초음파 물리 SPI, 초음파 원리, 초음파란?, 주파수 범위

 

초음파 물리 개론

진단 초음파는 제1차 세계 대전 당시 잠수함을 탐지하기 위해 개발된 소나(SONA) 기반의 펄스 에코 영상 기술이다. 소나 시스템은 물속으로 소리의 펄스를 전송한 다음 수중 물체로부터 반사되는 메아리를 청취한다. 소리는 물속에서 일정한 속도로 이동하기 때문에, 물체에 대한 거리는 펄스의 전달과 에코의 수신 사이의 시간을 측정함으로써 결정될 수 있다. 소리는 물속에서 일정한 속도로 이동하기 때문에, 물체에 대한 거리는 펄스의 전달과 에코의 수신 사이의 시간을 측정함으로써 결정될 수 있다. 이것을 pulse-echo ranging라고 합니다.
* pulse-echo range : 펄스 에코 범위 (거리)

초음파 원리

현대 진단초음파는 인체의 이미지 생성을 위해 소나와 동일한 원리를 사용합니다. 변환기(Transducer)의 압전 결정(Piezoelectric crystals)은 전기 전압을 고주파 소리의 짧은 펄스로 변환합니다. 변환기는 젤(gel)로 피부에 결합되고 펄스가 일직선으로 체내로 전달된다. 신체 조직의 차이는 트랜스듀서에 반사되어 echo(메아리)를 생성한다. 변환기에서 압전 결정은 각 에코를 다시 작은 전기 전압(에코 신호; ehco signal)으로 변환합니다. 각 에코 신호는 시간(time) 및 강도(strength)라는 두 가지 파라미터에 대해서만 평가됩니다. 시간은 반사물까지의 거리를 계산하는 데 사용되며, 에코 강도는 디스플레이의 에코에 밝기를 할당하는 데 사용됩니다. 변환기에서 각 에코 신호는 수신 회로(receiver)로 전송되며, 수신 회로에서 증폭되고 처리됩니다. 거기서부터, 신호는 이미지를 생성하기 위해 충분한 수의 에코가 수신될 때까지 저장될 시스템의 메모리(Memory)로 보내진다. 이 작업은 일반적으로 1/20초 정도 걸립니다. 일단 충분한 데이터가 저장되면, 데이터(data)는 메모리(memory)에서 읽히고 보기 위해 디스플레이 모니터 (display monitor)로 보내지고, 보관을 위해 기록 장치(recording device)로 보내진다. 전체 프로세스가 매우 빠르게 발생하므로 시스템은 초당 약 2020 프레임(20 frames/ s)의 프레임 속도로 실시간 디스플레이(real-time display)를 생성할 수 있습니다. 단순한 소나보다 조금 더 정교하지만, 현대 초음파 시스템의 작동 원리는 그리 복잡하지 않습니다. 진단초음파는 압전결정을 이용해 짧은소리의 펄스를 체내에 전달해 에코를 수신하고 해당 데이터를 실시간 2D 그레이스케일 영상으로 표시하는 펄스 에코 기법이다.

초음파란?

초음파(Ultrasound)란 음향 진동의 일환으로 사람의 귀로 들을 수 있는 가청주파수 이상, 즉, 20,000Hz (20kHz) 보다 높은 주파수를 가지는 음파를 의미한다. 진단용 초음파 주파수 영역은 2,000,000~20,000,000Hz (2~20 MHz)를 사용한다. *1 MHz는 10⁶Hz이다. 초저음파(Infrasound)란 가청 주파수 범위보다 낮은 극도의 저음파 또는 진동으로 보통 16Hz 이하의 소리를 의미한다. 지진파는 초저음파에 속한다. 초음파 영상(Ultrasonography)이란 Sounu(Sound)와 Graphein(to write)의 합성어로 Echography 또는 Ultrasonography 혹은 Sonography 또는  Sonogram이라고 한다. 초음파 영상은 짧은 펄스파를 인체 내로 투과시켜 조직의 경계면으로부터 반사되는 신호를 받아 컴퓨터로 증폭, 검파 등을 거쳐 2차원적 영상으로 나타낸다. 주파수 범위(Sound frequency)는 초저주파(Infrasound), 가청 주파수 (Audible sound), 초음파(Ultrasound)로 세 가지 광범위한 범주로 구성됩니다.  초저주파(Infrasound)는 20Hz 미만의 사운드 주파수를 말합니다.  가청 주파수(Audible sound)는 20Hz와 20kHz 사이의 사운드 주파수를 말합니다. 초음파(Ultrasound)는 20kHz 이상의 사운드 주파수를 말합니다.

sound frequency spectrum summary
초저주파(Infrasound)	20Hz 미만
가청 주파수 (Audible sound)	20Hz이상 20,000Hz미만
초음파(Ultrasound)	20,000Hz 이상