KR102470451B1

KR102470451B1 - 초음파 조사장치와 시스템 및 초음파 조사방법

Info

Publication number: KR102470451B1
Application number: KR1020187019517A
Authority: KR
Inventors: 요하치 야마시타
Original assignee: 요하치 야마시타; 유겐가이샤 가이카이산교
Priority date: 2016-05-19
Filing date: 2017-05-08
Publication date: 2022-11-23
Also published as: CN107921281A; JPWO2017199779A1; KR20190009734A; WO2017199779A1; CN107921281B; TW201742649A; JP6931877B2; US20190151192A1

Abstract

본 발명은, 간단한 구조의 저렴한 소형의 장치에 의하여, 약한 초음파 에너지(LIPUS)를 가능한 한 균일하게 조사할 수 있는 초음파 조사장치와 초음파 조사시스템이다. 초음파를 발생시킬 수 있는 초음파 진동자(20)와, 초음파 진동자(20)를 구동하는 전원(16) 및 제어부(17)을 갖는다. 초음파 진동자(20) 및 구동부를 지지한 케이스(12)에는, 초음파 진동자(20)로부터 발생하는 고강도 초음파(19)가 방사하는 면에, 초음파를 확산시켜서 단위면적당으로 저강도 초음파(21)로 변환하여, 큰 면적에 조사시키는 초음파 확산재료로 이루어지는 음향 확산층(24)을 구비한다. 포유류동물 또는 사람을 수용 가능하고, 물을 넣은 수조(52)와, 수조(52)의 수면 또는 수중의 적어도 어느 하나에, 적어도 1개의 초음파 조사장치(10)가 설치되고, 수조(52) 중의 수중에서 적어도 2개의 주파수와 2개의 펄스 반복주파수를 갖는 멀티 초음파를 연속적이고, 또한 자동적으로 조사하여 수조 및 수면으로부터의 반사를 이용해서 포유동물 또는 사람의 전신 및 일부에 저강도 초음파자극을 실시한다.

Description

초음파 조사장치와 시스템 및 초음파 조사방법

본 발명은, 사람이나 기타 포유동물(여기에서 포유동물이란 사람 이외의 말, 소, 개, 고양이 등을 말한다) 몸의 기능을 향상시키기 위해서, 사람이나 포유동물의 원하는 부위의 뼈 또는 두부를 제외한 거의 전신의 뼈에 대하여 초음파자극(超音波刺戟)을 줄 수 있는 초음파 조사장치(超音波照射裝置)와 초음파 조사시스템 및 초음파 조사방법에 관한 것이다.

2015년에는 세계인구가 73억명이 되고, 65세 이상 고령자의 인구는 세계에서 6억명에 도달하여, 그 비율은 8.2%가 되고, 해마다 그 인구수와 비율은 상승하고 있다. 고령자의 증가에 의한 큰 사회문제는, 의료나 간호, 기타 복지관련 비용이 증대되는 것이다. 이 때문에, 고령자의 건강을 저비용으로 유지, 개선하는 것은 사회적으로 커다란 요구가 되고 있다.

종래에, 헬스케어(health care)는 서양의학의 정밀진단을 기본으로 하여, 요법(療法)으로서는 투약, 환부의 수술을 주된 방법으로 하고 있다. 그러나 고도의 장치를 사용하는 진단, 검사, 수술, 치료 등은 고비용이며, 발전도상국에서는 모든 사람들이 만족한 치료를 받을 수 있는 것은 아니다.

한편, 동양의학에서는 전신의 기(氣)를 충실하게 하고, 침, 뜸 등의 전체 치료를 주된 치료의 방법으로 하고 있다. 그러나 동양의학에서도 전문가가 실시하는 특수기술(침구 등)에 의존하고 있고, 널리 가정에서 간편하게 할 수 있는 저렴한 헬스케어장치나 그 방법은 없다. 이 때문에, 지금까지의 서양의학 및 동양의학의 치료방법만으로는, 간편한 장치로 저비용으로 자택에서 실시하는 헬스케어장치나 헬스케어시스템은 실현하기가 어려웠다.

이 이외에, 음파나 초음파를 사용한 치료와 헬스케어에 대해서, 지금까지 다수 보고되고 있다. 예를 들면 특허문헌1에는, 브라질의 상파울로 대학의 두아르테(Duarte)에 의한 저강도 펄스 초음파(Low Intensity Pulse Ultrasound, 이후 LIPUS)의 자극을, 골절 부위에 대하여 접촉식의 초음파 프로브(超音波 probe)를 사용해서 하는 방법을 개시하고 있다. 이 방법은 골절장소에 LIPUS에 의한 자극을 주어서, 골절의 치료촉진이 가능하다는 것을 보고하고 있다. 여기에서 초음파 프로브에 사용된 주파수는, 주기가 0.67μs인 1.5MHz, 펄스 반복주파수(Pulse Repetition Frequency, 이후 PRF라고 말한다)는 1,000Hz(주기 1ｍs), 초음파 듀티팩터(duty factor)는 20%, 공간시간평균의 음향강도(Intensity spatial average temporal average, 이후 Isata)는 30∼60mW/cm²이다. 듀티팩터란, 전체 시간의 내에서 실제로 초음파를 발진하고 있는 시간의 비율이며, 예를 들면 200μs를 발진하고, 800μs를 정지하고 있는 경우의 듀티팩터는 20%가 된다. 이들의 LIPUS자극을 20분/일, 5∼6회/주, 3∼10주간 함으로써 골절의 치료촉진이 가능하다는 것을 보고하고 있다.

특허문헌2에 개시된 헬스케어장치는, 압축공기와 물을 가는 노즐로부터 분사해서 수중에서 강력한 물리력을 생기게 하고, 이 거품파열 에너지를 사용해서 수조(水槽) 내에서 두부(頭部)를 제외한 전신자극(全身刺戟)을 하는 장치를 개시하고 있다. 특허문헌3은, 기계적 진동이나 전자복사를 사용하여, 아름다운 얼굴, 마른 몸매 등의 효과를 높이는 파동미용장치를 개시하고 있다. 특허문헌4에는, 욕조 내에서 인체에 초음파를 방사하거나 또는 이 초음파를 변조해서 음향강도를 바꾸어 음악이 흘러나오게 하여, 릴랙세이션 효과(relaxation 效果)를 높일 수 있는 초음파 욕조가 개시되어 있다. 특허문헌5에는 접촉형의 초음파 프로브를 사용하여 환부(患部) 등에 초음파를 조사(照射)하여, 치료를 하는 장치가 개시되어 있다. 이 장치는 주파수가 0.1∼10MHz이고, 간헐 반복펄스의 펄스폭이 1μs∼500ｍ(주파수 1MHz∼2Hz)이고, PRF가 1∼100Hz, 초음파의 강도 10mW/cm²∼60W/cm²을 사용해서 자극을 하는 것이 기재되어 있다. 또한 특허문헌6에는, 접촉형의 초음파 프로브를 사용해서 복부 등에 초음파를 조사함으로써 열적 효과에 의하여 지방을 분해하고, 감량을 실현시키는 장치가 개시되어 있다.

또한 특허문헌7에는, 초음파자극을 사용한 관절염치료용 초음파장치(超音波裝置)가 개시되어 있다. 특허문헌8에서는 초음파 진동자(超音波振動子)를 케이스 반면(case 盤面)이나 변좌(closet seat)에 조립하고, 입위(立位)나 좌위(座位)의 상태에서, 발뒤꿈치부 및 둔부로부터 초음파를 조사하여 하지(下肢)의 골밀도를 증가시키는 방법이 개시되어 있다. 특허문헌9에서는 3종류의 서로 다른 복수의 주파수 1MHz, 2MHz 및 3MHz를 동일한 진동자로부터 발생시키는 초음파 치료장치가 개시되어 있다. 특허문헌10에서는 특정한 신경세포의 활동을 조정하는 초음파 디바이스(超音波 device)로서 1MHz 이하의 복수의 저주파 초음파 및 대상이 되는 부위에 있어서 50∼450mW/cm²의 중강도 펄스 초음파를 조사하는 장치가 개시되어 있다.

이 이외에, 비특허문헌1에는 LIPUS에 의한 무릎환부의 조사에 의한 변형성 무릎관절증의 통증감소와 보행속도의 개선을 보고하고 있다. 이 논문에서는 변형성 무릎관절증의 환자 140명에 대한 LIPUS치료의 효과를 조사하고 있다. 이 방법에서 LIPUS치료를 실시한 환자는 무릎의 통증, 무릎의 굴곡각도, 20m 보행속도의 모든 지표에서도 효과가 있고, 또한 시험 1년 후에도 이 효과가 지속되고 있는 것을 보고하고 있다. 사용된 초음파장치는 환부인 무릎 주변을 접촉식의 초음파 프로브를 사용해서 자극하는 방법이다.

비특허문헌2에는 난소를 제거한 쥐를 사용해서 LIPUS의 동물시험을 하고, LIPUS의 조사에 의하여 골밀도가 증가되어, 골다공증의 예방을 기대할 수 있다는 것을 보고하고 있다.

: 미국 특허 USP4530360호 공보 : 일본국 공개특허 특개2004-089474호 공보 : 일본국 공개특허 특개평9-276354호 공보 : 일본국 공개특허 특개평10-328056호 공보 : 일본국 공개특허 특개2002-613호 공보 : 일본국 특허공표 특표2007-520307호 공보 : 일본국 특허공표 특표2008-514338호 공보 : 일본국 공개특허 특개2015-36045호 공보 : 미국 특허 USP5460595호 공보 : 일본국 특허 제5879402호 공보

: Mao-Hsiung Huang, Rei-Cheng Yang, Chia-Lee, Tien-Wen Chen, Ming-Cheng Wang Preliminary Results of Interrated Therepy for Patients With Knee Osteoarthritis, Arthritis & Rheumatism(Arthtis Care & Reseach) Vol.53, No.6 December 15, 2005, pp 812-820 : Dohyung Lim 등, Low-Intensity Ultrasound Stimulation Prevents Osteoporotic Bone Loss in Young Adult Ovariectomized Mice, J. Orthop. Res. 2011 Jan;29(1):116-25. doi: 10.1002/jor. 21191.

상기 배경기술의 특허문헌1, 3, 5, 6, 7, 9, 10 및 비특허문헌1, 2에 개시된 방법의 경우에, 사용하는 치료용 초음파 프로브는 소형이어서, 동시에 초음파조사를 할 수 있는 면적이 약 10cm²정도로 한정되어 있다. 이들의 장치는 초음파 겔(超音波 gel) 등을 도포해서 사람이나 포유동물의 몸에 대하여 부분자극을 함으로써 신체의 거의 전신 또는 광범위에 걸쳐서 균일하게 LIPUS조사를 하는 것은 곤란하다는 문제가 있다.

특허문헌2에 개시된 분사식의 거품을 사용하는 방법에서는, 발생시키는 초음파의 주파수는 100KHz 이하로 한정되어 있다. 또한 초음파강도를 조정하는 것은 거품의 분사량이며, 초음파를 수조 내에 균일하게 조사하기 위한 특별한 장치를 사용하지 않고 있다. 또한 이 장치는 고정식으로서, 10kg 이상으로 무겁고 또한 소음이 커서, 가정에서 간편하게 사용하기 위해서는 적합하지 않다는 문제가 있다.

특허문헌4에 나타난 방법은, 욕조 내의 인체에 욕조 외면에 부착된 초음파 진동자를 사용해서 초음파자극을 하는 것이다. 사용하는 초음파신호는, 연속파(連續波)뿐만 아니라 펄스파(pulse波)를 변조한 신호를 사용하여, 인체에 대하여 서로 다른 강도의 초음파를 조사하는 것으로 나타나 있다. 이 방법에서 지향성(指向性)이 강한 초음파빔(超音波beam)은, 수조 내의 인체가 적극적으로 움직이지 않는 한은 신체의 일부에 집중하여 조사되어 위험이 따르기 때문에, 저강도 초음파밖에 사용할 수 없다. 또한 욕조의 전체를 진동시켜, 신체를 세정할 수 있을 만큼의 강도인 수 10kW의 강한 초음파강도를 얻기 위해서는, 장치가 대형화되는 문제가 있다. 또한 기대되는 초음파의 효과로서는 신체세정이며, 음악은 릴랙세이션(relaxation)만이 기재되어 있고, LIPUS를 사용한 신체기능의 향상에 대해서는 전혀 기재되어 있지 않다.

특허문헌8에서는, 초음파 진동자를 케이스 반면이나 변좌에 조립하고, 입위거나 좌위의 상태에서, 발뒤꿈치부 및 둔부로부터 초음파를 조사해서 골밀도를 증가시키는 방법이 개시되어 있다. 그러나 신체의 거의 전신에 균일하게 LIPUS조사하기 위한 간편한 방법은 개시되어 있지 않다.

특허문헌9에서는, 3종류의 서로 다른 복수의 주파수 1MHz, 2MHz 및 3MHz를 동일한 진동자로부터 발생시키는 초음파 치료장치가 기재되어 있다. 그러나 이 장치는 대형으로 가정용에는 적합하지 않다.

특허문헌10에서는, 특정한 신경세포의 활동을 조정하는 초음파 디바이스로서 1MHz 이하의 복수의 저주파 초음파 및 대상으로 되는 부위에 있어서 50∼450mW/cm²이하의 저강도 펄스 초음파를 조사하는 장치가 개시되어 있다. 이 장치는 두부의 뇌나 심장 등의 특정한 신경세포를 자극하는 목적이며, 장치가 대형이므로 가정에서 간편하게 사용할 수 없다.

또한 이들 대부분의 장치에서는, 전원으로서 100V부터 220V의 교류전원을 사용하고 있기 때문에 누전에 의해서 인체에 대한 위험이 항상 동반된다. 이 때문에, 안전성 향상을 기대할 수 있는 전지(電池)를 사용한 저전압 구동의 초음파 조사장치가 요망되고 있다. 전지구동을 하는 조사장치에서는, 초음파 진동자로부터 방사된 초음파 에너지를 최대한으로 이용할 필요가 있다. 그러나 초음파는 직진하는 지향성이 강하기 때문에, 초음파강도가 예를 들면 수 W/cm²로 높은 경우에는, 조사되는 영역을 자주 바꾸지 않으면 사람이나 포유동물의 신체에 대한 위험성을 동반한다. 초음파 화상진단장치에서는 그 안전규격으로서, Isata가 720mW/cm² 이하인 초음파강도로 하도록 규정되어 있다.

이상 설명한 바와 같이 초음파나 LIPUS의 헬스케어 분야에서의 효능은 잘 알려져 있다. 그러나 지금까지 알려져 있는 초음파 치료기나 LIPUS장치에 의한 질병치료장치는, 150∼1000리터의 초음파 치료기에 적용하는 경우에는, 여러 가지 문제가 있다. 예를 들면 욕조의 측면으로부터 거품을 발생시켜서 전신이나 몸의 일부를 마사지(massage)하는 장치는, 그 주파수가 100kHz 미만으로서, 골절치료나 골다공증의 치료를 위한 골세포증식에 유효하다는 보고는 아직 없다.

또한 욕조의 측면이나 바닥면 및 변좌 등에 초음파 진동자나 초음파장치를 고정해서 사용하는 경우에는, 지향성이 강한 초음파의 음향강도를 균일하게 할 수 없다. 초음파의 방향을 변경하기 위해서, 기계적인 스캐닝이나 전자적으로 빔을 구부리는 빔 포밍(beam forming) 등의 기술은, 초음파 의료용 화상진단장치로 잘 알려져 있다. 그러나 이들 기구는 복잡하고 비싸서, 저비용으로 제조할 수 없다.

골절치료 촉진에 사용되고 있는 LIPUS장치나 휴대식의 초음파 미용기구는, 그 압전 진동자의 초음파 조사면적이 10cm² 이하로 작다. 이 때문에, 총 표면적이 10,000cm² 이상인 성인이나 비교적 대형의 포유동물의 전신에 거의 균일하게 LIPUS를 조사하기 위해서는, 1000개 이상의 압전 진동자를 필요로 하여, 장치가 대형화되어, 제조비용이 높게 된다.

또한 가정용 욕조로서 일반적으로 널리 사용되고 있고 경량이며 단열성이 우수한 섬유강화 플라스틱(Fiber Reinforced Plastic, 이후는 FRP)은 에폭시 수지에 유리섬유나 카본섬유를 섞어 넣은 구조이다. 이들 FRP욕조의 음향 임피던스 Z는, 그 섬유의 충전량(充塡量)에 의하지만 Z = 3∼6MRayls이다. 이 때문에, 매체인 물의 Ｚ = 1.46MRayls와의 차이가 작아, FRP에 조사된 초음파 에너지의 80% 이상이 FRP 중으로 흡수, 감쇠되어 없어지게 되어, 초음파 에너지를 인체에 유효하게 조사하기 위해서 효율이 나쁜 결점이 있다.

이상에서 서술한 바와 같이, 지향성이 강한 강력한 초음파를 사용해서 사람이나 포유동물의 두부를 제외한 거의 전신 또는 광범위에 저강도 초음파자극을 균일하게 줄 수 있고, 간이한 구조이고, 발전도상국의 국민도 쉽게 구입 가능하고 저렴하게 제조할 수 있는 초음파 조사장치와 그를 사용한 시스템 및 초음파 조사방법은 알려져 있지 않다.

본 발명은, 상기 배경기술의 문제점에 감안하여 이루어진 것으로서, 간단한 구조의 저렴한 소형의 장치에 의하여, 가정용의 욕조나 비교적 소형의 풀(pool) 등의 수조 내에서, 전신에 저강도 초음파자극을 가능한 한 균일하게 조사할 수 있는 초음파 조사장치와 시스템 및 초음파 조사방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 초음파를 발생시킬 수 있는 초음파 진동자와, 이 초음파 진동자를 구동하는 구동부와, 상기 초음파 진동자 및 상기 구동부를 지지한 케이스를 구비한다. 상기 케이스에는 상기 초음파 진동자로부터 발생하는 고강도 초음파(High Intensity Ultrasound, 이후 HIUS > 1W/cm²)가 방사되는 면에, 상기 HIUS를 확산·산란하여 일부는 통과시켜 제어하고, 단위면적당의 강도가 약한 저강도 초음파(Low Intensity Ultrasound, 이후 LIUS < 60mW/cm²)로 변환하여, 큰 면적에서 가능한 한 균일하게 제어해서 저강도 초음파를 조사시키기 위한 초음파 확산재료로 이루어지는 음향 확산층을 구비한 초음파 조사장치이다. 특히, 상기 음향 확산층을, 상기 음향 정합층 내부, 상기 케이스 내부 및 상기 케이스 외부 중의 적어도 일방에 구비한 것이다. 상기 초음파 진동자는, 사람 또는 포유동물에 대하여 적어도 2종류의 주파수와 2종류의 PRF로 연속적이고 또한 자동적으로 멀티 고강도 초음파 HIUS(몇 W/cm²)의 빔을 발생시키는 것이면 좋다.

상기 초음파 진동자는, 압전 진동자로서, 두께진동이나 확산진동을 사용하고, 그 공진주파수가 0.3MHz 이상, 5MHz 이하이다. 압전 진동자는, 티탄산 바륨(BT)계 세라믹스, 지르콘 티탄산납(PZT)계 세라믹스, 마그네슘 니오브산납계 단결정, 비납계 압전재료, 유기 압전재료 및 CMUT(용량 변화형 변환기) 등으로 만들 수 있다.

상기 음향 확산층의 상기 초음파 확산재료는, 음향 임피던스가 40 이상인 금속재료로 구성된다. 또는 상기 초음파 확산재료는, 기포 및 기체를 90∼99% 이상 포함하는 발포수지로 구성된다. 특히 이 초음파 확산재료는, 금속제의 다수의 구멍을 갖는 망에 의하여 구성되며, 그 애피처가, 사용하는 초음파의 수중파장 λ에 대하여 λ∼λ/10이다. 또한 상기 발포수지는, 발포 폴리스티렌 또는 발포 폴리우레탄이다.

상기 초음파 진동자는, 비납계 압전재료가 바람직하다. 또한 상기 압전 진동자와 그 전원의 리드선 취출위치가, 상기 케이스 내의 상기 초음파 진동자와 떨어진 위치로서, 사용상태에서 상부에 위치하면 좋은 것이다.

상기 케이스에는, 2종류의 주파수와 2종류의 펄스 반복주파수 중의 적어도 어느 하나를 갖는 상기 초음파 진동자가 배치되고, 이들이 상기 구동부에 의하여 연속적이고 또한 자동적으로 복수의 초음파를 발생시키는 것이다.

또한 상기 초음파 진동자의 전원을 포함하는 상기 구동부와, 상기 초음파 진동자 및 상기 음향 확산층을 포함하는 초음파 발진부가 분할되어 있고, 분할된 상기 초음파 발진부는 방수기능을 갖으며 전기적으로 상기 구동부와 접속할 수 있도록 설치되고, 분할된 상기 초음파 발진부를 상기 구동부에 접속함으로써 상기 초음파 진동자를 동작시키는 것이어도 좋다.

또한 수면에 부양할 수 있는 지지체를 구비하고, 상기 케이스를 상기 지지체에 담지시켜, 수면 아래에서 부유 및 요동할 수 있게 설치된 것이어도 좋다.

또한 적어도 2종류의 재료의 상기 음향 정합층을 구비하고, 그 두께는, 사용하는 초음파의 수중파장 λ의 1/4의 배수이며, 외형형상이 상기 초음파 진동자보다 투영면적으로, 상기 초음파 진동자의 120∼200%이어도 좋다. 상기 음향 정합층의 일부는, 상기 케이스를 구성하는 투명한 유기재료로서, 그 두께는 상기λ의 1/4의 홀수배인 것이 더 바람직하다.

이 초음파 조사장치는, 하나의 장치 내에 적어도 2종류의 주파수와 2종류의 PRF를 갖는 초음파 진동자가 배치되어, 상기의 각 음파 진동자의 기본파 주파수는 0.3∼5MHz의 범위이며, 이것을 시리즈로 자동적이고 연속적으로 가동시키는 멀티 초음파 조사장치이어도 좋다. 또한 동일한 상기 압전 진동자에 상기 음향 정합층을 복수 부착하고, 그 때에 복수의 공진주파수의 상기 초음파를 발생시켜, 적어도 2종류의 다른 주파수의 상기 초음파를, 1개의 상기 압전 진동자에서 발생시키는 것이어도 좋다.

상기 각 초음파 진동자는, 각뿔, 원뿔, 또는 공모양의 상기 케이스의 측면에, 적어도 2개 설치되어, 각각의 초음파 방사면이, 60∼200도의 각도범위에서 교차하는 것이다. 또한 상기 압전 진동자와 그 전원의 리드선 취출위치가, 상기 케이스 내의 상기 초음파 진동자와는 떨어진 위치이며, 사용상태에서 상부에 위치하는 것이 바람직하다. 또한 비납계 압전재료를 사용한 초음파 진동자를 사용하면 좋다.

사용되는 상기 초음파는 펄스파이며, 그 반복주파수(PRF)는 1000Hz(1ms)부터 0.5Hz(2s), 듀티팩터는 10∼60%이다. 상기PRF는, 1∼3ms와 20∼40ms 및 500∼2000ms의 중에서 선택한 적어도 2개를 갖는다. 또한 이 초음파의 펄스파강도가, 시작 후의 중간의 시기로부터 종료 시에 걸쳐서 서서히 감소하는 것이어도 좋다. 이 초음파 발생장치는, 별도의 가청음인 임의로 선택된 음악을 발생시키는 것이어도 좋다. 이 초음파 조사장치는 충전식의 전지구동을 할 수 있는, 방수기능을 갖는 초음파 조사장치이다. 또한 압전 진동자와 전지 중 적어도 1개가, 전극취출구가 모두 케이스 내에서 상방, 즉 수면에 부양시킨 경우에는 수면상측방향에 있으면 좋다. 또한 전지부분과 회로를 포함하는 진동자부분이나 전지와 제어부의 부분과 진동자와 음향 확산층의 부분이 분할될 수 있고, 이를 기계적, 전기적으로 접속할 수 있는 구조이어도 좋다.

본 발명의 초음파 조사장치에, 20∼2000Hz의 가청음을 발생시키는 음향장치가 설치되어 있는 것이 바람직하다. 사용자가 좋아하는 음악을 다운로드하고, 초음파조사 시에 동시에 들려주는 것으로 릴랙세이션(relaxation)의 효과를 높일 뿐만 아니라, 음악의 길이에 의하여 사용시간을 알 수 있다. 그 외에, 휴대형 전자기기를 이 장치에 간단하게 지지시켜서, 이 음악이나 화상 및 헬스케어 정보를 이용할 수도 있다. 또한 이 초음파 조사장치는 지금까지 알려져 있는 적절한 근육운동이나 투약도 병행되어 실시함으로써 그 효과를 높일 수 있다.

또 본 발명은, 상기 초음파 조사장치를 구비하고, 사람 또는 포유동물을 수용할 수 있는 물을 넣은 수조와, 상기 수조의 수면 또는 수중의 적어도 어느 하나에, 상기 초음파 조사장치가 설치되고, 상기 수조 내의 수중에 상기 초음파를 조사할 수 있게 설치된 초음파 조사시스템이다.

상기 수조의 내벽 표면은, 적어도 표면적의 80% 이상에, 초음파를 반사 및 확산시키기 위한 초음파 반사율이 80% 이상의 초음파 반사재가 부착되어 있다. 상기 초음파 반사재는 복합재료로서, 그 수조 내면 또는 외면 재료의 밀도는, 0.01∼0.1g/cm³이고, 기체를 포함하는 유기재료인 발포재료로 구성된다. 이 초음파 반사재는, 장착과 제거가 쉬운 시트로 이루어진다. 이 시트의 표면이 내수성 재료이며, 그 배면에 기체를 포함하는 유기재료를 구비한 복합재료이어도 좋다. 상기 초음파 반사재의 시트는, 그 표면이 알루미늄으로 피복되고, 그 알루미늄은 증착막이며, 그 표면에는 요철이 있고, 그 배면에는 90∼99부피％의 기체를 포함하는 유기재료를 구비하는 것이어도 좋다. 또한 상기 초음파 반사재료는, 금속 알루미늄의 대신에 고무재료나 PET필름 등을 사용한 다층막이어도 좋다. 상기 초음파 조사시스템은, 지름이 0.01∼10mm의 공기의 버블을 수중에 방출하는 버블 발생장치를 구비하고, 수중에 방출된 공기의 버블을 동시에 사용하는 것이어도 좋다.

또 본 발명은, 상기 초음파 조사장치 또는 초음파 진동자의 부분 중 적어도 1개를 수조에 넣고, 상기 초음파 진동자를 물에 띄워서 요동시키고, 상기 초음파 조사장치로부터 서로 다른 주파수와 PRF를 갖는 멀티 초음파를 자동적이고 또한 연속적으로 발생시키고, 상기 수조의 내벽 및 수면에서 상기 초음파를 반사시킴으로써, 수중의 사람 또는 포유동물의 전신에 저강도의 상기 멀티 초음파에 의한 자극을 실시하는 초음파 조사방법이다.

상기 수조 중의 물의 온도가 37℃부터 42℃로 설정되고, 액면의 높이가 바닥면으로부터 0.3∼1m인 수조 내에 위치하는 사람 또는 포유동물의 전신 또는 일부에 음향파자극을 주는 것이다. 상기 수조는 욕조이며, 상기 욕조 내의 사람 또는 포유동물에 대하여, 음향파자극을 실시하는 부분의 체중당으로 25∼1000mW/kg의 시간평균 초음파강도(Isata)를 조사하면 좋다. 또한 상기 초음파 조사장치에 의하여 10∼60분/일, 2∼7일/주, 또한 2∼50주간, 연속 또는 간헐적으로, 상기 초음파를 상기 수중의 사람 또는 포유동물에게 조사하는 초음파 조사방법이다. 또한 상기 초음파 조사장치의 가청음의 스피커 또는 휴대전화로부터 훈련방법의 지시가 나오는 것이어도 좋다. 또한 근육운동의 방법이 초음파 조사장치에 조립된 스피커로부터 나오는 것이어도 좋다.

또 종래의 골절치료 촉진용 저강도 펄스 초음파나 의료용 초음파 진단장치의 강도는, 프로브의 초음파 방사면에서 음향강도를 측정하여, Isata(Intensity of spatial-average temporal-average)로 수치를 ｍＷ/cm²로 표현하고 있다. 보통은 골절치료 촉진의 LIPUS장치의 경우에는, Isata가 30mW/cm²이며, 온열효과를 이용하는 초음파 치료기에서는 1∼3W/cm²이다. 그러나 전신에 초음파를 조사하는 경우는, 총 초음파 파워를 단위체중당으로 환산한 ｍＷ/kg으로 표현하는 것이 적절하다고 생각된다. 이는 투약량과 동일한 생각이다.

본 발명의 초음파 조사시스템에 있어서의 음향강도는, Isata의 사람 또는 포유동물의 음향파자극을 하는 부분에 있어서 체중당으로 25mW/kg부터 1W/kg이다. 이 값은 종래의 골절치료 초음파장치와 비교해도 상당히 작다. 이것은 두부를 제외한, 거의 전신, 약10,000cm²의 큰 면적에 LIPUS자극을 실시하기 위한 것이다. 그러나 Isata는 낮아도, 순간적으로는 100mW/cm² 이상의 최대 초음파강도 Isptp(Intensity of spatial-peak temporal-peak)가 조사되고 있고, 이에 따라 다양한 생체세포의 활동전위에 작용하여, 그 유효한 효과를 나타내기 때문인 것으로 생각된다.

본 발명의 초음파 조사장치와 시스템은, 간단한 구조의 저렴하고 안전한 소형장치이다. 이 장치는 업무용 및 가정용의 욕조 등의 수조 내에서 초음파 에너지를 유효하게 또한 균일하게 조사할 수 있다. 또한 본 발명의 초음파 조사방법에 의하면, 거의 신체의 전신에, 다양성이 풍부한 주파수와 PRF로 구성되는 LIPUS를, 가능한 한 균일하게 조사하는 것도 쉽게 가능하다. 이 때문에, 지금까지 보고되어 있는 입욕과 초음파자극의 효과로서 동물실험 등에서 알려져 있다, 혈류촉진, 동통(疼痛), 근육통 및 관절통개선, 창상개선, 지방분해, 체중감소, 육모촉진, 혈압저하, 피부의 활성화, 시력회복 등도 기대할 수 있다. 또한 뼈에 관련된 질병인 골절치료 촉진, 변형성 무릎관절증, 협착관 압박증, 골다공증의 치료와 예방의 효과를 갖는다. 이 장치는 특히 고령자의 건강증진, 릴랙세이션(relaxation), 질병예방, 시니어 애슬리트(senior athlete)의 운동능력유지, 삶의 질(Quality of Life, QOL)개선 등의 효과가 있다. 그 이외에, 이 장치는, 포유동물 중에서, 예를 들면 경주마의 골절예방 및 치료, 힘줄, 근육의 치료회복에 효과가 있다.

또한 본 발명의 초음파 조사시스템 및 초음파 조사방법에 의하면, 두부를 제외한 거의 신체의 전신, 특히 조혈작용을 갖는 등뼈, 대퇴골에 유효하게 초음파를 조사할 수 있다. 질병의 치료와 예방에 중요한 혈액이나 림프액은, 성인에게는 주로 골수에서 제조되고 있는 것은 잘 알려져 있다. 본 발명의 초음파 조사시스템 및 초음파 조사방법에 의하여 전신의 골격, 특히 등뼈의 골수, 대퇴골에 LIPUS자극을 하여 생체의 활성화와 생명력의 향상을 쉽게 도모할 수 있다. 이밖에, 지금까지 잘 알려져 있는 뼈에 관련된 질병인 골절치료 촉진, 변형성 무릎관절증, 협착관압박증, 골다공증의 치료와 예방을 할 수 있다. 특히 60세 이상의 시니어의 운동능력유지, 재활, 건강증진, 질병예방, 증모(增毛), 시력회복, QOL개선, 기타 경주마의 재활 등에도 공헌하는 것이다.

도1은, 본 발명의 제1실시형태의 초음파 조사장치의 개략도이다.
도2는, 초음파강도의 시간 의존성을 나타낸 그래프(a)와, 초음파강도를 변화시키기 위해서 주파수는 일정하고 출력레벨을 변화시킨 그래프(b)이다.
도3은, 본 발명의 제2실시형태의 초음파 조사장치의 개략도이다.
도4는, 본 발명의 제3실시형태의 초음파 조사장치의 개략도이다.
도5는, 본 발명의 제4실시형태의 초음파 조사시스템의 개략도이다.
도6은, 본 발명의 제5실시형태의 초음파 조사시스템의 개략도이다.
도7은, 본 발명의 제6실시형태의 초음파 조사시스템의 개략도이다.
도8은, 본 발명의 제6실시형태의 초음파 발진부의 일례(a)와 다른 예(b)를 나타내는 개략도이다.
도9는, 본 발명의 제7실시형태의 초음파 조사시스템의 개략도이다.
도10은, 변형성 무릎관절증 환자 무릎의 2014년 1월 7일의 X선사진으로서, 우측무릎의 반월판이 마모되어 있는 예이다.
도11은, 본 발명의 초음파 조사장치에 의하여 음향자극을 2년간 실시한 도10에 나타내는 환자의 무릎의 2017년 2월 25일의 X선사진으로서, 우측무릎의 반월판이 회복되고 있는 예이다.

이하에서, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면에 의거하여 설명한다. 도1은 본 발명의 제1실시형태를 나타내는 것이며, 이 실시형태의 초음파 조사장치(10)는, 기본적인 구성을 나타내는 것으로서, 수밀구조(水密構造)의 케이스(case)(12)를 구비하고, 그 내부에 기판(基板)(14)을 갖고, 기판(14)의 상면에는 전지(電池) 등의 전원(電源)(16)과 제어회로(制御回路) 등을 갖는 제어부(制御部)(17)로 이루어지는 구동부(驅動部)를 갖는다. 기판(14)에 있어서 도면에 나타나 있지 않은 단자에는 리드선(lead線)(18)이 접속되고, 기판(14)의 하면측의 하방에 설치된 압전 진동자(壓電振動子)인 초음파 진동자(超音波振動子)(20)가 도면에 나타나 있지 않은 단자에 접속되어 있다.

초음파 진동자(20)는, 음향 정합층(音響整合層)(22)과 도면에 나타나 있지 않은 보호필름을 통하여 케이스(12)에 부착되고, 케이스(12)의 표면으로부터 고강도 초음파(HIUS, 高强度超音波)(19)가 방사될 수 있게 설치되어 있다. 음향 정합층(22)의 두께는, 사용하는 초음파의 수중파장(水中波長) λ의 1/4의 배수이며, 외형형상은, 초음파 진동자(20)보다 투영면적으로, 초음파 진동자(20)의 120∼200%만큼 크다. 초음파 진동자(20)와 전지(電池)인 전원(16)의 리드선(18)의 취출위치(取出位置)는, 최대한으로 케이스(12) 내의 상부(上部)에 있는 것이 바람직하다. 이에 따라, 어떠한 이유로 케이스(12) 내에 침수되었을 경우에도, 전원(16)이나 제어부(17)의 손상을 최소한으로 억제하여 손상부의 교환을 쉽게 한다. 음향 정합층(22)은 적어도 2종류의 재료를 구비하고, 그 두께가 사용하는 초음파의 수중파장 λ의 1/4의 배수이며, 외형형상이 초음파 진동자(20)보다 투영면적으로, 120∼200%만큼 크게 하더라도 좋다.

케이스(12)의 초음파 진동자(20)가 부착된 부분의 외측에는, 초음파 확산재료(超音波擴散材料)에 의하여 형성된 음향 확산층(音響擴散層)(24)이 형성되어 있다. 음향 확산층(24)은, 물의 음향 임피던스(音響 impedance)와 차이가 큰 것으로, 음향 확산층(24)의 초음파 확산재료는, 음향 임피던스가 40 이상인 철망 등의 금속부재가 바람직하다. 초음파 확산재료에 의한 음향 확산층(24)에 의하여 고강도 초음파(19)가, 상대적으로 단위면적당의 강도가 약한 저강도 초음파(LIUS, 低强度超音波)(21)로 제어되어, 널리 확산하여 광범위로 조사(照射)된다. 초음파 확산재료는, 금속제의 다공모양의 망(網)으로 구성되고, 그 애피처(aperture)가, 사용하는 초음파의 수중파장 λ에 대하여 λ∼λ/10이다. 또한 케이스(12)의 상부에는, 음향기기로서 스마트폰 등의 휴대형 전자기기(携帶型電子機器)(26)를 착탈(着脫)할 수 있도록 지지하고 고정이 가능한 지지대(28)를 구비하고 있다.

초음파 진동자(20)는, 전압을 가하면 초음파를 발진하는 압전소자로서, 두께진동이나 확산진동을 사용한다. 발진하는 초음파의 공진주파수(共振周波數)는 0.3MHz 이상, 5MHz 이하이다. 그러나 초음파 진동자(20)는 기본파의 주파수성분뿐만 아니라 그 고조파도 발생시키고 있어, 이들도 유효하게 이용된다. 초음파 진동자(20)의 압전소자는, 주로 전기기계 결합계수가 크고, 저렴하게 입수할 수 있는 PZT계 세라믹스 진동자가 선택된다. 그러나 PZT진동자는 환경에 영향을 끼치는 산화납을 50% 이상 포함하기 때문에, 장치가 망가진 경우에는 회수해서 적당한 처리를 할 필요성이 있다. 따라서 니오브산 알칼리염을 주체로 하는 비납계 압전재료(非鉛系壓電材料)를 사용하는 것이 바람직하다. 초음파 진동자(20)는, 조사방향과 반대측의 면에, 의료용 화상진단장치의 프로브로 통상 사용되고 있는 도면에 나타나 있지 않은 음향 배킹층(音響 backing)이 형성되어 있어도 좋다.

이 실시형태의 초음파 조사장치(10)의 사용방법은, 도1에 나타나 있는 바와 같이 인체(h)에 있어서 케어하고 싶은 부분에 저강도 초음파(21)가 조사되도록 인체(h)의 부위에 음향 확산층(24)과 대면(對面)시켜서 사용한다. 또한 후술하는 바와 같이 욕조에 띄우고, 두부(頭部)를 제외한 몸 전체에 저강도 초음파자극을 실시한다.

초음파 조사장치(10)의 사용 시의 초음파강도는 적절하게 설정할 수 있고, 예를 들면 도2(a)에 나타나 있는 바와 같이 시간과 함께 서서히 강도를 높인 후에, 완만하게 강도를 떨어뜨리도록 하더라도 좋고, 도2(b)에 나타나 있는 바와 같이 펄스모양으로 발진을 하여, 완만하게 초음파의 강도를 높이고, 마찬가지로 완만하게 강도를 떨어뜨리도록 조사하더라도 좋다. 또한 초음파강도의 변화는, 사용하는 초음파 펄스의 PRF를 변화시키거나, 진폭을 시간과 함께 변경하더라도 좋다. 특히 발진하는 초음파를 도2(b)에 나타나 있는 바와 같이 변화시켜서, 주파수가 일정하게 출력레벨을 변화시킴으로써, 결정성장(結晶成長)의 원리를 이용해서 뼈의 성장을 높이는 효과를 갖는다.

또한 이 초음파 조사장치(10)에 의한 저강도 초음파(21)의 조사범위를 제어하기 위해서, 의료용 초음파 진단장치의 초음파 프로브에 사용되는 것과 같은 오목면 또는 볼록면의 음향렌즈 등을 사용하면 좋다. 초음파는, 연속파이어도 좋지만, 조사를 간헐적으로 하는 펄스파(pulse波)를 사용하는 것이 더 바람직하다. 펄스파는, 예를 들면 펄스주기가 0.001∼2초이고 듀티팩터(duty factor)가 10∼60％인 초음파를 사용한다. 초음파의 파형은, 사인파나 구형파, 삼각파 등 각종 파형의 초음파를 사용할 수 있다. 그러나 바람직하게는, 그 반복주파수(PRF)가 심장펄스(心臟pulse)에 가까운 0.5∼2Hz, 듀티팩터는 20∼50%가 좋다. 특히 바람직한 PRF는, 심장 박동수에 가까운 1s의 1Hz 전후로부터, 사람 또는 포유동물의 신경계통의 전달속도인 500Hz 전후(주기가 수 ms)를 조합시켜서 사용하는 것이다. 이러한 각종 PRF 및 듀티팩터를 사용함으로써 다양성인 각종 생체세포를 단기간에 더 활성화시킬 수 있다.

저강도 초음파(21)의 음향강도 Isata는, 그 초음파 조사부분의 체중당으로 25mW/kg부터 1W/kg이 좋다. 25mW/kg 이하에서는 뼈나 피부에 관련된 성장이나 수복(修復)에 주는 효과가 30주간 이상 경과 후에도 아주 작다. 또한 1W/kg 이상에서는 장시간의 노출로 사람 또는 포유동물에 유해할 우려가 있을 뿐만 아니라, 장치가 대형화되기 때문이다. 이 초음파 조사장치(10)의 음향강도는, 바람직하게는 100∼300mW/kg이다.

초음파 조사장치(10)에, 20∼2000Hz의 가청음(可聽音)을 발생하는 스피커 등의 음파장치가 더 설치되어도 좋다. 이것은 음악(音樂)이 적당하여, 좋아하는 음악을 흐르게 함으로써 릴랙세이션(relaxation)과 가동시간을 알기 위한 타이머의 효과가 얻어진다. 또한 초음파 조사장치(10)에, 적산 시간계, 가동 점멸표시, 경보음, 통신기능, 라디오, TV 및 비디오, 사용자의 안전확인, 경보 등의 기능을 부가하여도 좋다.

다음에, 본 발명의 제2실시형태의 초음파 조사장치(30)에 대해서 도3을 기초로 해서 설명한다. 여기에서, 상기 실시형태와 동일한 부재는 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략한다. 이 실시형태의 초음파 조사장치(30)는, 도1에 나타내는 것과 동일한 구성이며, 음향 확산층의 초음파 확산재료가 다른 것이다.

이 실시형태의 초음파 조사장치(30)의 음향 확산층(32)은, 공기 등의 기체(氣體) 및 기포(氣泡)를 90∼99부피％ 이상 포함하고, 거품(34)을 갖는 발포수지재료(發泡樹脂材料)로 이루어진 것으로, 직접적으로 인체에 접촉시켜서 저강도 초음파(21)를 조사한다. 발포수지는 폴리스티렌, 폴리우레탄인 것이 바람직하다. 여기에서 사용되는 초음파 확산재료에 있어서, 기체를 90부피％ 이상 포함한다고 한 것은, 90부피％ 이하에서는 초음파 확산재료의 밀도(密度)가 증가하여 고강도 초음파(19)를 유효하게 산란시키는 것이 곤란하게 되기 때문이다. 또한 99부피％ 이상에서는, 초음파 확산재료의 기계적 강도가 감소하여, 작업성이 떨어지기 때문이다. 특히 바람직하게 초음파 확산재료는, 기체를 95∼98부피％ 포함하는 발포 폴리스티렌을 사용하면 좋다.

초음파 진동자(20)로부터 발진된 고강도 초음파(19)는, 공기를 포함하는 거품(34)에 의하여 난반사되어, 상대적으로 강도가 떨어진 저강도 초음파(21)로 변화되고, 조사방향도 광범위하게 확산되면서 조사되어 인체(h)에 도달한다. 인체(h)와 초음파 조사장치(30)의 사이에는, 접촉성을 향상시키기 위해서, 통상적으로 초음파 진단용 프로브 등에서 널리 사용되고 있는 초음파 겔(超音波 gel)을 사용하면 좋다.

다음에, 본 발명의 제3실시형태의 초음파 조사장치(40)에 대해서, 도4를 기초로 해서 설명한다. 도4에 나타내는 실시형태의 초음파 조사장치(40)는, 2종류의 서로 다른 주파수를 갖는 각각 2개의 초음파 진동자(41, 42)를 갖고, 또한 가청음의 음악 등을 발생시키는 스피커(44)가 부착된 것이다. 이 장치의 케이스(46)의 외측의 면에는, 초음파 확산재료로 이루어지는 초음파 확산부재(49)를 지지한 음향 확산층(48)이 형성되어 있다. 초음파 확산부재(49)를 지지한 음향 확산층(48)은, 공기 기타의 기체를 90% 이상 포함하는 다양한 발포수지재료로 이루어지는 것으로, 그 내부에, 초음파 진동자(41, 42)에 각각 대응한 2개의 초음파 확산부재(49)가 설치되어 있다. 2개의 초음파 확산부재(49)는, 서로 다른 적절한 방향으로 설정되어 설치되어 있다. 음향 확산층(48)은 철망 등의 금속부재이어도 좋다.

음향 확산층(48)은, 그 재질, 형상과 빈구멍(空孔)의 수, 위치를 변경함으로써, 지향성이 강한 고강도 초음파(19)를 제어하여 산란·확산시켜, 넓은 범위로 약하게 된 저강도 초음파(21)를 사람 또는 포유동물에게 조사할 수 있다. 또한 초음파 확산부재(49)의 방향이나 위치를 각각 변경함으로써도, 지향성이 강한 고강도 초음파(19)를 확산시켜서, 사람 및 포유동물에게 음향파자극을 하는 부분 전체에 넓은 범위에서 저강도 초음파자극을 줄 수 있다. 또한 2개의 초음파 진동자(41, 42)는, 2종류의 주파수를 도면에 나타나 있지 않은 구동부에 의하여 연속적(連續的)이고 또한 자동적(自動的)으로 발생시키면 좋다. 또한 적어도 2종류의 서로 다른 주파수의 초음파를, 1개의 압전 진동자에서 발생시키는 것이어도 좋다.

다음에, 본 발명의 제4실시형태의 초음파 조사장치와 초음파 조사시스템(超音波照射system)(50)에 대해서 도5를 기초로 해서 설명한다. 여기에서, 상기 실시형태와 동일한 부재는 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략한다. 도5(a), (b), (c)는, 욕조 등의 수조(水槽)(52) 내에서 상기 제1실시형태의 초음파 조사장치(10)를 부유(浮遊) 또는 고정하여 인체(h)에 대하여 전신 초음파자극을 하는 것이다.

부유시키는 초음파 조사장치(10)에 있어서 초음파 진동자(20)의 초음파 방사면(超音波放射面)은, 수면에 대하여 3∼30°의 경사를 가지도록, 초음파 조사장치(10)의 무게중심이 오프 밸런스(off balance)되게 조절되어 있는 것이 바람직하다. 또한 초음파 조사장치(10)에 의한 저강도 초음파(21)의 조사범위를 제어하기 위해서, 상기한 바와 같이 의료용 초음파 진단장치의 초음파 프로브에 사용되는 것과 같은 음향렌즈 등을 사용해도 좋다.

초음파는, 연속파이어도 좋지만, 조사를 간헐적으로 하는 펄스파를 사용하는 것이 더 바람직하다. 펄스파는, 예를 들면 주기가 0.001∼2초이고, 듀티팩터가 5∼60%인 초음파를 사용한다. 초음파의 파형은, 사인파나 구형파, 삼각파 등 각종 파형의 초음파를 사용할 수 있다. 바람직하게는, 반복주파수(PRF)가 심장펄스에 가까운 0.5∼2Hz, 듀티팩터는 20∼50%가 좋다. 특히 바람직하게는, PRF는 심장 박동수에 가까운 주기가 1s의 1Hz 전후에서, 인체의 신경계통의 전달속도인 수 ｍs 주기의 500Hz 전후 및 생체세포의 실제의 활동전위인 20∼40ms(50∼25Hz)를 조합시켜서 사용하면 좋다.

저강도 초음파(21)의 음향강도 Isata는 그 초음파 조사부분의 체중당으로 25mW/kg부터 1W/kg이 좋다. 25mW/kg 이하에서는 뼈나 피부에 관련된 성장이나 수복에 주는 효과가 30주일 이상 경과 후에도 아주 작다. 또한 1W/kg 이상에서는 장시간의 노출로 인체에 유해할 우려가 있을 뿐만 아니라, 장치가 대형화되기 때문이다. 이 초음파 조사장치(10)의 음향강도는, 바람직하게는 100∼300mW/kg이다.

초음파 조사장치(10)에, 20∼2000Hz의 가청음을 발생하는 음파장치가 더 설치되어도 좋다. 이는 음악이 적당하여, 좋아하는 음악을 흐르게 함으로써의 릴랙세이션과 가동시간을 알기 위한 타이머의 효과가 얻어진다. 또한 초음파 조사장치(10)에, 적산 시간계, 가동 점멸표시, 경보음, 통신기능, 라디오, TV 및 비디오, 사용자의 안전확인, 경보 등의 기능을 부가하여도 좋다.

이 실시형태의 조사시스템(50)의 사용방법은, 도5에 나타내는 바와 같이 초음파 조사장치(10)를 욕조 등의 수조(52)의 물(54)에 띄우거나 또는 수중에서 움직이지 않게 하고, 초음파 진동자(20)로부터 물(54) 속을 향해서 고강도 초음파(19)를 조사하고, 수조(52)의 바닥면이나 측면에서의 초음파 난반사를 유효하게 이용하면서 인체(h)에 가능한 한 균일하게 저강도 초음파(21)를 조사하는 것이다.

수조(52)의 내면인 측면 및 바닥면의 80% 이상의 면적에는, 밀도가 0.1∼0.01이고 기체를 포함하는 초음파 반사재(超音波反射材)(56)를 부착해 두면 좋다. 초음파 반사재(56)는, 기체를 90∼99부피％ 포함하는 발포수지로 이루어진다. 이러한 초음파 반사재(56)를 사용함으로써 저강도 초음파(21)의 90% 이상을 유효하게 반사시켜, 효과적으로 인체(h)에 조사할 수 있다.

이 실시형태에서는, 수조(52)의 바닥면으로부터 물(54)의 수면까지의 높이가 30cm∼1.0m인 수조(52) 내에 있는 인체(h)에, 저강도 초음파자극을 주는 것이다. 수면까지의 높이가 30cm 이하에서는, 몸집이 작은 고령자에게도 인체(h)의 전신(全身)을 넣기에 충분한 깊이를 얻지 못하고, 1.0m 이상에서는, 고령자 등이 물에 빠질 우려가 있다. 최적의 깊이는 고령자가 좌위에서 편안히 호흡을 할 수 있는 35∼50cm이다. 사용하는 초음파는 그 주파수를 0.3∼5MHz로 선택할 수 있지만, 몸의 표면으로부터 10cm 이상의 깊은 부위에 위치하는 뼈에 초음파 파워를 보내기 위해서는 0.3∼2MHz가 적합하고, 몸의 표면으로부터 3cm 이하의 뼈나 근육, 관절을 자극하는 것이라면 2∼5MHz가 적합하다. 더 바람직하게는 이들의 주파수를 조합시켜서, 시리즈로 사용함으로써 전신의 다른 부위의 각종 뼈를 동시에 자극할 수 있다. 또한 사용하는 초음파 진동자의 주파수가 5MHz 이상에서는, 공기가 많은 수중이나 피부·지방·근육 중에서의 감쇠가 커져서, 필요한 초음파강도를 얻는 것이 곤란하게 된다. 수조(52)는, 음향 임피던스가 3MRayls 이상, 50MRayls 이하의 재질로 이루어진 측면이면 좋고, FRP수지, 콘크리트, 대리석, 석영, 비취, 수정, 글라스, 금속 등을 사용할 수 있다. 특히 파워 스톤(power stone)으로 알려진 석영, 비취, 수정 등을 사용함으로써 심리적인 효과를 얻을 수 있다. 또한 포유동물에게 사용하는 경우에는 그 동물의 크기에 따라 수조(52)의 크기를 변경하면 좋다.

여기에서, 인체(h)는 수중이라면 두부를 제외하고, 어느 장소에 음향파를 조사하여도 좋지만, 특히 하지(下肢)와 등에 조사하는 것이 특히 바람직하다. 이는 대퇴골, 등뼈에는 큰 척수(脊髓)가 있어, 조혈작용이 특히 크기 때문이다.

초음파 조사장치(10)의 초음파를 발생시키는 간격은, 예를 들면 10∼60분/일, 2∼7회/주, 2∼50주간 연속해서 실시한다. 10분 이하의 단시간으로는 헬스케어 등의 초음파조사 효과가 작고, 하나의 수조(52)에 60분 이상 조사해도 효과는 크게 변하지 않고, 피로가 남는 등의 폐해가 있다. 조사빈도는 2∼7회/주, 더 바람직하게는 3∼5회/주이다. 또 조사기간은 20주간 정도이어도 유효하지만, 바람직하게는 30주 이상의 장기간이다. 또한 수조(52)의 수온은, 체온보다 2∼5℃ 높은 37℃부터 42℃가 발한작용(發汗作用)을 촉진하여, 혈류를 촉진시키기 때문에 좋고, 체온 이하의 경우에는 상기 효과가 얻어지지 않으며, 42℃를 넘는 온도에서는, 특히 사람의 고령자는 20분 이상의 침지(浸漬)에서는 피로가 크다. 알맞은 온도는 39℃부터 41℃이며, 이 온도범위로 함으로써 뼈형성을 촉진할 수 있다. 또한 포유동물에게도 동일한 조건으로 하면 좋다.

물에 띄우는 초음파 조사장치(10)는, 수조(52)의 액면의 요동에 의하여 전후좌우측으로 이동하거나, 요동하여 기울기가 변경되거나 하여, 초음파 진동자(20)의 위치와 각도가 끊임없이 변화되고, 또한 음향 확산층(24)의 효과에 의하여 인체(h)나 포유동물에 대하여 치우침이 없이 저강도 초음파(21)를 조사한다.

이 실시형태의 초음파 조사장치(10)와 초음파 조사시스템(50) 및 초음파 조사방법(超音波照射方法)에 의하면, 간단한 구조의 초음파 조사장치(10)에 의하여 저강도 초음파(21)의 방사방향을 자유롭게 변화시키면서, 두부를 제외한 인체(h)에 초음파자극을 균일하게 부여한다. 또한 수조(52)의 바닥면 및 측면으로부터의 초음파의 난반사를 이용하여 수조 내의 인체(h)에 균일하게 저강도 초음파자극을 주는 것이 가능하게 된다. 또한 이 초음파 조사장치(10)는 가반식(可搬式)으로서, 욕조 이외의 대형의 수조에서도 사용할 수 있고, 초음파 조사장치(10)의 수량을 증가하거나, 초음파 조사장치(10)를 일시적으로 고정식으로 하여 수조(52)에 부착해도 동일한 효과가 얻어진다. 이들의 장치를 사용함으로써 많은 환자에게 동시에 더 균일하게 저강도 초음파자극을 실시하는 것이 가능하게 된다. 또한 초음파 조사장치(10)는, 중량이 0.2∼2kg인 소형으로 제조할 수 있어, 고령자에 의해서도 쉽게 운반 및 이동이 가능하다.

또한 장치를 사용하지 않을 때에는, 수조로부터 꺼내어 쉽게 충전 및 청소할 수 있어, 항상 청결하게 유지하는 것이 쉽다. 이 때문에, 양산이 쉬울 뿐만 아니라, 그 수리나 회수의 유지관리비용이 적기 때문에, 생산비용을 대폭적으로 감소시킬 수 있다. 또한 포유동물에 대하여도, 동일한 효과를 얻을 수 있다.

또한 초음파 조사장치(10)와 초음파 조사시스템(50) 및 방법은, 남녀를 막론하고, 대부분의 연령에서 사용할 수 있지만, 특히 60세 이상의 고령자의 변형성 무릎관절증과 골다공증의 치료와 예방에 크게 기여하는 것이다.

이 실시형태의 초음파 조사시스템(50) 및 초음파 조사방법은, 도4에 나타낸 2개 이상의 초음파 진동자(41, 42)를 설치한 초음파 조사장치(40)를 사용해도 좋다. 초음파 조사장치(40)를 사용함으로써, 1개의 초음파 조사장치에서 서로 다른 2방향 이상으로 널리 저강도 초음파(21)를 조사하는 것이 가능하여, 수조(52) 내로 균일하게 저강도 초음파(21)를 조사하고, 필요한 초음파 조사장치의 개수를 감소시킬 수 있다. 또한 복수 개의 초음파 진동자(41, 42)는 주파수나 PRF, 듀티팩터, 음향강도를 서로 바꾸어도 좋아서, 적절하게 설정할 수 있다.

다음에, 본 발명의 제5실시형태의 초음파 조사장치와 초음파 조사시스템(60)에 대해서 도6을 기초로 해서 설명한다. 여기에서, 상기 실시형태와 동일한 부재는 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략한다. 이 실시형태의 초음파 조사시스템(60)은, 욕조 등의 수조(52)의 수면에 초음파 조사장치(40)를 띄우고, 수중에도 초음파 조사장치(10)가, 착탈되도록 수조(52)의 내벽에 부착되어 있는 것이다. 초음파 조사장치는, 상기 제1 내지 제3실시형태의 초음파 조사장치(10, 30, 40)와 동일한 것을 적절하게 사용한다.

이 실시형태에서 사용되는 초음파 조사장치(10, 30, 40)는, 각 초음파 진동자(20)로부터 음향 정합층과 보호층(도면에는 나타내지 않는다)을 통과해서 조사된 고강도 초음파(19)가, 조사방향의 전방에 배치된 초음파 확산재료에 의하여 형성된 음향 확산층(24, 32, 48)에 의하여 감쇠 및 확산되어 조사된다. 감쇠되어 확산된 저강도 초음파(21)는, 수조(52)의 내벽 및 외벽의 계면(界面)과 수면에서 난반사를 반복하여, 최종적으로는 인체(h)에 균일하게 조사된다. 저강도 초음파(21)는, 인체 내부의 연조직(軟組織)인 피부, 지방, 근육을 통과하고, 대부분은 경조직(硬組織)인 뼈에 도달하여, 뼈 안에서 감쇠하여 열에너지로 변환된다. 이에 따라 뼈에 자극을 주어, 뼈 온도를 상승시켜, 골아세포 등의 증가에 공헌한다. 가청음의 음악 등을 내는 스피커(44)에 의하여 필요한 운동 등의 동작지시를 받으면서 사용도 가능하여, 여러 가지의 사용방법이 가능하다.

이 실시형태의 초음파 조사시스템(60) 및 초음파 조사방법에 의하면, 복수 종류의 초음파 조사장치(10, 30, 40)를 복수 개 적절하게 선택하여 저강도 초음파(21)의 방사방향을 자유롭게 변화시키면서, 두부를 제외한 인체(h)에 초음파자극을 균일하게 줄 수 있다. 또한 수조(52)의 바닥면 및 측면으로부터의 초음파의 난반사를 이용하여 수조 내의 인체(h)에 균일하게 초음파자극을 주는 것이 가능하게 된다.

또한 이 초음파 조사장치(10, 30, 40)는 가반식으로서, 욕조 이외의 대형의 수조에서도 사용할 수 있고, 가청음의 음악 등을 내는 스피커(44)에 의하여 필요한 운동 등의 동작지시를 받으면서 사용할 수도 있어, 여러 가지의 사용방법이 가능하다. 또한 수량을 증가시키거나, 초음파 조사장치(10) 등을 일시적으로 고정식으로 해여 수조(52)나 수조벽에 부착해도 같은 효과가 얻어진다. 이들의 장치를 사용함으로써 많은 환자에게 동시에 더 균일하게 저강도 초음파 전신자극을 하는 것이 가능하게 된다. 또한 초음파 조사장치(10, 30, 40)는, 중량이 0.2∼2kg인 소형으로 제조할 수 있고, 고령자도 쉽게 운반 및 이동이 가능하고, 사용하지 않을 때에는 수조로부터 꺼내어 쉽게 충전할 수 있어, 항상 청결하게 유지하는 것이 쉽다. 이 때문에, 양산이 쉬울 뿐만 아니라, 그 수리나 회수의 유지관리비용이 적기 때문에 생산비용을 대폭적으로 감소시킬 수 있다.

각 초음파 조사장치(10, 30, 40)는, 이동할 수 있게 수면에 띄워져 있어도 좋고, 또는 일시적으로 고정되어 있더라도 좋다. 또한 음향 확산층(24, 32, 48)의 초음파 확산재료는, 물의 음향 임피던스와의 차이가 크다, 금속이나 공기, 또는 공기 등의 기체를 90% 이상 포함하는 발포수지가 사용된다. 또한 수조(52)의 내벽에 사용하는 초음파 반사재(56)도, 물의 음향 임피던스와의 차이가 큰, 금속이나, 공기 등의 기체를 90% 이상 포함하는 발포수지가 바람직하고, 통상적으로 욕조재료에 사용되고 있는 FRP로서 그 배면에 발포재료(發泡材料)가 부착된 것이어도 좋다. 또한 이들의 구조나 조건은, 포유동물에 사용하는 경우에도 동일하다.

다음에, 본 발명의 제6실시형태의 초음파 조사장치와 초음파 조사시스템(62)에 대해서 도7, 도8을 기초로 해서 설명한다. 여기에서, 상기 실시형태와 동일한 부재는 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략한다. 이 실시형태의 초음파 조사시스템(62)은, 욕조 등의 수조(52)의 수면에 초음파 조사장치(64)의 압전 진동자와 음향 확산층을 갖는 초음파 발진부(超音波發振部)(65)가, 부표(66)에 부착되어 떠 있다. 초음파 발진부(65)는 고정부(67)를 통하여, 부양(浮揚)이 가능한 지지체(支持體)인 부표(66)에 고정되어 있다. 압전 진동자를 갖는 초음파 발진부(65)는, 접속선(68)에 의하여 욕실(70)의 내벽(72)에 고정된 구동부(74)에 접속되어 있다. 구동부(74) 내에는 전지인 전원과 제어부가 설치되어, 초음파 발진부(65)에 대하여 전기공급 및 구동제어가 가능하게 설치되어 있다. 이에 따라, 전원(16)이나 제어부(17)의 방수성(防水性)이나 전원(16) 등의 크기의 자유도(自由度)가 향상되어, 사용하기 쉽게 할 수 있다.

초음파 조사장치(64)의 초음파 발진부(65)는, 도8(a)에 나타나 있는 바와 같이 1개의 부표(66)에 복수의 초음파 발진부(65)가 고정되는 것이어도 좋고, 복수의 초음파 발진부(65)는, 각각 초음파의 조사방향이 다른 것이더라도 좋으며, 초음파의 주파수나 PRF가 서로 다른 것이더라도 좋다. 이에 따라, 더 효과적으로 넓은 범위에 효과적으로 초음파를 조사할 수 있다. 또한 도8(b)에 나타나 있는 바와 같이 1개의 부표(66)에 하나의 초음파 발진부(65)가 고정되고, 초음파 발진부(65)에는, 손잡이(76)가 형성되어 있어도 좋다. 손잡이(76)를 형성함으로써 취급성이 좋아진다. 또한 손잡이(76)나 도면에 나타나 있지 않은 뚜껑을 설치하고, 이들을 이용해서 내부에서 발생하는 열의 방산(放散)을 효과적으로 하도록 구성하면 좋다. 이에 따라, 장치 내부에 과열이 발생해도 유효하게 방열(放熱)하여 냉각되어, 내부의 전자부품을 양호하게 유지할 수 있다.

다음에 본 발명의 제7실시형태의 초음파 조사장치(64)와 초음파 조사시스템(76)을 포유동물인 말(H)에 대하여 사용한 예를, 도9를 기초로 해서 설명한다. 여기에서, 상기 실시형태와 동일한 부재는 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략한다. 이 실시형태의 초음파 조사시스템(76)은, 말(H)이 들어갈 수 있는 풀(pool) 등의 수조(52)의 수면에, 초음파 조사장치(64)의 압전 진동자와 음향 확산층을 갖은 초음파 발진부(65)가, 부표(66)에 부착되어 떠 있다. 초음파 발진부(65)는 수중에 위치하더라도 좋다. 압전 진동자 및 음향 확산층을 갖은 초음파 발진부(65)는, 접속선(68)에 의하여 수조(52) 밖에 위치하는 구동부(74)에 접속되어 있다. 구동부(74) 내에는 전원과 제어부가 설치되어, 초음파 발진부(65)에 대하여 전기공급 및 구동제어가 가능하게 설치되어 있다. 이에 따라, 전원이나 제어부의 방수성이나 전원 등의 크기의 자유도가 향상되어, 사용하기 쉽게 할 수 있다.

이 실시형태의 초음파 조사시스템(76)은, 포유동물, 예를 들면 경주마에 적용함으로써, 경주마의 골절치료와 예방, 힘줄, 근육의 치료와 예방에 기여한다.

본 발명의 초음파 조사장치와 초음파 조사시스템 및 초음파 조사방법은, 상기 실시형태에 한정되지 않고, 적절하게 변경할 수 있다. 예를 들면 초음파 조사장치는, 방수기능을 구비한 통모양의 수지제 케이스에 설치된 것이더라도 좋고, 케이스 내의 압전 진동자와 전지의 리드선 취출위치가, 케이스 내에서 상부에 있는 것이 바람직하다. 이에 따라 어떠한 이유로 케이스 내로 침수되었을 경우에도, 전원의 전지나 제어부에서의 단락을 방지하여, 손상을 최소한으로 억제함과 아울러 손상부의 교환을 쉽게 한다. 또한 케이스 하부에 누수센서를 부착하여, 단락 시에는 사용자에게 램프점멸에 의한 이상(異常)을 알리도록 하면 좋다.

또한 초음파 조사장치의 각 초음파 진동자는, 각뿔, 원뿔 또는 공모양의 케이스의 측면에 적어도 2개 설치되고, 각각의 초음파 진동자의 초음파 방사면이 60∼200도의 각도범위에서 교차하도록 배치되어 있으면 좋다. 이에 따라, 사용자의 몸의 표면으로 널리 효율적으로 조사할 수 있다.

초음파 조사장치는, 수면에 뜬 것 이외에, 수중의 임의의 깊이에 가라앉은 상태로 일시적으로 이동 또는 고정되면서 초음파를 발생시키는 것이어도 좋다. 초음파 조사장치의 케이스는, 구조와 재료는 자유롭게 선택이 가능하여, 확실하게 초음파 진동자를 지지하고 운반이 가능한 것이면 좋다. 사용되는 수조의 크기나 형상도 변경이 가능하여, 수조의 크기나 형상에 맞추어 초음파 조사장치의 초음파 진동자의 개수나 수조에 넣는 개수를 적절하게 조정하여, 그 인체에 아주 알맞은 초음파강도로 한다. 또한 이들의 구조나 조건은, 포유동물에 사용하는 경우에도 동일하다.

또한 초음파 조사장치의 사용방법도, 수조를 사용하지 않고, 지금까지 일반적으로 이루어지고 있는 초음파 전파용 젤을 사용하여 직접 인체에 접촉시켜, 종래부터 알려져 있는 것과 같은 미용기, 초음파 치료기로서 사용하거나 마사지기(massage機)로서 사용할 수도 있다.

또한 본 발명의 음향 확산층은, 발포수지판이나 금속판에 구멍을 뚫은 구조나 망뿐만 아니라, 프로펠러나 풍차 등의 형상이나, 우산모양의 형상, 금속에 슬릿구멍을 뚫은 형상으로도 동일하게 초음파빔을 널리 확산·산란할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 물리요법(物理療法)의 하나로서, 지금까지 알려져 있는 마이크로 버블(micro bubble)이나 거품을 이용한 초음파 목욕에서 사용하거나, 전기자극을 하는 욕조 내에 맞추어 사용하여도, 그 효과는 얻어진다. 또한 재활치료에서 실시되는 근육운동과 병행하여 할 수도 있다. 또한 정형외과에서 널리 실시되고 있는 약물투여(藥物投與)를 사용하는 골다공증의 치료나 고분자 히알루론산이나 혈장의 관절내주사와 병행하여 할 수도 있다.

본 발명의 음향 정합층의 일부가 케이스를 구성하는 투명한 유기물로 되는 것은, 케이스의 내부에 사용자에 대한 주의사항을 표시하는 것이 쉽기 때문이다. 이 용도에는 특히 투명한 실리콘 고무나 폴리우레탄 고무, PET 수지, 폴리카보네이트 수지가 적당하고, 고령자에게는 큰 문자나 기호로 그 사용방법이나 주의사항을 표시할 수 있다. 또한 사용자가 좋아하는 가족사진, 문장이나 디자인을 투명한 케이스 내에 수용하여 사용함으로써, 계속적으로 초음파 자극장치를 사용하는 의욕을 향상시킬 수 있다.

음향 확산층은, 식물, 동물의 형상을 갖고, 그 일부가 초음파 진동자에 의하여 초음파를 발생시키고 있는 사이에는 LED 등에 의하여 빛나게 하더라도 좋다. 또한 초음파 조사장치에 설치된 가청음의 스피커나 휴대형 전자기기로부터, 훈련방법이나 신체상황의 확인신호 등이 나가도록 하여도 좋다. 또 본 장치 및 방법, 시스템은, 사람과 동일한 골격구조를 갖는 개, 고양이, 소, 원숭이, 말 등의 포유동물에게 사용할 수 있으며, 특히 경주마의 힘줄, 근육, 뼈의 치료 및 손상예방에 사용할 수 있다.

(실시예1)

다음에, 본 발명의 초음파 조사장치와 초음파 조사시스템 및 초음파 조사방법의 실시예에 대해서 이하에서 설명한다. 우선, 제1실시예로서, 본 발명의 초음파 조사시스템과 초음파 조사방법을, 64세로서 두부를 제외한 체중이 54kg이고 증상이 중간 정도의 변형성 무릎관절증이 있는 남성환자에게 적응한 예를 나타낸다.

환자는 아마추어의 시니어 축구선수로서, 약 45년의 경기경험이 있기 때문에 무릎에 부담이 커서, 오른쪽다리 무릎의 반월판 손상을 앓고 있었다. 도10에, 이 환자의 2014년 1월의 양 무릎의 X선사진을 나타낸다. 특히 우측무릎의 반월판이 마모에 의하여 작아져, 큰 통증을 수반하고 있었다. 64.0세의 시점에서는 이 환자의 50m 러닝속도(50m running speed)는 무릎통증 때문에 16초이었다.

또한 인스텝킥(instep kick)에 의한 축구공의 비거리(飛距離)는 각 5회 평균으로 오른쪽다리가 25m, 왼쪽다리가 12m이었다. 무릎신장근력 절대치(Ｎｍ)는 시험 전에는 125Ｎｍ이었다.

치료는 가정용의 스테인레스 욕조에, 도1, 도3에 나타낸 초음파 조사장치(10, 30)를 3개 사용하여, 20분/회, 4∼5회/주의 음향파 조사를 100주간 계속하였다. 3개의 초음파 조사장치(10, 30)의 각 주파수는, 0.33MHz, 0.8MHz, 1.5MHz의 3종류이다. 0.33MHz와 0.8MHz의 2개의 초음파 조사장치(30)는, 지름이 25mm(면적이 5cm²)인 PZT계 초음파 압전 진동자를 사용하고, Isata가 1,200mW/cm²이다. 1.5MHz의 초음파 조사장치(10)는, 지름이 25mm(면적이 5cm²)인 PZT계 초음파 압전진동자를 사용하고, Isata가 1,000mW/cm²이다. PZT진동자는 전부 후지 세라믹스사(Fuji Ceramics 株式會社)의 Ｃ-203의 하드 PZT재료(hard PZT材料)를 사용하였다.

주기 3.3μs의 0.33MHz의 초음파 조사장치(30)는, PRF는 500Hz, 듀티팩터는 40%이다. 이것은 체중당으로 111mW/kg이다. 음향 확산층(32)은, 두께가 2mm이고 중앙부에 구멍지름이 1mm(수중파장 λ의 22%)인 구멍을 2개 뚫은 우산형의 발포 폴리스티렌판이다. 이 발포 폴리스티렌제판을 두께가 2cm인 실리콘 고무의 중앙부에 놓고, 수조 내에서 초음파의 최대강도를 측정한 바, 30mW/cm²이었다. 이 음향 확산층(32)을 이용함으로써, 부착하지 않은 경우와 비교하여 초음파강도의 최대치는 약 2.5%로 감소하여, 초음파빔을 넓은 면적으로 확산시킬 수 있었다.

주기 2μs의 0.5MHz의 초음파 조사장치(30)는, PRF는 1Hz, 듀티팩터는 시작 때가 50%이고 종료 때가 25%로 단계적으로 그 강도를 변화시켰다. 이는 체중당으로 111mW/kg부터 56mW/kg이다. 음향 확산층(32)은, 두께가 2mm이고 중앙부에 구멍지름이 0.2∼2mm인 공기를 포함하는 실리콘 수지판이다. 이 거품함유 수지판을, 두께가 2cm인 실리콘 고무의 중앙부에 놓고, 수조 내로 초음파의 최대강도를 측정한 바, 70ｍｗ/cm²이었다. 이 음향 확산층(32)을 이용함으로써, 부착하지 않은 경우와 비교해서 초음파강도의 최대치는 약 6%로 감소하여, 초음파빔을 넓은 면적으로 확산시킬 수 있었다.

주기 0.67μs의 1.5MHz의 초음파 조사장치(10)는, PRF는 1ｍs(1,000Hz), 듀티팩터는 20%이다. 이 1.5MHz의 초음파 진동자를 사용한 초음파 조사장치에서는, 구멍이 0.5mm(수중파장 λ의 50%)인 스테인레스 망을 4장 적층시켜서 사용하였다. 이 음향 확산층을 사용함으로써, 부착하지 않은 경우와 비교해서 초음파 진동자(20)로부터 방사된 초음파강도의 최대치를 약 10%인 100mW/cm²로 감소시켜, 초음파빔을 넓은 면적으로 확산시킬 수 있었다. 이는 체중당으로 93mW/kg이다.

또한 가청음은 환자가 좋아하는 음악을 동시에 병용하여 사용하였다. 이 기간에는 그 이외의 무릎치료방법인 히알루론산의 관절내주사, 콘드로이틴 등의 내복약 등은 실시하지 않았다. 50주 후의 체력측정에서는 이 환자의 50m 러닝속도는 11초이며, 또한 인스텝킥에 의한 축구공의 비거리는 각 5회 평균으로 오른쪽다리가 33m, 왼쪽다리가 20m로 대폭적으로 그 운동기능이 향상되었다. 또한 이 운동능력은 1년 후에도 계속되었다. 무릎신장근력 절대치는 1년 경과 후에는 144Ｎｍ로 약 15% 향상되었다.

또한 약 1년의 시험 후에는 근친자가 판별할 수 있을 정도의 두부의 모발증가(毛髮增加)가 관찰되었다. 이 모발증가는, 지금까지도 두부에 초음파자극을 실시하는 것으로 보고되고 있으며, 전신에 음파 및 LIPUS자극을 함으로써도, 그 효과가 나타났다고 생각된다. 또한 피험자(被驗者)는 실험을 시작 때에는 시력이 양 나안(裸眼)의 평균으로 0.55이었지만, 종료 후에는 0.90까지 향상되어 있었다. 이것도 지금까지 초음파자극을 눈의 주변 근육에 조사함으로써 시력회복을 할 수 있다는 것이 보고되고 있으며, 동일한 효과가 전신에 저강도 초음파자극을 실시하는 것으로 얻어졌다고 생각된다.

이 환자는, 도10에 나타낸 음향자극 치료를 하기 전인 2014년 1월에 촬영한 와위(臥位)의 비하중(非荷重)에 있어서의 우측무릎 단순 X선정면사진과 같이, 우측무릎에서는 내측관절열극(內側關節裂隙)은 거의 소실되어 연골하골(軟骨下骨)(연골화골(endostosis))의 경화(硬化)가 인정되었다. 따라서 보행이 곤란하고, 무릎통증이 발생하고 있었다.

이에 대하여, 본 발명의 초음파 조사장치에 의한 초음파 조사시스템 및 초음파 조사방법을 사용하여 2년의 치료를 한 결과, 도11에 나타낸 2017년 2월의 와위의 비하중의 사진과 같이 무릎의 상태가 개선되었다. 무릎의 상태는, 도11에 나타나 있는 바와 같이 내측관절열극의 확대가 확인되었다. 또 편각기립(片脚起立) 하중 시의 X선사진에서도, 치료 전인 와위의 비하중의 사진보다 약간 관절열극이 열려 있는 것을 확인할 수 있었다. 좌측무릎에 관해서는 치료 전·치료 후 모두 변형성 변화를 확인되지 않고 관절열극은 양호하게 유지되고 있었다.

(실시예2)

다음에, 본 발명의 초음파 조사장치와 초음파 조사시스템 및 방법의 제2실시예에 대해서 이하에서 설명한다. 제2실시예로서는, 본 발명을, 67.0세, 두부를 제외한 체중이 50kg, 추간판 헤르니아(椎間板 hernia)로부터 오는 좌골신경통에 의한 우측둔부 및 우측정강이 외측에 통증이 있는 남성환자에 적용한 예를 나타낸다.

환자는 아마추어의 축구선수로서, 65세 이후에 요통(腰痛) 때문에 보행과 러닝이 곤란하였다. 66.0세의 시점에서 이 환자는 10분 정도 보행하면 둔부 등에 위화감이 있고 정강이 우측에 통증이 발생하여, 휴식을 하면서 보행하였다.

치료는 가정용의 FRP욕조에 상기의 0.33MHz와 1.5MHz의 초음파 조사장치를 2개 사용하여, 10분/회, 4∼5회/주의 초음파조사를 25주간 계속하였다. 8주일 후부터 조깅을 1∼2회/주 하였지만, 당초에는 오른쪽다리 정강이로부터 아래로 저림감이 있었다. 이 기간에는 평소, 정기적으로 하고 있는 근육운동 이외는 하지 않았다. 9주째부터 1회/주로 볼훈련(ball training)을 시작하고, 12주째부터 시합에 출장, 연습에 맞춰서 2회/주 하였다. 26주간 후에 우측둔부의 위화감과 우측발바닥의 저림감이 남아 있지만, 대폭적으로 그 운동기능이 향상되었다. 또한 그 후 1년 경과해도 요통의 재발은 볼 수 없었다.

(실시예3)

다음에, 본 발명의 초음파 조사장치와 초음파 조사시스템 및 방법의 제3실시예로서, 본 발명을, 67.0세, 두부를 제외한 체중이 36kg이고 중간 정도의 요통이 있는 여성환자에게 적응한 예를 나타낸다. 환자는 주부의 시니어 체조선수로서, 65세 이후에 요통 때문에 보행과 체조가 곤란하였다. 66.0세의 시점에서는 이 환자의 보행속도는 요통 때문에 100m/분이었다. 또한 악력계(握力計)의 값은 양손 평균으로 22kg이었다. 치료는 가정용의 FRP욕조에, 밀도가 0.1g/cm³이고 두께가 0.6cm인 발포 폴리우레탄을 바닥면부 및 측면부에 부착한, 도5에 나타낸 개략도와 같은 초음파 조사시스템(50)을 사용해서 10분/회, 4∼5회/주의 음향파 조사를 40주간 계속하였다.

초음파 진동자는, 지름이 20mm(면적이 3.1cm²)이고 주파수는 4MHz이며 Isata가 300mW/cm²인 니오브산 칼륨 나트륨계의 비납계 초음파 압전진동자를 사용하였다. 초음파 조사장치(40)는, 주기가 0.25μs이며, PRF는 1000Hz， 듀티팩터는 10%이며, 26mW/kg의 초음파조사를 하였다.

음향 확산층은 도3에 나타나 있는 바와 같이 실리콘 고무 중에 크기가 1∼3mm이고 밀도가 0.02g/cm³인 폴리스티렌 발포수지를 분산시킨 것을 사용하였다. 이 음향 확산층을 사용함으로써, 초음파 진동자의 초음파빔의 최대강도를 20%로 감소시켜서, 초음파빔을 널리 확산시켰다. 이 기간에는 평소, 정기적으로 하고 있는 체조에 의한 근육운동 이외는 하지 않았다. 40주간 후의 체력측정에서는, 이 환자의 보행속도는 120m/분이며, 또한 악력은 양손 평균 26kg으로 그 운동기능의 향상이 확인되었다.

실시예1∼3에 나타낸 결과로부터, 본 발명의 초음파 조사장치와 초음파 조사방법은, 초음파의 공진주파수가 0.3MHz 이상, 5MHz 이하이고, 또한 음향강도 Isata가 25mW/kg부터 1000mW/kg의 범위인 조건을 선택하여, 이를 수조 내로 거의 인체의 전신에 25주간 이상 조사함으로써, 고령자의 운동기능을 대폭적으로 향상시킬 수 있는 것이 분명하게 되었다.

10, 30, 40, 64 초음파 조사장치
12 케이스
14 기판
16 전원
17 제어부
18 리드선
19 고강도 초음파(HIUS)
20, 41, 42 초음파 진동자
21 저강도 초음파(LIUS)
22 음향 정합층
24, 32, 48 음향 확산층
26 휴대형 전자기기
28 지지대
44 스피커
50, 60, 62, 76 초음파 조사시스템
52 수조
56 초음파 반사재
65 초음파 발진부
66 부표
67 고정부
68 접속선
72 내벽
74 구동부

Claims

초음파(超音波)를 발생시킬 수 있는 초음파 진동자(超音波振動子)와,
이 초음파 진동자를 구동하는 구동부(驅動部)와,
상기 초음파 진동자 및 상기 구동부를 지지한 케이스(case)와,
상기 초음파 진동자와 상기 케이스의 사이에 설치된 음향 정합층(音響整合層)과,
상기 초음파 진동자로부터 발생하는 고강도 초음파(高强度超音波)를 확산시킴과 아울러 단위면적당의 강도가 약한 저강도 초음파(低强度超音波)로 변환해서 큰 면적에 조사(照射)시키는 초음파 확산재료(超音波擴散材料)로 이루어지는 음향 확산층(音響擴散層)을
구비하고,
상기 초음파 진동자는 압전 진동자(壓電振動子)이며, 상기 음향 확산층의 상기 초음파 확산재료는, 음향 임피던스(音響 impedance)가 40 이상인 금속재료이고,
상기 음향 확산층을, 상기 음향 정합층 내부, 상기 케이스 내부 및 상기 케이스 외부의 적어도 일방(一方)에 구비한 것을
특징으로 하는 초음파 조사장치(超音波照射裝置).
초음파를 발생시킬 수 있는 초음파 진동자와,
이 초음파 진동자를 구동하는 구동부와,
상기 초음파 진동자 및 상기 구동부를 지지한 케이스와,
상기 초음파 진동자와 상기 케이스의 사이에 설치된 음향 정합층과,
상기 초음파 진동자로부터 발생하는 고강도 초음파를 확산시킴과 아울러 단위면적당의 강도가 약한 저강도 초음파로 변환해서 큰 면적에 조사시키는 초음파 확산재료로 이루어지는 음향 확산층을
구비하고,
상기 초음파 진동자는 압전 진동자(壓電振動子)이며, 상기 음향 확산층의 상기 초음파 확산재료는, 금속재료로서, 다수의 구멍을 갖는 망(網)에 의하여 구성되며, 그 애피처(aperture)가, 사용하는 초음파의 수중파장(水中波長) λ의 λ∼λ/10인 것을
특징으로 하는 초음파 조사장치.
초음파를 발생시킬 수 있는 초음파 진동자와,
이 초음파 진동자를 구동하는 구동부와,
상기 초음파 진동자 및 상기 구동부를 지지한 케이스와,
상기 초음파 진동자와 상기 케이스의 사이에 설치된 음향 정합층과,
상기 초음파 진동자로부터 발생하는 고강도 초음파를 확산시킴과 아울러 단위면적당의 강도가 약한 저강도 초음파로 변환해서 큰 면적에 조사시키는 초음파 확산재료로 이루어지는 음향 확산층을
구비하고,
상기 초음파 진동자는 압전 진동자이며, 상기 음향 확산층의 상기 초음파 확산재료는, 기포(氣泡) 및 기체(氣體)를 90∼99부피％ 포함하는 발포수지(發泡樹脂)에 의하여 구성되는 것을
특징으로 하는 초음파 조사장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 초음파 진동자는, 비납계 압전재료(非鉛系壓電材料)를 사용한 초음파 조사장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 압전 진동자와 그 전원의 리드선 취출위치가, 상기 케이스 내에서 상부에 위치하는 초음파 조사장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 케이스에는, 2종류의 주파수와 2종류의 펄스 반복주파수(Pulse Repetition Frequency, PRF)의 적어도 어느 하나를 갖는 상기 초음파 진동자가 배치되고, 이들이 상기 구동부에 의하여 연속적적이고 또한 자동적으로 복수의 초음파를 발생시키는 초음파 조사장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 초음파 진동자의 전원을 포함하는 상기 구동부와, 상기 초음파 진동자 및 상기 음향 확산층을 포함하는 초음파 발진부(超音波發振部)가 분할되어 있고, 분할된 상기 초음파 발진부는 방수기능(防水機能)을 갖으며 전기적으로 상기 구동부와 접속할 수 있도록 설치되고,
상기 초음파 발진부를 수면에 부양(浮揚)할 수 있는 지지체(支持體)에 담지(擔持)시키고, 분할된 상기 초음파 발진부를 상기 구동부에 접속함으로써 수면 아래에서 상기 초음파 발진부를 부유(浮遊) 및 요동할 수 있게 설치된 초음파 조사장치
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
적어도 2종류의 재료의 상기 음향 정합층을 구비하고, 그 두께는 사용하는 초음파의 수중파장 λ의 1/4의 배수이며, 그 투영면적은 상기 초음파 진동자의 투영면적의 120∼200%인 초음파 조사장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 음향 정합층의 일부는, 상기 케이스를 구성하는 투명한 유기재료(有機材料)로서, 그 두께는 상기 λ의 1/4의 배수인 초음파 조사장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 각 초음파 진동자의 기본파 주파수는, 0.3MHz부터 5MHz의 범위이며, 상기 각 초음파 진동자의 압전 진동자에 복수의 상기 음향 정합층을 부착하고, 그 때에 복수의 공진주파수의 상기 초음파를 발생시켜, 적어도 2종류의 서로 다른 주파수의 상기 초음파를, 1개의 상기 압전 진동자에서 연속적이고 또한 자동적으로 발생시키는 초음파 조사장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 각 초음파 진동자는, 각뿔, 원뿔 또는 공모양의 상기 케이스의 측면에 적어도 2개 설치되고, 각각의 초음파 방사면(超音波放射面)이 60∼200도의 각도범위에서 교차하는 초음파 조사장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 초음파는 펄스파(pulse波)로서, 상기 펄스파의 반복주파수(PRF)는 1000Hz∼0.5Hz, 듀티팩터(duty factor)는 10∼60%이며, 상기 PRF는, 1000∼33Hz와 50∼25Hz 및 2∼0.5Hz의 중에서 선택한 적어도 2개를 연속적이고 또한 자동적으로 발생시키는 초음파 조사장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
착탈(着脫)이 가능한 휴대형 전자기기 또는 이 이외에 가청음(可聽音)의 음악을 발생시키는 장치를 갖는 초음파 조사장치.
상기 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항의 초음파 조사장치를 구비하고,
사람 또는 포유동물을 수용 가능하고, 물을 넣은 수조(水槽)와, 상기 수조의 수면 또는 수중(水中)의 적어도 어느 하나에 상기 초음파 조사장치가 설치되고,
상기 수조 내의 수중에 상기 초음파 조사장치로부터 초음파를 조사할 수 있도록 설치된 것을
특징으로 하는 초음파 조사시스템.
제14항에 있어서,
상기 수조의 내벽 표면은, 표면적의 적어도 80% 이상에, 초음파를 반사 및 확산시키기 위한 초음파 반사율이 80% 이상인 초음파 반사재(超音波反射材)가 부착되어 있는 초음파 조사시스템
제15항에 있어서,
상기 초음파 반사재는 복합재료로서, 그 수조 내면 또는 외면 재료의 밀도는, 0.01∼0.1g/cm³이고, 기체를 포함하는 유기재료인 발포재료(發泡材料)로 구성되어 있는 초음파 조사시스템.
제16항에 있어서,
상기 초음파 반사재는 시트(sheet)로 이루어지고, 그 표면에는 내수성(耐水性)의 시트를 설치하고, 내부에는 90∼99부피％의 기체를 포함하는 발포 유기재료를 구비한 초음파 조사시스템.
제14항에 있어서,
지름이 0.01∼10mm인 공기의 버블(bubble)을 수중으로 방출하는 버블 발생장치를 구비하는 초음파 조사시스템.
상기 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항의 초음파 조사장치 또는 상기 초음파 진동자를 갖는 부분을 수조에 넣고, 상기 초음파 진동자를 물에 띄워서 요동시키고, 상기 초음파 진동자로부터 서로 다른 주파수와 PRF를 갖는 멀티 초음파(multi 超音波)를 연속적이고 또한 자동적으로 발생시켜서, 상기 수조의 내벽 및 수면에서 상기 초음파를 반사시킴으로써, 수중의 포유동물(사람을 제외)의 전신(全身) 또는 일부에 저강도의 상기 멀티 초음파에 의한 자극을 실시하는 것을 특징으로 하는 초음파 조사방법.
제19항에 있어서,
상기 수조 내의 포유동물(사람을 제외)에 대하여, 초음파 조사부분의 체중당으로 25∼1000mW/kg의 시간평균 초음파강도(Isata)를 조사하는 초음파 조사방법.
제19항에 있어서,
상기 수조 내의 물의 온도를 37∼42℃로 설정하고, 상기 초음파 진동자로부터 서로 다른 주파수와 PRF의 각각의 초음파를, 연속적이고 또한 자동적으로 일정시간 내에서 시리즈(series)로 조사하고, 이것을 10∼60분/일, 2∼7일/주, 또한 2∼50주간, 상기 초음파를 수조 내의 두부(頭部)를 제외한 상기 포유동물(사람을 제외)의 전신 또는 일부에 조사하는 초음파 조사방법.