분극 역전 압전층 구조 초음파 변환자를 이용한 초음파 영상 화질 향상에 관한 연구 = A Study on Ultrasound Image Quality Enhancement Using Polarization-Inverted Piezoelectric-Layer Transducers

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, ultrasound image quality enhancement was investigated using polarization-inverted piezoelectric-layer ultrasound transducers.
In the first part of this study, a dual-concentric polarization-inversion intravascular ultrasound （DC-PI-IVUS） transducer was utilized to resolve the limited depth of field （DOF） issue in IVUS imaging. Generally, IVUS employs high frequency bands of 10-40 MHz or higher to secure high spatial resolution. However, increased acoustic attenuation within tissues causes a rapid decrease in the signal-to-noise ratio （SNR） in the far field region. Furthermore, the limited DOF makes it challenging to uniformly image the entire vessel wall in both cross-sectional and pullback images.
To address this, the study proposed an out-of-phase driving method to extend the DOF. This method applies signals with opposite phases to the center and outer elements of a dual concentric structure. This structural design and driving scheme alter the axial acoustic field distribution, dispersing the energy previously concentrated at a single focus and consequently expanding the DOF through an effect similar to multi-focusing. Additionally, by integrating the polarization inversion structure, the study aimed to simultaneously acquire fundamental frequency （f0） images with deeper penetration depth and second harmonic frequency （2f0） images with enhanced resolution. Finite element analysis （FEA） simulations confirmed that the proposed transducer exhibits multi-frequency characteristics, generating both fundamental and second harmonic frequencies concurrently, and demonstrated an increased DOF in the out-of-phase mode. Measurements from the fabricated prototype experimentally validated the proposed technique, showing DOF increases of approximately 80% and 67% at the 13 MHz and 26 MHz, respectively.
B-mode imaging experiments conducted on a vessel-mimicking agar phantom and ex vivo bovine aorta confirmed that the out-of-phase mode improves signal maintenance in the far field region beyond the focal zone compared to the in-phase mode, thereby providing more uniform image quality. Quantitative evaluation of single-frequency images revealed improvements in both speckle SNR （SSNR） and contrast-to-noise ratio （CNR）. Notably, SSNR increased by approximately 55% in the phantom cross-sectional 13 MHz image and by 56% in the ex vivo cross-sectional 13 MHz image. Furthermore, this study applied frequency compounding, which combines the fundamental and second harmonic images, along with phase compounding, which combines the in-phase and out-of-phase images. The application of frequency and phase compounding suppressed speckle and mitigated the trade-offs between frequency and phase modes. Moreover, by implementing 3D pullback imaging to verify the performance of the proposed technique along the longitudinal axis of the vessel, it was intuitively confirmed that the structural continuity was improved due to the increased information in the far-field region and vessel cross-section. Finally, difference images were acquired to more intuitively visualize the improved regions in the B-mode images. These results suggest that the proposed transducer structure and driving technique can provide stable and uniform image quality not only in single cross-sectional images but also in continuous 3D images covering the entire vascular segment.
In the second part of this study, a novel approach combining a polarization-inversion piezocomposite transducer （PIPT） and a multi-frequency coded excitation technique was proposed to enhance the performance of acoustic radiation force impulse （ARFI） imaging, which is an ultrasound-based elastography technique for evaluating the biomechanical properties of ocular tissues. While conventional ophthalmic imaging techniques are effective in providing morphological information, they have limitations in quantitatively evaluating the mechanical properties of tissues. Optical coherence elastography （OCE） is a representative method for measuring mechanical properties, but it struggles to comprehensively analyze the whole-eye region. ARFI imaging is another non-invasive method that measures micro displacements induced by acoustic radiation force in tissues, and it can overcome these limitations. However, it is constrained by high driving voltage requirements and limited SNR. Furthermore, a trade-off exists between resolution and penetration depth depending on the frequency of the tracking beam, which determines displacement accuracy in the ARFI beam sequence.
Therefore, this study proposed a method combining a coded excitation technique with a PIPT, which integrates a bulk piezoelectric layer and a piezocomposite layer. Since the PIPT structure also simultaneously generates a fundamental frequency （f0） and a second harmonic frequency （2f0）, the advantages of both low frequency and high frequency ARFI imaging can be combined by utilizing both low frequency and high frequency tracking beams. Based on this, an ARFI beam sequence combining a low frequency pushing beam and a multi-frequency tracking beam was designed, and a chirp-based coded excitation technique was incorporated to improve displacement measurement at low voltages. By applying coded signals such as chirp signals and performing pulse compression on the received signals, this technique can improve SNR while preserving resolution.
B-mode and ARFI images acquired from ex vivo porcine eye experiments confirmed that chirp imaging reduced background noise and improved displacement detection capabilities compared to conventional pulse-based imaging. Specifically, through frequency compounding, the study verified the feasibility of whole-eye imaging encompassing both the anterior and posterior segments by simultaneously leveraging the high penetration of f0 and the high resolution of 2f0. Quantitative evaluation of the ARFI images demonstrated that the mean displacement SNR （MD_SNR） in the far-field region improved by up to 12.2 dB. Furthermore, displacement probability distribution analysis confirmed that coded excitation contributes to enhancing the reliability and spatial continuity of displacement detection rather than increasing the absolute magnitude of the displacement.
In conclusion, based on ultrasound transducers utilizing a polarization inversion structure, the first part of this study improved the DOF of multi-frequency IVUS images through structural and driving innovations at the sensor level. The second part acquired multi-frequency ARFI images with improved displacement detection under low-voltage conditions by integrating advanced signal processing techniques.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 분극 역전 압전층 구조를 가지는 초음파 변환자 （Polarization-inverted piezoelectric-layer ultrasound transducers）를 이용해 초음파 영상 화질 향상에 관한 연구를 수행하였다.
본 연구의 첫 번째 주제에서, 혈관 내 초음파 （Intravascular ultrasound, IVUS） 영상에서의 제한적인 초점 심도 （Depth of field, DOF） 문제를 해결하기 위해 이중 소자 기반의 분극 역전 혈관 내 초음파 변환자 （Dual-concentric polarization-inversion IVUS, DC-PI-IVUS）를 이용하여 연구를 수행하였다. 일반적으로 IVUS는 10–40 MHz 이상의 고주파 대역을 사용하여 높은 공간 해상도를 확보할 수 있으나, 조직 내 감쇠 증가로 인해 원거리 영역에서 신호 대 잡음비 （Signal-to-noise ratio, SNR）가 급격히 감소하며, 제한된 초점 심도로 인해 cross-sectional 영상과 pull-back 영상 모두에서 혈관 전층을 균일하게 영상화하는 데 어려움이 있다.
이를 개선하기 위해 본 연구에서는 중심 소자와 외곽 소자로 구성된 dual-concentric 구조를 기반으로 두 소자에 서로 반대되는 위상의 신호를 인가하는 out-of-phase 구동 방식을 제안하여 초점 심도를 향상시키고자 하였다. 이러한 구조 및 구동 방식은 축 방향 음장 분포를 변화시켜 단일 초점에 집중되던 에너지를 분산시키고, 결과적으로 다중 초점과 유사한 효과를 통해 초점 심도를 확장한다. 또한 분극 역전 구조를 결합하여 상대적으로 침투 깊이가 깊은 기본 주파수 （f0）와 해상도가 향상되는 2차 고조파 주파수 （2f0） 영상을 한번에 획득하고자 하였다. 유한요소해석 （Finite element analysis, FEA） 시뮬레이션 결과, 제안된 변환자는 기본 주파수와 2차 고조파 주파수를 동시에 생성하는 다중 주파수 특성을 가지며, out-of-phase 모드에서 초점 심도가 증가하는 것을 확인하였다. 제작된 시작품 측정 결과에서는 13 MHz 및 26 MHz 대역에서 각각 약 80% 및 67%의 초점 심도 증가가 측정되어 제안된 기술의 효과가 실험적으로 검증되었다.
혈관 모사 한천 팬텀 및 ex vivo 소 대동맥을 대상으로 한 B-mode 영상 실험에서는, out-of-phase 모드가 in-phase 모드 대비 초점 영역 이후 far field 영역에서의 신호 유지 능력을 향상시키며, 보다 균일한 영상 품질을 제공하는 것을 확인하였다. 단일 주파수 영상에 대한 정량적 평가 결과, SSNR 및 CNR 모두에서 개선이 나타났으며, 특히 phantom cross-sectional 13 MHz 영상에서 SSNR이 약 55%, ex vivo cross-sectional 13 MHz 영상에서 56% 증가하였다. 이에 더해 본 연구에서는 기본 주파수와 2차 고조파 영상을 결합한 주파수 컴파운딩과 in-phase 및 out-of-phase 영상을 결합한 위상 컴파운딩 기법을 적용하였다. 주파수 및 위상 컴파운딩을 적용한 결과, 스페클 억제 효과와 함께 주파수와 위상 모드 간 trade-off를 완화할 수 있었다. 또한, 3D pullback 영상을 구현하여 혈관의 길이 방향으로도 제안된 기법의 성능을 검증한 결과, 3D pullback 영상에서도 원거리 영역 및 혈관 단면의 정보가 증가하여 구조적 연속성이 개선된 것을 직관적으로 확인하였다. 마지막으로, 차영상 （difference image）을 획득하여 B-mode 영상에서 확인할 수 있는 개선된 영역을 보다 직관적으로 확인하였다. 이러한 결과는 제안된 변환자 구조 및 구동 기법이 단일 단면 영상 뿐만 아니라, 혈관 전체 구간을 포괄하는 3D 연속 영상에서도 안정적이고 균일한 화질을 제공할 수 있음을 시사한다.
본 연구의 두 번째 주제에서, 안구 조직의 생체역학적 특성 평가를 위한 초음파 기반 탄성 영상 기법인 음향 방사력 임펄스 （Acoustic radiation force impulse, ARFI） 영상의 성능 향상을 목표로, 분극 역전 압전 복합체 변환자 （Polarization-inversion piezocomposite transducer, PIPT）와 다중 주파수 coded excitation 기법을 결합한 새로운 접근법을 제안하였다. 기존의 안과 영상 기법은 형태학적 정보 제공에는 효과적이나 조직의 기계적 특성을 정량적으로 평가하는 데 한계가 있으며, 기계적 특성을 측정할 수 있는 대표적인 광간섭탄성영상 （Optical coherence elastography, OCE）의 경우 전안구 영역을 포괄적으로 분석하기 어렵다는 문제가 있다. 또 다른 비침습적 방법인 ARFI 영상은 음향 방사력에 의해 유도된 조직 내 미세 변위를 측정하는 방법으로 이러한 한계를 극복할 수 있으나, 높은 구동 전압 요구와 제한된 SNR로 인해 제약이 존재한다. 또한 ARFI 빔 시퀀스에서 변위 정확도를 결정하는 추적 빔 （tracking beam）의 주파수에 따라 해상도와 침투 깊이 간의 trade-off가 발생한다.
따라서 본 연구에서는 벌크 압전층과 압전 복합층을 결합한 분극 역전 압전복합체 구조 변환자 （Polarization-inversion piezocomposite transducer） 에 coded excitation 기법을 결합하는 방식을 제안하였다. PIPT 구조 또한 기본 주파수 （f0）와 2차 고조파 주파수 （2f0）가 동시에 발생하므로, 저주파 추적 빔과 고주파 추적 빔을 모두 이용하여 저주파 및 고주파 ARFI 영상의 장점을 결합할 수 있다. 이를 기반으로 저주파 푸싱 빔과 다중 주파수 트래킹 빔을 결합한 ARFI 빔 시퀀스를 설계하였으며, 저전압에서 변위 측정을 향상시키기 위해 chirp 기반의 coded excitation 기법을 결합하였다. 이 기법은 chirp 등의 부호화된 신호를 인가하고, 수신된 신호를 펄스 압축시킴으로써 해상도를 유지하면서 SNR을 향상시킬 수 있다.
Ex vivo 돼지 안구 실험을 통해 획득한 B-mode 및 ARFI 영상에서는 chirp 영상이 기존 펄스 기반 영상 대비 배경 잡음이 감소하고 변위 검출 능력이 향상됨을 확인하였다. 특히 주파수 컴파운딩을 통해 f0의 높은 투과력과 2f0의 높은 해상도를 동시에 활용함으로써 전안부와 후안부 구조를 모두 포함하는 전안구 영상이 가능함을 검증하였다. ARFI 영상의 정량적 평가 결과, 원거리 영역에서 평균 변위 SNR （Mean displacement SNR, MD_SNR）이 최대 12.2 dB까지 향상되는 것을 확인하였다. 또한 변위 확률 분포 분석을 통해 coded excitation이 실제 변위 크기를 증가시키기보다는 변위 검출의 신뢰성과 공간적 연속성을 향상시키는 데 기여함을 확인하였다.
종합적으로, 본 연구에서는 분극 역전 구조를 활용한 초음파 변환자를 기반으로 첫 번째 주제에서는 센서 측면에서의 기술 결합을 통해 다중 주파수 IVUS 영상의 초점 심도를 향상시켰고, 두 번째 주제에서는 신호처리 기술과 결합하여 저전압 조건에서 변위 검출이 향상된 다중 주파수 ARFI 영상을 획득하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제1절 진단용 의료 초음파의 소개 1
• 1. 초음파 변환자 1
• 2. 초음파 진단 영상 3
• 제2절 연구의 범위 5
• 제2장 분극 역전 구조 변환자를 이용한 IVUS 영상 구현 6
• 제1절 연구 배경 6
• 1. IVUS 영상 6
• 2. DC-PI-IVUS 변환자 제안 8
• 제2절 변환자 설계 및 유한요소해석 시뮬레이션 13
• 1. 변환자 모델링 및 성능 평가 13
• 2. 변환자 음장 시뮬레이션 17
• 제3절 변환자 시작품 성능 평가 및 실험 셋업 20
• 1. 변환자 시작품 성능 평가 20
• 2. 변환자 1D 빔 프로파일 측정 23
• 3. 실험 장치 구성 26
• 4. 성능 평가 지표 28
• 제4절 초음파 B-mode 영상 구현 29
• 1. 혈관 모사 팬텀 영상 구현 및 정량적 평가 29
• 1.1 혈관 모사 팬텀 cross-sectional 영상 29
• 1.2 혈관 모사 팬텀 pull-back 영상 41
• 2. Ex vivo 소 대동맥 영상 구현 및 정량적 평가 51
• 2.1 Ex vivo 소 대동맥 cross-sectional 영상 51
• 2.2 Ex vivo 소 대동맥 pull-back 영상 60
• 제5절 연구 고찰 70
• 제3장 분극 역전 구조 변환자를 이용한 코드 ARFI 영상 구현 72
• 제1절 연구 배경 72
• 1. 안구 질환 및 초음파 ARFI 영상 72
• 2. 다중 주파수 코드 ARFI 영상 제안 74
• 제2절 변환자 설계 및 유한요소해석 시뮬레이션 77
• 1. 변환자 모델링 및 성능 평가 77
• 2. ARFI 영상 및 시뮬레이션 81
• 3. 다중 주파수 부호화 변조 83
• 제3절 변환자 시작품 성능 평가 및 실험 셋업 85
• 1. 변환자 시작품 성능 평가 85
• 2. 변환자 특성 분석 87
• 3. 실험 장치 구성 89
• 4. 성능 평가 지표 90
• 제4절 Ex vivo 돼지 안구 영상 구현 91
• 1. Ex vivo 돼지 안구의 B-mode 영상 구현 및 정량적 평가 91
• 2. Ex vivo 돼지 안구의 ARFI 영상 구현 및 정량적 평가 93
• 제5절 연구 고찰 98
• 제4장 결 론 101
• 참 고 문 헌 103
• ABSTRACT 118