음향 및 CT 기반 초음파 속도 추정맵을 이용한 초음파 빔집속 기법에 관한 연구
Estimation of sound speed maps from ultrasound & CT images for ultrasound beamforming
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 송태경
- 발행년도 2020
- 학위수여년월 2020. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- UCI I804:11029-000000065138
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
초음파 의료영상 시스템에서 동적 수신 빔 집속은 공간 해상도와 대조도를 향상시키기 위해 사용된다. 일반적으로 동적 수신 빔 집속에서 집속 시간 지연을 계산하기 위한 초음파 속도를 고정된 상수 (예, 1540 m/s)로 가정한다. 그러나, 인체 내부의 연 조직들은 다양한 속도를 가지기 때문에 속도 차이에 의해 계산된 집속 시간 지연의 오차가 발생하게 된다. 이로 인해 빔 집속 신호의 위상 왜곡이 발생하게 되며, 수신 빔 집속이 제대로 이루어지지 않아 초음파 영상의 화질 저하시키는 중요한 요인이 되고 있다. 특히, 고정된 초음파 속도에 비해 실제 속도의 차이가 많이 나는 지방으로 된 조직이나 고도 비만 환자의 진단에서 초음파 영상의 화질 저하가 심하게 발생한다. 이에 다양한 위상 왜곡 보상 기법 및 초음파 속도 추정 기법이 제안되었다. 하지만 위상 왜곡 보상 기법의 경우 상당한 연산량과 구현시 높은 하드웨어 복잡도를 요구한다. 기존의 초음파 속도 추정 기법의 경우 관심 영역 내부의 매질의 크기나 특성에 따라 추정 결과가 상이하다. 또한 추정된 초음파 속도를 전체 영상에 적용함으로써 추정 영역 매질 이외의 초음파 속도가 다양한 매질들의 균일한 영상 향상을 기대하기 어려우며, 실제와 다른 속도가 적용됨으로써 매질들의 구조가 왜곡된다는 문제가 있다. 본 논문에서는 초음파 영상 전영역의 공간 해상도 및 대조도를 높이고 매질들의 구조 왜곡을 보정하기 위해 초음파 속도 추정 기법 및 초음파 속도 추정맵을 이용한 초음파 영상 화질 향상 기법을 제안하였다. 먼저 강한 반사체나 강한 반사체가 없는 경우에서도 평균 초음파 속도 추정이 가능하며 적은 연산량으로 구현이 가능한 위상 수차 정도를 판단하여 속도를 추정하는 방법을 제안하였다. 균일 매질과 비균일 매질 그리고 인체 데이터 실험을 통하여 초음파 속도 추정 정확도를 검증 하였으며, 초음파 영상의 해상도 및 대조도 향상을 확인하였다. 또한 Xilinx ISE 12.4를 사용하여 Vertex-4에 구현하여 적은 연산량으로 구현이 가능함을 확인하였다. 다음으로 초음파 속도 추정맵을 이용한 초음파 영상 화질 개선 방법을 제안하였다. 앞서 제안한 평균 초음파 속도 추정 기법을 이용하여 초음파 속도맵을 생성하였고, 추가로 일반적인 초음파 속도맵을 적용할 경우 발생하는 오차를 보정하기 위한 초음파 속도맵 최적화 방법을 제안하였다. 최적화된 초음파 속도맵을 빔 집속에 적용하였으며 비균일 매질 및 인체 데이터 실험을 통해 구조 왜곡 보정, 초음파 영상의 해상도 및 대조도 향상을 확인하였다. 마지막으로 CT 데이터를 통해 초음파 속도를 추정하는 방법과 이를 이용해 최적화 초음파 속도맵을 적용한 초음파 영상 화질 개선 방법을 제안하였다. 각 의료 영상 진단 장치 별로 특징이 상이하여 진단에 사용되는 영역이 다르다. 이에 최근에는 여러가지 의료 영상 진단 장치의 융합에 대한 연구가 진행되고 있다. CT와 초음파 영상을 함께 쓰는 경우 CT 데이터를 활용하여 초음파 영상의 화질 개선에 적용하는 방법을 제안하였다. 비균일 매질 실험을 통해 초음파 영상의 해상도 및 대조도 향상을 확인 하였으며, CT영상과의 융합을 통해 구조 왜곡에 의한 보정을 확인 하였다. 또한 CT데이터가 있는 인체 실험을 통해 초음파 영상의 해상도 및 대조도 향상을 확인 하였다.
more초록/요약
Digital dynamic receive beamforming has been adopted for improving the spatial resolution and the contrast-to-noise ratio (CNR) in medical ultrasound imaging. In the digital receive beamforming, a constant sound speed in human tissue (e.g., 1540 m/s) is typically assumed in generating dynamic receive focusing phase delays. However, phase distortions are introduced due to the variations of sound speed incurring in soft tissue, leading to defocusing and the consequent degradation in the image quality. Moreover, the degradation of image quality can significantly reduce diagnostic capability in imaging breast or obese patients since the sound speed in fatty tissues (e.g., 1450 m/s) is lower than assumed value (e.g., 1540 m/s). Various phase aberration correction methods were previously proposed to compensate the phase distortions. However, these methods require the massive amount of the processing resources to compute cross-correlation between pre-beamformed radio-frequency (RF) data at each channel along with the considerable efforts in modification of conventional ultrasound beamformers; thus, the implementation of these methods in modern ultrasound imaging systems are challenging. Using the correct mean sound speed can be an alternative solution for minimizing the phase distortions and enhancing the image quality in medical ultrasound imaging. Various algorithms for estimating mean sound speed have been proposed. However, the performance of these methods highly depends on existence of strong reflectors which are generally absent in soft tissues. In this thesis, the sound speed estimation method and the optimal sound speed map estimation method were proposed to improve the spatial resolution of the entire ultrasound image and to correct the structural distortion of the medium. First, a robust optimal sound speed estimation method with low-cost hardware resource was presented. In the proposed method, the optimal mean sound speed is determined by measuring amplitude variance of pre-beamformed radio-frequency (RF) data. The proposed method was evaluated with phantom and in-vivo experiments, and was implemented on Virtex-4 with Xilinx ISE 12.4 using VHDL. Experiment results indicate that the proposed method could estimate the mean optimal sound speed and enhance the spatial resolution with negligible increase in the hardware resource usage. Next, the optimal sound speed map estimation method are proposed to improve the spatial resolution of the entire ultrasound image and to correct the structural distortion of the medium. The sound speed map was generated using the proposed sound speed estimation method, and the sound speed map optimization method was proposed to correct the error generated when applying the conventional sound speed map. The proposed method was evaluated with phantom and in-vivo experiments. Experiment results indicate that the proposed method can improve the spatial resolution of the entire ultrasound image and correct the structural distortion of the medium. Finally, a method of estimating sound speed from CT data and a method of improving ultrasound image quality with an optimal sound speed map was proposed. The resolution and contrast enhancement of the ultrasound image were confirmed by inhomogeneous media phantom and in-vivo experiments, and the correction by structural distortion was confirmed by fusion with CT images.
more