WO2019212068A1

WO2019212068A1 - Fpcb를 이용한 초음파 프로브 조립체

Info

Publication number: WO2019212068A1
Application number: PCT/KR2018/005024
Authority: WO
Inventors: 장진호; 장지훈
Original assignee: 서강대학교 산학협력단
Priority date: 2018-04-30
Filing date: 2018-04-30
Publication date: 2019-11-07

Abstract

본 발명은 FPCB(flexible printed circuit board)를 이용한 초음파 프로브(probe) 조립체에 관한 것으로, 복수 개의 초음파 변환자로 구성된 어레이(array) 소자 및 어레이 소자의 변환자 각각에 대응하여 전기적으로 연결된 복수 개의 신호 배선을 포함하고, 복수 개의 신호 배선은 인접한 신호 배선들끼리 물리적으로 분할되어, 분할된 신호 배선들마다 각각 독립적인 서브 그룹(sub-group)을 형성하는 FPCB를 포함하며, FPCB는 신호 배선의 서브 그룹마다 전기 신호를 전달하기 위한 연결용 신호 패턴이 형성된다.

Description

FPCB를 이용한 초음파 프로브 조립체

본 발명은 초음파를 발생시켜 조사하는 초음파 프로브(probe)에 관한 것으로, 특히 초음파 변환자와 연결된 신호 배선으로 자유롭게 휘어질 수 있는 FPCB(flexible printed circuit board)를 이용하여 구현한 초음파 프로브 조립체 및 이를 이용한 초음파 시스템에 관한 것이다.

어레이(array) 초음파 프로브는 다수의 초음파를 발생시키는 단일 소자로 구성된 초음파 발생 장치로서, 일반적으로 각각의 어레이 소자에 신호 배선을 연결하기 위해 FPCB(Flexible Printed Circuit Board)를 이용하고 있으며, 이때의 FPCB는 초음파를 발생시키는 압전소재(piezoelectric material)에 접착되어 전기 에너지의 전달 통로 역할을 수행하고 있다.

통상적으로 어레이 초음파에 신호를 전달하기 위해 사용되는 FPCB는 어레이 소자의 간격을 고려하여 프로브의 어레이 소자 개수만큼 신호 배선이 구성되어 있고 독립적인 구동이 가능하며 전기 에너지의 공급원 또는 초음파 시스템으로부터 전기적 신호를 전달받기 위해 어레이 소자와 연결된 FPCB의 신호 배선이 결선되기 위한 커넥터(connector)로 구성될 수 있다.

이러한 초음파 프로브의 일반적인 형태는 FPCB의 중앙에 어레이 소자가 위치하고 FPCB의 양측으로 각각 신호 배선이 형성되어 있으며 좌/우 각각의 커넥터에 배선된 신호 배선이 결선될 수 있다. 이러한 형태의 FPCB는 어레이 초음파 프로브의 형태(선형 어레이 프로브, 곡면 어레이 프로브 등)와 무관하게 채택될 수 있는 구조이다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 종래의 곡면 어레이를 채택하고 있는 초음파 변환자가 특정 곡률을 가짐으로 인해 곡률 형성 과정에서 어레이 소자에 연결된 신호 배선으로 FPCB를 채택하고 있는데, 비록 FPCB의 소재의 특성으로 인해 유연한 배선이 가능함에도 불구하고 FPCB를 휘는 과정에서 발생하는 압력(tension)으로 FPCB를 프로브 몸체에 완전히 밀착하여 구부릴 수 없어 필연적으로 초음파 프로브의 외경이 증가하는 문제를 해소하고, 이와 더불어 FPCB를 휘는 과정에 프로브의 곡면에서 변형(deformation)이 발생하거나 FPCB에 접착된 음향층(흡음층과 음향정합층 등) 내지 압전소재가 분리될 우려를 방지하고자 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 프로브(probe) 조립체는, 복수 개의 초음파 변환자로 구성된 어레이(array) 소자; 및 상기 어레이 소자의 변환자 각각에 대응하여 전기적으로 연결된 복수 개의 신호 배선을 포함하고, 상기 복수 개의 신호 배선은 인접한 소정 개수의 신호 배선들끼리 물리적으로 분할되어, 분할된 신호 배선들마다 각각 독립적인 서브 그룹(sub-group)을 형성하는 FPCB(flexible printed circuit board)를 포함하며, 상기 FPCB는 상기 신호 배선의 서브 그룹마다 전기 신호를 전달하기 위한 연결용 신호 패턴이 형성된다.

일 실시예에 따른 초음파 프로브 조립체에서, 상기 어레이 소자는 초음파가 발생하는 대향면을 향해 곡면을 형성하고, 상기 FPCB의 상기 서브 그룹 각각에 포함되는 신호 배선의 개수는 상기 곡면의 곡률 형성에 따라 상기 곡면에 부착된 부분의 FPCB에 가해지는 압력(tension)을 고려하여 결정될 수 있다.

일 실시예에 따른 초음파 프로브 조립체에서, 상기 어레이 소자는 초음파가 발생하는 대향면을 향해 곡면을 형성하고, 상기 어레이 소자의 변환자 각각에 연결된 상기 신호 배선의 서브 그룹은 상기 어레이 소자가 부착된 평면과 서로 상이한 평면에 연장되어 부착됨으로써, 상기 서브 그룹 각각은 서로 기울여져 위치할 수 있다.

일 실시예에 따른 초음파 프로브 조립체에서, 상기 어레이 소자는 초음파가 발생하는 대향면을 향해 곡면을 형성하고, 상기 어레이 소자의 변환자 각각에 연결된 상기 신호 배선의 서브 그룹은 상기 어레이 소자가 부착된 평면과 수직을 이루는 프로브 몸체의 측면을 따라 부착될 수 있다. 또한, 상기 FPCB는, 상기 신호 배선의 서브 그룹이 상기 프로브 몸체의 모서리에서 밀착하여 수직을 이루어 꺾인 채 상기 어레이 소자의 변환자 각각에 연결됨으로써, 상기 어레이 소자의 구경(aperture) 크기와 상기 프로브 몸체의 외경 크기가 소정 오차값 이내에서 동일하게 형성될 수 있다. 나아가, 상기 FPCB는, 상기 어레이 소자의 변환자 각각에 연결된 상기 신호 배선의 서브 그룹이 상기 곡면의 곡률에 의해 상기 프로브 몸체의 측면을 따라 서로 교차하거나 또는 산개할 수 있다.

일 실시예에 따른 초음파 프로브 조립체는, 상기 FPCB의 연결용 신호 패턴에 전기적으로 도통하는 서브 그룹 커넥터(connector); 및 상기 서브 그룹 커넥터에 연결되고, 프로브 몸체를 따라 연장되어 형성된 통합 신호 배선을 통해 전기 신호를 전달하기 위한 결선용 커넥터를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 통합 신호 배선은, 상기 어레이 소자의 변환자 각각의 순서에 대응하여 상기 복수 개의 신호 배선이 상기 결선용 커넥터에 연결되도록 형성될 수 있다.

일 실시예에 따른 초음파 프로브 조립체는, 상기 FPCB의 연결용 신호 패턴과 납땜(soldering) 또는 옴 접합(ohmic contact)을 통해 전기적으로 도통하고, 프로브 몸체를 따라 연장되어 형성된 통합 신호 배선을 통해 전기 신호를 전달하기 위한 결선용 커넥터를 더 포함하고, 상기 통합 신호 배선은, 상기 복수 개의 신호 배선이 상기 어레이 소자의 변환자 각각의 순서대로 상기 결선용 커넥터에 연결되도록 형성될 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 프로브(probe) 조립체는, 복수 개의 초음파 변환자로 구성되고 초음파가 발생하는 대향면을 향해 곡면을 형성하는 어레이(array) 소자; 상기 어레이 소자의 변환자 각각에 대응하여 전기적으로 연결된 복수 개의 신호 배선을 포함하고, 상기 복수 개의 신호 배선은 인접한 소정 개수의 신호 배선들끼리 물리적으로 분할되어, 분할된 신호 배선들마다 각각 독립적인 서브 그룹(sub-group)을 형성하며, 상기 신호 배선의 서브 그룹마다 전기 신호를 전달하기 위한 연결용 신호 패턴이 형성되는 FPCB(flexible printed circuit board); 상기 FPCB의 연결용 신호 패턴에 전기적으로 도통하는 서브 그룹 커넥터(connector); 및 상기 서브 그룹 커넥터에 연결되고, 프로브 몸체를 따라 연장되어 형성된 통합 신호 배선을 통해 전기 신호를 전달하기 위한 결선용 커넥터를 포함한다.

다른 실시예에 따른 초음파 프로브 조립체에서, 상기 FPCB의 상기 서브 그룹 각각에 포함되는 신호 배선의 개수는 상기 곡면의 곡률 형성에 따라 상기 곡면에 부착된 부분의 FPCB에 가해지는 압력(tension)을 고려하여 결정될 수 있다.

다른 실시예에 따른 초음파 프로브 조립체에서, 상기 FPCB는, 상기 어레이 소자의 변환자 각각에 연결된 상기 신호 배선의 서브 그룹이 상기 어레이 소자가 부착된 평면과 수직을 이루는 프로브 몸체의 측면을 따라 부착될 수 있다. 또한, 상기 FPCB는, 상기 신호 배선의 서브 그룹이 상기 프로브 몸체의 모서리에서 밀착하여 수직을 이루어 꺾인 채 상기 어레이 소자의 변환자 각각에 연결됨으로써, 상기 어레이 소자의 구경(aperture) 크기와 상기 프로브 몸체의 외경 크기가 소정 오차값 이내에서 동일하게 형성될 수 있다. 나아가, 상기 곡면은 볼록한(convex) 형태를 형성하고, 상기 어레이 소자의 변환자 각각에 연결된 상기 신호 배선의 서브 그룹이 상기 볼록한 곡면의 곡률에 의해 상기 프로브 몸체의 측면을 따라 상기 곡률의 중심 방향(radial direction)으로 서로 교차할 수 있다.

다른 실시예에 따른 초음파 프로브 조립체에서, 상기 어레이 소자는, 초음파를 발생시키는 압전소재(piezoelectric material); 상기 압전소재의 전면에 부착되어 음향 임피던스를 정합시켜 초음파를 전달하는 음향정합층(acoustic matching layer); 및 상기 압전소재의 후면에 부착되어 후방 방사되는 초음파를 흡수하는 후면층(backing layer)을 포함할 수 있다.

다른 실시예에 따른 초음파 프로브 조립체에서, 상기 통합 신호 배선은, 상기 어레이 소자의 변환자 각각의 배치 순서에 대응하여 상기 복수 개의 신호 배선이 상기 결선용 커넥터에 연결되도록 형성될 수 있다.

다른 실시예에 따른 초음파 프로브 조립체에서, 상기 서브 그룹 커넥터 및 상기 결선용 커넥터는 서로 통합 신호 배선을 통해 연결되고, 상기 FPCB와 물리적으로 분리된 회로 기판(circuit board) 상에 배치될 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 곡면 어레이 소자의 변환자 각각에 대응하여 전기적으로 연결된 복수 개의 신호 배선을 인접한 소정 개수의 신호 배선들끼리 물리적으로 분할하고 분할된 신호 배선들마다 각각 독립적인 서브 그룹(sub-group)을 형성함으로써 초음파 프로브의 외경을 최소화하는 것이 가능하고, 큰 외경으로 인해 엔도캐비티(endocavity)와 같은 초음파 임상의 진단 과정에서 발생하는 환자들의 고통 완화에 기여할 수 있으며, 프로브의 측방향(lateral) 및 고도방향(elevational)으로 외경 크기를 유연하게 확장할 수 있음에 따라 초음파 프로브의 민감도 및 해상도를 극대화할 수 있다는 장점을 갖는다.

도 1은 FPCB를 이용한 곡면 어레이 초음파 프로브의 구현예를 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 배선이 분할된 FPCB의 배치 설계도를 예시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 배선이 분할된 FPCB를 곡면 어레이 초음파 프로브에 결합한 구조를 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 배선이 분할된 FPCB와 연결되는 신호 연결용 FPCB의 배치 설계도를 예시한 도면이다.

도 5는 곡면 어레이 초음파 프로브에 결합된 신호 배선이 분할된 FPCB와 도 4의 신호 연결용 FPCB를 연결하는 실시예들을 도시한 도면이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 FPCB를 이용한 초음파 프로브 조립체와 이를 이용한 초음파 시스템을 도시한 블록도이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 배선이 분할된 FPCB를 이용한 초음파 프로브 조립체의 프로토타입(prototype)을 예시한 도면이다.

<부호의 설명>

100: 초음파 프로브 조립체

10: 어레이 소자

20: 서브 그룹이 형성된 FPCB

25: 서브 그룹의 연결용 신호 패턴

27: 연결용 점프선

30: 서브 그룹 커넥터

35: 통합 신호 배선

40: 결선용 커넥터

45: 신호 연결용 회로 기판

50: 동축 케이블

60: 제어부

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 프로브(probe) 조립체는, 복수 개의 초음파 변환자로 구성된 어레이(array) 소자; 및 상기 어레이 소자의 변환자 각각에 대응하여 전기적으로 연결된 복수 개의 신호 배선을 포함하고, 상기 복수 개의 신호 배선은 인접한 소정 개수의 신호 배선들끼리 물리적으로 분할되어, 분할된 신호 배선들마다 각각 독립적인 서브 그룹(sub-group)을 형성하는 FPCB(flexible printed circuit board)를 포함하며, 상기 FPCB는 상기 신호 배선의 서브 그룹마다 전기 신호를 전달하기 위한 연결용 신호 패턴이 형성된다.

본 발명의 실시예들을 설명하기에 앞서, 곡면 어레이 소자를 사용하는 초음파 프로브의 통상적인 구조를 살펴보고 이러한 구조로부터 나타나는 문제점을 간략히 소개한 후, 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 실시예들이 채택하고 있는 기술적 수단을 순차적으로 제시하도록 한다.

도 1은 FPCB를 이용한 곡면 어레이 초음파 프로브의 통상적인 구현예를 도시한 도면으로서, 곡면을 이루고 있는 어레이 소자가 복수 개의 변환자(transducer)의 집합으로 구성되어 있음을 전제로 한다. 따라서, 각각의 변환자에 적절한 전기 신호를 인가하기 위한 신호 배선이 필요하며, 이를 위해 FPCB가 활용되었다.

도 1을 참조하면, 어레이 소자의 양측면으로 FPCB가 연결되어 있으며, 구현 환경을 고려하여 초음파 프로브의 구조는 막대와 같이 긴 형태로 형성될 수 있으며, 이를 위해 프로브 몸체의 긴 축을 따라 FPCB가 양측에 부착되며, FPCB에는 결선용 커넥터가 구비되어 외부 장치와 전기적으로 도통되도록 구성하였다. 좁은 공간에 초음파 프로브를 삽입하여 활용되는 경우를 고려할 때, 이러한 초음파 프로브의 외경은 작으면서도 넓은 영상 영역을 제공하는 것이 유리하기 때문에 곡면 어레이가 주로 사용되며, 도 1의 FPCB는 이러한 초음파 프로브 설계를 가능하게 한다.

그러나, 이러한 FPCB의 활용에도 불구하고, 곡면(볼록 또는 오목) 어레이 소자의 특성으로 인해 실제 제작된 초음파 프로브의 외경(B)은 실제의 곡면 어레이 소자의 구경(aperture)(A)보다 크다는 특징을 갖는다. 도 1을 통해 확인할 수 있듯이 곡면 어레이 소자가 특정한 곡률을 형성하는 과정에서 이에 부착된 FPCB가 비록 부드러운 소재로 형성되어 있음에도 불구하고 FPCB의 휘어짐으로 인한 압력(tension)으로 인한 변형(deformation)이 나타날 수밖에 없다는 한계를 갖는다. 즉, FPCB의 휘어짐은 프로브의 외경 증가와 동시에 프로브의 곡면에서 변형을 야기하게 되어, 결과적으로 각각의 흡음층, FPCB, 압전소재 내지 음향정합층이 적층된 곡면 부분에 포함된 FPCB의 일정 부분에 압력이 가해져 이들을 분리시킬 위험을 높이는 문제점이 발견되었다.

초음파 프로브의 외경의 크기는 엔도캐비티(endocavity)와 같은 임상 응용(예를 들어, 경질, 경직장, 경식도 초음파 등)에서는 외경의 크기가 증가함에 따라 환자의 고통을 수반하여 진단 시간에 악영향을 끼치는 원인으로 지목되었으며, 이로 인해 임상에서는 진단의 정확성을 향상시키기 위해 초음파 프로브의 외경의 크기를 감소시키고자 하는 요구가 적극적으로 나타나고 있다.

또한, 외경 증가로 인한 실제 초음파 프로브의 크기를 고려하여 초음파 프로브의 크기(dimension)를 설계해야 하기 때문에 초음파 프로브에서 초음파를 발생시키는 압전소재의 구경(aperture) 크기에 제약이 존재하였다. 초음파 영상의 해상도는 초음파 프로브의 구경의 크기에 영향을 받으며 고민감도를 위해서는 큰 구경이 필수적이기 때문에, 상기된 제약 하에서 고민감도/고해상도가 요구되는 초음파 프로브를 설계하거나 제작하는데 매우 큰 어려움이 있다.

나아가, 이러한 외경의 증가 문제와 더불어, 도 1에 예시된 바와 같이 초음파 시스템으로부터 초음파 어레이 소자에 전기적 신호를 전달하기 위해 다수의 신호 라인(line)이 하나의 결선용 커넥터로 결선되는 구조는 FPCB의 자유도를 크게 저하시켜 초음파 프로브의 외경을 증가시키는 또 다른 원인이 된다.

따라서, 곡면 어레이 초음파 프로브에 안정적인 신호 연결을 보장하면서도 외경의 증가를 방지하기 위한 새로운 형태의 초음파 프로브용 FPCB가 요구되고 있다.

상기된 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 실시예들은 곡면 어레이 소자와 연결된 신호 배선을 다수의 서브 그룹(sub-group)으로 분할하고, 각각의 서브 그룹의 신호 배선을 각각 독립적인 커넥터(connector) 또는 신호 패턴(signal pattern)에 결선할 수 있는 FPCB를 설계하였다.

본 발명의 실시예들이 제안하는 신호 배선이 분할 형성된 FPCB를 이용하여 곡면 어레이 초음파 프로브를 제작하는 경우, 곡률 형성 과정에서 발생하는 압력(tension)의 제거가 가능하고 곡면에서의 변형으로 인한 음향층 내지 압전소재의 분리를 방지할 수 있어 초음파 프로브 제작 공정상의 효율을 향상시킬 수 있다. 이와 동시에 FPCB의 변형으로 인한 외경의 증가 문제를 해결할 수 있어 종래의 초음파 변환자에 비해 소형화된 초음파 프로브를 제작하는 것이 가능하다. 또한, 불필요한 외경의 크기 증가의 문제 없이, 초음파 프로브의 구경만을 증가시키는 것이 가능하여 구경의 크기와 직결되는 초음파 프로브의 민감도/해상도를 향상시키는 것이 가능하다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명하도록 한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 구성 요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

특별히 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 배선이 분할된 FPCB의 배치 설계도를 예시한 도면으로서, 초음파를 발생시키는 압전소재에 신호를 인가하기 위한 신호 배선을 형성한다.

도 2를 참조하면, 앞서 도 1을 통해 살펴보았던 초음파 프로브 구조에서 어레이 소자의 신호 배선을 하나의 커넥터로 결선하는 방법과 다르게, 어레이 소자와 연결되는 신호 배선을 서브 그룹(sub-group)으로 나누고 각각의 서브 그룹을 독립적인 커넥터 또는 신호 패턴(25)으로 구성하는 방법을 도시하고 있다. 본 발명의 실시예들이 채택하고 있는 도 2의 FPCB 구조는 곡면 어레이 소자의 곡률 형성 과정에서 발생하는 FPCB의 휘어짐 및 변형으로 인해 적층된 음향소재가 분리되거나 부서지는 문제점을 해결할 수 있으며, 휘어짐으로 인한 외경 증가 문제를 근본적으로 제거하는 것이 가능한 장점이 있다.

어레이(array) 소자(10)는, 복수 개의 초음파 변환자로 구성되어 인가되는 전기 신호에 따라 초음파를 발생시켜 조사할 수 있다. 이러한 어레이 소자(10)는, 초음파를 발생시키는 압전소재(piezoelectric material), 상기 압전소재의 전면에 부착되어 음향 임피던스를 정합시켜 초음파를 전달하는 음향정합층(acoustic matching layer) 및 상기 압전소재의 후면에 부착되어 후방 방사되는 초음파를 흡수하는 후면층(backing layer)을 포함할 수 있다.

FPCB(flexible printed circuit board)는, 상기 어레이 소자(10)의 변환자 각각에 대응하여 전기적으로 연결된 복수 개의 신호 배선을 포함하고, 상기 복수 개의 신호 배선은 인접한 소정 개수의 신호 배선들끼리 물리적으로 분할되어, 분할된 신호 배선들마다 각각 독립적인 서브 그룹(sub-group)(20)을 형성한다. 이때, 상기 FPCB는 상기 신호 배선의 서브 그룹(20)마다 전기 신호를 전달하기 위한 연결용 신호 패턴(25)이 형성될 수 있다.

어레이 소자(10)는 초음파가 발생하는 대향면을 향해 곡면을 형성하고 있는데, 상기 FPCB의 상기 서브 그룹(20) 각각에 포함되는 신호 배선의 개수는 상기 곡면의 곡률 형성에 따라 상기 FPCB가 휘어짐으로 인해 프로브 곡면에 가해지는 압력(tension)을 고려하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 곡률이 클수록 곡률이 작은 경우에 비해 상대적으로 더 큰 압력이 곡면에 부착된 부분의 FPCB에 가해지므로 서브 그룹의 수를 증가시킬 수 있을 것이다(즉, 하나의 서브 그룹 내에 포함되는 신호 배선의 개수를 감소시킨다).

또한, 상기 어레이 소자(10)의 변환자 각각에 연결된 상기 신호 배선의 서브 그룹(20)은 상기 어레이 소자(10)가 부착된 평면과 서로 상이한 평면에 연장되어 부착됨으로써, 상기 서브 그룹(20) 각각은 서로 기울여져 위치할 수 있다. 도 3에서, 상기 어레이 소자(10)의 변환자 각각에 연결된 상기 신호 배선의 서브 그룹(20)은 상기 어레이 소자(10)가 부착된 평면과 수직을 이루는 프로브 몸체의 측면을 따라 부착되어 있음을 확인할 수 있다.

따라서, 상기 FPCB는, 상기 어레이 소자(10)의 변환자 각각에 연결된 상기 신호 배선의 서브 그룹(20)이 상기 곡면의 곡률에 의해 상기 프로브 몸체의 측면을 따라 서로 교차하거나 또는 산개하게 된다. 만약, 도 3에 도시된 바와 같이, 어레이 소자(10)가 볼록(convex)한 형태를 형성하는 경우, 상기 어레이 소자(10)의 변환자 각각에 연결된 상기 신호 배선의 서브 그룹(20)이 상기 볼록한 곡면의 곡률에 의해 상기 프로브 몸체의 측면을 따라 상기 곡률의 중심 방향(radial direction)으로 서로 교차하게 부착될 수 있다. 또한, 신호 배선의 서브 그룹(20)은 프로브 몸체의 측면을 따라 긴 축 방향으로 연장되어 형성될 수 있는데, 이후 소개될 결선용 회로 기판(미도시)과의 연결을 용이하게 하기 위해 신호 배선의 진행 방향을 서로 나란하게 형성시킬 수 있을 것이다.

반면, 만약 어레이 소자가 오목(concave)한 형태를 형성하는 경우, 상기 어레이 소자(10)의 변환자 각각에 연결된 상기 신호 배선의 서브 그룹(20)이 상기 오목한 곡면의 곡률에 의해 상기 프로브 몸체의 측면을 따라 산개하여 부착될 수 있다. 이때, 신호 배선의 서브 그룹(20)이 프로브 몸체를 벗어나는 것은 바람직하지 않으므로, 프로브 몸체의 측면을 따라 긴 축 방향으로 산개되는 서브 그룹의 신호 배선의 진행 방향을 서로 나란하게 형성시킬 수 있을 것이다.

특히, 상기 FPCB는, 상기 신호 배선의 서브 그룹(20)이 상기 프로브 몸체의 모서리에서 밀착하여 수직을 이루어 꺾인 채 상기 어레이 소자(10)의 변환자 각각에 연결됨으로써, 상기 어레이 소자(10)의 구경(aperture) 크기(A)와 상기 프로브 몸체의 외경 크기가 특정 오차값 이내에서 동일하게 형성되게 된다. 즉, 앞서 도 1을 통해 소개된 초음파 프로브에서 실제 어레이 소자의 구경의 크기보다 초음파 프로브의 외경 크기가 증가하였던 것과는 달리, 도 3의 초음파 프로브에서는 전체 초음파 프로브의 외경 크기가 실제 어레이 소자의 구경의 크기(A)와 거의 동일한 값을 갖게 된다.

즉, 도 3에 도시된 신호 배선이 분할 형성된 FPCB를 이용하여 곡면 어레이 초음파 프로브의 곡률을 형성하는 경우, 신호 배선이 복수 개의 독립적 커넥터 또는 신호 패턴(25)을 갖는 서브 그룹으로 분할 구성되기 때문에, 앞서 도 1을 통해 소개한 초음파 프로브와 달리 FPCB의 자유도를 충분히 확보하는 것이 가능하므로 FPCB의 휘어짐이 발생하지 않는다. 이로 인해 압력(tension)으로 인해 발생하는 뒤틀림 내지 변형이 없고, 간단하게 곡률의 중심 방향(radial direction)으로 FPCB를 밀착시켜 초음파 프로브를 형성할 수 있어 외경 증가를 근본적으로 방지할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 배선이 분할된 FPCB와 연결되는 신호 연결용 FPCB의 배치 설계도를 예시한 도면이다. 앞서 도 2 및 도 3을 통해 기술한 신호 배선이 분할 형성된 FPCB를 이용하여 초음파 프로브를 제작하고 각각의 서브 그룹을 프로브 몸체에 밀착시켜 형성한 후, 서브 그룹에 연결된 어레이 소자의 신호 배선들이 초음파 시스템에 연결되기 위한 결선용 커넥터 회로로 연장되는 구조를 나타내고 있다.

도 4를 참조하면, 신호 배선이 분할 형성된 FPCB의 서브 그룹 각각에 대응하여 복수 개의 서브 그룹 커넥터(connector)(30)를 이용하여 분할된 신호 배선을 통합 신호 배선(35)을 통해 취합하고 있으며, 신호 배선 전체를 외부의 초음파 시스템과 연결하기 위한 결선용 커넥터(40)에 전기적으로 연결되어 있다. 즉, 서브 그룹 커넥터(30)는 FPCB의 연결용 신호 패턴에 전기적으로 도통하고, 프로브 몸체를 따라 연장되어 형성된 통합 신호 배선(35)은 서브 그룹 커넥터(30)와 결선용 커넥터(40) 사이를 연결함으로써 전기 신호를 전달한다.

도 5는 곡면 어레이 초음파 프로브에 결합된 신호 배선이 분할된 FPCB와 도 4의 신호 연결용 FPCB를 연결하는 실시예들을 도시한 도면으로서, FPCB들을 서로 연결하는 방식에 관한 두 가지 예(a, b)를 소개하고 있다.

도 5를 참조하면, 어레이 소자(10)의 변환자 각각에 대응하여 전기적으로 연결된 복수 개의 신호 배선을 포함하고, 상기 복수 개의 신호 배선은 인접한 소정 개수의 신호 배선들끼리 물리적으로 분할되어, 분할된 신호 배선들마다 각각 독립적인 서브 그룹(sub-group)을 형성하며, 상기 신호 배선의 서브 그룹마다 전기 신호를 전달하기 위한 연결용 신호 패턴(25)이 형성되는 FPCB(flexible printed circuit board)가 구비되어 있다.

이제, 신호 배선이 분할 형성된 FPCB의 서브 그룹의 연결용 신호 패턴(25)과 신호 배선 결선용 FPCB(또는 PCB로 구성될 수 있다)(45)를 연결하기 위해, 상기 FPCB의 연결용 신호 패턴과 납땜(soldering) 또는 물리적인 방법, 예를 들어, 옴 접합(ohmic contact)을 통해 전기적으로 도통시킬 수 있다. 도 5의 (a)의 경우 서브 그룹의 연결용 신호 패턴(25)에 서브 그릅 커넥터가 결합되고, 도 5의 (b)의 경우 신호 연결용 점프선(27)을 통해 납땜됨으로써 전기적인 도통을 달성한다. 이러한 연결 방식에 따라 연결된 신호 배선은, 통합 신호 배선(35)을 통해 상기 어레이 소자(10)의 변환자 각각의 순서에 대응하여 상기 복수 개의 신호 배선이 상기 결선용 커넥터(40)에 연결되도록 형성되는 것이 바람직하다.

신호 배선이 분할 형성된 FPCB의 서브 그룹은 프로브 몸체의 측면을 따라 연장 형성됨에 있어서, 어레이 소자(10)의 곡률로 인해 그 배치 위치나 순서가 원래의 어레이 소자의 개별 변환자의 배치 순서와는 달라질 수 있다. 예를 들어, 어레이 소자의 곡면이 볼록한(convex) 형태를 형성할 경우, 상기 어레이 소자의 변환자 각각에 연결된 상기 신호 배선의 서브 그룹이 상기 볼록한 곡면의 곡률에 의해 상기 프로브 몸체의 측면을 따라 상기 곡률의 중심 방향(radial direction)으로 서로 교차하게 되며, 그로 인해 서브 그룹이 부착된 위치에서의 신호 배선의 배치 순서는 원래의 어레이 소자를 구성하는 개별 변환자의 배치 순서와는 뒤바뀐 순서가 될 수 있다. 따라서, 뒤바뀌거나 변화된 배치 순서를 바로잡아 결선용 커넥터(40)에 연결하는 작업이 필요하다.

이를 위해, 상기 통합 신호 배선(35)은, 상기 복수 개의 신호 배선이 상기 어레이 소자(10)의 변환자 각각의 순서대로 상기 결선용 커넥터(40)에 연결되도록 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 구현의 관점에서 상기 서브 그룹의 연결용 신호 패턴(25)에 대응하여 연결되는 서브 그룹 커넥터 및 상기 결선용 커넥터(40)는 서로 통합 신호 배선(35)을 통해 연결되고, 이들은 어레이 소자(10)와 결합되어 신호 배선이 분할 형성된 FPCB와 물리적으로 분리된 회로 기판(circuit board)(45) 상에 배치될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 FPCB를 이용한 초음파 프로브 조립체(100)와 이를 이용한 초음파 시스템을 도시한 블록도로서, 초음파 프로브 조립체(100)는 크게 초음파 프로브의 음향 물질 연결 파트(130) 및 초음파 프로브의 전기적 연결 파트(150)로 구성된다.

초음파 프로브의 음향 물질 연결 파트(130)는 어레이 소자(10)를 구성하는 개별 변환자에 연결되는 신호 배선이 다수의 물리적으로 분할 형성된 FPCB의 서브 그룹(20)을 형성한다. 초음파 프로브의 전기적 연결 파트(150)는 서브 그룹 커넥터(30)를 통해 각각의 서브 그룹(20)과 대응하여 연결되고, 통합 신호 배선을 이용하여 각각의 신호 배선이 취합되어 초음파 결선용 커넥터(40)에 연결된다.

초음파 시스템은, 상기 결선용 커넥터(40)에 연결되어 전기 신호를 전달하는 케이블(cable)(50) 및 상기 케이블(50)을 통해 상기 어레이 소자(10)의 변환자 각각을 제어하여 초음파를 조사하는 제어부(60)를 더 포함한다. 즉, 초음파 프로브 조립체(100)를 구비하는 초음파 시스템은, 제어부(60)로부터 인가되는 전기 신호를 동축 케이블(50)을 통해 결선용 커넥터(40)로 전달하고, 결선용 커넥터(40)에 연결된 통합 신호 배선을 따라 서브 그룹 커넥터(30) 및 서브 그룹(20)을 통해 압전소재로 구성된 어레이 소자(10)로 전달되어 초음파가 발생하고, 반대 방향으로부터 초음파 신호를 수신하여 초음파 시스템의 제어부(60)로 전달되게 된다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 배선이 분할된 FPCB를 이용한 초음파 프로브 조립체의 프로토타입(prototype)을 예시한 도면으로서, 앞서 도 2의 배치 설계도에 따라 제작된 FPCB에 어레이 소자를 결합한 것을 도시하였다.

도 7을 참조하면, 분할 형성된 신호 배선이 곡률 방향으로 음향 흡음층에 FPCB가 밀착되어 초음파 프로브 조립체를 형성함으로써, 종래의 방법과 다르게 곡면 어레이 초음파 프로브의 FPCB의 변형으로 인한 외경 증가의 문제가 발생하지 않음을 확인할 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 다양한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

상기된 본 발명의 실시예들은, 곡면 어레이 소자의 변환자 각각에 대응하여 전기적으로 연결된 복수 개의 신호 배선울 인접한 소정 개수의 신호 배선들끼리 물리적으로 분할하고 분할된 신호 배선들마다 각각 독립적인 서브 그룹(sub-group)을 형성함으로써 초음파 프로브의 외경을 최소화하는 것이 가능하고, 큰 외경으로 인해 엔도캐비티(endocavity)와 같은 초음파 임상의 진단 과정에서 발생하는 환자들의 고통 완화에 기여할 수 있으며, 결과적으로 진단의 정확도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 초음파 프로브의 하우징(housing)의 크기도 함께 감소시킴으로써 초음파 프로브 자체의 무게 감소에도 기여할 수 있어 반복적인 초음파 검사/진단을 수행하는 초음파검사자(Sonographer)의 진단 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 초음파 프로브의 설계 단계에서 FPCB의 휘어짐 내지 변형에 의한 외경 증가를 고려하지 않아도 되기 때문에, 비교적 자유롭게 프로브의 측방향(lateral) 및 고도방향(elevational)으로 외경 크기를 확장하는 것이 가능하고, 이에 따라 초음파 프로브의 민감도 및 해상도를 극대화하는 것이 가능하며, 넓은 영상 영역(Field-of-View, FOV)을 확보하여 효율적인 진단을 도모할 수 있다

Claims

복수 개의 초음파 변환자로 구성된 어레이(array) 소자; 및

상기 어레이 소자의 변환자 각각에 대응하여 전기적으로 연결된 복수 개의 신호 배선을 포함하고, 상기 복수 개의 신호 배선은 인접한 소정 개수의 신호 배선들끼리 물리적으로 분할되어, 분할된 신호 배선들마다 각각 독립적인 서브 그룹(sub-group)을 형성하는 FPCB(flexible printed circuit board)를 포함하며,

상기 FPCB는 상기 신호 배선의 서브 그룹마다 전기 신호를 전달하기 위한 연결용 신호 패턴이 형성되는 초음파 프로브(probe) 조립체.
제 1 항에 있어서,

상기 어레이 소자는 초음파가 발생하는 대향면을 향해 곡면을 형성하고,

상기 FPCB의 상기 서브 그룹 각각에 포함되는 신호 배선의 개수는 상기 곡면의 곡률 형성에 따라 상기 곡면에 부착된 부분의 FPCB에 가해지는 압력(tension)을 고려하여 결정되는 것을 특징으로 하는 초음파 프로브 조립체.
제 1 항에 있어서,

상기 어레이 소자는 초음파가 발생하는 대향면을 향해 곡면을 형성하고, 상기 어레이 소자의 변환자 각각에 연결된 상기 신호 배선의 서브 그룹은 상기 어레이 소자가 부착된 평면과 서로 상이한 평면에 연장되어 부착됨으로써, 상기 서브 그룹 각각은 서로 기울여져 위치하는 것을 특징으로 하는 초음파 프로브 조립체.
제 1 항에 있어서,

상기 어레이 소자는 초음파가 발생하는 대향면을 향해 곡면을 형성하고, 상기 어레이 소자의 변환자 각각에 연결된 상기 신호 배선의 서브 그룹은 상기 어레이 소자가 부착된 평면과 수직을 이루는 프로브 몸체의 측면을 따라 부착된 것을 특징으로 하는 초음파 프로브 조립체.
제 4 항에 있어서,

상기 FPCB는,

상기 신호 배선의 서브 그룹이 상기 프로브 몸체의 모서리에서 밀착하여 수직을 이루어 꺾인 채 상기 어레이 소자의 변환자 각각에 연결됨으로써, 상기 어레이 소자의 구경(aperture) 크기와 상기 프로브 몸체의 외경 크기가 소정 오차값 이내에서 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 프로브 조립체.
제 4 항에 있어서,

상기 FPCB는,

상기 어레이 소자의 변환자 각각에 연결된 상기 신호 배선의 서브 그룹이 상기 곡면의 곡률에 의해 상기 프로브 몸체의 측면을 따라 서로 교차하거나 또는 산개하는 것을 특징으로 하는 초음파 프로브 조립체.
제 1 항에 있어서,

상기 FPCB의 연결용 신호 패턴에 전기적으로 도통하는 서브 그룹 커넥터(connector); 및

상기 서브 그룹 커넥터에 연결되고, 프로브 몸체를 따라 연장되어 형성된 통합 신호 배선을 통해 전기 신호를 전달하기 위한 결선용 커넥터를 더 포함하는 초음파 프로브 조립체.
제 7 항에 있어서,

상기 통합 신호 배선은,

상기 어레이 소자의 변환자 각각의 순서에 대응하여 상기 복수 개의 신호 배선이 상기 결선용 커넥터에 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 프로브 조립체.
제 1 항에 있어서,

상기 FPCB의 연결용 신호 패턴과 납땜(soldering) 또는 옴 접합(ohmic contact)을 통해 전기적으로 도통하고, 프로브 몸체를 따라 연장되어 형성된 통합 신호 배선을 통해 전기 신호를 전달하기 위한 결선용 커넥터를 더 포함하고,

상기 통합 신호 배선은,

상기 복수 개의 신호 배선이 상기 어레이 소자의 변환자 각각의 순서대로 상기 결선용 커넥터에 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 프로브 조립체.
복수 개의 초음파 변환자로 구성되고 초음파가 발생하는 대향면을 향해 곡면을 형성하는 어레이(array) 소자;

상기 어레이 소자의 변환자 각각에 대응하여 전기적으로 연결된 복수 개의 신호 배선을 포함하고, 상기 복수 개의 신호 배선은 인접한 소정 개수의 신호 배선들끼리 물리적으로 분할되어, 분할된 신호 배선들마다 각각 독립적인 서브 그룹(sub-group)을 형성하며, 상기 신호 배선의 서브 그룹마다 전기 신호를 전달하기 위한 연결용 신호 패턴이 형성되는 FPCB(flexible printed circuit board);

상기 FPCB의 연결용 신호 패턴에 전기적으로 도통하는 서브 그룹 커넥터(connector); 및

상기 서브 그룹 커넥터에 연결되고, 프로브 몸체를 따라 연장되어 형성된 통합 신호 배선을 통해 전기 신호를 전달하기 위한 결선용 커넥터를 포함하는 초음파 프로브(probe) 조립체.
제 10 항에 있어서,

상기 FPCB의 상기 서브 그룹 각각에 포함되는 신호 배선의 개수는 상기 곡면의 곡률 형성에 따라 상기 곡면에 부착된 부분의 FPCB에 가해지는 압력(tension)을 고려하여 결정되는 것을 특징으로 하는 초음파 프로브 조립체.
제 10 항에 있어서,

상기 FPCB는,

상기 어레이 소자의 변환자 각각에 연결된 상기 신호 배선의 서브 그룹이 상기 어레이 소자가 부착된 평면과 수직을 이루는 프로브 몸체의 측면을 따라 부착된 것을 특징으로 하는 초음파 프로브 조립체.
제 12 항에 있어서,

상기 FPCB는,

상기 신호 배선의 서브 그룹이 상기 프로브 몸체의 모서리에서 밀착하여 수직을 이루어 꺾인 채 상기 어레이 소자의 변환자 각각에 연결됨으로써, 상기 어레이 소자의 구경(aperture) 크기와 상기 프로브 몸체의 외경 크기가 소정 오차값 이내에서 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 프로브 조립체.
제 12 항에 있어서,

상기 곡면은 볼록한(convex) 형태를 형성하고,

상기 어레이 소자의 변환자 각각에 연결된 상기 신호 배선의 서브 그룹이 상기 볼록한 곡면의 곡률에 의해 상기 프로브 몸체의 측면을 따라 상기 곡률의 중심 방향(radial direction)으로 서로 교차하는 것을 특징으로 하는 초음파 프로브 조립체.
제 10 항에 있어서,

상기 어레이 소자는,

초음파를 발생시키는 압전소재(piezoelectric material);

상기 압전소재의 전면에 부착되어 음향 임피던스를 정합시켜 초음파를 전달하는 음향정합층(acoustic matching layer); 및

상기 압전소재의 후면에 부착되어 후방 방사되는 초음파를 흡수하는 후면층(backing layer)을 포함하는 초음파 프로브 조립체.
제 10 항에 있어서,

상기 통합 신호 배선은,

상기 어레이 소자의 변환자 각각의 배치 순서에 대응하여 상기 복수 개의 신호 배선이 상기 결선용 커넥터에 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 프로브 조립체.
제 10 항에 있어서,

상기 서브 그룹 커넥터 및 상기 결선용 커넥터는 서로 통합 신호 배선을 통해 연결되고, 상기 FPCB와 물리적으로 분리된 회로 기판(circuit board) 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 프로브 조립체.
제 10 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 초음파 프로브 조립체;

상기 결선용 커넥터에 연결되어 전기 신호를 전달하는 케이블(cable); 및

상기 케이블을 통해 상기 어레이 소자의 변환자 각각을 제어하여 초음파를 조사하는 제어부를 포함하는 초음파 시스템.