KR20230028657A - 안질환 정밀 진단을 위한 초음파 변환자 및 이를 이용한 초음파 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안질환 정밀 진단을 위한 초음파 변환자 및 이를 이용한 초음파 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 안구 모양에 대응하는 오목한 곡면형 구조로 형성되어 전방의 제1 초점 위치에 초음파를 집속시키는 제1 압전소자, 및 상기 제1 압전소자를 중심으로 주변부에 결합되되 상기 제1 압전소자보다 낮은 곡률의 오목한 곡면형 구조로 형성되며 상기 제1 초점 위치보다 먼 제2 초점 위치에 초음파를 집속시켜서 초점 심도를 확장시키는 적어도 하나의 제2 압전소자를 포함하며, 상기 제1 압전소자와 제2 압전소자는 서로 다른 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수에서 동작하도록 설계된 안질환 정밀 진단을 위한 초음파 변환자를 제공한다.
본 발명에 따르면, 다중 커브 구조를 기반으로 초음파 에너지를 최대한 크게 유지할 수 있는 초점심도의 길이를 크게 확장할 수 있으며, 다중 주파수를 사용하여 초점심도의 측방향 넓이를 균일하게 유지하면서 원거리 초점심도의 에너지 손실을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

Description

안질환 정밀 진단을 위한 초음파 변환자 및 이를 이용한 초음파 시스템{Ultrasound transducer for precise diagnosis of ophthalmic disease and ultrasound system using the same}

본 발명은 안질환 정밀 진단을 위한 초음파 변환자 및 이를 이용한 영상 획득 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안구에 조사된 초음파 에너지의 강도는 최대로 유지하면서 축방향 초점 심도를 기존보다 크게 확장시켜 보다 정밀한 초음파 진단 및 치료가 가능하게 하는 초음파 변환자 및 이를 이용한 영상 획득 시스템에 관한 것이다.

현재 녹내장 및 백내장으로 대표되는 안질환 환자가 꾸준히 증가함에 따라 정확한 안질환 진단을 통해 적절한 치료를 제때 받도록 해주는 의료 기술의 필요성이 크게 증가하고 있다.

녹내장 진단을 위해 물리적으로 안구와 탐침이 접촉하거나 빛과 압축 공기를 이용해서 비접촉식으로 안압을 측정하는 기존 안압 측정 의료기기들은 환자에게 통증 및 긴장감 유발 같은 큰 불편함을 초래하거나 정확도가 낮은 경우가 많아 새로운 에너지원을 이용한 안압 측정 기술의 개발이 요구되고 있다.

또한, 현재 백내장 진단은 특수 약물(산동제)을 눈 안에 넣고 동공을 확장 시킨 뒤 현미경(세극등현미경)을 사용해서 관찰하는 방법을 주로 사용하고 있으며, 진단 과정에 수 시간이 소요되고, 해당 약물로 인해 진단을 받는 동안과 진단 후 수 일 동안 환자에게 많은 긴장감과 불편함을 초래하고 있기에 역시 새로운 에너지원을 이용한 백내장 진단 기술의 개발이 요구되고 있다.

초음파를 이용한 녹내장 및 백내장 같은 안질환 진단은 상기 문제점들을 해결 할 수 있는 방법으로 그 가능성이 크게 주목 받고 있으나, 기존 초음파 변환자를 안질환용으로 사용하기에는 해결해야 할 문제점이 있다.

일반적으로 초음파 영상의 화질 및 치료 효과를 좌우하는 초음파 강도는 초점심도(depth of focus, DOF) 내에서 가장 크기 때문에 초점심도의 측방향 넓이를 최대한 일정하게 유지하면서 길이를 가능한 최대로 확장하는 것이 매우 중요하다.

그러나 기존 초음파 변환자를 안질환용으로 사용하기 위해서는 초음파의 주파수를 크게 증가시켜야 하기 때문에 초점심도의 길이를 확장하는데 한계가 있다. 이에 기존 초음파 변환자 대비 초점심도를 크게 향상시킬 수 있는 기술이 요구된다.

본 발명의 배경이 되는 기술은 한국공개특허 제10-2021-0061501호(2021.05.28 공개)에 개시되어 있다.

본 발명은 초음파 신호의 주파수 및 구경 커브를 제어하여 안구에 조사된 초음파 에너지의 강도가 최대로 유지될 수 있는 영역인 초점심도의 길이를 확대하는 동시에 초점심도의 측방향 빔폭을 일정하게 유지할 수 있는 안질환 정밀 진단을 위한 초음파 변환자 및 이를 이용한 영상 획득 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은, 안구 모양에 대응하는 오목한 곡면형 구조로 형성되어 전방의 제1 초점 위치에 초음파를 집속시키는 제1 압전소자, 및 상기 제1 압전소자를 중심으로 주변부에 결합되되 상기 제1 압전소자보다 낮은 곡률의 오목한 곡면형 구조로 형성되며 상기 제1 초점 위치보다 먼 제2 초점 위치에 초음파를 집속시켜서 초점 심도를 확장시키는 적어도 하나의 제2 압전소자를 포함하며, 상기 제1 압전소자와 제2 압전소자는 서로 다른 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수에서 동작하도록 설계된 안질환 정밀 진단을 위한 초음파 변환자를 제공한다.

또한, 상기 제1 압전소자 및 제2 압전소자는, 서로 다른 중심 주파수가 혼합된 형태의 다중 중심 주파수를 갖는 입력 신호가 동시에 입력되고, 입력된 신호에서 자신의 공진 주파수에 해당하는 초음파 신호를 선별하여 송수신할 수 있다.

또한, 상기 제2 공진 주파수는 상기 제1 공진 주파수보다 낮을 수 있다.

또한, 상기 제1 및 제2 압전소자 각각은 단일 소자 또는 배열 소자 타입으로 구현될 수 있다.

또한, 상기 제2 압전소자는 상기 제1 압전소자와 동일한 소재 또는 상이한 소재로 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1 및 제2 압전소자는 서로 동일한 소재로 형성되되, 상기 제2 압전소자가 상기 제1 압전소자보다 두꺼운 두께를 가질 수 있다.

또한, 상기 제1 및 제2 압전소자 각각은, 단일 소재에 의한 벌크(bulk) 타입 또는 복합 소재에 의한 복합체(composite) 형태로 구현될 수 있다.

또한, 상기 제1 및 제2 압전소자 각각은, 서로 반대의 분극 방향을 가진 역전층 소자와 비역전층 소자가 초음파 신호의 진행 방향에 따라 전후 접합되어 역전층과 비역전층의 비율 조절 및 음향 임피던스 조절이 가능한 분극 역전 구조를 가지며, 분극 역전 구조에 따라 각각의 압전소자에 다중 공진 주파수가 발생할 수 있다.

또한, 상기 제1 압전소자 및 제2 압전소자는, 서로 다른 곡률에 대응하는 개별 곡면을 갖는 제1 커브 구조물 및 제2 커브 구조물 위에서 각각 프레싱 작업을 통하여 오목한 모양으로 제작된 후 서로 결합되거나, 서로 다른 곡률의 곡면이 다중 형성된 다중 커브 구조물 위에서 프레싱 작업을 통하여 한 번에 제작될 수 있다.

또한, 상기 제1 압전소자 및 제2 압전소자의 전단에는 서로 다른 곡률을 갖는 렌즈가 각각 부착될 수 있다.

또한, 상기 초음파 변환자는, 초음파 변환자의 오목한 내측과 안구 사이에 착탈 가능하게 밀착되는 일회용의 젤 타입의 소프트젤 팩(pack)을 더 포함할 수 있다.

그리고, 본 발명은, 오목한 곡면형 구조로 형성되고 제1 초점 위치에 초음파를 집속시키는 제1 압전소자와, 상기 제1 압전소자를 중심으로 주변부에 결합되되 상기 제1 압전소자보다 낮은 곡률의 오목한 곡면형 구조로 형성되며 상기 제1 초점 위치보다 먼 제2 초점 위치에 초음파를 집속시켜서 초점 심도를 확장시키는 적어도 하나의 제2 압전소자를 포함한 초음파 변환자와, 서로 다른 중심 주파수가 혼합된 형태의 다중 중심 주파수를 갖는 입력 신호를 상기 제1 및 제2 압전소자에 동시에 인가하거나 상기 제1 및 제2 압전소자 중 어느 하나에 선택적으로 인가하는 신호 발생기, 및 상기 초음파 변환기에 수신된 초음파 수신 신호를 분석하여 영상화하는 신호 처리기를 포함하며, 상기 제1 압전소자와 제2 압전소자는 서로 다른 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수에서 동작하도록 설계된 안질환 정밀 진단을 위한 초음파 시스템을 제공한다.

또한, 상기 초음파 시스템은, 상기 영상화된 데이터를 출력하여 제공하는 디스플레이를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 다중 커브 구조를 기반으로 초음파 에너지를 최대한 크게 유지할 수 있는 초점심도의 길이를 크게 확장할 수 있으며, 다중 주파수를 사용하여 초점심도의 측방향 넓이를 균일하게 유지하면서 원거리 초점심도의 에너지 손실을 최소화할 수 있는 장점이 있다.

따라서, 초음파 진단시에는 초음파 영상의 깊이에 따른 해상도가 최대한 유지될 수 있고, 치료시에는 한번의 초음파 조사로 괴사되는 영역이 증가되어 초음파 치료시간을 크게 단축시킬 수 있다.

아울러, 제안된 초음파 변환자를 눈을 감은 상태에서 사용할 경우 일회용 초음파 젤 팩을 초음파 변환자의 다중 커브에 함께 밀착시켜 사용함으로써 초음파 에너지가 손실되는 것을 줄이고 측정 효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 안질환 정밀 진단을 위한 초음파 변환자의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1과 비교를 위하여 단일 압전 소자를 이용한 단일 커브의 초음파 변환자를 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 각각 도 1 및 도 2에 도시된 초음파 변환자의 유한요소해석 기반 시뮬레이션 결과를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 분극 역전 구조의 초음파 변환자의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조 가능한 초음파 변환자의 다양한 형태를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 변환자에 젤 형태의 팩을 적용한 모습을 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 변환자의 제작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 변환자를 포함한 초음파 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명은 백내장 및 녹내장과 같은 다양한 안질환(ophthalmic disease)을 정밀하게 진단하거나 치료하는데 있어, 초음파 에너지의 강도를 최대로 유지하면서 축방향 초점 심도를 기존보다 크게 확장시켜 보다 정밀한 초음파 진단 및 치료가 가능하게 하는 초음파 변환자 및 이를 이용한 영상 획득 시스템을 제공한다.

일반적으로 초음파 변환자의 초점 심도는 진단용 초음파 영상에서는 신호대잡음비(signal to noise ratio) 및 대조도(contrast ratio)를 최대로 유지하는 역할을 하고, 치료용 초음파에서는 한번 초음파 송신시 치료되는 영역의 넓이를 결정하며, 응용분야에 따라 다르지만 일반적으로 최대 에너지를 기준으로 -3dB 혹은 -6dB에 해당하는 영역으로 정의된다. 또한 초점 심도는 F-값(F-number = 초점거리/구경크기)의 제곱과 파장에 비례한다. 따라서 초점거리, 구경 및 주파수를 변화 시켜가면서 최적의 초점심도가 탐색될 수 있어야 하는데, 응용 분야에 따라서는 이를 변환시키는데 여러가지 제한이 따른다.

초점심도는 파장의 길이가 길수록(주파수가 작을 수록), 그리고 F-값이 클수록 길어지는데, 안구를 구성하는 각막 및 수정체 등은 그 두께가 매우 얇기 때문에 안구의 초음파 진단 및 치료 시에는 파장이 짧은 고주파수의 초음파가 필요하다. 하지만, 초점 심도가 짧아짐에 따라 초점 거리 근방을 제외하고는 초음파 신호의 강도가 크게 저하된다.

본 발명의 실시예는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 다중 커브 및 다중 주파수를 이용하여 초점 심도를 확장할 수 있는 새로운 형태의 초음파 변환자 구조를 제안한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 안질환 정밀 진단을 위한 초음파 변환자의 구조를 나타낸 도면이다.

도 1에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 실시예에 따른 안질환 정밀 진단을 위한 초음파 변환자(100)는 제1 압전소자(110)의 주변에 적어도 하나의 제2 압전소자(120)가 결합된 구조를 가지며, 전체적으로 안구 모양에 대응한 오목한 형상을 갖도록 제조된다. 이러한 도 1은 초음파 변환자의 단면도 구조에 해당할 수 있다.

초음파 변환자(100)는 제1 및 제2 압전소자(110,120)의 상이한 곡률에 따라 다중 커브 구조로 설계되어, 초점 심도의 축(axis) 방향 길이를 확장시킬 수 있으며, 서로 상이한 중심 주파수에 따른 다중 주파수를 활용하여 초점 심도의 측(side) 방향 넓이를 균일하게 유지하면서 원거리 초점 심도의 에너지 손실을 최소화할 수 있다.

이와 같이, 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 초음파 변환자(100)는 다중 커브를 가지는 다중 주파수 초음파 변환자로서, 각기 다른 중심 주파수와 곡률로 설계된 제1 압전소자(110) 및 제2 압전소자(120)를 기반으로 초점 심도가 더욱 향상된 초음파 신호를 안구에 집속시키고, 이를 통해 초음파 측정 성능을 높여서 초음파 진단 및 치료 효율을 향상시킨다.

이를 위해, 구체적으로 제1 압전소자(110)는 안구 모양에 대응하는 오목한 곡면형 구조로 형성되며, 전방의 제1 초점(A) 위치에 초음파를 집속시킨다. 여기서 제1 압전소자(110)는 제1 공진주파수(f1)(예: f1=7Hz)에서 동작하도록 설계된다.

제2 압전소자(120)는 제1 압전소자(110)를 중심으로 그 주변부에 적어도 하나 결합된다. 이때, 제2 압전소자(120)는 제1 압전소자(110) 보다 낮은 곡률의 오목한 곡면형 구조로 형성되어, 제1 초점(A) 위치보다 먼 제2 초점(B) 위치에 초음파를 집속시켜서 초점 심도를 확장시킨다.

또한, 제2 압전소자(120)는 제1 공진주파수(f1)와는 상이한 제2 공진주파수(f2)에서 동작하도록 설계된다. 이때, 제2 공진주파수(f2)는 제1 공진주파수(f1)보다 낮은 주파수에 해당한다(f2<f1)(예: f2=4Hz).

도 1에서 빗금 영역은 초음파 변환자(100)에 의해 발생되는 초점 심도 영역에 해당한다. 이와 같이 두 가지 압전소자에 입력된 초음파 신호가 서로 다른 제1 및 제2 초점 위치(A,B)에 동시에 집속되어 초점 심도의 축(axis) 방향 길이(그림에서 초점 심도의 좌우 방향 길이)가 증가됨과 동시에 초점 심도의 측(side) 방향의 폭(그림에서 초점 심도의 수직 방향 넓이)을 일정하게 유지함으로써, 원거리 초점 심도의 에너지 손실을 최소화할 수 있다.

도 2는 도 1과 비교를 위하여 단일 압전 소자를 이용한 단일 커브의 초음파 변환자를 도시한 도면이다. 도 2와 같이, 단일의 압전 소자(10)를 이용할 경우 단일의 초점 심도를 가지므로 초점 심도가 매우 짧은 것을 알 수 있다.

도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 초음파 변환자(100)의 경우 두 타입의 압전 소자(110,120)를 이용한 다중 커브 구조를 사용함으로써 축 방향으로 집속되는 초점의 개수를 증가시키며, 이때 두 개의 초점 영역 간 상호 일정 영역이 최소로 겹치도록 함으로써 초점 심도의 길이를 최대로 확장할 수 있다.

이때, 커브의 개수는 두 개 이상으로 확장 가능한데 본 발명의 실시예는 두 개를 기준으로 설명하였다. 예를 들어 제2 압전소자 측면에도 그 보다 낮은 곡률의 곡면을 형성한 추가 압전소자가 나란히 결합될 수 있다. 이러한 본 발명에 따르면 측 방향으로 초점 심도를 확장함과 동시에, 다중 주파수를 이용하여 초점 심도의 측 방향의 폭을 최대한 일정하게 유지하는 것이 가능하여, 영상 화질의 균일성과 치료 영역의 균일성을 향상시킬 수 있다.

또한, 다중 커브 구조에서 동일한 주파수를 사용 할 경우, 두 번째 초점심도의 측방향 폭이 좁아지기 때문에 균일한 영역 유지가 어려울 뿐만 아니라 초음파가 더 멀리 진행함에 따라 에너지가 감쇠되는 현상이 심해진다. 따라서, 두번째 초점심도의 측방향 폭을 첫번째 초점심도와 최대한 유사하게 유지하기 위해서는, 제1 압전소자(110)는 제1 공진주파수(f1)에 해당한 고주파수 초음파를, 제2 압전소자(120)에서는 제2 공진주파수(f2)에 해당한 저주파수 초음파를 송수신하는 구조로 설계되는 것이 바람직하다. 만일 감쇠 및 불균일 영역 정도가 크게 중요하지 않은 응용분야인 경우에는 제1 공진주파수와 제2 공진주파수가 동일할 수도 있다.

제안된 본 발명의 초음파 변환자 구조에서는 제2 초점(B) 위치에 f2에 해당한 저주파수 초음파가 집속되는데, 일반적으로 초음파의 주파수가 낮으면 매질에서의 에너지 감쇠가 적게 발생하므로 본 발명의 경우 에너지 보존 측면에서도 장점을 갖는다. 설명의 편의상 제1 공진주파수(f1)는 고주파수, 제2 공진주파수(f2)는 저주파수로 명명한다.

본 발명의 실시예의 경우, 두 개의 압전소자(110,120)를 동시 동작시키기 위하여, 각각의 소자들의 중심 주파수에 해당하는 f1과 f2 신호가 혼합된 신호(f1+f2)를 입력 신호로 사용할 수 있다.

따라서, 제1 및 제2 압전소자(110,120)에는 서로 다른 중심 주파수가 혼합된 형태의 다중 중심 주파수를 갖는 입력 신호(f1+f2)가 동시에 입력되고, 각각의 압전소자(110,120)는 입력된 신호에서 자신의 공진 주파수에 해당하는 초음파 신호를 선별하여 송수신한다. 응용 목적에 따라서는 다중 중심 주파수를 갖는 신호가 선택적으로 입력될 수 있다.

각각의 압전소자(110,120)는 설계된 공진 주파수의 신호 입력에 반응하여 기계적 진동하여 해당 주파수의 초음파 신호를 발생시키고, 그 밖의 다른 주파수의 신호에는 반응(동작)하지 않는다.

즉, 제1 압전소자(110)는 f1과 f2가 혼합된 입력 신호에 대응하여 f1에 해당한 초음파 신호를 선별하여 송수신하고, 제2 압전소자(120)는 f2에 해당한 초음파 신호를 선별하여 송수신한다.

이와 같이, 제1 및 제2 압전소자(110,120)는 인가된 혼합 신호를 개별 공진 특성에 의해 물리적으로 필터링하여 각 소자들의 중심 주파수에 해당하는 초음파만 분리해서 송수신할 수 있다. 즉, 혼합된 신호가 입력되어도 각 압전소자에서는 f1 과 f2의 초음파를 분리해서 송수신할 수 있다. 물론, 이에 따르면 두 압전소자에 인가되는 신호가 동일하므로 신호 발생기도 한 대만 필요로 하여 전체적인 시스템이 간단해지는 장점이 있다.

도 3 및 도 4는 각각 도 1 및 도 2에 도시된 초음파 변환자의 유한요소해석 기반 시뮬레이션 결과를 설명하는 도면이다.

각 도면의 상단 그림은 2차원 빔패턴을 나타내고, 하단 그림은 축방향 빔패턴을 나타낸다. 각 그림의 가로축은 축 방향(depth)의 거리를 나타낸다.

도 3 및 도 4로부터, 본 발명에서 제안한 초음파 변환자 구조(도 1)는 기존의 초음파 변환자 구조(도 2)에 비하여 -6 dB 초점 심도의 영역이 3.5배 정도 증가된 것을 확인할 수 있다.

본 발명의 실시예에서 제1 압전소자(110) 및 제2 압전소자(120)는 단일 소자 타입으로 구현될 수도 있지만, 배열(array)형 소자 타입으로 구현될 수 있다.

또한, 제1 압전소자(110)와 제2 압전소자(120)는 서로 동일한 소재로 형성될 수도 있고, 상이한 소재로 형성될 수도 있다. 아울러, 제1 압전소자(110) 및 제2 압전소자(120)는 서로 동일한 소재로 형성되되, 제2 압전소자(120)가 제1 압전소자(110)보다 두꺼운 두께를 가질 수 있다. 여기서 두께가 두꺼울수록 낮은 공진 주파수로 설계될 수 있다.

또한, 제1 압전소자(110) 및 제2 압전소자(120) 각각은, 단일 소재(예: PZT 및 단결정소자 혹은 PVDF와 같은 압전 재료)에 의한 벌크(bulk) 타입으로 구현될 수도 있고, 복합 소재(예: 압전 재료와 에폭시의 혼합)에 의한 복합체(composite) 형태로 구현될 수 있다.

또한, 각각의 압전소자(110,120)가 배열형 타입인 경우에는, 압전 재료와 에폭시의 혼합에 의한 복합체 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 단일 압전소자(물질)를 다이아몬드 블레이드 및 레이저 등을 통해 다수 개로 분할 가공하여 배열형으로 제조한 다음, 분할된 소자 간 형성된 치폭(kerf) 부분에 에폭시 등을 채워서, 압전 재료와 에폭시가 혼합된 복합체 형태로 제조될 수 있다.

한편, 초음파 변환자 구조는 도 1과 같은 일반적인 단일 층 압전소자로 구성될 수 있지만, 도 5에 도시된 분극 역전 압전소자 구조로 구성될 수 있다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 분극 역전 구조의 초음파 변환자의 구성을 나타낸 도면이다.

도 5의 경우, 제1 및 제2 압전소자(110A,120A) 각각은, 서로 반대의 분극 방향을 가진 역전층 소자(→ 표시 부분)와 비역전층 소자(← 표시 부분)가 초음파 신호의 진행 방향에 따라 전후 접합되어, 역전층과 비역전층의 비율 조절 및 음향 임피던스 조절이 가능한 분극 역전(polarization inversion) 구조를 가진다.

일반적으로 분극 역전 기술은 서로 반대의 분극 방향을 가진 두 압전 소자를 초음파 신호의 진행 방향에 대해 전후로 접합한 구조를 사용한 기술로서, 이를 이용하면 분극 역전 기술이 적용된 압전소자로부터 다중 주파수 성분이 발생하여 조직 표면에 집속되게 된다.

간단한 예로 제1 압전소자(110A)는 도 5와 같은 분극 역전 구조에 따라 단일이 아닌 두 개의 중심 주파수(예: f1 및 2×f1) 신호가 동시 발생하여 제1 초점 위치에 집속되고, 제2 압전소자(120A) 또한 도 5와 같은 분극 역전 구조에 따라 두 개의 중심 주파수(예: f2 및 2×f2) 신호가 동시 발생하여 제2 초점 위치에 집속된다.

이와 같이, 분극 역전 구조의 압전소자를 사용할 경우, 압전소자의 역전층과 비역전층의 두께 비율 조절 및 벌크 구조와 복합체 구조의 선택적 결합에 의한 음향 임피던스 조절을 통하여, 초음파 주파수 응답이 다중 주파수 특성 또는 광대역 특성을 가질 수 있고, 이를 이용하여 다중 주파수 성분을 획득 후 다양한 주파수에 따른 안구 조직의 특성 변화를 한 개의 변환자를 이용해서 관찰할 수 있다.

만일 분극 역전 구조의 압전소자를 구성하는 비역전층과 역전층 소자가 동일 종류의 소자로 구성된 경우 두께 비율을 다르게 하여 두 개의 중심 주파수 성분을 가질 수 있고, 동일한 두께로 구성한 경우에는 서로 다른 종류의 소자로 구성되거나 어느 하나는 단일 소재에 의한 벌크 구조로, 다른 하나는 복합체 구조로 구성하여 음향임피던스 차이가 발생하도록 함으로써 두 개의 중심 주파수 성분을 가질 수 있다.

이와 같이, 분극 역전 구조의 압전소자는 한 개의 초음파 변환자로 다중 중심 주파수의 초음파 신호를 생성할 수 있는 장점이 있기에, 압전소자에 분극 역전 구조가 적용될 경우 다양한 주파수 성분 조합을 통해서 서로 다른 해상도의 영상을 한 개의 초음파 변환자를 이용해서 구현할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조 가능한 초음파 변환자의 다양한 형태를 예시적으로 보여주는 도면이다.

도 6은 총 5가지 형태의 초음파 변환자를 도시한 것으로, 도 1을 좌측에서 바라본 모습에 해당할 수 있다. 각각의 형태에서, 공통적으로 중앙의 음영 부분은 제1 압전소자(110), 그 주변의 흰색 부분은 제2 압전소자(120)에 해당한다. 또한, 모든 경우에 있어 제2 압전소자(120)의 오목한 곡면은 제1 압전소자(110)의 곡면보다 보다 낮은 곡률로 형성된다.

우선, 도 6의 (a)는, 도 1을 좌측면에서 바라볼 때 막대 모양을 갖는 초음파 변환자로서, 중앙의 제1 압전소자를 기준으로 상하단에 각각 제2 압전소자가 결합된 형태를 나타낸다.

도 6의 (b), (c)는 환형 초음파 변환자를 나타낸다. 먼저, 도 6의 (b)는 원형의 환형 초음파 변환자로서, 원형으로 형성된 중앙의 제1 압전소자를 기준으로 주변에 도넛 형태의 제2 압전소자가 결합된 구조를 갖는다. 도 6의 (c)는 사각형의 환형 초음파 변환자로서, 사각형으로 형성된 중앙의 제1 압전소자를 기준으로 주변에 사각형 틀 모양의 제2 압전소자가 결합된 구조를 갖는다.

도 6의 (d)는 십자형의 초음파 변환자로서, 사각형의 중앙의 제1 압전소자의 네 측면에 동일한 사각형 모양의 네 개의 제2 압전 소자가 결합된 구조를 가진다.

도 6의 (e)는 (a)에 대한 변형 예로서, 각각의 압전소자를 단일 소자가 아닌 배열형 소자로 구성한 배열형 초음파 변환자를 나타낸다. 이 경우 그룹으로 묶인 소자들의 위상을 제어해서 초점심도를 확장 할 수 있다.

본 발명의 기술은 제시된 예시 이외에도 CMUT(capacitive micromachined ultrasonic transducer) 이나 PMUT(piezoelectric micromachined ultrasonic transducer) 등 다양한 구조의 초음파 변환자에 적용 가능하다. 본 발명에서는 이러한 다중소자들의 곡률과 공진주파수를 서로 다르게 구현 함으로써 초점심도를 크게 증가시킬 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 변환자에 젤 형태의 팩(pack)을 적용한 모습을 보여주는 도면이다.

이러한 도 7은 안질환 진단 및 치료시 초음파 에너지를 최대로 송수신 하기 위하여, 제안된 초음파 변환자(100)의 서로 다른 커브에 밀착될 수 있도록 모양의 변형이 자유로운 소프트한 젤 형태의 팩(pack)(130)(이하, 소프트젤 팩)을 초음파 벼환자(100)에 적용한 모습이다.

이와 같이, 초음파 변환자(100)는 오목한 내측과 안구 사이에 밀착되도록 구성되는 일회용의 젤 타입의 소프트젤 팩(pack)을 더 포함할 수 있다. 소프트젤 팩(130)은 플렉서블한 재질로 구성되며 초음파 변환자(100)에 대하여 착탈 가능하게 구성된다.

도 7의 (a)와 같이, 소프트젤 팩(130)은 눈을 감은 상태에서 눈꺼풀 위에 적용시켜 서로 다른 안구 모양에 최적화 되고, 일회용으로 사용 후 버릴 수 있는 특징을 가진다. 이렇게 팩 형태의 일회용 초음파용 젤을 사용하면 진료 시 매우 간편할 뿐만 아니라 눈에 초음파 젤이 들어가는 일도 방지 할 수 있다. 물론, 눈을 감지 않고 안질환 진단 및 치료에 사용할 경우에는 도 7의 (b)와 같이, 초음파용 젤 없이 제안된 변환자를 사용할 수 있다.

그밖에도 초음파 변환자(100)의 앞단에는 렌즈가 더 부가되거나 부착될 수 있다. 이 경우 초음파 신호가 렌즈를 통하여 안구에 집속될 수 있으며, 초음파 빔의 집속 효율을 높일 수 있다.

또한, 초음파 변환자(100)의 제1 압전소자(110) 및 제2 압전소자(120)의 전단에 각각 서로 다른 곡률을 갖는 제1 렌즈 및 제2 렌즈를 부착하여 다중 커브를 갖는 초음파 변환자를 구현할 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 변환자의 제작 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 8은 제안된 초음파 변환자 제작을 위한 핵심 공정으로, 초음파 변환자의 다중 커브를 구현 하기 위하여, 다양한 구조물(fixture)를 사용해서 개별 압전소자에 대해서 프레싱(pressing) 작업을 수행하거나 동시에 수행 할 수 있다.

구체적으로, 도 8의 (a)와 같이, 제1 압전소자(110) 및 제2 압전소자(120)는 서로 다른 곡률에 대응하는 개별 곡면을 갖는 제1 커브 구조물(11-1) 및 제2 커브 구조물(11-2) 위에서 각각 프레싱 작업을 통하여 오목한 모양으로 제작된 후에 서로 결합될 수 있다. 또한, 도 8의 (b)와 같이, 제1 압전소자(110)와 제2 압전소자(120)는 서로 다른 곡률의 곡면이 다중 형성된 다중 커브 구조물(12) 위에서 프레싱 작업을 통하여 한 번에 제작될 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 변환자를 포함한 초음파 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 시스템(200)은 크게 초음파 변환자(100), 신호 발생기(140), 그리고 신호 처리기(150)를 포함하며, 송신 증폭기(145), 수신 증폭기(155), 디스플레이(160)를 더 포함할 수 있다.

초음파 변환자(100)는 제1 압전소자(110) 및 그 주변에 결합되는 적어도 하나의 제2 압전소자(120)를 포함하여 구성된다. 여기서 제1 및 제2 압전소자(110,120)는 서로 다른 공진 주파수에서 동작하도록 설계된다.

제1 압전소자(110)는 오목한 곡면형 구조로 형성되며 제1 초점 위치에 초음파를 집속시킨다. 제2 압전소자(120)는 제1 압전소자(110)보다 낮은 곡률로 형성되며 제1 초점 위치보다 먼 제2 초점 위치에 초음파를 집속시켜서 초점 심도를 확장시킨다. 이때 제1 및 제2 압전소자(110,120)는 서로 다른 공진 주파수에서 동작한다.

이와 같이, 초음파 변환자(100)는 제1 및 제2 압전소자(110,120)를 포함하여 구성되고, 압전소자들에 의해 발생한 초음파 신호를 안구로 송신 후 반사 신호를 수신하여 신호 처리기(150)로 전달한다.

신호 발생기(140)는 서로 다른 중심 주파수가 혼합된 형태의 다중 중심 주파수를 갖는 입력 신호(f1+f2)를 생성하여 초음파 변환자(100)로 제공한다. 물론 신호 발생기(140)는 다중 중심 주파수를 갖는 입력 신호를 제1 및 제2 압전소자(110,120) 중 어느 하나에 선택적으로 인가할 수 있다. 신호 발생기(140)는 해당 입력 신호를 생성 후 송신 증폭기(145)를 통하여 증폭시켜 제1 및 제2 압전소자(110,120)에 동시에 인가한다.

초음파 변환자(110)는 제1 및 제2 압전소자(110,120)에 의해 발생한 초음파 신호를 안구에 송신 후 반사 신호를 수신한다. 초음파 변환자(100)에 수신된 반사 신호는 수신 증폭기(155)를 통해 증폭 처리된 후 신호 처리기(150)로 전달된다.

신호 처리기(150)는 초음파 변환자(100)에 수신된 초음파 수신 신호, 즉 반사 신호를 분석하여 안구의 상태를 검출하고 이를 영상화한다. 이와 같이 신호 처리기(150)는 초음파 변환자(100)로부터 전달받은 초음파 수신 신호를 분석하여 영상화하고 영상화한 데이터를 디스플레이(160)를 통해 출력할 수 있다.

이러한 초음파 시스템(200)은 신호 발생기(140)를 통해서 만들어진 혼합 입력 신호(f1+f2)를 동시에 다중 커브를 갖는 다중 소자(110,120)에 입력시켜 다중 초점을 발생시켜 진단 및 치료를 수행하고, 진단시 수신된 신호는 신호 처리기(150)를 통해서 최종 초음파 영상을 획득하는데 사용 가능하다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 다중 커브 구조를 기반으로 초음파 에너지를 최대한 크게 유지할 수 있는 초점심도의 길이를 크게 확장할 수 있으며, 다중 주파수를 사용하여 초점심도의 측방향 넓이를 균일하게 유지하면서 원거리 초점심도의 에너지 손실을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 초음파 진단시에는 초음파 영상의 깊이에 따른 해상도가 최대한 유지될 수 있고, 치료시에는 한번의 초음파 조사로 괴사되는 영역이 증가되어 초음파 치료시간을 크게 단축시킬 수 있다.

아울러, 제안된 초음파 변환자를 눈을 감은 상태에서 사용할 경우 일회용 초음파 젤 팩을 초음파 변환자의 다중 커브에 함께 밀착시켜 사용함으로써 초음파 에너지가 손실되는 것을 줄이고 측정 효율을 높일 수 있다.

또한, 본 발명은 초음파 변환자의 제작 방법이 간단하고 한 번의 혼합신호를 발생시켜 초음파 변환자를 구동하는 것이 가능하므로 시스템의 복잡도를 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: 초음파 변환자 110: 제1 압전소자
120: 제2 압전소자 130: 소프트젤 팩
140: 신호 발생기 145: 송신 증폭기
150: 신호 처리기 155: 수신 증폭기
160: 디스플레이 200: 초음파 시스템

Claims (13)

1. 안구 모양에 대응하는 오목한 곡면형 구조로 형성되어 전방의 제1 초점 위치에 초음파를 집속시키는 제1 압전소자; 및
   상기 제1 압전소자를 중심으로 주변부에 결합되되 상기 제1 압전소자보다 낮은 곡률의 오목한 곡면형 구조로 형성되며 상기 제1 초점 위치보다 먼 제2 초점 위치에 초음파를 집속시켜서 초점 심도를 확장시키는 적어도 하나의 제2 압전소자를 포함하며,
   상기 제1 압전소자와 제2 압전소자는 서로 다른 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수에서 동작하도록 설계된 안질환 정밀 진단을 위한 초음파 변환자.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 압전소자 및 제2 압전소자는,
   서로 다른 중심 주파수가 혼합된 형태의 다중 중심 주파수를 갖는 입력 신호가 동시에 입력되고, 입력된 신호에서 자신의 공진 주파수에 해당하는 초음파 신호를 선별하여 송수신하는 안질환 정밀 진단을 위한 초음파 변환자.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 공진 주파수는 상기 제1 공진 주파수보다 낮은 안질환 정밀 진단을 위한 초음파 변환자.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 및 제2 압전소자 각각은 단일 소자 또는 배열 소자 타입으로 구현되는 안질환 정밀 진단을 위한 초음파 변환자.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 압전소자는 상기 제1 압전소자와 동일한 소재 또는 상이한 소재로 형성되는 안질환 정밀 진단을 위한 초음파 변환자.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 및 제2 압전소자는 서로 동일한 소재로 형성되되, 상기 제2 압전소자가 상기 제1 압전소자보다 두꺼운 두께를 가지는 안질환 정밀 진단을 위한 초음파 변환자.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 및 제2 압전소자 각각은,
   단일 소재에 의한 벌크(bulk) 타입 또는 복합 소재에 의한 복합체(composite) 형태로 구현되는 안질환 정밀 진단을 위한 초음파 변환자.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 및 제2 압전소자 각각은,
   서로 반대의 분극 방향을 가진 역전층 소자와 비역전층 소자가 초음파 신호의 진행 방향에 따라 전후 접합되어 역전층과 비역전층의 비율 조절 및 음향 임피던스 조절이 가능한 분극 역전 구조를 가지며,
   분극 역전 구조에 따라 각각의 압전소자에 다중 공진 주파수가 발생하는 안질환 정밀 진단을 위한 초음파 변환자.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 압전소자 및 제2 압전소자는,
   서로 다른 곡률에 대응하는 개별 곡면을 갖는 제1 커브 구조물 및 제2 커브 구조물 위에서 각각 프레싱 작업을 통하여 오목한 모양으로 제작된 후 서로 결합되거나, 서로 다른 곡률의 곡면이 다중 형성된 다중 커브 구조물 위에서 프레싱 작업을 통하여 한 번에 제작되는 안질환 정밀 진단을 위한 초음파 변환자.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 압전소자 및 제2 압전소자의 전단에는 서로 다른 곡률을 갖는 렌즈가 각각 부착되는 안질환 정밀 진단을 위한 초음파 변환자.
11. 청구항 1에 있어서,
    초음파 변환자의 오목한 내측과 안구 사이에 착탈 가능하게 밀착되는 일회용의 젤 타입의 소프트젤 팩(pack)을 더 포함하는 안질환 정밀 진단을 위한 초음파 변환자.
12. 오목한 곡면형 구조로 형성되고 제1 초점 위치에 초음파를 집속시키는 제1 압전소자와, 상기 제1 압전소자를 중심으로 주변부에 결합되되 상기 제1 압전소자보다 낮은 곡률의 오목한 곡면형 구조로 형성되며 상기 제1 초점 위치보다 먼 제2 초점 위치에 초음파를 집속시켜서 초점 심도를 확장시키는 적어도 하나의 제2 압전소자를 포함한 초음파 변환자;
    서로 다른 중심 주파수가 혼합된 형태의 다중 중심 주파수를 갖는 입력 신호를 상기 제1 및 제2 압전소자에 동시에 인가하거나 상기 제1 및 제2 압전소자 중 어느 하나에 선택적으로 인가하는 신호 발생기; 및
    상기 초음파 변환기에 수신된 초음파 수신 신호를 분석하여 영상화하는 신호 처리기를 포함하며,
    상기 제1 압전소자와 제2 압전소자는 서로 다른 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수에서 동작하도록 설계된 안질환 정밀 진단을 위한 초음파 시스템.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 영상화된 데이터를 출력하여 제공하는 디스플레이를 더 포함하는 안질환 정밀 진단을 위한 초음파 시스템.

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