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오픈소스 평가 플랫폼을 활용한 초음파 송신 서브시스템 프로토타이핑 방법

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이 글은 첨단 초음파 기기의 개발과 관련한 과제에 대해 설명한다. 기존 평가 플랫폼을 활용하면 초음파 시스템의 시스템 개발 비용과 송신 블록의 특성화 시간을 모두 줄일 수 있다. 또한 이 글에서는 빔 조향의 핵심적인 컨셉트이자 의료 영상 고유의 컨셉트인 여러 채널을 동기화하는 방법에 대한 단계별 절차를 소개한다.

글/선샤인 그레이스 카바탄(Sunshine Grace Cabatan) 스태프 엔지니어, 아나로그디바이스

　  멜리사 로렌즈 라칸레일(Melissa Lorenz Lacanlale) 제품 엔지니어, 아나로그디바이스

모든 새로운 기술 개발 과정에서는 신규 모델이나 차세대 초음파 기기를 상용화하기 전에 하드웨어 개발과 테스트, 시스템 통합 및 검증 확인 단계를 거친다. 채널 수가 많은 영상 초음파 서브시스템을 개발하는 경우라면 이러한 과정에 수년이 걸릴 수 있다. 뿐만 아니라 시스템 고려사항에 대한 지식이 부족한 상태에서 빔 조향 또는 송신 서브시스템의 하드웨어 프로토타입 제작에 뛰어들 경우, 하드웨어 프로토타입을 여러 번 수정하느라 많은 비용이 들 수 있다. 이제 완전한 시스템(프로토타입 보드와 오픈 소스 소프트웨어)을 사용하여 초음파 기기 서브시스템의 동작을 평가함으로써 초음파 기기의 개발 비용과 제품 출시 시간을 줄일 수 있다.

오픈 소스 엠베드(Mbed) 소프트웨어를 탑재한 아두이노 기반 TxDAC® 평가 보드

AD9106-ARDZ-EBZ 평가 플랫폼은 SDP-K1과 같은 Arm® 기반 엠베드 지원 보드와 호환되며, 아두이노 우노(Arduino Uno) 헤더와 연결하도록 설계됐다. 이 평가 보드는 USB 전원 공급만 가능하며, 클럭 입력을 위한 고주파 파형 발생기를 필요로 하지 않는다. 디폴트로 온보드 156.25MHz 크리스탈 오실레이터(XO) 클럭 소스로 사용하지만, 외부 클러킹 옵션도 제공한다. DAC 출력은 트랜스포머와 결합하거나 온보드 증폭기로 평가할 수 있다. 이 경우에만 7VDC ~ 12VDC 30 W AC-DC 어댑터가 필요하다(그림 1).

하드웨어와 함께 예제 오픈 소스 코드가 평가 보드 웹 페이지 상에서 제공되는데, 이를 타깃 애플리케이션을 위한 펌웨어 개발의 시작 지점으로 활용할 수 있다. 평가 보드와 예제 소스 코드는 다른 엠베드 플랫폼에서 사용하기 위해 맞춤화가 가능하다. 새로운 평가 시스템은 기존 시스템과 쉽게 통합할 수 있으므로 프로토타이핑이 용이하다.

평가 보드에는 AD9106 쿼드, 저전력, 12비트, 180MSPS, TxDAC 및 파형 발생기가 탑재되어 있다. DAC는 샘플링 레이트가 높아 1MHz ~ 40MHz 범위의 초음파 동작 주파수에 이상적이다. 외부 이미징 기기는 통상 1MHz ~ 15MHz의 주파수를 사용하는 반면 정맥 심혈관 기기는 40MHz의 높은 주파수를 사용한다. 뿐만 아니라 AD9106은 통합 수준이 매우 높은데, 복잡한 파형 생성을 위한 온칩 패턴 메모리를 내장하고 있으며, 10.8Hz/LSB 주파수 분해능이 가능한 24비트 튜닝 워드의 직접 디지털 합성기(DDS)를 포함하고 있다. 이 디바이스는 또한 패턴 주기, 시작 지연, 이득, 오프셋을 4개의 DAC 채널 각각에 대해 독립적으로 조정할 수 있어 프로그래밍이 매우 유연하다. 여기에 저전력(3.3V, 4mA 출력, 180MSPS에서 채널당 78.8mW, 총 315.25mW 소비) 특성까지 갖췄는데, 이는 초음파 기기와 같은 대형 멀티채널 시스템에서 중요한 고려사항이다.

초음파 기기의 정확도와 영상 분해능 향상

카트형 초음파 시스템은 휴대형 기기와 비교할 때 채널 수가 크게 차이가 나기 때문에 영상 품질이나 분해능 면에서 휴대형 기기보다 우수하다. 하지만 채널 수는 제조사에 따라 다를 수 있다. 초음파 기기와 같은 대형 시스템에서는 비용과 전력 소모가 중요한 고려사항이므로 이 두 요소를 최소화하기 위해 몇 가지 기법이 사용된다. 그림 3과 같은 일반적인 초음파 신호 체인에서, 프로브 팁의 트랜스듀서 어레이에서 하나의 트랜스듀서 소자를 구동하는 모든 송신기 경로(DAC + 고전압 증폭기)에 대해 하나의 수신기 경로(통합된 아날로그 프런트 엔드)가 있다고 가정하면 채널 수를 결정하기는 쉽다. 이 경우, 초음파 시스템의 채널 수는 16 ~ 256개일 것이다. 대부분이 카트형인 하이엔드 시스템에서는 채널 수가 64개 이상이다. 휴대용 중저가 시스템의 경우, 16 ~ 64 채널이 일반적이다.

초음파 시스템의 송신기 경로에서는 음향 에너지 또는 음파 빔이 인체에 발산된다. 음파는 프로브 팁의 압전 트랜스듀서 소자에 의해 전기 신호로부터 변환된다. 그림 4에서 보듯이 각 전기 또는 송신기 신호의 위상과 진폭은 입사 에너지 빔이 라인을 따라 인체 내로 투과되도록 프로그래밍된다. 인체 조직에서 반사되는 음파는 트랜스듀서 소자에 의해 다시 전기 에너지로 변환된다. 목표물의 위치 또는 거리는 트랜스듀서 어레이에서 소자 간 시간 지연에 따라 화면에 표시된다. 따라서 인체 내부의 정확한 영상을 표시하려면 송신기 신호들 사이의 지연을 동기화 또는 제어하는 것이 중요하다.

[그림 4] 빔 조향 및 초점

멀티칩 동기화를 위한 요구사항

AD9106과 같은 여러 DDS DAC를 성공적으로 동기화하려면 차동 클럭 입력(CLKP 및 CLKN)과 TRIGGER 핀의 하강 에지를 제어할 수 있어야 한다. 

동기화를 위한 첫 번째 요구사항을 달성하려면 PCB의 레이아웃에서 클럭 분배 방식을 신중하게 채택해야 한다(그림 5). 이렇게 하면 DDS 출력에서 비례하는 위상 차를 일으키는 REF CLK 에지 간 위상 차를 최소화할 수 있다.

패턴 생성은 AD9106의 TRIGGER 핀의 하강 에지에서 신호가 나오기 때문에, 동기화를 위한 두 번째 요구사항은 일치하는 TRIGGER 에지를 보장하는 것이다. 그림 5의 레이아웃 기법은 컨트롤러의 디지털 출력에서부터 각각의 개별적인 AD9106 디바이스까지 라우팅되는 TRIGGER PCB 트레이스에도 적용할 수 있다.

[그림 5] 권장되는 클럭 배치 레이아웃(왼쪽) vs. 차선책 레이아웃(오른쪽)

AD9106-ARDZ-EBZ를 활용한 멀티칩 동기화 평가

AD9106 평가 보드 2개와 SDP-K1 컨트롤러 보드 1개를 사용하여 여러 개의 AD9106 DAC에 대한 동기화를 평가할 수 있다.

[그림 6] 여러 개의 AD9106 디바이스에 대한 동기화를 위한 시스템 다이어그램(간략화한 회로도, 일부 연결은 표시되지 않음)

하드웨어 설정

3개의 보드를 연결하기 전에 2개의 AD9106-ARDZ-EBZ 보드를 다음과 같이 설정한다. DAC 출력을 온보드 증폭기에 연결하고 DAC 클럭은 J10에 연결된 외부 소스에 의해 공급되도록 한다. 또한 AD9106-ARDZ-EBZ 보드 1개는 보드에 탑재된 디바이스의 CSB 핀이 대체 GPIO 핀(R38 대신 R39 설치)에 연결되도록 설정한다. SDP-K1의 VIO_ADJUST가 3.3V로 설정되었는지 확인한다.

그런 다음 고주파 파형 발생기의 출력을 분할 SMA-종단 T-스플리터에 연결한다. 여기에 다양한 길이의 SMA-종단 동축 케이블을 연결할 수 있다.

그 다음에는, 그림 7에 보이는 각 보드의 클럭 입력과 TRIGGER 핀에 대한 연결을 표 1의 나머지 연결보다 먼저 설정해야 한다. 보드 1을 SDP-K1 아두이노 우노 포트에 연결한 다음, 두 보드의 TRIGGER 핀이 나란히 올 수 있도록 보드 2를 보드 1에 대해 180°로 배치한다. 이렇게 하면 TRIG2를 SDP-K1 디지털 출력에 가장 짧게 연결할 수 있으므로 TRIG1과 TRIG2 경로가 거의 동일해진다.

모든 연결이 적용된 실제 구성은 그림 8과 같다. 보드 간 연결은 표 1에 요약되어 있다.

소프트웨어

엠베드 오픈 소스 소프트웨어로 개발된 소스 코드 예제를 사용할 수 있다. 위키 페이지에 자세히 설명된 이 소스 코드에 약간의 수정 작업만 더하면 두 평가 보드의 각 디바이스를 SPI를 통해 독립적으로 프로그래밍할 수 있다. 특히 예제 3(다양한 시작 지연과 디지털 이득 설정을 갖는 DDS 생성 사인파)의 레지스터 값과 코드의 다른 부분을 애플리케이션에 맞춰 쉽게 맞춤화할 수 있다. 코드를 수정한 다음에는 엠베드 온라인 컴파일러를 사용하여 프로그램을 컴파일한다. 그런 다음 생성된 바이너리 파일을 SDP-K1 드라이브에 끌어 놓는다. 다른 애플리케이션에 대해서도 동일한 과정을 수행할 수 있다.

그림 6의 간략화한 다이어그램에서 보듯이 디바이스 간 출력 동기화는 동일한 DAC 출력 채널, 즉 여러 디바이스의 채널 1 간의 지연을 측정하여 수행된다. TRIG1(컨트롤러 보드에서 보드 1로)에 대해 TRIG2(컨트롤러 보드에서 보드 2로)를 다르게 하고, 클럭 1(클럭 생성기에서 보드 1로)에 대해 클럭 2(클럭 생성기에서 보드 2로)의 커넥터 길이를 다르게 함으로써, 이들이 동기화에 미치는 영향을 오실로스코프를 사용하여 관찰할 수 있다.

결과

그림 9는 트리거 커넥터 길이를 다르게 했을 때 오실로스코프 측정 결과를, 그림 10은 클럭 커넥터 길이를 다르게 했을 때의 측정 결과를 보여준다.

TRIGGER 핀을 SDP-K1의 마이크로컨트롤러인 STM32F469NI와 같은 드라이브 특성을 가진 디지털 출력에 연결할 경우, 디바이스 간 동기화를 유지하려면 TRIGGER 트레이스 허용오차는 최대 5인치까지 가능하다.

일치하는 클럭 입력 트레이스는 가장 짧은 디바이스 간 출력 지연을 제공하지만, 특정 시스템의 허용 가능한 지연에 따라 클럭 트레이스 길이 허용오차를 그에 맞게 조정할 수 있다.

[그림 9] TRIG2 커넥터 길이가 서로 다를 때, 보드 1과 보드 2의 OUT 1에서의 지연 비교

[그림 10] 클럭 2 커넥터 길이가 서로 다를 때, 보드 1과 보드 2의 OUT 1에서의 지연 비교

결론

첨단 초음파 기기를 제조할 때 AD9106 평가 플랫폼이 제공하는 설계 유연성과 맞춤화를 이용하면 개발 과정과 출시 기간을 단축할 수 있다. AD9106과 같은 다중 송신 DAC의 동기화를 평가하기 위해 새로운 송신 서브시스템 프로토타입을 설계할 필요가 없다. 대신, AD9106-ARDZ-EBZ 보드 2개와 SDP-K1 컨트롤러 보드 1개를 사용하여 예제 엠베드 코드를 약간만 수정하면 이를 수행할 수 있다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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