[논문]수십 MHz 대역 초음파 트랜스듀서와 그 응용

하강렬; 김무준

수십 MHz 대역 초음파 트랜스듀서와 그 응용
Ultrasound Transducers in Several Tens MHz Band and Their Applications 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.22 no.8, 2003년, pp.622 - 628

초록
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최근 안과 또는 피부과의 의료진단분야에 도입하기 위한 수십 μm 이하의 높은 공간분해능을 갖는 수십 MHz 대역의 초음파 트랜스듀서에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다. 본 해설에서는 그 연구의 배경 및 트랜스듀서의 구조와 특성, 그리고 그것을 이용하여 얻은 영상에 대하여 간략하게 소개하였다.

Recently, ultrasound transducers in several tens MHz band, which can give the spatial resolution higher than several tens micrometers, have been intensively studying for applying to medical diagnostic fields of ophthalmology and dermatology. In this paper, the background of the studies, structures a...

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문제 정의

본 해설에서는 최근 미국, 캐나다 등에서 활발히 연구되고 있는 수십 MHz 대역의 초고주파 초음파 트랜스듀서의 개발과 그것에 의해 얻어진 초음파 영상의 의료진단에의 응용, 특히 안과 및 피부과 분야에의 응용에 관하여 소개하였다. 물체 내부의 수십 μm 크기의 미세 조직을 영상화 할 수 있는 수십 MHz 대역의 초고주파는 여기에서 소개한 안과, 피부과의 의학 영역뿐만 아니라 다른 여러 분야에서도 그 응용이 크게 기대되는 새로운 기술인만큼 국내에서도 많은 연구가 수행되길 바란다.
본 해설에서는 최근 미국, 캐나다 등에서 활발히 연구되고 있는 수십 MHz 대역의 초고주파 초음파 트랜스듀서의 개발과 그것에 의해 얻어진 초음파 영상의 의료진단에의 응용, 특히 안과 및 피부과 분야에의 응용에 관하여 소개하였다. 물체 내부의 수십 μm 크기의 미세 조직을 영상화 할 수 있는 수십 MHz 대역의 초고주파는 여기에서 소개한 안과, 피부과의 의학 영역뿐만 아니라 다른 여러 분야에서도 그 응용이 크게 기대되는 새로운 기술인만큼 국내에서도 많은 연구가 수행되길 바란다.

제안 방법

또한 그들은 EPO-TEK 301과 Parylene 을 제2정합층 또는 음향렌즈 재료로 사용하였는데, 이 재료들에 의해 비대역이 50〜70%이고, 삽입손실이 12.5〜 23.0 出 인 우수한 단일소자 트랜스듀서를 제작하였다.
3 MRayl의 음향임피던스를 가지는 것으로 보고하고 있다. 또한 그들은 EPO-TEK 301과 Parylene을 제2정합층 또는 음향렌즈 재료로 사용하였는데, 이 재료들에 의해 비대역이 50〜70%이고, 삽입손실이 12.5〜23.0 dB인 우수한 단일소자 트랜스듀서를 제작하였다.

성능/효과

여기서 사용된 PZT를 pillai로 하여 만든 1-3 복합 트랜스듀서의 경우 그 형상이 두께모드로 동작하기 어려워 전기기계 결합계수 등의 특성이 떨어지며, PV8F는 유연하며 음향 임피던스가 작아 그림 4의 B형으로 제작이 용이하나 전기기계 결합계수가 작은데 따른 송신효율이 나빠 성능이 좋지 않는 것으로 나타났다.
세라믹이 우수한 것을 알 수 있다. 여기서 사용된 PZT를 pillar로 하여 만든 1-3 복합 트랜스듀서의 경우 그 형상이 두께모드로 동작하기 어려워 전기기계 결합계수 등의 특성이 떨어지며, PV8F는 유연하며 음향 임피던스가 작아 그림 4의 B형으로 제작이 용이하나 전기기계 결합계수가 작은데 따른 송신효율이 나빠 성능이 좋지 않는 것으로 나타났다. 결론적으로 Snook 등[10]은 전기적인 결합을 포함하여 전체적으로 평가했을 때 LiNbO₃ 단결정이 단일소자 트랜스듀서로서 가장 유리한 것으로 보고하고 있다.
인체 조직에서의 음파의 감쇠는 대략 주파수 /의 1.2 승에 비례하여, ^0.5x/L2[<®/cm] (단, /는 MHz) 로 주어진다[乩 일정한 감쇠 하에서 음파의 전파거리는 시스템의 동적영역(dynamic range: DR)에 따라 달라지는데, 그림 3에 DR을 60 dB, 80 dB, 100 曲로 가정하였을 경우의 주파수별 영상화 가능거리를 나타내었다.
여기서 영상화 가능거리란 대부분의 초음파진단장치가 반사파를 이용하는 것을 고려하여 생체 내 음파 전파거리의 1/2로 한 것이다. 현재로서 DR=80dB이면 우수한 장치에 해당하는데, 그림 3으로부터 10 MHz의 영상화 가능거리가 5 cm 정도임을 알수 있다. 실제에 있어서는 반사 및 산란에 따른 손실로 인해 그 거리는 더욱 줄어들며, 이러한 감쇠 때문에 장기나 태아 등을 진단하는 일반 복부용 초음파 진단장치의 주파수는 최고 10 MHz 정도로 제한되고, 그 공간분해능은 수백 μm 정도가 된다.
여기서 영상화 가능거리란 대부분의 초음파진단장치가 반사파를 이용하는 것을 고려하여 생체 내 음파 전파거리의 1/2로 한 것이다. 현재로서 DR=80dB이면 우수한 장치에 해당하는데, 그림 3으로부터 10 MHz의 영상화 가능거리가 5 cm 정도임을 알수 있다. 실제에 있어서는 반사 및 산란에 따른 손실로 인해 그 거리는 더욱 줄어들며, 이러한 감쇠 때문에 장기나 태아 등을 진단하는 일반 복부용 초음파 진단장치의 주파수는 최고 10 MHz 정도로 제한되고, 그 공간분해능은 수백 μm 정도가 된다.

후속연구

VHF 대역 트랜스듀서에 의한 생체의 초음파 영상은 안과 및 피부과 영역 이외에도 혈관 내에 투입하여 혈관 벽의 형상 및 혈류, 심장의 움직임 등을 영상화하는 Intravascular Ultrasound 분야[19,20]에서 현재 유용하게 사용되고 있으며 금후 생물학, 비파괴검사에의 활용 등 새로운 응용분야의 개척이 기대된다. 특히 최근 수행되고 있는 생쥐 등 소형동물을 이용한 고분해능의 초음파 영상 획득과 관련한 연구[21,22]는 태아의 성장, 종양 등 질환의 상태변화를 비롯하여, 생체 내 조직의 움직임이 나주사기 등으로 투여된 약물의 흡수과정 등을 실시간으로 모니터하는 것과 관련되어 있어 의학, 생물학 분야의 기초 연구장비의 개발과 함께 새로운 정보와 지식을 획득하는데 크게 기여할 것으로 생각된다.
물체 내부의 수십 U-m 크기의 미세 조직을 영상화 할 수 있는 수십 M田 대역의 초고주파는 여기에서 소개한 안과, 피부과의 의학 영역뿐만 아니라 다른 여러 분야에서도 그 응용이 크게 기대되는 새로운 기술인 만큼 국내에서도 많은 연구가 수행되길 바란다.
이에 따른초점거리 및 배열 전체의 크기는 1cm 미만으로 기존 트랜스듀서의 수 cm에 비해 매우 작다. 한편, PZN-PT 등의 압전 단결정은 k₃₃가 0.94에 까지 이르므로[11] 이것을 PZT 대신 사용하여 복합 트랜스듀서를 제작하면 그 성능은 크게 향상되는 것으로 보고되고 있어 금후 이의 응용이 기대된다[14].
한편, PZN-PT 등의 압전 단결정은 如3 가 0.94에 까지 이르므로[11] 이것을 PZT 대신 사용하여 복합 트랜스듀서를 제작하면 그 성능은 크게 향상되는 것으로 보고되고 있어 금후 이의 응용이 기대된다[14].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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