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문제 정의
- 본 연구는 초음파 방사에 의한 음향감쇄매질 내의 온도 상승를 가시적으로 확인하기 위해, 시온안료와 한천을 이용하여 제작한 온도가시용 음향감쇠매질을 사용하여 집속초음파에 의한 변색 영역변화를 관찰하였다. 설탕의 농도를 달리하여 음향특성이 다른 4종류의 음향감쇠매질에 대하여 초음파 트랜스듀서의 초점 부근의 변색영역을 확인한 결과, 설탕 농도가 증가함에 따라 변색 영역이 나타나기 시작하는데 걸리는 시간은 점점 길어지고, 일정 변색영역면적에 도달하는게 걸리는 시간은 줄어든다.
제안 방법
- 이를 설탕을 이용하여 설탕 내에 Sucrose가 D-Glucose와 F-Fluctose로 변화하는 과정에서 투명도가 높아지는 편광회절현상[14]을 이용하여 한천 자체의 불투명한 성질을 가지는 한계점을 해결하였다.
- 매질 내 온도 변화를 조사하기 위하여, 온도의 변화에 따라 변색되는 감온 필름을 제작하여 트랜스듀서의 음축면에 삽입했다.
- 본 실험에서는 한천에 설탕의 농도를 변화시켜 음속, 밀도 및 음향감쇠계수 등 음향 특성이 다른 감쇠매질을 제작했다.
- 본 연구에서는 투명한 음향 감쇠 매질 내에 온도 상승을 감지하는 필름을 삽입하여, 집속형 초음파 노출된 후 시간에 따른 온도 상승 효과를 실험적으로 관찰했다.
- 시온안료를 균일하게 도포하여 제작한 105 mm × 148 mm 크기의 감온 필름을 두층의 동일한 한천 젤 사이에 삽입하여 초음파에 의한 온도변화를 가시화 한다.
- [12] 설탕을 사용하는 이유는 매질의 음향특성을 조절하고 동시에 매질의 투명도를 확보하기 위함이다. 음향감쇠매질의 특성에 따른 온도분포의 변화를 확인하기 위하여 설탕의 농도가 서로 다른 네 가지의 감쇠매질을 제작하였다. Table 1에 나타낸 설탕의 농도는 질량 비 이며 모든 경우에 대해서 한천의 비는 0.
- 매질 내 온도 변화를 조사하기 위하여, 온도의 변화에 따라 변색되는 감온 필름을 제작하여 트랜스듀서의 음축면에 삽입했다. 제작된 감쇠 매질에 집속 초음파를 조사하면서 감쇠 매질 내의 방사 시간에 따른 온도 변화를 가시화하였다.
- 집속 음장에 의해 손실 매질 내에서 발생한 온도 변화는 감온필름의 표면을 변색시키고 이 변색 영역의 변화를 카메라로 기록하였다.
- 촬영은 신호 발생 후 180 s 동안 0.36 s 간격으로, 그 후 1320 s 동안(신호발생 후 1500 s 후)까지 1 s 간격으로, 그 후 3000 s까지 10 s 간격으로 촬영하였다.
- 5 mm인 PZT로 제작된 곡면 진동자를 사용하였다. 함수발생기를 이용하여 트랜스듀서의 공진주파수인 920 kHz의 연속파를 발생시켜 증폭기로 증폭하여 집속형 트랜스듀서를 구동한다. 이 때 트랜스듀서의 초점영역에서 하이드로폰(TC4035, Reson)으로 측정한 음압은 약 3.
대상 데이터
- 본 연구에서는 투명한 음향 감쇠 매질 내에 온도 상승을 감지하는 필름을 삽입하여, 집속형 초음파 노출된 후 시간에 따른 온도 상승 효과를 실험적으로 관찰했다. 본 연구에서 사용한 음향 감쇠 매질로 한천을 이용한 매질을 고려했다. 한천은 적은 비용으로 구입이 가능하며 제작과정도 어렵지 않지만 한천만을 이용했을 경우 불투명하다는 단점이 있다.
- 집속 초음파 트랜스듀서의 음축면에 위치한 감온필름의 온도에 따른 색변화를 시뮬레이션 결과와 비교하고 있다. 본 연구에서는 감온필름의 임계온도가 31 ℃인 시온안료를 사용한 것으로, 이는 상온(약 26 ℃)으로부터의 차이를 고려한 것이다. 생체의 정상체온을 고려하며 37 ℃ 이상을 기준온도로 하여 약 42 ~ 43 ℃의 임계온도를 갖는 시온안료를 사용해야 하지만, 실내의 주변온도를 37 ℃ 이상으로 일정하게 유지시키는 것이 현실적으로 어렵다는 이유로 실험의 편이를 고려하여 상온(26 ℃)를 주변온도로 사용하였다.
- 본 연구에서는 음향감쇠매질로 설탕을 첨가한 한천 젤을 사용하였다. 설탕의 농도에 따른 한천 젤의 음향특성 변화는 선행연구에 의해 보고되었다.
- 8%이었다. 제작한 감쇠매질은 가로, 세로, 높이가 각각 115 mm, 180 mm, 75 mm이었으며 측면 중앙에 집속초음파 트랜스듀서를 접촉시켰다.
- 1은 실험장치의 구성도이다. 트랜스듀서의 개구반경은 r1 = 28.5 mm이고 곡률반경은 D = 61.5 mm인 PZT로 제작된 곡면 진동자를 사용하였다. 함수발생기를 이용하여 트랜스듀서의 공진주파수인 920 kHz의 연속파를 발생시켜 증폭기로 증폭하여 집속형 트랜스듀서를 구동한다.
데이터처리
- 시뮬레이션으로 얻어진 온도 분포는 감온 필름의 임계온도인 31 ℃ 미만의 영역은 표시하지 않도록 하여 실험 결과와 비교했다.
이론/모형
- 본 연구에서 측정결과를 비교하기 위해 사용된 시뮬레이션 프로그램은 미국 FDA(Food and Drug Administration)에서 개발된 것으로 FDTD(Finite Difference Time Domain) 법에 기반한 알고리즘을 사용한다.[24-25] 이 시뮬레이션 프로그램에서 하모닉 파라메타는 16차까지 고려하였고 감쇠계수는 사용한 주파수가 1 MHz 미만이므로 주파수에 선형적으로 비례하는 감쇠계수를 사용하였다.
- 음파의 비선형성을 고려하기 위해 다음 식으로 주어지는 Westervelt 방정식을 사용하게 된다.
성능/효과
- 설탕의 농도를 달리하여 음향특성이 다른 4종류의 음향감쇠매질에 대하여 초음파 트랜스듀서의 초점 부근의 변색영역을 확인한 결과, 설탕 농도가 증가함에 따라 변색 영역이 나타나기 시작하는데 걸리는 시간은 점점 길어지고, 일정 변색영역면적에 도달하는게 걸리는 시간은 줄어든다. 본 연구결과에서 나타난 실험값과 시뮬레이션 결과와의 차이는, 음향감쇠매질의 열용량 및 열전도율은 온도에 따라 변화하지만, 본 연구에서 사용된 시뮬레이션에서는 이를 고려하지 못한데서 오는 차이로 사료 된다. 본 연구에서 제안한 방법을 통해 음향감쇠매질 내에서 초음파 방사에 의한 온도상승 효과를 비침습적으로 관찰할 수 있었다.
- 본 연구결과에서 나타난 실험값과 시뮬레이션 결과와의 차이는, 음향감쇠매질의 열용량 및 열전도율은 온도에 따라 변화하지만, 본 연구에서 사용된 시뮬레이션에서는 이를 고려하지 못한데서 오는 차이로 사료 된다. 본 연구에서 제안한 방법을 통해 음향감쇠매질 내에서 초음파 방사에 의한 온도상승 효과를 비침습적으로 관찰할 수 있었다. 금후 동일한 방법을 사용하여 젤라틴 및 우레탄 등 생체매질과 유사한 음향특성을 갖는 음향감쇠매질에 대하여 초음파에 의한 온도 상승효과를 고찰할 계획이다.
- 본 연구는 초음파 방사에 의한 음향감쇄매질 내의 온도 상승를 가시적으로 확인하기 위해, 시온안료와 한천을 이용하여 제작한 온도가시용 음향감쇠매질을 사용하여 집속초음파에 의한 변색 영역변화를 관찰하였다. 설탕의 농도를 달리하여 음향특성이 다른 4종류의 음향감쇠매질에 대하여 초음파 트랜스듀서의 초점 부근의 변색영역을 확인한 결과, 설탕 농도가 증가함에 따라 변색 영역이 나타나기 시작하는데 걸리는 시간은 점점 길어지고, 일정 변색영역면적에 도달하는게 걸리는 시간은 줄어든다. 본 연구결과에서 나타난 실험값과 시뮬레이션 결과와의 차이는, 음향감쇠매질의 열용량 및 열전도율은 온도에 따라 변화하지만, 본 연구에서 사용된 시뮬레이션에서는 이를 고려하지 못한데서 오는 차이로 사료 된다.
- 이상의 결과들은 음향 손실매질 내에서 집속초음파에 의해 특정온도(임계온도) 까지 상승하는 영역을 초음파의 방사시간에 따라 결정할 수 있도록 하는 정보를 제공할 수 있다.
- 초음파의 구동시간에 따라 감온 필름 상의 변색 영역은 증가에 대한 시뮬레이션 결과는 초음파의 방사시간에 따라 변색면적의 넓이 변화는 대체적으로 선형적인 변화를 보이고 있었으며 이러한 경향은 설탕농도의 변화에 따라 큰 변화를 보이지 않았다. 이것은 앞서 설명한 바와 같이 시뮬레이션 수행 시 고려하지 않은 설탕농도에 따른 열용량 및 열전도도의 변화가 초음파에 의한 온도 증가 영역의 변화 경향에 적지 않은 영향을 미칠 것으로 예상된다.
후속연구
- 본 연구에서 제안한 방법을 통해 음향감쇠매질 내에서 초음파 방사에 의한 온도상승 효과를 비침습적으로 관찰할 수 있었다. 금후 동일한 방법을 사용하여 젤라틴 및 우레탄 등 생체매질과 유사한 음향특성을 갖는 음향감쇠매질에 대하여 초음파에 의한 온도 상승효과를 고찰할 계획이다.
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