KR101962039B1 - The ultrasound transducer, system and method to extend depth-of-field - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 초음파 초점 심도 확장을 위한 초음파 변환자, 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래의 초점 심도 확장을 위한 다중 초점 생성 시 발생하는 초점 심도의 불연속성을 최소화하기 위해 복수의 주파수를 이용하는 초음파 변환자 구조, 시스템 및 구동 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an ultrasound transducer, system and method for expanding the depth of focus of an ultrasonic wave, and more particularly, to an ultrasound transducer for expanding the depth of focus of an ultrasound An ultrasonic transducer structure, a system, and a driving method.
의료 초음파는 사용 목적에 따라 크게 진단 및 치료용 초음파로 구분된다. 진단 및 치료용 초음파의 성능을 결정 짓는 중요 요소중의 하나인 초점 심도 (depth of field)는 초음파 송수신시 매질에 인가되는 압력이 최대가 되는 값을 중심으로 -3 dB 또는 -6 dB에 이르는 곳까지의 범위를 말하며, F-값 (F값=초점거리/구경크기)의 제곱과 파장에 비례한다.Medical ultrasound is classified into ultrasound for diagnosis and treatment according to the purpose of use. The depth of field, which is one of the important factors determining the performance of the ultrasonic wave for diagnostic and therapeutic purposes, is set at -3 dB or -6 dB centered on the value at which the pressure applied to the medium is maximized during ultrasonic transmission and reception , Which is proportional to the square of the F-value (F value = focal length / aperture size) and the wavelength.
진단용 초음파에서, 영상의 화질을 결정하는 집속(focusing)은 초점 심도 안에서 이루어지므로 초점심도의 확장은 보다 선명한 영상을 제공할 수 있기 때문에 영상의 화질을 개선 시킬 수 있다. 그러나, 공식에 의하면 F-값이 일정한 상황에서 영상의 주파수가 증가할수록 초점 심도가 좁아지므로 특히 고주파수 초음파 영상에서의 초점 심도를 확장하는 기술의 개발이 시급하다. In diagnostic ultrasound, since focusing for determining the image quality of the image is performed in the depth of focus, the enlargement of the depth of focus can provide a clearer image, thereby improving the image quality of the image. However, according to the formula, it is urgent to develop a technique for expanding the depth of focus in high-frequency ultrasound images, as the depth of focus becomes narrower as the frequency of the image increases in a situation where the F-value is constant.
치료용 초음파의 경우 초음파 빔을 한 번 조사할 때 치료되는 영역의 크기는 초점 심도에 의해 결정되며, 종래에 사용되는 치료용 초음파의 경우 초점 심도가 매우 좁기 때문에 병변의 전체 영역을 치료하는데 오랜 시간이 소요된다는 문제점이 있다. In the case of therapeutic ultrasound, the size of the area to be treated when the ultrasound beam is irradiated once is determined by the depth of focus, and since the depth of focus is very narrow in the case of conventional therapeutic ultrasound, Is required.
초음파 변환자 및 시스템의 복잡성을 증가시키지 않고 초음파의 초점 심도를 확장하기 위한 방법으로 제안된 다중심(multi-concentric) 구경 (aperture)의 초음파 변환자를 이용한 시스템 및 방법(대한민국 등록특허 제10-1439684호)은 원 형태의 압전소자와 다수의 링 형태의 압전소자들이 서로 동일한 초점을 가지며, 각 압전소자에 위상이 다른 신호를 인가함으로써 다중 초점을 형성 시킬 수 있다. 그러나 이 때 형성되는 다중 초점들 사이의 영역은 초점 영역 대비 초음파 에너지의 강도가 낮기 때문에, 초점 심도의 균일성을 보다 향상 시켜 줄 수 있는 기술이 필요하다.A system and method using an ultrasound transducer with a multi-concentric aperture as a method for extending the depth of focus of an ultrasound without increasing the complexity of the ultrasound transducer and system (Korean Patent No. 10-1439684 The circular shape of the piezoelectric element and the plurality of ring-shaped piezoelectric elements have the same focal point, and multiple foci can be formed by applying signals having different phases to each piezoelectric element. However, since the region between the multiple foci formed at this time has a low intensity of the ultrasonic energy relative to the focal region, a technique capable of improving the uniformity of the focal depth is needed.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다중심 초음파 변환자 구조에 다중 주파수의 초음파 신호가 발생할 수 있는 기법을 적용함으로써 두 개 이상의 다중 초점 영역 사이에 낮은 초음파 에너지 강도를 증대시킬 수 있는 초음파 변환자, 시스템 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems and it is an object of the present invention to increase the ultrasonic energy intensity between two or more multi-focus areas by applying a technique of generating multiple frequency ultrasonic signals to the multi- An ultrasound transducer, system and method.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 초점 심도 확장을 위한 초음파 변환자에는, 초음파 변환자의 중심부에 배치되는 원 형태의 제 1 압전소자 및 제 1 압전소자와 공통된 초점을 가지는 적어도 하나 이상의 링 형태의 제 2 압전소자가 포함되며, 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자 각각을 통해 다중 주파수 및 소정의 위상차을 갖는 초음파를 발생시킴으로써 공통된 초점 상에서 서로 다른 주파수 및 위상을 갖는 초음파 신호가 동시에 혼합 가능하도록 할 수 있다.The ultrasonic transducer for expanding the depth of focus of the ultrasonic wave according to an embodiment of the present invention includes a first piezoelectric element arranged in the center of the ultrasonic transducer and at least one ring-shaped element having a common focus with the first
본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자 각각의 주파수 대역폭은 소정의 기본 공진 주파수(f0)와 기본 공진 주파수에 대한 하모닉(harmonic) 주파수를 포함하는 광대역폭일 수 있다.The frequency bandwidth of each of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element according to an embodiment of the present invention may be a wide bandwidth including a predetermined fundamental resonance frequency f 0 and a harmonic frequency with respect to the fundamental resonance frequency .
본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자 각각이 서로 다른 기본 공진 주파수(f0)를 갖도록 형성될 수 있다.Each of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element according to an embodiment of the present invention may be formed to have a different fundamental resonance frequency (f 0 ).
본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자가 각각 서로 다른 두께로 형성될 수 있다.The first piezoelectric element and the second piezoelectric element may be formed to have different thicknesses according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자 각각은 분극 역전된 구조를 갖기 위해 상위소자 및 하위소자를 포함하며, 분극 역전된 구조에 의하여 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자에서는 다중 공진 주파수를 발생시킬 수 있다.Each of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element according to an embodiment of the present invention includes an upper element and a lower element to have a polarization reversed structure, and the first piezoelectric element and the second piezoelectric element A multiple resonance frequency can be generated.
본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자 각각에 포함된 상위소자 및 하위소자 간의 두께 비율은 사용자의 목적에 따라 변경 가능할 수 있다.The thickness ratio between the upper element and the lower element included in each of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element according to an embodiment of the present invention may be changeable according to the purpose of the user.
본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자에 포함된 상위소자들 및 하위소자들은 서로 동일하거나 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.The upper and lower elements included in the first piezoelectric element and the second piezoelectric element according to an embodiment of the present invention may be formed of the same or different materials.
본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전된 구조를 갖는 초음파 변환자에 다중 공진 주파수 사이를 스위핑(sweeping) 하는 쳐프(chirp)신호가 인가됨으로써, 공통된 초점의 영역이 소정의 범위 내에서 이동 가능할 수 있다.A chirp signal for sweeping between multiple resonance frequencies is applied to an ultrasonic transducer having a polarization reversed structure according to an embodiment of the present invention so that a common focus region can be moved within a predetermined range have.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자의 성능 향상을 위한 정합층 또는 흡음층 중 적어도 하나 이상이 더 포함될 수 있다.At least one of a matching layer or a sound-absorbing layer for improving the performance of the ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention may be further included.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자에 프레스트(pressed) 포커싱 기법이 적용되거나 오목렌즈 또는 볼록렌즈가 부착됨으로써, 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자가 공통된 초점을 가질 수 있다.The first and second piezoelectric elements may have a common focus by applying a pressed focusing technique to the ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention or by attaching a concave lens or a convex lens.
본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 압전소자 및 적어도 하나 이상의 제 2 압전소자 각각이 서로 소정의 거리를 두고 배치됨으로써 제 1 압전소자 및 적어도 하나 이상의 제 2 압전소자 각각의 사이에는 공간이 형성되며, 공간은 비어있거나 비전도성 물질로 채워져 있을 수 있다.The first piezoelectric element and the at least one second piezoelectric element according to an embodiment of the present invention are disposed at a predetermined distance from each other, so that a space is formed between the first piezoelectric element and the at least one second piezoelectric element , The space may be empty or filled with a nonconductive material.
본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 압전소자 또는 제 2 압전소자 중 적어도 하나 이상이 복합체 구조를 가질 수 있다.At least one of the first piezoelectric element or the second piezoelectric element according to an embodiment of the present invention may have a composite structure.
본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자 각각은 서로 동일하거나 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.The first piezoelectric element and the second piezoelectric element may be formed of the same or different materials, respectively, according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자 각각은 송수신되는 초음파 에너지가 사용자의 목적에 따라 조절될 수 있도록 각각의 압전소자의 크기가 조절될 수 있다.Each of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element according to an embodiment of the present invention can be adjusted in size so that the transmitted and received ultrasonic energy can be adjusted according to the user's purpose.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 초점 심도 확장을 위한 초음파 시스템에는, 전술한 초음파 변환자, 초음파 변환자를 구동시키기 위한 전기적 신호를 발생시키는 신호 발생부, 발생된 신호의 위상을 조절하기 위한 위상 제어부, 위상이 조절된 신호를 증폭하기 위한 신호 증폭부 및 증폭된 신호를 초음파 변환자에 인가시키기 위한 신호 송신부가 포함될 수 있다.The ultrasound system for extending an ultrasound focusing depth according to an embodiment of the present invention includes a signal generator for generating an electrical signal for driving the ultrasound transducer and the ultrasound transducer, a phase controller for adjusting the phase of the generated signal, A signal amplifying unit for amplifying the phase-adjusted signal, and a signal transmitting unit for applying the amplified signal to the ultrasonic transducer.
본 발명의 일 실시예에 따른 신호 발생부, 위상 제어부, 신호 증폭부 및 신호 송신부는 각각 초음파 변환자의 압전소자마다 형성되거나 초음파 변환자의 압전소자를 그룹핑하여 생성된 그룹마다 형성될 수 있다.The signal generating unit, the phase control unit, the signal amplifying unit, and the signal transmitting unit according to an embodiment of the present invention may be formed for each group formed by grouping the piezoelectric elements of ultrasonic transducers or formed for each piezoelectric element of the ultrasonic transducer.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 초점 심도 확장을 위한 초음파 시스템에는, 초음파 영상 구현을 위한 송수신 스위치, 송수신 스위치를 통해 인가된 신호를 수신하기 위한 신호 수신부, 상시 수신된 신호를 증폭하기 위한 수신신호 증폭부, 주파수 컴파운딩(frequency compounding) 영상 구현을 위한 영상 처리부 및 디스플레이부가 더 포함되며, 위상차이를 가지고 송신된 고주파수 및 저주파수 초음파가 송수신 스위치를 통해 혼합되어 동시에 수신될 수 있다. 또한, 영상 처리부에는 증폭된 신호를 처리하기 위한 신호 처리부 및 주파수 컴파운딩 영상을 처리하기 위한 주파수 컴파운딩 영상 처리부가 포함될 수 있다.The ultrasound system for extending the depth of focus according to an embodiment of the present invention includes a transmitter / receiver switch for implementing ultrasound images, a signal receiver for receiving an applied signal through a transmitter / receiver switch, a receiver for amplifying a currently received signal, An amplifying unit, an image processing unit for implementing a frequency compounding image, and a display unit. The high frequency and low frequency ultrasonic waves transmitted with a phase difference can be mixed and received simultaneously through the transmission / reception switch. The image processing unit may include a signal processing unit for processing the amplified signal and a frequency compounding image processing unit for processing the frequency compounding image.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 시스템을 이용하여 초음파 초점 심도를 확장하는 방법은, 초음파 시스템의 신호 발생부에 의해 다중 주파수를 포함하는 신호가 생성되는 단계, 생성된 신호의 위상이 위상 제어부에 의해 조절되는 단계, 위상이 조절된 신호의 진폭값이 신호 증폭부에 의해 결정되는 단계 및 진폭값이 결정된 신호가 신호 송신부를 통해 전술한 초음파 변환자에 인가되어 다중 주파수 및 소정의 위상차를 갖는 초음파 신호가 발생되는 단계를 포함할 수 있다.A method of extending an ultrasound focus depth using an ultrasound system according to an embodiment of the present invention includes generating a signal including multiple frequencies by a signal generator of an ultrasound system, A step in which the amplitude value of the phase-adjusted signal is determined by the signal amplification unit, and a signal in which the amplitude value is determined are applied to the above-mentioned ultrasonic transducer through the signal transmission unit, A signal may be generated.
본 발명의 일 실시예에 따른 다중 주파수를 포함하는 신호에는 소정의 기본 공진 주파수(f0)와 기본 공진 주파수(f0)에 대한 하모닉 주파수가 서로 혼합된 신호 또는 기본 공진 주파수(f0)와 기본 공진 주파수(f0)에 대한 하모닉 주파수를 모두 포함하는 쳐프 신호가 포함될 수 있다.Signal containing multiple frequencies in accordance with one embodiment of the present invention has a predetermined fundamental resonance frequency (f 0) and the basic resonant frequency (f 0) harmonic frequency signals or fundamental resonance frequency (f 0) and mixed with each other for A chirp signal including both harmonic frequencies for the fundamental resonant frequency (f 0 ) may be included.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 초음파 변환자의 압전소자들 각각이 서로 다른 기본 공진 주파수를 가지는 경우, 다중 주파수를 포함하는 신호에는 초음파 변환자의 압전소자들 각각의 기본 공진 주파수를 포함하는 신호 또는 기본 공진 주파수가 모두 혼합된 신호가 포함될 수 있고, 초음파 변환자의 압전소자들 각각의 기본 공진 주파수를 포함하는 신호가 초음파 변환자에 인가되는 경우, 압전소자들 각각에 압전소자들 각각의 기본 공진 주파수에 해당하는 신호가 개별적으로 인가될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, when the piezoelectric elements of the ultrasonic transducer have different fundamental resonance frequencies, a signal including the fundamental resonance frequency of each of the piezoelectric elements of the ultrasonic transducer, When a signal including the fundamental resonance frequency of each of the piezoelectric elements of the ultrasonic transducer is applied to the ultrasonic transducer, a signal having a fundamental resonance frequency of each of the piezoelectric elements is applied to each of the piezoelectric elements, Can be individually applied.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 초음파 변환자의 압전소자들이 각각 분극 역전된 구조를 갖는 경우, 다중 주파수를 포함하는 신호에는 초음파 변환자의 압전소자들 각각의 다중 공진 주파수가 서로 혼합된 신호 또는 다중 공진 주파수를 모두 포함하는 쳐프 신호가 포함될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, when the piezoelectric elements of the ultrasonic transducer have a polarization reversed structure, a signal including multiple frequencies of the piezoelectric elements of the ultrasonic transducer, A chirp signal including both resonance frequencies may be included.
본 발명의 일 실시예에 따른 생성된 신호의 위상이 위상 제어부에 의해 조절되는 단계에서는, 초음파 변환자에 인가될 신호 간에 0도부터 180도 범위 내에서의 상호 위상차를 갖도록 생성된 신호의 위상값이 결정될 수 있다.In the step of controlling the phase of the generated signal according to an embodiment of the present invention, the phase of the signal generated so as to have a mutual phase difference in the range of 0 to 180 degrees between the signals to be applied to the ultrasonic transducer Can be determined.
본 발명의 일 실시예에 따른 위상이 조절된 신호의 진폭값이 신호 증폭부에 의해 결정되는 단계에서는, 초음파 변환자에 인가될 신호 간에 서로 동일하거나 서로 다른 진폭값을 갖도록 위상이 조절된 신호의 진폭값이 결정될 수 있다.In the step of determining the amplitude value of the phase-adjusted signal according to the embodiment of the present invention, the phase of the signal to be applied to the ultrasonic transducer is adjusted to have the same or different amplitude value The amplitude value can be determined.
본 발명의 일 실시예에 따른 쳐프 신호는 선형 또는 비선형 쳐프 신호일 수 있다.The chirp signal according to an embodiment of the present invention may be a linear or nonlinear chirp signal.
본 발명의 일 실시예로서 제공되는 초음파 초점 심도 확장을 위한 초음파 변환자, 시스템 및 방법에 따르면, 종래의 다중 초점 형성 시, 발생하는 초점 심도 간의 불연속성을 최소화할 수 있으며 진단용 초음파 분야에서 초음파 영상의 질을 균일하게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 치료용 초음파 분야에서도 효과적으로 치료 영역을 확장시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the ultrasound transducer, system and method for expanding the depth of focus of the ultrasound can minimize the discontinuity between the depth of focus and the ultrasound image Not only the quality can be uniformly improved, but also the treatment area can be effectively expanded in the therapeutic ultrasound field.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 초음파 진단용 영상에서는 주파수 컴파운딩 효과에 의해 스페클 패턴(speckle pattern)을 억제 시킬 수 있으며, 치료용 분야에서는 다중 주파수로 인해 캐비테이션(cavitation) 효과가 증진되어 치료 영역이 확대되기 때문에 결과적으로 수술 시간을 단축 시킬 수 있다. 특히 주파수 가변신호인 쳐프 신호를 사용할 경우 초점의 이동을 발생시키기 때문에 고강도 집속 치료시 필요한 정상 조직 보호를 위한 쿨링 (cooling) 프로세스의 구현이 가능해진다.According to an embodiment of the present invention, a speckle pattern can be suppressed by a frequency compounding effect in an ultrasound diagnostic image, and a cavitation effect is enhanced due to multiple frequencies in a therapeutic field As the treatment area expands, the operation time can be shortened. In particular, when a chopper signal, which is a frequency variable signal, is used, movement of the focus occurs. Thus, it is possible to implement a cooling process for protecting a normal tissue necessary for a high-intensity focusing treatment.
도 1은 종래에 사용되는 단일소자 초음파 변환자의 구조 및 변환자 구동 시 발생하는 초음파 빔의 강도 분포를 나타낸다.
도 2는 종래에 제안된 다중심 구경의 초음파 변환자의 구조 및 변환자 구동 시 발생하는 초음파 빔의 강도 분포를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초음파 초점 심도 확장을 위한 초음파 변환자의 구조 및 변환자 구동 시 발생하는 초음파 빔의 강도 분포를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 초음파 초점 심도 확장을 위한 초음파 변환자의 구조 및 변환자 구동 시 발생하는 초음파 빔의 강도 분포를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 초음파 초점 심도 확장을 위한 초음파 변환자의 구조 및 변환자 구동 시 발생하는 초음파 빔의 강도 분포를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 초음파 초점 심도 확장을 위한 초음파 변환자의 구동 시 쳐프 신호를 사용했을 때 시간에 따라 변화하는 초음파 빔의 강도 분포의 예를 나타낸다.
도 7는 도 6에 대한 연장선으로 쳐프 신호를 사용했을 때 소정의 시간 동안 초음파 빔의 강도 분포의 변화를 누적하여 나타낸 초음파 빔의 강도 분포의 또 다른 예를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 초점 심도 확장을 위한 초음파 변환자의 구조의 또 다른 예를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 초점 심도 확장을 위한 초음파 변환자의 구조의 추가적인 변형의 예를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 초점 심도 확장의 원리를 나타내기 위한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 초점 심도 확장을 위한 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의해 초음파 진단용 영상에 적용 시 획득 가능한 컴퓨터 모사 실험 결과의 예를 나타낸다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 초점 심도 확장을 위한 시스템을 나타낸 블록도의 또 다른 예이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 초점 심도 확장을 위한 방법의 순서도이다.FIG. 1 shows the structure of a single-element ultrasonic transducer used in the past and the intensity distribution of an ultrasonic beam generated when a transducer is driven.
FIG. 2 shows the structure of a conventionally proposed multi-centered ultrasound transducer and the intensity distribution of an ultrasonic beam generated when the transducer is driven.
FIG. 3 shows the structure of an ultrasonic transducer for expanding the depth of focus of an ultrasonic wave according to the first embodiment of the present invention and the intensity distribution of an ultrasonic beam generated when the transducer is driven.
FIG. 4 illustrates the structure of an ultrasonic transducer for expanding the depth of focus of an ultrasonic wave according to the second embodiment of the present invention and the intensity distribution of an ultrasonic beam generated when the transducer is driven.
FIG. 5 illustrates the structure of an ultrasonic transducer for expanding the depth of focus of an ultrasonic wave according to a third embodiment of the present invention and the intensity distribution of an ultrasonic beam generated when the transducer is driven.
FIG. 6 shows an example of intensity distribution of an ultrasonic beam that varies with time when a chirp signal is used when driving an ultrasonic transducer for extending an ultrasonic focal depth according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 shows another example of the intensity distribution of the ultrasonic beam in which the change in the intensity distribution of the ultrasonic beam is accumulated for a predetermined time when the chirp signal is used as an extension line to FIG.
8 shows another example of the structure of an ultrasonic transducer for expanding the depth of focus of an ultrasonic wave according to an embodiment of the present invention.
9 shows an example of a further modification of the structure of the ultrasonic transducer for expanding the depth of focus of an ultrasonic wave according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a graph illustrating the principle of ultrasound focusing depth enlargement according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
11 is a block diagram illustrating a system for extending an ultrasound focus depth according to an embodiment of the present invention.
FIG. 12 shows an example of a computer simulation test result obtainable when applying the image to an ultrasonic diagnostic image according to an embodiment of the present invention.
13 is another example of a block diagram illustrating a system for extending an ultrasound focusing depth according to an embodiment of the present invention.
14 is a flowchart of a method for extending an ultrasound focus depth according to an embodiment of the present invention.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.The terms used in this specification will be briefly described and the present invention will be described in detail.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다. While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. Also, in certain cases, there may be a term selected arbitrarily by the applicant, in which case the meaning thereof will be described in detail in the description of the corresponding invention. Therefore, the term used in the present invention should be defined based on the meaning of the term, not on the name of a simple term, but on the entire contents of the present invention.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.When an element is referred to as "including" an element throughout the specification, it is to be understood that the element may include other elements as well, without departing from the spirit or scope of the present invention. Also, the terms "part," " module, "and the like described in the specification mean units for processing at least one function or operation, which may be implemented in hardware or software or a combination of hardware and software .
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.
본 발명에서는 다중심 초음파 변환자를 사용해서 다중 주파수 신호를 발생 시킬 수 있는 다양한 방법들 중 대표적인 3가지 기술들에 관해 설명한다. 제안된 기술은 하기 언급된 기술에 국한되지 않으며 다중 주파수를 발생시킬 수 있는 모든 경우에 적용될 수 있다.In the present invention, three representative technologies among various methods of generating a multi-frequency signal using a multi-center ultrasonic transducer will be described. The proposed technique is not limited to the techniques mentioned below and can be applied in all cases where multiple frequencies can be generated.
예를 들면 본 발명에서는 제안된 기술을 다중심 초음파 변환자 구조에 적용하는 것을 주된 목적으로 하고 있지만, 배열형 초음파 변환자를 구성하는 부분 소자 그룹(sub-element group)의 시간 지연을 적절하게 제어함으로써 유사한 기능 구현이 가능하다.For example, in the present invention, the main object is to apply the proposed technique to a multi-center ultrasonic transducer structure. However, by appropriately controlling the time delay of a sub-element group constituting an array type ultrasonic transducer Similar functions can be implemented.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 종래에 사용되는 단일소자 초음파 변환자의 (a) 정면도, (b) 측면도 및 변환자 구동 시 발생하는 초음파 빔의 (c) 2차원 강도(intensity) 분포, (d) 측방향 강도 분포 및 (e) 축방향 강도 분포를 나타낸다. FIG. 1 is a front view of a single-element ultrasonic transducer used in the prior art, (b) a side view and (c) a two-dimensional intensity distribution of an ultrasonic beam generated when the transducer is driven, (d) And (e) axial strength distribution.
도 1을 참조하면, 종래의 단일소자 초음파 변환자는 단일 압전소자(1)를 이용하여 전체 두께에 대한 기본 공진 주파수가 발생하며, 매질 내에서도 단일 초점 심도를 가지므로 초점 심도 확장이 이루어지지 않는다.Referring to FIG. 1, a conventional single-element ultrasonic transducer generates a fundamental resonance frequency for the entire thickness using a single
도 2는 종래에 제안된 다중심 구경의 초음파 변환자의 (a) 정면도, (b) 측면도 및 변환자 구동 시 발생하는 초음파 빔의 (c) 2차원 강도(intensity) 분포, (d) 측방향 강도 분포 및 (e) 축방향 강도 분포를 나타낸다. FIG. 2 is a front view (a), a side view, and (c) a two-dimensional intensity distribution of an ultrasonic beam generated when the transducer is driven, of a multi-centered ultrasonic transducer proposed in the prior art, Intensity distribution and (e) axial strength distribution.
도 2를 참조하면, 종래에 제안된 다중심 구경의 초음파 변환자는 원 형태의 제 1 압전소자(2)와 링 형태의 제 2 압전소자(3)로 이루어져 있으며, 공초점을 가질 수 있다. 변환자를 구동하기 위해 각 소자로 인가되는 신호는 위상이 180도 반전되며, 이 때 초음파 빔의 강도 분포는 도 2(c)와 같이 두 개의 초점 심도를 가질 수 있다. 도 2(e)는 변환자의 중심에서 초음파 빔의 축방향 강도 분포를 나타낸 것으로, 두 초점 심도 간의 골(valley) 깊이는 빔의 최대 압력보다 -18.65 dB 떨어진 값을 가질 수 있다.Referring to FIG. 2, the conventionally proposed multi-centered ultrasonic transducer comprises a first
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 초점 심도 확장을 위한 초음파 변환자에는, 초음파 변환자의 중심부에 배치되는 원 형태의 제 1 압전소자(10) 및 제 1 압전소자(10)와 공통된 초점을 가지는 적어도 하나 이상의 링 형태의 제 2 압전소자(20)가 포함되며, 공통된 초점 상에서 서로 다른 주파수 및 위상을 동시에 혼합 가능하도록 제 1 압전소자(10) 및 제 2 압전소자(20) 각각을 통해 다중 주파수 및 소정의 위상차(예컨대, 0도~180도)를 갖는 초음파가 발생될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자는 다중심 구경 구조를 가질 수 있으며, 각 압전소자를 통해 공통된 초점 상에 다중 주파수를 갖는 초음파가 발생되도록 하여 초점 심도 확장의 효과를 향상시킬 수 있다. The ultrasonic transducer for extending the depth of focus of an ultrasonic wave according to an embodiment of the present invention includes a circular first
후술할 구체적인 실시예들을 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자의 구조를 상세히 살펴보도록 한다.The structure of the ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the following specific embodiments.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초음파 초점 심도 확장을 위한 초음파 변환자의 (a) 측면도 및 변환자 구동 시 발생하는 초음파 빔의 (b) 2차원 강도 분포, (c) 측방향 강도 분포 및 (d) 축방향 강도 분포를 나타낸다.FIG. 3 is a side view of an ultrasonic transducer for expanding the depth of focus of the ultrasonic wave according to the first embodiment of the present invention, (b) a two-dimensional intensity distribution of the ultrasonic beam generated when the transducer is driven, (c) And (d) the axial intensity distribution.
도 3(a)을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 제 1 압전소자(10) 및 제 2 압전소자(20) 각각의 주파수 대역폭은 소정의 기본 공진 주파수(f0)와 기본 공진 주파수에 대한 하모닉 주파수를 포함하는 광대역폭일 수 있다. 이 때, 제 1 압전소자(10)와 제 2 압전소자(20) 각각의 두께는 동일할 수 있으며, 소정의 기본 공진 주파수는 초음파 변환자의 설계 시 결정될 수 있다.3 (a), the frequency bandwidth of each of the first
또한, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초음파 변환자에 인가되는 신호는 소정의 기본 공진 주파수(f0)와 이에 대한 하모닉 주파수(2f0)를 포함하는 가변적인 쳐프(chirp) 신호 또는 소정의 기본 공진 주파수(f0)와 이에 대한 하모닉 주파수(2f0)를 갖는 사인 또는 코사인 신호가 혼합된 신호일 수 있다. 이 때 혼합되는 각 신호의 진폭은 서로 동일하거나 상이한 값을 가질 수 있다. 이 외에도 인가되는 신호는 전술한 예시에 국한되지 않고 초음파 변환자가 발생시킬 수 있는 주파수 대역 내에서 복수의 주파수를 갖는 다양한 신호(예를 들어, 선형 및 비선형 쳐프 신호 등)가 사용될 수 있다.The signal applied to the ultrasonic transducer according to the first embodiment of the present invention may be a variable chirp signal including a predetermined fundamental resonant frequency f 0 and a
도 3(b) 내지 (d)를 참조하면, 두 초점 심도간의 골은 최대 압력에서부터 -11 dB 떨어진 값을 갖는다. 종래에 제안되었던 다중심 변환자의 두 초점 간의 골은 -18.65 dB임을 고려할 때 제안된 기법을 사용할 경우 골이 최대 7.65 dB 상승될 수 있음을 확인할 수 있다.Referring to Figs. 3 (b) to 3 (d), the valleys between the two depths of focus have values of -11 dB away from the maximum pressure. Considering that the conventionally proposed multi-center transformer has -18.65 dB between the two focal points, it can be confirmed that the proposed method can increase the maximum bone by 7.65 dB.
도 4은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 초음파 초점 심도 확장을 위한 초음파 변환자의 (a) 측면도, (b) 인가되는 초음파 신호((c) 동일) 및 변환자 구동 시 발생하는 초음파 빔의 (d) 2차원 강도 분포, (e) 측방향 강도 분포 및 (f) 축방향 강도 분포를 나타낸다. FIG. 4 is a side view (a) of an ultrasonic transducer for expanding the depth of focus of an ultrasonic wave according to a second embodiment of the present invention, (b) d) a two-dimensional intensity distribution, (e) a lateral intensity distribution, and (f) an axial direction intensity distribution.
도 4(a) 내지 (c)를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 제 1 압전소자(10) 및 제 2 압전소자(20) 각각이 서로 다른 기본 공진 주파수(f0)를 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 압전소자 각각이 서로 다른 기본 공진 주파수(f0)를 갖도록 형성하기 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 압전소자(10) 및 제 2 압전소자(20)가 각각 서로 다른 두께로 형성될 수 있다.4 (a) to 4 (c), the first
도 4(a)를 참조하면, 제 2 압전소자(20)의 기본 공진 주파수가 제 1 압전소자(10)의 기본 공진 주파수의 2배가 되도록 나타내었으나, 이에 국한되지 않고 제 1 압전소자(10)의 기본 공진 주파수가 제 2 압전소자(20)의 기본 공진 주파수의 2배가 될 수 있으며, 이 외에 사용자의 목적에 따라 설계하는 각 압전소자의 기본 공진 주파수가 배수의 값을 가지지 않을 수 있다.4A, the basic resonance frequency of the second
또한, 도 4(b) 및 (c)를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 초음파 변환자에 변환자에 인가되는 신호는 각각의 압전소자에 상응하는 기본 공진 주파수를 가지는 신호이거나 각각의 기본 공진 주파수를 혼합한 신호일 수 있다. 즉, 각 압전소자의 기본 공진 주파수에 상응하는 신호를 압전소자 각각에 인가하거나 각각의 기본 공진 주파수를 혼합한 신호를 압전소자에 인가함으로써, 초점 심도 확장의 효과를 향상시킬 수 있다. 이 때, 각각의 압전소자에 상응하는 기본 공진 주파수를 가지며 혼합되는 각 신호의 진폭은 서로 동일하거나 상이한 값을 가질 수 있다. 또한, 각각의 기본 공진 주파수를 혼합한 신호가 동시에 인가되는 경우에는 시스템이 단순화 되는 장점이 있으며, 이 경우 초음파 변환자가 자체 필터의 역할을 수행해서 각각의 소자가 갖는 공진주파수에 해당하는 신호를 송수신 할 수 있다.4 (b) and 4 (c), the signal applied to the transducer of the ultrasonic transducer according to the second embodiment of the present invention is a signal having a fundamental resonant frequency corresponding to each piezoelectric element, Of the fundamental resonant frequency of the signal. That is, by applying a signal corresponding to the fundamental resonance frequency of each piezoelectric element to each of the piezoelectric elements, or by applying a signal obtained by mixing the respective fundamental resonance frequencies to the piezoelectric element, the effect of increasing the depth of focus can be improved. At this time, the amplitudes of the respective mixed signals having the fundamental resonant frequencies corresponding to the respective piezoelectric elements may be the same or different from each other. In this case, the ultrasound transducer acts as a self filter to transmit and receive a signal corresponding to a resonance frequency of each element, can do.
도 4(d) 내지 (f)를 참조하면, 두 초점 심도 간의 골은 사라지는 것을 확인할 수 있으며, 초점 심도는 도 1의 경우에 비해 2배 정도 증가함을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 4 (d) to 4 (f), it can be seen that the score between the two depths of focus disappears, and that the depth of focus increases by about two times as compared with the case of FIG.
도 5는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 초음파 초점 심도 확장을 위한 초음파 변환자의 (a) 제 1 측면도, (b) 제 2 측면도, (c) 제 3 측면도, (d) 인가되는 초음파 신호 및 종래의 다중심 변환자 구동 시 발생하는 초음파 빔의 (e) 2차원 강도(intensity) 분포, (f) 측방향 강도 분포, (g) 축방향 강도 분포와 본 발명의 제 3 실시예에 따른 변환자 구동 시 발생하는 초음파 빔의 (h) 2차원 강도 분포, (i) 측방향 강도 분포, (j) 축방향 강도 분포를 나타낸다. FIG. 5 is a first side view (a), a second side view, (c) and a third side view of an ultrasonic transducer for expanding the depth of focus of an ultrasonic wave according to a third embodiment of the present invention; (E) a two-dimensional intensity distribution, (f) a lateral intensity distribution, (g) an axial direction intensity distribution, and a transformation according to the third embodiment of the present invention, (H) 2-dimensional intensity distribution, (i) lateral intensity distribution, and (j) axial intensity distribution of the ultrasonic beam generated at the time of driving the magnet.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 제 1 압전소자(10) 및 제 2 압전소자(20) 각각은 분극 역전된 구조를 갖고, 분극 역전된 구조에 의하여 제 1 압전소자(10) 및 제 2 압전소자(20)에서는 다중 공진 주파수가 발생 가능할 수 있다. 예를 들어, 제 1 압전소자(10)와 제 2 압전소자(20)의 기본 공진 주파수(f0)를 가질 때 역전층 기법을 적용하여 압전소자 각각은 분극 역전된 구조를 가질 수 있으며, 이로 인해 다중 공진 주파수가 발생할 수 있다.Referring to FIG. 5, each of the first
역전층 기법이란 두 개의 압전소자가 서로 반대되는 분극 방향을 갖도록 위치한 뒤 변환자 구동 시 두 개의 압전소자를 하나의 능동 소자로써 진동시키는 것을 말한다. 이 때 역전층은 전체 능동 소자의 두께 대비 얇은 두께를 갖는 층을 말하며, 능동소자를 구성하는 각 압전소자의 비율을 조절함으로써 광대역 주파수 대역폭을 획득하거나 전체 능동 소자두께에 대한 기본 공진 주파수와 이에 대한 하모닉 주파수 신호를 효율적으로 발생시킬 수 있다.The inverse layer technique refers to a method in which two piezoelectric elements are positioned so as to have polarization directions opposite to each other, and two piezoelectric elements are vibrated as one active element when the converter is driven. In this case, the inversion layer refers to a layer having a thickness that is thinner than the thickness of the entire active element. By adjusting the ratio of each piezoelectric element constituting the active element, it is possible to obtain a wideband frequency bandwidth or a basic resonant frequency for the entire active element thickness, The frequency signal can be efficiently generated.
도 5(a) 내지 (c)는 역전층 기법이 적용된 다중심 구경 구조의 측면도를 나타낸 것으로, 제 1 압전소자(10)와 제 2 압전소자(20)는 각각 하위소자(11, 21)와 상위소자(12, 22)로 이루어져 있으며, 제 1 압전소자(10)와 제 2 압전소자(20)의 두께는 서로 동일하거나 상이하게 설계할 수 있다. 각 압전소자(10, 20) 내의 상위소자들(12, 22)과 하위소자들(11, 21)은 분극 방향이 서로 마주보도록 위치할 수 있으며, 상위소자들(12, 22) 및 하위소자들(11, 21) 사이의 두께 비율은 도 5(a) 내지 (c)의 순서대로 0.25:0.75, 0.5:0.5, 및 0.75:0.25의 비율을 나타낸다. 즉, 각 압전소자(10, 20)를 구성하는 하위소자(11, 21)와 상위소자(12, 22)의 두께 비율은 변경이 가능하며 각 압전소자(10, 20)가 갖는 하위소자(11, 21) 및 상위소자(12, 22)의 두께 비율 및 이들을 구성하는 물질은 서로 동일하거나 상이하도록 설계할 수 있다.5A to 5C are side views of a multi-centered aperture structure to which the inversion layer technique is applied. The first
도 5(d)를 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 초음파 변환자에 인가되는 신호는 전체 두께에 대한 기본 공진 주파수(f0)와 이에 대한 하모닉 주파수 신호(2f0) 사이를 스위핑 하는 쳐프 신호 또는 기본 공진 주파수 및 이에 대한 하모닉 주파수를 갖는 사인 또는 코사인 신호를 혼합한 신호일 수 있다. 이 때 혼합되는 각각의 신호의 진폭은 사용자의 목적에 따라 서로 동일하거나 상이한 진폭을 가질 수 있으며, 펄스파 또는 연속파를 선택하여 사용할 수 있다.Referring to FIG. 5D, the signal applied to the ultrasonic transducer according to the third embodiment of the present invention sweeps between the fundamental resonance frequency f 0 for the entire thickness and the
도 5(h) 내지 (j)를 참조하면, 하위소자(11, 21)와 상위소자(12, 22)의 두께 비율이 0.25:0.75인 다중심 초음파 변환자에 도 5(d)에서 나타낸 기본 공진 주파수(f0)와 이에 대한 하모닉 주파수(2f0)가 혼합된 신호를 인가하였을 때, 두 초점 심도간의 골은 -5.5 dB의 값을 갖는다. 도 5(e) 내지 (g)에 나타난 종래의 일반적인 다중심 변환자의 두 초점 심도간의 골은 -17.4 dB로, 제안된 역전층 기법을 사용할 경우 골의 깊이를 약 12 dB 상승시킬 수 있다.5 (h) to 5 (j), a multi-center ultrasonic wave transducer having a thickness ratio of 0.25: 0.75 between the
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 초음파 초점 심도 확장을 위한 초음파 변환자의 구동 시 발생하는 초음파 빔의 강도 분포의 예로서, 비선형적으로 가변하는 쳐프 신호를 사용했을 때 매질에서 발생하는 초점 영역의 이동을 시간에 따라 나타낸 것이다. 원활한 비교를 위해 각 영상은 영상에서 가지고 있는 최대값으로 정규화되었다.FIG. 6 is an example of the intensity distribution of an ultrasonic beam generated when an ultrasonic transducer is driven to extend the depth of focus of an ultrasonic wave according to the third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, when a nonlinearly varying chirp signal is used, The movement of the area is represented by time. For smooth comparison, each image is normalized to the maximum value it has in the image.
또한, 도 7는 도 6에 대한 연장선으로 쳐프 신호를 사용했을 때 발생하는 초음파 빔의 강도 분포의 또 다른 예로서, 소정의 시간 동안 매질에서 발생하는 압력 분포 영상을 저장한 뒤, 저장된 각 영상이 갖고 있는 압력분포를 비교하여 최대값을 추출한 2차원 초음파 강도 분포, 측방향 및 축방향 강도 분포를 나타낸다.7 is a graph illustrating another example of intensity distribution of an ultrasonic beam generated when a chirp signal is used as an extension line to that of FIG. 6, in which a pressure distribution image generated in a medium for a predetermined time is stored, Dimensional ultrasound intensity distribution, lateral and axial intensity distributions obtained by comparing the pressure distributions and extracting the maximum value.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 초음파 변환자에 다중 공진 주파수 사이를 스위핑 하는 쳐프신호가 인가됨으로써, 공통된 초점의 영역이 소정의 범위 내에서 이동 가능할 수 있다. 즉, 기본 공진 주파수(f0)를 갖는 다중심 구경 구조에 역전층 기법을 적용하여 기본 공진 주파수 및 이에 대한 하모닉 주파수가 발생하도록 형성된 초음파 변환자에 기본 공진 주파수와 이에 대한 하모닉 주파수 사이를 스위핑하는 쳐프 신호를 인가할 수 있으며, 이 때 사용되는 쳐프 신호의 주파수는 선형 또는 비선형적으로 가변될 수 있고, 주파수의 변화는 매질에서 발생하는 초점 영역의 이동을 유발할 수 있다. 따라서, 기본 공진 주파수와 이에 대한 하모닉 주파수 사이를 스위핑하는 쳐프 신호를 사용할 경우, 시간에 따라 초음파 변환자 송신 신호의 주파수가 변화하고 이로 인해 초점 영역이 일정 범위 내에서 이동하게 될 수 있다. 6 and 7, by applying a chirp signal sweeping multiple resonance frequencies to the ultrasonic transducer according to the third embodiment of the present invention, the common focal region can be moved within a predetermined range. That is, by applying an inverse layer technique to a multi-centered aperture structure having a fundamental resonant frequency (f 0 ), an ultrasonic transducer formed to generate a fundamental resonant frequency and a harmonic frequency therefrom is provided with a chirp The frequency of the chirp signal used may be varied linearly or nonlinearly, and a change in the frequency may cause a shift of the focus region occurring in the medium. Therefore, when a chirp signal sweeping between the fundamental resonance frequency and the harmonic frequency is used, the frequency of the ultrasound transducer transmission signal changes with time, and the focus region can be moved within a certain range.
도 7을 참조하면, 일정 시간 동안 초점 영역의 이동에 따른 매질에서 발생하는 전체 초점 영역의 크기를 알 수 있으며, 초점 영역 내에 발생하는 골은 최대 압력 값에서 -6 dB 떨어진 값으로 종래의 다중심 구경 구조 및 구동 방법에서 발생하는 초점 영역 내의 골보다 11 dB 더 높은 값을 가짐을 확인할 수 있다. 즉, 다중 공진 주파수를 가질 수 있는 역전층 기법이 적용된 다중심 초음파 변환자에 쳐프 신호를 인가할 경우 다중 초점 사이의 골을 최소화할 수 있으며, 이는 진단용 초음파 영상에서 균일한 영상의 질을 제공할 수 있다. 이 외에도 치료용 초음파에서 초점 영역이 전후로 반복해서 이동함으로써, 고강도 집속 초음파 치료시 정상 조직으로의 열 확산을 방지하기 위한 쿨링 프로세스를 자연스럽게 구현할 수 있다.Referring to FIG. 7, the size of the entire focus region generated in the medium due to the movement of the focus region for a predetermined time can be known, and the number of bones generated in the focus region is -6 dB below the maximum pressure value. It can be confirmed that the value is 11 dB higher than that in the focus area generated by the aperture structure and driving method. That is, when a chirp signal is applied to a multi-center ultrasound transducer to which a reverse resonance frequency having a multiple resonance frequency is applied, the bone between the multi-foci can be minimized. This can provide a uniform image quality in the diagnostic ultrasound image have. In addition, since the focus region is repeatedly moved back and forth in the therapeutic ultrasound wave, a cooling process for preventing heat diffusion to the normal tissue during the high-intensity focused ultrasound treatment can be naturally realized.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 초점 심도 확장을 위한 초음파 변환자의 구조의 또 다른 예를 나타낸 것으로, (a) 내지 (c)는 본 발명의 일 실시예로써 제안된 변환자 구조에 추가적으로 흡음층(30) 또는 정합층(40)을 각각 부착하거나 동시에 부착한 구조를 나타내며, (d) 및 (e)는 공통된 초점을 갖도록 하기 위해 프레스트 포커싱 방법 이외에 오목렌즈(50) 또는 볼록렌즈(60)가 부착된 구조를 나타낸다.FIG. 8 illustrates yet another example of the structure of an ultrasonic transducer for expanding the depth of focus of an ultrasonic wave according to an embodiment of the present invention, wherein (a) to (c) (D) and (e) show a structure in which the sound-absorbing
도 8은 도 5에서 나타낸 초음파 변환자의 구조를 이용하여 나타내었으나, 이에 국한되지 않고 전술한 도면에 나타난 모든 구조를 이용하여 나타낼 수 있다.FIG. 8 illustrates the structure of the ultrasonic transducer shown in FIG. 5. However, the present invention is not limited thereto, and all structures shown in the above-described drawings can be used.
도 8(a) 내지 (c)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자의 성능 향상을 위해 정합층(40) 또는 흡음층(30) 중 적어도 하나 이상이 더 포함될 수 있다. 즉, 제 1 압전소자(10) 및 제 2 압전소자(20)의 전면 또는 후면에 정합층(40) 또는 흡음층(30) 또는 정합층(40) 및 흡음층(30) 모두가 추가적으로 부착될 수 있으며, 이를 통해 초음파 빔의 세기 및 집속점을 조절할 수 있다.8A to 8C, at least one of the
도 8(d) 및 (e)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자에 프레스트 포커싱 기법이 적용되거나 오목렌즈(50) 또는 볼록렌즈(60)가 부착됨으로써, 제 1 압전소자(10) 및 제 2 압전소자(20)가 공통된 초점을 가질 수 있다. 또한, 오목렌즈(50) 또는 볼록렌즈(60)가 부착된 경우에도 도 8(a) 내지 (c)와 마찬가지로 제 1 압전소자(10) 및 제 2 압전소자(20)의 전면 또는 후면에 정합층(40) 또는 흡음층(30) 중 적어도 하나 이상이 부착될 수 있으며, 이를 통해 초음파 빔의 세기 및 집속점의 조절이 가능할 수 있다.8 (d) and 8 (e), a prism focusing method is applied to an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention, or a
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 압전소자(10) 및 적어도 하나 이상의 제 2 압전소자(20) 각각이 서로 소정의 거리를 두고 배치됨으로써 제 1 압전소자(10) 및 적어도 하나 이상의 제 2 압전소자(20) 각각의 사이에는 공간이 형성되며, 이 공간은 비어있거나 비전도성 물질로 채워져 있을 수 있다. 이 때, 각각의 압전소자 간의 소정의 거리는 사용자의 목적에 따라 자유롭게 조절이 가능하며, 이는 초점의 형태 조절 및 측엽의 크기에 영향을 미칠 수 있다.Further, the first
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 초점 심도 확장을 위한 초음파 변환자의 구조의 추가적인 변형의 예로서, (a) 복수개의 압전소자의 정면도 및 (b) 복합체 구조가 형성된 압전소자의 정면도를 나타낸다.9 is a diagram illustrating a modification of the structure of the ultrasonic transducer for expanding the depth of focus of an ultrasonic wave according to an embodiment of the present invention. FIG. 9A is a front view of a plurality of piezoelectric elements, and FIG. 9B is a front view of a piezoelectric element .
도 9(a)를 참조하면, 본 발명에 일 실시예에 따른 초음파 변환자는 하나의 원 형태로 형성된 제 1 압전소자(10) 및 하나 이상의 링 형태로 형성된 제 2 압전소자(20)를 포함할 수 있다. 즉, 초음파 변환자를 구성하는 압전소자가 총 N개라고 했을 때, 이는 하나의 원 형태의 압전소자와 N-1개의 링 형태의 압전소자를 갖는 것을 의미한다. 9A, an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention includes a first
또한, 도 9(b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 압전소자(13) 또는 제 2 압전소자(23) 중 적어도 하나 이상이 복합체 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 각각의 압전소자에는 1-3 복합체 구조가 적용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.9 (b), at least one of the first
본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 압전소자(10) 및 제 2 압전소자(20) 각각은 서로 동일하거나 서로 다른 물질로 형성될 수 있다. 즉, 초음파 변환자에 포함되는 각 압전소자의 물질을 다양하게 구성할 수 있으며, 도 9(a)와 같이 압전소자가 총 N개라고 했을 때, N개의 압전소자 각각이 서로 동일하거나 서로 다른 물질로 형성될 수 있다.Each of the first
본 발명의 일 실시예에 따른 제 1 압전소자(10) 및 제 2 압전소자(20) 각각은 사용자의 목적에 따라 크기 조절이 가능하다. 이때, 크기는 압전소자 각각의 직경 등일 수 있으며, 이는 전술한 제 1 압전소자(10) 및 적어도 하나 이상의 제 2 압전소자(20) 각각의 사이에 형성되는 공간의 크기에도 영향을 미칠 수 있다. 또한, 제 1 압전소자(10) 및 제 2 압전소자(20) 각각이 분극 역전된 구조를 가지는 경우, 압전소자 각각에 포함된 상위소자 및 하위소자의 크기에 따라 제 1 압전소자(10) 및 제 2 압전소자(20)의 크기 조절이 이루어질 수 있다.Each of the first
도 10은 다중 주파수를 이용했을 때 두 초점 심도의 골이 최소화되는 원리를 설명하기 위해 나타낸 그래프이다. 도 10(a)는 종래의 다중심 구경 구조 및 구동 방법을 이용했을 때 매질에서 발생하는 축방향 압력 값을 나타내며, 도 10(b)는 도 5에서 나타낸 초음파 변환자 및 인가 신호를 사용했을 때 매질에서 발생하는 축방향 압력 값을 나타낸다. 각 그래프는 원활한 비교를 진행하기 위해 최대값으로 정규화 되었으며, 도 10(a)와 (b)를 비교 시, 다중 주파수를 이용했을 때 초점 심도가 확장되는 효과와 더불어 두 초점 심도 사이의 골이 최소화 되는 것을 확인할 수 있다.10 is a graph illustrating the principle of minimizing the foci of two depths of focus when multiple frequencies are used. 10 (a) shows the axial pressure value generated in the medium when using the conventional multi-centered aperture structure and the driving method. FIG. 10 (b) And the axial pressure value generated in the medium. Each graph is normalized to the maximum value for smooth comparison. When comparing Fig. 10 (a) and (b), we can see that the effect of extending the depth of focus when using multiple frequencies, .
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 초점 심도 확장을 위한 시스템을 나타낸 블록도이다.11 is a block diagram illustrating a system for extending an ultrasound focus depth according to an embodiment of the present invention.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 초점 심도 확장을 위한 초음파 시스템에는, 전술한 초음파 변환자, 초음파 변환자를 구동시키기 위한 전기적 신호를 발생시키는 신호 발생부(100), 발생된 신호의 위상을 조절하기 위한 위상 제어부(200), 위상이 조절된 신호를 증폭하기 위한 신호 증폭부(300) 및 증폭된 신호를 초음파 변환자에 인가시키기 위한 신호 송신부(400)가 포함될 수 있다.11, an ultrasound system for expanding an ultrasound focusing depth according to an embodiment of the present invention includes a
예를 들어, 신호 발생부(100)를 통해 생성된 신호는 (예컨대, 상기 기술된 신호와 같이 쳐프 신호나, 서로 다른 주파수 대역을 갖는 신호가 혼합된 신호, 또는 서로 다른 기본 공진 주파수를 갖는 압전소자에 대해 이에 상응하는 각각의 기본 공진 주파수를 갖는 신호 등) 다중 주파수를 포함하는 모든 신호가 될 수 있다. 발생되는 신호는 신호 증폭부(300)를 통해 각각의 압전소자에 인가될 신호의 진폭이 결정될 수 있으며, 이 후 신호 송신부(400)를 각 신호가 압전소자에 인가될 수 있다. 인가된 신호는 변환자를 통해 초음파 신호로 변환되어 매질 내로 조사될 수 있다.For example, the signal generated through the
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 발생부(100), 위상 제어부(200), 신호 증폭부(300) 및 신호 송신부(400)는 각각 초음파 변환자의 압전소자마다 형성되거나 초음파 변환자의 압전소자를 그룹핑하여 생성된 그룹마다 형성될 수 있다. 즉, 위상 제어부(200), 신호 증폭부(300), 신호 송신부(400)는 초음파 변환자가 가지고 있는 압전소자 수에 상응하거나 더 적은 수를 가질 수 있다. 예를 들어, 전체 압전소자의 개수를 N개라고 했을 때, 각각의 위상 제어부(200), 신호 증폭부(300), 신호 송신부(400)는 최대 N개까지 가질 수 있으며, 사용자의 편의에 따라 소정의 압전소자를 그룹핑하여 묶음으로써 각 모듈을 N개 이하로 사용할 수 있다.The
도 12는 본 발명의 일 실시예에 의해 초음파 진단용 영상에 적용 시 획득 가능한 컴퓨터 모사 실험 결과의 예를 나타낸다. 도 12(a)는 종래의 단일소자 초음파 변환자의 컴퓨터 모사 실험 결과를 나타내며, 도 12(b)는 다중심 초음파 변환자에 위상 역전된 신호를 인가한 결과, 그리고 도 12(c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중심 초음파 변환자에 위상 역전된 다른 주파수의 신호들을 인가한 결과를 나타낸다. 도 12(b)에서는 두 개의 초점 영역 발생으로 초점 심도가 도 12(a)보다 확대되었으나 두 개의 초점 사이, 즉 6 mm 지점의 포인트 타겟에서는 상대적으로 강도가 낮아지고 측엽(side-lobe)이 증가한 것을 알 수 있다. 반면에 본 발명의 일 실시예에 따른 도 12(c)에서는 6 mm 지점의 포인트 타겟이 초점 주변의 다른 타겟들과 유사한 강도를 가지고 있으며 도 12(a)와 비교했을 때 유사한 측엽의 크기를 가짐을 확인할 수 있다. 따라서 종래의 다중심 초음파 변환자를 이용한 기법에서 발생하는 비균일한 초음파 강도 문제가 해결되었음을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 의하면 초점 심도 영역에 에너지가 균형적으로 분포되어 균일한 감도의 영상을 획득할 수 있으며, 원거리 영역에서 신호대 잡음비가 기존 구조에 비해 향상됨을 확인할 수 있다. FIG. 12 shows an example of a computer simulation test result obtainable when applying the image to an ultrasonic diagnostic image according to an embodiment of the present invention. 12 (a) shows a result of computer simulation of a conventional single-element ultrasonic transducer, FIG. 12 (b) shows a result of applying a phase-inverted signal to a multi- To-center ultrasound transducer according to one embodiment of the present invention. In Fig. 12 (b), the focus depth is enlarged in Fig. 12 (a) due to the occurrence of two focus areas, but the relative strength is lowered and the side-lobe is increased in the point target between the two focus points, . On the other hand, in FIG. 12 (c) according to an embodiment of the present invention, a point target at a point of 6 mm has a similar intensity to other targets around the focal point, and has a size of a similar leaflet as compared with FIG. 12 (a) can confirm. Therefore, it can be confirmed that the problem of non-uniform ultrasonic intensity generated in the conventional multi-center ultrasonic transducer is solved. That is, according to the embodiment of the present invention, the energy is distributed equally in the depth of focus area, and images with uniform sensitivity can be obtained, and it can be seen that the signal-to-noise ratio is improved in the remote area as compared with the existing structure.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 초점 심도 확장을 위한 시스템을 나타낸 블록도의 또 다른 예이다.13 is another example of a block diagram illustrating a system for extending an ultrasound focusing depth according to an embodiment of the present invention.
도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 초점 심도 확장을 위한 초음파 시스템에는, 초음파 영상 구현을 위한 송수신 스위치(500), 송수신 스위치(500)를 통해 인가된 신호를 수신하기 위한 신호 수신부(600), 상시 수신된 신호를 증폭하기 위한 수신신호 증폭부(700), 주파수 컴파운딩 영상 구현을 위한 영상 처리부(800) 및 디스플레이부(900)가 더 포함될 수 있으며, 위상차이를 가지고 송신된 고주파수 및 저주파수 초음파가 송수신 스위치(500)를 통해 혼합되어 동시에 수신될 수 있다. 이를 통해 진단용 영상 시스템을 구현할 수 있으며, 고주파수 및 저주파수 초음파 신호가 동시에 수신되므로 한번 송수신으로 주파수 컴파운딩 영상 효과를 획득 할 수 있으며, 별도로 신호처리부에서 각각의 주파수 성분을 필터를 사용해서 분리 한 후 가중치를 고려해서 합치는 과정을 통해서도 주파수 컴파운딩 영상 구현이 가능할 수 있다.13, an ultrasound system for extending an ultrasound focusing depth according to an embodiment of the present invention includes a transmitting / receiving
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 초점 심도 확장을 위한 방법의 순서도이다.14 is a flowchart of a method for extending an ultrasound focus depth according to an embodiment of the present invention.
도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 시스템을 이용하여 초음파 초점 심도를 확장하는 방법은, 초음파 시스템의 신호 발생부(100)에 의해 다중 주파수를 포함하는 신호가 생성되는 단계(S100), 생성된 신호의 위상이 위상 제어부(200)에 의해 조절되는 단계(S200), 위상이 조절된 신호의 진폭값이 신호 증폭부(300)에 의해 결정되는 단계(S300) 및 진폭값이 결정된 신호가 신호 송신부(400)를 통해 전술한 초음파 변환자에 인가되어 다중 주파수를 갖는 초음파 신호가 발생되는 단계(S400)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 14, a method of extending an ultrasound focus depth using an ultrasound system according to an embodiment of the present invention includes generating a signal including multiple frequencies by a
도 3(a)을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 다중 주파수를 포함하는 신호에는 소정의 기본 공진 주파수(f0)와 기본 공진 주파수(f0)에 대한 하모닉 주파수가 서로 혼합된 신호 또는 기본 공진 주파수(f0)와 기본 공진 주파수(f0)에 대한 하모닉 주파수를 모두 포함하는 쳐프 신호가 포함될 수 있다.Referring to FIG. 3A, a signal including multiple frequencies according to the first embodiment of the present invention includes a predetermined fundamental resonant frequency f 0 and a harmonic frequency with respect to the fundamental resonant frequency f 0 , the chyeopeu signal including both of a harmonic frequency of the signal or the fundamental resonance frequency (f 0) and the basic resonant frequency (f 0) may be included.
도 4(b) 및 (c)를 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예(초음파 변환자의 압전소자들(10, 20) 각각이 서로 다른 기본 공진 주파수를 가지는 경우)에 따른 다중 주파수를 포함하는 신호에는 초음파 변환자의 압전소자들(10, 20) 각각의 기본 공진 주파수를 포함하는 신호 또는 기본 공진 주파수가 모두 혼합된 신호가 포함될 수 있다. 이 때, 초음파 변환자의 압전소자들(10, 20) 각각의 기본 공진 주파수를 포함하는 신호가 초음파 변환자에 인가되는 경우, 압전소자들(10, 20) 각각에 압전소자들(10, 20) 각각의 기본 공진 주파수에 해당하는 신호가 개별적으로 인가될 수 있다.Referring to Figs. 4 (b) and 4 (c), the second embodiment of the present invention (when each of the
도 5(d)를 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예(초음파 변환자의 압전소자들(10, 20)이 각각 분극 역적된 구조를 갖는 경우)에 따른 다중 주파수를 포함하는 신호에는 초음파 변환자의 압전소자들(10, 20)의 각각의 다중 공진 주파수가 서로 혼합된 신호 또는 다중 공진 주파수를 모두 포함하는 쳐프 신호가 포함될 수 있다. 즉, 초음파 변환자의 압전소자들(10, 20)은 각 하위소자(11, 21) 및 상위소자(12, 22)의 비율에 따라 각기 다른 다중 공진 주파수를 가질 수 있으므로, 이러한 경우 초음파 변환자에 인가될 다중 주파수를 포함하는 신호는 각 압전소자들의 다중 공진 주파수가 서로 혼합된 신호 또는 다중 공진 주파수를 모두 포함하는 쳐프 신호일 수 있다.5D, a signal including multiple frequencies according to the third embodiment of the present invention (in the case where the
본 발명의 일 실시예에 따른 생성된 신호의 위상이 위상 제어부(200)에 의해 조절되는 단계(S200)에서는, 초음파 변환자에 인가될 신호 간에 0도부터 180도 범위 내에서의 상호 위상차를 갖도록 생성된 신호의 위상값이 결정될 수 있다. 예를 들어, 전체 압전소자의 개수를 N개라고 했을 때 N개의 압전소자 각각에 인가되는 신호의 위상은 0도 내지 180도 범위 내에서 상호 위상차를 가지도록 위상 제어부(200)를 통해 결정될 수 있다.In the step S200, in which the phase of the generated signal according to the embodiment of the present invention is adjusted by the
본 발명의 일 실시예에 따라 전술한 도면 및 설명에서 확인할 수 있는 결과는 두 개의 압전 소자로 구성된 다중심 초음파 변환자 구조에 180도 반전된 두 개의 신호가 인가되는 경우에 대한 것이다.The results, which can be seen from the above-mentioned drawings and description, relate to the case where two signals inverted by 180 degrees are applied to the multi-center ultrasonic transducer structure composed of two piezoelectric elements according to one embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 위상이 조절된 신호의 진폭값이 신호 증폭부(300)에 의해 결정되는 단계(S300)에서는, 초음파 변환자에 인가될 신호 간에 서로 동일하거나 서로 다른 진폭값을 갖도록 위상이 조절된 신호의 진폭값이 결정될 수 있다. 다시 말해서, 전술한 제 1 실시예, 제 2 실시예 및 제 3 실시예에 따른 다중 주파수를 포함하는 신호에 포함되는 복수의 신호들은 서로 동일하거나 서로 다른 진폭값을 가질 수 있으며, 공진 주파수가 혼합된 신호의 경우 각 구성 신호들의 진폭값 역시 서로 동일하거나 서로 상이할 수 있다.In step S300, in which the amplitude of the phase-adjusted signal is determined by the
본 발명의 일 실시예에 따른 쳐프 신호는 선형 또는 비선형 쳐프 신호일 수 있다. 다시 말해서, 쳐프 신호는 선형 또는 비선형적으로 주파수가 변화할 수 있고, 이러한 쳐프 신호는 전술한 초음파 변환자에 인가되어 초점 심도 확장 시 발생할 수 있는 불연속성의 문제를 해소하고 초점의 이동을 가능하도록 할 수 있다.The chirp signal according to an embodiment of the present invention may be a linear or nonlinear chirp signal. In other words, the frequency of the chirp signal may change linearly or nonlinearly, and such a chirp signal may be applied to the above-described ultrasonic transducer to eliminate the problem of discontinuity that may occur in increasing the depth of focus, .
본 발명의 일 실시예에 따른 방법과 관련하여서는 전술한 초음파 변환자 및 시스템에 대한 내용이 적용될 수 있다. 따라서, 방법과 관련하여, 전술한 변환자 및 시스템에 대한 내용과 동일한 내용에 대하여는 설명을 생략하였다.With respect to the method according to an embodiment of the present invention, the contents of the ultrasonic transducer and the system described above can be applied. Therefore, with respect to the method, description of the same contents as those of the above-described converter and system has been omitted.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those skilled in the art that the foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and that those of ordinary skill in the art can readily understand that various changes and modifications may be made without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.It is intended that the present invention covers the modifications and variations of this invention provided they come within the scope of the appended claims and their equivalents. .
1: 종래의 단일 압전소자
2: 종래의 다중심 초음파 변환자의 제 1 압전소자
3: 종래의 다중심 초음파 변환자의 제 2 압전소자
10: 제 1 압전소자 11: 제 1 압전소자의 하위소자
12: 제 1 압전소자의 상위소자
13: 복합체 구조가 적용된 제 1 압전소자
20: 제 2 압전소자 20-1: 두번째 제 2 압전소자
21: 제 2 압전소자의 하위소자 22: 제 2 압전소자의 상위소자
23: 복합체 구조가 적용된 제 2 압전소자
30: 흡음층 40: 정합층
50: 오목렌즈 60: 볼록렌즈
100: 신호 발생부 200: 위상 제어부
300: 신호 증폭부 400: 신호 송신부
500: 송수신 스위치 600: 신호 수신부
700: 수신신호 증폭부 800: 영상 처리부
801: 신호 처리부 802: 주파수 컴파운딩 영상 처리부
900: 디스플레이부1: Conventional single piezoelectric element
2: Conventional multi-center ultrasonic transducer first piezoelectric element
3: Conventional multi-center ultrasonic transducer second piezoelectric element
10: first piezoelectric element 11: lower element of the first piezoelectric element
12: upper element of the first piezoelectric element
13: a first piezoelectric element to which a composite structure is applied
20: second piezoelectric element 20-1: second piezoelectric element
21: Lower element of the second piezoelectric element 22: Upper element of the second piezoelectric element
23: a second piezoelectric element to which a composite structure is applied
30: sound-absorbing layer 40: matching layer
50: concave lens 60: convex lens
100: Signal generator 200: Phase controller
300: signal amplification unit 400: signal transmission unit
500: Transmitting / receiving switch 600: Signal receiving section
700: receiving signal amplification unit 800:
801: Signal processing unit 802: Frequency compounding image processing unit
900:
Claims (23)
상기 초음파 변환자의 중심부에 배치되는 원 형태의 제 1 압전소자; 및
상기 제 1 압전소자를 중심으로 링 형태를 가지며 상기 제 1 압전소자와 공통된 초점을 가지는 적어도 하나 이상의 제 2 압전소자가 포함되며,
상기 공통된 초점 상에서 서로 다른 주파수 및 위상을 갖는 초음파 신호가 동시에 혼합 가능하도록 상기 제 1 압전소자 및 상기 제 2 압전소자 각각을 통해 다중 주파수 및 소정의 위상차를 갖는 초음파가 발생되는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
An ultrasound transducer for expanding an ultrasound focus depth,
A circular first piezoelectric element disposed at the center of the ultrasonic transducer; And
At least one second piezoelectric element having a ring shape around the first piezoelectric element and having a common focus with the first piezoelectric element,
Wherein ultrasonic waves having multiple frequencies and a predetermined phase difference are generated through the first piezoelectric element and the second piezoelectric element, respectively, so that ultrasonic signals having different frequencies and phases on the common focus can be simultaneously mixed. character.
상기 제 1 압전소자 및 상기 제 2 압전소자 각각의 주파수 대역폭은 소정의 기본 공진 주파수(f0)와 상기 기본 공진 주파수에 대한 하모닉 주파수를 포함하는 광대역폭인 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
The method according to claim 1,
Wherein the frequency bandwidth of each of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element is a wide bandwidth including a predetermined fundamental resonance frequency (f 0 ) and a harmonic frequency with respect to the fundamental resonance frequency.
상기 제 1 압전소자 및 상기 제 2 압전소자 각각이 서로 다른 기본 공진 주파수(f0)를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
The method according to claim 1,
Wherein the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are formed to have different fundamental resonance frequencies (f 0 ).
상기 제 1 압전소자 및 상기 제 2 압전소자 각각은 분극 역전된 구조를 갖고, 상기 분극 역전된 구조에 의하여 상기 제 1 압전소자 및 상기 제 2 압전소자에서는 다중 공진 주파수가 발생 가능한 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
The method according to claim 1,
Wherein each of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element has a polarization reversed structure and a multiple resonance frequency can be generated in the first piezoelectric element and the second piezoelectric element by the polarization reversed structure, Converters.
상기 제 1 압전소자 및 상기 제 2 압전소자 각각에 포함된 상위소자 및 하위소자 간의 두께 비율은 사용자의 목적에 따라 변경 가능한 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
5. The method of claim 4,
Wherein a thickness ratio between an upper element and a lower element included in each of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element is changeable according to the purpose of the user.
상기 제 1 압전소자 및 상기 제 2 압전소자 각각은 서로 동일하거나 상이한 물질로 형성되고,
상기 제 1 압전소자에 포함된 상위소자 및 하위소자는 서로 동일하거나 상이한 물질로 형성되며, 상기 제 2 압전소자에 포함된 상위소자 및 하위소자는 서로 동일하거나 상이한 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
5. The method of claim 4,
Wherein each of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element is formed of the same or different material,
Wherein the upper element and the lower element included in the first piezoelectric element are formed of the same or different materials and the upper element and the lower element included in the second piezoelectric element are formed of the same or different materials. Converters.
상기 분극 역전된 구조를 갖는 초음파 변환자에 상기 다중 공진 주파수 사이를 스위핑 하는 쳐프 신호가 인가됨으로써, 상기 공통된 초점의 영역이 소정의 범위 내에서 이동 가능한 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
5. The method of claim 4,
Wherein the common focal region is movable within a predetermined range by applying a chirp signal sweeping between the multiple resonance frequencies to the ultrasonic transducer having the polarization reversed structure.
상기 초음파 변환자의 성능 향상을 위해 정합층 또는 흡음층 중 적어도 하나 이상이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
The method according to claim 1,
Wherein the ultrasonic transducer further comprises at least one of a matching layer and a sound-absorbing layer to improve the performance of the ultrasonic transducer.
상기 초음파 변환자에 프레스트 포커싱 기법이 적용되거나 오목렌즈 또는 볼록렌즈가 부착됨으로써, 상기 제 1 압전소자 및 상기 제 2 압전소자가 상기 공통된 초점을 가지는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
The method according to claim 1,
Wherein the first piezoelectric element and the second piezoelectric element have the common focus by applying a focus-focusing technique to the ultrasound transducer or by attaching a concave lens or a convex lens to the ultrasound transducer.
상기 제 1 압전소자 및 적어도 하나 이상의 상기 제 2 압전소자 각각이 서로 소정의 거리를 두고 배치됨으로써 상기 제 1 압전소자 및 상기 적어도 하나 이상의 제 2 압전소자 각각의 사이에는 공간이 형성되며, 상기 공간은 비어있거나 비전도성 물질로 채워져 있는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
The method according to claim 1,
A space is formed between each of the first piezoelectric element and the at least one second piezoelectric element by arranging the first piezoelectric element and the at least one second piezoelectric element at a predetermined distance from each other, An ultrasonic transducer characterized by being filled with an empty or nonconductive material.
상기 제 1 압전소자 또는 상기 제 2 압전소자 중 적어도 하나 이상이 복합체 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
The method according to claim 1,
Wherein at least one of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element has a complex structure.
상기 제 1 압전소자 및 상기 제 2 압전소자 각각은 서로 동일하거나 서로 다른 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
The method according to claim 1,
Wherein the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are formed of the same or different materials.
상기 제 1 압전소자 및 상기 제 2 압전소자 각각은 송수신되는 초음파 에너지가 조절될 수 있도록 크기 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
The method according to claim 1,
Wherein the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are adjustable in size so that the ultrasonic energy to be transmitted and received can be adjusted.
제 1 항에 따른 초음파 변환자;
상기 초음파 변환자를 구동시키기 위한 전기적 신호를 발생시키는 신호 발생부;
상기 발생된 신호의 위상을 조절하기 위한 위상 제어부;
상기 위상이 조절된 신호를 증폭하기 위한 신호 증폭부; 및
상기 증폭된 신호를 상기 초음파 변환자에 인가시키기 위한 신호 송신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 초점 심도 확장을 위한 초음파 시스템.
1. An ultrasound system for extending an ultrasound focusing depth,
An ultrasonic transducer according to claim 1;
A signal generator for generating an electrical signal for driving the ultrasonic transducer;
A phase controller for adjusting a phase of the generated signal;
A signal amplifier for amplifying the phase-adjusted signal; And
And a signal transmitter for applying the amplified signal to the ultrasound transducer.
상기 신호 발생부, 상기 위상 제어부, 상기 신호 증폭부 및 상기 신호 송신부는 각각 상기 초음파 변환자의 압전소자마다 형성되거나 상기 초음파 변환자의 압전소자를 그룹핑하여 생성된 그룹마다 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 초점 심도 확장을 위한 초음파 시스템.
15. The method of claim 14,
Wherein the signal generation unit, the phase control unit, the signal amplification unit, and the signal transmission unit are formed for each group formed by grouping the piezoelectric elements of the ultrasonic transducer or formed for each piezoelectric element of the ultrasonic transducer. Ultrasonic system for extension.
초음파 영상 구현을 위한 송수신 스위치;
상기 송수신 스위치를 통해 인가된 신호를 수신하기 위한 신호 수신부;
상시 수신된 신호를 증폭하기 위한 수신신호 증폭부;
주파수 컴파운딩 영상 구현을 위한 영상 처리부; 및
디스플레이부를 더 포함하며,
위상차이를 가지고 송신된 고주파수 및 저주파수 초음파가 상기 송수신 스위치를 통해 혼합되어 동시에 수신되는 것을 특징으로 하는 초음파 초점 심도 확장을 위한 초음파 시스템.
15. The method of claim 14,
Transmit / receive switch for ultrasound image realization;
A signal receiving unit for receiving a signal applied through the transmission / reception switch;
A received signal amplifying unit for amplifying a signal that is always received;
An image processor for implementing a frequency compounding image; And
And a display unit,
Wherein high frequency and low frequency ultrasonic waves transmitted with a phase difference are mixed and received through the transmission / reception switch at the same time.
상기 초음파 시스템의 신호 발생부에 의해 다중 주파수를 포함하는 신호가 생성되는 단계;
상기 생성된 신호의 위상이 위상 제어부에 의해 조절되는 단계;
상기 위상이 조절된 신호의 진폭값이 신호 증폭부에 의해 결정되는 단계; 및
상기 진폭값이 결정된 신호가 신호 송신부를 통해 제 1 항에 따른 초음파 변환자에 인가되어 다중 주파수 및 소정의 위상차를 갖는 초음파 신호가 발생되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 초점 심도를 확장하는 방법.
A method of extending an ultrasound focus depth using an ultrasound system,
Generating a signal including multiple frequencies by a signal generator of the ultrasound system;
Adjusting a phase of the generated signal by a phase control unit;
The amplitude of the phase-adjusted signal being determined by a signal amplifier; And
Wherein the signal having the determined amplitude value is applied to the ultrasonic transducer according to claim 1 through a signal transmitter to generate an ultrasonic signal having multiple frequencies and a predetermined phase difference, .
상기 다중 주파수를 포함하는 신호에는 소정의 기본 공진 주파수(f0)와 상기 기본 공진 주파수에 대한 하모닉 주파수가 서로 혼합된 신호 또는 상기 기본 공진 주파수와 상기 기본 공진 주파수에 대한 하모닉 주파수를 모두 포함하는 쳐프 신호가 포함되는 것을 특징으로 하는 초음파 초점 심도를 확장하는 방법.
18. The method of claim 17,
The signal including the multiple frequencies may be a signal obtained by mixing a predetermined fundamental resonance frequency (f 0 ) and a harmonic frequency with respect to the fundamental resonance frequency, or a signal including both a fundamental resonance frequency and a harmonic frequency for the fundamental resonance frequency And a signal is included in the ultrasound image.
상기 초음파 변환자의 압전소자들 각각이 서로 다른 기본 공진 주파수를 가지는 경우, 각각의 압전소자들의 기본 공진 주파수에 해당하는 신호가 개별적으로 각각의 압전소자에 인가되거나 또는 상기 기본 공진 주파수가 모두 혼합된 신호가 전체 압전소자에 인가되는 것을 특징으로 하는 초음파 초점 심도를 확장하는 방법.
18. The method of claim 17,
When the piezoelectric elements of the ultrasonic transducer have different basic resonance frequencies, signals corresponding to the fundamental resonance frequencies of the respective piezoelectric elements are individually applied to the respective piezoelectric elements, or signals having both of the fundamental resonance frequencies mixed Is applied to the entire piezoelectric element.
상기 초음파 변환자의 압전소자들이 각각 분극 역전된 구조를 갖는 경우, 상기 다중 주파수를 포함하는 신호에는 상기 초음파 변환자의 압전소자들 각각의 다중 공진 주파수가 서로 혼합된 신호 또는 상기 다중 공진 주파수를 모두 포함하는 쳐프 신호가 포함되는 것을 특징으로 하는 초음파 초점 심도를 확장하는 방법.
18. The method of claim 17,
In the case where the piezoelectric elements of the ultrasonic transducer have a polarization reversed structure, the signal including the multiple frequencies may include a mixed signal of the multiple resonance frequencies of the piezoelectric elements of the ultrasonic transducer or both of the multiple resonance frequencies Wherein a chirp signal is included.
상기 쳐프 신호는 선형 또는 비선형 쳐프 신호인 것을 특징으로 하는 초음파 초점 심도를 확장하는 방법.
21. The method according to claim 18 or 20,
Wherein the chirp signal is a linear or non-linear chirp signal.
상기 생성된 신호의 위상이 위상 제어부에 의해 조절되는 단계에서는,
상기 초음파 변환자에 인가될 신호 간에 0도부터 180도 범위 내에서의 상호 위상차를 갖도록 상기 생성된 신호의 위상값이 결정되는 것을 특징으로 하는 초음파 초점 심도를 확장하는 방법.
18. The method of claim 17,
In the step of controlling the phase of the generated signal by the phase control unit,
Wherein a phase value of the generated signal is determined to have a mutual phase difference within a range of 0 to 180 degrees between signals to be applied to the ultrasonic transducer.
상기 위상이 조절된 신호의 진폭값이 신호 증폭부에 의해 결정되는 단계에서는,
상기 초음파 변환자에 인가될 신호 간에 서로 동일하거나 서로 다른 진폭값을 갖도록 상기 위상이 조절된 신호의 진폭값이 결정되는 것을 특징으로 하는 초음파 초점 심도를 확장하는 방법.
18. The method of claim 17,
In the step where the amplitude value of the phase-adjusted signal is determined by the signal amplifying unit,
Wherein an amplitude value of the phase-adjusted signal is determined to have the same or different amplitude values between signals to be applied to the ultrasonic transducer.
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|---|---|---|---|
| KR1020170156845A KR101962039B1 (en) | 2017-11-22 | 2017-11-22 | The ultrasound transducer, system and method to extend depth-of-field |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102383268B1 (en) * | 2021-09-14 | 2022-04-08 | 주식회사 메타소닉 | Transducer of integrated type which generates complex ultrasonic sound |
| WO2024080511A1 (en) * | 2022-10-13 | 2024-04-18 | 동국대학교 산학협력단 | Apparatus for improving ultrasound compounding image by using phase and frequency control technique |
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| KR101439684B1 (en) | 2012-12-26 | 2014-09-12 | 동국대학교 산학협력단 | Method and ultrasound system for extending of depth of focus and displaying of ultrasound image |
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2017
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