발명의명칭:광음향측정기를이용하여주파수� �역에서

광흡수계수를산출하는방법

기술분야

[1] 본발명은광확산매체내부에위치하는광흡수체 의광흡수계수를산출하는 방법에관한것으로,보다구체적으로는광확산� �체의내부에포커싱된광음향 측정기로상기광흡수체에서발생하는초음파신 호값을측정한뒤,처리장치가 상기초음파신호값을주파수영역에서처리함으 로써상기광흡수체의 광흡수계수를정량적으로산출하는방법에관한 것이다.

배경기술

[2] 일반적으로 X선,초음파또는 MRI를이용한광음향이미징 (photoacoustic imaging)장치가의료분야에서널리사용되고있으� ��,특히광원으로부터방출된 입사빔을광확산매체 (예를들어,생체조직)에조사시켜,상기광확산� �체내의 정보를얻는광음향이미징기술에관한연구가활 발히진행되고있다.

[3] 이러한광음향이미징기술에의하면,광원으로� �터방출되는입사빔을

광확산매체에조사할경우그입사빔은광확산매 체내에서전파되고,그전파된 입사빔은광확산매체의내부에위치하는광흡수 체 (예를들어,혈관,암세포,뼈 등)에흡수되게된다.그리고이에따라광흡수체� ��서는열팽창현상으로인해 초음파가발생하게되며,이초음파는광확산매� �내에서산란이거의일어나지 않기때문에광확산매체의내부에포커싱된광음 향측정기를이용하여높은 해상도로상기초음파의신호값을측정하게된다 .

[4] 이때 ,광확산매체내부에위치하는광흡수체의광흡� �계수를정량적으로 산출해냄으로써광흡수체의성질과관련된다양 한정보를획득할수있다.예를 들어,생체조직 (광확산매체)내부에위치하는종양 (광흡수체)의광흡수계수를 산출함으로써종양의특성을파악할수있으며,� �체조직내부에위치하는 뼈 (광흡수체)의광흡수계수를산출함으로써골다� ��증의진행상황과같은 의학적정보를비침습적으로파악할수있는것이 다.

[5] 하지만광음향이미징기술에 있어서광확산매체내부에위치하는광흡수체의 광흡수계수를정량적으로산출하는것은,광확� �매체의광특성이

광확산매체의유형마다랜덤하고,동일한유형� �라하더라도개체마다다르기 때문에 (예를들어,사람의피부조직마다광확산매체의� ��특성이상이함)결코 쉬운일이아니다.

[6] 한편,종래부터광음향이미징기술중하나인광� �향토모그래피 (PAT:

Photoacoustic Tomography)기술을이용하여광흡수계수를정량적� ��로 측정하려는시도가행해지고있었다.하지만광� �향토모그래피기술을 이용하더라도광확산매체내의광에너지밀도분 포 (광량분포)를정확하게 측정해내기어려워광흡수체의광흡수계수역시 정확하게측정할수없었으며, 이에따라광량분포를정확하게측정하기위하여 확산광학토모그래피 (DOT: Diffuse Optical Tomography)와의결합을시도하기도하였다.

[7] 한편,다음의수학식 1은기존문헌들에개시되어 있는,광흡수로인해

광확산매체의내부에위치하는광흡수체에서발 생하는초음파신호값 (g _pA(t)) 을 나타낸것이다.

[8] [수학식 1]

[9]

<^BA (t = ex]J (― _e i) "jLi _a (― μ _α ν _β ί )

[10] 여기서 , I。는광원에서방출되는입사빔의세기 , _ff 는광확산매체의

유효산란계수, L은광확산매체의두께 , Γ는그뤼나이젠 (Gmneisen)계수, ^는 광흡수체에서발생하는초음파의속도, t는시간이며 , _ᅣ ^는산출하고자하는 광흡수체의광흡수계수이다.

[11] 입사빔이광확산매체의표면에균일하게조사될 경우그입사빔의조도는 수학식 1의 expd _ff L)및 exp _aVs t)에서알수있는바와같이,광확산매체와 광흡수체내에서지수적으로 (exponentially)감쇄된다.

[12] 상기수학식 1에서 I ₀ exp(-^ _f L)는광흡수체표면에서의입사빔의조도를

나타내며,이와같은광흡수체표면에서의입사� �의조도는광확산매체의 알려지지않은광특성 (즉 i _eff )으로인해 랜덤변수에해당하게된다.이에따라, 어떤광확산매체로입사되는입사빔의세기를알 고있고,광음향측정기로 광흡수체에서발생하는초음파의신호값을측정 한다하더라도광흡수체의 광흡수계수 ( 를정량적으로산출해내기어렵다는문제점이 있다.

[13] 한편,다음의수학식 2는상기수학식 1을푸리에변환한결과로서 ,광흡수체가 입사빔을흡수함에따라그광흡수체로부터발생 되는초음파의스펙트럼( ^ ₍ >을나타낸것이다.

[14] [수학식 2]

[15]

G _PA (ω ) = _α θχρ ( μ _ε// ∑) Ι(ω ) (-

^ ¾ω十 _α ν

[16] 여기서, Ι(ω)는입사빔의주파수성분으로서 ,수학식 2도상기수학식 1과

마찬가지로광확산매체의유효산란계수 ( _ff )는광확산매체마다서로다른값을 나타내기때문에광흡수체의광흡수계수 ( 를정량적으로산출해내기어렵다는 문제점이 있다.

[17] [선행기술문헌]

[18] [특허문헌]

[19] 미국등록특허제 5713356호 (공개일: 1998.02.03)

발명의상세한설명 기술적과제

[20] 본발명은상기와같은문제점을해결하기위해안 출된것으로서 ,비록

광확산매체의유효산란계수 ( _ff )를알지못하더라도,광확산매체내부에 위치하는광흡수체의광흡수계수 ( 를정량적으로산출해낼수있는방안을 제공하는것에그목적이있다.

과제해결수단

[21] 상기와같은목적을달성하기위하여,본발명의� � 1실시예에따른광음향 측정기를이용하여주파수영역에서광흡수계수 를산출하는방법은,광원을 통해방출되는입사빔을광확산매체에조사하여 상기광확산매체의내부에 위치하는광흡수체에흡수시키는단계;상기광� �산매체상에위치하여,상기 광확산매체의내부에포커싱된광음향측정기로 상기광흡수체에서발생하는 초음파신호값을측정하는단계;상기광원및상� �광음향측정기와연결되는 처리장치가측정된상기초음파신호값을입력받 아,상기초음파신호값의 주파수영역에서의세기가최대값일때의주파수 인공명주파수를측정하는 단계 ;및상기처리장치가측정된상기공명주파수에� �초하여상기광흡수체의 광흡수계수를산출하는단계 ;를포함한다.

[22] 여기서,상기광흡수체의광흡수계수를산출하� �단계는,상기처리장치가 상기공명주파수와,상기처리장치내에미리저� �해놓은상기광흡수체에서 발생하는초음파의속도및상기광음향측정기의 개구수를이용하여상기 광흡수계수를산출하는것을특징으로한다.

[23] 또는,상기광흡수체의광흡수계수를산출하는� �계는,상기처리장치가상기 공명주파수및상기광흡수계수가서로대웅하여 기록된룩업테이블을 포함하고,상기룩업테이블을통해상기공명주� �수에대웅하는상기 광흡수계수를산출하는것을특징으로한다.

[24] 본발명의제 2실시예에따른광음향측정기를이용하여주파� �영역에서 광흡수계수를산출하는방법은,광원을통해방� �되는입사빔을광확산매체에 조사하여상기광확산매체의내부에위치하는광 흡수체에흡수시키는단계; 상기광확산매체상에위치하여,상기광확산매� �의내부에포커싱된광음향 측정기로상기광흡수체에서발생하는초음파신 호값을측정하는단계 ;상기 광원및상기광음향측정기와연결되는처리장치 가측정된상기초음파 신호값을입력받아,상기초음파신호값의주파� �영역에서의세기가동일한 주파수들사이의차이에해당하는주파수폭을측 정하는단계;및상기 처리장치가측정된상기주파수폭에기초하여상 기광흡수체의광흡수계수를 산출하는단계 ;를포함한다.

[25] 여기서,상기광흡수체의광흡수계수를산출하� �단계는,상기처리장치가 상기주파수폭과,상기처리장치내에미리저장� �놓은상기광흡수체에서 발생하는초음파의속도및상기광음향측정기의 개구수를이용하여상기 광흡수계수를산출하는것을특징으로한다.

[26] 또는,상기광흡수체의광흡수계수를산출하는� �계는,상기처리장치가상기 주파수폭및상기광흡수계수가서로대웅하여기 록된룩업테이블을포함하고, 상기룩업테이블을통해상기주파수폭에대웅하 는상기광흡수계수를 산출하는것을특징으로한다.

[27] 본발명의제 3실시예에따른광음향측정기를이용하여주파� �영역에서

광흡수계수를산출하는방법은,광원을통해방� �되는입사빔을광확산매체에 조사하여상기광확산매체의내부에위치하는광 흡수체에흡수시키는단계; 상기광확산매체상에위치하여,상기광확산매� �의내부에포커싱된광음향 측정기로상기광흡수체에서발생하는초음파신 호값을측정하는단계 ;상기 광원및상기광음향측정기와연결되는처리장치 가측정된상기초음파 신호값을입력받아,상기초음파신호값의주파� �영역에서의실수부의크기가 최대값일때의주파수인공명주파수를측정하는 단계 ;및상기처리장치가 측정된상기공명주파수에기초하여상기광흡수 체의광흡수계수를산출하는 단계;를포함한다.

[28] 여기서,상기광흡수체의광흡수계수를산출하� �단계는,상기처리장치가

상기공명주파수와,상기처리장치내에미리저� �해놓은상기광흡수체에서 발생하는초음파의속도및상기광음향측정기의 개구수를이용하여상기 광흡수계수를산출하는것을특징으로한다.

[29] 또는,상기광흡수체의광흡수계수를산출하는� �계는,상기처리장치가상기 공명주파수및상기광흡수계수가서로대웅하여 기록된룩업테이블을 포함하고,상기룩업테이블을통해상기공명주� �수에대웅하는상기

광흡수계수를산출하는것을특징으로한다.

[30] 본발명의제 4실시예에따른광음향측정기를이용하여주파� �영역에서

광흡수계수를산출하는방법은,광원을통해방� �되는입사빔을광확산매체에 조사하여상기광확산매체의내부에위치하는광 흡수체에흡수시키는단계; 상기광확산매체상에위치하여,상기광확산매� �의내부에포커싱된광음향 측정기로상기광흡수체에서발생하는초음파신 호값을측정하는단계 ;상기 광원및상기광음향측정기와연결되는처리장치 가측정된상기초음파 신호값을입력받아,상기초음파신호값의주파� �영역에서의실수부의크기가 동일한주파수들사이의차이에해당하는주파수 폭을측정하는단계;및상기 처리장치가측정된상기주파수폭에기초하여상 기광흡수체의광흡수계수를 산출하는단계 ;를포함한다.

[31] 여기서,상기처리장치가상기주파수폭과,상기� ��리장치내에미리

저장해놓은상기광흡수체에서발생하는초음파 의속도및상기광음향 측정기의개구수를이용하여상기광흡수계수를 산출하는것을특징으로한다.

[32] 또는,상기광흡수체의광흡수계수를산출하는� �계는,상기처리장치가상기 주파수폭및상기광흡수계수가서로대웅하여기 록된룩업테이블을포함하고, 상기룩업테이블을통해상기주파수폭에대웅하 는상기광흡수계수를 산출하는것을특징으로한다.

[33] 본발명의제 5실시예에따른광음향측정기를이용하여주파� �영역에서 광흡수계수를산출하는방법은,광원을통해방� �되는입사빔을광확산매체에 조사하여상기광확산매체의내부에위치하는광 흡수체에흡수시키는단계; 상기광확산매체상에위치하여,상기광확산매� �의내부에포커싱된광음향 측정기로상기광흡수체에서발생하는초음파신 호값을측정하는단계 ;상기 광원및상기광음향측정기와연결되는처리장치 가측정된상기초음파 신호값을입력받아,상기초음파신호값의주파� �영역에서의허수부의크기가 0일때의주파수인공명주파수를측정하는단계 ;및상기처리장치가측정된 상기공명주파수에기초하여상기광흡수체의광 흡수계수를산출하는단계;를 포함한다.

[34] 여기서,상기광흡수체의광흡수계수를산출하� �단계는,상기처리장치가 상기공명주파수와,상기처리장치내에미리저� �해놓은상기광흡수체에서 발생하는초음파의속도및상기광음향측정기의 개구수를이용하여상기 광흡수계수를산출하는것을특징으로한다.

[35] 또는,상기광흡수체의광흡수계수를산출하는� �계는,상기처리장치가상기 공명주파수및상기광흡수계수가서로대웅하여 기록된룩업테이블을 포함하고,상기룩업테이블을통해상기공명주� �수에대웅하는상기 광흡수계수를산출하는것을특징으로한다.

발명의효과

[36] 본발명에의하면,광확산매체의내부에포커싱� �광음향측정기로

광흡수체에서발생하는초음파신호값을측정한 뒤,처리장치에서상기초음파 신호값을입력받아공명주파수또는주파수폭을 측정하는방법을통해 ,비록 광확산매체의유효산란계수 ( _ff )를알지못하더라도광확산매체내부에 위치하는광흡수체의광흡수계수 ( 를정량적으로산출해낼수있게된다. 도면의간단한설명

[37] 도 1은본발명에따른광음향측정기를이용하여주� �수영역에서

광흡수계수를산출하는방법을구현하는장치의 개략도이다.

[38] 도 2a및도 2b는광흡수체로부터발생하는초음파의스펙트� ��을시뮬레이션을 통해나타낸결과이다.

[39] 도 3은본발명의제 1실시예에따른광음향측정기를이용하여주파� �

영역에서광흡수계수를산출하는방법을나타낸 흐름도이다.

[40] 도 4는본발명의제 2실시예에따른광음향측정기를이용하여주파� �

영역에서광흡수계수를산출하는방법을나타낸 흐름도이다.

[41] 도 5a및도 5b는광흡수체로부터발생하는초음파스펙트럼� ��실수부를

시뮬레이션을통해나타낸결과이다. [42] 도 6은본발명의제 3실시예에따른광음향측정기를이용하여주파� � 영역에서광흡수계수를산출하는방법을나타낸 흐름도이다.

[43] 도 7은본발명의제 4실시예에따른광음향측정기를이용하여주파� �

영역에서광흡수계수를산출하는방법을나타낸 흐름도이다.

[44] 도 8a및도 8b는광흡수체로부터발생하는초음파스펙트럼� ��허수부를

시뮬레이션을통해나타낸결과이다.

[45] 도 9는본발명의제 5실시예에따른광음향측정기를이용하여주파� �

영역에서광흡수계수를산출하는방법을나타낸 흐름도이다.

발명의실시를위한최선의형태

[46] 이하,첨부한도면들을참조하여본발명에따른� �음향측정기를이용하여 주파수영역에서광흡수계수를산출하는방법에 대해상세하게설명한다. 첨부한도면들은통상의기술자에게본발명의기 술적사상이층분히전달될수 있도록하기위해제공되는것으로서,본발명은� �부한도면들만으로한정되는 것이아니라,본발명의기술적사상을변경시키� �않는범위내에서얼마든지 다른형태로구체화될수있다.본발명의요지를� �필요하게흐릴수있는공지 기능및구성에대해서는그상세한설명을생략하 기로한다.

[47] 도 1은본발명에따른광음향측정기를이용하여주� �수영역에서

광흡수계수를산출하는방법을구현하는장치의 개략도로서,상기장치는 광원 (100),광음향측정기 (200)및처리장치 (300)를포함하여구성될수있다.

[48] 광원 (100)에서는입사빔을방출시키며 ,광원 (100)을통해방출되는입사빔은 광확산매체 (10)에조사된다.광확산매체 (10)에조사되는입사빔은

광확산매체 (10)내에서전파및확산되며,광확산매체 (10)의유효산란계수 ( _ff )에 의해그세기가지수적으로감쇄되면서광흡수체 (20)의표면에도달하게된다. 여기서,광원 (100)에서방출되는입사빔은광흡수체 (20)에흡수됨에따라열팽창 현상에의해초음파를발생시키도록하는빔으로 서,예를들어특정파장의 광변조빔또는필스레이저빔일수있다.

[49] 광흡수체 (20)는그표면에도달한입사빔을흡수하게되며� �에따른열팽창 현상으로인해초음파를발생시키게된다.이때,� ��흡수체 (20)에서발생하는 초음파의속도는광확산매체 (10)에따라일정한값으로정해져있기

때문에 (예를들어,생체조직내에서초음파의속도는일� ��적으로 1500m/s임), 초음파의속도는후술하는수학식들에서상수로 서취급할수있는값이다.

[50] 광음향측정기 (200)는광확산매체 (10)상에위치하며 ,광확산매체 (10)의내부에 포커스를맞춘뒤광흡수체 (20)에서발생하는초음파신호값을측정하는역� �을 한다.이때,광음향측정기 (200)로는,예를들어초음파트랜스듀서를사용할 수 있다.비록도 1에는광음향측정기 (200)의포커스가광흡수체 (20)의표면에 정확하게맞춰진것으로나타냈지만,광음향측� �기 (200)의포커스는

광흡수체 (20)의표면으로부터위쪽이나아래쪽으로소정� �리이격된위치에 맞춰질수도있다.

광음향측정기 (200)는기기마다초점거리와측정기의반지름으� ��

특징지어지는개구수 (NA: Numerical Aperture)가미리설정되어 있으며 ,광음향 측정기 (200)를광확산매체 (10)상에위치시킴에따라,광음향측정기 (200)의 일측과중심축사이에는 Θ _ΝΑ (개구수의각도)가존재하게된다.만일 Θ _ΝΑ 가 90 ^ο 일 경우에는광음향측정기 (200)가광흡수체 (20)의전영역에서발생하는초음파 신호값을측정하는것이되지만,실제광확산매� � (10)의내부에포커싱된광음향 측정기 (200)로측정되는초음파신호값은도 1에나타낸바와같이광음향 측정기 (200)의일측과타측에의해설정되는가상의검출� ��점 (virtual detector point)을통과하는광흡수체 (20)의영역 (이하, '측정영역'이라함)에대해서만 초음파의측정이이루어지는것이다.만일이측� �영역에서발생하는초음파가 가상의검출지점을통과하지않고광음향측정기 (200)에도달하게되면,이 초음파는광음향측정기 (200)의포커싱에대해위상이맞지않으므로유의� ��한 신호값으로측정되지않게된다.그리고상기측� �영역이외에서발생한 초음파는가상의검출지점을통과하는지여부에 관계없이광음향측정기 (200)의 포커싱에대해위상이맞지않으므로이또한유의 미한신호값으로측정되지 않게된다.

상기수학식 1및수학식 2는광음향측정기 (200)가광흡수체 (20)의전 영역에서발생하는초음파신호값을측정하는경 우를가정하여세워진 식으로서,실제광음향측정기 (200)의사용태양을고려하는경우 (즉,광음향 측정기 (200)의포커싱이광확산매체 (10)의내부에맞춰짐에따라,측정영역에 대해서만초음파신호값이측정되는실정을고려 하는경우)상기수학식 1및 수학식 2는수정될필요가있다.다만,상기수학식 1및수학식 2는

광확산매체 (10)내부에위치하는광흡수체 (20)의전영역에서발생하는초음파 신호값을각각시간영역및주파수영역으로나타 낸것으로서,이하에서는 수학식 2만을실제광음향측정기 (200)의사용태양을고려하여수정하기로 한다.

수학식 2의수정은광확산매체 (10)의내부에포커싱된광음향측정기 (200)에 의한측정영역을,가상의검출지점을원점 (r=0)으로하는구면좌표계상에서의 적분을수행함으로써이루어질수있다.

상기측정영역에서발생하는초음파신호값은광 확산매체 (10)내에서광음향 측정기 (200)의초점거리인 _{L (= =} I 만큼전파되므로,수학식 2의 결과에상수위상인자 (constant phase factor)인 exp(-ikf _L )이추가되어야한다. 이에따라,광음향의 Helmholts방정식에대한솔루션 (Green function)은다음과 같이나타낼수있다.

(1)

[57] 도 1에나타낸구면좌표계의 r=0,즉가상의검출지점에서초음파의 스펙트럼은다음과같다.

[59] 식 (2)에서광음향소스 (photoacoustic source) ~ 、 는입사빔이

Ηχ,ω )

광흡수체 (20)내에입사될때의열분포를나타내며,상기 ᅳ 、는다음식과 같이나타낼수있다.

[60] (3)

H 'r ϋο) = μ _(ί ΐ(ω )exp (― u,,^yZ-)e [― μ _α Γαυΰ (ττ― θ )]

[61] 여기서, ^( ₍ ^는 ^ ⁰ 및 θ=π/2평면에서입사빔세기의스펙트럼을나타� �며, 광흡수체 (20)상에 있는광확산매체 (10)의광특성 (즉,유효산란계수인 _ff )은 입사빔의세기를 ^ , ₍ 로만든다.

[62] 식 (3)을고려하면,식 (2)는다음과같이나타낼수있다.

[64] 다음으로위의식을 θ로적분하면,다음과같이나타낼수있다.

[65] ^ ί \ ^ίω ^ 、 ( τ \ Π ， 【 exp [― μ ι + exp [- }i _a rcos0 _AA ]

= )exp (- P J ex [-ikr][- exp [-

[66] 다음으로위의식을변수 r로적분하면,다음과같이나타낼수있다.

[67]

"쨰 ^ω ) cxp (一 /i _e;// i)- ^

[68] 따라서,광원 (100)을통해방출되는입사빔이광확산매체 (10)에조사된후, 상기입사빔의전파및확산을통해광흡수체 (20)에흡수될때,상기

광흡수체 (20)에서발생하는초음파의스펙트럼은다음의� �학식 3과같음을알 수있다.

[69] [수학식 3]

[70]

G _P A (ω ) = /(ω ) exp [- μ _6/ ^\- ^{ω 1 1} '

[71] [72] 상기수학식 3에서 이다.만일 cos6 _NA =0(즉, θ _ΝΑ =π/2또는

ΝΑ=1)일경우에는수학식 3은상기수학식 2와동일해진다는것을알수있다. 상술한바와같이 , θ _ΝΑ =π/2(즉, ΝΑ=1)는광음향측정기 (200)가광흡수체 (20)의전 영역에서발생하는초음파신호값을측정하는경 우를가리키는것이지만, 광음향측정기 (200)의실제사용태양에서 Θ _ΝΑ 는 0<θ _ΝΑ <π/2(즉, 0<ΝΑ<1)의 범위를가지므로,상기수학식 2는상기수학식 3과같이수정될것이요구된다.

[73] 상기수학식 3에대해대수처리를거치면,다음의수학식 4와같이나타낼수 있으며 ,이때공명주파수 (ω ₀ )및주파수폭 (γ)은각각수학식 5와수학식 6으로 정의될수있다.

[74] [수학식 4]

[76] [수학식 5]

[78] [수학식 6]

[79]

一 μ _α ν , (l ^" +- cos^

[80] 수학식 4내지수학식 6에의하면수학식 2와는달리,초음파스펙트럼이

공명주파수 (ω ₀ )와주파수폭 (γ)을갖는다는것을알수있다.즉,광음향 측정기 (200)가광확산매체 (10)의내부에포커싱된경우에는,그광음향 측정기 (200)에의해측정되는초음파의스펙트럼에는항� ��공명주파수 (ω ₀ )와 주파수폭 (γ)이존재한다는것을알수있으며,특히수학식 5에의하면 _cos e _NA

=0(즉, θ _ΝΑ =π/2또는 ΝΑ=1)일경우 (즉,광확산매체 (10)의내부에포커싱된 광음향측정기 (200)가광흡수체 (20)의전영역에서발생하는초음파신호값을 측정하는것으로가정할경우)에는공명주파수� �존재하지않는다는것을알수 있다.

[81] 처리장치 (300)는광원 (100)과연결되어 있어,광원 (100)에서방출되는입사빔의 방출시간과파형을조정할수있다.또한,처리장� �� (300)는광음향

측정기 (200)와도연결되어 있어,광음향측정기 (200)에의해측정되는초음파 신호값을입력받을수있다.

[82] 처리장치 (300)내에는광음향측정기 (200)로부터입력받는초음파신호값을 처리하여공명주파수또는주파수폭을측정할수 있는프로그램및,상기 측정된공명주파수또는주파수폭에기초하여광 흡수체 (20)의광흡수계수를 산출할수있는프로그램이구비되어 있다.이에따라,처리장치 (300)는 광원 (100)을통해방출되는입사빔에따라광흡수체 (20)에서발생하는초음파 신호값을주파수영역에서처리하여광흡수체 (20)의광흡수계수를정량적으로 산출할수있으며 ,이에대한보다구체적인설명은이하에서설명� �기로한다.

[83] 도 2a및도 2b는광흡수체로부터발생하는초음파의스펙트� ��을시뮬레이션을 통해나타낸결과이다.

[84] 구체적으로,도 2a는광음향측정기 (200)의개구수 (NA)가 1일때,초음파

신호값의주파수영역에서의정규화된세기 (y축)를광흡수체 ₍₂₀₎ 에서발생하는 초음파의주파수 (X축)에따라나타낸그래프이다.그리고도 2b는광음향 측정기 (200)의개구수 (NA)가각각 0.6, 0.8일때,초음파신호값의주파수 영역에서의정규화된세기 (y축)를광흡수체 (20)에서발생하는초음파의 주파수 (X축)에따라나타낸그래프이다.

[85] 도 2a에의하면초음파신호값의주파수영역에서의� ��기는광흡수체 (20)에서 발생하는초음파의주파수가 0일때최대값을갖는것으로나타났지만,도 2b에 의하면초음파신호값의주파수영역에서의세기 는광흡수체 (20)에서발생하는 초음파의주파수가 0보다큰주파수에서최대값을갖는다는것을알� �있으며 , 이와같은시뮬레이션결과의차이는광음향측정 기 (200)의실제사용태양에 있어서그개구수가 1(NA=1)이아닌데서기인한다는것을알수있다.또� ��, 시뮬레이션수행결과,도 2b에서초음파신호값의주파수영역에서의세기� �� 최대값일때의주파수는상기수학식 5에따른공명주파수 (co ₀ )와일치한다는 점을확인하였으며,이때광확산매체 (10)의유효산란계수 ( _ff )는공명주파수에 유효한영향을미치지않는다는점도확인하였다 .

[86] 도 3은본발명의제 1실시예에따른광음향측정기를이용하여주파� �

영역에서광흡수계수를산출하는방법을나타낸 흐름도로서,본발명의제 1 실시예에서는상기수학식 5및도 2b의시뮬레이션결과를토대로

광확산매체 (20)의광흡수계수를산출하는방법을제공한다.

[87] 본발명의제 1실시예에따른광흡수계수를산출하는방법은,� ��선

광원 (100)을통해방출되는입사빔을광확산매체 (10)에조사하여상기 광확산매체 (10)의내부에위치하는광흡수체 (20)에흡수시킨다 (S110).

광원 (100)을통해방출되는입사빔은광확산매체 (10)내에서전파및확산되면서 광흡수체 (20)에도달하게되며,광흡수체 (20)는입사빔을흡수하여초음파를 발생시키게된다.

[88] 다음으로,광확산매체 (10)상에위치하여,상기광확산매체 (10)의내부에

포커싱된광음향측정기 (200)로,광흡수체 (20)에서발생하는초음파신호값 (보다 구체적으로는,도 1에나타낸바와같이광흡수체 (20)의측정영역에서발생하는 초음파신호값)을측정한다 (S120).

[89] 다음으로,광원 (100)및광음향측정기 (200)와연결되는처리장치 (300)가 측정된상기초음파신호값을입력받아,상기초� �파신호값의주파수 영역에서의세기가최대값일때의주파수인공명 주파수를측정한다 (S130).즉, 처리장치 (300)는광음향측정기 (200)에의해측정되는초음파신호값을 입력받아,상기초음파신호값의주파수영역에� �의세기가최대값일때의 주파수를공명주파수로서측정한다.

[90] 마지막으로,처리장치 (300)가측정된상기공명주파수에기초하여상기

광흡수체 (20)의광흡수계수를산출한다 (S140).

[91] 보다구체적으로,처리장치 (300)는광흡수체 (20)의광흡수계수를산출하기 위해,처리장치 (300)내에상기수학식 5에대웅하는프로그램을구비할수있다. 즉,처리장치 (300)는광흡수체 (20)에서발생하는초음파의속도및광음향 측정기 (200)의개구수 (NA)를미리저장해놓은뒤,측정되는공명주파수� �� 수학식 5에대입하는연산처리를수행함으로써광흡수� � (20)의광흡수계수를 산출할수있다.

[92] 또는,처리장치 (300)는도 2b에나타낸결과를통해알수있는바와같이 ,

공명주파수및광흡수계수가서로대웅하여기록 된룩업테이블 (LUT)을미리 구비해놓을수있으며 ,이와같은룩업테이블을통해상기공명주파수� � 대웅하는광흡수체 (20)의광흡수계수를산출할수도있다.

[93]

[94] 한편,도 2b에의하면도 2a와는달리,초음파신호값의주파수영역에서의

세기가서로동일한주파수들이존재하며 (예를들어,광흡수체 (20)의

광흡수계수가 600m ¹ 이고,광음향측정기 (200)의개구수가 0.8일경우, 광흡수체 (20)에서발생하는초음파신호값의정규화된세� �가 0.6을갖는 주파수들이 2개존재함),이에따라그주파수들간의차이에해 당하는주파수 폭이존재한다는것을알수있다.그리고이와같� �시뮬레이션결과의차이 역시광음향측정기 (200)의실제사용태양에서는그개구수가 1(NA=1)이 아닌데서기인하는것임을알수있다.

[95] 도 4는본발명의제 2실시예에따른광음향측정기를이용하여주파� �

영역에서광흡수계수를산출하는방법을나타낸 흐름도로서,본발명의제 2 실시예에서는상기수학식 6및도 2b의시뮬레이션결과를토대로

광확산매체 (20)의광흡수계수를산출하는방법을제공한다.

[96] 본발명의제 2실시예에따른광흡수계수를산출하는방법은,� ��선

광원 (100)을통해방출되는입사빔을광확산매체 (10)에조사하여상기

광확산매체 (10)의내부에위치하는광흡수체 (20)에흡수시킨다 (S210).

광원 (100)을통해방출되는입사빔은광확산매체 (10)내에서전파및확산되면서 광흡수체 (20)에도달하게되며,광흡수체 (20)는입사빔을흡수하여초음파를 발생시키게된다.

[97] 다음으로,광확산매체 (10)상에위치하여 ,상기광확산매체 (10)의내부에

포커싱된광음향측정기 (200)로,광흡수체 (20)에서발생하는초음파신호값 (보다 구체적으로는,도 1에나타낸바와같이광흡수체 (20)의측정영역에서발생하는 초음파신호값)을측정한다 (S220).

[98] 다음으로,광원 (100)및광음향측정기 (200)와연결되는처리장치 (300)가

측정된상기초음파신호값을입력받아,상기초� �파신호값의주파수

영역에서의세기가동일한주파수들사이의차이 에해당하는주파수폭을 측정한다 (S230).즉,처리장치 (300)는광음향측정기 (200)에의해측정되는 초음파신호값을입력받아,상기초음파신호값� �주파수영역에서의세기가 동일한주파수들사이의차이를주파수폭으로서 측정한다.

[99] 마지막으로,처리장치 (300)가측정된상기주파수폭에기초하여상기

광흡수체 (20)의광흡수계수를산출한다 (S240).

[100] 보다구체적으로,처리장치 (300)는광흡수체 (20)의광흡수계수를산출하기 위해,처리장치 (300)내에상기수학식 6에대웅하는프로그램을구비할수있다. 즉,처리장치 (300)는광흡수체 (20)에서발생하는초음파의속도및광음향 측정기 (200)의개구수 (NA)를미리저장해놓은뒤,측정되는주파수폭을� ��학식 6에대입하는연산처리를수행함으로써광흡수� � (20)의광흡수계수를산출할수 있다.다만,상기수학식 6에서도출된주파수폭 (γ)은상수 (constant)값에따라 달라질수있으므로,처리장치 (300)에서는상기수학식 6에따라연산처리를 수행할때이와같은상수값을고려하여광흡수체 (20)의광흡수계수를산출할수 있다.

[101] 또는,처리장치 (300)는도 2b에나타낸결과를통해알수있는바와같이 ,

주파수폭및광흡수계수가서로대웅하여기록된 룩업테이블 (LUT)을미리 구비해놓을수있으며 ,이와같은룩업테이블을통해상기주파수폭에 대웅하는광흡수체 (20)의광흡수계수를산출할수도있다.

[102]

[103] 한편,상기수학식 4로나타낸초음파스펙트럼은,대수처리를통해� ��음의 수학식 7과같이실수부 (real part)와허수부 (imaginary part)로구분하여나타낼수 있으며 ,이때공명주파수 (ω ₀ )및주파수폭 (γ)은각각수학식 8및수학식 9로 정의될수있다.

[104] [수학식 7]

[105]

1 )

o jexp (- _μΐ// Σ)— [ ^~ ； ^~

2

Γ (1— cose _A ) (ίo ΐί ² ₀ )μ ₍₁ ι ₃ ( l― cos^

^■ ( ; ) exp (― p^ f fL , 2 2 2

ω ᅳ ω _η ) -r- -

[106] [수학식 8] [108] [수학식 9]

[109]

[110] 우선,수학식 7내지수학식 9에의하면상기수학식 2와는달리,초음파

스펙트럼의실수부가공명주파수 _(ϋ)ο) 와주파수폭 (γ)을갖는다는것을알수 있다.즉,광음향측정기 (200)가광확산매체 (10)의내부에포커싱된경우에는,그 광음향측정기 (200)에의해측정되는초음파스펙트럼의실수부� ��는항상 공명주파수 (ω ₀ )와주파수폭 (γ)이존재한다는것을알수있으며,특히수학식 8에의하면 _COS e _NA =0(즉, θ _ΝΑ =π/2또는 ΝΑ=1)일경우 (즉,광확산매체 (10)의 내부에포커싱된광음향측정기 (200)가광흡수체 (20)의전영역에서발생하는 초음파신호값을측정하는것으로가정할경우)� �는공명주파수가존재하지 않는다는것을알수있다.

[111] 도 5a및도 5b는광흡수체로부터발생하는초음파스펙트럼� ��실수부를

시뮬레이션을통해나타낸결과이다.

[112] 구체적으로,도 5a는광음향측정기 (200)의개구수 (NA)가 1일때,초음파

신호값의주파수영역에서의실수부의크기 (y축)를광흡수체 (20)에서발생하는 초음파의주파수 (X축)에따라나타낸그래프이다.그리고도 5b는광음향 측정기 (200)의개구수가 0.6일때,초음파신호값의주파수영역에서의실� �부의 크기 (y축)를광흡수체 (20)에서발생하는초음파의주파수 (X축)에따라나타낸 그래프이다.

[113] 도 5a에의하면초음파신호값의주파수영역에서의� ��수부의크기는

광흡수체 (20)에서발생하는초음파의주파수가 0일때최대값을갖는것으로 나타났지만,도 5b에의하면초음파신호값의주파수영역에서의� ��수부의 크기는광흡수체 (20)에서발생하는초음파의주파수가 0보다큰주파수에서 최대값을갖는다는것을알수있으며,이와같은� �뮬레이션결과의차이는 광음향측정기 (200)의실제사용태양에있어서그개구수가 1(NA=1)이 아닌데서기인한다는것을알수있다.또한,시뮬� ��이션수행결과,도 5b에서 초음파신호값의주파수영역에서의실수부의크 기가최대값일때의주파수는 상기수학식 8에따른공명주파수 (ω ₀ )와일치한다는점을확인하였으며 ,이때 광확산매체 (100)의유효산란계수 ( _ff )는공명주파수에유효한영향을미치지 않는다는점도확인하였다.

[114] 도 6은본발명의제 3실시예에따른광음향측정기를이용하여주파� �

영역에서광흡수계수를산출하는방법을나타낸 흐름도로서,본발명의제 3 실시예에서는상기수학식 8및도 5b의시뮬레이션결과를토대로

광확산매체 (20)의광흡수계수를산출하는방법을제공한다.

[115] 본발명의제 3실시예에따른광흡수계수를산출하는방법은,� ��선

광원 (100)을통해방출되는입사빔을광확산매체 (10)에조사하여상기 광확산매체 (10)의내부에위치하는광흡수체 (20)에흡수시킨다 (S310).

광원 (100)을통해방출되는입사빔은광확산매체 (10)내에서전파및확산되면서 광흡수체 (20)에도달하게되며,광흡수체 (20)는입사빔을흡수하여초음파를 발생시키게된다.

[116] 다음으로,광확산매체 (10)상에위치하여,상기광확산매체 (10)내부에

포커싱된광음향측정기 (200)로,광흡수체 (20)에서발생하는초음파신호값 (보다 구체적으로는,도 1에나타낸바와같이광흡수체 (20)의측정영역에서발생하는 초음파신호값)을측정한다 (S320).

[117] 다음으로,광원 (100)및광음향측정기 (200)와연결되는처리장치 (300)가

측정된상기초음파신호값을입력받아,상기초� �파신호값의주파수

영역에서의실수부의크기가최대값일때의주파 수인공명주파수를

측정한다 (S330).즉,처리장치 (300)는광음향측정기 (200)에의해측정되는 초음파신호값을입력받아,상기초음파신호값� �주파수영역에서의실수부의 크기가최대값일때의주파수를공명주파수로서 측정한다.

[118] 마지막으로,처리장치 (300)가측정된상기공명주파수에기초하여상기

광흡수체 (20)의광흡수계수를산출한다 (S340).

[119] 보다구체적으로,처리장치 (300)는광흡수체 (20)의광흡수계수를산출하기 위해,처리장치 (300)내에상기수학식 8에대웅하는프로그램을구비할수있다. 즉,처리장치 (300)는광흡수체 (20)에서발생하는초음파의속도및광음향 측정기 (200)의개구수 (NA)를미리저장해놓은뒤,측정되는공명주파수� �� 수학식 8에대입하는연산처리를수행함으로써광흡수� � (20)의광흡수계수를 산출할수있다.

[120] 또는,처리장치 (300)는도 5b에나타낸결과를통해알수있는바와같이 ,

공명주파수및광흡수계수가서로대웅하여기록 된룩업테이블 (LUT)을미리 구비해놓을수있으며 ,이와같은룩업테이블을통해상기공명주파수� � 대웅하는광흡수체 (20)의광흡수계수를산출할수도있다.

[121]

[122] 한편,도 5b에의하면도 5a와는달리,초음파신호값의주파수영역에서의

실수부의크기가서로동일한주파수들이존재하 며 (예를들어,광흡수체 (20)의 광흡수계수가 600m ¹ 이고,광음향측정기 (200)의개구수가 0.6일경우, 광흡수체 (20)에서발생하는초음파신호값의정규화된실� �부의크기가 0.6을 갖는주파수들이 2개존재함),이에따라그주파수들간의차이에해 당하는 주파수폭 _(γ) 이존재한다는것을알수있다.그리고이와� �은시뮬레이션 결과의차이역시광음향측정기 (200)의실제사용태양에서는그개구수가

1(ΝΑ=1)이아닌데서기인하는것임을알수있다.

[123] 도 7은본발명의제 4실시예에따른광음향측정기를이용하여주파� �

영역에서광흡수계수를산출하는방법을나타낸 흐름도로서,본발명의제 4 실시예에서는상기수학식 9및도 5b의시뮬레이션결과를토대로 광확산매체 (20)의광흡수계수를산출하는방법을제공한다.

[124] 본발명의제 4실시예에따른광흡수계수를산출하는방법은,� ��선

광원 (100)을통해방출되는입사빔을광확산매체 (10)에조사하여상기

광확산매체 (10)의내부에위치하는광흡수체 (20)에흡수시킨다 (S410).

광원 (100)을통해방출되는입사빔은광확산매체 (10)내에서전파및확산되면서 광흡수체 (20)에도달하게되며,광흡수체 (20)는입사빔을흡수하여초음파를 발생시키게된다.

[125] 다음으로,광확산매체 (10)상에위치하여,상기광확산매체 (10)의내부에

포커싱된광음향측정기 (200)로,광흡수체 (20)에서발생하는초음파신호값 (보다 구체적으로는,도 1에나타낸바와같이광흡수체 (20)의측정영역에서발생하는 초음파신호값)을측정한다 (S420).

[126] 다음으로,광원 (100)및광음향측정기 (200)와연결되는처리장치 (300)가

측정된상기초음파신호값을입력받아,상기초� �파신호값의주파수

영역에서의실수부의크기가동일한주파수들사 이의차이에해당하는주파수 폭을측정한다 (S430).즉,처리장치 (300)는광음향측정기 (200)에의해측정되는 초음파신호값을입력받아,상기초음파신호값� �주파수영역에서의실수부의 크기가동일한주파수들사이의차이를주파수폭 으로서측정한다.

[127] 마지막으로,처리장치 (300)가측정된상기주파수폭에기초하여상기

광흡수체 (20)의광흡수계수를산출한다 (S440).

[128] 보다구체적으로,처리장치 (300)는광흡수체 (20)의광흡수계수를산출하기 위해,처리장치 (300)내에상기수학식 9에대웅하는프로그램을구비할수있다. 즉,처리장치 (300)는광흡수체 (20)에서발생하는초음파의속도및광음향 측정기 (200)의개구수 (NA)를미리저장해놓은뒤,측정되는주파수폭을� ��학식 9에대입하는연산처리를수행함으로써광흡수� � (20)의광흡수계수를산출할수 있다.다만,상기수학식 9에서도출된주파수폭 (γ)은상수값에따라달라질수 있으므로,처리장치 (300)에서는상기수학식 9에따라연산처리를수행할때 이와같은상수값을고려하여광흡수체 (20)의광흡수계수를산출할수있다.

[129] 또는,처리장치 (300)는도 5b에나타낸결과를통해알수있는바와같이 ,

주파수폭및광흡수계수가서로대웅하여기록된 룩업테이블 (LUT)을미리 구비해놓을수있으며 ,이와같은룩업테이블을통해상기주파수폭에 대웅하는광흡수체 (20)의광흡수계수를산출할수도있다.

[130]

[131] 도 8a및도 8b는광흡수체로부터발생하는초음파스펙트럼� ��허수부를

시뮬레이션을통해나타낸결과이다.

[132] 구체적으로,도 8a는광음향측정기 (200)의개구수 (NA)가 1일때,초음파

신호값의주파수영역에서의허수부의크기 (y축)를광흡수체 (20)에서발생하는 초음파의주파수 (X축)에따라나타낸그래프이다.그리고도 8b는광음향 측정기 (200)의개구수 (NA)가 0.6일때,초음파신호값의주파수영역에서의 허수부의크기 (y축)를광흡수체 ₍₂₀₎ 에서발생하는초음파의주파수 (X축)에따라 나타낸그래프이다.

[133] 도 8a에의하면광흡수체 (20)에서발생하는초음파신호값을주파수영역� �서 나타낸스펙트럼의허수부는주파수전영역에서 0이되는값이존재하지않는 것으로나타났지만,도 8b에의하면초음파스펙트럼의허수부의크기는

광흡수체 (20)에서발생하는초음파의주파수가어느특정� �파수일때에는 0이 된다는것을알수있으며,이와같은시뮬레이션� �과의차이는광음향 측정기 (200)의실제사용태양에 있어서그개구수가 1(NA=1)이아닌데서 기인한다는것을알수있다.또한,시뮬레이션수� ��결과및상기수학식

7로부터,도 8b에서초음파신호값의주파수영역에서의허수� ��크기가 0일때의 주파수는상기수학식 8에따른공명주파수 (co ₀ )와일치한다는점을

확인하였으며,이때광확산매체 (100)의유효산란계수 ( _ff )는공명주파수에 유효한영향을미치지않는다는점도확인하였다 .

[134] 도 9는본발명의제 5실시예에따른광음향측정기를이용하여주파� �

영역에서광흡수계수를산출하는방법을나타낸 흐름도로서,본발명의제 5 실시예에서는상기수학식 8및도 8b의시뮬레이션결과를토대로

광확산매체 (20)의광흡수계수를산출하는방법을제공한다.

[135] 본발명의제 5실시예에따른광흡수계수를산출하는방법은,� ��선

광원 (100)을통해방출되는입사빔을광확산매체 (10)에조사하여상기

광확산매체 (10)의내부에위치하는광흡수체 (20)에흡수시킨다 (S510).

광원 (100)을통해방출되는입사빔은광확산매체 (10)내에서전파및확산되면서 광흡수체 (20)에도달하게되며,광흡수체 (20)는입사빔을흡수하여초음파를 발생시키게된다.

[136] 다음으로,광확산매체 (10)상에위치하여,상기광확산매체 (10)의내부에

포커싱된광음향측정기 (200)로,광흡수체 (20)에서발생하는초음파신호값 (보다 구체적으로는,도 1에나타낸바와같이광흡수체 (20)의측정영역에서발생하는 초음파신호값)을측정한다 (S520).

[137] 다음으로,광원 (100)및광음향측정기 (200)와연결되는처리장치 (300)가

측정된상기초음파신호값을입력받아,상기초� �파신호값의주파수

영역에서의허수부의크기가 0일때의주파수인공명주파수를측정한다 (S530). 즉,처리장치 (300)는광음향측정기 (200)에의해측정되는초음파신호값을 입력받아,상기초음파신호값의주파수영역에� �의허수부의크기가 0일때의 주파수를공명주파수로서측정한다.

[138] 마지막으로,처리장치 (300)가측정된상기공명주파수에기초하여상기

광흡수체 (20)의광흡수계수를산출한다 (S540).

[139] 보다구체적으로,처리장치 (300)는광흡수체 (20)의광흡수계수를산출하기 위해,처리장치 (300)내에상기수학식 8에대웅하는프로그램을구비할수있다. 즉,처리장치 (300)는광흡수체 (20)에서발생하는초음파의속도및광음향 측정기 (200)의개구수 (NA)를미리저장해놓은뒤,측정되는공명주파수� �� 수학식 8에대입하는연산처리를수행함으로써광흡수� � (20)의광흡수계수를 산출할수있다.

[140] 또는,처리장치 (300)는도 8b에나타낸결과를통해알수있는바와같이 , 공명주파수및광흡수계수가서로대웅하여기록 된룩업테이블 (LUT)을미리 구비해놓을수있으며 ,이와같은룩업테이블을통해상기공명주파수� � 대웅하는광흡수체 (20)의광흡수계수를산출할수도있다.

[141] 이상에서살펴본바와같이,본발명에의하면광� �산매체 (10)의내부에

포커싱된광음향측정기 (200)로광흡수체 (20)에서발생하는초음파신호값을 측정한뒤,처리장치 (300)에서상기초음파신호값을입력받아공명주� ��수또는 주파수폭을측정하는방법을통해,비록광확산� �체 (10)의유효산란계수 ( _ff )를 알지못하더라도광확산매체 (10)내부에위치하는광흡수체 (20)의광흡수계수 (μ )를정량적으로산출해낼수있게된다.

[142] [부호의설명]

[143] 10:광확산매체

[144] 20:광흡수체

[145] 100:광원

[146] 200:광음향측정기

[147] 300:처리장치