KR20150011275A - 횡파를 이용하여 탄성 영상을 생성하는 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
횡파를 이용하여 탄성 영상을 생성하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 이미징펄스를 피사체에 송수신하여 레퍼런스 프레임을 획득하고, 변조된 푸싱펄스를 피사체에 가함으로써 횡파를 생성하고, 생성된 횡파에 의해 피사체 내부에서 발생하는 상기 횡파의 변위 신호를 검출하고, 변조된 푸싱펄스에 따라 결정되는 정합필터를 이용하여 변위 신호를 필터링하며, 필터링된 변위 신호를 이용하여 영상을 생성함으로써, 탄성 영상의 화질을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 횡파를 이용하여 탄성 영상을 획득하는 기술에 관한 것으로, 변조된 푸싱펄스로부터 유발된 횡파를 정합필터를 이용하여 필터링 함으로써, 변위 신호의 신호 대 잡음비를 개선하여 화질이 개선된 탄성 영상을 생성하는 장치, 방법 그 방법을 기록한 기록매체에 관한 것이다.
초음파 의료 영상 시스템은 초음파를 인체 내에 송신한 뒤 반사된 신호의 크기를 밝기로 변환하여 영상화한다. 인체 연조직은 음속도, 밀도 등에 따라서 초음파 진행 특성이 달라지는 음향 임피던스(Impedance)를 가지고 있다. 음향 임피던스가 다른 매질이 인접해 있는 경우, 초음파는 매질의 경계에서 큰 반사가 일어난다. 따라서 초음파 영상은 인체 내부의 해부학적인 구조를 영상화하고 있다.
그러나 암과 같은 종양은 주위의 연조직과 경계가 불분명하여 초음파 영상으로 관찰하기 어렵다. 이를 극복하기 위하여 정상 조직과 종양 조직의 특성값을 측정하여 영상화하기 위한 연구들이 있었다. 조직 특성 파라미터는 초음파가 조직을 진행할 때 나타내는 감쇠 계수, 음속도, 비선형 파라미터 등이 있었지만 병변과 정상 조직 사이에 값의 차이가 작고 측정하기 어려운 점이 있었다. 비선형 특성은 초음파가 연조직에 진행할 때 발생하는 파형의 변형을 이용하여 측정할 수 있으며, 하모닉(Harmonic) 영상법으로 구현되었다.
손으로 눌러서 연조직의 단단함을 검사하는 촉진법은 유방이나 전립선과 같이 인체의 표면에 가까운 종양조직을 검사하는 전통적인 진단 방법으로 널리 사용되어왔다. 그러나 시술자의 숙련도와 경험에 의존하므로 좀더 객관적인 진단을 위하여 초음파를 이용한 연구가 진행되어 왔다. 인체 조직의 탄성 특성은 다른 조직 파라미터에 비하여 정상 조직과 종양 조직에서 비교적 값의 차이가 커서 측정이 용이함으로 연구가 계속되어 왔고, 최근에 성공적으로 상용화되어 암과 같은 종양 진단에 큰 도움이 되고 있다. 탄성 영상의 진단은 유방, 전립선, 갑상선, 혈관 등의 연조직에 발생하는 종양 부위에서 적용될 수 있다.
한편, 이하에서 인용되는 선행기술문헌에는 횡파를 이용하여 탄성 영상을 생성하기 위한 기술을 소개하고 있다. 탄성 영상을 생성하기 위해서는 횡파를 생성한 후 횡파가 전파하면서 유발하는 피사체의 변위를 측정하는 과정, 그리고 측정된 결과로부터 탄성률을 재구성하기 위한 연산 과정이 필요하다. 이때, 재구성을 위해 일반적으로 IM(Iterative method)와 DIM(Direct inversion method)의 두 가지 방법이 사용되고 있다. IM은 잡음에 대하여 견고하지만 계산이 복잡했지만, DIM은 적은 연산량으로도 탄성률 재구성할 수 있다는 장점이 있다. DIM은 변위 신호에 잡음이 존재할 경우 재구성 영상의 화질이 크게 저하된다는 점에서 한계가 존재한다.
이상과 같은 관점에서, 횡파를 이용하여 탄성 영상을 생성하기 위해서는 변위 신호의 신호 대 잡음비을 개선할 수 있는 기술적 수단이 필요하다는 사실을 알 수 있다.
J. Bercoff et. al. Supersonic shear imaging: A new technique for soft tissue elasticity mapping, IEEE Trans. on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 51, No 4, 2004
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 횡파를 이용하여 탄성 영상을 생성함에 있어서, 탄성 영상의 화질에 영향을 주는 변위신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있는 탄성 영상 생성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 횡파를 이용하여 탄성 영상을 생성함에 있어서, 탄성 영상의 화질에 영향을 주는 변위신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있는 탄성 영상 생성 장치를 제공하는 것이다.
또한, 상기된 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터를 읽을 수 있는 기록 매체를 제공하는데 있다.
본 발명의 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여, 이미징펄스(Imaging pulse)를 피사체에 송수신하여 레퍼런스 프레임(Reference frame)을 획득하는 단계; 변조된 푸싱펄스(pushing pulse)를 상기 피사체에 가함으로써 횡파(Sheare wave)를 생성하는 단계; 생성된 상기 횡파에 의해 상기 피사체 내부에서 발생하는 상기 횡파의 변위 신호를 검출하는 단계; 상기 변조된 푸싱펄스에 따라 결정되는 정합필터(Matched filter)를 이용하여 상기 변위 신호를 필터링(Filtering)하는 단계; 및 상기 필터링된 변위 신호를 이용하여 영상을 생성하는 단계를 포함하는 탄성 영상 생성 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 횡파를 생성하는 단계는, 상기 변조된 푸싱펄스에 의해 유발된 외력(radiation force)을 상기 피사체에 가함으로써 상기 횡파를 생성하는 단계를 더 포함하는 방법일 수 있다.
또한, 상기 횡파는, 상기 변조된 푸싱펄스에 의해 발생하는 외력의 형태에 따라 상기 횡파의 특성이 결정되는 탄성 영상 생성 방법일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 횡파는, 상기 피사체에 가해지는 외력을 소정의 함수로 설정함으로써, 켈빈-포크트 모델(Kelvin-Voigt model)을 이용하여 도출되는 값에 의해 상기 횡파의 형태를 예측할 수 있는 탄성 영상 생성 방법일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 변위 신호를 검출하는 단계는, 상기 피사체에 전파되는 상기 횡파의 신호를 검출하기 위한 이미징펄스를 재송신하여 트래킹 프레임(Tracking fram)을 연속적으로 획득하는 단계; 및 스펙클 트래킹(Speckle tracking)을 이용하여 상기 레퍼런스 프레임과 상기 트래킹 프레임으로부터 상기 횡파의 변위 신호를 검출하는 단계를 포함하는 탄성 영상 생성 방법일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 정합필터는 상기 유발된 횡파의 특성에 따라 적용 가능한 정합필터 중 하나를 사용하는 탄성 영상 생성 방법일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 영상을 생성하는 단계는, DIM(Direct inversion method)을 이용하여 상기 필터링된 변위 신호로부터 상기 피사체의 탄성률을 재구성하는 단계를 포함하는 탄성 영상 생성 방법일 수 있다.
본 발명은 상기 두 번째 과제를 달성하기 위하여, 이미징펄스를 피사체에 송수신하여 레퍼런스 프레임을 획득하여 저장하는 프레임 저장부; 상기 피사체에 횡파를 생성하기 위하여 변조된 푸싱펄스를 송신하는 신호 변환부; 상기 생성된 횡파에 의해 상기 피사체 내부에 발생하는 상기 횡파의 변위 신호를 검출하는 신호 검출부; 상기 유발된 횡파의 특성에 따라 적용 가능한 정합필터 중 하나를 이용하여 상기 변위 신호를 필터링 하는 신호 처리부; 및 상기 필터링된 변위 신호를 이용하여 영상을 생성하는 영상 생성부를 포함하는 탄성 영상 생성 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 신호 변환부는, 상기 피사체에 소정의 외력을 가할수 있도록 푸싱펄스를 생성하고, 상기 외력의 형태에 따라 상기 횡파의 특성을 결정하는 탄성 영상 생성 장치일 수 있다.
또한, 상기 횡파의 형태는, 상기 피사체에 가해지는 외력을 소정의 함수로 설정함으로써, 켈빈-포크트 모델을 이용하여 도출되는 값에 의해 상기 횡파의 형태를 예측할 수 있는 탄성 영상 생성 장치일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 신호 검출부는, 상기 피사체에 전파되는 상기 횡파의 신호를 검출하기 위한 이미징펄스를 재송신하여 트래킹 프레임을 상기 프레임 저장부에 저장하고, 상기 레퍼런스 프레임과 상기 트래킹 프레임을 피사체의 움직임정보를 획득할 수 있는 스펙클 트래킹을 이용하여 변위 신호를 검출하는 탄성 영상 생성 장치일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 영상 생성부는, DIM을 이용하여 상기 필터링된 변위 신호로부터 탄성 영상 생성에 필요한 상기 피사체의 탄성률을 재구성하는 것을 특징으로 하는 탄성 영상 생성 장치일 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상기된 탄성 영상 생성 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 제공한다.
본 발명에 따르면, 푸싱펄스를 변형시켜 변조된 횡파를 발생시키고, 변조된 횡파의 특성에 적합한 정합필터를 이용하여 필터링 하며, 변위 신호의 SNR을 개선함으로써, 화질이 개선된 탄성 영상을 생성할 수 있다.
도 1은 인체 조직의 체적 탄성률(bulk modulus)과 횡탄성률(shear modulus) 값의 분포를 도시한 도면이다.
도 2는 변조된 푸싱펄스를 사용하지 않는 일반적인 횡탄성 영상을 획득하는 방법을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 변조된 푸싱펄스로부터 유발된 횡파를 사용하여 화질이 개선된 탄성 영상을 생성하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 변조된 푸싱펄스로부터 유발되는 횡파의 형태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 변조된 푸싱펄스로부터 유발되는 횡파의 변위신호를 검출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레퍼런스 신호와 트래킹 신호를 보여주는 것으로 횡파에 의해 발생한 변위를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 변조된 푸싱펄스로부터 유발된 횡파를 사용하여 화질이 개선된 탄성 영상을 생성하는 탄성 영상 생성 장치를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄성 영상 생성 장치와 종래의 기술을 이용하는 탄성 영상 생성장치를 비교하여 도시한 도면이다.
도 9은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄성 영상 생성 장치를 이용하여 생성한 탄성 영상과 종래의 기술을 이용하여 생성한 탄성 영상을 비교하여 도시한 도면이다.
도 2는 변조된 푸싱펄스를 사용하지 않는 일반적인 횡탄성 영상을 획득하는 방법을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 변조된 푸싱펄스로부터 유발된 횡파를 사용하여 화질이 개선된 탄성 영상을 생성하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 변조된 푸싱펄스로부터 유발되는 횡파의 형태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 변조된 푸싱펄스로부터 유발되는 횡파의 변위신호를 검출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레퍼런스 신호와 트래킹 신호를 보여주는 것으로 횡파에 의해 발생한 변위를 도시한 도면이다.
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도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄성 영상 생성 장치와 종래의 기술을 이용하는 탄성 영상 생성장치를 비교하여 도시한 도면이다.
도 9은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄성 영상 생성 장치를 이용하여 생성한 탄성 영상과 종래의 기술을 이용하여 생성한 탄성 영상을 비교하여 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예들을 설명하기에 앞서 본 발명의 실시예들이 구현, 활용되는 환경에서 발생하고 있는 문제점을 제시하고, 이에 기초하여 안출된 본 발명의 기본 아이디어를 제시하도록 한다.
인체 내의 연조직에서 암과 같은 종양은 주위 조직보다 단단한 특성을 가진다. 따라서, 조직의 탄성을 측정하여 영상화하면 종양을 진단할 수 있으며, 탄성을 측정함에 있어서 가장 많이 쓰이는 방법은 종탄성과 횡탄성이 있다. 상기의 종탄성과 횡탄성은 이하에서 도 1을 참조하여 설명하도록 한다.
도 1은 인체 조직의 체적 탄성률(bulk modulus)과 횡탄성률(shear modulus) 값의 분포를 도시한 도면이다.
보다 구체적으로, 탄성을 영상화하기 위해서는 응력(Strss)을 인가하고 매질이 변형되면 매질의 변형률(Strain)을 측정하여야 한다. 현재 널리 상용화 되고 있는 탄성 영상 방법은 트랜스듀서(Transducer)를 손으로 조작하여 진단부위를 압축하고 조직의 변형률을 초음파로 측정하여 영상화하고 있다. 이는 주로 종탄성 특성을 영상화하는데 체적 탄성률(11) 값은 다른 조직 특성값(감쇠계수, 음속도, 비선형계수 등)에 비하여 병변 조직에서 큰 대비를 가지지만 여전히 세밀한 병변의 진단에는 어려움이 있다. 또한 유방, 전립선과 같이 피부에 가까운 부분의 영상화에는 문제가 없지만 간과 같이 깊은 부위를 진단하는 데에는 어려움이 있다.
반면, 횡탄성률(12)은 인체 조직에서 파동을 전달하는 매질에 따라서 큰 차이를 나타낸다. 즉, 횡파의 속도는 조직의 횡탄성에 따라 달라지며, 상기 횡파의 속도와 횡탄성률(12)의 관계는 다음과 같이 표현될 수 있다.
여기서, 
는 횡탄성, 
는 중간밀도, c는 횡파의 속도이다. 따라서, 밀도를 알고 있는 매질 내의 횡파를 측정하면 탄성계수를 정략적으로 계산할 수 있음으로써, 조직의 탄성도를 정략적으로 보여주므로 병변의 시간에 따른 진행을 관찰하는 데 유용하다.
도 2는 변조된 푸싱펄스를 사용하지 않는 일반적인 횡탄성 영상을 획득하는 방법을 도시한 도면이다.
보다 구체적으로, 푸싱모드(Pushing mode)(21)는 피사체에 푸싱펄스를 가함으로써 횡파를 생성하고, 이미징모드(Imaging mode)(22)는 푸싱모드(21)로부터 발생한 횡파의 전파되는 형태를 관찰하기 위하여 이미징펄스를 이용하여 상기 횡파의 변위신호를 검출한다. 이제, 이미징모드(22)로부터 획득한 횡파의 변위신호를 DIM(Direct inversion method)을 사용하여 탄성률을 재구성함으로써, 탄성 영상을 생성할 수 있다. 여기서, 상기 DIM을 이용하는 연산은 적은 연산과정으로 효율적이지만, 잡음에 매우 민감하여 상기 횡파의 변위신호에 잡음이 존재할 경우 탄성 영상의 화질이 크게 저하된다는 단점이 있다.
이와 같이, 횡탄성은 체조직의 단단한 정도를 정량적으로 평가할 수 있기 때문에 유방, 갑상선, 전립선 등의 병변 부위를 진단할 때 매우 유용하게 사용된다. 하지만, 탄성률을 재구성하는 과정에서 횡파의 변위 신호에 잡음이 존재할 경우 탄성 영상의 화질이 크게 저하되는 치명적인 결함이 존재한다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 변조된 푸싱펄스로부터 유발된 횡파를 사용하여 화질이 개선된 탄성 영상을 생성할 수 있는 기술적 수단을 제안하고자 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 변조된 푸싱펄스로부터 유발된 횡파를 사용하여 화질이 개선된 탄성 영상을 생성하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
S301 단계에서, 이미징펄스를 피사체에 송수신하여 레퍼런스 프레임을(Referenc frame)을 획득한다.
보다 구체적으로, 상기 피사체에 변조된 푸싱펄스를 가하기 전 상태인 정상상태(Steady-state)일 때, 상기 피사체에 이미지펄스인 트래킹 펄스(Tracking pulse)를 송수신함으로써, 횡파의 변위 신호 검출에 필요한 레퍼런스 프레임을 미리 검출할 수 있다. 여기서 검출된 레퍼런스 프레임은 S303단계에서 횡파의 변위 신호 검출에 사용한다.
S302 단계에서, 피사체 내에 변조된 횡파를 생성할 수 있도록 변조된 푸싱펄스를 피사체에 송신한다.
보다 구체적으로, 변조된 푸싱펄스에 의해 유발된 외력을 상기 피사체에 가함으로써 변조된 횡파를 생성한다. 여기서, 상기 푸싱펄스를 변조하는 것은 초음파 신호를 변조함으로써 변조된 푸싱펄스를 생성할 수 있다. 상기 포음파 신호는 다음과 같이 표현될 수 있다.
여기서, fc는 신호의 중심주파수, t는 시간, A(t)는 엔빌로프(envelope) 신호일 수 있으며, 종래의 일반적인 횡탄성 영상 생성 방법에서는 상기 A(t)는 계단 함수(step function)일 수 있다. 본 발명에서는 상기 A(t)에 다양한 함수를 적용함으로써 푸싱펄스를 변조할 수 있으며, 예를 들어, 200 Hz의 중심주파수로 푸싱펄스를 변조하기 위한 식은 다음과 같이 표현할 수 있다.
이제, 상기 변조된 푸싱펄스로부터 유발된 횡파의 형태는 이하에서 도 4를 참조하여 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 변조된 푸싱펄스로부터 유발되는 횡파의 형태를 도시한 도면이다.
보다 구체적으로 변조된 푸싱펄스의 형태에 따른 외력이 피사체에 가해지며, 상기 외력의 형태에 따라 상기 횡파의 형태 및 특성이 결정된다. 여기서, 변조된 푸싱펄스부터 유발된 횡파는 상기 피사체에 가해지는 외력을 소정의 함수로 설정함으로써, 점성(Viscosity)과 탄력(Elasticity)를 포함하는 물체에 외력이 가해졌을 경우 발생하는 물체의 변위를 예측할 수 있는 켈빈-포크트 모델(Kelvin-Voigt model)을 이용하여 도출되는 값에 의해 상기 횡파의 형태를 예측할 수 있다. 상기 켈빈-포크트 모델은 다음과 같이 표현될 수 있다.
여기서, t는 시간, x(t)는 변위, c는 점성 상수, k는 탄력 상수, u(t)는 계단 함수, *는 두개의 함수를 콘벌루션(convolution)으로 정의, f(t) 임의의 외력 함수이며, 상기의 외력은 스텝(Step), 램프(Ramp), 램프(Ramp)-inv, Exp, Exp-inv, Sin, Cos 일수 있다. 여기서, 외력 함수 f(t)는 푸싱펄스의 엔빌로프(envelope)에 비례하는 특성으로 인해 진폭변조(Amplitude Modulation)을 이용하여 상기 외력 함수 f(t)를 변조한다. 또한, 상기 외력은 스텝(Step), 램프(Ramp), 램프(Ramp)-inv, Exp, Exp-inv, Sin, Cos 으로 한정하지 않으며, 상기 외력에 적용 가능한 다양한 형태일 수 있다.
이제 다시 도 3으로 돌아가 S302 단계 이후의 과정에 대하여 기술하도록 한다.
S303 단계에서, 302 단계에서 생성된 횡파에 의해 피사체 내부에서 발생하는 상기 횡파의 변위 신호를 검출한다.
보다 구체적으로, 상기 횡파로부터 유발된 변위 신호를 검출하는 단계는 이하에서 도 5를 참조하여 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 변조된 푸싱펄스로부터 유발되는 횡파의 변위신호를 검출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
S501 단계에서 상기 피사체에 전파되는 상기 횡파의 신호를 검출하기 위한 이미징펄스를 재송신하여 트래킹 프레임(Tracking fram)을 연속적으로 획득한다.
보다 구체적으로, 변조된 푸싱펄스부터 유발된 횡파가 상기 피사체에서 전파되는 것을 관찰하기 위하여 트래킹 펄스인 이미징펄스를 송신함으로써, 트래킹 프레임을 획득할 수 있다. 여기서, 트래킹 프레임은 트래킹 펄스로부터 고속(예를들어 3000 frame per second)으로 연속적으로 획득할 수 있다.
S502 단계에서, 스펙클 트래킹(Speckle tracking)을 이용하여 상기 레퍼런스 프레임과 상기 트래킹 프레임으로부터 상기 횡파로부터 유발된 변위 신호를 검출한다.
보다 구체적으로, 상기 횡파의 변위 신호를 검출하기 위하여, S301 단계에서 획득한 레퍼런스 프레임과 S501단계에서 획득한 트래킹 프레임이 사용되며, 탄성 영상에서 변위를 계산할 수 있는 스펙클 트래킹을 이용하여 상기 레퍼런스 프레임과 상기 트래킹 프레임으로부터 상관(Correlation)을 계산함으로써, 상기 횡파의 변위신호를 검출한다. 여기서, 상기 스펙클 트래킹을 이용하여 변위 신호를 검출하는 방법은 이하에서 도 6을 참조하여 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스펙클 트래킹을 이용하여 횡파의 변위신호를 검출하는 방법을 도시한 도면이다.
보다 구체적으로, 도 6은 피사체에 외력이 가해지기 전에 이미징펄스를 송수신함으로써 측정된 레퍼런스 프레임의 초음파 신호(61)를 점선 그래프로 나타내고, 푸싱펄스부터 유발된 횡파가 상기 피사체에서 전파되는 것을 관찰하기 위하여 트래킹 펄스인 이미징펄스를 송수신함으로써 획득한 트래킹 프레임의 초음파 신호(62)를 실선 그래프로 나타내고 있다. 여기서, 피사체에 외력을 가함으로써 레퍼런스 프레임의 초음파 신호(61)과 트랙킹 프레임의 초음파 신호(62)의 측정값이 다른 것을 확인할 수 있고, 레퍼런스 프레임의 초음파 신호(61)와 트랙킹 프레임의 초음파 신호(62)의 상관을 계산하기 위하여 레퍼런스 프레임의 초음파 신호(61)와 트래킹 프레임의 초음파 신호(62)를 신호의 깊이 방향으로 각각의 구역(Zone)으로 분할한다. 이제, 상기 분할된 레퍼런스 프레임의 초음파 신호(61)와 트래킹 프레임의 초음파 신호의 상관을 계산하면, 상관 함수의 값이 최대가 되는 래그(Lag)가 존재하며, 상기 래그 값이 횡파의 변위신호이다.
이제 다시 도 3으로 돌아가 S303 단계 이후의 과정에 대하여 기술하도록 한다.
S304 단계에서, 정합필터(Matched filter)를 이용하여 변위 신호를 필터링 한다.
보다 구체적으로, S302 단계에서 변조된 푸싱펄스로부터 유발된 횡파에 따라 결정되는 정합필터를 이용하여 상기 변위 신호를 필터링 한다. 여기서 정합필터는 상기 횡파의 특성에 따라 결정되며, 상기 정합필터를 사용하여 상기 변위 신호를 필터링 할 경우 상기 변위 신호의 신호 대 잡음비(SNR)을 향상시킬 수 있다. 여기서, 상기 정합필터는 필터 인자가 미리 알려진 입력 신호의 특성에 정합되어 있고, 상기 신호 입력 시 최대의 출력값을 나타내며, 상기 필터의 비트를 증가시킴으로써, 잡음 중에서 정상적인 신호를 검출할 수 있다.
S305 단계에서, 필터링된 변위 신호를 이용하여 탄성 영상을 생성한다.
보다 구체적으로, S304 단계에서 정합필터를 사용하여 필터링된 횡파의 변위 신호를 DIM(Direct inversion method)를 이용하여 피사체의 탄성률을 재구성함으로써 화질이 개선된 탄성 영상을 생성한다. 여기서, 상기 DIM은 탄성 영상을 생성하기 위하여 필요한 탄성률을 재구성하는 방법이며, 상기 DIM은 다음과 같이 표현할 수 있다.
여기서, 
는 매질의 밀도, 
은 푸리에 변환(Fourier transform)한 주파수의 수(평균 연산 목적), 
은 주파수 도메인(Domain)으로 푸리에 변환, 
는 주파수, 
는 시간, 
는 측 방향을 나타내는 축(Lateral direction), 
는 깊이 방향을 나타내는 축(Axial direction), 
는 (x, z)의 위치에서 횡파에 의해 발생한 z축 방향의 변위, 
는 (x,z)의 위치에서 횡탄성이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 변조된 푸싱펄스로부터 유발된 횡파를 사용하여 화질이 개선된 탄성 영상을 생성하는 탄성 영상 생성 장치를 도시한 도면이다.
보다 구체적으로, 탄성 영상 생성 장치(71)는 이미징펄스를 피사체에 송수신하여 레퍼런스 프레임을 획득하여 저장하는 프레임 저장부(74), 상기 피사체 내부에 횡파를 생성할 수 있도록 변조된 푸싱펄스를 송신하는 신호 변환부(72), 상기 피사체에 내부에서 횡파에 의해 발생하는 변위 신호를 검출하는 신호 검출부(73), 상기 유발된 횡파의 특성에 따라 적용 가능한 정합필터 중 하나를 이용하여 상기 변위 신호를 필터링 하는 신호 처리부(76) 및 상기 필터링된 변위 신호를 이용하여 영상을 생성하는 영상 생성부(75)를 포함할 수 있다.
여기서, 신호 변환부(72)는 원하는 형태의 횡파를 발생시키기 위하여 상기 피사체에 소정의 외력을 가할 수 있도록 푸싱펄스를 생성한다. 또한, 상기 유발된 횡파는, 상기 피사체에 가해지는 외력을 소정의 함수로 설정함으로써, 켈빈-포크트 모델을 이용하여 도출되는 값에 의해 상기 횡파의 형태를 예측할 수 있다.
나아가, 신호 검출부(73)는 상기 피사체에 전파되는 상기 횡파의 신호를 검출하기 위한 이미징펄스를 재송신하여 트래킹 프레임을 상기 프레임 저장부에 저장하고 상기 리퍼런스 프레임과 상기 트래킹 프레임으로부터 횡파에 의한 피사체의 움직임정보를 획득할 수 있도록 스펙클 트래킹을 이용하여 변위 신호를 검출할 수 있으며, 영상 생성부(75)는 DIM을 이용하여 상기 필터링된 변위 신호로부터 탄성 영상 생성에 필요한 상기 피사체의 탄성률을 재구성할 수 있다. 본 발명의 탄성 영상 생성 장치(71)에 대한 상세한 설명은 도 3 내지 도 6에 대한 상세한 설명에 대응하는바, 도 3 내지 도 6에 대한 상세한 설명으로 대신한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄성 영상 생성 장치와 종래의 기술을 이용하는 탄성 영상 생성 장치를 비교하여 도시한 도면이다.
보다 구체적으로, 종래의 일반적인 탄성 영상 생성 장치(81)는 횡파를 유발하기 위하여 푸싱펄스(Tone-burst Pulse)를 송수신하는 장치(Ultrasound Transducer), 푸싱펄스로부터 유발된 횡파의 전파를 관찰하기 위하여 이미징펄스(Tracking pulse)를 송수신하는 장치, 상기 횡파에 의해 유발된 변위 신호를 검출하는 장치 및 상기 변위 신호로부터 탄성률을 재구성(Displacement calculation)하여 영상을 생성하는 장치(Reconstruction)를 포함하는 탄성 영상 생성 장치(81)이다.
반면, 본 발명에서 제안하는 탄성 영상 생성 장치(71)는 횡파를 유발하기 위하여 변조된 푸싱펄스(Modulated Pushing pulse)를 송수신하는 장치(Ultrasound Transducer), 상기 변조된 푸싱펄스로부터 유발된 횡파의 전파를 관찰하기 위하여 이미징펄스(Tracking pulse)를 송수신하는 장치, 상기 횡파에 의해 유발된 변위 신호를 검출하는 장치, 상기 변위 신호에 정합 필터를 사용하여 상기 변위 신호를 필터링 하는 장치(Matched filtering) 및 상기 필터링 된 변위 신호의 탄성률을 재구성(Displacement calculation)하여 탄성 영상을 생성하는 장치(Reconstruction)를 포함하는 탄성 영상 생성 장치(71)일 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄성 영상 생성 장치를 이용하여 생성한 탄성 영상과 종래의 기술을 이용하여 생성한 탄성 영상을 비교하여 도시한 도면이다.
보다 구체적으로, 도 9는 횡파에서 검출된 변위 신호의 최대 값으로부터 -40 dB 크기의 가우시안 잡음(Gaussian noise)이 존재할 경우, 종래의 기술을 사용한 탄성 영상 생성 장치(81)는 상기 잡음이 탄성률 재구성에 미치는 영향으로 인해 탄성 영상의 화질이 크게 저하되고, 측정하고자 하는 관심 영역에 횡탄성률이 다른 피사체(93)가 존재할지라도, 피사체(93)에 대한 형태 구분은 불가능하다.
반면, 본 발명의 탄성 영상 장치(71)는 변조된 횡파를 발생시키고, 변조된 횡파의 특성에 적합한 정합필터를 이용하여 필터링 하며, 변위 신호의 신호 대 잡음비을 개선함으로써, 측정하고자 하는 관심 영역에 횡탄성률이 다른 피사체(93)가 존재할 경우 피사체(93)에 대한 형태 구분을 명확하게 할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현하는 것을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 다양한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
11 : 최적 탄성률
12 : 횡탄성률
61 : 레퍼런스 프레임의 초음파 신호
62 : 트래킹 프레임의 초음파 신호
71 : 탄성 영상 생성 장치
72 : 신호 변환부
73 : 신호 검출부
74 : 프레임 저장부
75 : 영상 생성부
76 : 신호 처리부
12 : 횡탄성률
61 : 레퍼런스 프레임의 초음파 신호
62 : 트래킹 프레임의 초음파 신호
71 : 탄성 영상 생성 장치
72 : 신호 변환부
73 : 신호 검출부
74 : 프레임 저장부
75 : 영상 생성부
76 : 신호 처리부
Claims (14)
- 이미징펄스(Imaging pulse)를 피사체에 송수신하여 레퍼런스 프레임(Reference frame)을 획득하는 단계;
변조된 푸싱펄스(pushing pulse)를 상기 피사체에 가함으로써 횡파(Sheare wave)를 생성하는 단계;
생성된 상기 횡파에 의해 상기 피사체 내부에서 발생하는 상기 횡파의 변위 신호를 검출하는 단계;
상기 변조된 푸싱펄스에 따라 결정되는 정합필터(Matched filter)를 이용하여 상기 변위 신호를 필터링(Filtering)하는 단계; 및
상기 필터링된 변위 신호를 이용하여 영상을 생성하는 단계를 포함하는 탄성 영상 생성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 횡파를 생성하는 단계는,
상기 변조된 푸싱펄스에 의해 유발된 외력(radiation force)을 상기 피사체에 가함으로써 상기 횡파를 생성하는 단계를 더 포함하는 탄성 영상 생성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 횡파는,
상기 변조된 푸싱펄스에 의해 발생하는 외력의 형태에 따라 상기 횡파의 특성이 결정되는 탄성 영상 생성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 횡파는,
상기 피사체에 가해지는 외력을 소정의 함수로 설정함으로써, 켈빈-포크트 모델(Kelvin-Voigt model)을 이용하여 도출되는 값에 의해 상기 횡파의 형태를 예측할 수 있는 탄성 영상 생성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 변위 신호를 검출하는 단계는,
상기 피사체에 전파되는 상기 횡파의 신호를 검출하기 위한 이미징펄스를 재송신하여 트래킹 프레임(Tracking fram)을 연속적으로 획득하는 단계; 및
스펙클 트래킹(Speckle tracking)을 이용하여 상기 레퍼런스 프레임과 상기 트래킹 프레임으로부터 상기 횡파의 변위 신호를 검출하는 단계를 더 포함하는 탄성 영상 생성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 정합필터는 상기 유발된 횡파의 특성에 따라 적용 가능한 정합필터 중 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 탄성 영상 생성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 영상을 생성하는 단계는,
DIM(Direct inversion method)을 이용하여 상기 필터링된 변위 신호로부터 상기 피사체의 탄성률을 재구성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄성 영상 생성 방법. - 제 7 항에 있어서,
상기 DIM은,
탄성 영상을 생성하기 위하여 필요한 탄성률을 재구성하기 위한 연산처리 과정인 것을 특징으로 하는 탄성 영상 생성 방법. - 제 1 항 내지 제 8 항 중에 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
- 이미징펄스를 피사체에 송수신하여 레퍼런스 프레임을 획득하여 저장하는 프레임 저장부;
상기 피사체에 횡파를 생성하기 위하여 변조된 푸싱펄스를 송신하는 신호 변환부;
상기 생성된 횡파에 의해 상기 피사체 내부에 발생하는 상기 횡파의 변위 신호를 검출하는 신호 검출부;
상기 유발된 횡파의 특성에 따라 적용 가능한 정합필터 중 하나를 이용하여 상기 변위 신호를 필터링 하는 신호 처리부; 및
상기 필터링된 변위 신호를 이용하여 영상을 생성하는 영상 생성부를 포함하는 탄성 영상 생성 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 신호 변환부는,
상기 피사체에 소정의 외력을 가할 수 있도록 푸싱펄스를 생성하고, 상기 외력의 형태에 따라 상기 횡파의 특성을 결정하는 탄성 영상 생성 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 횡파는,
상기 피사체에 가해지는 외력을 소정의 함수로 설정함으로써, 켈빈-포크트 모델을 이용하여 도출되는 값에 의해 상기 횡파의 형태를 예측할 수 있는 탄성 영상 생성 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 신호 검출부는,
상기 피사체에 전파되는 상기 횡파의 신호를 검출하기 위한 이미징펄스를 재송신하여 트래킹 프레임을 획득하고, 획득한 상기 트래킹 프레임을 상기 프레임 저장부에 저장하며, 상기 레퍼런스 프레임과 상기 트래킹 프레임으로부터 피사체의 움직임정보를 획득할 수 있도록 스펙클 트래킹을 이용하여 변위 신호를 검출하는 탄성 영상 생성 장치. - 제 10 항에 있어서,
상기 영상 생성부는,
DIM을 이용하여 상기 필터링된 변위 신호로부터 탄성 영상 생성에 필요한 상기 피사체의 탄성률을 재구성 하는 것을 특징으로 하는 탄성 영상 생성 장치.
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