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동작원리 |
진동자 재료 |
변환효율 |
주파수 범위 |
압전효과 |
지르콘티탄산납 (PZT) |
70 [%] |
0.3~2 [MHz] |
티탄산바륨 (BaTiO3) |
40 [%] |
1~15 [MHz] | |
황산리튬 (Li2SO4) |
50~60 [%] |
0.3~2 [MHz] | |
수정 (crystal) |
10~20 [%] |
0.5~20 [MHz] | |
자왜효과 |
페라이트 (ferrite) |
70~80 [%] |
20~100 [kHz] |
니켈 (nickel) |
20~50 [%] |
20~50 [kHz] |
(3) 초음파의 송신과 수신
세라믹 진동소자와 같은 PZT에 1~2[MHz]의 고주파 펄스 발진기를 연결하여 고주파 전압을 인가하면 탐촉 소자(프로브)는 동일한 주파수로 진동하여 초음파를 발생한다.
초음파의 수신도 역시 진동소자(탐촉소자)를 이용하여 받고 있다. 진동소자에 초음파를 인가하면, 진동소자는 이에 상응하는 미세한 전기현상을 발생시키는데 이것을 증폭하면 전기신호로서 검출할 수 있다.
① 레이트(rate:비율) 발진기
4백~5백[Hz]의 방형파(구형파, 직사각형파) 펄스를 발생하여 게이트 회로로 고주파 펄스 발진기를 트리거 시키면 1~2[MHz]의 초음파 진동이 레이트 발진 주파수로 반복하여 발생한다.
즉, 송신기에서 초음파 펄스를 보내면 탐촉자에 의해 생체 내부까지 초음파가 보내지고 생체 안의 장기에 부딪쳐 반사되어 다시 탐촉자에 수신되는 이 과정이 상당히 짧은 시간 안에 반복되어 이루어지는 것이다.
② 초음파 펄스법
의료용 초음파 영상을 얻는 가장 기본적인 방법이며, 송신된 펄스와 펄스 사이의 공백 간에 인체로부터 반사된 초음파를 진동자로 차례로 수신하여 영상화한다. 초음파 연속법은 계속 초음파를 송신하는 방법이다. 이 방식은 초음파 온열요법에 주로 사용된다.
(4) 초음파 프로브
다수의 초음파 변환기를 합한 트랜스듀서 어셈블리를 초음파 프로브(probe, 탐촉자)라 한다. 프로브는 진단하고자 하는 장기에 초음파를 보내거나 장기에 부딪쳐 반사되는 반사파를 받아서 전기적 신호로 바꾸어 주는 장치이다.
초음파 진동자를 수십 개 이상 배열하여 플라스틱 케이스에 넣어 제작한 것으로 검사 부위 및 목적에 따라서 그 모양과 크기가 다르다. [그림 1]은 임상적으로 사용되는 다양한 형태의 초음파 탐촉자를 나타낸 것이다.
① 초음파 프로브의 구조
초음파 탐촉자는 초음파 진동자가 효과적으로 동작할 수 있게 만들어져야 한다. 초음파 펄스를 효과적으로 송신할 수 있도록 진동자 앞면에는 결합층(matching layers:매칭 레이어즈)이 설치되어 있다. 이 결합층은 잡음(noise:노이즈)을 줄이고, 인공산물(artifact:아터팩트)이 감소된다.
㉮ 압전결정체(진동자) 뒤쪽엔 후면 흡음층(backing material:백킹 머티어리얼=damping layer:덤핑 레이어)이 있어서 전기적 자극을 준 후 압전 결정체(진동자)의 공명에 의해서 후방으로부터 방사되는 초음파를 흡수한다. 이것은 후방으로 방사된 초음파가 전방으로 반사되는 것을 제어하여 진동자의 Q-팩터(Q-factor)를 작게 한다.
㉯ Q-팩터란 프로브가 갖는 주파수 선택성을 나타내는 파라미터이다. Q값이 증가할수록 진동자의 기계적 진동의 감쇠시간이 늦어지고, 그 고유 주파수에 가까운 성분을 보다 강조한다. Q는 펄스 입력에 대한 진동 정도를 나타낸다.
㉰ 진동자의 양단에는 접지 전극과 내측 전극이 있어 외부전선 케이블(cable)과 연결된다. 이 진동자는 탐촉자의 표면 부근에 있으며 안으로는 인공 세라믹으로 구성되어 있다. 이 진동자에 초음파 주파수인 1~20[MHz]의 전압이 주어지면 인공 세라믹이 진동되어 1~20[MHz]의 초음파가 발생된다. 초음파 프로브는 매칭 코일(matching coil)을 통하여 진동자로 전기를 입력하고, 전기신호를 효율적으로 초음파로 변환하도록 한다.
② 초음파 프로브의 주파수 선택성
초음파 압전결정체는 송․수신 초음파는 어떤 것이든 특정한 주파수 성분만 투과시킨다. 즉 단일 펄스 파형의 전기신호가 주어지면 진동자는 그 고유 진동수로 기계적으로 감쇠 진동하여 그 기계적 진동과 유사한 파형의 음파가 인체를 향하여 발사된다.
한편, 인체조직에 입사된 초음파는 반사, 산란되어 프로브로 돌아오면 여기서 다시 그 고유 진동수 부근의 주파수 성분만이 강조된 전기신호로 변환된다.
초음파 변환기의 감쇠시간을 길게 하고 Q(Q-pack의 Q)를 크게 하는 것은 감도를 향상시키는 데 기여하지만, 진동이 꼬리를 끌게 되어 공간 분해능을 저하시킨다.
㉮ 보통의 진단에 사용되는 프로브의 주파수는 3~5[MHz] 범위 내에 있다.
㉯ 깊은 곳에 있는 장기를 진단하기 위해선 2.5[MHz] 주파수의 탐촉자를 사용한다.
㉰ 수술 시에는 7.5[MHz]의 탐촉자가 사용된다.
㉱ 프로브의 발신 주파수는 소아용으로는 송신 주파수가 3.5~5[MHz], 직경이 5[mm] 정도의 것, 성인용으로는 3~5[MHz], 직경이 10[mm] 정도가 사용된다
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