KR102583593B1 - 집속초음파 치료에 있어서 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하는 방법 및 이를 활용한 초음파 치료 시스템 - Google Patents

집속초음파 치료에 있어서 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하는 방법 및 이를 활용한 초음파 치료 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파 트랜스듀서를 이용한 집속초음파 치료에 있어서 최적의 초음파 트랜스듀서 위치를 결정하는 방법과 이를 활용한 초음파 치료 시스템에 관한 것이다. 일 실시예에 따른 방법은, 미리 촬영된 3차원 영상을 획득하는 단계; 상기 3차원 영상 내에서 초음파 빔이 집속될 목표 초점을 설정하는 단계; 상기 목표 초점을 기준으로 초음파 트랜스듀서의 위치에 따른 출력 초음파의 진폭 및 위상 차이를 계산하는 시간 역해석 시뮬레이션을 수행하는 단계; 상기 시뮬레이션 결과에 기초하여 상기 초음파 트랜스듀서의 위치에 따른 스코어를 획득하는 단계; 및 상기 초음파 트랜스듀서의 위치 별 스코어를 비교하여 가장 스코어가 높은 위치를 최적의 초음파 트랜스듀서 위치로서 결정하는 단계를 포함한다. 실시예에 따르면 시간 역해석 시뮬레이션을 통해 정확한 위치에 최대의 치료 효과를 얻을 수 있도록 최적의 트랜스듀서 위치를 결정할 수 있고, 수술 중 환자가 움직이거나 기타 요인이 발생한 경우에도 다관절 로봇 팔을 제어하여 트랜스듀서의 위치를 실시간으로 조정할 수 있다.

Description

집속초음파 치료에 있어서 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하는 방법 및 이를 활용한 초음파 치료 시스템{METHOD FOR DETERMINING POSITION OF ULTRASOUND TRANSDUCER IN FOCUSED ULTRASOUND THERAPY AND ULTRASOUND THERAPY SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 단일 요소 초음파 트랜스듀서를 이용한 집속초음파 치료에 있어서 시간 역해석 시뮬레이션을 통해 최적의 초음파 트랜스듀서 위치를 결정하는 방법과 이를 활용한 초음파 치료 시스템에 관한 것이다.
[국가지원 연구개발에 대한 설명]
본 연구는 한국과학기술연구원의 주관 하에 산업통상자원부의 산업기술알키미스트프로젝트(R&D)사업 - '고해상도 비침습 양방향 신경인터페이스 기반의 개인맞춤형 B2B(Brain to Brain) 인지증강 기술 개발(과제고유번호: 1415169864)'의 지원에 의하여 이루어진 것이다.
종래에는 환자의 통증을 완화시키거나 특정 신체 부위의 신경 세포를 자극하는 치료 방법을 수행하기 위해 환자의 신체에 전극을 삽입하는 등의 방법이 이용되었으나, 이와 같은 방식은 물리적인 침습 과정에서 신체가 손상될 우려가 있었다.
최근에는 물리적인 침습 과정 없이도 환부를 자극할 수 있는 초음파 자극 치료법이 널리 이용되고 있다. 초음파는 그 강도에 따라 고강도 집속초음파(High-intensity Focused Ultrasound; HIFU)와 저강도 집속초음파(Low-intensity Focused Ultrasound; LIFU)로 분류할 수 있다. 특히, 3 W/㎠ 이상의 시간 평균 최고 첨두 음향강도(Ispta)를 갖는 고강도 집속초음파는 신체 내부 목표 부위에 대기압의 수십에서 수백 배에 달하는 강력한 음향에너지를 전달할 수 있으며, 전달된 음향에너지는 열 또는 역학적 에너지로 전환되어 암세포, 종양, 병변 등과 같은 생체조직을 직접적으로 제거하는 것이 가능하다. 반면 저강도 집속초음파는 신체조직에 직접적인 손상을 가하지 않으면서 환자의 뇌 신경 세포를 자극하여 우울장애, 조현병 등의 정신질환이나 뇌전증, 수전증 등을 치료하기 위하여 폭넓게 이용될 수 있다.
이러한 초음파 치료 방법은 물리적인 침습 없이 환부를 제거하거나 자극할 수 있어 절개에 따른 감염, 후유증 등 부작용을 대폭 줄일 수 있다는 장점이 있다. 그러나 한편으로는 초음파가 복잡한 생체 조직 구조에 의해 반사되거나 굴절되어 시술의 정확도가 떨어지거나 에너지 손실이 발생하는 등의 문제점이 존재하며, 이는 경두개 초음파 치료와 같이 매우 정밀한 정확도를 요구하는 시술에서 더 큰 부작용을 불러올 수 있다.
이처럼 초음파가 환자의 신체구조(두개골과 뇌 등)를 통과하면서 집속도가 감소하거나 매질의 차이로 인하여 초음파 진행 경로가 틀어지는 문제점을 해결하기 위해, 다수의 트랜스듀서로 구성된 어레이 형태의 초음파 출력장치가 활용될 수 있다. 그러나 수십 개의 트랜스듀서로 구성된 초음파 치료기기는 단일 트랜스듀서 기기에 비해 가격이 매우 비싸다는 단점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2019-0108286호는 단일 초음파 트랜스듀서로 구성된 집속초음파 치료 시스템에 있어서, 환자의 두개골 영상에 기초하여 각 초음파 트랜스듀서 위치에 따른 반사계수를 계산하고, 이를 종합하여 최적의 초음파 트랜스듀서 위치를 결정하는 기술에 관해 개시하고 있다. 이에 따르면 동일한 초음파 출력에 대해 반사계수가 가장 낮은 지점을 계산함으로써 단일 초음파 트랜스듀서의 에너지 효율을 높일 수 있지만, 초음파 진행 경로의 왜곡으로 인한 손실 발생 문제를 해결하기는 어렵다. 따라서 초음파의 진폭과 위상 차이로 인한 집속 강도의 변화를 종합적으로 고려하여 최적의 트랜스듀서 위치를 실시간으로 찾아내기 위한 시스템이 요구된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2019-0108286호
이에 본 발명은 3차원 영상에 기초한 초음파 전달 역해석 시뮬레이션을 통해 초음파의 집속 효과를 최대화시킬 수 있는 최적의 트랜스듀서 위치를 결정하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 제어 가능한 로봇 팔을 이용해 상기 최적의 위치로 초음파 트랜스듀서를 움직임으로써 정확한 초점 위치 조준과 최대의 치료 효과를 얻을 수 있는 집속초음파 치료 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 위치를 결정하는 방법은, 미리 촬영된 3차원 영상을 획득하는 단계; 상기 3차원 영상 내에서 초음파 빔이 집속될 목표 초점을 설정하는 단계; 상기 목표 초점을 기준으로 초음파 트랜스듀서의 위치에 따른 출력 초음파의 진폭 및 위상 차이를 계산하는 시간 역해석 시뮬레이션 을 수행하는 단계; 상기 시뮬레이션 결과에 기초하여 상기 초음파 트랜스듀서의 위치에 따른 스코어를 획득하는 단계; 및 상기 초음파 트랜스듀서의 위치 별 스코어를 비교하여 가장 스코어가 높은 위치를 최적의 초음파 트랜스듀서 위치로서 결정하는 단계를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 시간 역해석 시뮬레이션은 신체의 구성에 따른 초음파의 전파 모델에 기초하여 수행되며, 상기 시뮬레이션 결과는 상기 초음파 트랜스듀서의 사양 및 신체구조에 따라 달라질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 초음파 트랜스듀서의 위치에 따른 스코어를 획득하는 단계는, 상기 초음파 트랜스듀서의 위치와 상기 목표 초점 간의 위상 차이를 나타내는 위상 맵을 계산하는 단계; 상기 초음파 트랜스듀서의 위치에서 수신한 신호의 파형에 대하여 진폭의 평균을 나타내는 진폭 맵을 계산하는 단계; 및 상기 위상 맵 및 상기 진폭 맵을 이용하여 계산된 스코어 함수에 초음파 트랜스듀서의 위치 정보를 입력하여 스코어를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 미리 촬영된 3차원 영상은 컴퓨터단층촬영(Computed Tomography)을 통해 획득한 CT 영상 또는 자기공명영상법(Magnetic Resonance Imaging)을 통해 획득한 MRI 영상일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 시간 역해석 시뮬레이션을 수행하는 초음파 트랜스듀서의 위치는 미리 설정된 범위 내에 존재하며, 상기 초음파 트랜스듀서의 위치 별 스코어의 비교는 상기 미리 설정된 범위 내에서만 이루어질 수 있다.
일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 위치를 결정하는 방법을 실행하기 위한, 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램이 제공될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 집속초음파 치료 시스템은, 3차원 영상을 획득하기 위한 촬영부; 치료용 집속초음파를 출력하도록 구성되는 초음파 트랜스듀서; 상기 초음파 트랜스듀서를 지지하며 다관절로 이루어져 위치 조정이 가능한 로봇 팔; 상기 촬영부에서 획득한 3차원 영상을 이용하여 상기 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하는 처리부; 및 상기 처리부에서 결정한 위치에 상기 초음파 트랜스듀서가 위치하도록 상기 로봇 팔의 움직임을 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 처리부는, 입력된 목표 초점을 기준으로 초음파 트랜스듀서의 위치에 따른 출력 초음파의 진폭 및 위상 차이를 계산하는 시간 역해석 시뮬레이션을 수행하고, 상기 시뮬레이션 결과에 기초하여 상기 초음파 트랜스듀서의 위치에 따른 스코어를 획득하고, 상기 초음파 트랜스듀서의 위치 별 스코어를 비교하여 가장 스코어가 높은 위치를 최적의 초음파 트랜스듀서 위치로서 결정하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 사용자의 수동 입력에 따라 상기 로봇 팔의 움직임을 제어하거나, 상기 처리부에 의해 결정된 위치까지 초음파 트랜스듀서가 이동하도록 자동으로 상기 로봇 팔의 움직임을 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 초음파 트랜스듀서는, 병변을 물리적으로 제거하기 위한 고강도 집속초음파(High-intensity Focused Ultrasound; HIFU) 또는 병변에 손상을 주지 않으면서 자극을 가하기 위한 저강도 집속초음파(Low-intensity Focused Ultrasound; LIFU)를 출력할 수 있다.
집속초음파를 이용한 치료에 있어서 생체조직의 구조에 의한 초음파의 반사나 굴절, 또는 수술 중 환자의 호흡이나 움직임에 의해 초점 위치가 달라지거나 집속 효율이 감소할 수 있다. 다중 트랜스듀서 어레이를 이용하면 초점 위치의 실시간 조정이 가능하지만 단일 트랜스듀서로는 이러한 문제를 해결하기 어렵고 의료진이 수동으로 트랜스듀서를 움직여가며 적절한 위치를 찾아야 했기에 정확도가 낮고 비효율적이었다.
본 발명에서 제안하는 방법에 따르면, 시간 역해석 시뮬레이션을 통해 초음파의 집속 효과를 최대화시킬 수 있는 최적의 트랜스듀서 위치를 결정하는 것이 가능하다. 따라서 단일 초음파 트랜스듀서를 이용해 목표 지점을 정확히 자극하여 최대의 치료 효과를 얻을 수 있으며, 시술 중 환자가 움직이거나 기타 요인이 발생한 경우에도 시뮬레이션을 통해 트랜스듀서의 위치를 실시간으로 조정할 수 있다.
본 발명 또는 종래 기술의 실시예의 기술적 해결책을 보다 명확하게 설명하기 위해, 실시예에 대한 설명에서 필요한 도면이 아래에서 간단히 소개된다. 아래의 도면들은 본 명세서의 실시예를 설명하기 목적일 뿐 한정의 목적이 아니라는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 설명의 명료성을 위해 도면의 일부 구성요소들에 대한 표현이 과장되거나 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 위치를 결정하는 방법의 각 단계를 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 시간 역해석 시뮬레이션을 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 방법에 있어서 초음파 트랜스듀서의 위치 별 스코어를 계산하는 과정을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 치료 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명한다. 이하에서는 환자의 두개골 영상을 이용한 경두개 초음파 치료 기술에 관해 설명하지만, 이는 본 발명의 초음파 치료 기술을 적용하는 일 실시예에 불과하며, 다른 실시예에서는 두개골이 아닌 다른 신체부위를 촬영한 3차원 영상을 활용하여 해당 신체부위를 치료하는 기술이 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 위치를 결정하는 방법의 각 단계를 나타낸 순서도이다.
도 1을 참조하면, 먼저 미리 촬영된 두개골 영상을 획득하는 단계(S100)를 수행한다. 일 실시예에 따르면, 두개골 영상은 컴퓨터단층촬영(Computed Tomography)을 통해 획득한 CT 영상 또는 자기공명영상법(Magnetic Resonance Imaging)을 통해 획득한 MRI 영상일 수 있다. 이외에도 환자의 신체 내부 구조를 3차원으로 표시하는 다양한 기술로 촬영된 영상이 활용될 수 있다. 획득한 영상은 후술하는 시간 역해석 시뮬레이션(time reversal simulation)을 통해 초음파 트랜스듀서의 출력 지점과 목표 초점 사이의 초음파 전달 경로를 계산하기 위해 활용된다.
이어서, 상기 두개골 영상 내에서 초음파 빔이 집속될 목표 초점을 설정하는 단계(S200)를 수행한다. 목표 초점은 트랜스듀서의 각 출력 포인트에서 출력된 초음파 신호의 위상이 일치하여 중첩을 일으키는 지점으로서 강한 물리적 자극이 가해질 수 있다. 따라서 목표 초점은 초음파를 집속시켜 자극하고자 하는 부위 또는 제거하고자 하는 병변이 위치한 지점으로 설정된다.
이어서, 설정된 목표 초점을 기준으로 초음파 트랜스듀서의 위치에 따른 출력 초음파의 진폭 및 위상 차이를 계산하는 시간 역해석 시뮬레이션을 수행한다(S300). 본 명세서에서, 시간 역해석 시뮬레이션(time reversal simulation)이란 목표 초점에서 정현파의 발생을 가정하여 해당 목표 초점에 집속초음파가 올바르게 전달되기 위한 트랜스듀서의 위치(즉, 초음파의 진원)를 역으로 알아내는 과정이다.
상기 시간 역해석 시뮬레이션은 신체의 구성에 따른 초음파의 전파 모델에 기초하여 수행되며, 상기 시뮬레이션 결과는 초음파 트랜스듀서의 사양 및 두개골의 형태에 따라 달라질 수 있다. 예컨대, 초음파가 공기 중에서 두개골에 진입할 때, 두개골을 통과하여 뇌에 진입할 때 일어나는 초음파의 굴절, 반사에 따른 진행경로의 변화, 진폭 및 위상의 변화를 시뮬레이션을 통해 계산할 수 있다. 환자마다 두개골의 두께나 형태가 다르기 때문에 시뮬레이션 결과(즉, 트랜스듀서 위치 별 스코어 및 이에 따른 최적의 위치 결과)가 상이할 것이다. 또한, 이러한 시뮬레이션 결과는 트랜스듀서의 지름, 곡률반경, 초점거리, 초음파의 출력 특성 등 트랜스듀서의 사양에 따라서도 달라질 수 있다.
도 2는 시간 역해석 시뮬레이션을 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, 미리 촬영된 두개골 영상 내에 목표 초점(target point)을 설정하고, 시간 역해석 시뮬레이션을 통해 정현파의 수신 위치(P)에서 측정되는 신호의 진폭(A) 및 위상 차이()를 계산한다.
다시 도 1을 참조하면, 이어서 시뮬레이션 결과에 기초하여 초음파 트랜스듀서의 위치에 따른 스코어를 획득하는 단계(S400)를 수행한다.
도 3은 일 실시예에 따라 초음파 트랜스듀서의 위치 별 스코어를 계산하는 과정을 나타낸 순서도이다. 도 3을 참조하면, 초음파 트랜스듀서의 위치에 따른 스코어를 획득하는 단계(S400)는, 초음파 트랜스듀서의 위치와 목표 초점 간의 위상 차이를 나타내는 위상 맵을 계산하는 단계(S410), 상기 초음파 트랜스듀서의 위치에서 수신한 신호의 파형에 대하여 진폭의 평균을 나타내는 진폭 맵을 계산하는 단계(S420), 상기 위상 맵과 진폭 맵을 이용하여 스코어 함수를 계산하고 초음파 트랜스듀서의 위치 정보를 입력하여 위치 별 스코어를 획득하는 단계(S430)를 포함한다.
단계(S410)에서, 위상 맵은 초음파 트랜스듀서의 위치와 설정된 목표 초점 간의 위상 차이를 나타내며, 일 실시예에 따르면 위상 맵 는 다음의 수학식으로 나타낼 수 있다.
여기서 는 초음파 신호의 주기를 나타내며, 는 트랜스듀서의 지점 P에서 수신한 정현파 신호의 압력이 임계값 0.001을 초과하는 시간으로 정의된다.
진폭 맵 은 임의의 트랜스듀서의 지점 P에서 수신한 정현파 신호의 진폭을 나타내는 값으로서, 예컨대 최초 5개의 신호 주기에 대한 진폭 평균 값으로 계산할 수 있다.
단계(S420)에서, 스코어 함수는 위상 맵과 진폭 맵을 종합하여 계산되며 다음의 수학식으로 나타낼 수 있다.
단계(S430)에서는 상기 스코어 함수를 이용하여 트랜스듀서의 위치 별 스코어를 계산할 수 있는데, 스코어 결과 값이 높을수록 해당 위치에 트랜스듀서가 존재할 때 목표 초점에 도달하는 초음파 에너지가 높다는 것을 의미한다.
다시 도 1을 참조하면, 마지막으로 상기 초음파 트랜스듀서의 위치 별 스코어를 비교하여 가장 스코어가 높은 위치를 최적의 초음파 트랜스듀서 위치로서 결정한다(S500). 예를 들어, 트랜스듀서의 위치 P1 및 P2에 대해 스코어 함수를 적용하여 스코어를 계산한 결과 P1의 스코어가 더 높다면, 트랜스듀서가 P1에 위치할 때보다 P2에 위치할 때 집속초음파의 에너지 효율이 더 높다는 것을 의미하며, 따라서 P1을 최적의 트랜스듀서 위치로 결정하게 된다.
일 실시예에 따르면, 시간 역해석 시뮬레이션을 수행하는 초음파 트랜스듀서의 위치를 미리 설정된 범위 내로 한정할 수 있는데, 이는 모든 위치에 대해 시뮬레이션을 수행할 경우 최적의 위치를 찾는데 소요되는 시간이 길어지기 때문에 한정된 메모리 자원 내에서 빠른 시간에 최적 위치를 찾기 위함이다.
실시예에 따른 초음파 트랜스듀서 위치 결정 방법은, 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
이상에서 설명한 방법에 의하면, 시간 역해석 시뮬레이션을 통해 초음파의 집속 효과를 최대화시킬 수 있는 최적의 트랜스듀서 위치를 결정할 수 있다. 이에 따라 초음파 자극 치료의 정밀도와 치료 효과를 상승시킬 수 있다. 전술하였듯이 본 기술은 반드시 경두개 초음파 치료에 한정될 필요는 없으며 다른 신체부위를 촬영한 3차원 영상을 이용해 해당 신체부위에 대해 초음파 치료 효과를 극대화하기 위한 최적의 트랜스듀서 위치를 결정하는데 이용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 치료 시스템을 설명하기 위한 구성도이다.
도 4를 참조하면, 실시예에 따른 초음파 치료 시스템은, 두개골 영상을 획득하기 위한 촬영부(100); 상기 촬영부에서 획득한 두개골 영상을 이용하여 초음파 트랜스듀서의 최적의 위치를 결정하는 처리부(200); 상기 처리부에서 결정한 위치에 초음파 트랜스듀서가 위치하도록 로봇 팔의 움직임을 제어하는 제어부(300); 초음파 트랜스듀서를 지지하며 다관절로 이루어져 위치 조정이 가능한 로봇 팔(400); 및 치료용 집속초음파를 출력하도록 구성되는 초음파 트랜스듀서(500)로 구성된다.
촬영부(100)는 컴퓨터단층촬영(Computed Tomography), 자기공명영상법(Magnetic Resonance Imaging) 등의 촬영 기술을 이용하여 3차원 영상을 획득할 수 있다. 촬영된 영상은 후술하는 시간 역해석 시뮬레이션(time reversal simulation)을 통해 초음파 트랜스듀서의 출력 지점과 목표 초점 사이의 초음파 전달 경로를 계산하기 위해 활용된다.
처리부(200)는 입력된 목표 초점을 기준으로 초음파 트랜스듀서의 위치에 따른 출력 초음파의 진폭 및 위상 차이를 계산하는 시간 역해석 시뮬레이션을 수행하고, 상기 시뮬레이션 결과에 기초하여 상기 초음파 트랜스듀서의 위치에 따른 스코어를 획득하고, 상기 초음파 트랜스듀서의 위치 별 스코어를 비교하여 가장 스코어가 높은 위치를 최적의 초음파 트랜스듀서 위치로서 결정하도록 구성된다. 시간 역해석 시뮬레이션을 통해 최적의 트랜스듀서 위치를 결정하는 구체적인 방법에 대해서는 전술하였으며 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
제어부(300)는 사용자의 수동 입력에 따라 상기 로봇 팔의 움직임을 제어하거나, 상기 처리부(200)에 의해 결정된 위치까지 초음파 트랜스듀서가 이동하도록 자동으로 상기 로봇 팔의 움직임을 제어할 수 있다.
로봇 팔(400)은 도 4에 도시된 것처럼 다관절 구조를 가지며 관절 움직임을 통해 선단부에 장착된 초음파 트랜스듀서(500)의 위치를 자유롭게 조정할 수 있다. 예를 들어, 처리부(200)에서 초음파 치료를 위한 최적의 트랜스듀서 위치, 즉 3차원 좌표를 결정하면, 제어부(300)는 제어 신호를 통해 초음파 트랜스듀서(500)의 출력 지점이 상기 좌표와 일치하도록 로봇 팔(400)을 제어한다.
초음파 트랜스듀서(500)는 초음파를 출력하는 음원(sound source)이다. 본 발명에서는 치료하고자 하는 부위와 목적에 따라 출력을 조정하여 저강도 초음파, 또는 고강도 초음파 출력이 가능하도록 구성된다. 일 실시예에 따르면, 초음파 트랜스듀서는 압전효과 또는 자왜(磁歪) 효과를 응용하여 교류 에너지를 같은 주파수의 기계적 진동으로 변환한다. 예를 들어, 트랜스듀서는 일측이 개구된 몸체와 압전소자를 포함하는 구조이며, 몸체 내부는 공기로 충진되며, 각 압전소자에는 전압을 인가하기 위한 전선이 연결된 구조일 수 있다. 압전소자는 수정(Quartz) 및 전기석(Turmaline)과 같은 압전효과를 일으키는 물질을 이용하며, 트랜스듀서는 압전소자의 압전효과를 이용해 초음파를 발생 출력시킬 수 있다.
이상에서 설명한 초음파 치료 시스템에 의하면, 시간 역해석 시뮬레이션을 통해 정확한 위치에 최대의 치료 효과를 얻을 수 있도록 최적의 트랜스듀서 위치를 결정할 수 있고, 수술 중 환자가 움직이거나 기타 요인이 발생한 경우에도 다관절 로봇 팔을 제어하여 트랜스듀서의 위치를 실시간으로 조정할 수 있다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 촬영부
200: 처리부
300: 제어부
400: 로봇 팔
500: 초음파 트랜스듀서

Claims (9)

  1. 집속초음파 치료에 있어서 초음파 트랜스듀서 위치를 결정하는 방법으로서,
    미리 촬영된 3차원 영상을 획득하는 단계;
    상기 3차원 영상 내에서, 초음파 트랜스듀서의 각 출력 포인트에서 출력된 초음파 신호의 위상이 일치하여 중첩을 일으키는 지점으로서 초음파 빔이 집속될 목표 초점을 설정하는 단계;
    상기 목표 초점에서 정현파의 발생을 가정하여 상기 목표 초점에 집속초음파가 올바르게 전달되기 위한 초음파 트랜스듀서의 위치를 역으로 알아내는 시간 역해석 시뮬레이션을 수행하여, 상기 목표 초점을 기준으로 초음파 트랜스듀서의 위치에 따른 출력 초음파의 진폭 및 위상 차이를 계산하는 단계;
    상기 시뮬레이션 결과에 기초하여 상기 초음파 트랜스듀서의 위치에 따른 스코어를 획득하는 단계; 및
    상기 초음파 트랜스듀서의 위치 별 스코어를 비교하여 가장 스코어가 높은 위치를 최적의 초음파 트랜스듀서 위치로서 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 초음파 트랜스듀서의 위치에 따른 스코어를 획득하는 단계는,
    상기 초음파 트랜스듀서의 위치와 상기 목표 초점 간의 위상 차이를 나타내는 위상 맵을 계산하는 단계;
    상기 초음파 트랜스듀서의 위치에서 수신한 최초 n개의 신호 주기에 대한 진폭의 평균을 나타내는 진폭 맵을 계산하는 단계 - 여기서, n은 자연수를 의미함; 및
    상기 위상 맵 및 상기 진폭 맵을 이용하여 스코어 함수를 계산하고, 상기 스코어 함수에 초음파 트랜스듀서의 위치 정보를 입력하여 초음파 트랜스듀서의 위치 별 스코어를 획득하는 단계를 포함하는, 집속초음파 치료에 있어서 초음파 트랜스듀서 위치를 결정하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시간 역해석 시뮬레이션은 신체의 구성에 따른 초음파의 전파 모델에 기초하여 수행되며, 상기 시뮬레이션 결과는 상기 초음파 트랜스듀서의 사양 및 신체구조에 따라 달라질 수 있는 것을 특징으로 하는, 집속초음파 치료에 있어서 초음파 트랜스듀서 위치를 결정하는 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 미리 촬영된 3차원 영상은 컴퓨터단층촬영(Computed Tomography)을 통해 획득한 CT 영상 또는 자기공명영상법(Magnetic Resonance Imaging)을 통해 획득한 MRI 영상인 것을 특징으로 하는, 집속초음파 치료에 있어서 초음파 트랜스듀서 위치를 결정하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 시간 역해석 시뮬레이션을 수행하는 초음파 트랜스듀서의 위치는 미리 설정된 범위 내에 존재하며,
    상기 초음파 트랜스듀서의 위치 별 스코어의 비교는 상기 미리 설정된 범위 내에서만 이루어지는 것을 특징으로 하는, 집속초음파 치료에 있어서 초음파 트랜스듀서 위치를 결정하는 방법.
  6. 제1항, 제2항, 제4항, 제5항 중 어느 한 항에 따른 초음파 트랜스듀서 위치를 결정하는 방법을 실행하기 위한, 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램.
  7. 3차원 영상을 획득하기 위한 촬영부;
    치료용 집속초음파를 출력하도록 구성되는 초음파 트랜스듀서;
    상기 초음파 트랜스듀서를 지지하며 다관절로 이루어져 위치 조정이 가능한 로봇 팔;
    상기 촬영부에서 획득한 3차원 영상을 이용하여 상기 초음파 트랜스듀서의 위치를 결정하는 처리부; 및
    상기 처리부에서 결정한 위치에 상기 초음파 트랜스듀서가 위치하도록 상기 로봇 팔의 움직임을 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 처리부는,
    상기 3차원 영상 내에서 입력된 목표 초점에서 정현파의 발생을 가정하여 상기 목표 초점에 집속초음파가 올바르게 전달되기 위한 초음파 트랜스듀서의 위치를 역으로 알아내는 시간 역해석 시뮬레이션을 수행하여, 상기 목표 초점을 기준으로 초음파 트랜스듀서의 위치에 따른 출력 초음파의 진폭 및 위상 차이를 계산하고 - 상기 목표 초점은 상기 초음파 트랜스듀서의 각 출력 포인트에서 출력된 초음파 신호의 위상이 일치하여 중첩을 일으키는 지점으로서, 초음파 빔이 집속됨,
    상기 시뮬레이션 결과에 기초하여 상기 초음파 트랜스듀서의 위치에 따른 스코어를 획득하고,
    상기 초음파 트랜스듀서의 위치 별 스코어를 비교하여 가장 스코어가 높은 위치를 최적의 초음파 트랜스듀서 위치로서 결정하도록 구성되고,
    상기 초음파 트랜스듀서의 위치에 따른 스코어 획득은,
    상기 초음파 트랜스듀서의 위치와 상기 목표 초점 간의 위상 차이를 나타내는 위상 맵을 계산하고,
    상기 초음파 트랜스듀서의 위치에서 수신한 최초 n개의 신호 주기에 대한 진폭의 평균을 나타내는 진폭 맵을 계산하고 - 여기서, n은 자연수를 의미함,
    상기 위상 맵 및 상기 진폭 맵을 이용하여 스코어 함수를 계산하고, 상기 스코어 함수에 초음파 트랜스듀서의 위치 정보를 입력하여 초음파 트랜스듀서의 위치 별 스코어를 획득하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 집속초음파 치료 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 사용자의 수동 입력에 따라 상기 로봇 팔의 움직임을 제어하거나, 상기 처리부에 의해 결정된 위치까지 초음파 트랜스듀서가 이동하도록 자동으로 상기 로봇 팔의 움직임을 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는, 집속초음파 치료 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 초음파 트랜스듀서는, 병변을 물리적으로 제거하기 위한 고강도 집속초음파(High-intensity Focused Ultrasound; HIFU) 또는 병변에 손상을 주지 않으면서 자극을 가하기 위한 저강도 집속초음파(Low-intensity Focused Ultrasound; LIFU)를 출력하는 것을 것을 특징으로 하는, 집속초음파 치료 시스템.
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KR20140095848A (ko) * 2013-01-25 2014-08-04 삼성전자주식회사 초음파 치료 방법 및 초음파 치료 시스템
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