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문제 정의
- 본 논문에서는 PVDF 기반의 IVPA 수신 변환기의 설계, 제작 및 성능 평가 결과를 소개한다. 죽상동맥경화증 진단에 사용될 초음파 및 광음향 융합변환기 개발에 앞서 PVDF 물질을 이용해 IVPA 수신 변환기를 먼저 제작하였다.
- 죽상동맥경화증 진단에 사용될 초음파 및 광음향 융합변환기 개발에 앞서 PVDF 물질을 이용해 IVPA 수신 변환기를 먼저 제작하였다. 즉, PVDF를 사용한 변환기를 개발하여 융합변환기 제작에 있어 PVDF를 사용할 수 있는지에 대한 고찰이 본 연구의 주된 목적이다. 개발한 PVDF 기반 IVPA 수신 변환기는 혈관에 삽입하기에 용이한 0.
- 본 논문에서는 고주파수 및 광대역 특성을 갖는 혈관내 광음향 수신 변환기를 PVDF 물질을 이용하여 설계, 제작 및 특성평가 결과를 보였다. 제작한 혈관 내 광음향 수신 변환기의 구경은 혈관 크기를 고려하여 0.
- 앞서 전술하였듯이 본 연구의 목적은 죽상동맥경화증 진단에 사용될 초음파 및 광음향 융합변화기 개발에 앞서 PVDF 물질을 이용해 혈관내 광음향 수신 변환기를 먼저 제작하고 특성을 평가함으로써 초음파/광음향 융합변환기 제작에 있어 PVDF 물질을 사용할 수 있는지에 대한 고찰이었다. 실험 결과를 바탕으로 PVDF 물질을 이용하여 초음파 및 광음향 융합 영상에 적합한 광대역 특성을 갖는 혈관내 광음향 수신 변환기 제작이 가능함을 확인 할 수 있었다.
제안 방법
- 개발한 PVDF 기반 IVPA 수신 변환기는 혈관에 삽입하기에 용이한 0.5 × 0.5 mm 크기의 음향 구경을 갖는 단일 소자를 사용하였으며, 최종 변환기의 직경 1 mm 이내의 크기로 설계하여 제작하였다.
- [12] 본 연구에서는 고주파수 특성을 위해 9 μm 두께의 PVDF를 사용하였으며, 제작하고자 하는 변환기의 음향특성을 살펴보기 위해 유한요소해석 프로그램인 PzFLEX(Weidleinger Associates Inc, Mountain View, Ver 3.0)를 이용하여 시뮬레이션을 진행하였다.
- 본 논문에서는 PVDF 기반의 IVPA 수신 변환기의 설계, 제작 및 성능 평가 결과를 소개한다. 죽상동맥경화증 진단에 사용될 초음파 및 광음향 융합변환기 개발에 앞서 PVDF 물질을 이용해 IVPA 수신 변환기를 먼저 제작하였다. 즉, PVDF를 사용한 변환기를 개발하여 융합변환기 제작에 있어 PVDF를 사용할 수 있는지에 대한 고찰이 본 연구의 주된 목적이다.
- 이러한 이유로 일반적인 고주파수 초음파 단일소자 변환기는 표면을 요면 형태로 만들어 빔집속을 하게 되는데, IVPA 수신 변환기는 그 크기가 작아 이러한 방법으로 빔집속을 수행하기에 부적절 하다. 이러한 이유로 본 연구에서는 IVPA 수신 변환기의 자연집속을 이용하여 관심 영역에서 최상의 해상도를 얻을수 있도록 변환기의 중심주파수 및 구경을 선택하였다. 자연집속이 시작되는 깊이는 다음과 같은 식을 이용하여 구할 수 있다.
- 하지만 이 변환기의 주파수 스펙트럼은 다양한 동작주파수를 가지고 있어 제작하고자 하는 PVDF 기반 IVPA 수신 변환기의 특성을 예측하기 위해서는 정확한 음장해석이 필요하다. 이를 위해 Field II 시뮬레이션을 수행하여 1 ~ 5 mm의 관심 영역에서의 음장 및 측방향 해상도, 그리고 DOF(Depth Of Focus)를 예측하여 제작하고 하는 IVPA 수신 변환기가 혈관내 영상을 수행하기에 적합한 특성을 가지고 있는지 알아보았다.
- PzFLEX와 Field II 시뮬레이션 결과를 바탕으로 9 μm 두께의 PVDF를 0.5 × 0.5 mm크기의 구경으로 제작하고, Epo-Tek 301 물질을 흡음층 물질로 사용하여 IVPA 수신 변환기를 설계하였다.
- 관심 깊이에서의 측방향 해상도는 각 깊이에서의 점상 강도 분포 함수(Point Spread Function, PSF)을 구하여 -3 dB 빔 폭을 측정함으로 예측할 수 있다. 여기서 송수신을 수행하여 영상을 구성하는 초음파 영상용 변환기는 -6 dB 빔 폭을 측정하여 해상도를 예측 하나, IVPA 수신 변환기는 레이저 에너지에 의해 발생된 광음향 신호를 수신하기 때문에 -3 dB 빔 폭을 측정하였다. Fig.
- 실제 IVPA 수신 변환기에서는 신호선과 접지선을 카테터 안쪽을 통하여 최종 시스템 연결 커넥터와 연결이 되나, 본 연구에서는 제작한 변환기 특성분석을 위해 긴 동관을 사용하였고, SMA 커넥터의 신호 부분을 변환기의 신호선과 SMA 커넥터의 접지부분을 동관과 각각 연결하여 신호 송수신이 가능하도록 하였다. 최종적으로 제작된 IVPA 수신 변환기의 전체 외형 및 확대된 변환기의 구경 사진을 Fig.
- 변환기와 반사판의 거리는 대략 2 mm가 되도록 하였다. UTEX 340 펄서-리시버(UTEX Scientific Instruments Inc, Ontario, Canada)를 이용하여 제작한 변환기를 진동 시킨 후 반사판에서 돌아오는 초음파 신호를 측정하였다. 이를 위해 펄서-리시버에서 100 V 전압을 갖는 2 ns 길이의 전기신호를 발생하여 변환기에 전달하였으며, 수신한 초음파 신호는 펄서-리시버에서 40 dB만큼 증폭시켰다.
- UTEX 340 펄서-리시버(UTEX Scientific Instruments Inc, Ontario, Canada)를 이용하여 제작한 변환기를 진동 시킨 후 반사판에서 돌아오는 초음파 신호를 측정하였다. 이를 위해 펄서-리시버에서 100 V 전압을 갖는 2 ns 길이의 전기신호를 발생하여 변환기에 전달하였으며, 수신한 초음파 신호는 펄서-리시버에서 40 dB만큼 증폭시켰다. 측정된 신호는 디지털오실로스코프(DPO7054, Tektronics Inc, Beaverton, OR, USA)를 이용하여 데이터 파일로 저장한 후 MATLAB을 이용하여 제작한 변환기의 펄스-에코 응답과 그 주파수 스펙트럼을 구하였다.
- 이를 위해 펄서-리시버에서 100 V 전압을 갖는 2 ns 길이의 전기신호를 발생하여 변환기에 전달하였으며, 수신한 초음파 신호는 펄서-리시버에서 40 dB만큼 증폭시켰다. 측정된 신호는 디지털오실로스코프(DPO7054, Tektronics Inc, Beaverton, OR, USA)를 이용하여 데이터 파일로 저장한 후 MATLAB을 이용하여 제작한 변환기의 펄스-에코 응답과 그 주파수 스펙트럼을 구하였다. Fig.
- 중심주파수 및 대역폭의 변화는 제작한 IVPA 수신 변환기가 자연집속을 수행하기 시작하는 깊이의 변화를 가져온다. 이러한 변화를 간접적으로 살펴보기 위해 중심주파수가 76.83 MHz 일 때 축방향으로의 음향강도를 Field II 시뮬레이션을 통해 확인해 보았으며, 그 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 예상한 바대로 자연집속이 시작되는 깊이가 3.
- 8. Acoustic intensity of the PVDF-based IVPA receive transducer developed in this study, which was calculated by a Field II simulator.
- 제작한 혈관 내 광음향 수신 변환기의 구경은 혈관 크기를 고려하여 0.5 × 0.5 mm로 하였으며, 최종 변환기의 최대 직경은 1 mm 이하가 되도록 설계하고 제작하였다.
- 9에 나타내었다. 실험을 위해 반사판을 변환기에서 1 mm 떨어진 깊이에서부터 0.25 mm 간격으로 움직이며 펄스-에코 신호를 획득하여 음향강도를 측정하였다. 여기서 음향강도는 물에서의 감쇠를 보상한 값이다.
- 본 연구에서 효율적인 광음향 신호 수신을 위한 PVDF 기반의 IVPA 변환기를 제작하였으나, 특성평가는 변환기의 송수신 특성을 나타내는 펄스-에코 응답실험을 통해 수행하였다. 이는 제작한 변환기의 높은 동작 주파수 및 광대역 특성으로 인해 수신 특성만 따로 분리하여 평가할 수 없어 간접적인 방법을 이용한 것이다.
대상 데이터
- 0)를 이용하여 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션에 사용한 PVDF 물성은 Table 1에 나타내었으며, 흡음층으로는 Epo-Tek 301을 사용하였고, 정합층은 사용하지 않았다. 참고로 Epo-Tek 301의 음향 임피던스는 3.
- 5 mm크기의 구경을 갖는 PVDF 기반 IVPA 수신 변환기의 펄스-에코 응답 및 주파수 스펙트럼 특성을 나타내고 있다. 참고로 반사체가 3 mm 깊이에 위치한 것으로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 제작하고자 하는 IVPA 수신 변환기의 -6 dB 대역폭은 25 ~ 97 MHz이며 중심주파수가 61.
- 제작된 흡음층의 한쪽 표면에 크롬과 금을 각각 500과 2000 Å 두께로 증착하여 전극을 입힌다.
데이터처리
- 제작된 변환기의 주파수 특성을 평가하기 위해 펄스-에코 응답실험을 실시하였다. Fig.
성능/효과
- (1)은 단일 파장에 해당하는 자연집속 시작 깊이이며, 압전소자 크기를 0.5 × 0.5 mm로 선택하였을 때 자연집속 시작 깊이는 동작주파수가 25 MHz일 때 1 mm, 40 MHz일 때 1.6mm, 60 MHz일 때 2.4 mm, 80 MHz일 때 3.2 mm를 갖는다.
- 참고로 반사체가 3 mm 깊이에 위치한 것으로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 제작하고자 하는 IVPA 수신 변환기의 -6 dB 대역폭은 25 ~ 97 MHz이며 중심주파수가 61.27 MHz로 중심 주파수 대비 108.31%의 광대역 특성을 가지고 있음을 알 수 있다. 이러한 중심주파수를 갖는 경우 자연집속이 시작되는 깊이는 Eq.
- 이와 달리 자연집속 시작 깊이인 2.72 mm와 그 이후 깊이인 5 mm에서 형성되는 PSF은 빔 집속이 잘 이루어져 있음을 알 수 있었으며, -3 dB 빔 폭 역시 동일하게 240 μm를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다.
- 하지만 3.28 mm 깊이와 5 mm 깊이에서는 전과 동일하게 -3 dB 빔 폭이 240 μm를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다.
- 펠스-에코 신호의 주파수 스펙트럼 분석을 통해 제작한 IVPA 수신 변환기의 -6 dB 대역폭이 40.86 ~112.8 MHz이며, 중심주파수가 76.83 MHz임을 알 수 있었다. 즉, 중심주파수대비 대역폭이 93.
- 83 MHz임을 알 수 있었다. 즉, 중심주파수대비 대역폭이 93.64 %로 제작한 변환기가 고주파수, 광대역 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 이 측정 결과는 사실 PzFLEX 시뮬레이션 결과와 상이한 것처럼 보인다.
- 이 측정 결과는 사실 PzFLEX 시뮬레이션 결과와 상이한 것처럼 보인다. 즉, PzFLEX 시뮬레이션에서는 -6 dB 대역폭이 25 ~ 97 MHz이며 중심주파수가 61.27 MHz이었다. 이는 PVDF의 특성상 흡음층의 음향 임피던스가 PVDF의 음향 임피던스보다 클 경우 반파장 진동과 더불어 0.
- 주파수 스펙트럼의 크기가 최대가 되는 주파수는 대략 60 MHz 근방이며, 이후 천천히 감소하다가 100 MHz 근방에서 다시 증가하는 경향을 보이고 있다. 즉, PzFLEX 시뮬레이션 결과에서처럼 60 MHz 근방이 반파장 진동이 일어나는 부분이며, 120 MHz 근방이 0.25 파장 진동이 일어나는 부분임을 알 수 있으며, 펄스-에코 응답실험 시 매질에서의 주파수 의존 감쇠에 의해 100 MHz 근방으로 0.25 파장 진동 부분이 나오는 것으로 이해할 수 있다.
- 5 mm로 하였으며, 최종 변환기의 최대 직경은 1 mm 이하가 되도록 설계하고 제작하였다. 펄스-에코 응답 실험을 통해 제작된 변환기는 -6 dB 대역폭이 40.1 ~ 112.8 MHz이며, 중심 주파수가 76.83 MHz인 고주파수 및 광대역 변환기라는 것을 확인하였다.
- 앞서 전술하였듯이 본 연구의 목적은 죽상동맥경화증 진단에 사용될 초음파 및 광음향 융합변화기 개발에 앞서 PVDF 물질을 이용해 혈관내 광음향 수신 변환기를 먼저 제작하고 특성을 평가함으로써 초음파/광음향 융합변환기 제작에 있어 PVDF 물질을 사용할 수 있는지에 대한 고찰이었다. 실험 결과를 바탕으로 PVDF 물질을 이용하여 초음파 및 광음향 융합 영상에 적합한 광대역 특성을 갖는 혈관내 광음향 수신 변환기 제작이 가능함을 확인 할 수 있었다. 향후 레이저 에너지를 전달할 수 있는 광섬유와 융합된 초음파 및 광음향 융합변환기를 PVDF 물질을 이용하여 개발하여 초음파 및 광음향 융합 영상이 죽상동맥경화증 진단에 있어서 얼마나 유용한지를 실험적으로 살펴볼 예정이다.
후속연구
- 실험 결과를 바탕으로 PVDF 물질을 이용하여 초음파 및 광음향 융합 영상에 적합한 광대역 특성을 갖는 혈관내 광음향 수신 변환기 제작이 가능함을 확인 할 수 있었다. 향후 레이저 에너지를 전달할 수 있는 광섬유와 융합된 초음파 및 광음향 융합변환기를 PVDF 물질을 이용하여 개발하여 초음파 및 광음향 융합 영상이 죽상동맥경화증 진단에 있어서 얼마나 유용한지를 실험적으로 살펴볼 예정이다.
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