JP2013517087A - 超音波プローブ - Google Patents

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Abstract

超音波及び熱放出特性が向上し、製造工程及び維持補修工程を容易に行うことができる超音波プローブを提供するためのものである。
ハウジングは、上部の端縁で内側に向かって凹設されていて、上部の中心で一定半径の外側から端部まで均一に複数の取付孔が形成されている。そして、複数のプローブユニットは、複数の取付孔にそれぞれ設置され、ハウジングの上部に球面を形成する。プローブユニットは、銅材の連結バーの下部にハウジングの下部に突出する第1接続ピンが形成されていて、連結バーの上部に後面ブロック、圧電ウェーハ及び音響整合層が順次に積層された構造を有する。音響整合層上に接地フィルムが積層されることができ、ハウジングに設置された複数のプローブユニットの上部面、すなわち接地フィルムが球面を形成する。
【選択図】図1

Description

本発明は、高強度集束超音波を利用した超音波治療システムに関し、より詳細には、超音波及び熱放出特性が向上し、製造工程及び維持補修工程を容易に行うことができる超音波治療システムの超音波プローブに関する。
最近、超音波治療の使用範囲が次第に広くなっている。超音波治療の発展に伴い、特定の超音波治療、特に高強度集束超音波(high−intensity focused ultrasound;HIFU)は、多くの種類の疾病、特に腫瘍(tumor)を効果的に治療するためにデミジングドーズ(damaging dose)に適用される。従来の外科手術及び化学的な治療(chemotherapy)と比較して、HIFU治療は、患者の外傷をあまり損傷させないし、非侵入性治療(non−invasive treatment)を実現させることができる。したがって、HIFU治療の臨床適用は、早く発展している。例えば、肝癌(liver cancer)、骨肉腫(bone sarcoma)、乳房癌(breast cancer)、膵臓癌(pancreas cancer)、腎臓癌(kidney cancer)、軟組織の腫瘍(soft tissue tumor)及び骨盤腫瘍(pelvic tumor)などにHIFU治療が用いられている。
このような超音波治療装置は、一般的に球形集束(sphere focusing)を採択する超音波プローブ(ultrasound probe)が使用される。超音波プローブのすべての点から発散される超音波は、球形の中心に向かい、集束された超音波となる。超音波治療装置上のエミッタ(emitter)は、胴体の外部から胴体の内部に超音波を発散し、これは、放出及び伝送中に集束され、高エネルギー集束点を形成する。したがって、高強度及び連続的な超音波エネルギーは、患者(subject)のターゲット領域(target region)に適用される。集束点で発生する過度な高温の効果(65〜100℃)、キャビテーション効果(cavitation effect)、機械的な効果及び音波−化学的な効果は、病んだ組職の凝固性怪死(coagulative necrosis)を選択的に発生させ、また腫瘍の増殖(proliferation)、侵入(invasion)及び転移(metastasis)を不可能にするために使用されることができる。
このような超音波治療装置は、高強度集束超音波治療を適用する間に、集束点の正確で且つ安全な、そして効果的な局所化(localization)は、成功的な治療(treatment)のために必須であり、また、ターゲット(target)を位置させるための作動の便利性をさらに向上させる必要がある。
したがって、本発明の目的は、超音波及び熱放出特性が向上した超音波プローブを提供することにある。
本発明の他の目的は、製造工程及び維持補修工程を容易に行うことができる超音波プローブを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は、ハウジング及び複数のプローブユニットを含む超音波プローブを提供する。前記ハウジングは、上部の端縁で内側に向かって凹設されていて、前記上部の中心で一定半径の外側から端部まで均一に複数の取付孔が形成される。そして、前記複数のプローブユニットは、前記複数の取付孔にそれぞれ設置され、前記ハウジングの上部に球面を形成する。
本発明による超音波プローブにおいて、前記プローブユニットは、電気及び熱伝導性を有する連結バーと、前記連結バーの下部面に形成され、前記ハウジングの取付孔を通じて前記ハウジングの下部に突出する第1接続ピンと、前記連結バーの上部面に形成され、前記球面を形成するための傾斜面が形成された後面ブロックと、前記後面ブロックの傾斜面に形成された圧電ウェーハと、前記圧電ウェーハの上部面に形成された複数の音響整合層とを含むことができる。
本発明による超音波プローブにおいて、前記プローブユニットは、前記音響整合層の上部面に形成され、前記球面を形成する接地フィルムをさらに含むことができる。
本発明による超音波プローブにおいて、前記ハウジングには、放射状に前記取付孔が形成されることができる。
本発明による超音波プローブにおいて、前記ハウジングは、前記球面の中心で一定半径の外部から前記球面の端部まで複数の環状の領域に沿って前記複数の取付孔が形成されることができる。
本発明による超音波プローブにおいて、前記第1接続ピンの上部に形成された後面ブロック、圧電ウェーハ、音響整合層及び接地フィルムは、前記ハウジングの中心を向く側の第1長さが、前記ハウジングの端部を向く側の第2長さより短い。
本発明による超音波プローブにおいて、同じ環に形成された前記プローブユニットは、同一の形態を有する。
本発明による超音波プローブにおいて、前記ハウジングの中心から端部に行くほど前記プローブユニットの長さが増加し、前記ハウジングの下部に突出した第1接続ピンの長さは同一である。
本発明による超音波プローブにおいて、異なる環に位置する前記プローブユニットの連結バーの長さが互いに異なり、前記ハウジングの中心から端部に行くほど増加する。
本発明による超音波プローブにおいて、前記プローブユニットの連結バーは、下部に前記第1接続ピンが挿入されて結合される第1ピン孔が形成されている。
本発明による超音波プローブにおいて、前記プローブユニットの後面ブロックは、下部に第2接続ピンが突出している。この際、前記プローブユニットの連結バーは、上部に前記第2接続ピンが挿入されて結合される第2ピン孔が形成されている。
本発明による超音波プローブにおいて、前記ハウジングに形成された取付孔は、前記ハウジングの下部に形成され、前記第1接続ピンが挿入されて突出する第1取付孔と、前記第1取付孔と垂直に連結され、前記連結バーが挿入される第2取付孔と、前記第2取付孔と垂直に連結され、前記後面ブロックが挿入されて搭載される第3取付孔とを含む。
本発明による超音波プローブにおいて、前記プローブユニットの連結バーの素材としては、銅が使用されることができる。
本発明による超音波プローブにおいて、前記プローブユニットの後面ブロックの素材としては、グラファイトが使用され、前記圧電ウェーハの素材としては、PZTまたはPMN−PTが使用され、前記接地フィルムとしては、ポリイミドフィルムが使用されることができる。
また、本発明による超音波プローブは、前記複数のプローブユニットが形成する球面を覆って保護するカバー層をさらに含むことができる。
本発明による超音波プローブは、ハウジングに複数のプローブユニットが設置され、ハウジングの上部に球面を形成するので、複数のプローブユニットを制御することによって、超音波(音響)特性を向上させることができる。プローブユニットは、球面の中心で一定半径の外部から前記球面の端部まで複数の環状の領域に沿って設置され、当該環を複数個に分割する形態を有するので、プローブユニットとプローブユニットとの間の空き空間による音響損失を抑制し、超音波特性を向上させることができる。また、隣り合う環に形成されたプローブユニットは、互いにずれるように形成することによって、超音波特性を向上させることができ、プローブユニット間の結合力を向上させることができる。
プローブユニットは、銅材の連結バーを介して下部に接続ピンが形成され、上部に後面ブロック、圧電ウェーハ、音響整合層及び接地フィルムが形成された構造を有するので、連結バーを介した熱放出効率を向上させることができる。
本発明による超音波プローブは、ハウジングに形成された取付孔にプローブユニットを挿入して製造するので、製造工程が単純である。また、ハウジングからプローブユニットを設置及び分離が可能なので、個別プローブユニット単位で維持補修作業を行うことができる。したがって、超音波プローブの特定部分の損傷に起因して超音波プローブ全体を交替することによって発生する費用損失を抑制することができる。
また、本発明による超音波プローブは、ハウジングの下部に接続ピンが突出しているので、ワイヤリング方式ではなく、コネクター接続方式のコネクターケーブルによって超音波治療システムの本体に連結されるので、超音波プローブをコネクターケーブルから脱着し、維持補修作業を行うことができる利点がある。
本発明の実施例による超音波プローブにコネクターケーブルが連結される状態を示す図である。 本発明の実施例による超音波プローブを示す分解斜視図である。 図2の超音波プローブを示す断面図である。 図2のプローブユニットを示す分解斜視図である。 図4のプローブユニットを示す斜視図である。 図5のプローブユニットを示す断面図である。
以下、添付の図面を参照して本発明の実施例をさらに詳細に説明する。
本発明の実施例による超音波プローブ100は、図1〜図3に示されたように、コネクターケーブル200を利用したコネクター接続方式で超音波治療システムの本体に連結される。
超音波プローブ100は、ハウジング10と、ハウジング10に設置され、ハウジング10の上部に球面を形成する複数のプローブユニット20と、複数のプローブユニット20が形成する球面を覆うカバー層40とを含む。すなわち超音波プローブ100の上部面は、球形集束を提供するためにボウル(bowl)形状の球面で形成される。超音波プローブ100は、ハウジング10の下部面にプローブユニット20の第1接続ピン22が均一に突出している。ハウジング10の中心部分には、貫通孔14が形成されている。そして、カバー層40は、複数の超音波プローブ100が形成する球面を保護する。カバー層40としては、シリコン素材が使用されることができる。
そして、コネクターケーブル200は、複数の第1接続ピン22に対応するように接続孔112が形成されたコネクター110と、コネクター110に挿入された第1接続ピン22と超音波治療システムの本体を電気的に連結するケーブル120とを含む。超音波治療システムの本体は、コネクターケーブル200を介して駆動信号を超音波プローブ100に印加し、超音波プローブ100は、印加された駆動信号によって超音波治療に必要な高強度集束超音波を発生させる。
この際、コネクターケーブル200のコネクター110は、中心部分にハウジング10の貫通孔14に対応するように貫通孔114が形成された例を開示したが、一定の深さで溝を形成してもよく、または貫通孔を形成しなくてもよい。
このように本実施例による超音波プローブ100は、ハウジング10の下部に第1接続ピン22が突出しているので、ワイヤリング方式ではなく、コネクター接続方式のコネクターケーブル200を利用して超音波治療システムの本体に連結することができる。したがって、超音波治療システムは、超音波プローブ100をコネックトケーブル200から脱着し、超音波プローブ100に対する維持補修作業を容易に行うことができる利点がある。
このような本実施例による超音波プローブ100は、図2〜図6に示されたように、ハウジング10及びプローブユニット20を備えて構成され、カバー層40をさらに備えることができる。ハウジング10は、上部の端縁で内側に向かって凹設されていて、上部の中心で一定半径の外側から端部まで複数の取付孔12が形成されている。そして、複数のプローブユニット20は、複数の取付孔12にそれぞれ設置され、ハウジング10の上部に球形集束のための球面を形成する。
特に、ハウジング10は、円筒状よりなり、中心部分に貫通孔14が形成されていて、上部に貫通孔14の中心に向かって球面に近く形成される。ハウジング10は、硬質のプラスチック素材で製造されることができ、例えば、ポリエチレン(polyethylene;PE)、ポリプロピレン(polypropylene;PP)、ポリスチレン(polystyrene;PS)、ポリエチレンテレフタレート(polyethylene terephthalate;PET)、アクリロニトリルブタジエンスチレン(acrylonitrile butandiene styrene;ABS)などの素材で製造されることができる。
ハウジング10には、放射状に取付孔12が形成されることができる。特にハウジング10は、球面の中心で一定半径の外部から球面の端部まで複数の環状の領域に沿って複数の取付孔12が形成されることができる。取付孔12は、ハウジング10の中心軸の方向に平行な方向に形成され、第1取付孔12a、第2取付孔12b及び第3取付孔12cを含む。第1取付孔12aから第3取付孔13cに行くほど、孔の幅は、段階的に増加し、詳細な説明は後述する。
そして、複数のプローブユニット20は、それぞれハウジング10の取付孔12に挿入設置され、一端部は、ハウジング10の下部に突出し、上端部は、ハウジング10の上部に突出し、球面を形成する。このようなプローブユニット20は、連結バー21、第1接続ピン22、後面ブロック23、圧電ウェーハ25及び音響整合層27を備え、接地フィルム29をさらに備えて構成されることができる。後面ブロック23の下部面には、第2接続ピン28が形成されている。
連結バー21は、電気及び熱伝導性を有する素材で製造され、柱形状を有する。連結バー21の素材としては、銅が使用された例を開示したが、電気及び熱伝導性が良好な他の金属素材で製造されることができる。
第1接続ピン22が連結バー21の下部面に形成され、ハウジング10の取付孔12を通じてハウジング10の下部に突出する。この際、連結バー22の下部面には、第1接続ピン22の一部が挿入されて結合される第1ピン孔24が形成されている。一方、本実施例においては、第1接続ピン21の一部が連結バー21が挿入されて結合される例を開示したが、一体に形成してもよい。
後面ブロック23は、連結バー21の上部面に形成され、上面は、球面を形成することができるように傾斜面で形成される。後面ブロック23は、圧電ウェーハ25から後面ブロック23に向かって進行する不要な超音波信号を吸収する。後面ブロック23の素材としては、吸音性に優れたゴムまたはグラファイトが使用されることができる。そして、後面ブロック23は、図6に示されたように、直方体形状から一部が切断され、垂直断面が台形の形状を有する。そして、切断された面が後面ブロック23の傾斜面を形成する。
後面ブロック23は、下部面に第2接続ピン28が突出していて、第2接続ピン28は、後面ブロック23と一体に形成される。この際、連結バー21の上部面には、第2接続ピン28が挿入されて結合される第2ピン孔26が形成されている。したがって、後面ブロック23は、第2接続ピン28を介して第2ピン孔26に挿入され、連結バー21に結合される。後面ブロック23の下部面が連結バー21の上部面に密着するように設置される。
この際、連結バー21の第1及び第2ピン孔24、26には、第1及び第2接続ピン22、28が締りばめ方式で挿入されて固定設置されるか、または電気伝導性接着剤を介して挿入されて固定設置されることができる。
後面ブロック23の傾斜面に圧電ウェーハ25、音響整合層27及び接地フィルム29が順次に形成され、後面ブロック23の傾斜面に平行に形成される。後面ブロック23の傾斜面に対応する上下部面を有する直方体形状の圧電ウェーハ25、音響整合層27及び接地フィルム29が順次に積層される。これにより、本実施例においては、傾斜面の下側に向かって少し突出した形態で圧電ウェーハ25、音響整合層27及び接地フィルム29が積層された例を開示したが、これに限定されるものではない。例えば、後面ブロック23の傾斜面に隣り合う外側面からはずれないように、圧電ウェーハ、音響整合層及び 接地フィルムが積層されることもできる。この場合、圧電ウェーハ、音響整合層及び接地フィルムは、後面ブロック23の傾斜面に対応する上部面及び下部面を有し、垂直断面が平行四辺形の形状を有する。
圧電ウェーハ25は、後面ブロック23の傾斜面に形成され、超音波を発生させる。圧電ウェーハ25は、スキャン方向に対して複数の素子に分割されている。圧電ウェーハ25の素材としては、PZT、PMN−PTなどのセラミック素材が使用されることができる。
音響整合層27は、圧電ウェーハ25の上部面に形成され、圧電ウェーハ25で発生する超音波の音響整合を行う。音響整合層27は、少なくとも一層以上形成されることができる。音響整合層27は、メタルパウダー、セラミックパウダー、シリコンウェーハなどで製造されることができる。
そして、接地フィルム29は、音響整合層27の上部面に形成され、球面を形成する。 接地フィルム29としては、ポリイミドフィルムが使用されることができる。
特に、プローブユニット20は、ハウジング10の取付孔12に設置され、同じ環に設置されたプローブユニット20は、同一の形態を有する。ハウジング10の中心から端部に行くほど取付孔12の長さが増加するので、図3に示されたように、プローブユニット20の長さは、増加するが、ハウジング10の下部に突出した第1接続ピン22の長さは、均一である。この際、異なる環に位置するプローブユニット20の連結バー21の長さが互い異なり、ハウジング10の中心から端部に行くほど増加する。
プローブユニット20が固定設置されるハウジング10の取付孔12は、前述したが、図3に示されたように、第1〜第3取付孔12a、12b、12cを含む。第1取付孔12aは、ハウジング10の下部に形成され、第1接続ピン22が挿入されて突出する。第2取付孔12bは、第1取付孔12aと垂直に連結され、連結バー21が挿入され、第1取付孔12aが形成された第2取付孔12bの底面に連結バー21の下部面が搭載される。そして、第3取付孔12cは、第2取付孔12bと垂直に連結され、後面ブロック23が挿入されて搭載される。第3取付孔12cにプローブユニット20の後面ブロック23の一部が挿入され、後面ブロック23の上部の圧電ウェーハ25、音響整合層27及び接地フィルム29は、第3取付孔12cの外部に突出する。
ハウジング10の取付孔12は、プローブユニット20が安定的に挿入されて固定されることができるように、プローブユニット20の形態に対応するように形成される。例えば、プローブユニット20の第1接続ピン22及び連結バー21は、断面が円形で形成される場合、第1及び第2取付孔12a、12bも、断面が円形で形成される。プローブユニット20の後面ブロック23の上側部分は、断面が四角形で形成される場合、第3取付孔12cは、断面が四角形の孔で形成される。
そして、プローブユニット20は、ハウジング10の取付孔12に接着剤を介して固定設置されるか、または締りばめ方式で固定設置されることができる。または、プローブユニット20をハウジング10の取付孔12にねじ結合方式で設置されることができる。または、その他の多様な方式でプローブユニット20をハウジング10の取付孔12に設置することができる。
このように本実施例による超音波プローブ100は、ハウジング10に複数のプローブユニット20が設置され、ハウジング10の上部に球面を形成するので、複数のプローブユニット20を制御することによって、超音波(音響)特性を向上させることができる。プローブユニット20は、球面の中心で一定半径の外部から球面の端部まで複数の環状の領域に沿って設置され、当該環を複数個に分割する形態を有するので、プローブユニット20とプローブユニット20との間の空き空間による音響損失を抑制し、超音波特性を向上させることができる。また、隣り合う環に形成されたプローブユニット20は、互いにずれるように形成することによって、超音波特性を向上させることができ、プローブユニット間の結合力を向上させることができる。
本実施例による超音波プローブ100のプローブユニット20は、銅材の連結バー21を介して下部に第1接続ピン22が形成され、上部に後面ブロック23、圧電ウェーハ25、音響整合層27及び接地フィルム29が形成された構造を有するので、連結バー21を介した熱放出効率を向上させることができる。
本実施例による超音波プローブ100は、ハウジング10に形成された取付孔12にプローブユニット20を挿入して製造するので、製造工程が単純である。また、ハウジング10からプローブユニット20を設置及び分離が可能なので、個別プローブユニット20の単位で維持補修作業を行うことができる。したがって、超音波プローブ100の特定部分の損傷に起因して超音波プローブ100の全体を交替することによって発生する費用損失を抑制することができる。
このような本実施例による超音波プローブ100を製造する方法を説明すれば、次の通りである。まず、ハウジング10と、ハウジング10の各環の取付孔12に挿入される複数のプローブユニット20を準備する。
次に、ハウジング10の貫通孔14に近接した側に位置する取付孔12にプローブユニット20を挿入した後、接着剤を介して固定設置する。この際、プローブユニット20は、環状を形成する。次に、ハウジング10に固定設置されたプローブユニット20に隣り合う取付孔12に、前述した方式と同一の方式でプローブユニット20を固定設置する。このような方式でハウジング10の貫通孔14に近接した側から遠い側に順次にプローブユニット20をハウジング10の取付孔12のすべてに挿入及び固定設置する。
そして、複数のプローブユニット20が形成する球面をカバー層40で覆うことによって、本実施例による超音波プローブ100の製造工程が完了する。この際、カバー層40は、接着またはコーティング方式でプローブユニット20が形成する球面を覆うように形成することができる。
この際、本実施例による超音波プローブ100の製造において、ハウジング10の内側からまずプローブユニット20を設置した理由は、後面ブロック23の傾斜面の下側に向かって少し突出した形態で圧電ウェーハ25、音響整合層27及び接地フィルム29が積層された構造を有するからである。
一方、後面ブロックの傾斜面に隣り合う外側面からはずれないように、圧電ウェーハ、音響整合層及び接地フィルムが積層されたプローブユニットを使用する場合、本発明の実施例による製造方法に開示されたように積層する必要はない。すなわちプローブユニットは、後面ブロックの外側面からはずれないように、圧電ウェーハ、音響整合層及び接地フィルムが積層された構造を有するので、同じ環を形成する部分に同一のプローブユニットを設置する場合、手順に関係なく、プローブユニットをハウジングに挿入して設置することができる。
なお、本明細書と図面に開示された本発明の実施例は、理解を助けるために特定例を提示したものに過ぎず、本発明の範囲を限定しようとするものではない。ここに開示された実施例以外にも、本発明の技術的思想に基づく他の変形例が実施可能であることは、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に自明である。

Claims (15)

  1. 上部の端縁で内側に向かって凹設されていて、前記上部の中心で一定半径の外側から端部まで均一に複数の取付孔が形成されたハウジングと;前記複数の取付孔にそれぞれ設置され、前記ハウジングの上部に球面を形成する複数のプローブユニットと;を含むことを特徴とする超音波プローブ。
  2. 前記プローブユニットは、
    電気及び熱伝導性を有する連結バーと;
    前記連結バーの下部面に形成され、前記ハウジングの取付孔を通じて前記ハウジングの下部に突出する第1接続ピンと;
    前記連結バーの上部面に形成され、前記球面を形成するための傾斜面が形成された後面ブロックと;
    前記後面ブロックの傾斜面に形成された圧電ウェーハと;
    前記圧電ウェーハの上部面に形成された複数の音響整合層と;
    を含むことを特徴とする請求項1に記載の超音波プローブ。
  3. 前記プローブユニットは、前記音響整合層の上部面に形成され、前記球面を形成する接地フィルムをさらに含むことを特徴とする請求項2に記載の超音波プローブ。
  4. 前記ハウジングには、放射状に前記取付孔が形成されることを特徴とする請求項3に記載の超音波プローブ。
  5. 前記ハウジングは、前記球面の中心で一定半径の外部から前記球面の端部まで複数の環状の領域に沿って前記複数の取付孔が形成されることを特徴とする請求項3に記載の超音波プローブ。
  6. 前記第1接続ピンの上部に形成された後面ブロック、圧電ウェーハ、音響整合層及び接地フィルムは、前記ハウジングの中心を向く側の第1長さが、前記ハウジングの端部を向く側の第2長さより短いことを特徴とする請求項3または4に記載の超音波プローブ。
  7. 同じ環に形成された前記プローブユニットは、同一の形態を有することを特徴とする請求項5に記載の超音波プローブ。
  8. 前記ハウジングの中心から端部に行くほど前記プローブユニットの長さが増加し、前記ハウジングの下部に突出する第1接続ピンの長さは同一であることを特徴とする請求項7に記載の超音波プローブ。
  9. 異なる環に位置する前記プローブユニットの連結バーの長さが互いに異なり、前記ハウジングの中心から端部に行くほど増加することを特徴とする請求項8に記載の超音波プローブ。
  10. 前記プローブユニットの連結バーは、
    下部に前記第1接続ピンが挿入されて結合される第1ピン孔が形成されていることを特徴とする請求項3に記載の超音波プローブ。
  11. 前記プローブユニットの後面ブロックは、下部に第2接続ピンが突出していて、
    前記プローブユニットの連結バーは、上部に前記第2接続ピンが挿入されて結合される第2ピン孔が形成されることを特徴とする請求項10に記載の超音波プローブ。
  12. 前記ハウジングに形成された取付孔は、
    前記ハウジングの下部に形成され、前記第1接続ピンが挿入されて突出する第1取付孔と;
    前記第1取付孔と垂直に連結され、前記連結バーが挿入される第2取付孔と;
    前記第2取付孔と垂直に連結され、前記後面ブロックが挿入されて搭載される第3取付孔と;
    を含むことを特徴とする請求項11に記載の超音波プローブ。
  13. 前記プローブユニットの連結バーの素材は、銅であることを特徴とする請求項3に記載の超音波プローブ。
  14. 前記プローブユニットの後面ブロックの素材は、グラファイトであり、前記圧電ウェーハの素材は、PZTまたはPMN−PTであり、前記接地フィルムは、ポリイミドフィルムであることを特徴とする請求項3に記載の超音波プローブ。
  15. 前記複数のプローブユニットが形成する球面を覆って保護するカバー層;
    をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の超音波プローブ。
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