KR100922180B1

KR100922180B1 - Method of Optimum design of periodic sparse arrays for ultrasound image system

Info

Publication number: KR100922180B1
Application number: KR1020080042514A
Authority: KR
Inventors: 송태경; 김기덕
Original assignee: 서강대학교산학협력단
Priority date: 2008-05-07
Filing date: 2008-05-07
Publication date: 2009-10-19

Abstract

PURPOSE: A method of optimum design of periodic sparse arrays for an ultrasound image system is provided to obtain the same effect in using a desired diameter when using a small channel without increase complex of hardware. CONSTITUTION: An ultrasound image system includes array change factor which are composed of N elements. A method of optimum design of periodic sparse arrays for an ultrasound image system is comprised of the steps: setting up a period of periodic sparse arrays where common grating lobe is not generated and the number of the element from a sparse arrays of transmission and reception.

Description

초음파 영상 시스템의 주기 희박 어레이의 최적 설계 방법{Method of Optimum design of periodic sparse arrays for ultrasound image system} Method of Optimum design of periodic sparse arrays for ultrasound image system

본 발명은 초음파 영상 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 초음파 영상 시스템의 주기 희박 어레이의 최적 설계 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an ultrasound imaging system, and more particularly, to an optimal design method of a periodic lean array of an ultrasound imaging system.

초음파 영상 장치는 초음파 변환자(piezoelectric transducer)를 이용하여 전기 신호를 초음파로 바꾸어 송신하고, 관찰하고자 하는 물체로부터 반사되어 돌아오는 초음파 신호를 수신하여 전기 신호로 변환한 후 이를 신호 처리하여 영상으로 사용자에게 전달한다. 초음파 영상의 가장 기본이 되는 B-모드 영상은 인체 내부의 단면에 대한 임상적 정보를 나타내는 것으로, 해상도(resolution), 신호대 잡음비(signal-to-noise ratio), 프레임율(frame rate) 등의 성능에 따라 화질이 좌우 된다.The ultrasound imaging apparatus converts an electric signal into an ultrasonic wave by using a piezoelectric transducer, receives an ultrasonic signal reflected from an object to be observed, converts it into an electric signal, and then processes the signal into an image. To pass. The B-mode image, which is the most basic of ultrasound images, shows clinical information about the cross section inside the human body. Its performance includes resolution, signal-to-noise ratio, and frame rate. Image quality depends on.

초음파 변환자로서 배열 소자로 구성된 어레이 변환자(array transducers)를 사용하는 현재의 초음파 시스템에서는 송신 신호의 파장에 따라 배열 소자간의 거리를 결정한 후, 원하는 구경의 크기에 맞춰 사용되는 배열 소자의 개수, 즉 채널수(channel number)를 결정한다. 그리고, 각 채널에 전기적인 가변 시간 지연을 적 용하여 원하는 영상점에 집속하게 된다. In current ultrasonic systems using array transducers composed of array elements as ultrasonic transducers, the distance between array elements is determined according to the wavelength of a transmitted signal, and then the number of array elements used according to the size of the desired aperture, That is, the channel number is determined. Then, an electric variable time delay is applied to each channel to focus on a desired image point.

본 명세서에서는 전술한 바와 같이 구경의 크기 내에 있는 모든 배열 소자를 사용하는 일반적인 경우를 FSA(fully sampled array)라고 칭한다. FSA를 사용하는 일반적인 초음파 시스템은 더 높은 해상도를 얻기 위해 구경의 크기, 즉 채널수를 늘리고 동적 집속과 같은 고성능의 집속 기법을 사용하고 있다. 여기서, 각각의 채널은 초음파 송수신 회로 및 집속을 위한 시간 지연 계산기 등으로 구성되므로, 초음파 시스템의 하드웨어의 복잡도는 채널수에 비례하여 증가하게 된다. 일반적으로 사용되는 2차원 단면 영상을 제공하기 위한 1차원 어레이 변환자는 현재 64~256채널에서 점점 증가하는 추세이며, 3차원 입체 영상을 제공하기 위한 2차원 어레이 변환자를 측방향으로 64개의 채널, 고도방향으로 64개의 채널로 구성하는 경우 총 4096개의 채널이 필요하여 64채널을 사용하는 1차원 어레이 변환자의 경우보다 하드웨어의 크기가 64배 증가하게 된다.In this specification, the general case of using all the array elements within the size of the aperture as described above is referred to as a fully sampled array (FSA). Conventional ultrasound systems using FSA use high-performance focusing techniques such as increasing aperture size, channel count, and dynamic focusing to achieve higher resolution. Here, since each channel is composed of an ultrasonic transceiver circuit and a time delay calculator for focusing, the complexity of the hardware of the ultrasonic system increases in proportion to the number of channels. One-dimensional array transducers for providing commonly used two-dimensional cross-sectional images are currently increasing in 64 to 256 channels, and two-dimensional array transducers for providing three-dimensional stereoscopic images are 64 channels in a lateral direction. In the case of 64 channels in the direction, a total of 4096 channels are required, which increases the hardware size by 64 times than that of the 1-dimensional array converter using 64 channels.

이러한 문제를 해결하기 위해 하드웨어의 복잡도를 줄이기 위한 다양한 방법들이 제안되었으며, 그 중에서 희박 어레이(sparse array) 기법은 제한된 채널수로 큰 구경을 사용한 것과 같은 효과를 얻을 수 있기 때문에 중요한 연구 대상 중 하나이다.In order to solve this problem, various methods for reducing hardware complexity have been proposed. Among them, the sparse array technique is one of the important research subjects because it can achieve the same effect as using a large aperture with a limited number of channels.

희박 어레이 기법이란, 영상이 요구하는 구경내에서 일부 배열 소자만을 사용하여 소자의 위치를 희박하게 분포시킴으로써, 측방향 해상도의 저하를 최소화 하면서 채널수를 줄이는 방법으로서, 주어진 채널수에 대하여 효과적으로 구경의 크기를 증대시키기 위한 방법으로 사용된다. 이 경우 일반적인 동적 수신집속을 사 용할 수 있기 때문에 확장구경 및 합성구경 기법과는 달리 움직임 결함 및 추가적인 하드웨어가 필요하지 않다는 장점이 있다. 하지만, 희박 어레이 기법에서는 실제 사용하는 배열 소자간의 거리가 증가하게 되어 원하지 않는 그레이팅 로브(grating lobe)가 발생하게 된다. 따라서, 희박 어레이를 설계함에 있어서 가장 중요한 고려사항은 주어진 설계 조건하에서 그레이팅 로브가 발생하지 않도록 하거나, 최소한의 그레이팅 로브만 발생하도록 억제하는 방법을 찾는 것이다.The lean array technique is a method of reducing the number of channels while minimizing the degradation of the lateral resolution by distributing the positions of the elements sparsely using only some array elements within the aperture required by the image. It is used as a way to increase the size. In this case, since the dynamic dynamic focusing can be used, there is an advantage that motion defects and additional hardware are not required, unlike the expanded and synthesized aperture techniques. However, in the lean array technique, the distance between array elements actually used increases, which causes unwanted grating lobes. Therefore, the most important consideration in designing lean arrays is to find a way to prevent grating lobes from occurring under a given design condition or to suppress only minimal grating lobes from occurring.

이러한 희박 어레이의 설계 방법은 크게 두가지로 분류될 수 있다. 첫째는 배열 소자를 구경내에서 규칙적으로 분포시키는 주기 희박 어레이(periodic sparse array)이다. 이 경우 희박 어레이의 설계는 매우 간단하고 배열 소자가 분포하는 주기에 비례하여 채널수를 줄일 수 있는 장점이 있지만, 사용되는 배열 소자간의 거리가 주기에 비례하여 증가하므로 그레이팅 로브의 발생을 피할 수 없다.There are two main methods of designing such a lean array. The first is a periodic sparse array that regularly distributes the array elements within the aperture. In this case, the design of the lean array is very simple and the number of channels can be reduced in proportion to the period in which the array elements are distributed, but the distance between the array elements used increases in proportion to the period, so that the occurrence of the grating lobe cannot be avoided. .

둘째는 사용되는 배열 소자를 불규칙적으로 분포시켜 그레이팅 로브를 억제하는 랜덤 희박 어레이(random sparse array) 기법이다. 그러나, 랜덤 희박 어레이 기법은 그레이팅 로브는 감소하지만 측엽(side lobe)의 평균 크기가 실제 사용되는 소자의 개수에 반비례하는 관계를 갖는다고 알려져 있다. 따라서, 일정 레벨(level) 이하로 측엽의 크기를 제한하기 위해서는 실제 송수신에 사용되는 소자의 개수를 어느 이상으로 유지하지 않으면 안되는 문제가 발생하여 채널수의 감소 효과가 저하되는 한계가 있다.Second is a random sparse array technique that suppresses the grating lobes by irregularly distributing the array elements used. However, the random lean array technique is known to have a relationship in which the grating lobe decreases but the average size of the side lobes is inversely proportional to the number of devices actually used. Therefore, in order to limit the size of the side lobe below a certain level, there is a problem in that the number of elements used for actual transmission and reception must be maintained at least, thereby reducing the effect of reducing the number of channels.

한편, 주기 희박 어레이 기법의 대안으로 송신 희박 어레이와 수신 희박 어레이를 서로 다른 주기로 분포시킨 버니어 어레이(vernier array) 기법이 제안되었 다. 버니어 어레이 기법에서는 송신 빔 패턴(beam pattern)과 수신 빔 패턴 각각이 그레이팅 로브를 발생시키지만 서로 다른 위치에 존재하도록 조정할 수 있기 때문에, 송신 및 수신 빔 패턴의 곱으로 구해지는 최종 빔 패턴의 그레이팅 로브를 요구되는 값 이하로 억제할 수 있다. 그러므로, 버니어 어레이 기법에서는 송수신 희박 어레이의 패턴이 최종 빔 패턴을 최적화 시킬 수 있도록 설계되어야 한다. Meanwhile, as an alternative to the periodic lean array technique, a vernier array technique has been proposed in which the transmit lean array and the receive lean array are distributed at different periods. In the vernier array technique, each of the transmit beam pattern and the receive beam pattern generates a grating lobe, but can be adjusted to exist at different positions. Therefore, the grating lobe of the final beam pattern obtained by the product of the transmit and receive beam patterns is determined. It can be suppressed below the required value. Therefore, in the vernier array technique, the pattern of the transmit / receive lean array should be designed to optimize the final beam pattern.

버니어 어레이의 설계 및 성능 평가는 주로 유효 구경(effective aperture) 기법에 의존하고 있다. 송신 집속점 또는 프라운호퍼(Fraunhofer) 영역에서의 단방향 빔 패턴은 구경함수(aperture function)의 푸리에 변환(Fourier transform)으로 표현될 수 있으며, 최종 빔 패턴은 송신 빔 패턴과 수신 빔 패턴의 곱으로 얻어진다. 따라서, 송신 구경 함수와 수신 구경함수를 콘볼루션(convolution)한 함수를 유효 구경함수(effective aperture function)로 정의하면 유효 구경함수의 푸리에 변환 결과가 최종 빔 패턴이 된다. 이러한 유효 구경함수를 이용한 주기 희박 어레이의 설계 방법에서는 송신 희박 어레이의 구경함수에서 사용하지 않는 배열 소자로 인하여 비어있는 값들이 수신 희박 어레이의 구경함수와의 콘볼루션과정에서 모두 채워지도록 하여 유효 구경함수가 모든 배열 소자를 사용한 경우와 일치할 수 있는 송수신 주기 희박 어레이 쌍을 구하고 있다. 그러므로, 유효 구경 기법에서 수신 주기 희박 어레이의 구경함수는 송신 주기 희박 어레이에 대하여 보간 함수(interpolation function)의 역할을 하게 되고, 이 보간 함수의 성능에 따라 유효 구경함수의 모양, 즉 최종 빔 패턴의 성능이 좌우되기 때문에 원하는 유효 구경함수의 모양을 얻기 위한 다양한 보간 함수가 제안되었다. 그런데, 유효 구경 기법 은 수학적인 빔 패턴 해석에 기반하지 않았기 때문에 임의의 송신 주기 희박 어레이에 대하여 원하는 유효 구경함수의 특성을 갖도록 하는 보간 함수, 즉 수신 주기 희박 어레이의 일반 조건을 유도할 수 없었다. The design and performance evaluation of vernier arrays is largely dependent on the effective aperture technique. The unidirectional beam pattern at the transmit focus point or Fraunhofer region can be expressed as a Fourier transform of the aperture function, and the final beam pattern is obtained as the product of the transmit beam pattern and the receive beam pattern. . Therefore, if a function that convolves a transmission aperture function and a reception aperture function is defined as an effective aperture function, the Fourier transform result of the effective aperture function becomes a final beam pattern. In the method of designing a periodic lean array using the effective aperture function, the empty aperture is filled in the convolution process with the aperture function of the receiving lean array due to the array element not used in the aperture lean function of the transmit lean array. We obtain a transmit / receive period lean array pair that can match the case of using all array elements. Therefore, in the effective aperture technique, the aperture function of the receive period lean array acts as an interpolation function for the transmit period lean array, and according to the performance of the interpolation function, the shape of the effective aperture function, that is, the final beam pattern, Because of the performance dependence, various interpolation functions have been proposed to achieve the desired shape of the effective aperture function. However, since the effective aperture technique is not based on mathematical beam pattern analysis, it is not possible to derive the general condition of the interpolation function, that is, the reception cycle lean array, to have characteristics of the desired effective aperture function for any transmission cycle lean array.

따라서, 본 특허에서는 주기 희박 어레이에 대한 수학적인 해석을 통하여 주어진 설계 조건에서 최적의 빔 패턴을 얻을 수 있는 설계 방법을 제안한다.Therefore, the present patent proposes a design method that can obtain an optimal beam pattern in a given design condition through mathematical analysis of the periodic lean array.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 하드웨어의 복잡성을 증가시키지 않으면서 적은 수의 채널로 원하는 크기의 구경을 사용하는 것과 동일한 효과를 달성할 수 있는 주기 희박 어레이의 최적 설계 방법을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention to solve the above-mentioned problems is to provide an optimal design method for a periodic lean array that can achieve the same effect as using a desired size aperture with a small number of channels without increasing the complexity of the hardware. will be.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 전체 N개의 소자로 구성되는 어레이 변환자를 갖는 초음파 영상 시스템에서의 주기 희박 어레이 최적 설계 방법에 관한 것으로서,A feature of the present invention for achieving the above-described technical problem relates to a method of optimally designing a periodic lean array in an ultrasound imaging system having an array transducer composed of N elements in total.

(a) 송신 희박 어레이와 수신 희박 어레이의 빔 패턴에서 공통 그레이팅 로브(Common Grating Lobe)가 발생되지 않는 송신 희박 어레이의 주기(P_T)와 사용소자개수(L_T)를 설정하는 단계;(a) setting a period P _T and the number of elements used L _T of the transmission lean array in which a common grating lobe is not generated in the beam patterns of the transmission lean array and the reception lean array;

(b) 송신 희박 어레이와 수신 희박 어레이의 빔 패턴에서 공통 그레이팅 로브(Common Grating Lobe)가 발생되지 않는 수신 희박 어레이의 주기(P_R)와 사용소자개수(L_R)를 설정하는 단계;를 구비한다. with a; (b) setting a transmission lean array and a reception lean common grating lobe period (P _R) and using element number (L _R) of the lean reception does not occur array (Common Grating Lobe) in the beam pattern of the array do.

전술한 특징을 갖는 주기 희박 어레이 최적 설계 방법의 (a) 단계 및 (b) 단계에서, 상기 송신 희박 어레이의 주기(P_T)와 수신희박어레이의 주기(P_R)는 같지 아니하며, 상기 P_T와 P_R은 서로 소인 정수가 되도록, 송신 희박 어레이의 P_T와 L_T 및 수신 희박 어레이의 P_R과 L_R을 설정하거나, (A) of the array Optimization lean period having the aforementioned characteristics method steps and (b) in step, the period (P _T) to the period of the array lean reception of the transmission lean array (P _R) is nor equal to the P _T Set P _T and L _T of the transmit lean array and P _R and L _R of the receive lean array such that and P _R are prime integers, or

상기 송신 희박 어레이의 주기(P_T)와 수신희박어레이의 주기(P_R)는 같지 아니하며, P_T>P_R이며, L_T=P_R 이 만족되도록, 송신 희박 어레이의 P_T와 L_T 및 수신 희박 어레이의 P_R과 L_R을 설정하거나,Shall equal the period (P _T) to the period of the array lean received (P _R) of the transmission lean array, P _T> P _R a, L _T = P _R a, P _T and L _T of the transmission lean array and to satisfy Set P _R and L _R of the receiving lean array,

상기 송신 희박 어레이의 주기(P_T)와 수신희박어레이의 주기(P_R)는 같지 아니하며, P_T와 P_R이 서로 소가 아니고, L_T 또는 L_R이 P_T와 P_R의 최대 공약수가 되도록, 송신 희박 어레이의 P_T와 L_T 및 수신 희박 어레이의 P_R과 L_R을 설정하는 것이 바람직하다. The period P _T of the transmission lean array and the period P _R of the reception lean array are not the same, and P _T and P _R are not small, and L _T or L _R is the greatest common divisor of P _T and P _R. Preferably, it is desirable to set P _T and L _T of the transmit lean array and P _R and L _R of the receive lean array.

전술한 특징을 갖는 주기 희박 어레이 최적 설계 방법은, (c) 송신 희박 어레이 및 수신 희박 어레이에 대한 희박 인자(SF)를 계산하고, 상기 희박 인자를 이용하여 빔 교차 상쇄(DBC)의 최소값을 결정하는 단계;를 더 구비하는 것이 바람직하다. The periodic lean array optimal design method having the above-described characteristics includes (c) calculating the lean factor (SF) for the transmit lean array and the received lean array, and using the lean factor to determine the minimum value of beam cross cancellation (DBC). It is preferable to further comprise;

전술한 특징을 갖는 주기 희박 어레이 최적 설계 방법의 (d) 상기 (a) 및 (b) 단계에서 설정된 송신 희박 어레이의 (P_T,L_T) 및 수신 희박 어레이의 (P_R,L_R)의 쌍이 복수 개인 경우, 각 쌍에 대한 희박 인자(SF) 및 상기 희박 인자를 이용한 빔 교차 상쇄(DBC)의 최소값을 계산하고, 상기 희박 인자 및 빔 교차상쇄의 최소값을 이용하여 상기 송신 희박 어레이의 (P_T,L_T) 및 수신 희박 어레이의 (P_R,L_R)의 쌍을 결정하는 단계;를 더 구비하고, (D) of the method for optimally designing a periodic lean array having the above-described characteristics, (P _T , L _T ) of the transmit lean array and (P _R , L _R ) of the reception lean array set in steps (a) and (b). When there are a plurality of pairs, the minimum value of the lean factor (SF) and the beam cross canceling (DBC) using the lean factor for each pair is calculated, and the minimum value of the lean factor and the beam cross canceller is used to calculate the ( Determining a pair of P _T , L _T ) and (P _R , L _R ) of the receiving lean array;

만약 상기 희박 인자 및 빔 교차상쇄의 최소값이 동일하면, 송신 및 수신 그레이팅 로브의 총 개수에 따라 송신 희박 어레이의 (P_T,L_T) 및 수신 희박 어레이의 (P_R,L_R)을 최종 결정하거나, If the lean factor and the minimum value of beam cross canceling are the same, final determination of (P _T , L _T ) and (P _R , L _R ) of the transmit lean array according to the total number of transmit and receive grating lobes is made. do or,

만약 상기 희박 인자들이 동일하면, 각 쌍에 대하여 송신 희박 인자와 수신 희박 인자의 차이값을 계산하고, 상기 차이값이 가장 작은 송신 희박 어레이의 (P_T,L_T) 및 수신 희박 어레이의 (P_R,L_R)을 최종 결정할 수 있다. If the lean factors are the same, the difference between the transmit lean factor and the received lean factor is calculated for each pair, and (P _T , L _T ) of the transmit lean array having the smallest difference and (P _{T of the} received lean array). _R , L _R ) can be finalized.

본 발명에 따른 주기 희박 어레이의 최적 설계 방법의 성능을 검증하기 위하여 송수신 빔 패턴 및 최종 빔 패턴, 그리고 모의 시편(phantom)에 대한 영상을 컴퓨터 모의 실험을 통해 구하였다. 빔 패턴 실험은 Matlab을 이용하여 3MHz의 중심주파수를 갖는 신호를 60mm에 집속하였을 때 집속 평면에서의 연속파 빔 패턴의 결과를 로그 스케일(log scale)로 나타내었으며, 배열 소자간의 거리가 I/2이고, 64개의 배열소자로 구성된 위상 배열 변환자(phased array transducer)를 가정하였다. 결과에서 송신, 수신 및 최종 빔 패턴은 각각 점선, 쇄선 및 실선으로 나타내었다. 본 발명에서의 빔 패턴 해석은 연속파를 이용한 집속 평면 또는 프라운호퍼 영역에서의 근사화를 통해 이루어졌으나, 실험에서는 근사화를 사용하지 않은 수식을 기반으로 수행하였다. 따라서, 집속점보다 가까운 영역에서는 해석을 통해 예상한 성능보다 저하될 수 있지만, 근사화가 적용되는 영역에서 우수한 빔 패턴을 갖 는 기법이 이러한 곳에서도 우수한 성능을 갖게 됨을 실험적으로 확인할 수 있었고, 모의 시편의 영상을 통해 확인할 수 있으므로, 빔 패턴 실험은 송신 집속점에 대해서만 수행하도록 한다.In order to verify the performance of the optimal design method of the periodic lean array according to the present invention, images of the transmit and receive beam pattern, the final beam pattern, and the simulated phantom were obtained through computer simulations. In the beam pattern experiment, when the signal having the center frequency of 3 MHz was focused on 60 mm using Matlab, the result of the continuous wave beam pattern in the focusing plane was shown on a log scale. The distance between array elements was I / 2. We assume a phased array transducer consisting of 64 array elements. In the results, the transmit, receive and final beam patterns are represented by dashed lines, dashed lines and solid lines, respectively. The beam pattern analysis in the present invention was performed through approximation in the focusing plane or Fraunhofer region using continuous waves, but the experiment was performed based on an equation without using approximation. Therefore, in the area closer to the focusing point, the analysis may be lower than the expected performance. However, it is experimentally confirmed that the technique with the excellent beam pattern in the area to which the approximation is applied also has excellent performance in these areas. Since it can be confirmed through the image of, the beam pattern experiment should be performed only for the transmission focus point.

또한, 모의 시편 영상 실험은 초음파 모의 데이터 제작 프로그램인 Field II를 이용하여 구하였다. 실험 조건은 빔 패턴의 경우와 마찬가지로 64개의 배열 소자로 구성된 위상 배열 변환자에 3MHz의 중심 주파수를 갖는 송신 신호를 사용하였으며, 송신 집속점은 60mm로 가정하였다. 또한, 샘플링 주파수(sampling frequency)는 40MHz를 사용하였고, 초음파 속도는 1540m/s로 가정하였다. 이러한 조건하에서 영상의 최대 깊이를 200mm로 설정하고, 그레이팅 로브의 영향을 효과적으로 확인하기 위해 변환자의 중심에서 40° 각도로 송신 집속점의 1/2, 1, 1.5, 2, 그리고 3배의 거리에 점 반사체가 있는 모의 시편에 대한 영상을 구하였다. 또한, 영상의 주사각은 -45°~45°로 하였으며, 이 각도 범위에서 128개의 주사선을 구성한 후 각 주사선마다 DC 제거(DC cancel), 포락선 검출(envelop detection), 로그 압축(log compression) 및 스캔 컨버터(scan converter)의 신호처리 과정을 거쳐 최종 영상을 구하였다. 여기서 로그 압축의 다이내믹 레인지(dynamic range)는 60dB로 하였다. 이러한 모의 시편 영상을 통하여 펄스파(PW: pulsed wave) 빔 패턴을 구할 수 있다. 따라서, 모의 시편 영상 실험은 제안한 각각의 방법들에 대한 펄스파 빔 패턴과 모의 시편 영상을 함께 나타내도록 한다.In addition, simulated specimen imaging experiments were obtained using Field II, an ultrasound simulation data production program. As in the case of the beam pattern, a transmission signal having a center frequency of 3 MHz was used for a phased array transducer composed of 64 array elements, and a transmission focusing point was assumed to be 60 mm. In addition, a sampling frequency of 40 MHz was used, and an ultrasonic speed was assumed to be 1540 m / s. Under these conditions, set the maximum depth of the image to 200 mm and at a distance of 1/2, 1, 1.5, 2, and 3 times the transmit focus point at a 40 ° angle from the center of the transducer to effectively check the effect of the grating lobe. Images of simulated specimens with point reflectors were obtained. In addition, the scanning angle of the image was set at -45 ° to 45 °, and 128 scan lines were configured in this angle range, and then DC cancellation, envelope detection, log compression, and log compression were performed for each scan line. The final image was obtained through signal processing of a scan converter. Here, the dynamic range of logarithmic compression was 60 dB. Pulsed wave (PW) beam patterns can be obtained from these simulated specimen images. Therefore, the simulated specimen imaging experiment shows both the pulse wave beam pattern and the simulated specimen image for each of the proposed methods.

한편, 모의 실험의 결과를 실제 영상에서 검증하기 위해 실제 초음파 장비로부터 획득한 데이터를 기반으로 모사실험을 수행하였다. 실험 데이터는 미시건 주 립대의 의공학 연구실(Biomedical Engineering Department, University of Michigan)에서 공개한 것으로, 하나의 배열 소자를 송신하고 모든 배열 소자로 수신하는 과정을 반복하여 획득한 데이터로서 임의의 채널로 송수신한 경우와 동일한 데이터로 변환할 수 있는 것이다.Meanwhile, to verify the results of the simulation in the real image, the simulation was performed based on the data obtained from the real ultrasound equipment. Experimental data is published by the University of Michigan's Biomedical Engineering Department (University of Michigan), and it is a data obtained by repeating the process of transmitting one array element and receiving all array elements. Can be converted to the same data as the case.

실험에 사용된 배열 변환자는 64개의 배열소자로 구성되어 있으므로, DBC의 최소값 정리를 이용하여 원하는 빔 패턴 성능을 갖기 위한 M1, M2, M3 각각의 주기 희박 어레이를 설계하였으며, 최종 빔 패턴의 그레이팅 로브가 -30dB이하로 억제되도록 설계하여 실험하였다. 따라서, DBC의 최소값이 10번째 측엽에 해당하는 거리보다 커야하므로 희박 인자는 6이하여야만 한다. Since the array transformer used in the experiment is composed of 64 array elements, the periodic thin arrays of M1, M2, and M3 are designed to have the desired beam pattern performance using the minimum value theorem of the DBC. Was designed to be suppressed below -30dB. Therefore, the lean factor should be less than or equal to 6 because the minimum value of the DBC should be greater than the distance corresponding to the 10th side lobe.

M1의 경우, 이러한 조건을 만족하는 주기 희박 어레이 쌍은 (P_T,L_T, P_R,L_R)=(3,1,2,1)이 유일하다. 도 4는 M1을 만족하는 주기 희박 어레이 쌍 (P_T,L_T,P_R,L_R)=(3,1,2,1)에 대한 유효 구경을 도시한 그래프이다. 도 4를 참조하면, M1의 유효 구경은 구경 내의 모든 배열 소자를 사용한 것과 같은 특성을 갖는 것을 알 수 있다. 이 경우, 전체적으로 기존의 버니어 어레이의 유효 구경과 유사한 모양을 갖기 때문에 우수한 빔 패턴 성능을 가질 것으로 예상할 수 있다. 또한, 상기 설계된 주기 희박 어레이의 빔 패턴은 원하는 그레이팅 로브 억제 레벨 -30dB를 만족함을 알 수 있다.For M1, only (P _T , L _T , P _R , L _R ) = (3,1,2,1) is the only periodic lean array pair that satisfies this condition. 4 is a graph showing the effective aperture for a period lean array pair (P _T , L _T , P _R , L _R ) = (3,1,2,1) satisfying M1. Referring to FIG. 4, it can be seen that the effective aperture of M1 has the same characteristics as that of all the array elements in the aperture. In this case, it can be expected to have excellent beam pattern performance because the overall shape is similar to the effective aperture of the existing vernier array. In addition, it can be seen that the beam pattern of the designed periodic lean array satisfies the desired grating lobe suppression level of -30 dB.

M2의 경우, M1의 경우와 마찬가지 방법으로 최적의 주기 희박 어레이를 설계할 수 있으나, M2의 경우에는 희박 인자가 6이하인 기본형이 매우 많다. 따라서, M1의 주기 희박 어레이 쌍과 같은 P_T, P_R을 사용하는 경우와 같은 희박 인자를 사용하는 경우의 두가지 예에 대해서만 실험 결과를 나타내기로 한다. 따라서, 각각의 경우는 (P_T,L_T,P_R,L_R)=(3,2,2,1)인 경우와 (P_T,L_T,P_R,L_R)=(6,2,2,1)인 경우가 된다. (P_T,L_T,P_R,L_R)=(3,2,2,1)인 경우에는 희박 인자가 3이므로 DBC의 최소값 정리에 의해 그레이팅 로브가 21번째 이후의 측엽과 곱해진다. 따라서, 모든 그레이팅 로브가 30dB이하로 억제되며, 추가적으로

에 의해서 TGL(1)이 약 7.7dB이상 더 억제될 것이다. 또한, (P_T,L_T,P_R,L_R)=(6,2,2,1)의 경우에는 역시 희박 인자가 6인 기본형이므로 모든 그레이팅 로브가 30dB이하로 억제될 수 있으며,

에 의해서 TGL(1)이 약 1.7dB 더 억제될 것이다.In the case of M2, an optimal periodic lean array can be designed in the same manner as in the case of M1, but in the case of M2, there are many basic types having a lean factor of 6 or less. Therefore, only two examples of using a lean factor such as the case of using P _T and P _R as the periodic lean array pair of M1 will be shown. Thus, in each case, (P _T , L _T , P _R , L _R ) = (3,2,2,1) and (P _T , L _T , P _R , L _R ) = (6,2 , 2, 1). When (P _T , L _T , P _R , L _R ) = (3,2,2,1), the lean factor is 3, and the grating lobe is multiplied by the 21st and later side lobes by the DBC minimum value theorem. Thus, all grating lobes are suppressed below 30 dB, additionally

TGL (1) will be suppressed more than about 7.7dB. In addition, in the case of (P _T , L _T , P _R , L _R ) = (6,2,2,1), all the grating lobes can be suppressed to 30 dB or less since the basic type also has a lean factor of 6,

Will further suppress the TGL (1) by about 1.7 dB.

도 5는 (P_T,L_T,P_R,L_R)=(3,2,2,1)인 주기 희박 어레이의 유효 구경을 도시한 그래프이며, 도 6은 (P_T,L_T,P_R,L_R)=(6,2,2,1)인 주기 희박 어레이의 유효 구경을 도시한 그래프이다. 도 5 및 도 6을 통해, M2의 경우 역시 모든 배열 소자를 사용하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있는 주기 희박 어레이임을 확인할 수 있다. 특히, M2의 경우에는 모든 수신 그레이팅 로브가 제거되는 대신 공통 그레이팅 로브를 제외한 모든 송신 그레이팅 로브가 존재하므로, 유효 구경은 송신 주기 PT마다 불연속점을 갖게 될 것이라고 예상할 수 있으며, 실제 유효 구경에서는 계단 함수(step function)의 계단 폭이 PT의 주기로 나타나고 있다. FIG. 5 is a graph showing the effective aperture of a periodic lean array where (P _T , L _T , P _R , L _R ) = (3,2,2,1), and FIG. 6 shows (P _T , L _T , P) _It is a graph showing the effective aperture of a periodic lean array where _R , L _R ) = (6,2,2,1). 5 and 6, it can be seen that M2 is also a periodic lean array that can achieve the same effect as using all the array elements. In particular, in case of M2, all the receiving grating lobes except the common grating lobe exist instead of all the receiving grating lobes, so it can be expected that the effective aperture will have a discontinuity point for every transmission period PT. The step width of the step function is represented by the period of PT.

도 7은 64개의 배열 소자에 최적화된 M2의 (P_T,L_T,P_R,L_R)=(3,2,2,1)인 주기 희박 어레이에 대한 연속파 빔 패턴을 도시한 그래프이며, 도 8은 (P_T,L_T,P_R,L_R)=(6,2,2,1)인 주기 희박 어레이에 대한 연속파 빔 패턴을 도시한 그래프이다. 도 7을 통해,

에 의한 그레이팅 로브의 추가적인 억제 효과로 인하여 모든 그레이팅 로브가 38dB 이하로 억제됨을 알 수 있다. 따라서, 동일한 P_T와 P_R에 대하여 희박 인자는 M1이 우수하지만, 빔 패턴 성능은 M2가 우수함을 알 수 있다. 한편, 도 8을 통해, 최대 그레이팅 로브가 30dB 정도로 비슷한 레벨을 가짐을 알 수 있는데, M1의 경우에서는 모든 그레이팅 로브가 30dB 정도의 레벨을 갖는 반면, M2의 경우에서는 첫번째 송신 그레이팅 로브를 제외하고는 거의 40dB정도의 레벨을 갖는다. 이는 M2에서 가중함수

가 공통 그레이팅 로브를 제거할 뿐만 아니라 다른 초과 그레이팅 로브를 억제하기 때문이다. 따라서, 동일한 희박 인자를 갖는 경우에서도 M2의 설계 방법이 전체적으로 더 우수한 빔 패턴을 얻을 수 있음을 알 수 있다.FIG. 7 is a graph showing a continuous wave beam pattern for a periodic lean array in which (P _T , L _T , P _R , L _R ) = (3,2,2,1) of M2 optimized for 64 array elements. 8 is a graph showing a continuous wave beam pattern for a periodic lean array in which (P _T , L _T , P _R , L _R ) = (6,2,2,1). Through Figure 7,

It can be seen that all the grating lobes are suppressed below 38 dB due to the additional suppression effect of the grating lobe. Accordingly, it can be seen that the lean factor is superior to M1 for the same P _T and P _R , but the beam pattern performance is superior to M2. On the other hand, through Figure 8, it can be seen that the maximum grating lobe has a similar level of about 30dB, in the case of M1 all grating lobes have a level of about 30dB, except for the first transmission grating lobe in the case of M2 It has a level of almost 40dB. This is the weighting function in M2

This is because not only removes the common grating lobes but also suppresses other excess grating lobes. Therefore, it can be seen that even in the case of having the same lean factor, the M2 design method can obtain a better beam pattern as a whole.

M3의 경우, 희박 인자가 6이하인 기본형이 존재하지 않기 때문에, (P_T,L_T,P_R,L_R) =(6,2,4,2)인 확장형에 대해서 실험하였다. 이러한 경우는 희박 인자가 6으로 M1과 M2의 두번째 예와 같으며, 특히 M1의 P_T,L_T,P_R,L_R의 각각에 n₀ =2 를 곱한 경우와 같다. DBC의 최소값 정리에 따라 최대 그레이팅 로브의 레벨은 약 24.5dB(5번째 측엽)가 되며,

에 의해서 첫번째 송신 그레이팅 로브는 약 1.7dB정도 더 억제될 수 있다. 따라서, 최대 그레이팅 로브 레벨은 약 26dB가 되어 M1 및 M2와는 달리 원하는 성능을 만족할 수 없을 것이다. In the case of M3, since there is no base form with a lean factor of 6 or less, an experiment was performed for the extended form (P _T , L _T , P _R , L _R ) = (6,2,4,2). In this case, the lean factor is 6, which is the same as the second example of M1 and M2. In particular, it is the same as multiplying n ₀ = 2 by each of P _T , L _T , P _R , L _R of M1. According to the DBC's minimum theorem, the maximum grating lobe will have a level of about 24.5 dB (5th side lobe),

The first transmit grating lobe can be further suppressed by about 1.7 dB. Thus, the maximum grating lobe level will be about 26 dB, unlike M1 and M2, which may not meet the desired performance.

도 9는 전술한 M3의 (P_T,L_T,P_R,L_R) =(6,2,4,2)인 주기 희박 어레이의 유효 구경을 도시한 그래프이며, 도 10은 연속파 빔 패턴을 도시한 그래프이다. 유효 구경 기법에 따르면 이 역시 모든 배열 소자를 사용한 것과 같은 효과를 얻을 수 있는 주기 희박 어레이지만 유효 구경함수의 모양이 M1의 경우보다 매우 불규칙한 모양을 가지고 있다. 따라서, 최종 빔 패턴의 성능은 M1의 빔 패턴보다 저하될 것으로 예상되며, 이는 해석에 의한 평가 결과와 일치한다. 도 10을 참조하면, 앞에서 설명한 바와 같이 동일한 희박 인자를 갖는 경우 기본형의 빔 패턴 성능이 더 우수할 것이라는 해석의 결과와 일치한다. 하지만, 구경의 크기가 충분히 확보되면 이 경우 역시 원하는 성능을 만족할 수 있을 것이다. FIG. 9 is a graph showing an effective aperture of a periodic lean array in which (P _T , L _T , P _R , L _R ) = (6,2,4,2) of M3 described above, and FIG. 10 shows a continuous wave beam pattern. It is a graph shown. According to the effective aperture technique, this is also a periodic lean array that has the same effect as using all the array elements, but the shape of the effective aperture function is very irregular than that of M1. Therefore, the performance of the final beam pattern is expected to be lower than that of M1, which is consistent with the evaluation result by the analysis. Referring to FIG. 10, it is consistent with the result of the analysis that the beam pattern performance of the basic type will be better if it has the same lean factor as described above. However, if the size of the aperture is secured enough, in this case it will also be able to meet the desired performance.

이상의 결과를 종합하면, 본 발명에 따른 최적 설계 방법에 의해 설계된 구지 희박 어레이는 유효 구경 기법에서 요구하는 최적의 빔 패턴을 갖는 조건을 모두 충족하고 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 설계 방법은 임의의 주기 희박 어레이의 빔 패턴을 최적화할 수 있는 해석적인 설계 방법이라고 할 수 있다.Summarizing the above results, it can be seen that the sphere lean array designed by the optimal design method according to the present invention satisfies all the conditions with the optimum beam pattern required by the effective aperture technique. Therefore, the design method according to the present invention can be said to be an analytical design method that can optimize the beam pattern of any periodic lean array.

본 발명에서는 그레이팅 로브를 원하는 레벨로 억제하여 최적의 빔 패턴을 갖는 주기 희박 어레이를 설계하기 위한 수학적 해석 방법을 제안한다. 구경함수가 균일한 가중값을 갖는 균일 가중 주기 희박 어레이에서 송신 그레이팅 로브와 수신 그레이팅 로브가 일치하는 경우, 즉 공통 그레이팅 로브는 최종 빔 패턴에서 억제되지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 해석 방법은 임의의 균일 가중 주기 희박 어레이에서 공통 그레이팅 로브가 제거될 수 있는 주기 희박 어레이의 조건을 수학적으로 정리한 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 주기 희박 어레이의 최적 설계 방법을 구체적으로 설명한다.The present invention proposes a mathematical analysis method for designing a periodic lean array having an optimal beam pattern by suppressing a grating lobe to a desired level. In a uniform weighted period lean array with a uniform weighting value, if the transmitting grating lobe and the receiving grating lobe coincide, that is, the common grating lobe is not suppressed in the final beam pattern. Thus, the analysis method according to the present invention mathematically summarizes the conditions of the periodic lean arrays from which common grating lobes can be removed in any uniformly weighted periodic lean array. Hereinafter, an optimal design method of a periodic lean array according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

일반 모델 설정 과정General Model Setup Process

먼저, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 균일 가중 주기 희박 어레이를 해석하기 위하여 주기 희박 어레이에 대한 일반 모델을 설정한다. 도 1은 본 발명에 따른 균일 가중 주기 희박 어레이에 대한 일반 모델을 도시한 그림이다. 여기서, 실제 사용되는 소자는 빗금친 사각형으로 표시하였으며 모두 일정한 가중값을 갖는다. 또한, 이러한 송신 희박 어레이 및 수신 희박 어레이를 편의상 각각 STA(P_T,L_T) 및 SRA(P_R,L_R)로 표시하도록 하며, 각각은 초음파 송신 및 수신시에 P개의 소자 구간 내에서 연속하는 L개의 소자를 사용하는 경우를 나타내고, N_p는 P개의 소자 구간의 개수를 나타내며, 전체 구경의 크기는 N_p×P 이며, 실제 사용되는 소자의 갯수는 N_p×L이 된다. First, in order to analyze the uniformly weighted periodic lean array according to the preferred embodiment of the present invention, a general model for the periodic lean array is set. 1 is a diagram illustrating a general model for a uniform weighted period lean array according to the present invention. Here, the devices actually used are indicated by hatched rectangles and all have a constant weight. In addition, such a transmission lean array and a reception lean array may be referred to as STA (P _T , L _T ) and SRA (P _R , L _R ), respectively, for convenience, and each of them may be continuous within P element intervals during ultrasonic transmission and reception. The case where L elements are used is shown, N _p represents the number of P element sections, the size of the total aperture is N _p × P, and the number of elements actually used is N _p × L.

도 1에 따른 일 반 모델에 대한 송신 집속점 또는 프라운호퍼 영역에서의 빔 패턴은 구경 함수의 푸리에 변환으로 얻어지므로 주기 P마다 1개의 배열 소자를 사 용하는 경우의 빔 패턴과 L개의 연속하는 배열 소자를 사용하는 경우의 빔 패턴의 곱으로 구할 수 있다. 이 때, 주기 P마다 1개의 배열 소자를 사용하는 경우의 빔 패턴은 주엽폭과 그레이팅 로브의 위치를 결정하고, L개의 연속하는 배열 소자를 사용하는 경우의 빔 패턴은 가중 함수로써 작용하는데, 특정한 위치에서 제로점을 갖는 특징이 있다. 이러한 해석 결과를 이용하여 본 발명에서는 공통 그레이팅 로브를 제거할 수 있는 STA(P_T,L_T) 및 SRA(P_R,L_R)의 조건을 수학적으로 해석하고, 이를 기반으로 공통 그레이팅 로브가 제거된 세가지 균일 가중 주기 희박 어레이의 설계 방법을 제안한다. 제안한 설계 방법에 의한 균일 가중 주기 희박 어레이의 유효 구경함수는 모든 배열 소자를 사용한 경우와 같은 특성을 갖고 있다. 따라서, 본 발명에 따른 해석 방법은 유효 구경 기법에서 원하는 유효 구경함수를 얻기 위한 일반적인 조건을 구하는 방법이라고 할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 설계 방법에 대한 최종 빔 패턴의 성능을 수학적으로 평가하여 정해진 구경내에서 원하는 레벨 이하로 그레이팅 로브를 억제할 수 있는 설계 조건을 함께 제안한다. 제안한 설계 기법을 이용하여 64개의 어레이 변환자에 대한 균일 가중 주기 희박 배열을 설계하고 그에 대한 빔 패턴 및 B-모드 영상 실험을 통하여 연속파 빔 패턴에서 그레이팅 로브가 30dB이하로 억제됨을 확인하였으며, B-모드 영상에서는 채널수의 감소에 따른 신호대 잡음비의 감소를 제외하고는 동등한 해상도를 같는 우수한 영상을 얻을 수 있음을 알 수 있었다. Since the beam pattern in the transmission focal point or Fraunhofer region for the general model according to FIG. 1 is obtained by Fourier transform of the aperture function, the beam pattern and L consecutive array elements in the case of using one array element per period P It can be obtained by multiplying the beam pattern in the case of using. At this time, the beam pattern in the case of using one array element per period P determines the main leaf width and the position of the grating lobe, and the beam pattern in the case of using L consecutive array elements acts as a weighting function. It is characterized by having a zero point in position. Using the results of the analysis, the present invention mathematically analyzes the conditions of STA (P _T , L _T ) and SRA (P _R , L _R ) capable of removing the common grating lobe, and removes the common grating lobe based on this. We propose a design method of three uniformly weighted period lean arrays. The effective aperture function of the uniformly weighted period lean array by the proposed design method has the same characteristics as that of all array elements. Therefore, the analysis method according to the present invention can be referred to as a method for obtaining general conditions for obtaining a desired effective aperture function in the effective aperture technique. In addition, by mathematically evaluating the performance of the final beam pattern for the design method according to the present invention, we propose a design condition that can suppress the grating lobe below a desired level within a predetermined aperture. Using the proposed design method, we designed a uniform weighted-period sparse array for 64 array transducers, and verified that the grating lobe is suppressed below 30dB in the continuous wave beam pattern through the beam pattern and B-mode imaging experiments. In the mode image, it can be seen that an excellent image having the same resolution can be obtained except that the signal-to-noise ratio is reduced due to the decrease in the number of channels.

도 1에 나타낸 주기 희박 어레이의 집속 평면 또는 프라운호퍼 영역에서의 측방향 빔패턴은 수학식 1과 같이 쓸 수 있다.The lateral beam pattern in the focus plane or Fraunhofer region of the periodic lean array shown in FIG. 1 can be written as Equation 1.

여기서,

및

이다. here,

And

to be.

수학식 1은 각 구간 내에서 실제 사용되는 연속한 L개의 소자가 독립적인 시간지연을 갖게 됨을 의미하며, 그에 따라 전체 배열에서 사용되는 모든 소자는 독립적인 시간지연이 적용된다. 수학식 1로부터,

의 빔 패턴은 매 P개마다 하나의 소자를 사용하는 경우의 빔 패턴인

와 L개의 소자를 사용하는 FSA의 빔 패턴인

의 곱으로 구할 수 있음을 알 수 있다. Equation 1 means that successive L devices actually used in each section have independent time delays, and thus, all the devices used in the entire array have independent time delays. From Equation 1,

The beam pattern of is the beam pattern when using one element for every P

The beam pattern of the FSA using

It can be seen that the product of.

한편, 도 2는 FSA와 희박 어레이간의 측방향 빔 패턴의 차이를 분석하기 위하여 도시한 단방향 연속파 빔 패턴들로서, (a)는 FSA를 사용한 경우이며, (b)는 주기 희박 어레이를 사용한 경우이다. 도 2에서

를 구성하는 함수

,

및

를 각각 실선, 점선, 점쇄선으로 표시하였다.

의 주엽폭은 수학식 2와 같이 구할 수 있으며, 희박 어레이의 그레이팅 로브의 위치는 수학식 3으로부터 구할 수 있다. Meanwhile, FIG. 2 illustrates unidirectional continuous wave beam patterns shown in order to analyze the difference in the lateral beam patterns between the FSA and the lean array, wherein (a) is a case of using an FSA and (b) is a case of using a periodic lean array. In Figure 2

Function to construct

,

And

Are represented by solid, dashed and dashed lines, respectively.

The main lobe width of can be obtained as in Equation 2, and the position of the grating lobe of the lean array can be obtained from Equation 3.

위상 배열을 사용한 섹터 주사 방식에서 희박 배열 기법을 적용하는 경우, 초음파 영상에 사용되는 주요 범위인

이외의 영역에서는 그레이팅 로브가 발생하지 않는다. 또한, 선형이나 곡선형 배열 변환자의 경우에는 주요 영역 외에서 양방향 빔 패턴에서의

에 의해 그레이팅 로브가 무시할 정도로 작아진다. 따라서, 희박 배열의 해석 및 설계를 위해, 본 발명에서는 주요 영역내에 위치하는 그레이팅 로브를 초과 그레이팅 로브(excessive grating lobe)라 부르기로하고 이를 우선적으로 고려하기로 한다.When the lean array technique is applied in the sector scanning method using a phased array, the main range used for the ultrasound imaging,

The grating lobe does not occur in other areas. Also, for linear or curved array transducers, the bidirectional beam pattern can be

The grating lobe becomes small enough to be ignored. Therefore, for the analysis and design of the lean arrangement, the grating lobe located in the main region will be referred to as an excess grating lobe and will be considered first.

한편, L개의 연속된 소자에 의한 측방향 빔 패턴인

는 측방향 빔 패턴의 가중함수로 적용되며, 수학식 4에 의해 표현되는 위치에서 제로점(null position)을 갖는 특징이 있다.On the other hand, the lateral beam pattern by the L consecutive elements

Is applied as a weighting function of the lateral beam pattern, and is characterized by having a null position at the position represented by Equation 4.

따라서, 수학식 3과 수학식 4를 통해, L=P인 FSA의 경우에는 그레이팅 로브 의 위치가 가중함수

의 제로점과 정확히 일치하게 되어 모든 초과 그레이팅 로브가 제거될 것이고, 그 결과

는 λ/d의 배수인 위치에서만 그레이팅 로브를 갖게 된다. 또한, L≠P인 경우에서도

에 위치하는

의 초과 그레이팅 로브는

가 되므로, 가중함수

에 의하여 제거될 수 있음을 알 수 있다. Therefore, through

equations

3 and 4, in the case of FSA where L = P, the position of the grating lobe is weighted.

Will be exactly coincident with the zero point of and all excess grating lobes will be removed, resulting in

Has a grating lobe only at a position that is a multiple of λ / d. In the case of L ≠ P

Located in

Excess grating lobe of

Weighting function

It can be seen that it can be removed by.

송수신 희박 어레이의 설계 조건 Design Requirements for Transceiver and Lean Arrays

송신 및 수신 희박 어레이의 패턴은 반드시 송신 빔 패턴과 수신 빔 패턴의 곱으로 얻어지는 최종 빔 패턴에서 그레이팅 로브가 너무 크게 발생하지 않도록 선택되어야만 한다. 이를 위해 송신 및 수신 희박 어레이의 패턴들은 같은 위치에서 그레이팅 로브를 발생시키지 않도록 해야만 한다. 본 명세서에서는 송신 그레이팅 로브와 수신 그레이팅 로브가 같은 위치에서 발생하여 최종 빔 패턴에 가장 큰 영향을 미치는 그레이팅 로브를 '공통 그레이팅 로브(CGL: common grating lobe)'로 부르기로 한다. 공통 그레이팅 로브와는 달리, 송신 또는 수신 희박 어레이의 다른 위치에 발생하는 초과 그레이팅 로브들은 수신 또는 송신 빔 패턴의 측엽에 의해서 감소될 여지가 있으므로, 공통 그레이팅 로브를 제거하거나 억제하면 주기 희박 어레이의 최종 빔 패턴을 최적화할 수 있다. 따라서, 주기 희박 어레이의 설계를 최적화시키기 위하여 필요한 2가지의 조건들을 설명한다. 본 명세서에서는 편의상 송 신 및 수신 희박 어레이의 P와 L을 각각 (P_T,L_T) 및 (P_R _,L_R)로 정의한다. The pattern of the transmit and receive lean array must be chosen so that the grating lobe does not occur too large in the final beam pattern obtained as the product of the transmit beam pattern and the receive beam pattern. To do this, the patterns in the transmit and receive lean arrays must not cause the grating lobes to occur at the same location. In this specification, a grating lobe having a transmission grating lobe and a reception grating lobe at the same position and having the greatest influence on the final beam pattern will be referred to as a common grating lobe (CGL). Unlike common grating lobes, excess grating lobes that occur at other locations in the transmit or receive lean array are likely to be reduced by the side lobes of the receive or transmit beam pattern, so removing or suppressing the common grating lobes will result in the end of the periodic lean array. The beam pattern can be optimized. Therefore, two conditions necessary to optimize the design of the periodic lean array are described. In the present specification, for convenience, P and L of the transmit and receive lean arrays are defined as (P _T , L _T ) and (P _R _, L _R ), respectively.

첫번째 조건 : 희박 어레이 조건 (P_T>L_T & P_R>L_R & P_T≠P_R)First condition: lean array condition (P _T > L _T & P _R > L _R & P _T ≠ P _R )

먼저, 송신 및 수신 모두 희박 어레이가 되기 위한 첫번째 조건은 P_T>L_T이고, P_R>L_R이며, 이 때 P_T=P_R인 경우의 공통 그레이팅 로브를 모두 제거할 수 없으므로, 최적의 송신 및 수신 주기 희박 어레이의 쌍이 되기 위한 전제 조건은 P_T≠P_R이다. 그 이유는 다음과 같다. P_T=P_R일 때, 송신 희박 어레이의 모든 초과 그레이팅 로브들은 수신 희박 어레이의 그것과 같은 곳에 위치하고, 모든 초과 그레이팅 로브들이 공통 그레이팅 로브가 되므로, L_T=P_T 이거나 L_R=P_R인 경우에만 제거될 수 있음을 알 수 있다. 이는 공통 그레이팅 로브를 피하기 위해서는 송신 및 수신 어레이 중에서 적어도 하나는 FSA가 되어야만 한다는 것을 의미한다. 따라서, 공통 그레이팅 로브가 제거될 수 있는 송신 및 수신 희박 어레이의 쌍을 설계하기 위해서는 P_T와 P_R이 반드시 다른 값을 가져야만 한다. First, the first condition for both the transmit and receive arrays to be a lean array is P _T > L _T and P _R > L _R , where all common grating lobes for P _T = P _R cannot be removed, The precondition for pairing the transmit and receive period lean arrays is P _T ≠ P _R. The reason for this is as follows. When P _T = P _R , all excess grating lobes of the transmit lean array are co-located with that of the receive lean array, and L _T = P _T or L _R = P _R since all excess grating lobes become a common grating lobe. It can be seen that it can only be removed. This means that at least one of the transmit and receive arrays must be an FSA to avoid common grating lobes. Thus, P _T and P _R must have different values to design a pair of transmit and receive lean arrays from which common grating lobes can be eliminated.

두번째 조건 : 공통 그레이팅로브 제거 Second condition: remove common grating lobe

두번째 조건은, 송신 희박 어레이의 (P_T,L_T)가 수신 희박 어레이의 (P_R,L_R)과 쌍을 이뤘을 때, 다음의 세가지 경우에는 공통 그레이팅 로브가 발생하지 않게 되는 조건들로서, 아래의 M1, M2, M3의 3가지 방법이 존재한다. The second condition is that when (P _T , L _T ) of the transmit lean array is paired with (P _R , L _R ) of the receive lean array, the common grating lobes do not occur in the following three cases: There are three methods of M1, M2, and M3 below.

(M1) P_T와 P_R이 서로 소인 정수인 경우,(M1) when P _T and P _R are mutually prime integers,

(M2) 임의의 P_T와 P_R이 P_T>P_R이고 L_T=P_R인 경우, (M2) when any P _T and P _R are P _T > P _R and L _T = P _R ,

(M3) P_T와 P_R이 서로 소의 정수가 아니고, P_T≠P_R인 경우에 대하여 L_T 또는 L_R이 P_T와 P_R의 최대 공약수인 경우,(M3) When P _T and P _R are not mutually small integers and P _T ≠ P _R , when L _T or L _R is the greatest common divisor of P _T and P _R ,

에는 공통 그레이팅 로브가 발생하지 않게 된다. 이하, 위의 3가지 경우에 대해 각각 설명한다. There is no common grating lobe. Hereinafter, each of the above three cases will be described.

먼저 (M1)의 경우에 대하여 설명한다. 송신 희박 어레이와 수신 희박 어레이는 각각

및

의 위치에서 초과 그레이팅 로브를 갖게 되며, 이러한 초과 그레이팅 로브들 중에서

인 경우에 해당하는 그레이팅 로브는 공통 그레이팅 로브가 된다. 만약 P_T와 P_R이 서로 소인 경우

와

일 때 이러한 조건이 만족된다. 따라서, 공통 그레이팅 로브의 위치는

로 주어진다. 그러나 이러한 위치는 초음파 영상의 주요 범위가 아니다. 따라서, P_T와 P_R이 서로 소인 경우 초음파 영상의 주요 범위내에서는 공통 그레이팅 로브가 존재하지 않게 된다. First, the case of M1 will be described. The transmit lean array and the receive lean array are

And

Will have excess grating lobe at the position of

The grating lobe corresponding to becomes a common grating lobe. If P _T and P _R are each other

Wow

This condition is satisfied when Thus, the location of the common grating lobe

Is given by However, this location is not the main range of ultrasound imaging. Therefore, when P _T and P _R are small to each other, there is no common grating lobe within the main range of the ultrasound image.

다음, (M2)의 경우에 대하여 설명한다. 임의의 정수 P_T와 P_R을 고려하면, P_T>P_R이면, L_T=P_R < P_T가 되어 송신 어레이는 희박 어레이가 된다. 이 경우,

이

,

인 위치에서 제로점을 갖는다. 수신 희박 어레이의 초과 그 레이팅 로브는

와 같은 위치에서 발생하기 따문에, 최종 빔패턴에서는 수신 그레이팅 로브들이 완전히 제거되어 공통 그레이팅 로브가 발생하지 않게 된다. Next, the case of M2 will be described. Considering arbitrary integers P _T and P _R , if P _T > P _R, then L _T = P _R <P _T , and the transmission array becomes a lean array. in this case,

this

,

Has a zero point at the in position. The excess grading lobe of the receiving lean array

In the final beam pattern, the receiving grating lobes are completely removed so that a common grating lobe does not occur in the final beam pattern.

다음, (M3)의 경우에 대하여 설명한다. 1보다 큰 정수 n₀가 P_T와 P_R의 최대공약수라고 하면, 수학식 5와 같은 1 이외의 공약수를 갖지 않는 서로 소인 두 정수 k_T, k_R를 얻을 수 있게 된다. Next, the case of (M3) will be described. If the integer n ₀ that is greater than 1 is the greatest common divisor of P _T and P _R , two integers k _T and k _R that are not mutually non-common factors such as Equation 5 can be obtained.

여기서,

이므로, 수학식 6이 성립된다. here,

Equation 6 is established.

수학식 6으로부터, 송신 희박 어레이의 k_T번째 초과 그레이팅 로브의 위치와 수신 희박 어레이의 k_R번째 초과 그레이팅 로브의 위치가

로 같은 위치에 존재함을 알 수 있다. 또한, k_T와 k_R은 서로 소의 관계이므로, 이 그레이팅 로브는 첫번째 공통 그레이팅 로브가 된다. 다시 말해서, 송신 희박 어레이의 매 k_T번째 그레이팅 로브와 수신 희박 어레이의 k_R번째 그레이팅 로브는 공통 그레이팅 로브가 된다. 즉, 공통 그레이팅 로브가

에 위치하게 되며, 전체적으로 n₀-1개의 공통 그레이팅 로브가 존재한다. 그런데, L_T 또는 L_R이 P_T와 P_R의 최대 공약수 n₀이면, 가중함수의 제로점이 정확하게

에 위치하게 되므로, 모든 공통 그레이팅 로브는 제거된다. From Equation 6, the positions of the k _T th excess grating lobes of the transmit lean array and the k _R th excess grating lobes of the receive lean array are

You can see that they exist in the same location. In addition, since k _T and k _R have a small relationship with each other, this grating lobe becomes the first common grating lobe. In other words, every k _T th grating lobe of the transmit lean array and the k _R th grating lobes of the receive lean array become common grating lobes. That is, the common grating lobe

In general, there are n ₀ -1 common grating lobes. However, if L _T or L _R is the greatest common divisor n ₀ of P _T and P _R , the zero point of the weighting function

Since it is located at, all common grating lobes are removed.

한편, 송신 희박 어레이와 수신 희박 어레이의 P_T와 P_R _에 대하여 최대 공약수(n₀)가 n₀>1일 때, u'의 주요 범위에서 (P_T,L_T)=(k_T,1) 와 (P_R,L_R)=(k_R,1)의 주기 희박 어레이와 같은 빔 패턴을 갖는 n₀-1의 등구간이 존재하게 된다. 그 이유는 다음과 같다. n₀가 P_T와 P_R의 최대 공약수인 경우, k_T와 k_R은 서로 소가 된다. 송신 희박 어레이의 k_T번째와 수신 희박 어레이의 k_R번째 그레이팅 로브는

,

에 위치하는 공통 그레이팅 로브가 된다. 따라서, u'의 주요범위를 n₀-1개의 구간으로 등분하면, m번째 구간은

,

이 된다. 이 때 각 구간은 송신 빔 패턴의 경우

간격의 k_T개의 구간으로 나누어지고, 수신 빔 패턴의 경우에는

간격의 k_R개의 구간으로 나누어진다. 그러므로

의 영향을 무시하면 이러한 각각의 구간은

와

의 주기 희박 어레이 의 빔 패턴과 정확하게 같은 빔 패턴을 포함하고 있게 된다. On the other hand, _when the greatest common factor (n ₀ ) is n ₀ > 1 for P _T and P _R _of the transmit lean array and the receive lean array, (P _T , L _T ) = (k _T , 1 ) And n ₀ -1 equal intervals with the same beam pattern as the periodic lean array of (P _R , L _R ) = (k _R , 1). The reason for this is as follows. If n ₀ is the greatest common divisor of P _T and P _R , then k _T and k _R become small with each other. The k _T th of the transmit lean array and the k _R th grating lobe of the receive lean array

,

It becomes a common grating lobe located at. Therefore, if the main range of u 'is divided into n ₀ -1 intervals, the mth interval is

,

Becomes In this case, each section is a transmission beam pattern

Divided into k _T intervals of the interval,

The interval is divided into k _R intervals. therefore

Ignoring the effect of, each of these intervals

Wow

It contains the beam pattern exactly the same as the beam pattern of the periodic lean array of.

주기 희박 어레이 최적 설계 기준Cycle Lean Array Optimal Design Criteria

지금까지 주기 희박 어레이의 빔 패턴을 최적화 하기 위해서는 공통 그레이팅 로브가 제거되어야만 한다는 것을 설명하였으며, 공통 그레이팅 로브를 제거하는 3가지 방법을 설명하였다. 하지만, 각각의 경우에 해당하는 다양한 주기 희박 어레이 쌍이 존재할 수 있기 때문에 각각의 성능을 평가하기 위한 기준이 필요하다. 따라서, 본 발명에서는 희박 인자(SF: Sparsity Factor)와 빔 교차상쇄(DBC: Destructive Beam Cross-Interference)를 정의하고 이들을 종합하여 제안한 설계 기법의 성능을 비교 분석하도록 하고, 최적의 주기 희박 어레이의 쌍을 결정하는 방법을 제공한다. So far, we have demonstrated that common grating lobes must be removed to optimize the beam pattern of a periodic lean array, and three methods of removing common grating lobes have been described. However, since there may be various pairs of periodic lean arrays in each case, a criterion for evaluating each performance is needed. Therefore, in the present invention, the sparsity factor (SF) and the destructive beam cross-interference (DBC) are defined and combined to compare and analyze the performance of the proposed design technique. It provides a way to determine.

먼저, 공통 그레이팅 로브가 제거된 경우, L_T 또는 L_R은 송신 및 수신 어레이에서 실제 사용되는 소자의 개수를 가능한 작게 유지하면서 초과 그레이팅 로브를 원하는 레벨 이하로 억제할 수 있도록 선택하여야만 한다. 앞으로 송신 및 수신 희박 어레이의 희박 인자(SF)를 수학식 7과 같이 정의하고, 전체 희박 인자 SF를 수학식 8로 나타내기로 한다.First, if the common grating lobe is removed, L _T Alternatively, L _R must be chosen to keep excess grating lobes below the desired level while keeping the number of devices actually used in the transmit and receive arrays as small as possible. The lean factor SF of the transmit and receive lean array will be defined as in Equation 7, and the total lean factor SF will be represented by Equation 8.

수학식 7 및 수학식 8으로부터 희박 인자는 주기 내에서 실제 사용되는 소자의 개수가 적을수록 더 큰 값을 갖게 됨을 알 수 있다. 일반적으로 희박 어레이 기법을 사용하는 가장 큰 이유는 실제 사용되는 채널 수를 줄이기 위함으로써, 동등한 성능의 빔 패턴을 갖는 희박 어레이들 중에서는 SF가 큰 희박 어레이가 더욱 우수하다고 할 수 있다. 이러한 관점에서 본 명세서에서는 SF가 가장 크도록 L_T와 L_R을 최소값으로 사용하는 경우를 기본형으로 부르기로 한다. 따라서, 앞서 설명한 3가지의 경우 중 (M1)의 기본형은 L_T와 L_R이 모두 1이고, (M2)의 기본형은 L_T=P_R, L_R=1이며, (M3)의 경우의 기본형은 L_T=n₀, L_R=1이다. 또한, 본 명세서에서는 편의상 L_T와 L_R이 최소값이 아닌 경우를 확장형으로 부르기로 한다. It can be seen from equations (7) and (8) that the lean factor has a larger value as the number of devices actually used within a period decreases. In general, the biggest reason for using the lean array technique is to reduce the number of channels actually used, and thus, among the lean arrays having the equivalent performance beam pattern, the lean array with large SF is superior. In this regard, in this specification, the case where L _T and L _R are used as the minimum values so that SF is the largest is referred to as a basic type. Thus, the basic form of (M1) in the case of the three previously described are all of the L _T and L _R 1, base form of (M2) is L _T = P _R, L _R = 1, basic type in the case of (M3) Is L _T = n ₀ , L _R = 1. In addition, in the present specification, for convenience, the case where L _T and L _R are not the minimum values will be referred to as an extension type.

다음, 빔 교차상쇄(DBC)는 주엽과 첫번째 송신 및 수신 그레이팅 로브 사이의 거리와 송수신 그레이팅 로브들 사이의 거리로 정의한다. 편의상 송신 및 수신 그레이팅 로브의 위치를 각각 TGL(n) 과 RGL(m) (0<n<P_T, 0<m<P_R)로 나타내고, TGL(0)와 RGL(0)를 주엽의 위치로 표시하면 DBC는 수학식 9와 같이 정의된다. Next, beam cross cancellation (DBC) is defined as the distance between the main lobe and the first transmit and receive grating lobes and the distance between the transmit and receive grating lobes. For convenience, the positions of the transmitting and receiving grating lobes are represented by TGL (n) and RGL (m) (0 <n <P _T , 0 <m <P _R ), respectively, and TGL (0) and RGL (0) are the positions of the main lobe. If expressed as DBC is defined as Equation 9.

공통 그레이팅 로브가 제거된 경우, 초과 송신 또는 수신 그레이팅 로브는 최종 빔 패턴에서 수신 또는 송신 빔 패턴의 측엽의 레벨이하로 제한된다. 여기서, 희박 어레이의 주요 빔 패턴이 sine함수와 유사한 형태이므로, 단방향 빔 패턴의 측엽은 주엽폭의 절반의 거리마다 발생하며, 주엽으로부터 멀리 떨어질수록 낮은 레벨을 갖는다. 도 3은 주요 빔 패턴의 각 측엽의 크기를 구하여 정리한 도표이다. 도 3을 통해 송신 또는 수신 빔 패턴의 10번째 측엽의 경우 대략 -30dB 정도의 레벨을 갖는다는 것을 알 수 있다. When the common grating lobe has been removed, the excess transmit or receive grating lobe is limited to below the level of the side lobe of the receive or transmit beam pattern in the final beam pattern. Here, since the main beam pattern of the lean array is similar to the sine function, the lateral lobe of the unidirectional beam pattern occurs every half distance of the main lobe width, and has a lower level as far away from the main lobe. 3 is a table showing the size of each side lobe of the main beam pattern. It can be seen from FIG. 3 that the 10th side lobe of the transmit or receive beam pattern has a level of about -30 dB.

한편, 공통 그레이팅 로브가 제거된 송신 희박 어레이 및 수신 희박 어레이의 기본형에 대한 빔 교차상쇄(DBC)의 최소값은 수학식 10으로 나타낼 수 있다. On the other hand, the minimum value of beam cross offset (DBC) for the basic type of the transmit lean array and the receive lean array from which the common grating lobe is removed may be represented by Equation 10.

이하, 수학식 10에 대하여 설명한다.

이므로,

을 구하도록 한다. 여기서, 정수 집합

을 정의하면,

이 되어,

은 Z_R의 각 원소를 P_T로 나눈 나머지의 최소값을 의미하게 된다. 이때, 전술한 3가지의 경우 중 (M1)의 경우, P_T와 P_R은 서로소이므로, 최소공배수는 P_T·P_R이 되므로, Z_R의 모든 원소는 P_T로 나누어 떨어지지 않는다. 또한, Z_R의 두 원소 aP_R과 bP_R (단 a>b)에 대하여 (a-b)P_R은 다시 Z_R의 원소가 되기 때문에 역시 P_T로 나누어 떨어지지 않게 된다. 이로부터, Z_R의 모든 원소는 P_T로 나누어 떨어지지 않으며 P_T로 나누었을 때의 나머지가 모두 다른 값을 갖게 됨을 알 수 있다. 그러므로, Z_R의 원소 중에서 P_T로 나누었을 때 나머지가 1인 경우가 항상 존재한다. 즉

이 되므로,

가 된다.Equation 10 will be described below.

Because of,

To get. Where integer set

If you define

This,

Is the minimum of the remainder of each element of Z _R divided by P _T. At this time, in the case of (M1) of the three cases described above, since P _T and P _R are mutually different, the least common multiple becomes P _T · P _R , so that all elements of Z _R are not divided by P _T. Also, two elements aP bP _R and _R (only a> b) (ab) with respect to P of _R Z _R is divided into from falling too P _T since the elements of the re-Z _R. From this, all the elements of Z _R does not fall into a P _T can be seen that all the rest have different values when divided by P _T. Therefore, there is always a case where the remainder is 1 when divided by P _T among the elements of Z _R. In other words

This becomes

Becomes

한편, 전술한 3가지의 경우 중 (M2)의 경우, 모든 수신 그레이팅 로브가 제거된 경우이기 때문에 RGL(m)이 존재하지 않으므로,

이 된다. On the other hand, of the above three cases (M2), since all the receiving grating lobe is removed, since RGL (m) does not exist,

Becomes

마지막으로, 전술한 3가지의 경우 중 (M3)의 경우,

이다. 그런데, k_T와 k_R이 서로 소이므로,

이 된다. 따라서,

이 된다. Finally, in the case of (M3) of the three cases described above,

to be. By the way, k _T and k _R are mutually small,

Becomes therefore,

Becomes

수학식 10을 이용하여, 주기 희박 어레이를 설계함에 있어서, 주어진 설계 변수들에 대한 최종 그레이팅 로브 억제 레벨을 예측하거나 원하는 그레이팅 로브 억제 레벨을 만족시킬 수 있는 주요 변수들의 조건을 결정할 수 있게 된다. Using Equation 10, in designing the periodic lean array, it is possible to predict the final grating lobe suppression level for given design variables or to determine the conditions of key variables that can satisfy the desired grating lobe suppression level.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전술한 방법들을 이용하여 그레이팅 로브가 원하는 만큼 억제된 다양한 주기 희박 어레이의 기본형 및 확장형을 설계할 수 있게 된다. 그러나, 이러한 주기 희박 어레이들 중에서 최적의 성능을 갖는 송수신 쌍을 구하기 위해서는 다양한 논의가 필요하다. 우선, (P_T,L_T,P_R,L_R)=(6,1,5,1)인 경우와, (P_T,L_T,P_R,L_R)=(10,1,3,1)인 경우를 비교해 보면, 이러한 두 예는 모두 전술한 방법 중 M3 경우에 대한 기본형이면서 SF=30으로 동일한 경우이다. 따라서, DBC의 최소값 정리에 의해 두 경우 모두 DBC의 최소값이 λ/30d 가 된다. 그러나, 전자의 경우 송신 및 수신 그레이팅 로브의 총 개수는 5+4 = 9개이고, 후자의 경우 9+2=11 개가 된다. 또한, 수신 빔 패턴의 주엽인 RGL(0)와 첫번째 송신 그레이팅 로브인 TGL(1) 사이의 거리는, 전자의 경우 λ/6d 이지만, 후자의 경우에는 λ/10d 가 된다. 그러므로 최종 빔 패턴은 전자의 경우가 더 우수하다고 결정된다. By using the above-described methods according to the preferred embodiment of the present invention, it is possible to design basic and extended forms of various periodic lean arrays in which the grating lobes are suppressed as desired. However, a variety of discussions are needed to find a transmit / receive pair with optimal performance among these periodic lean arrays. First, (P _T , L _T , P _R , L _R ) = (6,1,5,1) and (P _T , L _T , P _R , L _R ) = (10,1,3, Comparing the case 1), both of these examples are basic cases for the M3 case and the same case as SF = 30 among the above-described methods. Therefore, the minimum value of the DBC becomes λ / 30d in both cases by the minimum value theorem of the DBC. However, in the former case, the total number of transmitting and receiving grating lobes is 5 + 4 = 9 and in the latter case 9 + 2 = 11. Further, the distance between RGL (0), which is the main lobe of the reception beam pattern, and TGL (1), which is the first transmission grating lobe, is lambda / 6d in the former case, but lambda / 10d in the latter case. The final beam pattern is therefore determined to be better for the former.

또한, 같은 희박 인자를 갖는 기본형들 중에서 송신 희박 인자와 수신 희박 인자가 비슷한 값을 갖는 경우가 가장 우수한 빔 패턴 성능을 갖게 된다. 따라서, 상기 희박 인자들이 동일하면, 각 쌍에 대하여 송신 희박 인자와 수신 희박 인자의 차이값을 계산하고, 상기 차이값이 가장 작은 송신 희박 어레이의 (P_T,L_T) 및 수신 희박 어레이의 (P_R,L_R)을 최종 결정할 수 있을 것이다. In addition, among the basic types having the same lean factor, the case where the transmission lean factor and the reception lean factor have similar values has the best beam pattern performance. Therefore, if the lean factors are the same, the difference value of the transmit lean factor and the received lean factor is calculated for each pair, and the (P _T , L _T ) of the transmit lean array and the received lean array of the smallest difference value are calculated. P _R , L _R ) may be finally determined.

또한, 동일한 희박 인자를 갖는 M1, M2, M3 의 기본형들에 대한 빔 패턴을 성능을 비교해보면, 송수신 그레이팅 로브 사이의 최소 거리는 모두 동일하다. M1과는 달리 M2와 M3는 공통그레이팅 로브를 제거할 뿐만 아니라 초과 그레이팅 로브를 억제할 수 있기 때문에, M1보다 우수한 빔 패턴 성능을 갖게 된다. 특히, M2는 L_T를 임의로 선택할 수 있기 때문에 가장 우수한 빔 패턴 성능을 갖는다. 한편, 동일한 SF를 갖는 기본형과 확장형 중에서는 기본형의 성능이 더욱 우수하다. 따라서, 주기희박어레이를 설계함에 있어서, 송신 희박 인자와 수신 희박 인자가 비슷한 값을 갖도록 M2의 기본형으로 설계함으로써, 최적의 주기희박어레이를 설계할 수 있게 된다. In addition, comparing the performance of the beam pattern for the basic types of M1, M2, and M3 having the same lean factor, the minimum distance between the transmission and reception grating lobes is all the same. Unlike M1, M2 and M3 not only eliminate common grating lobes but also suppress excess grating lobes, resulting in better beam pattern performance than M1. In particular, M2 has the best beam pattern performance since it can arbitrarily select L _T. On the other hand, among the basic type and the extended type having the same SF, the performance of the basic type is more excellent. Therefore, in designing the periodic lean array, an optimal periodic lean array can be designed by designing the basic type of M2 such that the transmission lean factor and the reception lean factor have similar values.

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. Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments thereof, this is merely an example and is not intended to limit the present invention, and those skilled in the art do not depart from the essential characteristics of the present invention. It will be appreciated that various modifications and applications which are not illustrated above in the scope are possible. And differences relating to such modifications and applications should be construed as being included in the scope of the invention as defined in the appended claims.

본 발명에 따른 주기 희박 어레이의 최적 설계 방법은 전술한 방법에 따라 구경의 크기, 희박 인자 및 빔 패턴 성능의 3가지 설계 변수 중에서 2가지 조건만 주어지더라도 원하는 주기 희박 어레이를 얻을 수 있게 되므로, 다양한 활용이 가능해진다. 예를 들면, 원하는 주기 희박 어레이의 구경의 크기와 희박 인자가 주어진 경우, 송수신 희박 어레이의 P_T, L_T, P_R, L_R을 얻을 수 있으며, 이 경우의 빔 패턴 성능도 쉽게 예상할 수 있게 된다. 또한, 구경의 크기와 원하는 빔 패턴 성능이 주어지는 경우, 최대 희박인자값이 결정되므로, 이를 만족하는 P_T, L_T, P_R, L_R을 얻을 수 있게 된다. 또한, 희박 인자와 원하는 빔 패턴 성능이 주어지는 경우에도, 이를 만족하는 최소 구경의 크기가 계산되므로, 이를 만족하는 P_T, L_T, P_R, L_R을 얻을 수 있게 된다. The optimal design method of the periodic lean array according to the present invention can obtain a desired periodic lean array even if only two conditions are given among the three design variables of the aperture size, the lean factor, and the beam pattern performance according to the above-described method. Various applications are possible. For example, given the desired size and lean factor of the periodic lean array, P _T , L _T , P _R , L _R of the transmit / receive lean array can be obtained, and the beam pattern performance in this case can be easily estimated. Will be. In addition, when the size of the aperture and the desired beam pattern performance are given, the maximum lean factor value is determined, so that P _T , L _T , P _R , and L _R satisfying this can be obtained. In addition, even when the lean factor and the desired beam pattern performance are given, since the minimum aperture size that satisfies this is calculated, P _T , L _T , P _R , and L _R satisfying the same can be obtained.

도 1은 본 발명에 따른 균일 가중 주기 희박 어레이에 대한 일반 모델을 도시한 그림이다. 1 is a diagram illustrating a general model for a uniform weighted period lean array according to the present invention.

도 2는 FSA와 희박 어레이간의 측방향 빔 패턴의 차이를 분석하기 위하여 도시한 단방향 연속파 빔 패턴들로서, (a)는 FSA를 사용한 경우이며, (b)는 주기 희박 어레이를 사용한 경우이다. FIG. 2 shows unidirectional continuous wave beam patterns shown in order to analyze the difference in the lateral beam patterns between the FSA and the lean array, (a) using FSA, and (b) using periodic lean arrays.

도 3은 주요 빔 패턴의 각 측엽의 크기를 구하여 정리한 도표이다. 3 is a table showing the size of each side lobe of the main beam pattern.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 설계 방법에서 M1의 조건을 만족하는 (P_T,L_T,P_R,L_R)=(3,1,2,1)인 주기 희박 어레이에 대한 유효 구경을 도시한 그래프이다. FIG. 4 is effective for a periodic lean array in which (P _T , L _T , P _R , L _R ) = (3,1,2,1) satisfying the condition of M1 in the design method according to the preferred embodiment of the present invention. A graph showing the aperture.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 설계 방법에서 M2의 조건을 만족하는(P_T,L_T,P_R,L_R)=(3,2,2,1)인 주기 희박 어레이의 유효 구경을 도시한 그래프이며, 도 6은 (P_T,L_T,P_R,L_R)=(6,2,2,1)인 주기 희박 어레이의 유효 구경을 도시한 그래프이며, 도 7은 64개의 배열 소자에 최적화된 M2의 (P_T,L_T,P_R,L_R)=(3,2,2,1)인 주기 희박 어레이에 대한 연속파 빔 패턴을 도시한 그래프이며, 도 8은 (P_T,L_T,P_R,L_R)=(6,2,2,1)인 주기 희박 어레이에 대한 연속파 빔 패턴을 도시한 그래프이다. 5 is an effective aperture of a periodic lean array in which (P _T , L _T , P _R , L _R ) = (3,2,2,1) satisfying the condition of M2 in the design method according to the preferred embodiment of the present invention. 6 is a graph showing an effective aperture of a periodic lean array in which (P _T , L _T , P _R , L _R ) = (6,2,2,1), and FIG. FIG. 8 is a graph showing a continuous wave beam pattern for a periodic lean array in which (P _T , L _T , P _R , L _R ) = (3,2,2,1) of M2 optimized for an array element. _It is a graph showing a continuous wave beam pattern for a periodic lean array where _T , L _T , P _R , L _R ) = (6, 2, 2, 1).

도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 설계 방법에서 M2의 조건을 만족 하는 M3의 (P_T,L_T,P_R,L_R) =(6,2,4,2)인 주기 희박 어레이의 유효 구경을 도시한 그래프이며, 도 10은 연속파 빔 패턴을 도시한 그래프이다. 9 is a periodic lean array of (P _T , L _T , P _R , L _R ) = (6,2,4,2) of M3 satisfying the condition of M2 in the design method according to the preferred embodiment of the present invention. A graph showing the effective aperture, and FIG. 10 is a graph illustrating the continuous wave beam pattern.

Claims

전체 N개의 소자로 구성되는 어레이 변환자를 갖는 초음파 영상 시스템에서의 주기 희박 어레이 최적 설계 방법에 있어서,A method for optimally designing a periodic lean array in an ultrasonic imaging system having an array transducer composed of N elements in total,

(b) 송신 희박 어레이와 수신 희박 어레이의 빔 패턴에서 공통 그레이팅 로브(Common Grating Lobe)가 발생되지 않는 수신 희박 어레이의 주기(P_R)와 사용소자개수(L_R)를 설정하는 단계;(b) setting a period P _R and the number of elements L _R of the reception lean array in which the common grating lobes are not generated in the beam patterns of the transmission lean array and the reception lean array;

를 구비하는 것을 특징으로 하는 주기 희박 어레이 최적 설계 방법. An optimal design method of a periodic lean array, comprising:

제1항에 있어서, (a) 단계 및 (b) 단계에서, 상기 송신 희박 어레이의 주기(P_T)와 수신희박어레이의 주기(P_R)는 같지 아니하며, 상기 P_T와 P_R은 서로 소인 정수가 되도록, 송신 희박 어레이의 P_T와 L_T 및 수신 희박 어레이의 P_R과 L_R을 설정하는 것을 특징으로 하는 주기 희박 어레이 최적 설계 방법. The method of claim 1, wherein in steps (a) and (b), the period P _T of the transmission lean array and the period P _R of the reception lean array are not equal to each other, and the P _T and P _R are each other. A method of optimally designing a periodic lean array, characterized by setting P _T and L _T of the transmit lean array and P _R and L _R of the receive lean array to be an integer.

제1항에 있어서, (a) 단계 및 (b) 단계에서, 상기 송신 희박 어레이의 주 기(P_T)와 수신희박어레이의 주기(P_R)는 같지 아니하며, P_T>P_R이며, L_T=P_R 이 만족되도록, 송신 희박 어레이의 P_T와 L_T 및 수신 희박 어레이의 P_R과 L_R을 설정하는 것을 특징으로 하는 주기 희박 어레이 최적 설계 방법. The method of claim 1, wherein in steps (a) and (b), the period P _T of the transmit lean array and the period P _R of the reception lean array are not equal, and P _T > P _R , and L P _T and L _T of the transmit lean array so that _T = P _R is satisfied. And setting the P _R and L _R of the reception lean array.

제1항에 있어서, (a) 단계 및 (b) 단계에서, 상기 송신 희박 어레이의 주기(P_T)와 수신희박어레이의 주기(P_R)는 같지 아니하며, P_T와 P_R이 서로 소가 아니고, L_T 또는 L_R이 P_T와 P_R의 최대 공약수가 되도록, 송신 희박 어레이의 P_T와 L_T 및 수신 희박 어레이의 P_R과 L_R을 설정하는 것을 특징으로 하는 주기 희박 어레이 최적 설계 방법. The method of claim 1, wherein in steps (a) and (b), the period P _T of the transmission lean array and the period P _R of the reception lean array are not equal to each other, and P _T and P _R are smaller than each other. rather, array optimal design cycle lean, characterized in that to set L _T or L _R is P _T and P _T of a transmission lean array such that the greatest common divisor of P _R and L _T and the reception lean of the array P _R and L _R Way.

제1항에 있어서, (c) 송신 희박 어레이 및 수신 희박 어레이에 대한 희박 인자(SF)를 계산하고, 상기 희박 인자를 이용하여 빔 교차 상쇄(DBC)의 최소값을 결정하는 단계;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 주기 희박 어레이 최적 설계 방법. 2. The method of claim 1, further comprising: (c) calculating a lean factor (SF) for the transmit lean array and the receive lean array and determining a minimum value of beam cross cancellation (DBC) using the lean factor. An optimal design method for a periodic lean array, characterized in that.

제1항에 있어서, (d) 상기 (a) 및 (b) 단계에서 설정된 송신 희박 어레이의 (P_T,L_T) 및 수신 희박 어레이의 (P_R,L_R)의 쌍이 복수 개인 경우, 각 쌍에 대한 희박 인자(SF) 및 상기 희박 인자를 이용한 빔 교차 상쇄(DBC)의 최소값을 계산하고, 상 기 희박 인자 및 빔 교차상쇄의 최소값을 이용하여 상기 송신 희박 어레이의 (P_T,L_T) 및 수신 희박 어레이의 (P_R,L_R)의 쌍을 결정하는 단계;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 주기 희박 어레이 최적 설계 방법. The method according to claim 1, wherein (d) when there are a plurality of pairs of (P _T , L _T ) of the transmission lean array and (P _R , L _R ) of the reception lean array set in steps (a) and (b), Calculate the minimum value of the lean factor (SF) and the beam crossover cancellation (DBC) using the lean factor for the pair, and use the minimum value of the lean factor and beam crossover cancellation to determine the (P _T , L _T) of the transmit lean array. And determining a pair of (P _R , L _R ) of the received lean array.

제6항에 있어서, 상기 (d)단계에 있어서, 만약 상기 희박 인자 및 빔 교차상쇄의 최소값이 동일하면, 송신 및 수신 그레이팅 로브의 총 개수에 따라 송신 희박 어레이의 (P_T,L_T) 및 수신 희박 어레이의 (P_R,L_R)을 최종 결정하는 것을 특징으로 하는 주기 희박 어레이 최적 설계 방법. 7. The method according to claim 6, wherein in step (d), if the lean factor and the minimum value of beam cross-cancellation are the same, (P _T , L _T ) and of the transmit lean array according to the total number of transmit and receive grating lobes; A method of optimal design of a periodic lean array, characterized by the final determination of (P _R , L _R ) of the received lean array.

제6항에 있어서, 상기 (d) 단계에 있어서, 만약 상기 희박 인자들이 동일하면, 각 쌍에 대하여 송신 희박 인자와 수신 희박 인자의 차이값을 계산하고, 상기 차이값이 가장 작은 송신 희박 어레이의 (P_T,L_T) 및 수신 희박 어레이의 (P_R,L_R)을 최종 결정하는 것을 특징으로 하는 주기 희박 어레이 최적 설계 방법. 7. The method of claim 6, wherein in step (d), if the lean factors are the same, a difference value of a transmit lean factor and a received lean factor is calculated for each pair, A method of optimally designing a periodic lean array, characterized by the final determination of (P _T , L _T ) and (P _R , L _R ) of the received lean array.

제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 희박 인자는 수학식 11에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 주기 희박 어레이 최적 설계 방법. 7. The method of claim 5 or 6, wherein the lean factor is determined by Equation (11).

제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 빔 교차상쇄의 최소값은 λ/(SF·d) 인 것을 특징으로 하는 주기 희박 어레이 최적 설계 방법. 7. The method of claim 5 or 6, wherein the minimum value of the beam cross-over cancellation is? / (SF.d).