Fabrication and characteristics of multilevel acoustic Fresnel lens for ultrasonic transducer for diagnostic imaging

Dong-Hyun Kim

, Kang-Lyeol Ha

^† , Moo-Joon Kim

, and Jung-Soon Kim

Abstract

A multilevel acoustic Fresnel lens (MAFL) for the ultrasonic imaging transducer of which center frequency is approximately 5 MHz was newly designed and fabricated. The phase level of the lens was 64, and the focal length and the aperture width were 30 mm and 11 mm, respectively. The characteristics of impulse response, acoustic field and imaging performance of the transducer attached the lens were compared with the transducer attached a conventional refraction type acoustic lens (RAL). The results show that the center frequency, the loop sensitivity, and the focal depth of the MAFL transducer were higher or larger than those of the RAL transducer by approximately 0.2 MHz, 1.4 dB, and 2 mm, respectively. Consequently, it was shown that the brighter acoustic images with higher lateral resolution and the increased imaging performance for deep targets can be obtained by using the MAFL transducer.

Key Words : ultrasonic transducer, acoustic lens, Fresnel lens, multilevel acoustic Fresnel lens(MAFL), ultrasonic imaging

1. 서 론

영상 진단용으로 사용되고 있는 배열형 초음파 트랜 스듀서는 수십 ~ ^{수백 개의 작은 압전소자로 구성되며} ,

그 측 (azimuth) 방향에 대한 집속은 전자적으로 이루어

지나 높이 (elevation) 방향에 대한 집속은 방사면에 부 착된 음향렌즈에 의해 이루어진다 . ^{의료용 트랜스듀서}

의 경우 음향렌즈는 인체와의 접촉에 따른 피부조직의 보호 및 음파의 효율적 전달을 위해 Fig. 1(a) 과 같이 주로 폴리머인 실리콘 고무를 사용하여 볼록형으로 만

들거나 또는 Fig. 1(b) 와 같이 오목형의 에폭시 위에

폴리우레탄을 몰딩한 형태로 만들고 있다 . ^{종래의 대부}

분의 의료용 트랜스듀서는 이런 형태의 음향렌즈를 부 착하고 있는데 , 이들 렌즈는 일반적인 광학렌즈와 동일 하게 스넬의 법칙에 따른 굴절현상을 이용하여 초음파 를 집속시키므로 굴절형 음향렌즈 (refraction-type acoustic lens: RAL) 로 볼 수 있다 ^[1] .

한편 , 초음파를 집속시키는 또 다른 방법으로는 Fig.

1(c) ^{에 나타낸 것과 같이 평판 상에 다수의 홈} (groove)

을 파서 만든 음향 프레넬 (Fresnel) 렌즈를 사용하는

방법이 있다 ^[2-5] . 음향 프레넬 렌즈에 있어서 각 홈은

또 다시 많은 스텝으로 위상이 세부 분할될 수 있다 .

이 때 , 그 분할된 스텝의 수를 위상레벨 (phase level) 이 라고 하며 , ^{위상레벨이 다수인 음향 프레넬 렌즈를 멀}

티레벨 음향 프레넬 렌즈 (multilevel acoustic Fresnel lens: MAFL) 라고 부른다 ^[6,7] . 일반적으로 같은 초점거 리 및 같은 개구 폭 (aperture width) ^{에 대해} MAFL ^은

구조상 RAL 보다 두께가 얇아지고 그에 따라 렌즈커버 의 두께 또한 얇아지므로 , 폴리머 내에서 음파의 전파 경로가 짧아지기 때문에 감쇠에 의한 트랜스듀서의 송 수신 감도 저하 및 동작주파수 편이를 줄일 수 있는 이

*(

)

(Prosonic Co. Ltd.)

**

(Department of Physics, Pukyong National University)

***

(Department of Multimedia Engineering, Tongmyong University)

†

Corresponding author: [email protected]

(Received : October 23, 2008, Revised : December 3, 2008

Accepted : December 12, 2008)

점이 있다 ^[8,9] .

현재까지 MAFL ^{를 적용한 단일소자형 초음파 트랜}

스듀서의 특성에 대한 연구는 상당히 이루어져 있으나 영상을 얻기 위한 배열형 트랜스듀서에 적용한 연구는 아직 충분히 수행되지 않고 있다 . ^이에 , ^본 연구에서는 초점거리 30 mm, 개구 폭 11 mm 인 위상레벨 64 의

MAFL 를 설계 , 제작하여 중심주파수 약 5 MHz 의 영 상진단용 초음파 트랜스듀서에 부착한 후 , ^{그 트랜스듀}

서의 임펄스 응답 및 음장을 측정하여 동일한 개구 폭 과 초점거리를 갖는 종래의 RAL 가 부착된 트랜스듀서

와 비교 분석하였다 . 그리고 그 트랜스듀서를 사용하여 모의생체 표적에 대한 영상획득 실험을 실시 , ^종래의 RAL 가 부착된 트랜스듀서에 의한 영상과 비교 평가하 였는바 , 그 결과에 대해 보고한다 .

2. MAFL의 구조 및 음장 해석

Fig. 2 ^는 MAFL ^{의 설계를 위한 좌표계를 위상레벨} N = 4 인 경우를 예로 들어 나타낸 것이다 . 그림에서 음 향렌즈의 중심에서 i 번째에 있는 스탭의 외측까지의 거 Fig. 1. Different types of acoustic lens. (a) convex lens, (b) concave lens, (c) Fresnel lens

Fig. 2. Structure of multilevel acoustic Fresnel lens and coordinate for design.

개구 폭을 먼저 정한 다음 , 위상레벨을 설정해야 한다 .

일반적으로 의료용 초음파 트랜스듀서의 경우 중심주

파수는 수 MHz, 초점거리는 수 cm, 개구 폭은 약

1 cm 이다 .

설계된 MAFL ^{를 피스톤 음원으로 가정되는 평면 압}

전진동자에 부착하였을 경우 매질 중에 형성하는 음장 은 인접한 홈에 의한 초음파의 차단 또는 반사가 없을 때 Rayleigh ^{적분식 [10-13] 에 근거하여 다음과 같이 산출}

된다 .

(3)

여기서 , u : 관찰점에서의 입자속도 , r i : j 번째 스탭의 렌즈커버 표면으로부터 관찰점 까지의 거리 , c : 매질 에서의 음속 , : j 번째 스탭의 렌즈 두께 , : j 번째

스탭의 렌즈커버 두께 , : ^{미소면적이다} .

3. 트랜스듀서의 제작

본 연구에서는 의료용으로 사용하는 것을 목적으로

( 주 ) 프로소닉에서 제작된 128 개의 배열요소를 갖는

PZT ^{압전 트랜스듀서의 방사면에 음향정합층을 설치}

한 후 개구 폭 D =11 mm, 초점거리 Z 0 = 30 mm, 위상 레벨 N = 64 인 MAFL 를 제작하여 부착하였다 . Fig. 3

은 사용한 압전 트랜스듀서 요소에 대한 전기임피던스 를 나타낸다 . Fig. 3 에서 알 수 있는 바와 같이 압전요 소의 공진주파수는 약 5.1 MHz 이며 , 반공진주파수는 약 6.3 MHz 이었다 .

식 (1) 및 (2) 에 따라 설계된 MAFL 의 형상은 Fig.

4(a) ^같다 . ^여기서 , ^{음향렌즈 재료로서는 에폭시} , ^렌즈

커버 재료로서 폴리우레탄을 사용하였는데 , 각각의 음 속의 측정치는 각각 u le = 2430 m / s 와 u lc = 1540 m / s 이었 다 . ^한편 , ^제작한 MAFL ^{과 동일한 개구 폭 및} 초점거 리를 갖는 RAL 의 형상은 Fig. 4(b) 와 같다 . RAL 의 설

계에 있어서 초점거리 Z 0 와 렌즈의 곡률반경 R 과는 다 음의 관계식을 적용하였다 ^[14] .

(4)

단 , ^{은 렌즈 가장자리에서의 두께를 나타낸다} .

음향렌즈의 제작공정에 있어서는 먼저 , ball end mill

을 장착한 CNC 선반을 이용하여 렌즈커버 형상과 동

일한 형태의 치구 ( ^금형 ) ^{을 제작하였다} . ^{다음으로 그 치}

구에 이형제를 도포한 후 에폭시를 렌즈형상에 맞추어 충진시키고 , 그 위에 트랜스듀서를 장착하여 70 ^o C 오 븐에서 12 ^{시간 경화시켰다} . ^{에폭시가 충분히 경화된} p r t ^{( ) ρ , m} ∆ s

2 ^π --- 1 _r

--- j j

∑ u N ' ⁽ t r – j ^⁄ c – ⁽ d j L ⁄ u l + d j LC ⁄ u lc ^{) )}

=

d j L d j LC

s

∆

Z

R

1 – u lc ⁄ u le

--- – 2 1 --- ^{d ( max L (} – ^u u ^lc lc ^⁄ ⁄ ^u u le ⁾

⁾ ≅ 1 --- – u ^R lc ⁄ u le

= d max L

Fig. 4. Structure of the designed acoustic lenses. (a)

MAFL, (b) RAL

후 치구를 해체하고 , 그 부분을 렌즈커버 재료인 폴리 우레탄으로 몰딩하였다 . Fig. 5(a), (b) ^{는 렌즈커버를 몰}

딩하기 전의 각 렌즈의 형상을 나타내는 사진이다 . 4. 특성평가

4.1. 임펄스 응답특성

트랜스듀서의 임펄스 응답특성은 37 ^o C ^{로 일정하게}

유지되는 38 × 76 × 45 cm ³ 의 수조 내에 스테인리스 스틸 로 된 평판 반사체를 트랜스듀서로 부터 3 cm 지점에 설치한 후 초음파 송수신장치 (Panametrics, 5800PR) ^를

사용하여 펄스에코법에 의해 측정하였다 . 128 개의 모 든 압전요소의 응답을 순차적으로 자동 측정하기 위하 여 PC 로 제어되는 MUX 를 제작하여 사용하였으며 , 그 출력을 디지털 오실로스코프 (LeCroy, LT262) 로 측정 , GPIB ^{에 의해} PC ^{에 기록하였다} . ^{각 압전요소에 인가되}

는 펄스의 폭은 동작주파수의 역수에 비해 충분히 짧 으며 , 최대진폭은 약 − 140 V 이다 .

Fig. 6(a), (b) ^{는 제작한} MAFL ^및 RAL ^의 전형적인

펄스응답 파형과 그 파워스펙트럼을 나타내며 , Table 1

은 그 결과로부터 얻어지는 특성 파라메타이다 . Fig.

6(b) 의 파워스펙트럼으로부터 MAFL 이 RAL 에 비해 동작주파수의 대역이 높은 것을 알 수 있는데 , 이것은

MAFL ^{의 경우 감쇠가 큰 폴리머 내에서의 초음파의 전}

파거리가 RAL 에 비해 짧고 , 그 감쇠가 주파수에 비례

하기 때문에 생기는 현상에 기인하는 것으로 판단된다 .

Table 1 ^{에 요약한 바와 같이} MAFL ^이 RAL ^{에 비해 −} 6 dB 중심주파수가 약 0.2 MHz 높으며 , 그 중심주파수 부근에서 송수신감도 (loop sensitivity) 가 약 1.4 dB 높 게 나타났다 . ^{그러나 펄스의 길이가} RAL ^{에 비하여 약}

간 길어지며 , 그에 따라 비대역이 감소하는 특성을 나 타내었다 .

4.2. 음장특성

제작한 트랜스듀서가 수중에 형성하는 음장은 PRE- CISION ACOUSTICS 사의 직경 0.5 mm 의 극소형

PVDF 수중청음기가 장착된 3 차원 정밀 스캐너로 측정

하였다 . ^사용한 3 ^{차원 정밀 스캐너는 스태핑 모터에 의}

Fig. 5. Photographs of the fabricated acoustic lenses. (a) MAFL, (b) RAL

Fig. 6. Comparison of impulse response of the fabricated MAFL and RAL (a) waveform, (b) power spectrum

1.0 mm, y 축 방향으로는 0.25 mm 간격으로 이동하면 서 측정하였다 .

본 연구에서 제작한 MAFL 과 RAL 를 부착한 트랜

스듀서에 대해 식 (3) 을 사용하여 계산한 2 차원 음장을

Fig. 7(a), (b) ^에 , ^{그리고 그 측정결과를} Fig. 7(c), (d) ^에

각각 나타내었다 . 이 결과로 부터 측정된 음장은 이론 해석에 의해 구한 음장과 대체적으로 유사하나 근거리 및 초점을 지난 영역에서 다소 차이가 있음을 알 수 있 다 . 이것은 이론해석에서 고려하지 못한 인접 groove

에서의 반사 및 산란 등의 영향과 렌즈커버의 영향에 기인하는 것으로 사료된다 . Fig. 8(a), (b) 는 측정치인

4.3. 초음파영상의 비교

MAFL 를 부착한 트랜스듀서 및 RAL 을 부착한 트랜 스듀서에 의한 영상을 상용 초음파 영상진단장치

(MEDISON SA9900) ^{와 표적인 모의생체} (ATS 539) ^를

사용하여 각각 취득한 다음 , USQA(Ultrasound Quality Assurance) 프로그램 ^[15,16] 을 이용하여 그 객관적인 비 교 평가를 실시하였다 . ^{사용한 모의생체의} echoic ^영역

과 anechoic 영역에 대해 MAFL 를 부착한 트랜스듀서 및 RAL 을 부착한 트랜스듀서에 의한 영상을 각각 취 득하여 Fig. 10 과 Fig. 11 에 영역별로 나타내었다 . 그리

Fig. 7. Measured ultrasonic fields by the fabricated transducers. (a) MAFL(calculated), (b) RAL(calculated), (c)

MAFL(measured), (d) RAL(measured)

Fig. 8. Contour plots of the measured ultrasonic fields. (a) MAFL, (b) RAL

Fig. 9. Acoustic pressure distribution on the acoustic axis and the elevational axis on focal plane. (a) acoustic axis, (b) elevation direction on focal plane

Fig. 10. Comparison of ultrasonic images for echoic

region. (a) RAL, (b) MAFL ^{Fig. 11.} Comparison of ultrasonic images for anechoic

region. (a) RAL, (b) MAFL

고 , USQA 에 의해 분석된 콘트라스트 감도와 축 (axial)

방향 및 측 (azimuth) ^{방향 분해능을 구하여} Fig. 12(a), (b), (c) 에 각각 나타내었다 . 콘트라스트 감도는 고 콘 트라스트 (high contrast) 감도와 저 콘트라스트 (low contrast) ^{로 구분되는데} , ^{여기서는 고 콘트라스트 감도}

만을 제시하였다 . Fig. 10 과 Fig. 11 로부터 각각의 영역 에 있어서 두 영상을 서로 비교하면 가시적으로 뚜렷 한 차이를 볼 수는 없으나 , Fig. 12 ^로부터 MAFL ^{에 의}

감소한 결과에 의존한다 .

5. 결 론

본 연구에서는 MAFL ^{이 구조상 종래의} RAL ^보다

같은 초점거리 , 같은 개구 폭에 대해 음향렌즈 및 렌즈 커버 내에서의 초음파의 감쇠에 의한 트랜스듀서의 동 작주파수 편이 및 송수신 감도 저하를 줄일 수 있다는 특성에 착안하여 초점거리 30 mm, 개구 폭 11 mm 인

위상레벨 64 의 MAFL 를 설계 , 제작하여 중심주파수

약 5 MHz 의 영상진단용 초음파 트랜스듀서에 적용한

후 , 그 트랜스듀서의 임펄스 응답특성과 음장을 측정하 여 종래의 RAL ^{를 갖는 트랜스듀서와 비교} , ^평가하였

다 . 그 결과 , MAFL 부착 트랜스듀서가 RAL 부착 트 랜스듀서에 비해 중심주파수 및 동작주파수 대역이 높 고 , ^{중심주파수 부근에서 송수신감도가 약} 1.4 dB ^증가

하며 , 초점심도가 2 mm 이상 향상되는 것으로 나타났 다 . 제작한 트랜스듀서에 의해 모의생체에 대한 영상획

득 실험을 실시한 결과 , MAFL ^{부착 트랜스듀서에 의}

한 영상이 RAL 부착 트랜스듀서의 영상에 비해 전체

적으로 더 밝게 나타나며 , 축 방향 분해능은 다소 떨어 지나 측 방향 분해능은 초점보다 먼 거리에서 다소 향 상됨을 알았다 . 그리고 , 음장에서의 빔 형상으로부터 원거리에 있는 표적의 영상 표현력이 향상될 것으로 판단되었다 .

참고 문헌

[1] G. Kino, Acoustic Waves-Devices, Imaging and Analog Processing , Prentice-Hall Inc., Englewood Cliffs, pp. 182-210, 1987.

[2] S. Farnow, “Acoustic applications of the zone plate”, Ph.D. Dissertation, Stanford University, pp.

3-14, 1975.

[3] B. Noorbehesht, M. Mortezaie, and G. Wade, “Res-

Fig. 12. Analysis results of image quality using USQA. (a)

high contrast sensitivity, (b) axial resolution, (c)

lateral resolution

olution of Fresnel phase plate transducers”, IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings , pp. 699-704, 1981.

[4] K. Yamada and H. Shimizu, “Planar-structure focus- ing lens for acoustic microscope”, IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings , pp. 755-758, 1985.

[5] M. Sleva and W. Hunt, “Design and construction of a PVDF Fresnel lens”, IEEE Ultrasonics Sympo- sium Proceedings , pp. 821-826, 1990.

[6] B. Hadimioglu, E. Rawson, R. Lujan, M. Lim, J.

Zesch, B. Khuri-Yakub, and C. Quate, “High-effi- ciency Fresnel acoustic lenses”, IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings , pp. 579-582, 1993.

[7] S. Chan, M. Mina, S. Udpa, L. Udpa, and W. Lord,

“Finite element analysis of multilevel acoustic Fresnel lenses”, IEEE Trans. on UFFC , vol. 43, no.

4, pp. 670-677, 1996.

[8] K. Mori, A. Miyazaki, H. Ogasawara, T. Nakamura, and Y. Takeuchi, “Numerical analysis of sound pressure fields focused by phase continuous Fresnel lens using finite difference time domain method”, Jpn. J. Appl. Phys. , vol. 46, pp. 4990-4997, 2007.

[9] Y. Sato, K. Mizutani, N. Wakatsuki, and T. Naka- mura, “Design for an aspherical acoustic Fresnel lens with phase continuity”, Jpn. J. Appl. Phys. , vol.

47, pp. 4354-4359, 2008.

[10] D. T. Blackstock, Fundamentals of physical acous- tics , John Wiley & Sons, Inc., New York, pp. 441- 457, 2000.

[11] B. Piwakowski and K. Sbai, “A new approach to calculate the field radiated from arbitrarily struc- tured transducer arrays”, IEEE Trans. on UFFC, vol. 46. no. 2, pp. 422-440, 1999.

[12] T. Xue, W. Lord, and S. Udpa, “Numerical analysis of the radiated fields of circular pistons and time- delay spherically focused arrays”, IEEE Trans. on UFFC, vol. 43, no. 1, pp. 78-87, 1996.

[13] 조영환 , “ 超音波 映像 診斷器用 變換器의 設計 및 過 渡音場 解析 ”, 서울대학교 , 박사학위 논문 , pp. 74- 75, 1995.

[14] V. Ristic, Principles of acoustic devices , John Wiley

& Sons, Inc., New York, pp. 330-332, 1983.

[15] N. M. Gibson, N. J.Dudley, and Kte Griffith, “A computerized quality control testing system for B- mode ultrasound”, Ultrasound in Med & Biol. , vol.

27, no. 12, pp. 1697-1711, 2001.

[16] 강관석 , “ 초음파 프로브의 성능에 따른 B- 모드 영상 의 질 평가 ”, 제주대학교 , 석사학위논문 , pp. 33-36, 2005.

하 강 렬

• 1978년 부산수산대학(현 부경대학교) 어업물리전공 졸업(수산학사)

• 1982년 동 대학원 수산물리학과 졸업 (수산학석사)

• 1990년 일본 도후쿠(東北)대학 공학연구 과 졸업(공학박사)

• 1978년 ~ 1983년 국방과학연구소 연구원

• 2002년 ~ 2003년 미국 남가주대학(USC) 객원연구원

• 1991년 ~ 현재 부경대학교 자연과학대학 물리학과 교수

김 동 현

• 1996년 부산수산대학(현 부경대학교) 물 리학과 졸업(이학사)

• 1998년 부경대학교 대학원 음향진동공학 과(협) 석사과정 졸업(공학석사)

• 2006년 동 대학원 음향진동공학과(협) 박사과정 수료

• 1998년 ~ 현재 (주)프로소닉 연구원, 연구

부장