KR20210027249A - 캐비테이션 버블들을 이미징하기 위한 수단을 포함하는 초음파 처리 장치 - Google Patents

Abstract

초음파 처리 장치는 집속 초음파들을 발생시키도록 적응된 초음파 치료용 트랜스듀서 (ATA); 초음파 치료용 트랜스듀서에 연결된 초음파 이미징 트랜스듀서 (UID); 및 전자 시스템을 포함하고, 그 전자 시스템은 초음파 치료용 트랜스듀서를 제어하여 캐비테이션 버블들의 클라우드 (BC) 를 발생시키는 초음파들의 펄스 트레인을 방출하게 하고; 초음파 이미징 트랜스듀서를 제어하여 처리될 영역의 적어도 하나의 이미지를 취득하게 하고; 초음파 이미징 트랜스듀서에 의해 캡처된 초음파 치료용 트랜스듀서에 의해 방출된 초음파 펄스들의 복수의 에코 신호들을 취득하고 이들을 처리하여 캐비테이션 버블들의 클라우드의 이미지를 복원하게 하는 것으로서, 그 처리는 시공간 필터링을 포함하는, 상기 캐비테이션 버블들의 클라우드의 이미지를 복원하게 하고; 그리고 처리될 영역의 상기 이미지 상에 중첩된 캐비테이션 버블들의 클라우드의 상기 이미지를 디스플레이하도록 구성된다.

Description

캐비테이션 버블들을 이미징하기 위한 수단을 포함하는 초음파 처리 장치

본 발명은 인체 또는 동물 신체의 초음파에 의한 치료를 제공하는 장치에 관한 것이다. 본 발명은, 특히, 움직이는 장기들, 즉, 통상적으로 복부 및 흉부 장기들의 고강도 집속 초음파 (HIFU), 분쇄술 (histotripsy), 쇄석술, 혈전분쇄술 등에 의한 치료에 적용 가능하다.

분쇄술은 캐비테이션 버블들의 클라우드들 (단순화를 위해 "캐비테이션 클라우드들" 로서 또한 지칭됨) 을 발생시키는 집속 초음파 펄스들에 의하여 조직들을 기계적으로 단편화하기 위한 기법이다. 다양한 병리들을 치료하기 위한 분쇄술의 사용은 고위험 수술을 대체할 수 있는 유망한 접근법이다. 캐비테이션은 고도로 제어된 초점 영역에서의 바람직하지 않은 조직들이 비침습적으로 그리고 열 효과없이 파괴되도록 한다. 하지만, 인체는 매우 이질적인 매개체이며, 직접적인 시각적 피드백없이 치료가 체내에서 이루어진다는 사실은 캐비테이션 영역을 정확하게 모니터링하는 것을 중요하게 한다. 특히, 심장 응용예들에 있어서, 흉곽은 초음파의 치료 경로에서 상당한 수차들을 야기할 수도 있다.

유사한 고려사항들이 쇄석술 (신장 결석의 단편화) 및 혈전분쇄술 (혈전의 단편화) 과 같은 분쇄술과 개념적으로 유사한 기법들에 또는 심지어 고강도 집속 초음파에 의한 치료의 분야에 적용된다.

후방 산란된 초음파 에코들의 주파수의 고조파들의 분석은 캐비테이션이 수동적으로 검출되게 하지만 버블들의 클라우드가 정확하게 로케이팅되게 하지는 않는다.

캐비테이션 효과 및 치료되는 해부학적 구조들이 실시간으로 보여지게 하는 종래의 B 모드 초음파 이미징 기법들을 사용하는 것이 가능하다. 하지만, 이러한 접근법은 완전히 만족스럽지는 않다. 구체적으로, 버블들이 이질적인 생물학적 조직들 내에서 발생하기 때문에, 그들의 에코들은 조직으로부터의 모든 에코들 중에서 검출하기 어려울 수도 있다. 따라서, 버블들의 식별은 매우 주관적이고 비-정량적으로 남겨지고, 캐비테이션 클라우드의 아웃라인들의 정의가 문제가 된다.

논문 [1] 은 시공간 필터링과 연관된 병렬 (또는 "초고속") 초음파 이미징 기법을 채용함으로써 캐비테이션 버블들의 더 우수한 구별이 획득될 수도 있음을 교시한다. 하지만, 이 접근법은, 예를 들어, 심장, 간 또는 신장의 경우에서와 같이 치료된 조직들이 지속적으로 움직이고 있는 경우에는 그다지 적합하지 않은 것으로 입증된다. 구체적으로, 이미징을 위해 사용되는 초음파들은 모든 관심 영역 (또는 심지어 관심 영역보다 더 큰 영역) 을 고주파 발사하며, 그 에코 신호들은 이 영역에서 발생하는 임의의 시공간 변동들에 매우 민감하고, 이들은 단지 캐비테이션으로 인한 것은 아니다. 이는 조직들이 정적이거나 준정적일 때 용인가능하지만, 움직이는 조직들의 존재 시, 시공간 필터링은 캐비테이션 버블들로부터 나오는 에코 신호들을 식별하는 훨씬 덜 효과적인 방법이 된다. 하지만, 정확하게 후자의 경우에서, 캐비테이션 클라우드 및 조직들에 대한 그 포지션을 정확하게 볼 수 있는 것이 특히 중요하다.

캐비테이션 버블들의 포지션을 추정하기 위해 수동 검출 방법들이 또한 사용되었다. 예를 들어:

- [2] 는 열적 절제 치료용 트랜스듀서에 의해 발생된 버블들을 음향적으로 맵핑하기 위한 수동적인 방법을 기술한다. 이 방법은 연속파 방출들 또는 긴 지속기간 (수백 진동들) 의 파동 트레인들의 방출들에 의해 생성된 버블들이 맵핑되게 한다. 파동 트레인들의 지속기간 때문에, 버블들의 클라우드의 포지션을 정확하게 식별하는 것이 가능하지 않다. [2] 는 사용된 파장과 균등한 해상도로 후방 산란된 에너지의 맵을 산출하기 위한 방법을 제안하지만, 이는 클라우드의 경계들이 정확하게 식별되게 하지 않는다.

- [3] 은 연속적인 방출들을 모니터링하는 동일한 문제를 해결하기 위한 [2] 의 대안적인 방법을 기술한다.

- [4] 는 특정 수정들없이 분쇄술로의 방법 [2] 의 적용을 기술한다.

- [5] 는 초음파 펄스들에 시간 반전을 적용하는 방법을 기술한다. 참고문헌들 [2], [3] 및 [4] 에서와 같이, 이 방법은 긴 펄스들을 사용하며 캐비테이션 버블들의 클라우드의 경계들이 정확하게 식별되게 하지 않는다.

본 발명은 종래 기술의 전술된 단점들을 극복하는 것을 목적으로 하며, 더 상세하게, 움직이는 조직들의 치료 동안을 포함하여 캐비테이션 클라우드가 정확하게 로케이팅 및 세그먼트화되게 하는 이미징 기법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적은 조직들의 능동 초음파 이미징, 동기식 수동 캐비테이션 이미징 및 시공간 필터링 (예를 들어, 특이값 분해) 을 연관시킴으로써 달성된다. 동기식 수동 이미징은 치료용 초음파 빔의 매개체와의 상호작용에 대한 에코들의 복원에 기초하며, 치료용 펄스들의 방출 시퀀스와 동기화된다. 이는 조직 움직임에 강인하고, 따라서, 이미징된 조직이 움직이고 있을 때에도 양호한 성능이 획득될 수도 있다.

본 발명의 기법은 이미징을 위해 사용된 초음파 펄스들, 즉, 초음파 치료용 펄스들의 지속기간이 감소함에 따라 증가하는 공간 해상도로 캐비테이션 버블들의 클라우드가 로케이팅되게 한다. 따라서, 바람직하게는, 이들 펄스들은 0.1 μs 와 50 μs 사이에 포함된 지속기간을 가질 것이다 (이는, 어떤 경우라도, 집속 치료용 펄스들을 위해 바람직함). 참고문헌들 [2] 내지 [5] 에서 기술된 이미징 방법들은 짧은 펄스들을 사용하는 것으로부터 얻는 것이 없을 것이다.

수동 캐비테이션 이미징으로의 시공간 필터링의 적용은 이미 문헌 [6] 에서 제안되었지만, 완전히 상이한 맥락에서는, 초음파에 의해 혈액-뇌 장벽을 여는 것과 같다. 이러한 기법은 주입된 마이크로 버블들 및 불충분한 강도의 초음파를 사용하여 캐비테이션 버블들을 발생시킨다. 더욱이, 에코들은 두개골을 통해 취득되며, 이는, 치료된 조직들을 이미징하기 위한 능동 초음파 기법들의 이용을 거의 불가능하게 한다.

따라서, 본 발명의 일 주제는 초음파로의 치료를 제공하기 위한 장치이고, 그 장치는:

- 집속 초음파들을 발생시키는데 적합한 치료용 초음파 트랜스듀서;

- 치료용 초음파 트랜스듀서와 연관된 이미징 초음파 트랜스듀서; 및

- 전자 시스템을 포함하고, 그 전자 시스템은,

- 치료용 초음파 트랜스듀서를 제어하여, 그 트랜스듀서의 초점이 인체 또는 동물 신체의 치료될 영역 내부에 위치될 때 그 트랜스듀서의 상기 초점에서의 캐비테이션 버블들의 클라우드의 발생을 야기하는데 적합한 지속기간을 갖는 그리고 에너지의 초음파들의 펄스 트레인을 방출하게 하고;

- 이미징 초음파 트랜스듀서를 제어하여, 치료용 초음파 트랜스듀서에 의해 방출된 2개의 초음파 펄스들 사이에서, 치료될 영역을 향하여 지향되는 초음파들을 방출하게 하고, 상기 초음파들의 에코들을 취득하게 하고, 이들을 처리하여 치료될 영역의 적어도 하나의 이미지를 복원하게 하고;

- 치료용 초음파 트랜스듀서에 의해 방출된 N>1 개의 초음파 펄스들의 복수의 에코 신호들을 취득하는 것으로서, 상기 신호들은 이미징 초음파 트랜스듀서에 의해 캡처되는, 상기 복수의 에코 신호들을 취득하고;

- 취득된 신호들을 빔포밍 알고리즘을 사용하여 처리하여 개별 에코 이미지들을 형성하게 하고, 시공간 필터링을 사용하여, 캐비테이션 버블들로부터 초음파 펄스들의 후방 산란을 나타내는 상기 에코 이미지들의 컴포넌트들이 추출되게 하고, 이들을 치료될 영역의 조직들로부터 후방 산란을 나타내는 컴포넌트들로부터 분리하여 캐비테이션 버블들의 클라우드의 이미지를 복원하게 하고 (이들 동작들은 이 순서로 또는 역순으로 수행될 수도 있음); 그리고

- 치료될 영역의 상기 이미지 상에 중첩되게, 캐비테이션 버블들의 클라우드의 상기 이미지를 디스플레이하도록 구성된다.

그러한 장치의 특정 실시형태들에 따르면:

- 상기 전자 시스템은 또한, 캐비테이션 버블들의 클라우드의 이미지의 복원 동안, 치료용 초음파 트랜스듀서와 초점 사이 및 초점과 이미징 초음파 트랜스듀서 사이의 초음파들의 전파 시간에서의 차이에 대한 보상을 도입하도록 구성될 수도 있다.

- 상기 전자 시스템은 또한, 치료용 초음파 트랜스듀서를 제어하여, 0.1 μs 와 50 μs 사이, 바람직하게는 0.5 μs 와 20 μs 사이에 포함된 지속기간을 갖는 초음파 펄스들의 트레인을 방출하게 하도록 구성될 수도 있다.

- N 은 2 와 10,000 사이, 바람직하게는 2 와 1000 사이에 포함될 수도 있다.

- 상기 전자 시스템은 또한, 병렬 빔포밍 알고리즘에 의하여 캐비테이션 버블들의 클라우드의 이미지를 복원하도록 구성될 수도 있다.

- 상기 전자 시스템 및 치료용 초음파 트랜스듀서는, 1 과 1000 Hz 사이에 포함된 반복 레이트로, 100 kHz 와 5 MHz 사이에 포함된 중심 주파수를 갖고 0.1 μs 와 50 μs 사이에 포함된 지속기간을 갖는 초음파 펄스들을 방출하도록 구성될 수도 있다.

- 상기 전자 시스템 및 이미징 초음파 트랜스듀서는 2 와 15 MHz 사이에 포함된 중심 주파수를 갖는 초음파 펄스들을 방출하도록 구성될 수도 있다.

- 상기 전자 시스템은 또한, 특이값 분해를 사용하여 상기 시공간 필터링을 수행하도록 구성될 수도 있다.

- 치료용 초음파 트랜스듀서 및 이미징 초음파 트랜스듀서는 동축으로 배열될 수도 있다.

- 그 장치는 또한, 치료 영역에서 치료용 초음파 트랜스듀서에 의해 방출된 초음파 펄스들의 초점을 이동시키는 수단을 포함할 수도 있다.

- 상기 전자 시스템은 또한, 캐비테이션 버블들의 클라우드의 이미지에 의존하여 치료용 초음파 트랜스듀서에 의해 방출된 초음파 펄스들의 전력 레벨을 조정하도록 구성될 수도 있다.

본 발명의 다른 특징들, 상세들 및 이점들은, 예로서 주어지고 각각 다음을 나타내는 첨부 도면들을 참조하여 주어진 설명을 읽을 시에 명백하게 될 것이다.

- 도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 장치이다.
- 도 2 는 그러한 장치의 기능 개략도이다.
- 도 3 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 수동 이미징 시퀀스이다.
- 도 4 는 특이 값 분해 알고리즘의 예시이다.
- 도 5 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 장치를 사용하여 획득된 캐비테이션 이미지이다.
- 도 6 은 본 발명의 기술적 효과를 예시한 그래프이다.

도 1 의 장치는 환형 형상의, 바람직하게는 5 와 20 사이에 포함된 수의 기본 트랜스듀서들의 세트로 구성된 치료용 트랜스듀서 (ATA) 의 중심에 배열된 이미징 초음파 트랜스듀서 (UID) 를 포함하고, 상기 기본 트랜스듀서들은, 초음파들을 집속시키는 구형 보울 (SB) 상에 정렬된 및 동심의 방식으로 배열된다. 이미징 트랜스듀서 (UID) 는 치료용 트랜스듀서의 최내부 링의 중심에 로케이팅된다.

트랜스듀서 (UID) 는 1차원 (통상적으로, 선형) 또는 2차원, 주기적 또는 비주기적 어레이로 배열된 복수의 초음파 검출 엘리먼트들을 포함한다. 이는, 예를 들어, 64개 엘리먼트들의 어레이를 포함하는 2차원 에코그래픽 프로브의 문제일 수도 있다.

이미징 트랜스듀서 (UID) 는 스캐폴드 (F) 에 체결되어, 기계적 링크 (ML) 에 의해 치료용 트랜스듀서에 연결된 기계적 아암 (도시 안됨) 에 연결되게 하여 Ox 축 주위의 상대적인 회전 움직임을 허용한다 (참조부호 PJ 는 피벗 조인트를 지정함). 따라서, 전기 모터 (도시 안됨) 에 의하여, 치료용 트랜스듀서의 배향 (Oz' 축) 을 수정하는 동안 (Oz 축을 따른) 이미징 트랜스듀서의 배향을 일정하게 유지하여, 치료용 트랜스듀서의 초점의 움직임이 Oz 축에 수직이게 하는 것이 가능하다. 더욱이, 다양한 기본 트랜스듀서들의 제어 신호들 간의 오프셋을 정밀하게 제어함으로써, 치료용 트랜스듀서의 초점 거리를, 따라서, Oz' 축을 따른 초점의 포지션을 수정하는 것이 가능하다. 이는 치료될 영역의 2차원 스캔이 하이브리드 기계 및 전자 수단에 의해 수행되게 한다.

변형예들이 가능하며; 예를 들어, 기계적 링크가 또한, Ox 및 Oz 양자 모두에 수직인 제 2 축, 즉, Oy 축 주위로의 치료용 트랜스듀서의 회전을 허용할 수도 있다.

도 1 의 어셈블리는 유럽 특허출원 EP 3 236 467 A1 에서 더 상세히 기술된다. 다수의 변형예들이 본 발명이 구현되게 하기 때문에, 이는 단지 예로서 주어진다. 예를 들어, 치료용 트랜스듀서의 초점에 의한 치료될 영역의 스캔은 또한, 순수하게 기계적 수단을 통해 또는 역으로 순수하게 전자적 수단 (기본 트랜스듀서들의 매트릭스 어레이의 사용으로 인해) 을 통해 달성될 수도 있다. 더욱이, 이미징 트랜스듀서가 치료용 트랜스듀서에 동축인 것, 심지어 후자에 기계적으로 링크되는 것은 필수가 아니며: 그들의 상대적 포지션이 제어가능하고 그리고 초음파 치료용 펄스들의 초점이 이미징 트랜스듀서의 관찰의 영역 내부에 로케이팅되는 것으로 충분하다.

더욱이, 이미징 트랜스듀서는 상이한 수의 엘리먼트들을 포함하거나 또는 이중 평면형 또는 매트릭스 어레이 타입일 수도 있다.

어떤 경우에도, 전자 시스템 (SEL) 은 이미징 및 치료용 트랜스듀서들을 제어하여,

- 캐비테이션 버블들의 클라우드의 형성을 유도하는데 적합한 집속 초음파 펄스들을 발생하게 하고;

- 치료될 영역을 스캔하도록 이들 초음파들의 초점을 이동하게 하고;

- 치료될 영역의 그리고 캐비테이션 버블들의 클라우드의 에코그래픽 이미지들을 취득 및 디스플레이하고 이들을 스크린 (E) 상에 디스플레이하도록

제공되어야 한다.

전자 시스템 (SEL) 은 메모리에 저장된 프로그램들을 실행하는 하나 이상의 프로세서들 및 이 또는 이들 프로세서들의 제어 하에 동작하는 아날로그 및/또는 디지털 전자 회로들 양자 모두를 포함한다. 도 2 는 기능 개략도를 도시한다. 이러한 스키매틱에 있어서, 참조부호 PTD 는 데이터 프로세서를 지정하며; 일반적으로, 이는, 마이크로 프로세서 또는 마이크로 제어기를 포함하는 보드의, 컴퓨터의, 또는 프로그래밍가능 디지털 전자 회로들의 더 복잡한 세트의 문제일 수도 있다. 이러한 데이터 프로세서는 인터페이스 디바이스 (IC) (키보드, 컴퓨터 마우스 등) 를 통해 사용자 또는 오퍼레이터로부터 커맨드들 및/또는 파라미터들을 수신하고; 함수 발생기 (GF) 의, 이미징 트랜스듀서를 제어하기 위한 회로 (CPTI) 의, 빔포밍 회로 (GFF) 의 그리고 전기 모터를 제어하기 위한 회로 (CPM) 의 동작을 제어하고; 이미징 트랜스듀서의 취득 회로로부터 출력된 신호들을 처리하여 스크린 (E) 상에 디스플레이되는 이미지들을 복원한다.

함수 발생기 (GF) 는 전자 시스템의 다른 기능 유닛들로 전달되는 복수의 전자 신호들을 발생시킨다. 제 1 신호 (S1), 예를 들어, 1 MHz 의 주파수에서의 사인파 신호는, 다양한 위상 시프트들을 갖는 동일한 주파수의 복수의 개별 신호들로 분해하는 빔포밍 회로 (GFF) 로 전달되고; 이들 다양한 신호들은 이미징 트랜스듀서의 기본 트랜스듀서들에 적용되기 전에 전력 증폭기 (AP) 에 의해 증폭된다. 상기 인용된 유럽 특허출원 EP 3 236 467 A1 에서 상세히 설명된 바와 같이, 빔포밍 회로 (GFF) 에 의해 도입된 위상 시프트들은 치료용 트랜스듀서의 초점 거리가 변경되게 하고, 따라서, Oz' 축에 따른 초음파의 초점 (TF) 의 포지션이 변경되게 한다. 함수 발생기는 또한, 전력 증폭기를 활성화 및 비활성화하는 훨씬 더 낮은 주파수, 예를 들어, 100 Hz 의 구형파 신호 (S2) 를 발생시키고; 이러한 방식으로, 치료용 트랜스듀서는 100 Hz 의 반복 레이트로 초음파 펄스들 ("치료용 펄스들") 을 방출하며, 그 펄스들은, 예를 들어, 8 μs 의 지속기간을 갖는다.

함수 발생기 (GF) 는 또한, 이미징 트랜스듀서를 제어하기 위한 회로 (CPTI) 에 신호 (S2) 와 함께 전달되는 고주파수, 예를 들어, 2 MHz 의 제 3 신호 (S3) 를 발생시킨다. 이 회로는, 치료용 변환기에 의해 방출된 더 강렬한 펄스들 사이의 인터벌들에서 저 강도 초음파 펄스들을 방출하기 위하여 이미징 트랜스듀서를 제어한다. 이들 펄스들의 전파는, 2차원 이미징 트랜스듀서의 경우, Oz 축과 일치하는 높이의 사다리꼴의 형상을 갖는 관찰 영역 (RO) 을 정의한다.

이미징 트랜스듀서의 취득 회로 (CATI) 는 이미징 트랜스듀서 (UID) 에 의해 검출되는 에코 신호들을 취득하고, 이들을 디지털 포맷으로 변환하고, 이들을 처리하도록 진행하는 프로세서 (PTD) 로 이들을 송신한다. 뒤따르는 제 1 시간 윈도우에 있어서, 초음파 치료용 펄스들의 방출과 그 지속기간 (예를 들어, 250 μs) 은 초점 (TF) 의 최대 심도에 의존하고, 이미징 트랜스듀서는 치료용 펄스들의 에코들을 검출하고, 따라서, 수동 모드에서 동작하며; 하기에서 상세히 설명될 바와 같이, 이들 에코 신호들은 프로세서 (PTD) 가 캐비테이션 버블들의 클라우드들의 이미지들을 복원하게 한다. 제 1 윈도우의 끝으로부터 다음 치료용 펄스의 방출까지 연장되는 제 2 시간 윈도우에 있어서, 이미징 트랜스듀서는 그 자체가 방출하였던 펄스들의 에코들을 검출하며; 이는 프로세서 (PTD) 가 종래의 능동 초음파 이미징 기법들을 사용하여 치료될 영역의 해부학적 구조들의 이미지들을 복원하게 한다.

능동 초음파 이미징을 위해 사용된 펄스들의 경우, 동일한 트랜스듀서가 초음파 소스 및 검출기로서 서빙한다. 초음파 펄스들이 치료용 트랜스듀서에 의해 방출되고 그 에코들이 이미징 트랜스듀서에 의해 검출되는 수동 이미징의 경우에는 그렇지 않다. 따라서, 캐비테이션 버블들의 클라우드의 이미지들 (그 이미지들은 수동 모드에서 취득됨) 을 복원할 수 있기 위해, (치료용 트랜스듀서로부터 초점으로의) "외향" 이동 시간과 (초점으로부터 이미징 트랜스듀서로의) "복귀" 이동 시간 사이의 차이를 아는 것이 필요하다. 이는, 장치의 기계적 구성이 충분한 정확도로 알려지면 산출에 의해 획득될 수도 있지만, 일반적으로, 교정 (calibration) 을 실행하는 것이 선호된다. 이를 위해, 다수의 상이한 방법들로 진행하는 것이 가능하다.

- 첫째로, 초점과 대응하여 하이드로폰을 배치하고 2개의 트랜스듀서들에 의해 방출된 펄스들의 도달 시간들을 측정하는 것이 가능하다.

- 둘째로, 초점과 대응하여 리플렉터를 배치하고 이미징 트랜스듀서를 수신 모드에서 사용하여 이미징 트랜스듀서 자체에 의해 그리고 치료용 트랜스듀서에 의해 방출된 펄스들의 에코들의 도달 시간들을 측정하는 것이 가능하다.

하이브리드 접근법들 ("외향" 이동 시간을 측정하기 위한 하이드로폰, 및 "복귀" 이동 시간을 측정하기 위한 리플렉터의 사용) 이 또한 가능하다.

어떤 방법이 사용되든지, 치료될 전체 영역을 샘플링하는 복수의 포인트들과 대응하여 이동 시간에서의 차이를 산출 또는 측정하는 것이 필요하다.

도 3 은, 캐비테이션 버블들의 클라우드 (BC) 를 발생시키는, 100 Hz 의 반복 레이트 (10 ms 의 주기) 로 방출되는 8 μs 의 지속기간을 갖는 치료용 펄스들 (IUT); 각각의 치료용 펄스의 시작으로부터 250 μs 이상 연장되는 에코 취득 제 1 시간 윈도우들 (FT1); 및 각각의 제 1 윈도우의 끝에서 시작하고 다음 치료용 펄스의 방출까지 연장되는 능동 이미징 제 2 시간 윈도우들 (FT2) 을 도시한 타이밍 다이어그램이다.

모터 제어 회로 (CPM) 는 전기 모터를 작동시켜 치료용 트랜스듀서가 회전되게 하고; 이는, 치료될 영역을 스캔하기 위하여 초음파 펄스들의 초점 (TF) 을 이동시키도록 빔포밍 회로 (GFF) 와 상호작용한다. 이는, 초점의 움직임이 순수하게 전자적 수단에 의해 달성되는 실시형태들에서는 부재할 수도 있다 (역으로, 다른 실시형태들에 있어서, 빔포밍 회로는 생략될 수도 있음).

상기 설명된 다양한 기능 유닛들 (GF, CPTI, CATI, CPM, GFF, AP) 은 반드시 물리적으로 별도의 컴포넌트들에 대응할 필요는 없다. 예를 들어, 단일의 집적 회로 또는 회로 보드가 복수의 이들 유닛들의 기능들의 전부 또는 일부를 수행할 수도 있다. 역으로, 단일의 블록의 기능들은 복수의 집적 회로들 및/또는 회로 보드들에 의해 수행될 수도 있다.

펄스들의 특성들은 비제한적인 예에 의해 주어졌다. 더 일반적으로, 이미징 트랜스듀서는 100 kHz 와 5 MHz 사이에 포함된 중심 주파수에서 그리고 1 과 1000 Hz 사이에 포함된 반복 레이트로 통상적으로 0.1 μs 와 50 μs 사이에 (그리고 바람직하게는, 0.5 μs 와 20 μs 사이에) 포함된 지속기간을 갖는 펄스들의 트레인들을 방출할 수도 있고, 이들 펄스들은, 초점에서, 50 MPa 와 100 MPa 사이에 포함된 피크 양압과 -2.5 MPa 와 -30 MPa 사이에 포함된 피크 음압을 발생시키는데 적합하다. 이미징 트랜스듀서는 일반적으로, 치료용 트랜스듀서의 주파수보다 높은 주파수, 통상적으로, 2 와 15 MHz 사이에 포함된 주파수에서 동작하며; 예를 들어, 2 MHz 에서 초음파들을 방출하고, 수신 모드에서, 8 MHz 의 샘플링 주파수를 가질 수도 있다.

상기 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 장치는 치료될 영역의 조직들을 보기위한 능동 모드, 및 캐비테이션 버블들의 클라우드를 보기위한 수동 모드 양자 모두에서 에코그래픽 이미지들을 취득한다. 그 다음, 이미지들은 스크린 (E) 상에 디스플레이되도록 융합되고, 이는 조직들에 대한 캐비테이션 클라우드의 포지션의 시각적 검사를 허용한다. 바람직하게, 이들 처리 동작들은 실시간으로 수행된다. 능동 모드에서 취득된 신호들은 또한, 캐비테이션에 의해 흡수된 에너지가 추정되게 하고, 따라서, 과정에서 치료의 유효성 (및/또는 위험들) 이 평가되게 한다.

따라서, 프로세서 (PTD) 는 치료용 펄스의 강도를 자동으로 제어하고/하거나 위험한 경우에 처리를 중지할 수도 있다. 예를 들어, 프로세서는 원하는 특성들 (형상, 치수들, 에너지 등) 을 갖는 캐비테이션 클라우드가 검출될 때까지 초음파 펄스들의 강도를 점진적으로 증가시키거나, 역으로, 캐비테이션의 지속성을 보장하면서 강도를 감소시킬 수도 있다. 프로세서는 또한, 원하는 도즈가 디포짓되었을 때 또는 캐비테이션 클라우드가 원하는 위치에서 검출되지 않고 따라서 치료되지 않아야 하는 조직들을 손상시킬 위험들이 있으면, 처리를 중지할 수도 있다.

능동 이미징 신호들은, 완벽하게 정상적이고 따라서 더 상세히 설명될 필요가 없는 방식으로 처리될 수도 있다. 대조적으로, 캐비테이션 버블들의 이미지들을 효과적으로 추출할 수 있기 위하여, 프로세서 (PTD) 는 수동적으로 취득된 신호들이 특정 처리를 받게 해야 한다. 이러한 처리는:

- N개의 일반적으로 연속적인 치료용 펄스들의 에코 신호들을 취득하는 것으로서, N 은 통상적으로, 2 와 10,000 사이에, 바람직하게는 2 와 1000 사이에 포함되는, 상기 에코 신호들을 취득하는 것;

- 이들 에코 신호들에 빔포밍 복원 알고리즘을 적용하여 N개의 이미지들을 복원하는 것; 및

- 이에 따라 복원된 이미지들에 시공간 필터링을 적용하여, 이로부터, 캐비테이션 버블들로 인한 기여도를 추출하는 것

을 포함한다.

에코 신호들의 시간 필터링을 허용하기 위하여 N 의 값은 1보다 엄격하게 높아야 한다. 용인가능한 상한은 초음파 펄스들의 반복 레이트에 의존하며; 높은 반복 레이트, 초당 1000 펄스들, 및 N = 10,000 에 있어서, 하나의 필터링된 이미지가 매 10 초마다 획득되며, 이는 대부분의 수술 응용예들에 대해 최소의 용인가능한 반복 레이트이다.

이미지 복원은 바람직하게는, 그 자체로 공지된 병렬 또는 초고속 타입의 빔포밍 알고리즘 (치료용 펄스들에 대해 수행되는 빔포밍과 혼동되지 않아야 함) 을 사용하여 달성되지만, 외향 및 복귀 경로들 (상기에서 논의됨) 에 대한 전파 시간에서의 차이의 보상을 그 속에 포함하도록 수정된다. 이 알고리즘은 본질적으로, 이미징 프로브의 다양한 엘리먼트들에 의해 검출된 신호들의 코히어런트 합산으로 구성되며, 이들 신호들은 외향 및 복귀 경로들 상의 초음파들의 전파 지연을 보상하는 그러한 방식으로 시간적으로 시프트된다 (전자 포커싱의 원리). 초음파의 소스와 검출기 사이의 공간 오프셋을 고려하는 것이 효과적인 포커싱을 위해 필요함이 이해될 것이다. 스펙트럼 도메인에 있어서, 오프셋의 보상은 신호들의 위상에서의 시프트를 통해 달성된다.

시공간 필터링은 임의의 블라인드 소스 분리 알고리즘을 사용하여, 캐비테이션 버블들로부터 발생하는 에코들이 특히 조직들로부터 발생된 것들과 구별되게 할 수도 있다. 이는, 예를 들어, 특이값 분해, (희소 또는 독립) 주성분 분석, 또는 음이 아닌 매트릭스 인수분해 등의 문제일 수도 있다. 하기에서, 특이 벡터 분해의 경우가 고려될 것이다.

특이값 분해 (SVD) 는 매트릭스들을 대수적으로 분해하기 위한 기법이다. 이는, 이미지의 로컬 통계들에 대한 적용에 적합하며 최대 에너지를 적은 수의 고유벡터들에 집중시킨다. 이는, 매트릭스 (X_mxn) 를, U 가 mxm 사이즈의 직교 매트릭스이고 V 가 nxn 직교 매트릭스이고 S 가 mxn 매트릭스이며 그 대각선 엘리먼트들 (σ_i) 이 X 의 특이값들이고 다른 엘리먼트들은 제로들인 형태로 인수분해하는 것으로 이루어진다. n < m 이면:

(식 1)

이고, 여기서, V^* 는 V 의 공액 전치 매트릭스이고, S 의 특이값들의 수는 X 의 랭크와 동일하다.

SVD 방법이 이미지 처리에 적용될 때, 가장 낮은 특이값들은 노이즈와 연관되고, 이미지의 에너지 대부분은 높은 값의 특이값들로 압축된다. 본 발명의 경우, SVD 시공간 필터링은 특이 벡터들의 현명한 선택을 통해 캐비테이션 버블들의 클라우드와 연관된 고주파수 컴포넌트들로부터 바람직하지 않은 저주파수 컴포넌트들을 분리하는데 사용된다. 이는 도 4 에 예시된다.

개별 치료용 펄스들과 연관되고 병렬 빔포밍 알고리즘을 사용하여 복원된 N개의 "수동" 이미지들의 세트 (F₁, F₂, … F_N) 로서, 각각의 이미지는 (n_x, n_y) 사이즈를 갖고 버퍼 메모리 (MT) 에 저장되는, 상기 N개의 "수동" 이미지들의 세트 (F₁, F₂, … F_N) 가 고려된다. 이들 데이터는, 카소라티 매트릭스로 지칭되는 (n_x·n_y, N) 사이즈의 2차원 시공간 매트릭스 (X) 로 재배열될 수도 있다. 이 매트릭스의 특이값 분해 (도 4 에서의 참조부호 SVD) 는, 매트릭스들 (U 및 V) 의 컬럼들을 각각 형성하는 시간 및 공간 특이 벡터들, 및 매트릭스 (S) 를 형성하는 대응하는 특이값들을 구하는 것으로 이루어진다. 유리하게, 이들 벡터들은 에너지를 감소시킴으로써 순서화된다.

실제 시공간 필터링은 버블들의 클라우드를 기술하는 특이 벡터들만을 단독으로 사용하여 이미지를 복원하는 것으로 이루어진다. 이들 벡터들은 p 와 q>p 사이에 포함된 인덱스들의 인접한 특이값들과 연관됨이 가정된다. 따라서, 필터링된 이미지 (X_BC) 는 다음에 의해 주어진다:

(식 2)

(도 4 에서의 참조부호 RI).

필터링된 카소라티 매트릭스 (

) 의 항들은 3차원 매트릭스 (X_BC (n_x, n_y, N)) 로 재배열될 수도 있으며, 이미지의 가장 에너제틱한 영역들이 로케이팅되게 하는 그 전력 적분 또는 캐비테이션 맵 (CM) 을 산출하는 것이 가능하다:

(식 3)

(도 4 에서의 참조부호 IP).

N개의 이미지들이 단일 캐비테이션 맵을 제공하는 것; 즉, 취득 레이트가 N 에 의해 제산되는 것을 유의하는 것이 중요하다.

캐비테이션 맵은 캐비테이션 버블들의 클라우드의 최종 이미지로서 사용되며, 그 이미지는 능동 에코그래피에 의해 획득되는 조직들의 이미지 (도 4 에서의 참조부호 IBC) 상에 중첩되도록 의도된다. 폴스 컬러(False color)들이 맵 (CM) 의 값들을 나타내는데 사용될 수도 있다.

맵 (CM) 의 공간 해상도는 전파의 방향에서 초음파 펄스들의 길이에 의해 제한되며, 이는 그들의 전파 속도에 의해 승산된 그들의 지속기간의 곱에 의해 주어진다. 따라서, 가능한 한 짧은, 그리고 가장 짧게는, 초음파의 1 사이클과 동일한 지속기간을 갖는 펄스들이 바람직하게 사용될 것이다. 치료용 트랜스듀서를 제어하는데 사용된 전자 펄스들의 지속기간 (즉, 시간 지지) 인 것을 의미하는 펄스들의 지속기간에 의해, 후자의 유한한 대역폭은 필연적으로, 실제로 방출되는 초음파 펄스들의 연장을 유도한다. 실제로, 펄스들의 지속기간은 이미징 해상도에 대하여 뿐만 아니라 심지어 무엇보다도, 치료용 프로토콜의 요건들에 의존하여 선택된다.

파라미터들 (N, p 및 q) 의 최적값들의 선택은 당해 특정 응용예에 의존한다. 본 발명자들은, (제거되길 원하는) 조직들로부터 발생하는 에코 신호들이 주로 제 1 특이 벡터에 집중되고 N-1개의 다음의 특이 벡터들은 주로 (분리되길 원하는) 캐비테이션 버블들의 기여도들을 포함하는 것을 관찰하였다. 따라서, p 는 2 와 동일하게 설정되고 (p=2), q 는 N 과 동일하게 설정될 수도 있다 (q=N). 파라미터 (N) 에 관하여, 본 발명자들은, 이 파라미터의 값이 약 10 이하로 유지되면 콘트라스트 대 노이즈 비율 (하기에서 정의됨) 이 N 에 따라 급격히 증가한 다음 안정화되는 경향이 있음을 관찰하였다. 하기에서, 3가지 경우들, 즉, N=6; N=10 및 N=14 가 고려되었다.

이미지들의 (더 정확하게는, 캐비테이션 맵들의) 품질을 정의하는 콘트라스트 대 노이즈 비율은:

(식 4)

에 의해 주어지며, 여기서, < >_i 는 공간 평균을 지정하고,

는 영역 i 에서의 이들 2개의 영역들의 표준 편차이다 (i=1: 버블들의 클라우드; i=2: 배경). 영역 1 및 영역 2 는 수동으로 식별될 것이다.

변형예로서, 시공간 필터링 단계는 빔 형성 이전에 구현될 수도 있다. 이 경우, 필터링의 공간 컴포넌트는 이미징 프로브의 엘리먼트들과 관련된다.

본 발명을 테스트하기 위하여, 1.75 L 의 물 및 8% 폴리비닐 알코올 (PVA) 의 부피로 팬텀이 준비되었다. 1% 셀룰로오스 (Sigmacell, 20 μm, 미국) 를 사용하여 초음파 산란자들이 추가되었다. 수돗물이 실험실 가열 장치를 사용하여 90℃ 로 가열되었고, 요구된 부피가 마그네틱 스티어링 피봇 핀으로 비커에 부어졌다. 그 다음, PVA 가 물에서 용해되었다. 혼합물이 40℃ 로 냉각되었고, 셀룰로오스가 추가되었고, 용액이 플라스틱으로 제조된 정사각형 용기에 부어졌고 8 시간 동안 냉동기에 두어졌다. 그 다음, 팬텀이 해동되었고, 그 다음, 8 시간 동안 냉동기에 다시 두어졌다. 절차의 종단에서, 팬텀이 탈형되었고 캐비테이션 실험들을 위해 물 탱크에 두어졌다.

본 발명에 따른 장치의 트랜스듀서들의 어셈블리는 2축 스테이지 (PI, Micos, 독일) 에 부착되었고, 팬텀을 함유한 물 탱크 내부에 두어졌다. 치료될 신체의 영역의 생리적 움직임을 모델링하기 위해, 트랜스듀서들의 축방향 및 측방향 움직임들이 상이한 속도들, 즉, 축방향 움직임에 대한 10 mm 의 움직임의 진폭을 갖는 10 mm/s 의 최고 속도, 및 측방향 움직임에 대한 8 mm 의 움직임의 진폭을 갖는 10 mm/s 의 최고 속도로 유도되었다.

도 5 는 이러한 방식으로 획득된 캐비테이션 버블들의 클라우드의 이미지를 도시한다. 클라우드는 흰색 박스에 의해 식별된다. 아티팩트들이 이미지 위와 아래에 존재하며; 이들은 물-팬텀 계면들로부터의 초음파 펄스들의 반사들로 인한 것일 가능성이 가장 크다.

N=6, 10 및 14 에 대해 (다시, p=2 및 q=N 으로) 획득된 캐비테이션 버블들의 클라우드의 "수동" 이미지들의 콘트라스트 대 노이즈 비율 (CNR) 이 정적 조건들 하에서 그리고 트랜스듀서들이 움직임에 따라 양자 모두에서 측정되었다. 유사한 측정들이 또한, 능동 이미징 기법들을 사용하여 수행되었다. 본 발명자들은, 캐비테이션 버블들의 능동 이미징이 정적 조건들 하에서 수동 이미징보다 약간 더 양호한 결과들을 제공하지만 트랜스듀서들이 움직임에 따라 그 반대가 참임을 관찰하였다. 이는, 본 발명에서의 수동적인 방법의 사용을 검증한다.

트랜스듀서들이 움직임에 따라 획득된 결과들은 도 6 에 예시되며, 도 6 에서, 참조부호 P 는 수동 이미지들의 CNR 을 지정하고, A1 - A5 는 능동적인 방법들을 사용하여 획득된 이미지들의 CNR 을 지정한다.

- A1: 각각의 치료용 펄스 이후 평면 초음파의 방출로 획득된 능동 이미징.

- A2: 각각의 치료용 펄스 이후 지향성 발산파들의 11개의 방출들의 블록이 단일 이미지로 결합된 초고속 시퀀스.

- A3: 각각의 치료용 펄스 이후 발산파들의 10개의 방출들의 블록 (결합 없음) 을 갖는 초고속 시퀀스, 이는 매 10 밀리초마다 10개의 이미지들의 블록을 제공함.

- A4: 10개의 이미지들로 결합되는, 3개의 치료용 펄스들 상으로 분산된 지향성 발산파들의 110개의 방출들의 블록을 갖는 초고속 시퀀스. 각각의 이미지는 11개의 배향성 발산파들의 결합의 결과이다. 이러한 시퀀스는 약 35 밀리초마다 10개의 이미지들의 블록을 제공한다.

실제로, 관찰된 것은 트랜스듀서들의 움직임들이 능동 이미징 기법들의 성능에서의 매우 실질적인 열화 (한 자릿수 (order of magnitude)) 를 야기하는 반면, 본 발명에 따라 획득된 이미지들의 CNR 은 오직 약 2 의 팩터만큼 감소한다는 것이다. 이는 다음의 방식으로 설명될 수도 있다. 치료될 영역이 (또는 균등하게, 트랜스듀서들이) 움직이고 있을 때, 조직들로부터의 반사들은 캐비테이션 버블들로부터 반사된 유용한 컴포넌트들을 간섭하는 고주파수 비-코히어런트 시공간 컴포넌트들을 포함한다. 하지만, 능동 이미징에 있어서, 관찰 영역 전체에서의 조직들이 초음파에 노출되고, 따라서, 에코들을 발생시킨다. 대조적으로, 수동 이미징에 있어서, 집속 초음파가 사용되며, 이는 조직들로 인한 기생적 기여도를 감소시킨다.

참고문헌들:

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[3] Kevin J. Haworth, Kenneth B. Bader, Kyle T. Rich, Christy K. Holland, Member and T. Douglas Mast (2017). Quantitative Frequency-Domain Passive Cavitation Imaging. IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, vol. 64, no. 1.

[4] Bader Kenneth, Haworth Kevin, D. Maxwell Adam, Holland Christy (2017). Post Hoc Analysis of Passive Cavitation Imaging for Classification of Histotripsy-Induced Liquefaction in Vitro. IEEE Transactions on Medical Imaging.

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canique Lyon.

Claims (11)

1. 초음파로의 치료를 제공하기 위한 장치로서,
   - 집속 초음파들을 발생시키는데 적합한 치료용 초음파 트랜스듀서 (ATA);
   - 상기 치료용 초음파 트랜스듀서와 연관된 이미징 초음파 트랜스듀서 (UID); 및
   - 전자 시스템을 포함하고,
   상기 전자 시스템은,
   - 상기 치료용 초음파 트랜스듀서를 제어하여, 상기 트랜스듀서의 초점이 인체 또는 동물 신체의 치료될 영역 내부에 위치될 때 상기 트랜스듀서의 상기 초점 (TF) 에서의 캐비테이션 버블들의 클라우드 (BC) 의 발생을 야기하는데 적합한 지속기간을 갖는 에너지의 초음파들의 펄스 트레인을 방출하게 하고;
   - 상기 이미징 초음파 트랜스듀서를 제어하여, 상기 치료용 초음파 트랜스듀서에 의해 방출된 2개의 초음파 펄스들 사이에서, 상기 치료될 영역을 향하여 지향되는 초음파들을 방출하게 하고, 상기 초음파들의 에코들을 취득하게 하고, 상기 에코들을 처리하여 상기 치료될 영역의 적어도 하나의 이미지를 복원하게 하고;
   - 상기 치료용 초음파 트랜스듀서에 의해 방출된 N>1 개의 초음파 펄스들의 복수의 에코 신호들을 취득하는 것으로서, 상기 신호들은 상기 이미징 초음파 트랜스듀서에 의해 캡처되는, 상기 복수의 에코 신호들을 취득하고;
   - 상기 치료용 초음파 트랜스듀서에 의해 방출된 상기 N 개의 초음파 펄스들의 상기 에코 신호들을 빔포밍 알고리즘을 사용하여 처리하여 개별 에코 이미지들 (F₁ - F_N) 을 형성하게 하고, 시공간 필터링을 사용하여, 상기 캐비테이션 버블들로부터 상기 초음파 펄스들의 후방 산란을 나타내는 상기 에코 이미지들의 컴포넌트들이 추출되게 하고, 상기 에코 이미지들의 컴포넌트들을 상기 치료될 영역의 조직들로부터 후방 산란을 나타내는 컴포넌트들로부터 분리하여 상기 캐비테이션 버블들의 클라우드의 이미지 (IBC) 를 복원하게 하고; 그리고
   - 상기 치료될 영역의 상기 이미지 상에 중첩되게, 상기 캐비테이션 버블들의 클라우드의 상기 이미지를 디스플레이하도록
   구성되는, 초음파로의 치료를 제공하기 위한 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전자 시스템은 또한, 상기 캐비테이션 버블들의 클라우드의 상기 이미지의 복원 동안, 상기 치료용 초음파 트랜스듀서와 상기 초점 사이 및 상기 초점과 상기 이미징 초음파 트랜스듀서 사이의 상기 초음파들의 전파 시간에서의 차이에 대한 보상을 도입하도록 구성되는, 초음파로의 치료를 제공하기 위한 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 전자 시스템은 상기 치료용 초음파 트랜스듀서를 제어하여, 0.1 μs 와 50 μs 사이, 바람직하게는 0.5 μs 와 20 μs 사이에 포함된 지속기간을 갖는 초음파 펄스들의 트레인을 방출하게 하도록 구성되는, 초음파로의 치료를 제공하기 위한 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 N 은 2 와 10,000 사이, 바람직하게는 2 와 1000 사이에 포함되는, 초음파로의 치료를 제공하기 위한 장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전자 시스템은 병렬 빔포밍 알고리즘에 의하여 상기 캐비테이션 버블들의 클라우드의 상기 이미지를 복원하도록 구성되는, 초음파로의 치료를 제공하기 위한 장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전자 시스템 및 상기 치료용 초음파 트랜스듀서는, 1 과 1000 Hz 사이에 포함된 반복 레이트로, 100 kHz 와 5 MHz 사이에 포함된 중심 주파수를 갖고 0.1 μs 와 50 μs 사이에 포함된 지속기간을 갖는 초음파 펄스들을 방출하도록 구성되는, 초음파로의 치료를 제공하기 위한 장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전자 시스템 및 상기 이미징 초음파 트랜스듀서는 2 와 15 MHz 사이에 포함된 중심 주파수를 갖는 초음파 펄스들을 방출하도록 구성되는, 초음파로의 치료를 제공하기 위한 장치.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전자 시스템은 특이값 분해를 사용하여 상기 시공간 필터링을 수행하도록 구성되는, 초음파로의 치료를 제공하기 위한 장치.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 치료용 초음파 트랜스듀서 및 상기 이미징 초음파 트랜스듀서는 동축으로 배열되는, 초음파로의 치료를 제공하기 위한 장치.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    치료 영역에서 상기 치료용 초음파 트랜스듀서에 의해 방출된 상기 초음파 펄스들의 상기 초점을 이동시키는 수단 (GFF, CPM) 을 또한 포함하는, 초음파로의 치료를 제공하기 위한 장치.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자 시스템은 또한, 상기 캐비테이션 버블들의 클라우드의 상기 이미지에 의존하여 상기 치료용 초음파 트랜스듀서에 의해 방출된 상기 초음파 펄스들의 전력 레벨을 조정하도록 구성되는, 초음파로의 치료를 제공하기 위한 장치.

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