재료 측정에 사용되는 초음파 기술

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-01-16

초음파의 사용범위는 엄청나며 적용되는 기술도 아주 다양하다. 이제, 연구진들이 새로운 모듈형 시스템으로 넓은 범위의 적용을 시행하고 있다. 즉, 소나 시스템에서부터 의학용 초음파 분야까지 그리고 재료 시험과 같은 높은 주파수 범위까지 그 적용을 넓히고 있다. 초음파 기술은 우리가 육안으로 보지 못하는 것을 볼 수 있게 한다. 물리학자들은 초음파 검사(sonography) 기술의 도움으로 인체 내의 조직 변화를 연구하고 잠수함은 심해의 어둠 속에서 유지하기 위해 소나 시스템을 사용하며 재료 시험과 구성품 시험에서, 초음파 기술은 실시간으로는 불가능한 비싼 기술에 대한 비파괴적 대안을 제시한다. 적용분야에 따라, 다양한 범위의 기술이 사용될 수 있다. “완벽한 시스템은 일반적으로 독특한 소비자용 사양에 따라 개발된다. 그런데, 이러한 형태의 개발은 매우 제한된 영역에서만 사용될 수 있어서 개발비용이 실제로 매우 높다”고 독일 잉게베르트의 프라운호퍼 연구소 바이오메디컬 엔지니어링 IBMT(Fraunhofer Institute for Biomedical Engineering IBMT)의 스테펜 트레트바(Steffen Tretbar)씨는 설명했다. 그래서 트레트바(Tretbar)씨와 그의 연구팀은 새로운 방식을 모색하고 있다. 즉, 과학자들은 모듈형 형태를 사용하는 다채널 초음파 플랫폼을 개발하여, 실시간 치료 모니터링(real-time treatment monitoring)과 같이 완전히 서로 다른 분야에도 적용될 수 있도록 했다. “이와 같은 방식을 통해, 우리는 아주 넓은 범위의 적용분야에서의 소비자 요구도 만족시킬 뿐 아니라 돈을 절약하는 솔루션도 제공한다”고 트레트바(Tretbar)씨는 말했다. 이 시스템은 메인보드, 전원공급기 그리고 항상 동일함을 유지하는 제어 소프트웨어와 같은 기본적인 구성품을 사용한다. “그다음, 우리는 빌딩-블록 시스템과 같이 이 메인보드에 프론트-엔드 보드(front-end boards)같은 특수한 구성품을 삽입한다”고 트레트바(Tretbar)씨는 설명했다. 해당분야에의 적용을 위해서는, 초음파의 주파수 범위가 핵심 요소이다. 소나 시스템은 전형적으로 kHz에서 약 2MHz 범위의 낮은 주파수 영역에서 작동된다. 이러한 방식으로는, 아마도 이미지에 대한 높은 공간해상도를 확보하기는 어려울 것이다. 그런데, 몇 백 미터 깊이까지는 보는 것이 가능하다. 여기서, 물리학자들은 가능한 가장 높은 해상도를 가진 기록이 필요하다. 이를 위해, 음파는 긴 범위의 이동은 불필요하지만, 그 대신에 인체의 몇 cm 정도는 관통해야만 한다. 이러한 이유로, 의학용 초음파 기술은 전형적으로 2~20MHz 사이의 주파수 범위 내에서 작동된다. 100MHz 범위의 아주 높은 주파수는 예를 들어, 새로운 기술을 개발하는데 필요한 작은 동물에 대한 사진촬영이나 재료시험 등과 같은 범위의 해상도를 가능케 한다. 연구진들은 3가지 모든 영역에서 사용될 수 있는 해당 프론트-엔드 보드(front-end boards) 개발에 성공했다. 컴퓨터와의 신속한 인터페이스 시스템의 미세조정을 위해, 당신은 단지 그에 따른 소프트웨어만 조정하면 된다. “우리는 PC와 매우 빠른 인터페이스를 실현했다. 이러한 방식으로, 우리는 실시간으로 시스템을 제어할 수 있어서 kHz 범위에서의 반복률을 가진 매우 신속한 신호 프로세싱이 가능하고 다양한 적용분야에 적절한 새로운 소프트웨어 알고리즘만 단순히 실행하면 된다”고 트레트바(Tretbar)씨는 설명했다. 초음파 플랫폼의 다른 장점은 다음과 같다. 과학자들은 전통적인 이미지 데이터뿐 아니라 초음파 어레이에서 각 요소의 프로세싱되지 않은 원래 그대로의 신호도 다시 복구하는 것이 가능하다. 이를 통해, 완전히 새로운 기술개발을 가능하다. 다양한 모듈이 적용을 위해 준비되었는데, 주로 의학 분야와의 협력이 이러한 개발에 관심을 주었다. 이 기술을 강력한 제품으로 바꾸기 위해, 이 연구소의 전문가들은 2가지 접근법을 제공한다. 즉, 소비자의 시스템에 직접 통합되는 초음파 시스템과 소프트웨어 인터페이스를 적용하거나 소비자의 적용범위를 초음파 시스템의 소프트웨어 내에 통한한 다음 전체적인 적용을 위해 소프트웨어 제품을 실현하는 것이다. 연구 플랫폼의 일부로서, 이 연구소의 개발에 대한 전문적인 역량은 초음파 트랜스듀스와 새로운 초음파 기술에서부터 의학용 제품으로서의 시스템과 그것에 대한 인증 또는 승인을 완료하기까지 모든 기술 구성요소를 커버한다. Modular ultrasound platform for medical applications.jpg http://www.fraunhofer.de/en/press/research-news/2015/january/ultrasound-technology-made-to-measure.html