소형 초음파 영상 장치를 위한 효율적인 칼라 플로우 처리부의 구조에 관한 연구

소형 초음파 영상 장치를 위한 효율적인 칼라 플로우 처리부의 구조에 관한 연구 A study on the Hardware-Efficient Color Flow Processor Architecture For Small Ultrasound 시스템 2003 년 1월 서강대학교 대학원 전자공학과 김장군

소형 초음파 영상 장치를 위한 효율적인 칼라 플로우 처리부의 구조에 관한 연구 A study on the Hardware-Efficient Color Flow Processor Architecture For Small Ultrasound 시스템 지도교수 송 태 경 이 논문을 공학석사 학위논문으로 제출함 2003년 1월 서강대학교 대학원 전자공학과 김장군

논 문 인 준 서 김장군의 공학석사 학위논문을 인준함 2003년 1월 주심 최 진 우 ꄫ 부심 송 태 경 ꄫ 부심 김 경 환 ꄫ

감사의 글 감사의 글을 쓸려니 가장 먼저 부모님의 얼굴이 떠오릅니다. 28년 동안 항 상 변함없이 저를 믿어주시고 보살펴 주신 부모님께 감사드립니다. 부모님의 은혜에 조금이나마 보답하고자 부끄럽지 않는 자식이 되기 위해 노력했습니 다. 아울러 매형, 누나, 예쁜 조카와 두 여동생에게 감사드립니다. 서강 울타리에 들어와, 길지 않는 시간 동안 많은 경험과 가르침을 얻었습 니다. 항상 바르게 살아가는 길을 가르쳐 주시고 이끌어주신 송태경 교수님 께 감사드립니다. 또 부족한 논문을 지도해 주신 김경환 교수님과 최진우 교 수님께 감사드립니다. 그리고 전자 인으로서 가져야 하는 긍지와 자질을 가 르쳐주신 전자 공학과 교수님께 깊은 감사의 인사를 드립니다. 항상 따뜻한 마음으로 고민을 들어주시는 류충렬 수사님과 연구실 선배로서 모범을 보이 고 도움을 많이 준 정준형, 기덕형, 호산 선배, 강식이와 배형이에게 감사드 립니다. 그리고 멋진 태호, 예쁜 혜정이, 든든한 강이와 우리 막내 규현이에 게 감사의 말을 전합니다. 또 방장의 대를 이어가는 현철이를 비롯한 정, 동 원, 제훈에게 감사드립니다. 6개월의 짧은 시간이지만 정이든 신입생 준영, 형석, 승훈, 재희에게 모두 다 열심히 하라는 격려의 마음을 전합니다. 2년의 대학원 생활을 뒤로 하고 졸업을 하려하니, 여러 가지 후회되는 일 이 많습니다. 그리고 사회에 나가서 잘 할 수 있을까하는 걱정도 듭니다. 하 지만 할 수 있다는 자신감과 노력하는 자세로 살아갈 것입니다. 그리고 부끄 럽지 않는 장군이가 되겠습니다. 마지막으로 항상 같이 웃고 생활한 MMI 여러분에게 감사드립니다. 2004년 1월 김 장군

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그림 2.1 펄스파 도플러 시스템의 원리 3 그림 2.2 펄스파 도플러 장치에서 반복되어 송신되는 burst pulse의 예시도4 그림 2.3 펄스파 도플러 시스템의 송수신 과정 5 그림 2.4. 일반적인 펄스파 도플러 시스템의 구성도 6 그림 2.5 2-D 칼라 플로우 영상의 구성 7 그림 2.6. 2-D 칼라 플로우에서의 혈류 속도 변환 8 그림 2.7 칼라 플로우 시스템의 송수신 과정 9 그림2.8. 클러터 필터의 예 16 그림 2.9 무한 임펄스 응답 필터의 Direct Ⅱ모양 17 그림 3.1 클러터 주파수 위치에 따른 입력 데이터 스펙트럼 24 그림 3.2 적응 클러터 필터 과정 25 그림 3.3 소형 초음파 장치에서 클러터 필터의 입력 모델 27 그림 3.4 클러터 주파수만큼 주파수 축에서 이동 27 그림 3.5 제안하는 클러터 필터 과정 29 그림 3.6 클러터 필터 입력 신호의 스펙트럼 31 그림 3.5 소형 초음파 영상장치의 칼라 플로우 처리부 구조 34 그림 4.1 Antares에서 칼라 플로우 이미지. 37 그림 4.2 클러터 필터 후 속도 38 그림 4.3 클러터 필터 후 혈류 파워 38 그림 4.4 혈류에 의한 속도 추출 38 - V -

표 3.1 클러터 필터 기능에 따른 초음파 시스템 분류 26 표 3.2 클러터 필터 방법에 따른 시스템 분류 30 표 3.3 클러터 입력 신호 조건 31 표 3.4 각 시스템에 따른 혈류의 평균 주파수 33 표 3.5 스텝 초기화와 프로젝션 초기화 기법의 계산량 34 표 4.1 입력 데이터 파라미터 값 37 - VI -

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vessel Transducer Transmit Burst pulse tissue Range gate Sampled signal (a) 펄스파 도플러 시스템의 송수신 T/R gate TGC S/H BPF r (t) I Burst Gate T/R S/H BPF r (t) θ 90 N Td Range gate Master Oscillator (b) 펄스파 도플러 시스템의 개념적인 구성도 그림 2.3 펄스파 도플러 시스템의 원리 - 3 -

T 0th pulse 1st pulse 2nd pulse t=0 t=t t=2t t tz tz tz 0 0 0 그림 2.2 펄스파 도플러 장치에서 반복되어 송신되는 burst pulse의 예시도 T T r - 4 -

Range gate Point target (a) r g v z 0 T 0th Tx/Rx 2T 1st Tx/Rx 2nd Tx/Rx (b) k (c) 그림 2.3 펄스파 도플러 시스템의 송수신 과정 - 5 -

f d T cos(w 0 t) array transducer burst pulser receiver pre-amp TGC waveform generator receive beamformer -sin(nw 0 Ts) ADC r(n) Fs=1/Ts range gate control cos(nw 0 Ts) i d (n) i 0 (k) LPF integrator LPF q d (n) q 0 (k) To CF system i 0 (k) Clutter filter (HPF) i(k) + + z(k)=i(k)+jq(k) FFT spectrum To DSC q 0 (k) Clutter filter (HPF) DSP q(k) j -90 i(k) q h (k) _ + + + df(k) dr(k) audio processing speaker 그림 2.6. 일반적인 펄스파 도플러 시스템의 구성도 i 0 (k), q 0 (k ) k z 0 (k)=i 0 (k) + j q 0 (k) k =0,1, 2, 3,..., - 6 -

i 0 (k), q 0 (k )...... scanline index 12 L 영상점 i ndex 1 2... M... vessel 혈류. 0 ZM x 2- D 영상 영역 그림 2.7 2-D 칼라 플로우 영상의 구성 - 7 -

Disturbance Forward flow Reverse flow Red 7 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 Blue Bright Dark Dark Bright Yellow Cyan Max. Velocity (Nyq. freq.) Max. Velocity Red Blue Yellow White Magenta Cyan Green 그림 2.8. 2-D 칼라 플로우에서의 혈류 속도 변환 - 8 -

송신 burst 1 2 3 N 1 2 3 N 1 l1 l1 l1 l2 l2 l2 l3 그림 2.9 칼라 플로우 시스템의 송수신 과정 - 9 -

- 10 -

ˆ - 11 -

ˆ ˆ 실수 - 12 -

우함수 좌함수 ˆ 는 ˆ - 13 -

ˆ ˆ ˆ - 14 -

ˆ ˆ - 15 -

Clutter 0 Clutter Filter -50-40dB Doppler _ F p 2 stopband passband F p 2 그림2.10. 클러터 필터의 예 K TH - 16 -

K y (n) = k Σa k y (n k)+ =1 k Σb k x(n k) =0 K 그림 2.9 무한 임펄스 응답 필터의 Direct Ⅱ모양 - 17 -

- 18 - y (n )=y tr (n )+y ss (n ) n y tr (n ) 0 y ss (n ) n V (n )=[v 1 (n ) v 2 (n )... v K (n )] T V(n +1) = FV(n) + qx (n ) y (n) = g T V (n)+ dx(n) F q g T F = 0 1 0... 0 0 0 1... 0 0 0 0... : : : :... 1 a k a k 1 a k 2... a 1 q = 0 0 : 0 1 g = b K b 0 a n b K 1 b 0 a K 1 : b 1 b 0 a 1 d = b 0

n 1 v(n )=F n v(0) + k ΣF n 1 k qx(k) =0 y (n)= g T v(0 ) + dx(0 ), n=0 n 1 g T F n v(0 ) + k ΣF n 1 k qx(k)+dx(n), n> 0 =0 N 1 x =[x(0) x(1 ).... x(n 1)] T y =[y (0 ) y (1).... y (N 1)] T y = Bv(0 ) + Cx B C B = g T g T F C = : g T F N 1 d 0... 0 0 g T q : d :... 0 : 0 : g T F N 1 g T F N 3 q... g T qd v (0 ) - 19 -

v (0 ) = 0 n < 0 y = Cx = A zero x, n = v (0 ) n = v (0 ) Z V + (z )=z (zi F ) 1 v(0) + z (zi F) 1 qx + (z ) - 20 -

V (0 ) = lim (z 1)V z > 1 = lim (z 1)(z (zi F ) 1 v(0 ) + z (zi F ) 1 x(0 )z q z > 1 z 1 ) = x(0 )(I F) 1 q. y = x(0)b(1 F) 1 q + Cx =(B(I F)q l T + C)x = A step x l T =[1 0 0...0] (1 N ) V (0 ) (I F) 1 q V (0 ) x =0 x =0 B P B = B(B T B) 1 B T P B y =0 v(0 ) = (B T B) 1 B T C x. - 21 -

y =(I B(B T B ) 1 B T )C x)=a p x - 22 -

(a) 제로 초기화 기법 (b) 스텝 초기화 기법 (c) 프로젝션 초기화 기법 - 23 -

그림 3.1 클러터 주파수 위치에 따른 입력 데이터 스펙트럼 - 24 -

그림 3.2 적응 클러터 필터 과정 - 25 -

분류 적응 클러터 필터 무한 임펄스 응답 필터 초기화 특징 High_end 초음파 시스템 o 프로젝션 초기화 성능 좋음 구현이 복잡 소형화 초음파 시스템 x 스텝 초기화 기법 성능 불만족 구현 간단 제안한 초음파 시스템 o DC 제거 후 스텝 초기화기법 표 3.1 클러터 필터 기능에 따른 초음파 시스템 분류 - 26 -

그림 3.3 소형 초음파 장치에서 클러터 필터의 입력 모델 그림 3.4 클러터 주파수만큼 주파수 축에서 이동 - 27 -

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그림 3.5 제안하는 클러터 필터 과정 - 29 -

적응(적응 시스템 노이즈 분류 분류 초기화 방법 )필터 제거 간단한 소형화 1 x x 스텝 시스템 적응 필터 2 o x 스텝 시스템 3 제안하는 시스템 o o 스텝 4 High-End o x 프로젝션 시스템 표 3.2 클러터 필터 방법에 따른 시스템 분류 - 30 -

파라미터 값 비고 PRF 앙상블 길이 클러터 주파수 혈류 주파수 CDR 5 KHz 32개 0.5 KHz 2 KHz (50_80)/3 (25~30)dB 클러터 대 도플러 파워비 표 3.3 클러터 입력 신호 조건 그림 3.6 클러터 필터 입력 신호의 스펙트럼 - 31 -

(a) 스텝 초기화 (b) 적응 필터 후 스텝 초기화 (c) 시스템 노이즈 제거한 스텝 초기화 (d) 프로젝션 초기화 - 32 -

분류 클러터 주파수 혈류 주파수 클러터 주파수 보상 후 주파수 1 0 628 Hz 628 Hz 2 250 Hz 1513 Hz 1763 Hz 3 500 Hz 1450 Hz 1950 Hz 4 500 Hz 1470 Hz 1970 Hz 표 3.4 각 시스템에 따른 혈류의 평균 주파수 (I F) 1 q - 33 -

분류 곱셈기(개) 덧셈기(개) 3) 스텝 초기화 1 0 4) 프로젝션 초기화 N 2 +3N +1 N 2 + N 2 표 3.5 스텝 초기화와 프로젝션 초기화 기법의 계산량 그림 3.5 소형 초음파 영상장치의 칼라 플로우 처리부 구조 - 34 -

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f clutter D = cos (2 πf clutter /f prf ) N = sin(2 πf clutter /f prf ) f PRF - 36 -

파라미터 초음파 송신 주파수 (f0) 반복 펄스 레이트 (PRF) 값 5 MHz 4.3 KHz 스켄라인 수 34 데이터 수 478 앙상블 길이 12 혈류 속도 2cm/s 표 4.1 입력 데이터 파라미터 값 그림 4.1 Antares에서 칼라 플로우 이미지. - 37 -

그림 4.2 클러터 필터 후 속도 그림 4.3 클러터 필터 후 혈류 파워 그림 4.4 혈류에 의한 속도 추출 - 38 -

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