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문제 정의
- 본 논문에서는 실시간 혈관내초음파 영상을 구현할 수 있는 후단부 시스템을 저비용, 소형화, 경량화가 가능한 구조를 제안한다. 제안한 구조를 적용하여 신호처리, 영상처리 구조의 최적화, 단순화를 통하여 외부 메모리 없이 단일 FPGA를 사용하여 실시간 혈관내초음파 영상을 구현할 수 있는 후단부 시스템의 설계 및 성능 평가를 소개한다.
- 본 논문은 혈관내초음파 영상에 특화된 후단부 시스템의 설계 및 성능평가 결과에 대하여 설명하였다. 개발한 후단부 시스템은 실시간 혈관내초음파 영상의 구현이 가능하도록 연산처리시간이 긴 연산들을 LUT로 대체하여 연산처리시간을 단축하고 새로운 DSC 알고리즘을 적용하여 적은 메모리를 사용하는 구조를 사용하였다.
제안 방법
- 또한 Eq. (2)의 나누기 연산은 1/DR값을 가지는 LUT로구현하여 GUI에서 입력되는 DR 값에 맞추어 해당 데이터값을 출력하는 방법으로 대체하여 연산처리 시간을 단축하였다.
- 개발한 후단부 시스템은 74,637개의 로직 셀, 46,648개의 LUT, 132개의 DSP slice와 3,096 Kbits의 내부 메모리 용량을 가지고 있는 FPGA(XC6SLX75, Xilinx Inc., San Jose, CA)를 사용하여 구현하였다. FPGA 내부에 VHDL(VHSIC Hardware Description Language)로 구현한 후단부 시스템을 MATLAB 프로그램을 사용하여 VHDL과 동일하게 구현하여 검증하고 구현한 후단부 시스템의 FPGA 리소스 사용량을 참고문헌의 연구 결과들과 비교하였다.
- 본 논문은 혈관내초음파 영상에 특화된 후단부 시스템의 설계 및 성능평가 결과에 대하여 설명하였다. 개발한 후단부 시스템은 실시간 혈관내초음파 영상의 구현이 가능하도록 연산처리시간이 긴 연산들을 LUT로 대체하여 연산처리시간을 단축하고 새로운 DSC 알고리즘을 적용하여 적은 메모리를 사용하는 구조를 사용하였다. 개발한 후단부 시스템의 알고리즘을 MATLAB으로 동일하게 구현하여 시스템 알고리즘을 검증하였고 토끼 혈관을 이용한 ex-vivo 실험을 통하여 개발한 후단부 시스템이 실시간 혈관내초음파 영상의 구현함에 적합함을 확인하였다.
- 디스플레이 블록은 Fig. 4와 같이 두 개의 버퍼를 사용하여 버퍼 당 4,096개의 DSC된 픽셀 데이터를 저장하고 지정한 개수가 저장되면 다른 버퍼로 스왑하여 연속적으로 저장함과 동시에 기존의 버퍼에 저장되어 있던 픽셀 데이터를 호스트로 전송하는 방식으로 실시간 영상을 구현한다.
- 이때 x는 입력 데이터이고 DR은 동적 범위이며, X는 GUI에서 제어할 수 있는 로그 압축의 최대값을 나타낸다. 로그압축 알고리즘에서 로그 연산을 하는데 많은 연산처리시간과 로직 사용량이 필요하므로 FPGA 로직 사용량과 연산처리시간을 줄이기 위하여 16 bit의 입력 신호에 대한 로그 연산값을 LUT로 구현하였다. 로그 연산용 LUT는 로그압축 블록의 입력 신호를 LUT의 어드레스로 적용하여 해당 어드레스의 데이터 값을 출력하는 구조로 로그 연산에 소요되는 연산처리 시간을 단축하는 역할을 한다.
- DSP 모듈은 ADC를 통하여 수신된 초음파 신호를 임상 정보를 가진 신호로 처리하는 기능을 하며 대역통과필터 블록, D-TGC 블록, 포락선 검출 블록, 신호 선별 블록, 로그압축 블록의 다섯 개의 세부 블록으로 구성되고 DSC 모듈은 DSP 모듈의 출력 데이터로부터 혈관내초음파 영상 형태의 영상 데이터로 변환하는 기능을 하며 DSC 블록과 디스플레이 버퍼 블록으로 구성된다. 실시간 영상을 위하여 연산처리시간이 긴 연산 과정들을 LUT(Look-up Table)의 형태로 바꾸어서 DSP 모듈의 연산 처리시간을 단축하였고 외부 메모리 없이 단일 FPGA의 내부 메모리에 적용할 수 있도록 메모리 사용량을 줄일 수 있는 새로운 형태의 DSC 구조를 제안하여 구조를 단순화하였다. 기능성 모듈을 구성하는 일곱 개의 세부 블록은 다음과 같은 방법으로 설계하였다.
- 2와 같은 직교복조(quadrature demodulation) 구조를 사용하였다. 연산처리속도와 로직 사용량을 줄이기 위하여 직교복조에서 동위상(I0) 성분과 직교위상(Q0) 성분 추출을 위한 중심주파수 삼각함수 파형을 LUT에 구현하여 직교복조에 필요한 연산처리 시간을 단축하였다. 포락선 검출에 사용한 저역통과필터는 차단주파수를 25 MHz, 40 dB 감쇠가 일어나는 주파수를 36.
- 본 논문에서는 실시간 혈관내초음파 영상을 구현할 수 있는 후단부 시스템을 저비용, 소형화, 경량화가 가능한 구조를 제안한다. 제안한 구조를 적용하여 신호처리, 영상처리 구조의 최적화, 단순화를 통하여 외부 메모리 없이 단일 FPGA를 사용하여 실시간 혈관내초음파 영상을 구현할 수 있는 후단부 시스템의 설계 및 성능 평가를 소개한다.
- 또한 넓은 대역폭을 가지는 초음파 변환기에 의하여 수신된 2차, 3차 고조파 성분은 기존 주파수 영상의 왜곡을 초래한다. 중심주파수 50 MHz, 차단주파수 20 MHz, 80 MHz로 대역폭60 MHz를 가지는 디지털 33-탭 대역통과필터를 구현하였다. 또한 40 dB 감쇠가 일어나는 주파수를 8.
대상 데이터
- 제안한 DSC 구조를 적용한 혈관내초음파 영상은 401 × 401 픽셀의 크기로 Fig. 3과 같이 대칭되는 여덟 개의 부분 영상으로 분리된다.
- 연산처리속도와 로직 사용량을 줄이기 위하여 직교복조에서 동위상(I0) 성분과 직교위상(Q0) 성분 추출을 위한 중심주파수 삼각함수 파형을 LUT에 구현하여 직교복조에 필요한 연산처리 시간을 단축하였다. 포락선 검출에 사용한 저역통과필터는 차단주파수를 25 MHz, 40 dB 감쇠가 일어나는 주파수를 36.9 MHz로 설계하여 다운샘플링 시 발생할 수 있는 엘이어싱 현상을 함께 대비하였다. 또한 저역통과필터는 FPGA의 로직과 메모리 사용량을 최소화하기 위하여 2.
- 3 프레임이다. 획득한 영상은 20 MHz ~ 80 MHz 대역폭을 가지는 대역통과 필터를 적용하고 직교복조에 60 MHz의 중심주파수를 사용하였다. 선명한 영상을 위하여 D-TGC를 사용하여 토끼 혈관 영역의 이득을 높이고 주위 팬텀 영역의 이득을 줄여 혈관 영상이 뚜렷하게 하였다.
데이터처리
- , San Jose, CA)를 사용하여 구현하였다. FPGA 내부에 VHDL(VHSIC Hardware Description Language)로 구현한 후단부 시스템을 MATLAB 프로그램을 사용하여 VHDL과 동일하게 구현하여 검증하고 구현한 후단부 시스템의 FPGA 리소스 사용량을 참고문헌의 연구 결과들과 비교하였다. Ex-vivo 실험을 통하여 개발한 후단부 시스템의 실시간 혈관내초음파 영상 구현을 확인하였다.
- 설계한 후단부 시스템을 검증하기 위하여 FPGA 내부에 VHDL로 구현한 알고리즘을 MATLAB 프로그램(Mathworks Inc., Natick, MA)을 이용하여 VHDL과 동일하게 구현하였다. Fig.
- 5는 설계한 VHDL 알고리즘과 MATLAB 연산을 비교한 것이다. 하나의 프레임을 구성하는 모든 주사선의 데이터 샘플을FPGA 내부 메모리에 저장할 수 없기 때문에 시스템 검증을 위하여 추출한 주사선 데이터를 사용하였고 다운 샘플링 비율은 3인 경우의 디지털 신호 처리 출력인 로그 압축 데이터를 비교하여 설계한 VHDL 알고리즘을 검증하였다. Fig.
성능/효과
- 650 샘플 중 4개의 샘플에서 6-bit의 에러가 발생한 것을 확인하였다. 1 % 이내의 에러율을 보이는 것으로 설계한 후단부 시스템의 동작 정확성을 검증하였다.
- FPGA 내부에 VHDL(VHSIC Hardware Description Language)로 구현한 후단부 시스템을 MATLAB 프로그램을 사용하여 VHDL과 동일하게 구현하여 검증하고 구현한 후단부 시스템의 FPGA 리소스 사용량을 참고문헌의 연구 결과들과 비교하였다. Ex-vivo 실험을 통하여 개발한 후단부 시스템의 실시간 혈관내초음파 영상 구현을 확인하였다.
- 개발한 후단부 시스템은 실시간 혈관내초음파 영상의 구현이 가능하도록 연산처리시간이 긴 연산들을 LUT로 대체하여 연산처리시간을 단축하고 새로운 DSC 알고리즘을 적용하여 적은 메모리를 사용하는 구조를 사용하였다. 개발한 후단부 시스템의 알고리즘을 MATLAB으로 동일하게 구현하여 시스템 알고리즘을 검증하였고 토끼 혈관을 이용한 ex-vivo 실험을 통하여 개발한 후단부 시스템이 실시간 혈관내초음파 영상의 구현함에 적합함을 확인하였다. 즉, 외부 메모리 없이 단일 FPGA만으로 고주파수, 고해상도의 실시간 영상 구현이 가능함을 확인하였다.
- 구현한 후단부 시스템은 LUT을 이용하여 FPGA 내부 로직 사용량과 연산처리시간을 대폭 줄였고 혈관내초음파 영상에 최적화된 DSC 구조를 사용하여 메모리 사용량을 최소화하면서 실시간 영상 구현이 가능한 것을 확인하였다. 이를 바탕으로 적용 분야에 맞추어 DSC 모듈 구조를 변경하면 외부 메모리 없이 단일 FPGA의 내부 메모리만으로 데이터 용량이 많은 고주파수, 고해상도의 초음파 영상 시스템에 적용할 수 있을 것이라 판단된다.
- [11]의 연구 결과와 비교하였다. 구현한 후단부 시스템이 혈관내 초음파 영상 구현에 적합한 형태의 신호처리, 영상처리 구조를 가져서 QDM, DSC, 디스플레이 기억 장치 블록에서 LUT 사용량이 월등히 작은 것을 확인할 수 있다. 또한 외부 메모리를 사용하여 혈관내초음파 영상 시스템을 개발한 W.
- 개발한 후단부 시스템의 알고리즘을 MATLAB으로 동일하게 구현하여 시스템 알고리즘을 검증하였고 토끼 혈관을 이용한 ex-vivo 실험을 통하여 개발한 후단부 시스템이 실시간 혈관내초음파 영상의 구현함에 적합함을 확인하였다. 즉, 외부 메모리 없이 단일 FPGA만으로 고주파수, 고해상도의 실시간 영상 구현이 가능함을 확인하였다. 제안한 후단부 시스템 알고리즘을 적용하면 고주파수, 고해상도 초음파 영상 처리 시스템의 저비용, 소형화, 경량화가 가능할 것이다.
- 또한 6 mm의 영상 깊이의 이미지를 구현하기 위하여 신호 선별 블록에서 다운샘플링 비율을 3으로 설정하고 로그 압축에 사용되는 파라미터, 로그압축 최대값은 70 dB, 동적범위는 40 dB로 설정하여 실시간 혈관내초음파 영상을 획득하였다. 토끼 혈관을 이용한 ex-vivo 실험을 통하여 개발한 후단부 시스템이 실시간 혈관내초음파 영상을 구현함에 적합함을 확인하였다.
후속연구
- 구현한 후단부 시스템은 LUT을 이용하여 FPGA 내부 로직 사용량과 연산처리시간을 대폭 줄였고 혈관내초음파 영상에 최적화된 DSC 구조를 사용하여 메모리 사용량을 최소화하면서 실시간 영상 구현이 가능한 것을 확인하였다. 이를 바탕으로 적용 분야에 맞추어 DSC 모듈 구조를 변경하면 외부 메모리 없이 단일 FPGA의 내부 메모리만으로 데이터 용량이 많은 고주파수, 고해상도의 초음파 영상 시스템에 적용할 수 있을 것이라 판단된다.
- 즉, 외부 메모리 없이 단일 FPGA만으로 고주파수, 고해상도의 실시간 영상 구현이 가능함을 확인하였다. 제안한 후단부 시스템 알고리즘을 적용하면 고주파수, 고해상도 초음파 영상 처리 시스템의 저비용, 소형화, 경량화가 가능할 것이다.
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