KR20130009734A - 고강도 초점 초음파의 전력을 측정하는 흡수 타겟 - Google Patents

고강도 초점 초음파의 전력을 측정하는 흡수 타겟 Download PDF

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고강도 초점 초음파의 전력(High-intensity focused ultersound)을 측정하기 위한 흡수 타겟(absorption target)은, 컨테이너(container)(2)와 액체 매질에 침전된 원뿔형 타겟 클러스터(cone target cluster)(5)를 포함한다. 여기서, 원뿔형 타겟 클러스터(5)는 동일한 기하학 형태를 갖는 기본 유닛(basic unit)(1)을 구성하고, 기본 유닛(1)의 상부(upper portion)는 각뿔(3)형이고, 그 하부는 대응하는 각 기둥형 베이스(prismatic base)(4)를 가지며, 이 각뿔(3)의 각 측면의 꼭지점은 각 기둥형 베이스(4)의 수직 이등분선에서 만나 원뿔형 꼭지점을 형성한다. 각뿔(3) 및 베이스(4)의 단면은 사각형, 정삼각형, 정육각형이고, 기본 유닛(1)의 베이스(4)는 컨테이너(2)의 하부에서 균일하면서 단단히 배열된다. 입사하는 원뿔형 타겟 클러스터(5)의 음파 파형은 적어도 2개의 반사(reflection) 또는 산란(scattering)의 발생시에만 원뿔형 타겟 클러스터(5)의 외부 공간으로 빠져 나간다. 개방형 미세공은 원뿔형 흡수 타겟(5)의 기본 유닛(1) 내부에 밀집 분산되어 있다.

Description

고강도 초점 초음파의 전력을 측정하는 흡수 타겟{ABSORPTION TARGET FOR MEASURING POWER OF HIGH-INTENSITY FOCUSED ULTRASOUND}
본 발명은 1000 W 이상의 초음파 전력을 측정하는 흡수 타겟(absorption target)에 관한 것으로, 특히 1000 W 이상의 고강도 초점 초음파(high-intensity focused ultrasound)(HIFU)를 측정하기 위한 흡수 타겟에 관한 것이다.
고강도 초점 초음파(HIFU)는 주로 악성 종양의 치료에 사용됩니다. 그것은 많은 임상 특성을 가진다. 예를 들어, 비침습성(noninvasive) 또는 최소한 침습성 수술을 실현할 수 있다. 그리고, 혐기성 종양 세포에 대해 좀더 민감한 파괴 효과를 가진다. 증식 종양 및 비증식 종양(간 종양 및 신장 종양 등)에 대해 무분별한 치료 효과를 가지므로, 종양에 대해 신체의 특정한 면역 반응을 일으킬 수 있다. 그러나, 기존의 HIFU의 기술은 깊은 종양, 늑골 간 종양, 큰 종양을 치료하는데 사용하는 경우 병목 현상을 직면한다. 이것은 HIFU가 고강도 초점 초음파를 성취할 수 없기 때문에 발생하는 것은 아니다. 예를 들면, HIFU의 시험 주파수(working frequency)가 f-1.5 MHz인 경우, 음파 전력(sound power)만이 자유 음파 영역(free sound field)에서 대략 15,000 W/cm2의 초점 음파 강도(focused sound intensity)Fo)를 얻는데 필요하다. 그러므로, 인간 몸체의 자연적인 열전도율 및 혈액 공급으로 인해, 타겟 영역은 HIFU가 가열됨에 따라 열을 소비한다. 신체의 부드러운 조직의 음향학적 및 생물 물리학적인 평균 파라미터로부터, HIFU에 의한 피하 연조직(subcutaneous soft tissue)의 병변(niduse)을 평균 최대 효과로 치료할 수 있는 깊이는 다양한 센티미터가 된다는 것이 용이하게 알려져 있다. 게다가, 치료 속도는 매우 낮다. 심지어 중간 크기의 병변에 대해, 치료하는데 필요한 시간을 견디기란 힘들다. 우수한 초점 실행을 통해 KW-레벨 HIFU를 안정적으로 방출할 수 있는 기술에 대한 연구는 HIFU로 “일회성 비침습 수술” 개념을 실현하기 위한 열쇠가 된다. 그러므로, KW-레벨 초음파 전력의 측정은 반드시 필요하고, 연구 개발, 생산, 실제 적용, 검출, 진단 및 고강도 초점 초음파 (HIFU) 도구의 유지관리에 도움이 된다. 관련 문헌을 참고하여, 난징 하이케 의료기기 주식회사(Nanjing HAIKE Medical Equipment Co., Ltd.)는 금속 재료로 이루어지며 KW-레벨의 HIFU 전력을 측정할 수 있는 오목 원뿔형 반사 타겟을 설계했다. 실험에서, 이러한 반사 타겟(reflection target)은 다른 물리적 구조를 갖는 HIFU 트랜듀서(transducer)에 의해 방출된 음파 빔(sound beam)이 타겟에서 종횡파(longitudinal and transverse wave)의 총 내부 반사 조건을 반드시 충족시키도록 할 수 없다. 따라서, 방사원(radiation source)의 음파 전력이 측정된 음파 방사 전력으로부터 산출된다면 그 신뢰성이 의심될 수 있다.
현재, 고전력 및 고강도 초점 초음파를 측정하기 위해 국내외에서 사용되는 대부분의 방법은 흡수 타겟상에 작용하는 노멀한 반지름 방향의 힘(normal radial force)을 측정함으로써 음파원(sound source)으로부터 방출되는 음파 전력을 계산한다. 중국의 국가 표준(GB/T19890-2005)에서도 이 방법을 권장하고 있다. 그러나, 현재 100 W 레벨로 음파 전력을 측정하기 위한 흡수 타겟만이 실용적이므로, HIFU에 대한 현재 및 앞으로의 요구를 충족시킬 수 없다.
본 발명의 목적은 KW-레벨 고강도 초점 초음파의 전력을 측정할 수 있는 흡수 타겟을 제공하므로, 고강도 초점 초음파(HIFU) 측정 기기에 대해서는 기존 흡수 타겟에서 측정 가능한 음파 전력의 낮은 최고한도(upper limit)의 결함을 극복할 수 있다.
본 발명의 목적은 다음과 같이 고강도 초점 초음파의 전력(High-intensity focused ultersound)을 측정하기 위한 흡수 타겟(absorption target)에 의해 달성된다. 이 흡수 타겟은, 컨테이너(container)와 액체 매질에 침전된 원뿔형 타겟 클러스터(cone target cluster)를 포함한다. 여기서, 원뿔형 타겟 클러스터는 동일한 기하학 형태를 갖는 기본 유닛(basic unit)을 구성하고, 기본 유닛의 상부(upper portion)는 각뿔형이고, 그 하부는 대응하는 각 기둥형 베이스(prismatic base)를 가지며, 이 각뿔의 각 측면의 꼭지점은 각 기둥형 베이스의 수직 이등분선에서 만나 원뿔형 꼭지점을 형성한다. 각뿔 및 베이스의 단면은 사각형, 정삼각형, 정육각형이고, 기본 유닛의 베이스는 컨테이너의 하부에서 균일하면서 단단히 배열된다. 입사하는 원뿔형 타겟 클러스터의 음파 파형은 적어도 2개의 반사(reflection) 또는 산란(scattering)의 발생시에만 원뿔형 타겟 클러스터의 외부 공간으로 빠져 나간다.
개방형 미세공은 원뿔형 흡수 타겟의 기본 유닛 내부에 밀집 분산되어 있다.
본 발명에 따르면, 기본 유닛을 만들기 위한 기본 재료는 개방형 미세공을 가진 무기 고체 재료이고, 이 컨테이너를 만들기 위한 기본 재료는 높은 열전도율을 갖는 무기 고체 재료이다.
본 발명에 따르면, 기본 유닛을 만들기 위한 기본 재료는 시장에서 이용 가능한 무기 고체 재료, 특히 개방형 미세공을 갖는 간단 복잡한 무기 고체 재료이고, 선호하게는 벽돌 또는 개방형 미세공을 갖는 돌 또는 개방형 미세공을 갖는 바위 또는 석회암 등이 있다. 바람직하게는 이 컨테이너를 만들기 위한 재료로서 금속 또는 유리가 있다.
본 발명에 따르면, 흡수 타겟에 사용되는 액체 매질은 물로부터 기포를 없앴다. 기본 유닛의 각 기둥형 베이스는 적절한 높이로 설계되므로, 음파 감쇄(sound attenuation)는 20dB 보다 크다. 원뿔형 타겟 클러스터의 전체 하부의 최소 크기는 차단을 위한 -26dB 음파 속도의 폭에 대해 1.5배이어야 한다.
본 발명의 이점은 다음과 같다. 원뿔형 타겟 클러스터를 사용하기 때문에, -30dB 이하의 반사 계수를 갖는 우수한 물리 특성을 용이하게 얻을 수 있다. 이 클러스터의 기본 재료는 높은 비열(specific heat), 낮은 가열 속도, 낮은 팽창률, 높은 양의 음파 방사를 통한 제로 방사선 분해(zero radiolysis) 또는 변질 등의 특성을 갖는 무기 고체 재료이고, 개방형 미세공을 가진 벽돌 또는 돌 도는 개방형 미세공을 가진 바위 또는 석회암이 있다. 그러므로, 원뿔형 타겟 클러스터는, KW-레벨 초점 초음파의 전력을 측정하는데 사용될 수 있으며, 안정된 성능 및 오랜 사용 기한을 가진다.
도 1은 본 발명에 따른 원뿔형 타겟 클러스터의 기본 유닛의 구조적 개략도이다.
도 2는 원뿔형 타겟 클러스터의 기본 유닛을 도시한 기하학적 형태의 여러 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 원뿔형 타겟 클러스터의 구조적 개략도이다.
도 4는 HIFU의 전력을 측정하기 위해 본 발명의 HIFU 트랜듀서(transducer)를 이용하는 방사력 밸런스 측정 시스템을 도시한다.
도면을 참조하여 본 발명의 실시예는 이하 상세히 설명된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발에 마련된 원뿔형 타겟 클러스터(cone target cluster)에서는, 기본 유닛(1)의 상부가 피라미드(pyramid)(3)이고, 기본 유닛(1)의 하부는 각 기둥형 베이스(prismatic base)(4)이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 기본 유닛(1)의 단면은 a. 사각형, b. 정삼각형, c. 정육각형이어도 좋고, 원뿔형 타겟 클러스터의 전체적인 저부(bottom)의 최소 크기는 차단될 수 있는 -26dB 음파 속도의 폭에 대해 적어도 1.5 이상 이어도 좋다. 그리고, 각 기둥형 베이스(4)는 적절한 높이로 되어 있으므로, 음파 감쇄는 20dB 이상이다. 피라미드(3)의 각 측면의 꼭지점은 수직 이등분선에 있는 기본 유닛(1)의 하부 중앙에서 만나 원뿔형 꼭지점을 형성한다. 개방형 미세공(open micropore)이 기본 유닛(1) 내부에서 밀집 분산된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 각 기본 유닛(1)의 각 기둥형 베이스(4)는 직사강형 컨테이너(2) 내부에서 균일하면서 단단히 배열되어 원뿔형 타겟 클러스터를 형성한다. 원뿔 꼭지점으로부터 원뿔 하부로 입사하는 원뿔형 타겟 클러스터의 음파 빔은 적어도 2개의 반사 또는 산란이 있는 경우에만 타겟의 외부 공간으로 되돌아 가는 것이 가능하다.
예를 들면, 실제 구현에 있어서, 기본 유닛(1)은 흡수 타겟을 위한 액체 매질 사이에서 높은 열전도율 및 낮은 음압 반사 계수(sound pressure reflection coefficient)를 가진 무기 고체 재(inorganic solid material)료로 이루어져야 한다. 이 직사각형 컨테이너는 높은 열전도율을 갖는 무기 고체 재료로 이루어져도 좋다.
원뿔형 타겟 클러스터의 구조 및 작업 조건
원뿔형 타겟 클러스터의 기본 유닛을 만들기 위한 무기 고체 재료의 선택: 이앙 쉔드 세라믹스 주식회사(Yixing shengde Ceramics Co., Ltd.)의 프라구트(praguite) 06 벽돌(내화 벽돌).
원뿔형 타겟 클러스터에 있어서, 기본 유닛의 베이스 높이는 약 25mm이고, 단면은 약 16mm의 측면 길이를 가진 사각형이다. 그리고, 피라미드의 꼭지점으로부터 상부 표면까지의 길이는 약 30mm이다.
직사각형 컨테이너를 만들기 위한 무기 고체 재료는 유리이다. 이 컨테이너의 입방 면적은 256mm x 256mm x 60mm (L x W x D)이다.
기본 유닛은 직사각형 용기에서 16 x 16 행렬로 균일하면서 단단하게 배열되어 있다.
흡수 타겟의 작업 조건: 액체 매질은 물로부터 공기를 제거하고, 최대 측정 가능한 음향 전력은 3,000 W 이상이다.
이 방법에 있어서, 원뿔형 타겟 클러스터(5)는 테스트 전에 액체 매질에 침전되고 나서 원뿔형 타겟 클러스터의 미세공에 트랩된 공기를 진공 상태에서 제거하므로, 원뿔형 타겟 클러스터(5)의 기본 유닛 내부에 밀집 분산된 개방형 미세공은 액체 매칠로 채워져 있다.
초음파 방사선 측정 장치(ultrasound radiation force measuring)가 도 4에 도시되어 있다. 초음파 소스는 정밀한 3D 모션 플래폼에 고정되어 있고, 흡수 타겟은 트랜듀서(6) 아래에서 레버 기구를 거쳐 균형 전자 밸런스(counterpoised electronic balance)(7)에 의해 매달려 있다. 그리고, 초음파 소스의 음향 빔 축은 흡수 타겟의 다림줄(plumb line)과 평행하게 되어 있다. 게다가, 초음파 전력 흡수 플레이트(8)는 초음파 방사선 측정 장치의 내벽상에 장착되어 있다. 흡수 타겟의 축 위치는 방사력 측정에 대한 비선형성(nonlinearity) 및 사운트 스트림의 역효과(adverse effect)를 방지하기 위해 음향 초점으로부터 및 음향 소스 근처에서 설정되어야 한다. 흡수 타겟의 하부 평면은 음향 빔 축에 수직이어야 하고, 흡수 타겟의 중심은 음향 빔 축에 일렬로 배열되어야 하고, 트랜듀서(6)의 거리 또는 트랜듀서(6)의 표면 중심은 음압하에서 초점 길이의 0.7배 이하이어야 한다. 측정 전에, 흡수 타겟은 공기가 제거된 물에 침전시켜야하고 30분 이상 동안 물로부터 공기를 제거해야 한다. 진공 하에서, 실험 기구는 15분 이상 동안 가열되어야 한다.
열적 드리프트(thermal drift)의 효과를 감소시키기 위해, 초음파 압력이 인가될 때와 초음파 압력이 간섭을 받을 때, 짧은 시간(2~4초) 동안 균형 전자 밸런스(7) 상에 나타난 안정된 값은 얻는다. 2개 값 사이의 차이는 중력 가속도(g)에 대한 원뿔형 타겟 클러스터에 의해 가해진 정상의 방사력(F)의 비율이다. 단위는 kg이다.
레버 기구(lever mechanism)가 사용되는 경우, 균형 전자 밸런스에 의해 측정된 힘은 모멘트 암 비율(moment arm ratio)을 조정(calibration)함으로써 흡수 타겟에 의해 가해진 실제 힘(actual force)으로 변환되어야 한다.
원뿔형 타겟 클러스터(5) 및 트랜듀서(6)의 표면은 이따금씩 관측되어야 하고, 표면상의 어떤 작은 버블(bubble)은 측정 과정에서 적절하게 제거되어야 한다.
초음파 전력 계산 (공기를 제거한 물( desaerated water )의 음향 감쇄 효과를 무시)
중심에 둥근 구멍을 갖는 구형 세그먼트 초첨 유닛 트랜듀서가 음향 소스로서 사용되는 경우, 음향 전력은 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure pct00001
여기서, P: 음향 파워, 단위 W
C: 물 속에서의 음향 속도, 단위: m/ s
F: 흡수 타겟에 의해 영향을 받는 노멀 방사력(normal redial force), 단위: N
β1: 외부 구경에서의 구형 세그먼트 초점 트랜듀서의 반수렴각, 단위: °
β2: 중심 구멍에서의 구형 세그먼트 초점 트랜듀서의 반수렴각, 단위: °
cosβ2=1일 때, 중심 구멍이 없는 구형 캡 세그먼트 초점 유닛 트랜듀서(spherical cap focused unit transducer)가 음향 소스로서 사용되는 경우 식 C.1을 사용할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않는다. 특히, 흡수 타겟에 있어서, 원뿔형 타겟 클러스터(5)는 주로 시장에서 이용 가능한 무기 고체 재료 또는 개방형 미세공을 갖는 간단한 또는 복잡한 무기 고체 재료이고, 선호하게는 벽돌 또는 개방형 미세공을 갖는 돌 또는 개방형 미세공을 갖는 바위 또는 석회암 등이 있다. 바람직하게는 이 컨테이너를 만들기 위한 기본 재료로서 금속 또는 유리가 있다.
1, 기본 유닛, 2. 컨테이너, 3. 피라미드, 4. 각 기둥형 베이스, 5. 원뿔형 타겟 클러스터, 6. 트랜듀서, 7. 균형 전자 밸런스, 8. 초음파 전력 흡수 플레이트, 9. 초음파 RF 소스, 10. 주파수계

Claims (4)

  1. 고강도 초점 초음파의 전력(High-intensity focused ultersound)을 측정하기 위한 흡수 타겟(absorption target)에 있어서,
    컨테이너(container)와 액체 매질에 침전된 원뿔형 타겟 클러스터(cone target cluster)를 포함하고,
    상기 원뿔형 타겟 클러스터는 동일한 기하학 형태를 갖는 기본 유닛(basic unit)을 구성하고; 상기 기본 유닛의 상부(upper portion)는 각뿔형이고, 그 하부는 대응하는 각 기둥형 베이스(prismatic base)를 가지며, 상기 각뿔의 각 측면의 꼭지점은 상기 각 기둥형 베이스의 수직 이등분선에서 만나 원뿔형 꼭지점을 형성하고, 상기 각뿔과 상기 베이스의 단면은 사각형, 정삼각형, 정육각형이고; 상기 기본 유닛의 베이스는 상기 컨테이너의 하부에서 균일하면서 단단히 배열되며; 입사하는 원뿔형 타겟 클러스터의 음향 파형은 적어도 2개의 반사(reflection) 또는 산란(scattering)의 발생시에만 상기 원뿔형 타겟 클러스터의 외부 공간으로 빠져 나가고, 상기 원뿔형 타겟 클러스터의 기본 유닛 내부에 밀집 분산되는 개방형 미세공을 포함하는 흡수 타겟.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기본 유닛을 만들기 위한 기본 재료는 개방형 미세공을 가진 무기 고체 재료이고, 상기 컨테이너를 만들기 위한 기본 재료는 높은 열전도율을 갖는 무기 고체 재료인 흡수 타겟.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 기본 유닛을 만들기 위한 기본 재료는 시장에서 이용 가능한 무기 고체 재료, 특히 개방형 미세공을 갖는 간단 복잡한 무기 고체 재료이고, 선호하게는 벽돌 또는 개방형 미세공을 갖는 돌 또는 개방형 미세공을 갖는 바위 또는 석회암 등이 있고, 바람직하게는 상기 컨테이너를 만들기 위한 기본 재료로서 금속 또는 유리인 흡수 타겟.
  4. 제 1 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡수 타겟에 사용되는 상기 액체 매질은 물로부터 공기를 제거하고, 상기 기본 유닛의 상기 각 기둥형 베이스는 적절한 높이로 설계되므로, 음파 감쇄(sound attenuation)가 20dB 보다 크고; 상기 원뿔형 타겟 클러스터의 전체 하부의 최소 크기는 차단을 위한 -26dB 음향 속도의 폭의 1.5배인 흡수 타겟.
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