WO2014069697A1 - 복수의 음향 경로를 갖는 프로브 - Google Patents

복수의 음향 경로를 갖는 프로브 Download PDF

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WO2014069697A1
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ultrasonic
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probe
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김희원
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알피니언메디칼시스템 주식회사
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    • A61B8/44—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device
    • A61B8/4444—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device related to the probe
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0662—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface
    • B06B1/067—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface which is used as, or combined with, an impedance matching layer
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/30—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using refraction, e.g. acoustic lenses

Definitions

  • This embodiment relates to a probe having a plurality of acoustic paths. More specifically, the plurality of acoustic paths such that the piezoelectric element has an acoustic path different from at least two parts in the direction perpendicular to the ultrasonic wave generation direction only by the structure of the matching layer in a state where the piezoelectric element is not physically separated in the direction perpendicular to the ultrasonic wave generation direction. It relates to a probe having.
  • the focal depth can be shortened by relatively reducing the magnitude of the ultrasonic signal generation direction and the vertical direction of the piezoelectric element. Since the size of the ultrasonic signal generating direction and the vertical direction can be reduced, the depth of focus cannot be shortened below a certain level.
  • a multi-raw is formed in a direction perpendicular to the direction of generating an ultrasonic signal.
  • the method may be used, but as the number of channels increases, both the structure and manufacturing method of the probe and the ultrasonic diagnostic apparatus become complicated.
  • the device including a matching layer (Matching Layer) in the transducer can be solved by mechanically concave (concave), but there is a problem that the size is smaller in the vertical direction and the direction of the ultrasonic signal generation is poor in manufacturability.
  • the present embodiment has a plurality of acoustic paths such that the piezoelectric element has an acoustic path that is different from at least two parts in the direction perpendicular to the ultrasonic wave generation direction only by the structure of the matching layer in a state in which the piezoelectric element is not physically separated in the direction perpendicular to the ultrasonic wave generation direction.
  • the main purpose is to provide a probe.
  • the housing Housing
  • a piezoelectric element attached to the housing and generating an ultrasonic signal by a piezoelectric effect
  • a matching layer having a plurality of layers for gradually reducing the difference in acoustic impedance between the piezoelectric element and the object under test
  • a probe lens configured to focus the ultrasound signal at a point where the test object is located, and receive an ultrasound echo signal reflected from the test object
  • a cable for transmitting the ultrasonic echo signal to the main body, wherein the matching layer has a structure having a plurality of acoustic paths by the plurality of layers.
  • the piezoelectric element may have an acoustic path that is different from at least two parts in the direction perpendicular to the ultrasound generation direction only by the structure of the matching layer in a state where the piezoelectric element is not physically separated in the direction perpendicular to the direction of ultrasound generation.
  • the speed of propagation of the part on the edge side in the direction perpendicular to the direction of ultrasonic generation is relatively faster than that of the center so that it has a structure of focusing to a test subject located at a short distance.
  • the focusing on the inspected object located at a short distance without physically separating the piezoelectric elements is possible.
  • FIG. 1 is a front view showing an ultrasonic diagnostic apparatus having a probe according to the present embodiment
  • FIG. 2 is a perspective view showing a probe according to the present embodiment
  • FIG. 3 is a partial cutaway perspective view schematically showing an internal configuration of a probe according to the present embodiment
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of a probe according to the present embodiment
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the matching layer according to the present embodiment
  • FIG. 6 is an exemplary view illustrating a result of confirming that an object under test is focused in the probe according to the present embodiment.
  • FIG. 1 is a front view showing an ultrasonic diagnostic apparatus having a probe according to the present embodiment.
  • the ultrasound diagnosis apparatus 100 includes a probe 110, a main body 120, a cable 130, a connector 140, a display unit 150, and a user input unit 160.
  • the ultrasound diagnosis apparatus 100 includes only the probe 110, the main body 120, the cable 130, the connector 140, the display unit 150, and the user input unit 160.
  • the ultrasonic diagnostic apparatus 100 emits an ultrasonic signal to a subject (object) and receives a probe 110, a user input unit 160, a display unit 150, etc. for receiving an ultrasonic echo signal from the subject. It is mounted includes a main body 120 for generating an image of the test subject. That is, the ultrasound diagnosis apparatus 100 receives an instruction by a user's manipulation or input through the user input unit 160, radiates an ultrasonic signal to the object under test through the probe 110, and reflects from the object under test.
  • a display configured to receive an ultrasonic echo signal to form a received signal, to form an image (eg, a B-mode or a C-mode) on the basis of the received signal formed through the main body 120, and to display the formed image. It outputs through the unit 150.
  • the probe 110 is connected to the main body 120 by a cable 130 or a connector 140 which is integrally connected to the main body 120. That is, the probe 110 is a portion that directly contacts the diagnosis site of the subject.
  • the probe 110 operates to radiate an ultrasonic signal to an inspected object and receive an ultrasonic echo signal reflected from the inspected object to form a received signal. That is, the probe 110 operates to transmit an ultrasound signal for obtaining a B-mode image (or a C-mode image) to the subject, and receive an ultrasonic echo signal reflected from the subject to form a received signal.
  • the probe 110 transmits an ultrasonic signal to the inspected object based on the control signal received from the main body 120 and receives an ultrasonic echo signal reflected from the inspected object to form a received signal.
  • the probe 110 transmits and receives an ultrasonic signal in a region of interest at a pulse repetition frequency (PRF) based on a control signal received from the main body 120 to form a received signal.
  • the received signal includes a Doppler signal and a clutter signal.
  • the Doppler signal is a signal in which ultrasonic waves are reflected by the blood flow, and have a relatively high frequency but relatively weak magnitude.
  • the clutter signal has a relatively low frequency but a relatively large magnitude.
  • the probe 110 may include a beamformer (not shown) that operates to perform transmission focusing and reception focusing of ultrasonic waves that operate to transmit and receive ultrasonic signals.
  • the probe 110 includes a plurality of 1D (Dimension) or 2D Array Transducer.
  • the probe 110 transmits the focused ultrasound beam along the transmission scanline to the object under test by appropriately delaying the input time of the pulses input to each transducer.
  • the ultrasonic echo signal reflected from the object under test is input to each transducer with a different reception time, and each transducer outputs the input ultrasonic echo signal to the beamformer.
  • the beam former adjusts the driving timing of each transducer in the probe when the probe transmits the ultrasonic signal, focuses the ultrasonic signal to a specific position, and the time when the ultrasonic echo signal reflected from the inspected object reaches each transducer of the probe In consideration of the difference, a time delay is applied to each ultrasonic echo signal of the probe to focus the ultrasonic echo signal.
  • the main body 120 forms a B-mode image and a C-mode image on the basis of the received signal formed through the ultrasonic echo signal received through the probe 110, and includes a B-mode image and a C-mode image. It is operated to output through the display unit 150. That is, the main body 120 basically forms a B-mode image based on the received signal, and outputs the image through the display unit 150 provided with the B-mode image.
  • the user input unit 160 receives an instruction by a user's manipulation or input.
  • the user command may be a setting command for controlling the ultrasound diagnosis apparatus 100.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a probe according to the present embodiment.
  • the probe 110 includes a housing 210, a probe lens 220, and a cable 130.
  • the housing 210 refers to a cover covering an inner module of the probe 110, and the probe 110 forms a body.
  • the housing 210 may include a transducer 410 for radiating an ultrasonic signal, receiving an ultrasonic echo signal, and converting the received ultrasonic echo signal.
  • the interior of the housing 210 may include a transducer 410 that can generate an ultrasonic signal depending on the presence or absence of a voltage applied from the ultrasonic diagnostic apparatus 100.
  • the probe lens 220 is in contact with a diagnosis site, such as radiation of an ultrasonic signal, reception of an ultrasonic echo signal, and skin of a subject. In addition, the probe lens 220 focuses the ultrasonic signal on the point where the object is located and receives the ultrasonic echo signal reflected from the object.
  • the cable 130 connects the main body 120 and the housing 210 of the ultrasonic diagnostic apparatus 100. In addition, the cable 130 transmits an ultrasonic echo signal to the main body.
  • FIG. 3 is a partial cutaway perspective view schematically illustrating an internal configuration of a probe according to the present embodiment
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the probe according to the present embodiment.
  • the probe 110 includes a piezoelectric material 310, a matching layer 320, and a backing layer 330.
  • the piezoelectric element 310 is attached to the inside of the housing 210 and generates an ultrasonic wave by periodic vibration due to a piezoelectric effect. At this time, the piezoelectric element 310 makes the generated ultrasonic signal an electric signal. In addition, the piezoelectric element 310 is physically unseparated in the direction in which the ultrasonic wave is generated and in the vertical direction.
  • the matching layer 320 has a plurality of layers 510, 520, and 530 to gradually reduce the difference in acoustic impedance between the piezoelectric element 310 and the object under test. At this time, the matching layer 320 converts the electrical signal by the piezoelectric element 310 into an acoustic signal.
  • the acoustic impedance refers to a value of the product of the density and the velocity of the material as an intrinsic property of the material.
  • the matching layer 320 has a structure having a plurality of acoustic paths by the plurality of layers 510, 520, and 530.
  • a layer having a high acoustic impedance toward the piezoelectric element 310 is disposed among the plurality of layers 510, 520, and 530 included in the matching layer 320.
  • the matching layer 320 is disposed such that the plurality of layers 510, 520, and 530 have different acoustic paths in at least two parts in a direction perpendicular to the direction in which the ultrasonic electric signal is generated.
  • the matching layer 320 includes an N-1 matching layer (N is a natural number of 2 or more) 510, an N-th matching layer 520, and a cover matching layer 530 according to a difference in acoustic impedance. do.
  • the matching layer 320 has a first acoustic path ('1' shown in FIG. 5) of the cover matching layer 530 only, and the N-1 matching layer 510 and the cover matching layer 530 are stacked.
  • the N-1 matching layer 510 directly receives and transmits an ultrasonic electric signal from the piezoelectric element 310.
  • the N-th matching layer 520 is arranged in such a manner that at least two or more layers are stacked with the N-th matching layer 510.
  • the N-th matching layer 520 is stacked in a form having a length shorter than that of the N-1 matching layer based on the center of the N-1 matching layer.
  • the N-th matching layer 520 is stacked with the N-1 matching layer 510, and the N-th acoustic path for converting the ultrasonic electrical signal via the N-1 matching layer 510 into the ultrasonic acoustic signal is shown in FIG. Shown '3').
  • the cover matching layer 530 may be formed to cover a portion of the N-1 matching layer 510 and a portion of the piezoelectric element 310, and may be disposed on the same plane as the Nth matching layer 520.
  • the cover matching layer 530 is laminated with the N-1 matching layer 510, and converts the ultrasonic electric signal via the N-1 matching layer 510 into an ultrasonic acoustic signal (see FIG. 5). It has a '2' shown, and has a first acoustic path ('1' shown in Fig. 5) for directly receiving the ultrasonic electrical signal from the piezoelectric element 310 and converting it into an ultrasonic acoustic signal.
  • the backing layer 330 may be provided on the rear surface of the matching layer 320 to proceed in the opposite direction of the probe lens 220 among the ultrasonic waves generated by the piezoelectric element 310 to absorb ultrasonic signals not directly used for inspection or diagnosis. Can be.
  • the transducer 410 may include a matching layer 320, a piezoelectric element 310, and a backing layer 330 capable of converting an electrical signal transmitted from the main body 120 into an acoustic signal. It may include.
  • the matching layer 320 may reduce the acoustic impedance difference between the piezoelectric element 310 and the object under test.
  • the material of the matching layer 320 according to the present embodiment is not limited to a predetermined specific material.
  • the acoustic impedance of the matching layer 320 according to the present embodiment is gradually lowered from a portion where the acoustic impedance is high, the N-1 matching layer 510 close to the piezoelectric element 310 is epoxy. Since only epoxy has no high impedance material, ceramic having lower acoustic impedance than piezoelectric element 310 is used, or various fillers such as tungsten (W), manganese (Mn), Powder (Powder) having a high acoustic impedance such as silica (SiO 2).
  • the type of filler added should be small enough that all existing high acoustic impedance materials are available and that their size will not affect the acoustic path.
  • the filler when the filler is mixed with the epoxy, it should be mixed uniformly without aggregation.
  • a predetermined amount of filler is added to the epoxy to be uniformly mixed and hardened, and then the thickness and size determined for each probe are determined. It can be made by blasting and bonding with other components with epoxy.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the matching layer according to the present embodiment.
  • the sound velocity V strip may include the cover matching layer 530> the Nth matching layer 520.
  • the N-th matching layer 510 may be an acoustic impedance Z strip
  • the N-1 matching layer 510 may be a cover matching layer 530 and an N-th matching layer.
  • the propagation speed is the first acoustic path (ie, '1' shown in FIG. 5)> the second acoustic path (ie, '2' shown in FIG. 5)> the third acoustic path (ie, FIG. 5). Shown in Fig. 3).
  • the piezoelectric element 310 is not divided in a direction perpendicular to the direction in which the ultrasonic signal is generated, but constitutes two or more different acoustic paths only by the structure of the matching layer 320, and the acoustic path of the edge portion is smaller than the center.
  • the relatively high speed of sound can result in focusing on a subject located at a short distance.
  • the piezoelectric element 310 has an acoustic path that is different from at least two parts in the vertical direction with the ultrasonic generation direction only by the structure of the matching layer 320 in a state in which the piezoelectric element 310 is not physically separated in the vertical direction with the ultrasonic generation direction.
  • the perforation speed of the portion on the edge side in the direction perpendicular to the ultrasonic wave generation direction is relatively faster than the center, and thus the structure can be focused to a test subject located at a short distance. That is, in the technique shown in FIG. 5A, focusing is possible on a test object located at a short distance without physically separating the piezoelectric element in a structure in which focusing is not possible.
  • the piezoelectric element in order to focus a test subject located at a short distance, the piezoelectric element is divided into a direction perpendicular to the ultrasonic wave generating direction and controlled to concave.
  • the matching layer 320 having a plurality of acoustic paths according to the present embodiment is implemented, as shown in (b) of FIG. It is possible to focus the test object for a short distance by having a concave velocity of the concave shape with only the matching layer 320 without having to produce a concave shape by separating in the direction perpendicular to the generation direction.
  • FIG. 6 is an exemplary view illustrating a result of confirming that an object under test is focused in the probe according to the present embodiment.
  • the probe 110 When the probe 110 according to the present exemplary embodiment has the matching layer 320 having a plurality of acoustic paths, focusing is performed on the front side as shown in FIG. 6.
  • a in the case of a general matching layer 320, when only a matching layer high (MLH) and a matching layer low (MLL) are included in the matching layer, the propagation speed is the same.
  • the probe lens 220 According to the probe lens 220, an image may be formed with respect to a subject under a specific depth of focus of FIG. 6A.
  • the sound velocity V strip may include the cover matching layer 530> the Nth matching layer 520.
  • the acoustic impedance (Z strip ) may be N-1 matching layer 510> cover matching layer 530> N-th matching layer, and the perforation speed Since the first acoustic path> the second acoustic path> the third acoustic path, it is possible to form an image for the subject to be located closer to the position as shown in (b) of FIG.
  • ultrasonic diagnostic device 110 probe
  • probe lens 310 piezoelectric element
  • transducer 510 N-1 matching layer
  • Nth matching layer 530 cover matching layer

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Abstract

복수의 음향 경로를 갖는 프로브를 개시한다. 하우징(Housing); 상기 하우징 내부에 부착되며, 압전현상(Piezoelectric Effect)에 의해 초음파(Ultrasound) 신호를 발생시키는 압전소자(Piezoelectric Material); 상기 압전소자와 피검사체 사이의 음향 임피던스(Acoustic Impedance) 차이를 점진적으로 감소시키기 위한 복수의 층을 갖는 정합층(Matching Layer); 상기 초음파 신호를 상기 피검사체가 위치한 지점에 포커싱(Focusing)이 되게하며, 상기 피검사체로부터 반사되는 초음파 에코 신호를 수신하는 프로브 렌즈(Lens); 및 상기 초음파 에코 신호를 본체로 전송하는 케이블을 포함하되, 상기 정합층은 상기 복수의 층에 의해 복수의 음향 경로(Acoustic Path)를 갖는 구조인 것을 특징으로 하는 프로브를 제공한다.

Description

복수의 음향 경로를 갖는 프로브
본 실시예는 복수의 음향 경로를 갖는 프로브에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 압전소자가 초음파 발생 방향과 수직 방향으로 물리적으로 분리되지 않은 상태에서 정합층의 구조만으로 초음파 발생 방향과 수직 방향으로 적어도 두 부분 이상 다른 음향 경로를 가지도록 하는 복수의 음향 경로를 갖는 프로브에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아님을 밝혀둔다.
일반적으로 높은 주파수(High Frequency)를 가지는 트랜스듀서(Transducer)의 경우, 압전소자의 초음파 신호 발생 방향과 수직(Elevation) 방향의 크기를 상대적으로 작게 하여 초점 심도(Focal Depth)를 짧게 가져갈 수 있지만, 초음파 신호 발생 방향과 수직 방향의 크기를 줄일 수 있는 정도가 제약적이므로 초점 심도를 일정 수준 이하로 짧게 나오게 할 수 없다.
즉, 일정 수준 이하의 짧은 초점 심도가 필요한 경우 근거리 필드(Near Field)에 대한 빔 프로파일(Beam Profile)을 향상시키기 위해 초음파 신호 발생 방향과 수직 방향으로 멀티 로우(Multi-raw)를 구성하는 등의 방법이 사용될 수 있지만, 채널(Channel) 수가 증가함에 의해 프로브(Probe)와 초음파 진단장치의 구조 및 제조 방법 등이 모두 복잡하게 된다. 또한, 트랜스듀서 내부에 정합층(Matching Layer)을 포함한 소자를 기계적으로 오목(Concave)하게 만들어 해결할 수 있으나, 초음파 신호 발생 방향과 수직 방향의 크기가 작아 제작성이 떨어지는 문제가 있다.
본 실시예는 압전소자가 초음파 발생 방향과 수직 방향으로 물리적으로 분리되지 않은 상태에서 정합층의 구조만으로 초음파 발생 방향과 수직 방향으로 적어도 두 부분 이상 다른 음향 경로를 가지도록 하는 복수의 음향 경로를 갖는 프로브를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 하우징(Housing); 상기 하우징 내부에 부착되며, 압전현상(Piezoelectric Effect)에 의해 초음파(Ultrasound) 신호를 발생시키는 압전소자(Piezoelectric Material); 상기 압전소자와 피검사체 사이의 음향 임피던스(Acoustic Impedance) 차이를 점진적으로 감소시키기 위한 복수의 층을 갖는 정합층(Matching Layer); 상기 초음파 신호를 상기 피검사체가 위치한 지점에 포커싱(Focusing)이 되게하며, 상기 피검사체로부터 반사되는 초음파 에코 신호를 수신하는 프로브 렌즈(Lens); 및 상기 초음파 에코 신호를 본체로 전송하는 케이블을 포함하되, 상기 정합층은 상기 복수의 층에 의해 복수의 음향 경로(Acoustic Path)를 갖는 구조인 것을 특징으로 하는 프로브를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 압전소자가 초음파 발생 방향과 수직 방향으로 물리적으로 분리되지 않은 상태에서 정합층의 구조만으로 초음파 발생 방향과 수직 방향으로 적어도 두 부분 이상 다른 음향 경로를 가지도록 하며, 이를 통해 초음파 발생 방향과 수직 방향으로 엣지(Edge)쪽에 있는 부분의 프라퍼게이션(Propagation) 속도가 중심에 비해 상대적으로 빨라 근거리에 위치한 피검사체로 포커싱(Focusing)이 되는 구조를 갖도록 하는 효과가 있다. 즉, 종래의 기술로는 포커싱이 될 수 없는 구조에서 물리적으로 압전소자의 분리없이 근거리에 위치한 피검사체에 대한 포커싱이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 프로브를 구비하는 초음파 진단장치를 나타낸 정면도,
도 2는 본 실시예에 따른 프로브를 도시한 사시도,
도 3은 본 실시예에 따른 프로브의 내부 구성을 개략적으로 도시한 부분 절개 사시도,
도 4는 본 실시예에 따른 프로브에 따른 단면도,
도 5는 본 실시예에 따른 정합층의 내부를 구성을 개략적으로 도시한 단면도,
도 6은 본 실시예에 따른 프로브에서 근거리에 위치한 피검사체가 포커싱되는 것을 확인한 결과의 예시도이다.
이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 실시예에 따른 프로브를 구비하는 초음파 진단장치를 나타낸 정면도이다.
본 실시예에 따른 초음파 진단장치(100)는 프로브(110), 본체(120), 케이블(130), 커넥터(140), 디스플레이부(150) 및 사용자 입력부(160)를 포함한다. 본 실시예에서는 초음파 진단장치(100)가 프로브(110), 본체(120), 케이블(130), 커넥터(140), 디스플레이부(150) 및 사용자 입력부(160)만을 포함하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 초음파 진단장치(100)에 포함되는 구성 요소에 대하여 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.
이러한, 초음파 진단장치(100)는 피검사체(대상체)로 초음파 신호를 방사하고 피검사체로부터 초음파 에코(Echo) 신호를 수신하기 위한 프로브(110)와 사용자 입력부(160) 및 디스플레이부(150) 등이 장착되어 피검사체의 영상을 생성하기 위한 본체(120)를 포함한다. 즉, 초음파 진단장치(100)는 사용자 입력부(160)를 통해 사용자의 조작 또는 입력에 의한 명령(Instruction)을 입력받고, 프로브(110)를 통해 피검사체로 초음파 신호를 방사하고 해당 피검사체로부터 반사되는 초음파 에코 신호를 수신하여 수신 신호를 형성하도록 동작하며, 본체(120)를 통해 형성된 수신 신호에 기초하여 영상(예컨대, B-모드 또는 C-모드)이 형성되도록 하며, 형성된 영상이 구비된 디스플레이부(150)를 통해 출력하도록 동작한다.
프로브(110)는 본체(120)와 일체로 연결되는 케이블(130) 또는 커넥터(140)에 의해 본체(120)에 접속된다. 즉, 프로브(110)는 피검사체의 진단 부위에 직접 접촉하는 부위이다. 이러한, 프로브(110)는 피검사체로 초음파 신호를 방사하고 피검사체로부터 반사되는 초음파 에코 신호를 수신하여 수신 신호를 형성하도록 동작한다. 즉, 프로브(110)는 B-모드 영상(또는 C-모드 영상)을 획득하기 위한 초음파 신호를 피검사체로 송신하고 피검사체로부터 반사되는 초음파 에코 신호를 수신하여 수신 신호를 형성하도록 동작한다. 또한, 프로브(110)는 본체(120)로부터 수신된 제어 신호에 기초하여, 초음파 신호를 피검사체에 송신하고 피검사체로부터 반사되는 초음파 에코 신호를 수신하여 수신 신호를 형성한다. 또한, 프로브(110)는 본체(120)로부터 수신된 제어 신호에 기초하여, 초음파 신호를 PRF(Pulse Repetition Frequency)로 관심영역 내에 송수신하여 수신 신호를 형성한다. 여기서, 수신 신호는 도플러 신호 및 클러터 신호(Clutter Signal)를 포함한다. 도플러 신호는 초음파가 혈류에 의해 반사되는 신호로서, 주파수가 비교적 높으나 크기가 상대적으로 미약한 세기(Intensity)를 갖는다. 클러터 신호는 주파수가 비교적 낮으나 크기가 상대적으로 큰 세기를 갖는다.
한편, 프로브(110)는 초음파 신호를 송수신하도록 동작하는 초음파의 송신 집속 및 수신 집속을 수행하도록 동작하는 빔포머(미도시)를 포함할 수 있다. 여기서, 프로브(110)는 다수의 1D(Dimension) 또는 2D 어레이 트랜스듀서(Array Transducer)를 포함한다. 프로브(110)는 각 트랜스듀서에 입력되는 펄스들의 입력 시간을 적절하게 지연시킴으로써 집속된 초음파 빔(Beam)을 송신 스캔 라인(Scanline)을 따라 피검사체로 송신한다. 한편, 피검사체로부터 반사된 초음파 에코 신호는 각 트랜스듀서에 서로 다른 수신 시간을 가지면서 입력되며, 각 트랜스듀서는 입력된 초음파 에코 신호를 빔 포머로 출력한다. 빔 포머는 프로브가 초음파 신호를 송신할 때 프로브 내의 각 트랜스듀서의 구동 타이밍을 조절하여 특정위치로 초음파 신호를 집속시키고, 피검사체에서 반사된 초음파 에코 신호가 프로브의 각 트랜스듀서에 도달하는 시간이 상이한 것을 감안하여 프로브의 각 초음파 에코 신호에 시간 지연을 가하여 초음파 에코 신호를 집속시킨다.
본체(120)는 프로브(110)를 통해 수신된 초음파 에코 신호를 통해 형성된 수신 신호에 기초하여 B-모드 영상, C-모드 영상이 형성되도록 하며, B-모드 영상, C-모드 영상이 구비된 디스플레이부(150)를 통해 출력하도록 동작한다. 즉, 본체(120)는 기본적으로 수신 신호에 기초하여 B-모드 영상이 형성되도록 하며, B-모드 영상이 구비된 디스플레이부(150)를 통해 출력하도록 동작한다.
사용자 입력부(160)는 사용자의 조작 또는 입력에 의한 명령(Instruction)을 입력받는다. 여기서, 사용자 명령은 초음파 진단장치(100)를 제어하기 위한 설정 명령 등이 될 수 있다.
도 2는 본 실시예에 따른 프로브를 도시한 사시도이다.
본 실시예에 따른 프로브(110)는 하우징(210), 프로브 렌즈(220) 및 케이블(130)을 포함한다.
하우징(210)은 프로브(110)의 내부 모듈을 덮는 덮개를 말하며, 프로브(110)는 몸체를 형성한다. 이러한, 하우징(210)은 초음파 신호의 방사, 초음파 에코 신호의 수신 및 수신된 초음파 에코 신호의 변환을 위한 트랜스듀서(410)를 포함할 수 있다. 여기서, 하우징(210)의 내부에는 초음파 진단장치(100)에서 가해지는 전압의 유무에 따라 초음파 신호가 발생할 수 있는 트랜스듀서(410)가 포함될 수 있다.
프로브 렌즈(220)는 초음파 신호의 방사, 초음파 에코 신호의 수신, 피검사체의 피부 등 진단 부위와 접촉한다. 또한, 프로브 렌즈(220)는 초음파 신호를 피검사체가 위치한 지점에 포커싱(Focusing)이 되게하며, 피검사체로부터 반사되는 초음파 에코 신호를 수신한다. 케이블(130)은 초음파 진단장치(100)의 본체(120)와 하우징(210)을 연결한다. 또한, 케이블(130)은 초음파 에코 신호를 본체로 전송한다.
도 3은 본 실시예에 따른 프로브의 내부 구성을 개략적으로 도시한 부분 절개 사시도이고, 도 4는 본 실시예에 따른 프로브에 따른 단면도이다.
본 실시예에 따른 프로브(110)는 압전소자(Piezoelectric Material)(310), 정합층(Matching Layer)(320) 및 백킹 레이어(330)를 포함한다.
압전소자(310)는 하우징(210) 내부에 부착되며, 압전 현상(Piezoelectric Effect)에 의한 주기적 진동에 의해 초음파(Ultrasound)를 발생시킨다. 이때, 압전소자(310)는 발생된 초음파 신호를 전기 신호(Electric Signal)로 만든다. 또한, 압전소자(310)는 초음파의 발생 방향과 수직(Elevation) 방향으로 물리적으로 미분리되어 있다.
정합층(320)은 압전소자(310)와 피검사체 사이의 음향 임피던스(Acoustic Impedance) 차이를 점진적으로 감소시키기 위한 복수의 층(510, 520 및 530)을 갖는다. 이때, 정합층(320)은 압전소자(310)에 의한 전기 신호를 음향 신호로 변환한다. 여기서, 음향 임피던스는 물질의 고유 특성으로 물질의 밀도와 속도의 곱의 값을 의미한다.
본 실시예에 따른 정합층(320)은 복수의 층(510, 520 및 530)에 의해 복수의 음향 경로(Acoustic Path)를 갖는 구조이다. 이때, 정합층(320)에 포함된 복수의 층(510, 520 및 530) 중 압전소자(310)와 가까운 쪽으로 음향 임피던스가 높은 층이 배치된다. 또한, 정합층(320)은 복수의 층(510, 520 및 530)이 초음파 전기 신호의 발생 방향과 수직 방향으로 적어도 두 부분 이상 다른 음향 경로를 가지도록 배치된다.
본 실시예에 따른 정합층(320)은 음향 임피던스의 차이에 따라 제 N-1 정합층(N은 2 이상의 자연수)(510), 제 N 정합층(520) 및 커버 정합층(530)을 포함한다. 이때, 정합층(320)은 커버 정합층(530) 만의 제 1 음향 경로(도 5에 도시된 '①')를 가지며, N-1 정합층(510)과 커버 정합층(530)이 적층된 형태의 제 2 음향 경로(도 5에 도시된 '②')를 가지며, 제 N-1 정합층(510)과 제 N 정합층(520)이 적층된 형태의 제 N 음향 경로(도 5에 도시된 '③')를 갖는다.
N-1 정합층(510)은 압전소자(310)로부터 초음파 전기 신호를 직접 수신하여 전달한다.
제 N 정합층(520)은 제 N-1 정합층(510)과 적어도 두 개 이상 층이 적층되는 형태로 배치된다. 또한, 제 N 정합층(520)은 제 N-1 정합층의 중앙을 기준으로 N-1 정합층 보다 짧은 길이를 갖는 형태로 적층된다. 또한, 제 N 정합층(520)은 N-1 정합층(510)과 적층되어, N-1 정합층(510)을 경유한 초음파 전기 신호를 초음파 음향 신호로 변환하는 제 N 음향 경로도 5에 도시된 '③')를 갖는다.
커버 정합층(530)은 N-1 정합층(510)의 일부와 압전소자(310)의 일부를 덮어 씌우는 형태로 구현되며, 제 N 정합층(520)과 동일 평면상에 놓이도록 구현된다. 또한, 커버 정합층(530)은 N-1 정합층(510)과 적층되어, N-1 정합층(510)을 경유한 초음파 전기 신호를 초음파 음향 신호로 변환하는 제 2 음향 경로(도 5에 도시된 '②')를 가지며, 압전소자(310)로부터 초음파 전기 신호를 직접 수신하여 초음파 음향 신호로 변환하는 제 1 음향 경로(도 5에 도시된 '①')를 갖는다.
백킹 레이어(330)는 정합층(320)의 후면에 제공되어 압전소자(310)에서 발생하는 초음파 중 프로브 렌즈(220)의 반대 방향으로 진행하여 검사 또는 진단 등에 직접 사용되지 않는 초음파 신호를 흡수할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 트랜스듀서(410)는 본체(120)에서 전달되는 전기적인 신호를 음향신호로 변환시킬 수 있는 정합층(320), 압전소자(310) 및 백킹 레이어(330)를 포함할 수 있다. 여기서, 정합층(320)은 압전소자(310)와 피검사체 사이의 음향 임피던스 차이를 감소시킬 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 정합층(320)의 재질에 대해 설명한다. 본 실시예에 따른 정합층(320)의 재질은 기 설정된 특정 재질로 한정되지 않는다. 즉, 본 실시예에 따른 정합층(320)의 음향 임피던스가 높은 부분에서 낮은 부분으로 점진적으로 음향 임피던스를 낮추는 목적이므로 압전소자(310)에 가까이 있는 제 N-1 정합층(510)의 경우 에폭시(Epoxy)만으로 임피던스가 높은 재질이 없기 때문에 압전소자(310)보다는 낮은 음향 임피던스를 갖는 세라믹(Ceramic)이 사용되거나 일반적인 에폭시에 다양한 필러(Filler)(예컨대, 텅스텐(W), 망간(Mn), 실리카(SiO2) 등의 음향 임피던스가 높은 파우더(Powder))를 첨가하여 제조될 수 있다. 참고로 첨가되는 필러의 종류는 현존하는 모든 음향 임피던스가 높은 재질이 사용 가능하고 크기는 음향 경로에 영향을 주지 않을 정도로 작아야 한다. 또한, 필러가 에폭시와 섞일 때, 뭉치지 않고 균일하게 섞여야 한다.
이러한, 정합층(320)의 제조 공정에 대해 설명하자면, 정합층(320)을 에폭시로 제조하는 경우 에폭시에 정해진 필러를 기 설정된 양만큼 넣어 고르게 섞어 굳힌 다음 각 프로브 별로 정해진 두께 및 사이즈(Size)로 가공하여 만들고 다른 부품(Components)들과 함께 에폭시로 본딩(Bonding)할 수 있다.
도 5는 본 실시예에 따른 정합층의 내부를 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 일반적인 정합층의 경우, 정합층 내부에 MLH(Matching Layer High)와 MLL(Matching Layer Low) 만이 포함된 경우, 프라퍼게이션(Propagation) 속도가 동일하게 되며, 프로브 렌즈에 따라 특정 초점 심도에 위치한 피검사체에 대해 영상을 형성할 수 있다.
한편, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 복수의 음향 경로를 갖는 정합층(320)이 구현된 경우, 음속(Vstrip)은 커버 정합층(530) > 제 N 정합층(520) > 제 N-1 정합층(510)이 되고, 음향 임피던스(Zstrip)는 제 N-1 정합층(510) > 커버 정합층(530) > 제 N 정합층이 될 수 있다. 이때, 프라퍼게이션 속도는 제 1 음향 경로(즉, 도 5에 도시된'①') > 제 2 음향 경로(즉, 도 5에 도시된'②') > 제 3 음향 경로(즉, 도 5에 도시된'③')가 된다. 즉, 압전소자(310)는 초음파 신호의 발생 방향과 수직 방향으로 나뉘어져 있지 않지만, 정합층(320)의 구조만으로 두 개 이상의 다른 음향 경로를 구성하고 엣지(Edge) 부분의 음향 경로가 중심에 비해 상대적으로 음속이 빨라 근거리에 위치한 피검사체 대한 포커싱(Focusing)이 될 수 있다.
즉, 압전소자(310)가 초음파 발생 방향과 수직 방향으로 물리적으로 분리되지 않은 상태에서 정합층(320)의 구조만으로 초음파 발생 방향과 수직 방향으로 적어도 두 부분 이상 다른 음향 경로를 가지도록 하며, 이를 통해 초음파 발생 방향과 수직 방향으로 엣지(Edge)쪽에 있는 부분의 프라퍼게이션 속도가 중심에 비해 상대적으로 빨라 근거리에 위치한 피검사체로 포커싱이 될 수 있는 구조를 갖는다. 즉, 도 5의 (a)에 도시된 기술에서는 포커싱이 될 수 없는 구조에서 물리적으로 압전소자의 분리없이 근거리에 위치한 피검사체에 대한 포커싱이 가능한 것이다.
즉, 도 5의 (a)에 도시된 일반적인 정합층을 이용하는 경우 근거리에 위치한 피검사체를 포커싱하기 위해서는 압전소자를 초음파 발생 방향과 수직 방향으로 분리하여 각각 제어하여 오목(Concave)한 형태(예컨대, '⊂'의 형태)로 제작하여야 하나, 본 실시예에 따른 복수의 음향 경로를 갖는 정합층(320)이 구현된 경우, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 압전소자(310)를 초음파 발생 방향과 수직 방향으로 분리하여 오목한 형태로 제작할 필요없이 정합층(320)만으로 오목한 형태의 프라퍼게이션 속도를 갖게 되어 근거리에 위한 피검사체를 포커싱할 수 있는 것이다.
도 6은 본 실시예에 따른 프로브에서 근거리에 위치한 피검사체가 포커싱되는 것을 확인한 결과의 예시도이다.
본 실시예에 따른 프로브(110)가 복수의 음향 경로를 갖는 정합층(320)을 가지게 될 경우 도 6과 같이 앞쪽에 포커싱이 된다. 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 일반적인 정합층(320)의 경우, 정합층 내부에 MLH(Matching Layer High)와 MLL(Matching Layer Low) 만이 포함된 경우, 프라퍼게이션 속도가 동일하게 되며, 프로브 렌즈(220)에 따라 도 6의 (a)에 위치의 특정 초점 심도에 위치한 피검사체에 대해 영상을 형성할 수 있다. 한편, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 복수의 음향 경로를 갖는 정합층(320)이 구현된 경우, 음속(Vstrip)은 커버 정합층(530) > 제 N 정합층(520) > 제 N-1 정합층(510)이 되고, 음향 임피던스(Zstrip)는 제 N-1 정합층(510) > 커버 정합층(530) > 제 N 정합층이 될 수 있고, 프라퍼게이션 속도는 제 1 음향 경로 > 제 2 음향 경로 > 제 3 음향 경로가 되므로, 도 6의 (b)에 위치와 같이 보다 근거리에 위치한 피검사체에 대해 영상을 형성할 수 있는 것이다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
(부호의 설명)
100: 초음파 진단 장치 110: 프로브
120: 본체 130: 케이블
140: 커넥터 150: 디스플레이부
160: 사용자 입력부 210: 하우징
220: 프로브 렌즈 310: 압전소자
320: 정합층 330: 백킹 레이어
410: 트랜스듀서 510: 제 N-1 정합층
520: 제 N 정합층 530: 커버 정합층

Claims (10)

  1. 하우징(Housing);
    상기 하우징 내부에 부착되며, 압전현상(Piezoelectric Effect)에 의해 초음파(Ultrasound) 신호를 발생시키는 압전소자(Piezoelectric Material);
    상기 압전소자와 피검사체 사이의 음향 임피던스(Acoustic Impedance) 차이를 점진적으로 감소시키기 위한 복수의 층을 갖는 정합층(Matching Layer);
    상기 초음파 신호를 상기 피검사체가 위치한 지점에 포커싱(Focusing)이 되게하며, 상기 피검사체로부터 반사되는 초음파 에코 신호를 수신하는 프로브 렌즈(Lens); 및
    상기 초음파 에코 신호를 본체로 전송하는 케이블
    을 포함하되, 상기 정합층은 상기 복수의 층에 의해 복수의 음향 경로(Acoustic Path)를 갖는 구조인 것을 특징으로 하는 프로브.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 정합층은,
    상기 음향 임피던스의 차이에 따라 제 N-1 정합층(N은 2 이상의 자연수), 제 N 정합층 및 커버 정합층을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로브.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 커버 정합층은,
    상기 N-1 정합층 일부와 상기 압전소자 일부를 덮어 씌우는 형태로 구현되며, 상기 제 N 정합층과 동일 평면상에 놓이도록 구현되는 것을 특징으로 하는 프로브.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 N 정합층은,
    상기 제 N-1 정합층과 적어도 두 개 이상 층이 적층되는 형태로 배치되는 것을 특징으로 하는 프로브.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 N 정합층은,
    상기 제 N-1 정합층의 중앙을 기준으로 상기 N-1 정합층 보다 짧은 길이를 갖는 형태로 적층되는 것을 특징으로 하는 프로브.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 정합층은,
    상기 커버 정합층만의 제 1 음향 경로를 가지며, 상기 N-1 정합층과 상기 커버 정합층이 적층된 형태의 제 2 음향 경로를 가지며, 상기 N-1 정합층과 상기 제 N 정합층이 적층된 형태의 제 N 음향 경로를 갖는 것을 특징으로 하는 프로브.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 정합층은,
    상기 압전소자로부터 상기 초음파 전기 신호를 직접 수신하여 전달하는 상기 N-1 정합층;
    상기 N-1 정합층과 적층되어, 상기 N-1 정합층을 경유한 상기 초음파 전기 신호를 상기 초음파 음향 신호로 변환하는 제 N 음향 경로를 갖는 상기 제 N 정합층; 및
    상기 N-1 정합층과 적층되어, 상기 N-1 정합층을 경유한 상기 초음파 전기 신호를 상기 초음파 음향 신호로 변환하는 제 2 음향 경로를 가지며, 상기 압전소자로부터 상기 초음파 전기 신호를 직접 수신하여 상기 초음파 음향 신호로 변환하는 제 1 음향 경로를 갖는 상기 커버 정합층
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로브.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 정합층은,
    상기 복수의 층 중 상기 압전소자와 가까운 쪽으로 상기 음향 임피던스(Acoustic Impedance)가 높은 층이 배치되는 것을 특징으로 하는 프로브.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전소자는,
    상기 초음파 전기 신호의 발생 방향과 수직(Elevation) 방향으로 물리적으로 미분리되는 것을 특징으로 하는 프로브.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 정합층은,
    상기 복수의 층이 상기 초음파 전기 신호의 발생 방향과 수직 방향으로 적어도 두 부분 이상 다른 음향 경로를 가지도록 배치된 것을 특징으로 하는 프로브.
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