KR100352638B1

KR100352638B1 - 초음파 칼라 도플러 영상 시스템을 위한 클러터신호 필터링방법 및 장치

Info

Publication number: KR100352638B1
Application number: KR1019990016160A
Authority: KR
Inventors: 배무호; 방지훈; 이기종
Original assignee: 주식회사 메디슨
Priority date: 1999-05-06
Filing date: 1999-05-06
Publication date: 2002-09-18
Also published as: KR20000073096A

Abstract

본 발명은 초음파 칼라 도플러 영상(Ultrasonic Color Doppler Imaging)시스템에 관한 것으로, 특히 초음파영상으로부터 저주파도플러신호인 클러터신호(Clutter Signal)를 제거하기 위한 필터링(Filtering)방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 클러터신호가 갖는 정보를 추출하고, 클러터신호의 정보에 근거한 클러터필터를 선택하여 클러터신호를 제거함으로써 클러터신호를 더욱 잘 제거할 수 있는 효과가 있다.

Description

초음파 칼라 도플러 영상 시스템을 위한 클러터신호 필터링방법 및 장치{Clutter signal filtering method and apparatus for ultrasound color doppler system}

본 발명은 초음파 칼라 도플러 영상(Ultrasonic Color Doppler Imaging)시스템에 관한 것으로, 특히 초음파영상으로부터 저주파도플러신호인 클러터신호(Clutter Signal)를 제거하기 위한 필터링(Filtering)방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 초음파검사장치는 초음파신호를 검사하고자 하는 대상체에 발사하고, 그 결과 대상체의 불연속면에서 반사되어 되돌아오는 초음파신호를 수신한 다음, 그 수신된 초음파신호를 전기적신호로 변환하여 소정의 영상장치에 출력함으로써 대상체의 내부 상태를 검사한다. 이러한 초음파검사장치는 의료진단용, 비파괴검사 및 수중탐색등에 널리 사용되고 있다.

초음파를 이용한 진단장치의 일종인 도플러진단장치는 신호의 산란강도와 함께 주파수의 편이량을 화상으로 표시하여 줌으로서 생체의 동태(動態)기능을 판단할 수 있게 한다. 특히, 칼라를 표시할 수 있는 칼라 도플러 영상시스템은 수신신호를 복조한 다음 디지털화하여 처리함으로써, 심장이나 대혈관 속을 흐르는 혈류를 실시간 2차원화상으로 묘사한다. 이러한 칼라도플러영상시스템은 단층상과 혈류정보를 동시에 나타낼 수 있는데, 단층상과 혈류정보를 서로 구별하기 위하여 단층상을 흑백으로 표시하고, 혈류정보를 칼라로 표시한다. 이때, 주사한 초음파빔의 진행방향으로 흐르는 혈류는 따뜻한 색으로, 반대방향의 혈류는 차가운 색으로 표시함으로써 혈류에 대한 정보를 좀 더 정확하게 표시할 수 있다.

상술한 칼라도플러영상시스템에 의해 복조된 도플러신호는 심장벽이나 심장판의 운동에 의한 저주파도플러신호도 포함하고 있다. 클러터신호(Clutter Signal)로 불리우는 이러한 저주파도플러신호는 혈류정보를 검출하는데 방해가 되므로, 혈류정보를 정확히 검출해 내려면 이러한 도플러신호를 제거하는 것이 필수적이다. 심장벽이나 심장판의 운동에 의한 클러터신호는 통상 매우 큰 레벨의 직류성분으로서 혈류에 의한 도플러신호보다 대략 수백배 큰 진폭을 갖는다.

미국특허 제 5,197,477호에는 칼라 도플러 신호처리중 클러터 필터링(clutter filtering)방법에 있어서, 클러터가 DC가 되도록 입력신호를 변조한 후 클러터 필터링하고 다시 역으로 변조하는 방법을 제안하였다. 여기서, 클러터 필터링방법은 일반적으로 고역통과필터(high pass filter)를 통과시키는 것이다. 그러나, 칼라 도플러(color doppler), 스펙트랄 도플러 시스템(spectral doppler system)등을 포함하는 펄스도플러시스템(pulsed doppler system)에서는, 반사체의 움직임 속도가 커짐에 따라 주파수영역(frequency domain)에서 수신된 신호의 대역폭(bandwidth)이 커진다. 그렇기 때문에, 클러터신호를 DC근처로 변조(modulation)시킨후에 고역통과필터를 통과시킨다고 하더라도, 신호의 대역폭이 커지기 때문에 완전하게 제거하기 힘들게 된다.

먼저, 대상체(target)의 움직임과 이로부터 돌아온 신호가 어떠한 관계가 있는지를 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명하겠다.

도 1은 초음파 진행방향에 대해 상대적으로 느린 속도로 움직이는 대상체로부터 되돌아온 신호를 직각복조(quadrature demodulation)하여 송신주기로 샘플링한 결과의 복소신호 중 실수부를 나타낸 도면이고, 도 2는 상대적으로 빠른 속도로 움직이는 대상체로부터 되돌아온 신호를 직각복조(quadrature demodulation)한 결과의 복소신호 중 실수부를 나타낸 도면이다. 도 1 및 도 2에서, 가로축은 시간을, 세로축은 신호의 크기를 나타낸다. 도면에서 보여진 바와같이, 같은 크기를 갖는 신호가 속도에 반비례하여 시간축으로 스케일링(scaling)된 것을 알 수 있다. 도 1 및 도 2에 보여진 파형을 퓨리에 변환(fourier transform)을 하여 주파수영역(frequency domain)으로 변환하면, 도 1은 도 3으로, 도 2는 도 4에 보여진 바와같이 변환된다. 도 3 및 도 4에서, 가로축은 주파수를, 세로축은 크기를 나타낸다. 여기서, 속도가 느린 경우(도 1 및 도 3)는 중심주파수도 낮지만 대역폭도 작고, 반대로 속도가 빠른 경우(도 2 및 도 4)는 중심주파수도 높지만 대역폭도 크다는 것을 알 수 있다. 따라서, 빠르게 움직이는 대상체로부터 돌아오는 신호는 대역폭도 그만큼 넓어짐을 알 수 있다.

상술한 바와같은 현상으로 말미암아 빠르게 움직이는 조직에서부터 돌아오는 클러터(clutter)일수록 중심주파수도 높고 대역폭도 크므로 미국특허 5,197,477에서처럼 중심주파수를 "0"으로 변조시킨다고 해도 대역폭이 커서 낮은차단주파수(cut-off frequency)의 고역통과필터로는 완전히 제거하지 못할 수가 있다. 이러한 경우 빠르게 움직이는 조직으로부터의 클러터신호를 제거하기 위해 높은 차단주파수의 고역통과필터를 사용하면 낮은 주파수의 혈류로부터의 신호도 함께 제거되어 버리는 문제점이 발생한다.

따라서, 본 발명의 목적은 클러터신호에 대한 정보를 구하고, 이 정보에 따라 칼라도플러영상을 보여주는 픽셀별로 그에 맞는 클러터 필터링 알고리즘을 각각 적용하여 클러터신호를 제거할 수 있는 초음파 칼라 도플러 영상시스템을 위한 클러터신호 필터링방법 및 장치를 제공함에 있다.

도 1은 초음파 진행방향에 대해 상대적으로 느린 속도로 움직이는 대상체로부터 되돌아온 신호를 직각복조(quadrature demodulation)하여 송신주기로 샘플링한 결과의 복소신호 중 실수부를 나타낸 도면,

도 2는 상대적으로 빠른 속도로 움직이는 대상체로부터 되돌아온 신호를 직각복조한 결과의 복소신호 중 실수부를 나타낸 도면,

도 3은 도 1에 보여진 것을 퓨리에변환하여 주파수영역으로 변환한 것을 보여주는 도면,

도 4는 도 2에 보여진 것을 퓨리에변환하여 주파수영역으로 변환한 것을 보여주는 도면,

도 5는 클러터신호로 근사화한 I/Q데이타를 통해 얻은 신호의 주파수 분포를 보여주는 도면,

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 클러터신호 필터링장치를 보여주는 도면.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

61 : 클러터정보추출부 62 : 룩업테이블

63 : 버퍼 64 : 클러터필터부

65 : 스펙트랄추정부 66 : 디스플레이부

위와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 초음파도플러신호에 포함되는 클러터신호의 필터링방법에 있어서, 상기 클러터신호가 가지는 정보를 추출하고, 클러터신호의 정보에 근거한 클러터필터를 선택하여 초음파 칼라 도플러영상의 매 픽셀마다 클러터신호를 제거하는 초음파 칼라 도플러 영상 시스템을 위한 클러터신호 필터링방법에 있다.

본 발명의 다른 특징은 초음파도플러신호에 포함되는 클러터신호를 필터링하기 위한 장치에 있어서, 대상체로부터 되돌아온 초음파도플러신호를 직각복조하여 송신주기로 샘플링한 결과인 복소신호(I/Q데이타)를 픽셀단위로 입력받아 클러터신호의 정보를 추출하는 클러터정보추출부, 상기 클러터필터의 계산방법을 변화시킬 수 있는 클러터필터의 환경정보를 테이블형태로 가지고 있으며, 상기 추출된 클러터신호의 정보에 해당하는 테이블정보를 클러터필터로 전달하는 룩업테이블, 상기룩업테이블로부터 인가되는 테이블정보에 근거한 필터환경으로 변환하여, 상기 I/Q데이타에 포함되어 있는 클러터신호를 제거하는 클러터필터 및 상기 클러터신호가 제거된 초음파신호를 디스플레이하는 디스플레이부를 포함하는 초음파 칼라 도플러 영상시스템의 클러터신호 필터링장치에 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하겠다.

본 발명의 핵심개념은 직각복조(quadrature demodulation)를 하고, 송신주기로 샘플링하여 구한 복소신호인 I/Q(Inphase Quadrature)신호로부터 클러터신호에 대한 정보를 얻어내어, 칼라도플러영상을 표시하는 픽셀별로 그에 맞는 클러터 필터링 알고리즘을 각각 적용한다. 이 알고리즘은, 필터의 차단주파수(cut-off frequency)와 저지대역(stop band)의 특성에 의해서 나누어질 수 있다. I/Q신호에는 혈류로부터의 도플러신호와 클러터신호, 잡음등이 섞여 있으나, 대부분의 경우에는 클러터신호가 도플러신호, 잡음 등에 비해서 매우 크다. 그러므로, 본 발명에서는 제일 큰 클러터신호를 단순화하여 I/Q신호를 클러터신호인것으로 근사화한다. 따라서, I/Q신호로부터 얻을 수 있는 정보들은 클러터의 파워(power), 클러터의 평균 속도, 클러터의 속도의 분산등이다. 각각의 정보들은 다음의 수학식1 내지 수학식 3으로 표현된다.

상술한 수학식 1 내지 수학식 3으로부터 얻은 정보를 통해서, 적절한 고역통과필터의 선택이 가능하다. 이에 대해 도 5를 참조하여 설명하겠다.

도 5는 클러터신호로 근사화한 I/Q데이타를 통해 얻은 신호의 주파수 분포를 보여주는 도면이다. 클러터신호를 도플러신호와 효과적으로 분리하기 위해서는 적합한 고역통과필터를 설계해야 한다. 적합한 고역통과 필터의 차단주파수를 찾기 위해 클러터 신호를 다음의 수학식 4에서 보여진 바와같이 가우시안 함수(gaussian function)로 가정한다.

상술한 수학식 1과 수학식 3으로부터의 파워(power)와 분산을 이용하면 상수 A를 구할 수 있다. 이는 다음의 수학식 5에서 보여진다.

만약, -3㏈ 차단주파수가 클러터신호의 -60㏈지점에서 만나도록 설계하려면, 다음의 수학식 6에서와 같이 차단주파수를 구할 수 있다.

위에서 얻어진 차단주파수를 가지는 필터를 선택하면, 클러터를 가장 효율적으로 제거할 수 있게 된다. 물론, 클러터를 가우시안함수로 모델링 했기 때문에, 실제에는 약간의 오차가 존재할 수 있다. 그러므로, 초음파 칼라 도플러 영상의 픽셀(pixel)의 색상을 표시하기 위한 매번 계산때마다 클러터 필터의 계수(coefficient)를 변화시킴으로써 차단주파수를 신호에 맞추어 변화시키는 것이 본 발명의 하나의 실시예이다. 이와같은 본 발명이 단지 필터계수만을 변환시키는 것에 국한 되는 것은 아니다. 그러므로, 그밖에도 여러가지로 변환시킬 수 있다. 그 일예를 다음에서 설명하겠다.

클러터필터는 여러가지 알고리즘으로 구현가능하다. 그 중 대표적인 것으로는 유한충격응답(FIR; Finite Impulse Response)필터, 무한충격응답(IIR; Infinite Impulse Response)필터와, 미국특허번호 제 5,228,009호에 보여지는PCE(parametric clutter elimination)방법등이 있다. 이것들 각각은 그 특성상 잘 제거할 수 있는 클러터신호가 모두 다르다. 일례로 2∼3차의 FIR필터는 높은 주파수의 클러터를 상대적으로 잘 제거하며, PCE는 낮은 주파수의 클러터를 잘 제거한다. 또한, IIR필터는 내부 변수를 어떻게 초기화하느냐에 따라 그 특성이 다양하게 변화한다. 예를들어, 내부 변수를 모두 '0'으로 초기화하는 경우 낮은 주파수 성분이 잘 통과하는 반면, 투사 초기화(projection initialization)의 경우에는 낮은 주파수 성분을 잘 통과시킨다. 이 투사 초기화에 대한 기술은 참고문헌 E.S.Chornoboy, "Initialization for improved IIR filter performance,"(IEEE Trans.on Signal Processing, vol.40,no.3,Mar.1992)에 잘 나타나 있다. 이렇게 각 픽셀마다 상술한 바와같은 다양한 필터링알고리즘 및 초기화방법중에서 최적인 하나를 골라 매번 계산에 이용한다.

도 6은 상술한 바와같은 본 발명의 핵심을 담은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 클러터신호 필터링장치를 보여주는 도면이다.

본 발명의 장치는 픽셀단위로 입력되는 I/Q데이타를 저장하는 버퍼(63)와, I/Q데이타를 입력받아 파워(power), 분산(variance), 속도(velocity)를 계산하는 클러터정보추출부(61)를 포함한다. 여기서, I/Q는 전술한 바와같이 클러터신호로 가정한다. 클러터정보추출부(61)에는 클러터필터의 계수변환, 필터의 종류 변환, 초기치변환등을 할 수 있는 정보를 가지고 있는 룩업테이블(Look up table)이 연결된다. 룩업테이블(62)은 계산결과에 따라 클러터필터의 계수변환, 필터 변환, 초기치변환등을 하도록 하는 테이블정보를 클러터필터부(64)로 전달한다. 클러터필터부(64)는 이 테이블정보에 따라 해당 필터로 변환된다. 즉, 계수변환에 대한 데이타를 인가받으면 현재 설정된 필터의 계수만을 변경한다. 또한, 필터종류변경에 대한 테이블정보를 인가받으면 다수의 클러터필터들(FIR, IIR, PCE등)중 이 테이블정보에 알맞는 필터를 하나 선택하여 변경한다. 또한, 초기화방법의 변환에 대한 데이타를 인가받으면, 현재 설정된 필터의 초기화방법을 변경한다. 이와같이, 클러터필터부(64)는 룩업테이블(62)로부터 인가되는 데이타에 따라 계수, 필터, 초기화방법을 모두 변환할 수도 있고, 이들중 하나 또는 둘 만을 변환할 수 있다. 이렇게 클러터필터부(64)가 클러터신호를 제거할 수 있는 상태가 되면, 버퍼(63)에 저장된 I/Q데이타는 클러터필터부(64)를 거쳐 클러터신호가 제거된다. 스펙트랄추정부(spectral estimator)(65)는 클러터가 제거된 초음파신호의 분광을 추정하여 디스플레이부(66)에 보여준다.

이렇게 최적의 필터를 적용했더라도 클러터의 영향을 줄일 수 없다면 계산된 결과를 '0'으로 처리하고 그 픽셀에는 혈류가 없는 것으로 간주한다. 따라서, 룩업테이블(62)에서는 디스플레이부(66)로 매스킹(masking)신호를 출력하여 해당 픽셀에는 혈류가 없는 것으로 처리한다. 본 발명의 실시예에서, 실제 I/Q데이타는 순수한 클러터신호는 아니나 실용상 클러터신호가 대부분이다. 매우 드물게, 그 진폭이 매우 작을 경우에는 혈류나 노이즈의 영향이 클 수 있다. 이러한 경우에는 예외적으로 처리해야 한다.

상술한 바와같이, 본 발명은 초음파신호에 포함된 클러터신호를 제거하기 위한 필터링방법에 관한 것으로, 클러터신호에 대한 정보를 구하고, 이 정보에 따라 초음파 칼라 도플러 영상을 표시하는 각각의 픽셀별로 그에 맞는 클러터 필터링 알고리즘을 각각 적용하여 클러터를 더욱 잘 제거할 수 있는 효과가 있다.

Claims

초음파도플러신호에 포함되는 클러터신호의 필터링방법에 있어서,

(1) 상기 클러터신호의 파워(power), 분산(variance) 및 속도(velocity)를 클러터신호의 정보로 추출하는 단계;

(2) 상기 추출된 클러터신호의 정보에 근거하여 클러터필터의 환경에 포함되는 계수, 필터종류, 초기화방법중 적어도 하나를 변환시키는 단계; 및

(3) 상기 환경변환된 클러터필터의 필터링에 의해 초음파 칼라 도플러영상의 매 픽셀마다 클러터신호를 제거하는 단계를 포함하는 초음파 칼라 도플러 영상 시스템을 위한 클러터신호 필터링방법.
제 1항에 있어서, 상기 (1)단계는

(1a) 대상체로부터 되돌아온 초음파도플러신호를 직각복조하여 송신주기로 샘플링한 결과인 복소신호(I/Q데이타)를 얻는 단계; 및

(1b) 초음파 칼라 도플러 영상의 픽셀단위로 상기 I/Q데이타를 인가받아 클러터신호의 정보를 추출하는 단계를 구비함을 특징으로 하는 초음파 칼라 도플러 영상 시스템을 위한 클러터신호 필터링방법.
제 1항에 있어서, 상기 클러터신호를 필터링한 초음파신호를 분광추정하여 디스플레이하는 (4)단계를 더 포함하는 초음파 칼라 도플러 영상 시스템을 위한 클러터신호 필터링방법.
제 3항에 있어서, 상기 (2)단계에서 클러터신호의 정보가 클러터신호의 영향을 줄일수 없을 때, 클러터필터에서 계산되는 결과를 '0'으로 처리하고 그 픽셀에는 혈류가 없는 것으로 간주하여 해당 픽셀에 표시하지 않는 것을 특징으로 하는 초음파 칼라 도플러 영상 시스템을 위한 클러터신호 필터링방법.
초음파도플러신호에 포함되는 클러터신호를 필터링하기 위한 장치에 있어서,

대상체로부터 되돌아온 초음파도플러신호를 직각복조하여 송신주기로 샘플링한 결과인 복소신호(I/Q데이타)를 픽셀단위로 입력받아 클러터신호의 파워(power), 분산(variance) 및 속도(velocity)를 클러터신호의 정보로 추출하는 클러터정보추출부;

상기 클러터필터의 계산방법을 변화시킬 수 있는 클러터필터의 환경정보를 테이블형태로 가지고 있으며, 상기 추출된 클러터신호의 정보에 해당하는 테이블정보를 클러터필터로 전달하는 룩업테이블;

상기 룩업테이블로부터 인가되는 테이블정보에 근거한 필터환경으로 변환하여, 상기 I/Q데이타에 포함되어 있는 클러터신호를 제거하는 클러터필터; 및

상기 클러터신호가 제거된 초음파신호를 디스플레이하는 디스플레이부를 포함하는 초음파 칼라 도플러 영상시스템의 클러터신호 필터링장치.
제 5항에 있어서, 상기 룩업테이블은 클러터필터의 환경을 변환할 수 있는 계수, 필터종류, 초기화방법등을 테이블형태로 저장하고 있으며, 상기 클러터정보에 따라 해당 환경으로 변환하기 위한 테이블정보를 상기 클러터필터로 출력하는 것을 특징으로 하는 초음파 칼라 도플러 영상시스템의 클러터신호 필터링장치.
제 5항에 있어서, 상기 디스플레이부는 상기 클러터정보로부터 클러터신호의 영향을 줄일 수 없을때, 상기 룩업테이블로부터 픽셀표시를 '0'으로 매스킹하라는 신호를 입력받아 해당 픽셀에는 혈류가 없는 것을 표시하는 것을 특징으로 하는 초음파 칼라 도플러 영상시스템의 클러터신호 필터링장치.