대형 요소와 고급 빔포머로 2D 초음파 매트릭스 어레이 시야 확대

본 논문은 3‑D 초음파 영상에서 필수적인 대용량 매트릭스 어레이가 갖는 ‘채널 수 과다’ 문제를 해결하고자, 요소 크기를 인위적으로 확대하고 고급 빔포머를 적용해 시야(FOV)를 확장하는 새로운 설계 방식을 제시한다. 서론에서는 3‑D 초음파가 제공하는 전역적 영상 장점에도 불구하고, 전통적인 32×32(총 1024) 어레이가 1λ 이하의 피치를 유지해야 하는 이유와, 이로 인한 시야 제한 및 멀티플렉싱에 따른 프레임 레이트 저하 문제를 설명한다. 기존 해결책으로는 마이크로‑빔포머, 복합·위상 배열, 파노라마 방식, 희소 배열, 행‑열 주소 어레이(RCA) 등이 소개되지만, 각각 해상도 저하, 그레이팅 엽 발생, 실시간성 부족, 전송 전력 감소 등 한계가 있다. 이에 저자들은 ‘large‑element’ 매트릭스 어레이를 제안한다. 요소를 물리적으로 크게 만들면 피치가 늘어나고, 요소 직접성이 좁아져 최소 F‑number이 커지지만, 이는 DAS 방식에서는 해상도와 대비를 크게 악화시킨다. 이를 보완하기 위해 Null Subtraction Imaging(NSI), Directional Coherence Factor(DCF), Minimum Variance(MV)라는 세 가지 비선형 빔포머를 도입한다. NSI는 제로‑평균(apodization)과 두 개의 DC 오프셋을 병렬로 적용해 중앙 널을 제거함으로써 주엽을 좁히고 측면 엽을 억제한다. DCF는 행·열 방향으로 코히런스를 계산해 방향성 정보를 결합해 해상도와 대비를 동시에 향상시킨다. MV는 최소 분산 가중치를 적용해 잡음과 클러터를 최소화하지만 계산량이 크므로, DCF와 동일한 방향성 투영에 적용해 데이터 차원을 축소한다. 시뮬레이션은 K‑wave를 이용해 8×8(64) 대형 요소 어레이(피치 6.7λ, 요소 크기 6.5λ)에서 13개의 스타형 전파각을 사용해 수행되었다. 결과는 NSI가 가장 좁은 주엽(FWHM≈0.45λ)과 -30 dB 이하의 측면 엽을 달성했으며, DCF와 MV도 DAS 대비 측면 엽을 현저히 감소시켰다. 실험에서는 Verasonics 256 시스템에 연결된 1024‑채널 8 MHz 매트릭스 프로브(Vermon)를 사용했다. 요소를 전자적으로 결합해 ‘coupling factor’를 1, 2, 4로 설정했으며, 결합은 전송 지연을 평균화하고 수신 신호를 지연 없이 합산하는 방식으로 구현돼 실제 큰 요소와 거의 동일한 전기적 특성을 보였다. 가상 대형 어레이(Virtual Large Aperture, VLA)를 만들기 위해 프로브를 4개의 사분면으로 이동시켜 전체 시야를 2배 확대하였다. 각 사분면에서 동일한 13개의 전파각을 사용했으며, 결합 계수가 2일 때는 모든 빔포머가 DAS와 동등한 해상도를 유지했다. 특히 NSI는 결합 계수 4까지도 해상도 저하 없이 높은 대비와 낮은 측면 엽을 제공했다. 결론적으로, 요소 크기를 크게 함으로써 채널 수와 하드웨어 복잡도를 크게 줄이면서도, NSI와 같은 고급 빔포머를 적용하면 기존 DAS 수준의 해상도와 대비를 유지할 수 있음을 입증했다. 이는 차세대 3‑D 초음파 시스템에서 대형 매트릭스 어레이 설계가 실현 가능함을 시사하며, 실시간 고해상도 영상, 심장·복부·산부인과 분야에서의 적용 가능성을 크게 확대한다.