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A New Efficient Architecture for Dynamic Receive-Beamformer in Medical Ultrasound Imaging

초록/요약

송·수신 빔 집속부, 에코 신호 처리부 및 주사선 변환부를 포함하는 기존 초음파 의료 영상 시스템 전체의 곱셈, 덧셈 등의 연산량을 추정하였을 때, 곱셈 연산의 91.3%와, 덧셈 연산의 93.1%를 초음파 신호의 수신 및 집속을 수행하는 동적 수신 빔 집속부가 차지한다. 이에 하드웨어 사용량을 획기적으로 줄일 수 있는 후치 소수 지연 필터링 기반 동적 수신 빔 집속 아키텍처와 그 안에서 효율적으로 구현될 수 있는 알고리즘을 제안하고, 제안된 기법들에 대해 실험을 통한 검증 및 정량적 평가를 수행하였다. 기존 동적 수신 빔 집속부의 경우 모든 채널의 지연 시간 계산을 위해 모든 채널은 지연 시간 계산기를 가지고 있어야 하는 부담이 있다. 이에 시간적으로 건너 뛰며 계산된 2개의 지연시간 값의 선형 보간을 통해 모든 집속점에 대해 지연시간을 계산하는 시간 분할 선형 지연시간 보간 알고리즘이 제안되었다. 하지만, 이 경우 선형 보간 에러에 의한 영상 질의 저하가 문제되므로 본 논문은 3개의 지연시간 값을 통해 각 집속점의 지연시간을 보간해내는 시간 분할 이중 선형 지연시간 보간 알고리즘을 제안한다. 제안된 알고리즘은 시간 분할 선형 지연시간 보간 기법과 비교하여 전체 빔 집속부에서 약 3.2%의 하드웨어 사용량 증가를 가지지만 기존 방식에 비하여 36%의 하드웨어 사용량 감소 효과가 있으며, Field-II 모사 실험에 의해 선형 지연시간 보간 알고리즘과 비교하여 신호 대 잡음비에 대해 2.5dB의 성능 향상을 보임을 확인하였다. 또한, 다중 주사선 생성에 있어서 기존 동적 수신 빔 집속부의 경우 시간 분할 기법을 통해 하드웨어 사용량을 줄이는 시간 분할 다중 주사선 생성 기법을 사용하는데, 이는 각 주사선을 생성하는 동작 주파수 저하를 야기하여 영상의 질이 저하되며 또한 신호 중첩 에러에 취약하여 응용이 제한되므로, 본 논문은 동작 주파수를 저하시키지 않으면서도 다중 주사선 생성이 가능한 다중 접속 레지스터 구조 기반 다중 주사선 생성 기법을 제안한다. 다중 접속 레지스터 구조 기반 다중 주사선 생성 기법은 시간 분할 다중 주사선 생성 기법에 비해 5.2%의 하드웨어 증가만을 가지고 구현될 수 있으며, 팬텀 모사 실험에서 신호 대 잡음비 측면에서 4.6dB, 대조도 대 잡음비 측면에서 0.7의 성능 향상을 보인다. 더불어, 신호 중첩 에러에 대해서도 동작 주파수가 저하되는 시간분할 다중 주사선 생성 기법과는 달리 동작 주파수를 유지함에 따라 더 강건한 동작을 보이며 이를 실제 인체 갑상선 및 혈관 영상화 실험을 통해 검증한다. 결과적으로 후치 소수 지연 필터링 기반 동적 수신 빔 집속 아키텍처 상에서 제안된 시간 분할 이중 선형 지연시간 보간 기법과 다중 접속 레지스터 구조 기반 다중 주사선 생성 기법을 사용하여 더욱 효율적으로 동적 수신 빔 집속부를 구현할 수 있으며 실제 구현 중에 있는 ASIC과 시스템의 사양을 소개한다.

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초록/요약

In medical ultrasound imaging, the point-of-care diagnosis with recent technological advances in solid state devices and communication is recently being highlighted since it can facilitate the enhanced interconnection between patients and healthcare providers. To support this trend in medical ultrasound imaging, the efficient algorithm and corresponding system architecture, which can provide improved portability and quality information, is inevitably required for a point-of-care ultrasound imaging system. Specifically, the analysis of the computational burden, e.g., multiplications and additions, of the ultrasound imaging system shows that its computational complexity highly relies on a dynamic receive beamformer (RxBF), which accounts for 92.6% and 93.0% of multiplications and additions, respectively. In this paper, cost-effective algorithms are presented to miniaturize the RxBF of the ultrasound imaging system implemented on a post-fractional filtering-based beamformer architecture, which can provide comparable image quality to the conventional delay-and-sum beamforming methods (e.g., interpolation and phase rotation) with the reduced hardware resources. For focusing delay calculation in RxBF, the time-sharing bilinear delay-interpolation method (TS-BDI) is proposed. The TS-BDI can substantially reduce the hardware complexity (>36% in overall RxBF) compared to the conventional method. Moreover, from the Field-II simulation study, it provides 2.5-dB improvements in signal-to-noise ratio (SNR) compared to the time-sharing linear delay-interpolation (TS-LDI) method with slightly-increased hardware complexity (<3.2% in overall RxBF). For efficiently supporting multi-beamforming (MBF) algorithms, time-sharing techniques previously were proposed. However, the MBF-TS method suffers from the degraded image quality due to the lowered beamforming frequency. In this thesis, we propose the new MBF method based on multi-access register (MBF-MAR) which can support the MBF without sacrificing image quality. From the phantom study, the contrast-to-noise ratio from the proposed MBF-MAR method was 2.6 compared to 2.0 from the MBF-TS method. There is a negligible difference between the MBF-MAR and the single-beamforming method as the reference (2.6 vs. 2.7). The MBF-MAR substantially lowers the hardware complexity compared to the conventional MBF method (32.6% reduction in gate counts). Furthermore, the signal-to-noise ratio from the MBF-MAR method was 15.7 dB compared to 11.0 dB from the MBF-TS method. (4.7 dB improved). Single-beamforming method is set as the reference. In summary, the proposed new methods (i.e., TS-BDI and MBF-MAR for delay calculation and multi-beamforming, respectively) on a post-fractional filtering based beamformer architecture can significantly reduce the hardware complexity in the ultrasound dynamic receive beamformer without sacrificing the image quality so that these method can be used for enabling further miniaturization of portable ultrasound imaging systems and/or integration of a multi-dimensional beamformer into an ultrasound transducer.

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