[논문 리뷰] Large elements and advanced beamformers for increased field of view in 2-D ultrasound matrix arrays

Mick Gardner, M. L. Oelze|arXiv (Cornell University)|2026. 02. 16.

Ultrasound Imaging and Elastography인용 수 0

한 줄 요약

논문은 2D 초음파 매트릭스 배열에서 소자 크기를 두 배로 늘리면 요소 수를 늘리지 않고 시야(FOV)를 확장할 수 있음을 보여주고, 고급 빔포맷터(NSI, DCF, MV)가 해상도와 영상 품질을 유지할 수 있음을 보여주며, NSI가 시뮬레이션 및 팬텀 실험에서 종종 최상의 해상도를 내는 경우가 많다.

ABSTRACT

Three-dimensional (3D) ultrasound promises various medical applications for abdominal, obstetrics, and cardiovascular imaging. However, ultrasound matrix arrays have extremely high element counts limiting their field of view (FOV). This work seeks to demonstrate an increased field-of-view using a reduced element count array design. The approach is to increase the element size and use advanced beamformers to maintain image quality. The delay and sum (DAS), Null Subtraction Imaging (NSI), directional coherence factor (DCF), and Minimum Variance (MV) beamformers were compared. K-wave simulations of the 3D point-spread functions (PSF) of NSI, DCF, and MV display reduced side lobes and narrowed main lobes compared to DAS. Experiments were conducted using a multiplexed 1024-element matrix array on a Verasonics 256 system. Elements were electronically coupled to imitate a larger pitch and element size. Then, a virtual large aperture was created by using a positioning system to collect data in sections with the matrix array. High-quality images were obtained using a coupling factor of two, doubling the FOV while maintaining the same element count in the virtual large aperture as the original matrix array. The NSI beamformer demonstrated the best resolution performance in simulations and on the large aperture, maintaining the same resolution as uncoupled DAS for coupling factors up to 4. Our results demonstrate how larger matrix arrays could be constructed with larger elements, with resolution maintained by advanced beamformers.

연구 동기 및 목표

• 주기적 2D 매트릭스 배열에서 더 큰 정사각 소자를 사용하면 소자 수를 늘리지 않고도 개구와 시야를 증가시킬 수 있는지 조사한다.
• 고급 빔포머(NSI, DCF, MV)가 소자 크기가 증가할 때 영상 품질을 유지하거나 개선할 수 있는지 평가한다.
• DAS, NSI, DCF, MV의 성능을 시뮬레이션과 다중화된 매트릭스 프로브로 구성된 가상 대형 개구를 사용해 비교한다.
• 큰 소자 사용 및 서로 다른 빔포머를 사용할 때 해상도, 대비, 스펙클 간의 트레이드오프를 평가한다.

제안 방법

• 소자 간 electronic coupling을 시뮬레이션하고 더 큰 소자를 만들기 위해 상자형 소자를 전자적으로 결합하는 commercial 2D 매트릭스 배열(Verasonics 시스템)을 사용한다.
• DAS, NSI, DCF, MV로 빔포밍을 수행하여 해상도 및 아티팩트 수준을 비교한다.
• K-wave 시뮬레이션을 수행하여 NSI, DCF, MV, DAS의 3D PSF를 얻고 측면 리브(side lobes)와 메인 로브 너비를 평가한다.
• 인접 소자 블록을 결합(커플링 계수 1, 2, 4)하고 탐침을 이동시켜 섹션 데이터를 수집하여 가상 대형 개구를 생성한다.
• FWHM, 대비(CR), CNR, gCNR, 스펙클 SNR(sSNR)을 사용하여 영상 품질을 평가한다.
• 각 빔포머의 알고리즘 복잡도와 런타임을 분석하여 계산 가능성을 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주기적 2D 매트릭스 배열에서 더 큰 소자 크기가 활성 소자 수를 늘리지 않고 시야를 확장할 수 있는가?
• RQ2 소자 크기가 증가할 때 어떤 빔포머가 해상도를 가장 잘 보존하고 사이드 로 lobes를 관리하는가(DAS vs NSI vs DCF vs MV)?
• RQ3 커플링 계수 및 가상 개구 구성이 다양한 빔포머에 대해 해상도, 대비, 스펙클에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 큰 소자 조건에서 빔포머 간 영상 품질 지표(해상도, 대비, CNR, gCNR, sSNR) 간의 트레이드오프는 어떠한가?

주요 결과

• NSI가 시뮬레이션에서 고급 빔포머 중 최상의 해상도를 보여주며, 가로/세로 FWHM이 약 1.22–1.25 mm이고 메인 로브와 사이드 로브의 대조가 최대 41.3 dB에 이른다.
• DAS는 가장 높은 사이드 로브와 가장 낮은 대비를 보이지만 여전히 가장 계산 효율적이며, MV는 큰 소자에서 경쟁력 있는 CNR 및 gCNR를 제공하지만 해상도는 더 떨어진다.
• 큰 소자(커플링 계수 2)를 NSI와 결합하면 비결합 DAS에 비해 해상도는 비슷하게 유지되면서 FOV가 두 배로 증가하여 팬텀 및 가상 개구 맥락에서 유사한 해상도를 달성한다.
• 커플링 계수 4는 해상도와 영상 품질을 저하시켜 거친 영상 및 더 큰 무효 영역(dead zones)을 생성한다. 이는 실용적인 소자 확장의 상한을 시사한다.
• DC-offset NSI 튜닝은 메인 로브를 예리하게 유지하고 사이드 로브를 억제하는 반면, DCF 성능은 방향성(coherence) 프로젝트에 의존하며 스펙클을 감소시킬 수 있다.
• 대형 소자에 대해 MV의 성능은 어포다이제이션 가중치 다양성이 낮은 소자 수로 인해 효과가 낮다.
• NSI는 소자 수가 적은 가상 개구에 대해 DAS 다음으로 빠른 실행 시간을 보여주는 고급 빔포머들 중 우수한 런타임 효율을 시연한다.