KR20140020040A - 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, 초음파의 초점이 형성될 복수의 초점 위치들 및 상기 복수의 초점 위치 각각에 초음파에 의해 인가될 음압(sound pressure)을 입력받는 단계; 초음파 변환기에 포함된 복수의 엘리먼트들 각각에서 발생되는 초음파의 음압 분포를 반영하여 상기 입력된 음압을 인가하기 위해 필요한 상기 복수의 엘리먼트들 각각에서의 입자 속도를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 입자 속도에 따라 초음파를 조사하는 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 집속 초음파 치료 장치의 초점을 제어하는 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 intensity 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. 최근에는 다수의 엘리먼트를 포함하는 초음파 변환기를 이용하여 동시에 복수의 초점 위치들에 초점을 형성하는 방법이 많이 사용되고 있다. 그런데 이와 같이 동시에 복수의 초점 위치들에 초점을 형성하는 경우 주변 조직에 영향을 최소화하면서 원하는 병변만을 제거하기 위해서는 복수의 초점 위치들에 인가되는 음압(sound pressure) 및 복수의 초점 위치들의 온도가 균일해지도록 제어할 필요가 있다.
복수의 초점 위치에서의 음압 및 온도를 균일하게 제어할 수 있는 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, 초음파의 초점이 형성될 복수의 초점 위치들 및 상기 복수의 초점 위치 각각에 초음파에 의해 인가될 음압(sound pressure)을 입력받는 단계; 초음파 변환기에 포함된 복수의 엘리먼트들 각각에서 발생되는 초음파의 음압 분포를 반영하여 상기 입력된 음압을 인가하기 위해 필요한 상기 복수의 엘리먼트들 각각에서의 입자 속도를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 입자 속도에 따라 초음파를 조사하는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 입자 속도를 결정하는 단계는, 어느 하나의 엘리먼트에서 발생되는 초음파가 어느 하나의 초점 위치에 인가되는 음압에 영향을 미치는 정도를 나타내는 지수(factor)를 상기 복수의 엘리먼트들 및 상기 복수의 초점 위치들에 대하여 산출하는 단계; 상기 산출된 지수를 어느 하나의 엘리먼트에서의 입자 속도에 따라 어느 하나의 초점 위치에 인가되는 음압의 관계를 나타내는 특성식에 반영하는 단계; 및 상기 지수가 반영된 특성식을 이용하여 상기 복수의 엘리먼트들 각각에서의 입자 속도를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하 본 발명의 다른 실시예에 따른 집속 초음파 치료 장치는, 전기적인 신호를 변환하여 초음파를 발생시키는 초음파 변환기; 초음파의 초점이 형성될 복수의 초점 위치들 및 상기 복수의 초점 위치 각각에 초음파에 의해 인가될 음압(sound pressure)을 입력받기 위한 입력부; 상기 초음파 변환기에 포함된 복수의 엘리먼트들 각각에서 발생되는 초음파의 음압 분포를 반영하여 상기 입력된 음압을 인가하기 위해 필요한 상기 복수의 엘리먼트 각각에서의 입자 속도를 결정하여 상기 초음파 변환기를 제어하는 초점 제어부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 초음파 제어부는, 어느 하나의 엘리먼트에서 발생되는 초음파가 어느 하나의 초점 위치에 인가되는 음압에 영향을 미치는 정도를 나타내는 지수(factor)를 상기 복수의 엘리먼트들 및 상기 복수의 초점 위치들에 대하여 산출하는 지수 산출부; 및 상기 지수 산출부에서 산출된 지수를 어느 하나의 엘리먼트에서의 입자 속도에 따라 어느 하나의 초점 위치에 인가되는 음압의 관계를 나타내는 특성식에 반영하여 입자 속도를 결정하는 입자 속도 결정부를 포함할 수 있다.
상기된 바에 따르면, 초음파 변환기의 복수의 엘리먼트들 각각에서 발생되는 초음파의 음압 분포를 반영하여 각 엘리먼트에서의 입자 속도(particle velocity)를 계산함으로써 복수의 초점 위치들에 인가되는 음압을 균일하게 제어할 수 있다.
또한, 집속 초음파 치료의 수행 중에 각 초점에서의 온도를 모니터링(monitoring)하고 이를 피드백(feedback)함으로써 복수의 초점 위치들의 온도를 균일하게 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 집속 초음파 치료 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 N개의 엘리먼트를 포함하는 초음파 변환기에 포함된 하나의 엘리먼트의 위치 벡터 및 목표하는 초점 위치의 위치 벡터를 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 하나의 엘리먼트에서 발생되는 초음파의 음압 분포를 도시한 도면이다.
도 5는 n번째 엘리먼트 및 m번째 초점 위치의 위치 벡터를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 집속 초음파 치료 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 7 내지 도 8은 본 발명의 또 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 장치의 구성을 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 집속 초음파 치료 장치(100)는 입력부(110), 초점 제어부(120) 및 초음파 변환기(transducer)(140)를 포함할 수 있으며, 상기 초점 제어부(120)는 아포다이제이션 지수(apodization factor) 산출부(122) 및 입자 속도(particle velocity) 결정부(124)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.
본 발명의 일 실시예에 따른 집속 초음파 치료 장치(100)의 각 구성들의 동작을 설명하기에 앞서서 초음파 변환기(140)에서 조사되는 초음파의 초점을 제어하는 일반적인 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 집속 초음파 치료 장치(100)에 포함되는 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. 각각의 엘리먼트(114)에서의 초음파의 입자 속도를 조절함으로써 초점이 형성되는 위치 및 초점에서의 음압(sound pressure)을 제어할 수 있다. 여기서 초음파의 입자 속도란 각각의 엘리먼트(114)에서 발생되는 초음파의 진폭(amplitude) 및 위상(phase)을 의미한다.
구체적으로 초음파 변환기에 N개의 엘리먼트가 존재하고 M개의 목표 위치에 초점을 형성하는 경우를 가정한다. 도 2는 N개의 엘리먼트를 포함하는 초음파 변환기에 포함된 하나의 엘리먼트 및 초점 위치 각각에 대한 위치 벡터를 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, rn은 n번째(n=1, 2, ..., N) 엘리먼트(210)의 위치 벡터이고, rm은 m번째(m=1, 2, ..., M) 목표 위치(220)의 위치 벡터이다. 이 경우 다음의 수학식 1과 같은 Rayleigh-Sommerfeld 적분을 이용해서 N개의 엘리먼트에 의해 m번째 목표 위치에 가해지는 음압(p)을 구할 수 있다.
Figure pat00001
상기 수학식 1에서 ρ, c 및 k는 각각 균일 조직의 밀도, 조직에서의 초음파의 전파 속도 및 파수(wave number)를 나타낸다. Sn은 n번째 엘리먼트의 단면적이다. 또한, un은 n번째 엘리먼트에서의 입자 속도이고, p(rm)은 rm 의 위치 벡터를 갖는 목표 위치에서의 음압이다. 상기 수학식 1로부터 n번째 엘리먼트에서의 입자 속도와 m번째 목표 위치에 가해지는 음압 사이의 관계식, 즉 초음파 전파 특성을 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00002
상기 수학식 1 및 2로부터 n개의 엘리먼트의 입자 속도에 대한 행렬(u), m개의 목표 위치에 가해지는 음압에 대한 행렬(p) 및 초음파 전파 특성 행렬(H)에 대한 관계식인 아래의 수학식 3을 얻을 수 있다.
Figure pat00003
그리고 아래의 수학식 4 내지 수학식 6을 따라 의사역방법(Pseudoinverse Method)을 이용하여 원하는 음압을 인가하기 위해서 필요한 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.
그런데 상기와 같은 방법으로 산출한 입자 속도에 따라 실제로 초음파를 조사하면 복수의 초점 위치들에 인가되는 음압이 균일하지 않게 되는데 이는 각각의 엘리먼트에서 발생되는 초음파의 음압 분포가 가우시안(Gaussian) 또는 sinc 함수의 형태로 나타나기 때문이다. 이에 대해 자세히 설명하면, 초음파 변환기에 포함된 각각의 엘리먼트는 그 테두리가 초음파 변환기의 지지판에 고정된 상태이므로 초음파 발생시 엘리먼트의 중심에서의 떨림이 가장자리에서의 떨림보다 더 크게 된다. 따라서, 엘리먼트의 중심에 가까운 지점일 수록 더 강한 음압이 인가될 수 있다.
이러한 엘리먼트에서 발생되는 초음파의 음압 분포를 도 3 및 도 4에 도시하였다. 도 3에 도시된 가우시안 형태의 곡선은 하나의 n번째 엘리먼트(210)에서 발생되는 초음파로 인해 인가되는 음압이 동일한 지점을 연결한 곡선이다. 이때, x축의 방향은 n번째 엘리먼트(210)의 너비 방향이고, d는 n번째 엘리먼트의 너비이다. 그리고 z축의 방향은 n번째 엘리먼트(210)에서 초음파가 조사되는 방향이다. 한편, 도 4에 도시된 가우시안 형태의 곡선 역시 하나의 n번째 엘리먼트(210)에서 발생되는 초음파로 인해 인가되는 음압이 동일한 지점을 연결할 곡선이다. 이때, y축의 방향은 n번째 엘리먼트(210)의 길이 방향이고, L은 n번째 엘리먼트의 길이이다. 그리고 z축의 방향은 n번째 엘리먼트(210)에서 초음파가 조사되는 방향이다.
상기와 같이 하나의 엘리먼트에서 발생되는 초음파의 음압 분포의 영향을 최소화하여 복수의 초점 위치들에 인가되는 음압을 균일하게 하기 위하여 엘리먼트에서 발생되는 초음파가 어느 하나의 초점 위치에 인가되는 음압에 영향을 미치는 정도를 나타내는 지수(factor)를 산출하고, 산출된 지수를 반영하여 입자 속도를 결정한다. 본 실시예에서는 이러한 지수를 아포다이제이션 지수(apodization factor)라고 한다.
아포다이제이션 지수는 예를 들어 0 이상 1 이하의 값을 갖도록 설정될 수 있는데, 이때 아포다이제이션 지수의 값이 1인 것은 엘리먼트에서 발생되는 초음파가 100% 초점 위치에 전달되어 음압으로 인가됨을 의미하며, 반대로 아포다이제이션 지수의 값이 0인 것은 엘리먼트에서 발생되는 초음파가 초점 위치에 전혀 음압으로서 인가되지 않음을 의미한다. 아포다이제이션 지수를 산출하는 구체적인 방법은 아래에서 자세히 설명하기로 한다.
이제부터는 본 발명의 일 실시예에 따른 집속 초음파 치료 장치(100)에서 아포다이제이션 지수를 반영하여 초점을 제어하는 동작 방법에 대해서 자세히 설명한다.
다시 도 1로 돌아와서, 입력부(110)에서는 사용자로부터 병변 제거를 위해 초음파의 초점이 형성되어야 하는 복수의 초점 위치들 및 복수의 초점 위치 각각에 초음파에 의해 인가되어야 하는 음압을 입력받는다. 입력부(110)에서 초점 위치 및 음압을 입력 받았으면 아포다이제이션 지수 산출부(124)는 입력된 복수의 초점 위치들에 대한 엘리먼트 각각의 아포다이제이션 지수를 산출한다. m번째 초점 위치에 대한 n번째 엘리먼트의 아포다이제이션 지수를 amn이라고 하고 이를 계산하는 방법을 이하에서 도 5를 참조하여 자세히 설명한다. 도 5는 n번째 엘리먼트 및 m번째 초점 위치의 위치 벡터를 도시한 도면이다. d는 n번째 엘리먼트(210)의 너비이고, L은 n번째 엘리먼트(210)의 길이이며, z축 방향이 초음파가 조사되는 방향이다. rm은 m번째 초점 위치(220)의 위치 벡터를 나타내며, θmn은 위치 벡터 rm이 z축과 이루는 각도이고, φmn은 위치 벡터 rm을 xy-평면에 투영한 선분(211)과 x축이 이루는 각도이다. 도 5와 같이 n번째 엘리먼트(210)와 m번째 초점 위치(220)가 정의되는 경우 아포다이제이션 지수 amn은 다음의 수학식 7에 따라 계산할 수 있다.
Figure pat00007
이때, k는 스케일 지수(scale factor)이다. k의 값은 다음과 같이 구할 수 있다. 우선 k를 임의의 값으로 설정하고 수학식 7-8 및 이하에서 설명하는 바에 따라 초음파 변환기(140)를 제어하여 복수개의 초점을 형성시킨 후 각 초점들에서의 음압을 측정하여 초점들간의 음압이 가장 균일하게 되는 값을 k의 값으로 할 수 있다.
상기 수학식 7에 따라 아포다이제이션 지수 산출부(122)에서 m개의 초점 위치에 대한 n개의 엘리먼트 각각에서의 아포다이제이션 지수들을 모두 구하면 입자 속도 결정부(124)는 이를 반영하여 초음파 전파 특성을 구하게 된다. 아포다이제이션 지수를 반영한 m번째 초점 위치에 대한 n번째 엘리먼트에서의 초음파 전파 특성은 다음의 수학식 8과 같게 된다.
Figure pat00008
상기 수학식 8을 앞서 살펴본 일반적인 초점 제어 방법에 사용되는 초음파 전파 특성인 수학식 2와 비교하면, 아포다이제이션 지수 amn이 추가되었음을 알 수 있다. 입자 속도 결정부(124)는 상기 수학식 9에 따라 초음파 전파 특성을 구했으면, 이어서 상기 수학식 4 내지 수학식 6에 따라 의사역방법을 이용하여 원하는 음압을 인가하기 위해서 필요한 각 엘리먼트에서의 입자 속도를 결정하고 그에 따라 초음파 변환기(140)를 제어한다.
이와 같이 각 엘리먼트에서의 입자 속도를 결정함에 있어서 목표하는 초점 위치에 대한 각 엘리먼트의 아포다이제이션 지수를 반영함으로써 원하는 음압이 목표하는 초점 위치에 정확하게 인가되도록 초점을 제어할 수 있다. 즉, 각 엘리먼트에서 발생되는 초음파의 음압 분포로 인해 발생하는 초점 위치간 음압의 불균일성을 해소함으로써 정확한 병변의 제거가 가능한 장점을 갖는다.
한편, 상기의 초점 제어 방법에 의해 복수의 초점 위치들에 균일한 음압을 인가하더라고 초점이 형성되는 부분의 조직 특성, 초음파가 전파되는 경로상의 조직 특성 등의 여러가지 요인으로 인하여 복수의 초점 위치들의 온도는 균일하지 않을 수 있다. 따라서, 복수의 초점 위치들의 온도를 균일하게 제어하기 위해서는 초음파의 조사를 수행하는 동시에 온도를 모니터링하여 피드백을 수행할 필요가 있다.
이하에서는 복수의 초점 위치들에서의 온도를 균일하게 제어하기 위해 온도를 모니터링하여 피드백하는 기능이 추가된 본 발명의 다른 실시예에 따른 집속 초음파 치료 장치에 대해서 설명한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 집속 초음파 치료 장치의 구성을 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 집속 초음파 치료 장치(600)는 입력부(610), 초점 제어부(620), 피드백부(630) 및 초음파 변환기(640)를 포함할 수 있으며, 상기 피드백부(630)는 온도 모니터링부(632) 및 피드백 계수 조정부(634)를 포함할 수 있다.
도 6에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 집속 초음파 치료 장치(600)의 입력부(610)는 도 1에 도시된 집속 초음파 치료 장치(100)의 입력부(110)와 동일한 동작을 수행하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 6에 도시된 집속 초음파 치료 장치(600)의 초점 제어부(620)는 다음의 수학식 9와 같이 초음파 전파 특성 관계식에 피드백 계수 w를 포함시켜 입자 속도를 결정한다. 피드백 계수는 복수의 초점 위치들의 온도를 균일하게 제어하기 위해 조정되는 계수로서 처음에는 1로 설정될 수 있다.
Figure pat00009
그리고 초점 제어부는 다음의 수학식 10 내지 수학식 12에 따라 의사역방법을 수행하여 입자 속도를 결정할 수 있다. 이때, 초음파 전파 특성 행렬(H)는 상기의 수학식 7 및 8에 의해 구할 수 있다.
Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
피드백부(630)는 온도 모니터링부(632) 및 피드백 계수 조정부(634)를 포함한다. 온도 모니터링부(632)는 집속 초음파 치료의 수행 중에 초점이 형성된 위치에서의 온도를 모니터링한다. 그리고 피드백 계수 조정부(634)는 모니터링 된 온도에 기초하여 피드백 계수를 조정하여 이를 초점 제어부(620)에 제공하며, 초점 제어부(620)는 조정된 피드백 계수를 반영하여 초음파 변환기(640)의 각 엘리먼트에서의 입자 속도를 결정하고 초음파의 초점 제어를 수행한다. 예를 들어, 복수의 초점 위치들에서의 온도의 차이가 일정한 임계값 이상이라면 온도가 높은 초점 위치에 대응되는 피드백 계수를 1 미만으로 조정하고, 온도가 낮은 초점 위치에 대응되는 피드백 계수를 1 초과로 조정한다. 피드백 계수가 산출되면 초점 제어부(620)는 이를 반영하여 각 엘리먼트에서의 입자 속도를 결정한다.
이와 같이 집속 초음파 치료의 수행 중에 초음파의 초점이 형성되는 위치의 온도를 모니터링하고 이를 피드백함으로써 초음파가 조사되는 치료 영역이 원하는 온도로 제어되도록 할 수 있다. 더 나아가 다양한 요인에 의해 발생할 수 있는 초점 위치간 온도의 불균일 문제를 해결함으로써 정확한 병변의 제거가 가능한 장점을 갖는다.
이하에서는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 집속 초음파 치료 장치의 초점 제어 방법에 대하여 설명한다. 도 7 내지 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 집속 초음파 치료 장치의 초점 제어 방법을 설명하기 위한 순서도들이다. 특히, 도 7은 초점 위치에 대한 각 엘리먼트에서의 아포다이제이션 지수를 산출한 뒤 이를 반영하여 각 엘리먼트에서의 입자 속도를 결정하는 특징을 포함하는 초점 제어 방법에 관한 것이며, 도 8은 상기 도 7의 초점 제어 방법에 추가적으로 초점 위치에서의 온도를 모니터링하여 피드백하는 특징을 더 포함하는 초점 제어 방법에 관한 것이다.
도 7을 참조하면, 집속 초음파 치료를 수행하기 위해 먼저 S701 단계에서 사용자로부터 병변 제거를 위해 초점이 형성되어야 하는 초점 위치 및 초점 위치에 인가되어야 하는 음압을 입력받는다. 특히, 초점 위치의 입력은 병변을 포함하는 신체 내부 조직에 대한 영상을 사용자에게 디스플레이하고 사용자로부터 초점 위치에 대응되는 좌표값 등을 입력받거나 또는 터치 기능을 지원하는 디스플레이부를 통해 신체 내부 조직에 대한 영상을 디스플레이하고 터치 입력을 통해 초점 위치를 입력받을 수도 있다. 여기서는 두 가지 방법을 예로 들었으나 이에 한정되지 않고 일반적으로 사용되는 다른 다양한 방법을 통해 초점 위치를 입력받을 수 있다.
S703 단계에서는 입력된 초점 위치에 대한 초음파 변환기의 각 엘리먼트에서의 아포다이제이션 지수를 산출한다. S701 단계에서 복수개의 초점 위치들이 입력되었고, 초음파 변환기가 복수개의 엘리먼트들을 포함한다면 각각의 초점 위치에 대한 각각의 엘리먼트에서의 아포다이제이션 지수를 모두 산출한다. M개의 초점 위치가 설정되고, 초음파 변환기가 N개의 엘리먼트를 포함하는 경우를 가정한다면 구체적인 아포다이제이션 지수 산출 방법은 상기 도 1, 도 5 및 수학식 7을 참조하여 아포다이제이션 지수 산출부(122)가 지향성을 산출하는 과정을 설명한 부분을 참고한다.
이어서 S705 단계에서는 S703 단계에서 산출된 아포다이제이션 지수를 반영하여 초음파 변환기의 각 엘리먼트에서의 입자 속도를 결정한다. 초음파 전파 특성식에 아포다이제이션 지수를 곱하고 의사역방법을 이용하여 입자 속도를 결정하는 구체적인 방법은 상기 수학식 4 내지 수학식 6 및 수학식 9에 대한 설명 부분을 참고한다.
마지막으로, S707 단계에서는 S705 단계에서 결정된 입자 속도에 따라 초음파를 조사함으로써 집속 초음파 치료를 수행한다.
이와 같이 초음파 변환기의 각 엘리먼트에서의 입자 속도를 결정함에 있어서 목표하는 초점 위치에 대한 각 엘리먼트에서의 아포다이제이션 지수를 반영함으로써 원하는 음압이 목표하는 초점 위치에 정확하게 인가되도록 초점을 제어할 수 있다. 즉, 하나의 엘리먼트에서 발생되는 초음파의 음압 분포로 인해 발생하는 초점 위치간 음압의 불균일성을 해소함으로써 정확한 병변의 제거가 가능한 장점을 갖는다.
다음의 도 8을 참조하여 초점 위치에서의 온도를 모니터링하여 피드백하는 특징을 더 포함하는 초점 제어 방법에 대하여 설명한다. 도 8을 참조하면, S801 단계 내지 S807 단계는 상기 도 7에 도시된 S701 단계 내지 S707 단계와 유사하므로 이에 대한 설명은 자세한 설명은 생략한다. 다만, S805 단계의 경우 아포다이제이션 지수 뿐만 아니라 피드백 계수도 반영하여 입자 속도를 결정한다는 점이 S705 단계와 다른 점인데 피드백 계수를 반영하여 입자 속도를 결정하는 구체적인 방법은 상기의 수학식 9 내지 수학식 12에 대한 설명 부분을 참고한다.
S809 단계에서는 집속 초음파 치료의 수행 중에 초점이 형성된 위치의 온도를 모니터링한다. 그리고 S811 단계에서는 복수의 초점 위치간 온도 차이가 기 설정된 임계값 이상인지 여부를 판단한다. 판단 결과, 만약 임계값 이상이라면 S813 단계로 진행하여 피드백 계수를 조정한다. 예를 들어, 복수의 초점 위치들에서의 온도의 차이가 일정한 임계값 이상이라면 온도가 높은 초점 위치에 대응되는 피드백 계수를 1 미만으로 조정하고, 온도가 낮은 초점 위치에 대응되는 피드백 계수를 1 초과로 조정한다.
S813 단계에서 피드백 계수가 조정되었으면 다시 S805 단계로 되돌아가 S803 단계에서 산출된 아포다이제이션 지수 및 S813 단계에서 조정된 피드백 계수를 반영하여 초음파 변환기의 각 엘리먼트에서의 입자 속도를 결정한다. 아포다이제이션 지수 및 피드백 계수를 반영하여 입자 속도를 결정하는 구체적인 방법은 상기 수학식 7 내지 수학식 12와 이에 대한 설명 부분을 참고한다.
이와 같이 집속 초음파 치료의 수행 중에 초음파의 초점이 형성되는 위치의 온도를 모니터링하고 이를 피드백함으로써 복수의 초점 위치들의 온도를 균일하게제어되도록 할 수 있고, 따라서 주변 조직에 미치는 영향을 최소화하고 병변만을 정확하게 제거할 수 있는 장점을 갖는다.
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, 600: 집속 초음파 치료 장치 110, 610: 입력부
120, 620: 초점 제어부 122: 아포다이제이션 지수 산출부
124: 입자 속도 결정부 140, 640: 초음파 변환기
114: 엘리먼트 210: n번째 엘리먼트
220: m번째 초점 위치 630: 피드백부
632: 온도 모니터링부 634: 피드백 계수 조정부

Claims (15)

  1. 집속 초음파 치료 장치의 초점 제어 방법에 있어서,
    초음파의 초점이 형성될 복수의 초점 위치들 및 상기 복수의 초점 위치 각각에 초음파에 의해 인가될 음압(sound pressure)을 입력받는 단계;
    초음파 변환기에 포함된 복수의 엘리먼트들 각각에서 발생되는 초음파의 음압 분포를 반영하여 상기 입력된 음압을 인가하기 위해 필요한 상기 복수의 엘리먼트들 각각에서의 입자 속도를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 입자 속도에 따라 초음파를 조사하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입자 속도를 결정하는 단계는,
    어느 하나의 엘리먼트에서 발생되는 초음파가 어느 하나의 초점 위치에 인가되는 음압에 영향을 미치는 정도를 나타내는 지수(factor)를 상기 복수의 엘리먼트들 및 상기 복수의 초점 위치들에 대하여 산출하는 단계;
    상기 산출된 지수를 어느 하나의 엘리먼트에서의 입자 속도에 따라 어느 하나의 초점 위치에 인가되는 음압의 관계를 나타내는 특성식에 반영하는 단계; 및
    상기 지수가 반영된 특성식을 이용하여 상기 복수의 엘리먼트들 각각에서의 입자 속도를 결정하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 지수의 크기는 엘리먼트의 무게 중심에서 초점 위치를 연결한 직선과 상기 엘리먼트의 초음파가 발생되는 단면이 이루는 각도에 따라 가우시안(Gaussian) 형태의 분포를 보이는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 지수는 0 이상 1 이하의 값을 가지며, 엘리먼트의 초음파가 발생되는 단면에 수직이며 상기 엘리먼트의 무게 중심을 지나는 직선상에 초점 위치가 존재하면 상기 지수의 값은 1이고, 상기 초음파가 발생되는 단면을 연장한 평면상에 초점 위치가 존재하면 상기 지수의 값은 0인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 지수를 산출하는 단계는 상기 복수의 엘리먼트들 각각에서 상기 복수의 초점 위치들 각각에 대하여 지수들을 산출하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 초점 위치들 각각에서의 온도를 측정하는 단계;
    상기 복수의 초점 위치들 각각에서의 온도가 균일해지도록 상기 복수의 엘리먼트들 각각에서의 새로운 입자 속도를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 새로운 입자 속도에 따라 초음파를 조사하는 단계를 더 포함하는 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 새로운 입자 속도를 결정하는 단계는,
    상기 복수의 초점 위치들간의 온도 차이가 기 설정된 임계값 이상인지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 판단 결과 임계값 이상이라면 상기 복수의 초점 위치들간의 온도 차이가 임계값 미만이 되도록 하는 새로운 입자 속도를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체.
  9. 집속 초음파 치료 장치에 있어서,
    전기적인 신호를 변환하여 초음파를 발생시키는 초음파 변환기;
    초음파의 초점이 형성될 복수의 초점 위치들 및 상기 복수의 초점 위치 각각에 초음파에 의해 인가될 음압(sound pressure)을 입력받기 위한 입력부;
    상기 초음파 변환기에 포함된 복수의 엘리먼트들 각각에서 발생되는 초음파의 음압 분포를 반영하여 상기 입력된 음압을 인가하기 위해 필요한 상기 복수의 엘리먼트 각각에서의 입자 속도를 결정하여 상기 초음파 변환기를 제어하는 초점 제어부를 포함하는 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 초음파 제어부는,
    어느 하나의 엘리먼트에서 발생되는 초음파가 어느 하나의 초점 위치에 인가되는 음압에 영향을 미치는 정도를 나타내는 지수(factor)를 상기 복수의 엘리먼트들 및 상기 복수의 초점 위치들에 대하여 산출하는 지수 산출부; 및
    상기 지수 산출부에서 산출된 지수를 어느 하나의 엘리먼트에서의 입자 속도에 따라 어느 하나의 초점 위치에 인가되는 음압의 관계를 나타내는 특성식에 반영하여 입자 속도를 결정하는 입자 속도 결정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 지수의 크기는 엘리먼트의 무게 중심에서 초점 위치를 연결한 직선과 상기 엘리먼트의 초음파가 발생되는 단면이 이루는 각도에 따라 가우시안(Gaussian) 형태의 분포를 보이는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 지수는 0 이상 1 이하의 값을 가지며, 엘리먼트의 초음파가 발생되는 단면에 수직이며 상기 엘리먼트의 무게 중심을 지나는 직선상에 초점 위치가 존재하면 상기 지수의 값은 1이고, 상기 초음파가 발생되는 단면을 연장한 평면상에 초점 위치가 존재하면 상기 지수의 값은 0인 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 지수를 산출하는 단계는 상기 복수의 엘리먼트들 각각에서 상기 복수의 초점 위치들 각각에 대하여 지수들을 산출하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 초점 위치들 각각에서의 온도를 측정하고 상기 복수의 초점 위치들 각각에서의 온도가 균일해지도록 피드백하는 피드백부를 더 포함하는 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 피드백부는 상기 복수의 초점 위치들간의 온도 차이가 기 설정된 임계값 이상인지 여부를 판단하고, 판단 결과 임계값 이상이라면 상기 복수의 초점 우치들간의 온도 차이가 임계값 미만이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4841492A (en) * 1987-08-05 1989-06-20 North American Philips Corporation Apodization of ultrasound transmission
US6173997B1 (en) * 1996-07-11 2001-01-16 Advanced Polymer Technology, Inc. Flexible entry boot
US7695436B2 (en) * 2004-05-21 2010-04-13 Ethicon Endo-Surgery, Inc. Transmit apodization of an ultrasound transducer array
EP2571574B1 (en) * 2010-05-05 2015-04-08 Technion Research & Development Foundation Ltd. System of operating a multi focused acoustic wave source

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