선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 논문에서는 각막, 홍채, 힘줄, 인대와 같은 근거리 영역에서 고분해능의 영상정보를 획득할 수 있는 의료용 선형 배열 초음파 트랜스듀서를 개발하고자하였다. 이를 위해 초음파의 전파 효율을 증대시키면서 트랜스듀서의 제작성을 높이고 구조적으로 강성을 가질 수 있는 새로운 트랜스듀서의 구조를 고안하였다.
- 본 논문에서는 고분해능 의료용 초음파 영상 획득이 가능한 20 MHz 대역의 초음파 선형 배열 트랜스듀서를 개발하였다. 트랜스듀서를 이루는 압전소자와 정합층들의 두께를 최적설계하고, 그에 따라 트랜스듀서 시편을 제작한 후 특성을 측정하였다.
제안 방법
- 6 mm로 정하였다.[1] 목표성능을 구현하고자 트랜스듀서의 구조는 Fig. 1과 같이 능동소자, 2개의 정합층, 후면층, 음향렌즈, 치폭(kerf), FPCB 및 GRS로 구성된 구조로 고안하였다. 능동소자로는 압전세라믹인 PZT-5H를 사용하였고, 압전세라믹의 전기결선을 위하여 아랫면에 FPCB를 위치시키고 폭방향으로 양 끝에 GRS를 위치시켰다.
- [9] 총 128개의 채널로 구성된 트랜스듀서가 각 채널마다 균일한 음향특성을 가지는지 확인하기 위하여 MUX(National Instruments, SCXI-1193)와 펄서-리시버(pulser-receiver, Panametrics, 5800PR)를 이용하여 모든 채널들의 특성을 측정하였다. 트랜스듀서가 담긴 수조 내에 음향렌즈로부터 수직으로 10 mm 떨어진 곳에 선형 반사판을 위치시킨 후, 트랜스듀서의 각 채널에 임펄스 전압을 인가하여 초음파를 송신하고, 선형 반사판에서 돌아온 반사파를 펄서-리시버로 수신하여 분석하였다.
- 독립소자에 균일한 전기결선 및 구성소자의 제작이 가능하고 높은 기계적 강성을 가지도록 고안된 트랜스듀서의 구조에 대해 유한요소 해석을 수행하여 트랜스듀서 각 구성소자의 치수를 결정하였다. 그리고 설계에 맞게 트랜스듀서를 제작하고 성능을 평가하여, 개발된 구조의 효용성을 확인하였다.
- 그리고 초기 치수와 물성을 사용하여 유한요소 해석을 통해 펄스-반사 신호를 해석한 후, 펄스-반사 신호의 중심주파수, 비대역폭, 감도, 및 –20 dB 여운시간(ring-down time)을 계산하였다.
- 본 연구에서 개발하고자 하는 트랜스듀서는 넓은 주파수 대역의 초음파를 원활하게 송수신할 수 있도록 비대역폭의 요구사양을 80 %이상으로 설정하였다. 그리고 표피로부터 20 mm 깊이까지 초음파 영상을 획득하기 위하여 트랜스듀서의 폭 방향 너비를 1.6 mm로 정하였다.[1] 목표성능을 구현하고자 트랜스듀서의 구조는 Fig.
- 다음으로 측분해능에 영향을 미치는 폭방향 음향빔을 측정하였다. 트랜스듀서의 특정 채널에 펄서-리시버를 연결하고 트랜스듀서에 임펄스 전압을 인가하여 초음파를 수조 내부로 전파시켜 음장을 형성시킨 후, 수중청음기(ONDA, HNR-0500)를 각 지점별로 이동시키며 음압을 측정하였다.
- 1차 정합층의 경우 연마를 통해 설계 두께로 제작하고, 2차 정합층의 경우 패럴린을 화학증착법을 통해 설계두께로 증착하였다. 다음으로 후면층의 경우 에폭시와 텅스텐파우더가 혼합된 재료를 이용하여 기계가공을 통해 제작하고, 음향렌즈의 경우 고분자 중합체를 연마하여 제작하였다. 이상의 부품들을 순차적으로 결합하여 트랜스듀서 시편을 제작하였고, Fig.
- 개발된 트랜스듀서의 중심주파수는 20 MHz이고, 독립소자의 수는 128개이다. 독립소자에 균일한 전기결선 및 구성소자의 제작이 가능하고 높은 기계적 강성을 가지도록 고안된 트랜스듀서의 구조에 대해 유한요소 해석을 수행하여 트랜스듀서 각 구성소자의 치수를 결정하였다. 그리고 설계에 맞게 트랜스듀서를 제작하고 성능을 평가하여, 개발된 구조의 효용성을 확인하였다.
- 본 연구에서 개발하고자 하는 트랜스듀서는 넓은 주파수 대역의 초음파를 원활하게 송수신할 수 있도록 비대역폭의 요구사양을 80 %이상으로 설정하였다. 그리고 표피로부터 20 mm 깊이까지 초음파 영상을 획득하기 위하여 트랜스듀서의 폭 방향 너비를 1.
- 위의 기본 구조에서 압전세라믹과 정합층의 두께를 유한요소 해석 상용코드인 PZFlex(Weidlinger Associates, NY)를 이용하여 결정하였다. 선행연구인 Reference [10]를 따라 중심주파수에 보정계수를 나누어 반공진 주파수를 구한 뒤, 반공진 주파수를 기준으로 계산된 파장을 이용하여 압전세라믹과 정합층의 초기 두께를 정하였다. 이때 압전세라믹의 초기 두께는 62 μm이고, 1차 정합층은 26 μm, 2차 정합층은 16 μm이었다.
- 위의 기본 구조에서 압전세라믹과 정합층의 두께를 유한요소 해석 상용코드인 PZFlex(Weidlinger Associates, NY)를 이용하여 결정하였다. 선행연구인 Reference [10]를 따라 중심주파수에 보정계수를 나누어 반공진 주파수를 구한 뒤, 반공진 주파수를 기준으로 계산된 파장을 이용하여 압전세라믹과 정합층의 초기 두께를 정하였다.
- 본 논문에서는 각막, 홍채, 힘줄, 인대와 같은 근거리 영역에서 고분해능의 영상정보를 획득할 수 있는 의료용 선형 배열 초음파 트랜스듀서를 개발하고자하였다. 이를 위해 초음파의 전파 효율을 증대시키면서 트랜스듀서의 제작성을 높이고 구조적으로 강성을 가질 수 있는 새로운 트랜스듀서의 구조를 고안하였다. 개발된 트랜스듀서의 중심주파수는 20 MHz이고, 독립소자의 수는 128개이다.
- 이상의 설계 결과에 따라 트랜스듀서 시편을 제작하였다. 먼저 FPCB는 식각공정을 통해 폭방향 양쪽으로 총 128개를 형성하였다.
- 제작된 트랜스듀서의 성능을 확인하고자 우선 펄스-반사 신호를 측정하였다.[9] 총 128개의 채널로 구성된 트랜스듀서가 각 채널마다 균일한 음향특성을 가지는지 확인하기 위하여 MUX(National Instruments, SCXI-1193)와 펄서-리시버(pulser-receiver, Panametrics, 5800PR)를 이용하여 모든 채널들의 특성을 측정하였다.
- 제작된 트랜스듀서를 이용하여 팬텀 영상을 획득하였다. 주파수에 따른 영상의 분해능을 비교하기 위해서 중심주파수가 8.8 MHz인 선형 배열 트랜스듀서(Alpinion medical systems Co. Ltd., L3-12)를 통해 획득한 팬텀 영상과 비교하였다. 이때 8.
- 이때 GRS와 FPCB는 얇기는 하지만 그 두께로 인해 트랜스듀서의 초음파 전파효율을 저하시키는 원인이 된다. 통상적인 초음파 트랜스듀서의 구조는 GRS와 FPCB를 압전소자의상, 하부에 위치시키는데, 본 논문에서는 초음파의 전파효율을 증대시키고 트랜스듀서의 제작성을 고려하여 GRS를 압전소자 상부면의 폭방향(elevation) 양 끝에 두고, FPCB를 압전소자와 후면층 사이에 삽입하는 트랜스듀서의 구조를 고안하였다. 일반적으로 정합층과 후면층에 비해 높은 음향 임피던스를 가지는 압전소자는 동작주파수에서 반파장 공진모드를 가지는데, 이때 FPCB 내의 구리층은 압전소자와 비교하여 두께와 음향 임피던스가 유사하므로 압전소자와 구리층의 총 두께가 반파장 길이가 되도록 하였다.
- [9] 총 128개의 채널로 구성된 트랜스듀서가 각 채널마다 균일한 음향특성을 가지는지 확인하기 위하여 MUX(National Instruments, SCXI-1193)와 펄서-리시버(pulser-receiver, Panametrics, 5800PR)를 이용하여 모든 채널들의 특성을 측정하였다. 트랜스듀서가 담긴 수조 내에 음향렌즈로부터 수직으로 10 mm 떨어진 곳에 선형 반사판을 위치시킨 후, 트랜스듀서의 각 채널에 임펄스 전압을 인가하여 초음파를 송신하고, 선형 반사판에서 돌아온 반사파를 펄서-리시버로 수신하여 분석하였다. 개별 채널에서 측정된 펄스-반사 신호의 대표적인 파형은 Fig.
- 본 논문에서는 고분해능 의료용 초음파 영상 획득이 가능한 20 MHz 대역의 초음파 선형 배열 트랜스듀서를 개발하였다. 트랜스듀서를 이루는 압전소자와 정합층들의 두께를 최적설계하고, 그에 따라 트랜스듀서 시편을 제작한 후 특성을 측정하였다. 측정된 결과는 설계값과 일치하는 것으로 나타났고, 새로운 구조로 이루어진 초음파 트랜스듀서는 기존 20 MHz 트랜스듀서에 비하여 더 넓은 주파수 대역폭과 균일한 감도를 가지는 것으로 확인되었다.
- 다음으로 측분해능에 영향을 미치는 폭방향 음향빔을 측정하였다. 트랜스듀서의 특정 채널에 펄서-리시버를 연결하고 트랜스듀서에 임펄스 전압을 인가하여 초음파를 수조 내부로 전파시켜 음장을 형성시킨 후, 수중청음기(ONDA, HNR-0500)를 각 지점별로 이동시키며 음압을 측정하였다. 측정된 음장은 Fig.
대상 데이터
- 5 mm이고, 영상의 깊이는 약 40 mm이다. 각 트랜스듀서를 영상시스템(Alpinion medical systems Co., Ltd., E-cube9)과 연결한 후, 팬텀(ATS, 560)에 부착하여 초음파 영상을 획득하였다. 사용된 영상시스템은 사용주파수의 변조가 가능하여, 8.
- 이를 위해 초음파의 전파 효율을 증대시키면서 트랜스듀서의 제작성을 높이고 구조적으로 강성을 가질 수 있는 새로운 트랜스듀서의 구조를 고안하였다. 개발된 트랜스듀서의 중심주파수는 20 MHz이고, 독립소자의 수는 128개이다. 독립소자에 균일한 전기결선 및 구성소자의 제작이 가능하고 높은 기계적 강성을 가지도록 고안된 트랜스듀서의 구조에 대해 유한요소 해석을 수행하여 트랜스듀서 각 구성소자의 치수를 결정하였다.
- 1과 같이 능동소자, 2개의 정합층, 후면층, 음향렌즈, 치폭(kerf), FPCB 및 GRS로 구성된 구조로 고안하였다. 능동소자로는 압전세라믹인 PZT-5H를 사용하였고, 압전세라믹의 전기결선을 위하여 아랫면에 FPCB를 위치시키고 폭방향으로 양 끝에 GRS를 위치시켰다. 이때 GRS와 FPCB는 얇기는 하지만 그 두께로 인해 트랜스듀서의 초음파 전파효율을 저하시키는 원인이 된다.
- , E-cube9)과 연결한 후, 팬텀(ATS, 560)에 부착하여 초음파 영상을 획득하였다. 사용된 영상시스템은 사용주파수의 변조가 가능하여, 8.8 MHz와 20 MHz의 초음파 영상을 모두 볼 수 있다. 이때 20 MHz 트랜스듀서을 통해 획득한 팬텀 영상의 폭과 깊이가 약 10.
- 음향렌즈의 경우 초음파의 투과가 잘 이루어지고 외부 충격으로부터 트랜스듀서를 보호할 수 있도록 높은 기계적 강성 및 전기절연성을 가진 고분자 중합체를 사용하였다. 정합층의 재료로는 얇고 균일한 두께로 형성이 가능한 패럴린(Parylene) C를 2차 정합층으로 채택하였고, 패럴린보다 음향 임피던스가 높고 음속도 빠른 에폭시 재료를 1차 정합층에 사용하였다. 위와 같이 각 구성소자에 적용된 물성은 Table 1에 나타내었다.
- 제작된 트랜스듀서를 이용하여 팬텀 영상을 획득하였다. 주파수에 따른 영상의 분해능을 비교하기 위해서 중심주파수가 8.
- 이때 독립소자의 전기적 분리를 위하여 1차 치폭은 후면층까지 형성하였다. 치폭의 충진재료는 에폭시로 선정하였다. 음향렌즈의 경우 초음파의 투과가 잘 이루어지고 외부 충격으로부터 트랜스듀서를 보호할 수 있도록 높은 기계적 강성 및 전기절연성을 가진 고분자 중합체를 사용하였다.
데이터처리
- 13μsec로 나타났다. 설계변수는 2개의 정합층과 압전 세라믹의 두께로 선정한 후, 설계변수 변화에 따른 성능변화를 다중 회귀분석법으로 2차 회귀함수로 나타내었다.[10] 도출된 성능함수를 이용하여 Eq.
이론/모형
- [10] 도출된 성능함수를 이용하여 Eq. (1)에 나타난 목적함수와 제한조건을 만족하도록 OQNLP(OptQuest-NonLinear Problem) 알고리즘을 이용하여 최적치수를 도출하였다.[11] 이때 목적함수는 음파의 길이를 최소화하는 것이고, 제한조건으로는 중심주파수가 20 MHz ± 5 %의 범위 내이고, 비대역폭이 80 % 이상, 감도가 초기 모델보다 높아야 하는 것이었다.
성능/효과
- 초음파 영상의 품질은 축분해능(axial resolution) 및 측분해능(lateral resolution)에 좌우된다.[1] 먼저 축분해능은 트랜스듀서로부터 방사된 음파의 길이가 짧을수록 높아지는데, 이때 음파의 길이는 주파수가 높아지면 파장이 짧아져 줄어든다. 하지만 주파수가 높아질수록 감쇠가 커져 음파가 도달할 수 있는 거리가 짧아지며, 이로 인해 초음파가 인체 깊은 곳으로 전파되기 어려워 영상화 가능한 영역이 줄어들고 구성소자의 두께가 얇아져 트랜스듀서의 제작이 어려워진다.
- 2 mm로 측정되었다. 따라서 본 논문에서 설계 및 제작한 트랜스듀서의 우수성이 확인되었다.
- 측정된 결과는 설계값과 일치하는 것으로 나타났고, 새로운 구조로 이루어진 초음파 트랜스듀서는 기존 20 MHz 트랜스듀서에 비하여 더 넓은 주파수 대역폭과 균일한 감도를 가지는 것으로 확인되었다. 또한 저주파 트랜스듀서에 비해 향상된 분해능의 초음파 영상을 구현할 수 있음을 확인하였다. 본 연구에서 개발된 20 MHz 의료용 선형 배열 초음파 트랜스듀서는 각막, 홍채, 인대, 힘줄과 같은 근거리 영역에서 고분해능 영상정보가 요구되는 분야에 효과적으로 사용될 것으로 기대된다.
- 이때 중심주파수는 19.5 MHz이고, 비대역폭은 87.1 %, 감도는 –58.7 dB, -20 dB 여운시간은 0.12 μs로 나타났는데, 도출된 최적치수는 제한조건을 만족하며 음파의 길이를 최소화하였다.
- 트랜스듀서를 이루는 압전소자와 정합층들의 두께를 최적설계하고, 그에 따라 트랜스듀서 시편을 제작한 후 특성을 측정하였다. 측정된 결과는 설계값과 일치하는 것으로 나타났고, 새로운 구조로 이루어진 초음파 트랜스듀서는 기존 20 MHz 트랜스듀서에 비하여 더 넓은 주파수 대역폭과 균일한 감도를 가지는 것으로 확인되었다. 또한 저주파 트랜스듀서에 비해 향상된 분해능의 초음파 영상을 구현할 수 있음을 확인하였다.
- 측정된 음장은 Fig. 6과 같이 –3 dB 빔 형상으로 나타내었는데, 트랜스듀서로부터 20 mm 깊이까지 좁고 균일한 빔 형상을 가지는 것으로 나타났으며, 해석결과와도 잘 일치하여 트랜스듀서의 제작이 잘 이루어진 것으로 판단할 수 있다.
- 4(b)와 같이 주파수 스펙트럼으로 변환하였다. 측정된 펄스-반사 신호의 파형과 주파수 스펙트럼은 해석결과와 잘 일치하고 중심주파수와 비대역폭의 목표사양을 만족시키는 것으로 나타나므로, 트랜스듀서의 설계 및 제작이 잘 이루어진 것을 확인할 수 있다. 측정된 펄스-반사 신호는 중심주파수가 19 MHz이고, 비대역폭이 84.
- 평균 감도는 –62.6 dB이고, 감도의 표준편차는 0.74 dB로 측정되어 균일한 음향특성을 가진다는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 또한 저주파 트랜스듀서에 비해 향상된 분해능의 초음파 영상을 구현할 수 있음을 확인하였다. 본 연구에서 개발된 20 MHz 의료용 선형 배열 초음파 트랜스듀서는 각막, 홍채, 인대, 힘줄과 같은 근거리 영역에서 고분해능 영상정보가 요구되는 분야에 효과적으로 사용될 것으로 기대된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.