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의료용 초음파 위상배열 트랜스듀서의 열 분산 방안
Thermal Dispersion Method for a Medical Ultrasonic Phased Array Transducer 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.34 no.3, 2015년, pp.210 - 218  

이원석 (경북대학교 기계공학과) ,  노용래 (경북대학교 기계공학과)

초록
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초음파 영상 품질의 향상을 위해 트랜스듀서구동전압을 높이게 되면 트랜스듀서에서 열이 발생하여 환자의 피부 화상 및 트랜스듀서의 성능 저하를 초래할 수 있다. 따라서, 이렇게 온도가 상승하지 않도록 트랜스듀서 내의 열을 효율적으로 분산할 수 있는 방안에 대해 연구하였다. 이때 열 분산 해석 대상으로 중심주파수가 3 MHz이고 32채널을 가진 위상배열 트랜스듀서를 선정하였다. 먼저 트랜스듀서의 동작에 따른 발열 구조를 이론적으로 분석하였고, 그 결과로서 재료의 감쇠와 음압의 크기가 발열에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 나아가 유한요소 해석을 통해 트랜스듀서 구성소자의 물성이 열 분산에 미치는 영향을 분석하였다. 분석된 결과를 바탕으로 트랜스듀서 내 열이 잘 분산되기 위한 구성소자의 열물성을 정하였다. 도출된 열 물성을 유한요소 해석 모델에 적용한 결과 환자와 접촉되는 부분인 음향렌즈의 최고온도가 원래 값의 51 %로 저하되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

When the driving voltage of an ultrasound transducer is increased to improve the quality of ultrasound images, heat is generated inside the transducer that can cause patient's skin burn and degradation of transducer performance. Hence, in this paper, a method to disperse the heat of the transducer h...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • [13] 하지만 트랜스듀서 내에서 발생된 열을 원하는 경로로 분산시켜 특정지점에서의 온도를 제어하는 방법에 관하여 연구가 부족하였다. 따라서 트랜스듀서 내에 열이 발생하는 원리와 구체적인 위치를 분석하고 열이 전달되는 경로를 제어하여 특정 지점에서의 온도를 조절하는 방안을 연구하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 초음파 영상 진단시 트랜스듀서의 모든 채널을 연속적으로 사용하여 발열 가능성이 높은 위상배열 트랜스듀서를 대상으로 열 분산 방안에 대해 연구하였다. 초음파 트랜스듀서 내에서 열을 발생시키는 열원은 외부에서 전기 에너지를 공급받아 이를 음향 에너지 및 열 에너지로 변환시키는 압전소자이고, 되도록 온도를 저하시키고 싶은 트랜스듀서의 위치는 환자와 직접 접촉하는 음향렌즈 표면이다.
  • 본 연구에서는 초음파 트랜스듀서 내의 열 분산을 통해 전면에 위치한 음향렌즈의 온도 저감 방안을 도출하고자 하였다. 이론적 열해석을 통해 트랜스듀서 내에 열이 발생하는 원리를 규명하고, 열 분산에 영향을 미치는 비열과 열전도도에 따른 트랜스듀서의 온도변화를 분석하였다.
  • 이것은 후면층 방향으로 열을 전달시켜 음향렌즈의 온도를 보다 많이 저감시키고자 하였기 때문이다. 이러한 결과는 위에서 도출한 열 분산 방안의 타당성을 확인시켜주는 것이다.
  • 확산 방정식에서 비열, 열전도도 및 밀도와 열원의 크기에 의해 온도는 시간과 위치에 따라 변하는 데, 트랜스듀서 구성 재료의 물성 중에서 특히 비열과 열전도도가 온도변화에 미치는 영향을 확인하고자 하였다.

가설 설정

  • 즉 트랜스듀서의 작동에 의해 발생되는 열은 음압의 크기와 매질의 밀도, 음속, 및 감쇠도에 영향을 받으며, Eq.(3)에서 트랜스듀서의 온도는 매질의 비열과 열전도도에 의해 변한다. 따라서 트랜스듀서 내에서 발생된 열은 구성소자의 물성과 열전달 경로를 조절하여 분산시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
초음파 영상 품질의 향상을 위해 트랜스듀서의 구동전압을 높이게 되면 어떤 일을 초래할 수 있는가? 초음파 영상 품질의 향상을 위해 트랜스듀서의 구동전압을 높이게 되면 트랜스듀서에서 열이 발생하여 환자의 피부 화상 및 트랜스듀서의 성능 저하를 초래할 수 있다. 따라서, 이렇게 온도가 상승하지 않도록 트랜스듀서 내의 열을 효율적으로 분산할 수 있는 방안에 대해 연구하였다.
의료용 초음파 장치는 어떻게 나눌 수 있는가? 의료용 초음파 장치는 크게 초음파를 집속시켜 인체 내에 암과 같은 생체조직을 국부적으로 가열하여 괴사시키는 초음파 치료장치와 초음파의 송수신을 이용하여 체내 영상을 제공하는 초음파 진단장치로 나눌 수 있다. 인체 내부로 전파된 초음파는 피부, 근육 및 지방과 같은 인체조직들을 통과할 때 감쇠가 되므로, 진단하고자 하는 장기까지 보내기 위해서는 높은 음압의 초음파를 트랜스듀서가 발신하여야 한다.
트랜스듀서 내에 열이 발생하는 원리와 구체적인 위치를 분석하고 열이 전달되는 경로를 제어하여 특정 지점에서의 온도를 조절하는 방안을 연구하고자 한 이유는? [8-11] 또한 압전체를 대신하여 미세 가공을 통해 제작되는 정전용량형 소자를 트랜스듀서에 적용하여 발생되는 열을 저감하는 방안[12] 과 열전도도가 높은 두꺼운 금속을 압전체에 접착하여 트랜스듀서의 온도를 저감하는 연구도 이루어졌다.[13]하지만 트랜스듀서 내에서 발생된 열을 원하는 경로로 분산시켜 특정지점에서의 온도를 제어하는 방법에 관하여 연구가 부족하였다. 따라서 트랜스듀서 내에 열이 발생하는 원리와 구체적인 위치를 분석하고 열이 전달되는 경로를 제어하여 특정 지점에서의 온도를 조절하는 방안을 연구하고자 하였다.
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참고문헌 (17)

  1. W. L. Nyborg, "Heat generation by ultrasound in a relaxing medium," J. Acoust. Soc. Am. 70, 310-312 (1981). 

  2. T. L. Szabo, "Time domain wave equations for lossy media obeying a frequency power law," J. Acoust. Soc. Am. 96, 491-500 (1994). 

  3. D. J. Powell, J. Mould, and G. L. Wojcik, "Dielectric and mechanical absorption mechanisms for time and frequency domain transducer modeling," in Proc. IEEE Ultrason. Symp., 1019-1027 (1998). 

  4. K. L. Gentry, M. L. Palmeri, N. Sachedina, and S. W. smith, "Finite element analysis of temperature rise from an integrated 3-D intracardiac echo and ultrasound ablation transducer," in Proc. IEEE Ultrason. Symp. 122-125 (2004). 

  5. S. Wang, V. Frenkel, and V. Zderic, "Optimization of pulsed focused ultrasound exposures for hyperthermia applications," J. Acoust. Soc. Am. 130, 599-609 (2011). 

  6. R. Samanipour, M. Maerefat, and H. R. Nejad, "Numerical study of the effect of ultrasound frequency on temperature distribution in layered tissue," J. Therm. Biolo. 38, 287-293 (2013). 

  7. P. Gelat, G. T. Haar, and N. Saffari, "A comparison of methods for focusing the field of a HIFU array transducer through human ribs," Phys. Med. Biol. 59, 3139-3171 (2014). 

  8. A. C. S. Parr, R. L. O'Leary, G. Hayward, and G. Smillie, "Improving the thermal stability of 1-3 piezoelectric composite transducers manufactured using thermally conductive polymeric fillers," in Proc. IEEE Ultrason. Symp. 362-365 (2003). 

  9. A. C. S. Parr, R. L. O'Leary, and G. Hayward, "Improving the thermal stability of 1-3 piezoelectric composite transducers," IEEE Trans. Ultrason, Ferroelect. Freq. Contr. 52, 550-563 (2005). 

  10. J. L. Butler, A. L. Butler, and S. C. Butler, "Thermal model for piezoelectric transducers (L)," J. Acoust. Soc. Am. 132, 2161-2164 (2012). 

  11. R. Ramesh, R. K. Kumar, and T. K. V. Kumar, "Heat generation in 1-3 piezoceramic-polymer composites," J. Electroceram. 30, 251-257 (2013). 

  12. A. S. Ergun, S. Barnes, and E. Gardner, "An assessment of the thermal efficiency of capacitive micromachined ultrasonic transducers," in Proc. IEEE Ultrason. Symp. 420-430 (2007). 

  13. P. Vasiljev, D. Mazeika, and S. Borodinas, "Minimizing heat generation in a piezoelectric Langevin transducer," in Proc. IEEE Ultrason. Symp. 2714-2717 (2012). 

  14. L. E. Kinsler, A. R. Frey, A. B. Coppens, and J. V. Sanders, Fundamentals of Acoustics, Fourth Edition (John Wiley & Sons, New York, 2000), pp. 211-212, 529-531, 508-509. 

  15. J. H. Lienhard IV and J. H. Lienhard V, A Heat Transfer Textbook, Third Edition (Courier Dover Publications, New York, 2008), pp. 54-56. 

  16. Y. A. Cengel and M. A. Boles, Thermodynamics: An Engineering Approach, Second Edition (McGraw-Hill, New York, 1994), pp. 186-189. 

  17. R. McKeighen, "Finite element simulation and modeling of 2-D arrays for 3-D ultrasonic imaging," IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. 48, 1395-1405 (2001). 

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