KR102523060B1 - 다초점 시술을 위한 고강도 집속 초음파 장치에 사용되는 초음파 집속용 트랜스듀서 및 이를 포함하는 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고강도 집속 초음파(High Intensity Focused Ultrasound, HIFU) 장치에 사용되는 초음파 집속용 트랜스듀서 및 상기 트랜스듀서를 포함하는 장치에 관한 것이다. 곡률 또는 단차에 의해 초음파 집속 초점 깊이가 변화하는 2개 이상의 압전 소자들을 압전 소자 하우징에 단차를 갖도록 하여 시술 깊이가 상이한 피부층을 동시에 시술하여 피부 주름의 개선이 이루어진다.
Description
본 발명은 고강도 집속 초음파(High Intensity Focused Ultrasound, HIFU) 장치에 사용되는 초음파 집속용 트랜스듀서 및 상기 트랜스듀서를 포함하는 장치에 관한 것이다. 곡률 또는 단차에 의해 초음파 집속 초점 깊이가 변화하는 2개 이상의 압전 소자들을 압전 소자 하우징에 단차를 갖도록 배치된 트랜스듀서 및 상기 트랜스듀서를 포함하는 장치를 이용하여 시술 깊이가 다른 피부층을 동시에 시술하여 피부 주름의 개선이 이루어진다.
초음파기술은 의료 및 산업, 환경처리분야에 널리 사용되고 있으며, 최근에는 미용에 대한 관심이 높아지면서, 피부 노화 방지, 주름 개선 또는 피부 탄력 유지를 위해 초음파를 이용한 기기들이 다양하게 소개되고 있다.
주름 부위에 조사된 초음파는 주름의 근본 원인인 피부근막층(superficial muscular aponeurotic syste, SMAS)에 열을 전달하여 피부 조직을 수축 또는 응고시킴으로써 주름을 개선 시킬 수 있다. 피부관리 기기들은 이러한 원리를 이용하기 때문에, 시술하고자 하는 특정 부위에만 초음파를 집속하여 개선효율을 향상 할 수 있는 장치가 시판되고 있다. 최근에는 의료용 또는 에스테틱을 목적으로 고강도 집속 초음파(High Intensity Focused Ultrasound, HIFU)를 이용한 초음파 장치가 이용되고 있다.
일반적으로 사용되는 HIFU 압전 소자는 광학 원리를 이용한 것으로, 주로 구면 렌즈 형상으로 가공하여 사용된다. 구면렌즈를 통과한 빛은 파장에 따라 다른 초점거리를 갖고, 장파장일수록 초점거리가 감소한다. 이러한 광학 원리로 인해 HIFU 압전소자에 전압을 인가하면 두께 모드 진동에서 발생하는 초음파 에너지가 곡률 반경의 중심에 집중되면서 초음파 진동의 집속이 이루어질 수 있다. 이렇게 구성된 HIFU 압전소자는 트랜스듀서 용기 내의 물과 격리하기 위해 플라스틱 하우징 내부에 안착된다.
종래의 HIFU 장치용 트랜스듀서는 내부에 음파 전달 매체로서의 물이 내장되고, 상기 트랜스듀서의 정밀한 이송을 위해 외부에 스텝 모터가 장착된다. 다만, 상기 스텝모터는 구동시 열이 발생되기 때문에 부태 장치로서 냉각팬이 필요하여 이에 의해 부피가 증가하고 전력 소비 또한 증가하는 문제가 있다.
또한, 종래의 얼굴 시술용 트랜스듀서는 피부 아래의 근막층(피부아래 4.5 ㎜), 콜라겐층(피부아래 3 ㎜), 진피층(피부아래 1.5 ㎜)을 시술대상으로 하는 3 가지 종류의 트랜스듀서가 제조되고 있다. 일 예로 도 1은 종래의 얼굴 시술용 장치의 일 예를 나타내는 이미지이다. 다만, 상기 3 가지 종류의 트랜스듀서는 시술시 시술 깊이에 맞도록 매번 트랜스듀서를 교환 및 장착하여 시술해야하는 불편함이 있다.
상기 교환 등의 불편함을 해결하기 위해 최근에는 진피층 및 콜라겐층을 하나의 트랜스듀서로 시술할 수 있는 HIFU 트랜스듀서가 개발되었다. 일 예로 도 2는 HIFU 트랜스듀서의 일 예를 나타내는 이미지이다. 상기 HIFU 트랜스듀서는 시술 깊이에 맞도록 초점거리를 이동시키기 위해 하이푸 이송용 연결기어, 감속 연결기어, 전자식모터 연결기어, 트랜스듀서 내 연결기어, 수평방향 회전용 연결기어, 선형운동 전환 및 상하 하이프이동을 위한 캠식 연결기어 등 6개의 기어가 설치된다. 이와 같이 많은 기어들은 트랜스듀서 내부의 용적을 과도하게 차지하고, HIFU 조사에 의해 트랜스듀서 내부의 온도의 상승하게 된다. 이를 막기 위해 트랜스듀서의 부피를 키우거나 HIFU 출력을 낮추어 사용해야 한다는 문제가 있다. 또한, 트랜스듀서 외부에 장착된 DC 모터에 의해 구동하여 기존의 소비전력 증가하여, 무선제품으로 개발 시 사용시간의 제한, 발열, 소음 및 방수의 문제가 있다.
이에, 하나의 트랜스듀서에서 동시 혹은 교번적으로 시술하여 시술 시간을 단축하고, 트랜스듀서 교환을 최소화 할 수 있는, 종래의 문제점을 개선한 새로운 구조의 HIFU 트랜스듀서의 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 제1 과제는 다양한 시술 깊이를 동시에 시술할 수 있는 다초점 시술을 위한 고강도 집속 초음파(High Intensity Focused Ultrasound, HIFU)에 사용되는 초음파 집속용 트랜스듀서를 제공하는 것이다.
본 발명의 제2 과제는 상기 과제 1의 달성에 의해 제공되는 트랜스듀서를 포함하는 장치를 제공하는 것이다.
곡률을 갖는 2개 이상의 압전 소자들; 상기 압전소자가 배치 및 접착되는 압전 소자 하우징; 투과창이 형성되고, 상기 압전 소자들 및 상기 압전 소자 하우징이 수용되는 트랜스듀서 하우징;을 포함하고, 상기 압전 소자들의 곡률 또는 단차에 의해 초음파 집속 초점 깊이가 변화하는 것을 특징으로 하는, 고강도 집속 초음파(High Intensity Focused Ultrasound) 장치에 사용되는 초음파 집속용 트랜스듀서를 제공한다.
상기 제2 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 초음파 집속용 트랜스듀서; 상기 트랜스듀서와 결합하는 헤드피스; 및 상기 헤드피스와 결합하는 핸드피스;를 포함하는, 고강도 집속 초음파 장치를 제공한다. 상기 장치는 피부 아래 근막층, 콜라겐층 또는 진피층에 열을 전달할 수 있다.
본 발명은 피부 아래 근막층, 콜라겐층 도는 진피층에 열을 전달할 수 있는 고강도 집속 초음파(High Intensity Focused Ultrasound, HIFU) 장치 및 상기 장치용 트랜스듀서를 제공한다. 상기 장치는 시술 깊이가 상이한 2개의 피부층에 동시 시술이 가능한 장치로, 빠르고 효율적인 시술이 수행될 수 있다.
도 1은 종래의 얼굴 시술용 장치의 일 예를 나타내는 이미지이다.
도 2는 종래의 얼굴 시술용 장치의 트랜스듀서의 일 예를 나타내는 이미지이다.
도 3은 종래의 압전 소자(a) 및 본 발명의 압전 소자(b)를 나타낸 이미지이다.
도 4는 본 발명의 HIFU 압전 소자들이 배치 및 접착되는 압전 소자 하우징 구조를 나타낸 이미지이다.
도 5는 본 발명의 HIFU 압전 소자들이 배치 및 접착하여 압전 소자 하우징에 고정된 HIFU 압전체를 나타낸 이미지이다.
도 6은 2개의 HIFU 압전 소자에서 출사되는 초음파 에너지의 간격을 좁히지 위해 제작된 HIFU 압전 소자 하우징의 형태를 나타낸 실제 제작된 형상(a) 및 이미지(b)를 나타낸 이미지이다.
도 7은 본 발명의 HIFU 압전 소자의 은 전극에 연결된 전선과 PCB와의 연결을 실제 제작한 형상을 나타낸 이미지이다.
도 8은 본 발명의 HIFU 압전체를 포함하는 트랜스듀서의 반조립 상태(a) 및 종래의 트랜스듀서의 반조립 상태(b)를 나타낸 이미지이다.
도 9는 HIFU 압전체가 부착된 트랜스듀서 하우징에 물을 채우기 위한 하판이 초음파 융착된 상태를 나타낸 이미지이다.
도 10은 피부에 초음파를 전달하기 위해 물이 채워진 후 초음파 투과 필름이 부착된 상태를 나타낸 이미지이다.
도 11은 본 발명의 HIFU 장치용 트랜스듀서가 결합된 헤드피스(1) 및 본 발명의 HIFU 장치의 핸드피스(2)를 나타낸 도이다.
도 12은 초점 형성 상태를 측정하기 위해 초점 부위에서 HIFU 에너지에 의해 아크릴이 녹는 열점을 확인한 실제 이미지를 나타낸 도이다.
도 13은 본 발명의 HIFU 장치의 구동 주파수가 7.0 MHz일 때, 주파수의 평균, 주파수의 표준편차 및 임피던스 표준편차를 확인한 표이다.
도 14는 본 발명의 HIFU 장치의 구동 주파수가 4.0 MHz일 때, 주파수의 평균, 주파수의 표준편차 및 임피던스 표준편차를 확인한 표이다.
도 15은 본 발명의 HIFU 장치의 구동주파수 및 임피던스를 확인하고 나타낸 도이다.
도 16은 Hp4194A impedance-Gain phase를 이용하여 본 발명의 장치의 구동 주파수와 임피던스를 측정한 실제 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 17은 본 발명의 HIFU 장치의 X축 구동시 형성되는 초점형상을 나타낸 그래프이다.
도 18은 본 발명의 HIFU 장치를 이용하여 시술시 초점이 맺히는 깊이를 나타낸 모식도이다.
도 19는 본 발명의 HIFU 장치에 포함되는 트랜스듀서의 초음파 출력을 측정한 그래프이다.
도 2는 종래의 얼굴 시술용 장치의 트랜스듀서의 일 예를 나타내는 이미지이다.
도 3은 종래의 압전 소자(a) 및 본 발명의 압전 소자(b)를 나타낸 이미지이다.
도 4는 본 발명의 HIFU 압전 소자들이 배치 및 접착되는 압전 소자 하우징 구조를 나타낸 이미지이다.
도 5는 본 발명의 HIFU 압전 소자들이 배치 및 접착하여 압전 소자 하우징에 고정된 HIFU 압전체를 나타낸 이미지이다.
도 6은 2개의 HIFU 압전 소자에서 출사되는 초음파 에너지의 간격을 좁히지 위해 제작된 HIFU 압전 소자 하우징의 형태를 나타낸 실제 제작된 형상(a) 및 이미지(b)를 나타낸 이미지이다.
도 7은 본 발명의 HIFU 압전 소자의 은 전극에 연결된 전선과 PCB와의 연결을 실제 제작한 형상을 나타낸 이미지이다.
도 8은 본 발명의 HIFU 압전체를 포함하는 트랜스듀서의 반조립 상태(a) 및 종래의 트랜스듀서의 반조립 상태(b)를 나타낸 이미지이다.
도 9는 HIFU 압전체가 부착된 트랜스듀서 하우징에 물을 채우기 위한 하판이 초음파 융착된 상태를 나타낸 이미지이다.
도 10은 피부에 초음파를 전달하기 위해 물이 채워진 후 초음파 투과 필름이 부착된 상태를 나타낸 이미지이다.
도 11은 본 발명의 HIFU 장치용 트랜스듀서가 결합된 헤드피스(1) 및 본 발명의 HIFU 장치의 핸드피스(2)를 나타낸 도이다.
도 12은 초점 형성 상태를 측정하기 위해 초점 부위에서 HIFU 에너지에 의해 아크릴이 녹는 열점을 확인한 실제 이미지를 나타낸 도이다.
도 13은 본 발명의 HIFU 장치의 구동 주파수가 7.0 MHz일 때, 주파수의 평균, 주파수의 표준편차 및 임피던스 표준편차를 확인한 표이다.
도 14는 본 발명의 HIFU 장치의 구동 주파수가 4.0 MHz일 때, 주파수의 평균, 주파수의 표준편차 및 임피던스 표준편차를 확인한 표이다.
도 15은 본 발명의 HIFU 장치의 구동주파수 및 임피던스를 확인하고 나타낸 도이다.
도 16은 Hp4194A impedance-Gain phase를 이용하여 본 발명의 장치의 구동 주파수와 임피던스를 측정한 실제 데이터를 나타낸 그래프이다.
도 17은 본 발명의 HIFU 장치의 X축 구동시 형성되는 초점형상을 나타낸 그래프이다.
도 18은 본 발명의 HIFU 장치를 이용하여 시술시 초점이 맺히는 깊이를 나타낸 모식도이다.
도 19는 본 발명의 HIFU 장치에 포함되는 트랜스듀서의 초음파 출력을 측정한 그래프이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 형태로 제한/한정하고자 하는 것이 아니고, 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이다. 또한, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
본 발명은
곡률을 갖는 2개 이상의 압전 소자들;
상기 압전소자가 배치 및 접착되는 압전 소자 하우징;
투과창이 형성되고, 상기 압전 소자들 및 상기 압전 소자 하우징이 수용되는 트랜스듀서 하우징;을 포함하고,
상기 압전 소자들의 곡률 또는 단차에 의해 초음파 집속 초점 깊이가 변화하는 것을 특징으로 하는, 고강도 집속 초음파(High Intensity Focused Ultrasound) 장치에 사용되는 초음파 집속용 트랜스듀서를 제공한다.
상기 초음파 집속용 트랜스듀서는 압전 선형모터를 포함할 수 있고, 바람직하게는 X축 이송용 압전 선형모터를 포함할 수 있다. 상기 선형모터는 압전 소자들이 이동하면서 초음파를 조사하도록 할 수 있다.
상기 트랜드듀서 하우징에 형성된 투과창에는 초음파 투과 필름이 부착될 수 있고, 상기 초음파 투과 필름은 피부와 접촉할 수 있다.
도 3은 종래의 고강도 집속 초음파 장치에 사용되는 트랜스듀서에 포함되는 압전 소자(도 3의 (a)) 및 본 발명에 사용되는 트랜스듀서에 포함되는 압전 소자(도 3의 (b))를 나타낸 이미지이다. 도 3의 (a)를 참조하면, 종래의 HIFU 압전 소자는 원형으로 외곽을 형성하며, 상부를 향해 볼록하고, 하부를 향해 오목한 형상을 가진다. 초음파가 발생되는 경우, 하부를 향해 초음파가 조사되는 구조이다. 도 3의 (b)를 참조하면, 본 발명의 HIFU 압전 소자는 장축 방향의 측면은 매끈한 직선 형상을 갖고, 단축 방향의 측면은 원 둘레의 일부분인 원호를 갖는다. 또한, 본 발명의 HIFU 압전 소자는 상·하면이 은 전극으로 코팅된 압전 소자로, 은 전극과 도선이 연결될 수 있다. 또한, 본 발명의 HIFU 압전 소자는 곡률의 중심에서 초음파를 집속하여, 각 압전 소자의 곡률의 중심 위치를 다르게 설계하여 초음파 집속 초점 깊이를 다르게 할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 본 발명의 압전 소자는 가로가 2.5 ㎜ 내지 7.0 ㎜, 세로 7.0 ㎜ 내지 13.0 ㎜ 및 곡률 반경이 9.0 내지 15.0 ㎜인 압전 소자일 수 있고, 바람직하게는 가로가 3.5 ㎜ 내지 6.0 ㎜, 세로 8.0 ㎜ 내지 12.0 ㎜ 및 곡률 반경이 10.0 ㎜ 내지 14.0 ㎜인 압전 소자일 수 있다.
도 4는 본 발명의 HIFU 압전 소자들이 배치 및 접착되는 압전 소자 하우징 구조를 나타낸 이미지이다. 도 4의 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 발명의 곡률을 갖는 압전 소자 하우징에 배치 및 접착되는 본 발명의 HIFU 압전 소자들은 단차(높이의 차이)를 두어 피부 아래 다른 깊이에 초음파를 동시에 조사하도록 할 수 있다. 도 4의 (c) 및 (d)는 실제 제작한 형상을 나타낸 이미지이다.
도 5는 본 발명의 HIFU 압전 소자들이 배치 및 접착하여 압전 소자 하우징에 고정된 HIFU 압전체를 나타낸 이미지이다. 도 5의 (a) 및 (b)를 참조하면 곡률을 갖는 본 발명의 HIFU 압전 소자들이 단차를 두어 피부 아래 다른 깊이에 초음파를 동시에 조사하도록 병렬로 고정할 수 있다. 도 5의 (c) 및 (d)는 실제 제작된 형상을 나타낸 이미지로, HIFU 압전 소자의 은 전극에 연결된 전선은 하우징 방수를 위해 상부에 장착되는 PCB(Printed Circuit Board, 인쇄회로기판)와 연결될 수 있다. 상기 PCB는 트랜스듀서를 포함하는 장치와 전기적으로 연결되는 회로부와 연결될 수 있다. 상기 고정된 HIFU 압전 소자는 방수를 위한 에폭시로 하우징에 접착될 수 있다.
도 6은 2개의 HIFU 압전 소자에서 출사되는 초음파 에너지의 간격을 좁히지 위해 제작된 HIFU 압전 소자 하우징의 형태를 나타낸 실제 제작된 형상(a) 및 이미지(b)를 나타낸 이미지이다. 2개의 HIFU 압전 소자의 배열에 경사를 만들어 HIFU 압전 소자의 초점 간격을 조절할 수 있고, 이중 초점을 형성할 수 있다. 상기 HIFU 압전 소자의 초음파 파장의 간섭은 최소화 하는 것이 바람직하다. 또한, 2개의 HIFU 압전 소자의 기울어지게 배치하여 초음파 집속 초점 깊이를 변화할 수 있고, 상기 압전 소자의 기울어지는 각도는 0 º 내지 40 º 일 수 있고, 바람직하게는 0 º 내지 30 º 일 수 있다. 상기 기울기가 40 º 초과일 경우, 압전 소자에서 방출되는 초음파가 중첩되어 피부에 화상이 생기는 등의 부작용이 생길 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 HIFU 압전 소자들의 단차를 다르게 설계하여 초음파 집속 초점깊이를 다르게 할 수 있다. 또한 상이한 깊이를 갖는 피부 층에 초음파를 동시에 조사할 수 있어, 추가의 다른 종류의 HIFU 압전 소자가 요구되지 않고, 다른 주파수를 형성하기 위한 별도의 회로가 요구되지 않는다. 또한, 별도의 회로가 요구되지 않아 초음파 장치의 설계 부담이 경감될 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 HIFU 압전 소자들의 단차는 1.0 ㎜ 내지 4.0 ㎜ 일 수 있고, 바람직하게는 1.0 ㎜ 내지 3.5 ㎜ 일 수 있다. 상기 단차가 1.0 미만일 경우 상이한 피부층에 초음파가 조사되지 않을 수 있고, 상기 단차가 4.0 초과일 경우 높은 쪽의 압전 소자에서 방출되는 초음파가 피부 아래까지 집속되지 않을 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 HIFU 압전 소자들의 구동 주파수는 2 MHz 내지 12 MHz 일 수 있고, 바람직하게는 2 MHz 내지 10 MHz 일 수 있다. 상기 구동 주파수가 2 MHz 미만일 경우 원하는 피부 층까지 초음파가 도달하지 못 할 수 있고, 상기 구동 주파수가 12 MHz 초과일 경우 전달되는 초음파로 인해 피부에 화상이 생기는 등의 부작용이 생길 수 있다. 또한, 본 발명의 일 양태에서, 상기 HIFU 압전 소자들 각각의 구동 주파수는 동일할 수 있고 상이할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 HIFU 압전 소자들의 곡률 또는 단차에 의해 초음파 집속 초점 깊이가 변화할 수 있다.
도 7은 본 발명의 HIFU 압전 소자의 은 전극에 연결된 전선과 PCB와의 연결을 실제 제작한 형상을 나타낸 이미지이다. 압전 소자 하우징 안에 연결된 입력단자 2개와 접지단자 2개는 HIFU 압전 소자들의 병렬구동을 위하여 PCB 상에 2개의 전선으로 연결될 수 있다. 상기 PCB 상부는 트랜스듀서를 포함하는 장치의 회로부와 연결되는 전선을 유도한 후 에폭시나 실리콘 등을 도포하여 방수가 될 수 있도록 할 수 있다.
도 8은 본 발명의 HIFU 압전체를 포함하는 트랜스듀서의 반조립 상태(a) 및 종래의 트랜스듀서의 반조립 상태(b)를 나타낸 이미지이다. 상기 트랜스듀서는 피부 아래 근막층, 콜라겐층 또는 진피층에 열을 전달할 수 있도록, 피부 아래 2.5 ㎜ 내지 4.5 ㎜에 HIFU 초점이 맺히게 설계될 수 있다. 상기 트랜스듀서는 트랜스듀서 외장을 형성하는 트랜스듀서 하우징을 포함하고, 상기 트랜스듀서 하우징은 투과창이 형성되고, 상기 압전 소자들 및 상기 압전 소자 하우징이 수용될 수 있으며, 고강도 집속 초음파 장치의 핸드피스 본체에 탈부착 될 수 있는 구조를 가질 수 있다. 또한, 상기 트랜스듀서 하우징은 기존 트랜스듀서 하우징의 구조적 변화 없어 본 발명의 HIFU 압전체와 종래의 단일 압전 소자를 포함하는 압전 소자 하우징과 교체할 수 있다.
도 9는 HIFU 압전체가 부착된 트랜스듀서 하우징에 물을 채우기 위한 하판이 초음파 융착된 상태를 나타낸 이미지이다. 또한, 도 10은 피부에 초음파를 전달하기 위해 물이 채워진 후 초음파 투과 필름이 부착된 상태를 나타낸 이미지이다. 상기 트랜스듀서 하우징은 상판 또는 하판으로 구성될 수 있으나 이로 제한되는 것은 아니다. 상기 트랜스듀서 하우징 내부에는 음파 전달 매질, 바람직하게는 물이 들어 있으며, 하부에는 HIFU로 인한 초음파 에너지를 피부로 효율적으로 전달하기 위한 투과창이 형성되고, 도 10에 나타낸 바와 같이 상기 투과창에 부착되는 초음파 투과 필름을 포함할 수 있다. 이때, 상기 초음파 투과 필름으로는 당업계에서 통상적으로 사용되는 폴리머 필름을 사용할 수 있다. 상기 초음파 투과 필름의 테두리에는 투과창에 접착하기 위해 접착부가 형성되어 있다. 이중 조사 깊이를 갖는 본 발명의 HIFU 압전체는 상기 트랜스듀서 하우징에 내장되고, 상기 트랜스듀서를 포함하는 헤드피스와 결합되는 핸드피스의 구동부에 의해 제어되며, 고강도 집속 초음파(HIFU)를 발생시키는 역할을 할 수 있다.
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예로 제작된 트랜스듀서의 실제 제작한 형상을 나타낸 도이다. 도 10을 참조하면, 본 발명의 트랜스듀서는 트랜스듀서 하우징(100), HIFU 압전체를 포함하는 초음파 발생부(200), X축 이송용 압전 선형모터인 이동 제어부(300), 교류 전원부(400) 및 초음파 투과 필름(500)을 포함한다. 상기 트랜스듀서 하우징(100)은 초음파 장치를 구성하는 요소를 내장하고, 상부에는 초음파가 피부도 전달하는 개구부를 포함한다. 상기 개구부는 초음파 투과 필름(500)으로 차폐될 수 있다.
상기 트랜스듀서 하우징(100)의 내부 공간은 HIFU 압전체를 포함하는 초음파 발생부(200)가 배치된다. 상기 초음파 발생부(200)와 상기 초음파 투과 필름(500) 상이의 이격 공간은 초음파 매질로 충전될 수 있고, 상기 초음파 매질은 바람직하게는 물일 수 있다.
상기 초음파 발생부(200)의 측면에는 이동 제어부(300)가 부착될 수 있다, 상기 이동 제어부(300)는 선형모터로, HIFU 압전체를 X축으로 이동시키는 X축 이송용 압전 선형모터인 것이 바람직하다.
상기 교류 전원부(400)은 상기 초음파 발생부(200)와 전기적으로 연결되고, 압전 소자들에 공진 주파수를 가진 교류 신호를 제공한다. 두 개의 압전 소자들의 공진 주파수는 동일하므로 다른 실효 초점 거리를 가진 압전 소자들을 구동하기 위해 하나의 공진 주파수를 가진 단일의 교류 신호가 인가된다. 또한, 상기 교류 전원부(400)는 이동 제어부(300)의 선형 구동을 위한 다른 교류 전압도 공급한다.
도 11은 본 발명의 초음파 집속용 트랜스듀서가 헤드피스와 결합된 형태(1) 및 상기 HIFU 장치의 핸드피스(2)를 나타낸 도이다. 본 발명의 HIFU 장치는 상기 헤드피스(1)와 핸드피스(2)가 결합된 형태일 수 있다. 상기 핸드피스에는 회로부, 전원부 및 구동부를 포함할 수 있다.
상기 회로부는 상기 트랜스듀서, HIFU 압전체 및 X축 이송용 압전 선형모터와 전기적으로 연결될 수 있고, 통상의 기기 내에 배치된 회로부의 형태를 모두 적용할 수 있다. 상기 구동부로부터 신호를 받아 상기 트랜스듀서, HIFU 압전체 및 X축 이송용 압전 선형모터에 전압을 인가할 수 있다.
상기 전원부는 상기 회로부와 전선으로 전기적으로 연결될 수 있고, 상기 회로부에 전력을 공급하는 역할을 할 수 있고, 실시예에 따라 외장 배터리, 무선형 배터리 또는 교류 전원일 수 있다.
상기 구동부는 상기 회로부 및 전원부와 전선으로 전기적으로 연결될 수 있고, 상기 회로부에 상기 트랜스듀서, HIFU 압전체 및 X축 이송용 압전 선형모터에 전압을 인가하도록 신호를 전달할 수 있다.
도 12은 초점 형성 상태를 측정하기 위해 본 발명의 트랜스듀서를 포함하는 장치를 입력전력 30 Watt로 구동시킨 후, 초점 부위에서 HIFU 에너지에 의해 아크릴이 녹는 열점을 확인한 실제 이미지를 나타낸 도이다. 초음파 투과 필름에 형성된 dot는 초점거리가 짧아 아크릴 두께와 일치함을 확인하여 아크릴 하면에 열 응고점이 형성함을 확인하였다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 트랜스듀서를 포함하는 장치의 구동주파수와 임피던스 특성의 균질성을 확인하기 위해 본 발명의 HIFU 장치의 주파수의 평균, 주파수의 표준편차 및 임피던스 표준편차를 확인하고 나타낸 도이다. 도 13 및 도 14를 참조하면 본 발명의 7 Mhz 및 4 Mhz용 트랜스듀서의 주파수평균은 각각 7.2 Mhz 및 4.0 Mhz이고, 주파수 표준편차는 각각 0.04 및 0.02이며, 임피던스 표준편차는 각각 4 및 9임을 확인하였다.
통상의 의료기 업체 기준 주파수 허용 공차는 ±10 %로 7 Mhz는 6.3 Mhz 내지 7.7 Mhz의 범위이고, 4 Mhz는 3.6 Mhz 내지 4.4 Mhz의 범위로 본 발명의 HIFU 압전체는 기준 주파수에 해당함을 확인하였다.
또한, 일반적으로 렌즈가공방식에 따라 생산하는 HIFU용 압전 소자는 주파수와 임피던스의 표준편차가 각각 10 및 20 이상으로 병렬로 구동할 경우 한 쪽의 압전 세라믹스로 입력전력이 편향되어 각각의 압전 세라믹스에 구동회로를 따로 연결시켜 사용하므로 구동회로가 복잡하며, 병렬구동을 위해서는 압전 세락믹스로 선별하여 배치해야하므로 양산이 어려운 반면, 본 발명의 HIFU용 압전 소자는 주파수와 임피던스 표준편차가 낮아 각각의 HIFU용 압전 소자에 입력전력이 일정하게 나누어질 수 있어 별도의 선별 없이 대량생산할 수 있음을 확인하였다.
도 15은 병렬연결된 HIFU용 압전 소자를 포함하는 압전체가 내장된 트랜스듀서를 포함하는 장치의 구동주파수 및 임피던스를 확인하고 나타낸 도이고, 도 16은 Hp4194A impedance-Gain phase로 상기 장치의 구동 주파수와 임피던스를 측정한 실제 데이터를 나타낸 그래프이다. 표준편차가 클 경우 2 개의 구동주파수가 존재하나 본 발명의 HIFU 장치의 경우 하나의 압전 소자와 유사하게 한개의 구동주파수와 임피던스 값으로 수렴함을 확인하였다.
도 17은 본 발명의 바람직한 실시예로 제작된 HIFU 장치의 X축 구동시 형성되는 초점형상을 나타낸 그래프이다. 안면에 조사되는 기기의 특성상 피부와 접촉하는 트랜스듀서의 초음파 투과 필름이 부착되는 면적이 작을수록 피부와 밀착력을 극대화하여 화상과 같은 부작용을 피할 수 있다. 접촉 면적이 넓을 경우 굴곡진 얼굴 부위를 시술하기 어렵고 피부와 필름과의 공간이 형성되어 화상이 발생할 수 있으므로 초음파 집속용 트랜스듀서는 X축으로 구동하는 것이 바람직하다.
본 발명의 트랜스듀서를 병렬(X축)로 구동시 일정한 간격(3 내지 5 ㎜)으로 2 개의 초점이 피부 아래로 조사될 수 있다. 통상적으로 안면에 시술시 전체적으로 트랜스듀서를 이동하면서 시술하기 때문에 본 발명의 트랜스듀서를 이용하는 경우 진피층 및 콜라겐 층을 동시에 자극할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 본 발명의 트랜스듀서를 포함하는 장치는 피부 아래 1.0 mm 내지 6.5 mm까지 초음파를 집속할 수 있고, 바람직하게는 1.5 mm 내지 6.0 mm까지 초음파를 집속할 수 있다. 이를 통해 본 발명의 장치는 근막층(피부아래 4.5mm), 콜라겐층(피부아래 3mm), 진피층(피부아래 1.5mm)까지 초음파를 집속할 수 있다. 또한, 본 발명의 트랜스듀서를 포함하는 장치는 상이한 깊이의 피부 아래로 초음파를 집속할 수 있고, 구체적으로 피부 아래 1.5 mm 및 3.0 mm, 1.5 mm 및 4.5 mm, 1.5 mm 및 6.0 mm, 3.0 mm 및 4.5mm, 3.0 mm 및 6.0mm 또는 4.5 mm 및 6.0 mm의 조합의 깊이로 초음파를 집속할 수 있다.
도 18은 본 발명의 HIFU 장치를 이용하여 시술시 초점이 맺히는 깊이를 나타낸 모식도이다. 도 18을 참조하면, 트랜스듀서로 표시된 부위는 본 발명의 HIFU 압전체가 내장된 트랜스듀서를 포함하는 장치의 초음파 투과 필름 및 초음파 발생부(HIFU 압전체)를 나타낸다. 상기 초음파 발생부는 상기 이동제어부에 의해 HIFU 압전 소자의 X축 방향으로 이동한다. 상기 HIFU 압전 소자들이 동일한 초점 거리를 갖더라도 단차가 있도록 압전 소자 하우징에 부착되기 때문에 피부 표면으로 초점거리는 상이할 수 있다. 예컨대, 압전 하우징에 부착되는 2개의 압전 소자들 중 제1 압전 소자 및 제2 압전 소자가 3 MHz의 1차 공진 주파수를 가진다고 가정하면, 압전 소자들에는 3 MHz의 교류 전압이 인가된다. 또한, 제1 압전 소자 및 제2 압전 소자의 두께와 재질은 동일하므로 상호 동일한 초점 거리를 가진다.
이때, 제1 압전 소자를 제2 압전 소자에 비해 접촉 필름에 근접하여 배치하는 경우, 제1 압전 소자의 실효 초점 거리는 제2 압전 소자에 비해 더 큰 값을 가질 수 있다. 예컨대, 단차에 의해서 제1 압전 소자의 실효 초점 거리는 4.5 ㎜이고, 제2 압전 소자의 실효 초점 거리는 3 ㎜일 수 있다.
도 19는 식약처 기준 장비인 ohmic instrument UPM-DT-1000PA를 사용하여 본 발명의 HIFU 장치에 포함되는 트랜스듀서의 초음파 출력을 측정한 그래프이다. 상기 트랜스듀서에 포함되는 HIFU 압전체에 포함되는 2개의 압전 소자들 중 제1 압전 소자만 구동하고 제2 압전 소자는 구동하지 않을 경우와, 제1 압전 소자 및 제2 압전 소자를 동시에 구동하였을 때 초음파 출력을 측정한 데이터(a)이다. 상기 초음파 출력 측정시 입력 Watt를 변화시키면서 측정하였다. 도 19의 (a)의 그래프를 참조하면, 입력전력에 따라 제1 압력 소자 만을 구동시킬 경우 입력전력에 따라 초음파 출력은 선형적으로 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 하나의 입력전력에서 두 개의 초점을 동시에 출사시켜 초음파 출력을 측정하기 위하여 서로다른 초점에서의 출력을 측정해야 하기 때문에 도 21의 (b)와 같은 단차를 갖는 흡음재를 장착한 후 입력전력에 따른 제1 압력 소자 및 제2 압력 소자로부터 발생하는 초음파 출력을 측정한 결과 병렬구동에 따라 두 개의 HIFU트랜듀서의 출력의 합이 입력전력에 따라 선형적으로 증가하는 것을 확인하였다. 이를 통해 HIFU 압전체의 제1 압력 소자 및 제2 압력 소자에는 전력이 균등하게 분배되는 것을 확인하였다.
1 : 트랜스듀서가 결합된 헤드피스 2: 핸드피스
100 : 트랜스듀서 하우징 200 : 초음파 발생부
300 : 이동 제어부 400 : 교류 전원부
500 : 초음파 투과 필름
100 : 트랜스듀서 하우징 200 : 초음파 발생부
300 : 이동 제어부 400 : 교류 전원부
500 : 초음파 투과 필름
Claims (13)
- 곡률반경이 10.0 ㎜ 내지 15.0 ㎜인 2개 이상의 압전 소자들;
상기 압전 소자들이 단차를 갖고 0 º 내지 30 º로 기울어지도록 배치 및 접착되는 압전 소자 하우징; 및
투과창이 형성되고, 상기 압전 소자들 및 상기 압전 소자 하우징이 수용되는 트랜스듀서 하우징;을 포함하고,
상기 압전 소자들의 곡률 또는 단차에 의해 초음파 집속 초점 깊이가 변화하고 시술 깊이가 상이한 2개의 피부층을 동시에 시술하며,
상기 압전 소자들은 직사각형의 형상을 가지는 고강도 집속 초음파(High Intensity Focused Ultrasound) 장치에 사용되는 초음파 집속용 트랜스듀서. - 제1항에 있어서,
상기 압전 소자는 가로 3.5 ㎜ 내지 6.0 ㎜ 및 세로 8.0 ㎜ 내지 26 ㎜인, 초음파 집속용 트랜스듀서. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 압전 소자들의 단차는 1.0 ㎜ 내지 3.5 ㎜ 인 초음파 집속용 트랜스듀서. - 제1항에 있어서,
상기 압전 소자들의 구동 주파수가 2 MHz 내지 12 MHz인, 초음파 집속용 트랜스듀서. - 제1항에 있어서,
상기 압전 소자들의 구동주파수는 동일 또는 상이한 구동 주파수를 갖는, 초음파 집속용 트랜스듀서. - 제1항에 있어서,
상기 트랜스듀서는 X축 이송용 압전 선형모터를 포함하는, 초음파 집속용 트랜스듀서. - 제1항에 있어서,
상기 트랜스듀서의 투과창에 초음파 투과 필름이 부착되는, 초음파 집속용 트랜스듀서. - 곡률반경이 10.0 ㎜ 내지 15.0 ㎜인 직사각형의 형상을 갖는 압전 소자를 포함하는 초음파 집속용 트랜스듀서;
상기 트랜스듀서와 결합하는 헤드피스; 및
상기 헤드피스와 결합하는 핸드피스;를 포함하고 시술 깊이가 상이한 2개의 피부층을 동시에 시술할 수 있는, 고강도 집속 초음파 장치. - 제10항에 있어서,
상기 장치는 피부 아래 1.0 ㎜ 내지 6.0 ㎜까지 초음파가 집속되는, 고강도 집속 초음파 장치. - 삭제
- 제10항에 있어서,
상기 장치의 시술 깊이는 피부 아래 1.5 ㎜ 및 3.0 ㎜, 1.5 ㎜ 및 4.5 ㎜, 1.5 ㎜ 및 6.0 ㎜, 3.0 ㎜ 및 4.5 ㎜, 3.0 ㎜ 및 6.0 ㎜ 또는 4.5 ㎜ 및 6.0 ㎜의 조합인, 고강도 집속 초음파 장치.
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| Publication number | Publication date |
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| WO2023211077A1 (ko) | 2023-11-02 |
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| GRNT | Written decision to grant |