KR20140099162A - 초소형 발열 구조체 및 이를 이용한 온열 치료 장치 - Google Patents

초소형 발열 구조체 및 이를 이용한 온열 치료 장치 Download PDF

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KR20140099162A
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Abstract

본 발명은 인체 내에서 치료용 발열 구조체의 크기가 감소되고 다양한 형태의 온도 분포를 형성시킬 수 있는 초소형 발열 구조체 및 이를 이용한 온열 치료 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초소형 발열 구조체는 전자파를 방출하는 발열 구조체에 있어서, 전원을 공급받아 전자파를 방출하는 일부 또는 전부가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 꼬여있는 형태인 도전체; 적어도 넷 이상의 상기 도전체가 연결된 발열부; 및 상기 발열부의 임피던스 정합(Impedance Matching)을 위한 적어도 하나 이상의 커패시터를 포함할 수 있다.

Description

초소형 발열 구조체 및 이를 이용한 온열 치료 장치{Subminiature Heater Applicator And Hyperthermia Treatment Apparatus Using thereof}
본 발명은 초소형 발열 구조체 및 이를 이용한 온열 치료 장치에 관한 발명이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 표재성 암의 치료에 이용될 수 있는 발열 구조체 및 온열 치료 장치에 관한 것이다.
고온 온열 치료는 암과 종양 치료에 있어 매우 긴 역사를 가지며 부작용이 적어 매우 유용한 치료기술로 알려져 있다. 섭씨 43도-47도에서의 종양파괴효과는 널리 알려져 있으며 고온 온열치료의 단독 효과뿐만 아니라 방사선 및 약물 치료와 병행한 실험, 임상 결과가 다양하게 발표되고 있다.
현재까지 피부와 피부 근처에서 발생하는 표재성 암을 치료하기 위한 고온온열치료기기들이 제안되어 왔다. 이를 위한 방법으로서, 가온에 필요한 전파를 방사하는 금속 구조에 관한 연구도 활발히 진행 중이다.
본 발명은 인체 내에서 치료용 발열 구조체의 크기가 감소되고 다양한 형태의 온도 분포를 형성시킬 수 있는 초소형 발열 구조체 및 이를 이용한 온열 치료 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 초소형 발열 구조체는 전자파를 방출하는 발열 구조체에 있어서, 전원을 공급받아 전자파를 방출하는 일부 또는 전부가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 꼬여있는 형태인 도전체; 적어도 넷 이상의 상기 도전체가 연결된 발열부; 및 상기 발열부의 임피던스 정합(Impedance Matching)을 위한 적어도 하나 이상의 커패시터를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 발열부와 상기 커패시터는 전기적으로 연결될 수 있다.
바람직하게는, 상기 발열부는 상기 네 개의 도전체로 구성되며, 상기 네 개의 도전체의 형태는 좌측 또는 우측에 위치한 도전체와 각각 대칭이 될 수 있다.
바람직하게는, 상기 발열부는 4개의 상기 도전체로 구성되며, 상기 네 개의 도전체의 형태는 하측 또는 상측에 위치한 도전체와 각각 대칭이 될 수 있다.
바람직하게는, 상기 발열부는 사각형 형태로 가로가 25mm 내지 30mm이고 세로가 25mm 내지 30mm일 수 있다.
바람직하게는, 상기 발열부는 가로가 27.2mm이고 세로가 27.2mm일 수 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위한 온열 치료 장치는 전원을 공급받아 전자파를 방출하는 일부 또는 전부가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 꼬여있는 도전체; 적어도 넷 이상의 상기 도전체가 연결된 발열부; 및 상기 발열부의 임피던스 정합(Impedance Matching)을 위한 적어도 하나 이상의 커패시터를 포함하는 초소형 발열 구조체와 상기 초소형 발열 구조체에 전원을 공급하는 전원부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 온열 치료 장치는, 상기 초소형 발열 구조체가 적어도 둘 이상을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 온열 치료 장치는, 상기 초소형 발열 구조체 각각에 인가되는 전원의 위상 변화를 이용하여 상기 초소형 발열 구조체에서 방출되는 온도의 분포 패턴을 변화시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 온열 치료 장치는, 상기 초소형 발열 구조체가 적어도 넷 이상을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 온열 치료 장치는, 상기 넷 이상의 초소형 발열 구조체가 사각형 형태로 배치되어 있고, 상기 전원부는 상기 대각선 방향에 위치한 상기 초소형 발열 구조체 간에 인가되는 전원의 위상차가 180°가 되도록 설정할 수 있다.
바람직하게는, 상기 온열 치료 장치는, 상기 넷 이상의 초소형 발열 구조체가 사각형 형태로 배치되어 있고, 상기 전원부는 상기 대각선 방향에 위치한 상기 초소형 발열 구조체 간에 인가되는 전원의 위상차가 0°가 되도록 설정할 수 있다.
본 발명은 기존 치료용 발열 구조체나 온열 치료 장치에 비하여 크기를 소형화 할 수 있다.
따라서, 본 발명은 소형화된 발열 구조체 또는 소형화된 온열 치료 장치를 이용하여 기존 온열 치료 장치로는 적용하기 힘든 신체 부위에도 적용이 용이하다.
또한, 본 발명은 초소형 발열 구조체의 급전 위상 변화를 통하여 다양한 형태의 온도 분포를 형성할 수 있다.
따라서, 본 발명은 치료를 원하는 암 환자의 암세포 전이상태나 증상에 따른 선택적인 치료가 가능할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초소형 발열 구조체에 관한 도면이다.
도 2와 도 3은 도 1과 같은 초소형 발열 구조체 4개 배치된 일 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 스미스 차트(Smith Chart)의 A지점에서 O지점으로 이동하는 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 정합부에 커패시터의 포함 유무에 따른 초소형 발열 구조체의 동작에 관한 설명을 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온열 치료 장치에 관한 도면이다.
도 7는 하나의 초소형 발열 구조체에 의한 전자파 흡수율 및 온도 분포의 예를 설명하는 도면이다.
도 8은 네 개의 도전체를 연결한 초소형 발열 구조체 네 개 각각에 인가되는 전압 위상의 제1실시예를 표시한 도면이다.
도 9는 도 8과 같은 위상으로 전압을 인가시 나타나는 전자파 흡수율과 온도 분포를 시뮬레이션 한 결과에 관한 도면이다.
도 10은 제1실시예와 같이 전압을 인가한 경우 팬텀의 Z축을 따라서 살펴본 온도 분포의 시뮬레이션 결과의 일 예이다.
도 11은 전자파가 팬텀 내부를 가장 잘 가온시키는 일정 깊이에서 x축과 y축으로 형성된 평면 상의 온도 분포에 관한 측정 결과이다.
도 12는 제1실시예에 따른 결과를 z축으로 살펴본 도면이다.
도 13은 네 개의 도전체를 연결한 초소형 발열 구조체 네 개 각각에 인가되는 전압 위상의 제2실시예를 표시한 도면이다.
도 14는 제2실시예와 같이 전압을 인가한 경우 전자파 흡수율과 온도 분포의 시뮬레이션 결과이다.
도 15은 제2실시예와 같이 전압을 인가한 경우 팬텀의 Z축을 따라서 살펴본 온도 분포의 시뮬레이션 결과의 일 예이다.
도 16은 전자파가 팬텀 내부를 가장 잘 가온시키는 일정 깊이에서 x축과 y축으로 형성된 평면 상의 온도 분포에 관한 측정 결과이다.
도 17는 제2실시예에 따른 결과를 z축으로 살펴본 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이하의 설명 및 첨부된 도면들에서 실질적으로 동일한 구성요소들은 각각 동일한 부호들로 나타냄으로써 중복 설명을 생략하기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어”있다거나 “접속되어”있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “직접 연결되어”있다거나 “직접 접속되어”있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함될 수 있다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 발명은 기존 발열 구조체 및 온열치료장치에 비하여 소형화가 가능하여 다양한 온도 분포를 형성할 수 있는 초소형 발열 구조체(100) 및 이를 이용한 온열 치료 장치(600)이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초소형 발열 구조체에 관한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초소형 발열 구조체(100)는 발열부(110) 및 정합부(120)를 포함한다.
발열부(110)는 하나 이상의 도전체가 연결된 것일 수 있으며, 도 1은 네 개의 도전체(112)가 연결된 것의 일 예를 나타낸 것이다. 즉, 도 1에서 발열부(110)는 네 개의 도전체(112)를 포함한다.
도전체(112)는 전원을 공급받아 전자파를 방출할 수 있다. 예를 들어, 도전체(112)의 재료는 구리가 될 수 있다. 출된 전자파가 피부에 닿으면 피부의 내부가 가온되어 온열 치료가 가능하다.
도전체(112)는 본 발명에 따른 발열 구조체의 소형화를 위하여 일부 또는 전부가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 꼬여있는 형태가 될 수 있다.
구체적으로는 도 1을 참조하여 도전체(112)의 나타내는 일 예와 네 개의 도전체(112)가 연결된 발열부(110)를 설명한다.
도 1에서 도전체(112)는 네 개(112a, 112b, 112c, 112d)가 존재한다. 첫 번째 도전체(112a)와 네 번째 도전체(112d)는 반시계 방향으로 꼬여있는 형태인 것을 알 수 있다. 반면에 두 번째 도전체(112b)와 세 번째 도전체(112c)는 시계 방향으로 꼬여있는 형태인 것을 알 수 있다.
첫 번째 도전체(112a)는 우측에 있는 두 번째 도전체(112b)와 대칭인 형태가 될 수 있다. 또한, 첫 번째 도전체(112a)는 하측에 있는 세 번째 도전체(112c)와도 대칭인 형태가 될 수 있다. 네 번째 도전체(112d)는 좌측에 있는 세 번째 도전체(112c)와 대칭인 형태가 될 수 있다. 또한, 네 번째 도전체(112d)는 상측에 있는 두 번째 도전체(112b)와도 대칭인 형태가 될 수 있다.
즉, 각각의 도전체(112)는 좌측/우측 및 하측/상측에 존재하는 다른 도전체(112)와 대칭의 형태가 될 수 있다. 다만, 반드시 대칭인 형태가 될 필요는 없으며, 도전체(112) 및 발열부(110)의 형태를 형성하기 용이하며, 특히, 대칭인 형태인 경우 본 발명에 따른 초소형 발열 구조체(100)를 이용항 온열 치료기에 의한 온도 분포를 예측하고 제어하기 용이할 수 있다.
네 개의 도전체(112)들은 도 1과 같이 서로 연결될 수 있다. 즉, 시계 방향 또는 방시계 방향으로 꼬여 있는 각각의 도전체(112)의 끝부분이 연결될 수 있다.
네 개 이상의 도전체(112)들이 연결된 것을 발열부(110)라고 한다. 도전체(112)의 연결은 전기적으로 연결된 것을 의미한다.
도 1과 같이 네 개의 도전체(112)들이 연결된 발열부(110)를 예로 들어 발열부(110)에 관하여 보다 구체적으로 설명하면, 발열부(110)의 외형 형태는 사각형이 될 수 있다. 발열부(110)의 외형 형태가 반드시 사각형일 필요는 없으며, 발열부(110)의 외형 형태는 도전체(112)의 형태, 도전체(112)가 연결된 형태, 치료 부위 등에 따라서 달라질 수 있다.
도 1과 같은 발명부의 외형 형태가 사각형인 경우, 가로가 25mm 내지 30mm이고 세로가 25mm 내지 30mm일 수 있다. 바람직하게는, 발열부(110)는 가로가 27.2mm이고 세로가 27.2mm일 수 있다. 즉, 기존 온열치료장치의 발열부(110)는 외형 형태가 동일한 사각형인 경우, 가로가 4cm 정도이고, 세로가 4cm 정도가 소형화된 발열 구조체였다. 이에 반하여 본 발명은 가로가 2.7cm 정도이고, 세로가 2,7cm 정도인 발열 구조체가 되어 기존에 비하여 보다 소형화할 수 있다.
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초소형 발열 구조체(100)는 기존의 발열 구조체와 비교하면 전원을 공급받아 발열을 할 수 있는 도전체(112)가 같은 면적 내에 보다 많은 양이 들어갈 수 있다.
도 2와 도 3은 도 1과 같은 초소형 발열 구조체 4개 배치된 일 예를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 하나의 초소형 발열 구조체(100)는 1 Euro 동전의 크기와 유사하며, 도 3을 참조하면, 하나의 초소형 발열 구조체(100)의 가로 길이가 약 2.7cm 인 것을 알 수 있다.
도 1에 기재하고 있는 각 수치들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 예를 나타낸 것이지 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 각 수치들은 도전체(112)의 재료, 도전체(112)의 두께, 꼬여 있는 횟수나 정도, 커패시터(122)의 크기 등에 따라서 변경될 수 있다.
발열부(110)의 소형화를 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초소형 발열 구조체(100)는 커패시터(122)를 포함되는 정합부(120)를 포함한다.
정합부(120)는 전자파에 대한 임피던스 정합(Impedance Matching)을 수행한다. 정합부(120)는 발열부(110)와 전기적으로 연결될 수 있다.
정합부(120)는 적어도 하나 이상의 커패시터(122)를 포함한다. 정합부(120)가 커패시터(122)를 포함함으로 인하여 기존 발열 구조체의 크기를 소형화 할 수 있다.
즉, 네 개 이상의 도전체(112)를 포함하는 발열부(110)에서 각각의 도전체(112)가 도 1과 같은 정도로 꼬여 크기를 소형화 하기 위해서는 커패시터(122)를 이용한 임피던스 정합이 필요하다.
각각의 도전체(112)가 꼬여 있는 정도는 발열부(110)가 발열하고자 하는 온도에 따라서 상이할 수 있다.
예를 들면, 전파감쇄특성이 뛰어난 주파수는 400~450MHz가 바람직하며, 특히 433MHz 내외가 바람직하며. 따라서, 이러한 주파수를 고려하여 도전체(112)의 꼬여 있는 정도를 조절할 수 있다. 다만, 주파수만을 고려하여 도전체(112)의 꼬여 있는 정도를 조절하는 것은 아니며, 도전체(112)의 재료의 특성, 치료 용도, 둘 이상의 발열부(110)에 의하여 발생되는 온도 등을 종합적으로 고려하여 도전체(112)의 꼬여 있는 정도를 조절할 수 있다.
구체적으로 도 4와 도 5을 참조하여 커패시터(122)를 포함한 정합부(120)가 임피던스 정합을 수행하는 과정을 설명하며, 정합부(120)에 커패시터(122)를 포함시킴으로 인한 효과를 함께 설명한다.
도 4는 스미스 차트(Smith Chart)의 A지점에서 O지점으로 이동하는 예를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 도전체의 형태 및 초소형 발열 구조체의 동작에 관한 설명을 위한 도면이다.
도 4와 도 5에서 설명하고자 하는 임피던스 정합의 예는 도 1에서 제시되는발열 구조체의 경우 임피던스 정합을 위하여 필요한 커패시터(122) 용량에 관한 것일 수 있다. 보다 구체적으로는 도 4와 도 5에서 예를 들어 설명하고자 하는 것은 433MHz의 주파수에서 동작하는 초소형 발열 구조체(100)에서 임피던스 정합에 관한 것이다.
도 4를 참조하면, A지점의 임피던스(ZA)가 0.076+j3.543[Ω]이고 A지점의 어디미턴스(YA)는 1.036-j3.543[S, 지멘스]이다.
정합부(120)가 임피던스 정합을 위하여 A지점을 O지점으로 이동한다. 여기서 A지점은 커패시터(122)가 포함되지 않은 초소형 발열 구조체(100) 동작에서 433MHz에 해당하는 지점일 수 있다. O지점의 임피던스(ZO)는 1[Ω]이고, O지점의 어드미턴스(YO)는 1[S]이다.
임피던스 정합을 위하여 초소형 발열 구조체(100)에 커패시터(122)를 연결할 수 있다. 커패시터(122)는 두 개의 커패시터(122)가 서로 병렬로 연결되어 임피던스 정합을 수행할 수 있다. 커패시터(122)는 도 2의 어디미턴스 차트 상에서 시계방향으로 점을 이동시킬 수 있다.
정합부(120)가 임피던스 정합을 위하여 필요한 커패시터(122) 값의 일 예를 수학식 1과 함께 설명한다.
[수학식 1]
Figure pat00001
수학식 1은 도 4의 A지점에서 O지점으로 이동시키는데 필요한 커패시터(122) 값을 산출하는 식이다. Cp는 병렬로 연결된 커패시터(122) 값이다. B는 A지점의 어드미턴스 중 서셉턴스(Susceptance)를 의미한다. f는 동작 주파수를 의미하며, N은 정규값(50Ω으로 설정)을 의미한다. 수학식 1을 참조하면, 정합부(120)가 도 1과 같은 초소형 발열 구조체(100)에서 임피던스 정합을 위한 커패시터(122) 값은 26pF일 수 있다.
도 1에서 초소형 발열 구조체(100)를 참조하면, 커패시터(122)를 위하래 대칭 형태로 두 개를 연결한 것을 확인할 수 있다. 이러한 대칭 형태로 커패시터(122)를 연결하면 초소형 발열 구조체(100)에서 방출되어 인체에 야기되는 온도분포의 대칭성을 향상시킬 수 있다.
대칭성을 향상시키기 위하여 두 개의 커패시터(122)가 병렬로 연결되어 26pF이 되려면 13pF에 해당하는 커패시터(122) 두 개가 병렬로 연결되면 된다. 다만, 수학식 1에서 산출된 필요한 커패시터(122) 값은 26pF이나 실제로 존재하는 칩 커패시터(122)(Chip Capacitor)의 경우 12pF 값을 갖는 커패시터(122)가 가장 유사하므로 12pF의 커패시터(122) 두 개를 병렬로 연결되도록 정합부(120)에 포함시킬 수 있다.
도 5를 참조하여, 본발명의 바람직한 실시예에 따른 초소형 발열 구조체(100)의 동작의 예를 추가적으로 설명하면, 초소형 발명 구조체(100)의 발열부(110)는 두 갈래로 나뉘어져 총 네 개의 구부러진 선로인 도전체(112)들로 구성되어 있다. 도전체(112)들을 시계 방향이나 반시계방향으로 구부린(꼬은) 이유는 발열 구조체의 소형화를 위한 것이다. 발열 구조체의 소형화 과정에서 발열부(110)의 도전체(112)들을 구부린 것 만으로 목표하는 의료용 주파수 433Mhz에서 공진을 발생시킬수 없기 때문에 커패시터(122)를 연결할 수 있다. 연결된 커패시터(122)는 도 1에서와 같이 두 개의 커패시터(122)가 병렬로 연결되는 경우에도 1 stage matching circuit을 구성하고 있다. 연결된 커패시터(122)를 이용하여 1 stage matching network만으로 공진을 유도하기 위해서는 커패시터(122)를 제외한 발열부(110)의 복소입력저항(Complex Input Impedane)이 도 5에서 제시하는 스미스 차트의 어드미턴스 차트 상에서 YA=1-jYi[S, 지멘스] 궤적 위의 값을 가져야 합니다. 이러한 조건이 성립되어햐 커패시터(122)를 연결하여 임피던스 정합을 구현할 수 있습니다. 따라서, 커패시터(122)를 삽입하기 전에 발열부(110)가 가지는 입력저항 값을 YA=1-jYi[S, 지멘스] 궤적 위에 위치하기 위하여 발열부(110)의 네 개 선로를 적절하게 구부립니다.
즉, 도전체(112)의 형태가 시계 방향 또는 반시계 반향으로 꼬여 있거나 구부러진 이유는 본 발명에 따른 초소형 발열 구조체(100)의 소형화를 위함과 동시에 임피던스를 1 stage matching network 만으로 정합 가능한 범위로 위치시키기 위한 것이다. 따라서, 도전체(112)를 꼬거나 구부리는 정도는 소형화의 목적과 임피던스를 1 stage matching network 만으로 정합 가능할 수 있는 정도의 범위에서 이루어질 수 있다. 이러한 범위에서 이루어진 예들이 도 1 내지 도 3에서 설명된 바와 같은 크기를 가질 수 있다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이 수학식 1을 이용한 커패시터(122) 용량을 산출하여 산출된 커패시터(122) 용량에 적합한 커패시터(122)를 부착하여 목표 주파수(예를 들어 433Mhz)에서 공진을 유도할 수 있다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온열 치료 장치에 관한 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온열 치료 장치(600)는 전원부(610) 및 초소형 발열 구조체(100)를 포함한다.
도 6에서 볼루스(Bolus), 아크릴(Acrylic) 및 근육 조직(Averaged Muscle)은 통칭하여 팬텀(Phantom)이라 한다. 팬텀은 인체 내부의 전자파 분포와 인체 조직의 비흡수율(SAR, Specific Absorption Rate) 조사/분석 등 생체 관련 연구를 위하여 인체를 대신하는 대체물로 사용되는 모형을 의미한다. 도 6에서 나타나는 팬텀은 국제표준인 것을 이용한다.
온열 치료 장치(600)는 다양한 형태의 외관 플랫폼(Platform)을 포함할 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온열 치료 장치(600)는 초소형 발열 구조체(100)가 전원부(610)에서 전원을 공급받아 전자파를 방출하여 피부 내부를 가온시킬 수 있다. 전원부(610)는 초소형 발열 구조체(100)와 유선뿐만 아니라 무선으로 연결되어 전원을 공급할 수도 있다.
또한, 전원부(610) 또는 별도의 제어부(미도시)는 초소형 발열 구조체(100)에 인가되는 전원의 위상을 변화시킬 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온열 치료 장치(600)가 둘 이상의 초소형 발열 구조체(100)를 포함하는 경우, 각각의 초소형 발열 구조체(100)에 인가되는 전원의 위상을 제어하여 피부 내부를 가온하는 온도의 분포를 변화시킬 수 있다.
구체적으로 도 7 내지 8을 참조하여 네 개의 초소형 발열 구조체(100)를 포함하본 발명의 바람직한 실시예에 따른 온열 치료 장치(600)가 각각의 초소형 발열 구조체(100)에 인가되는 전압의 위상을 변화시켜 발생되는 온도 분포 변화를 설명한다.
도 7은 하나의 초소형 발열 구조체에 의한 전자파 흡수율 및 온도 분포의 예를 설명하는 도면이고, 도 6과 도 7은 네 개의 초소형 발열 구조체 각각에 인가되는 전압의 위상에 따른 전자파 흡수율 및 온도 분포의 예를 설명한다.
도 7의 (a)는 하나의 초소형 발열 구조체(100)가 전원을 받아 전자파를 방출한 일 예를 나타낸다. 도 7의 (b)는 하나의 초소형 발열 구조체(100)가 전원을 받아 전자파를 방출한 결과 인체 등가 모델인 팬텀에서 발생된 온도 분포를 나타낸다.
전자파 흡수율(SAR, Specific Absorption Rate)은 생체조직에서의 전자파 에너지 흡수율을 의미한다. 전자파 흡수율(SAR)의 단위는 W/Kg을 사용한다. 도 7의 (a)를 참조하면, 도 1과 같은 네 개의 도전체(112)가 연결된 하나의 발열 구조체가 전원을 공급받아 방출하여 팬텀이 흡수하는 전자파를 볼 수 있다. 중심 부분이 가장 많은 전자파를 흡수하며 가장자리로 갈수록 전자파 흡수율이 낮아지는 것을 볼 수 있다. 중심 부분은 도 1을 참조하면, 네 개의 도전체(112)가 연결되어 사각형 형태의 발열 구조체의 가운데 부분을 의미할 수 있다.
도 7의 (b)를 참조하면, 도 1과 같은 네 개의 도전체(112)가 연결된 하나의 발열 구조체가 전원을 공급받아 방출하여 팬텀에서 측정되는 온도 분포 결과를 볼 수 있다. 도 7의 (b)에서 나타나는 온도 결과는 도 7의 (a)에서 나타나는 결과와 유사한 것을 볼 수 있다. 이는 전자파 흡수율(SAR)이 높은 부분일수록 인체 내부가 높은 온도로 가온되기 때문이다.
도 8과 도 11을 참조하여 본 발명에 따른 초소형 발열 구조체 및 온열 치료 장치를 이용하여 인체 내부가 가온되어 형성되는 다양한 온도 분포에 관하여 설명한다.
구체적으로 도 8은 네 개의 도전체(112)를 연결한 초소형 발열 구조체(100) 네 개 각각에 인가되는 전압 위상의 제1실시예를 표시한 도면이고, 도 9는 도 8과 같은 위상으로 전압을 인가시 나타나는 전자파 흡수율과 온도 분포를 시뮬레이션 한 결과에 관한 도면이다.
도 8에서 네 개의 도전체(112)를 연결한 초소형 발열 구조체(100) 네 개는 본 발명에 따른 온열 치료 장치(600)의 일부를 나타낸 것일 수 있다.
도 8을 참조하면, 같이 빨강 테두리로 묶인 두 개의 초소형 발열 구조체와 파랑 테두리로 묶인 두 개의 초소형 발열 구조체 간에 서로 직교 되도록 배열될 수 있다.
다만, 반드시 도 8에서 제시한 바와 같이 빨강 테두리로 묶인 두 개의 초소형 발열 구조체와 파랑 테두리로 묶인 두 개의 초소형 발열 구조체 간에 서로 직교 되도록 배열되어야 하는 것은 아니며, 첫 번째 초소형 발열 구조체(A1) 와 두 번째 초소형 발열 구조체 (A2)는 물리적으로 90°차이가 존재하도록 배치할 수 있다. A1과 A2를 물리적으로 90°차이가 나도록 배치하면 A1과 A2에서 각각 방출된 전자파 간의 간섭을 최소화 할 수 있다. 마찬가지로 첫 번째 초소형 발열 구조체(A1)과 세 번째 초소형 발열 구조체(A3)간에도 방출되는 전자파 간의 간섭을 최소화하기 위하여 물리적으로 90°차이가 존재하도록 배치할 수 있다. 또한, 네 번째 초소형 발열 구조체(A4)도 인접한 발열 구조체 A2, A3에서 방출되는 전자파 간의 간섭을 최소화 하기 위하여 90°의 차이가 나도록 배치할 수 있다. 각각의 초소형 발열 구조체(100)에서 방출되는 전자파의 간섭을 최소화하기 위한 배치의 일 예를 도 8을 참조하면, 이러한 90°차이의 배치의 예로, A1은 0°, A2는 270°(-90°), A3는 90°, A4는 180°의 각도가 되도록 배치할 수 있다.
계속하여 도 8을 참조하면, 대각선에 존재하는 A1과 A4에서 방출되는 전자파가 상쇄되도록 A1과 A4에 전압을 인가하고, A2와 A3간에 방출되는 전자파가 상쇄되도록 A2와 A3에 전압을 인가할 수 있다. 즉, A1, A2, A3, A4에 인가되는 전압을 삼각파 등을 이용하여 위상을 변화시켜 서로간의 전자파가 상쇄되거나 서로 영향이 없거나 중첩되도록 할 수 있다.
제1실시예의 구체적인 예로, A1과 A4에 인가되는 전압의 위상차가 180°가 되도록 전압 위상을 설정하고, A2와 A3에 인가되는 전압의 위상차가 180°되도록 전압 위상을 설정할 수 있다.
제1실시예와 같이 전압을 인가하면, 네 개의 초소형 발열 구조체(100)의 가운데 부분에서 전자파의 상쇄가 발생하여 도 9의 (a)와 같이 가운데 부분에서의 SAR이 낮은 것을 볼 수 있다. 반면에 도 9의 (a)를 참조하면, A1과 A2 사이, A1과 A3사이, A2와 A4 사이, A3와 A4 사이에는 물리적인 배치와 인가되는 전압 위상의 차이로 인하여 전자파의 상쇄가 거의 발생하지 않기 때문에 SAR이 높은 것을 볼 수 있다.
도 9의 (b)를 참조하면, 도 9의 (a)의 SAR 분포와 유사한 형태의 온도 분포를 나타내는 것을 볼 수 있다. 즉, 넓은 부분에서 온도가 높아진 것을 볼 수 있다. 다만, 중심 부분에서는 매질이 되는 인체(Phantom)의 비열, 열용량 등으로 인한 확산 현상 때문에 중심 부분에서도 높은 온도 분포를 유지되는 것을 볼 수 있다. 실제로는 중심 부분에서 온도가 중심 가장자리 부분보다 다소 낮게 측정될 수 있다.
보다 구체적으로 도 10 내지 12를 참조하여 도 8의 경우 온도 분포 결과를 설명한다.
도 10은 제1실시예와 같이 전압을 인가한 경우 팬텀의 Z축을 따라서 살펴본 온도 분포의 시뮬레이션 결과의 일 예이다.
보다 구체적으로 도 10은 제1실시예와 같이 네 개의 초소형 발열 구조체(100)에 각각 전압을 인가하고 방출되는 전자파에 의한 팬텀의 가온 상태를 깊이(Z축)따라 살펴본 것인데, 일정한 깊이에서 가장 높은 온도가 분포된 것을 볼 수 있고, 차후 설명할 도 15와 비교하면 보다 넓은 범위에 높은 온도가 분포된 것을 볼 수 있다.
도 11과 12는 제1실시예와 같이 전압을 인가한 경우 팬텀을 이용한 실제 측정값이다.
구체적으로 도 11은 전자파가 팬텀 내부를 가장 잘 가온시키는 일정 깊이에서 x축과 y축으로 형성된 평면 상의 온도 분포에 관한 측정 결과이고, 도 12는 제1실시예에 따른 결과를 z축으로 살펴본 도면이다.
도 11과 도 12를 참조하면, 도 9와 도 10에서 시뮬레이션으로 측정한 결과와 유사한 형태의 온도 분포를 보이는 것을 알 수 있다. 즉, 도 8의 제1실시예와 같이 전압을 인가하면, 차후 설명할 도 13과 같이 전압을 인가한 경우에 비하여 높은 온도가 넓은 범위에 분포되며 중심 부분이 집중적으로 가온되는 것을 방지할 수 있다.
따라서, 도 8 내지 도 12에서 설명한 온도 분포 형태는 넓은 범위에서 암세포 등을 치료할 수 있으며, 중심 부분에서 방출되는 전자파를 상쇄시켜 치료 목적 이상으로 가온되는 것을 방지할 수 있다. 일반 적으로 치료 목적을 위하여 가온하는 온도는 43° 내지 47°정도가 될 수 있다.
도 13과 도 17을 참조하여 본 발명에 따른 초소형 발열 구조체 및 온열 치료 장치를 이용하여 인체 내부가 가온되어 형성되는 온도 분포의 다른 예에 관하여 설명한다.
구체적으로 도 13은 네 개의 도전체(112)를 연결한 초소형 발열 구조체(100) 네 개 각각에 인가되는 전압 위상의 제2실시예를 표시한 도면이고, 도 14는 제2실시예와 같이 전압을 인가한 경우 전자파 흡수율과 온도 분포의 시뮬레이션 결과이다.
도 13에서 설명하고자 하는 제2실시예는 도 8과 동일한 경우에서 인가되는 전압의 위상만을 변경한 예이다.
도 13을 참조하면, 대각선에 존재하는 A1과 A4에서 방출되는 전자파가 중찹되도록 A1과 A4에 전압을 인가하고, A2와 A3간에 방출되는 전자파가 중첩되도록 A2와 A3에 전압을 인가할 수 있다. 또한, 제2실시예는 서로 인접한 초소형 발열 구조체(100) 간에 방출되는 전자파는 상쇄되도록 전압 위상을 제어할 수 있다. 즉, A1, A2, A3, A4에 인가되는 전압을 삼각파 등을 이용하여 위상을 변화시켜 서로간의 전자파가 상쇄되거나 중첩되도록 할 수 있다.
제2실시예의 구체적인 예로, A1과 A4에 인가되는 전압의 위상차가 0°가 되도록 설정하고, A2와 A3에 인가되는 전압의 위상차도 0°가 되도록 설정할 수 있다.
제2실시예와 같이 전압을 인가하면, 네 개의 초소형 발열 구조체(100)의 가운데 부분에서 전자파의 중첩이 발생하여 도 14의 (a)와 같이 가운데 부분에서의 SAR이 주변보다 높은 것을 볼 수 있다. 반면에 도 14의 (a)를 참조하면, A1과 A2 사이, A1과 A3사이, A2와 A4 사이, A3와 A4 사이에는 인가되는 전압의 위상으로 인하여 전자파의 상쇄가 발생하여 SAR이 낮은 것을 볼 수 있다. 즉, 제2실시예의 경우 중심부분의 SAR이 가장높고 중심부분을 벗어날수록 SAR이 낮아지는 것을 볼 수 있다.
도 14의 (b)를 참조하면, 도 14의 (a)의 SAR 분포와 유사한 형태의 온도 분포를 나타내는 것을 볼 수 있다. 즉, 중심 부분의 온도가 가장 높고, 중심 부분에서 멀어질수록 온도가 낮아지는 것을 볼 수 있다.
보다 구체적으로 도 15 내지 17를 참조하여 제2실시예의 온도 분포 결과를 설명한다.
도 15은 제2실시예와 같이 전압을 인가한 경우 팬텀의 Z축을 따라서 살펴본 온도 분포의 시뮬레이션 결과의 일 예이다.
보다 구체적으로 도 15는 제2실시예와 같이 네 개의 초소형 발열 구조체(100)에 각각 전압을 인가하고 방출되는 전자파에 의한 팬텀의 가온 상태를 깊이(Z축)따라 살펴본 것인데, 일정한 깊이에서 가장 높은 온도가 분포된 것을 볼 수 있고, 제1실시예의 경우와 비교하여 좁은 부분에서 높은 온도가 형성되는 것을 볼 수 있다. 일정한 깊이에서 가장 높은 온도가 분포되는 것은 체내에 존재하는 암세포 등을 치유하기 위함이며, 좁은 부분에서 높은 온도가 형성되는 것은 좁은 부위의 암세포 등을 집중적으로 치유하거나, 좁은 면적만을 치유할 목적이나 좁은 면적만을 치유하는 것이 바람직한 신체 부위 등에서 유용하게 이용할 수 있다.
도 16과 17는 제2실시예와 같이 전압을 인가한 경우 팬텀을 이용한 실제 측정값이다.
구체적으로 도 16은 전자파가 팬텀 내부를 가장 잘 가온시키는 일정 깊이에서 x축과 y축으로 형성된 평면 상의 온도 분포에 관한 측정 결과이고, 도 17는 제2실시예에 따른 결과를 z축으로 살펴본 도면이다.
도 16과 도 17를 참조하면, 도 14와 도 15에서 시뮬레이션으로 측정한 결과와 유사한 형태의 온도 분포를 보이는 것을 알 수 있다. 즉, 제2실시예와 같이 전압을 인가하면, 제1실시예와 같이 전압을 인가한 경우에 비하여 높은 온도가 좁은 범위에 분포되며 중심 부분이 집중적으로 가온되는 것을 알 수 있다.
따라서, 도 13 내지 도 17에서 설명한 온도 분포 형태는 좁은 범위에서 암세포 등을 집중적으로 치료할 수 있으며, 좁은 면적만을 치료할 수 있다.
다만, 본 발명에 따른 초소형 발열 구조체(100) 및 온열 치료 장치(600)로 인한 인체 내부에서의 온도 분포는 제1실시예 및 제2실시예에 한정되는 것은 아니며, 암세포 등의 치료가 필요한 세포의 분포 정도 등에 따라서 초소형 발열 구조체(100)의 수, 배치 형태, 인가되는 전압의 위상 등이 변경될 수 있다. 변경 예로 A1과 A4에 인가되는 전압의 위상차는 180°로 설정하고, A2와 A3에 인가되는 전압의 위상차는 0°로 설정할 수도 있다.
본 발명은 기존 치료용 발열 구조체나 온열 치료 장치(600)에 비하여 크기를 소형화 할 수 있다. 따라서, 본 발명은 소형화된 발열 구조체 또는 소형화된 온열 치료 장치(600)를 이용하여 기존 온열 치료 장치(600)로는 적용하기 힘든 신체 부위에도 적용이 용이하다.
또한, 본 발명은 초소형 발열 구조체(100)의 급전 위상 변화를 통하여 다양한 형태의 온도 분포를 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명은 치료를 원하는 암 환자의 암세포 전이상태나 증상에 따른 선택적인 치료가 가능할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 초소형 발열 구조체
110 : 발열부 112 : 도전체
112a : 첫 번째 도전체 114b : 두 번째 도전체
116c : 세 번째 도전체 118d : 네 번째 도전체
120 : 정합부 122 : 커패시터
600 : 온열 치료 장치 610 : 전원부

Claims (12)

  1. 전자파를 방출하는 발열 구조체에 있어서,
    전원을 공급받아 전자파를 방출하는 일부 또는 전부가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 꼬여있는 형태인 도전체;
    적어도 넷 이상의 상기 도전체가 연결된 발열부; 및
    상기 발열부의 임피던스 정합(Impedance Matching)을 위한 적어도 하나 이상의 커패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 초소형 발열 구조체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열부와 상기 커패시터는 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 초소형 발열 구조체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열부는 상기 네 개의 도전체로 구성되며,
    상기 네 개의 도전체의 형태는 좌측 또는 우측에 위치한 도전체와 각각 대칭이 되는 것을 특징으로 하는 초소형 발열 구조체.
  4. 제 1 항 및 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발열부는 4개의 상기 도전체로 구성되며,
    상기 네 개의 도전체의 형태는 하측 또는 상측에 위치한 도전체와 각각 대칭이 되는 것을 특징으로 하는 초소형 발열 구조체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 발열부는 사각형 형태로 가로가 25mm 내지 30mm이고 세로가 25mm 내지 30mm인 것을 특징으로 하는 초소형 발열 구조체.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 발열부는 가로가 27.2mm이고 세로가 27.2mm인 것을 특징으로 하는 초소형 발열 구조체.
  7. 전원을 공급받아 전자파를 방출하는 일부 또는 전부가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 꼬여있는 도전체;
    적어도 넷 이상의 상기 도전체가 연결된 발열부; 및
    상기 발열부의 임피던스 정합(Impedance Matching)을 위한 적어도 하나 이상의 커패시터를 포함하는 초소형 발열 구조체와
    상기 초소형 발열 구조체에 전원을 공급하는 전원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 온열 치료 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 온열 치료 장치는,
    상기 초소형 발열 구조체가 적어도 둘 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 온열 치료 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 온열 치료 장치는,
    상기 초소형 발열 구조체 각각에 인가되는 전원의 위상 변화를 이용하여 상기 초소형 발열 구조체에서 방출되는 온도의 분포 패턴을 변화시키는 것을 특징으로 하는 온열 치료 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 온열 치료 장치는,
    상기 초소형 발열 구조체가 적어도 넷 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 온열 치료 장치
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 온열 치료 장치는,
    상기 넷 이상의 초소형 발열 구조체가 사각형 형태로 배치되어 있고,
    상기 전원부는 상기 대각선 방향에 위치한 상기 초소형 발열 구조체 간에 인가되는 전원의 위상차가 180°가 되도록 설정하는 것을 특징으로 하는 온열 치료 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 온열 치료 장치는,
    상기 넷 이상의 초소형 발열 구조체가 사각형 형태로 배치되어 있고,
    상기 전원부는 상기 대각선 방향에 위치한 상기 초소형 발열 구조체 간에 인가되는 전원의 위상차가 0°가 되도록 설정하는 것을 특징으로 하는 온열 치료 장치.
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