KR20120067535A - 미드 포인트 알고리즘에 기초하여 ｈｐｒｆ 도플러 영상을 제공하는 초음파 시스템 및 방법 - Google Patents

미드 포인트 알고리즘에 기초하여 ｈｐｒｆ 도플러 영상을 제공하는 초음파 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

미드 포인트 알고리즘(mid-point algorithm)에 기초하여 HPRF(high pulse rate frequency) 도플러 영상을 제공하는 초음파 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 초음파 시스템은, 미드 포인트 알고리즘을 이용하여 샘플볼륨(sample volume)을 기준으로 깊이에 따라 일정한 지연값을 산출하고, 초음파 신호를 대상체에 송신하고 대상체로부터 반사되는 초음파 에코신호를 수신하고, 초음파 에코신호에 기초하여 디지털 신호를 형성하며, 산출된 지연값에 기초하여 디지털 신호를 수신 집속시켜 샘플볼륨에 대한 HPRF 도플러 영상에 대응하는 초음파 데이터를 획득하도록 동작하는 초음파 데이터 획득부를 포함한다.

Description

미드 포인트 알고리즘에 기초하여 ＨＰＲＦ 도플러 영상을 제공하는 초음파 시스템 및 방법{ULTRASOUND SYSTEM AND METHOD FOR PROVIDING HIGH PULSE RATE FREQUENCY DOPPLER IMAGE BASED ON MID-POINT ALGORITHM}
본 발명은 초음파 시스템에 관한 것으로, 특히 미드 포인트 알고리즘(mid-point algorithm)에 기초하여 HPRF(high pulse rate frequency) 도플러 영상을 제공하는 초음파 시스템 및 방법에 관한 것이다.
초음파 시스템은 무침습 및 비파괴 특성을 가지고 있어, 대상체 내부의 정보를 얻기 위한 의료 분야에서 널리 이용되고 있다. 대상체를 직접 절개하여 관찰하는 외과 수술의 필요 없이, 초음파 시스템은 대상체 내부의 고해상도 영상을 실시간으로 의사에게 제공할 수 있어 의료 분야에서 매우 중요하게 사용되고 있다.
초음파 시스템은 초음파 프로브를 통해 초음파 신호를 대상체에 송신하고 대상체로부터 반사되는 초음파 신호(즉, 초음파 에코신호)를 수신한다. 초음파 시스템은 수신된 초음파 에코신호에 다양한 신호 처리를 수행하여 초음파 영상을 형성한다.
한편, 초음파 시스템은 다이나믹 수신 집속 지연(dynamic Rx focusing delay)을 계산하기 위해 사용되는 집속 지연 알고리즘(focusing delay algorithm)에 해당하는 미드 포인트 알고리즘(mid-point algorithm)을 이용하여 빔 포밍을 수행한다. 또한, 초음파 시스템은 특정한 깊이(depth)의 심부에서 최대 검출 가능한 유속보다 빠른 혈류를 검출하기 위해 일반적으로 가능한 PRF(pulse rate frequency)보다 높은 PRF를 이용하여 도플러 영상을 제공하고 있다. 이러한 도플러 영상을 HPRF(high pulse rate frequency) 도플러 영상이라 한다.
종래에는 HPRF 도플러 영상을 획득하기 위해 초음파 신호를 대상체에 송신하고 대상체로부터 반사되는 초음파 에코신호를 수신하고, 수신된 초음파 에코신호를 미드 포인트 알고리즘을 이용하여 수신 집속하는 경우, 샘플볼륨(sample volume)과 팬텀 샘플볼륨(phantom sample volume) 간의 타이밍(timming) 문제로 인하여 팬텀 샘플볼륨에 해당하는 깊이에서의 수신 집속 지연 커브(Rx focusing delay curve)를 이용하였다. 이로 인해, 실제 초음파 에코신호가 반사되어 들어오는 깊이에 해당하는 정확한 수신 집속 지연 커브를 적용하지 못하여, 도플러 신호의 감도가 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 미드 포인트 알고리즘(mid-point algorithm)에 적용되는 초기값을 변경하여, 상기 샘플볼륨을 기준으로 이에 해당하는 적절한 지연값을 깊이에 따라 일정하게 산출하고, 팬텀 샘플볼륨(phantom sample volume)의 위치에서 산출된 지연값에 기초하여 수신 집속을 수행하는 초음파 시스템 및 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 초음파 시스템은, 미드 포인트 알고리즘(mid-point algorithm)을 이용하여 샘플볼륨(sample volume)을 기준으로 깊이에 따라 일정한 지연값을 산출하고, 초음파 신호를 대상체에 송신하고 상기 대상체로부터 반사되는 초음파 에코신호를 수신하고, 상기 초음파 에코신호에 기초하여 디지털 신호를 형성하며, 상기 산출된 지연값에 기초하여 상기 디지털 신호를 수신 집속시켜 상기 샘플볼륨에 대한 HPRF(high pulse rate frequency) 도플러 영상에 대응하는 초음파 데이터를 획득하도록 동작하는 초음파 데이터 획득부를 포함한다.
또한 본 발명에 따른 HPRF 도플러 영상 제공 방법은, a) 미드 포인트 알고리즘을 이용하여 샘플볼륨을 기준으로 깊이에 따라 일정한 지연값을 산출하는 단계; b) 초음파 신호를 대상체에 송신하고 상기 대상체로부터 반사되는 초음파 에코신호를 수신하여 디지털 신호를 형성하는 단계; 및 c) 상기 산출된 지연값에 기초하여 상기 디지털 신호를 수신 집속시켜 상기 샘플볼륨에 대한 HPRF 도플러 영상에 대응하는 초음파 데이터를 획득하는 단계를 포함한다.
본 발명은 종래의 미드 포인트 알고리즘(mid-point algorithm)을 이용하여 샘플볼륨을 기준으로 이에 해당하는 적절한 지연값을 깊이에 따라 일정하게 산출할 수 있어, 팬텀 샘플볼륨(phantom sample volume)으로부터 수신된 도플러 신호의 감도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 시스템의 구성을 보이는 블록도.
도 2는 B 모드 영상 및 샘플볼륨을 보이는 예시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 데이터 획득부의 구성을 보이는 블록도.
도 4는 미드 포인트 알고리즘에 대응하는 수학식을 설명하는 설명도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 PRF(pulse rate frequency)에 기초하여 초음파 신호의 송신 및 수신을 보이는 타이밍도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 PRF(pulse rate frequency)에 기초하여 초음파 신호의 송신 및 수신을 보이는 예시도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 지연 커브를 보이는 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 시스템의 구성을 보이는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 초음파 시스템(100)은 사용자 입력부(110), 초음파 데이터 획득부(120), 프로세서(130), 저장부(140) 및 디스플레이부(150)를 포함한다.
사용자 입력부(110)는 사용자의 입력정보를 수신한다. 본 실시예에서, 입력정보는 도 2에 도시된 바와 같이 B 모드 영상(BI)에 샘플볼륨(sample volume)(SV)을 설정하기 위한 제1 입력정보 및 HPRF 도플러 모드(high pulse rate frequency Doppler mode)를 선택하기 위한 제2 입력정보를 포함한다. 그러나, 입력정보는 반드시 이에 한정되지 않는다. HPRF 도플러 모드는 특정 깊이(depth)의 심부에서 최대 검출 가능한 혈류 속도보다 빠른 혈류를 측정하고자 하는 경우에 일반적으로 가능한 PRF(pulse rate frequency)보다 높은 PRF를 이용하여 스펙트럴(spectral) 도플러 영상을 획득할 수 있는 진단모드이다. 도 2에 있어서, 도면부호 BV는 혈관(blood vessel)을 나타낸다. 사용자 입력부(110)는 컨트롤 패널(control panel), 트랙볼(trackball), 마우스(mouse), 키보드(keyboard) 등을 포함한다.
초음파 데이터 획득부(120)는 초음파 신호를 대상체에 송신하고 대상체로부터 반사되는 초음파 신호(즉, 초음파 에코신호)를 수신하여 초음파 데이터를 획득한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 데이터 획득부의 구성을 보이는 블록도이다. 도 3을 참조하면, 초음파 데이터 획득부(120)는 초음파 프로브(310), 송신신호 형성부(320), 빔 포머(330) 및 초음파 데이터 형성부(340)를 포함한다.
초음파 프로브(310)는 전기적 신호와 초음파 신호를 상호 변환하도록 동작하는 복수의 변환소자(transducer element)(도시하지 않음)를 포함한다. 초음파 프로브(310)는 초음파 신호를 대상체에 송신하고 대상체로부터 반사되는 초음파 에코신호를 수신하여 수신신호를 형성한다. 수신신호는 아날로그 신호이다. 초음파 프로브(310)는 컨벡스 프로브(convex probe), 리니어 프로브(linear probe) 등을 포함한다.
송신신호 형성부(320)는 초음파 신호의 송신을 제어한다. 또한, 송신신호 형성부(320)는 변환소자 및 집속점을 고려하여 초음파 영상을 얻기 위한 송신신호를 형성한다.
빔 포머(330)는 초음파 프로브(310)로부터 제공되는 수신신호를 아날로그 디지털 변환하여 디지털 신호를 형성한다. 또한, 빔 포머(330)는 변환소자 및 집속점을 고려하여 디지털 신호를 수신집속시켜 수신집속신호를 형성한다.
초음파 데이터 형성부(340)는 빔 포머(330)로부터 제공되는 수신집속신호를 이용하여 초음파 데이터를 형성한다. 초음파 데이터는 RF(radio frequency) 데이터 또는 IQ(in-phase/quadrature) 데이터를 포함한다. 그러나, 초음파 데이터는 반드시 이에 한정되지 않는다. 또한, 초음파 데이터 형성부(340)는 초음파 데이터를 형성하는데 필요한 다양한 신호 처리(예를 들어, 이득(gain) 조절 등)를 수신집속신호에 수행할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 초음파 데이터 획득부(120)의 동작을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 설명의 편의를 위해, 샘플볼륨(SV)이 대략 20㎝의 깊이에 설정되고, 이에 대응하는 팬텀 샘플볼륨(phantom sample volume)이 샘플볼륨(SV)이 설정된 위치(20㎝)의 대략 절반 위치(10㎝)에 설정되는 것으로 가정한다.
송신신호 형성부(320)는 변환소자 및 집속점을 고려하여 B 모드 영상(BI)을 얻기 위한 제1 송신신호를 형성한다.
초음파 프로브(310)는 송신신호 형성부(320)로부터 제1 송신신호가 제공되면, 제1 송신신호를 초음파 신호로 변환하여 대상체에 송신하고 대상체로부터 반사되는 초음파 에코신호를 수신하여 제1 수신신호를 형성한다.
빔 포머(330)는 초음파 프로브(310)로부터 제1 수신신호가 제공되면, 제1 수신신호를 아날로그 디지털 변환하여 제1 디지털 신호를 형성한다. 또한, 빔 포머(330)는 미드 포인트(mid-point) 알고리즘을 이용하여 제1 디지털 신호를 수신 집속시켜 제1 수신집속신호를 형성한다.
일반적으로, 미드 포인트 알고리즘은 다이나믹 수신 집속 지연(dynamic Rx focusing delay)을 계산하기 위해 사용되는 집속 지연 알고리즘(focusing delay algorithm)이다. 미드 포인트 알고리즘의 수식을 전개하여 정리하면 아래의 수학식과 같은 조건식으로서 정의될 수 있다.
Figure pat00001
수학식 1에 있어서, dn은 결정 변수(decision function)을 나타내고, rn은 초기 깊이(depth)를 나타내고, ln은 초기 지연값, 즉 도 4에 도시된 바와 같이 집속점에서부터 n번째 변환소자까지의 거리 중에서 초기 깊이(rn)를 뺀 나머지를 나타내고, Cn은 -4(α+1)을 나타내며, α는 도 4에 도시된 바와 같이 2xsinθ를 나타내고, Cp는 -12-4α를 나타낸다.
따라서, 미드 포인트 알고리즘은 Cn 및 Cp가 변환소자 및 집속점의 위치에 의해 결정되는 한편, 초기에 설정되는 특정 변수, 즉 dn 및 rn에 의해 지연 데이터가 생성될 수 있다.
초음파 데이터 형성부(340)는 빔 포머(330)로부터 제1 수신집속신호가 제공되면, 제1 수신집속신호를 이용하여 B 모드 영상에 대응하는 제1 초음파 데이터를 형성한다. 제1 초음파 데이터는 RF(radio frequency) 데이터를 포함한다. 그러나, 제1 초음파 데이터는 반드시 이에 한정되지 않는다.
또한, 송신신호 형성부(320)는 입력정보(즉, 제1 입력정보 및 제2 입력정보) 및 PRF(pulse rate frequency)에 기초하여 샘플볼륨에 해당하는 HRPF 도플러 영상을 얻기 위한 제2 송신신호를 형성한다. 따라서, 초음파 프로브(310)는 송신신호 형성부(320)로부터 제2 송신신호가 제공되면, 제2 송신신호를 초음파 신호로 변환하여 대상체에 송신하고 대상체로부터 반사되는 초음파 에코신호를 수신하여 제2 수신신호를 형성한다.
일례로서, 송신신호 형성부(320)는 PRF에 따라 제2 송신신호를 형성한다. 초음파 프로브(310)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 PRF에 따라 제2 송신신호를 초음파 신호로 변환하여 대상체에 송신(Tx1)한다. 도 6에 있어서, 도면부호 PSV는 팬텀 샘플볼륨(phatom sample volume)을 나타낸다.
송신신호 형성부(320)는 PRF에 따라 제2 송신신호를 형성한다. 초음파 프로브(310)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 PRF에 따라 제2 송신신호를 초음파 신호로 변환하여 대상체에 송신(Tx2)한다. 이어서, 초음파 프로브(310)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 대상체로부터 반사되는 초음파 에코신호를 수신(Rx1)하여 제2 수신신호를 형성한다. 이때, 수신되는 초음파 에코신호(Rx1)는 초음파 프로브(310)로부터 송신된 초음파 신호(Tx1)가 대상체에 의해 반사되어 초음파 프로브(310)에 수신되는 초음파 에코신호이다.
송신신호 형성부(320)는 PRF에 따라 제2 송신신호를 형성한다. 초음파 프로브(310)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 PRF에 따라 제2 송신신호를 초음파 신호로 변환하여 대상체에 송신(Tx3)한다. 또한, 초음파 프로브(310)는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 PRF에 따라 대상체로부터 반사되는 초음파 에코신호를 수신(Rx2)하여 제2 수신신호를 형성한다. 이때, 수신되는 초음파 에코신호(Rx2)는 초음파 프로브(310)로부터 송신된 초음파 신호(Tx2)가 대상체에 의해 반사되어 초음파 프로브(310)에 수신되는 초음파 에코신호이다.
빔 포머(330)는 초음파 프로브(310)로부터 제2 수신신호가 제공되면, 제2 수신신호를 아날로그 디지털 변환하여 제2 디지털 신호를 형성한다. 빔 포머(330)는 본 발명에 따른 미드 포인트 알고리즘을 이용하여 제2 디지털 신호를 수신집속시켜 제2 수신집속신호를 형성한다.
미드 포인트 알고리즘은 모든 깊이에 대해 지연값을 적용하여 수신 집속 지연을 계산한다. 그러나, PW(pulse wave) 도플러 모드 또는 HPRF 도플러 모드는 특정 스캔라인의 하나의 집속점만을 포커싱하여 데이터를 획득하는 것이므로 모든 깊이에 대한 데이터가 필요하지 않다. 따라서, 샘플볼륨(SV)에 해당하는 지연 데이터가 유효한 데이터이며, 이 값을 모든 깊이에 대해 적용하면 팬텀 샘플볼륨(PSV)에서도 샘플볼륨(SV)의 집속 지연 데이터를 사용할 수 있게 된다.
이를 위해, 빔 포머(330)는 수학식 1에 있어서, dn의 초기값을 0 이하의 값으로 설정하고, Cn을 -8ln으로 설정한다. 이와 같이 초기값을 설정하게 되면, 지연값(ln)은 깊이에 따라 도 7에 도시된 바와 같이 항상 동일하게 유지되는 지연 커브(Iafter)로 된다. 도 7에 도면부호 Ibefore는 종래의 미드 포인트 알고리즘에 따른 지연 커브를 나타낸다.
따라서, 빔 포머(330)는 미드 포인트 알고리즘에 대해 초기 지연값이 0 보다 작도록 특정 변수(즉, dn 및 Cn)를 설정하여 깊이에 따라 일정한 지연값을 산출하고, 산출된 지연값을 이용하여 디지털 신호를 수신 집속시켜 수신집속신호를 형성한다.
초음파 데이터 형성부(340)는 빔 포머(330)로부터 제2 수신집속신호가 제공되면, 제2 수신집속신호를 이용하여 HPRF 도플러 영상에 대응하는 제2 초음파 데이터를 형성한다.
다시 도 1을 참조하면, 프로세서(130)는 사용자 입력부(110) 및 초음파 데이터 획득부(120)에 연결된다. 프로세서(130)는 사용자 입력부(110)로부터 제공되는 입력정보(즉, 제1 입력정보 및 제2 입력정보)에 기초하여 B 모드 영상(BI)에 샘플볼륨(SV) 및 팬텀 샘플볼륨(phantom sample volume)(PSV)을 설정한다. 또한, 프로세서(130)는 초음파 데이터 획득부(120)로부터 제공되는 초음파 데이터를 이용하여 초음파 영상을 형성한다. 프로세서(130)는 CPU(central processor unit), GPU(graphic processor unit) 또는 마이크로프로세서(microprocessor)를 포함한다. 그러나, 프로세서(130)는 반드시 이에 한정되지 않는다.
본 실시예에서, 프로세서(130)는 초음파 데이터 획득부(120)로부터 제1 초음파 데이터가 제공되면, 제1 초음파 데이터를 이용하여 B 모드 영상(BI)을 형성한다. 또한, 프로세서(130)는 초음파 데이터 획득부(120)로부터 제2 초음파 데이터가 제공되면, 제2 초음파 데이터를 이용하여 도플러 신호를 형성하고, 형성된 도플러 신호를 이용하여 HPRF 도플러 영상을 형성한다.
저장부(140)는 초음파 데이터 획득부(120)에서 획득된 초음파 데이터(즉, 제1 초음파 데이터 및 제2 초음파 데이터)를 저장한다. 또한, 저장부(140)는 사용자 입력부(110)에서 수신된 입력정보를 저장할 수도 있다.
디스플레이부(150)는 프로세서(130)에서 형성된 B 모드 영상을 디스플레이한다. 또한, 디스플레이부(150)는 프로세서(130)에서 형성된 HPRF 도플러 영상을 디스플레이한다.
본 발명은 바람직한 실시예를 통해 설명되고 예시되었으나, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 사항 및 범주를 벗어나지 않고 여러 가지 변경 및 변형이 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이다.
100: 초음파 시스템 110: 사용자 입력부
120: 초음파 데이터 획득부 130: 프로세서
140: 저장부 150: 디스플레이부
310: 초음파 프로브 320: 송신신호 형성부
330: 빔 포머 340: 초음파 데이터 형성부
BI: B 모드 영상 SV: 샘플볼륨
PSV: 팬텀 샘플볼륨

Claims (6)

  1. 초음파 시스템으로서,
    미드 포인트 알고리즘(mid-point algorithm)을 이용하여 샘플볼륨(sample volume)을 기준으로 깊이에 따라 일정한 지연값을 산출하고, 초음파 신호를 대상체에 송신하고 상기 대상체로부터 반사되는 초음파 에코신호를 수신하고, 상기 초음파 에코신호에 기초하여 디지털 신호를 형성하며, 상기 산출된 지연값에 기초하여 상기 디지털 신호를 수신 집속시켜 상기 샘플볼륨에 대한 HPRF(high pulse rate frequency) 도플러 영상에 대응하는 초음파 데이터를 획득하도록 동작하는 초음파 데이터 획득부
    를 포함하는 초음파 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 초음파 데이터 획득부는,
    PRF(pulse rate frequency)에 기초하여 상기 HPRF 도플러 영상을 얻기 위한 제(i+1)(i는 1 이상의 정수) 송신신호를 형성하도록 동작하는 송신신호 형성부;
    상기 PRF에 따라 상기 제(i+1) 송신신호를 초음파 신호로 변환하여 상기 대상체에 송신하고, 상기 대상체로부터 반사되는 제i 초음파 에코신호를 수신하여 수신신호를 형성하도록 동작하되, 상기 제i 초음파 에코신호는 제i 송신신호에 대응하는 초음파 신호가 상기 대상체에 의해 반사되어 수신되는 초음파 에코신호인 초음파 프로브;
    상기 수신신호를 아날로그 디지털 변환하여 디지털 신호를 형성하고, 상기 미드 포인트 알고리즘에 대한 초기 설정값을 0 보다 작도록 설정하여, 상기 샘플볼륨을 기준으로 깊이에 따라 일정한 지연값을 산출하고, 상기 산출된 지연값에 기초하여 상기 디지털 신호를 수신집속시켜 수신집속신호를 형성하도록 동작하는 빔 포머; 및
    상기 수신집속신호를 이용하여 상기 초음파 데이터를 형성하도록 동작하는 초음파 데이터 형성부
    를 포함하는 초음파 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 초기 설정값은 초기 지연값을 포함하는 초음파 시스템.
  4. HPRF 도플러 영상 제공 방법으로서,
    a) 미드 포인트 알고리즘을 이용하여 샘플볼륨을 기준으로 깊이에 따라 일정한 지연값을 산출하는 단계;
    b) 초음파 신호를 대상체에 송신하고 상기 대상체로부터 반사되는 초음파 에코신호를 수신하여 디지털 신호를 형성하는 단계; 및
    c) 상기 산출된 지연값에 기초하여 상기 디지털 신호를 수신 집속시켜 상기 샘플볼륨에 대한 HPRF 도플러 영상에 대응하는 초음파 데이터를 획득하는 단계
    를 포함하는 HPRF 도플러 영상 제공 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 단계 a)는,
    상기 미드 포인트 알고리즘에 대한 초기 설정값을 0 보다 작도록 설정하여 상기 샘플볼륨을 기준으로 깊이에 따라 일정한 지연값을 산출하는 단계
    를 포함하는 HPRF 도플러 영상 제공 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 단계 b)는,
    PRF에 기초하여 상기 HPRF 도플러 영상을 얻기 위한 제(i+1)(i는 1 이상의 정수) 송신신호를 형성하는 단계;
    상기 PRF에 따라 상기 제(i+1) 송신신호를 초음파 신호로 변환하여 상기 대상체에 송신하고, 상기 대상체로부터 반사되는 제i 초음파 에코신호를 수신하여 수신신호를 형성하는 단계; 및
    상기 수신신호를 아날로그 디지털 변환하여 디지털 신호를 형성하는 단계
    를 포함하는 HPRF 도플러 영상 제공 방법.
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