합성구경 빔집속 기반의 실시간 초음파 영상장치 개발
Development of a Real-time Synthetic Aperture-based Medical Ultrasound Scanner
- 주제(키워드) 초음파 , 빔집속 , 합성구경
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 송태경
- 발행년도 2011
- 학위수여년월 2011. 8
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000046810
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교의 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
합성구경 빔집속은 프레임율의 저하 없이 양방향 동적 집속을 가능 하도록 함으로써 초음파 영상의 품질을 향상 시킬 수 있는 방법이다. 그러나 합성구경 빔집속은 기존의 수신 동적 집속에 비해 훨씬 복잡한 하드웨어를 필요로 하기 때문에 상용화에 어려움이 있었다. 본 논문은 효율적인 합성구경 빔집속 시스템 구조와 함께 이를 구성하는 빔집속기의 구조 및 알고리즘을 개발하고 검증한 후에 실제 시스템을 구현한 내용을 기술하였다. 먼저 합성구경 빔집속 시스템을 효과적으로 구현 할 수 있도록 M채널 N합성빔을 처리 할 수 있는 합성구경 빔집속기(SABF)를 설계하고 이를 원하는 채널 및 합성 빔 수로 확장 할 수 있도록 주사선 확장구조 및 채널 확장구조를 제안하였다. SABF의 하드웨어 복잡도를 줄이기 위하여 후치필터를 사용하는 보간 빔집속기 및 소수지연 빔집속기 구조를 제안하였다. 또한 지연 값 계산기의 정확도를 유지하면서 하드웨어 복잡도를 줄일 수 있도록 시분할 및 이중 보간 방식을 사용하는 지연 값 계산기 구조를 제안하였다. 후치 필터 및 멀티 억세스 레지스터를 사용하는 멀티 빔포밍 구조를 통해 SABF에 사용되는 지연 메모리의 양을 65%이상 줄일 수 있도록 하였으며 빔집속기의 주요 변수인 apodization 과 dynamic aperture 를 합성구경 빔집속에 어떻게 적용해야 하는지를 연구 하였다. 가상 송신 음원을 사용하는 합성 구경 기법에서 송신 집속점 주변에 발생하는 음영문제와 함께 dynamic aperture기법을 손쉽게 구현 할 수 있는 결합 합성구경 기법을 제안하였다. 합성구경 빔집속은 다수의 송•수신 데이터를 합성하여 하나의 주사선을 생성하기 때문에 관찰 대상의 움직임에 따른 영상 저하가 있을 수 있다. 기존의 수신 동적 집속 방법과 함께 이를 분석하고 강한 움직임에 대해 효과적으로 대처 할 수 있도록 움직임 정도에 따른 합성 빔 수 조절 구조를 제안하였다. 펜텀 및 인체 데이터를 대상으로 하여 합성 구경 빔 집속기법에 대한 실험을 실시하였으며 제안한 구조를 적용하여 실제 시스템을 구현 했다. 합성구경 빔집속 기반의 고기능 고해상도 초음파 영상 진단장비를 개발하기 위하여 송•수신 256채널 및 64 합성 빔 시스템을 구현 하였다. Virtex5(XC5VLX300)를 이용하여 64채널 32합성빔 SABF를 구현하고 하나의 FE(front-end)보드에 두 개의 SABF 를 장착하여 64채널 64 합성 빔을 처리 할 수도 있도록 하였으며 총 4장의 FE보드를 이용하여 256채널 64합성빔을 구현하였다. 빔 집속 된 신호는 PCIe 프로토콜을 이용하여 PC 시스템으로 전송된 후 나머지 모든 신호 처리 과정을 소프트웨어 적으로 처리 하도록 하였다.
more초록/요약
Synthetic aperture beamforming is a good method that improves the quality of ultrasound images for allowing two-way dynamic focusing without any degradation in frame-rate. However, the synthetic aperture beamforming represents a difficulty in applying it to commercial products because it requires much more complicated hardware than that of conventional dynamic beamforming methods. In this study, an effective synthetic aperture beamforming system architecture with its beamformer architecture and algorithm is developed and describes an implementation of a prototype system after verifying such development. First, a synthetic aperture beamformer (SABF) for processing M channels and N synthetic beams is designed to effectively implement the synthetic aperture beamforming system. Then, scanline and channel extension structures for extending the design to desired channels and synthetic beams are proposed. For reducing the complexity of SABF hardware, interpolation beamformer and fractional delay beamformer architectures that use a post-filter are proposed. In addition, a delay calculator that applies time-sharing and bilinear interpolation is proposed to reduce such hardware complexity while the accuracy of the delay calculator is maintained. Based on a multi-beamforming structure that uses post-filtering and multi-access registers, it is possible to reduce the delay memory used in SABF more than 65%. Also, a way for the application of the apodization and dynamic aperture, which are the major parameters in the beamformer, to the synthetic aperture beamforming is studied. In the synthetic aperture beamforming that uses virtual sources, a combined synthetic aperture beamforming method that compensates shading artifacts occurred around transmit focal points and can easily perform the dynamic aperture method is proposed. Because the synthetic aperture beamforming generates a single scanline by synthesizing multiple transmission and receiving data, it may cause a degradation in image qualities according to the movement of targets. Also, a variable synthetic beam control structure according to the degree of movements is proposed for analyzing the degree of movements using conventional dynamic beamforming images and responding large movements effectively. An experiment of the synthetic aperture beamforming is applied for phantom and in vivo data. Also, a test system is applied using the proposed structure. For developing a synthetic aperture beamforming based high-functional and high-resolution ultrasonic diagnosis system, a system with 256 transmit and receiving channels and 64 synthetic beams is implemented. A 64 channel 32 synthetic beam SABF is implemented using Virtex5 (XC5VLX300) and two SABFs are installed at a FE (Front-End) board for processing 64 channels 64 synthetic beams. In addition, four FE boards are used to process 256 channels 64 synthetic beams. The signals obtained by beamforming are transmitted to a PC using a PCIe protocol and other signal processing is performed as a manner of software.
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