WO2023128329A1 - 초음파 빔의 회전력 제어가 가능한 초음파 변환자 및 이를 이용한 초음파 시스템 - Google Patents

초음파 빔의 회전력 제어가 가능한 초음파 변환자 및 이를 이용한 초음파 시스템 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic transducer capable of controlling the rotational force of an ultrasonic beam and an ultrasonic system using the same, and more particularly, to an ultrasonic beam traveling to a medium is transmitted and received while rotating in a vortex, and the rotational force can be controlled. It relates to an ultrasonic transducer capable of controlling the rotational force of a beam and an ultrasonic system using the same.
  • ultrasonic transducers used in medical and industrial fields transmit and receive fixed-type ultrasonic beams.
  • the best method is to focus the beam on a specific area. Otherwise, the frequency must be lowered.
  • the driving voltage cannot be increased any more, and there are limitations in adjusting the focal length and aperture size depending on the application field.
  • the frequency is lowered, there is a problem in that precision and resolution are lowered, and as a result, there is a limit to increasing the focusing energy in the existing fixed beam state.
  • the present invention is implemented so that an ultrasonic beam traveling to a medium is transmitted and received while rotating in a vortex, and the rotational force thereof can be controlled, so that the ultrasonic transmission/reception performance, energy focusing power, and penetrating power can be greatly increased compared to a fixed ultrasonic beam.
  • An object of the present invention is to provide a controllable ultrasonic transducer and an ultrasonic system using the same.
  • the present invention provides a piezoelectric element for generating an ultrasonic beam by an input signal, and a piezoelectric element connected to the piezoelectric element or disposed in front of the piezoelectric element to generate an ultrasonic beam generated from the piezoelectric element as a vortex beam in the form of a vortex. It includes a beam control means, and the piezoelectric element provides an ultrasonic transducer for providing an ultrasonic beam that vortex rotates to a front medium by the beam control means.
  • the piezoelectric element is formed of a single element
  • the beam control unit includes a motor mounted on the rear surface of the piezoelectric element to directly rotate the piezoelectric element, and ultrasonic waves output from the piezoelectric element by being disposed on the front surface of the ultrasonic transducer. It may include at least one of a helical lens that vortex-rotates the beam or an acoustic meta-lens.
  • the rotation speed of the vortex beam may be determined by at least one of the rotation speed of the motor, the spiral pattern of the spiral lens, and the morphological structure of the acoustic metal lens.
  • the piezoelectric element has a polarization reversal structure in which an inversion layer element and a non-inversion layer element having polarization directions opposite to each other are joined back and forth according to the traveling direction of the ultrasonic signal, and a multi-frequency signal is generated from the piezoelectric element according to the polarization reversal structure. can occur simultaneously.
  • the piezoelectric element is composed of a plurality of split elements
  • the beam control unit may apply input signals of different phases to the plurality of split elements by adjusting the phase of the input signal generated by the signal generator.
  • each of the plurality of division elements may be formed of the same or different types of piezoelectric elements, and may be implemented as a single element type or an array element type.
  • the beam control unit may apply an input signal having a regular phase difference or an input signal having an irregular phase difference to each of the N splitting elements at intervals of a set angle (360 degrees/N).
  • the piezoelectric element when an input signal having a phase difference of 180 degrees is applied to the first group and the second group among the splitting elements by the beam control unit, the piezoelectric element provides an ultrasonic beam in a fixed beam state.
  • an ultrasound beam having a split focus divided in the lateral direction may be generated.
  • the ultrasonic transducer may include a motor mounted on the rear surface of the piezoelectric element to directly rotate the piezoelectric element, and a spiral lens or acoustic meta lens disposed on the front surface of the piezoelectric element to vortex-rotate an ultrasonic beam output from the piezoelectric element.
  • a rifling housing disposed in front of the spiral lens or the negative meta-lens, in which an ultrasonic beam passing through the lens is outputted through the inside, and a spiral rifling is formed along an inner circumferential surface.
  • the steel-linear housing may be implemented in any one of a straight type having a constant inner diameter in the longitudinal direction, a condensed type having a narrower inner diameter toward the front, and a radial type having a wider inner diameter toward the front.
  • the piezoelectric element has a polarization reversal structure in which an inversion layer element and a non-inversion layer element having polarization directions opposite to each other are joined back and forth according to the traveling direction of the ultrasonic signal, and a multi-frequency signal is generated from the piezoelectric element according to the polarization reversal structure. can occur simultaneously.
  • the piezoelectric element includes a first element formed in a concave curved structure to focus ultrasonic waves at a front first focal position, and a concave element having a lower curvature than the first element but coupled to the periphery around the first element. and at least one second element that is formed in a curved structure and expands a depth of focus by concentrating ultrasonic waves at a second focal position farther from the first focal position, wherein the first element and the second element are different from each other. It may be designed to operate at a resonant frequency and a second resonant frequency.
  • the first element and the second element receive input signals having multiple center frequencies in which different center frequencies are mixed at the same time, select ultrasonic signals corresponding to their resonance frequencies from the input signals, and transmit/receive them. can do.
  • the beam control unit may include a motor mounted on the rear surface of the piezoelectric element to directly rotate the piezoelectric element, a spiral lens disposed on the front surface of the ultrasonic transducer and vortex-rotating an ultrasonic beam output from the piezoelectric element, or an acoustic meter. It may include at least one of lenses.
  • each of the first element and the second element may be formed of the same or different types of piezoelectric elements, and may be implemented as a single element type or an array element type.
  • the aperture of the piezoelectric element is divided into N planes based on the center of the first element, and the beam control means adjusts the phase of the input signal generated by the signal generator to divide each divided surface of the piezoelectric element.
  • Input signals of different phases may be applied, but input signals having a regular phase difference or input signals having an irregular phase difference may be applied to each divided surface of the piezoelectric element at intervals of a set angle (360 degrees/N). .
  • the piezoelectric element provides an ultrasonic beam in a fixed beam state when an input signal of the same phase is applied to each split surface by the beam control unit, but generates an ultrasonic beam having multiple focal points in an axial direction,
  • an input signal having a phase difference of 180 degrees is applied to the first group and the second group among the divided surfaces by the beam control unit, an ultrasonic beam in a fixed beam state is provided, but multiple focal points and side It is possible to generate an ultrasound beam having split focal points in a direction at the same time.
  • a motor mounted on the rear surface of the piezoelectric element to directly rotate the piezoelectric element, a spiral lens or acoustic meta lens disposed on the front surface of the piezoelectric element to vortex the ultrasonic beam output from the piezoelectric element, and the spiral Arranged in front of the lens or negative meta lens, the ultrasonic beam passing through the lens is output through the inside, and along the inner circumferential surface, a steel wire housing in which a spiral steel wire implemented in any one of straight, focused, and radial forms is formed. can include more.
  • each of the first element and the second element has a polarization reversal structure in which an inversion layer element and a non-inversion layer element having polarization directions opposite to each other are joined back and forth according to the traveling direction of the ultrasonic signal, and the piezoelectric element according to the polarization reversal structure Multiple frequency signals can be generated simultaneously from the device.
  • a central piezoelectric element formed in a concave curved structure to focus ultrasonic waves at a front first focal position, and a concave curved surface having a lower curvature than the first element but coupled to the periphery around the central piezoelectric element an ultrasonic transducer formed in a type structure and composed of at least one peripheral piezoelectric element for expanding the depth of focus by concentrating ultrasonic waves at a second focal position farther from the first focal position, and having an aperture divided into N planes;
  • a signal generator for generating an input signal having multiple center frequencies in which different center frequencies are mixed, and applying an input signal having a regular phase difference at intervals of a set angle (360 degrees/N) to each divided surface of the piezoelectric element, or and a phase adjuster for adjusting the phase of the input signal generated by the signal generator so as to apply an input signal having an irregular phase difference, wherein the central piezoelectric element and the peripheral piezoelectric element have different first and second resonance frequencies.
  • the transmitted and received ultrasonic beam is vortex-rotated in a vortex form, and a synergistic effect between the rotational kinetic energy generated at this time, that is, angular momentum and propagation energy, is generated, thereby creating a conventional fixed-beam-based ultrasonic transducer. Contrast transmission/reception energy, focusing power, and penetrating power can be greatly increased.
  • the rotational force can be controlled, the optimum rotational condition can be applied according to the application field.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an ultrasonic transducer having a single focus and a single frequency for an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the structure of an ultrasonic transducer for generating a vortex beam based on FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of an ultrasonic transducer of a multi-curve structure for another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing the structure of an ultrasonic transducer for generating a vortex beam based on FIG. 3 .
  • FIG. 5 is a diagram explaining a state in which a polarization reversal structure is applied to FIGS. 1 and 2 .
  • FIG. 6 is a view explaining how a polarization reversal structure is applied to FIGS. 3 and 4 .
  • FIG. 7 is a view showing the structure of an ultrasonic transducer according to another embodiment of the present invention by way of example.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the structure of an ultrasound system according to an embodiment of the present invention.
  • the present invention proposes an ultrasonic transducer capable of controlling the rotational force of an ultrasonic beam and an ultrasonic system using the same. If the shape of the ultrasonic beam is not fixed and transmitted and received while rotating the vortex, the kinetic energy caused by the vortex rotational force, that is, the angular momentum, can have a synergistic effect with the ultrasonic propagation energy. And it is possible to increase the ultrasonic permeability.
  • the present invention provides a new ultrasonic transducer and its system capable of transmitting and receiving ultrasonic waves while vortexing in a medium and controlling the rotational force thereof.
  • the ultrasonic energy transmitted and received by the ultrasonic transducer is attenuated according to the distance, and in order to increase the ultrasonic energy at a specific point, a focusing lens is used or the ultrasonic beam is focused on one point by changing the aperture of the transducer.
  • the ultrasonic energy is the highest at the focused point, there is a need to further increase the energy of the focused point depending on the application field.
  • it is often difficult to adjust the focal length and aperture size depending on the application field and there is a limit in that precision and resolution decrease when the frequency is lowered.
  • a vortex rotational force which is physical rotational kinetic energy, is generated in the transmitted and received ultrasonic beam, and the angular momentum generated at this time is reflected in the focusing energy of the ultrasonic wave to create a synergistic effect, thereby significantly increasing the energy and transmission effect of the focusing point. do.
  • the ultrasonic transducer proposed in the following embodiments of the present invention has a structure largely including a piezoelectric element and a beam control means.
  • the piezoelectric element generates an ultrasonic beam according to the application of an input signal.
  • the beam control means is directly connected to the piezoelectric element or disposed in front of the piezoelectric element to process the ultrasonic beam into a vortex beam rotating in a vortex form instead of a general fixed beam form.
  • the piezoelectric element by the beam control means provides a vortex-rotating ultrasonic beam to the front medium.
  • the beam control means includes a motor connected to the back of the piezoelectric element to rotate the piezoelectric element or a lens (a spiral lens or an acoustic meta lens) arranged in front of the piezoelectric element and designed to induce rotation of an incident beam.
  • a motor connected to the back of the piezoelectric element to rotate the piezoelectric element or a lens (a spiral lens or an acoustic meta lens) arranged in front of the piezoelectric element and designed to induce rotation of an incident beam.
  • a phase adjuster for applying an input signal having a regular phase difference or an irregular phase difference at set angular intervals to each divided area of the aperture is used as a beam control means to vortex Beams can be created.
  • at least one of the above-described motor, lens, and linear housing may be additionally added, which will be described in detail later.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an ultrasonic transducer having a single focus and a single frequency for an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is an ultrasonic transducer composed of a single element, which generates an ultrasonic beam having a single focus with respect to an axis direction from which the ultrasonic beam is transmitted.
  • 1(b) is an ultrasonic transducer structure composed of a plurality of split elements (eg, two split elements), and when different phases (eg, 0°, 180°) are applied to each split element, the axial direction It is possible to generate an ultrasound beam having a single focus and a split focus in which the beam is divided into two in a side direction.
  • FIG. 2 is a diagram showing the structure of an ultrasonic transducer for generating a vortex beam based on FIG. 1 .
  • FIG. 2 (a) uses a motor as a beam control means for generating a vortex beam, (b) uses a spiral lens or an acoustic meta lens, and (c) shows the phase of each input signal of the splitting element. It uses a phase regulator to control.
  • the structure of the ultrasonic transducer proposed in FIG. 2 can generate a vortex rotating beam to provide improved transmission and reception energy compared to conventional ultrasonic transducers.
  • the ultrasonic transducer 100-1 shown in (a) of FIG. 2 has a structure including a piezoelectric element 110 and a motor 120a, and the ultrasonic transducer is rotated using a rotary motor 120a to transmit ultrasonic waves into a medium. It is possible to make the beam progress while rotating the vortex.
  • the piezoelectric element 110 is made of a single element and generates an ultrasonic beam by an applied input signal.
  • a signal generator may generate an input signal of a single frequency and provide it to the piezoelectric element 110 .
  • a motor 120a mounted on the rear surface of the piezoelectric element 110 directly rotates the piezoelectric element 110 in an axial direction. Accordingly, the ultrasonic beam output to the front of the piezoelectric element 110 is not in the form of a fixed beam but in the form of a rotating vortex beam in the form of a vortex.
  • the piezoelectric element 110 rotates directly according to the operation of the motor 120a, which is a beam control means, and provides a vortex-rotating ultrasonic beam to the front medium.
  • the rotational speed of the vortex beam may be determined according to the rotational speed of the motor.
  • the ultrasonic beam may be controlled as a fixed beam.
  • the ultrasonic transducer 100-2 shown in (b) of FIG. 2 includes a piezoelectric element 110 made of a single element and a lens 120b disposed in front or in front of the piezoelectric element 110.
  • the lens corresponds to a spiral lens or an acoustic meta lens.
  • 2(b) is a structure in which a beam is vortex rotated using a specially manufactured spiral lens or an acoustic meta lens.
  • the ultrasonic beam output to the front of the piezoelectric element 110 is vortex-rotated by using the lens 120b instead of the motor 120a.
  • the rotational speed of the vortex beam may be determined by the helical pattern structure of the lens or the morphological structure of the acoustic meta-lens.
  • a helical lens can have a single helical or multiple helical to generate a vortex beam.
  • An acoustic meta-lens is a module made by applying a meta-material with acoustic properties that do not exist in nature, and is made of elements with very small component sizes.
  • a vortex beam can be created by precisely helically arranging these elements.
  • the ultrasonic transducer 100-3 shown in (c) of FIG. 2 has a structure including a piezoelectric element 110a composed of a plurality of split elements 111 and a phase adjuster 120c serving as a beam control unit.
  • a structure in which the aperture of the piezoelectric element 110a is divided into four is exemplified.
  • each of the plurality (N) of split elements 111 constituting the piezoelectric element 110a may be implemented as a single element type or an array element type.
  • each of the split elements 111 may be formed of the same material or different materials. Accordingly, each split element 111 may be formed of the same or different types of piezoelectric elements.
  • the phase controller 120c adjusts the phase of the input signal generated by the signal generator 130 and applies input signals of different phases to the plurality of splitting elements 111 .
  • the phase controller 120c receives the generated input signal, adjusts the phase, and individually applies the input signal having a regular phase difference to each of the split elements 111 at intervals of a set angle (360 degrees/N). . Since it is a 4-part structure, the setting angle is 90 degrees. Of course, other than that, input signals having irregular phase differences may be applied to each split element 111 .
  • the phase adjuster 120c may output four input signals adjusted to different phases for one input signal, or may receive the same input signal for each port and adjust them to different phases and output them individually. .
  • phase difference depends on the number of divided ultrasonic apertures, it may have 360 degrees/N in the case of regular, but irregular phase difference is also possible. Since the embodiment of the present invention illustrates a four-division structure, one example in which the phase of the input signal applied to each division element 111 is changed at 90 degree intervals (0 degree, 90 degree, 180 degree, 270 degree) show
  • the transmitted/received ultrasonic beam may be vortex-rotated.
  • the rotational speed of the vortex beam can be adjusted by adjusting the phase pattern applied to the split aperture.
  • the focal point can be divided in the lateral direction as shown in (b) of FIG. 1 while the beam is fixed.
  • the focal point can be divided in the lateral direction as shown in (b) of FIG. 1 while the beam is fixed.
  • FIG. 1 when an input signal having a phase difference of 180 is applied to the first group and the second group by dividing the four splitting elements into two groups of two each, a fixed beam can be generated and a lateral direction A split focus can be formed.
  • input signals having a phase difference of 180 degrees are applied to the elements of the first group and the elements of the second group among the division elements by the phase adjuster 120c (eg, an input signal having a phase of 0 degrees in the first group,
  • the piezoelectric element 110a may provide an ultrasonic beam in a fixed beam state but generate ultrasonic beams having split focal points divided in the lateral direction.
  • the vortex rotation speed can be adjusted by controlling a motor, changing a pattern of a spiral lens, changing a structure of a metal lens, or adjusting a phase pattern applied to a split aperture.
  • the proposed technique is also applicable to multi-curve confocal ultrasonic transducers capable of generating multi-focal and multi-frequency.
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of an ultrasonic transducer of a multi-curve structure for another embodiment of the present invention.
  • the multi-curve structure and multi-frequency piezoelectric element 210 is centered on the first piezoelectric element 211 (hereinafter referred to as the first element) manufactured to generate high-frequency ultrasonic waves.
  • the electrode patterns are connected so that these elements 211 and 212 have a common signal line and a common ground line. is produced
  • the high frequency may be expressed as a first resonant frequency f1
  • the low frequency may be expressed as a second resonant frequency f2 (f1>f2).
  • the first element 211 which is a high-frequency piezoelectric element
  • the second element 212 a low-frequency piezoelectric element connected to its periphery
  • Deformation of apertures to have different curvatures between the second elements 212 or use of deformed lenses may increase depth of focus (DOF) in an axial direction while minimizing an ultrasonic attenuation phenomenon.
  • each element 211 and 212 Since the two types of elements 211 and 212 are connected to each other, when an input signal mixed with different center frequencies is applied through a single signal line, each element 211 and 212 has its own resonant frequency from the applied mixed input signal. A corresponding ultrasonic signal may be selected and transmitted/received. That is, each element itself serves as an individual band pass filter.
  • 3 (b) is an ultrasonic transducer including a piezoelectric element having a structure in which the aperture is divided into two compared to (a), and when different phases (0 °, 180 °) are applied to each divided surface, the axial direction It is possible to generate an ultrasound beam having multiple focal points and a split focus in which the beam is split into two in a lateral direction.
  • a vortex rotation type beam can be transmitted and received as shown in FIG. 4 below.
  • FIG. 4 is a diagram showing the structure of an ultrasonic transducer for generating a vortex beam based on FIG. 3 .
  • FIG. 4 uses a rotary motor as a beam control means for generating a vortex beam
  • (b) uses a spiral lens or an acoustic meta lens
  • (c) shows each input of a split aperture.
  • the ultrasonic transducer 200-1 includes a piezoelectric element 210 having a multi-curve structure and a motor 220a connected thereto. As before, the ultrasonic transducer is rotated using the rotary motor 220a so that the ultrasonic beam is vortex-rotated and proceeds into the medium.
  • the piezoelectric element 210 has a concave curved structure and is composed of a first element 211 and a second element 212 formed with different curvatures and has a multi-curve structure.
  • Each of the first element 211 and the second element 212 may be implemented as a single element type or an array element type. Also, each of the elements 211 and 212 may be formed of the same material or different materials.
  • the first element 211 is formed in a concave curved structure to focus the ultrasonic waves at the first focus point A in the front as shown in FIG. 3 .
  • the first element 211 is designed to operate at the first resonant frequency f1.
  • At least one second element 212 is coupled to the periphery of the first element 211 as a center.
  • the second element 212 is formed in a concave curved structure having a lower curvature than the first element 211, and focuses the ultrasound at a second focus point (B) that is farther from the first focus point (A), thereby reducing the depth of focus.
  • expand The second element 212 is designed to operate at a second resonant frequency f2 different from the first resonant frequency f1 (f2 ⁇ f1).
  • the depth of focus is designed as a multi-curve structure according to the different curvatures of the first and second elements 211 and 212, thereby extending the length of the depth of focus in the axis direction, utilizing multiple frequencies according to different center frequencies. Energy loss of a far-field depth of focus may be minimized while uniformly maintaining a side width of the depth of focus.
  • a mixed signal (f1+f2) of f1 and f2 signals corresponding to the center frequencies of each element may be used as an input signal.
  • an input signal (f1+f2) having multiple center frequencies in the form of a mixture of different center frequencies is simultaneously input to the first and second elements 211 and 212, and each piezoelectric element 211 and 212 receives an input signal It selects and transmits and receives an ultrasonic signal corresponding to its resonance frequency.
  • signals having multiple center frequencies can be selectively input.
  • Each of the elements 211 and 212 mechanically vibrates in response to a signal input of a designed resonant frequency to generate an ultrasonic signal of a corresponding frequency, and does not respond (operate) to signals of other frequencies. That is, the first element 211 selects and transmits and receives the ultrasonic signal corresponding to f1 in response to the mixed input signal of f1 and f2, and the second element 212 selects and transmits and receives the ultrasonic signal corresponding to f2. .
  • the first and second elements 211 and 212 may physically filter the applied mixed signal according to individual resonance characteristics to separate and transmit/receive only ultrasonic waves corresponding to the center frequencies of the respective elements. That is, even if mixed signals are input, each element can separately transmit and receive ultrasonic waves of f1 and f2.
  • the signal applied to both devices is the same, only one signal generator is required, simplifying the overall system.
  • the piezoelectric element 210 rotates directly according to the operation of the motor 220a, which is a beam control means, and provides a vortex-rotating ultrasonic beam to the front medium.
  • the rotational speed of the vortex beam may be adjusted according to the rotational speed of the motor.
  • the ultrasonic transducer 200-2 shown in (b) of FIG. 4 includes a piezoelectric element 210 having a multi-curve structure and a lens 220b (a spiral lens or an acoustic meta lens) disposed in front or in front thereof,
  • the lens 220b is used to vortex-rotate the multi-frequency and multi-focal ultrasound beams output to the front of the piezoelectric element 210.
  • the rotational speed of the vortex beam may be determined by the spiral pattern of the lens or the morphological structure of the acoustic metalens.
  • the ultrasonic transducer 200-3 shown in (c) of FIG. 4 has a structure including a piezoelectric element 210a having an aperture divided into N numbers and a phase adjuster 220c as a beam control unit.
  • the phase adjuster 220c adjusts the phase of the input signal generated by the signal generator 230, so that an input having a regular phase difference at set angle (360 degrees/N) intervals on each divided aperture plane of the piezoelectric element 210a. Each signal is applied, or an input signal having an irregular phase difference is applied.
  • FIG. 4(c) illustrates a 4 division structure, an example in which the phase of the input signal applied to each of the 4 division planes is changed at 90 degree intervals (0 degree, 90 degree, 180 degree, 270 degree) is shown. .
  • the phase difference depends on the number of divided ultrasonic apertures, and an irregular phase difference is also possible.
  • the piezoelectric element 220a provides an ultrasonic beam in a fixed beam state when an input signal of the same phase is applied to each division surface by the phase controller 220c. It is possible to generate ultrasound beams having multiple focal points in the axial direction.
  • an ultrasonic beam in a fixed beam state is provided, but in the case of FIG. 4 (b) An ultrasound beam having multiple focal points in the axial direction and split focal points in the lateral direction can be generated at the same time.
  • four regions may be divided into two groups of two each, and a signal having a phase of 0 degree may be applied to the region of the first group and a signal having a phase of 180 degree may be applied to the region of the second group. That is, when signals are applied so that the phase difference is 180 degrees to the dually divided ultrasonic transducers as shown in (b) of FIG. Since this can expand the focal area, the therapeutic effect of ultrasound for treatment can be increased.
  • the ultrasonic transducer structure may be composed of a general single-layer piezoelectric element, but may be composed of a polarization reversal piezoelectric element structure shown in FIGS. 5 and 6 below.
  • FIG. 5 is a diagram explaining a state in which a polarization reversal structure is applied to FIGS. 1 and 2 .
  • (a) and (b) of FIG. 5 show a state in which the polarization reversal structure is applied to FIG. 1
  • (c)-(d) show a state in which the polarization reversal structure is applied to FIG.
  • an inversion layer element ( ⁇ marked part) and a non-inverted layer element ( ⁇ marked part) having opposite polarization directions are bonded back and forth according to the traveling direction of the ultrasonic signal, so that the inversion layer and the It has a polarization inversion structure capable of adjusting the ratio of the inversion layer and adjusting the acoustic impedance.
  • polarization reversal technology is a technology using a structure in which two piezoelectric elements having opposite polarization directions are bonded back and forth in the direction of the ultrasonic signal. It becomes focused on the tissue surface.
  • two center frequency (eg, f1 and 2 ⁇ f1) signals are simultaneously generated according to the polarization reversal structure and focused at the first focal position
  • the second element ( 212) according to the polarization reversal structure, two center frequency signals (eg, f2 and 2 ⁇ f2) may be simultaneously generated and focused on the second focal position.
  • the model in which the polarizations of the piezoelectric elements are reversed from each other has a characteristic in that the bandwidth is widened or the first and second harmonics can be simultaneously generated according to the thickness ratio of the elements.
  • the proposed technology is applied to the polarization reversal ultrasonic transducer as shown in (a) of FIG. 5 , various combinations of vortex rotating ultrasound beams can be generated as shown in (b) to (d) of FIG. 5 .
  • a signal line having a phase difference of 180 degrees is applied to an ultrasonic transducer having a divided aperture as shown in FIG.
  • FIG. 6 is a view explaining how a polarization reversal structure is applied to FIGS. 3 and 4 .
  • (a) and (b) of FIG. 6 show the polarization reversal structure applied to FIG. 3, and (c)-(d) show the structure applied to FIG. 4.
  • FIG. 6 is a model in which a polarization reversal structure is grafted onto a piezoelectric element having a multi-curve structure.
  • both elements of different curvature constituting the piezoelectric element are implemented in a polarization reversal structure, so that the multi-frequency characteristics as shown in FIG. May appear in multiple foci.
  • the motor, the spiral lens/acoustic meta lens, and the phase difference method operate independently but can be operated in combination with each other.
  • the motor speed in order to control the rotational speed, the motor speed may be controlled, the spiral pattern may be deformed, or the phase difference may be uniformly or non-uniformly changed.
  • FIG. 7 is a view showing the structure of an ultrasonic transducer according to another embodiment of the present invention by way of example.
  • the ultrasonic transducer 300 shown in FIG. 7 has a structure in which a motor 120a, a lens 120b, and a steel housing 140a to 140c are combined with the piezoelectric element 110a of FIG. 2(c), and each split element Configurations of a signal generator for applying a signal to (111) and a phase controller for adjusting the signal phase are omitted.
  • 7 shows a structure capable of changing the rotational force and beam pattern of a vortex ultrasound beam using a motor 120a, a piezoelectric element 110a, a lens 120b, and a rifling housing.
  • the motor 120a mounted on the rear side of the piezoelectric element 110a directly rotates the piezoelectric element 110a, and the lens 120b disposed in front of the piezoelectric element is implemented as a spiral lens or an acoustic meta lens to have a spiral pattern or morphological structure. Rotate the beam according to the vortex.
  • the steel-shaped housing 140 disposed in front of the lens 120b is a space through which the ultrasonic beam passing through the lens 120b is passed through and output, and a spiral-shaped steel wire is formed along the inner circumferential surface to induce rotation of the beam.
  • the steel wire housing 140 can be implemented in three types, a straight type 140b with a constant inner diameter in the longitudinal direction, a focused type 140a with a narrower inner diameter toward the front, and a wider inner diameter toward the front. It may be implemented in any one of the radial shapes 140c.
  • the vortex ultrasound beam can be focused, uniformly progressed, or radially spread, and all have strong penetrating power due to vortex rotation.
  • the technique shown in FIG. 7 is applicable to all types of ultrasonic transducers of FIGS. 1 to 6 .
  • a structure in which the motor 120a, the lens 120b, and the linear housings 140a to 140c as described above may be applied to the piezoelectric element 210a of FIG. 4(c).
  • 8 is a diagram illustrating the structure of an ultrasound system according to an embodiment of the present invention. 8 shows an example of an ultrasonic system that applies an electrical signal such that a phase difference between elements adjacent to a multi-curve structure ultrasonic transducer is 90 degrees, as an example of a system capable of generating a vortex beam. All other rotating beam models may have similar structures.
  • an ultrasound system 400 includes an ultrasound transducer 210a, a signal generator 230, a phase controller 220, and a transmit amplifier 240.
  • the ultrasonic transducer 400 is composed of a central piezoelectric element 211 and a peripheral piezoelectric element 212 coupled to its periphery, and has a structure in which an aperture is divided into N pieces based on the central piezoelectric element 211. This is based on the structure previously mentioned in FIG. 3, and FIG. 8 illustrates a structure in which the aperture is divided into 4 parts, as shown in the plan view of the aperture on the right.
  • the central piezoelectric element 211 is designed to operate at the first resonant frequency f1 and the peripheral piezoelectric element 212 is designed to operate at the second resonant frequency f2 (f1 > f2).
  • the signal generator 230 generates an input signal f1+f2 having multiple center frequencies in which different center frequencies are mixed.
  • the signal generator 230 corresponds to a mixed signal generator.
  • Input signals having multiple center frequencies are simultaneously applied to the central and peripheral piezoelectric elements 211 and 212 .
  • the input signal f1+f2 having multiple center frequencies may be selectively applied to either the central piezoelectric element or the peripheral piezoelectric element.
  • the phase controller 220 applies an input signal having a regular phase difference to each divided surface of the piezoelectric element 210a at intervals of a set angle (360 degrees/N; 90 degrees) so that the phase of the input signal generated by the signal generator 240 is applied. to adjust Here, of course, an input signal having an irregular phase difference may be applied to each divided plane according to phase control.
  • the transmit amplifier 240 amplifies each input signal whose phase is adjusted at set intervals through the phase controller 220 and applies it to each divided plane.
  • the signal generator 230 mixes and generates signals corresponding to the resonant frequencies of multiple elements constituting the element, adjusts the phase difference between the planes of the split aperture through the phase adjuster 220, and transmits the amplifier 240. After the signal is amplified through, it is connected to each divided transducer to generate vortex beam ultrasound.
  • the ultrasonic transducer proposed in the present invention generates a vortex beam and can control the rotation speed, so that transmission and reception energy can be greatly increased compared to general ultrasonic transducers that generate a fixed beam.
  • the ultrasonic treatment effect based on the thermal effect and the cavitation effect can be greatly increased, and the manipulation ability such as cell and particle trapping and levitation can also be greatly increased.
  • the proposed technology can be applied to a single-curve ultrasonic transducer with a single focus, and also to an ultrasonic transducer with a multi-curve structure with multiple focus points. In addition, it can be applied to single-focus ultrasonic transducers and multi-curve ultrasonic transducers in which the piezoelectric element has polarization reversal.
  • the proposed technology can be applied to array type ultrasonic transducers as well as single element transducers, and various piezoelectric elements, CMUT (capacitive micromachined ultrasonic transducer) or PMUT (piezoelectric micromachined ultrasonic transducer), air and underwater acoustic ultrasonic transducers, etc. Applicable to the ultrasonic transducer of the structure.
  • the proposed technology can be applied not only to focused ultrasonic transducers but also to non-focused flat aperture ultrasonic transducers, thereby greatly improving transmission and reception energy.
  • the transmitted and received ultrasonic beam is vortex-rotated in a vortex form, and a synergistic effect is generated between the rotational kinetic energy generated at this time, that is, the angular momentum and the traveling energy, compared to the existing fixed beam-based ultrasonic transducer. Transmitting and receiving energy, focusing power, and penetrating power can be greatly increased. In addition, since the rotational force can be controlled, the optimum rotational condition can be applied according to the application field.
  • the technology of the present invention is high intensity focused ultrasound (HIFU) based tumor treatment, cardiovascular thrombus dissolution, nerve and brain disease treatment, gallstone treatment, elastic imaging implementation, intraocular pressure measurement, dental diagnosis, cosmetic and cosmetic procedures, target Medical applications including targeted drug delivery, ultrasound-based cell and micro-particle manipulation, diagnostic ultrasound imaging, and airborne and hydroacoustic ultrasound, non-destructive testing, autonomous vehicles and smart It can also be widely used in industrial fields such as phone fingerprint recognition.
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Abstract

본 발명은 초음파 빔의 회전력 제어가 가능한 초음파 변환자 및 이를 이용한 초음파 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 입력 신호에 의해 초음파 빔을 발생시키는 압전소자, 및 상기 압전소자와 연결되거나 상기 압전소자의 전방에 배치되어, 상기 압전소자로부터 발생하는 초음파 빔을 와류 형태의 볼텍스 빔으로 생성하기 위한 빔 제어수단을 포함하며, 상기 압전소자는 상기 빔 제어수단에 의해 전방의 매질로 볼텍스 회전하는 초음파 빔을 제공하는 초음파 변환자를 제공한다. 본 발명에 의하면, 송수신되는 초음파 빔을 소용돌이 형태로 볼텍스 회전시키며, 이때 발생하는 회전 운동 에너지, 즉 각운동량과 진행 에너지와의 시너지 효과를 발생시켜서, 기존의 고정 빔 기반의 초음파 변환자 대비 송수신 에너지 및 집속력, 그리고 투과력을 크게 증가시킬 수 있다.

Description

초음파 빔의 회전력 제어가 가능한 초음파 변환자 및 이를 이용한 초음파 시스템
본 발명은 초음파 빔의 회전력 제어가 가능한 초음파 변환자 및 이를 이용한 초음파 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 매질로 진행하는 초음파 빔이 볼텍스(vortex) 회전을 하면서 송수신되고 그 회전력을 제어할 수 있는 초음파 빔의 회전력 제어가 가능한 초음파 변환자 및 이를 이용한 초음파 시스템에 관한 것이다.
현재 의료 및 산업계에서 사용되는 초음파 변환자들은 고정된 형태의 초음파 빔을 송수신 하고 있다. 송수신 되는 빔의 에너지를 증가시키고 투과력을 높이기 위해서는 특정 영역에 빔이 집속 되도록 하는 방법이 가장 좋은 방법이지만, 이를 위해서는 구동 전압을 높이거나, F값(F-number=초점거리/구경크기)을 낮추거나, 주파수를 낮춰야 한다.
그러나, 초음파를 발생시키는 압전소자의 물리적인 한계로 인해, 어느 이상 구동 전압을 높일 수 없으며, 응용 분야에 따라 초점거리 및 구경크기 조절에도 제한이 있다. 또한, 주파수를 낮추면, 정밀도 및 해상도가 낮아지는 문제가 있기 때문에 결과적으로 기존의 고정 빔(fixed beam) 상태에서 집속 에너지를 높이는 데는 한계가 있다.
또 다른 문제점은 기존 고정 빔 상태에서는 매질간의 임피던스 차이나 매질의 저항성 때문에 발생하는 초음파 에너지의 감쇠 현상이 발생해서 초음파가 진행 될수록 투과력이 저하되는 현상이 발생한다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국공개특허 제10-2021-0061501호(2021.05.28 공개)에 개시되어 있다.
본 발명은, 매질로 진행하는 초음파 빔이 볼텍스 회전을 하면서 송수신되고 그 회전력을 제어할 수 있도록 구현하여 고정된 초음파 빔보다 초음파 송수신 성능, 에너지 집속력 및 투과력을 크게 증대시킬 수 있는 초음파 빔의 회전력 제어가 가능한 초음파 변환자 및 이를 이용한 초음파 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 입력 신호에 의해 초음파 빔을 발생시키는 압전소자, 및 상기 압전소자와 연결되거나 상기 압전소자의 전방에 배치되어, 상기 압전소자로부터 발생하는 초음파 빔을 와류 형태의 볼텍스 빔으로 생성하기 위한 빔 제어수단을 포함하며, 상기 압전소자는 상기 빔 제어수단에 의해 전방의 매질로 볼텍스 회전하는 초음파 빔을 제공하는 초음파 변환자를 제공한다.
또한, 상기 압전소자는 단일 소자로 형성되며, 상기 빔 제어수단은, 상기 압전소자의 후면에 장착되어 상기 압전소자를 직접 회전시키는 모터, 상기 초음파 변환자의 전면에 배치되어 상기 압전소자에서 출력되는 초음파 빔을 볼텍스 회전시키는 나선형 렌즈 또는 음향 메타 렌즈 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 볼텍스 빔의 회전 속도는, 상기 모터의 회전 속도, 상기 나선형 렌즈의 나선 패턴, 및 상기 음향 메타렌즈의 형태학적 구조 중 적어도 하나에 의해 결정될 수 있다.
또한, 상기 압전소자는, 서로 반대의 분극 방향을 가진 역전층 소자와 비역전층 소자가 초음파 신호의 진행 방향에 따라 전후 접합된 분극 역전 구조를 가지며, 분극 역전 구조에 따라 상기 압전소자로부터 다중 주파수 신호를 동시에 발생시킬 수 있다.
또한, 상기 압전소자는 복수의 분할 소자로 이루어지며, 상기 빔 제어수단은, 신호 발생기에서 발생한 입력 신호의 위상을 조절하여 상기 복수의 분할 소자에 서로 상이한 위상의 입력 신호를 인가할 수 있다.
또한, 상기 복수의 분할 소자 각각은, 동일하거나 서로 다른 종류의 압전소자들로 이루어질 수 있으며, 단일 소자형 또는 배열 소자형으로 구현될 수 있다.
또한, 상기 빔 제어수단은, N개의 각각의 분할 소자에 설정 각도(360도/N) 간격으로 규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하거나 불규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가할 수 있다.
또한, 상기 빔 제어수단에 의해 각각의 분할 소자 중 제1 그룹의 소자 및 제2 그룹의 소자에 서로 180도 위상차를 갖는 입력 신호가 인가되면, 상기 압전소자는, 고정 빔 상태의 초음파 빔을 제공하되 측방향으로 분할된 분할 초점을 갖는 초음파 빔을 생성할 수 있다.
또한, 상기 초음파 변환자는, 상기 압전소자의 후면에 장착되어 상기 압전소자를 직접 회전시키는 모터, 상기 압전소자의 전면에 배치되어 상기 압전소자에서 출력되는 초음파 빔을 볼텍스 회전시키는 나선형 렌즈 또는 음향 메타 렌즈, 및 상기 나선형 렌즈 또는 음형 메타 렌즈의 전방에 배치되며, 렌즈를 통과한 초음파 빔이 내부를 관통 출력하고 내주면을 따라 나선형의 강선(rifling)이 형성된 강선형 하우징을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 강선형 하우징은, 길이 방향으로 내경이 일정한 직진형, 전방으로 갈수록 내경이 좁아지는 집속형, 전방으로 갈수록 내경이 넓어지는 방사형 중 어느 하나의 형태로 구현될 수 있다.
또한, 상기 압전소자는, 서로 반대의 분극 방향을 가진 역전층 소자와 비역전층 소자가 초음파 신호의 진행 방향에 따라 전후 접합된 분극 역전 구조를 가지며, 분극 역전 구조에 따라 상기 압전소자로부터 다중 주파수 신호를 동시에 발생시킬 수 있다.
또한, 상기 압전소자는, 오목한 곡면형 구조로 형성되어 전방의 제1 초점 위치에 초음파를 집속시키는 제1 소자, 그리고 상기 제1 소자를 중심으로 주변부에 결합되되 상기 제1 소자보다 낮은 곡률의 오목한 곡면형 구조로 형성되며 상기 제1 초점 위치보다 먼 제2 초점 위치에 초음파를 집속시켜서 초점 심도를 확장시키는 적어도 하나의 제2 소자를 포함하며, 상기 제1 소자와 제2 소자는 서로 다른 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수에서 동작하도록 설계될 수 있다.
또한, 상기 제1 소자 및 제2 소자는, 서로 다른 중심 주파수가 혼합된 형태의 다중 중심 주파수를 갖는 입력 신호가 동시에 입력되고, 입력된 신호에서 자신의 공진 주파수에 해당하는 초음파 신호를 선별하여 송수신할 수 있다.
또한, 상기 빔 제어수단은, 상기 압전소자의 후면에 장착되어 상기 압전소자를 직접 회전시키는 모터, 상기 초음파 변환자의 전면에 배치되어 상기 압전소자에서 출력되는 초음파 빔을 볼텍스 회전시키는 나선형 렌즈 또는 음향 메타 렌즈 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 소자 및 제2 소자 각각은, 동일하거나 서로 다른 종류의 압전소자들로 이루어질 수 있으며, 단일 소자형 또는 배열 소자형으로 구현될 수 있다.
또한, 상기 압전소자는, 상기 제1 소자의 중심을 기준으로 구경이 N개의 면으로 분할되며, 상기 빔 제어수단은, 신호 발생기에서 발생한 입력 신호의 위상을 조절하여 상기 압전소자의 각 분할 면에 서로 상이한 위상의 입력 신호를 인가하되, 상기 압전소자의 각 분할 면에 설정 각도(360도/N) 간격으로 규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하거나 불규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가할 수 있다.
또한, 상기 압전소자는, 상기 빔 제어수단에 의해 각각의 분할 면으로 동일 위상의 입력 신호가 인가되는 경우 고정빔 상태의 초음파 빔을 제공하되 축방향으로 다중 초점을 갖는 초음파 빔을 생성하고, 상기 빔 제어수단에 의해 각각의 분할 면 중 제1 그룹의 면과 제2 그룹의 면에 서로 180도 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하는 경우 고정빔 상태의 초음파 빔을 제공하되 축방향의 다중 초점과 측방향의 분할 초점을 동시에 갖는 초음파 빔을 생성할 수 있다.
또한, 상기 압전소자의 후면에 장착되어 상기 압전소자를 직접 회전시키는 모터와, 상기 압전소자의 전면에 배치되어 상기 압전소자에서 출력되는 초음파 빔을 볼텍스 회전시키는 나선형 렌즈 또는 음향 메타 렌즈와, 상기 나선형 렌즈 또는 음형 메타 렌즈의 전방에 배치되며, 렌즈를 통과한 초음파 빔이 내부를 관통 출력하고 내주면을 따라 직진형, 집속형, 방사형 중 어느 하나의 형태로 구현된 나선형의 강선이 형성된 강선형 하우징을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 소자 및 제2 소자 각각은, 서로 반대의 분극 방향을 가진 역전층 소자와 비역전층 소자가 초음파 신호의 진행 방향에 따라 전후 접합된 분극 역전 구조를 가지며, 분극 역전 구조에 따라 상기 압전소자로부터 다중 주파수 신호를 동시에 발생시킬 수 있다.
그리고, 본 발명은, 오목한 곡면형 구조로 형성되어 전방의 제1 초점 위치에 초음파를 집속시키는 중심 압전소자와, 상기 중심 압전소자를 중심으로 주변부에 결합되되 상기 제1 소자보다 낮은 곡률의 오목한 곡면형 구조로 형성되며 상기 제1 초점 위치보다 먼 제2 초점 위치에 초음파를 집속시켜서 초점 심도를 확장시키는 적어도 하나의 주변 압전소자로 이루어지고, 구경이 N개의 면으로 분할된 초음파 변환자와, 서로 다른 중심 주파수가 혼합된 형태의 다중 중심 주파수를 갖는 입력 신호를 발생시키는 신호 발생기, 및 상기 압전소자의 각 분할 면에 설정 각도(360도/N) 간격으로 규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하거나 불규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하도록 상기 신호 발생기에서 발생한 입력 신호의 위상을 조절하는 위상 조절기를 포함하며, 상기 중심 압전소자와 상기 주변 압전소자는 서로 다른 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수에서 동작하도록 설계된 초음파 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 송수신되는 초음파 빔을 소용돌이 형태로 볼텍스 회전시키며, 이때 발생하는 회전 운동 에너지, 즉 각운동량(angular momentum)과 진행 에너지와의 시너지 효과를 발생시켜서, 기존의 고정 빔 기반의 초음파 변환자 대비 송수신 에너지 및 집속력, 그리고 투과력을 크게 증가시킬 수 있다.
또한, 회전력을 제어할 수 있어 응용 분야에 따라 최적의 회전 조건을 적용시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 위한 단일 초점 및 단일 주파수를 갖는 초음파 변환자의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 기반한 볼텍스 빔 발생을 위한 초음파 변환자의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예를 위한 다중 커브 구조의 초음파 변환자의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에 기반한 볼텍스 빔 발생을 위한 초음파 변환자의 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1 및 도 2에 분극 역전 구조가 적용된 모습을 설명한 도면이다.
도 6은 도 3 및 도 4에 분극 역전 구조가 적용된 모습을 설명한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 변환자의 구조를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 시스템의 구조를 예시한 도면이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은 초음파 빔의 회전력 제어가 가능한 초음파 변환자 및 이를 이용한 초음파 시스템을 제안한다. 초음파 빔의 형태가 고정되지 않고 볼텍스 회전하면서 송수신되면 볼텍스 회전력에 의한 운동 에너지 즉 각운동량이 초음파 진행 에너지와 시너지 효과를 가져올 수 있으며, 이로 인해 집속점과 비집속점에서의 초음파 송수신 에너지, 집속력, 그리고 초음파 투과력을 증가시킬 수 있다.
이에 본 발명에서는 매질 안에서 초음파가 볼텍스 회전을 하면서 송수신될 수 있게 해주고 그 회전력을 제어할 수 있는 새로운 초음파 변환자 및 그 시스템을 제공한다.
초음파 변환자에서 송수신되는 초음파 에너지는 거리에 따라 감쇠되며, 특히 특정 지점에서 초음파 에너지를 증가시키려면 집속 렌즈를 사용하거나 변환자 구경 변형을 통해 초음파 빔을 한점에 집속 시키면 된다. 집속된 지점에서 초음파 에너지가 제일 크지만 응용분야에 따라 집속점의 에너지를 더욱 키워야 할 필요성이 있다. 일반적으로 집속점의 에너지를 키우려면 구동 전압을 증가 시키거나, F값을 줄이건, 중심 주파수를 낮춰야 하지만, 구동 전압이 너무 올라가면 압전소자가 파손된다. 또한 초점거리 및 구경크기는 응용 분야에 따라 조절 하는 것이 어려운 경우가 많고, 주파수가 낮아지면 정밀도와 해상도가 낮아진다는 한계점이 있다.
이처럼 기존 초음파 빔이 가진 집속 에너지 증강의 한계, 그리고 매질간의 임피던스 차이 및 매질의 저항성 때문에 발생하는 초음파 강도 감쇠현상 때문에 고강도 집소 초음파처럼 큰 에너지가 필요한 경우와 경두개(transcranial)를 통과 해야하는 뇌질환 치료, 치아 치료 등 단단한 매질을 통과 해야 하는 경우, 공기중을 통과 해야 하는 경우 등에는 고정된 초음파 빔을 널리 사용하는데 많은 어려움이 있다.
본 발명에서는 송수신되는 초음파 빔에 물리적 회전 운동 에너지인 볼텍스 회전력을 발생시켜 이때 발생하는 각운동량을 초음파의 집속 에너지에 반영시켜 시너지 효과를 만들고 이로 인해 집속점의 에너지 및 투과 효과를 크게 증가시키는 기술을 제안한다.
이하의 본 발명의 실시예에서 제안하는 초음파 변환자는 크게 압전소자 및 빔 제어수단을 포함하는 구조를 가진다. 압전소자는 입력 신호의 인가에 따라 초음파 빔을 발생시킨다. 여기서 빔 제어수단은 압전소자와 직접 연결되거나 압전소자의 전방에 배치되어 초음파 빔을 일반적인 고정 빔의 형태가 아닌 와류 형태로 회전하는 볼텍스 빔의 형태로 가공한다.
빔 제어수단에 의해 압전소자는 볼텍스 회전하는 초음파 빔을 전방의 매질로 제공한다. 본 발명의 실시예에서 빔 제어수단은 압전소자의 후면에 연결되어 압전소자를 회전시키는 모터 혹은 압전소자의 전방에 배치되어 입사되는 빔을 회전 유도하도록 설계된 렌즈(나선형 렌즈 혹은 음향 메타 렌즈) 등을 포함할 수 있다.
여기서, 압전소자의 구경이 여러 개로 분할된 구조인 경우에는 구경의 각 분할 영역에 설정 각도 간격으로 규칙적인 위상차 또는 불규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하기 위한 위상 조절기를 빔 제어수단으로 활용하여 볼텍스 빔을 생성할 수 있다. 물론, 이 경우에는 앞서 설명한 모터, 렌즈 및 강선형 하우징 중 적어도 하나를 추가로 부가할 수 있으며 이는 추후 상세히 설명할 것이다.
이하에서는 본 발명에서 제안하는 초음파 빔의 회전력 제어가 가능한 초음파 변환자의 다양한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 위한 단일 초점 및 단일 주파수를 갖는 초음파 변환자의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1의 (a)는 단일 소자로 이루어진 초음파 변환자로, 초음파 빔이 송출되는 축(axis) 방향에 대해 단일 초점을 갖는 초음파 빔을 발생시킨다. 도 1의 (b)는 복수의 분할 소자(예: 2개의 분할 소자)로 이루어진 초음파 변환자 구조로, 각 분할 소자에 서로 다른 위상(예: 0°, 180°)을 인가하게 되면 축 방향에 대해서는 단일 초점을 가지고 측(side) 방향으로는 빔이 2개로 분할된 형태의 분할 초점을 갖는 초음파 빔을 발생시킬 수 있다.
이러한 도 1에 도시된 초음파 변환자 구조에서는 고정된 집속 빔을 송수신하게 된다. 다음은 이러한 도 1의 구조를 기반으로 하되 도 1과 같은 고정 빔이 아닌 와류 형태로 회전하는 볼텍스 빔을 제공하는 초음파 변환자 구조를 도 2를 통해 상세히 설명한다.
도 2는 도 1에 기반한 볼텍스 빔 발생을 위한 초음파 변환자의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2의 (a)는 볼텍스 빔 발생을 위한 빔 제어수단으로 모터를 활용한 것이고, (b)는 나선형 렌즈 또는 음향 메타 렌즈를 활용한 것이고, (c)는 분할 소자의 각 입력 신호의 위상을 제어하는 위상 조절기를 활용한 것이다. 이러한 도 2에서 제안한 초음파 변환자 구조에서는 볼텍스 회전 빔을 발생시켜 기존 초음파 변환자 보다 향상된 송수신 에너지를 제공할 수 있다.
도 2의 (a)에 나타낸 초음파 변환자(100-1)는 압전소자(110) 및 모터(120a)를 포함한 구조로, 회전형 모터(120a)를 사용하여 초음파 변환자를 회전시켜 매질 속으로 초음파 빔이 볼텍스 회전하면서 진행되도록 할 수 있다.
구체적으로, 압전소자(110)는 단일 소자로 이루어지며 인가되는 입력 신호에 의해 초음파 빔을 발생시킨다. 이를 위해 신호 발생기가 단일 주파수의 입력 신호를 생성하여 압전소자(110)로 제공할 수 있다.
압전소자(110)의 후면에 장착된 모터(120a)는 압전소자(110)를 축 방향으로 직접 회전시킨다. 이에 따라 압전소자(110)의 전면으로 출력되는 초음파 빔은 고정 빔의 형태가 아닌 와류 형태의 회전하는 볼텍스 빔의 형태가 된다.
이와 같이 도 2의 (a)의 구조에서 압전소자(110)는 빔 제어수단인 모터(120a)의 동작에 따라 직접 회전하면서 전방의 매질로 볼텍스 회전하는 초음파 빔을 제공하게 된다. 이 경우 볼텍스 빔의 회전 속도는 모터의 회전 속도에 따라 결정될 수 있다. 물론 모터가 정지된 경우에는 초음파 빔이 고정 빔으로 제어될 수 있다.
도 2의 (b)에 나타낸 초음파 변환자(100-2)는 단일 소자로 이루어진 압전소자(110) 및 그의 전면 혹은 전방에 배치된 렌즈(120b)를 포함한다. 이때, 렌즈는 나선형 렌즈 또는 음향 메타 렌즈에 해당한다. 이러한 도 2의 (b)는 특수 제작된 나선형 렌즈 혹은 음향 메타 렌즈를 이용하여 빔을 볼텍스 회전시키는 구조이다.
도 2의 (b)는 모터(120a) 대신에 렌즈(120b)를 활용하여 압전소자(110)의 전방으로 출력되는 초음파 빔을 볼텍스 회전시킨다. 이 경우 볼텍스 빔의 회전 속도는 렌즈의 나선 패턴 구조 혹은 음향 메타 렌즈의 형태학적 구조에 의해 결정될 수 있다.
나선형 렌즈는 볼텍스 빔을 발생 시킬 수 있도록 단일 나선형 혹은 다중 나선형을 가질 수 있다. 음향 메타 렌즈는 자연계에 없는 음향 특성을 가진 메타 물질을 적용해 만든 모듈로서, 구성 소자 사이즈가 매우 작은 소자들로 만들어진다. 이러한 소자들을 정밀하게 나사선 모양으로 배치해서 볼텍스 빔을 만들 수 있다.
도 2의 (c)에 나타낸 초음파 변환자(100-3)는 복수의 분할 소자(111)로 이루어진 압전소자(110a) 및 빔 제어수단인 위상 조절기(120c)를 포함한 구조이다. 여기서 압전소자(110a)의 구경이 4 분할된 구조를 예시한다.
여기서 압전소자(110a)를 구성한 복수(N개)의 분할 소자(111) 각각은 단일 소자 타입 또는 배열 소자 타입으로 구현될 수 있다. 또한 각각의 분할 소자(111)는 서로 동일한 소재 또는 서로 상이한 소재로 형성될 수 있다. 이에 따라, 각각의 분할 소자(111)는 동일하거나 서로 다른 종류의 압전소자들로 이루어질 수 있다.
위상 조절기(120c)는 신호 발생기(130)에서 발생한 입력 신호의 위상을 조절하여 복수의 분할 소자(111)에 서로 상이한 위상의 입력 신호를 인가한다.
이때, 위상 조절기(120c)는 발생한 입력 신호를 입력받아 그 위상을 조절하여 각각의 분할 소자(111)에 설정 각도(360도/N) 간격으로 규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 개별 인가할 수 있다. 4분할 구조이므로 설정 각도는 90도가 된다. 물론, 이외에도 각 분할 소자(111)에 서로 불규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가할 수 있다. 위상 조절기(120c)는 하나의 입력 신호에 대해 서로 다른 위상으로 조절된 4개의 입력 신호를 출력할 수도 있고, 동일한 입력 신호를 각각 포트 별로 입력받고 각각을 서로 다른 위상으로 조절하여 개별 출력할 수도 있다.
위상차는 분할되는 초음파 구경의 개수에 따라 달라지므로, 규칙적인 경우에는 360도/N을 가질 수 있지만, 불규칙적인 위상차도 가능하다. 본 발명의 실시예에서는 4분할된 구조를 예시하므로, 각 분할 소자(111)에 인가되는 입력 신호의 위상을 90도 간격(0도, 90도, 180도, 270도)으로 변화시킨 한가지 예를 보여준다.
이와 같이, 변환자의 구경을 다중 소자로 나누고, 분할된 각 소자(111)에 가해지는 전기 신호의 위상을 일정 간격으로 변화시키면 송수신되는 초음파 빔을 볼텍스 회전시킬 수 있다. 이 경우 볼텍스 빔의 회전 속도는 분할 구경에 인가되는 위상 패턴 조정을 통해 조절될 수 있다.
여기서, 도 2의 (c) 구조에서, 분할된 소자들 사이의 위상차가 180도가 되면, 빔이 고정되면서 도 1의 (b)처럼 초점을 측 방향으로 분할시킬 수 있다. 예를 들어, 도 1의 (b)처럼 4개의 분할 소자를 2개씩 2 그룹으로 구분하여 제1 그룹과 제2 그룹에 서로 180 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하면 고정 빔이 생성될 수 있으며 측방향으로 분할 초점이 형성될 수 있다.
즉, 위상 조절기(120c)에 의해 각각의 분할 소자 중 제1 그룹의 소자 및 제2 그룹의 소자에 서로 180도 위상차를 갖는 입력 신호가 인가(예: 제1 그룹에는 위상이 0도인 입력 신호, 제2 그룹에는 180도인 입력 신호가 인가)되면, 압전소자(110a)에서는 고정 빔 상태의 초음파 빔을 제공하되 측방향으로 분할된 분할 초점을 갖는 초음파 빔을 생성할 수 있다.
이러한 본 발명의 실시예의 경우, 볼텍스 회전 속도는 모터를 제어하거나, 나선형 렌즈의 패턴을 변경시키거나, 메타렌즈의 구조를 변경시키거나, 분할구경에 인가되는 위상 패턴 조정을 통해 조절 가능하다.
제안된 기술은 다중 초점과 다중 주파수를 발생시킬 수 있는 다중 커브 공초점 초음파 변환자에도 적용 가능하다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예를 위한 다중 커브 구조의 초음파 변환자의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 다중 커브 구조 및 다중 주파수를 위한 압전소자(210)는 고주파수 초음파를 발생시킬 수 있도록 제작한 제1 압전소자(211)(이하, 제1 소자)를 중심으로 그 주변부에 저주파수 초음파를 발생시킬 수 있는 제2 압전소자(212)(이하, 제2 소자)를 결합시킨 후, 이들 소자들(211,212) 끼리 공통 신호 라인과 공통 접지 라인을 갖도록 전극 패턴을 연결시켜 제작된다. 이때, 고주파수는 제1 공진주파수(f1), 저주파수는 제2 공진주파수(f2)로 표현될 수 있다(f1>f2).
여기서, 고주파 압전소자인 제1 소자(211)는 근거리 초점에 집속을, 그 주변부에 연결된 저주파 압전소자인 제2 소자(212)는 원거리 초점에 집속을 할 수 있도록, 제1 소자(211)와 제2 소자(212)간 서로 다른 곡률을 가지게 구경을 변형해주거나, 변형된 렌즈를 사용하면, 초음파 감쇠 현상을 최소화하면서 축방향으로 초점심도(Depth of focus, DOF)를 증가시킬 수 있다.
즉, 고주파수 초음파는 감쇠 현상이 심하므로 근거리에 초점이 형성되고 저주파수 초음파는 감쇠 현상이 심하지 않으므로 원거리에 초점이 형성된다. 이와 같이, 각기 다른 중심 주파수와 곡률로 설계된 제1 소자(211) 및 제2 소자(212)를 기반으로 초점 심도가 더욱 향상된 초음파 빔을 제공할 수 있다.
두 종류의 소자(211,212)가 상호 전극 연결이 되어 있기 때문에, 서로 다른 중심 주파수가 혼합된 입력 신호가 단일 신호선을 통해 인가되면, 각 소자(211,212)는 인가된 혼합 입력 신호에서 자신의 공진 주파수에 해당하는 초음파 신호를 선별하여 송수신할 수 있다. 즉, 각 소자 자체가 개별적인 대역필터(band pass filter) 역할을 하게 된다.
도 3의 (b)는 (a)와 비교하여 구경을 2 분할한 구조를 갖는 압전소자를 포함한 초음파 변환자로, 분할된 각 면에 서로 다른 위상(0°, 180°)을 인가하게 되면 축 방향으로는 다중 초점을 갖고 측 방향으로는 빔이 2개로 분할된 분할 초점을 갖는 초음파 빔을 발생시킬 수 있다.
이러한 도 3과 같은 다중 커브 구조를 갖는 다중 주파수 초음파 변환자에 제안된 볼텍스 회전 기술을 적용시키면 아래의 도 4와 같이 볼텍스 회전형 빔을 송수신할 수 있다.
도 4는 도 3에 기반한 볼텍스 빔 발생을 위한 초음파 변환자의 구조를 나타낸 도면이다.
여기서, 도 4의 (a)는 볼텍스 빔 발생을 위한 빔 제어수단으로 회전형 모터를 활용한 것이고, (b)는 나선형 렌즈 또는 음향 메타 렌즈를 활용한 것이고, (c)는 분할 구경의 각 입력 신호의 위상을 제어하는 위상 조절기를 활용한 것으로, 상기 언급된 방법들은 모두 볼텍스 회전 초음파 빔을 유도할 수 있다.
먼저, 도 4의 (a)를 참조하면, 초음파 변환자(200-1)는 다중 커브 구조의 압전소자(210) 및 이에 연결된 모터(220a)를 포함한다. 앞서와 같이, 회전형 모터(220a)를 사용하여 초음파 변환자를 회전시켜 매질 속으로 초음파 빔이 볼텍스 회전하면서 진행되도록 한다.
압전소자(210)는 오목한 곡면형 구조를 가지되 서로 다른 곡률로 형성된 제1 소자(211) 및 제2 소자(212)로 구성되어 다중 커브 구조를 갖는다. 제1 소자(211)와 제2 소자(212) 각각은 단일 소자 타입 또는 배열 소자 타입으로 구현될 수 있다. 또한 각각의 소자(211,212)는 서로 동일한 소재 또는 서로 상이한 소재로 형성될 수 있다.
제1 소자(211)는 오목한 곡면형 구조로 형성되어 도 3에서와 같이 전방의 제1 초점(A) 위치에 초음파를 집속시킨다. 여기서 제1 소자(211)는 제1 공진주파수(f1)에서 동작하도록 설계된다. 제2 소자(212)는 제1 소자(211)를 중심으로 그 주변부에 적어도 하나 결합된다. 이때, 제2 소자(212)는 제1 소자(211)보다 낮은 곡률의 오목한 곡면형 구조로 형성되며, 제1 초점(A) 위치보다 먼 제2 초점(B) 위치에 초음파를 집속시켜서 초점 심도를 확장시킨다. 제2 소자(212)는 제1 공진주파수(f1)와는 상이한 제2 공진주파수(f2)에서 동작하도록 설계된다(f2<f1).
이에 따르면, 제1 및 제2 소자(211,212)의 상이한 곡률에 따라 다중 커브 구조로 설계되어, 초점 심도의 축(axis) 방향 길이를 확장시킬 수 있으며, 서로 상이한 중심 주파수에 따른 다중 주파수를 활용하여 초점 심도의 측(side) 방향 넓이를 균일하게 유지하면서 원거리 초점 심도의 에너지 손실을 최소화할 수 있다.
본 발명의 실시예의 경우, 두 개의 압전소자(211,212)를 동시 동작시키기 위하여, 각각의 소자들의 중심 주파수에 해당하는 f1과 f2 신호가 혼합된 신호(f1+f2)를 입력 신호로 사용할 수 있다.
따라서, 제1 및 제2 소자(211,212)에는 서로 다른 중심 주파수가 혼합된 형태의 다중 중심 주파수를 갖는 입력 신호(f1+f2)가 동시에 입력되고, 각각의 압전소자(211,212)는 입력된 신호에서 자신의 공진 주파수에 해당하는 초음파 신호를 선별하여 송수신한다. 응용 목적에 따라서는 다중 중심 주파수를 갖는 신호가 선택적으로 입력될 수 있다.
각각의 소자(211,212)는 설계된 공진 주파수의 신호 입력에 반응하여 기계적 진동하여 해당 주파수의 초음파 신호를 발생시키고, 그 밖의 다른 주파수의 신호에는 반응(동작)하지 않는다. 즉, 제1 소자(211)는 f1과 f2가 혼합된 입력 신호에 대응하여 f1에 해당한 초음파 신호를 선별하여 송수신하고, 제2 소자(212)는 f2에 해당한 초음파 신호를 선별하여 송수신한다.
이와 같이, 제1 및 제2 소자(211,212)는 인가된 혼합 신호를 개별 공진 특성에 의해 물리적으로 필터링하여 각 소자들의 중심 주파수에 해당하는 초음파만 분리해서 송수신할 수 있다. 즉, 혼합된 신호가 입력되어도 각 소자에서는 f1 과 f2의 초음파를 분리해서 송수신할 수 있다. 물론, 두 소자에 인가되는 신호가 동일하므로 신호 발생기도 한 대만 필요로 하여 전체 시스템이 간단해진다.
도 4의 (a)의 구조에서 압전소자(210)는 빔 제어수단인 모터(220a)의 동작에 따라 직접 회전하면서 전방의 매질로 볼텍스 회전하는 초음파 빔을 제공하게 된다. 볼텍스 빔의 회전 속도는 모터의 회전 속도에 따라 조절될 수 있다.
도 4의 (b)에 나타낸 초음파 변환자(200-2)는 다중 커브 구조의 압전소자(210) 및 그의 전면 혹은 전방에 배치된 렌즈(220b)(나선형 렌즈 또는 음향 메타 렌즈)를 포함하며, 모터(220a) 대신에 렌즈(220b)를 활용하여 압전소자(210)의 전방으로 출력되는 다중 주파수 및 다중 초점의 초음파 빔을 볼텍스 회전시킨다. 이 경우 볼텍스 빔의 회전 속도는 렌즈의 나선 패턴 혹은 음향 메타 렌즈의 형태학적 구조에 의해 결정될 수 있다.
도 4의 (c)에 나타낸 초음파 변환자(200-3)는 (a)와는 달리 구경이 N개로 분할된 압전소자(210a) 및 빔 제어수단인 위상 조절기(220c)를 포함한 구조를 갖는다. 여기서 압전소자(210a)는 구경이 4 분할된 구조(N=4)를 예시한다. 여기서, 압전소자(210a)는 우측 그림과 같이 제1 소자(211)의 중심을 기준으로 구경이 4개의 면으로 십자 모양으로 분할된 것을 알 수 있다.
이때, 위상 조절기(220c)는 신호 발생기(230)에서 발생한 입력 신호의 위상을 조절하여, 압전소자(210a)의 각 분할 구경 면에 설정 각도(360도/N) 간격으로 규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 각각 인가하거나, 불규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가한다. 도 4의 (c)는 4 분할 구조를 예시하므로, 4개의 각 분할 면에 인가되는 입력 신호의 위상을 90도 간격(0도, 90도, 180도, 270도)으로 변화시킨 한가지 예를 보여준다. 여기서 물론, 위상차는 분할되는 초음파 구경의 개수에 따라 달라지며, 불규칙적인 위상차도 가능하다.
여기서 물론, 도 4의 (c)의 구조에서, 압전소자(220a)는 위상 조절기(220c)에 의해 각각의 분할 면으로 동일 위상의 입력 신호가 인가되는 경우에는 고정빔 상태의 초음파 빔을 제공하되 축방향으로 다중 초점을 갖는 초음파 빔을 생성할 수 있다.
또한, 각각의 분할 면 중에서 제1 그룹의 면과 제2 그룹의 면에 서로 180도 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하는 경우에는 고정빔 상태의 초음파 빔을 제공하되, 도 4의 (b)의 경우와 같이 축방향의 다중 초점과 측방향의 분할 초점을 동시에 갖는 초음파 빔을 생성할 수 있다.
예를 들어, 4개의 영역을 2개씩 2 그룹으로 구분하여 제1 그룹의 영역에는 위상이 0도인 신호, 제2 그룹의 영역에는 위상이 180도인 신호를 인가하면 된다. 즉, 도 4의 (b)처럼 이중으로 분할된 초음파 변환자에 위상차가 180도가 나도록 신호를 인가하면 측방향으로 분할된 초점을 발생시킬 수 있다. 이는 초점 영역을 확장 시킬 수 있으므로 치료용 초음파의 치료 효과를 증가 시킬 수 있다.
한편, 초음파 변환자 구조는 일반적인 단일 층 압전소자로 구성될 수 있지만, 아래의 도 5 및 도 6에 도시된 분극 역전 압전소자 구조로 구성될 수 있다.
도 5는 도 1 및 도 2에 분극 역전 구조가 적용된 모습을 설명한 도면이다. 여기서 도 5의 (a)와 (b)는 도 1에 분극 역전 구조가 적용된 모습이고, (c)-(d)는 도 3에 분극 역전 구조가 적용된 모습이다.
이와 같이, 분극 역전 구조로 구현한 압전소자는 서로 반대의 분극 방향을 가진 역전층 소자(→ 표시 부분)와 비역전층 소자(← 표시 부분)가 초음파 신호의 진행 방향에 따라 전후 접합되어, 역전층과 비역전층의 비율 조절 및 음향 임피던스 조절이 가능한 분극 역전(polarization inversion) 구조를 가진다.
일반적으로 분극 역전 기술은 서로 반대의 분극 방향을 가진 두 압전 소자를 초음파 신호의 진행 방향에 대해 전후로 접합한 구조를 사용한 기술로서, 이를 이용하면 분극 역전 기술이 적용된 압전소자로부터 다중 주파수 성분이 발생하여 조직 표면에 집속되게 된다. 예를 들어, 중심의 제1 소자(211)는 분극 역전 구조에 따라 단일이 아닌 두 개의 중심 주파수(예: f1 및 2×f1) 신호가 동시 발생하여 제1 초점 위치에 집속되고 제2 소자(212)에서도 분극 역전 구조에 따라 두 개의 중심 주파수 신호(예: f2 및 2×f2)가 동시 발생하여 제2 초점 위치에 집속될 수 있다.
도 5의 (a)처럼 압전소자 분극을 서로 역전시켜 배치하는 모델은 소자의 두께 비율에 따라 대역폭이 넓어지거나 1차 및 2차 고조파를 동시에 발생시킬 수 있는 특성이 있다. 도 5의 (a)와 같은 분극역전 초음파 변환자에도 제안된 기술이 적용되면, 도 5의 (b)-(d) 처럼 다양한 조합의 볼텍스 회전 초음파 빔이 생성될 수 있다. 또한, 도 5의 (b)처럼 구경이 분할된 초음파 변환자에 180도 위상차를 갖는 신호선을 인가하면 측방향으로 분할된 초점 영역이 발생될 수 있다.
도 6은 도 3 및 도 4에 분극 역전 구조가 적용된 모습을 설명한 도면이다. 여기서 도 6의 (a)와 (b)는 도 3에 분극 역전 구조가 적용된 모습이고, (c)-(d)는 도 4에 분극 역전 구조가 적용된 모습이다.
이러한 도 6은 다중 커브 구조의 압전소자에 분극역전 구조를 접목 시킨 모델로, 이 역시 압전소자를 구성한 서로 다른 곡률의 두 소자 모두 분극 역전 구조로 구현되어 도 6의 (a)처럼 다중 주파수 특성이 다중 초점에서 나타날 수 있다.
이러한 도 6의 (a)와 같은 분극역전 초음파 변환자 구조에도 제안된 기술이 적용되면, 도 6의 (c)-(e)처럼 다양한 조합의 볼텍스 초음파 빔이 생성될 수 있다. 도 6의 (b)처럼 구경이 이중 분할된 초음파 변환자에 상호 위상차가 180도인 신호들이 인가되면 측방향으로도 초점이 분할될 수 있다.
모든 초음파 변환자를 대상으로 볼텍스 빔을 만들어 내는 경우, 모터나 나선형 렌즈/음향 메타 렌즈, 그리고 위상차에 의한 방법들은 독립적으로도 동작하지만 상호 결합되어 동작될 수 있다. 볼텍스 빔을 발생시키는 방법들 중, 회전 속도를 제어 하기 위해서, 모터 속도를 제어하거나, 나선형 패턴을 변형 하거나, 위상차를 균일하게 혹은 비균일하게 변화 되도록 제어할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 변환자의 구조를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 7에 나타낸 초음파 변환자(300)는 도 2(c)의 압전소자(110a)에 모터(120a), 렌즈(120b) 및 강선형 하우징(140a~140c)이 결합된 구조이며, 각 분할 소자(111)에 신호를 인가하는 신호 발생기와 신호 위상을 조절하는 위상 제어기의 구성은 생략되었다. 이러한 도 7은 모터(120a), 압전소자(110a), 렌즈(120b), 그리고 강선형(rifling) 하우징을 사용해서 볼텍스 초음파 빔의 회전력 및 빔 패턴을 변경시킬 수 있는 구조를 나타낸다.
압전소자(110a) 후면에 장착된 모터(120a)는 압전소자(110a)를 직접 회전시키며, 압전소자 전방에 배치된 렌즈(120b)는 나선형 렌즈 또는 음향 메타 렌즈로 구현되어 나선 패턴 혹은 형태학적 구조에 따라 빔을 볼텍스 회전시킨다. 렌즈(120b)의 전방에 배치된 강선형 하우징(140)은 렌즈(120b)를 통과한 초음파 빔이 관통하여 출력되는 공간으로 내주면을 따라 나선형의 강선이 형성되어 빔을 회전 유도할 수 있다.
여기서, 강선형 하우징(140)은 총 세 가지 타입으로 구현 가능하며, 길이 방향으로 내경이 일정한 직진형(140b), 전방으로 갈수록 내경이 좁아지는 집속형(140a), 전방으로 갈수록 내경이 넓어지는 방사형(140c) 중 어느 하나의 형태로 구현될 수 있다.
이와 같이, 결합되는 각 요소들의 설계에 따라 볼텍스 초음파 빔이 집속 거나 균일하게 진행하거나 방사형으로 퍼질 수 있으며, 모두 볼텍스 회전에 의한 강한 투과력을 가지고 있다. 도 7에 나타난 기술은 도 1 내지 도 6의 모든 초음파 변환자의 형태에 적용 가능하다. 예를 들어 도 4(c)의 압전소자(210a)에도 상술한 바와 같은 모터(120a), 렌즈(120b) 및 강선형 하우징(140a~140c)이 결합된 구조가 적용될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 시스템의 구조를 예시한 도면이다. 이러한 도 8은 볼텍스 빔을 발생 시킬 수 있는 한가지 시스템 예시로서, 다중 커브 구조 초음파 변환자에 이웃한 소자들끼리의 위상차가 90도가 되도록 전기 신호를 인가하는 초음파 시스템 일례를 나타낸다. 다른 모든 회전 빔 모델도 비슷한 구조를 가질 수 있다.
도 8을 참조하면, 초음파 시스템(400)은 초음파 변환기(210a), 신호 발생기(230), 위상 조절기(220), 그리고 송신 증폭기(240)를 포함한다. 여기서 초음파 변환자(400)는 중심 압전소자(211) 및 그 주변부에 결합된 주변 압전소자(212)로 이루어지며, 중심 압전소자(211)를 기준으로 구경이 N개로 분할된 구조를 갖는다. 이는 앞서 도 3에서 언급한 구조에 기반한 것이며 도 8은 우측의 구경 평면도와 같이 구경이 4분할된 구조를 예시한다. 또한 중심 압전소자(211)는 제1 공진주파수(f1)에서 동작하도록 설계되고 주변 압전소자(212)는 제2 공진주파수(f2)에서 동작하도록 설계된다(f1>f2).
신호 발생기(230)는 서로 다른 중심 주파수가 혼합된 형태의 다중 중심 주파수를 갖는 입력 신호(f1+f2)를 발생시킨다. 신호 발생기(230)는 혼합 신호 발생기에 해당한다. 다중 중심 주파수를 갖는 입력 신호는 중심 및 주변 압전소자(211,212)에 동시에 인가된다. 여기서 물론 신호 발생기(230)의 동작에 따라 다중 중심 주파수를 갖는 입력 신호(f1+f2)를 중심 압전소자 및 주변 압전소자 중 어느 하나에 선택적으로 인가할 수도 있다.
위상 조절기(220)는 압전소자(210a)의 각 분할 면에 설정 각도(360도/N; 90도) 간격으로 규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호가 인가되도록 신호 발생기(240)에서 발생한 입력 신호의 위상을 조절한다. 여기서 물론 위상 조절에 따라 각 분할 면에 불규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호가 인가되도록 할 수도 있다. 송신 증폭기(240)는 위상 조절기(220)를 통하여 설정 간격으로 위상이 조절된 각각의 입력 신호를 증폭하여 각 분할 면으로 인가한다.
이와 같이, 신호 발생기(230)에서는 소자를 구성하는 다중 소자들의 공진주파수에 해당하는 신호들을 혼합해서 발생시키며, 위상 조절기(220)를 통해 분할 구경 면사이의 위상차를 조정하고 송신 증폭기(240)를 통해 신호를 증폭시킨 뒤 분할된 각각의 변환자에 연결시켜 볼텍스 빔 초음파를 발생시킨다.
이상과 같은 본 발명에서 제안된 초음파 변환자는 볼텍스 빔을 발생 시키고 회전 속도 제어가 가능하므로 고정된 빔을 발생하는 일반적인 초음파 변환자 보다 송수신 에너지를 크게 증가시킬 수 있다. 구체적으로 열효과(thermal effect) 및 케비테이션 효과(cavitation effect)에 기반한 초음파 치료 효과도 크게 증가시킬 수 있으며, 세포 및 입자 트랩핑(trapping) 공중부양(levitation) 같은 조작(manipulation) 능력도 크게 증가 시킬 수 있다.
제안된 기술은 단일 초점을 갖는 단일 커브 초음파 변환자에도 적용 가능하며, 다중 초점을 갖는 다중 커브 구조를 갖는 초음파 변환자에도 적용 시킬 수 있다. 또한 압전소자가 분극역전된 단일 초점 초음파 변환자와 다중 커브 초음파 변환자에도 적용시킬 수 있다.
제안된 기술은 단일 소자 변환자 뿐만 아니라 배열형 초음파 변환자에도 적용 가능하며, 다양한 압전소자들, CMUT(capacitive micromachined ultrasonic transducer) 이나 PMUT(piezoelectric micromachined ultrasonic transducer), 공기 및 수중 음향 초음파 변환자 등 다양한 구조의 초음파 변환자에 적용 가능하다. 제안된 기술은 집속 형태의 초음파 변환자 뿐만 아니라 집속을 하지 않은 평판(flat aperture) 구조의 초음파 변환자에도 적용되어 송수신 에너지를 크게 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따르면, 송수신되는 초음파 빔을 소용돌이 형태로 볼텍스 회전시키며, 이때 발생하는 회전 운동 에너지, 즉 각운동량과 진행 에너지와의 시너지 효과를 발생시켜서, 기존의 고정 빔 기반의 초음파 변환자 대비 송수신 에너지 및 집속력, 그리고 투과력을 크게 증가시킬 수 있다. 또한, 회전력을 제어할 수 있어 응용 분야에 따라 최적의 회전 조건을 적용시킬 수 있다.
이러한 본 발명의 기술은 고강도 집속 초음파(high intensity focused ultrasound, HIFU) 기반 종양 치료, 심혈관 혈전 용해, 신경 및 뇌질환 치료, 담석증 치료, 탄성영상 구현, 안압 측정, 치아 진단, 성형 및 미용 시술, 표적지향 약물 전달(targeted drug delivery), 초음파 기반 세포 및 미세입자 조작(cell and micro-particle manipulation), 진단용 초음파 영상 등 의료 분야, 그리고 공기(airborne) 및 수중 음향 초음파, 비파괴검사, 자율주행 자동차 및 스마트폰 지문 인식 같은 산업 분야에도 널리 사용될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 입력 신호에 의해 초음파 빔을 발생시키는 압전소자; 및
    상기 압전소자와 연결되거나 상기 압전소자의 전방에 배치되어, 상기 압전소자로부터 발생하는 초음파 빔을 와류 형태의 볼텍스 빔으로 생성하기 위한 빔 제어수단을 포함하며,
    상기 압전소자는 상기 빔 제어수단에 의해 전방의 매질로 볼텍스 회전하는 초음파 빔을 제공하는 초음파 변환자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 압전소자는 단일 소자로 형성되며,
    상기 빔 제어수단은,
    상기 압전소자의 후면에 장착되어 상기 압전소자를 직접 회전시키는 모터, 상기 초음파 변환자의 전면에 배치되어 상기 압전소자에서 출력되는 초음파 빔을 볼텍스 회전시키는 나선형 렌즈 또는 음향 메타 렌즈 중에서 적어도 하나를 포함하는 초음파 변환자.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 볼텍스 빔의 회전 속도는,
    상기 모터의 회전 속도, 상기 나선형 렌즈의 나선 패턴, 및 상기 음향 메타렌즈의 형태학적 구조 중 적어도 하나에 의해 결정되는 초음파 변환자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 압전소자는,
    서로 반대의 분극 방향을 가진 역전층 소자와 비역전층 소자가 초음파 신호의 진행 방향에 따라 전후 접합된 분극 역전 구조를 가지며,
    분극 역전 구조에 따라 상기 압전소자로부터 다중 주파수 신호를 동시에 발생시키는 초음파 변환자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 압전소자는 복수의 분할 소자로 이루어지며,
    상기 빔 제어수단은,
    신호 발생기에서 발생한 입력 신호의 위상을 조절하여 상기 복수의 분할 소자에 서로 상이한 위상의 입력 신호를 인가하는 초음파 변환자.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 복수의 분할 소자 각각은, 동일하거나 서로 다른 종류의 압전소자들로 이루어질 수 있으며,
    단일 소자형 또는 배열 소자형으로 구현되는 초음파 변환자.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 빔 제어수단은,
    N개의 각각의 분할 소자에 설정 각도(360도/N) 간격으로 규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하거나 불규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하는 초음파 변환자.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 빔 제어수단에 의해 각각의 분할 소자 중 제1 그룹의 소자 및 제2 그룹의 소자에 서로 180도 위상차를 갖는 입력 신호가 인가되면,
    상기 압전소자는,
    고정 빔 상태의 초음파 빔을 제공하되 측방향으로 분할된 분할 초점을 갖는 초음파 빔을 생성하는 초음파 변환자.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 압전소자의 후면에 장착되어 상기 압전소자를 직접 회전시키는 모터;
    상기 압전소자의 전면에 배치되어 상기 압전소자에서 출력되는 초음파 빔을 볼텍스 회전시키는 나선형 렌즈 또는 음향 메타 렌즈;
    상기 나선형 렌즈 또는 음형 메타 렌즈의 전방에 배치되며, 렌즈를 통과한 초음파 빔이 내부를 관통 출력하고 내주면을 따라 나선형의 강선이 형성된 강선형 하우징을 더 포함하는 초음파 변환자.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 강선형 하우징은,
    길이 방향으로 내경이 일정한 직진형, 전방으로 갈수록 내경이 좁아지는 집속형, 전방으로 갈수록 내경이 넓어지는 방사형 중 어느 하나의 형태로 구현되는 초음파 변환자.
  11. 청구항 5에 있어서,
    상기 압전소자는,
    서로 반대의 분극 방향을 가진 역전층 소자와 비역전층 소자가 초음파 신호의 진행 방향에 따라 전후 접합된 분극 역전 구조를 가지며,
    분극 역전 구조에 따라 상기 압전소자로부터 다중 주파수 신호를 동시에 발생시키는 초음파 변환자.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 압전소자는,
    오목한 곡면형 구조로 형성되어 전방의 제1 초점 위치에 초음파를 집속시키는 제1 소자, 그리고
    상기 제1 소자를 중심으로 주변부에 결합되되 상기 제1 소자보다 낮은 곡률의 오목한 곡면형 구조로 형성되며 상기 제1 초점 위치보다 먼 제2 초점 위치에 초음파를 집속시켜서 초점 심도를 확장시키는 적어도 하나의 제2 소자를 포함하며,
    상기 제1 소자와 제2 소자는 서로 다른 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수에서 동작하도록 설계된 초음파 변환자.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1 소자 및 제2 소자는,
    서로 다른 중심 주파수가 혼합된 형태의 다중 중심 주파수를 갖는 입력 신호가 동시에 입력되고, 입력된 신호에서 자신의 공진 주파수에 해당하는 초음파 신호를 선별하여 송수신하는 초음파 변환자.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 빔 제어수단은,
    상기 압전소자의 후면에 장착되어 상기 압전소자를 직접 회전시키는 모터, 상기 초음파 변환자의 전면에 배치되어 상기 압전소자에서 출력되는 초음파 빔을 볼텍스 회전시키는 나선형 렌즈 또는 음향 메타 렌즈 중에서 적어도 하나를 포함하는 초음파 변환자.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1 소자 및 제2 소자 각각은, 동일하거나 서로 다른 종류의 압전소자들로 이루어질 수 있으며,
    단일 소자형 또는 배열 소자형으로 구현되는 초음파 변환자.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 압전소자는,
    상기 제1 소자의 중심을 기준으로 구경이 N개의 면으로 분할되며,
    상기 빔 제어수단은,
    신호 발생기에서 발생한 입력 신호의 위상을 조절하여 상기 압전소자의 각 분할 면에 서로 상이한 위상의 입력 신호를 인가하되, 상기 압전소자의 각 분할 면에 설정 각도(360도/N) 간격으로 규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하거나 불규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하는 초음파 변환자.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 압전소자는,
    상기 빔 제어수단에 의해 각각의 분할 면으로 동일 위상의 입력 신호가 인가되는 경우 고정빔 상태의 초음파 빔을 제공하되 축방향으로 다중 초점을 갖는 초음파 빔을 생성하고,
    상기 빔 제어수단에 의해 각각의 분할 면 중 제1 그룹의 면과 제2 그룹의 면에 서로 180도 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하는 경우 고정빔 상태의 초음파 빔을 제공하되 축방향의 다중 초점과 측방향의 분할 초점을 동시에 갖는 초음파 빔을 생성하는 초음파 변환자.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 압전소자의 후면에 장착되어 상기 압전소자를 직접 회전시키는 모터;
    상기 압전소자의 전면에 배치되어 상기 압전소자에서 출력되는 초음파 빔을 볼텍스 회전시키는 나선형 렌즈 또는 음향 메타 렌즈;
    상기 나선형 렌즈 또는 음형 메타 렌즈의 전방에 배치되며, 렌즈를 통과한 초음파 빔이 내부를 관통 출력하고 내주면을 따라 직진형, 집속형, 방사형 중 어느 하나의 형태로 구현된 나선형의 강선이 형성된 강선형 하우징을 더 포함하는 초음파 변환자.
  19. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1 소자 및 제2 소자 각각은,
    서로 반대의 분극 방향을 가진 역전층 소자와 비역전층 소자가 초음파 신호의 진행 방향에 따라 전후 접합된 분극 역전 구조를 가지며,
    분극 역전 구조에 따라 상기 압전소자로부터 다중 주파수 신호를 동시에 발생시키는 초음파 변환자.
  20. 오목한 곡면형 구조로 형성되어 전방의 제1 초점 위치에 초음파를 집속시키는 중심 압전소자와, 상기 중심 압전소자를 중심으로 주변부에 결합되되 상기 제1 소자보다 낮은 곡률의 오목한 곡면형 구조로 형성되며 상기 제1 초점 위치보다 먼 제2 초점 위치에 초음파를 집속시켜서 초점 심도를 확장시키는 적어도 하나의 주변 압전소자로 이루어지고, 구경이 N개의 면으로 분할된 초음파 변환자;
    서로 다른 중심 주파수가 혼합된 형태의 다중 중심 주파수를 갖는 입력 신호를 발생시키는 신호 발생기; 및
    상기 압전소자의 각 분할 면에 설정 각도(360도/N) 간격으로 규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하거나 불규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하도록 상기 신호 발생기에서 발생한 입력 신호의 위상을 조절하는 위상 조절기를 포함하며,
    상기 중심 압전소자와 상기 주변 압전소자는 서로 다른 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수에서 동작하도록 설계된 초음파 시스템.
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