KR20240024117A

KR20240024117A - Cmut 공진 결정을 위한 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20240024117A
Application number: KR1020237045222A
Authority: KR
Inventors: 마크 에이. 모에링
Original assignee: 오토넥서스 메디컬 테크놀러지 인코퍼레이티드
Priority date: 2021-06-29
Filing date: 2022-06-28
Publication date: 2024-02-23
Also published as: CN117715591A; US20240090877A1; EP4362808A1; WO2023278437A1; AU2022303144A1; CA3220959A1; JP2024523171A

Abstract

정전용량 미세가공 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법은, 광대역 여기 파형을 초음파 변환기에 전달하는 단계로서, 상기 여기 파형이 초음파 변환기의 예상 공진 주파수를 포함하는 주파수 대역을 포함하는, 상기 단계; 및 초음파 변환기의 링 다운 특성을 측정하는 단계를 포함한다.

Description

CMUT 공진 결정을 위한 방법 및 시스템

본 출원은 2021년 6월 29일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 제63/216,094호의 이익을 주장하며, 그 전체 내용을 참조로 원용한다.

공압 이경 검사는 압력 변화(예를 들어, 기류)에 응답하여 환자의 고막의 이동성을 측정할 수 있는 의학적 검사이다. 건강한 고막은 압력에 응답하여 움직인다. 중이의 체액으로 인해 움직이지 못할 수도 있다. 삼출성 중이염은 고막 근처에 유체가 존재하는 것이 특징이다. 따라서 삼출성 중이염의 진단을 확립하는 데에는 공압 이경 검사가 도움이 될 수 있다.

공압 이경 검사는 일반적으로 압력 밀봉을 생성하기 위해 이도에 검경을 삽입하는 것을 포함한다. 검경 팁의 근위 말단은 렌즈, 광원 및 압력 소스(예를 들어, 고무 벌브(rubber bulb))로 구성된 헤드에 부착된다. 임상의는 고막의 움직임을 유도하기 위해 벌브를 부드럽게 쥐었다가 풀어준다. 그 다음 임상의는 막 뒤에 유체의 존재를 추론하기 위해 막 움직임의 존재 유무를 관찰한다.

본 명세서에서는 정전용량 미세가공 초음파 변환기(CMUT) 시스템, 방법 및 장치를 개선할 필요성이 인식되었다. 예를 들어, CMUT의 공진 주파수를 결정하는 것이 유리할 수 있다. 공진 주파수에서 CMUT을 구동하면 초음파 이경 측정에서 CMUT의 감도가 향상될 수 있다.

일 양태에서, 본 발명은 정전용량 미세가공 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법을 제공한다. 방법은 광대역 전기 자극 파형을 초음파 변환기에 전달하는 단계로서, 상기 파형은 초음파 변환기의 예상 중심 주파수를 포함하는 주파수 대역을 포함하는, 상기 단계; 및 초음파 변환기의 링 다운(ringdown) 특성을 측정하는 단계를 포함한다.

일부 실시예에서, 초음파 변환기는 이경의 검경에 결합된다.

일부 실시예에서, 초음파 변환기는 내부 장기 및 혈관의 청진을 수행하기 위한 청진기 벨에 결합된다.

다른 양태에서, 본 발명은 임의의 양태 또는 실시예의 방법을 수행하기 위한 시스템을 제공한다.

본 발명의 또 다른 양태는, 하나 이상의 컴퓨터 프로세서 및 이에 결합된 컴퓨터 메모리를 포함하는 시스템을 제공한다. 컴퓨터 메모리는 하나 이상의 컴퓨터 프로세서에 의해 실행될 때 본 명세서에서 상술되거나 다른 곳의 방법 중 임의의 것을 구현하는 기계 실행 가능한 코드를 포함한다.

일 양태에서, 본 발명은 정전용량 미세가공 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 광대역 전기 자극 파형을 초음파 변환기에 전달하는 단계로서, 상기 자극 파형의 스펙트럼 대역폭은 초음파 변환기의 예상 주파수 범위를 포함하는, 상기 단계; 및 광대역 전기 자극의 결과로서 초음파 변환기의 적어도 하나의 방출 신호로부터 초음파 변환기의 링 다운 특성을 측정하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 초음파 변환기는 이경의 검경에 결합된다. 일부 실시예에서, 초음파 변환기는 내부 장기 또는 혈관의 청진을 달성하기 위한 기구에 결합된다. 일부 실시예에서, 초음파 변환기의 링 다운 특성은 광대역 전기 자극에 응답하여 초음파 변환기의 적어도 하나의 방출 신호를 증폭하도록 구성된 도플러 수신기에 의해 측정된다. 일부 실시예에서, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 측정하는 단계는 광대역 전기 자극에 응답하여 초음파 변환기로부터 증폭된 적어도 하나의 방출 신호의 푸리에 변환을 계산하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 푸리에 변환은 제로-패딩된(zero-padded) 푸리에 변환을 포함한다. 일부 실시예에서, 푸리에 변환은 해닝(Hanning) 또는 블랙만(Blackman) 필터 창을 포함한다. 일부 실시예에서, 링 다운 특성은 공진 주파수를 포함한다.

일부 실시예에서, 방법은 피크 주파수를 결정하는 단계를 더 포함하며, 여기서 피크 주파수는 방출 신호의 푸리에 변환의 최대 진폭의 주파수에 대응한다. 일부 실시예에서, 방법은 푸리에 변환의 복수의 데이터 포인트의 피크 주파수를 결정하는 단계를 더 포함하며, 상기 피크 주파수를 결정하는 단계는 초음파 변환기의 방출 신호의 복수의 푸리에 변환 데이터 포인트를 수신하는 단계; 복수의 푸리에 변환 데이터 포인트의 피크 주파수를 둘러싸는 복수의 데이터 포인트의 다항식 맞춤을 결정하는 단계; 및 피크 주파수를 둘러싸는 복수의 데이터 포인트의 다항식 맞춤의 최대값으로부터 피크 주파수를 결정하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 다항식 맞춤은 1차, 2차, 3차, 4차, 또는 5차 다항식 맞춤을 포함한다. 일부 실시예에서, 광대역 전기 자극은 펄스 신호를 포함한다. 일부 실시예에서, 펄스 신호는 하나 이상의 진동을 포함한다. 일부 경우에, 하나 이상의 진동은 단극 신호 또는 양극 신호를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 펄스 신호는 델타 함수를 포함한다. 일부 실시예에서, 발진 펄스 신호는 적어도 1회의 진동 주기를 포함한다. 일부 실시예에서, 발진 신호는 주기 지속 시간을 포함하며, 상기 발진 신호의 주기 지속 시간은 링 다운 특성의 공진 주파수의 예상 범위를 커버하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 펄스 신호는 적어도 하나의 펄스를 포함한다. 일부 실시예에서, 복수의 푸리에 변환 데이터 포인트의 피크 주파수를 둘러싸는 복수의 데이터 포인트는 최대 19개의 데이터 포인트 또는 적어도 19개의 데이터 포인트를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 링 다운 특성은 광대역 전기 자극이 초음파 변환기에 전달된 후에 측정된다. 일부 실시예에서, 적어도 2개의 광대역 전기 자극은 초음파 변환기로 전달되고, 여기서 초음파 변환기의 적어도 2개의 방출 신호가 검출되고 평균화된다. 일부 실시예에서, 링 다운 특성은 공진 주파수를 포함하며, 상기 공진 주파수는 약 1500 kHz 내지 약 2000 kHz를 포함한다. 일부 실시예에서, 방법은 링 다운 특성에 기초하여 초음파 변환기를 기능적 또는 비기능적인 것으로 특성화하는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 초음파 변환기의 비기능적 특성화는 기능적 초음파 변환기의 링 다운 특성에 대해 미리 결정된 범위 밖의 링 다운 특성을 포함한다.

일 양태에서, 본 발명은 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템을 제공하며, 상기 컴퓨터 시스템은 초음파 변환기; 초음파 변환기와 전기적으로 통신하는 프로세서; 및 소프트웨어를 포함하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체로서, 상기 소프트웨어가 실행의 결과에 따라 컴퓨터 시스템의 프로세서로 하여금 초음파 변환기에 광대역 전기 자극을 제공하고, 상기 스펙트럼 대역폭은 광대역 전기 자극은 초음파 변환기의 예상 공진 주파수 범위를 포함하고, 광대역 전기 자극에 응답하여 초음파 변환기로부터 방출 신호를 측정하고, 방출 신호의 링 다운 특성을 결정하게 하는 실행 가능한 명령을 포함하는, 상기 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함한다. 일부 실시예에서, 초음파 변환기는 정전용량 미세가공 초음파 변환기를 포함한다. 일부 실시예에서, 초음파 변환기는 이경의 검경에 결합된다. 일부 실시예에서, 초음파 변환기는 내부 장기 또는 혈관의 청진을 달성하기 위한 기구에 결합된다. 일부 실시예에서, 초음파 변환기의 링 다운 특성은 광대역 전기 자극에 응답하여 초음파 변환기의 방출 신호를 디지털화 및/또는 증폭하도록 구성된 도플러 수신기에 의해 측정된다. 일부 실시예에서, 소프트웨어 실행 가능 명령은 초음파 변환기의 증폭된 방출 신호를 디지털화하는 것을 더 포함한다. 일부 실시예에서, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하는 것은 광대역 전기 자극에 응답하여 초음파 변환기의 디지털화 및/또는 증폭된 방출 신호의 푸리에 변환을 계산하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 푸리에 변환을 계산하기 전에 방출 신호가 제로-패딩된다. 일부 실시예에서, 푸리에 변환은 해닝(Hanning) 또는 블랙만(Blackman) 필터 창을 통합한다. 일부 실시예에서, 링 다운 특성은 공진 주파수를 포함한다. 일부 실시예에서, 소프트웨어 실행 가능 명령은 피크 주파수를 결정하는 것을 더 포함하고, 상기 피크 주파수는 방출 신호의 푸리에 변환의 최대 진폭의 주파수에 대응한다.

일부 실시예에서, 소프트웨어 실행 가능 명령은 푸리에 변환의 복수의 데이터 포인트의 피크 주파수를 결정하는 단계를 더 포함하고, 상기 피크 주파수를 결정하는 단계는, 초음파 변환기의 방출 신호의 복수의 푸리에 변환 데이터 포인트를 수신하는 단계; 복수의 푸리에 변환 데이터 포인트의 피크 주파수를 둘러싸는 복수의 데이터 포인트의 다항식 맞춤을 결정하는 단계; 및 피크 주파수를 둘러싸는 복수의 데이터 포인트의 다항식 맞춤의 최대값으로부터 피크 주파수를 결정하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 다항식 맞춤은 1차, 2차, 3차, 4차, 또는 5차 다항식 맞춤을 포함한다. 일부 실시예에서, 피크 주파수를 둘러싸는 복수의 데이터 포인트는 최대 19개의 데이터 포인트 또는 적어도 19개의 데이터 포인트를 포함한다.

일부 실시예에서, 광대역 전기 자극은 펄스 신호를 포함한다. 일부 실시예에서, 펄스 신호는 하나 이상의 진동을 포함한다. 일부 경우에, 하나 이상의 진동은 단극 신호 또는 양극 신호를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 펄스 신호는 델타 함수를 포함한다. 일부 실시예에서, 발진 신호는 적어도 1회의 발진 주기를 포함한다. 일부 실시예에서, 발진 신호는 주기 지속 시간을 포함하며, 상기 발진 신호의 주기 지속 시간은 링 다운 특성의 공진 주파수의 예상 범위를 커버하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 광대역 전기 자극의 펄스 신호는 적어도 하나의 펄스를 포함한다. 일부 실시예에서, 링 다운 특성은 광대역 전기 자극이 초음파 변환기에 전달된 후에 측정된다. 일부 실시예에서, 적어도 2개의 광대역 전기 자극은 초음파 변환기로 전달되고, 초음파 변환기의 적어도 2개의 방출 신호는 평균화된다. 일부 실시예에서, 링 다운 특성은 공진 주파수를 포함하며, 상기 공진 주파수는 약 1500 kHz 내지 약 2000 kHz를 포함한다. 일부 실시예에서, 소프트웨어 실행 가능 명령은 링 다운 특성에 기초하여 초음파 변환기를 기능적 또는 비기능적인 것으로 특성화하는 것을 더 포함한다. 일부 실시예에서, 초음파 변환기의 비기능적 특성화는 기능적 초음파 변환기의 링 다운 특성에 대해 미리 결정된 범위 밖의 링 다운 특성을 포함한다.

본 발명의 추가적인 양태 및 이점은 본 발명의 예시적인 실시예만이 도시되고 설명되는 다음의 상세한 설명으로부터 당업자에게 쉽게 명백해질 것이다. 이해되는 바와 같이, 본 발명은 다른 실시예 및 차이있는 실시예가 가능하며, 그 여러 세부 사항은 모두 본 발명에서 벗어나지 않고 다양하고 명백한 측면에서 수정될 수 있다. 따라서, 도면 및 설명은 본질적으로 예시적인 것이며, 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다.

본 명세서에 언급된 모든 간행물, 특허 및 특허 출원은 각각의 개별 간행물, 특허 또는 특허 출원이 참조로 포함되도록 구체적이고 개별적으로 표시된 것과 동일한 정도로 참조로 본 명세서에 포함된다. 참조로 포함된 간행물, 특허 또는 특허 출원이 본 명세서에 포함된 본 발명과 모순되는 경우, 본 명세서는 그러한 모순되는 자료를 대체하거나 우선시하도록 의도된다.

본 발명의 신규한 특징은 첨부된 청구범위에서 구체적으로 설명된다. 본 발명의 특징과 이점에 대한 더 나은 이해는 본 발명의 원리가 활용되는 예시적인 실시예를 설명하는 아래의 상세한 설명과 그 중의 첨부 도면(또한 본 명세서에서 "도면" 및 "도")을 참조하여 얻어질 것이다.
도 1a는 시간적으로 좁고 스펙트럼적으로 넓은 핑(broad ping)(실선) 이후에 링 다운(Ringdown)(점선)의 예시적인 시간 영역 측정을 나타내는 그래프이다.
도 1b는 도 1a(스펙트럼이 넓은 핑(실선) 이후에 링 다운(점선)의 예시적인 측정)의 실선 및 점선 신호 각각의 스펙트럼(푸리에 변환) 영역을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 CMUT에 대한 환경 공기압의 변화의 결과로서 공진 주파수의 가변성의 예를 나타내는 그래프이다.
도 3은 1년 동안의 대기압의 가변성을 나타내는 그래프이다. 이는 해수면에서 1년 동안 0.44 kPa 변화(3-시그마 신뢰 구간)를 나타낸다.
도 4는 5개의 CMUT에 대해 도 2의 유형의 측정을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 명세서에 제공된 방법을 구현하도록 프로그래밍되거나 달리 구성된 컴퓨터 시스템을 나타낸다.
도 6은 본 명세서의 일부 실시예에 설명된 바와 같이 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하는 방법에 대한 흐름도를 도시한다.
도 7은 본 명세서의 일부 실시예에 설명된 바와 같이 방출 신호의 복수의 푸리에 변환 데이터 포인트의 피크 주파수를 결정하는 방법에 대한 흐름도를 도시한다.

본 명세서에서는, 초음파 변환기, 특히 정전용량 미세가공 초음파 변환기(CMUT)의 공진 주파수를 결정하기 위한 개선된 시스템, 장치 및 방법이 개시되지만, 이러한 시스템, 장치 및 방법은 압전 변환기(PZT) 또는 압전 미세가공 초음파 변환기(PMUT)와 같은 초음파 변환기 같은 다른 유형의 초음파 변환기에도 적용될 수 있다. 주파수 스윕 측정(예를 들어, 구동 전기 신호의 주파수를 단계적으로 변경) 및 각 단계에서 초음파 응답의 벡터 임피던스의 실수부의 측정을 통해 공진 주파수를 결정하는 것은 가능할 수 있지만, 이 방법에는, 예를 들어 휴대용 이경의 경우 장비의 복잡성과 제조의 용이성에 있어서 문제가 있을 수 있다. 본 발명의 방법 및 시스템은 예를 들어 시간적으로 좁은(주파수적으로 넓은) 전기적 핑을 활용하고, 작은 시간 창("링 다운")에 걸쳐 생성된 변환기 진동 속도(즉, 공진 주파수)를 측정할 수 있다. 주파수 스펙트럼을 결정하기 위해, 링 다운의 푸리에 변환을 수행하여 특징적인 초음파 변환기 응답의 주파수 스펙트럼을 생성할 수 있다. 생성된 주파수 스펙트럼에서는 스펙트럼 내의 피크가 공진 주파수를 나타내는 경우가 있다. 이 방법은 단일 시간 영역 측정으로 전체 주파수 스펙트럼을 생성할 수 있지만, 여러 측정값을 평균하여 평균값을 생성할 수도 있다.

전기 임피던스를 측정하는 장치를 임상 환경에서 이용할 수 없을 가능성이 있기 때문에, 공진의 현장 측정은 전기 임피던스 테스트보다 유리할 수 있다.

본 명세서에 개시된 바와 같은 시스템, 장치, 이경, 검경, 그 사용 및 제조 방법은 예를 들어 정전용량 미세가공 초음파 변환기 및 그 특성화, 제조 및 사용 방법과 조합하여 사용될 수 있다. 이는 출원인과 공동 소유의 미국 특허 공개 제2021/0145406호에 기재되어 있으며, 그 전체 내용을 본 명세서에 참조로 원용한다.

본 명세서에 개시된 바와 같은 시스템, 장치, 이경, 검경, 그 사용 및 제조 방법은 예를 들어 출원인과 공동 소유의 미국 특허 공개 제2020/0107813호, 미국 특허 공개 제2018/0310917호, 및 미국 특허 공개 제2017/0014053호에 기재된 바 있는 연성 막, 표면 및 표면 아래 특성을 특성화하기 위한 장치 및 방법과 조합하여 사용될 수 있으며, 이들의 전체 내용이 참조로 원용된다.

본 명세서에 개시된 바와 같은 시스템, 장치, 이경, 검경, 이들의 사용 및 제조 방법은, 다수의 생물학적 조직을 특성화하여 다양한 진단 정보를 제공하는 데 사용될 수 있다. 생물학적 조직은 환자의 장기를 포함할 수 있다. 검경은 환자 조직을 특성화하기 위해 체강 내에 배치될 수 있다. 환자의 장기 또는 체강 내에는, 예를 들어 외이도 및/또는 고막, 근육, 힘줄, 인대, 입, 혀, 인두, 식도, 위, 장, 항문, 간, 담낭, 췌장, 코, 후두, 기관, 폐, 신장, 방광, 요도, 자궁, 질, 난소, 고환, 전립선, 심장, 동맥, 정맥, 비장, 분비선, 뇌, 척수, 신경, 동맥이나 정맥과 같은 혈관 등이 있다.

본 명세서에 개시된 시스템, 장치, 이경, 검경, 그 사용 및 제조 방법은 고막을 특성화하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 막은 급성 중이염(AOM)과 같은 귀의 상태를 판정하기 위해 특성화될 수 있다. 귀가 AOM을 나타내는 특성화에는, 삼출물의 존재의 감지 및 삼출물의 유형을 장액성, 점액성, 화농성 또는 이들의 조합 중 하나로 특성화하는 것이 포함될 수 있다. AOM에서는 중이 삼출물(MEE)이 감염원에 의해 유발될 수 있으며 바이러스 감염의 경우 얇거나 장액성일 수 있고 박테리아 감염의 경우 더 두껍고 화농성이 될 수 있다. 따라서, 고막에 인접한 유체의 다양한 특성을 결정함으로써, 막을 특성화하는 데 사용될 수 있는 정보가 얻어질 수 있다.

정전용량 미세가공 초음파 변환기(CMUT)는 이경의 소모성 검경 팁의 일부를 포함할 수 있다. 그러나 어떤 경우에는 CMUT가 기능하고 있는지를 특성화하기 어려울 수 있다. 예를 들어, 비기능성의 유형 중 하나는 신호 대 잡음비(SNR)의 잠재적 감소이다. SNR의 감소는 (1) 공진 이외의 주파수에서 CMUT를 구동하는 것과, (2) CMUT의 공진과 일치하지 않는 입력 주파수에서 초음파 에코를 관찰하는 것의 이중 손실이 원인일 가능성이 있다.

또 다른 잠재적 문제로, 단일 CMUT가, 서로 다른 고도로 인해 서로 다른 공진을 나타낼 수가 있다. 예를 들어, 시애틀에서 동작하고 1.85MHz로 공진하는 변환기는 덴버에서는 1.77MHz의 공진을 가질 수 있다. 이에 대한 설명으로, 공진 변화는 4kHz/kPa일 수 있으며, 이는 덴버에서의 압력은 0.8Atm이어서 시애틀(해수면)에 비해 20% 압력 강하일 수가 있다.

이러한 영향은, 고막(TM) 표면의 방향성 배향에 의해 악화될 수 있다. 예를 들어, 일부 귀에서 나오는 에코는 초음파 변환기에 대한 고막 표면의 방향성으로 인해 약할 수 있다. 어떤 경우에는 변환기의 감도가 가장 높은 지점인 공진에서 변환기를 작동하는 것이 유리할 수 있다. 변환기의 공진을 결정하는 것은 해당 주파수를 현장에서 감지함으로써 달성될 수 있다.

어떤 경우에는 제조 변동을 제어하기 위해 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 것이 유리할 수 있다. 어떤 경우에는 고도 변화를 제어하기 위해 공진을 결정하는 것이 유리할 수 있다. 공진의 측정값을 사용하여, CMUT의 구동 파형은 CMUT가 특정 시기, 고도 및 허용된 제조 공정 변동에서 일반적인 공진 주파수로 구동되도록 적응될 수 있다.

본 명세서에는, CMUT의 공진 주파수를 결정하기 위한 개선된 시스템, 장치 및 방법이 개시된다. 예를 들어, 공진 주파수를 결정하는 한 가지 방법은 도 1a에 도시된 바와 같이, 변환기에 "핑(ping)"(100)을 보내고, 도 1b에 도시한 바와 같이 그 응답(108)의 주파수 영역의 피크 주파수(106)를 평가하는 것이다. 일부 경우에, 핑(100)은 초음파 변환기의 예상 공진을 포함하는 주파수 범위가 포함되어 있어야 한다.

핑(ping)은 전기적 핑일 수 있다. 핑의 이러한 주파수 범위는 약 500 kHz 내지 약 5 MHz 또는 그 하위 범위일 수 있다. 어떤 경우에는 핑의 주파수 범위가 약 0.5 MHz ~ 약 5 MHz일 수 있다. 일부 경우에, 핑의 주파수 범위는 약 0.5 MHz 내지 약 0.6 MHz, 약 0.5 MHz 내지 약 0.7 MHz, 약 0.5 MHz 내지 약 0.8 MHz, 약 0.5 MHz 내지 약 0.9 MHz, 약 0.5 MHz 내지 약 1 MHz, 약 0.5 MHz 내지 약 2 MHz, 약 0.5 MHz 내지 약 3 MHz, 약 0.5 MHz 내지 약 4 MHz, 약 0.5 MHz 내지 약 5 MHz, 약 0.6 MHz 내지 약 0.7 MHz, 약 0.6 MHz 내지 약 0.8 MHz, 약 0.6 MHz 내지 약 0.9 MHz, 약 0.6 MHz 내지 약 1 MHz, 약 0.6 MHz 내지 약 2 MHz, 약 0.6 MHz 내지 약 3 MHz, 약 0.6 MHz 내지 약 4 MHz, 약 0.6 MHz 내지 약 5 MHz, 약 0.7 MHz 내지 약 0.8 MHz, 약 0.7 MHz 내지 약 0.9 MHz, 약 0.7 MHz 내지 약 1 MHz, 약 0.7 MHz 내지 약 2 MHz, 약 0.7 MHz 내지 약 3 MHz, 약 0.7 MHz 내지 약 4 MHz, 약 0.7 MHz 내지 약 5 MHz, 약 0.8 MHz 내지 약 0.9 MHz, 약 0.8 MHz 내지 약 1 MHz, 약 0.8 MHz 내지 약 2 MHz, 약 0.8 MHz 내지 약 3 MHz, 약 0.8 MHz 내지 약 4 MHz, 약 0.8 MHz 내지 약 5 MHz, 약 0.9 MHz 내지 약 1 MHz, 약 0.9 MHz 내지 약 2 MHz, 약 0.9 MHz 내지 약 3 MHz, 약 0.9 MHz 내지 약 4 MHz, 약 0.9 MHz 내지 약 5 MHz, 약 1 MHz 내지 약 2 MHz, 약 1 MHz 내지 약 3 MHz, 약 1 MHz 내지 약 4 MHz, 약 1 MHz 내지 약 5 MHz, 약 2 MHz 내지 약 3 MHz, 약 2 MHz 내지 약 4 MHz, 약 2 MHz 내지 약 5 MHz, 약 3 MHz 내지 약 4 MHz, 약 3 MHz 내지 약 5 MHz, 또는 약 4 MHz 내지 약 5 MHz일 수 있다. 일부 경우에, 핑의 주파수 범위는 약 0.5 MHz, 약 0.6 MHz, 약 0.7 MHz, 약 0.8 MHz, 약 0.9 MHz, 약 1 MHz, 약 2 MHz, 약 3 MHz, 약 4 MHz, 또는 약 5 MHz일 수 있다. 일부 경우에, 핑의 주파수 범위는 적어도 약 0.5 MHz, 약 0.6 MHz, 약 0.7 MHz, 약 0.8 MHz, 약 0.9 MHz, 약 1 MHz, 약 2 MHz, 약 3 MHz 또는 약 4 MHz일 수 있다. 일부 경우에, 핑의 주파수 범위는 최대 약 0.6 MHz, 약 0.7 MHz, 약 0.8 MHz, 약 0.9 MHz, 약 1 MHz, 약 2 MHz, 약 3 MHz, 약 4 MHz 또는 약 5 MHz일 수 있다.

일부 예에서는, 예상되는 변환기 공진 주파수 범위는 약 1.6 내지 2.0 MHz일 수 있다. 예상되는 공진을 포함하는 대역폭은 공진 주파수 또는 그 부근에서 변환기를 구동함으로써 생성될 수 있지만 그 실행 주기는 기껏해야 몇 주기 정도이다.

이 대역폭을 결정하는 예시적인 방법은 Δ=2/(nT)=2f/n을 계산하는 것이다. 여기서 n은 주기 수이고, T는 주기 기간(즉, 본 명세서의 다른 곳에서 설명되는 주기 지속 시간)이며, f=1/T는 주파수이다. 이 식을 사용하면, 6 주기가 사용되는 경우, 1.8 MHz를 "모델" 주파수로 사용한 결과의 대역폭은 반송파 주변의 0.6 MHz가 될 수도 있다. 어떤 경우에는 주기 수를 줄이면 두 가지 효과가 있을 수 있다. 첫째, 핑 대역폭이 증가될 수 있고, 둘째, 유발된 공진 진동의 에너지가 감소될 수 있다. 예를 들어, 1 주기이면 3 MHz를 초과하는 대역폭([0.3~3.3]MHz를 의미)에 걸치지만 6 주기이면 보다 높은 진폭의 진동 에너지가 [1.5-2.1]MHz 범위로 확산된다. 1 주기 경우의 에너지가 낮으면 아날로그-디지털 변환기 및/또는 증폭기에 도달하는 신호가 더 유리해질 수 있는데, 그 이유는 이 신호가 캐리어 주기의 수가 많을 수록, 또는 길 수록 도플러 수신기를 포화시키지 못할 수 있기 때문이다. 도 1b에는, 예시적인 광대역 핑 신호(100) 및 대응하는 푸리에 주파수 공간(104)이 도시되어 있다.

도플러 수신기는 통상의 디지털화 및 증폭을 통해 핑을 제공한 결과로서 방출된 신호(102)를 포착할 수 있으며, 이 경우에는 RF 에코가 아니라 송신기가 핑을 보낸 이후 시간 간격 내의 "링 다운"일 수 있다. 도플러 수신기는 이득을 동적으로 및/또는 실시간으로 조정할 수 있다.

이어서, 광대역 전기 자극(100)에 응답하여 초음파 변환기(102)로부터 방출된 신호는, 고속 푸리에 변환(FFT)에 의해, 도 1b에 도시된 주파수 도메인 신호(108)로 변환될 수 있다. FFT의 피크(106)(최고 진폭) 주파수는, 변환기의 즉각적인 공진 주파수일 수 있다. 일부 경우에, 광대역 전기 자극(102)에 응답하여 초음파 변환기의 디지털적 포착 또는 디지털화된 방출 신호(아날로그-디지털 변환기, 예를 들어 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 도플러 수신기에 의해 포착 및/또는 디지털화된)는, 적어도 하나의 0으로로 디지털적으로 패딩되어, 디지털화된 방출 신호의 푸리에 변환의 스펙트럼 또는 주파수 분해능이 향상된다. 어떤 경우에는 푸리에 변환을 계산하기 전에 초음파 변환기의 방출 신호를 패딩할 때 최대 20,000개의 0 또는 적어도 20,000개의 0이 활용될 수 있다.

초음파 변환기의 공진 주파수를 결정한 결과, 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 시스템은, 결정된 공진 주파수를 출력하도록 송신기에 명령할 수 있다. 송신기 출력을 결정된 공진 주파수에 동조시키는 시스템은, 이경 검사의 측정치를 개선할 수 있다.

방법들

본 발명은, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하는 방법을 제공한다. 일부 경우에, 초음파 변환기는 CMUT를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 링 다운 특성은 초음파 변환기의 피크 주파수 및/또는 공진 주파수를 포함할 수 있다. 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 의해 제공되는 방법은, 본 명세서의 다른 곳에서 설명된 바와 같이 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하여 변환기의 최적 작동 조건을 제공할 수 있다.

일부 경우에, 방법은 도 6에 도시된 바와 같이 정전용량 미세가공 초음파 변환기(604)의 공진 주파수를 결정하는 방법을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 방법은, 초음파 변환기에 광대역 전기 자극 파형을 전달하는 단계로서, 상기 자극 파형의 스펙트럼 대역폭은 초음파 변환기(600)의 예상 공진 주파수 범위를 포함하는, 상기 전달하는 단계; 및 상기 광대역 전기 자극(602)의 결과로서 상기 초음파 변환기의 적어도 하나의 방출 신호로부터 초음파 변환기의 링 다운 특성을 측정하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 초음파 변환기는 내부 장기 또는 혈관의 청진을 달성하기 위한 기구에 결합될 수 있다. 일부 예에서, 초음파 변환기의 링 다운 특성은 광대역 전기 자극에 응답하여 초음파 변환기의 적어도 하나의 방출 신호를 증폭하도록 구성된 도플러 수신기에 의해 측정될 수 있다. 일부 경우에, 방법은 초음파 변환기의 방출 신호를 디지털화하는 단계를 더 포함할 수 있다. 어떤 경우에는 초음파 변환기의 방출 신호를 디지털화하는 작업이 아날로그-디지털 변환기에 의해 수행될 수 있다. 어떤 경우에는 아날로그-디지털 변환기가 도플러 수신기를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 측정하는 단계는 광대역 전기 자극에 응답하여 초음파 변환기로부터 증폭된 및/또는 디지털화된 방출 신호의 푸리에 변환을 계산하는 것을 포함할 수 있다. 어떤 경우에는 푸리에 변환이 해닝(Hanning) 또는 블랙만(Blackman) 필터 창을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 링 다운 특성은 초음파 변환기의 공진 주파수를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 방법은 피크 주파수를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 여기서 피크 주파수는 디지털화된 방출 신호의 푸리에 변환의 최대 진폭의 주파수에 대응한다. 일부 경우에, 링 다운 특성은 공진 주파수를 포함하며, 여기서 공진 주파수는 약 1,500 kHz 내지 약 2,000 kHz를 포함한다.

일부 경우에, 방법은 도 7에 도시된 바와 같이, 푸리에 변환(706)의 복수의 데이터 포인트의 피크 주파수를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일부 경우에, 피크 주파수를 결정하는 단계는, 초음파 변환기에 광대역 전기 자극(700)이 제공된 후 초음파 변환기의 방출 신호의 복수의 푸리에 변환 데이터 포인트를 수신하는 단계; 복수의 푸리에 변환 데이터 포인트(702)의 피크 주파수를 둘러싸는 복수의 데이터 포인트의 다항식 맞춤을 결정하는 단계; 및 피크 주파수(704)를 둘러싸는 복수의 데이터 포인트의 다항식 맞춤의 최대치로부터 초음파 변환기의 피크 주파수를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 다항식 맞춤은 1차, 2차, 3차, 4차, 또는 5차 다항식을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 복수의 푸리에 변환 데이터 포인트의 피크 주파수를 둘러싸는 복수의 데이터 포인트는 최대 19개의 데이터 포인트 또는 적어도 19개의 데이터 포인트를 포함할 수 있다.

일부 예에서, 광대역 전기 자극은 펄스 신호를 포함할 수 있으며, 여기서 펄스 신호는 적어도 하나 또는 복수의 펄스를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 펄스 신호는 하나 이상의 진동(예를 들어, 전파 진동, 반파 진동 등)을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 발진 펄스 신호는 정현파, 정사각형파, 톱니파, 삼각파 또는 이들의 임의 조합 파형을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 하나 이상의 진동은 단극 신호(예를 들어, 델타 함수) 또는 양극 신호(예를 들어, 정현파)를 포함할 수 있다. 일부 경우에 펄스 신호는 델타 함수를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 발진 펄스 신호는 적어도 1 주기의 진동을 포함할 수 있다. 일부 사례에서, 발진 신호는 주기 지속 시간(즉, 발진 파형 진폭이 단일 발진 주기를 완료하는 지속 시간)을 포함할 수 있으며, 여기서 발진 신호의 주기 지속 시간은 링 다운 특성의 공진 주파수(예를 들어 초음파 변환기의 공진 주파수)의 예상 범위를 포괄하도록 구성된다. 예를 들어, 공진 주파수의 범위는 주기 지속 시간을 단축하여 초음파 변환기의 집단 전체에 걸쳐 더 넓은 범위의 잠재적 공진 주파수를 여기함으로써, 또는 주기 지속 시간을 길게 하여 초음파 변환기 집단 전체에 걸쳐 더 좁은 범위의 잠재적 공진 주파수를 여기함으로써 조정될 수 있다. 일부 경우에, 주어진 펄스에 대해 복수의 주기 진동을 활용하면, 초음파 변환기의 집단 전체에 걸쳐 예상되는 여기 공진 주파수의 범위가 좁아질 수 있다. 이에 비해, 단일 주기의 진동은, 초음파 변환기 집단 전체에 걸쳐 예상되는 더 넓은 범위의 공진 주파수를 여기할 수 있다.

일부 경우에, 링 다운 특성은 광대역 전기 자극이 초음파 변환기에 전달된 후에 측정될 수도 있다. 일부 경우에는 광대역 전기 자극을 제공한 후 최대 약 200마이크로초(μs) 또는 최소 200μs의 감지 또는 청취 기간이 활용될 수 있다. 어떤 경우에는 적어도 2개의 광대역 전기 자극이 초음파 변환기로 전달되고, 초음파 변환기로부터 적어도 2개의 방출 신호가 감지된다. 어떤 경우에는 초음파 변환기에서 방출된 최소 2개의 신호를 평균화한다.

일부 경우에, 방법은 링 다운 특성에 기초하여 초음파 변환기를 기능적 또는 비기능적인 것으로 특성화하는 단계를 더 포함할 수 있다. 일부 예에서, 초음파 변환기의 비기능적 특성화는 기능적 초음파 변환기의 링 다운 특성에 대해 미리 결정된 범위 밖의 링 다운 특성을 포함할 수도 있다. 일부 예에서, 기능적 초음파 변환기의 링 다운 특성에 대한 소정의 범위는 공진 주파수의 범위를 포함할 수 있다. 어떤 경우에는, 링 다운 특성의 소정의 범위는 선험적으로 결정될 수도 있다.

컴퓨터 시스템

본 발명은 본 발명의 방법을 구현하도록 프로그래밍된 컴퓨터 시스템을 제공한다. 도 5는 본 명세서에 개시된 CMUT 공진을 결정하는 방법을 구현하도록 프로그래밍되거나 달리 구성된 컴퓨터 시스템(501)을 도시한다. 컴퓨터 시스템(501)은 예를 들어 고속 푸리에 변환(FFT)을 계산하고 변환기 전자 장치가 변환기를 적절한 공진 주파수에서 작동하도록 지시하는 등과 같은 본 발명의 장치의 다양한 양태를 조정할 수 있다. 컴퓨터 시스템(501)은, 사용자의 전자 장치일 수도 있고 전자 장치에 대해서 원격 위치에 있는 컴퓨터 시스템일 수도 있다. 전자 장치는 모바일 전자 장치일 수 있다.

컴퓨터 시스템(501)은 단일 코어 또는 멀티 코어 프로세서, 또는 병렬 처리를 위한 복수의 프로세서일 수 있는 중앙 처리 장치(CPU, 본 명세서에서는 "프로세서" 및 "컴퓨터 프로세서"라고도 함)(505)를 포함하고, 컴퓨터 시스템(501)은 또한 통신을 위한 메모리 또는 메모리 장소(510)(예를 들어, 랜덤 액세스 메모리, 읽기 전용 메모리, 플래시 메모리), 전자 저장 장치(515)(예를 들어, 하드 디스크), 통신 인터페이스(520)(예를 들어, 네트워크 어댑터)를 포함한다. 하나 이상의 다른 시스템 및 캐시, 기타 메모리, 데이터 저장 장치 및/또는 전자 디스플레이 어댑터와 같은 주변 장치(525)도 구비한다. 메모리(510), 저장 유닛(515), 인터페이스(520) 및 주변 장치(525)는 마더보드와 같은 통신 버스(실선)를 통해 CPU(505)와 통신한다. 저장 유닛(515)은 데이터를 저장하는 데이터 저장 유닛(또는 데이터 저장소)일 수 있다. 컴퓨터 시스템(501)은 통신 인터페이스(520)를 이용하여 컴퓨터 네트워크("네트워크")(530)에 작동 가능하게 접속될 수 있다. 네트워크(530)는 인터넷, 인터넷 및/또는 엑스트라넷, 또는 인터넷과 통신 중인 인트라넷 및/또는 엑스트라넷일 수 있다. 일부 경우에 네트워크(530)는 통신 및/또는 데이터 네트워크이다. 네트워크(530)는 클라우드 컴퓨팅과 같은 분산 컴퓨팅을 가능하게 할 수 있는 하나 이상의 컴퓨터 서버를 포함할 수 있다. 네트워크(530)는, 일부 경우에 컴퓨터 시스템(501)을 이용하여 컴퓨터 시스템(501)에 접속된 장치가 클라이언트 또는 서버로 동작할 수 있게 하는 피어 투 피어 네트워크를 실장할 수 있다.

CPU(505)는 프로그램이나 소프트웨어로 구현될 수 있는 일련의 기계 판독 가능 명령을 실행할 수 있다. 명령은 메모리(510)와 같은 메모리 위치에 저장될 수 있다. 명령은 CPU(505)로 전달될 수 있으며, CPU(505)는 본 발명의 방법을 구현하기 위해 CPU(505)를 후속적으로 프로그래밍하거나 구성할 수 있다. CPU(505)에 의해 수행되는 작업의 예로는 페치(fetch), 디코딩(decode), 실행(execute) 및 라이트백(writeback)이 포함될 수 있다.

CPU(505)는 집적 회로와 같은 회로의 일부일 수 있다. 시스템(501)의 하나 이상의 다른 구성 요소가 회로에 포함될 수 있다. 어떤 경우에는 회로가 ASIC(주문형 집적 회로)이다.

저장부(515)는 드라이버, 라이브러리, 저장된 프로그램 등의 파일을 저장할 수 있다. 저장 유닛(515)은 사용자 데이터, 예를 들어 사용자 선호도, 사용자 프로그램을 저장할 수 있다. 일부 경우에 컴퓨터 시스템(501)은 인트라넷 또는 인터넷(530)을 통해 컴퓨터 시스템(501)과 통신하는 원격 서버에 배치하는 등, 컴퓨터 시스템(501) 외부에 있는 하나 이상의 추가 데이터 저장 장치를 포함할 수도 있다.

컴퓨터 시스템(501)은 네트워크(530)를 통해 하나 이상의 원격 컴퓨터 시스템과 통신할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 시스템(501)은 사용자의 원격 컴퓨터 시스템과 통신할 수 있다. 원격 컴퓨터 시스템의 예로는 개인용 컴퓨터(예: 휴대용 PC), 슬레이트 또는 태블릿 PC(예를 들어, Apple®iPad, Samsung®Galaxy Tab), 전화기, 스마트폰(예를 들어, Apple®iPhone, Android 지원 장치, Blackberry®), 또는 개인 디지털 보조 장치가 있다. 사용자는 네트워크(530)를 통해 컴퓨터 시스템(501)에 액세스할 수 있다.

본 명세서에 기재된 방법은 예를 들어 메모리(510) 또는 전자 저장 장치(515)와 같은 컴퓨터 시스템(501)의 전자 저장 위치에 저장된 기계(예: 컴퓨터 프로세서) 실행 코드를 통해 구현될 수 있다. 기계 실행 가능 또는 기계 판독 가능 코드는 소프트웨어 형태로 제공될 수 있다. 사용 중에 코드는 프로세서(505)에 의해 실행될 수 있다. 어떤 경우에는 코드가 저장 장치(515)로부터 검색되어 프로세서(505)에 의한 즉시 액세스를 위해 메모리(510)에 저장될 수 있다. 어떤 경우에는, 전자 저장 장치(515)는 배제될 수도 있으며, 기계 실행 가능 명령은 메모리(510)에 저장된다.

코드는 그 코드를 실행하도록 된 프로세서를 갖는 머신에서 사용하기 위해 미리 컴파일되고 구성될 수 있거나, 런타임 동안에 컴파일될 수도 있다. 코드는 사전 컴파일된 방식이나 컴파일된 방법 그대로 실행되도록 선택할 수 있는 프로그래밍 언어로 제공될 수 있다.

컴퓨터 시스템(501)과 같이 여기에 제공된 시스템 및 방법의 양태는, 프로그래밍으로 구현될 수 있다. 기술의 다양한 측면은 일반적으로 어떤 종류의 기계 판독 가능 매체 상으로 운반되거나 혹은 그 속에 내장되는, 기계(또는 프로세서) 실행 가능 코드 및/또는 관련 데이터 형태의 "제품" 또는 "제조품"으로 간주될 수도 있다. 기계 실행 가능 코드는 메모리(예를 들어, 읽기 전용 메모리, 랜덤 액세스 메모리, 플래시 메모리) 또는 하드 디스크와 같은 전자 저장 장치에 저장될 수 있다. "스토리지(storage)" 유형의 미디어에는 컴퓨터, 프로세서 등의 유형 메모리의 일부 또는 전부, 또는 소프트웨어 프로그래밍을 위해 언제라도 비 일시적인 스토리지를 제공하는 다양한 반도체 메모리, 테이프 드라이브, 디스크 드라이브 등과 같은 관련 모듈을 포함할 수 있다. 소프트웨어의 전체 또는 일부는 때때로 인터넷이나 기타 다양한 통신 네트워크를 통해 전달될 수 있다. 이러한 통신을 통해, 예를 들어, 한 컴퓨터 또는 프로세서에서 다른 컴퓨터 또는 프로세서로, 예를 들어 관리 서버 또는 호스트 컴퓨터에서 애플리케이션 서버의 컴퓨터 플랫폼으로 소프트웨어를 로드하는 것이 가능해질 수 있다. 따라서, 소프트웨어 요소를 포함할 수 있는 또 다른 유형의 미디어에는 로컬 장치 간의 물리적 인터페이스, 유선 및 광학 유선 네트워크 및 다양한 공중 링크를 통해 사용되는 광학, 전기 및 전자기파가 포함된다. 유선 또는 무선 링크, 광 링크 등과 같이 이러한 파동을 전달하는 물리적 요소도 소프트웨어를 탑재하는 미디어로 간주될 수 있다. 본 명세서에 사용된, 비일시적, 유형의 "저장" 매체로 제한되지 않는 한, 컴퓨터 또는 기계의 "판독 가능한 매체"와 같은 용어는 프로세서에 실행을 위한 명령을 제공하는 데 관여하는 임의의 매체를 가리킨다.

따라서, 컴퓨터 실행 가능 코드와 같은 기계 판독 가능 매체는 유형의 저장 매체, 반송파 매체 또는 물리적 전송 매체를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 형태를 취할 수 있다. 비휘발성 저장 매체는 예를 들어, 도면에 도시된 데이터베이스 등을 구현하는 데 사용될 수 있는 임의의 컴퓨터 등의 임의의 저장 장치와 같은 광학 또는 자기 디스크를 포함한다. 휘발성 저장 매체에는 컴퓨터 플랫폼의 메인 메모리와 같은 동적 메모리가 포함된다. 유형의 전송 매체에는 동축 케이블, 컴퓨터 시스템 내의 버스를 구성하는 전선을 포함한 구리선 및 광섬유가 포함된다. 반송파 전송 매체는 전기 또는 전자기 신호, 무선 주파수(RF) 및 적외선(IR) 데이터 통신 중에 생성되는 음향 또는 광파의 형태를 취할 수 있다. 따라서 컴퓨터 판독 가능 매체의 일반적인 형태에는 플로피 디스크, 플렉시블 디스크, 하드 디스크, 자기 테이프, 기타 자기 매체, CD-ROM, DVD 또는 DVD-ROM, 기타 광학 매체, 펀치 카드지 테이프, 구멍 패턴이 있는 기타 물리적 저장 매체, RAM, ROM, PROM 및 EPROM, FLASH-EPROM, 기타 메모리 칩 또는 카트리지, 데이터 또는 명령을 전송하는 반송파, 그러한 캐리어를 전송하는 케이블 또는 링크 웨이브 또는 컴퓨터가 프로그래밍 코드 및/또는 데이터를 읽을 수 있는 기타 매체 등이 있다. 이러한 형태의 컴퓨터 판독 가능 매체 중 다수는 실행을 위해 하나 이상의 명령의 하나 이상의 시퀀스를 프로세서에 전달하는 것과 관련될 수 있다.

컴퓨터 시스템(501)은 예를 들어 CMUT 공진 주파수를 제공하기 위한 사용자 인터페이스(UI)(540)를 포함하는 전자 디스플레이(535)를 포함하거나 이와 통신할 수 있다. UI의 예로는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 및 웹 기반 사용자 인터페이스가 포함되나 이에 한정되지는 않는다.

본 발명의 방법 및 시스템은 하나 이상의 알고리즘을 통해 구현될 수 있다. 알고리즘은 중앙 처리 장치(505)에 의해 실행될 때 소프트웨어를 통해 구현될 수 있다. 알고리즘은 예를 들어, CMUT 공진 주파수를 결정할 수 있다.

일부 경우에, 본 발명에 의해 제공되는 시스템은 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 상기 컴퓨터 시스템은 (a) 초음파 변환기; (b) 상기 초음파 변환기와 전기적으로 통신하는 프로세서; 및 (c) 소프트웨어를 포함하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체로서, 상기 소프트웨어가 실행 결과에 따라 컴퓨터 시스템의 프로세서로 하여금, (i) 상기 초음파 변환기에 광대역 전기 자극을 제공하고, 상기 광대역 전기 자극의 스펙트럼 대역폭은 상기 초음파 변환기의 예상 공진 주파수 범위를 포함하고, (ii) 상기 광대역 전기 자극에 응답하여 상기 초음파 변환기로부터의 방출 신호를 측정하고, (iii) 상기 방출 신호의 링 다운 특성을 결정하도록 수행하게 하는 실행 가능한 명령을 포함하는, 상기 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함한다. 일부 경우에, 초음파 변환기는 CMUT를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 초음파 변환기는 이경의 검경에 결합될 수 있다. 일부 경우에, 초음파 변환기는 내부 장기나 혈관의 청진을 수행하기 위해 기구에 결합될 수 있다. 일부 경우에, 초음파 변환기의 링 다운 특성은 광대역 전기 자극에 응답하여 초음파 변환기의 방출 신호를 증폭하도록 구성된 도플러 수신기에 의해 측정될 수 있다. 일부 경우에, 소프트웨어는 또한 프로세서가 초음파 변환기의 증폭된 방출 신호를 디지털화하게 할 수 있다. 일부 경우에, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하는 것은 광대역 전기 자극에 응답하여 초음파 변환기의 증폭된 방출 신호의 푸리에 변환을 계산하는 것을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 푸리에 변환을 계산하기 전에 방출 신호가 제로 패딩될 수 있다. 일부 경우에, 방출 신호는 최대 20,000개의 0 또는 적어도 20,000개의 0으로 제로 패딩될 수 있다. 일부 예에서, 푸리에 변환이 해닝(Hanning) 또는 블랙만(Blackman) 필터 창을 포함할 수도 있다. 일부 경우에, 링 다운 특성이 공진 주파수를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 소프트웨어는 또한 프로세서가 피크 주파수를 결정하게 할 수 있으며, 여기서 피크 주파수는 초음파 변환기의 방출 신호의 푸리에 변환의 최대 진폭을 포함한다.

일부 예에서, 소프트웨어는 또한 프로세서가 푸리에 변환의 복수의 데이터 포인트의 피크 주파수를 결정하게 할 수 있다. 일부 경우에, 푸리에 변환의 복수의 데이터 포인트의 피크 주파수를 결정하는 것은: (a) 초음파 변환기의 방출 신호의 복수의 푸리에 변환 데이터 포인트를 수신하고; (b) 복수의 푸리에 변환 데이터 포인트의 피크 주파수를 둘러싸는 복수의 데이터 포인트의 다항식 맞춤을 결정하고; 및 피크 주파수를 둘러싸는 복수의 데이터 포인트의 다항식 맞춤의 최대값으로부터 피크 주파수를 결정하는 것을 포함한다. 일부 경우에, 다항식 맞춤은 1차, 2차, 3차, 4차 또는 5차 다항식 맞춤을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 광대역 전기 자극은 펄스 신호를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 펄스 신호는 하나 이상의 진동을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 하나 이상의 진동은 단극 신호 또는 양극 신호를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 펄스 신호는 델타 함수를 포함할 수도 있다. 일부 경우에, 발진 신호는 적어도 1회의 진동을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 발진 신호는 주기 지속 기간을 포함할 수 있으며, 여기서 발진 신호의 주기 지속 시간은 링 다운 특성의 공진 주파수의 예상 범위를 커버하도록 구성된다. 일부 예에서, 광대역 전기 자극의 펄스 신호는 적어도 하나의 펄스를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 광대역 전기 자극이 초음파 변환기에 제공된 후에 링 다운 특성이 측정될 수 있다. 일부 예에서, 적어도 2개의 광대역 전기 자극이 초음파 변환기로 전달되어 초음파 변환기의 적어도 2개의 방출 신호를 생성할 수 있다. 일부 경우에, 초음파 변환기의 적어도 2개의 방출 신호가 평균화될 수 있다. 일부 예에서, 링 다운 특성은 공진 주파수를 포함할 수 있으며, 여기서 공진 주파수는 약 1,500 kHz 내지 약 2,000 kHz를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 피크 주파수를 둘러싸는 복수의 데이터 포인트는 최대 19개의 데이터 포인트 또는 적어도 19개의 데이터 포인트를 포함할 수 있다.

일부 경우에, 소프트웨어는 또한 프로세서가 링 다운 특성에 기초하여 초음파 변환기를 기능적 또는 비기능적인 것으로 특성화하게 할 수 있다. 일부 예에서, 초음파 변환기의 비기능적 특성화는 기능적 초음파 변환기의 링 다운 특성에 대해 미리 결정된 범위 밖의 링 다운 특성을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 기능적 초음파 변환기의 링 다운 특성에 대해 미리 결정된 범위는 공진 주파수의 범위를 포함할 수 있다.

"적어도", "보다 큰" 또는 "보다 크거나 같은"이라는 용어가 일련의 2개 이상의 수치 값 중 첫 번째 수치 앞에 올 때마다, "적어도", "보다 큰" 또는 "보다 크거나 같은"이라는 용어는 일련의 수치 중 각각의 수치에 적용된다. 예를 들어, 1, 2 또는 3 보다 크거나 같다는 것은 1 보다 크거나 같고, 2 보다 크거나 같고, 또는 3 보다 크거나 같다는 것과 동일하다.

"단지", "보다 작은" 또는 "보다 작거나 같은"라는 용어가 일련의 2개 이상의 수치 값 중 첫 번째 수치 앞에 올 때마다, "단지", "보다 작은" 또는 "보다 작거나 같은"이라는 용어는 일련의 수치 중 각각의 수치에 적용된다. 예를 들어, 3, 2 또는 1 보다 작거나 같다라는 것은 3 보다 작거나 같고, 2 보다 작거나 같고, 또는 1 보다 작거나 같다라는 것과 동일하다.

본 명세서의 특정한 본 발명의 실시예는 수치 범위를 고려한다. 범위가 있는 경우 범위에는 범위 종료점이 포함된다. 또한 모든 하위 범위와 범위 내의 값은 명시적으로 작성된 것처럼 표시된다.

"약" 또는 "대략"이라는 용어는 특정 값에 대해 허용 가능한 오차 범위 내를 의미할 수 있으며, 이는 부분적으로 값이 측정되거나 결정되는 방법, 예를 들어 측정 시스템의 한계에 따라 달라질 것이다. 예를 들어, "약"은 당업계의 실시에 따라 1 또는 1 초과의 표준 편차 이내를 의미할 수 있다. 대안적으로, "약"은 주어진 값의 최대 20%, 최대 10%, 최대 5%, 또는 최대 1%의 범위를 의미할 수 있다. 출원 및 청구범위에 특정 값이 기술되어 있는 경우, 달리 명시하지 않는 한 용어 "약"은 특정 값에 대해 허용 가능한 오류 범위 내에 있음을 의미하는 것으로 가정될 수 있다.

실시예

제1 실시예는 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법을 포함하고, 상기 방법은 초음파 변환기에 광대역 전기 자극 파형을 전달하는 단계로서, 상기 자극 파형의 스펙트럼 대역폭은 초음파 변환기의 예상 공진 주파수 범위를 포함하는, 상기 전달하는 단계; 및 상기 광대역 전기 자극의 결과로서 상기 초음파 변환기의 적어도 하나의 방출 신호로부터 초음파 변환기의 링 다운 특성을 측정하는 단계를 포함한다. 제2 실시예는 제1 실시예의 방법을 포함하고, 여기서 초음파 변환기는 이경의 검경에 결합된다. 제3 실시예는 제1 실시예 또는 제2 실시예에서와 같은 방법을 포함하고, 여기서 초음파 변환기는 내부 장기 또는 혈관의 청진을 달성하기 위한 기구에 결합된다. 제4 실시예는 제1 실시예 내지 제3 실시예 중 어느 하나의 방법을 포함하고, 여기서 초음파 변환기의 링 다운 특성은 광대역 전기 자극에 응답하여 초음파 변환기의 적어도 하나의 방출 신호를 증폭하도록 구성된 도플러 수신기에 의해 측정된다. 제5 실시예는 제4 실시예의 방법을 포함하고, 여기서 초음파 변환기의 방출 신호를 디지털화하는 단계를 더 포함한다. 제6 실시예는 제1 실시예 내지 제5 실시예 중 어느 하나의 방법을 포함하고, 여기서 초음파 변환기의 링 다운 특성을 측정하는 단계는 광대역 전기 자극에 응답하여 초음파 변환기로부터 증폭된 적어도 하나의 방출 신호의 푸리에 변환을 계산하는 것을 포함한다. 제7 실시예는 제6 실시예의 방법을 포함하고, 여기서 푸리에 변환은 제로-패딩된 푸리에 변환을 포함한다. 제8 실시예는 제6 실시예 또는 제7 실시예와 같은 방법을 포함하고, 여기서 푸리에 변환은 해닝(Hanning) 또는 블랙만(Blackman) 필터 창을 포함한다. 제9 실시예는 제1 실시예 내지 제8 실시예 중 어느 하나의 방법을 포함하고, 여기서 링 다운 특성은 공진 주파수를 포함한다. 제10 실시예는 제6 실시예 내지 제9 실시예 중 어느 하나의 방법을 포함하고, 여기서 상기 방법은 피크 주파수를 결정하는 단계를 더 포함하며, 여기서 피크 주파수는 방출 신호의 푸리에 변환의 최대 진폭의 주파수에 대응한다. 제11 실시예는 제8 실시예의 방법을 포함하고, 여기서 상기 방법은 푸리에 변환의 복수의 데이터 포인트의 피크 주파수를 결정하는 단계를 더 포함하고, 여기서 피크 주파수를 결정하는 단계는 상기 초음파 변환기의 방출 신호의 복수의 푸리에 변환 데이터 포인트를 수신하는 단계; 상기 복수의 푸리에 변환 데이터 포인트의 피크 주파수를 둘러싸는 복수의 데이터 포인트의 다항식 맞춤을 결정하는 단계; 및 상기 피크 주파수를 둘러싸는 복수의 데이터 포인트의 다항식 맞춤의 최대값으로부터 피크 주파수를 결정하는 단계를 포함한다. 제12 실시예는 제11 실시예의 방법을 포함하고, 여기서 다항식 맞춤이 1차, 2차, 3차, 4차, 또는 5차 다항식 맞춤을 포함한다. 제13 실시예는 제1 실시예 내지 제12 실시예 중 어느 하나의 방법을 포함하고, 여기서 광대역 전기 자극은 펄스 신호를 포함하고, 상기 펄스 신호는 하나 이상의 진동을 포함한다. 제14 실시예는 제13 실시예를 포함하고, 여기서 펄스 신호는 델타 함수를 포함한다. 제15 실시예는 제13 실시예의 방법을 포함하고, 여기서 발진 신호는 적어도 1회의 진동 주기를 포함한다. 제16 실시예는 제13 실시예 내지 제15 실시예 중 어느 하나의 방법을 포함하고, 여기서 발진 펄스 신호는 주기 지속 시간을 포함하고, 상기 펄스 발진 신호의 주기 기간은 링 다운 특성의 공진 주파수의 예상 범위를 커버하도록 구성된다. 제17 실시예는 제13 실시예 내지 제16 실시예 중 어느 하나의 방법을 포함하고, 여기서 펄스 신호는 적어도 하나의 펄스를 포함한다. 제18 실시예는 제11 실시예 내지 제17 실시예 중 어느 하나의 방법을 포함하고, 여기서 복수의 푸리에 변환 데이터 포인트의 피크 주파수를 둘러싸는 복수의 데이터 포인트는 최대 19개의 데이터 포인트 또는 적어도 19개의 데이터 포인트를 포함할 수 있다. 제19 실시예는 제1 실시예 내지 제18 실시예 중 어느 하나의 방법을 포함하고, 여기서 링 다운 특성은 광대역 전기 자극이 초음파 변환기에 전달된 후에 측정된다. 제20 실시예는 제1 실시예 내지 제19 실시예 중 어느 하나의 방법을 포함하고, 여기서 적어도 2개의 광대역 전기 자극이 초음파 변환기로 전달되고, 상기 초음파 변환기의 적어도 2개의 방출 신호가 평균화된다. 제21 실시예는 제1 실시예 내지 제20 실시예 중 어느 하나의 방법을 포함하고, 여기서 링 다운 특성은 공진 주파수를 포함하고, 상기 공진 주파수는 약 1500 kHz 내지 약 2000 kHz를 포함한다. 제22 실시예는 제1 실시예 내지 제21 실시예 중 어느 하나의 방법을 포함하고, 여기서 링 다운 특성에 기초하여 초음파 변환기를 기능적 또는 비기능적인 것으로 특성화하는 단계를 더 포함한다. 제23 실시예는 제22 실시예의 방법을 포함하고, 여기서 초음파 변환기의 비기능적 특성화는 기능적 초음파 변환기의 링 다운 특성에 대해 미리 결정된 범위 밖의 링 다운 특성을 포함한다. 제24 실시예는 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템을 포함하며, 상기 컴퓨터 시스템은 초음파 변환기; 상기 초음파 변환기와 전기적으로 통신하는 프로세서; 및 소프트웨어를 포함하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함하고, 여기서 소프트웨어가 실행 결과에 따라 컴퓨터 시스템의 프로세서로 하여금, 상기 초음파 변환기에 광대역 전기 자극을 제공하고, 상기 광대역 전기 자극의 스펙트럼 대역폭은 상기 초음파 변환기의 예상 공진 주파수 범위를 포함하고, 상기 광대역 전기 자극에 응답하여 상기 초음파 변환기로부터의 방출 신호를 측정하고, 상기 방출 신호의 링 다운 특성을 결정하도록 수행하게 하는 실행 가능한 명령을 포함한다. 제25 실시예는 제24 실시예의 컴퓨터 시스템을 포함하고, 여기서 초음파 변환기는 정전용량 미세가공 초음파 변환기를 포함한다. 제26 실시예는 제24 실시예 또는 제25 실시예에서와 같은 컴퓨터 시스템을 포함하고, 여기서 초음파 변환기는 이경의 검경에 결합된다. 제27 실시예는 제24 실시예 내지 제26 실시예 중 어느 하나의 컴퓨터 시스템을 포함하고, 여기서 초음파 변환기는 내부 장기 또는 혈관의 청진을 달성하기 위한 기구에 결합된다. 제28 실시예는 제24 실시예 내지 제27 실시예 중 어느 하나의 컴퓨터 시스템을 포함하고, 여기서 초음파 변환기의 링 다운 특성은 광대역 전기 자극에 응답하여 초음파 변환기의 방출 신호를 증폭하도록 구성된 도플러 수신기에 의해 측정된다. 제29 실시예는 제28 실시예의 컴퓨터 시스템을 포함하고, 여기서 소프트웨어 실행 가능 명령은 초음파 변환기의 증폭된 방출 신호를 디지털화하는 것을 더 포함한다. 제30 실시예는 제28 실시예 또는 제29 실시예와 같은 컴퓨터 시스템을 포함하고, 여기서 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하는 것은 광대역 전기 자극에 응답하여 초음파 변환기의 증폭된 방출 신호의 푸리에 변환을 계산하는 것을 포함한다. 제31 실시예는 제30 실시예의 컴퓨터 시스템을 포함하고, 여기서 푸리에 변환을 계산하기 전에 방출 신호가 제로 패딩된다. 제32 실시예는 제30 실시예 또는 제31 실시예와 같은 컴퓨터 시스템을 포함하고, 여기서 푸리에 변환은 해닝(Hanning) 또는 블랙맨(Blackman) 필터 창을 포함한다. 제33 실시예는 제24 실시예 내지 제32 실시예 중 어느 하나의 컴퓨터 시스템을 포함하고, 여기서 링 다운 특성은 공진 주파수를 포함한다. 제34 실시예는 제30 실시예 내지 제33 실시예 중 어느 하나의 컴퓨터 시스템을 포함하고, 여기서 소프트웨어 실행 가능 명령은 피크 주파수를 결정하는 것을 더 포함하며, 여기서 피크 주파수는 방출 신호의 푸리에 변환의 최대 진폭의 주파수에 대응한다. 제35 실시예는 제34 실시예의 컴퓨터 시스템을 포함하고, 여기서 소프트웨어 실행 가능 명령은 푸리에 변환의 복수의 데이터 포인트의 피크 주파수를 결정하는 것을 더 포함하고, 여기서 피크 주파수를 결정하는 것은 초음파 변환기의 방출 신호의 복수의 푸리에 변환 데이터 포인트를 수신하고; 복수의 푸리에 변환 데이터 포인트의 피크 주파수를 둘러싸는 복수의 데이터 포인트의 다항식 맞춤을 결정하고; 피크 주파수를 둘러싸는 복수의 데이터 포인트의 다항식 맞춤의 최대값으로부터 피크 주파수를 결정하는 것을 포함한다. 제36 실시예는 제35 실시예의 컴퓨터 시스템을 포함하고, 여기서 다항식 맞춤은 1차, 2차, 3차, 4차, 또는 5차 다항식 맞춤을 포함한다. 제37 실시예는 제35 실시예의 컴퓨터 시스템을 포함하고, 여기서 피크 주파수를 둘러싸는 복수의 데이터 포인트는 최대 19개의 데이터 포인트 또는 적어도 19개의 데이터 포인트를 포함한다. 제38 실시예 38는 제24 실시예 내지 제37 실시예 중 어느 하나의 컴퓨터 시스템을 포함하고, 여기서 광대역 전기 자극은 펄스 신호를 포함하고, 상기 펄스 신호는 하나 이상의 진동을 포함한다. 제39 실시예 39는 제38 실시예의 컴퓨터 시스템을 포함하고, 여기서 펄스 신호는 델타 함수를 포함한다. 제40 실시예는 제38 실시예 또는 제39 실시예에서와 같은 컴퓨터 시스템을 포함하고, 여기서 발진 펄스 신호는 적어도 1회의 진동 주기 포함한다. 제41 실시예는 제38 실시예 내지 제40 실시예 중 어느 하나의 컴퓨터 시스템을 포함하고, 여기서 발진 펄스 신호는 주기 지속 시간을 포함하고, 상기 발진 신호의 주기 지속 시간은 링 다운 특성의 공진 주파수의 예상 범위를 커버하도록 구성된다. 제42 실시예는 제38 실시예 내지 제41 실시예 중 어느 하나의 컴퓨터 시스템을 포함하고, 여기서 광대역 전기 자극의 펄스 신호는 적어도 하나의 펄스를 포함한다. 제43 실시예는 제24 실시예 내지 제42 실시예 중 어느 하나의 컴퓨터 시스템을 포함하고, 여기서 링 다운 특성은 광대역 전기 자극이 초음파 변환기에 전달된 후에 측정된다. 제44 실시예는 제24 실시예 내지 제43 실시예 중 어느 하나의 컴퓨터 시스템을 포함하고, 여기서 적어도 2개의 광대역 전기 자극이 초음파 변환기로 전달되고, 상기 초음파 변환기의 적어도 2개의 방출 신호는 평균화된다. 제45 실시예는 제24 실시예 내지 제44 실시예 중 어느 하나의 컴퓨터 시스템을 포함하고, 여기서 링 다운 특성은 공진 주파수를 포함하고, 상기 공진 주파수는 약 1500 kHz 내지 약 2000 kHz를 포함한다. 제46 실시예는 제24 실시예 내지 제45 실시예 중 어느 하나의 컴퓨터 시스템을 포함하고, 여기서 링 다운 특성에 기초하여 초음파 변환기를 기능적 또는 비기능적인 것으로 특성화하는 것을 더 포함한다. 제47 실시예는 제46 실시예의 컴퓨터 시스템을 포함하고, 여기서 초음파 변환기의 비기능적 특성화는 기능적 초음파 변환기의 링 다운 특성에 대해 미리 결정된 범위 밖의 링 다운 특성을 포함한다.

예시

예시 1: 다양한 대기 조건 하에서 CMUT 변환기의 주파수 응답 특성

예로써, OtoNexus c0 도플러 시스템을 사용하여 다음 실험을 수행하였다.

장비: 펄스-에코(pulse-echo) 모드 및 변환기(선험적으로 1.92 MHz인 것으로 알려진 공진)용으로 구성된 시스템을 갖춘 OtoNexus Research Laboratory 음향 출력 모니터링 시스템.

방법: 1 주기 버스트 길이와 선택된 주파수 1.6 MHz의 TX 조건을 사용하여 1000 펄스 기간을 구현하고 샘플링하였다. 이 주파수는 공진을 결정하는 이 방법에서 핑 중심 주파수가 변환기 공진 주파수 근처에 있을 것을 요구하지 않지만, 더 낮은 지속 시간 펄스와 관련된 대역폭이 변환기의 공진 주파수를 포함하도록 확장되기 때문에 변환기가 "선호하는" 에너지를 갖는다는 것을 보여주기 위해 선택되었다.

도 1a는 시간 영역에서 시간적으로 좁고 스펙트럼적으로 넓은 핑(100) 이후의 링 다운(102) 측정의 예를 도시한다.

도 1b는 링 다운(108)의 스펙트럼(푸리에 변환) 영역과 시간적으로 좁고 스펙트럼적으로 넓은 핑(104)을 도시한다.

단일 주기 여기는 도 1a에 정현파로 도시되며, 여기서 TX 실행 후 최초 수 마이크로초가 표시된다. 도시된 "핑(ping)"(100)은 1.6 MHz의 주파수를 갖는다. 트레이스(trace)(102)는 여기서 샘플링이 약 3μs에서 시작하여 약 5μs 동안 지속하는 변환기 링 다운 기간이며, 25MS/s에서 전체 약 125개 샘플이 된다. 트레이스(102)는 이 시스템에 있는 1000개 프로필의 평균이며 데이터를 획득하는 데 0.2초가 걸렸다. 디지털화된 평균 링 다운(102)은 푸리에 변환에서 스펙트럼 분해능을 높이기 위해 20,000개의 제로(0)로 패딩되었다.

결과적인 주파수 영역 데이터가 도 1b에 도시된다. 파형(104)의 왼쪽 가장자리에 있는 첫 번째 로브(lobe)는 "핑"의 광대역 특성을 보여주며, 이는 우리가 CMUT 변환기 클래스에서 볼 것으로 예상하는 공진 주파수의 전체 범위를 잘 커버한다.

링 다운(108)의 푸리에 변환의 결과적인 주파수 영역 데이터는 핑(100)이 자체 공진에서 우리 클래스의 임의의 CMUT를 자극하고 응답을 유도할 수 있음을 나타낸다. CMUT에 제공된 이러한 광대역 여기는 1.92 MHz에서 피크 주파수(106)을 결정하는 결과를 가져왔으며, 이는 즉각적인 공진 주파수를 보여주는 CMUT이다.

도 2는 본 발명의 예시적인 CMUT에 대한 환경 공기압의 변화의 결과로서 공진 주파수의 가변성의 예를 도시한다. 도 2에 도시된 그래프는 기울기가 4.6 kHz/kPa이고 절편이 1292 kHz인 선형 맞춤(linear fit)을 갖는다. 이들 데이터는 인간이 살고 있는 다양한 고도에 해당하는 다양한 대기압에서 공진 주파수를 결정해야 할 필요성을 보여줄 수 있다.

[표 1]

도 3은 1년 동안 대기압의 변화를 도시한다. 도 3은 해수면에서 1년 동안 0.44 kPa 변화(3-시그마 신뢰 구간)를 도시한다.

도 2의 맞춤을 사용하여, 0.44 kPa의 압력 변화는 공진 주파수를 0.44 kPa * 4.6 kHz/kPa = 2.02kHz, 또는 표 1에 표시된 원래 공진 주파수의 0.1 %로 변경한다. 상당히 더 큰 압력 변화는 해수면에서 10,000 피트(feet)까지의 상이한 고도에서 경험할 수 있다.

도 4는 도 2에 도시된 바와 같이, 5개의 CMUT에 대해 환경의 변화에 따른 CMUT 공진 주파수의 가변성의 측정을 도시한다. 특정 압력에서 5개의 CMUT 사이의 공진 주파수에는 대략 50 kHz의 차이가 있으며, 이들 CMUT의 전체 집단은 전체 압력 범위에 걸쳐 공진 주파수의 극적인 변화를 표시하는 것을 볼 수 있다.

도 3에서 보여된 공진의 가변성은 도 2 및 도 4에 도시된 시간에 따른 고정된 고도에서의 변화의 적어도 10배이다. 이러한 두 가지 변동 원인은 서로 다른 상황 하에서 서로 다른 공진 주파수 변화를 보여 주지만, 둘 다 초음파 변환기의 즉각적인 공진 주파수를 인식하는 것의 중요성과 변환기 감도를 최대화하기 위해 해당 주파수에서 작동해야 할 필요성을 보여줍니다. 본 명세서의 다른 곳에 설명된 방법, 시스템 및 장치는 다양한 환경 매개변수(예를 들어, 고도 및 지역 온도 변동)를 사용하여 주어진 지역에서 주어진 시기(예를 들어, 습도 및 대기압에 영향을 미치는 계절을 나타내는 연도)에 초음파 변환기의 작동 공진 주파수를 결정하기 위한 솔루션을 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시예가 본 명세서에 도시되고 설명되었지만, 이러한 실시예는 단지 예로서 제공된다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명은 명세서 내에 제공된 특정 실시예에 의해 제한되도록 의도되지 않는다. 본 발명은 전술한 명세서를 참조하여 설명되었지만, 본 명세서의 실시예의 설명 및 예시는 제한적인 의미로 해석되는 것을 의미하지 않는다. 본 발명을 벗어나지 않으면서 당업자는 다양한 변형, 변경 및 대체를 할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 모든 양태는 다양한 조건 및 변수에 따라 달라지는 본 명세서에 제시된 특정 묘사, 구성 또는 상대적 비율에 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 본 명세서에 설명된 본 발명의 실시예에 대한 다양한 대안이 본 발명을 실시하는데 채용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서 본 발명은 그러한 대안, 변경, 변형 또는 등가물도 포괄해야 한다고 생각된다. 다음의 청구범위는 본 발명의 범위를 정의하고, 이들 청구범위 및 그 등가물 범위 내에서의 방법 및 구조가 이에 의해 포괄되도록 의도된다.

상술된 단계들은 실시예에 따른 각각의 방법을 보여주지만, 당업자는 본 명세서에 설명된 교시에 기초하여 많은 변형을 인식할 것이다. 이들 단계는 다른 순서로 완료될 수 있다. 단계들은 추가되거나 생략될 수 있다. 일부 단계는 하위 단계로 구성될 수 있다. 많은 단계는 유익한 만큼 자주 반복될 수 있다.

각각의 방법의 단계 중 하나 이상은 본 명세서에 설명된 회로군, 예를 들어 필드 프로그래밍 가능 게이트 어레이에 대한 프로그래밍 가능 어레이 논리와 같은 프로세서 또는 논리 회로 중 하나 이상을 사용하여 수행될 수 있다. 회로군은 각각의 방법의 단계 중 하나 이상을 제공하도록 프로그래밍될 수 있으며, 프로그램은 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 프로그램 명령 또는 예를 들어, 프로그래밍 가능한 어레이 논리 또는 FPGA와 같은 논리 회로의 프로그래밍된 단계를 포함할 수 있다.

Claims

초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법으로서,
초음파 변환기에 광대역 전기 자극 파형을 전달하는 단계로서, 상기 자극 파형의 스펙트럼 대역폭은 초음파 변환기의 예상 공진 주파수 범위를 포함하는, 상기 전달하는 단계; 및
상기 광대역 전기 자극의 결과로서 상기 초음파 변환기의 적어도 하나의 방출 신호로부터 초음파 변환기의 링 다운 특성을 측정하는 단계를 포함하는, 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 초음파 변환기는 이경의 검경에 결합되는, 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 초음파 변환기는 내부 장기 또는 혈관의 청진을 달성하기 위한 기구에 결합되는, 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초음파 변환기의 링 다운 특성은 광대역 전기 자극에 응답하여 초음파 변환기의 적어도 하나의 방출 신호를 증폭하도록 구성된 도플러 수신기에 의해 측정되는, 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
제4항에 있어서,
상기 초음파 변환기의 방출 신호를 디지털화하는 단계를 더 포함하는, 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초음파 변환기의 링 다운 특성을 측정하는 단계는 광대역 전기 자극에 응답하여 초음파 변환기로부터 증폭된 적어도 하나의 방출 신호의 푸리에 변환을 계산하는 것을 포함하는, 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
제6항에 있어서,
상기 푸리에 변환은 제로 패딩된(zero-padded) 푸리에 변환을 포함하는, 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 푸리에 변환은 해닝(Hanning) 또는 블랙만(Blackman) 필터 창을 포함하는, 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 링 다운 특성은 공진 주파수를 포함하는, 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
피크 주파수를 결정하는 단계를 더 포함하고, 상기 피크 주파수는 상기 방출 신호의 푸리에 변환의 최대 진폭의 주파수에 대응하는, 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
제8항에 있어서,
푸리에 변환의 복수의 데이터 포인트의 피크 주파수를 결정하는 단계를 더 포함하고, 상기 피크 주파수를 결정하는 단계는,
(a) 상기 초음파 변환기의 방출 신호의 복수의 푸리에 변환 데이터 포인트를 수신하는 단계;
(b) 상기 복수의 푸리에 변환 데이터 포인트의 피크 주파수를 둘러싸는 복수의 데이터 포인트의 다항식 맞춤을 결정하는 단계; 및
(c) 상기 피크 주파수를 둘러싸는 복수의 데이터 포인트의 다항식 맞춤의 최대값으로부터 피크 주파수를 결정하는 단계를 포함하는, 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 다항식 맞춤은 1차, 2차, 3차, 4차, 또는 5차 다항식 맞춤을 포함하는, 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광대역 전기 자극은 펄스 신호를 포함하고, 상기 펄스 신호는 하나 이상의 진동을 포함하는, 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
제13항에 있어서,
상기 펄스 신호는 델타 함수를 포함하는, 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
제13항에 있어서,
발진 펄스 신호는 적어도 1회의 진동 주기를 포함하는, 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발진 펄스 신호는 주기 지속 시간을 포함하고, 상기 발진 신호의 주기 지속 시간은 링 다운 특성의 공진 주파수의 예상 범위를 커버하도록 구성되는, 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 펄스 신호는 적어도 하나의 펄스를 포함하는, 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 푸리에 변환 데이터 포인트의 피크 주파수를 둘러싸는 복수의 데이터 포인트는 최대 19개의 데이터 포인트 또는 적어도 19개의 데이터 포인트를 포함할 수 있는, 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 링 다운 특성은 상기 광대역 전기 자극이 상기 초음파 변환기에 전달된 후에 측정되는, 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 2개의 광대역 전기 자극이 상기 초음파 변환기로 전달되고, 상기 초음파 변환기의 적어도 2개의 방출 신호가 평균화되는, 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 링 다운 특성은 공진 주파수를 포함하고, 상기 공진 주파수는 약 1500 kHz 내지 약 2000 kHz를 포함하는, 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 링 다운 특성에 기초하여 상기 초음파 변환기를 기능적 또는 비기능적인 것으로 특성화하는 단계를 더 포함하는, 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
제22항에 있어서,
상기 초음파 변환기의 비기능적 특성화는 기능적 초음파 변환기의 링 다운 특성에 대해 미리 결정된 범위 밖의 링 다운 특성을 포함하는, 초음파 변환기의 공진 주파수를 결정하는 방법.
초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템으로서,
(a) 초음파 변환기;
(b) 상기 초음파 변환기와 전기적으로 통신하는 프로세서; 및
(c) 소프트웨어를 포함하는 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체로서, 상기 소프트웨어가 실행 결과에 따라 컴퓨터 시스템의 프로세서로 하여금,
(i) 상기 초음파 변환기에 광대역 전기 자극을 제공하고, 상기 광대역 전기 자극의 스펙트럼 대역폭은 상기 초음파 변환기의 예상 공진 주파수 범위를 포함하고,
(ii) 상기 광대역 전기 자극에 응답하여 상기 초음파 변환기로부터의 방출 신호를 측정하고,
(iii) 상기 방출 신호의 링 다운 특성을 결정하도록 수행하게 하는 실행 가능한 명령을 포함하는, 상기 비일시적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체를 포함하는, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템.
제24항에 있어서,
상기 초음파 변환기는 정전용량 미세가공 초음파 변환기를 포함하는, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템.
제24항 또는 제25항에 있어서,
상기 초음파 변환기는 이경의 검경에 결합되는, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템.
제24항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초음파 변환기는 내부 장기 또는 혈관의 청진을 달성하기 위한 기구에 결합되는, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템.
제24항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 초음파 변환기의 링 다운 특성은 광대역 전기 자극에 응답하여 초음파 변환기의 방출 신호를 증폭하도록 구성된 도플러 수신기에 의해 측정되는, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템.
제28항에 있어서,
상기 초음파 변환기의 증폭된 방출 신호를 디지털화하는 것을 더 포함하는, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템.
제28항 또는 제29항에 있어서,
상기 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하는 것은 광대역 전기 자극에 응답하여 초음파 변환기의 증폭된 방출 신호의 푸리에 변환을 계산하는 것을 포함하는, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템.
제30항에 있어서,
상기 푸리에 변환을 계산하기 전에, 상기 방출 신호는 제로-패딩되는(zero-padded), 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템.
제30항 또는 제31항에 있어서,
상기 푸리에 변환은 해닝(Hanning) 또는 블랙만(Blackman) 필터 창을 포함하는, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템.
제24항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 링 다운 특성은 공진 주파수를 포함하는, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템.
제30항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서,
피크 주파수를 결정하는 것을 더 포함하고, 상기 피크 주파수는 방출 신호의 푸리에 변환의 최대 진폭의 주파수에 대응하는, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템.
제34항에 있어서,
상기 푸리에 변환의 복수의 데이터 포인트의 피크 주파수를 결정하는 것을 더 포함하고, 상기 피크 주파수를 결정하는 것은,
(a) 상기 초음파 변환기의 방출 신호의 복수의 푸리에 변환 데이터 포인트를 수신하고;
(b) 상기 복수의 푸리에 변환 데이터 포인트의 피크 주파수를 둘러싸는 복수의 데이터 포인트의 다항식 맞춤을 결정하고;
(c) 상기 피크 주파수를 둘러싸는 복수의 데이터 포인트의 다항식 맞춤의 최대값으로부터 피크 주파수를 결정하는 것을 포함하는, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템.
제35항에 있어서,
상기 다항식 맞춤은 1차, 2차, 3차, 4차, 또는 5차 다항식 맞춤을 포함하는, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템.
제35항에 있어서,
상기 피크 주파수를 둘러싸는 복수의 데이터 포인트는 최대 19개의 데이터 포인트 또는 적어도 19개의 데이터 포인트를 포함하는, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템.
제24항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광대역 전기 자극은 펄스 신호를 포함하고, 상기 펄스 신호는 하나 이상의 진동을 포함하는, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템.
제38항에 있어서,
상기 펄스 신호는 델타 함수를 포함하는, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템.
제38항 또는 제39항에 있어서,
발진 펄스 신호는 적어도 1회의 진동 주기를 포함하는, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템.
제38항 내지 제40항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발진 펄스 신호는 주기 지속 시간을 포함하고, 상기 발진 신호의 주기 지속 시간은 링 다운 특성의 공진 주파수의 예상 범위를 커버하도록 구성되는, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템.
제38항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광대역 전기 자극의 펄스 신호는 적어도 하나의 펄스를 포함하는, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템.
제24항 내지 제42항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 링 다운 특성은 상기 광대역 전기 자극이 상기 초음파 변환기에 전달된 후에 측정되는, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템.
제24항 내지 제43항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 2개의 광대역 전기 자극이 상기 초음파 변환기로 전달되고, 상기 초음파 변환기의 적어도 2개의 방출 신호가 검출되고 평균화되는, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템.
제24항 내지 제44항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 링 다운 특성은 공진 주파수를 포함하고, 상기 공진 주파수는 약 1500 kHz 내지 약 2000 kHz를 포함하는, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템.
제24항 내지 제45항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 링 다운 특성에 기초하여 초음파 변환기를 기능적 또는 비기능적인 것으로 특성화하는 것을 더 포함하는, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템.
제46항에 있어서,
상기 초음파 변환기의 비기능적 특성화는 기능적 초음파 변환기의 링 다운 특성에 대해 미리 결정된 범위 밖의 링 다운 특성을 포함하는, 초음파 변환기의 링 다운 특성을 결정하기 위한 컴퓨터 시스템.