의료 영상진단용 초음파 프로브를 위한 멀티레벨 음향 프레넬 렌즈에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 의료 영상진단용 초음파 프로브의 송수신 감도를 개선하기 위하여 광학분야 등에서 응용되고 있는 회절식 렌즈의 종류와 특징을 파악하고 음향렌즈에 도입하였으며, 회절식 렌즈중에서 MAFL의 회절효율이 가장 우수함을 파악하였다. 실제 의료 영상진단을 위한 초음파 프로브에 MAFL을 적용하기 위하여 음향렌즈를 비롯한 초음파 프로브 설계를 위한 각종 재료들의 물성치를 측정하고, 이를 바탕으로 위상 레벨이 2~64인 MAFL을 설계하였으며, 설계한 MAFL에 의한 방사음장 특성은 공간 펄스응답법을 이용하여 해석하였다. 또한, 위상 레벨이 64인 경우에 대하여 KLM모델을 이용한 등가회로 해석을 수행하여 임펄스 응답특성 및 전기적인 임피던스-위상특성을 해석하고 종래의 RAL과의 특성차이를 파악하였다. 그런 다음 MAFL의 설계, 음장해석결과 및 임펄스 응답특성과 전기적인 특성을 검증하기 위하여 F#가 2.73이고 위상 레벨이 64인 MAFL을 적용한 5MHz의 선형 배열형 프로브를 설계, 제작하고 특성평가를 수행하였다. 먼저 임펄스 응답특성 및 전기적인 임피던스-위상 특성을 평가한 결과 전반적으로 이론치와 잘 일치함을 확인하였으며, 종래의 RAL를 적용한 프로브 와 임펄스 응답특성을 비교한 결과 MAFL의 송수신 감도가 RAL의 송수신 감도에 비해서 약 1.4dB 더 우수하고, 주파수는 0.2MHz 더 높은 것으로 측정되어 MAFL을 적용함으로써 송수신 감도 향상 및 동작 주파수 저하를 개선할 수 있음을 확인하였다. 방사음장 특성에서는 -3dB를 기준으로한 초점심도(depth of focus)를 비교한 결과 MAFL이 RAL에 비해서 약 2mm 정도 더 우수한 것으로 측정되었고, 프로브 표면에서부터 거리에 따른 빔폭을 비교한 결과에서는 초점영역에서는 MAFL에 의한 빔폭이 더 넓지만 프로브 표면으로부터 거리가 멀어질수록 빔폭의 변화는 더 적은 것으로 측정되었으며, 방사축에서 멀어질수록 상대음압은 MAFL에서 더 높은 것으로 나타났다. 또한, 상용 초음파 영상진단 시스템을 이용하여 획득한 영상을 비교한 결과 MAFL을 적용한 시제품의 영상이 종래의 RAL을 사용하여 획득한 영상에 비해 약간 더 밝은 것으로 나타났으며, USQA를 이용하여 정량적인 비교를 수행한 결과 축(axial)방향 해상도는 RAL에 의한 것보다 전반적으로 약간 떨어지나 측(azimuth)방향 해상도는 초점 이후의 영역에서 MAFL에 의한 영상이 약간 더 우수한 것으로 나타났다. 그 이외의 고대비 감도 및 저대비 감도는 MAFL이 더 우수하거나 유사한 것으로 분석되어 의료 영상진단용 초음파 프로브에서 MAFL의 응용 가능성과 유용성을 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 MAFL을 도입함으로써 RAL에 비해서 펄스길이와 비대역 특성이 저하되는 것으로 나타났지만 앞으로 최적화 과정을 수행함으로써 이러한 특성을 개선시킬 수 있을 것으로 판단하며, 향후 각종 의료용 초음파 프로브 개발자에게 가장 까다로운 음향렌즈 재료의 선정에 있어 많은 시간과 비용을 줄여줄 뿐만 아니라 나아가 초음파 및 그 응용분야의 발전에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

Since image quality is the most important parameter for medical diagnostic ultrasonic imaging systems, the ultrasonic probe is one of the most critical parts on the image quality. The loop sensitivity of the probe is one of important characteristics and the higher loop sensitivity is required to compensate the ultrasound attenuation in human body. The materials of acoustic lens such as silicone and polyurethane are also very lossy so that sensitivity reduction and frequency shift are not avoidable in the conventional refractive acoustic lenses(RAL). To overcome these problems, multilevel acoustic Fresnel lenses(MAFL) is proposed for the medical diagonostic imaging ultrasonic probes. A linear array probe with 64 phase MAFL is designed and fabricated in this study. The probe has the design parameters of 5MHz in center frequency, 68.2 mm in field of view, 30 mm in focal length, and 11mm in elevation aperture width. The characteristics of impulse response, acoustic fields and image qualities of the probe are compared with those of RAL. The theoretical estimations of acoustic fields are obtained using the spatial pulse response method which makes it possible to investigate the effects of various excitation signals on the pressure distribution, and impulse response and input impedance are calculated using the KLM equivalent circuit model. The results show that center frequency, loop sensitivity and focal depth of the MAFL probe are increased by approximately 0.2MHz, 1.4dB, and 2mm, respectively than those of the RAL probe. Consequently, it was shown that the brighter acoustic images with higher lateral resolution and the enhanced image qualities for the deeper targets can be obtained by the MAFL probe. These results confirm the advantages of the MAFL, and suggest that the developed simulation model can serve as a valuable tool to design an ultrasonic probe for medical diagnostic imaging.