KR101195671B1 - 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조 - Google Patents

의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 의료용 초음파 트랜스듀서에 있어서, 압전 물질이 진동하면서 전기적인 신호와 음향신호를 상호 변환시키기 위한 압전층; 상기 압전층에서 발생된 초음파가 인체의 목표지점에 최대한 전달될 수 있도록 상기 압전층과 인체 사이의 음향 임피던스 차이를 감소시키는 정합층; 상기 압전층의 전방으로 진행하는 초음파를 특정 지점으로 집속시키는 렌즈층; 및 상기 압전층의 후방으로 초음파가 진행하는 것을 차단시켜 영상 왜곡을 방지하는 배킹층을 포함하되, 상기 압전층은, 전기적인 임피던스가 낮춰질 수 있도록 상기 압전 물질을 복수로 구성하고, 상기 복수의 압전 물질을 적층형 구조로 구성하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하고 있는 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조에 따르면, 의료용 초음파 트랜스듀서를 구성함에 있어, 복수의 압전 물질을 적층하는 구조로 압전층을 구성함으로써, 전기적인 임피던스를 낮춰주고, 서로 다른 두께의 세라믹 또는 단결정을 이용하여 대역폭 조절이 용이하며, 엘리베이션 방향에서 방사되는 음압의 세기 차이를 이용해 초음파 빔의 엘리베이션 방향 집속이 가까운 거리부터 먼 거리까지 잘 이루어져 초음파 영상의 해상도 및 침투 성능이 향상될 수 있도록 할 수 있다.

Description

의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조{A LAMINATED STRUCTURE FOR FOCUSING OF ULTRASONIC TRANSDUCERS FOR MEDICAL}
본 발명은 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 초음파 영상의 해상도 및 침투 성능이 향상되고, 전기적인 임피던스가 낮아지고 대역폭 조절이 용이하도록 복수의 압전 물질을 적층하는 구조로 압전층이 구성되는 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조에 관한 것이다.
인간의 건강과 행복의 중요성이 날로 증가하는 사회적 변화와 함께 의료기기의 중요성은 더욱 커지고 있으며, 의료기기 관련 산업구조에서 초음파 영상 진단장치가 차지하는 비중은 더욱더 커지고 있다. 이와 같은 초음파 영상 진단 장치에서 가장 중요한 성능은 화질이며, 이러한 화질을 결정하는 가장 중요한 요소들 중의 하나가 초음파 트랜스듀서이다. 따라서 고화질의 초음파 영상 진단 장치에는 고성능의 초음파 변환기가 필수적이다.
의료용으로 사용되는 초음파 장비로 가장 대표적인 것으로는 인체 내부의 장기와 태아 등을 조영하기 위하여 주로 사용되는 초음파 영상진단기를 들 수 있다. 초음파 영상진단기는 X선 촬영기, 컴퓨터단층촬영기(CT) 또는 자기공명영상촬영기(MRI)와 같은 여타의 인체 내부 조영용 의료장비와 달리 진단자가 초음파의 방사각도를 임의로 스티어링(steering)하여 진단자가 원하는 인체 내부의 특정 지점을 조영할 수 있고, 인체에 방사선 등의 피해가 없을 뿐만 아니라 다른 인체 내부 조영용 의료장비보다 상대적으로 짧은 시간 내에 영상을 획득할 수 있다는 장점이 있다. 초음파 영상진단기로 영상을 구현해내기 위해서는 초음파신호와 전기적인 신호를 상호 변환시키는 수단 및/또는 장치가 필수적이며, 당업계에서는 이를 초음파 프로브 또는 초음파 트랜스듀서라 칭한다.
도 1은 종래의 의료용 초음파 트랜스듀서의 구성을 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 의료용 초음파 트랜스듀서(10)는, 압전 물질이 진동하면서 전기적인 신호와 음향신호를 상호 변환시키는 압전층(11)과, 압전층(11)과 인체 사이의 음향 임피던스 차이를 감소시키는 정합층(12)과, 압전층(11)의 전방으로 진행하는 초음파를 집속시키기 위한 렌즈층(13)과, 압전층(11)의 후방으로 초음파가 진행하는 것을 차단시켜 영상 왜곡을 방지하는 배킹층(14)으로 구성된다. 이와 같은 종래의 초음파 트랜스듀서(10)는, 압전층(11)을 하나의 단일 구조로 구성하게 됨으로써, 초음파 빔의 효율적인 집속에 제약이 발생하게 되므로 초음파 영상의 해상도 및 침투 성능을 저하시키는 등의 문제로 작용할 수 있으며, 결국 의료용 초음파 트랜스듀서의 정밀한 영상 정보를 얻는데 제약으로 작용될 수 있다.
본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 의료용 초음파 트랜스듀서를 구성함에 있어, 복수의 압전 물질을 적층하는 구조로 압전층을 구성함으로써, 전기적인 임피던스를 낮춰주고, 서로 다른 두께의 세라믹 또는 단결정을 이용하여 대역폭 조절이 용이하며, 엘리베이션 방향에서 방사되는 음압의 세기 차이를 이용해 초음파 빔의 엘리베이션 방향 집속이 가까운 거리부터 먼 거리까지 잘 이루어져 초음파 영상의 해상도 및 침투 성능이 향상될 수 있도록 하는, 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조는,
의료용 초음파 트랜스듀서에 있어서,
압전 물질이 진동하면서 전기적인 신호와 음향신호를 상호 변환시키기 위한 압전층;
상기 압전층에서 발생된 초음파가 인체의 목표지점에 최대한 전달될 수 있도록 상기 압전층과 인체 사이의 음향 임피던스 차이를 감소시키는 정합층;
상기 압전층의 전방으로 진행하는 초음파를 특정 지점으로 집속시키는 렌즈층; 및
상기 압전층의 후방으로 초음파가 진행하는 것을 차단시켜 영상 왜곡을 방지하는 배킹층을 포함하되,
상기 압전층은,
전기적인 임피던스가 낮춰질 수 있도록 상기 압전 물질을 복수로 구성하고, 상기 복수의 압전 물질을 적층형 구조로 구성하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 압전층은,
상기 복수의 압전 물질을 서로 다른 두께의 세라믹으로 구성하여 대역폭 조절이 용이한 구조로 구성할 수 있다.
바람직하게는, 상기 압전층은,
상기 복수의 압전 물질을 서로 다른 두께의 단결정으로 구성하여 대역폭 조절이 용이한 구조로 구성할 수 있다.
바람직하게는, 상기 압전층은,
상기 복수의 압전 물질을 이용하여 적층형 구조로 구성하되,
상기 정합층에 근접한 위치의 압전 물질의 폭이 넓게 형성되고, 배킹층을 향해 하단에 적층하는 압전 물질들의 폭이 점점 좁아지게 형성되는 구조로 구성할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 배킹층은,
상기 압전층에 형성되는 복수의 압전 물질의 적층 구조에 대응하는 다단 형태의 구조로 구성할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 압전층은,
상기 복수의 압전 물질이 3개의 층으로 적층하는 3층 구조로 구성할 수 있다.
본 발명에서 제안하고 있는 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조에 따르면, 의료용 초음파 트랜스듀서를 구성함에 있어, 복수의 압전 물질을 적층하는 구조로 압전층을 구성함으로써, 전기적인 임피던스를 낮춰주고, 서로 다른 두께의 세라믹 또는 단결정을 이용하여 대역폭 조절이 용이하며, 엘리베이션 방향에서 방사되는 음압의 세기 차이를 이용해 초음파 빔의 엘리베이션 방향 집속이 가까운 거리부터 먼 거리까지 잘 이루어져 초음파 영상의 해상도 및 침투 성능이 향상될 수 있도록 할 수 있다.
도 1은 종래의 의료용 초음파 트랜스듀서의 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조의 개념을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조의 구성을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조의 구체적 구현 일례를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조에서, 초음파 빔 집속을 설명하기 위해 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’ 되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’ 되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 ‘간접적으로 연결’ 되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’ 한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조의 개념을 설명하기 위해 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조의 구성을 도시한 도면이다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조는, 압전층(110)과, 정합층(120)과, 렌즈층(130), 및 배킹층(140)을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형의 구조를 적용하여 구현된 초음파 트랜스듀서(100)는, 엘리베이션(Elevation) 방향에서 방사되는 음압의 세기 차이를 이용하여 초음파 빔의 엘리베이션 방향 집속이 가까운 거리부터 먼 거리까지 잘 이루어지고, 초음파 영상의 해상도(resolution) 및 침투(penetration) 성능이 향상될 수 있도록 압전층(110)을 복수의 적층형 구조로 구성한다.
즉, 압전층(110)은, 압전 물질(111)이 진동하면서 전기적인 신호와 음향신호를 상호 변환시키는 역할을 한다. 이러한 압전층(110)은 전기적인 임피던스가 낮춰질 수 있도록 압전 물질(111)을 복수로 구성하고, 복수의 압전 물질(111)을 적층한 형태의 구조로 구성할 수 있다. 이때, 압전층(110)은 복수의 압전 물질(111)을 서로 다른 두께의 세라믹으로 구성하여 대역폭 조절이 용이한 구조로 구성할 수 있으며, 또한 복수의 압전 물질(111)을 서로 다른 두께의 단결정으로 구성하여 대역폭 조절이 용이한 구조로 구성할 수도 있다. 특히, 본 발명에 따른 의료용 초음파 트랜스듀서(100)에 적용되는 구조의 압전층(110)은, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 압전 물질(111)을 이용하여 적층형 구조로 구성하되, 정합층(120)에 근접한 위치의 압전 물질(111)의 폭이 넓게 형성되고, 배킹층(140)을 향해 하단에 적층하는 압전 물질(111)들의 폭이 점점 좁아지게 형성되는 구조로 구성할 수 있다. 이러한 압전층(110)은 일례로서 복수의 압전 물질(111)이 3개의 층으로 적층하는 3층 구조로 구성될 수 있다.
정합층(120)은, 압전층(110)에서 발생된 초음파가 인체의 목표지점에 최대한 전달될 수 있도록 압전층(110)과 인체 사이의 음향 임피던스 차이를 감소시키는 역할을 한다. 이러한 정합층(120)은 앞서 설명한 압전층(110)에서 발생되는 초음파의 효율을 좋게 피검체 내로 송수신하기 위해서 설치되며, 압전층(110)의 음향 임피던스를 단계적으로 피검체의 음향 임피던스에 가깝게 매칭하는 역할을 수행한다.
렌즈층(130)은, 압전층(110)의 전방으로 진행하는 초음파를 특정 지점으로 집속시키는 역할을 한다. 이러한 렌즈층(130)은 생체에 가까운 음향 임피던스를 가진 실리콘 고무 등을 소재로 하는 음향 렌즈로 구성될 수 있다. 이때 렌즈층(130)을 형성하는 음향 렌즈의 형상은 중앙이 볼록한 렌즈, 평평한 형태의 렌즈 등 설계자의 설계에 따라 다양한 형상의 형태로 구성될 수 있다.
배킹층(140)은, 압전층(110)의 후방으로 초음파가 진행하는 것을 차단시켜 영상 왜곡을 방지하는 역할을 한다. 이러한 배킹층(140)은 압전층(110)에 형성되는 복수의 압전 물질(111)의 적층 구조에 대응하는 다단 형태의 구조로 구성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조는, 앞서 설명한 바와 같이 압전층(110)과, 정합층(120)과, 렌즈층(130), 및 배킹층(140)을 포함하는 의료용 초음파 트랜스듀서(100)에서, 엘리베이션(Elevation) 방향에서 방사되는 음압의 세기 차이를 이용하여 초음파 빔의 엘리베이션 방향 집속이 가까운 거리부터 먼 거리까지 잘 이루어지고, 초음파 영상의 해상도(resolution) 및 침투(penetration) 성능이 향상될 수 있도록 압전층(110)을 형성하는 압전 물질(111)을 복수로 적층하여 구현되는 구조를 제공함에 있으며, 압전층(110)을 제외한 나머지 구성인 정합층(120)과, 렌즈층(130), 및 배킹층(140) 등은 각 구성의 고유 기능의 역할을 수행하는 것으로 충분하다. 이때, 배킹층(140)은 압전층(110)의 복수 적층 구조에 대응하는 다단 형태의 구조의 형상으로 구성된다는 점에 차이가 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조의 구체적 구현 일례를 도시한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 의료용 초음파 트랜스듀서(100)는, 렌즈층(130)의 하부에 정합층(120)이 배치되고, 정합층(120)의 하부로 복수의 압전 물질(111)이 적층되는 압전층(110)이 배치되고, 압전층(110)의 적층 구조에 대응하는 배킹층(140)이 형성된다. 이때, 압전층(110)에는 신호(signal)선과 그라운드(GND) 선이 연결 접속되고, 전극 등이 형성된다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조에서, 초음파 빔 집속을 설명하기 위해 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조는, 복수의 압전 물질(111)을 적층하여 구현한 압전층(110)에서, 엘리베이션(Elevation) 방향에서 방사되는 음압의 세기 차이를 이용하여 초음파 빔의 엘리베이션 방향 집속이 가까운 거리부터 먼 거리까지 잘 이루어지고, 초음파 영상의 해상도(resolution) 및 침투(penetration) 성능이 향상될 수 있도록 한다. 즉, 도 5의 (a)는 초음파 빔의 집속 상태를 나타내고, 도 5의 (b)는 초음파 빔의 대역폭 조절의 일례를 나타낸다.
이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 초음파 트랜스듀서 11: 압전층
12: 정합층 13: 렌즈층
14: 배킹층 100: 초음파 트랜스듀서
110: 압전층 111: 압전 물질
120: 정합층 130: 렌즈층
140: 배킹층

Claims (6)

  1. 의료용 초음파 트랜스듀서(100)에 있어서,
    압전 물질(111)이 진동하면서 전기적인 신호와 음향신호를 상호 변환시키기 위한 압전층(110);
    상기 압전층(110)에서 발생된 초음파가 인체의 목표지점에 최대한 전달될 수 있도록 상기 압전층(110)과 인체 사이의 음향 임피던스 차이를 감소시키는 정합층(120);
    상기 압전층(110)의 전방으로 진행하는 초음파를 특정 지점으로 집속시키는 렌즈층(130); 및
    상기 압전층(110)의 후방으로 초음파가 진행하는 것을 차단시켜 영상 왜곡을 방지하는 배킹층(140)을 포함하되,
    상기 압전층(110)은,
    전기적인 임피던스가 낮춰질 수 있도록 상기 압전 물질(111)을 복수로 구성하고, 상기 복수의 압전 물질(111)을 적층형 구조로 구성하며,
    상기 압전층(110)은,
    상기 복수의 압전 물질(111)을 이용하여 적층형 구조로 구성하되,
    상기 정합층(120)에 근접한 위치의 압전 물질(111)의 폭이 넓게 형성되고, 배킹층(140)을 향해 하단에 적층하는 압전 물질(111)들의 폭이 점점 좁아지게 형성되는 구조인 것을 특징으로 하는, 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 압전층(110)은,
    상기 복수의 압전 물질(111)을 서로 다른 두께의 세라믹으로 구성하여 대역폭 조절이 용이한 구조로 구성하는 것을 특징으로 하는, 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조.
  3. 제1항에 있어서, 상기 압전층(110)은,
    상기 복수의 압전 물질(111)을 서로 다른 두께의 단결정으로 구성하여 대역폭 조절이 용이한 구조로 구성하는 것을 특징으로 하는, 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 배킹층(140)은,
    상기 압전층(110)에 형성되는 복수의 압전 물질(111)의 적층 구조에 대응하는 다단 형태의 구조인 것을 특징으로 하는, 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조.
  6. 제1항에 있어서, 상기 압전층(110)은,
    상기 복수의 압전 물질(111)이 3개의 층으로 적층하는 3층 구조인 것을 특징으로 하는, 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조.
KR1020120042372A 2012-04-23 2012-04-23 의료용 초음파 트랜스듀서의 집속을 위한 적층형 구조 KR101195671B1 (ko)

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