[논문]초음파 의료 영상 시스템을 위한 재구성 가능한 아날로그 집적회로

차혁규

doi:10.5573/ieie.2014.51.12.066

초음파 의료 영상 시스템을 위한 재구성 가능한 아날로그 집적회로
A Reconfigurable Analog Front-end Integrated Circuit for Medical Ultrasound Imaging Systems 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.51 no.12, 2014년, pp.66 - 71

초록
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본 논문에서는 초음파 의료 영상 시스템을 위한 아날로그 front-end 집적회로를 $0.18-{\mu}m$ 표준 CMOS 반도체 공정을 이용하여 설계하였다. 제안 된 front-end 회로는 2.6 MHz에서 15-V 고전압 펄스 신호를 생성하는 송신부와 고전압 차단 스위치 및 저전력 저잡음 증폭기에 해당하는 수신부를 모두 포함하고 있으며, 동작 모드에 따라서 송신부의 출력 드라이버를 수신단의 스위치 회로로 재구성이 가능하도록 설계를 하여 기존 front-end 회로와 비교하였을 때 한 채널 당 70% 이상의 칩 면적을 줄일 수 있다. 설계 된 단일 채널 front-end회로는 $0.045mm^2$ 이하의 작은 칩 면적을 차지함으로써 다중 어레이 방식의 초음파 의료 영상 시스템에 적용 시 작은 면적으로 구현이 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents an analog front-end integrated circuit (IC) for medical ultrasound imaging systems using standard $0.18-{\mu}m$ CMOS process. The proposed front-end circuit includes the transmit part which consists of 15-V high-voltage pulser operating at 2.6 MHz, and the receive part which consists of switch and a low-power low-noise preamplifier. Depending on the operation mode, the output driver in the transmit pulser can be reconfigured as the switch in the receive path and thus the area of the overall front-end IC is reduced by over 70% in comparison to previous work. The designed single-channel front-end prototype consumes less than $0.045mm^2$ of core area and can be utilized as a key building block in highly-integrated multi-array ultrasound medical imaging systems.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 초음파 영상을 이용하여 인체에 삽입된 주사 바늘의 위치 추적을 위한 용도로 정전용량형 트랜스듀서 인터페이스 AFE 회로를 설계하였으며, 2.6 MHz 동작 주파수에서 최고 15-V 펄스 파를 안정적으로 생성하고, 되돌아오는 신호를 충분히 증폭하는데 목표를 두고 있다. 한 채널 당 인터페이스 회로가 차지하는 면적 소모를 최소화하기 위해서 송신부의 출력 드라이버가 수신부용 스위치로 재구성이 가능하도록 회로 제안을 하였고, 시뮬레이션을 통해 그 동작을 검증하였다.

제안 방법

3-V PMOS 트랜지스터 M_P1-M_P5로 이루어져 있다. 고전압 출력 드라이버로 동작하는 과정에서 각 트랜지스터의 경우 모든 단자간의 전압이 3.0~3.4 V 정도로 유지가 되도록 저항 ladder를 이용한 바이어스 회로가 있으며^[4], 제안 된 회로에서는 면적을 줄이기 위해서 저항 소자가 아닌 트랜지스터 소자 (M_N6-M_N11, M_P6-M_P11)를 이용하여 저항을 구현하였다. 먼저 송신 모드를 살펴보면, 출력 펄스가 high일 때 M_P1-M_P5가 모두 ON이 되어 있는 상태이고 M_N1-M_N5가 모두 OFF이다.
그림 4에 나와 있듯이 다중 어레이 응용을 고려하였을 때 면적과 전력 소모 등이 중요시되기 때문에, 이를 위하여 간단한 인버터 형태의 트랜스임피던스 구조를 사용하였으며, 1.5-V 전원에서 동작을 하고 전류 소모는 바이어스 회로를 포함해서 200 μA이다.
한 채널 당 인터페이스 회로가 차지하는 면적 소모를 최소화하기 위해서 송신부의 출력 드라이버가 수신부용 스위치로 재구성이 가능하도록 회로 제안을 하였고, 시뮬레이션을 통해 그 동작을 검증하였다. 또한, 수신부의 경우에는 저전압 및 저전력에서 동작할 수 있도록 저잡음 증폭기의 설계 초점을 맞추었다.
본 논문에서는 송신단의 출력 드라이버를 동작 모드에 따라 수신단용 스위치로 재구성이 가능한 회로를 제안하여 전체 AFE의 면적을 크게 줄였으며, 표준 저전압 CMOS 공정만을 이용하여 설계를 하였다. II장에서는 전체 AFE 구조에 대해서 설명을 다루고 있고, III장에서는 주요 회로 부분에 대한 세부 설계 내용을 설명하고 있다.
본 논문에서는 초음파 의료 영상 시스템을 위한 아날로그 front-end 집적회로를 0.18-µm 표준 CMOS 반도체 공정을 이용하여 설계하였다.
그림 6에서는 송신부의 동작을 확인하기 위한 transient 시뮬레이션 결과이다. 송신부의 출력에는 CMUT 등가 모델과^[3] 추가로 10 pF 커패시터가 부하로 연결되어 있는 상태에서 시뮬레이션을 실행하였다. 2.
4 V 이내의 전압이 걸리는 것을 볼 수 있고, 이를 통해 안정적으로 동작하는 것으로 확인할 수 있다. 이 외의 다른 단자간의 (gate, drain, bulk) 전압과 바이어스 회로를 구성하고 있는 트랜지스터에 대해서도 마찬가지로 주어진 공정에서의 적정 전압 내에서 형성 되도록 확인을 하였다. 그림 8에서는 NMOS 트랜지스터 stack (M_N1-M_N5)의 주요 단자 간의(drain-source) 전압 강하를 보여주고 있으며, 설계 최적화를 통해 마찬가지로 3.
6 MHz 동작 주파수에서 최고 15-V 펄스 파를 안정적으로 생성하고, 되돌아오는 신호를 충분히 증폭하는데 목표를 두고 있다. 한 채널 당 인터페이스 회로가 차지하는 면적 소모를 최소화하기 위해서 송신부의 출력 드라이버가 수신부용 스위치로 재구성이 가능하도록 회로 제안을 하였고, 시뮬레이션을 통해 그 동작을 검증하였다. 또한, 수신부의 경우에는 저전압 및 저전력에서 동작할 수 있도록 저잡음 증폭기의 설계 초점을 맞추었다.
따라서 기존 회로에서 따로 필요로 했던 고전압 차단 스위치의 역할을 재구성 가능한 출력드라이버 회로로 모드 전환을 통해 두 가지 역할을 하게 된다. 회로의 트랜지스터 크기를 결정하는 과정에서는 특히 NMOS stack의 경우 송신모드에서 단자간의 적정 전압이 유지가 되면서 수신 모드에서 저잡음 증폭기의 잡음 특성에 영향을 최소화 할 수 있도록 고려하면서 결정을 하였다.

대상 데이터

제안 된 AFE는 0.18-μm CMOS 공정을 이용하여 설계를 하였다.

성능/효과

2.6 MHz에서 100 dBΩ 이상의 이득을 얻을 수 있도록 RF 저항 값을 결정하였으며, CMUT으로부터 2 μA의 입력 전류 신호가 전달되었다고 가정했을 때 출력에서는 300 mV 정도의 전압 진폭을 얻을 수 있다.
2.6 MHz에서의 트랜스임피던스 이득이 103 dBΩ이고, -3 dB 주파수는 11 MHz이다.
송신부의 출력에는 CMUT 등가 모델과^[3] 추가로 10 pF 커패시터가 부하로 연결되어 있는 상태에서 시뮬레이션을 실행하였다. 2.6 MHz의 1.8-V 입력 파형, 고전압 출력 드라이버의 NMOS 및 PMOS 입력 파형 (레벨시프터 출력), 그리고 최종 15-V 출력 파형을 나타내고 있으며, 입력에서 출력 파형간의 지연은 12.6 ns로 기록되었다. 출력 파형의 rise/fall time은 각각 18.
제안 된 회로의 경우 표준 CMOS공정을 이용하였으며, 재구성 가능한 출력드라이버를 이용하여 한 채널당 면적이 기존 회로들에 비해서 크게 개선된 것을 알 수 있다. 또한, 수신 단의 잡음 및 전력소모 등이 타 연구결과에 비해 우수한 것을 확인할 수 있다.
18-µm 표준 CMOS 반도체 공정을 이용하여 설계하였다. 제안 된 front-end 회로는 2.6 MHz에서 15-V 고전압 펄스 신호를 생성하는 송신부와 고전압 차단 스위치 및 저전력 저잡음 증폭기에 해당하는 수신부를 모두 포함하고 있으며, 동작 모드에 따라서 송신부의 출력 드라이버를 수신단의 스위치 회로로 재구성이 가능하도록 설계를 하여 기존 front-end 회로와 비교하였을 때 칩 면적을 크게 줄일수 있다. 설계 된 단일 채널 front-end회로의 칩 면적은 0.
표 1에서는 기존에 제안 된 초음파 영상 시스템용 AFE와의 주요 성능을 비교하고 있다. 제안 된 회로의 경우 표준 CMOS공정을 이용하였으며, 재구성 가능한 출력드라이버를 이용하여 한 채널당 면적이 기존 회로들에 비해서 크게 개선된 것을 알 수 있다. 또한, 수신 단의 잡음 및 전력소모 등이 타 연구결과에 비해 우수한 것을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	AFE에서 송신된 음압 신호는 어떤 과정을 거쳐 영상을 생성하는가?	트랜스듀서 어레이와 바로 접하고 있는 AFE 회로의 경우에는 송신부와 수신부로 나누어지게 되며, 송신부의 경우에는 여러 개의 지연 된 펄스 신호를 고전압으로 증폭하여 트랜스듀서에 가해주는 역할을 하게 되고, 이를 통해 시스템에서 요구되는 크기의 음압 신호가 트랜스듀서를 통해 발생이 되어 영상을 얻고자 하는 인체 내부의 목표 지점으로 전송이 된다. 송신 된 음압 신호가 전송되는 과정에서 인체 내부 조직들 간의 임피던스 차이에 의해 일부분의 신호는 반사가 되어 돌아오게 되며 (echo signal), 이 신호는 트랜스듀서에 의해서 전기 신호로 다시 변환이 되어 수신부 앞 단을 이루고 있는 저잡음 증폭기를 통해 증폭이 된다. 빔포밍 (beamforming)부에서는 프로브 (probe)로부터 영상을 얻고자 하는 부위의 위치, 방향, 그리고 거리에 따라 여러 개의 지연 된 펄스 파형을 생성을 하여 송신부로 보내주며, 다중 채널로 수신 된 신호들에 대해 이득 제어, 디지털 신호 변환, pulse-echo 정보를 통한 디지털 신호 처리를 하여 최종적으로는 영상을 생성할 수 있게 된다.
	AFE의 송신단에서 중점을 두고 있는 일은 무엇인가?	전체 초음파 영상 시스템의 성능을 결정짓는 요소들 중에는 CMUT의 소자 특성이 중요하다고 할 수 있으나, 이와 더불어서 트랜스듀서와 접하고 있는 신호 처리용아날로그 front-end (AFE) 집적회로의 성능 또한 중요하다고 볼 수 있다. AFE는 송신단과 수신단으로 구성이 되어 있으며, 송신단의 경우에는 고전압 신호를 생성하여 트랜스듀서에 가해줌으로써 충분한 음압을 만들어주는데 중점을 두고 있다. 수신단의 경우에는 전력소모를 고려하여 저전압에서 신호를 처리하는 식으로 구현된다.
	트랜스듀서의 역할은 무엇인가?	그림 1에서는 기본적인 초음파 영상 시스템의 구조를 보여주고 있다. 전기 신호를 음압으로 바꿔주고, 반대로 음압을 전기 신호로 변환해주는 트랜스듀서가 있고, 이는 시스템의 사양에 따라 단일 채널 혹은 다중 어레이 (multi-array) 형태로 구성이 되어 있다. 트랜스듀서 어레이와 바로 접하고 있는 AFE 회로의 경우에는 송신부와 수신부로 나누어지게 되며, 송신부의 경우에는 여러 개의 지연 된 펄스 신호를 고전압으로 증폭하여 트랜스듀서에 가해주는 역할을 하게 되고, 이를 통해 시스템에서 요구되는 크기의 음압 신호가 트랜스듀서를 통해 발생이 되어 영상을 얻고자 하는 인체 내부의 목표 지점으로 전송이 된다.

참고문헌 (6)

B. T. Khuri-Yakub and O. Oralkan, "Capacitive micromachined ultrasound transducers for medical imaging and therapy,"J. Micromechanics and Microengineering vol. 21, 2011.
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상세보기
G. Gurun, P. Hasler, and F.L. Degertekin, "Front-end receiver electronics for high-frequency monolithic CMUT-on-CMOS imaging arrays," IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, vol. 58, no. 8, pp. 1658-1668, Aug. 2011.

상세보기
S.-Y Peng, M. Qureshi, P. Hasler, A. Basu, and F.L. Degertekin, "A charge-based low-power high-SNR capacitive sensing interface circuit," IEEE Trans. Circuits and Systems I, vol. 55, no. 7, pp. 1863-1872, Aug. 2008.

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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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