주파수 추정 기반의 적응 동적 직각 복조 방법에 대한 연구

국문 초록 (Abstract)

B-모드 영상 기법은 초음파를 이용한 의료 영상기법 중 가장 널리 쓰이는 기법으로 기본 주파수 f0를 가지는 초음파 신호의 송ㆍ수신을 통하여 얻은 임상 정보의 밝기(Brightness)를 이용하여 단면 영상을 구성한다. 또한 고조파 영상 기법은 매질의 비선형적 특성으로 인해 매질에서 발생하는 고조파 성분을 이용하여 영상화 하는 방법으로 기본 주파수를 이용하는 영상에 비해 높은 대조도 및 해상도를 제공한다. 하지만 영상 정보를 가지는 기본주파수 성분이나 고조파 성분은 주파수 의존형 감쇠 현상으로 인한 중심 주파수의 다운시프트 현상을 겪기 때문에 기존의 고정된 중심주파수를 이용한 직각복조 방식을 사용해 포락선을 검출할 경우 신호의 바이어스 현상으로 인해 신호 대 잡음비의 손실을 가져온다.
본 논문에서는 기본 주파수 성분 또는 고조파 성분을 이용한 비-모드 영상 기법에서 직각 복조로 인한 에너지 손실을 보완할 수 있는 적응 동적 직각복조 방법을 제안한다. 제안한 방법은 자기회귀 모델 방법을 통하여 주파수 의존형 감쇠 현상으로 인한 중심주파수의 다운시프트를 추정하고, 이를 이용하여 중심주파수를 보상하고 동적 저역 통과필터의 특성을 조정한다.
제안한 방법은 컴퓨터 모사 실험 및 실제 상용 장비를 이용한 In-vitro 실험을 통하여 검증하였다. 신호 대 잡음비의 측면에서 고정 직각복조 방법과 적응 동적 직각복조 방법의 성능을 비교ㆍ평가 및 분석하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

To construct medical ultrasound images, echo signals reflected from boundaries between different types of tissues are typically used and their frequency spectra are theoretically equal to transmitted ultrasound. The quality of ultrasound images is limited mainly by side lobes, grating lobes, and speckle patterns that are associated with spatial and contrast resolutions. To improve these resolutions, tissue harmonic imaging (THI) technique was proposed and employed by commercial ultrasound scanners because it can generate lower levels of side lobes and grating lobes as well as less speckle patterns than the conventional ultrasound imaging. This THI technique relies upon the phenomenon of nonlinear distortion occurring when ultrasound waves travel through the body. The harmonic components generated by this distortion are used to form an image in contrast with the conventional ultrasound imaging.
Ultrasound imaging also suffers from frequency-dependent attenuation of ultrasound that causes the center frequencies of fundamental？ and harmonic frequency components are downshifted along imaging depth. The attenuation leads to lowering signal-to-noise ratio (SNR) as imaging depth increases. This is more critical in THI because SNR of harmonic components is much lower than that of the fundamental one. Therefore, the improvement of SNR is pivotal in signal processing, especially for THI.
This paper proposes one method to improve SNR of fundamental and harmonic images, which is adaptive dynamic quadrature demodulation (QDM). The proposed QDM involves estimating the center frequency of echo signals, which is downshifted along imaging depth because of frequency-dependent attenuation. The estimated values are used to compensate for the frequency downshift and to determine the cutoff frequency of dynamic low-pass filters in the proposed QDM. This estimation can be performed using a 1st and 2nd order autoregressive (AR) model. The performances of the proposed QDM were evaluated and analyzed through computer simulations and in-vitro experiments. The results demonstrated that the proposed QDM is capable of improving SNR by 6 dB at least and thus providing higher spatial and contrast resolutions compared to the conventional QDM.