KR20230166390A - 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 호흡에 따른 피부 표면의 왜곡을 초음파 신호를 통해 감지하고 이를 이용하여 호흡에 의한 신호 왜곡을 보정하여 광음향 영상 구현 성능을 높일 수 있도록 한 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 설정된 스캐닝 영역의 시작 위치로 영상 프로브를 위치시키고, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하고, 다음 위치로 영상 프로브를 이동하여 모든 영상 영역에 대해 데이터 획득을 수행하는 광음향-초음파 영상 장치;획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하여 왜곡을 보정한 뒤 보정된 피부 신호와 이전 피부 신호 사이의 차이를 계산하여 보정 파라미터를 산출하고, 이를 3차원 초음파와 광음향 데이터에 적용하여 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 신호 왜곡 보정부;를 포함하는 것이다.
Description
본 발명은 광음향 영상 기술에 관한 것으로, 구체적으로 호흡에 따른 피부 표면의 왜곡을 초음파 신호를 통해 감지하고 이를 이용하여 호흡에 의한 신호 왜곡을 보정하여 광음향 영상 구현 성능을 높일 수 있도록 한 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
광음향 이미징(Photoacoustic imaging) 기술은 광음향 효과(Photoacoustic effect)를 이용하여 생체조직 등의 대상체를 영상화하는 기술이다.
비이온화(non-ionizing) 레이저 펄스를 대상체에 방사하면, 방출된 에너지는 대상체에서 열로 변환되고, 그 중 열탄성 팽창(Thermoelastic expansion)으로 인해 넓은 대역의 초음파가 생성이 된다.
이와 같이 레이저 펄스에 의해 대상체에서 발생된 초음파를 초음파 트랜스듀서를 사용하여 수집하고, 수집된 초음파 정보를 이용하여 이미지를 구성하는 것이 광음향 이미징 기술이다.
이와 같이 광음향 영상은 빛의 흡수에 이은 조직의 열팽창에의해 발생되는 광음파(광초음파) 신호를 획득하여 영상화 하는 방법으로, 생체조직의 광학적 흡수도 분석을 통해 구조적 정보 뿐만 아니라 기능적 분자영상을 얻을 수 있어 다양한 전임상 및 임상 생체의료 연구에 사용되고 있다.
이중 광음향(photoacoustic) macroscopy는 주로 단일소자 초음파 트랜스듀서를 기계적으로 스캐닝하여 소동물(마우스, 랫트)의 전신 영상을 수십-수백 ㎛의 해상도로 얻을 수 있는 영상 방법이다.
하지만, 전신 영상을 얻기 위해 필요한 기계적 스캐닝은 하나의 영상을 획득하기 위해 수십분의 시간이 소요되며, 그동안 마취상태의 쥐의 호흡으로 인한 깊이 방향(z-방향)의 신호 왜곡이 발생하게 된다.
이에 따라, 3차원 데이터를 그대로 표현하지 못하고 x-y 평면으로 투영하여 왜곡된 신호를 숨기는 영상 표현 방법이 주로 사용되어 왔다. 이는 데이터가 보유하고 있는 공간적 정보를 잃게 되어 3차원 분석이 불가능하고, 깊이 방향 분석이 불가능하여 2차원 평면의 신호가 어느 깊이에서 발생 되었는지에 대한 정보를 잃게 된다.
이를 극복하기 위해 빠른 스캐닝을 이용한 데이터 획득시간의 최소화가 주로 수행됐지만, 여전히 호흡에 의한 왜곡을 보정하지 못하기 때문에 3차원 영상 구현이 불가능하다.
그리고 피부에서 미세하게 발생되는 광음향 신호를 이용한 보정방법도 시도되었지만, 광흡수가 없는 부위에서는 광음향 신호가 발생되지 않기 때문에 범용적인 방법으로 사용되기 어렵다. 또한, 연속으로 여러 영상을 획득하여 움직임을 보정하는 방법이 제안되었지만, 여러 영상을 얻기 위한 추가적인 시간이 필요한 단점이 있다.
이와 같이 종래 기술의 영상 출력 방식은 소동물의 호흡으로 인한 데이터 왜곡으로 인해 광음향 영상을 통해 얻을 수 있는 3차원 데이터를 모두 활용하지 못하고 2차원 평면에 투영하여 영상을 형성하는 한계가 있다.
따라서, 호흡에 의한 신호 왜곡을 보정하여 종래 기술의 광음향 macroscopy에서 보여주지 못한 호흡이 보정된 3차원 영상의 구현이 가능하도록 하는 새로운 기술의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 종래 기술의 광음향 영상 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 호흡에 따른 피부 표면의 왜곡을 초음파 신호를 통해 감지하고 이를 이용하여 호흡에 의한 신호 왜곡을 보정하여 광음향 영상 구현 성능을 높일 수 있도록 한 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 광음향 신호와 초음파 신호를 번갈아 획득하는 광음향-초음파 영상 장치를 이용하여, 대상체의 호흡에 따른 피부 표면의 왜곡을 초음파 신호를 통해 감지하고, 이를 이용하여 호흡이 보정된 3차원 영상의 구현이 가능하며, 다파장 신호를 이용하여 3차원 산소포화도 정보의 매핑이 가능하도록 한 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 초음파 데이터에서 획득한 각 측정 위치에서 보정 파라미터를 광음향 데이터에 적용하여 보정된 3차원 광음향 데이터를 얻는 것에 의해 광음향 신호의 깊이 정보를 얻을 수 있으며, 피부로부터 같은 깊이 영역에 있는 생체 조직의 광음향 신호 분포를 분석할 수 있도록 한 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 호흡 보정을 통해 3차원 데이터를 그대로 렌더링 하여 3차원 영상을 구현하여 깊이 방향으로의 분석이 가능하고, 다중 파장 데이터를 이용하여 3차원 산소포화도를 포함한 분자영상정보를 획득하고 그 분포를 이미지로 표현할 수 있도록 한 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치는 설정된 스캐닝 영역의 시작 위치로 영상 프로브를 위치시키고, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하고, 다음 위치로 영상 프로브를 이동하여 모든 영상 영역에 대해 데이터 획득을 수행하는 광음향-초음파 영상 장치;획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하여 왜곡을 보정한 뒤 보정된 피부 신호와 이전 피부 신호 사이의 차이를 계산하여 보정 파라미터를 산출하고, 이를 3차원 초음파와 광음향 데이터에 적용하여 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 신호 왜곡 보정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 신호 왜곡 보정부에서 보정된 3차원 데이터를 이용하여 각 평면에 투영한 MAP 영상을 얻고, 다파장 데이터를 획득하여 3차원 분자정보 매핑이 가능하도록 하는 데이터 분석부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 신호 왜곡 보정부에서, 보정 파라미터를 산출하고, 이를 3차원 초음파와 광음향 데이터에 적용하여 z방향으로 보정 파라미터만큼 이동시켜 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 것을 특징으로 한다.
그리고 광음향-초음파 영상 장치는, 스캐닝을 수행하기 위한 영역을 설정하는 스캔 영역 설정부와, 시작 위치로 영상 프로브를 위치시키고, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정이 이루어지면 다음 위치로 영상 프로브의 이동을 제어하는 프로브 이동 제어부와, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하기 위하여 초음파 인가 및 수신을 하는 초음파 인가 및 수신부와, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하기 위하여 펄스 광원 조사 및 광음향 신호 수신을 하는 펄스 광원 조사 및 광음향 신호 수신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 프로브 이동 제어부는, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하는 동작에서 프로브의 이동후 멈춰서 측정하거나(Stop and Go scanning), 연속으로 이동중에 데이터 획득(Continuous scanning)을 수행할 수 있도록 프로브 이동을 제어하는 것을 특징으로 한다.
그리고 신호 왜곡 보정부는, 모든 영상 영역에 대해 데이터 획득을 수행하면 획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하고, 추출된 피부 신호를 처리하여 왜곡을 보정하는 피부 프로파일 추출 및 보정부와, 보정된 피부 신호와 이전 피부 신호 사이의 차이를 계산하여 보정 파라미터를 산출하는 보정 파라미터 추출부와, 보정 파라미터를 3차원 초음파 데이터에 적용하여 z방향으로 보정 파라미터만큼 이동시켜 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 3차원 초음파 보정 데이터 출력부와, 보정 파라미터를 3차원 광음향 데이터에 적용하여 z방향으로 보정 파라미터만큼 이동시켜 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 3차원 광음향 보정 데이터 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 피부 프로파일 추출 및 보정부에서의 피부 신호 감지는, B-scan 영상(x-z 영상)에서 수행되며, 각 B-scan 영상에서의 피부신호를 모아 3차원 피부 표면을 추출하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 방법은 설정된 스캐닝 영역의 시작 위치로 영상 프로브를 위치시키고, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하고, 다음 위치로 영상 프로브를 이동하여 모든 영상 영역에 대해 데이터 획득을 수행하는 광음향-초음파 데이터 획득 단계;획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하여 왜곡을 보정한 뒤 보정된 피부 신호와 이전 피부 신호 사이의 차이를 계산하여 보정 파라미터를 산출하고, 이를 3차원 초음파와 광음향 데이터에 적용하여 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 신호 왜곡 보정 단계;보정된 데이터를 3차원 영상으로 시각화하여 분석하는 데이터 분석 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 신호 왜곡 보정 단계에서, 보정 파라미터를 산출하고, 이를 3차원 초음파와 광음향 데이터에 적용하여 z방향으로 보정 파라미터만큼 이동시켜 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 것을 특징으로 한다.
그리고 광음향-초음파 데이터 획득 단계에서, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하는 동작에서 프로브의 이동후 멈춰서 측정하거나(Stop and Go scanning), 연속으로 이동중에 데이터 획득(Continuous scanning)을 수행할 수 있도록 프로브 이동을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 방법은 스캐닝을 수행하기 위한 영역을 설정하고 시작 위치로 영상 프로브를 이동시키는 단계;각 영상 위치에서 다파장 광음향 신호 획득을 위해 파장별로 광음향-초음파 영상을 획득하기 위하여, 측정 대상체에 초음파를 인가하여 반사되는 초음파 신호를 수신하고, 측정 대상체에 펄스 광원을 조사하여 열탄성팽창에 의해 발생되는 광음향 신호를 수신하는 단계;다음 측정 위치로 영상 프로브를 이동하여, 모든 영상 영역에 대해 데이터 획득이 이루어졌는지 판단하고, 모든 파장에 대해 측정이 이루어졌는지 판단하여, 측정이 완료되면 획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하여 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 단게;초음파 데이터의 보정 정보를 이용하여 광음향 데이터의 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 단계;보정된 파장 데이터를 이용하여 각 Voxel에서 파장분석(Spectral unmixing)을 수행하여 각 분자정보를 획득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 호흡에 따른 피부 표면의 왜곡을 초음파 신호를 통해 감지하고 이를 이용하여 호흡에 의한 신호 왜곡을 보정하여 광음향 영상 구현 성능을 높일 수 있도록 한다.
둘째, 광음향 신호와 초음파 신호를 번갈아 획득하는 광음향-초음파 영상 장치를 이용하여, 대상체의 호흡에 따른 피부 표면의 왜곡을 초음파 신호를 통해 감지하고, 이를 이용하여 호흡이 보정된 3차원 영상의 구현이 가능하며, 다파장 신호를 이용하여 3차원 산소포화도 정보의 매핑이 가능하도록 한다.
셋째, 초음파 데이터에서 획득한 각 측정 위치에서 보정 파라미터를 광음향 데이터에 적용하여 보정된 3차원 광음향 데이터를 얻는 것에 의해 광음향 신호의 깊이 정보를 얻을 수 있으며, 피부로부터 같은 깊이 영역에 있는 생체 조직의 광음향 신호 분포를 분석할 수 있도록 한다.
넷째, 호흡 보정을 통해 3차원 데이터를 그대로 렌더링 하여 3차원 영상을 구현하여 깊이 방향으로의 분석이 가능하고, 다중 파장 데이터를 이용하여 3차원 산소포화도를 포함한 분자영상정보를 획득하고 그 분포를 이미지로 표현할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 데이터 처리 과정을 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 따른 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치의 구성 블록도
도 3a는 광음향-초음파 영상 장치의 상세 구성도
도 3b는 신호 왜곡 보정부의 상세 구성도
도 4는 광음향 신호의 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 영상 결과를 나타낸 구성도
도 5는 초음파 기반 광음향 신호의 호흡에 의한 왜곡 보정 과정을 나타낸 플로우 차트
도 6은 초음파 기반 호흡에 의한 왜곡 보정을 이용한 다파장 광음향 데이터 분석 과정을 나타낸 플로우 차트
도 7은 종래 기술 및 본 발명에 따른 산소포화도(분자정보) 분포 영상화 방법 비교 구성도
도 2는 본 발명에 따른 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치의 구성 블록도
도 3a는 광음향-초음파 영상 장치의 상세 구성도
도 3b는 신호 왜곡 보정부의 상세 구성도
도 4는 광음향 신호의 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 영상 결과를 나타낸 구성도
도 5는 초음파 기반 광음향 신호의 호흡에 의한 왜곡 보정 과정을 나타낸 플로우 차트
도 6은 초음파 기반 호흡에 의한 왜곡 보정을 이용한 다파장 광음향 데이터 분석 과정을 나타낸 플로우 차트
도 7은 종래 기술 및 본 발명에 따른 산소포화도(분자정보) 분포 영상화 방법 비교 구성도
이하, 본 발명에 따른 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 데이터 처리 과정을 나타낸 구성도이다.
본 발명은 데이터 왜곡 보정을 위해 초음파를 활용해 피부 표면 신호를 추출하고, 이를 이용하여 신호 왜곡을 보정하기 위한 것이다. 광음향 영상신호 획득을 위해 초음파 트랜스듀서가 사용되기 때문에, 시스템의 큰 변화 없이 초음파 신호의 동시 획득이 가능하다.
또한, 초음파 영상은 조직에서 반사되는 초음파 신호를 이용하여 구현되기 때문에 빛의 흡수도와 무관하게 피부 표면의 신호를 획득할 수 있다. 이에 따라 종래 기술의 광음향 신호를 이용한 피부 표면 추출 방법에 비해 명확한 피부 표면 신호를 얻을 수 있고, 정확하게 호흡에 따른 왜곡을 보정할 수 있다.
이를 위하여, 본 발명은 광음향 신호와 초음파 신호를 번갈아 획득하는 광음향-초음파 영상 장치를 이용하여, 대상체의 호흡에 따른 피부 표면의 왜곡을 초음파 신호를 통해 감지하고, 이를 이용하여 호흡이 보정된 3차원 영상을 구현하는 구성을 포함할 수 있다.
본 발명은 초음파 데이터에서 획득한 각 측정 위치에서 보정 파라미터를 광음향 데이터에 적용하여 보정된 3차원 광음향 데이터를 얻는 것에 의해 광음향 신호의 깊이 정보를 얻을 수 있으며, 피부로부터 같은 깊이 영역에 있는 생체 조직의 광음향 신호 분포를 분석할 수 있도록 하는 구성을 포함할 수 있다.
본 발명은 호흡 보정을 통해 3차원 데이터를 그대로 렌더링 하여 3차원 영상을 구현하여 깊이 방향으로의 분석이 가능하도록 하고, 다중 파장 데이터를 이용하여 3차원 산소포화도를 포함한 분자영상정보를 획득하고 그 분포를 이미지로 표현할 수 있도록 하는 구성을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치의 구성 블록도이다.
본 발명에 따른 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치는 도 2에서와 같이, 설정된 스캐닝 영역의 시작 위치로 영상 프로브를 위치시키고, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하고, 다음 위치로 영상 프로브를 이동하여 모든 영상 영역에 대해 데이터 획득을 수행하는 광음향-초음파 영상 장치(100)와, 획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하여 왜곡을 보정한 뒤 보정된 피부 신호와 이전 피부 신호 사이의 차이를 계산하여 보정 파라미터를 산출하고, 이를 3차원 초음파와 광음향 데이터에 적용하여 z방향으로 보정 파라미터만큼 이동시켜 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 신호 왜곡 보정부(200)와, 보정된 3차원 데이터를 이용하여 각 평면에 투영한 MAP 영상을 얻고, 다파장 데이터를 획득하여 3차원 분자정보 매핑이 가능하도록 하는 데이터 분석부(300)를 포함한다.
여기서, 광음향-초음파 영상 장치(100)의 상세 구성은 다음과 같다.
도 3a는 광음향-초음파 영상 장치의 상세 구성도이다.
광음향-초음파 영상 장치(100)는 도 3a에서와 같이, 스캐닝을 수행하기 위한 영역을 설정하는 스캔 영역 설정부(31)와, 시작 위치로 영상 프로브(초음파 트랜스듀서)를 위치시키고, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정이 이루어지면 다음 위치로 영상 프로브의 이동을 제어하는 프로브 이동 제어부(32)와, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하기 위하여 초음파 인가 및 수신을 하는 초음파 인가 및 수신부(33)와. 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하기 위하여 펄스 광원 조사 및 광음향 신호 수신을 하는 펄스 광원 조사 및 광음향 신호 수신부(34)를 포함한다.
여기서, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하는 동작은 프로브의 이동후 멈춰서 측정할 수도 있고(Stop and Go scanning), 연속으로 이동중에 데이터 획득(Continuous scanning)을 수행할 수도 있다.
그리고 신호 왜곡 보정부(200)의 상세 구성은 다음과 같다.
도 3b는 신호 왜곡 보정부의 상세 구성도이다.
신호 왜곡 보정부(200)는 도 3b에서와 같이, 모든 영상 영역에 대해 데이터 획득을 수행하면 획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하고, 추출된 피부 신호를 처리하여 왜곡을 보정하는 피부 프로파일 추출 및 보정부(35)와, 보정된 피부 신호와 이전 피부 신호 사이의 차이를 계산하여 보정 파라미터를 산출하는 보정 파라미터 추출부(36)와, 보정 파라미터를 3차원 초음파 데이터에 적용하여 z방향으로 보정 파라미터만큼 이동시켜 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 3차원 초음파 보정 데이터 출력부(37)와, 보정 파라미터를 3차원 광음향 데이터에 적용하여 z방향으로 보정 파라미터만큼 이동시켜 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 3차원 광음향 보정 데이터 출력부(38)를 포함한다.
여기서, 피부 프로파일 추출 및 보정부(35)에서의 피부 신호 감지는 B-scan 영상(x-z 영상)에서 수행되며, 각 B-scan 영상에서의 피부신호를 모아 3차원 피부 표면을 추출하여 이루어진다.
도 4는 광음향 신호의 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 영상 결과를 나타낸 구성도이다.
본 발명을 통해 보정된 3차원 데이터를 이용하여 이전에는 완벽하게 활용하지 못했던 3차원 데이터를 이용하여 3차원 광음향 영상 구현을 수행할 수 있으며, 다파장 광음향 데이터를 획득하여 산소포화도를 포함한 분자정보를 3차원으로 나타낼 수 있다.
도 5는 초음파 기반 광음향 신호의 호흡에 의한 왜곡 보정 과정을 나타낸 플로우 차트이다.
본 발명에 따른 초음파 기반 광음향 신호의 호흡에 의한 왜곡 보정 과정은 도 5에서와 같이, 먼저, 스캐닝을 수행하기 위한 영역을 설정하고(S501) 시작 위치로 영상 프로브(초음파 트랜스듀서)를 이동시킨다.(S502)
그리고 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하기 위하여, 측정 대상체에 초음파를 인가하여 반사되는 초음파 신호를 수신하고(S503), 측정 대상체에 펄스 광원을 조사하여 열탄성팽창에 의해 발생되는 광음향(광초음파) 신호를 수신한다.(S504)
이어, 다음 측정 위치로 영상 프로브를 이동한다.(S505)
여기서, 이와 같은 측정은 프로브의 이동후 멈춰서 측정할 수도 있고(Stop and Go scanning), 연속으로 이동중에 데이터 획득을 수행할 수도 있다(Continuous scanning).
이와 같은 과정을 반복하여 모든 영상 영역에 대해 데이터 획득을 수행하고(S506), 획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하여 호흡에 의한 왜곡을 보정한다.(S507)
그리고 초음파 데이터의 보정 정보를 이용하여 광음향 데이터의 호흡에 의한 왜곡을 보정한다.(S508)
여기서, 피부 신호 감지는 B-scan 영상 (x-z 영상)에서 수행되며, 각 B-scan 영상에서의 피부신호를 모아 3차원 피부 표면을 추출할 수 있다. 추출된 피부 신호를 처리하여 왜곡을 보정한 뒤 보정된 피부와 기존 피부 신호 사이의 차이를 계산하여 보정 파라미터를 계산한다. 이를 3차원 초음파와 광음향 데이터에 적용하여 z방향으로 보정 파라미터만큼 이동시켜 호흡에 의한 왜곡을 보정한다.
이어, 보정된 데이터를 3차원 영상으로 시각화하여 분석한다.(S509)
보정된 3차원 데이터를 이용하여 각 평면에 투영한 MAP 영상을 얻을 수 있으며, 다파장 데이터를 획득하여 3차원 분자정보 매핑이 가능하다.
도 6은 초음파 기반 호흡에 의한 왜곡 보정을 이용한 다파장 광음향 데이터 분석 과정을 나타낸 플로우 차트이다.
초음파 기반 호흡에 의한 왜곡 보정을 이용한 다파장 광음향 데이터 분석 과정은 도 6에서와 같이, 먼저, 스캐닝을 수행하기 위한 영역을 설정하고(S601) 시작 위치로 영상 프로브(초음파 트랜스듀서)를 이동시킨다.(S602)
그리고 각 영상 위치에서 다파장 광음향 신호 획득을 위해 파장별로 광음향-초음파 영상을 획득하기 위하여, 측정 대상체에 초음파를 인가하여 반사되는 초음파 신호를 수신하고(S603), 측정 대상체에 펄스 광원을 조사하여 열탄성팽창에 의해 발생되는 광음향(광초음파) 신호를 수신한다.(S604)
이어, 다음 측정 위치로 영상 프로브를 이동한다.(S605)
이와 같은 과정을 반복하여 모든 영상 영역에 대해 데이터 획득이 이루어졌는지 판단하고(S606), 모든 파장에 대해 측정이 이루어졌는지 판단하여(S607), 측정이 완료되면 획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하여 호흡에 의한 왜곡을 보정한다.(S608)
그리고 초음파 데이터의 보정 정보를 이용하여 광음향 데이터의 호흡에 의한 왜곡을 보정한다.(S609)
이어, 보정된 파장 데이터를 이용하여 각 Voxel에서 파장분석(Spectral unmixing)을 수행하여 각 분자정보를 획득한다.(S610)
이와 같이 다파장 광음향 신호 획득을 위해 파장별로 광음향-초음파 영상을 획득하기 위한 동작을 반복하고, 획득한 초음파 신호를 이용하여 피부 보정 알고리즘을 통해 호흡에 의한 왜곡을 보정한다.
한 파장에 대해 보정한 피부 위치를 기준으로 하여 나머지 파장에 대한 데이터를 보정하여, 모든 파장의 데이터가 3차원적으로 정렬되도록 한다. 보정된 파장 데이터를 이용하여 각 Voxel에서 파장분석(Spectral unmixing)을 수행하여 각 분자정보를 획득하고 이를 이용하여 산소포화도를 포함한 분자정보를 3차원으로 획득할 수 있다.
도 7은 종래 기술 및 본 발명에 따른 산소포화도(분자정보) 분포 영상화 방법 비교 구성도이다.
이와 같이 본 발명은 초음파 신호를 이용하여 소동물의 피부 표면의 위치를 추출하고, 이를 바탕으로 호흡에 따른 왜곡을 보정할 수 있다. 초음파 데이터에서 획득한 각 측정 위치에서 보정 파라미터를 광음향 데이터에 적용하여 보정된 3차원 광음향 데이터를 얻을 수 있다. 이를 통해 이전에 분석하기 어려웠던 광음향 신호의 깊이 정보를 얻을 수 있으며, 피부로부터 같은 깊이 영역에 있는 생체 조직의 광음향 신호 분포를 분석할 수 있다.
이전에는 z-방향으로 왜곡된 신호를 숨기기 위해 x-y평면으로 최대 신호를 투영시키는 Maximum Intensity Projection (MAP) 방식 등의 투영을 사용했지만, 본 발명을 통한 호흡 보정을 통해 3차원 데이터를 그대로 렌더링 하여 3차원 영상 구현이 가능해지고, 이를 통해 깊이 방향으로의 분석이 가능하다.
또한, 다중 파장 데이터를 이용하여 3차원 산소포화도를 포함한 분자영상정보를 획득하고 그 분포를 이미지로 표현할 수 있다.
이전에는 각 파장별로 x-y 평면에 투영된 MAP 영상을 이용한 파장 분석을 수행했기 때문에 pixel별 z-방향의 정보가 누락되었고 정확한 분석이 불가능했다.
하지만 본 발명을 통해 호흡이 보정된 데이터를 이용할 경우 3차원 데이터에서 voxel별로 파장 분석을 수행하여 3차원 분자정보 분포를 획득 할 수 있다.
도 7에서와 같이 3차원 분자정보 분포를 얻을 수 있어 약물전달 모니터링, 생체내 분자 분포, 3차원 산소포화도 영상 등 다양한 소동물 연구에 효율적으로 사용될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치 및 방법은 호흡에 따른 피부 표면의 왜곡을 초음파 신호를 통해 감지하고 이를 이용하여 호흡에 의한 신호 왜곡을 보정하여 광음향 영상 구현 성능을 높일 수 있도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100. 광음향-초음파 영상 장치
200. 신호 왜곡 보정부
300. 데이터 분석부
200. 신호 왜곡 보정부
300. 데이터 분석부
Claims (11)
- 설정된 스캐닝 영역의 시작 위치로 영상 프로브를 위치시키고, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하고, 다음 위치로 영상 프로브를 이동하여 모든 영상 영역에 대해 데이터 획득을 수행하는 광음향-초음파 영상 장치;
획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하여 왜곡을 보정한 뒤 보정된 피부 신호와 이전 피부 신호 사이의 차이를 계산하여 보정 파라미터를 산출하고, 이를 3차원 초음파와 광음향 데이터에 적용하여 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 신호 왜곡 보정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치. - 제 1 항에 있어서, 신호 왜곡 보정부에서 보정된 3차원 데이터를 이용하여 각 평면에 투영한 MAP 영상을 얻고, 다파장 데이터를 획득하여 3차원 분자정보 매핑이 가능하도록 하는 데이터 분석부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치.
- 제 1 항에 있어서, 신호 왜곡 보정부에서,
보정 파라미터를 산출하고, 이를 3차원 초음파와 광음향 데이터에 적용하여 z방향으로 보정 파라미터만큼 이동시켜 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 것을 특징으로 하는 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치. - 제 1 항에 있어서, 광음향-초음파 영상 장치는,
스캐닝을 수행하기 위한 영역을 설정하는 스캔 영역 설정부와,
시작 위치로 영상 프로브를 위치시키고, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정이 이루어지면 다음 위치로 영상 프로브의 이동을 제어하는 프로브 이동 제어부와,
각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하기 위하여 초음파 인가 및 수신을 하는 초음파 인가 및 수신부와,
각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하기 위하여 펄스 광원 조사 및 광음향 신호 수신을 하는 펄스 광원 조사 및 광음향 신호 수신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치. - 제 4 항에 있어서, 프로브 이동 제어부는,
각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하는 동작에서 프로브의 이동후 멈춰서 측정하거나(Stop and Go scanning), 연속으로 이동중에 데이터 획득(Continuous scanning)을 수행할 수 있도록 프로브 이동을 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치. - 제 1 항에 있어서, 신호 왜곡 보정부는,
모든 영상 영역에 대해 데이터 획득을 수행하면 획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하고, 추출된 피부 신호를 처리하여 왜곡을 보정하는 피부 프로파일 추출 및 보정부와,
보정된 피부 신호와 이전 피부 신호 사이의 차이를 계산하여 보정 파라미터를 산출하는 보정 파라미터 추출부와,
보정 파라미터를 3차원 초음파 데이터에 적용하여 z방향으로 보정 파라미터만큼 이동시켜 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 3차원 초음파 보정 데이터 출력부와,
보정 파라미터를 3차원 광음향 데이터에 적용하여 z방향으로 보정 파라미터만큼 이동시켜 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 3차원 광음향 보정 데이터 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치. - 제 6 항에 있어서, 피부 프로파일 추출 및 보정부에서의 피부 신호 감지는,
B-scan 영상(x-z 영상)에서 수행되며, 각 B-scan 영상에서의 피부신호를 모아 3차원 피부 표면을 추출하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 장치. - 설정된 스캐닝 영역의 시작 위치로 영상 프로브를 위치시키고, 각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하고, 다음 위치로 영상 프로브를 이동하여 모든 영상 영역에 대해 데이터 획득을 수행하는 광음향-초음파 데이터 획득 단계;
획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하여 왜곡을 보정한 뒤 보정된 피부 신호와 이전 피부 신호 사이의 차이를 계산하여 보정 파라미터를 산출하고, 이를 3차원 초음파와 광음향 데이터에 적용하여 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 신호 왜곡 보정 단계;
보정된 데이터를 3차원 영상으로 시각화하여 분석하는 데이터 분석 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 방법. - 제 8 항에 있어서, 신호 왜곡 보정 단계에서,
보정 파라미터를 산출하고, 이를 3차원 초음파와 광음향 데이터에 적용하여 z방향으로 보정 파라미터만큼 이동시켜 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 것을 특징으로 하는 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 방법. - 제 8 항에 있어서, 광음향-초음파 데이터 획득 단계에서,
각 영상 위치에서 초음파 신호와 광음향 신호를 번갈아 측정하는 동작에서 프로브의 이동후 멈춰서 측정하거나(Stop and Go scanning), 연속으로 이동중에 데이터 획득(Continuous scanning)을 수행할 수 있도록 프로브 이동을 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 방법. - 스캐닝을 수행하기 위한 영역을 설정하고 시작 위치로 영상 프로브를 이동시키는 단계;
각 영상 위치에서 다파장 광음향 신호 획득을 위해 파장별로 광음향-초음파 영상을 획득하기 위하여, 측정 대상체에 초음파를 인가하여 반사되는 초음파 신호를 수신하고, 측정 대상체에 펄스 광원을 조사하여 열탄성팽창에 의해 발생되는 광음향 신호를 수신하는 단계;
다음 측정 위치로 영상 프로브를 이동하여, 모든 영상 영역에 대해 데이터 획득이 이루어졌는지 판단하고, 모든 파장에 대해 측정이 이루어졌는지 판단하여, 측정이 완료되면 획득한 초음파 데이터를 이용하여 피부 신호를 감지하여 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 단게;
초음파 데이터의 보정 정보를 이용하여 광음향 데이터의 호흡에 의한 왜곡을 보정하는 단계;
보정된 파장 데이터를 이용하여 각 Voxel에서 파장분석(Spectral unmixing)을 수행하여 각 분자정보를 획득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 기반 호흡 보정을 이용한 3차원 광음향 영상 구현을 위한 방법.
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| KR20090088909A (ko) | 2006-12-19 | 2009-08-20 | 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이. | 결합된 광음향 및 초음파 이미징 시스템 |
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