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POSTECH 김철홍 교수팀, 초고감도 · 광대역 투명 초음파 트랜스듀서 개발
박영재 기자   |   2024-02-29

【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=POSTECH(포항공과대학교)은 전자전기공학과 · IT융합공학과 · 기계공학과 · 융합대학원 김철홍 교수, 전자전기공학과 조성희 교수, IT융합공학과 통합과정 김민수 씨 연구팀은 기존 초음파-광음향 시스템이 갖고 있던 문제를 해결하고, 우수한 성능의 투명 초음파 트랜스듀서(이하 TUT)를개발했다고 29일 밝혔다.

 

▲ TUT 및 쥐 복부의 초음파-광음향 다중 모드 영상  © 포스텍


이 연구는한국연구재단 중견연구자지원사업, 세종과학펠로우쉽, 범부처 전주기 의료기기 개발사업, BK21, BRIDGE 융합연구개발사업, 대학중점 연구소 지원사업의 지원으로 진행됐으며 국제 학술지인 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 게재됐다.

 

트랜스듀서(transducer)는 한 형태의 에너지를 다른 형태의 에너지로 변환하는 장치로 초음파 트랜스듀서는 초음파 정보를 수신해 이를 전기 신호로 바꾼다.

 

기존 초음파-광음향 시스템의 초음파 트랜스듀서는 일반적으로 불투명한 소재로 제작되고, 그로 인해 광파와 초음파 간 경로 간섭이 발생해 성능이 낮았다.

 

이를 해결하기 위해 투명한 소재를 적용한 TUT 연구가 활발하게 진행되고 있지만 현재 기술 수준으로는 트랜스듀서의 모든 층을 투명하게 만들기는 어려웠다.

 

연구팀은 이번 연구를 통해 이산화규소(SiO2)-에폭시 합성물 기반 투명 소재를 개발하고, 이를 TUT에 적용했다. 연구팀의 TUT는 높은 광학 투명도(80% 이상)를 보였으며, 기존의 불투명한 초음파 트랜스듀서와 동일한 대역폭(중심주파수에서 ±30%)을 나타냈다.

 

또, 이 TUT를 적용한 초음파-광음향시스템은 초음파와 광 음파 영상에서 각각 깊이 대 해상도 비가 각각 500과 370을 초과했다. 이는 기존 초음파 단일 시스템과 유사하고, 또 기존 광 음향 단일 시스템 대비 3~6배에 달하는 수준이다. 특히, 기존 광 음향 연구에서 깊이 대 해상도 비율은 200이 한계라는 인식이 컸는데, 이번 연구에서 이를 깨고, 370을 달성한 것이다.

 

또, 연구팀이 만든 TUT를 적용한 현미경은 살아있는 동물과 사람을 대상으로 한 실험에서도 조직의 구조와 기능적 복합 영상을 쉽게 구현했다.

 

POSTECH 김철홍 교수는 “광 자극을 사용해 세포를 조작하거나, 레이저 수술로 종양을 제거하며 잔류 조직을 초음파로 검사하는 등 다양한 의료기기에 적용할 수 있을 것“이라며, ”이외에도 모바일과 로봇 등 초음파와 광센서를 사용하는 많은 분야에서 이번 연구가 큰 도움이 되기를 바란다“는 기대를 전했다.

  

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

 

 POSTECH Professor Kim Cheol-hong's team develops ultra-high sensitivity and wideband transparent ultrasonic transducer

 

POSTECH (Pohang University of Science and Technology) is a research team led by Professor Cheol-Hong Kim of the Department of Electronic and Electrical Engineering, Department of IT Convergence Engineering, Department of Mechanical Engineering and Graduate School of Convergence, Professor Seong-Hee Cho of the Department of Electronic and Electrical Engineering, and Min-Soo Kim of the IT Convergence Engineering Department, solving problems with existing ultrasonic-photoacoustic systems. and announced on the 29th that they had developed a transparent ultrasonic transducer (hereinafter referred to as TUT) with excellent performance.

 

This research was conducted with the support of the National Research Foundation of Korea's Mid-career Researcher Support Project, Sejong Science Fellowship, Pan-Ministry Lifecycle Medical Device Development Project, BK21, BRIDGE Convergence Research and Development Project, and University Focused Research Institute Support Project, and was published in the international academic journal 'Nature Communications'. It was published in 'Communications'.

 

  A transducer is a device that converts one form of energy into another form of energy. An ultrasonic transducer receives ultrasonic information and converts it into an electrical signal.

 

Ultrasonic transducers in existing ultrasound-optoacoustic systems are generally made of opaque materials, which results in path interference between light waves and ultrasound, resulting in low performance.

 

To solve this problem, TUT research using transparent materials is actively underway, but it has been difficult to make all layers of the transducer transparent with the current technology level.

 

  Through this research, the research team developed a transparent material based on silicon dioxide (SiO2)-epoxy composite and applied it to TUT. The research team's TUT showed high optical transparency (more than 80%) and the same bandwidth (±30% at the center frequency) as existing opaque ultrasound transducers.

 

  In addition, the ultrasound-photoacoustic system using this TUT had depth-to-resolution ratios exceeding 500 and 370 in ultrasound and photoacoustic images, respectively. This is similar to the existing ultrasonic single system and is 3 to 6 times higher than the existing photoacoustic single system. In particular, in existing photoacoustic research, there was a strong perception that the depth-to-resolution ratio was 200, but this study broke this and achieved 370.

 

  In addition, the microscope using the TUT created by the research team easily produced structural and functional complex images of tissues even in experiments targeting living animals and people.

 

  Professor Kim Cheol-hong of POSTECH said, “It can be applied to a variety of medical devices, such as manipulating cells using light stimulation, removing tumors with laser surgery, and examining residual tissue with ultrasound.” “I hope this research will be of great help in many fields that use sensors,” he said.

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