KR20130033717A - 집속 초음파 치료 장치 및 이의 초점 제어 방법 - Google Patents

집속 초음파 치료 장치 및 이의 초점 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 집속 초음파 치료 장치의 초점 제어 방법은, 초음파가 발생되는 지점으로부터 초점을 형성하고자 하는 목표 위치까지의 초음파가 전파되는 경로상의 조직을 촬영한 의료학적 영상인 사전 진단 영상으로부터 초음파의 전파에 영향을 미치는 물리적 특성 값인 조직 특성 정보를 획득하는 단계; 및 상기 획득한 조직 특성 정보를 이용하여 초점이 형성되는 위치를 제어하는 단계를 포함한다.

Description

집속 초음파 치료 장치 및 이의 초점 제어 방법 {focused ultrasound therapy apparatus and focal point controlling method thereof}
초음파를 집속하여 병변을 제거하는 비침습적 수술 장치인 집속 초음파 치료 장치의 초점 제어 방법에 관한 것이다.
의학의 발달과 더불어 종양에 대한 국소치료는 최근 최소침습적 수술에서 더 나아가 비침습적 수술이 사용되고 있다. 비침습적 수술법 중에서 고강도 집속 초음파(high intentsity focused ultrasound, HIFU) 치료는 음파를 이용함으로써 인체에 무해하다는 장점으로 인해 널리 사용되고 있다. 고강도 집속 초음파 치료란 인체 내부의 병변에 고강도의 초음파를 집속하여 조사함으로써 병변 조직을 괴사시키는 방식의 치료 방법이다. 조직에 집속되어 조사된 초음파는 열에너지로 변환되어 조사 부위의 온도를 상승시켜 조직과 혈관에 응고성 괴사를 일으키게 된다. 이때, 온도는 순간적으로 상승되므로 조사 부위 주변으로 열확산을 방지하면서 조사 부위만을 효과적으로 제거할 수 있다.
집속 초음파 치료 장치는 전기적인 신호를 초음파로 변환시키는 변환기(transducer)를 구비하며, 변환기에서의 입자 속도(particle velocity)를 조절함으로써 초점이 형성될 위치를 제어할 수 있다. 집속 초음파 치료시에 주변 조직에 영향을 주지 않고 병변만을 제거하기 위해서는 목표하는 정확한 위치에 초음파의 초점을 형성하여야 하는데, 초점이 형성되는 위치는 초음파 전파 경로상의 신체 내부 조직의 특성(예를 들어, 조직에서의 음파의 전달 속도 또는 조직의 밀도 등)에 의해 영향을 받을 수 있다.
정밀한 초점 위치의 제어가 가능한 집속 초음파 치료 장치의 초점 제어 방법을 제공한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 집속 초음파 치료 장치의 초점 제어 방법은, 초음파가 발생되는 지점으로부터 초점을 형성하고자 하는 목표 위치까지의 초음파가 전파되는 경로상의 조직을 촬영한 의료학적 영상인 사전 진단 영상으로부터 초음파의 전파에 영향을 미치는 물리적 특성 값인 조직 특성 정보를 획득하는 단계; 및 상기 획득한 조직 특성 정보를 이용하여 초점이 형성되는 위치를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 조직 특성 정보를 획득하는 단계는 상기 경로가 둘 이상으로 분할된(segmented) 각각의 부분(segment)별로 상기 조직 특성 정보를 획득할 수 있다.
또한 이때, 상기 조직 특성 정보를 획득하는 단계는, 상기 사전 진단 영상을 수신하는 단계; 상기 수신한 사전 진단 영상으로부터 획득한 사전 진단 정보로부터 상기 초음파가 전파되는 경로상의 조직에 대한 조직 특성 정보를 산출하는 단계; 상기 획득한 조직 특성 정보에 기초하여 상기 초음파가 전파되는 경로를 둘 이상의 부분들로 분할하는 단계; 및 상기 분할된 각 부분별로 조직 특성 정보를 평균하는 단계를 포함할 수 있다.
또한 이때, 상기 조직 특성 정보를 산출하는 단계는 상기 사전 진단 정보를 사전 진단 정보 및 조직 특성 정보에 대한 실험적 선형 모델에 적용하여 상기 조직 특성 정보를 산출할 수 있다.
또는 이때, 상기 조직 특성 정보를 산출하는 단계는 임의의 사전 진단 정보에 대응되는 조직 특성 정보가 저장된 룩업 테이블을 이용하여 수행될 수 있다.
또는, 상기 조직 특성 정보는 조직에서의 초음파의 전파 속도 및 조직의 밀도이며, 상기 초점이 형성되는 위치를 제어하는 단계는 상기 조직 특성 정보를 이용하여 상기 경로상의 초음파의 전파 특성을 구하고, 이를 이용하여 상기 목표 위치에 초점을 형성하기 위해 요구되는 상기 초음파가 발생되는 지점에서 초음파를 발생시키기 위한 입자 속도를 산출할 수 있다.
이때, 상기 조직 특성 정보를 이용하여 상기 경로가 분할된 각각의 부분별로 통과율(transmission coefficient), 특성 임피던스(characteristic impedance) 및 파수(wave number)를 구하고, 이들을 이용하여 상기 경로상의 초음파의 전파 특성을 구할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 집속 초음파 치료 장치는, 초음파를 조사하여 병변을 제거하는 집속 초음파 치료 장치에 있어서, 전기적인 신호를 변환하여 초음파를 발생시키는 초음파 변환기; 초음파가 발생되는 지점으로부터 초점을 형성하고자 하는 목표 위치까지의 초음파가 전파되는 경로상의 조직을 촬영한 의료학적 영상인 사전 진단 영상을 외부로부터 수신하는 사전 진단 영상 수신부; 수신한 사전 진단 영상으로부터 초음파의 전파에 영향을 미치는 물리적 특성 값인 조직 특성 정보를 획득하는 조직 특성 정보 획득부; 및 획득한 조직 특성 정보를 이용하여 상기 목표 위치에 초점이 형성되도록 상기 초음파 변환기를 제어하는 초점 제어부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 조직 특성 정보 획득부는 상기 경로가 둘 이상으로 분할된 각각의 부분별로 상기 조직 특성 정보를 획득할 수 있다.
또한 이때, 상기 조직 특성 정보 획득부는, 상기 수신한 사전 진단 영상으로부터 사전 진단 정보를 획득하는 사전 진단 정보 획득부; 획득한 사전 진단 정보에 기초하여 상기 경로를 다수의 부분으로 분할하는 경로 분할부; 분할된 각각의 부분별로 사전 진단 정보를 평균하는 부분별 평균값 산출부; 및 룩업 테이블을 이용하여 평균된 사전 진단 정보를 조직 특성 정보로 맵핑하는 조직 특성 정보 맵핑부를 포함할 수 있다.
또는 이때, 상기 조직 특성 정보는 조직에서의 초음파의 전파 속도 및 조직의 밀도이며, 상기 초점 제어부는, 상기 조직 특성 정보 획득부로부터 전달 받은 조직 특성 정보를 이용하여 상기 경로상의 초음파의 전파 특성을 구하고, 이를 이용하여 상기 목표 위치에 초점을 형성하기 위해 요구되는 상기 초음파 변환기에서의 입자 속도를 산출하는 빔포밍 알고리즘 수행부; 및 산출된 입자 속도에 따라 상기 초음파 변환기를 제어하는 입자 속도 제어부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 빔포밍 알고리즘 수행부는 상기 조직 특성 정보 획득부로부터 전달 받은 조직 특성 정보를 이용하여 상기 경로가 분할된 각각의 부분별로 통과율, 특성 임피던스 및 파수를 구하고, 이들을 이용하여 상기 경로상의 초음파의 전파 특성을 구할 수 있다.
상기된 바에 따르면, 본 실시예에 따르면 사전 진단 영상으로부터 초음파가 전파되는 경로상의 조직에 대한 조직 특성 정보를 획득함으로써 신체 내부 조직에 대하여 일일이 측정을 하지 않고도 간편하게 조직 특성 정보를 획득할 수 있다. 또한, 사전 진단 영상으로부터 획득한 조직 특성 정보를 이용하여 초점 위치를 제어함으로써 경로상의 조직이 불균일한 경우에 생길 수 있는 초점 위치의 오차를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 집속 초음파 치료 장치를 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 조직 특성 정보 획득부의 구체적인 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 초점 제어부(130)의 구체적인 구성을 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6은 다수의 부분들로 분할된 초음파의 전파 경로를 도시한 도면이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 집속 초음파 치료 장치의 초점 제어 방법을 설명하기 위한 순서도들이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 실시예들의 특징을 보다 명확히 설명하기 위하여 이하의 실시예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려져 있는 사항들에 관해서는 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 집속 초음파 치료 장치를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 집속 초음파 치료 장치(100)는 사전 진단 영상 수신부(110), 조직 특성 정보 획득부(120), 초점 제어부(130) 및 초음파 변환기(140)를 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 초음파 변환기(140)는 피검자(102)가 누워있는 베드(104)의 내부에 설치되어 피검자(102)의 신체 내부의 특정 부위에 초음파를 조사하여 병변을 제거할 수 있다. 이때, 피검자(102)와 베드(104)의 사이에는 초음파의 전달에 도움을 줄 수 있는 젤(gel) 패드(106)가 위치할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에서의 초음파 변환기(140)는 도 1의 확대도에서 보는 바와 같이 가운데가 오목한 원판형의 지지판(112)에 각각이 초음파를 발생하는 다수의 엘리먼트(element)(114)들이 배치된다. 이러한 엘리먼트(114)들에서의 입자 속도(particle velocity)의 크기 및 위상을 조절함으로써 엘리먼트(114)에서 발생되는 초음파의 초점이 형성되는 위치를 제어할 수 있다. 이러한 초음파 변환기(140)는 집속 초음파 치료 장치에서 일반적으로 사용되는 것이므로 이에 대한 자세한 설명은 생락한다. 이하에서는 집속 초음파 치료 장치(100)의 구체적인 동작에 대하여 설명한다.
사전 진단 영상 수신부(110)는 외부로부터 사전 진단 영상을 수신한다. 사전 진단 영상이란 집속 초음파 장치(100)에 의한 치료를 수행하기 전에 제거하고자 하는 병변 주위의 조직에 대하여 촬영한 의료학적 영상을 의미하는 것으로, 예를 들어 컴퓨터 단층촬영(computed tomography, 이하 CT) 영상 또는 자기공명영상(magnetic resonance imaging, 이하 MRI) 등이 이에 해당된다. 사전 진단 영상은 특히 집속 초음파 치료 수행시 초음파가 발생되는 지점(즉, 변환기(140))로부터 제거하고자 하는 병변의 위치(즉, 초점을 형성하고자 하는 목표 위치)까지의 조직에 대하여 촬영한 영상인 것이 바람직하다.
사전 진단 영상은 제거하고자 하는 병변 주의의 신체 내부 조직에 대한 물리적 정보를 포함한다. 예를 들어, CT 영상은 CT에 의해 파악된 조직의 선흡수계수(linear absorption coefficient)를 다음의 수학식 1에 대입하여 얻은 CT 넘버(CT number)의 상대적인 값을 영상으로 표현한 것이다. 선흡수계수란 X-선이 물질중을 1cm 통과하는 동안 흡수되는 정도를 나타내는 것으로 단위는 [cm-1]이다. 그리고 아래의 수학식 1에서 μ는 촬영된 조직의 선흡수계수를, μW는 물의 선흡수계수를 나타낸다.
Figure pat00001
CT 넘버와 같은 사전 진단 영상으로부터 얻을 수 있는 조직의 물리적 특성에 대한 정보를 사전 진단 정보라고 한다.
조직 특성 정보 획득부(120)는 사전 진단 영상 수신부(110)에서 수신한 사전 진단 영상으로부터 사전 진단 정보를 획득하고, 다시 획득한 사전 진단 정보를 이용하여 초음파가 전파되는 경로상의 신체 내부 조직에 대한 조직 특성 정보를 획득한다. 조직 특성 정보란 초음파의 전파에 영향을 미치는 조직의 물리적 특성 값으로 조직에서의 초음파의 전파 속도(c), 조직의 밀도(ρ) 또는 음향 임피던스(acoustic impedance)(Z) 등이다. 다양한 조직에 대한 CT 넘버, 초음파의 전파 속도(c), 조직의 밀도(ρ) 및 음향 임피던스(acoustic impedance)(Z)를 다음의 표 1에 나타내었다.
Material CT number ρ(kg/m3) c(m/s) Z(kg/(mm2s))
Bone 1000 1912 4080 7.8
Muscle 10 ~ 40 1080 1580 1.7
Liver 40 ~ 60 1060 1550 1.64
Blood 40 1057 1575 1.62
Kidney 30 1038 1560 1.62
Brain 43 ~ 46 994 1560 1.55
Water 0 988 1497 1.48
Fat -100 ~ -50 952 1459 1.38
Air -1000 1.2 330 0.0004
조직 특성 정보 획득부(120)는 사전 진단 정보를 이용하여 조직 특성 정보를 획득할 수 있다. 사전 진단 정보로부터 조직 특성 정보를 획득하는 방법은 구체적으로 사전 진단 정보 및 조직 특성 정보에 대한 실험적 선형 모델을 이용하는 방법과 임의의 사전 진단 정보에 대응되는 조직 특성 정보가 저장된 룩업 테이블을 이용하는 방법이 있는데 이에 대해서는 조직 특성 정보 획득부(120)의 구체적인 구성을 도시한 도 2 및 도 3의 설명 부분에서 자세하게 설명하기로 한다.
초점 제어부(130)에서는 조직 특성 정보 획득부(120)에서 획득한 조직 특성 정보를 이용하여 초음파의 초점이 형성되는 위치를 제어한다. 초음파가 발생되는 지점으로부터 초점이 형성되는 위치까지의 초음파가 전파되는 경로상의 신체 내부 조직의 특성은 불균일(inhomogeneous)한 것이 일반적이다. 하지만, 기존에는 초점 제어시 신체 내부 조직을 균일(homogeneous)하다고 가정하고 초음파의 전파 속도를 연조직(soft tissue)의 대표값인 1540m/s로 설정함으로써 실제 초점이 형성되는 위치는 원래 초점을 형성하고자 했던 목표 위치와 차이가 많이 나는 문제점이 있었다. 하지만 본 발명의 실시예에 따르면 사전 진단 영상으로부터 획득한 조직 특성 정보는 신체 내부의 불균일한 특성을 반영하고 있으므로 이를 이용하여 보다 정확한 초점 제어가 가능하다. 불균일한 조직 특성 정보를 반영하여 초점 제어를 수행하는 자세한 방법은 초점 제어부(130)의 구체적인 구성을 도시한 도 4의 설명 부분에서 도 5 및 도 6을 참고하여 자세히 설명하기로 한다. 그리고 여기에서는 불균일한 조직 특성 정보를 반영하여 초점 제어를 수행하는 방법을 설명하기에 앞서 조직 특성이 균일한 경우의 초점 제어를 위한 빔포밍(beamforming) 알고리즘을 수식을 이용하여 간략하게 설명한다.
ρ초음파 변환기(140)에 일렬로 N개의 엘리먼트가 존재하고 M개의 목표 위치에 초점을 형성하는 경우를 가정하면, 다음의 수학식 2와 같은 Rayleigh-Sommerfeld 적분을 이용해서 N개의 엘리먼트에 의해 m번째(m=1, 2, ...M) 목표 위치에 가해지는 압력(p)을 구할 수 있다.
Figure pat00002
상기 수학식 2에서 ρ, c 및 k는 각각 균일 조직의 밀도, 조직에서의 초음파의 전파 속도 및 파수(wave number)를 나타낸다. 그리고 rn 및 rm은 각각 n번째(n=1, 2, ...N) 엘리먼트 및 m번째 목표 위치의 위치 벡터이고, Sn은 n번째 엘리먼트의 단면적이다. 또한, un은 n번째 엘리먼트에서의 입자 속도(particle velocity)이고, p(rm)은 rm의 위치 벡터를 갖는 목표 위치에서의 압력이다. 상기 수학식 2로부터 n번째 엘리먼트에서의 입자 속도와 m번째 목표 위치에 가해지는 압력 사이의 관계식, 즉 초음파 전파 특성을 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00003
상기 수학식 2 및 3으로부터 n개의 엘리먼트의 입자 속도에 대한 행렬(u), m개의 목표 위치에 가해지는 압력에 대한 행렬(p) 및 초음파 전파 특성 행렬(H)에 대한 관계식인 아래의 수학식 4가 도출된다. 따라서, 수학식 5 및 수학식 6의 의사역방법(Pseudoinverse Method)을 이용해서 각 엘리먼트에서의 입자 속도를 구할 수 있다.
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
상기 수학식 5 및 6에서 H+는 H의 의사역행렬(pseudoinverse matrix)이고, H*t는 H의 켤레 전치 행렬(conjugate transpose matrix)이다. 상기와 같은 균일 조직에서의 초점 위치 제어를 위한 빔포밍 알고리즘을 불균일 조직에 적용시키는 방법은 아래의 도 4 내지 6의 설명 부분에서 자세히 설명한다.
도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 집속 초음파 치료 장치에 따르면 사전 진단 영상으로부터 초음파가 전파되는 경로상의 불균일한 신체 내부 조직에 대한 조직 특성 정보를 획득하고, 이를 이용하여 초점의 위치 제어를 수행함으로써 보다 정확한 초점 위치의 제어가 가능한 장점이 있다.
이하에서는 도 2 내지 도 6을 참조하여 도 1에 도시된 실시예를 기초로 한 보다 구체적인 실시예에 대하여 설명한다. 이해를 돕기 위해 사전 진단 영상은 CT 영상이고, 조직 특성 정보는 조직에서의 초음파의 전파 속도(c) 및 조직의 밀도(ρ)인 경우를 예로 들어 설명한다.
도 2는 도 1의 조직 특성 정보 획득부(120)의 구체적인 구성을 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 조직 특성 정보 획득부(120)는 사전 진단 정보 획득부(121), 경로 분할부(122), 부분별 평균값 산출부(123), 조직 특성 정보 맵핑부(124) 및 룩업 테이블(125)을 포함할 수 있다. 사전 진단 정보 획득부(121)는 사전 진단 영상 수신부(110)에서 수신한 CT 영상으로부터 CT 넘버를 획득한다. 사전 진단 정보란 사전 진단 영상으로부터 얻을 수 있는 조직의 물리적 특성에 대한 정보로서 CT 영상의 경우 CT 넘버를 사전 진단 정보라고 한다. 경로 분할부(122)는 획득한 CT 넘버를 기초로 하여 초음파가 전파되는 경로를 다수의 부분(segment)으로 분할(segmentation)한다. 예를 들어, CT 넘버가 급격하게 변화하는 지점이 존재하면 그 지점을 경계로 하여 양쪽을 두 부분으로 분할할 수 있다. 또는, 초음파가 전파되는 경로를 동일한 길이를 갖는 다수의 부분으로 분할할 수도 있다. 또는, 사용자로부의 입력에 따라 분할을 할 수도 있다. 이와 같이 경로를 분할하는 방법은 어느 하나에 한정되지 않고 다양하게 구현될 수 있다.
초음파가 전파되는 경로가 다수의 부분으로 분할되었으면 부분별 평균값 산출부(123)는 각각의 분할된 부분의 경로에 대하여 CT 넘버의 평균값을 산출한다. 그리고 조직 특성 정보 맵핑부(124)는 각 부분의 CT 넘버의 평균값에 대응되는 초음파의 속도(c) 및 조직의 밀도(ρ)로 맵핑(mapping)을 수행하는데, 이때 임의의 CT 넘버에 대응되는 초음파의 속도(c) 및 조직의 밀도(ρ)가 저장된 룩업 테이블(125)을 이용할 수 있다. 마지막으로 조직 특성 정보 맵핑부(124)는 초음파가 전파되는 경로의 분할된 각 부분에 대한 조직 특성 정보, 즉 초음파의 속도(c) 및 조직의 밀도(ρ)를 초점 제어부(130)로 전달한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 집속 초음파 치료 장치의 조직 특성 정보 획득부(120)의 구체적인 구성을 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 집속 초음파 치료 장치의 조직 특성 정보 획득부(120)는 사전 진단 정보 획득부(121), 실험적 선형 모델 적용부(126), 경로 분할부(122) 및 부분별 평균값 산출부(123)를 포함한다. 사전 진단 정보 획득부(121)에서 CT 영상으로부터 CT 넘버를 획득하면, 실험적 선형 모델 적용부(126)는 획득한 CT 넘버를 실험적 선형 모델에 적용하여 초음파의 속도(c) 및 조직의 밀도(ρ)를 구할 수 있다. 조직의 CT 넘버와 이에 대응되는 조직에서의 초음파의 속도(c) 및 조직의 밀도(ρ)는 연조직에서 거의 선형적인 특성을 보이게 되는데, 따라서 실험적으로 측정한 값들을 이용해서 실험적 선형 모델을 만들 수 있다. 예시적으로 아래의 수학식 7 및 8과 같은 실험적 선형 모델을 만들 수 있다. 아래의 수학식 7 및 8에서 h는 CT 넘버이다. 물론 실험적 선형 모델은 측정 결과에 따라 다양하게 만들어질 수 있으며 아래의 수학식으로 한정되지는 않는다.
Figure pat00007
Figure pat00008
이와 같이 미리 만들어진 실험적 선형 모델을 이용하여 CT 넘버로부터 초음파의 전파 속도(c) 및 조직의 밀도(ρ)를 산출함으로써 각각의 조직에 대하여 직접 조직 특성 정보를 측정하지 않더라도 사전 진단 영상을 통해 간편하게 실제 값에 가까운 조직 특성 정보를 획득할 수 있다.
경로 분할부(122)는 실험적 선형 모델 적용부(126)에서 산출된 초음파의 전파 속도(c) 및 조직의 밀도(ρ)를 기초로 하여 초음파가 전파되는 경로를 다수의 부분으로 분할한다. 예를 들어, 초음파의 전파 속도(c) 및 조직의 밀도(ρ)가 급격하게 변화하는 지점이 존재하면 그 지점을 경계로 하여 양쪽을 두 부분으로 분할할 수 있다. 또는, 초음파의 전파 속도(c) 또는 조직의 밀도(ρ) 중 어느 하나가 급격하게 변화하는 지점을 경계로 분할을 할 수도 있다. 또는, 초음파가 전파되는 경로를 동일한 길이를 갖는 다수의 부분으로 분할할 수도 있다. 또는, 사용자로부터의 입력에 따라 분할을 할 수도 있다. 이와 같이 경로를 분할하는 방법은 어느 하나에 한정되지 않고 다양하게 구현될 수 있다. 초음파가 전파되는 경로가 다수의 부분으로 분할되었으면 부분별 평균값 산출부(123)는 각각의 분할된 부분의 경로에 대하여 초음파의 전파 속도(c) 및 조직의 밀도(ρ)의 평균값을 산출하여 이를 초점 제어부(130)로 전달한다.
도 4는 도 1의 초점 제어부(130)의 구체적인 구성을 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 초점 제어부(130)는 빔포밍 알고리즘 수행부(131) 및 입자 속도 제어부(132)를 포함할 수 있다. 빔포밍 알고리즘 수행부(131)는 조직 특성 정보 획득부(120)로부터 전달받은 조직 특성 정보를 이용하여 빔포밍 알고리즘을 수행한다. 이하에서는 불균일한 조직에 대한 조직 특성 정보를 이용하여 빔포밍 알고리즘을 수행하는 구체적인 방법을 도 5 및 도 6와 수식들을 참조하여 자세히 설명한다.
도 5는 다수의 부분들로 분할된 초음파의 전파 경로를 도시한 도면이다. 초음파 변환기(140)에 매트릭스 형태로 엘리먼트가 배열되었음을 가정하고 1열의 n번째 엘리먼트에서 입자 속도 un ,1로 발생되는 초음파에 의해 목표 위치에 가해지는 압력은 pn가 된다. p1 i 및 p2 t는 각각 부분 1에서 경계로 가해지는 압력 및 경계로부터 부분 2에 가해지는 압력이다. u2 및 u3은 각각 경계로부터 부분 2에 전달되는 입자 속도 및 경계로부터 부분 3에 전달되는 입자 속도를 의미한다. r1은 엘리먼트로부터 부분 1과 부분 2 사이의 경계까지의 거리를 의미한다. 상기 도 5에서는 엘리먼트로부터 목표 위치까지 초음파가 전파되는 경로를 L개의 부분으로 분할하였다.
초음파의 전파 속도(c) 및 조직의 밀도(ρ)로부터 각각의 부분에 대한 통과율(transmission coefficient)(T), 특성 임피던스(characteristic impedance)(Z) 및 파수(wave number)(k)를 구할 수 있다. 부분 1을 예로 들면 다음의 수학식 9와 같이 구할 수 있다.
Figure pat00009
상기 수학식 9와 같은 방식으로 부분 1 내지 부분 L에 대하여 구한 값들을 이용하여 다음과 같이 식을 전개할 수 있다.
Figure pat00010
부분 1의 특성 임피던스(Z1)를 이용해서 엘리먼트에서의 입자 속도(un ,1)로부터 부분 1에서 경계에 인가되는 압력(p1 i)를 구한다.
Figure pat00011
p1 i와 T1을 이용해서 구한 p2 t는 경계로부터 부분 2에 전달되는 입자 속도(u2)와 부분 2의 특성 임피던스(Z2)의 곱으로 표현할 수도 있다.
Figure pat00012
상기 수학식 10 및 수학식 11을 정리하면 수학식 12와 같이 u2와 un , 1사이의 관계식을 구할 수 있다. 동일한 과정을 부분 2 내지 부분 L에 대하여 반복하면 다음과 같이 pn과 un ,1 사이의 관계식을 얻을 수 있다. 그 과정을 아래의 수학식 13 내지 수학식 19로 나타내었다.
Figure pat00013
Figure pat00014
Figure pat00015
Figure pat00016
상기 수학식 13 내지 수학식 15을 통해 u3과 un ,1 사이의 관계식인 수학식 16을 얻고, 이를 uL에 대하여 일반화하면, 아래의 수학식 17과 같이 uL과 un ,1 사이의 관계식을 구할 수 있다.
Figure pat00017
그리고
Figure pat00018
이므로 수학식 17 및 18을 이용하면 아래의 수학식 19와 같이 최종적으로 pn 와 un ,1 사이의 관계식을 구할 수 있다.
Figure pat00019
도 6에서는 일렬로 배열된 n개의 엘리먼트를 도시하였다. n번째 엘리먼트의 입자 속도 un ,1에 의해 목표 위치에 인가되는 압력을 pn이라 하고, 경로상의 초음파의 전파 특성을 Hn이라고 하면,
Figure pat00020
이므로
Figure pat00021
와 같이 각 부분별 특정 임피던스 및 파수를 이용하여 초음파 전파 특성 Hn을 구할 수 있다. 즉, 조직 특성 정보 획득부(120)로부터 전달 받은 초음파가 전파되는 경로의 부분별 조직 특성 정보(초음파의 전파 속도 및 조직의 밀도)를 이용하여 Hn을 구할 수 있다.
Figure pat00022
Figure pat00023
Figure pat00024
상기 수학식 22 내지 수학식 24에서 확인할 수 있는 바와 같이 불균일 조직에서도 균일 조직에서와 마찬가지로 의사역방법을 이용하여 엘리먼트에서의 입자 속도 u를 구할 수 있다. 이와 같이 빔포밍 알고리즘을 수행하여 구한 엘리먼트에서의 입자 속도를 빔포밍 알고리즘 수행부(131)는 입자 속도 제어부(132)로 전달한다. 입자 속도 제어부(132)는 전달 받은 입자 속도에 따라 초음파 변환기(140)의 각 엘리먼트의 입자 속도를 제어한다.
이와 같이 초음파가 전파되는 경로를 다수의 부분으로 분할하고 분할된 부분별 조직 특성 정보를 반영하여 빔포밍 알고리즘을 수행함으로써 경로상의 조직이 불균일하더라도 정확한 초점 위치의 제어가 가능한 장점이 있다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 집속 초음파 치료 장치의 초점 제어 방법을 설명하기 위한 순서도들이다. 이하에서는 도 7 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 다른 실시예들에 따른 집속 초음파 치료 장치의 초점 제어 방법을 자세하게 설명한다.
도 7을 참조하면, S701 단계에서 사전 진단 영상으로부터 초음파가 전파되는 경로상의 조직에 대한 조직 특성 정보를 획득한다. 예를 들어, 사전 진단 영상이 CT 영상인 경우 CT 영상으로부터 CT 넘버를 획득하고 이를 이용하여 초음파가 전파되는 경로상의 조직에서의 초음파의 전파 속도 및 조직의 밀도와 같은 조직 특성 정보를 획득한다. 사전 진단 영상으로부터 조직 특성 정보를 획득하는 구체적인 실시예는 S701 단계의 세부 단계를 도시한 도 8 및 도 9의 설명 부분에서 자세히 설명하기로 한다. 이어서 S703 단계에서는 획득한 조직 특성 정보를 이용하여 초점 위치를 제어한다. S703 단계의 구체적인 실시예는 아래에서 도 10을 참조하여 설명한다. 본 실시예에 따르면 사전 진단 영상으로부터 초음파가 전파되는 경로상의 조직에 대한 조직 특성 정보를 획득함으로써 신체 내부 조직에 대하여 일일이 측정을 하지 않고도 간편하게 조직 특성 정보를 획득할 수 있다. 또한, 사전 진단 영상으로부터 획득한 조직 특성 정보를 이용하여 초점 위치를 제어함으로써 경로상의 조직이 불균일한 경우에 생길 수 있는 초점 위치의 오차를 감소시킬 수 있다.
도 8 및 도 9는 도 7의 S701 단계의 구체적인 실시예의 각 단계를 도시한 순서도이다. 도 8을 참조하면, S801 단계에서 사전 진단 영상을 수신하고, S803 단계에서 수신한 사전 진단 영상으로부터 사전 진단 정보를 획득하고, 이를 사전 진단 정보와 조직 특성 정보에 대한 실험적 선형 모델에 적용하여 조직 특성 정보를 얻는다. 사전 진단 영상이 CT 영상인 경우를 예로 들어 설명하면, CT 영상을 수신하고 CT 영상으로부터 획득한 CT 넘버를 실험적 선형 모델에 적용하여 초음파의 전파 속도(c) 및 조직의 밀도(ρ)와 같은 조직 특성 정보를 산출한다. 조직의 CT 넘버와 이에 대응되는 조직에서의 초음파의 속도(c) 및 조직의 밀도(ρ)는 연조직에서 거의 선형적인 특성을 보이게 되는데, 따라서 실험적으로 측정한 값들을 이용해서 실험적 선형 모델을 만들 수 있다.
S805 단계에서는 산출된 조직 특성 정보에 기초하여 초음파가 전파되는 경로를 분할한다. 즉, 산출된 초음파의 전파 속도(c) 및 조직의 밀도(ρ)를 기초로 하여 초음파가 전파되는 경로를 다수의 부분으로 분할한다. 예를 들어, 초음파의 전파 속도(c) 및 조직의 밀도(ρ)가 급격하게 변화하는 지점이 존재하면 그 지점을 경계로 하여 양쪽을 두 부분으로 분할할 수 있다. 또는, 초음파의 전파 속도(c) 또는 조직의 밀도(ρ) 중 어느 하나가 급격하게 변화하는 지점을 경계로 분할을 할 수도 있다. 또는, 초음파가 전파되는 경로를 동일한 길이를 갖는 다수의 부분으로 분할할 수도 있다. 또는, 사용자로부터의 입력에 따라 분할을 할 수도 있다. 이와 같이 경로를 분할하는 방법은 어느 하나에 한정되지 않고 다양하게 구현될 수 있다. S805 단계에서 경로가 다수의 부분으로 분할되었으면 S807 단계에서는 분할된 각 부분별로 조직 특성 정보를 평균하여 각 부분에 대한 대표값을 구한다.
도 9를 참조하면, S901 단계에서 사전 진단 영상을 수신하고, S903 단계에서 수신한 사전 진단 영상으로부터 사전 진단 정보를 획득하고, 이에 기초하여 초음파가 전파되는 경로를 분할한다. 사전 진단 영상이 CT 영상인 경우를 예로 들어 설명하면, CT 영상을 수신하고 CT 영상으로부터 획득한 CT 넘버를 기초로 경로를 분할한다. 예를 들어, CT 넘버가 급격하게 변화하는 지점이 존재하면 그 지점을 경계로 하여 양쪽을 두 부분으로 분할할 수 있다. 또는, 초음파가 전파되는 경로를 동일한 길이를 갖는 다수의 부분으로 분할할 수도 있다. 또는, 사용자로부의 입력에 따라 분할을 할 수도 있다. 이와 같이 경로를 분할하는 방법은 어느 하나에 한정되지 않고 다양하게 구현될 수 있다.
S905 단계에서는 분할된 각 부분별로 사전 진단 정보를 평균한다. 즉, CT 넘버를 각 부분별로 평균하여 이를 각 부분에 대한 대표값으로 한다. S907 단계에서는 각 부분별로 평균된 사전 진단 정보를 임의의 사전 진단 정보에 대응되는 조직 특성 정보가 저장된 룩업 테이블에 대입하여 조직 특성 정보를 획득할 수 있다.
상기 도 8 및 도 9에 도시된 순서도에 따른 실시예에 의하면 초음파가 전파되는 경로를 사전 진단 정보 또는 조직 특성 정보에 기초하여 다수의 부분으로 분할하고 평균화 작업을 통해 각 부분별 조직 특성 정보의 대표값을 획득함으로써 경로상의 조직이 불균일한 경우에도 효과적인 초점 제어가 가능한 장점이 있다.
도 10은 도 7의 S703 단계의 구체적인 실시예의 각 단계를 도시한 순서도이다. 도 10을 참조하면, S1001 단계에서 조직 특성 정보를 이용하여 초음파가 전파되는 경로가 분할된 각각의 부분별로 통과율, 특성 임피던스 및 파수를 산출한다. 조직 특성 정보로부터 통과율, 특성 임피던스 및 파수를 산출하는 구체적인 방법은 상기의 도 4 내지 도 6에 대한 설명 부분과 수학식 9를 참고한다. S1003 단계에서는 각 부분별 통과율, 특성 임피던스 및 파수를 이용하여 경로상의 초음파의 전파 특성을 구할 수 있다. 이에 대한 구체적인 방법은 상기의 수학식 10 내지 수학식 21에 대한 설명 부분을 참고한다. 이어서 S1005 단계에서는 상기 S1003 단계에서 구한 초음파 전파 특성을 이용하여 목표 위치에 초점을 형성하기 위한 입자 속도를 산출한다. 구체적인 방법은 상기의 수학식 22 내지 24에 대한 설명 부분을 참고한다. 입자 속도가 산출되었으면 S1007 단계에서 산출된 입자 속도에 따라 초음파를 생성하고 조사한다.
이와 같이 초음파가 전파되는 경로를 다수의 부분으로 분할하고 분할된 부분별 조직 특성 정보를 반영하여 빔포밍 알고리즘을 수행함으로써 경로상의 조직이 불균일하더라도 정확한 초점 위치의 제어가 가능한 장점이 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 한다.
102: 피검자 104: 베드
100: 집속 초음파 치료 장치 110: 사전 진단 영상 수신부
120: 조직 특성 정보 획득부 121: 사전 진단 정보 획득부
122: 경로 분할부 123: 부분별 평균값 산출부
124: 조직 특성 정보 맵핑부 125: 룩업 테이블
126: 실험적 선형 모델 적용부 130: 초점 제어부
131: 빔포밍 알고리즘 수행부 132: 입자 속도 제어부
140: 초음파 변환기

Claims (17)

  1. 초음파를 집속 조사하여 병변을 제거하는 집속 초음파 치료 장치의 초점 제어 방법에 있어서,
    초음파가 발생되는 지점으로부터 초점을 형성하고자 하는 목표 위치까지의 초음파가 전파되는 경로상의 조직을 촬영한 의료학적 영상인 사전 진단 영상으로부터 초음파의 전파에 영향을 미치는 물리적 특성 값인 조직 특성 정보를 획득하는 단계; 및
    상기 획득한 조직 특성 정보를 이용하여 초점이 형성되는 위치를 제어하는 단계를 포함하는 초점 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조직 특성 정보를 획득하는 단계는 상기 경로가 둘 이상으로 분할된 각각의 부분(segment)별로 상기 조직 특성 정보를 획득하는 초점 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 조직 특성 정보를 획득하는 단계는,
    상기 사전 진단 영상을 수신하는 단계;
    상기 수신한 사전 진단 영상으로부터 획득한 사전 진단 정보로부터 상기 초음파가 전파되는 경로상의 조직에 대한 조직 특성 정보를 산출하는 단계;
    상기 획득한 조직 특성 정보에 기초하여 상기 초음파가 전파되는 경로를 둘 이상의 부분들로 분할하는 단계; 및
    상기 분할된 각 부분별로 조직 특성 정보를 평균하는 단계를 포함하는 초점 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 조직 특성 정보를 산출하는 단계는 상기 사전 진단 정보를 사전 진단 정보 및 조직 특성 정보에 대한 실험적 선형 모델에 적용하여 상기 조직 특성 정보를 산출하는 초점 제어 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 조직 특성 정보를 산출하는 단계는 임의의 사전 진단 정보에 대응되는 조직 특성 정보가 저장된 룩업 테이블을 이용하여 수행되는 초점 제어 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 조직 특성 정보를 획득하는 단계는
    상기 사전 진단 영상을 수신하는 단계;
    상기 수신한 사전 진단 영상으로부터 획득한 사전 진단 정보에 기초하여 상기 초음파가 전파되는 경로를 둘 이상의 부분들로 분할하는 단계;
    상기 분할된 각 부분별로 상기 사전 진단 정보를 평균하는 단계; 및
    상기 부분별로 평균된 사전 진단 정보로부터 조직 특성 정보를 산출하는 단계를 포함하는 초점 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 조직 특성 정보를 산출하는 단계는 상기 부분별로 평균된 사전 진단 정보를 사전 진단 정보 및 조직 특성 정보에 대한 실험적 선형 모델에 적용하여 상기 조직 특성 정보를 산출하는 초점 제어 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 조직 특성 정보를 산출하는 단계는 임의의 사전 진단 정보에 대응되는 조직 특성 정보가 저장된 룩업 테이블을 이용하여 수행되는 초점 제어 방법.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 조직 특성 정보는 조직에서의 초음파의 전파 속도 및 조직의 밀도이며,
    상기 초점이 형성되는 위치를 제어하는 단계는 상기 조직 특성 정보를 이용하여 상기 경로상의 초음파의 전파 특성을 구하고, 이를 이용하여 상기 목표 위치에 초점을 형성하기 위해 요구되는 상기 초음파가 발생되는 지점에서 초음파를 발생시키기 위한 입자 속도를 산출하는 초점 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 조직 특성 정보를 이용하여 상기 경로가 분할된 각각의 부분별로 통과율(transmission coefficient), 특성 임피던스(characteristic impedance) 및 파수(wave number)를 구하고, 이들을 이용하여 상기 경로상의 초음파의 전파 특성을 구하는 초점 제어 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체.
  12. 초음파를 조사하여 병변을 제거하는 집속 초음파 치료 장치에 있어서,
    전기적인 신호를 변환하여 초음파를 발생시키는 초음파 변환기;
    초음파가 발생되는 지점으로부터 초점을 형성하고자 하는 목표 위치까지의 초음파가 전파되는 경로상의 조직을 촬영한 의료학적 영상인 사전 진단 영상을 외부로부터 수신하는 사전 진단 영상 수신부;
    수신한 사전 진단 영상으로부터 초음파의 전파에 영향을 미치는 물리적 특성 값인 조직 특성 정보를 획득하는 조직 특성 정보 획득부; 및
    획득한 조직 특성 정보를 이용하여 상기 목표 위치에 초점이 형성되도록 상기 초음파 변환기를 제어하는 초점 제어부를 포함하는 집속 초음파 치료 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 조직 특성 정보 획득부는 상기 경로가 둘 이상으로 분할된 각각의 부분별로 상기 조직 특성 정보를 획득하는 집속 초음파 치료 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 조직 특성 정보 획득부는,
    상기 수신한 사전 진단 영상으로부터 사전 진단 정보를 획득하는 사전 진단 정보 획득부;
    획득한 사전 진단 정보에 기초하여 상기 경로를 다수의 부분으로 분할하는 경로 분할부;
    분할된 각각의 부분별로 사전 진단 정보를 평균하는 부분별 평균값 산출부; 및
    룩업 테이블을 이용하여 평균된 사전 진단 정보를 조직 특성 정보로 맵핑하는 조직 특성 정보 맵핑부를 포함하는 집속 초음파 치료 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 조직 특성 정보 획득부는,
    상기 수신한 사전 진단 영상으로부터 사전 진단 정보를 획득하는 사전 진단 정보 획득부;
    획득한 사전 진단 정보를 실험적 선형 모델에 적용하여 조직 특성 정보를 산출하는 실험적 선형 모델 적용부;
    산출된 조직 특성 정보에 기초하여 상기 경로를 다수의 부분으로 분할하는 경로 분할부; 및
    분할된 각각의 부분별로 조직 특성 정보를 평균하는 부분별 평균값 산출부를 포함하는 집속 초음파 치료 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 조직 특성 정보는 조직에서의 초음파의 전파 속도 및 조직의 밀도이며,
    상기 초점 제어부는,
    상기 조직 특성 정보 획득부로부터 전달 받은 조직 특성 정보를 이용하여 상기 경로상의 초음파의 전파 특성을 구하고, 이를 이용하여 상기 목표 위치에 초점을 형성하기 위해 요구되는 상기 초음파 변환기에서의 입자 속도를 산출하는 빔포밍 알고리즘 수행부; 및
    산출된 입자 속도에 따라 상기 초음파 변환기를 제어하는 입자 속도 제어부를 포함하는 집속 초음파 치료 장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 빔포밍 알고리즘 수행부는 상기 조직 특성 정보 획득부로부터 전달 받은 조직 특성 정보를 이용하여 상기 경로가 분할된 각각의 부분별로 통과율, 특성 임피던스 및 파수를 구하고, 이들을 이용하여 상기 경로상의 초음파의 전파 특성을 구하는 집속 초음파 치료 장치.
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