Fabrication and Measurement of Large Focused Ultrasonic transducer

Abstract

This paper intends to improve the estimated imaging resolution of a diagnostic transducer used for medical purposes by fabricating a transducer using a focused piezoelectric element with a center frequency of 500 kHz. Medical ultrasound transducers with a center frequency of 1 MHz or higher are being manufactured in various design methods such as ultrasound imaging scans of the body or for treatment purposes, and research on improved measurement methods and treatment methods is being actively conducted. On the other hand, ultrasonic transducers with a lower center frequency are used within a limited range due to the limitation of low-lateral resolution. Currently, in the medical ultrasound field, transducers with a central frequency of 500 kHz are used at high-intensity focused ultrasound (HIFU) or bone density measurement. Depending on the purpose and direction of use, it is also used in the focused ultrasound method manufactured in a new form in which several elements are arranged. However, if a 500 kHz transducer is used for imaging estimation, processing may be difficult, and results may be affected due to electrical interference between devices. Therefore, a theoretical concept was designed to improve imaging estimation, and a backing layer was attached to the modeled model, and the results were confirmed through Krimholtz-leedom-matthae (KLM) and finite element analysis. Also, based on the concept, an ultrasonic transducer was fabricated using a 500 kHz focused piezoelectric element, and the results were confirmed according to the attachment state of the backing layer. For the measurement, A-scan data of B-mode and C-mode images and echo signal were obtained using a burst signal and a pulse signal. The A-scan data of the echo signal was changed by fast Fourier transform (FFT) to calculate the bandwidth. Finally, it was confirmed that the lateral resolution was increased in the signal results of the 500 kHz large focused ultrasonic transducer fabricated by attaching backing layer.|본 논문에서는 500 kHz의 중심주파수 갖는 집속 형태의 압전 소자를 사용한 트랜스듀서를 제작하여 의료용으로 사용하는 진단 트랜스듀서의 추정 이미징 해상도를 개선하려 한다. 1 MHz이상의 중심 주파수를 갖는 의료용 초음파 트랜스듀서는 신체의 초음파 이미징 스캔이나 치료 목적 등 다양한 설계방식으로 제작되고 있으며, 개선된 측정 방법 및 치료 방식 연구가 활발히 진행되고 있다. 반면에 이보다 낮은 중심 주파수를 갖는 초음파 트랜스듀서는 낮은 측 분해능의 한계점으로 인해 제한된 범위 내에서 사용하고 있다. 현재 의료용 초음파 분야에서 500 kHz의 중심 주파수의 트랜스듀서는 두개골 부위에 접목 시킨 집속 초음파치료, 골밀도 측정 등에 사용되고 있다. 사용 목적과 방향에 따라 여러 개의 소자들을 배열한 새로운 형태로 제작한 집중 초음파 방식에 사용하기도 한다. 하지만, 500 kHz의 트랜스듀서를 이미징 추정을 위한 목적으로 사용한다면, 공정의 어려움을 가질 수 있으며, 소자 간의 전기적 간섭 등으로 결과에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 이미징 추정을 개선시키기 위해 이론적 구상을 설계했으며, 구상한 모델에 흡음층을 부착하여 Krimholtz-leedom-matthae (KLM) 과 유한요소해석 을 통해 결과를 확인하였다. 또한 구상안을 기반으로 500 kHz 집속형 압전소자를 사용해 초음파 트랜스듀서를 제작하고, 흡음층의 부착상태에 따른 결과를 확인하였다. 측정은 버스트 (burst) 신호와 펄스 (pulse) 신호를 이용하여, B-모드, C-모드 이미지와 에코 (echo) 신호 의 A-스캔 데이터를 얻었다. 에코 신호의 A-스캔 데이터는 고속 푸리에 변환 (FFT)으로 변화시켜 대역폭을 계산하였다. 최종적으로, 흡음층을 부착시켜 제작한 500 kHz 대형 집속형 초음파 트랜스듀서의 신호 결과에서 측 분해능이 증가 된 것을 확인하였다.