KR100929148B1 - 초음파 진단용 프로브의 표면 온도 예측 방법 - Google Patents

초음파 진단용 프로브의 표면 온도 예측 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 복수의 변환소자를 포함하는 초음파 진단용 프로브에서 초음파 신호를 송수신하는 프로브 표면 온도 예측 방법은, a) 상기 복수의 변환소자 중 하나의 변환소자를 선택하는 단계; b) 상기 변환소자에서 열전달 특성을 결정하는 단계; c) 소정의 주파수 및 진폭을 가지는 송신 펄스 신호를 상기 선택한 변환소자에 1회 인가하는 단계; d) 상기 변환소자의 1회 구동시 상기 선택한 변환소자를 중심으로 소정 간격으로 상기 프로브 표면의 온도를 측정하는 단계; e) 상기 측정된 온도 및 상기 열전달 특성에 기초하여 상기 송신 펄스 신호의 1회 인가에 따른 프로브 표면의 온도 상승을 계산하는 단계; 및 f) 상기 송신 펄스 신호를 각 변환소자에 인가하여 초음파 신호의 생성시 상기 송신 펄스 신호의 1회 인가시 계산된 프로브 표면의 온도 상승을 이용하여 상기 프로브 표면의 온도 상승을 예측하는 단계를 포함한다.
초음파 프로브, 변환소자, 정합층, 렌즈, 온도 예측

Description

초음파 진단용 프로브의 표면 온도 예측 방법{A method for estimating surface temperature of a probe for ultrasound diagnosis}
도 1은 프로브의 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 프로브의 변환소자에서 발생한 열의 전달 방향을 개략적으로 보여주는 도면.
도 3a는 프로브에 x, y, z축을 설정한 예를 보여주는 예시도.
도 3b는 구동되는 변환소자에서의 열이 전도되는 예를 보여주는 예시도.
도 4는 프로브 표면의 온도를 측정하는 예를 보여주는 예시도.
도 5는 구동되는 변환소자를 중심으로 하여 좌우로 소정 간격으로 설치한 온도 측정 센서에 의해서 측정한 프로브 온도 상승 분포의 예를 보여주는 예시도.
도 6은 다수의 변환소자의 구동시 발생하는 열을 중첩의 원리를 이용하여 온도 상승을 예측하는 예를 보여주는 예시도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 비주사 모드에서 프로브 표면의 온도 상승을 예측한 그래프와 비주사 모드시 구동되는 변환소자와 구동횟수를 보여주는 그래프.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 주사 모드에서 프로브 표면의 온도 상승을 예측한 그래프와 주사 모드에 구동되는 변환소자의 구동횟수를 보여주는 그래프.
본 발명은 초음파 영상 진단 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초음파 영상 진단 시스템에 사용되는 초음파 진단용 프로브의 구동에 따른 표면온도를 예측하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 초음파 영상 진단 시스템은 대상체에 초음파 신호를 송신한 후, 대상체로부터 반사된 초음파 에코신호를 수신하여 전기적인 수신 신호로 변환하고, 수신 신호에 대해서 소정의 영상 처리를 하여 초음파 영상을 제공한다. 이렇게 초음파 영상 진단 시스템에서 제공되는 초음파 영상의 해상도를 높이면서 빠른 시간에 초음파 영상을 획득하기 위한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 최근의 초음파 영상 진단 시스템은 다수의 변환소자(transducer elements)로 구성된 배열형 변환기(array transducer)를 포함하는 초음파 프로브(probe)를 이용하여 초음파 신호를 송수신하여 해상도가 높은 초음파 영상을 획득하고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 초음파 프로브(100)는 복수의 변환소자(110)로 구성된 배열형 변환기, 정합층(matching layer, 120), 렌즈(lens, 130) 및 흡음층(backing layer, 140)을 포함한다. 변환소자(110)는 PZT(Lead Zirconate Titanate) 등과 같은 압전 세라믹(piezoelectric ceramic)을 이용하여 형성되며 송신 펄스 신호에 응답하여 초음파 신호를 생성하고 대상체로부터 반사된 초음파 신호를 수신하여 전기적 신호로 변환한다. 정합층(120)은 변환소자(110)와 대상체 간 의 임피던스 차이로 인하여 초음파 신호가 반사되는 것을 억제하기 위해서 사용되며 다수의 층으로 구성될 수 있다. 렌즈(130)는 초음파 신호를 집속시키는 역할을 하며 흡음층(140)은 송신 펄스의 인가에 따른 변환소자의 진동을 최대한 빨리 억제하여 짧은 길이의 초음파 신호를 생성하기 위해서 사용된다.
한편, 프로브는 대상체의 표면에 직접 접촉하여 사용하게 된다. 이 경우, 전기적 신호인 송신 펄스 신호가 변환소자(110)에 인가되었을 때 변환소자(110)의 진동에 의한 초음파 신호의 생성 이외에도 열로 변환되는 음향 손실이 발생하게 된다. 송신 펄스 신호에 응답하여 발생하는 열을 정확하게 예측하지 못할 경우 대상체의 표면에 직접 접촉하여 사용하는 프로브에서 발생한 열로 인하여 대상체에 손상을 주는 경우가 발생할 수 있다. 따라서, 초음파 영상 진단 시스템에서 제공하는 다양한 영상을 얻기 위한 다양한 영상 획득 모드에 대해서 프로브의 표면 온도를 실시간으로 예측 및 제어하는 것이 필요하다. 그러나 프로브가 복잡하게 구성되어 있고 각 구성 요소들에 대한 물성 데이터의 부족 등으로 프로브의 열적 해석에 어려움이 있어 프로브의 표면 온도를 예측하는 데 어려움이 있다.
최근에는 상기 어려움으로 인하여 초음파 영상 진단 시스템에서 제공할 수 있는 모든 구동 조건, 예를 들어 진단 영상 모드, 구동 전압, 송신 펄스 신호의 주파수 등에 대해서 프로브의 표면 온도를 측정하여 얻어진 실험식을 이용하여 프로브의 표면온도를 예측하고 있다. 그러나, 이러한 방법은 프로브의 표면온도를 예측하기 위한 실험식을 얻기까지 많은 양을 측정하여야 하기 때문에 시간이 오래 걸리는 문제점이 있다. 또한, 프로브의 표면 온도 예측을 위해서 실시된 측정에서 고려 되지 않은 구동조건에 대해서는 신뢰성 있는 온도 예측이 불가능하다.
따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해서, 하나의 임의의 변환소자의 구동에 따른 초음파 프로브 표면의 온도 상승을 프로브에서의 열전도 특성을 이용하여 계산하고, 이를 이용하여 프로브에서 초음파 신호 생성시 프로브 표면의 온도를 신속하고 정확하게 예측할 수 있는 초음파 프로브의 표면 온도 예측 방법을 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위해서 본 발명에 따른 복수의 변환소자를 포함하는 초음파 진단용 프로브에서 초음파 신호를 송수신하는 프로브 표면 온도 예측 방법은, a) 상기 복수의 변환소자 중 하나의 변환소자를 선택하는 단계; b) 상기 변환소자에서 열전달 특성을 결정하는 단계; c) 소정의 주파수 및 진폭을 가지는 송신 펄스 신호를 상기 선택한 변환소자에 1회 인가하는 단계; d) 상기 변환소자의 1회 구동시 상기 선택한 변환소자를 중심으로 소정 간격으로 상기 프로브 표면의 온도를 측정하는 단계; e) 상기 측정된 온도 및 상기 열전달 특성에 기초하여 상기 송신 펄스 신호의 1회 인가에 따른 프로브 표면의 온도 상승을 계산하는 단계; 및 f) 상기 송신 펄스 신호를 각 변환소자에 인가하여 초음파 신호의 생성시 상기 송신 펄스 신호의 1회 인가시 계산된 프로브 표면의 온도 상승을 이용하여 상기 프로브 표면의 온도 상승을 예측하는 단계를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 프로브 표면 온도 예측하는 방법에 대해서 자세히 설명한다.
도 2는 프로브에 포함된 배열형 변환기에서 임의의 변환소자 하나에서 발생한 열이 방출되는 방향을 개략적으로 보여주는 도면이다. 도 2에 보이는 바와 같이, 프로브(200)는 다수의 변환소자(elements)를 포함하는 배열형 변환기(array transducer, 210), 정합층(matching layer, 220), 음향 렌즈(acoustic lens, 230) 및 흡음층(backing layer, 240)을 포함한다. 본 발명에서는 배열형 변환기를 구성하는 각 변환소자를 발열체로 간주하고, 변환소자에서 발생한 열의 전도성(conductivity)을 이용하여 프로브 표면 온도를 예측한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 구동 중인 임의의 변환소자(210a)에서 발생한 열은 프로브의 표면 방향(A) 및 변환소자의 배열 방향(B)으로 전도된다. 흡음층(240) 방향으로 전도되는 열은 일반적으로 흡음층(240)이 고무나 에폭시(epoxy) 등으로 구성되어 열 전도도가 낮기 때문에 본 발명의 실시예에서는 흡음층(240) 방향으로 전도되는 열은 고려하지 않는다. 도 3a는 프로브 표면 온도의 예측을 위한 좌표계의 예를 도시하고 있다. 여기서, 변환소자의 배열방향을 x축으로, 각 변환소자의 길이방향을 y축으로, 프로브의 표면 방향을 z축으로 설정한다. 임의의 변환소자를 선택하여 소정의 주파수를 가지는 송신 펄스 신호를 인가하여 구동할 시, dx의 폭을 가지는 미소 검사 체적(infinitesimal control volume, 300)에 유입되는 열과 방출되는 열은 도 3b에 도시된 바와 같이 표시될 수 있다. 미소 검사 체적(300)에서 열평형을 적용하면 수학식1을 얻을 수 있다.
Figure 112007001566335-pat00001
여기서, Kx는 x축 방향으로의 유효 열전달 계수, A는 유효 열전달 단면적, Ti는 프로브의 내부 온도, qz는 프로브의 표면을 향하여 단위 시간에 단위 면적에서 방출되는 열량, l은 미소체적의 y축 방향으로의 길이, qe는 구동 중인 변환소자에서 발열되는 열량, Xe는 배열형 변환소자의 중심을 기준으로 구동 중인 변환소자의 위치, δ(x-x0)는 디락 델타 함수(Dirac delta function)을 각각 나타낸다.
Figure 112007001566335-pat00002
는 주변부로부터 미소 검사 체적(300)에 유입되는 열,
Figure 112007001566335-pat00003
는 미소 검사 체적(300)으로부터 주변부로 방출되는 열, δ(x-x0)dx는 dx의 폭에 대해서 변환소자에서 발생하는 열 및 qz(ldx)는 미소 검사 체적에서 프로브 표면으로 방출되는 열을 각각 나타낸다.
한편, 프로브의 표면으로 전도되는 열량 qz는 대류를 통하여 공기 중으로 방출되는 열량과 같아야 하므로 이를 수식으로 나타내면 수학식2와 같다.
Figure 112007001566335-pat00004
여기서, Kz는 정합층(220) 및 음향렌즈(230)의 z축 방향으로의 유효 열전달 계수, Ts는 프로브 표면의 온도, d는 정합층 및 음향렌즈의 총 두께, h는 공기의 대류 계수, T∞는 공기 온도를 각각 나타낸다.
수학식1과 수학식2를 합성하여 정리하면 다음의 수학식3과 같은 열전달 방정식을 얻을 수 있다.
Figure 112007001566335-pat00005
여기서,
Figure 112007001566335-pat00006
는 프로브 표면에서 상승한 온도,
Figure 112007001566335-pat00007
,
Figure 112007001566335-pat00008
를 각각 나타낸다. α 및 β는 프로브의 구성 요소 및 공기의 물성, 그리고 구동 조건 등에 의하여 정해지는 모델링 파라미터이다. 특히, α 는 x축 방향으로의 온도 분포의 폭, β는 각 변환소자의 발열 정도와 관련이 있다.
수학식3의 열전달 방정식과 함께 고려되어야 할 경계 조건으로, 프로브의 외 부 케이스는 합성 수지 등을 이용하여 형성됨으로 열전도도가 상대적으로 매우 낮으므로 프로브의 양단에서는 단열(adiabatic)이 된다고 가정한다. 변환소자의 배열 방향, 즉 x축 방향으로 프로브의 총 길이를 L이라 하면, 프로브의 양단 x=±L/2에서의 단열 조건은 다음의 수학식4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112007001566335-pat00009
열전달 방정식(수학식3)과 단열 경계 조건(수학식4)를 만족시키는 해를 라플라스 변환(Laplace transform)을 이용하여 구하면 다음과 같다.
Figure 112007001566335-pat00010
프로브의 구성 요소와 공기의 물성 및 변환소자의 구동 조건 등에 의해서 결정되는 모델링 파라미터 α 및 β는 실험적으로 측정하여 결정된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 다수개의 온도 측정 센서(410)를 프로브 표면에 장착한다. 본 발명의 실시예에서는 온도 측정 센서로 열전대(thermocouple, 410)를 이용할 수 있다. 이후, 다수의 변환소자 중에서 하나의 변환소자(예를 들어, 가운데 위치한 변환소자)를 선택하고, 소정의 주파수 및 진폭을 가지는 송신 펄스 신호를 선택한 변환소자에만 전달시켜 구동시킨다. 다수의 변환소자 중에서 하나의 변환소자를 선택하여 시스템(system)으로부터 전달되는 송신 펄스 신호를 인가하기 위해서 멀티플렉 서(multiplexer, 420)를 이용할 수 있다. 하나의 변환소자 구동시 각 온도 측정 센서의 위치에서 온도를 측정하여 도 5에 도시된 바와 같이 온도 분포 데이터(작은 원으로 표시)를 획득한다. 도 5는 구동된 변환소자를 중심으로 하여 좌우로 소정 간격으로 설치한 온도 측정 센서에 의해서 측정한 프로브 온도 상승 분포를 보여준다. 소정 간격으로 얻은 온도 상승을 수학식5로 최소 자승 근사(least-square fit)를 하면 모델링 파라미터 α 및 β가 결정된다.
한편, 프로브의 변환소자 구동에 따라 열적으로 선형인 시스템으로 가정할 때, 한 개의 변환소자에 의한 프로브 표면의 온도 상승을 구하면, 도 6에 도시된 바와 같이 다수의 변환소자의 구동시 발생하는 열을 중첩의 원리를 이용하여 온도 상승을 예측할 수 있다. 즉, 각 변환소자의 구동 빈도에 따른 온도 상승을 예측할 수 있으며 수학식 6으로 표현될 수 있다.
Figure 112007001566335-pat00011
여기서, △T는 프로브 표면의 온도 상승분을 나타내고, We는 각 변환소자의 구동 횟수를 나타낸다. 도플러 영상 (Doppler image) 등을 획득하기 위한 비주사 모드(unscanned mode)의 경우에 We는 하나의 주사선을 형성하는 데 구동되는 변환소자의 구동회수를 나타내며, B-mode (Brightness-mode) 영상 등을 획득하기 위한 주사 모드(scanned mode)의 경우에 We는 하나의 프레임을 스캐닝하는 동안에 각 변환 소자가 구동하는 횟수를 나타낸다. △Te는 수학식 5로부터 얻어진 각 변환소자의 구동에 의한 온도 상승을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 비주사 모드에서 프로브 표면의 온도 상승을 예측한 그래프와 비주사 모드시 구동되는 변환소자와 구동횟수를 보여주는 그래프를 나타낸다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따라 주사 모드에서 프로브 표면의 온도 상승을 예측한 그래프와 주사 모드에 구동되는 변환소자의 구동횟수를 보여주는 그래프를 나타낸다.
본 발명이 바람직한 실시예를 통해 설명되고 예시되었으나, 당업자라면 첨부한 청구 범위의 사상 및 범주를 벗어나지 않고 여러 가지 변형 및 변경이 이루어질 수 있음을 알 수 있을 것이다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따라 하나의 임의의 변환소자의 구동에 따른 초음파 프로브 표면의 온도 상승을 프로브에서의 열전달 특성을 이용하여 계산함으로써, 온도 예측이 정확할 뿐만 아니라 온도 예측을 신속하게 수행할 수 있다.

Claims (4)

  1. 복수의 변환소자를 포함하는 초음파 진단용 프로브에서 초음파 신호를 송수신하는 프로브 표면 온도 예측 방법은,
    a) 상기 복수의 변환소자 중 하나의 변환소자를 선택하는 단계;
    b) 상기 변환소자에서 열전달 특성을 결정하는 단계;
    c) 소정의 주파수 및 진폭을 가지는 송신 펄스 신호를 상기 선택한 변환소자에 1회 인가하는 단계;
    d) 상기 변환소자의 1회 구동시 상기 선택한 변환소자를 중심으로 소정 간격으로 상기 프로브 표면의 온도를 측정하는 단계;
    e) 상기 측정된 온도 및 상기 열전달 특성에 기초하여 상기 송신 펄스 신호의 1회 인가에 따른 프로브 표면의 온도 상승을 계산하는 단계; 및
    f) 상기 송신 펄스 신호를 각 변환소자에 인가하여 초음파 신호의 생성시 상기 송신 펄스 신호의 1회 인가시 계산된 프로브 표면의 온도 상승을 이용하여 상기 프로브 표면의 온도 상승을 예측하는 단계
    를 포함하는 초음파 진단용 프로브의 표면 온도 예측 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전달 특성은 상기 변환소자의 배열방향 및 프로브 표면으로의 열전도, 그리고 프로브 외부로의 열방출에 의해서 결정되는 초음파 프로브의 표면 온도 예측 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 프로브 표면의 온도 상승은 1회 인가시 계산된 온도 상승에 상기 변환소자에 인가되는 상기 송신펄스 신호의 인가 횟수를 곱하여 결정하는 초음파 프로브의 표면 온도 예측 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 송신펄스 신호를 적어도 두 개 이상의 변환소자에 인가시 각 변환소자에 인가된 송신펄스 신호에 의해 예측된 프로브 표면의 온도 상승분을 중첩하여 프로브 표면의 온도 상승을 예측하는 초음파 프로브의 표면 온도 예측 방법.
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