KR20010102913A - 동적변화검출방법, 동적변화검출장치 및 초음파진단장치 - Google Patents

동적변화검출방법, 동적변화검출장치 및 초음파진단장치 Download PDF

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Abstract

상이한 검출감도 및 동적범위를 조합 조건에 맞게 선택할 수 있는 동적변화검출장치로서, 상기 장치는, 하나 이상의 파장성분을 가진 광방사용 광원; 입사광의 파장에 따라 변하는 투과/반사 특성을 가진 투과/반사부의 일단에, 소정 두께 의 매질과 전반사거울을 포함하는 공진부를 접속함에 의해 구성된 검출부를 가지는 검출소자로서, 상기 광원에 의해 방사된 광은 투과/반사부의 타단에서 검출소자 내로 도입되는 검출소자; 검출신호를 검출하기 위해 상기 검출부에 의해 반사된 광을 검출하는 복수의 광검출기; 및 동적변화의 전파에 의해 야기된 검출부의 크기 변화에 대응하는 검출신호의 진폭변화에 기초하여, 상기 전반사거울로 전파하는 동적변화를 검출하는 신호처리장치를 가진다.

Description

동적변화검출방법, 동적변화검출장치 및 초음파진단장치 {DYNAMIC CHANGE DETECTING METHOD, DYNAMIC CHANGE DETECTING APPARATUS AND ULTRASONIC DIAGNOSTIC APPARATUS}
본 발명은 매질을 통해 전파하는 초음파 등의 동적 변화를 검출하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 그러한 동적변화검출장치를 구비한 초음파진단장치에 관한 것이다.
소위 초음파에코관찰 등을 행하는 초음파진단장치는, 초음파센서부(탐촉자)에, PZT(티탄산 지르콘산 Pb(납))로 대표되는 압전재료를 이용하는 것이 일반적이다.
도 11a 및 도 11b는 종래의 탐촉자의 구조를 나타내는 개략도이다: 도 11a는 탐촉자 전체의 사시도이고, 도 11b는 어레이진동자를 나타내는 확대사시도이다.
탐촉자(301)는 전체적으로 얇은 상자형이고, 길고 가느다란 직사각형탐촉면(302)을 가진다. 이 탐촉면(302)이 인체에 접촉되고 초음파가 방사되어 인체의 내부에서 반사되는 초음파에코를 수신한다. 도 11a에서, 초음파 수신신호를 송신하는 케이블(307)이 탐촉자(301)의 위쪽에 접속되어 있다.
초음파 발신기와 수신기를 겸하는 빗 모양의 어레이진동자(303)는 탐촉면(302) 내에 수용되어 있다. 어레이진동자(303)는 얇은(예를들면 두께 0.2∼0.3mm) 스트립형 PZT 판에 구비된 다수의 슬릿(306)(예를들면 폭 0.1mm)과, 배열되어 있는 빗 이빨 모양의 다수(예를들면 256개)의 개별진동자(305)(예를들면 폭 0.2mm, 길이20mm)에 의해 형성된다.
전극들은 각각의 개별진동자(305)에 형성되어 있고, 거기에 신호선들이 접속되어 있다. 고무와 같은 수지계 재료로 만들어진 음향렌즈층 또는 음향정합층은 어레이진동자(303)의 표면 쪽(도 11a에서 아래쪽 면)에 부착되어 있고, 충전재는 뒤쪽에 부착되어 있다. 음향렌즈층은 송신된 초음파를 효과적으로 모은다. 음향렌즈층은 초음파의 발신 효율을 향상시킨다. 충전재는 진동자를 지지하는 기능을 가지고 진동자의 진동을 신속히 끝내게 한다.
이러한 초음파 탐촉자 및 초음파 진단 장치는 토요출판사의 "초음파 관찰법 및 진단법"과 이시야쿠출판사의 "기초초음파의학"에 상세하게 설명되어 있다.
초음파진단분야에서는, 보다 상세한 피검자의 체내정보를 얻기위해, 3차원 네이터의 수집이 요구된다. 그러한 요구를 따르기 위해서, 초음파검출부(센서)를 2차원으로 배열하는 것이 필요하다. 그러나, 상기 PZT에 있어서, 현재 기술수준 이상의 미세화 및 소자의 집적은 다음과 같은 이유로 어렵다. 즉, PZT 재료(세라믹스)의 가공기술이 한계에 다다르게 되어, 더 이상의 미세화는 가공수득률을 극도로 저하시킨다. 또한, 배선수가 증가하여, 배선의 전기적 임피던스가 증가하게 된다. 또한, 개별소자(개별진동자) 사이의 혼선이 증가한다. 그러므로, PZT를 사용한 2차원어레이탐촉자의 실현은 현재 기술수준에서는 곤란하다고 여겨지고 있다.
초음파 영상(ULTRASONIC IMAGING) 20, 1-15 (1998)에는, 듀크(DUKE)대학의 E.D. 라이트(E.D. LIGHT)가 쓴 "실시간 체적 영상에 대한 2차원 어레이의 발전(Progress in Two-Dimensional Arrays for Real-Time Volumetric Imaging)"이라는 제목의 글이 기재되어 있다. 이 글에는 PZT초음파센서의 2차원 어레이를 가지는 탐촉자가 나와있다. 그러나, 상기 글은 "동일한 질의 화상을 얻기 위해서는, 2차원 어레이의 센서 수는 128×128=16,384개가 필요하다. 그러나, 그러한 RF 채널을 만들기에는 복잡하고 비용이 들기 때문에, 앞으로 이러한 해결책은 가망이 없다. 또한, 그러한 다수의 센서를 조밀하게 접속하는 것은 매우 어렵다."(2쪽, 14∼18째 줄)라고 설명하고 있다.
한편, 광섬유를 이용한 센서가 PZT와 같은 압전재료를 사용하지 않는 초음파센서로서 이용되고 있다. 그러한 광섬유초음파센서는 자계의 영향이 큰 장소 또는 협소한 부위에서의 계측에 적합하다.
가용 광섬유초음파센서의 한 종류로서, 광섬유 브래그그레이팅(이후 FBG라고 약칭)를 이용하는 것이 있다(방위대학교(National Defense Academy)의 타카하시(TAKAHASHI) 등이 쓴 "광섬유 브래그그레이팅를 가진 수중음향센서(Underwater Acoustic Sensor with Fiber Bragg Grating)" OPTICALREVIEW 4권 6호 (1997) 691∼694쪽 참조). FBG는, 굴절률이 다른 두 종류의 재료층(광전파매질)을, 브래그의 반사조건을 만족하는 피치로 굴절률이 주기적으로 변화하도록, 수천개의 층으로 교번하여 적층하여 성형한 것이다. 각 층의 주기구조의 피치를 Δ, 입사광의 파장을 λ, N을 임의의 정수라고 하면, 브래그 반사조건은 다음과 같다.
브래그 반사 작용에 의해, FBG는 상기 식의 조건을 만족하는 특정 파장의 광을 선택적으로 반사하고, 그 이외의 파장을 가진 광은 투과시킨다.
FBG에 초음파가 전파되면, FBG의 변형이 상기 주기구조의 피치(Δ)의 변화를 유도하여, 선택적으로 반사되는 광파장(λ)이 변화한다. 실제로는, 최대 반사율(최소 투과율)이 나타나는 중심파장의 전후에 반사율이 변화하는 경사영역이 있고,
이 경사영역의 검출광이 FBG에 입사되면서, 초음파가 FBG에 가해진다. 그러면, 초음파의 강도에 대응하는 반사광(또는 투과광)의 강도변화를 관찰할 수 있다. 이 광 강도변화를 전기신호로 환산하여 초음파의 강도를 계측할 수 있다.
광섬유초음파센서의 다른 종류로서, 파브리페로(Febry-Perot)공진기(이후 "FPR"로 약칭)를 이용하는 것이 있다(토쿄기술대학의 우노(UNO) 등이 쓴 "메가헤르츠급 초음파 측정용 광학 섬유 마이크로 탐촉자의 구성과 성능(Fabrication and Performance of Fiber Optic Micro-Probe for Megahertz Ultrasonic Field Measurement)" T.IEE 일본 '98 118-E권 11호 참조).
우노 등의 센서는, 단일모드 광섬유(λ=1.3㎛, 코어:10㎛ 및 클래드:125㎛)의 선단에, 금증착에 의한 반거울을 형성하고, 폴리에스텔 수지(n=1.55) 부재에 의한 공동(길이100㎛)을 구비하고, 또한 금증착에 의한 전반사거울을 형성한 것이다.
반거울 측으로부터 이 센서에 파장(λ)을 가진 검출광을 입사시키고, 전반사측으로부터 초음파를 가한다. 전반사거울의 반사율을 r, 싱글패스 이득을 G, 공동의 길이를 L, 굴절률을 n이라고 하면, 이 센서의 반사율R은 다음의 식으로 주어진다:
여기서, δ는 다음의 식으로 계산된다:
δ=2πLn/λ
δ를 나타낸 식은, 초음파의 음압변화에 의한 공동의 왕복 광경로 길이 2Ln, 즉, 광경로 길이 Ln의 변화는 센서로부터의 광반사특성이 변화한다는 것을 나타낸다.
실제로는, 최소반사율을 야기하는 중심파장의 전후에 반사율이 변화하는 경사영역이 있고, 어떠한 경사영역의 검출광을 FPR에 입사시키면서, FPR에 초음파를 가하여 초음파의 강도에 대응하는 반사광의 강도변화를 관측할 수 있다. 이 광강도변화를 환산하여 초음파의 강도를 계측할 수 있다.
광섬유를 이용한 상기 초음파센서는 결점을 가지고 있다. 경사영역의 특성을 검출감도를 향상시키기 위해 급경사로 설계하면, 동적범위는 반드시 좁아진다. 반대로, 상기 특성을 완만한 경사로 설계하면, 동적범위가 넓어져 검출감도가 떨어진다.
본 발명의 제 1 목적은, 동적변화의 검출에 있어서, 상이한 검출감도 및 동적범위의 조합 조건을 선택할 수 있도록 하는 것이다. 본 발명의 제 2 목적은 복수의 조합조건 하에서 동적변화를 병렬적으로 검출할 수 있도록 하는 것이다.
상기 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 동적변화검출방법은: (a)입사광의 파장에 따라 변화하는 투과/반사 특성을 가지는 투과/반사부의 일단으로부터 소정 두께의 매질과 전반사거울을 포함하는 공진부를 투과/반사부의 타단에 접속하여 구성된 검출부를 갖는 검출소자로 하나 이상의 파장성분을 가지는 광을 도입하는 단계; (b)검출신호를 얻기위해 검출부에 의해 반사광을 검출하는 단계; 및 (c)동적변화의 전파에 의해 야기된 검출부의 크기 변화에 대응하는 검출신호의 진폭 변화에 기초하여, 전반사거울로 전파하는 동적변화를 검출하는 단계;를 포함한다.
본 발명에 따른 동적변화검출장치는; 하나 이상의 파장성분을 가진 광방사용 광원; 입사광의 파장에 따라 변하는 투과/반사 특성을 가진 투과/반사부의 일단에, 소정 두께의 매질과 전반사거울을 포함하는 공진부를 접속함에 의해 구성된 검출부를 가지는 검출소자로서, 상기 광원에 의해 방사된 광은 투과/반사부의 타단에서 검출소자 내로 도입되는 검출소자; 검출신호를 검출하기 위해 상기 검출부에 의해 반사된 광을 검출하는 복수의 광검출기; 및 동적변화의 전파에 의해 야기된 검출부의 크기 변화에 대응하는 검출신호의 진폭변화에 기초하여, 상기 전반사거울로 전파하는 동적변화를 검출하는 신호처리장치를 포함한다.
본 발명에 따른 초음파진단장치는 피검체에 초음파를 전송하는 발신장치; 하나 이상의 파장성분을 가지는 광방사용 광원; 투과/반사부의 타단으로부터 검출소자에 도입되는 광원에 의해 방사된 광인, 입사광의 파장에 따라 상이한 투과/반사 특성을 가진 투과/반사부의 일단에 소정 두께의 매질과 전반사거울을 포함하는 공진부를 접속하여 구성된 검출부를 가지는 검출소자; 검출신호를 얻기위해 상기 검출부에 의해 반사된 광을 검출하는 복수의 광검출기; 동적변화의 전파에 의해 야기된 상기 검출부의 크기 변화에 대응하는 검출신호의 진폭변화에 기초하여, 전반사거울로 전파하는 동적변화를 검출하는 신호처리장치; 및 신호처리장치로부터의 신호출력을 기초로 영상을 표시하는 영상표시장치를 포함한다.
본 발명에 따르면, 입사광의 파장으로 상이한 투과/반사 특성을 가진 투과/반사부(3)의 일단에 소정 두께의 매질과 전반사거울을 포함하는 공진부를 연결하여 형성된 검출부를 가진 검출소자가 이용된다. 그러므로, 입사광의 파장을 변화시킴으로써 고감도 검출 및 광범위한 동적변위를 동시에 얻을 수 있다.
도 1a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 동적변화검출장치에 포함된 검출부(센서)의 단면도;
도 1b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 동적변화검출장치에 포함된 다수 검출부의 2차원 어레이를 나타내는 사시도;
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 동적변화검출장치의 구성도;
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서 투과/반사부의 반사 특성을 나타낸 도면;
도 4a∼4c는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서 반거울이 90%의 반사율을 가질 때 다수 부위들의 반사특성을 나타내는 도면;
도 5a∼5c는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서 반거울이 50%의 반사율을 가질 때 다수 부위들의 반사특성을 나타내는 도면;
도 6a∼6c는 본 발명의 제 1 실시예에 있어서 반거울이 20%의 반사율을 가질 때 다수 부위들의 반사특성을 나타내는 도면;
도 7은 본 발명의 제 1 실시예에 있어서 검출부의 반사특성을 나타내는 도면;
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른, 광원으로 발광다이오드(SLD)를 가진 동적변화검출장치의 구성도;
도 9는 SLD의 광 방사 특성을 나타내는 도면;
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 초음파진단장치의 전체 구성을 나타내는 블럭도;
도 11a는 종래의 탐촉자의 전체 구성을 나타내는 사시도; 및
도 11b는 종래의 탐촉자에 포함된 어레이진동자를 나타내는 확대사시도이다.
본 발명의 실시예는 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명될 것이다. 동일 참조부호는 동일 구성성분를 나타내고, 그 설명은 생략한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 동적변화검출장치에 포함된 검출소자(초음파센서)를 개략적으로 나타낸다: 도 1a는 일 검출소자(센서)의 단면도이고; 그리고 도 1b는 다수 검출소자의 2차원 어레이를 나타내는 사시도이다.
검출소자는 광섬유(2)의 선단에 형성된 광섬유(2) 및 검출부(1)를 포함한다. 검출부(1)는 광섬유(2)의 선단에 접속된 투과/반사부(3), 및 투과/반사부(3)에 접속된 공진부(5)를 가진다. 투과/반사부(3)는 광섬유브래그브래그(FBG)를 형성하고, 공진부(5)는 파브리페로공진기(FPR)를 형성한다. 그러므로, 광섬유브래그브래그형 파브리페로 간섭시스템은 투과/반사부(3) 및 공진부(5)를 구성한다.
검출광(LE)은 광섬유(2)로부터 검출부(1)로 도입되고, 이에 반해, 반사광(LR)은 검출부(1)로부터 광섬유(2)로 도입된다. 검출부(1)의 선단에 배열된 공진부(5)의 전반사거울(19)은 피검체와 접촉하고 있고, 피검체(7)를 통해 전파되는 초음파(9)가 가해진다. 이러한 검출소자에서, 광경로 길이는 전반사거울(19) 측으로부터 공진부(5)까지 동적변화의 전파를 일으켜서 공진부(5)를 검출하여, 다양하게 된다. 전파된 동적변화는 광경로 길이의 변화로 야기된 반사특성의 변화로 검출될 수 있다. 투과/반사부(3)의 투과/반사는 입사광의 파장을 변화시켜 다양하게 될 수 있기 때문에, 검출부(1)의 검출감도를 변화시킬 수 있다.
투과/반사부(3)(FBG)는 굴절률 값이 다른 두 종류의 재료를 교대로 적층한 수 천개의 층으로 형성되어, 브래그반사조건을 만족하는 피치로 굴절률이 주기적으로 변화한다(예를들면, 0.5㎛)(응용물리학(APPLIED PHYSICS), 67권, 9호(1998), 1029쪽 참조). 각 층의 주기구조의 피치를 Δ, 입사광의 파장을 λ, 그리고 N을 임의의 정수라고 하면, 브래그의 반사조건은 다음과 같다:
브래그 반사조건에 따른 이러한 FBG는 상기 식의 조건을 만족하는 특정 파장의 광을 선택적으로 반사하고, 그 이외의 파장을 가진 광은 투과시킨다.
공진부(5)는 그 선단에 형성된 투과/반사부(3) 및 전반사거울(19)에 접속된 광전송 매질(17)을 포함한다. 투과/반사부(3)는 반거울로 간주하고, 매질(17)의 일단에 나타나는 것으로 가정한다.
파장(λ)의 검출광은 투과/반사부(3)로부터 공진부(5)로 도입되고, 초음파는 전반사거울 측으로부터 가해진다. 반거울의 반사율을 L, 싱글패스 이득을 G, 매질의 길이를 r, 그리고 매질(17)의 반사율을 n이라고 하면, 공진부(5)의 반사율 R은 다음의 식으로 주어진다:
여기서, δ는 다음의 식으로 계산된다:
δ=2πLn/λ
초음파의 음압 변화에 의한 매질(17)의 왕복 광경로 길이 2L의 변화는 공진부로부터의 광반사특성이 변화한다는 것을 의미한다.
실제로는, 최소반사율을 나타내는 중심파장의 전후에 반사율이 변화하는 경사영역이 있고, 어떤 경사영역의 검출광을 FPR에 입사시키면서, FPR에 초음파를 가하여 초음파의 강도에 대응하는 반사광의 강도변화를 관측할 수 있다. 이 광강도변화를 환산하여 초음파의 강도를 계측할 수 있다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 2차원 어레이 초음파 센서(21)는 다수의 검출소자를 매트릭스 형태의 종횡방향으로 배열되어 형성된다.
도 2는 본 실시예의 동적변화검출장치(초음파진단장치)의 구성도이다.
도 1에 도시된 것과 유사한 검출부(1)는 도 2의 우측에 도시되어 있고, 검출부 내에 형성된 상기 검출부(1)를 가진 광섬유(51)는 도 2의 좌측까지 뻗어있다.
도 2에서, 광원장치(30)은 광섬유(51)의 좌측에 도시되어 있다.광원장치(30)은 3개의 레이저(31, 32 및 33)를 가지고 있다. 레이저(31)는 파장(λ1)을 가진 레이저빔(LE1)을 방사하고; 레이저(32)는 파장(λ2)을 가진 레이저빔(LE2)을 방사하며; 레이저(33)는 파장(λ3)을 가진 레이저빔(LE3)을 방사한다.
거울(41)은 레이저(33)의 방사 측에 위쪽으로 비스듬하게 배치되어 있고, 레이저빔(LE3)은 위쪽으로 반사된다. 색선별거울(43)은 레이저(32)의 방사 측에 위쪽으로 비스듬하게 배치되어 있고, 레이저빔(LE2)은 위쪽으로 반사된다. 한편, 레이저빔(LE3)이 색선별거울(43)을 통해 통과한다. 다른 색선별거울(45)은 레이저(31)의 방사 측에 또한 위쪽으로 비스듬하게 배치되어 있다. 레이저빔(LE1)은 색선별거울(45)을 투과한다. 한편, 레이저빔(LE2) 및 레이저빔(LE3)는 색선별거울(45)에 의해 반사된다. 즉, 3개의 레이저빔(LE1, LE2 및 LE3)은 색선별거울(45)에 모아져 우측으로 보내진다.
렌즈(47)는 색선별거울(45)의 우측에 배치되어 있다. 모아진 광은 이렌즈(47)를 통해 수렴되고, 광섬유(51)에 도입된다. 광섬유(51)는 광연결기(53)를 통해 우측으로 뻗어있다. 도 1을 참조하여 상기 설명된 투과/반사부(3) 및 공진부(5)를 가진 검출부(1)는 광섬유(51)의 선단에 접속된다.
반사광(LR)은 검출부(1)로부터 광섬유(51)에 도입된다. 반사광(LR)은 광연결기(53)에서 광섬유(81)에 도입된다. 광섬유(81)는 아래쪽으로 뻗어있고, 광분리장치(83)은 그 위에 구비되어 있다. 광분리장치(83)는 렌즈(85) 및 회절브래그(87)를 가지고 있다. 렌즈(85)는 광섬유(81)의 출구 측에 구비되어 있고, 수렴하고 전파하기위한 광섬유(81)로부터 회절브래그(87)까지 방사되는 광(LR)을 야기한다. 회절브래그(87)로 전파한 후에, 광(LR)은 개별 파장성분을 위한 상이한 회절각을 가지는 광(LR1), 광(LR2) 및 광(LR3)로 분리되고, 좌측으로 보내진다.
3개의 광검출기(91, 92 및 93)은 광분리장치(83)의 좌측에 배치되어 있다. 광검출기(91∼93)는 광분리기(83)에 의해 분리되어진 광(LR1)(파장:λ1),광(LR2)(파장:λ2) 및 광(LR3)(파장:λ3)을 수신하고, 각각의 광 강도를 검출한다. 각각의 광검출기(91∼93)는 검출된 광 강도를 전기적신호로서 신호처리장치(97)로 보낸다. 신호처리장치(97)는 영상신호를 얻기 위해 수신된 신호를 처리하고 영상신호를 표시장치(99)로 보낸다. 이러한 범위의 일반적인 신호처리를 상세하게 판단하기 위헤서는, 토요출판사의 "초음파 관찰방법 및 진단방법(Ultrasonic Obcervation method and diagnostic Method)" 또는 이시야쿠출판사의 "기초 초음파 치료(Fundamental ultrsonic Medicine)"을 참조하라.
도 3은 투과/반사부(3)(FBG)의 반사 특성을 나타낸 도면이고: 수직축은 반사율을 나타내고, 수평축은 파장을 나타낸다. 반사율의 피크는 도 3에 도시되어 있다. 이 피크의 중심파장은 λc; 이 피크의 조금 바깥쪽의 95%의 반사율을 가진 파장은 λ1; 피크의 우측에 있는 경사(경사영역)의 실질상 중심(반사율:50%)파장은 λ2; 경사하부(반사율:20%)의 파장은 λ3으로 표현되어 있다.
도 4a∼6c는 공진부(5)(FPR)의 반사율 특성을 설명한 도면이다. 그중에, 도 4a∼4c는 반거울이 90%의 반사율을 가질 때의 반사특성을 나타내는 도면이다. 도 5a∼5c는 반거울이 50%의 반사율을 가질 때의 반사특성을 나타내는 도면이다. 도 6a∼6c는 반거울이 20%의 반사율을 가질 때의 반사특성을 나타내는 도면이다. 수직축은 반사율을 나타내고, 수평축은 파장을 나타낸다.
도 4b, 도 5b 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 전반사거울은 상기 파장(λ1, λ2및 λ3)에 대해 실질상 100%(전반사)의 반사율을 가진다. 도 4c, 도 5c 및 도 6c에 도시된 바와 같이, 최소 반사율이 주기적으로 나타나고, 부분반사거울의 반사 특성에 있어서의 높은 반사율은 파브리페로 반사형의 반사특성에서 반사율의 오목부의 반대역폭(W)을 더 좁게 만든다.
도 1에 도시된 검출부(1)의 반사 특성은 투과/반사부(3)의 반사특성, 공진부(5)의 반사특성 및 공진부(5)로부터 야기된 것이다. 상기 특성은 다음의 식으로 표현될 수 있다.
여기서, Gr은 검출부 전체의 반사율; R은 부분반사거울의 반사율; 그리고 Gs는 공진부의 이득을 나타낸다.
도 7은 검출부의 반사특성을 나타내는 도면이다: 수직축은 반사율을 나타내고, 수평축은 파장을 나타낸다. 낮은 반사 특성을 나타내는 3개의 오목부가 도 7에 도시되어 있다. 좌측의 오목부는 경사영역(R1), 중앙의 오목부는 경사영역(R2), 그리고 우측의 오목부는 경사영역(R3)이라고 칭한다. 오목부들의 중심파장은 투과/반사부의 반사특성으로 인해 각각 λ1, λ2및 λ3이라고 칭한다.
동적변화를 검출하는 데 이용되는 레이저 파장들( λ1', λ2', 및 λ3')은 도 7에 도시된 개별 반사 특성들의 경사영역 내에 설정된다. 예를들면, λ1'은 경사영역(R1)에 설정된다. 초음파가 공진기의 전반사 막 표면에 도입되면, 전반사 막 표면에 약간의 변위가 일어나고, 파브리페로공진기의 공진기 길이에 약간의 변화가 일어난다. 그러므로, 도 7에 도시된 반사특성의 경사영역(R1)은, 파장축(수평축)에서 이동한다. 결국, 파장(λ1'에 대한 반사율이 변화하여 파장(λ1'의 광강도가 파브리페로공진기의 변화로부터 돌아오고, 초음파의 검출이 가능해진다.
초음파 검출의 감도를 향상시키기 위해서, 최소 반사율이 감소되고 반사 특성의 오목부의 반대역폭이 감소되어, 광강도의 변화가 증가하고 경사영역의 급경사 변화율(경사도)이 증가한다. 이는 보다 높은 감도를 초래한다. 그러나, 반대역폭이더 좁아지기 때문에, 검출범위, 즉, 동적범위가 작아진다.
한편, 투과/반사부(3)의 반사율이 상이한 파장대역에서 변화하고, 검출부(1) 전체에 대한 반사특성이 도 7에 도시된 경사영역(R2) 및 경사영역(R3)처럼 변화한다. 그러므로, 복수의 상이한 파장(λ1', λ2' 및 λ3')을 가지는 광을 싱글 파브리페로공진기에서 사용하여, 상이한 검출감도 및 상이한 동적범위를 가진 복수의 측정범위내에서의 검출이 병렬적으로 수행된다. 그러므로 고감도 검출 및 광범위한 동적범위를 병렬적으로 검출하는 것이 가능하다.
본 실시에에 따른, 초음파 센서(21)는 배열되어 사용된다. 그러므로, 피검체의 초음파 주사, 굴절 및 수렴이 초음파 센서에 대해 동시에 다이나믹하게 수행되고, 피검체에 대한 3차원 데이터를 쉽게 수집한다. 검출부로부터의 검출부 및 신호(반사광) 유도선에 우수한 광섬유가 사용되기 때문에, 싱글 전송에서의 임피던스의 증가를 야기하지 않고, 검출소자를 고집적 배열에서 사용할 수 있다.
또한, 본 실시예에 있어서, 복수의 상이한 파장성분을 포함하는 검출광은 상이한 파장을 가지는 싱글 파장 레이저로부터 방사될 수 있다. 이 경우, 광출력은 좁은 파장 범위내에 집중된다. 그러므로, 광검출에서 SN률을 향상시킬 수 있고 고감도 검출을 이룰 수 있다.
도 8은 본 발명의 제 2 실시예에 따른, 광원으로 발광다이오드(SLD)를 가진 동적변화검출장치의 구성도이다. 이러한 동적변화검출장치에서, 슈퍼발광다이오드(SLD)(101)를 포함하는 광원장치(100)와 같은, 광대역파장범위를가지는 광원이 사용된다. 나머지 구성은 도 2에 도시된 바와 동일하다. 본 실시예에 있어서, 이러한 구성은 광대역내에 슈퍼발광다이오드(SLD)와 같은 파장을 가지는 광원으로부터 복수의 상이한 파장성분을 포함하는 검출광의 방사를 허용한다. 이 경우, 광원을 간단하게 구성하는 이점이 있다.
도 9는 SLD의 광 방사 특성을 나타내는 도면이다: 수직축은 방사강도를 나타내고, 수평축은 파장을 나타낸다.
SLD에서 방사된 광은 도 9에 도시된 바와 같이 넓은 방사파장 범위(반대역폭: 20㎚∼30㎚)를 가진다. 이러한 광은 도 7에 도시된 바와 같은 특성을 가지는 파브리페로공진기에 의해 반사되고, 도 7에 도시된 경사영역(R1, R2 및 R3)의 조합인 스펙트럼 특성을 가지는 광은 광연결기를 경유하여 파장분리장치(83)에 도입된다. 파장분리장치(83)에서, 도 7의 경사영역(R1, R2 및 R3)의 특성 변화 영역에서 파장(λ1'. λ2' 및 λ3')을 가지는 성분만이 각각 선택적으로 분리된다. 그러므로, 각 파장성분을 가지는 광강도의 변화는 초음파의 입사에 의해 야기된 파브리페로 반사율의 변화에 기초하여 일어난다. 본 실시예의 이점은 제 1 실시예에서의 이점과 유사하다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 초음파진단장치의 전체 구성을 나타내는 블록도이다.
상기 초음파진단장치는 전송부(201), 탐촉자(209), 수신장치(211), TV 주사 변환장치(213), 및 표시장치(TV 모니터)(215)를 포함한다.
전송부(201)는 펄스형 초음파 발진 신호를 PZT 또는 PVDF를 이용하여 초음파 전송 변환기(203)으로 전송한다. 변환기(203)는 초음파를 방사하고, 초음파를 피검체(206) 안에 방사한다.
도 10에서, 초음파용 반거울(205)(수지 시트)은 변환기(203)의 아래에 배치된다. 피검체(206)에서, 초음파 에코(207)은 위쪽으로 반사되고, 초음파 에코는 초음파용 반거울(205)에 의해 우측으로 반사되며, 2차원 어레이 초음파 검출소자(208)로 도입된다. 이 검출소자(208)는 초음파를 광으로 변환하고 광을 수신장치(211)로 보낸다. 수신장치(211)는 검출소자(208)로부터의 광신호를 전기신호로 변환한다. TV 주사 변환장치(213)는 수신장치(211)로부터의 신호 증폭 등을 수행하고, 영상처리를 수행한다. 영상화된 신호는 표시장치(모니터 표시)(215)로 전송되고, 영상은 표시장치(215)상에 표시된다.
본 발명의 실시예가 도면을 참조하여 설명되었다. 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않고, 다양하게 변경 및 추가될 수 있다. 상시 설명에서, 피검체를 통과하는 초음파 전파는 검출되기위한 동적변화로서 취해졌다. 이와는 별도로, 음파, 가속도, 왜곡, 온도 및 변위에 있어서의 변화와 같은 동적변화를 또한 검출할 수 있다.
본 발명에 따른 동적변화검출방법, 동적변화검출장치 및 초음파진단장치는, 동적변화를 검출할 때, 상이한 검출감도 및 동적범위의 조합 조건을 선택할 수 있고, 복수의 조합조건 하에서 동적변화를 병렬적으로 검출할 수 있다.

Claims (20)

  1. (a)입사광의 파장에 따라 변화하는 투과/반사 특성을 가지는 투과/반사부의 일단으로부터 소정 두께의 매질과 전반사거울을 포함하는 공진부를 투과/반사부의 타단에 접속하여 구성된 검출부를 갖는 검출소자로 하나 이상의 파장성분을 가지는 광을 도입하는 단계;
    (b)검출신호를 얻기위해 상기 검출부에 의해 반사광을 검출하는 단계; 및
    (c)동적변화의 전파에 의해 야기된 검출부의 크기 변화에 대응하는 검출신호의 진폭 변화에 기초하여, 상기 전반사거울로 전파하는 동적변화를 검출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 동적변화검출방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    단계(a)는 복수의 상이한 파장성분을 가진 광을 상기 검출소자로 도입하는 단계를 포함하고;
    단계(b)는 복수의 검출신호를 얻기위해 상기 복수의 상이한 파장성분을 분리하여 상기 검출부에 의해 반사된 광을 검출하는 단계를 포함하고;
    단계(c)는 상기 복수의 검출신호에 기초하여, 복수의 상이한 검출감도로 상기 전반사거울로 전파하는 동적변화를 병렬적으로 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동적변화검출방법.
  3. 제 2항에 있어서, 단계(c)는 상기 검출부의 반사율 곡선의 상이한 반대역폭을 가진 복수의 경사영역을 사용하여 복수의 상이한 검출감도로 상기 전반사거울로 전파하는 동적변화를 병렬적으로 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동적변화검출방법.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 투과/반사부는 광섬유 브래그그레이팅을 포함하는 것을 특징으로하는 동적변화검출방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 동적변화는 피검체를 통해 전파하는 초음파를 포함하는 것을 특징으로 하는 동적변화검출방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    단계(a)는 하나 이상의 파장성분을 가진 광을 1차원 어레이 및 2차원 어레이중 어느 하나를 구성하는 복수의 검출소자로 도입하는 단계를 포함하고;
    단계(b)는 상기 복수의 검출소자의 상기 검출부에 의해 반사된 광을 검출함으로써 복수의 검출신호를 얻는 단계를 포함하고;
    단계(c)는 상기 복수의 검출신호의 진폭변화에 기초하여, 상기 복수의 검출소자의 상기 전반사거울로 전파하는 동적변화를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동적변화검출방법.
  7. 제 2항에 있어서, 단계(a)는 복수의 상이한 파장성분을 가지는 광을 복수의 단일 파장 레이저를 이용하여 상기 검출소자로 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동적변화검출방법.
  8. 제 2항에 있어서, 단계(a)는 복수의 상이한 파장성분을 가지는 광을 광대역 광방사 파장을 가지는 광원을 이용하여 상기 검출소자로 도입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동적변화검출방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 광원은 슈퍼발광다이오드(SLD)인 것을 특징으로 하는 동적변화검출방법.
  10. 하나 이상의 파장성분을 가진 광방사용 광원;
    입사광의 파장에 따라 변하는 투과/반사 특성을 가진 투과/반사부의 일단에, 소정 두께의 매질과 전반사거울을 포함하는 공진부를 접속함에 의해 구성된 검출부를 가지는 검출소자로서, 상기 광원에 의해 방사된 광은 투과/반사부의 타단에서 검출소자 내로 도입되는 검출소자;
    검출신호를 검출하기 위해 상기 검출부에 의해 반사된 광을 검출하는 복수의 광검출기; 및
    동적변화의 전파에 의해 야기된 검출부의 크기 변화에 대응하는 검출신호의 진폭변화에 기초하여, 상기 전반사거울로 전파하는 동적변화를 검출하는 신호처리장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 동적변화검출장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 검출부에 의해 반사된 광을 복수의 상이한 파장성분으로 분리하는 광분리장치를 더 포함하며;
    상기 광원은 상기 복수의 상이한 파장성분을 가지는 광을 방사하고;
    상기 복수의 광검출기는 복수의 검출신호를 얻기위해 상기 광분리장치에 의해 분리된 광을 각각 검출하고; 그리고
    상기 신호처리장치는, 상기 복수의 검출신호의 진폭변화에 기초하여, 상기 복수의 검출소자의 전반사거울로 전파하는 동적변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 동적변화검출장치.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 신호처리장치는 상기 검출부의 반사율특성곡선의 상이한 반대역폭을 가지는 복수의 경사영역을 이용하여 복수의 상이한 감도로 상기 전반사거울로 전파하는 동적변화를 병렬적으로 검출하는 것을 특징으로 하는 동적변화검출장치.
  13. 제 10항에 있어서, 상기 투과/반사부가 광섬유 브래그그레이팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 동적변화검출장치.
  14. 제 10항에 있어서, 상기 동적변화는 피검체를 통해 전파하는 초음파인 것을 특징으로 하는 동적변화 검출장치.
  15. 제 11항에 있어서,
    1차원 어레이 및 2차원 어레이 중 어느 하나를 구성하는 복수의 검출소자를 더 포함하며;
    상기 복수의 광검출기는 복수의 검출신호를 얻기위해 상기 검출부에 의해 반사된 광을 검출하고; 그리고
    상기 신호처리장치는 상기 복수의 검출신호의 진폭변화에 기초하여, 상기 복수의 검출소자의 상기 전반사거울로 전파하는 동적변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 동적변화검출장치.
  16. 제 11항에 있어서, 상기 광원은 복수의 상이한 파장성분을 가지는 광을 각각 방사하는 복수의 단일 파장 레이저를 포함하는 것을 특징으로 하는 동적변화검출장치.
  17. 제 11항에 있어서, 상기 광원은 광대역 광방사 파장을 가지는 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 동적변화검출장치.
  18. 제 17항에 있어서, 상기 광원은 슈퍼발광다이오드(SLD)인 것을 특징으로하는동적변화검출장치.
  19. 피검체에 초음파를 전송하는 발신장치;
    하나 이상의 파장성분을 가지는 광방사용 광원;
    투과/반사부의 타단으로부터 검출소자에 도입되는 광원에 의해 방사된 광인, 입사광의 파장에 따라 상이한 투과/반사 특성을 가진 투과/반사부의 일단에 소정 두께의 매질과 전반사거울을 포함하는 공진부를 접속하여 구성된 검출부를 가지는 검출소자;
    검출신호를 얻기위해 상기 검출부에 의해 반사된 광을 검출하는 복수의 광검출기;
    동적변화의 전파에 의해 야기된 상기 검출부의 크기 변화에 대응하는 검출신호의 진폭변화에 기초하여, 전반사거울로 전파하는 동적변화를 검출하는 신호처리장치; 및
    신호처리장치로부터의 신호출력을 기초로 영상을 표시하는 영상표시장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파진단장치.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 검출부에 의해 반사된 광을 복수의 상이한 파장성분으로 분리하는 광분리장치를 더 포함하며;
    상기 광원은 복수의 상이한 파장성분을 가지는 광을 방사하고;
    상기 복수의 광검출기는 상기 광분리장치에 의해 분리된 광을 검출하여 복수의 검출신호를 얻고;
    상기 신호처리장치는, 상기 복수의 검출신호의 진폭변화에 기초하여, 상기 복수의 검출소자의 상기 전반사거울로 전파하는 동적변화를 검출하는 것을 특징으로 하는 초음파진단장치.
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