KR20140094956A

KR20140094956A - 초음파 시스템 및 이의 제어 방법

Info

Publication number: KR20140094956A
Application number: KR1020130007654A
Authority: KR
Inventors: 방원철; 이호택; 서준호
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2014-07-31
Also published as: US20140207051A1

Abstract

본 발명은 다중 주파수를 이용하여 피부를 통해 약물을 전달하는 초음파 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 시스템은 시간 분할 방식 또는 공간 분할 방식으로 고주파수와 저주파수의 초음파를 피부에 조사함으로써, 피부를 통한 약물 전달의 효율을 높일 수 있다.

Description

초음파 시스템 및 이의 제어 방법{Method and apparatus for controlling a n ultrasound system}

본 발명은 초음파 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 다중 주파수를 이용하여 피부를 통해 약물을 전달하는 초음파 시스템 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 초음파는, 20~20,000Hz 범위인 우리가 들을 수 있는 가청주파수를 초과한 범위에 있고, 크게 두 가지의 생물학적 효과를 갖는다.

첫째는 열적 효과로서, 생체조직에서 초음파가 전파할 때 음향에너지가 흡수되어 열에너지로 변환되면서 생체조직의 온도를 상승시키고, 약 60도 이상의 임계온도 이상이 되면 연부조직 및 혈관에서 괴사가 발생한다. 이러한 초음파의 열적 효과를 이용한 것이, 최근 상용화된 HIFU 나이프이다. HIFU 나이프를 이용한 HIFU 치료는 고집속 초음파(high intensity focused ultrasound, 이하 HIFU)를 치료하고자 하는 종양 부위에 초점을 맞추어 조사하여 종양 조직의 국소적 파괴(focal destruction) 또는 괴사(necrosis)를 야기시켜 종양을 제거 및 치료하는 수술법이다.

둘째는 역학적 효과로서 공동현상(Cavitation)에 의한 조직손상이다. 생체조직이 높은 에너지의 초음파에 노출되면 세포 내의 수분이 기체로 변환되면서 미세기포를 발생시키고, 이러한 미세기포가 공명현상을 일으킬 정도로 커지면 파열되면서 동시에 높은 압력의 충격파를 발생시켜 주변조직을 손상시킨다. 이러한 생물학적 효과를 가진 초음파는 질병의 진단 및 치료를 목적으로 의료분야에서 널리 사용되고 있으며, 경피를 통한 약물전달을 촉진하기 위하여 초음파를 이용하는 것을 음파영동법(Phonophoresis)라고 한다.

본 발명의 일 실시 예는 시간 분할 방식 또는 공간 분할 방식으로 고주파수와 저주파수의 초음파를 피부에 조사함으로써, 피부를 통한 약물 전달의 효율을 높일 수 있는 초음파 시스템, 및 이의 제어 방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 주파수를 이용하여 피부를 통해 약물을 전달하는 초음파 시스템의 제어 방법은 제1 주파수를 갖는 초음파를 상기 피부에 조사하여 상기 피부의 조직을 캐티베이션(cativation)시키는 단계; 상기 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수를 갖는 초음파를 상기 피부에 조사하여 상기 캐티베이션된 조직을 붕괴(collapse)시키는 단계; 및 상기 붕괴된 조직을 통해 상기 약물을 전달하는 단계를 포함하고, 상기 제1 주파수를 갖는 초음파와 상기 제2 주파수를 갖는 초음파는 하나의 트랜스듀서(transducer)를 통해 조사되는 것을 특징으로 한다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다중 주파수를 이용하여 피부를 통해 약물을 전달하는 초음파 시스템은 제1 주파수를 갖는 초음파를 상기 피부에 조사하여 상기 피부의 조직을 캐티베이션(cativation)시키는 제1 초음파 모듈, 상기 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수를 갖는 초음파를 상기 피부에 조사하여 상기 캐티베이션된 조직을 붕괴(collapse)시키는 제2 초음파 모듈 및 상기 제1 초음파 모듈과 상기 제2 초음파 모듈의 구동을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제1 초음파 모듈과 상기 제2 초음파 모듈은 하나의 트랜스듀서(transducer) 내에 구현된 것을 특징으로 한다.

상기 또 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 다중 주파수를 이용하여 피부를 통해 약물을 전달하는 초음파 시스템은 제1 주파수를 갖는 초음파를 조사하는 제1 초음파 모듈과, 상기 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수를 갖는 초음파를 조사하는 제2 초음파 모듈을 포함하는 트랜스듀서 및 상기 트랜스듀서를 제어하여, 상기 제1 주파수를 갖는 초음파 및 상기 제2 주파수를 갖는 초음파를 상기 피부에 조사하도록 제어하는 제어부를 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 시스템은 시간 분할 방식 또는 공간 분할 방식으로 고주파수와 저주파수의 초음파를 피부에 조사함으로써, 피부를 통한 약물 전달의 효율을 높일 수 있다.

도 1은 초음파 시스템(1)의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 시스템(200)의 구성도이다.
도 3은 하나의 주파수를 이용하여 약물을 전달하는 경우와 다중 주파수를 이용하여 약물을 전달하는 경우를 비교하기 위한 도면들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 시스템(200)을 사용하는 예시 도들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 시스템(200)의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 주파수를 이용하기 위한 트랜스듀서의 예시 도들이다.
도 7은 도 2에 도시된 제어부(220)의 일 구성도이다.
도 8은 도 2에 도시된 제어부(220)의 다른 구성도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 초음파 시스템(1)의 구성도이다. 도 1을 참고하면, 초음파 시스템(1)은 치료용 초음파 장치(10), 진단용 초음파 장치(20), 초음파 데이터 처리 장치(30), 표시 장치(40) 및 구동 장치(60)로 구성된다. 도 1에 도시된 초음파 시스템(1)에는 본 실시 예와 관련된 구성 요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성 요소들이 더 포함될 수 있음을 본 실시 예와 관련된 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다. 또한, 본 발명의 초음파 데이터 처리 장치(30)에는 이하 기술할 본 발명의 일 실시 예에 따라 의료 전문가가 환자의 진단을 위해 촬영한 영상인 외부 의료 영상(70)이 입력될 수도 있다.

예를 들면, 환자의 체내에 있는 종양을 치료하고자 하는 경우, 초음파 시스템(1)의 치료용 초음파 장치(10)는 치료용 초음파를 종양의 치료부위(50)에 조사하여 열상(lesion)을 만들고, 초음파 시스템(1)의 진단용 초음파 장치(20)는 진단용 초음파를 그 치료 부위(50)를 포함하는 주변 부위에 조사하고 그 반사파를 수신한다. 그 후 초음파 시스템(1)은 수신된 반사파를 에코 신호로 변환하고, 그 에코 신호를 바탕으로 초음파 영상들을 획득하여 치료가 완료되었는지 여부를 진단한다. 이와 같은 열상(lesion)은 치료부위(50)의 조직이 국소적으로 파괴(focal destruction)되거나 괴사(necrosis)된 것을 의미한다. 구체적으로, 초음파 시스템(1)은 환자의 신체 중 치료 부위(50), 예를 들어 종양의 일부 부위에 치료용 초음파를 조사하는 치료용 초음파 장치(10)를 이용하여 그 치료 부위(50)를 치료하고, 관측 부위에 진단용 초음파를 조사하는 진단용 초음파 장치(20)를 이용하여 그 치료부위(50)의 온도 등과 같은 치료 결과들을 모니터링하는 시스템이다.

치료용 초음파 장치(10)는 치료용 프로브(probe)로 호칭될 수도 있다. 치료용 초음파 장치(10)는 구동장치(60)의 제어를 받아 움직이면서 환자의 신체의 다양한 부위에 치료용 초음파를 조사할 수 있다. 또한, 치료용 초음파 장치(10)는 위치가 고정된 상태에서 치료용 초음파를 조사하는 초점의 위치를 변경시키는 방식으로 환자의 신체의 다양한 부위에 치료용 초음파를 조사할 수도 있다. 즉, 치료용 초음파 장치(10)는 치료용 초음파를 발생시키고 환자의 국소 조직에 치료용 초음파를 조사한다. 여기에서, 치료용 초음파로는 환자의 신체 내의 종양을 괴사시킬 수 있는 정도의 에너지를 갖는 고강도의 집속 초음파인 HIFU(high intensity focused ultrasound)가 이용될 수 있다. 즉, 본 발명에서의 치료용 초음파 장치(10)는 치료용 초음파로 일반적으로 알려진 HIFU를 조사하는 장치에 해당된다. HIFU에 대해서는 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로, 자세한 설명은 생략한다. 한편, 치료용 초음파 장치(10)의 위치는 고정된 상태에서 치료용 초음파를 조사하는 초점의 위치를 변경하는 페이즈 어레이(phase array 이하, PA) 방식을 이용할 수 있다.

진단용 초음파 장치(20)는 진단용 프로브(probe)로 호칭될 수도 있다. 진단용 초음파 장치(20)는 구동장치(60)의 제어를 받아 관측 부위(51)를 향하여 진단용 초음파를 조사한다. 여기에서, 관측 부위(51)는 치료 부위(50)보다 넓거나 치료 부위(50)와 동일할 수 있다. 또한, 진단용 초음파 장치(20)는 진단용 초음파가 조사된 부위로부터 조사한 진단용 초음파들의 반사파들을 수신한다. 구체적으로, 진단용 초음파 장치(20)는 일반적으로 압전 변환기(piezoelectric trasducer)로 제조된다. 진단용 초음파 장치(20)로부터 2~18MHz 범위의 초음파가 환자 신체 내부의 특정 부위에 전달되면, 이 초음파는 여러 다른 조직들(tissues) 사이의 계층들로부터 부분적으로 반사된다. 특히, 초음파는 신체 내부에서의 밀도 변화가 있는 곳, 예를 들어, 혈장(blood plasma) 내의 혈구들(blood cells), 장기들(organs) 내의 작은 조직들(structures) 등에서 반사된다. 이와 같이 반사된 초음파들 즉, 반사파들은 진단용 초음파 장치(20)의 압전 변환기를 진동시키고, 압전 변환기는 이 진동들에 따른 전기적 펄스들(electrical pulses)을 출력한다.

치료용 초음파 장치(10) 및 진단용 초음파 장치(20)는 각각 독립적인 장치들인 것으로 도시되었지만, 이에 한정되지 않고 치료용 초음파 장치(10) 및 진단용 초음파 장치(20)가 하나의 장치 내의 별도의 모듈들로 구현되거나, 또는 하나의 장치로 구현될 수도 있다. 또한, 치료용 초음파 장치(10) 및 진단용 초음파 장치(20)는 각각 하나씩 구비되는 것으로 한정되지 않고, 복수로 구비되는 것도 가능하다. 또한, 도 1에서 치료용 초음파 장치(10) 및 진단용 초음파 장치(20)는 환자의 신체 위에서 아래를 향하여 초음파를 조사하는 방식으로 도시되어 있으나, 다양한 방향에서 초음파를 조사하는 방식 예를 들어서 환자의 신체 아래에서 위를 향하여 초음파를 조사하는 방식으로 구현될 수도 있다.

구동장치(60)는 치료용 초음파 장치(10) 및 진단용 초음파 장치(20)의 위치를 제어한다. 구체적으로 구동장치(60)는 초음파 데이터 처리 장치(30)로부터 치료 부위(50)에 대한 위치 정보를 수신하여 치료용 초음파 장치(10)가 치료용 초음파를 치료 부위(50)에 정확하게 조사할 수 있도록 치료용 초음파 장치(10)의 위치를 제어한다. 또한, 구동장치(60)는 초음파 데이터 처리 장치(30)로부터 관측 부위에 대한 위치 정보를 수신하여 진단용 초음파 장치(20)가 진단용 초음파를 관측부위에 정확하게 조사하고, 그 반사파를 수신할 수 있도록 진단용 초음파 장치(20)의 위치를 제어한다.

앞에서 언급한 바와 같이 본 실시 예에 따른 초음파 시스템(1)은 진단용 초음파 장치(20)를 이용하여 관측 부위의 온도 변화도 함께 모니터링한다. HIFU(high intensity focused ultrasound)와 같은 치료용 초음파를 이용한 초음파 치료의 경우, HIFU가 종양의 일부 부위에 도달하면, 이 종양 부위는 HIFU로 인한 열에너지로 인하여 순간적으로 70℃ 이상으로 온도가 올라갈 수 있다. 이론상으로, 60℃ 정도의 온도에서 조직 파괴가 110msec 이내로 발생된다는 것이 알려져 있다. 이와 같은 고온에 의해 이 종양 부위의 조직과 혈관은 응고성 괴사(coagulative necrosis)를 일으키게 된다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 시스템(200)의 구성도이다.

도 2를 참조하면, 초음파 시스템(200)은 하나의 트랜스듀서(210)와 트랜스듀서(210)를 제어하는 제어부(220)를 포함한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 시스템(200)은 환자의 피부(51)층의 치료 부위(50)에 특정 주파수대의 초음파를 조사하여 초음파와 함께 피부 내의 체내(52)로 약물을 전달하는 시스템이다. 여기서, 약물은 초음파 치료와 함께 투여되는 약물이거나, 환자의 특정 병변을 직접 치료할 수 있는 약물일 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 시스템(200)은 도 1에 도시된 초음파 시스템(1)처럼, HIFU 시스템과 함께 사용되거나, 환자의 특정 병변, 예를 들면 종양의 약물 치료를 위해 직접 사용될 수도 있다. 따라서, 도 2에 도시된 트랜스듀서(210)는 도 1에 도시된 치료용 초음파 장치(10) 또는 진단용 초음파 장치(20)일 수 있거나, 약물 전달용 초음파 장치의 일부일 수도 있다.

트랜스듀서(210)는 전기 에너지를 초음파로 변환하거나 반대로 초음파를 전기 에너지로 변환하는 초음파진동자(piezoresonator)를 내장한다. 이때, 초음파 진동자는 복수 개 일수 있으며, 이에 따라 트랜스듀서(210)는 수 개의 초음파 진동자를 연결한 어레이 형태, n x m의 매트릭스 형태 또는 초음파 진동자를 원형으로 밀집시킨 형태 등이 될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에서, 트랜스듀서(210)는 0.7Mhz 이상의 고주파수의 초음파를 발생시키는 초음파 모듈과 100kHz이하의 저주파수 초음파를 발생시키는 초음파 모듈을 구비한다. 또한, 트랜스듀서(210)는 하나의 초음파 모듈에서 0.7Mhz 이상의 고주파수의 초음파와 100kHz이하의 저주파수 초음파를 발생시킬 수 있는 주파수범위를 갖는 재료로 구현되어, 일정 시간 동안은 고주파수의 초음파를 발생시키고, 일정 시간 동안은 저주파수의 초음파를 발생시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 트랜스듀서(210)의 구조 및 배치와 관련한 설명은 도 5 및 6을 참조하여 후술한다.

제어부(220)는 트랜스듀서(210)를 제어하여 피부(51)의 치료 부위(50) 또는 타겟 부위에 초음파를 조사한다. 본 발명의 일 실시 예에서, 제어부(220)는 트랜스듀서(210)를 구성하는 다중 엘리먼트들(또는 초음파 모듈들)을 각각 제어하되, 각각의 엘리먼트를 시간 분할하여 다중 엘리먼트들 중 제1 엘리먼트를 제1 타이밍에 조사하고, 제2 엘리먼트는 제2 타이밍에 조사하도록 제어할 수 있다. 또한, 제어부(220)는 다중 엘리먼트들 중 고주파수 초음파를 발생하는 제1 엘리먼트와 저주파수 초음파를 발생하는 제2 엘리먼트를 각각 제어할 수 있다. 제어부(220)의 구체적인 구성은 도 7 및 8을 참조하여 후술한다.

도 3은 하나의 주파수를 이용하여 약물을 전달하는 경우와 다중 주파수를 이용하여 약물을 전달하는 경우를 비교하기 위한 도면들이다. 도 3은 단일 주파수의 초음파를 조사하여 약물을 투여하는 것과 듀얼 주파수의 초음파를 이용하여 약물을 투여하는 것을 비교한 것으로 듀얼 주파수의 초음파를 이용하는 것이 더 효과적이라는 것을 설명하는 도면들이다.

도 3a를 참조하면, 가로축은 치료시간이고, 세로축은 글루코스(Glucose)의 전달량이다. 먼저, 4분까지의 초음파 약물 전달 치료(음파 영동 치료법)에서는 단일 주파수(저주파수 또는 고주파수)를 이용하였을 경우, 피부를 통해 전달된 글루코스의 전달량은 0.001mg 정도이지만, 듀얼 주파수(저주파수 및 고주파수)를 이용하였을 경우, 피부를 통해 전달된 글루코스의 전달량은 0.01mg 정도로 10배 정도 효율이 뛰어나다. 또한, 치료시간이 4분을 경과하는 경우에는 단일 주파수의 초음파를 사용한 경우와 듀얼 주파수의 초음파를 사용한 경우의 효율 차이는 더 커진다.

도 3b를 참조하면, 가로축은 치료시간이고, 세로축은 이눌린(inulin)의 전달량이다. 먼저, 4분까지의 단일 주파수의 초음파를 이용하였을 경우, 피부를 통해 전달된 이눌린의 전달량은 0.0006mg 정도이지만, 듀얼 주파수를 이용하였을 경우, 피부를 통해 전달된 이눌린의 전달량은 0.0023mg 정도로 대략 4배 정도 효율이 높다.

도 3a 및 3b를 참조하면, 단일 주파수의 초음파를 이용하는 경우보다 듀얼 또는 다중 주파수를 이용하여 약물 전달 초음파 치료를 수행하는 것이 더 효율적이라는 것을 알 수 있다. 또한, 공지된 바와 같이, 1 내지 3Mhz대의 고주파수 음파 영동법은 저 분자량 약물의 경피 투과는 촉진시키지만, 분자량이 커지면 경피 투과 촉진효과가 감소한다는 단점을 가진다. 한편, 20 내지 200kHz의 저주파수 음파 영동법은 공동현상과 같은 역학적 효과가 크고, 침투깊이가 깊으므로 고주파수 음파 영동법으로 경피투과가 어려운 고분자량 약물도 이 주파수 영역에서는 가능하다는 장점을 갖지만, 저주파수 초음파는 역학적 효과가 매우 크므로 연속파 형태의 높은 초음파 에너지에서는 피부조직에 괴사 또는 손상을 줄 수 있으므로 초음파 에너지를 매우 낮게 하여 이용해야만 한다는 단점이 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 주파수를 이용하여 피부를 통해 약물을 전달하는 초음파 시스템은 전술한 단일 주파수만을 이용하는 것의 단점들을 극복하고, 피부를 통해 효율적으로 약물을 전달할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 시스템(200)을 도 4a 및 4b를 참조하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 시스템(200)을 사용하는 예시 도들이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 시스템(200)은 듀얼 주파수를 이용하여 피부를 통해 약물 전달한다. 초음파 시스템(200)은 0.7Mhz 이상의 고주파수의 초음파와 100khz이하의 저주파수 초음파를 함께 사용하되, 고주파수의 초음파를 피부에 조사하여 피부의 세포막에 작은 버블을 생기게 하고(cativation), 다음 저주파수의 초음파를 피부에 조사하여 작은 버블들이 피부에 향해 붕괴(collapse)시켜 세포막의 투과율을 높임으로써, 피부를 통한 약물 전달 효율을 높이는 방법을 사용한다. 이를 통해 세포막을 통한 약물의 투과율을 매우 높일 수 있고, 약물 전달 시간도 줄임으로써 약물 전달 효율을 높인다.

도 4a를 참조하면, 제어부(220)는 트랜스듀서(210)를 통해 피부(51)의 타겟 부위(50)에 고주파수의 초음파를 조사하도록 제어한다. 타겟 부위(50)의 경피 조직이 고주파수의 초음파에 조사되면 피부 조직에 작은 버블들(53)이 생기면서 캐티베이션된다. 즉, 경피 조직의 세포 내의 수분이 기체로 변환되면서 미세기포를 발생시키고, 이러한 미세기포가 공명현상을 일으킬 정도로 커지게 된다.

도 4b를 참조하면, 제어부(220)는 트랜스듀서(210)를 통해 피부(51)의 타겟 부위(50)에 저주파수의 초음파를 조사하도록 제어한다. 타겟 부위(50)에 캐티베이션된 버블들이 저주파수의 초음파에 조사되면 피부(51)의 타겟 부위(50)를 향하여 붕괴 또는 파열(도면번호 54)되면서, 타겟 부위(50)의 조직들은 손상시킨다. 따라서, 손상된 조직들을 통해 약물 전달이 이루어져, 체내(52)로 약물 전달이 쉽게 일어난다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 시스템(200)은 0.7Mhz 이상의 고주파수의 초음파와 100khz 이하의 저주파수의 초음파를 하나의 트랜스듀서(210)를 통해 조사할 수 있다. 고주파수의 초음파와 저주파수의 초음파를 조사하는 시간은 초음파 시스템(200)의 특성 또는 전달되는 약물의 종류, 분자량의 크기에 따라 임의로 설정할 수 있으며, 도 4a에 도시된 고주파수의 초음파를 조사하기 전에, 타겟 부위(50)에 전달하고자 하는 약물을 미리 주입할 수 있다. 또한, 도시되지는 않았지만, 초음파 시스템(200)이 약물 저장부 또는 약물 주입부를 포함할 수 있음은 물론이다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 시스템(200)의 제어 방법을 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 초음파 시스템(200)의 제어 방법을 구현하기 위한 제어부(220)의 구성도이다.

도 2, 5 및 8을 함께 참조하면, 트랜스듀서(210)는 주파수 대역이 넓은 범위를 갖는 재료로 구성된다. 예를 들면, 트랜스듀서(210)는 싱글 크리스탈(single crystal), cMUT(capacitive Micromachined Ultrasound Transducer, 이하 cMUT라 한다)일 수 있다. cMUT는 실리콘웨이퍼 위에 얇은 북 가죽(drumhead) 모양의 세라믹 진동자를 매달아 놓은 구조다. 진동자의 지름은 30㎛이고, 두께는 3,000~7,000Å이며 웨이퍼와 진동자 사이의 간격도 수천Å에 불과하다. 웨이퍼와 진동자 사이에 전기적인 신호를 가하면 정전기적인 힘이 진동자에 가해지고 이로부터 초음파가 발생한다. 물론 하나의 진동자에서 발생되는 초음파의 세기는 충분히 크지 않기 때문에 일반적으로 수천 개의 동일한 진동자를 한꺼번에 진동시킨다. cMUT는 광대역 특성을 보이며, 본 발명의 일 실시 예에 따른 0.7MHz 이상의 고주파수와, 100kHz이하의 저주파수의 초음파를 발생할 수 있다.

제어부(220)는 주파수 제어부(223) 및 타이밍 제어부(224)를 포함한다. 트랜스듀서(210)는 넓은 대역폭을 갖기 때문에, 제어부(220)는 주파수 제어부(223)의 제어에 따라 고주파수의 초음파와 저주파수의 초음파를 선택하고, 타이밍 제어부(224)가 특정 타이밍에 고주파수의 초음파 또는 저주파수의 초음파를 발생시킨다. 도 5에 도시된 것처럼, 저주파수의 초음파를 조사하고나서, 고주파수의 초음파를 조사한다. 즉, 하나의 트랜스듀서가 넓은 대역폭을 갖는 경우에는 조사 타이밍을 시간 분할하여, 하나의 트랜스듀서만으로 번갈아 가며 조사할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 주파수를 이용하여 피부를 통해 약물을 전달하는 초음파 시스템에 유용하게 적용할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서, 먼저, 피부의 조직을 캐티베이션시키는 경우, 고주파수의 초음파를 선택하여 조사하고 나서, 저주파수의 초음파를 선택하여 조사하여 캐티베이션된 조직을 피부에 대해 붕괴시켜 피부 조직을 손상시킨다. 따라서, 손상된 조직을 통해 약물 전달이 효율적으로 이루어질 수 있다. 도 5에 도시된 타이밍 도에서는 저주파(510)와 고주파(520)가 동일한 시간 간격으로 수행되는 것으로 도시되었지만, 전달되는 약물의 종류, 분자량, 또는 약물 치료의 유형에 따라 시간 간격을 달리하여 저주파(510)와 고주파(520)를 조사할 수 있음은 물론이다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 주파수를 이용하기 위한 트랜스듀서의 예시 도들이고, 도 7은 다중 주파수를 이용하기 위한 트랜스듀서를 제어하는 제어부(220)의 구성도이다. 도 6a 내지 6d에 도시된 트랜스듀서는 고주파수의 초음파를 발생시키는 엘리먼트와 저주파수의 초음파를 발생시키는 엘리먼트가 각각 구분되어 있으며, 하나의 트랜스듀서 내에 다양한 형태 및 배치로 엘리먼트들이 구현될 수 있음을 설명한다. 도 5 및 8을 참조하여 설명한 실시 예에서는 하나의 트랜스듀서가 넓은 대역폭의 초음파를 발생가능한 경우이고, 도 6 및 7을 참조하여 설명하는 실시 예에서는 하나의 트랜스듀서에 저주파수와 고주파수의 초음파를 발생시키는 각각의 엘리먼트들이고, 이러한 트랜스듀서를 구동하는 것에 대해 설명한다.

도 6a는 원형 형태의 트랜스듀서이고, 고주파 초음파 모듈(600)과 저주파 초음파 모듈(610)이 원형 형태로 배열되어 있다. 여기서, 초음파 모듈은 하나의 트랜스듀서에 포함된 엘리먼트, 또는 압전 소자 등과 동일한 의미로 이해되어야 한다. 도 6b는 고주파 초음파 모듈(600)과 저주파 초음파 모듈(610)이 원형 형태로 반복되어 배열된 구조가 도시되어 있고, 도 6c에는 고주파 초음파 모듈(600)과 저주파 초음파 모듈(610)이 랜덤하게 배열된 구조가 도시되어 있고, 도 6d에는 고주파 초음파 모듈(600)과 저주파 초음파 모듈(610)이 사각형 형태로 배열된 구조가 도시되어 있다.

도 6a 및 6b를 참조하여 설명한 실시 예에서는 다중 주파수를 이용하기 위해, 고주파 초음파 모듈 및 저주파 초음파 모듈을 각각 구비하는 것으로 설명하였지만, 이에 한정되지 않고, 단일 엘리먼트로 구성된 트랜스듀서를 이용할 수도 있다. 예를 들면, 저주파수의 초음파를 발생시키는 엘리먼트를 이용하여, 저주파수의 대략 3배에 해당하는 고주파수의 초음파를 발생시킬 수 있다. 즉, 동일한 하나의 엘리먼트로 다중 주파수를 발생시키는 다중 엘리먼트로서 역할을 할 수 있다. 이는 단일 엘리먼트의 홀수 하모닉(harmonic) 주파수에서 발신 효율이 높다는 성질을 이용한 것이다. 따라서 첫 번째 홀수 하모닉 주파수인 저주파수의 3배 주파수를 발신하여 고주파수 초음파를 발신할 수 있다. 이때에도 마찬가지로 도 5 와 같이 고주파수의 초음파를 조사 후, 저주파수의 초음파를 발신하기 위해 시분할 방식을 이용할 수 있다.

제어부(220)는 고주파 구동 제어부(221) 및 저주파 구동 제어부(222)를 포함한다. 고주파 구동 제어부(221)는 고주파 초음파 모듈(600)을 구동하여 고주파수의 초음파를 조사하여 피부 조직을 캐티베이션시킨다. 이어, 저주파 구동 제어부(222)는 저주파 초음파 모듈(610)을 구동하여 저주파수의 초음파를 조사하여 캐티베이션된 조직을 피부에 대해 붕괴시켜 피부 조직을 손상시킨다. 따라서, 손상된 조직을 통해 약물 전달이 효율적으로 이루어질 수 있다.

도 6에는 다양한 형태의 고주파 초음파 모듈 및 저주파 초음파 모듈의 조합, 형태, 및 배열이 도시되어 있지만, 이에 한정되지 않고 다양한 형태가 가능함은 물론이다. 또한, 도 5 및 6을 각각 참조하여, 시간 분할 또는 공간분할 방식으로 고주파수의 초음파 및 저주파수의 초음파를 조사할 수 있는 것으로 설명하였지만, 이에 한정되지 않고, 시간 분할 및 공간분할을 함께 사용할 수도 있음은 물론이다.

도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 시스템의 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 9를 참조하면, 단계 900에서, 고주파수의 초음파를 피부에 조사한다. 여기서, 고주파수의 범위는 0.7MHz 이상의 주파수 범위를 갖는 초음파를 의미한다.

단계 902에서, 피부 조직을 캐티베이션 시킨다. 단계 900에서, 피부 조직이 고주파수의 초음파에 노출되면 세포 내의 수분이 기체로 변환되면서 미세기포를 발생시키고, 이러한 미세기포가 공명현상을 일으킬 정도로 커지게 된다(캐티베이션).

단계 904에서, 저주파수 초음파를 피부에 조사한다. 여기서, 저주파수의 범위는 100kHz 이하의 주파수 범위를 갖는 초음파를 의미한다.

단계 906에서, 캐티베이션된 조직을 붕괴시킨다. 다시 캐티베이션된 조직에 저주파수의 초음파를 조사하면, 미세기포가 피부를 향해 붕괴되면서 동시에 높은 압력의 충격파를 발생시켜 주변 조직을 손상시킨다.

단계 908에서, 붕괴된 조직을 통해 약물을 전달한다.

본 발명에 따른 장치는 프로세서, 프로그램 데이터를 저장하고 실행하는 메모리, 디스크 드라이브와 같은 영구 저장부(permanent storage), 외부 장치와 통신하는 통신 포트, 터치 패널, 키(key), 버튼 등과 같은 사용자 인터페이스 장치 등을 포함할 수 있다. 소프트웨어 모듈 또는 알고리즘으로 구현되는 방법들은 상기 프로세서상에서 실행 가능한 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드들 또는 프로그램 명령들로서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체 상에 저장될 수 있다. 여기서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체로 마그네틱 저장 매체(예컨대, ROM(read-only memory), RAM(random-access memory), 플로피 디스크, 하드 디스크 등) 및 광학적 판독 매체(예컨대, 시디롬(CD-ROM), 디브이디(DVD: Digital Versatile Disc)) 등이 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템들에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 판독 가능한 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 매체는 컴퓨터에 의해 판독가능하며, 메모리에 저장되고, 프로세서에서 실행될 수 있다.

본 발명에서 인용하는 공개 문헌, 특허 출원, 특허 등을 포함하는 모든 문헌들은 각 인용 문헌이 개별적으로 및 구체적으로 병합하여 나타내는 것 또는 본 발명에서 전체적으로 병합하여 나타낸 것과 동일하게 본 발명에 병합될 수 있다.

본 발명의 이해를 위하여, 도면에 도시된 바람직한 실시 예들에서 참조 부호를 기재하였으며, 본 발명의 실시 예들을 설명하기 위하여 특정 용어들을 사용하였으나, 특정 용어에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 당업자에 있어서 통상적으로 생각할 수 있는 모든 구성 요소들을 포함할 수 있다.

본 발명은 기능적인 블록 구성들 및 다양한 처리 단계들로 나타내어질 수 있다. 이러한 기능 블록들은 특정 기능들을 실행하는 다양한 개수의 하드웨어 또는/및 소프트웨어 구성들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명은 하나 이상의 마이크로프로세서들의 제어 또는 다른 제어 장치들에 의해서 다양한 기능들을 실행할 수 있는, 메모리, 프로세싱, 로직(logic), 룩 업 테이블(look-up table) 등과 같은 직접 회로 구성들을 채용할 수 있다. 본 발명에의 구성 요소들이 소프트웨어 프로그래밍 또는 소프트웨어 요소들로 실행될 수 있는 것과 유사하게, 본 발명은 데이터 구조, 프로세스들, 루틴들 또는 다른 프로그래밍 구성들의 조합으로 구현되는 다양한 알고리즘을 포함하여, C, C++, 자바(Java), 어셈블러(assembler) 등과 같은 프로그래밍 또는 스크립팅 언어로 구현될 수 있다. 기능적인 측면들은 하나 이상의 프로세서들에서 실행되는 알고리즘으로 구현될 수 있다. 또한, 본 발명은 전자적인 환경 설정, 신호 처리, 및/또는 데이터 처리 등을 위하여 종래 기술을 채용할 수 있다. “매커니즘”, “요소”, “수단”, “구성”과 같은 용어는 넓게 사용될 수 있으며, 기계적이고 물리적인 구성들로서 한정되는 것은 아니다. 상기 용어는 프로세서 등과 연계하여 소프트웨어의 일련의 처리들(routines)의 의미를 포함할 수 있다.

본 발명에서 설명하는 특정 실행들은 일 실시 예들로서, 어떠한 방법으로도 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다. 또한, “필수적인”, “중요하게” 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.

본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 “상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 마지막으로, 본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.

210: 트랜스듀서
220: 제어부
221: 고주파 구동 제어부
222: 저주파 구동 제어부
223: 주파수 제어부
224: 타이밍 제어부

Claims

다중 주파수를 이용하여 피부를 통해 약물을 전달하는 초음파 시스템의 제어 방법에 있어서,
제1 주파수를 갖는 초음파를 상기 피부에 조사하여 상기 피부의 조직을 캐티베이션(cativation)시키는 단계;
상기 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수를 갖는 초음파를 상기 피부에 조사하여 상기 캐티베이션된 조직을 붕괴(collapse)시키는 단계; 및
상기 붕괴된 조직을 통해 상기 약물을 전달하는 단계를 포함하고,
상기 제1 주파수를 갖는 초음파와 상기 제2 주파수를 갖는 초음파는 하나의 트랜스듀서(transducer)를 통해 조사되는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템의 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 하나의 트랜스듀서는 다중 엘리먼트들로 구성되고,
상기 다중 엘리먼트들 중 제1 엘리먼트는 상기 제1 주파수를 갖는 초음파를 조사하고,
상기 다중 엘리먼트들 중 제2 엘리먼트는 상기 제2 주파수를 갖는 초음파를 조사하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템의 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 하나의 트랜스듀서는 단일 엘리먼트들로 구성되고,
상기 단일 엘리먼트는 상기 제2 주파수를 갖는 초음파를 조사하고,
상기 단일 엘리먼트는 상기 제2 주파수의 적어도 3배에 해당하는 제1 주파수를 갖는 초음파를 조사하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템의 제어 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 하나의 트랜스듀서는,
상기 제1 주파수를 갖는 초음파와 상기 제2 주파수를 갖는 초음파를 시 분할하여 상기 피부에 조사하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템의 제어 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 하나의 트랜스듀서는,
하나의 크리스탈(crystal) 재료로 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 시스템의 제어 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 하나의 트랜스듀서는,
cMUT(capacitive Micromachined Ultrasound Transducer)인 것을 특징으로 하는 초음파 시스템의 제어 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 다중 엘리먼트들 각각은 압전소자(Piezoelectricity material)로 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 시스템의 제어 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 제1 엘리먼트와 상기 제2 엘리먼트는,
상기 하나의 트랜스듀서 내에 원형 어레이로 배열된 것을 특징으로 하는 초음파 시스템의 제어 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 제1 엘리먼트와 상기 제2 엘리먼트는,
상기 하나의 트랜스듀서 내에 랜덤 배열된 것을 특징으로 하는 초음파 시스템의 제어 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 제1 엘리먼트와 상기 제2 엘리먼트는,
상기 하나의 트랜스듀서 내에 사각형 어레이로 배열된 것을 특징으로 하는 초음파 시스템의 제어 방법.
제 1 항 내지 제 10 항 중에 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램으로 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
다중 주파수를 이용하여 피부를 통해 약물을 전달하는 초음파 시스템에 있어서,
제1 주파수를 갖는 초음파를 상기 피부에 조사하여 상기 피부의 조직을 캐티베이션(cativation)시키는 제1 초음파 모듈;
상기 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수를 갖는 초음파를 상기 피부에 조사하여 상기 캐티베이션된 조직을 붕괴(collapse)시키는 제2 초음파 모듈; 및
상기 제1 초음파 모듈과 상기 제2 초음파 모듈의 구동을 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제1 초음파 모듈과 상기 제2 초음파 모듈은 하나의 트랜스듀서(transducer) 내에 구현된 것을 특징으로 하는 초음파 시스템.
제 12 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1 초음파 모듈과 상기 제2 초음파 모듈을 시간 분할 구동하여 상기 피부에 조사하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 제1 초음파 모듈과 상기 제2 초음파 모듈은,
하나의 크리스탈(crystal) 재료로 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 제1 초음파 모듈과 상기 제2 초음파 모듈은,
cMUT(capacitive Micromachined Ultrasound Transducer)인 것을 특징으로 하는 초음파 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 제1 초음파 모듈과 상기 제2 초음파 모듈은,
압전소자(Piezoelectricity material)로 구성된 것을 특징으로 하는 초음파 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 제1 초음파 모듈과 상기 제2 초음파 모듈은,
상기 하나의 트랜스듀서 내에 원형 어레이로 배열된 것을 특징으로 하는 초음파 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 제1 초음파 모듈과 상기 제2 초음파 모듈은,
상기 하나의 트랜스듀서 내에 랜덤 배열된 것을 특징으로 하는 초음파 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 제1 초음파 모듈과 상기 제2 초음파 모듈은,
상기 하나의 트랜스듀서 내에 사각형 어레이로 배열된 것을 특징으로 하는 초음파 시스템.
다중 주파수를 이용하여 피부를 통해 약물을 전달하는 초음파 시스템에 있어서,
제1 주파수를 갖는 초음파를 조사하는 제1 초음파 모듈과, 상기 제1 주파수보다 낮은 제2 주파수를 갖는 초음파를 조사하는 제2 초음파 모듈을 포함하는 트랜스듀서; 및
상기 트랜스듀서를 제어하여, 상기 피부에 상기 제1 주파수를 갖는 초음파 및 상기 제2 주파수를 갖는 초음파를 조사하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템.
제 20 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1 초음파 모듈과 상기 제2 초음파 모듈을 시간 분할하여 상기 피부에 교대로 조사하는 것을 특징으로 하는 초음파 시스템.