글 | 윌리 챈(Willie Chan), 선임 제품 마케팅 엔지니어 μ Module 전력 제품 리니어 테크놀로지

이 글은 디지털 X선 평판 측정기와 관련된 설계 과제를 중점적으로 다루고 있다. 여기서 언급한 기술적 과제가 이 제품에 국한된 것은 아니다. 수술 시스템 부가장치에서부터 내시경, 휴대형 영상 및 모니터링 시스템에 이르기까지 의료전문가는 항상 이용 가능한 가장 효과적이고 신뢰할 수 있는 최소형 장비를 찾고 있다.

 영상 기술 분야의 혁신
전통적인 아날로그 X선(X-ray) 촬영 장치는 통과한 X선을 가시적인 이미지로 전환하는 매개체로서 전용 사진 필름을 사용한다. 이 작업을 수행하기 위해서, 필름은 수분이 소요되며 환자의 치료 시점을 지연시키는 화학적 현상 과정을 거쳐야 한다. 무엇보다 현상 과정이 완료된 후에 의료팀은 부적절한 X선 노출로 인해 영상 재촬영 여부를 결정해야 할 수도 있다. 처리 후 이미지는 주치의에게 물리적으로 전달되어야 하고, 다음으로 환자의 의료 기록에 저장되며 진료실의 매우 큰 벽장 속에 쌓이게 된다. 또한 현상 과정에서 사용된 화학 물질은 한정된 유효 수명을 가지고 있기 때문에, 보관 시 세심한 주의가 필요하며 수명이 다하면 폐기해야 한다. 그러나 이러한 모든 기술적 문제가 성장하고 있는 디지털 X선 촬영 방법인 직접 촬영방법(Dir-ect Radiography, DR)을 통해 사라지고 있다.
초기 소유 비용이 감소하면서 이점이 보다 명확해짐에 따라, 전통적인 X선 촬영에서 직접 촬영방법으로의 이동이 한층 가속되고 있다. DR X선 촬영은 환자를 노출시킨 후 수초 이내에 이용 가능하며 의료 전문가가 어디에 있든 상관없이 상담을 위해 전 세계에 즉시 배포할 수 있다. 대형 파일 보관소 대신에 소형 하드디스크드라이브(HDD)에 디지털 형식으로 환자 X선 이미지를 저장하고 신속하게 검색할 수 있다. 일반적인 DR 방법에서는 통과한 X선을 촬영하는 평판 측정기(flat panel detector) 플레이트가 있다. 평판 측정기는 패널을 이동하거나 조정하지 않고 이미지 크기 비율의 1:1 센서를 통해 렌즈 왜곡 없이 촬영된 다양한 각도를 보여주는 복수의 이미지를 지원한다. 보다 신형의 평판 X선 측정기는 검토, 저장, 배포를 위해 무선으로 이미지를 제어부에 전송한다. 구매, 저장, 폐기해야 하는 필름 관련 화학 공정은 더 이상 수행할 필요가 없다. 아마도 무엇보다 중요한 것은 2개의 유럽 연구에서 아날로그 필름의 이미지 품질과 대등한 DR 이미지 품질을 달성하는 데 필요한 X선 선량이 30%에서 70%까지 낮아지는 것으로 나타났다. 일부 평판 설계에서는 X선 소스에 대한 노출 비율을 실시간으로 통신하여 최소 방사선량으로 알맞은 노출 이미지를 보장한다. X선 선량이 낮아지면, 이후에 산발적인 X선 입자들에 노출되는 환자와 주변 의료 전문가의 안전이 향상된다.
이미지를 생성하기 위해서 많은 직접 촬영 시스템은 섬광 레이어(scintillating layer)로 덮인 CMOS 센서로 구성된 풀 프레임 평판 측정기를 사용한다. 이 레이어가 입사 X선을 실리콘이 보다 쉽게 흡수할 수 있는 파장으로 변환한다. CMOS 센서는 제조 공정으로서 선호되며, 혼성신호 및 로직 아키텍처의 구성과 호환돼 보다 통합된 솔루션을 촉진시킨다. 200 mm 및 300 mm 실리콘 웨이퍼 제조 공정이 개선됨에 따라 직접 촬영방법으로의 전환 추세가 한층 더 강화되고 있다. 웨이퍼 크기가 커지면, 보다 적은 수의 CMOS 센서 모듈을 통합하여 전 세계 병원에서 사용하고 있는 1.5 cm 두께의 ISO-표준 35 cm × 43 cm (14 × 17 인치) X선 필름 카세트 크기에 상응하는 X선 평판 센서를 구성할 수 있다. 시스템의 하드웨어 설계는 이들 제품의 이미지 품질, 폼팩터, 인체 안전성, 동작 수명 등에 직접적인 영향을 미치는 중요한 역할을 한다. 하지만 이것이 전력관리 부품을 포함하고 있을까?

전자 잡음과의 힘겨운 전쟁
직접 촬영방법이 모든 잠재적 이점을 실현하도록 하기 위해서는 전기 잡음, 열, 크기 등의 문제에 주의를 기울여야만 한다. 환자에게 닫는 X선 선량을 줄이는 것을 주요 목표로 하여 높은 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR) 특성을 유지해야만 한다. 센서 자체의 잡음 성능에 대해 많은 주의를 기울이지만, 전력공급으로부터의 잡음 주입 역시 세심하게 고려할 필요가 있다.
전력공급 아키텍처는 SNR 성능에 직접적인 영향을 미친다. 전력공급 레일의 전압 리플은 이미지 센서에 전달되며, A/D 컨버터는 잡음을 이미지에 주입한다. X선 CMOS 센서 제조업체들은 14비트 및 16비트 A/D 변환을 장점으로 내세우며 보다 섬세한 이미지를 생성하기 위해 다양한 명암비를 지원하고 있다. 설상가상으로 이미지 센서, A/D 컨버터, 계측 증폭기(instrumentation amplifier)를 동작시키기 위한 조정된 양극 전압뿐만 아니라, -3.3 V에서 -7 V 사이로 조정된 음극 레일이 일반적으로 요구된다. 그럼에도 배터리팩 또는 AC/DC 전원공급장치가 조정되지 않은 단일 양극 전압만을 제공할 수 있다. 그러므로 중간 DC/DC 컨버터는 수십 mV의 낮은 입력 리플 성능, 높은 동작 효율, 낮은 자기 가열(self-heating) 등의 특성을 제공해야만 한다.
환자의 편의를 위해서 센서 패널을 포함하고 있는 많은 신형 X선 촬영 장비가 이동형이다. 일반적으로 센서 패널을 위한 전원으로 12 V 공칭 재충전 배터리가 사용된다. 1회 충전으로 수백 장의 이미지를 획득하고 전송하기 위해서는 높은 동작 효율이 필요하기 때문에, 스위칭 레귤레이터가 선호되고 있다. 불행히도 스위치 모드 레귤레이터는 방사 EMI의 원인으로 시스템의 잡음 수준을 증가시킨다. 또한 의료진이 환자에 대해 안전거리를 유지할 수 있도록 하기 위해서 일부 X선 센서 패널은 무선 데이터 전송 기능을 제공한다. 높은 수준의 EMI는 획득된 이미지를 왜곡시키거나 사용자 단말에 대한 무선 데이터 전송을 방해할 수 있다. 아마도 이보다 더 많은 문제가 발생할 것이다. EMI 방사가 정부 규제 기관이 허용하는 수치보다 높은 수준에 도달할 수 있으며, 이 글에서 다룰 주제로서 의료용 제품을 출시하지 못하게 될 수도 있다.
높은 동작 효율에 대한 요구사항은 높은 신호 대 잡음비를 유지하는 2차적인 목적을 달성한다. CMOS 센서 내의 암전류(dark current)는 온도에 따라 기하급수적으로 증가한다. 암전류는 전하 운동으로 X선 노출 전에 나타난다. X선 CMOS 센서 제조업체에 따르면, 암전류는 온도가 8℃ 증가할 때마다 약 2배로 증가한다. 후처리를 통해 이미지로부터 일정 정도 암전류 아티팩트(artifact)를 제거할 수 있지만, 동작 온도가 상승하고 반복된 X선 노출로 인해 손상이 누적되면 암전류 증가가 가속된다. 결국 평판 측정기를 교체해야 하는 시점에 이르러서는 암전류가 순간 X선 입자로부터 센서에 투과되는 전하를 압도하게 될 것이다. 또한 의료용 기기는 일반적으로 인체 조직과 접촉하기 때문에 열 방산을 관리하지 않으면 환자를 불편하게 하거나 화상을 입힐 수 있을 뿐만 아니라, 장비의 수명을 단축시키게 된다.

열과의 전쟁
앞서 언급한 바와 같이 높은 동작 온도는 CMOS 센서의 SNR 성능을 저하시키고 수명을 단축시킨다. 무엇보다 높은 동작 온도는 환자의 안전을 위협한다. 탁월한 이미지 해상도를 유지하기 위해서 X선 평판 측정기를 환자의 몸에 직접 접촉하도록 배치한다. 인간의 피부는 최소 40℃(100℉)부터 화상을 입기 시작한다. 따라서 피부와 접촉할 가능성이 있는 의료기기의 외장은 이 한계보다 낮게 유지되어야 한다. 따라서 높은 동작 효율과 넓은 영역에 걸쳐 생성되는 열을 확산시킬 수 있는 성능이 센서 수명, 이미지 명확성, 환자 안전 등 다양한 측면에서 중요하다.

슬림 외형 유지
수술 시스템 부가장치에서부터 휴대형 검사 도구에 이르기까지 차세대 의료기기의 복잡성이 증가하는 데 반하여 이러한 추가적인 성능을 지원하면서도 동일한 부품 공간만을 차지해야 한다. 평판 X선 측정기의 경우, 기존 병원 인프라스트럭처에서는 아날로그 X선 필름 카세트가 이전에 자리하고 있던 버키 슬롯(bucky slot)이라고 하는 고정된 크기의 슬롯을 이미 할당하고 있다. 이 필름 카세트는 일반적으로 ISO4090 가이드라인을 따르며, 43 cm × 35 cm(14 × 17인치)의 X선 이미지 크기에 대해 46 cm × 38.6 cm × 1.5 cm의 치수를 허용하고 있다. 이와 같은 엄격한 크기 제한을 준수하고 동작 온도 상승을 최소화시키기 위해서 최적의 전력관리 솔루션은 콤팩트하고 효율적이어야 한다.

규제 준수
미국과 유럽의 규제 요구사항의 일부로서 의료기기는 EN55011로도 알려져 있는 CISPR11을 준수한다는 것을 입증해야 한다. 스위칭 레귤레이터는 전자자기장을 방사하기 때문에, 설계자들은 EMI 준수에 대한 스위칭 레귤레이터의 영향을 완벽하게 이해하거나 제조업체가 방사 EMI 한계의 충족 여부를 검사한 전력 솔루션을 선택해야만 한다. 그렇게 하지 않을 경우, 규격을 획득하기 위해 비용이 높고 시간 소모적인 제품 반복 작업을 하게 될 것이다. 가장 엄격한 방사 EMI 한계가 사무용 건물에서 사용할 수 있는 의료 장비에 지정돼 있으며, 그룹 1겾Х】?B 기기들은 사무용 건물과 주택에서 사용할 수 있는 IT 장비에 지정된 EN55022 클래스 B(CISPR22 클래스 B) 한계와 동일한 방사 한계가 지정된다.

긴 제품 수명
검증된 신뢰성을 제공하는 전력 솔루션은 의료용 기기의 필수요소다. X선 패널 센서의 경우, 패널이 처음에 정확하게 이미지를 획득해야 하는데, 그렇지 않을 경우에 환자와 의료전문가가 치명적인 방사선에 반복적으로 노출된다. 최소 진단 지연으로도 치료 시작 시점이 지연되어 최신 의료 표준에서 수용할 수 없는 상황이 나타날 수도 있다.
고려해야 할 또 다른 요소는 선택한 전자부품이 얼마나 오래 동안 공급될 수 있는가이다. CE, UL, IEC, FDA 등을 거치는 긴 규제 승인 과정 후, 개별 전자 의료기기를 15년 이상 제조할 수 있어야 한다. 이러한 긴 기간은 많은 전력관리 반도체 공급업체가 자신들의 주요 시장으로서 참여하고 있는 소비가전 제품의 주기보다 매우 길다. 단지 노후 부품으로 인한 제품 재인증은 엔지니어링 자원과 기업 이익에 있어서 큰 부담이다.

첨단 DC/DC 스위칭 레귤레이터
설계 엔지니어들이 의료용 애플리케이션에 대한 전자 잡음, 열, 크기 등의 기술적 과제를 해결할 수 있도록 지원하기 위해 리니어 테크놀로지는 50개 이상의 다양한 μModule 전력 제품을 통해 넓은 선택의 폭을 제공하고 있다. 이들 제품은 콤팩트한 표면 실장 패키지로 제공되는 매우 효율적인 완전 통합 DC/DC 스위칭 전력관리 솔루션이다(그림 1). 이들 스위칭 모드 레귤레이터는 그림 2와 그림 3에 나타낸 바와 같이 음극(반전) 출력 전압과 양극 출력 전압 회로 구성에서 모두 낮은 출력 리플 특성으로 동작할 수 있도록 세심하게 설계됐다. μModule 전력 제품의 서브 그룹으로 EN55022 클래스 B 인증 μModule 레귤레이터는 의료용 애플리케이션에서 나타나는 EMI 관련 기술적 과제를 극복할 수 있는 이상적인 솔루션을 제공한다. 이들 스위칭 레귤레이터는 최대 8A의 출력 전류 조건에서 방사 EMI에 대한 업계 표준인 EN55022 클래스 B(CISPR11 / EN55011그룹 1 - 클래스 B와 동일)를 충족시킨다는 것을 T웈와 같은 독립 인증기관으로부터 인증을 받았다. 개별 표준 데모 보드를 이용한 테스트 결과가 온라인으로 공개돼 있다. 발췌 내용을 그림 4에 나타낸다. μModule 레귤레이터와 같이 잘 알려진 완전 통합 스텝-다운 솔루션을 선택함으로써 설계 시간과 이러한 요구사항을 충족시키는데 있어서 일반적인 스위칭 레귤레이터 또는 컨트롤러와 관련된 위험을 줄일 수 있다.



높은 출력 리플 특성과 방사 EMI와 관련된 위험을 과소 평가해서는 안 된다. 이러한 두 가지 요인은 제품의 정상적인 초기 동작 및 엄격한 정부 규제사항을 충족시키는 데 영향을 줄 수 있다. X선 평판의 동작에 대한 그 영향을 고려하여 제어가 잘 된 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 이미지 획득 지원, 신뢰할 수 있는 무선 통신, 신속한 EMI 호환 테스트 등을 제공한다. 이러한 이유로 리니어 테크놀로지는 이들 디바이스가 온라인으로 테스트 결과를 공개하는 T웈와 같은 독립적인 테스트 실험실을 통해 인증을 받도록 보장하기 위해 세심한 주의를 기울여왔다. 잡음과 EMI 관련 문제를 극복하고 나면, 전력관리 솔루션은 효율, 신뢰성, 열 방산 등의 문제를 해결해야 한다.
μModule 전력 제품은 플랫 톱(flat top)과 함께 열 도전 플라스틱으로 구성된 표면 실장 LGA 또는 BGA 패키지로 제공되는 매우 효율적인 스위칭 레귤레이터이다. 전체 전력관리 솔루션을 덮는 단일 플랫 톱은 의료기기 외장의 모든 지점에 대해 온도 상승을 최소화할 수 있는 히트싱크 기법이다(그림 5). 앞서 언급한 바와 같이 낮은 동작 온도를 유지함으로써 환자 안전, SRN 특성, 장비 동작 수명 등을 향상시킬 수 있다. 가장 큰 μModule 전력 제품은 크기가 15 mm × 15 mm × 5 mm이며, 가장 작은 제품은 크기가 6.25 mm × 6.25 mm × 2.3 mm이기 때문에, 보다 긴 동작 시간을 위해 배터리 크기를 증가시키는 것과 같은 보다 중요한 기능에 공간을 자유롭게 할당할 수 있다.
모든 μModule 레귤레이터는 포괄적인 기기 및 보드 수준의 테스트를 거쳤기 때문에 신뢰할 수 있는 동작을 보장한다. 현재 제품군은 누적 2,350만 디바이스-시간의 전력 사이클링과 고장 없이 300만 디바이스-시간의 가속 수명 테스트 기록을 보유하고 있다. 성능이 제품 기대를 충족시키도록 보장하기 위한 설계, 애플리케이션, 제조 가이드라인 등을 통해 신뢰성이 추가적으로 지원된다. 수행된 모든 신뢰성 테스트와 그 결과에 대한 전체 보고서는 www.linear.com/umodule에 제공되고 있다. 장기 양산 수명을 제공하는 의료용 디바이스를 지원하기 위해서 리니어 테크놀로지는 μModule 전력 제품 라인을 통해 지속되고 있는 정책인 제품 단종 없음(non-obsolescence)에 대해 명백한 실적을 가지고 있다.

결론
이 글에서 디지털 X선 평판 측정기와 관련된 설계 과제를 중점적으로 다루었지만, 여기서 언급한 기술적 과제가 이 제품에 국한된 것은 아니다. 수술 시스템 부가장치에서부터 내시경, 휴대형 영상 및 모니터링 시스템에 이르기까지 의료전문가는 항상 이용 가능한 가장 효과적이고 신뢰할 수 있는 최소형 장비를 찾고 있다. 이러한 한계를 극복한 장비가 의료 절차를 발전시켜 환자 불편, 흉터, 회복 시간을 최소화하면서 개인과 의료진의 안전을 향상시키고 있다. 이와 같은 제품들의 추가적인 전자장치는 의사들이 보다 정확하고 향상된 시야와 통제력을 확보할 수 있도록 해주며, 심지어 고도로 숙련된 외과 의사들의 경력을 확장시킨다. 제한된 엔지니어링 자원, 적기 출시, 상응하는 긴 양산 수명을 통해 검증된 제품 신뢰성 등의 사업적 요구사항과 함께 어떠한 전력 솔루션이 이러한 요구사항을 충족시킬 수 있겠는가? 리니어 테크놀로지의 μModule 전력 제품 라인-업은 세심하게 설계되어 매우 다양한 조합의 요구사항을 충족시킬 수 있음이 입증됐다. ES