I. 서 론

초음파 개념이 발견된 1900년대 초부터 비파괴검사, 심장초음파, 초음파 영상, 쇄석술, 소나, 초음파 치료, 에너지 창출 시스템 에 이르기까지 다양한 분야에서 초음파를 기반으로 한 기술들이 발전되어 왔다.^[1-5] 특히 20 세기 이후 다양한 의료 기술, 기기의 발전과 더불어 인간의 수명이 늘어나면서 많은 초음파 기술 중 의료용 초음파 영상에 대한 관심과 연구는 꾸준히 이어져오고 있으며 앞으로도 비약적으로 발전해 나갈 것이다. 뿐만 아니라 인간의 수명 연장에 따른 삶의 질에 대한 급격한 관심으로 의료의 형태도 치료 단계에서 예방, 진단 단계로 그 관심이 옮겨가면서 초음파 영상진단장치가 더욱 각광을 받고 있다.

일반적인 의료용 초음파 영상진단장치가 사용하는 초음파 신호의 주파수 대역은 약 1 MHz ~ 10 MHz이다. 이 주파수 대역의 초음파를 사용할 경우 영상의 공간 분해능은 수 백 µm가 되며, 이 공간 분해능은 수 십 µm 크기의 생체조직을 영상화하여 정확한 질병 진단을 위해서는 부족하다. 따라서 이러한 한계를 극복할 수 있도록 수십 µm의 공간 분해능을 구현할 수 있는 고주파수 초음파 변환기 및 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.^[6]

초음파 영상의 성능 평가는 공간 분해능, 신호대잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SNR), 대조도(Contrast-to-Noise Ratio, CNR)에 의하여 결정된다.^[7] 즉, 우수한 공간 분해능, 신호대잡음비, 대조도를 유지하는 것이 초음파 영상에서 가장 중요하다. 공간 분해능 중 측 방향 분해능은 변환기의 구경 크기가 증가하거나 송신 주파수가 증가할수록 향상되고, 축방향 분해능은 송신 주파수와 주파수 대역폭이 증가할수록 향상된다. 송신 주파수에 비례하여 공간 분해능은 향상되지만 동시에 주파수에 비례하여 증가하는 감쇠량은 침투 깊이의 감소를 야기한다. 고주파수 초음파 사용에 따른 침투 깊이의 감소는 송신 신호의 형태를 단일 주파수의 펄스 여기(pulsed excitation) 형태에서 첩 신호(chirp signal)와 같은 코드화된 신호 여기(coded excitation) 형태로 변경함으로써 해결할 수 있다.^[8] 그러므로 높은 공간 분해능을 갖는 초음파 영상을 형성하기 위해서는 높은 주파수와 넓은 주파수 대역폭을 갖는 초음파 신호를 효과적으로 수신할 수 있는 수신 모듈이 초음파 영상 시스템에 필수적으로 포함되어야 한다.

초음파 변환기가 발생할 수 있는 초음파 주파수는 압전소재의 두께에 반비례하며, 변환기 구경을 일정하게 유지할 경우 고주파수 초음파 변환기의 전기적 임피던스가 매우 작아지게 된다.^[9] 이러한 이유로 영상 시스템에서 구동할 수 있을 수준의 전기적 임피던스를 변환기가 가질 수 있도록 고주파수 초음파 변환기는 작은 구경을 갖게 된다. 그러나 변환기의 작은 구경 크기는 낮은 송수신 민감도로 이어져 신호대잡음비의 저하를 야기하고 동시에 잡음비에 지배적인 영향을 받는 대조도 성능 또한 저하된다. 즉, 신호대잡음비와 대조도 성능을 유지하기 위해서는 수신된 신호의 잡음 지수를 최소화할 수 있는 저잡음 특성을 가지는 수신 시스템의 구현이 필수 불가결한 조건이다. 따라서 이와 같은 요구를 만족시키기 위하여 수신 시스템은 저잡음 특성과 광대역 특성을 동시에 만족하여야 한다.

본 논문에서는 대표적인 고주파수 초음파 응용 영역인 혈관 내 초음파(Intravascular Ultrasound, IVUS)에 적용할 수 있는 저잡음·광대역 수신 시스템의 설계, 제작 및 성능 평가를 소개한다.

II. 설계 및 제작

2.1 저잡음·광대역 수신 시스템 설계

제안하는 수신 시스템은 고주파수 초음파 변환기의 낮은 수신 감도에 의한 수신 신호를 충분히 증폭시킬 수 있는 20 dB 이상의 증폭이득과 높은 주파수, 침투 깊이에 따른 감쇠를 보상하기 위하여 40 dB 이상의 증폭이득 가변 범위를 가지고 넓은 대역폭에 대하여 일정한 이득 평탄도를 가져야 한다. 이에 따른 수신 시스템의 설계 목표는 Table 1과 같고 다음과 같이 네 개의 기능성 모듈로 구성된다.

Table 1. Design goals of the proposed receive system.

2.2 임피던스 정합 회로 모듈

수신 시스템과 초음파 변환기 사이의 전기적 임피던스 부정합에 의한 신호 손실, 왜곡을 최소화하기 위하여 임피던스 정합 회로 모듈은 Fig. 1과 같이 아날로그 수신 모듈과 초음파 변환기 사이에 위치한다. 임피던스 정합 회로의 입·출력 임피던스(Z_in, Z_out)는 변환기의 임피던스(Z_a)와 아날로그 수신 모듈 임피던스(Z_s)의 공액 복소수 형태인 Z_in = Z_a^*, Z_out = Z_s^*일 때 아날로그 수신 모듈과 변환기 사이의 임피던스 정합이 이루어진다.^[10]

Fig. 1.

Block diagram of an electrical impedance matching network module.

하지만 수신된 초음파 신호는 단일 주파수가 아닌 변환기의 대역폭에 해당하는 주파수 대역을 가지기 때문에 상응하는 주파수 대역에 대한 임피던스 정합을 위하여 여파기 구조의 임피던스 정합회로를 적용한다.^[11]

2.3 아날로그 수신 모듈

아날로그 수신 모듈은 리미터, 두 개의 저잡음증폭기, 두 개의 가변이득증폭기, 두 종류의 여파기, 트랜스포머, 아날로그-디지털 변환기로 구성하였고 수신 신호의 신호대잡음비를 향상시키기 위하여 Fig. 2와 같이 구성 소자를 배치하였다.

Fig. 2.

Schematic of an analog front-end receive module.

저잡음증폭기는 1.6 ㎵√㎐의 낮은 잡음 지수와 20 dB의 높은 증폭이득이 가능한 소자(AD8000, Analog Devices Inc., Norwood, MA)를 사용하였고, 가변이득증폭기는 24 dB의 가변이득을 조절할 수 있는 소자(AD8337, Analog Devices Inc., Norwood, MA)를 사용하여 80 MHz 대역까지 TGC (Time-Gain Compensation) 모듈 구현이 용이하도록 하였다. 아날로그 여파기는 수신된 초음파 신호 중 원하지 않는 신호(고조파, DC 전원 잡음 등)를 억제하기 위하여 10 MHz 고역 통과 여파기와 100 MHz 저역 통과 여파기를 배치하였다. 아날로그-디지털 변환기에서 디지털화 되는 신호가 외부 잡음의 영향에 둔감하도록 트랜스포머(ETC1-1-13TR, MA-COM Technology Solutions Inc., Lowell, MA)를 사용하여 단일 신호를 차동 신호로 변환하여 ADC 입력 신호로 사용하였다.

신호 손실을 최소화하기 위하여 아날로그 수신 모듈의 모든 전송선로는 특성 임피던스가 50 Ω이 되도록 하였고 각각 소자들 사이의 입, 출력 임피던스가 50 Ω이 되도록 입‧출력단에 임피던스 정합을 하였다.^[12]

2.4 시스템 제어 모듈

시스템 제어 모듈은 Fig. 3과 같이 ADC 모듈, TGC 모듈, 메모리 모듈, 인터페이스 모듈을 제어할 수 있도록 4개의 세부 모듈로 나누어 설계하였고, FPGA (XC6SLX45T, Xilinx Inc., San Jose, CA)를 사용하여 구현하였다. ADC 모듈은 수신된 초음파 아날로그 신호를 디지털화하는 아날로그-디지털 변환기를 제어하고 아날로그-디지털 변환기로부터 받은 디지털 데이터를 저장, 전송하는 역할을 한다. TGC 모듈은 수신 시스템의 신호대잡음비와 대조도를 향상시키기 위하여 침투깊이에 따른 감쇠량을 보상하여 아날로그 수신 모듈에 위치한 가변이득증폭기들의 증폭 이득을 48 dB 범위 내에서 제어하는 역할을 한다.^[13] 또한 초음파 영상을 구성하는 매질의 종류와 침투 깊이에 따른 감쇠량을 산출하여 그에 맞는 보상 값을 구성한다. 메모리 모듈은 ADC로부터 받은 디지털화된 수신 초음파 신호를 상황에 따라 FPGA 외부 메모리에 저장하거나 외부 메모리에서 데이터를 읽어오는 역할을 하고 인터페이스 모듈은 시스템 제어 모듈(FPGA)과 통신 모듈 사이의 신호를 연결하는 역할을 한다.

Fig. 3.

Hierarchy of a system control module.

2.5 통신 모듈

통신 모듈은 시스템 제어 모듈에서 입력받은 ADC 데이터를 호스트 PC로 전달해 주는 것으로 Fig. 4와 같이 Opal Kelly module(XEM6310-LX45, Opal Kelly Inc., Portland, OR)를 사용하여 구성하였다.

Fig. 4.

Conceptual diagram of system–PC communication module interface.

2.6 저잡음, 광대역 수신 시스템 제작

제작한 저잡음, 광대역 수신 시스템은 Fig. 5와 같이 시스템 보드의 전원 인가를 하는 전원부(Power block), 임피던스 정합회로 모듈과 아날로그 수신 모듈로 구성된 아날로그 전단부(Analog front-end block), 시스템 제어 모듈과 통신 모듈로 구성된 제어부(System control block), 성능 평가의 효율성을 위하여 외부 출력 포트로 구성된 시험부(Test port block)의 네 개의 파트로 나누어져 있다. 제작한 저잡음, 광대역 수신 시스템의 크기는 295 mm × 200 mm이며 아날로그 영역과 디지털 영역을 분리하기 위하여 10층(6 개의 신호층과 4 개의 접지층)으로 구성된 FR-4 기판(두께: 2 mm)을 사용하였고 모든 전송선로의 특성 임피던스는 50 Ω이 되도록 각 신호층의 전송선로 치수를 결정하여 구현하였다 .

Fig. 5.

Photograph of the developed receive system board.

III. 제작된 광대역 수신 시스템 성능 평가 결과 및 고찰

3.1 전기적 성능 평가

제작한 저잡음, 광대역 수신 시스템의 전기적 성능 평가는 벡터네트워크분석기(MS4624B, Anritsu Co., Ltd., Atsugi, Japan)를 이용하였고 20 MHz ~ 80 MHz 주파수 대역을 관심 영역으로 하여 전기적 성능 평가를 수행하였다. 제작한 저잡음, 광대역 수신 시스템의 전기적 성능은 Fig. 6과 같이 최대 동작 주파수는 80 MHz 이상, 이득 평탄도는 ±1 dB, 최소 증폭이득은 25 dB, 최대 증폭이득은 73 dB, 증폭이득 폭은 48 dB로 Table 1의 설계 목표를 만족한다. Fig. 7은 Fig. 6의 가변 증폭 이득을 20 MHz ~ 80 MHz 대역에서 각 VGA 이득을 적용했을 경우에 대하여 각 증폭 이득의 최대값, 최소값과 이를 이용하여 계산한 이득 평탄도를 나타내었다.

Fig. 6.

Total amplification gain as a function of frequency, which is set by the TGC (VGA gain) operation.

Fig. 7.

Amplification gain (maximum value and minimum value) and gain flatness as a function of VGA gain.

VGA 이득에 따른 가변 증폭 이득의 이득 평탄도는 VGA 이득이 24 dB인 경우 0.92 dB로 최소이고 VGA 이득이 48 dB인 경우 최대인 1.95 dB로 설계 목표인 ±1 dB 이내를 만족하는 것을 확인할 수 있다.

3.2 초음파 영상 성능 평가

초음파 영상 성능 평가를 위하여 사용한 IVUS 변환기의 특성은 Table 2와 같다. 이때 제작한 수신 시스템의 전기적 임피던스 정합을 위하여 100 nH의 직렬 인덕터와 150 pF의 병렬 캐패시터를 사용하여 임피던스 정합 회로를 구성하였다.

Table 2. Characteristics of the custom-made IVUS transducer used in the performance evaluation.

신호대잡음비 분석을 위하여 중심으로부터 2, 3, 4, 5 mm 거리에 25 µm의 골드 와이어가 위치한 와이어 팬텀을 사용하였고 대조도 분석을 위하여 중심으로부터 2, 3 mm 거리에 직경 1 mm의 시스트가 위치한 조직 모방 팬텀을 사용하였다. 조직 모방 팬텀은 한천 분말(A9799, Sigma-Aldrich Co. Ltd., StLouis, MO, USA) 및 20 µm 셀룰로오스(S3504, Sigma-Aldrich Co. Ltd.)를 혼합하여 제작하였다.^[14]

Fig. 8과 같이 팬텀을 회전 스테이지의 수조 내부에 넣고 상용 펄서리시버 시스템(UT340, UTEX Scientific Instruments Inc., Mississauga, ON, Canada)을 사용하여 신호를 송신하고 제작한 수신 시스템을 사용하여 수신 초음파 신호를 획득하였고 성능 평가를 위하여 상용 펄서리시버의 리시버로 획득한 수신 신호와 비교하였다.

Fig. 8.

Experiment arrangement for the performance evaluation.

IVUS 영상은 첫 번째 스캔 라인으로부터의 수신 신호가 획득되면, 회전 스테이지(SGSP160-YAW, SIG-MAKOKI Co. Ltd., Tokyo, Japan)를 0.36 ° 회전한 후 다음 스캔 라인의 수신 신호를 획득하는 방법으로 하나의 영상에 대하여 총 1000개의 스캔 라인의 수신 신호를 획득하여 PC로 전송한 후 MATLAB 프로그램(Mathworks Inc., Natick, MA, USA)을 사용하여 신호 및 영상 처리를 수행하였다.

Fig. 9는 개발한 수신 시스템과 상용 리시버의 성능 평가 비교를 위하여 획득한 와이어 팬텀 영상[(a), (b)]과 조직 모사 팬텀 영상[(c), (d)]이다. 와이어 팬텀 영상을 이용하여 개발한 수신 시스템과 상용 리시버의 신호대잡음비 성능을 비교 평가하였고 조직 모사 팬텀 영상을 이용하여 대조도를 평가하였다.

Fig. 9.

Images of the wire phantom acquired by (a) the developed receiver and (b) the commercial receiver (UT340), and images of the custom-made tissue mimicking phantom acquired by (c) the developed receiver and (d) UT340. Logarithmic compression with a 40-dB dynamic range was performed. The space between the white bars on the images indicated 1 mm. The measurement regions are indicated by white rectangles: solid line for the cyst in 2 mm and dashed line in 3 mm from the center.

대조도는 조직 모사 팬텀 영상[Fig. 9(c), (d)]의 2 mm(실선 사각형), 3 mm(점선 사각형) 깊이 영역에서 신호를 추출한 후 Eq. (1)을 사용하여 계산하였다.

 (1)

이때, 는 시스트 내부에서 측정한 포락선 신호의 평균값이고 는 주변 조직에서 측정한 포락선 신호의 평균값이다.^[15] 개발한 수신 시스템을 사용하여 측정한 대조도 성능은 2 mm에서 15.4 dB, 3 mm에서 11.2 dB이고 상용 리서버를 사용하여 측정한 대조도 성능은 2 mm에서 10.5 dB, 3 mm에서 7.5 dB이다. 개발한 수신 시스템의 대조도는 상용 리시버와 비교하여 최소 3.7 dB 이상 우수한 성능을 확인하였다.

Fig. 10은 와이어 팬텀 영상[Fig. 9(a), (b)]의 신호대잡음비를 계산한 결과이다. 신호대잡음비는 Eq. (2)에 의하여 계산하였다.

 (2)

Fig. 10.

SNR plots as a function of imaging depth (a), zoom-in version of the SNR (b) and (c): the developed receiver (red solid line) commercial receiver (blue dash-dot line).

이때, 은 수신된 신호의 포락선 신호이고 는 특정 깊이에서의 수평 거리의 잡음 표준편차이다.^[15] 개발한 수신 시스템의 신호대잡음비와 상용 펄서리시버의 신호대잡음비의 차이는 와이어의 위치에 따라 2 mm 깊이에서 8.4 dB, 3 mm 깊이에서 9.8 dB [Fig. 10(b)], 4 mm 깊이에서 11.7 dB, 5 mm 깊이에서 14.7 dB [Fig. 10(c)]로 개발한 수신 시스템은 상용 리시버에 비해 최소 8.4 dB 이상 신호대잡음비가 우수한 것을 확인하였다.

3.3 고찰

개발한 저잡음·광대역 수신 시스템은 아날로그 TGC를 적용하여 침투 깊이와 주파수에 따른 감쇠량을 보상함으로써 상용 리시버와 비교하여 침투 깊이가 깊어질수록 고주파수 초음파 영상에 탁월한 성능을 나타낸다. 초음파 신호가 이동하는 매질의 종류에 대한 정확한 정보가 수반될 때 보다 정확하고 선명한 초음파 영상을 구현할 수 있다.

IV. 결  론

본 논문에서 최대 동작 주파수가 80 MHz 이상이고 최대 증폭 이득이 73 dB, 이득 가변 범위가 48 dB, 이득 평탄도가 ±1 dB인 저잡음·광대역 수신 시스템의 설계, 제작, 그리고 성능평가 결과를 설명하였다. 특히, 개발한 시스템의 저잡음 아날로그 TGC를 사용하여 침투 깊이에 따른 감쇠량을 보상함으로써 영상의 질이 향상됨을 실험적으로 확인하였다. 즉, 개발한 시스템의 경우 상용 펄서리시버와 비교하여 침투 깊이에 따라 8.4 dB 이상 높은 신호대잡음비 성능과 3.7 dB 이상의 높은 대조도 성능을 확보할 수 있음을 확인하였다. 고주파수, 고해상도 초음파 영상의 임상 응용 분야 중 하나인 혈관 내 초음파 영상을 위해 개발한 수신 시스템을 사용하였을 때 상용 리시버와 비교하여 보다 우수한 영상 성능을 획득할 수 있음을 검증하였다. 결론적으로, 개발된 저잡음·광대역 수신 시스템은 초음파 영상 평가의 지표인 신호대잡음비, 대조도를 향상시킬 수 있어 이를 영상시스템에 적용할 경우 고주파수, 고해상도 초음파 영상 획득이 가능할 것으로 기대된다.