GPU-Accelerated Signal Processing of Beam Formation and Envelope Detection for Real-Time Ultrasound Imaging

실시간 초음파 영상을 위한 빔형성 및 포락선 검파의 GPU 가속 신호 처리

High-speed signal processing is essential for real-time displays in medical imaging applications. Photoacoustic tomography provides structural, functional, and molecular imaging with high resolution in a noninvasive way. Especially, three-dimensional image reconstruction, functional imaging, and real-time display require fast signal processing. Here, we provide a high-speed signal processing method using a graphic processing unit (GPU) to reconstruct ultrasound or photoacoustic B-mode images for real-time displays. The signal processing speed was improved by parallel processing of the beam formation and the envelop detection required for image reconstruction using a massive number of GPU cores. The time using a GPU was 2.778 ms, on average, to process a single-frame B-mode image with $128{\times}3200$ pixels while it was about 3.165 seconds using a central processing unit (CPU). The processing time using a GPU was short enough to reconstruct three-dimensional images for real-time displays.

의료 영상 적용 분야에서 실시간 영상 재생을 위해 고속 신호 및 영상 처리는 필수 요건이다. 광음향 단층촬영은 비침습적 방법으로 고해상도의 구조와 기능 및 분자 영상을 제공하는데, 특히, 3차원 영상 재구성, 기능 영상 및 실시간 영상 재생 등에는 빠른 신호 처리가 요구된다. 본 연구에서 우리는 실시간 영상 재생을 위해 그래픽 처리 장치(GPU)를 이용해 초음파 혹은 광음향 단층 촬영 등의 B-모드 영상을 재구성하는 고속 영상 신호 처리 방법을 제안한다. 영상 재구성에 요구되는 빔형성과 포락선 검파 과정을 대량의 GPU 코어를 이용한 병렬 계산으로 신호 처리 속도가 개선되었다. 기존의 신호 처리 방법인 중앙처리장치만 (CPU)을 이용했을 경우 $128{\times}3200$ 픽셀 크기의 B-모드 영상 한 프레임의 신호 처리에 걸린 시간이 3.165 초인 반면에, GPU를 이용한 경우 평균적으로 2.778 ms로 3차원 영상 재구성 및 실시간 영상 재생 등을 위해 충분히 짧은 시간이었다.