KR102097369B1 - 초음파 프로브용 카트리지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 프로브용 카트리지에 관한 것으로서, 초음파를 발생시켜 피검사체 표면에 초음파를 주사하고, 내부에 초음파 전달 매개물질로 충진되는 작동부(100)와; 상기 작동부(100)의 상부에 결합되며 초음파 발생을 제어하는 중앙 처리 모듈(200)과; 상기 작동부(100) 및 중앙 처리 모듈(200)을 둘러싸는 하우징부(300)를 포함하고, 상기 작동부(100)는, 압전소자가 결합되어 구성되는 주파수 발진자를 구비하며, 상기 작동부(100) 내부에 위치하여 초음파를 발생시키고, 이송장치(130)의 작동에 의해 이동하는 초음파 변환장치(110)와; 상기 작동부(100)의 상부에 위치하며 상기 초음파 변환장치(110)의 윗면과 결합하여 상기 초음파 변환장치(110)를 이동시키는 이송장치(130)와; 상기 이송장치(130)의 옆쪽에 위치하며 상기 작동부(100)의 내부압력에 대해 완충역할을 할 수 있도록 상기 중앙 처리 모듈(200)의 하부와 작동부(100)의 상부를 관통하는 상부개방형의 공기주머니 형상의 압력완충장치(150)를 포함하고, 상기 중앙 처리 모듈(200)은, 주파수 발진을 위한 발진회로를 포함하고, 카트리지 작동 시, 상기 하우징부(300)에 충전되는 초음파 전달 매개물질의 온도를 고유주파수 매칭을 통하여 소정의 온도로 일정하게 유지하는 것을 특징으로 한다.

Description

초음파 프로브용 카트리지{CARTRIDGE FOR ULTRASOUND PROBE}

본 발명은 초음파 프로브용 카트리지에 관한 것으로서, 특히 초음파 치료기에 사용되는 초음파 프로브용 카트리지에 관한 것이다.

초음파란, 20㎑ 이상의 주파수를 갖는 파동을 의미하는데, 의료분야에 있어 의료영상을 이용한 진단 및 치료, 피부미용 등에 널리 활용되고 있다. 특히 초음파를 고강도로 집속한 형태를 고강도 집속 초음파(High Intensity Focused Ultrasound)라고 하며, 이러한 고강도 집속 초음파는 기존의 초음파와 동일한 원리를 바탕으로 하면서 통과하는 생체 조직에 대해서는 아무런 해를 입히지 않고 전파해 나갈 수 있어 의료시술 분야에서 각광받고 있는 실정이다.

이러한 고강도 집속 초음파는 특정 부위에 집속되어 열을 발생시킴으로써 급격한 온도 상승을 유발시킨다. 즉, 고강도 집속 초음파를 피부 근육층의 일부인 표층근건막(Superficial muscular aponeurotic system, SMAS)에 맞추어 주사하게 되면 1㎜보다 작은 크기의 열 응고 부위(Thermal damage zone)를 발생시키고 이 부위에서 60℃ 이상의 높은 열이 발생하게 되며, 열 응고 부위가 재생되면서 피부 조직을 잡아 올리고 진피층의 콜라겐 재생을 촉진시킴으로써 피부 탄력 및 주름개선에 효과를 보이게 된다.

다만, 고강도 집속 초음파 장치의 경우, 운송 중 고도에 따른 압력변화 또는 열에 의한 내부액체 팽창 등에 따른 카트리지 내부압력의 변화로 인하여 카트리지 내부의 물질이 새는 등 불량품이 발생하는 위험이 따르며, 초음파가 두 개의 음향 임피던스의 차이가 큰 물질을 통과하는 경우 음향 속도의 차이에 의한 반사 및 감쇄 현상에 따른 초음파 손실이 많이 발생하는 불편함이 있다. 또한, 초음파변환장치가 이동함에 있어서, 축과의 마찰로 인한 떨림 때문에 정확도가 떨어지는 불편함이 있다. 국내등록특허공보 제10-1446782호 및 국내공개특허공보 제10-2012-0100049호는 고강도 집속 초음파 생성장치 및 초음파변환기 이송장치에 대한 선행기술 문헌을 개시하고 있다.

한편, 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 국내등록특허문헌 제10-1708714호는 초음파 변환장치를 이동시키는 이송장치에 있어서, 초음파 변환장치를 직접 이동시키는 이송부와 연결되는 레일 축을 가공하지 않고, 이송부의 안쪽을 뾰족하게 가공하여 축과 닿는 면적을 줄이고, 축의 와셔결합에 있어서 와셔의 형태를 별모양 또는 중앙부를 기준으로 방사 형태로 하거나 마찰계수 및 용도에 따라 원기둥, 타원형 등 다양한 형태의 모양으로 가공하여, 축과의 마찰을 줄임으로써, 초음파 변환장치의 이송 시 떨림을 줄여 정확성을 높일 수 있는, 압력완충장치가 포함된 초음파 프로브용 카트리지를 개시하고 있다.

이러한 구성을 가진 카트리지는 작동 중에 초음파 변환장치에서 발생된 진동의 일부가 피검사체에 전달되고 나머지 진동이 초음파 전달 매개물질에 전달되어 매개물질을 가온시키게 된다.

상기 매개물질이 가온되게 되면, 부피가 팽창하게 되지만 압력완충장치가 이 부피팽창을 수용하게 되어, 부피팽창으로 인한 매개물질의 누수나 카트리지의 손상을 방지할 수 있다.

하지만, 상기 매개물질이 가온됨에 따라 온도도 상승하게 되어, 피검사체에 손상을 주게 된다. 이러한 경우에는 통상적으로 카트리지의 가동을 중지하게 되므로 가동/치료 효율이 낮다.

또한, 초음파 변환장치에는 압전소자가 구비되어 있으며, 이 압전소자는 압전소자 장착부에 접착제 등을 개재하여 고정되게 된다.

압전소자는 고유 주파수를 갖지만, 납품되는 압전소자 부품마다 미세한 성분 차와 형상 차가 존재하게 되어 압전소자마다 고유 주파수가 서로 상이하게 되며, 고정을 위해 개재되는 접착제에 의한 압전소자마다의 접착상태에 따라 고유 주파수가 서로 상이하게 된다.

또한, 초음파 변환장치에서의 제어 모듈은 메인 컨트롤부에서 주파수 발진을 위하여 RC 발진 및 특정 주파수 대역에서 발진할 수 있는 고정형 발진회로로 구성되어 있어서, 초음파 변환장치에서의 특징에 맞는 공진 주파수가 아닌 시스템 자체에서 발진되는 주파수가 인가됨으로써 압전소자의 공진점이 아닌 상이한 주파수 대역에서 발진할 수 있으므로 압전소자의 효율을 저하시키고 공급되는 전기에너지가 다수 열로 손실되며, 물리적 운동에너지로 변환되는 에너지가 감소되어 치료에 필요한 초음파 출격 에너지도 감소되는 문제점이 있다.

결국, 초음파 에너지를 얻는데 더 많은 전력을 손실하게 되고, 초음파 변환장치의 하우징에서는 고열이 발생하여 환자에게 화상을 입힐 수 있다.

국내등록특허공보 제10-1446782호 국내공개특허공보 제10-2012-0100049호 국내등록특허문헌 제10-1708714호

본 발명은 하우징에 충전되는 음파 전달 매개물질의 온도를 고유주파수 매칭을 통하여 소정의 온도로 유지하여 장시간 가동할 수 있는 초음파 프로브용 카트리지를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 초음파 프로브용 카트리지는, 초음파를 발생시켜 피검사체 표면에 초음파를 주사하고, 내부에 초음파 전달 매개물질로 충진되는 작동부와; 상기 작동부에 결합되며 초음파 발생을 제어하는 중앙 처리 모듈과; 상기 작동부 및 중앙 처리 모듈을 둘러싸는 하우징부를 포함하고, 상기 작동부는, 압전소자가 결합되어 구성되는 주파수 발진자를 구비하며, 상기 작동부 내부에 위치하여 초음파를 발생시키고, 이송장치의 작동에 의해 이동하는 초음파 변환장치와; 상기 작동부의 내부에 위치하며 상기 초음파 변환장치와 결합하여 상기 초음파 변환장치를 이동 또는 회전시키는 이송장치와; 상기 이송장치의 옆쪽에 위치하며 상기 작동부의 내부압력에 대해 완충역할을 할 수 있도록 상기 중앙 처리 모듈의 내부와 작동부의 외부를 관통하는 개방형의 공기주머니 형상의 압력완충장치를 포함하고, 상기 프로브의 중앙 처리 모듈은, 주파수 발진을 위한 발진회로를 포함하고, 카트리지 작동 시, 상기 하우징부에 충전되는 초음파 전달 매개물질의 온도를 고유주파수 매칭을 통하여 소정의 온도로 일정하게 유지하는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 초음파 전달 매개물질은, 인체 연부조직과 유사한 물성특징을 가지며, 인체 연부조직의 음향 임피던스와 유사한 1.0~2.0 Mrayl의 임피던스 값을 가지고, 상기 작동부는, 상기 초음파 변환장치에서 발생한 초음파를 피검사체의 표면에 주사하기 위해 상기 작동부의 하부의 개방된 부분에 시트 형태의 커버가 부착되며, 인체 연부조직과 유사한 물성특징을 가지며 인체 연부조직의 음향 임피던스와 유사한 1.0~2.0 Mrayl의 임피던스 값을 가지는 음향커버장치를 더 포함할 수 있다.

또한, 초음파 조사 조건을 입력받는 입력 모듈과; 상기 입력받은 초음파 조사 조건, 상기 중앙 처리 모듈의 처리 상태 및 카트리지의 동작 상태를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 표시하는 표시 모듈과; 상기 초음파 변환장치,상기 중앙 처리 모듈, 상기 입력 모듈, 상기 표시 모듈의 구동에 필요한 전원을 공급하는 전원 모듈을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 하우징부에 충전된 초음파 전달 매개물질의 온도를 고유주파수 매칭을 통하여 소정의 온도로 일정하게 유지하기 위해, 상기 초음파 변환장치의 주파수 발진자는 복수 대역의 주파수를 발진하고, 상기 프로브의 중앙 처리 모듈은, 상기 복수 대역 중 선택 입력받은 대역에 대응되는 미리 정해진 범위의 초음파를 순차적으로 변화 발진시키는 주파수 발진 제어부와; 상기 미리 정해진 범위의 초음파가 순차적으로 변화 발진되는 동안 상기 초음파 변환장치의 출력 신호를 측정하는 출력 신호 측정부와; 상기 변화 발진되는 초음파별 출력 신호 측정값을 분석하여 상기 초음파 변환장치의 매칭용 공진 주파수를 도출하는 공진 주파수 도출부와; 상기 초음파 변환장치의 매칭용 공진 주파수로 상기 주파수 발진자를 제어하는 매칭 회로부를 포함하되, 상기 주파수 발진 제어부는, 상기 미리 정해진 범위의 초음파를, 미리 정해진 시간 동안 미리 정해진 주파수 간격으로 증가 또는 감소시켜 발진시킬 수 있다.

또한, 상기 주파수 발진자는 단일 또는 다중대역의 초음파를 발진시키고, 상기 프로브의 중앙 처리 모듈은, 상기 주파수 발진 제어부에 의해 변화 발진하는 주파수의 안정화를 위하여 전압으로 주파수를 조정하는 안정화 회로부와; 선택 입력받은 대역에 대응되는 범위로 초음파 매칭 회로부를 선택하는 선택부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 출력 신호 측정부가 측정하는 신호는, 전압, 전류, 온도 및 압력을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 파라미터이고, 상기 공진 주파수 도출부는, 상기 각 파라미터의 패턴 분석을 통하여 상기 초음파 변환장치의 매칭용 공진 주파수를 선정하는 알고리즘에 따를 수 있다.

또한, 상기 출력 신호 측정부는 상기 초음파 변환장치에 구비된 주파수 발진자에 일정 진폭의 전압을 인가한 경우에 있어서의 상기 주파수 발진자에 흐르는 전류를 통해 주파수 발진자의 임피던스를 측정하고, 상기 매칭 회로부는 상기 초음파의 기계 진동을 전달해야 할 대상물이 한쪽면에 상기 주파수 발진자가 접합되어 상기 주파수 발진자로부터의 상기 초음파의 기계 진동을 다른쪽면의 방사면에 전달하는 전달부재에 접촉해 있는 부하인 경우에 있어서의 상기 주파수 발진자의 임피던스 주파수 특성과, 상기 초음파의 기계 진동을 전달해야 할 대상물이 상기 전달부재에 접촉하고 있지 않는 무부하인 경우에 있어서의 상기 주파수 발진자의 임피던스 주파수 특성과의 교점에서의 임피던스, 및, 상기 출력 신호 측정부에서 측정한 임피던스에 의거해 상기 주파수 발진자를 구동해야 할 목표 구동 주파수를 구하고, 상기 구한 목표 구동 주파수에서 상기 주파수 발진자가 진동하도록 제어할 수 있다.

또한, 상기 교점의 임피던스는, 상기 초음파의 기계 진동을 전달해야 할 대상물이 상기 전달 부재에 접촉해 있는 부하인 경우에 있어서의 상기 주파수 발진자의 임피던스 주파수 특성, 및, 상기 초음파의 기계 진동을 전달해야 할 대상물이 상기 전달 부재에 접촉하고 있지 않는 무부하인 경우에 있어서의 상기 주파수 발진자의 임피던스 주파수 특성을 미리 측정하고, 상기 측정 결과에서 미리 구한 값이고, 상기 매칭 회로부는, 또한, 상기 주파수 발진자의 임피던스 주파수 특성에서의 공진 주파수 및 반공진 주파수를 상기 출력 신호 측정부에 의해서 측정하고, 상기 측정한 공진 주파수 및 반공진 주파수에 의거해 상기 교점의 임피던스를 구할 수 있다.

또한, 상기 목표 구동 주파수는, 외부 요인에 의한 임피던스 주파수 특성의 변동을 고려한 마진만큼 반공진(反共振)점 또는 공진점에서 떨어진 주파수이고, 상기 매칭 회로부는, 복수의 주파수의 전기 진동으로 상기 주파수 발진자를 구동한 경우에 있어서의 복수의 임피던스를 상기 출력 신호 측정부에서 측정하고, 상기 복수의 주파수와 상기 복수의 임피던스로부터 임피던스 주파수 특성의 기울기를 구하고, 상기 구한 임피던스 주파수 특성의 기울기에 의거해 상기 목표 구동 주파수를 구할 수 있다.

또한, 상기 압력완충장치는, 작동부 내부의 압력이 증가함에 따라 팽창된 압력이 압력완충장치의 폐쇄된 하부를 밀어내면 압력완충장치가 수축하면서 중앙 처리 모듈 방향으로 개방된 부분을 통해 압력완충장치의 공기가 빠져나가게 됨으로써 작동부 내부의 팽창된 압력을 완충할 수 있다.

또한, 상기 카트리지는, 프로브에서 착탈 가능하게 장착되며, 회전부를 추가하여 회전형으로 사용될 수 있으며, 무선 통신부를 구비하여 초음파 치료기 본체와 단말기 간에 무선 통신할 수도 있다.

본 발명에 따르면, 하우징에 충전된 음파 전달 매개물질의 온도 상태와 연계하여, 하우징에 충전된 음파 전달 매개물질의 온도를 고유주파수 매칭을 통하여 소정의 온도로 유지하여 장시간 가동할 수 있게 되고 압전소자의 효율 향상을 통해 하우징에서의 고열 발생을 차단함으로써 초음파 치료기 가동/치료 효율을 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 사용자를 화상 위험으로부터 보호할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 초음파 프로브용 카트리지의 수직 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 초음파 프로브용 카트리지의 이송장치의 수직 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 프로브용 카트리지의 블록도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 프로브용 카트리지의 블록도.
도 5은 도 1의 초음파 프로브용 카트리지에서 회전부가 추가된 것을 도시한 도면.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 따른 초음파 프로브용 카트리지의 수직 단면도, 도 2는 본 발명에 따른 초음파 프로브용 카트리지의 이송장치의 수직 단면도, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 프로브용 카트리지의 블록도, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 프로브용 카트리지의 블록도이다.

본 발명에 따른 초음파 프로브용 카트리지는 하우징에 충전된 음파 전달 매개물질의 온도를 고유주파수 매칭을 통하여 소정의 온도로 유지하여 장시간 가동할 수 있도록 구성되는 것을 그 기술적 요지로 한다. 즉, 매개물질의 온도가 올라가면 초음파 치료기의 주파수가 공진주파수로 작동되지 않은 것으로 판단하여, 공진주파수 매칭 기능으로 올바른 공진주파수를 찾아서 제어하여 매개물질의 온도를 소정의 온도(예를 들면 40도 이하)로 유지하게 하는 것이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 초음파 프로브용 카트리지는, 크게 작동부(100), 중앙 처리 모듈(200) 및 하우징부(300)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 작동부(100)는 초음파를 발생시켜 피검사체 표면에 초음파를 주사할 수 있고, 내부에 초음파 전달 매개물질로 충진될 수 있다. 이때, 상기 초음파 전달 매개물질은, 인체 연부조직과 유사한 물성특징을 가지며, 인체 연부조직의 음향 임피던스와 유사한 1.0~2.0 Mrayl의 임피던스 값을 가질 수 있다.

또한, 상기 작동부는(100), 초음파 변환장치(110), 이송장치(130), 압력완충장치(150) 및 음향커버장치(170)를 더 포함할 수 있다.

상기 초음파 변환장치(110)는, 압전소자가 결합되어 구성되는 주파수 발진자를 구비하며, 상기 작동부(100) 내부에 위치하여 초음파를 발생시키고, 이송장치(130)의 작동에 의해 이동할 수 있다. 이때, 상기 초음파 변환장치(110)의 주파수 발진자는 단일 또는 다중대역의 주파수를 발진할 수 있는데, 예를 들면 1㎒ 대역 및 3㎒ 대역 및/또는 4㎒ 대역 및 7㎒ 대역의 초음파를 발진시킬 수 있다.

참고적으로, 상기 초음파 변환장치(110)는, 하나 이상의 소스로부터 수신하는 어떤 형태의 에너지를 다른 형태로 바꾸는 장치로서, 본 발명에서는 전기에너지를 초음파로 변환할 수 있다. 초음파 변환장치(110)에 구비되는 주파수 발진자는 압전소자가 결합되어 구성되며, 하나의 주파수 발진자에서 복수 대역의 주파수를 발진할 수 있다. 실시예에 따라서는, 다중 대역의 초음파를 발진시키는 것으로서, 물리치료, 미용, 암치료 등의 의료용 장치에 이용될 수 있다.

일 실시예에 따르면 물리치료용 경우, 초음파 발진 장치로 사용될 수 있는데, 물리치료에서 열 적용 목적으로 사용하는 초음파의 주파수 범위는 1~3㎒ 대역이다. 3㎒ 대역은 피부 지방층과 근막까지는 침투하나 근육에는 일부만이 침투 가능한 반면, 1㎒ 대역은, 뼈를 제외한 근육에까지 깊이 침투 가능하므로, 치료 목적에 따라 1㎒ 대역 또는 3㎒ 대역을 선택하여 사용하게 된다. 또한, 피부미용 및 암치료용의 경우, 4㎒ 대역 및 7㎒ 대역 이외의 주파수도 선택적으로 사용하게 된다. 본 발명에서는, 주파수 발진 형태가 가변형이므로, 복수 대역의 주파수를 발진하는 주파수 발진자를 이용할 수 있으며, 주파수 발진자의 초음파 주파수 대역에 대응하는 제어는 릴레이 회로를 이용할 수 있다.

상기 이송장치(130)는, 작동부(100)의 상부에 위치하며, 초음파 변환장치(110)의 상부와 결합하여 초음파 변환장치(110)를 이동시킬 수 있다.

구체적으로, 상기 이송장치(130)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 이송부(131), 레일(133) 및 중심축(135)을 포함할 수 있다.

상기 이송부(131)는, 초음파 변환장치(110)와 직접 결합되어 초음파 변환장치(110)를 이동시킬 수 있다. 보다 구체적으로는, 이송부(131)의 하단과 초음파 변환장치(110)의 상단이 결합될 수 있다.

또한, 상기 이송장치(130)는, 상기 구성에 더하여 도 5에 도시된 바와 같이 회전부(132)를 더 포함할 수 있으며, 상기 회전부(132)는 초음파 변환장치(110)와 이송부(131)가 결합된 카트리지 전체를 회전시킬 수 있으며, 프로브 내부에 회전에 필요한 회전구동장치가 추가 적용될 수도 있다.

상기 레일(133)은, 이송부(131)의 용이한 움직임을 위해 초음파 변환장치(110)와 수직방향으로 이송부(131)의 양쪽 및 아래쪽에 연결될 수 있다. 보다 구체적으로는, 실린더 형태의 총 3축의 레일(133)로 구성될 수 있고, 이때, 아래쪽에 연결된 레일(133)은, 초음파 변환장치(110)의 흔들림 방지 및 정밀 제어의 역할을 할 수 있다.

상기 중심축(135)은, 이송부(131)의 중앙에 레일(133)과 같은 방향으로 결합될 수 있다. 즉, 중심축(135)은 이송부(131)의 중앙에 결합되어, 모터의 작동에 따라 이송부(131)를 이동시킬 수 있으며, 회전형태의 가트리지의 경우에는 회전을 위한 회전부(132)를 추가하여 제작될 수도 있다. 또한, 상기 이송부(131)와 상기 회전부(132) 중 적어도 하나가 적용될 수도 있다.

한편, 실시예에 따라서는, 이송부(131)의 양쪽에 연결된 레일(133) 및 중심축(135)은, 초음파 전달 매개물질로부터 보호하고 이송부(131)의 이동이 용이하도록 주름호스(139)로 싸여있을 수 있다.

상기 압력완충장치(150)는, 이송장치(130)의 옆쪽에 위치하며 작동부(100)의 내부압력에 대해 완충역할을 할 수 있도록 중앙 처리 모듈(200)의 내부와 작동부(100)의 외부를 관통하는 개방형의 공기주머니 형상으로 구성된다. 보다 구체적으로, 상기 압력완충장치(150)는, 작동부(100) 내부의 압력이 증가함에 따라 팽창된 압력이 압력완충장치(150)의 폐쇄된 하부를 밀어내면 압력완충장치(150)가 수축하면서 중앙 처리 모듈(200) 방향으로 개방된 상부를 통해 압력완충장치(150)의 공기가 빠져나가게 됨으로써 작동부(100) 내부의 팽창된 압력을 완충할 수 있다.

상기 음향커버장치(170)는 상기 초음파 변환장치(110)에서 발생한 초음파를 피검사체의 표면에 주사하기 위해 상기 작동부(100)의 하부의 개방된 부분에 시트 형태의 커버가 부착될 수 있는데, 이때 인체 연부조직과 유사한 물성특징을 가지며 인체 연부조직의 음향 임피던스와 유사한 1.0~2.0 Mrayl의 임피던스 값을 가질 수 있다.

상기 중앙 처리 모듈(200)은 작동부(100)의 프로브에 결합되며 초음파 발생을 제어하는데, 주파수 발진을 위한 발진회로를 포함하고, 카트리지 작동 시, 상기 하우징부(300)에 충전되는 초음파 전달 매개물질의 온도를 고유주파수 매칭을 통하여 소정의 온도로 일정하게 유지할 수 있다.

참고적으로, 상기 중앙 처리 모듈(200)은 초음파 변환장치(110)를 제어하는 것으로서, 종래의 MCU와 같이 전원, 주파수, LCD를 컨트롤하고, A/D port를 모니터링하는 기본 기능과 함께, 특정 범위의 주파수를 변화 발진시킨 후, 그에 대응하는 초음파 변환장치(110)의 출력 신호를 측정하고 분석하여 최적의 초음파 변환장치(110)의 매칭용 공진 주파수를 도출하고, 그에 따라 주파수 발진자를 제어하는 기능을 수행할 수 있다.

구체적으로, 상기 중앙 처리 모듈(200)은, 상기 하우징부(300)에 충전된 초음파 전달 매개물질의 온도를 고유주파수 매칭을 통하여 소정의 온도로 일정하게 유지하기 위해, 주파수 발진 제어부(210), 출력 신호 측정부(220), 공진 주파수 도출부(230), 매칭 회로부(240), 안정화 회로부(250) 및 선택부(260)를 포함할 수 있다.

상기 주파수 발진 제어부(210)는 상기 초음파 변환장치(110)의 주파수 발진자에서 발진하는 복수 대역의 주파수 중 선택 입력받은 대역에 대응되는 미리 정해진 범위의 초음파를 순차적으로 변화 발진시킬 수 있다. 이때, 상기 주파수 발진 제어부(210)는, 미리 정해진 범위의 초음파를, 미리 정해진 시간 동안 미리 정해진 주파수 간격으로 증가 또는 감소시켜 발진시킬 수 있다.

상기 출력 신호 측정부(220)는 상기 미리 정해진 범위의 초음파가 순차적으로 변화 발진되는 동안 상기 초음파 변환장치(110)의 출력 신호를 측정할 수 있다. 이때, 상기 출력 신호 측정부(220)가 측정하는 신호는, 전압, 전류, 온도 및 압력을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 파라미터 일 수 있다.

상기 공진 주파수 도출부(230)는 상기 변화 발진되는 초음파별 출력 신호 측정값을 분석하여 상기 초음파 변환장치(110)의 매칭용 공진 주파수를 도출할 수 있다. 이때, 상기 공진 주파수 도출부(230)는, 상기 각 파라미터의 패턴 분석을 통하여 상기 초음파 변환장치(110)의 매칭용 공진 주파수를 선정하는 알고리즘에 따를 수 있다.

상기 매칭 회로부(240)는 상기 초음파 변환장치(110)의 매칭용 공진 주파수로 상기 주파수 발진자를 제어할 수 있다.

본 발명은 상술한 바와 같이 주파수 가변형 발진 회로를 구성하여 사용하고자 하는 주파수 대역의 일정 범위를 기준으로 주파수를 미세 조정하면서 측정되는 신호 분석을 통해 최적의 공진 주파수를 찾아 설정할 수 있다.

실시예에 따르면, 출력 신호 측정부(220)는 A/D 센서로부터 신호를 전달받아 측정할 수 있다. 신호의 측정은, 신호 출력 매칭에 간섭을 주지 않도록 별도의 측정 회로를 구성하는 것이 바람직하며, 중앙 처리 모듈(200)과 초음파 변환장치(110)의 안정된 초음파 출력을 위하여 매칭 회로부(240)를 포함할 수 있다. 본 발명에 따르면, 가변이 가능한 주파수 발진 구성을 채택하고, 초음파 변환장치(110)의 공진 특성에 맞는 주파수를 각 A/D 포트를 통하여 들어오는 신호를 분석하여 찾을 수 있는 알고리즘 기능을 이용하여 초음파 변환장치(110)의 특성에 맞는 초음파 공진 주파수를 선택적으로 발생시킬 수 있다.

상기 안정화 회로부(250)는 상기 주파수 발진 제어부(210)에 의해 변화 발진하는 주파수의 안정화를 위하여 전압으로 주파수를 조정할 수 있다.

상기 선택부(260)는 선택 입력받은 대역에 대응되는 범위로 초음파 매칭 회로부(240)를 선택할 수 있다.

상기 선택부(260)는 릴레이 회로를 포함하여 구성될 수 있는데, 릴레이 회로에 의하여 선택 입력받은 대역에 대응되는 범위로 초음파를 발생시킬 수 있다. 릴레이 회로란, 미리 설정해둔 신호(전기량)에 대응해서 전기적 압력의 유무, 대소 등의 형태를 식별해서 다른 전기회로의 개폐를 제어하는 회로를 의미한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 복수 대역의 주파수를 발진하는 발진소자가 1㎒ 초음파를 발생시키고자 할 때에는 그 해당 대역의 주파수를 기준으로 일정 범위(-100㎑에서 100㎑)의 초음파를 발생 순차적으로 변화시키면서 인가시킬 수 있는 회로가 있고, 발진소자가 3㎒ 대역 초음파를 발생시키고자 할 때에는 그 해당 대역의 주파수를 기준으로 일정 범위의 초음파를 발생 순차적으로 변화시키면서 인가시킬 수 있는 회로가 있는데, 릴레이 회로는 상기 실시예와 같은 단일 또는 다중주파수대역중 원하는 대역인지를 인식하여 두 회로 중 대응되지 않은 회로는 차단하여 대응되는 회로와 연결되도록 구현할 수 있다.

한편, 상기 출력 신호 측정부(220)는 상기 초음파 변환장치(110)에 구비된 주파수 발진자에 일정 진폭의 전압을 인가한 경우에 있어서의 상기 주파수 발진자에 흐르는 전류를 통해 주파수 발진자의 임피던스를 측정할 수 있다.

이때, 상기 매칭 회로부(240)는 상기 초음파의 기계 진동을 전달해야 할 대상물이 한쪽면에 상기 주파수 발진자가 접합되어 상기 주파수 발진자로부터의 상기 초음파의 기계 진동을 다른쪽면의 방사면에 전달하는 전달부재(예를 들면, 혼(horn))에 접촉해 있는 부하인 경우에 있어서의 상기 주파수 발진자의 임피던스 주파수 특성과, 상기 초음파의 기계 진동을 전달해야 할 대상물이 상기 전달부재에 접촉하고 있지 않는 무부하인 경우에 있어서의 상기 주파수 발진자의 임피던스 주파수 특성과의 교점에서의 임피던스, 및, 상기 출력 신호 측정부(220)에서 측정한 임피던스에 의거해 상기 주파수 발진자를 구동해야 할 목표 구동 주파수를 구하고, 상기 구한 목표 구동 주파수로 상기 주파수 발진자가 진동하도록 제어할 수 있다.

또한, 상기 교점의 임피던스는, 상기 초음파의 기계 진동을 전달해야 할 때대상물이 상기 전달 부재에 접촉해 있는 부하인 경우에 있어서의 상기 주파수 발진자의 임피던스 주파수 특성, 및, 상기 초음파의 기계 진동을 전달해야 할 대상물이 상기 전달 부재에 접촉하고 있지 않은 무부하인 경우에 있어서의 상기 주파수 발진자의 임피던스 주파수 특성을 미리 측정하고, 상기 측정 결과에서 미리 구한 값일 수 있다.

또한, 상기 매칭 회로부(240)는, 상기 주파수 발진자의 임피던스 주파수 특성에서의 공진 주파수 및 반공진 주파수를 상기 출력 신호 측정부(220)에 의해서 측정하고, 상기 측정한 공진 주파수 및 반공진 주파수에 의거해 상기 교점의 임피던스를 구할 수 있다.

이때, 상기 목표 구동 주파수는, 외부 요인에 의한 임피던스 주파수 특성의 변동을 고려한 마진만큼 반공진(反共振)점 또는 공진점에서 떨어진 주파수 일 수 있다.

또한, 상기 매칭 회로부(240)는, 복수의 주파수의 전기 진동으로 상기 주파수 발진자를 구동한 경우에 있어서의 복수의 임피던스를 상기 출력 신호 측정부(220)에서 측정하고, 상기 복수의 주파수와 상기 복수의 임피던스로부터 임피던스 주파수 특성의 기울기를 구하고, 상기 구한 임피던스 주파수 특성의 기울기에 의거해 상기 목표 구동 주파수를 구할 수 있다.

상기 하우징부(300)는 카트리지의 내부 부품들을 보호하기 위한 상자 모양의 프레임으로서, 작동부(100) 및 중앙 처리 모듈(200)을 둘러쌀 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 초음파 프로브용 카트리지는, 입력 모듈(400), 표시 모듈(500) 및 전원 모듈(600)을 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 입력 모듈(400)은, 초음파 조사 조건을 입력받는 것으로서, 조작부의 기능을 수행할 수 있다. 구체적으로 원하는 대역의 초음파 주파수와 초음파의 조사 시간 등을 키패드 등으로 입력받을 수 있다.

상기 표시 모듈(500)은, 입력받은 초음파 조사 조건, 중앙 처리 모듈(200)의 처리 상태 및 다중 주파수 초음파 발진 장치의 동작 상태를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 표시할 수 있다. 즉, 초음파의 작동시간과 현재 초음파의 출력 강도, 현재 조사되고 있는 초음파의 주파수, 선택된 공진 주파수, 주파수 조절 상태 등이 표시될 수 있다.

상기 전원 모듈(600)은, 상기 초음파 변환장치(110), 상기 중앙 처리 모듈(200), 상기 입력 모듈(400), 상기 표시 모듈(500)의 구동에 필요한 전원을 공급할 수 있다.

본 발명에 따른 초음파 프로브용 카트리지는, 초음파 치료기 본체에 착탈 가능하게 장착될 수 있으며, 무선 통신부를 구비하여 초음파 치료기 본체와 무선 통신으로 신호를 주고 받을 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 하우징에 충전된 음파 전달 매개물질의 온도를 고유주파수 매칭을 통하여 소정의 온도로 유지하여 장시간 가동할 수 있게 되고 압전소자의 효율 향상을 통해 하우징에서의 고열 발생을 차단함으로써 초음파 치료기 가동/치료 효율을 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 사용자를 화상 위험으로부터 보호할 수 있는 장점이 있다.

한편, 본 발명에 따른 초음파 프로브용 카트리지를 한정된 실시예에 따라 설명하였지만, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진자에게 자명한 범위내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 작동부 110: 초음파 변환장치
130: 이송장치 131: 이송부 132: 회전부
133: 레일 135: 중심축
137: 와셔 139: 주름호스
150: 압력완충장치 170: 음향커버장치
200: 중앙 처리 모듈 210: 주파수 발진 제어부
220: 출력 신호 측정부 230: 공진 주파수 도출부
240: 매칭 회로부 250: 안정화 회로부
260: 선택부 300: 하우징부
400: 입력 모듈 500: 표시 모듈
600: 전원 모듈

Claims (11)

1. 초음파 프로브용 카트리지에 있어서,
   초음파를 발생시켜 피검사체 표면에 초음파를 주사하고, 내부에 초음파 전달 매개물질로 충진되는 작동부(100)와;
   상기 작동부(100)의 상부에 결합되며 초음파 발생을 제어하는 중앙 처리 모듈(200)과;
   상기 작동부(100) 및 중앙 처리 모듈(200)을 둘러싸는 하우징부(300)를 포함하고,
   상기 작동부(100)는,
   압전소자가 결합되어 구성되는 주파수 발진자를 구비하며, 상기 작동부(100) 내부에 위치하여 초음파를 발생시키고, 이송장치(130)의 작동에 의해 이동하는 초음파 변환장치(110)와;
   상기 작동부(100)에 위치하며 상기 초음파 변환장치(110)와 결합하여 상기 초음파 변환장치(110)를 이동 또는 회전시키는 이송장치(130)와;
   상기 이송장치(130)의 옆쪽에 위치하며 상기 작동부(100)의 내부압력에 대해 완충역할을 할 수 있도록 상기 중앙 처리 모듈(200)의 내부와 작동부(100)의 외부를 관통하는 개방형의 공기주머니 형상의 압력완충장치(150)를 포함하고,
   상기 중앙 처리 모듈(200)은, 주파수 발진을 위한 발진회로를 포함하고, 카트리지 작동 시, 상기 하우징부(300)에 충전되는 초음파 전달 매개물질의 온도를 고유주파수 매칭을 통하여 소정의 온도로 일정하게 유지하고,
   상기 하우징부(300)에 충전된 초음파 전달 매개물질의 온도를 고유주파수 매칭을 통하여 소정의 온도로 일정하게 유지하기 위해,
   상기 초음파 변환장치(110)의 주파수 발진자는 복수 대역의 주파수를 발진하고,
   상기 중앙 처리 모듈(200)은,
   상기 복수 대역 중 선택 입력받은 대역에 대응되는 미리 정해진 범위의 초음파를 순차적으로 변화 발진시키는 주파수 발진 제어부(210)와;
   상기 미리 정해진 범위의 초음파가 순차적으로 변화 발진되는 동안 상기 초음파 변환장치(110)의 출력 신호를 측정하는 출력 신호 측정부(220)와;
   상기 변화 발진되는 초음파별 출력 신호 측정값을 분석하여 상기 초음파 변환장치(110)의 매칭용 공진 주파수를 도출하는 공진 주파수 도출부(230)와;
   상기 초음파 변환장치(110)의 매칭용 공진 주파수로 상기 주파수 발진자를 제어하는 매칭 회로부(240)를 포함하되,
   상기 주파수 발진 제어부(210)는, 상기 미리 정해진 범위의 초음파를, 미리 정해진 시간 동안 미리 정해진 주파수 간격으로 증가 또는 감소시켜 발진시키는 것을 특징으로 하는 초음파 프로브용 카트리지.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 초음파 전달 매개물질은, 인체 연부조직과 유사한 물성특징을 가지며, 인체 연부조직의 음향 임피던스와 유사한 1.0~2.0 Mrayl의 임피던스 값을 가지고,
   상기 작동부(100)는,
   상기 초음파 변환장치(110)에서 발생한 초음파를 피검사체의 표면에 주사하기 위해 상기 작동부(100)의 하부의 개방된 부분에 시트 형태의 커버가 부착되며, 인체 연부조직과 유사한 물성특징을 가지며 인체 연부조직의 음향 임피던스와 유사한 1.0~2.0 Mrayl의 임피던스 값을 가지는 음향커버장치(170)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 프로브용 카트리지.
3. 청구항 1에 있어서,
   초음파 조사 조건을 입력받는 입력 모듈(400)과;
   상기 입력받은 초음파 조사 조건, 상기 중앙 처리 모듈(200)의 처리 상태 및 카트리지의 동작 상태를 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 표시하는 표시 모듈(500)과;
   상기 초음파 변환장치(110), 상기 중앙 처리 모듈(200), 상기 입력 모듈(400) 및 표시 모듈(500)의 구동에 필요한 전원을 공급하는 전원 모듈(600)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 프로브용 카트리지.
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 주파수 발진자는 단일 또는 다중대역의 초음파를 발진시키고,
   상기 중앙 처리 모듈(200)은,
   상기 주파수 발진 제어부(210)에 의해 변화 발진하는 주파수의 안정화를 위하여 전압으로 주파수를 조정하는 안정화 회로부(250)와;
   선택 입력받은 대역에 대응되는 범위로 초음파 매칭 회로부(240)를 선택하는 선택부(260)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 프로브용 카트리지.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 출력 신호 측정부(220)가 측정하는 신호는, 전압, 전류, 온도 및 압력을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 파라미터이고,
   상기 공진 주파수 도출부(230)는, 상기 각 파라미터의 패턴 분석을 통하여 상기 초음파 변환장치(110)의 매칭용 공진 주파수를 선정하는 알고리즘에 따르는 것을 특징으로 하는 초음파 프로브용 카트리지.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 출력 신호 측정부(220)는 상기 초음파 변환장치(110)에 구비된 주파수 발진자에 일정 진폭의 전압을 인가한 경우에 있어서의 상기 주파수 발진자에 흐르는 전류를 통해 주파수 발진자의 임피던스를 측정하고,
   상기 매칭 회로부(240)는 상기 초음파의 기계 진동을 전달해야 할 대상물이 한쪽면에 상기 주파수 발진자가 접합되어 상기 주파수 발진자로부터의 상기 초음파의 기계 진동을 다른쪽면의 방사면에 전달하는 전달부재에 접촉해 있는 부하인 경우에 있어서의 상기 주파수 발진자의 임피던스 주파수 특성과, 상기 초음파의 기계 진동을 전달해야 할 대상물이 상기 전달부재에 접촉하고 있지 않은 무부하인 경우에 있어서의 상기 주파수 발진자의 임피던스 주파수 특성과의 교점에서의 임피던스, 및, 상기 출력 신호 측정부(220)에서 측정한 임피던스에 의거해 상기 주파수 발진자를 구동해야 할 목표 구동 주파수를 구하고, 상기 구한 목표 구동 주파수에서 상기 주파수 발진자가 진동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파 프로브용 카트리지.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 교점의 임피던스는, 상기 초음파의 기계 진동을 전달해야 할 대상물이 상기 전달 부재에 접촉해 있는 부하인 경우에 있어서의 상기 주파수 발진자의 임피던스 주파수 특성, 및, 상기 초음파의 기계 진동을 전달해야 할 대상물이 상기 전달 부재에 접촉하고 있지 않는 무부하인 경우에 있어서의 상기 주파수 발진자의 임피던스 주파수 특성을 미리 측정하고, 상기 측정 결과에서 미리 구한 값이고,
   상기 매칭 회로부(240)는, 상기 주파수 발진자의 임피던스 주파수 특성에서의 공진 주파수 및 반공진 주파수를 상기 출력 신호 측정부(220)에 의해서 측정하고, 상기 측정한 공진 주파수 및 반공진 주파수에 의거해 상기 교점의 임피던스를 구하는 것을 특징으로 하는 초음파 프로브용 카트리지.
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 목표 구동 주파수는, 외부 요인에 의한 임피던스 주파수 특성의 변동을 고려한 마진만큼 반공진점 또는 공진점에서 떨어진 주파수이고,
   상기 매칭 회로부(240)는, 복수의 주파수의 전기 진동으로 상기 주파수 발진자를 구동한 경우에 있어서의 복수의 임피던스를 상기 출력 신호 측정부(220)에서 측정하고, 상기 복수의 주파수와 상기 복수의 임피던스로부터 임피던스 주파수 특성의 기울기를 구하고, 상기 구한 임피던스 주파수 특성의 기울기에 의거해 상기 목표 구동 주파수를 구하는 것을 특징으로 하는 초음파 프로브용 카트리지.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 압력완충장치(150)는, 작동부(100) 내부의 압력이 증가함에 따라 팽창된 압력이 압력완충장치(150)의 폐쇄된 하부를 밀어내면 압력완충장치(150)가 수축하면서 중앙 처리 모듈(200) 방향으로 개방된 부분을 통해 압력완충장치(150)의 공기가 빠져나가게 됨으로써 작동부(100) 내부의 팽창된 압력을 완충하는 것을 특징으로 하는 초음파 프로브용 카트리지.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 카트리지는, 프로브에서 착탈 가능하게 장착되며, 무선 통신부를 구비하여 초음파 치료기 본체와 단말기 간에 무선 통신하는 것을 특징으로하는 초음파 프로브용 카트리지.

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