KR102754240B1 - Aircoupled vortex ultrasound probe module for improving hearing function and ultrasound imaging system using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 청각기능 개선을 위한 에어커플드 볼텍스 초음파 프로브 모듈 및 이를 이용한 초음파 영상화 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 귀 내부로 초음파를 송수신하기 위한 초음파 변환자를 포함한 에어커플드 초음파 프로브 모듈에 있어서, 상기 초음파 변환자는, 입력 신호에 의해 초음파 빔을 발생시키는 압전소자, 및 상기 압전소자와 연결되거나 상기 압전소자의 전방에 배치되어, 상기 압전소자로부터 발생하는 초음파 빔을 와류 형태의 볼텍스 빔으로 생성하기 위한 빔 제어수단을 포함하며, 상기 압전소자는, 상기 빔 제어수단에 의해 볼텍스 회전하는 초음파 빔을 귀 내부의 내이 조직으로 제공하는 초음파 프로브 모듈을 제공한다.
본 발명에 따르면, 귀 내부로 송수신되는 초음파 빔을 소용돌이 형태로 볼텍스 회전시키며, 이때 발생하는 회전 운동 에너지, 즉 각운동량과 집속 에너지와의 시너지 효과를 발생시켜서, 기존의 고정 빔 기반의 초음파 변환자 대비 송수신 에너지 및 집속력, 그리고 투과력을 크게 증가시키고, 이를 통하여 귀내부를 효율적으로 영상화하거나 치료할 수 있도록 한다.The present invention relates to an air-coupled vortex ultrasound probe module for improving hearing function and an ultrasound imaging system using the same. According to the present invention, an air-coupled ultrasound probe module including an ultrasound transducer for transmitting and receiving ultrasound into the ear, wherein the ultrasound transducer includes a piezoelectric element for generating an ultrasound beam by an input signal, and a beam control means connected to the piezoelectric element or arranged in front of the piezoelectric element for generating an ultrasound beam generated from the piezoelectric element into a vortex beam in the form of a eddy current, and the piezoelectric element provides an ultrasound beam that vortex-rotates by the beam control means to the inner ear tissue.
According to the present invention, an ultrasonic beam transmitted and received into the ear is vortex-rotated in the form of a vortex, and a synergistic effect of the rotational kinetic energy generated at this time, i.e., angular momentum, and focusing energy is generated, thereby greatly increasing the transmission and reception energy, focusing power, and penetrating power compared to a conventional fixed beam-based ultrasonic transducer, thereby enabling efficient imaging or treatment of the inside of the ear.
Description
본 발명은 청각기능 개선을 위한 에어커플드 볼텍스 초음파 프로브 모듈 및 이를 이용한 초음파 영상화 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 매질로 진행하는 초음파 빔이 볼텍스(vortex) 회전을 하면서 귀속으로 송수신되어 내이(inner ear) 조직을 실시간으로 영상화하거나 물리적으로 자극하여 청각 기능을 개선할 수 있도록 하는 초음파 프로브 모듈 및 이를 이용한 초음파 영상화 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an air-coupled vortex ultrasound probe module for improving hearing function and an ultrasound imaging system using the same, and more specifically, to an ultrasound probe module in which an ultrasound beam traveling through a medium is transmitted and received into the ear while vortex rotating to image or physically stimulate inner ear tissue in real time to improve hearing function, and an ultrasound imaging system using the same.
최근 각종 스트레스의 증가, 그리고 스마트폰 등 음향 기기들을 접하는 시간의 증가로 연령에 상관없이 난청, 이명, 이석증, 메니에르(어지럼증)와 같은 귀질환 환자들이 급속히 증가하고 있다. 특히 메니에르 질환의 경우 내림프액 순환 문제로 인해 청각을 담당하는 달팽이관과 평형을 담당하는 전정기관 사이의 내림프액 압력이 증가하면서 발생하게 되는데, 급작스런 어지러움과 이명, 이충만감, 그리고 심하면 청력 손실을 유발할 수 있다.Recently, due to the increase in various stresses and the increase in the time spent using audio devices such as smartphones, the number of patients with ear diseases such as hearing loss, tinnitus, benign paroxysmal positional vertigo, and Meniere's disease (vertigo) is rapidly increasing regardless of age. In particular, Meniere's disease occurs when the pressure of the endolymph fluid between the cochlea, which is responsible for hearing, and the vestibular organ, which is responsible for balance, increases due to problems with the circulation of the endolymph fluid, which can cause sudden dizziness, tinnitus, aural fullness, and, in severe cases, hearing loss.
메니에르 병의 진단은 환자의 주관적인 증상 정보와 청력 검사, 눈동자 검사 등이 유일하기에, 정확한 귀속 영상 정보를 제공할 수 있는 의료기기의 필요성이 크게 증가하고 있다. 그러나 현재까지 메니에르를 비롯한 다양한 내이 관련 귀질환들을 정확히 진단하기 위해서 내이 부분을 볼 수 있는 의료기기는 CT 및 MRI 장비 외에는 없으며, 이들 귀내부 영상의 해상도가 충분하지 못하고 영상화에 많은 시간이 소요되기 때문에 상기 귀질환들을 신속히 진단하고 치료하는데 많은 어려움이 있다.Since the diagnosis of Meniere's disease is based solely on the patient's subjective symptom information, hearing tests, and eye tests, the need for medical devices that can provide accurate ear image information is increasing significantly. However, to date, there are no medical devices that can view the inner ear to accurately diagnose various inner ear diseases including Meniere's disease, other than CT and MRI equipment. Since the resolution of these inner ear images is insufficient and it takes a lot of time to visualize them, it is difficult to quickly diagnose and treat the above ear diseases.
근래에 초음파 기술은 비침습적이고 국소적으로 청각기관을 자극해서 청각기능을 복원할 수 있는 유망한 기술로 주목을 받고 있으나, 의료현장에 사용될 수준에 도달하기 위해서는 청각기관에 충분한 에너지가 도달할 수 있는 에어커플드 초음파 프로브가 개발되어야 한다. Recently, ultrasound technology has been attracting attention as a promising technology that can restore hearing function by noninvasively and locally stimulating the auditory organ. However, in order to reach a level that can be used in medical settings, an air-coupled ultrasound probe that can deliver sufficient energy to the auditory organ must be developed.
즉, 초음파 에너지는 매질간 음향 임피던스 차이가 크지 않을 경우 타겟 내부로 충분한 에너지가 송수신될 수 있는데, 현재까지 초음파 기반 내이 영상기기가 국내외적으로 상용화되지 못하고 있는 가장 큰 원인은 매우 얇은 고막과, 공기층 및 단단한 뼈들로 둘러싸인 귀내부 구조의 특성 때문에 초음파 에너지가 투과하기 어려운 물리적인 한계가 있기 때문이다. That is, ultrasonic energy can transmit and receive sufficient energy into the target when the difference in acoustic impedance between media is not large. However, the biggest reason why ultrasound-based inner ear imaging devices have not been commercialized domestically or internationally to date is because there are physical limitations that make it difficult for ultrasonic energy to penetrate the inner ear structure, which is surrounded by a very thin eardrum, air layer, and hard bones.
특히, 공기중에서 초음파 에너지가 매질로 투과하기 위해서는 중심 주파수를 낮추거나 송신되는 펄스의 길이를 증가시켜야 하며, 이로 인해 기존 고정빔(fixed beam) 기반 일반적인 에어커플드 초음파를 이용한 영상의 경우 해상도가 크게 낮아지는 문제점이 존재한다. In particular, in order for ultrasonic energy to penetrate into a medium in the air, the center frequency must be lowered or the length of the transmitted pulse must be increased, which causes a problem in that the resolution of images using conventional air-coupled ultrasound based on a fixed beam is significantly reduced.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국공개특허 제10-2021-0061501호(2021.05.28 공개)에 개시되어 있다.The technology underlying the present invention is disclosed in Korean Patent Publication No. 10-2021-0061501 (published on May 28, 2021).
본 발명은 귀내부로 진행하는 초음파 빔이 볼텍스 회전을 하면서 송수신되고 그 회전력을 제어할 수 있도록 구현하여 고정된 초음파 빔보다 초음파 송수신 성능, 에너지 집속력 및 투과력을 증대시키고 귀내부를 효율적으로 영상화할 수 있도록하는 청각기능 개선을 위한 에어커플드 볼텍스 초음파 프로브 모듈 및 이를 이용한 초음파 영상화 시스템을 제공하는데 목적이 있다.The present invention aims to provide an air-coupled vortex ultrasound probe module for improving hearing function, which enables an ultrasound beam traveling into the inner ear to be transmitted and received while vortex rotating and the rotational force thereof to be controlled, thereby increasing ultrasound transmission/reception performance, energy focusing power and penetration power compared to a fixed ultrasound beam, and enabling efficient imaging of the inner ear, and an ultrasound imaging system using the same.
본 발명은, 귀 내부로 초음파를 송수신하기 위한 초음파 변환자를 포함한 에어커플드 초음파 프로브 모듈에 있어서, 상기 초음파 변환자는, 입력 신호에 의해 초음파 빔을 발생시키는 압전소자, 및 상기 압전소자와 연결되거나 상기 압전소자의 전방에 배치되어, 상기 압전소자로부터 발생하는 초음파 빔을 와류 형태의 볼텍스 빔으로 생성하기 위한 빔 제어수단을 포함하며, 상기 압전소자는, 상기 빔 제어수단에 의해 볼텍스 회전하는 초음파 빔을 귀 내부의 내이 조직으로 제공하는 초음파 프로브 모듈을 제공한다.The present invention provides an air-coupled ultrasound probe module including an ultrasound transducer for transmitting and receiving ultrasound into the ear, wherein the ultrasound transducer includes a piezoelectric element for generating an ultrasound beam by an input signal, and a beam control means connected to the piezoelectric element or arranged in front of the piezoelectric element for generating an ultrasound beam generated from the piezoelectric element into a vortex beam in the form of an eddy current, and the piezoelectric element provides an ultrasound beam that vortex rotates by the beam control means to the inner ear tissue inside the ear.
또한, 상기 압전소자는 단일 소자로 형성되며, 상기 빔 제어수단은, 상기 압전소자의 후면에 장착되어 상기 압전소자를 직접 회전시키는 모터, 상기 압전소자의 전면에 배치되어 상기 압전소자에서 출력되는 초음파 빔을 볼텍스 회전시키는 나선형 렌즈 또는 음향 메타 렌즈 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.In addition, the piezoelectric element is formed as a single element, and the beam control means may include at least one of a motor mounted on the rear side of the piezoelectric element to directly rotate the piezoelectric element, a spiral lens or an acoustic metalens positioned on the front side of the piezoelectric element to vortex rotate an ultrasonic beam output from the piezoelectric element.
또한, 상기 볼텍스 빔의 회전 속도는, 상기 모터의 회전 속도, 상기 나선형 렌즈의 나선 패턴, 및 상기 음향 메타렌즈의 형태학적 구조 중 적어도 하나에 의해 결정될 수 있다.Additionally, the rotation speed of the vortex beam can be determined by at least one of the rotation speed of the motor, the spiral pattern of the spiral lens, and the morphological structure of the acoustic metalens.
또한, 상기 압전소자는, 서로 반대의 분극 방향을 가진 역전층 소자와 비역전층 소자가 초음파 신호의 진행 방향에 따라 전후 접합된 분극 역전 구조를 가지며, 분극 역전 구조에 따라 상기 압전소자로부터 다중 주파수 신호를 동시에 발생시킬 수 있다.In addition, the piezoelectric element has a polarization reversal structure in which a reverse layer element and a non-reversal layer element with opposite polarization directions are connected back and forth according to the direction of propagation of an ultrasonic signal, and multiple frequency signals can be simultaneously generated from the piezoelectric element according to the polarization reversal structure.
또한, 상기 압전소자는 복수의 분할 소자로 이루어지며, 상기 빔 제어수단은, 신호 발생기에서 발생한 입력 신호의 위상을 조절하여 상기 복수의 분할 소자에 서로 상이한 위상의 입력 신호를 인가하는 위상 조절기에 해당할 수 있다.In addition, the piezoelectric element may be composed of a plurality of split elements, and the beam control means may correspond to a phase controller that adjusts the phase of an input signal generated from a signal generator to apply input signals of different phases to the plurality of split elements.
또한, 상기 복수의 분할 소자 각각은, 동일하거나 서로 다른 종류의 압전소자들로 이루어질 수 있으며, 단일 소자형 또는 배열 소자형으로 구현될 수 있다.In addition, each of the plurality of split elements may be composed of the same or different types of piezoelectric elements, and may be implemented as a single element type or an array element type.
또한, 상기 빔 제어수단은, N개의 각각의 분할 소자에 설정 각도(360도/N) 간격으로 규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하거나 불규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가할 수 있다.In addition, the beam control means can apply an input signal having a regular phase difference or an input signal having an irregular phase difference to each of the N split elements at set angles (360 degrees/N).
또한, 상기 빔 제어수단에 의해 각각의 분할 소자 중 제1 그룹의 소자 및 제2 그룹의 소자에 서로 180도 위상차를 갖는 입력 신호가 인가되면, 상기 압전소자는, 고정 빔 상태의 초음파 빔을 제공하되 측방향(lateral direction) 및 고도방향(elevational direction)으로 분할된 다중 초점을 갖는 초음파 빔을 생성할 수 있다.In addition, when input signals having a phase difference of 180 degrees are applied to the first group of elements and the second group of elements among the respective split elements by the beam control means, the piezoelectric element can provide an ultrasonic beam in a fixed beam state, but generate an ultrasonic beam having multiple foci split in the lateral direction and the elevational direction.
또한, 상기 초음파 프로브 모듈은, 상기 압전소자의 후면에 장착되어 상기 압전소자를 직접 회전시키는 모터와, 상기 압전소자의 전면에 배치되어 상기 압전소자에서 출력되는 초음파 빔을 볼텍스 회전시키는 나선형 렌즈 또는 음향 메타 렌즈, 및 상기 나선형 렌즈 또는 음형 메타 렌즈의 전방에 배치되며, 렌즈를 통과한 초음파 빔이 내부를 관통 출력하고 내주면을 따라 나선형의 강선이 형성된 강선형 하우징을 더 포함할 수 있다.In addition, the ultrasonic probe module may further include a motor mounted on the rear side of the piezoelectric element to directly rotate the piezoelectric element, a spiral lens or acoustic meta-lens positioned on the front side of the piezoelectric element to vortex-rotate an ultrasonic beam output from the piezoelectric element, and a steel wire-shaped housing positioned in front of the spiral lens or acoustic meta-lens, in which an ultrasonic beam passing through the lens penetrates the inside and is output, and in which a spiral steel wire is formed along the inner surface.
또한, 상기 강선형(rifling) 하우징은, 길이 방향으로 내경이 일정한 직진형, 전방으로 갈수록 내경이 좁아지는 집속형, 전방으로 갈수록 내경이 넓어지는 방사형 중 어느 하나의 형태로 구현될 수 있다.In addition, the rifling housing can be implemented in any one of the following forms: a straight type with a constant inner diameter in the longitudinal direction, a focused type with a narrower inner diameter toward the front, and a radial type with a wider inner diameter toward the front.
또한, 상기 압전소자는, 서로 반대의 분극 방향을 가진 역전층 소자와 비역전층 소자가 초음파 신호의 진행 방향에 따라 전후 접합된 분극 역전 구조를 가지며, 분극 역전 구조에 따라 상기 압전소자로부터 다중 주파수 신호를 동시에 발생시킬 수 있다.In addition, the piezoelectric element has a polarization reversal structure in which a reverse layer element and a non-reversal layer element with opposite polarization directions are connected back and forth according to the direction of propagation of an ultrasonic signal, and multiple frequency signals can be simultaneously generated from the piezoelectric element according to the polarization reversal structure.
또한, 상기 압전소자는, 오목한 곡면형 구조로 형성되어 전방의 제1 초점 위치에 초음파를 집속시키는 제1 소자, 그리고 상기 제1 소자를 중심으로 주변부에 결합되되 상기 제1 소자보다 낮은 곡률의 오목한 곡면형 구조로 형성되며 상기 제1 초점 위치보다 먼 제2 초점 위치에 초음파를 집속시켜서 초점 심도를 확장시키는 적어도 하나의 제2 소자를 포함하며, 상기 제1 소자와 제2 소자는 서로 다른 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수에서 동작하도록 설계될 수 있다.In addition, the piezoelectric element includes a first element formed in a concave curved structure to focus ultrasound at a first focal position in the front, and at least one second element formed in a concave curved structure coupled to a peripheral portion centered around the first element but having a lower curvature than the first element, to focus ultrasound at a second focal position farther than the first focal position to expand the depth of focus, and the first element and the second element can be designed to operate at different first resonant frequencies and second resonant frequencies.
또한, 상기 제1 소자 및 제2 소자는, 서로 다른 중심 주파수가 혼합된 형태의 다중 중심 주파수를 갖는 입력 신호가 동시에 입력되고, 입력된 신호에서 자신의 공진 주파수에 해당하는 초음파 신호를 선별하여 송수신할 수 있다.In addition, the first element and the second element can simultaneously input input signals having multiple center frequencies in the form of mixing different center frequencies, and select and transmit ultrasonic signals corresponding to their own resonant frequencies from the input signals.
또한, 상기 빔 제어수단은, 상기 압전소자의 후면에 장착되어 상기 압전소자를 직접 회전시키는 모터, 상기 압전 소자의 전면에 배치되어 상기 압전소자에서 출력되는 초음파 빔을 볼텍스 회전시키는 나선형 렌즈 또는 음향 메타 렌즈 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.In addition, the beam control means may include at least one of a motor mounted on the rear side of the piezoelectric element to directly rotate the piezoelectric element, a spiral lens or an acoustic metalens positioned on the front side of the piezoelectric element to vortex rotate an ultrasonic beam output from the piezoelectric element.
또한, 상기 제1 소자 및 제2 소자 각각은, 동일하거나 서로 다른 종류의 압전소자들로 이루어질 수 있으며, 단일 소자형 또는 배열 소자형으로 구현될 수 있다.In addition, each of the first element and the second element may be composed of the same or different types of piezoelectric elements, and may be implemented as a single element type or an array element type.
또한, 상기 압전소자는, 상기 제1 소자의 중심을 기준으로 구경이 N개의 면으로 분할되며, 상기 빔 제어수단은, 신호 발생기에서 발생한 입력 신호의 위상을 조절하여 상기 압전소자의 각 분할 면에 서로 상이한 위상의 입력 신호를 인가하되, 상기 압전소자의 각 분할 면에 설정 각도(360도/N) 간격으로 규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하거나 불규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가할 수 있다.In addition, the piezoelectric element is divided into N planes with an aperture based on the center of the first element, and the beam control means adjusts the phase of an input signal generated from a signal generator to apply input signals of different phases to each divided plane of the piezoelectric element, and can apply input signals having regular phase differences or input signals having irregular phase differences to each divided plane of the piezoelectric element at intervals of a set angle (360 degrees/N).
또한, 상기 압전소자는, 상기 빔 제어수단에 의해 각각의 분할 면으로 동일 위상의 입력 신호가 인가되는 경우 고정빔 상태의 초음파 빔을 제공하되 축방향(axial direction)으로 다중 초점을 갖는 초음파 빔을 생성하고, 상기 빔 제어수단에 의해 각각의 분할 면 중 제1 그룹의 면과 제2 그룹의 면에 서로 180도 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하는 경우 고정빔 상태의 초음파 빔을 제공하되 축방향의 다중 초점과 측방향의 다중 초점을 동시에 갖는 초음파 빔을 생성할 수 있다.In addition, the piezoelectric element provides an ultrasonic beam in a fixed beam state when an input signal of the same phase is applied to each of the divided surfaces by the beam control means, but generates an ultrasonic beam having multiple foci in the axial direction, and when an input signal having a phase difference of 180 degrees is applied to a first group of surfaces and a second group of surfaces among the divided surfaces by the beam control means, the piezoelectric element provides an ultrasonic beam in a fixed beam state but generates an ultrasonic beam having multiple foci in the axial direction and multiple foci in the lateral direction at the same time.
또한, 상기 초음파 프로브 모듈은, 상기 압전소자의 후면에 장착되어 상기 압전소자를 직접 회전시키는 모터와, 상기 압전소자의 전면에 배치되어 상기 압전소자에서 출력되는 초음파 빔을 볼텍스 회전시키는 나선형 렌즈 또는 음향 메타 렌즈, 및 상기 나선형 렌즈 또는 음형 메타 렌즈의 전방에 배치되며, 렌즈를 통과한 초음파 빔이 내부를 관통 출력하고 내주면을 따라 나선형의 강선이 형성된 강선형 하우징을 더 포함할 수 있다.In addition, the ultrasonic probe module may further include a motor mounted on the rear side of the piezoelectric element to directly rotate the piezoelectric element, a spiral lens or acoustic meta-lens positioned on the front side of the piezoelectric element to vortex-rotate an ultrasonic beam output from the piezoelectric element, and a steel wire-shaped housing positioned in front of the spiral lens or acoustic meta-lens, in which an ultrasonic beam passing through the lens penetrates the inside and is output, and in which a spiral steel wire is formed along the inner surface.
또한, 상기 강선형 하우징은, 길이 방향으로 내경이 일정한 직진형, 전방으로 갈수록 내경이 좁아지는 집속형, 전방으로 갈수록 내경이 넓어지는 방사형 중 어느 하나의 형태로 구현될 수 있다.In addition, the above-mentioned steel wire housing can be implemented in any one of the following forms: a straight type with a constant inner diameter in the longitudinal direction, a focused type with a narrower inner diameter toward the front, and a radial type with a wider inner diameter toward the front.
또한, 상기 제1 소자 및 제2 소자 각각은, 서로 반대의 분극 방향을 가진 역전층 소자와 비역전층 소자가 초음파 신호의 진행 방향에 따라 전후 접합된 분극 역전 구조를 가지며, 분극 역전 구조에 따라 상기 압전소자로부터 다중 주파수 신호를 동시에 발생시킬 수 있다.In addition, each of the first element and the second element has a polarization reversal structure in which the inverted layer element and the non-inverted layer element with opposite polarization directions are connected back and forth along the direction of propagation of the ultrasonic signal, and multiple frequency signals can be simultaneously generated from the piezoelectric element according to the polarization reversal structure.
그리고, 본 발명은, 귀 내부로 초음파를 송수신하여 검사하기 위한 초음파 시스템에 있어서, 오목한 곡면형 구조로 형성되어 전방의 제1 초점 위치에 초음파를 집속시키는 중심 압전소자와, 상기 중심 압전소자를 중심으로 주변부에 결합되되 상기 제1 소자보다 낮은 곡률의 오목한 곡면형 구조로 형성되며 상기 제1 초점 위치보다 먼 제2 초점 위치에 초음파를 집속시켜서 초점 심도를 확장시키는 적어도 하나의 주변 압전소자로 이루어지고, 구경이 N개의 면으로 분할된 초음파 변환자와, 서로 다른 중심 주파수가 혼합된 형태의 다중 중심 주파수를 갖는 입력 신호를 발생시키는 신호 발생기, 및 상기 압전소자의 각 분할 면에 설정 각도(360도/N) 간격으로 규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하거나 불규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하도록 상기 신호 발생기에서 발생한 입력 신호의 위상을 조절하는 위상 조절기를 포함하는 초음파 시스템을 제공한다. And, the present invention provides an ultrasound system for transmitting and receiving ultrasound into the ear for examination, comprising: a central piezoelectric element formed in a concave curved structure to focus ultrasound at a first focus position in the front; at least one peripheral piezoelectric element formed in a concave curved structure with a lower curvature than the first element and coupled to a peripheral portion centered on the central piezoelectric element to focus ultrasound at a second focus position farther than the first focus position to expand the depth of focus; an ultrasonic transducer having an aperture divided into N surfaces; a signal generator generating an input signal having multiple center frequencies in which different center frequencies are mixed; and a phase controller adjusting the phase of an input signal generated from the signal generator so as to apply an input signal having a regular phase difference at a set angle (360 degrees/N) to each divided surface of the piezoelectric element or to apply an input signal having an irregular phase difference.
또한, 상기 중심 압전소자와 상기 주변 압전소자는 서로 다른 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수에서 동작하도록 설계될 수 있다.Additionally, the central piezoelectric element and the peripheral piezoelectric element can be designed to operate at different first and second resonant frequencies.
또한, 본 발명은, 귀 내부로 초음파를 송수신하여 검사하기 위한 영상화 시스템에 있어서, 구경이 N개의 면으로 분할되어 복수의 분할 소자로 이루어진 압전 소자를 포함하고, 상기 압전 소자에 의해 발생한 초음파 신호를 귀 내부의 타겟 부분인 내이 조직으로 송신 후 반사 신호를 수신하는 초음파 변환자와, 입력 신호를 생성하는 신호 발생기와, 상기 입력 신호의 위상을 조절하여 상기 복수의 분할 소자로 인가하는 빔 제어 수단인 위상 조절기와, 상기 초음파 변환자가 B-scan 모드 및 C-scan(constant depth) 모드에 대응한 방향으로 움직이도록 상기 초음파 변환자의 움직임을 제어하는 모드 제어기, 및 상기 반사 신호를 분석하여 상기 내이 조직의 내부 또는 표면에 대한 B-모드 영상 및 탄성 신호, 탄성 영상을 산출하는 신호 처리기를 포함하는 귀 내부 초음파 영상화 시스템을 제공한다. In addition, the present invention provides an ultrasound imaging system for the inside of the ear for examining by transmitting and receiving ultrasound waves, the system including an ultrasound transducer having a piezoelectric element having a diameter divided into N planes and composed of a plurality of segmented elements, the ultrasound transducer transmitting an ultrasound signal generated by the piezoelectric element to inner ear tissue, which is a target portion inside the ear, and receiving a reflected signal; a signal generator generating an input signal; a phase controller being a beam control means for adjusting the phase of the input signal and applying the phase to the plurality of segmented elements; a mode controller controlling the movement of the ultrasound transducer so that the ultrasound transducer moves in a direction corresponding to a B-scan mode and a C-scan (constant depth) mode; and a signal processor analyzing the reflected signal to produce a B-mode image and an elasticity signal, and an elasticity image of the inside or the surface of the inner ear tissue.
또한, 상기 신호 발생기는, 매질의 이동량 측정을 위한 시작점이 되는 기준 신호를 인가하는 제1 구동 모드, 매질을 흔들어주기 위한 다중 초점 혹은 볼텍스 회전 형태의 푸싱 신호를 인가하는 제2 구동 모드, 그리고 푸싱 신호 인가 직후 상기 제1 구동 모드와 동일한 신호 타입을 가진 검출 신호를 인가하는 제3 구동 모드를 순차적으로 구동시킬 수 있다.In addition, the signal generator can sequentially drive a first driving mode that applies a reference signal that serves as a starting point for measuring the amount of movement of a medium, a second driving mode that applies a pushing signal in the form of a multi-focus or vortex rotation for shaking the medium, and a third driving mode that applies a detection signal having the same signal type as the first driving mode immediately after applying the pushing signal.
또한, 상기 신호 처리기는, 상기 기준 신호 인가 시 획득된 제1 초음파 반산 신호 대비 상기 검출 신호 인가 시에 획득한 제2 초음파 반사 신호를 비교하여, 매질 표면의 이동량을 측정하고 상기 이동량에 대응하는 탄성을 계산할 수 있다.In addition, the signal processor can measure the amount of movement of the medium surface and calculate elasticity corresponding to the amount of movement by comparing the second ultrasonic reflection signal acquired when the detection signal is applied with the first ultrasonic reflection signal acquired when the reference signal is applied.
또한, 상기 제1 및 제3 구동 모드는, 상기 복수의 분할 소자에게 동일 위상의 입력 신호를 인가하는 동일 위상 모드이고, 상기 제2 구동 모드는, 서로 다른 위상의 입력 신호들을 상기 복수의 분할 소자에게 인가하여 볼텍스 회전 빔을 발생시킬 수 있다.In addition, the first and third driving modes are same-phase modes that apply input signals of the same phase to the plurality of split elements, and the second driving mode can generate a vortex rotation beam by applying input signals of different phases to the plurality of split elements.
본 발명에 따르면, 귀 내부로 송수신되는 초음파 빔을 소용돌이 형태로 볼텍스 회전시키며, 이때 발생하는 회전 운동 에너지, 즉 각운동량(angular momentum)과 집속 에너지와의 시너지 효과를 발생시켜서, 기존의 고정 빔 기반의 초음파 변환자 대비 송수신 에너지 및 집속력, 그리고 투과력을 크게 증가시키고, 이를 통하여 귀내부를 효율적으로 영상화하거나 치료할 수 있도록 한다.According to the present invention, an ultrasonic beam transmitted and received into the ear is vortex-rotated in the form of a vortex, and a synergistic effect is generated between the rotational kinetic energy generated at this time, that is, angular momentum, and focusing energy, thereby greatly increasing the transmission and reception energy, focusing power, and penetrating power compared to a conventional fixed beam-based ultrasonic transducer, thereby enabling efficient imaging or treatment of the inside of the ear.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 볼텍스 빔을 제공하는 초음파 변환자를 포함한 초음파 프로브 모듈의 외형을 예시적으로 설명한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예를 위한 단일 초점 및 단일 주파수를 갖는 초음파 변환자의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 기반한 볼텍스 빔 발생을 위한 초음파 변환자의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 위한 다중 커브 구조의 초음파 변환자의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에 기반한 볼텍스 빔 발생을 위한 초음파 변환자의 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 도 2 및 도 3에 분극 역전 구조가 적용된 모습을 설명한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 변환자의 구조를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 시스템의 구조를 예시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 영상화 시스템의 구조를 예시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 영상화 시스템에 적용되는 분할 구조의 압전 소자를 통한 빔 형성 예시를 설명한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에서 음향방사력기반 탄성 영상을 획득하는 방법을 설명한 도면이다.
도 12는 B-scan과 c-scan의 개념을 설명한 도면이다. FIG. 1 is a drawing exemplarily illustrating the external appearance of an ultrasonic probe module including an ultrasonic transducer providing a vortex beam according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of an ultrasonic transducer having a single focus and single frequency for one embodiment of the present invention.
Fig. 3 is a drawing showing the structure of an ultrasonic transducer for generating a vortex beam based on Fig. 2.
FIG. 4 is a drawing showing the configuration of an ultrasonic transducer with a multi-curve structure for another embodiment of the present invention.
Fig. 5 is a drawing showing the structure of an ultrasonic transducer for generating a vortex beam based on Fig. 4.
Figure 6 is a drawing explaining the polarization reversal structure applied to Figures 2 and 3.
FIG. 7 is a drawing exemplarily showing the structure of an ultrasonic transducer according to another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a drawing illustrating the structure of an ultrasonic system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a drawing illustrating the structure of an ultrasound imaging system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a drawing illustrating an example of beam forming using a piezoelectric element of a split structure applied to an ultrasound imaging system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a drawing illustrating a method for obtaining an elasticity image based on acoustic radiation force in an embodiment of the present invention.
Figure 12 is a diagram explaining the concepts of B-scan and c-scan.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Hereinafter, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those with ordinary skill in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in various different forms and is not limited to the embodiments described herein. In addition, in order to clearly describe the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are assigned similar drawing reference numerals throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part is said to be "connected" to another part, this includes not only the case where it is "directly connected" but also the case where it is "electrically connected" with another element in between. Also, when a part is said to "include" a component, this does not mean that it excludes other components, but rather that it may include other components, unless otherwise stated.
본 발명은 기존 고정빔 에어커플드 초음파 프로브가 지닌 단점들을 해결할 수 있는 귀질환 검사, 진단 및 치료를 위한 에어커플드 볼텍스 초음파 프로브 모듈 및 이를 이용한 초음파 영상화 시스템을 제안한다. The present invention proposes an air-coupled vortex ultrasound probe module for examining, diagnosing, and treating ear diseases, which can solve the shortcomings of existing fixed-beam air-coupled ultrasound probes, and an ultrasound imaging system using the same.
초음파 빔의 형태가 고정되지 않고 볼텍스 회전하면서 송수신되면 볼텍스 회전력에 의한 운동 에너지 즉 각운동량이 초음파 집속 에너지와 시너지 효과를 가져올 수 있으며, 이로 인해 집속점과 비집속점에서의 초음파 송수신 에너지, 집속 에너지, 그리고 초음파 투과력을 증가시킬 수 있다. If the shape of the ultrasonic beam is not fixed and is transmitted and received while vortexing, the kinetic energy due to the vortex rotation, that is, the angular momentum, can have a synergistic effect with the ultrasonic focusing energy, which can increase the ultrasonic transmission and reception energy, focusing energy, and ultrasonic penetration power at the focusing point and unfocused point.
이에 본 발명에서는 초음파가 볼텍스 회전을 하면서 내이 부분까지 송수신될 수 있게 해주고 그 회전력을 제어할 수 있는 새로운 귀질환 전용 초음파 프로브 모듈 및 시스템을 제안한다.Accordingly, the present invention proposes a new ultrasound probe module and system dedicated to ear diseases, which enables ultrasound to be transmitted and received to the inner ear while vortex rotating and control the rotational force thereof.
일반적으로 특정 지점에 초음파 에너지를 집속 시키려면 렌즈를 사용하거나 변환자 구경 변형을 통해 초음파 빔을 한점에 집속 시키면 된다. 집속된 지점에서 초음파 에너지가 제일 크지만 응용분야에 따라 집속점의 에너지를 더욱 키워야 할 필요성이 있다. 일반적으로 집속점의 에너지를 키우려면 프로브 구동 전압을 증가 시키는데, 이에는 시스템 적인 한계가 있을 뿐만 아니라, 구동 전압이 너무 크면 압전소자가 파손된다. 또한 초점거리 및 구경크기는 응용 분야에 따라 임의로 조절하는 것이 어려운 경우가 많다.In general, to focus ultrasonic energy to a specific point, a lens is used or the ultrasonic beam is focused to a point by changing the diameter of the transducer. The ultrasonic energy is the largest at the focused point, but depending on the application, there is a need to further increase the energy of the focused point. In general, to increase the energy of the focused point, the probe driving voltage is increased, but this has a systematic limitation, and if the driving voltage is too large, the piezoelectric element is damaged. In addition, it is often difficult to arbitrarily adjust the focal length and diameter size depending on the application.
특히 본 발명에서처럼 귀 내부를 진단 및 치료하기 위해서는 구경의 크기가 일정 사이즈 이하로 유지되면서도 초음파 에너지를 높여야 하지만, 전기적 임피던스 문제로 초음파 구경이 어느 수준 이하로 소형화 되기에는 물리적인 한계점이 존재한다. In particular, in order to diagnose and treat the inside of the ear as in the present invention, the ultrasonic energy must be increased while the diameter size is maintained below a certain size. However, there is a physical limit to miniaturizing the ultrasonic diameter below a certain level due to electrical impedance issues.
이처럼 기존 고정된 초음파 빔을 발생시키는 초음파 변환자 기술의 문제점들을 해결하기 위해 본 발명에서는 귀 내부에 송수신되는 초음파 빔에 물리적 회전 운동 에너지인 볼텍스 회전력을 발생시키고 이때 발생하는 각운동량을 초음파의 집속 에너지에 반영시켜 시너지 효과를 만들고, 이로 인해 집속점의 에너지 및 투과 효과를 크게 증가시켜, 귓속 깊은 내이 부분까지 초음파 에너지를 전달할 수 있는 기술을 제안한다. In order to solve the problems of the existing ultrasonic transducer technology that generates a fixed ultrasonic beam, the present invention proposes a technology that generates a vortex rotational force, which is a physical rotational kinetic energy, in an ultrasonic beam transmitted and received inside the ear, and reflects the angular momentum generated at this time on the focused energy of the ultrasonic waves to create a synergy effect, thereby greatly increasing the energy and penetration effect of the focused point, and transmitting ultrasonic energy to the deep inner ear.
본 발명의 실시예에서 제안하는 에어커플드 초음파 프로브 모듈에 적용되는 초음파 변환자는 기본적으로 압전소자를 포함하며, 이러한 압전소자에서 발생하는 빔을 볼텍스 회전시키기 위한 빔 제어수단을 포함하는 구조를 가진다.The ultrasonic transducer applied to the air-coupled ultrasonic probe module proposed in the embodiment of the present invention basically includes a piezoelectric element and has a structure including a beam control means for vortex-rotating a beam generated from the piezoelectric element.
압전소자는 입력 신호의 인가에 따라 초음파 빔을 발생시킨다. 여기서 빔 제어수단은 압전소자와 직접 연결되거나 압전소자의 전방에 배치되어, 초음파 빔을 일반적인 고정 빔의 형태가 아닌 와류 형태로 회전하는 볼텍스 빔의 형태로 가공한다.The piezoelectric element generates an ultrasonic beam in response to an input signal. Here, the beam control means is directly connected to the piezoelectric element or is positioned in front of the piezoelectric element to process the ultrasonic beam into a vortex beam that rotates in a vortex shape rather than a general fixed beam shape.
빔 제어수단에 의해 압전소자는 볼텍스 회전하는 초음파 빔을 전방의 매질 즉, 귀 내부의 내이 조직으로 제공한다. 본 발명의 실시예에서 빔 제어수단은 압전소자의 후면에 연결되어 압전소자를 회전시키는 모터 혹은 압전소자의 전방에 배치되어 입사되는 빔을 회전 유도하도록 설계된 렌즈(나선형 렌즈 혹은 음향 메타 렌즈) 등을 포함할 수 있다. By means of a beam control means, the piezoelectric element provides a vortex-rotating ultrasound beam to the medium in front, i.e., the inner ear tissue inside the ear. In an embodiment of the present invention, the beam control means may include a motor connected to the rear of the piezoelectric element to rotate the piezoelectric element, or a lens (a spiral lens or an acoustic metalens) arranged in front of the piezoelectric element and designed to induce rotation of an incident beam.
물론 그밖에도, 압전소자의 구경이 여러 개로 분할된 형태의 분할 압전소자 구조인 경우에는 구경의 각 분할 영역에 설정 각도 간격으로 규칙적인 위상차 또는 불규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하기 위한 위상 조절기를 빔 제어수단으로 활용하여 볼텍스 빔을 생성할 수 있다. 물론, 이 경우에는 앞서 설명한 모터, 렌즈 및 강선형 하우징 중 적어도 하나를 추가로 부가할 수 있으며 이는 추후 상세히 설명할 것이다.Of course, in addition, in the case of a divided piezoelectric element structure in which the aperture of the piezoelectric element is divided into several parts, a phase controller for applying an input signal having a regular or irregular phase difference at a set angle interval to each divided area of the aperture can be used as a beam control means to generate a vortex beam. Of course, in this case, at least one of the motor, lens, and rigid housing described above can be additionally added, which will be described in detail later.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 볼텍스 빔을 제공하는 초음파 변환자를 포함한 초음파 프로브 모듈의 외형을 예시적으로 설명한 도면이다.FIG. 1 is a drawing exemplarily illustrating the external appearance of an ultrasonic probe module including an ultrasonic transducer providing a vortex beam according to an embodiment of the present invention.
초음파 검사는 초음파 프로브 모듈의 일단부가 환자의 귀에 삽입된 상태에서 이루어질 수 있다. 초음파 프로브 모듈은 측정이 용이하도록 하측의 손잡이 부분과 귀에 삽입되는 상측의 측정부를 포함하여 구성될 수 있고 압전 소자는 측정부에 포함될 수 있다. An ultrasound examination can be performed with one end of an ultrasound probe module inserted into a patient's ear. The ultrasound probe module can be configured to include a lower handle portion for easy measurement and an upper measuring portion inserted into the ear, and a piezoelectric element can be included in the measuring portion.
구체적으로 초음파 프로브 모듈(10)은 도 1에서와 같이 초음파 신호의 송수신이 이루어지는 일단부(11) 부분이 환자의 귀에 삽입된 상태로 사용될 수 있으며 타단부(12) 부분은 손잡이 형태를 가질 수 있다. 일단부(11) 내측에는 초음파 변환자를 구성하는 압전 소자가 설치될 수 있으며 타단부(12)에는 각종 소자, 부품, 처리 회로 등이 내장될 수 있다. Specifically, the ultrasonic probe module (10) can be used with one end (11) where ultrasonic signals are transmitted and received inserted into the patient's ear as shown in Fig. 1, and the other end (12) can have a handle shape. A piezoelectric element constituting an ultrasonic transducer can be installed inside one end (11), and various elements, parts, processing circuits, etc. can be built into the other end (12).
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 초음파 프로브 모듈은 일단부가 귀 내부에 삽입 가능한 구조를 가질 수 있다. 여기서 물론 초음파 프로브 모듈의 외형이 반드시 도 1에 의해 한정되지는 않는다. 또한 초음파 프로브 모듈(10)은 PC 등의 사용자 단말기, 디스플레이 장치 등과 유무선 연결되어 각종 데이터와 신호를 주고받을 수도 있다.In this way, the ultrasonic probe module according to the embodiment of the present invention may have a structure in which one end can be inserted into the ear. Of course, the external appearance of the ultrasonic probe module is not necessarily limited to Fig. 1. In addition, the ultrasonic probe module (10) may be connected wirelessly to a user terminal such as a PC, a display device, etc., to exchange various data and signals.
이하에서는 본 발명에서 제안하는 청각기능 개선을 위한 에어커플드 볼텍스 초음파 프로브 모듈을 위한 초음파 변환자의 다양한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, various embodiments of ultrasonic transducers for the air-coupled vortex ultrasonic probe module for improving hearing function proposed in the present invention are described in detail.
도 2는 본 발명의 일 실시예를 위한 단일 초점 및 단일 주파수를 갖는 초음파 변환자의 구성을 나타낸 도면이다. FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of an ultrasonic transducer having a single focus and single frequency for one embodiment of the present invention.
도 2의 (a)는 단일 소자로 이루어진 초음파 변환자로, 초음파 빔이 송출되는 축방향에 대해 단일 초점을 갖는 초음파 빔을 발생시킨다. Fig. 2 (a) is an ultrasonic transducer composed of a single element, which generates an ultrasonic beam having a single focus with respect to the axial direction in which the ultrasonic beam is transmitted.
도 2의 (b)는 2개의 분할 소자로 이루어진 초음파 변환자 구조로, 각 분할 소자에 180도 차이나는 서로 다른 위상(예: 0도, 180도)을 인가하게 되면 축방향에 대해서는 단일 초점을 가지고 측 방향으로는 빔이 2개로 분할된 형태의 다중 초점을 갖는 초음파 빔을 발생시킬 수 있다. Figure 2 (b) shows an ultrasonic transducer structure composed of two split elements. When different phases (e.g., 0 degrees, 180 degrees) that are 180 degrees apart are applied to each split element, an ultrasonic beam having a single focus in the axial direction and a multi-focus in the form of a beam split into two in the lateral direction can be generated.
이러한 도 2에 도시된 초음파 변환자 구조에서는 고정된 집속 빔을 송수신하게 된다. 다음은 이러한 도 2의 구조를 기반으로 하되 도 2와 같은 고정 빔이 아닌 와류 형태로 회전하는 볼텍스 빔을 제공하는 초음파 변환자 구조를 도 3을 통해 상세히 설명한다. In the ultrasonic transducer structure illustrated in Fig. 2, a fixed focused beam is transmitted and received. Next, based on the structure of Fig. 2, an ultrasonic transducer structure that provides a vortex beam that rotates in a vortex shape instead of a fixed beam as in Fig. 2 is described in detail through Fig. 3.
도 3은 도 1에 기반한 볼텍스 빔 발생을 위한 초음파 변환자의 구조를 나타낸 도면이다. Fig. 3 is a drawing showing the structure of an ultrasonic transducer for generating a vortex beam based on Fig. 1.
도 3의 (a)는 볼텍스 빔 발생을 위한 빔 제어수단으로 '모터'를 활용한 것이고, (b)는 '나선형 렌즈' 또는 '음향 메타 렌즈'를 활용한 것이고, (c)는 분할 소자의 각 입력 신호의 위상을 제어하는 '위상 조절기'를 활용한 것이다. 이러한 도 3에서 제안한 초음파 변환자 구조에서는 볼텍스 회전 빔을 발생시켜 기존 초음파 변환자 보다 향상된 송수신 에너지를 제공할 수 있다.Fig. 3 (a) uses a 'motor' as a beam control means for generating a vortex beam, (b) uses a 'spiral lens' or an 'acoustic metalens', and (c) uses a 'phase controller' that controls the phase of each input signal of the split element. The ultrasonic transducer structure proposed in Fig. 3 can provide improved transmission and reception energy compared to existing ultrasonic transducers by generating a vortex rotation beam.
도 3의 (a)에 나타낸 초음파 변환자(100-1)는 압전소자(110) 및 모터(120a)를 포함한 구조로, 회전형 모터(120a)를 사용하여 압전소자(110)를 회전시켜 매질 속으로 초음파 빔이 볼텍스 회전하면서 진행되도록 할 수 있다.The ultrasonic transducer (100-1) shown in (a) of Fig. 3 has a structure including a piezoelectric element (110) and a motor (120a), and can rotate the piezoelectric element (110) using a rotary motor (120a) to cause an ultrasonic beam to travel through a medium while vortex rotating.
구체적으로, 도 3의 (a)에 나타낸 압전소자(110)는 단일 소자로 이루어지며 인가되는 입력 신호에 의해 초음파 빔을 발생시킨다. 이를 위해 신호 발생기가 단일 주파수의 입력 신호를 생성하여 압전소자(110)로 제공할 수 있다.Specifically, the piezoelectric element (110) shown in (a) of Fig. 3 is composed of a single element and generates an ultrasonic beam by an input signal applied. To this end, a signal generator can generate an input signal of a single frequency and provide it to the piezoelectric element (110).
압전소자(110)의 후면에 장착된 모터(120a)는 압전소자(110)를 축방향으로 직접 회전시킨다. 이에 따라 압전소자(110)의 전면으로 출력되는 초음파 빔은 고정 빔의 형태가 아닌 와류 형태의 회전하는 볼텍스 빔의 형태가 된다. A motor (120a) mounted on the rear of the piezoelectric element (110) directly rotates the piezoelectric element (110) in the axial direction. Accordingly, the ultrasonic beam output to the front of the piezoelectric element (110) is not in the form of a fixed beam, but in the form of a rotating vortex beam in the form of a vortex.
이와 같이 도 3의 (a)의 구조에서 압전소자(110)는 빔 제어수단인 모터(120a)의 동작에 따라 직접 회전하면서 전방의 매질 즉, 귀 내부에 위치한 내이 조직까지 볼텍스 회전하는 초음파 빔을 제공하게 된다. 이 경우 볼텍스 빔의 회전 속도는 모터의 회전 속도에 따라 결정될 수 있다. 물론 모터가 정지된 경우에는 초음파 빔이 고정 빔으로 제어될 수 있다.In this way, in the structure of (a) of Fig. 3, the piezoelectric element (110) directly rotates according to the operation of the motor (120a), which is a beam control means, and provides an ultrasonic beam that vortex rotates to the medium in front, that is, the inner ear tissue located inside the ear. In this case, the rotation speed of the vortex beam can be determined according to the rotation speed of the motor. Of course, when the motor is stopped, the ultrasonic beam can be controlled as a fixed beam.
도 3의 (b)에 나타낸 초음파 변환자(100-2)는 단일 소자로 이루어진 압전소자(110) 및 그의 전면 혹은 전방에 배치된 렌즈(120b)를 포함한다. 이때, 렌즈는 나선형 렌즈 또는 음향 메타 렌즈에 해당한다. 이러한 도 3의 (b)는 특수 제작된 나선형 렌즈 혹은 음향 메타 렌즈를 이용하여 빔을 볼텍스 회전시키는 구조이다. The ultrasonic transducer (100-2) shown in (b) of Fig. 3 includes a piezoelectric element (110) made of a single element and a lens (120b) arranged in front or in front of the piezoelectric element. At this time, the lens corresponds to a spiral lens or an acoustic meta lens. This Fig. 3 (b) is a structure that vortex-rotates a beam using a specially manufactured spiral lens or an acoustic meta lens.
즉, 도 3의 (b)는 모터(120a) 대신에 렌즈(120b)를 활용하여 압전소자(110)의 전방으로 출력되는 초음파 빔을 볼텍스 회전시킨다. 이 경우 볼텍스 빔의 회전 속도는 렌즈의 나선 패턴 구조 혹은 음향 메타 렌즈의 형태학적 구조에 의해 결정될 수 있다.That is, (b) of Fig. 3 uses a lens (120b) instead of a motor (120a) to vortex-rotate an ultrasonic beam output in front of a piezoelectric element (110). In this case, the rotation speed of the vortex beam can be determined by the spiral pattern structure of the lens or the morphological structure of the acoustic meta lens.
나선형 렌즈는 볼텍스 빔을 발생 시킬 수 있도록 단일 나선형 혹은 다중 나선형을 가질 수 있다. 음향 메타 렌즈는 자연계에 없는 음향 특성을 가진 메타 물질을 적용해 만든 모듈로서, 구성 소자 사이즈가 매우 작은 소자들로 만들어진다. 이러한 소자들을 정밀하게 나사선 모양으로 배치해서 볼텍스 빔을 만들 수 있다. A spiral lens can have a single spiral or multiple spirals to generate a vortex beam. An acoustic meta-lens is a module made by applying metamaterials with acoustic properties that do not exist in nature, and is made of very small components. These components can be precisely arranged in a spiral shape to create a vortex beam.
도 3의 (c)에 나타낸 초음파 변환자(100-3)는 복수의 분할 소자(111)로 이루어진 압전소자(110a) 및 빔 제어수단인 위상 조절기(120c)를 포함한 구조이다. 여기서 압전소자(110a)의 구경이 4 분할된 구조를 예시한다. The ultrasonic transducer (100-3) shown in (c) of Fig. 3 is a structure including a piezoelectric element (110a) composed of a plurality of split elements (111) and a phase controller (120c) which is a beam control means. Here, a structure in which the diameter of the piezoelectric element (110a) is split into four is exemplified.
여기서 압전소자(110a)를 구성한 복수(N개)의 분할 소자(111) 각각은 단일 소자 타입 또는 배열 소자 타입으로 구현될 수 있다. 또한 각각의 분할 소자(111)는 서로 동일한 소재 또는 서로 상이한 소재로 형성될 수 있다. 이에 따라, 각각의 분할 소자(111)는 동일하거나 서로 다른 종류의 압전소자들로 이루어질 수 있다.Here, each of the plurality (N) of split elements (111) that constitute the piezoelectric element (110a) can be implemented as a single element type or an array element type. In addition, each of the split elements (111) can be formed of the same material or different materials. Accordingly, each of the split elements (111) can be formed of the same or different types of piezoelectric elements.
위상 조절기(120c)는 신호 발생기(130)에서 발생한 입력 신호의 위상을 조절하여 복수의 분할 소자(111)에 서로 상이한 위상의 입력 신호를 인가한다.The phase controller (120c) controls the phase of an input signal generated from a signal generator (130) and applies input signals of different phases to a plurality of split elements (111).
이때, 위상 조절기(120c)는 발생한 입력 신호를 입력받아 그 위상을 조절하여 각각의 분할 소자(111)에 설정 각도(360도/N) 간격으로 규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 개별 인가할 수 있다. 4분할 구조이므로 설정 각도는 90도가 된다. 물론, 이외에도 각 분할 소자(111)에 서로 불규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가할 수 있다. 위상 조절기(120c)는 하나의 입력 신호에 대해 서로 다른 위상으로 조절된 4개의 입력 신호를 출력할 수도 있고, 동일한 입력 신호를 각각 포트 별로 입력받고 각각을 서로 다른 위상으로 조절하여 개별 출력할 수도 있다.At this time, the phase controller (120c) can receive the generated input signal, adjust its phase, and individually apply an input signal with a regular phase difference at a set angle (360 degrees/N) to each of the split elements (111). Since it is a four-part structure, the set angle is 90 degrees. Of course, in addition, an input signal with an irregular phase difference can be applied to each of the split elements (111). The phase controller (120c) can output four input signals adjusted to different phases for one input signal, or can receive the same input signal for each port, adjust each to a different phase, and individually output them.
위상차는 분할되는 초음파 구경의 개수에 따라 달라지므로, 규칙적인 경우에는 360도/N을 가질 수 있지만, 불규칙적인 위상차도 가능하다. 본 발명의 실시예에서는 4분할된 구조를 예시하므로, 각 분할 소자(111)에 인가되는 입력 신호의 위상을 90도 간격(0도, 90도, 180도, 270도)으로 변화시킨 한가지 예를 보여준다. The phase difference varies depending on the number of divided ultrasonic apertures, so in the regular case it can have 360 degrees/N, but irregular phase differences are also possible. Since the embodiment of the present invention exemplifies a four-divided structure, it shows one example in which the phase of the input signal applied to each divided element (111) is changed at 90-degree intervals (0 degrees, 90 degrees, 180 degrees, 270 degrees).
이와 같이, 변환자의 구경을 다중 소자로 나누고, 분할된 각 소자(111)에 가해지는 전기 신호의 위상을 일정 간격으로 변화시키면 송수신되는 초음파 빔을 볼텍스 회전시킬 수 있다. 이 경우 볼텍스 빔의 회전 속도는 분할 구경에 인가되는 위상 패턴 조정을 통해 조절될 수 있다.In this way, by dividing the aperture of the converter into multiple elements and changing the phase of the electric signal applied to each of the divided elements (111) at regular intervals, the transmitted and received ultrasonic beam can be vortex rotated. In this case, the rotation speed of the vortex beam can be controlled by adjusting the phase pattern applied to the divided aperture.
여기서, 도 3의 (c) 구조에서, 분할된 소자들 사이의 위상차가 180도가 되면, 빔이 고정되면서 도 2의 (b)처럼 초점을 측방향으로 분할시킬 수 있다. 예를 들어, 도 1의 (b)처럼 4개의 분할 소자를 2개씩 2 그룹으로 구분하여 제1 그룹과 제2 그룹에 서로 180도 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하면 고정 빔이 생성될 수 있으며 측방향으로 다중 초점이 형성될 수 있다. 만일 측방향 및 고도방향으로 동시에 다중 초점을 발생 시키려면 4개의 분할 소자에서 상호 대각선에 위치한 소자들을 2개씩 묶어 그룹을 생성하고 서로 180도 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하면 된다.Here, in the structure (c) of Fig. 3, if the phase difference between the divided elements becomes 180 degrees, the beam can be fixed and the focus can be split laterally as in (b) of Fig. 2. For example, if four divided elements are divided into two groups of two each as in (b) of Fig. 1 and input signals having a phase difference of 180 degrees are applied to the first and second groups, a fixed beam can be generated and multiple foci can be formed in the lateral direction. If multiple foci are to be generated in the lateral and elevation directions simultaneously, groups can be generated by grouping two each of elements located diagonally from the four divided elements and input signals having a phase difference of 180 degrees can be applied.
즉, 위상 조절기(120c)에 의해 각각의 분할 소자(111) 중 제1 그룹의 소자 및 제2 그룹의 소자에 서로 180도 위상차를 갖는 입력 신호가 인가(예: 제1 그룹에는 위상이 0도인 입력 신호, 제2 그룹에는 180도인 입력 신호가 인가)되면, 압전소자(110a)에서는 고정 빔 상태의 초음파 빔을 제공하되 측방향으로 분할된 다중 초점을 갖는 초음파 빔을 생성할 수 있다. That is, when input signals having a phase difference of 180 degrees are applied to the elements of the first group and the elements of the second group among the respective split elements (111) by the phase controller (120c) (e.g., an input signal having a phase difference of 0 degrees is applied to the first group and an input signal having a phase difference of 180 degrees is applied to the second group), the piezoelectric element (110a) can provide an ultrasonic beam in a fixed beam state while generating an ultrasonic beam having multiple foci split laterally.
이러한 본 발명의 실시예의 경우, 볼텍스 회전 속도는 모터의 속도를 제어하거나, 나선형 렌즈의 패턴을 변경시키거나, 메타렌즈의 구조를 변경시키거나, 분할구경에 인가되는 위상 패턴 조정을 통해 조절 가능하다.In this embodiment of the present invention, the vortex rotation speed can be adjusted by controlling the speed of the motor, changing the pattern of the spiral lens, changing the structure of the metalens, or adjusting the phase pattern applied to the split aperture.
제안된 기술은 다중 초점 및 다중 주파수를 발생시킬 수 있는 다중 커브 공초점 초음파 변환자에도 적용 가능하다. The proposed technique is also applicable to multi-curve confocal ultrasound transducers capable of generating multi-focus and multi-frequency signals.
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 위한 다중 커브 구조의 초음파 변환자의 구성을 나타낸 도면이다. FIG. 4 is a drawing showing the configuration of an ultrasonic transducer with a multi-curve structure for another embodiment of the present invention.
도 4의 (a)를 참조하면, 다중 커브 구조 및 다중 주파수를 위한 압전소자(210)는 고주파수 초음파를 발생시킬 수 있도록 제작한 제1 압전소자(211)(이하, 제1 소자)를 중심으로 그 주변부에 저주파수 초음파를 발생시킬 수 있는 제2 압전소자(212)(이하, 제2 소자)를 결합시킨 후, 이들 소자들(211,212) 끼리 공통 신호 라인과 공통 접지 라인을 갖도록 전극 패턴을 연결시켜 제작된다. 이때, 고주파수는 제1 공진주파수(f1), 저주파수는 제2 공진주파수(f2)로 표현될 수 있다(f1>f2).Referring to (a) of FIG. 4, a piezoelectric element (210) for a multi-curve structure and multi-frequency is manufactured by combining a first piezoelectric element (211) (hereinafter, “first element”) capable of generating high-frequency ultrasonic waves with a second piezoelectric element (212) (hereinafter, “second element”) capable of generating low-frequency ultrasonic waves in the periphery thereof, and then connecting electrode patterns so that these elements (211, 212) have a common signal line and a common ground line. At this time, the high frequency can be expressed as a first resonant frequency (f1), and the low frequency can be expressed as a second resonant frequency (f2) (f1>f2).
여기서, 고주파 압전소자인 제1 소자(211)는 근거리 초점에 집속을, 그 주변부에 연결된 저주파 압전소자인 제2 소자(212)는 원거리 초점에 집속을 할 수 있도록, 제1 소자(211)와 제2 소자(212)간 서로 다른 곡률을 가지게 구경을 변형해주거나, 변형된 렌즈를 사용하면, 초음파 감쇠 현상을 최소화하면서 축방향으로 초점심도(Depth of focus, DOF)를 증가시킬 수 있다.Here, the first element (211), which is a high-frequency piezoelectric element, can focus on a close focus, and the second element (212), which is a low-frequency piezoelectric element connected to the periphery thereof, can focus on a long-distance focus. By modifying the aperture so that the first element (211) and the second element (212) have different curvatures or using a modified lens, the depth of focus (DOF) in the axial direction can be increased while minimizing the ultrasonic attenuation phenomenon.
즉, 고주파수 초음파는 감쇠 현상이 심하므로 근거리에 초점이 형성되고 저주파수 초음파는 감쇠 현상이 심하지 않으므로 원거리에 초점이 형성된다. 이와 같이, 각기 다른 중심 주파수와 곡률로 설계된 제1 소자(211) 및 제2 소자(212)를 기반으로 초점 심도가 더욱 향상된 초음파 빔을 제공할 수 있다.That is, since high-frequency ultrasound has a high attenuation phenomenon, a focus is formed at a close distance, and since low-frequency ultrasound has a low attenuation phenomenon, a focus is formed at a long distance. In this way, an ultrasound beam with a further improved depth of focus can be provided based on the first element (211) and the second element (212) designed with different center frequencies and curvatures.
두 종류의 소자(211,212)가 상호 전극 연결이 되어 있기 때문에, 서로 다른 중심 주파수가 혼합된 입력 신호가 단일 신호선을 통해 인가되면, 각 소자(211,212)는 인가된 혼합 입력 신호에서 자신의 공진 주파수에 해당하는 초음파 신호를 선별하여 송수신할 수 있다. 즉, 각 소자 자체가 개별적인 대역필터(band pass filter) 역할을 하게 된다.Since the two types of elements (211, 212) are mutually connected to each other by electrodes, when input signals with different center frequencies are mixed and applied through a single signal line, each element (211, 212) can select and transmit/receive an ultrasonic signal corresponding to its own resonant frequency from the applied mixed input signal. In other words, each element itself acts as an individual band pass filter.
도 4의 (b)는 (a)와 비교하여 구경을 2 분할한 구조를 갖는 압전소자를 포함한 초음파 변환자로, 분할된 각 면에 서로 다른 위상(0도, 180도)을 인가하게 되면 축방향으로는 다중 초점을 갖고 측방향으로는 빔이 2개로 분할된 다중 초점을 갖는 초음파 빔을 발생시킬 수 있다. Fig. 4 (b) is an ultrasonic transducer including a piezoelectric element having a structure in which the aperture is divided into two compared to (a). When different phases (0 degrees, 180 degrees) are applied to each of the divided surfaces, an ultrasonic beam having multiple foci in the axial direction and multiple foci with the beam divided into two in the lateral direction can be generated.
이러한 도 4와 같은 다중 커브 구조를 갖는 다중 주파수 초음파 변환자에 제안된 볼텍스 회전 기술을 적용시키면 아래의 도 5와 같이 볼텍스 회전형 빔을 송수신할 수 있다. By applying the proposed vortex rotation technology to a multi-frequency ultrasonic transducer having a multi-curve structure such as that of Fig. 4, a vortex rotation beam can be transmitted and received as shown in Fig. 5 below.
도 5는 도 4에 기반한 볼텍스 빔 발생을 위한 초음파 변환자의 구조를 나타낸 도면이다.Fig. 5 is a drawing showing the structure of an ultrasonic transducer for generating a vortex beam based on Fig. 4.
여기서, 도 5의 (a)는 볼텍스 빔 발생을 위한 빔 제어수단으로 '회전형 모터'를 활용한 것이고, (b)는 '나선형 렌즈' 또는 '음향 메타 렌즈'를 활용한 것이고, (c)는 분할 구경의 각 입력 신호의 위상을 제어하는 '위상 조절기'를 활용한 것으로, 상기 언급된 방법들은 모두 볼텍스 회전 초음파 빔을 유도할 수 있다. Here, (a) of Fig. 5 utilizes a 'rotary motor' as a beam control means for generating a vortex beam, (b) utilizes a 'spiral lens' or an 'acoustic metalens', and (c) utilizes a 'phase controller' that controls the phase of each input signal of the split aperture. All of the above-mentioned methods can induce a vortex rotating ultrasonic beam.
먼저, 도 5의 (a)를 참조하면, 초음파 변환자(200-1)는 다중 커브 구조의 압전소자(210) 및 이에 연결된 모터(220a)를 포함한다. 앞서와 같이, 회전형 모터(220a)를 사용하여 압전소자(210)를 회전시켜 매질 속으로 초음파 빔이 볼텍스 회전하면서 진행되도록 한다.First, referring to (a) of Fig. 5, the ultrasonic transducer (200-1) includes a piezoelectric element (210) of a multi-curve structure and a motor (220a) connected thereto. As described above, the piezoelectric element (210) is rotated using a rotary motor (220a) so that the ultrasonic beam travels while vortex rotating into the medium.
압전소자(210)는 오목한 곡면형 구조를 가지되 서로 다른 곡률로 형성된 제1 소자(211) 및 제2 소자(212)로 구성되어 다중 커브 구조를 갖는다. 제1 소자(211)와 제2 소자(212) 각각은 단일 소자 타입 또는 배열 소자 타입으로 구현될 수 있다. 또한 각각의 소자(211,212)는 서로 동일한 소재 또는 서로 상이한 소재로 형성될 수 있다.The piezoelectric element (210) has a concave curved structure and is composed of a first element (211) and a second element (212) formed with different curvatures, thereby having a multi-curved structure. Each of the first element (211) and the second element (212) can be implemented as a single element type or an array element type. In addition, each of the elements (211, 212) can be formed of the same material or different materials.
제1 소자(211)는 오목한 곡면형 구조로 형성되어 도 4에서와 같이 전방의 제1 초점(A) 위치에 초음파를 집속시킨다. 여기서 제1 소자(211)는 제1 공진주파수(f1)에서 동작하도록 설계된다. 제2 소자(212)는 제1 소자(211)를 중심으로 그 주변부에 적어도 하나 결합된다. 이때, 제2 소자(212)는 제1 소자(211)보다 낮은 곡률의 오목한 곡면형 구조로 형성되며, 제1 초점(A) 위치보다 먼 제2 초점(B) 위치에 초음파를 집속시켜서 초점 심도를 확장시킨다. 제2 소자(212)는 제1 공진주파수(f1)와는 상이한 제2 공진주파수(f2)에서 동작하도록 설계된다(f2<f1).The first element (211) is formed as a concave curved structure and focuses ultrasonic waves at a first focus (A) position in the front as shown in FIG. 4. Here, the first element (211) is designed to operate at a first resonant frequency (f1). At least one second element (212) is coupled to a periphery centered around the first element (211). At this time, the second element (212) is formed as a concave curved structure with a lower curvature than the first element (211) and focuses ultrasonic waves at a second focus (B) position farther than the first focus (A) position to expand the depth of focus. The second element (212) is designed to operate at a second resonant frequency (f2) different from the first resonant frequency (f1) (f2<f1).
이에 따르면, 제1 및 제2 소자(211,212)의 상이한 곡률에 따라 다중 커브 구조로 설계되어, 초점 심도의 축방향 길이를 확장시킬 수 있으며, 서로 상이한 중심 주파수에 따른 다중 주파수를 활용하여 초점 심도의 측방향 넓이를 균일하게 유지하면서 원거리 초점 심도의 에너지 손실을 최소화할 수 있다.Accordingly, the axial length of the depth of focus can be expanded by designing a multi-curve structure according to the different curvatures of the first and second elements (211, 212), and the lateral width of the depth of focus can be uniformly maintained by utilizing multiple frequencies according to different center frequencies, while minimizing energy loss of the long-distance depth of focus.
본 발명의 실시예의 경우, 두 개의 압전소자(211,212)를 동시 동작시키기 위하여, 각각의 소자들의 중심 주파수에 해당하는 f1과 f2 신호가 혼합된 신호(f1+f2)를 입력 신호로 사용할 수 있다.In the embodiment of the present invention, in order to operate two piezoelectric elements (211, 212) simultaneously, a signal (f1+f2) in which the f1 and f2 signals corresponding to the center frequencies of each element are mixed can be used as an input signal.
따라서, 제1 및 제2 소자(211,212)에는 서로 다른 중심 주파수가 혼합된 형태의 다중 중심 주파수를 갖는 입력 신호(f1+f2)가 동시에 입력되고, 각각의 압전소자(211,212)는 입력된 신호에서 자신의 공진 주파수에 해당하는 초음파 신호를 선별하여 송수신한다. 응용 목적에 따라서는 다중 중심 주파수를 갖는 신호가 선택적으로 입력될 수 있다. Accordingly, input signals (f1+f2) having multiple center frequencies in the form of mixed different center frequencies are simultaneously input to the first and second elements (211, 212), and each piezoelectric element (211, 212) selects an ultrasonic signal corresponding to its own resonant frequency from the input signal and transmits and receives it. Depending on the application purpose, a signal having multiple center frequencies may be selectively input.
각각의 소자(211,212)는 설계된 공진 주파수의 신호 입력에 반응하여 기계적 진동하여 해당 주파수의 초음파 신호를 발생시키고, 그 밖의 다른 주파수의 신호에는 반응(동작)하지 않는다. 즉, 제1 소자(211)는 f1과 f2가 혼합된 입력 신호에 대응하여 f1에 해당한 초음파 신호를 선별하여 송수신하고, 제2 소자(212)는 f2에 해당한 초음파 신호를 선별하여 송수신한다.Each element (211, 212) mechanically vibrates in response to a signal input of a designed resonant frequency to generate an ultrasonic signal of the corresponding frequency, and does not react (operate) to signals of other frequencies. That is, the first element (211) selects and transmits and receives an ultrasonic signal corresponding to f1 in response to an input signal in which f1 and f2 are mixed, and the second element (212) selects and transmits and receives an ultrasonic signal corresponding to f2.
이와 같이, 제1 및 제2 소자(211,212)는 인가된 혼합 신호를 개별 공진 특성에 의해 물리적으로 필터링하여 각 소자들의 중심 주파수에 해당하는 초음파만 분리해서 송수신할 수 있다. 즉, 혼합된 신호가 입력되어도 각 소자에서는 f1과 f2의 초음파를 분리해서 송수신할 수 있다. 물론, 두 소자에 인가되는 신호가 동일하므로 신호 발생기도 한 대만 필요로 하여 전체 시스템이 간단해진다.In this way, the first and second elements (211, 212) can physically filter the applied mixed signal by their individual resonance characteristics to separate and transmit and receive only the ultrasonic waves corresponding to the center frequency of each element. That is, even if a mixed signal is input, each element can separate and transmit and receive the ultrasonic waves of f1 and f2. Of course, since the signals applied to the two elements are the same, only one signal generator is required, simplifying the entire system.
도 5의 (a)의 구조에서 압전소자(210)는 빔 제어수단인 모터(220a)의 동작에 따라 직접 회전하면서 전방의 매질로 볼텍스 회전하는 초음파 빔을 제공하게 된다. 볼텍스 빔의 회전 속도는 모터의 회전 속도에 따라 조절될 수 있다.In the structure of (a) of Fig. 5, the piezoelectric element (210) directly rotates according to the operation of the motor (220a), which is a beam control means, and provides an ultrasonic beam that vortex rotates to the front medium. The rotation speed of the vortex beam can be controlled according to the rotation speed of the motor.
도 5의 (b)에 나타낸 초음파 변환자(200-2)는 다중 커브 구조의 압전소자(210) 및 그의 전면 혹은 전방에 배치된 렌즈(220b)(나선형 렌즈 또는 음향 메타 렌즈)를 포함하며, 모터(220a) 대신에 렌즈(220b)를 활용하여 압전소자(210)의 전방으로 출력되는 다중 주파수 및 다중 초점의 초음파 빔을 볼텍스 회전시킨다. 이 경우 볼텍스 빔의 회전 속도는 렌즈의 나선 패턴 혹은 음향 메타 렌즈의 형태학적 구조에 의해 결정될 수 있다.The ultrasonic transducer (200-2) shown in (b) of Fig. 5 includes a piezoelectric element (210) having a multi-curved structure and a lens (220b) (spiral lens or acoustic meta-lens) arranged in front or in front of the piezoelectric element, and vortex-rotates a multi-frequency and multi-focus ultrasonic beam output to the front of the piezoelectric element (210) by utilizing the lens (220b) instead of the motor (220a). In this case, the rotation speed of the vortex beam can be determined by the spiral pattern of the lens or the morphological structure of the acoustic meta-lens.
도 5의 (c)에 나타낸 초음파 변환자(200-3)는 (a)와는 달리 구경이 N개로 분할된 압전소자(210a)와 빔 제어수단인 위상 조절기(220c)를 포함한 구조를 갖는다. 여기서 압전소자(210a)는 오른쪽 그림과 같이 구경이 4 분할된 구조(N=4)를 예시한다. 압전소자(210a)는 제1 소자(211)의 중심을 기준으로 구경이 4개의 면으로 십자 모양으로 분할된 것을 알 수 있다. The ultrasonic transducer (200-3) shown in (c) of Fig. 5, unlike (a), has a structure including a piezoelectric element (210a) whose aperture is divided into N and a phase controller (220c) which is a beam control means. Here, the piezoelectric element (210a) exemplifies a structure in which the aperture is divided into four (N=4) as shown in the figure on the right. It can be seen that the piezoelectric element (210a) is divided into four cross-shaped planes with the aperture based on the center of the first element (211).
이때, 위상 조절기(220c)는 신호 발생기(230)에서 발생한 입력 신호의 위상을 조절하여, 압전소자(210a)의 각 분할 구경 면에 설정 각도(360도/N) 간격으로 규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 각각 인가하거나, 불규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가한다. 도 5의 (c)는 4 분할 구조를 예시하므로, 4개의 각 분할 면에 인가되는 입력 신호의 위상을 90도 간격(0도, 90도, 180도, 270도)으로 변화시킨 한가지 예를 보여준다. 여기서 물론, 위상차는 분할되는 초음파 구경의 개수에 따라 달라지며, 불규칙적인 위상차도 가능하다. At this time, the phase controller (220c) adjusts the phase of the input signal generated from the signal generator (230) to apply an input signal with a regular phase difference at a set angle (360 degrees/N) interval to each of the divided aperture surfaces of the piezoelectric element (210a), or to apply an input signal with an irregular phase difference. Fig. 5 (c) exemplifies a four-division structure, and thus shows one example in which the phase of the input signal applied to each of the four divided surfaces is changed at 90-degree intervals (0 degrees, 90 degrees, 180 degrees, 270 degrees). Of course, the phase difference varies depending on the number of divided ultrasonic apertures, and an irregular phase difference is also possible.
여기서 물론, 도 5의 (c)의 구조에서, 압전소자(210a)는 위상 조절기(220c)에 의해 각각의 분할 면으로 동일 위상의 입력 신호가 인가되는 경우에 고정빔 상태의 초음파 빔을 제공하되 축방향으로 다중 초점을 갖는 초음파 빔을 생성할 수 있다.Here, of course, in the structure of (c) of Fig. 5, the piezoelectric element (210a) can provide an ultrasonic beam in a fixed beam state when an input signal of the same phase is applied to each divided surface by a phase controller (220c), but can generate an ultrasonic beam having multiple foci in the axial direction.
또한, 각각의 분할 면 중에서 제1 그룹의 면과 제2 그룹의 면에 서로 180도 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하는 경우에는 고정빔 상태의 초음파 빔을 제공하되, 도 5의 (b)의 경우와 같이 축방향의 다중 초점과 측방향의 다중 초점을 동시에 갖는 초음파 빔을 생성할 수 있다. In addition, when input signals having a phase difference of 180 degrees are applied to the first group face and the second group face among each of the divided faces, an ultrasonic beam in a fixed beam state is provided, but an ultrasonic beam having axial multi-focus and lateral multi-focus can be generated simultaneously, as in the case of (b) of Fig. 5.
예를 들어, 4개의 영역을 2개씩 2 그룹으로 구분하여 제1 그룹의 영역에는 위상이 0도인 신호, 제2 그룹의 영역에는 위상이 180도인 신호를 인가하면 된다. 즉, 도 5의 (b)처럼 이중으로 분할된 초음파 변환자에 위상차가 180도가 나도록 신호를 인가하면 측방향으로 분할된 초점을 발생시킬 수 있다. 이는 초점 영역을 확장 시킬 수 있으므로 치료용 초음파의 치료 효과를 증가 시킬 수 있다.For example, if four areas are divided into two groups of two each, a signal with a phase of 0 degrees can be applied to the area of the first group, and a signal with a phase of 180 degrees can be applied to the area of the second group. That is, if a signal with a phase difference of 180 degrees is applied to the doubly divided ultrasonic transducer as in (b) of Fig. 5, a laterally divided focus can be generated. This can expand the focus area, thereby increasing the therapeutic effect of therapeutic ultrasound.
한편, 초음파 변환자 구조는 일반적인 단일 층 압전소자로 구성될 수 있지만, 아래의 도 6에 도시된 분극 역전 압전소자 구조로 구성될 수 있다.Meanwhile, the ultrasonic transducer structure may be composed of a general single-layer piezoelectric element, but may also be composed of a polarization reversal piezoelectric element structure as shown in Fig. 6 below.
도 6은 도 2 및 도 3에 분극 역전 구조가 적용된 모습을 설명한 도면이다. 여기서 도 6의 (a)는 도 2의 (a)에 분극 역전 구조가 적용된 모습이고, (b)-(d)는 도 3에 분극 역전 구조가 적용된 모습이다.Fig. 6 is a drawing explaining the appearance of the polarization reversal structure applied to Figs. 2 and 3. Here, Fig. 6 (a) is the appearance of Fig. 2 (a) with the polarization reversal structure applied, and (b)-(d) are the appearances of Fig. 3 with the polarization reversal structure applied.
이와 같이, 분극 역전 구조로 구현한 압전소자는 서로 반대의 분극 방향을 가진 역전층 소자(→ 표시 부분)와 비역전층 소자(← 표시 부분)가 초음파 신호의 진행 방향에 따라 전후 접합되어, 역전층과 비역전층의 비율 조절 및 음향 임피던스 조절이 가능한 분극 역전(polarization inversion) 구조를 가진다.In this way, the piezoelectric element implemented with a polarization inversion structure has a polarization inversion structure in which the inversion layer element (→ marked portion) and the non-inversion layer element (← marked portion) with opposite polarization directions are connected back and forth according to the direction of propagation of the ultrasonic signal, thereby enabling adjustment of the ratio of the inversion layer and the non-inversion layer and adjustment of the acoustic impedance.
일반적으로 분극 역전 기술은 서로 반대의 분극 방향을 가진 두 압전 소자를 초음파 신호의 진행 방향에 대해 전후로 접합한 구조를 사용한 기술로서, 이를 이용하면 분극 역전 기술이 적용된 압전소자로부터 다중 주파수 성분이 발생하여 조직 표면에 집속되게 된다. In general, polarization reversal technology is a technology that uses a structure in which two piezoelectric elements with opposite polarization directions are connected back and forth with respect to the direction of propagation of the ultrasound signal. By using this, multiple frequency components are generated from the piezoelectric elements to which polarization reversal technology is applied and focused on the tissue surface.
도 6의 (a)처럼 압전소자 분극을 서로 역전시켜 배치하는 모델은 소자의 두께 비율에 따라 대역폭이 넓어지거나 1차 및 2차 고조파를 동시에 발생시킬 수 있는 특성이 있다. 도 6의 (a)와 같은 분극역전 초음파 변환자에도 제안된 기술이 적용되면, 도 6의 (b)-(d) 처럼 다양한 조합의 볼텍스 회전 초음파 빔이 생성될 수 있다. 또한, 도 6의 (d)처럼 구경이 분할된 초음파 변환자에 180도 위상차를 갖는 신호선을 인가하면 측방향으로 분할된 초점 영역이 발생될 수 있다. A model in which the piezoelectric elements are arranged with their polarizations reversed, as in Fig. 6 (a), has the characteristics of being able to widen the bandwidth or generate the first and second harmonics simultaneously depending on the thickness ratio of the elements. If the proposed technology is applied to a polarization-reversing ultrasonic transducer, as in Fig. 6 (a), various combinations of vortex rotating ultrasonic beams can be generated, as in Figs. 6 (b)-(d). In addition, if a signal line with a 180-degree phase difference is applied to an ultrasonic transducer with a divided aperture, as in Fig. 6 (d), a focal area divided laterally can be generated.
물론 그밖에도, 도 4 및 도 5의 다중 커브 구조의 압전 소자에도 동일한 원리도 분극 역전 구조가 적용될 수 있다. 이 역시 압전소자를 구성한 서로 다른 곡률의 두 소자 모두 분극 역전 구조로 구현됨으로써 다중 주파수 특성이 다중 초점에서 나타날 수 있다. 예를 들어, 중심의 제1 소자(211)는 분극 역전 구조에 따라 단일이 아닌 두 개의 중심 주파수(예: f1 및 2×f1) 신호가 동시 발생하여 제1 초점 위치에 집속되고 제2 소자(212)에서도 분극 역전 구조에 따라 두 개의 중심 주파수 신호(예: f2 및 2×f2)가 동시 발생하여 제2 초점 위치에 집속될 수 있다.Of course, the same principle and polarization reversal structure can be applied to the piezoelectric elements of the multi-curve structures of FIGS. 4 and 5. In this case, since both elements of different curvatures that constitute the piezoelectric element are implemented with a polarization reversal structure, multi-frequency characteristics can appear at multiple foci. For example, in the first element (211) at the center, two center frequency signals (e.g., f1 and 2×f1) can be generated simultaneously instead of single according to the polarization reversal structure and focused at the first focal position, and in the second element (212), two center frequency signals (e.g., f2 and 2×f2) can be generated simultaneously according to the polarization reversal structure and focused at the second focal position.
모든 초음파 변환자를 대상으로 볼텍스 빔을 만들어 내는 경우, 모터나 나선형 렌즈/음향 메타 렌즈, 그리고 위상차에 의한 방법들은 독립적으로도 동작하지만 상호 결합되어 동작될 수 있다. 볼텍스 빔을 발생시키는 방법들 중, 회전 속도를 제어하기 위해서, 모터 속도를 제어하거나, 나선형 패턴을 변형 하거나, 위상차를 균일하게 혹은 비균일하게 변화 되도록 제어할 수 있다. When generating a vortex beam for all ultrasonic transducers, the motor, spiral lens/acoustic metalens, and phase difference methods can operate independently or in combination. Among the methods for generating a vortex beam, in order to control the rotation speed, the motor speed can be controlled, the spiral pattern can be modified, or the phase difference can be controlled to change uniformly or non-uniformly.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 변환자의 구조를 예시적으로 나타낸 도면이다. FIG. 7 is a drawing exemplarily showing the structure of an ultrasonic transducer according to another embodiment of the present invention.
도 7에 나타낸 초음파 변환자(300)는 도 3(c)에 나타낸 4 분할된 압전소자(110a)에 모터(120a'), 렌즈(120b') 및 강선형 하우징(140; 140a~140c)이 결합된 구조이며, 이때 도 3(c)의 각 분할 소자(111)에 신호를 인가하는 신호 발생기(130)와 신호 위상을 조절하는 위상 조절기(120c)의 구성은 생략되었다. The ultrasonic transducer (300) shown in Fig. 7 is a structure in which a motor (120a'), a lens (120b'), and a rigid housing (140; 140a to 140c) are combined with a four-segmented piezoelectric element (110a) shown in Fig. 3(c), and at this time, the configuration of a signal generator (130) that applies a signal to each segmented element (111) of Fig. 3(c) and a phase controller (120c) that adjusts the signal phase are omitted.
이러한 도 7은 모터(120a'), 압전소자(110a), 렌즈(120b'), 그리고 강선형(rifling) 하우징(140)을 사용해서 볼텍스 초음파 빔의 회전력 및 빔 패턴을 변경시킬 수 있는 구조를 나타낸다. This drawing 7 shows a structure that can change the rotational force and beam pattern of a vortex ultrasonic beam by using a motor (120a'), a piezoelectric element (110a), a lens (120b'), and a rifling housing (140).
압전소자(110a) 후면에 장착된 모터(120a')는 압전소자(110a)를 직접 회전시키며, 압전소자 전방에 배치된 렌즈(120b')는 나선형 렌즈 또는 음향 메타 렌즈로 구현되어 나선 패턴 혹은 형태학적 구조에 따라 빔을 볼텍스 회전시킨다. 렌즈(120b)의 전방에 배치된 강선형 하우징(140)은 렌즈(120b')를 통과한 초음파 빔이 관통하여 출력되는 공간으로 내주면을 따라 나선형의 강선이 형성되어 빔을 회전 유도할 수 있다.A motor (120a') mounted on the rear of a piezoelectric element (110a) directly rotates the piezoelectric element (110a), and a lens (120b') positioned in front of the piezoelectric element is implemented as a spiral lens or an acoustic meta lens and vortex-rotates a beam according to a spiral pattern or morphological structure. A steel wire-shaped housing (140) positioned in front of the lens (120b) has a spiral steel wire formed along its inner surface as a space through which an ultrasonic beam passing through the lens (120b') passes and is output, thereby inducing rotation of the beam.
여기서, 강선형 하우징(140)은 총 세 가지 타입으로 구현 가능하며, 길이 방향으로 내경이 일정한 직진형(140b), 전방으로 갈수록 내경이 좁아지는 집속형(140a), 전방으로 갈수록 내경이 넓어지는 방사형(140c) 중 어느 하나의 형태로 구현될 수 있다.Here, the steel wire housing (140) can be implemented in a total of three types, and can be implemented in any one of the following forms: a straight type (140b) with a constant inner diameter in the longitudinal direction, a focused type (140a) with a narrower inner diameter toward the front, and a radial type (140c) with a wider inner diameter toward the front.
이와 같이, 결합되는 각 요소들의 설계에 따라 볼텍스 초음파 빔이 집속 되거나 균일하게 진행하거나 방사형으로 퍼질 수 있으며, 모두 볼텍스 회전에 의한 강한 투과력을 가지고 있다. 도 7에 나타난 기술은 구경이 분할된 압전소자의 구성을 갖는 도 5(c)의 압전소자(210a)에도 상술한 바와 같은 모터(120a'), 렌즈(120b') 및 강선형 하우징(140; 140a~140c)이 결합된 구조가 적용될 수 있다.In this way, depending on the design of each element to be combined, the vortex ultrasound beam can be focused, uniformly propagated, or radially spread, all of which have strong penetrability due to vortex rotation. The technology shown in Fig. 7 can also be applied to the piezoelectric element (210a) of Fig. 5(c) having a configuration of a piezoelectric element with a divided aperture, in which a structure in which a motor (120a'), a lens (120b'), and a rigid housing (140; 140a to 140c) are combined as described above.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 시스템에 대하여 상세히 설명한다. 도 8 및 도 9에 나타낸 초음파 시스템은 구경이 N개로 분할된 압전 소자 즉, 분할 구조의 압전 소자로 이루어진 초음파 변환자 구조를 기반으로 구현되며, N개의 분할 소자에 서로 다른 위상차를 갖는 신호를 인가함으로써 볼텍스 빔 생성이 가능한 구조를 갖는다. Hereinafter, an ultrasonic system according to an embodiment of the present invention will be described in detail. The ultrasonic system illustrated in FIGS. 8 and 9 is implemented based on an ultrasonic transducer structure composed of a piezoelectric element with N divided apertures, i.e., a piezoelectric element with a divided structure, and has a structure capable of generating a vortex beam by applying signals having different phase differences to the N divided elements.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 시스템의 구조를 예시한 도면이다. 이러한 도 8은 볼텍스 빔을 발생시킬 수 있는 한가지 시스템 예시로서, 다중 커브 구조를 가지고 4개의 분할 소자로 이루어진 초음파 변환자에 이웃한 소자들끼리의 위상차가 90도가 되도록 전기 신호를 인가하는 초음파 시스템의 일례를 나타낸다. 다른 모든 회전 빔 모델도 비슷한 구조를 가질 수 있다. FIG. 8 is a diagram illustrating the structure of an ultrasonic system according to an embodiment of the present invention. FIG. 8 illustrates an example of an ultrasonic system that can generate a vortex beam by applying an electric signal to an ultrasonic transducer having a multi-curve structure and consisting of four split elements so that the phase difference between adjacent elements is 90 degrees. All other rotating beam models can have similar structures.
도 8을 참조하면, 초음파 시스템(400)은 초음파 변환자(210a), 신호 발생기(230), 위상 조절기(220), 그리고 송신 증폭기(240)를 포함한다. 여기서 초음파 변환자(210a)는 중심 압전소자(211) 및 그 주변부에 결합된 주변 압전소자(212)로 이루어지며, 오른쪽 그림과 같이 구경이 N개로 분할된 구조를 갖는다. 이러한 도 8은 앞서 도 5(c)에서 언급한 구조에 기반한 것으로 도 8의 우측에 나타낸 구경 평면도와 같이 구경이 4개로 분할된 구조를 예시한다. 여기서, 중심 압전소자(211)는 제1 공진주파수(f1)에서 동작하도록 설계되고 주변 압전소자(212)는 제2 공진주파수(f2)에서 동작하도록 설계된다(f1>f2).Referring to FIG. 8, the ultrasonic system (400) includes an ultrasonic transducer (210a), a signal generator (230), a phase controller (220), and a transmission amplifier (240). Here, the ultrasonic transducer (210a) is composed of a central piezoelectric element (211) and peripheral piezoelectric elements (212) coupled to the periphery thereof, and has a structure in which the aperture is divided into N parts as shown in the figure on the right. This FIG. 8 is based on the structure mentioned above in FIG. 5(c) and exemplifies a structure in which the aperture is divided into four parts as shown in the aperture plan view on the right side of FIG. 8. Here, the central piezoelectric element (211) is designed to operate at a first resonant frequency (f1) and the peripheral piezoelectric elements (212) are designed to operate at a second resonant frequency (f2) (f1>f2).
신호 발생기(230)는 서로 다른 중심 주파수가 혼합된 형태의 다중 중심 주파수를 갖는 입력 신호(f1+f2)를 발생시킨다. 신호 발생기(230)는 혼합 신호 발생기에 해당한다. 다중 중심 주파수를 갖는 입력 신호는 중심 및 주변 압전소자(211,212)에 동시에 인가된다. 여기서 물론 신호 발생기(230)의 동작에 따라 다중 중심 주파수를 갖는 입력 신호(f1+f2)를 중심 압전소자 및 주변 압전소자 중 어느 하나에 선택적으로 인가할 수도 있다. The signal generator (230) generates an input signal (f1+f2) having multiple center frequencies in the form of mixed different center frequencies. The signal generator (230) corresponds to a mixed signal generator. The input signal having multiple center frequencies is simultaneously applied to the center and peripheral piezoelectric elements (211, 212). Of course, depending on the operation of the signal generator (230), the input signal (f1+f2) having multiple center frequencies may be selectively applied to either the center piezoelectric element or the peripheral piezoelectric element.
위상 조절기(220)는 압전소자(210a)의 각 분할 면에 설정 각도(360도/N; 90도) 간격으로 규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호가 인가되도록 신호 발생기(240)에서 발생한 입력 신호의 위상을 조절한다. 여기서 물론 위상 조절에 따라 각 분할 면에 불규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호가 인가되도록 할 수도 있다. 송신 증폭기(240)는 위상 조절기(220)를 통하여 설정 간격으로 위상이 조절된 각각의 입력 신호를 증폭하여 각 분할 면으로 인가한다.The phase controller (220) controls the phase of the input signal generated from the signal generator (240) so that an input signal having a regular phase difference is applied to each divided surface of the piezoelectric element (210a) at a set angle (360 degrees/N; 90 degrees). Of course, an input signal having an irregular phase difference may be applied to each divided surface depending on the phase control. The transmission amplifier (240) amplifies each input signal whose phase is controlled at a set interval through the phase controller (220) and applies it to each divided surface.
이와 같이, 신호 발생기(230)에서는 소자를 구성하는 다중 소자들의 공진주파수에 해당하는 신호들을 혼합해서 발생시키며, 위상 조절기(220)를 통해 분할 구경 면사이의 위상차를 조정하고 송신 증폭기(240)를 통해 신호를 증폭시킨 뒤 분할된 각각의 변환자에 연결시켜 볼텍스 빔 초음파를 발생시킨다.In this way, the signal generator (230) mixes and generates signals corresponding to the resonant frequencies of the multiple elements constituting the element, adjusts the phase difference between the divided aperture surfaces through the phase controller (220), amplifies the signal through the transmission amplifier (240), and then connects it to each of the divided transducers to generate a vortex beam ultrasonic wave.
이러한 볼텍스 빔 초음파는 달팽이관에 물리적인 자극을 줘서 내액 순환을 도와주거나 청각신경 자극을 통해 청력 장애 개선에도 사용될 수 있다. 한편, 송수신된 초음파 신호는 내이 부분 특히 달팽이관의 팽창 여부를 확인 할 수 있도록 B-mode(brightness mode) 영상뿐만 아니라 탄성 신호 및 탄성 영상으로 구현될 수 있다. These vortex beam ultrasounds can be used to physically stimulate the cochlea to help with the circulation of the inner fluid, or to improve hearing impairment through auditory nerve stimulation. Meanwhile, the transmitted and received ultrasound signals can be implemented as elastic signals and elastic images as well as B-mode (brightness mode) images to check for swelling of the inner ear, especially the cochlea.
이를 위해, 후술하는 도 9에서처럼 수신된 초음파 신호를 증폭시키고 신호 처리기(270)를 통해서 B-mode 및 탄성 영상을 구현할 수 있다. 이때 scan 모드 제어기(250)를 통해 초음파 변환자 구경 방향 대비 타겟의 수직 단면도를 얻기 위한 B-scan 및 수평 단면도를 얻기 위한 C-scan을 선택할 수 있다. C-scan의 경우 근거리 영상이 가능하므로 표면 B-mode 및 탄성 영상 구현이 가능하다.To this end, as shown in FIG. 9 described below, the received ultrasonic signal can be amplified and B-mode and elasticity images can be implemented through a signal processor (270). At this time, B-scan for obtaining a vertical cross-section of the target relative to the direction of the ultrasonic transducer aperture and C-scan for obtaining a horizontal cross-section can be selected through the scan mode controller (250). In the case of C-scan, since a close-range image is possible, surface B-mode and elasticity images can be implemented.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 영상화 시스템의 구조를 예시한 도면이다.FIG. 9 is a drawing illustrating the structure of an ultrasound imaging system according to an embodiment of the present invention.
초음파 영상화 시스템(500)은 귀 내부로 초음파를 송수신하여 영상화하는 시스템으로, 초음파 변환자(210a), 신호 발생기(230), 위상 조절기(220), 모드 제어기(250) 및 신호 처리기(270)를 포함하며, 송신 증폭기(240), 수신 증폭기(260) 및 디스플레이(280)를 더 포함할 수 있다.The ultrasound imaging system (500) is a system that transmits and receives ultrasound into the ear to create an image, and includes an ultrasound transducer (210a), a signal generator (230), a phase controller (220), a mode controller (250), and a signal processor (270), and may further include a transmitting amplifier (240), a receiving amplifier (260), and a display (280).
초음파 변환자(210a)는 복수의 분할 소자로 이루어진 압전 소자를 포함한다. 도 9는 도 5(c)에 나타낸 구경이 4개로 분할되어 4개의 분할 소자로 이루어진 압전 소자를 나타낸다. 물론 도 5(c) 이외에도 도 3(c)와 같은 4분할 구조의 압전소자가 적용되어도 무관한다. The ultrasonic transducer (210a) includes a piezoelectric element composed of a plurality of split elements. Fig. 9 shows a piezoelectric element composed of four split elements, with the aperture shown in Fig. 5(c) divided into four. Of course, in addition to Fig. 5(c), a piezoelectric element with a four-split structure, such as Fig. 3(c), may be applied.
이와 같이, 초음파 영상화 시스템을 위한 초음파 변환자(210a)는 복수의 분할 소자로 이루어진 압전 소자를 포함하고, 압전 소자에 의해 발생한 초음파 신호를 귀 내부의 타겟 부분인 내이 조직으로 송신 후 반사 신호를 수신한다. 즉, 압전 소자는 구경이 분할된 복수의 분할 소자를 갖는다.In this way, the ultrasonic transducer (210a) for the ultrasonic imaging system includes a piezoelectric element composed of a plurality of segmented elements, and transmits an ultrasonic signal generated by the piezoelectric element to the inner ear tissue, which is a target portion inside the ear, and then receives a reflected signal. That is, the piezoelectric element has a plurality of segmented elements with segmented apertures.
여기서, 도 9에 나타낸 초음파 변환자(210a)는 도 5(c)와 같이 구경이 4개로 분할된 구조를 가지면서 중심 압전소자(211)와 주변 압전소자(212)에 의한 다중 커브 구조의 구조를 갖는다. 물론, 도 9의 시스템(500)에 적용되는 초음파 변환자 구조는 반드시 상술한 형태로 한정되지 않으며, 도 3(c)와 같은 형태의 4분할된 압전소자(110a) 구조가 적용되어도 무관하다. Here, the ultrasonic transducer (210a) shown in Fig. 9 has a structure in which the aperture is divided into four as in Fig. 5(c) and has a multi-curve structure by a central piezoelectric element (211) and peripheral piezoelectric elements (212). Of course, the ultrasonic transducer structure applied to the system (500) of Fig. 9 is not necessarily limited to the form described above, and a structure of a piezoelectric element (110a) divided into four as in Fig. 3(c) may be applied.
신호 발생기(240)는 입력 신호를 발생시키며, 위상 조절기(220)는 입력 신호의 위상을 조절하여 4개의 분할 소자로 인가하는데, 이때 압전소자(210a)의 각 분할 면에 설정 각도(360도/N; 90도) 간격으로 규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호가 인가되도록 신호 발생기(240)에서 발생한 입력 신호의 위상을 조절할 수 있다.A signal generator (240) generates an input signal, and a phase controller (220) adjusts the phase of the input signal and applies it to four segment elements. At this time, the phase of the input signal generated from the signal generator (240) can be adjusted so that an input signal having a regular phase difference is applied at intervals of a set angle (360 degrees/N; 90 degrees) to each segment surface of the piezoelectric element (210a).
모드 제어기(250)는 초음파 변환자(210a)가 B-scan 모드 및 C-scan 모드에 대응한 방향으로 움직이도록 초음파 변환자(210a)의 움직임을 제어할 수 있다. 예를 들어, 모드 제어기(250)는 B-scan 모드의 경우 축방향과 측방향의 수평 평면에 대해, C-scan 모드의 경우 고도방향과 측방향의 수직 평면에 대해 초음파 변환자(210a)를 이동시키면서 타겟(내이 조직)을 스캔할 수 있다.The mode controller (250) can control the movement of the ultrasonic transducer (210a) so that the ultrasonic transducer (210a) moves in a direction corresponding to the B-scan mode and the C-scan mode. For example, the mode controller (250) can scan the target (inner ear tissue) by moving the ultrasonic transducer (210a) in the horizontal plane in the axial direction and the lateral direction in the case of the B-scan mode, and in the vertical plane in the elevation direction and the lateral direction in the case of the C-scan mode.
수신 증폭기(260)는 반사 신호를 증폭하여 신호 처리기(270)로 전달하고 신호 처리기(270)는 증폭된 반사 신호를 분석하여 귓속의 내이 조직에 대한 B-모드 영상 및 탄성 영상을 산출하고, 이를 디스플레이(280)로 전달할 수 있다.The receiving amplifier (260) amplifies the reflected signal and transmits it to the signal processor (270), and the signal processor (270) analyzes the amplified reflected signal to produce a B-mode image and an elasticity image of the inner ear tissue, which can be transmitted to the display (280).
귀내부의 초음파 탄성 영상은 음향방사력을 기반으로 구현되며, 음향 방사력을 증진 시키기 위하여 도 10과 같은 구조가 사용될 수 있다. Ultrasonic elasticity images of the inner ear are implemented based on acoustic radiation power, and a structure such as that in Fig. 10 can be used to enhance the acoustic radiation power.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 초음파 영상화 시스템에 적용되는 분할 구조의 압전 소자를 통한 빔 형성 예시를 설명한 도면이다. 도 10의 (a)는 도 2와 같은 상태의 단일의 압전소자로 이루어진 초음파 변환자를 나타내고, 도 10의 (b)는 도 3의 (c)와 같은 구경이 분할된 압전 소자로 이루어진 초음파 변환자 구조에 기반한 것이다. FIG. 10 is a drawing explaining an example of beam formation through a piezoelectric element of a split structure applied to an ultrasonic imaging system according to an embodiment of the present invention. FIG. 10 (a) shows an ultrasonic transducer formed of a single piezoelectric element in the same state as FIG. 2, and FIG. 10 (b) is based on an ultrasonic transducer structure formed of a piezoelectric element with a split diameter as in FIG. 3 (c).
초음파 변환자의 구경은 두 개 또는 네 개의 요소로 분할 될 수 있으며, 각 요소는 다양한 위상 및 진폭 조건을 가진 전기 신호에 의해 독립적으로 여기 되어 초점의 발생 패턴을 변경시킬 수 있다. The aperture of the ultrasonic transducer can be divided into two or four elements, each of which can be independently excited by an electrical signal with different phase and amplitude conditions to change the pattern of focal spot generation.
일례로, 모든 요소에 대한 구동 신호의 위상이 동일한 경우, 도 10의 (a)와 같이 단일 초점이 생성되며, 구동 신호의 위상이 특정 패턴을 가질 경우, 다중 초점이 생성되고, 볼텍스 회전도 가능하게 된다. 이러한 기술은 음향방사력 기반 탄성 영상 구현에 적용되어 해상도를 크게 증가 시킬 수 있다. For example, when the phase of the driving signal for all elements is the same, a single focus is generated as in (a) of Fig. 10, and when the phase of the driving signal has a specific pattern, multiple focuses are generated and vortex rotation is also possible. This technology can be applied to the implementation of acoustic radiation force-based elasticity imaging to greatly increase the resolution.
도 10의 (b)와 같이, 제안된 초음파 변환자의 구경은 다중 초점 초음파를 생성할 수 있는 구형 초점 형상을 갖는 4개의 직사각형 요소로 구성될 수 있다. 푸싱 신호의 경우 각 요소는 90도의 위상차를 갖는 입력 신호들로 활성화될 수 있다. 이 구성은 측면 및 고도방향으로 4개의 독립적인 초점을 생성하거나 볼텍스 회전 빔을 발생시켜 푸싱 신호의 에너지를 크게 증가 시킬 수 있다. As shown in Fig. 10(b), the aperture of the proposed ultrasonic transducer can be composed of four rectangular elements with a spherical focal shape capable of generating multi-focus ultrasound. For the pushing signal, each element can be activated by input signals with a phase difference of 90 degrees. This configuration can generate four independent foci in the lateral and elevation directions or generate a vortex rotating beam to greatly increase the energy of the pushing signal.
도 11은 본 발명의 실시예에서 음향방사력기반 탄성 영상을 획득하는 방법을 설명한 도면이고, 도 12는 B-scan과 C-scan의 개념을 설명한 도면이다. FIG. 11 is a drawing explaining a method for obtaining an elasticity image based on acoustic radiation force in an embodiment of the present invention, and FIG. 12 is a drawing explaining the concepts of B-scan and C-scan.
도 11과 같이, 신호 발생기(230)는 매질의 이동량 측정을 위한 시작점이 되는 기준 신호를 인가하는 제1 구동 모드, 매질을 흔들어주기 위한 다중 초점 혹은 볼텍스 회전 형태의 푸싱 신호를 인가하는 제2 구동 모드, 그리고 푸싱 신호 인가 직후 제1 구동 모드와 동일한 신호 타입을 가진 검출 신호를 인가하는 제3 구동 모드를 순차적으로 구동시킬 수 있다.As shown in FIG. 11, the signal generator (230) can sequentially drive a first driving mode that applies a reference signal that serves as a starting point for measuring the amount of movement of a medium, a second driving mode that applies a pushing signal in the form of a multi-focus or vortex rotation for shaking the medium, and a third driving mode that applies a detection signal having the same signal type as the first driving mode immediately after applying the pushing signal.
이때, 제1 및 제3 구동 모드는 상기 복수의 분할 소자에게 동일 위상의 입력 신호를 인가하는 동일 위상 모드이고, 제2 구동 모드는, 서로 다른 위상의 입력 신호들을 복수의 분할 소자에게 인가하여 볼텍스 회전 빔을 발생시키는 볼텍스 회전 모드일 수 있다. At this time, the first and third driving modes may be a same-phase mode that applies input signals of the same phase to the plurality of split elements, and the second driving mode may be a vortex rotation mode that applies input signals of different phases to the plurality of split elements to generate a vortex rotation beam.
또한, 이 경우 도 9에서 신호 처리기(270)는 기준 신호 인가 시 획득된 제1 초음파 수신 신호 대비 상기 검출 신호 인가 시에 획득한 제2 초음파 수신 신호를 비교하여, 매질 표면의 이동량을 측정하고 이동량에 대응하는 탄성을 계산할 수 있다.In addition, in this case, the signal processor (270) in FIG. 9 can measure the amount of movement of the medium surface and calculate elasticity corresponding to the amount of movement by comparing the second ultrasonic reception signal acquired when the detection signal is applied with the first ultrasonic reception signal acquired when the reference signal is applied.
즉, 도 11과 같이, 먼저 동일 위상의 신호를 송수신해서 기준 영상 신호로 잡고, 다중 초점을 발생 시키는 푸싱 신호나 볼텍스 회전하는 푸싱 신호를 송신해서 타겟의 움직임을 유발하는데, 다중 초점 및 회전효과가 송신되는 초음파 에너지를 증가시켜 타겟의 움직임을 크게 유발할 수 있다. That is, as shown in Fig. 11, first, a signal of the same phase is transmitted and received to be used as a reference image signal, and then a pushing signal that generates multiple focuses or a pushing signal that rotates a vortex is transmitted to induce movement of the target. The multiple focuses and rotation effects can significantly induce movement of the target by increasing the transmitted ultrasonic energy.
이어서, 동일 위상의 추적 신호를 송수신하는데, 동일 위상의 신호를 송수신 하면 단일 초점이 발생되어 결과적으로 도 11처럼 탄성 영상의 해상도가 증가될 수 있다. 즉, 도 11에서처럼 B-mode 영상에서는 구형의 Cyst 타겟이 잘 보이지 않는다. 일반적인 동일 위상의 푸싱 신호 및 추적 신호를 사용한 탄성 영상의 경우 중심에 Cyst 타겟이 보이지만 모양이 선명하지 않은 문제점이 보였다. 그러나 제안된 방법, 즉 다중 초점 및 볼텍스 회전하는 푸싱 신호와 동일 위상의 추적 신호를 연속으로 사용할 경우, 모양이 선명한 Cyst가 보였다. 즉 제안된 방법을 적용 시 음향방사력기반 탄성 영상의 해상도가 크게 증가함을 확인 할 수 있다. Next, when transmitting and receiving tracking signals of the same phase, a single focus is generated, which can increase the resolution of the elasticity image as shown in Fig. 11. That is, as shown in Fig. 11, the spherical Cyst target is not clearly visible in the B-mode image. In the case of elasticity images using general pushing signals and tracking signals of the same phase, the Cyst target is visible in the center, but the shape is not clear, which is a problem. However, when the proposed method, that is, the pushing signal with multiple focuses and the vortex rotating and the tracking signal of the same phase are used continuously, the Cyst with a clear shape is visible. That is, it can be confirmed that the resolution of the acoustic radiation force-based elasticity image is significantly increased when the proposed method is applied.
또한, 도 12에서처럼 제안된 방법을 기반으로 초음파 변환자 구경 면과 수직인 B-scan 영상뿐만 아니라 초음파 변환자 구경 면과 수평한 C-scan 영상을 제공할 수도 있다. 즉 귀내부 구조의 표면 탄성 영상도 제공 가능하다.In addition, as shown in Fig. 12, the proposed method can provide not only a B-scan image perpendicular to the ultrasound transducer aperture plane but also a C-scan image horizontal to the ultrasound transducer aperture plane. In other words, a surface elasticity image of the inner ear structure can also be provided.
이상과 같이, 본 발명에서는 초음파 에너지를 기반으로 청각신경을 포함한 내이 조직의 물리적인 자극을 통해 청력기능을 효과적으로 증진시키고 내이 구조를 영상화할 수 있는 고성능 귀질환 전용 에어커플드 초음파 프로브 기술을 제안한다. As described above, the present invention proposes a high-performance air-coupled ultrasound probe technology dedicated to ear diseases that can effectively enhance hearing function and visualize inner ear structures through physical stimulation of inner ear tissues including the auditory nerve based on ultrasonic energy.
제안된 귀질환 전용 초음파 변환자는 볼텍스 빔을 발생 시키고 회전 속도 제어가 가능하므로 고정된 빔을 발생하는 일반적인 초음파 변환자 보다 공기중에서의 송수신 에너지를 크게 증가시킬 수 있다. The proposed ultrasonic transducer specifically for ear diseases generates a vortex beam and has controllable rotation speed, which can significantly increase the transmission and reception energy in the air compared to a typical ultrasonic transducer that generates a fixed beam.
본 발명에 따르면, 입력 신호에 의해 초음파 빔을 발생시키는 압전소자 및 상기 압전소자와 연결되거나 상기 압전소자의 전방에 배치되어, 압전소자로부터 발생하는 초음파 빔을 와류 형태의 볼텍스 빔으로 생성하기 위한 빔 제어수단을 포함하며, 압전소자는 상기 빔 제어수단에 의해 전방의 매질로 볼텍스 회전하는 초음파 빔을 제공하는 초음파 변환자를 제공한다. According to the present invention, an ultrasonic transducer is provided, which comprises a piezoelectric element that generates an ultrasonic beam by an input signal, and a beam control means connected to the piezoelectric element or arranged in front of the piezoelectric element to generate an ultrasonic beam generated from the piezoelectric element into a vortex beam in the form of an eddy current, wherein the piezoelectric element provides an ultrasonic beam that vortex rotates to a medium in front by the beam control means.
본 발명에 의하면, 송수신되는 초음파 빔을 소용돌이 형태로 볼텍스 회전시키며, 이때 발생하는 회전 운동 에너지, 즉 각운동량과 진행 에너지와의 시너지 효과를 발생시켜서, 기존의 고정 빔 기반의 초음파 변환자 대비 송수신 에너지 및 집속력, 그리고 투과력을 크게 증가시킬 수 있기 때문에, 고막 안쪽에 있으며 공기 및 뼈로 둘러싸인 내이 구조의 진단 및 치료를 위해 충분한 초음파 에너지가 전달 될 수 있다.According to the present invention, by vortex-rotating a transmitted and received ultrasonic beam in the form of a vortex, and generating a synergistic effect with the rotational kinetic energy generated at this time, that is, angular momentum and propagation energy, the transmitted and received energy, focusing power, and penetrability can be greatly increased compared to a conventional fixed beam-based ultrasonic transducer, so that sufficient ultrasonic energy can be transmitted for the diagnosis and treatment of the inner ear structure located inside the tympanic membrane and surrounded by air and bone.
본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, these are merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.
10: 초음파 프로브 모듈 100,200,300: 초음파 변환자
110,110a,210,210a: 압전소자 120a,220a: 모터
120b,220b: 렌즈 120c,220c: 위상 조절기
130,230: 신호 발생기 211: 제1 압전소자
212: 제2 압전소자 240: 송신 증폭기 10: Ultrasonic probe module 100,200,300: Ultrasonic transducer
110,110a,210,210a: Piezoelectric element 120a,220a: Motor
120b,220b: Lens 120c,220c: Phase adjuster
130,230: Signal generator 211: First piezoelectric element
212: Second piezoelectric element 240: Transmitter amplifier
Claims (26)
상기 초음파 변환자는,
입력 신호에 의해 초음파 빔을 발생시키며 복수의 분할 소자로 이루어지는 압전 소자; 및
상기 압전소자와 연결되거나 상기 압전소자의 전방에 배치되며, 신호 발생기에서 발생한 입력 신호의 위상을 조절하여 상기 복수의 분할 소자에 서로 상이한 위상의 입력 신호를 인가하여, 상기 압전소자로부터 발생하는 초음파 빔을 와류 형태의 볼텍스 빔으로 생성하기 위한 위상 조절기에 해당하는 빔 제어수단을 포함하며,
상기 압전소자는,
상기 빔 제어수단에 의해 볼텍스 회전하는 초음파 빔을 귀 내부의 내이 조직으로 제공하는 초음파 프로브 모듈.In an air-coupled ultrasound probe module including an ultrasound transducer for transmitting and receiving ultrasound into the ear,
The above ultrasonic transducer is,
A piezoelectric element comprising a plurality of split elements and generating an ultrasonic beam by an input signal; and
A beam control means corresponding to a phase controller connected to the piezoelectric element or arranged in front of the piezoelectric element, for controlling the phase of an input signal generated from a signal generator to apply input signals of different phases to the plurality of split elements, thereby generating an ultrasonic beam generated from the piezoelectric element as a vortex beam in the form of a vortex current,
The above piezoelectric element,
An ultrasound probe module that provides a vortex-rotating ultrasound beam to the inner ear tissues inside the ear by the above beam control means.
상기 복수의 분할 소자 각각은, 동일하거나 서로 다른 종류의 압전소자들로 이루어질 수 있으며,
단일 소자형 또는 배열 소자형으로 구현되는 초음파 프로브 모듈.In claim 5,
Each of the above plurality of split elements may be composed of piezoelectric elements of the same or different types,
An ultrasonic probe module implemented as a single element type or an array element type.
상기 빔 제어수단은,
N개의 각각의 분할 소자에 설정 각도(360도/N) 간격으로 규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하거나 불규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하는 초음파 프로브 모듈. In claim 5,
The above beam control means,
An ultrasonic probe module that applies an input signal having a regular phase difference or an input signal having an irregular phase difference to each of N segmented elements at set angles (360 degrees/N).
상기 빔 제어수단에 의해 각각의 분할 소자 중 제1 그룹의 소자 및 제2 그룹의 소자에 서로 180도 위상차를 갖는 입력 신호가 인가되면,
상기 압전소자는,
고정 빔 상태의 초음파 빔을 제공하되 측방향으로 분할된 다중 초점을 갖는 초음파 빔을 생성하는 초음파 프로브 모듈. In claim 5,
When an input signal having a phase difference of 180 degrees is applied to the first group of elements and the second group of elements among the respective split elements by the above beam control means,
The above piezoelectric element,
An ultrasonic probe module that provides an ultrasonic beam in a fixed beam state but generates an ultrasonic beam having multiple focal points split laterally.
상기 압전소자의 후면에 장착되어 상기 압전소자를 직접 회전시키는 모터;
상기 압전소자의 전면에 배치되어 상기 압전소자에서 출력되는 초음파 빔을 볼텍스 회전시키는 나선형 렌즈 또는 음향 메타 렌즈; 및
상기 나선형 렌즈 또는 음형 메타 렌즈의 전방에 배치되며, 렌즈를 통과한 초음파 빔이 내부를 관통 출력하고 내주면을 따라 나선형의 강선이 형성된 강선형 하우징을 더 포함하는 초음파 프로브 모듈. In claim 5,
A motor mounted on the rear of the piezoelectric element to directly rotate the piezoelectric element;
A spiral lens or acoustic metalens arranged in front of the piezoelectric element to vortex-rotate an ultrasonic beam output from the piezoelectric element; and
An ultrasonic probe module further comprising a steel wire-shaped housing arranged in front of the spiral lens or negative meta lens, wherein an ultrasonic beam passing through the lens penetrates the inside and is output, and a spiral steel wire is formed along the inner surface.
상기 강선형 하우징은,
길이 방향으로 내경이 일정한 직진형, 전방으로 갈수록 내경이 좁아지는 집속형, 전방으로 갈수록 내경이 넓어지는 방사형 중 어느 하나의 형태로 구현되는 초음파 프로브 모듈.In claim 9,
The above-mentioned steel wire housing,
An ultrasonic probe module implemented in one of the following forms: a straight type with a constant inner diameter in the longitudinal direction, a focused type with a narrower inner diameter toward the front, and a radial type with a wider inner diameter toward the front.
상기 압전소자는,
서로 반대의 분극 방향을 가진 역전층 소자와 비역전층 소자가 초음파 신호의 진행 방향에 따라 전후 접합된 분극 역전 구조를 가지며,
분극 역전 구조에 따라 상기 압전소자로부터 다중 주파수 신호를 동시에 발생시키는 초음파 프로브 모듈. In any one of claims 5 to 10,
The above piezoelectric element,
It has a polarization reversal structure in which the inverted layer elements and the non-inverted layer elements with opposite polarization directions are connected back and forth according to the direction of propagation of the ultrasonic signal.
An ultrasonic probe module that simultaneously generates multiple frequency signals from the piezoelectric element according to a polarization reversal structure.
상기 초음파 변환자는,
입력 신호에 의해 초음파 빔을 발생시키며, 오목한 곡면형 구조로 형성되어 전방의 제1 초점 위치에 초음파를 집속시키는 제1 소자, 그리고 상기 제1 소자를 중심으로 주변부에 결합되되 상기 제1 소자보다 낮은 곡률의 오목한 곡면형 구조로 형성되며 상기 제1 초점 위치보다 먼 제2 초점 위치에 초음파를 집속시켜서 초점 심도를 확장시키는 적어도 하나의 제2 소자를 포함하며, 상기 제1 소자의 중심을 기준으로 구경이 N개의 면으로 분할된 압전소자; 및
상기 압전소자와 연결되거나 상기 압전소자의 전방에 배치되며, 신호 발생기에서 발생한 입력 신호의 위상을 조절하여 상기 압전소자의 각 분할 면에 서로 상이한 위상의 입력 신호를 인가하여, 상기 압전소자로부터 발생하는 초음파 빔을 와류 형태의 볼텍스 빔으로 생성하기 위한 빔 제어수단을 포함하며,
상기 제1 소자와 제2 소자는 서로 다른 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수에서 동작하도록 설계되고,
상기 압전소자는,
상기 빔 제어수단에 의해 볼텍스 회전하는 초음파 빔을 귀 내부의 내이 조직으로 제공하는 초음파 프로브 모듈.In an air-coupled ultrasound probe module including an ultrasound transducer for transmitting and receiving ultrasound into the ear,
The above ultrasonic transducer is,
A piezoelectric element comprising: a first element that generates an ultrasonic beam by an input signal, is formed as a concave curved structure and focuses the ultrasonic wave at a first focal position in the front, and at least one second element that is formed as a concave curved structure with a lower curvature than the first element and is coupled to a peripheral portion centered on the first element and focuses the ultrasonic wave at a second focal position farther than the first focal position to expand the depth of focus, and whose aperture is divided into N surfaces based on the center of the first element; and
A beam control means is included, which is connected to the piezoelectric element or is arranged in front of the piezoelectric element, and controls the phase of an input signal generated from a signal generator to apply input signals of different phases to each divided surface of the piezoelectric element, thereby generating an ultrasonic beam generated from the piezoelectric element as a vortex beam in the form of a vortex current.
The first and second elements are designed to operate at different first and second resonant frequencies,
The above piezoelectric element,
An ultrasound probe module that provides a vortex-rotating ultrasound beam to the inner ear tissues inside the ear by the above beam control means.
상기 제1 소자 및 제2 소자는,
서로 다른 중심 주파수가 혼합된 형태의 다중 중심 주파수를 갖는 입력 신호가 동시에 입력되고, 입력된 신호에서 자신의 공진 주파수에 해당하는 초음파 신호를 선별하여 송수신하는 초음파 프로브 모듈. In claim 12,
The above first and second elements,
An ultrasonic probe module that simultaneously inputs multiple center frequencies in the form of mixed center frequencies, and selects and transmits an ultrasonic signal corresponding to its own resonant frequency from the input signals.
상기 빔 제어수단은,
상기 압전소자의 후면에 장착되어 상기 압전소자를 직접 회전시키는 모터, 상기 압전 소자의 전면에 배치되어 상기 압전소자에서 출력되는 초음파 빔을 볼텍스 회전시키는 나선형 렌즈 또는 음향 메타 렌즈 중에서 적어도 하나를 포함하는 초음파 프로브 모듈.In claim 12,
The above beam control means,
An ultrasonic probe module including at least one of a motor mounted on the rear side of the piezoelectric element and directly rotating the piezoelectric element, and a spiral lens or an acoustic metalens positioned on the front side of the piezoelectric element and vortex-rotating an ultrasonic beam output from the piezoelectric element.
상기 제1 소자 및 제2 소자 각각은, 동일하거나 서로 다른 종류의 압전소자들로 이루어질 수 있으며,
단일 소자형 또는 배열 소자형으로 구현되는 초음파 프로브 모듈.In claim 12,
Each of the first and second elements may be composed of piezoelectric elements of the same or different types.
An ultrasonic probe module implemented as a single element type or an array element type.
상기 압전소자는,
상기 제1 소자의 중심을 기준으로 구경이 N개의 면으로 분할되며,
상기 빔 제어수단은,
신호 발생기에서 발생한 입력 신호의 위상을 조절하여 상기 압전소자의 각 분할 면에 서로 상이한 위상의 입력 신호를 인가하되, 상기 압전소자의 각 분할 면에 설정 각도(360도/N) 간격으로 규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하거나 불규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하는 초음파 프로브 모듈. In claim 13,
The above piezoelectric element,
The diameter is divided into N surfaces based on the center of the first element,
The above beam control means,
An ultrasonic probe module that applies input signals of different phases to each split surface of the piezoelectric element by controlling the phase of an input signal generated from a signal generator, and applies input signals having regular phase differences or input signals having irregular phase differences to each split surface of the piezoelectric element at set angles (360 degrees/N).
상기 압전소자는,
상기 빔 제어수단에 의해 각각의 분할 면으로 동일 위상의 입력 신호가 인가되는 경우 고정빔 상태의 초음파 빔을 제공하되 축방향으로 다중 초점을 갖는 초음파 빔을 생성하고,
상기 빔 제어수단에 의해 각각의 분할 면 중 제1 그룹의 면과 제2 그룹의 면에 서로 180도 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하는 경우 고정빔 상태의 초음파 빔을 제공하되 축방향의 다중 초점과 측방향의 다중 초점을 동시에 갖는 초음파 빔을 생성하는 초음파 프로브 모듈. In claim 16,
The above piezoelectric element,
When an input signal of the same phase is applied to each split surface by the above beam control means, an ultrasonic beam in a fixed beam state is provided, but an ultrasonic beam having multiple focuses in the axial direction is generated,
An ultrasonic probe module that provides an ultrasonic beam in a fixed beam state when an input signal having a phase difference of 180 degrees is applied to a first group of faces and a second group of faces among each of the divided faces by the beam control means, but generates an ultrasonic beam having both axial and lateral multiple foci.
상기 압전소자의 후면에 장착되어 상기 압전소자를 직접 회전시키는 모터;
상기 압전소자의 전면에 배치되어 상기 압전소자에서 출력되는 초음파 빔을 볼텍스 회전시키는 나선형 렌즈 또는 음향 메타 렌즈; 및
상기 나선형 렌즈 또는 음형 메타 렌즈의 전방에 배치되며, 렌즈를 통과한 초음파 빔이 내부를 관통 출력하고 내주면을 따라 나선형의 강선이 형성된 강선형 하우징을 더 포함하는 초음파 프로브 모듈. In claim 16,
A motor mounted on the rear of the piezoelectric element to directly rotate the piezoelectric element;
A spiral lens or acoustic metalens arranged in front of the piezoelectric element to vortex-rotate an ultrasonic beam output from the piezoelectric element; and
An ultrasonic probe module further comprising a steel wire-shaped housing arranged in front of the spiral lens or negative meta lens, wherein an ultrasonic beam passing through the lens penetrates the inside and is output, and a spiral steel wire is formed along the inner surface.
상기 강선형 하우징은,
길이 방향으로 내경이 일정한 직진형, 전방으로 갈수록 내경이 좁아지는 집속형, 전방으로 갈수록 내경이 넓어지는 방사형 중 어느 하나의 형태로 구현되는 초음파 프로브 모듈.In claim 18,
The above-mentioned steel wire housing,
An ultrasonic probe module implemented in one of the following forms: a straight type with a constant inner diameter in the longitudinal direction, a focused type with a narrower inner diameter toward the front, and a radial type with a wider inner diameter toward the front.
상기 제1 소자 및 제2 소자 각각은,
서로 반대의 분극 방향을 가진 역전층 소자와 비역전층 소자가 초음파 신호의 진행 방향에 따라 전후 접합된 분극 역전 구조를 가지며,
분극 역전 구조에 따라 상기 압전소자로부터 다중 주파수 신호를 동시에 발생시키는 초음파 프로브 모듈. In any one of claims 12 to 17,
Each of the first and second elements,
It has a polarization reversal structure in which the inverted layer elements and the non-inverted layer elements with opposite polarization directions are connected back and forth according to the direction of propagation of the ultrasonic signal.
An ultrasonic probe module that simultaneously generates multiple frequency signals from the piezoelectric element according to a polarization reversal structure.
오목한 곡면형 구조로 형성되어 전방의 제1 초점 위치에 초음파를 집속시키는 중심 압전소자와, 상기 중심 압전소자를 중심으로 주변부에 결합되되 상기 중심 압전소자보다 낮은 곡률의 오목한 곡면형 구조로 형성되며 상기 제1 초점 위치보다 먼 제2 초점 위치에 초음파를 집속시켜서 초점 심도를 확장시키는 적어도 하나의 주변 압전소자로 이루어지고, 구경이 N개의 면으로 분할된 초음파 변환자;
서로 다른 중심 주파수가 혼합된 형태의 다중 중심 주파수를 갖는 입력 신호를 발생시키는 신호 발생기; 및
상기 압전소자의 각 분할 면에 설정 각도(360도/N) 간격으로 규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하거나 불규칙적인 위상차를 갖는 입력 신호를 인가하도록 상기 신호 발생기에서 발생한 입력 신호의 위상을 조절하는 위상 조절기를 포함하는 초음파 시스템.In an ultrasound system for examining by transmitting and receiving ultrasound into the ear,
An ultrasonic transducer comprising a central piezoelectric element formed in a concave curved structure and focusing ultrasound on a first focus position in the front, and at least one peripheral piezoelectric element formed in a concave curved structure with a lower curvature than that of the central piezoelectric element and coupled to the periphery thereof to focus ultrasound on a second focus position further than the first focus position to expand the depth of focus, the ultrasonic transducer having an aperture divided into N surfaces;
A signal generator for generating an input signal having multiple center frequencies in the form of mixed different center frequencies; and
An ultrasonic system including a phase controller that controls the phase of an input signal generated from the signal generator so as to apply an input signal having a regular phase difference at set angles (360 degrees/N) to each divided surface of the piezoelectric element or to apply an input signal having an irregular phase difference.
상기 중심 압전소자와 상기 주변 압전소자는 서로 다른 제1 공진 주파수와 제2 공진 주파수에서 동작하도록 설계된 초음파 시스템.In claim 21,
An ultrasonic system wherein the central piezoelectric element and the peripheral piezoelectric elements are designed to operate at different first and second resonant frequencies.
구경이 N개의 면으로 분할된 복수의 분할 소자로 이루어진 압전 소자를 포함하고, 상기 압전 소자에 의해 발생한 초음파 신호를 귀 내부의 타겟 부분인 내이 조직으로 송신 후 반사 신호를 수신하는 초음파 변환자;
입력 신호를 생성하는 신호 발생기;
상기 입력 신호의 위상을 조절하여 상기 복수의 분할 소자로 인가하는 빔 제어 수단인 위상 조절기;
상기 초음파 변환자가 B-scan 모드 및 C-scan 모드에 대응한 방향으로 움직이도록 상기 초음파 변환자의 움직임을 제어하는 모드 제어기; 및
상기 반사 신호를 분석하여 상기 내이 조직의 내부 또는 표면에 대한 B-모드 영상 및 탄성 신호, 탄성 영상을 산출하는 신호 처리기를 포함하는 귀 내부 초음파 영상화 시스템.In an imaging system for examining by transmitting and receiving ultrasound into the ear,
An ultrasonic transducer comprising a piezoelectric element having a plurality of segmented elements divided into N surfaces, and transmitting an ultrasonic signal generated by the piezoelectric element to an inner ear tissue, which is a target portion inside the ear, and then receiving a reflected signal;
A signal generator that generates an input signal;
A phase controller which is a beam control means for controlling the phase of the input signal and applying it to the plurality of splitting elements;
A mode controller for controlling the movement of the ultrasonic transducer so that the ultrasonic transducer moves in a direction corresponding to the B-scan mode and the C-scan mode; and
An inner ear ultrasound imaging system including a signal processor that analyzes the reflected signal to produce a B-mode image and an elastic signal, an elastic image of the interior or surface of the inner ear tissue.
상기 신호 발생기는,
매질의 이동량 측정을 위한 시작점이 되는 기준 신호를 인가하는 제1 구동 모드, 매질을 흔들어주기 위한 다중 초점 혹은 볼텍스 회전 형태의 푸싱 신호를 인가하는 제2 구동 모드, 그리고 푸싱 신호 인가 직후 상기 제1 구동 모드와 동일한 신호 타입을 가진 검출 신호를 인가하는 제3 구동 모드를 순차적으로 구동시키는 귀 내부 초음파 영상화 시스템.In claim 23,
The above signal generator,
An inner ear ultrasound imaging system that sequentially operates a first driving mode that applies a reference signal that serves as a starting point for measuring the amount of movement of a medium, a second driving mode that applies a pushing signal in the form of a multi-focus or vortex rotation for shaking the medium, and a third driving mode that applies a detection signal having the same signal type as the first driving mode immediately after applying the pushing signal.
상기 신호 처리기는,
상기 기준 신호 인가 시 획득된 제1 초음파 반사 신호 대비 상기 검출 신호 인가 시에 획득한 제2 초음파 반사 신호를 비교하여, 매질 표면의 이동량을 측정하고 상기 이동량에 대응하는 탄성을 계산하는 귀 내부 초음파 영상화 시스템.In claim 24,
The above signal processor,
An inner ear ultrasound imaging system that measures the amount of movement of a medium surface by comparing a second ultrasonic reflection signal acquired when the detection signal is applied with a first ultrasonic reflection signal acquired when the reference signal is applied, and calculates elasticity corresponding to the amount of movement.
상기 제1 및 제3 구동 모드는,
상기 복수의 분할 소자에게 동일 위상의 입력 신호를 인가하는 동일 위상 모드이고,
상기 제2 구동 모드는,
서로 다른 위상의 입력 신호들을 상기 복수의 분할 소자에게 인가하여 볼텍스 회전 빔을 발생시키는 귀 내부 초음파 영상화 시스템.In claim 24,
The above first and third driving modes are,
It is a same-phase mode that applies input signals of the same phase to the above multiple split elements,
The above second driving mode is,
An intra-auricular ultrasound imaging system that generates a vortex rotating beam by applying input signals of different phases to the plurality of split elements.
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