1. 컴퓨터 Field II 소프트웨어를 이용하여 모사 실험하기.
의료 영상 초음파 필드
컴퓨터 Field II 소프트웨어를 이용하여 모사 실험하기.
계측 장비를 구동하여 초음파 필드를 형성하기.
화학 정현태

2. Sound & Ultrasound
Sound : mechanical energy transmitted by pressure waves in a material medium
Ultrasound : sound whose frequency is greater than 20 kHz
(Hz = cycles per second)

3. Speed of Sound & Medium
The speed of sound is determined primarily by the characteristics of the medium.
: K is bulk modulus(stiffness)
ρ is density
Stiffness : 경직한 정도

4. Table of speed of sound Material Sound speed (m/s) Air 330 Water 1480
Lung
600
Fat
1460
Liver
1555
Kidney
1565
Muscle
1600
Skull bone
4080
Speed 가 중요한 이유는 각 조직마다의 속도에 맞게 frequency가 적절하여야 해상도를 높일 수 있기 때문이다.

5. Wavelength
Wavelength : distance between two peaks, valleys.

6. Ultrasonic transducer
The Piezoelectric effect

7. Axial resolution
Pulse duration

8. Lateral resolution
Beam width

9. Beam width
W = 1.22 * λ / d
: λ, frequency
d, diameter of transducer

10. Near field vs. Far field NFL(the length of the near field)
Narrower and smoother

11. Phase array

12. Field II program Setting Transducer center frequency = 3 * 10^6 Hz
Sampling frequency = 100 * 10^6 Hz
Height of element = m
Kerf = m
Focus = [0 0 70]/1000 m
image positon = [0 0 70]/1000 m
line number = 50 개
sector = 20도, element 개수 = 128개

13. Field II program Parameter Transducer center frequency
Kerf(distance between transducer elements [m])
Focus distance
Element of transducer
Height of element
Result of the different position

14. Transducer center frequency
frequency [Hz]
아래 그림의
y축 크기
3 e4
2 e -13
3 e5
4 e -17
3 e6
2 e -21
3 e7
4 e -25
3 e8
(신호 없음)
주파수가 클수록, point를 투과할 확률이 커져서
그만큼 신호 세기가 줄어드는 것을 확인할 수 있다

15. element 의 높이 element 의 높이 [m] 아래 그림의 y축 크기 0.05 2 e -19 0.5 2 e -17 550
2 e -13
Beam width인 W = 1.22 * λ / d 식에 따라,
element의 높이(즉, 크기)가 커질수록 beam width가 줄어들어
신호의 세기가 세어짐을 확인할 수 있다

16. Kerf size Kerf [m] 아래 그림의 y값 최대 크기 0.0005 3 e -21 0.001 2 e -21 0.005
0.05
5 e -23
Element 간의 간격이 넓어짐에 따라 한 점에 focus하기가 어려워진다. 그래서 kerf 값이 커질수록 노이즈가 심해지고 신호 세기 또한 떨어진다

17. Number of element (channel)
아래 그림의
y값 최대 크기
256
7 e -21
512
12 e -21
Element 가 많을수록 focus가 더 잘 되어 해상도(신호의 세기)가 조금 좋아진다

18. Position of particle 평균 time, [s] 0.05 60 0.06 80 0.07 110 0.08 600
Point distance [m],
0.07m Focus
평균 time,
[s]
0.05 60
0.06 80
0.07
110
0.08
600
0.09
1200
0.10
1300
0.07m 에서 focus 되는데, 막상 point 지점이 그 앞 부분에 있으면 예상보다 빠른 시간에 신호가 나타나게 되며, 점점 point 거리가 멀어질수록 돌아오는 초음파 신호도 늦게 도착하게 된다. 또한 0.07m이상일 경우focus가 제대로 되지 않기 때문에 0.07m 보다 10배정도 신호의 세기가 약하게 나타난다.

19. Distance of Focus Focus 거리 [m] 신호 세기 max 0.05 1.5 e -22 0.06 3 e -22
0.07
3 e -21
0.08
2 e -21
Focus 거리가 정확히 0.07m 일 때에 가장 신호 세기가 크다는 것을 알 수 잇다.

20. 초음파 필드 측정 실험 Setting Element : 30 개 Center frequency : 2.5 MHz
Kerf = 260 um
Sampling rate : 60 MHz
Pulse duration : 4kHz
Trigger delay : 44.5 us
Transducer : one way mode, phase array
Scan mode : 2D scan - pulse intensity integral

21. Focus at 8cm from center
각 element에서 보내는 초음파가 focus 지점에 도착하기까지 걸리는 시간 차이
시간 차이만큼 샘플링의 Cycle 횟수를 알아내어 물속에서의 초음파 속도로 나누어준다
계산 후에 정수로 반올림시키면 그 값이 element에 신호를 넣을 순서가 된다.

22. focus 위치를 55mm로 하였다고 가정하여 data & result에 나와있는 결과값을 비교해보았더니 오차율이 많이 줄었다
이 정도의 오차를 보인 까닭은 trigger 보정해주는 방식에서 정확하게 보정이 되지 않는다는 점에서 비롯된다. 그래서 우리가 처음에 trigger 시간을 control 할 때에는 정확하지만 계속 AIMS의 hydrophone이 움직일 때마다 정 중앙에 maximum peak가 정확하게 오지 않아서 pulse intensity integral의 값에 오차를 보일 수 있다고 생각이 든다.
Focused at 52mm !

23. Thank you very much !