Real-Time 3D Ultrasound Imaging Method Using a Cross Array Based on Synthetic Aperture Focusing: I. Spherical Wave Transmission Approach

3D imaging systems using 2D phased arrays have a large number of active channels, compelling to use a very expensive and bulky beamforming hardware, and suffer from low volume rate because, in principle, at least one ultrasound transmit-receive event is necessary to construct each scanline. A high speed 3D imaging method using a cross array proposed previously to solve the above limitations can implement fast scanning and dynamic focusing in the lateral direction but suffer from low resolution except at the fixed transmit focusing along the elevational direction. To overcome these limitations, we propose a new real-time volumetric imaging method using a cross array based on the synthetic aperture technique. In the proposed method, ultrasound wave is transmitted successively using each elements of an 1D transmit array transducer, one at a time, which is placed along the elevational direction and for each firing, the returning pulse echoes are received using all elements of an 1D receive array transducer placed along the lateral direction. On receive, by employing the conventional dynamic focusing and synthetic aperture method along lateral and elevational directions, respectively, ultrasound waves can be focused effectively at all imaging points. In addition, in the proposed method, a volume of interest consisting of any required number of slice images, can be constructed with the same number of transmit-receive steps as the total number of transmit array elements. Computer simulation results show that the proposed method can provide the same and greatly improved resolutions in the lateral and elevational directions, respectively, compared with the 3D imaging method using a cross array based on the conventional fixed focusing. In the accompanying paper, we will also propose a new real-time 3D imaging method using a cross array for improving transmit power and elevational spatial resolution, which uses linear wave fronts on transmit.

합성구경 기반의 교차어레이를 이용한 실시간 3차원 초음파 영상화 기법 : I. 구형파 송신 방법

이차원 위상 어레이 변환자를 이용하는 실시간 3차원 영상 시스템은 많은 수의 채널 수를 가지기 때문에 고 비용의 매우 복잡한 빔집속부를 사용하여야 한다. 또한 각 주사선에 대해 초음파를 매번 송수신해야 하므로 볼륨 레이트 또한 낮게 된다. 이를 해결하기 위해 기존에 제안된 교차어레이를 이용한 3차원 영상화 기법은 실시간 3차원 영상을 위한 고속 주사가 가능하고 측방향으로는 동적집속이 가능하지만, 고도방향으로는 송신집속깊이를 제외하고는 고도방향의 해상도가 저하된다는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 본 논문에서는 합성구경 기반의 교차 어레이를 사용한 3차원 영상화 기법을 제안한다. 제안한 방법에서는 고도방향으로 놓인 일차원 송신어레이의 각 변환소자를 한번에 하나씩 순차적으로 송신하고, 반사된 신호들을 측방향으로 놓인 일차원 수신어레이의 모든 변환소자를 이용하여 수신하게 된다. 수신시 측방향으로는 동적집속, 고도방향으로는 합성구경 기법을 이용하여 빔을 집속함으로써 모든 영상 점에 대해 측방향과 고도방향 모두 동적집속된 효과를 얻을 수 있다. 또한, 제안한 방법은 고도방향으로 합성구경 기법을 이용함으로써 송신어레이 변화소자 개수만큼의 초음파 송수신 과정을 통해 관심 영역의 입제영상을 임의의 요구되는 단면영상 수를 이용하여 구성할 수 있다. 제안한 방법을 통해 기존의 고정집속 기반의 교차어레이를 이용한 3차원 영상화 기법과 비교하여 측방향으로는 동일하고 고도방향으로는 훨씬 우수한 해상도의 영상을 획득할 수 있음을 컴퓨터 모사실험을 통해 점증하였다. 또한 동반논문에서는 제안한 방법에 비해 송신전력과 고도방향 해상도를 더욱 향상시킬 수 있는 선형파면 기반의 합성구경 기법을 제안한다.