KR101240287B1 - 신호 대 잡음비가 향상된 초음파 송수신 장치 - Google Patents

신호 대 잡음비가 향상된 초음파 송수신 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 송수신 장치는 피검체의 표면에서 반사될 수 있는 초음파 신호를 송신하고, 상기 피검체에서 반사되는 반사신호를 수신하는 초음파 트랜스듀서, 소정의 펄스 신호를 입력 받아 소정의 신호를 발생하여 상기 초음파 트랜스듀서를 구동하는 구동신호 송신부, 가변이득을 가지며 상기 초음파 트랜스듀서로부터 받은 상기 반사신호의 진폭을 증폭시키는 반사신호 수신부, 상기 펄스 신호를 발생시켜 상기 구동신호 송신부로 공급하고, 상기 반사신호 수신부에 의해 증폭되는 상기 반사신호를 받아 피검체의 성질을 측정하는 제어부, 및 상기 구동신호 송신부에서 상기 초음파 트랜스듀서로 상기 소정의 신호를 전달하고, 상기 초음파 트랜스듀서에서 상기 반사신호 송신부로 상기 반사신호를 전달하고, 상기 초음파 트랜스듀서, 상기 구동신호 송신부 및 상기 반사신호 수신부와 각각 제1변압기 및 제2변압기에 의해 이격되는 연결부를 포함한다.

Description

신호 대 잡음비가 향상된 초음파 송수신 장치{SNR Enhanced Ultrasonic Transmitter/Receiver}
본 발명은 초음파 송수신 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 센서부와 구동부로 유입되는 노이즈를 줄여 신호 대 잡음비가 향상된 초음파 송수신 장치에 관한 것이다.
종래의 초음파 송수신 장치는 초음파 센서부와 초음파 센서부를 구동하는 구동부를 연결하는 케이블에 전기적 노이즈가 유입됨으로써, 신호 대 잡음비(signal to noise ratio; SNR)가 좋지 않으므로 측정장치가 오작동을 하거나 피검체에 대한 정확한 정보를 얻기가 어려웠다. 특히 케이블의 길이가 길어지면 분포용량과 저항이 커지게 되어 초음파 센서부에 의해 수집된 신호가 손실되는 문제점이 있다.
또한 초음파의 매질 전파 속도를 보정해주는 온도센서를 구동부와 케이블로 직접 연결하고 전원을 공급함으로써 케이블의 가닥수가 많아지는 문제점이 있다.
초음파 송수신 장치에 관한 발명은 대한민국 등록특허공보 제0879730호 등에 개시되어 있다.
본 발명의 일 목적은 초음파 트랜스듀서와 반사신호 수신부로 유입되는 노이즈를 줄일 수 있는 초음파 송수신 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 센서부와 구동부를 연결하는 케이블의 가닥수를 줄인 초음파 송수신 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 송수신 장치는 피검체의 표면에서 반사될 수 있는 초음파 신호를 송신하고, 상기 피검체에서 반사되는 반사신호를 수신하는 초음파 트랜스듀서, 소정의 펄스 신호를 입력 받아 소정의 신호를 발생하여 상기 초음파 트랜스듀서를 구동하는 구동신호 송신부, 가변이득을 가지며 상기 초음파 트랜스듀서로부터 받은 상기 반사신호의 진폭을 증폭시키는 반사신호 수신부, 상기 펄스 신호를 발생시켜 상기 구동신호 송신부로 공급하고, 상기 반사신호 수신부에 의해 증폭되는 상기 반사신호를 받아 피검체의 성질을 측정하는 제어부, 및 상기 구동신호 송신부에서 상기 초음파 트랜스듀서로 상기 소정의 신호를 전달하고, 상기 초음파 트랜스듀서에서 상기 반사신호 송신부로 상기 반사신호를 전달하고, 상기 초음파 트랜스듀서, 상기 구동신호 송신부 및 상기 반사신호 수신부와 각각 제1변압기 및 제2변압기에 의해 이격되는 연결부를 포함한다.
이 경우, 상기 연결부의 일 측에 온도센서가 연결될 수 있다.
이 경우, 상기 연결부의 타 측과 연결되고, 상기 온도센서 및 상기 제어부에 전원을 공급하는 전원부를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 제어부에 의해 측정된 피검체의 성질을 표시하는 표시부를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 연결부는 쉴드된 케이블을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면 초음파 송수신 장치에 있어서 초음파 트랜스듀서와 신호 수신부로 유입되는 노이즈를 줄일 수 있다.
또한, 센서부와 구동부를 연결하는 케이블의 가닥수를 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 송수신 장치의 전체 회로를 나타낸 개념도이다.
도 2는 도1의 초음파 트랜스듀서의 진동방향을 나타낸 도면이다.
도 3은 도1의 초음파 트랜스듀서에 가해지는 신호의 파형을 나타낸 도면이다.
도 4는 변압기의 작용원리를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 송수신 장치의 전체 회로를 개념적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면 초음파 송수신 장치는 센서부(110), 연결부(120) 및 구동부(130)를 포함한다.
센서부(110)는 초음파 트랜스듀서(111)를 포함한다. 초음파 트랜스듀서(111)는 측정하고자 하는 피검체에 초음파를 송신하고, 피검체로부터 반사되는 신호를 수신하기 위한 것이다. 초음파 트랜스듀서(111)는 디스크형 압전 세라믹 소자로 만들어 질 수 있다. 초음파 트랜스듀서(111)는 도 2의 (a), (b)에서와 같이 각각 두께 방향 및 원심 방향으로 진동할 수 있다. 이 경우 주파수는 두께 및 직경에 각각 반비례한다. 초음파 트랜스듀서(111)가 두께 방향으로 진동하는 경우 두께가 1cm 일 때 약 200 KHz, 직경 방향으로 진동하는 경우 직경이 5 cm 일 때 약 40KHz 이므로, 두께는 1 cm 이하, 직경은 5 cm 이상인 압전 세라믹 소자가 바람직하다.
이러한 초음파 트랜스듀서(111)는 직경이 두께에 비하여 크므로, 두께 방향의 고주파 진동이 강하고, 직경 방향의 저주파 진동은 약하다. 따라서 트랜스듀서(111)의 구동과 반사파의 수신 시에 고주파 진동을 적절하게 제한하는 것이 중요하다.
센서부(110)는 온도센서(112)를 더 포함할 수 있다. 온도센서(112)는 초음파가 진행하는 매질의 온도를 측정하여 후술할 제어부(133)로 전달함으로써 초음파의 속도를 보정할 수 있도록 한다.
구동부(130)는 구동신호 송신부(131), 반사신호 수신부(132), 제어부(133), 및 표시부(134)를 포함할 수 있다.
구동신호 송신부(131)는 후술할 제어부(133)로부터 소정의 펄스 신호를 입력 받아 상기 초음파 트랜스듀서(111)를 구동하는 구동신호를 보낸다. 초음파 트랜스듀서(111)로 보내는 구동신호는 도 3에 개시된 것처럼 사인파(sinusoidal wave) 형태일 수 있다.
일반적으로 초음파 트랜스듀서(111)의 두께 방향으로 진동하는 고주파 펄스는 피검체의 표면에서 반사되고, 직경 방향으로 진동하는 저주파 펄스는 피검체 내부를 통과하여 바닥에서 주로 반사된다. 예를 피검체의 두께를 측정하는 경우에는 피검체의 표면과 바닥에서 각각 신호가 반사될 수 있도록 고주파 펄스와 저주파 펄스를 함께 피검체에 보내야 한다.
반사신호 수신부(132)는 연산증폭기(미도시)와 아날로그/디지털 변환기(미도시)를 포함할 수 있다.
연산증폭기(미도시)는 가변이득을 가지며 초음파 트랜스듀서(111)에서 수신된 반사신호의 진폭을 증폭할 수 있다. 아날로그/디지털 변환기(미도시)는 연산증폭기(미도시)에서 출력되는 증폭된 반사파를 디지털신호로 변환시켜 후술할 제어부(133)로 전달하기 위한 것이다.
제어부(133)는 마이크로 프로세서로 구현이 가능하며 펄스 신호를 발생시켜 구동신호 송신부(131)로 공급하고, 반사신호 수신부(132)에서 출력되는 반사파로부터 피검체의 성질을 측정하기 위한 것이다.
표시부(134)는 제어부(133)에 의해 측정된 피검체의 성질에 대한 데이터를 받아 표시할 수 있다. 표시부(134)는 일 예로 모니터, 스크린 등일 수 있다.
연결부(120)는 상술한 센서부(110)와 구동부(130)의 사이에서 센서부(110)와 구동부(130)에서 발생하는 신호를 각각 전달해준다. 연결부(120)는 쉴드된 케이블(shielded cable, 122)을 포함할 수 있다. 케이블(122)은 전기적 절연을 하는 것 외에, 전자기적 간섭(electromagnetic interference; EMI) 형태로 전도되거나 방출되는 외부의 전기적 노이즈(na, nb)를 막기 위해 쉴드가 필요하다. 쉴드는 신호를 전달하거나 전력을 전달하는 전도체를 둘러싼다.
쉴드가 전기적 노이즈(na, nb)를 막아주는 방식은 2가지이다. 외부에서 오는 에너지를 반사하거나 전기적 노이즈(na, nb)를 잡아서 그라운드로 보내는 것이다. 쉴드는 대부분의 전기적 노이즈(na, nb)를 막아주지만, 연결부(120)는 짧게는 수 미터에서 길게는 수백 미터 이상의 길이를 가지고 있고, 초음파 트랜스듀서(111)에서 수신된 반사신호는 미약하다. 따라서 적은 전기적 노이즈(na, nb)에 의해서도 신호 대 잡음비가 많이 떨어질 수 있다. 따라서 특히 연결부(120)에 대한 전기적 노이즈 차단의 중요성은 매우 중요하다.
본 발명의 실시예에 따른 초음파 송수신 장치는 연결부(120)에 유입되는 전기적 노이즈(na, nb)에 의해 초음파 트랜스듀서(111) 및 구동부(130)가 받는 영향을 최소화하기 위해 초음파 트랜스듀서(111), 구동부(130)와 인접하는 단부에 각각 제1 변압기(T1) 및 제2 변압기(T2)를 구비한다.
변압기는 도 4에 개시된 바와 같이 제1 코일의 양단 간의 전압 차와 제2 코일 양단 간의 전압 차 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다.
Figure 112012037015834-pat00001
N1 : 제1 코일의 권선 수
N2 : 제2 코일의 권선 수
일반적으로 연결부(120)의 각각의 케이블(122)로 유입되는 전기적 노이즈(na, nb)는 거의 같은 위상과 세기를 가지므로 전기적 노이즈(na, nb) 간의 전압 차 즉,
Figure 112012037015834-pat00002
는 0이거나 0에 가깝다. 따라서 연결부(120)에 유입되어 초음파 트랜스듀서(111)나 구동부(130)로 전달되는 전기적 노이즈(na, nb)를 0에 가깝게 만들 수 있다.
한편, 종래 기술은 센서부의 온도센서와 구동부의 제어부를 케이블로 연결하여 전원을 공급하는 방식을 취해 왔다. 이 경우, 연결부에 포함되는 케이블의 가닥수가 많아져, 잡음이 유입될 확률이 커지고 비용이 많이 드는 문제점이 있었다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 송수신 장치는, 센서부(110)와 인접한 연결부(120)에 온도센서(112)를 연결하여 접지시키고, 구동부(130)와 인접한 연결부(120)와 제어부(133) 사이에 전원장치(135)를 연결하고, 전원을 공급함으로써, 종래 기술에 비하여 연결부(120)의 케이블(122)의 가닥수를 줄일 수 있는 장점이 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
110: 센서부
111: 초음파 트랜스듀서
112: 온도센서
120: 연결부
122: 케이블
130: 구동부
131: 구동신호 송신부
132: 반사신호 수신부
133: 제어부
134: 표시부
135: 전원부
T1, T2: 변압기

Claims (5)

  1. 피검체의 표면에서 반사될 수 있는 초음파 신호를 송신하고, 상기 피검체에서 반사되는 반사신호를 수신하는 초음파 트랜스듀서;
    소정의 펄스 신호를 입력 받아 소정의 신호를 발생하여 상기 초음파 트랜스듀서를 구동하는 구동신호 송신부;
    가변이득을 가지며 상기 초음파 트랜스듀서로부터 받은 상기 반사신호의 진폭을 증폭시키는 반사신호 수신부; 및
    상기 펄스 신호를 발생시켜 상기 구동신호 송신부로 공급하고, 상기 반사신호 수신부에 의해 증폭되는 상기 반사신호를 받아 피검체의 성질을 측정하는 제어부; 및
    상기 구동신호 송신부에서 상기 초음파 트랜스듀서로 상기 소정의 신호를 전달하고, 상기 초음파 트랜스듀서에서 상기 반사신호 송신부로 상기 반사신호를 전달하고, 상기 초음파 트랜스듀서, 상기 구동신호 송신부 및 상기 반사신호 수신부와 각각 제1변압기 및 제2변압기에 의해 이격되는 연결부를 포함하는 초음파 송수신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연결부의 일 측에 온도센서가 연결되는 것을 특징으로 하는 초음파 송수신 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연결부의 타 측과 연결되고, 상기 온도센서 및 상기 제어부에 전원을 공급하는 전원부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 송수신 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부에 의해 측정된 피검체의 성질을 표시하는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 송수신 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연결부는 쉴드된 케이블을 구비하는 것을 특징으로 하는 초음파 송수신 장치.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2002143155A (ja) 2000-11-14 2002-05-21 Fukuda Denshi Co Ltd 超音波診断装置
KR20100057341A (ko) * 2008-11-21 2010-05-31 주식회사 메디슨 무선 통신이 가능한 초음파 시스템

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