수 MHz의 초음파를 이용하는 저주파 광음향 영상장치에 적용하는 것을 목적으로 압전단결정 PMN-PZT를 사용한 바늘형 수중청음기를 설계 제작하고, 그 특성을 수신감도가 알려져 있는 상용 PVDF(Polyvinylidene Fluoride) 수중청음기와 비교하여 평가하였다. 설계한 수중청음기의 임펄스응답을 KLM 모델에 의해 시뮬레이션한 결과, $50{\Omega}$의 종단 임피던스에 걸리는 최대 전압을 기준으로 한 수신감도는 -261.6 dB re $1V/{\mu}Pa$이며, 2 ~ 12 MHz 대역에서 5 dB 이내의 비교적 평탄한 특성을 가지는 것으로 예측되었다. 제작한 수중청음기의 수신감도를 순음펄스를 사용하여 측정한 결과, 측정 가능한 2 ~ 8 MHz 대역에서 상용의 수중청음기에 비해 평균 10.9 dB 높게 나타났으며, 그 값은 $-255.8{\pm}2.8$ dB re $1V/{\mu}Pa$이었다. 나아가, 제작한 수중청음기를 기계주사형 광음향 영상장치에 적용하여 머리카락에 대한 영상을 획득하였는바, 수신된 광음향 신호가 상용의 것보다 크고, 영상 또한 우수함을 알았다.
수 MHz의 초음파를 이용하는 저주파 광음향 영상장치에 적용하는 것을 목적으로 압전단결정 PMN-PZT를 사용한 바늘형 수중청음기를 설계 제작하고, 그 특성을 수신감도가 알려져 있는 상용 PVDF(Polyvinylidene Fluoride) 수중청음기와 비교하여 평가하였다. 설계한 수중청음기의 임펄스응답을 KLM 모델에 의해 시뮬레이션한 결과, $50{\Omega}$의 종단 임피던스에 걸리는 최대 전압을 기준으로 한 수신감도는 -261.6 dB re $1V/{\mu}Pa$이며, 2 ~ 12 MHz 대역에서 5 dB 이내의 비교적 평탄한 특성을 가지는 것으로 예측되었다. 제작한 수중청음기의 수신감도를 순음 펄스를 사용하여 측정한 결과, 측정 가능한 2 ~ 8 MHz 대역에서 상용의 수중청음기에 비해 평균 10.9 dB 높게 나타났으며, 그 값은 $-255.8{\pm}2.8$ dB re $1V/{\mu}Pa$이었다. 나아가, 제작한 수중청음기를 기계주사형 광음향 영상장치에 적용하여 머리카락에 대한 영상을 획득하였는바, 수신된 광음향 신호가 상용의 것보다 크고, 영상 또한 우수함을 알았다.
For application to several MHz photoacoustic imaging systems, a needle hydrophone was designed and fabricated by using PMN-PZT piezoelectric single crystal, and its characteristics were evaluated through comparison with a commercial PVDF(Polybinylidene Fluoride) hydrophone of which receiving sensiti...
For application to several MHz photoacoustic imaging systems, a needle hydrophone was designed and fabricated by using PMN-PZT piezoelectric single crystal, and its characteristics were evaluated through comparison with a commercial PVDF(Polybinylidene Fluoride) hydrophone of which receiving sensitivity is known. The simulation using the KLM model results show that the peak receiving impulse response for $50{\Omega}$ terminating impedance of the fabricated hydrophone is -261.6 dB re $1V/{\mu}Pa$ and the frequency response is relatively flat over 2 ~ 12 MHz with fluctuation less than 5 dB. The measurement results using tone burst signals also show that it has higher (ave. 10.9 dB) sensitivity than the commercial hydrophone in 2 ~ 8 MHz, and the receiving sensitivity of $-255.8{\pm}2.8$ dB re $1V/{\mu}Pa$ was measured for the fabricated hydrophone. In addition, it is known that the photoacoustic signals and the image of a hair obtained by a mechanical scanned photoacoustic imaging system with the fabricated hydrophone were bigger and better than those obtained with the commercial hydrophone.
For application to several MHz photoacoustic imaging systems, a needle hydrophone was designed and fabricated by using PMN-PZT piezoelectric single crystal, and its characteristics were evaluated through comparison with a commercial PVDF(Polybinylidene Fluoride) hydrophone of which receiving sensitivity is known. The simulation using the KLM model results show that the peak receiving impulse response for $50{\Omega}$ terminating impedance of the fabricated hydrophone is -261.6 dB re $1V/{\mu}Pa$ and the frequency response is relatively flat over 2 ~ 12 MHz with fluctuation less than 5 dB. The measurement results using tone burst signals also show that it has higher (ave. 10.9 dB) sensitivity than the commercial hydrophone in 2 ~ 8 MHz, and the receiving sensitivity of $-255.8{\pm}2.8$ dB re $1V/{\mu}Pa$ was measured for the fabricated hydrophone. In addition, it is known that the photoacoustic signals and the image of a hair obtained by a mechanical scanned photoacoustic imaging system with the fabricated hydrophone were bigger and better than those obtained with the commercial hydrophone.
본 연구에서는 저주파 광음향 영상장치에 있어서 음향신호 수신 센서로서의 이용 가능성을 타진하는 것을 목적으로 압전단결정 PMN-PZT를 사용하여 수 MHz 대역에서 수신감도가 높고, 주파수 특성이 비교적 평탄한 바늘형 수중청음기를 설계, 제작하였다. 제작된 수중청음기의 특성을 수신감도가 알려져 있는 상용 PVDF 수중청음기와 비교하여 파악한 후, 광섬유를 사용하는 저주파의 기계주사형 광음향 영상장치에 적용하여 머리카락에 대한 광음향 신호와 영상을 획득하고 그 특성을 평가하였다.
제안 방법
본 연구에서는 저주파 광음향 영상장치에 있어서 음향신호 수신 센서로서의 이용 가능성을 타진하는 것을 목적으로 압전단결정 PMN-PZT를 사용하여 수 MHz 대역에서 수신감도가 높고, 주파수 특성이 비교적 평탄한 바늘형 수중청음기를 설계, 제작하였다. 제작된 수중청음기의 특성을 수신감도가 알려져 있는 상용 PVDF 수중청음기와 비교하여 파악한 후, 광섬유를 사용하는 저주파의 기계주사형 광음향 영상장치에 적용하여 머리카락에 대한 광음향 신호와 영상을 획득하고 그 특성을 평가하였다.
압전단결정 PMN-PZT를 사용한 0.5 × 0.5 mm의 바늘형 수중청음기를 설계 제작하고, 그 특성을 상용 PVDF 수중청음기와 비교하여 평가한 후, 기계주사형 광음향 영상장치에 적용하여 머리카락에 대한 영상을 획득하였다. 설계한 수중청음기의 임펄스응답을 KLM 모델에 의해 시뮬레이션한 결과, 50 Ω의 종단 임피던스에 걸리는 최대 전압을 기준으로 한 수신감도는 -261.
)와 비교하여 평가하였다. 즉, 수조 내에서 중심주파수 5 MHz의 비파괴검사용 트랜스듀서(A332S, Panametrics-NDT) 를 임펄스로 간주되는 스파이크 펄스 및 순음 펄스(tone burst)로 구동시키고, 방사되는 초음파를 제작한 수중청음기와 상용 수중청음기로 각각 측정하여 비교하였다. 여기서 사용한 상용의 수중청음기는 수신감도가 1 MHz에서 20 MHz까지 1 MHz 간격으로 알려져 있고, 8 dB의 전치증폭기가 장착되어 있는 것이다.
대상 데이터
6에 나타낸 바와 같다. 광원으로서는 OPO(Surelite OPO plus, Continuum Co.)가 연결되어 있는 파장 532 nm의 Nd:YAG 레이저(Surelite III, Continuum Co.)를 사용하였는데, 펄스폭이 약 5 ns이며 반복주파수는 10 Hz이다. OPO의 출력은 직경 Φ = 1.0 mm, 길이 L = 1.0 m 인 광섬유를 거쳐 수중에 설치된 시료에 조사되도록 하였다. 시료로서는 굵기가 약 0.
0 m 인 광섬유를 거쳐 수중에 설치된 시료에 조사되도록 하였다. 시료로서는 굵기가 약 0.1 mm인 사람의 머리카락을 사용하였다.
성능/효과
6 dB re 1V/μPa이며, 2 ~ 12 MHz 대역에서 5 dB 이내의 비교적 평탄한 특성을 가지는 것으로 예측되었다. 그리고 비파괴 검사용 트랜스듀서에 방사되는 순음 펄스에 대한 수신전압의 측정결과, 제작한 수중청음기는 2 ~ 8 MHz에서 비교한 상용의 수중청음기에 비해 주파수 특성은 그다지 평탄하지 않으나 수신감도는 평균 10.9 dB 높아서 -255.8±2.8 dB re 1V/μPa인 것을 확인하였다. 나아가, 머리카락에서 얻어진 광음향 신호 또한 상용에 비해 크며 영상도 우수함을 알았다.
8 dB re 1V/μPa인 것을 확인하였다. 나아가, 머리카락에서 얻어진 광음향 신호 또한 상용에 비해 크며 영상도 우수함을 알았다. 제작된 수중청음기는 금후 PAT 장치 등 저주파 광음향 영상장치에서의 초음파 트랜스듀서로서 이용할 수 있을 것으로 기대된다.
5 mm의 바늘형 수중청음기를 설계 제작하고, 그 특성을 상용 PVDF 수중청음기와 비교하여 평가한 후, 기계주사형 광음향 영상장치에 적용하여 머리카락에 대한 영상을 획득하였다. 설계한 수중청음기의 임펄스응답을 KLM 모델에 의해 시뮬레이션한 결과, 50 Ω의 종단 임피던스에 걸리는 최대 전압을 기준으로 한 수신감도는 -261.6 dB re 1V/μPa이며, 2 ~ 12 MHz 대역에서 5 dB 이내의 비교적 평탄한 특성을 가지는 것으로 예측되었다. 그리고 비파괴 검사용 트랜스듀서에 방사되는 순음 펄스에 대한 수신전압의 측정결과, 제작한 수중청음기는 2 ~ 8 MHz에서 비교한 상용의 수중청음기에 비해 주파수 특성은 그다지 평탄하지 않으나 수신감도는 평균 10.
후속연구
나아가, 머리카락에서 얻어진 광음향 신호 또한 상용에 비해 크며 영상도 우수함을 알았다. 제작된 수중청음기는 금후 PAT 장치 등 저주파 광음향 영상장치에서의 초음파 트랜스듀서로서 이용할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고분자 압전막이 몇 층의 압전막을 중첩시켜 감도를 향상시키거나, 웨이블릿 변환(wavelet transform)과 같은 신호처리에 의해 잡음을 제거시키는 방법 등이 도입되고 있는 이유는?
PAT 장치를 이용한 영상화를 위해서는 크기가 작은 하나의 초음파 트랜스듀서를 표적 주위로 회전시키거나 다수의 트랜스듀서를 배열하여 광음향 신호를 수신하는데, 그 트랜스듀서의 압전재료로서 종래 PVDF(Polyvinylidene Fluoride) 또는 P(VDF-TrFE) [Poly(Vinylidene Fluoride-Trifluoroethylene)] 고분자 압전막이 광범위하게 사용되어져 왔다.[12,13] 초음파 트랜스듀서 제작용으로 시판되는 고분자 압전막은 대부분 수 ~약 백 μm의 두께를 가지며, 그것으로 만든 수신용 트랜스듀서, 즉, 수중청음기는 1 MHz 이하에서 부터 수십 MHz 이상의 넓은 주파수 영역에서 특성이 평탄하고 비교적 높은 수신감도를 갖는다. 그러나 혈관뿐 만 아니라 초기 유방암과 같은 다양한 종류의 표적에서 발생하는 미세한 광음향 신호를 수신하여 고화질의 영상으로 나타내는 데는 그 감도가 충분하고 할 수 없다. 따라서 몇 층의 압전막을 중첩시켜 감도를 향상시키거나, 웨이블릿 변환(wavelet transform)과 같은 신호처리에 의해 잡음을 제거시키는 방법 등이 도입되고 있다.
트랜스듀서의 압전재료는 무엇이 사용되어왔는가?
PAT 장치를 이용한 영상화를 위해서는 크기가 작은 하나의 초음파 트랜스듀서를 표적 주위로 회전시키거나 다수의 트랜스듀서를 배열하여 광음향 신호를 수신하는데, 그 트랜스듀서의 압전재료로서 종래 PVDF(Polyvinylidene Fluoride) 또는 P(VDF-TrFE) [Poly(Vinylidene Fluoride-Trifluoroethylene)] 고분자 압전막이 광범위하게 사용되어져 왔다.[12,13] 초음파 트랜스듀서 제작용으로 시판되는 고분자 압전막은 대부분 수 ~약 백 μm의 두께를 가지며, 그것으로 만든 수신용 트랜스듀서, 즉, 수중청음기는 1 MHz 이하에서 부터 수십 MHz 이상의 넓은 주파수 영역에서 특성이 평탄하고 비교적 높은 수신감도를 갖는다.
광음향 영상장치는 어떻게 분류되는가?
[5] 한편, Bowen[6]에 의해 인체조직으로부터 광음향 신호를 얻는 방법이 제시된 이후 미세혈관을 영상화하기 위한 연구가 2000년대에 들어와 활발히 이루어졌다.[7-9] 그 결과로서 최근에는 다양한 형태의 광음향 영상장치가 개발되어져 시판되고 있는데, 신호 획득 및 처리 방법에 따라 PAM(Photoacoustic Microscope)와 PAT(Photoacoustic Tomography) 장치로 분류된다. 그 중에서 보다 깊고 넓은 영역의 영상 획득이 가능한 PAT 장치에서는 중심주파수가 수 MHz인 초음파 트랜스듀서가 자주 이용되어져 왔다.
참고문헌 (16)
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