[논문]의료 영상진단용 초음파 어레이 센서의 최적설계 및 특성해석

김회용; 노용래

doi:10.7776/ask.2008.27.6.263

문제 정의

"본 연구에서는 최 적화 계산 시간 단축하고 설계 변수들 간의 상호 효과를 고려하기 위하여 반응표면 계획법에 의해 2X2"" 요인계획 (n = 설계변수 수) 법을 행하여 49개의 기초 자료를 확보하였다."
나아가 그 결과를 현재 의료 진단용으로 가장 많이 사용되고 있는 초음파 선형 어레이 센서에 적용하여 최대감도를 나타내는 최적구조를 설계하고자 하였다.
또한 최적화 계산 시간 단축을 위해 반응 표면 계획법에 따른 유한요소 해석을 수행하였으며, 이결과들의 다중회귀분석을 통하여 변수들의 상호효과까지 고려한 중심 주파수, FBW 및 -20 dB pulse length를 설계변수들의 함수로 도출하였다. 나아가 이들에 의한 함수식들을 이용해 최대 감도를 구현 할 수 있는 의료용 초음파 어레이 센서의 최적구조를 결정하고자 하였다. Ⅱ.
하지만 단일 소자형 센서와 달리 배열 초음파 어레이 센서에서의 탄성파의 전파경로는 각 독립 소자가 분리되어 있는 형태에 따라 매우 복잡하게 변화함으로 위와 같은 접근 방법에는 한계가 있었으며, 해석을 위한 명료한 수학적 모델을 도출하기도 어려웠다. 따라서 본 연구에서는 초음파 어레이 센서의 주요 성능변수로 감도, 중심 주파수 (&), FBW (fractional bandwidth) 및-20 dB pulse length를 설정하였고, 정해진 주파수와 재료에 대하여 최대 감도를 구현 할 수 있는 초음파 어레이 센서의 최적구조를 결정하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 초음파 어레이 센서의 주요 성능변수로 감도, 중심 주파수 (&), FBW (fractional bandwidth) 및-20 dB pulse length를 설정하였고, 정해진 주파수와 재료에 대하여 최대 감도를 구현 할 수 있는 초음파 어레이 센서의 최적구조를 결정하고자 하였다.
본 논문에서는 선형 어레이 센서를 대상으로 우선 유한 요소 해석을 통하여 설계변수들이 주요 성능 변수인 중심주파수, FBW 및 -20 dB pulse length에 미치는 영향을 파악 하였다. 또한 최적화 계산 시간 단축을 위해 반응 표면 계획법에 따른 유한요소 해석을 수행하였으며, 이결과들의 다중회귀분석을 통하여 변수들의 상호효과까지 고려한 중심 주파수, FBW 및 -20 dB pulse length를 설계변수들의 함수로 도출하였다.
본 논문에서는 선형 어레이 센서를 대상으로 우선 유한 요소 해석을 통하여 설계변수들이 주요 성능 변수인 중심주파수, FBW 및 -20 dB pulse length에 미치는 영향을 파악 하였다. 또한 최적화 계산 시간 단축을 위해 반응 표면 계획법에 따른 유한요소 해석을 수행하였으며, 이결과들의 다중회귀분석을 통하여 변수들의 상호효과까지 고려한 중심 주파수, FBW 및 -20 dB pulse length를 설계변수들의 함수로 도출하였다.
본 연구에서는 의료용 영상진단용 초음파 어레이 센서를 설계하는데 있어서 각 설계변수들이 성능에 미치는 개별 영향 및 이들의 상호작용에 의한 영향을 분석 하였다.

제안 방법

이상의 설계 사양을 바탕으로 유한 요소법을 이용하여 전체 초음파 어레이 센서를 모델링하고 해석하였으며, 어레이 센서 기본구조의 치수와물성은각각표 1과표 2에 나타내었다. 1차 정합층과 2차 정합층은 poly urethane 과 glass powder를 혼합하여 사용했으며, 두께는 파의 투과 반사를 고려하여 파장 (入)의 1/4로 설정하였고, 후면층은 후면으로 방사되는 파를 흡수하는 것이 목적이므로 두께를 1,000 皿로 설정하고 후면층의 끝단에는 무반사 경계조건을 주어 전방으로 영향을 주지 않도록 하였다. 상용 어레이는 배열방향의 길이가 통상 50 mm를 넘어야 하고 aspect ratio가 0.
다음으로 그림 2와 같은 해석 결과를 바탕으로 의료용 초음파 어레이 센서의 중요한 성능 요소인 감도, 중심 주 파수, FBW 및 -20 dB pulse length에 많은 영향을 미칠 것으로 판단되는 4개의 설계변수를 설정하여 표 3에 나타내었다. 1차 정합층과 2차 정합층의 두께는 入/4의 土15%이내에서 가장 좋은 성능을 보인다는 선행연구 결과와 PZFlex를 통해 해석한 경향성 분석 결과를 바탕으로 두께의 변화 범위를 설정하였고 [9], kerf의 폭과 pitch는 aspect ratio를 고려하여 표 3과 같이 변화 범위를 설정하였다.
다음으로 그림 2와 같은 해석 결과를 바탕으로 의료용 초음파 어레이 센서의 중요한 성능 요소인 감도, 중심 주 파수, FBW 및 -20 dB pulse length에 많은 영향을 미칠 것으로 판단되는 4개의 설계변수를 설정하여 표 3에 나타내었다. 1차 정합층과 2차 정합층의 두께는 入/4의 土15%이내에서 가장 좋은 성능을 보인다는 선행연구 결과와 PZFlex를 통해 해석한 경향성 분석 결과를 바탕으로 두께의 변화 범위를 설정하였고 [9], kerf의 폭과 pitch는 aspect ratio를 고려하여 표 3과 같이 변화 범위를 설정하였다.
각 설계변수들이 중심 주파수에 미치는 영향을 분석하기 위해 설계변수들을 변화시키면서 경향성을 해석하였다.
각각의 설계변수들이 대역폭에 미치는 영향을 분석하기 위하여 표 3에 나타난 것처럼 각각의 변수들을 변화시키면서 해석을 하였다.
따라서 정합층의 개수로는 두개층을 사용하는 것이 가장 일반적이다. 그러므로 본 연구에서는 선행 연구 결과를 바탕으로 목표 성능을 구현할 수 있는 정합층을 두 층으로 구성하였다 또한 초음파 영상 진단장치에서 제공하는 인체의 단면 영상을 개선하기 위하여 음향 렌즈를 사용하였으며, 구동소자는 압전 세라믹으로 PZT를 사용하였다 [8], Pitch의 변화는 kerf 의 변화 없이 압전 소자의 크기만 변화를 주었다.
따라서 정합층의 개수로는 두개층을 사용하는 것이 가장 일반적이다. 그러므로 본 연구에서는 선행 연구 결과를 바탕으로 목표 성능을 구현할 수 있는 정합층을 두 층으로 구성하였다 또한 초음파 영상 진단장치에서 제공하는 인체의 단면 영상을 개선하기 위하여 음향 렌즈를 사용하였으며, 구동소자는 압전 세라믹으로 PZT를 사용하였다 [8], Pitch의 변화는 kerf 의 변화 없이 압전 소자의 크기만 변화를 주었다.
그리고 제한 최적화 방법인 SQP-PD법을 이용하여 최대 감도를 가지며, 주어진 중심 주파수, -20 dB pulse length 및 FBW를 구현하도록 의료용 영상진단용 초음파 어레이 센서 설계변수들의 최적값을 구하였다.
다음으로 kerf의 폭을 변화시키면서 FBW의 경향성을 해석하였다.
다음으로 그림 3-(b)에 나타난 것처럼 2차 정합층의 두께를 60 皿에서 112 皿까지 13 皿씩 증가시키면서 감도의 영향을 알아보았다.
이에 반해 유한요소해석은 등가회로 해석법으로는 해석이 불가능한 소자 간 간섭현상이나 방사 패턴 그리고 기하학적 집속 현상 등을 설계에 반영 할 수 있다 또한 압전소자의 탄성계수 유전율 압전 상수의 전체 텐서값을 대입할 수 있으며, 압전소자 외의 어레이 센서를 구성하는 물질의 재료 상수도 정확하게 대입 할 수 있기 때문에 결과의 신뢰성이 높다고 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 보다 정확한 설계와 일반적인 등가회로 설계법의 한계를 보완할 수 있도록 상용 유한 요소 해석 프로그램인 PZHex를 이용하여 초음파 어레이 센서를 설계 및 해석 하였다.
먼저 1차 정합층과 2차 정합층의 두께를 증가시면서 경향을 보았다.
먼저 1차 정합층의 두께 변화에 대해서 분석을 시행하였으며, 표 3에 나타냈듯이 두께를 63 皿에서 95 皿까지 8 皿씩 증가시키면서 해석을 수행하여 그 결과를 그림 3-(a) 에 나타내었다.
1차 정합층과 2차 정합층은 poly urethane 과 glass powder를 혼합하여 사용했으며, 두께는 파의 투과 반사를 고려하여 파장 (入)의 1/4로 설정하였고, 후면층은 후면으로 방사되는 파를 흡수하는 것이 목적이므로 두께를 1,000 皿로 설정하고 후면층의 끝단에는 무반사 경계조건을 주어 전방으로 영향을 주지 않도록 하였다. 상용 어레이는 배열방향의 길이가 통상 50 mm를 넘어야 하고 aspect ratio가 0.5 〜 0.6 일 때 좋은 성능을 보이기 때문에 subelement를 3개로 하였으며, kerf의 폭과 pitch를 각각 36.5 Um와 400 Um로 설정하였다 ⑼. Lens의 역할은 빔 (beam)의 집속과 내부의 어레이 소자를 보호하는 것이므로 이를 고려하여 물과 비슷한 음향 물성을 가지는 물질을 760 皿의 두께로 하여 기본모델을 구성하였다.
1차 정합층과 2차 정합층은 poly urethane 과 glass powder를 혼합하여 사용했으며, 두께는 파의 투과 반사를 고려하여 파장 (入)의 1/4로 설정하였고, 후면층은 후면으로 방사되는 파를 흡수하는 것이 목적이므로 두께를 1,000 皿로 설정하고 후면층의 끝단에는 무반사 경계조건을 주어 전방으로 영향을 주지 않도록 하였다. 상용 어레이는 배열방향의 길이가 통상 50 mm를 넘어야 하고 aspect ratio가 0.5 〜 0.6 일 때 좋은 성능을 보이기 때문에 subelement를 3개로 하였으며, kerf의 폭과 pitch를 각각 36.5 Um와 400 Um로 설정하였다 ⑼. Lens의 역할은 빔 (beam)의 집속과 내부의 어레이 소자를 보호하는 것이므로 이를 고려하여 물과 비슷한 음향 물성을 가지는 물질을 760 皿의 두께로 하여 기본모델을 구성하였다.
센서에서 각 설계변수들이 -20 dB pulse length에 미치는 영향을 알아보기 위해 설계변수들을 변화시키면서 경향성 해석을 수행하였다.
초음파 어레이 센서의 압전 소자와 인체사이에는 음향 임피던스의 차이가 대단히 크며, 이것은 초음파가 인체 내부로의 초음파 투과를 어렵게 하는 원인이 되어 많은 음향 에너지가 그 경계면에서 반사되게 된다. 이러한 단점을 보완하기 위해 음향 정합층을 압전 소자와 인체사이에 두어 둘 사이의 임피던스 차이를 점차적으로 감소시켜, 약한 에너지의 반사음도 감지 할 수 있도록 하여 감도를 높이는 역할을 하게 한다. 또한 단층의 정합층을 사용할 경우에 비하여 다층의 정합층을 사용 할 때 임피던스의 차이가 적어 방사된 초음파가 인체로 더욱 용이하게 전파되는 것으로 알려져 있다.
이상의 설계 사양을 바탕으로 유한 요소법을 이용하여 전체 초음파 어레이 센서를 모델링하고 해석하였으며, 어레이 센서 기본구조의 치수와물성은각각표 1과표 2에 나타내었다. 1차 정합층과 2차 정합층은 poly urethane 과 glass powder를 혼합하여 사용했으며, 두께는 파의 투과 반사를 고려하여 파장 (入)의 1/4로 설정하였고, 후면층은 후면으로 방사되는 파를 흡수하는 것이 목적이므로 두께를 1,000 皿로 설정하고 후면층의 끝단에는 무반사 경계조건을 주어 전방으로 영향을 주지 않도록 하였다.
주요 설계변수로는 1차 정합층 두께, 2차 정합층 두께, kerf 폭 및 pitch의 4가지를 선정하였고, 통계기법인 반응표면 계획법에 의한 유한요소 해석과 다중 회귀분석을 수행하여 어레이 센서의 성능을 설계변수들의 함수로 도출하였다.
초음파 어레이 센서의 임펄스 응답 특성은 크게 시간 영역과 주파수 영역으로 나누어 분석을 한다.

대상 데이터

5 Um와 400 Um로 설정하였다 ⑼. Lens의 역할은 빔 (beam)의 집속과 내부의 어레이 소자를 보호하는 것이므로 이를 고려하여 물과 비슷한 음향 물성을 가지는 물질을 760 皿의 두께로 하여 기본모델을 구성하였다. 그림 1에 기본 구조를 나타내었으며, 대칭 조건을 부여하여 전체 어레이 센서의 1/2만 모델링 하였다.
그림 1에 기본 구조를 나타내었으며, 대칭 조건을 부여하여 전체 어레이 센서의 1/2만 모델링 하였다. 구동 소자는 모델 중심의 소자 하나만을 구동하였으며, 구동 신호로는 임펄스를 사용하였다. 이와 같이 해석한 결과 중, 파가 전파하는 형태에 대한 스넵샷 (snap -shot)을 그림 2에 나타내었다.

데이터처리

본 논문에서는 선형 어레이 센서를 대상으로 우선 유한 요소 해석을 통하여 설계변수들이 주요 성능 변수인 중심주파수, FBW 및 -20 dB pulse length에 미치는 영향을 파악 하였다. 또한 최적화 계산 시간 단축을 위해 반응 표면 계획법에 따른 유한요소 해석을 수행하였으며, 이결과들의 다중회귀분석을 통하여 변수들의 상호효과까지 고려한 중심 주파수, FBW 및 -20 dB pulse length를 설계변수들의 함수로 도출하였다. 나아가 이들에 의한 함수식들을 이용해 최대 감도를 구현 할 수 있는 의료용 초음파 어레이 센서의 최적구조를 결정하고자 하였다.
본 논문에서는 선형 어레이 센서를 대상으로 우선 유한 요소 해석을 통하여 설계변수들이 주요 성능 변수인 중심주파수, FBW 및 -20 dB pulse length에 미치는 영향을 파악 하였다. 또한 최적화 계산 시간 단축을 위해 반응 표면 계획법에 따른 유한요소 해석을 수행하였으며, 이결과들의 다중회귀분석을 통하여 변수들의 상호효과까지 고려한 중심 주파수, FBW 및 -20 dB pulse length를 설계변수들의 함수로 도출하였다. 나아가 이들에 의한 함수식들을 이용해 최대 감도를 구현 할 수 있는 의료용 초음파 어레이 센서의 최적구조를 결정하고자 하였다.
이 자료를 바탕으로 상용 프로그램인 SAS 9.1®을 이용하여 변수들 간의 비선형적인 함수 관계를 찾을 수 있는 통계적기법인 2차 다중회귀분석을 수행하였으며, 설계 변수들의 상호효과까지 고려하여 성능의 함수화를 하였다 [10-13].

이론/모형

목적함수를 최적화하기 위해서 본 연구에서는 SQP-PD (Sequential Quadratic Programming Method of Phenichny and Danilin) 법을 이용하였으며 [14-16], 최적화 결과를 표 6에 나타내었으며 기본 모델 값과 비교하였다.

성능/효과

감도는 入/4에 해당되는 지점보다 조금 작은 값에서 가장 좋은 경향을 보이다가 두께가 두꺼워 질수록 감소하는 경향을 보였다.
구해진 설계변수들의 최적값을 이용하여 초음파 에레이 센서의 성능을 확인한 결과 처음 목표로 했던 사양을 모두 만족하며 최대 감도를 구현하는 것으로 나타났다.
그 결과 1차 정합층과 2차 정합층은 각각 71 皿와 73 皿에서 -20 dB pulse length가 가장 작은 값을 나타내었다.
그 결과 최적화 모델의 결과값이 기본 모델의 결과보다 향상되었음을 알 수 있다
그 결과를 보면 2차 정합층의 두께가 증가할수록 감도는 감소하는 경향을 보인다.
다음으로 kerf의 폭을 변화시키면서 중심 주파수의 변화를 해석해본 결과, kerf의 폭이 증가할수록 중심 주파수는 감소하는 경향을 보였다.
두께가 증가함에 따라 1차 정합층은 FBW의 값을 증가시켰고, 2차 정합층은 감소시키는 경향을 나타내었다 1차 정합층은 실질 대역폭의 감소량에 비해 중심 주파수의 감소량이 커서 대역폭과 중심주파수의 비 인 FBW는 증가하는 것으로 판단된다.
이상의 방법으로 감도, 중심 주파수, 대역폭 및 -20 dB pulse length에 대한 회귀식을 구하였으며, 각각의 결 정 계수는 0.9769, 0.9830, 0.9587 및 0.9345를 나타내었다.
주파수 스펙트럼 상에서 2차 정합층은 두께가 증가 할수록 대칭적인 종모양이 아니라 찌그러진 모양이 형성이 되어 대 역폭이 감소하는 경향을 보였다.

후속연구

따라서 이상의 과정을 통해 주어진 조건을 만족하면서 최대 감도를 가지는 초음파 어레이 센서를 설계하였으며, 이러한 설계법은 사용 목적에 따라 특정 성능을 향상시킬 수 있는 초음파 어레이 센서의 설계를 가능하게 할 것으로 기대된다.
본 연구의 결과는 사용 목적에 따라 특정 성능을 향상시킬 수 있는 초음파 어레이 센서의 구조를 설계 하는데 효율적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

의료 영상진단용 초음파 어레이 센서의 최적설계 및 특성해석
Optimal Design and Analysis of a Medical Imaging Ultrasonic Array Sensor 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (16)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

의료 영상진단용 초음파 어레이 센서의 최적설계 및 특성해석 Optimal Design and Analysis of a Medical Imaging Ultrasonic Array Sensor 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (16)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김회용 (4) 노용래 (103)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

의료 영상진단용 초음파 어레이 센서의 최적설계 및 특성해석
Optimal Design and Analysis of a Medical Imaging Ultrasonic Array Sensor 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper