첨단 POL 레귤레이터로 의료용 이미징을 향상시키는 방법

설계 엔지니어들이 의료용 애플리케이션을 다룰 때 전자 잡음, 열, 크기 등의 기술적 과제들을 해결할 수 있도록 지원하기 위해
리니어 테크놀로지는 50개 이상의 다양한 μModuleⓇ 전력 제품을 개발해 제공하고 있다.
이를 통해 제공되는 제품 각각은 콤팩트한 표면실장 패키지로 제작됐으며,
매우 효율적인 완전 통합형 DC/DC 스위칭 전력관리 솔루션으로 평가받고 있다.
이 글에서는 이를 활용해 X선 평판 측정기와 관련된 설계 기술 과제들을 해결하는 방안을 모색해본다.

Willie Chan 리니어 테크놀로지


이미징 기술 분야에서의 혁신 기술

초기 소유 비용 감소로 인한 이점들이 보다 분명해지면서 전통적인 X선 이미징에서 직접 촬영방법으로의 이동이 한층 가속화되고 있다. 여기에 사용되는 DR X선 이미지는 환자가 노출된 후 수초 이내에 이용 가능하며, 의료 전문가가 어디에 있든 상관없이 상담을 위해 전 세계에 즉시 배포될 수 있다는 특징을 갖는다.
구체적으로 이를 이용한 기기들은 이미지를 생성하기 위해, 많은 직접 촬영방법 시스템들이 섬광 레이어(Scintil-lating Layer)로 덮힌 CMOS 센서로 구성된 풀 프레임 평판 측정기를 사용한다. 기기 사용 시 이들 레이어는 입사 X선이 실리콘에 보다 쉽게 흡수될 수 있도록 파장으로 변환하는 역할을 담당하며, 일반적인 제조 공정에서 선호되고 있는 CMOS 센서는 혼합 신호 및 로직 아키텍처 구성과 호환돼 보다 통합된 솔루션을 촉진시킬 수 있도록 지원한다.
특히 최근 제조 공정에서 200mm 및 300mm 실리콘 웨이퍼를 구현할 수 있도록 개선됨에 따라 이와 같은 직접 촬영방법으로의 전환 추세는 한층 가속화되고 있다. 그리고 이러한 제품 설계 시 기기의 시스템 하드웨어 설계가 이들 제품의 이미지 품질, 폼 팩터, 인체 안전성, 동작 수명 등에 직접적인 영향을 미친다는 것은 그리 놀라운 사실이 아니다.
하지만 여기에 전력관리 부품도 포함되는지는 한번 생각해볼 필요가 있다.

전자 잡음과의 힘겨운 전쟁

직접 촬영방법이 제공하는 모든 잠재적인 이점들을 제대로 실현하기 위해서는 전기 잡음, 열, 크기 등의 문제에 총체적인 주의를 기울여야 한다. 더불어 환자에게 인가되는 X선 선량을 줄이는 것을 목표로 높은 신호대잡음비(SNR) 특성을 유지할 필요가 있는데, 이를 위해선 센서 자체의 잡음 성능에 대해서도 많은 주의를 기울이는 동시에 전력공급으로 인한 잡음 주입 역시 세심하게 고려하는 것이 요구된다.
이와 관련해 전력공급 아키텍처는 SNR 성능에 직접적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 예를 들면 전력공급 레일의 전압 리플은 이미지 센서에 전달되며, A/D 컨버터는 잡음을 이미지에 주입한다.
이러한 상황에서 X선 CMOS 센서 제조업체들은 14bit 및 16bit 변환을 장점으로 내세우며, 보다 상세한 이미지를 생성하기 위해 다양한 명암비(contrast range)를 지원하고 있다. 그럼에도 불구하고 업계에서는 이미지 센서, A/D 컨버터, 계측 증폭기(instrumentation amplifier)를 동작시키기 위해 레귤레이션된 양극 전압뿐만 아니라 -3.3V에서 -7V 사이로 레귤레이션된 음극 레일을 요구하고 있다. 하지만 실제로는 배터리 팩 또는 AC/DC 전력공급기가 레귤레이션되지 않은 단일 양극 전압만이 제공되고 있다. 그러므로 중간 DC/DC 컨버터는 수십 mv의 낮은 입력 리플 성능, 높은 동작 효율, 낮은 자기 가열 등의 특성을 제공할 수 있도록 개선돼야 한다.
특히 환자의 편의를 위해서 센서 패널을 포함한 다수의 신형 X선 이미징 장비들은 이동형으로 제작되고 있는데 이들 장비에서는 일반적으로 센서 패널을 위한 전원으로 12V 공칭 재충전 배터리가 사용된다. 이 배터리를 사용해 1회 충전으로 수백 장의 이미지를 획득 및 전송하기 위해서는 높은 동작 효율이 필요하므로 스위칭 레귤레이터를 사용하는 것이 선호되고 있다.
하지만 불행히도 이러한 스위치 모드 레귤레이터는 EMI(electromagnetic inference) 방사의 원인이 되므로 시스템의 잡음 수준을 증가시킬 수 있다. 뿐만 아니라 의료진이 환자에게 안전 거리를 유지하기 위해서는 일부 X선 센서 패널이 무선 데이터 전송 기능을 제공할 수 있어야 한다.
게다가 이를 통해 생성된 높은 수준의 EMI는 획득된 이미지를 왜곡시키거나 사용자 단말에 대한 무선 데이터 전송을 방해할 수도 있다.
현장에서는 이 외에도 많은 문제들이 발생할 가능성이 큰데 특히 EMI 방사가 정부 규제기관이 허용하는 것보다 높은 수준에 도달한다면 이 글의 후반부에서 다루는 의료용 제품을 출시하지 못하게 될 수도 있다.
한편 앞서 언급한 높은 동작 효율에 대한 요건으로는 높은 신호대잡음비(SNR, signal to noise ratio)를 유지하기 위해 2차적인 목적을 달성하는 것이 요구되고 있다. 그 대상 중 하나로 꼽히는 CMOS 센서 내 암전류(dark current)는 온도에 따라 기하급수적으로 증가하는 것으로 확인됐는데 이러한 암전류는 전하 운동에 의한 X선 노출 전에 주로 형성된다. 게다가 X선 CMOS 센서 제조업체에 따르면, 이 같은 암전류는 온도가 8℃ 증가할 때마다 약 2배나 증가하는 것으로 확인됐다.
이에 대응한 후처리로 이미지로부터 일정 정도의 암전류 아티팩트(artifact)를 제거하는 방법이 제시되고 있지만, 동작 온도가 상승하고 반복된 X선 노출로 인해 손상이 누적되면 암전류 증가는 가속화될 수밖에 없다. 그리고 이러한 상황이 진행되면 결국 평판 측정기를 교체해야 하는 시점에 이르러서는 암전류가 순간 X선 입자로부터 센서에 투과되는 전하를 압도하게 될 것이다.
뿐만 아니라 의료용 기기는 일반적으로 인체 조직과 접촉하기 때문에 열 방산을 관리하지 않으면 환자를 불편하게 만들거나 화상을 입힐 수 있을 있으며 장비 동작 수명을 단축시킬 수도 있다.

솔루션 : 첨단 DC/DC 스위칭 레귤레이터

설계 엔지니어들이 의료용 애플리케이션을 접할 때 전자 잡음, 열, 크기 등의 기술적 과제들을 해결할 수 있도록 지원하기 위해 리니어 테크놀로지는 50개 이상의 다양한 Module짋 전력 제품을 개발해 광범위한 선택폭을 제공하고 있다. 그리고 이를 통해 제공되는 제품 각각은 콤팩트한 표면실장 패키지로, 효율적인 완전 통합형 DC/DC 스위칭 전력관리 솔루션으로 개발됐다(그림 1).



또한 이들 스위칭 모드 레귤레이터는 그림 2와 그림 3에 나타낸 바와 같이 음극(반전) 출력 전압과 양극 출력 전압 회로 구성 모두에서 낮은 출력 리플 특성으로 동작할 수 있도록 세심하게 설계되었다.






특히 μModule 전력 제품 서브 그룹의 EN55022 클래스 B 인증을 획득한 μModule 레귤레이터는 의료용 애플리케이션에서 나타나는 EMI 관련 기술적 과제들을 극복할 수 있는 이상적인 솔루션이다.
이를 위해 이들 스위칭 레귤레이터는 최대 8A의 출력 전류 조건에서 방사 EMI에 대한 업계 표준인 EN55022 클래스 B(CISPR11/EN55011 그룹 1-클래스 B와 동일) 표준을 준수한다는 것을 입증하기 위해 TUV와 같은 독립 인증기관으로부터 인증을 받았다. 이에 대한 개별 표준 데모 보드를 이용한 테스트 결과는 온라인상에 공개되어 있는데 그 발췌 내용을 그림 4에 나타낸다.




이러한 μModule 레귤레이터와 같이 호환이 가능한 완전 통합형 스텝-다운 솔루션을 채택할 경우, 설계 시간과 다양한 요구사항을 충족시키는 것은 물론 일반적인 스위칭 레귤레이터나 컨트롤러와 관련된 위험을 줄일 수 있다.
특히 실제 작업에서는 이와 같은 높은 출력의 리플 특성과 방사 EMI와 관련된 위험을 과소평가해서는 안된다. 이러한 2가지 요인은 제품의 정상적인 초기 동작 및 엄격한 정부 규제사항들을 충족시키는 데 영향을 미치기 때문이다.
더불어 X선 평판 동작에 대한 영향을 고려하여 제어가 잘된 출력 리플과 EMI 방사 특성을 제공하는 제품 설계는 고품질 고해상도 이미지를 위한 높은 SNR 특성, 치료의 지연과 불필요한 반복 방사 노출을 방지할 수 있도록 처음부터 신뢰할 수 있는 알맞은 이미지를 획득, 지원하는 동시에 신뢰할 수 있는 무선 통신, 신속한 EMI 호환 테스트 등을 제공한다.
이러한 이유로 리니어 테크놀로지는 이들 디바이스가 온라인을 통해 테스트 결과를 공개할 수 있는 TUV와 같은 독립 테스트 실험실을 통해 인증을 받을 수 있도록 세심한 주의를 기울여 왔다. 이로써 EMI 관련 문제들을 극복하게 된다면 알맞은 전력관리 솔루션은 효율, 신뢰성, 열 방산 등의 문제 해결에도 관심을 기울여야 할 것이다.
한편 앞서 설명했던 것처럼 μModule 전력 제품은 표면실장 LGA 또는 BGA 패키지로 제공되는 효율적인 스위칭 레귤레이터이다. 또한 전체 전력 관리 솔루션을 덮고 있는 단일 플랫 톱은 의료 기기 외장의 모든 지점에서 온도 상승을 최소화할 수 있는 히트 싱크 기법을 활용하고 있다(그림 5).



이를 통해 제공되는 가장 큰 μModule 전력 제품은 크기가 15mm×15mm×5mm이며, 가장 작은 제품은 크기가 6.25mm×6.25mm×2.3mm이다.
게다가 모든 μModule 레귤레이터들은 포괄적인 기기 및 보드 수준의 테스트를 거쳤기 때문에 신뢰할 수 있는 동작을 보장한다. 현재 이 제품군은 누적 2,350만 디바이스-시간의 전력 사이클링과 고장 없이 300만 디바이스-시간의 가속 수명 테스트 기록을 보유하고 있다. 이에 대한 모든 신뢰성 테스트와 결과 보고서는 www.linear.com/ module을 통해 제공되고 있다.

결론

이 글에서는 디지털 X선 평판 측정기와 관련된 설계 기술 과제를 중점적으로 다뤘지만, 여기에 언급된 기술적 과제들은 이 제품에만 국한된 것은 아니다.
따라서 이러한 과제를 해결하기 위해 수술 시스템 부가장치에서부터 내시경, 휴대형 이미징 및 모니터링 시스템에 이르기까지 의료 전문가들은 항상 이용 가능하고 가장 효과적이며 신뢰할 수 있는 최소형 툴을 발견하기 위해 애써 왔다. 그 결과 이러한 한계들을 극복한 장비들이 의료 절차를 발전시켜 환자의 불편, 흉터, 회복 시간을 최소화하면서 개인과 의료진의 안전을 향상시키고 있다.
또한 이를 위해 제공된 추가적인 전자장치들은 의사들이 환자를 보다 정확하게 치료하고 향상된 시야와 통제력을 확보할 수 있도록 도와주며, 심지어 고도로 숙련된 외과의사들의 경력을 확장시키는 역할을 한다.
현 시점에서 제한된 엔지니어링 자원, 타임-투-마켓, 긴 양산 수명을 통해 검증된 제품 신뢰성 등의 사업적 요구사항에 부응해 어떠한 전력 솔루션이 이러한 요구사항들을 충족시킬 수 있을까?
이에 대응한 리니어 테크놀로지의 μModule 전력 제품의 라인-업은 세심하게 설계되어 매우 다양한 조합의 요구사항들을 충족시킬 수 있다는 것이 검증되었다.