KR101995635B1 - Therapeutic ultrasound transducer using polarization reversed piezoelectric structure and driving method for manufacturing thereof - Google Patents
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Abstract
분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자 및 그 제작 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자는, 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자는 서로 반대의 분극 방향을 가지도록 적층되고, 전극 층 및 접지 층은 치료용 초음파 변환자의 표면에 한 쌍의 전극만을 형성하여 다중 주파수 특성을 갖는 치료용 초음파를 발생시킬 수 있다.Disclosed is a therapeutic ultrasound transducer using a piezoelectric structure in which a polarization is reversed and a manufacturing method thereof. In the ultrasonic transducer for therapeutic use using the polarization reversed piezoelectric structure according to an embodiment of the present invention, the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are laminated so as to have polarization directions opposite to each other, and the electrode layer and the ground layer are laminated Only a pair of electrodes may be formed on the surface of the ultrasonic transducer to generate therapeutic ultrasonic waves having multiple frequency characteristics.
Description
본 발명은 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자 및 그 제작 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자는 서로 반대의 분극 방향을 가지도록 적층되고, 전극(electrode) 층 및 접지 층은 치료용 초음파 변환자의 표면에 한 쌍의 전극만을 형성하여 다중 주파수 특성을 갖는 초음파를 발생시키게 하는 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자 및 그 제작 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a therapeutic ultrasound transducer using a polarization reversed piezoelectric structure and a manufacturing method thereof. More particularly, the first and second piezoelectric elements are laminated so as to have polarization directions opposite to each other, electrode layer and a ground layer are formed on a surface of a therapeutic ultrasound transducer to form an ultrasonic wave having multiple frequency characteristics by forming only a pair of electrodes and a method of fabricating the ultrasound transducer using a polarization reversed piezoelectric structure .
고강도 집속 초음파(high intensity focused ultrasound; HIFU) 치료법은 초음파 변환자에서 출력되는 고에너지의 초음파를 양성 및 악성 종양 등의 병변 부위에 집속 조사함으로써 열효과(thermal effect) 및 캐비테이션(cavitation)과 같은 기계적인 효과(mechanical effect)를 유도하여 병변을 괴사시키는 비침습적인 치료 방법이다. 이러한 고강도 집속 초음파 치료법은 인체에 무해한 초음파 에너지를 이용한다는 점, 개복수술 대비 병변 조직 외 주변 조직의 손상을 최소화 시킬 수 있는 점 및 치료 과정에서 환자의 고통을 감소시키고, 회복속도를 향상시킬 수 있는 점 등의 다양한 장점으로 인해 그 활용도가 점차 증가되고 있다. High intensity focused ultrasound (HIFU) therapy is a technique that focuses high energy ultrasound output from an ultrasound transducer on lesion sites such as benign and malignant tumors to produce thermal effects and cavitation Is a non-invasive treatment that induces mechanical effects and necrosis lesions. Such a high-intensity focused ultrasound therapy is useful for minimizing damage to the surrounding tissues outside the lesion tissue in comparison to the open surgery, reducing the patient's pain and improving the recovery rate The utilization rate is gradually increasing due to various advantages such as points.
그러나, 고강도 집속 초음파 치료법은 병변을 괴사시킬 수 있는 초음파 에너지의 집속 영역이 협소하여 치료 영역이 제한적이며, 이로 인해 큰 부피를 갖는 병변조직을 괴사시키기 위해서는 여전히 많은 치료 시간이 소모된다는 단점을 갖고 있다. However, the high-intensity focused ultrasound therapy has a disadvantage in that the treatment area is limited due to the narrow convergence region of ultrasound energy capable of necrosing the lesion, and thus, a large amount of treatment time is still consumed for necrosing lesion tissue having a large volume .
이러한 문제점을 보완하기 위한 방안 중 하나로써, 다중 주파수를 이용한 초음파 치료법이 제안되었으며, 다중 주파수를 이용한 초음파 치료법은 서로 다른 주파수 성분의 초음파 에너지를 병변조직에 동시에 조사함으로써, 캐비테이션 효과를 향상시킬 수 있다. 다만, 이러한 다중 주파수를 이용한 치료용 초음파 변환자는 서로 다른 중심주파수를 갖는 압전소자들을 나란히 배열함으로써 각 압전소자가 서로 다른 주파수의 초음파 에너지를 동일한 집속점에 형성하는 것이 가능하도록 다중 소자(multi-elements) 구조를 많이 사용하고 있으나 그 제조 과정이 복잡하다는 단점을 가지고 있다. 즉, 다중 소자 구조를 포함하는 다중 주파수를 이용한 치료용 초음파 변환자를 제조하기 위해서는 두 쌍 이상의 전극이 필요하고, 각 소자들을 정밀하게 배치해서 한 점에 정확하게 서로 다른 주파수의 초음파가 집속되도록 조절하는 과정에서 많은 어려움이 존재한다. Ultrasonic therapy using multiple frequencies has been proposed as one of the measures to overcome this problem and ultrasound therapy using multiple frequencies can improve the cavitation effect by simultaneously irradiating ultrasonic energy of different frequency components to lesion tissues . However, the therapeutic ultrasound transducer using multiple frequencies may be arranged such that piezoelectric elements having different center frequencies are arranged side by side so that each piezoelectric element can form ultrasound energies of different frequencies at the same focusing point, ) Structure, but the manufacturing process is complicated. That is, in order to manufacture an ultrasound transducer for treatment using multiple frequencies including a multi-element structure, two or more pairs of electrodes are required, and the ultrasound waves of different frequencies are accurately focused on one point There are many difficulties in
한편, 진단용 초음파를 위한 변환자 구조에서, 한 쌍의 전극만으로 다중 주파수 특성을 발생시키는 것이 가능한 분극 역전층 기술이 제시되었다. 상기 기술은 적층된 압전소자 상단과 하단에 한쌍의 전극층만을 형성함으로써 적층되어진 압전소자들간의 변위(displacement) 차이를 이용하여 적층되어진 압전소자들의 전체 적층 두께를 기반으로 하는 1f0 특성 및 상기 특성의 배수를 갖는 고조파(harmonic) 주파수 성분을 동시에 발생시키는 것이 가능하다. 또한 각 압전소자들간에 동일한 변위를 갖게 함으로써 1f0 특성의 배수를 갖는 고조파 주파수 성분만을 발생시키는 것이 가능하다. On the other hand, in a transducer structure for diagnostic ultrasound, a polarization inversion layer technique capable of generating multiple frequency characteristics using only a pair of electrodes has been proposed. The above-described technique has a 1f 0 characteristic based on the total lamination thickness of the laminated piezoelectric elements by using a displacement difference between the laminated piezoelectric elements by forming only a pair of electrode layers at the top and bottom of the laminated piezoelectric element, It is possible to simultaneously generate harmonic frequency components having multiple frequencies. It is also possible to generate only the harmonic frequency components having a multiple of the 1f 0 characteristic by having the same displacement between the piezoelectric elements.
이러한 분극 역전층 기술은 다중 주파수 특성을 바탕으로 정합층 및 후면층의 설계에 따라서 광대역 특성을 발생시키기 유리하다는 장점을 가지기 때문에 그 동안 고해상도 영상 획득을 요구하는 진단용 초음파 변환자에 활용되었다. This polarization inversion layer technique has been utilized in a diagnostic ultrasound transducer requiring high resolution image acquisition since it has an advantage of generating broadband characteristics according to the design of the matching layer and the back layer based on the multi frequency characteristics.
기본적으로 진단용 초음파 변환자는 광대역 특성을 통한 고해상도 영상을 중요시 하는 반면, 치료용 초음파 변환자는 집속점에서 병변의 괴사를 중요시 하므로 두 변환자가 동일한 분극 역전층 구조를 적용하였다고 하더라도 각 분야가 필요로 하는 파라미터는 서로 다르게 된다. Basically, diagnostic ultrasound transducers attach importance to high-resolution images through broadband characteristics, whereas therapeutic ultrasound transducers place necrosis of lesions at focus points, so even if the two transducers apply the same polarization inversion layer structure, Different.
특히, 진단용 초음파 변환자는 광대역 특성을 발휘하기 위해서 정합층 및 후면층이 많은 영향을 미치므로 이러한 영향을 고려하여 도출된 진단용 초음파 변환자의 분극 역전층 두께 비율 등은 정합층 및 후면층을 많이 사용하지 않는 치료용 분야와 차이가 크다는 점에서, 환자의 병변 치료에 적합한 효율적인 분극 역전층 구조 기반 치료용 초음파 변환자 개발이 요구되고 있다.Particularly, since the diagnostic ultrasound transducer has a large influence on the matching layer and the rear layer in order to exhibit the broadband characteristic, the ratio of the thickness of the polarization reversed layer of the ultrasonic transducer There is a need to develop an ultrasonic transducer for treatment based on an inverse polarization layer structure that is suitable for treating a lesion of a patient.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자는 서로 반대의 분극 방향을 가지도록 적층되고, 전극 층 및 접지 층은 제 1 및 제 2 압전소자가 적층되어진 소자 표면에 한 쌍의 전극만을 형성함으로써 전체 두께를 기반으로하는 기본 주파수 특성과 기본 주파수 특성의 배수를 갖는 고조파 주파수 특성들을 동시에 발생시킬 수 있도록 하여 다중 주파수 특성으로 인한 고강도 집속 초음파 치료 시 병변의 괴사 영역을 확대시켜서 수술 시간을 감소시키기 위함이며, 종래의 다중 주파수 특성을 발생시키기 위한 초음파 변환자에서 필요로 하는 다수의 전극 및 접지 층을 단일 압전소자와 동일한 한 쌍의 전극만을 이용함으로써 제작 공정의 감소와 제작 수율을 향상시키는데 그 목적이 있다. 또한, 제안된 분극 역전된 압전구조 기법을 이용한 HIFU 변환자에서 제 1 및 제 2 압전소자간의 서로 다른 두께 비율에 따른 다중 주파수 특성과 최적의 두께 비율을 제공하고, 제 1 및 제 2 압전소자 이상의 다수의 소자들을 이용하는 경우 발생되는 다중 주파수 특성을 제공하는데 그 목적이 있으며, 정합층 및 후면층의 적용을 통하여 제안된 분극 역전된 압전구조 기법의 HIFU 변환자 특성을 제공하는데 그 목적이 있다, 아울러 서로 동일한 두께를 갖는 제 1 및 제 2 압전소자의 적층 구조에서, 하나의 압전소자가 복합체 구조를 형성함으로써, 각 소자들의 서로 다른 음속으로 인해 서로 다른 두께 비율을 갖는 것과 유사한 다중 주파수 특성을 발생시키기 기법을 제공하며, 상기 제안된 분극 역전층 구조를 이용한 HIFU 변환자를 설계 및 제작하여 그 성능을 최종적으로 검증하는데 그 목적이 있다.The first piezoelectric element and the second piezoelectric element are laminated so as to have polarization directions opposite to each other, and the electrode layer and the ground layer are laminated so that the first and second piezoelectric elements It is possible to simultaneously generate harmonic frequency characteristics having a fundamental frequency characteristic based on the total thickness and a multiple of fundamental frequency characteristics by forming only a pair of electrodes on the surface of the stacked element, The necrotic region of the ultrasonic transducer to enlarge the necrotic region of the ultrasonic transducer to reduce the operation time and to use the same pair of electrodes as the single piezoelectric element, The purpose of the present invention is to improve process yield and yield. In addition, it is also possible to provide multi-frequency characteristics and optimum thickness ratio according to different thickness ratios between the first and second piezoelectric elements in the HIFU converter using the proposed polarization inversion piezoelectric structure technique, It is an object of the present invention to provide a multi-frequency characteristic generated when a plurality of elements are used, and it is an object of the present invention to provide a HIFU converter characteristic of a proposed polarization reversed piezoelectric structure technique through application of a matching layer and a back layer, In a laminated structure of first and second piezoelectric elements having the same thickness, one piezoelectric element forms a composite structure, thereby generating multi-frequency characteristics similar to those having different thickness ratios due to the different sound speeds of the respective elements And the HIFU converter using the proposed polarization inversion structure was designed and fabricated. To verify the longitudinal it is an object.
본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자는 제 1 압전소자, 제 2 압전소자, 전극 층 및 접지 층을 포함하고, 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자는 서로 반대의 분극 방향을 가지도록 적층되고, 전극 층 및 접지 층은 치료용 초음파 변환자의 표면에 한 쌍의 전극만을 형성하여 전체 두께를 기반으로 하는 기본 주파수 특성과 기본 주파수 특성의 배수를 갖는 고조파 주파수 특성을 동시에 발생시킬 수 있으며, 이러한 다수의 주파수 특성을 동시에 발생시킴으로써 다중 주파수 특성을 가질 수 있다.The ultrasonic transducer for therapeutic use using the polarization-reversed piezoelectric structure according to an embodiment of the present invention includes a first piezoelectric element, a second piezoelectric element, an electrode layer, and a ground layer, and the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are connected to each other And the electrode layer and the ground layer are stacked so as to have a polarization direction opposite to that of the ultrasonic transducer, and a pair of electrodes are formed on the surface of the ultrasonic transducer for treatment, so that the fundamental frequency characteristic based on the total thickness and the harmonic frequency characteristic Can be generated at the same time, and multiple frequency characteristics can be obtained by simultaneously generating these multiple frequency characteristics.
또한, 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자에 있어서, 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자의 두께 비율 조절을 통하여 다중 주파수 특성을 발생시킬 수 있으며, 이때, 제 1 및 제 2 압전소자들이 적층되어진 전체 적층 두께(t)와 제 1 압전소자의 두께(t1)를 대비하여, 제 1 압전소자의 두께(t1)의 비율이 0.5 이하가 되도록 형성하여 다중 주파수 특성을 발생시킬 수 있다. 이때, 0.5 이하의 두께비율을 갖는 제 1 압전소자는 초음파 진행 방향의 전방 혹은 반대편에 위치할 수 있다.Further, in the therapeutic ultrasound transducer using the polarization-reversed piezoelectric structure, multiple frequency characteristics can be generated by controlling the thickness ratio of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element. At this time, the first and second piezoelectric elements are to the ratio of the thickness of the first piezoelectric element (t 1) 0.5 or less can generate a multi-frequency characteristics is formed so that in case the thickness (t 1) of the total multilayer thickness (t) of the first piezoelectric element been laminated have. At this time, the first piezoelectric element having a thickness ratio of 0.5 or less may be located forward or on the opposite side of the ultrasonic propagation direction.
또한, 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자에 있어서, 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자의 두께 비율 조절을 통하여 기본주파수 및 고조파 주파수 특성간의 에너지 진폭을 조절할 수 있다.Also, in the therapeutic ultrasound transducer using the polarization-reversed piezoelectric structure, the energy amplitude between the fundamental frequency and the harmonic frequency characteristic can be controlled by adjusting the thickness ratio of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element.
또한, 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자에 있어서, 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자는 분극 역전된 압전 구조가 교대로 형성되도록 다층으로 적층되고, 적층된 압전소자들로 이루어진 전체 적층 두께는 유사한 기본 주파수 특성을 갖는 단일 압전소자의 두께와 동일하게 유지하면서, 적층된 각각의 압전소자들의 두께 비율을 동일하게 하여 전체 적층 두께를 기반으로 하는 기본주파수 성분의 고조파 주파수 성분만을 발생시키고, 이러한 고조파 주파수 성분의 주파수는 적층되어진 서로 동일한 두께를 갖는 압전소자들의 개수 증가에 비례하여 증가되어질 수 있다.In the ultrasonic transducer for therapeutic use using the polarization-reversed piezoelectric structure, the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are laminated in multilayers so that the piezoelectric structures reversed in polarization are alternately formed, and the entire The lamination thickness is made equal to the thickness ratio of the laminated piezoelectric elements while maintaining the same thickness of the single piezoelectric element having the similar fundamental frequency characteristic so that only the harmonic frequency component of the fundamental frequency component based on the total lamination thickness is generated , The frequencies of these harmonic frequency components can be increased in proportion to the number of piezoelectric elements having the same thickness which are stacked.
또한, 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자에 있어서, 치료용 초음파 변환자의 송신 효율을 향상시키기 위한 정합층을 삽입할 수 있으며, 이때, 중심주파수를 기본주파수 및 고조파 주파수들의 중간값으로 결정하여 송신효율을 도모하면서, 정합층의 삽입으로 인해 발생되는 주파수 스펙트럼의 특성 변형을 최소화 할 수 있다.In addition, in the therapeutic ultrasound transducer using the polarization-reversed piezoelectric structure, a matching layer for improving the transmission efficiency of the therapeutic ultrasound transducer can be inserted. At this time, the center frequency is set to the intermediate value of the fundamental frequency and the harmonic frequencies It is possible to minimize the characteristic variation of the frequency spectrum caused by insertion of the matching layer while making the transmission efficiency.
또한, 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자에 있어서, 후면층의 삽입과, 삽입된 후면층의 음향 임피던스 조절을 통해 각 주파수 성분의 대역폭을 향상시키는 것이 가능하며, 발생되어진 각 주파수들간의 골의 깊이를 음향 임피던스 증가에 비례하여 감소시킬 수 있다.In addition, it is possible to improve the bandwidth of each frequency component by inserting the back layer and adjusting the acoustic impedance of the inserted back layer in the therapeutic ultrasound transducer using the polarization reversed piezoelectric structure, Can be reduced in proportion to the increase of the acoustic impedance.
또한, 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자에 있어서, 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자가 서로 다른 음향 임피던스를 가지는 경우, 두 소자간의 서로 다른 음향 속도 차이에 의해서 두 소자의 두께가 서로 동일할지라도 다중 주파수 특성을 발생시킬 수 있다. 이를 위해서 제 1 및 제 2 압전소자는 서로 동일한 음향 임피던스를 갖는 압전소자를 사용할 수 있으며 혹은, 제 1 및 제 2 압전소자 중, 하나의 소자에 복합체 구조(Composite structure)를 형성함으로써 인위적으로 두 압전소자가 서로 다른 음향 임피던스를 갖도록 할 수 있다.When the first piezoelectric element and the second piezoelectric element have different acoustic impedances in the therapeutic ultrasound transducer using the polarization reversed piezoelectric structure, the thicknesses of the two elements are different from each other due to the difference in acoustic velocities between the two elements Multiple frequency characteristics can be generated even if they are the same. For this purpose, the first and second piezoelectric elements can use piezoelectric elements having the same acoustic impedance, or by forming a composite structure in one of the first and second piezoelectric elements, So that the elements have different acoustic impedances.
또한, 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자에 있어서, 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자 중 어느 하나의 압전소자에 복합체 구조를 형성하는 경우, 기본주파수 및 고조파 주파수 특성들 간의 진폭 조절이 가능하도록, 복합체 구조의 피치(pitch) 및 피치에 따른 세라믹 부피 분율(ceramic volume fraction)을 조절할 수 있다.In addition, in the case of forming a composite structure in any one of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element in the therapeutic ultrasound transducer using the polarization-reversed piezoelectric structure, the amplitude control between the fundamental frequency and the harmonic frequency characteristics The ceramic volume fraction according to the pitch and pitch of the composite structure can be adjusted.
또한, 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자에 있어서, 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자는, 초음파 에너지 집속을 위한 곡률을 형성하도록 복합체(composite) 구조로 형성될 수 있다. Further, in the therapeutic ultrasound transducer using the polarization-reversed piezoelectric structure, the first piezoelectric element and the second piezoelectric element may be formed in a composite structure to form a curvature for ultrasonic energy focusing.
본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자의 제작 방법은 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자의 분극 방향을 확인한 후, 래핑(lapping)하는 단계, 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자를 양(+)의 분극 방향끼리 접착하는 단계, 다이싱(dicing) 작업을 통해 복합체 구조를 형성하고, 치폭 충전재를 부착하는 단계, 복합체 구조에서 분극 역전층 압전소자를 래핑하는 단계, 분극 역전층 압전소자 표면에 신호선을 위한 전극을 형성하는 단계, 압전소자들을 오목한(concave) 형태로 형성하는 단계, 압전소자들을 하우징의 안쪽에 위치시킨 후, 압전소자들의 후면에 신호선을 연결한 후 후면층을 형성하는 단계, 치료용 초음파 변환자의 전방 표면에 접지선을 위한 전극을 형성하는 단계 및 하우징에 커넥터를 부착 후, 신호선을 커넥터에 연결하는 단계를 포함할 수 있다.The method for fabricating a therapeutic ultrasound transducer using the polarization reversed piezoelectric structure according to an embodiment of the present invention includes a step of lapping after confirming the polarization direction of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element, Forming a composite structure through a dicing operation and attaching a width wise filler; lapping the polarization reversed-phase piezoelectric element in the composite structure; and bonding the first piezoelectric element and the second piezoelectric element to each other, Forming an electrode for a signal line on the surface of the polarization inversion layer piezoelectric element, forming the piezoelectric elements in a concave shape, positioning the piezoelectric elements inside the housing, connecting signal lines to the back surface of the piezoelectric elements Forming an electrode for a ground line on the front surface of the therapeutic ultrasound transducer; and attaching a connector to the housing, And < / RTI >
본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자는 일반적인 단일 압전소자 구조와 동일하게 한 쌍의 전극만을 이용하여 제작이 가능하기 때문에, 종래의 다중 주파수 특성을 발생시키기 위한 압전소자 구조에서 필요로 하는 다수의 전극 및 접지층의 개수를 감소시킴으로써 제작 공법의 감소와 제작 수율을 향상시키는 것이 가능하다.Since the therapeutic ultrasound transducer using the polarization reversed piezoelectric structure according to an embodiment of the present invention can be manufactured using only a pair of electrodes in the same manner as a general single piezoelectric element structure, It is possible to reduce the manufacturing method and improve the production yield by reducing the number of electrodes and the number of ground layers required in the piezoelectric element structure.
본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자는 적층되어진 각 압전소자들의 두께 비율을 조절하거나, 혹은 적층되어진 각 압전소자 중 하나의 압전소자를 복합체 구조로 형성함으로써 서로 다른 음향 임피던스 차이를 이용해서 다중 주파수 특성을 발생시키는 것이 가능하며, 이는 고강도 초음파 치료 시, 병변 조직내의 캐비테이션 효과를 향상시키는 것이 가능하며, 이에 따라서 일반적인 고강도 초음파 변환자 대비 치료 시간을 단축 시킬 수 있다. The ultrasonic transducer for therapeutic use using the polarization reversed piezoelectric structure according to an embodiment of the present invention may adjust the thickness ratio of the piezoelectric elements stacked or form a complex structure of one piezoelectric element among the stacked piezoelectric elements, It is possible to generate multiple frequency characteristics using different acoustic impedance differences, which can improve the cavitation effect in the lesion tissue during high intensity ultrasound therapy, thereby shortening the treatment time compared to a general high intensity ultrasound transducer .
본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자는 적층되어지는 압전소자의 개수와 두께 비율, 음향 임피던스 차이에 따라서 발생되는 다중 주파수간의 진폭 조절 및 다양한 주파수 조합(예컨대 1f0 및 2f0 조합 혹은 1f0 및 3f0 조합 등)이 가능하다.The therapeutic ultrasound transducer using the polarization-reversed piezoelectric structure according to an embodiment of the present invention can be used for various purposes such as adjusting the amplitude between multiple frequencies generated in accordance with the number and thickness ratio of the piezoelectric elements to be laminated and the acoustic impedance difference, 0 and 2f 0 combinations, 1f 0 and 3f 0 combinations, etc.) are possible.
본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자는 압전소자의 개수, 두께 비율 등의 파라미터들의 적절한 조절을 통해서 단일 주파수 성분만 발생시키거나 또는 다중 주파수를 발생시킬 수 있기 때문에 치료 대상체의 조건에 따라서 다양한 다중 주파수 또는 단일 주파수의 고조파 생성이 가능하다The therapeutic ultrasound transducer using the polarization reversed piezoelectric structure according to an embodiment of the present invention can generate only a single frequency component or generate multiple frequencies by appropriately controlling the parameters such as the number of piezoelectric elements and the thickness ratio Therefore, it is possible to generate various multi-frequency or single-frequency harmonics depending on the conditions of the treatment object
본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자는 두꺼운 두께의 압전소자를 가지고도 고주파수 발생이 가능하므로 고주파수 변환자 제작시 발생되는 얇은 압전소자 두께로 인한 제작의 어려움을 개선시킬 수 있고, 특히 복합체 및 벌크 구조를 갖는 압전소자의 다양한 조합을 통해서도 다양한 다중 주파수 또는 단일 주파수의 고조파 생성이 가능하다.Since the therapeutic ultrasound transducer using the polarization reversed piezoelectric structure according to an embodiment of the present invention can generate high frequencies even with a thick piezoelectric element, it is difficult to manufacture due to the thin piezoelectric element thickness generated in manufacturing a high frequency transducer And it is possible to generate various multi-frequency or single-frequency harmonics even through various combinations of piezoelectric elements having complex and bulk structures in particular.
본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자는 정합층을 더 부착함으로써 정합층의 두께를 도출하기 위해서 이용되는 중심주파수를 다중 주파수의 중간값으로 설정하여 송신 효율은 향상시키고, 주파수 스펙트럼에서 정합층 부착으로 인해 발생되는 주파수 대역의 변형을 최소화 시킬 수 있다.The therapeutic ultrasound transducer using the polarization-reversed piezoelectric structure according to an embodiment of the present invention sets the center frequency used for deriving the thickness of the matching layer to be an intermediate value of multiple frequencies by further attaching the matching layer, And the distortion of the frequency band caused by the matching layer attachment in the frequency spectrum can be minimized.
본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자는 후면층을 더 부착함으로써 후면층 음향 임피던스의 변화에 따라서 주파수 스펙트럼에서 다중 주파수 특성간에 존재하는 골과 각 주파수 특성의 대역폭을 조절하는 것이 가능하다.The therapeutic ultrasound transducer using the polarization-reversed piezoelectric structure according to an embodiment of the present invention further includes a rear layer, thereby increasing the bandwidth of the frequency characteristic of the multi-frequency characteristic in the frequency spectrum according to the change of the rear layer acoustic impedance . ≪ / RTI >
본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자는 압전소자를 오목한 형태로 가공하여 사용하거나 또는 오목한 형태의 렌즈를 사용함으로써 집속 기능을 향상 시킬 수 있다.The therapeutic ultrasound transducer using the polarization reversed piezoelectric structure according to an embodiment of the present invention can improve the focusing function by using the concave shape of the piezoelectric element or by using the concave shape lens.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도 1의 (a)는 일반적인 단일 압전소자 구조의 치료용 초음파 변환자(100)를 나타내고, 도 1의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 2층으로 적층된 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)를 나타낸다.
도 2의 (a)는 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 0.5 두께 비율 (t1=0.85 mm, t2=0.85 mm)을 가질 때의 전기적 임피던스 결과를 나타내고, 도 2의 (b)는 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 0.3 두께 비율 (t1=0.51 mm, t2=1.19 mm)을 가질 때의 전기적 임피던스 결과를 나타낸다.
도 3의 (a)는 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 0.5 두께 비율 (t1=0.85 mm, t2=0.85 mm)을 가질 때의 집속점에서 초음파 압력을 나타내고, 도 3의 (b)는 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 0.3 두께 비율 (t1=0.51 mm, t2=1.19 mm)을 가질 때의 집속점에서 초음파 압력을 나타낸다.
도 4의 (a)는 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 0.5 두께 비율 (t1=0.85 mm, t2=0.85 mm)을 가질 때의 집속점에서 초음파 압력진폭을 주파수 스펙트럼으로 변환한 결과를 나타내고, 도 4의 (b)는 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 0.3 두께 비율 (t1=0.51 mm, t2=1.19 mm)을 가질 때의 집속점에서 초음파 압력진폭을 주파수 스펙트럼으로 변환한 결과를 나타낸다.
도 5의 (a), (b), (c)는 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)에서 0.2, 0.15, 0.1 두께 비율일 때의 집속점에서 초음파 압력을 나타낸다.
도 6의 (a), (b), (c)는 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)에서 0.2, 0.15, 0.1 두께 비율일 때의 집속점에서 초음파 압력을 주파수 스펙트럼으로 변환한 결과를 나타낸다.
도 7의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)에서 적층된 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자들의 두께가 서로 동일한 0.5 두께 비율 (t1=0.85 mm, t2=0.85 mm)을 가지면서, 각각의 압전소자들이 단일체 구조로 형성된 변환자를 나타내고, 도 7의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)에서 적층된 압전소자들의 두께가 서로 동일한 0.5 두께 비율 (t1=0.85 mm, t2=0.85 mm)을 가지면서, 하나의 압전소자만을 복합체 구조(220)로 형성하여 복합체 구조를 포함하는 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(230)를 나타낸다.
도 8의 (a)는 도 7의 (a)의 변환자(180) 구조에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 추정된 전기적 임피던스 결과를 나타내고, 도 8의 (b)는 도 7의 (b)의 변환자(230) 구조에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 추정된 전기적 임피던스 결과를 나타낸다.
도 9의 (a)는 도 7의 (a)의 변환자(180) 구조에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 집속점에서 초음파 압력을 나타내고, 도 9의 (b)는 도 7의 (b)의 변환자(230) 구조에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 집속점에서 초음파 압력을 나타낸다.
도 10의 (a)는 도 7의 (a)의 변환자(180) 구조에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 집속점에서 초음파 압력진폭 신호를 주파수 스펙트럼으로 변환한 결과를 나타내고, 도 10의 (b)는 도 7의 (b)의 변환자(230) 구조에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 집속점에서 초음파 압력진폭 신호를 주파수 스펙트럼으로 변환한 결과를 나타낸다.
도 11의 (a), (b), (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)에서 각각 1f0, 1.5f0, 2f0 중심주파수에 따라서 도출되는 각각 다른 두께의 단일 정합층을 포함하는 경우에, 집속점에서의 압력을 나타낸다.
도 12의 (a), (b), (c)는 도 11의 (a), (b), (c)의 집속점에서의 압력을 주파수 스펙트럼으로 변환한 결과를 나타낸다.
도 13 의 (a), (b), (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)에서 각각 다양한 음향 임피던스를 갖는 후면층들을 부착하는 경우에 집속점에서의 압력을 나타낸다.
도 14 의 (a), (b), (c)는 도 13의 (a), (b), (c)의 집속점에서의 압력을 주파수 스펙트럼으로 변환한 결과를 나타낸다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 3단 적층된 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(260)를 나타낸다.
도 16은 3단 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(260) 구조에서 압전소자들 각각의 두께 비율 조절을 통해서 집속점에서 압력을 나타낸다.
도 17은 3단 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(260) 구조에서 압전소자의 각각의 두께 비율 조절을 통해서 집속점에서 압력진폭을 상대적인 주파수 스펙트럼으로 변환한 결과를 나타낸다.
도 18은 2단 적층 구조의 분극 역전층 구조의 변환자(180)의 시작품을 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 설계한 도면이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)의 시작품 제작 공정을 나타낸다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)의 제작 방법을 나타낸 순서도이다.
도 21의 (a)는 도 18의 유한요소분석 기반 설계와, 도 19 및 도 20의 제작 방법을 따라서 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180) 시작품이 제작 완료된 모습을 나타내고, 도 21의 (b)는 제작 완료된 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180) 시작품의 단면 모습을 나타낸다.
도 22의 (a), (b)는 각각 도 21의 분극 역전층 구조의 초음파 변환자(180) 시작품의 성능 검증을 위해서, 분극 역전층 구조의 초음파 변환자(180) 시작품에 전기적 임피던스 및 임펄스(impulse) 신호를 인가한 2-way 펄스에코 응답 결과를 나타낸다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are included to provide a further understanding of the invention and are incorporated in and constitute a part of this specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention. It is to be understood, however, that the technical features of the present invention are not limited to the specific drawings, and the features disclosed in the drawings may be combined with each other to constitute a new embodiment.
FIG. 1 (a) shows a
2 (a) shows a case where a 0.5-thickness ratio (t 1 = 0.85 mm, t 2 = 0.85 mm) is obtained by using a finite element analysis-based simulation in a
3 (a) shows a case where a 0.5-thickness ratio (t 1 = 0.85 mm, t 2 = 0.85 mm) is obtained by using a finite element analysis-based simulation in a
4 (a) shows a case in which a 0.5-thickness ratio (t 1 = 0.85 mm, t 2 = 0.85 mm) is used in a
5 (a), 5 (b) and 5 (c) show the ultrasonic pressure at the focusing point when the therapeutic
6 (a), 6 (b) and 6 (c) show ultrasonic pressures at a focusing point when the therapeutic
Of Figure 7 (a) is an embodiment in the stacked in therapeutic ultrasound transducer (180) for the polarization inversion layer structure according to the first piezoelectric elements and second piezoelectric elements, the same 0.5 weight ratio to each other thicknesses of the present invention (t 1 = 0.85 mm and t 2 = 0.85 mm), and each piezoelectric element shows a transformer formed in a monolithic structure, and FIG. 7 (b) shows a transformer having a polarization inverse layer structure according to an embodiment of the present invention (T 1 = 0.85 mm, t 2 = 0.85 mm) having the same thicknesses of the piezoelectric elements stacked in the
FIG. 8A shows the electrical impedance results estimated using the finite element analysis based simulation in the structure of the
9 (a) shows the ultrasonic pressure at the focusing point using the finite element analysis-based simulation in the structure of the
10 (a) shows a result obtained by converting the ultrasonic pressure amplitude signal into a frequency spectrum at a focal point using the finite element analysis-based simulation in the structure of the
(A), (b) in FIG. 11, (c) depending on each 1f 0, 1.5f 0, 2f 0 center frequency in the
Figs. 12 (a), 12 (b) and 12 (c) show the results obtained by converting the pressure at the focusing point in Figs. 11 (a), 11 (b) and 11 (c) into a frequency spectrum.
13 (a), 13 (b) and 13 (c) illustrate a case in which rear surface layers having various acoustic impedances are attached in the
Figs. 14 (a), 14 (b) and 14 (c) show the results obtained by converting the pressure at the focusing point in Figs. 13 (a), 13 (b) and 13 (c) into a frequency spectrum.
FIG. 15 shows a
Figure 16 shows the pressure at the focal point through the thickness ratio control of each of the piezoelectric elements in the structure of the therapeutic ultrasound transducer (260) of the three-pole,
FIG. 17 shows the result of converting the pressure amplitude at the focal point to a relative frequency spectrum through the adjustment of the thickness ratio of the piezoelectric elements in the structure of the
18 is a diagram illustrating a prototype of the
19 shows a prototype manufacturing process of a
FIG. 20 is a flowchart showing a method of manufacturing a
21 (a) shows a finite element analysis-based design of FIG. 18, a prototype of a
22 (a) and 22 (b) illustrate an electric impedance and an impulse (impulse) to the prototype of the
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 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. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, "그 중간에 다른 소자를 사이에 두고" 연결되어 있는 경우도 포함한다. 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 . In addition, when a part is referred to as being "connected" to another part throughout the specification, it includes not only "directly connected" but also "connected with other part in between".
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 1의 (a)는 일반적인 단일 압전소자 구조의 치료용 초음파 변환자(100)를 나타내고, 도 1의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 2층으로 적층된 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)를 나타낸다. FIG. 1 (a) shows a
도 1의 (a)를 참조하면, 일반적인 단일 압전소자 구조의 변환자(100)는 기본적으로 압전소자 내에서 분극 방향(110)이 존재하게 되며, 상기 분극 방향(110)을 기준으로 서로 반대가 되거나 혹은 서로 동일한 극을 갖도록 전극 (120, 130)을 형성함으로써 단일 압전소자 구조의 변환자(100)를 구동시킬 수 있다. 이때, 단일 압전소자 구조의 변환자(100)로부터 발생되는 초음파 에너지의 중심주파수는 총 두께 t를 기반으로 하는 1f0 특성이 주로 나타날 수 있다. Referring to FIG. 1A, the
도 1의 (b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)는 서로 다른 분극 방향(160, 170)을 갖는 압전소자들(140, 150)이 적층되어 있으며, 분극 역전층 구조의 변환자(180) 표면에 한 쌍의 전극(120, 130)을 형성함으로써 분극 역전층 구조의 변환자(180)를 구동시킬 수 있다. 1 (b), a
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)는 제 1 압전소자(140), 제 2 압전소자(150), 전극 층(120) 및 접지 층(130)을 포함하고, 제 1 압전소자(140) 및 제 2 압전소자(150)는 서로 반대의 분극 방향(160, 170)을 가지도록 적층되고, 전극 층(120) 및 접지 층(130)은 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자가 적층된 소자 표면에 한 쌍의 전극만을 형성하여 다중 주파수 특성을 갖는 초음파를 발생시킬 수 있다.That is, the
또한, 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)에서, 제 1 압전소자가 제 2 압전소자 보다 얇은 두께를 가지며 초음파 진행 방향의 반대편에 위치하게 하고, 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자의 접착면에 전극을 형성하고 접착하여, 전기 전도성을 증가 시킴으로써, 효율적인 다중 주파수 특성을 발생시킬 수 있다.In the
예를 들어, 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)는 적층된 각각의 제 1 압전소자(140) 및 제 2 압전소자(150)의 서로 다른 두께 비율 조절을 통해서 전체 두께 t를 기반으로 하는 1f0 특성과 상기 1f0 특성의 2배수를 갖는 2차 고조파 주파수(2f0) 특성을 포함하는 다중 주파수 특성을 발생시키거나 또는 2차 고조파 주파수(2f0) 특성만을 단독으로 발생시킬 수 있다. For example, the
예를 들어, 2차 고조파 주파수(2f0) 특성만의 단독 발생은 총 압전소자들의 두께 t 대비 초음파 진행 방향에서 반대편에 위치한 압전소자의 두께 t1의 비율, 예컨대, 제 1 압전소자(140)의 두께 t1의 비율을 전체 두께 t와 대비하여 0.5 이하로 조절함으로써 구현 될 수 있다.For example, the sole occurrence of the second harmonic frequency (2f 0 ) characteristic alone is the ratio of the thickness t 1 of the piezoelectric element located on the opposite side in the ultrasonic propagation direction to the thickness t of the total piezoelectric elements, as a precaution, the ratio of the thickness t 1 and the total thickness t may be realized by controlling not more than 0.5.
즉, 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)에서, 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자는 서로 동일한 압전소자를 이용하거나, 또는 서로 다른 종류의 압전소자를 이용하더라도 두께 조절을 통하여 효율적인 다중 주파수 특성을 발생시킬 수 있다.That is, in the
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)에서 발생될 수 있는 다중 주파수 또는 고조파 주파수 특성을 나타내기 위해서, 유한요소분석(finite element analysis) 기반 시뮬레이션을 이용하여, 0.5 두께 비율 또는 0.3 두께 비율에서의 전기적 임피던스, 집속점에서 압력, 상기 압력에서의 주파수 스펙트럼 결과를 나타낸다. FIGS. 2 to 4 are graphs showing finite element analysis (finite element analysis) to show multifrequency or harmonic frequency characteristics that can be generated in the
여기에서, 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하기 위해서, 압전소자는 원형 타입으로 구성되도록 가정하였으며, HIFU 치료에 널리 이용되는 1.2 MHz의 1f0를 발생시키기 위해 전체 압전소자의 두께는 1.7 mm의 두께로 구성되는 것을 가정하였다. 또한, 소자 폭 w는 이상적인 방사 진동 모드 구동을 위해 총 두께의 약 30배를 갖는 60 mm로 구성되도록 가정하였고, 초음파 에너지의 집속을 위해서 압전소자는 오목한 형태를 갖도록 가정하였다.Here, in order to use the finite element analysis based simulation, it is assumed that the piezoelectric element is composed of a circular type. In order to generate 1.2 MHz 1f 0 widely used for HIFU treatment, the thickness of the entire piezoelectric element is 1.7 mm . The device width w is assumed to be 60 mm, which is about 30 times the total thickness, for ideal radial vibration mode driving, and the piezoelectric device is assumed to have a concave shape for focusing the ultrasonic energy.
또한, 두께 비율은 제 1 압전소자(140)의 두께 t1의 비율을 전체 두께 t와 대비하여 나타낸 비율이다. 예를 들어, 제 1 압전소자(140)의 두께 t1을 0.85 mm 로 적층한 후에 제 2 압전소자(150)의 두께 t2를 0.85 mm 로 적층하면, 전체 두께는 제 1 압전소자(140) 및 제 2 압전소자(150)의 두께를 합친 t=1.7 mm가 되고, 전체 두께 t=1.7 mm와 대비한 제 1 압전소자(140)의 두께 t1=0.85 mm 의 두께 비율은 0.5 가 된다. The thickness ratio is a ratio of the thickness t 1 of the first
즉, 도 2의 (a)는 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 0.5 두께 비율 (t1=0.85 mm, t2=0.85 mm)을 가질 때의 전기적 임피던스 결과를 나타내고, 도 2의 (b)는 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 0.3 두께 비율 (t1=0.51 mm, t2=1.19 mm)을 가질 때의 전기적 임피던스 결과를 나타낸다. That is, FIG. 2 (a) shows a 0.5-thickness ratio (t 1 = 0.85 mm, t 2 = 0.85 mm) using a finite element analysis-based simulation in a
다음의 <표 1>은 도 2의 (a), (b)에서 도출된 각 두께 비율 별 공진 주파수 값 및 반공진 주파수 값과 상기 각 주파수에서 도출되는 임피던스 값을 나타낸 표이다. Table 1 below is a table showing resonance frequency values and anti-resonance frequency values and impedance values derived from the respective frequencies derived from FIGS. 2 (a) and 2 (b).
도 2의 (a), (b) 및 <표 1>을 참조하면, 0.5 두께 비율에서 2.4 MHz 공진주파수를 갖는 2f0 특성만이 발생되는 것을 확인할 수 있으며, 0.3 두께 비율에서는 1.28 MHz 공진주파수를 갖는 1f0 특성, 2.55 MHz 공진주파수를 갖는 2f0 특성 및 3.96 MHz 공진주파수를 갖는 3f0 특성이 동시에 발생되는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 2 (a), 2 (b) and 1, it can be seen that only a 2f 0 characteristic having a 2.4 MHz resonance frequency is generated at a thickness ratio of 0.5, and a resonance frequency of 1.28 MHz at a thickness ratio of 0.3 this characteristic has 1f 0, 3f 0 characteristics of the 2f 0 attribute and 3.96 MHz the resonance frequency of the 2.55 MHz resonant frequency can be confirmed to be occurring at the same time.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)는 제 1 압전소자(140) 및 제 2 압전소자(150)의 두께 비율 조절을 통하여 다중 주파수 특성을 발생시킬 수 있다.That is, the
도 3의 (a)는 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 0.5 두께 비율 (t1=0.85 mm, t2=0.85 mm)을 가질 때의 집속점에서 초음파 압력을 나타내고, 도 3의 (b)는 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 0.3 두께 비율 (t1=0.51 mm, t2=1.19 mm)을 가질 때의 집속점에서 초음파 압력을 나타낸다. 3 (a) shows a case where a 0.5-thickness ratio (t 1 = 0.85 mm, t 2 = 0.85 mm) is obtained by using a finite element analysis-based simulation in a
다음의 <표 2>는 도 3의 (a), (b)에서 도출된 각 두께 비율 별 집속점에서 최대 압력값을 나타낸 표이다. Table 2 below is a table showing the maximum pressure values at the focal points of the respective thickness ratios derived from FIGS. 3 (a) and 3 (b).
도 3의 (a), (b)에서 도출된 압력들은 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)의 집속점에서 이상적인 반사체에 의해 반사되어 되돌아 오는 직후의 초음파 압력을 나타내며, <표 2>를 참조하면, 0.5 두께 비율에서는 집속점에서 0.383 MPa의 압력을 갖는 것을 확인할 수 있으며, 0.3 두께 비율에서는 집속점에서 0.513 MPa의 압력을 갖는 것을 확인할 수 있다.3 (a) and 3 (b) show the ultrasound pressure immediately after returning from the ideal reflector at the focusing point of the
도 4의 (a)는 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 0.5 두께 비율 (t1=0.85 mm, t2=0.85 mm)을 가질 때의 집속점에서 초음파 압력진폭을 주파수 스펙트럼으로 변환한 결과를 나타내고, 도 4의 (b)는 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 0.3 두께 비율 (t1=0.51 mm, t2=1.19 mm)을 가질 때의 집속점에서 초음파 압력진폭을 주파수 스펙트럼으로 변환한 결과를 나타낸다. 4 (a) shows a case in which a 0.5-thickness ratio (t 1 = 0.85 mm, t 2 = 0.85 mm) is used in a
즉, 도 4의 (a), (b)는 각각 도 3의 (a), (b)에서 도출된 0.5 두께 비율과 0.3 두께 비율의 압력진폭을 주파수 스펙트럼으로 변환한 결과를 나타낸다. 4 (a) and 4 (b) show the results obtained by converting the pressure amplitudes of 0.5 thickness ratio and 0.3 thickness ratio derived from FIGS. 3 (a) and 3 (b) into frequency spectrums, respectively.
환언하면, 도 4의 (a), (b)의 주파수 스펙트럼은 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)에서 각 두께 비율 별로 출력되는 주파수 성분을 분석하기 위해서, 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 각 두께 비율별로 압력진폭을 주파수 스펙트럼으로 변환한 결과이다. In other words, in order to analyze the frequency components outputted for each thickness ratio in the
다음의 <표 3>은 도 4의 (a), (b)에서 도출된 각각의 1f0, 2f0, 3f0 주파수 특성의 중심주파수 및 중심주파수가 가지는 피크 점에서의 dB 를 나타낸 표이다.Table 3 below is a table showing the center frequencies of the 1f 0 , 2f 0 , and 3f 0 frequency characteristics and the dB at the peak point of the center frequency derived from FIGS. 4 (a) and 4 (b).
도 4의 (a), (b) 및 <표 3>을 참조하면, 각 두께 비율 별 발생되는 주파수 특성은 도 2의 (a), (b) 및 <표 1>의 전기적 임피던스 특성과 유사하게 도출되는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 4 (a), 4 (b) and 3, the frequency characteristics generated by the respective thickness ratios are similar to the electrical impedance characteristics of FIG. 2 (a) Can be obtained.
즉, 도 4의 (a), (b) 및 <표 3>을 참조하면, 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)의 0.5 두께 비율에서는 2.67 MHz (0 dB)의 중심주파수를 갖는 2f0 특성만이 도출되는 것을 확인할 수 있으며, 0.3 두께 비율에서는 각각 1.34 MHz (-6.71 dB), 2.67 MHz (0 dB), 4.02 MHz (-2.25 dB)의 중심주파수를 갖는 1f0, 2f0, 3f0 특성이 동시에 발생되는 것을 확인할 수 있다.That is, referring to FIGS. 4A, 4B and 3, the ratio of 0.5 thickness of the
즉, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)는 기존의 단일 압전소자 구조의 변환자(100)와 동일한 한 쌍의 전극 (120, 130)으로 변환자를 구동시키는 것이 가능함을 확인할 수 있다. 2 through 4, the
또한, 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)는 기존의 단일 압전소자 구조의 변환자(100)와 대비하여 다중 주파수 특성을 발생시킬 수 있기 때문에 조직 내 캐비테이션 효과를 향상시킬 수 있다. In addition, the
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)를 사용하면 HIFU 치료 시간을 단축 시킬 수 있으며, 동일한 두께 비율 조절을 통해 고조파 주파수 특성만을 발생시키는 것이 가능하며, 고주파수 치료용 변환자 제작시 발생되는 얇은 두께로 인한 제작의 어려움을 개선할 수 있다.That is, by using the
또한, 도 4의 (b) 및 <표 3>을 참조하면, 0.3 두께 비율에서 2f0 특성이 최대값을 가지며, 다음으로 3f0와 1f0가 각각 -2.25 dB, -6.71 dB의 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 피크 점의 차이는 제안된 0.3 두께 비율보다 좀 더 세밀한 조절을 통해서 필요한 주파수 성분간의 피크 점을 동등하게 발생시키는 두께 최적화를 실시함으로써 조절할 수 있다.Referring to FIGS. 4B and 3, the 2f 0 characteristic has a maximum value at a ratio of 0.3 thickness, and then 3f 0 and 1f 0 have values of -2.25 dB and -6.71 dB, respectively. . This difference in peak points can be adjusted by performing a thickness optimization that yields equally peak points between the required frequency components through a finer adjustment than the proposed 0.3 thickness ratio.
도 5 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여, 적층되어진 압전소자들간의 두께 비율을 0.2, 0.15, 0.1 비율로 조절하여 집속점에서 이상적인 반사체에 의해서 되돌아오는 직후의 압력과 상기 압력을 주파수 스펙트럼으로 변환한 결과를 나타낸다. 5 to 6 are graphs showing the relationship between the thickness ratio of the piezoelectric elements stacked up to 0.2, and the thickness ratio of the piezoelectric elements stacked by using the finite element analysis based simulation in the
즉, 도 5의 (a), (b), (c)는 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)에서 0.2, 0.15, 0.1 두께 비율일 때의 집속점에서 초음파 압력을 나타내고, 도 6의 (a), (b), (c)는 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)에서 0.2, 0.15, 0.1 두께 비율일 때의 집속점에서 초음파 압력을 주파수 스펙트럼으로 변환한 결과를 나타낸다. 5 (a), 5 (b) and 5 (c) show the ultrasound pressure at the focusing point when the
다음의 <표 4> 및 <표 5>는 각각 도 5의 (a), (b), (c)의 두께 비율 별 최대 압력과 도 6의 (a), (b), (c)의 주파수 특성들의 중심주파수 및 중심주파수가 가지는 피크 점을 나타낸 표이다.The following Table 4 and Table 5 show the relationship between the maximum pressure per thickness ratio of FIGS. 5A, 5B and 5C and the frequency of the frequency of FIGS. 6A, 6B, Is a table showing peak points of center frequency and center frequency of characteristics.
도 5의 (a), (b), (c) 및 <표 4>를 참조하면, 두께 비율이 0.2, 0.15, 0.1로 감소됨에 따라, 압력은 0.475, 0.368, 0.312 MPa 의 값을 가지며 점차 감소되는 것으로 확인되지만, 도 6의 (a), (b), (c) 및 <표 5>를 참조하면, 주파수 스펙트럼에서 0.2 두께 비율은 1f0 와 2f0 특성간의 피크 점 차이가 -2.2 dB 로 감소되었으며, 0.15 두께 비율에서는 1f0 특성이 최대값을 가지며, 2f0 특성의 피크 점이 -2.04 dB 감소되고, 0.1 두께 비율에서는 1f0 와 3f0 특성의 피크 값이 0.15 두께 비율의 결과와 상당히 유사하게 나타났으며, 1f0 와 3f0 특성은 0.8 dB 차이를 갖는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 5 (a), 5 (b), 5 (c) and 4, the thickness ratios are reduced to 0.2, 0.15 and 0.1 so that the pressures are 0.475, 0.368 and 0.312 MPa, Referring to FIGS. 6 (a), 6 (b), 6 (c) and 5, the 0.2-thickness ratio in the frequency spectrum is -2.2 dB between the 1 f 0 and 2 f 0 characteristics It decreased 0.15 has a maximum value in the thickness ratio characteristic 1f 0, 2f 0, the peak of the characteristic point is decreased -2.04 dB, and the results are quite similar to the thickness ratio of the peak value of 0.15 1f and 3f 0 0 properties in the thickness ratio 0.1 And the characteristics of 1f 0 and 3f 0 are 0.8 dB.
즉, 도 5 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)는 두께 비율 조절을 통해서 집속점에서 발생되는 다중 주파수 특성의 비율을 조절하여 조사하는 것이 가능하다는 장점을 가지며, 이는 HIFU 치료 시, 병변조직의 종류와 환경에 따라서 적층되어진 압전소자들간의 두께 조절만으로 다양한 다중 주파수 특성의 비율을 갖는 치료용 초음파 변환자를 제공할 있는 장점을 갖는다.5 to 6, the
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)는 제 1 압전소자(140) 및 제 2 압전소자(150)의 두께 비율 조절을 통해서 두께 비율에 따라 발생되는 다중 주파수 간의 에너지 진폭을 조절할 수 있다.In addition, the
도 7의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)에서 적층된 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자들의 두께가 서로 동일한 0.5 두께 비율 (t1=0.85 mm, t2=0.85 mm)을 가지면서, 각각의 압전소자들이 단일체 구조로 형성된 변환자를 나타내고, 도 7의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)에서 적층된 압전소자들의 두께가 서로 동일한 0.5 두께 비율 (t1=0.85 mm, t2=0.85 mm)을 가지면서, 하나의 압전소자만을 복합체 구조(220)로 형성하여 복합체 구조를 포함하는 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(230)를 나타낸다.Of Figure 7 (a) is an embodiment in the stacked in therapeutic ultrasound transducer (180) for the polarization inversion layer structure according to the first piezoelectric elements and second piezoelectric elements, the same 0.5 weight ratio to each other thicknesses of the present invention (t 1 = 0.85 mm and t 2 = 0.85 mm), and each piezoelectric element shows a transformer formed in a monolithic structure, and FIG. 7 (b) shows a transformer having a polarization inverse layer structure according to an embodiment of the present invention (T 1 = 0.85 mm, t 2 = 0.85 mm) having the same thicknesses of the piezoelectric elements stacked in the
즉, 도 7의 (a)는 도 1의 (b)의 제 1 압전소자(140) 및 제 2 압전소자(150)의 두께를 동일하게 0.85 mm로 적층함으로써 0.5 두께 비율을 가지도록 형성된 변환자이고, 도 7의 (b)는 도 1의 (b)의 제 1 압전소자(140) 및 제 2 압전소자(150)의 두께를 동일하게 0.85 mm로 적층함으로써 0.5 두께 비율을 가지도록 함과 동시에 제 2 압전소자가 복합체 구조(210)를 갖도록 형성된 변환자(230)를 나타낸다.That is, FIG. 7A is a cross-sectional view of a transducer formed to have a 0.5-thickness ratio by laminating the first
즉, 도 7의 (b)는 1f0와 2f0의 다중 주파수 특성을 동시에 발생시킬 수 있는 구조를 제시하기 위하여 나타낸 도면으로, 도 7의 (a)와 (b)는 서로 동일한 0.5 두께 비율을 가지도록 적층되었지만, 도 7의 (b)는 하나의 압전소자만을 복합체 구조(210)로 형성함으로써, 적층되어진 압전소자들간의 음속을 서로 다르게 유도하는 것이 가능하며, 이로 인해 변환자 표면에 도달되는 초음파 에너지는 서로 다른 시간차이를 발생시킴으로써, 2f0 주파수 특성만을 발생시키는 도 7의 (a)의 변환자(180) 구조와는 달리, 도 7의 (b)의 변환자(230) 구조는 1f0와 2f0 주파수 특성을 동시에 발생시키는 것이 가능하다.7 (b) is a diagram showing a structure capable of simultaneously generating multiple frequency characteristics of 1f 0 and 2f 0 , and FIGS. 7 (a) and 7 (b) (B) of FIG. 7, it is possible to induce the sound velocity between the stacked piezoelectric elements to be different from each other by forming only one piezoelectric element into the
또한, 도 7의 (b) 구조를 가지는 변환자(230)에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하기 위해서, 도 2 내지 4에서 설계된 변환자와 동일한 사양을 고려하였으며, 도 7의 (b)과 같이 적층된 압전소자 중 상단에 위치한 제 2 압전소자(210)를 고리 모양의(annular) 2-2 복합체 구조로 형성됨을 가정하였다. 이때, 피치(pitch)와 치폭(kerf)(190) 폭은 각각 0.7 mm와 0.2 mm로 설정함으로써 세라믹 부피 분율은 약 29%를 갖도록 설정하였다. In order to use the finite element analysis based simulation in the
다음의 <표 6>은 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하기 위해서 도 7의 (b)의 변환자(230) 구조에 적용되는 치폭 충전재(190)의 주요 물성을 나타낸 표이며, <표 7>은 도 7의 (a)의 단일체 구조인 벌크(bulk) 타입의 압전소자(140, 150)의 주요 물성치 및 도 7의 (b) 상단에 형성된 2-2 복합체 구조인 압전소자(210)의 주요 물성치를 서로 동일한 두께에서 비교하여 나타낸 표이다.The following Table 6 is a table showing the main properties of the
<표 7>을 참조하면, 2-2 복합체 구조로 형성된 압전소자(210)는 벌크 타입 압전소자(140, 150)와 대비하여 음향 임피던스가 감소된 것을 확인할 수 있으며 특히, 적층된 두 압전소자가 벌크 타입일 경우 서로 동일한 축방향 속도(longitudinal velocity)를 가지지만, 복합체 구조를 형성함으로써 996 m/s 차이의 서로 다른 음속을 가지는 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 7, it can be seen that the
도 8의 (a)는 도 7의 (a)의 변환자(180) 구조에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 추정된 전기적 임피던스 결과를 나타내고, 도 8의 (b)는 도 7의 (b)의 변환자(230) 구조에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 추정된 전기적 임피던스 결과를 나타낸다. FIG. 8A shows the electrical impedance results estimated using the finite element analysis based simulation in the structure of the
다음의 <표 8>은 도 8의 (a), (b)에서 도출된 공진 주파수 값 및 반공진 주파수 값과 상기 각 주파수에서 도출되는 임피던스 값을 나타낸 표이다. Table 8 below is a table showing resonance frequency values and anti-resonance frequency values derived from FIGS. 8 (a) and 8 (b) and impedance values derived from the respective frequencies.
즉, 도 8의 (a)는 두께 비율 0.5에서 벌크 타입간의 압전소자 적층 구조를 가진 변환자의 임피던스 결과값을 나타내고, 도 8의 (b)는 두께 비율 0.5에서 하나의 압전소자를 복합체 구조로 형성된 변환자의 임피던스 결과값을 나타낸다. 8 (a) shows the impedance result of the transducer having the piezoelectric element laminated structure between the bulk type at the thickness ratio of 0.5 and FIG. 8 (b) shows the impedance result of the transducer having the piezoelectric element laminated structure at the thickness ratio of 0.5. Indicates the impedance result of the converter.
도 8의 (a) 및 <표 8>을 참조하면, 도 8의 (a)의 결과는 도 1의 (b)의 변환자 구조에서 두께 비율 0.5인 경우(도 2의 (a) 및 <표 1>)와 동일한 결과를 가지는 것을 확인할 수 있으며, 도 8의 (b) 및 <표 8>을 참조하면, 동일한 두께 비율에서 하나의 압전소자를 복합체 구조로 형성하는 경우에는, 1f0와 2f0의 특성이 동시에 발생되는 것을 확인할 수 있으며, 각 특성의 공진주파수는 1.1 MHz 와 2.13 MHz 로써, 종래의 변환자(180)에서 서로 다른 두께 비율 조절을 통해서 획득되는 다중주파수의 특성과 유사한 주파수 특성을 나타냄을 확인할 수 있다.8A and 8B, the results of FIG. 8A show that when the thickness ratio is 0.5 in the transformer structure of FIG. 1B (FIGS. 2A and 2B) 1>) and when to check that it has the same effect, with reference to (b) and <Table 8> of Figure 8, in the case of forming one of the piezoelectric elements in the composite structure of the same thickness ratio, 1f 0 and 2f 0 And the resonance frequencies of the respective characteristics are 1.1 MHz and 2.13 MHz, and the frequency characteristics similar to those of the multi-frequency obtained through the adjustment of the different thickness ratios in the
즉, 종래의 변환자(180)는 서로 다른 두께 비율 조절을 통하여 다중주파수 특성을 획득할 수 있었으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(230)는 동일한 두께 비율에서 하나의 압전 소자를 복합체 구조로 형성함으로써, 1f0와 2f0의 특성이 동시에 발생되는 것과 같은 다중 주파수 특성을 획득할 수 있다.In other words, the
도 9의 (a)는 도 7의 (a)의 변환자(180) 구조에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 집속점에서 초음파 압력을 나타내고, 도 9의 (b)는 도 7의 (b)의 변환자(230) 구조에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 집속점에서 초음파 압력을 나타낸다. 9 (a) shows the ultrasonic pressure at the focusing point using the finite element analysis-based simulation in the structure of the
다음의 <표 9>는 도 9의 (a), (b)에서 도출된 집속점에서 최대 압력값을 나타낸 표이다. Table 9 below is a table showing the maximum pressure value at the focusing point derived from Figs. 9 (a) and 9 (b).
도 9의 (a) 및 <표 9>를 참조하면, 도 9의 (a)의 최대 압력 0.383 MPa 결과는 도 1의 (b)의 변환자 구조에서 두께 비율 0.5인 경우(도 3의 (a) 및 <표 2>)와 동일한 결과를 나타냄을 확인할 수 있으며, 도 9의 (b) 및 <표 9>를 참조하면, 도 9의 (b)의 최대 압력은 0.593 MPa로 추정되고 도 9의 (a)의 최대 압력 0.383 MPa 및 도 3의 (b), 표 2에서의 두께 비율 0.3에서 측정되었던 집속점에서 최대 압력 0.513 MPa 보다 향상된 것을 확인할 수 있다. 9A and 9, the maximum pressure of 0.383 MPa in FIG. 9A is obtained when the thickness ratio is 0.5 in the transducer structure of FIG. 1B 9 and FIG. 9, the maximum pressure of FIG. 9 (b) is estimated to be 0.593 MPa, and FIG. 9 (b) the maximum pressure of 0.383 MPa in Fig. 3 (a) and the maximum pressure of 0.513 MPa at the focal point measured at the thickness ratio 0.3 in Fig. 3 (b) and Table 2.
도 10의 (a)는 도 7의 (a)의 변환자(180) 구조에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 집속점에서 초음파 압력진폭 신호를 주파수 스펙트럼으로 변환한 결과를 나타내고, 도 10의 (b)는 도 7의 (b)의 변환자(230) 구조에서 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 집속점에서 초음파 압력진폭 신호를 주파수 스펙트럼으로 변환한 결과를 나타낸다. 10 (a) shows a result obtained by converting the ultrasonic pressure amplitude signal into a frequency spectrum at a focal point using the finite element analysis-based simulation in the structure of the
다음의 <표 10>은 도 10의 (a), (b)에서 도출된 주파수 스펙트럼의 결과를 정리한 표이다.The following Table 10 is a table summarizing the results of the frequency spectrum derived from FIGS. 10 (a) and 10 (b).
도 10의 (a), (b) 및 <표 10>을 참조하면, 도 7의 (a)의 변환자(180) 구조에서 동일한 두께 비율의 벌크 타입 압전소자(140, 150)간 접합 구조는 고조파 주파수 특성만이 발생되는 반면에, 도 7의 (b)의 변환자(230) 구조에서 복합체 구조(210)를 형성하는 경우, 즉, 동일한 두께 비율을 유지하면서 하나의 압전소자를 복합체 구조(210)로 형성하는 경우에는 1f0와 2f0의 다중 주파수 특성이 동시에 도출되는 것을 확인할 수 있다. 10 (a), 10 (b) and 10, the junction structure between the bulk type
이때, 도 10의 (b)의 주파수 스펙트럼에서 도출되는 각 특성의 중심주파수는 종래의 서로 다른 두께 비율 조절을 통해서 도출되는 다중 주파수 특성의 중심주파수들과 유사하게 도출되는 것을 확인할 수 있다. At this time, it can be seen that the center frequency of each characteristic derived from the frequency spectrum of FIG. 10 (b) is similar to the center frequencies of the multi-frequency characteristic derived from the conventional control of the thickness ratio.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합체 구조의 압전소자를 포함하는 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(230)는 동일한 두께 비율에서 1f0와 2f0의 다중 주파수 특성을 발생시킬 수 있다.That is, the
예를 들어, 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)에서, 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자는 서로 동일한 두께 비율을 갖도록 적층되고, 압전소자들의 적어도 하나는 복합체 구조를 형성하도록 함으로써, 다중 주파수 특성을 발생시킬 수 있다.For example, in a
본 발명의 일 실시예로 복합체 구조로서 2-2 복합체 구조를 예를 들어 설명하였지만, 다중 주파수 특성을 발현하기 위해서 복합체 구조를 2-2 복합체 구조로 한정할 필요는 없으며, 1-3 복합체 구조 같은 다양한 형태의 복합체 구조를 포함할 수 있다.Although a 2-2 composite structure is described as an example of a composite structure according to an embodiment of the present invention, it is not necessary to limit the composite structure to a 2-2 composite structure in order to express multi-frequency characteristics. And may include various types of complex structures.
또한, 복합체 구조의 압전소자를 포함하는 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(230)의 동일한 두께비율에서의 다중 주파수 특성의 발현은 세라믹 부피 분율에 국한되지 않으며, 1-3 복합체 구조 등과 같은 다양한 세라믹 부피 분율의 조절을 통해서 벌크 타입 변환자의 음향 임피던스를 변화시킴으로써 다중 주파수 특성을 발현시킬 수 있다.In addition, the expression of the multi-frequency characteristic at the same thickness ratio of the
즉, 동일한 두께비율에서 다중 주파수 특성의 발현은 벌크 타입 변환자의 음속을 변화시킬 수 있는 다양한 구조를 적용함으로써 가능하며, 복합체 구조를 갖는 압전소자(210)는 초음파 에너지가 진행하는 전방 혹은 후방 어느 곳이라도 위치하더라도 다중 주파수 특성을 발현시킬 수 있다. That is, the expression of the multiple frequency characteristics at the same thickness ratio can be achieved by applying various structures capable of changing the sound velocity of the bulk type transducer, and the
즉, 본 발명의 다중 주파수 특성의 발현은 두 압전소자의 음향 임피던스 차이를 이용하므로 두 압전소자 모두 음향 임피던스가 다른 복합체 구조 또는 음향 임피던스가 다른 벌크 타입의 구조를 가질 수 있다. That is, since the expression of the multi-frequency characteristic of the present invention utilizes the difference in acoustic impedance between the two piezoelectric elements, both piezoelectric elements can have a composite structure having a different acoustic impedance or a bulk-type structure having different acoustic impedances.
예를 들어, 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)에서, 제 1 압전소자(140) 및 제 2 압전소자(150)는 서로 다른 음향 임피던스값을 가지도록 형성됨으로써 다중 주파수 특성을 발생시킬 수 있다.For example, in the
또한, 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)에서, 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자는 복합체 구조를 형성하도록 하거나 또는 하나의 압전 소자만을 복합체 구조를 형성하도록 하고, 복합체 구조의 피치 및 피치에 따른 세라믹 부피 분율을 조절함으로써 치료용 초음파 변환자의 1f0, 2f0, 3f0 주파수 특성의 진폭을 조절할 수 있다. Further, in the
또한, 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)에서, 초음파의 집속 기능을 향상시키기 위해서, 제 1 압전소자(140) 및 제 2 압전소자(150)의 형태가 초음파 에너지 집속을 위한 곡률을 형성하도록 복합체 구조로 형성될 수 있다.In order to improve the converging function of the ultrasonic waves in the
종래의 일반적인 단일 압전소자 구조의 치료용 초음파 변환자(100)는 발생되는 단일 주파수를 기준으로 1/4 파장에 해당하는 두께를 정합층의 두께로 선정하는데, 본원발명의 일 실시예에 따른 다중 주파수 특성을 갖는 치료용 초음파 변환자의 정합층의 효율적인 두께는 기존과는 다른 방법을 사용해서 결정되어야 한다.In the
도 11의 (a), (b), (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)에서 각각 1f0, 1.5f0, 2f0 중심주파수에 따라서 도출되는 각각 다른 두께의 단일 정합층을 포함하는 경우에, 집속점에서 이상적인 반사체에 의해서 되돌아오는 직후의 압력을 나타내고, 도 12의 (a), (b), (c)는 도 11의 (a), (b), (c)의 집속점에서의 압력을 주파수 스펙트럼으로 변환한 결과를 나타낸다.(A), (b) in FIG. 11, (c) depending on each 1f 0, 1.5f 0, 2f 0 center frequency in the
여기에서, 도 11의 (a), (b), (c)에 포함된 단일 정합층의 물성은 다음의 <표 11>과 같으며, 1f0, 1.5f0, 2f0 중심주파수 별로 도출되는 각각의 단일 정합층의 두께는 각각 0.227, 0.303, 0.454 mm로 구성하였으며, 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 적층된 압전소자들이 0.2 두께 비율일 때를 가정하여 추정하였다.Here, the physical properties of the single matching layer included in (a), (b), (c) of Figure 11 are as follows: <Table 11>, 1f 0, 1.5f 0 ,
<표 12>는 도 11의 (a), (b), (c)의 결과로서, 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)에서 각각의 1f0, 1.5f0, 2f0 중심주파수 별로 도출되는 각각의 정합층 두께에 따른 초음파 최대 압력을 나타낸 표이다. <Table 12> is for each 1f 0, 1.5f 0, 2f 0 center frequency in (a), (b), (c) an ultrasonic transducer (180) for the polarization treatment of the inversion layer structure as a result of the 11 And the maximum pressure of the ultrasonic wave according to the thickness of each matching layer derived.
도 11의 (a), (b), (c) 및 <표 12>를 참조하면, 정합층을 포함하는 변환자(180)의 최대 압력은 각각 0.727, 0.793, 0.672 MPa 의 값을 가지는 것을 확인할 수 있으며, 정합층의 부착으로 인해서 진폭대비 전체적으로 최대 압력값이 향상되어 송신 효율이 향상된 것을 확인할 수 있다. Referring to FIGS. 11 (a), 11 (b), 11 (c) and 12, the maximum pressure of the
도 12의 (a), (b), (c)는 각각 1f0, 1.5f0, 2f0의 주파수 스펙트럼 결과를 나타내고, 도 12의 (a), (b), (c)를 참조하면, 적용되는 중심주파수에 따라서 주파수 특성들의 대역폭에 변형이 발생하는 것을 확인할 수 있다. If (a), (b), (c) of FIG. 12, refer to (a), (b), (c) for each 1f 0, 1.5f 0, 2f 0 represents the frequency spectrum of the result, FIG. 12, It can be seen that deformation occurs in the bandwidth of the frequency characteristics according to the applied center frequency.
예를 들어, 1.5f0의 경우에 1f0 및 2f0만을 고려하면, 두 중심주파수의 피크 점의 차이가 -1.59 dB로 최소가 되는 것을 확인할 수 있다. For example, considering only 1f 0 and 2f 0 in the case of 1.5f 0 , it can be seen that the difference between the peak points of the two center frequencies is minimized to -1.59 dB.
즉, 치료용 초음파 변환자는 광대역 특성을 요하는 진단용 초음파 변환자와 달리, 정합층의 부착으로 인해서 주파수 스펙트럼의 변형이 일어나는 경우에, 즉 중심주파수의 대역폭이 넓어지는 경우에, 초음파 변환자는 송신 효율과 대역폭 간의 트레이드 오프(trade off) 특성을 가지므로, 집속점에서 발생되는 초음파 에너지는 감쇠 되며, 이러한 결과는 다음의 <표 13>의 결과로써 확인할 수 있다. That is, unlike a diagnostic ultrasound transducer requiring a broadband characteristic, when the frequency spectrum is deformed due to adhesion of the matching layer, that is, when the bandwidth of the center frequency is widened, The ultrasonic energy generated at the focal point is attenuated, and these results can be confirmed by the results shown in Table 13 below.
다음의 <표 13>은 각 중심주파수 별 기준 1f0, 1.5f0, 2f0 에 따라서 발생되는 1f0, 2f0, 3f0 피크 점들에 대한 중심주파수 및 피크 점의 dB 를 나타낸 표이다.Table 13 below is a table showing dB of center frequency and peak point for 1f 0 , 2f 0 , and 3f 0 peak points generated according to reference frequencies 1f 0 , 1.5f 0 , and 2f 0 for each center frequency.
따라서, 일반적으로 정합층 부착 시 발생되는 주파수 스펙트럼의 변형을 최소화 하기 위해서, 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)에서는 1.5f0의 중심주파수를 기준으로 정합층의 두께를 도출할 수 있으며, 또한, <표 11>을 참조하면 1f0 및 2f0의 중심주파수 기준과 대비하여 1.5f0의 중심주파수인 경우에 집속점에서 가장 높은 압력을 가지는 것을 확인할 수 있다. Thus, in general, the matching layer in order to minimize the deformation of the frequency spectrum generated during the attachment, in one embodiment the polarization inversion layer
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)는 정합층 설계시 사용되는 중심주파수의 값을 결정하기 위해서, 다중 주파수의 중간값을 이용하여 중심주파수를 결정하고, 결정된 중심주파수와 대응되는 두께의 정합층을 더 포함함으로써, 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)의 송신 효율을 더 향상시킬 수 있으며, 주파수 스펙트럼에서 발생되는 주파수 특성의 변형을 최소화시킬 수 있다.That is, in order to determine the value of the center frequency used in the design of the matching layer, the
도 13 의 (a), (b), (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)에서 각각 다양한 음향 임피던스를 갖는 후면층들을 부착하는 경우에 집속점에서 압력을 나타내고, 도 14 의 (a), (b), (c)는 도 13의 (a), (b), (c)의 집속점에서의 압력을 주파수 스펙트럼으로 변환한 결과를 나타낸다. 13 (a), 13 (b) and 13 (c) illustrate a case in which rear surface layers having various acoustic impedances are attached in the
즉, 도 13 및 도 14는 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)에 각각 3.1, 6.2, 10 Mrayls의 음향 임피던스를 갖는 후면층을 부착한 구조를 설정하고 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 적층된 압전소자들이 0.2 두께 비율일 때를 가정하여 추정한 결과이다.13 and 14 illustrate a structure in which a rear surface layer having an acoustic impedance of 3.1, 6.2, and 10 Mrayls is attached to a
또한, 각각 3.1, 6.2, 10 Mrayls의 음향 임피던스를 갖는 후면층은 EPOTEK301과 상기 EPOTEK301 및 텅스텐 파우더의 혼합으로 다양한 음향 임피던스 값을 갖는 후면층의 제작이 가능하다. In addition, the back layer having acoustic impedances of 3.1, 6.2, and 10 Mrayls, respectively, can be mixed with EPOTEK301 and the EPOTEK301 and tungsten powder to form a back layer having various acoustic impedance values.
다음의 <표 14>는 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)에 각 3.1, 6.2, 10 Mrayls의 음향 임피던스를 갖는 후면층을 부착한 경우에 집속점에서 최대 압력을 나타낸 표이고, <표 15>는 각 3.1, 6.2, 10 Mrayls의 음향 임피던스별로 주파수 스펙트럼에서 1f0 및 2f0 특성의 -6 dB 대역폭을 나타낸 표이다.Table 14 below shows the maximum pressure at the focusing point when the back layer having the acoustic impedance of 3.1, 6.2, and 10 Mrayls is attached to the
도 13을 참조하면, 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)에 후면층을 부착한 경우 집속점에서 압력은 부착 전과 비교하여 감소된 수치를 나타내는 반면에, 이를 주파수 스펙트럼으로 분석한 도 14의 결과에서는 1f0 및 2f0 피크 점들이 서로 완벽하게 동등한 수준을 나타냄을 확인할 수 있다. 즉, 음향 임피던스가 증가할수록 각 중심주파수들의 대역폭이 향상되고, 각 중심주파수들간에 발생된 골(valley)이 줄어드는 것을 확인할 수 있다.13, when the back layer is attached to the
즉, 도 13 및 도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)는 후면층의 부착을 통해서 다중 주파수 특성간의 에너지 차이를 최소화 하는 것이 가능하며, 높은 음향 임피던스를 부착할수록, 중심주파수의 대역폭 및 중심주파수들간의 골의 깊이가 줄어들어 변환자에 인가하기 위한 주파수의 대역을 보다 다양하고 넓게 활용할 수 있는 장점을 갖는다.13 and 14, the
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)는 각 주파수 성분의 대역폭을 향상시키기 위한 임피던스를 갖는 후면층을 더 포함함으로써, 주파수 스펙트럼에서 다중 주파수 간에 발생되는 골의 깊이를 더 감소시키고, 각 주파수 성분의 대역폭을 향상시킬 수 있다.That is, the
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 3단 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(260)를 나타낸다. Fig. 15 shows a
즉, 도 15는 도 1의 (b)의 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자 (180)에서 1개의 압전소자를 추가적으로 적층하여 3단으로 적층된 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(260)를 나타낸다. That is, FIG. 15 shows a
도 15를 참조하면, 3단 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(260)는 2단으로 적층된 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180) 구조의 특징과 동일하게 각각 적층되어지는 압전소자들은 서로 다른 분극 방향(160, 170, 250)을 가지고, 전극(120, 130)은 적층되어진 압전소자의 표면에 형성되어 한 쌍의 전극(120, 130)만을 갖도록 구성된다. 15, a
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 3단 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(260)는 상기 구조를 이용하여 압전소자들이 서로 다른 두께 비율을 가지는 경우, 2개의 압전소자를 적층한 경우와는 달리 다양한 다중 주파수 특성 또는 고조파 주파수 특성만을 발생시키는 것이 가능하다. In addition, the
도 16은 3단 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(260) 구조에서 압전소자들 각각의 두께 비율 조절을 통해서 집속점에서 압력을 나타내고, 도 17은 3단 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(260) 구조에서 압전소자의 각각의 두께 비율 조절을 통해서 집속점에서 압력진폭을 상대적인 주파수 스펙트럼으로 변환한 결과를 나타낸다. FIG. 16 shows the pressure at the focusing point through adjustment of the thickness ratio of each of the piezoelectric elements in the structure of the
도 16의 (a), (b), (c) 및 도 17의 (a), (b), (c)는 3단 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(260) 구조에서 두께 비율을 3가지(case1, case2, case3)로 구분하여 얻어진 결과로서, 변환자(260)의 전체 두께는 전술한 2층 적층 구조(도 7의 (a))와 동일하게 1.7 mm의 전체 두께를 가정하였고, 적층된 각 압전소자의 두께가 0.33 비율 (t1: 0.566 mm, t2: 0.566 mm, t3: 0.566 mm)로 서로 동일한 경우(case1), t1, t2, t3의 두께가 각각 0.15, 0.425, 0.425 비율 (t1: 0.255 mm, t2: 0.7225 mm, t3: 0.7225 mm)을 가지는 경우(case2), t1, t2, t3의 두께가 각각 0.15, 0.7, 0.15 두께 비율(t1: 0.255 mm, t2: 1.19 mm, t3: 0.255 mm)을 가지는 경우(case3)로 구분하여 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 얻어진 결과를 나타낸다. 16 (a), (b), (c) and 17 (a), (b) and (c) show the thickness ratio of the
다음의 <표 16>은 도 16에서 측정된 각 case별 집속점에서 최대 압력값을 나타낸 표이다.Table 16 below shows the maximum pressure values at the focusing points of each case measured in FIG.
도 16, 도 17 및 <표 16>을 참조하면, case1의 경우, 3단 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(260)의 집속점에서 도출되는 최대 압력은 약 0.540 MPa로써, 상기 압력을 상대적인 주파수 스펙트럼으로 변환한 결과로 전체 두께 1f0의 3배수인 3f0 만의 주파수 특성이 발생되는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIGS. 16, 17 and 16, in
또한, case2의 경우, 3단 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(260)의 집속점에서 최대 압력은 0.483 MPa를 나타내고, 주파수 스펙트럼에서 1f0 특성이 제외되고 2f0 및 3f0 특성이 서로 유사한 값으로 동시에 발생하는 것을 확인할 수 있다. In
또한, case3의 경우, 집속점에서 최대 압력은 0.414 MPa를 나타내며, 주파수 스펙트럼에서 2f0 특성이 제외되고 1f0 및 3f0 특성이 유사한 값으로 동시에 발생하는 것을 확인할 수 있다.In
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 3단 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(260)는 3개의 압전소자 적층구조에서 두께 비율 조절을 통해 전체 두께를 기반으로 3f0 특성만의 발생도 가능하고, 도 2의 (b)와 같이 1f0, 2f0, 3f0의 다중 주파수 특성의 발생도 가능하며, 이 외에도 2f0 및 3f0 또는, 1f0 및 2f0의 특성 등의 다양한 다중 주파수 특성을 발생시키는 것도 가능하다. In other words, the
이러한 결과를 바탕으로 전체 두께 t는 동일하면서 적층되는 압전소자의 개수 및 각 압전소자의 두께 비율 조절을 통해서 기존의 단일 주파수 또는 다중 적층 구조와 대비하여 다양한 주파수 선택이 가능하다. Based on these results, it is possible to select various frequencies in comparison with the conventional single frequency or multi-layer structure by adjusting the number of piezoelectric elements to be laminated and the thickness ratio of each piezoelectric element.
즉, 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)에서 적층되는 압전소자의 개수를 증가시키고, 각 압전소자의 두께 비율 조절을 통해서 도출될 수 있는 변환자의 주파수 특성은 상기 전술한 case1, case2, case3에 국한되지 않으며, 적층되어지는 압전소자 개수와 두께 비율 조절에 따라 다양한 단일 주파수 특성 혹은 다중 주파수 특성을 도출하는 것이 가능하다. That is, the number of piezoelectric elements stacked in the
예를 들어, 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)에서, 제 1 압전소자(140) 및 제 2 압전소자(150)를 다층으로 적층하여 분극 역전된 압전 구조가 교대로 형성되도록 하고, 적층된 압전소자들로 이루어진 전체 적층 두께는 동일한 기본주파수 특성을 갖는 단일 압전소자의 두께와 동일하게 유지하면서, 적층된 각각의 압전소자들의 두께 비율을 동일하게 함으로써, 전체 적층 두께를 기반으로 하는 기본주파수 성분의 고조파 주파수 성분만을 발생시킬 수도 있다. 여기에서, 고조파 주파수 성분은 다층으로 적층된 압전소자들의 개수에 비례하여 증가될 수 있다.For example, in the
도 18은 2단 적층 구조의 분극 역전층 구조의 변환자(180)의 시작품을 유한요소분석 기반 시뮬레이션을 이용하여 설계한 도면이다.18 is a diagram illustrating a prototype of the
즉, 도 18의 2단 적층 구조의 분극 역전층 구조의 변환자(180)의 시작품은 도 1 내지 도 17의 치료용 초음파 변환자의 다양한 특성들에 대하여 검증하기 위하여 설계된 것으로, 1f0 특성과 동일한 주파수가 발생될 수 있도록 설계되었다.That is, it is designed to also the
도 18을 참조하면, 2단 적층 구조의 분극 역전층 구조의 변환자(180)의 시작품은 압전소자로서 PZT4 계열의 APC840을 이용하였고, 17 mm 지름의 정사각형 타입을 갖도록 설계되었다. 또한, 초음파 에너지의 효율적인 집속과 압전소자의 원활한 곡률 형성이 가능하도록 1-3 composite 구조로 설계되었으며, 0.7 mm의 피치 내에서 0.2 mm 의 치폭 폭을 형성하여 0.51의 세라믹 부피 분율을 갖도록 설계되었다. 압전소자가 1-3 composite 구조 및 두께 진동 모드(thickness vibration mode)를 발생시킴에 따라 적층되어진 압전소자 총 두께는 1.5 mm를 가지며, 0.3 두께 비율을 가지도록 t1은 0.45 mm, t2는 1.05 mm의 두께를 갖도록 설계되었다. Referring to FIG. 18, the prototype of the
또한, 2단 적층 구조의 분극 역전층 구조의 변환자(180)의 시작품은 초음파 에너지의 집속이 F-number 가 약 2인 지점에서 집속되도록 40 mm의 곡률을 갖도록 설계되었고, 후면층은 제작된 압전소자가 하우징과 고정이 되도록 하는 동시에, 최대 송신효율을 발생시키기 위해서 상대적으로 낮은 음향 임피던스를 갖는 RTV664 실리콘을 적용하였다. 전극(120, 130)은 전술한 도 1의 (b)의 변환자(180) 구조와 같이 적층되어진 압전소자 표면에 한 쌍만을 구성하도록 설계되었다.In addition, the prototype of the
도 18에서 설계된 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)를 이용하여, 본 발명에서 제안한 다중 주파수 특성 중 해당되는 주파수를 단일로 인가하여 매질인 물에서 변화되는 집속영역을 비교하였다. Using the
다음의 <표 17>은 도 18에서 설계된 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)의 다중 주파수 특성 1.2 MHz 및 2.4 MHz를 각각 개별 신호로 인가한 경우와, 1.2 MHz 와 2.4 MHz 신호를 혼합한 이중 주파수(dual-frequency) 신호를 인가한 총 3가지 경우에 대한 집속점에서 발생된 최대 압력, 형성된 집속점의 -3 dB DOF(depth of field) 및 상기 집속점의 최대 압력지점에서 추출한 -6 dB 측면 빔폭(lateral beamwidth)의 측정 결과를 나타낸 표이다. 또한, HIFU 치료와 동일한 결과를 도출하기 위해 모든 인가 신호는 200 Vpp 전압을 갖는 연속파를 사용하였다. The following Table 17 shows the frequency characteristics of 1.2 MHz and 2.4 MHz of the
<표 17>을 참조하면, 2.4 MHz 단일 신호를 인가한 경우에 집속점에서 1.7 MPa 의 최대 압력이 도출되었으며, 다음으로는 이중 주파수를 인가한 경우에 1.6 MPa 의 최대 압력이 도출되었고, 1.2 MHz를 인가한 경우에 1.2 MPa 의 최대 압력순으로 도출되었다. As shown in Table 17, when a 2.4 MHz single signal is applied, a maximum pressure of 1.7 MPa is obtained at the focal point, followed by a maximum pressure of 1.6 MPa when the dual frequency is applied, and 1.2 MHz The maximum pressure of 1.2 MPa was obtained.
-3 dB DOF는 1.2 MHz 신호를 인가한 경우가 60.5 mm로 가장 넓게 측정되었으며, 이중 주파수를 인가한 경우에는 33.9 mm, 2.4 MHz를 인가한 경우는 28.8 mm 순으로 도출되었다. The -3 dB DOF was the largest measured at 60.5 mm when the 1.2 MHz signal was applied, 33.9 mm when the double frequency was applied, and 28.8 mm when the 2.4 MHz was applied.
-6 dB 측면 빔폭의 경우에는 1.2 MHz 신호를 인가한 경우가 가장 넓게 도출되었으며, 2.4 MHz 신호를 인가한 경우가 1.9 mm로 가장 좁은 빔폭을 나타내었다. In case of -6 dB side beam width, 1.2 MHz signal was most widely applied, and the 2.4 MHz signal showed the narrowest beam width of 1.9 mm.
즉, <표 17>을 참조하면, 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자 (180)는 다중 주파수 특성을 바탕으로, 상기 특성에 해당되는 주파수를 단일로 인가하여 집속점에서 발생되는 집속영역의 조절이 가능함을 확인할 수 있다.In other words, referring to Table 17, the
환언하면, 일반적인 단일 압전소자 구조의 치료용 초음파 변환자(100)는 한가지 주파수 특성만을 발생시키기 때문에 인가하는 주파수 선택에 제약이 있으며, 이러한 제약은 항상 동일한 집속영역만을 발생시키는데 반해, 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)는 병변조직의 크기 및 환경에 따라서 하나의 변환자를 이용하여 집속영역을 조절하여 사용할 수 있다는 장점을 갖는다. In other words, since the
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)의 시작품 제작 공정을 나타낸다. 19 shows a prototype manufacturing process of a
도 19를 참조하면, 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180)의 시작품 제작을 위해서 먼저 2개의 벌크 타입의 PZT-4 압전소자 파트를 준비(도 19의 (a))하고, 각 압전소자의 분극 방향을 확인한 후, 하나의 압전소자는 비분극 역전된 압전소자의 목표 두께인 1.05 mm로 래핑을 실시하고, 다른 소자는 분극 역전층 압전소자의 목표 두께인 0.45 mm 보다 두꺼운 0.95 mm로 래핑을 실시(도 19의 (b))한다. 19, two bulk-type PZT-4 piezoelectric element parts are first prepared (Fig. 19 (a)) in order to fabricate a
여기에서 목표 두께보다 두꺼운 두께로 래핑을 실시하는 이유는 추후 두 압전소자의 접착 이후 다이싱 과정에서 소자 밑면에서 발생될 수 있는 소자 지지대등의 손상을 예방할 수 있도록 하기 위함이다. 또한, 각 압전소자의 래핑은 음(-)의 분극 방향을 갖는 면을 래핑함으로써 추후 두 압전소자의 접착 시 각 압전소자의 접착면간의 오차가 최소화 될 수 있도록 하기 위함이다.Here, the reason why the lapping is performed to a thickness greater than the target thickness is to prevent damages of the device support which may be generated at the bottom of the device in the dicing process after the adhesion of the two piezoelectric devices. In addition, the lapping of each piezoelectric element is intended to minimize the error between the bonding surfaces of the piezoelectric elements when the two piezoelectric elements are later bonded by laminating a surface having a negative polarization direction.
각 압전소자의 래핑이 마무리된 이후, 접착 전에 각 압전소자간의 원활한 전기 전도성이 발생되어 분극 역전층으로 인한 효과가 극대화 되도록 하기 위해서 각 압전소자의 양(+)의 분극 표면에는 크롬/골드(chrome/gold)를 증착시킨 후에, 접착제를 이용하여 균일한 표면을 갖는 두 소자의 양(+)의 분극 방향끼리 접착을 실시(도 19의 (c))한다. 이러한 제작 공법은 종래의 분극 역전층 기술을 이용한 대부분의 사례들이 하나의 LiNbO3 단일 소자 내에서 온도 조절을 통해 분극 역전층을 형성하는 것과는 달리, 개별적인 압전소자들을 이용하여 분극 역전층 구조를 형성할 수 있는 방법으로써, 해당 공법을 통해 기존의 LiNbO3만을 이용하여 제안되던 분극 역전층 구조의 제작을 탈피하여 다양한 압전소자들을 이용하여 분극 역전층 구조를 제작하는 것이 가능하다. After the lapping of each piezoelectric element is completed, smooth electrical conductivity between each piezoelectric element is generated before bonding to maximize the effect due to the polarization reversal layer. In order to maximize the effect of the polarization reversal layer, a chrome / gold) is deposited, and then the positive (+) polarization directions of the two devices having a uniform surface are bonded using an adhesive (FIG. 19 (c)). In this manufacturing method, unlike the case where most of the cases using the conventional polarization inversion layer technology form a polarization inversion layer through temperature control in one LiNbO 3 single element, a method of forming a polarization inversion layer structure using individual piezoelectric elements , It is possible to manufacture a polarization inversion layer structure using various piezoelectric elements by avoiding the fabrication of the proposed polarization inversion layer structure using only the existing LiNbO 3 through the corresponding method.
두 압전소자의 경화 후, 다이싱 작업을 통해 1-3 복합체 구조를 형성하고 치폭 충전재를 부착(도 19의 (d))한다. 다이싱 작업 후에는 적층된 두 압전소자의 전체 두께가 되도록 0.95 mm의 두께를 갖는 분극 역전층 압전소자를 0.45 mm로 래핑을 실시(도 19의 (e))하며, 압전소자 후면에 신호선을 형성하기 위해 분극 역전층 압전소자 표면에 우선적으로 크롬/골드를 증착하여 전극을 형성(도 19의 (f))한다. After the two piezoelectric elements are cured, a 1-3 composite structure is formed through a dicing operation, and the width-wise filler is attached (Fig. 19 (d)). After the dicing operation, the polarization inversion layer piezoelectric element having a thickness of 0.95 mm is wrapped to 0.45 mm so as to have the total thickness of the two laminated piezoelectric elements (Fig. 19 (e)), and a signal line is formed on the back surface of the piezoelectric element The electrode is formed by depositing chromium / gold preferentially on the surface of the first electrode (Fig. 19 (f)).
다음으로 스테인레스 스틸 볼 및 해당 스틸 볼과 동일한 곡률을 갖는 RTV 몰드를 미리 준비하여 볼과 몰드 사이에 압전소자를 부착한 후, 집속 기능 향상을 위해 오목한 타입의 압전소자가 고온에서 형성(도 19의 (g))되도록 하며, 형성된 오목한 압전소자는 쿨링(cooling) 작업을 실시한 후, 다시 스테인레스 스틸 볼 위에 하우징과 함께 올려 놓고 압전소자 후면에 신호 선을 연결한 후, 후면층 제작을 위해 RTV664를 붓고 후면층이 경화되면 후면층이 형성(도 19의 (h))된다. Next, an RTV mold having the same curvature as that of the stainless steel ball and the steel ball is prepared in advance and a piezoelectric element is attached between the ball and the mold. Then, a concave type piezoelectric element is formed at a high temperature for improving the focusing function (g)). The formed concave piezoelectric element is cooled, then placed on a stainless steel ball together with the housing, a signal line is connected to the back of the piezoelectric element, and then RTV664 is poured for the back layer formation When the back layer is cured, a back layer is formed (FIG. 19 (h)).
다음으로 후면층이 형성되고 나면 스테인레스 스틸 볼을 제거한 후, 변환자 전방 표면에 접지 선 형성을 위한 크롬/골드를 증착시켜 전극을 형성(도 19의 (i))하고, 최종적으로, 하우징에 SMA 커넥터(SubMiniature A 커넥터)를 부착 후, 신호선을 커넥터에 연결(도 19의 (j))함으로써 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자의 제작을 완료할 수 있다.Next, after the back layer is formed, a stainless steel ball is removed, and chromium / gold is deposited on the front surface of the transformer to form a ground line to form an electrode (Fig. 19 (i)). Finally, SMA After attaching the connector (SubMiniature A connector), the signal line is connected to the connector (FIG. 19 (j)), thereby making it possible to complete the fabrication of the therapeutic ultrasound transducer.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)의 제작 방법을 나타낸 순서도이다. FIG. 20 is a flowchart showing a method of manufacturing a
도 20을 참조하면, 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)의 제조를 위해서, 단계 S10에서, 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자의 분극 방향을 확인한 후, 래핑을 실시한다.20, in order to manufacture the
예를 들어, 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자는 벌크 타입의 PZT-4 압전소자일 수 있으며, 각 압전소자의 분극 방향을 확인한 후에 각 압전소자의 접착면간의 오차가 최소화되도록 음(-)의 분극 방향을 갖는 면의 래핑을 실시할 수 있다. For example, the first piezoelectric element and the second piezoelectric element may be a bulk type PZT-4 piezoelectric element, and after confirming the polarization direction of each piezoelectric element, Can be performed on the surface having the polarization direction.
단계 S20에서, 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자의 접착면에 전극을 형성한 후 양(+)의 분극 방향끼리 접착한다. In step S20, electrodes are formed on the bonding surfaces of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element, and then the positive (+) polarization directions are bonded to each other.
예를 들어, 도 19의 (c)와 같이, 접착 전에 각 압전소자간의 원활한 전기 전도성을 발생시켜 접착면에 전극을 형성한 후, 분극 역전층으로 인한 효과가 극대화 되도록 하기 위해서 각 압전소자의 양(+)의 분극 표면에는 크롬/골드를 증착시킨 후에, 접착제를 이용하여 균일한 표면을 갖는 두 소자의 양(+)의 분극 방향끼리 접착을 실시할 수 있다.For example, as shown in FIG. 19 (c), after the electrodes are formed on the bonding surface by generating smooth electrical conductivity between the piezoelectric elements before bonding, the amount of each piezoelectric element +) Can be bonded to the polarization direction of the positive (+) direction of the two devices having a uniform surface by using an adhesive after depositing chromium / gold on the polarization surface of the device.
단계 S30에서, 다이싱 작업을 통해 복합체 구조를 형성하고, 치폭 충전재를 부착하고, 단계 S40에서, 상기 형성된 복합체 구조에서 분극 역전층 압전소자들을 래핑한다.In step S30, a composite structure is formed through a dicing operation, and the cross-sectional filler is attached, and in step S40, the polarization inverse-layer piezoelectric elements are wrapped in the formed composite structure.
예를 들어, 다이싱 작업을 통해 형성되는 복합체 구조는 1-3 복합체 구조 등일 수 있다. For example, the composite structure formed through the dicing operation may be a 1-3 complex structure or the like.
단계 S50에서, 분극 역전층 압전소자들 표면에 신호선을 위한 전극을 형성한다. In step S50, an electrode for a signal line is formed on the surface of the polarized reverse-biased piezoelectric elements.
예를 들어, 압전소자 후면에 신호선이 형성되도록 하기 위해서 분극 역전층 압전소자 표면에 우선적으로 크롬/골드를 증착시켜, 전극을 형성시킬 수 있다.For example, in order to form a signal line on the back surface of the piezoelectric element, chromium / gold may be preferentially deposited on the surface of the piezoelectric element to form an electrode.
단계 S60에서, 압전소자들을 오목한 형태로 형성한다. In step S60, the piezoelectric elements are formed in a concave shape.
예를 들어, 도 19의 (g)와 같이, 집속 기능을 향상 시키기 위해서 압전소자들은 RTV 몰드와 스테인레스 스틸 볼(stainless steel ball)을 이용하여 오목한 면을 갖도록 형성될 수 있다. 다시 말해서, RTV 몰드 상에 놓여진 압전소자들은 집속 기능 향상을 위해 스테인레스 스틸 볼의 압착에 의하여 오목한 형태의 면을 갖도록 형성될 수 있다. For example, as shown in FIG. 19 (g), in order to improve the focusing function, the piezoelectric elements may be formed to have concave surfaces using an RTV mold and a stainless steel ball. In other words, the piezoelectric elements placed on the RTV mold can be formed to have a concavely shaped surface by pressing the stainless steel ball to improve the focusing function.
단계 S70에서, 압전소자들을 하우징의 안쪽에 위치시킨 후, 압전소자들의 후면에 신호선을 연결한 후 후면층을 형성한다. In step S70, after the piezoelectric elements are positioned inside the housing, a signal line is connected to the rear surface of the piezoelectric elements, and then a rear surface layer is formed.
예를 들어, 도 19의 (h)와 같이, 압전소자들을 스테인레스 스틸 볼 위에 하우징과 함께 올려 놓고, 압전소자들의 후면에 신호 선을 연결한 후 RTV664를 경화시켜 후면층을 형성시킬 수 있다. For example, as shown in FIG. 19 (h), the rear layer can be formed by placing the piezoelectric elements on the stainless steel ball together with the housing, connecting the signal lines to the rear surface of the piezoelectric elements, and then curing the RTV664.
단계 S80에서, 치료용 초음파 변환자의 전방 표면에 접지선을 위한 전극을 형성한다. In step S80, an electrode for a ground line is formed on the front surface of the therapeutic ultrasound transducer.
예를 들어, 도 19의 (i)와 같이, 후면층이 형성되고 나면 스테인레스 스틸 볼을 제거한 후, 변환자 전방 표면에 접지 선 형성을 위한 크롬/골드를 증착시켜 전극을 형성시킬 수 있다.For example, as shown in (i) of FIG. 19, after the back layer is formed, the stainless steel ball may be removed, and chromium / gold may be deposited on the front surface of the transformer to form a ground line.
단계 S90에서, 하우징에 커넥터를 부착 후, 신호선을 커넥터에 연결함으로써, 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자(180)의 제작을 완료할 수 있다.In step S90, after the connector is attached to the housing, the signal line is connected to the connector, thereby completing the fabrication of the
여기에서, 하우징에 부탁되는 커넥터는 초소형 커넥터 등일 수 있다. Here, the connector referred to in the housing may be a miniature connector or the like.
도 21의 (a)는 도 18의 유한요소분석 기반 설계와, 도 19 및 도 20의 제작 방법을 따라서 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180) 시작품이 제작 완료된 모습을 나타내고, 도 21의 (b)는 제작 완료된 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자(180) 시작품의 단면 모습을 나타낸다. 21 (a) shows a finite element analysis-based design of FIG. 18, a prototype of a
도 21의 (a), (b)를 참조하면, 시작품은 2단으로 적층된 압전소자를 이용하여 제작된 분극 역전층 구조의 초음파 변환자(180)이며, 후면층은 RTV664를 이용하여 형성하였고, 치폭의 간격은 0.2 mm이고 세라믹의 간격은 0.5 mm 이다. 21 (a) and 21 (b), the prototype is an
도 22의 (a), (b)는 각각 도 21의 분극 역전층 구조의 초음파 변환자(180) 시작품의 성능 검증을 위해서, 분극 역전층 구조의 초음파 변환자(180) 시작품에 전기적 임피던스 및 임펄스(impulse) 신호를 인가한 2-way 펄스에코 응답 결과를 나타낸다. 22 (a) and 22 (b) illustrate an electric impedance and an impulse (impulse) to the prototype of the
다음의 <표 18>은 도 22의 (a)에서 측정되는 각 주파수의 공진 및 반공진 주파수 및 각 주파수의 해당 임피던스를 나타낸 표이다. Table 18 below is a table showing the resonance and anti-resonance frequencies of the respective frequencies measured at (a) in FIG. 22 and corresponding impedances of the respective frequencies.
도 22의 (a)를 참조하면, 0.3 두께 비율에 따라서 1f0 및 2f0 특성이 동시에 발생된 것을 확인할 수 있다. 즉, <표 18>을 참조하면, 1f0 특성의 경우 약 1.2 MHz의 공진주파수를 가지며, 2f0 특성의 경우 약 2.3 MHz의 공진주파수를 가짐으로써 본 발명에서 제안하는 전체 두께를 기반으로 하는 1f0와 상기 특성의 2배수를 갖는 2f0가 발생된 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 22 (a), it can be seen that the 1f 0 and 2f 0 characteristics are generated simultaneously according to the ratio of the thickness of 0.3. That is, referring to Table 18, the resonance frequency of about 1.2 MHz in the case of the 1f 0 characteristic and the resonance frequency in the case of the 2f 0 characteristic are about 2.3 MHz, 0 < / RTI > and 2f < 0 >
또한, 도 22의 (b)를 참조하면, 1f0와 2f0 성분의 중심주파수가 각각 1.2 MHz와 2.4 MHz로 측정되었으며, 1f0 특성이 가장 높은 피크 점을 가지며, 2f0 특성은 1f0 특성 대비 -3.83 dB 감소되어 측정되었다.22 (b), the center frequencies of the 1f 0 and 2f 0 components are measured at 1.2 MHz and 2.4 MHz, respectively, and the 1f 0 characteristic has the highest peak point, and the 2f 0 characteristic has the 1f 0 characteristic Compared with a decrease of -3.83 dB.
이러한 도 22의 (b) 결과는 전술한 도 4의 (b)에서 표현된 0.3 두께 비율의 특성과는 다소 다르지만, 도 4는 집속점에서 반사체를 통해 되돌아오는 직후의 압력을 바탕으로 나타낸 결과인 반면, 도 22의 (b)는 2-way 펄스에코 응답에 따른 전압 값을 나타낸 결과이기 때문에, 반사체부터 되돌아오는 시간 동안 고주파수의 감쇠 등을 고려하면 도 16의 (b)의 두 진폭의 피크 점은 상당히 유사하기 때문에 본 발명에서 제안하는 분극 역전층 구조를 이용한 다중주파수 특성이 도 21의 변환자 시작품을 통하여 실험적으로도 분명하게 드러나는 것을 확인할 수 있다.The result of FIG. 22 (b) is slightly different from the characteristic of the ratio of 0.3 thickness shown in FIG. 4 (b), but FIG. 4 shows the result of the pressure immediately after returning through the reflector at the focusing point On the other hand, FIG. 22 (b) shows the voltage value according to the 2-way pulse echo response. Therefore, considering the high frequency attenuation during the return time from the reflector, It can be seen that the multi-frequency characteristic using the polarization inversion layer structure proposed in the present invention is experimentally apparent through the transformer prototype of FIG.
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 구성 요소는 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 상기 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.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.
100: 단일 압전소자 구조의 치료용 초음파 변환자
110: 단일 압전소자의 분극 방향
120: 전극 층
130: 접지 층
140: 제 1 압전소자
150: 제 2 압전소자
160: 제 1 압전소자의 분극 방향
170: 제 2 압전소자의 분극 방향
180: 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자
190: 복합체 구조 압전층의 치폭
200: 복합체 구조 압전층의 세라믹 부분
210: 복합체 구조를 갖는 제 2 압전소자
220: 복합체 구조를 갖는 제 2 압전소자의 분극 방향
230: 복합체 구조를 포함하는 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자
240: 제 3 압전소자
250: 제 3 압전소자의 분극 방향
260: 3단 분극 역전층 구조의 치료용 초음파 변환자100: ultrasonic transducer for treatment of a single piezoelectric element structure
110: polarization direction of a single piezoelectric element
120: electrode layer
130: ground layer
140: first piezoelectric element
150: second piezoelectric element
160: polarization direction of the first piezoelectric element
170: polarization direction of the second piezoelectric element
180: Therapeutic ultrasound transducer of polarization inverse layer structure
190: Complex structure Piezoelectric layer width
200: Composite structure Ceramic part of piezoelectric layer
210: a second piezoelectric element having a composite structure
220: Polarization direction of the second piezoelectric element having a composite structure
230: Therapeutic ultrasound transducer of a polarization reversed layer structure comprising a complex structure
240: third piezoelectric element
250: polarization direction of the third piezoelectric element
260: Therapeutic ultrasound transducer with 3-pole polarization inversion structure
Claims (12)
제 1 압전소자;
제 2 압전소자;
전극 층; 및
접지 층을 포함하고,
상기 제 1 압전소자 및 상기 제 2 압전소자는 서로 반대의 분극 방향을 가지도록 적층되고,
상기 제 1 압전소자가 상기 제 2 압전소자 보다 얇은 두께를 가지며 초음파 진행 방향의 반대편에 위치하게 하고,
상기 전극 층 및 상기 접지 층은 상기 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자가 적층된 소자 표면에 한 쌍의 전극만을 형성하여 다중 주파수 특성을 갖는 초음파를 발생시키게 하고,
상기 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자의 접착면에 전극을 형성하고 접착하여, 전기 전도성을 증가 시킴으로써 효율적인 다중 주파수 특성을 발생시킬 수 있으며,
상기 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자의 각각의 두께 및 음향 임피던스 값이 기본 주파수와 기본 주파수의 정수배에 해당하는 고조파 주파수를 동시에 발생시킬 수 있도록 결정되는 것을 특징으로 하는 분극 역전된 압전구조를 이용한 치료용 초음파 변환자.
In a therapeutic ultrasound transducer using a polarization reversed piezoelectric structure,
A first piezoelectric element;
A second piezoelectric element;
An electrode layer; And
Comprising a ground layer,
Wherein the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are laminated so as to have polarization directions opposite to each other,
The first piezoelectric element has a thickness smaller than that of the second piezoelectric element and is located on the opposite side of the ultrasonic wave propagating direction,
Wherein the electrode layer and the ground layer form only a pair of electrodes on the surface of the element in which the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are stacked to generate ultrasonic waves having multiple frequency characteristics,
Electrodes can be formed on and adhered to the bonding surfaces of the first and second piezoelectric elements to increase the electrical conductivity, thereby generating efficient multi-frequency characteristics,
Wherein a thickness and an acoustic impedance value of each of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are determined so as to simultaneously generate a harmonic frequency corresponding to an integral multiple of the fundamental frequency and the fundamental frequency, Therapeutic ultrasound transducers.
상기 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자의 두께 및 음향 임피던스 비율 조절을 통하여 동시에 발생되는 다중 주파수 간의 에너지 진폭을 조절하는 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자.
The method according to claim 1,
Wherein the first piezoelectric element and the second piezoelectric element adjust the energy amplitude between multiple frequencies generated simultaneously through the thickness and acoustical impedance ratio control of the piezoelectric transducer.
상호 분극 역전되어 적층된 압전소자들의 개수는 총 3개 이상이 가능하고, 적층된 각각의 압전소자들의 두께 및 음향 임피던스 조절에 따라 기본 주파수 성분(1f0) 및 기본 주파수의 정수배에 해당하는 고조파 성분들이 2개(2f0, 3f0) 이상 발생되며, 발생된 기본 주파수 성분 및 복수개의 고조파 성분들의 조합을 통한 다중 주파수 동시 발생이 가능한 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자.
The method according to claim 1,
Mutual the polarization reversal number of the stacked piezoelectric device is capable of more than a total of three, and the fundamental frequency in accordance with the thickness and acoustic impedance control of the stack each of the piezoelectric element component (1f 0) and the harmonic component corresponding to an integral multiple of the fundamental frequency (2f 0 , 3f 0 ), and a polarization reversed piezoelectric structure capable of generating multiple frequencies simultaneously by combining the generated fundamental frequency component and a plurality of harmonic components.
상기 제 1 압전소자 및 상기 제 2 압전소자는 서로 동일한 압전소자를 이용하거나, 또는 서로 다른 종류의 압전소자를 이용할 수 있는 것을 특징으로 하는 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자.
The method according to claim 1,
Wherein the first piezoelectric element and the second piezoelectric element can use the same piezoelectric element or different types of piezoelectric elements can be used as the first piezoelectric element and the second piezoelectric element.
상기 치료용 초음파 변환자의 송신 효율을 향상시키기 위한 정합층을 더 포함하고,
상기 정합층의 설계 시 사용되는 중심주파수의 값을 다중 주파수의 중간값으로 결정하여 송신효율은 향상시키고, 상기 정합층으로 인해 주파수 스펙트럼에서 발생되는 주파수 특성의 변형을 최소화하는 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자.
The method according to claim 1,
Further comprising a matching layer for improving the transmission efficiency of the therapeutic ultrasound transducer,
The center frequency used in designing the matching layer is determined as an intermediate value of the multiple frequencies to improve the transmission efficiency and the polarization reversed piezoelectric structure that minimizes the deformation of the frequency characteristic generated in the frequency spectrum due to the matching layer Ultrasonic transducer for therapeutic use.
주파수 스펙트럼에서 다중 주파수 간에 발생되는 골의 깊이를 더 감소시키고, 각 주파수 성분의 대역폭을 향상시키기 위해 다양한 임피던스를 갖는 후면층을 더 포함하는 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자.
The method according to claim 1,
A therapeutic ultrasound transducer using a polarization reversed piezoelectric structure further comprising a back layer having various impedances to further reduce the depth of bone generated between multiple frequencies in the frequency spectrum and to improve the bandwidth of each frequency component.
상기 압전소자들 중 적어도 하나는 복합체 구조를 형성하고, 복합체 구성 성분의 특성을 조절함으로써 압전소자의 음향 임피던스의 조절 및 다중 주파수의 동시 발생이 가능하고, 상기 음향 임피던스의 조절을 통한 초음파 송신 효율 증가 및 상기 변환자 제작의 용이성을 증가 시키는 것을 특징으로 하는 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자.
The method according to claim 1,
At least one of the piezoelectric elements forms a composite structure, and it is possible to control the acoustic impedance of the piezoelectric element and to simultaneously generate multiple frequencies by controlling the characteristics of the composite component, and to increase the ultrasonic transmission efficiency by controlling the acoustic impedance And increasing the ease of fabricating the transducer. ≪ Desc / Clms Page number 20 >
상기 제 1 압전소자 및 상기 제 2 압전소자는,
초음파 에너지 집속을 위한 곡률을 형성하도록 복합체구조로 형성되는 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자.
The method according to claim 1,
Wherein the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are made of a piezoelectric material,
Ultrasonic transducer for therapy using a polarization reversed piezoelectric structure formed of a composite structure to form a curvature for ultrasound energy focusing.
제 1 압전소자 및 제 2 압전소자의 분극 방향을 확인한 후, 래핑하는 단계;
상기 제 1 압전소자 및 상기 제 2 압전소자의 접착면에 전극을 형성한 후 양(+)의 분극 방향끼리 접착하는 단계;
상기 분극 역전층 압전소자들을 래핑하는 단계;
상기 분극 역전층 압전소자들 표면에 신호선을 위한 전극을 형성하는 단계;
상기 압전소자들을 오목한 형태로 형성하는 단계;
상기 압전소자들을 하우징의 안쪽에 위치시킨 후, 상기 압전소자들의 후면에 신호선을 연결한 후 후면층을 형성하는 단계;
치료용 초음파 변환자의 전방 표면에 접지선을 위한 전극을 형성하는 단계; 및
상기 하우징에 커넥터를 부착 후, 상기 신호선을 상기 커넥터에 연결하는 단계를 포함하고,
상기 제 1 압전소자는 상기 제 2 압전소자 보다 얇은 두께를 가지며 초음파 진행 방향의 반대편에 위치하며,
상기 전극이 형성된 층 및 접지를 위한 층은 상기 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자가 적층된 소자 표면에 한 쌍의 전극만을 형성하여 다중 주파수 특성을 갖는 초음파를 발생시키게 하고,
상기 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자의 접착면에 전극을 형성하고 접착하여, 전기 전도성을 증가시킴으로써 효율적인 다중 주파수 특성을 발생시킬 수 있으며,
상기 제 1 압전소자 및 제 2 압전소자의 각각의 두께 및 음향 임피던스 값이 기본 주파수와 기본 주파수의 정수배에 해당하는 고조파 주파수를 동시에 발생시킬 수 있도록 결정되고,
상기 치료용 초음파 변환자를 복합체 구조로 형성하기 위해서는, 상기 분극 방향끼리 접착하는 단계 이후 다이싱 작업을 통해 복합체 구조를 형성하고 치폭 충전재를 부착하는 단계가 추가적으로 수행되는 분극 역전된 압전 구조를 이용한 치료용 초음파 변환자의 제작 방법.
A method of making a therapeutic ultrasound transducer using a polarization reversed piezoelectric structure,
After confirming the polarization direction of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element, then lapping;
Forming an electrode on the bonding surface of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element, and bonding the positive polarity directions to each other;
Wrapping the polarization reversed-phase piezoelectric elements;
Forming an electrode for a signal line on a surface of the polarization inversion layer piezoelectric element;
Forming the piezoelectric elements in a concave shape;
Positioning the piezoelectric elements inside the housing, connecting the signal lines to the rear surface of the piezoelectric elements, and forming a rear surface layer;
Forming an electrode for a ground line on the front surface of the therapeutic ultrasound transducer; And
Attaching a connector to the housing, and connecting the signal line to the connector,
Wherein the first piezoelectric element is thinner than the second piezoelectric element and is located on the opposite side of the ultrasonic wave propagating direction,
The layer on which the electrode is formed and the layer for grounding may be formed by forming only a pair of electrodes on the surface of the element on which the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are stacked to generate ultrasonic waves having multi-
Electrodes can be formed on and adhered to the bonding surfaces of the first and second piezoelectric elements to increase the electrical conductivity, thereby generating efficient multi-frequency characteristics,
The thickness and acoustical impedance value of each of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are determined so as to be capable of simultaneously generating a fundamental frequency and a harmonic frequency corresponding to an integral multiple of the fundamental frequency,
In order to form the therapeutic ultrasound transducer into a composite structure, it is preferable that the step of adhering the polarization directions to each other is followed by a step of forming a composite structure through a dicing operation, Method of making ultrasonic transducer.
Priority Applications (1)
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KR1020170156846A KR101995635B1 (en) | 2017-11-22 | 2017-11-22 | Therapeutic ultrasound transducer using polarization reversed piezoelectric structure and driving method for manufacturing thereof |
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KR101818311B1 (en) * | 2015-12-07 | 2018-01-12 | 동국대학교 산학협력단 | Ultrasound array transducer for harmonic imaging and method for manufacturing thereof |
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