KR101991263B1 - Smart tissue mimicking phantom for visulaizing ultrasonic thermal effect - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초음파의 열 효과를 가시화하는 스마트 조직 팬텀에 관한 것으로서, 생체조직과 음향 특성 및 열전달 특성이 유사한 투명 젤; 및 온도에 따라 가역적인 클라우딩 현상으로 광 투과성이 변하는 NiS(non-ionic surfactant)를 포함하는 초음파의 열 효과를 가시화하는 반복 사용이 가능한 스마트 조직 팬텀에 대한 것이다. 온도에 따른 팬텀의 투명도를 그레이스케일 변화로 표시된 팬텀의 온도-불투명도 특성 곡선을 측정하는 단계; 조사된 초음파의 열 효과로 팬텀 내에서 투명도 차이로 가시화된 열 영상을 수집하는 단계; 상기 팬텀의 온도-투명도 특성 곡선을 이용하여 상기 열 영상으로부터 초음파 조사에 따른 팬텀 내에 형성된 온도 분포를 측정하는 방법과, 상기 팬텀의 온도-투명도 특성 곡선을 디자인하기 위해 NiS(non-ionic surfactant)의 종류 및 첨가량; 또는 전해질의 종류 및 첨가량을 조절하는 방법을 포함한다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a smart tissue phantom for visualizing the thermal effect of ultrasound, and is a transparent gel having acoustic and heat transfer characteristics similar to biological tissue. And a smart tissue phantom that can be used repeatedly to visualize the thermal effect of an ultrasonic wave including NiS (non-ionic surfactant) whose light transmittance is changed by reversible clouding phenomenon depending on the temperature. Measuring a temperature-opacity characteristic curve of the phantom, the transparency of the phantom according to the temperature being represented by a gray scale change; Collecting a thermal image that is visualized as a difference in transparency within the phantom by the thermal effect of the irradiated ultrasonic waves; A method of measuring a temperature distribution formed in a phantom according to an ultrasonic wave irradiation from the thermal image using a temperature-transparency characteristic curve of the phantom, a method of measuring a temperature distribution of a non-ionic surfactant (NiS) Type and amount of addition; Or a method of controlling the kind and amount of the electrolyte to be added.

Description

초음파의 열 효과를 가시화하는 스마트 조직 팬텀{Smart tissue mimicking phantom for visulaizing ultrasonic thermal effect}[0002] Smart tissue mimicking phantom for visulaizing ultrasonic thermal effect,

본 발명은 초음파의 열 효과를 가시화하는 스마트 조직 팬텀 및 이를 이용하여 팬텀 내의 온도 분포를 측정하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a smart tissue phantom for visualizing the thermal effect of ultrasound and a method for measuring the temperature distribution within the phantom using the same.

초음파(ultrasonics wave)는 사람의 귀에 소리로 들리는 한계 주파수 이상이어서 들을 수 없는 음파로서 파장이 작고 지향성이 강한 특성을 가지며, 의학적으로 진단과 치료 목적으로 광범위하게 사용되고 있다. The ultrasonic wave is a sound wave which can not be heard because it is above the limit frequency that can be heard by the human ear and has a small wavelength and strong directivity and is widely used for medical diagnosis and treatment purposes.

초음파를 조사하면 조직 온도를 상승시키고, 혈류량 증진, 염증반응 유발, 생체막 투과성 증가, 신진대사 증가의 생리학적 반응 등을 일으키는 열 효과를 유도할 수 있다. 초음파의 열 효과를 이용해 암을 치료하는 방법으로 온열치료(hyperthermia)와 HIFU(High intensity focused ultrasound) 치료가 있다. 온열치료(hyperthermia)는 40-45°C의 열을 이용해 암을 치료하는 방법이다. HIFU는 기존의 외과적인 수술 방법과는 달리 비침습적으로 체외에서 발생된 초음파를 체내의 종양 부위에 선택적 집속하여 열괴사를 유발시키는 고온 열치료법(50°C 이상)이다. HIFU 장치는 암 조직에 국부적으로 열괴사 효과를 얻을 수 있도록 70°C 이상의 빠른 온도 상승을 유발하도록 구동된다. HIFU 노출로 인해 조직 내 형성된 열 병소는 HIFU 암 수술 대상 부위에 해당한다. Irradiation of the ultrasound can elevate the tissue temperature and induce a thermal effect that leads to increased blood flow, induction of inflammatory reactions, increased permeability of the biomembrane, and physiological response of increased metabolism. Hyperthermia and HIFU (High intensity focused ultrasound) are treatments for the treatment of cancer using the thermal effect of ultrasound. Hyperthermia is a method of treating cancer with heat at 40-45 ° C. HIFU is a high-temperature heat treatment (over 50 ° C) that causes non-invasive ultrasound to selectively focus on tumor sites in the body to induce thermal necrosis, unlike conventional surgical procedures. The HIFU device is driven to cause a rapid temperature rise above 70 ° C to obtain a local thermal necrosis effect on the cancer tissue. Thermal lesions formed in the tissues due to HIFU exposure correspond to sites of HIFU cancer surgery.

이러한 초음파 열 치료에서 환자의 안전과 임상적인 효과를 확인하기 위해서, 장치가 열 병소를 생성하는지 통상적인 품질 보증(QA)시험을 수행하는 것이 중요하다. 시각적으로 불투명한 생물체 조직 내의 열 병소를 관찰하는 것은 어렵다. 초음파 열 효과를 이용한 치료술의 치료 효과 및 안전성을 보증하기 위해서는, 상온에서 투명하며 음향 및 열전달 특성이 생체 조직과 유사한 (TM, tissue mimicking) 열 병소에 대한 초음파의 열 효과를 가시화 할 수 있는 팬텀이 필요하다. 이러한 목적으로 개발된 기존 팬텀에는 단백질 기반 팬텀(protein based phantom), 이소프로필 아크릴아마이드 팬텀 (isopropyl acrylamide(NIPA) phantom)이 있다. To confirm the safety and clinical effectiveness of the patient in such ultrasound thermal therapy, it is important to perform a routine quality assurance (QA) test as to whether the device produces thermal lesions. It is difficult to observe thermal lesions in visually opaque organisms. In order to guarantee the therapeutic effect and safety of the therapeutic using ultrasound thermal effect, a phantom capable of visualizing the thermal effect of ultrasound on a thermal lesion that is transparent at room temperature and has sound and heat transfer characteristics similar to that of a living tissue (TM) need. Existing phantoms developed for this purpose include protein based phantom, isopropyl acrylamide (NIPA) phantom.

단백질 기반 팬텀은 초음파의 생체 조직에 대한 열 효과 연구를 위해 많은 연구자들이 사용하고 있다. 이 팬텀은 상온에서 시각적으로 투명한 폴리아크릴아마이드 젤에, HIFU로 유도된 열 병소를 시각화하기 위해, 온도에 민감한 물질로 단백질(소혈청 알부민 또는 난백)을 첨가하여 구성된 팬텀이다. 상기 팬텀에 HIFU를 조사할 때 단백질의 변성으로 팬텀이 국소 부위에서 하얗게 불투명하게 변한 열 병소를 시각적으로 관찰할 수 있으며, HIFU 조건과 열 병소의 상관성을 이해하는 연구에 유용하게 사용되고 있다. Protein-based phantom is used by many researchers to study the thermal effects of ultrasound on living tissue. This phantom is a phantom constructed by adding protein (bovine serum albumin or egg white) as a temperature sensitive material to visualize HIFU-induced thermal lesions in visually clear polyacrylamide gels at room temperature. When the phantom is irradiated with HIFU, it is possible to visually observe a thermal lesion in which the phantom is turned opaque white in the local region due to the denaturation of the protein, and it is usefully used in research for understanding the correlation between the HIFU condition and the thermal lesion.

그러나 단백질 팬텀은 많은 단점을 갖고 있다. 첫째 단백질의 변성은 온도에 비가역적이다. 따라서 한번 사용된 팬텀은 열 변성으로 이한 열 병소가 영구적으로 팬텀에 남기 때문에 재사용을 할 수 없다. 둘째 단백질 변성이 시작되는 임계 온도 (~ 70°C)가 고정되어있다. 따라서 이 부근의 온도를 초과하는 조건에 대해서만 팬텀을 통해 가시화가 가능하다. 만일 온열 치료를 고려할 경우, 초음파의 열 효과로 42~45°C 부근의 온도를 유지해야 하는데, 이 경우, 단백질 기반 팬텀을 사용하여 평가할 수 없다. However, the protein phantom has many drawbacks. First, denaturation of proteins is irreversible to temperature. Therefore, the once used phantom can not be reused because the thermal lesion caused by thermal denaturation remains in the phantom permanently. Second, the critical temperature at which protein denaturation begins (~ 70 ° C) is fixed. Therefore, visualization through the phantom is possible only for conditions exceeding this temperature. If thermal therapy is considered, the thermal effect of ultrasound should maintain a temperature around 42-45 ° C, which can not be assessed using protein-based phantoms.

넷째, 기존의 단백질 기반 팬텀의 음향 및 열적 특징은 생체 조직과 큰 차이를 보인다. 예를 들어, 감쇠 계수는 조직보다 훨씬 작았고(약 60%), 조직과 다르게 초음파가 흩어지지 않았다. HIFU 등과 같은 비선형 필드에서 중요한 비선형 매개 변수 (B/A)는 조직과는 다르다. Fourth, the acoustic and thermal characteristics of the existing protein - based phantom are significantly different from those of living tissue. For example, the damping coefficient was much smaller (about 60%) than the tissue, and ultrasound was not scattered unlike tissue. Important nonlinear parameters (B / A) in nonlinear fields such as HIFU are different from organization.

다섯째, 단백질은 고가이며, 일단 변성이 되면 재사용이 어렵기 때문에, 경제성이 낮다. 참고로 50ml 팬텀을 만들기 위해 소요되는 이소프로필 아크릴아마이드는 약 10$에 해당한다. 이소프로필 아크릴아마이드 (NIPA) 팬텀은 온도에 민감한 폴리머인 이소프로필 아크릴아마이드의 혼합물로 이루어진 겔(gel)과 유사한 투명한 조직으로 미국에서 특허가 출원된 상태이다( Tian Y, Ye F, US patent, 2009, the application number being PCT/CN2009/000161). 상온에서 투명한 이소프로필 아크릴아마이드 팬텀은, 온도가 상승하면, 흰색으로 변하며, 열이 사라지면 다시 투명해기 때문에 반복적으로 사용할 수 있다. 투명도가 변화는 온도는 제한된 범위 내에서 물질의 선택 및 함량에 따라 조절이 가능하다. 그러나 이소프로필 아크릴아마이드 팬텀은 다음과 같은 단점을 갖고 있다. 첫째 투명도가 변하는 온도 구간을 조절하기 위해 아크릴아마이드 성분이 변화해야 하는데 이렇게 되면, 팬텀의 음향학적 특성 (예, 초음파의 감쇄계수)도 함께 변하게 되어, 팬텀이 음향학적으로 조직과 유사한 상태를 유지하기 어렵게 한다. 둘째, 실제로, 음향학적 특성과 열적 특성이 생체 조직과 유사한지 여부가 검증되지 못한 상태이다. 이소프로필 아크릴아마이드 팬텀의 음속과 음향 임피던스는 조직과 유사한 것으로 제시하고 있으나, 주요 음향학적 특성인 감쇠(attenuation), 분산, 비선형 매개변수(nonlinear parameter), 열적 특성은 평가되지 못한 상태이다. 셋째, 팬텀의 주요 구성 물질인 이소프로필 아크릴아마이드는 단백질 BSA와 같이 고가이다. 예를 들어 50ml 팬텀을 만들기 위해 소요되는 이소프로필 아크릴아마이드는 약 20$에 해당 한다. 다섯째, 프로필아크릴아마이드 팬텀의 준비 과정이 복잡하고, 단일 팬텀을 제조하는데 매우 시간이 소모되며(48시간), 질소 기체를 준비하는 조건이 특별하고, 특별한 환경이 조성되어야 하며 숙련된 기술자가 필요하다. 따라서 실현 가능성이 적다. Fifth, the protein is expensive, and once it is denatured, it is difficult to reuse it, resulting in low economic efficiency. For reference, the isopropyl acrylamide required to make a 50 ml phantom is about $ 10. The isopropyl acrylamide (NIPA) phantom is patented in the United States as a transparent tissue similar to a gel consisting of a mixture of isopropyl acrylamide, a temperature sensitive polymer (Tian Y, Ye F, US patent, 2009 , the application number being PCT / CN2009 / 000161). Transparent isopropylacrylamide phantom at room temperature is turned white when the temperature rises and is transparent again when the heat disappears, so it can be used repeatedly. The temperature at which the transparency changes can be controlled depending on the selection and content of the material within a limited range. However, the isopropyl acrylamide phantom has the following disadvantages. First, the acrylamide component must be changed to control the temperature range at which the transparency changes. This will also change the phantom's acoustical properties (eg, the attenuation coefficient of the ultrasound), so that the phantom maintains acoustical similarity to tissue It is difficult. Second, in fact, it has not been verified whether the acoustical and thermal properties are similar to those of living tissue. The acoustic and acoustic impedances of isopropylacrylamide phantoms are similar to those of tissue, but the main acoustic properties attenuation, dispersion, nonlinear parameter, and thermal properties are not evaluated. Third, isopropylacrylamide, which is a major component of Phantom, is as expensive as protein BSA. For example, the amount of isopropylacrylamide required to make a 50 ml phantom is about $ 20. Fifth, the preparation process of the profile acrylamide phantom is complicated, and it takes a long time to manufacture a single phantom (48 hours), the conditions for preparing the nitrogen gas are special, a special environment must be created, and a skilled engineer is needed . Therefore, the feasibility is low.

이러한 기존의 팬텀의 문제점을 극복하기 위해 본 발명자들은 온도에 가역적인 클라우딩 (clouding)현상을 보이는 비이온성 계면활성제(non-ionic surfactant, NiS)를 온도에 반응하는 물질로 사용하며 음향특성, 비선형 파라미터, 열적 특성이 생체 조직과 유사하고, 재사용이 가능하고, 경제성이 뛰어난 특징을 갖는 비이온 계면활성제(NiS) 생체 조직 팬텀을 개발하였다.In order to overcome the problems of the conventional phantom, the present inventors have used a non-ionic surfactant (NiS) that exhibits a reversible temperature clouding phenomenon as a material that reacts with temperature, Nonionic surfactant (NiS) biotissue phantom, which has similar characteristics to those of living tissues, is reusable, and has excellent economic properties.

PCT/CN2009/000161PCT / CN2009 / 000161

본 발명의 목적은 생체 조직과 음향 특성 및 열전달 특성이 유사한 투명 젤; 과 온도에 따라 광 투과성이 변화는 NiS(non-ionic surfactant)을 혼합하여 초음파의 열 효과를 가시화하는 스마트 조직 팬텀을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a transparent gel having acoustic and heat transfer characteristics similar to biological tissue; And a smart tissue phantom for visualizing the thermal effect of ultrasonic waves by mixing NiS (non-ionic surfactant) with the change of light transmittance according to temperature.

또한, 본 발명의 다른 목적은 생체조직과 음향학 특성 및 열전달 특성이 유사한 투명 젤; 온도에 따라 광 투과성이 변화는 NiS(non-ionic surfactant); 및 전해질(electrolyte)을 포함하는 초음파의 열 효과를 가시화하는 스마트 조직 팬텀을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a transparent gel having a similar acoustical property and heat transfer characteristic to a living tissue; The changes in light transmittance depending on temperature include non-ionic surfactant (NiS); And a smart tissue phantom that visualizes the thermal effect of the ultrasonic waves including an electrolyte.

또한, 본 발명의 다른 목적은 본 발명의 상기 팬텀을 이용하여 초음파 조사에 따른 팬텀 내의 온도 분포를 측정하는 방법을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a method for measuring the temperature distribution in the phantom by ultrasonic irradiation using the phantom of the present invention.

또한, 본 발명의 다른 목적은 NiS(non-ionic surfactant)의 종류 및 첨가량; 또는 전해질의 종류 및 첨가량을 조절하는 단계를 포함하는, 본 발명에 따른 상기 팬텀에서 클라우딩 시작 온도(Ti) 및 클라우딩 종료 온도(Te) 범위를 조절하는 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a non-ionic surfactant (NiS) (Ti) and a clouding termination temperature (Te) in the phantom according to the present invention, comprising the step of controlling the type and the amount of the electrolyte.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 생체조직과 음향학 특성 및 열전달 특성이 유사한 투명 젤에 및 온도에 따라 광 투과성이 변화는 NiS(non-ionic surfactant)이 혼합된 초음파의 열 효과를 가시화하는 스마트 조직 팬텀을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a method of visualizing the thermal effect of ultrasound mixed with a transparent gel having a similar acoustical property and heat transfer characteristic to a living tissue, and a non-ionic surfactant (NiS) Smart organization phantom.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 투명 젤은 PHG(polyacrylamide hydrogel)일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the transparent gel may be a polyacrylamide hydrogel (PHG).

본 발명의 일실시예에 있어서, 초음파 산란체인 글래스 비드(glass bead)를 더 포함할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the apparatus may further include a glass bead as an ultrasonic scattering member.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 투명 젤의 균질성과 탄성을 유지하고 초음파의 감쇠 계수를 높이며, 폴리머화 (polymerization)과정에서 전해질의 용해도를 높게 유지할 수 있도록 상온에서 팬텀의 광 투과성 저하를 방지하는 다당류(polyssacrides)를 더 포함할 수 있다. In one embodiment of the present invention, it is desirable to maintain the homogeneity and elasticity of the transparent gel, to increase the attenuation coefficient of the ultrasonic wave, to prevent the deterioration of the light transmittance of the phantom at room temperature so that the solubility of the electrolyte can be maintained high during the polymerization process. Polysaccharides, which may be used in the present invention.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 NiS는 광 투과성이 변화는 온도 구간(Ti~Te)에서 온도에 따라 가역적이고 (reversible) 히스테리컬(hysterical)한 클라우딩(clouding) 현상을 보이는 것일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the NiS may exhibit a reversible hysterical clouding depending on the temperature in the temperature interval (Ti to Te) .

또한, 본 발명은, 생체조직과 음향학 특성 및 열전달 특성이 유사한 투명 젤; 온도에 따라 광 투과성이 변화는 NiS(non-ionic surfactant); 및 전해질(electrolyte)을 포함하는 초음파의 열 효과를 가시화하는 스마트 조직 팬텀을 제공한다.The present invention also relates to a transparent gel having a similar acoustical property and heat transfer characteristic to a living tissue; The changes in light transmittance depending on temperature include non-ionic surfactant (NiS); And a smart tissue phantom that visualizes the thermal effect of an ultrasonic wave including an electrolyte.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 전해질로서 요오드화물(Iodin)을 함유한 KI 또는 NI를 사용할 경우, 전해질의 농도가 낮을수록 클라우딩(clouding) 시작 온도인 Ti가 낮아질 수 있다.In one embodiment of the present invention, when KI or NI containing iodine is used as the electrolyte, the lower the concentration of the electrolyte, the lower the temperature at which the clouding starts.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 전해질로서 염화물(chloride), 브롬화물(bromide) 또는 플루오르화물(fluoride)을 함유한 NaF, NaCl 또는 NaBr를 사용할 경우, 전해질의 농도가 낮을수록 클라우딩(clouding) 시작 온도인 Ti가 증가할 수 있다. In one embodiment of the present invention, when NaF, NaCl or NaBr containing chloride, bromide or fluoride is used as the electrolyte, the lower the concentration of the electrolyte, the more the clouding occurs. The starting temperature Ti may increase.

또한, 본 발명은,Further, according to the present invention,

온도에 따른 팬텀의 투명도를 그레이스케일 변화로 표시된 팬텀의 온도-불투명도 특성 곡선을 측정하는 단계; 초음파 조사에 의한 열 효과로 온도(Ti)로부터 종료되는 온도(Te) 범위에서 팬텀 내에서 투명도 차이로 가시화된 열 영상을 수집하는 단계; 상기 팬텀의 온도-불투명도 특성 곡선을 이용하여 상기 열 영상으로부터 초음파 조사에 따른 팬텀 내에 형성된 온도 분포를 측정하는 방법을 제공한다. Measuring a temperature-opacity characteristic curve of the phantom, the transparency of the phantom according to the temperature being represented by a gray scale change; Collecting a thermal image that is visualized as a difference in transparency within a phantom in a temperature range (Te) terminated from a temperature (Ti) by a thermal effect by ultrasonic irradiation; And a temperature distribution formed in the phantom according to the ultrasonic irradiation from the thermal image using the temperature-opacity characteristic curve of the phantom.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 클라우딩이 시작되는 온도(Ti)로부터 종료되는 온도(Te) 범위는 NiS(non-ionic surfactant)의 종류 또는 함량에 따라 변할 수 있다. In an embodiment of the present invention, the range of the temperature Te to be terminated from the temperature Ti at which the clouding is started may vary depending on the kind or content of the non-ionic surfactant NiS.

본 발명의 일실시예에 있어서, 전해질은 동일 종류 및 동일 함량의 NiS(non-ionic surfactant)에 대해 클라우딩이 시작되는 온도(Ti)를 조절할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the electrolyte can control the temperature (Ti) at which the clouding begins for the same type and the same amount of NiS (non-ionic surfactant).

본 발명의 일실시예에 있어서, 초음파 조사로 팬텀 내의 온도가 상승하여 형성된 NiS의 클라우딩은 팬텀의 온도가 하강하면 다시 투명하게 회복되는 가역적이며 히스테리컬한 특성을 갖는 것일 수 있다. In one embodiment of the present invention, the clouding of the NiS formed by raising the temperature in the phantom by ultrasonic irradiation may be reversible and hysterical in which the temperature of the NiS is restored transparently when the temperature of the phantom is lowered.

또한, 본 발명은 NiS(non-ionic surfactant)의 종류 및 첨가량; 또는 전해질의 종류 및 첨가량을 조절하는 단계를 포함하는, 본 발명에 따른 상기 팬텀에서 클라우딩 시작 온도(Ti) 및 클라우딩 종료 온도(Te) 범위를 조절하는 방법을 제공한다.The present invention also relates to a method for producing a non-ionic surfactant, (Ti) and a termination temperature (Te) in the phantom according to the present invention, including the step of adjusting the type and the amount of the electrolyte.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 전해질로서 요오드화물(Iodin)을 함유한 KI 또는 NI를 사용할 경우, 전해질의 농도가 낮을수록 클라우딩(clouding) 시작 온도인 Ti가 낮아질 수 있다. In one embodiment of the present invention, when KI or NI containing iodine is used as the electrolyte, the lower the concentration of the electrolyte, the lower the temperature at which the clouding starts.

본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 전해질로서 염화물(chloride), 브롬화물(bromide) 또는 플루오르화물(fluoride)을 함유한 NaF, NaCl 또는 NaBr를 사용할 경우, 전해질의 농도가 낮을수록 클라우딩(clouding) 시작 온도인 Ti가 증가할 수 있다. In one embodiment of the present invention, when NaF, NaCl or NaBr containing chloride, bromide or fluoride is used as the electrolyte, the lower the concentration of the electrolyte, the more the clouding occurs. The starting temperature Ti may increase.

본 발명에 따른 초음파의 열 효과를 가시화할 수 있는 스마트 조직 팬텀은 NiS(non-ionic surfactant) 및 전해질(electrolyte)을 투명 젤에 혼합되도록 폴리머화 한 것으로, 생체조직과 음향학적 특성 및 열 전달 특성이 유사하고, 팬텀 내의 온도에 따른 광투과성의 변화율을 NiS 또는 전해질의 종류와 함량 변화로 용이하게 변화시킬 수 있다. 상기 팬텀의 광 투과성은 온도 변화에 따라 가역적인 특징을 가지기 때문에 팬텀을 반복적으로 사용이 가능하며, 기존의 팬텀에 비해 초 저가의 물질인 NiS 또는 전해질을 사용하기 때문에 매우 경제적이다. 본 발명의 스마트 조직 팬텀은 초음파의 열 효과를 이용하는 의료용 초음파 성능 평가 및 HIFU 수술과 같은 치료용 초음파의 안정성 평가를 위한 도구로 사용할 수 있다. The smart tissue phantom capable of visualizing the thermal effect of the ultrasonic wave according to the present invention is a polymerized to mix a non-ionic surfactant (NiS) and an electrolyte in a transparent gel, And the change rate of the light transmittance according to the temperature in the phantom can be easily changed by changing the type and content of NiS or the electrolyte. Since the light transmittance of the phantom has a reversible characteristic according to the temperature change, the phantom can be repeatedly used and is very economical because it uses NiS or an electrolyte which is an ultra low-cost material as compared with the conventional phantom. The smart tissue phantom of the present invention can be used as a tool for evaluating medical ultrasound performance utilizing the thermal effect of ultrasonic waves and for evaluating the stability of therapeutic ultrasound such as HIFU surgery.

도 1은 온도 따라 투명성이 변하는 팬텀의 온도-광투과성 측정 시스템을 도시화한 것이다.
도 2는 본 발명의 비이온성 계면활성제 NiS 팬텀을 이용하여 HIFU에 의한 열 병변을 가시화하고 비디오 영상으로 입수하는 실험 장치를 나타낸 것이다.
도 3은 NiS (NP14 계열) 수용액에 대한 NiS 농도별 온도- 광 투과성을 측정한 결과이다. 광 투과성 또는 투명도는 팬텀의 비디오 영상에서 8 비트 그레이 스케일(0~255) 픽셀으로 변환하여 값으로 정량화 했다.
도 4는 온도- 광 불투과성을 (1) NiS 수용액 (solution), (2) 다당류를 포함하지 않는 NiS 팬텀 (PAG), (3) 다당류를 포함하는 NiS 조직 모의 팬텀 (TM PAG - 본 발명에 해당 이하 ‘본 발명의 NiS 조직 팬텀’으로 표기)을 가열하고 냉각하였을 때를 측정한 결과이다 (NiS는 NP14 계열을 사용).
도 5는 본 발명의 NiS 조직 팬텀 (도4에서 TM PAG 해당)에 대해 비이온성 계면활성제(NiS)의 농도에 따른 온도-광불투과성을 측정한 결과이다 (NiS는 NP14 계열을 사용).
도 6은 본 발명의 NiS 조직 팬텀 및 간 조직에서의 초음파에 따른 감쇠계수를 나타낸 그래프이다. 본 데이터는 동일한 샘플의 5번 반복된 측정으로부터 얻어진 평균±표준편차를 나타낸다(NiS는 NP14 계열을 사용).
도 7은 본 발명의 NiS 조직 팬텀에 대한 주파수에 따른 후방산란계수를 측정한 결과로, 데이터 점 및 오차 막대는 각각 평균 및 표준편차를 나타낸 것으로서 샘플 시료의 6개의 다른 위치에서 6번 반복하여 측정된 값을 사용하였다
도 8은 본 발명의 NiS 조직 팬텀에 포함된 전해질(KI) 농도 (% in w/v)의 변화에 따른 온도-광학적 불투과성 곡선을 보여주는 것이다 (가열: 실선 냉각: 점선).
도 9는 본 발명의 NiS 조직 팬텀을 가열 및 냉각할 때 온도의 변화에 따른 광학적 투명성이 보여주는 이력 곡선 (hysteresis curve)의 특징 파라미터에 대한 정의를 나타낸 것이다.
도 10은 동일한 HIFU 강도로 10초 동안 전해질을 포함하는 본 발명의 NiS 조직 팬텀에 조사한 경우 팬텀 내에 형성된 열 병변 (thermal lesion)의 영상을 전해질 농도별로 비교한 것이다.
Figure 1 illustrates a temperature-light transmission measurement system of a phantom with transparency varying with temperature.
FIG. 2 shows an experimental apparatus for visualizing thermal lesions by HIFU using a nonionic surfactant NiS phantom of the present invention and acquiring them as video images.
FIG. 3 shows the result of measurement of temperature-light transmittance according to NiS concentration for an NiS (NP14 series) aqueous solution. Transparency or transparency was converted to 8-bit grayscale (0 to 255) pixels in the phantom video image and quantified as a value.
Figure 4 shows the temperature-photoperiodicity of the NiS phantom (TM PAG) - (1) NiS solution, (2) a NiS phantom without a polysaccharide (PAG) (Hereinafter referred to as " NiS structure phantom of the present invention ") was heated and cooled (NiS is NP14 series).
FIG. 5 shows the result of measuring the temperature-to-light-transparency according to the concentration of the nonionic surfactant (NiS) for the NiS structure phantom of the present invention (corresponding to TM PAG in FIG. 4).
6 is a graph showing attenuation coefficients according to ultrasonic waves in the NiS tissue phantom and liver tissue of the present invention. This data represents the mean ± standard deviation from five repeated measurements of the same sample (NiS uses the NP14 series).
FIG. 7 is a graph showing the results of measurement of the backscattering factor according to the frequency for the NiS tissue phantom of the present invention. The data points and the error bars indicate the mean and standard deviation, respectively. Lt; RTI ID = 0.0 >
FIG. 8 shows a temperature-optical impermeability curve according to a change in the concentration (% in w / v) of the electrolyte (KI) contained in the NiS structure phantom of the present invention (heating: solid line cooling: dotted line).
FIG. 9 shows the definition of the characteristic parameter of the hysteresis curve showing the optical transparency according to the temperature change when heating and cooling the NiS structure phantom of the present invention.
FIG. 10 is a graph comparing images of thermal lesions formed in a phantom according to electrolyte concentration when the NiS tissue phantom of the present invention including an electrolyte for 10 seconds at the same HIFU intensity was irradiated.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명은 초음파의 열 효과를 가시화할 수 있는 스마트 조직 팬텀에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 생체조직과 음향학 특성 및 열전달 특성이 유사한 투명 젤; 및 온도에 따라 광 투과성이 변화는 NiS(non-ionic surfactant)를 포함하는, 초음파의 열 효과를 가시화하는 스마트 조직 팬텀을 제공함에 특징이 있다.The present invention relates to a smart tissue phantom capable of visualizing the thermal effect of ultrasound, and more particularly, to a smart tissue phantom having a transparent gel having a similar acoustical property and heat transfer characteristic to a living tissue; And a change in light transmittance according to temperature, is characterized by providing a smart tissue phantom that exhibits the thermal effect of ultrasonic waves, including a non-ionic surfactant (NiS).

또한, 본 발명은 생체조직과 음향학 특성 및 열전달 특성이 유사한 투명 젤; The present invention also relates to a transparent gel having a similar acoustical property and heat transfer characteristic to a living tissue;

온도에 따라 광 투과성이 변화는 NiS(non-ionic surfactant); 및 전해질(electrolyte)을 포함하는, 초음파의 열 효과를 가시화하는 스마트 조직 팬텀을 제공함에 그 특징이 있다.The changes in light transmittance depending on temperature include non-ionic surfactant (NiS); And a smart tissue phantom for visualizing the thermal effect of the ultrasonic waves, including an electrolyte.

본 발명에서 제공하는 팬텀은 초음파 진단기의 성능을 평가하기 위한 것으로서, 종래 팬텀과는 달리 초음파에 의한 팬텀의 열 분포 또는 열 변화를 가시화 하여 조사된 초음파에 의한 팬텀 내의 온도 변화(또는 분포)를 보다 정확하게 측정할 수 있는 특징이 있다.The phantom provided in the present invention is for evaluating the performance of an ultrasonic diagnostic apparatus. Unlike the conventional phantom, the thermal distribution or thermal change of the phantom by ultrasonic waves is visualized, and the temperature change (or distribution) There is a feature that can measure accurately.

본 발명에서 초음파의 열 효과를 가시화 할 수 있는 조직 팬텀의 구성요소 중 하나인 상기 투명 젤은 팬텀이 생체 조직과 같은 음향학적 특성 및 열전달 특성을 갖도록 하기 위해 사용한 것으로서, 생체 조직별 음향학적 특성은 사용하는 투명 젤의 구성 요소들의 농도를 변화시켜 조절할 수 있다.In the present invention, the transparent gel, which is one of the components of the tissue phantom capable of visualizing the thermal effect of the ultrasonic wave, is used to make the phantom have the same acoustic and heat transfer characteristics as the living tissue. It can be adjusted by varying the concentration of the components of the transparent gel used.

본 발명에서 사용할 수 있는 상기 투명 젤은 PHG(polyacrylamide hydrogel)이 바람직하다.The transparent gel usable in the present invention is preferably polyacrylamide hydrogel (PHG).

또한, 본 발명에 따른 팬텀의 다른 구성 요소 중 하나인 NiS(non-ionic surfactant)는 온도에 따라 광 투과성이 달라지는 특성이 있는데, 즉, 특정 온도 구간에서 클라우딩(clouding) 되는 특징이 있어, 상기 투명 젤에 클라우딩 효과를 유도하여 초음파 조사에 의한 열 변화를 가시화 할 수 있는 특징이 있다.In addition, the non-ionic surfactant (NiS), which is one of the other components of the phantom according to the present invention, has a characteristic of varying light transmittance according to temperature, that is, it has a characteristic of clouding at a specific temperature interval, It is characterized by inducing the clouding effect on the transparent gel and visualizing the thermal change by ultrasonic irradiation.

더불어 본 발명의 NiS(non-ionic surfactant)는 초음파의 열 효과에 의해 팬텀 조직의 온도가 증가하게 되고 NiS가 클라우딩 되는 온도 시작점(Ti)에 이르게 되면 클라우딩 효과(투명한 팬텀이 뿌옇게 변함)가 발생하여 클라우딩이 종료되는 시점의 온도(Te)에 이르게 되고, 이후 온도가 다시 하강하면 불투명해진 팬텀은 다시 투명하게 되는 가역적인 특성을 갖는다. 이러한 NiS는 사용하는 종류 및 함량에 따라 Ti~Te의 온도범위를 변화시킬 수 있으며, 동일 종류의 NiS라고 하더라도 사용 함유량에 따라 Ti~Te의 온도 범위를 변화시킬 수 있다.In addition, the NiS (non-ionic surfactant) of the present invention increases the temperature of the phantom structure due to the thermal effect of ultrasonic waves, and when the temperature starts to reach the starting point Ti where NiS is crowded, the clouding effect And reaches the temperature Te at the time when the clouding is terminated, and the opaque phantom becomes transparent again after the temperature is lowered again. Such NiS can change the temperature range of Ti to Te depending on the kind and content to be used, and even if the same type of NiS is used, the temperature range of Ti to Te can be changed according to the content of use.

일예로, 본 발명에서 사용한 NiS의 경우, 온도에 비례하여 특정 온도까지는 불투명도가 지속적으로 증가하는데, 이는 온도 상승에 따라 NiS가 응집하여 생기는 마이셀(즉, 응집체)의 수가 증가하고 마이셀의 크기가 증가하기 때문이다. 반대로 온도가 하강하면 마이셀의 수와 크기가 감소하기 때문에 불투명도가 다시 투명도로 회복된다.For example, in the case of NiS used in the present invention, the opacity continuously increases up to a certain temperature in proportion to the temperature. This is because as the temperature increases, the number of micelles (that is, agglomerates) . Conversely, when the temperature falls, the number and size of the micelles decrease, and the opacity again returns to transparency.

또한, 사용하는 NiS의 농도가 높아질수록 온도에 따른 불투명도의 차이는 증가하는데, 즉, NiS의 농도가 높아지면 마이셀 수의 밀도가 증가하여 이들 간의 상호작용이 증가하여 상 전이는 더 낮은 온도에서 일어나므로 Ti의 온도는 감소하고 반면 Te는 변화하지 않는다. 따라서 클라우딩이 일어나는 온도범위의 폭은 넓어진다. NiS에 의한 클라우딩(또는 상 전이) 메카니즘을 모식도로 나타내면 하기와 같다.Also, as the concentration of NiS used increases, the difference in opacity depending on the temperature increases. That is, as the concentration of NiS increases, the density of the micelles increases and the interaction between them increases so that the phase transition occurs at a lower temperature So the temperature of Ti decreases while Te does not change. Thus, the range of temperatures at which clouding occurs is widened. The mechanism of clouding (or phase transition) by NiS is schematically shown as follows.

Figure 112012051429323-pat00001
Figure 112012051429323-pat00001

또한, 본 발명에서는 NiS(non-ionic surfactant)의 사용으로 인해 Ti~Te의 온도범위 폭을 넓힐 수 있는 효과가 있으며, 따라서 온도변화에 따른 클라우딩에 의한 열 영상을 얻기가 쉬운 잇점이 있다.In addition, in the present invention, the use of NiS (non-ionic surfactant) has the effect of widening the temperature range of Ti to Te. Therefore, it is easy to obtain a thermal image by clouding according to the temperature change.

본 발명에서 사용할 수 있는 NiS(non-ionic surfactant)의 종류는 시중에서 사용 및 판매되고 있는 것이라면 사용 가능하며, 이에 제한되지는 않지만 하기에 기재된 것들을 사용할 수 있다.The non-ionic surfactant (NiS) that can be used in the present invention can be used as long as it is used and sold in the market, and the following non-limiting examples can be used.

Figure 112012051429323-pat00002
Figure 112012051429323-pat00002

보다 구체적으로 전해질의 사용으로 인해 클라우딩이 시작되는 임계온도(Ti)의 변화를 조절하는 기작은 크게 2가지가 있는데, 먼저, 전해질이 첨가되면 양(+) 이온은 산소 말단으로 둘러싸이게 되고, 음(-) 이온은 물 분자(H2O)의 말단 양극(+) 수소로 둘러싸이게 된다. 음(-) 이온은 다른 물 분자와의 수소 결합을 유지하지 않고, 다른 비이온 계면활성제의 에테르기와의 수소 결합을 이루게 하여 클라우딩 시작점을 증가시킨다(하기 그림 참조).More specifically, there are two mechanisms for controlling the change in the critical temperature (Ti) at which the clouding starts due to the use of the electrolyte. First, when the electrolyte is added, positive ions are surrounded by the oxygen terminal, The negative (-) ion is surrounded by the terminal positive (+) hydrogen of the water molecule (H 2 O). The negative (-) ion does not retain hydrogen bonds with other water molecules, but makes hydrogen bonds with ether groups of other nonionic surfactants, increasing the starting point of the clouding (see the figure below).

Figure 112012051429323-pat00003
Figure 112012051429323-pat00003

다른 기작으로는, 전해질을 첨가하면 이온의 크기가 증가하고 이온의 밀도가 감소해서 물과의 친화력이 감소된다. 그러나 전해질, 예를 들어 KI는 물 구조의 파괴자로 간주되지만 이러한 KI를 NiS와 혼합하게 되면 물 분자 사이에 Nis 가 결합된 분자가 증가하여 클라우딩 시작점을 증가시킨다(하기 그림 참조).In other mechanisms, the addition of an electrolyte increases the size of the ion and decreases the density of the ion, reducing the affinity for water. However, electrolytes, such as KI, are considered to be the destructors of the water structure, but mixing such KI with NiS will increase the number of Nis bonded molecules between water molecules and increase the starting point of the clouding (see the figure below).

Figure 112012051429323-pat00004
Figure 112012051429323-pat00004

따라서, 본 발명에서 상기 전해질로서 요오드화물(Iodin)을 함유한 KI 또는 NI를 사용할 경우, 전해질의 농도가 낮을수록 클라우딩(clouding) 시작 온도인 Ti를 낮출 수 있고, 상기 전해질로서 염화물(chloride), 브롬화물(bromide) 또는 플루오르화물(fluoride)을 함유한 NaF, NaCl 또는 NaBr를 사용할 경우, 전해질의 농도가 낮을수록 클라우딩(clouding) 시작 온도인 Ti를 증가시킬 수 있다. Therefore, in the present invention, when KI or NI containing iodine is used as the electrolyte, Ti, which is the starting temperature for clouding, can be lowered as the concentration of the electrolyte is lower, and chloride as the electrolyte, If NaF, NaCl or NaBr containing bromide or fluoride is used, the lower the concentration of the electrolyte, the higher the starting temperature for clouding, Ti.

또한, 본 발명에 따른 팬텀은 초음파 산란체인 글래스 비드(glass bead)를 더 포함할 수 있으며, 상기 투명 젤의 균질성과 탄성을 유지하고 초음파의 감쇠 계수를 높이며 전해질의 용해도를 높게 유지할 수 있도록 상온에서 팬텀의 광 투과성 저하를 방지하는 다당류(polyssacrides)를 더 포함할 수 있다.In addition, the phantom according to the present invention may further include a glass bead, which is an ultrasonic scattering glass. The phantom according to the present invention may further include a glass bead to maintain the homogeneity and elasticity of the transparent gel and to increase the attenuation coefficient of the ultrasonic wave and maintain the solubility of the electrolyte at room temperature And may further include polysaccharides that prevent deterioration of the light transmittance of the phantom.

특히 본 발명에서는 상기 다당류의 사용으로 인해 친수성이 증가되고 고분자화가 촉진되며 수소결합이 증가하여 상전이 온도가 낮아지게 하는 효과가 있다.In particular, in the present invention, the use of the polysaccharide increases the hydrophilicity, promotes the polymerisation, and increases the hydrogen bonding, thereby lowering the phase transition temperature.

또한 다당류의 사용으로 초음파의 감쇠가 발생하는 이유를 설명하면, 크게 4가지가 있는데, 첫째는 점성마찰이다. 즉, 점성효과는 겔에 함유된 점성액 내 흡수의 주된 원인이다. 점성마찰에 의한 감쇠는 분자 스케일이서 내부 마찰 때문에 음향에너지를 열로 변화하는데 관련이 있다. 또한 점성마찰은 1MHz 이상의 진동수에서 감소의 주모드가 된다. 예를 들어, 다당류인 콘 시럽(corn syrup) 용액에서 옥수수 전분은 흡수입자와 같은 역할을 하며, 측정선을 따라 물질의 밀도 변동은 신호변화를 유발하고 프로파일의 에너지 손실을 일으킨다. 입자의 속도는 관성효과를 둘러싸고 있는 것에 따라 달라질 수 있다, 또한, 팬텀 물질의 밀도 차이 때문에 물질의 음향 인피던스는 매우 다양할 수 있고, 이는 초음하의 물질 통과에 영향을 미치므로 투과 에너지 손실은 흡수 때문에 일어난다.There are four main reasons for the attenuation of ultrasonic waves due to the use of polysaccharides. The first is viscous friction. That is, the viscous effect is the main cause of the viscous liquid absorption in the gel. Attenuation due to viscous friction is molecular scale and is related to changing acoustic energy to heat due to internal friction. Viscous friction also becomes the main mode of reduction at frequencies above 1 MHz. For example, in a polysaccharide corn syrup solution, corn starch acts like an absorbent particle, and fluctuations in the density of the material along the measuring line cause signal changes and energy loss in the profile. The velocity of the particles can vary depending on the surrounding inertia effect. Also, due to the difference in density of the phantom material, the acoustic impedance of the material can be very diverse, affecting the passage of material under supersonic conditions, It happens.

둘째는 화학적 이완(chemicla relaxation)으로서, 흡수는 분자들 사이의 에너지 교환 때문으로 이는 다당류(폴리사카라이드)와 농도와 관련이 있다. 이온의 이완 과정은 음파의 전파에 의한 압력 진동으로 인한 이온의 탈결합-재결합과 관련성이 있다. 이러한 현상은 용액 내 분자들의 수화를 위한 다당류 내에서 물, 탄소 및 산소 분자와의 관련성으로 기인된다.The second is chemicla relaxation. Absorption is due to the energy exchange between molecules, which is related to polysaccharides (polysaccharides) and their concentration. The relaxation process of ions is related to decoupling - recombination of ions due to pressure oscillation by the propagation of sound waves. This phenomenon is due to the association with water, carbon and oxygen molecules in polysaccharides for hydration of molecules in solution.

셋째는 구조적 이완(structural selaxation)으로서, 물, 아크릴아마이드(젤 성분) 및 다당류와 같은 액체의 결합에 의한 구조적 이완이다. 이들 분자들은 분가간 힘이 매우 강하여, 다당류와 같은 점성을 띈 점성액을 물이나 젤(아크릴아마이드)와 같은 점성이 낮은 액체와 혼합하면, 물의 존재는 다당류의 높은 점성의 원인인 격자구조를 약화시킨다. 따라서 α/f2 는 처음에는 감소하지만 다당류와 고분자의 가교는 다당류의 농도가 증가함에 따라 증가된다.The third is structural relaxation, a structural relaxation due to the combination of liquids such as water, acrylamide (gel components) and polysaccharides. These molecules have very strong intermolecular forces, so if the viscous liquid with the same viscosity as the polysaccharide is mixed with a liquid of low viscosity such as water or gel (acrylamide), the presence of water weakens the lattice structure which is the cause of the high viscosity of the polysaccharide . Thus, α / f 2 decreases at first but cross - linking of polysaccharide and polymer increases with increasing polysaccharide concentration.

넷째로는 열역학적 이완(thermal relaxation)으로, 분자의 내부구조와 내부 진동을 일으키는 것과 등척성 이완 사이의 상호작용을 고려하여 예측할 수 있다. Fourth is thermal relaxation, which can be predicted by taking into account the interaction between the internal structure of the molecule and the internal oscillation and the isometric relaxation.

이상과 같은 이유에 의해 본 발명에서 사용한 다당류는 초음 파의 감쇠계수를 높이는 역할을 한다.For the above reasons, the polysaccharide used in the present invention plays the role of increasing the damping coefficient of the ultrasonic wave.

나아가 본 발명은 상기 기술된 본 발명의 팬텀을 이용하여 초음파 조사에 따른 팬텀 내의 온도 분포를 측정하는 방법을 제공할 수 있는데, 상기 방법은 바람직하게, 본 발명의 팬텀에 초음파를 조사하는 단계; 초음파 조사에 의해 Nis의 클라우딩이 시작되는 온도(Ti)에서부터 클라우딩이 종료되는 온도(Te)를 측정하는 단계; 클라우딩이 시작되는 온도(Ti)로부터 종료되는 온도(Te) 범위에서 가시화된 광투과성의 열 영상을 수집하고 광투과성과 온도와의 상관관계를 그래프화 시키는 단계를 포함할 수 있다. Further, the present invention can provide a method of measuring a temperature distribution in a phantom by ultrasonic irradiation using the phantom of the present invention, wherein the method comprises: irradiating the phantom of the present invention with ultrasound; Measuring a temperature (Te) at which the clouding is terminated from a temperature (Ti) at which clouding of the Nis begins by ultrasonic irradiation; Collecting a visible light transmittance thermal image in a range from a temperature Ti at which the clouding is started to an ending temperature Te and graphing the correlation between the light transmittance and the temperature.

또한 이때 상기 클라우딩이 시작되는 온도(Ti)로부터 종료되는 온도(Te) 범위는 NiS(non-ionic surfactant)의 종류 또는 함량에 따라 변화할 수 있고, 전해질은 동일 종류 및 동일 함량의 NiS(non-ionic surfactant)에 대해 클라우딩이 시작되는 온도(Ti)를 조절할 수 있다.Also, the range of the temperature (Te) at which the clouding starts from the temperature Ti may vary depending on the kind or content of NiS (non-ionic surfactant), and the electrolyte may be the same kind and the same amount of NiS the temperature (Ti) at which the clouding is initiated can be controlled.

또한, 초음파 조사로 팬텀 내의 온도가 상승하여 형성된 NiS의 클라우딩은 팬텀의 온도가 하강하면 다시 투명하게 회복되는 가역적인 특성을 갖는다. In addition, the clouding of NiS formed by raising the temperature in the phantom by ultrasonic irradiation has a reversible characteristic in which, when the temperature of the phantom is lowered, it is restored transparently again.

뿐만 아니라 본 발명은 NiS(non-ionic surfactant)의 종류 및 첨가량; 또는 전해질의 종류 및 첨가량을 조절하는 단계를 포함하는, 본 발명의 팬텀에서 클라우딩 시작 온도(Ti) 및 클라우딩 종료 온도(Te) 범위를 조절하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention relates to a non-ionic surfactant (NiS) (Ti) and a clouding termination temperature (Te) range in the phantom of the present invention, including the step of adjusting the type and the amount of the electrolyte.

이상, 앞서 기술한 본 발명에서 제공하는 팬텀은 초음파에 의한 열 효과를 가시화 하여 팬텀 내 온도 분포를 용이하고 정확하게 측정할 수 있으므로, 초음파의 열 효과를 이용하는 의료용 초음파 기구의 성능 평가 및 HIFU 수술과 같은 치료용 초음파의 테스트를 위한 도구로 활용될 수 있다. As described above, the phantom provided in the present invention can easily and accurately measure the temperature distribution in the phantom by visualizing the thermal effect by the ultrasonic wave. Therefore, the performance evaluation of the medical ultrasound apparatus utilizing the thermal effect of the ultrasonic wave, And can be used as a tool for testing therapeutic ultrasound.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명하기로 한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples. However, these examples are intended to further illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

<< 실시예Example 1> 1>

초음파 ultrasonic wave 열효과Thermal effect 가시화 팬텀의 온도-광 투과성 측정 시스템 Visualization Phantom's temperature-light transmission measurement system

본 발명자들은 강력 집속 초음파의 연부 조직에 전달되는 열을 측정하기 위하여 연부 조직과 음향학적 특징이 유사한 조직 유사 팬텀을 사용하였고 상기 실시예 1 및 2의 방법으로 제조하였으며, 온도-광 투과성 측정시스템을 도 1에 도시하였다. The present inventors used a tissue-like phantom similar to soft tissue and acoustic characteristics to measure the heat transmitted to the soft tissues of the strong focused ultrasound, and manufactured by the methods of Examples 1 and 2. The temperature- 1.

본 발명의 팬텀은 생체 조직과 음향학적 특성과 열전달이 유사한 투명한 젤에 클라우딩 효과로 특정 온도 구간에서 광 투과성이 변화는 온도 감응성 물질(TSA)을 첨가하여 초음파의 열 효과를 가시화하였으며, 본 발명에서는 가열 및 냉각에 따라 가역적인 클라우딩 효과를 가지는 NiS(non-ionic surfactant)를 TSA를 사용하여 Ti~Te 범위를 넓게 하였다. 또한, 생체 조직과 음향학적 특성과 열전달 특성이 유사하도록 폴리아크릴아마이드하이드로겔(PHG)의 성분 폴리사카라이드 비를 수정하고, 초음파 산란체(glass beads)를 첨가하였다. 상기에 기재된 본 발명의 팬텀으로 온도에 따른 불투명성을 적외선 카메라(CCD 카메라)로 촬영된 광학 이미지의 gray scale pixel 값 측면에서 측정하였다.The phantom of the present invention visualizes the thermal effect of ultrasound by adding a temperature sensitive material (TSA) that changes in light transmittance in a specific temperature range by a clouding effect to a transparent gel having a similar thermal structure to a living tissue and acoustical characteristics. , The range of Ti to Te was broadened by using TSA as a non-ionic surfactant (NiS) having a reversible clouding effect according to heating and cooling. In addition, the component polysaccharide ratio of the polyacrylamide hydrogel (PHG) was modified so that the biocompatibility and acoustic and heat transfer characteristics were similar, and ultrasonic scattering glass beads were added. In the phantom of the present invention described above, the opacity according to temperature was measured in terms of gray scale pixel value of an optical image photographed with an infrared camera (CCD camera).

35×35×12mm 인 팬텀 샘플은 가열판으로 가열된 진공된 물 수조관에 담갔다(PC-420D, Corning, Chelmsford Street, Lowell MA, USA). 팬텀 샘플의 온도는 주사기 타입(needle type)의 열전대(thermocouple)를 모니터하였으며(HYP 2-E-G-48-RP, E type, diameter 0.5 mm, accuracy ± 0.1℃ Omega, Stamford, CT,USA), 상기 열전대를 샘플의 중심 근처로 주입하였다. 열전대 데이터는 모니터로 확인할 수 있으며, PAG 샘플의 광학적 이미지는 상기 샘플 온도가 증가함에 따라 매 5초마다 측정되었으며, 이는 컴퓨터에 저장된다.
A phantom sample of 35 x 35 x 12 mm was immersed in a heated water tube heated with a heating plate (PC-420D, Corning, Chelmsford Street, Lowell MA, USA). The temperature of the phantom sample was monitored by a thermocouple of the needle type (HYP 2-EG-48-RP, E type, diameter 0.5 mm, accuracy ± 0.1 ° C Omega, Stamford, The thermocouple was injected near the center of the sample. The thermocouple data can be monitored with a monitor, and the optical image of the PAG sample was measured every 5 seconds as the sample temperature increased, which is stored in the computer.

<< 실시예Example 2> 2>

팬텀의 온도-광 투과성 측정Phantom's temperature-to-light measurement

NP-14의 농도를 1 내지 5%(w/v)로 다양하게 한 용약의 온도에 따른 상대적 광학적 불투명도를 8bit gray 스케일(0~255)로 나타낸 그래프를 도 2에 나타내었다.FIG. 2 is a graph showing the relative optical opacity with an 8-bit gray scale (0 to 255) according to the temperature of the drug varying the concentration of NP-14 to 1 to 5% (w / v).

그 결과, Nis의 농도가 높아질수록 온도에 따른 불투명도의 차이가 커졌음을 알 수 있었다(도 3 참조).As a result, it was found that the difference in opacity according to temperature increased as the concentration of Nis increased (see FIG. 3).

또한, 팬텀의 온도- 광 불투과성을 (1)조직 모방 PAG 팬텀 (PAG + Polyssacrides + NiS) (2) PAG (PAG + NiS) 및 (3) NiS 수용액을 냉각과 가열하였을 때로 나누어서 측정한 결과, 종래의 팬텀인 PAG에 비해 본 발명의 팬텀은 비이온 계면활성제를 첨가함으로써, 구름점이 낮아졌음을 알 수 있었다(도 4 참조). 그 이유는 비이온성 계면활성제의 구름점은 용액 또는 겔 내 탄소 및 에틸렌 옥사이드기의 존재에 매우 의존적이며, 하전된 계면활성제의 소수성 부분의 특성은 CMC를 낮춘다. 하이드로카본 사슬 내 탄소원자의 수가 증가함으로써 더 많은 수의 탄소원자는 계면활성제 발수를 증가시키고 이 과정에서 CMC는 더 낮은 값으로 이동한다(Mukherjee et al.2011). 같은 농도에서의 폴리머의 상동은 분자량이 큰 것이 구름점을 낮추는데 더욱 효과적이다.The temperature - photoperiodicity of the phantom was measured by dividing into (1) tissue imitated PAG phantom (PAG + Polysaccharides + NiS) (2) PAG (PAG + NiS) Compared to the conventional phantom PAG, the phantom of the present invention was found to have a low cloud point by adding a nonionic surfactant (see FIG. 4). The reason is that the cloud point of the nonionic surfactant is highly dependent on the presence of carbon and ethylene oxide groups in the solution or gel, and the property of the hydrophobic part of the charged surfactant lowers the CMC. As the number of carbon atoms in the hydrocarbon chain increases, more carbon atoms increase the surfactant repellency and in this process the CMC shifts to lower values (Mukherjee et al, 2011). The homology of the polymer at the same concentration is more effective in lowering the cloud point with a larger molecular weight.

마지막으로 본 발명의 NiS 조직 팬텀을 NiS의 농도에 따른 온도-광불투과성을 알아보기 위하여, NiS (NP14계열)을 1 내지 4%의 농도로 처리하였으며, 각각에 대하여 열을 가하였을 때를 점선으로, 냉각시켰을 때를 실선으로 나타냈다. Finally, in order to examine the temperature-photoperiod permeability according to the NiS concentration of the NiS structure phantom of the present invention, NiS (NP14 series) was treated at a concentration of 1 to 4% , And when cooled, is indicated by a solid line.

그 결과, 비이온성 계면활성제(NiS)의 농도 의존적으로 구름점이 감소하였다(도 5 참조). 이러한 결과는 마이셀 수의 밀도가 증가하기 때문이며, 마이셀이 많아지면 이들간 상호작용이 커지고 이에 상분리가 더 낮은 온도에서 일어난다.
As a result, the cloud point decreased in a concentration-dependent manner of the nonionic surfactant (NiS) (see FIG. 5). These results are due to the increase in the density of the micelles. When the number of micelles increases, the interactions between the micelles increase and the phase separation occurs at a lower temperature.

<< 실시예Example 3> 3>

본 발명에 따른 According to the invention NiSNiS 조직 팬텀 1의 제조방법 Manufacturing Method of Tissue Phantom 1

본 발명의 발명자들은 4 w/v % 농도로 비이온성 계면활성제(NiS)를 포함하는 50 ml 폴리아크릴아마이드 하이드로겔을 조제하였고, 그 안에 들어간 구성물 및 함량은 하기 표 2에 기재하였다. 본 발명의 팬텀 제조 과정은 다음과 같다. The inventors of the present invention prepared a 50 ml polyacrylamide hydrogel containing a nonionic surfactant (NiS) at a concentration of 4 w / v%, and the compositions and contents therein are shown in Table 2 below. The phantom manufacturing process of the present invention is as follows.

먼저, 4%(w/v)의 NP-14 (IC Chemicals, Jeonnam, Korea) 및 40%(w/v)의 폴리사카라이드(corn syrup-Chungjungwon,Daesang Corporation,Dongdaemun-gu,Seoul, Republic of Korea)를 증류수와 혼합하였고, NP-14 및 폴리사카라이드가 증류수에 녹을 때까지 상기 용액을 부드럽게 교반하였다. 이렇게 얻어진 용액에 40%(w/v) 아크릴아마이드(A9926, Sigma Chemicals, St Louis, MO, USA) 용액을 혼합하였으며, 상기 아크릴아마이드는 19:1 비율의 아크릴아마이드, 비스모노머 가교율을 갖는 것이며, 17.5 % (v/v)의 수분을 함유하는 것이다. First, a mixture of 4% (w / v) of NP-14 (IC Chemicals, Jeonnam, Korea) and 40% (w / v) of polysaccharide (corn syrup-Chungjungwon, Daesang Corporation, Dongdaemun- Korea) was mixed with distilled water, and the solution was gently agitated until NP-14 and polysaccharide were dissolved in distilled water. A solution of 40% (w / v) acrylamide (A9926, Sigma Chemicals, St Louis, MO, USA) was added to the solution thus obtained and the acrylamide had an acrylamide / bis monomer crosslinking ratio of 19: 1 , And 17.5% (v / v) of water.

혼합물에 방부제인 소듐 아지드를 넣고, 과황산암모늄 용액(APS, A7460 Sigma Chemicals, St Louis, MO, USA)을 넣은 다음 부드럽게 교반하여 용액을 균질화 하였다. 상기에서 얻은 용액 전체를 진공챔버(OV-01/02, Jeio Tech, Seoul, Republic of Korea)에 위치시키고 760 mmHg 강도에서 60 분 이상 진공화한 뒤 용액에 글라스 비드 몇 개를 넣고, 혼합하여 모든 글라스 비드가 균일하게 분산되게 하였다. 마지막으로 고분자화 용액 N, N, N', N'-테트라 메틸 /디아민 (TEMED, T2694 Sigma Chemicals, St Louis, MO, USA)을 혼합액에 첨가하여, 과황산으로부터 자유 라디칼 형성 속도를 가속화하였다. 상기 과황산 자유라디칼은 아크릴아마이드 모노머를 자유 라디칼로 변환하고 비활성화된 모노머와 반응하여 고분자 연쇄 반응을 시작하며 차례로 고분자를 촉매화한 뒤 탈이온화 기계로 가스가 제거된 물 100ml를 보충하였다. 상기 과정에서 얻은 용액을 즉시 용기로 옮겨 실온(25℃)에서 고분자화가 완료될 때까지 20분간 추가적인 반응을 한다. 이렇게 얻어진 겔 팬텀을 용기에 넣어 실온에 보관하였다.Sodium azide, a preservative, was added to the mixture, and ammonium persulfate solution (APS, A7460 Sigma Chemicals, St Louis, MO, USA) was added and the solution was homogenized by gentle stirring. The entire solution was placed in a vacuum chamber (OV-01/02, Jeio Tech, Seoul, Republic of Korea) and vacuumed at 760 mmHg for 60 minutes or more. Several glass beads were added to the solution, So that the glass beads were uniformly dispersed. Finally, the rate of free radical formation from persulfuric acid was accelerated by the addition of a polymerisation solution of N, N, N ', N'-tetramethyl / diamine (TEMED, T2694 Sigma Chemicals, St Louis, MO, USA) The persulfate free radical converts the acrylamide monomer to a free radical and reacts with the inactivated monomer to initiate the polymer chain reaction, which in turn catalyzes the polymer and replenishes 100 ml of degassed water with a deionization machine. The solution obtained in the above procedure is immediately transferred to a vessel and further reaction is carried out at room temperature (25 ° C.) for 20 minutes until the polymerization is completed. The resulting gel phantom was placed in a container and stored at room temperature.

Figure 112012051429323-pat00005
Figure 112012051429323-pat00005

<< 실시예Example 4> 4>

본 발명에 따른 NiS 조직 팬텀 2의 제조방법Method for manufacturing NiS structure phantom 2 according to the present invention

본 발명의 발명자들은 상기 실시예 1에서 제조된 팬텀에 비해 Ti 및 Ti~Te의 폭을 미세하게 조절하기 위하여 전해질을 추가로 첨가하였고 본 발명의 실시예에서는 전해질로 요오드화칼륨(KI)을 추가로 넣어주었다.The inventors of the present invention further added an electrolyte to finely adjust the widths of Ti and Ti to Te compared to the phantom manufactured in Example 1. In the present invention, potassium iodide (KI) was added as an electrolyte I put it.

본 발명에 따라 제조된 팬텀 2의 구성물 및 함량은 하기 표 3에 기재하였으며, 구체적인 방법은 다음과 같다. The compositions and contents of Phantom 2 prepared according to the present invention are shown in Table 3 below. Specific methods are as follows.

먼저, 4%(w/v)의 NP-14 (IC Chemicals, Jeonnam, Korea) 및 40%(w/v)의 폴리사카라이드(corn syrup-Chungjungwon,Daesang Corporation,Dongdaemun-gu,Seoul, Republic of Korea)를 증류수와 혼합하였고, NP-14 및 폴리사카라이드가 증류수에 녹을 때까지 상기 용액을 부드럽게 교반하였다. 이렇게 얻어진 용액에 40%(w/v) 아크릴아마이드(A9926, Sigma Chemicals, St Louis, MO, USA) 용액을 혼합하였으며, 상기 아크릴아마이드는 19:1 비율의 아크릴아마이드, 비스모노머 가교율을 갖는 것이며, 17.5 % (v/v)의 수분을 함유하는 것이다. 자동 온도 조절기에 전해질(요오드화칼륨, KI)을 넣고 고루 섞일 때까지 저었으며, 혼합물에 방부제인 소듐 아지드를 넣고, 과황산암모늄 용액(APS, A7460 Sigma Chemicals, St Louis, MO, USA)을 넣은 다음 부드럽게 교반하여 용액을 균질화 하였다. First, a mixture of 4% (w / v) of NP-14 (IC Chemicals, Jeonnam, Korea) and 40% (w / v) of polysaccharide (corn syrup-Chungjungwon, Daesang Corporation, Dongdaemun- Korea) was mixed with distilled water, and the solution was gently agitated until NP-14 and polysaccharide were dissolved in distilled water. A solution of 40% (w / v) acrylamide (A9926, Sigma Chemicals, St Louis, MO, USA) was added to the solution thus obtained and the acrylamide had an acrylamide / bis monomer crosslinking ratio of 19: 1 , And 17.5% (v / v) of water. Add sodium persulfate, sodium persulfate, and ammonium persulfate solution (APS, A7460 Sigma Chemicals, St. Louis, Mo., USA) into the thermostat and add the electrolyte (potassium iodide, KI) The solution was then homogenized by gentle stirring.

상기에서 얻은 용액 전체를 진공챔버(OV-01/02, Jeio Tech, Seoul, Republic of Korea)에 위치시키고 760 mmHg 강도에서 60 분 이상 진공화한 뒤 용액에 글라스 비드 몇 개를 넣고, 혼합하여 모든 글라스 비드가 균일하게 분산되게 하였다. 마지막으로 고분자화 용액 N, N, N', N'-테트라 메틸 /디아민 (TEMED, T2694 Sigma Chemicals, St Louis, MO, USA)을 혼합액에 첨가하여, 과황산으로부터 자유 라디칼 형성 속도를 가속화하였다. 상기 과황산 자유라디칼은 아크릴아마이드 모노머를 자유 라디칼로 변환하고 비활성화된 모노머와 반응하여 고분자 연쇄 반응을 시작하며 차례로 고분자를 촉매화한 뒤 탈이온화기계로 가스가 제거된 물 100ml를 보충하였다. 상기 과정에서 얻은 용액을 즉시 용기로 옮겨 실온(25℃)에서 고분자화가 완료될 때까지 20분간 추가적인 반응을 한다. 이렇게 얻어진 겔 팬텀을 용기에 넣어 실온에 보관하였다.The entire solution was placed in a vacuum chamber (OV-01/02, Jeio Tech, Seoul, Republic of Korea) and vacuumed at 760 mmHg for 60 minutes or more. Several glass beads were added to the solution, So that the glass beads were uniformly dispersed. Finally, the rate of free radical formation from persulfuric acid was accelerated by the addition of a polymerisation solution of N, N, N ', N'-tetramethyl / diamine (TEMED, T2694 Sigma Chemicals, St Louis, MO, USA) The persulfate free radical converts the acrylamide monomer to a free radical and reacts with the inactivated monomer to initiate the polymer chain reaction, which in turn catalyzes the polymer and replenishes 100 ml of degassed water with a deionization machine. The solution obtained in the above procedure is immediately transferred to a vessel and further reaction is carried out at room temperature (25 ° C.) for 20 minutes until the polymerization is completed. The resulting gel phantom was placed in a container and stored at room temperature.

Figure 112012051429323-pat00006
Figure 112012051429323-pat00006

<< 실험예Experimental Example 1>  1>

본 발명의 The NiSNiS 조직 팬텀의 음향 및 열전달 특성 Acoustic and heat transfer characteristics of tissue phantoms

<1-1> 음향학적 특성<1-1> Acoustic characteristics

본 발명의 조직 모방 팬텀은 1,595(±8) m/s의 음향속도, 1.68 Mrayls의 음향 임피던스, 1 MHz에서 0.49(±0.07) dB/cm의 감쇠계수, 1 MHz에서 0.23±0.015×10-3cm-1sr-1의 후방산란계수(backscattering coefficient) 및 실온(~22℃)에서 6.3±0.2의 비선형 파라미터(B/A)를 나타내었다. 상기 측정된 각각의 수치들은 인간 간 조직(초음파 장치의 잠재적인 생물학적 효과의 측정 또는 계산을 위하여 사용되어지는데 적합한)에서 측정된 수치범위와 매우 근접한 것으로 나타났다. 본 발명의 NiS 조직 팬텀에서 측정된 모든 음향적 파라미터들은 하기 표 4에서 나타내었다.The tissue mimic phantom of the present invention has an acoustic velocity of 1,595 (± 8) m / s, an acoustic impedance of 1.68 Mrayls, a damping coefficient of 0.49 (± 0.07) dB / cm at 1 MHz, 0.23 ± 0.015 × 10 -3 The backscattering coefficient of cm -1 sr -1 and the nonlinear parameter (B / A) of 6.3 ± 0.2 at room temperature (~ 22 ° C) are shown. Each of the above measured values was found to be very close to the range of values measured in human liver tissue (suitable for use in measuring or calculating potential biological effects of ultrasound devices). All the acoustic parameters measured in the NiS tissue phantom of the present invention are shown in Table 4 below.

Figure 112012051429323-pat00007
Figure 112012051429323-pat00007

<1-2> 감쇠 곡선<1-2> Decay curve

1-5 MHz 주파수 범위에 걸쳐 측정된 본 발명의 NiS 조직 팬텀 및 생물학적 간 조직의 감쇠계수를 하기 도6에서 나타내었다. 도 6에서 나타난 바와 같이 본 발명의 NiS 조직 팬텀은 간 조직과 매우 유사한 감쇠계수를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 본 발명의 NiS 조직 팬텀의 감쇠계수는 간 조직에서와 같이 주파수(진동수)에 따라 거의 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있었다. 한편 주파수가 증가함에 따라 본 발명의 NiS 조직 팬텀과 간 조직 사이의 감쇠계수에 차이에 따라 점점 격차가 커지는 것으로 나타났다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 NiS 조직 팬텀은 1 MHz (HIFU 수술시 이용되는 전형적 주파수(진동수)에서 감쇠계수가 약 0.54±0.04 dB/cm이고, 이는 정상 간 조직에 매우 근접한 수치이다.
The attenuation coefficients of the NiS tissue phantom and biological liver of the present invention measured over the 1-5 MHz frequency range are shown in FIG. As shown in FIG. 6, the NiS tissue phantom of the present invention has a damping coefficient very similar to that of liver tissue. It can be seen that the damping coefficient of the NiS tissue phantom of the present invention increases almost linearly with frequency (frequency) as in liver tissue. On the other hand, as the frequency increases, the gap between the NiS structure phantom and the liver tissue of the present invention becomes larger due to the difference in the damping coefficient. Nevertheless, the NiS tissue phantom of the present invention has a damping coefficient of about 0.54 +/- 0.04 dB / cm at a frequency of 1 MHz (typical frequency used in HIFU surgery), which is very close to normal liver tissue.

<1-3> 후방산란계수<1-3> Backward scattering coefficient

도 7은 본 발명의 NiS 조직 팬텀의 1 내지 5 MHz 진동수 범위에서 후방산란계수를 나타낸 그래프이다. 상기 후방산란계수는 진동수에 대하여 비선형적으로 증가하며 이는 간 조직과 유사하게, 본 발명의 NiS 조직 팬텀의 후방산란계수는 5 MHz 에서 0.00172(±0.00012) cm-1sr- 1 이고, 이는 Fei et al. (1985)가 측정한 소 간(bovine liver)의 0.00178 cm-1sr-1 값에 비견된다. 간 조직의 후방산란계수는 3MHz에서 0.5x10-3cm-1sr- 1 이고 1 MHz에서 0.27x0-3cm-1sr- 1 이며 본 발명의 NiS 조직 팬텀은 3MHz에서 0.614±0.009x10-3cm-1sr- 1 이고, 1 MHz에서 0.21±10-3cm-1sr-1로 측정되어 유사한 것으로 나타났다.
7 is a graph showing the backscattering coefficient in the frequency range of 1 to 5 MHz of the NiS tissue phantom of the present invention. To the rear is a scattering coefficient, and with respect to the frequency increases in a nonlinear fashion, which similar to the liver tissue, be the back scattering coefficient of the tissue phantom NiS of the invention 0.00172 (± 0.00012) cm -1 sr at 5 MHz - 1, and which Fei et al. (1985) compared to 0.00178 cm -1 sr -1 of the bovine liver. Backward scattering coefficient of the liver tissue is at 3MHz 0.5x10 -3 cm -1 sr - 1 and from 1 MHz 0.27x0 -3 cm -1 sr - 1 and 0.614 ± 0.009x10 -3 cm NiS tissue phantom of the present invention is the 3MHz -1 sr - 1 , measured at 0.21 +/- 10 -3 cm -1 sr -1 at 1 MHz, and found to be similar.

<1-4> 열적 특성<1-4> Thermal properties

본 발명의 NiS 조직 팬텀에 대해 측정한 열적 파라미터를 간 조직과 함께 하기 표 4에 나타내었다. 표 4를 참조하면, 측정값이 간 조직과 매우 유사함을 알 수 있다. 이를 통해 본 발명의 NiS 조직 팬텀이 95℃ 이상의 온도에서 용융되지 않고 견딜 수 있음을 알 수 있고, 이는 HIFU(집속 초음파 치료: High intensity focused ultrasound) 적용이 가능함을 의미하는 것이다.The thermal parameters measured for the NiS tissue phantom of the present invention are shown in Table 4 together with the liver tissue. Referring to Table 4, it can be seen that the measured values are very similar to liver tissue. Thus, it can be seen that the NiS tissue phantom of the present invention can withstand a temperature of 95 ° C or higher without being melted, which means that HIFU (High-intensity focused ultrasound) can be applied.

Figure 112012051429323-pat00008
Figure 112012051429323-pat00008

<1-5> 본 발명의 &Lt; 1-5 > NiSNiS 조직 팬텀에 첨가되는 전해질( Electrolyte added to tissue phantom ( KIKI ) 농도 변화에 따른 온도-광학적 불투과성 곡선) Temperature-optically opaque curve with concentration variation

도8(a) 내지 도8(f)에 나타난 바와 같이, 전해질 물질의 비율을 변화에 따라 구름 온도(clouding temperature), 즉, 임계 온도에서 본 발명의 조직 모방 팬텀의 체적이 50℃ 내지 90℃ 범위 내에서 다양한 기울기로 변화하는 것을 확인할 수 있었다. 집적 초음파(focused ultrasound) 방사 시, 조직 모방 팬텀에서 집적 초음파의 집적되는 부위(focal region)는 초음파의 흡수로 인해 50℃ 내지 90℃의 온도에서 투명(무색)상에서 불투명(흰색)상으로 변화하고, 집적 초음파 방사를 중지함에 따라, 집적 초음파의 온도는 구름점 이하로 떨어짐으로써 불투명 상은 점차적으로 투명상으로 복원되었다. As shown in Figs. 8 (a) to 8 (f), the volume of the tissue-mimicking phantom of the present invention at a clouding temperature, that is, a critical temperature, It was confirmed that the slope changes in various ranges within the range. During focused ultrasound radiation, the focal region of the integrated ultrasound in the tissue-mimicking phantom changes from transparent (colorless) to opaque (white) at a temperature of 50 ° C to 90 ° C due to the absorption of ultrasound As the integrated ultrasound emission ceased, the temperature of the integrated ultrasound dropped below the cloud point, and the opaque phase was gradually restored to a transparent phase.

이러한 임계 온도는 전해질의 비율을 변화시킴으로써 비교적 용이하게 바꿀 수 있는데, 하기 도 8(a) 내지 7(f)에 나타난 것과 같이, 전해질인 KI의 농도를 0에서 5%로 변화시킴에 따라 각각 5.6, 7.34, 7.98, 8.58, 9.42 및 10.7의 기울기를 가지는 팬텀 체적(52-90℃, 55-90℃, 61-90℃, 64-90℃ 및 67-90℃)을 보여주었다. Such a critical temperature can be relatively easily changed by changing the ratio of the electrolyte. As shown in Figs. 8 (a) to (f), the concentration of KI as an electrolyte is changed from 0 to 5% , 52-90 ° C, 55-90 ° C, 61-90 ° C, 64-90 ° C and 67-90 ° C) with a slope of 7.34, 7.98, 8.58, 9.42 and 10.7.

또한 0%-5%의 전해질을 가지는 본 발명의 조직 모방 팬텀의 불투명 및 투명을 위한 기울기의 특징 파라미터들의 측정된 값은 하기 표 6에서 나타내었다. 혼탁화 개시 온도(clouding onset temperature) shT는 팬텀에서 전해질 농도 KI) 가 0% 에서5%(w/v)로 됨에 따라 약 3의 등차로 52에서 67까지 증가하였다.The measured values of the characteristic parameters of the slope for opacity and transparency of the tissue mimetic phantom of the present invention having 0% -5% electrolyte are also shown in Table 6 below. The clouding onset temperature shT increased from 52 to 67 with an isthmus of about 3 as the electrolyte concentration KI in the phantom decreased from 0% to 5% (w / v).

0%-5%의 전해질을 가지는 본 발명의 조직 모방 팬텀의 임계온도는 약 3의 이동 변화를 보이며, 이것은 이력현상을 야기한다. 그에 반해서 0%의 전해질을 포함하는 팬텀과 비교하여 5%의 전해질을 포함하는 팬텀은 큰 클라우딩(clouding) 기울기를 갖는다. 다시 말해서 혼탁화 되는 과정이 0% 전해질을 포함하는 팬텀과 비교하여 5%의 전해질을 포함하는 팬텀에서 보다 빠르게 일어난다. 5% 전해질 포함하는 본 발명의 조직 모방 팬텀은 가장 큰 기울기를 가지는 나타났으며, 자세하게는 10.7gs/℃의 클라우딩 기울기, 8.82gs/℃ 클리어링 기울기를 보여주었다. 그리고 이러한 기울기는 전해질의 농도가 5%에서 0%로 감소함에 따라 점차적으로 감소되는 것을 확인할 수 있었다.The threshold temperature of the tissue-mimicking phantom of the present invention with 0% -5% electrolyte shows a shift of about 3, which causes hysteresis. On the other hand, a phantom containing 5% electrolyte compared to a phantom containing 0% electrolyte has a large clouding slope. In other words, the opacification process occurs more rapidly in the phantom containing 5% electrolyte compared to the phantom containing 0% electrolyte. The tissue mimic phantom of the present invention containing 5% electrolyte appeared to have the largest slope and showed a clouding slope of 10.7 gs / C and a clearing slope of 8.82 g / C in detail. It can be seen that this slope decreases gradually as the electrolyte concentration decreases from 5% to 0%.

또한, 도면에서 각 파라미터가 의미하는 내용은 하기 기술된 바와 같다. In addition, the meaning of each parameter in the drawing is as follows.

hS: 클라우딩 기울기(

Figure 112012051429323-pat00009
), JND-just noticeable difference hS: Clouding slope (
Figure 112012051429323-pat00009
), JND-just noticeable difference

cS: 클리어링 기울기(

Figure 112012051429323-pat00010
), JND-just noticeable difference cS: Clearing slope (
Figure 112012051429323-pat00010
), JND-just noticeable difference

hTs: 클라우딩 시작 온도hTs: Clouding start temperature

hTe: 클라우딩 종료 온도hTe: Closing termination temperature

hTR(=hTs-hTe): 클라우딩 되는 온도 범위 hTR (= hTs-hTe): temperature range to be crowned

cTs: 클리어링 시작 온도cTs: Clearing start temperature

cTs 클리어링 종료 온도cTs Clearing end temperature

cTR(=cTs-cTe): 클리어링 되는 온도 범위 cTR (= cTs-cTe): temperature range to be cleared

C: lesion contrast(

Figure 112012051429323-pat00011
)C: lesion contrast (
Figure 112012051429323-pat00011
)

Xmin: 클라우딩 최소 온도(X=Xmin: 투명)Xmin: minimum clouding temperature (X = Xmin: transparent)

Xmax: 클라우딩 최대 온도(X=Xmax: 불투명)Xmax: Maximum clouding temperature (X = Xmax: opaque)

XR(Xmax-Xmin): 광학적 투명 범위
XR (Xmax-Xmin): Optical transparent range

파라미터parameter 유닛unit KI-0%KI-0% KI-1%KI-1% KI-2%KI-2% KI-3%KI-3% KI-4%KI-4% KI-5%KI-5% Clouding
(heating)
Clouding
(heating)
hTshTs 5252 5555 5858 6161 6464 6868
hTehTe 8585 8686 8686 8686 8686 8888 hTRhTR 3333 3131 2828 2626 2222 2020 hShS gs/gs / 5.65.6 7.347.34 7.987.98 8.588.58 9.429.42 10.710.7 Clearing
(cooling)
Clearing
(cooling)
cTscTs 9090 9393 9292 9292 9292 9393
cTecTe 5959 6363 6565 6868 7070 7171 cTRcTR 3131 3030 2727 2424 2222 2222 cScS gs/gs / 5.45.4 7.637.63 7.847.84 8.388.38 8.448.44 8.828.82 Optical transparencyOptical transparency XminXmin gsgs 2020 00 00 00 00 00 XmaxXmax gsgs 199199 202202 202202 202202 202202 200200 XmaxXmax -- XminXmin gsgs 179179 202202 202202 202202 202202 200200 CC %% 76.276.2 79.279.2 79.279.2 79.279.2 79.279.2 78.478.4

<< 실험예Experimental Example 2>  2>

본 발명의 The NiSNiS 조직 팬텀에 가시화된  Visible to the organizational phantom HIFUHIFU 에 의한 열 병변 (Thermal lesions by thermalthermal lesionlesion )의 영상화) Imaging

집속 초음파 치료(HIFU)에 의한 본 발명의 NiS 조직 팬텀 내에 형성된 thermal lesion의 광학적 이미지는 테스트하였다, 이를 위하여 본 실험에서는 실험적인 HIFU 시스템 및 광학적 이미지 캡처링 유닛 구성을 사용하였다(도 2 참조).
The optical image of the thermal lesion formed in the NiS tissue phantom of the present invention by focused ultrasound therapy (HIFU) was tested. For this, an experimental HIFU system and an optical image capturing unit configuration were used in this experiment (see FIG. 2).

실험적인 HIFU 시스템은 1.1MHz에서 공명되는 조리개 직경 64mm 및 초점 단일 구성의 오목한 압전기-세라믹 변환기(sonic cincepts, woodinville Inc, WA, USA)를 사용하였다. 이 HIFU 변환기는 물이 충진된 탱크 내부에 장착되었다. 측정에 앞서 물은 채워지고 탈 이온화 및 탈가스화되었다. 함수 발생기(Agilent 33250 A, Agilent Technologies, Santa Clara, Califormia, USA)에 의해 발생된 RF 시스널은 전력 증폭기(Model 250A250, Amplifier research, Souderton, PA, USA)를 통해 증폭하였으며, 그 후 임피던스 정합 회로망을 통해 HIFU 변환기로 공급되었다. 순방향 및 반사된 RF 전력은 전압 및 전류를 측정하는(즉 HIFU 변환기 내 실시간 평균화된 전력) 전력량계(Model PM 20002, Amplifier research, Souderton, PA, USA)에 의해 모니터링 되었다. 실험적인 HIFU 시스템은 Lab View(National Instruments, Austin, TX, USA) 환경 하에서 컴퓨터상에서 제어되었다. 75%의 full gain에서 전력 증폭기의 동일한 조건 하에 함수 발생기 출력을 이용하여 음향 노출을 조절하였다.Experimental HIFU systems used a concave piezoelectric-ceramic transducer (sonic cincepts, Woodinville Inc, WA, USA) with an aperture diameter of 64 mm and a focal point single configuration resonated at 1.1 MHz. This HIFU transducer was mounted inside a tank filled with water. Prior to the measurement, water was filled and deionized and degassed. The RF system generated by the function generator (Agilent 33250 A, Agilent Technologies, Santa Clara, CA) was amplified by a power amplifier (Model 250A250, Amplifier research, Souderton, PA, USA) To the HIFU converter. The forward and reflected RF power was monitored by a watt-hour meter (Model PM 20002, Amplifier research, Souderton, PA, USA) that measures voltage and current (ie, real-time averaged power in a HIFU converter). The experimental HIFU system was controlled on a computer under Lab View (National Instruments, Austin, TX, USA) environment. At 75% full gain, the acoustic emissions were controlled using the function generator output under the same conditions of the power amplifier.

직각의 6면체 아크릴 챔버 내에 함유된 팬텀 시료를 물 탱크 내로 침전시키고 2개의 CCD 카메라에 맞추어 HIFU의 초점에 일치하는 팬텀 중심을 갖도록 위치시켰다. 아크릴 챔버의 앞뒤면은 표면에서 초음파 반사를 방지하기 위하여 개방하였다. 팬텀 내의 thermal lesion(초음파의 집적으로 인한 열 발생 부위)의 생산을 위하여, HIFU 시스템을 지속적인 웨이브 모드로 작동하도록 설정하고, 초음파량은 노출시간 및 초점 강도를 통해 조절하였다. 팬텀 내의 가시화된 thermal lesion(초음파의 집적으로 인한 열 발생 부위)은 CCH 카메라를 이용하여 실시간 기록되었다.A phantom sample contained in a rectangular hexahedral acrylic chamber was settled into a water tank and positioned to have a phantom center consistent with the focus of the HIFU in accordance with the two CCD cameras. The front and back sides of the acrylic chamber were opened to prevent ultrasound reflection at the surface. For the production of thermal lesions within the phantom, the HIFU system was set to operate in a continuous wave mode and the amount of ultrasound was controlled through exposure time and focus intensity. Visualized thermal lesions within the phantom were recorded in real time using a CCH camera.

그 결과 다양한 농도의 전해질 KI를 함유하는 본 발명의 NiS 조직 팬텀에서 형성된 thermal lesions의 비디오 이미지를 도 10에 나타내었다. As a result, a video image of thermal lesions formed in the NiS tissue phantom of the present invention containing various concentrations of electrolyte KI is shown in FIG.

도 10은 노출시간 10초, 초점강도(focal intensity) 4, 460W/cm2를 갖는 HIFU 필드에 노출된 본 발명의 조직 모방 팬텀을 나타낸다. 각각의 팬텀에서 정면 이미지는 왼쪽 컬럼에 나타내었으며, 측면 이미지는 오른쪽 컬럼에 나타내었다. HIFU 변환기(그림에 미도시)는 정면 이미지의 왼쪽 측면에 장착되었으며 1.1MHz의 주파수에서 지속적인 웨이브(CW) 모드로 작동되도록 하였다.
Figure 10 shows a tissue mimetic phantom of the present invention exposed to a HIFU field having an exposure time of 10 seconds and a focal intensity of 4, 460 W / cm &lt; 2 & gt ;. For each phantom, the frontal image is shown in the left column and the side image is shown in the right column. The HIFU transducer (not shown in the figure) was mounted on the left side of the front image and allowed to operate in continuous wave (CW) mode at a frequency of 1.1MHz.

하기 도 10에서 나타낸 바와 같이, 전해질로서 KI를 5% 함유한 팬텀 내의 타원형의 thermal lesion(초음파의 집적으로 인한 열 발생 부위)은 초점 HIFU 분야에서 유사하였다. 전해질을 포함하지 않은 조직 모방 팬텀 내의 thermal lesion의 크기는, 5%의 KI 전해질을 포함하는 팬텀과 비교하여 더 넓은 클라우딩(clouding) 영역을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 상기 표 5에서 나타낸 바와 같이 큰 기울기를 가진 팬텀이 증가된 임계 온도에 기인하는 것이다.
As shown in FIG. 10, an elliptical thermal lesion in the phantom containing 5% KI as electrolyte was similar in the field of focus HIFU. The size of the thermal lesion in the tissue-mimicking phantom without the electrolyte was found to have a wider clouding region compared to the phantom containing 5% KI electrolyte. This result is due to the increased critical temperature of the phantom having a large slope as shown in Table 5 above.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the preferred embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

Claims (15)

생체 조직과 음향 특성 및 열 전달 특성이 유사한 투명 젤; 및
상기 젤과 혼합되어 온도에 따라 젤의 광학적 특성을 변화시키는 TSA(temperature sensitive agent)로 구성된, 초음파의 열 효과를 가시화하는 스마트 조직 팬텀으로서,
TSA는 특정 온도 구간에서 온도에 따라 가역적인 클라우딩 (clouding)현상이 발생하여 젤의 광학적 특성을 변화시키는 NiS(non-ionic surfactant)인 것을 특징으로 하는, 초음파의 열 효과를 가시화하는 스마트 조직 팬텀.
A transparent gel having a similar acoustic and heat transfer characteristics to a living tissue; And
As a smart tissue phantom, which is composed of a temperature sensitive agent (TSA) that mixes with the gel and changes the optical characteristics of the gel according to the temperature,
TSA is a non-ionic surfactant (NiS) that changes optical characteristics of a gel due to clouding phenomenon depending on temperature at a specific temperature range. A smart tissue phantom that visualizes the thermal effect of ultrasound .
제1항에 있어서,
상기 젤의 광학적 특성은 광 투과성인 것을 특징으로 하는 초음파의 열 효과를 가시화하는 스마트 조직 팬텀.
The method according to claim 1,
Wherein the optical properties of the gel are light transmissive. A smart tissue phantom that visualizes the thermal effect of an ultrasonic wave.
제2항에 있어서,
클라우딩이 시작되는 온도(Ti) 및 종료되는 온도(Te)는 NiS의 종류 및 함량에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는 초음파의 열 효과를 가시화하는 스마트 조직 팬텀.
3. The method of claim 2,
Wherein the temperature (Ti) at which the clouding starts and the temperature (Te) at which the clouding starts are changed according to the type and content of the NiS.
제3항에 있어서,
동일 함량의 NiS(non-ionic surfactant)에 대해 클라우딩 온도 구간을 미세하게 조절하기 위해 전해질(electrolyte)을 혼합하는 초음파의 열 효과를 가시화하는 스마트 조직 팬텀.
The method of claim 3,
Smart tissue phantom that visualizes the thermal effect of ultrasonic mixing electrolyte to finely control the clouding temperature interval for the same amount of NiS (non-ionic surfactant).
제1항에 있어서,
상기 투명 젤은 PHG(polyacrylamide hydrogel)인 것을 특징으로 하는 초음파의 열 효과를 가시화하는 스마트 조직 팬텀.
The method according to claim 1,
Wherein the transparent gel is a polyacrylamide hydrogel (PHG). A smart tissue phantom for visualizing a thermal effect of an ultrasonic wave.
제1항에 있어서,
초음파의 산란 효과를 유발하는 초음파 산란체를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파의 열 효과를 가시화하는 스마트 조직 팬텀.
The method according to claim 1,
A smart tissue phantom for visualizing the thermal effect of an ultrasonic wave, characterized by including an ultrasonic scattering body for causing a scattering effect of an ultrasonic wave.
제1항에 있어서,
상기 투명 젤의 균질성과 탄성을 유지하면서 초음파의 감쇠 계수를 높이며, 폴리머화 (polmerization)하는 과정에서 전해질의 용해도를 높게 유지할 수 있도록 하여 상온에서 팬텀의 광 투과성 저하를 방지하는 다당류(polyssacrides)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파의 열 효과를 가시화하는 스마트 조직 팬텀.
The method according to claim 1,
Polysaccharides which increase the attenuation coefficient of the ultrasonic wave while maintaining the homogeneity and elasticity of the transparent gel and prevent the deterioration of the light transmittance of the phantom at room temperature by allowing the solubility of the electrolyte to be kept high during the process of polymerizing A smart tissue phantom that visualizes the thermal effects of ultrasound.
제4항에 있어서,
상기 전해질로서 요오드화물(Iodin)을 함유한 KI 또는 NI를 사용할 경우, 전해질의 농도가 낮을수록 상기 NiS의 클라우딩(clouding) 시작 온도인 Ti가 낮아지는 것을 특징으로 하는 초음파의 열 효과를 가시화하는 스마트 조직 팬텀.
5. The method of claim 4,
When KI or NI containing iodine is used as the electrolyte, Ti, which is the starting temperature of clouding of the NiS, is lowered as the electrolyte concentration is lower. Smart organization Phantom.
제4항에 있어서,
상기 전해질로서 염화물(chloride), 브롬화물(bromide) 또는 플루오르화물(fluoride)을 함유한 NaF, NaCl 또는 NaBr를 사용할 경우, 전해질의 농도가 낮을수록 상기 NiS의 클라우딩(clouding) 시작 온도인 Ti가 증가하는 것을 특징으로 하는 초음파의 열 효과를 가시화하는 스마트 조직 팬텀.
5. The method of claim 4,
When NaF, NaCl, or NaBr containing chloride, bromide, or fluoride is used as the electrolyte, Ti, which is the clouding start temperature of the NiS, increases as the concentration of the electrolyte decreases A smart tissue phantom that visualizes the thermal effect of ultrasound.
제2항에 있어서,
상기 NiS는 온도에 따라 가역적인 클라우딩 (clouding) 효과로 온도가 상승할 때, Ti-Te 구간에서 젤의 광학적 불 투과성이 시그모이드 형태로 상승하고, 반대로 온도가 하강하면, 다시 젤의 광학적 투명성이 히스테리컬 (hysterical) 하게 회복되는 것을 특징으로 하는 초음파의 열 효과를 가시화하는 스마트 조직 팬텀.
3. The method of claim 2,
When the temperature rises due to a reversible clouding effect according to the temperature, the optical opacity of the gel increases in the form of a sigmoid in the Ti-Te section. On the contrary, when the temperature is lowered, A smart tissue phantom that visualizes the thermal effect of ultrasound, characterized in that the transparency is restored hysterically.
제2항에 있어서,
상기 NiS는 의료용 초음파의 열 효과를 평가하는 경우, Ti 30 ~ 70℃의 온도범위, Te 50 ~ 90℃의 온도범위에서 변화하도록 하기 위해, nonylphenyl ethoxylates(NP series)를 사용하는 것을 특징으로 하는 초음파의 열 효과를 가시화하는 스마트 조직 팬텀.
3. The method of claim 2,
The NiS is characterized by using nonylphenyl ethoxylates (NP series) in order to change the temperature range of Te 30 to 70 ° C and Te 50 to 90 ° C in evaluating the thermal effect of medical ultrasound waves Smart Phantom to visualize the thermal effects of.
제1항에서 온도에 따른 팬텀의 투명도를 그레이스케일 변화로 표시된 팬텀의 온도-불투명도 특성 곡선을 측정하는 단계;
초음파 조사에 의한 열 효과로 Ti 온도로부터 Te 온도 범위에서 팬텀 내에서 투명도 차이로 가시화된 열 영상을 수집하는 단계를 포함하는 상기 팬텀의 온도-불투명도 특성 곡선을 이용하여 상기 열 영상으로부터 초음파 조사에 따른 팬텀 내에 형성된 온도 분포를 측정하는 방법.
Measuring a temperature-opacity characteristic curve of the phantom, the transparency of the phantom according to the temperature being represented by a gray scale change;
Collecting a thermal image that is visualized as a difference in transparency within a phantom from a temperature of Ti to a temperature of thermo-effect by ultrasonic irradiation, A method for measuring a temperature distribution formed in a phantom.
NiS(non-ionic surfactant)의 종류 및 첨가량; 또는 전해질의 종류 및 첨가량을 조절하는 단계를 포함하는, 제1항의 팬텀에서 클라우딩 시작 온도(Ti) 및 클라우딩 종료 온도(Te) 범위를 조절하는 방법.Type and amount of non-ionic surfactant (NiS); Or adjusting the type of the electrolyte and the amount of the electrolyte to be added to the phantom of the first aspect of the present invention, and adjusting the range of the clouding start temperature (Ti) and the clouding end temperature (Te). 제13항에 있어서,
상기 전해질로서 요오드화물(Iodin)을 함유한 KI 또는 NI를 사용할 경우, 전해질의 농도가 낮을수록 클라우딩(clouding) 시작 온도인 Ti가 낮아지는 것을 특징으로 하는, 제1항의 팬텀에서 클라우딩 시작 온도(Ti) 및 클라우딩 종료 온도(Te) 범위를 조절하는 방법.
14. The method of claim 13,
Wherein when the KI or NI containing iodine is used as the electrolyte, the temperature at which the clouding starts is lowered as the concentration of the electrolyte is lowered. In the phantom according to claim 1, (Ti) and cladding termination temperature (Te).
제13항에 있어서,
상기 전해질로서 염화물(chloride), 브롬화물(bromide) 또는 플루오르화물(fluoride)을 함유한 NaF, NaCl 또는 NaBr를 사용할 경우, 전해질의 농도가 낮을수록 클라우딩(clouding) 시작 온도인 Ti가 증가하는 것을 특징으로 하는, 제1항의 팬텀에서 클라우딩 시작 온도(Ti) 및 클라우딩 종료 온도(Te) 범위를 조절하는 방법.
14. The method of claim 13,
When NaF, NaCl or NaBr containing chloride, bromide, or fluoride is used as the electrolyte, the temperature at which the clouding starts is increased as the concentration of the electrolyte is lower (Ti) and the clouding termination temperature (Te) in the phantom according to claim 1,
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