KR20150102470A - 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극 시스템 - Google Patents

헬멧형 저강도 초음파 집속 자극 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로 본 발명에 따른 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극시스템은 초음파를 생성하는 트랜스 듀서와, 환자의 두부에 장착되고, 상기 트랜스 듀서가 상기 환자의 두부 상에서 위치이동이 가능하도록 지지하는 지지부를 포함하는 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치; 상기 트랜스 듀서의 초기 좌표를 설정하는 위치 설정수단; 상기 트랜스 듀서의 초기 좌표를 기준으로 위치제어를 수행하고, 상기 트랜스 듀서에 의하여 생성되는 초음파의 자극 세기, 자극 시간, 자극 회수 및 자극 주기 중 적어도 어느 하나를 포함하는 초음파 작극 방법에 따른 제어를 수행하는 시퀀스 제어수단; 상기 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치에 고정되고, 상기 환자의 두부에 부착된 제3 마커를 촬영하는 적어도 하나 이상의 광학 카메라; 및 상기 광학 카메라에 의하여 촬영된 이미지 상의 상기 제3 마커의 위치 변화를 기반으로 상기 환자의 두부에 대한 상기 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치의 위치 변경 정보를 획득하는 위치 보정수단;을 포함한다.

Description

헬멧형 저강도 초음파 집속 자극 시스템{Helmet type stimulating system using low intensity ultrasonic focused}
본 발명은 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 집속 초음파를 이용하여 이용자의 두부(頭部)에 자극을 주는 장치에 관한 것이다.
뇌기능을 조절하기 위해서는 약물을 통한 뇌세포 활성화 방식, 탐침을 이용한 전기적 자극 방식 및 경두개 자기자극(Transcranial magnetic stimulation)방식 등을 들 수 있다.
그러나 약물을 통한 뇌세포 활성화 방식의 경우 약물로는 원하는 특정부위만을 조절하는 것이 불가능한 문제가 있으며, 탐침을 이용한 전기적 자극의 경우 뇌수술에 사용되는 뇌파도(Electrocorticogram)나 뇌심부 자극술(Deep brain stimulation: DBS)로 뇌의 특정위치에 탐침을 이식 또는 삽입하여 전기자극을 주어 뇌의 기능을 일시적으로나 영구적으로 변환시키는 것이 가능하나 침습적 방식에 따른 위험성이 뒤 따른다. 또한 경두개 자기자극 방식은 뇌기능을 조절하는 비침습식인 방식으로서 두개골 외부에서 강한 자기장을 발생시켜 뇌피질에 유도전류를 흐르게 하여 뇌기능을 조정하는 방식이나, 이러한 경두개 자기자극장치는 비침습적으로 자극되는 뇌피질의 지역이 광범위(2㎝ ~ 3㎝ 이상)할 뿐 아니라, 두개골 및 1㎝ ~ 2㎝ 깊이의 뇌피질 표면에만 자극이 가능하고 더 깊은 뇌 속에 위치하는 지역에서는 자기장의 크기가 급격히 감소하여 정밀한 조절이 힘든 문제점이 있었다.
본 발명은 환자의 착용 상태가 다소 변하는 경우에도 이를 트래킹하여 트랜스 듀서의 위치제어에 반영함으로써 정밀한 초음파의 조사가 가능한 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극 시스템을 제공한다.
또한 본 발명은 외부 장치로부터 제공되는 MRI 영상 등을 이용하여 정밀한 초음파의 조사가 가능한 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극시스템은 초음파를 생성하는 트랜스 듀서와, 환자의 두부에 장착되고, 상기 트랜스 듀서가 상기 환자의 두부 상에서 위치이동이 가능하도록 지지하는 지지부를 포함하는 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치; 상기 트랜스 듀서의 초기 좌표를 설정하는 위치 설정수단; 상기 트랜스 듀서의 초기 좌표를 기준으로 위치제어를 수행하고, 상기 트랜스 듀서에 의하여 생성되는 초음파의 자극 세기, 자극 시간, 자극 회수 및 자극 주기 중 적어도 어느 하나를 포함하는 초음파 작극 방법에 따른 제어를 수행하는 시퀀스 제어수단; 상기 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치에 고정되고, 상기 환자의 두부에 부착된 제3 마커를 촬영하는 적어도 하나 이상의 광학 카메라; 및 상기 광학 카메라에 의하여 촬영된 이미지 상의 상기 제3 마커의 위치 변화를 기반으로 상기 환자의 두부에 대한 상기 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치의 위치 변경 정보를 획득하는 위치 보정수단;을 포함한다.
또한 뇌를 포함하는 표준 인체 두부의 부분별 3차원 상대좌표 데이터가 저장되는 브레인 맵 데이터 베이스; 및 CT, MRI 및 fMRI 중 선택된 어느 하나의 촬영방법을 수행하는 외부 장치로부터 상기 환자 두부의 영상 데이터를 전송받아 상기 브레인 맵 데이터 베이스에 저장된 표준 인체 두부의 3차원 상대좌표 값과 매칭시키는 매칭 수단;을 포함하고, 상기 위치 설정수단은 상기 매칭된 환자 두부의 영상 데이터의 좌표계와 상기 트랜스 듀서의 제어영역을 위한 좌표계를 연계하여 상기 트랜스 듀서의 초기 좌표를 설정할 수 있다.
또한 상기 매칭 수단은 상기 외부 장치로부터 상기 선택된 촬영방법에 의하여 감지가능한 제1 마커 복수개를 부착한 상기 환자 두부의 영상 데이터를 전송받고, 상기 광학 카메라는 상기 제1 마커의 위치에 구비되는 제2 마커를 촬영하고, 상기 위치 설정수단은 상기 제1 마커 및 상기 제2 마커의 위치를 기준으로 상기 매칭된 환자 두부의 영상 데이터의 좌표계와 상기 트랜스 듀서의 제어영역을 위한 좌표계를 연계할 수 있다.
또한 상기 위치 보정수단은 상기 광학 카메라에 의하여 촬영된 영상의 특정 프레임 간에 상기 제3 마커 중 기준마커로 선정된 어느 한 마커의 위치 변동에 따른 이동 거리를 산출하고, 기준마커로 선정되지 않은 다른 제3 마커 중 적어도 어느 하나 이상의 마커로부터 상기 기준마커를 중심으로 회전한 각도를 산출할 수 있다.
또한 상기 위치 보정수단은 상기 산출된 기준마커의 이동 거리 및 기준마커를 중심으로 한 회전 각도를 상기 위치 설정수단에 전송하고, 상기 위치 설정수단은 전송된 기준마커의 이동 거리 및 기준마커를 중심으로 한 회전 각도를 반영하여 상기 트랜스 듀서의 초기 좌표를 재설정할 수 있다.
또한 상기 위치 보정수단은 상기 산출된 기준마커의 이동 거리 및 기준마커를 중심으로 한 회전 각도를 상기 시퀀스 제어수단에 전송하고, 상기 시퀀스 제어수단은 상기 트랜스 듀서의 위치 제어 시 상기 전송된 기준마커의 이동 거리 및 기준마커를 중심으로 한 회전 각도를 반영할 수 있다.
또한 상기 제2 마커 및 상기 제3 마커는 광반사성일 수 있다.
또한 상기 제1 마커는 상기 환자의 정수리, 이마, 귀에 인접한 후두부에 각각 부착될 수 있다.
또한 상기 제2 마커는 적어도 상기 이마 및 상기 귀에 인접한 후두부 측에 각각 부착될 수 있다.
또한 상기 제2 마커는 상기 외부장치에 의한 영상촬영 후 상기 제1 마커 상에 부착될 수 있다.
또한 상기 제3 마커는 상기 제2 마커에서 둘 이상 선정되는 마커를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 착용 중에 환자가 움직이거나 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치에 외력이 작용하여 환자의 착용 상태가 다소 변하는 경우에도 이를 트래킹하여 트랜스 듀서의 위치제어에 반영함으로써 정밀한 초음파의 조사가 가능하다.
또한 본 발명에 따르면 외부 장치로부터 제공되는 CT, MRI 및 fMRI 등의 영상 등을 제공받아 표준 인체의 두부 상대좌표에 매칭함으로써 개개인의 특성을 반영하여 정밀한 초음파의 조사가 가능하도록 하는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따르면 매칭된 개인의 뇌구조에 대한 좌표와 트랜스 듀서의 제어를 위한 공간의 좌표계를 연계함으로써 정밀한 초음파의 조사가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치의 모습을 나타내는 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치의 모습을 나타내는 정면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치의 모습을 나타내는 측면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치의 일부를 절개한 모습을 나타내는 부분 절개 사시도이다.
도 5는 도 1의 A-A선을 잘라본 종단면도이다.
도 6은 초음파 모듈을 설명하기 위한 종단면도이다.
도 7은 도 6의 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치의 모습을 나타내는 측면도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치의 종방향 위치 제어 모습을 나타내는 사시도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치의 횡방향 위치 제어 모습을 나타내는 사시도이다.
도 10은 일 실시예에 따른 초음파 모듈의 거리 제어 모습을 나타내는 개략도이다.
도 11은 일 실시예에 따른 초음파 모듈의 거리 제어 모습을 나타내는 사디도이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 초음파 모듈이 구비된 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치의 모습을 나타내는 사시도이다.
도 13은 도 12의 실시예에 따른 초음파 모듈을 나타내는 단면도이다.
도 14는 일 실시예에 따른 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극 시스템의 모습을 나타내는 블록도이다.
도 15 및 도 16은 일 실시예 따른 제1 마커의 부착 위치를 나타내는 개략도이다.
도 17은 제3 마커가 부착된 고글의 모습을 나타내는 개략도이다.
도 18은 도 17의 고글을 환자가 착용한 모습을 나타내는 개략도이다.
도 19 및 도 20은 정면 및 측면의 제3 마커가 촬영되는 모습을 나타내는 개략도이다.
도 21 및 도 22는 제3 마커를 촬영한 연속 프레임의 일 예를 나타내는 개락도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다. 또한 각 실시예를 통하여 동일한 도면부호는 동일한 부재를 가리킨다. 한편, 도면상에서 표시되는 각 구성은 설명의 편의를 위하여 그 두께나 치수가 과장될 수 있으며, 실제로 해당 치수나 구성간의 비율로 구성되어야 함을 의미하지는 않는다.
도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치의 모습을 나타내는 사시도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치의 모습을 나타내는 정면도이며, 도 3은 일 실시예에 따른 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치의 모습을 나타내는 측면도이다. 또한 도 4는 일 실시예에 따른 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치의 일부를 절개한 모습을 나타내는 부분 절개 사시도이고, 도 5는 도 1의 A-A선을 잘라본 종단면도이며, 도 6은 초음파 모듈을 설명하기 위한 종단면도이다.
본 실시예에 따른 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치(100)는 지지부(10), 전달부(60), 제1 가이드부(20), 제2 가이드부(30) 및 초음파 모듈(40)을 포함한다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면, 지지부(10)는 다시 지지부 몸체(11), 종방향 연장암(13) 및 횡방향 연장암(15)을 포함한다. 지지부 몸체(11)는 원형의 띠 형상으로 형성되어 인체의 두부에 장착된다. 이 때 인체 두부 중 후두부의 초음파 조사 영역을 확보하기 위하여 후면측이 아래로 휘어진 형상으로 형성될 수 있다. 지지부 몸체(11)의 전면 및 후면에는 각각 방사상으로 종방향 연장암(13)이 연장형성된다. 또한 지지부 몸체(11)의 양 측면에는 각각 방사상으로 횡방향 연장암(15)이 연장형성된다.
제1 가이드부(20)는 제1 가이드부 몸체(21)를 구비한다. 제1 가이드부 몸체(21)는 호형으로 형성되며, 양 단부가 상술한 종방향 연장암(13)의 단부측에 고정된다. 제1 가이드부 몸체(21)의 일 측면에는 길이방향을 따라 절개된 제1 절개부(211)가 형성된다.
제2 가이드부(30)는 제2 가이드부 몸체(31)를 구비한다. 제2 가이드부 몸체(31)는 호형으로 형성되며, 양 단부가 상술한 횡방향 연장암(15)의 단부측에 회동가능하도록 고정된다. 즉, 제2 가이드부(30)는 회동축(151)을 중심으로 제 1가이드부(20)의 길이방향인 종방향으로 회동한다. 제2 가이드부 몸체(31)의 일 측면에는 길이방향을 따라 가이드홈(311)이 형성된다.
제2 가이드부(30)의 상부면 중앙측에는 연장부(33)가 형성된다. 연장부(33)는 제2 가이드부(30)의 상부면으로부터 상향 돌출된 형상으로 형성되며, 제1 가이드부(20)에 연결된 상태로 종방향으로 가이드됨으로써 제2 가이드부(30)를 종방향으로 회동시킨다.
도 4 및 도 5를 참조하여 설명하면, 제1 가이드부 몸체(21)의 내측에는 내측 공간부(23)가 형성된다. 내측 공간부(23)는 종 단면 상의 형상이 H형으로 형성된다. 내측 공간부(23)의 양 측 저면은 중앙부에 비하여 낮게 단차가 형성된 가이드 레일(231)이 형성되고, 가이드 레일(231)의 중앙부에는 렉 기어(233)가 형성된다.
한편, 연장부(33)의 내측에는 제1 모터(미도시)가 구비되어 있으며, 제1 모터로부터 연장된 제1 회전축(331)은 제1 절개부(211)를 통하여 상술한 내측 공간부(23) 내로 유입된다. 제1 회전축(331)은 제1 피니언 기어(39)에 연결된다. 제1 피니언 기어(39)는 양측에 상술한 가이드 레일(231)을 따라 회전하면서 이동가능하도록 원통형의 휠(391)이 형성되고, 휠(391)의 중앙부에는 반경이 휠(391)에 비하여 작게 형성되고 외주면에 기어 산이 형성된 기어부(393)가 구비된다. 기어부(393)는 내측 공간부(23)의 랙 기어(233)와 맞물린 상태로 회전하면서 이동하게 된다.
즉, 연장부(33) 내의 제1 모터가 회전하게 되면, 제1 피니언 기어(39)가 회전하게 된다. 제1 피니언 기어(39)가 회전하면, 제1 피니언 기어(39) 자체가 제1 랙 기어(233)를 따라 이동하게 됨으로써 연장부(33)가 제1 가이드부(20)의 길이 방향(D1 또는 D2)을 따라 이동하게 된다.
제2 가이드부(30)의 내측 구조 또한 제1 가이드부(20)의 내측 구조와 동일하다. 다만, 제2 가이드부(30)는 절개부가 형성되는 면의 타측에 상술한 가이드홈(311)이 더 형성된다는 점에서 차이가 있다. 가이드홈(311)는 초음파 모듈(40)가 충분히 지지되면서 이동가능하도록 구조적 안정성을 향상시키는 기능을 한다.
도 6을 참조하여 설명하면, 제2 가이드부(30) 또한 내측에 제2 피니언 기어(49)가 구비된다. 제2 피니언 기어(49)는 고정부(43) 내에 구비되는 제2 모터(432)와 회전축(431)으로 연결되어 있으며, 제2 모터(432)가 회전함에 따라 함께 회전하게 된다. 이와 같이 제2 피니언 기어(49)는 제1 피니언 기어(39)와 동일한 방식으로 제2 가이드부(30)의 길이방향, 즉 횡방향을 따라 이동하게 된다.
한편, 설명의 편의를 위하여 이하에서는 고정부(43), 거리 조절부(45) 및 트랜스 듀서(47)을 통칭하여 초음파 모듈이라 한다.
앞서 설명한 바와 같이 제2 가이드부(30)는 고정부(43)의 타측면에 가이드홈(313)이 형성된다. 고정부(43)의 하단에는 하향 연장형성되는 제3 랙기어(433)이 형성된다. 또한 제3 랙기어(433)의 상부로부터 제2 가이드부(30) 측으로 연장되는 고정부 연장암(435)이 형성되고, 고정부 연장암(435)는 제2 가이드부(30)의 하부를 지나도록 연장되며 상술한 가이드홈(313)에 수용되는 돌출부(4351)이 형성된다. 돌출부(4351)가 가이드홈(313)에 수용된 상태로 이동함으로써 고정부(43)의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.
거리 조절부(45)는 내측에 제3 피니언 기어(451) 및 제3 피니언 기어(451)와 회전축으로 연결되는 제3 모터(미도시)를 포함한다. 제3 모터가 회전하면, 제3 피니언 기어(451)가 회전하게 되고, 제3 피니언 기어(451)가 회전함에 따라 거리 조절부(45)가 제3 랙기어(433)를 따라 상하운동, 즉 본 실시예에 따른 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치의 내측 방향 또는 외측방향으로 이동하게 된다.
트랜스 듀서(47)는 전기를 진동 에너지로 변환하여 초음파를 생성한다. 트랜스 듀서(47)는 도면 상에서 아래 방향, 즉 본 실시예에 따른 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치의 내측 방향으로 초음파를 진행시킨다. 또한 트랜스 듀서(47)는 상술한 거리 조절부(45)에 고정되어 거리 조절부(45)가 이동하는 방향으로 함께 이동하게 된다.
도 7 내지 도 11을 참조하여 트랜스 듀서의 위치 제어 방법을 설명한다. 도 7은 도 6의 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치의 모습을 나타내는 측면도이고, 도 8은 일 실시예에 따른 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치의 종방향 위치 제어 모습을 나타내는 사시도이며, 도 9는 일 실시예에 따른 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치의 횡방향 위치 제어 모습을 나타내는 사시도이다. 또한 도 10은 일 실시예에 따른 초음파 모듈의 거리 제어 모습을 나타내는 개략도이고, 도 11은 일 실시예에 따른 초음파 모듈의 거리 제어 모습을 나타내는 사디도이다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 앞서 설명한 바와 같이 초음파 모듈(40)을 특정 위치, 예를 들어 특정 위도, 특정 경도 및 중심으로부터 특정 거리로 이동시키기 위해서 먼저 연장부(33)가 제1 가이드부(20)를 따라 종방향으로 이동하도록 제어한다. 이 때 초음파 모듈(40) 또한 제2 가이드부(30)에 고정된 상태로 종방향으로 이동하여, 특정 위도 상에 위치하게 된다.
이 후 도 9에 도시된 바와 같이 초음파 모듈(40)을 제2 가이드부(30)를 따라 횡방향으로 이동시킨다. 이 경우 초음파 모듈(40)은 상술한 특정 위도 상을 따라 이동하면서 제어하고자 하는 특정 경도상의 위치로 이동한다. 이 후 앞서 설명한 방식으로 초음파 모듈(40)을 제어하여 트랜스 듀서(47)의 높낮이, 즉 중심으로부터의 거리를 조절하게 된다.
도 10 및 도 11을 참조하여 구체적으로 설명하면, 트랜스 듀서(47)는 하강하여 전달부(60)에 접촉하게 된다. 초음파는 공기와 접촉하게 되면 반사되는 특성을 갖고 있기 때문에 초음파의 진행 경로 상에 공기가 끼어들지 못하도록 하여야 한다. 이러한 이유로 트랜스 듀서(47)는 전달부(60)에 밀착된다.
트랜스 듀서(47)로부터 생성된 초음파는 전달부(60) 및 전달부(60) 내측의 매개 물질, 예를 들면 디 가스 워터를 통하여 인체의 두부에 전달된다. 전달부(60)는 폴리 에틸렌과 같은 합성수지 재질로 형성될 수 있다.
도 12 및 도 13을 참조하여 다른 실시예에 따른 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치를 설명한다. 도 12는 다른 실시예에 따른 초음파 모듈이 구비된 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치의 모습을 나타내는 사시도이고, 도 13은 도 12의 실시예에 따른 초음파 모듈을 나타내는 단면도이다.
도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치는 전달부(60a)의 구성면에서 앞서 설명한 실시예와 차이가 있다. 즉, 앞서 설명한 전달부의 경우 인체의 두부에 직접 착용하는 방식이었다면, 본 실시예에 따른 전달부(60a)는 트랜스 듀서(47)에 부착되어 함께 이동한다는 점에서 차이가 있다.
구체적으로, 지지부(10)가 인체의 두부에 착용된 상태에서 앞서 설명한 실시예에서의 전달부는 착용하지 않는다. 다만, 트랜스 듀서(47)의 하단에 본 실시예에 따른 전달부(60a)가 부착된다. 전달부(60a)는 커플러(471)를 이용하여 트랜스 듀서(47)의 하단에 고정될 수 있다.
전달부(60a)는 트랜스 듀서(47)의 위치가 이동함에 따라 함께 이동한 후 트랜스 듀서(47)의 하강 시 함께 하강하여 인체의 두부에 접촉하게 된다. 한편, 전달부(60a)는 앞서 설명한 바와 동일하게 내측에 디 가스 워터와 같은 매개물질을 저장한다.
또한 동일한 방식으로 트랜스 듀서(47)로부터 생성된 초음파는 전달부(60a) 및 전달부(60a) 내의 매개물질을 통하여 인체의 두부로 진행한다.
도 14를 참조하여 일 실시예에 따른 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극 시스템을 설명한다. 도 14는 일 실시예에 따른 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극 시스템의 모습을 나타내는 블록도이다.
데이터 베이스(700)는 브레인맵 데이터 베이스(710)와 시퀀스 데이터 베이스(720)를 포함한다.
브레인 맵 데이터 베이스(710)는 뇌를 포함하는 표준 인체 두부의 부분별 3차원 상대좌표 값이 저장된다. 예를 들어 브레인 맵 데이터 베이스(710)는 표준으로 정한 인체의 두부 형상에서 특정 위치를 기준으로 한 각 부분 별 상대적인 좌표값이 저장될 수 있다.
시퀀스 데이터베이스(720)에는 초음파 자극방법과 해당 초음파 자극방법이 적용될 뇌의 특정 부분의 상대 좌표값을 포함한다. 이 때 초음파 자극방법이라 함은 초음파의 세기, 초음파 자극 시간, 초음파 자극의 회수 및 초음파 자극의 주기 등이 포함될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 이러한 초음파 자극방법 및 적용 부분에 대한 상대 좌표값의 세트를 시퀀스 데이터라 칭한다. 한편, 시퀀스 데이터에는 이러한 초음파 자극방법 및 적용 부분에 대한 상대 좌표값 세트 뿐 아니라 이러한 세트 들의 복수 개의 조합 또한 해당될 수 있다. 또한 시퀀스 데이터들은 특정 질병의 완화와 치료, 특정 통증의 완화와 치료 등의 특정 치료법에 대응하는 형식으로 저장될 수 있다.
예를 들면, 시퀀스 데이터 베이스에 저장되는 시퀀스 데이터는 손저림 현상을 치료하기 위하여 뇌의 제1 위치에 제1 세기의 초음파를 약 3초간 조사하고, 1초의 휴지기를 두는 방식으로 3회 실시하고, 제2 위치에 제2 세기의 초음파를 약 2초간 조사하고 2초의 휴지기를 두는 방식으로 2회 실시하는 것을 일련의 치료 시퀀스로 하여 저장할 수 있다.
제어부(800)는 매칭수단(810), 시퀀스 제어수단(820), 위치 보정수단(830) 및 위치 설정수단(840)을 포함한다.
매칭수단(810)은 CT, MRI 및 fMRI 등의 의료 촬영 장비로부터 특정 환자의 영상 데이터를 전송받아 브레인 맵 데이터 베이스(710)에 저장된 표준 인체의 두부 상대좌표값과 매칭시킨다. 이 때 매칭수단(800)은 CT, MRI 및 fMRI 등의 의료 촬영 장비에 의하여 감지될 수 있는 제1 마커를 부착한 상태의 환자 영상을 전송받는다.
인간의 뇌 구조는 개인마다 크기, 형상 등의 차이가 있기 때문에 표준 인체의 상대 좌표를 그대로 이용하여 초음파를 조사하는 경우 신뢰도가 떨어지게 된다. 따라서, CT, MRI 및 fMRI 등의 의료 촬영 장비로부터 촬영된 특정 환자의 두부의 영상과 브레인 맵 데이터 베이스(710)에 저장된 표준 인체의 두부 상대 좌표값을 매칭시켜서 개인에 최적화된 상대좌표 값을 산출한다.
시퀀스 제어수단(820)은 시퀀스 데이터들 중 어느 하나를 선택하여 시퀀스 데이터베이스에 저장된 해당 시퀀스 데이터에 대응하는 상대좌표 및 자극방법에 따라 앞서 설명한 트랜스 듀서의 위치를 제어하고 해당 위치에서 트랜스 듀서의 작동을 제어한다. 이 때 시퀀스 데이터들 중 어느 하나의 선택은 다양한 방법으로 이루어질 수 있다. 예를 들어 특정 환자의 식별번호를 입력하면, 해당 환자의 진료 기록을 조회하여 자동으로 특정 시퀀스 데이터를 선정하도록 하거나, 관리자의 조작에 따라 특정 시퀀스를 직접 선정하는 것도 가능하다.
시퀀스 제어수단(820)은 앞서 설명한 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치 중 제1 모터(332), 제2 모터(432) 및 제3 모터(452) 등의 위치 제어부(300)의 제어를 통하여 트랜스 듀서(47)의 위치를 제어한다.
위치 보정수단(830)은 광학 카메라(900)에 의하여 촬영된 이미지 상의 제3 마커의 위치 변화를 기반으로 환자의 두부에 대한 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치의 위치 변경 정보를 획득한다. 이 때 환자의 두부에 대한 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치의 위치 변경이란 환자가 움직이거나 외력에 의한 작용으로 환자가 착용하고 있는 헬멧이 비틀리는 것을 의미한다. 헬멧이 비틀리는 경우 트랜스 듀서(47)의 초기 위치가 변경됨으로써 정확도가 저하되는 문제점이 발생한다. 한편, 제3 마커 및 위치 변경 정보의 획득 방법은 이하에서 관련 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
위치 설정수단(840)은 트랜스 듀서(47)의 초기 좌표를 설정한다. 브레인 맵 데이터베이스(710)의 상대 좌표들이 형성하는 좌표계는 특정 위치를 중심으로 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치의 제어에 필요한 좌표계와 연계되어야 한다. 즉, 환자의 뇌 중 특정 부분에 자극이 필요한 경우 환자가 헬멧을 착용한 상태에서 트랜스 듀서의 초기 위치를 설정함으로써 해당 초기 위치를 환자의 뇌 좌표계에서의 특정 위치에 연계시켜야 한다.
광학 카메라(900)는 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치에 고정된 상태에서 환자의 두부에 부착된 제2 마커 및 제3 마커를 촬영한다.
한편, 이러한 데이터 베이스(700) 및 제어부(800)가 형성되는 위치에는 제한이 없다. 즉, 앞서 설명한 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극 시스템은 기계적 구성에 해당하는 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치와 구분하기 위한 명칭에 불과할 뿐 물리적인 구성을 구분하기 위한 것은 아니다. 데이터 베이스(700)와 제어부(800)는 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치와 일체형으로 형성되는 것도 가능하고, 별도의 장치에 구현되는 것도 가능하다.
도 15 내지 도 22을 참조하여 본 발명에 따른 마커들 및 마커들을 이용하여 트랜스 듀서의 위치를 제어하는 방법을 구체적으로 설명한다. 도 15 및 도 16은 일 실시예 따른 제1 마커의 부착 위치를 나타내는 개략도이고, 도 17은 제3 마커가 부착된 고글의 모습을 나타내는 개략도이다. 또한 도 18은 도 17의 고글을 환자가 착용한 모습을 나타내는 개략도이고, 도 19 및 도 20은 정면 및 측면의 제3 마커가 촬영되는 모습을 나타내는 개략도이며, 도 21 및 도 22는 제3 마커를 촬영한 연속 프레임의 일 예를 나타내는 개락도이다.
제2 마커(M2)는 대응하는 광학 카메라가 이용하는 광을 반사하는 광반사성 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어 적외선 카메라로부터 조사되는 적외선을 반사함으로써 적외선 카메라가 감지할 수 있도록 제2 마커(M2)는 적외선을 반사하는 재질로 형성될 수 있다. 일반적으로 모션 캡쳐 등에 이용되는 마커는 어느 방향에서도 균일한 반사가 가능하도록 구형의 마커를 이용하나, 본 실시예의 경우에는 광학 카메라와 마커 간의 위치 변동이 크지 않다는 점에서 반구형, 반원통형 등 균일한 곡면으로 돌출된 형상의 마커라면 모두 이용할 수 있다.
제2 마커(M2)는 예를 들어 도 15에 도시된 바와 같이 환자의 이마에 복수개 구비되고, 도 16에 도시된 바와 같이 양쪽 귀의 뒤, 즉 귀에 인접한 후두부 측에 부착될 수 있다.
한편, 제2 마커(M2)는 앞서 설명한 CT, MRI 및 fMRI 등의 의료 장비를 이용하여 환자의 두부 영상을 촬영할 때 부착했던 제1 마커의 위치에 부착하여야 한다. 본 실시예에서의 경우에는 제1 마커 또한 도 15 및 도 16에 도시된 제2 마커(M2)의 부착 위치를 포함하는 위치에 부착되었어야 한다. 제1 마커는 환자의 정수리, 이마, 귀에 인접한 후두부에 각각 부착되는 것이 바람직하므로, 제2 마커 또한 제1 마커의 위치에 따라 환자의 정수리, 이마, 귀에 인접한 후두부 등의 위치에 부착될 수 있으나, 본 실시예에 따른 광학 카메라에 의한 촬영이 용이하여야 하므로 정수리는 제외되는 것이 바람직하다.
앞서 설명한 바와 같이 매칭된 환자의 뇌의 좌표와 트랜스 듀서의 제어를 위한 좌표계는 특정 지점을 기준으로 서로 연계되어야 한다. 이 때 제1 마커 및 제2 마커가 두 좌표계를 연계시키는 특정 지점으로서 기능한다.
한편, 제3 마커는 위치 보정을 위한 용도로 이용된다. 제3 마커로는 앞서 설명한 제2 마커를 이용할 수 있다. 또한 제3 마커로는 환자에 부착된 별도의 마커를 이용할 수도 있으며, 도 17에 도시된 바와 같이 환자가 착용할 수 있는 고글(80) 상에 부착된 마커들(M3-1, M3-2)을 이용하는 것도 가능하다.
또한 도 18에 도시된 바와 같이 제2 마커(M2)와 함께 새로이 부착된 제3 마커(M3-1, M3-2)들을 위치 보정을 위한 용도로 함께 이용할 수도 있다.
한편, 광학 카메라(900-1, 900-2)는 도 19 및 도 20에 도시된 바와 같이 지지부(10)의 전면 및 양측면에 부착될 수 있다. 전면의 광학 카메라(900-1)는 고글(80) 상에 부착된 제3 마커(M3)나 환자의 이마에 부착된 제2 마커를 촬영할 수 있다. 또한 양 측면의 광학 카메라(900-2)는 환자의 귀측에 인접한 후두부에 부착된 제2 마커를 촬영할 수 있다.
제3 마커로는 적어도 둘 이상의 마커를 이용하여야 한다. 제3 마커 중 어느 하나(M3-1)는 특정 지점의 이동 거리를 산출하기 위한 기준 마커로 이용되며, 나머지 제3 마커들(M3-2)들은 기준 마커를 중심으로 한 회전 각도를 산출하기 위하여 이용된다.
앞서 설명한 바와 같이 위치 보정수단은 제3 마커를 연속적으로 촬영하여 제3 마커의 이동을 감지함으로써 환자가 착용한 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치의 비틀어짐에 의한 오차를 보정한다. 구체적으로 제3 마커는 도 21 및 도 22에 도시된 바와 같이 연속적으로 촬영된 프레임 간의 제3 마커의 위치 변동이 있는지의 여부를 판단하고, 변동이 있는 경우 제3 마커 중 기준 마커(M3-1)가 이동한 거리(R(a1, a2))와 나머지 제3 마커들(M3-2)이 기준 마커를 중심으로 회전한 각도(q)를 산출하여 헬멧이 움직임으로 인하여 발생한 오차를 산출할 수 있다.
일반적으로 카메라를 기준으로 마커들의 움직임이 큰 경우에는 마커들의 스와핑이 일어날 수 있다. 즉 연속된 프레임 간에 마커의 위치가 뒤 바뀌는 경우에는 두 마커들의 식별이 어려울 수 있다. 그러나 본 실시예에서의 경우에는 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치를 착용한 상태에서의 위치 변동은 마커들의 위치를 뒤 바꿀만한 정도로 심하지 않으므로 단순히 두 개만의 마커를 이용하는 것도 가능하며, 별도의 마커 식별이 필요하지 않다.
상술한 위치 보정수단은 산출된 기준마커의 이동 거리 및 기준마커를 중심으로 한 회전 각도를 위치 설정수단에 전송하여 상기 트랜스 듀서의 초기 좌표를 재설정하도록 하거나, 산출된 기준마커의 이동 거리 및 기준마커를 중심으로 한 회전 각도를 시퀀스 제어수단에 전송하여 트랜스 듀서의 위치 제어 시에 산출된 오차를 반영하도록 할 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양하게 구현될 수 있다.
10: 지지부
20: 제1 가이드부
30: 제2 가이드부
40, 40a: 초음파 모듈
47: 트랜스 듀서
100: 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치
1000: 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극 시스템

Claims (11)

  1. 초음파를 생성하는 트랜스 듀서와, 환자의 두부에 장착되고, 상기 트랜스 듀서가 상기 환자의 두부 상에서 위치이동이 가능하도록 지지하는 지지부를 포함하는 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치;
    상기 트랜스 듀서의 초기 좌표를 설정하는 위치 설정수단;
    상기 트랜스 듀서의 초기 좌표를 기준으로 위치제어를 수행하고, 상기 트랜스 듀서에 의하여 생성되는 초음파의 자극 세기, 자극 시간, 자극 회수 및 자극 주기 중 적어도 어느 하나를 포함하는 초음파 작극 방법에 따른 제어를 수행하는 시퀀스 제어수단;
    상기 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치에 고정되고, 상기 환자의 두부에 부착된 제3 마커를 촬영하는 적어도 하나 이상의 광학 카메라; 및
    상기 광학 카메라에 의하여 촬영된 이미지 상의 상기 제3 마커의 위치 변화를 기반으로 상기 환자의 두부에 대한 상기 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극장치의 위치 변경 정보를 획득하는 위치 보정수단;을 포함하는 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    뇌를 포함하는 표준 인체 두부의 부분별 3차원 상대좌표 데이터가 저장되는 브레인 맵 데이터 베이스; 및
    CT, MRI 및 fMRI 중 선택된 어느 하나의 촬영방법을 수행하는 외부 장치로부터 상기 환자 두부의 영상 데이터를 전송받아 상기 브레인 맵 데이터 베이스에 저장된 표준 인체 두부의 3차원 상대좌표 값과 매칭시키는 매칭 수단;을 포함하고,
    상기 위치 설정수단은 상기 매칭된 환자 두부의 영상 데이터의 좌표계와 상기 트랜스 듀서의 제어영역을 위한 좌표계를 연계하여 상기 트랜스 듀서의 초기 좌표를 설정하는 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 매칭 수단은 상기 외부 장치로부터 상기 선택된 촬영방법에 의하여 감지가능한 제1 마커 복수개를 부착한 상기 환자 두부의 영상 데이터를 전송받고,
    상기 광학 카메라는 상기 제1 마커의 위치에 구비되는 제2 마커를 촬영하고,
    상기 위치 설정수단은 상기 제1 마커 및 상기 제2 마커의 위치를 기준으로 상기 매칭된 환자 두부의 영상 데이터의 좌표계와 상기 트랜스 듀서의 제어영역을 위한 좌표계를 연계하는 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 위치 보정수단은 상기 광학 카메라에 의하여 촬영된 영상의 특정 프레임 간에 상기 제3 마커 중 기준마커로 선정된 어느 한 마커의 위치 변동에 따른 이동 거리를 산출하고, 기준마커로 선정되지 않은 다른 제3 마커 중 적어도 어느 하나 이상의 마커로부터 상기 기준마커를 중심으로 회전한 각도를 산출하는 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 위치 보정수단은 상기 산출된 기준마커의 이동 거리 및 기준마커를 중심으로 한 회전 각도를 상기 위치 설정수단에 전송하고,
    상기 위치 설정수단은 전송된 기준마커의 이동 거리 및 기준마커를 중심으로 한 회전 각도를 반영하여 상기 트랜스 듀서의 초기 좌표를 재설정하는 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 위치 보정수단은 상기 산출된 기준마커의 이동 거리 및 기준마커를 중심으로 한 회전 각도를 상기 시퀀스 제어수단에 전송하고,
    상기 시퀀스 제어수단은 상기 트랜스 듀서의 위치 제어 시 상기 전송된 기준마커의 이동 거리 및 기준마커를 중심으로 한 회전 각도를 반영하는 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극시스템.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제2 마커 및 상기 제3 마커는 광반사성인 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극시스템.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제1 마커는 상기 환자의 정수리, 이마, 귀에 인접한 후두부에 각각 부착되는 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 마커는 적어도 상기 이마 및 상기 귀에 인접한 후두부 측에 각각 부착되는 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 마커는 상기 외부장치에 의한 영상촬영 후 상기 제1 마커 상에 부착되는 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제3 마커는 상기 제2 마커에서 둘 이상 선정되는 마커를 포함하는 헬멧형 저강도 초음파 집속 자극시스템.
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