KR20230100686A - 치료 및 이미징 동시 수행방법 및 이를 위한 다기능 초음파 프로브 - Google Patents

치료 및 이미징 동시 수행방법 및 이를 위한 다기능 초음파 프로브 Download PDF

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KR20230100686A
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권다솔
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허정민
김성호
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Abstract

치료와 이미징을 동시에 수행하는 방법 및 이를 위한 다기능 초음파 프로브가 개시된다. 일 실시 예에 따른 치료 및 이미징 동시 수행방법은, 트랜스듀서를 통해 충격파 형태의 치료용 초음파 신호를 대상영역에 송신하는 단계와, 트랜스듀서를 통해 치료용 초음파 신호가 대상영역으로부터 반사되어 되돌아오는 제1 반사신호를 수신하는 단계와, 수신된 제1 반사신호를 신호 처리하여 초음파 영상을 생성하는 단계를 포함한다.

Description

치료 및 이미징 동시 수행방법 및 이를 위한 다기능 초음파 프로브 {Method for simultaneously performing treatment and imaging and multifunctional ultrasound probe therefor}
본 발명은 초음파 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초음파 프로브 기술에 관한 것이다.
초음파 장치는 대상체의 소정부위를 향하여 초음파 신호를 전달하고, 체내의 조직에서 반사된 초음파 신호의 정보를 이용하여 연부조직의 단층이나 혈류에 관한 영상을 얻는 것이다. 이러한 초음파 장치는 소형이고, 저렴하며, 실시간으로 표시 가능하다는 이점이 있다. 또한, 초음파 장치는 X선 등의 피폭이 없어 안정성이 높은 장점이 있어, X선 진단장치, CT(Computerized Tomography) 스캐너, MRI(Magnetic Resonance Image) 장치, 핵의학 진단장치 등의 다른 화상 진단장치와 함께 널리 이용되고 있다.
초음파 이미징 장치(Ultrasonic imaging apparatus)는, 초음파를 이용하여 대상체, 예를 들어 인체 내부의 각종 조직이나 구조 등에 대한 단층 영상이나 혈류 등에 관한 영상을 획득하는 장치이다. 이와 같은 초음파 이미징 장치는, 상대적으로 소형이고 저렴하며, 실시간으로 영상을 표시할 수 있으며, 엑스선 등에 의한 피폭의 위험성이 없어 의료 분야, 예를 들어 심장, 복부, 비뇨기 및 산부인과 등에서 널리 이용되고 있다.
일 실시 예에 따라, 치료와 이미징을 동시에 수행하는 방법 및 이를 위한 다기능 초음파 프로브를 제안한다.
일 실시 예에 따른 치료 및 이미징 동시 수행방법은, 트랜스듀서를 통해 충격파 형태의 치료용 초음파 신호를 대상영역에 송신하는 단계와, 트랜스듀서를 통해 치료용 초음파 신호가 대상영역으로부터 반사되어 되돌아오는 제1 반사신호를 수신하는 단계와, 수신된 제1 반사신호를 신호 처리하여 초음파 영상을 생성하는 단계를 포함한다.
치료용 초음파 신호를 대상영역에 송신하는 단계에서 고차 모드의 고조파 성분을 가진 충격파를 전송하고, 초음파 영상을 생성하는 단계에서 치료용 초음파 신호의 충격파가 가진 고차 모드의 고조파 성분을 이용하여 초음파 영상을 생성할 수 있다.
치료용 초음파 신호를 대상영역에 송신하는 단계에서, 트랜스듀서의 어레이를 구성하는 각각의 소자를 대상으로 치료용 초음파 신호의 주파수 스윕(sweep)을 이용하여 주파수 대역폭(frequency bandwidth) 내에서 복수의 주파수의 조합 또는 단일 주파수의 선택, 펄스 크기 또는 강도를 제어하여 송신할 수 있다.
치료용 초음파 신호를 대상영역에 송신하는 단계에서, 트랜스듀서의 어레이를 구성하는 각각의 소자를 구동하는 복수의 주파수 또는 소정의 방식으로 조합된 복수의 주파수 군을 조정할 수 있다.
치료 및 이미징 동시 수행방법은, 트랜스듀서를 통해 이미징 초음파 신호를 대상영역에 송신하는 단계와, 트랜스듀서를 통해 이미징 초음파 신호가 대상영역으로부터 반사되어 되돌아오는 제2 반사신호를 수신하는 단계를 더 포함하며, 초음파 영상을 생성하는 단계에서, 수신된 제1 반사신호 및 제2 반사신호를 신호 처리하여 초음파 영상을 생성할 수 있다.
다른 실시 예에 따른 다기능 초음파 프로브는, 충격파 형태의 치료용 초음파 신호를 대상영역에 송신하고, 치료용 초음파 신호가 대상영역으로부터 반사되어 되돌아오는 제1 반사신호를 수신하는 트랜스듀서를 포함하는 송수신부와, 수신된 제1 반사신호를 신호 처리하는 신호 처리부와, 신호 처리에 기초하여 초음파 영상을 생성하는 영상 처리부를 포함한다.
영상 처리부는, 치료용 초음파 신호의 충격파가 가지고 있는 고차 모드의 고조파 성분을 이용하여 초음파 영상을 생성할 수 있다.
다기능 초음파 프로브는, 트랜스듀서의 어레이를 구성하는 각각의 소자를 대상으로 치료용 초음파 신호의 주파수 스윕을 이용하여 주파수 대역폭(frequency bandwidth) 내에서 복수의 주파수의 조합 또는 단일 주파수의 선택, 펄스 크기 또는 강도를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
제어부는, 트랜스듀서의 어레이를 구성하는 각각의 소자를 구동하는 복수의 주파수 또는 소정의 방식으로 조합된 복수의 주파수 군을 조정할 수 있다.
트랜스듀서는 이미징 초음파 신호를 대상영역에 송신하고, 이미징 초음파 신호가 대상영역으로부터 반사되어 되돌아오는 제2 반사신호를 수신하고, 신호 처리부는 수신된 제1 반사신호 및 제2 반사신호를 신호 처리하며, 영상 처리부는 신호 처리에 기초하여 초음파 영상을 생성할 수 있다.
일 실시 예에 따른 치료 및 이미징 동시 수행방법 및 이를 위한 다기능 초음파 프로브에 따르면, 치료용 트랜스듀서 및 이미징 트랜스듀서를 합쳐서 하나의 트랜스듀서로 구현하여 치료와 이미징을 동시에 수행함에 따라, 치료만 진행할 수 있는 기존 치료 초음파 프로브의 단점을 극복할 수 있다. 예를 들어, 진단 목적이 아닌 치료의 목적으로 수십 MPa의 강한 충격파(shockwave)를 초음파 신호로 대상영역에 전송하고, 이후 대상영역으로부터 반사되어 되돌아오는 초음파 신호를 이용하여 이미징을 수행할 수 있다.
또한, 초음파 트랜스듀서의 주파수 대역폭 내에서 주파수 스윕(sweep)을 통해 동작 단일 주파수 선택 또는 복수 주파수 조합을 할 수 있다. 이는 이미지의 해상도, 치료 정밀도 및 효율을 극대화 할 수 있다.
또한, 이미징 트랜스듀서보다 상대적으로 낮은 기본 주파수(fundamental frequency)를 사용하기 때문에 분해능(해상도)에서는 떨어질 수 있지만 충격파가 갖고 있는 고차 모드의 고조파 성분(the high order of harmonic components)을 활용하여 기본 주파수 기반 초음파 이미징 보다 이미지 해상도 향상을 이끌 수 있다. 더욱이, 병변으로부터 반사신호의 강도가 강하기 때문에 이미지에 나타나는 대조(contrast) 효과는 높다. 또한 체내의 이미지를 제공할 뿐만 아니라 치료 시 초점 지점에서의 강한 치료용 초음파를 출력할 수 있어 치료에 매우 효과적이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 치료 및 이미징이 동시 가능한 다기능 초음파 프로브의 구조를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다기능 초음파 프로브의 구성을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 치료와 이미징을 수행하는 다기능 초음파 프로브의 타이밍도,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다기능 초음파 프로브에 사용하는 충격파의 파형(a)과 고조파 주파수 특성(b)을 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 신호의 주파수 성분에 따른 이미지 해상도를 비교한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 주파수 스윕(sweep)을 이용한 펄스 크기 및 강도 제어를 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시 에에 따른 치료 및 이미징 동시 수행방법의 흐름을 도시한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램인스트럭션들(실행 엔진)에 의해 수행될 수도 있으며, 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장치의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장치의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다.
이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장치를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다.
그리고 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장치 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장치 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장치를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명되는 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능들을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있으며, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하며, 또한 그 블록들 또는 단계들이 필요에 따라 해당하는 기능의 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시 예는 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 치료 및 이미징이 동시 가능한 다기능 초음파 프로브의 구조를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 치료를 위한 치료용 트랜스듀서(Treatment Transducer) 및 진단을 위한 이미징 트랜스듀서(Imaging Transducer)가 분리된 형태의 프로브는, 치료용 초음파 신호가 진단용 이미지에 보이는 현상(도 1의 상단)이 나타나 실시간 모니터링이 어려울 수 있다. 이러한 초음파 이미지 상에 치료 펄스가 간섭되는 현상을 피하기 위해서는 치료용 트랜스듀서 및 이미징 트랜스듀서 간에 동기화(Sync)를 수행해야 하는 고난이도 기술이 필요하다. 본 발명은 치료용 트랜스듀서 및 이미징 트랜스듀서를 합쳐서 단일의 트랜스듀서로 구현하여 치료와 이미징을 동시에 수행하는 다기능 초음파 프로브(1)를 제안한다.
일 실시 예에 따른 다기능 초음파 프로브(1)는 진단 목적이 아닌 치료의 목적으로 수십 MPa의 강한 충격파를 초음파 신호로 대상영역에 전송한다. 그리고, 대상영역으로부터 반사되어 되돌아오는 반사신호를 이용하여 이미징을 수행함에 따라, 치료만 진행할 수 있는 기존 치료 초음파 프로브의 단점을 극복할 수 있다.
종래의 초음파 치료는 1) 이미징 트랜스듀서로 초음파 이미징을 수행하여 치료 필요 위치 확인, 2) 치료용 트랜스듀서로 초음파 치료 순으로 진행된다. 따라서 시술자의 경험과 감각에 의존하여 치료가 진행되며, 치료 후 다시 초음파 진단기로 치료경과를 확인해야 하는 불편함이 있다.
일반적으로 치료와 이미징을 동시에 구현하기 쉽지 않으므로, 도 1의 상단에 도시된 바와 같이 치료용 트랜스듀서 및 이미징 트랜스듀서를 별개로 사용한다. 집속 이득(Focal gain)을 높이기 위해 대부분 Concave 형태로 프로브를 제작하나, 이 형태는 이미징을 구현하기 어려우며 이미징 효율이 떨어진다. 그리고 Concave 형태로 이미징을 한다고 해도 이미징을 하기 위해서는 다(多) 채널이 필요하고 높은 기술력을 필요로 한다. 또한 이미징 트랜스듀서는 전체 영역으로 Tx (발신), Rx (수신) 하여 이미징을 할 수 있지만 안전상, 규격상 진단 목적이기 때문에 고강도의 충격파를 발생시킬 수 없다. 이러한 제약으로 인해 치료와 이미징을 동시에 구현하기 쉽지 않다.
일 실시 예에 따라 단일의 트랜스듀서를 사용하는 다기능 초음파 프로브(1)는 이미징 트랜스듀서 및 치료용 트랜스듀서를 별도로 사용하는 프로브(도 1의 상단)와 비교할 때, 신호를 주고(Tx) 받아(Rx) 이미지를 만드는 방식은 유사하지만 그 목적이 상이하다. 이미징 트랜스듀서 및 치료용 트랜스듀서를 별도로 사용하여 치료 시 진단을 할 경우 시간 제어(Timing control)가 되지 않아 구분이 어렵고, 영역은 볼 수 있어도 빔(Beam)이 초점 지점에 집속 되는지는 볼 수 없다. 그러나, 일 실시 예에 따른 다기능 초음파 프로브(1)는 트랜스듀서의 치료용 초음파 신호를 이용하여 이미징을 수행함에 따라, 이를 해결할 수 있다.
이때, 트랜스듀서는 단일 또는 다채널 타입일 수 있다. 단일 타입은 하나의 압전소자로 구성된 트랜스듀서를 말하며, 다채널 타입은 다수의 압전소자들이 어레이 형태로 구성된 트랜스듀서를 말한다.
일 실시 예에 따른 다기능 초음파 프로브(1)는 일반적인 이미징 트랜스듀서보다 상대적으로 낮은 주파수를 사용하기 때문에 분해능(해상도)에서는 떨어질 수 있다. 그러나, 충격파가 갖고 있는 고차 모드의 고조파 성분(the high order of harmonic components)을 활용하여 기본 주파수 기반 초음파 이미징 보다 이미지 해상도 향상을 이끌 수 있으며, 병변으로부터 반사신호의 강도가 강하기 때문에 이미지에 나타나는 대조(Contrast) 효과는 높다. 또한 체내의 이미지를 제공할 뿐만이 아니라, 치료 시 초점(Focus) 지점에서의 강한 초음파 펄스를 출력할 수 있어 치료에 효과적이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다기능 초음파 프로브의 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 다기능 초음파 프로브(1)는 초음파 발생부(10), 송수신부(11), 제어부(12), 신호 처리부(13), 영상 처리부(14), 디스플레이부(15) 및 저장부(16)를 포함한다.
송수신부(11)는 단일의 트랜스듀서(110)를 포함한다.
제1 실시 예에 따른 트랜스듀서(110)는 충격파 형태의 치료용 초음파 신호(T)를 대상영역에 송신하고, 치료용 초음파 신호(T)가 대상영역으로부터 반사되어 되돌아오는 제1 반사신호(R)를 수신한다. 수신된 제1 반사신호(R)는 신호 처리부(13)에 의해 신호 처리되어 영상 처리부(14)에 의해 초음파 영상이 생성된다. 제1 실시 예는 치료용 초음파 신호(T)를 이용하여 치료 및 이미징을 동시에 수행하는 방법이다.
제2 실시 예에 따른 트랜스듀서(110)는 체외 충격파 형태의 치료용 초음파 신호(T)를 대상영역에 송신하고, 이미징 초음파 신호(Tx)를 대상영역에 송신한 후, 이미징 초음파 신호(Tx)가 대상영역으로부터 반사되어 되돌아오는 제2 반사신호(Rx)를 수신한다. 수신된 제2 반사신호(Rx)는 신호 처리부(13)에 의해 신호 처리되어 영상 처리부(14)에 의해 초음파 영상이 생성된다.
제3 실시 예에 따른 트랜스듀서(110)는 체외 충격파 형태의 치료용 초음파 신호(T)를 대상영역에 송신하고, 치료용 초음파 신호(T)가 대상영역으로부터 반사되어 되돌아오는 제1 반사신호(R)를 수신하고, 이미징 초음파 신호(Tx)를 대상영역에 송신하고, 이미징 초음파 신호(Tx)가 대상영역으로부터 반사되어 되돌아오는 제2 반사신호(Rx)를 수신한다. 수신된 제1 반사신호(R) 및 제2 반사신호(Rx)는 신호 처리부(13)에 의해 신호 처리되어 영상 처리부(14)에 의해 초음파 영상이 생성된다. 제3 실시 예는 제1 실시 예와 제2 실시 예를 합한 방식이다.
제1 내지 제3의 실시 예에 대해서는 도 3을 참조로 하여 상세히 후술한다.
초음파 발생부(10)는 트랜스듀서(110)의 구동을 위한 짧은 펄스 형태의 구동신호를 트랜스듀서(110)에 인가한다.
신호 처리부(13)는 트랜스듀서(110)를 통해 수신된 초음파 신호를 신호 처리하여 영상 처리부(14)로 전송한다. 신호 처리부(13)는 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier: LNA)와 A/D 변환기(Analog to Digital Converter: ADC), 고속 푸리에 변환기(Fast Fourier Transformer: FFT)를 포함할 수 있다. 신호 처리부(13)의 초음파 영상 회득을 위한 신호 처리 프로세스의 예로 들면, 빔포밍(Beamforming), 시간 게인 보상(Time Gain Compensation) 주파수 필터링(Frequency Filtering), 엔벨로프 검출(Envelope Detection), 로그 보상(Log Compensation), 스캔 변환(Scan Conversion) 순서로 진행될 수 있다.
영상 처리부(14)는 대상영역으로부터 반사된 치료용 초음파 신호 또는 이미징 초음파 신호가 신호 처리부(13)를 통해 신호 처리되면, 신호 처리된 신호에 기초하여 초음파 영상을 생성하며, 디스플레이부(15)를 통해 초음파 영상을 출력한다.
저장부(16)는 송수신부(11)를 통해 형성된 수신신호를 저장하며, 제어부(12)의 동작을 위해 필요한 정보를 저장한다.
제어부(12)는 다기능 초음파 프로브(1)의 전반적인 동작을 제어한다. 일 실시 예에 따른 제어부(12)는 트랜스듀서(110)의 어레이를 구성하는 각각의 소자를 대상으로 치료용 초음파 신호의 주파수 스윕(sweep)을 이용하여 펄스 크기 또는 강도를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(12)는 어레이를 구성하는 각각의 소자를 구동하는 복수의 주파수 또는 소정의 방식으로 조합된 복수의 주파수 군을 조정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 치료와 이미징을 수행하는 다기능 초음파 프로브의 타이밍도이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 치료와 이미징을 하나의 다기능 초음파 프로브(1)로 하기 위해서 치료용 초음파 신호 및 진단용 초음파 신호의 송신 및 수신 타이밍을 다양한 방법으로 제어할 수 있다. 치료영역에 이미징을 수행하는 경우(방법 1), 진단영역에 이미징을 수행하는 경우(방법 2), 치료영역 및 진단영역을 따로 구분하여 각각의 영역에 이미징을 수행하는 경우(방법 3)를 모두 포함할 수 있다.
방법 1에 따르면, 다기능 초음파 프로브(1)는 치료용 초음파 신호를 사용하여 치료 및 이미징을 동시에 수행한다. 예를 들어, 다기능 초음파 프로브(1)는 트랜스듀서(110)를 통해 충격파 펄스 형태의 치료용 초음파 신호(T1)로 대상영역(예를 들어, 인체의 병변)을 치료하는 데 사용하고, 대상영역에서 반사된 제1 반사신호(R1)를 수신한 후, 수신된 R1 신호에 대한 신호 처리 과정을 통해 치료영역의 이미지를 생성한다. 그래서, 치료용 초음파 신호가 조직영역에 도달한 후 반사된 신호가 트랜스듀서(110)로 도달하는 데 걸리는 시간(τ1)에 제1 반사신호 R1를 수신한다. 이어서, 다기능 초음파 프로브(1)는 충격파 펄스 형태의 치료용 초음파 신호 T2를 생성하여 앞 과정을 동일하게 반복 수행한다. 치료용 초음파 신호(T1) 및 제1 반사신호(R1)는 도 3에 도시된 바와 같이 펄스 형태일 수 있다.
방법 2에 따르면, 다기능 초음파 프로브(1)는 치료용 초음파 신호(T1)는 치료용으로만 활용하고, 치료용 초음파 신호(T1) 전송 이후 시간 지연(time delay) 이후 진단용 초음파 신호(Tx1)를 전송한다. 보다 구체적으로, 다기능 초음파 프로브(1)는 충격파 펄스 형태의 치료용 초음파 신호(T1)를 대상영역에 전송하여, 대상영역 내 병변을 치료하는 데 사용하고, 진단용 초음파 신호(Tx1)을 대상영역에 전송한 후, 진단용 초음파 신호(Tx1)가 대상영역으로부터 반사되어 돌아오는 제2 반사신호(Rx1)를 획득하여 이로부터 진단영역의 이미지를 생성한다. τx1은 진단용 초음파 신호(Tx1) 전송 이후 트랜스듀서(110)로 제2 반사신호(Rx1)이 도달하는 시간이다. 즉, 치료용 초음파 신호(T1) 발신 → 일정 시간 후 진단용 초음파 신호(Tx1) 발신하여 제2 반사신호(Rx1) 획득 → 신호 처리과정 거쳐서 이미지 생성 프로세스를 거친다.
제3 방법에 따르면, 다기능 초음파 프로브(1)는 치료용 초음파 신호(T1)와 진단용 초음파 신호(Tx1) 모두 이미징에 활용하여 제1 반사신호(R1)와 제2 반사신호(Rx1)를 획득한다. 예를 들어, 다기능 초음파 프로브(1)는 치료용 초음파 신호(T1)를 치료용으로 사용하고, 대상영역으로부터 반사된 제1 반사신호(R1)를 수신하여 이를 치료영역의 이미징으로 사용한다. 다기능 초음파 프로브(1)는 치료용 초음파 신호(T1)를 전송하고 일정 시간 이후에 진단용 초음파 신호(Tx1)를 전송하여 대상영역으로부터 반사된 제2 반사신호(Rx1)를 수신하여 이를 진단영역의 이미징으로 사용한다. 제3 방법은 제1 방법과 제2 방법을 결합한 방법이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다기능 초음파 프로브에 사용하는 충격파의 파형(a)과 고조파 주파수 특성(b)을 도시한 도면이다.
도 4을 참조하면, 다기능 초음파 프로브(1)는 수십 MPa의 강한 충격파를 사용하는데, 충격파의 주파수 대역에서 기본 주파수(f0)에 대한 고차 고조파 성분을 사용하여 이미징 하면 이미지의 해상도를 높일 수 있다.
일 실시 예에 따른 다기능 초음파 프로브(1)는 초음파 이미징 시 B-mode 이미징뿐만 아니라, 해상도를 높이기 위해 고조파 이미징(harmonic imaging)을 사용할 수 있다. 고조파 이미징 방법은 초음파의 주파수 성분 중 고조파 성분을 사용하여 높은 주파수로 고해상도의 영상을 획득하는 방법이다.
일반 초음파 이미징에 활용되는 프로브는 초음파 세기가 수백 kPa로 낮기 때문에 인체 조직의 비선형(nonlinearity) 특성에 크게 영향을 받지 않아서 초음파가 선형(linear) 전파한다. 이에 따라 초음파는 음향 신호 왜곡(distortion) 없이 조직 내 전파하여 기본 주파수 기반의 이미지를 획득한다.
이에 비해, 도 4의 (a)를 참조하면, 일 실시 예에 따른 다기능 초음파 프로브(1)는 충격파를 이용하는데, 충격파는 수십 MPa의 강한 초음파이기 때문에 대상영역의 비선형성에 크게 영향을 받아서 정현파(sine wave)의 형태가 비선형 충격파의 형태로 왜곡 되어서 양압(positive pressure) 영역이 음압(negative pressure) 영역보다 커지는 비대칭 충격파 신호가 형성된다. 이때, 충격파 신호는 압력 세기가 높을수록 비선형성에 영향을 많이 받아서 고조파 성분이 많아진다.
도 4의 (b)를 참조하면, 다기능 초음파 프로브(1)는 상당히 강한 충격파(shockwave)를 사용하는데, 충격파에는 고차 고조파 모드(the high order of harmonic modes)가 다수 포함되어 있다. 예를 들어, 충격파는 제2 고조파(2f0: 기본 주파수 f0의 두배)뿐만 아니라, 제3 고조파(3f0), 제4 고조파(4f0) 등의 고차 고조파를 포함한다. 그러므로, 다기능 초음파 프로브(1)는 고차 고조파(2f0, 3f0, 4f0, …)를 사용하여 고조파 이미징을 수행할 수 있다. 초음파 이미징의 해상도는 주파수에 크게 의존하기 때문에 ‘고차 고조파 이미징’을 통해 해상도 향상이 가능하다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 신호의 주파수 성분에 따른 이미지 해상도를 비교한 도면이다.
보다 세부적으로, 도 5는 치료용 초음파 신호의 기본 주파수(f0), 제2 고조파(2f0) 및 제3 고조파(3f0) 성분에 따라 생성되는 영상의 해상도 차이를 도시한 도면이다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 다기능 초음파 프로브(1)는 도 4를 참조로 하여 전술한 고차 고조파를 사용하여 이미징을 수행하면, 이미지 해상도를 높일 수 있다. 실험을 위해 64 채널 트랜스듀서를 사용하며, 기본 주파수는 0.5 MHz (f0)이다.
도 5의 (a)는 두 개의 산란자(원형)가 있는 팬텀 구조를 도시한 것이고, 도 5의 (b), (c), (d) 3개의 1D 그래프는 초음파 이미징에 사용한 주파수 성분이며, 그 아래는 그에 대한 초음파 이미징 결과를 도시한 것이다.
도 5의 (b), (c), (d)를 비교하면, 기본 주파수(f 0 ; 0.5 MHz) 사용시 해상도가 상당히 낮다. 이에 비해, 제2 고조파(2f 0 ; 1 MHz) 성분, 제3 고조파(3f 0 ; 1.5 MHz)에서 확인할 수 있듯이 고차 고조파 일수록 이미지 해상도가 향상된다. 이는 픽셀 당 반사신호가 더욱 조밀해지기 때문이다. 도 5의 시뮬레이션 결과를 통해 치료용 초음파의 충격파가 가지고 있는 고차 모드의 고조파 성분을 활용하면 이미지 해상도를 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 주파수 스윕(sweep)을 이용한 펄스 크기 및 강도 제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 다기능 초음파 프로브(1)는 주파수 대역폭(frequency bandwidth) 내에서 복수의 주파수(예를 들어, f0, f1, f2)의 조합을 선택하거나 또는 단일 주파수를 선택하여 초음파 신호를 사용할 수 있다. 단일 주파수 선택의 경우, 장점으로는 여러 주파수(f1 < f0 < f2)를 활용할 수 있기 때문에 주파수 대역폭 내에서 단일 주파수 활용에 따른 초점 크기 제어가 가능한다. 이는 치료 대상 영역의 크기에 따라 주파수를 제어하여 초점 크기를 다르게 활용함으로서, 치료 효율을 극대화할 수 있다. 예를 들어, 병변이 크면 낮은 주파수(f1)를 활용하여 상대적 큰 초점의 충격파로 치료를 수행하고, 병변이 작아서 정밀한 치료가 요구되면 높은 주파수(f2)를 활용하여 상대적으로 작은 초점을 활용하여 정밀하게 치료를 수행한다. 일반 치료용 초음파 트랜스듀서의 경우 f0(기본 주파수)만 사용하기 때문에 집속 초음파의 초점 크기가 항상 고정되어 있다. 그래서 세밀한 것은 제거하지 못하는 경우가 생길 수 있다. 또한 큰 병변의 경우 초점크기가 상대적으로 상당히 작다면, 많은 초점 스캔(focus scan)이 필요하게 때문에 치료 시간이 길어져서 표적 조직 주변에도 의도치 못한 피해가 생기거나 환자에게 부담이 생길 수 있다. 그러므로 주파수 제어에 따른 초점 크기 제어는 위의 문제들을 해결할 수 있는 효과적 방법이다. 또한, 다기능 초음파 프로브(1)는 초음파 신호로서 복수의 주파수를 사용함에 따라, 치료뿐만 아니라 진단 시 이미징에도 도움을 줄 수 있다. 치료 정밀도 및 효율 향상 효과뿐만 아니라 복수의 주파수는 진단 펄스와 유사하며 이는 진단의 이미지 질을 높이는데 매우 유용하다. 낮은 주파수는 조직 투과도 향상에, 높은 주파수는 이미지 해상도 향상에 유용하여 충격파 치료 시 단일 주파수에 비해 진단 수준의 이미지를 확보할 수 있다.
치료 시 주파수의 조합은 트랜스듀서의 대역폭에서 약 -12 dB까지 설정하여 조합할 수 있으며 기본 주파수(f0)의 0.5배수(f1)와 2배수(f2)를 조합하여 사용할 수도 있다. 그리고 충격파의 고차 고주파 성분을 사용하는 다기능 초음파 프로브(1)에는 비선형 현상이 나타난다. 복수의 주파수에 비선형 현상을 조합하면 매우 넓은 범위의 주파수를 만들어낼 수 있어 치료와 진단에 유리하다. 한편 트랜스듀서의 대역폭에 따라 파워 보상 유무를 지정하여 복수의 주파수 크기를 동일하게 만들어 사용할 수도 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 에에 따른 치료 및 이미징 동시 수행방법의 흐름을 도시한 도면이다.
도 2 및 도 7을 참조하면, 다기능 초음파 프로브(1)는 트랜스듀서(110)를 통해 충격파 형태의 치료용 초음파 신호를 대상영역에 송신한다(710).
이어서, 다기능 초음파 프로브(1)는 트랜스듀서(110)를 통해 치료용 초음파 신호가 대상영역으로부터 반사되어 되돌아오는 제1 반사신호를 수신한다(720).
이어서, 다기능 초음파 프로브(1)는 수신된 제1 반사신호를 신호 처리하여 치료영역의 초음파 영상을 생성한다(730).
다기능 초음파 프로브(1)는, 치료용 초음파 신호를 대상영역에 송신하는 단계(710)에서 다기능 초음파 프로브(1)는 고차 모드의 고조파 성분을 가진 충격파를 전송하고, 초음파 영상을 생성하는 단계(730)에서 치료용 초음파 신호의 충격파가 가지고 있는 고차 모드의 고조파 성분을 이용하여 초음파 영상을 생성할 수 있다.
나아가, 다기능 초음파 프로브(1)는 충격파 형태의 치료용 초음파 신호를 대상영역에 송신(710) 한 이후, 트랜스듀서(110)를 통해 이미징 초음파 신호를 대상영역에 송신하고, 트랜스듀서(110)를 통해 이미징 초음파 신호가 대상영역으로부터 반사되어 되돌아오는 제2 반사신호를 수신할 수 있다. 이 경우, 초음파 영상을 생성하는 단계(730)에서, 다기능 초음파 프로브(1)는 수신된 제1 반사신호 및 제2 반사신호를 신호 처리하여 초음파 영상을 생성할 수 있다. 예를 들어, 제1 반사신호에 기초하여 치료영역의 초음파 영상을 생성하고, 제2 반사신호에 기초하여 진단영역의 초음파 영상을 생성할 수 있다.
다기능 초음파 프로브(1)는 충격파 형태의 치료용 초음파 신호를 대상영역에 송신하는 단계(710)에서, 트랜스듀서(110)의 어레이를 구성하는 각각의 소자를 대상으로 구동신호의 주파수 스윕(sweep)을 이용하여 펄스 크기 또는 강도를 제어할 수 있다. 예를 들어, 다기능 초음파 프로브(1)는 트랜스듀서(110)의 어레이를 구성하는 각각의 소자를 구동하는 복수의 주파수 또는 소정의 방식으로 조합된 복수의 주파수 군을 조정할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 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.

Claims (10)

  1. 단일 또는 다채널의 트랜스듀서를 구비하여 치료와 이미징을 동시에 수행하는 다기능 초음파 프로브에 있어서,
    트랜스듀서를 통해 충격파 형태의 치료용 초음파 신호를 대상영역에 송신하는 단계;
    트랜스듀서를 통해 치료용 초음파 신호가 대상영역으로부터 반사되어 되돌아오는 제1 반사신호를 수신하는 단계; 및
    수신된 제1 반사신호를 신호 처리하여 초음파 영상을 생성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 치료 및 이미징 동시 수행방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 치료용 초음파 신호를 대상영역에 송신하는 단계는
    고차 모드의 고조파 성분을 가진 충격파를 전송하고,
    초음파 영상을 생성하는 단계는
    치료용 초음파 신호의 충격파가 가진 고차 모드의 고조파 성분을 이용하여 초음파 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 치료 및 이미징 동시 수행방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 치료용 초음파 신호를 대상영역에 송신하는 단계는,
    트랜스듀서의 어레이를 구성하는 각각의 소자를 대상으로 치료용 초음파 신호의 주파수 스윕을 이용하여 주파수 대역폭(frequency bandwidth) 내에서 복수의 주파수의 조합 또는 단일 주파수의 선택, 펄스 크기 또는 강도를 제어하여 송신하는 것을 특징으로 하는 치료 및 이미징 동시 수행방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 치료용 초음파 신호를 대상영역에 송신하는 단계는,
    트랜스듀서의 어레이를 구성하는 각각의 소자를 구동하는 복수의 주파수 또는 소정의 방식으로 조합된 복수의 주파수 군을 조정하는 것을 특징으로 하는 치료 및 이미징 동시 수행방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 치료 및 이미징 동시 수행방법은,
    트랜스듀서를 통해 이미징 초음파 신호를 대상영역에 송신하는 단계; 및
    트랜스듀서를 통해 이미징 초음파 신호가 대상영역으로부터 반사되어 되돌아오는 제2 반사신호를 수신하는 단계; 를 더 포함하며,
    초음파 영상을 생성하는 단계는
    수신된 제1 반사신호 및 제2 반사신호를 신호 처리하여 초음파 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 치료 및 이미징 동시 수행방법.
  6. 단일 또는 다채널의 트랜스듀서를 구비하여 치료와 이미징을 동시에 수행하는 다기능 초음파 프로브에 있어서,
    충격파 형태의 치료용 초음파 신호를 대상영역에 송신하고, 치료용 초음파 신호가 대상영역으로부터 반사되어 되돌아오는 제1 반사신호를 수신하는 트랜스듀서를 포함하는 송수신부;
    수신된 제1 반사신호를 신호 처리하는 신호 처리부; 및
    신호 처리에 기초하여 초음파 영상을 생성하는 영상 처리부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능 초음파 프로브.
  7. 제 6 항에 있어서, 영상 처리부는
    치료용 초음파 신호의 충격파가 가지고 있는 고차 모드의 고조파 성분을 이용하여 초음파 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 다기능 초음파 프로브.
  8. 제 6 항에 있어서, 다기능 초음파 프로브는
    트랜스듀서의 어레이를 구성하는 각각의 소자를 대상으로 치료용 초음파 신호의 주파수 스윕을 이용하여 주파수 대역폭(frequency bandwidth) 내에서 복수의 주파수의 조합 또는 단일 주파수의 선택, 펄스 크기 또는 강도를 제어하는 제어부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다기능 초음파 프로브.
  9. 제 8 항에 있어서, 제어부는
    트랜스듀서의 어레이를 구성하는 각각의 소자를 구동하는 복수의 주파수 또는 소정의 방식으로 조합된 복수의 주파수 군을 조정하는 것을 특징으로 하는 다기능 초음파 프로브.
  10. 제 6 항에 있어서, 트랜스듀서는
    이미징 초음파 신호를 대상영역에 송신하고, 이미징 초음파 신호가 대상영역으로부터 반사되어 되돌아오는 제2 반사신호를 수신하고,
    신호 처리부는
    수신된 제1 반사신호 및 제2 반사신호를 신호 처리하며,
    영상 처리부는
    신호 처리에 기초하여 초음파 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 다기능 초음파 프로브.
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