초음파 고조파 영상을 위한 하모닉 직교 복조 방법
Harmonic Quadrature Demodulation for Ultrasound Harmonic Imaging
- 발행기관 서강대학교 대학원 전자공학과
- 지도교수 송태경
- 발행년도 2009
- 학위수여년월 2009. 2
- 학위명 석사
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000044870
- 본문언어 한국어
초록/요약
Ultrasound harmonic imaging that uses the second harmonic component of the received signal to make an image is superior to the fundamental imaging in terms of contrast and resolution. Pulse inversion technique is known to be the best method for eliminating the fundamental component to obtain only the second harmonic component. However, this method causes frame rate reduction because it requires two transmit-receive events along each scanline. In this thesis, a harmonic quadrature demodulation method to extract the second harmonic component from focused ultrasound signals after a single transmit-receive event is proposed. In the proposed method, the focused ultrasound signal is converted into inphase and quadrature components by multiplying with sine and cosine signals both having twice the center frequency of the transmitted signal. The quadrature component is then Hilbert-transformed and added to the inphase component. The resulting signal contains only the envelope of the second harmonic signal if the sine and cosine signals are both synchronized in phase with the focused ultrasound signal. For this purpose, the phase of the focused ultrasound signal is estimated and used to generate the phase synchronized sinusoidal signals. Through both theoretical analysis and computer simulations, it is verified that compared to the pulse inversion scheme the proposed method provides almost the same results for stationary targets and reduces both fundamental components and errors significantly for moving targets.
more초록/요약
초음파 고조파 영상 기법은 수신 신호 중 2차 고조파 성분을 이용하여 영상을 구성하는 방법으로 기본주파수 성분으로 구현한 영상에 비해 대조도 및 해상도가 뛰어나다. 널리 사용되는 펄스 반전 기법은 수신 신호에서 기본주파수 성분을 제거하고 2차 고조파 성분을 얻을 수 있지만 두 번의 송·수신 과정을 수행하여 프레임율이 저하되는 단점이 있다. 본 논문에서는 기본주파수 성분과 2차 고조파 성분의 대역이 겹쳐 있는 경우에도 한 번의 송·수신 과정을 통해 2차 고조파 성분을 얻을 수 있는 하모닉 직교 복조 방법을 제안한다. 제안된 방법에서 우선 2차 고조파로 구성된 코사인 신호와 사인 신호를 통해 수신 집속된 신호의 동상 성분과 직각 성분을 얻는다. 그런 다음 동상 성분과 힐버트 변환된 직각 성분을 더하여 기저 대역에 있는 2차 고조파 성분만 남게 된다. 이를 위해서 제안된 방법은 수신 집속된 신호의 위상을 추정할 수 있는 위상 추정 과정을 사용하며 추정된 위상은 코사인과 사인 신호를 생성하기 위해 사용된다. 제안된 방법은 수학적 해석 및 다양한 실험을 통해 검증되었다. 실험 결과 움직임이 없는 반사체에 대하여 제안된 방법은 펄스 반전 기법과 약 -46dB 이하의 매우 작은 차이를 보이며 펄스 반전 기법과 거의 동일한 성능을 보인다. 또한 반사체의 움직임이 있는 경우 두 번의 송·수신 과정을 필요로 하는 펄스 반전 기법보다 더 좋은 성능을 보인다.
more목차
Ⅰ. 서론 = 1
Ⅱ. 초음파 고조파 영상 기법의 소개 = 5
2. 1. 초음파 고조파 영상 기법 = 5
2. 2. 필터 기반 기법 (filter based technique) = 9
2. 3. 펄스 반전 기법 (pulse inversion technique) = 10
Ⅲ. 하모닉 직교 복조 방법을 이용한 초음파 고조파 영상 기법 = 13
3. 1. 일반적인 직교 복조 방법 (quadrature demodulation) = 13
3. 2. 하모닉 직교 복조 방법의 원리 = 18
3. 3. 위상 추정 과정 기반의 수정된 하모닉 직교 복조 방법 = 22
Ⅳ. 제안된 방법의 검증 및 성능 평가 = 28
4. 1. 실험 조건 및 힐버트 변환기의 구현 방법에 따른 성능 평가 = 28
4. 2. 위상 추정 과정이 없는 하모닉 직교 복조 방법과 위상 추정과정 및 보상 과정이 결합된 하모닉 직교 복조 방법의 비교 = 36
4. 3. 수정된 Rayleigh-Plesset 방정식을 이용한 조영제의 모사신호에 대한 실험 = 41
4. 4. 움직이는 반사체에 대한 실험 = 44
4. 5. 다수의 반사체에 대한 실험 = 48
4. 5. 1. 3개의 반사체에 대한 실험 = 48
4. 5. 2. 무작위한 특성을 갖는 다수의 반사체에 대한 실험 = 51
Ⅴ. 결론 = 56
참고문헌 = 57
그림차례
그림 2. 1. 초음파의 음압에 따른 조영제의 응답 = 5
그림 2. 2. 기본주파수 성분을 이용한 영상과 고조파 성분을 이용한 영상의 CTR비교 = 6
그림 2. 3. 기본주파수 성분을 이용한 영상과 고조파 성분을 이용한 영상의 해상도비교 = 7
그림 2. 4. 수신신호의 스펙트럼 = 9
그림 2. 5. 펄스 반전 기법의 원리 = 10
그림 3. 1. 직교 복조 방법의 블록도 = 14
그림 3. 2. 하모닉 직교 복조 방법의 블록도 - 초기 형태 = 18
그림 3. 3. 하모닉 직교 복조 방법의 블록도 - 하드웨어를 줄인 형태 = 19
그림 3. 4. 위상 추정 및 보상 과정이 결합된 하모닉 직교 복조 방법 = 22
그림 3. 5. 하모닉 직교 복조 과정을 위한 위상 추정 과정의 블록도 = 24
그림 4. 1. 필터 설계조건에 따른 오차 및 HFR 비교 = 30
그림 4. 2. 주파수 영역에서 구현된 힐버트 변환기의 신호처리 블록도 = 32
그림 4. 3. 기본주파수 성분의 위상과 2차 고조파 성분의 위상이 0 일 때 하모닉 직교 복조 방법의 모의실험 결과 = 34
그림 4. 4. 위상 추정 과정이 없는 하모닉 직교 복조 방법을 통해 얻은 결과(실선)와 이상적인 결과(점선)의 비교 = 37
그림 4. 5. 위상 추정 과정이 포함된 하모닉 직교 복조 방법을 통해 얻은 결과(실선)와 이상적인 결과(점선)의 비교 = 38
그림 4. 6. 수정된 Rayleigh-Plesset 방정식을 이용하여 얻은 버블 응답에 대해 실험한 결과 = 42
그림 4. 7. 반사체의 움직임이 있을 시 펄스 반전 기법(실선)과 이상적인 경우(점선)의 결과 비교 = 45
그림 4. 8. 반사체의 움직임이 있을 시 펄스 반전 기법(점선)과 제안된 방법(실선)의 오차 및 HFR 비교. = 46
그림 4. 9. 3개의 반사체를 통해 얻은 수신 신호에 대해 실험한 결과 (서로 떨어져 있는 경우) = 49
그림 4. 10. 3개의 반사체를 통해 얻은 수신 신호에 대해 실험한 결과 (서로 겹쳐 있는 경우) = 50
그림 4. 11. 무작위한 특성을 갖는 다수의 반사체에서 반사된 신호에 대해 실험한 결과 = 52
그림 4. 12. 무작위한 특성을 갖는 다수의 반사체에서 움직임이 있을 시 펄스 반전 기법(실선)과 이상적인 경우(점선)의 결과 비교 · = 54
그림 4. 13. 무작위한 특성을 갖는 다수의 반사체에서 움직임이 있을 시 펄스 반전 기법(점선)과 제안된 방법(실선)의 오차 및 HFR 비교 = 55
표차례
표 4. 1. 필터 설계조건에 따른 오차 및 HFR 비교 = 31
표 4. 2. 2차 고조파 성분의 위상 변화에 따른 고조파 대 기본주파수 비(HFR) 및 오차(Error) 비교 (위상 추정 미실시) = 38
표 4. 3. 2차 고조파 성분의 위상 변화에 따른 고조파 대 기본주파수 비(HFR) 및 오차(Error) 비교 (위상 추정 실시) = 39
표 4. 4. 실험 4.5장의 결과 정리 = 51
