KR20090082187A - 초음파 치료를 위한 대칭적이고 우선적으로 조종된 임의 배열들 - Google Patents

Abstract

초음파 발생 디바이스를 위한 위상 조정된 초음파 배열. 일 실시예에서, 이 배열은 요소 크기, 모양, 및/또는 요소 위치에 관한 배열에서의 포인트 또는 분할 선에 대해 대칭적으로 배열된 복수의 초음파 요소들을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 초음파 배열의 대다수의 더 큰 요소는 배열의 제 1 부분에 배열되고, 대다수의 더 작은 초음파 요소는 배열의 제 2 부분에 배열된다. 제 1 부분은 제 2 부분보다 선호된 조종 방향에 더 가깝다. 또 다른 방법은 랜덤하게 크기가 정해진 초음파 요소들을 선택하는 단계와 배열에서 초음파 요소들을 대칭적으로 배열하는 단계를 포함한다. 또 다른 방법은 랜덤하게 크기가 정해진 초음파 요소들을 선택하는 단계와, 초음파 요소들을 배열하는 단계를 포함하고, 이 경우 더 큰 초음파 요소들은 배열의 제 1 부분에 배열되며, 더 작은 초음파 요소들은 배열의 제 2 부분에 배열된다.

Description

초음파 치료를 위한 대칭적이고 우선적으로 조종된 임의 배열들{SYMMETRIC AND PREFERENTIALLY STEERED RANDOM ARRAYS FOR ULTRASOUND THERAPY}

본 발명의 기술 분야는 조직 절제, 약물 전달, 유전자 전달, 온열요법(hyperthermia) 및 응혈 용해(clot dissolution)와 같은 치료 응용예를 위한 초음파 위상 조정 배열 변환기이다.

초음파는 조직 절제, 약물 전달, 온열요법, 및 응혈 용해와 같은 많은 치료 요법을 가진다. 단일 요소 요법 변환기는, 고정된 초점 길이의 한계를 가지고 신체의 상이한 구역들을 치료하기 위해 기계적인 변환에 관한 필요성을 가진다. 치료 빔을 신체의 상이한 위치로 조종하기 위해서, 전자적으로 위상 조정된 배열 변환기들이 일반적으로 이용된다. 전자적으로 조종된 배열들은, 요소 간격이 충분히 미세하지 않을 때 바라지 않는 에너지 침전(deposition)을 초래하는 그레이팅 로브(grating lobe)의 생성을 일으킬 수 있다는 것이 관련 분야에 공지되어 있다.

랜덤하고 준-랜덤(quasi-random)인 배열들은 초음파 치료 응용예에 관해 이전에 보여졌다. E.Hutchinson 등은 PCT 특허 출원 일련 번호 WO97/17018에서 비주 기적인 초음파 위상 조정된 배열을, J.F.Hand 등은 PCT 특허 출원 일련 번호 WO00/49598에서 준-랜덤하게 분포된 초음파 변환기들의 배열을 보여주고 있다. 그러한 배열들에서, 요소들의 분포는 랜덤하게 된다. 준-랜덤 배열들은 위치, 모양, 및 크기가 사용자가 정의한 일정한 경계 내에 있는 랜덤화된 요소들을 이용한다. 그러한 랜덤화는 그레이팅 로브들에서 에너지의 침전을 감소시키는 효과를 가지는 규칙성의 바람직한 손실을 야기한다.

최적의 랜덤한 배열을 설계하는 것은, 다수의 미지의 파라미터를 푸는 것을 요구한다. 배열을 구성하는 요소들의 위치, 모양, 및 크기는 일반적으로 일정한 범위에 속하는 랜덤한 값이다. 최적의 배열은 비용 함수의 최소화에 기초하여 선택되고, 이러한 비용 함수는 보통 많은 위치 각각에서 빔이 초점으로 조종될 때 메인 로브(main lobe)에 대한 그레이팅 로브 각각의 강도의 최악의(가장 높은) 비로 취해진다.

그래디언트(gradient) 검색들에 기초한 최적화 방법들의 실패는 다수의 국소적인 최소의 존재에 관련된다. 유전(genetic) 알고리즘과 같은 적응성 검색 알고리즘은 문제점의 매우 제약된 성질로 인해, 간단한 방식으로 구현하기가 어렵다(요소들은 중첩되지 않아야 한다). 제약이 없는 방식으로, 적응성 검색 문제를 제기하려고 시도할 때, 해결책 세트(solution set)가 제약이 없는 방식으로 선택될 수 있는 한 부류(class)의 문제점으로 해결책 공간(solution space)을 제한할 수 있다. 그러므로, 랜덤한 배열을 설계하는데 있어서, 실제로 제한된 소모적인 검색이 행해진다. E.B.Hutchinson 등의 Design & Optimization of an aperiodic ultrasound phased array for intracavity prostate thermal therapies, 23(5) MED.PHYS. 767-76(1996). 종래 기술에서 사용된 한 가지 방법은, 그러한 요소 크기들이 크기들의 2개 또는 3개의 값으로 제한된다. 제한된 검색 때문에, 차선의(sub-optimal) 세트가 종종 선택된다.

따라서, 본 명세서에서 본 발명의 특징적인 실시예는 초음파 발생 디바이스를 위한 위상 조정된 초음파 배열이고, 이 배열은 복수의 초음파 요소를 포함하여, 그 배열의 초음파 요소들이 요소 크기, 모양, 및 요소 위치에 관해 그 배열에서의 포인트 또는 분할 선에 대해 대칭적으로 배열되고, 이 경우 복수의 요소들 중 적어도 하나의 요소는 복수의 요소들 중 나머지의 크기 및/또는 모양과는 상이한 크기 및/또는 모양을 가지고/가지거나 적어도 하나의 요소간 간격은 나머지 간격들과는 상이하다. 관련된 실시예에서, 초음파 요소들의 크기 및/또는 모양은 랜덤하게 선택된다. 또 다른 관련된 실시예에서, 초음파 요소들의 위치는 랜덤하게 선택된다. 또 다른 관련 실시예에서, 인접한 초음파 요소들의 질량 중심의 위치들 사이의 복수의 거리는 비주기적(aperiodic)이다. 또 다른 관련 실시예에서, 배열의 초음파 요소들은 차례로 대칭적으로 배열된다.

또한 본 명세서에는 위 실시예들 중 임의의 것에 따른 위상 조정된 초음파 배열들 중 임의의 것을 포함하는 초음파를 발생시키기 위한 디바이스가 제공된다.

본 명세서에서 본 발명의 또 다른 특징적인 실시예는 복수의 초음파 요소를 가지는 우선적으로 조종된 위상 조정된 초음파 배열로서, 그러한 초음파 배열의 대다수의 더 큰 요소는 그 배열의 제 1 부분에 배열되고, 대다수의 더 작은 초음파 요소들은 그 배열의 제 2 부분에 배열되며, 제 1 부분이 제 2 부분보다 바람직한 조종 방향에 더 가깝고, 그 배열은 초음파 요소 크기와 바람직한 조종 방향에 관계없이 배열된 초음파 요소들을 가지는 종래의 배열에 비해 더 큰 초점맞춤(focusing) 이득과 감소된 그레이팅 로브를 초래한다. 관련된 실시예에서, 복수의 요소 중 적어도 하나의 요소는 나머지 복수의 요소의 크기 및/또는 모양과는 상이한 크기 및/또는 모양을 가지고/가지거나 적어도 하나의 요소간 간격은 나머지 요소들의 간격과는 상이하다. 또 다른 관련 실시예에서, 초음파 요소들의 크기 및/또는 모양은 요소들을 배열하기 전에 랜덤하게 선택된다. 또 다른 실시예에서, 적어도 한 부분 내의 복수의 초음파 요소의 위치는 랜덤하게 선택된다. 또 다른 관련 실시예에서, 각 부분 내의 복수의 초음파 요소들이 랜덤하게 배열된다.

또 다른 관련 실시예에서, 초음파 요소들의 크기는 요소 크기들의 2가지 분포, 즉 초음파 요소 크기들의 제 1 분포와, 초음파 요소 크기들의 제 2 분포로부터 랜덤하게 선택되어, 제 1 분포의 평균 크기는 제 2 분포의 평균 크기보다 크다. 또 다른 관련 실시예에서는, 제 1 부분의 요소들은 제 1 분포로부터 랜덤하게 선택되고, 제 2 부분의 요소들은 제 2 분포로부터 랜덤하게 선택된다. 또 다른 관련 실시예에서, 제 1 부분과 제 2 부분 각각은 그 배열의 면적의 약 절반을 구성한다. 또 다른 관련 실시예에서, 제 1 부분과 제 2 부분은 각각 그 배열의 면적 절반을 구성한다.

또 다른 관련 실시예에서, 인접한 초음파 요소들의 질량 중심들의 위치 사이의 복수의 거리는 비주기적이다. 또 다른 관련 실시예에서, 요소들의 위치는 랜덤한 방식으로 선택된다. 관련된 실시예에서, 위 실시예들 중 임의의 실시예에서의 배열은 1차원, 2차원 또는 3차원이다. 또 다른 관련 실시예에서, 위의 임의의 것에서의 초음파 요소들은, 납 지르콘산염 티탄산염(PZT: lead zirconate titanate), 중합체 압전 물질, 및 압전 합성(piezo-composite) 물질로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 물질을 더 포함한다. 또 다른 관련 실시예에서는, 초음파 요소들이 굽은 표면 위에 배열된다. 예컨대, 굽은 표면은 구형 껍질(spherical shell)이다.

본 명세서에서 본 발명의 또 다른 특징적인 실시예는, 위상 조정된 초음파 배열을 만드는 방법으로서, 이 방법은 랜덤한 크기를 가지는 초음파 요소들을 선택하는 단계와, 초음파 요소들을 배열 위에서 대칭적으로 배열하는 단계를 포함한다.

본 명세서에서 본 발명의 또 다른 특징적인 실시예는, 위상 조정된 초음파 배열을 만드는 방법으로서, 이 방법은 랜덤한 크기를 가지는 초음파 요소들을 선택하는 단계와, 초음파 요소들을 배열하는 단계를 포함하는데, 이 경우 더 큰 초음파 요소들이 배열의 제 1 부분에 배열되고, 더 작은 초음파 요소들은 배열의 제 2 부분에 배열되며, 제 1 부분은 제 2 부분보다 바람직한 조종 방향에 더 가깝다. 관련 실시예에서, 이 방법은 추가적인 방향으로 조종하기 위한 초음파 요소들의 배열을 최적화하는 단계를 더 포함하고, 이러한 최적화는 초점조정 이득을 유지하고 그레이팅 로브를 최소화한다.

도 1은 각각 총 32개의 요소를 가지는, 1차원의 완전히 랜덤한 배열과 대칭적인(반-랜덤한) 배열의 일 예를 도시하는 도면.

도 2는 개구로부터 80㎜ 떨어진 평면에 초점을 둔 1차원의 완전히 랜덤한 배열에 관한 배열의 중심(x=0)으로부터의 가로좌표 상의 거리의 함수로서 임의의 단위로 나타낸 필드 강도(빔 패턴)를 도시하는 도면.

도 3은 개구(48㎜, 32개의 요소)의 대칭적(반-랜덤한)이고, 1차원인 배열로부터의 필드 강도를 도시하는 도면.

도 4는 완전히 랜덤한 배열들에 관한 메인 로브 강도(높이)와, 250회의 시도에 관한 대칭적인 (반) 랜덤한 1차원 배열들의 분수(fraction)로서의 그레이팅 로브 강도(높이)의 비교를 도시하는 도면.

도 5는 10,000회의 시도로부터 얻어진 데이터에 기초한 최적인 완전히 랜덤한 배열로부터의 필드 강도를 도시하는 도면.

도 6은 10,000회의 시도로부터 얻어진 데이터에 기초한 최적인 대칭적인(반-랜덤한) 1차원 배열로부터의 필드 강도를 도시하는 도면.

도 7은 10,000회의 시도 모두에 관한 완전히 랜덤하고 대칭적인(반-랜덤한) 1차원 배열들의 비교를 도시하는 도면.

도 8은 초점 위치의 함수로서 최선의 완전한 랜덤하고 대칭적인(반-랜덤한) 배열들에 관한 비용 함수를 도시하는 도면.

도 9는 원형 개구에서 2차원의 완전히 랜덤한 배열의 일 예를 도시하는 도 면.

도 10은 원형 개구에서 대칭적인 2차원의 랜덤한 배열의 일 예를 도시하는 도면.

도 11은 완전히 랜덤한 배열과 대칭적인 랜덤 배열(90°대칭)의 비용 함수들의 비교로부터 얻어진 데이터를 도시하는 도면.

도 12는 x=0에 중심이 있는 36㎜ 개구를 지닌 3개의 1차원 선형 배열(랜덤하지 않은)에 관한 탈축(off-axis) 초점 맞춤에 대한 요소 폭의 세로좌표 상의 임의의 단위로 나타낸 필드 강도에 대한 영향을 도시하는 도면.

도 13은 1차원 랜덤 선형 배열과 1차원 분류된 선형 랜덤 배열을 도시하는 도면.

도 14는 도 13에 도시된 1차원 랜덤 배열들에서 랜덤 요소들을 재분배하는 필드 강도에 대한 영향을 도시하는 도면.

도 15는 요소 크기들에 관한 2개의 상이한 분포를 가지는 랜덤 배열들을 도시하는 도면.

도 16은 도 15에 도시되는 요소 크기들에 관한 2개의 상이한 분포를 가지는 랜덤 배열 변환기들로부터의 필드 강도를 도시하는 도면.

도 17은 2차원 랜덤 배열(상부)와 이러한 배열의 분류된 버전(하부)을 도시하는 도면.

도 18은 도 17에 도시된 바와 같은 2차원 반 랜덤한 배열들에 관한 필드 강도를 도시하는 도면.

도 1은 각각 총 32개의 요소를 가지는, 1차원의 완전히 랜덤한 배열과 대칭적인(반-랜덤한) 배열의 일 예를 도시한다.

도 2는 개구로부터 80㎜ 떨어진 평면에 초점을 둔 1차원의 완전히 랜덤한 배열에 관한 배열의 중심(x=0)으로부터의 가로좌표 상의 거리의 함수로서 임의의 단위로 나타낸 필드 강도(빔 패턴)를 도시한다. 관찰된 배열 성능(필드 강도)은 일반적으로 빔이 우측 또는 좌측으로 조종되는지에 따라 상이하다. 이 예에서는, 배열이 예컨대 중심으로부터 좌측으로 20㎜ 떨어진 것과 같이 중심으로부터 20㎜ 이탈한 포인트에 초점이 맞추어질 때 더 약하게 수행된다. 메인 로브 강도의 분수로서의 그레이팅 로브 강도가 위 텍스트에서 로브들로 도시되어 있다.

도 3은 개구(48㎜, 32개의 요소)의 대칭적(반-랜덤한)이고, 1차원인 배열로부터의 필드 강도를 도시한다. 필드 분포는 우측면 또는 좌측 면으로 조종될 때, 동일한 레벨의 그레이팅 로브가 관찰된다는 점에서 대칭적이다.

도 4는 완전히 랜덤한 배열들에 관한 메인 로브 강도(높이)와, 250회의 시도에 관한 대칭적인 (반) 랜덤한 1차원 배열들의 분수로서의 그레이팅 로브 강도(높이)의 비교를 도시한다. 각 점은 하나의 특별한 시도에 관한 비용 함수를 나타낸다. 더 작은 값들은 더 나은 성능을 표시한다. 데이터는 최상의 반-랜덤한 배열이 최상의 완전히 랜덤한 배열보다 더 나은(즉, 더 낮은) 비용 함수를 산출해낸다는 것을 표시한다.

도 5는 10,000회의 시도로부터 얻어진 데이터에 기초한 최적인 완전히 랜덤 한 배열로부터의 필드 강도를 도시한다.

도 6은 10,000회의 시도로부터 얻어진 데이터에 기초한 최적인 대칭적인(반-랜덤한) 1차원 배열로부터의 필드 강도를 도시한다.

도 7은 10,000회의 시도 모두에 관한 완전히 랜덤하고 대칭적인(반-랜덤한) 1차원 배열들의 비교를 도시한다. 각 점은 하나의 특별한 시도에 관한 비용 함수를 나타낸다. 더 작은 값들은 더 나은 성능을 표시한다. 데이터는 최상의 대칭적인(반-랜덤한) 배열이 최상의 완전히 랜덤한 배열보다 더 나은 비용 함수를 만들어낸다는 것을 표시한다. 10,000번의 시도 후에도, 대칭적인(반-랜덤한) 설계를 사용하여 얻어진 데이터는 완전히 랜덤한 설계로 얻어진 것보다 더 나은 성능을 만들어낸다.

도 8은 초점 위치의 함수로서 최선의 완전한 랜덤하고 대칭적인(반-랜덤한) 배열들에 관한 비용 함수를 도시한다. 축으로부터의 조종 거리가 더 클수록, 더 큰 그레이팅 로브들이 발생된다. 최적의 대칭적인(반-랜덤한) 배열은 최적의 완전한 랜덤한 배열(10,000번의 시도 후)보다 더 나은 성능을 보여준다. 비교를 위해, 랜덤하지 않은 배열에 관한 비용 함수가 또한 도시되고, 이는 완전히 랜덤한 배열이나 대칭적인(반-랜덤한) 배열보다 더 나쁜(더 높은) 비용 함수를 보여주는 것으로 관찰되었다.

도 9는 원형 개구에서 2차원의 완전히 랜덤한 배열의 일 예를 도시한다.

도 10은 원형 개구에서 대칭적인 2차원의 랜덤한 배열의 일 예를 도시한다. 배열의 90°섹터는 랜덤하게 크기가 정해지고 위치가 정해진 요소들로 채워진다. 이후 이 섹터는 회전식(방사상)으로 대칭적인 배열을 발생시키기 위해, 회전하고 90°,180°, 및 270°에서 다시 만들어진다.

도 11은 완전히 랜덤한 배열과 대칭적인 랜덤 배열(90°대칭)의 비용 함수들의 비교로부터 얻어진 데이터를 도시한다. 각 점은 하나의 시도에 관해 얻어진 비용 함수 값이다(더 작은 값이 더 나은 성능을 표시한다). 얻어진 데이터는 최상의 대칭적인 랜덤한 배열이 최상의 완전히 랜덤한 배열보다 더 나은 성능을 만들어낸다는 것을 표시한다.

도 12는 x=0에 중심이 있는 36㎜ 개구를 지닌 3개의 1차원 선형 배열(랜덤하지 않은)에 관한 탈축 초점 맞춤에 대한 요소 폭의 세로좌표 상의 임의의 단위로 나타낸 필드 강도에 대한 영향을 도시한다. 개구 크기(요소 폭과 요소들의 개수를 곱한 것)는 모든 3개의 경우에 관해 동일하게 유지된다. 파장은 1.5㎜이고, 처음 2가지 경우(폭이 0.3㎜와 0.6㎜)에 관해서는 어떠한 그레이팅 로브도 관찰되지 않는다. 그레이팅 로브는 1.2㎜의 폭에서 관찰되었다. 어떠한 그레이팅 로브도 존재하지 않을 때에도, 더 작은 요소 폭들이 더 나은 신호 강도(0.3㎜ 대 0.6㎜)를 이끌어내는 것으로 관찰된다. 임의의 특별한 이론이나 행동 메커니즘에 의해 제한되지 않고, 이러한 상관은 더 작은 요소의 방향성(directivity)이 큰 요소에 관한 것보다 더 좋기 때문이다. 폭이 1.2㎜로 증가될 때, 초점에서의 신호 강도는 떨어지는데, 이는 크기 증가와 그레이팅 로브의 출현으로 인한 것이다. 그러므로, 이들 데이터는 요소 폭이 더 큰 것보다는 더 작은 것이 우수한 결과를 만들어낸다는 것을 표시한다.

도 13은 1차원 랜덤 선형 배열과 1차원 분류된 선형 랜덤 배열을 도시한다. 상부 패널은 요소 크기가 0.9㎜ 내지 1.5㎜ 사이의 범위 내에 있는 랜덤한 배열을 보여준다. 하부 배열은 상부 배열에서와 동일한 요소들의 세트를 사용하지만, 그 요소들은 좌측(음의 x 방향)으로부터 우측(양의 x 방향)으로 오름차순으로 증가하는 요소 크기를 가지도록 분류된다. 그러므로, x 좌표가 원점으로부터 증가함에 따라, 요소 크기 또한 증가한다(반드시 x의 함수로서 선형적이지는 않다).

도 14는 도 13에 도시된 1차원 랜덤 배열들에서 랜덤 요소들을 재분배하는 필드 강도에 대한 영향을 도시한다. 우측(양의 x)으로의 더 나은 조종과 감소된 그레이팅 로브들이, 특히 빔이 평면(z=30㎜) 상에서 x=20㎜에 초점이 맞추어질 때 분류된 배열에 관해 보여진다.

도 15는 요소 크기들에 관한 2개의 상이한 분포를 가지는 랜덤 배열들을 도시하는데, 이러한 2개의 분포 중 하나는 구간 0.7㎜ 내지 1.3㎜(18개의 요소들)에 걸쳐 균일하게 분포된 것이고, 나머지 하나는 1.2㎜ 내지 1.8㎜(12개의 요소들)에 걸쳐 균일하게 분포된 것이다. 총 개구 크기는 도 13(36㎜)에서와 동일하다. 서로 미러 이미지(mirror image)인 2가지 구성에서, 하나는 더 큰 요소들이 좌측(상부 패널)에 걸쳐 분포하는 것이고, 나머지 하나는 더 큰 요소들이 우측(하부 패널)에 걸쳐 분포하는 것이다.

도 16은 도 15에 도시되는 요소 크기들에 관한 2개의 상이한 분포를 가지는 랜덤 배열 변환기들로부터의 필드 강도를 도시한다. "[Large;small]"이라고 식별된 함수는 더 큰 요소들이 좌측으로 분포하는 도 15에 도시된 상부 패널로부터의 데이터를 도시하고, "[Small;large]"이라고 식별된 함수는 더 큰 요소들이 우측으로 분 포하는 도 15에 도시된 하부 패널로부터의 데이터를 도시한다. 배열은 배열로부터 30㎜의 거리에서, 20㎜ 축을 이탈에서 초점이 맞추어지도록 설정된다(즉, x=20,z=30㎜). 데이터는 [Small;large]이라고 표시된 배열에 관해 더 나은 조종(우측으로의)이 달성됨을 보여준다.

도 17은 2차원 랜덤 배열(상부)과 이러한 배열의 분류된 버전(하부)을 도시한다. 더 작은 요소들이 좌측으로 놓이도록 각 행 내에서 분류가 행해진다. {그림(plot)의 해상도에서 요소 크기들의 작은 변동을 또렷하지 않다.}

도 18은 도 17에 도시된 바와 같은 2차원 반 랜덤한 배열들에 관한 필드 강도를 도시한다. 비교를 위해, 랜덤하지 않은 배열로부터의 빔 플롯이 또한 도시되어 있다. 이전 결과에서와 같이, 본 명세서에서 관찰된 데이터는 분류된 랜덤한 배열이 우수한 성능을 만들어낸다는 것을 보여준다.

초음파 요소들은 납 지르콘산염 티탄산염(PZT: lead zirconate titanate), 중합체 압전 물질, 및 압전 합성(piezo-composite) 물질로 만들어질 수 있다.

완전히 랜덤한 1차원 배열은, 일반적으로 빔이 배열의 한 면 또는 나머지 면으로 발사될 때 비대칭적인 행동을 이끌어내는데, 예컨대 그레이팅 로브들은 좌측으로 조종될 때 작아질 수 있지만, 우측으로 조종될 때에는 커질 수 있다. 이러한 현상은 요소들의 크기 평균값이 우측 면 상에서의 경우에 비해 좌측 면 상에서 더 클 때 일어난다. 유사한 상황이 2차원 배열의 경우 존재한다.

본 발명을 설명하기 위해, 초음파 요소들의 배열이 z=0에서의 x-y 평면에 있고, 그것의 축이 z-축에 나란히 정렬되는 콘볼루션(convolution)이 채택된다. 배열 은 상이한 포인트들에서 초점이 맞추어지게 발사되고, 이러한 상이한 포인트들 모두는, x-y 평면에서 원 상에 놓이는 것과 같이 배열로부터의 일정한 거리에서 동일한 x-y 평면에 놓인다. 본질적으로, 그 배열은 상이한 방향에서 초점이 맞추어지도록 발사된다. ["원 상에서(on a circle)"는 2차원에 관해서만 적절하고, 1차원 배열들에 관해서는 적절하지 않다]

상이한 방향들에 관한 배열의 행동을 비교하면, 그레이팅 로브 레벨은 일정한 방향들에 관해서는 작게 되지만, 다른 방향들에 관해서는 그러하지 아니하다. 따라서, 소모적인 검색에서 매우 많은 경우가 시도되지 않는 한, 완전히 랜덤한 배열의 사용은 그레이팅 로브들이 한 방향으로 조종될 때에는 낮지만, 다른 방향들로 조종될 때에는 크게 되는 결과들을 만들어내는 경향이 있다.

넓은 범위의 치료 초음파 응용예는 다양한 특성을 지닌 배열들의 필요성을 제기한다. 예컨대, 전립선암의 치료를 위해 직장내(endorectal) 변환기에서는 "순방향 조종(forward steering)"이 바람직한데 비해, 역방향(backward) 조종은 중요하지 않은데, 이는 변환기가 다른 영역들에 도달하기 위해 약간 물러날 수 있기 때문이다. 우선적인 조종이 크게 중요하지 않은 상황에서조차, 배열의 설계 비용은 여전히 중요한 것으로 존재한다. 따라서, 본 발명의 목적은 배열 설계가 현재 이용 가능한 모델들에 관한 것보다 간단한 배열을 제공하는 것이고, 그 배열은 한 방향으로부터 또 다른 방향으로 조종하는 동안 비대칭적인 행동을 하지 않는다. 본 발명의 또 다른 목적은, 빔이 배열의 한 면으로 조종될 때, 향상된 초점 맞춤과 치료를 보여주는 배열을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에서, 대칭 제약을 강화함으로써 랜덤한 배열에 비해 향상이 이루어진다. 예컨대, 1차원 배열에서 128개의 랜덤하게 크기가 정해지고/분포된 요소들로 전체 개구를 설계하는 대신, 개구의 대략 절반은 64개의 요소를 사용하여 설계되고, 나머지 절반은 처음 절반의 미러 이미지로서 취해진다. 2차원 배열들의 경우, 랜덤한 요소들을 사용하여 배열의 각(angular)(섹터) 부분이 설계되고, 배열에서의 나머지 섹터들은 적절한 각도만큼 제 1 섹터에서의 모든 요소의 위치를 회전시킴으로써 동일한 요소들로 채워진다. 본 발명은 또한 깊이가 3차원으로 배열된 굽은 표면을 가지는 변환기를 포함한다.

이 응용예에서, "완전히 랜덤한 배열(fully random array)"이라는 어구는 대칭성 제약이 없는 배열을 가리킨다. "반-랜덤한 배열(semi-random array)"과 "대칭적 랜덤한 배열(symmetric random array)"이라는 어구는 각각 적어도 1°의 대칭성을 가지는 1차원 및 2차원 랜덤한 배열들을 가리킨다.

대칭성 제약이 강화될 때에는, 그 배열의 설계가 더 간단하게 되고, 그 배열은 한 방향으로부터 또 다른 방향으로의 비대칭적 행동을 하지 않게 된다는 점이 유리하다. 1차원의 경우, 요소들 개수 중 절반만이 최적으로 선택될 필요가 있고, 나머지 절반은 대칭적으로 선택된다. 2차원의 경우, x축과 y축에 대한 대칭성이 바람직할 때에는, 배열의 1/4만이 설계될 필요가 있고, 나머지 3/4는 회전적 대칭성(rotational symmetry)에 의해 선택된다. 이는 최적의 랜덤한 배열의 설계를 크게 단순화시킨다.

일부 실시예에서는, 배열이 회전적 대칭성을 가진다. 예컨대, 배열은 동일한 부분들과 같이 몇몇 부분들로 분할된다. 예컨대, 원형의 기하학적 형태는 몇몇 섹터들로 쪼개지고, 각 섹터는 비주기적인 및/또는 랜덤한 요소들을 포함하지만, 한 섹터를 배열의 중심에 대해 회전시키는 것이 또 다른 섹터의 등장을 만들어내는 것과 같이, 모든 섹터는 그 위치를 서로 바꾸어 놓을 수 있다. 예시적인 실시예는 1/4 대칭성을 지닌 원형의 2차원 배열을 포함한다. 다른 실시예들에서는, 1/N 대칭성이 만들어지고, 이 경우 N은 2 이상인 정수를 나타낸다.

설계 장점들 외에, 조정 및 테스트 단계에서 대칭적인 랜덤한 배열에 대해 다른 장점들이 존재한다. 랜덤한 배열의 경우, 각 요소에 관해 임피던스 매칭이 행해질 필요가 있다. 그러한 절차는, 특히 각각의 가능한 동작 주파수에 관해 반복될 때 고가이고 시간을 소모하는 일이다. 대칭성이 강화될 때에는, 그 배열의 설계된 부분만이 테스트될 필요가 있다. 예컨대, 배열의 1/4만이 설계되는 2차원 배열의 경우, 그 배열의 1/4만이 테스트되고 조정될 필요가 있다. 또한, 상이한 초점(focal) 구역들에 관한 여기(excitation) 파라미터를 저장하기 위해 선험적인(a priori) 룩업 테이블(look-up table)이 사용된다면, 초점 구역의 1/4만이 조정될 필요가 있다.

대칭성을 통해 설계된 요소들의 개수를 감소시킬 때 생길 수 있는 한 가지 관심사는 랜덤한 성질(randomness)의 풍부함이 감소되는 것이다. 하지만, 이는 본 명세서에서 얻어진 다음의 고려 사항과 결과들이 보여주는 것과 같은 경우에는 해당하지 않는다. 2차원 배열의 경우, 원형 모양의 요소들을 가정하면 요소들의 중심의 x 좌표와 y 좌표, 및 요소의 반경과 같이 3가지 알려지지 않은 것이 존재한다. 이들 3가지 양을 5개의 레벨로 양자화함으로써, 128개의 요소들 전체 모두의 검색을 위한 가능한 조합의 개수는 10⁸⁹개{간단하게 하기 위해, 비중복(non-overlapping) 강제를 무시함)가 된다. 하지만, 32개(128의 1/4)의 요소들만이 설계되는 경우, 가능한 조합의 개수는 10²²개로서, 여전히 충분히 풍부하다. 대칭인 배열로의 도입이 적절한 설계들을 이끌어 내고, 본 명세서의 예들에서 관찰된 데이터에 의해 보여진 것처럼, 충분히 랜덤한 배열들보다 양호하게 수행하는 배열들을 만들어낸다는 것이 발견된다. 게다가, 최상으로 완전히 랜덤한 배열이 어느 정도(some degree)의 대칭적 배열에 수렴하는 경향이 있다는 일부 증거가 존재한다.

본 명세서에 제공된 시스템들에서, 중요한 특성은 랜덤한 배열에서의 대칭성 강제이다. 예컨대, 1차원의 경우 완전한 개구를 랜덤하게 채우는 128개의 요소를 지닌 1차원 배열을 설계하는 대신, 64개의 요소들을 지닌 개구의 약 절반만이 설계된다. 요소들의 미러 이미지는 나머지 절반을 채우기 위해 사용된다. 원형 개구를 지닌 2차원 경우에는, 배열의 한 섹터 부분(예컨대, 90°의 각)만이 랜덤한 배열들을 사용하여 설계된다. 나머지 섹터들은 그것들의 위치를 배열의 중심에 대해 적절한 각도(90°,180°,270°)만큼 회전시킴으로써 요소들의 동일한 세트를 사용하여 채워진다.

도 1의 하부 패널은 그러한 1차원 반 랜덤한 배열의 일 실시예를 보여준다. 완전히 랜덤한 배열과 이러한 반-랜덤한 배열을 비교하고 평가하기 위해, FIELDⅡ에서의 시뮬레이션이 행해진다. {FIELDⅡ는 선형 어쿠스틱스(acoustics)를 사용하 는 초음파 이미징(imaging)과 초음파 변환기 필드들을 시뮬레이션하기 위한 프로그램들의 한 세트이다.) 48㎜의 개구 크기를 지닌 1차원 랜덤한 배열들이 시뮬레이션된다. 2가지 경우에 관한 요소들의 총 개수는 32이다. 요소 크기들은 그 평균 크기가 1.5㎜{간단하게 하기 위해 시뮬레이션들에서 커프(kerf)가 사용되지 않는다}인, 1.25㎜ 내지 1.75㎜가 되도록 랜덤하게 분포한다. 동작 주파수는 1.5㎒이다. 완전히 랜덤한 경우, 48㎜의 전체 개구는 32개의 요소들로 채워진다. 대칭인(반-랜덤한) 배열의 경우, 24㎜의 배열 크기의 전반이 16개의 요소들로 채워지고, 나머지 절반을 얻기 위해 미러화된다(mirrored).

도 2는 배열로부터 80㎜ 떨어진 평면에서 배열의 어느 한 면 위에 있는 2개의 초점에 관해 완전히 랜덤한 1차원 배열의 하나의 실현예로부터의 빔 패턴을 보여준다. 초점이 +20㎜에 있을 때의 그레이팅 로브는 메인 로브 강도의 28%이다. 빔은 그레이팅 로브가 오직 메인 로브의 12%인 나머지 면에 초점이 맞추어질 때 성능이 우수한 것으로 관찰된다. 일반적으로, 우선적 1측(one-sided) 조종이 없기 때문에, 이러한 실현예에 관한 비용 함수는 28%이다.

도 3은 반-랜덤한 배열의 일 실현예로부터 관찰된 빔 패턴을 보여준다. 이 빔 패턴은 초점이 +20㎜에 있든지 -20㎜에 있든지, 비용 함수가 21%로 동일하다. 도 2와 도 3에서의 직접적인 비교 결과는 가능하지 않다는 점이 지적되어야 하는데, 이는 이들이 랜덤한 배열들의 하나의 특별한 시도에 관한 것이기 때문이다. 종래 기술에서는, 최적의 배열 선택을 위해 250회의 시도가 행해졌다. E.B.Hutchinson 등의 Design & Optimization of an aperiodic ultrasound phased array for intracavity prostate thermal therapies, 23(5) MED.PHYS. 767-76(1996). 따라서, 도 4는 각 실현예에 관한 한 점으로서 그려진 250회의 시도에 관한 비용 함수들을 보여준다. 최상의 대칭적인(반-랜덤한) 배열이 최상의 완전히 대칭적인 배열보다 더 나은 성능을 가짐이 관찰된다.

완전히 랜덤한 1차원 배열과 반-랜덤한 1차원 배열을 또한 비교하기 위해, 총 10,000회의 시도가 행해진다. 도 5는 최상의(최적의) 완전한 랜덤한 배열로부터의 필드 강도를 보여준다. 그레이팅 로브 강도가 도 2에서의 그레이팅 로브 강도에 비해 훨씬 더 감소되는 것으로 관찰된다. 초점이 +20㎜ 또는 -20㎜에 있을 때의 빔 패턴들이 어느 정도 대칭적인 것으로 드러난다. 도 6은 최적의 반-랜덤한 배열에 관한 필드 강도를 보여준다. 2개의 초점에 관한 빔 패턴(필드 강도)는 대칭적인 것으로 관찰되고 최적으로 완전히 랜덤한 배열에 비해 훨씬 더 작은 그레이팅 로브들을 보여주는 것으로 관찰된다. 도 7은 10,000회의 시도 동안 2개의 배열에 관한 비용 함수 그림을 보여주고, 이는 또한 완전히 랜덤한 배열에 비해 대칭적인(반-랜덤한) 배열의 더 나은 행동을 확증한다.

3개 이상의 포인트로 초점 위치들을 변경하는 효과를 결정하기 위해, 최적으로 완전한 배열과 반-랜덤한(대칭적인) 배열들의 추가 비교가 수행된다. 도 8은 초점 범위를 -30㎜로부터 30㎜까지 변하면서 얻어진 빔 그림을 보여준다. 최적의 반-랜덤한 배열이 최적의 완전히 랜덤한 배열에 비해 더 낮은 비용 함수를 만들어내는 것을 볼 수 있다. 완전히 랜덤한 배열은 -30㎜와 30㎜에서 초점 맞춤을 위한 허용하기 어려운 높은 그레이팅 로브들을 만들어내고, 이는 1.5㎜의 일정한 폭을 지닌 랜덤하지 않은 배열에 필적한다.

이제 2차원의 랜덤한 배열들에 관한 또 다른 실시예를 설명한다. 이 배열은 120개의 요소들로 채워진 40㎜의 원형 개구를 포함한다. 이 실시예에서의 요소들은 랜덤한 반경이 1㎜와 2㎜ 사이에서 균일하게 분포한 원 모양이다. 동작 주파수는 1.5㎒이다. 도 9는 완전히 랜덤한 2차원 배열의 일 실현예를 보여준다. 도 10은 90°대칭성을 지닌 2차원 대칭적인 랜덤한 배열의 일 실현예를 보여준다. 이 배열의 경우, 30개의 요소들이 1사분면을 맞추기 위해 랜덤하게 선택되고, 나머지 사분면들은 그 사분면을 90°,180°,270°로 회전시켜 동일한 요소들을 놓음으로써 채워진다.

완전히 랜덤한 배열과 대칭적인 랜덤한 배열에 관한 비용 함수들을 비교하기 위해, 빔 그림 시뮬레이션들이 8개의 초점 위치들에 관해 FIELDⅡ에서 행해진다(동시에 다수의 초점이 아니라, 하나씩). 8개의 초점 스폿(spot)이 한 원 위에 위치하고, 배열로부터 80㎜ 떨어진 평면에 놓인다. 이들 8개의 초점은 20㎜의 반경을 가진 원 상에서 45°씩 간격으로 떨어져 있다. 메인 로브에 대한 그레이팅 로브의 최악의 비가 보고된다. 계산상의 시간 강제들 때문에, 1차원 경우에 관해 10,000회보다는 250회가 행해진다. 하지만, 통계적인 중요도가 달성되었다고 믿어진다.

도 11은 완전히 랜덤한 배열과 대칭적인 2차원 랜덤한 배열 각각에 관해 250회의 시도를 통해 관찰된 비용 함수를 보여준다. 이들 많은 시도를 통해, 대칭적인 랜덤 배열이 더 나은 성능을 만들어냄이 관찰된다. 따라서, 대칭적 배열에 관해서 랜덤한 정도의 양이 감소될지라도, 그 성능은 완전히 랜덤한 배열에 관한 것보다는 실제로 더 낫다.

본 발명의 원리들에 따르면, 또 다른 실시예는 예컨대, 직사각형, 삼각형, 5각형, n-각형, 타원, 사다리꼴, 마름모꼴, 또는 정사각형과 같이, 모양이 원이 아닌 2차원의 랜덤한 배열 개구이다.

다른 실시예들에서는, 대칭성에 관한 섹터 각도가 90°로 제한되지 않고, 예컨대 0°와 180°사이의 범위에 있을 수 있다. 20°와 180°사이의 각도는 대칭 재생을 위해 초음파 요소들의 더 풍부한 패턴을 가능하게 한다.

위 실시예들은 열적으로 조직을 절제하기 위해 초점이 맞추어진 초음파가 사용되는 임의의 응용예에서 사용될 수 있다. 통상적인 예들에는 뇌 손상들, 자궁 유섬유종, 간 종양 절제, 유방 종양 절제 등이 포함된다. 실시예들은 또한, 예컨대 뇌졸증이나 심정맥 혈전증(DVT) 환자들과 같은 응혈 용해를 위해 초음파를 사용하는 방법들을 포함한다.

위 실시예들은 또한 국소화된 유전자 치료, 약물 전달, 및 단백질 전달과 같은 열적으로 유도된 생물학적 효과가 필요한 응용예에서 사용될 수 있다.

랜덤한 배열들이 치료 목적들을 위해 의도되지만, 위 실시예들은 초음파 이미징 배열들에도 적용될 수 있다고 생각할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는, 더 큰 요소들이 바람직한 조종 방향에 더 가깝고, 더 작은 요소들이 배열의 나머지 (원심) 면 상에 위치하도록 배열되어, 빔이 배열의 한 면으로 조종될 때 더 나은 초점 맞춤과 치료를 제공한다.

몇 가지 관점에서 더 작은 요소들이 더 큰 요소들에 비해 유리한데, 즉 더 작은 요소들은 큰 요소들에 비해 상대적으로 더 등방성인 빔을 가져, 더 작은 요소들로부터 축으로부터 떨어져, 특히 배열에 가깝게 조종하기가 더 쉬운 초음파 빔들을 만든다. 또한, 그레이팅 로브들은 더 작은 요소들이 사용될 때 더 낮다. 그레이팅 로브들의 감소는 메인 로브에서의 향상된 에너지 침전을 이끌어 내고, 이는 빔이 축으로부터 떨어져 조종될 때 특별히 유용한 특성이다.

랜덤하지 않은 배열의 일 예가 위 실시예를 예시한다. 일정한 요소 크기들(랜덤하지 않은 배열)을 지닌 3개의 1차원 선형 배열들이 FIELDⅡ프로그램을 사용하여 시뮬레이션된다. 총 개구 크기는 3가지 경우 모두에 관해 36㎜로 동일하다. 3가지 경우에 관한 요소 폭들은 각각 0.3㎜,0.6㎜,1.2㎜이고, 요소들의 개수는 각각 120,60,30이다. 1.5㎜의 파장에 대응하는 주파수는 1.0㎒로 설정된다. 간단하게 하기 위해, 시뮬레이션에서는 어떠한 커프도 사용되지 않고, 따라서 요소들 사이의 간격은 요소들의 폭들에 의해 결정된다. 처음 2가지 경우에 관해서는 어떠한 그레이팅 로브도 관찰되지 않는다.

도 12는 빔이 개구로부터 30㎜ 떨어진 평면에서 20㎜ 축으로부터 떨어져 초점이 맞추어지도록 설정될 때의 3가지 배열들로부터 관찰된 필드 강도를 보여준다. 데이터는 요소 크기가 증가함에 따라 초점에서의 신호 강도가 점진적으로 감소하는 것을 보여준다. 어떠한 그레이팅 로브도 존재하지 않을 때조차도, 더 작은 요소 폭들이 더 나은 신호 강도(0.3㎜ 대 0.6㎜)를 이끌어낸다. 이는 더 작은 요소들의 방향성이 더 낫기 때문이다. 폭이 1.2㎜까지 증가될 때, 초점에서의 신호 강도는 그레이팅 로브의 등장과 크기 증가로 인해 더 떨어진다. 그러므로, 더 작은 요소들을 가지는 것이 우선시된다.

이전에 설명된 랜덤한 배열들은 요소 간격이 λ/2보다 클 때조차도 그레이팅 로브들을 최소화하고, 이 경우 λ는 어쿠스틱 파장이다(E.Hutchinson 등의 Aperiodic ultrasound phased array, PCT 특허 출원 일련 번호 WO 97/17018; J.F.Hand 등의 Arrays of quasi-randomly distributed ultrasound transducers, PCT 특허 출원 일련 번호 WO 00/49598). 하지만, 그것들은 빔이 축을 벗어나 조종될 때 더 약한 조종 능력을 가지는 경향이 있고, 이는 본 명세서에서 더 큰 요소들의 사용과 상관되는 것으로 간주된다. 이를 예시하기 위해, 또 다른 예가 제공된다. 도 13은 랜덤하게 크기가 정해진 요소들의 동일한 세트를 지닌 2개의 랜덤한 배열 구성예를 보여준다. 요소 크기들은 0.9㎜ 내지 1.5㎜ 사이의 균일한 분포(가장 가까운 0.05㎜로 양자화된)로부터 선택되었다. 요소들의 개수는 30이고, 총 개구 크기는 이전 예에서와 동일하다(36㎜). 도 13의 하부 패널에서의 배열은 상부 패널에서 동일한 요소들의 세트를 사용하고, 하부 패널에서의 요소들은 또한 좌측에서 우측으로 크기가 증가하는 순서대로 요소들을 놓이도록 분류된다. 배열들 모두에 관한 평균 요소 크기는 1.2㎜이다.

도 14는 초점 맞춤이 개구로부터 30㎜ 떨어진 평면에서 우측으로 20㎜ 떨어지게 설정될 때 2개의 배열로부터의 빔 패턴들을 보여준다. 랜덤 배열들 모두는 1.2㎜의 고정된 요소 크기를 지닌 배열에 비해 향상된 것을 보여준다(도 12에서의 검은색 곡선 - 실제로 컬러 그림을 필요로 한다면, 알려주기 바란다; 그렇지 않으면 그레이스케일로 인쇄될 때 상이한 그림들이 유사하게 보인다). 하지만, 분류된 랜덤한 배열들이 요소들의 동일한 세트를 사용한 분류되지 않은 배열에 비해, 훨씬 더 큰 향상을 보여준다. 이러한 향상은 초점 스롯에 더 가까운 상대적으로 더 약한 요소 방향성을 가지는 더 큰 요소들의 위치를 정함으로써 촉진된다. 더 나은 방향성을 가지는 더 작은 요소들이 초점 스폿으로부터 더 멀리 놓인다. 분류된 랜덤한 배열이 감소된 그레이팅 로브를 가지는 것으로 관찰된다. 그러므로 그러한 분류된 배열은 배열의 한 면으로의 우수한 조종 능력을 가지는 것으로 발견된다. 더 작은 요소들로 인해 상대적으로 더 약한 데 비해, 배열의 나머지 면 상의 조종은 보상될 직장내 탐사침과 같은 내부 변환기를 위해 가능한데, 즉 보통 신체 내로 성공적으로 조종할 수 있는 것이 가능하고, 계속해서 나머지 면으로의 초점 맞춤이 단순히 변환기를 약간 수축시킴으로써 쉽게 달성될 수 있다.

일 실시예는 더 큰 요소들이 조종의 바람직한 방향에 더 가깝게 위치하는 랜덤한 요소들 배치의 사용을 제공하고, 더 작은 요소들이 바람직한 방향으로부터 더 멀리 나머지 면으로 위치하게 된다. 도 14에 도시된 것처럼, 초점 맞춤 이득이 향상되고, 그레이팅 로브들이 랜덤한 배열에 관해 관찰된 것에 비해 이러한 배열에 관해서는 감소되지만, 동일한 요소 세트의 크기를 가진다.

다음 특허들, 즉 E.Hutchinson 등의 Aperiodic ultrasound phased array, PCT 특허 출원 일련 번호 WO 97/17018; J.F.Hand 등의 Arrays of quasi-randomly distributed ultrasound transducers, PCT 특허 출원 일련 번호 WO 00/49598에서 개시된 것처럼, 요소들의 최상의 분포를 고르기 위해 관련된 실시예에서 최적화가 수행되었다. 하지만, 이들 특허에서 설명된 것과 같은 최상의 구성이 본 명세서의 방법들에 의해 제공된 것과 같은 바람직한 조종 능력을 결여하고 있다는 것을 주목해야 한다. 따라서, 이들 특허에 개시된 것은 우선적인 조종이 필요로 할 때, 제안된 배열에 비해 더 약하게 수행된다.

도 13은 하부 패널이 1차원 랜덤한 배열이 먼저 선택되고, 그 다음 크기가 증가하는 순서대로 요소들이 분류되는, 우선적으로 조종된 배열의 일 실시예를 보여준다. 빔 패턴들은 배열의 일 방향으로 초점 스폿들의 한 세트에 관한 시뮬레이션 또는 실험을 통해 결정된다. 최상의 구성을 선택하기 위해, 분류된 랜덤한 배열들의 상이한 시도로 최적화 구조가 구현되는데, 즉 그 배열은 초점 맞춤 이득 및/또는 그레이팅 로브 레벨들에 의해 결정된 것과 같은 최상의 성능을 가진다. 추가로, 역방향으로 특정 각도까지의 양호한 조종을 포함하는 최적화가 이루어진다.

도 15는 1차원 선형 배열들의 일 실시예의 또 다른 예를 보여준다. 이 경우 배열은 한 분포가 더 큰 평균 크기를 가지고 나머지 분포가 더 작은 평균 크기를 가지는, 요소 크기들의 2가지 분포로부터 배열이 만들어진다. 바람직하게, 양 세트에서의 요소들의 개수는 각 세트가 배열의 절반을 채우도록 선택된다. 더 큰 분포 요소들이 우수하거나 우선적인 조종을 얻기 위해 사용되는 배열의 면을 채운다.

도 16은 초점 맞춤이 오른쪽 면으로 행해지는 도 15에 도시된 랜덤한 배열로 초래하는 빔 패턴들로부터 얻어진 데이터를 보여준다. 더 큰 크기의 분포로부터의 요소들이 배열의 우측 절반에 놓이는 배치에서, 조종이 우측 절반에 놓인 더 작은 요소들을 가지는 배치에 비해 상당히 향상되는 것이 관찰됨을 볼 수 있다. 최적화 전략은 또한 초점 맞춤 이득 및/또는 그레이팅 로브 레벨들의 측면에서 최상의 성 능을 가지는 분포들 중에서 선택하도록 이용될 수 있다.

당업자라면 역방향 조종이 우선적으로 필요하다면, 더 큰 요소들과 더 작은 요소들의 위치를 바꿈으로써 위 실시예들이 이용될 수 있다는 것을 바로 알게 된다.

추가적인 실시예는, 예컨대 대상 조직이 심장으로의 하부-늑골(sub-costal) 접근과 같이 어쿠스틱 윈도우의 한 면에 위치하는, 일 방향으로의 향상되거나 우수한 조종을 요구하는 2차원 배열이다. 2차원 응용예를 예시하기 위해, 256개의 요소들(16 ×16)을 지닌 반-랜덤한 2차원 배열이 시뮬레이션된다(도 17). 개구 크기는 36㎜ ×36㎜ 스퀘어(square)이고, x 방향으로의 요소 크기들이 1.75㎜와 2.75㎜ 사이의 균일한 랜덤한 분포로부터 선택된다(0.05㎜ 스텝들에서 양자화된). 간단하게 하기 위해, 요소 크기들은 y 방향으로 2.25㎜와 같은 일정한 크기이다. 16개의 행들 각각에 관해 상이한 랜덤한 분포들이 선택되고, 따라서 2차원 배열은 1차원 랜덤한 배열들의 세트로 이루어진다. 커프가 0으로 설정되므로, 요소 간격은 요소 폭들에 의해 결정된다. 도 18은 본래 방식 및 분류된 방식 모두에 관해, 초점이 개구로부터의 거리가 80㎜인 축의 우측으로 25㎜ 떨어지게 설정된 1㎒(λ=1.5㎜)에서의 빔 패턴을 보여준다. 또한 비교를 위해 요소 크기가 2.25㎜로 일정한 랜덤하지 않은 배열로부터의 빔 그림이 도시되어 있다. 이들 데이터는, 위 실시예에서처럼, 분류된 랜덤한 배열이 우수한 결과들을 만들어냄을 보여준다.

위 실시예는 또한 요소들이 구형 껍질과 같은 굽은 표면 위에 위치하는 2차원 배열들이나 1차원 배열들로 확장될 수 있다.

초점 맞춤된 초음파가 열적으로 조직을 절제하기 위해 사용되고, 변환기가 신체 내로 들어갈 필요가 있는 임의의 응용예에서 위 실시예가 사용될 수 있다. 통상적인 응용예에는 전립선 치료를 위해 사용된 것과 같은 강내(intra-cavity) 변환기, 응혈을 붕괴시키는 것으로부터의 봉쇄 또는 위험으로 인한 해부 위치를 넘어 전진할 수 없는 카테터(catheter) 기반의 변환기들, 복강경 검사 치료 변환기들, 및 자궁 유섬유종 치료를 위한 변환기들이 있다. 카테터 기반의 응용예에는 응혈 용해와, 심장 셀들의 비정상적인 전기적 발사(electrical firing)를 교정하기 위한 전자생리학(EP: electrophysiology) 응용예를 포함한다.

치료 볼륨(therapeutic volume)은 시종 일관되게 어쿠스틱 윈도우로부터 비대칭적으로 이동되게 위치가 정해지는 응용예와 같은 가슴-횡단(trans-thoracic) 또는 복부-횡단(trans-abdominal)인 응용예 또한 본 명세서의 실시예들의 범주 내에 있다. 이들 응용예는 하부-늑골 또는 특정 늑골 간격(spacing)으로부터 심장으로의 접근이나 창자나 방광을 회피하기 위해 간이나 다른 기관들로의 복부-횡단 접근을 포함한다. 본 발명은 또한 국소화된 유전자 치료, 약물 전달, 및 단백질 전달과 같은 열적으로 유도된 생물학적 효과가 필요한 응용예에서 사용될 수 있다.

일반적으로, 랜덤하게 선택된 요소 크기들과 위치들은 랜덤한 개수의 값들을 발생시키는 임의의 표준 수단에 의해 만들어진다. 이들 수단은 난수 발생기, 난수표, 랜덤한 분포, 및 준 랜덤한 분포를 포함한다.

위 실시예들은 일반적으로 초음파 요소들의 다양성 및 크기들에 적용 가능하다. 이는 약 0.1㎜ 내지 약 100㎜ 범위에 걸치는 크기를 지니는 요소들을 포함하지 만 이들에 제한되지는 않는다.

더 나아가 본 발명의 다른 및 추가 형태들과, 위에서 설명한 특정 실시예와 예시적인 실시예들 외의 실시예들이 첨부된 청구항과 그것들의 등가물의 범주와 취지로부터 벗어나지 않으면서 예상될 수 있고, 따라서 본 발명의 범주는 이들 등가물을 포함하는 것으로 의도되며, 본 발명의 상세한 설명과 청구항은 예시적인 것으로 의도되고 더 제한하는 것으로 여겨져서는 안 된다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 조직 절제, 약물 전달, 유전자 전달, 온열요법 및 응혈 용해와 같은 치료 응용예를 위한 초음파 위상 조정 배열 변환기 분야에 이용 가능하다.

Claims (22)

1. 초음파 발생 디바이스를 위한 위상 조정된(phased) 초음파 배열로서,

   상기 배열은 복수의 초음파 요소를 포함하고, 상기 배열의 초음파 요소는 요소 크기, 모양, 및 요소 위치에 관해, 상기 배열에서의 포인트 또는 분할 선(dividing line)에 대해 대칭적으로 배열되며, 복수의 요소 중 적어도 한 요소는 복수의 요소 중 나머지와는 상이한 크기 및/또는 모양을 가지고/가지거나 적어도 하나의 요소간 간격이 나머지 간격들과는 상이한, 위상 조정된 초음파 배열.
2. 제 1항에 있어서,

   초음파 요소들의 크기 및/또는 모양은 랜덤하게 선택되는, 위상 조정된 초음파 배열.
3. 제 1항에 있어서,

   초음파 요소들의 위치는 랜덤하게 선택되는, 위상 조정된 초음파 배열.
4. 제 1항에 있어서,

   인접하는 초음파 요소들의 질량 중심의 위치 사이의 복수의 거리는 비주기적인(aperiodic), 위상 조정된 초음파 배열.
5. 제 1항에 따른 위상 조정된 초음파 배열을 포함하는, 초음파를 발생시키기 위한 디바이스.
6. 복수의 초음파 요소를 포함하는 우선적으로 조종된 위상 조정된 초음파 배열로서,

   초음파 배열의 더 큰 요소들 대부분은 배열의 제 1 부분에 배열되고, 더 작은 초음파 요소들의 대부분은 배열의 제 2 부분에 배열되며, 상기 제 1 부분은 상기 제 2 부분보다 바람직한 조종 방향에 더 가깝고, 상기 배열은 초음파 요소 크기와 바람직한 조종 방향에 관계없이, 배열된 초음파 요소들을 가지는 종래의 배열에 비해, 더 큰 초점조정(focusing) 이득과 감소된 그레이팅 로브(grating lobe)를 초래하는, 위상 조정된 초음파 배열.
7. 제 6항에 있어서,

   복수의 요소 중 적어도 한 요소는 상기 복수의 요소 중 나머지 요소와는 상이한 크기 및/또는 모양을 가지고/가지거나, 적어도 한 요소간 간격은 나머지 간격과는 상이한, 위상 조정된 초음파 배열.
8. 제 6항에 있어서,

   상기 초음파 요소들의 크기 및/또는 모양은 요소들을 배열하기 전에 랜덤하게 선택되는, 위상 조정된 초음파 배열.
9. 제 6항에 있어서,

   각 부분 내의 복수의 초음파 요소는 랜덤하게 배열되는, 위상 조정된 초음파 배열.
10. 제 6항에 있어서,

    초음파 요소들의 크기는, 요소 크기들의 2가지 분포, 즉 초음파 요소 크기들의 제 1 분포, 및 초음파 요소 크기들의 제 2 분포로부터 랜덤하게 선택되고, 상기 제 1 분포에서의 평균 크기는 제 2 분포에서의 평균 크기보다 큰, 위상 조정된 초음파 배열.
11. 제 10항에 있어서,

    제 1 부분의 요소들은 제 1 분포로부터 랜덤하게 선택되고, 제 2 부분의 요소들은 제 2 분포로부터 임의로 선택되는, 위상 조정된 초음파 배열.
12. 제 11항에 있어서,

    제 1 부분과 제 2 부분은 각각 배열의 약 절반을 구성하는, 위상 조정된 초음파 배열.
13. 제 11항에 있어서,

    제 1 부분과 제 2 부분은 각각 배열 면적의 절반을 구성하는, 위상 조정된 초음파 배열.
14. 제 6항에 있어서,

    인접하는 초음파 요소들의 질량 중심의 위치들 사이의 복수의 거리는 비주기적인, 위상 조정된 초음파 배열.
15. 제 6항에 있어서,

    요소들의 위치는 랜덤한 방식으로 선택되는, 위상 조정된 초음파 배열.
16. 제 1항 또는 제 6항에 있어서,

    배열은 1차원 또는 2차원 또는 3차원 배열 중 어느 한 배열인, 위상 조정된 초음파 배열.
17. 제 1항 또는 제 6항에 있어서,

    초음파 요소들은 납 지르콘산염 티탄산염(PZT: lead zirconate titanate), 중합체 압전 물질, 및 압전 합성(piezo-composite) 물질로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 물질을 더 포함하는, 위상 조정된 초음파 배열.
18. 제 1항 또는 제 6항에 있어서,

    초음파 요소들은 구형 껍질(spherical shell)과 같은 굽은 표면 상에 배열되는, 위상 조정된 초음파 배열.
19. 제 17항에 있어서,

    상기 굽은 표면은 구형 껍질인, 위상 조정된 초음파 배열.
20. 위상 조정된 초음파 배열을 만드는 방법으로서,

    랜덤한 크기를 가지는 초음파 요소들을 선택하는 단계와,

    초음파 요소들을 배열 위에서 대칭적으로 배열하는 단계를

    포함하는, 위상 조정된 초음파 배열을 만드는 방법.
21. 위상 조정된 초음파 배열을 설계하는 방법으로서,

    랜덤한 크기를 가지는 초음파 요소들을 선택하는 단계와,

    더 큰 초음파 요소들이 배열의 제 1 부분에 배열되고, 더 작은 초음파 요소들은 배열의 제 2 부분에 배열되며, 상기 제 1 부분은 상기 제 2 부분보다 바람직한 조종 방향에 더 가까운, 초음파 요소들을 배열하는 단계를

    포함하는, 위상 조정된 초음파 배열을 설계하는 방법.
22. 제 21항에 있어서,

    추가적인 방향으로 조종하기 위한 초음파 요소들의 배열을 최적화하는 단계 를 더 포함하고, 이러한 최적화는 초점조정 이득을 유지하고 그레이팅 로브를 최소화하는, 위상 조정된 초음파 배열을 설계하는 방법.

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