동을 하게 된다. (x,y)와 (x', y')은 수학식 11 내지 13을 만족한다.

수동 회전에 따른 초음파 주사 방식으로 θ 각도에서 얻은 초음파 에코 신호를

이라 하면 이 초음파 에코 신호를 좌표 변환하여 얻은 초음파 영상 신호는 수학식 14로 표현된다.

(x',y') 좌표계는 각도에 따라 변동하므로 이를 고정좌표계 (x,y)로 변환하여 얻은 최종적인 초음파 영상신호는 수학식 15로 표현된다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

90 : 초음파 스캐너
91 : 초음파 트랜스듀서
92 : 모터
93 : 초음파 프로브
94 : 기울기 센서
95 : 제어부
950 : 좌표 보정 모듈
952 : 2차원 초음파 영상 획득 모듈
954 : 3차원 정보 추출 모듈

Claims (6)

1. 초음파 신호를 송신하고, 대상으로부터 반향된 초음파 에코 신호를 수신하여 제공하는 초음파 트랜스듀서;
   상기 초음파 트랜스듀서의 중심축에 연결된 단일의 모터;
   상기 초음파 트랜스듀서 및 모터가 내부에 탑재된 초음파 프로브;
   상기 초음파 프로브의 중심축에 장착되어 제2 방향에 대한 초음파 프로브의 기울기 각도를 감지하여 제공하는 기울기 센서; 및
   상기 모터를 이용하여 상기 초음파 트랜스듀서를 제2 방향에 수직인 제1 방향을 따라 회전 이동시켜 부채꼴 형상의 2차원 초음파 영상을 획득하고, 수동 조작에 의한 기울기 각도의 변화에 대응하여 복수 개의 기울기 각도에서 2차원 초음파 영상들을 획득하는 제어부;
   를 구비하고, 상기 제어부는 초음파 트랜스듀서로부터 초음파 에코 신호가 수신되면, 수동 조작에 의한 초음파 프로브의 기울기 각도를 고려하여 초음파 에코 신호들에 대한 좌표를 보정하고, 보정된 좌표의 초음파 에코 신호들을 이용하여 부채꼴 형상의 2차원 초음파 영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 초음파 스캐너.
2. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
   초음파 트랜스듀서로부터 초음파 에코 신호가 수신되면, 수동 조작에 의한 초음파 프로브의 기울기 각도를 고려하여 초음파 에코 신호들에 대한 좌표를 보정하는 좌표 보정 모듈; 및
   모터를 구동하여, 상기 초음파 트랜스듀서를 제2 방향에 수직인 제1 방향을 따라 회전 이동시키고, 회전 이동에 따라 초음파 에코 신호들을 획득하고, 상기 초음파 에코 신호는 상기 좌표 보정 모듈을 이용하여 좌표를 보정하고, 좌표가 보정된 초음파 에코 신호들을 이용하여 부채꼴 형상의 2차원 초음파 영상을 획득하는 2차원 초음파 영상 획득 모듈;
   을 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 스캐너.
3. 제2항에 있어서, 상기 좌표 보정 모듈은,
   초음파 트랜스듀서로부터 초음파 에코 신호가 수신되면,
   초음파 트랜스듀서의 기준 위치로 사전 설정된 원점을 기준으로 하여 초음파 에코 신호에 대한 초기 좌표(x,y)를 구하고,
   상기 기울기 센서로부터 제공되는 초음파 프로브의 기울기 각도(θ)를 이용하여, 초음파 트랜스듀서가 원점으로부터 이탈된 정도를 나타내는 오차값(Δx,Δy)을 계산하고,
   상기 오차값을 이용하여 초음파 에코 신호에 대한 초기 좌표를 보정하고,
   초음파 에코 신호에 대한 보정된 좌표(x',y')를 제공하는 것을 특징으로 하는 초음파 스캐너.
4. 제3항에 있어서, 상기 좌표 보정 모듈의 보정된 좌표(x',y')는 아래의 수학식들에 의해 구해지며,
   

   

   ,

   

   ,

   

   ,
   

   

   ,

   

   
   여기서, (x,y)는 원점을 기준으로 한 초음파 에코 신호에 대한 초기 좌표이며, (x',y')은 초음파 프로브의 기울기를 고려한 초음파 에코 신호에 대한 보정 좌표이며, Δd는 초음파 프로브의 축방향으로의 이동량이며, R은 초음파 프로브 하단부 커버링의 반경을 나타내는 것을 특징으로 하는 초음파 스캐너.
5. 제2항에 있어서, 상기 제어부는,
   수동 조작에 의한 기울기 각도의 변화에 대응하여, 상기 2차원 초음파 영상 획득 모듈을 반복 구동하여, 복수 개의 기울기 각도에서의 2차원 초음파 영상들을 획득하고, 복수 개의 2차원 초음파 영상들을 이용하여 사전 설정된 3차원 정보를 추출하는 3차원 정보 추출 모듈;
   을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 스캐너.
6. 제5항에 있어서, 상기 제어부가 추출하는 3차원 정보는,
   방광의 체적으로 구해지는 요 용적인 것을 특징으로 하는 초음파 스캐너.
   

Images