KR20130010156A - Analysis method of microwave inverse scattering using ultrasonic wave - Google Patents

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KR20130010156A
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박승모
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(주)뮤트로닉스
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Abstract

PURPOSE: A method for analyzing an electromagnetic wave back-scattering using ultrasonic images and an electromagnetic wave tomography device are provided to remarkably reduce time required for an electromagnetic wave back-scattering numerical analysis. CONSTITUTION: A method for analyzing an electromagnetic wave back-scattering using ultrasonic images is as follows. 3D ultrasonic images with respect to a measurement object are generated by using a plurality of ultrasonic sensors(70). The 3D ultrasonic images are divided into a plurality of cells. The cells having similar properties according to a preset reference are set as an identical variable while each cell is set as the variables. Electromagnetic wave images are obtained by using a plurality of electromagnetic wave transmitting/receiving devices(10). Dielectric rate or conductivity distribution rate images of the inside of the measurement object are obtained by performing an electromagnetic wave back-scattering numerical analysis. [Reference numerals] (10) Electromagnetic wave transmitting/receiving device; (80) Ultrasonic wave transmitting/receiving device; (90) Numerical analysis device

Description

초음파 영상을 이용한 전자파 역산란 해석방법 및 전자파 토모그래피 장치{Analysis Method of Microwave Inverse Scattering Using Ultrasonic Wave}Analysis Method of Microwave Inverse Scattering Using Ultrasonic Wave

본 발명은 초음파 영상을 이용한 전자파 역산란 해석방법 및 전자파 토모그래피 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자파 역산란(inverse-scattering) 수치해석에 있어 초음파 영상을 활용하여 계산시간을 획기적으로 단축할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
The present invention relates to an electromagnetic inverse scattering analysis method and an electromagnetic tomography apparatus using an ultrasonic image, and more particularly, to significantly reduce the calculation time by using an ultrasonic image in the electromagnetic inverse-scattering numerical analysis. It is about technology to do.

일반적으로 전자파 토모그래피(Microwave Tomography) 기술이란, 전자파를 피 측정 물체에 전파(propagation)하였을 때 매질을 통과하면서 생기는 감쇄특성과 서로 다른 매질의 경계면에서 발생하는 반사와 산란 및 다중반사 등 맥스웰방정식(Maxwell's Equation)을 만족하는 복잡한 전자파 현상이 나타나게 되는데, 이러한 전자파 성분을 피측정 물체 주위에 다수의 안테나로 수신하여 전자파 역산란 수치해석을 통해 피 측정 물체 내부조직을 전자기적 성분인 유전율 또는 도전율 분포로 나타내는 기술이다. 피 측정 물체는 내부의 성분을 알고자 하는 임의의 물체일 수도 있고 또는 인체의 일부일 수도 있다.In general, Microwave Tomography technology refers to the Maxwell's equations such as reflection, scattering, and multi-reflection that occur at the interface between different media when electromagnetic waves propagate through a medium. A complex electromagnetic wave phenomenon that satisfies the Equation appears, and this electromagnetic wave component is received by a number of antennas around the object to be measured, and electromagnetic wave backscattering numerical analysis indicates that the internal structure of the object is measured as a dielectric constant or conductivity distribution. Technology. The object to be measured may be any object that wants to know a component therein or may be part of a human body.

이러한 전자파 토모그래피 장치는 지질탐사장비, 땅굴탐지장비 등의 응용분야에서 널리 활용되고 있다. The electromagnetic tomography apparatus is widely used in applications such as geological exploration equipment, ground excavation detection equipment.

도 1은 유방암 진단에 응용되는 의료장비의 한 예로서, 일반적인 전자파 토모그래피 장치를 설명하기 위한 정면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 전자파 토모그래피 장치를 위에서 바라본 것이다.FIG. 1 is a front view for explaining a general electromagnetic tomography device as an example of medical equipment applied to breast cancer diagnosis, and FIG. 2 is a view from above of the electromagnetic tomography device shown in FIG. 1.

도 1 및 도 2를 참조하면, 일반적인 전자파 토모그래피 장치는, 전자파 송수신 장치(10)와, 전자파를 노출시키는 탱크(20)로 구성된다. 탱크(20)는 매칭 액체(60)로 채워진다. 매칭 액체(60)는 피측정 물체와 전자기적 특성이 유사한 성분을 사용하여 다수의 송수신 안테나들(30)간 간섭을 줄이고, 피 측정 물체(40) 표면에서 RF 신호가 반사되는 것을 억제한다. 탱크(20)는 송수신이 가능한 다수의 안테나들(30)을 구비한다. 다수의 안테나들(30)은 원형으로 배열되어 RF 신호를 송수신한다. 다수의 안테나들(30)과 전자파 송수신 장치(10)는 RF 케이블로 각각 연결된다.1 and 2, a general electromagnetic tomography apparatus includes an electromagnetic wave transmitting and receiving device 10 and a tank 20 exposing electromagnetic waves. Tank 20 is filled with matching liquid 60. The matching liquid 60 reduces the interference between the plurality of transmitting and receiving antennas 30 by using a component having similar electromagnetic characteristics to the object under measurement, and suppresses the reflection of the RF signal on the surface of the object under measurement 40. The tank 20 has a plurality of antennas 30 capable of transmitting and receiving. The plurality of antennas 30 are arranged in a circle to transmit and receive the RF signal. The plurality of antennas 30 and the microwave transceiving device 10 are each connected by an RF cable.

이러한 일반적인 전자파 토모그래피 장치의 제어 방법을 이하에서 살펴본다. 피 측정 물체(40)가 탱크(20) 안의 다수의 안테나들(30) 사이에 위치하면, 전자파 송수신 장치(10)는 소정의 주파수를 갖는 RF 신호를 발생하고, 이 RF 신호를 다수의 안테나들(30) 중 송신 안테나인 제 1 안테나(30a)로 공급한다. 제 1 안테나(30a)에서 방사된 RF 신호는 매칭 액체(60)와 피 측정 물체(40)를 통과하여, 제 1 안테나(30a)를 제외한 다수의 안테나들(30b,…, 30p)을 통해 전자파 송수신 장치(10)로 수신된다. 순차적으로 송신안테나를 다른 안테나로 변경하면서 모든 안테나가 한 번씩 송신이 완료될 때까지 동일한 과정을 반복한다. 다음으로 도 1의 다수의 안테나들(30) 위치를 상하로 변경하면서 동일한 송수신 과정을 반복한다.A control method of the general electromagnetic tomography apparatus will be described below. When the object to be measured 40 is located between the plurality of antennas 30 in the tank 20, the electromagnetic wave transceiver 10 generates an RF signal having a predetermined frequency, and the RF signal is transmitted to the plurality of antennas. It supplies to the 1st antenna 30a which is a transmission antenna of 30. The RF signal radiated from the first antenna 30a passes through the matching liquid 60 and the object under test 40, and electromagnetic waves are passed through the plurality of antennas 30b,..., 30p except for the first antenna 30a. It is received by the transceiver 10. The same procedure is repeated until all antennas transmit once, while sequentially changing transmission antennas to other antennas. Next, the same transmission and reception process is repeated while changing the positions of the plurality of antennas 30 of FIG. 1 up and down.

이렇게 수신된 RF 신호로부터 역산란 해석 프로그램을 통해 피 측정 물체(40)를 유전율 및 도전율의 분포로 변환하고, 실제 안타나로 측정한 데이터와 수치해석 결과가 일치할 때까지 매질 내부의 유전율과 도전율의 분포를 변화시키면서 반복적인 계산을 수행하게 된다.From the received RF signal, the inverse scattering analysis program converts the measured object 40 into the distribution of permittivity and conductivity, and the dielectric constant and conductivity of the inside of the medium are measured until the measured data match the numerical results. Iterative calculations are performed while changing the distribution.

이러한 수치해석 과정을 도 3을 참조하여 보다 상술하면, 피 측정 물체 즉, 매질 내부를 일정한 크기의 셀로 분할하고, 최적화 알고리즘에 따라 각 셀의 유전율과 도전율의 값을 임의로 설정하고, 송신 안테나로 전자파를 송신하였을 때 수신안테나로 측정한 수신특성을 수치해석방법을 이용하여 이론적으로 계산한다. 이때, 수치해석 방법으로는 모멘트법(Moment Method), 시간영역 유한 차분법(FDTD : Finite Deference Time Domain Method) 또는 유전알고리즘(Genetic Algorithm)과 시간영역 유한 차분법을 이용한 시간영역 반복 역산란 해석법 등이 있다.The numerical analysis process will be described in more detail with reference to FIG. 3. The measurement object, that is, the inside of the medium is divided into cells of a constant size, and the dielectric constant and the conductivity of each cell are arbitrarily set according to an optimization algorithm. The transmission characteristics measured by the receiving antenna when the signal is transmitted are theoretically calculated using the numerical method. In this case, the numerical analysis method is a moment method, a time domain finite difference time domain method (FDTD) or a time domain iterative backscattering analysis method using a genetic algorithm and a time domain finite difference method. There is this.

수치해석 결과가 일치할 때까지 반복하여 각 셀의 변수를 조정하는 시행착오식 반복계산이 수행되며, 시뮬레이션 데이터와 측정 데이터 간의 차가 허용오차 이내로 들어오면 수치해석을 중단하고 유전율/도전율 분포에 대한 해석결과를 영상으로 디스플레이하게 된다. Trial and error iterative calculations are performed to adjust the variables of each cell repeatedly until the numerical results match.If the difference between the simulation data and the measured data falls within the tolerance, the numerical analysis is stopped and the dielectric / conductivity distribution is analyzed. The result will be displayed as an image.

이러한 종래 전자파 역산란 해석방법은 수치해석 결과가 일치할 때까지 반복하여 각 셀의 변수를 조정하는 시행착오식 반복계산이기 때문에 많은 시간이 소요된다.This conventional electromagnetic backscattering analysis method takes a lot of time because it is a trial and error iterative calculation to adjust the parameters of each cell by repeating until the numerical results match.

특히, 해상도를 높이기 위해서는 셀을 잘게 분할해야 하는데 셀의 숫자가 기하급수적으로 늘어나서 수치해석에 소요되는 시간이 기하급수적으로 증가하는 단점이 있다.
In particular, in order to increase the resolution, it is necessary to divide a cell into small pieces, but the number of cells increases exponentially, so that the time required for numerical analysis increases exponentially.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 초음파 영상을 이용하여 전자기적 성질이 유사한 셀들을 구분하여 동일 변수로 설정함으로써 전자파 역산란 수치해석 시간을 획기적으로 단축할 수 있도록 하는 것이다.
The present invention has been made to solve the above problems, an object of the present invention is to significantly reduce the electromagnetic wave backscatter numerical analysis time by setting the same variable by distinguishing cells with similar electromagnetic properties by using an ultrasound image To make it possible.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 복수 개의 초음파 센서를 이용하여 피 측정 대상물에 대한 3차원 초음파 영상을 생성하는 단계, 상기 3차원 초음파 영상을 다수 개의 셀로 분할하는 단계, 각각의 셀을 변수로 설정하되, 미리 설정된 기준에 따라 유사한 특성을 갖는 셀들을 동일 변수로 설정하는 단계, 복수 개의 전자파 송수신 장치를 이용하여 전자파 영상을 얻는 단계 및전자파 역산란 수치해석을 수행하여 피 측정 대상물 내부의 유전율 또는 도전율 분포 영상을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상을 이용한 전자파 역산란 해석방법이 제공된다.According to an aspect of the present invention for achieving the above object, generating a three-dimensional ultrasound image of the object to be measured using a plurality of ultrasonic sensors, dividing the three-dimensional ultrasound image into a plurality of cells, Setting each cell as a variable, but setting cells having similar characteristics to the same variable according to preset criteria, obtaining an electromagnetic wave image using a plurality of electromagnetic wave transmitting and receiving devices, and performing electromagnetic backscatter numerical analysis Provided is an electromagnetic backscattering analysis method using an ultrasound image, the method including generating a dielectric constant or a conductivity distribution image inside a measurement object.

여기서, 상기 전자파 역산란 수치해석을 수행함에 있어 각 셀의 초음파 특성에 따라 그에 상응하는 유전율 또는 도전율의 초기치를 적용하는 것이 바람직하다.In performing the electromagnetic backscatter numerical analysis, it is preferable to apply an initial value of permittivity or conductivity corresponding to the ultrasonic characteristics of each cell.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 다수 개가 미리 설정된 패턴으로 배치되는 전자파 송수신 안테나, 순차구동에 의해 전자파 송수신 안테나들이 순차적으로 전자파를 송신하도록 제어하고, 나머지 전자파 송수신 안테나들로부터 전자파 수신신호를 전송받는 전자파 송수신 장치, 다수 개가 미리 설정된 패턴으로 배치되는 초음파 센서, 순차구동에 의해 초음파 센서들이 순차적으로 초음파를 송신하도록 제어하고, 나머지 초음파 센서들로부터 초음파 수신신호를 전송받는 전자파 송수신 장치 및 피 측정 대상물에 대한 3차원 초음파 영상을 다수 개의 셀로 분할하고, 미리 설정된 기준에 따라 유사한 특성을 갖는 셀들을 동일 변수로 설정하여 전자파 역산란 수치해석을 수행하고, 이를 통해 피 측정 대상물 내부의 유전율 또는 도전율 분포 영상을 생성하는 수치 해석장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상을 이용한 전자파 토모그래피 장치가 제공된다.According to another aspect of the present invention for achieving the above object, a plurality of electromagnetic wave transmitting and receiving antennas arranged in a predetermined pattern, the electromagnetic wave transmitting and receiving antennas are sequentially controlled by the sequential driving, the remaining electromagnetic transmitting and receiving antenna Electromagnetic wave transmission and reception device that receives the electromagnetic wave reception signal from the plurality of ultrasonic waves, a plurality of ultrasonic sensors arranged in a predetermined pattern, the ultrasonic sensors are sequentially controlled to transmit the ultrasonic waves by the sequential driving, and the ultrasonic wave receiving signal from the other ultrasonic sensors The 3D ultrasound image of the electromagnetic wave transmitting and receiving device and the object to be measured is divided into a plurality of cells, and the electromagnetic backscattering numerical analysis is performed by setting the cells having similar characteristics according to a preset criterion as the same variable. Metaphor inside Provided is an electromagnetic tomography apparatus using an ultrasonic image, characterized in that it comprises a numerical analysis device for generating an electric power or conductivity distribution image.

여기서, 상기 수치해석장치는 상기 전자파 역산란 수치해석을 수행함에 있어 각 셀의 초음파 특성에 따라 그에 상응하는 유전율 또는 도전율의 초기치를 적용하는 것이 바람직하다.
Here, in performing the electromagnetic wave backscatter numerical analysis, the numerical analysis device preferably applies an initial value of dielectric constant or conductivity corresponding to the ultrasonic characteristics of each cell.

본 발명에 따르면, 전자파 역산란 수치해석에 소요되는 시간을 현저하게 감소시킴으로써 유방암 진단, 땅굴탐지, 지뢰탐지, 자원탐사, 지질탐사, 유전체 비파괴검사 등의 정밀한 측정을 요구하는 각종 분야에 다양하게 적용될 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, by significantly reducing the time required for the electromagnetic wave backscatter numerical analysis, it can be applied to various fields that require precise measurement such as breast cancer diagnosis, ground detection, land mine detection, resource exploration, geological exploration, genome nondestructive test, etc. It can be effective.

도 1은 도 1은 일반적인 전자파 토모그래피 장치를 설명하기 위한 정면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전자파 토모그래피 장치를 위에서 바라본 것이다.
도 3은 전자파 역산란 해석을 통한 토포그래피 생성 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 초음파 영상을 이용한 전자파 토모그래피 장치를 설명하기 위한 정면도이다.
도 5는 전자파를 이용하여 전자파 토모그래피를 얻는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 초음파를 이용하여 초음파 토모그래피를 얻는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 초음파 토모그래피를 이용하여 유사한 초음파 특성을 갖는 셀들을 동일 변수로 지정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.1 is a front view for explaining a general electromagnetic tomography apparatus.
FIG. 2 is a view from above of the electromagnetic tomography apparatus shown in FIG. 1.
3 is a diagram for explaining a topography generation process through electromagnetic inverse scattering analysis.
4 is a front view for explaining an electromagnetic tomography apparatus using an ultrasound image according to the present invention.
5 is a diagram for explaining a principle of obtaining electromagnetic tomography using electromagnetic waves.
6 is a view for explaining the principle of obtaining ultrasonic tomography using ultrasonic waves.
FIG. 7 is a diagram for describing a method of designating cells having similar ultrasonic characteristics by the same variable using ultrasonic tomography.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 초음파 영상을 이용한 전자파 토모그래피 장치를 설명하기 위한 정면도이다.4 is a front view for explaining an electromagnetic tomography apparatus using an ultrasound image according to the present invention.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파 영상을 이용한 전자파 토모그래피 장치는 피 측정 물체(40)를 수용하는 탱크(20)의 내부에 다수의 전자파 송수신 안테나(30)와 초음파 센서(70)가 피 측정 물체(40)를 에워싸도록 원형의 형태로 각각 배치된다. 초음파 센서(70)들은 전자파 송수신 안테나(30)들 사이 공간에 각각 설치될 수도 있고, 설치 높이를 달리하여 전자파 송수신 안테나(30)들의 상부 또는 하부에 피 측정 물체(40)를 중심으로 원형으로 설치할 수 있으며, 초음파 센서(70)들과 전자파 송수신 안테나(30)들을 별도로 구비하여 번갈아가며 작동시키는 것도 가능하다.As shown in FIG. 4, the electromagnetic tomography apparatus using the ultrasonic image according to the present invention includes a plurality of electromagnetic wave transmitting / receiving antennas 30 and an ultrasonic sensor 70 in a tank 20 for receiving an object 40 to be measured. Are each arranged in a circular shape so as to surround the measurement object 40. The ultrasonic sensors 70 may be respectively installed in a space between the electromagnetic wave transmitting and receiving antennas 30, and may be installed in a circular shape around the object 40 on the upper or lower portion of the electromagnetic wave transmitting and receiving antennas 30 by varying the installation height. In addition, the ultrasonic sensors 70 and the electromagnetic wave transmitting and receiving antennas 30 may be separately provided to operate alternately.

전자파 송수신 안테나(30)는 소정의 주파수를 갖는 RF 신호를 발생하는 전자파 송수신 장치(10)에 접속되며, 전자파 송수신 장치(10)는 순차구동에 의해 전자파 송수신 안테나들이 순차적으로 전자파를 송신하도록 제어하고, 나머지 전자파 송수신 안테나들로부터 전자파 수신신호를 전송받는다.The microwave transceiving antenna 30 is connected to the microwave transceiving device 10 generating an RF signal having a predetermined frequency, and the microwave transceiving device 10 controls the microwave transceiving antennas to sequentially transmit electromagnetic waves by sequential driving. Then, the electromagnetic wave receiving signal is transmitted from the other electromagnetic wave transmitting and receiving antennas.

즉, 순차구동에 의해 다수의 전자파 송수신 안테나(30) 중 어느 하나의 전자파 송수신 안테나가 송신 안테나가 되어 전자파를 송출하고, 나머지 전자파 송수신 안테나가 수신 안테나가 되어 전자파를 수신하여 전자파 송수신 장치(10)로 전송하며, 전자파 송수신 안테나(30)가 전자파를 송출할 때까지 송신 대상 안테나를 쉬프트하면서 전자파 송수신이 반복되고, 전자파 송수신 안테나(30)의 위치를 상하로 변경하면서 동일한 전자파 송수신이 반복되며, 전자파 송수신 장치(10)는 각 전자파 송수신 안테나(30)로부터 수신된 신호를 수치 해석 장치(90)로 전송한다.That is, by sequentially driving, any one of the plurality of electromagnetic wave transmitting and receiving antennas of the electromagnetic wave transmitting and receiving antennas 30 becomes a transmitting antenna and transmits electromagnetic waves, and the other electromagnetic wave transmitting and receiving antennas are receiving antennas to receive the electromagnetic waves, the electromagnetic wave transmitting and receiving device 10 And transmit and receive the microwave while the transmission target antenna is shifted until the microwave transmitting and receiving antenna 30 transmits the electromagnetic wave, and the same microwave transmitting and receiving is repeated while changing the position of the microwave transmitting and receiving antenna 30 up and down, The transceiver 10 transmits a signal received from each electromagnetic wave antenna 30 to the numerical analysis device 90.

마찬가지로, 초음파 센서(70)는 초음파 신호를 발생하는 초음파 송수신 장치(80)에 접속되며, 초음파 송수신 장치(80)는 순차구동에 의해 초음파 센서들이 순차적으로 초음파를 송신하도록 제어하고, 나머지 초음파 센서들로부터 전자파 수신신호를 전송받는다.Similarly, the ultrasonic sensor 70 is connected to the ultrasonic transceiver device 80 that generates an ultrasonic signal, and the ultrasonic transceiver device 80 controls the ultrasonic sensors to sequentially transmit ultrasonic waves by sequential driving, and the other ultrasonic sensors. Receive an electromagnetic wave reception signal from.

즉, 순차구동에 의해, 다수의 초음파 센서(70) 중 어느 하나의 초음파 센서가 송신 안테나가 되어 초음파를 송출하고, 나머지 초음파 센서가 수신 안테나가 되어 초음파를 수신하여 초음파 송수신 장치(80)로 전송하며, 초음파 센서(30)가 초음파를 송출할 때까지 송신 대상 안테나를 쉬프트하면서 초음파 송수신이 반복되고, 초음파 센서의 위치를 상하로 변경하면서 동일한 초음파 송수신이 반복되며, 초음파 송수신 장치(80)는 각 초음파 센서(70)로부터 수신된 신호를 수치 해석 장치(90)로 전송한다.That is, by sequential driving, any one of the plurality of ultrasonic sensors 70 becomes the transmitting antenna and transmits the ultrasonic waves, and the remaining ultrasonic sensors become the receiving antenna to receive the ultrasonic waves and transmit them to the ultrasonic transmitting and receiving device 80. Ultrasonic transmission and reception is repeated while shifting the transmission target antenna until the ultrasonic sensor 30 transmits the ultrasonic waves, and the same ultrasonic transmission and reception is repeated while changing the position of the ultrasonic sensor up and down, and the ultrasonic transmission and reception apparatus 80 is each The signal received from the ultrasonic sensor 70 is transmitted to the numerical analysis device 90.

수치 해석 장치(90)는 전자파 송수신 장치(10)와 초음파 송수신 장치(80)로부터 수신된 신호를 수치해석하여 피 측정 대상(40) 내부의 유전율 또는 도전율 분포 영상을 생성하는 것으로서, 본 발명에서는 초음파 진단영상을 전자파 수치해석의 셀 초기값으로 활용하여 수치해석을 수행함으로써 수치해석 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있도록 하는 것이 특징이다.The numerical analysis device 90 generates a dielectric constant or conductivity distribution image inside the object 40 to be measured by numerically analyzing signals received from the electromagnetic wave transmitting and receiving device 10 and the ultrasonic transmitting and receiving device 80. It is characterized by the fact that the numerical analysis time can be drastically reduced by performing the numerical analysis by using the diagnostic image as the cell initial value of the electromagnetic numerical analysis.

즉, 수치 해석 장치(90)는 피 측정 대상물에 대한 3차원 초음파 영상을 다수 개의 셀로 분할하고, 미리 설정된 기준에 따라 유사한 특성을 갖는 셀들을 동일 변수로 설정하여 전자파 역산란 수치해석을 수행하고, 이를 통해 피 측정 대상물 내부의 유전율 또는 도전율 분포 영상을 생성하게 되는데, 이에 대해서는 도 6 및 도 7을 통해 보다 상세하게 설명하기로 한다.
That is, the numerical analysis device 90 divides the 3D ultrasound image of the object to be measured into a plurality of cells, performs electromagnetic wave backscatter numerical analysis by setting cells having similar characteristics to the same variable according to a preset criterion, As a result, a dielectric constant or conductivity distribution image inside the object to be measured is generated, which will be described in more detail with reference to FIGS. 6 and 7.

도 5는 전자파를 이용하여 전자파 토모그래피를 얻는 원리를 설명하기 위한 도면이다.5 is a diagram for explaining a principle of obtaining electromagnetic tomography using electromagnetic waves.

유전율ε1과 도전율σ1인 매질 속에 유전율ε과 도전율σ이 다른 각종물체가 존재할 때는 각각의 물체들에서는 주변매질과 특성이 다르기 때문에 산란, 반사, 투과, 굴절, 회절 등의 현상이 나타나며 이러한 현상들로 인해 수신 안테나(30)에서는 다양한 위상차와 진폭을 수신파가 합해져 나타난다. 수신 안테나(30)마다 수신파는 하기와 같이 다르게 나타난다.When various objects having different permittivity ε and conductivity σ exist in a medium having permittivity ε 1 and conductivity σ 1 , scattering, reflection, transmission, refraction, diffraction, etc. are observed because the objects are different from the surrounding medium. Due to this, in the receiving antenna 30, various phase differences and amplitudes are represented by the sum of the receiving waves. The receiving wave is different for each receiving antenna 30 as follows.

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, 수신파는 파동방정식의 해인 다음의 수식을 만족한다.Here, the received wave satisfies the following equation, which is a solution of the wave equation.

Figure pat00002
Figure pat00002

배열 안테나 중에서 송신의 위치를 바꾸어가면서 다른 안테나들로 수신하여 다양한 위치에서의 수신파를 측정한 후 역산란 해석을 하면 물체들의 유전율ε과 도전율σ의 분포가 계산된다.
The distribution of the dielectric constant ε and the conductivity σ of the objects is calculated by performing the reverse scattering analysis after receiving the received signals at various positions while changing the transmission position among the array antennas.

도 6은 초음파를 이용하여 초음파 토모그래피를 얻는 원리를 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 초음파 토모그래피를 이용하여 유사한 초음파 특성을 갖는 셀들을 동일 변수로 지정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 6 is a diagram for explaining a principle of obtaining ultrasonic tomography using ultrasonic waves, and FIG. 7 is a diagram for describing a method of designating cells having similar ultrasonic properties by using the ultrasonic tomography with the same variable.

초음파에 의한 수신신호도 전자파와 유사하게 매질의 성분이 다른 물체에서는 산란, 반사, 투과, 굴절, 회절 등의 현상이 나타난다.Similar to the electromagnetic wave, the received signal by the ultrasonic waves also exhibits scattering, reflection, transmission, refraction, diffraction, etc. in an object having different media components.

초음파 센서(70)를 원형으로 배열하고 송신의 위치를 바꾸어가면서 다른 센서(70)들로 수신하여 다양한 위치에서의 수신신호를 측정하여 3차원 토모그래피(tomography)를 얻을 수 있다. 그러나 초음파 토모그래피는 매질의 분포를 속도와 감쇄로 표현하므로 암조직에 대한 변별력은 없다.By arranging the ultrasonic sensors 70 in a circle and changing the positions of the transmissions, the ultrasonic sensors 70 may be received by other sensors 70 to measure received signals at various positions, thereby obtaining three-dimensional tomography. However, ultrasound tomography expresses the distribution of the medium in terms of speed and attenuation, so there is no discrimination against cancer tissue.

그러나 초음파는 다양한 주파수 성분을 사용할 수 있어 높은 해상도를 갖는 매질 분포 영상을 그릴 수 있는 장점이 있다. 즉, 인체 혹은 지하 매질 등에서는 수분과 도전성 물질로 구성되므로 전자파는 주파수가 높아질수록 감쇄가 심하여 측정주파수의 한계가 있다. 그러나 초음파는 높은 주파수를 사용할 수 있어 높은 해상도를 갖는 매질 분포영상을 그릴 수 있는 장점이 있다.However, since ultrasound can use various frequency components, there is an advantage in that a medium distribution image having a high resolution can be drawn. That is, since the human body or the underground medium is composed of moisture and a conductive material, the electromagnetic wave is attenuated as the frequency increases, which limits the measurement frequency. However, since ultrasound can use a high frequency, there is an advantage of drawing a medium distribution image having a high resolution.

따라서, 초음파로 촬영한 토모그래피는 매질의 유전율과 도전율을 알 수는 없으나 성분이 다른 매질의 분포를 알 수는 있으며, 본 발명은 이를 전자파 해석에 이용하고자 하는 것이다.Therefore, in the tomography photographed by ultrasound, the dielectric constant and conductivity of the medium may not be known, but the distribution of the medium having different components may be known, and the present invention intends to use it for electromagnetic analysis.

도 7과 같이, 초음파로 촬영한 초음파 토모그래피를 다수 개의 셀(90)로 분할하고, 각 셀(90)의 성분이 동일한 것끼리 동일한 유전율과 도전율값을 갖도록 변수를 지정한 후, 이를 전자파 역산란해석에 활용한다.As shown in FIG. 7, the ultrasonic tomography photographed by the ultrasound is divided into a plurality of cells 90, and the variables are designated such that the components of each cell 90 have the same permittivity and conductivity values between the same components, and then the electromagnetic backscattering analysis. Take advantage of.

도 7에는 피 측정 물체(40)의 초음파 토모그래피에서 동일한 초음파 특성을 갖는 셀(90)들을 하나의 변수로 묶은 경우의 예시로서, 각 셀들이 4개의 변수(S1 ~ S4)로 분류된 경우를 나타내고 있다. 이러한 변수 지정은 상술한 바와 같이, 초음파에 의한 수신신호도 전자파와 유사하게 매질의 성분이 다른 물체에서는 산란, 반사, 투과, 굴절, 회절 등의 현상이 나타나므로 하나의 변수에 속하는 모든 셀들은 동일한 유전율과 도전율을 갖는다는 착상에 의한 것이다.FIG. 7 illustrates an example in which cells 90 having the same ultrasonic properties are grouped into one variable in ultrasonic tomography of the measurement target object 40, and each cell is classified into four variables S1 to S4. have. As described above, since the received signal generated by the ultrasonic wave is similar to the electromagnetic wave, scattering, reflection, transmission, refraction, diffraction, etc. occur in an object having a different medium, and all cells belonging to one variable are identical. It is based on the idea of having dielectric constant and conductivity.

도 7의 예시와 같이, 각 셀들이 4개의 변수(S1 ~ S4)로 분류되면, 수치해석시 각 변수에 속하는 셀들은 동시에 유전율과 도전율 값이 변경되므로 종래 방식에 비해 현저하게 수치해석의 계산과정이 감소된다. 예를 들어, 피 측정 물체(40)가 1000개의 셀로 구분된 경우 종래에는 1000개의 변수에 대해 각각 유전율과 도전율의 값을 변경해가면서 계산값과 측정값이 일정 오차범위 이내에 들어올 때까지 계산이 반복되는데 반해, 도 7의 케이스의 경우 4개의 변수에 대해 각각 유전율과 도전율의 값을 변경해가면서 계산이 이루어지므로 계산의 회수가 현격하게 감소됨을 알 수 있다.As shown in FIG. 7, when each cell is classified into four variables (S1 to S4), the cells belonging to each variable during numerical analysis simultaneously change the permittivity and conductivity values, so that the calculation process of the numerical analysis is remarkably compared with the conventional method. Is reduced. For example, when the measured object 40 is divided into 1000 cells, the calculation is repeated until the calculated value and the measured value fall within a certain error range while changing the values of permittivity and conductivity for 1000 variables, respectively. In contrast, in the case of FIG. 7, since the calculation is performed while changing the values of permittivity and conductivity for each of the four variables, the number of calculations is significantly reduced.

또한, 상기 전자파 역산란 수치해석을 수행함에 있어 각 셀의 초음파 특성에 따라 그에 상응하는 유전율 또는 도전율의 초기치를 적용한다면 계산의 회수를 보다 현저하게 감소시킬 수 있게 될 것이다. 즉, 초음파 특성값에 따라 그에 상응하는 유전율 또는 도전율 값의 범위를 미리 실험적으로 얻고, 실제 측정시에는 미리 얻어진 범위를 적용하여 예측되는 초기치를 적용함으로써 유전율 또는 도전율의 변경 범위를 대폭 감소시킴으로써 또 한번 수치해석의 계산량을 감소시킬 수 있고, 그에 따라 종래 전자파 역산란 수치해석 방식에 비해 획기적으로 수치해석의 계산량을 감소시킬 수 있게 된다.In addition, in performing the electromagnetic backscattering numerical analysis, if the initial value of the dielectric constant or conductivity corresponding to the ultrasonic characteristics of each cell is applied, the number of calculations may be significantly reduced. That is, the range of permittivity or conductivity values corresponding to the ultrasonic characteristic values are experimentally obtained in advance, and in actual measurement, by applying the initial value predicted by applying the range obtained in advance, the range of change in permittivity or conductivity is drastically reduced once again. The calculation amount of the numerical analysis can be reduced, and accordingly, the calculation amount of the numerical analysis can be reduced significantly compared to the conventional electromagnetic backscattering numerical analysis method.

그리고, 본 발명의 경우 최종 디스플레이 영상은 초음파 토모그래피를 활용하여 전자파 진단장비로 수치해석한 유전율/도전율 값(색상)으로 변경함으로써 해상도를 고해상도의 초음파 진단영상 수준으로 높일 수 있는 장점이 있고, 전자파 진단장비는 액체 속에서 측정이 이루어지므로 별도 초음파진단 환경을 만들 필요가 없는 장점도 있다.In addition, in the present invention, the final display image has the advantage of increasing the resolution to a high resolution ultrasound diagnostic image level by changing the dielectric constant / conductance value (color) numerically interpreted by the electromagnetic diagnostic apparatus using ultrasonic tomography. Since the instrument is measured in liquid, there is no need to create a separate ultrasonic diagnostic environment.

본 발명에 사용되는 최적화 알고리즘으로는 Random Optimization, Random MiniMax Optimization, Gradient Optimization, Gradient MiniMax Optimization, Quasi Newton Optimization, Least PthOptimization 등이 있다.
Optimization algorithms used in the present invention include Random Optimization, Random MiniMax Optimization, Gradient Optimization, Gradient MiniMax Optimization, Quasi Newton Optimization, Least PthOptimization.

주요 활용분야Main field of application

1) 땅굴탐지 및 지뢰탐지 분야: 흙, 물 등으로 은닉한 땅굴이나 플라스틱대인지뢰 등은 초음파, 전자파, 자장센서 등 기존의 방식으로는 찾기가 어려운 단점이 있다. 본 발명을 적용하면 매질내부의 유전율 및 도전율 분포를 영상으로 촬영하므로 탐지확률이 획기적으로 개선된다.1) Digging and Mining Detection Fields: Digging in the ground or plastic mines concealed by soil, water, etc. is difficult to find by conventional methods such as ultrasonic waves, electromagnetic waves, and magnetic field sensors. According to the present invention, since the dielectric constant and conductivity distribution in the medium are photographed, the detection probability is remarkably improved.

2) 유방암진단 분야: 초음파, X-선, CT 또는 자기공명장치(MRI) 등의 기존장비는 많은 경험이 있는 전문의사라도 의심부분에 대한 조직검사를 통하여 최종 확인하여야 한다. X-선 또는 조영제 등의 인체유해성이 문제점이 있다. 그러나 암조직은 정상조직에 비해 전자기적인 성질인 유전율과도전율이 매우 높기 때문에 본 기술을 적용하면 조직검사를 하지 않고도 암진단이 가능하다. 특히 미약한 전자파를 사용하므로 인체에 해롭지 않다. 현재 개발 중인 유방암진단장비의 단점인 수치해석 속도를 획기적으로 개선할 수 있어 의료장비 실용화에 필수적인 장점이 된다. 본 발명의 전자파 진단장비는 인체와 유사한 특성의 액체 또는 고체 속에서 측정한다. 이는 유방의 경계면에서 발생하는 반사파를최소화하여 유방조직 내부의 특성을 정확하게 측정하기 위함이다.따라서 본 발명에서서 함께 운용할 초음파센서는 비접촉식으로 측정을 한다는 장점이 있다. 즉, 기존의 초음파 유방암진단장비의 경우에 인체표면에서 반사하는 초음파성분을 줄이기 위하여 겔성분의 정합제를 바르고 측정하기 때문에 불쾌감과 수치심이 따른다. 그러나 본 발명의 전자파진단장비는 인체와 유사한 액체속에서 측정하므로 초음파센서도 인체와 접촉하지 않고 측정이 가능하다. 본 발명은 초음파영상과 전자파영상을 동시에 볼 수 있어서 탐지 또는 진단 확률을 더욱 높일 수 있는 장점도 있다.
2) Breast cancer diagnosis field: Existing equipment such as ultrasound, X-ray, CT or magnetic resonance imaging (MRI) should be confirmed by histological examination of the suspected part even by experienced doctors. Human harmful effects such as X-rays or contrast agents are problematic. However, cancer tissues have a higher permittivity and conductivity, which are electromagnetic properties, compared to normal tissues. Therefore, the present technique enables cancer diagnosis without biopsy. In particular, the use of weak electromagnetic waves is not harmful to the human body. The speed of numerical analysis, which is a disadvantage of breast cancer diagnosis equipment currently being developed, can be dramatically improved, which is an essential advantage for the practical use of medical equipment. The electromagnetic diagnostic apparatus of the present invention measures in a liquid or a solid having characteristics similar to a human body. This is to minimize the reflected wave generated at the interface of the breast to accurately measure the internal characteristics of the breast tissue. Therefore, the ultrasonic sensor to be operated together in the present invention has an advantage of measuring in a non-contact manner. In other words, in the case of conventional ultrasound breast cancer diagnosis equipment, the gel component matching agent is applied and measured to reduce the ultrasonic component reflected from the human body surface, resulting in discomfort and shame. However, since the electromagnetic diagnostic device of the present invention measures in a liquid similar to the human body, the ultrasonic sensor can be measured without contacting the human body. The present invention also has the advantage of increasing the probability of detection or diagnosis can be seen at the same time ultrasound image and electromagnetic image.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
Although the present invention has been described in connection with the above-mentioned preferred embodiments, it is possible to make various modifications and variations without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the appended claims are intended to cover such modifications or changes as fall within the scope of the invention.

10 : 전자파 송수신 장치 20 : 탱크
30 : 전자파 송수신 안테나 40 : 피 측정 물체
60 : 매칭 액체 70 : 초음파 센서
80 : 초음파 송수신 장치 90 : 수치 해석 장치
100 : 셀10: electromagnetic wave transceiver 20: tank
30: electromagnetic wave transmitting and receiving antenna 40: the object to be measured
60: matching liquid 70: ultrasonic sensor
80: ultrasonic transceiver 90: numerical analysis device
100: cell

Claims (4)

복수 개의 초음파 센서를 이용하여 피 측정 대상물에 대한 3차원 초음파 영상을 생성하는 단계;
상기 3차원 초음파 영상을 다수 개의 셀로 분할하는 단계;
각각의 셀을 변수로 설정하되, 미리 설정된 기준에 따라 유사한 특성을 갖는 셀들을 동일 변수로 설정하는 단계;
복수 개의 전자파 송수신 장치를 이용하여 전자파 영상을 얻는 단계; 및
전자파 역산란 수치해석을 수행하여 피 측정 대상물 내부의 유전율 또는 도전율 분포 영상을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상을 이용한 전자파 역산란 해석방법.
Generating a 3D ultrasound image of an object to be measured using a plurality of ultrasonic sensors;
Dividing the 3D ultrasound image into a plurality of cells;
Setting each cell as a variable, but setting cells having similar characteristics to the same variable according to preset criteria;
Obtaining an electromagnetic wave image using a plurality of electromagnetic wave transmitting and receiving devices; And
Electromagnetic inverse scattering analysis method using the ultrasonic image, characterized in that for performing the electromagnetic backscatter numerical analysis to generate a dielectric constant or conductivity distribution image inside the object to be measured.
제 1 항에 있어서,
상기 전자파 역산란 수치해석을 수행함에 있어 각 셀의 초음파 특성에 따라 그에 상응하는 유전율 또는 도전율의 초기치를 적용하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상을 이용한 전자파 역산란 해석방법.
The method of claim 1,
In performing the electromagnetic backscatter numerical analysis, an electromagnetic backscattering analysis method using an ultrasound image, wherein an initial value of permittivity or conductivity is applied according to ultrasonic characteristics of each cell.
다수 개가 미리 설정된 패턴으로 배치되는 전자파 송수신 안테나;
순차구동에 의해 전자파 송수신 안테나들이 순차적으로 전자파를 송신하도록 제어하고, 나머지 전자파 송수신 안테나들로부터 전자파 수신신호를 전송받는 전자파 송수신 장치;
다수 개가 미리 설정된 패턴으로 배치되는 초음파 센서;
순차구동에 의해 초음파 센서들이 순차적으로 초음파를 송신하도록 제어하고, 나머지 초음파 센서들로부터 초음파 수신신호를 전송받는 전자파 송수신 장치; 및
피 측정 대상물에 대한 3차원 초음파 영상을 다수 개의 셀로 분할하고, 미리 설정된 기준에 따라 유사한 특성을 갖는 셀들을 동일 변수로 설정하여 전자파 역산란 수치해석을 수행하고, 이를 통해 피 측정 대상물 내부의 유전율 또는 도전율 분포 영상을 생성하는 수치 해석장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상을 이용한 전자파 토모그래피 장치.
A microwave transmitting / receiving antenna in which a plurality are arranged in a preset pattern;
An electromagnetic wave transmitting / receiving apparatus for controlling the electromagnetic wave transmitting / receiving antennas to sequentially transmit the electromagnetic wave by sequential driving and receiving an electromagnetic wave receiving signal from the remaining electromagnetic wave transmitting / receiving antennas;
Ultrasonic sensors are arranged in a plurality of preset patterns;
An electromagnetic wave transmitting / receiving apparatus which controls the ultrasonic sensors to sequentially transmit ultrasonic waves by sequential driving, and receives an ultrasonic wave receiving signal from the other ultrasonic sensors; And
The 3D ultrasound image of the object to be measured is divided into a plurality of cells, and the electromagnetic backscattering numerical analysis is performed by setting cells having similar characteristics to the same variable according to a preset criterion. Electromagnetic tomography apparatus using an ultrasonic image, characterized in that it comprises a numerical analysis device for generating a conductivity distribution image.
제 3 항에 있어서,
상기 수치해석장치는 상기 전자파 역산란 수치해석을 수행함에 있어 각 셀의 초음파 특성에 따라 그에 상응하는 유전율 또는 도전율의 초기치를 적용하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상을 이용한 전자파 토모그래피 장치.The method of claim 3, wherein
The numerical analysis device is an electromagnetic tomography apparatus using an ultrasound image, characterized in that for performing the electromagnetic backscattering numerical analysis, applying the initial value of the dielectric constant or conductivity corresponding to the ultrasonic characteristics of each cell.
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