KR880000895B1 - 샘플링-지연에 의한 초음파 영상 신호의 집속 방법 - Google Patents

샘플링-지연에 의한 초음파 영상 신호의 집속 방법 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

샘플링-지연에 의한 초음파 영상 신호의 집속 방법
제1도는 격자형 변환기의 집속 방법을 도시한 계통도.
제2도는 격자형 변환기의 동적 집속 방법을 도시한 계통도.
제3도는 동적 집속시 해상도의 변화를 도시한 도면.
제4도는 초음파 단층 영상 획득 과정을 도시한 도면.
제5도는 종래의 L/C 지연선로에 의한 집속 방법을 도시한 계통도.
제6도는 종래의 지연-가산-샘플링에 의한 집속 방법을 도시한 계통도.
제7도는 본 발명의 제1실시예를 도시한 계통도.
제8도는 본 발명의 제1실시예의 샘플링 제어 신호를 도시한 도면.
제9도는 본 발명의 제1실시예의 샘플링 제어 신호의 발생 방식을 도시한 계통도.
제10도는 종래의 방법과 본 발명에 의한 방법의 해상도 차이를 도시한 도면.
제11도는 본 발명의 제2실시예를 도시한 계통도.
제12도는 초음파 신호의 스펙트럼을 도시한 도면.
제13도는 본 발명의 제3실시예를 도시한 계통도.
제14도는 본 발명의 이차항 샘플링 방법을 도시한 도면.
본 발명은 초음파 영상 장치(ultrasound imaging system)에 있어서 초음파 신호의 집속(focusing)방법에 관한 것으로서, 특히 대상체로부터 수신되는 초음파 신호의 집속 방법에 관한 것이다.
격자형 변환기(array transducer)를 사용한 초음파 영상 장치는 의료 진단용, 비파괴검사 및 수중 탐색(sonar)등에 널리 사용되고 있다. 이러한 초음파 영상 장치의 가장 큰 문제점은 분해능(resolution)에 있다.
이를 개선하기 위하여 여러가지 집속 방법이 개발되어 왔으나, 현재까지도 여러가지 문제점을 내포하고 있다.
제1도에 도시한 바와 같이, 대상체 내의 어느 한 점에서 반사되어 오는 신호는 격자형의 변환 소자(예 : PZT)의 위치에 따라 거리가 다르므로, 초음파 신호가 대상체로 부터 각각의 변횐 소자에 도달되는 시간은 차이가 있다. 즉, 중심부의 0번째 변환 소자는 2번째의 변환 소자 보다도 대상체 내의 한 점(P)에서 반사되어 오는 신호 통로의 길이가 짧기 때문에, 0번째의 변환 소자에 도달되는 신호는 2번째의 변환 소자에 도달되는 신호보다 빠르게 도달하게 된다. 수신시, 초음파 신호를 집속하려면, 이 빠른 시간만큼 신호를 지연시켜 0번째 및 2번째 변환 소자에 초음파 신호가 도달되는 시간이 실질적으로 같게 하여 주어야 한다. 따라서, N개의 변환 소자가 직선상으로 배열된 격자형 초음파 변환기의 경우에, 대상체내의 어느 한 점에서 반사되는 초음파 신호는 각 소자마다 도달되는 시간이 다르게 되므로 (대칭 배치일 때는
Figure kpo00001
신호만 다름), 그 차이가 나는 만큼 각 소자마다 다른 지연 시간을 인가함으로써 실질적으로 초음파 신호의 도달 시간이 같게 되도록 하여 수신시에 초음파 신호의 집속을 달성한다. 전술한 경우는 대상체로부터 변환 소자에 도달되는 시간을 보상하는 수신 접속의 경우이지만, 변환 소자로부터 대상체까지 도달되는 시간이 같아지게 하는 송신 집속의 경우도 있다. 그러나, 현재 추세는 동적 집속(dynamic focusing)를 하기 위해서 수신 집속이 중요시 되고 있기 때문에, 본 발명은 수신 집속의 경우에 관점을 둔 것이다.
전술한 동적 집속이란, 제2도에 도시한 바와 같이, 집속 점(1 및 2)의 위치가 변경되는 경우에도 각 변환 소자까지의 수신 신호 통로의 길이가 다르게 되어 접속점(1 및 2)에서 각 변환 소자에 도달되는 시간이 다르게 될 뿐만 아니라, 각 소자에 도달되는 시간 지연률도 선형적으로 변하지 않기 때문에 집속점의 위치가 변경될 때마다 집속점의 위치에 대응하여 수신시 지연 시잔을 동적으로 바꾸어서, 즉 동적 지연을 시켜서, 실질적으로 신호의 도달 시간이 같도록 보상하여 줌으로써 집속을 행하는 것을 말한다.
더욱 구체적으로 설명하면, 동적 지연을 위한 지연 시간 td(i, n)은 변환 소자의 배열 위치 순서를 n이라 하고 변환 소자의 중심부에서 대상체까지의 깊이를 Zi(이하, 깊이라 한다)라 하였을 때, 아래와 같이 나타낼 수 있다.
Figure kpo00002
(1)
단, d는 변환 소자간의 간격, C는 초음파의 진행 속도로서 물의 경우 약 1540m/sec임.
이때, td(in)은 상기 (1)식에서 알 수 있는 바와 같이 깊이 Zi의 변화에 대하여 선형적으로 변하지 않는다. 따라서, 접속점이 변경될 때마다, 대상체 내의 어느 한 접속점으로부터 수신된 초음파 신호는, 각 변환 소자에서 전기 신호로 변환된 후, 상기(1)식의 집속 지연 시간이 인가되어 대상체에서 각 변환 소자까지 도달되는 시간이 같아지도록 보상해줌으로써 동적으로 집속된다.
이때, 집속된 신호는 신호 처리 장치를 거쳐 화면에 시간축에 대한 밝기의 정도를 나타내게 되는데, 제4도에 도시한 바와 같이, 이와 같은 과정을 X축에 대하여 반복하면 대상체의 단면이 얻어진다. 이러한 동적 집속은 집속점 수를 증가시킬수록 초음파 영상 장치의 해상도가 훨씬 균일하고 상세하게 한다. 제3도에서는, 집속점이 2개인 경우가 1개인 경우보다 깊이에 따라서 해상도가 훨씬 균일하고 상세하다는 것을 이해할 수 있다.
초음파 신호를 집속하는 종래의 방법중 가장 오래되고 널리 사용되고 있는 방법은 L/C지연 선로를 사용하는 방법이다. 초음파 영상 장치에서 사용되고 있는 L/C지연 선로는, 제5도에 도시한 바와 같이, N개의 변환 소자로 구성된 격자형 변환기의 출력단에 소정의 탭(tap)이 있는 N개의 L/C지연 선로를 각각 접속하고, N개의 지연선들의 일단을 아나로그 먹스(anaiog mux)에 접속시켜서 집속점의 위치에 대응하여 아나로그 지연 선로의 탭을 바꾸어 줌으로써, 소요되는 신호 지연을 발생시키고, 이들의 각 신호를 가산하여 동적 집속이 이루어지도록 구성되어 있다. 그러나, L/C지연 선로는 회로의 부피가 크고 복잡해 진다는 단점 이외에도 임피던스 부정합(impedance mismatching)에 의한 신호의 반사로 인한 다이나믹레인지의 저하, 불균일한 감쇄 특성에 의한 소자간의 신호 차이 등이 문제로 되고 있으며, 특히 동적 접속시 발생하는 스위칭 잡음 때문에 동적 집속점의 숫자가 제한되어 그 만큼 해상도가 불량하다.
또한 BBD(Bucket Brigade Device) 혹은 CCD(Charge-Coupled Device)등의 반도체 아나로그 지연 소자를 사용한 집속 방법도 공지되어 있으나, 이것들은 내부 구조상 암전류(dark current)가 흐르게 되며, 최대전류/암전류의 비로 결정되는 다이나믹 레인지의 크기는 초음파 영상 장치에서 요구되는 약 100dB보다 훨씬 작은 약 40dB정도 밖에 되지 못하여 다이나믹 레인지가 작고, 또한 대역폭 및 신호 대 잡음비 등도 만족스럽지 못하기 때문에 상용화되지 못하고 있다.
또한, 시간 지연 대신에 위상 지연을 채용한 집속 방법도 공지되어 있으나, 위상 지연 자체가 중심 주파수에 대한 시간 지연이므로, 현재의 광대역 초음파 신호에 대하여 집속이 완만하게 이루어지는 결점을 가지고 있다.
최근에는 위상 지연과 포락선 지연(envelope delay)을 각각 따로 처리한 방법에 의하여 지연 소자를 수배 줄이는 집속 방법도 공지되어 있으나, 이는 부수되는 위상 지연 회로의 복잡도가 상당하며, 역시 아나로그 지연 선로가 요구된다는 점에서 전술한 여러 가지 문제점을 아직도 해결하지 못하고 있다.
본 발명의 목적은 초음파 영상 장치에서 전술한 종래 기술의 단점을 해결하기 위한 것으로, 종래의 집속 방법에서 근본적인 결함의 원인이 되었던 아나로그 지연 소자를 없애고, 연속적인 동적 집속을 행할 수 있을 뿐만 아니라 분해능력이 뛰어나고 그 구성이 간단한 새로운 집속방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이러한 목적은 초음파 영상 신호를 집속하는 방법에 있어서, 대상체에서 반사되어 오는 초음파 신호를 N개의 변환 소자로 형성된 격자형 변환기에서 전기적 신호로 변환하는 단계와, 대상체의 깊이와 변환 소자의 배열 위치에 기인하여 발생되는 각 변환 소자에 도달되는 초음파 신호의 지연 시간의 차이를 샘플링-지연의 수단에 의하여 보상하는 단계를 포함하여, 수신시에 초음파 신호의 연속적인 동적 집속을 행하게 되는 것을 특징으로 하는 본 발명의 방법에 의하여 달성될 수 있다.
각 변환 소자에 도달되는 초음파 신호의 지연 시간의 차이를 샘플링-지연의 수단에 의하여 보상하는 단계는, N개의 변환 소자에서 변환된 전기적 신호가 동일 위상에서 샘플링 될 수 있도록 집속위치 및 변환 소자의 배열 위치에 대웅하여 샘플링 시간을 지연하여 샘플-홀드하는 단계와, 각 샘플된 신호를 최대 지연 시간보다 긴 샘플링 주기마다 신호 샘플하는 단계를 포함함으로써 달성될 수 있다.
또한 바람직하기로는 전술한 샘플링-지연의 수단에 의하여 초음파 신호의 지연 시간의 차이를 보상하는 단계는, N개의 변환 소자에서 변환된 전기적 신호를 각각의 변환 소자에 대하여 각각 2개씩 접속된 승산기에 의하여 중심 주파수를 가지는 정현파와 여현파의 신호를 승산하는 단계와, 이들의 신호를 각각 승산기에 접속된 저주파 필터를 통하여 정 위상의 포락선 신호 성분과 90°위상의 포락선 신호 성분을 추출하는 단계와, 이들 포락선 신호를 집속점의 위치(깊이) 및 변환 소자의 배열 위치에 대응하여 샘플-홀드하는 단계와, 대역 주파수인 B 샘플링/초의 샘플링 주기로 상기 신호들을 각각 가산하여 정위상 및 90°위상의 신호를 집속하는 단계와, 이들 가산된 신호로부터 포락선 신호를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명의 다른 방법에 의하여 달성될 수 있다.
또한, 더욱 양호하게도, 전술한 샘플링-지연의 수단에 의하여 초음파 신호의 지연 시간의 차이를 보상하는 단계는, N개의 변환 소자에서 변환된 각각의 전기적 신호를 집속점의 위치(깊이) 및 변환 소자의 배열 위치에 대응하여 샘플링 제어 신호로 제1샘플 및 홀드 어레이에서 샘플-홀드하는 단계와, 상기 신호에 대하여 각각 α시간 만큼 지연시켜 제2샘플 및 홀드 어레이에서 샘플-홀드하는 단계와, 제1샘플 및 홀드 어레이 및 제2샘플 및 홀드 어레이에 홀드된 신호에 대하여 서로 α시간 만큼 시간 지연을 두어 각각 대역폭 주파수 B를 샘플링 주기로 하여 가산하는 단계와, 이 가산된 신호로 부터 포락선 신호를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명의 또 다른 방법에 의하여 달성될 수도 있다.
이하, 별첨 도면을 참조하여 본 발명의 방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
제6도에 도시한 바와 같이, 종래의 초음파 신호의 집속 방법은 신호의 지연-가산-샘플링 과정을 거치고 있다. 이 과정은 다음의 식으로 표현할 수 있다.
Figure kpo00003
단, Xn[·]은 n번째 변환 소자에서 수신된 신호,
Figure kpo00004
(iT)는 iT시점에서의 샘플링 신호, T는 신호의 샘플링 주기, td(i, n)은 식(1)로 표현되는 지연 시간.
상기 (2)식은 선형 처리(linear process)이므로 시간 지연항을 샘플링 신호의 지연항으로 변환할 수 있다. 즉,
Figure kpo00005
으로 바꿀 수 있다.
단, (2)식과 (3)식이 같아지기 위한 조건은,
T>Max[td(i, n)]또는 F.Max[td(i, n)]<1…(4)
단, F=1/T
Max[td(i, n)]은 신호의 최대 지연 시간이다.
상기 (2)식과 (3)식을 검토하여 보면, (2)식은 대상체내의 어느 한 점(집속점)에서 개개의 변환소자까지의 신호의 도달 시각이 동일하게 되도록 대상체의 깊이 i 및 소자의 배열 위치 n에 대응하여 각 변환소자에서 변환된 신호를 지연시켜 이들 모두를 가산하여 일정 샘플링 주기로 샘플링 한 것을 나타내고 있으며, (3)식은 대상체 내의 어느 한 점(집속점)에서 개개의 변환소자까지의 신호의 도달 시각이 동일하게 되도록 대상체의 깊이 i 및 소자의 배열 위치 n에 대응하여 각 변환소자에서 변환된 신호에 대하여 샘플링 시각을 지연시켜 일정 주기로 샘플링한 신호를 가산한 것을 나타내고 있다. 즉, (2)식은 신호를 지연시킨 것임에 반하여, (3)식은 샘플링 시각을 지연시킨 것으로서, (2)식과 (3)식이 같아지기 위한 조건만 만족된다면 종래 기술의 지연-가산-신호 샘플링 과정이 집속 샘플링-지연-가산-신호 샘플링의 과정으로 대체되는 것을 의미하므로, 이에 따라 종래 기술에서 문제가 되어 왔던 아나로그 지연 회로가 샘플링 신호의 지연으로 대체될 수 있는데, 이 샘플링 신호의 지연은 후술하는 IC기술에 의하여 간단히 실현될 수 있다.
제7도는 본 발명에 의한 초음파 신호 집속 방법의 제1실시예로서 대상체 내의 집속점(P)로 부터 초음파 신호가 반사되어 격자형 변환기의 개개의 변환 소자 S2, S1, S0, S-1, S-2에 각각 입사된다. 이 입사된 초음파 신호는 변환 소자들의 배열 위치에 따라서 집속점(P)에서 개개의 변환 소자까지의 거리가 다르므로, 도시된 바와 같이 집속점(P)에서반사된신호는 제일 먼저 거리가 짧은 변환소자 S0에 도달하게 되고 다음은 변환 소자 S1및 S-1, S2및 S-2에 각각 도달하게 된다(변환 소자S2, S1과 S-1, S2가 S0을 중심으로 각각 대칭으로 배열되어 있다면, 변환소자 S1과 S-1, S2와 S-2에 신호가 도달되는 시간은 각각 동일하다). 이때 초음파 신호는 개개의 변환 소자 S-2, S-1, S0, S1및 S2에서 전기 신호로 변환된다. 각 변환 소자에서 변환된 전지 신호는 각 변환 소자에 도달하는 순서에 따라 신호의 위상이 빠르게 된다. 상기 신호들은 채널 Ch2, Ch1, Ch0, Ch-1, Ch-2를 통하여 샘플 및 홀드 회로의 입력단에 입력되고, 입력된 신호들은 동일 위상에서 샘플링되도록, 즉 등가적으로 집속점 (P)에서 각 변환 소자에 도달되는 시각이 동일하게 되도록, 제8도에 도시된 바와 같은 샘플링 제어신호 발생기로 부터의 샘플링 제어 신호에 의하여 채널 Ch0을 통하여 입력된 신호는 제일 먼저 집속 샘플링되어 홀드되고, 채널 Ch1및 Ch-1을 통하여 입력된 신호는 소정의 시간차를 두어 집속 샘플-홀드되며, 나머지 신호들도 소정 시간차를 두어 집속 샘플링된 후, 이 신호들은 가산기에서 가산되어 집속점(1)에서 반사되어 온 신호의 집속을 행한 후에 최대의 지연 시간 보다 긴 일정 간격의 샘플링 주기로 신호 샘플된다.
그 후에 다시 집속점을 변경하여 이상의 과정을 반복하면, 대상체 내의 동적 집속이 이루어진다. 집속 샘플링할 때의 각 채널간의 소정의 시간차는 전술한 (1)식으로 표시되는 지연 시간 td(i, n)에 의하여 각각의 동적 집속점의 깊이 i 및 소자의 배열 위치 n에 대응하여 결정된다. 특히 주의하여야 할 점은 전술한 바와 같이 (2)식으로 표시되는 신호 f(iT)와 (3)식으로 표시되는 f'(iT)가 같아지도록 샘플링 주기 T를 최대 지연 시간 Max[td(i, n)]보다 크게 하여 주어야 한다는 것이다(제8도 참조).
만일, 샘플링 주기 T가 최대 지연 시간 Max[td(i, n)]보다 작을 경우에는 각 채널에서 입력되는 신호가 전부 가산되지 못할 뿐만 아니라, 연속 동적 집속시 다른 집속점의 신호가 그 다음의 집속점의 신호에 가산되고, 이것이 계속 중복이 됨으로써 잡음원으로 되어 동적 집속이 불가능하게 된다.
제8도에 도시된 상술한 샘플링 제어 신호의 발생 방식을, 제어신호 발생기의 일예를 도시한 제9도를 참조하여 구체적으로 설명하면 아래와 같다.
동적 집속을 행할 수 있도록 변환 소자의 배열 순서 n 및 집속점의 깊이 i에 대응하여 N개의 변환 소자에 대한 소정의 지연 시간 td(i, n)을 각각 ROM에 기억시킨다. 지연 시간 값은 ROM용량이 축소될 수 있도록 비트-엔코드(bit-encode)된 형태로 저장된 후 각각의 변환 소자마다 하나씩 할당된 카운터에 의해 각기 다른 샘플링 제어 신호를 발생시키며, 전술한 바와 같이, 이 샘플링 제어신호가 샘플 및 홀드회로에 제어 신호로 된다. 또한, 샘플 및 홀드회로는 현재 집적 회로 기술의 발전에 따라 전체 회로를 하나로 집적화할 수 있으며, 특히 스윗치캐패시터 필터(switched capacitor filter)의 기술에 의하여 용이하게 실현된다. 따라서, 본 발명의 제1실시예는 종래 기술에서 문제가 되어 왔던 아나로그 지연 소자가 샘플 및 홀드회로로 대체되어, 동적 집속 회로인 샘플링 제어 회로나 샘플 및 홀드회로 등이 디지탈 방법에 의하여 실현되므로, 집속 회로가 아주 단순하고 집적 회로화가 가능할 뿐 아니라, 동적 집속을 행하기 위한 신호의 제어도 신속하고 정확하기 때문에, 종래에는 거의 불가능하였던 연속적인 동적 집속이 이루어지게 되어 그 해상도가 아주 뛰어나게 된다.
제10도는 종래의 방법(a)과 본 발명에 의한 방법(b)의 해상도의 차이를 비교한 것으로서, 본 발명에 의한 방법은 해상도가 전체 깊이 i에 걸쳐 균일하고 아주 상세하게된다.
제2실시예는 제11도에 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예는 (4)식에 의하여 제약을 받게 된다. 따라서, 제2실시예는 샘플링-지연에 의한 집속 방법을 주기가 극히 작아야 하는 의료용 초음파 진단 장치 등에도 작용하기 위한 것으로서, 이하 도면은 참조하여 설명한다.
널리 알려진 바와 같이, 나이퀴스트 샘플링 주파수는 신호의 최대 주파수로 주어진다. 초음파 신호는 제12도에 도시된 바와 같이 중심 주파수 fo와 대역폭 B를 갖는 대역통과 신호(band pass signal)로 주어진다. 상기 나이퀴스트 주파수는 2(fo+B/2)가 되며, 예를 들어, fo=2.25 MHz, B=1 MHz의 초음파 진단기의 경우에는 5.5 MHz또는 180ns가 된다. 그런데, 초음파 진단기의 집속을 행하는 데 소요되는 최대 지연 시간은 400ns 정도 요구되기 때문에, 전술한 (4)식의 조건을 만족시킬 수가 없다. 그러나, 1959년 발행(미합중국) "Proceeding of IRE"에 기재된 디. 에이. 린든(D.A. Linden)의 "샘플링 이론의 검토(A discussion fo sampling theorem)"에 의하여, 대역통과 신호는 이론적으로 B의 주파수로만 샘플링하면 된다는 사실이 공지되어 있다. 이 논문에서는, 정수 대역법(Integer Band Method), 해석함수법(Analylic Method), 사분면법(Quadrature Method), 이차항법(Second Order Method)의 방법이 기술되어 있으나 초음파 신호 처리에 있어서, 처음의 두 가지 방법은 불합리하다. 왜냐하면, 정수대역법은 대역폭과 중심주파수가 정수배로 되어야 한다는 제약이 있고, 해석함수법은 광대역에 걸친 힐버트(HILBERT Transform)을 하기가 힘들기 때문이다.
사분면법은 초음파 신호응 정위상(in-phase)과 90°위상(Quadrature-phase)의 두 성분으로 분리하여 샘플링하는 방법이며, 초음파 신호는 다음의 (5)식으로 표현된다.
f(t)=A(t)cos(ω0t+ψ)
=A(t)cosψcos ω0t-A(t)sinψsin ω0t
=Ai(t)cos ω0t-Aq(t)sin ω0t……(5)
단, A(t)는 포락선 신호(envelope signal), Ai(t)는 A(t) cosψ로서, 정위상의 포락선 신호 성분, Aq(t)는 A(t) sinψ로서, 90°위상의 포락선 신호 성분.
Ai(t)와 Aq(t)는 각각 B의 대역폭을 갖는 저역 신호이므로, 각각 B샘플링/초의 주파수로 샘플링하면 된다는 것이 알려졌다. 상기 (5)식에서 cos ω0t를 곱하면,
Figure kpo00006
Figure kpo00007
Figure kpo00008
로 된다. 이때, 저주파 필터를 통하게 되면, 두번째 항은 제거되어 첫번째 항인
Figure kpo00009
항만이 통과하게 되고, 같은 방법으로 (5)식 x sin ω0t하면,
Figure kpo00010
항만이 저주파 필터를 통과하게 된다.
따라서, 제11도에 도시된 바와 같이, 각 변환 소자로 부터 변환된 전기적 신호fn(t)는 N개의 변환 신호중 한 신호에 대하여 각각 2개의 승산기에 의하여 cos ω0t신호를 각각 승산한 후, 이들의 신호를 각각 저주파 필터를 통과시켜 정위상의 포락선 신호 성분과, 90°위상의 포락선 신호 성분의 신호만이 통과되게 한다. 그 후, 이 초음파 포락선 신호 성분을 샘플링 제어신호 발생기내의 ROM(도시하지 않으)내에 미리 기억시킨 깊이 i 및 변환 소자의 배열 위치에 따른 지연 시간 [td(i, n)]에 각각 대응시켜 샘플 및 홀드 회로에서 샘플링하여 홀드한 후 B샘플/초의 주기로 가산기에서 가산하면 1주시당 정위상 포락선 신호 성분과 90°위상의 포락선 신호 성분이 구하여지게 되므로, 이 신호들에 의하여 별개의 공지된 ROM 또는 멀티플렉서·가산기·루트장치(MUX·Adder·Routing means)로 부터
Figure kpo00011
포락선 신호가 얻어지게 된다. 따라서, 초음파 접속이 이루어지게 되며 이 과정을 집속점을 변경하여 가면서 하면 동적 집속이 얻어지게 된다. 제1실시예에서는 각 변환기에서 변환된 초음파 신호를 바로 샘플링 지연시켰으나, 제2실시예에서는 초음파 신호를 일단 사분면법에 의하여 초음파 신호의 포락선만의 신호 성분을 추출한 후 이들을 각 변환 소자의 배열 위치 n 및 접속점의 깊이 i에 대응하여 결정되는 지연 시간 td(i, n)에 따라 샘플 및 홀드회로에서 샘플-홀드하여 대역폭 주파수 B를 샘플링 주기로 하여 각 변환 소자의 샘플-홀드된 신호를 가산기에서 가산하였기 때문에, 그만큼 샘플링 주기가 길어지게 된다. 따라서, 상기 (4)식의 제한 때문에 제1실시예에서는 실현이 어려웠던 의료용 초음파 진단 장치등에서도 본 발명에 의한 샘플링-지연에 의한 초음파 신호의 연속적인 동적 접속이 실현된다.
예를 들면, 전술한 바와 같이, B가 1MHz인 경우 샘플링 주기 T는 1μs가 되므로, 이는 상기 의료용 초음파 진단 장치의 경우에 소요되는 최대 지연 시간 400ns보다 길게 되어 신호의 동적 집속이 가능하게 된다.
제13도는 제3실시예로서 이차항 검파에 의한 샘플링-지연에 대한 계통도인데, 상세히 설명하면 다음과 같다. 이차항 샘플링은 제14도에 도시된 바와 같이 α만큼의 시간 간격으로 한 신호를 두번씩 샘플링한다. 이 때, α와 샘플링 주기 T를 적절히 선택하면, 바로 사분면 검파와 같은 신호를 얻을 수 있다는 것이 알려졌다. 즉,
f(iT)=f(t)·Ⅲ(t/T)=(-1)11, Ai(iT)…(6)
fi(iT)=f(t)·Ⅲ(t-α/T)=(-1)11, Aq(iT)…(7)
단, α=1/4fo, 1/T=2f0/1>B, 1은 정수, Ⅲ은 샘플링 함수.
따라서, 제13도에 도시된 바와 같이 각 변환 소자에서 변환된 초음파 신호는 제1실시예와 동일한 방법으로 집속점의 깊이 i 및 소자의 배열 위치 n에 대응하여 샘플링 제어 신호 발생기에서 발생된 제어 신호로 제1샘플 및 홀드 어레이에서 샘플링하여 홀드 된다. 또한, 제2샘플 및 홀드 어레이에서 행한 방법과 동일하게 개개의 변환 신호에 대하여 시간만 α만큼 지연시켜 샘플링 홀드한다. 이 때, 제1샘플 및 홀드 어레이에 홀드된 신호와 제2샘플 및 홀드 어레이에 홀드된 신호를 각각 α만큼의 시간 지연을 두어 각각 B의 주파수를 샘플링 주기로 하여 가산기에서 가산하면, 사분면 검파와 같이, Ai(iT)와 Aq(iT)를 얻게 된다. 이들 신호에 의하여 별개의 ROM 장치에서
Figure kpo00012
가 얻어진다. 그러므로, 대상체 내의 어느한 점(집속점)으로부터의 초음파 신호의 집속된 포락선 신호가 얻어지게 되어, 집속점을 변경하여 이러한 과정을 반복하면 동적 접속이 이루어진다.
제2실시예에서는 샘플링 주파수가 B로 주어져 그만큼 샘플링 주기가 길어지게 되어 샘플링 주기가 짧은 의료용 초음파 진단 장치 등에도 샘플링 지연에 의한 방법이 실현될 수 있다는 장점이 있으나, 초음파 영상 처리 장치의 응용예에 따라서는사분면검파기의 아나로그 승산기 및 저주파 필터가 문제가 될 수 있으며, 각 변환기 소자마다 사분면 검파를 행할 경우 회로가 복잡해지며 초음파 신호의 다이나믹 레인지가 감당하기 어렵게 될 수 있으나, 본 발명의 제3실시예는 이러한 결함을 완전히 해결한 것으로서, 집속 회로에 소요되는 회로들이 모두 디지탈화될 수 있으므로, 제1실시예에서와 같이 집적화가 가능할 뿐만 아니라, 제2실시예에서와 같이 샘플링 주파수가 B로 되기 때문에 의료용 초음파 진단 장치 등에도 적용할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 샘플링 지연에 의한 집속 방법은 기존 방법에서 문제가 되어 왔던 아나로그 지연 선로를 제거할 수 있으며, 그 구성에 있어서도 집적화가 가능하고, 또한 디지탈 회로를 사용하기 때문에 간단히 실현될 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 기술에서는 거의 불가능하였던 연속 동적 집속이 가능하게 되므로 분해능에 획기적인 개선을 이룩할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 대상체 내에서 반사되어 오는 초음파 신호를 동적으로 집속시키는 방법에 있어서, 초음파 신호를 N개의 변환 소자로 형성된 격자형 초음파 변환기에서 전기적 신호로 변환하는 단계와, 샘플링 제어신호 발생기 내의 ROM에 미리 기억시킨 대상체의 깊이와 변환 소자의 배열위치에 기인하여 발생되는 N개의 각 변환 소자에 도달되는 지연 시간의 차이를 샘플링-지연의 수단에 의하여 보상하는 단계를 포함하여, 결합되어서 수신시에 초음파 신호의 연속적인 동적 집속을 행하게 되는 것을 특징으로 하는 초음파 영상 신호의 동적 집속 방법.
  2. 제1항에 있어서, 샘플링-지연 수단에 의한 지연 시간의 차이를 보상하는 단계가, N개의 변환 소자에서 변환된 전기적 신호가 대상체 내의 집속점에서 각 변환 소자에의 신호 도달 시간이 같게 샘플링될 수 있도록 샘플링 제어 신호 발생기 내의 ROM에 미리 기억시킨 집속위치(깊이 i) 및 변환 소자의 배열 위치에 대응하는 샘플링 시각을 지연하여 샘플-홀드하는 단계와, 각각의 샘플된 신호를 최대 지연 시간보다 긴 샘플링 주기마다 신호 샘플하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상 신호의 동적 집속 방법.
  3. 제1항에 있어서, 샘플링-지연 수단에 의해 지연 시간의 차이를 보상하는 단계가, N개의 변환소자에서 변환된 전기적 신호를 각각의 변환 소자에 대하여 각각 2개씩 접속된 승산기에 의하여 중심 주파수를 가지는 정현파와 여현파의 신호를 승산하는 단계와, 이들의 신호를 각각 승산기에 접속된 저주파 필터를 통하여 정위상의 포락선 신호 서운과 90℃위상의 포락선 신호 성분을 추출하는 단계와, 이들 포락선 신호를 샘플링 제어 신호 발생기내의 ROM에 미리 기억시킨 집속점의 위치 및 변환 소자의 배열 위치에 대응하여 샘플 및 홀드 회로에서 샘플홀드하는 단계와, 대역 주파수인 B 샘플링/초의 샘플링 주기로 상기 신호들을 가산기에서 각각 가산하여 정위상 및 90℃위상의 신호를 집속하는 단계와, 이들 가산된 신호로 부터 별개의 ROM에서 포락선 신호를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상 신호의 동적 집속 방법.
  4. 제1항에 있어서, 샘플링-지연의 수단에 의하여 초음파 신호의 지연시간의 차이를 보상하는 단계가, N개의 변환 소자에서 변환된 각각의 전기적 신호를 집속점의 위치 및 변환 소자의 배열 위치에 대응하여 샘플링 제어 신호로 제1샘플 및 홀드 어레이에서 샘플-홀드하는 단계와, 상기 신호에 대하여 각각 α시간 만큼 지연시켜 제2샘플 및 홀드 어레이에서 샘플-홀드하는 단계와, 제1샘플 및 홀드 어레이 및 제2샘플 및 홀드 어레이레 홀드된 신호에 대하여 서로 α시간 만큼 시간 지연을 두어 각각 대역폭 주파수인 B를 샘플링 주기로 하여 가산기에서 가산하는 단계와, 이 가산된 신호로 부터 포락선 신호를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상 신호의 동적 집속 방법.
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