KR20200128785A - 반투과형 광흡수물질과 단일 펄스 레이저를 이용한 듀얼 이미징 시스템 및 그 방법 - Google Patents

반투과형 광흡수물질과 단일 펄스 레이저를 이용한 듀얼 이미징 시스템 및 그 방법 Download PDF

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최원영
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 반투과형 광흡수물질과 단일 펄스 레이저를 이용하여 광음향 이미지(photoacoustic image)와 초음파 펄스에코 이미지(ultrasonic pulse-echo image)를 동시에 측정하는 듀얼 이미징 시스템 및 방법에 관한 것으로, 빛을 발생시키며, 단일 펄스신호를 생성하는 송출부, 반투과성 광흡수물질로 형성되어 상기 반투과성 광흡수물질에 도달한 상기 단일 펄스신호에 의해 송신신호를 발생시키는 광흡수물질층, 상기 광흡수물질층을 투과한 상기 빛 및 상기 송신신호가 수직입사된 대상체로부터 반사된 펄스에코 신호 및 상기 대상체에 의해 생성된 광음향 신호를 수신하는 수신부 및 상기 광음향 신호 및 상기 펄스에코 신호를 디지털 신호로 변환하여 광음향 이미지 및 초음파 펄스에코 이미지의 3차원 듀얼 이미징을 측정하는 측정부를 포함한다.

Description

반투과형 광흡수물질과 단일 펄스 레이저를 이용한 듀얼 이미징 시스템 및 그 방법{DUAL IMAGING SYSTEM AND METHOD USING SINGLE PULSED LASER AND SEMITRANSPARENT MATERIAL}
본 발명은 반투과형 광흡수물질과 단일 펄스 레이저를 이용한 듀얼 이미징 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반투과형 광흡수물질과 단일 펄스 레이저를 이용하여 광음향 이미지(photoacoustic image)와 초음파 펄스에코 이미지(ultrasonic pulse-echo image)를 동시에 측정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
광음향 효과에 의해 발생되는 음향신호에 대한 기술은 여러 구성의 시스템으로 발전되어 왔다. 또한, 초음파 이미징 방식은 송수신이 모두 가능한 초음파 트랜스듀서를 이용한 펄스에코 방식의 연구가 이루어져왔다. 이에 따라 기존에는 광음향 효과를 이용한 초음파 송신 기술은 일반적으로 광음향 이미징 방식과 초음파 이미징 방식이 분리된 것으로, 이에 대한 개념은 분리된 이미징 방식으로 사용되어 기술의 발전이 이루어져왔다.
가전, 자동차 및 토목, 건축 분야는 기술이 발전함으로 인해 얇은 판재를 가공해 경량화하여 제품을 생산하고 있다. 이에 따라 금속판을 금형가공하는 과정에서 특정 부분의 두께가 얇아지는 현상이 발생하여 제품의 품질을 저하시키는 요인이 발생되고 있다.
한국공개특허 제10-2013-0123761호의 종래 기술은 레이저 유도 초음파를 이용하여 영상을 생성 및 획득한다. 상기 종래 기술은 레이저 소스를 열탄성 물질층과 대상체에 나누어 방사하는 시스템으로 열탄성 물질층에서 생성되는 신호를 초음파 이미징의 송신신호로 이용하여 초음파 펄스에코 이미징을 하며, 대상체로 조사되는 빛으로 광음향 이미징을 수행한다.
다만, 종래 기술의 경우, 레이저 소스가 열탄성 물질층을 투과하는 시스템이 아니기 때문에 대상체에 수직입사가 되지 않는 문제를 내포한다. 대상체로 전달되어 생성되는 광음향 신호는 방사각에 민감하게 반응하는 특징을 가지고 있으므로, 대상체로 비스듬하게 조사되는 레이저로는 한정적인 신호만을 받아 이미징에 한계가 존재한다.
본 발명의 목적은 대상체로 신호를 수직입사하고, 대상체로 인해 발생되는 신호를 수직으로 수신하여 보다 정확한 광음향 이미지(photoacoustic image)와 초음파 펄스에코 이미지(ultrasonic pulse-echo image)를 측정하는 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 목적은 단일 펄스 레이저를 이용하여 동시에 광음향 이미지와 초음파 펄스에코 이미지를 구현하는 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 듀얼 이미징 시스템은 빛을 발생시키며, 단일 펄스신호를 생성하는 송출부, 반투과성 광흡수물질로 형성되어 상기 반투과성 광흡수물질에 도달한 상기 단일 펄스신호에 의해 송신신호를 발생시키는 광흡수물질층, 상기 광흡수물질층을 투과한 상기 빛 및 상기 송신신호가 수직입사된 대상체로부터 반사된 펄스에코 신호 및 상기 대상체에 의해 생성된 광음향 신호를 수신하는 수신부 및 상기 광음향 신호 및 상기 펄스에코 신호를 디지털 신호로 변환하여 광음향 이미지 및 초음파 펄스에코 이미지의 3차원 듀얼 이미징을 측정하는 측정부를 포함한다.
상기 광흡수물질층은 광흡수물질에 나노단위 입자들이 코팅되어 높은 광흡수율과 반투과성을 나타내는 열탄성층일 수 있다.
상기 광흡수물질층은 빛과 신호를 투과 및 흡수하는 반투과성 광흡수물질을 이용하여 빛의 세기를 감소하고, 상기 단일 펄스신호로부터 음향신호인 상기 송신신호를 발생시킬 수 있다.
상기 수신부는 상기 광흡수물질층을 투과하여 세기가 감소된 빛이 수직입사된 상기 대상체에 의해 생성된 상기 광음향 신호를 수신하는 광음향 신호 수신부 및 상기 광흡수물질층을 투과하여 생성된 상기 송신신호가 수직입사된 상기 대상체로부터 반사된 상기 펄스에코 신호를 수신하는 펄스에코 신호 수신부를 포함할 수 있다.
상기 광음향 신호 수신부는 상기 송출부에 의해 발생되어 상기 광흡수물질층을 투과하여 세기가 감소된 빛이 광음향 효과를 발생시키는 상기 대상체에 수직입사되어 생성된 상기 광음향 신호를 수신할 수 있다.
상기 펄스에코 신호 수신부는 상기 송출부에 의해 발생되어 상기 광흡수물질층을 투과하여 생성된 상기 송신신호가 광음향 효과를 발생시키지 않은 상기 대상체에 수직입사되어 반사된 상기 펄스에코 신호를 수신할 수 있다.
상기 수신부는 광음향 효과에 의해 발생되는 상기 광음향 신호를 우선 수신하고, 상기 광음향 신호에 비해 늦게 도달하는 상기 펄스에코 신호를 수신할 수 있다.
상기 수신부는 상기 대상체에 수직입사된 빛과 신호에 의해 반사 또는 생성되어 수직으로 입사되는 상기 광음향 신호 및 상기 펄스에코 신호를 수신할 수 있다.
상기 수신부는 말단의 양측에 위치하거나, 외곽을 둘러싸는 링 어레이 형태로 위치하며, 상기 광흡수물질층은 상기 말단의 중심부에 위치할 수 있다.
상기 측정부는 오실로스코프(oscilloscope)를 이용하여 상기 광음향 신호 및 상기 펄스에코 신호를 계측하며, 계측신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 광음향 이미지 및 상기 초음파 펄스에코 이미지로 구현할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 듀얼 이미징 방법은 빛을 발생시키며, 단일 펄스신호를 생성하는 단계, 반투과성 광흡수물질층에 도달한 상기 단일 펄스신호에 의해 송신신호를 발생시키는 단계, 상기 광흡수물질층을 투과한 상기 빛 및 상기 송신신호가 수직입사된 대상체로부터 반사된 펄스에코 신호 및 상기 대상체에 의해 생성된 광음향 신호를 수신하는 단계 및 상기 광음향 신호 및 상기 펄스에코 신호를 디지털 신호로 변환하여 광음향 이미지 및 초음파 펄스에코 이미지의 3차원 듀얼 이미징을 측정하는 단계를 포함한다.
상기 송신신호를 발생시키는 단계는 광흡수물질에 나노단위 입자들이 코팅되어 높은 광흡수율과 반투과성을 나타내는 열탄성층의 상기 광흡수물질층을 이용하여 빛의 세기를 감소하고, 상기 단일 펄스신호로부터 음향신호인 상기 송신신호를 발생시킬 수 있다.
상기 수신하는 단계는 상기 광흡수물질층을 투과하여 세기가 감소된 빛이 수직입사된 상기 대상체에 의해 생성된 상기 광음향 신호를 수신하는 단계 및 상기 광흡수물질층을 투과하여 생성된 상기 송신신호가 수직입사된 상기 대상체로부터 반사된 상기 펄스에코 신호를 수신하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 수신하는 단계는 광음향 효과에 의해 발생되는 상기 광음향 신호를 우선 수신하고, 상기 광음향 신호에 비해 늦게 도달하는 상기 펄스에코 신호를 수신할 수 있다.
상기 수신하는 단계는 상기 대상체에 수직입사된 빛과 신호에 의해 반사 또는 생성되어 수직으로 입사되는 상기 광음향 신호 및 상기 펄스에코 신호를 수신할 수 있다.
상기 3차원 듀얼 이미징을 측정하는 단계는 오실로스코프(oscilloscope)를 이용하여 상기 광음향 신호 및 상기 펄스에코 신호를 계측하며, 계측신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 광음향 이미지 및 상기 초음파 펄스에코 이미지로 구현할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 대상체로 신호를 수직입사하고, 대상체로 인해 발생되는 신호를 수직으로 수신하여 보다 정확한 광음향 이미지(photoacoustic image)와 초음파 펄스에코 이미지(ultrasonic pulse-echo image)를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 단일 펄스 레이저를 이용하여 동시에 광음향 이미지와 초음파 펄스에코 이미지를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 작업공정의 간소화와 검사 시간의 단축이 가능한 방법이므로, 수 mm 단위의 두께를 측정하고, 단시간에 제품을 검사하여 문제를 찾아낼 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면 파이프나 물탱크와 같은 침수에 의해 부식되기 쉬운 제품들의 수명이나 위험 정도를 파악하는 장치에 적용 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 이미징 시스템의 구성도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 이미징 시스템을 이용하여 광음향 이미지 및 초음파 펄스에코 이미지를 구현하는 예를 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하우징의 예를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광음향 신호 및 펄스에코 신호의 측정 그래프를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 이미징 방법의 동작 흐름도를 도시한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 시청자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명에서 제안하는 듀얼 이미징 시스템 및 방법은 단일 펄스 레이저를 이용하여 광음향 이미지(photoacoustic image)와 초음파 펄스에코 이미지(ultrasonic pulse-echo image)를 동시에 측정하는 것을 그 요지로 한다.
본 발명에 따르면, 빛을 발산시키는 장비와 음파를 탐지하는 기기, 그리고 파형 측정기기만으로 광음향 효과를 발생시키는 물질과 송신 초음파에 의해 반사되는 대상체의 구별이 가능하다. 따라서, 본 발명은 대상체의 광음향 효과에 의해 검출되는 신호뿐만 아니라 초음파의 음향 임피던스 차이에 의해 생성되는 신호를 동시에 획득이 가능하다.
또한, 송신신호로 사용되는 물질의 광 흡수 정도에 따라 투과되는 빛의 파워를 조절할 수 있으며, 이는 대상체에 따라 시스템의 신호 레벨을 변화시키는 방식으로도 사용 가능하다. 어레이(array) 형태의 초음파 측정기기를 사용하여 본 발명의 시스템을 설계하면, 단일 펄스의 빛으로 실시간으로 광음향 이미지와 초음파 펄스에코 이미지의 3차원 이미지 생성이 가능하다. 특히, 광음향 신호는 몸속의 혈관, 암세포, 종양 등을 구분하며, 초음파 반사신호는 조직과 내장 기관을 구분하기에 뛰어난 방식이다. 따라서, 이는 생물의학분야에 실시간 이미징 시스템으로 적합하다.
이하에서는, 도 1 내지 도 5를 참조하여 전술한 본 발명에 대해 보다 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 이미징 시스템의 구성도를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 이미징 시스템은 반투과형 광흡수물질과 단일 펄스 레이저를 이용하여 광음향 이미지(photoacoustic image)와 초음파 펄스에코 이미지(ultrasonic pulse-echo image)를 동시에 측정한다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 이미징 시스템(100)은 송출부(110), 광흡수물질층(120), 수신부(130) 및 측정부(140)를 포함한다.
송출부(110)는 빛을 발생시키며, 단일 펄스신호를 생성한다.
예를 들면, 송출부(110)는 빛을 발생시키는 가진원인 펄스 레이저일 수 있으며, 단일 펄스신호를 생성할 수 있다. 이 때, 레이저의 파장은 자외선(UV), 적외선(IR) 및 가시광선(380mm 내지 780mm) 범위를 포함할 수 있다.
광흡수물질층(120)은 반투과성 광흡수물질로 형성되어 반투과성 광흡수물질에 도달한 단일 펄스신호에 의해 송신신호를 발생시킨다.
광흡수물질층(120)은 일정량의 레이저가 투과되어 대상체로 전달되도록 하며, 광흡수율이 높고 얇은 층을 구현할 수 있는 높은 광흡수율을 가지는 카본 나노튜브(carbon nanotubes)와 같은 나노단위 입자들이 코팅되어 높은 광흡수율과 반투과성을 나타내는 열탄성층을 나타낸다.
예를 들면, 광흡수물질층(120)은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)과 같은 투명하여 열흡수율은 낮지만, 열탄성계수가 높은 물질을 혼합한 합성물로 형성될 수 있다.
광흡수물질층(120)은 빛과 신호를 투과 및 흡수하는 반투과성 광흡수물질을 이용하여 빛의 세기를 감소하고, 단일 펄스신호로부터 음향신호인 송신신호를 발생시킬 수 있다. 이에, 광흡수물질층(120)은 송신신호를 발생시키기 위한 광흡수물질로 광흡수율이 높은 물질을 사용하므로, 음향신호 레벨을 향상시킬 수 있다.
수신부(130)는 광흡수물질층(120)을 투과한 빛 및 송신신호가 수직입사된 대상체로부터 반사된 펄스에코 신호 및 대상체에 의해 생성된 광음향 신호를 수신한다. 수신부(130)는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 이미징 시스템(100)으로 수직 입사되는 펄스에코 신호 및 광음향 신호를 수신할 수 있다.
보다 구체적으로, 수신부(130)는 광흡수물질층(120)을 투과하여 세기가 감소된 빛이 수직입사된 대상체에 의해 생성된 광음향 신호를 수신하는 광음향 신호 수신부(미도시) 및 광흡수물질층(120)을 투과하여 생성된 송신신호가 수직입사된 대상체로부터 반사된 펄스에코 신호를 수신하는 펄스에코 신호 수신부(미도시)를 포함할 수 있다.
예를 들면, 송출부(110)로부터 발생된 빛은 광흡수물질층(120)을 투과하여 세기가 감소되며, 송출부(110)로부터 생성된 단일 펄스신호는 광흡수물질층(120)을 통해 초음파 펄스에코(pulse-echo) 방식에 사용되는 송신신호로 발생된다. 이에, 세기가 감소된 빛과 송신신호는 각기 광음향 효과를 발생시키는 물질 또는 광음향 효과를 발생시키지 않은 물질의 대상체에 수직입사되며, 수신부(130)는 대상체로부터 반사 또는 생성된 펄스에코 신호 및 광음향 신호를 수신할 수 있다.
상기 광음향 신호 수신부는 송출부(110)에 의해 발생되어 광흡수물질층(120)을 투과하여 세기가 감소된 빛이 광음향 효과를 발생시키는 대상체에 수직입사되어 생성된 광음향 신호를 수신할 수 있다. 또한, 상기 펄스에코 신호 수신부는 송출부(110)에 의해 발생되어 광흡수물질층(120)을 투과하여 생성된 송신신호가 광음향 효과를 발생시키지 않은 대상체에 수직입사되어 반사된 펄스에코 신호를 수신할 수 있다.
이 때, 수신부(130)는 광음향 효과에 의해 발생되는 광음향 신호를 우선 수신하고, 광음향 신호에 비해 늦게 도달하는 펄스에코 신호를 수신할 수 있다. 광음향 신호는 초음파 신호에 의해 반사되는 신호로 대상체의 음향임피던스 차이가 나는 경계면에서 발생되는 신호이다. 펄스에코 신호는 광음향 효과에 의해 발생되는 신호로 반사되는 초음파 신호에 비해 이른 시간에 발생되는 신호이다.
본 발명의 실시예에 따른 듀얼 이미징 시스템(100)은 하나의 하우징 내에 배치될 수 있으며, 광흡수물질층(120) 및 수신부(130)는 하우징의 말단에 위치할 수 있다. 일 예로, 하우징 단면에서, 수신부(130)는 말단의 양측에 위치할 수 있으며, 광흡수물질층(120)은 말단의 중심부에 위치할 수 있다. 다른 예로, 수신부(130)는 하우징 말단의 외곽을 둘러싸는 링 어레이 형태로 배치될 수 있으며, 광흡수물질층(120)은 링 어레이의 중심 부분에 위치할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 듀얼 이미징 시스템(100)의 수신부(130)는 3차원 이미징을 위해 2차원 배열로 구성될 수 있으며, 송출부(110)를 통한 1회의 레이저 펄스로 3차원 듀얼 이미징(광음향/초음파 펄스에코 이미지)이 가능한 것을 특징으로 한다.
측정부(140)는 광음향 신호 및 펄스에코 신호를 디지털 신호로 변환하여 광음향 이미지 및 초음파 펄스에코 이미지의 3차원 듀얼 이미징을 측정한다.
측정부(140)는 오실로스코프(oscilloscope)를 이용하여 광음향 신호 및 펄스에코 신호를 계측하며, 계측신호를 디지털 신호로 변환하여 광음향 이미지 및 초음파 펄스에코 이미지로 구현할 수 있다. 이 때, 광음향 이미지 및 초음파 펄스에코 이미지는 B 모드(brightness mode) 영상, D 모드(doppler mode) 영상, C 모드(colordoppler mode) 영상, 탄성영상, 3차원 영상일 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 이미징 시스템(100)은 광음향 이미지 및 초음파 펄스에코 이미지를 이용하여 대상체의 물질과 두께를 측정할 수 있다. 나아가, 본 발명은 혈관, 종양 및 암세포 촬영에 적합한 광음향 방식과 조직 및 기관을 구별하는 초음파 펄스에코 방식을 이용하여 생체 내 신호를 획득할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 이미징 시스템을 이용하여 광음향 이미지 및 초음파 펄스에코 이미지를 구현하는 예를 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 2(a)에서의 펄스 레이저의 송출부(210)는 빛을 발생시키는 가진원으로 단일 펄스신호를 생성한다.
도 2(b)에서의 광흡수물질층(220)은 광음향 효과에 의해 송신신호를 발생시키는 광흡수물질(221)에 높은 광흡수율을 나타내는 카본 나노튜브(carbon nanotubes)와 같은 나노단위 입자들을 코팅한 것으로, 반투과성을 나타내는 열탄성층이다. 이 때, 광흡수물질(221)은 송신신호를 발생시키기 위한 물질로, 광흡수율이 높은 물질을 사용하여 음향신호 레벨을 높인다.
도 2에 도시된 제1 대상체(231)는 대상체 중 광음향 효과를 발생시키는 물질이며, 제2 대상체(232)는 광음향 효과를 발생시키지 않거나 그 효과가 미미해 검출되지 않는 신호를 갖는 물질인 것으로 가정한다. 이에 따라서, 제2 대상체(232)는 광음향 이미지에는 촬영되지 않으며, 초음파 펄스 에코 방식으로 구현되는 이미지에만 나타날 수 있다.
도 2(a)의 송출부(210)에서 송출된 빛은 광흡수물질층(220)을 투과하여 세기가 감소하며, 세기가 감소된 빛(211)은 제1 대상체(231)의 광음향 효과에 의해 생성되는 음향신호를 위해 사용된다. 또한, 송출부(210)에서 생성된 단일 펄스신호는 광흡수물질층(220)을 통과하여 송신신호(212)로 발생되며, 송신신호(212)는 광흡수물질층(220)에 의해 발생되는 초음파 신호로 초음파 펄스에코 이미지를 위한 신호로 사용된다.
세기가 감소된 빛(211)으로 인해 제1 대상체(231)의 광음향 효과에 의해 광음향 신호(240)가 발생되며, 광음향 신호(240)는 수신부(260)를 통해 수집된다. 광음향 신호(240)는 광음향 효과에 의해 발생되는 신호로, 반사되는 초음파 신호에 비해 이른 시간에 출발하여 펄스에코 신호(250)에 비해 수신부(260)에 먼저 도달한다.
이후에, 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 송신신호(212)가 제1 대상체(231) 및 제2 대상체(232)를 지나 펄스에코 신호(250)를 발생시키는 시점(213)에 도달하는 경우, 제1 대상체(231) 및 제2 대상체(232)로부터 펄스에코 신호(250)가 반사된다. 펄스에코 신호(250)는 초음파 신호에 의해 반사되는 신호로 대상체의 음향임피던스 차이가 나는 경계면에서 발생되는 신호이다.
수신부(260)는 광음향 신호(240) 및 펄스에코 신호(250)를 수신하는 장치로 광흡수물질층(220) 주변에 배치된다. 예를 들어, 수신부(260)는 kHz 단위인 저주파 탐지기기부터 MHz 단위인 고주파 탐지기기일 수 있다.
계측부(270)는 신호를 계측하는 장치로 오실로스코프가 사용된다. 예를 들면, 계측부(270)는 레이저 조사 시점을 트리거(trig)하여 초음파 트랜스듀서에 의해 수신되는 응답 파형을 측정한다.
계측부(270)는 수신부(260)를 통해 수신된 광음향 신호(240) 및 펄스에코 신호(250)를 계측하며, 측정부(280)는 계측신호를 디지털 신호로 변환하여 광음향 이미지 및 초음파 펄스에코 이미지의 3차원 듀얼 이미징을 구현한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 하우징의 예를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 이미징 시스템은 이미징 측정 기기의 하우징(300) 내에 포함될 수 있으며, 하우징(300)의 말단에는 도 3에 도시된 바와 같이 수신부(260) 및 광흡수물질층(220)이 형성될 수 있다.
예를 들면, 수신부(260)는 하우징 말단의 외곽을 둘러싸는 링 어레이 형태로 배치될 수 있으며, 광흡수물질층(220)은 링 어레이의 중심 부분에 위치할 수 있다. 광흡수물질층(220)은 흡수 및 투과하는 층으로, 나노단위 입자들이 코팅된 것일 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 수신부(260)가 하우징 말단의 면적을 차지하는 비율이 적고, 광흡수물질층(220)이 수신부(260)에 비해 비교적 넓은 면적을 형성하므로, 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 이미징 시스템은 광흡수물질층(220)을 이용하여 빛을 송출하기 용이하며, 대상체로 레이저를 수직 입사시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 듀얼 이미징 시스템은 투명한 재질의 초음파 신호 검출기기와 같은 하우징(300)을 사용할 경우, 이 기기를 광음향 물질로 코팅 혹은 혼합하여 사용하는 방식을 사용하여 반투과 기기로 사용할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광음향 신호 및 펄스에코 신호의 측정 그래프를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, T1은 광음향 효과를 발생시키는 물질에 의해 생성된 초음파 신호인 광음향 신호이며, T2는 펄스에코(pulse-echo) 방식에 의해 발생된 반사 신호인 펄스에코 신호이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명은 광속이 음향신호에 비해 매우 빠르다는 점에서 착안된 방식으로, 음향신호의 생성지점이 다르기 때문에 대상체의 광음향 효과에 의해 발생된 광음향 신호(T1)와 광음향 효과를 발생시키는 물질 및 광음향 효과를 발생시키지 않는 물질에서 발생되는 초음파 신호가 대상체에 반사되어 수집된 펄스에코 신호(T2) 사이에 시간 간격이 발생하게 된다.
이는 이미지 재구성(image reconstruction)에 의해 두가지 신호를 분리하여 이미징이 가능하기 때문에 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 이미징 시스템은 하나의 단일 펄스 레이저를 이용하여 초음파 펄스에코 방식과 광음향 방식에 대한 이미지 생성이 가능하다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 이미징 방법의 동작 흐름도를 도시한 것이다.
도 5의 방법은 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 듀얼 이미징 시스템에 의해 수행된다.
도 5를 참조하면, 단계 510에서, 빛을 발생시키며, 단일 펄스신호를 생성한다. 예를 들면, 단계 510은 빛을 발생시키는 가진원인 펄스 레이저를 사용하여 단일 펄스신호를 생성할 수 있다.
단계 520에서, 반투과성 광흡수물질층에 도달한 단일 펄스신호에 의해 송신신호를 발생시킨다.
단계 520은 광흡수물질에 나노단위 입자들이 코팅되어 높은 광흡수율과 반투과성을 나타내는 열탄성층의 광흡수물질층을 이용하여 빛의 세기를 감소하고, 단일 펄스신호로부터 음향신호인 송신신호를 발생시킬 수 있다.
여기서, 광흡수물질층은 일정량의 레이저가 투과되어 대상체로 전달되도록 하며, 광흡수율이 높고 얇은 층을 구현할 수 있는 높은 광흡수율을 가지는 카본 나노튜브(carbon nanotubes)와 같은 나노단위 입자들이 코팅되어 높은 광흡수율과 반투과성을 나타내는 열탄성층을 나타낸다. 예를 들면, 광흡수물질층은 폴리디메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)과 같은 투명하여 열흡수율은 낮지만, 열탄성계수가 높은 물질을 혼합한 합성물로 형성될 수 있다.
광흡수물질층은 빛과 신호를 투과 및 흡수하는 반투과성 광흡수물질을 이용하여 빛의 세기를 감소하고, 단일 펄스신호로부터 음향신호인 송신신호를 발생시킬 수 있다. 이에, 광흡수물질층은 송신신호를 발생시키기 위한 광흡수물질로 광흡수율이 높은 물질을 사용하므로, 음향신호 레벨을 향상시킬 수 있다.
단계 530에서, 광흡수물질층을 투과한 빛 및 송신신호가 수직입사된 대상체로부터 반사된 펄스에코 신호 및 대상체에 의해 생성된 광음향 신호를 수신한다.
단계 530은 광흡수물질층을 투과하여 세기가 감소된 빛이 수직입사된 대상체에 의해 생성된 광음향 신호를 수신하는 단계(미도시) 및 광흡수물질층을 투과하여 생성된 송신신호가 수직입사된 대상체로부터 반사된 펄스에코 신호를 수신하는 단계(미도시)를 포함할 수 있다.
단계 530은 대상체에 수직입사된 빛과 신호에 의해 반사 또는 생성되어 수직으로 입사되는 광음향 신호 및 펄스에코 신호를 수신할 수 있다. 예를 들면, 단계 510으로부터 발생된 빛은 광흡수물질층을 투과하여 세기가 감소되며, 단계 510으로부터 생성된 단일 펄스신호는 광흡수물질층을 통해 초음파 펄스에코(pulse-echo)방식에 사용되는 송신신호로 발생된다. 이에, 세기가 감소된 빛과 송신신호는 각기 광음향 효과를 발생시키는 물질 또는 광음향 효과를 발생시키지 않은 물질의 대상체에 수직입사되며, 단계 530은 대상체로부터 반사 또는 생성된 펄스에코 신호 및 광음향 신호를 수신할 수 있다.
단계 530은 광음향 효과에 의해 발생되는 광음향 신호를 우선 수신하고, 광음향 신호에 비해 늦게 도달하는 펄스에코 신호를 수신할 수 있다. 광음향 신호는 초음파 신호에 의해 반사되는 신호로 대상체의 음향임피던스 차이가 나는 경계면에서 발생되는 신호이다. 또한, 펄스에코 신호는 광음향 효과에 의해 발생되는 신호로 반사되는 초음파 신호에 비해 이른 시간에 발생되는 신호이다.
단계 540에서, 광음향 신호 및 펄스에코 신호를 디지털 신호로 변환하여 광음향 이미지 및 초음파 펄스에코 이미지의 3차원 듀얼 이미징을 측정한다.
단계 540은 오실로스코프(oscilloscope)를 이용하여 광음향 신호 및 펄스에코 신호를 계측하며, 계측신호를 디지털 신호로 변환하여 광음향 이미지 및 초음파 펄스에코 이미지로 구현할 수 있다. 이 때, 광음향 이미지 및 초음파 펄스에코 이미지는 B 모드(brightness mode) 영상, D 모드(doppler mode) 영상, C 모드(colordoppler mode) 영상, 탄성영상, 3차원 영상일 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 어플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (16)

  1. 빛을 발생시키며, 단일 펄스신호를 생성하는 송출부;
    반투과성 광흡수물질로 형성되어 상기 반투과성 광흡수물질에 도달한 상기 단일 펄스신호에 의해 송신신호를 발생시키는 광흡수물질층;
    상기 광흡수물질층을 투과한 상기 빛 및 상기 송신신호가 수직입사된 대상체로부터 반사된 펄스에코 신호 및 상기 대상체에 의해 생성된 광음향 신호를 수신하는 수신부; 및
    상기 광음향 신호 및 상기 펄스에코 신호를 디지털 신호로 변환하여 광음향 이미지 및 초음파 펄스에코 이미지의 3차원 듀얼 이미징을 측정하는 측정부
    를 포함하는 듀얼 이미징 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광흡수물질층은
    광흡수물질에 나노단위 입자들이 코팅되어 높은 광흡수율과 반투과성을 나타내는 열탄성층인 것을 특징으로 하는, 듀얼 이미징 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광흡수물질층은
    빛과 신호를 투과 및 흡수하는 반투과성 광흡수물질을 이용하여 빛의 세기를 감소하고, 상기 단일 펄스신호로부터 음향신호인 상기 송신신호를 발생시키는, 듀얼 이미징 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수신부는
    상기 광흡수물질층을 투과하여 세기가 감소된 빛이 수직입사된 상기 대상체에 의해 생성된 상기 광음향 신호를 수신하는 광음향 신호 수신부; 및
    상기 광흡수물질층을 투과하여 생성된 상기 송신신호가 수직입사된 상기 대상체로부터 반사된 상기 펄스에코 신호를 수신하는 펄스에코 신호 수신부
    를 포함하는, 듀얼 이미징 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광음향 신호 수신부는
    상기 송출부에 의해 발생되어 상기 광흡수물질층을 투과하여 세기가 감소된 빛이 광음향 효과를 발생시키는 상기 대상체에 수직입사되어 생성된 상기 광음향 신호를 수신하는, 듀얼 이미징 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 펄스에코 신호 수신부는
    상기 송출부에 의해 발생되어 상기 광흡수물질층을 투과하여 생성된 상기 송신신호가 광음향 효과를 발생시키지 않은 상기 대상체에 수직입사되어 반사된 상기 펄스에코 신호를 수신하는, 듀얼 이미징 시스템.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 수신부는
    광음향 효과에 의해 발생되는 상기 광음향 신호를 우선 수신하고, 상기 광음향 신호에 비해 늦게 도달하는 상기 펄스에코 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는, 듀얼 이미징 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 수신부는
    상기 대상체에 수직입사된 빛과 신호에 의해 반사 또는 생성되어 수직으로 입사되는 상기 광음향 신호 및 상기 펄스에코 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는, 듀얼 이미징 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 수신부는
    말단의 양측에 위치하거나, 외곽을 둘러싸는 링 어레이 형태로 위치하며,
    상기 광흡수물질층은
    상기 말단의 중심부에 위치하는 것을 특징으로 하는, 듀얼 이미징 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 측정부는
    오실로스코프(oscilloscope)를 이용하여 상기 광음향 신호 및 상기 펄스에코 신호를 계측하며, 계측신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 광음향 이미지 및 상기 초음파 펄스에코 이미지로 구현하는, 듀얼 이미징 시스템.
  11. 빛을 발생시키며, 단일 펄스신호를 생성하는 단계;
    반투과성 광흡수물질층에 도달한 상기 단일 펄스신호에 의해 송신신호를 발생시키는 단계;
    상기 광흡수물질층을 투과한 상기 빛 및 상기 송신신호가 수직입사된 대상체로부터 반사된 펄스에코 신호 및 상기 대상체에 의해 생성된 광음향 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 광음향 신호 및 상기 펄스에코 신호를 디지털 신호로 변환하여 광음향 이미지 및 초음파 펄스에코 이미지의 3차원 듀얼 이미징을 측정하는 단계
    를 포함하는 듀얼 이미징 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 송신신호를 발생시키는 단계는
    광흡수물질에 나노단위 입자들이 코팅되어 높은 광흡수율과 반투과성을 나타내는 열탄성층의 상기 광흡수물질층을 이용하여 빛의 세기를 감소하고, 상기 단일 펄스신호로부터 음향신호인 상기 송신신호를 발생시키는, 듀얼 이미징 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 수신하는 단계는
    상기 광흡수물질층을 투과하여 세기가 감소된 빛이 수직입사된 상기 대상체에 의해 생성된 상기 광음향 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 광흡수물질층을 투과하여 생성된 상기 송신신호가 수직입사된 상기 대상체로부터 반사된 상기 펄스에코 신호를 수신하는 단계
    를 포함하는, 듀얼 이미징 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 수신하는 단계는
    광음향 효과에 의해 발생되는 상기 광음향 신호를 우선 수신하고, 상기 광음향 신호에 비해 늦게 도달하는 상기 펄스에코 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는, 듀얼 이미징 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 수신하는 단계는
    상기 대상체에 수직입사된 빛과 신호에 의해 반사 또는 생성되어 수직으로 입사되는 상기 광음향 신호 및 상기 펄스에코 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는, 듀얼 이미징 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 3차원 듀얼 이미징을 측정하는 단계는
    오실로스코프(oscilloscope)를 이용하여 상기 광음향 신호 및 상기 펄스에코 신호를 계측하며, 계측신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 광음향 이미지 및 상기 초음파 펄스에코 이미지로 구현하는, 듀얼 이미징 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20220029003A (ko) * 2020-09-01 2022-03-08 포항공과대학교 산학협력단 투명 초음파 센서 기반 초음파 광학 복합 이미징 시스템

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