KR102525434B1 - 초음파 트랜스듀서 및 집속 초음파 치료 기기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초음파 트랜스듀서 및 집속 초음파 치료 기기를 제공하며, 이는 고강도 집속 초음파 기술 분야에 해당되며, 이는 기존의 초음파 트랜스듀서의 집속 영역의 크기가 크고, "시가 형상"을 나타내는 문제점을 해결할 수 있다. 해당 초음파 트랜스듀서는 초음파를 발생시키기 위한 사운드 발생 유닛 및 사운드 발생 표면(3)을 포함하고, 사운드 발생 표면(3)은 제1 노치(31), 제2 노치(32) 및 제3 노치(33)를 구비하는 구면이고, 사운드 발생 표면(3)에 대응되는 구면의 하나의 대원은 주 대원(99)이고, 제1 노치(31) 및 제2 노치(32)는 각각 주 대원(99)에 수직이 되는 직경과 구면이 교차하는 두개의 위치에 위치하고, 제3 노치(33)는 제1 노치(31)와 제2 노치(32)를 연결하며, 주 대원(99)의 양측 각각에서 특정 거리의 범위 내에서, 주 대원(99)에 평행한 사운드 발생 표면(3)의 단면은 원호 형상이고, 원호 형상의 개구는 제3 노치(33)에 대응하고, 원호 형상의 중심각은 180도보다 크고 360도보다 작으며, 사운드 발생 표면은 초음파를 반사하고, 사운드 발생 유닛에서 발생되는 초음파를 사운드 발생 표면(3)에 대응되는 구심에 집속시킬 수 있다.

Description

초음파 트랜스듀서 및 집속 초음파 치료 기기
본 발명은 고강도 집속 초음파 기술 분야에 관한 것으로, 특히 초음파 트랜스듀서 및 집속 초음파 치료 기기에 관한 것이다.
고강도 집속 초음파(High Intensity Focused Ultrasound, HIFU) 기술은 의료, 과학 연구, 재료 처리 등의 분야에서 광범위하게 응용되고 있으며, 이는 초음파의 집속성 및 투과성을 이용하여 초음파를 특정된 위치에 집속시켜 집속 영역에서의 고 에너지를 이용하여 질병 치료, 반응 유발, 재료 특성 변환 등을 진행한다. 예를 들어, 고강도 집속 초음파 기술은 이미 임상적으로 간암, 유방암, 신장암, 골종양, 자궁 근종 등의 양성 및 악성 종양의 치료에 이용되었으며, 그 원리는 초음파를 인체 내의 병변된 위치에 집속시켜 집속 영역의 고 에너지 밀도의 기계적 에너지를 열 에너지로 변환시켜, 병변된 조직을 응고성 괴사(초음파 열 절제로도 지칭됨)시키며, 아울러 음향 채널 상의 초음파의 에너지 밀도가 상대적으로 낮으므로, 병변된 조직 주위 및 음향 채널 상의 정상적인 조직에 영향이 미치지 않거나 또는 허용 가능한 영향이 미치도록 확보할 수 있다.
초음파 트랜스듀서는 고강도 집속 초음파 기술의 핵심적은 부재로서, 이는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키고, 사운드 발생 표면의 각 위치에서 법선 방향을 따라 초음파를 방출함으로써, 방출된 초음파를 집속시킨다. 기존의 집속 초음파 트랜스듀서의 사운드 발생 표면은 대부분 구관면이며, 이로 발충된 초음파는 진행파이고, 구관의 구심 부근에 집속된다. 초음파의 특성으로 인하여, 기존의 초음파 트랜스듀서의 집속 영역은 실제로 시가 형상 또는 방추 형상에 근사하게 되며, 그의 음향 축 방향에서의 길이는 상대적으로 크며, 일반적으로 10mm를 초과하나, 기타 두개의 단 축의 크기는 2mm 내지 3mm이다(초음파 주파수가 1MHz일 경우를 예로 듦).
기존의 초음파 트랜스듀서의 집속 영역 범위는 상대적으로 크고, 에너지가 충분히 집속되지 않으며, 집속 영역에서의 에너지 밀도가 상대적으로 낮고, 음압의 최대치는 107Pa의 크기에 달할 수밖에 없으며, 이로 인해 병변된 조직을 신속하게 절제시킬 수 없어, 치료 시간이 길고 치료 효과가 양호하지 않다.
또한, 인체 내에는 대량의 골격, 가스 함유 기관, 지방 등의 불균일한 조직이 존재하며, 이들은 기존의 초음파 트랜스듀서에서 방출하는 초음파에 심한 산란, 반사를 초래하여, 초음파의 전파에는 심한 비선형성 등이 나타나게 되어, 집속 영역에 예측할 수 없는 오프셋, 왜곡을 발생시켜, 치료의 안정성에 영향을 미치게 된다.
EP 2524651
본 발명은 적어도 부분적으로 기존의 초음파 트랜스듀서의 집속 영역의 크기가 크고, "시가 형상"을 나타내는 문제점을 해결하며, 크기가 작은 구형의 집속 영역의 초음파 트랜스듀서 및 집속 초음파 치료 기기를 제공한다.
본 발명의 기술적 문제를 해결하기 위해 이용되는 기술적 방안은 초음파 트랜스듀서로서, 이는 초음파를 발생시키기 위한 사운드 발생 유닛 및 사운드 발생 표면을 포함하며,
상기 사운드 발생 표면은 제1 노치, 제2 노치 및 제3 노치를 구비하는 구면이고, 상기 사운드 발생 표면에 대응되는 구면의 하나의 대원은 주 대원이고, 상기 제1 노치 및 상기 제2 노치는 각각 상기 주 대원에 수직이 되는 직경과 상기 구면이 교차하는 두개의 위치에 위치하고, 상기 제3 노치는 상기 제1 노치와 상기 제2 노치를 연결하며,
상기 주 대원의 양측 각각에서 특정 거리의 범위 내에서, 상기 주 대원에 평행한 상기 사운드 발생 표면의 단면은 원호 형상이고, 상기 원호 형상의 개구는 상기 제3 노치에 대응하며, 상기 원호 형상에 대응되는 중심각은 180도보다 크고 360도보다 작으며,
상기 사운드 발생 표면은 초음파를 반사 가능하고, 상기 사운드 발생 유닛에서 발생되는 초음파는 상기 사운드 발생 표면에 대응되는 구심에 집속된다.
바람직하게, 상기 제1 노치 및 상기 제2 노치의 가장자리는 각각 제1 평면 및 제2 평면에 위치한다.
보다 바람직하게, 상기 제1 평면과 상기 제2 평면은 모두 상기 주 대원과 평행하게 된다.
보다 바람직하게, 상기 제1 평면과 상기 제2 평면 사이의 거리는 80mm 내지 1000mm이다.
보다 바람직하게, 상기 제1 평면과 상기 제2 평면 사이의 거리는 150mm 내지 500mm이다.
보다 바람직하게, 상기 제1 평면과 상기 주 대원 사이의 거리는 상기 제2 평면과 상기 주 대원 사이의 거리와 동일하다.
바람직하게, 상기 주 대원에 평행한 상기 사운드 발생 표면의 임의의 단면은 모두 원호 형상이고, 상기 원호 형상에 대응되는 중심각은 180도보다 크고 360도보다 작다.
보다 바람직하게, 상기 주 대원에 평행한 상기 사운드 발생 표면의 임의의 단면의 원호 형상의 개구는 동일 방향을 지향한다.
보다 바람직하게, 상기 주 대원에 평행한 상기 사운드 발생 표면의 임의의 단면의 원호 형상에 대응되는 중심각은 동일하다.
바람직하게, 상기 주 대원의 양측 각각에서 특정 거리의 범위 내에서, 상기 주 대원에 평행한 상기 사운드 발생 표면의 단면의 원호 형상에 대응되는 중심각은 180도보다 크고 300도보다 작다.
보다 바람직하게, 상기 주 대원의 양측 각각에서 특정 거리의 범위 내에서, 상기 주 대원에 평행한 상기 사운드 발생 표면의 단면의 원호 형상에 대응되는 중심각은 200도보다 크고 280도보다 작다.
바람직하게, 상기 주 대원의 양측 각각에서 특정 거리의 범위는 주 대원의 양측 각각에서 40mm 내지 500mm의 거리의 범위이다.
바람직하게, 상기 사운드 발생 표면에 대응되는 구면의 직경은 100mm 내지 3000mm이다.
보다 바람직하게, 상기 사운드 발생 표면에 대응되는 구면의 직경은 200mm 내지 2000mm이다.
바람직하게, 상기 사운드 발생 표면은 주 대원에 대해 대칭되게 배치된다.
본 발명의 기술적 문제를 해결하기 위해 이용되는 기술적 방안은 집속 초음파 치료 기기로서, 이는,
상술한 초음파 트랜스듀서를 포함한다.
본 발명의 초음파 트랜스듀서에 있어서, 사운드 발생 표면은 초음파를 반사 가능하고, 이에 대응되는 중심각은 180도를 초과하므로, 사운드 발생 표면의 일부 위치에서 방출하는 초음파는 대향하는 사운드 발생 표면에 의해 반사되어, 해당 영역 내에서 초음파가 정상파로 형성되며, 사운드 발생 표면의 기타의 부분에서 방출하는 초음파는 여전히 진행파로서 반사되지 않는다.
이러한 진행파와 정상파가 결합되는 형식을 통해, 일부의 방향에서 초음파의 집속 영역에 대하 압축을 진행하여, 그가 시가 형상에서 구형에 근사한 규칙적인 형상으로 변하게 되고, 크기가 작아지며, 집속 영역에서의 에너지 밀도를 향상시키고, 치료 효과 및 효율을 개선시키며, 정상적인 조직에 대한 손상을 감소시키고, 아울러, 이는 인체 내의 불균일한 조직에서의 초음파의 산란, 반사 등을 감소시키고, 집속 영역의 오프셋, 왜곡을 감소시켜 집속 영역의 정확한 위치 확정에 유리할 수도 있다.
다른 일 양태에 있어서, 사운드 발생 표면은 세개의 노치를 더 구비하므로, 초음파 트랜스듀서의 실제적인 응용이 편리하도록, 인체, 처리하고자 하는 재료, 연구 장치 등은 이러한 노치들을 통해 사운드 발생 표면 내부에 진입하여 집속 영역 근처에 도달하게 된다.
본 발명의 초음파 트랜스듀서는 바람직하게 집속 초음파 치료 기기에 이용되며, 물론 연구 개발, 재료 처리 등의 기타의 분야에 이용될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예의 초음파 트랜스듀서의 개략적 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예의 초음파 트랜스듀서 중의 사운드 발생 표면의 개략적 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예의 초음파 트랜스듀서 중의 사운드 발생 표면의 주 대원에 평행한 방향에 따른 개략적 구성도이다.
도 4 본 발명의 실시예의 초음파 트랜스듀서 중의 사운드 발생 표면의 주 대원에 수직이 되는 방향에 따른 개략적 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예의 초음파 트랜스듀서 중의 사운드 발생 표면의 주 대원에 평행한 단면에서의 개략적 구성도이다.
도 6은 60도 중심각에 대응되는 사운드 발생 표면의 시뮬레이션 음장 강도 공간 분포도이다.
도 7은 100도 중심각에 대응되는 사운드 발생 표면의 시뮬레이션 음장 강도 공간 분포도이다.
도 8은 220도 중심각에 대응되는 사운드 발생 표면의 시뮬레이션 음장 강도 공간 분포도이다.
도 9는 300도 중심각에 대응되는 사운드 발생 표면의 시뮬레이션 음장 강도 공간 분포도이다.
도 10은 X축에서의 상이한 중심각의 사운드 발생 표면의 시뮬레이션 음장 강도 분포도이다.
도 11은 Y축에서의 상이한 중심각의 사운드 발생 표면의 시뮬레이션 음장 강도 분포도이다.
도 12는 Z축에서의 상이한 중심각의 사운드 발생 표면의 시뮬레이션 음장 강도 분포도이다.
도 13은 각 축에서의 상이한 중심각의 사운드 발생 표면의 시뮬레이션 음장의 -6dB폭 도면이다.
도 14는 상이한 중심각의 사운드 발생 표면에 대응되는 -6dB폭의 집속 영역의 부피 도면이다.
도 15는 X축에서의 Y축을 따른 크기가 상이한 사운드 발생 표면의 시뮬레이션 음장 강도 분포도이다.
도 16은 Y축에서의 Y축을 따른 크기가 상이한 사운드 발생 표면의 시뮬레이션 음장 강도 분포도이다.
도 17은 Z축에서의 Y축을 따른 크기가 상이한 사운드 발생 표면의 시뮬레이션 음장 강도 분포도이다.
도 18은 각 축에서의 Y축을 따른 크기가 상이한 사운드 발생 표면의 시뮬레이션 음장의 -6dB폭 도면이다.
도 19는 Y축을 따른 크기가 상이한 사운드 발생 표면의 시뮬레이션 음장에 대응되는 -6dB폭의 집속 영역의 부피 도면이다.
당해 기술 분야의 당업자가 본 발명의 기술적 방안을 보다 잘 이해할 수 있도록, 아래에 첨부된 도면 및 구체적인 실시예를 결부하여 본 발명에 대해 진일보로 상세한 설명을 진행하기로 한다.
실시예1:
도 1 내지 도 19에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 초음파를 발생시키기 위한 사운드 발생 유닛 및 사운드 발생 표면(3)을 포함하는 초음파 트랜스듀서를 제공한다.
또한, 사운드 발생 표면(3)은 제1 노치(31), 제2 노치(32) 및 제3 노치(33)를 구비하는 구면이고, 사운드 발생 표면(3)에 대응되는 구면의 하나의 대원은 주 대원(99)이고, 제1 노치(31) 및 제2 노치(32)는 각각 주 대원(99)에 수직이 되는 직경과 구면이 교차하는 두개의 위치에 위치하고, 제3 노치(33)는 제1 노치(31)와 제2 노치(32)를 연결한다.
주 대원(99)의 양측 각각에서 특정 거리의 범위 내에서, 주 대원(99)에 평행한 사운드 발생 표면(3)의 단면은 원호 형상이고, 원호 형상의 개구는 제3 노치(33)에 대응되고, 원호 형상에 대응되는 중심각은 180도보다 크고 360도보다 작다.
사운드 발생 표면(3)은 초음파를 반사 가능하고, 사운드 발생 유닛에서 발생되는 초음파는 사운드 발생 표면(3)에 대응되는 구심에 집속된다.
본 실시예의 초음파 트랜스듀서는 사운드 발생 유닛을 구비하고, 사운드 발생 유닛은 초음파를 발생할 수 있는 소자이며, 예컨대 사운드 발생 유닛의 재료는 압전 세라믹 또는 1-3형 압전 복합 재료 등을 포함할 수 있다. 사운드 발생 유닛을 설계하는 형상, 수량, 위치 등을 통해, 사운드 발생 유닛은 사운드 발생 표면(3)의 각 위치에서 초음파를 방출하고, 각 위치에서 방출하는 초음파는 모두 사운드 발생 표면(3)을 따라 해당 위치의 법선 방향에서 전파하고, 이러한 초음파는 최종으로 원하는 위치에 집속(직접적인 집속 또는 반사된 후의 집속을 포함함)될 수 있는 것에 해당될 수 있다.
구체적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 사운드 발생 표면(3)은 기정의 형상을 구비하는 소리 투과면일 수 있으며, 사운드 발생 유닛(예컨대, 압전 어레이(4))은 사운드 발생 표면(3) 뒤에 구비될 수 있으며, 또는, 사운드 발생 표면(3)은 즉 사운드 발생 유닛 자체의 방출면일 수 있다.
구체적으로, 사운드 발생 유닛은 상이한 형식을 이용할 수도 있다. 예를 들어, 사운드 발생 유닛은 사운드 발생 표면(3)의 상이한 위치에 구비되는 다수의 압전 어레이(4)(예컨대, 직사각형의 압전 세라믹 조각)일 수 있으며, 즉, 다수의 압전 어레이(4)는 사운드 발생 표면(3)으로 "병합"되며, 또는, 사운드 발생 유닛은 직접적으로 사운드 발생 표면(3)과 동일한 형상(예컨대, 사운드 발생 유닛은 이형의 압전 세라믹 조각임)을 구비할 수도 있다.
물론, 도 1에 도시된 바와 같이, 사운드 발생 표면(3) 및 사운드 발생 유닛 이외에, 초음파 트랜스듀서에는 사운드 발생 유닛의 구동 회로, 폐쇄형 구동 회로 및 사운드 발생 유닛의 하우징(예를 들어, 사운드 발생 유닛의 하우징은 하우징(1), 상부 커버(2), 하부 커버, 단부 커버(5) 등을 포함할 수 있음) 등의 기타 부재를 더 포함할 수 있으며, 여기서 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
종래의 구관면 형식의 사운드 발생 표면과 달리, 본 실시예의 초음파 트랜스듀서의 사운드 발생 표면(3)은 세개의 부분이 제거된 구면에 해당된다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 상술한 사운드 발생 표면(3)의 제거된 두개의 부분(제1 노치(31) 및 제2 노치(32))는 구면의 하나의 직경 상의 양단부에서의 부분이며, 해당 직경에 수직이 되는 대원(즉, 구심을 지나는 면)은 주 대원(99)이다. 사운드 발생 표면(3)의 제거된 제3 부분(제3 노치(33))은 측면에서 상술한 제1 노치(31)와 제2 노치(32)를 연결하는 부분이다.
즉, 주 대원(99)이 위치한 평면이 수평 방향이고, 상술한 주 대원(99)에 수직이 되는 직경의 방향이 수직 방향일 경우, 하나의 구면에 대해, 그의 수직 방향에서의 상단부와 하단부 각각의 일부분을 절단한 이후, 그의 측면의 일부분을 더 절단할 수 있으며, 해당 측면의 절단된 부분은 상단부와 하단부의 노치를 연결시켜야 하며, 이러할 경우, 나머지 구면은 즉 상술한 사운드 발생 표면(3)이다.
여기서, 주 대원(99)의 양측 각각에서 특정 거리(상술한 특정 거리는 바람직하게 40mm 내지 500mm이고, 양측의 거리는 상이할 수 있음)의 범위 내에서, 주 대원(99)에 평행한 절단된 사운드 발생 표면(3)의 단면의 형상은 원호 형상이고, 해당 원호 형상에 대응되는 중심각은 180도보다 크고 360도보다 작으며, 그의 개구는 상술한 제3 노치(33)에 대응된다. 즉, 적어도 주 대원(99)에 근접한 일부의 범위 내에서, 상술한 제3 노치(33)는 단지 "반 구보다 적은" 부분을 제거하고, 이러할 경우 보류된 사운드 발생 표면(3)은 "반 구보다 많은" 부분이다.
나아가, 상술한 사운드 발생 표면(3)은 초음파를 반사 가능하므로, 도 5에 도시된 바와 같이, 중심각이 180도를 초과하는 원호 부분에서 방출하는 초음파는 대향하는 사운드 발생 표면(3)에 의해 반사되고, 180도를 초과하는 해당 원호 부분도 대향하는 사운드 발생 표면(3)에서 방출하는 초음파를 반사할 수도 있으며, 이로써 일부의 영역(도 5에서 사선으로 표시된 부분) 내에서 초음파를 복귀시켜 정상파를 형성하고, 초음파의 집속 상황 및 집속 영역의 형태를 변화시킬 수 있으며, 아울러, 개구에 대응되는 원호의 부분에서 방출하는 초음파는 반사되지 않으므로, 원호의 해당 부분에서 방출하는 초음파는 여전히 진행파이다.
즉, 본 실시예의 초음파 트랜스듀서에서 발생되는 초음파는 실제로 진행파와 정상파가 결합된 형식이며, 이로써 그의 전파, 집속 등에는 변화가 발생하게 된다. 구체적으로, 해당 초음파 트랜스듀서는 원래의 시가 형상의 집속 영역의 장축을 압축시켜 집속 영역이 구형에 더욱 근접하고 크기가 작아지도록 하며, 집속 영역에서의 에너지 밀도를 향상시키고, 치료 효과 및 효율을 개선시키며 정상적인 조직에 대한 손상을 감소시킬 수 있다. 아울러, 해당 초음파 트랜스듀서는 인체 내의 불균일한 조직에서의 초음파의 산란, 반사 등을 감소시켜, 집속 영역의 오프셋, 왜곡을 감소시키고, 집속 영역의 정확한 위치 확정에 유리할 수도 있다.
다른 일 양태에 있어서, 사운드 발생 표면(3)은 세개의 노치를 더 구비하므로, 초음파 트랜스듀서의 실제 응용에 편리하도록, 인체, 처리하고자 하는 재료, 연구 장치 등은 이러한 노치들을 통해 사운드 발생 표면(3) 내부에 진입하여 집속 영역 근처에 도달할 수 있다.
바람직하게, 제1 노치(31) 및 제2 노치(32)의 가장자리는 각각 제1 평면(91)과 제2 평면(92)에 위치한다. 보다 바람직하게, 제1 평면(91)과 제2 평면(92)은 모두 주 대원(99)에 평행한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상술한 제1 노치(31) 및 제2 노치(32)는 바람직하게 평면에 의해 절단된 구관이고, 보다 바람직하게, 평행한 두개의 평면에 의해 절단된 구관이며, 즉, 절단된 두개의 구관의 저면은 바람직하게 서로 평행하다. 따라서, 제1 노치(31) 및 제2 노치(32)를 제거한 후의 구면은 두개의 구면대의 저면이 맞대어진 구조에 해당된다. 물론, 두개의 구면대의 저면은 모두 주 대원(99)이고, 양자의 높이는 상이할 수 있다. 상술한 형식의 사운드 발생 표면(3)의 형상은 구면대에 근사하며, 상대적으로 규칙적이고 구조가 단순하다.
물론, 상술한 제1 노치(31) 및 제2 노치(32)는 서로 평행하게 되지 않는 평면으로 절단되거나, 또는 비 평면의 곡면으로 절단될 수도 있다.
보다 바람직하게, 제1 평면(91)과 제2 평면(92) 사이의 거리는 80mm 내지 1000mm이고, 더 바람직하게는 150mm 내지 500mm이다.
즉, 제1 노치(31)와 제2 노치(32) 사이의 거리(즉, 사운드 발생 표면(3)의 수직 방향에서의 크기)는 바람직하게 상술한 범위(물론, 사운드 발생 표면(3)에 대응되는 구면의 직경은 상술한 거리보다 큼) 내에 위치하고, 이러한 사운드 발생 표면(3)의 면적은 충분하여, 실제 응용에 적합한 초음파를 발생할 수 있다.
보다 바람직하게, 제1 평면(91)과 주 대원(99) 사이의 거리는 제2 평면(92)과 주 대원(99) 사이의 거리와 동일하다.
즉, 제1 노치(31) 및 제2 노치(32)는 바람직하게 구심과의 거리가 동일한 두개의 평면으로 절단된 것이므로, 이들의 크기는 동일하고 대칭되게 분포된다.
물론, 제1 노치(31) 및 제2 노치(32)와 구심의 거리가 동일하지 않거나 형상이 완전히 상이한 경우에도 가능하다.
바람직하게, 주 대원(99)에 평행한 사운드 발생 표면(3)의 임의의 단면은 모두 원호 형상이고, 원호 형상에 대응되는 중심각은 180도보다 크고 360도보다 작다.
앞서 적어도 주 대원(99) 근처에서 주 대원(99)에 평행한 사운드 발생 표면(3)의 단면이 원호 형성인 것으로 한정하였으나, 보다 바람직한 방식으로, 주 대원(99)에 평행한 사운드 발생 표면(3)의 임의의 단면은 모두 상술한 중심각이 180도보다 크고 360도보다 작은 원호 형상일 수 있으며, 이로써 수직 방향에서의 사운드 발생 표면(3)의 각 위치에서 모두 정상파를 발생할 수 있도록 보장한다.
물론, 주 대원(99)에 평행한 사운드 발생 표면(3)의 단면의 일부 위치가 원호 형상이 아닐 경우(예컨대, 분리된 두 구간의 원호)에도 가능하다.
더 바람직하게, 주 대원(99)에 평행한 사운드 발생 표면(3)의 임의의 단면의 원호 형상의 개구는 동일 방향을 지향하고, 더 바람직하게, 주 대원(99)에 평행한 사운드 발생 표면(3)의 임의의 단면의 원호 형상에 대응되는 중심각은 동일하다.
즉, 수직 방향에서의 상이한 위치에서, 상술한 제3 노치(33)는 바람직하게 동일 방향을 지향하고, 보다 바람직하게, 대응되는 중심각도 동일하며, 즉, 제3 노치(33)는 바람직하게 주 대원(99)에 수직이 되는 평면으로 절단된 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 주 대원(99)에 수직이 되는 방향에서 관찰할 경우, 상술한 사운드 발생 표면(3)은 "C형"의 형상에 유사하며, 주 대원(99)에 수직이 되는 방향에서 해당 "C형"은 일정한 "두께"를 구비하고, 주 대원(99)에 수직이 되는 방향에서의 상이한 위치에서 "C형"의 크기는 상이하다.
바람직하게, 주 대원(99)의 양측 각각에서 특정 거리의 범위 내에서, 주 대원(99)에 평행한 사운드 발생 표면(3)의 단면의 원호 형상에 대응되는 중심각은 180도보다 크고 300도보다 작으며, 더 바람직하게 200도보다 크고 280도보다 작다.
앞서 중심각이 180도보다 크고 360도보다 작기만 하면 정상파를 형성할 수 있었으나, 실제 응용의 관점으로 감안할 경우, 중심각은 더 바람직하게 상술한 범위 내에 있어야 하며, 이로써 충분한 정상파를 형성할 수 있고, 제3 노치(33)도 충분히 크게 되어, 실제 응용에 편리하게 된다.
바람직하게, 사운드 발생 표면(3)에 대응되는 구면의 직경은 100mm 내지 3000mm이며, 보다 바람직하게는 200mm 내지 2000mm이다.
사운드 발생 표면(3)의 형상(크기를 포함하지 않음)이 동일할 경우, 이에 대응되는 구면 직경이 클수록, 사운드 발생 표면(3)의 실제 크기는 더욱 크며, 따라서, 단위 면적에서 방출하는 초음파의 에너지가 동일할 경우, 초음파 트랜스듀서의 총 에너지는 더 크고, 집속 영역의 에너지 밀도가 더욱 높으므로, 상술한 크기의 구면은 실제 응용에 상대적으로 적합하다.
바람직하게, 사운드 발생 표면(3)은 주 대원(99)에 대해 대칭되게 배치된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 사운드 발생 표면(3)은 바람직하게 주 대원(99)에 대해 대칭되게 분포되며, 즉, 주 대원(99) 양측의 사운드 발생 표면(3)의 형상은 바람직하게 동일하며, 이로써, 형성되는 음장, 집속 영역도 주 대원(99)에 대해 대칭되며, 더욱 규칙적이며, 제어가 용이하다.
아래에 상이한 사운드 발생 표면(3)에서 방출하는 초음파에 대해 시뮬레이팅을 진행하며, 여기서, 시뮬레이팅에 이용되는 사운드 발생 표면(3)의 제1 평면(91)과 제2 평면(92)은 서로 평행하고, 주 대원(99)까지의 거리가 동일하며, 주 대원(99)에 평행한 임의의 단면에서 모두 원호 형상이고, 각 원호 형상에 대응되는 중심각은 동일하며 동일 방향을 지향한다.
구체적으로, 중심각은 각각 60도, 100도, 220도, 300도의 상술한 사운드 발생 표면(3)의 시뮬레이션 음장 강도(음압을 대표로, 단위는 Pa임) 공간 분포는 각각 도 6 내지 도 9에 도시된 바와 같다(여기서, O는 구심이고, Y는 수직 방향이고, Z는 사운드 발생 표면(3)을 향한 기하적 중심이고, X는 Y, Z와 모두 수직임, 아래에 동일하게 적용됨).
보다시피, 중심각이 180도보다 작을 경우, XOZ면과 YOZ면에서 집속 영역은 명확하게 타원형을 나타내고, 중심각이 증가함에 따라 해당 타원형의 장축이 축소하기는 하나, 변화가 명확하지 않다. 이는 기존의 진행파 사운드 발생 표면(3)에 대해 형성된 집속 영역이 명확하게 시가 형상인 것을 보여준다. 중심각이 180도를 초과할 경우, XOZ면 과 YOZ면에서의 집속 영역의 형상은 원형에 근접하게 되므로, 집속 영역은 대응하여 구형의 규칙적인 형상에 근접하여 변하게 된다. 이는 중심각이 180도를 초과할 경우, 일부의 위치에서 정상파를 형성함으로써, 일부의 방향에서 집속 영역의 크기를 현저히 압축하여 집속 영역을 구형에 근접하게 변화시킬 수 있음을 보여준다.
나아가, 상술한 중심각이 상이할 경우, 각 축에서의 시뮬레이션 음장 강도(음압을 대표로, 단위는 Pa임)는 도 10 내지 도 12에 도시된 바와 같이 분포되며, 각 축에서의 시뮬레이션 음장의 -6dB폭은 도 13에 도시된 바와 같고, -6dB폭의 집속 영역의 부피는 도 14에 도시된 바와 같다.
이상의 각 도면에서 알 수 있듯이, 중심각이 180도보다 클 경우, 집속 영역은 X축 및 Z축에서 현저히 압축되고, 특히 Z축에서 집속 영역의 길이는 5개에 근사한 파장에서 1개에 근사한 파장으로 압축되고, 최종으로 X축, Y축, Z축에서의 집속 영역의 크기는 기본적으로 동일하고, 집속 영역은 "시가 형상"에서 구형에 근접한 형상으로 변하며, 부피가 대폭 작아지며, 아울러 중심각이 커짐에 따라 음압의 최대치도 계속 커지며, 이는 집속 영역의 부피가 축소함에 따라 집속 영역의 에너지 밀도가 현저히 높아지는 것을 보여준다.
상술한 제1 평면(91)과 제2 평면(92) 사이의 거리(즉, Y축 방향에서의 사운드 발생 표면(3)의 크기)가 상이할 경우, 각 축에서의 시뮬레이션 음장 강도(음압을 대표로, 단위는 Pa임)는 도 15 내지 도 17에 도시된 바와 같이 분포되고, 각 축에서의 시뮬레이션 음장의 -6dB폭은 도 18에 도시된 바와 같고, -6dB폭의 집속 영역의 부피는 도 19에 도시된 바와 같다.
보다시피, 구면대의 총 높이(즉, Y축 방향에서의 사운드 발생 표면(3)의 크기)가 증가함에 따라, 집속 영역의 크기도 압축되고, Y축 방향에서의 압축이 더욱 명확하며, 따라서, 집속 영역의 부피는 눈에 띄게 작아짐을 알 수 있다. 이는 제1 평면(91)과 제2 평면(92) 사이의 거리가 집속 영역에 대해서도 영향을 미치게 됨을 보여준다.
실시예2:
본 실시예는 집속 초음파 치료 기기를 제공하며, 이는,
상술한 초음파 트랜스듀서를 포함한다.
즉, 상술한 초음파 트랜스듀서는 기타의 부재와 조합되어 집속된 초음파를 이용하여 질병을 치료하는 장치를 구성할 수 있다. 예를 들어, 해당 집속 초음파 치료 기기는 초음파를 방출(예컨대, 체외에서 방출)하여, 초음파를 간암, 유방암, 신장암, 골종양, 자궁 근종 증의 병변된 조직에 집속시켜, 양성 및 악성 종양에 대한 치료를 진행할 수 있다.
본 실시예의 집속 초음파 치료 기기는 상술한 초음파 트랜스듀서를 이용하므로, 인체 내의 불균일한 조직에 의한 그의 초음파 전파의 영향이 작으며, 형성된 집속 영역의 형상이 규칙적이고 크기가 작고, 에너지 밀도가 높으며, 이에 따라, 집속 영역을 병변된 조직에 정확하게 위치시켜, 병변된 조직을 신속하게 절제시켜, 치료 효율 및 효과를 향상시킬 수 있으며, 아울러, 병변된 조직 주위 및 음향 채널 등에 대한 영향을 최대한으로 감소시켜, 안전성을 향상시킬 수도 있다.
물론, 치료 부위가 상이함에 따라, 해당 집속 초음파 치료 기기 중의 초음파 트랜스듀서의 형상, 크기도 상이할 수 있으며, 초음파 트랜스듀서의 사운드 발생 표면과 인체의 상대적인 위치 관계도 상이할 수 있다. 예를 들어, 사운드 발생 표면은 "고리" 형식으로 인체의 임의의 부위의 외부(즉, 인체 부위가 제1 노치 및 제2 노치를 통과함)에 걸쳐지는 것에 유사할 수 있으며, 또는, 인체의 임의의 부위가 상술한 제3 노치를 통해 사운드 발생 표면 내부에 진입할 수도 있다.
물론, 해당 집속 초음파 치료 기기에 있어서, 기타의 부재를 포함할 수도 있으며, 예를 들어, 초음파를 인체에 원활하게 진입시키기 위하여, 사운드 발생 표면과 인체 표면 사이에 소리 전파 매질(탈기수)를 유지시키기 위한 매질 저장 유닛을 더 구비할 수 있다. 또한 예를 들어, 치료의 편의를 위하여, 인체를 지지하기 위한 치료 침대 등을 더 구비할 수 있다. 또한 예를 들어, 집속 영역의 위치를 조정하기 위하여, 초음파 트랜스듀서 및/또는 인체의 이동을 구동하기 위한 구동 유닛을 더 구비할 수 있다. 또한 예를 들어, 실시간으로 치료 효과를 평가하기 위하여, 실시간으로 집속 영역 주변의 이미지를 형성하기 위한 이미징 유닛(예컨대, B형 초음파 검사, CT, MRI) 등을 더 구비할 수 있다.
이상의 실시예는 단지 본 발명의 원리를 설명하기 위하여 이용되는 예시적 실시예일 뿐, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 사상 및 본질을 위배하지 않고서 각종의 변형 및 개선을 진행할 수 있으며, 이러한 변형 및 개선도 본 발명의 보호 범위에 해당되는 것으로 간주하여야 하는 것을 이해할 수 있을 것이다.
1: 하우징
2: 상부 커버
3: 사운드 발생 표면
31: 제1 노치
32: 제2 노치
33: 제3 노치
4: 압전 어레이
5: 단부 커버
91: 제1 평면
92: 제2 평면
99: 주 대원

Claims (16)

  1. 초음파를 발생시키기 위한 사운드 발생 유닛과, 사운드 발생 표면을 포함하는 초음파 트랜스듀서에 있어서,
    상기 사운드 발생 표면은 제1 노치, 제2 노치 및 제3 노치를 구비하는 구면이고, 상기 사운드 발생 표면에 대응되는 구면의 하나의 대원(great circle)은 주(main) 대원이고, 상기 제1 노치 및 상기 제2 노치는 각각 상기 주 대원에 수직이 되는 직경과 상기 구면이 교차하는 두개의 위치에 위치하고, 상기 제3 노치는 상기 제1 노치와 상기 제2 노치를 연결하며,
    상기 주 대원의 양측 각각에서 특정 거리의 범위 내에서, 상기 주 대원에 평행한 상기 사운드 발생 표면의 단면은 원호 형상이고, 상기 원호 형상의 개구는 상기 제3 노치에 대응하며, 상기 원호 형상에 대응되는 중심각은 180도보다 크고 360도보다 작으며,
    상기 사운드 발생 표면은 초음파를 반사 가능하고, 상기 사운드 발생 유닛에서 발생되는 초음파는 상기 사운드 발생 표면에 대응되는 구심에 집속되는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 노치 및 상기 제2 노치의 가장자리는 각각 제1 평면 및 제2 평면에 위치하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 평면과 상기 제2 평면은 모두 상기 주 대원에 평행한 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 평면과 상기 제2 평면 사이의 거리는 80mm 내지 1000mm인 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 평면과 상기 제2 평면 사이의 거리는 150mm 내지 500mm인 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1 평면과 상기 주 대원 사이의 거리는 상기 제2 평면과 상기 주 대원 사이의 거리와 동일한 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 주 대원에 평행한 상기 사운드 발생 표면의 임의의 단면은 모두 원호 형상이고, 상기 원호 형상에 대응되는 중심각은 180도보다 크고 360도보다 작은 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 주 대원에 평행한 상기 사운드 발생 표면의 임의의 단면의 원호 형상의 개구는 동일 방향을 지향하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 주 대원에 평행한 상기 사운드 발생 표면의 임의의 단면의 원호 형상에 대응되는 중심각은 동일한 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 주 대원의 양측 각각에서 특정 거리의 범위 내에서, 상기 주 대원에 평행한 상기 사운드 발생 표면의 단면의 원호 형상에 대응되는 중심각은 180도보다 크고 300도보다 작은 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 주 대원의 양측 각각에서 특정 거리의 범위 내에서, 상기 주 대원에 평행한 상기 사운드 발생 표면의 단면의 원호 형상에 대응되는 중심각은 200도보다 크고 280도보다 작은 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 사운드 발생 표면에 대응되는 구면의 직경은 100mm 내지 3000mm인 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 사운드 발생 표면에 대응되는 구면의 직경은 200mm 내지 2000mm인 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 주 대원의 양측 각각에서 특정 거리의 범위는 상기 주 대원 양측 각각에서 40mm 내지 500mm의 거리의 범위인 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 사운드 발생 표면은 상기 주 대원에 대해 대칭되게 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  16. 집속 초음파 치료 기기에 있어서,
    제1항 내지 제15항 중의 어느 한 항의 초음파 트랜스듀서를 포함하는 것을 특징으로 하는 집속 초음파 치료 기기.
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