KR102005497B1 - 양면 초음파 출력을 이용한 고강도 집속형 초음파 기기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피부로 초음파 조사가 이루어지는 카트리지를 포함하되, 상기 카트리지는 양면으로 초음파 출력이 이루어지는 초음파진동자; 및 상기 초음파 진동자를 중심으로 하여 양 측으로 배열되어, 초음파 진동자로부터 출력된 초음파를 집속시키는 좌우 포물경 반사체를 포함하는 것을 기술적 특징으로 하는 고강도 집속형 초음파 기기에 관한 것으로,
초음파 진동자의 양 방향의 출력을 모두 사용할 수 있고, 초음파 진동자의 크기나 형상에 관계없이 여러 개의 초점 위치와 깊이를 구성할 수 있도록 한다.

Description

양면 초음파 출력을 이용한 고강도 집속형 초음파 기기{HIFU USING DOUBLE-SIDED ULTRASONIC WAVE OUTPUT}

본 발명은 양면으로 출력되는 평면 초음파 진동자의 평행 초음파 출력을 좌우 양 측에 배치된 좌우 포물경 반사체에 반사시켜 포물경 반사체의 초점 위치로 집속시키도록 하여, 초음파 진동자의 양 방향의 출력을 모두 사용할 수 있고, 초음파 진동자의 크기나 형상에 관계없이 여러 개의 초점 위치와 깊이를 구성할 수 있도록 한 고강도 집속형 초음파 기기에 관한 것이다.

초음파는 진동 주파수가 17,000 내지 20,000 Hz 이상으로 매우 높아서 인간의 귀로는 들을 수 없는 불가청 진동음파로 1초에 2만회 이상을 진동하는데, 최근 이러한 초음파를 이용한 치료 내지 미용의 사용 범위가 점점 넒어지고 있다.

한편 고강도 집속형 초음파 기기(High Intensity Focused Ultrasonic, 이하 HIFU)는 트랜스듀서에서 발생한 초음파를 조직 내에 조사해 집속점(초점)에서 발생한 열에너지를 이용해 치료를 하는 방식으로 주로 간암, 유방암, 자궁암 등의 치료에 활용되어 왔다. 즉, 인체 조직은 그 부위의 온도가 60 ~ 85 ℃ 일 때 괴사된다는 것으로 알려져 있는데, 고강도의 초음파 에너지를 한 지점에 모아 초점을 형성할 때 발생되는 65℃ 이상의 고열을 이용하여 피부 조직을 제거하고 치료하게 된다.

이와 같이 의료 분야에서 활용되었던 HIFU가 최근 피부 미용 분야로까지 활용되고 있는데, 구체적으로 HIFU를 이용해 집적된 초음파 에너지를 하부 진피, 진피에서 피하지방의 경계층, 지방층의 섬유조직 SMAS층, 근막 등에까지 강하게 전달함으로써 주름 제거 등 피부를 전반적으로 리모델링시켜주게 되어 최근 피부 미용 분야에서도 활발한 사용이 이루어지고 있다.

그런데 기존 방식의 HIFU는 도 1에 도시된 바와 같이, 고출력 대형 장비의 경우 돔형의 구조물의 안쪽에 다수의 초음파 진동자를 부착하여 각각의 출력이 초점을 구성하는 방식을 사용하고 있으며, 소형 장비의 경우 돔형의 초음파 진동자를 제작하여 초음파 출력이 초점으로 모이는 방식으로 제작된다.

그리고 초음파 진동자는 양 면으로 출력이 이루어지는 것인데, 기존의 HIFU 방식을 취하게 되면 인위적으로 일면에서는 초음파가 출력되지 못하도록 특수처리를 하고 있다. 이 경우 한쪽면의 출력을 인위적으로 막아버리는 것이기에 구동에너지의 절반을 낭비하게 된다.

더욱이 기존 방식의 HIFU에 의하면 한 개의 초음파 진동자로 단일 주파수와 단일 초점 개수/위치/깊이가 결정되어, 원하는 초점 위치 내지 깊이에 따라 매번 카트리지를 변경해야하고, 초점 개수에 맞추어 다수의 카트리지를 사용해야한다는 한계를 가진다.

한편 HIFU 기기 관련하여 대한민국 등록특허 제10-1574951호(2015.12.01)「고강도 집속형 초음파 장치」가 개시된 바 있다.

이는 초음파와 함께 레이저를 같이 조사하는 것으로, 기기 내부에 전후 운동 및 틸팅 운동을 병행하면서 1열로 HIFU 초점들을 순차적으로 형성시키거나, 복수열로 HIFU 초점들을 순차적으로 형성시키거나. 원형으로 초점을 순차적으로 형성시키는 X-Y 반사거울을 채용한다.

그러나 등록특허 제10-1574951호 역시 초음파 발생부를 돔 형식으로 구성하여 초음파를 집속한다는 기존 HIFU 방식을 그대로 따른 것으로 앞서 언급된 사용상의 한계 내지 불편이 따르는 구조이고, 언급된 X-Y 반사경은 이미 집속된 초음파의 초점 위치를 변경하기 위한 평면 반사판에 불과하다.

도 2는 대한민국 등록특허 제10-1777825호 (2017.09.06.)「피부 다층에 에너지 동시출력이 가능한 듀얼 하이푸 기반의 스킨 및 비만 케어 장치」에 도시된 도면을 채용한 것으로,

등록특허 제10-1777825호 역시 돔형의 초음파 진동자를 제작하여 초음파 출력이 초점으로 모이는 기존 방식의 구조로서, 깊이가 다른 초점 다수를 형성하려면 깊이 갯수 만큼의 초음파 진동자 다수가 준비되어야 한다.

참고로 도 2에서는 두 개의 깊이를 위해 두 개의 초음파 진동자가 갖추어져 있다.

본 발명은 상기 언급된 기존 방식의 HIFU 문제점 내지 한계를 해결하기 위해 고안된 것으로,

인위적으로 초음파의 일측 방면 출력을 막지 않고 초음파 진동자에 있어 양 방향의 초음파 출력을 모두 사용할 수 있는 HIFU를 제공하고자 하는 것을 제1 과제로 한다.

다음으로 초음파 진동자의 크기나 형상에 관계없이 여러 개의 초점 위치와 깊이를 구성할 수 있는 HIFU를 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.

상기한 과제 해결을 위한 본 발명에 따른 고강도 집속형 초음파 기기는,

피부로 초음파 조사가 이루어지는 카트리지를 포함하되,

상기 카트리지는,

양면으로 초음파 출력이 이루어지는 초음파 진동자; 및 상기 초음파 진동자를 중심으로 하여 양 측으로 배열되어, 초음파 진동자로부터 출력된 초음파를 집속시키는 좌우 포물경 반사체를 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

또한 상기 초음파 진동자는 평면타입인 것을 기술적 특징으로 한다.

그리고 본 발명에 따른 초음파 진동자는 착탈 가능한 것으로, 카트리지에 교체 장착하여 다양한 주파수 출력이 가능한 것을 기술적 특지으로 한다.

그리고 본 발명에 따른 좌우 포물경 반사체는 착탈 가능한 것으로, 카트리지에 교체 장착되는 좌우 포물경 반사체의 다양한 곡률에 의해 집광된 초음파의 다양한 초첨 위치와 깊이를 형성할 수 있는 것을 기술적 특징으로 한다.

상기한 구성을 가진 본 발명에 의한 고강도 집속형 초음파 기기는,

기존 단방향으로만 초음파 에너지가 전달되는 단점을 보완하여 초음파 출력을 양 방향으로 모두 사용할 수 있는 구조로 하였기에, 기존 초음파 진동자와 동일한 에너지로 두 배의 효율을 얻을 수 있다. 물론, 인위적으로 초음파 일측을 막는 작업 내지 공정이 필요하지 않아 생산성이 좋아졌다는 효과 또한 가진다.

뿐만 아니라 초음파 진동자의 크기나 형상에 관계없이 여러 개의 초점 위치와 깊이를 구성할 수 있는데, 초음파 진동자의 같은 주파수 대역을 사용하더라도 결합되는 좌우 포물경 반사체의 곡률에 따라 단일 초점 또는 다중 초점 구현이 가능하다.

도 1은 기존 HIFU 방식을 간략히 설명하기 위한 도면.
도 2는 기존 HIFU 방식이 채용된 기기 관련 도면으로, 서로 다른 깊이 조사를 위해 두 개의 초음파 진동자가 채용된 상태를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 HUFU의 카트리지 내부 구조를 대략적으로 설명하기 위한 도면으로 조립단면도(A)와 분해단면도(B).
도 4는 본 발명에 따른 HUFU의 단일 초점 형성 작동 원리를 설명하기 위한 것으로, 측면을 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 HUFU의 다중 초점 형성 작동 원리를 설명하기 위한 것으로, (A)는 측면을 도시한 도면이고, (B)는 평면을 도시한 도면으로 좌우 포물경 반사체 각각이 3분할 된 상태의 도면.
도 6은 본 발명에 따른 HUFU의 다중 깊이 초점 형성 작동 원리를 설명하기 위한 것으로, 측면을 도시한 도면.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고강도 집속형 초음파 기기 즉, HIFU 를 보다 구체적으로 설명하도록 한다.

통상적으로 피부로 초음파 조사가 이루어지는 부분을 카트리지라고 하는데 보통 기존의 HIFU는 사용자가 손으로 잡는 핸드피스에 카트리지가 분리 착탈되는 구조를 취하게 된다. 이로 인해 원하는 초음파의 주파수나 조사 깊이 등에 따라서 카트리지를 바꿔 결합시키면서 사용하게 되는 구조이다.

이러한 카트리지 내부에는 미세한 내부 부품들 조정이 있을 수 있으나, 본 발명에 따른 HIFU의 카트리지에는 초음파 진동자(10)와 좌우 포물경 반사체(20)를 포함하여 구성된다.

이러한 본 발명에 따른 HIFU의 카트리지(C)는,

양면으로 초음파 출력이 이루어지는 초음파 진동자(10)와, 상기 초음파 진동자를 중심으로 하여 양 측으로 배열되어 초음파 진동자로부터 출력된 초음파를 집속시키는 좌우 포물경 반사체(20)를 포함한다.

그리고 상기 초음파 진동자는 평면 타입이다.

본 발명의 발명자가 본 발명에 따른 HIFU를 고안하게 된 경위는, 초음파 진동자의 출력은 본래부터 양 면으로 출력되는데, 기존 HIFU를 살펴보면 초음파 진동자의 일 면을 몰딩 등과 같은 특수처리를 통해 인위적으로 막아버리고 나머지 한 면만을 사용하는 것을 발견하고, 왜 HIFU에 있어 단방향으로만 초음파 진동자를 써야할까 하는 의문을 항시 가지면서 시작되었다.

이에 본 발명에서 채용하는 초음파 진동자는 돔과 같은 특정 형태 및 특수 처리가 된 초음파 진동자를 사용하지 않고, 일반적인 평면 형상의 초음파 진동자를 사용하고 해당 평면 타입의 초음파 진동자의 초음파 출력이 양 면으로 모두 이루어지도록 하는 것을 기술적 특징으로 한다.

따라서 본 발명의 HIFU는 이와 같이 초음파 진동자의 양 면 출력을 이용하게 되기에 출력 효율을 기존 HIFU에 비해 두 배로 증가시킬 수 있다는 장점을 가진다.

다음으로 도 3에 도시된 바와 같이, HIFU 카트리지(C)는 가운데에 평면 타입의 초음파 진동자(10)가 위치되고, 이를 중심으로 하여 좌우 양 측으로 좌우 포물경 반사체(20)가 위치된다.

좌우 포물경 반사체(20)는 초음파 진동자에서 평행하게 출력되는 초음파를 집속할 수 있도록 초음파를 접하는 반사면(20A)이 오목하게 형성된다.

그리고 해당 오목면의 곡률 설계에 따라 후술되는 것과 같이 하나의 초음파 진동자로부터 출력된 초음파 에너지의 조사 위치 내지 깊이가 달리 형성될 수 있다.

좀 더 구체적으로 도 4 내지 도 6을 참조하여 좌우 포물경 반사체의 곡률 설계에 따른 초음파 초점을 살펴본다.

도 4는 단일 초점이 형성되는 경우로서, 이와 같이 설계되면 초음자 진동자(10)의 양면에서 출력되는 초음파를 집속하는 좌우 포물경 반사체(20)의 초점을 한 점에 고정하여 최대로 출력 에너지를 집중시킬 수 있다.

도 5는 다중 초점이 형성되는 경우로서, (A)에서 확인되는 바와 같이 좌우 포물경 반사체의 초점을 분할하여 동시에 동일 깊이이면서 두 개의 초점을 형성시킬 수 있다. 즉 도 4의 상태에서 좌우 포물경 반사체(20)의 각도를 조절한 경우이다.

이때 좌우 포물경 반사체 각각을 분할배치하는 경우 동일 깊이에 다른 위치의 더 많은 초점을 얻을 수 있는데, (B)에서와 같이 좌우 포물경 반사체(20) 각각을 3분할하여 초음파를 집속하게 되면 동일 깊이에서 각각 3개의 초점을 형성할 수 있어 총 6 개의 초점이 형성된다. 참고로, (B)는 위에서 바라본 형태이다.

도 6은 다중 깊이 초점이 형성되는 경우로서, 초음파 진동자의 좌우 양측에 위치된 좌우 포물경 반사체(20)의 곡률(보다 정확히는 반사면 곡률)을 서로 달리 설계하여 반사체로 집속되는 초점을 분할하여 동시에 둘 이상의 다른 깊이로 에너지를 출력하는 경우를 도시한 것이다.

특히 초음파 초점 형성이 피부로 침투되는 깊이가 1.5mm를 요하는 경우와 3.0mm를 동시에 요하는 시술에 있어 기존 HIFU는 카트리지 두 개를 각각 사용하거나 하나의 카트리지에 두 개의 초음파 진동자를 구비하여야 하지만, 본 발명에서는 하나의 초음파 진동자 및 하나의 카트리지 사용으로 서로 다른 깊이로의 초음파 조사가 이루어진다.

이와 같이 본 발명에 따른 HIFU에서 좌우 포물경 반사체(20)는 카트리지에 착탈 가능한 구조로 설계(착탈 가능한 구조는 부품과 부품을 착탈결합시키는 다양한 공지된 구조를 이용한다)되어, 하나의 즉, 주파수 대역이 하나로 고정된 초음파 진동자를 사용하면서도 다양한 초점 위치와 깊이를 얻을 수 있게 된다.

물론, 본 발명에 따른 HIFU에서는 초음파 진동자 또한 착탈 가능한 구조로 설계된다(역시 착탈 가능한 구조는 부품과 부품을 착탈결합시키는 다양한 공지된 구조를 이용한다). 따라서 1 MHz, 3MHz, 5MHz, 7MHz 등 다양한 주파수 대역의 초음파 진동자를 사용할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, HIFU 카트리지(C)는 카트리지 본체(Ca)에 초음파 진동자(10)와 그 양 측으로 좌우 포물경 반사체(20)가 끼워져 결합되는 구조이고, 초음파 진동자(10)와 좌우 포물경 반사체(20)를 카트리지 본체(Ca)에 끼워 조립 후 카트리지 본체(Ca)와 카트리지 캡(Cb)을 결합한다.

좀 더 구체적으로, 초음파 진동자(10)와 포물경 반사체(20)의 상면으로 각각 식별 PCB(P1, P2, P3)를 조립하고, PCB가 조립된 초음파 진동자(10)와 포물경 반사체(20) 각각을 카트리지 본체(Ca)에 형성된 홈에 끼운다.

그리고 메인 PCB와 연결된 포고핀 PCB(P4)와 각 식별 PCB(P1, P2, P3)의 상부가 접촉하여 초음파 진동자(10)와 포물경 반사체(20) 각각을 식별하게 된다.

그리고 카트리지 본체(Ca)에 카트리지 캡(Cb)을 끼워 조립을 완성한다.

참고로, 주파수가 높으면 깊게 침투되지 못하지만 주파수가 높은 경우 에너지가 커 열 발생이 높고 좁은 부위에 집중적으로 열을 집약시킬 수 있다. 한편 주파수가 낮은 경우에는 치료 부위가 부위가 넓게 분포되게 된다.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 형상과 구조 및 구성을 갖는 고강도 집속형 초음파 기기 즉, HIFU를 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능하고, 이러한 수정, 변경 및 치환은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
C: 카트리지
Ca: 카트리지 본체 Cb: 카트리지 캡
10; 초음파 진동자
20: 좌우 포물경 반사체

Claims (4)

1. 피부로 초음파 조사가 이루어지는 카트리지를 포함하는 고강도 집속형 초음파 기기에 있어서,
   상기 카트리지는,
   양면으로 초음파 출력이 이루어지는 초음파 진동자; 및
   상기 초음파 진동자를 중심으로 하여 양 측으로 배열되어, 초음파 진동자로부터 출력된 초음파를 집속시키는 좌우 포물경 반사체를 포함하는 것을 특징으로 하는 양면 초음파 출력을 이용한 고강도 집속형 초음파 기기.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 초음파 진동자는 평면타입인 것을 특징으로 하는 양면 초음파 출력을 이용한 고강도 집속형 초음파 기기.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 초음파 진동자는 착탈 가능한 것으로, 카트리지에 교체 장착하여 다양한 주파수 출력이 가능한 것을 특징으로 하는 양면 초음파 출력을 이용한 고강도 집속형 초음파 기기.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 좌우 포물경 반사체는 착탈 가능한 것으로, 카트리지에 교체 장착되는 좌우 포물경 반사체의 다양한 곡률에 의해 집광된 초음파의 다양한 초첨 위치 또는 깊이를 형성할 수 있는 것을 특징으로 하는 양면 초음파 출력을 이용한 고강도 집속형 초음파 기기.

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