Ultrasound has recently received increased attention and acceptance as the therapeutic device. Especially non-invasive stimulation using focused ultrasound has been a promising field in therapeutic application. A non-invasive treatment has advantages over alternative surgical procedures or insertion of needles which carry with them the risk of infection and pain. With recent advancements in focused ultrasound (FUS) technique, focused acoustic energy can be delivered to specific areas of biological tissues, as small as a few millimeters in diameter.
However, there are limitations in which conventional piezoelectric transducers used in above applications. Challenging issues in single bulk piezoelectric transducer, such as fixed focal depth, impedance matching layer, and high voltage requirement have been effectively handled by MEMS. A significant advantage of using the MEMS is that large transducer arrays can be implemented in a small area. This enables the delivery of high acoustic power to the target area without generating high pressure on the surface of the transducer.
This thesis presents optimal configuration of MEMS array which effectively stimulate targeted local area, by using MATLAB code simulation based on Rayleigh-Sommerfeld integral. As a preliminary step, A 15 by 15 pMUT rectangular array was used to verify simulation model. Beam profile measurements on this transducer made in an acoustic tank were compared with the beam profile predicted by simulation. The results showed good agreement with the simulation results. The acoustic focal region (AFR), the region bounded by the intensity contour lying 3 dB below the peak intensity, was located 1.775mm in the z-axis direction from the surface of the transducer. At the AFR, I_spta from the simulation showed the largest value of 739 mW/
초음파는 최근 치료 용도로 관심이 높아지고 있다. 특히, 초음파 집속을 통한 비침습적 자극은 치료 분야에서 장래가 촉망되고 있다. 비침습적 치료는 감염 위험과 고통이 수반되는 수술과 주사의 대안으로 장점을 가진다. 초음파 집속 기술의 빠른 발전에 힘입어 지름이 수 mm에 달하는 특정 부위에 에너지를 전달할 수 있다. 그러나 이러한 분야에 쓰이는 압전 소자에는 고정된 집속 위치, 임피던스 정합 필요, 높은 전압 동작조건 등의 한계점이 있다. 이러한 한계점을 MEMS를 통해 효과적으로 처리할 수 있다. MEMS를 이용하여 얻을 수 있는 가장 중요한 이점은 작은 면적에 많은 배열을 구현할 수 있다. 이는 트랜스듀서 표면에 많은 압력을 발생하지 않고도 원하는 부위에 음향 파워를 전달할 수 있다. 또한 집속 위치를 제어할 수 있고, 임피던스 정합이 불필요하며 낮은 전압 동작조건을 가진다.
본 논문에서는 Rayleigh-Sommerfeld 이론에 근거한 MATLAB 시뮬레이션을 통해 1.5cm의 깊이에서 효과적으로 자극할 수 있는 최적의 MEMS 배열 구조를 제시한다. 우선, 시뮬레이션 모델을 검증하기 위해 15 ×15 pMUT평면 배열 트랜스듀서를 사용하였다. 측정값과 시뮬레이션 결과는 대체로 일치하였다. 더불어, 15 ×15 평면 배열 트랜스듀서의 초음파 집속을 이용해 관절염 증상이 있는 쥐 경혈을 자극하였다. 대조군과 비교할 때 상태가 호전되는 결과를 얻었고, 초음파 집속을 통한 경혈 자극의 효과를 입증하였다.
중간 단계로서, 검증된 시뮬레이션 모델을 기반으로, 배열의 매개변수와 초음파 집속 크기 및 위치 관계를 파악하였다. 배열의 매개변수는 배열의 전체 크기, 개별 요소의 크기, 모양, 위치 그리고 분포를 포함한다. pMUT 원형 고리 개수, 배치에 따른 초음파 집속 성능 차이를 분석하였다. 원형 배열의 사이드 밴드 특성은 원형 고리 구성 비율로 서술할 수 있다. 구성 비율이 증가할수록 초음파 집속 성능은 좋아진다. 배열에 포함되는 개별 요소의 개수가 증가할수록 전달하는 음압의 강도는 증가하고, 집속 면적은 작아진다. 따라서 여러 가지 조건을 고려하여 원하고자 하는 깊이에 최적화된 조건을 추출하였다.
후반부에는 지름이 2cm, 7.2cm인 pMUT 원형 배열, 지름이 1cm인 cMUT 원형 배열 세 가지 가변구조형 원형 배열을 제시한다. 성능은 지름이 2cm인 pMUT 원형 배열(깊이 1.7cm, 집속 크기 1.65
