KR20160103052A

KR20160103052A - 변하는 두께의 부정합층을 갖는 초음파 트랜스듀서 및 초음파 영상 시스템

Info

Publication number: KR20160103052A
Application number: KR1020167020013A
Authority: KR
Inventors: 지앙중 자오; 알란 타이; 프레데릭 랑테리; 플라빈 달로즈; 스코트 윌리엄 이스터브룩
Original assignee: 제네럴 일렉트릭 컴퍼니
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2016-08-31
Also published as: EP3086885A1; KR102241694B1; EP3086885B1; CN105848792A; CN105848792B; US20150182999A1; WO2015099836A1; US9452447B2; JP2017501808A

Abstract

복수의 트랜스듀서 소자를 포함한 음향층 및 이 음향층에 결합된 부정합층을 포함하는 초음파 트랜스듀서 및 초음파 영상 시스템을 개시한다. 부정합층은 음향층의 음향 임피던스보다 큰 음향 임피던스를 가지며, 부정합층은 초음파 트랜스듀서의 대역폭을 변경하도록 변하는 두께를 갖는다.

Description

변하는 두께의 부정합층을 갖는 초음파 트랜스듀서 및 초음파 영상 시스템{ULTRASOUND TRANSDUCER AND ULTRASOUND IMAGING SYSTEM WITH A VARIABLE THICKNESS DEMATCHING LAYER}

본 개시는 일반적으로는 초음파 트랜스듀서 및 복수의 트랜스듀서 소자를 포함하는 음향층(acoustic layer)을 포함한 초음파 영상 시스템에 관한 것이다. 트랜스듀서 및 초음파 영상 시스템은 초음파 트랜스듀서의 대역폭을 변경하도록 변하는 두께를 갖는 부정합층(dematching layer)을 포함한다.

하나 이상의 트랜스듀서 소자를 포함하는 음향층의 배면측에서 부정합층을 포함하는 종래의 초음파 트랜스듀서가 공지되어 있다. 부정합층은 통상의 음향층보다 음향 임피던스가 높은 재료를 포함한다. 부정합층의 사용은, 초음파 트랜스듀서가 보다 두꺼운 음향층을 이용하여 실현하는 것과 동일한 공진 주파수를 보다 얇은 음향층을 이용하여 달성할 수 있게 한다. 보다 얇은 음향층의 사용은 그 음향층이 영상 시스템과의 전기 임피던스에 있어서의 보다 양호한 매칭을 갖게 할 수 있고, 주어진 주파수의 트랜스듀서를 위해 필요한 감도를 개선하는 데에 도움을 준다.

일반적으로, 초음파 트랜스듀서는 전체적 대역폭이 가능한 한 넓도록 설계하는 것이 바람직하다. 보다 넓은 대역폭을 달성하기 위한 한 가지 공지의 방안은 다중 두께를 갖도록 음향층을 가공하는 것을 포함한다. 압전 재료의 두께가 보다 두꺼운 영역은 보다 낮은 주파수 응답을 가질 것이며, 압전 재료의 두께가 보다 얇은 영역은 보다 높은 주파수 응답을 가질 것이다. 압전 재료를 상이한 주파수 응답을 갖게 가공하는 것은 초음파 트랜스듀서가 보다 큰 전체 대역폭을 갖게 할 것이다. 하지만, 납 지르코네이트 티타네이트(PZT) 등의 압전 재료는 초음파 트랜스듀서에서 요구되는 공차로 상이한 다중 두께를 갖게 제조하기는 어렵고 비용이 많이 든다.

따라서, 이러한 이유는 물론 기타 이유로, 개선된 대역폭을 갖는 개선된 초음파 트랜스듀서 및 초음파 영상 시스템이 필요하다.

본 기술의 실시예들은 일반적으로 초음파 트랜스듀서 및 이 초음파 트랜스듀서를 제조하는 방법에 관한 것이다.

하나의 실시예에서, 초음파 트랜스듀서는 복수의 트랜스듀서 소자를 포함한 음향층과, 이 음향층에 결합된 부정합층을 포함한다. 부정합층은 음향층의 음향 임피던스보다 큰 음향 임피던스를 갖는다. 부정합층은 초음파 트랜스듀서의 대역폭을 변경하도록 변하는 두께를 갖는다.

하나의 실시예에서, 초음파 영상 시스템은 초음파 신호를 송신 및 수신하는 초음파 트랜스듀서를 포함하며, 이 초음파 트랜스듀서는 복수의 트랜스듀서 소자를 포함한 음향층을 포함한다. 초음파 영상 시스템은 음향층에 결합된 부정합층을 포함한다. 부정합층은 음향층의 음향 임피던스보다 큰 음향 임피던스를 갖는다. 부정합층은 초음파 트랜스듀서의 대역폭을 변경하도록 변하는 두께를 갖는다.

도 1은 실시예에 따른 초음파 영상 시스템의 개략도이며;
도 2는 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 개략적 단면도이고;
도 3은 실시예에 따른 부정합층의 개략적 사시도이며;
도 4는 상이한 부정합층을 갖는 2개의 트랜스듀서의 실험 결과를 나타내는 도표이고;
도 5는 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 개략적 단면도이며;
도 6은 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 개략적 단면도이고;
도 7은 실시예에 따른 부정합층의 개략도이며;
도 8은 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 개략적 사시도이다.

이하의 상세한 설명에서, 그 일부를 이루는 첨부 도면을 참조하며, 이들 도면에서는 실시될 수 있는 예시적인 특정 실시예를 예로서 도시하고 있다. 이들 실시예는 당업자들이 그 실시예들을 실시할 수 있도록 충분히 상세하게 설명할 것이며, 기타 실시예가 이용될 수도 있고, 그 실시예들의 범위로부터 벗어나지 않고 논리적, 기계적, 전기적 및 기타 변형이 이루어질 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 이하의 상세한 설명은 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 간주되어서는 안 될 것이다.

본 기술의 실시예들은 일반적으로 개선된 대역폭을 갖는 초음파 트랜스듀서 및 초음파 영상 시스템에 관한 것이다. 도면에서, 동일한 요소들은 동일한 도면 부호로 나타낸다.

도 1은 실시예에 따른 초음파 영상 시스템(100)의 개략도이다. 초음파 영상 시스템(100)은 펄스형 초음파 신호를 신체(도시 생략) 내로 방사하도록 트랜스듀서(106) 내의 트랜스듀서 소자(104)를 구동하는 송신 비임 형성기(transmit beamformer)(101)와 송신기(102)를 포함한다. 트랜스듀서 소자는 초음파 신호의 송신 및 수신 모두를 행하도록 구성된다. 트랜스듀서(106)는 1D 트랜스듀서, 1.25D 트랜스듀서, 1.5D 트랜스듀서, 1.75D 트랜스두서, E4D 트랜스듀서, 또는 초음파 트랜스듀서의 임의의 기타 타입일 수 있다. 추가적으로, 트랜스듀서(106)는 실시예에 따라 리니어 트랜스듀서 또는 커브드 트랜스듀서(curved transducer)일 수 있다. 트랜스듀서(106)는 변하는 두께의 부정합층(107)을 포함한다. 부정합층(107)은 아래에서 보다 상세하게 설명할 것이다. 펄스형 초음파 신호는 혈액 세포 또는 근육 조직 등의 신체 내의 구조체로부터 후방 산란되어, 소자(104)로 되돌아오는 에코를 생성한다. 이들 에코는 소자(104)에 의해 전기 신호 또는 초음파 데이터로 전환되며, 그 전기 신호는 수신기(108)에 의해 수신된다. 수신된 에코를 나타내는 전기 신호는 초음파 데이터를 출력하는 수신 빔 형성기(receive beamformer)(110)를 통과한다. 몇몇 실시예에 따르면, 트랜스듀서(106)는 송신 및/또는 수신 빔 형성 모두를 또는 그 일부를 행하도록 전기 회로를 수용할 수 있다. 예를 들면, 송신 빔 형성기(101), 송신기(102), 수신기(108) 및 수신 빔 형성기(110)의 전부 또는 일부가 실시예에 따라 트랜스듀서(106) 내에 위치할 수도 있다. 본 개시에서, "스캔" 또는 "스캐닝"이란 용어가 초음파 신호의 송신 및 수신 프로세스를 통해 데이터를 취득하는 것을 지칭하는 데에 이용될 수도 있다. "데이터" 또는 "초음파 데이터"란 용어는 본 개시에서 초음파 영상 시스템에 의해 취득된 하나 또는 그 이상의 데이터 세트를 지칭하는 데에 이용될 수 있다. 사용자 인터페이스(115)가 환자의 데이터 입력 및/또는 스캐닝 또는 디스플레이 파라미터의 선택을 비롯한 초음파 영상 시스템(100)의 작동을 제어하는 데에 이용될 수 있다.

초음파 영상 시스템(100)은 또한 송신 빔 형성기(101), 송신기(102), 수신기(108) 및 수신 빔 형성기(110)를 제어하는 프로세서(116)를 포함한다. 이 프로세서는 송신 빔 형성기(101), 송신기(102), 수신기(108) 및 수신 빔 형성기(110)와 전자 통신한다. 프로세서(116)는 또한 트랜스듀서(106)와도 전자 통신한다. 프로세서(116)는 데이터를 취득하도록 트랜스듀서(106)를 제어할 수 있다. 프로세서(116)는 소자(104)들 중 어느 것을 활성화시킬 것인지와 트랜스듀서(106)로부터 방사되는 비임의 형상을 제어한다. 프로세서(116)는 디스플레이 장치(118)와도 전자 통신하며, 프로세서(116)는 데이터를 디스플레이 장치(118)에 디스플레이될 이미지로 처리할 수 있다. 본 개시를 위해, "전자 통신"이란 용어는 유선과 무선 연결 모두를 포함하는 것으로 정의할 수 있다. 프로세서(116)는 하나의 실시예에 따라 중앙 처리 장치(CPU)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 프로세서(116)는 디지털 신호 프로세서, 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA) 또는 그래픽 보드 등 처리 기능을 수행할 수 있는 다른 전자 컴포넌트를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 프로세서(116)는 처리 기능을 수행할 수 있는 복수의 전자 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예를 들면, 프로세서(116)는 중앙 처리 장치, 디지털 신호 프로세서, 필드 프로그래머블 데이터 어레이 및 그래픽 보드 중에서 선택된 2개 이상의 전자 컴포넌트를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 프로세서(116)는 또한 RF 데이터를 복조하고 원시 데이터를 생성하는 복소 복조기(도시 생략)를 또한 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 복조는 처리 체인에서 보다 일찍 수행될 수 있다. 프로세서(116)는 복수의 선택 가능한 초음파 기구(ultrasound modality)에 따라 데이터에 하나 이상의 처리 작업을 수행하도록 될 수 있다. 데이터는 에코 신호가 수신됨에 따른 스캐닝 세션 중에 실시간으로 처리된다. 본 개시를 위해, "실시간(real-time)"이란 용어는 어떠한 의도적 지연도 없이 수행되는 과정을 포함하는 것으로 정의한다. 예를 들면, 하나의 실시예에서는 7-20 frames/sec의 실시간 프레임 레이트로 데이터를 취득 및 디스플레이할 수 있다. 본 개시를 위해, "프레임 레이트(frame-rate)"란 용어는 초음파 데이터의 2D 또는 3D 프레임에 적용될 수 있다. 추가로, "볼륨 레이트(volume-rate)"란 용어는 4D 초음파 데이터에 적용될 때의 프레임 레이트를 지칭하는 데에 이용된다. 실시간 프레임 레이트는 데이터의 각 볼륨을 취득하는 데에 걸리는 시간의 길이에 의존할 수 있다는 점을 이해할 것이다. 볼륨 취득의 경우, 프레임 레이트는 데이터의 각 볼륨을 취득하는 데에 필요한 시간의 길이에 의존한다. 따라서, 비교적 큰 볼륨의 데이터를 취득하는 경우, 실시간 볼륨 레이트는 느려질 수 있다. 이와 같이, 몇몇 실시예에서는 20 volumes/sec보다 상당히 빠른 실시간 볼륨 레이트를 가질 수 있는 반면, 다른 실시예에서는 7 volumes/sec보다 느린 실시간 볼륨 레이트를 가질 수 있다. 데이터는 스캐닝 세션 중에 버퍼(도시 생략)에 일시적으로 저장되어, 실시간보다 느리게 라이브 또는 오프라인 작업으로 처리될 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시예는 처리 작업을 취급할 복수의 프로세서(도시 생략)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 프로세서는 RF 신호를 복조 및 십진화하는 데에 이용될 수 있는 반면, 제2 프로세서는 이미지를 표시하기 전에 데이터를 더욱 처리하는 데에 이용될 수도 있다. 다른 실시예에서는 프로세서의 다른 구성을 이용할 수 있다는 점을 이해할 것이다.

초음파 영상 시스템(100)은 예를 들면 10 ㎐ 내지 30 ㎐의 볼륨 레이트로 데이터를 연속적으로 취득할 수 있다. 데이터로부터 생성된 이미지는 유사한 속도로 재생될 수 있다. 다른 실시예는 상이한 속도로 데이터를 취득 및 표시할 수도 있다. 예를 들면, 몇몇 실시예에는 볼륨의 사이즈 및 의도한 용례에 따라 10 ㎐ 미만 또는 30 ㎐ 초과의 속도로 데이터를 취득할 수 있다. 취득한 데이터의 처리된 프레임을 저장하기 위한 메모리(120)를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 메모리(120)는 초음파 데이터의 적어도 수초에 상당하는 프레임을 저장하기 충분한 용량을 갖는다. 데이터의 프레임들은 취득 순서 또는 시간에 따라 그 검색을 용이하게 하도록 저장된다. 메모리(120)는 임의의 공지의 데이터 저장 매체를 포함할 수 있다.

선택적으로, 본 발명의 실시예들은 조영제를 이용하여 실시할 수도 있다. 조영 촬상(contrast imaging)은 마이크로기포를 포함한 초음파 조영제를 이용하는 경우에 신체 내의 해부학적 구조 및 혈액 흐름의 향상된 이미지를 생성한다. 조영제를 이용하면서 데이터를 취득한 후에, 이미지 분석은 조화 성분(harmonic component)과 선형 성분(linear component)을 분리시키며, 조화 성분을 증강시키며, 증강된 조화 성분을 이용하여 초음파 이미지를 생성하는 것을 포함한다. 수신된 신호로부터 조화 성분의 분리는 적절한 필터를 이용하여 수행된다. 초음파 촬상에 조영제의 이용은 당업자들에게 공지된 것으로, 보다 상세하게 설명하진 않을 것이다.

본 발명의 다양한 실시예에서, 데이터는 프로세서(116)에 의해 기타 또는 다른 모드 관련 모듈(예를 들면, B-모드, 칼라 도플러, M-모드, 칼라 M-모드, 분음 도플러(spectral Doppler), 탄성 영상(Elastography), TVI, 스트레인, 스트레인 레이트, 등)에 의해 처리되어, 2D 또는 3D 데이터를 형성할 수 있다. 예를 들면, 하나 이상의 모듈은 B-모드, 칼라 도플러, M-모드, 칼라 M-모드, 분음 도플러, 탄성 영상, TVI, 스트레인, 스트레인 레이트, 그 조합 등을 생성할 수 있다. 이미지 비임 및/또는 프레임은 메모리에 저장되고 데이터가 취득된 시간을 나타내는 타이밍 정보가 메모리에 기록될 수 있다. 모듈은 예를 들면 비임 공간 좌표로부터 이미지 프레임을 변환하여 공간 좌표를 표시하도록 하기 위해 스캔 변환 작업을 수행하도록 스캔 변환 모듈(scan conversion module)을 포함할 수 있다. 메모리로부터 이미지 프레임을 읽어 들여, 환자에게 소정 조치가 수행되고 있는 중에 실시간으로 그 이미지 프레임을 디스플레이되는 비디오 프로세서 모듈이 마련될 수 있다. 비디오 프로세서 모듈은 이미지 프레임을 이미지 메모리에 저장할 수 있고, 그로부터 이미지가 읽어 들여지고 디스플레이될 수 있다.

도 2는 하나의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(106)(도 1 참조)의 개략적 단면도이다. 트랜스듀서(106)는 복수의 트랜스듀서 소자를 포함할 수 있는 음향층(202)을 포함한다. 하나의 실시예에 따르면, 트랜스듀서 소자는 납 지르코네이트 티타네이트(PZT) 등의 압전 재료일 수 있다. 도 2에 도시한 실시예에 따르면, 음향 소자는 선형 어레이로 배열된다. 하지만, 다른 실시예에서는 트랜스듀서 소자들은 E4D 트랜스듀서에서와 같이 2D 어레이를 비롯한 다른 구성으로 배열될 수도 있다. 트랜스듀서(106)는 렌즈(204), 제1 정합층(206), 제2 정합층(208), 부정합층(210) 및 베이스(212)를 포함한다. 제1 정합층(206) 및 제2 정합층(208)은 음향층(202)과 렌즈(204) 사이에 배치된다. 제1 정합층(206)은 음향층(202) 및 제2 정합층(208)에 결합된다. 제2 정합층(208)은 제1 정합층(206) 및 렌즈(204)에 결합된다. 부정합층(210)은 정합층들 및 렌즈(204)와는 반대측에서 음향층(202)에 결합된다. 하나의 실시예에 따르면, 도 2에 도시한 컴포넌트들은 에폭시 또는 기타 접착제에 의해 서로 결합될 수 있다. 따라서, 도 2에 도시한 층들 사이에 에폭시 또는 기타 접착제의 매우 얇은 층이 존재할 수 있다.

하나의 실시예에 따르면, 음향층은 33.7 MRayl의 비교적 높은 음향 임피던스를 갖는 PZT일 수 있다. 그러나, 조직 내로 음향 에너지의 전달을 최대화하기 위해, 정합층(206, 208)은 렌즈(204)와 음향층(202) 사이에 배치된다. 정합층(206, 208)은 트랜스듀서(106)에서 상이한 음향 임피던스를 갖는 층들 간의 경계로부터 반사되는 음향 에너지의 양을 최소화하도록 선택된다. 정합층들 각각은 예를 들면 구리, 구리 합금, 흑연 패턴이 매립된 구리, 마그네슘, 마그네슘 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금 등의 금속; 충전 에폭시(filled epoxy); 유리 세라믹; 복합 세라믹 및/또는 마코르(macor)를 포함한다. 렌즈(204)는 초음파에 의해 촬상될 조직과는 다른 음속을 갖는 고무 또는 임의의 기타 재료일 수 있다. 렌즈(204)는 음향층(202)으로부터 방사된 초음파 비임을 정형(shaping) 및 집속하도록 되어 있다. 렌즈(204)를 형성하는 데에 이용되는 재료는 사람의 신체의 전기 임피던스와 거의 매칭되도록 선택될 수 있다. 정합층(206, 208)은 렌즈(204)와 음향층(201) 사이에 그 합산 거리 x를 제공하며, 여기서, 거리 x는 공진 주파수에서의 송신된 초음파의 원하는 파장의 약 1/4 내지 1/2이다.

부정합층(210)은 음향층(202)에 인접한 정면(220) 및 음향층(202)과는 반대측의 배면(222)을 포함한다. 정면(220)은 음향층(202)으로부터 균일한 거리의 표면을 획정한다. 정면(220)은 도 2에 도시한 실시예에 따른 평탄면을 획정한다. 그러나, 부정합층(210)은 배면(222)이 오목한 면을 획정하도록 형성된다. 도 2는 폭방향(214)을 따른 트랜스듀서(106)의 단면도이다. 폭방향(214)은 도 3과 관련하여 추가적으로 상세하게 설명할 것이다. 부정합층(210)의 두께는 도 2에 도시한 실시예에 따라 폭방향(214)으로 곡선을 따라 변한다.

도 3은 하나의 실시예에 따른 도 2의 부정합층(210)의 개략적 사시도이다. 부정합층(210)은 길이방향(224) 및 폭방향(214)을 포함한다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 부정합층(220)은 폭방향(214)보다 길이방향(224)에서 더 길다. 정면(220) 및 배면(222)도 역시 도 3에 도시되어 있다. 정면(220)은 평탄면을 획정한다. 부정합층(210)은 배면(222)이 오목한 면을 획정하도록 형성된다. 하나의 실시예에 따르면, 부정합층(210)은 폭방향(214)으로 일정한 단면을 갖는 형상을 갖는다. 부정합층(210)의 치수는 예시적인 실시예에 따라 설명할 것이다. 하나의 실시예에 따르면, 부정합층(210)은 음향층이 선형 어레이로서 구성된 트랜스듀서(106)(도 2 참조)의 일부이다. 선형 어레이의 소자들은 길이방향(224)을 따라 배열된다. 부정합층(220)은 음향층(202)(도 2 참조)에 비해 더 큰 음향 임피던스를 갖는 재료로 형성된다. 부정합층(202)은 예를 들면, 약 100 MRayl의 음향 임피던스를 갖는 텅스텐 카바이드로 이루어질 수 있다. 부정합층(202)은 음향층(202)보다 상당히 큰 음향 임피던스를 갖는 임의의 기타 재료로 이루어질 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 부정합층(202)은 분말을 대략적 형상으로 소결한 후 보다 정확한 치수를 갖는 최종 형상으로 기계 가공함으로써 얻어질 수 있다. 예를 들면, 부정합층(210)은 대체로 편평한 층으로 소결한 후에 기계 가공 단계에서 그 배면의 형상 및 치수가 최종적으로 얻어질 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 부정합층(210)은 길이방향(224)으로 28㎜, 폭방향(214)으로 15㎜일 수 있다. 부정합층(210)은 에지 두께(233)로 나타낸 바와 같이 그 에지에서의 두께가 0.31㎜일 수 있고, 중심 두께(225)로 나타낸 바와 같이 중심에서 0.15㎜일 수 있다. 중심선(226)은 도 3에 파선으로 도시되어 있다. 중심선(226)은 폭방향(214)에서의 부정합층(210)의 중간에 있다. 본 개시를 위해, "중심"이란 용어는 부정합층(210)의 중심선을 따른 위치들을 포함하는 것으로 정의할 것이다. 하나의 실시예에 따르면, 부정합층(210)은 배면(222)이 오목한 면을 획정하도록 형성된다. 도 3에 도시한 실시예의 오목면은 17.8㎝의 일정한 곡률 반경을 갖는다. 10 내지 50㎝의 곡률 반경을 갖는 오목면이 가장 일반적인 트랜스듀서 치수에 매우 적합할 것이다. 그러나, 다른 실시예는 상이한 곡률 반경을 갖는 오목면을 갖거나 및/또는 다른 형상으로 형성될 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 예를 들면, 기타 실시예는 가변적인 곡률 반경의 오목면을 갖는 부정합층을 포함할 수도 있다. 즉, 폭방향(214)에서 부정합층의 단면은 복수의 상이한 곡률 반경을 포함한 복합 곡선을 갖는 배면을 포함할 수도 있다.

도 4는 도 3에 도시한 부정합층을 갖는 트랜스듀서("형상 구비 부정합층을 갖는 트랜스듀서"로서 칭함)와 일정한 두께의 대조 부정합층을 갖는 트랜스듀서("대조 부정합층을 갖는 트랜스듀서"로서 칭함)를 비교한 실험 결과를 나타내는 도표(400)이다. 도 3에 도시한 부정합층의 치수는 이미 상세하게 설명하였다. 대조 부정합층은 동일한 길이와 폭을 갖지만, 그 두께는 일정하다. 보다 구체적으로, 대조 부정합층은 길이방향으로 28㎜, 폭방향으로 15㎜, 그리고 두께가 0.31㎜이다.

도 2, 도 3 및 도 4를 참조하면, 도표(400)는 대조 부정합층을 갖는 트랜스듀서로부터의 데이터와 형상 구비 부정합층을 갖는 트랜스듀서로부터의 데이터를 포함한다. 형상 구비 부정합층을 갖는 트랜스듀서는 도 2 및 도 3과 관련하여 설명한 트랜스듀서이다. 이는 선형 위상차 배열 트랜스듀서(linear phased array transducer)로서, 도 3과 관련하여 설명한 치수를 갖는 부정합층을 포함한다. 대조 부정합층을 갖는 트랜스듀서는, 그 부정합층이 0.31㎜의 일정한 두께를 갖는다는 점을 제외하면, 형상 구비 부정합층을 갖는 트랜스듀서와 동일하다.

트랜스듀서의 대역폭은 중심 주파수의 백분율로서 측정된다. 도표에서, FL6은 6㏈ 저주파수, FH6은 6㏈ 고주파수, FL20은 20㏈ 저주파수, FH20은 20㏈ 고주파수, PW6은 6㏈ 펄스폭, PW20은 20㏈ 펄스폭, 그리고 PW30은 30㏈ 펄스폭이다.

대조 부정합층을 갖는 트랜스듀서는 중심 주파수의 93.6%의 6㏈ 대역폭을 갖는 반면, 형상 구비 부정합층을 갖는 트랜스듀서는 중심 주파수의 112%의 6㏈ 대역폭을 갖는다. 따라서, 변하는 두께의 부정합층을 제외하면 어떠한 변경도 없는 경우, 18.4% 더 큰 대역폭을 갖는 트랜스듀서를 제조할 수 있다. 대조 부정합층을 갖는 트랜스듀서는 중심 주파수의 123%의 20㏈ 대역폭을 갖는 반면, 형상 구비 부정합층을 갖는 트랜스듀서는 중심 주파수의 137%의 대역폭을 갖는다. 따라서, 형상 구비 부정합층을 갖는 트랜스듀서는 20㏈ 대역폭에 대해 11%보다 큰 개선을 보인다. 변하는 두께의 부정합층을 제조하는 것이 트랜스듀서로부터 추가적인 대역폭을 얻기 위한 효과적인 방법이다. 압전 트랜스듀서의 어레이를 기계 가공하여 상이한 두께의 음향층을 생성하는 것보다 용이하면서 비용 효율적이다.

도 5는 하나의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(502)의 개략적 단면도이다. 동일한 도면 부호가 도 2 및 도 3과 관련하여 전술한 동일한 구성 요소를 나타내는 데에 이용된다. 트랜스듀서(502)는 부정합층(504) 및 베이스(506)를 포함한다. 부정합층(504)은 렌즈(204)에 면하는 정면(508) 및 렌즈(204)와는 반대측의 배면(510)을 형성하도록 형성된다. 도 5에 도시한 실시예에 따르면, 부정합층(504)은 정면(508)이 음향층(508)으로부터 균일한 거리의 표면을 획정하는 한편, 배면(510)은 오목한 면을 획정하도록 형성된다. 정면(508)은 음향층(202)이 편평하기 때문에, 도 5에 도시한 예시적인 실시예에 따라 평탄면을 획정한다. 음향층이 만곡 어레이 프루브에서와 같이 만곡되어 있는 다른 실시예에 따르면, 부정합층은 그 정면이 음향층의 곡률에 매칭되는 곡면을 획정하도록 형성될 수 있다. 음향층이 만곡되어 있는 실시예의 경우, 부정합층의 두께는 음향층에 대한 법선 방향으로 측정될 것이다. 부정합층(504)은 오목한 채널을 획정하도록 형성된다. 오목한 채널은 부정합층(504)이 중심 두께(514)로 나타낸 바와 같은 중심에서보다 에지 두께(512)로 나타낸 바와 같은 에지에서 보다 큰 두께를 갖기 때문에 형성된다. 중심 두께는 폭방향(214)에 있어서의 부정합층(504)의 중앙의 위치에서 얻어진다. 에지 두께는 부정합층에 있어서 폭방향(214)으로 중심으로부터 가장 먼 위치에서 얻어진다. 도 2와 관련하여 설명한 예와 마찬가지로, 트랜스듀서(502)는 폭방향(214)보다 큰 길이방향을 갖는다. 그 길이방향은 도 5에서는 보이지 않는다. 도 5에서와 같은 단면도로 볼 때에, 부정합층(504)은 균일한 두께를 갖는 제1 부분(516)을 포함한다. 부정합층(504)은 제1의 일정한 각도의 표면을 획정하는 제2 부분(518)과 제2의 일정한 각도의 표면을 획정하는 제3 부분(520)을 포함한다. 부정합층의 두께는 제1 부분(516)과 제2 부분(518) 모두에서 폭방향(214)을 따라 선형적인 방식으로 변한다. 도 5에 도시한 실시예는 단지 하나의 예시적인 실시 형태이다. 다른 실시예에 따르면, 그 표면들은 서로에 대해 다른 각도로 배치될 수도 있고, 다른 실시예는 다른 개수의 표면들을 포함할 수도 있다.

도 6은 하나의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(602)의 개략적 단면도이다. 동일한 도면 부호가 도 2, 도 3 및 도 5와 관련하여 전술한 동일한 구성 요소를 나타내는 데에 이용된다. 트랜스듀서(602)는 부정합층(604) 및 베이스(606)를 포함한다. 부정합층(604)은 렌즈(204)에 면하는 정면(608) 및 렌즈(204)와는 반대측의 배면(610)을 형성하도록 형성된다. 도 5에 도시한 실시예에 따르면, 부정합층(604)은 정면(608)이 평탄면을 획정하는 한편, 배면(610)은 복수의 표면을 획정하도록 형성된다. 부정합층(604)은 상이한 두께를 갖는 복수의 영역을 획정하도록 형성된다. 부정합층(604)은 제1 영역(611), 제2 영역(612), 제3 영역(614), 제4 영역(616) 및 제5 영역(618)을 획정한다. 도 6은 단면도이다. 이와 같이, 도 6에 나타낸 각각의 영역이 길이방향(도시 생략)으로 연장하는 2D 표면을 나타낸다는 점을 이해해야 할 것이다. 제1 영역(611)은 제1 천이 영역(621)에 의해 제2 영역(612)에 연결된다. 제3 영역(614)은 제2 천이 영역(620)에 의해 제1 영역(611)에 연결된다. 제4 영역(616)은 제3 천이 영역(624)에 의해 제2 영역(612)에 연결된다. 제5 영역(618)은 제4 천이 영역(622)에 의해 제3 영역(614)에 연결된다. 도 6은 트랜스듀서(602)의 단면도를 도시한다. 하나의 실시예에서, 부정합층(604)은 폭방향(214)에서의 단면이 일정할 수 있다. 따라서, 도 6에 도시한 각 영역은 2D 표면을 나타낼 수 있다. 부정합층(604)은 폭방향(214)으로 에지에서보다 중심에서 더 얇도록 형성된다. 중심에서의 두께는 중심 두께(626)로 나타내는 한편, 에지에서의 두께는 에지 두께(618, 630)로 나타낸다. 부정합층(604)은 중간 두께의 2개의 영역을 포함한다. 제2 영역(612) 및 제3 영역(614)은 두께(632, 634)로 각각 나타낸 두께를 갖는다. 도 6에 도시한 실시예에 따르면, 부정합층(604)의 두께는 계단 함수에 따라 변한다. 즉, 부정합층(6040의 두께는 폭방향(214)에 걸쳐 각 천이 영역에서 급격하게 바뀐다. 부정합층의 두께는 다른 실시예에 따르면 다른 계단 함수에 따라 변할 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 예를 들면, 다른 실시예는 균일한 두께를 갖는 별개의 단차부 또는 영역들의 개수의 다를 수도 있다.

도 7은 도 6에 도시한 부정합층(604)의 개략도이다. 도 7은 저면도로서, 제1 영역(611), 제2 영역(612), 제3 영역(614), 제4 영역(616) 및 제5 영역(618)이 각각 2D 영역 또는 표면인 것을 도시하고 있다. 천이 영역은 도 7에서는 보이지 않는다.

도 8은 하나의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(800)의 개략적 사시도이다. 초음파 트랜스듀서(800)는 음향층(802)을 포함한다. 음향층(802)은 2D 어레이로 배열된 복수의 트랜스듀서 소자를 포함한다. 트랜스듀서(800)는 폭방향(801)과 길이방향(803) 모두에서 풀 비임 스티어링(full beamsteering)이 가능한 E4D 트랜스듀서이다. 하나의 실시예에 따르면, 음향층(802)은 폭방향(801)과 길이방향(803) 모두에서 동일한 치수를 가질 수 있다. 트랜스듀서(800)는 음향 렌즈(804)를 포함한다. 트랜스듀서(800)는 음향 렌즈(802)에 부착된 제1 정합층(806)과, 제1 정합층(806) 및 렌즈(804)에 부착된 제2 정합층(808)을 포함한다. 트랜스듀서(800)는 음향층(802)에 부착된 부정합층(810)을 포함한다. 트랜스듀서(800)는 또한 부정합층(810)에 연결된 베이스(812)를 포함한다.

부정합층(812)은 폭방향(801)과 길이방향(803) 모두에서 두께가 변한다. 다시 말해, 부정합층(812)은 폭방향(801)을 따라 일정한 단면을 갖지 않는다. 부정합층(812)은 배면(814)이 오목한 면을 획정하도록 형성된다. 하나의 실시예에서, 오목면은 모든 방향에서 일정한 곡률 반경을 갖는 보올(bowl) 형상 오목 영역을 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 오목면의 곡률 반경은 그 방향에 기초하여 변할 수도 있다. 예를 들면, 부정합층(812)은 폭방향(801)으로 제1 곡률 반경을 획정하고 길이방향(803)으로 그와 상이한 제2 곡률 반경을 획정하도록 형성된다. 부정합층은 다른 실시예에 따르면 다른 방식으로 두께가 변할 수 있다. 예를 들면, 부정합층의 두께는 하나 이상의 방향에서는 곡선을 따라 변하고 하나 이상의 방향에서는 계단 함수에 따라 변할 수도 있다. 부정합층은 곡률 반경이 변하는 복합 곡선을 획정하도록 형성될 수 있고, 그 부정합층은 서로에 대해 상이한 각도로 배치된 복수의 표면을 포함하는 배면을 획정하도록 형성될 수도 있다. 이들 표면의 개수 및 배향은 실시예에 따라 달리할 수 있다. 하지만, 대부분의 실시예에서, 두께는 하나 이상의 에지 위치에서보다 중심 위치에서 보다 얇을 것이라는 점은 예상할 것이다. 추가로, 트랜스듀서 소자가 2D 어레이로 배열된 실시예의 경우, 폭방향(801)과 길이방향(803) 모두에서 동일한 방식으로 부정합층의 두께가 변화하게 하는 것이 바람직할 수 있다.

본 명세서에서 기술한 설명은 최상의 모드를 비롯한 발명을 개시함과 아울러, 임의의 장치 또는 시스템을 제조 및 사용하고 임의의 포함된 방법을 수행하는 것을 비롯하여 어떠한 당업자라도 본 발명을 실시할 수 있도록 하기 위해 일례들을 이용하고 있다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구항들에 의해서 정해지고, 당업자에게 일어나는 다른 예들을 포함할 수도 있다. 그러한 다른 예들은 그들 예가 청구항들의 문자 언어와 상이하지 않은 구조적인 요소를 갖는 경우, 또는 그들 예가 청구항들의 문자 언어와 별 차이가 없는 등가의 구조적인 요소를 포함하는 경우 청구항들의 범위 내가 되도록 의도된다.

Claims

초음파 트랜스듀서로서:
복수의 트랜스듀서 소자를 포함한 음향층(acoustic layer); 및
상기 음향층에 결합된 부정합층(dematching layer)
를 포함하며, 상기 부정합층은 상기 음향층의 음향 임피던스보다 큰 음향 임피던스를 가지며, 상기 부정합층은 상기 초음파 트랜스듀서의 대역폭을 변경하도록 변하는 두께를 갖는 것인 초음파 트랜스듀서.
제1항에 있어서, 상기 부정합층은 길이방향 및 폭방향을 갖는 형상을 포함하며, 상기 부정합층은 폭방향보다 길이방향에서 더 길며, 상기 두께는 폭방향을 따라 변하는 것인 초음파 트랜스듀서.
제2항에 있어서, 상기 부정합층의 두께는 폭방향에서 에지에서보다 중심에서 더 작은 것인 초음파 트랜스듀서.
제3항에 있어서, 상기 부정합층의 두께는 폭방향을 따라 계단 함수에 따라 변하는 것인 초음파 트랜스듀서.
제3항에 있어서, 상기 부정합층은 상기 음향층에 인접한 정면, 및 상기 음향층과는 반대측의 배면을 포함하며, 상기 정면을 상기 음향층으로부터 균일한 거리의 표면을 획정하는 것인 초음파 트랜스듀서.
제3항에 있어서, 상기 부정합층의 배면은 오목면을 획정하는 것인 초음파 트랜스듀서.
제6항에 있어서, 상기 부정합층의 배면은 폭방향에서 일정한 곡률 반경을 갖는 오목면을 획정하는 것인 초음파 트랜스듀서.
제7항에 있어서, 상기 일정한 곡률 반경은 10㎝ 내지 50㎝인 것인 초음파 트랜스듀서.
제1항에 있어서, 상기 부정합층은 길이방향 및 폭방향을 갖는 형상을 포함하며, 상기 부정합층은 길이방향과 폭방향에서 동일한 치수를 갖는 것인 초음파 트랜스듀서.
제9항에 있어서, 상기 부정합층의 배면은 폭방향에서 제1의 일정한 곡률 반경을 갖고 길이방향에서 제2의 일정한 곡률 반경을 갖는 오목면을 획정하는 것인 초음파 트랜스듀서.
초음파 영상 시스템으로서:
초음파 신호를 송신 및 수신하는 초음파 트랜스듀서
를 포함하며, 상기 초음파 트랜스듀서는,
복수의 트랜스듀서 소자를 포함한 음향층; 및
상기 음향층에 결합된 부정합층
를 포함하며, 상기 부정합층은 상기 음향층의 음향 임피던스보다 큰 음향 임피던스를 가지며, 상기 부정합층은 상기 초음파 트랜스듀서의 대역폭을 변경하도록 변하는 두께를 갖는 것인 초음파 영상 시스템.
제11항에 있어서, 상기 부정합층은 길이방향 및 폭방향을 갖는 형상을 포함하며, 상기 부정합층은 폭방향보다 길이방향에서 더 길며, 상기 두께는 폭방향을 따라 변하는 것인 초음파 영상 시스템.
제12항에 있어서, 상기 부정합층의 두께는 폭방향에서 에지에서보다 중심에서 더 작은 것인 초음파 영상 시스템.
제12항에 있어서, 상기 부정합층은 상기 음향층에 수직한 폭방향에 있어서의 균일한 단면을 포함하는 것인 초음파 영상 시스템.
제14항에 있어서, 상기 부정합층은 상기 음향층에 인접한 정면, 및 상기 음향층과는 반대측의 배면을 포함하며, 상기 정면을 상기 음향층으로부터 균일한 거리의 표면을 획정하는 것인 초음파 영상 시스템.
제15항에 있어서, 상기 부정합층은 길이방향으로 배향된 오목한 채널을 획정하도록 형성되는 것인 초음파 영상 시스템.
제16항에 있어서, 상기 부정합층의 두께는 폭방향으로 선형적으로 변하는 것인 초음파 영상 시스템.
제16항에 있어서, 상기 부정합층의 두께는 폭방향으로 곡선을 따라 변하는 것인 초음파 영상 시스템.
제17항에 있어서, 상기 부정합층의 두께는 제1 두께를 갖는 영역 및 상기 제1 두께보다 큰 제2 두께를 갖는 제2의 영역을 포함하는 것인 초음파 영상 시스템.
제16항에 있어서, 상기 부정합층은 균일한 두께를 갖는 부정합층과 비교하여 적어도 10%만큼 상기 초음파 트랜스듀서의 대역폭을 증가시키는 것인 초음파 영상 시스템.