KR100647025B1 - 고주파 초음파 프로브를 이용하여 인간 또는 동물의 조직을 조사 및 표시하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 특히 컴퓨터에 의해 제어되는 3차원 위치결정 장치(2)에 의해 조종되는 헤드에 의해 지지되는 초음파 프로브(1)를 조직 구조에 대해 수직으로 위치시키고; 소정의 조직 구조 영역에 초점 정합되는 수렴성 고주파 초음파 빔(약 50MHz)을 20 내지 30mm의 수직 침투 거리에 걸쳐 발생시키도록, 프로브를 제어하고; 조직 구조를 컴퓨터(3)-제어된 위치결정 장치(2)에 의해 스캐닝하는 동시에 컴퓨터(3)로 조직 구조에 의해 반사된 신호를 획득하고; 다양한 신호 처리 작업을 스캐닝으로부터 도출된 데이터를 바탕으로 수행하여, 정보의 재현성을 개선하고 시행자에 의한 이의 이해를 촉진시키는 것으로 이루어진, 인간 또는 동물의 조직의 조사 및 표시 방법에 관한 것이다.

컴퓨터, 3차원 위치결정 장치, 헤드, 초음파 프로브, 조직 구조, 수렴성 고주파 초음파 빔, 스캐닝

Description

고주파 초음파 프로브를 이용하여 인간 또는 동물의 조직을 조사 및 표시하는 방법{Method for exploring and displaying tissues of human or animal origin from a high frequency ultrasound probe}

본 발명은 초음파 검사 기술을 사용하여, 인간 또는 동물의 조직 구조, 예를 들어, 특히 안구, 보다 특히 후방 체절(초자체강, 맥락막 및 망막에 의해 가려져 있는 안구의 후방 벽, 황반부)의 조직 구조, 및 전방 체절(각막, 전방, 홍채 및 수정체)의 조직 구조를 조사하고 표시하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 조사 및 표시가 2D 또는 3D로 이루어질 수 있도록 하는 장치 및 초음파 프로브에 관한 것이다.

초음파 영상화 및 보다 특히 의료용 초음파 검사에서, 주파수의 선택은 해상도와 침투 깊이를 절충하여 결정된다. 구체적으로, 주파수가 증가함에 따라 초음파 파장의 감쇠도가 증가하기 때문에, 주파수를 감소시킴에 따라 초음파의 침투 깊이는 증가한다. 그러나, 영상 해상도는 주파수가 감소함에 따라 감소한다.
또한, 인간 조직의 조사 및 표시 방법이 문헌 미국 특허 제5,178,148호를 통해 공지되어 있는데, 상기 방법에 의해 조종되는 프로브로부터 발생하는 신호를 사용하여 종양의 용적 또는 선(gland)의 용적이 측정된다.
약 10MHz의 저주파에서 작동하고 안구의 크기와 거의 같은 깊이(약 23 내지 25mm)에 초점 정합되는 프로브를 사용하는 초음파 검사에 의해 안구 구조를 조사하는 방법이 특히 프랑스 특허 제2,620,327호를 통해 공지되어 있다. 이들 방법에 의해 안구의 후방 체절부내의 영상을 약 1밀리미터의 공간 해상도에 의해 달성할 수 있는 한편, 안구의 전체 전방 체절의 매우 개략적인 조사를 수행할 수 있다.

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저주파 초음파 검사의 주요 단점은 주로 이들ㅌ상도(600 내지 700㎛)인데, 망막 및 안구 후방 벽의 다른 층(맥락막 및 공막), 특히 황반부 부위 내의 세부 분석이 가능하지 않다는 점이다.

측방향 및 축방향 해상도 둘 다를 증가시키기 위해, 짧은 초점 길이(약 4 내지 8mm)로 약 50 내지 100MHz의 고주파에서 초음파 프로브를 사용하여, 50㎛의 해상도로 약 5mm의 깊이까지 안구의 전방 체절 구조, 또는 전방 체절에 매우 가까운 주변 망막 구조를 조사하고 표시하는 방법[참고문헌: 미국 특허 제5,551,432호 및 C.J. PAVLIN, M.D. SHERAR, F.S. FOSTER: "Subsurface ultrasound microscopic imaging of the intact eye", Ophthalmology 97: 244, 1990]이 사용 가능하게 되었다.

따라서, 결론적으로, 깊은 구조(후방 체절)의 조사는 단지 매우 낮은 공간 해상도를 제공하는, 수백 미크론의 보다 저주파의 사용을 필요로 하는 한편, 고주파의 사용은 전방 체절 및 주변 망막의 조사에 제한되는 것으로 보인다.

본 발명의 목적은 매우 높은 공간 해상도와 안구의 전방 및 후방 체절을 포함하는 조사 분야 둘다를 양립시키는 고주파 초음파 프로브를 사용하는 조사 및 표시 방법을 제안함으로써, 공지된 선행 기술 단점을 경감시키는 것이다.

상기 목적을 위해, 인간 또는 동물 조직의 조사 및 표시 방법은 다음을 특징으로 한다:

- 3차원 위치결정 장치, 특히 컴퓨터에 의해 제어되는 장치에 의해 조종되는 헤드에 의해 지지되는 초음파 프로브를 조직 구조에 대해 수직으로 위치시키고;

- 소정의 조직 구조 영역에 초점 정합되는, 공칭 주파수가, 조사된 구조에 의해 반사된 주파수에 적합한 광범위한 대역폭으로 30 내지 100MHz 범위내에 포함되는 수렴성 고주파 초음파 빔을 발생시키도록, 프로브를 제어하고;

- 컴퓨터에 의해 조종되는 위치결정 장치로 조직 구조를 스캐닝하는 동시에 컴퓨터로 조직 구조에 의해 반사된 신호를 획득하고;

- 스캐닝으로부터 도출된 데이터를 바탕으로 다양한 신호 처리 작업을 수행하여, 정보의 재생을 개선하고 의사들의 정보 해석을 촉진한다.

본 발명의 또 다른 유리한 특징에 따라, 공칭 주파수가, 조사된 구조에 의해 반사된 주파수에 적합한 광범위한 대역폭을 갖는 30 내지 100MHz 범위 내에 포함되는 초음파 빔을 발생시키도록, 프로브를 여기시킨다.

본 발명의 또 다른 유리한 특징에 따라, 초음파 빔을 20 내지 30mm의 수직 침투 거리에 걸쳐 초점 정합시킨다.

본 발명의 기타 특징 및 이점은 본 발명의 실시예를 도시하는 첨부된 도면을 참조로 하여, 아래에 기재된 설명으로부터 도출되는데, 상기 실시예들은 본 발명을 제한하는 것이 아니다. 도면에서:

- 도 1은 본 발명의 특징을 형성하는 방법을 수행가능하게 하는 장치의 개관도이고;

- 도 2는 안구의 후방 체절 조사를 위해 본 발명의 특징을 형성하는 방법의 이용을 도시하는 도면이고;

- 도 3은 안구의 전방 체절 조사를 위해 본 발명의 특징을 형성하는 방법의 이용을 도시하는 도면이고;

- 도 4a는 전자적으로 변경시킬 수 있는 초점을 갖는 동심원 어레이로 구성된 초음파 프로브의 한 실시예의 전면도를 도시하고, 도 4b는 위상차가 어레이를 구성하는 다수의 원 사이에서의 송신 또는 수신시 유입된 동일한 프로브의 측면도를 도시하고;

- 도 5는 다이나믹 포커싱 프로브(dynamic focusing probe)를 이용하여, 안구의 전방 체절 조사를 위해 본 발명의 특징을 형성하는 방법의 이용을 도시하는 도면이고;

- 도 6은 다이나믹 포커싱 프로브를 사용하여, 안구의 후방 체절 조사에 본 발명의 특징을 형성하는 방법을 이용함을 예시하는 도면이고;

- 도 7은 매크로스코픽한(macroscopic) 조직(histological) 영상화에 의해 획득된, 시험관 내 인간 안구의 황반부 부위(우측)와 본 발명의 특징을 형성하는 방법으로부터 나타난 영상(좌측)(여기서, P는 망막 추벽이고, R은 망막이고, S는 공막이고, V는 유리체액이다)과의 비교를 보여주는 것이고;

- 도 8은 본 발명의 특징을 형성하는 방법에 의해, 래빗 안구의 전방 체절로부터 획득된 영상(여기서, C는 각막이고, I는 홍채이고, S는 공막이고, Cr은 수정체의 전방 표면이다)이다.

도 1에 도식적으로 도시된 발명의 특징을 형성하는 방법 및 상기 방법의 실행을 가능하게 하는 장치가, 상기 방법은 하나 이상의 방향으로 고정될 수 있는 3차원 X, Y, Z로 접합되어 있으며, 컴퓨터(3)에 의해 제어되는 서보 제어 위치결정 장치(2)에 의해 조종되는 헤드 내에 장착된 초음파 프로브(1)를 특히 조사할 매체에 대해 수직 방향으로 위치시키는 것으로 이루어져 있다.

상기 초음파 프로브(1)는 주로 송신기(transmitter)/수신기(receiver)(4)에 의해 제어되는 변환기(transducer), 특히 PVDF(폴리비닐리덴 디플루오라이드)로 제조된 변환기로 이루어져 있어, 구형 또는 선형 프로파일을 채택할 수 있는 수렴성, 광대역, 초음파 빔을 발생시킨다.

다음, 도 2는 초음파의 전파를 감쇠시키지 않는 커플링 매체(6), 특히 망막 부위내로 미리 삽입시킨 안구의 후방 체절(5)의 조사를 도시한다. 평면부(7) 상에 위치시킨 프로브(1)는 수정체(8)(상기 수정체는 또한 안구(5)의 후방 체절(9)과 전방 체절(10) 사이에 경계를 표시한다)에 의한 초음파 빔의 흡수를 방지하기 위해 이용된다. 상기 프로브(1)는 사실상 안구의 평균 깊이에서의 초점에 해당하는, 20 내지 30mm, 바람직하게는 25mm의 초점 길이에 초점 정합되는, 50 내지 15㎛에 이르는 파장을 포함한, 30 내지 100MHz에 이르는 공칭 광대역 주파수 범위 내의 초음파 세트의 빔을 송신한다.

예를 들어, 공칭 주파수 50MHz를 갖는 프로브의 경우, 각각 220㎛ 및 70㎛인 측방향 해상도 및 축방향 해상도가 초점 길이에서 획득한다.

수신 장치는, 통과하는 매질에 의한 감쇠로 인해 송신된 주파수보다 낮은, 구조에 의해 반사된 주파수에 적합한 대역폭을 가질 수 있다.

전방 체절을 조사하기 위해(도 3 참조), 상기 프로브(1)는 전술한 초점 길이에 해당하는 거리에서의 수직 축(Z 축) 상의 위치 오프셋에서 상기한 바와 동일한 제어 조건하에 사용된다.

또 다른 실시예에 따라, 특히 수직 침투 축 상의 초점 길이는 기계적인 서보 제어 장치(2)에 의해서는 위치 변경되지 않으나, 프로브를 조종하는 전자 또는 디지털 장치에 의해서는 위치 변경되므로, 안구의 전방 체절 및 후방 체절의 고해상도 영상을 동시에 획득하기 위해, 프로브의 포커싱 부위를 신중한 코맨드(careful command)로 변경시킬 수 있다. 전자 또는 디지털 제어 방법에 의해 수행되는 다이나믹 포커싱을 사용하는 상기 프로브는 평면 상에 일정한 간격으로 배치된 다수의 동심원 변환기로 이루어진 원형 대칭, 또는 구형 오목면을 갖는 다중 소자 프로브로 구성되어 있다(도 4a 참조). 이들 변환기는 상호 독립적이며, 송신 및 수신 시에 펄스에 의해 개별적으로 제어된다(위상차-시간 지연-를 다수의 링 사이의 송신부로 유입시킴으로써 획득된 다이나믹 포커싱을 도시하는 도 4b 참조).

송신 시에, 형성된 파면은 수렴되고, 이의 곡률은 조사된 구조와 프로브 사이의 거리에 따라 변경된다. 주변 원이 먼저 송신하고 중심원의 여기가 가장 지연된다. 이와 같이, 프로브의 축을 따라 초점 길이가 변화할 수 있으며, 따라서 상기 초점 길이가 다수의 변환기 사이에 유입된 위상차 또는 시간 지연에 의해 결정된다. 다이나믹 포커싱의 동일한 원리가 수신 시에 사용된다: 전자 지연을 프로브에 도달하는 그때의 에코(echo)의 깊이에 맞춰 조정한다. 상기 방식에서는, 필드의 깊이가 측방향 해상도를 저하시키지 않으면서 증가된다.

각 구성요소 (디지털화 장치(11), 컴퓨터(3), 제어 전자기기(2), 송신기/수신기(4) 등)으로 형성된 측정 장치는 안구의 전방 체절로부터 발생된 신호 및/또는 후방 체절로부터 발생된 신호의 처리 및 분석에 적합한 대역폭을 가지며, 조사된 구조에 의해 후방산란된 신호의 처리를 가능하게 한다. 이와 같이, 후방산란된 초음파 신호는 증폭된 후, 디지털화 장치(11)를 사용하여 주어진 샘플링 주파수(특히 8bit에 약 400MHz)로 디지털화된다.

이 컴퓨터는 또 다른 측정점을 허용하기 위해 X 및 Y 방향을 따라 정의된 단계로 또는 아치형 스캔을 가능하게 하는 프로브 지지 헤드를 사용하여 R,Ω 단계로 프로브를 이동시키고 초음파 빔을 샘플 상에 스캐닝하기 위해, DC 모터 상의 스텝퍼를 제어한다.

생체 내 측정 및 조사의 경우, 안구의 안와에서의 와류 운동의 문제점을 극복하기 위해, 실시간으로 신호를 처리하고, 이용가능한 극도로 신속하고 정확한 프로브 이동 장치를 가지는 것이 필요하다.

또 다른 특징에 따라, 상기 컴퓨터에는 영상 및 무선주파수 신호 처리용 모듈이 장착되어 있다. 이 모듈은 2가지 계량적(quantitative) 접근법, 즉, 2D 및/또는 3D 생체측정(biometry) 및 조직 특성화(tissue characterization)을 수행가능하게 하는 프로그래밍된 소프트웨어를 가지고 있다.

초음파검사 신호는 A-스캔 라인 형태 또는 B-스캔 유형의 2D 영상 형태로 실시간 도시될 수 있다. B-스캔 영상은 초음파의 전파 방향과 평행인 다양한 면의 섹션을 표시할 수 있다(도 7 및 도 8 참조). 또한, C-스캔 유형의 2D 영상은 초음파의 전파 방향과 수직인 면의 섹션을 표시하도록 계산될 수 있다. C-스캔은 전체 안구의 상이한 깊이에 위치하는 부위를 보여줄 수 있다.

3D 영상의 계산 및 재구성은 처리될 초음파 데이터에 특정한 프로그래밍된 수학적 함수를 사용하여 수행될 수 있다.

이와 같이, 조사된 구조내에서의 초음파의 전파 속도가 알려져 있는 한, 이들 구조의 형태학적 특성, 특히 이의 두께 및/또는 이의 용적을 측정할 수 있다.

고주파 신호의 처리 소프트웨어는, 조직 특성화의 목적으로 계량적 초음파 파라미터(parameter)를 계산하기 위해, 디지털화되고 기록된 후방산란된 신호의 주파수를 분석할 수 있다. 이들 파라미터는 특히 dB/cm.MHz(데시벨/cm.메가헤르츠) 단위의 감쇠 계수, dB/cm 단위의 전체 감쇠 계수, dB/cm.MHz 단위의 후방산란 계수 및 dB/cm 단위의 전체 후방산란 계수이다.

이들 파라미터는 국부적으로 평가될 수 있고, 이들의 값은 영상 형태(파라미터 표시 영상)로 제시될 수 있다.

물론, 고주파 신호 및 영상을 처리하기 위해, 안구의 구조를 특성화시킬 수 있는 계량적 형태학 및/또는 조직 정보를 생성시킬 수 있는 또 다른 연산방식을 추가할 수 있다.

안구 및 전방 체절과 후방 체절 부위 둘다에 대한, 상기 조사 과정에 의해 획득되는 영상은 통상의 초음파 검사을 사용하여 획득된 것과 비교하여 2 내지 3개 이상의 인자에 있어 개선된 해상도를 가지고, 특히 백내장 및 출혈의 존재에 의해 품질 상에 영향을 받을 수 있는 통상의 광학 조사 수단(생체현미경검사법 및 혈관촬영법)을 사용할 경우, 매체의 투명도에 의해 제한받지 않는다.

예로써, 도 7은 인간 안구 황반부의 조직학적 영상 및 초음파검사 영상(시험관내)간의 유사성을 도시하고, 도 8은 래빗 안구의 전방 체절의 영상을 도시한다.

상기한 것들과 같은, 이의 실행을 가능하게 하는 방법 및 장치는 안과학에서의 응용에 제한되지 않으며, 부인과학 및 산과학, 위장병학, 및 심장혈관 조사 및 복강경검사법에 의한 조사 분야, 또는 피부과학에서 및 보다 일반적으로 사용적합한 신호를 반사하는 매질에서 응용될 수 있다.

특히, 피부과학 분야에서, 본 발명의 특징을 형성하는 조사 및 표시 방법을 사용하여, 피부를 구성하는 조직의 다양한 두께를 조사할 수 있다. 이와 같이, 예를 들어, 신호를 처리함으로써, 피부 수화 정도를 평가하고, 조직의 유합을 평가하고, 종양을 국부화시키고 조사하고, 마지막으로, 보다 일반적으로 피부과학에서 널리 발생하는 다수의 병변을 조사하는 방식을 이용할 수 있다.

초음파 빔의 초점 또는 초점 영역은 수십 밀리미터 내지 수 밀리미터에 이르는 범위내로 조정될 것이며, 사용되는 주파대는 30 내지 100MHz일 것이다.

본 발명이 상기에 기술되고 제시된 실시예에 제한되지 않으며, 이의 변형을 모두 포함함은 물론이다.

Claims (12)

1. 인간 또는 동물 조직의 조사 및 표시 방법에 있어서,

   - 컴퓨터(3)에 의해 제어되는 3차원 위치결정 시스템(2)에 의해 조종되는 헤드에 의해 지지되는 초음파 프로브(1)를 상기 조직 구조에 대해 수직으로 위치시키는 것;

   - 상기 프로브를 초음파 빔을 발생시키도록 제어하는 것;

   - 상기 조직 구조를 상기 위치결정 시스템으로 스캐닝하는 동시에 상기 조직 구조로부터 반사된 신호를 획득하는 것; 및

   - 스캐닝으로부터 도출된 데이터로부터의 신호를 처리하는 것을 포함하며, 상기 처리는 발생된 초음파가 상기 조사된 구조로부터 반사된 주파수에 적합한 넓은 통과 대역의 30 내지 100MHz 범위 내에 포함되는 공칭 주파수를 갖고, 20 내지 30mm 사이의 수직 침투 거리에 걸쳐 상기 조직 구조의 주어진 영역에 초점 정합되는 수렴성, 고주파임을 특징으로 하는, 방법.
2. 제1항에 있어서,

   안구의 후방 체절의 조사에 적용할 수 있음을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   안구의 전방 체절의 조사에 적용할 수 있음을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   인간 안구의 조사에 적용할 수 있음을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서,

   스캔될 상기 조직은 부인과학, 산과학, 위장병학, 심장혈관 조사, 복강경검사법 또는 피부과학으로 이루어진 그룹에서 선택된 검사 중에 조사되는, 방법.
6. 조직 구조의 스캐닝된 초음파 영상을 표시하는 장치에 있어서,

   기계적으로 움직이는(mechanical) 헤드에 장착된 초음파 프로브(1);

   상기 헤드를 장착하여 상기 프로브를 상기 조직에 대해 거의 수직으로 위치시키는 3차원 위치결정 시스템(2);

   상기 3차원 위치결정 시스템(2)을 제어하여 스캐닝하는 동안에 상기 프로브를 이동시키는 컴퓨터(3);

   공칭 주파수가 30 내지 100MHz의 범위 내에 포함되며 상기 조직에 의해 반사되는 주파수에 적합한 넓은 통과 대역을 갖는 고주파의 초음파를 전송하여, 매우 높은 공간 해상도와 안구의 전방 체절 및 후방 체절을 커버하는 조사 필드를 결합하는 상기 프로브(1);

   20mm 내지 30mm 사이의 수직 침투 거리에 걸쳐 상기 조직의 주어진 영역 내에 초음파 전송 빔을 초점 정합하는 수단,

   스캐닝하는 동안에 상기 조직에 의해 반사되는 신호를 획득하는 수단; 및

   상기 획득된 신호를 처리하여 상기 스캐닝된 조직의 영상을 형성하는 수단을 포함하는, 장치.
7. 제6항에 있어서,

   상기 초음파 프로브(1)의 초점을 조정하기 위해, 상기 프로브(1)의 초점 거리가 전자 장치 또는 디지털 장치에 의해 변경되는 것을 특징으로 하는, 장치.
8. 제6항에 있어서,

   상기 초음파 프로브(1)의 초점 거리가 서보 제어되는 위치결정 시스템(2)에 의해 기계적으로 변경되는 것을 특징으로 하는, 장치.
9. 제6항에 있어서,

   상기 프로브(1)의 이동과 단계(R,Ω)에 의해 초음파 빔을 상기 조직 구조에 걸쳐 스캐닝하는 것을 보장하기 위해, 아치형 스캔을 가능하게 하는 프로브 지지 헤드를 사용하여 상기 컴퓨터(3)가 모터를 단계별로 제어하는 것을 특징으로 하는, 장치.
10. 제6항에 있어서,

    상기 프로브(1)의 이동과 단계(X,Y,Z)에 의해 초음파 빔을 상기 조직 구조 에 걸처 스캐닝하는 것을 보장하기 위해, 데카르트 스캔(cartesian scan)을 가능하게 하는 프로브 지지 헤드를 사용하여 상기 컴퓨터(3)가 모터를 단계별로 제어하는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제3항에 있어서,

    인간 안구의 조사에 적용할 수 있음을 특징으로 하는 방법.
12. 제3항에 있어서,

    스캔될 상기 조직은 부인과학, 산과학, 위장병학, 심장혈관 조사, 복강경검사법 또는 피부과학으로 이루어진 그룹에서 선택된 검사 중에 조사되는, 방법.

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