[논문]의료용 초음파프로브의 압전소자 결함이 과도음장과 B-모드 영상에 미치는 영향

최광윤; 하강렬; 김무준; 김정순; 양정화; 강관석; 최민주

doi:10.7776/ask.2010.29.8.476

의료용 초음파프로브의 압전소자 결함이 과도음장과 B-모드 영상에 미치는 영향
Influences of the Defective Piezo-Elements of a Medical Ultrasonic Probe on Transient Acoustic Fields and B-Mode Images 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.29 no.8, 2010년, pp.476 - 482

최광윤 (부경대학교 대학원 음향진동공학과(협)) , 하강렬 (부경대학교 물리학과) , 김무준 (부경대학교 물리학과) , 김정순 (동명대학교 멀티미디어공학과) , 양정화 (제주한라대학 방사선과) , 강관석 (제주대학교 의학과 의공학협동과정) , 최민주 (제주대학교 의학과 의공학협동과정)

초록
AI-Helper

전체 192개의 압전소자 중 64개를 동시 구동하여 빔을 형성하는 중심주파수 3.5 MHz인 선형배열 의료용 초음파프로브를 대상으로 일부의 압전소자가 결함으로 인해 동작하지 않을 때의 과도음장 및 점 표적에 대한 초음파 B-모드 영상을 시뮬레이션하여 정상 초음파프로브의 것과 비교 분석하였다. 그 결과, 결함소자의 수가 한 개에서 네 개로 증가함에 따라 주엽이 만드는 음장의 최대음압준위 및 그 -3 dB 폭은 정상일 때에 비해 선형적으로 감소하나, 초점심도는 거의 변화가 없고, 부엽에 의한 음장의 음압준위 상승으로 인해 주엽과 부엽과의 음압 차이는 감소하는 경향을 보였다. 이와 같은 음압준위의 변화는 점 표적에 대한 B-모드 영상에 영향을 주어 표적의 좌우에 허상을 만들며, 축 방향의 공간분해능은 거의 일정하나 측 방향으로는 다소 감소하는 경향을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The ultrasonic transient fields and B-mode images of a point target which were simulated for a medical ultrasonic probe with a few defective piezo-elements were compared with those for a normal probe. The present study considered a 3.5 MHz linear array probe whose acoustic beam was formed by the 64 active elements of total 192 elements. The results showed that the maximum amplitude and -3 dB width of the acoustic fields by main-lobes decreased linearly as the defective element number increased from one to four. However, the depths of foci remained almost unchanged, and the pressure differences between main-lobes and side-lobes tended to decrease due to rise in pressures in side-lobes. Such changes in ultrasonic fields affected the B-mode images of point targets. So the artifacts were formed in the right and left side of the target, and the lateral spatial resolutions were decreased while the axial resolution was almost the same.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 적은 수의 결함소자가 초음파 과도음장 및 영상에 미치는 영향을 보다 구체적으로 파악하기 위하여 1/2 파장 간격으로 배열된 전체 192개의 압전소자 중 64개를 동시에 구동하여 빔을 형성하는 중심주파수 3.5 MHz 인 선형배열 의료용 초음파프로브를 대상으로 결함소자 수가 1~4개일 때의 과도음장과 모의생체 내의 점 표적에 대한 초음파 B-모드 영상을 각각 시뮬레이션하여 정상일 때의 것과 비교 분석함으로써 그 결함소자가 초음파음장 및 B-모드 영상에 미치는 영향을 파악하였다.

가설 설정

그리고 x 방향으로는 동시 구동되는 압전소자에 가해지는 전기 입력펄스에 시간지연에 의한 위상차를 인가함으로써 동적집속 (dynamic focus)을 하는데, 본 시뮬레이션에서는 프로브로 부터 10, 20, 30, 40 mm의 네 개 지점에 집속되는 경우를 각각 고려하였다. 그리고 각 압전소자에 동시 인가되는 입력 전기신호의 진폭에 대해서는 부엽의 영향을 줄이기 위하여 Hanning apodization을 하는 것으로 가정하였다.

제안 방법

일반적으로 의료용 초음파프로브는 그림 1에 나타낸 y 방향에 대해서는 기계적인 집속이 되도록 음향렌즈가 표면에 부착되어 있는데, 여기서는 그 음향렌즈의 초점거리를 20 mm로 설정하였다. 그리고 x 방향으로는 동시 구동되는 압전소자에 가해지는 전기 입력펄스에 시간지연에 의한 위상차를 인가함으로써 동적집속 (dynamic focus)을 하는데, 본 시뮬레이션에서는 프로브로 부터 10, 20, 30, 40 mm의 네 개 지점에 집속되는 경우를 각각 고려하였다. 그리고 각 압전소자에 동시 인가되는 입력 전기신호의 진폭에 대해서는 부엽의 영향을 줄이기 위하여 Hanning apodization을 하는 것으로 가정하였다.
과도음장은 각 압전소자를 λ/8 간격으로 분포하는 점 음원의 집합으로 생각하고, 그 각 점 음원에서의 입자 속도가 트랜스듀서의 임펄스응답에 따른 RF 펄스파형을 가지며, 매질 중의 임의지점에 형성되는 음압은 그 펄스들의 중첩과 매질의 밀도를 고려함으로써 구해진다 [9-12]. 여기서는 그 음장 및 그 음장을 형성하는 음원의 펄스에코응답에 기인하는 점 음원에 대한 초음파영상의 시뮬레이션 수단으로써 FIELD-Ⅱ 프로그램 [13,14]를 변경하여 사용하였는데, 결함으로 인해 동작하지 않는 압전소자에 대해서는 입자속도를 0으로 두고 해석하였다.
적은 수의 결함소자가 초음파 과도음장 및 영상에 미치는 영향을 구체적으로 파악하기 위하여 1/2 파장 간격으로 배열된 전체 192개의 압전소자 중 64개를 동시에 구동하여 빔을 형성하는 중심주파수 3.5 MHz 인 선형배열 의료용 초음파프로브를 대상으로 결함소자 수가 1~4개일 때의 과도음장과 점 표적에 대한 초음파 B-모드 영상을 각각 시뮬레이션하여 정상일 때의 것과 비교 분석하였다. 그 결과, 결함소자 수가 한 개에서 네 개로 증가함에 따라 과도음장의 음축 상의 음압준위 및 -3 dB 폭은 정상일 때에 비해 선형적으로 감소하나, 초점심도는 변화 없이 거의 일정하였다.

대상 데이터

본 연구에서 시뮬레이션 대상으로 하는 초음파프로브는 그림 1의 모식도 및 표 1에 나타낸 바와 같이, 길이 L = 4 mm 인 192개의 압전소자를 공극 (kerf) a 가 폭 W 의 10 %가 되도록 하여 인체에서의 음속 1540 m/s 에 대하여 λ/2 (단, λ는 파장) 간격으로 배치한 중심주파수 3.5 MHz 인 선형배열 트랜스듀서이다.

성능/효과

2 dB 작으며, 그 외의 부엽은 19 dB 이상 작다. 결함소자 수가 증가함에 따라 음축 상의 음압은 점차 감소하는데, 네 개의 압전소자가 결함일 때는 결함이 없을 때 보다 1.19 dB 작았다. 반면, 음축에 인접한 부엽에 의한 음장의 음압준위는 결함소자 수에 따라 증가하는데, 특히 음축에서 약 ± 2.
5 mm 지점 주변에 형성되는 두 번째 부엽에 의한 음장의 음압 최대치가 크게 증가하는 것을 알 수 있다. 결함소자가 4개일 때 첫 번째 부엽의 최대음압은 결함이 없을 때에 비해 약 1.7 dB 증가하였다. 주엽에 의한 음장의 -3 dB 폭은 결함소자 수의 증가에 따라 감소하였는데, 결함이 없을 때 0.
5 MHz 인 선형배열 의료용 초음파프로브를 대상으로 결함소자 수가 1~4개일 때의 과도음장과 점 표적에 대한 초음파 B-모드 영상을 각각 시뮬레이션하여 정상일 때의 것과 비교 분석하였다. 그 결과, 결함소자 수가 한 개에서 네 개로 증가함에 따라 과도음장의 음축 상의 음압준위 및 -3 dB 폭은 정상일 때에 비해 선형적으로 감소하나, 초점심도는 변화 없이 거의 일정하였다. 그리고 주엽에서 벗어난 측 방향의 음압준위의 상승으로 인해 주엽에 의한 음장과 부엽에 의한 음장의 최대음압 차이는 감소하는 경향을 나타내 었다.
그 결과, 결함소자 수가 한 개에서 네 개로 증가함에 따라 과도음장의 음축 상의 음압준위 및 -3 dB 폭은 정상일 때에 비해 선형적으로 감소하나, 초점심도는 변화 없이 거의 일정하였다. 그리고 주엽에서 벗어난 측 방향의 음압준위의 상승으로 인해 주엽에 의한 음장과 부엽에 의한 음장의 최대음압 차이는 감소하는 경향을 나타내 었다. 이와 같은 음압준위의 변화는 모의생체 내의 점 표적에 대한 영상에서도 그대로 나타나 표적의 좌우에 허위 영상을 형성시키며, 축 방향의 공간분해능은 거의 일정하게 유지되나 측 방향의 공간분해능을 감소시키는 등 초음파 영상에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났다.
이 영상은 점 표적의 표현이 적절하도록 시스템의 동적범위 (dynamic range)를 50 dB 로 설정하고, 수신신호를 로그압축 (log compression)하여 획득한 것이다. 이 결과로부터 결함소자 수가 한 개일 때는 정상인 것과 거의 차이가 없으나 두 개 이상이 되면 10 mm 와 20 mm 지점에 위치한 점 표적 좌우에 허위 영상이 생기고, 그 크기가 점점 증대됨을 알 수 있다. 이것은 결함소자 수의 증가에 따라 과도음장에서 부엽의 음압이 상승하여 결함소자를 포함하는 영상라인에 영향을 미쳤기 때문이다.
그리고 주엽에서 벗어난 측 방향의 음압준위의 상승으로 인해 주엽에 의한 음장과 부엽에 의한 음장의 최대음압 차이는 감소하는 경향을 나타내 었다. 이와 같은 음압준위의 변화는 모의생체 내의 점 표적에 대한 영상에서도 그대로 나타나 표적의 좌우에 허위 영상을 형성시키며, 축 방향의 공간분해능은 거의 일정하게 유지되나 측 방향의 공간분해능을 감소시키는 등 초음파 영상에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났다.
일정한 거리에서의 측 방향의 분해능은 결함소자 수의 증가에 따라 감소하여, 결함소자가 네 개일 때는 정상에 비해 약 0.07 mm 떨어져 상당한 변화를 보이나, 축 방향의 분해능의 차이는 ± 0.005 mm 이내로 거의 일정하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	의료용 초음파프로브 내부의 압전 소자들은 어떻게 배열되어져 있는가?	의료용 초음파프로브는 초음파 영상진단장치의 핵심적인 부품으로서 그 내부에는 수십 내지 수백 개의 작은 압전소자가 선형 또는 이차원으로 배열되어져 있다. 초음파 영상은 그 중 일부 또는 전부의 압전소자를 동시에 구동하여 특정의 빔이 형성되도록 한 후, 전자적으로 주사 (scanning)하거나 조향 (steering)하면서 초음파 펄스를 매질인 인체내부로 방사하여 음향임피던스가 다른 조직 경계로부터의 반사파를 수신한 후, Hilbert 변환 및 휘도변환 등의 신호처리를 행함으로써 얻어진다 [1-4].
	초음파 영상는 어떻게 얻어지는가?	의료용 초음파프로브는 초음파 영상진단장치의 핵심적인 부품으로서 그 내부에는 수십 내지 수백 개의 작은 압전소자가 선형 또는 이차원으로 배열되어져 있다. 초음파 영상은 그 중 일부 또는 전부의 압전소자를 동시에 구동하여 특정의 빔이 형성되도록 한 후, 전자적으로 주사 (scanning)하거나 조향 (steering)하면서 초음파 펄스를 매질인 인체내부로 방사하여 음향임피던스가 다른 조직 경계로부터의 반사파를 수신한 후, Hilbert 변환 및 휘도변환 등의 신호처리를 행함으로써 얻어진다 [1-4]. 매질 중에 방사된 초음파 펄스의 형태 및 그에 따른 음장은 구동되는 각 압전소자로부터 나온 음파들의 호이겐스 원리에 따른 중첩에 의해서 정해지는데, 만약, 압전소자 자체의 기계적 파손이나 리드선의 단선 등의 결함으로 인하여 일부의 소자가 동작하지 않을 경우 음장은 변하게 되며, 그 변화는 결과적으로 초음파 영상에 영향을 미치게 된다 [5-7].
	본 연구가 수행한 전체 192개의 압전소자 중 64개를 동시 구동하여 빔을 형성하는 중심주파수 3.5 MHz인 선형배열 의료용 초음파프로브를 대상으로 일부의 압전소자가 결함으로 인해 동작하지 않을 때의 과도음장 및 점 표적에 대한 초음파 B-모드 영상을 시뮬레이션하여 정상 초음파프로브의 것과 비교 분석한 결과는 어떠한가?	5 MHz인 선형배열 의료용 초음파프로브를 대상으로 일부의 압전소자가 결함으로 인해 동작하지 않을 때의 과도음장 및 점 표적에 대한 초음파 B-모드 영상을 시뮬레이션하여 정상 초음파프로브의 것과 비교 분석하였다. 그 결과, 결함소자의 수가 한 개에서 네 개로 증가함에 따라 주엽이 만드는 음장의 최대음압준위 및 그 -3 dB 폭은 정상일 때에 비해 선형적으로 감소하나, 초점심도는 거의 변화가 없고, 부엽에 의한 음장의 음압준위 상승으로 인해 주엽과 부엽과의 음압 차이는 감소하는 경향을 보였다. 이와 같은 음압준위의 변화는 점 표적에 대한 B-모드 영상에 영향을 주어 표적의 좌우에 허상을 만들며, 축 방향의 공간분해능은 거의 일정하나 측 방향으로는 다소 감소하는 경향을 나타내었다.

참고문헌 (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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