KR101028805B1

KR101028805B1 - 고강도 집속 초음파 트랜스듀서의 출력 조절 방법, 고강도 집속 초음파 시스템 및 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체

Info

Publication number: KR101028805B1
Application number: KR1020090041462A
Authority: KR
Inventors: 이재문
Original assignee: 주식회사 퍼시픽시스템
Priority date: 2009-05-13
Filing date: 2009-05-13
Publication date: 2011-04-12
Also published as: KR20100122533A

Abstract

복수의 엘리먼트들을 포함하는 고강도 집속 초음파(high intensity focused ultra sound; HIFU) 트랜스듀서의 출력 조절 방법은 초점 및 반초점(anti-focus)을 형성하기 위하여 상기 복수의 엘리먼트들 각각의 채널별 출력 조건(상기 출력 조건은 위상 및 진폭 조건을 포함)을 계산하는 단계, 상기 계산된 출력 조건을 기초로 하여 상기 고강도 집속 초음파의 출력을 제어하는 출력 조절 하드웨어의 특성을 반영하여 각 채널별 출력 조건을 재계산하는 단계, 상기 재계산된 출력 조건을 기초로 하여 상기 엘리먼트들 각각의 출력 음장을 시뮬레이션하는 단계 및 상기 시뮬레이션된 출력 음장에 기초하여 상기 출력 음장에 따른 온도 변화를 시뮬레이션하는 단계를 포함한다.

Description

고강도 집속 초음파 트랜스듀서의 출력 조절 방법, 고강도 집속 초음파 시스템 및 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체{Method of controlling HIFU tranducer, HIFU system and computer readable medium}

본 발명은 초음파를 이용한 치료 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고강도 집속 초음파(high intensity focused ultrasound; HIFU)를 이용하는 치료 장치에 관한 것이다.

의학의 발달과 더불어 종양에 대한 국소치료는 광범위치근술로부터 기능보존술로 발달하고 이것은 다시 최소침습적 수술로 발전하여 왔다. 그러나 최근들어서는 기술의 혁명적인 진보로 비침습적 수술이 개발되어 여러 가지 수술방법등이 출현하게 되었다.

이 중 감마나이프는 뇌종양 치료에 국한되고 사이버나이프는 전신치료용으로 개발되었으나 이들은 치료원으로 각각 방사성 동위원소(Co-60) 및 X-선을 사용함으 로써 방사선치료에 따르는 여러 가지 문제점과 한계점을 그대로 가지고 있다.

이에 반해 가장 최근에 상용화된 하이푸나이프는 음파를 이용함으로써 인체에 무해하고 환경친화적인 치료범으로서 위의 두 치료기법이 가지는 여러 가지 문제점들을 극복할 수 있다.

강력집속초음파의 조사로 인한 종양 내 에너지 축적은 크게 두 가지 효과, 즉 온열 효과(hyperthermal effect)와 물리적 효과(mechanical effect)를 나타낸다.

한 부분에 집속된 강력 초음파는 부분적으로 열에너지로 전환되면서 순간적으로 70℃ 이상 올라가게 되고 조직과 혈관에 응고성 괴사를 일으키게 된다. 이 때 온도상승은 급속히 그리고 순간적으로 일어나기 때문에 주변조직으로서 열확산은 발생하지 않는다.

음파에 의한 물리적 효과로는 공동화(cavitation)에 의한 조직파괴 현상이다. 인체가 강력 초음파에 노출되면 음파의 음압(negative part)에 의한 저기압으로 세포 내 수분이 가스상(gas phase)으로 들어가면서 미세기포(microbubble)를 발발생시키고 이것이 공명현상을 일으킬 정도로 커지면 갑자기 터지면서 고압의 충격파를 발생시켜 조직을 파괴시키게 된다.

이 두 가지 효과는 거의 동시에 일어나게 되고 이로 인한 치료부위의 육안적인 변화는 초음파 조사후 1~2주 후에 응고성 괴사가 일어나면서 치료부위와 주변의 정상부위가 명확히 구분되고 그 경계부는 보다 딱딱하게 느껴진다.

하지만 종래의 HIFU를 이용한 치료에서는 치료에 시간이 많이 걸린다는 단점 이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 다중 초점 알고리즘을 이용한 치료기법이 대두되었으나 종래의 다중 초점 방법에서는 각 초점에서의 음장이 일정하다는 제약이 있고, 특히 여러개의 초점이 가까운 위치에 형성되는 경우 side lobe의 중첩으로 인하여 예상치 못한 새로운 초점이 형성되어 치료 부위 주변의 보호되어야 하는 주요 신체기관을 보호하지 못하는 경우가 발생한다.

이에 따라, 본 발명의 일 목적은 출력이 제로가 되는 반초점을 추가할 수 있는 HIFU 트랜스듀서의 출력 조절 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 HIFU 트랜스듀서의 출력 조절 방법을 채용하여 환자를 치료할 때 혈관등의 주요부위를 보호할 수 있는 HIFU 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 HIFU 트랜스듀서의 출력 조절 방법이 저장되어 실행될수 있는 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장 매체를 제공하는데 있다.

상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 엘리먼트들을 포함하는 고강도 집속 초음파(high intensity focused ultra sound; HIFU) 트랜스듀서의 출력 조절 방법은 초점 및 반초점(anti-focus)을 형성하기 위하여 상기 복수의 엘리먼트들 각각의 채널별 출력 조건(상기 출력 조건은 위상 및 진폭 조건을 포함)을 계산하는 단계; 상기 계산된 출력 조건을 기초로 하여 상기 고강도 집속 초음파의 출력을 제어하는 출력 조절 하드웨어의 특성을 반영하여 각 채널별 출력 조건을 재계산하는 단계; 상기 재계산된 출력 조건을 기초로 하여 상기 엘리먼트들 각각의 출력 음장을 시뮬레이션하는 단계; 및 상기 시뮬레이션된 출력 음장에 기초하여 상기 출력 음장에 따른 온도 변화를 시뮬레이션하는 단계를 포함한다.

실시예에 있어서, 상기 HIFU 트랜스듀서의 출력 조절 방법은 상기 출력 조절 하드웨어와 연결된 메인 콘솔에 포함되는 초점 및 반초점 형성 모듈에 의하여 수행될 수 있다. 상기 초점 및 반초점 형성 모듈은 상기 HIFU 트랜스듀서에 포함되는 각 엘리먼트들의 크기를 재조절하여 시뮬레이션할 수 있다. 상기 초점 및 반초점 형성 모듈은 상기 HIFU 트랜스듀서의 모양을 조절하여 시뮬레이션할 수 있다. 상기 초점 및 반초점 형성 모듈은 상기 HIFU 트랜스듀서에 포함되는 각 엘리먼트들에 가중치를 부여하여 시뮬레이션할 수 있다. 상기 초점 및 반초점 형성 모듈은 상기 HIFU 트랜스듀서의 출력을 비선형적으로 시뮬레이션할 수 있다.

상술한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 HIFU 시스템은 복수의 엘리먼트들을 포함하며, 영상장치에 기초한 환부에 초점 및 반초점을 포함하는 고강도 집속 초음파(HIFU) 필드를 생성하는 고강도 집속 초음파(high intensity focused ultra sound; HIFU) 트랜스듀서; 상기 복수의 엘리먼트들 각각의 채널별 출력 조건(상기 출력 조건은 위상 및 진폭 조건을 포함)을 조절하는 출력 조절 하드웨어; 및 상기 초점 및 반초점을 형성하기 위하여 상기 복수의 엘리먼트들 각각의 채널별 출력 조건을 시뮬레이션하여 상기 시뮬레이션된 채널별 출력 조건에 관한 정보를 상기 출력 조절 하드웨어에 전달하는 메인 콘솔을 포함한다.

실시예에 있어서, 상기 메인 콘솔은 상기 복수의 엘리먼트들 각각의 채널별 출력 조건을 시뮬레이션하는 초점 및 반초점 형성 모듈을 포함할 수 있다.

상기 초점 및 반초점 형성 모듈은 상기 초점은 상기 환부에 위치되도록 하 고, 상기 반초점은 보호해야할 부위에 위치하도록 할 수 있다.

상기 초점 및 반초점 형성 모듈은 상기 HIFU 트랜스듀서의 모양을 조절하여 시뮬레이션할 수 있다.

상기 초점 및 반초점 형성 모듈은 상기 HIFU 트랜스듀서에 포함되는 각 엘리먼트들에 가중치를 부여하여 시뮬레이션할 수 있다.

상기 초점 및 반초점 형성 모듈은 상기 HIFU 트랜스듀서의 출력을 비선형적으로 시뮬레이션할 수 있다.

실시예에 있어서, 상기 출력 조절 하드웨어는 상기 메인 콘솔과 연결되어 상기 시뮬레이션된 출력 조건을 제공하는 통신 및 제어 유닛; 상기 통신 및 제어 유닛과 연결되어 상기 시뮬레이션된 출력 조건에 따른 출력 신호를 제공하는 파워 앰프; 및 상기 통신 및 제어 유닛과 연결되어 상기 파워 앰프의 파워를 제어하는 파워 제어부를 포함할 수 있다.

실시예에 있어서, 상기 초점 및 반초점 형성 모듈은 상기 복수의 엘리먼트들 각각의 채널별 출력 조건을 계산하고; 상기 계산된 출력 조건을 기초로 하여 상기 고강도 집속 초음파의 출력을 제어하는 상기 출력 조절 하드웨어의 특성을 반영하여 각 채널별 출력 조건을 재계산하고; 상기 재계산된 출력 조건을 기초로 하여 상기 엘리먼트들 각각의 출력 음장을 시뮬레이션하고; 및 상기 시뮬레이션된 출력 음장에 기초하여 상기 출력 음장에 따른 온도 변화를 시뮬레이션할 수 있다.

상기한 본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따르면 복수의 엘리먼트들을 포함하는 고강도 집속 초음파(high intensity focused ultra sound; HIFU) 트랜스듀서의 출력을 조절하는 출력 조절 하드웨어에 연결되는 컴퓨터에, 초점 및 반초점(anti-focus)을 형성하기 위하여 상기 복수의 엘리먼트들 각각의 채널별 출력 조건(상기 출력 조건은 위상 및 진폭 조건을 포함)을 계산하는 단계; 상기 계산된 출력 조건을 기초로 하여 상기 고강도 집속 초음파의 출력을 제어하는 출력 조절 하드웨어의 특성을 반영하여 각 채널별 출력 조건을 재계산하는 단계; 상기 재계산된 출력 조건을 기초로 하여 상기 엘리먼트들 각각의 출력 음장을 시뮬레이션하는 단계; 및 상기 시뮬레이션된 출력 음장에 기초하여 상기 출력 음장에 따른 온도 변화를 시뮬레이션하는 단계를 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체가 제공된다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 다중 초점의 영향으로 생성되는 추가적인 초점을 제어할 수 있고, 이를 기반으로 특정 조직을 보호할 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하지만 , 본 발명이 하기의 실시예들에 제한되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지 다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

한편, 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정 블록 내에 명기된 기능 또는 동작이 순서도에 명기된 순서와 다르게 일어날 수도 있다. 예를 들어, 연속하는 두 블록이 실제로는 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 관련된 기능 또는 동작에 따라서는 상기 블록들이 거꾸로 수행될 수도 있다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 HIFU 트랜스듀서의 출력 조절 방법을 나타내는 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 복수의 엘리먼트들을 포함하는 HIFU 트랜스듀서의 출력 조절방법에서는, 초점 및 반초점(anti-focus)을 형성하기 위하여 상기 복수의 엘리먼 트들 각각의 채널별 출력 조건(상기 출력 조건은 위상 및 진폭 조건을 포함)을 계산한다(S110).

상기 계산된 출력 조건을 기초로 하여 상기 고강도 집속 초음파의 출력을 제어하는 출력 조절 하드웨어의 특성을 반영하여 각 채널별 출력 조건을 재계산한다(S120). 단계(S120)에서의 재계산은 상기 단계(S110)에서의 계산은 출력 조절 하드웨어(도 3 참조)의 특성을 반영하지 못한 이상적인 계산이므로 실제의 출력 조절 하드웨어의 특성(상기 특성은 출력 조절 하드웨어의 구성, 예를 들어 출력 조절 하드웨어에 포함되는 파워 앰프의 구성 등을 고려)을 고려하여 HIFU 트랜스듀서의 출력 조건을 재계산하는 과정이다.

상기 재계산된 출력 조건을 기초로 하여 상기 엘리먼트들 각각의 출력 음장을 시뮬레이션한다(S130).

상기 시뮬레이션된 출력 음장에 기초하여 상기 출력 음장에 따른 온도 변화를 시뮬레이션한다(S140).

본 발명의 실시예에 따른 HIFU 트랜스듀서의 출력 조절 방법은 도 3의 출력 조절 하드웨어(300)에 연결되는 메인 콘솔(200)에 구비되는 초점 및 반초점 형성 모듈(220)에 의하여 수행될 수 있다. 상기 메인 콘솔(200)의 컴퓨터 장치일 수 있고, 상기 초점 및 반초점 형성 모듈은 컴퓨터 장치에 구현되는 소프트웨어 프로그램일 수 있다. 상기 초점 및 반초점 형성 모듈(220)은 HIFU 트랜스듀서(400)에 포함되는 각 엘리먼트들의 크기를 재조절하여 시뮬레이션할 수 있다. 또한 상기 초점 및 반초점 형성 모듈(220)은 HIFU 트랜스듀서(400)의 모양을 조절하여 시뮬레이션 할 수 있다. 또한 상기 초점 및 반초점 형성 모듈(220)은 상기 HIFU 트랜스듀서(400)에 포함되는 각 엘리먼트들에 가중치를 부여하여 시뮬레이션할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 HIFU 시스템을 이용한 치료시스템을 나타낸다.

도 2를 참조하면, HIFU 시스템을 이용한 치료시스템(10)에서는 이미지 장치(50)를 이용하여 환자(60)의 환부(예를 들어 암)를 확인하고 시술기반 정보를 획득한다. 이러한 시술기반 정보에 기초하여 HIFU 시스템(100)에서는 환자(60)에 대한 시술 계획을 세우고 사전 시뮬레이션을 행하며 이에 따라 시술을 하고 시술 결과를 예측할 수 있게 된다. HIFU 시스템(100)에서는 이러한 시뮬레이션에 기초하여 환자(60)의 환부에 HIFU 에너지를 전달하게 된다. HIHU 시스템(100)에서 환자(60)의 환부에 전달되는 HIFU 에너지는 초점 및 반초점을 포함하여 환자(60)의 주요 부위를 보호할 수 있게 된다.

도 3은 도 2의 HIFU 시스템(100)의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 3을 참조하면, HIFU 시스템(100)은 메인 콘솔(200), 출력 조절 하드웨어(300) 및 HIFU 트랜스듀서(400)를 포함한다.

도 3을 참조하면, 메인 콘솔(200)은 HIFU 트랜스듀서(400)의 형태정보(210)와 초점 및 반초점 형성 모듈(220)을 포함한다. 메인 콘솔(200)은 HIFU 트랜스듀서(400)의 각 엘리먼트들의 출력 조건을 먼저 초점 및 반초점 형성 모듈(220)을 통하여 시뮬레이션하고, 시뮬레이션된 채널별 출력 조건을 출력 조절 하드웨어(300)로 전달한다.

출력 조절 하드웨어(300)는 통신 및 제어 유닛(310), 파워 앰프(330) 및 파워 제어부(320)를 포함할 수 있다. 또한 출력 조절 하드웨어(300)는 정합 회로(340)를 더 포함할 수 있다. 통신 및 제어 유닛(310)은 메인 콘솔(200)로부터 제공받은 시뮬레이션된 채널별 출력 조건에 따라 파워 제어부(320), 파워 앰프(330) 및 매칭 회로(340)를 제어하여 시뮬레이션된 채널별 출력 조건에 따라 HIFU 트랜스듀서(400)의 각 엘리먼트들에서 HIFU 에너지가 조사될 수 있도록 한다. 구체적으로 상기 파워 앰프(330)는 상기 시뮬레이션된 출력 조건에 다른 출력 신호를 제공하고, 상기 파워 제어부(320)는 파워 앰프(330)의 파워를 조절한다. 또한 상기 정합 회로(340)는 HIFU 트랜스듀서(400)의 각 엘리먼트들 사이에서 발생할 수 있는 미스매치를 정합할 수 있다.

도 4는 도 3의 HIFU 트랜스듀서(400)가 513개의 사각형의 엘리먼트들로 구성되는 경우를 나타낸다.

사격형으로 이루어진 음파 변환기 소자에서의 출력은 소자의 크기와 주파수에 비하여 음장을 계산하고자하는 위치가 충분히 먼 경우 [수학식 1]과 같은 근사치로 표현할 수 있다.

[수학식 1]

이때 x, y, z 는 소자의 중심으로 부터의 위치를 나타내는 위치 변수들이며, ρ는 매질의 밀도, c는 음파의 전달 속도, △A는 소자의 면적, λ는 파장, △w는 소자의 너비, △h는 소자의 높이, R은 소자의 중심으로부터 거리, u _n 는 소자의 진동속도를 각각 의미한다. 또한 x' _n 과 y' _n 은 각각 n번째 소자의 중심으로부터의 거리를 의미한다. 따라서 소자의 수가 N개인 phased array에서 M개의 점에서의 압력을 나타낼 때 다음의 [수학식 2]로 표현이 가능하다.

[수학식 2]

이 때, p 는 M개의 열벡터, u 는 N개의 열벡터이며, H 는 MxN의 행렬식으로 다음의 [수학식 3]과 같다.

[수학식 3]

원하는 위치에 초점이 형성되도록 소자의 입력 조건을 생성하기 위하여는 [수학식 3]에서의 유사 역행렬 이용하여 해를 구하면 가능하다. 다만, 이 때 행렬식에서 유사 역행렬 문제를 잘 풀기 위해서는 일반적으로 phased array 변환기의 각 소자의 위치는 grating lobe의 영향을 줄여주기 위하여 semi-random화하여 결정하기 때문에 일반적으로 잘 정의된 행렬식을 얻을 수 있다.

이 때 초점의 위치에는 표준화된 값 1을 넣고 반초점에는 역시 표준화된 값 0을 넣고 유사역행렬을 풀 수 있고, 그 해를 기반으로 각 소자의 입력값을 이용하여 원하는 출력값을 얻을 수 있다.

본 발명의 실시예에서 HIFU 트랜스듀서(400)를 도 4와 같이 513개의 엘리먼트들로 구성된 구형 phased array 변환기로 구현하였다. 도 4에서와 같이 동심원 형태의 기본 구조에 각 원에서의 소자의 위치가 semi random하게 구성되어 grating lobe를 최소화 하였으며 중심부위에 약 5 cm 직경의 공간을 두어 영상용 프로브를 삽입할 수 있도록 설계되었다.

이하 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 HIFU 시스템에 대하여 설명한다.

도 2에서와 같이 의사는 MRI 또는 CT와 같은 고행상도 이미지 장치(50)를 이용하여 환자(60)의 암의 분포 부위를 확인한 후, 환자(60)를 HIFU 시스템(100)에 위치시킨다, 이 때, HIFU 시스템(100)은 이미지 장치(50)와 연결되어 있으며 이를 통하여 치료 부위를 사전에 계획하고 모니터링할 수 있다. 의사는 이미지 장치(50)의 영상에서 치료 부위(3차원에서의 위치)를 초점으로 선택하고, 특별히 보호해야 할 부위(예를 들어 혈관)을 반초점으로 선택한다. 그리고 선택된 초점 및 반초점에 적합한 음장을 형성할 수 있도록 HIFU 트랜스듀서(400)의 각 엘리먼트들의 조절해야한다. 이 때, 각 채널별 엘리먼트들의 출력조건을 "반초점을 포함한 다중 초점 알고리즘"을 이용하여 역추산한다.

구체적으로 이미지 장치(50)의 영상을 기초로 한 초점 및 반초점을 형성하기 위하여 HIFU 트랜스듀서(400)의 엘리먼트들 각각의 채널별 출력 조건을 계산한다. 이 때 계산된 HIFU 트랜스듀서(400)의 엘리먼트들 각각의 채널별 출력 조건은 출력 조절 하드웨어(300)의 실제 특성을 반영하고 있지 못하므로 출력 조절 하드웨 어(300)의 특성을 반영하여 각 채널별 출력 조건을 재계산한다. 이렇게 재계산된 출력 조건을 기초로 하여 HIFU 트랜스듀서(400)의 엘리먼트들 각각의 출력 음장을 시뮬레이션하고, 시뮬레이션된 출력 음장에 기초하여 상기 출력 음장에 따른 온도 변화를 시뮬레이션한다.

HIFU 트랜스듀서(400)로부터 150mm에 위치한 평면에 3x3mm² 영역을 치료하는 시뮬레이션을 시행하는 경우를 예로 들어보자.

전체 영역에 치료 효과를 내는 경우를 위하여 기존의 초점들만을 이용한 시뮬레이션으로 초점들의 위치를 (0, 2), (0, -2), (2, 0), (-2, 0)로 정한 제 1 초점군과 (2, 2), (2, -2), (-2, 2), (-2, -2) 제 2 초점군으로 구성하였다.

반면 시술 부위 중심에 주요 혈관이 있는 경우를 가정하여 이를 보호하기 위하여 위의 제 1 초점군에는 (0, 0), (0, 0.6), (0, -0.6), (-0.6, 0), (0.6, 0)의 반초점들을 추가한 제 3 초점군과 제 2 초점군에는 (0, 0), (0.6, 0.6) (0.6, -0.6), (-0.6, 0.6), (-0.6, -0.6)의 반초점들을 추가한 제 4 초점군을 구성하여 추가적 시뮬레이션을 실행하였다. 이 때 반 초점의 위치의 설정은 주어진 음파 변환기의 3dB 초점을 기준으로 각 초점 및 반초점이 서로에 영향을 미치지 않도록 결정되었다. 또한 초점에서의 출력을 신체 내에서 HIFU에서 cavitation의 확률이 작은 4 MPa로 하였다.

또한 아래의 [수학식 4]의 Bio-heat transfer equation을 이용하여 온도 변화를 시뮬레이션 하였다. 이는 초음파 수술의 효과를 예측하기 위한 것으로 2차원 평면으로 시뮬레이션을 제한하였다.

[수학식 4]

이 때 ρ _t 이는 조직의 밀도, C _t 는 조직의 비열, K _t 는 조적의 열전도율, ρ _b 는 혈액의 밀도, 는 C _b 는 혈액의 비열, W는 perfusion rate, T _a 는 신체의 기준 온도, Q는 초음파에 의한 열 에너지 전달양을 의미하며, 이를 기반으로 시간과 공간에서의 온도 T를 예측할 수 있는 수식이다. 이 때 이용된 조직의 특성은 아래의 [표 1]과 같다.

[표 1]

목표 영역 전체를 치료하는 경우, 제 1 초점군과 제 2 초점군을 이용하여 각각의 초점군을 기준으로 생성된 음장을 500 msec 씩의 번갈아가며 총 3초간 조사한 경우의 온도 변화는 총 20초간의 시뮬레이션하였다. 반면, 중심 혈관을 보호하는 경우는, 제3 초점군과 제 4초점군을 이용하여 생성된 음장을 같은 방식으로 조사하며, 총 20초간의 온도 변화 시뮬레이션을 행하였다. 최종적인 시술 결과는 조직의 열적 괴사의 thermal dose인 240 min@43℃를 기준으로 하였다.

도 5a 및 도 5b는 각각 초점군 1번과 초점군 3번을 기반으로 음장을 시뮬레이션 한 결과를 나타낸다.

도 4a에 나타나듯이, 반초점을 사용하지 않을 경우, side lobe간의 보강간섭으로 인하여 실체 최고 음압이 형성되는 부분은 중심부에 위치함을 알 수 있다. 이는 치료부위가 일정한 암조직 조건을 갖는 경우 치료 부위 전체를 치료해야 함으로 유용한 점이 될 수 있다.

그러나 실제 암조직 주변에 중요 혈관 등이 위치한 경우가 많아 다중 초점을 적용하면서도 동시에 세세한 초점 군의 조절이 요구된다. 이를 위하여 반초점을 추가하여 음장을 시뮬레이션을 하면, 도 4b에서와 같이 중심부위에 압력이 0이 되는 지점들이 분포된 선택성이 높은 음장이 형성됨을 알 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 각각 초점들로만 구성된 음장으로 온도 변화를 시뮬레이션한 경우와 반초점을 함께 사용한 경우의 음장의 온도 변화를 시뮬레이션한 경우이다.

도 6a를 참조하면, 초점들로만 구성된 음장으로 온도 변화를 시뮬레이션한 후 이를 기반으로 thermal dose를 계산하면 그림 6a와 같이 사각형의 치료 부위를 얻을 수 있다.

반면에, 반초점들을 함께 사용하면, 도 6b에서와 같이 여러 초점들의 side lobe가 겹치는 중심부에서도 초음파의 영향을 제거하여 특정 부위의 조직을 보호할 수 있다. 이는 특히 전립선 암에서의 대장벽, 간암 등에서의 중요 동맥의 보호를 위한 중요한 도구로 사용될 수 있다.

이러한 시뮬레이션은 메인 콘솔(200)에 포함되는 초점 및 반초점 형성 모듈(220)에 의하여 이루어질 수 있다. 즉 메인 콘솔(200)은 컴퓨터 장치일 수 있고, 초점 및 반초점 형성 모듈(220)은 이러한 컴퓨터 장치에서 실행될 수 있는 소프트웨어 프로그램으로 구현될 수 있다.

초점 및 반초점 형성 모듈(220)을 이용하면, HIFU 트랜스듀서(400)의 각 엘리먼트들의 모양과 HIFU 트랜스듀서(400) 자체의 모양을 시뮬레이션할 수 있다. 또한 일반적인 HIFU 시스템에서는 트랜스듀서의 형태가 결정되어 있으므로 반초점, 다중초점 등의 계산은 미리 정해진 트랜스듀서 형태 정보를 기반으로 한다. 하지만 본 발명의 실시예에 따른 초점 및 반초점 형성 모듈(220)을 이용하면, 다양한 트랜스듀서의 형태 정보를 입력으로 받을 수 있고, 실제 여러 형태의 트랜스듀서를 가상적으로 생성하고, 또한 각 엘리먼트들의 크기를 조절할 수 있으므로 트랜스듀서 디자인 툴로서도 활용가능하다.

또한 도 4에서와 같이 트랜스듀서의 각 엘리먼트들의 모양은 사각형이나 실제 출력은 중심부위에서 최고치를 나타내고 경계로 갈수록 작아지는 물리적 한계를 나타낸다. 하지만 본 발명의 실시예에 따른 초점 및 반초점 형성 모듈(220)에서는 이러한 물리적 한계를 고려하여 각 엘리먼트들에 가중치를 주어 계산할 수도 있다.

또한 환자를 치료하게 되는 경우, 실제 인간의 조직에서는 감쇄가 발생하여 음장을 시뮬레이션할 경우에 이를 고려하여 주어야 한다. 이를 위하여 감쇄계수를 입력받아 감쇄된 형태의 음장을 계산할 수도 있다.　또한 HIFU 등의 고출력 초음파 에서 흔히 나타날 수 있는 비선형 전파 특성을 다채널 시스템에 적합하도록 시뮬레이션할 수도 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 콘솔(200)은 컴퓨터 장치일 수 있고, 또한 도 1의 HIFU 트랜스듀서의 출력 조절방법은 메인 콘솔(200) 상에서 실행되는 컴퓨터 프로그램일 수 있다.

이러한 컴퓨터 프로그램을 이용하여 여러 가지 시뮬레이션을 할 수 있다.

도 7a 및 7b는 온도 변화 예측치를 시뮬레이션한 것을 나타낸다.

도 7a는 반초점을 포함하지 않은 일반적 다중 초점에 의한 온도 변화 예측치를 나타낸다.

도 7b는 본 발명의 실시예에서와 같이 반초점을 포함한 다중 초점에 의한 온도 변화 예측치를 나타낸다.

도 7a 와 도 7b에서 알 수 있듯이 반초점을 포함한 다중 초점을 사용하면 주요 기관의 온도가 올라가지 않아 주요 부위를 보호할 수 있음을 알 수 있다.

도 8a 및 8b는 HIFU 트랜스듀서의 엘리먼트들의 모양을 시뮬레이션한 것을 나타낸다.

도 8a는 HIFU 트랜스듀서(400)의 각각의 엘리먼트들이 모두 동일한 모양인 경우를 나타낸다. 도 8a에서는 구형으로 HIFU 트랜스듀서(400)가 나타났지만, 평면형, 실린더형, 구형등도 가능하다.

도 8b는 HIFU 트랜스듀서(400)의 각각의 엘리먼트들이 일정한 그룹별로 동일한 크기를 가지는 경우를 나타낸다.

도 8a와 도 8b에서 알 수 있듯이 HIFU 트랜스듀서(400)의 각 엘리먼트들을 정렬할 수 있고, 위치를 변경하는 것도 가능하다.

도 9는 HIFU 트랜스듀서(400)의 필드(field)를 시뮬레이션한 것을 나타낸다.

도 10은 HIFU 트랜스듀서(400)의 온도를 시뮬레이션한 것을 나타낸다.

도 7a 내지 도 10에서 알 수 있듯이 본 발명의 실시예에 따르면 환자에게 시술하기 전에 여러 가지 관점에서 시뮬레이션을 수행하여 환자에게 가장 알맞은 방법으로 시술할 수 있다.

본 발명에 따르면, 다중 초점의 개념을 확장하여 반초점을 사용함으로써 다중 초점의 영향으로 생성되는 추가적인 초점을 제어할 수 있고, 이를 기반으로 특정 조직을 보호할 수 있다. 따라서 HIFU 수술시 치료 부위에 대한 세밀한 조절이 가능해지며 암치료의 효과를 높일 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 3은 도 2의 HIFU 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 4는 도 3의 HIFU 트랜스듀서가 513개의 사각형의 엘리먼트들로 구성되는 경우를 나타낸다.

도 9는 HIFU 트랜스듀서의 필드(field)를 시뮬레이션한 것을 나타낸다.

도 10은 HIFU 트랜스듀서의 온도를 시뮬레이션한 것을 나타낸다.

Claims

복수의 엘리먼트들을 포함하는 고강도 집속 초음파(high intensity focused ultra sound; HIFU) 트랜스듀서의 출력 조절 방법으로서,

초점 및 반초점(anti-focus)을 형성하기 위하여 상기 복수의 엘리먼트들 각각의 채널별 출력 조건(상기 출력 조건은 위상 및 진폭 조건을 포함)을 계산하는 단계;

상기 계산된 출력 조건을 기초로 하여 상기 고강도 집속 초음파의 출력을 제어하는 출력 조절 하드웨어의 특성을 반영하여 각 채널별 출력 조건을 재계산하는 단계;

상기 재계산된 출력 조건을 기초로 하여 상기 엘리먼트들 각각의 출력 음장을 시뮬레이션하는 단계; 및

상기 시뮬레이션된 출력 음장에 기초하여 상기 출력 음장에 따른 온도 변화를 시뮬레이션하는 단계를 포함하는 HIFU 트랜스듀서의 출력 조절 방법.
제1항에 있어서, 상기 HIFU 트랜스듀서의 출력 조절 방법은 상기 출력 조절 하드웨어와 연결된 메인 콘솔에 포함되는 초점 및 반초점 형성 모듈에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 HIFU 트랜스듀서의 출력 조절 방법.
제2항에 있어서, 상기 초점 및 반초점 형성 모듈은 상기 HIFU 트랜스듀서에 포함되는 각 엘리먼트들의 크기를 재조절하여 시뮬레이션할 수 있는 것을 특징으로 하는 HIFU 트랜스듀서의 출력 조절 방법.
제3항에 있어서, 상기 초점 및 반초점 형성 모듈은 상기 HIFU 트랜스듀서의 모양을 조절하여 시뮬레이션할 수 있는 것을 특징으로 하는 HIFU 트랜스듀서의 출력 조절 방법.
제3항에 있어서, 상기 초점 및 반초점 형성 모듈은 상기 HIFU 트랜스듀서에 포함되는 각 엘리먼트들에 가중치를 부여하여 시뮬레이션할 수 있는 것을 특징으로 하는 HIFU 트랜스듀서의 출력 조절 방법.
제3항에 있어서, 상기 초점 및 반초점 형성 모듈은 상기 HIFU 트랜스듀서의 출력을 비선형적으로 시뮬레이션할 수 있는 것을 특징으로 하는 HIFU 트랜스듀서의 출력 조절 방법.
복수의 엘리먼트들을 포함하며, 영상장치에 기초한 환부에 초점 및 반초점을 포함하는 고강도 집속 초음파(HIFU) 필드를 생성하는 고강도 집속 초음파(high intensity focused ultra sound; HIFU) 트랜스듀서;

상기 복수의 엘리먼트들 각각의 채널별 출력 조건(상기 출력 조건은 위상 및 진폭 조건을 포함)을 조절하는 출력 조절 하드웨어; 및

상기 초점 및 반초점을 형성하기 위하여 상기 복수의 엘리먼트들 각각의 채널별 출력 조건을 시뮬레이션하여 상기 시뮬레이션된 채널별 출력 조건에 관한 정보를 상기 출력 조절 하드웨어에 전달하는 메인 콘솔을 포함하는 HIFU 시스템.
제7항에 있어서, 상기 메인 콘솔은 상기 복수의 엘리먼트들 각각의 채널별 출력 조건을 시뮬레이션하는 초점 및 반초점 형성 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 HIFU 시스템.
제8항에 있어서, 상기 초점 및 반초점 형성 모듈은 상기 초점은 상기 환부에 위치되도록 하고, 상기 반초점은 보호해야할 부위에 위치하도록 하는 것을 특징으로 하는 HIFU 시스템.
제8항에 있어서, 상기 초점 및 반초점 형성 모듈은 상기 HIFU 트랜스듀서의 모양을 조절하여 시뮬레이션할 수 있는 것을 특징으로 하는 HIFU 시스템.
제8항에 있어서, 상기 초점 및 반초점 형성 모듈은 상기 HIFU 트랜스듀서에 포함되는 각 엘리먼트들에 가중치를 부여하여 시뮬레이션할 수 있는 것을 특징으로 하는 HIFU 시스템.
제8항에 있어서, 상기 초점 및 반초점 형성 모듈은 상기 HIFU 트랜스듀서의 출력을 비선형적으로 시뮬레이션할 수 있는 것을 특징으로 하는 HIFU 시스템.
제8항에 있어서, 상기 출력 조절 하드웨어는

상기 메인 콘솔과 연결되어 상기 시뮬레이션된 출력 조건을 제공하는 통신 및 제어 유닛;

상기 통신 및 제어 유닛과 연결되어 상기 시뮬레이션된 출력 조건에 따른 출력 신호를 제공하는 파워 앰프; 및

상기 통신 및 제어 유닛과 연결되어 상기 파워 앰프의 파워를 제어하는 파워 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 HIFU 시스템.
제8항에 있어서, 상기 초점 및 반초점 형성 모듈은

상기 복수의 엘리먼트들 각각의 채널별 출력 조건을 계산하고;

상기 계산된 출력 조건을 기초로 하여 상기 고강도 집속 초음파의 출력을 제어하는 상기 출력 조절 하드웨어의 특성을 반영하여 각 채널별 출력 조건을 재계산하고;

상기 재계산된 출력 조건을 기초로 하여 상기 엘리먼트들 각각의 출력 음장을 시뮬레이션하고; 및

상기 시뮬레이션된 출력 음장에 기초하여 상기 출력 음장에 따른 온도 변화를 시뮬레이션하는 것을 특징으로 하는 HIFU 시스템.
복수의 엘리먼트들을 포함하는 고강도 집속 초음파(high intensity focused ultra sound; HIFU) 트랜스듀서의 출력을 조절하는 출력 조절 하드웨어에 연결되는 컴퓨터에

초점 및 반초점(anti-focus)을 형성하기 위하여 상기 복수의 엘리먼트들 각각의 채널별 출력 조건(상기 출력 조건은 위상 및 진폭 조건을 포함)을 계산하는 단계;

상기 계산된 출력 조건을 기초로 하여 상기 고강도 집속 초음파의 출력을 제어하는 출력 조절 하드웨어의 특성을 반영하여 각 채널별 출력 조건을 재계산하는 단계;

상기 재계산된 출력 조건을 기초로 하여 상기 엘리먼트들 각각의 출력 음장을 시뮬레이션하는 단계; 및

상기 시뮬레이션된 출력 음장에 기초하여 상기 출력 음장에 따른 온도 변화를 시뮬레이션하는 단계를 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체.