A Study on the Design of an Annular Array Transducer for Ultrasonic Hyperthermia

主음파 Hyperthermia용 동심환 변환기의 설계에 관한 연구

37

조음파 Hyperthermia ^{용 동심 환}

변환기의 설계에 관한 연구

A Study on the Design of an Annular Array Transducer for Ultrasonic

Hyperthermia

* 조 영 환(Cho, Y. H.)

** 성 굉 모(Sung, K. M.)

요 약

초음파

Hyperthermia

본 논문에서는 초음파

Hyperthermia

118mm,

320kHz

지탈 위상 조절 회로를 설계, 제작하였으며 실험 결과, 위상차를 갖는 신司를 발생시킬 수 있었다.

ABSTRACT

In clinical application of ultrasonic hyperthermia, selective heating of tumor is essential and thus precise control of ultrasonic intensity in both tumor and normal tissue is needed.

In this paper, an annular array transducer for ultrasonic hyperthermia is designed and profiles of the focused ultrasound beam is estimated by computer simulation and compared with those of other trans­

ducers. The designed transducer is 118mm in diameter and operated at 320kHz and is made of 12 con­

centric annular elements.

* 서울대色丄고丄 전사넝•흐* *괴 서 사과성

* 서울대학교 전자공학과 교수

38

巻

The focal length and focal region can be varied in this paper.

by digital phase control circuit which is proposed

I•서 론

Hyperthermia

초음파, 전자파,

에너지를

정상온도보

높은 온도

50°C

켜

치료하는 방법이다⑴.

초음파는 인체내에 서

이 므로

〜

MHz 범위

충분한 에너

가능하며 체내에서의 음속이 1500ni/s

도이므로 파장이

〜

심충부에 위치한

가능하며,

집속시킬

있는 장점을 갖고

있다⑵.

초음파

hyperthermia

위해서는 정상 세포에

않으면서 종양부위만을적

온도로

한다.

초음파

perthermia

에너지를 종양부위에만

있어야

좃점거리와 집속범위를 조절할

있는

바람직증卜다.

본 논문에

서는

변환기로 서 촛점거리오卜

조절

있는 동심환

퓨터 모의실험을 통해

실제

n. 동심환 배열변혼卜기

1.

현재 주로

물질에는 천연

세라믹 (piezoceramic), 그리고 고분자

인

는데

thermia에서는 높은

가하므로

효율이

좋은 압전

일종인 PZT (lead zir­

conite

사용한다.

를

변환기에는

크게

있는데,

에 너지를 국부적으로

으므로

피부암의 치료에만 사용한다⑶.

이런 단점때문에 Fessenden 등은

여 러

사용한

변환기

hyperthermia에 이용하였다⑷. 다중 변환기는

개의

평판

중첩시 켜

기를

것이 다.

러나

촛점거 리를

조절하

용이하게 조절할

없는

있다.

오복형 변환기 (concave

transducer)

가능하나 촛점거리와 집속범위를 기계적으로 조절해야

갖는다⑸.

이러한 단점을

극복하기

촛점거리를 전자적 으로

려 면

열변환기를

변환

위

변혼k

array

⑹오卜

동심환 배

(phased

annular

선 형

동심환

변환기

비

복잡하며

test),

초음파를

동심환 배

PZT에 동심환의 배

만들어 각 요소에 적

위상차를 주어

음파를

동심환

변환기

것이다.

여기서 각 요소의

위상차는

같이

다(그

초음파

Hyperthermia

39

그림 1 동심환 배열변환기 시스템.

그림 2 동심환 배열변환기의 위상차.

위상차 二

代 （

）

fo

a :

방사면까지의

이와같은 동심환 배열변환기는 다음과 같은

있다.

•

신호의 위상을

자유로운

가능하다.

•

•선형 배열변환기에

비해 부수되는

간단

2.

회로

동심환

촛점에 에너지를

키 기

열요소의 입 력

조절하는

이

중요하며

리를

변시키기 위해서는

위상차를

이러한

위상 조절을

흔히

수 있는

그림 3

위상

회로를

즉,

변환기의 동작주파수보다 높은 주파수의

럭을

데이

Transducer array element

N

Transducer array

1

그림 3 위상 조절 회로.

40

號(

안 녕

A

0E-R

i- . i

J_____ ___ L_

1 _____

V

化-6 2E-H SECONDS

BUF. A 1

S i- O A

(1E-*. 豊:-6 4E-6

SECONDS

1 I I

_____ 1

6 4 2 o 9- 4

SI-OA

BUF. B2

T

_____ L—

OE-6 'SECONDS 1H-6

(a) 동위 상

LI

SI-9

--

BUF. B?

C i \ r 1

f \ 1

IE-6 SECONDS

(b)

BUF. A 1 BUF. A 1

OE-fi 2E-6

SECONDS BUF. B2

竺

녕

A

2E-6

BVF. B 2

OE-fi 4E-G

SECONDS

SECONDS

(c) 9.5° 위상차

(d)

안 녕

A

BUF. A 1

■1E-K

，사:-6 SECONDS BUF. B2

OK-fi 2E-6 4E-6

SECONDS

(e)

그림 4 제즈*

돤

d)90°

타에 의해

위상차

어 주파수

발생시키나. 여기서 클■럭은

(phase

loop)

발생 시킨다.

一고림

4

t

위상차를

갖，

기록한 것이다.

클럭은

24. 32MHz 이고 동작주파수-，

24.32MHz

범위로는 41.

해낭

위상차를

있으며 이는 동작주고수의 76

배

4. 7° 간격으로

조절할

나타낸다.

환산하면

간격으로

상차를

신호블

시킬

미한다.

초음파

Hyperthermia

41

m. 설계및 컴퓨터 모의실험

1. 동심환 변환기의

설계

초음파 hyperthermia

변환기를

변환기의

동작주파수,

집속범위를 고려해야

이들

상호

관계를 갖고

주파수가 높을수록

체내에서의

주파수와

리에

촛점거

동작주파수는 낮아져야

이

거 리를 갖기

〕

동작주파수가

바람직하다⑻.

또한 변환기의 반경이

지나 반경이

경우 요소의 수가

복잡해지므로

뿐만

불편하므

직 경을

것이

바람직하다.

요소의 폭은 파장보다

경

각 요소가 방향성을

되어

파장보다

그러

작게

면

수가 증가하게

부수되는

로가

따라서 본

논문에서는 제작을 고려하여 동작주파 수를

설계하였으며 각

파장 (4.7mm)

4mm

하였다.

리고

요소의

1mm

간격을 두어 요소간

제거하였다. 변환기의 유효직

가 능한 크게

결과적으로

12

되었다.

2.

그림

같이

a

직 각으로

조화 진동 (simple

그림 5 음압을

계산하기

변환기의 좌표계.

motion)을 하는 평판형

변환기의,

A(x,

에 서의

식(2)

수

i”시c ra C2n

P (x, 0

, z

--- - ---- Uo \

(r

---

d°

Lit

Jo

(2)

《

=J r'

」

2

小

⑶

r

K + z， ⑷

!■' ： 미소 영 역 에서

까지

거

중심에서

P :매질의 밀도

c

k

그

=2

A

Uo

즉, 관측점에서의

음압은

영역에 의

초음파 hyperthermia

변환기의 근거리 음장

영역에서 동작하

수치적으로 계산한다. 여기서 식⑵는 식

있는데,

算七는

미소

되므로

음압

구하기

배열요소에

⑴의 위상차를

식⑹과 같이 변형시킬수

卩

(",

『으

1(7

”

⑸

42

1986)

M N /X

Q

P니

、、음으"expfRpL

⑹

9= 1 P= I llpg

하여 IBM-PC/AT

사용하여 각 관측점에서의 음압을

R3 =

V

q 3+/

) (4)

/ 1

\

《

=，

q —

) (8)

△

(9)

△

Sg

缶 = 仑

시

- ; )

△

0 =力

N = 3 (7q

M

=4

여기서 변환기를 미소

영역으로

같이 入

。

클수록

주어

영역의 면적

△<?

3

일정하게

식⑹을 이용

3.

: L

림

거리 10cm 일때의 설계된

변

설계된

같은

갖는

분포를

의 음압은 설계된 변환기에

변환

기에

음압의

배 가량이 돈

계된

에너지가

집속

几림7과

8

10cm일

변환기에

(axial)

감쇠가 있을 때와 없을때

대

나타

이

감쇠

연조직 세

의

，

1

하였나. 감쇠 가

경우의

28. 6mm

방향으로는 4.

8mm

이

따라

설계된 변환기에

가열할

이내로- 계산하여

cm

경우 0.48cm'

감쇠가 있을 경

AXIAL DISTANCE mmi

그림 6. 설계된 변환기와 평판 변환기에 의한 죽 방향 음압분포

(a) 설계된 변한기 (b) 평판 변환기

AXIAL DISTANCE

그림 7 설계된 변환기에 의한 축 방향 음압분포

(a)

(b)

］ .

초음표｝• Hyperthermia용 동심환 변환기의 설계에 관한 연구

43

L

0- 0- 0- 0- 0- wE ns s

니

Hd

Q WN 3 MS O Z

RADIAL DISTANCE AT Z=100[mm]

그림 8 설계된

변환기에

음압분포

(a) 감쇠를

고려하지 않은

(b) 감쇠를 고려한

경우]

우

0.47

，

동작주파수가 미치는 영향을

위해

1 MHz

동작하는

압분포를 그림

어

이때

변환기의

MHz에서 동작

변환기의

파장

작게하기 위하여

하였으며 요소

1mm

수도 30

증가하

되었다. 그림에서

수

주파수가 높으 면

수

또한

최고치도 설계된 변환기에

수

그러나

음압은

집

설계된 변환기에

되지만 최고치가 떨어지게

충분한

기대되지 않는다. 그리고 실제

1mm

것은 매우

소의

30

부수되는

하게

커지기는 하나 설계된 변환기가 실제의 경우

유리함을

있다.

그림

변환기오卜 요소의 폭이

분포인데

같음

떵 員 急

혼 요

号

듵

HON

0.0 0

AXIAL DISTANCE [mm]

그림 아 설계

된 변환기 (동작주파수

에 서

변환기에

(a) 설계된 변환기(감쇠

고려 안함)

(b)

1MHz

동작하는

안함)

(d) 1

서 동작하는

고려)

AXIAL DISTANCE [mm]

그림10

된 변환기 (요소

4

요소 폭이

변환기에

음압분포

(a)

설계된 변환기

(b) 폭

mm

44

巻4

(

0.0 0|8

6

4

2 L 0 0 0 0 s s d

a q zl v 寫

H0

0 100 ' ' ' ' 150 ' ' ' ' 200?

AXIAL DISTANCE

그림

11

59mm)

(a) 설계된 변환기

(b) 반경

44mm

M IS S H U d

3-,3

凌

0/

0 50 100 150

AXIAL DISTANCED히

그림

12

10cm

cm

11cm

(a) 촛 점

H)cm

(b) 촛점을

9

Hem

을 알 수 있다.

따■라서

유지하며

제

서 유리함을

있다.

그림11은

반경

면 집속범위가 넓어지나

알

동심환 배열변환기에서 집속범위를

이제까지는 변환기의

달리함으로

그림

동작반

면 집속범위

따라서

동작직 경

(f-number)

서 집 속범위를 조절할

그러나 이러한 방법은그 최고치가

단점이

집속범위를 넓 게하기

작게하면

〕

넓어 지나 최고치가 떨어지게

본

논문에서

조설 회로를

지

단점 이 없이 집속범위

있다.

여

점으로

각 촛점에 음파를

떨어지는

개선되면서 집속범위를

시할

고정한

우와 90mm

설 계된 변환기에 의한 음압분포를 도시한 것 이

림에서 보늣이

촛점을 90mm

110mm

집속시킨 경우

거의 떨어지지 않으면 서 집속범위가 넓어짐을

IV. 결 론

촛점거리와 집속범위를 전자적으로

쉽게 조절할

있으며 인체내 심층부에 위치한 종양을

기

위해

의

갖는

hy­

perthermia용 동심환

변환기를 설계하였으며 컴퓨

모의

통해 여

서

설계된 변환기 는

입 력신호一의 위

변화시켜

리와 집속범위를 조절할

1斗.

또한

동작시키 기 위해

카운터

디지달 위 상 조절 회로를

제

실험

위상차를 갖는

발생

초음파 Hyperthermia용 동심환 변환기의 설계에 관한 연구

45

시킬 수

있었다.

앞으로

제작하여

변환기에 의한

분포를 측정하

실제로 초음파

적용하는

남아있다.

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浪 본

논문은

지

행중인 "Hyperthermia

초음파 시스템의

발

결과의 일부임을