KR102124421B1 - 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하기 위한 방법은, 상기 초음파 트랜스듀서의 정보를 입력하는 단계; 목표 초점을 설정하는 단계; 미리 촬영된 사용자의 두개골 영상에서, 상기 목표 초점을 포함하는 스캐닝 범위를 설정하는 단계; 상기 스캐닝 범위 내에서, 각각의 트랜스듀서 위치에 대한 초음파의 반사계수 R 를 계산하는 단계; 및 상기 반사계수 R 가 가장 낮은 위치를 트랜스듀서의 위치로 결정하는 단계를 포함한다. 이에 따르면, 초음파 자극 장치를 이용한 치료방법에 있어서 초음파 빔 라인의 평균 반사계수가 가장 낮은 위치, 즉 초음파의 반사 손실을 가장 낮출 수 있는 위치를 결정함으로써, 단일 트랜스듀서 자극 장치의 초음파 집속 효율을 높일 수 있다.

Description

초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하기 위한 방법{METHOD FOR DECIDING LOCATION OF ULTRASONIC TRANSDUCER}
본 발명은 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하기 위한 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초음파 자극 장치를 이용한 치료방법에 있어서, 초음파 빔 라인의 평균 반사계수가 가장 낮은 위치를 초음파 트랜스듀서의 위치로 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.
종래에는 환자의 통증을 완화시키거나 특정 신체 부위의 신경 세포를 자극하는 치료 방법을 수행하기 위해, 환자의 신체에 전극을 삽입하는 등의 방법이 이용되었으나, 이와 같은 물리적인 침습 과정에 의해 신체가 손상될 우려가 있었다.
최근에는 물리적인 침습 과정 없이도 환부를 자극할 수 있는 초음파 자극 치료법이 널리 이용되고 있다. 초음파는 그 강도에 따라 고강도 초음파(high intensity ultrasound)와 저강도 초음파(low intensity ultrasound)로 나뉠 수 있는데, 고강도 초음파는 암세포나 조직을 괴사시키는 등의 직접적인 치료에 이용되는 반면, 저강도 초음파는 신체에 열을 가하거나 조직을 괴사시키는 일 없이 의학적 효과를 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다.
이 중에서도 저강도 초음파 자극 장치는, 환자의 뇌 신경 세포를 자극하여 우울장애, 조현병 등의 정신질환이나 뇌전증, 수전증 등을 치료하기 위하여 폭넓게 이용되고 있다. 그러나 종래의 뇌 자극을 위한 초음파 자극 장치는, 트랜스듀서로부터 발생한 초음파가 환자의 두개골과 뇌를 통과하면서 집속도가 감소하거나, 매질의 차이로 인하여 초음파 진행 경로가 변경되어 목표 초점에 집속하지 못하는 문제점을 해결하기 위하여, 복수의 트랜스듀서 어레이를 이용하는 방식이 일반적이었다.
국내 등록특허 제10-1700883호를 참조하면, 저강도 초음파 빔을 출력하는 복수의 트랜스듀서를 포함하는 초음파 집속 어레이를 이용하여 환자의 척수 또는 척수 주변의 신경 세포를 자극하는 장치가 개시되어 있다. 또한, 뇌 자극에 초음파를 이용하는 예로는, INSIGHTEC Ltd. 의 경두개 초음파 치료기기 ExAblate Neuro 가 있는데, 수십 개의 트랜스듀서로 구성되어 있어 집속에는 유리하나 가격이 매우 비싸다는 단점이 있다.
단일 트랜스듀서를 이용하는 초음파 자극 장치의 경우, 복수의 트랜스듀서를 이용하는 것보다 가격이 저렴하여 경제적이나, 초음파 빔 라인이 두개골과 뇌조직을 통과하면서 굴절되거나 집속도 자체가 낮아서 효율이 떨어진다는 문제가 있다.
CN 104548392 A US 2015-0151142 A1
이와 같은 문제를 해결하기 위해서는 사용자 맞춤형 음향렌즈를 이용하여 집속도를 향상시키거나, 초음파 빔 라인의 굴절이나 반사가 최소화되는 적절한 위치를 미리 설정함으로써 효율을 높이는 것이 바람직하다.
이에 본 명세서는, 초음파 자극 장치를 이용한 치료방법에 있어서 초음파 빔 라인의 평균 반사계수가 가장 낮은 위치를 초음파 트랜스듀서의 위치로 결정하기 위한 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 즉, 초음파의 반사 손실을 가장 낮출 수 있는 위치를 찾아냄으로써, 단일 트랜스듀서 자극 장치의 초음파 집속 효율을 높이는 것을 목적으로 한다.
또한, 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하기 위한 방법을 컴퓨터로 판독가능한 기록매체에서 수행하기 위한 프로그램을 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하기 위한 방법은, 상기 초음파 트랜스듀서의 정보를 입력하는 단계; 목표 초점을 설정하는 단계; 미리 촬영된 사용자의 두개골 영상에서, 상기 목표 초점을 포함하는 스캐닝 범위를 설정하는 단계; 상기 스캐닝 범위 내에서, 각각의 트랜스듀서 위치에 대한 초음파의 반사계수 R 를 계산하는 단계; 및 상기 반사계수 R 가 가장 낮은 위치를 트랜스듀서의 위치로 결정하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 초음파 트랜스듀서의 정보는, 상기 초음파 트랜스듀서의 지름, 곡률반경(Radius of Curvature) 및 초점거리(Acoustic Focal Length)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 초음파는 복수개의 동간격을 가진 초음파 빔 라인으로 구성된다고 가정하고, 상기 초음파의 반사계수 R 를 계산하는 단계는, 각각의 초음파 빔 라인의 사용자의 두개골 외판에 대한 반사계수 Ro 를 계산하는 단계; 상기 초음파의 두개골 외판에 대한 평균 반사계수 Ro_avg 를 계산하는 단계; 각각의 초음파 빔 라인의 사용자의 두개골 내판에 대한 반사계수 Ri 를 계산하는 단계; 상기 초음파의 두개골 내판에 대한 평균 반사계수 Ri_avg 를 계산하는 단계; 및 상기 평균 반사계수 Ro_avg 및 Ri_avg 에 기초하여, 상기 초음파의 반사계수 R 을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 반사계수 Ro 를 계산하는 단계는, 상기 사용자의 두개골 외판에 대하여, 각각의 초음파 빔 라인의 입사벡터와 수직방향벡터가 이루는 각도 θo 를 계산하는 단계를 포함하고, 상기 반사계수 Ri 를 계산하는 단계는, 상기 사용자의 두개골 내판에 대하여, 각각의 초음파 빔 라인의 입사벡터와 수직방향벡터가 이루는 각도 θi 를 계산하는 단계를 포함하되, 상기 사용자의 두개골 외판 및 내판에 대한 초음파 빔 라인의 입사벡터와 수직방향벡터는, 미리 촬영된 사용자의 두개골 영상에 기초하여 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 초음파의 반사계수 R 을 계산하는 단계는, 상기 초음파의 두개골 외판에 대한 평균 반사계수 Ro_avg 를 계산하는 단계 이후에, 상기 Ro_avg 가 낮은 순서대로 소정의 개수의 트랜스듀서 위치 후보군을 선정하는 단계를 더 포함하고, 상기 초음파의 두개골 내판에 대한 평균 반사계수 Ri_avg 를 계산하는 단계는, 상기 소정의 개수의 트랜스듀서 위치 후보군 각각에 대해서만 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스캐닝 범위는, 상기 초음파 트랜스듀서의 곡률반경 및 지름에 기초하여 결정되거나, 사용자에 의해 임의로 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하기 위한 방법을 수행하기 위한, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램이 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 초점으로 집속되는 집속 초음파를 조사하는 초음파 트랜스듀서의 위치를 지정하기 위한 가이드 부재는, 사용자의 안면에 얹어지는 마스크 형태의 마스크 몸체와, 상기 초음파 트랜스듀서가 삽입될 수 있도록 상기 마스크 몸체의 내면과 외면을 관통하여 형성되는 위치 지정구를 포함하고, 상기 위치 지정구는 청구항 제1항 내지 제6항에 따른 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하기 위한 방법에 기초하여 결정되며, 상기 가이드 부재를 상기 사용자의 안면에 얹은 상태에서 상기 위치 지정구에 상기 초음파 트랜스듀서가 위치하면, 상기 초점의 위치가 기설정된 상기 뇌의 자극 부위에 자연히 위치할 수 있다.
본 명세서에서 제공하는 실시예에 따르면, 초음파 자극 장치를 이용한 치료방법에 있어서 초음파 빔 라인의 평균 반사계수가 가장 낮은 위치, 즉 초음파의 반사 손실을 가장 낮출 수 있는 위치를 결정함으로써, 단일 트랜스듀서 자극 장치의 초음파 집속 효율을 높일 수 있다.
트랜스듀서 장치의 초음파 집속 효율이 높아짐에 따라, 고강도 초음파는 암세포나 조직을 괴사시키는 등의 직접적인 치료에 활용될 수 있고, 저강도 초음파는 신체에 열을 가하거나 조직을 괴사시키는 일 없이 환부를 자극함으로써 의학적 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 초음파 트랜스듀서를 이용하여 사용자의 두개골 내 목표초점에 초음파 빔을 집속하는 것을 나타낸 도면이다.
도 2는 반사계수가 낮은 위치에서의 초음파 진행경로와 반사계수가 높은 위치에서의 초음파 진행경로의 차이를 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하기 위한 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 일 실시예에 따라 스캐닝 범위 내에서 초음파 빔 라인을 출력하는 시뮬레이션 과정을 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 초음파 빔 라인의 반사계수 계산방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 초음파 빔 라인의 입사벡터와 수직방향벡터가 이루는 입사각을 나타낸 도면이다.
도 7는 또 다른 실시예에 따른 초음파 빔 라인의 반사계수 계산방법을 나타낸 순서도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 집속 초음파 자극 장치의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 초음파 트랜스듀서를 이용하여 사용자의 두개골 내 목표초점에 초음파 빔을 집속하는 것을 나타낸 도면이다.
초음파 트랜스듀서(transducer)는 초음파를 출력하는 음원(sound source)이다. 본 발명에서는 치료하고자 하는 부위와 목적에 따라 출력을 조정함으로써 3 W/㎠ (Ispta) 이하의 저강도 초음파는 물론, 3 W/㎠ (Ispta) 이상의 고강도 초음파 출력도 가능하다.
일반적으로, 초음파 트랜스듀서는 압전효과 또는 자왜(磁歪) 효과를 응용하여, 20 KHz 이상의 교류 에너지를 같은 주파수의 기계적 진동으로 변환한다. 예를 들어, 트랜스듀서는 일측이 개구된 몸체와 압전소자를 포함하는 구조이며, 몸체 내부는 공기로 충진되며, 각 압전소자에는 전압을 인가하기 위한 전선이 연결된 구조일 수 있다. 압전소자는 수정(Quartz) 및 전기석(Turmaline)과 같은 압전효과를 일으키는 물질을 이용하며, 트랜스듀서는 압전소자의 압전효과를 이용해 초음파를 발생 출력시킬 수 있다. 이와 같은 트랜스듀서의 구조는 예시적일 뿐이며, 특정 구조나 효과로 한정되지 않는다.
트랜스듀서의 압전소자는 치료하고자 하는 부위와 목적에 따라 출력을 조정함으로써, 적절한 강도의 초음파를 출력할 수 있고(예를 들어, 고강도 초음파는 암세포나 조직을 괴사시키는 등의 직접적인 치료에 활용될 수 있고, 저강도 초음파는 신체에 열을 가하거나 조직을 괴사시키는 일 없이 환부를 자극함으로써 의학적 효과를 얻을 수 있다), 출력된 초음파는 중첩을 일으켜 초음파 빔을 형성한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 단일 초음파 트랜스듀서(10)는 하나의 목표 초점(F)에 집속되는 복수개의 초음파 빔 라인(L1 내지 L3)을 형성할 수 있다. 트랜스듀서(10)에 의해 생성된 복수개의 초음파 빔 라인(L1 내지 L3)은 중간매질(예를 들어, 물 또는 하이드로젤 등의 음향 매질)을 지나 사용자의 두개골 외판(Outer table of skull)과 두개골 내판(inner table of skull)을 순차적으로 통과하여 뇌조직 내 목표 초점(F)에 도달한다.
각각의 초음파 빔 라인의 진행 경로는 초음파 트랜스듀서(10)의 지름, 곡률반경(Radius of Curvature) 및 초점거리(Acoustic Focal Length) 등의 기계적/음향적인 특징에 따라 달라질 수 있고, 사용자 두개골의 모양이나 두께, 예를 들어 두개골 외판(20) 및 두개골 내판(30)의 굴곡 형태 같은 신체적인 특징에 따라서도 달라질 수 있다.
초음파 트랜스듀서의 지름이나 곡률반경(Radius of Curvature) 및 초점거리(Acoustic Focal Length) 등의 기계적/음향적인 특징은 트랜스듀서의 포맷에 따라 결정되는 것이므로, 사용자의 신체 표면과의 거리가 결정되면 초음파 빔 라인이 신체에 도달하는 경로를 계산할 수 있다.
그러나 사용자의 두개골 모양(두개골의 표면 굴곡 또는 두께 등)과 같은 신체적인 특징은 사람마다 차이가 있으므로, 초음파 빔 라인이 굴절되거나 반사되는 경로를 예측하기 어려울뿐더러, 두개골 표면은 크고 작은 굴곡으로 이루어져 있으므로 동일한 사용자의 두개골이라고 하더라도 초음파 트랜스듀서의 위치에 따라 초음파 빔 라인의 진행 경로가 달라진다.
도 2를 참조하면, (A) 반사계수가 낮은 위치에서의 초음파 진행경로와, (B) 반사계수가 높은 위치에서의 초음파 진행경로가 상이하다는 것을 알 수 있다. 도 2의 (A)와 같이, 반사계수가 낮은 위치에서는 굴절률이 높지 않아 트랜스듀서로부터 출력된 초음파가 목표 초점에 용이하게 도달할 수 있지만, (B)와 같이 반사계수가 높은 위치에서는 굴절률이 높고 초음파의 대부분이 두개골 표면에서 반사되므로, 집속 효율이 낮아 치료 효과가 크게 감소한다.
이에, 본 발명은 초음파의 반사 손실을 가장 낮출 수 있는 트랜스듀서의 위치를 결정함으로써, 단일 트랜스듀서 자극 장치의 초음파 집속 효율을 높이고 치료 효과를 향상시키는 것을 목적으로 한다. 예를 들어, 도 1의 각각의 초음파 빔 라인(L1, L2, L3)의 두개골 외판(20) 및 두개골 내판(30)에 대한 반사계수를 계산하여, 평균 반사계수가 가장 낮은 위치(즉, 반사 손실이 가장 낮고 집속 효율이 높은 위치)를 찾아낼 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 도 3은 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하기 위한 방법의 순서도를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 먼저 초음파 트랜스듀서의 정보를 입력하는 단계가 수행된다(S310). 초음파 트랜스듀서의 정보에는 트랜스듀서의 지름, 곡률반경(Radius of Curvature) 및 초점거리 (Acoustic Focal Length), 사용자의 신체 표면과 트랜스듀서 간의 거리와 같이, 신체 외부에서의 초음파 진행경로를 결정하는 정보를 포함할 수 있다.
이어서, 목표 초점을 설정하는 단계가 수행된다(S320). 목표 초점은 복수개의 초음파 빔 라인이 집속되는 지점이다. 치료를 위해 초음파 자극이 필요한 환부(患部) 등이 목표 초점으로 설정될 수 있다. 상기 입력된 초음파 트랜스듀서의 정보 하에서, 목표 초점에 초음파가 도달하기 위한 적절한 위치는 다수 존재할 수 있다. 본 발명은 다수의 위치 중에서도 반사계수가 가장 낮은 트랜스듀서 위치를 결정하여 동일한 출력대비 집속 효율을 높이는 것을 목적으로 한다.
이어서, 미리 촬영된 사용자의 두개골 영상에서 상기 목표 초점을 포함하는 스캐닝 범위를 설정하는 단계가 수행된다(S330). 스캐닝 범위는 상기 초음파 트랜스듀서의 곡률반경 및 지름에 기초하여 자동적으로 결정될 수 있다. 일 실시예에서, 사용자(예를 들어, 의사면허 소지자 또는 준하는 자격을 가진 자)가 임의로 스캐닝 범위를 결정 할 수도 있다.
전술한 바와 같이, 목표 초점에 초음파가 도달할 수 있는 적절한 위치는 다수 존재할 수 있고, 이 중에서 반사계수가 가장 낮은 트랜스듀서 위치를 결정하기 위해, 목표 초점을 포함하는 일정한 스캐닝 범위 내에서 초음파 진행 경로를 시뮬레이션 하는 과정이 필요하다.
도 4를 참조하면, 설정된 스캐닝 범위(S) 내에서 n 개의 초음파 빔 라인(L1 내지 Ln)의 진행 경로를 시뮬레이션 하는 모습이 도시되어 있다. 스캐닝 범위(S)는 목표 초점을 포함하므로, 초음파 트랜스듀서가 이 범위 내에 설치된다면 초음파 빔 라인은 목표 초점에 도달할 수 있다.
본 발명은 각 위치마다 두개골의 모양에 따른 반사계수가 상이하다는 점에 착안하여, 시뮬레이션을 통해 반사계수가 가장 낮은 위치(즉, 집속 효율이 가장 높은 위치)를 결정하는 방법을 제공하고자 한다.
스캐닝 범위(S)는 사용자가 임의로 설정할 수 있으며, 범위가 넓어질수록 반사계수가 가장 낮은 위치(즉, 집속 효율이 가장 높은 위치)를 찾을 확률이 높아지지만 시뮬레이션을 수행해야 하는 위치가 많아지므로 연산량이 많아진다. 반대로 범위가 좁아질수록 연산량이 줄어들어 최적의 위치를 찾는 속도가 빨라지지만, 위치 후보군이 한정되므로 최적의 위치를 찾을 확률이 낮아진다.
다시 도 3을 참조하면, 상기 설정된 스캐닝 범위 내에서 각각의 트랜스듀서 위치에 대한 초음파 빔 라인의 반사계수 R를 계산하는 단계가 수행된다(S340). 서로 다른 상이한 매질의 경계면에 파동(초음파 등)이 입사하면 일부는 반사하고 일부는 투과하게 되는데, 여기서 입사파와 반사파의 진폭비를 반사계수(Reflection Coefficient)라고 한다.
반사계수 R가 낮다는 것은 굴절률이 낮아 입사파에 비해 반사파의 에너지가 낮고 투과율이 높다는 뜻이므로 목표 초점에 보다 많은 에너지가 전달된다는 것을 의미한다. 반대로 반사계수가 높은 지점에서는 굴절률이 높아 에너지 손실이 커진다. 따라서, 초음파가 입사하는 두개골 표면의 모양을 고려하여 반사계수가 가장 낮은 지점을 찾아낸다는 것은, 동일한 출력으로 더 강한 자극을 가할 수 있다는 것을 의미한다.
반사계수 R를 구하는 구체적인 실시예는 도 5 내지 도 7을 참조하여 상세하게 후술하도록 한다.
다음으로, 반사계수 R가 가장 낮은 위치를 초음파 트랜스듀서의 위치로 결정하는 단계가 수행된다(S350). 실시예에 따라서, 이와 같은 최적의 위치 정보는 트랜스듀서를 정해진 위치에 삽입하기 위한 사용자 맞춤형(user-customized) 초음파 자극 장치나 가이드 부재를 제작하는데 이용될 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 초음파 빔 라인의 반사계수 계산방법을 나타낸 순서도이다. 여기서 초음파 빔 라인은 n개의 빔 라인으로 구성된다고 가정한다.
먼저, 사용자의 두개골 외판(20)에 대한 n개의 빔 라인 각각에 대해 반사계수 Ro 를 계산하는 단계가 수행된다(S510).
반사계수 Ro 는 스넬의 법칙(Snell's law)에 기초하여 유도되는 아래의 공식에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112018025465544-pat00001
여기서, ρ12 은 매질1(두개골과 초음파 트랜스듀서 사이의 매질, 예를 들어 물, 하이드로겔 등)의 밀도에 대한 매질2(두개골)의 밀도(density) 비율이며(매질2/매질1), C21 은 매질2(두개골)에서의 초음파의 속도에 대한 매질1에서의 초음파의 속도 비율이다(매질1/매질2).
도 6에 도시되어 있듯이, θo 는 초음파 빔 라인의 트랜스듀서→두개골 입사시의 입사벡터와 수직방향벡터가 이루는 입사각을 가리킨다. 입사각 θo 는 미리 촬영된 사용자의 두개골 영상과 초음파 트랜스듀서의 정보로부터 결정될 수 있다.
이후, 두개골 외판에 대한 평균 반사계수 Ro_avg 를 계산하는 단계가 수행된다(S520). n개의 초음파 빔 라인은 서로 입사방향이 상이하며, 두개골이 굴곡진 형태를 가지므로 각 빔 라인마다 상이한 반사계수가 적용된다. 단계(S520)에서는 n개의 초음파 빔라인의 각각의 반사계수 Ro_1 내지 Ro_n 의 평균 Ro_avg을 계산함으로써, 두개골 외판에 대하여 가장 낮은 반사계수를 갖는 위치를 결정할 수 있다.
이어서, 사용자의 두개골 내판(30)에 대한 각각의 빔 라인의 반사계수 Ri 를 계산하는 단계가 수행된다(S530).
단계(S510)과 유사하게, 반사계수 Ri 는 스넬의 법칙(Snell's law)에 기초하여 유도되는 아래의 공식에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112018025465544-pat00002
여기서, ρ23 은 매질2(두개골)의 밀도에 대한 매질3(뇌조직)의 밀도(density) 비율이며(매질3/매질2), C32 은 매질3(뇌조직)에서의 초음파의 속도에 대한 매질2(두개골)에서의 초음파의 속도(speed) 비율이다(매질2/매질3).
도 6에 도시되어 있듯이, θi 는 초음파 빔 라인의 두개골→뇌조직 입사시의 입사벡터와 수직방향벡터가 이루는 입사각을 가리킨다. 입사각 θi 는 미리 촬영된 사용자의 두개골 영상과 초음파 트랜스듀서의 정보로부터 결정될 수 있다. 실시예에서, 초음파가 두개골 외판(20)에서 두개골 내판(30)으로 진행할 때, 및/또는 두개골 내판(30)에서 뇌조직(매질3)으로 진행할 때 스넬의 법칙에 의해서 진행방향이 변한다고(굴절) 가정할 수 있다.
이후, 두개골 내판에 대한 평균 반사계수 Ri_avg 를 계산하는 단계가 수행된다(S540). 단계(S540)에서는 n개의 초음파 빔라인의 반사계수 Ri_1 내지 Ri_n 의 평균 Ri_avg을 계산함으로써, 두개골 내판에 대하여 가장 낮은 반사계수를 갖는 위치를 결정할 수 있다.
다음으로, 상기 Ro_avg 및 Ri_avg 에 기초하여, 초음파 빔 라인의 반사계수 R 을 계산하는 단계가 수행된다(S550). 두개골 외판에 대한 반사계수 Ro가 낮은 위치라고 하더라도 두개골 내판의 모양에 따라 반사계수 Ri가 높은 경우에는 초음파의 에너지 손실이 커지므로, Ro 와 Ri 를 종합적으로 고려하여 전체적인 반사계수 R을 구하는 것이 효과적이다.
도 7는 또 다른 실시예에 따른 초음파 빔 라인의 반사계수 계산방법을 나타낸 순서도이다.
단계(S710) 내지 단계(S720)은 앞에서 설명한 단계(S510) 내지 단계(S520)과 유사하게 수행되므로, 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
이어서, Ro_avg 가 작은 순서대로 소정의 개수(m개)의 트랜스듀서 위치 후보군을 선정하는 단계가 수행된다(S730). 도 3의 단계(S330)에서 설명한 바와 같이, 스캐닝 범위(S)는 사용자가 임의로 설정할 수 있으나, 스캐닝 범위가 넓어짐에 따라 연산량이 많아지므로 각각의 트랜스듀서 위치에 대하여 평균 반사계수 R를 계산하는 속도가 느려진다.
이에 본 단계(S730)에서는, 두개골 외판에 대한 평균 반사계수 Ro_avg 가 작은 순서대로 표본이 되는 m개의 트랜스듀서 위치 후보군을 선정하고, 이에 대해서만 이후 단계를 수행함으로써 연산량을 줄이고 위치 결정 속도를 향상시킬 수 있다.
이어서, 단계(S740)에서는 m개의 트랜스듀서 위치 후보군 각각에 대하여 사용자의 두개골 내판에 대한 각각의 빔 라인의 반사계수 Ri (Ri_1 내지 Ri_n) 을 계산하는 과정이 수행된다. 표본이 되는 소정의 개수 m은 사용자가 임의로 설정할 수 있으며, m의 값이 커질수록 반사계수가 가장 낮은 위치(즉, 집속 효율이 가장 높은 위치)를 찾을 확률이 높아지지만 시뮬레이션을 수행해야 하는 위치가 많아지므로 연산량이 많아진다. 반대로 m의 값이 작아질수록 연산량이 줄어들어 최적의 위치를 찾는 속도가 빨라지지만, 위치 후보군이 한정되므로 최적의 위치를 찾을 확률이 낮아진다.
이어서, 두개골 내판에 대한 평균 반사계수 Ri_avg 를 계산하는 단계(S750)와, 상기 Ro_avg 및 Ri_avg 에 기초하여, 초음파 빔 라인의 반사계수 R 을 계산하는 단계(S760)가 수행된다. 단계(S750) 및 단계(S760)은 도 5를 참조하여 설명한 단계(S540) 및 단계(S550)와 유사한 방식으로 수행되므로, 중복되는 설명은 생략한다.
이와 같은 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하기 위한 방법은, 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현될 수 있고, 상기 프로그램은 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있다.
실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정 방법은, 초음파 트랜스듀서의 위치를 지정하기 위한 가이드 부재를 제조하는데 이용될 수 있다. 사용자의 뇌에 초음파 자극을 가하는 시술을 수행함에 있어, 초음파 트랜스듀서가 삽입되는 위치 지정구를 갖는 사용자 맞춤형 마스크를 이용할 수 있다. 사용자의 안면 윤곽에 기초하여 맞춤형으로 형성된 마스크는, 목표 초점에 초음파를 집속하기 위한 최적의 위치에 트랜스듀서 위치 지정구를 갖도록 형성될 수 있다. 여기서, 최적의 위치는 전술한 실시예에 따라 반사계수 R가 가장 낮은 위치로 결정된다.
이상에서 설명한 실시예들에 따르면, 초음파 자극 장치를 이용한 치료방법에 있어서 초음파 빔 라인의 평균 반사계수가 가장 낮은 위치, 즉 초음파의 반사 손실을 가장 낮출 수 있는 위치를 찾아냄으로써, 단일 트랜스듀서 자극 장치의 초음파 집속 효율을 높일 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 초음파 트랜스듀서
20: 두개골 외판
30: 두개골 내판
L1 ~ Ln: 초음파 빔 라인
S: 초음파 스캐닝 범위
F: 목표 초점

Claims (8)

  1. 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하기 위한 방법으로서,
    상기 초음파 트랜스듀서의 정보를 입력하는 단계;
    목표 초점을 설정하는 단계;
    미리 촬영된 사용자의 두개골 영상에서, 상기 목표 초점을 포함하는 스캐닝 범위를 설정하는 단계;
    상기 스캐닝 범위 내에서, 상기 초음파의 두개골 외판 및 내판에 대한 평균 반사계수를 고려하여, 각각의 트랜스듀서 위치에 대한 초음파의 반사계수 R 를 계산하는 단계; 및
    상기 반사계수 R 가 가장 낮은 위치를 트랜스듀서의 위치로 결정하는 단계를 포함하는, 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서의 정보는, 상기 초음파 트랜스듀서의 지름, 곡률반경(Radius of Curvature) 및 초점거리(Acoustic Focal Length)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하기 위한 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 초음파는 복수개의 동간격을 가진 초음파 빔 라인으로 구성된다고 가정하고,
    상기 초음파의 반사계수 R 를 계산하는 단계는,
    각각의 초음파 빔 라인의 사용자의 두개골 외판에 대한 반사계수 Ro 를 계산하는 단계;
    상기 초음파의 두개골 외판에 대한 평균 반사계수 Ro_avg 를 계산하는 단계;
    각각의 초음파 빔 라인의 사용자의 두개골 내판에 대한 반사계수 Ri 를 계산하는 단계;
    상기 초음파의 두개골 내판에 대한 평균 반사계수 Ri_avg 를 계산하는 단계; 및
    상기 평균 반사계수 Ro_avg 및 Ri_avg 에 기초하여, 상기 초음파의 반사계수 R 을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하기 위한 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 반사계수 Ro 를 계산하는 단계는,
    상기 사용자의 두개골 외판에 대하여, 각각의 초음파 빔 라인의 입사벡터와 수직방향벡터가 이루는 각도 θo 를 계산하는 단계를 포함하고,
    상기 반사계수 Ri 를 계산하는 단계는,
    상기 사용자의 두개골 내판에 대하여, 각각의 초음파 빔 라인의 입사벡터와 수직방향벡터가 이루는 각도 θi 를 계산하는 단계를 포함하되,
    상기 사용자의 두개골 외판 및 내판에 대한 초음파 빔 라인의 입사벡터와 수직방향벡터는, 미리 촬영된 사용자의 두개골 영상에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는, 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하기 위한 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 초음파의 반사계수 R 을 계산하는 단계는,
    상기 초음파의 두개골 외판에 대한 평균 반사계수 Ro_avg 를 계산하는 단계 이후에,
    상기 Ro_avg 가 낮은 순서대로 소정의 개수의 트랜스듀서 위치 후보군을 선정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 초음파의 두개골 내판에 대한 평균 반사계수 Ri_avg 를 계산하는 단계는,
    상기 소정의 개수의 트랜스듀서 위치 후보군 각각에 대해서만 수행되는 것을 특징으로 하는, 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하기 위한 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 스캐닝 범위는, 상기 초음파 트랜스듀서의 곡률반경 및 지름에 기초하여 결정되거나, 사용자에 의해 임의로 결정되는 것을 특징으로 하는, 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하기 위한 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하기 위한 방법을 수행하기 위한, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
  8. 사용자의 뇌에 초음파 자극을 가하는 시술을 수행함에 있어, 초점으로 집속되는 집속 초음파를 조사하는 초음파 트랜스듀서의 위치를 지정하기 위한 가이드 부재로서,
    사용자의 안면에 얹어지는 마스크 형태의 마스크 몸체와,
    상기 초음파 트랜스듀서가 삽입될 수 있도록 상기 마스크 몸체의 내면과 외면을 관통하여 형성되는 위치 지정구를 포함하고,
    상기 위치 지정구는 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하기 위한 방법에 기초하여 결정되며,
    상기 가이드 부재를 상기 사용자의 안면에 얹은 상태에서 상기 위치 지정구에 상기 초음파 트랜스듀서가 위치하면, 상기 초점의 위치가 기설정된 상기 뇌의 자극 부위에 자연히 위치하게 되며,
    상기 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하기 위한 방법은,
    상기 초음파 트랜스듀서의 정보를 입력하는 단계;
    목표 초점을 설정하는 단계;
    미리 촬영된 사용자의 두개골 영상에서, 상기 목표 초점을 포함하는 스캐닝 범위를 설정하는 단계;
    상기 스캐닝 범위 내에서, 상기 초음파의 두개골 외판 및 내판에 대한 평균 반사계수를 고려하여, 각각의 트랜스듀서 위치에 대한 초음파의 반사계수 R 를 계산하는 단계; 및
    상기 반사계수 R 가 가장 낮은 위치를 트랜스듀서의 위치로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가이드 부재.
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