WO2023191510A1 - 광음향 진단 장치 - Google Patents

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WO2023191510A1
WO2023191510A1 PCT/KR2023/004203 KR2023004203W WO2023191510A1 WO 2023191510 A1 WO2023191510 A1 WO 2023191510A1 KR 2023004203 W KR2023004203 W KR 2023004203W WO 2023191510 A1 WO2023191510 A1 WO 2023191510A1
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WO
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signal
unit
photoacoustic
transducer
diagnostic device
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PCT/KR2023/004203
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Inventor
강윤호
Original Assignee
㈜에이치엠이스퀘어
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    • A61B5/72—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
    • A61B5/7225—Details of analog processing, e.g. isolation amplifier, gain or sensitivity adjustment, filtering, baseline or drift compensation

Definitions

  • the present invention relates to a photoacoustic diagnostic device, and in particular, to a photoacoustic diagnostic device that detects ultrasonic waves generated by irradiating a laser to the surface of a living body and non-invasively determines the blood sugar concentration in the living body.
  • Photoacoustic diagnostic technology is a technology that non-invasively shapes biological tissue using photoacoustic effects.
  • a short electromagnetic pulse from a laser is incident on biological tissue for photoacoustic diagnosis, part of the energy is absorbed by the tissue and converted into heat, causing instantaneous thermoelastic expansion.
  • ultrasonic waves with a wide range of frequencies are emitted, which can be detected by an ultrasonic transducer from various directions and converted into an image.
  • Photoacoustic diagnostic technology has the advantage of combining the characteristics of optical imaging and ultrasonic imaging because it detects electromagnetic waves by converting them into ultrasonic waves.
  • the contrast of purely optical imaging techniques is much higher than that of ultrasound imaging, but due to high light scattering in soft tissue, it has the disadvantage of limited imaging from the biological surface to a certain depth.
  • ultrasound imaging has high spatial resolution enough to be used for fetal examination.
  • photoacoustic imaging can simultaneously realize a high optical contrast ratio and high spatial resolution by overcoming the low imaging depth, which is a disadvantage of optical imaging, through ultrasonic conversion by the photoacoustic effect.
  • the device implementing this photoacoustic diagnosis technology largely consists of an optical unit that irradiates a laser and a transducer that detects and measures ultrasonic waves. Additionally, transducers that measure ultrasonic waves include piezo type and electrostatic type.
  • the electrostatic method is mainly manufactured using the Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) method.
  • the piezo method measures ultrasonic waves by measuring the voltage as a potential difference occurs within the piezoelectric material in response to the pressure generated by ultrasonic waves, and the electrostatic MEMS method measures the shape of the membrane by the pressure caused by ultrasonic waves. This is a method of measuring ultrasonic waves by measuring the change in capacitance according to the change in shape.
  • wild band characteristics are important for MEMS-type transducers that are generally mounted on photoacoustic diagnostic devices.
  • the resonance peak in the frequency response curve is used. It is designed to reduce and maximize the flat area. This design has the advantage of being usable over a wide frequency band, but it can be said to be disadvantageous in detecting high-sensitivity characteristics.
  • the conventional MEMS-type photoacoustic diagnostic device detects the transducer by matching the resonance frequency of the transducer to the main peak in the photoacoustic signal when measuring blood sugar.
  • the detected ultrasound signal is a time-domain signal, and for diagnosis, its form must be converted to a frequency domain signal where a resonance peak appears.
  • acoustic diagnosis devices require the conversion using a spectrum analyzer, a separate device that converts the time domain into the frequency domain, and then proceed with the next diagnosis procedure, which is cumbersome and reduces the overall diagnosis time. There was a problem with delay.
  • the spectrum analyzer described above when a signal in the frequency domain to be measured is generated, the signal in the corresponding frequency domain is extracted by mixing with the input signal, and the frequency domain data for the entire frequency domain is obtained by changing the generated signal.
  • the circuit structure is complex as it must be measured, which has the disadvantage of increasing costs. Additionally, it is difficult to miniaturize a spectrum analyzer.
  • the present invention was conceived to solve the above-mentioned problems, and the present invention is a diagnostic device based on photoacoustic diagnostic technology that can non-invasively measure the state of biological tissue using the photoacoustic effect, and includes an expensive FFT circuit.
  • the present invention is a diagnostic device based on photoacoustic diagnostic technology that can non-invasively measure the state of biological tissue using the photoacoustic effect, and includes an expensive FFT circuit.
  • a photoacoustic diagnosis device includes a light source unit that irradiates light to a subject, receives an acoustic signal radiated from the subject as it is irradiated, and generates one or more peak components, respectively.
  • a transducer unit that outputs a plurality of electric signals in the form of a first domain signal, receives the plurality of electric signals, and combines each of the plurality of electric signals according to the frequency band to produce one combined signal in the form of a second domain signal. It may include a coupling unit that outputs an output, and a diagnostic unit that determines one or more characteristics related to the analysis target of the subject through the frequency of one or more resonance peaks included in the combined signal.
  • the transducer unit may include one or more transducers including a membrane element whose capacitance changes according to the acoustic signal, and a measuring unit electrically connected to the membrane element to measure the capacitance.
  • the transducer unit includes a plurality of transducers forming one array, and each of the plurality of transducers may have a different membrane element area.
  • the area of the membrane element may correspond to the frequency band of peak components included in each of the plurality of electric signals.
  • the transducer unit may include one or more transducers including a piezo element that vibrates according to the sound signal and outputs an electric signal in response to a change in pressure.
  • It may further include a conversion unit that receives a plurality of electrical signals from the transducer, filters them into different specific frequency bands, and transmits the filtered signals as electrical signals to the coupling unit.
  • the conversion unit may include a plurality of filters that receive the electrical signal from the transducer and input the electrical signal to the combining unit by passing only a frequency band corresponding to a different peak component.
  • the first domain signal may be a time-domain signal
  • the second domain signal may be a frequency-domain signal
  • the analysis target is blood sugar contained in the subject's body, and the diagnostic unit can measure the blood sugar level in response to the amplitude of the resonance peak.
  • a photoacoustic diagnostic device equipped with a membrane element manufactured through a MEMS process, and an expensive FFT, etc. is applied to a transducer for receiving an ultrasonic signal emitted from a subject and detecting a resonance peak.
  • a transducer for receiving an ultrasonic signal emitted from a subject and detecting a resonance peak.
  • it detects multiple resonance peaks through multiple transducers with different resonance frequencies and combines them to perform analysis on blood sugar, etc., making it easy to implement and highly accurate at low cost. It has the effect of providing analysis results.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing photoacoustic diagnosis technology applied to a photoacoustic diagnosis device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a diagram showing the structure of a photoacoustic diagnosis device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a diagram showing the cross-sectional structure of a membrane element mounted on a photoacoustic diagnosis device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a diagram showing a data processing method by a photoacoustic diagnosis device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a diagram showing a data processing method according to filter application of a photoacoustic diagnosis device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing photoacoustic diagnosis technology applied to a photoacoustic diagnosis device according to an embodiment of the present invention.
  • the photoacoustic diagnostic device largely includes an optical means for irradiating a laser pulse to the surface of a subject, and the irradiated laser pulse is irradiated to blood vessels inside skin tissue. It may include a detection means for detecting ultrasonic waves emitted as they are absorbed by hemoglobin, etc., in a vessel or interstitial fluid.
  • the optical means may be implemented as an optical unit that outputs infrared light
  • the detection means may be implemented as a plurality of transducers that receive ultrasonic signals and detect a specific resonance peak.
  • Figure 2 is a diagram showing the structure of a photoacoustic diagnosis device according to an embodiment of the present invention.
  • the photoacoustic diagnosis device 100 includes a light source unit 110 that irradiates light to an object under test, receives an acoustic signal radiated from the object as it is irradiated, and produces a first A transducer unit 120 that outputs a plurality of electrical signals in the form of domain signals, filtering that receives a plurality of electrical signals and filters them into different specific frequency bands to output a plurality of filtered signals each containing one peak component.
  • a converter 130 a combiner 140 that receives a plurality of filtered signals, combines the plurality of filtered signals according to the frequency band, and outputs a single combined signal in the form of a second domain signal, and is included in the combined signal. It may include a diagnostic unit 150 that determines one or more characteristics related to the analysis object of the subject through the frequency of one or more resonance peaks.
  • the light source unit 110 is disposed on one side of the photoacoustic diagnosis device and may include an infrared light emitting means capable of emitting light ls, such as a solid-state laser, a semiconductor laser, or an LED. This light source unit 110 radiates laser light (ls) toward the surface of the subject for diagnosis, vibrating the spray of the analysis target inside the subject in a non-invasive manner and causing the emission of an ultrasonic signal due to the vibration.
  • an infrared light emitting means capable of emitting light ls, such as a solid-state laser, a semiconductor laser, or an LED.
  • This light source unit 110 radiates laser light (ls) toward the surface of the subject for diagnosis, vibrating the spray of the analysis target inside the subject in a non-invasive manner and causing the emission of an ultrasonic signal due to the vibration.
  • the transducer unit 120 can use various types of transducers, such as piezoelectric or electrostatic, magnetic or optical, and can be implemented with a plurality of transducers 122 depending on the frequency characteristics to be detected. there is.
  • the plurality of transducers 122 are used as piezoelectric micromachined ultrasonic transducers (pMUT), which include a piezo element that converts ultrasonic and electrical signals by vibrating and changing pressure.
  • pMUT piezoelectric micromachined ultrasonic transducers
  • cMUT capacitive ultrasonic transducer containing a membrane element that mutually converts ultrasonic waves and electrical signals by changing capacitance
  • the membrane element may be formed of a membrane film and a structure arranged in positions corresponding to each other at a predetermined distance apart from the membrane film. Through this structure, an ultrasonic signal radiated from the inside of the subject is received and the capacitance of the membrane element is measured. Measurement signals can be output according to changes. A detailed description of these membrane devices will be described later.
  • a plurality of transducers 122 may be mounted, and the detection frequency bands are set differently to detect different resonance peaks. It is characterized by
  • the ultrasonic signal (UW) emitted from the subject is received by the membrane element of each transducer 122.
  • the capacitance of each membrane element changes in response to the received ultrasonic signal, and each transducer 122 measures the change in capacitance and determines one or more peak components in different frequency bands corresponding to the area of the membrane element.
  • the electrical signal (TD) containing the signal can be output to the conversion unit 130.
  • the above-described electrical signal TD becomes a time-domain type signal.
  • the converter 130 may include a plurality of filters 132, each corresponding to a frequency band set in the plurality of transducers 122.
  • the time domain signal (TD) output from the transducer unit 120 may include one or more peak components and noise components, and a plurality of filters included in the conversion unit 130 may be configured to form the time domain signal.
  • the electrical signal (TD) is input and, through a filtering process, a filtered signal (FD) containing only the specific frequency band set in each filter 132 is output. Accordingly, each filtering signal FD may be in a different band and include one resonance peak.
  • This conversion unit 130 may be included in the photoacoustic diagnosis device to filter the above-described electrical signal TD, or may be omitted, depending on the designer's intention.
  • transducer unit 120 can detect six resonance peaks.
  • the combining unit 140 may receive the filtering signal FD output from the converting unit 130 and combine it into one signal.
  • Each filtering signal FD may include one resonance peak, and one combined signal may be generated by sequentially combining them according to the frequency band.
  • the generated combined signal can be output to the diagnostic unit 150, and this combined signal becomes a signal in the form of a frequency domain. Accordingly, the photoacoustic diagnosis device 100 according to an embodiment of the present invention can output a time domain signal or a frequency domain signal without using a separate FFT circuit or spectrum analyzer.
  • the diagnostic unit 150 may perform diagnosis by measuring the amplitude of one or more resonance peaks present in the combined signal output from the coupling unit 140.
  • the photoacoustic signal generated when an infrared laser is irradiated into the body represents the main characteristics of blood sugar. In other words, if six major resonance peaks are detected when a laser is irradiated into the body, it can be determined that blood sugar exists in the body, and the larger the amplitude of these six resonance peaks, the greater the amount of blood sugar.
  • the diagnostic unit 150 can generate diagnostic information (Inf) according to the amplitude analysis result and provide it in the form of numerical data or a graph through a display, etc.
  • the photoacoustic diagnostic device is equipped with a plurality of MEMS-type transducers that detect resonance frequencies of different bands, detects one or more resonance peaks by each transducer, and detects one or more resonance peaks by each transducer.
  • diagnostic information such as the subject's blood sugar level through the amplitude
  • the ultrasound signal is received through a single detection means and converted to a frequency frequency through FFT, spectrum analyzer, etc., resulting in increased difficulty in device implementation and high cost. problems can be overcome.
  • Figure 3 is a diagram showing the cross-sectional structure of a membrane element mounted on a photoacoustic diagnosis device according to an embodiment of the present invention.
  • the semiconductor substrate 210 mounted in the transducer may include known semiconductor materials, such as silicon, germanium, and silicon-germanium. This semiconductor material may be doped into n-type or p-type to have conductivity, and the semiconductor substrate 210 may be a substrate obtained by processing a semiconductor wafer to a predetermined thickness.
  • an etch prevention layer 21 may be formed on the entire surface of the semiconductor substrate 210.
  • This etch prevention layer 215 may include silicon nitride, such as Si 3 N 4 , and may be formed using a chemical vapor deposition (CVD) method, such as low vacuum CVD (LP CVD) or plasma enhanced CVD. It can be formed by the (PE CVD) method.
  • CVD chemical vapor deposition
  • a membrane film 220 may be formed on the etch prevention layer 215.
  • the membrane film 220 may be deposited on the entire surface of the etch prevention layer 215 using a chemical vapor deposition (CVD) method.
  • the membrane 220 may include silicon nitride, for example, Si 3 N 4 .
  • some areas of the semiconductor substrate 210 may be etched through an etching process using a mask to form an opening.
  • openings can be formed through photolithography and etching processes.
  • the etching process may be performed by plasma dry etching with anisotropic etching characteristics, such as reactive ion etching (RIE).
  • RIE reactive ion etching
  • an insulating layer 225 may be formed on the membrane 220, and an etch hole exposing a portion of the membrane 220 may be formed on the insulating layer 225. These etch holes can be formed using photolithography and etching techniques.
  • an electrode 235 is formed on the etched hole and is electrically connected to a ROIC (Read Out Integrate Circuit) included in the transducer unit so that capacitance can be measured.
  • ROIC Read Out Integrate Circuit
  • a back plate 230 having a plurality of acoustic holes spaced apart from each other by a predetermined distance (d) may be disposed on the membrane 220. Since the back plate 230 is not directly connected to the membrane 220, it forms a capacitor. Then, when the ultrasonic signal (UW) reaches the top of the back plate 230, it passes through the acoustic hole and passes through the membrane 220. ) vibrates to measure the change in capacitance (C) in the ROIC as the separation distance (d) from the back plate 230 changes.
  • UW ultrasonic signal
  • the back plate 230 may also be connected to the ROIC through a separate electrode to measure capacitance (C).
  • the capacitance formed between the membrane 220 and the back plate 230 facing each other is the capacitance (C) of the membrane element
  • the cross-sectional area of the membrane and the back plate 230 is 'S'
  • the separation distance is '
  • d' and the dielectric constant are ' ⁇ '
  • the ultrasonic signal (UW) reaches the back plate 230, causing vibration in the membrane 220, and thus measuring the change in capacitance (C) to obtain a time domain signal for the ultrasonic signal (UW). can be created.
  • a piezoelectric piezo element may be used in the transducer instead of the electrostatic membrane element described above.
  • ROIC measures the pressure change of the piezoelectric piezo element.
  • it can be configured to generate a time domain signal for the ultrasonic signal (UW).
  • Figure 4 is a diagram showing a data processing method by a photoacoustic diagnosis device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 5 is a diagram showing a data processing method according to filter application of the photoacoustic diagnosis device according to an embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic signal emitted by the laser light irradiated to the subject is generally a time domain signal, and when converted to a frequency signal using an FFT circuit, etc., as illustrated in [S1],
  • One or more resonance peak (A, B, C) components exist in a specific frequency band.
  • the shape of these resonance peaks (A, B, C) is related to blood sugar in the body, and by detecting these resonance peaks (A, B, C), the blood sugar level of the subject can be diagnosed.
  • the photoacoustic device can improve measurement results by combining or combining resonance peaks through a coupling unit, and as illustrated in [S2], each resonance peak (A, B, C) By combining signal points included in the corresponding frequency, blood sugar density can be measured and the results can be improved.
  • the ultrasonic signal received by the photoacoustic diagnosis device is a time domain signal, and in order to analyze it, a change in the form of a frequency domain signal is required.
  • peaks that appear in different frequency bands in time domain signals input using a plurality of measuring devices are obtained without using a DFT or FFT circuit for signal conversion.
  • a DFT or FFT circuit for signal conversion.
  • each filtered signal can be combined into one signal for analysis according to the frequency band. If three measuring instruments are used, a combined signal with three resonance peaks can be generated, and this combined signal is not a signal converted through an FFT circuit, but can be used for waveform analysis in the form of a frequency domain.

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Abstract

본 발명은 광음향 진단 장치를 개시한다. 보다 상세하게는, 본 발명은 생체표면에 레이저를 조사하여 발생하는 초음파를 검출하여 비침습적으로 생체 내의 혈당 농도 등을 판단하는 광음향 진단 장치에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따르면, MEMS 공정으로 제조된 멤브레인 소자가 탑재되는 광음향 진단 장치에 관한 것으로, 피검체로부터 방사된 초음파 신호를 수신하여 공진피크를 검출하기 위한 트랜스듀서에 고가의 FFT 등을 탑재하거나 스펙트럼 애널라이저를 이용하는 것이 아닌, 서로 다른 공진주파수가 설정된 복수의 트랜스듀서를 통해 복수의 공진피크를 검출하고 이를 조합하여 혈당 등에 대한 분석을 수행함으로써, 구현이 용이하고 저비용으로도 높은 정확도를 갖는 분석결과를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

광음향 진단 장치
본 발명은 광음향 진단 장치에 관한 것으로, 특히 생체표면에 레이저를 조사하여 발생하는 초음파를 검출하여 비침습적으로 생체 내의 혈당 농도 등을 판단하는 광음향 진단 장치에 관한 것이다.
광음향 진단 기술은 광음향 효과를 이용하여 비침습적으로 생체조직을 형상화하는 기술이다. 광음향 진단을 위해 레이저의 짧은 전자기 펄스를 생체 조직에 입사하면, 에너지의 일부분이 조직에 의해 흡수된 후 열로 변환되어 순간적인 열탄성 팽창을 일으킨다. 그 결과, 넓은 대역의 주파수를 갖는 초음파가 방출되고 이를 여러 방향에서 초음파용 트랜스듀서로 검출하여 이미지로 변환시킬 수 있다.
광음향 진단 기술은 전자기파를 초음파로 변환시켜 검출하기 때문에 광학적 이미징과 초음파 이미징의 특성을 혼합할 수 있는 장점을 가진다. 순수한 광학적 이미징 기법의 대조비(contrast)는 초음파 이미징에 비해 매우 높으나 연부 조직(soft tissue)의 높은 광산란 때문에 생체 표면에서 특정 깊이까지만 제한적으로 영상화할 수 있는 단점이 있다. 반면, 초음파 이미징은 태아 검사에 활용될 만큼 높은 공간 분해능(spatial resolution)을 가지고 있다.
또한, 광음향 이미징은 광학적 이미징의 단점인 낮은 영상화 깊이를 광음향 효과에 의한 초음파 변환으로 극복함으로써 높은 광학적 대조비와 높은 공간 분해능을 동시에 실현할 수 있다.
이러한 광음향 진단 기술을 구현하는 장치는 크게 레이저(laser)를 조사하는 광학부와, 초음파를 검출 및 측정하는 트랜스듀서(transducer)로 구성된다. 그리고, 초음파를 측정하는 트랜스듀서는 피에조(piezo) 방식과 정전 방식이 있다. 여기서, 정전 방식은 주로 미세전자기계 시스템(MEMS; Micro Electro Mechanical Systems) 방식으로 제작된다.
피에조 방식은 초음파에 의해 발생하는 압력에 대응하여 압전 물질 내에 전위차가 발생함에 따라 그 전압을 측정하여 초음파를 측정하는 방식이고, 정전식 MEMS 방식은 초음파에 의한 압력에 의해 멤브레인(Membrane)의 형태가 변화하고, 형태변화에 따른 정전용량의 변화를 측정하여 초음파를 측정하는 방식이다.
특히, 일반적으로 광음향 진단 장치에 탑재되는 MEMS 방식의 트랜스듀서는 광대역(Wild Band) 특성이 중요하다고 할 수 있는데, 광대역 특성을 얻기 위해서 주파수 응답 커브(Frequency Response Curve)에서 공진피크(Resonance Peak)를 줄이고 평탄한 영역을 극대화하는 방향으로 설계하게 되며, 이러한 설계는 넓은 주파수 대역에 대하여 사용 가능하다는 장점이 있으나, 고감도 특성을 검출하는 데는 불리하다고 할 수 있다.
또한, 종래 MEMS 방식의 광음향 진단 장치는, 혈당 측정시의 광음향 신호에서 주요한 피크(Peak)에 트랜스듀서의 공진 주파수를 매칭하여 검출하게 된다. 이때, 검출된 초음파 신호는 타임 도메인(Time-domain) 신호로서, 진단을 위해서는 공진피크가 나타나는 프리퀀시 도메인 신호(Frequency)로 형태를 변환해주어야 한다.
이를 위해, 종래의 공음향 진단 장치에는 타임 도메인을 프리퀀시 도메인으로 변환해주는 별도의 장치인 스펙트럼 애널라이저(Spectrum Analyzer)를 이용하여 변환한 후, 다음 진단 절차를 진행해야 함에 따라 번거로우며, 전체 진단 시간이 지연되는 문제점이 있었다.
특히, 전술한 스펙트럼 애널라이저의 경우, 측정하고자 하는 주파수 영역의 신호를 발생시 입력신호와 믹싱(Mixing)하여 해당 주파수 영역의 신호를 추출하고, 발생시키는 신호를 변화시키면서 전체 주파수 영역에 대한 프리퀀시 도메인 데이터를 측정해야 함에 따라 회로구조가 복잡하고, 이로 인한 비용이 상승하는 단점이 있다. 또한, 스펙트럼 애널라이저는 소형화가 어렵다.
또한, 광음향 진단 장치내에 타임 도메인으로 출력되는 디지털 데이터를 고속푸리에변환(Fast Fourier Transform; FFT)을 통해 프리퀀시 도메인 데이터로 변환하는 방법이 있으나, 이러한 FFT 회로를 이용하는 경우 높은 해상도를 얻기 위해서 고속측정이 필요하고, 많은 양의 데이터가 필요함에 따라, 고가의 회로칩셋이 요구되며, 높은 전력 소모량이 현저하게 높다는 단점이 있다.
본 건과 관련된 선행문헌으로는, 한국등록특허공보 제10-2270798호(공고일자: 2021.06.30.)가 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 광음향 효과를 이용하여 비침습적으로 생체조직의 상태를 측정할 수 있는 광음향 진단 기술에 따른 진단 장치에 있어서, 고가의 FFT 회로 또는 스펙트럼 애널라이저를 이용하지 않고도 분석에 필요한 프리퀀시 도메인 신호를 확보할 수 있는 광음향 진단 장치를 구현하는 데 과제가 있다.
전술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 광음향 진단 장치는, 피검체에 광을 조사하는 광원부, 조사됨에 따라 상기 피검체로부터 방사되는 음향신호를 수신하여 각각 하나 이상의 피크성분을 포함하는 제1 도메인 신호 형태인 복수의 전기신호를 출력하는 트랜스듀서부, 복수의 전기신호를 전달받고, 각 복수의 전기신호를 주파수 대역에 따라 결합하여 제2 도메인 신호 형태인 하나의 결합신호를 출력하는 결합부 및, 상기 결합신호에 포함되는 하나 이상의 공진피크의 주파수를 통해 피검체의 분석대상과 관련된 하나 이상의 특성을 판단하는 진단부를 포함할 수 있다.
상기 트랜스듀서부는, 상기 음향신호에 따라 정전용량이 변하는 멤브레인 소자를 포함하는 하나 이상의 트랜스듀서 및, 상기 멤브레인 소자와 전기적으로 연결되어 상기 정전용량을 측정하는 측정부를 포함할 수 있다.
상기 트랜스듀서부는 하나의 어레이를 이루는 복수의 트랜스듀서를 포함하고, 상기 복수의 트랜스듀서는, 각각 멤브레인 소자의 면적이 서로 상이할 수 있다.
상기 멤브레인 소자의 면적은, 각각 복수의 전기신호에 포함되는 피크성분의 주파수 대역에 대응할 수 있다.
상기 트랜스듀서부는, 상기 음향신호에 따라 진동하면서 압력 변화에 대응하여 전기신호를 출력하는 피에조 소자를 포함하는 하나 이상의 트랜스듀서를 포함할 수 있다.
상기 트랜스 듀서로부터 복수의 전기신호를 입력받아 각각 서로 다른 특정 주파수 대역으로 필터링하고, 필터링된 신호를 전기신호로서 상기 결합부로 전달하는 변환부를 더 포함할 수 있다.
상기 변환부는, 상기 트랜스듀서로부터 상기 전기신호를 입력받아 각각 서로 다른 하나의 피크성분에 해당하는 주파수 대역만 통과시켜 상기 결합부에 입력하는 복수의 필터를 포함할 수 있다.
제 1 항에 있어서, 상기 제1 도메인 신호는 타임 도메인(Time-domain) 신호이고, 상기 제2 도메인 신호는 프리퀀시 도메인(Frequency-domain) 신호일 수 있다.
상기 분석대상은 피검체의 체내에 포함되는 혈당이고, 상기 진단부는 상기 공진피크의 진폭에 대응하여 혈당량을 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, MEMS 공정으로 제조된 멤브레인 소자가 탑재되는 광음향 진단 장치에 관한 것으로, 피검체로부터 방사된 초음파 신호를 수신하여 공진피크를 검출하기 위한 트랜스듀서에 고가의 FFT 등을 탑재하거나 스펙트럼 애널라이저를 이용하는 것이 아닌, 서로 다른 공진주파수가 설정된 복수의 트랜스듀서를 통해 복수의 공진피크를 검출하고 이를 조합하여 혈당 등에 대한 분석을 수행함으로써, 구현이 용이하고 저비용으로도 높은 정확도를 갖는 분석결과를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광음향 진단 장치에 적용된 광음향 진단 기술을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광음향 진단 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광음향 진단 장치에 탑재되는 멤브레인 소자의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광음향 진단 장치에 의한 데이터 처리 방식을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광음향 진단 장치의 필터 적용에 따른 데이터 처리 방식을 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
또한, 다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광음향 진단 장치를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광음향 진단 장치에 적용된 광음향 진단 기술을 나타내는 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광음향 진단 장치는, 크게 피검체의 표면에 레이저 펄스(laser pulse)를 조사하는 광학수단과, 조사된 레이저 펄스가 피부조직 내부의 혈관(blood vessel)내 또는 간질액 내 헤모글로빈 등에 흡수됨에 따라 방사되는 초음파(ultrasound waves)을 검출하는 검출수단을 포함할 수 있다.
여기서, 광학수단은 적외선 광을 출력하는 광학부로 구현될 수 있고, 검출수단은, 초음파 신호를 수신하여 특정 공진피크를 검출하는 복수의 트랜스듀서 등으로 구현될 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광음향 진단 장치의 구조를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 광음향 진단 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 광음향 진단 장치(100)는, 피검체에 광을 조사하는 광원부(110), 조사됨에 따라 상기 피검체로부터 방사되는 음향신호를 수신하여 제1 도메인 신호 형태인 복수의 전기신호를 출력하는 트랜스듀서부(120), 복수의 전기신호를 입력받아 각각 서로 다른 특정 주파수 대역으로 필터링하여 각각 하나의 피크성분을 포함하는 복수의 필터링 신호를 출력하는 필터링 변환부(130), 복수의 필터링 신호를 수신하고, 각 복수의 필터링 신호를 주파수 대역에 따라 결합하여 제2 도메인 신호 형태인 하나의 결합신호를 출력하는 결합부(140) 및, 결합신호에 포함되는 하나 이상의 공진피크의 주파수를 통해 피검체의 분석대상과 관련된 하나 이상의 특성을 판단하는 진단부(150)를 포함할 수 있다.
광원부(110)는 광음향 진단 장치의 일측에 배치되고, 고체 레이저 반도체 레이저 또는 LED 등의 광(ls)을 출사할 수 있는 소정의 적외선 발광수단을 포함할 수 있다. 이러한 광원부(110)는 진단을 위해 피검체 표면을 향해 레이저 광(ls)을 조사함으로써, 비침습식으로 피검체 내부의 분석대상의 분사를 진동시켜 그 진동에 의한 초음파 신호의 방사를 유발시키게 된다.
트랜스듀서부(120)는 압전형 또는 정전형을 비롯하여 자기형 또는 광학형 등, 다양한 방식의 트랜스듀서가 이용될 수 있으며, 검출하고자 하는 주파수 특성에 따라 복수의 트랜스듀서(122)로 구현될 수 있다.
이중, 압전형의 경우 복수의 트랜스듀서(122)는 진동하면서 압력 변화로 초음파와 전기적 신호를 상호 변환시키는 피에조(Piezo) 소자를 포함하는 압전형 초음파 트랜스듀서(piezoelectric micromachined ultrasonic transducer; pMUT)가 이용될 수 있고, 정전형의 경우 정전 용량의 변화로 초음파와 전기적 신호를 상호 변환시키는 멤브레인(Membrane) 소자를 포함하는 정전 용량형 초음파 트랜스듀서(capacitive micromachined ultrasonic transducer; cMUT)가 이용될 수 있다.
여기서, 멤브레인 소자는 멤브레인 막과, 그 멤브레인 막과 소정거리 이격되어 서로 대응하는 위치에 배치한 구조로 형성될 수 있고, 이러한 구조를 통해 피검체 내부로부터 방사되는 초음파 신호를 수신하고 그 정전용량의 변화에 따라 측정신호를 출력할 수 있다. 이러한 멤브레인 소자에 대한 구체적 설명은 후술한다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 트랜스듀서(122)는 복수개(#1 ~ #n, n은 자연수)가 탑재될 수 있고, 각각 서로 다른 공진피크를 검출하도록 검출 주파수 대역이 다르게 설정되어 있는 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 피검체로부터 방사되는 초음파 신호(UW)는 각 트랜스듀서(122)의 멤브레인 소자에 의해 수신된다. 이때, 각 멤브레인 소자는 수신한 초음파 신호에 대응하여 정전용량이 변하게 되며, 각 트랜스듀서(122)는 정전용량의 변화량을 측정하여 멤브레인 소자의 면적에 대응하는 서로 다른 주파수 대역의 하나 이상의 피크성분을 포함하는 전기신호(TD)를 변환부(130)로 출력할 수 있다. 여기서, 전술한 전기신호(TD)는 타임 도메인(Time-Domain) 형태의 신호가 된다.
변환부(130)는 복수의 트랜스듀서(122)에 설정된 주파수 대역에 각각 대응하는 복수의 필터(132)를 포함할 수 있다. 트랜스듀서부(120)로부터 출력되는 타임 도메인 신호(TD)는 하나 이상의 피크(peak)성분 및 노이즈(noise)성분이 포함될 수 있고, 변환부(130)에 포함되는 복수의 필터는 그 타임 도메인 형태의 전기신호(TD)를 입력받아 필터링 과정을 통해 각 필터(132)에 설정된 특정 주파수 대역만을 포함하는 필터링 신호(FD)를 출력하게 된다. 이에 따라, 각 필터링 신호(FD)는 서로 다른 대역이며 하나의 공진피크를 포함할 수 있다.
이러한 변환부(130)는, 설계자의 의도에 따라 광음향 진단 장치에 포함되어 전술한 전기신호(TD)를 필터링하거나, 또는 생략될 수 있다.
그리고, 일례로서 전술한 트랜스듀서(122) 및 필터(132)는 각각 6개 정도가 탑재될 수 있고, 이러한 경우 트랜스듀서부(120)는 6개의 공진피크를 검출할 수 있다.
결합부(140)는 변환부(130)로부터 출력되는 필터링 신호(FD)를 입력받아 하나의 신호로 결합할 수 있다. 각 필터링 신호(FD)는 하나의 공진피크를 포함할 수 있고, 이를 주파수 대역에 따라 순차적으로 결합하여 하나의 결합신호를 생성할 수 있다. 생성된 결합신호는 진단부(150)로 출력될 수 있고, 이러한 결합신호는 프리퀀시 도메인(Frequency-domain) 형태의 신호가 된다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 광음향 진단 장치(100)는 별도의 FFT 회로 또는 스펙트럼 애널라이저를 이용하지 않고 타임 도메인 형태의 신호를 프리퀀시 도메인 형태의 신호를 출력할 수 있다.
진단부(150)는 결합부(140)로부터 출력되는 결합신호에 존재하는 하나 이상의 공진피크의 진폭을 측정하여 진단을 수행할 수 있다. 일례로서 체내에 적외선 레이저를 조사한 경우에 발생하는 광음향 신호는 혈당이 갖는 주요한 특성을 나타낸다. 즉, 체내에 레이저를 조사하였을 때 6개의 주요한 공진피크가 검출될 경우, 체내 혈당이 존재함을 알 수 있고, 이러한 6개의 공진피크의 진폭이 클수록 혈당의 양이 많은 것으로 판단할 수 있다.
진단부(150)는 진폭의 분석결과에 따른 진단정보(Inf)를 생성하여 디스플레이 등을 통해 수치 데이터 또는 그래프 형태 등의 제공할 수 있다.
전술한 구조에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 광음향 진단 장치는 서로 다른 대역의 공진주파수를 검출하는 MEMS 방식의 트랜스듀서를 복수개 탑재하여 각 트랜스듀서에 의해 하나 이상의 공진피크를 검출하고, 그 진폭을 통해 피검체의 혈당량과 같은 진단정보를 생성함으로써, 종래 하나의 검출수단을 통해 초음파 신호를 수신하고, 이를 FFT, 스펙트럼 애널라이저 등을 통해 프리퀀시 주파수로 변환함에 따른 장치 구현 난이도 상승 및 고비용 발생 등의 문제를 극복할 수 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광음향 진단 장치에 정전방식이 적용된 경우, 이용되는 트랜스듀서인 멤브레인 소자 구조의 일 예를 통해 본 발명의 기술적 사상을 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광음향 진단 장치에 탑재되는 멤브레인 소자의 단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 트랜스듀서 내 탑재되는 반도체 기판(210)은 공지의 반도체 물질, 예컨대 실리콘, 게르마늄 및 실리콘-게르마늄 등을 포함할 수 있다. 이러한 반도체 물질은 도전성을 갖도록 n형 또는 p형으로 도핑될 수 있으며, 반도체 기판(210)은 반도체 웨이퍼를 소정 두께로 가공한 기판일 수 있다.
그리고, 반도체 기판(210)의 전면으로 식각방지층(21)을 형성될 수 있다. 이러한 식각방지층(215)은 실리콘 질화물(silicon nitride), 예컨대 Si3N4을 포함할 수 있으며, 화학기상증착(chemical vapor deposition; CVD)법, 일례로서 저진공 CVD(LP CVD) 또는 플라즈마 강화 CVD(PE CVD)법에 의해 형성될 수 있다.
그리고, 식각 방지층(215) 상에 멤브레인막(220)이 형성될 수 있다. 일례로서, 화학기상증착(CVD)법으로 식각방지층(215)상에 전면으로 멤브레인막(220)이 증착될 수 있다. 멤브레인막(220)은 실리콘 질화물(silicon nitride), 예를 들면 Si3N4을 포함할 수 있다.
또한, 식각방지층(215)를 포함하여 반도체 기판(210)의 일부 영역은 마스크를 이용한 식각공정을 통해 식각되어 개구부가 형성될 수 있다.
이러한 개구부는 포토리소그래피 및 식각공정을 통해 형성될 수 있다. 일례로서, 식각공정은 이방성 식각 특성을 갖는 플라즈마 건식 식각, 예컨대 반응성 이온 에칭(RIE)법에 의해 수행될 수 있다.
그리고, 멤브레인막(220) 상에는 절연층(225)이 형성될 수 있으며, 절연층(225)상에는 멤브레인막(220)의 일부영역을 노출하는 식각홀이 형성될 수 있다. 이러한 식각홀은 포토리소그래피 및 식각 기술을 이용하여 형성될 수 있다.
그리고, 식각홀상에는 전극(235)이 형성되어 트랜스듀서부에 포함되는 ROIC(Read Out Intergrate Circuit)과 전기적으로 연결되어 정전용량의 측정될 수 있도록 구성된다.
또한, 멤브레인막(220)의 상부로는, 소정거리(d) 이격되어 복수의 어쿠스틱 홀(Acoustic Hole)이 형성된 백 플레이트(Back Plate; 230)가 배치될 수 있다. 백 플레이트(230)는 멤브레인막(220)과 직접적으로 연결되지 않음에 따라 캐패시터를 이루게 되고, 이후 백 플레이트(230)의 상부로 초음파 신호(UW)가 도달하면, 어쿠스틱 홀을 지나 멤브레인막(220)이 진동하여 백 플레이트(230)와의 이격거리(d)가 변화함에 따라 ROIC에서 정전용량(C)의 변화량을 측정하게 된다.
또한, 도시되어 있지는 않지만 백 플레이트(230)도 정전용량(C)의 측정을 위해 별도의 전극을 통해 ROIC와 연결될 수 있다.
여기서, 서로 대향하는 멤브레인막(220) 및 백 플레이트(230)간에 의해 형성되는 정전용량은 멤브레인 소자의 정전용량(C)은 멤브레인 및 백 플레이트(230)의 단면적이 'S', 이격거리가 'd' 및, 유전율을 'ε'라 할 때, 이하의 수학식 1을 만족한다.
Figure PCTKR2023004203-appb-img-000001
따라서, 초음파 신호(UW)가 백 플레이트(230)에 도달하여 멤브레인막(220)에 진동이 발생하고, 이에 따라 정전용량(C)의 변화량을 측정함으로써 초음파 신호(UW)에 대한 타임 도메인 신호를 생성할 수 있다.
또한, 도시되어 있지는 않지만, 본 발명의 일 실시예에 따르면 트랜스듀서에 전술한 정전형 멤브레인 소자를 대체하여 압전형 피에조 소자가 이용될 수도 있으며, 이러한 경우 ROIC는 압전형 피에조 소자의 압력 변화를 측정하여 초음파 신호(UW)에 대한 타임 도메인 신호를 생성할 수 있도록 구성될 수 있다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광음향 진단 장치에서 신호처리 절차를 수행하는 방법을 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광음향 진단 장치에 의한 데이터 처리 방식을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광음향 진단 장치의 필터 적용에 따른 데이터 처리 방식을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 일반적으로 피검체에 조사된 레이저 광에 의해 방사되는 초음파 신호는 타임 도메인 신호로서, FFT 회로 등을 이용하여 프리퀀시 주파수 신호로 변환하는 경우, [S1]에 예시된 바와 같이, 특정 주파수 대역에서 하나 이상의 공진피크(A, B, C) 성분이 존재하게 된다. 이러한 공진피크(A, B, C)의 형태는 체내 혈당과 관련이 있으며, 이러한 공진피크(A, B, C)를 검출함으로써 피검체의 혈당을 진단할 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 광음향 장치는 결합부를 통해 공진피크를 결합 또는 조합하여 측정결과를 개선할 수 있으며, [S2]에 예시된 바와 같이, 각 공진피크(A, B, C)에 해당하는 주파수에 포함된 신호지점을 결합하여 혈당 밀도의 측정이 가능함과 아울러 그 결과를 개선할 수 있다.
또한, 도 5를 참조하면 전술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 광음향 진단 장치에서 수신하는 초음파 신호는 타임 도메인 신호로서, 이를 분석하기 위해서는 프리퀀시 도메인 신호의 형태로 변화가 요구된다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따르면, 신호변환을 위한 DFT 또는 FFT 회로를 이용하지 않고, 복수의 측정기(트랜스듀서 및 필터)를 이용하여 입력되는 타임 도메인 신호에서 각각 서로 다른 주파수 대역에서 나타나는 피크성분을 측정 및 필터링하여 분석에 필요한 대역의 신호만을 출력하게 된다.
또한, 각 필터링된 신호는 다시 주파수 대역에 따라 분석을 위한 하나의 신호로 결합될 수 있다. 만약 3개의 측정기를 이용한다고 하면, 3개의 공진피크를 갖는 결합신호가 생성될 수 있고, 이러한 결합신호는 FFT 회로를 통해 변환된 신호는 아니나 프리퀀시 도메인 형태로서 파형 분석에 이용될 수 있다.
상기한 설명에 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나 이것은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 발명은 설명된 실시예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위에 균등한 것에 의하여 정하여져야 한다.

Claims (9)

  1. 피검체에 광을 조사하는 광원부;
    조사됨에 따라 상기 피검체로부터 방사되는 음향신호를 수신하여 각각 하나 이상의 피크성분을 포함하는 제1 도메인 신호 형태인 복수의 전기신호를 출력하는 트랜스듀서부;
    복수의 전기신호를 전달받고, 각 복수의 전기신호를 주파수 대역에 따라 결합하여 제2 도메인 신호 형태인 하나의 결합신호를 출력하는 결합부; 및
    상기 결합신호에 포함되는 하나 이상의 공진피크의 주파수를 통해 피검체의 분석대상과 관련된 하나 이상의 특성을 판단하는 진단부
    를 포함하는 광음향 진단 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 트랜스듀서부는,
    상기 음향신호에 따라 정전용량이 변하는 멤브레인 소자를 포함하는 하나 이상의 트랜스듀서; 및
    상기 멤브레인 소자와 전기적으로 연결되어 상기 정전용량을 측정하는 측정부
    를 포함하는 광음향 진단 장치.
  3. 제 2 항에 있어서
    상기 트랜스듀서부는 하나의 어레이를 이루는 복수의 트랜스듀서를 포함하고,
    상기 복수의 트랜스듀서는,
    각각 멤브레인 소자의 면적이 서로 상이한 것인, 광음향 진단 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 멤브레인 소자의 면적은,
    각각 복수의 전기신호에 포함되는 피크성분의 주파수 대역에 대응하는 것인, 광음향 진단 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 트랜스듀서부는,
    상기 음향신호에 따라 진동하면서 압력 변화를 감지하는 피에조 소자를 포함하는 하나 이상의 트랜스듀서; 및
    상기 피에조 소자와 전기적으로 연결되어 상기 압력 변화를 측정하는 측정부
    를 포함하는 광음향 진단 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 트랜스 듀서로부터 복수의 전기신호를 입력받아 각각 서로 다른 특정 주파수 대역으로 필터링하고, 필터링된 신호를 전기신호로서 상기 결합부로 전달하는 변환부
    를 더 포함하는 광음향 진단 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 변환부는,
    상기 트랜스듀서로부터 상기 전기신호를 입력받아 각각 서로 다른 하나의 피크성분에 해당하는 주파수 대역만 통과시켜 상기 결합부에 입력하는 복수의 필터
    를 포함하는 광음향 진단 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중, 어느 하나의 항에 있어서,
    제 1 항에 있어서,
    상기 제1 도메인 신호는 타임 도메인(Time-domain) 신호이고, 상기 제2 도메인 신호는 프리퀀시 도메인(Frequency-domain) 신호인 것인, 광음향 진단 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 분석대상은 피검체의 체내에 포함되는 혈당이고,
    상기 진단부는,
    상기 공진피크의 진폭에 대응하여 혈당량을 측정하는 것인, 광음향 진단 장치.
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