WO2020111390A1 - 송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서 및 이를 이용한 미소기포 캐비테이션 이미지 가시화방법 - Google Patents

송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서 및 이를 이용한 미소기포 캐비테이션 이미지 가시화방법 Download PDF

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transmitting
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focused ultrasound
signal
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진창주
허형규
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Definitions

  • the present invention relates to a transmission/reception dual-mode focused ultrasound transducer and a method for visualizing a micro-bubble cavitation image using the same, in particular, a plurality of Fibonacci patterns that are capable of mounting a maximum number of objects on a transducer body having a limited area.
  • a non-linearity is formed in a transducer element array, and a small number of receiving elements are used to induce cavitation of micro bubbles and to visualize it.
  • the present invention relates to a transmission/reception dual mode focused ultrasound transducer and a method for visualizing a microbubble cavitation image using the transducer.
  • the technique of opening and closing the cerebrovascular barrier using focused ultrasound is a new non-invasive brain cancer/brain tumor treatment technique that temporarily and safely and locally opens the cerebrovascular barrier (BBB) to accurately deliver the therapeutic drug to a target location.
  • This technology physically performs cerebral blood vessels by inducing the movement of microbubbles (hereinafter referred to as cavitation) by intravenously injecting ultrasound contrast agents (microbubbles) commonly used in ultrasound imaging, and then irradiating focused ultrasound to the affected area. Open the barrier.
  • cavitation ultrasound contrast agents
  • I's only clinically used equipment uses ultrasonic transducers composed of hundreds of independent elements, but the cavitation visualization function has not been developed.
  • the cavitation signal generated by the treatment process micro-bubbles cannot be detected with existing MRI and CT imaging equipment, and only ultrasonic transducers that can detect sound waves can measure these signals. Accordingly, there is a need to develop a dual-mode focused ultrasound transducer capable of minimizing the number of elements used in a therapeutic ultrasound transducer and detecting cavitation signals by micro bubbles.
  • transducers having different resonant frequencies are combined to have a plurality of resonant frequencies and treatment depths, and a plurality of high intensity focused ultrasounds from the handpiece to the treatment site
  • a method and apparatus for generating high intensity focused ultrasound provided to irradiate.
  • the present invention has been made in consideration of the above situation, and the object of the present invention is to implement a pattern of a transducer having a high nonlinearity, and to transmit/receive a dual mode focused ultrasound transducer capable of mounting a maximum number of elements in a limited area. It is in providing.
  • Another object of the present invention is to provide a method for visualizing a microbubble cavitation image, which can reduce the formation of a virtual image and improve the quality of an ultrasound image.
  • the transmission/reception dual-mode focused ultrasound transducer has a concave curved shape, and a plurality of mounting holes are formed in a transducer body in a Fibonacci pattern; And a plurality of transducer elements each detachably attached to the plurality of mounting holes and configured to transmit and receive ultrasonic waves.
  • the transducer element may be arranged in a coaxial form with a transmitter and a receiver.
  • the transmission unit may be formed in a cylindrical shape having a ring shape when viewed from the top.
  • the receiving unit may be configured to be mounted on the inner periphery of the transmitting unit.
  • the transmission unit and the reception unit may be formed of piezoelectric elements having different resonance frequencies.
  • the transducer body has a concave curved shape and a plurality of mounting holes are formed in a Fibonacci pattern; And a plurality of transducer elements each detachably attached to the plurality of mounting holes and configured to transmit and receive ultrasonic waves.
  • the transducer body having a limited area is equipped with a maximum number of transducer elements while having high nonlinearity. Since the transducer pattern can be realized, it has an excellent effect of reducing the formation of virtual images and improving the quality of ultrasound images.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a transmission and reception dual mode focused ultrasound transducer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining a Fibonacci pattern applied to the transducer body of FIG. 1,
  • (a) is a view for explaining a Fibonacci pattern (Fibonacci pattern) that is a form that can be mounted on a limited number of objects in a limited area
  • (b) is a diagram showing a Fibonacci pattern-based transducer element arrangement.
  • FIG. 3 is a view showing the Fibonacci pattern of the mounting hole of the transducer body of FIG. 1, (a) is a view showing the arrangement of eight mounting holes, (b) is a view showing the arrangement of 40 mounting holes, (c) Is a diagram showing the arrangement of 64 mounting holes.
  • FIG. 4 is a view for explaining the structure and operating principle of each element of the transducer of FIG. 1, the transmitter and receiver are equipped with transducer elements (piezoelectric elements) having different resonance frequencies, and the transmitter and receiver are used independently By doing so, it indicates that the influence of the receiver on the transmission frequency is reduced and that cavitation signal collection of ultrasonic waves and micro bubbles can be simultaneously performed.
  • transducer elements piezoelectric elements
  • FIG. 5 is a diagram illustrating that when a trigger signal is input to the transducer element of FIG. 1, a signal is transmitted from a transmitter to receive a signal reflected from a micro bubble and transmitted to a beamforming unit to calculate an image frame.
  • FIG. 6(a) is a diagram showing acoustic visualization in a space using the receiver of the transducer element of FIG. 1, and (b) is a diagram showing an image frame reconstructed using a signal received from the receiver of the transducer element. to be.
  • FIG. 7 is a flowchart for explaining a method for visualizing a microbubble cavitation image using a transducer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a transmission and reception dual-mode focused ultrasound transducer according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a view for explaining the Fibonacci pattern applied to the transducer body of Figure 1
  • (a) is a maximum in a limited area
  • (b) is a diagram showing an arrangement of Fibonacci pattern-based transducer elements
  • FIG. 3 is a mounting of the transducer body of FIG. 1
  • As a diagram showing the Fibonacci pattern of the hole (a) is a diagram showing the arrangement of eight mounting holes, (b) is a diagram showing the arrangement of 40 mounting holes, and (c) is a diagram showing the arrangement of 64 mounting holes.
  • the transmitting and receiving dual mode focused ultrasound transducer includes a transducer body 10 and a transducer element 20, as shown in FIGS. 1 to 3.
  • the transducer body 10 serves to fix a plurality of transducer elements 20 to a structure having a concave curved shape and focus ultrasound through one focus point through the transducer elements, and the maximum number of transducer elements within a limited area ( 20)
  • a plurality of mounting holes 10a are formed in a fibonacci pattern in order to increase nonlinearity while mounting.
  • the Fibonacci pattern is a pattern that exists universally in nature and is an optimal pattern that can mount the maximum number of objects in a small area.
  • FIG. 2(a) shows a Fibonacci pattern capable of mounting a maximum number of objects in a limited area.
  • FIG. 2(b) is a view showing an arrangement of the Fibonacci pattern-based transducer elements, and shows that the transducer elements are arranged in a Fibonacci pattern in a maximum quantity in a space having a limited horizontal and vertical length.
  • FIG. 3 is a view showing that the mounting hole 10a of the transducer body 10 is formed in a Fibonacci pattern, (a) is a view showing the arrangement of eight mounting holes, (b) is showing the arrangement of 40 mounting holes Figure (c) is a view showing the arrangement of 64 mounting holes.
  • the number of transducer elements mounted in the mounting hole 10a represents the number of channels.
  • the non-linear pattern arrangement of the transducer elements 20 it is possible to reduce the volume of the entire transducer by reducing the formation of a virtual image that appears when using a linear arrangement and maximizing the number of elements that can be mounted in a limited area compared to the conventional one. . Accordingly, since the total weight of the transducer can be reduced, the degree of freedom of movement of the manufactured transducer and the transducer body can be increased.
  • Transducer element 20 is mounted to each of a plurality of mounting holes (10a) of the transducer body 10 serves to transmit and receive ultrasonic waves.
  • a transducer body 10 of a Fibonacci pattern digitized in 3D modeling a more sophisticated Fibonacci shape is constructed.
  • each dual mode transducer element 20 is configured to be detachable from the transducer body 10, so that only the corresponding element can be exchanged in the replacement process due to aging of some elements.
  • transducer elements with certain performance by enabling independent production of transducer elements by deviating from the conventional production method of attaching each transducer element directly to the transducer body, and sound output performance of the transducer elements before assembly of the transducer. Because it can evaluate the efficiency of the manufacturing process can be maximized.
  • the transmitter 20a for transmitting ultrasonic waves toward the microbubbles and the receiver 20b for receiving signals reflected from the microbubbles are arranged in a coaxial form, respectively. By doing so, it is possible to maximize the number of transducer elements 20 that can be mounted in a limited area.
  • the receiver 20b since the receiver 20b receives only the harmonic signal 2f O for the transmission signal f 0 , interference of the transmission/reception signal can be fundamentally blocked.
  • the transmitting unit 20a is formed in a cylindrical shape having a ring shape when viewed from the top, and the receiving unit 20b is formed in a cylindrical shape to be mounted inside the transmitting unit 20a. Since the transmitting unit 20a and the receiving unit 20b are combined to constitute the transducer element 20 and mounted in the mounting hole 10a, the transmitting unit and the receiving unit can be mounted in a limited area rather than being respectively mounted in separate mounting holes. The number of transducer elements 20 present can be further increased.
  • the receiver 20b and the transmitter 20a physically use different piezoelectric elements, they can be connected to different electrical systems to realize simultaneous operation. Through this, it is possible to simultaneously induce cavitation of micro bubbles and cavitation monitoring.
  • the transducer element 20, as shown in Figure 4, the transmitter 20a and the receiver 20b is made of a piezoelectric element having a different resonant frequency, the transmitter 20a and the receiver 20b By using independently, it is possible to reduce the influence of the receiver 20b by the transmission frequency, and simultaneously generate ultrasonic waves (induce cavitation of micro bubbles) and collect and monitor cavitation signals from micro bubbles.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating that when a trigger signal is input to the transducer element of FIG. 1, a signal is transmitted from a transmitter to receive a signal reflected from a micro bubble and transmitted to a beamforming unit to calculate an image frame.
  • FIG. 6(a) is a diagram showing acoustic visualization in a space using the receiver of the transducer element of FIG. 1, and (b) is a diagram showing an image frame reconstructed using a signal received from the receiver of the transducer element. to be.
  • FIG. 7 is a flowchart for explaining a method for visualizing a microbubble cavitation image using a transducer according to an embodiment of the present invention.
  • the transmitter 20a transmits a sine wave signal having a frequency f O in the form of a tone burst to a micro bubble for a predetermined time (S2).
  • Receiving a signal (frequency nf O , n 2,3,4, etc.) reflected from the micro-bubbles by the receiving unit 20b by a predetermined sample (S3), and transmitting the image frame by transmitting it to a beamforming unit (not shown) Calculate (S4).
  • the calculated image frame is collected by the video stack configuration unit (not shown) (S5), and one video stack is configured (S6).
  • the one video stack can immediately reproduce an image through a display device such as a monitor or store it in a memory to prepare for post-processing use.
  • the above operation is repeated according to the number of trigger signals input from the outside.
  • step S4 the signal received from the plurality of receivers 20b may be visualized by visualizing the location of a sound source in a three-dimensional space, that is, a small bubble through a time exposure acoustic beamforming technique. Same as 6(a).
  • the received element that is, the cavitation image of the microbubble
  • the reconstructed image frame is divided into two-dimensional regions for each xy, yz, and zx planes, and is displayed in FIG. 6. Same as (b).
  • the cavitation signal generated by the micro-bubbles is impossible to detect using conventional MRI and CT imaging equipment, and can only be used as an ultrasonic transducer capable of detecting sound waves.
  • Conventional equipment did not have the function of visualizing the cavitation of micro-bubbles, but according to the present invention As shown in Fig. 6, it is possible to visualize and monitor the cavitation signal of micro bubbles in three dimensions.
  • the transducer body has a concave curved shape, a plurality of mounting holes are formed in a Fibonacci pattern; And a plurality of transducer elements each detachably attached to the plurality of mounting holes and configured to transmit and receive ultrasonic waves.
  • the pattern of the transducer can be implemented to improve the quality of the ultrasound image and to effectively visualize the location of the micro-bubbles in the three-dimensional space through the received signal using the transceiver module.

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Abstract

본 발명은 송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서 및 그 트랜스듀서를 이용한 미소기포 캐비테이션 이미지 가시화방법에 관한 것으로, 특히 한정된 면적의 트랜스듀서 본체에 최대 수량의 객체를 탑재할 수 있는 형태인 피보나치 패턴(Fibonacci pattern)으로 복수의 장착홀을 형성하고 이 장착홀에 복수의 트랜스튜서 엘리먼트를 장착함으로써 비선형성이 높은 트랜스듀서 엘리먼트 배열을 이루게 하여 적은 수량의 수신 엘리먼트를 이용하여 미소 기포의 캐비테이션(cavitation)을 유도하고 가시화 하는 송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서 및 그 트랜스듀서를 이용한 미소기포 캐비테이션 이미지 가시화방법에 관한 것이다.

Description

송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서 및 이를 이용한 미소기포 캐비테이션 이미지 가시화방법
본 발명은 송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서 및 이를 이용한 미소기포 캐비테이션 이미지 가시화방법에 관한 것으로, 특히 한정된 면적의 트랜스듀서 본체에 최대 수량의 객체를 탑재할 수 있는 형태인 피보나치 패턴(Fibonacci pattern)으로 복수의 장착홀을 형성하고 이 장착홀에 복수의 트랜스튜서 엘리먼트를 장착함으로써 비선형성이 높은 트랜스듀서 엘리먼트 배열을 이루게 하여 적은 수량의 수신 엘리먼트를 이용하여 미소 기포의 캐비테이션(cavitation)을 유도하고 이를 가시화 하는 송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서 및 그 트랜스듀서를 이용한 미소기포 캐비테이션 이미지 가시화방법에 관한 것이다.
집속 초음파를 이용한 뇌혈관 장벽 개폐 기술은 일시적으로 안전하고 국소적으로 뇌혈관 장벽을(BBB) 열어 치료 약물을 표적 위치로 정확하게 전달하는 새로운 비 침습적 뇌암/ 뇌종양 치료 기술이다. 이 기술은 초음파 영상 진단에서 보편적으로 사용되고 있는 초음파 조영제(미소기포)를 정맥 주입한 후 집속 초음파를 환부에 조사하여 미소기포의 움직임(이하, 캐비테이션이라 함)(cavitation)을 유도함으로써 물리적으로 뇌혈관 장벽을 열어 준다. 이 과정 발생되는 캐비테이션 신호를 3차원으로 가시화 하고 모니터링 하는 기술에 대한 개발이 필요한 상황이다. 현재 유일하게 임상에서 사용 중인 I사의 장비는 수백 개의 독립된 엘리먼트로 이루어져 있는 초음파 트랜스듀서를 사용하고 있지만 캐비테이션 가시화 기능은 개발되어 있지 않다.
치료과정 미소기포에 의해 발생되는 캐비테이션 신호는 기존의 MRI, CT 영상장비로는 탐측이 불가능하고 오직 음파 탐지 가능한 초음파 변환자만이 이런 신호를 측정할 수 있다. 이에 치료용 초음파 트랜스듀서에 사용되는 엘리먼트 수량을 최소한으로 줄이고 미소기포에 의한 캐비테이션 신호 탐측이 가능한 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스 듀서의 개발이 필요하다.
국내 공개 특허 2016-0023276호 공보(이하, 선행문헌이라 함)에는 서로 다른 공진주파수를 갖는 트랜스듀서를 결합하여 복수개의 공진주파수와 시술 깊이를 갖도록 하고, 핸드피스에서 시술 부위로 복수의 고강도 집속 초음파를 조사하도록 구비된 고강도 집속 초음파 발생방법 및 장치가 개시되어 있다.
그러나, 이와 같은 선행문헌의 트랜스듀서는 복수개의 공진주파수를 갖는 트랜스듀서를 배치하는 구성에 대해서만 개시되어 있을 뿐 복수개의 트랜스듀서 엘리먼트를 효율적으로 다량으로 배치하면서도 비선형성을 높여 초음파 영상의 품질을 높이는 점에 대해서는 개시되어 있지 않다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 상황을 고려하여 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 비선형성이 높은 트랜스듀서의 패턴을 구현하여 제한된 면적에서 최대 수량의 엘리먼트를 탑재할 수 있는 송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서를 제공하는 데에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 허상의 형성을 줄이고 초음파 영상의 품질을 높일 수 있는, 미소기포 캐비테이션 이미지 가시화방법을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시형태에 의한 송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서는 오목 곡면 형태를 가지며, 복수의 장착홀이 피보나치 패턴으로 형성된 트랜스듀서 본체; 및 상기 복수의 장착홀에 각각 탈부착 가능하게 장착되어 초음파를 송수신하도록 구성된 복수의 트랜스듀서 엘리먼트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 실시형태에 의한 송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서에 있어서, 상기 트랜스듀서 엘리먼트는 송신부 및 수신부가 동축의 형태로 배열되어 있을 수 있다.
상기 실시형태에 의한 송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서에 있어서, 상기 송신부는 상부에서 볼 때 링형상을 갖는 원기둥 모양으로 형성되어 있을 수 있다.
상기 실시형태에 의한 송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서에 있어서, 상기 수신부는 상기 송신부의 내주에 장착되도록 구성될 수 있다.
상기 실시형태에 의한 송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서에 있어서, 상기 송신부와 상기 수신부가 서로 다른 공진 주파수를 가지는 압전소자로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에 의한 송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서를 이용한 미소기포 캐비테이션 이미지 가시화방법은, 외부의 트리거신호가 트랜스듀서에 입력되는 단계; 송신부에서 톤 버스트(tone burst) 형태의 주파수 fO을 갖는 사인 웨이브 신호를 설정된 시간만큼 미소 기포에 송신하는 단계; 미소 기포에서 반사되는 신호(nfO , n=2,3,4)를 일정한 샘플만큼 수신부에서 수신하는 단계; 상기 반사되는 신호를 빔포밍 유닛에 전송하여 이미지 프레임을 연산하는 단계; 및 비디오 스택 구성부에서 연산된 상기 이미지 프레임을 수집하여, 한 개의 비디오 스택 stack)을 구성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시형태에 의한 송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서에 의하면, 오목 곡면 형태를 가지며, 복수의 장착홀이 피보나치 패턴으로 형성된 트랜스듀서 본체; 및 상기 복수의 장착홀에 각각 탈부착 가능하게 장착되어 초음파를 송수신하도록 구성된 복수의 트랜스듀서 엘리먼트;를 포함하여 구성됨으로써, 제한된 면적의 트랜스듀서 본체에 최대 수량의 트랜스듀서 엘리먼트를 장착하면서도 비선형성이 높은 트랜스듀서의 패턴을 구현할 수 있어 허상의 형성을 줄이고 초음파 영상의 품질을 높일 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.
또한 본 발명의 다른 실시형태에 의한 송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서를 이용한 미소기포 캐비테이션 이미지 가시화방법에 의하면, 외부의 트리거신호가 트랜스듀서에 입력되는 단계; 송신부에서 톤 버스트(tone burst) 형태의 주파수 fO을 갖는 사인 웨이브 신호를 설정된 시간만큼 미소 기포에 송신하는 단계; 미소 기포에서 반사되는 신호(nfO , n=2,3,4)를 일정한 샘플만큼 수신부에서 수신하는 단계; 상기 반사되는 신호를 빔포밍 유닛에 전송하여 이미지 프레임을 연산하는 단계; 및 비디오 스택 구성부에서 연산된 상기 이미지 프레임을 수집하여, 한 개의 비디오 스택 stack)을 구성하는 단계;를 포함하여 구성됨으로써, 허상의 형성을 줄인 품질이 높은 초음파 영상을 가시화할 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서의 구성도이다.
도 2는 도 1의 트랜스듀서 본체에 적용된 피보나치 패턴을 설명하기 위한 도면으로서, (a)는 한정된 면적에 최대 수량의 객체를 탑재할 수 있는 형태인 피보나치 패턴(Fibonacci pattern)을 설명하기 위한 도면이고, (b)는 피보나치 패턴 기반 트랜스듀서 엘리먼트 배열을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 트랜스듀서 본체의 장착홀의 피보나치 패턴을 나타낸 도면으로서, (a)는 8개의 장착홀 배열을 나타낸 도면이고, (b)는 40개의 장착홀 배열을 나타낸 도면이며, (c)는 64개의 장착홀 배열을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1의 트랜스듀서의 각 엘리먼트의 구조와 작동 원리를 설명하기 위한 도면으로서, 송신부와 수신부가 서로 다른 공진 주파수를 가지는 트랜스듀서 엘리먼트(압전소자)를 장착하고 송신부와 수신부를 독립적으로 사용함으로써 송신 주파수에 대한 수신부의 영향을 줄이고 초음파 발생과 미소기포의 캐비테이션 신호 수집을 동시에 진행 할 수 있음을 나타낸다.
도 5는 도 1의 트랜스듀서 엘리먼트에 트리거신호가 입력될 경우, 송신부에서 신호를 송신하여 미소 기포에서 반사되는 신호를 수신부에서 수신하여 빔포밍 유닛에 전송하여 이미지 프레임을 연산하는 것을 나타낸 도면이다.
도 6의 (a)는 도 1의 트랜스듀서 엘리먼트의 수신부를 이용한 공간에서의 음향 가시화를 나타내는 도면이고, (b)는 트랜스듀서 엘리먼트의 수신부에서 수신한 신호를 이용하여 재구성한 이미지 프레임을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 트랜스듀서를 이용한 미소기포 캐비테이션 이미지 가시화방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서의 구성도이고, 도 2는 도 1의 트랜스듀서 본체에 적용된 피보나치 패턴을 설명하기 위한 도면으로서, (a)는 한정된 면적에 최대 수량의 객체를 탑재할 수 있는 형태인 피보나치 패턴(Fibonacci pattern)을 설명하기 위한 도면이고, (b)는 피보나치 패턴 기반 트랜스듀서 엘리먼트 배열을 나타낸 도면이며, 도 3은 도 1의 트랜스듀서 본체의 장착홀의 피보나치 패턴을 나타낸 도면으로서, (a)는 8개의 장착홀 배열을 나타낸 도면이고, (b)는 40개의 장착홀 배열을 나타낸 도면이며, (c)는 64개의 장착홀 배열을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 의한 송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서는, 도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 트랜스듀서 본체(10) 및 트랜스듀서 엘리먼트(20)를 포함한다.
트랜스듀서 본체(10)는 복수의 트랜스듀서 엘리먼트(20)를 오목 곡면 형태를 가지는 구조물에 고정하고 이를 통하여 초음파를 한 집속 점에 집속하는 역할을 하며, 제한된 면적 내에서 최대 수량의 트랜스듀서 엘리먼트(20)를 장착하면서도 비선형성을 증가시키기 위해 복수의 장착홀(10a)이 피보나치 패턴으로 형성되어 있다.
피보나치 패턴은 자연계에서 보편적으로 존재하는 패턴으로서 적은 면적에 최대 수량의 객체를 탑재할 수 있는 최적의 패턴이다. 도 2의 (a)는 한정된 면적에 최대 수량의 객체를 탑재할 수 있는 피보나치 패턴을 나타낸다. 도 2의 (b)는 피보나치 패턴 기반 트랜스듀서 엘리먼트 배열을 나타낸 도면으로서, 제한된 가로 및 세로의 길이를 갖는 공간에 최대 수량으로 트랜스듀서 엘리먼트가 피보나치 패턴으로 배열되어 있는 것을 나타낸다.
도 3은 트랜스듀서 본체(10)의 장착홀(10a)이 피보나치 패턴으로 형성된 것을 나타낸 도면으로서, (a)는 8개의 장착홀 배열을 나타낸 도면이고, (b)는 40개의 장착홀 배열을 나타낸 도면이며, (c)는 64개의 장착홀 배열을 나타낸 도면이다. 장착홀(10a)에 장착되는 트랜스듀서 엘리먼트 개수는 채널수를 나타낸다.
트랜스듀서 엘리먼트(20)의 비선형 패턴 배열로 인하여 선형 배열을 사용하였을 때 나타나는 허상의 형성을 감소시키고 기존에 비해 제한된 면적에서 탑재할 수 있는 엘리먼트 개수를 극대화하여 전체 트랜스듀서의 부피를 줄이는데 도움이 된다. 이에 따라 트랜스듀서의 전체 무게를 줄일 수 있으므로 제작된 트랜스듀서 및 트랜스듀서 본체의 움직임의 자유도를 높일 수 있다.
트랜스듀서 엘리먼트(20)는 트랜스듀서 본체(10)의 복수의 장착홀(10a)에 각각 장착되어 초음파를 송수신하는 역할을 한다. 3D 프린팅 기술을 이용하여 3D 모델링에서 수치화된 피보나치 패턴의 트랜스듀서 본체(10)를 제작함으로써 보다 정교한 피보나치 형태를 구성한다. 또한 각 듀얼 모드 트랜스듀서 엘리먼트(20)를 트랜스듀서 본체(10)에서 탈부착 할 수 있도록 구성하여 일부 엘리먼트 노화로 인한 교체과정에 해당 엘리먼트만 교환할 수 있다. 각 트랜스듀서 엘리먼트를 직접 트랜스듀서 본체에 부착하는 기존의 제작 방식에서 벗어나 독립적으로 트랜스듀서 엘리먼트를 제작 가능하게 함으로서 일정한 성능을 가지는 트랜서듀서 엘리먼트 양산에 편리하고 트랜스듀서 조립 전에 트랜스듀서 엘리먼트의 음향 출력 성능을 평가 할 수 있기에 제조공정의 효율을 극대화 할 수 있다.
트랜스듀서 엘리먼트(20)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 초음파를 미소기포를 향해 송신하는 송신부(20a) 및 상기 미소기포로부터 반사되는 신호를 수신하는 수신부(20b)가 각각 동축의 형태로 배열됨으로써 제한된 면적에 탑재할 수 있는 트랜스듀서 엘리먼트(20)의 개수를 극대화할 수 있다. 또한, 수신부(20b)는 송신 신호(f0)에 대한 하모닉 신호(2fO)만을 수신하기에 송/수신 신호의 간섭을 원천적으로 차단할 수 있다.
일 실시예로서, 송신부(20a)는 상부에서 볼 때 링형상을 갖는 원기둥 모양으로 형성되어 있고, 수신부(20b)는 송신부(20a)의 내부에 장착되도록 원기둥 모양으로 형성되어 있다. 송신부(20a)와 수신부(20b)가 결합되어 트랜스듀서 엘리먼트(20)를 구성하여 장착홀(10a)에 장착되므로, 송신부와 수신부가 별도의 장착홀에 각각 장착되는 것보다 제한된 면적에 탑재할 수 있는 트랜스듀서 엘리먼트(20)의 수를 더욱 증가시킬 수 있다.
수신부(20b)와 송신부(20a)는 물리적으로 서로 다른 압전소자를 사용하기에 서로 다른 전기적 시스템에 연결되어 동시 작동을 구현할 수 있다. 이를 통하여 미소기포의 캐비테이션 유도와 캐비테이션 모니터링를 동시에 진행할 수 있다.
또한, 트랜스듀서 엘리먼트(20)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 송신부(20a)와 수신부(20b)가 서로 다른 공진 주파수를 가지는 압전소자로 이루어지고, 송신부(20a)와 수신부(20b)를 독립적으로 사용함으로써 송신 주파수에 의하여 수신부(20b)가 받는 영향을 감소시키고, 초음파 발생(미소기포의 캐비테이션 유도)과 미소기포로부터의 캐비테이션 신호 수집, 모니터링을 동시에 진행 할 수 있다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한 송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서의 작용에 대해 설명하기로 한다.
도 5는 도 1의 트랜스듀서 엘리먼트에 트리거신호가 입력될 경우, 송신부에서 신호를 송신하여 미소 기포에서 반사되는 신호를 수신부에서 수신하여 빔포밍 유닛에 전송하여 이미지 프레임을 연산하는 것을 나타낸 도면이다.
도 6의 (a)는 도 1의 트랜스듀서 엘리먼트의 수신부를 이용한 공간에서의 음향 가시화를 나타내는 도면이고, (b)는 트랜스듀서 엘리먼트의 수신부에서 수신한 신호를 이용하여 재구성한 이미지 프레임을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 트랜스듀서를 이용한 미소기포 캐비테이션 이미지 가시화방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.
먼저, 외부의 트리거신호가 트랜스듀서에 입력될 경우(S1), 송신부(20a)에서 톤 버스트(tone burst) 형태의 주파수 fO을 갖는 사인 웨이브 신호를 설정된 시간만큼 미소 기포에 송신하고(S2), 미소 기포에서 반사되는 신호(주파수 nfO , n=2,3,4 등)를 일정한 샘플만큼 수신부(20b)에서 수신하고(S3), 빔포밍 유닛(미도시됨)에 전송하여 이미지 프레임을 연산한다(S4).
이어서, 비디오 스택 구성부(미도시됨)에서 상기 연산된 이미지 프레임을 수집하여(S5), 한 개의 비디오 스택(video stack)을 구성한다(S6).
한편, 상기 한 개의 비디오 스택은 즉시 모니터 등의 디스플레이 장치를 통해 영상을 재생하거나, 메모리에 저장하여 후처리 사용에 대비할 수 있다. 외부에서 입력되는 트리거 신호 개수에 따라 위와 같은 작업을 반복하게 된다.
한편, 상기 스텝(S4)에 있어서, 복수의 수신부(20b)에서 수신된 신호를 타임 익스포져 어쿠스틱(Time Exposure Acoustic) 빔포밍 기법을 통하여 3차원 공간에서의 음원 즉, 미소 기포의 위치를 가시화하면 도 6의 (a)와 같다.
수신 엘리먼트 즉, 복수의 수신부(20b)에서 수신된 신호를 이용하여 미소기포의 캐비테이션 이미지를 가시화하여 재구성된 이미지 프레임을 각 xy, yz, zx 평면들에 대한 2차원 영역들로 나누어 표시하면 도 6의 (b)와 같다.
미소기포에 의해 발생되는 캐비테이션 신호는 기존의 MRI, CT 영상장비로는 탐측이 불가능하고 오직 음파 탐지 가능한 초음파 변환자로만 가능한데, 기존의 장비에는 미소기포의 캐비테이션 가시화 기능이 없었지만, 본 발명에 따르면 도 6과 같이 미소기포의 캐비테이션 신호를 3차원으로 가시화 하고 모니터링 하는 것이 가능해진다.
본 발명의 실시예에 의한 송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서에 의하면, 오목 곡면 형태를 가지며, 복수의 장착홀이 피보나치 패턴으로 형성된 트랜스듀서 본체; 및 상기 복수의 장착홀에 각각 탈부착 가능하게 장착되어 초음파를 송수신하도록 구성된 복수의 트랜스듀서 엘리먼트;를 포함하여 구성됨으로써, 제한된 면적의 트랜스듀서 본체에 최대 수량의 트랜스듀서 엘리먼트를 장착하면서 비선형성이 높은 트랜스듀서의 패턴을 구현할 수 있어 초음파 영상의 품질을 향상시키고, 송수신 모듈을 이용하여 수신한 신호를 통해 3차원공간에서 미소기포의 위치를 효과적으로 가시화할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 의한 송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서를 이용한 미소기포 캐비테이션 이미지 가시화방법에 의하면, 외부의 트리거신호가 트랜스듀서에 입력되는 단계; 송신부에서 톤 버스트(tone burst) 형태의 주파수 fO을 갖는 사인 웨이브 신호를 설정된 시간만큼 미소 기포에 송신하는 단계; 미소 기포에서 반사되는 신호(nfO , n=2,3,4 등)를 일정한 샘플만큼 수신부에서 수신하는 단계; 상기 반사되는 신호를 빔포밍 유닛에 전송하여 이미지 프레임을 연산하는 단계; 및 비디오 스택 구성부에서 연산된 상기 이미지 프레임을 수집하여, 한 개의 비디오 스택 stack)을 구성하는 단계;를 포함하여 구성됨으로써, 허상의 형성을 줄인 품질이 높은 미소기포의 캐비테이션 영상을 가시화할 수 있다는 뛰어난 효과가 있다.
도면과 명세서에는 최적의 실시예가 개시되었으며, 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한 목적으로 사용된 것이지 의미를 한정하거나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 오목 곡면 형태를 가지며, 복수의 장착홀(10a)이 피보나치 패턴(Fibonacci pattern)으로 형성된 트랜스듀서 본체(10); 및
    상기 복수의 장착홀에 각각 탈부착 가능하게 장착되어 초음파를 송수신하도록 구성된 복수의 트랜스듀서 엘리먼트(20);를 포함하는 송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 트랜스듀서 엘리먼트(20)는 송신부(20a) 및 수신부(20b)가 동축의 형태로 배열되어 있는 송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 송신부(20a)는 상부에서 볼 때 링형상을 갖는 원기둥 모양으로 형성되어 있고,
    상기 수신부(20b)는 상기 송신부의 내주에 장착되도록 구성된 송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 송신부(20a)와 상기 수신부(20b)는 서로 다른 공진 주파수를 가지는 압전소자로 이루어진 송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서.
  5. 제 1 항에 기재된 송수신 듀얼 모드 집속 초음파 트랜스듀서를 이용한 미소기포 캐비테이션 이미지 가시화방법으로서,
    외부의 트리거신호가 트랜스듀서에 입력되는 단계(S1);
    송신부에서 톤 버스트(tone burst) 형태의 주파수 fO을 갖는 사인 웨이브 신호를 설정된 시간만큼 미소 기포에 송신하는 단계(S2);
    상기 미소 기포에서 반사되는 신호를 수신부(20b)에서 수신하는 단계(S3);
    상기 반사되는 신호를 빔포밍 유닛에 전송하여 이미지 프레임을 연산하는 단계(S4); 및
    비디오 스택 구성부에서 연산된 상기 이미지 프레임을 수집하여(S5), 한 개의 비디오 스택(video stack)을 구성하는 단계(S6)를 포함하는 미소 기포 캐비테이션 이미지 가시화방법.
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