KR101840523B1 - 압전소자의 분극 역전을 이용하여 제조된 혈관 내 초음파 변환자 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 압전소자의 분극 역전을 이용하여 제조된 혈관 내 초음파 변환자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제 1 압전소자와 제 2 압전소자 간의 분극 역전을 통하여 생성된 역전층, 역전층의 일면에 접합된 정합층 및 역전층의 타면에 접합된 흡음층을 포함하고, 정합층에는 제 1 압전소자와 제 2 압전소자로부터 발생될 초음파 빔의 전부 또는 일부의 차단을 방지하기 위하여 신호선이 소정의 영역에 부착되어 있고, 역전층의 위치와 두께 조절을 통해 고주파수 광대역 특성 및 다중주파수 고조파 특성이 동시에 나타나는 초음파 변환자를 개시한다.
Description
본 발명은 혈관 내에 삽입되는 혈관 내부 진단용 초음파(intravascular ultrasound: IVUS) 변환자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압전소자의 분극 역전을 통하여 역전층을 생성하고, 생성된 역전층의 위치 및 비율을 조절함으로써 초음파 변환자가 서로 다른 특성을 나타낼 수 있는 역전층 구조를 동시에 갖도록 하고, 초음파 빔의 감도 손실 및 빔의 왜곡현상을 방지하기 위해 초음파 빔이 발생될 압전소자의 면적을 최대로 유지하면서 효율적으로 전극을 연결할 수 있는 혈관 내 초음파 변환자의 제조 방법 및 그 초음파 변환자에 관한 것이다.
IVUS 기술은 환자의 혈관 내부에 소형 초음파 변환자를 직접 삽입하여 혈관 내부 영상을 획득하고 이를 영상화하는 기법으로, 심혈관 질병 진단 시 임상 의사에게 진단 및 치료에 유용한 정보를 제공할 수 있다.
IVUS 변환자를 이용한 진단 시, 보다 정확한 진단을 위해 IVUS 영상의 해상도 향상이 필요하며 이를 위해 초음파 변환자의 주파수 대역폭 및 기본주파수 증대가 필요하다. 이 외에도 구부러진 혈관에서 발생하는 에일리어싱(aliasing)이나 질병으로 인해 좁아진 혈관을 통과하기 위해 작은 구경(aperture) 크기가 요구된다.
일반적으로 사용되는 PZT 및 단결정(single crystal) 계열의 압전소자는 홀수 두께 모드 진동(odd-order thickness mode excitation)만 발생하며, 이로 인해 광대역 주파수 범위를 갖는데 다소 한계가 있다. 또한 기본주파수가 증가할수록 압전소자의 두께가 얇아지기 때문에 압전 효과의 효율이 감소하고 얇은 두께로 인해 부서지기 쉬워 고주파 초음파 변환자 제조에 어려움이 있다.
IVUS 변환자는 해상도 증대 외에도 질병으로 인해 좁아진 혈관을 통과해야 하기 때문에 일반적으로 1 mm 이하의 구경 크기를 만족해야 한다. 이를 위해 단일 소자를 이용한 IVUS 변환자가 많이 사용되고 있으며, 혈관 내벽 영상을 획득하기 위해 2000 rpm 이상으로 360도(°) 회전한다.
초음파 변환자는 크게 압전소자, 정합층, 그리고 흡음층으로 나뉠 수 있으며 단일 소자 IVUS 변환자 구동을 위해 주로 전기전도성을 갖는 정합층 및 흡음층을 사용하여 전극을 연결한다. 전극을 연결하는 방법은 통상적으로 정합층과 흡음층을 각각 신호선과 음극선에 연결하는 방법이 사용된다. 이 경우 음극선 연결 시, 전기전도성을 띠는 접착제를 사용하여 초음파 변환자 스택을 하우징에 고정하기 때문에 흡음층과 하우징이 자연스럽게 연결되면서 접지(ground) 된다. 하지만 정합층을 신호선과 연결할 때, 전기전도성을 갖는 정합층에 전선을 부착하게 되며, 이로 인해 초음파 빔이 발생하는 압전소자 일부분을 전선 및 전기전도성을 띠는 접착제가 차지함으로써 초음파 빔이 송수신되는 면적이 감소하고, 전체적으로 송수신되는 초음파 빔의 왜곡현상이 발생한다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로서, 단일 또는 다중 압전소자를 이용하여 역전층의 기법을 IVUS 변환자에 적용함으로써 서로 다른 역전층의 특성(예컨대, 고주파수 광대역 특성, 다중주파수 고조파 특성)을 동시에 갖도록 한다. 이를 통해 IVUS 영상의 해상도를 향상시키고, 동시에 효율적인 전극 연결 방법을 사용함으로써 초음파 빔이 발생하는 압전소자 면적을 최대로 유지하여 초음파 송수신 감도 감소 현상 및 초음파 빔의 왜곡 현상을 최소화하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자의 분극 역전을 이용하여 제조된 혈관 내 초음파 변환자는, 제 1 압전소자와 제 2 압전소자 간의 분극 역전을 통하여 생성된 역전층, 역전층의 일면에 접합된 정합층 및 역전층의 타면에 접합된 흡음층을 포함하고, 정합층에는 제 1 압전소자와 제 2 압전소자로부터 발생될 초음파 빔의 전부 또는 일부의 차단을 방지하기 위하여 신호선이 소정의 영역에 부착되어 있고, 역전층의 위치와 두께 조절을 통해 고주파수 광대역 특성 및 다중주파수 고조파 특성이 동시에 나타날 수 있다.
또한, 초음파 변환자에 포함되는 압전소자는 다중 압전소자이며, 동일한 압전소자 또는 각기 다른 종류의 압전소자일 수 있다.
또한, 초음파 변환자는 고주파수 광대역 특성 및 다중주파수 고조파 특성을 갖도록 다중 압전소자의 형태로 제조 가능하고, 제 1 압전소자와 제 2 압전소자의 극 방향은 상호 반대가 되도록 접합될 수 있다.
초음파 변환자는 고주파수 광대역 특성 및 다중주파수 고조파 특성을 동시에 갖도록 단일 압전소자의 형태 또는 다중 압전소자의 형태로 제조 가능하고, 제 1 압전소자와 제 2 압전소자에 의하여 생성되는 역전층의 위치와 전체 압전소자 두께에 대한 비율은 상이할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자의 분극 역전을 이용하여 제조된 혈관 내 초음파 변환자는, 상이한 특성의 역전층의 구조를 갖도록 생성된 복수개의 압전소자들, 압전소자들과 접합된 정합층 및 압전소자들과 접합된 흡음층을 포함하고, 압전소자들은 나란히 교번하여 배열되어 있으며, 상이한 특성은 고주파수 광대역 특성 또는 다중주파수 고조파 특성을 포함하고, 정합층에는 복수개의 압전소자들로부터 발생될 초음파 빔의 전부 또는 일부의 차단을 방지하기 위하여 신호선이 소정의 영역에 부착되어 있고, 초음파 변환자에 포함될 역전층의 구조의 개수는 초음파 변환자 제조를 위한 절삭 간격에 기초하여 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자의 나란히 교번하여 배열된 압전소자들에는 정합층 및 흡음층이 접합되기 전에 금 및 크롬이 도금되어 있을 수 있다.
또한, 역전층의 구조를 갖도록 초음파 변환자의 제 1 압전소자와 제 2 압전소자는 소정의 폭의 블레이드를 이용하여 각각 절삭되고 절삭에 의하여 생성된 공간끼리 서로 맞물려 접합되며, 소정의 폭은 제 1 압전소자와 제 2 압전소자 각각에 대한 블레이드의 미접촉 폭과 동일하거나 상이할 수 있다.
초음파 변환자에 포함된 흡음층 및 정합층의 재료, 두께 또는 형태에 따라 기본주파수 및 대역폭의 조정이 가능할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소정의 영역은 역전층에 인접하여 결합된 치폭의 면적에 상응하는 영역일 수 있다.
또한, 상이한 특성을 갖는 분극 역전의 구조가 생성되도록 복수개의 압전소자들은 랩핑되기 전에 절삭되고, 절삭된 공간에 대하여는 비전도성 물질이 이용되어 치폭이 생성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자는 하우징과 결합 가능하고, 하우징과 결합 시, 신호선은 비전도성 물질이 충진된 치폭 영역만큼의 정합층 영역에 전기전도성 접착제를 통하여 부착되고, 음극선은 흡음층, 하우징 또는 회전 샤프트에 부착될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 정합층에는 오목 렌즈 또는 볼록 렌즈가 부착되거나 프레스트 포커싱(pressed focusing) 기법에 의하여 오목면이 생성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자는 하우징과 결합 시, 하우징의 측면, 전면 또는 소정의 각도로 기울어져 결합될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자의 분극 역전을 이용하여 혈관 내 초음파 변환자를 제조하기 위한 방법은, 제 1 압전소자와 제 2 압전소자의 극 방향을 초음파 에너지가 진행하는 방향으로 동일하게 위치하도록 정렬시키고, 제 1 압전소자와 제 2 압전소자를 적어도 하나 이상의 기둥 형태를 포함하도록 절삭하는 단계, 절삭된 제 1 압전소자와 제 2 압전소자가 분극 역전되어 역전층을 형성하도록 서로 마주하여 접합하는 단계, 접합으로 형성된 역전층의 상면 및 하면을 랩핑(lapping)하는 단계, 랩핑된 상면에 정합층을 접합하고, 랩핑된 하면에 흡음층을 접합하는 단계 및 정합층과 흡읍층이 접합된 소자 결합체를 소정의 간격으로 절삭하는 단계를 포함하고, 기둥 형태를 포함하도록 절삭된 제 1 압전소자와 제 2 압전소자의 접합 공간에는 비전도성 물질이 충진되어 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, IVUS 변환자 및 그 제조 방법에 있어서 단일 또는 다중 압전소자를 이용하여 서로 다른 특성(예컨대, 고주파수 광대역 특성, 다중주파수 고조파 특성) 동시에 갖도록 하기 위한 역전층을 이용함으로써 혈관 내 초음파 영상의 해상도를 증가시킬 수 있다.
또한, 효율적인 전극 연결 방법을 통해 초음파 빔이 발생하는 압전소자의 면적을 최대로 유지하여 초음파 송수신 감도를 향상시키고 및 초음파 빔의 왜곡 현상을 최소화 할 수 있다.
도 1은 단일 압전소자를 사용한 일반적인 압전소자의 구조와 분극역전층을 포함하는 구조를 나타낸다.
도 2는 다중 압전소자를 이용한 비분극역전 및 분극역전 구조를 나타낸다.
도 3은 도 1과 도 2의 구조에 대한 전기적 임피던스 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자의 구조에 대하여 FEM을 이용하여 펄스-반향(pulse-echo) 시뮬레이션을 수행한 결과를 나타낸다.
도 5는 다중 압전소자를 이용하여 역전층을 갖는 IVUS 변환자 제조 과정을 나타낸다.
도 6은 압전소자 층에 단일 치폭이 포함된 IVUS 스택의 측면도 및 평면도를 나타낸다.
도 7은 압전소자 층에 복수개의 치폭들 포함된 IVUS 스택의 측면도 및 평면도를 나타낸다.
도 8은 정합층에 렌즈가 부착된 예시적인 초음파 변환자를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자와 하우징의 결합 상태를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 초음파 변환자를 이용하여 초음파 영상을 획득하기 위한 시스템의 블록도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 압전소자의 분극 역전을 이용하여 혈관 내 초음파 변환자를 제조하기 위한 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 다중 압전소자를 이용한 비분극역전 및 분극역전 구조를 나타낸다.
도 3은 도 1과 도 2의 구조에 대한 전기적 임피던스 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자의 구조에 대하여 FEM을 이용하여 펄스-반향(pulse-echo) 시뮬레이션을 수행한 결과를 나타낸다.
도 5는 다중 압전소자를 이용하여 역전층을 갖는 IVUS 변환자 제조 과정을 나타낸다.
도 6은 압전소자 층에 단일 치폭이 포함된 IVUS 스택의 측면도 및 평면도를 나타낸다.
도 7은 압전소자 층에 복수개의 치폭들 포함된 IVUS 스택의 측면도 및 평면도를 나타낸다.
도 8은 정합층에 렌즈가 부착된 예시적인 초음파 변환자를 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자와 하우징의 결합 상태를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 초음파 변환자를 이용하여 초음파 영상을 획득하기 위한 시스템의 블록도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 압전소자의 분극 역전을 이용하여 혈관 내 초음파 변환자를 제조하기 위한 방법을 나타낸 순서도이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하고, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
명세서 전체에서 "초음파 영상"이란 초음파의 산란, 반사, 굴절 원리를 이용하여 획득된 대상체에 대한 영상을 의미한다.
명세서 전체에서 "사용자"는 의료 전문가로서 의사, 간호사, 임상 병리사, 의료 영상 전문가 등이 될 수 있으며, 의료 장치를 수리하는 기술자가 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서 "대상체"는 신체의 일부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 대상체에는 혈관, 간, 심장, 자궁, 뇌, 유방, 복부 등의 장기가 포함될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
초음파 영상의 해상도 향상은 초음파 변환자의 주파수 대역폭 및 기본주파수 증가 외에 인체 내 조직의 비선형성(non-linearity)에 의해 발생하는 고조파 주파수 성분을 이용하여 획득할 수 있으며, 고조파 주파수는 초음파 변환자에서 송신되는 기본주파수의 정수배의 주파수 성분을 갖는다. 다시 말해서, 수신되는 초음파는 송신된 초음파보다 높은 주파수 성분을 갖게 된다. 따라서 조직의 비선형성을 이용하는 고조파 영상의 경우 보다 향상된 해상도를 갖는 영상을 얻을 수 있다. 하지만 송수신되는 변환자가 하나일 경우 일반적인 압전소자를 이용한 초음파 변환자는 기본주파수를 중심으로 주파수 대역폭의 한계가 있기 때문에 고조파 주파수 성분을 효과적으로 수신할 수 없다. 이러한 한계로 인해 고주파수 광대역 및 다중주파수 고조파 특성을 갖는 초음파 변환자 제조를 위한 다양한 연구가 진행되었으며, 그 중에서 LiNbO3(lithium niobate)에 분극(polarization) 역전층(inversion layer)을 생성함으로써 역전층의 위치 및 비율에 따라 고주파수 광대역 특성 및 다중주파수 고조파 특성을 갖도록 하는 압전소자 연구가 활발히 진행되고 있다. 역전층이란 초음파를 송수신하는 압전소자 내에 분극 방향이 서로 반대되는 두 개의 영역(domain)이 존재할 때, 두 영역 중 전체 압전소자 두께(t)에서 차지하는 영역이 적은 층(t1)을 역전층이라 한다. 역전층을 이용한 초음파 변환자의 경우 역전층의 위치 및 비율에 따라 압전소자의 특성이 달라지며, 역전층의 위치에 따라 전면(front-side) 역전층과 후면(backside) 역전층으로 나뉠 수 있다. 역전층이 초음파 빔이 전파되는 매질에 가까이 위치할 경우 전면 역전층이라고 하며, 전체 압전소자에 대한 역전층의 두께가 0.3의 비율을 가질 때 가장 넓은 주파수 대역폭 및 전체 두께에 대해 1.5배 높은 중심 주파수를 갖는다. 역전층이 흡음층과 가까운 부분에 위치할 경우 후면 역전층이라고 하며, 이 경우 0.3 비율일 때 전체 두께에 대한 기본주파수의 1.5배 되는 부분에서 삽입 손실(insertion loss)이 가장 커지고 전체 두께에 대해 기본주파수와 고조파 주파수 성분이 비슷하게 발생한다. 따라서 기본주파수와 고조파 주파수 사이의 대역폭 밸리(valley)를 이용하여 고조파 주파수 성분을 용이하게 추출하고 향상된 고조파 주파수 성분을 이용하여 고조파 영상에 효과적으로 사용될 수 있다. 이 외에도 역전층의 두께가 전체 압전소자 두께의 절반을 차지할 경우, 반 두께 역전층(half thickness inversion)이라고 하며 전면 역전층과 유사하게 고주파수 광대역 특성을 가지며, 발생하는 중심 주파수는 기본주파수의 2배이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자의 분극 역전을 이용하여 혈관 내 초음파 변환자를 제조 방법에 대하여 개략적으로 설명하면 다음과 같다: 벌크(bulk) 형태를 갖는 압전소자 두 개의 단일 또는 다중 압전소자를 준비한다. 이 때 압전소자의 전면과 후면에는 전극이 위치하며, 전극이 없을 경우 추가적으로 금/크롬 도금(Gold/Chromium sputtering)을 통해 전극을 생성할 수 있다. 준비한 압전소자 두 개는 각각 수십에서 수백 마이크로미터 폭을 갖는 블레이드(blade)를 사용하여 기계적 서브다이싱(subdicing)을 하며, 사용되는 블레이드 폭은 블레이드가 지나가지 않은 폭과 동일하거나 더 넓은 것을 사용할 수 있다. 기계적 다이싱은 레이저 다이싱, 또는 MEMS(microelectromechanical system) 기술로 대체될 수 있다. 블레이드가 지나간 자리는 도금이 벗겨진 상태이며, 서브 다이싱 과정을 마친 두 개의 압전소자는 에폭시와 같은 비전도성 접착제를 이용하여 서로 분극 방향이 마주보게 접합한다. 이 때, 블레이드가 지나간 자리에 남아 있는 공간은 에폭시로 채워져 일종의 치폭(kerf)을 형성한다. 접합된 압전소자의 전면과 후면은 원하는 기본주파수를 갖도록 랩핑(lapping) 하며, 압전소자의 전면과 후면의 랩핑 정도를 다르게 하여 전면 역전층과 후면 역전층의 비율을 동일하게 제조하거나 또는 서로 다른 비율을 갖는 역전층을 생성할 수도 있다. 접합된 압전소자는 서로 다른 유형의 역전층을 구분하기 위해 랩핑 전에 서브다이싱 과정이 추가될 수 있다. 서브다이싱 과정이 추가될 경우 최종적으로 완성되는 IVUS 스택은 2-2 복합체(composite)형태를 가질 수 있다. 압전소자를 원하는 두께로 랩핑 후, 매질에 대한 초음파 빔의 전파 효율을 높이기 위해 압전소자 전면에 정합층을 부착하고 주파수에 맞게 다시 랩핑한다. 흡음층 역시 동일한 방법으로 압전소자 후면에 부착한 뒤 랩핑을 통해 원하는 두께로 제조한다.
사용되는 정합층 및 흡음층은 전기전도성을 가지며, 전기전도성이 없는 물질을 사용할 경우 부착 전에 금/크롬 도금 작업이 추가될 수 있다. 벌크 형태의 IVUS 스택이 완성되면, 컷팅 다이싱(cutting dicing) 작업을 통해 적어도 두 개 이상의 서로 다른 역전층 유형을 갖는 소자를 포함하는 다수의 IVUS 파트를 획득한다. 획득된 IVUS 파트는 두 개의 압전소자 접합 시 발생하는 치폭을 가지고 있다. 치폭의 상단과 하단에 맞닿은 압전소자 면은 서브 다이싱을 통해 도금이 벗겨진 상태로, 전극이 인가되더라도 구동되지 않는다. 따라서 이 부분은 신호선을 연결하기 위한 면적으로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자 제조 방법 및 그 초음파 변환자는 서로 다른 특성을 갖는 역전층을 동시에 사용함으로써 기본주파수보다 높은 중심 주파수를 발생과 주파수 대역폭 증대를 통한 IVUS 영상의 해상도 향상에 기여할 수 있으며, 전극 연결 시 실제 동작하는 압전소자 영역을 침범하지 않으므로 IVUS 초음파 빔의 감도 저하 및 빔의 왜곡현상을 효과적으로 방지할 수 있다. 다시 말해서, 본 발명의 일 실시예로써 역전층의 위치 및 비율 조절을 통해 압전소자가 고주파수 광대역 특성과 다중주파수 고조파 특성을 모두 갖고 동시에 효율적인 전극 연결 방법을 통해 IVUS 영상의 해상도를 향상시키고, 초음파 빔의 송수신 감도 저하와 초음파 빔의 왜곡 현상을 최소화할 수 있는 IVUS용 변환자의 제조 방법 및 그 초음파 변환자가 제공될 수 있다.
도 1은 단일 압전소자를 사용한 일반적인 압전소자의 구조와 분극역전층을 포함하는 구조를 나타낸다.
도 1은 단일 압전소자(3)를 사용한 일반적인 압전소자 구조와 분극역전층이 있는 구조를 나타낸다. 도 1의(a)는 기존에 사용되고 있는 일반적인 압전소자 구조로 압전소자 내에 하나의 분극 방향(2)이 존재하는 비분극역전 구조이다. 도 1의(b) 내지(d)는 역전층이 존재하는 분극역전 구조로, 각각 전면 분극역전 구조, 후면 분극역전 구조, 그리고 반 두께 분극역전 구조를 나타내며, 분극역전 구조는 압전소자 내에 분극 방향이 다른 두 개의 영역이 존재하고 각 영역의 분극 방향은 서로 마주보는 형태를 갖는다. 분극역전 구조를 갖는 압전소자의 특성은 역전층의 비율 및 위치에 따라 달라진다. 역전층이 초음파 빔의 진행방향(1)에 가까이 있는 경우 전면 역전층이라 하고 고주파수 광대역 특성을 가지며, 역전층이 흡음층과 가까이 있는 경우 후면 역전층이라 하고 다중주파수 고조파 특성을 갖는다.
도 2는 다중 압전소자를 이용한 비분극역전 및 분극역전 구조를 나타낸다.
본 발명 일 실시예에 따른 압전소자의 성능을 검증하기 위해 FEM(finite element method) 시뮬레이션을 수행하였으며, 비교 차원에서 시도한 다양한 구조의 압전소자는 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같다. 시뮬레이션에서 사용한 단일 압전소자(3)는 LiNbO3 이며 다중 압전소자의 경우 PMN-PT(4)와 PZT-5H(5)를 사용하였다. 다중 압전소자를 이용한 경우 각 압전소자의 위치는 고정되어 있으며, PMN-PT(4)는 흡음층(11) 가까이 위치하고 PZT-5H(5)는 초음파 빔이 나가는(1) 매질과 인접해 있다. 본 발명의 성능 검증을 위한 시뮬레이션에서 서로 다른 분극 역전구조를 동시에 구동하기 위해 전면 분극역전 구조와 반 두께 분극역전 구조를 동시에 선택하였으며, 전면 분극역전 구조의 경우 분극역전의 비율은 0.3 이다. 사용되는 역전층 비율은 이에 한정되지 않고 다양한 비율이 사용될 수 있으며, 사용되는 분극 역전구조 역시 전면 분극역전 구조/후면 분극역전 구조 또는 후면 분극역전 구조/반 두께 분극역전 구조 등과 같이 다른 조합으로 설계될 수 있다. 도 2의(a)와(d)는 전체 압전소자 두께에 대해 PMN-PT(4)의 비율이 높을 때, 비분극역전 구조 및 분극역전 구조를 나타낸 것이며, (b)와(e)는 전체 압전소자 두께에 대해 PZT-5H(5)의 비율이 높을 때, 비분극역전 구조 및 분극 역전구조를 나타낸 것이다. 즉, 도 2의(d)는 전면 역전층 구조에서 PZT-5H가 역전층인 경우이며, 도 2의(e)는 후면 역전층 구조에서 PMN-PT가 역전층인 경우이다. 도 2의(c)와(f)는 PMN-PT와 PZT-5H의 두께가 동일할 때 비분극역전 구조 및 분극역전 구조를 나타낸다.
도 3은 도 1과 도 2의 구조에 대한 전기적 임피던스 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 3의(a)는 LiNbO3(3)를 이용하여 도 1에 나타난 구조를 바탕으로 시뮬레이션 한 결과이며, 도 3의(b) 내지(d)는 PMN-PT(4)와 PZT-5H(5)를 이용하여 도 2에 나타난 구조를 바탕으로 시뮬레이션 한 결과이다. 도 3의(b)는 도 2의(a)와(d) 구조의 시뮬레이션 결과이며, 도 3의(c)와(d)는 각각 도 2의(b)와(e) 그리고 도 2의(c)와(f)의 구조를 시뮬레이션을 한 결과이다. 각 결과는 모두 비분극역전 구조에서 고조파 주파수 성분이 발생하지 않았으며, 분극역전 구조에서는 고조파 주파수 성분이 발생하였다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자의 구조에 대하여 FEM을 이용하여 펄스-반향(pulse-echo) 시뮬레이션을 수행한 결과를 나타낸다.
도 4의(a)는 LiNbO3(3)을 사용했을 때 분극역전의 유무에 따른 펄스-반향 시뮬레이션 결과를 나타낸 것으로 각 그래프는 비분극역전 구조일 경우, 전면 분극역전 구조 일 경우, 후면 분극역전 구조일 경우, 반 두께 분극역전 구조일 경우, 그리고 전면 역전층과 반 두께 역전층을 모두 갖는 소자를 구동한 다중 분극역전 구조일 경우를 한꺼번에 도시한 것이다. 비분극역전 구조에서 주파수 스펙트럼의 진폭을 -40 dB까지 확인한 결과 고조파 주파수 성분이 발생하지 않은 것을 알 수 있다. 반면 전면 역전층을 이용한 분극역전 구조일 경우, 전체 두께에 대해 기본주파수가 약 1.5배 증가되었으며, -6 dB 대역폭이 비분극역전 구조와 비교했을 때 증가하는, 즉 광대역 폭을 가짐을 알 수 있다. 후면 역전층을 이용한 분극역전 구조일 경우, 전체 두께에 대한 기본주파수 성분은 비분극역전 구조와 유사하게 발생하면서 기본주파수 성분과 유사한 진폭을 갖는 고조파 주파수 성분이 발생함을 알 수 있다. 다시 말해서, 후면 역전층을 이용한 분극역전 구조는 비분극역전 구조 대비 유사한 기본주파수 성분을 가지면서도 고조파 주파수 성분이 크게 향상되어 고조파 영상 구현에 용이하게 사용될 수 있으며, 동시에 기본주파수 성분과 고조파 주파수 성분 사이의 밸리(valley)를 이용하여 필터링(filtering) 효과를 증가시킬 수 있다. 반 두께 분극역전 구조의 경우, 중심 주파수는 기본주파수의 2배로 측정되어 고주파수 초음파 변환자 제조에 유용하게 사용될 수 있다. 전면 역전층과 반 두께 역전층을 동시에 갖는 소자를 구동한 경우, 중심 주파수는 기본주파수의 2배보다 조금 높은 지점에서 발생하였으며, 주파수 대역폭의 경우 반 두께 분극역전 구조보다 증가하였다.
도 4의(b)는 다중 압전소자(예컨대, PMN-PT(4)와 PZT-5H(5))를 이용한 비분극역전 구조에서 도 2의(a) 내지 (c) 구조일 때 FEM 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 시뮬레이션 결과 두 경우 모두 기본주파수 성분만 발생하였으며, 기본주파수 성분의 증가 현상이나 고조파 주파수 성분 발생 현상은 나타나지 않았다. 도 4의(c)는 분극역전 구조일 때 도 2의(d) 내지 (f)와 같이 PZT-5H 전면 역전층 구조, PMN-PT 후면 역전층 구조, 반 두께 분극역전 구조와 추가적으로 전면 분극역전 구조와 반 두께 분극역전 구조를 동시 구동하는 구조에 대해 펄스-반향 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 각 그래프는 전면 분극역전 구조, 후면 분극역전 구조, 반 두께 분극역전 구조, 그리고 전면 분극역전 구조와 반 두께 분극역전 구조를 동시에 구동하는 구조의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 단일 압전소자 분극구조를 이용한 시뮬레이션 결과와 유사하게 전면 분극역전 구조일 경우 중심 주파수가 전체 두께에 대한 기본주파수 대비 1.5배 증가하였으며, -6 dB 대역폭이 비분극역전 구조와 비교했을 때 증가하였으며, 후면 분극역전 구조일 경우 비분극역전 구조 대비 기본주파수 성분 및 이와 유사한 진폭을 갖는 고조파 주파수 성분이 발생하였다. 반 두께 분극역전 구조의 경우 기본주파수의 2배가 되는 지점에서 중심 주파수가 발생하였으며, 주파수 대역폭은 전면 분극역전 구조와 후면 분극역전 구조의 주파수 대역폭의 사이 값을 가졌다. 전면 역전층과 반 두께 역전층을 동시에 갖는 분극역전 구조의 경우 중심 주파수가 기본주파수의 2배보다 약간 증가된 지점에서 발생하였으며, -6 dB 주파수 대역폭 또한 비분극역전 구조보다 증가함을 알 수 있다. 이를 통해 본 발명은 동일 압전소자 또는 다중 압전소자를 사용하여 서로 다른 특성(예컨대, 고주파수 광대역 특성, 다중주파수 고조파 특성)을 동시에 갖는 IVUS 변환자 제조가 가능함을 알 수 있다.
도 5는 다중 압전소자를 이용하여 역전층을 갖는 IVUS 변환자 제조 과정을 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 단일 압전소자를 사용해도 무방하다. 본 발명은 광대역 고주파수 특성을 갖는 소자인 전면 역전층과 반 두께 역전층을 순차적으로 배열한 뒤 각 특징을 갖는 소자가 적어도 하나 이상 포함되도록 컷팅 다이싱을 함으로써 하나의 IVUS 변환자가 서로 다른 유형의 역전층을 동시에 갖고, 이를 동시에 동작함으로써 광대역 고주파수 특성을 획득할 수 있다. 이 때 역전층의 유형은 전면 역전층과 반 두께 역전층 외에 전면 역전층과 후면 역전층 또는 서로 다른 역전층 비율을 갖는 전면 역전층 등과 같이 다양한 역전층 유형을 조합하여 사용할 수 있다. 이와 동시에 초음파 빔이 발생하는 압전소자의 면적을 최대로 유지하면서 신호선 연결 면적을 확보함으로써, 초음파 빔의 감도 손실 및 빔의 왜곡현상을 방지할 수 있는 IVUS 제조 방법에 관한 것이다.
먼저, 도 5의(a)와 같이 제 1 압전소자(4)와 제 2 압전소자(5)의 분극 방향을 초음파 빔이 진행하는 방향으로 정렬하고, (b)와 같이 제 1 블레이드(Blade)(6)를 이용하여 서브 다이싱을 할 수 있다. 이 때, 제 1 압전소자(5)와 제 2 압전소자(5)의 종류는 동일하거나 서로 다른 물질을 사용해도 무방하다. 서브 다이싱이 된 압전소자들은 (c)와 같이 분극 방향이 서로 마주보게 정렬한 뒤 접착제를 이용하여 접합할 수 있다. 접합하는 두 압전소자는 서로 완전히 포개지지 않도록 살짝 어긋나게 접합함으로써 서브다이싱 시 다이싱 위치를 제공할 수 있다. (d)는 접착된 압전소자들을 나타내며 제 1 블레이드의 폭은 블레이드가 지나가지 않은 너비보다 넓은 것을 사용하여 부착 면 사이에 일종의 치폭(kerf)(7)과 같은 공간을 확보할 수 있다. 제 1 블레이드의 폭이 블레이드가 지나가지 않은 너비와 동일할 경우, 추가적인 서브다이싱을 통해 각 소자를 구분할 수 있다. 부착된 압전소자는 (e)의 압전소자 랩핑 선(8)에 맞춰 압전소자의 위, 아래를 랩핑할 수 있다. 위, 아래의 랩핑하는 두께를 서로 다르게 조절하여 사용자의 목적에 맞게 역전층 조합을 선택할 수 있다. 랩핑이 완료된 압전소자는 (f)와 같이 정합층(9)을 부착하고 (g)와 같이 정합층 랩핑 선(10)에 맞춰 랩핑한다. 정합층 랩핑이 끝나면, 정합층 부착 과정과 동일하게 흡음층(11)을 부착(h)하고, 흡음층 랩핑 선(12)에 맞춰서 랩핑할 수 있다(i). 도 5의 (j)는 완성된 벌크 형태의 IVUS 스택이며, 제 2 블레이드(13)를 이용하여 서로 다른 유형의 역전층 구조가 적어도 한 세트 이상 포함되도록 가로 및 세로로 컷팅 다이싱을 할 수 있다(k,l). 컷팅 다이싱의 위치는 신호선 연결 면적을 확보하기 위해 치폭이 한 쪽으로 치우쳐진 위치 또는 치폭의 가운데 있어도 무방하다. 도 5의 (m)은 컷팅 다이싱이 완료된 결과 및 이를 통해 제조가 완성된 IVUS 스택(14)을 나타낸다.
완성된 IVUS 스택에서 치폭(7)이 있는 부분은 서브 다이싱으로 인해 전극이 없는 상태이므로, 정합층과 연결된 신호선(15) 에서 신호가 발생할 경우, 치폭의 위, 아래에 위치한 압전소자 면적은 구동하지 않는다. 따라서 치폭이 차지하는 면적에 신호선을 연결하며 이를 통해 신호선 및 신호선 연결을 위한 접착제(16)로 인해 IVUS 초음파 빔의 감도 감소 및 빔의 왜곡현상을 방지할 수 있다.
도 6은 압전소자 층에 단일 치폭이 포함된 IVUS 스택의 측면도 및 평면도를 나타낸다. 도 7은 압전소자 층에 복수개의 치폭들이 포함된 IVUS 스택의 측면도 및 평면도를 나타낸다. 다시 말해서, 도 6은 압전소자 층에 치폭이 한 부분만 있는 상태를 나타내고, 도 7은 도 5의(d)에서 추가적인 서브다이싱 공정이 적용된 경우를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자의 분극 역전을 이용하여 제조된 혈관 내 초음파 변환자는, 제 1 압전소자와 제 2 압전소자 간의 분극 역전을 통하여 생성된 역전층, 역전층의 일면에 접합된 정합층 및 역전층의 타면에 접합된 흡음층을 포함하고, 정합층에는 제 1 압전소자와 제 2 압전소자로부터 발생될 초음파 빔의 전부 또는 일부의 차단을 방지하기 위하여 신호선이 소정의 영역에 부착되어 있고, 역전층의 위치와 두께 조절을 통해 고주파수 광대역 특성 및 다중주파수 고조파 특성이 동시에 나타날 수 있다.
또한, 초음파 변환자에 포함되는 압전소자는 다중 압전소자이고, 동일한 압전소자 또는 각기 다른 종류의 압전소자일 수 있다.
또한, 초음파 변환자는 고주파수 광대역 특성 및 다중주파수 고조파 특성을 갖도록 다중 압전소자의 형태로 제조 가능하고, 제 1 압전소자와 제 2 압전소자의 극 방향은 상호 반대가 되도록 접합될 수 있다.
초음파 변환자는 고주파수 광대역 특성 및 다중주파수 고조파 특성을 동시에 갖도록 단일 압전소자의 형태 또는 다중 압전소자의 형태로 제조 가능하고, 제 1 압전소자와 제 2 압전소자에 의하여 생성되는 역전층의 위치와 전체 압전소자 두께에 대한 비율은 상이할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자의 분극 역전을 이용하여 제조된 혈관 내 초음파 변환자는, 상이한 특성의 역전층의 구조를 갖도록 생성된 복수개의 압전소자들, 압전소자들과 접합된 정합층 및 압전소자들과 접합된 흡음층을 포함하고, 압전소자들은 나란히 교번하여 배열되어 있으며, 상이한 특성은 고주파수 광대역 특성 또는 다중주파수 고조파 특성을 포함하고, 정합층에는 복수개의 압전소자들로부터 발생될 초음파 빔의 전부 또는 일부의 차단을 방지하기 위하여 신호선이 소정의 영역에 부착되어 있고, 초음파 변환자에 포함될 역전층의 구조의 개수는 초음파 변환자 제조를 위한 절삭 간격에 기초하여 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자의 나란히 교번하여 배열된 압전소자들에는 정합층 및 흡음층이 접합되기 전에 금 및 크롬이 도금되어 있을 수 있다.
또한, 역전층의 구조를 갖도록 초음파 변환자의 제 1 압전소자와 제 2 압전소자는 소정의 폭의 블레이드를 이용하여 각각 절삭되고 절삭에 의하여 생성된 공간끼리 서로 맞물려 접합되며, 소정의 폭은 제 1 압전소자와 제 2 압전소자 각각에 대한 블레이드의 미접촉 폭과 동일하거나 상이할 수 있다.
초음파 변환자에 포함된 흡음층 및 정합층의 재료, 두께 또는 형태에 따라 기본주파수 및 대역폭의 조정이 가능할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소정의 영역은 역전층에 인접하여 결합된 치폭의 면적에 상응하는 영역일 수 있다.
또한, 상이한 특성을 갖는 분극 역전의 구조가 생성되도록 복수개의 압전소자들은 랩핑되기 전에 절삭되고, 절삭된 공간에 대하여는 비전도성 물질이 이용되어 치폭이 생성될 수 있다.
도 8은 정합층에 렌즈가 부착된 예시적인 초음파 변환자를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법으로 제조된 초음파 변환자의 초음파 빔 감도 향상 및 해상도 증대를 위해 도 8에서와 같이 렌즈가 부착될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 정합층에는 오목 렌즈 또는 볼록 렌즈가 부착되거나 프레스트 포커싱(pressed focusing) 기법에 의하여 오목면이 생성될 수 있다. 렌즈는 오목 렌즈(17) 및 볼록 렌즈(18)가 사용될 수 있으며, 이 외에도 동일한 효과를 얻기 위해 프레스트 포커싱(pressed focusing) 기법이 사용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자와 하우징의 결합 상태를 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자는 하우징과 결합 가능하고, 하우징과 결합 시, 신호선은 비전도성 물질이 충진된 치폭 영역만큼의 정합층 영역에 전기전도성 접착제를 통하여 부착되고, 음극선은 흡음층, 하우징 또는 회전 샤프트에 부착될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 변환자는 하우징과 결합 시, 하우징의 측면, 전면 또는 소정의 각도로 기울어져 결합될 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 방법으로 제조된 IVUS 스택(14)을 하우징(19)에 고정하기 위해 실버 에폭시와 같이 전기전도성을 갖는 접착제(16)를 사용할 수 있다. IVUS 스택(14)은 카테터(23) 말단에 위치한 하우징(19)과 부착되며, 하우징(19)은 회전 샤프트(21)와 연결되어 있어 음극선(20)을 흡음층(11), 하우징(19), 또는 회전 샤프트(21) 중 한 파트에만 연결시키면 변환자(34)에 신호를 인가할 수 있다. 동축 케이블(22)의 신호선(15)과 음극선(20)은 하우징(19)과 연결된 회전 샤프트(21) 내부에 외치하고 카테터 구동부(27)에 의해 혈관 내부에서 후진 및 360° 회전을 통해 혈관 내벽 영상을 획득할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 초음파 변환자를 이용하여 초음파 영상을 획득하기 위한 시스템의 블록도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 방법으로 제조된 IVUS 변환자(34)는 서로 다른 특성을 갖는 역전층 특성을 적어도 하나 이상 가지며, 컷팅 다이싱의 위치를 조절하여 소자의 개수를 조절해서 제조가 가능하다. 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 IVUS 변환자(34)를 적용시킨 시스템은 화면 표시부(24), 제어부(25), 초음파 변환자 구동부(26), 카테터 구동부(27), 카테터(23)로 구성된다. 먼저, 혈관 내에 삽입된 카테터(23)는 영상화하고자 하는 혈관 내부에 위치할 수 있다. 제어부(25)는 신호를 신호발생부(28)를 제어하여 사용자의 목적에 따라 기본주파수 또는 기본주파수의 2배가 되는 주파수 성분 및 세기에 대응하는 전기적 송신신호를 발생시킬 수 있다. 송신 주파수는 이에 국한되지 않고 기본주파수와 기본주파수의 2배가 되는 주파수 사이의 값을 가질 수 있다. 송신된 신호는 송신증폭부(29)에서 증폭되어 IVUS 변환자(34)에 인가되며 IVUS 변환자(34)를 통해 전기적 신호는 초음파 신호로 변환되어 대상체에 조사될 수 있다. 대상체에서 반사된 초음파는 다시 IVUS 변환자(34)를 통해 초음파 신호가 전기적 신호로 변환되며 수신증폭부(30)를 통해 신호가 증폭되고, 신호처리부(31)를 거쳐 화면에 영상으로 표시될 수 있다. 여기서 화면표시부는(24) 예를 들어 CRT 모니터, LCD 모니터, LED 모니터 등이 사용될 수 있다. 카테터 구동부(27)는 모터부(32)와 풀백시스템(33)으로 구성되며, 모터부(32)를 통해 360°회전시키고, 풀백시스템(33)을 통해 카테터(23)를 혈관 내에서 일정한 속도로 후진 시킬 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 압전소자의 분극 역전을 이용하여 혈관 내 초음파 변환자를 제조하기 위한 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 압전소자의 분극 역전을 이용하여 혈관 내 초음파 변환자를 제조하기 위한 방법은, 제 1 압전소자와 제 2 압전소자의 극 방향을 초음파 에너지가 진행하는 방향으로 동일하게 위치하도록 정렬시키고, 제 1 압전소자와 제 2 압전소자를 적어도 하나 이상의 기둥 형태를 포함하도록 절삭하는 단계(S100), 절삭된 제 1 압전소자와 제 2 압전소자가 분극 역전되어 역전층을 형성하도록 서로 마주하여 접합하는 단계(S200), 접합으로 형성된 역전층의 상면 및 하면을 랩핑하는 단계(S300), 랩핑된 상면에 정합층을 접합하고, 랩핑된 하면에 흡음층을 접합하는 단계(S400) 및 정합층과 흡읍층이 접합된 소자 결합체를 소정의 간격으로 절삭하는 단계(S500)를 포함하고, 기둥 형태를 포함하도록 절삭된 제 1 압전소자와 제 2 압전소자의 접합 공간에는 비전도성 물질이 충진되어 있을 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 초음파 빔의 진행 방향 2: 분극 방향
3: 단일 압전소자 4: 제 1 압전소자
5: 제 2 압전소자 6: 제 1 블레이드
7: 치폭 8: 압전소자 랩핑 선
9: 정합층 10: 정합층 랩핑 선
11: 흡음층 12: 흡음층 랩핑 선
13: 제 2 블레이드 14: IVUS 스택
15: 신호선 16: 전기전도성 접착제
17: 오목 렌즈 18: 볼록 렌즈
19: 하우징 20: 음극선
21: 회전 샤프트 22: 동축 케이블
23: 카테터 24: 화면 표시부
25: 제어부 26: 초음파 변환자 구동부
27: 카테터 구동부 28: 신호발생부
29: 송신증폭부 30: 수신증폭부
31: 신호처리부 32: 모터부
33: 풀백시스템 34: 초음파 변환자
3: 단일 압전소자 4: 제 1 압전소자
5: 제 2 압전소자 6: 제 1 블레이드
7: 치폭 8: 압전소자 랩핑 선
9: 정합층 10: 정합층 랩핑 선
11: 흡음층 12: 흡음층 랩핑 선
13: 제 2 블레이드 14: IVUS 스택
15: 신호선 16: 전기전도성 접착제
17: 오목 렌즈 18: 볼록 렌즈
19: 하우징 20: 음극선
21: 회전 샤프트 22: 동축 케이블
23: 카테터 24: 화면 표시부
25: 제어부 26: 초음파 변환자 구동부
27: 카테터 구동부 28: 신호발생부
29: 송신증폭부 30: 수신증폭부
31: 신호처리부 32: 모터부
33: 풀백시스템 34: 초음파 변환자
Claims (14)
- 압전소자의 분극 역전을 이용하여 제조된 혈관 내 초음파 변환자에 있어서,
제 1 압전소자와 제 2 압전소자 간의 분극 역전을 통하여 생성된 역전층;
상기 역전층의 일면에 접합된 정합층; 및
상기 역전층의 타면에 접합된 흡음층을 포함하고,
상기 정합층에는 상기 제 1 압전소자와 상기 제 2 압전소자로부터 발생될 초음파 빔이 신호선에 의해 방해받는 것을 방지하기 위해 신호선 부착 영역이 소정의 영역으로 제한되고,
상기 역전층의 위치와 두께가 상이한 서로 다른 유형의 역전층 구조를 갖는 역전층 열(column)이 상기 초음파 변환자 내에서 교번하여 배열되도록 상기 제 1 압전소자와 상기 제 2 압전소자가 상호 접합되어 형성되어 있으며,
상기 서로 다른 유형의 역전층 구조가 적어도 한 세트 이상 포함되고, 상기 서로 다른 유형의 역전층 구조에 의하여 고주파수 광대역 특성 및 다중주파수 고조파 특성이 동시에 나타나는 초음파 변환자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 초음파 변환자에 포함되는 상기 압전소자는 다중 압전소자이고, 동일한 압전소자 또는 각기 다른 종류의 압전소자인 초음파 변환자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 초음파 변환자는 상기 고주파수 광대역 특성 및 다중주파수 고조파 특성을 갖도록 다중 압전소자의 형태로 제조 가능하고, 상기 제 1 압전소자와 상기 제 2 압전소자의 극 방향은 상호 반대가 되도록 접합되는 것인 초음파 변환자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 초음파 변환자는 상기 고주파수 광대역 특성 및 다중주파수 고조파 특성을 동시에 갖도록 단일 압전소자의 형태 또는 다중 압전소자의 형태로 제조 가능하고, 상기 제 1 압전소자와 상기 제 2 압전소자에 의하여 생성되는 상기 역전층의 위치와 전체 압전소자 두께에 대한 비율이 상이한 초음파 변환자.
- 압전소자의 분극 역전을 이용하여 제조된 혈관 내 초음파 변환자에 있어서,
역전층의 위치와 두께가 상이한 서로 다른 유형의 역전층 구조를 갖도록 생성된 복수개의 압전소자들;
상기 압전소자들과 접합된 정합층; 및
상기 압전소자들과 접합된 흡음층을 포함하고,
상기 서로 다른 유형의 역전층 구조를 갖는 역전층 열(column)이 상기 초음파 변환자 내에서 교번하여 배열되도록 상기 압전소자들이 상호 접합되고,
상기 서로 다른 유형의 역전층 구조가 적어도 한 세트 이상 포함되고, 상기 서로 다른 유형의 역전층 구조에 의하여 고주파수 광대역 특성 및 다중주파수 고조파 특성이 동시에 나타나며,
상기 정합층에는 상기 복수개의 압전소자들로부터 발생될 초음파 빔이 신호선에 의해 방해받는 것을 방지하기 위해 신호선 부착 영역이 소정의 영역으로 제한되고,
상기 초음파 변환자에 포함될 상기 역전층의 구조의 개수는 상기 초음파 변환자 제조를 위한 절삭 간격에 기초하여 결정되는 것인 초음파 변환자.
- 제 5 항에 있어서,
상기 교번하여 배열된 압전소자들에 상기 정합층 및 흡음층이 접합되기 전에 금 및 크롬이 도금된 것인 초음파 변환자.
- 제 5 항에 있어서,
상기 역전층의 구조를 갖도록 제 1 압전소자와 제 2 압전소자는 소정의 폭의 블레이드를 이용하여 각각 절삭되고 상기 절삭에 의하여 생성된 공간끼리 서로 맞물려 접합되며,
상기 소정의 폭은 상기 제 1 압전소자와 상기 제 2 압전소자 각각에 대한 상기 블레이드의 미접촉 폭과 동일하거나 상이한 것인 초음파 변환자.
- 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 초음파 변환자에 포함된 흡음층 및 정합층의 재료, 두께 또는 형태에 따라 기본주파수 및 대역폭의 조정이 가능한 것을 특징으로 하는 초음파 변환자.
- 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 소정의 영역은 상기 역전층에 인접하여 결합된 치폭의 면적에 상응하는 영역인 초음파 변환자.
- 제 9 항에 있어서,
상이한 특성을 갖는 분극 역전의 구조가 생성되도록 복수개의 압전소자들은 랩핑되기 전에 절삭되고, 절삭된 공간에 대하여 비전도성 물질이 이용되어 치폭이 생성된 초음파 변환자.
- 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 초음파 변환자는 하우징과 결합 가능하고,
상기 하우징과 결합 시, 상기 신호선은 비전도성 물질이 충진된 치폭 영역만큼의 상기 정합층 영역에 전기전도성 접착제를 통하여 부착되고, 음극선은 상기 흡음층, 상기 하우징 또는 회전 샤프트에 부착되는 초음파 변환자.
- 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 정합층에는 오목 렌즈 또는 볼록 렌즈가 부착되거나 프레스트 포커싱(pressed focusing) 기법에 의하여 오목면이 생성될 수 있는 초음파 변환자.
- 제 11 항에 있어서,
상기 초음파 변환자는 상기 하우징과 결합 시, 상기 하우징의 측면, 전면 또는 소정의 각도로 기울어져 결합되는 초음파 변환자.
- 압전소자의 분극 역전을 이용하여 혈관 내 초음파 변환자를 제조하기 위한 방법에 있어서,
제 1 압전소자와 제 2 압전소자의 극 방향을 초음파 에너지가 진행하는 방향으로 동일하게 위치하도록 정렬시키고, 상기 제 1 압전소자와 상기 제 2 압전소자를 적어도 하나 이상의 기둥 형태를 포함하도록 절삭하는 단계;
상기 절삭된 제 1 압전소자와 상기 제 2 압전소자가 분극 역전되어 역전층을 형성하도록 서로 마주하여 접합하는 단계;
상기 접합으로 형성된 역전층의 상면 및 하면을 랩핑(Lapping)하는 단계;
상기 랩핑된 상면에 정합층을 접합하고, 상기 랩핑된 하면에 흡음층을 접합하는 단계; 및
상기 정합층과 흡읍층이 접합된 소자 결합체를 소정의 간격으로 절삭하는 단계를 포함하고,
상기 기둥 형태를 포함하도록 절삭된 제 1 압전소자와 제 2 압전소자의 접합 공간에는 비전도성 물질이 충진되어 있는 방법.
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| KR1020150170822A KR101840523B1 (ko) | 2015-12-02 | 2015-12-02 | 압전소자의 분극 역전을 이용하여 제조된 혈관 내 초음파 변환자 및 그 제조 방법 |
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