KR20150096273A - 약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 방법 및 이를 이용한 온도 제어 장치 - Google Patents

약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 방법 및 이를 이용한 온도 제어 장치 Download PDF

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KR20150096273A
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삼성전자주식회사
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Abstract

타겟 조직에 전달되는 약물의 방출량을 조절하기 위해 타겟 조직의 온도를 제어하는 방법 및 이를 이용한 온도 제어 장치를 개시한다.

Description

약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 방법 및 이를 이용한 온도 제어 장치{Method of controlling temperature of tissue for drug release and apparatus of temperature control using the same}
약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 방법 및 이를 이용한 온도 제어 장치에 관한 것이다.
의학의 발달과 더불어 종양에 대한 국소치료를 위해, 최근 최소침습적 수술에서 더 나아가 비침습적 수술이 사용되고 있다. 비침습적 수술법의 일 예로 고강도 집속 초음파(high intensity focused ultrasound, HIFU) 방식이 있다.
고강도 집속 초음파(high intensity focused ultrasound, HIFU)를 조직에 가할 경우, 가한 초음파에 따른 열 에너지에 의해 조직의 온도가 상승하게 된다. 이때, 매우 높은 열이 가해지는 경우, 조직이 파괴될 수 있으나, 적정한 온도를 유지하는 경우, 생체 조직의 치료에 이를 이용할 수 있다.
타겟 조직에 전달되는 약물의 방출량을 조절하기 위해 타겟 조직의 온도를 제어하는 방법 및 이를 이용한 온도 제어 장치를 제공하는 것이다. 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 방법은, 타겟 조직의 온도와 초음파가 조사된 시간을 측정하는 단계, 상기 측정된 온도와 측정된 시간을 이용하여 상기 타겟 조직에 대한 목표 온도를 설정함으로써, 상기 타겟 조직에 전달되는 약물의 방출량을 조절하는 단계, 상기 설정된 목표 온도와 상기 측정된 온도에 기초하여, 상기 타겟 조직에 대한 초음파 조사 세기(intensity)를 결정하는 단계; 및 상기 결정된 초음파 조사 세기의 초음파를 상기 타겟 조직에 조사하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 온도 제어 장치는, 초음파를 타겟 조직에 조사하는 초음파 조사부, 상기 타겟 조직의 온도를 측정하는 온도 측정부, 상기 측정된 온도와 상기 초음파가 조사된 시간을 이용하여 상기 타겟 조직에 대한 목표 온도를 설정함으로써, 상기 타겟 조직에 전달되는 약물의 방출량을 조절하는 약물 방출 조절부, 및 상기 설정된 목표 온도와 상기 측정된 온도에 기초하여, 상기 타겟 조직에 대한 초음파 조사 세기(intensity)를 결정하는 온도 제어부를 포함하고, 상기 초음파 조사부는 상기 결정된 초음파 조사 세기의 초음파를 상기 타겟 조직에 조사한다.
약물 전달체를 이용하여 타겟 조직에 약물을 전달하는 경우, 타겟 조직의 온도를 제어함으로써 약물 방출량의 모니터링 및 제어가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 제어 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 제어 장치의 온도 제어부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 온도 제어부의 조사 위치 결정 모듈이 타겟 조직에 초음파를 조사할 위치를 결정하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 제어 장치의 약물 방출 조절부를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 약물 방출 조절부가 이용하는 온도와 초음파 조사 시간에 따른 약물 방출량 데이터를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 방법에서, 타겟 조직에 전달되는 약물의 방출량을 조절하는 단계에 관한 상세 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 방법에서, 초음파 조사 세기를 결정하는 단계에 관한 상세 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명을 한정하지 아니하고 오로지 예시를 위한 실시예에 의해 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 하기 실시예는 본 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.
본 명세서에서 사용되는 '구성된다' 또는 '포함한다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 도는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 '제 1' 또는 '제 2' 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용할 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 실시예들은 약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 방법 및 이를 이용한 온도 제어 장치에 관한 것으로서 이하의 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려져 있는 사항들에 관해서는 자세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 제어 장치의 구성을 나타낸 블록도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 제어 장치(100)는 타겟 조직(10)에 전달되는 약물의 방출량을 조절하기 위해 타겟 조직(10)의 온도를 제어할 수 있다.
타겟 조직(10)이 종양과 같은 병변을 포함하고 있는 경우, 이를 치료하기 위해 타겟 조직(10)에 항암제와 같은 치료제 또는 부작용을 줄이기 위해 사용되는 약물 등과 같은 약물을 전달할 필요가 있다. 이때, 약물을 타겟 조직(10)에 전달하기 위해 약물 전달체(20)를 사용할 수 있다. 약물 전달체(20)는 약물을 내부에 포함하는 캡슐형이거나 약물을 붙일 수 있는 부착형일 수 있다. 약물 전달체(20)에 의해 약물이 타겟 조직(10)에 전달되면, 약물이 타겟 조직(10)의 종양과 같은 병변에 흡수될 수 있도록 약물 전달체(20)와 약물의 분리가 필요하다. 약물을 약물 전달체(20)와 분리시키기 위해, 약물 전달체(20)만을 파괴하는 방식을 생각해 볼 수 있는데, 특히 약물 전달체(20)가 열에 민감한 물질인 경우 타겟 조직(10)에 도달한 약물 전달체(20)에 열을 가하여 약물 전달체(20)를 파괴할 수 있다. 즉, 열에 의해 활성화되는(thermoactivated) 약물 전달체(20)를 이용하면, 항암제와 같은 약물을 타겟 조직(10)에 전달할 수 있고, 타겟 조직(10)의 온도를 제어하여 약물 전달체(20)를 파괴시킴으로써, 약물 전달체(20)로부터 방출된 약물이 타겟 조직(10)에만 흡수되도록 할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 제어 장치(100)는 온도 측정부(110), 온도 제어부(130), 초음파 조사부(150)를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 발명과 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
온도 측정부(110)는 타겟 조직(10)의 온도를 측정한다. 온도 측정부(110)는 타겟 조직(10) 전체에 대해 실시간으로 온도를 측정할 수 있다. 타겟 조직(10)은 종양과 같은 병변을 포함하고 있는 생체 조직이 될 수 있다. 온도 측정부(110)는 타겟 조직(10)의 온도를 측정하기 위해, 써모커플(thermocouple)과 같이 몸에 삽입되어 측정할 수 있는 것뿐만 아니라, 자기 공명 온도 측정(magnetic resonance thermometry) 또는 초음파 온도 측정(Ultrasound thermometry)과 같은 비접촉 영상 방식으로 측정할 수 있는 것을 포함한다.
온도 제어부(130)는 타겟 조직(10)에 대한 목표 온도와 온도 측정부(110)에서 측정된 온도에 기초하여, 타겟 조직(10)에 조사할 초음파 조사 세기(intensity)를 결정한다. 온도 제어부(130)는 타겟 조직(10)의 온도를 치료를 위한 목표 온도로 유지할 수 있도록 소정의 단위 시간마다 최적의 초음파 조사 세기를 결정할 수 있다. 온도 제어부(130)는 초음파 조사에 따른 열 에너지를 이용하여 타겟 조직(10)의 온도를 약물의 목표 방출량이 방출될 수 있는 목표 온도로 제어하기 위한 초음파 조사 세기를 결정할 수 있다.
초음파 조사부(150)는 초음파를 타겟 조직(10)에 조사한다. 초음파 조사부(150)는 초음파를 발생시켜 조사하는 트랜스듀서와 트랜스듀서를 구동하는 구동 드라이버 등을 포함할 수 있다. 온도 제어부(130)에서 결정된 초음파 조사 세기가 초음파 조사부(150)의 구동 드라이버에 입력되면, 타겟 조직(10)에 조사할 초음파가 트랜스듀서에서 생성될 수 있다. 또한, 온도 제어부(130)로부터 초음파를 조사할 위치에 관한 정보가 초음파 조사부(150)의 구동 드라이버에 입력되면, 타겟 조직(10)의 원하는 위치에 초음파를 조사할 수도 있다.
약물 방출 조절부(170)는 온도 측정부(110)에서 측정된 타겟 조직(10)의 온도와 초음파가 조사된 시간을 이용하여 타겟 조직(10)에 대한 목표 온도를 설정함으로써, 타겟 조직(10)에 전달되는 약물의 방출량을 조절한다. 약물 방출 조절부(170)에서 설정된 목표 온도는 온도 제어부(130)에 입력되어, 온도 제어부(130)에서의 초음파 조사 세기 결정에 이용될 수 있다.
온도 측정부(110)는 초음파 조사 후부터 계속하여 실시간으로 타겟 조직(10)의 온도를 측정할 수 있다. 온도 제어부(130), 초음파 조사부(150) 및 약물 방출 조절부(170)는 온도 측정부(110)에서 측정된 온도가 타겟 조직(10)에 대한 목표 온도가 되도록 소정의 단위 시간마다 반복적으로 동작할 수 있다. 즉, 온도 제어부(130), 초음파 조사부(150) 및 약물 방출 조절부(170)는 타겟 조직(10)이 약물의 목표 방출량이 방출될 수 있는 목표 온도가 될 때까지 소정의 단위 시간마다 최적의 초음파 세기를 결정하여 조사하고, 목표 온도에 도달한 후에는 목표 온도를 유지하기 위해 소정의 단위 시간마다 최적의 초음파 세기를 결정하여 조사할 수 있다. 이때, 소정의 단위 시간은 수 내지 수십 밀리 세컨드(millisecond) 이하일 수 있다. 이하, 도 2를 참조하여 온도 제어부(130)를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 제어 장치의 온도 제어부를 설명하기 위한 도면이다. 도 2에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 발명과 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
온도 제어부(130)는 타겟 조직(10)에 대한 목표 온도와 온도 측정부(110)에서 측정된 온도의 차이를 생체열전달 모델(bio heat transfer model)에 적용하여 초음파 조사 세기를 결정할 수 있다. 온도 제어부(130)는 도 2에 도시된 바와 같이 조사 위치 결정 모듈(132)과 조사 세기 결정 모듈(134)을 포함할 수 있다.
조사 위치 결정 모듈(132)은 타겟 조직(10)에 대해 초음파를 조사할 위치를 결정한다. 타겟 조직(10)의 전체 영역이 목표 온도를 유지할 수 있도록, 조사 위치 결정 모듈(132)은 초음파 조사부(150)가 타겟 조직(10)에 초음파를 조사할 위치를 소정의 단위 시간마다 결정할 수 있다. 고강도 집속 초음파의 경우, 타겟 조직(10) 전체에 대해 동시에 초음파를 조사하여 타겟 조직(10)의 온도를 높일 수 없기 때문에, 소정의 단위 시간마다 타겟 조직(10)의 일부 영역을 옮겨 가면서 초음파를 조사할 수 있다. 이때, 타겟 조직(10)에 초음파를 조사할 위치를 결정하는 소정의 단위 시간을 짧게 할수록, 타겟 조직(10) 전체에 대해 동시에 초음파를 조사하는 것과 유사한 효과를 얻을 수 있다.
조사 위치 결정 모듈(132)은 소정의 단위 시간마다 타겟 조직(10)에 초음파를 조사할 위치를 적어도 하나 결정할 수 있다. 즉, 조사 위치 결정 모듈(132)은 소정의 단위 시간마다 타겟 조직(10) 내의 한 지점 또는 적어도 두 개의 지점을 초음파를 조사할 위치로 결정할 수 있다. 예를 들어, 초음파 조사부(150)는 타겟 조직(10)에 대하여 초음파가 집속되는 복수 개의 초점을 가질 수 있는데, 조사 위치 결정 모듈(132)은 이와 같은 복수 개의 초점의 위치들 중 적어도 하나를 초음파를 조사할 위치로 결정할 수 있다. 이하, 도 3을 참조하여, 조사 위치 결정 모듈(132)이 타겟 조직(10)에 초음파를 조사할 위치를 결정하는 방식을 설명한다.
도 3은 온도 제어부의 조사 위치 결정 모듈이 타겟 조직에 초음파를 조사할 위치를 결정하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 8mm X 8mm의 타겟 조직(10)이 표시되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 타겟 조직(10)은 16개의 균등한 크기의 영역으로 나누어볼 수 있는데, 각 영역의 중심에 초음파를 집속시켜 초점을 형성할 수 있다. 즉, 타겟 조직(10)은 A 영역 내지 P 영역 총 16개의 2mm X 2mm의 영역들로 나누어볼 수 있고, 각 영역들의 중심에는 a 초점 내지 p 초점 총 16개의 초점들이 형성될 수 있다. 각 영역은 각 영역의 중심에 위치하는 초점에 집속되는 초음파의 영향을 주로 받게 된다. 즉, a 초점에 초음파가 집속되는 경우, A 영역이 초음파에 의한 열 에너지를 주로 받게 되고, 이에 따라 A 영역의 온도가 상승하게 된다.
온도 제어부(130)의 조사 위치 결정 모듈(132)은 타겟 조직(10)에 대해 초음파가 집속되는 복수 개의 초점의 위치들 중 적어도 하나를 초음파를 조사할 위치로 결정할 수 있다.
조사 위치 결정 모듈(132)은 복수 개의 초점의 위치들 각각의 온도를 고려하여 초음파를 조사할 위치를 결정할 수 있다. 예를 들어, 조사 위치 결정 모듈(132)은 복수 개의 초점의 위치들 각각의 온도 중 가장 낮은 온도를 갖는 초점의 위치를 초음파를 조사할 위치로 결정할 수 있다. 즉, 목표 온도가 42℃라고 할 때, a 초점 내지 o 초점의 온도가 모두 40℃이고, p 초점의 온도가 38℃이면, p 초점을 초음파를 조사할 위치로 결정할 수 있다.
조사 위치 결정 모듈(132)은 복수 개의 초점의 위치들 각각에 대하여, 각 초점 위치로부터 타겟 조직(10)의 임의의 위치까지의 거리에 가중치를 반영한 타겟 조직(10)의 평균 온도를 고려하여 초음파를 조사할 위치를 결정할 수도 있다. 예를 들어, 조사 위치 결정 모듈(132)은 각 초점 위치로부터 타겟 조직(10)의 임의의 위치까지의 거리가 멀수록 낮은 가중치를 부여하여 타겟 조직(10)의 평균 온도를 계산하고, 이를 고려하여 초음파를 조사할 위치를 결정할 수 있다. 이때, 조사 위치 결정 모듈(132)은 각 초점이 포함된 영역 이외의 위치에 대해서는 가중치를 0을 부여하고, 각 초점이 포함된 영역 이내의 위치에 대해서만 거리에 따른 가중치를 반영하여 각 영역별 평균 온도를 계산함으로써, 초음파를 조사할 위치를 결정할 수도 있다. 즉, a 초점은 a 초점으로부터 A 영역 내의 임의의 위치에 대한 거리에 따른 가중치를 부여하여 계산한 가중 평균 온도를 기준으로 하고, b 초점 내지 p 초점 역시 이와 같은 방식으로 계산한 각각의 가중 평균 온도를 기준으로 하여, 초음파를 조사할 위치를 결정할 수 있다.
조사 위치 결정 모듈(132)은 동시에 두 개 이상의 초점을 초음파를 조사할 위치로 결정할 수도 있다. 즉, 위에서 언급한 방식에 의할 때, 적어도 두 개의 초점이 같은 값을 갖는 경우 그 초점들 모두를 초음파를 조사할 위치로 결정할 수 있다. 예를 들어, a 초점 내지 p 초점 중 f 초점과 k 초점이 갖는 온도 또는 평균 온도가 가장 낮다면 f 초점과 k 초점 모두를 초음파를 조사할 위치로 결정할 수 있다. 뿐만 아니라, 위에서 언급한 방식에 따라 최선순위의 초점과 차순위의 초점으로 판단된 경우, 최선순위의 초점과 차순위의 초점 모두를 초음파를 조사할 위치로 결정할 수도 있다. 예를 들어, a 초점 내지 p 초점 중 g 초점이 갖는 온도 또는 평균 온도가 가장 낮고, j 초점이 갖는 온도 또는 평균 온도가 그 다음으로 낮은 경우, g 초점과 j 초점 모두를 초음파를 조사할 위치로 결정할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 조사 세기 결정 모듈(134)은 목표 온도와 조사 위치 결정 모듈(132)에서 결정된 위치에 대해 측정된 온도에 기초하여, 결정된 위치에 대한 초음파 조사 세기를 결정한다. 이때, 생체열전달 모델(bio heat transfer model)을 이용하여 조사 위치 결정 모듈(132)에서 결정된 위치에 대한 초음파 조사 세기를 결정할 수 있다.
생체열전달 모델(bio heat transfer model)은 어떤 조직의 온도가 변화하는 모습을 수학적으로 표현한 것으로서, 다음 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
여기서
Figure pat00002
는 조직의 밀도(density)이고,
Figure pat00003
는 조직의 비열(specific heat)이다.
Figure pat00004
는 조직 내 위치
Figure pat00005
에서 시간
Figure pat00006
일 때의 온도이고,
Figure pat00007
는
Figure pat00008
의 시간에 대한 변화량으로서 시간
Figure pat00009
에 대한 1차 미분 값을 의미하고,
Figure pat00010
는
Figure pat00011
의 위치에 대한 변화량으로서 위치
Figure pat00012
에 대한 2차 공간 미분 값을 의미한다.
Figure pat00013
는 조직의 열전도도(thermal conductivity)이고,
Figure pat00014
는 조직 내 혈류의 관류량(perfusion rate)이며,
Figure pat00015
는 조직 내 혈류의 비열(specific heat)이고,
Figure pat00016
는 조직 내 혈류의 온도(temperature)이다.
Figure pat00017
는 외부로부터 조직 내
Figure pat00018
위치에
Figure pat00019
시간 일 때 가해지는 열이다.
외부로부터 조직 내
Figure pat00020
위치에
Figure pat00021
시간 일 때 가해지는 열(
Figure pat00022
)은 다양한 열 발생장치를 이용하여 인가할 수 있다. 예를 들어, 초음파를 조사하여 조직에 열을 가할 수 있는데, 이때, 초음파를 조사하여 조직에 가하는 열(
Figure pat00023
)은 다음 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00024
여기서,
Figure pat00025
는 흡수 계수(absorption coefficients)이고,
Figure pat00026
는 초음파의 주파수(frequency)이며,
Figure pat00027
는 초음파 조사 세기(intensity)이다.
초음파를 조사하여 조직에 열을 가하는 경우, 수학식 1과 수학식 2를 이용하면, 초음파 조사 세기는 다음과 같은 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00028
본 발명의 일 실시예에 따른 온도 제어 장치(100)에서는 수학식 3의
Figure pat00029
의 시간에 대한 변화량으로서 시간
Figure pat00030
에 대한 1차 미분 값을 의미하는
Figure pat00031
의 값으로써, 목표 온도와 측정된 온도의 차이 값을 적용하여 목표 온도가 되도록 하는 초음파 조사 세기를 결정할 수 있다. 이때, 온도 제어 장치(100)의 온도 제어부(130)는 약물의 목표 방출량이 방출될 수 있는 목표 온도를 약물 방출 조절부(170)로부터 입력받고, 타겟 조직(10)에 대해 측정된 온도를 온도 측정부(110)로부터 입력받아, 타겟 조직(10)의 온도를 목표 온도로 제어하기 위한 초음파 조사 세기를 결정할 수 있다.
조사 세기 결정 모듈(134)은 초음파를 조사할 위치가 적어도 두 개인 경우, 결정된 위치에 대해 측정된 온도들 중 목표 온도에 가장 가까운 온도에 기초하여, 결정된 위치에 대한 초음파 조사 세기를 결정할 수 있다. 예를 들어, 목표 온도가 42℃라고 할 때, a 초점 내지 n 초점의 온도가 모두 40℃이고, o 초점의 온도가 37℃, p 초점의 온도가 38℃이면, p 초점의 온도인 38℃를 n 초점과 o 초점에 대해 조사할 초음파 조사 세기를 결정하는데 적용할 수 있다. 이는, 조사 위치 결정 모듈(132)에서 초음파를 조사할 위치로 두 개를 결정한 경우, 두 위치의 온도 또는 평균 온도가 같다면 생체열전달 모델(bio heat transfer model)에 적용할 측정 온도 값이 하나이므로 바로 그 값을 적용하면 되나, 최선순위의 위치와 차순위의 위치 모두를 초음파를 조사할 위치로 결정한 경우라면 차순위의 위치가 갖는 온도 또는 평균 온도를 생체열전달 모델(bio heat transfer model)에 적용할 측정 온도 값으로 적용하여 초음파 조사 세기를 결정할 수 있다. 이는 결정된 초음파 조사 세기의 초음파를 두 개의 위치에 조사하더라도 어느 한쪽이 목표 온도를 초과하여 상회하는 문제가 발생되지 않도록 하기 위함이다. 목표 온도를 초과하는 경우, 타겟 조직(10)이 파괴될 수 있기 때문이다.
한편, 조사 위치 결정 모듈(132)도 생체열전달 모델(bio heat transfer model)을 이용하여 초음파 조사 위치를 결정할 수 있다. 조사 위치 결정 모듈(132)은 타겟 조직(10)에 대해 측정된 온도와 소정의 조사 세기의 초음파를 생체열전달 모델(bio heat transfer model)에 적용하여 타겟 조직(10)의 온도 분포를 미리 예측해봄으로써, 초음파를 조사할 위치를 결정할 수 있다. 즉, 초음파가 타겟 조직(10)의 어느 위치에 집속되면 열확산에 의해 열이 주변으로 전달되는데, 이러한 열확산을 고려하여 생체열전달 모델(bio heat transfer model)을 이용함으로써, 타겟 조직(10)의 온도 분포를 예측하고 최적의 위치를 결정할 수 있다.
조사 위치 결정 모듈(132)에서 결정된 초음파 조사 위치와 조사 세기 결정 모듈(134)에서 결정된 초음파 조사 세기는 초음파 조사부(150)에 전달되며, 초음파 조사부(150)는 이를 반영하여, 결정된 초음파 조사 세기를 갖는 초음파를 발생시켜 결정된 초음파 조사 위치에 조사할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 제어 장치의 약물 방출 조절부를 설명하기 위한 도면이다. 도 4에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 더 포함될 수 있음을 본 발명과 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.
앞에서 설명한 바와 같이 온도 제어부(130)는 약물의 목표 방출량이 방출될 수 있는 목표 온도를 이용하여 초음파 조사 세기를 결정할 수 있는데, 이러한 목표 온도를 약물 방출 조절부(170)로부터 전달받을 수 있다. 약물 방출 조절부(170)는 약물 방출량 추정 모듈(172)와 목표 온도 설정 모듈(174)을 포함할 수 있다.
약물 방출량 추정 모듈(172)은 조직의 온도 및 초음파 조사 시간에 따른 약물 방출량 데이터로부터 온도 측정부(110)에서 측정된 온도와 측정된 초음파 조사 시간에서 타겟 조직(10)에 전달된 약물 방출량을 추정할 수 있다. 약물 방출량 데이터는 조직의 종류 또는 약물을 타겟 조직(10)까지 전달해주는 약물 전달체(20)의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 전에 미리 획득하여 온도 제어 장치(100)에 저장해 둘 수 있다.
목표 온도 설정 모듈(174)은 약물 방출량 추정 모듈(172)에서 추정된 약물 방출량에 기초하여, 목표 방출량의 약물을 방출할 수 있는 목표 온도를 설정할 수 있다. 이때, 목표 온도 설정 모듈(174)은 약물 방출량 추정 모듈(172)에 의해 추정된, 타겟 조직(10)에 전달된 약물 방출량을 이용하여 약물 방출량 추정 모듈(172)에서 사용한 약물 방출량 데이터로부터 목표 온도를 역으로 추정해 낼 수 있다.
목표 온도는 타겟 조직(10)이 파괴되지 않도록 생체 조직에 안전을 보장할 수 있는 소정의 범위 내에서의 온도로 설정될 수 있다. 즉, 목표 온도는 소정의 범위 내의 온도 중에서 목표 방출량의 약물을 방출할 수 있는 온도와 가장 근접한 온도일 수 있다.
도 5는 약물 방출 조절부가 이용하는 온도와 초음파 조사 시간에 따른 약물 방출량 데이터를 설명하기 위한 도면이다. 약물 방출량 데이터는 도 5에 도시된 바와 같은 온도 및 초음파 조사 시간에 따른 약물 방출량을 나타내는 그래프일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 제어 장치(100)는 타겟 조직(10)에 전달되는 약물의 방출량을 조절하기 위해 이와 같은 약물 방출량 데이터에 기초하여, 타겟 조직(10)의 온도를 제어할 수 있다.
타겟 조직(10)이 종양과 같은 병변을 포함하고 있는 경우, 항암제와 같은 약물을 타겟 조직(10)에 전달하기 위해 약물 전달체(20)를 사용할 수 있다. 약물 전달체(20)에 의해 약물이 타겟 조직(10)에 도달하면, 약물이 타겟 조직(10)의 종양과 같은 병변에 흡수될 수 있도록 약물 전달체(20)를 파괴하여 약물 전달체(20)로부터 약물을 방출시킬 수 있다. 예를 들어, 열에 의해 활성화되는(thermoactivated) 약물 전달체(20)를 이용하면, 항암제와 같은 약물을 타겟 조직(10)에 전달한 후, 타겟 조직(10)에 초음파를 조사하여 열을 발생시킴으로써, 파괴된 약물 전달체(20)로부터 방출된 약물이 타겟 조직(10)에만 흡수되도록 할 수 있다. 약물의 방출량은 타겟 조직(10)의 온도와 타겟 조직(10)에 초음파를 조사한 시간에 따라 다를 수 있다.
도 5에 도시된 그래프는 타겟 조직의 온도 및 초음파 조사 시간에 따른 약물 방출량을 나타내는 약물 방출량 데이터이다. 가로 축은 초음파가 조사된 시간을 나타내고, 세로 축은 약물(항암제의 일종인 독소루비신(doxorubicin, DOX))의 방출량을 나타내며, 복수 개의 온도 각각에 대한 약물 방출량 데이터를 표시하고 있다. 이와 같은 약물 방출량 데이터는 조직의 종류 또는 약물을 타겟 조직(10)까지 전달해주는 약물 전달체(20)의 종류에 따라 다를 수 있으므로, 약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 전에 미리 획득하여 온도 제어 장치(100)에 저장해 둘 수 있다.
도 5를 참조하면, 타겟 조직(10)에 대해 측정된 온도가 37℃이고, 초음파 조사 후 30초가 경과된 때, 약물 방출량은 약 30%임을 확인할 수 있다. 즉, 타겟 조직(10)에 대한 약물 방출량 데이터를 사전에 미리 획득해두면, 이로부터 타겟 조직(10)에 대해 측정된 온도와 초음파가 조사된 시간을 이용하여 약물 방출량을 추정할 수 있다. 또한, 약물의 목표 방출량이 70% 이상인 경우, 20초의 초음파 조사 시간으로 약물의 목표 방출량이 방출될 수 있도록 하려면 타겟 조직(10)의 온도가 적어도 약 43℃이어야 함을 알 수 있다. 즉, 현재 추정된 약물 방출량에 기초하여 약물의 목표 방출량을 구한 경우, 그 목표 방출량의 약물을 방출할 수 있는 목표 온도를 약물 방출량 데이터로부터 추정함으로써, 목표 온도를 설정할 수 있다. 다만, 목표 온도는 타겟 조직(10)의 안전을 보장할 수 있는 소정의 범위 내의 온도 중에서 목표 방출량의 약물을 방출할 수 있는 온도와 가장 근접한 온도로 설정되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 온도 제어 장치(100)는 이와 같은 방식을 이용하여, 약물 방출 조절부(170)의 약물 방출량 추정 모듈(172)에서 약물의 방출량을 추정하거나, 약물 방출 조절부(170)의 목표 온도 설정 모듈(174)에서 목표 방출량의 약물을 방출할 수 있는 목표 온도를 설정할 수 있다. 이와 같은 경우, 약물 전달체(20)의 크기가 초음파 영상에서 육안으로 식별할 수 없을 정도의 크기(예를 들어, 수십 내지 수백 nanometer)라 하더라도, 타겟 조직(10)의 온도 및 초음파 조사 시간을 이용하여, 타겟 조직(10)에 전달된 약물의 방출량을 추정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 이하 생략된 내용이라 하더라도 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 제어 장치(100)에 관하여 이상에서 기술한 내용은 약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 방법에도 그대로 적용될 수 있다.
610 단계에서, 온도 제어 장치(100)는 타겟 조직(10)의 온도와 초음파가 조사된 시간을 측정한다. 이때, 타겟 조직(10)의 온도는 타겟 조직(10) 전체 영역에 대한 평균 온도이거나, 타겟 조직(10)에서 가장 넓은 온도 분포를 가지는 온도이거나, 타겟 조직(10) 내의 임의의 지점에 대한 온도일 수 있으며, 온도 측정부(110)에서 타겟 조직(10)의 온도를 측정할 수 있다. 초음파가 조사된 시간은 초음파 조사부(150)에서 초음파가 조사된 후부터 경과된 시간을 측정하여 구할 수 있으며, 예를 들어, 온도 제어 장치(100) 내의 리얼 타임 클록(real time clock)을 이용할 수 있다.
620 단계에서, 온도 제어 장치(100)의 약물 방출 조절부(170)는 온도 측정부(110)에서 측정된 온도와 초음파가 조사된 시간을 이용하여 타겟 조직(10)에 대한 목표 온도를 설정함으로써, 타겟 조직(10)에 전달되는 약물의 방출량을 조절할 수 있다. 즉, 타겟 조직(10)에 약물을 전달하기 위해 열에 의해 활성화되는(thermoactivated) 약물 전달체(20)를 이용하는 경우, 타겟 조직(10)의 온도를 제어함으로써 타겟 조직(10)에 전달되는 약물의 방출량을 조절할 수 있다. 이하, 도 7을 이용하여, 타겟 조직(10)에 전달되는 약물의 방출량을 조절하는 단계에 대해 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 방법에서, 타겟 조직에 전달되는 약물의 방출량을 조절하는 단계에 관한 상세 흐름도이다.
710 단계에서, 약물 방출 조절부(170)의 약물 방출량 추정 모듈(172)은 조직의 온도 및 초음파 조사 시간에 따른 약물 방출량 데이터로부터 온도 측정부(110)에서 측정된 온도와 초음파가 조사된 시간에서 타겟 조직(10)에 전달된 약물 방출량을 추정할 수 있다. 타겟 조직(10)에 약물을 전달하기 위해 열에 의해 활성화되는(thermoactivated) 약물 전달체(20)를 이용하는 경우, 타겟 조직(10)의 온도 및 초음파 조사 시간에 따른 약물 방출량을 나타내는 미리 마련된 약물 방출량 데이터로부터 측정된 온도와 측정된 시간에서의 약물 방출량을 추정할 수 있다. 특히, 약물 전달체(20)가 초음파 영상에서 육안으로 식별할 수 없는 크기여서, 약물 전달체(20)의 파괴 여부가 확인이 불가능한 경우, 이러한 추정을 통하여 타겟 조직(10)에 전달된 약물의 방출량을 추정할 수 있다.
720 단계에서, 약물 방출 조절부(170)의 목표 온도 설정 모듈(174)은 추정된 약물 방출량에 기초하여, 목표 방출량의 약물을 방출할 수 있는 목표 온도를 설정할 수 있다. 즉, 약물 방출량 추정 모듈(172)에서 추정된 약물 방출량에 기초하여 약물의 목표 방출량을 정한 경우, 그 목표 방출량의 약물을 방출할 수 있는 목표 온도를 약물 방출량 데이터로부터 추정함으로써, 목표 온도를 설정할 수 있다. 이때, 설정된 목표 온도는 타겟 조직(10)의 안전을 보장할 수 있는 소정의 범위 내의 온도 중에서 목표 방출량의 약물을 방출할 수 있는 온도와 가장 근접한 온도일 수 있다.
다시 도 6을 참조하면, 630 단계에서, 온도 제어부(130)는 약물 방출 조절부(170)에 의해 설정된 목표 온도와 온도 측정부(110)에서 측정된 온도에 기초하여, 타겟 조직(10)에 대한 초음파 조사 세기(intensity)를 결정한다. 이때, 약물 방출 조절부(170)에 의해 설정된 목표 온도와 온도 측정부(110)에서 측정된 온도의 차이를 생체열전달 모델(bio heat transfer model)에 적용하여 초음파 조사 세기를 결정할 수 있다. 이하, 도 8을 이용하여, 초음파 조사 세기를 결정하는 단계에 대해 상세히 설명한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 방법에서, 초음파 조사 세기를 결정하는 단계에 관한 상세 흐름도이다.
810 단계에서, 온도 제어부(130)의 조사 위치 결정 모듈(132)은 타겟 조직(10)에 초음파를 조사할 위치를 결정할 수 있다. 예를 들어, 조사 위치 결정 모듈(132)은 타겟 조직(10)에 대해 초음파가 집속되는 복수 개의 초점의 위치들 각각의 온도를 고려하여, 복수 개의 초점의 위치들 중 적어도 하나를 초음파를 조사할 위치로 결정할 수 있다. 또 다른 예를 들어, 조사 위치 결정 모듈(132)은 타겟 조직(10)에 대해 초음파가 집속되는 복수 개의 초점의 위치들 각각에 대하여, 각 초점 위치로부터 타겟 조직(10)의 임의의 위치까지의 거리에 가중치를 반영한 타겟 조직(10)의 평균 온도를 고려하여 초음파를 조사할 위치를 결정할 수도 있다.
820 단계에서, 온도 제어부(130)의 조사 세기 결정 모듈(134)은 약물 방출 조절부(170)에서 설정된 목표 온도와 조사 위치 결정 모듈(132)에서 결정된 위치에 대해 측정된 온도에 기초하여, 조사 위치 결정 모듈(132)에서 결정된 위치에 대한 초음파 조사 세기를 결정할 수 있다. 만약, 초음파를 조사할 위치가 적어도 두 개인 경우, 조사 세기 결정 모듈(134)은 조사 위치 결정 모듈(132)에서 결정된 위치에 대해 측정된 온도들 중 약물 방출 조절부(170)에서 설정된 목표 온도에 가장 가까운 온도에 기초하여, 조사 위치 결정 모듈(132)에서 결정된 위치에 대한 초음파 조사 세기를 결정할 수 있다.
다시 도 6을 참조하면, 640 단계에서, 초음파 조사부(150)는 온도 제어부(130)의 조사 세기 결정 모듈(134)에서 결정된 초음파 조사 세기의 초음파를 타겟 조직(10)에 조사한다. 온도 제어부(130)의 조사 위치 결정 모듈(132)에서 결정된 초음파 조사 위치와 조사 세기 결정 모듈(134)에서 결정된 초음파 조사 세기는 초음파 조사부(150)에 전달되며, 초음파 조사부(150)는 이를 반영하여, 결정된 초음파 조사 세기를 갖는 초음파를 발생시켜 결정된 초음파 조사 위치에 조사할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 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 할 것이다.
100 ... 온도 제어 장치
110 ... 온도 측정부
130 ... 온도 제어부
132 ... 조사 위치 결정 모듈
134 ... 조사 세기 결정 모듈
150 ... 초음파 조사부
170 ... 약물 방출 조절부
172 ... 약물 방출량 추정 모듈
174 ... 목표 온도 설정 모듈

Claims (20)

  1. 타겟 조직의 온도와 초음파가 조사된 시간을 측정하는 단계;
    상기 측정된 온도와 측정된 시간을 이용하여 상기 타겟 조직에 대한 목표 온도를 설정함으로써, 상기 타겟 조직에 전달되는 약물의 방출량을 조절하는 단계;
    상기 설정된 목표 온도와 상기 측정된 온도에 기초하여, 상기 타겟 조직에 대한 초음파 조사 세기(intensity)를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 초음파 조사 세기의 초음파를 상기 타겟 조직에 조사하는 단계;
    를 포함하는 약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 약물은 열에 의해 활성화되는(thermoactivated) 약물 전달체에 의해 상기 타겟 조직에 전달되는 약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 약물 전달체는 초음파 영상에서 육안으로 확인할 수 없는 크기인 약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 약물의 방출량을 조절하는 단계는,
    조직의 온도 및 초음파 조사 시간에 따른 약물 방출량 데이터로부터 상기 측정된 온도와 측정된 시간에서 상기 타겟 조직에 전달된 약물 방출량을 추정하는 단계; 및
    상기 추정된 약물 방출량에 기초하여, 목표 방출량의 약물을 방출할 수 있는 목표 온도를 설정하는 단계;
    를 포함하는 약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 설정된 목표 온도는 상기 타겟 조직의 안전을 보장할 수 있는 소정의 범위 내의 온도 중에서 상기 목표 방출량의 약물을 방출할 수 있는 온도와 가장 근접한 온도인 약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 초음파 조사 세기를 결정하는 단계는,
    상기 설정된 목표 온도와 상기 측정된 온도의 차이를 생체열전달 모델(bio heat transfer model)에 적용하여 상기 초음파 조사 세기를 결정하는 약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 타겟 조직에 초음파를 조사할 위치를 결정하는 단계;
    를 더 포함하고,
    상기 초음파 조사 세기를 결정하는 단계는,
    상기 설정된 목표 온도와 상기 결정된 위치에 대해 측정된 온도에 기초하여, 상기 결정된 위치에 대한 초음파 조사 세기를 결정하는 약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 초음파를 조사할 위치를 결정하는 단계는,
    상기 타겟 조직에 대해 초음파가 집속되는 복수 개의 초점의 위치들 각각의 온도를 고려하여, 상기 복수 개의 초점의 위치들 중 적어도 하나를 상기 초음파를 조사할 위치로 결정하는 약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 초음파를 조사할 위치를 결정하는 단계는,
    상기 타겟 조직에 대해 초음파가 집속되는 복수 개의 초점의 위치들 각각에 대하여, 상기 각 초점 위치로부터 상기 타겟 조직의 임의의 위치까지의 거리에 가중치를 반영한 상기 타겟 조직의 평균 온도를 고려하여 상기 초음파를 조사할 위치를 결정하는 약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 초음파 조사 세기를 결정하는 단계는,
    상기 초음파를 조사할 위치가 적어도 두 개인 경우, 상기 결정된 위치에 대해 측정된 온도들 중 상기 설정된 목표 온도에 가장 가까운 온도에 기초하여, 상기 결정된 위치에 대한 초음파 조사 세기를 결정하는 약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 방법.
  11. 초음파를 타겟 조직에 조사하는 초음파 조사부;
    상기 타겟 조직의 온도를 측정하는 온도 측정부;
    상기 측정된 온도와 상기 초음파가 조사된 시간을 이용하여 상기 타겟 조직에 대한 목표 온도를 설정함으로써, 상기 타겟 조직에 전달되는 약물의 방출량을 조절하는 약물 방출 조절부; 및
    상기 설정된 목표 온도와 상기 측정된 온도에 기초하여, 상기 타겟 조직에 대한 초음파 조사 세기(intensity)를 결정하는 온도 제어부;
    를 포함하고,
    상기 초음파 조사부는 상기 결정된 초음파 조사 세기의 초음파를 상기 타겟 조직에 조사하는 온도 제어 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 약물은 열에 의해 활성화되는(thermoactivated) 약물 전달체에 의해 상기 타겟 조직에 전달되는 온도 제어 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 약물 전달체는 초음파 영상에서 육안으로 확인할 수 없는 크기인 온도 제어 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 약물 방출 조절부는,
    조직의 온도 및 초음파 조사 시간에 따른 약물 방출량 데이터로부터 상기 측정된 온도와 측정된 시간에서 상기 타겟 조직에 전달된 약물 방출량을 추정하고, 상기 추정된 약물 방출량에 기초하여, 목표 방출량의 약물을 방출할 수 있는 목표 온도를 설정하는 온도 제어 장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 설정된 목표 온도는 상기 타겟 조직의 안전을 보장할 수 있는 소정의 범위 내의 온도 중에서 상기 목표 방출량의 약물을 방출할 수 있는 온도와 가장 근접한 온도인 온도 제어 장치.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 온도 제어부는,
    상기 설정된 목표 온도와 상기 측정된 온도의 차이를 생체열전달 모델(bio heat transfer model)에 적용하여 상기 초음파 조사 세기를 결정하는 온도 제어 장치.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 온도 제어부는,
    상기 타겟 조직에 초음파를 조사할 위치를 결정하는 조사 위치 결정 모듈; 및
    상기 설정된 목표 온도와 상기 결정된 위치에 대해 측정된 온도에 기초하여, 상기 결정된 위치에 대한 초음파 조사 세기를 결정하는 조사 세기 결정 모듈;
    을 포함하는 온도 제어 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 조사 위치 결정 모듈은,
    상기 타겟 조직에 대해 초음파가 집속되는 복수 개의 초점의 위치들 각각의 온도를 고려하여, 상기 복수 개의 초점의 위치들 중 적어도 하나를 상기 초음파를 조사할 위치로 결정하는 온도 제어 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 조사 위치 결정 모듈은,
    상기 타겟 조직에 대해 초음파가 집속되는 복수 개의 초점의 위치들 각각에 대하여, 상기 각 초점 위치로부터 상기 타겟 조직의 임의의 위치까지의 거리에 가중치를 반영한 상기 타겟 조직의 평균 온도를 고려하여 상기 초음파를 조사할 위치를 결정하는 온도 제어 장치.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 조사 세기 결정 모듈은,
    상기 초음파를 조사할 위치가 적어도 두 개인 경우, 상기 결정된 위치에 대해 측정된 온도들 중 상기 설정된 목표 온도에 가장 가까운 온도에 기초하여, 상기 결정된 위치에 대한 초음파 조사 세기를 결정하는 온도 제어 장치.
KR1020140017523A 2014-02-14 2014-02-14 약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 방법 및 이를 이용한 온도 제어 장치 KR20150096273A (ko)

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KR1020140017523A KR20150096273A (ko) 2014-02-14 2014-02-14 약물 방출을 위한 조직의 온도 제어 방법 및 이를 이용한 온도 제어 장치

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117452992A (zh) * 2023-10-30 2024-01-26 北京人卫中药饮片有限公司 一种电磁炒药机温度控制方法及系统
CN117452992B (zh) * 2023-10-30 2024-05-31 北京人卫中药饮片有限公司 一种电磁炒药机温度控制方法及系统

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