2차원 위상 어레이를 이용한 합성집속 기반의 고해상도 4차원 초음파 영상화 기법 : High-Resolution 4-D Ultrasound Imaging using 2-D Phased Arrays Based on Synthetic Focusing Techniques
- 발행기관 서강대학교 대학원
- 지도교수 송태경
- 발행년도 2007
- 학위수여년월 200702
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 전자공학
- 식별자(기타) 000000103516
- 본문언어 한국어
초록/요약
기계적인 일차원 위상 어레이 혹은 이차원 위상 어레이를 이용한 기존의 초음파 3차원 영상화 기법은 입체영상의 획득 속도를 위해 해상도의 저하를 감수해야 한다. 그럼에도 불구하고 그때의 볼륨 레이트는 일차원 위상 어레이로 일반적인 이차원 영상을 얻을 때의 프레임 레이트에 비해 상당히 낮은 실정이다. 이를 극복하기 위해 이전에 제안된 교차 어레이를 이용한 3차원 영상화 기법은 일반적인 이차원 영상을 얻는 프레임 레이트와 동일한 볼륨 레이트로써 원하는 입체영상을 획득할 수 있다. 하지만 이 기법은 교차 어레이의 한 축으로 구성된 적은 수의 어레이로 초음파를 송신하고 다른 축으로 수신하므로 낮은 해상도 및 신호 대 잡음비를 갖는다. 본 논문에서는 이차원 위상 어레이를 이용한 합성집속 기반의 고해상도 실시간 3차원 영상 즉, 4차원 영상화 기법을 제안한다. 먼저 교차 어레이 영상의 송수신 방법을 이차원 위상 어레이에 그대로 적용하여 신호 대 잡음비 및 고도방향으로의 해상도를 높일 수 있는 3차원 영상화 기법을 제안하였다. 하지만 이 기법 역시 측방향으로는 수신 시에만 집속하므로 고해상도의 영상을 기대할 수 없다. 다음으로 합성집속 기반의 측방향 및 고도방향으로 모두 해상도를 높일 수 있는 3차원 영상화 기법을 제안한다. 이차원 위상 어레이의 측방향에만 합성집속을 적용한 제안된 기법은 이차원 위상 어레이의 고도방향의 한 열을 이용하여 집속된 초음파 신호를 송신하고, 이를 측방향으로 순차적으로 반복하는 것이다. 이때 각 열의 좁은 넓이에 의해 측방향으로 송신 신호는 퍼져나가게 된다. 이와 같이 송신한 후 각각 모든 어레이로 수신한 신호를 이용하여 빔 집속을 수행하면 하나의 단면영상을 얻을 수 있는데, 측방향으로는 합성집속을 이용한 양방향 동적 집속이 가능하며, 고도방향으로는 일반적인 위상 배열 영상 기법과 동일한 송신 시 고정 집속, 수신 시 동적 집속이 가능하다. 따라서 제안된 기법은 이차원 어레이의 측방향 소자의 개수만큼의 송수신 과정을 통해 고해상도의 단면 영상을 제공한다. 마지막으로, 제안된 합성집속 기반의 3차원 영상의 볼륨 레이트를 높일 수 있도록 희박 합성집속 방법을 적용한다. 희박 합성집속 방법은 측방향으로 소수의 어레이로써 송신하여 초음파 송수신 과정을 줄일 수 있으나 그레이팅 로브가 커지는 문제가 발생한다. 이를 위해 각 송신 때마다 수신 어레이에 서로 다른 가중치를 가해, 송신 구경 및 수신 구경의 컨볼루션으로 나타나는 유효 구경을 모든 어레이로 송신했을 때와 동일한 형태로 만들어 줌으로써 이러한 단점을 보완할 수 있다. 이러한 방법을 적용한 두 가지 희박 합성집속 기반의 영상화 기법을 제안하였다. 첫째는 향상된 주사 속도로써 합성집속 기반의 영상과 비슷한 해상도를 갖는 기법이며, 둘째는 이차원 어레이의 측방향 소자의 개수보다 적은 송수신 회수로 3차원 입체영상을 획득할 수 있는 기법이다. 더불어 희박 합성집속 기반의 3차원 영상의 볼륨 레이트는 다중 수신 빔 집속 기법을 통해 더욱 향상시킬 수 있다. 또한 본 논문에서 제안한 기법들은 수식적인 해석 및 컴퓨터 모사실험을 통해 검증하였다.
more초록/요약
Conventional ultrasound 3D imaging methods using either mechanical 1D phased arrays or 2D phased arrays sacrifice spatial resolution for scan speed. Nevertheless, their volume scan rates are much lower than the frame rate of conventional 2D imaging with 1D phased arrays. A 3D imaging method using a cross array was suggested previously, which can scan a volume of interest with the same volume scan rate as the conventional 2D frame rate. However, this method suffers from poor spatial resolution and low SNR since focusing is performed only on receive and a single column (or row) array, each consisting of a limited number of small square elements, is used on transmit. In this thesis, high-resolution fast 3D ultrasound imaging methods using 2D phased arrays based on synthetic focusing (SF) techniques are proposed. Firstly, by applying the transmit and receive schemes of the cross array imaging method to 2D phased array imaging, the high volume rate of the cross array imaging method can be achieved with significantly improved SNR and longitudinal resolution. In this method, however, ultrasound waves are still focused only on receive in the transversal direction. Secondly, 3D imaging with significantly improved spatial resolution in both directions can be achieved by employing the SF technique. Specifically, each column of the 2D array is fired successively to transmit a fan beam, focused at a fixed depth in the longitudinal direction, which spreads wide in the transversal direction. For each firing, the ultrasound waves reflected from targets are received by all the array elements. After firing all columns, a slice image can be formed by performing SF-based dynamic focusing on both transmit and receive in the transversal direction. In the elevation direction, transmit beams are focused at a fixed depth but the received ultrasound signals are dynamically focused. Therefore, this method can provide a frame of high-resolution image slice after N T/R events, where N represents the number of elements of each column array. Thirdly, a sparse SF technique is proposed to improve the scan speed of the SF-based 3D imaging method. By firing only a fraction of column arrays, the number of T/R events can be reduced, which will however cause the elevation of grating lobes. To eliminate this problem, the ultrasound pulse echoes are received with different weights for each firing such that the effective aperture, defined as the 2D convolution of the transmit array pattern with the receive array pattern, should have a proper array pattern to produce tightly focused beams. Two sparse SF-based imaging methods are proposed based on this approach: one that provides the same spatial resolution as the SF-based 3D imaging method with improved scan speed, and the other that can obtain a volume of image after a number of T/R events less than N. In addition, the volume scan rate of the sparse SF-based 3D imaging methods can be further improved by using multiple receive beamforming techniques. The proposed methods are verified both theoretically and through computer simulations.
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