KR20230166390A - System and Method for Realizing 3D Photoacoustic Macroscopy using Ultrasound Guided Breath-Compensation - Google Patents

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KR20230166390A
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이해니
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 호흡에 따른 피부 표면의 왜곡을 초음파 신호를 통해 감지하고 이를 이용하여 호흡에 의한 신호 왜곡을 보정하여 광음향 영상 구현 성능을 높일 수 있도록 한 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 설정된 스캐닝 영역의 시작 위치로 영상 프로브를 위치시키고, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하고, 다음 위치로 영상 프로브를 이동하여 모든 영상 영역에 대해 데이터 획득을 수행하는 광음향-초음파 영상 장치;획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하여 왜곡을 보정한 뒤 보정된 피부 신호와 이전 피부 신호 사이의 차이를 계산하여 보정 파라미터를 산출하고, 이를 3차원 초음파와 광음향 데이터에 적용하여 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 신호 왜곡 보정부;를 포함하는 것이다.The present invention detects distortion of the skin surface due to breathing through ultrasonic signals and uses this to correct signal distortion due to breathing to improve photoacoustic image implementation performance. Implementation of 3D photoacoustic images using ultrasound-based respiration correction. This relates to an apparatus and method for positioning an imaging probe at the starting position of a set scanning area, alternately measuring ultrasonic signals and photoacoustic signals at each imaging position, and moving the imaging probe to the next position for all imaging areas. Photoacoustic-ultrasound imaging device that performs data acquisition; detects the skin signal using the acquired ultrasound data, corrects the distortion, calculates the difference between the corrected skin signal and the previous skin signal to calculate the correction parameter, and calculates the correction parameter. It includes a signal distortion correction unit that corrects distortion caused by breathing by applying it to 3D ultrasound and photoacoustic data.

Description

초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치 및 방법{System and Method for Realizing 3D Photoacoustic Macroscopy using Ultrasound Guided Breath-Compensation}Device and method for realizing 3D photoacoustic imaging using ultrasound-based breathing compensation {System and Method for Realizing 3D Photoacoustic Macroscopy using Ultrasound Guided Breath-Compensation}

본 발명은 광음향 영상 기술에 관한 것으로, 구체적으로 호흡에 따른 피부 표면의 왜곡을 초음파 신호를 통해 감지하고 이를 이용하여 호흡에 의한 신호 왜곡을 보정하여 광음향 영상 구현 성능을 높일 수 있도록 한 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to photoacoustic imaging technology, and specifically, an ultrasound-based device that detects distortion of the skin surface due to respiration through ultrasonic signals and uses this to correct signal distortion due to respiration to improve photoacoustic imaging performance. This relates to an apparatus and method for implementing 3D photoacoustic images using breathing correction.

광음향 이미징(Photoacoustic imaging) 기술은 광음향 효과(Photoacoustic effect)를 이용하여 생체조직 등의 대상체를 영상화하는 기술이다.Photoacoustic imaging technology is a technology that uses the photoacoustic effect to image objects such as biological tissue.

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.When non-ionizing laser pulses are radiated to an object, the emitted energy is converted into heat in the object, and thermoelastic expansion generates wide-band ultrasound.

이와 같이 레이저 펄스에 의해 대상체에서 발생된 초음파를 초음파 트랜스듀서를 사용하여 수집하고, 수집된 초음파 정보를 이용하여 이미지를 구성하는 것이 광음향 이미징 기술이다.In this way, photoacoustic imaging technology collects ultrasonic waves generated from an object by a laser pulse using an ultrasonic transducer and constructs an image using the collected ultrasonic information.

이와 같이 광음향 영상은 빛의 흡수에 이은 조직의 열팽창에의해 발생되는 광음파(광초음파) 신호를 획득하여 영상화 하는 방법으로, 생체조직의 광학적 흡수도 분석을 통해 구조적 정보 뿐만 아니라 기능적 분자영상을 얻을 수 있어 다양한 전임상 및 임상 생체의료 연구에 사용되고 있다.In this way, photoacoustic imaging is a method of imaging by acquiring photoacoustic (optoultrasonic) signals generated by thermal expansion of tissue following absorption of light. It provides not only structural information but also functional molecular images through analysis of optical absorption of biological tissue. It is used in various preclinical and clinical biomedical research.

이중 광음향(photoacoustic) macroscopy는 주로 단일소자 초음파 트랜스듀서를 기계적으로 스캐닝하여 소동물(마우스, 랫트)의 전신 영상을 수십-수백 ㎛의 해상도로 얻을 수 있는 영상 방법이다. Photoacoustic macroscopy is an imaging method that can obtain whole-body images of small animals (mice, rats) with a resolution of tens to hundreds of ㎛, mainly by mechanically scanning a single-element ultrasound transducer.

하지만, 전신 영상을 얻기 위해 필요한 기계적 스캐닝은 하나의 영상을 획득하기 위해 수십분의 시간이 소요되며, 그동안 마취상태의 쥐의 호흡으로 인한 깊이 방향(z-방향)의 신호 왜곡이 발생하게 된다.However, the mechanical scanning required to obtain a full-body image takes tens of minutes to obtain a single image, and during this time, signal distortion in the depth direction (z-direction) occurs due to the breathing of the anesthetized rat.

이에 따라, 3차원 데이터를 그대로 표현하지 못하고 x-y 평면으로 투영하여 왜곡된 신호를 숨기는 영상 표현 방법이 주로 사용되어 왔다. 이는 데이터가 보유하고 있는 공간적 정보를 잃게 되어 3차원 분석이 불가능하고, 깊이 방향 분석이 불가능하여 2차원 평면의 신호가 어느 깊이에서 발생 되었는지에 대한 정보를 잃게 된다. Accordingly, an image representation method that cannot express 3D data as is and hides distorted signals by projecting onto the x-y plane has been mainly used. This causes the spatial information contained in the data to be lost, making 3D analysis impossible, and depth direction analysis is impossible, so information about the depth at which the signal in the 2D plane was generated is lost.

이를 극복하기 위해 빠른 스캐닝을 이용한 데이터 획득시간의 최소화가 주로 수행됐지만, 여전히 호흡에 의한 왜곡을 보정하지 못하기 때문에 3차원 영상 구현이 불가능하다.To overcome this, the data acquisition time was mainly minimized using fast scanning, but it is still impossible to create 3D images because distortion caused by breathing cannot be corrected.

그리고 피부에서 미세하게 발생되는 광음향 신호를 이용한 보정방법도 시도되었지만, 광흡수가 없는 부위에서는 광음향 신호가 발생되지 않기 때문에 범용적인 방법으로 사용되기 어렵다. 또한, 연속으로 여러 영상을 획득하여 움직임을 보정하는 방법이 제안되었지만, 여러 영상을 얻기 위한 추가적인 시간이 필요한 단점이 있다. Also, a correction method using photoacoustic signals minutely generated from the skin has been attempted, but it is difficult to use as a general-purpose method because photoacoustic signals are not generated in areas without light absorption. Additionally, a method to correct motion by continuously acquiring multiple images has been proposed, but it has the disadvantage of requiring additional time to obtain multiple images.

이와 같이 종래 기술의 영상 출력 방식은 소동물의 호흡으로 인한 데이터 왜곡으로 인해 광음향 영상을 통해 얻을 수 있는 3차원 데이터를 모두 활용하지 못하고 2차원 평면에 투영하여 영상을 형성하는 한계가 있다.As such, the image output method of the prior art has the limitation of not utilizing all the three-dimensional data that can be obtained through photoacoustic images due to data distortion caused by the respiration of small animals and forming images by projecting them onto a two-dimensional plane.

따라서, 호흡에 의한 신호 왜곡을 보정하여 종래 기술의 광음향 macroscopy에서 보여주지 못한 호흡이 보정된 3차원 영상의 구현이 가능하도록 하는 새로운 기술의 개발이 요구되고 있다.Therefore, there is a need for the development of a new technology that corrects signal distortion caused by respiration and enables the implementation of 3D images with respiration corrected, which could not be shown in photoacoustic macroscopy of the prior art.

대한민국 공개특허 제10-2009-0088909호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2009-0088909 대한민국 공개특허 제10-2020-0063573호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2020-0063573 대한민국 공개특허 제10-2015-0121872호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2015-0121872

본 발명은 종래 기술의 광음향 영상 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 호흡에 따른 피부 표면의 왜곡을 초음파 신호를 통해 감지하고 이를 이용하여 호흡에 의한 신호 왜곡을 보정하여 광음향 영상 구현 성능을 높일 수 있도록 한 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is intended to solve the problems of the photoacoustic imaging technology of the prior art. The present invention detects distortion of the skin surface due to respiration through ultrasonic signals and uses this to correct signal distortion due to respiration to improve photoacoustic imaging performance. The purpose is to provide a device and method for realizing 3D photoacoustic images using ultrasound-based breathing correction.

본 발명은 광음향 신호와 초음파 신호를 번갈아 획득하는 광음향-초음파 영상 장치를 이용하여, 대상체의 호흡에 따른 피부 표면의 왜곡을 초음파 신호를 통해 감지하고, 이를 이용하여 호흡이 보정된 3차원 영상의 구현이 가능하며, 다파장 신호를 이용하여 3차원 산소포화도 정보의 매핑이 가능하도록 한 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention uses a photoacoustic-ultrasound imaging device that alternately acquires photoacoustic signals and ultrasonic signals, detects distortion of the skin surface due to the subject's breathing through ultrasonic signals, and uses this to produce a three-dimensional image with correction for respiration. The purpose is to provide a device and method for implementing a 3D photoacoustic image using ultrasound-based respiration correction that enables mapping of 3D oxygen saturation information using multi-wavelength signals.

본 발명은 초음파 데이터에서 획득한 각 측정 위치에서 보정 파라미터를 광음향 데이터에 적용하여 보정된 3차원 광음향 데이터를 얻는 것에 의해 광음향 신호의 깊이 정보를 얻을 수 있으며, 피부로부터 같은 깊이 영역에 있는 생체 조직의 광음향 신호 분포를 분석할 수 있도록 한 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention can obtain depth information of the photoacoustic signal by applying correction parameters to the photoacoustic data at each measurement position obtained from ultrasound data to obtain corrected 3D photoacoustic data, and can obtain depth information of the photoacoustic signal in the same depth area from the skin. The purpose is to provide a device and method for implementing 3D photoacoustic imaging using ultrasound-based respiration correction that allows analysis of the photoacoustic signal distribution of biological tissue.

본 발명은 호흡 보정을 통해 3차원 데이터를 그대로 렌더링 하여 3차원 영상을 구현하여 깊이 방향으로의 분석이 가능하고, 다중 파장 데이터를 이용하여 3차원 산소포화도를 포함한 분자영상정보를 획득하고 그 분포를 이미지로 표현할 수 있도록 한 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention renders 3D data as is through respiration correction to implement a 3D image, enabling analysis in the depth direction, and uses multi-wavelength data to obtain molecular image information including 3D oxygen saturation and its distribution. The purpose is to provide a device and method for realizing 3D photoacoustic images using ultrasound-based respiration correction that can be expressed as an image.

본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Other objects of the present invention are not limited to the objects mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치는 설정된 스캐닝 영역의 시작 위치로 영상 프로브를 위치시키고, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하고, 다음 위치로 영상 프로브를 이동하여 모든 영상 영역에 대해 데이터 획득을 수행하는 광음향-초음파 영상 장치;획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하여 왜곡을 보정한 뒤 보정된 피부 신호와 이전 피부 신호 사이의 차이를 계산하여 보정 파라미터를 산출하고, 이를 3차원 초음파와 광음향 데이터에 적용하여 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 신호 왜곡 보정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a device for implementing a 3D photoacoustic image using ultrasound-based respiration correction according to the present invention positions an imaging probe at the starting position of a set scanning area, and transmits ultrasonic signals and photoacoustics at each image position. A photoacoustic-ultrasound imaging device that alternately measures signals and moves the imaging probe to the next position to acquire data for all image areas; detects skin signals using the acquired ultrasound data, corrects distortion, and then It is characterized in that it includes a signal distortion correction unit that calculates a correction parameter by calculating the difference between the skin signal and the previous skin signal and applies the correction parameter to 3D ultrasound and photoacoustic data to correct distortion caused by breathing.

여기서, 신호 왜곡 보정부에서 보정된 3차원 데이터를 이용하여 각 평면에 투영한 MAP 영상을 얻고, 다파장 데이터를 획득하여 3차원 분자정보 매핑이 가능하도록 하는 데이터 분석부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.Here, a MAP image projected onto each plane is obtained using the 3D data corrected in the signal distortion correction unit, and a data analysis unit is further included to enable 3D molecular information mapping by acquiring multi-wavelength data. .

그리고 신호 왜곡 보정부에서, 보정 파라미터를 산출하고, 이를 3차원 초음파와 광음향 데이터에 적용하여 z방향으로 보정 파라미터만큼 이동시켜 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 것을 특징으로 한다.In addition, the signal distortion correction unit calculates correction parameters, applies them to 3D ultrasound and photoacoustic data, and corrects distortion caused by breathing by moving the correction parameter in the z direction.

그리고 광음향-초음파 영상 장치는, 스캐닝을 수행하기 위한 영역을 설정하는 스캔 영역 설정부와, 시작 위치로 영상 프로브를 위치시키고, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정이 이루어지면 다음 위치로 영상 프로브의 이동을 제어하는 프로브 이동 제어부와, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하기 위하여 초음파 인가 및 수신을 하는 초음파 인가 및 수신부와, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하기 위하여 펄스 광원 조사 및 광음향 신호 수신을 하는 펄스 광원 조사 및 광음향 신호 수신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the photoacoustic-ultrasound imaging device has a scan area setting unit that sets the area for scanning, and positions the imaging probe at the starting position. When ultrasonic signals and photoacoustic signals are alternately measured at each image position, the next A probe movement control unit that controls the movement of the imaging probe to each position, an ultrasonic application and reception unit that applies and receives ultrasonic waves to alternately measure ultrasonic signals and photoacoustic signals at each image location, and an ultrasonic signal and photoacoustic signal at each image location. It is characterized by comprising a pulse light source irradiation and photoacoustic signal reception unit that irradiates a pulse light source and receives a photoacoustic signal in order to alternately measure signals.

그리고 프로브 이동 제어부는, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하는 동작에서 프로브의 이동후 멈춰서 측정하거나(Stop and Go scanning), 연속으로 이동중에 데이터 획득(Continuous scanning)을 수행할 수 있도록 프로브 이동을 제어하는 것을 특징으로 한다.In addition, the probe movement control unit measures ultrasonic signals and photoacoustic signals alternately at each image location, allowing the probe to stop after movement (Stop and Go scanning) or perform data acquisition while continuously moving (Continuous scanning). It is characterized by controlling probe movement.

그리고 신호 왜곡 보정부는, 모든 영상 영역에 대해 데이터 획득을 수행하면 획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하고, 추출된 피부 신호를 처리하여 왜곡을 보정하는 피부 프로파일 추출 및 보정부와, 보정된 피부 신호와 이전 피부 신호 사이의 차이를 계산하여 보정 파라미터를 산출하는 보정 파라미터 추출부와, 보정 파라미터를 3차원 초음파 데이터에 적용하여 z방향으로 보정 파라미터만큼 이동시켜 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 3차원 초음파 보정 데이터 출력부와, 보정 파라미터를 3차원 광음향 데이터에 적용하여 z방향으로 보정 파라미터만큼 이동시켜 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 3차원 광음향 보정 데이터 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the signal distortion correction unit includes a skin profile extraction and correction unit that detects the skin signal using the ultrasound data obtained when data acquisition is performed for all image areas, processes the extracted skin signal to correct the distortion, and a skin profile extraction and correction unit that corrects the distortion by processing the extracted skin signal. A correction parameter extraction unit that calculates the correction parameter by calculating the difference between the skin signal and the previous skin signal, and a 3D device that applies the correction parameter to the 3D ultrasound data and moves it by the correction parameter in the z direction to correct distortion caused by breathing. It is characterized by comprising an ultrasonic correction data output unit and a 3D photoacoustic correction data output unit that corrects distortion caused by breathing by applying the correction parameter to the 3D photoacoustic data and moving it by the correction parameter in the z direction.

그리고 피부 프로파일 추출 및 보정부에서의 피부 신호 감지는, B-scan 영상(x-z 영상)에서 수행되며, 각 B-scan 영상에서의 피부신호를 모아 3차원 피부 표면을 추출하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, skin signal detection in the skin profile extraction and correction unit is performed on B-scan images (x-z images), and is characterized by extracting a three-dimensional skin surface by collecting skin signals in each B-scan image.

다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 방법은 설정된 스캐닝 영역의 시작 위치로 영상 프로브를 위치시키고, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하고, 다음 위치로 영상 프로브를 이동하여 모든 영상 영역에 대해 데이터 획득을 수행하는 광음향-초음파 데이터 획득 단계;획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하여 왜곡을 보정한 뒤 보정된 피부 신호와 이전 피부 신호 사이의 차이를 계산하여 보정 파라미터를 산출하고, 이를 3차원 초음파와 광음향 데이터에 적용하여 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 신호 왜곡 보정 단계;보정된 데이터를 3차원 영상으로 시각화하여 분석하는 데이터 분석 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method for implementing a 3D photoacoustic image using ultrasound-based respiration correction according to the present invention to achieve another purpose is to position an image probe at the starting position of a set scanning area and generate an ultrasound signal and a photoacoustic signal at each image position. A photoacoustic-ultrasound data acquisition step in which data acquisition is performed for all image areas by measuring alternately and moving the image probe to the next position; the skin signal is detected using the acquired ultrasound data to correct distortion, and then the corrected skin A signal distortion correction step in which correction parameters are calculated by calculating the difference between the signal and the previous skin signal and applied to 3D ultrasound and photoacoustic data to correct distortion caused by breathing; Visualizing the corrected data as a 3D image Characterized in that it includes a data analysis step of analyzing.

여기서, 신호 왜곡 보정 단계에서, 보정 파라미터를 산출하고, 이를 3차원 초음파와 광음향 데이터에 적용하여 z방향으로 보정 파라미터만큼 이동시켜 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 것을 특징으로 한다.Here, in the signal distortion correction step, correction parameters are calculated, applied to 3D ultrasound and photoacoustic data, and the distortion caused by breathing is corrected by moving the correction parameter in the z direction.

그리고 광음향-초음파 데이터 획득 단계에서, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하는 동작에서 프로브의 이동후 멈춰서 측정하거나(Stop and Go scanning), 연속으로 이동중에 데이터 획득(Continuous scanning)을 수행할 수 있도록 프로브 이동을 제어하는 것을 특징으로 한다.And in the photoacoustic-ultrasound data acquisition stage, in the operation of alternately measuring ultrasonic signals and photoacoustic signals at each image location, the probe is stopped after moving and measured (Stop and Go scanning), or data is acquired while continuously moving (Continuous scanning). It is characterized by controlling the probe movement so that it can be performed.

또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 방법은 스캐닝을 수행하기 위한 영역을 설정하고 시작 위치로 영상 프로브를 이동시키는 단계;각 영상 위치에서 다파장 광음향 신호 획득을 위해 파장별로 광음향-초음파 영상을 획득하기 위하여, 측정 대상체에 초음파를 인가하여 반사되는 초음파 신호를 수신하고, 측정 대상체에 펄스 광원을 조사하여 열탄성팽창에 의해 발생되는 광음향 신호를 수신하는 단계;다음 측정 위치로 영상 프로브를 이동하여, 모든 영상 영역에 대해 데이터 획득이 이루어졌는지 판단하고, 모든 파장에 대해 측정이 이루어졌는지 판단하여, 측정이 완료되면 획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하여 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 단게;초음파 데이터의 보정 정보를 이용하여 광음향 데이터의 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 단계;보정된 파장 데이터를 이용하여 각 Voxel에서 파장분석(Spectral unmixing)을 수행하여 각 분자정보를 획득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method for implementing a 3D photoacoustic image using ultrasound-based respiration correction according to the present invention to achieve another purpose includes setting an area for performing scanning and moving the imaging probe to the starting position; at each image position In order to acquire photoacoustic-ultrasonic images by wavelength in order to acquire multi-wavelength photoacoustic signals, ultrasonic waves are applied to the measurement object to receive reflected ultrasonic signals, and a pulse light source is irradiated to the measurement object to generate heat generated by thermoelastic expansion. Receiving a photoacoustic signal; moving the imaging probe to the next measurement position, determining whether data has been acquired for all image areas, determining whether measurement has been made for all wavelengths, and obtaining ultrasound data when measurement is completed Step of correcting distortion caused by respiration by detecting skin signals using; Step of correcting distortion caused by respiration of photoacoustic data using correction information of ultrasound data; Wavelength analysis in each voxel using corrected wavelength data It is characterized by including a step of performing (spectral unmixing) to obtain each molecule information.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the apparatus and method for implementing 3D photoacoustic images using ultrasound-based respiration correction according to the present invention has the following effects.

첫째, 호흡에 따른 피부 표면의 왜곡을 초음파 신호를 통해 감지하고 이를 이용하여 호흡에 의한 신호 왜곡을 보정하여 광음향 영상 구현 성능을 높일 수 있도록 한다.First, the distortion of the skin surface due to respiration is detected through ultrasonic signals and used to correct the signal distortion due to respiration, thereby improving the performance of photoacoustic imaging.

둘째, 광음향 신호와 초음파 신호를 번갈아 획득하는 광음향-초음파 영상 장치를 이용하여, 대상체의 호흡에 따른 피부 표면의 왜곡을 초음파 신호를 통해 감지하고, 이를 이용하여 호흡이 보정된 3차원 영상의 구현이 가능하며, 다파장 신호를 이용하여 3차원 산소포화도 정보의 매핑이 가능하도록 한다.Second, by using a photoacoustic-ultrasound imaging device that alternately acquires photoacoustic signals and ultrasonic signals, distortion of the skin surface due to the subject's respiration is detected through ultrasonic signals, and this is used to create a three-dimensional image with the respiration corrected. It is possible to implement and enables mapping of 3D oxygen saturation information using multi-wavelength signals.

셋째, 초음파 데이터에서 획득한 각 측정 위치에서 보정 파라미터를 광음향 데이터에 적용하여 보정된 3차원 광음향 데이터를 얻는 것에 의해 광음향 신호의 깊이 정보를 얻을 수 있으며, 피부로부터 같은 깊이 영역에 있는 생체 조직의 광음향 신호 분포를 분석할 수 있도록 한다.Third, depth information of the photoacoustic signal can be obtained by applying correction parameters to the photoacoustic data at each measurement position obtained from the ultrasound data to obtain corrected 3D photoacoustic data, and can obtain the depth information of the photoacoustic signal from the skin to the same depth area. Allows analysis of tissue photoacoustic signal distribution.

넷째, 호흡 보정을 통해 3차원 데이터를 그대로 렌더링 하여 3차원 영상을 구현하여 깊이 방향으로의 분석이 가능하고, 다중 파장 데이터를 이용하여 3차원 산소포화도를 포함한 분자영상정보를 획득하고 그 분포를 이미지로 표현할 수 있도록 한다.Fourth, analysis in the depth direction is possible by rendering 3D data as is through respiration correction to create a 3D image, and using multi-wavelength data, molecular image information including 3D oxygen saturation is acquired and its distribution is displayed as an image. It can be expressed as

도 1은 본 발명에 따른 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 데이터 처리 과정을 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 따른 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치의 구성 블록도
도 3a는 광음향-초음파 영상 장치의 상세 구성도
도 3b는 신호 왜곡 보정부의 상세 구성도
도 4는 광음향 신호의 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 영상 결과를 나타낸 구성도
도 5는 초음파 기반 광음향 신호의 호흡에 의한 왜곡 보정 과정을 나타낸 플로우 차트
도 6은 초음파 기반 호흡에 의한 왜곡 보정을 이용한 다파장 광음향 데이터 분석 과정을 나타낸 플로우 차트
도 7은 종래 기술 및 본 발명에 따른 산소포화도(분자정보) 분포 영상화 방법 비교 구성도
Figure 1 is a configuration diagram showing the data processing process for implementing 3D photoacoustic images using ultrasound-based respiration correction according to the present invention.
Figure 2 is a block diagram of a device for implementing 3D photoacoustic imaging using ultrasound-based respiration correction according to the present invention.
Figure 3a is a detailed configuration diagram of the photoacoustic-ultrasound imaging device.
Figure 3b is a detailed configuration diagram of the signal distortion correction unit
Figure 4 is a configuration diagram showing imaging results using ultrasound-based respiration correction of photoacoustic signals
Figure 5 is a flow chart showing the distortion correction process due to breathing of an ultrasound-based photoacoustic signal.
Figure 6 is a flow chart showing the multi-wavelength photoacoustic data analysis process using distortion correction by ultrasound-based respiration.
Figure 7 is a comparative configuration diagram of the oxygen saturation (molecular information) distribution imaging method according to the prior art and the present invention.

이하, 본 발명에 따른 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of the device and method for implementing a 3D photoacoustic image using ultrasound-based respiration correction according to the present invention will be described in detail as follows.

본 발명에 따른 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.The characteristics and advantages of the device and method for implementing 3D photoacoustic images using ultrasound-based respiration correction according to the present invention will become apparent through the detailed description of each embodiment below.

도 1은 본 발명에 따른 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 데이터 처리 과정을 나타낸 구성도이다.Figure 1 is a configuration diagram showing a data processing process for implementing a 3D photoacoustic image using ultrasound-based respiration correction according to the present invention.

본 발명은 데이터 왜곡 보정을 위해 초음파를 활용해 피부 표면 신호를 추출하고, 이를 이용하여 신호 왜곡을 보정하기 위한 것이다. 광음향 영상신호 획득을 위해 초음파 트랜스듀서가 사용되기 때문에, 시스템의 큰 변화 없이 초음파 신호의 동시 획득이 가능하다. The present invention is intended to extract skin surface signals using ultrasonic waves to correct data distortion and use this to correct signal distortion. Because an ultrasonic transducer is used to acquire photoacoustic image signals, simultaneous acquisition of ultrasonic signals is possible without significant changes to the system.

또한, 초음파 영상은 조직에서 반사되는 초음파 신호를 이용하여 구현되기 때문에 빛의 흡수도와 무관하게 피부 표면의 신호를 획득할 수 있다. 이에 따라 종래 기술의 광음향 신호를 이용한 피부 표면 추출 방법에 비해 명확한 피부 표면 신호를 얻을 수 있고, 정확하게 호흡에 따른 왜곡을 보정할 수 있다. Additionally, because ultrasound images are implemented using ultrasound signals reflected from tissues, signals on the skin surface can be obtained regardless of light absorption. Accordingly, compared to the skin surface extraction method using photoacoustic signals in the prior art, a clear skin surface signal can be obtained and distortion due to breathing can be accurately corrected.

이를 위하여, 본 발명은 광음향 신호와 초음파 신호를 번갈아 획득하는 광음향-초음파 영상 장치를 이용하여, 대상체의 호흡에 따른 피부 표면의 왜곡을 초음파 신호를 통해 감지하고, 이를 이용하여 호흡이 보정된 3차원 영상을 구현하는 구성을 포함할 수 있다.To this end, the present invention uses a photoacoustic-ultrasound imaging device that alternately acquires photoacoustic signals and ultrasonic signals, detects distortion of the skin surface due to the subject's breathing through ultrasonic signals, and uses this to correct respiration. It may include a configuration that implements a 3D image.

본 발명은 초음파 데이터에서 획득한 각 측정 위치에서 보정 파라미터를 광음향 데이터에 적용하여 보정된 3차원 광음향 데이터를 얻는 것에 의해 광음향 신호의 깊이 정보를 얻을 수 있으며, 피부로부터 같은 깊이 영역에 있는 생체 조직의 광음향 신호 분포를 분석할 수 있도록 하는 구성을 포함할 수 있다.The present invention can obtain depth information of the photoacoustic signal by applying correction parameters to the photoacoustic data at each measurement position obtained from ultrasound data to obtain corrected 3D photoacoustic data, and can obtain depth information of the photoacoustic signal in the same depth area from the skin. It may include a configuration that allows analyzing the photoacoustic signal distribution of biological tissue.

본 발명은 호흡 보정을 통해 3차원 데이터를 그대로 렌더링 하여 3차원 영상을 구현하여 깊이 방향으로의 분석이 가능하도록 하고, 다중 파장 데이터를 이용하여 3차원 산소포화도를 포함한 분자영상정보를 획득하고 그 분포를 이미지로 표현할 수 있도록 하는 구성을 포함할 수 있다.The present invention renders 3D data as is through respiration correction to implement a 3D image to enable analysis in the depth direction, and uses multi-wavelength data to obtain molecular image information including 3D oxygen saturation and its distribution. It may include a configuration that allows it to be expressed as an image.

도 2는 본 발명에 따른 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치의 구성 블록도이다.Figure 2 is a block diagram of a device for implementing 3D photoacoustic imaging using ultrasound-based respiration correction according to the present invention.

본 발명에 따른 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치는 도 2에서와 같이, 설정된 스캐닝 영역의 시작 위치로 영상 프로브를 위치시키고, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하고, 다음 위치로 영상 프로브를 이동하여 모든 영상 영역에 대해 데이터 획득을 수행하는 광음향-초음파 영상 장치(100)와, 획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하여 왜곡을 보정한 뒤 보정된 피부 신호와 이전 피부 신호 사이의 차이를 계산하여 보정 파라미터를 산출하고, 이를 3차원 초음파와 광음향 데이터에 적용하여 z방향으로 보정 파라미터만큼 이동시켜 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 신호 왜곡 보정부(200)와, 보정된 3차원 데이터를 이용하여 각 평면에 투영한 MAP 영상을 얻고, 다파장 데이터를 획득하여 3차원 분자정보 매핑이 가능하도록 하는 데이터 분석부(300)를 포함한다.As shown in FIG. 2, the device for implementing a 3D photoacoustic image using ultrasound-based respiration compensation according to the present invention positions an image probe at the starting position of the set scanning area and generates an ultrasound signal and a photoacoustic signal at each image position. A photoacoustic-ultrasound imaging device 100 that performs data acquisition for all image areas by measuring alternately and moving the imaging probe to the next position, and detects skin signals using the acquired ultrasound data to correct distortion. A signal distortion correction unit that calculates correction parameters by calculating the difference between the corrected skin signal and the previous skin signal, applies this to 3D ultrasound and photoacoustic data, and moves it in the z direction by the correction parameter to correct distortion caused by breathing. It includes (200) and a data analysis unit 300 that obtains a MAP image projected onto each plane using the corrected 3D data and acquires multi-wavelength data to enable 3D molecular information mapping.

여기서, 광음향-초음파 영상 장치(100)의 상세 구성은 다음과 같다.Here, the detailed configuration of the photoacoustic-ultrasound imaging device 100 is as follows.

도 3a는 광음향-초음파 영상 장치의 상세 구성도이다.Figure 3a is a detailed configuration diagram of a photoacoustic-ultrasound imaging device.

광음향-초음파 영상 장치(100)는 도 3a에서와 같이, 스캐닝을 수행하기 위한 영역을 설정하는 스캔 영역 설정부(31)와, 시작 위치로 영상 프로브(초음파 트랜스듀서)를 위치시키고, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정이 이루어지면 다음 위치로 영상 프로브의 이동을 제어하는 프로브 이동 제어부(32)와, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하기 위하여 초음파 인가 및 수신을 하는 초음파 인가 및 수신부(33)와. 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하기 위하여 펄스 광원 조사 및 광음향 신호 수신을 하는 펄스 광원 조사 및 광음향 신호 수신부(34)를 포함한다.As shown in FIG. 3A, the photoacoustic-ultrasound imaging device 100 includes a scan area setting unit 31 that sets an area for scanning, positions an image probe (ultrasonic transducer) at the starting position, and sets each image. When the ultrasonic signal and the photoacoustic signal are alternately measured at each position, the probe movement control unit 32 controls the movement of the imaging probe to the next position, and the ultrasonic signal and photoacoustic signal are alternately measured at each imaging position. An ultrasonic approving and receiving unit 33 that receives ultrasonic waves. It includes a pulse light source irradiation and photoacoustic signal reception unit 34 that irradiates a pulse light source and receives photoacoustic signals in order to alternately measure ultrasonic signals and photoacoustic signals at each image location.

여기서, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하는 동작은 프로브의 이동후 멈춰서 측정할 수도 있고(Stop and Go scanning), 연속으로 이동중에 데이터 획득(Continuous scanning)을 수행할 수도 있다.Here, the operation of alternately measuring ultrasonic signals and photoacoustic signals at each image location can be measured by stopping after moving the probe (Stop and Go scanning), or data acquisition while continuously moving (Continuous scanning).

그리고 신호 왜곡 보정부(200)의 상세 구성은 다음과 같다.The detailed configuration of the signal distortion correction unit 200 is as follows.

도 3b는 신호 왜곡 보정부의 상세 구성도이다.Figure 3b is a detailed configuration diagram of the signal distortion correction unit.

신호 왜곡 보정부(200)는 도 3b에서와 같이, 모든 영상 영역에 대해 데이터 획득을 수행하면 획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하고, 추출된 피부 신호를 처리하여 왜곡을 보정하는 피부 프로파일 추출 및 보정부(35)와, 보정된 피부 신호와 이전 피부 신호 사이의 차이를 계산하여 보정 파라미터를 산출하는 보정 파라미터 추출부(36)와, 보정 파라미터를 3차원 초음파 데이터에 적용하여 z방향으로 보정 파라미터만큼 이동시켜 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 3차원 초음파 보정 데이터 출력부(37)와, 보정 파라미터를 3차원 광음향 데이터에 적용하여 z방향으로 보정 파라미터만큼 이동시켜 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 3차원 광음향 보정 데이터 출력부(38)를 포함한다.As shown in FIG. 3B, the signal distortion correction unit 200 detects a skin signal using the ultrasound data obtained when data is acquired for all image areas, and processes the extracted skin signal to correct the distortion. An extraction and correction unit 35, a correction parameter extraction unit 36 that calculates correction parameters by calculating the difference between the corrected skin signal and the previous skin signal, and apply the correction parameters to the 3D ultrasound data in the z-direction. A 3D ultrasonic correction data output unit 37 that corrects the distortion caused by respiration by moving the correction parameter by the correction parameter, and a 3D ultrasonic correction data output unit 37 that applies the correction parameter to the 3D photoacoustic data and moves it by the correction parameter in the z direction to correct the distortion due to respiration. It includes a 3D photoacoustic correction data output unit 38.

여기서, 피부 프로파일 추출 및 보정부(35)에서의 피부 신호 감지는 B-scan 영상(x-z 영상)에서 수행되며, 각 B-scan 영상에서의 피부신호를 모아 3차원 피부 표면을 추출하여 이루어진다.Here, skin signal detection in the skin profile extraction and correction unit 35 is performed on B-scan images (x-z images), and is achieved by collecting skin signals in each B-scan image and extracting the three-dimensional skin surface.

도 4는 광음향 신호의 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 영상 결과를 나타낸 구성도이다.Figure 4 is a configuration diagram showing imaging results using ultrasound-based respiration correction of photoacoustic signals.

본 발명을 통해 보정된 3차원 데이터를 이용하여 이전에는 완벽하게 활용하지 못했던 3차원 데이터를 이용하여 3차원 광음향 영상 구현을 수행할 수 있으며, 다파장 광음향 데이터를 획득하여 산소포화도를 포함한 분자정보를 3차원으로 나타낼 수 있다.By using 3D data corrected through the present invention, it is possible to implement 3D photoacoustic images using 3D data that was not fully utilized before, and by acquiring multi-wavelength photoacoustic data, molecular information including oxygen saturation Information can be expressed in three dimensions.

도 5는 초음파 기반 광음향 신호의 호흡에 의한 왜곡 보정 과정을 나타낸 플로우 차트이다.Figure 5 is a flow chart showing the distortion correction process due to breathing of an ultrasound-based photoacoustic signal.

본 발명에 따른 초음파 기반 광음향 신호의 호흡에 의한 왜곡 보정 과정은 도 5에서와 같이, 먼저, 스캐닝을 수행하기 위한 영역을 설정하고(S501) 시작 위치로 영상 프로브(초음파 트랜스듀서)를 이동시킨다.(S502)As shown in FIG. 5, the process of correcting distortion of an ultrasound-based photoacoustic signal by breathing according to the present invention first sets an area for scanning (S501) and moves the image probe (ultrasonic transducer) to the starting position. .(S502)

그리고 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하기 위하여, 측정 대상체에 초음파를 인가하여 반사되는 초음파 신호를 수신하고(S503), 측정 대상체에 펄스 광원을 조사하여 열탄성팽창에 의해 발생되는 광음향(광초음파) 신호를 수신한다.(S504)In order to alternately measure ultrasonic signals and photoacoustic signals at each image position, ultrasonic waves are applied to the measurement object to receive reflected ultrasonic signals (S503), and a pulse light source is irradiated to the measurement object to generate thermoelastic expansion. Receive a photoacoustic (optoultrasonic) signal (S504)

이어, 다음 측정 위치로 영상 프로브를 이동한다.(S505)Next, move the imaging probe to the next measurement position (S505).

여기서, 이와 같은 측정은 프로브의 이동후 멈춰서 측정할 수도 있고(Stop and Go scanning), 연속으로 이동중에 데이터 획득을 수행할 수도 있다(Continuous scanning). Here, such measurement can be performed by stopping after moving the probe (Stop and Go scanning), or data acquisition can be performed while continuously moving (Continuous scanning).

이와 같은 과정을 반복하여 모든 영상 영역에 대해 데이터 획득을 수행하고(S506), 획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하여 호흡에 의한 왜곡을 보정한다.(S507)This process is repeated to acquire data for all image areas (S506), and the distortion caused by breathing is corrected by detecting skin signals using the acquired ultrasound data (S507).

그리고 초음파 데이터의 보정 정보를 이용하여 광음향 데이터의 호흡에 의한 왜곡을 보정한다.(S508)Then, the distortion caused by breathing in the photoacoustic data is corrected using the correction information of the ultrasound data (S508).

여기서, 피부 신호 감지는 B-scan 영상 (x-z 영상)에서 수행되며, 각 B-scan 영상에서의 피부신호를 모아 3차원 피부 표면을 추출할 수 있다. 추출된 피부 신호를 처리하여 왜곡을 보정한 뒤 보정된 피부와 기존 피부 신호 사이의 차이를 계산하여 보정 파라미터를 계산한다. 이를 3차원 초음파와 광음향 데이터에 적용하여 z방향으로 보정 파라미터만큼 이동시켜 호흡에 의한 왜곡을 보정한다.Here, skin signal detection is performed on B-scan images (x-z images), and the 3D skin surface can be extracted by collecting skin signals in each B-scan image. The extracted skin signal is processed to correct distortion, and then the correction parameter is calculated by calculating the difference between the corrected skin signal and the existing skin signal. This is applied to 3D ultrasound and photoacoustic data to correct distortion caused by breathing by moving the correction parameter in the z direction.

이어, 보정된 데이터를 3차원 영상으로 시각화하여 분석한다.(S509)Next, the corrected data is visualized and analyzed as a 3D image (S509).

보정된 3차원 데이터를 이용하여 각 평면에 투영한 MAP 영상을 얻을 수 있으며, 다파장 데이터를 획득하여 3차원 분자정보 매핑이 가능하다.MAP images projected onto each plane can be obtained using corrected 3D data, and 3D molecular information mapping is possible by acquiring multi-wavelength data.

도 6은 초음파 기반 호흡에 의한 왜곡 보정을 이용한 다파장 광음향 데이터 분석 과정을 나타낸 플로우 차트이다.Figure 6 is a flow chart showing the multi-wavelength photoacoustic data analysis process using distortion correction by ultrasound-based respiration.

초음파 기반 호흡에 의한 왜곡 보정을 이용한 다파장 광음향 데이터 분석 과정은 도 6에서와 같이, 먼저, 스캐닝을 수행하기 위한 영역을 설정하고(S601) 시작 위치로 영상 프로브(초음파 트랜스듀서)를 이동시킨다.(S602)As shown in Figure 6, the multi-wavelength photoacoustic data analysis process using distortion correction by ultrasound-based respiration first sets the area for scanning (S601) and moves the imaging probe (ultrasonic transducer) to the starting position. .(S602)

그리고 각 영상 위치에서 다파장 광음향 신호 획득을 위해 파장별로 광음향-초음파 영상을 획득하기 위하여, 측정 대상체에 초음파를 인가하여 반사되는 초음파 신호를 수신하고(S603), 측정 대상체에 펄스 광원을 조사하여 열탄성팽창에 의해 발생되는 광음향(광초음파) 신호를 수신한다.(S604)In order to obtain multi-wavelength photoacoustic signals at each image location and to acquire photoacoustic-ultrasonic images by wavelength, ultrasonic waves are applied to the measurement object to receive reflected ultrasonic signals (S603), and a pulse light source is irradiated to the measurement object. Then, the photoacoustic (optoultrasonic) signal generated by thermoelastic expansion is received (S604).

이어, 다음 측정 위치로 영상 프로브를 이동한다.(S605)Next, move the imaging probe to the next measurement position (S605).

이와 같은 과정을 반복하여 모든 영상 영역에 대해 데이터 획득이 이루어졌는지 판단하고(S606), 모든 파장에 대해 측정이 이루어졌는지 판단하여(S607), 측정이 완료되면 획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하여 호흡에 의한 왜곡을 보정한다.(S608)By repeating this process, it is determined whether data has been acquired for all image areas (S606), and whether measurements have been made for all wavelengths (S607). When the measurement is completed, the skin signal is obtained using the acquired ultrasound data. Detects and corrects distortion caused by breathing (S608)

그리고 초음파 데이터의 보정 정보를 이용하여 광음향 데이터의 호흡에 의한 왜곡을 보정한다.(S609)Then, the distortion caused by breathing in the photoacoustic data is corrected using the correction information of the ultrasound data (S609).

이어, 보정된 파장 데이터를 이용하여 각 Voxel에서 파장분석(Spectral unmixing)을 수행하여 각 분자정보를 획득한다.(S610)Next, spectral unmixing is performed on each voxel using the corrected wavelength data to obtain information on each molecule (S610).

이와 같이 다파장 광음향 신호 획득을 위해 파장별로 광음향-초음파 영상을 획득하기 위한 동작을 반복하고, 획득한 초음파 신호를 이용하여 피부 보정 알고리즘을 통해 호흡에 의한 왜곡을 보정한다. In this way, in order to acquire multi-wavelength photoacoustic signals, the operation to acquire photoacoustic-ultrasonic images for each wavelength is repeated, and distortion caused by breathing is corrected through a skin correction algorithm using the obtained ultrasonic signals.

한 파장에 대해 보정한 피부 위치를 기준으로 하여 나머지 파장에 대한 데이터를 보정하여, 모든 파장의 데이터가 3차원적으로 정렬되도록 한다. 보정된 파장 데이터를 이용하여 각 Voxel에서 파장분석(Spectral unmixing)을 수행하여 각 분자정보를 획득하고 이를 이용하여 산소포화도를 포함한 분자정보를 3차원으로 획득할 수 있다.Based on the skin position corrected for one wavelength, the data for the remaining wavelengths are corrected so that the data for all wavelengths are aligned three-dimensionally. Using the corrected wavelength data, wavelength analysis (spectral unmixing) is performed on each voxel to obtain each molecular information, and using this, molecular information including oxygen saturation can be obtained in three dimensions.

도 7은 종래 기술 및 본 발명에 따른 산소포화도(분자정보) 분포 영상화 방법 비교 구성도이다.Figure 7 is a comparative configuration diagram of the oxygen saturation (molecular information) distribution imaging method according to the prior art and the present invention.

이와 같이 본 발명은 초음파 신호를 이용하여 소동물의 피부 표면의 위치를 추출하고, 이를 바탕으로 호흡에 따른 왜곡을 보정할 수 있다. 초음파 데이터에서 획득한 각 측정 위치에서 보정 파라미터를 광음향 데이터에 적용하여 보정된 3차원 광음향 데이터를 얻을 수 있다. 이를 통해 이전에 분석하기 어려웠던 광음향 신호의 깊이 정보를 얻을 수 있으며, 피부로부터 같은 깊이 영역에 있는 생체 조직의 광음향 신호 분포를 분석할 수 있다. In this way, the present invention can extract the location of the skin surface of a small animal using ultrasonic signals and correct distortion due to breathing based on this. Correction parameters can be applied to the photoacoustic data at each measurement location obtained from ultrasound data to obtain corrected 3D photoacoustic data. Through this, it is possible to obtain depth information of photoacoustic signals that were previously difficult to analyze, and to analyze the distribution of photoacoustic signals in biological tissues in the same depth area from the skin.

이전에는 z-방향으로 왜곡된 신호를 숨기기 위해 x-y평면으로 최대 신호를 투영시키는 Maximum Intensity Projection (MAP) 방식 등의 투영을 사용했지만, 본 발명을 통한 호흡 보정을 통해 3차원 데이터를 그대로 렌더링 하여 3차원 영상 구현이 가능해지고, 이를 통해 깊이 방향으로의 분석이 가능하다.Previously, projections such as the Maximum Intensity Projection (MAP) method, which projects the maximum signal to the x-y plane, were used to hide signals distorted in the z-direction, but through breathing correction through the present invention, 3D data is rendered as is. It becomes possible to implement 3D images, which allows analysis in the depth direction.

또한, 다중 파장 데이터를 이용하여 3차원 산소포화도를 포함한 분자영상정보를 획득하고 그 분포를 이미지로 표현할 수 있다. In addition, using multi-wavelength data, molecular image information including 3D oxygen saturation can be obtained and the distribution can be expressed as an image.

이전에는 각 파장별로 x-y 평면에 투영된 MAP 영상을 이용한 파장 분석을 수행했기 때문에 pixel별 z-방향의 정보가 누락되었고 정확한 분석이 불가능했다.Previously, wavelength analysis was performed using MAP images projected on the x-y plane for each wavelength, so z-direction information for each pixel was missing and accurate analysis was impossible.

하지만 본 발명을 통해 호흡이 보정된 데이터를 이용할 경우 3차원 데이터에서 voxel별로 파장 분석을 수행하여 3차원 분자정보 분포를 획득 할 수 있다. However, when using respiration-corrected data through the present invention, it is possible to obtain 3D molecular information distribution by performing wavelength analysis for each voxel in 3D data.

도 7에서와 같이 3차원 분자정보 분포를 얻을 수 있어 약물전달 모니터링, 생체내 분자 분포, 3차원 산소포화도 영상 등 다양한 소동물 연구에 효율적으로 사용될 수 있다.As shown in Figure 7, 3D molecular information distribution can be obtained, so it can be efficiently used in various small animal studies such as drug delivery monitoring, in vivo molecular distribution, and 3D oxygen saturation imaging.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치 및 방법은 호흡에 따른 피부 표면의 왜곡을 초음파 신호를 통해 감지하고 이를 이용하여 호흡에 의한 신호 왜곡을 보정하여 광음향 영상 구현 성능을 높일 수 있도록 한 것이다.The device and method for implementing 3D photoacoustic images using ultrasound-based respiration correction according to the present invention described above detects distortion of the skin surface due to respiration through ultrasonic signals and uses this to correct signal distortion due to respiration. This is to improve the performance of photoacoustic imaging.

이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, it will be understood that the present invention is implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention.

그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.Therefore, the specified embodiments should be considered from an illustrative rather than a limiting point of view, the scope of the present invention is indicated in the claims rather than the foregoing description, and all differences within the equivalent scope are intended to be included in the present invention. It will have to be interpreted.

100. 광음향-초음파 영상 장치
200. 신호 왜곡 보정부
300. 데이터 분석부
100. Photoacoustic-ultrasound imaging device
200. Signal distortion correction unit
300. Data Analysis Department

Claims (11)

설정된 스캐닝 영역의 시작 위치로 영상 프로브를 위치시키고, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하고, 다음 위치로 영상 프로브를 이동하여 모든 영상 영역에 대해 데이터 획득을 수행하는 광음향-초음파 영상 장치;
획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하여 왜곡을 보정한 뒤 보정된 피부 신호와 이전 피부 신호 사이의 차이를 계산하여 보정 파라미터를 산출하고, 이를 3차원 초음파와 광음향 데이터에 적용하여 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 신호 왜곡 보정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치.
Photoacoustic-ultrasound, which positions the imaging probe to the starting position of a set scanning area, alternately measures ultrasound and photoacoustic signals at each imaging location, and moves the imaging probe to the next location to perform data acquisition for all imaging areas. imaging device;
Using the acquired ultrasound data, the skin signal is detected and the distortion is corrected, then the difference between the corrected skin signal and the previous skin signal is calculated to calculate the correction parameter, and this is applied to the 3D ultrasound and photoacoustic data to determine respiration. A device for implementing a three-dimensional photoacoustic image using ultrasound-based respiration correction, comprising a signal distortion correction unit for correcting distortion caused by a signal.
제 1 항에 있어서, 신호 왜곡 보정부에서 보정된 3차원 데이터를 이용하여 각 평면에 투영한 MAP 영상을 얻고, 다파장 데이터를 획득하여 3차원 분자정보 매핑이 가능하도록 하는 데이터 분석부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치.The method of claim 1, further comprising a data analysis unit that obtains a MAP image projected onto each plane using the 3D data corrected in the signal distortion correction unit and acquires multi-wavelength data to enable 3D molecular information mapping. A device for implementing 3D photoacoustic images using ultrasound-based respiration correction, characterized in that. 제 1 항에 있어서, 신호 왜곡 보정부에서,
보정 파라미터를 산출하고, 이를 3차원 초음파와 광음향 데이터에 적용하여 z방향으로 보정 파라미터만큼 이동시켜 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 것을 특징으로 하는 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치.
The method of claim 1, wherein in the signal distortion correction unit,
For the implementation of 3D photoacoustic images using ultrasound-based respiration correction, which is characterized by calculating correction parameters, applying them to 3D ultrasound and photoacoustic data, and correcting distortion caused by breathing by moving the correction parameter in the z direction. Device.
제 1 항에 있어서, 광음향-초음파 영상 장치는,
스캐닝을 수행하기 위한 영역을 설정하는 스캔 영역 설정부와,
시작 위치로 영상 프로브를 위치시키고, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정이 이루어지면 다음 위치로 영상 프로브의 이동을 제어하는 프로브 이동 제어부와,
각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하기 위하여 초음파 인가 및 수신을 하는 초음파 인가 및 수신부와,
각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하기 위하여 펄스 광원 조사 및 광음향 신호 수신을 하는 펄스 광원 조사 및 광음향 신호 수신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치.
The photoacoustic-ultrasound imaging device of claim 1,
A scan area setting unit that sets an area for scanning,
a probe movement control unit that positions the imaging probe at the starting position and controls movement of the imaging probe to the next position when ultrasound signals and photoacoustic signals are alternately measured at each imaging position;
An ultrasonic transmitting and receiving unit that applies and receives ultrasonic waves to alternately measure ultrasonic signals and photoacoustic signals at each image location;
3D photoacoustics using ultrasound-based respiration compensation, comprising a pulse light source irradiation and photoacoustic signal receiver for alternately measuring ultrasound signals and photoacoustic signals at each image location. A device for realizing images.
제 4 항에 있어서, 프로브 이동 제어부는,
각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하는 동작에서 프로브의 이동후 멈춰서 측정하거나(Stop and Go scanning), 연속으로 이동중에 데이터 획득(Continuous scanning)을 수행할 수 있도록 프로브 이동을 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치.
The method of claim 4, wherein the probe movement control unit,
In the operation of alternately measuring ultrasonic signals and photoacoustic signals at each image location, the probe movement can be controlled to stop and measure after moving the probe (Stop and Go scanning) or to perform data acquisition while continuously moving (Continuous scanning). A device for realizing 3D photoacoustic imaging using ultrasound-based breathing correction.
제 1 항에 있어서, 신호 왜곡 보정부는,
모든 영상 영역에 대해 데이터 획득을 수행하면 획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하고, 추출된 피부 신호를 처리하여 왜곡을 보정하는 피부 프로파일 추출 및 보정부와,
보정된 피부 신호와 이전 피부 신호 사이의 차이를 계산하여 보정 파라미터를 산출하는 보정 파라미터 추출부와,
보정 파라미터를 3차원 초음파 데이터에 적용하여 z방향으로 보정 파라미터만큼 이동시켜 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 3차원 초음파 보정 데이터 출력부와,
보정 파라미터를 3차원 광음향 데이터에 적용하여 z방향으로 보정 파라미터만큼 이동시켜 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 3차원 광음향 보정 데이터 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치.
The method of claim 1, wherein the signal distortion correction unit,
When data acquisition is performed for all image areas, a skin profile extraction and correction unit detects skin signals using the acquired ultrasound data and processes the extracted skin signals to correct distortion;
a correction parameter extraction unit that calculates a correction parameter by calculating the difference between the corrected skin signal and the previous skin signal;
A 3D ultrasound correction data output unit that corrects distortion caused by breathing by applying a correction parameter to the 3D ultrasound data and moving it by the correction parameter in the z direction;
3D photoacoustics using ultrasound-based respiration correction, comprising a 3D photoacoustic correction data output unit that corrects distortion caused by breathing by applying correction parameters to 3D photoacoustic data and moving them by the correction parameter in the z direction. A device for realizing images.
제 6 항에 있어서, 피부 프로파일 추출 및 보정부에서의 피부 신호 감지는,
B-scan 영상(x-z 영상)에서 수행되며, 각 B-scan 영상에서의 피부신호를 모아 3차원 피부 표면을 추출하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치.
The method of claim 6, wherein the skin signal detection in the skin profile extraction and correction unit is performed by:
A device for implementing 3D photoacoustic images using ultrasound-based respiration correction, which is performed on B-scan images (xz images) and extracts 3D skin surfaces by collecting skin signals from each B-scan image. .
설정된 스캐닝 영역의 시작 위치로 영상 프로브를 위치시키고, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하고, 다음 위치로 영상 프로브를 이동하여 모든 영상 영역에 대해 데이터 획득을 수행하는 광음향-초음파 데이터 획득 단계;
획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하여 왜곡을 보정한 뒤 보정된 피부 신호와 이전 피부 신호 사이의 차이를 계산하여 보정 파라미터를 산출하고, 이를 3차원 초음파와 광음향 데이터에 적용하여 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 신호 왜곡 보정 단계;
보정된 데이터를 3차원 영상으로 시각화하여 분석하는 데이터 분석 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 방법.
Photoacoustic-ultrasound, which positions the imaging probe to the starting position of a set scanning area, alternately measures ultrasound and photoacoustic signals at each imaging location, and moves the imaging probe to the next location to perform data acquisition for all imaging areas. data acquisition step;
Using the acquired ultrasound data, the skin signal is detected and the distortion is corrected, then the difference between the corrected skin signal and the previous skin signal is calculated to calculate the correction parameter, and this is applied to the 3D ultrasound and photoacoustic data to determine respiration. A signal distortion correction step of correcting distortion caused by;
A method for implementing a 3D photoacoustic image using ultrasound-based respiration correction, comprising a data analysis step of visualizing and analyzing the corrected data as a 3D image.
제 8 항에 있어서, 신호 왜곡 보정 단계에서,
보정 파라미터를 산출하고, 이를 3차원 초음파와 광음향 데이터에 적용하여 z방향으로 보정 파라미터만큼 이동시켜 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 것을 특징으로 하는 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 방법.
The method of claim 8, wherein in the signal distortion correction step,
For the implementation of 3D photoacoustic images using ultrasound-based respiration correction, which is characterized by calculating correction parameters, applying them to 3D ultrasound and photoacoustic data, and correcting distortion caused by breathing by moving the correction parameter in the z direction. method.
제 8 항에 있어서, 광음향-초음파 데이터 획득 단계에서,
각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하는 동작에서 프로브의 이동후 멈춰서 측정하거나(Stop and Go scanning), 연속으로 이동중에 데이터 획득(Continuous scanning)을 수행할 수 있도록 프로브 이동을 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 방법.
The method of claim 8, wherein in the photoacoustic-ultrasound data acquisition step,
In the operation of alternately measuring ultrasonic signals and photoacoustic signals at each image location, the probe movement can be controlled to stop and measure after moving the probe (Stop and Go scanning) or to perform data acquisition while moving continuously (Continuous scanning). Method for implementing 3D photoacoustic images using ultrasound-based respiration correction.
스캐닝을 수행하기 위한 영역을 설정하고 시작 위치로 영상 프로브를 이동시키는 단계;
각 영상 위치에서 다파장 광음향 신호 획득을 위해 파장별로 광음향-초음파 영상을 획득하기 위하여, 측정 대상체에 초음파를 인가하여 반사되는 초음파 신호를 수신하고, 측정 대상체에 펄스 광원을 조사하여 열탄성팽창에 의해 발생되는 광음향 신호를 수신하는 단계;
다음 측정 위치로 영상 프로브를 이동하여, 모든 영상 영역에 대해 데이터 획득이 이루어졌는지 판단하고, 모든 파장에 대해 측정이 이루어졌는지 판단하여, 측정이 완료되면 획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하여 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 단게;
초음파 데이터의 보정 정보를 이용하여 광음향 데이터의 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 단계;
보정된 파장 데이터를 이용하여 각 Voxel에서 파장분석(Spectral unmixing)을 수행하여 각 분자정보를 획득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 방법.
Setting an area to perform scanning and moving the imaging probe to the starting position;
In order to acquire multi-wavelength photoacoustic signals at each image location, in order to acquire photoacoustic-ultrasonic images by wavelength, ultrasonic waves are applied to the measurement object to receive reflected ultrasonic signals, and a pulse light source is irradiated to the measurement object to cause thermoelastic expansion. Receiving a photoacoustic signal generated by;
Move the imaging probe to the next measurement position, determine whether data has been acquired for all image areas, determine whether measurements have been made for all wavelengths, and when measurement is completed, use the acquired ultrasound data to detect skin signals. A step to correct distortion caused by breathing;
Correcting distortion caused by respiration of photoacoustic data using correction information of ultrasound data;
A method for implementing three-dimensional photoacoustic images using ultrasound-based respiration correction, comprising the step of performing wavelength analysis (spectral unmixing) on each voxel using the corrected wavelength data to obtain each molecular information.
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