초음파진단기는 1950년대부터 사용되기 시작했고 그 동안 꾸준한 기술 발전을 통해 현재 대부분의 병원에서 필수불가결한 영상진단장비로 널리 활용되고 있다. 1970년대 초음파진단기에 어레이 프로브가 사용되기 시작한 이래로 전자적 신호처리를 통한 빔포밍 기술이 초음파진단기에 적용되었고, 꾸준히 개선되어 왔다. 빔포밍 기술은 초음파진단기의 해상도를 결정짓는 중요한 신호처리 기술이다. 이 논문에서는 이 빔포밍 기술의 원리부터 최근 동향까지 간략히 소개하고자 한다. 여기에는 어레이 프로브(array probe)를 사용하는 빔포밍의 원리, 기본적 이론, 실제 구현 등이 포함되고, 또 최근 기술 중 합성구경영상(synthetic aperture imaging: SAI), 적응형 빔포밍(adaptive beamforming), 2차원 어레이 프로브를 사용하는 2차원 빔포밍 기술 등의 주제도 소개한다. 이런 다양한 빔포밍 기술들은 다양한 다른 분야의 기술들과 여러 가지 형태로 발전적으로 융합하면서 시스템의 성능을 지속적으로 향상시켜 갈 것이다.
초음파진단기는 1950년대부터 사용되기 시작했고 그 동안 꾸준한 기술 발전을 통해 현재 대부분의 병원에서 필수불가결한 영상진단장비로 널리 활용되고 있다. 1970년대 초음파진단기에 어레이 프로브가 사용되기 시작한 이래로 전자적 신호처리를 통한 빔포밍 기술이 초음파진단기에 적용되었고, 꾸준히 개선되어 왔다. 빔포밍 기술은 초음파진단기의 해상도를 결정짓는 중요한 신호처리 기술이다. 이 논문에서는 이 빔포밍 기술의 원리부터 최근 동향까지 간략히 소개하고자 한다. 여기에는 어레이 프로브(array probe)를 사용하는 빔포밍의 원리, 기본적 이론, 실제 구현 등이 포함되고, 또 최근 기술 중 합성구경영상(synthetic aperture imaging: SAI), 적응형 빔포밍(adaptive beamforming), 2차원 어레이 프로브를 사용하는 2차원 빔포밍 기술 등의 주제도 소개한다. 이런 다양한 빔포밍 기술들은 다양한 다른 분야의 기술들과 여러 가지 형태로 발전적으로 융합하면서 시스템의 성능을 지속적으로 향상시켜 갈 것이다.
Medical ultrasound systems have been used since 1950s, and are now widely used in most hospitals as indispensable diagnostic imaging systems. Since array probe was introduced in 1970s, beamforming technology using electronic signal processing has been adopted to the medical ultrasound system, and ha...
Medical ultrasound systems have been used since 1950s, and are now widely used in most hospitals as indispensable diagnostic imaging systems. Since array probe was introduced in 1970s, beamforming technology using electronic signal processing has been adopted to the medical ultrasound system, and has been improved. Beamforming is a important technology which defines the resolution of the ultrasound system. In this paper, the technologies are introduced from basic beamforming principles to current trend. They include principles of beamforming using array probe, basic theory, and practical implementation, and recent topics of synthetic aperture imaging, adaptive beamforming, 2-dimensional beamforming using 2-dimensional array are also introduced. These various technologies will improve system performances continuously by merging innovatively with various technologies in other fields.
Medical ultrasound systems have been used since 1950s, and are now widely used in most hospitals as indispensable diagnostic imaging systems. Since array probe was introduced in 1970s, beamforming technology using electronic signal processing has been adopted to the medical ultrasound system, and has been improved. Beamforming is a important technology which defines the resolution of the ultrasound system. In this paper, the technologies are introduced from basic beamforming principles to current trend. They include principles of beamforming using array probe, basic theory, and practical implementation, and recent topics of synthetic aperture imaging, adaptive beamforming, 2-dimensional beamforming using 2-dimensional array are also introduced. These various technologies will improve system performances continuously by merging innovatively with various technologies in other fields.
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문제 정의
본격적으로 초음파진단기에 MV BF를 적용하고자 한 것이 [45]이다. 이 논문에서의 MV BF의 개념을 아주 간략히 요약하면, 원하는 방향(즉 집속점 방향)의 이득은 1로 유지하면서 빔포머 출력의 분산(즉 파워)를 최소화함으로써 결과적으로 원치 않는 방향(즉 집속점 이외의 방향)의 신호 및 잡음의 파워가 출력에 기여함을 최소화하는 apodization function을 찾고자 하는 것이다.
가설 설정
어레이 프로브의 빔 패턴 해석은 1970년대부터 꾸준히 연구되어왔다[3]. [3]을 매우 간략히 요약하자면, 다음과 같다: 연속파(continuous wave: CW)를 사용한다고 가정하고, 집속이 이상적인 경우, 집속면(focal plane)의 음장은 음원면(source plane)의 음장의 푸리에 변환쌍(Fourier transform pair)이다. Fig.
이것은 일반적인 송신집속 동작을 소자별로 시간대를 분해하여 수행하는 것과 유사하다고 이해될 수 있다. 산란체들이 움직이지 않는다고 가정한다. 그러면 각각의 송신에서 수신된 신호에 적절한 시간지연을 주는 것이 송신하는 소자에 적절한 focusing delay를 주어 동시에 송신하는 것과 유사한 효과를 줄 수 있고, 이렇게 적절한 focusing delay를 주어 수신된 신호들을 중첩(합성)하면 임의의 점에 송신집속하는 효과를 낼 수 있다.
스캔라인은 어레이 프로브에서 송신되어 진행하는 빔(각 엘리먼트의 빔들이 간섭해 형성된 전체적 빔)의 가상적 중앙선이라 보면 된다. 이 스캔라인과 프로브 표면과의 교점을 빔이 통과하는 시각을 t=0으로 가정한다. 인체내 음속을 c라 하면, 송신시 각각의 소자는 각각 t=-l/c시각에 송신(transmit: Tx) 펄스를 인가하면 각각의 소자로부터의 초음파가 집속점에 동시에 도달하게 되어 송신집속이 이루어진다.
제안 방법
어레이 프로브가 사용되기 시작하던 1970년대부터 1990년대 중반까지는 거의 모든 빔포머가 아날로그 방식으로 구현되었다. Focusing delay는 인덕턴스와 캐패시턴스를 조합한 아날로그 딜레이 라인 소자를 사용하여 구현되었으며, 동적집속(dynamic focusing)을 위해서는 딜레이 라인 중간에 여러 탭을 내어두고 탭을 스위치로 전환하며 선택하여 구현했다. 아날로그 소자의 특성상, 부피를 많이 차지하고 전력소모가 컸으며 신호의 손실이 발생하였고, 세월이 경과하면 특성이 변화하여 focusing delay의 정밀도가 떨어져 화질이 악화되었으며, 동적집속을 위해 스위치를 전환할 때 발생하는 노이즈 처리도 쉽지 않는 등 여러 가지의 단점이 있었다.
즉, 하나의 소자가 송신한 후 모든 소자가 각각 수신하는 것이다. 또, 송신하는 소자를 차례로 바꾸어가며 그 동작을 반복, 모든 수신 파형을 별도로 저장한다. 이렇게 함으로써 주어진 어레이 프로브에서 가능한 모든 송수신 소자의 조합을 활용하게 되어 최대한의 정보를 얻게 된다.
Focusing delay를 더욱 작은 칩(chip) 면적을 사용하면서도 정밀하게 계산하기 위한 연구로 [15,16] 등을 들 수 있다. 여기에서는 몇 개의 정수 덧셈기와 레지스터만으로 상당히 정밀한 focusing delay를 실시간으로 계산하였다. 최근에는 대용량의 FPGA가 속속 출현하여 여러 채널의 디지털 빔포머의 모든 기능을 하나의 FPGA에 넣을 수 있게 되었으며, 칩 면적을 줄이기 위한 노력도 그다지 필요하지 않게 되었다.
이론/모형
지금까지의 해석은 CW를 사용하는 경우이나, 실제 초음파진단기는 광대역 신호(예컨대 fractional bandwidth가 80%)를 사용하는 경우가 대부분이고, 이런 경우는 지금까지의 해석으로는 정밀하게 빔의 모양을 예측할 수가 없다. 이를 피하기 위해 더욱 정밀한 해석이 요구되었고, 주로 음원으로부터 집속면에 도달하는 임펄스 응답(impulse response)을 구하는 방법이 사용되었다.
성능/효과
반면 빔포밍이 이상적인 경우에는 공간해상도는 프로브의 성능에 의해 제약되게 된다. 따라서 시스템을 설계하는 관점에서는 빔포머와 프로브는 서로 적절하게 조합되어야 제한된 단가내에서 최적의 성능을 구현할 수가 있다. 어레이 프로브는 용도(application) 또는 형태에 따라 리니어(linear) 어레이 프로브, 컨벡스(convex 또는 curvilinear) 어레이 프로브, 페이즈드(phased 또는 sector) 어레이 프로브 등으로 나뉜다.
Focusing delay는 인덕턴스와 캐패시턴스를 조합한 아날로그 딜레이 라인 소자를 사용하여 구현되었으며, 동적집속(dynamic focusing)을 위해서는 딜레이 라인 중간에 여러 탭을 내어두고 탭을 스위치로 전환하며 선택하여 구현했다. 아날로그 소자의 특성상, 부피를 많이 차지하고 전력소모가 컸으며 신호의 손실이 발생하였고, 세월이 경과하면 특성이 변화하여 focusing delay의 정밀도가 떨어져 화질이 악화되었으며, 동적집속을 위해 스위치를 전환할 때 발생하는 노이즈 처리도 쉽지 않는 등 여러 가지의 단점이 있었다.
이렇게 함으로써 주어진 어레이 프로브에서 가능한 모든 송수신 소자의 조합을 활용하게 되어 최대한의 정보를 얻게 된다. 이 정보들을 최대한 활용하여 영상을 재구성한 결과는, 모든 점에 송신집속과 동시에 수신집속을 한 것과 유사한, 매우 우수한 해상도를 갖게 된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
빔포밍 기술이란 무엇인가?
1970년대 초음파진단기에 어레이 프로브가 사용되기 시작한 이래로 전자적 신호처리를 통한 빔포밍 기술이 초음파진단기에 적용되었고, 꾸준히 개선되어 왔다. 빔포밍 기술은 초음파진단기의 해상도를 결정짓는 중요한 신호처리 기술이다. 이 논문에서는 이 빔포밍 기술의 원리부터 최근 동향까지 간략히 소개하고자 한다.
초음파진단기는 언제부터 사용되었는가?
초음파진단기는 1950년대부터 사용되기 시작했고 그 동안 꾸준한 기술 발전을 통해 현재 대부분의 병원에서 필수불가결한 영상진단장비로 널리 활용되고 있다. 1970년대 초음파진단기에 어레이 프로브가 사용되기 시작한 이래로 전자적 신호처리를 통한 빔포밍 기술이 초음파진단기에 적용되었고, 꾸준히 개선되어 왔다.
초음파진단기가 영상을 나타내는 양식으로는 무엇이 있는가?
초음파진 단기는 기본적으로 인체내의 한 단면을 실시간으로 영상화하고 있다. 영상을 나타내는 양식(modality)로는, echo의 진폭을 영상의 밝기(brightness)로 나타내는 B-모드(mode), 인체내의 혈류를 표시하는 도플러 모드(Doppler mode) 등의 모드가 있다. 최근에는 단면만이 아니라 입체를 실시간으로 보여 주는 실시간 3차원(또는 4차원이라고 함) 영상 모드도 실용화되었다.
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