Power Supply of Ultrasonic Phased Array for Focus Control of Acoustic Pressure

음압 초점제어를 위한 초음파 위상배열의 전원 장치

Abstract

The ultrasonic phased arrays are used for treating tumors in the human body by the focus control of the acoustic pressure at the desired position. The magnitude and phase of the surface acoustic pressure in each ultrasonic transducer is controlled by the magnitude and phase of the applied voltage to it. In this paper, the relationship between the applied voltage and the surface acoustic pressure of the ultrasound transducer is modelled, and the desired voltage is realized by PWM technique. The validity of the proposed method is verified by computer simulation of the focus control of a ultrasonic phased array composed of 61 ultrasonic transducers.

다수의 초음파 트랜스듀서를 이용한 초음파 위상 배열은 초점제어에 의해 인체 내 종양을 치료하는 목적 등으로 사용되고 있다. 초점제어에 의해 결정된 각 초음파 트랜스듀서 표면음압의 크기와 위상은 각 초음파 트랜스듀서에 인가되는 전압의 크기와 위상을 제어하여 구현 가능하다. 본 논문에서는 초음파 트랜스듀서의 인가전압과 표면음압 사이의 관계를 모델링하고, 요구되는 초음파 트랜스듀서의 표면음압을 생성하기 위한 인가전압을 PWM 기법으로 제어하는 방법을 제안한다. 제안한 방법의 타당성은 61개의 초음파 트랜스듀서로 구성된 초음파 위상배열의 초점제어를 예로 들어 시뮬레이션으로 검증하였다.

그림 1. HSSA의 구조 Fig. 1 Structure of HSSA

그림 2 .각 트랜스듀서 번호 Fig. 2 ID number of each transducer

그림 3. 각 트랜스듀서 표면음압의 크기와 위상 Fig. 3 Magnitude and phase of surface acoustic pressure of each transducer

그림 4. 초점 주변의 음압분포 Fig.4 Distribution of acoustic pressure around the focus position

그림 5. 초음파 트랜스듀서 모델 Fig. 5 Ultrasonic transducer model

그림 6. PWM 패턴Fig. 6 PWM pattern

그림 7. 변조 지수에 대한 점호각 Fig. 7 Firing angle vs. modulation index

그림 8. 변조지수에 대한 v_pwm 고조파 크기 Fig. 8 Harmonic component of v_pwm vs. modulation index

그림 9. 고조파 전압성분에 대한 표면음압 이득 Fig. 9 Harmonic voltage to surface pressure gain

그림 10. 변조 지수에 따른 표면음압의 THD Fig. 10 THD of surface pressure vs. modulation index

그림 11. v와 v_pwm 에 의한 표면음압 비교 Fig. 11 Comparison of surface pressure between v and v_pwm

그림 12. v와 v_pwm 에 의한 초점 주변 음압 비교 Fig. 12 Comparison of acoustic pressure around the focus position between v and v_pwm

표 1. 층당 트랜스듀서 개수 Table 1. Number of Transducer per floor