KR102490676B1

KR102490676B1 - 초음파를 이용한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102490676B1
Application number: KR1020210130040A
Authority: KR
Inventors: 박주영; 박찬육
Original assignee: 주식회사 소노티엑스
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2021-09-30
Publication date: 2023-01-27

Abstract

본 발명은 초음파를 이용하여 만성신장질환에 대응하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 초음파 자극을 통해 신장 사구체 여과율 (GFR)을 개선하는 것이다. 상기 초음파 장치는 영상 가이드 시스템 및 시스템이 하나의 장치 안에 구비되어 정확한 대상체 위치를 바탕으로 초음파 조사가 가능하며, 획득된 영상을 DCE기반 시간대 강도 그래프로 연산하여 ΔGFR를 도출하고 상기 ΔGFR를 이용하여 대응과정 동안 대상체에서 유도되는 조직 특성 변화를 다양한 변수로 사용자가 확인할 수 있도록 한다. 또한, 제안된 초음파 장치는 폐쇄 루프 피드백 (Closed loop feedback) 알고리즘을 적용하여 상기 도출된 ΔGFR 레벨을 바탕으로 환자에게 안전하며 최적의 초음파 출력을 실시간으로 자동으로 조정되도록 하여 프로토콜의 단순화, 효율의 향상, 소요 시간 절감 등을 이끌어 낼 수 있도록 한다.

Description

초음파를 이용한 장치 및 방법 {Therapy Devices and Methods Using Ultrasound}

본 발명은 초음파를 이용한 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초음파를 이용한 신장 사구체 여과율 장치 및 방법에 관한 것이다.

구체적으로, 본 발명은 초음파 영상 구현 시스템과 시스템이 하나의 장치에 구비됨으로써 초음파 영상 가이드 기반 초음파 조치를 수행하는 것이 가능하며, 초음파 조치 과정에서 초음파로 인해 유도되는 신장 사구체 여과률 변화량 (ΔGFR)을 다양한 신호처리 기법을 통해 사용자가 모니터링이 가능한 초음파를 이용한 장치 및 방법에 관한 것이다.

나아가 본 발명은 여과율 레벨에 따라서 안전하고 효과적인 조치가 수행될 수 있도록 시스템이 자동적으로 초음파 파라미터를 전환시킬 수 있는 폐쇄 루프 피드백 (Closed loop feedback) 시스템 구동이 가능한 초음파 장비에 관한 것이다.

전자약(electroceutical)은 전자(Electronic)와 약품(Pharmaceutical)의 합성어로, 전류 자기장, 초음파 등의 에너지로 뇌 또는 기관, 신경, 특정세포를 자극해서 기능을 변화시키는 효과를 내는 기술이다.

즉, 지금까지의 합성 의약품이나 바이오 의약품은 약품의 성분이 인체 내에서 타겟과 반응함에 따라 조치가 이루어지는 것이었다면, 전자약은 외부에서 에너지원을 인체 내부의 타겟에 제공하는 것이다.

전자약에는 전류 및 자기장을 이용해서 조치하는 의료기기들이 그간 포함되어 왔으나 최근에는 새롭게 등장한 신체에 대한 초음파를 이용한 조치도 전자약의 범주에 속한다.

초음파 에너지를 집속하여 인체 변병에 전달하여 암 치료, 약물전달, 피부미용, 지방 분해 등 다양한 목적으로 초음파가 사용되고 있다.

대표적으로, 초음파 자극을 통하여 항산화(antioxidation), 항염증(antiinflammation), 혈압 저하(Blood pressure reduction), 산화질소의 증가(increase of nitric oxide) 효과를 유도할 수 있고, 이러한 목적으로 활용 가능하다.

대한민국 특허 등록번호 제10-2124422호(2020년 6월 18일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-2140560호(2020년 8월 3일 공고)

신장은 횡경막 아래 위치한 좌우 한 쌍으로 이뤄진 배설기관으로써, 몸에서 만들어진 노폐물과 사용하고 남은 수분을 제거하고, 피를 여과하여 복용한 약 등의 여러 물질을 제거하며, 혈압을 조절하는 등 인체의 항상성을 유지하는 중요한 장기이다.

만약 이러한 신장 기능이 저하되면 몸에서 생성된 산을 신장이 정상적으로 배출하지 못하여 혈액 내 산성 농도가 증가되어지며, 적혈구 생성량이 감소되어지고, 정상적인 노폐물 배출 기능을 수행하지 못하여 뇌, 다리 등의 신경세포가 손상될 수 있으며, 요산 수치가 높아져 통풍을 초래하는 등 다양한 질병을 유발하는 기전으로 작용될 수 있다.

특히, 말기신부전은 신장 기능의 90% 이상이 영구적으로 손실되는 경우를 의미하며 몸 안의 노폐물과 수분을 배출할 수 없기 때문에 신장 기능 손실에 대한 대체요법이 환자에게 이뤄지지 않는 경우 생명 유지가 어려운 상황을 초래한다.

말기신부전 대체요법으로는 신장투석 또는 신장 이식이 대표적이며 투석의 경우, 비 정상적인 신장 기능을 혈액 투석기로 대체하여 사용한다. 환자의 혈액을 투석기에 주입하여 노폐물 및 과다한 수분을 제거한 후 다시 환자 몸속에 주입하는 방법으로써, 일반적으로 일주일에 3회, 4시간씩 일평생 투석을 수행해야만 하는 것으로 알려져 있다.

이러한 신장투석은 2020년 기준 10년간 2배 증가되어 10만명을 넘어선 것으로 나타났으며, 고령화와 당뇨환자 증가로 이러한 환자수는 지속적으로 증가될 것으로 예상하고 있다. 혈액 투석 환자에게 지원되는 진료비만 3조원을 육박하고 있으며, 신부전 환자 0.16%가 총 보험급여비 45조원의 4.3%를 사요하고 있는 것으로 나타났기 때문에 국민 건강 증진과 국가 재원 절감을 위해서는 환자 발생 예방과 조치 과정에 새로운 혹은 보다 개선된 기술 개발이 활발히 연구되고 있다.

그 중에서, 최근, 초음파 에너지를 신장에 조사함으로써 신장 내 사구체 여과률 변화량(ΔGFR)을 개선시킬 수 있는 내용의 연구결과들이 보고되어지고 있으며, 기본적으로 초음파가 가지는 비침습적이고, 개복 수술이 필요 없고, 환자의 수술 휴우증이 최소화될 수 있는 장점을 바탕으로 다양한 현재 말기신부전증 조치를 개선 및 보완할 수 있는 새로운 기술로 부각되고 있다.

이에 따라, 본 발명에서는 초음파를 이용한 신장 사구체 여과율 장치 및 방법을 제안함으로써, 종래의 문제점을 해소하고자 한다.

구체적으로, 본 발명은 신장 기능 장애가 있는 환자들을 대상으로 상기 말기신부전증 대응을 위해 초음파 에너지 조사를 통해 신장 사구체 여과율을 개선할 수 있으며, 초음파 영상 가이드를 통해 체내 신장 위치를 정확히 확인하여 조사가 가능하며, 대상체에서 초음파 조사로 인해 유도되는 특성을 확인하기 위한 다양한 ΔGFR 변수들을 도출하며, 도출된 변수를 기반으로 시스템이 안전하고, 최적화된 초음파 출력을 자동적으로 조정하도록 하기 위해 폐쇄 루프 피드백 (Closed loop feedback) 알고리즘이 포함된 장치 및 방법을 제안하고자 한다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 신장 기능이 저하된 환자를 대상으로 초음파 에너지를 체외에서 비침습적으로 신장에 조사함으로써 신장사구체여과율 (Glomerular filtration rate; GFR)을 개선시키기 위한 일련의 초음파 장치 및 방법을 제공하는 것으로써, 보다 상세하게는 초음파 장치는 신장 위치를 확인하기 위한 초음파 영상 시스템과 대응을 위한 초음파 시스템이 하나의 장비에 구성되어 있으며, 소형화된 초음파 변환자 모듈을 환자 피부에 부착하여 처치가 가능한 웨어러블 타입의 초음파 변환자 모듈 및 구조로 구성되며, 대응 과정에서 신장에서 유도되는 특성을 ΔGFR dose를 기반으로 실시간 모니터링이 가능하고, 안전하고 효율적인 대응을 위해 도출된 ΔGFR dose 레벨에 따라서 변환자에 인가되는 초음파 dose를 시스템이 자동으로 조절하는 것이 가능한 폐쇄 루프 피드백 (Closed loop feedback) 알고리즘을 포함하여 신장기능 장애 환자들이 혈액투석과정에서 소요되는 시간 및 비용을 보다 개선함으로써 삶의 증진에 기여할 수 있도록 한다.

보다 구체적으로, 초음파 영상 시스템은 대응하고자 하는 대상체의 위치를 가이드 하기 위해 활용되는 동시에, 구동 모드 전환을 통해 초음파 대응과정에서 변환자로부터 출력되어 형성되는 음향 특성 (Acoustic beam profile)을 관찰할 수 있는 PAM (Passive acoustic mapping) 기능을 구현할 수 있도록 한다.

시스템은 복수의 초음파 변환자들이 결합되고 동시에 구동될 수 있도록 하여 하나의 변환자만을 이용한 방법 대비, 대상체에 초음파 에너지를 다중 주파수 및 다각도로 조사가 가능하도록 하여 효율을 향상시킬 수 있도록 한다.

대응 과정에서 초음파 조사로 인해 신장에서 유도되는 특성 변화를 모니터링 위한 변수로 ΔGFR dose가 활용되며 상기 dose는 시스템에서 획득 가능한 음향 공동화 (Acoustic cavitation)와 영상 시스템에서 DCE (Dynamic contrast enhanced) 기반으로 도출 가능한 시간 대 강도 (Intensity) 그래프로부터 AUC (Area under the curve), Slope of signal intensity graph, Peak point shifting 등의 변수를 활용할 수 있도록 한다.

시스템은 음향 공동화 신호를 수집하기 위해 변환자 구동을 위한 인가 신호 생성 및 대상체로부터 변환자로 수신된 신호를 수집할 수 있는 펄스에코 응답 (Pulse-echo response) 특성을 활용할 수 있도록 한다.

영상 및 처치용 시스템으로부터 도출된 ΔGFR dose는 모니터를 이용하여 사용자에게 실시간으로 정보를 제공하며, 환자의 안전하고 효율적인 대응을 위해서 ΔGFR dose 레벨에 따라 시스템이 자동으로 출력되고 있는 변환자의 US dose량을 조절할 수 있는 폐쇄 루프 피드백 (Closed loop feedback) 알고리즘을 활용할 수 있도록 한다.

상기 폐쇄 루프 피드백 (Closed loop feedback) 알고리즘은 환자의 상태를 정량적으로 비교하기 위해 처치 전 최초에 짧은 시간동안 대상체에 초음파를 조사하여 레퍼런스 ΔGFR dose를 도출하고, 대응 과정에서 실시간으로 변화되는 ΔGFR dose 와 차이를 비교하여 폐쇄 루프 피드백 (Closed loop feedback) 알고리즘에 적용할 수 있도록 한다.

초음파 변환자는 압전소자와 피부의 급격한 음향 임피던스 (Acoustic impedance) 차이를 완화하기 위해 단일 및 다중 정합층이 초음파가 진행하고자 하는 압전소자 표면에 적층될 수 있으며, 압전소자 및 정합층들은 측면에 스크류가 형성된 모듈을 통해 서로 탈부착이 가능하게 하도록 한다.

초음파 변환자가 웨어러블 타입으로 피부표면에 고정될 수 있도록 홀더가 사용되며, 상기 홀더는 피부와 밀착되는 하단에 접착 테이프와 결합되어 장시간 초음파 변환자 조사시 조사 위치 및 방향이 일정하게 유지될 수 있도록 한다.

상기 홀더 내부에는 최초 초음파 젤이 밀봉 테이프로 밀봉되어 있으며 사용 시, 밀봉 테이프를 제거하고 사용할 수 있도록 한다.

상기 홀더 상기 홀더 내부는 압전소자 및 정합층과 동일한 스크류가 형성되어 변환자가 홀더와 결합될 수 있도록 한다.

상기 홀더의 변환자와 결합되는 측면은 PP와 같은 경도가 낮은 물질을 자바라 구조로 형성함으로써 사용자가 일정 수준 압력을 가하여 변환자 높이가 조절될 수 있도록 하며, 사용자가 국소 부위만 압력을 가한 경우 홀더는 비대칭 구조를 유지하는 것이 가능하기 때문에 초음파 조사 각도를 조정할 수 있도록 한다.

상기 홀더는 내부에 최초 밀봉된 초음파 젤 외에도 튜브로 연결된 초음파 젤 캡슐을 구성함으로써 홀더 내 초음파 젤 용량이 충분하지 못할 경우 홀더 내부로 손쉽게 초음파 젤을 보충할 수 있도록 한다.

상기 홀더는 변환자의 높낮이 조절에 따라서 내부 압력에 의해 초음파 젤이 분출될 필요가 있으며, 초음파 젤 캡슐을 주입하는 위치 반대편으로 배출구를 형성하고, 배출된 초음파 젤이 다시 초음파 캡슐로 순환할 수 있는 구조를 가지도록 한다.

상기 홀더는 피부표면에 부착위치를 가시화하기 위해 홀더 하단에 다수의 레이저 포인터를 포함할 수 있으며, 홀더와 피부표면이 근접할수록 접착 테이프로 인한 시야 확보가 어려운 점을 개선하기 위해 접착 테이프가 탈착 되도록 하여 사용할 수 있으며, 피부표면에 홀더를 부착하려는 경우 일정한 면적을 갖는 복수의 홀더 지지대를 기반으로 접착 테이프를 이용하여 피부와 밀착시킬 수 있도록 한다.

초음파 변환자는 최초 홀더와 결합한 후 피부표면에 밀착시켜서 처치를 수행할 수 있으며, 홀더 내부에 존재하는 초음파 젤을 매개체로 이용하여 일정 수준 피부 표면과 거리를 유지한 상태에서 처치를 수행할 수 있도록 한다.

초음파 변환자는 피부 표면 밀착 혹은 초음파 젤을 매개체로 조사 시, 공기층으로 인한 에너지 감쇄가 발생하는 예방하기 위해 펄스에코 응답 기법이 활용되도록 하며, 대응 전 최초 변환자를 이용하여 펄스에코 응답 기법을 통해 이상적인 레퍼런스 수신전압을 저장하고, 처치 과정에서 레퍼런스 수신전압과 유사한 레벨을 지속적으로 형성하고 있는지 모니터에 표시할 수 있도록 한다.

상기 초음파 변환자는 압전소자가 2개의 대칭적인 압전소자로 형태로 분리된 다중 소자 구조를 취함으로써, 처치 및 음향 공동화 신호 송·수신을 위해 최적화된 변환자 적층 구조를 하나의 변환자에서 각기 다르게 형성하는 것이 가능할 수 있도록 한다.

환자 호흡에 따라서 신장의 위치가 변동될 수 있으며, 변동된 위치를 추적하고 변환자 각도를 이에 상응하는 위치로 변동시킬 수 있도록 하기 위해 실시간 위치 추적 시스템을 포함하며 이를 위해, 변환자 가운데 일정한 크기의 개구부를 형성하고 해당 개구부에 영상용 변환자를 삽입하여 초음파 영상기반 변화되는 대상체 위치를 관찰하고 이에 따라 초음파 변환자의 조사 각도를 실시간으로 변동시킬 수 있도록 한다.

상기 위치 위치 추적 시스템은 추가적인 호흡센서 활용하여 환자의 들숨, 날숨 데이터를 초음파 영상과 매핑함으로써 대상체 위치 추적의 정확도를 향상시킬 수 있도록 한다.

초음파 영상 가이드는 중앙에 개구부를 갖는 변환자 중앙에 결합되어 사용될 수 있으며, 최초 영상용 변환자는 피부와 밀착시키고 변환자는 홀더를 이용하여 피부와 이격시킨 상태에서 대상체 위치를 확인하고, 대상체 위치가 확인된 피부 표면에서 곧바로 변환자를 피부에 밀착시켜서 수행할 수 있도록 한다.

상기 초음파 영상 가이드는 대응 전, 대상체 위치를 확인하기 위한 용도로 사용되고, 대응 과정에서는 변환자로부터 출력되는 초음파 음향 특성을 실시간으로 관찰하기 위해 PAM 모드로 전환하여 사용할 수 있도록 한다.

상기 초음파 영상 가이드는 대응 전, 대상체 위치를 모니터로 나타내고 PAM 모드로 전환 시, 자동으로 대상체 위치 영상을 Freezing 한 후 PAM 영상을 Overlap 되도록 모니터에 표시함으로써 대상체 위치와 대상체에 조사되는 초음파 음향 특성을 사용자가 동시에 확인할 수 있도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 장치 및 방법은 초음파 영상 및 장치를 하나의 장비에 구비함으로써 일반적으로 진단 및 장비가 구분되어 사용되는 경우 대비 시스템 부피 감소로 인해 공간 확보가 용이하며, 프로토콜 단순화를 유도하는 것이 가능하다.

초음파 장치는 복수의 변환자를 활용할 수 있도록 함으로써 단일 변환자만을 사용하는 경우 대비, 복수의 변환자들을 이용하여 신장에 다각도 조사 및 다중 주파수 조사가 가능하도록 함으로써 효율을 향상시키는 것이 가능하다.

시스템은 ΔGFR dose 레벨 기반 실시간으로 환자에게 안전하고 최적화된 신호를 제공하는 폐쇄 루프 피드백 (Closed loop feedback) 알고리즘을 적용함으로써, 대응과정에서 소요되는 시간 및 상황에 따른 초음파 출력 파워 조정 위한 노동력을 절감하는 것이 가능하다.

초음파 변환자에 있어서, 다양한 물성 및 두께를 갖는 정합층을 사용자가 선택적으로 변환자 표면에 탈부착 가능하게 함으로써, 대상체 특성 및 환경에 따라 요구되는 다양한 특성의 변환자들을 하나의 변환자만으로 구현하는 것이 가능하고 이를 통해, 다양한 변환자들을 확보하기 위해 소요되는 비용을 절감하는 것이 가능하다.

변환자를 고정하기 위해 사용되는 홀더가 경도가 낮고 자바라 구조를 취함으로써 홀더와 결합된 변환자의 높낮이 및 조사 각도 조정이 가능함으로써, 일반적으로 고정된 집속거리만을 조사할 수 있는 단일 초음파 변환자의 한계를 극복하여 체내에서 초음파 집속거리를 다양하게 조정하는 것이 가능하다.

상기 홀더에 있어서, 홀더 내부에는 최초 일정 용량의 초음파 젤이 밀봉되어 있고, 홀더 부착 위치 조정에 따른 다수의 탈부착 과정에서 최초 밀봉된 초음파 젤의 양의 피부에 잔여량으로 남아 홀더 내 초음파 젤이 불충분한 경우, 초음파 젤 캡슐을 통해 추가적인 젤 공급이 가능함에 따라 사용자가 별도의 초음파 젤 없이 없이도 사용하도록 함으로써 사용의 편리성과 휴대성을 증대시키는 것이 가능하다.

상기 홀더에 있어서, 홀더 내 초음파 젤이 있는 상태에서 변환자를 결합할 경우 변환자와 피부표면간 거리가 감소될수록 내부 압력 증가로 인해 초음파 젤은 다시 초음파 젤 캡슐로 배출되기 때문에 장시간 대응 및 변환자 결합에도 충분한 양의 초음파 젤을 지속적으로 보유하는 것이 가능하다.

초음파 에너지 전달 효율에 있어서, 변환자는 피부 표면에 밀착되거나 초음파 젤을 매개체로 하여 이격되어 사용될 수 있으며 이 과정에서, 변환자 표면이 피부표면에 충분한 밀착이 안되거나 혹은 초음파 젤 내부에 공기층이 형성되어 있어서 발생되는 초음파 감쇄를 대응 전, 처치에 사용되는 초음파 변환자 기반 펄스에코 응답 특성을 통해 확인이 가능하기 때문에 별도의 추가적인 센서가 필요하지 않으며 이는, 제조비 절감 및 시스템 단순화를 유도하는 것이 가능하다.

다중 소자 구조의 변환자에 있어서, 하나의 변환자에서 대응을 위한 송신과 신호 획득을 위한 수신에 최적화된 적층 구조를 개별적으로 취할 수 있기 때문에 송·수신에 최적화된 변환자들을 각각 사용하는 방법 대비 조사 부위에 대한 변환자 송·수신 얼라이먼트가 필요하지 않으며, 대응을 위한 장비 설정이 단순화될 수 있으며, 장비 설정 단순화로 인해 프로토콜의 단순화를 유도하는 것이 가능하다.

홀더내 레이저 포인터에 있어서, 홀더의 부착 위치를 피부표면과 이격된 상태에서도 사용자가 확인 가능하며, 접착 테이프 탈 부착이 가능하도록 하여 최초 테이프가 탈착된 상태에서 사용할 경우 홀더와 피부표면의 거리가 근접할수록 테이프로 인해 포인터가 보이지 않는 문제를 해결할 수 있기 때문에 사용자 시야 방해를 예방하고 목표한 정확한 위치에 홀더를 부착하는 것이 가능하다.

환자 호흡에 따른 대상체 위치 이동에 있어서, 초음파 영상 기반 대상체 이동을 실시간으로 감지하고 이러한 감지를 추가적인 호흡신호와 연동하여 들숨 날숨에 따른 포인트를 함께 체크함으로써 변환자의 조사 각도 변환 정확성을 향상시킴으로써, 의도하지 않는 부위에 초음파 조사를 예방하는 것이 가능하다.

초음파 가이드에 있어서, 영상용 변환자는 변환자 중앙에 위치하여 초음파가 가지는 집속점 중심 위치를 영상으로 나타내기 때문에 이 과정에서 변환자를 피부표면에 밀착시켜 구동할 경우 영상으로 확인한 대상체의 위치에 정확하게 조사하는 것이 가능하며 이는, 측면에서 초음파 가이드를 하는 방법 대비 사용자가 확인한 영상 위치에 곧바로 변환자 부착이 가능하여 가이드와 대응을 위한 변환자들의 얼라인먼트 과정을 최소화할 수 있으며 이를 통해, 얼라인먼트 과정에서 발생되는 오차 감소 및 신속한 초음파 가이드 및 정보를 제공하여 프로토콜의 단순화를 유도하는 것이 가능하다.

상기 초음파 가이드에 있어서, 영상용 변환자는 대응 전, 대상체 위치 가이드로 활용되고, 대응 과정에서는 PAM 모드로 전환되어 대상체 위치에 초음파 변환자로부터 출력된 음향 특성과 조사 위치를 실시간으로 확이 가능함에 따라, 초음파 조사 위치의 정확성을 향상시킬 수 있으며, 목표하지 않은 부위에 초음파 조사를 예방하여 발생되는 부작용을 예방하는 것이 가능하다.

상기 초음파 가이드에 있어서, 대응 과정에서 구동되는 PAM 영상 프로토콜은 음향 공동화 도출을 위한 프로토콜과 동일하며, 수집된 1차원 음향 공동화 신호들의 배열을 통해 2차원 PAM 영상을 도출하기 때문에 구현된 PAM 영상을 기반으로 음향 공동화 신호를 도출하는 것이 가능함으로써, PAM 영상과 음향 공동화 신호를 사용자에게 함께 표시하여 대응 과정에서 PAM 영상을 통해 초음파의 집속 위치를 확인하고 동시에 음향 공동화 현상 레벨을 모니터링 하여 안정성과 정확도를 향상시키는 것이 가능하다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명과 관련된 초음파 자극을 통한 만성신장질환 예방 및 대응이 가능한 기전을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명이 제안하는 초음파 장치의 시스템 일례를 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 PAM 영상처리부의 구체적인 구성을 일례로 도시한 것이다.
도 4는 수신 신호 획득을 위해 사용자가 활용 가능한 대응용 및 PCD 변환자 중에서, 환경에 따른 활용 변환자 조건을 소개하기 위한 일례를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에서 제안하는 Closed loop feedback 알고리즘의 일례를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에서 제안하는 ΔGFR 중 하나의 변수로써, 음향 공동화 신호 도출을 위한 일련의 신호처리과정에 대해 일례를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에서 제안하는 ΔGFR 중 하나의 변수로써, DCE 그래프 기반 AUC, Slope of signal intensity, Peak point shifting의 도출 방법에 대한 일례를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에서 제안하는 초음파 장치의 외형에 대해 일례를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명에서 제안하는 정합층 탈부착 시스템의 일례를 도시한 것이다.
도 10은 본 발명에서 제안하는 웨어러블 타입 홀더 및 초음파 집속 거리 조절 장치의 일례를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명에서 제안하는 웨어러블 타입 홀더 및 초음파 조사 각도 조절 장치의 일례를 도시한 것이다.
도 12는 본 발명에서 제안하는 초음파 젤을 포함하는 모듈 구조의 일례를 도시한 것이다.
도 13은 본 발명에서 제안하는 초음파 에너지 전달 감지 시스템의 일례를 도시한 것이다.
도 14는 본 발명에서 제안하는 하나의 변환자 내에 대응 및 수신에 각각 특성화된 변환자들이 구비 가능한 다중 압전소자 변환자 구조의 일례를 도시한 것이다.
도 15는 본 발명에서 제안하는 홀더 부착 위치 가이드 시스템의 일례를 도시한 것이다.
도 16은 본 발명에서 제안하는 환자 호흡에 따른 대상체 위치 추적 및 조사 시스템에 대한 일례를 도시한 것이다.
도 17은 도 16의 발명에서 제안된 시스템의 알고리즘 일례를 도시한 것이다.
도 18은 본 발명에서 제안하는 초음파 가이드 영상 및 PAM 영상 기반 대상체 위치 및 조사 위치를 확인 가능한 일련의 예제를 도시한 것이다.
도 19는 도 18의 발명에 대해 구동하기 위한 알고리즘의 일례를 도시한 것이다.
도 20은 도 18의 발명에 대해 실제 실험을 통해 검증한 일례를 도시한 것이다.
도 21은 PAM 영상기반 대상체 음향 공동화 특성 분석 방안의 일례를 도시한 것이다.
도 22은 도 18의 발명에서 PAM 영상 기반 음향 공동화 신호 추출을 동시에 수행할 수 있는 기법에 대한 일련의 예시와 실험을 통해 검증한 일례를 도시한 것이다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나 이상의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하고, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

명세서 전체에서 "초음파 영상"이란 초음파의 산란, 반사, 굴절 원리를 이용하여 획득된 대상체에 대한 영상을 의미한다. 명세서 전체에서 "사용자"는 의료 전문가로서 의사, 간호사, 임상 병리사, 의료 영상 전문가 등이 될 수 있으며, 의료 장치를 수리하는 기술자가 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 명세서 전체에서 "대상체"는 신장 외에도 신체(예컨대, 인체)의 일부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 대상체에는 혈관, 간이나, 심장, 자궁, 뇌, 유방, 복 부 등의 장기가 포함될 수 있다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

초음파 자극을 통한 만성신장질환 예방 및 대응이 가능한 기전

도 1은 본 발명과 관련된 초음파 자극을 통한 만성신장질환 예방 및 대응이 가능한 기전을 설명하는 도면이다.

도 1의 a에 도시된 것과 같이, arterial hypertension (동맥성 고혈압), diabetes (당뇨병), nephrotoxin (콩팥독소세포), oxidative stress (산화 스트레스)로 인해 신장 (c)은 상처(b)를 입게 되고, 이러한 이벤트가 누적되면서 만선신장질환이 유도된다.

이때, 본 발명이 제안하는 초음파 자극을 통한 대응 (d)이 제공되는 경우, antioxidation (항산화), anti-inflammation (항염증), 혈압감소, 산화 질소의 증가 (e) 등이 유도됨으로써, 만성신장질환(f)을 예방 및/또는 대응할 수 있게 된다.

즉, 초음파 자극을 통하여 anti-oxidation, anti-inflammation, Blood pressure reduction, increase of nitric oxide의 현상은 기 알려져 있으며, 이는 Flavonoid와 같은 만성신장질환 치료제와 유사한 기전을 가지고 있다.

이러한 기전은 약을 대체할 수 있는 “초음파약 (Acoustic medicine)”의 개념으로 비침습적으로 외과적 수술 없이 만성신장질환에 대응할 수 있는 새로운 방법이며, 특히 약물로 대응 시 신장에 부작용을 야기할 수 있는 문제를 해결하는 기술로 볼 수 있다.

초음파 장치

이하에서는, 도면을 참조하여 하드웨어 시스템, 신호처리부 등에 대해 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명에서 제시하는 만성신장질환에 대응할 수 있는 초음파 장치의 블록도를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 초음파 장치(10)는 영상 및 PAM 시스템(100), 대응용 시스템(200), 초음파 출력 변환부(300), 표시부(400) 및 전원부(500)를 포함할 수 있다.

영상 및 PAM 시스템

영상 및 PAM 시스템(100)은 영상용 신호 발생부(10), 영상 송신 집속부(102), 영상 송신 증폭부(103), 영상 매칭부(104), 영상 송·수신부(105), 영상용 배열형 변환자(107), 제어부(106), 영상 수신 증폭부(108, 111), 영상 수신집속부(112), 신호 전처리부(109), 영상 가이드 처리부(113), PAM 영상처리부(110)로 구성되며, 가이드 및 PAM 영상 모드 전환을 위한 가이드/PAM 모드 전환 스위치(114)를 포함한다.

대응용 시스템

대응용 시스템(200)은 대응용 신호 발생부(201), 송신 증폭부(203), 매칭부(204), 송·수신부(202), 변환자(207), 수신 증폭부(203), PCD (Passive cavitation detector) 증폭부(205), PCD 매칭부(206), PCD 초음파 변환자(208)로 구성된다

초음파 대응용 장치(10)는 상기 두 시스템들(100, 200)에서 획득된 초음파 수신 신호들을 바탕으로 대응과정에서 대상체에서 유도되는 특성을 실시간으로 분석하고, 환자에게 최적의 초음파 출력을 제공하기 위한 폐쇄 루프 피드백 (Closed loop feedback) 알고리즘을 포함한다.

이는 초음파 출력 변환부(300)를 통해 구현 가능하다.

초음파 출력 변환부

상기 알고리즘은 실시간으로 수신된 신호들을 저장할 수 있는 DAQ board (Data acquisition board, 330), 수신 신호들을 바탕으로 대상체 특성을 도출하기 위한 ΔGFR 신호처리부(320), 도출된 ΔGFR 레벨을 바탕으로 변환자가 환자에게 적절한 초음파 출력을 제공하기 위해 대응용 신호 발생부를 조정가능한 초음파 출력 변환 알고리즘부(310)로 구성되도록 한다 (이하 Closed loope feedback 알고리즘).

또한, 각 시스템들을 구동시키기 위한 전원부(500) 및 초음파 영상 가이드, PAM 영상, ΔGFR 도출 내용 등을 사용자에게 표시하기 위한 표시부(400)가 포함된다.

초음파 장치의 구동

도 2를 참조하여 초음파 장치의 구동 순서와 원리에 대해 다음과 같이 설명한다.

영상 및 PAM 시스템(100)은 처치 이전 대상체의 정확한 위치를 확인하기 위한 영상 가이드와 대응 과정에서 변환자로부터 출력된 초음파 에너지가 체내에서 형성된 음향 특성을 확인하기 위한 PAM 영상 구동으로 구분할 수 있으며, 두 영상은 사용자가 가이드/PAM 모드 전환 스위치를 이용하여 선택할 수 있도록 한다.

영상 및 PAM 시스템의 영상 가이드 구동 모드

먼저, 영상 가이드 구동의 경우, 영상용 신호 발생부(101)에서는 초음파 영상의 해상도를 향상시키기 위해 시간 길이 (Time duration)가 짧은 사인파 형태의 신호를 생성하여 송신 집속부(102)에 전달되며, 송신 집속부(102)에서는 설정된 초음파 집속 거리에 따라 배열형 변환자내 각 압전소자들에 인가되는 신호들의 시간 지연 (Time delay)을 조절하고, 상기 신호는 송신 증폭부(103)를 통해 체내 송신하기 위한 적절한 진폭으로 증폭된 후 영상 송·수신부(105)를 거쳐 시스템과 영상용 변환자간 전기적 임피던스 (Electrical impedance) 정합을 위한 영상매칭부(104)를 통과 후 변환자에 인가되어 초음파 에너지를 체내에 송신한다.

송신된 초음파 에너지는 인체 내 다양한 장기들이 갖는 음향 임피던스 차이로 인해 반사되어 다시 영상용 변환자로 수신되며, 수신된 신호는 영상 송·수신부(105)를 거쳐 영상 매칭부(104)를 통과 후 송·수신 과정에서 초음파 신호 감쇄를 보상하고 신호처리가 가능한 전압수준을 형성하기 위해 수신 증폭부를 거치며, 수신 집속부(112)에서는 송신 증폭부(103) 시간 지연 설정을 기반으로 체내 송·수신과정에서 변동된 신호의 시간지연을 재 정열 하여 영상 가이드 및 PAM 영상을 선택할 수 있는 제어부(106)를 거쳐 영상 가이드 처리부(113)로 전달된다. 영상 가이드 처리부(113)에서는 B-mode (Brightness mode) 영상 구현을 위한 신호처리 과정을 거쳐 실시간으로 대상체 영상을 표시부(400)로 확인할 수 있도록 한다.

상기 영상 가이드 모드는 표시부로 영상을 전달하는 동시에, 대응 과정에서 ΔGFR 수치를 도출하기 위해 시간에 따른 영상 저장이 가능한 DAQ board(330)로 전송되도록 하며, 신호처리부(320)에서는 DAQ board(330)에 수집된 시간에 따른 영상들을 음향 공동화 레벨, DCE 기반 시간대 강도 그래프를 바탕으로 AUC (Area under the curve), Slope of signal intensity graph, Peak point shifting 등 (이하 ΔGFR)을 도출함으로써, 초음파 대응으로 인해 대상체에서 유도되는 특성 변화를 수치 혹은 그래프 등을 통해 실시간으로 가시화할 수 있도록 한다.

영상 및 PAM 시스템의 PAM 영상 구동 모드

PAM 영상 구동의 경우, 영상용 신호 발생부(101)는 특별한 인가 신호를 발생시키지 않으며 이에 따라, 영상 송신 집속부(102), 영상 송신 증폭부(103)는 구동되지 않도록 한다.

대응 과정에서 대상체로부터 방사되어 수신되는 신호들을 기반으로 구동 되며 이를 위해, 영상용 변환자(107)는 수신 신호들을 획득하고, 획득된 수신 신호는 영상 송·수신부(105), 제어부(106), 영상 수신 증폭부(108, 111)를 거쳐 신호 전처리부(109)로 전달되도록 한다.

신호 전처리부(109)에서는 수신된 신호를 채널간 상대적 위치에 맞춰 순차적으로 정열하거나 수신하고자 하는 주파수 대역폭에 맞춘 필터 (대역, 고역, 저역 통과 필터 등) 적용 등이 수행되도록 한다.

도 3은 PAM 영상 구현을 위해, PAM 영상처리에서 수행되는 프로세스에 대한 일련의 예를 나타내었다.

도 3에서, 신호 전처리부는, 전술한 시스템 상의 신호 전처리부(109)가 될 수 있고, 별도의 신호 전처리부(115)로 처리될 수도 있다.

신호 전처리부(109, 115)로부터 전달된 수신 신호는 빔 형성부(1011)로 전달되며 먼저, 시간 지연부(1010)에서는 영상화하고자 하는 영역을 지정하고 해당 영역 내에 픽셀 개수를 설정하도록 하며, 각 필셀 위치와 수신 엘리먼트의 위치를 이용하여 영상화 영역내의 임의의 픽셀의 위치에서 수신되는 신호의 시간 지연을 연산 후 빔 형성부(1011)로 전달하도록 한다. 빔 형성부(1011)에서는 신호 전처리부(109, 115)로부터 전달된 수신 신호에 시간 지연부(1010)에서 전달된 시간 지연 값을 적용 후 합산하여 각 채널에 따른 초음파 빔을 형성하고 이때, 코히런트 인자 검출기(1012)로부터 코히런트 인자를 전달받아 추가적인 신호 처리를 수행 가능하도록 한다.

신호 후처리부(1013)에서는 이동 평균 필터등의 추가적인 신호처리가 수행되도록 하며, 최종적으로 빔의 최대 강도 값을 추출하여 픽셀 값으로 지정한 후 표시로 전달하도록 한다.

대응용 시스템의 구동

대응용 시스템(200)의 경우, 대응용 신호발생부(201)에서 효율을 향상시키기 위해 영상용 신호발생부 대비 상대적으로 긴 신호 길이와 증가된 펄스반복주기를 갖는 신호를 생성하여 송·수신부(202)를 거쳐 송신 증폭부(203)로 전달하며, 처치에 적합한 진폭을 갖도록 송신 증폭부(203)에서 신호를 증폭시킨 후 매칭부(204)를 거쳐 변환자(207)로 인가된다.

대응용 시스템은 송·수신부(202)를 이용하여 영상 및 PAM 시스템(100)과 마찬가지로, 대응 과정동안 집속점에서 방출된 신호를 변환자(207)가 실시간으로 수신하는 것이 가능하며, 수신된 신호는 매칭부(204), 수신 증폭부(203), 송·수신부(202)를 거쳐 시간에 따른 데이터 수집을 위해 DAQ board(330)에 저장된 후 ΔGFR 신호처리부(320)로 전달되도록 한다.

영상 및 PAM 시스템(100)은 초음파 B-mode 영상을 기반으로 ΔGFR를 위한 다양한 변수들을 도출할 수 있는 반면, 대응용 시스템(200)은 단순히 A-mode (Amplitude-mode) 만을 수집 가능하기 때문에 ΔGFR 변수들 중 음향 공동화 결과만을 도출하도록 한다.

상기 대응용 시스템(200)은 대응용 신호 발생부(201)가 일정한 시간 길이를 갖는 Tone burst signal 등이 인가될 경우 송·수신부(202)를 통해 하나의 변환자만으로 대응을 위한 송신과 대상체에서 반사되는 신호 수신이 동시에 가능하다.

하지만, 초음파 변환자(207) 표면과 대상체의 거리 대비 Tone burst signal의 시간 길이가 더 길거나, 연속파형을 인가하는 경우 변환자(207)만으로 수신 신호를 수집하기 어려운 문제가 발생된다.

도 3은 상기 변환자에 인가되는 Tone burst signal 시간 길이 및 연속파형에 따라 송·수신부를 통해 송·수신되는 일례를 나타낸 것이다.

한편, 도 4는 수신 신호 획득을 위해 사용자가 활용 가능한 대응용 및 PCD 변환자 중에서, 환경에 따른 활용 변환자 조건을 소개하기 위한 일례를 도시한 것이다.

도 4를 참조하면, 도 4의 (a)는 변환자 표면과 반사체간 거리 대비 송신 신호 길이가 작다면 변환자 하나만으로도 대응용 송신과 ΔGFR 도출을 위한 수신이 가능하고, 도 4의 (b), (c)와 같이 변환자 표면과 반사체간 거리대비 송신 신호 길이가 길거나, 연속파형을 인가하는 경우에는 송신 및 수신 신호가 Overlap되어 왜곡된 수신신호를 바탕으로 정확하지 못한 ΔGFR 을 도출할 우려가 있기 때문에 도 4의 (b), (c)의 경우는 ΔGFR 도출을 위해 변환자를 이용한 대응과정에서 추가적인 PCD (Passive cavitation detector) 변환자를 이용하여 수신 신호를 수집하도록 한다.

PCD 변환자(208)를 이용하여 수신된 신호는 PCD 매칭부(206)와 PCD 증폭부(205)를 통해 적정 수준의 진폭을 형성하도록 하여 송·수신부(202)로 전달되고, 마찬가지로 폐쇄 루프 피드백 (Closed loop feedback) 알고리즘으로 인가되어 음향 공동화 수치를 도출하고 표시하도록 한다.

초음파 출력 변환부의 구동

폐쇄 루프 피드백 (Closed loop feedback) 알고리즘의 경우, 상기 영상 및 처치용 시스템들(100, 200)에서 획득된 수신 신호를 바탕으로 대응 과정에서 대상체에서 유도되는 조직 특성을 음향 공동화 레벨, DCE 기반 시간대 강도 그래프를 바탕으로 AUC (Area under the curve), Slope of signal intensity graph, Peak point shifting 등의 다양한 ΔGFR 변수들로 도출하며, 도출된 변수들은 초음파 출력 변환 알고리즘부(310)에서 현재 조사되는 초음파 출력 강도가 대상체 처치에 안전하고 적절한지를 실시간으로 판단하고, 사용자가 설정한 일정 레벨 이하 혹은 이상의 ΔGFR 레벨이 도출되었다면 대응용 신호발생부(201)에서 인가되는 초음파 파라미터를 적정 수준으로 조정할 수 있도록 한다.

도 5는 상기 초음파 출력 변환 알고리즘의 일례를 나타낸다.

도 5를 참조하면, 사용자는 대응 전, ΔGFR 변화량을 상대적으로 분석하기 위해 최초 단시간 동안 실제 적용되는 초음파 파라미터를 인가하여 GFR_ref. (GFR 레퍼런스) 수치를 측정 및 저장한다(S1).

이때, 사용자는 GFR_ref. 수치를 바탕으로 환자 처치에 안전하고 효과적인 범위라고 판단되는 최소 및 최대 레벨의 ΔGFR 임계치를 설정하도록 한다(S2).

초음파 처치를 시작한 이후 시스템은 실시간으로 ΔGFR를 연산하여 도출하고, 도출된 수치를 GFR_ref. 수치와 차이를 통해 상대적인 레벨 증감량을 확인하여 초음파 출력 변환 알고리즘에 전달하도록 한다(S3, S4, S5).

상기 알고리즘에서는 레벨 증감량과 사용자가 설정한 임계치를 기반으로 논리연산을 수해하며 상대적 레벨 증감량이 최소 임계치 보다 낮을 경우 초음파 출력 강도 증대, 높을 경우 출력 강도 감소, 임계치 범위 이내라면 현재 초음파 출력 강도를 유지하며, 조사 시간이 충족한다면 과정을 종료하도록 한다(S6 내지 S12).

또한, 상기 ΔGFR을 도출하기 위한 음향 공동화 레벨, DCE 기반 시간대 강도 그래프를 바탕으로 AUC (Area under the curve), Slope of signal intensity graph, Peak point shifting 등의 변수들의 연산 방식은 다음과 같다.

음향 공동화의 경우 도 6의 일련의 예제를 기반으로 소개하면, DAQ board(330)를 통해 GFR 신호처리부로 전달된 GFRref. 및 GFR 신호는 기본적으로 도 6의 (a)와 같이 시간축 형태를 갖으며 이를 FFT (fast Fourier transformer) 신호처리 통해 도 6의 (b)와 같이 주파수 축으로 전환하고, GFRref. 와 ΔGFR 간의 상대적인 차이로 도출되는 주파수 축 결과에서 주파수 성분과, 각 주파수 성분의 Magnitude를 바탕으로 ΔGFR을 도출하도록 한다. 대상체는 조사되는 초음파 출력 강도가 증가될수록 조직내 음향 공동화 현상이 증대되어 f0 기본 주파수 성분을 기반으로 배수를 갖는 f2, f3, f4 등의 추가적인 Harmonic 주파수 성분들이 발생되며, 그 강도가 점차 증가될수록 f1.5, f2.5 등의 Ultraharmonic 주파수 성분들이 추가적으로 발생되고, 강도가 더욱 증가될 경우 주파수 축을 형성하는 광대역폭 (Broad-bandwidth)의 Magnitude 가 전체적으로 증가되는 현상을 나타낸다.

도 6의 (c)와 같이 일반적으로 Harmonic 성분들을 SCDh (Stable cavitation dose harmonic), Ultraharmonic 성분들을 SCDu (Stable cavitation dose Ultraharmonic), 광대역폭 성분들을 ICD (Inertial cavitation dose) 로 구분하고 각 성분들을 Bar 그래프 혹은 수치적 타입을 갖는 Cavitation dose로 전환하여 각 Dose 변화량을 기준으로 대상체 조직에서 발생되는 음향 공동화 레벨 및 조직 데미지 위험성을 판단하는 기준으로 활용될 수 있다. 각 Dose 들은 Cavitation dose 전환을 위해 각 Dose 들이 시간에 따라 나타내는 주파수축 결과를 시간에 따른 RMS (Root-mean-square)로 전환 후, 연산을 통해 도출된 그래프가 가지는 하위 면적을 누적 사다리꼴 수치 적용을 통해 Cavitation dose를 도출하며, 그 수학식 1은 RMS 및 누적 사다리꼴 수치 적분을 위한 수식을 나타낸다.

수학식 1

RMS =

S =

따라서, 본 발명에서 제안한 초음파 장치(200)는 대응 과정에서 대상체의 특성을 실시간으로 확인하기 위해 ΔGFR 변수 중 하나로, 상기 음향 공동화 기법을 활용 하도록 하며, 도 6의 일련의 신호처리 과정을 포함하도록 한다.

또한, AUC (Area under the curve), Slope of signal intensity graph, Peak point shifting 등의 변수들은 획득된 초음파 영상 기반 DCE를 이용하여 도출하는 것이 가능하도록 한다.

한편, 도 7의 (a)는 초음파 대응 전·후로 도출된 DCE 영상을 나타내며 좌측은 초음파 대응 전 (GFRref.), 우측은 초음파 대응 과정동안 획득된 DCE 추출 영상을 바탕으로 시간에 따른 Intensity 그래프 (ΔGFR)를 도출한 예제를 나타낸다.

상기 Intensity 그래프 기반 AUC, Slope of signal intensity graph, Peak point shifting 등의 변수를 도출 가능하며, AUC는 그래프가 가지는 하위 면적량을 의미하고, Slope of signal intensity는 실시간으로 변화하는 그래프의 기울기, Peak point shifting은 GFRref. 대비 ΔGFR 그래프 간의 최대점 변동량을 의미하도록 한다.

각 변수들은 음향 공동화와 마찬가지로 GFRref. 및 ΔGFR 간의 상대적인 차이를 연산을 통해 도출하며, 도출된 수치가 GFRref. 대비 변화되는 양을 바탕으로 대상체에서 발생되는 조직 특성을 실시간으로 예측할 수 있도록 한다.

AUC는 음향 공동화 기반 Cavitation dose와 동일한 수학식을 통해 도출이 가능하고, Slope of signal intensity graph는 실시간으로 연산되는 그래프에서 전,후 수치를 바탕으로 미분하여 도출하고, Peak point shifting은 수학식 2와 같은 Cross correlation 을 이용하여 GFRref. 및 ΔGFR 그래프들 간의 변화량을 손쉽게 도출할 수 있도록 한다.

수학식 2

따라서, 본 발명에서 제안한 초음파 장치(200)는 음향 공동화 및 DCE 영상 기반 AUC (Area under the curve), Slope of signal intensity graph, Peak point shifting 등의 변수를 도출하여 대응 과정에서 대상체의 특성을 실시간으로 관찰할 수 있는 변수로 활용하도록 한다.

초음파 장치의 구조

도 8은 본 발명에서 제안하는 초음파 장치의 구체적인 일례를 도시한 것이다.

전술한 것과 같이, 초음파 장치(200)는, 초음파 구동부(230), 매칭부(210) 및 트랜스듀서(초음파 변환자 모듈, 220)를 포함할 수 있다.

본 발명의 특징인 초음파 변환자 모듈(220)에 대해, 이하 구체적으로 설명한다.

환자 피부 표면에 웨어러블 타입으로 부착하기 위한 초음파 변환자 모듈(220)의 경우, 본 발명에서는 변환자 특성 변환을 위한 정합층 탈부착 시스템, 자바라 타입 홀더를 활용한 초음파 집속 거리 및 조사 각도 조절 장치, 최초 초음파 젤을 포함하는 모듈 구조, 초음파 에너지가 환자 체내에 이상적으로 전달되고 있는지를 확인 가능한 감지 시스템, 하나의 변환자 기반 송신 및 수신 최적화 구조를 별도로 구성 가능한 다중 압전소자 구조 변환자, 초음파 변환자의 부착 위치를 사전에 확인 가능한 부착 가이드 시스템, 대상체 위치 추적 조사 시스템을 포함한다.

먼저, 정합층 탈부착 시스템의 경우, 압전소자와 피부 및 다양한 장기들이 갖는 음향 임피던스는 큰 격차를 가지고 있기 때문에 압전소자로부터 발생된 초음파 에너지는 피부 및 장기 표면에서 반사되거나 혹은 열 에너지로 전환되어, 대응을 위한 대상체에는 상당히 미비한 초음파 에너지만이 전달될 수 있다.

이 경우, 대상체에 적정 수준의 초음파 에너지가 전달될 수 있도록 출력 강도를 증가시켜야 하지만, 압전소자에 과도한 전압 인가는 압전소자 손상을 유발하며, 압전소자 표면에 높은 열을 유발시킴으로써 환자에게 해를 가할 우려가 있다.

따라서 압전소자와 피부간의 음향 임피던스 차이를 완화시키기 위한 단일 및 다중 정합층을 적층함으로써 상기 문제 해결이 가능하지만, 일반적으로 정합층은 접착제등을 이용하여 압전소자 표면에 본딩되기 때문에 한번 접착하면 다른 정합층 적층을 통한 변환자 특성 변환이 어렵다.

따라서 본 발명에서는 이러한 단점 극복을 위해, 사용자가 환경에 따라서 변환자를 다양한 특성으로 변경가능한 정합층 탈부착 시스템을 제안한다.

이하에서는, 설명의 편의를 위해, 트랜스듀서(초음파 변환자 모듈, 220) 자체가 초음파 장치(200)인 것으로 가정하여 설명한다.

단, 본 발명의 내용이 이에 한정되는 것은 아니고, 초음파 장치(200)는 트랜스듀서(초음파 변환자 모듈, 220) 이외에도, 초음파 구동부(230), 매칭부(210) 등을 추가적으로 포함할 수 있는 것은 자명하다.

제 1 실시예 - 정합층 탈부착 시스템

도 9는 본 발명에서 제안하는 정합층 탈부착 시스템(600)의 일례를 도시한 것이다.

도 9를 참조하면, 도 9의 (a)는 제안된 시스템과 관련하여 일련의 예시를 나타낸 것으로써, 압전소자(610) 및 정합층들(620, 630)은 내면 및 측면에 스크류를 갖는 모듈에 장착되며, 각 모듈들은 내면 및 측면에 형성된 스크류를 이용하여 회전을 통해 서로 결합이 가능하도록 한다.

사용자는 다양한 물성 및 음향 임피던스를 갖는 압전소자(610) 및 정합층들(620, 630)을 선택적으로 탈부착 하여 사용이 가능하며 이를 통해, 다양한 특성을 갖는 초음파 변환자 확보 과정에서 소요되는 비용을 절감할 수 있다.

도 9의 (b)는 압전소자(610)와 다중 정합층이 결합된 일련의 예시를 나타내며, 도 9의 (c)는 정합층 적층 단계별로 변환자에서 송·수신 응답 (Pulse-echo response)을 통해 측정되는 결과를 소개하였고, 정합층 적층에 따라서 변환자의 송·수신 효율이 증대됨을 알 수 있다.

제 2 실시예 - 자바라 타입 홀더를 활용한 초음파 집속 거리 및 조사 각도 조절

도 9에 제안된 변환자 구조의 연장선으로써, 초음파 변환자를 웨어러블 타입으로 환자 피부(650)에 부착하기 위한 홀더가 제안되며, 상기 홀더는 변환자와 동일한 크기를 가지고, 자바라 형태의 외형을 가지고, 하단에 피부(650)와 접착할 수 있는 접착 테이프가 결합되어 있도록 할 수 있다.

상기 홀더 내부는 변환자와 결합이 용이하도록 모듈과 동일한 스크류가 형성되도록 하며, 폴리프로필렌 (PP)과 같이 경도가 낮은 재질을 자바라 구조로 형성함으로써 사용자가 일정한 압력 시 쉽게 압축되어 변환자의 높낮이 조절이 가능하도록 한다.

도 10은 본 발명에서 제안된 홀더와 변환자 모듈이 결합된 일련의 예를 나타내며, 최초, 도 10의 (a)와 같이 홀더와 변환자간 결합 후, (b) 및 (c)와 같이 사용자가 일정한 압력을 홀더에 가할 시, 압축되어 초음파 집속 거리가 조절될 수 있다.

또한, 제시된 상기 재질 및 구조는 사용자가 홀더의 일정한 위치만을 압력 시, 해당 위치만 압축될 수 있는 특징을 이용하여 변환자의 조사 각도가 일정 수준 내에서 조정 가능하도록 한다.

한편, 도 11은 변환자 조사 각도가 변경된 일련의 예를 나타냈다.

이러한 구조는 고정된 집속 거리를 갖는 단일 압전소자(610) 변환자의 한계를 극복 가능하며, 환자 피부(650) 표면에 홀더 부착 후, 대응하고자 하는 대상체에 위치에 따라서 배열형 변환자와 유사하게 집속 거리 및 조사 각도 조절이 가능하기 때문에, 배열형 변환자 대비 상대적으로 저렴한 단일 변환자를 이용하여 배열형 변환자 수준의 동등한 효과를 이끌어 내어 장비의 제조 원가 절감을 유도할 수 있으며, 대응하고자 하는 대상체 위치 조정 시, 일정 범위 내에서 홀더를 피부(650)에서 탈착하지 않고도 집속 거리 및 조사 각도 조정만으로 대응이 가능하기 때문에 사용의 편리성 및 효율 증대를 이끌어낼 수 있다.

제 3 실시예 - 초음파 젤을 포함하는 모듈 구조

도 9, 10 및 11에 제안된 변환자 모듈 구조의 연장선으로써, 홀더 내부에는 최초 밀봉 테이프를 통해 초음파 젤 (이하 밀봉 초음파 젤, 661)이 밀봉되어 있도록 하며, 홀더 부착 위치 조정 시 밀봉 초음파 젤의 여분이 피부(650)에 잔여량으로 남아 홀더 내부의 젤이 부족한 경우를 고려하여 홀더는 여분의 초음파 젤 캡슐(660)을 포함하도록 한다.

초음파 젤 캡슐(660)은 튜브를 통해 홀더 한 측면에 연결되어 사용자가 캡슐 압력 시, 캡슐 내 초음파 젤(661)이 홀더 내부로 주입되도록 하며, 홀더와 결합된 변환자가 피부(650)에 밀착하는 경우 홀더 내부 초음파 젤(661)이 주입부의 반대편에 배출구를 형성하여 튜브를 통해 다시 초음파 젤 캡슐로 전달되는 일련의 초음파 젤 순환 기법을 적용한다.

제안된 기법을 통해 사용자는 최초 별도의 초음파 젤이 필요하지 않아 사용의 간편함을 유도할 수 있으며, 준비 과정에서, 홀더 부착 위치 조정 시에도 추가적인 젤 캡슐을 통해 보충이 가능함에 따라 장시간 대응 과정에서도 사용의 간편함을 유도하는 것이 가능하다.

또한, 변환자 및 피부(650) 표면간에 초음파 젤(661)이 효과적으로 초음파 에너지를 전달함에 따라 도 10에서 소개된 초음파 조사 깊이 및 각도 조절이 가능하도록 한다.

제 4 실시예 - 초음파 에너지가 환자 체내에 이상적으로 전달되고 있는지를 확인 가능한 감지 시스템

도 9, 10, 11 및 12에 제안된 변환자 모듈 구조의 연장선으로써, 제안된 초음파 변환자 모듈은 홀더로 인해 변환자 표면이 피부(650)에 밀착하여 대응이 가능하거나 초음파 젤을 매개체로 하여 변환자와 피부(650) 표면이 이격된 상태에서도 대응이 가능하다.

이 경우, 변환자 표면이 피부(650)에 밀착되어 공기층(662)이 형성되지 않았는지, 초음파 젤 양의 부족으로 공기층이 형성되지 않았는지 대응 전 확인이 필요하다.

이를 위해, 별도의 센서 없이 활용되는 초음파 변환자를 이용하여 확인 가능하며, 대응 전, 사용자는 공기층(662)이 형성되지 않은 이상적인 환경을 확인 후 초음파 파라미터를 송·수신 응답 기법을 통해 최초 극히 짧은 시간동안 대상체에 조사하여 레퍼런스 수신전압을 수집하도록 한다.

이후, 대응 전·중 과정에서 송·수신 응답 기법을 통해 상기 레퍼런스 수신 전압과 차이를 연산하여 그 수치가 실시간으로 표시부(400)에 도출하도록 하며, 수치의 차이가 증가될수록 이상적인 초음파 전달이 되지 못하고 있음을 알림을 통해 알려줄 수 있도록 한다.

도 13은 제안된 초음파 전달 감지 시스템 일련의 예제를 나타낸 것으로써,

도 13의 (a)는 송·수신 응답 기법을 통해 최초 수집된 레퍼런스 신호를 나타내며, 도 13의 (b)는 일부 공기층(662) 형성으로 인해 초음파 에너지가 감쇄되어 체내에 충분히 전달되지 못하였으며, 수신 역시 감쇄된 신호로 획득됨에 따라 레퍼런스 수신 전압과 큰 차이를 나타내고 있음을 나타내며, 도 13의 (c)는 이상적인 피부(650) 밀착을 통해 초음파 에너지의 감쇄가 발생하지 않아 최초 레퍼런스와 동일한 수준임을 나타내는 송·수신 응답 기법 기반 초음파 전달 감지 시스템을 나타낸다.

상기 기법은 대응 전, 중에서 사용자의 실수 혹은 웨어러블 타입으로 인한 환자의 움직임 과정에서 발생되는 변환자 모듈의 체결 이상을 실시간 알람을 통해 제공하므로 효율을 향상시킬 수 있다.

제 5 실시예 - 하나의 변환자 기반 송신 및 수신 최적화 구조를 별도로 구성 가능한 다중 압전소자 구조 변환자 적용

도 9, 10, 11, 12 및 13에 제안된 변환자 모듈 구조의 연장선으로써, 본 발명에서 제안된 초음파 장치는 정확한 대응을 수행함과 동시에 수신 신호를 기반으로 도출되는 ΔGFR을 통해 대상체의 특성을 정확하게 도출하는 것이 중요하다. 이러한 송신 및 수신에 각각 최적화된 변환자는 적층 구조 및 사양이 서로 다르게 형성될 필요가 있다.

일반적으로 압전소자가 압전효과 (Piezoelectric effect) 및 역 압전효과 (Inverse piezoelectric effect) 특징을 가지기 때문에 하나의 특성만을 갖는 단일 압전소자 구조의 변환자 만으로 송신 및 수신이 가능하지만, 효율 향상을 위해서는 각 특성에 최적화된 변환자들을 개별적으로 사용하는 것이 중요하다.

하지만, 이러한 개별적인 복수의 변환자들을 이용하여 대응이 수행되기 때문에 대응 과정에서 송신 및 수신 변환자들의 얼라인먼트를 수행해야 하는 불편함이 발생되며, 증가된 변환자 종류에 따라서 시스템 비용이 증가될 수 있다.

따라서, 다중 압전소자 구조 변환자는 하나의 변환자 내에 송신 및 수신에 최적화된 각기 다른 적층 구조 및 사양을 갖는 복수의 서브-변환자들을 포함할 수 있는 방안을 제시한다.

도 14는 본 발명에서 제안된 다중 압전소자 구조 변환자의 일련의 예시이다.

도 14의 (a)는 홀더와 결합 가능한 변환자 모듈에 총 2개의 서브-변환자들 (대응용(710) 및 수신용(720) 변환자) 들이 구성된 외형을 나타내었으며, 도 14의 (b)는 상기 모듈의 단면도를 나타낸다.

송신 및 수신용 변환자들(710, 720)은 반구 형태로 하나의 변환자에 삽입되며, 두 변환자들 간에는 Cross-talk 등의 전기적 상호간섭을 절연 및 흡수하기 위한 절연체(730)가 포함되도록 한다.

이를 통해, 각 변환자들(710, 720)은 서로 다른 사양 및 적층 구조를 형성할 수 있으며, 가령, 변환자(710)는 높은 인가 전압 및 장시간 대응으로 인해 PZT-4 등의 Hard type 압전소자(712)를 사용하는 것이 용이하며, 수신용 변환자(720)는 대상체에서 수신되는 미세한 신호를 최대한 회득하기 위해 PZT-5 등의 soft type 압전소자(721) 사용 및 정합층을 이용한 음향 임피던스 완화 구조를 적용하는 것이 용이하다.

제안된 변환자 구조는 하나의 변환자 내에서 서로 다른 다중 특성을 각기 개별적으로 구동하는 것이 가능하기 때문에 시스템의 단순화를 이끌어 낼 수 있으며, 두 변환자를 사용시 발생되는 얼라인먼트등의 설정이 불필요하여 시간 절감 및 프로토콜의 단순화를 유도할 수 있다.

제 6 실시예 - 초음파 변환자의 부착 위치를 사전에 확인 가능한 부착 가이드 시스템

도 9, 10, 11, 12, 13 및 14에 제안된 변환자 모듈 구조의 연장선으로써, 피부(650) 표면에 부착되는 홀더 하단은 복수의 레이저 포인터들(810)을 포함하며, 홀더(820)가 피부(650)와 이격 되어 있는 동안에도 레이저 포인터(810)를 통해 부착 위치를 예측할 수 있도록 하고, 피부(650) 표면에 홀더를 고정하기 위한 접착 테이프(840)는, 홀더(820)가 피부(650) 표면에 근접할수록 접착 테이프로 인해 가이드 되지 못함을 방지하고자 최초 탈부착이 가능하도록 한다.

도 15는 본 발명에서 제안된 부착 가이드 시스템의 일련의 예를 나타낸다.

도 14의 (a)는 접착 테이프(840)가 탈착된 상태에서 복수의 레이저 포인터(810)를 갖는 홀더(820) 하단면 이미지를 나타내며, 도 14의 (b)는 접착 테이프를 부착하였을 때 홀더 이미지, 도 14의 (c)는 제안된 구조의 측면 이미지를 나타낸다.

홀더(820) 하단에는 접착 테이프(840)를 이용하여 피부(650)와 고정하기 위해, 일정한 면적을 갖는 홀더 지지대(830)가 포함되며, 지지대(830)는 사용자가 피부(650) 표면에 레이저 포인터(810)를 확인하기 위해 너무 넓은 면적을 갖지 않도록 하지만, 접착 테이프와 결합하여 피부(650) 표면에 충분한 접착이 되도록 적절한 면적을 가지는 것이 중요하다.

제안된 부착 가이드 시스템은 레이저 포인터(810)를 이용하여 사용자가 부착 위치를 사전에 확인 가능함에 따라, 정확한 부착 위치 조정을 위해 다수의 접착 테이프 탈부착을 시도하는 과정에서 발생되는 테이프 접착률 감소 및 홀더 내 밀봉 초음파 젤 의 보존, 시간 단축 등을 유도할 수 있다.

제 7 실시예 - 대상체 위치 추적 조사 시스템

도 9, 10, 11, 12, 13, 14 및 15에 제안된 변환자 모듈 구조의 연장선으로써, 환자의 호흡에 따라서 대상체 위치가 변동됨에 따라, 위치 변동을 실시간으로 감지하고 이에 따라 초음파 변환자의 조사 각도가 함께 변동 가능하도록 한다.

이를 위해, 개구부를 갖는 변환자 중앙에 영상용 변환자(100)를 삽입하고, 상기 영상용 변환자(100)를 이용하여 환자 호흡에 따라 변동되는 대상체 위치를 실시간으로 확인하는 것이 가능하다.

이때, 영상용 변환(100)자는 일반적으로 초음파 진단에 사용되는 배열용 변환자들 (Linear, Convex, Phased array transducer) 이 활용될 수 있다.

도 16은 본 발명에서 제안된 대상체 위치 가이드 시스템에 대해 일련의 예시를 나타내었으며, 도 16의 (a)와 같이 영상용 변환자(100)는 변환자(200) 개구부에 삽입되도록 한다.

도 16의 (b), (c) 와 같이 변환자(200)는 획득된 초음파 영상 기반으로 대상체 위치 이동에 따라 실시간으로 조사 위치를 변동될 수 있도록 하며, 변환자 모듈 뒷면에 회전용 모터 시스템이 구비되어, 초음파 영상에서 확인된 대상체 위치 이동에 따라 모터로 변환자 조사 각도가 변동될 수 있도록 한다.

또한, 도 16의 (d)와 같이 본 발명에서 제안된 초음파 장치는, 추가적인 외부 센서와 연동하여 사용이 가능하도록 하며, 추가적인 호흡 센서 사용을 통해 환자의 호흡신호 그래프를 실시간으로 획득 후, 호흡신호에서 도출되는 환자의 들숨 및 날숨 포인트와 영상용 변환자를 통해 획득된 초음파 영상과 매칭함으로써, 환자의 들숨 및 날숨 포인트를 시스템이 보다 정확히 인식 및 대응하여 정확도를 향상시킬 수 있도록 한다.

이러한 대상체 위치 추적 시스템은, 환자의 호흡 및 움직임에 따라 대상체의 위치가 변동되기 때문에 고정된 조사 방법을 취할 경우, 목표하지 않는 부위에 초음파 에너지가 조사되어 부작용이 초래될 수 있는 경우를 예방 가능하다.

도 17은 도 16에서 제안된 대상체 위치 추적 시스템이 구동되기 위한 일련의 알고리즘을 나타내었다.

도 17을 참조하면, 가장 먼저, 초음파 모듈을 피부에 부착할 수 있고(S20), 영상용 변환자 기반 대상체의 초음파 영상을 획득하게 된다(S21).

다음으로, 대상체 추적을 위한 경계선 이미지를 추출하고(S22), 경계선 이미지를 추적하는 모드로 전환될 수 있다(S23).

또한, 호흡 센서 신호와 호흡센서 포인트가 일치하는지 여부를 판단하고(S25), 일치하는 경우에는 추적된 회전에 따라 초음파를 조사하며(S26), 시간이 충족되면(S28), 대응 과정을 종료한다.

단, 호흡 센서 신호와 호흡센서 포인트가 일치하지 안는 경우에는 호흡 안정화 유도를 통한 포인트 매칭을 초기화하는 작업(S27)을 진행한다.

S25 단계에서 S27 단계가 진행된 경우에는, 다시 S24 단계로 복귀하여, S24 단계부터 새로운 과정을 수행하게 된다.

초음파 영상 가이드 및 PAM 영상 구현

대상체 위치를 정확하게 확인하고 대응을 수행하기 위한 초음파 영상 가이드 시스템에 있어서,

초음파 장치 내, 영상 및 PAM 시스템(100)과 대응용 시스템(200)이 순차적으로 혹은 동시에 활용될 수 있도록 한다.

도 18은 본 발명에서 제안된 초음파 영상 가이드 기반 시스템에 대한 일련의 예시를 나타내었다.

또한, 도 19는 초음파 영상 가이드 기반 시스템 구동을 위한 일련의 알고리즘 예시를 도시하였다.

도 18 및 도 19를 참조하면, 도 18의 (a)와 같이 변환자(200) 중앙에 일정 크기의 개구부를 지님으로써 해당 개구부에 영상용 변환자(100)를 삽입하고, 상기 결합된 초음파 변환자를 자바라 구조를 갖는 홀더와 결합하도록 한다(S30).

이때, 도 18의 (b)와 같이 변환자(200)는 피부(650) 표면과 이격된 상태에서 영상용 변환자(100)만을 피부(650)표면에 밀착시켜 대응하고자 하는 대상체 위치를 확인하도록 한다(S31).

최초, 영상용 변환자(100)는 초음파 영상 가이드 모드로 구동되고, 대상체 위치를 확인하였다면, 도 18의 (b)와 같이 초음파 영상을 통해 영상용 변환자를 대응하고자 하는 대상체의 정중앙에 위치시키고, 해당 위치에서 변환자를 누름으로써 피부(650) 표면에 밀착시키도록 한다(S33).

이 때, 변환자(200)를 피부(650) 표면에 밀착시키기 전, 영상용 변환자(100)로부터 획득된 초음파 영상을 Freezing 하여 표시부(400)에 고정시킨 후(S32), 변환자(200)를 이용하여 대응하는 과정에서 체내에서 발생되는 초음파 영상을 사용자가 실시간으로 확인하기 위해 영상용 변환자는 영상 가이드 모드에서 PAM 영상 모드로 사용자의 선택에 의해 전환될 수 있다(S34).

PAM 영상 모드를 통해 도출되는 초음파 영상을 앞서 Freezing된 대상체 영상위에 Overlap 함으로써, 사용자가 대응하고자 하는 대상체 위치를 정확하게 확인하고, 확인된 대상체 상단에 변환자(200)를 정확하게 위치시키는 것이 가능하게 된다(S34. 35).

또한, 초음파 및 PAM 영상 기반으로 초음파의 집속이 대상체 부위 중 어떠한 위치에 조사되고 있는 지를 사용자가 실시간으로 확인 가능하도록 한다(S36).

이를 통해, 사용자는 목표하지 않는 부위 조사로 인한 부작용을 예방하는 것이 가능하며, 초음파 영상을 기반으로 현재 대상체에 도달된 초음파 위치 및 에너지양을 확인 가능함에 따라, 정밀한 변환자 조사 위치 컨트롤 및 초음파 출력량을 조절함으로써 효율을 증대시키는 것이 가능하다.

또한, 접착 테이프를 이용하여 초음파 모듈을 고정할 수 있다(S36).

한편, 도 20은 PAM 영상 구현을 위한 일련의 예시를 나타내었다.

도 20의 (a) 에서는 평평한 Flat type 초음파 변환자로부터 초음파 에너지를 송신하며, 반사체를 와이어 타겟으로 활용하고, 와이어 상단에 영상용 변환자 (선형 배열형 변환자)를 위치하였다.

도 20의 (b)는 PAM 영상 구현 전, 영상용 변환자로 획득한 일반적인 B-mode 영상으로써, 변환자 표면으로부터 와이어 타겟의 위치가 42.8 mm임을 나타낸다.

도 20의 (c)는 와이어 타겟으로부터 반사되는 신호를 획득하고, 해당 신호들을 상기 소개된 PAM 영상처리부의 원리에 의해서 영상구현된 이미지를 나타내며 원 신호에서 추가적인 1-4 MHz 대역 통과 필터를 처리한 후 이미지를 나타내었다. 초음파 빔이 형성된 위치는 앞서 B-mode 영상에서 확인한 42.8 mm와 상당히 유사함으로써 정확한 PAM 영상 구현이 되었음을 확인할 수 있다.

또한, PAM 영상을 구성하는 개별적인 스캔라인은 상기 도 6에서 소개된 음향 공동화를 구현하기 위한 획득 신호 획득 방법과 동일하며, 이를 통해 PAM 영상을 구성하는 각 스캔라인의 시간축 신호를 주파수 축으로 변형함으로써 PAM 영상 기반 음향 공동화 신호를 도출하는 것이 가능하다.

도 21은 대응 과정에서 PAM 영상 기반 음향 공동화 신호 도출 방법에 대한 일련의 예제를 나타내었다.

변환자로부터 송신된 초음파 에너지가 대상체 표면 및 내부에서 산란 및 반사로 인해 배열형 변환자로 인가 되며 이때, 배열형 변환자는 일정한 면적을 갖는 2D 영상 구현을 위해 압전소자 수신 시프트를 통해 복수의 스캔라인들이 수집된다.

각 스캔라인들은 초음파 산란 및 반사가 유도된 거리가 서로 다름에 따라 서로 다른 시간지연, 감쇄로 인한 서로 다른 수신 전압 특성을 시간 축 형태로 가지며, 이러한 시간 축 신호를 일련의 배열로 정렬하여 영상처리 할 경우 PAM 영상 구현이 가능하며, FFT를 통한 주파수 축 변환 시, 송신된 초음파 에너지가 갖는 중심주파수의 배수를 갖는 Harmonic 성분들의 Magnitude를 기반으로 대상체의 음향 공동화 특성을 분석하는 것이 가능하다. 따라서, 본 발명에서 제안하는 PAM 영상 기반 음향 공동화 신호 도출 기법을 통해 사용자는 PAM 영상을 통해 대상체에 조사되는 초음파 집속 형태 및 정보를 확인하는 동시에 대상체 내부에서 초음파로 인해 유도되는 음향 공통화 특성을 확인 가능하도록 한다.

또한, 도 22은 PAM 영상 기반 음향 공동화 신호 추출 방안에 대해 일련의 예를 나타내었다.

도 22의 (a)에서 PAM 영상을 구성하는 하나의 스캔라인을 추출하고, 추출된 신호를 FFT 하여 주파수 축으로 변경함으로써 음향 공동화 신호 확인이 가능하며, 도 21의 (b)는 상기 방법을 바탕으로 초음파 대응 전 수집된 GFRref. 와 ΔGFR의 음향 공동화 신호를 도출한 예를 나타낸다.

ΔGFR의 그래프는 GFRref. 대비 추가적인 Harmonic 및 Ultraharmonic 성분 및 광대역폭 노이즈가 증가된 것을 알 수 있으며 이를 바탕으로, 본 발명에서 제안하는 초음파 장치는 PAM 영상 모드 기반 초음파 영상 확인 시, 동시에 대상체에서 유도되는 음향 공동화 수치를 표시함으로써 사용자는 보다 정확한 정보를 기반으로 효율을 증대시킬 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 효과

초음파 변환자에 있어서, 다양한 물성 및 두께를 갖는 정합층을 사용자가 선택적으로 변환자 표면에 탈부착 가능하게 함으로써, 대상체 특성 및 환경에 따라 요구되는 다양한 특성의 변환자들을 하나의 변환자만으로 구현하는 것이 가능하고 이를 통해, 다양한 변환자들을 확보 하기 위해 소요되는 비용을 절감하는 것이 가능하다.

상기 홀더에 있어서, 홀더 내 초음파 젤이 있는 상태에서 변환자를 결합할 경우 변환자와 피부표면간 거리가 감소될수록 내부 압력 증가로 인해 초음파 젤은 다시 초음파 젤 캡슐로 배출되어지기 때문에 장시간 대응으 및 다수의 변환자 결합에도 충분한 양의 초음파 젤을 지속적으로 보유하는 것이 가능하다.

초음파 에너지 전달 효율에 있어서, 변환자는 피부 표면에 밀착되거나 초음파 젤을 매개체로 하여 이격되어 사용될 수 있으며 이 과정에서, 변환자 표면이 피부표면에 충분한 밀착이 안되거나 혹은 초음파 젤 내부에 공기층이 형성되어 있어서 발생되는 초음파 감쇄를 대응 전, 초음파 변환자 기반 펄스에코 응답 특성을 통해 확인이 가능하기 때문에 별도의 추가적인 센서가 필요하지 않으며 이는, 제조비 절감 및 시스템 단순화를 유도하는 것이 가능하다.

상기 초음파 가이드에 있어서, 영상용 변환자는 대응 전, 대상체 위치 가이드로 활용되고, 대응 과정에서는 PAM 모드로 전환되어 대상체 위치에 초음파 변환자로부터 출력된 음향 특성과 조사 위치를 실시간으로 확이 가능함에 따라, 초음파 조사 위치의 정확성을 향상시킬 수 있으며, 목표하지 않은 부위에 초음파 조사를 예방하여 부작용을 예방하는 것이 가능하다.

상술한 본 발명의 실시예들은 다양한 수단을 통해 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다.

하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 하나 또는 그 이상의 ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), 프로세서, 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.

펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차 또는 함수 등의 형태로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리 유닛에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 상기 메모리 유닛은 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.

상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.

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초음파 변환자 모듈에 있어서,
압전소자;
상기 압전소자와 인체 매질 간의 음향 임피던스 (Acoustic impedance) 격차를 감소시켜 상기 인체로 전달되는 초음파 송신 효율을 증대시키기 위해, 상기 압전소자 표면에 결합되는 복수의 정합층; 및
상기 압전소자 및 상기 복수의 정합층 중 적어도 일부의 측면에서 나선을 형성하여, 상기 복수의 정합층이 순차적으로 상기 압전소자와 결합할 수 있도록 지원하는 결합구조;를 포함하고,
상기 복수의 정합층은 서로 다른 복수의 음향 임피던스를 가지며,

상기 초음파 변환자 모듈이 피부 표면에서 수직으로 초음파 조사가 가능하도록 지원하는 홀더; 를 더 포함하고,
상기 홀더 하단에는 접착 테이프가 부착되어 상기 홀더와 상기 피부 간을 고정하고, 상기 수직으로 조사되는 초음파의 동작이 유지됨으로써, 웨어러블 형태 (Wearable type)로 대응이 가능하며,

상기 초음파 변환자 모듈과 상기 홀더는,
상기 초음파 변환자 모듈의 측면과 상리 홀더 내측에 형성된 나사선을 이용하여 탈부착이 가능하고,

상기 홀더는,
자바라 구조로 형성되고,
미리 지정된 경도 이하의 물질로 구성되어 상기 초음파 변환자 모듈과의 결합이 용이하며,
결합 후 상기 자바라 구조 및 상기 미리 지정된 경도 이하의 물질로 인해 일정한 압력에 의해, 상기 홀더가 접힌 상태에서 유지됨에 따라 집속 거리 조절이 불가능한 단일 초음파 변환자에서도 집속 거리를 상하로 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자 모듈.
제 9항에 있어서,
상기 복수의 정합층 중 적어도 일부는 상기 결합구조에 의한 나선 결합을 기초로 탈부착하는 것이 가능하고,
상기 복수의 정합층 중 상기 인체에 대한 음향 임피던스를 갖는 적어도 하나의 정합층을 사용자가 선택적으로 장착하여 결합할 수 있는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자 모듈.
제 9항에 있어서,
상기 복수의 정합층은,
미리 설정된 처치 목적 및 초음파 성능 중 적어도 하나에 따라서 선택적으로 적층하여 사용 가능한 것을 특징으로 하는 초음파 변환자 모듈.
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제 9항에 있어서,
상기 홀더는,
후 상기 자바라 구조 및 상기 미리 지정된 경도 이하의 물질로 인해 국소 부위 압력에 의해서 일정한 비대칭 구조를 형성하는 것이 가능하고,
상기 비대칭 구조를 기반으로 상기 초음파 변환자 모듈의 조사 각도를 좌우로 변경 가능한 것을 특징으로 하는 초음파 변환자 모듈.
제 15항에 있어서,
상기 초음파를 조사하고자 하는 대상체를 변경하고자 하는 경우,
상기 조사 각도의 좌우 변경을 통해, 추가적인 상기 홀더의 탈부착을 통한 이동 없이, 일정 범위 내에서 조사 각도 변경을 통해 대응이 가능한 것을 특징으로 하는 초음파 변환자 모듈.
제 9항에 있어서,
상기 초음파 변환자 모듈과 결합되는 상기 홀더 내부에 일정량의 밀봉 초음파 젤이 포함되고,
상기 초음파 젤은 밀봉 스티커를 기초로 외부와 차단되어 유지되며,
상기 홀더 사용시, 사용자가 상기 밀봉 스티커를 제거하여 상기 초음파 젤이 사용 가능하도록 함으로써, 상기 초음파 변환자 모듈이 상기 피부와 접촉하는 경우, 추가적인 초음파 젤 삽입 없이도 공기층으로 인한 초음파 에너지 감쇄를 예방할 수 있는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자 모듈.
제 17항에 있어서,
상기 홀더는, 상기 밀봉 초음파 젤 외에, 외부에 별도의 초음파 젤 캡슐을 구비함으로써 홀더 내부에 추가적인 초음파 젤 삽입이 가능하도록 하고,
상기 홀더의 최초 부착 위치에서 다른 위치로 이동하는 경우, 일정량 제거되는 밀봉 초음파 젤의 양을 상기 초음파 젤 캡슐을 통해 추가로 보충할 수 있는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자 모듈.
제 18항에 있어서,
상기 초음파 젤 캡슐은,
상기 홀더와 튜브로 연결되고,
상기 튜브는 상기 홀더의 주입구 및 배출구를 통해 상기 초음파 젤 캡슐과 상기 홀더가 연결되도록 형성함으로써, 상기 홀더가 상기 피부에 밀착된 상태에서 상기 초음파 젤 캡슐을 통해 추가적으로 젤 주입이 가능하며,
상기 홀더 내부에서 상기 초음파 젤이 가득차거나 상기 초음파 변환자 모듈이 상기 피부에 밀착된 경우, 상기 초음파 젤이 자동으로 상기 배출구를 통해 다시 상기 초음파 젤 캡슐로 이동되어 순환되도록 함으로써 상기 초음파 젤 캡슐 내 젤 양을 일정한 수준으로 유지할 수 있는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자 모듈.
제 19항에 있어서,
상기 초음파 변환자 모듈이 상기 홀더를 통해 상기 피부에 밀착되는 과정에서, 초음파 에너지가 진행되는 상기 초음파 변환자 모듈의 표면이 상기 피부와 미리 지정된 조건 이상으로 접촉되었는지 여부 및 상기 초음파 젤의 양이 충분한지 여부 중 적어도 하나를 사전에 확인하기 위해, 상기 초음파 변환자 모듈에 대한 펄스에코 테스트를 수행하며,
상기 펄스에코 테스트 결과 최초 레퍼런스 수신 전압과 비교하여 전압 일치율이 높아질수록 상기 초음파 변환자 모듈의 표면이 상기 피부에 밀착되었음을 감지할 수 있는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자 모듈.
제 9항에 있어서,
사용자의 호흡에 의해, 상기 초음파 변환자 모듈에 의한 초음파의 목적인 대상체의 위치가 변경되는 경우,
상기 변경된 대상체 위치에 맞춰서 실시간으로 상기 초음파 변환자 모듈의 초음파 조사 각도가 변동될 수 있도록 하는 회전용 모터; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자 모듈.
제 21항에 있어서,
상기 초음파 변환자 모듈은,
가운데 개구부를 형성하고,
상기 사용자의 호흡에 따라 변동되는 상기 대상체 위치를 감지하기 위해 배열형 초음파 영상용 변환자를 포함하며,
상기 영상용 변환자는 상기 개구부에 삽입되어, 상기 초음파 변환자 모듈의 조사되는 초음파 각도를 기준으로 상기 대상체 움직임을 실시간으로 감지하는 것이 가능한 것을 특징으로 하는 초음파 변환자 모듈.
제 22항에 있어서,
상기 사용자의 들숨 및 날숨을 관찰할 수 있는 호흡 신호가 배열형 초음파 영상용 변환자와 영상과 동기화되어 상기 대상체 움직임 감지율을 향상시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자 모듈.
제 23항에 있어서,
상기 배열형 초음파 영상용 변환자를 기초로 상기 대상체에 대한 초음파 영상을 획득하고,
상기 획득된 대상체 영상에서 대상체 경계선을 추출하며,
상기 추출한 경계선 이동을 트래킹 함으로써, 상기 대상체만의 위치 이동을 감지할 수 있는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자 모듈.
제 24항에 있어서,
상기 사용자의 불규칙적인 호흡으로 인해 상기 대상체 위치 이동 감지를 위한 초음파 영상과 호흡 신호 간의 매칭이 되지 않을 경우,
환자의 호흡 진정 유도 알람을 출력하고,
상기 매칭이 유도될 때까지 시스템이 Feedback을 통해 실시간으로 관측함으로써, 상기 초음파 조사를 통한 대응이 중지되는 것을 특징으로 하는 초음파 변환자 모듈.
제 9항에 있어서,
상기 홀더는,
피부 밀착 부위를 가시화하기 위해 상기 초음파가 진행되어지는 방향으로 레이저를 출력하는 복수의 레이저 포인터로 구성된 위치 가이드 레이저를 하단에 포함하고,
상기 위치 가이드 레이저는, 상기 홀더를 상기 피부에 고정하기 위한 접착 테이프가 탈착된 상태에서 사용되며,
상기 복수의 레이저 포인트 사용을 통해, 지정된 위치에 상기 홀더를 위치한 후, 상기 접착 테이프를 상기 홀더 지지대 상당에 부착함으로써, 상기 초음파 변환자 모듈이 상기 피부에 근접할수록 상기 위치 가이드 레이저가 상기 접착 테이프로 인해 시야확보가 어려운 문제점을 극복한 것을 특징으로 하는 초음파 변환자 모듈.
제 26항에 있어서,
상기 위치 가이드 레이저와 상기 홀더의 지지대가 서로 상충되는 위치에 존재함으로써, 동일한 위치에 있을 경우 상기 레이저 위치 가이드가 상기 홀더의 지지대로 인해 관찰이 어려운 문제점을 극복한 것을 특징으로 하는 초음파 변환자 모듈.
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