KR101358374B1 - 초음파발생봉 - Google Patents

Abstract

초음파발생봉 및 치료 또는 화장 화합물의 경피 전달을 위한 이의 용도가 기재되어 있다. 초음파발생봉 (10) 은 고체 머리 (12) 에 대해 근위 말단에 부착되고 나팔모양의 발 (16) 에서 원위 말단에서 종결되는 관형 목 (4) 을 포함한다. 초음파 변환기에 커플링되고 인간 또는 동물의 피부에 적용되는 경우, 초음파발생봉은 피부 내로의 화합물의 전달을 향상시킨다.

Description

초음파발생봉 {A SONOTRODE}

본 출원은 본원에 전체가 참조로 인용되어 있는 2008 년 7 월 30 일에 출원된 미국 가출원 제 61/229,817 호에 대한 우선권을 주장하고, 이를 기초로 한다.

본 발명은 기질을 통한 성분의 전달을 위한 장치 및 방법, 더욱 특히, 약물 또는 화장품의 경피 전달을 향상시키기 위해 초음파를 사용하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 초음파발생봉 및 의약의 경피 전달에서의 이의 용도에 관한 것이다.

피부는 대략 2 m² 의 표면적을 덮고 있으며 신체 혈액 순환의 약 3 분의 1 을 받고 있는, 인체의 가장 쉽게 접근할 수 있는 기관 중 하나이다. 피부는 표피, 진피, 및 2 개 층 내에 뒤섞여 있는 모발과 같은 피부 부속물로 이루어진 복합 시스템이다. 피부의 최외곽 층인 표피는, 기저막을 통한 확산에 의해 기저의 피부 모세혈관으로부터 영양분을 받는 무혈관이다. 표피의 최외곽 층을, 기저 조직의 건조를 방지하고 피부에 적용된 작용제를 비롯한 환경으로부터의 유해한 성분의 유입을 배재시키는 장벽으로서 역할을 하는 보호 피막인 각질층이라고 부른다. 상기 층은 지질 영역에 묻혀있는 각질세포로 이루어진다.

경피 (또는 피부투과) 약물 전달은 주사 및 경구 전달과 같은 종래의 약물 전달 방법에 비해 장점을 제공한다. 특히, 경피 약물 전달은 위장관 약물 대사를 피하고, 부작용을 줄이고, 치료 화합물의 지속적인 방출을 제공할 수 있다. 실제로, 수동 확산에 의한 화합물의 수송은 모세혈관을 통한 혈액 내로의 흡수가 일어나는 표피를 가로질러서만 일어나기 때문에 "경피" 라는 용어가 일반적으로 사용된다.

그러나, 국소적으로 적용된 화합물의 확산 속도는 내부 (생리학적) 및 외부 (환경적) 인자 모두 때문에 차이가 있을 것이다. 확산 속도는 또한 전달되는 화합물의 물리적 및 화학적 특성에 따라 다르다. 환자의 피부는 경피 약물 전달에 대한 자연적인, 내부 장벽 (예를 들어, 건조한 피부, 두꺼운 피부, 탈수, 열악한 순환, 열악한 대사) 을 최소화하고 자연적인 인핸서 (예를 들어, 환자가 잘 수화되는 것을 확보하고, 얇고, 따뜻하고, 촉촉하고, 잘 관류되는 피부 영역을 선택하는 것) 를 최대화하기 위해 주의 깊게 평가해야할 필요가 있다. 각질층은 경피 전달을 위한 속도-제한 장벽인 것으로 고려되고, 그래서 확산은 종종 향상된다. 다양한 방법에는 운동 에너지를 증가시키고 모발 모낭을 팽창시키기 위해 피부를 예열하는 것, 및 습기를 유지시키고 피부의 저장소 능력을 활성화하기 위해 약물 적용 후 밀봉 붕대로 영역을 덮는 것이 포함된다.

피부투과 약물의 인핸서는 통상적으로 확산을 용이하게 하기 위해 각질층의 특성을 바꾸는데 사용된다. 이러한 변경은 각질층 내 구조적 케라틴 단백질을 변성시키는 것, 각질층의 각화된 층을 벗겨내거나 박리시키는 것, 세포 투과성을 변화시키는 것, 또는 각질세포 사이의 지질-풍부 세포사이 구조를 변형시키는 것으로부터 야기될 수 있다. 인핸서는 경피-조절 약물 전달 시스템 내로 도입되거나, 또는 이들은 약물의 국소적 적용 전, 동안 또는 후에 사용된다. 바람직한 인핸서는 약물이 활발하고 빠르게 확산되도록 하고, 그러나 약물 분자를 비활성시키거나, 건강한 표피에 손상을 주거나, 통증을 유발하거나, 독성학적인 부작용을 갖지는 않도록 한다.

비록 초음파가 의료적 진단 및 물리 치료에 광범위하게 사용되고는 있었지만, 약물 전달의 인핸서로서 대중화된 것은 비로소 최근이다. 수 많은 연구들이 초음파가 부정적인 장기간 또는 단기간 부작용 없이 일반적으로 안전하다는 것을 입증하였으나, 초음파가 인핸서로서 작동하는 메카니즘은 명확하게 이해되지 않았다.

초음파는 20 kHz 내지 10 MHz 의 주파수의 소리로서 정의된다. 초음파를 정의하는 특성은 음파의 진폭 및 주파수이다. 가청음과 유사하게, 초음파는 상이한 특성을 갖는 또다른 매질과 마주칠 때 반사, 굴절, 또는 흡수를 겪는다. 마주치는 매질의 특성이 전송 매질의 특성과 상이한 경우, 전송된 초음파 빔의 음향 에너지는 흡수되거나 소멸됨으로써 감쇠된다. 조직 내 초음파의 감쇠는 침투 깊이를 제한한다.

고주파 음파의 열 및 비-열 특성 모두는 국소적으로 적용된 약물의 확산을 향상시킬 수 있다. 초음파로부터의 열은 약물 내 및 세포막 내 분자의 운동 에너지 (이동성) 를 증가시키고, 모발 모낭 및 땀샘과 같은 유입지점을 팽창시키고, 처리된 영역으로의 순환을 증가시킨다. 이러한 생리학적 변화는 약물 분자가 각질층을 통해 확산되고 진피 내 모세혈관 네트워크에 의해 수집될 기회를 향상시킨다.

초음파의 열 및 비-열 효과 모두는 세포 투과성을 증가시킨다. 음파의 기계적 특성은 또한 세포를 고속으로 요동시켜 세포막의 휴지 전위를 변화시키고 이 영역 내 일부의 세포의 세포막을 잠재적으로 붕괴시킴으로써 약물 확산을 향상시킨다.

초음파 영동의 이론 중 하나는 주요 인자가 각질층 내 케라틴 층 사이의 지질 가교를 생성함으로써 피부의 투과성을 증가시키는 것이라고 가정한다.

약물 확산에 영향을 줄 수 있는 또다른 중요한 인자는 동일한 막성 구조의 근접한 일부가 상이한 변위 진폭으로 진동하는 경우 발생하는 전단력 (또는 충격파) 과 관련이 있다. 음파는 약물 매질 및 피부 층에서 스트리밍 및/또는 공동현상을 일으키고, 이것은 약물 분자가 피부 내로 그리고 피부를 통해 확산되는 것을 돕는다. "스트리밍" 은 본질적으로 에너지 공급원으로부터 액체를 멀어지게 하는 액체 내 요동인 반면, "공동현상" 은 강렬한 진동에 적용되는 액체 내 기포의 형성이다. 공동현상은 파가 특정 역치 초과의 진폭을 갖는 경우 액체 내 종 음파의 전파 동안 희박화 영역의 결과이다.

상기 기포가 피부의 특정한 세포에서 일어나는 경우, 기포가 불안정한 크기에 도달하면서 세포의 피로 또는 파열이 일어날 수 있다. 초음파의 전송 경로 내 세포의 파괴는 약물 분자의 세포사이 확산을 용이하게 할 수 있다. 공동현상은 또한 각질층 내 지질의 구성을 파괴시켜, 지질 층 사이의 거리의 증가를 야기할 수 있다. 그 결과, 각질층 내 수상의 양이 증가하여 세포사이 공간을 통한 수용성 성분의 확산을 증가시킨다 (Mitragotri et al (1995) J. Pharm Sci. 84: 697-706).

국소적으로 적용된 생성물의 투과 경로는 주로 구불구불한 세포사이 경로를 따라 있으므로, 각질층 내 지질은 적합한 피부 장벽 기능에 결정적인 역할을 한다.

지질 매질을 통한 성분의 수송을 향상시키기 위한 초음파의 사용은 초음파영동 또는 음파영동으로서 언급된다. 이것은 단독으로, 또는 화학적 인핸서, 이온도입법, 전기천공법, 자기력장, 전자기력, 기계적 압력장 또는 전기장과 같은 다른 인핸서와 조합으로 사용될 수 있다.

초음파는 또한 음향 혼 (horn) 이라고도 불리는 초음파발생봉을 통해 적용된다. 초음파발생봉은 요동의 진폭을 증가시키고, 분포를 변형시키고, 음향 임피던스를 기질의 임피던스와 부합시킴으로써 음파의 전환과 같은 다양한 기능을 담당한다. 음파의 진폭을 증가시키는 초음파발생봉의 공명은, 초음파발생봉이 만들어진 물질의 탄성 계수 및 밀도, 물질을 통과한 소리의 속도 및 초음파 주파수라는 특성에 의해 측정되는 주파수에서 일어난다. 초음파발생봉의 크기 및 형상 (둥근형, 사각형, 윤곽형) 은 진동 에너지의 양 및 각각의 특정 적용을 위한 물리적 요구성에 따라 다를 것이다.

의약의 경피 전달을 향상시키기 위한 초음파영동의 용도는 US 6,322,532, US 6,575,956, US 7,737,108, US 2004/210184 및 US 2009/155199 호를 비롯한 다양한 특허 문헌에 공지되고 기재되어 있다.

의료용 및 화장용 화합물의 경피 전달을 향상시키기 위한 개선된 장치 및 방법에 대한 지속적인 필요성이 있다. 특히, 경피 약물 또는 화장품 전달을 위한 초음파-기재 장치 및 기술에 대한 지속적인 필요성이 있다.

가장 대중적인 초음파발생봉은 첨부 도면의 도 1 에서 제시되는 바와 같은 선형 테이퍼 (taper) 이다. 상기 형상은 제조하기는 간단하나, 이의 잠재적인 배율은 대략 4 배의 상수에 제한된다. 상기 형상에 대한 초음파발생봉의 길이를 따른 진동의 진폭의 변화는 도 1a 에 제시된다.

대안적인 디자인은 도 2 에 제시된 지수형 테이퍼이다. 상기 형상의 초음파발생봉에 대한 진동의 진폭은 도 2a 에 제시된다. 상기 디자인은 선형 테이퍼보다 높은 배율 상수를 제공하나, 이의 곡선 형상은 제조하기가 더욱 어렵다. 그러나, 작업 말단에서의 작은 직경과 커플링된 이의 길이는 상기 디자인을 특히 마이크로 적용에 적합하게 만든다.

또한 도 3 에 제시되는 바와 같은 단계형 디자인을 사용하는 것이 알려져 있으며, 소리 발생기에 커플링된 몸중심 부분의 직경 및 기질에 적용된 몸말단 부분으로부터의 돌연한 전환이 있다. 상기 형상의 초음파발생봉에 대한 진폭의 변화는 도 3a 에 제시된다. 상기 단계형 디자인에서, 배율 상수는 말단 영역의 비에 의해 제공되고, 잠재적인 배율은 오직 초음파발생봉 물질의 동적 인장 강도에 의해서만 제한된다. 이것은 유용한 디자인이고 제조하기가 쉬우면서, 16 배까지의 습득이 용이하게 달성된다.

초음파 변환기에 연결된 초음파발생봉은, 특히 약물의 경피 전달에 사용되는 것들은, 전형적으로는 방정식 L = n(λ/2) (식 중, λ 는 초음파발생봉 내 초음파의 파장이고, n 은 양의 정수임) 에 의해 표현되는 길이 L 을 갖는다. 이 경우에, 음파의 최대 진폭은 초음파발생봉의 근위 말단에서 그리고 초음파발생봉의 발 너머의 λ/2 길이에서 발견된다.

표피의 화상 및 마모는 또한 초음파를 사용할 때 심각한 고려사항이다. 초음파는 피부의 표피를 파괴하지 않으면서 기계적 압력제로서 작용해야만 한다.

그러나, 피부에 초음파발생봉을 커플링하는 지질 내 공동현상은 표피 및 진피의 공동현상 부식을 일으킬 수 있다. 상기 공동현상이 전달되는 성분의 활성적 침투를 돕는 반면, 이러한 공동현상은 또한 표피를 파괴시킬 수 있다.

초음파를 사용하는 경우 추가의 도전과제는 완충 현탁액 내 공동현상으로 인한 효율 저하 및 화상 및 다른 부상을 방지하는데 필요한 낮은 음압 및 초음파 에너지이다.

공지된 기술의 단점 및 제한을 경감시키기 위한 관점에서, 본 발명은 가장 넓은 양상에서, 초음파 발생기에 대해 사용시 커플링되는 몸중심 부분, 하나의 말단은 몸중심 부분에 커플링되어 있고 원위 말단은 나팔모양의 발 부분으로 종결되는 목 부분으로서, 발 부분과 몸중심 부분 모두보다 작은 단면적을 갖는 목 부분, 및 나팔모양의 발 부분을 통과하여 목 부분 내로 확장된 내경으로 형성된 초음파발생봉의 원위 말단을 포함하는, 치료 또는 화장 화합물의 경피 전달에 사용하기 위한 초음파발생봉을 제공한다.

본질적으로, 초음파발생봉의 말단은 나팔모양의 원위 말단을 갖는 관인 트럼펫의 혼을 닮았다.

바람직하게는, 몸중심 부분과 목 부분이 모두 일정한 외부 직경을 갖는 원통형이고, 내경은 평행한 면을 갖는 원통형 내경이고 목 부분의 전체 길이를 실질적으로 초과하여 확장된다.

상기 형태의 초음파발생봉은 치료용 또는 화장용의 화합물의 경피 전달을 용이하게 하는데 사용될 수 있다. 항상 수동 확산의 요소가 있을 것이기 때문에, 본 발명의 초음파발생봉은 피부의 외각 층인 각질층을 통해 화합물 또는 화합물들을 밀어내는 초음파 형태의 부가적인 힘을 제공한다.

초음파 적용 전, 피부는 바람직하게는 각질층 내 일련의 천공을 형성하도록 처리된다. 이러한 천공은 처리되는 피부 영역 상을 롤링하는 실린더 상의 작은 바늘에 의한 것과 같이 기계적으로 수행될 수 있다. 그러나 레이저의 사용에 의해 또는 RF 에너지를 사용하여 달성할 수 있듯이 피부 내에 천공을 태우는 것이 바람직하다. CO₂ 레이저 및 Er:YAG-레이저가 바람직하다.

발 부분의 고리모양 말단 표면의 진동과 함께 본 발명의 초음파발생봉의 원위 말단 내 내경 내의 공기의 진동 기둥이 피부 계면에서의 압력을 주기적으로 감소 및 증가시키는 효과를 가진다는 것 및 상기 흡입 및 취입 작용이 각질층 내 천공을 통해 전달되는 화합물의 수송에 효과적인 것으로 여겨진다.

바람직하게는, 초음파발생봉은 초음파발생봉 내 초음파의 파장 λ 의 3 분의 1 에 실질적으로 동일한 총 유효 길이를 갖는다. 본 문맥에서, "실질적으로 동일한" 이라는 용어는 상기 값의 약 5% 이내를 의미하고, "유효 길이" 라는 용어는 화성적으로 관련된 길이, 즉 절반 파장의 전체 수에 의해 λ/3 이 상이한 길이를 포함하는 것으로 의도된다.

상기 방식으로 초음파발생봉의 길이를 선택함으로써, 환자의 피부와 커플링되었을 때 최대 음파 진폭은 피부와의 계면에서가 아닌 피부의 표면 아래의 어느 정도 떨어져서 달성된다. λ/2 의 배수로 초음파발생봉의 길이를 증가시키는 것이 초음파발생봉과 피부 사이의 계면에서의 초음파의 상에 영향을 주지는 않고 초음파가 피부 아래를 관통할 수 있는 방식을 변화시키지 않는다는 것이 인정될 것이다. 이러한 이유로 화성적으로 관련된 길이가 대안적으로는 사용될 수 있는 것이다.

초음파발생봉의 나팔모양의 발에 의해 방출되는 초음파 음파는 관통된 각질층을 통해 수송되는 화합물의 진피를 통한 퍼짐을 돕고 발의 나팔모양은 초음파가 화합물의 확산을 돕도록 더 넓은 영역 상으로 퍼지도록 하는 역할을 한다고 여겨진다.

바람직하게는, 몸중심 부분의 길이는 조합된 목 및 발 부분의 길이와 실질적으로 동일하다. 예를 들어, 머리 및 목 부분은 각각 λ/6 (식 중, λ 는 초음파발생봉 내 초음파의 파장임) 의 유효 길이를 가질 수 있다.

초음파 진동의 주파수 및 파장의 생성물은 초음파발생봉의 물질을 통한 소리의 속도와 동일하다. 이러한 이유로, 초음파발생봉의 물리적 길이는 실제적으로는 초음파발생봉이 만들어진 물질에 따라 다를 것이다.

바람직한 구현예에서, 몸중심 부분의 직경은 목의 외부 직경의 대략 2 또는 3 배이다.

목의 내부 및 외부 직경 사이의 비는 4 분의 1 이상 (1:4) 또는 3 분의 1 (1:3), 더욱 바람직하게는 2 분의 1 이상 (1:2) 일 수 있다. 상기 비가 너무 크면, 목의 벽은 내구성이 있을 정도로 충분히 두꺼울 수 없고, 상기 비가 너무 적으면, 하기 설명되는 바와 같이 초음파발생봉에 바람직한 기능성을 달성하기에는 목 상의 응력이 불충분할 수 있다.

본 발명의 구현예에서, 내부 직경은 목의 외부 직경의 50% 내지 80% 이다. 목의 벽의 두께는 목의 길이의 약 1% 내지 10% 일 수 있다. 알루미늄으로 만들어진 초음파발생봉의 경우, 특히 적합한 벽 두께는 약 1 내지 2 mm 이다.

바람직하게는, 목의 횡단면은 원형이다. 목 내 내경도 또한 횡단면이 원형인 경우가 유리하다.

발의 직경과 목의 외부 직경 사이의 비는 약 3:2 이상일 수 있다. 돌연한 전환 대신 발의 점차적인 나팔모양의 벌어짐은 기계적 내구성 및 초음파의 매끄러운 전송에 유용하다고 여겨진다.

이상적으로는, 나팔모양의 발은 실질적으로 평평한 하부 표면을 갖는다. 이것은 발의 기저와 피부 표면 사이에 강한 밀봉이 만들어도록 한다. 이것은 또한 발의 표면 아래의 불규칙성이 초음파발생봉의 공명 주파수에 영향을 주지 않는 것을 확실히 한다.

초음파발생봉은 몸체와 가능한 한 가깝게 부합되는 특징적인 임피던스를 갖는 물질로 형성되는 것이 유리하다. 그러므로, 초음파발생봉이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 만들어지는 것이 바람직하나, 대안적인 물질에는 알루미나, 티타늄, 스테인레스 스틸, 스틸, 철, 플라스틱, 또는 유리가 단독 또는 조합으로 포함된다.

작업시, 초음파 변환기는 초음파발생봉에 의해 수신되는 파장 λ 의 종 음파를 발생시킨다. 초음파발생봉의 발은 에너지 출력 표면으로서 작용하고, 음파를 기질, 이 경우 인간 또는 동물의 피부에 전송한다.

초음파는 하나 이상의 화합물 그 자체의 경피 전달을 향상시키는데 사용될 수 있지만, 종종 전달을 추가로 향상시키기 위해 부가적인 인핸서를 사용하는 것이 바람직하다. 적합한 인핸서에는 화학적 인핸서, 예컨대 크림, 에멀젼, 현탁액 및 젤이 포함된다.

또다른 양상에서, 본 발명은 하나 이상의 치료 또는 화장 화합물의 경피 전달을 위한 전자기 방사선과 조합된 초음파의 용도를 포함한다. 적합한 전자기 방사선에는 레이저 광 및 전파가 포함된다. 전자기 방사선은 초음파 전에 또는 동안 적용될 수 있다.

추가 양상에서, 본 발명은 초음파 변환기와 커플링된 경우 상기 기재된 바와 같은 초음파발생봉을 통한 초음파의 피부 적용을 포함하는, 하나 이상의 치료 또는 화장 화합물의 경피 전달 방법에 관한 것이다.

초음파 변환기는 초음파발생봉의 길이에 적합하게 고정된 주파수를 가질 수 있거나, 또는 이것은 인간 또는 동물의 피부에 적용되는 경우 초음파발생봉이 공명하는 주파수로 조율가능할 수 있다.

바람직하게는, 초음파는 초음파가 피부의 외곽 표면 아래에 0.3 mm 내지 2.0 mm, 바람직하게는 약 1.0 mm 내지 2.0 mm 의 최대 강도에 도달하도록 조율된다.

초음파발생봉에 대한 적합한 작업 주파수는 약 26.7 kHz 내지 27.3 kHz 이다. 상기 주파수 범위는 피부의 공동현상을 유도하고 수송을 향상시키기에 충분한 것으로 밝혀졌다.

초음파는 지속적으로 또는 일련의 펄스로서 발생될 수 있다. 평균 플루언스 (fluence) (즉, 단위 영역 당 에너지 흐름) 는 피부 온도를 약 1℃ 내지 2℃ 넘게 상승시킬 정도로 높아서는 안된다.

본 발명은 이제 예를 들어, 하기와 같은 첨부 도면을 참조로 하여 추가로 설명될 것이다:
도 1, 1a, 2, 2a, 3 및 3a 는 이전에 기술된 바와 같이, 각각의 초음파발생봉의 길이를 따른 진동 진폭의 변화를 보여주는 그래프와 함께 상이한 통상적으로 사용되는 초음파발생봉의 단면도를 보여주고,
도 4 는 본 발명을 상징하는 초음파발생봉의 단면도이고,
도 4a 는 도 4 에 제시된 초음파발생봉의 길이를 따른 진동 진폭의 변화를 보여주고,
도 5 는 초음파 발생기에 커플링된 도 4 의 초음파발생봉의 도식적 단면도를 보여주며,
도 6 은 화합물의 경피 전달용 장치의 다이아그램이다.

도 4 의 초음파발생봉 (10) 은 약물 (의약) 또는 화장품과 같은 성분의 인간 또는 동물 피부와 같은 기질 내로의 경피 전달을 향상시키기 위한 주요한 용도를 갖는다. 초음파발생봉은 나팔모양의 (트럼펫-형상의) 발 (16) 을 갖는 원위 말단에서 종결되는 관형 목 (14) 에 부착된 근위 고체 머리 (12) 를 갖는다.

머리 (12) 의 말단은 실제적으로 도 5 에서 제시되는 바와 같이, 백 매스 또는 중력 매스라고 불리는 매스 (20) 에 볼트로 연결되고, 압전 세라믹 (22) 의 두 쌍은 머리 (12) 와 백 매스 (20) 사이에서 너트 (24) 에 의해 조여진다. 전기 발생기는 교류 전압을 압전 세라믹 (22) 에 적용하는 전도체에 연결되어 대략 27.5 KHz 의 원하는 초음파 주파수에서 이들을 진동하게 한다. 도면에는 제시되어 있지 않지만, 냉각 회로는 초음파발생봉을 냉각시키는데 사용될 수 있고, 초음파 진동을 감쇠시키지 않는 방식으로 초음파발생봉을 쥐도록 기계적 지지체가 제공된다.

세라믹 (22) 에 전압을 적용함으로써 발생되는 초음파는 머리 (12) 로 유입되고, 관형 목 부분 (14) 을 통해 나팔모양의 발 부분 (16) 으로 전파된다. 발 부분은 초음파 에너지를 환자의 피부의 외곽 표면에 전달하는 에너지 출력 표면을 제공한다.

도 4 에 제시된 초음파발생봉은 λ/3 의 총 길이를 갖는다. 그러므로, 27.5 KHz 의 주파수 F 에서 여기되는 순수 알루미늄 (소리의 속도는 4.877 m/s 임) 의 초음파발생봉의 경우, 파장 (V/F 로 제시됨) 은 약 17.75 cm 이다. 그러므로 초음파발생봉은 5.9 cm 의 λ/3 의 총 길이를 가질 수 있다 (또는 λ/2 에 의해 이 값과 상이한 길이, 즉, 8.875 cm).

초음파발생봉 물질의 선택은 궁극적으로는 절충할 수 있는 문제이다. 물질은 이상적으로 (계면에서의 반사를 최소화하기 위해) 초음파가 커플링되는 기질과 동일한 특징적인 음향 임피던스를 가져야만 하지만, 초음파 진동을 견뎌낼 정도의 기계적 강도를 가져야만 한다. 파장, 및 그러므로 초음파발생봉의 물리적 길이는 각 경우 선택된 물질 내 소리의 속도에 따라 다를 것이다.

초음파발생봉의 머리 (12) 는 길이 λ/6 의 원형 횡단면을 갖는 고체이다. 머리의 직경은 초음파발생봉의 전력 및 압전 세라믹의 크기에 따라 다를 것이다. 초음파발생봉의 물질에 따라, 머리 부분의 길이는 전형적으로는 약 40 mm 및 직경은 30 mm 일 것이다.

초음파발생봉의 목은 평행한 옆 벽을 갖는 둥근 튜브의 형상이다. 목 및 발 부분 (14) 및 (16) 의 조합된 길이는 머리 (12) 의 길이와 동일하다. 목의 외부 직경은 전형적으로는 10 mm 이고, 이의 길이는 약 35 cm 및 내부 직경은 6 mm 이다. 그러므로 관은 약 2 mm 의 벽 두께를 갖는다.

발 (16) 은 관형 목 (14) 의 말단의 나팔모양에 의해 형성된다. 발 (16) 의 횡단면은 원형이고, 15 내지 20 mm 의 최대 외부 직경을 갖고, 이의 축 길이는 약 5 mm 이다. 발 부분 (16) 의 외부 및 내부 표면은 외부로 나팔모양으로 뻗어나가고, 평평한 표면에서 종결된다. 이것이 초음파를 피부 내로 전송하는 에너지 출력 표면을 제공하는 상기 평평한 표면이다.

다른 초음파 발생기가 사용될 수 있지만, 도 5 에 제시된 초음파 발생기는 Neppiras E.A. (Ultrasonics International 1973 Conference Proceedings, Butterworths, Borough Green, UK) 에 의해 기재된 예비-응력 압전 샌드위치 변환기를 사용한다. 약물 전달을 위해 변환기의 피크 전력을 향상시키기 위해, 전기적으로 평행하고 음향적으로 연속되어 스위치되는 4 개의 피에조-세라믹 요소가 사용되었다. 그러나, 2 개의 요소 뿐 아니라 상이한 배열의 2 개 또는 4 개의 요소가 사용될 수 있다. 대안으로서, 하나 이상의 주파수에서 초음파 에너지를 생성하기 위한 자기변형-유형의 초음파 변환기 또는 임의의 다른 적합한 변환기가 사용될 수 있다.

초음파 변환기는 전형적으로는 10-50 Watts 의 음향 전력을 생성하고 20-60 kHz 의 주파수에서 작동한다. 그러나, 100 Watts 이하의 실제 음향 전력을 갖는 변환기가 본 발명에서 사용될 수 있다. 생물학적 조직 내에 조사된 전력은 초음파발생봉 물질에 따라 다를 것이다. 예를 들어, 알루미늄 초음파발생봉의 경우, 생물학적 조직 내에 조사된 전력은 0.5-5 cm² 의 에너지 전달 표면 (발) 에 대해 30-50 Watts 일 것이다. 티타늄 초음파발생봉의 경우, 전력은 유사한 크기의 발에 대해 20-30 Watts 일 것이다.

변환기가 공명 주파수에서 작동되므로, 조절 서브-시스템이 여기 주파수를 초음파발생봉의 공명 주파수에 조율하기 위해 제공될 수 있다.

작업시, 초음파 변환기는 다수의 후보 주파수에서 여기될 수 있다. 각각의 후보 주파수에 대해, 초음파 변환기에 의해 생성되는 초음파 전력의 각각의 지표가 측정된다. 초음파 전력의 국부적 최대 (즉, 주파수와 관련하여 국부적 최대) 와 연관된 후보 주파수가 공명 주파수와 가장 가깝다고 가정한다. 그러므로, 전력 지표에 따르면, 변환기의 작업 주파수는 그 다음 선택될 수 있다.

초음파 변환기에 의해 생성되는 초음파의 전력은 발생기의 전력 또는 전류 소모로부터 추론될 수 있다. 그러므로 장치에는 전류계가 포함될 수 있다. 또한, 하나 이상의 측정 변환기 (제시되지 않음) 가 초음파발생봉 내에 전파된 초음파 진동 또는 파의 강도를 측정하기 위해 초음파발생봉과 연관될 수 있다.

초음파 변환기는 원하는 시간 길이 동안 펄스 방식으로 선택된 후보 주파수에서 활성화된다. 공명 주파수는 활성 사이클 동안 표류될 수 있으므로, 여기 주파수는 주기적으로 재조율될 필요가 있을 수 있다.

본 발명의 구현예에서, 조절기는 하기 단계를 수행하도록 설정된다; 즉:

i) 다수의 상이한 후보 주파수에서 초음파 변환기를 작동시킴으로써 주파수 스캔을 발생시키고, 각각의 후보 주파수에 대해 제시된 후보 주파수와 연관될 수 있는 변환기에 의해 발생된 초음파의 전력의 각각의 지표를 측정하는 단계;

ii) 전력 지표에 따라 다수의 후보 주파수로부터 작동 주파수를 선택하는 단계; 및

iii) 선택된 주파수에서 10 초 이상 동안 변환기를 작동시키는 단계.

변환기는 이후 초음파발생봉의 구조 내에 공명으로서 전송되는 높은 음압 및 중공 (hollow) 목 내에 높은 기압을 생성한다. 초음파 에너지는 초음파발생봉의 발을 통해 피부 내로 직접 전송된다. 초음파발생봉은 종 음파를 조직하여 피부 표면에 대해 직각으로 전달되도록 한다.

함께 커플링되는 경우, 변환기는 머리의 근위 표면을 통해 초음파발생봉을 종 방향으로 여기시킨다. 발생되는 초음파는 동일한 종 방향으로 전파되고, 초음파발생봉의 발로부터 부분적으로 방사된다. 초음파의 수용기는 초음파발생봉이 위치하는 피부이다. 피부는 초음파발생봉과 상이한 음향 임피던스를 갖기 때문에, 일부 음파는 초음파발생봉으로 거꾸로 반사된다. 예를 들어, 초음파발생봉이 알루미늄인 경우, 음향 전력의 오직 30% 만이 생물학적 조직을 관통한다. 나머지 70% 는 반사되어 λ/2 의 파장을 갖는 정상파를 생성한다. 그러므로, 초음파발생봉은 음향 공명기로서 작용한다. 초음파발생봉이 알루미늄 이외의 다른 물질로 만들어지는 경우, 반사 계수는 70% 가 상이할 수 있다는 것으로 인정될 것이다.

에멀전, 현탁액, 크림, 액체 등과 같은 커플링 매질은 초음파발생봉으로부터 피부로의 초음파의 전송을 용이하게 하기 위해 발의 하부 표면 상에 또는 피부 상에 위치할 수 있다.

초음파발생봉의 형상은 2 가지 효과를 달성하는 것으로 여겨진다. 먼저, 중공 목은 각질층을 통해 의약을 이송하는 역할을 하는, 교대로 취입 및 흡입하는 진동 공기 기둥을 생성시킨다. 둘째로, 초음파발생봉의 길이를 λ/6 로 설정하는 것은 음향 에너지가 피부의 표면 아래의 대략 0.3 내지 2 mm 에 있는 지점에 초점이 맞춰지도록 한다. 조직 내 더 깊은 위치에서의 최대 음파 진폭의 상기 위치화는 공동현상의 초음파영동 효과, 지질 파괴 등을 확대하고, 약물 또는 화장품의 흡수를 증가시킨다.

도 4a 에 제시되는 바와 같이, 단면적에 걸쳐 평균을 낸 초음파발생봉 내의 음파 진폭은 초음파발생봉의 머리 내에서 단조롭게 감소한다. 머리와 목 사이의 경계에서, 초음파발생봉의 계단식 하강 구조 때문에 진폭은 크게 증가한다 (초음파발생봉 머리의 근위 말단 표면으로부터 λ/6). 그 다음 진폭은 목을 따라 크게 감소하여, 목의 중간에 가깝게 최소 진폭에 도달한다. 초음파발생봉 머리의 근위 말단 표면으로부터의 거리인 이 지점은 λ/4 에 가깝다. 그 다음 진폭은 목의 나머지를 따라 증가하여, 파가 발의 하부 표면에 있을 때까지 높은 수준에 도달한다 (초음파발생봉 머리의 근위 말단 표면으로부터 λ/3). 이 지점에서, 초음파는 진폭이 동일하나, 목 부분 (14) 와 머리 (12) 사이의 접합점에서 초음파에 대한 상은 반대이다.

도 4 의 초음파발생봉이 취입 및 흡입 작용을 갖는다는 것이 실험적으로 밝혀졌다. 이것은 초음파발생봉이 표면과 물리적 접촉을 하지 않으면서 전력 코팅된 표면에 걸쳐 맴도는 경우 생성되는 구름에 의해 입증된다. 또한 초음파발생봉의 길이가 초음파의 침투를 야기하고 최대 진동 진폭은 피부의 표면에서가 아닌 이의 아래로 어느 정도 거리에 있다는 것이 밝혀졌다. 이것은 초음파를 종이 시트 더미 내로 커플링시키고, 에너지를 증가시켜 종이의 탄화를 야기함으로써 입증된다. 초음파발생봉과 접촉하고 있는 시트는 거의 영향을 받지 않은 반면, 에너지 출력 표면으로부터 좀더 공간을 두고 있는 하부 시트에서 심각한 탄화가 관찰된다는 것이 밝혀졌다. 취입 및 흡입과 초음파의 보다 깊은 침투와의 상기 조합이, 본 발명의 바람직한 구현예의 초음파발생봉을 특히 초음파영동에 적합하게 만든다고 여겨진다.

상기 기재된 효과를 일으키는 또는 이에 기여하는 초음파발생봉에서 성립된 다른 진동 방식이 있을 수 있다. 이러한 진동 방식의 완전한 분석은 본 발명의 이해를 위해서는 반드시 필요한 것은 아니며, 초음파발생봉이 기질 및 음파의 보다 깊은 침투와의 계면에서 교대 유압을 일으키지 않는다는 것을 인지하는 것으로 충분하다.

인력의 결과로서 생성되는 흡입은 전달되는 약물, 혈액, 림프, 또는 다른 생물학적 물질과 같은 성분의 피부 내 통로를 정화할 수 있다 (혈액의 경우, 이것은 그에 의해 혈액 응고를 감소시킬 수 있다). 상기 방식으로, 투여되는 화합물(들) 은 피부 내로 그리고 피부를 통해 더욱 효과적으로 관통될 수 있다. 경로 정화에 특히 중요할 수 있는 흡입은, 피부가 레이저, 고주파 또는 다른 천공 방법으로 초음파 전에 처리되는 경우 피부에서 이루어진다. 이러한 경우에, 성분이 관통할 수 있는 터널로서 담당하는 경로의 정화에 의해, 피부를 통한 성분 전달의 주요 과정으로서 확산에 의존할 필요성을 피할 수 있다. 피부 내 경로의 정화 외에도, 흡입은 또한 초음파발생봉의 발 내 위쪽으로 및/또는 발 쪽으로 환자의 피부를 기계적으로 잡아당기는데 또는 의약이 초음파발생봉의 경계로부터 표류 또는 산란되는 것을 방지하는데 유용할 수 있다. 흡입은 또한 피부로부터 분석물질을, 예를 들어 시험 목적을 위해 인슐린을 회수하는데 효과적일 수 있다.

흡입은 매우 높은 음압 (예를 들어, 10 Watts/cm2 이하의 음향 전력 밀도와 관련됨) 을 형성하는 것으로 여겨진다. 음압은 초음파발생봉이 피부와 직접 접촉하고 있지 않은 경우 피부와 초음파발생봉의 발 사이에 얇은 여유를 둔 높은 기압의 형태일 것이다. 음압은 액체 또는 젤의 층이 초음파발생봉의 발을 피부에 커플링시키는데 사용되는 경우 높은 수중음압의 형태일 것이다.

"취입" 및 "흡입" 이라는 용어가 물질의 기체 상태를 함축하는 것은 아니며, 초음파발생봉에 의해 전달될 수 있는 성분은 유체, 액체, 분말, 젤 또는 다른 고체 성분, 또는 기체일 수 있다는 것으로 이해되어야만 한다. 전형적으로는, 성분은 액체, 젤 또는 분말이다.

초음파 처리는 바람직하게는, 먼저 피부를 천공시켜 피부 내에 채널 네트워크를 형성하고 이를 통해 화합물이 전달될 수 있는 제 2 처리 과정과 조합된다. 상기 천공 후 초음파 처리가 뒤따른다.

그러므로, 도 6 에 제시된 장치는 하우징 (100) 및 2 개의 어플리케이터 (102) 및 (104) 를 갖는다. 하우징 (100) 은 2 개의 어플리케이터를 조종하는 전자 장비를 함유하고, 앞면에는 다양한 조절 버튼 (108) 및 디스플레이 패널 (106) 이 있다. 어플리케이터 (102) 는 초음파를 적용하는데 사용되고 본 발명의 초음파발생봉 (10) 을 사용한다. 다른 어플리케이터 (104) 는 피부를 천공시키는데 사용된다. 어플리케이터 (104) 는 방사상으로 돌출된 스파이크를 갖는 일련의 축 간격을 갖는 휠을 포함할 수 있다. 휠은 하우징 (100) 내의 RF 공급원에 연결되고, 처리되는 영역 상에 휠을 롤링할 때 스파이크와 피부 사이에서 스파크가 발생한다. 스파크는 천공의 세트 및/또는 시리즈를 연소시킨다. 대안적으로는, 하우징 (100) 은 피부 내 구멍의 세트 및/또는 시리즈를 연소시키는 프락셔널 (fractional) CO₂ 레이저와 같은 레이저를 도입할 수 있다. 또한 기계적 천공법이 사용될 수 있지만, 천공의 연소는 경피 전달을 향상시키는 것으로 밝혀졌다.

구멍 사이의 거리는 1 mm 내지 5 mm 일 수 있고, 각 구멍의 깊이는 50 내지 300 마이크론일 수 있고, 그리드 패턴이 형성될 수 있다. 구체적인 값은 수 많은 인자, 예를 들어, 피부 유형, 연령 및 수화도에 따라 다를 것이다. RF 또는 레이저 천공 및 초음파 처리 사이의 시간은 림프/혈액 배출을 위해 충분하나 응고 또는 건조 시간보다는 적을 수 있다. 1 초 내지 5 분 사이의 시간이 고려된다.

천공 및/또는 초음파 에너지는 대안적으로는 동시에 일어날 수 있다, 즉, RF 또는 레이저 에너지 및 초음파 에너지가 환자의 피부에 동시에 또는 즉시 이어서 전달되도록 하는 시간에 환자의 피부의 표면을 따라 움직일 수 있는 초음파 및 천공 장치로부터 전달될 수 있다. RF 어플리케이터 또는 초음파 초음파발생봉은 피부의 표면을 따라 수 초 이상 또는 60 초 이상인 시간 동안 3 cm/초 이상의 (또는 4 cm/초 이상, 또는 대략 5 cm/초) 속도로 이동 또는 미끄러져 움직여질 수 있다.

RF 또는 레이저에 의한 피부의 예비적 천공은 처리된 피부의 투과성 (투명도) 을 증가시키는데 유용한 것으로 여겨진다. 종 파의 형태의 전달된 초음파 에너지는 그 다음 각질층 내에 공동현상을 유도할 수 있다. US 2008/183167 호에 기재된 하나 이상의 기술이 또한 사용될 수 있다.

전달되는 의약을 초음파발생봉의 말단 내 내경 내로 도입하는 것이 가능할 것이나, 더욱 통상적으로는 의약은 피부 상에 문지르거나 음향 커플링을 개선하는데 사용되는 젤에 첨가될 수 있다.

상기 설명에서 목 부분은 전체 길이 전반적으로 중공인 것으로 가정되고 있다. 실시상, 발 및 목 부분을 통과하는 내경이 λ/6 의 길이를 갖는 것이 바람직하나, 이것은 필수적이지는 않고, 목 부분의 일부는 중공이 아닌 것이 가능하다.

Claims (21)

1. 초음파발생봉 (10) 이 초음파 발생기에 대해 사용시 커플링되는 몸중심 부분 (12), 하나의 말단은 몸중심 부분에 커플링되어 있고 원위 말단은 나팔모양의 발 부분으로 종결되는 목 부분 (14) 을 포함하고, 초음파 발생기로부터의 음향에너지는 초음파발생봉의 몸중심, 목 및 발 부분을 통해 초음파의 전송에 의해 기질에 대해 사용시 적용되며, 상기 목 부분 (14) 은 발 부분 (16) 과 몸중심 부분 (12) 모두보다 작은 단면적을 갖고, 초음파발생봉 (10) 의 원위 말단은 나팔모양의 발 부분 (16) 을 통과하여 목 부분 (14) 내로 확장된 내경으로 형성된, 초음파 발생기로부터의 음향 에너지를 기질로 전송하기 위해 치료 또는 화장 화합물의 경피 전달에 사용하기 위한 초음파발생봉 (10).
2. 제 1 항에 있어서, 몸중심 부분과 목 부분이 모두 일정한 외부 직경을 갖는 원통형이고, 내경은 평행한 면을 갖는 원통형 내경이고 목 부분의 전체 길이를 초과하여 확장되는 초음파발생봉.
3. 제 1 항에 있어서, 원하는 주파수의 초음파를 초음파발생봉에 적용하기 위해 발생기에 연결되고, 초음파발생봉의 총 유효 길이는 초음파발생봉에 적용되는 초음파의 파장의 3 분의 1 과 동일한 초음파발생봉.
4. 제 3 항에 있어서, 몸중심 부분의 길이가 목 및 발 부분의 조합된 길이와 동일한 초음파발생봉.
5. 제 1 항에 있어서, 몸중심 부분의 직경이 목의 외부 직경의 2 내지 3 배인 초음파발생봉.
6. 제 1 항에 있어서, 목의 내부 및 외부 직경 사이의 비가 1:4 내지 1:2 인 초음파발생봉.
7. 제 6 항에 있어서, 내부 직경이 목의 외부 직경의 50% 내지 80% 인 초음파발생봉.
8. 제 6 항에 있어서, 목의 벽의 두께가 목의 길이의 1% 내지 10% 인 초음파발생봉.
9. 제 1 항에 있어서, 목 및 목 내의 내경이 원형 횡단면을 갖는 초음파발생봉.
10. 제 1 항에 있어서, 발의 직경과 목의 외부 직경 사이의 비가 3:2 이상인 초음파발생봉.
11. 제 1 항에 있어서, 나팔모양의 발이 평평한 하부 표면을 갖는 초음파발생봉.
12. 제 1 항에 있어서, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 만들어진 초음파발생봉.
13. 초음파 발생기, 초음파 발생기에 연결된 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 초음파발생봉, 및 초음파의 적용 전 또는 적용 동안 화합물이 전달되도록 하는 기질 내 천공 형성 수단을 포함하는, 치료 또는 화장 화합물의 경피 전달용 장치.
14. 제 13 항에 있어서, 천공 형성 수단이 전자기 방사선에 대해 기질을 노출하기 위해 작동되는 장치.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 전자기 방사선이 레이저 광 또는 고주파 방사선인 장치.
16. 인간 또는 동물 신체로의 하나 이상의 치료 또는 화장 화합물의 경피 전달을 위한, 초음파 발생기와 조합된 제 1 항에 따른 초음파발생봉.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 초음파발생봉은 화학적 인핸서와 조합으로 사용되는 것을 특징으로 하는, 초음파발생봉.
18. 제 16 항에 있어서, 상기 초음파발생봉은 이온도입법, 전기천공법, 자기력장, 전자기적 에너지, 기계적 압력장 또는 전기장과 조합으로 사용되는 것을 특징으로 하는, 초음파발생봉.
19. 제 18 항에 있어서, 상기 전자기적 에너지가 레이저 광 또는 고주파 방사선인, 초음파발생봉.
20. 제1항에 있어서,
    상기 초음파발생봉은 하나 이상의 치료 또는 화장 화합물의 경피 전달을 위한 초음파의 피부 적용에 사용되며, 상기 초음파는 초음파 변환기에 커플링되는 경우 상기 초음파발생봉을 통해 상기 피부에 적용되는 것을 특징으로 하는, 초음파발생봉.
21. 제 20 항에 있어서, 피부의 외곽 표면 0.3 mm 내지 2.0 mm 아래에 최대 강도가 도달하도록 초음파의 주파수가 초음파발생봉의 면적 및 물질에 부합되는, 초음파발생봉.

Images