실시간 합성구경 기법 구현을 위한 고성능 송수신 빔 집속 시스템 설계에 관한 연구
A study on the design of a highly efficient ultrasound beamformer for real-time implementation of synthetic aperture techniques
- 주제(키워드) 합성 구경기법 , 빔포머 , 시스템 설계
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 송태경
- 발행년도 2010
- 학위수여년월 2010. 2
- 학위명 석사
- 학과 일반대학원 전자공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000045666
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교의 논문은 저작권에 의해 보호받습니다
초록/요약
현재 일반적인 초음파 의료영상장치는 양질의 실시간 이미지를 보여주기 위해 수신 동적 집속 방법을 사용하고 있지만 해상도와 신호대잡음비를 더욱 향상시키기 위해서는 합성구경 기법과 같은 새로운 집속 기법을 도입하여야 한다. 실시간 합성구경 기법이 적용된 빔집속 시스템은 N개의 채널 입력을 받아 M개의 주사선을 동시에 출력하는 N채널 M 다중주사 방식으로써 이를 N채널 단일주사 방식인 기존의 수신동적 빔집속부로 구현할 경우, 하드웨어 복잡도가 M배 증가한다. 본 논문에서는 초음파 의료영상장치에 실시간 합성구경 기법을 적용을 위한 효율적인 합성구경 빔집속 시스템의 구조를 제안한다. 제안하는 구조는 빔집속부의 출력단에 누산기로 동작하는 합성 메모리를 둠으로써, 부분 빔집속된 주사선 데이터를 입력 받아 M번 합성된 하나의 주사선 데이터를 출력한다. 이러한 구조는 수신한 RF 데이터를 저장하는 구조보다 메모리의 대역폭, 사이즈 및 확장성 측면에서 더욱 유리하다. 또한 합성구경 빔집속 시스템의 하드웨어 복잡도 감소를 위해 시분할 처리 방식과 병렬 빔집속 방식을 사용하였다. 그리고 디포커싱(Defocusing), 양방향 화소단위 집속(BiPBF) 기법 등의 다양한 합성구경 기법을 적용할 수 있는 시간 지연 계산기를 설계하였으며 입출력 핀 수를 줄이기 위해 고속 RF 데이터를 수신할 수 있는 LVDS(low voltage differential signal) 기반의 수신부 등을 설계하였다. 제안한 구조를 Xilinx사의 Virtex-5 VSX95T FPGA 2개를 이용하여 구현하였으며, 합성 메모리를 위해 DDR2 SDRAM을 6개 사용하였다. 컴퓨터 시뮬레이션 데이터와 인체 데이터를 이용하여 시뮬레이션을 수행하여 합성구경 기법의 효과를 확인하였다. 또한 MODELSIM 하드웨어 시뮬레이터를 이용하여 설계한 시스템을 통해 합성구경 기법이 적용된 영상을 확인하였다.
more초록/요약
In ultrasound B-mode imaging, a receive dynamic focusing is used to improve spatial resolution and signal-to-noise ratio(SNR). The spatial resolution can be further enhanced by adopting synthetic aperture focusing (SAF) techniques, in which two-way dynamic focusing is achieved by synthesizing a scanline with received radio frequency (rf) data from multiple transmit firings. To facilitate real-time SAF techniques, M dynamic receive beamformers that can generate M scanlines from N-channel rf data are needed. Thus, the hardware complexity of the SAF beamformer increases M times compared to the conventional receive focusing beamformer. In this paper, an efficient beamformer architecture for the real-time SAF technique is presented. In the developed real-time SAF beamformer, the synthetic memory, in which partially-beamformed scanline data are accumulated, is used to reduce the size and bandwidth of memory while enhancing its scalability. Furthermore, the hardware complexity of the proposed SAF beamformer is reduced by utilizing time sharing and parallel beamforming. Due to its improved flexibility, the developed delay calculator is capable of supporting various SAF techniques, such as defocusing and bi-directional pixel-based (BiPBF) focusing. Moreover, the number of in/out pins in the proposed beamformer is further reduced by using the low voltage differential signal (LVDS) receiver. To verify the real-time performance of the proposed SAF beamformer, it was implemented on two Virtex-5 VSX95T (Xilinx Inc., San Jose, CA, USA) field programmable gate array (FPGA) chips with six DDR2 SDRAMs for the synthetic memory. The effect of synthetic aperture beamforming was evaluated via simulation and in vivo data experiments. The results from the hardware simulation (MODELSIM, Wilsonville, OR, US) for the developed SAF beamformer are also presented.
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