KR101646627B1 - Phase rotation beamformer and beamforming method for envelope error compensating - Google Patents
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Abstract
본 발명은 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속기 및 빔 집속 방법에 관한 것으로서, 보다 바람직하게는 영상점으로부터 반사되어 변환자로 수신된 신호를 디지털 신호로 표본화하는 표본화부; 상기 표본화된 디지털 신호로부터 동상 성분과 직교 성분을 분리하는 믹서부; 성분이 분리된 각각의 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 표본화 지연을 보상하는 표본화 지연 보상부; 표본화 지연이 보상된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 진폭 에러를 보상하는 저역 통과 필터부; 신호 대역이 기저 대역(baseband)으로 낮아진 데이터의 양을 줄이는 데시메이션부; 및 데시메이션된 신호에 대하여 위상 회전을 수행하는 위상 회전부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의해, 본 발명의 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속기 및 빔 집속 방법은 기존 위상 회전 빔 집속기 및 빔 집속 방법에서 기저대역 신호처리로 데이터 양을 줄일 수 있는 이점을 가지는 동시에 광대역 송신 신호에 따라 발생하는 빔 집속 진폭 에러를 보상하여 정확하고 효율적으로 빔 집속을 수행할 수 있다. The present invention relates to a phase rotation beam concentrator and a beam focusing method for amplitude error compensation, and more particularly, to a sampling unit for sampling a signal received by a transducer reflected from an image point into a digital signal. A mixer unit for separating the in-phase component and the quadrature component from the sampled digital signal; A sampling delay compensation unit for compensating a sampling delay for each of the in-phase component signal and the quadrature component signal from which the components are separated; A low pass filter unit for compensating an amplitude error of the in-phase component signal and the quadrature component signal whose sampling delay is compensated; A decimation unit for reducing the amount of data whose signal band is lowered to a baseband; And a phase rotation unit for performing phase rotation on the decimated signal; And a control unit.
With this configuration, the phase rotation beam concentrator and the beam focusing method for amplitude error compensation of the present invention have an advantage that the amount of data can be reduced by the baseband signal processing in the existing phase rotation beam concentrator and beam focusing method, It is possible to accurately and efficiently perform the beam focusing by compensating the beam focusing amplitude error generated according to the transmission signal.
Description
본 발명은 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속기 및 빔 집속 방법에 관한 것으로, 특히 초음파 영상 시스템에서 사용되는 위상 회전 빔 집속 시, 광대역 신호를 송신함에 따라 수신 신호에서 발생하는 진폭 에러를 효율적으로 보상하는 위상 회전 빔 집속기 및 빔 집속 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a phase rotation beam concentrator and a beam focusing method for amplitude error compensation. More particularly, the present invention relates to a phase rotation beam concentrator and a beam focusing method for efficiently compensating an amplitude error generated in a received signal by transmitting a broadband signal, And more particularly to a phase rotating beam concentrator and a beam focusing method for compensating a phase rotation beam.
IT 기술이 급격히 발전함에 따라 다른 분야에서도 IT 기술이 융합되어 발전하고 있는데, 그 중에서도 특히 IT 기술이 의료 분야에 융합되어 널리 적용되고 있는 추세이다. 이처럼 IT 기술이 의료 분야에 적용되고 있는 기술 중 하나인 의료용 초음파는 초음파 신호를 이용하여 인체 내 근육, 힘줄, 내부 장기들, 내부 장기의 크기 및 구조, 병리학적 손상을 실시간으로 단층 영상으로 가시화하는 진단 의료 영상 기술 중 하나이다. As IT technology develops rapidly, IT technology is converging in other fields. In particular, IT technology is being widely applied to medical field. The medical ultrasonic wave, which is one of the technologies that IT technology is applied to the medical field, uses ultrasound signals to visualize the size, structure and pathological damage of muscles, tendons, internal organs and internal organs in the human body as tomographic images in real time It is one of diagnostic medical imaging technology.
이러한 의료용 초음파 기술은 인체 내부에서 반사된 초음파 신호의 에너지를 측정하여 인체의 내부를 비 침습적으로 영상화 할 수 있다. 이때, 사용되는 초음파 동적 수신 빔 집속은 인체 내 각 깊이에서 반사되어 변환자(Transducer)로 돌아오는 초음파 신호를 집속 복원하는 기술로서, 초음파 영상의 측방향(Lateral Direction) 해상도와 축방향(Axial Direction) 해상도를 증가시키기 위해 주로 사용된다.Such medical ultrasound technology can measure the energy of an ultrasound signal reflected from the inside of the human body to non-invasively image the inside of the human body. At this time, the ultrasound dynamic receive beam focusing is a technique of focusing and restoring an ultrasound signal reflected at each depth in the human body and returning to a transducer. The ultrasound dynamic receive beam focusing is a technique of adjusting the lateral direction resolution of the ultrasound image and the axial direction ) It is mainly used to increase the resolution.
도 1은 종래 기술에 따른 송수신 빔 집속의 개념도로서, 도 1(a)는 송신 빔 집속 과정을 나타내고, 도 1(b)는 수신 빔 집속 과정을 나타낸다. FIG. 1 is a conceptual diagram of a transmitting / receiving beam focusing according to the prior art. FIG. 1 (a) shows a transmitting beam focusing process and FIG. 1 (b) shows a receiving beam focusing process.
도 1(a)에 도시된 바와 같이, 송신 빔 집속은 빔 송신 시 변환자의 각각의 배열 변환자에서 가변의 지연시간을 적용하여 하나의 집속점으로 집속하도록 하는 것으로서, 신호의 동상(Inphase) 성분은 보강간섭이 일어나도록 하여 증폭된 신호를 복원하고(빔 집속), 상기 신호의 동상 성분을 제외한 나머지 성분은 상쇄간섭을 통해 상쇄시킨다.As shown in Fig. 1 (a), the transmission beam focusing is performed by applying a variable delay time in each array transducer of the transducer during beam transmission so as to converge to one focusing point, and the inphase component (Beam focusing) such that the constructive interference occurs, and the remaining components except the in-phase component of the signal are canceled by destructive interference.
도 1(b)에 도시된 바와 같이, 대상체로부터 반사된 초음파 신호가 변환자(Transducer)의 배열소자들로 입력된다. 이때, 상기 대상체로부터 각 배열소자까지의 거리가 서로 다르기 때문에 대상체로부터 반사된 초음파 신호가 배열소자로 수신되는 시간 또한 각각 다르다. 따라서, 대상체와 각각의 배열소자간 거리에 따라 복수 개의 초음파 신호에 서로 다른 지연시간을 적용한 후, 상기 복수 개의 초음파 신호를 하나로 집속 복원한다. 1 (b), the ultrasonic signals reflected from the object are input to the array elements of the transducer. At this time, since the distances from the object to the array elements are different from each other, the time at which the ultrasonic signals reflected from the object are received by the array element also differs. Accordingly, after applying a different delay time to the plurality of ultrasonic signals according to the distance between the object and each array element, the plurality of ultrasonic signals are converged and restored.
특히, 표본화 되어 영상을 구성하는 신호 데이터의 간격이 지연 해상도(Delay resolution) 측면에서 초음파 배열 변환자의 중심 주파수의 16배 이상 지연 해상도가 적용되어야 정밀한 빔 집속이 가능하다. 하지만 고속 표본화를 이용하여 시스템을 구현할 경우에는 비용을 고려하면 비효율적이므로, 통상적으로 중심 주파수의 4배 내지 8배 정도로 신호를 표본화하고, 나머지 2배 내지 4배 세밀한 지연 해상도는 빔 집속기 종류에 따라 각각 다른 방식으로 적용한다. 이와 같이 세밀한 지연 해상도를 구현하는 방법에 따라 빔 집속 종류가 달라지게 되는데, 빔 집속기 종류에는 보간(Interpolation) 빔 집속기, 소수 지연 필터(Fractional delay filter) 빔 집속기, 위상 회전(Phase Rotation) 빔 집속기, 분석 신호(Analytic signal) 빔 집속기 등이 존재한다. Particularly, when the interval of the signal data constituting the sampled image is delayed more than 16 times the center frequency of the ultrasonic array transducer in terms of delay resolution, precise beam focusing is possible. However, when the system is implemented using the high-speed sampling, it is inefficient considering the cost. Therefore, the signal is typically sampled at 4 to 8 times the center frequency, and the remaining 2 to 4 times the finer resolution depends on the type of the beam concentrator Apply them in different ways. The types of beam focusing are different according to the method of implementing the fine delay resolution. The types of beam focusing devices include an interpolation beam concentrator, a fractional delay filter beam concentrator, a phase rotator, Beam concentrators, and analytic signal beam concentrators.
이때, 표본화된 신호의 간격 또는 지연 해상도를 표본화 지연(coarse delay, 또는 rough delay), 빔 집속기를 이용해 적용한 지연 해상도 간격을 미세 지연(fine delay)이라고 한다.In this case, the interval or delay resolution of the sampled signals is referred to as a coarse delay (rough delay), and the delay resolution interval applied using the beam concentrator is referred to as a fine delay.
이 중에서 위상 회전 빔 집속기는 송신 신호의 중심주파수를 기준으로 신호의 위상 회전(phase rotation)을 통해 중심주파수의 16배 이상의 미세 지연을 적용하는데, 이때 수신 신호는 복조(demodulation)과정을 통해 낮은 주파수 대역인 기저 대역(baseband)으로 이동한다. 따라서, 복조과정을 거친 후의 신호는 데시메이션(decimation)하여 데이터량을 낮출 수 있다. Among them, the phase rotation beam concentrator applies a fine delay of 16 times or more the center frequency through the phase rotation of the signal based on the center frequency of the transmission signal. At this time, the received signal is demodulated And moves to a baseband which is a frequency band. Therefore, the signal after the demodulation process can be decimated to reduce the amount of data.
하지만 위상 회전 방식은 신호의 진폭 및 위상 중 위상에 대한 지연시간 보상만이 가능하여 진폭(Envelope) 에러가 발생하고, 이러한 진폭(Envelope) 에러는 송신 신호의 대역폭이 넓어질수록 크게 발생하며, 이로 인해 빔 집속의 정확성이 감소하는 문제점이 발생했다.
However, in the phase rotation method, only the delay time compensation for the phase of the amplitude and the phase of the signal is possible, so that an envelope error occurs. Such an envelope error occurs largely as the bandwidth of the transmission signal becomes wider, Resulting in reduced beam focusing accuracy.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 위상에 대한 지연시간 보상뿐만 아니라, 진폭(Envelope) 에러에 대한 지연시간 보상도 데이터량의 증가없이 수행함으로써, 보다 정확하고 효율적인 빔 집속을 수행하는 위상 회전 빔 집속기 구조 및 빔 집속 방법을 제공하고자 한다.
In order to solve the problems of the conventional art as described above, the present invention performs not only the delay time compensation for phase but also the delay time compensation for the envelope error without increasing the data amount, thereby achieving more accurate and efficient beam focusing And to provide a phase rotation beam concentrator structure and a beam focusing method to be performed.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 초음파 영상 시스템에서 사용되는 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속기는 영상점으로부터 반사되어 변환자로 수신된 신호를 디지털 신호로 표본화하는 표본화부; 상기 표본화된 디지털 신호로부터 동상 성분과 직교 성분을 분리하는 믹서부; 성분이 분리된 각각의 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 샘플링 주기 단위의 표본화 지연을 보상하는 표본화 지연 보상부; 표본화 지연이 보상된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 진폭 에러를 보상하는 저역 통과 필터부; 신호 대역이 기저 대역(baseband)으로 낮아진 데이터의 양을 줄이는 데시메이션부; 및 데시메이션된 신호에 대하여 위상 회전을 수행하는 위상 회전부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.A phase rotation beam concentrator for amplitude error compensation used in an ultrasound imaging system for solving the above problems includes a sampling unit for sampling a signal received by a transducer reflected from an image point into a digital signal; A mixer unit for separating the in-phase component and the quadrature component from the sampled digital signal; A sampling delay compensator for compensating a sampling delay in units of a sampling period for each of the in-phase component signal and the quadrature component signal from which the components are separated; A low pass filter unit for compensating an amplitude error of the in-phase component signal and the quadrature component signal whose sampling delay is compensated; A decimation unit for reducing the amount of data whose signal band is lowered to a baseband; And a phase rotation unit for performing phase rotation on the decimated signal; And a control unit.
보다 바람직하게는 표본화 지연이 적용된 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 제로 패딩(zero padding) 후 저역 통과 필터를 통해 보간(Interpolation)된 데이터 중 지연시간 계산부에서 계산된 미세 지연(fine delay)에 기초하여 특정 데이터를 선택하여 출력하는 저역 통과 필터부를 포함할 수 있다.More preferably, the in-phase component signal subjected to the sampling delay and the quadrature component signal are subjected to zero padding and interpolated through a low-pass filter, based on a fine delay calculated by the delay time calculator And a low pass filter for selecting and outputting specific data.
특히, 다중 위상(polyphase) 보간 필터로 이루어지는 저역 통과 필터부를 포함할 수 있다. Particularly, it may include a low-pass filter unit composed of a polyphase interpolation filter.
보다 바람직하게는 직교 복조 저역 통과 필터(Quadrature Demodulation LPF) 와 인터폴레이션 저역 통과 필터 (Interpolation LPF)의 필터링 범위를 포함하는 저역 통과 필터를 기반으로 구성된 다중 위상 필터 구조에서 동일한 차수의 복수 개의 서브셋 필터가 병렬 연결되며, 상기 복수 개의 서브셋 필터의 데이터 처리율이 표본화 주파수와 비교하여 동일하거나 낮은 저역 통과 필터를 포함할 수 있다. More preferably, in a multi-phase filter structure based on a low-pass filter including a filtering range of an orthogonal demodulation LPF and an interpolation low-pass filter, a plurality of subset filters of the same order are arranged in parallel And a low-pass filter having a data throughput of the plurality of subset filters equal to or lower than a sampling frequency.
보다 바람직하게는 상기 복수 개의 서브셋 필터의 출력신호에 대하여 특정 영상점에서의 미세 지연을 확인하고, 확인한 미세 지연에 기초하여 상기 복수 개의 서브셋 필터의 출력 신호 중 하나의 서브셋 필터의 출력 신호를 선택하여 출력하는 멀티플렉서; 를 더 포함하는 저역 통과 필터부를 포함할 수 있다.More preferably, a fine delay at a specific image point is checked for the output signals of the plurality of subset filters, and an output signal of one subset filter among the output signals of the plurality of subset filters is selected based on the determined fine delay A multiplexer for outputting; And a low-pass filter unit that further includes a low-pass filter unit.
특히, 특정 영상점에서의 미세 지연시간에 따라 상기 복수 개의 서브셋 필터에 대해 기설정된 필터 계수 세트 중 하나의 필터 계수를 선택하고, 선택한 필터 계수를 갖는 서브셋 필터의 출력 신호를 출력하는 멀티플렉서부를 포함할 수 있다.And a multiplexer unit for selecting one of the predetermined filter coefficient sets for the plurality of subset filters according to the fine delay time at the specific image point and outputting the output signal of the subset filter having the selected filter coefficient .
위와 같은 과제를 해결하기 위한 초음파 영상 시스템에서 사용되는 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속 방법은 표본화부가 영상점으로부터 반사되어 변환자로 수신된 신호를 디지털 신호로 표본화하는 단계; 믹서부가 상기 표본화된 디지털 신호로부터 동상 성분과 직교 성분을 분리하는 단계; 표본화 지연 보상부가 성분이 분리된 각각의 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 표본화 지연을 보상하는 단계; 저역 통과 필터부가 표본화 지연이 보상된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 진폭 에러를 보상하는 단계; 데시메이션부가 신호 대역이 기저 대역(baseband)으로 낮아진 데이터의 양을 줄이는 단계; 및 데시메이션된 신호에 대하여 위상 회전을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. In order to solve the above problems, a method of focusing a phase rotation beam for amplitude error compensation used in an ultrasound imaging system includes sampling a signal received by a sampling unit as a digital signal by being reflected from an image point; Separating the in-phase component and the quadrature component from the sampled digital signal; Compensating a sampling delay for each of the in-phase component signal and the quadrature component signal from which the sampling delay compensation sub-component is separated; Compensating the amplitude error for the in-phase component signal and the quadrature component signal with the low-pass filter added sampling delay compensation; Reducing the amount of data whose decimation-added signal band is lowered to a baseband; And performing a phase rotation on the decimated signal.
보다 바람직하게는 표본화 지연이 적용된 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 제로 패딩(zero padding) 후 저역 통과 필터를 통해 보간(Interpolation)된 데이터 중 지연시간 계산부에서 계산된 미세 지연(fine delay)에 기초하여 특정 데이터를 선택하여 출력하는 저역 통과 필터부가 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 진폭 에러를 보상하는 단계를 포함할 수 있다.More preferably, the in-phase component signal subjected to the sampling delay and the quadrature component signal are subjected to zero padding and interpolated through a low-pass filter, based on a fine delay calculated by the delay time calculator And compensating the amplitude error for the in-phase component signal and the quadrature component signal by the low-pass filter unit for selecting and outputting the specific data.
보다 바람직하게는 직교 복조 저역 통과 필터(Quadrature Demodulation LPF)와 인터폴레이션 저역 통과 필터(Interpolation LPF)의 필터링 범위를 포함하는 저역 통과 필터를 기반으로 구성된 다중 위상 필터 구조에서 복수 개가 병렬로 연결된 각 서브셋 필터의 데이터 처리율이 표본화 주파수와 비교하여 동일하거나 낮은 것을 특징으로 하는 저역 통과 필터부가 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 진폭 에러를 보상하는 단계를 포함할 수 있다. More preferably, in a multi-phase filter structure based on a low-pass filter including a filtering range of an orthogonal demodulation LPF and an interpolation low-pass filter, a plurality of sub- And the data throughput is the same or lower than the sampling frequency. The low-pass filter may compensate for the amplitude error for the in-phase component signal and the quadrature component signal.
보다 바람직하게는 상기 복수 개의 서브셋 필터의 출력신호에 대하여 특정 영상점에서의 미세 지연을 확인하고, 확인한 미세 지연에 기초하여 상기 복수 개의 서브셋 필터의 출력 신호 중 하나의 출력 신호를 선택하여 출력하는 저역 통과 필터부가 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 진폭 에러를 보상하는 단계를 포함할 수 있다. The sub-filter may further include a sub-band filter for checking the fine delay at a specific image point with respect to the output signals of the plurality of subset filters, selecting one output signal among the output signals of the plurality of subset filters based on the determined fine delay, And compensating the amplitude error for the in-phase component signal and the quadrature component signal by the pass filter section.
특히, 상기 특정 영상점에서의 미세 지연시간에 따라 상기 복수 개의 서브셋 필터에 대해 기설정된 필터 계수 세트 중 하나의 필터 계수를 선택하고, 선택한 필터 계수를 갖는 서브셋 필터의 출력 신호를 출력하는 저역 통과 필터부가 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 진폭 에러를 보상하는 단계를 포함할 수 있다.
In particular, a low pass filter that selects one of the filter coefficients of a predetermined set of filter coefficients for the plurality of subset filters according to the fine delay time at the specific image point, and outputs an output signal of the subset filter having the selected filter coefficient And compensating the amplitude error for the additional in-phase component signal and the quadrature component signal.
본 발명의 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속기 및 빔 집속 방법은 응용 다중 위상 필터를 통해 광대역 송신신호로 인해 발생되는 진폭 에러를 보상함으로써, 데이터 량의 증가없이도 효율적으로 위상 회전 빔 집속부의 집속 정확도 향상을 기대할 수 있다. 이를 통해 일반 위상 회전 빔 집속기의 기저 대역 신호처리를 통한 데이터 량을 감소시킬 수 있고, 정확한 빔 집속 성능 향상을 동시에 얻을 수 있다. The phase rotation beam concentrator and beam focusing method for amplitude error compensation of the present invention compensates an amplitude error caused by a broadband transmission signal through an application multi-phase filter, Accuracy can be expected to be improved. Thus, it is possible to reduce the amount of data through the baseband signal processing of the general phase rotation beam concentrator and to improve the accurate beam focusing performance at the same time.
뿐만 아니라, 제한된 통신 처리량을 갖는 환경에서 무선으로 구성된 초음파 프로브 시스템이 취득한 데이터를 일정 거리로 이격되어 위치하는 시스템에 전송할 필요가 있는 상황에서 매우 유리하게 적용할 수 있다. 따라서 이와 같은 위상 회전 빔집속기 및 집속 방법은 POC(Point-of-care)용 초음파, 무선(Wireless) 초음파에서 효율적으로 사용될 수 있는 효과가 있다.
In addition, the present invention can be advantageously applied to a situation in which data acquired by an ultrasonic probe system configured wirelessly in an environment having limited communication throughput needs to be transmitted to a system located at a distance from the system. Therefore, the phase rotation beam focusing and focusing method can be effectively used in point-of-care (POC) ultrasonic waves and wireless ultrasonic waves.
도 1은 일반적인 송수신 빔 집속의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속기를 나타낸 도면이다.
도 3은 복소 평면에서의 위상 회전을 도식화한 도면이다.
도 4는 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속기 구현 과정을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 일 실시 예에 따라 도 4에서 사용되는 저역 통과 필터의 주파수 응답을 나타낸 그래프이다.
도 6은 합쳐진 저역 통과 필터의 일반적인 필터링 과정을 나타낸 도면이다.
도 7a은 도 6에서의 저역 통과 필터 구조를 다중 위상 필터 구조로 나타낸 도면이다.
도 7b는 다중 위상 필터 구조를 대신하여, 한 개의 서브셋 필터와 복수개의 서브셋 필터 계수 셋트로 이루어진 저역통과 필터부를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 수학 식 적용을 위한 초음파 신호의 송수신 거리 모형을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명과 종래 기술에 따라 각각 출력된 빔 집속 출력 영상이다.1 is a conceptual diagram of a general transmit / receive beam focusing.
2 is a diagram illustrating a phase rotation beam concentrator for amplitude error compensation according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating the phase rotation in the complex plane.
4 is a diagram illustrating a phase rotation beam concentrator implementation process for amplitude error compensation.
5 is a graph illustrating a frequency response of a low-pass filter used in FIG. 4 according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating a general filtering process of a combined low-pass filter.
FIG. 7A is a diagram illustrating a low-pass filter structure in FIG. 6 in a multiphase filter structure.
7B is a view illustrating a low-pass filter unit composed of one subset filter and a plurality of subset filter coefficient sets, instead of the multi-phase filter structure.
FIG. 8 is a diagram illustrating a transmission / reception distance model of an ultrasonic signal for applying the equation of the present invention.
FIG. 9 is a beam focusing output image output according to the present invention and prior art, respectively.
이하, 본 발명을 바람직한 실시 예와 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments and accompanying drawings, which will be easily understood by those skilled in the art. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein.
먼저, 본 발명에 대하여 설명하기에 앞서, 초음파 신호를 이용한 영상 시스템에서 사용되는 초음파 빔 집속과정에 대하여 간략히 살펴보도록 한다. First, before describing the present invention, an ultrasonic beam focusing process used in an image system using an ultrasonic signal will be briefly described.
초음파 빔 집속 방법은 크게 송신 빔 집속과, 수신 빔 집속으로 나누어진다. Ultrasonic beam focusing methods are classified into transmission beam focusing and receiving beam focusing.
송신 빔 집속은 빔 송신 시, 변환자(Transducer)에 대한 각각의 배열 소자에서 가변시간을 반영하여 하나의 집속점으로 빔이 집속하도록 하는 방법을 나타낸다.The transmit beam focusing refers to a method of causing the beam to converge at one focus point in the beam transmission, reflecting the variable time in each array element for the transducer.
수신 빔 집속 방법은 영상점으로부터 반사되어 들어오는 초음파 신호가 각각의 배열 소자들로 서로 다른 시간에 각각 도달하는데, 이러한 각각의 초음파 신호들에 대하여 배열 소자들로 도달하는 시간 차이만큼 시간 지연을 적용한 후에 상기 초음파 신호들을 합하면, 상기 대상체로부터 반사되어 변환자로 수신된 상기 초음파 신호들 간의 위상이 서로 일치함으로써, 가장 큰 진폭을 갖도록 한다. In the receiving beam focusing method, an ultrasonic signal reflected from an image point arrives at each of the array elements at different times. After applying a time delay to the array elements for each of the ultrasonic signals, When the ultrasonic signals are added together, the phases of the ultrasonic signals reflected from the object and received as the transducers coincide with each other, thereby having the largest amplitude.
이러한 빔 집속 방법을 통해 높은 해상도의 초음파 영상을 획득하기 위해서는 각 배열 변환자에 할당하는 가변 시간 지연값을 배열 변환자 중심주파수(fo)의 16 배로 표본화하여야 하지만 A/D 표본화 변환기(Analog to Digital Converter)의 성능과 집속에 사용되는 메모리의 크기 등의 비효율성을 고려하여, 먼저 이보다 낮은 중심주파수의 4배 내지 8배 정도를 표본화 주파수(sampling frequency)로 표본화한 후 2배 내지 4배 보간함으로써, 중심주파수의 16배 정도 되는 16f0로 표본화하여 디지털 빔 집속 시스템에서 사용한다.In order to acquire a high-resolution ultrasound image through such a beam focusing method, the variable time delay value allocated to each array transformer should be sampled at 16 times the array transformer center frequency fo, but the A / D sampling converter Converter and a memory size used for focusing are firstly sampled at a sampling frequency of about 4 to 8 times lower than the center frequency and then interpolated by a factor of 2 to 4 , 16f 0 , which is about 16 times the center frequency, and used in a digital beam focusing system.
빔 집속을 위해 사용되는 다양한 방법 중에서도 위상 회전 빔 집속 방법은 중심 주파수를 기준으로 신호의 위상 회전을 통해 위상에 대한 미세 지연(fine delay) 해상도를 획득한다. 이때, 상기 신호는 복조과정을 통해 낮은 주파수 대역인 기저대역으로 이동한다. 따라서 위상 회전 빔 집속부에서 출력된 신호는 에일리어싱(aliasing) 에러가 나타나지 않는 범위 내에서 데시메이션(decimation) 처리하여 데이터 처리율(processing rate)을 낮출 수 있다. Of the various methods used for beam focusing, the phase rotation beam focusing method obtains a fine delay resolution for the phase through the phase rotation of the signal with respect to the center frequency. At this time, the signal moves to a baseband which is a low frequency band through a demodulation process. Therefore, the signal output from the phase rotation beam focusing unit can be decimated within a range where an aliasing error does not occur, thereby lowering the data processing rate.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속기에 대하여 자세히 살펴보도록 한다. Hereinafter, a phase rotation beam concentrator for amplitude error compensation according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속기를 나타낸 도면이다.2 is a diagram illustrating a phase rotation beam concentrator for amplitude error compensation according to an embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속기(100)는 표본화부(110), 믹서부(120), 표본화 지연 보상부(130), 저역 통과 필터부(140), 데시메이션부(150) 및 위상 회전부(160) 를 포함한다. 2, the phase
표본화부(110)는 영상점으로부터 반사된 신호를 수신하여 디지털 신호로 표본화를 수행한다. The
믹서부(120)는 표본화된 상기 디지털 신호에 중심주파수를 기준으로 하는 COS, SIN 곱셈을 수행하는 직교 복조 과정을 통해 상기 디지털 신호로부터 동상(Inphase) 성분의 신호와 직교(Quadrature) 성분의 신호를 각각 분리하며 이를 통해 신호 대역을 기저 대역(Baseband)으로 낮출 수 있다.The
표본화 지연 보상부(130)는 표본화를 수행한 간격의 표본화 지연 시간을 상기 동상 성분 신호 및 상기 직교 성분 신호에 대하여 각각 보상한다. 즉, 상기 표본화 지연 보상부(130)는 저역 통과 필터부(140)와 함께 지연계산부로부터 표본화 지연 시간 및 미세 지연 시간을 입력받아, 표본화 지연이 보상된 데이터에 대하여 미세 지연 보상을 위한 필터링을 수행하기 위해, 상기 표본화 지연이 보상된 데이터를 저역 통과 필터부(140)의 레지스터에 묶음 단위로 입력하도록 제어할 수 있다.The sampling
저역 통과 필터부(140)는 표본화 지연시간이 보상된 동상 성분 신호 및 직교 성분 신호에 대하여 제로 패딩(zero padding) 후, 위상 회전으로 보상할 수 없는 진폭(Envelope)에 대한 미세 지연시간을 보상한다.The
특히, 상기 저역 통과 필터부(140)의 저역 통과 필터는 통상적인 초음파 영상 처리에 사용되는 직교 복조 저역 통과 필터(Quadrature Demodulation LPF)와 진폭을 보상하기 위해 사용되는 보간 저역 통과 필터(Interpolation LPF)의 필터링 범위를 모두 포함하도록 구성될 수 있으며, 예를 들면 다중 위상(polyphase) 보간 필터로 구현할 수 있다. Particularly, the low-pass filter of the low-
이러한 저역 통과 필터부(140)의 저역 통과 필터는 복수 개의 서브셋 필터(H0 - HL -1)가 서로 병렬로 연결되며, 서로 병렬 연결된 복수 개의 서브셋 필터의 후단에 연결되는 멀티플렉서를 더 포함할 수 있다. 이러한 멀티플렉서는 복수 개의 서브셋 필터(H0 - HL -1)의 출력신호 중 지연 계산부에서 계산된 미세 지연이 적용된 하나의 출력 신호를 선택하여 출력한다. 이러한 다중 위상 구조를 갖는 복수 개의 각 서브셋 필터의 차수는, 직교 복조 저역 통과 필터(Quadrature Demodulation LPF)와 진폭을 보상하기 위해 사용되는 보간 저역 통과 필터(Interpolation LPF)의 필터링 범위를 모두 포함하는 하나의 저역통과 필터 차수(N)를 보간 비율(L)로 나눈 값(N/L)과 같다.The low-pass filter of the low-
최종적으로, 상기 저역 통과 필터부(140)의 병렬 연결된 복수 개의 서브셋 필터 구조를, 상기 서브셋 필터의 차수를 갖는 하나의 저역 통과 필터와 상기 서브셋 필터에 대한 필터계수 세트를 모두 포함하는 구조로 구성할 수 있다. 이때, 상기 저역 통과 필터의 필터계수를 통해 지연 계산부를 참조하여 해당 영상점의 미세지연에 따라 서브셋 필터 계수 세트 중 하나의 서브셋 필터 계수를 선택하고, 업데이트하고 필터링을 수행함으로써, 진폭(Envelope)의 미세 지연을 보상한다.Finally, a plurality of subset filter structures connected in parallel in the low-
데시메이션부(150)는 기저 대역(Baseband)으로 내려온 상기 저역 통과 필터부(140)의 출력 신호에 대해 에일리어싱(aliasing) 에러가 없는 범위에서 특정 비율로 양이 줄어들도록 데이터를 솎아내는 동작을 수행한다.The
위상 회전부(160)는 상기 신호에 대하여 위상 회전을 수행하여 신호의 위상 에 대한 표본화 지연 시간과 미세 지연시간을 보상한다. The
도 3은 복소 평면에서의 위상 회전을 도식화한 도면이고, 이를 하기의 수학식 1과 같이 수식으로 표현할 수 있다. FIG. 3 is a diagram illustrating a phase rotation in a complex plane, which can be expressed by the following equation (1).
도 3과 수학식 1에 기재된 바와 같이, 동상 성분(I) 및 직교 성분(Q)에 보상해야 하는 위상만큼의 COS, SIN 값을 곱하여 원하는 위상이 보상된 동상 성분 데이터 및 직교 성분 데이터를 각각 출력하는 것을 나타낸다.(I) and quadrature component (Q) are multiplied by the COS and SIN values corresponding to the phase to be compensated to output the in-phase component data and quadrature component data in which the desired phase is compensated, respectively, as shown in Fig. 3 and Lt; / RTI >
이하, 도 4를 참조하여 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속기의 구조에 대하여 자세히 살펴보도록 한다. Hereinafter, the structure of the phase rotation beam concentrator for amplitude error compensation will be described in detail with reference to FIG.
도 4는 본 발명의 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속기의 구조를 나타낸 블록도로서, 신호에 대한 직교 복조 과정 후, 보간(Interpolation)을 통해 진폭 에러를 보상하기 위한 빔집속기의 구조는 도 4(a)와 같이 나타낼 수 있다. 또한 상기 도 4(a)에 나타난 과정을 Multirate signal processing 이론에 의거하면 도 4(b)와 같은 구조로 나타낼 수 있으며, 특히 두 필터 즉, 직교 복조 저역 통과 필터와 보간 저역 통과 필터를 포함하는 구조는 도 4(c)와 같이 나타낼 수 있다. 최종적으로는 도 4(e)와 같이 저역 통과 필터부를 통해 진폭 에러를 보상할 수 있는 구조로 나타낼 수 있다. FIG. 4 is a block diagram illustrating a structure of a phase rotation beam concentrator for amplitude error compensation according to the present invention. FIG. 4 is a block diagram of a beam focusing system for compensating an amplitude error through interpolation after orthogonal demodulation of a signal. 4 (a). 4 (a) can be represented by the structure shown in FIG. 4 (b) based on the Multirate signal processing theory. In particular, the structure including two filters, that is, an orthogonal demodulation low pass filter and an interpolation low pass filter Can be represented as shown in FIG. 4 (c). Finally, as shown in FIG. 4 (e), the structure can compensate for the amplitude error through the low-pass filter.
도 5는 상기 도 4에 도시된 통과 필터의 주파수 응답을 나타낸 그래프로서, 도 5(a)는 직교 복조 저역 통과 필터 H1(z)의 주파수 응답을 나타내고, 도 5(b)는 보간 저역 통과 필터 H2(z)의 주파수 응답을 나타내며, 도 5(c)는 상기 도 4(c)에 도시된 저역 통과 필터 H(z) 즉, 직교 복조 저역 통과 필터의 범위와 보간 저역 통과 필터의 범위를 모두 포함하는 저역 통과 필터의 주파수 응답을 나타낸다.FIG. 5 is a graph showing the frequency response of the pass filter shown in FIG. 4. FIG. 5 (a) shows the frequency response of the quadrature demodulation low-pass filter H 1 (z) 5 (c) shows the frequency response of the filter H 2 (z). FIG. 5 (c) shows the frequency response of the low-pass filter H Lt; RTI ID = 0.0 > low-pass < / RTI >
이와 같이, 상기 직교 복조 저역 통과 필터의 범위와 보간 저역 통과 필터의 범위를 모두 포함하는 저역 통과 필터의 주파수 응답은 상기 직교 복조 저역 통과 필터의 주파수의 응답과 보간 저역 통과 필터의 주파수 응답간에 곱셈으로 나타낼 수 있다. Thus, the frequency response of the low-pass filter including both the range of the orthogonal demodulation low-pass filter and the range of the interpolation low-pass filter is multiplied by the frequency response of the orthogonal demodulation low-pass filter and the frequency response of the interpolation low- .
이에 따라, 상기 직교 복조 저역 통과 필터의 범위와 보간 저역 통과 필터의 범위를 합친 저역 통과 필터 H(z)의 주파수 응답은 도 5(c)와 같다. 따라서, 상기 두 필터의 범위를 모두 포함하는 저역 통과 필터 H(z)의 필터 계수는 구한 패스 밴드 주파수와 스탑 밴드 주파수를 기반으로 설계하여 획득할 수 있다.Accordingly, the frequency response of the low-pass filter H (z), which is the sum of the range of the orthogonal demodulation low-pass filter and the range of the interpolation low-pass filter, is as shown in Fig. 5 (c). Therefore, the filter coefficient of the low-pass filter H (z) including both the ranges of the two filters can be obtained by designing based on the obtained pass band frequency and the stop band frequency.
이하에서는 도 6 내지 도 7을 참조하여 종래기술과 본 발명에 따른 다중 위상 필터 구조에 대하여 살펴보도록 한다. Hereinafter, the multi-phase filter structure according to the prior art and the present invention will be described with reference to FIGS. 6 to 7. FIG.
이해를 돕기 위해, 해당 필터는 중심주파수의 4배로 표본화된 표본화 데이터 간격을 빔집속기를 이용하여 중심주파수의 16배를 구현하는 것으로 예를 들어 가정한다.For the sake of clarity, the filter assumes, for example, that the sampled data intervals sampled at four times the center frequency are implemented at 16 times the center frequency using a beam concentrator.
도 6은 일반적인 보간 필터링 과정을 나타낸 도면으로서, 표본화된 데이터에 원하는 보간 계수에 따라 제로 패딩을 수행한 후, 보간 저역 통과 필터링을 거쳐 16f0 지연 해상도를 갖는 데이터를 모두 출력한다. 하지만, 이때 제로 패딩된 데이터와 필터 계수가 곱해지는 것과 같이 필요없는 연산과정이 포함된다. FIG. 6 is a diagram illustrating a general interpolation filtering process. After performing zero padding on the sampled data according to a desired interpolation coefficient, interpolation low-pass filtering is performed to output all data having a 16f 0 delay resolution. However, this involves unnecessary computational processes such as multiplying the zero padded data by the filter coefficients.
도 7은 본 발명에 따른 일 예에 따른 다중 위상 구조 필터링 과정을 나타낸 도면이다. FIG. 7 is a diagram illustrating a multiphase structure filtering process according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG.
도 7a에 도시된 바와 같이, 직교 성분 복조 저역 통과 필터(Quadrature demodulation LPF)와 보간 저역 통과 필터(Interpolation LPF)의 필터링 범위를 포함하는 저역 통과 필터를 기반으로 하는 다중 위상 필터 구조로 구현될 수 있다. 이처럼, 저역 통과 필터부가 응용 다중 위상 필터 구조로 구현되면, 종래의 필터에서 쓸모없는 연산 과정이 없는 서브셋 필터를 이용한 구조로 구현할 수 있는데, 이때, 각 서브셋 필터 구조는 동일하고, 필터 계수만 각각 다른 형태가 된다. As shown in FIG. 7A, may be implemented by a multi-phase filter structure based on a low-pass filter including a filtering range of an quadrature demodulation LPF and an interpolation low-pass filter (LPF) . As described above, when the low-pass filter is implemented as an application multi-phase filter structure, it can be realized by using a subset filter having no useless operation process in the conventional filter. In this case, each subset filter structure is the same, .
즉, 기존의 보간 저역 통과 필터 과정에서 다중 위상 필터 구조로 구현함으로써 필요없는 연산을 수행하지 않아도 되므로, 연산을 간소화시키고, 처리 속도 또한 향상시킬 수 있다. In other words, since the conventional interpolation low-pass filter process is implemented with a multi-phase filter structure, it is unnecessary to perform unnecessary calculation, so that the calculation can be simplified and the processing speed can be improved.
또한, 상술한 필터 구조 내 복수 개의 서브셋 필터(H0 ~ HL -1)가 서로 병렬 연결되어 후단에 배치되는 멀티플렉서와 연결된다. In addition, a plurality of subset filters (H 0 to H L -1 ) in the above-described filter structure are connected in parallel with each other and connected to a multiplexer disposed at the subsequent stage.
이러한 멀티플렉서는 복수 개의 서브셋 필터(H0 ~ HL -1)의 출력인 16f0의 미세 지연 해상도까지 적용된 데이터 중 지연 시간 계산부에서 계산된 미세 지연이 적용된 신호를 출력하는 서브셋 필터를 선택하고, 선택한 서브셋 필터로부터 출력된 신호를 최종 출력신호로 출력한다. The multiplexer selects a subset filter for outputting a signal to which the fine delay calculated by the delay time calculator is applied among the data applied up to the fine delay resolution of 16f 0 , which is the output of the plurality of subset filters (H 0 to H L -1 ) And outputs the signal output from the selected subset filter as a final output signal.
이때, 상기 저역 통과 필터부의 복수 개의 서브셋 필터의 처리율은 처음 영상점으로부터 반사되어 변환자로 수신된 신호를 표본화한 신호의 표본화 주파수와 동일하거나, 낮게 유지될 수 있다. 즉, 본 발명의 저역 통과 필터부를 포함한 위상 회전 빔 집속기 또는 빔 집속 방법은 입력 대비 출력 데이터의 데이터 처리율은 유지하면서, 다중 위상 보간 필터를 통해 위상 회전 빔 집속 시 존재하는 진폭 에러를 보상할 수 있다.At this time, the throughputs of the plurality of subset filters of the low-pass filter unit may be maintained at the same or lower than the sampling frequency of the signal sampled from the signal received by the transducer after being reflected from the initial image point. That is, the phase rotation beam concentrator or the beam focusing method including the low-pass filter unit of the present invention can compensate for the amplitude error in the phase rotation beam focusing through the multiphase interpolation filter while maintaining the data throughput of the input- have.
최종적으로는 도 7b에 도시된 바와 같이, 상기 다중위상 필터 구조 내부에 존재하는 각각 서브셋 필터를 하나의 저역통과 필터로 대체 구현하고, 해당 영상점의 미세지연을 확인하여 미세지연에 기초하여 필터 계수만을 업데이트 해주는 방식으로 필터링을 수행할 수 있다. 이에 따라 원하는 미세 지연에 해당하는 데이터만 출력할 수 있어, 데이터 처리율이 증가하지 않으며, 보간 비율(L)만큼 존재하는 서브셋 필터의 개수를 한 개로 줄임으로써, 하드웨어 비용을 대폭 줄일 수 있는 장점이 있다.Finally, as shown in FIG. 7B, each subset filter existing in the multi-phase filter structure is replaced with one low-pass filter, and the fine delay of the corresponding image point is checked. Based on the fine delay, It is possible to perform filtering in such a manner that only the update is performed. Accordingly, it is possible to output only the data corresponding to the desired fine delay, so that the data processing rate does not increase, and the number of subset filters existing by the interpolation ratio L is reduced to one, thereby drastically reducing the hardware cost .
이하에서는 상기 진폭(Envelope) 에러를 수학식을 통해 확인하고, 이러한 진폭 에러를 보상하는 방법 또한 수학식을 통해 확인하도록 한다. Hereinafter, the envelope error is confirmed through an equation, and a method for compensating for the amplitude error is also confirmed by the following equation.
도 8은 초음파 신호의 송수신 거리 모형을 나타낸 도면을 나타낸다. 8 is a diagram showing a transmission / reception distance model of an ultrasonic signal.
도 8에 도시된 바와 같이, 은 초음파 변환자 배열소자(element)부터 깊이 방향으로 k번째 영상점까지의 거리를 나타내고, 는 k번째 영상점에서 반사되어 i번째 배열소자로 수신 시 초음파 신호의 직선 거리를 나타낸다. As shown in Fig. 8, Represents the distance from the ultrasound transducer array element to the k-th image point in the depth direction, Represents the straight line distance of the ultrasonic signal when it is reflected to the i-th array element at the k-th image point.
먼저, 초음파 송신 신호는 하기의 수학식 2와 같이 정의할 수 있다.First, the ultrasonic transmission signal can be defined by the following equation (2).
이때, 중심 배열소자(center element)에서 신호를 송신하고, i 번째 배열소자(i-th element)로 수신된 신호를 기준으로 사용한다. 이때, 상기 중심 배열소자가 신호를 송신한 이후,만큼의 시간이 지연되어 수신됨에 따라, 수신 신호 는 하기의 수학식 3과 같이 정의할 수 있다. At this time, a signal is transmitted from a center element, and a signal received by an i-th element is used as a reference. At this time, after the central array element transmits a signal, Lt; RTI ID = 0.0 > received signal < / RTI > Can be defined as Equation (3) below.
이때, 상기 는 초음파 신호를 중심 배열소자(center element)에서 송신 후, k번째 영상점으로부터 반사되어 i 번째 배열소자(center element)에 수신 되기까지 소요된 총 시간을 나타내며, 상기 총 시간은 하기의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다. At this time, Represents the total time taken for the ultrasonic signal to be transmitted from the center element to be reflected from the kth image point and received by the i-th array element, and the total time is expressed by the following equation As shown in Fig.
이때, 상기 c는 인체의 조직안으로 전달되는 초음파 신호의 진행속도(평균 1540 m/s)를 나타낸다.Here, c represents the traveling speed (average 1540 m / s) of the ultrasonic signal transmitted into the tissue of the human body.
또한, 거리 및 는 하기의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.Further, And Can be expressed by the following equation (5).
이때, 상기 는 표본화 간격 을 나타내며, 상기 는 에서 를 차감한 거리를 나타내고, 상기 는 신호의 표본화 간격에 해당하는 잔여 거리 와 미세 지연 시간 간격에 해당하는 잔여 거리 간의 합으로 하기의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다. At this time, Sampling interval , And The in Represents a distance obtained by subtracting Is the residual distance corresponding to the signal sampling interval And the residual distance corresponding to the fine delay time interval Can be expressed by the following equation (6).
이때, 총 지연 시간 는 하기의 수학식 7과 같다. At this time, the total delay time Is expressed by Equation (7) below.
이에 따라, 표본화되어 상기 총 지연 시간을 반영한 수신 신호는 하기의 수학식 8 같이 나타낼 수 있다. Accordingly, the received signal that is sampled and reflects the total delay time can be expressed by Equation (8).
이때, 상기 n은 표본화된 신호의 시간 지표이다. Herein, n is a time index of the sampled signal.
이와 같이 정의한 수신 신호에 각각 cos과 -sin을 곱하여 저역 통과 필터(Low pass filter)를 거치는 직교 복조(Quadrature demodulation)과정을 통해 동상 성분(Inphase) 데이터 와 직교 성분(Quadratue) 데이터 로 분리하면, 하기의 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다. The quadrature demodulation process is performed by multiplying the received signal by cos and -sin and passing through a low pass filter to obtain inphase data And quadrature data The following equation (9) can be obtained.
상기 동상 성분 데이터와 직교 성분 데이터를 분석 신호(analytic signal) 로 표현하면 하기의 수학식 10과 같다. The in-phase component data and the quadrature component data are expressed by an analytic signal as shown in Equation (10).
이러한 데이터에 표본화 지연 해상도(delay resolution)인 표본화 지연(coarse delay)을 보상하면, 하기의 수학식 11과 같이 나타날 수 있다.The coarse delay, which is a delay resolution, can be compensated for in such data, as shown in Equation (11).
이어서, 위상 회전부를 통해 상기 신호에 보상해주어야 하는 위상(Phase)값은 하기 수학식 12와 같다. Next, a phase value to be compensated for the signal through the phase rotation unit is expressed by Equation (12).
(: 전체 배열소자로 입력된 같은 깊이의 영삼점에 해당하는 수신신호의 보상해주어야 하는 위상은 동일하므로, 따로 보상해주지 않아도 된다.)( : It is not necessary to compensate the received signal corresponding to the same depth of the input signal input to the entire array element, since the phase to be compensated is the same.)
다음, 상기의 위상 값을 보상해주면 하기 수학식 13과 같이 나타난다.Next, the above phase value is compensated for as shown in Equation (13).
따라서, 모든 배열소자의 수신된 신호를 합하여 빔 집속된 한 영상점의 신호는 하기의 수학식 14와 같이 나타난다. Therefore, the signal of one image point obtained by beam-combining the received signals of all array elements is expressed by Equation (14).
이때, 상기 N은 시스템의 전체 채널 수를 나타낸다.Here, N represents the total number of channels of the system.
이에 따라, 모든 채널의 누적 에러 E는 하기의 수학식 15와 같이 나타난다. Accordingly, the cumulative error E of all the channels is expressed by Equation (15) below.
이하는 본 발명에 따른 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔집속기 및 빔 집속 방법을 통해 진폭 에러가 보상되는 과정을 수학식을 통해 자세히 살펴보도록 한다.Hereinafter, the process of compensating the amplitude error through the phase rotation beam focusing and beam focusing method for amplitude error compensation according to the present invention will be described in detail with reference to the mathematical expression.
통상적으로 보간 후 지연시간 계산부에서 계산한 미세 지연시간에 따라 데이터를 선택하는 방식과 다중 위상 필터의 출력을 선택적으로 사용하는 방식은 동일한 결과를 출력하므로, 보간 필터 기반 보간 방식을 기반으로 수학식을 전개하도록 한다.Generally, the method of selecting data according to the fine delay time calculated by the post-interpolation delay time calculation unit and the method of selectively using the output of the multiphase filter output the same result. Therefore, based on the interpolation filter- .
상기 표본화 간격 은 응용 다중 필터를 거치면서, 배 만큼 보간된 표본화 간격이 수학식 16과 같이 변경된다.The sampling interval Through the application multi-filter, The sampling interval interpolated by the number of times is changed as shown in equation (16).
이와 같이 변경된 표본화 간격이 적용된 수학식 16의 총 지연시간은 하기의 수학식 17 과 같이 변경될 수 있다. The total delay time of Equation (16) to which the changed sampling interval is applied can be changed as shown in Equation (17) below.
여기서, 상기 는 미세 지연 시간 간격의 잔여 시간을 나타내기 때문에 간격으로 나타낼 수 있으며, 이를 통해 총 지연시간 는 아래 수학식 18과 같이 나타낼 수 있다.Here, Quot; represents the remaining time of the fine delay time interval It can be expressed as an interval, Can be expressed by the following equation (18).
이때, 상기 는 앞서 변경된 표본화 간격에 따라 바뀐 깊이 방향의 지연시간을 나타내고, 상기 는 각 채널마다의 변경된 표본화 간격이 적용된 잔여시간을 나타낸다. At this time, Represents the delay time in the depth direction changed according to the sampling interval changed before, Represents the remaining time to which the changed sampling interval for each channel is applied.
따라서, 상기 잔여 시간이 적용된 분석 신호(Analytic signal)는 하기의 수학식 19와 같이 나타낼 수 있다.Therefore, the analytic signal to which the residual time is applied can be expressed by Equation (19).
여기서 변경된 표본화 간격에 따라, 시간 지연 이 보상된 신호는 하기의 수학식 20과 같다.Depending on the sampling interval changed here, the time delay This compensated signal is shown in Equation 20 below.
상기 시간 지연이 보상된 신호에 위상 회전부를 통해 위상 값을 보상한 최종 출력은 아래 수학식 21과 같다.The final output obtained by compensating the phase-compensated signal through the phase rotator for the time-delay-compensated signal is given by Equation (21).
즉, 종래 기술의 위상 회전 빔집속기 또는 빔 집속 방법에서 발생한 모든 채널의 누적 진폭(Envelope) 에러가 상기 수학식 15와 같다면, 본 발명에 따른 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔집속기 또는 빔 집속 방법을 통해 확인한 누적 진폭 에러는 하기 수학식 22 에서와 같이 '0'임을 알 수 있다.That is, if the cumulative envelope error of all channels generated in the conventional phase rotation beam scanner or beam focusing method is equal to Equation (15), the phase rotation beam scanner or beam focusing method for amplitude error compensation according to the present invention The cumulative amplitude error is 0 as shown in Equation (22).
이하에서는 도 9를 참조하여 종래 기술과 본 발명을 이용하여 각각 출력된 빔 집속 출력 영상을 상호 비교하여 살펴보도록 한다. Hereinafter, referring to FIG. 9, the beam focusing output images output from the prior art and the present invention will be compared with each other.
도 9는 필드2 시뮬레이션을 이용한 Wire-Point-target의 Point-spread-function 영상을 나타낸다. 9 shows a Point-spread-function image of a Wire-Point-target using a
먼저, 도 9(a)는 종래기술의 빔 집속기에 많이 사용하는 보간(Interpolation) 빔 집속기 또는 빔 집속 방법을 통한 출력영상을 나타내고, 도 9(b)는 종래기술의 위상 회전 빔 집속기 또는 빔 집속 방법을 통한 출력영상을 나타내며, 도 9(c)는 본 발명을 통해 진폭 에러 보상이 포함된 위상회전 빔 집속기 또는 빔 집속 방법을 통한 출력영상을 나타낸다. 9 (a) shows an output image through an interpolation beam concentrator or a beam focusing method which is widely used in a conventional beam concentrator, and FIG. 9 (b) shows an output image through a conventional phase rotating beam concentrator Or an output image through a beam focusing method. FIG. 9C shows an output image through a phase rotation beam concentrator or a beam focusing method including amplitude error compensation through the present invention.
도 9(b)와 도 9(c)를 비교해 보면, 도 9(b)에 나타난 종래 기술의 위상 회전 빔 집속기 또는 빔 집속 방법을 이용한 경우, 점선으로 표시된 타원 부분에서 눈에 띄는 영상 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 동일한 위치에서 도 9(a)와 도 9(c)의 영상을 서로 비교한 경우에는 동등한 영상 복원 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 발명을 통해 진폭 에러가 보상되면서 일반적인 위상 회전 빔 집속기 또는 혹은 빔 집속 방법과 대비하여 보다 정밀한 빔집속 성능을 제공하는 것을 알 수 있다. 9 (b) and 9 (c), when using the prior art phase rotation beam concentrator or the beam focusing method shown in FIG. 9 (b), a noticeable image difference 9 (a) and 9 (c) are compared with each other at the same position, it is confirmed that the image restoration performance is equivalent. Accordingly, it can be seen that the amplitude error is compensated through the present invention to provide more accurate beam focusing performance as compared with a general phase rotation beam concentrator or a beam focusing method.
또한, 이러한 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속 방법은 컴퓨터로 실행하기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독가능 기록매체에 저장될 수 있다. 이때, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 장치의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, DVD±ROM, DVD-RAM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 하드 디스크(hard disk), 광데이터 저장장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 장치에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.In addition, the phase rotation beam focusing method for amplitude error compensation can be stored in a computer-readable recording medium on which a program for executing by a computer is recorded. At this time, the computer-readable recording medium includes all kinds of recording apparatuses in which data that can be read by a computer system is stored. Examples of the computer readable recording medium include ROM, RAM, CD-ROM, DVD 占 ROM, DVD-RAM, magnetic tape, floppy disk, hard disk, optical data storage, and the like. In addition, the computer-readable recording medium may be distributed to network-connected computer devices so that computer-readable codes can be stored and executed in a distributed manner.
본 발명의 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속기 및 빔 집속 방법은 저역 통과 필터부 내 하나의 저역 통과 필터와 다중 위상(Polyphase) 필터 구조 내 서브셋 필터의 필터 계수 셋트 및 멀티플렉서를 이용하여, 데이터 처리량 증가 없이 진폭 에러를 보상하면서도 처리된 기저대역 신호의 데시메이션을 수행하여 효율적으로 빔 집속의 정확도를 향상시킬 수 있다.The phase rotation beam concentrator and beam focusing method for amplitude error compensation of the present invention uses a low-pass filter in a low-pass filter unit and a filter coefficient set and a multiplexer of a subset filter in a polyphase filter structure to generate data It is possible to improve the accuracy of the beam focusing efficiently by performing the decimation of the processed baseband signal while compensating for the amplitude error without increasing the throughput.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 첨부된 특허청구범위에 속하는 것은 당연하다.
While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, Do.
110: 표본화부(ADC) 120: 믹서부
130: 표본화 지연 보상부 140: 저역 통과 필터부
150: 데시메이션부 160: 위상 회전부110: Sampling unit (ADC) 120: Mixer unit
130: Sampling delay compensation unit 140: Low pass filter unit
150: decimation unit 160: phase rotation unit
Claims (12)
영상점으로부터 반사되어 변환자로 수신된 신호를 디지털 신호로 표본화하는 표본화부;
상기 표본화된 디지털 신호로부터 동상 성분과 직교 성분을 분리하는 믹서부;
성분이 분리된 각각의 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 샘플링 주기 단위의 표본화 지연을 보상하는 표본화 지연 보상부;
표본화 지연이 보상된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 진폭 에러를 보상하는 저역 통과 필터부;
신호 대역이 기저 대역(baseband)으로 낮아진 데이터의 양을 줄이는 데시메이션부; 및
데시메이션된 신호에 대하여 위상 회전을 수행하는 위상 회전부;
를 포함하되,
상기 저역 통과 필터부는
직교 복조 저역 통과 필터(Quadrature Demodulation LPF) 및 보간 저역 통과 필터(Interpolation LPF)의 필터링 범위를 포함하는 서브셋 필터의 출력 신호 중 진폭(envelope)에 대한 미세 지연(fine delay)이 적용된 하나의 출력 신호를 선택하여 출력하는 것을 특징으로 하는 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속기.
A phase-shifting beam concentrator for amplitude error compensation used in an ultrasound imaging system,
A sampling unit for sampling the signal reflected from the image point and received by the converter into a digital signal;
A mixer unit for separating the in-phase component and the quadrature component from the sampled digital signal;
A sampling delay compensator for compensating a sampling delay in units of a sampling period for each of the in-phase component signal and the quadrature component signal from which the components are separated;
A low pass filter unit for compensating an amplitude error of the in-phase component signal and the quadrature component signal whose sampling delay is compensated;
A decimation unit for reducing the amount of data whose signal band is lowered to a baseband; And
A phase rotation unit for performing phase rotation on the decimated signal;
, ≪ / RTI &
The low-pass filter unit
A quadrature demodulation LPF, and an interpolation LPF. The output signal of the subset filter includes a fine delay to an envelope of the output signal of the subset filter. And outputting the amplified amplitude error signal.
상기 저역 통과 필터부는
표본화 지연이 적용된 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 제로 패딩(zero padding) 후 저역 통과 필터링을 통해 보간(Interpolation)된 데이터 중 지연시간 계산부에서 계산된 미세 지연(fine delay)에 기초하여 특정 데이터를 선택하여 출력하는 것을 특징으로 하는 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속기.
The method according to claim 1,
The low-pass filter unit
The interpolated data of the in-phase component signal to which the sampling delay is applied and the quadrature component signal after zero padding after the interpolation by low-pass filtering, the specific data based on the fine delay calculated by the delay time calculator And outputting the amplified amplitude error signal.
상기 저역 통과 필터부는
상기 직교 복조 저역 통과 필터 및 상기 보간 저역 통과 필터의 필터링 범위를 포함하는 저역 통과 필터를 기반으로 구성된 다중 위상(polyphase) 보간 필터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속기.
The method according to claim 1,
The low-pass filter unit
And a polyphase interpolation filter configured based on a low-pass filter including a filtering range of the orthogonal demodulation low-pass filter and the interpolation low-pass filter.
상기 저역 통과 필터부는
상기 다중 위상 필터 구조에서 동일한 차수의 복수 개의 서브셋 필터가 병렬 연결되며, 상기 복수 개의 서브셋 필터의 데이터 처리율이 표본화 주파수와 비교하여 동일하거나 낮은 것을 특징으로 하는 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속기.
The method of claim 3,
The low-pass filter unit
Wherein a plurality of subset filters of the same order are connected in parallel in the multi-phase filter structure, and a data processing rate of the plurality of subset filters is equal to or lower than a sampling frequency.
상기 저역 통과 필터부는
상기 복수 개의 서브셋 필터의 출력신호에 대하여 특정 영상점에서의 미세 지연을 확인하고, 확인한 미세 지연에 기초하여 상기 복수 개의 서브셋 필터의 출력 신호 중 하나의 서브셋 필터의 출력 신호를 선택하여 출력하는 멀티플렉서;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속기.
5. The method of claim 4,
The low-pass filter unit
A multiplexer for checking the fine delay at a specific image point with respect to the output signals of the plurality of subset filters and selecting and outputting the output signal of one subset filter among the output signals of the plurality of subset filters based on the confirmed fine delay;
Further comprising a phase detector for detecting the amplitude error of the phase rotation beam.
상기 멀티플렉서는
특정 영상점에서의 미세 지연시간에 따라 상기 복수 개의 서브셋 필터에 대해 기설정된 필터 계수 세트 중 하나의 필터 계수를 선택하고, 선택한 필터 계수를 갖는 서브셋 필터의 출력 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속기.
6. The method of claim 5,
The multiplexer
Selecting one filter coefficient among the filter coefficients set for the plurality of subset filters according to a fine delay time at a specific image point and outputting an output signal of the subset filter having the selected filter coefficient, Phase rotating beam concentrator for compensation.
표본화부가 영상점으로부터 반사되어 변환자로 수신된 신호를 디지털 신호로 표본화하는 단계;
믹서부가 상기 표본화된 디지털 신호로부터 동상 성분과 직교 성분을 분리하는 단계;
표본화 지연 보상부가 성분이 분리된 각각의 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 샘플링 주기 단위의 표본화 지연을 보상하는 단계;
저역 통과 필터부가 표본화 지연 보상된 상기 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 진폭 에러를 보상하는 단계;
데시메이션부가 신호 대역이 기저 대역(baseband)으로 낮아진 데이터의 양을 줄이는 단계; 및
데시메이션된 신호에 대하여 위상 회전을 수행하는 단계;
를 포함하되,
상기 저역 통과 필터부가 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 진폭 에러를 보상하는 단계는
직교 복조 저역 통과 필터(Quadrature Demodulation LPF) 및 보간 저역 통과 필터(Interpolation LPF)의 필터링 범위를 포함하는 서브셋 필터의 출력 신호 중 진폭(envelope)에 대한 미세 지연(fine delay)이 적용된 하나의 출력 신호를 선택하여 출력하는 것을 특징으로 하는 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속 방법.
A phase rotation beam focusing method for amplitude error compensation used in an ultrasound imaging system,
Sampling the signal received by the sampling unit as a digital signal by being reflected from the image point;
Separating the in-phase component and the quadrature component from the sampled digital signal;
Compensating a sampling delay of sampling period unit for each of the in-phase component signal and the quadrature component signal from which the sampling delay compensating sub-component is separated;
Compensating the amplitude error for the in-phase component signal and the quadrature component signal with the low-pass filter added sampling delay compensation;
Reducing the amount of data whose decimation-added signal band is lowered to a baseband; And
Performing a phase rotation on the decimated signal;
, ≪ / RTI &
The step of compensating the amplitude error for the in-phase component signal and quadrature component signal of the low-
A quadrature demodulation LPF, and an interpolation LPF. The output signal of the subset filter includes a fine delay to an envelope of the output signal of the subset filter. And outputting the phase rotation beam focusing signal.
상기 저역 통과 필터부가 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 진폭 에러를 보상하는 단계는
표본화 지연이 적용된 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 제로 패딩(zero padding) 후 저역 통과 필터를 통해 보간(Interpolation)된 데이터 중 지연시간 계산부에서 계산된 미세 지연(fine delay)에 기초하여 특정 데이터를 선택하여 출력하는 것을 특징으로 하는 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속 방법.
8. The method of claim 7,
The step of compensating the amplitude error for the in-phase component signal and quadrature component signal of the low-
The interpolated data of the in-phase component signal to which the sampling delay is applied and the quadrature component signal after zero padding and interpolated through the low-pass filter, based on the fine delay calculated by the delay time calculator, And outputting the phase rotation beam focusing signal.
상기 저역 통과 필터부가 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 진폭 에러를 보상하는 단계는
상기 직교 복조 저역 통과 필터 및 상기 보간 저역 통과 필터의 필터링 범위를 포함하는 저역 통과 필터를 기반으로 구성된 다중 위상 필터 구조에서 복수 개가 병렬로 연결된 각 서브셋 필터의 데이터 처리율이 표본화 주파수와 비교하여 동일하거나 낮은 것을 특징으로 하는 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속 방법.
8. The method of claim 7,
The step of compensating the amplitude error for the in-phase component signal and quadrature component signal of the low-
Wherein a data processing rate of each subset filter connected in parallel in a multi-phase filter structure based on a low-pass filter including a filtering range of the orthogonal demodulation low-pass filter and the interpolation low-pass filter is equal to or lower than a sampling frequency Wherein the phase rotation beam focusing method comprises the steps of:
상기 저역 통과 필터부가 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 진폭 에러를 보상하는 단계는
상기 복수 개의 서브셋 필터의 출력신호에 대하여 특정 영상점에서의 미세 지연을 확인하고, 확인한 미세 지연에 기초하여 상기 복수 개의 서브셋 필터의 출력 신호 중 하나의 출력 신호를 선택하여 출력하는 것을 특징으로 하는 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속 방법.
10. The method of claim 9,
The step of compensating the amplitude error for the in-phase component signal and quadrature component signal of the low-
Characterized by confirming a fine delay at a specific image point with respect to the output signals of the plurality of subset filters and selecting and outputting one of the output signals of the plurality of subset filters based on the determined fine delay. A method of focusing a phase rotation beam for error compensation.
상기 저역 통과 필터부가 동상 성분 신호와 직교 성분 신호에 대하여 진폭 에러를 보상하는 단계는
상기 특정 영상점에서의 미세 지연시간에 따라 상기 복수 개의 서브셋 필터에 대해 기설정된 필터 계수 세트 중 하나의 필터 계수를 선택하고, 선택한 필터 계수를 갖는 서브셋 필터의 출력 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 진폭 에러 보상을 위한 위상 회전 빔 집속 방법.
11. The method of claim 10,
The step of compensating the amplitude error for the in-phase component signal and quadrature component signal of the low-
Wherein one of the plurality of subset filters is selected in accordance with the fine delay time at the specific image point and the output signal of the subset filter having the selected filter coefficient is outputted. A method of focusing a phase rotation beam for error compensation.
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