초음파 파워의 정확한 측정은 초음파 의료 장비의 품질 보증과 안전성에 중요하다. 본 논문에서는 초음파 조사가 on/off를 반복하는 동안의 표적에 작용하는 방사 힘과 부력과 같은 다른 원인에서 기인하는 저울 지시 값의 시간에 따른 변화로부터 초음파 파워를 결정하는 간단한 이론을 제시하였다. 아울러 개발된 초음파 파워 측정 시스템에 대해 정밀 기계적 정렬장치, 전기신호 발생부 구성, 제어 및 측정부 구성 및 적절한 절차와 함께 상세히 기술하였다. 본 시스템으로 1 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz에서 10 mW에서 10 W범위에 걸쳐 측정된 결과를 다른 나라에서 교정된 기준 데이터와 상호 비교한 결과 상대 편차가 $5\%$ 이내로 확인되었다.
초음파 파워의 정확한 측정은 초음파 의료 장비의 품질 보증과 안전성에 중요하다. 본 논문에서는 초음파 조사가 on/off를 반복하는 동안의 표적에 작용하는 방사 힘과 부력과 같은 다른 원인에서 기인하는 저울 지시 값의 시간에 따른 변화로부터 초음파 파워를 결정하는 간단한 이론을 제시하였다. 아울러 개발된 초음파 파워 측정 시스템에 대해 정밀 기계적 정렬장치, 전기신호 발생부 구성, 제어 및 측정부 구성 및 적절한 절차와 함께 상세히 기술하였다. 본 시스템으로 1 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz에서 10 mW에서 10 W범위에 걸쳐 측정된 결과를 다른 나라에서 교정된 기준 데이터와 상호 비교한 결과 상대 편차가 $5\%$ 이내로 확인되었다.
The precise measurement of ultrasonic power is important to the qualify assurance and the safety of medical ultrasonic equipments In the Present work, a brier theory was introduced to determine the ultrasonic Power from the time valving balance-indication due to the radiation force acting on an abso...
The precise measurement of ultrasonic power is important to the qualify assurance and the safety of medical ultrasonic equipments In the Present work, a brier theory was introduced to determine the ultrasonic Power from the time valving balance-indication due to the radiation force acting on an absorbing target and/or other causes such as buoyancy during the repetition of on/off behavior of ultrasonic irradiation. The developed automated system measuring the ultrasonic power was described in detail with the precise mechanical alignment tool , the electric signal generation network, the control and measurement network and the appropriate procedure. The ultrasonic power measured by the developed system was compared to the reference data calibrated by the other national metrology institute at 1 MHz, 5 MHz, 10 MHz, and 15 MHz over the range 10 mW to 10 W. Their relative differences are within $5\%$.
The precise measurement of ultrasonic power is important to the qualify assurance and the safety of medical ultrasonic equipments In the Present work, a brier theory was introduced to determine the ultrasonic Power from the time valving balance-indication due to the radiation force acting on an absorbing target and/or other causes such as buoyancy during the repetition of on/off behavior of ultrasonic irradiation. The developed automated system measuring the ultrasonic power was described in detail with the precise mechanical alignment tool , the electric signal generation network, the control and measurement network and the appropriate procedure. The ultrasonic power measured by the developed system was compared to the reference data calibrated by the other national metrology institute at 1 MHz, 5 MHz, 10 MHz, and 15 MHz over the range 10 mW to 10 W. Their relative differences are within $5\%$.
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문제 정의
본 논문에서는 의료용 초음파 진단기 및 치료기에 사용되는 주파수 대역과 음향파워 범위를 대상으로 초음파 음장 하에서 흡음용 표적에 가해진 방사 힘에 비례하는 등가질량을 전자저울로 측정하여 음향파워를 결정하는 정밀 측정 시스템 구성과 성능 평가에 대해 제시하였다. 동일한 초음파 변환기를 대상으로 본 논문에서 구성한 시스템으로 측정한 결과와 독일표준국의 측정결과를 상호비교한 결과 ± 5 % 이내에서 일치하는 것으로 나타났다.
본 논문에서는 의료용 초음파 진단기 및 치료기에 사용되는 주파수 대역과 음향파워 범위를 대상으로 초음파 음장 하에서 흡음용 표적에 가해진 방사힘에 비례흐}는 등 가질량을 전자저울로 측정하여 음향파워를 결정하는 정밀 측정 시스템 구성과 성능평가에 대해 제시하였다.
따라서 반사형 표적을 사용 한 경우에는 초음파 변환기와 표적 사이의 거리에 따른 감쇄 보정량을 정확히 산정하기 어려울 뿐만 아니라 정확한 각도로 표적을 정렬시키는 것이 어렵기 때문에 정 밀 측정에는 흡음형 표적이 유리하다. 본 논문에서는 흡음형 표적에 대한 방사 힘 측정원리와 이를 사용한 초음파파워 측정시스템에 국한하여 기술하기로 한다.
초음파가 반사형 표적에 입사할 때 저울 지시값은 방사힘에 대해서만 변화하는 반면, 흡음형 표적에 입사할 때에는 방사 힘 이외에 부력의 변화를 동반한다. 본 논문에서는 흡음형 표적을 사용할 때 방사힘과 부력변화가 혼재된 저울 지시값의 시간에 따른 변화로부터 방사힘을 수치적으로 분리하여 초음파 파워를 결정하는 방법을 제시하였다. 또 이를 구현하기 위해 개발된 측정 시스템의 구성, 측정에 영향을 미치는 중요 인자들에 의한 보정 및 편차 산정 예를 실제 측정 데이터를 이용하여 상세하게 기술 하였다.
따라서 반사형 표적을 사용 한 경우에는 초음파 변환기와 표적 사이의 거리에 따른 감쇄 보정량을 정확히 산정하기 어려울 뿐만 아니라 정확한 각도로 표적을 정렬시키는 것이 어렵기 때문에 정 밀 측정에는 흡음형 표적이 유리하다. 본 논문에서는 흡음형 표적에 대한 방사 힘 측정원리와 이를 사용한 초음파파워 측정시스템에 국한하여 기술하기로 한다.
초음파가 반사형 표적에 입사할 때 저울 지시값은 방사힘에 대해서만 변화하는 반면, 흡음형 표적에 입사할 때에는 방사 힘 이외에 부력의 변화를 동반한다. 본 논문에서는 흡음형 표적을 사용할 때 방사힘과 부력변화가 혼재된 저울 지시값의 시간에 따른 변화로부터 방사힘을 수치적으로 분리하여 초음파 파워를 결정하는 방법을 제시하였다. 또 이를 구현하기 위해 개발된 측정 시스템의 구성, 측정에 영향을 미치는 중요 인자들에 의한 보정 및 편차 산정 예를 실제 측정 데이터를 이용하여 상세하게 기술 하였다.
제안 방법
또 이를 구현하기 위해 개발된 측정 시스템의 구성, 측정에 영향을 미치는 중요 인자들에 의한 보정 및 편차 산정 예를 실제 측정 데이터를 이용하여 상세하게 기술 하였다. 끝으로 주파수 1 MHz - 15 MHz, 출력 10 mW -10W 범위에서의 성능을 해외교정 결과를 기준값으로 비교하여 평가한 결과 등을 제시하였다.
또 이를 구현하기 위해 개발된 측정 시스템의 구성, 측정에 영향을 미치는 중요 인자들에 의한 보정 및 편차 산정 예를 실제 측정 데이터를 이용하여 상세하게 기술 하였다. 끝으로 주파수 1 MHz - 15 MHz, 출력 10 mW -10W 범위에서의 성능을 해외교정 결과를 기준값으로 비교하여 평가한 결과 등을 제시하였다.
본 논문에서는 흡음형 표적을 사용할 때 방사힘과 부력변화가 혼재된 저울 지시값의 시간에 따른 변화로부터 방사힘을 수치적으로 분리하여 초음파 파워를 결정하는 방법을 제시하였다. 또 이를 구현하기 위해 개발된 측정 시스템의 구성, 측정에 영향을 미치는 중요 인자들에 의한 보정 및 편차 산정 예를 실제 측정 데이터를 이용하여 상세하게 기술 하였다. 끝으로 주파수 1 MHz - 15 MHz, 출력 10 mW -10W 범위에서의 성능을 해외교정 결과를 기준값으로 비교하여 평가한 결과 등을 제시하였다.
본 논문에서는 흡음형 표적을 사용할 때 방사힘과 부력변화가 혼재된 저울 지시값의 시간에 따른 변화로부터 방사힘을 수치적으로 분리하여 초음파 파워를 결정하는 방법을 제시하였다. 또 이를 구현하기 위해 개발된 측정 시스템의 구성, 측정에 영향을 미치는 중요 인자들에 의한 보정 및 편차 산정 예를 실제 측정 데이터를 이용하여 상세하게 기술 하였다. 끝으로 주파수 1 MHz - 15 MHz, 출력 10 mW -10W 범위에서의 성능을 해외교정 결과를 기준값으로 비교하여 평가한 결과 등을 제시하였다.
mm이고, z-축의 최대 이송 거리는 150 mm이다. 수조의 무게에 의해 스테이지가 기울어지는 것을 바로잡기 위해 x-y 스테이지를 지지하는 수평판 앞쪽 좌우에 스테인레스 강철 줄을 고정하고, 각각의 끈이 2 개의 도르래를 거쳐 뒤쪽에서 수평 보정용 질량체 (counter mass)를 올려놓을 수 있는 구조를 채택하였다
mm이고, z-축의 최대 이송 거리는 150 mm이다. 수조의 무게에 의해 스테이지가 기울어지는 것을 바로잡기 위해 x-y 스테이지를 지지하는 수평판 앞쪽 좌우에 스테인레스 강철 줄을 고정하고, 각각의 끈이 2 개의 도르래를 거쳐 뒤쪽에서 수평 보정용 질량체 (counter mass)를 올려놓을 수 있는 구조를 채택하였다
이 제어기는 z-축의 이송 거리를 디지털 길이 표시기의 지시 값을 기준으로 제어된다. 이 제어기는 외장형 장치로 2 단 투명 케이스 아래 칸의 아크릴 외벽 상단에 부착된 2 개의 공기 순환 팬 (4C-230HS, BI-sonics Tech. Co.) 및 조명 장치 (30 W, DL-07WC, Bormred Co.)들의 on/off 스위치와 디지털 표시기 지시값 초기화 스위치가 부착되어 있으며, 자동 이송 및 위치 데이터 수집에 관련된 명령들을 RS-232 전송 케이블을 통해 컴퓨터와 주고받을 수 있도록 제작하였다.
이 제어기는 z-축의 이송 거리를 디지털 길이 표시기의 지시 값을 기준으로 제어된다. 이 제어기는 외장형 장치로 2 단 투명 케이스 아래 칸의 아크릴 외벽 상단에 부착된 2 개의 공기 순환 팬 (4C-230HS, BI-sonics Tech. Co.) 및 조명 장치 (30 W, DL-07WC, Bormred Co.)들의 on/off 스위치와 디지털 표시기 지시값 초기화 스위치가 부착되어 있으며, 자동 이송 및 위치 데이터 수집에 관련된 명령들을 RS-232 전송 케이블을 통해 컴퓨터와 주고받을 수 있도록 제작하였다.
전자저울의 설정상태를 점검하고, 측정환경에 적합한 설정으로 맞춘다[7]. 전자저울에 질량이 서로 다른 5 개의 교정된 분동을 차례로 올려놓으면서 저울의 지시 값을 기록하고, 편차
와 선형성을 체크한다. 선형성에 문제가 없으면 신호선과 데이터 전송선 등의 배선상태를 점검하고, 초음파 파워 측정 자동화 프로그램을 실행시킨다.
정렬장치 제어기는 PCI 버스 방식의 48-bit 디지털 입출력 인터페이스 카드 (PCI-1751, Advantech Co.)와 SCSI-II 방식 터미널모듈 연결장치 (ADAM-3968/20), 회전 부호기 일체형 미소 이동 제어 핸들 (ENH, Autonics Co.), 7 개의 액정 숫자 표시기 (D1SA, Autonics Co.)를 이용하여 제작하였다. 이 제어기는 z-축의 이송 거리를 디지털 길이 표시기의 지시 값을 기준으로 제어된다.
)로 약 2 kPa의 진공상태로 12시간 이상을 유지하여 물속에 함유되어 있는 가스와 기포를 제거하여 만든다. 제조된 기포가 제거된 순수한 물을 비이커에 담은 다음 물의 전기전도도, 산도 (pH) 및 용존 산소량을 측정하여 기록하고, 흡음형 표적, 표적걸이용 백금선을 비이커에 함께 담아 1 시간 이상 젖게
(wetting) 한다. 측정용 수조에 제조된 물과 함께 초음파 변환기를 설치하고 뚜껑을 닫고 같은 시간 동안을 방치한다.
)로 약 2 kPa의 진공상태로 12시간 이상을 유지하여 물속에 함유되어 있는 가스와 기포를 제거하여 만든다. 제조된 기포가 제거된 순수한 물을 비이커에 담은 다음 물의 전기전도도, 산도 (pH) 및 용존 산소량을 측정하여 기록하고, 흡음형 표적, 표적걸이용 백금선을 비이커에 함께 담아 1 시간 이상 젖게
(wetting) 한다. 측정용 수조에 제조된 물과 함께 초음파 변환기를 설치하고 뚜껑을 닫고 같은 시간 동안을 방치한다.
초음파 변환기는 압전 소자 (PZT 5A, Valpey-Fisher Co.)를 사용하여 명목주파수가 1 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz인 네 종류를 제작하여 측정 장치의 성능을 평가하였다. 송신용 초음파 변환기의 구조는 그림 4와 같다.
초음파 변환기는 압전 소자 (PZT 5A, Valpey-Fisher Co.)를 사용하여 명목주파수가 1 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz인 네 종류를 제작하여 측정 장치의 성능을 평가하였다. 송신용 초음파 변환기의 구조는 그림 4와 같다.
대상 데이터
측정시스템의 성능을 평가하기 위하여 동일한 초음파 변환기로 독일표준국인 PTB의 측정결과와 상호 비교하였다. 비교 측정에 사용된 변환기는 앞서 기술한 명목주파수가 1 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz 인 4 종을 사용하였다. 표 4는 이들 초음파 변환기를 사용하여 인가 전압에 따른 음향파워를 측정한 두 기관의 교정 결과를 보여주고 있다.
측정시스템의 성능을 평가하기 위하여 동일한 초음파 변환기로 독일표준국인 PTB의 측정결과와 상호 비교하였다. 비교 측정에 사용된 변환기는 앞서 기술한 명목주파수가 1 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz 인 4 종을 사용하였다. 표 4는 이들 초음파 변환기를 사용하여 인가 전압에 따른 음향파워를 측정한 두 기관의 교정 결과를 보여주고 있다.
이 케이스를 2 단으로 구성한 것은 수조 보다 상단에 배치되는 저울을 지지하기 위한 것이다. 상단과 하단을 분리하는 판과 밑판은 가로 800 mm, 세로 700 mm, 두께 20 mm인 열처리된 알루미늄 판 2 장을 사용하여, 직경 30 mm, 높이 700 mm인 스테인레스 304 강철 봉 6 개로 두 판이 서로 평행을 유지하도록 제작하였다. 가장 아래쪽에 배치된 알루미늄 판에 4 개의 다리 겸용 수평 조절 나사와 정밀 정렬을 위한 3 축 이송 스테이지가 설치되어 있다.
이 케이스를 2 단으로 구성한 것은 수조 보다 상단에 배치되는 저울을 지지하기 위한 것이다. 상단과 하단을 분리하는 판과 밑판은 가로 800 mm, 세로 700 mm, 두께 20 mm인 열처리된 알루미늄 판 2 장을 사용하여, 직경 30 mm, 높이 700 mm인 스테인레스 304 강철 봉 6 개로 두 판이 서로 평행을 유지하도록 제작하였다. 가장 아래쪽에 배치된 알루미늄 판에 4 개의 다리 겸용 수평 조절 나사와 정밀 정렬을 위한 3 축 이송 스테이지가 설치되어 있다.
수조는 약 2,650 cm3 (내경: 150 mm, 높이 150 mm)의 부피를 갖도록 두께 5 mm 원통형 아크릴 관을 사용하여 제작하였다. 수조 위 부분은 물 표면에서의 증발, 대류 현상으로부터 야기되는 신호의 불안정을 최소화하기 위해 표적을 전자저울에 연결하기 위한 직경 0.
수조는 약 2,650 cm3 (내경: 150 mm, 높이 150 mm)의 부피를 갖도록 두께 5 mm 원통형 아크릴 관을 사용하여 제작하였다. 수조 위 부분은 물 표면에서의 증발, 대류 현상으로부터 야기되는 신호의 불안정을 최소화하기 위해 표적을 전자저울에 연결하기 위한 직경 0.
05 mm의 백금선이 지나가는 구멍 (직경 10 mm)을 제외하고는 모든 부분을 밀폐하였다. 수조는 직경 10 mm, 길이 150 mm인 스테인레스 봉으로 제작된 세 개의 다리에 의해 지지되어 있으며, 다리 아래 부분에는 수조의 수평을 맞추기 위해 높이 조절용 나사를 삽입하였다. 수조 아래 부분은 정 중앙에서 초음파 변환기가 바닥 면을 관통하여 방사 면이 위쪽을 향하도록 설치할 수 있도록 제작하였다.
05 mm의 백금선이 지나가는 구멍 (직경 10 mm)을 제외하고는 모든 부분을 밀폐하였다. 수조는 직경 10 mm, 길이 150 mm인 스테인레스 봉으로 제작된 세 개의 다리에 의해 지지되어 있으며, 다리 아래 부분에는 수조의 수평을 맞추기 위해 높이 조절용 나사를 삽입하였다. 수조 아래 부분은 정 중앙에서 초음파 변환기가 바닥 면을 관통하여 방사 면이 위쪽을 향하도록 설치할 수 있도록 제작하였다.
전동 방식으로 구동하는 z-축에는 LM-가이드 (B-M6F, THK Co.)와 ball screw (BIF 1605-5, THK Co.)를 사용하였으며, 분해능 1 μ m인 디지털 길이 표시기 (MKT1, Fagor Co.)와 충돌을 방지하기 위한 리미트 스위치 2 개가 상단과 하단에 각각 부착되어 있다.
정렬장치 제어기는 PCI 버스 방식의 48-bit 디지털 입출력 인터페이스 카드 (PCI-1751, Advantech Co.)와 SCSI-II 방식 터미널모듈 연결장치 (ADAM-3968/20), 회전 부호기 일체형 미소 이동 제어 핸들 (ENH, Autonics Co.), 7 개의 액정 숫자 표시기 (D1SA, Autonics Co.)를 이용하여 제작하였다. 이 제어기는 z-축의 이송 거리를 디지털 길이 표시기의 지시 값을 기준으로 제어된다.
흡음형 표적은 독일 연방물리기술청 (PTB)에서 개발된 것을 사용하였다. PTB에서 개발된 표적은 Ethylen-Propylen-Terpolymer 합성고무를 원료로 제작되었으며, 표면 반사를 최대한 줄이기 위해 초음파 음장에 노출되는 부분이 쐐기형으로 되어 있다.
흡음형 표적은 독일 연방물리기술청 (PTB)에서 개발된 것을 사용하였다. PTB에서 개발된 표적은 Ethylen-Propylen-Terpolymer 합성고무를 원료로 제작되었으며, 표면 반사를 최대한 줄이기 위해 초음파 음장에 노출되는 부분이 쐐기형으로 되어 있다.
데이터처리
측정시스템의 성능을 평가하기 위하여 동일한 초음파 변환기로 독일표준국인 PTB의 측정결과와 상호 비교하였다. 비교 측정에 사용된 변환기는 앞서 기술한 명목주파수가 1 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz 인 4 종을 사용하였다.
측정시스템의 성능을 평가하기 위하여 동일한 초음파 변환기로 독일표준국인 PTB의 측정결과와 상호 비교하였다. 비교 측정에 사용된 변환기는 앞서 기술한 명목주파수가 1 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz 인 4 종을 사용하였다.
성능/효과
본 논문에서는 의료용 초음파 진단기 및 치료기에 사용되는 주파수 대역과 음향파워 범위를 대상으로 초음파 음장 하에서 흡음용 표적에 가해진 방사 힘에 비례하는 등가질량을 전자저울로 측정하여 음향파워를 결정하는 정밀 측정 시스템 구성과 성능 평가에 대해 제시하였다. 동일한 초음파 변환기를 대상으로 본 논문에서 구성한 시스템으로 측정한 결과와 독일표준국의 측정결과를 상호비교한 결과 ± 5 % 이내에서 일치하는 것으로 나타났다.
동일한 초음파 변환기를 대상으로 본 논문에서 구성한 시스템으로 측정한 결과와 독일표준국의 측정결과를 상호비교한 결과 ± 5 % 이내에서 일치하는 것으로 나타났다.
후속연구
방사힘 측정 원리에 의한 초음파 파워 측정의 불확도를 줄이기 위해서는 측정에 사용되는 흡음용 표적의 결함을 최소화하여야 한다. 이를 위해서는 표적의 음향 성능을 보다 정밀하게 측정할 수 있는 기술과 초음파를 완전 흡수할 수 있는 표적 제작 기술이 요구되며, 앞으로 이에 대한 연구를 계속 수행해 나갈 것이다.
방사힘 측정 원리에 의한 초음파 파워 측정의 불확도를 줄이기 위해서는 측정에 사용되는 흡음용 표적의 결함을 최소화하여야 한다. 이를 위해서는 표적의 음향 성능을 보다 정밀하게 측정할 수 있는 기술과 초음파를 완전 흡수할 수 있는 표적 제작 기술이 요구되며, 앞으로 이에 대한 연구를 계속 수행해 나갈 것이다.
참고문헌 (15)
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J. Zieniuk, R. C. Chivers, 'Measurement of ultrasonic exposure with radiation force and thermal methods', Ultrasonics, 14, 161, 1976
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International Electrotechnical Commission, IEC 61161, 'Ultrasonic power measurement in liquids by radiation force balance method in the frequency 0.5 MHz to 25 MHz', 1994
윤용현, 김용태, 조문재, 김호철, '측정불확도 평가결과를 이용한 초음파 파워 측정용 전자저울의 기능설정 최적화,' 2003년도 한국음향학회 학술발표대회 논문집, 22 (1s),221-224,2003
김용태,이용봉,조문재,정성수, 정완섭 '진단 및 치료수준의 초음파 파워 정밀 측정 기법: 2002년도 한국음향학회 추계학술발 표대회 논문집,21(2s),119-124, 2002
J. M. M. Pinkerton, 'The absorption of ultrasonic waves in liquids and its relation to molecular constitution', Proc. Phy. Soc., 62, 129-141, 1949
L. E. Kinsler, et al, Fundamentals of Acoustics, (4th ed. John Wiley & Sons, New York, 2000), P. 121
M. J, Jho, Y. T. Kim, Y. H. Yun, and S. J. Suh, 'Primary measurement of ultrasonic power at the Korea Research Institute of Standards and Science: Proceedings of ICA2004, 1, 665-666, 2004
K. Beissner, 'Acoustic radiation pressure in the near field,' J. Sound & Vib. 93 (4) 537-548, 1984
T. Kikuchi and S. Sato, 'Research on ultrasonic standards at ETL -Ultrasonic power measurement system by using radiation force method-,' Technical report of IEICE, US 2000-9 (2000-5), 9-16, 2000
M. Hodnett and B. Zeqiri. 'A detector for monitoring the onset of cavitation during therapy-level measurement of ultrasonic power: Book of Abstracts of Advanced Metrology for Ultrasound in Medicine, April 2004 Teddington, UK
부유천,김용태,조문재,김민곤,김호철,'고체 시료의 초음파 감 쇠계수 측정 시스템 개발,' 2005년도 한국음향학회 학술발표대회 논문집,24 (15), 181-184. 2005
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