2단 다차표본화 화소단위 집속기법 기반의 병렬TI DSP 초음파 빔포머 구현에 관한 연구
- 주제(키워드) ultrasound beamformer , display pixel based focusing , digital signal processor
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 송태경
- 발행년도 2009
- 학위수여년월 2009. 8
- 학위명 석사
- 학과 일반대학원 전자공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000045400
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교의 논문은 저작권에 의해 보호받습니다
초록/요약
다차표본화 화소단위 집속기법(multi-order sampling display pixel based focusing, MOS-DPBF)은 화소단위 집속기법의 추가 집속점 수를 줄여 연산량을 감소시키는 영상 방법이다. 이 때 다차표본화 방법을 이용한 포락선 검출기는 초음파 신호에 포함되어 있는 DC를 제거할 수 없으므로, 빔포머의 보간 필터로 DC제거 기능을 포함한 대역 통과 필터를 사용해야 하며, 이는 빔포머의 복잡도를 증가시킨다. 본 논문에서는 에코 신호처리부의 포락선 검출기에서 DC제거 기능을 추가로 수행함으로써 빔포머의 복잡도를 감소시킬 수 있는 2단 다차표본화 화소단위 집속기법(2-stage multi-order sampling display pixel based focusing, 2-stage MOS-DPBF)을 제안한다. 제안한 2단 다차표본화 방법은 포락선 검출시 기존의 다차표본화 방법에서 제거할 수 없었던 DC를 제거할 수 있으므로, 빔포머에서는 소수 지연 필터를 사용하여 복잡도를 최소화할 수 있다. 또한, 2단 다차표본화 화소단위 집속기법 기반의 빔포머를 구현하기 위하여 TI사의 TMS320C6455 DSP(digital signal processor)를 이용한 병렬 DSP 초음파 빔포머 구조를 제안, 분석하였다. 제안한 구조는 시스템에서 요구하는 빔포머의 채널에 따라 확장 가능하며, 단일 파이프라인 네트워크 구조에서 필요한 듀얼 포트 메모리의 사용량을 감소시켜 비용 면에서 큰 이익을 얻을 수 있다. 또한 제안한 구조는 국제 표준 규격인 Rapid I/O를 기반으로 구성되어 있으므로 시스템 구성에 유연성(flexibility)을 제공할 뿐 아니라 일반적으로 사용되는 다양한 빔포머 구현시에도 사용될 수 있다. 본 논문에서는 제안한 2단 다차표본화 화소단위 집속기법을 기존의 화소단위 집속기법과 비교 및 분석하였으며, 제안한 병렬 DSP 초음파 빔포머 구조를 이용하여 실제 TMS320C6455 EVM(evaluation module) kit상에 구현하였다. 실험 결과, 입력 데이터율이 40MHz이고 관심 영역의 최대 깊이가 20cm이며 시야각이 90도인 경우에, 단일 TMS320C6455 DSP가 8채널의 주사선 데이터를 최대 26Hz의 프레임율로 처리할 수 있음을 확인하였다. 본 논문에서는 2단 다차표본화를 이용하여 기존 화소단위 집속기법 기반 빔포머의 연산량을 감소시켰으며 시뮬레이션과 인체 데이터를 이용한 실험 결과, 기존의 화소단위 집속기법 사용하는 경우와 대등한 영상을 얻을 수 있음을 확인하였다. 또한 제안한 방법의 실시간 구현을 위한 병렬 DSP farm 구조를 개발하였으며, 제안한 방법 기반 빔포머의 실시간 구현이 가능함을 검증하였다.
more초록/요약
Display pixel based focusing (DPBF) is a novel focusing technique in medical ultrasound imaging which can significantly improve image quality by removing artifacts during scan conversion. However, for envelope detection, it requires additional focusing points, resulting in increased hardware complexity. Previously, multi-order sampling (MOS) based DPBF, MOS-DPBF, was proposed to decrease the number of focusing points in conventional DPBF. While the MOS-DPBF substantially reduces the number of focusing points, it has limitations in further reducing the hardware complexity since it requires a complex bandpass filter at each channel. In this thesis, we propose a new DPBF method, in which 2-stage MOS is utilized for envelop detection. Since the proposed 2-stage MOS-DPBF does not require a complex bandpass filter, it can significantly reduce hardware complexity in DPBF by using a simple fractional delay (FD) filter. In addition, a new beamformer architecture based on digital signal processor (DSP) farm where multi DSP chips are interconnected via standard serial rapid IO (SRIO) is developed for the proposed 2-stage MOS-DPBF. The developed architecture is scalable with respect to the number of beamformer channels so that it can reduce an external dual port memory size for radio frequency (RF) data compared to a single pipelined network architecture. Furthermore, the developed scalable architecture can be used for conventional beamforming techniques. The performance of the proposed 2-stage was compared with the conventional DPBF and MOS DPBF beamforming techniques in terms of root mean square error (RMSE) during envelop detection, contrast-to-noise ratio (CNR), and computational complexity. Also, the 2-stage MOS-DPBF method was implemented on TMS320C6455 evaluation module (EVM) kit based on the developed DSP farm architecture. A single TMS320C6455 DSP chip can handle 8-channel beafmorming of the 2-stage MOS-DPBF with the frame rate of 26 Hz when input data rate is 40 MHz, a maximum view depth is 20 cm and a viewing angle 90 degree in case of a phased array probe. From an experiment with in vivo data, we have found that the proposed DPBF method provides comparable image quality to the conventional DPBF while significantly reducing computational complexity.
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