심층 유방 광음향 촬영을 위한 초고감도 초음파 탐지기 설계 및 최적화

초록

본 연구는 1 MHz 중심 주파수와 약 80 %의 대역폭을 갖는 대형(5 mm × 5 mm) 초음파 탐지기를 설계·제작하고, 0.5 Pa의 최소 검출 압력(MDP)을 달성함으로써 기존 시스템 대비 깊은 조직까지 고감도로 영상화할 수 있는 광음향 유방 촬영용 탐지기를 구현하였다.

상세 분석

광음향(Photacoustic, PA) 유방 영상은 종양 주변 혈관 신생에 의해 발생하는 광학 흡수 대비를 초음파로 변환해 탐지한다. 종양이 수 센티미터 깊이에 위치할 경우, 레이저 빛은 크게 감쇠되므로 초음파 탐지기의 감도와 대역폭이 영상 품질을 좌우한다. 저자들은 먼저 탐지기의 설계 목표를 정의하였다. 1 MHz의 중심 주파수는 0.5 ~ 10 mm 크기의 흡수 구조에서 발생하는 48 kHz ~ 2.25 MHz 범위의 신호를 포괄하도록 선택되었으며, -6 dB 대역폭을 0.4 ~ 1.25 MHz(≈80 % FBW)로 설계해 1–2 mm 해상도를 확보하고자 했다.

탐지기 면적을 크게 하면 전기 정전용량이 증가해 열 잡음이 감소, 즉 최소 검출 압력(MDP)이 낮아진다. 그러나 큰 면적은 방사형(횡방향) 공명 모드가 나타나 주파수 응답을 왜곡시킨다. 이를 해결하기 위해 저자들은 PZT 3203HD(고결합계수, 낮은 손실) 재료를 사용하고, 전면·후면 매칭층을 적절한 음향 임피던스(Zm)로 설계하였다. 매칭층 두께와 임피던스는 Zm = √(Zw·Zp) 식을 이용해 물(또는 조직)과 PZT 사이의 임피던스 매칭을 최적화했다.

시뮬레이션 단계에서는 1차원 KLM 모델로 대략적인 중심 주파수와 대역폭을 예측하고, 이후 3차원 FEM(PZFlex) 모델로 매칭층 두께, 백킹 재료, 그리고 특히 서브다이싱(sub‑dicing) 크기에 따른 횡방향 공명 억제 효과를 정밀히 분석했다. 5 mm × 5 mm 전체 면적을 0.9 mm × 0.9 mm 크기의 25개 셀로 서브다이싱하고, 셀 사이를 공기 커프(acoustic kerf)로 음향적으로 격리하면서 전기적으로는 하나의 전극에 연결함으로써 횡방향 공명을 크게 감소시켰다. FEM 결과는 서브다이싱 전후의 주파수 응답 차이를 명확히 보여 주었으며, 최적화된 매칭층 두께(전면 0.2 mm, 후면 0.3 mm 등)와 백킹 재료(에폭시) 조합이 대역폭을 80 % 수준으로 확대함을 확인했다.

제조된 첫 번째·두 번째 기능 모델은 시뮬레이션과 일치하는 주파수 응답을 보였으며, 전기 임피던스 측정으로 공명 피크가 기대값과 부합함을 확인했다. 최종 모델에서는 최소 검출 압력 0.5 Pa를 실험적으로 측정했으며, 이는 기존 PVDF 기반 탐지기(≈80 Pa) 대비 2~3 order magnitude 향상된 수치이다. 또한 -6 dB 수용각이 30° 이상으로 설계되어, 360° 회전 스캔 시 전체 유방 영역을 고르게 커버할 수 있다.

이와 같은 설계·시뮬레이션·실험의 순환적 최적화 과정은 탐지기의 감도와 대역폭 사이의 트레이드오프를 효과적으로 해결했으며, 향후 다채널 배열 구현 시 전기적 접지·차폐 설계와 초음파 렌즈 적용을 통해 더욱 높은 영상 품질과 임상 적용 가능성을 제시한다.