KR20230112113A - 관심 매체의 점탄성 특성을 측정하기 위한 프로브 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 간과 같은 관심 인간 또는 동물 매체의 점탄성 특성을 측정하기 위한 프로브에 관한 것으로, 상기 측정은:
- 관심 매체에서 적어도 하나의 저주파 탄성파를 생성하는 것,
- 저주파의 생성과 동시에:
o 고주파 초음파를 방출하는 것, 및
o 관심 매체에서 초음파의 반사로 인한 음향 반향을 수신하는 것으로 구성되고,
프로브는:
- 하우징(31),
- 고주파 초음파를 방출하고 음향 반향을 수신하는 트랜스듀서 어레이(33)를 포함하되,
상기 프로브(3)는:
- 트랜스듀서 어레이(33)와 기계적으로 통합된 고정부(341),
- 저주파 탄성파를 생성하도록 진동을 생성하기 위하여 고정부에 대해 상대적으로 이동할 수 있는 가동부(342)를 포함하는 적어도 하나의 관성 진동 여진기(34)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
- 관심 매체에서 적어도 하나의 저주파 탄성파를 생성하는 것,
- 저주파의 생성과 동시에:
o 고주파 초음파를 방출하는 것, 및
o 관심 매체에서 초음파의 반사로 인한 음향 반향을 수신하는 것으로 구성되고,
프로브는:
- 하우징(31),
- 고주파 초음파를 방출하고 음향 반향을 수신하는 트랜스듀서 어레이(33)를 포함하되,
상기 프로브(3)는:
- 트랜스듀서 어레이(33)와 기계적으로 통합된 고정부(341),
- 저주파 탄성파를 생성하도록 진동을 생성하기 위하여 고정부에 대해 상대적으로 이동할 수 있는 가동부(342)를 포함하는 적어도 하나의 관성 진동 여진기(34)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 대상 물체, 또는 인간 또는 동물의 생체 조직과 같은 확산 매체를 이미징하는 일반적인 기술 분야에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명은 관심 생체 조직의 점탄성 특성을 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
이것은 특히 인간 또는 동물의 간(liver)의 점탄성 매개변수의 측정에 적용되지만 배타적이지 않으며, 이 측정은 간에서 존재하는 섬유증의 양과 상관관계가 있다.
조직의 점탄성 특성을 측정하기 위하여 전단파 탄성 촬영(elastography)을 이용하는 것이 알려져 있다.
이 기술은 조직에서 전단파의 전파 속도를 측정하는 것으로 구성되며, 이 속도는 분석된 조직의 점탄성 특성과 직접적으로 관련된다.
전단파는 다음과 같이 생성될 수 있다;
- 기계적 스트레스에 의해
- 또는 음향 스트레스에 의해.
1. 기계적 전단파 생성
조직의 점탄성 특성을 추정하기 위해, Fibroscan®이라는 초음파 펄스 탄성 촬영 의료 기기가 이미 제안되었다.
도 1을 참조하면, 이 장치(1)는 다음을 포함한다:
- 초음파 발신 및 반향 획득을 위한 초음파 트랜스듀서(11),
- 바이브레이터를 형성하는 전기역학적 액추에이터(12),
- 전기역학적 액추에이터(12)를 포함하는 하우징(미도시).
트랜스듀서(11)는 전기역학적 액추에이터(12)의 끝에 부착된다. 전기역학적 액추에이터(12)는 트랜스듀서(11)를 진동시켜 전단파를 발생시킨다. 의료용 펄스 탄성 촬영 장치(1)의 작동 원리는 다음과 같다.
전기역학적 액추에이터(12)가 활성화되어 트랜스듀서(11)의 움직임을 유도하고 분석 대상 조직에 저주파 전단파를 생성한다. 저주파 전단파가 전파되는 동안 트랜스듀서(11)는 저주파 전단파의 전파를 연구할 수 있도록 고주파 초음파를 방출하고 수신한다.
위에서 제안한 전단파 발생 방식은 조직에 접촉된 초음파 트랜스듀서(11)가 사용자가 잡고 있는 전기역학적 액추에이터(12)에 의해 직접 움직이기 때문에 조직에 기계적 에너지를 전달하는데 상대적으로 효과적이다.
그러나 이 기술의 단점은 조직의 2차원(2D) 매핑에 적합하지 않다는 것이다. 실제로 조직의 2D 매핑에는 초음파 트랜스듀서 어레이의 사용을 필요로 한다. 그러나 다음과 같은 이유로 전기 역학 액추에이터 끝에 이러한 트랜스듀서 어레이를 부착하는 것은 어렵다(불가능하지는 않더라도).
- 한편으로는 치수(60x15mm일 수 있음)로 인하여, 및
- 다른 한편으로는 어레이의 트랜스듀서에 연결된 케이블 묶음으로 인하여.
초음파 프로브에서 기계적 여기를 분리하는 것이 제안되었다(2002년에 출판된 Sandrin의 "2-D Transient Elastography를 사용한 전단 모듈러스 이미징"이라는 제목의 문서에서). 특히, 도 2는 다음을 포함하는 펄스 탄성 촬영 시스템(2)을 도시한다:
- 조직에 저주파 탄성 전단파 발생을 위한 기계적 여기 수단(진동기 형성), 및
- 조직을 이미징하기 위한 고주파 초음파를 발생시키는 수단으로서, 상기 파동 발생 수단은 기계적 여기 수단과 분리되어 있다.
특히, 시스템의 기계적 여기 수단은 2개의 자기 전기 진동기(22)에 의해 움직임이 제어되는 2개의 막대(24)를 포함한다. 초음파 발생 수단은 차래로 기계적 여기 수단에 의해 생성된 탄성 전단파의 전파를 연구하기 위해 조직을 이미지화하는 변환 요소 세트(23)(128 요소로 구성됨)를 포함한다. 트랜스듀서 요소 세트(23)는 2개의 막대(24) 사이에 배치된다.
이 시스템을 사용하면 조직의 점탄성 특성을 추정하는 동안 2D 매핑을 생성할 수 있다. 그러나 그 디자인에는 많은 단점이 있다. 특히, 변환 요소 세트(23)의 양쪽에 있는 바(24)의 위치 설정은:
- 시스템(2)이 환자의 갈비뼈 사이의 간 탐색과 양립할 수 없게 만드는 기계적 여기 수단의 큰 폭을 유도하고,
- 또한 시스템(2)의 소독 문제를 일으킬 수 있다.
보다 최근에, 문헌 EP 3 315 074는 다음을 포함하는 일시적인 탄성 촬영용 프로브를 제안하였다:
- 하우징,
- 대칭축 A를 갖는 하나(또는 그 이상)의 초음파 트랜스듀서(들),
- 하나(또는 그 이상)의 진동기, 각각의 진동기는 하우징 내부에 위치함,
- 하우징에 결합된 위치 센서,
- 피드백 회로.
위치 센서는 프로브의 움직임을 측정하도록 배열된다. 진동기는 1Hz에서 5kHz 사이의 주파수 범위에서 진동할 수 있다. 질량이 프로브의 전체 질량의 25% 이상인 고정부과 가동부으로 구성된다. 가동부는 가이드 로드를 따라 병진 이동이 가능하다. 이 진동기는 초음파 트랜스듀서의 대칭축(A)을 따라 하우징의 이동을 유도하도록 배열된다. 피드백 회로는 프로브의 움직임을 사용하여 하우징 내부의 진동기의 움직임과 프로브에 의해 적용되는 저주파 펄스의 형상을 제어한다.
EP 3 315 074에 설명된 프로브의 단점은 큰 크기와 관련이 있다. EP 3 315 074에 따른 프로브의 또 다른 단점은 진동기의 높은 전기 에너지 소비와 관련되며, 이는 이 프로브를 배터리 전원 공급 장치에 부적합하게 만든다. 마지막으로, 진동기에 의해 생성된 진동 댐핑은 프로브의 배향에 따라 달라질 수 있다.
2. 음향 전단파 생성
상술한 장치(1)과 시스템(2)의 단점을 극복하기 위해, 기계적 수단이 아닌 음향적 수단을 이용하여 전단파를 발생시키는 것이 제안되었다.
따라서 지난 20년 동안 초음파 복사 압력(매체와의 운동량 전달에 의해 압축파가 전파되는 동안 매체에서 생성된 체적 힘으로 구성됨)에 기반한 다양한 솔루션이 개발되었다.
이러한 솔루션은 다음과 같은 물리적 원리를 기반으로 한다. 고강도 초음파 빔의 초점을 맞추면 비선형 효과가 발생하여 초점 지점에서 매체에 힘이 작용한다. 초음파 에너지가 짧은 순간(ms 분수)에 걸쳐 전달되면, 일시적인 점 응력이 발생하여 초점 주위에 부분 구형 대칭을 갖는 전단파를 생성한다.
이러한 다양한 솔루션에서:
- 전단파를 발생시키는 여기 수단, 및
- 고주파 초음파를 발생시켜 조직을 영상화하는 수단
은 단일 구성 요소, 즉 트랜스듀서 어레이를 사용한 결과이다.
이 트랜스듀서 어레이는 다음을 수행할 수 있다.
- 첫째, 비선형 효과에 의해 전단파 생성을 유도하는 고강도 초음파 펄스를 생성하고,
- 둘째, 전단파의 전파를 연구하기 위해 고주파 초음파를 생성하여 조직을 이미지화한다.
그러나 이 기술의 단점은 생성된 전단파의 진폭이 낮고 구형으로 전파하여, 전단파가 2 차계 효과(second-order effect)이기 때문에 전단파가 조직으로 깊게 침투하는 것을 제한하여 조직 움직임에 필요한 진폭을 신속하게 상실하게 된다.
이러한 단점을 극복하기 위해 서로 다른 깊이에서 연속적으로 집속되는 초음파를 방출하여 복사압에 의한 푸시(push)를 생성하는 것이 제안되었다. 이렇게 생성된 보강 전단파 간섭은 초음속 "마하 콘(Mach cone)" (소스의 속도가 생성된 파동의 속도보다 빠름)을 형성하고, 원추형 전단파를 생성한다. 그런 다음 트랜스듀서 어레이는 매체를 통해 전파되는 전단파를 따르기 위해 초고속 이미징 모드(고주파 초음파가 생성되는 모드)로 전환된다.
이 기술은 초음파 이미징 트랜스듀서 자체를 이용하여 원추형 전단파를 얻을 수 있지만 에너지 측면에서 비용이 많이 드는 단점이 있다.
요약하자면:
- 문헌에서 제안된 기계적 여진기는 상업용 제품, 특히 간 섬유증 평가를 위한 제품에 대해 생각할 수 없는 인체공학적 특징을 가지고 있다.
- 음향 여진기(복사력을 사용하여 전단파 생성)는 전기 기계 효율성이 매우 낮아 에너지 소비가 적은 초소형 제품에는 불가능하다.
본 발명의 목적은 상술한 단점 중 적어도 하나를 극복할 수 있는 초음파 영상 시스템을 제안하는 것이다.
보다 구체적으로, 본 발명의 목적은 전단파 발생에 필요한 에너지를 최소화하여 조직의 점탄성 특성을 측정할 수 있는 2차원 펄스 탄성 촬영 시스템을 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 매체, 예를 들어 간과 같은 인간 또는 동물의 생물학적 조직의 점탄성 특성을 측정하기 위한 프로브를 제안하며, 상기 측정은 다음으로 구성된다:
- 매체에서 하나 이상의 저주파 탄성파를 생성하고,
- 저주파의 생성과 동시에:
● 고주파 초음파를 방출하고,
● 매체에서 초음파의 반사로 인한 음향 반향을 수신하고,
프로브는:
- 하우징,
- 고주파 초음파를 방출하고 음향 반향을 수신하기 위해 하우징과 기계적으로 통합된 트랜스듀서 어레이,
- 적어도 하나의 저주파 탄성파를 방출하기 위한 적어도 하나의 관성 진동 여진기로서, 상기 적어도 하나의 여진기는:
● 트랜스듀서 어레이와 기계적으로 통합된 고정부,
● 저주파 탄성파를 생성하기 위해 고정부에 대해 자유롭게 이동할 수 있어 진동을 생성하는 가동부,
● 고정부과 가동부 사이에서 연장되는 적어도 하나의 복귀 스프링을 포함하되,
가동부의 질량이 프로브 총 중량의 5 ~ 25% 사이에 포함된다는 점과 상기 및 적어도 하나의 복귀 스프링의 강성 계수가 300 kg.s2~ 50,000 kg.s2 사이에 포함되어, 관성 진동 여진기의 공진 주파수가 저주파 탄성파의 주파수와 실질적으로 동일하다는 점은 주목할 만하다.
따라서 (여진기의 가동부의) 질량과 (복귀 스프링의) 강성 계수는 각각의 공진 주파수에서 관심 주파수 범위에 있는 탄성파를 방출하는 데 사용할 수 있는 여진기 제품군에 해당하는 범위 내에서 선택된다.
이 질량과 이 강성 계수는 여진기의 공진 주파수가 탄성파의 주파수와 같도록 더 결정된다. 보다 구체적으로, 프로브가 주파수 "F"의 탄성파를 방출하는 것이 바람직한 경우, 여진기의 가동부의 질량 "m" 과 스프링(들)의 강성 계수 "k"는 이도록 선택된다. 실제로 탄성파에 대해 원하는 주파수 "F" 를 알고 프로브의 크기를 올바르게 지정하려면, 강성 계수 "k" (각각 질량 "m") 가 300kg.s²에서 50,000 kg.s²사이(각각 프로브 총 중량의 5 ~ 25% 사이)의 범위로 고정되고, 질량 "m" (각각 강성 계수 "k")는 방정식 (각각 )을 만족하도록 계산된다.
본 발명의 맥락에서, "여진기의 가동부의 자유로운 움직임"이라는 용어는 프로브를 잡고 있는 동안 사용자에 의해 가해지는 힘과 같은 여진기 외부의 힘에 의해 가해지는 어떠한 응력도 받지 않고 가동부가 움직인다는 사실을 의미하는 것으로 이해된다. 특히, 움직이는 동안 가동부가 겪는 유일한 응력은 중력과 여진기에 의해 가해지는 힘, 즉 기계적 복귀력(복귀 스프링에 의해 가해지는)과 전자석 여진기의 경우의 전자기력이다.
다음 설명에서 알 수 있듯이 트랜스듀서 어레이와 기계적으로 통합된 고정부는:
- 트랜스듀서 어레이에 직접, 즉 트랜스듀서 어레이와 물리적으로 접촉하여 부착될 수 있거나, 또는
- 트랜스듀서 어레이에 간접적으로, 즉 트랜스듀서 어레이 이외의 프로브 구성요소(예를 들어 프로브의 섀시 또는 하우징)와 물리적으로 접촉하여 - 이 구성요소는 트랜스듀서 어레이에 (직접 또는 간접적으로) 고정됨 - 부착될 수 있다.
모든 경우에 고정부를 트랜스듀서 어레이에 기계적으로 고정하면 이 두 요소의 서로에 대한 상대적 움직임은 없다.
본 발명에 따른 프로브의 바람직하지만 비제한적인 측면들은 다음과 같다:
- 각각의 관성 진동 여진기는 가동부의 병진 이동을 보장하기 위해 가이드 로드와 마찰에 의해 협력하는 가이드 슬라이드가 없을 수 있으며, 상기 및 적어도 하나의 복귀 스프링은 고정부에 대한 가동부의 움직임을 위한 가이드를 형성한다;
- 프로브는 또한 고정부에 대한 적어도 하나의 영구 자석을 포함하는 가동부의 이동을 구동하도록 허용하는 전기 여기 신호를 인가하기 위한 제어기를 포함할 수 있고;
- 각각의 관성 진동 여진기는 또한 영구 자석 주위에 분포된 추가 관성 질량을 포함할 수 있고;
- 추가 관성 질량은 복귀 스프링의 압축 세그먼트에 수직으로 연장되는 와인딩 축(winding axis) 주위에 감긴 적어도 하나의 측벽을 포함할 수 있으며, 상기 적어도 하나의 측벽은 상기 압축 세그먼트를 둘러싸며;
- 대안적으로, 추가 관성 질량은 복귀 스프링의 압축 세그먼트에 평행한 대칭축을 가질 수 있고 영구 자석 주위에 분포될 수 있으며;
- 대안적으로, 프로브는 또한 적어도 하나의 전자 수집 카드를 포함할 수 있으며, 추가 관성 질량은 상기 전자 카드가 영구 자석과 기계적으로 통합되어 구성되며;
- 프로브는 제어기에 의해 구동되는 여러 개의 관성 진동 여진기를 포함할 수 있으며, 각각의 여진기는 각각의 복귀 스프링을 포함하고, 각각의 복귀 스프링은 다른 복귀 스프링의 강성 계수와 다른 강성 계수를 가지며;
- 관성 진동 여진기는 또한 고정부과 가동부 사이에 배치된 댐핑층을 포함할 수 있으며, 상기 댐핑층은 충격 흡수 재료로 만들어지고;
- 제어기는 상기 관성 진동 여진기의 고정부에 대한 각각의 관성 진동 여진기의 가동부의 진동을 댐핑(dampen)시키기 위해 각각의 관성 진동 여진기에 감쇠 신호(attenuation signal)를 인가하도록 적응될 수 있으며, 상기 감쇠 신호는 (수신된 음향 반향의 처리 및/또는 여진기에 흐르는 전류의 측정으로부터) 프로브와 관심 매체 사이의 상대적 이동을 나타내는 정보의 함수로서 계산되며:
- 대안적으로, 제어기는 감쇠 신호의 후속 인가 없이 각 여진기의 가동부의 진동을 유도하기 위해 각 여진기에 전기 여기 신호를 인가하여 각각의 여진기의 가동부가 자유롭게 진동하도록 프로그래밍될 수 있다.
본 발명에 따른 프로브의 다른 이점 및 특징은 첨부된 도면으로부터 비제한적 예로서 주어진 여러 변형 실시예에 대한 설명으로부터 더 잘 드러날 것이다:
도 1은 종래 기술의 초음파 펄스 탄성촬영 의료기기의 개략도,
도 2는 종래 기술의 펄스 탄성 촬영 시스템의 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 초음파 펄스 탄성 촬영 프로브의 제1 실시예의 개략도,
도 4는 제1 여진기 변형의 개략도,
도 5는 제2 여진기 변형의 개략도,
도 6은 제2 변형에 따른 여진기의 예의 개략도,
도 7a는 제3 여진기 변형의 개략도,
도 7b는 제4 여진기 변형의 개략도,
도 7c는 제5 여진기 변형의 개략도,
도 8은 여진기의 블록도,
도 9는 본 발명에 따른 초음파 펄스 탄성 촬영 프로브의 제2 실시예의 개략도,
도 10은 본 발명에 따른 초음파 펄스 탄성 촬영 프로브의 제3 실시예의 개략도,
도 11은 본 발명에 따른 초음파 펄스 탄성 촬영 프로브의 제4 실시예의 개략도,
도 12는 제6 여진기 변형의 개략도,
도 13은 본 발명에 따른 프로브의 예의 사시도,
도 14는 본 발명에 따른 프로브의 다른 예의 사시도이다.
도 1은 종래 기술의 초음파 펄스 탄성촬영 의료기기의 개략도,
도 2는 종래 기술의 펄스 탄성 촬영 시스템의 개략도,
도 3은 본 발명에 따른 초음파 펄스 탄성 촬영 프로브의 제1 실시예의 개략도,
도 4는 제1 여진기 변형의 개략도,
도 5는 제2 여진기 변형의 개략도,
도 6은 제2 변형에 따른 여진기의 예의 개략도,
도 7a는 제3 여진기 변형의 개략도,
도 7b는 제4 여진기 변형의 개략도,
도 7c는 제5 여진기 변형의 개략도,
도 8은 여진기의 블록도,
도 9는 본 발명에 따른 초음파 펄스 탄성 촬영 프로브의 제2 실시예의 개략도,
도 10은 본 발명에 따른 초음파 펄스 탄성 촬영 프로브의 제3 실시예의 개략도,
도 11은 본 발명에 따른 초음파 펄스 탄성 촬영 프로브의 제4 실시예의 개략도,
도 12는 제6 여진기 변형의 개략도,
도 13은 본 발명에 따른 프로브의 예의 사시도,
도 14는 본 발명에 따른 프로브의 다른 예의 사시도이다.
본 발명에 따른 프로브의 상이한 실시예는 이제 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다. 이러한 다양한 도면에서 등가 요소는 동일한 참조 번호로 표시된다.
1.
일반성
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 초음파 펄스 탄성 촬영 프로브의 예가 예시되었다. 그러한 프로브는 조직 또는 인간/동물 기관의 탄력성을 측정할 수 있게 한다.
프로브(3)는 다음을 포함한다:
- 하우징(31)
- 전자 획득 카드(32)(옵션),
- 트랜스듀서 어레이(33), 및
- 복귀 스프링(도 3에 도시되지 않음)에 의해 서로 연결된 고정부(341) 및 가동부(342)를 포함하는 관성 진동 여진기(34).
여진기(34)는 진동을 발생시킨다. 아래에서 더 자세히 설명하겠지만, 여진기(34)의 고정부는 트랜스듀서 어레이(33)와 기계적으로 통합되어 분석할 조직의 점탄성 특성 측정에 필요한 전단파를 기계적으로 생성하기 위해 프로브(3)에 진동을 전달한다.
관성 진동 여진기(34)의 사용은 EP 3 315 074에 따른 프로브와 달리 진동을 발생시키는 가동부(342)의 질량이 프로브의 전체 질량의 5 내지 25%만을 나타내는 프로브와 대부분의 프로브 질량이 기계적 여진기에 집중되어 있는 도 1과 2에 설명된 장치 및 시스템을 얻을 수 있게 한다. 이는 본 발명에 따른 프로브의 중량 및 부피를 제한한다.
더욱이, 독자는 도 9, 10, 11 및 13에 도시된 것처럼, 관성 진동 여진기(34)가 트랜스듀서 어레이(33)의 대칭축을 따라 프로브의 이동을 유도하도록 반드시 배열되지는 않는다는 것을 이해할 것이다. 실제로 많은 실시예에서, 트랜스듀서 어레이(33)의 대칭축과 관성 진동 여진기(34)의 가동부의 이동축은 일치하지 않는다. 이는 본 발명에 따른 프로브의 크기를 제한할 수 있게 한다.
관성 진동 여진기(34)의 사용은 조직의 점탄성 특성을 측정하기에 충분한 전력의 전단파를 생성하는 동시에 초음파 복사 압력에 기초한 솔루션에 필요한 것보다 적은 에너지를 소비하도록 허용한다.
1.1.
하우징
프로브(3)의 하우징(31)은 전단파 생성 수단뿐만 아니라 프로브 획득 수단을 수용한다. 보다 구체적으로, 선택적인 전자 카드(32), 트랜스듀서 어레이(33) 및 관성 진동 여진기(34)는 하우징(31)에 수용된다.
이러한 프로브의 장점은 프로브의 모든 가동부(특히 관성 진동 여진기(34)의 가동부)가 하우징(31) 내부에 있으므로 보호된다는 점이다. 이는 프로브(3)의 소독을 용이하게 한다. 외부에서 볼 때, 프로브는 변형되지 않아 사용상의 많은 문제를 해결하고 사용자가 쉽게 잡을 수 있다.
프로브는 또한 타겟 개체의 기본 이미지의 재구성 및/또는 타겟 개체의 탄성의 추정 및/또는 표시를 위하여 수집된 데이터(선택적으로 전처리된 및 빔포밍된)를 계산 유닛(원격 컴퓨터 및/또는 태블릿 및/또는 스마트폰 등)으로 전송하기 위한 (유선 또는 무선) 통신 수단(35)을 포함한다.
1.2. 트랜스듀서 어레이
트랜스듀서 어레이(33)는 선형으로, 또는 곡선으로 또는 동심원으로 또는 매트릭스로 배치된 "n"개의 초음파 트랜스듀서( "n" 은 1보다 크거나 같은 정수임)의 세트를 포함한다.
트랜스듀서 어레이(33)는 탐색될 매체(장기, 생물학적 조직 등)를 향해 초음파 여기파를 방출하고 음향 반향(즉, 탐색될 매체의 다양한 인터페이스에 의해 반사된 초음파)를 수신하도록 허용한다. 각 트랜스듀서는 예를 들어 전극으로 앞면과 뒷면에 코팅된 직사각형 모양의 압전 재료 판으로 구성된다. 그러한 트랜스듀서는 당업자에게 공지되어 있고 아래에서 더 자세히 설명하지 않을 것이다.
도 3에 도시된 변형 실시예에서, 어레이의 모든 트랜스듀서는 방출 및 수신 모두에서 사용된다. 다른 실시예에서, 방출 및 수신을 위해 별도의 트랜스듀서가 사용될 수 있다.
1.3. 전자 카드
선택적 전자 카드(32)는 트랜스듀서 어레이(33)에 연결된다. 이것은 어레이의 트랜스듀서를 제어하고 어레이의 트랜스듀서에 의해 획득된 데이터를 처리할 수 있게 한다. 보다 구체적으로, 획득 전자 카드(32)는 다음을 가능하게 한다:
- 탐색할 매체를 향해 초음파를 방출하도록 트랜스듀서에 명령하고,
- 탐색할 매체의 다양한 인터페이스에 의해 반사된 반향을 수신하도록 트랜스듀서에 명령하고,
- 반향 신호를 사전 처리하고 원격 계산 장치로 전송한다.
전자 카드는 또한 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 관성 진동 여진기(34)를 구동하기 위한 제어기를 포함할 수 있다.
1.4. 관성 진동 여진기
관성 진동 여진기(34)는 프로브(3)을 진동시켜 전단파 발생을 유도한다.
보다 구체적으로, 원하는 움직임의 반대 방향으로의 여진기(34)의 가동부(342) 또는 "관성 질량" 의 움직임은 트랜스듀서 어레이(33)를 다른 방향으로 움직이고 원하는 전단파를 생성한다.
유리하게는 본 발명의 맥락에서, 종래 기술의 해결책과는 달리 트랜스듀서 어레이(33)와 ("직접" 또는 "간접적으로") 기계적으로 통합되는 것은 여진기(34)의 고정부(341)이다. 실제로 :
- 도 1에 도시된 탄성 촬영 장치(1)에서, 트랜스듀서(11)는 전기역학적 액추에이터(12)의 가동부과 통합되고, 액추에이터의 고정된 다른 부분은 사용자가 손에 쥐고 있다.
- 도 2에 도시된 탄성 촬영 시스템(2)에서, 변환 요소 세트(23)는 기계적 여기 수단(22, 24)으로부터 완전히 분리된다(기계적 여기 수단(22, 24)에 의해 발생된 진동은 트랜스듀서 요소 세트(23)로 전달되지 않음).
이 특정 배열 (고정부(341)이 트랜스듀서 어레이(33)에 연결되어 진동하도록 하는 관성 진동 여진기(34)의 사용)은 다음을 이용하여 허용 가능한 강도의 전단파를 생성할 수 있게 한다.
- 최소한의 부피(복사력을 사용하는 프로브와 실질적으로 동일한 부피)를 갖는 프로브,
- 전단파를 생성하기 위해 제한된 에너지를 소비하는 프로브. 액추에이터(34)의 여기에 필요한 에너지원은 또한 통신 링크(35)가 무선일 때 프로브에 내장된 배터리에 의해 제공될 수 있다.
즉, 제안된 솔루션은 각각의 단점 없이 선행 기술의 두 가지 기술의 장점을 가진다. 즉,
- 높은 전단파 생성 수율(기계적 전단파 생성 솔루션과 동일), 및
- 작은 부피(음향 전단파 생성 솔루션과 동일),
- 관성 진동 여진기가 없는 이 동일한 프로브에 비해 무게가 약간 증가했다(25% 이하, 특히 20%).
도 3에 도시된 실시예에서, 하우징(31) 내부에 배치된 모든 요소는 가동부(342)를 제외하고 기계적으로 통합된다.
이들 기계적 통합 요소(즉, 하우징 (31), 전자 카드(32), 트랜스듀서 어레이(33) 및 여진기(34)의 고정부(341))는 200 내지 300g 정도의 단일 질량체를 구성한다.
(관성 질량을 형성하는) 여진기(34)의 가동부(342)는 25 내지 50g(보다 일반적으로는 프로브 중량의 5 내지 25%)으로 구성된 질량체를 갖는다. 가동부(342)의 질량이 25 내지 50g(보다 일반적으로는 프로브의 총 중량의 5 내지 25%)으로 구성된다는 사실은 다음과 같은 관성 질량을 갖도록 허용한다.
- 전단파 생성 효율을 보장할 수 있을 만큼 충분히 높으며,
- 프로브의 무게가 과도하게 증가하지 않도록 충분히 낮아서 핸들링이 보장된다.
관성 진동 여진기는 공진 주파수에서 사용하도록 되어 있다. 더 구체적으로:
- 여진기의 가동부의 질량 및
- 복귀 스프링의 강성 계수(또는 복귀 스프링의 총 강성 계수)
는 여진기의 공진 주파수가 전단파에 대해 원하는 주파수와 일치하도록 선택된다.
특히:
- 가동부의 질량은 프로브 총 중량의 5~25%로 구성되며,
- 복귀 스프링의 강성 계수는 300 kg.s2~ 50000 kg.s2 사이, 바람직하게는 1000 kg.s2~ 10000 kg.s2, 훨씬 더 바람직하게는 4000 kg.s2~ 6000kg.s2 사이로 구성된다.
공진 주파수에서 여진기를 작동하도록 준비가 되어 있다는 사실은 전단파 생성에 필요한 에너지의 양을 제한할 수 있도록 한다. 여진기의 에너지 소비를 제한함으로써, 배터리로 프로브에 전원을 공급할 수 있다.
2. 여진기
2.1. 여진기의 제1 변형 실시예
도 4를 참조하면, (전자석 및 플런저 로드의 원리에 기초한) 여진기의 제1 변형 실시예가 도시되어 있는데, 여기서는:
- 고정부(341)는 "플런저" 로드라고 칭하는 로드를 포함하되, 로드는:
예를 들어 연강으로 제조된, 그 단부 중 하나에 있는 헤드(3411), 및
타단에 있는 베이스(3412) - 베이스(3412)는 하우징(31)에 직접 또는 간접적으로 부착되도록 의도됨(예를 들어, 전자 카드(32)를 통해) - 를 포함하고,그리고
- 가동부(342)는 다음을 포함하는 전자석으로 구성된다:
전기 전도성 권선(3421)(예를 들어 구리로 제조됨),
로드 주위로 연장되고 자기장 라인을 채널링하는 마그네틱 코어(3422)(예를 들어 연강으로 제조됨),
- 복귀 스프링(343)은 헤드(3411)와 마그네틱 코어(3422) 사이에서 연장된다.
플런저 로드는 마그네틱 코어(3422)에 형성된 관통 도관 내부에 슬라이딩 가능하게 장착된다. 전자석 및 플런저 로드 여진기의 작동 원리는 다음과 같다.
권선(3421)에 전류가 인가되면, 헤드(3411)의 강자성체는 갑자기 아래쪽으로 끌어당겨지고, 이는 마그네틱 코어(3422)의 관통 도관 내부에 로드의 "플런지" 를 유도한다. 헤드(3411)가 아래로 이동하고, 복귀 스프링(343)이 압축된다. 권선(3421)에 더 이상 전류가 공급되지 않는 즉시, 복귀 스프링(343)은 슬라이딩 로드를 "높은" 위치로 복귀시킨다.
이 경우 플런저 로드의 베이스(3412)는 프로브(3)의 하우징(31)에 (직접 또는 간접적으로) 부착되고, 전류를 권선(3421)에 인가할 때 마그네틱 코어(3422)는 스프링(343)을 압축하여 헤드(3411) 쪽으로 이동한다. 이 전류가 차단된 후, 마그네틱 코어(3422)는 복귀 스프링(343)에 의해 가해진 힘으로 인해 "낮은" 위치 로 복귀한다.
그러면 권선(3421)에 전류가 인가되는지 또는 차단되는지에 따라 마그네틱 코어(3422)의 왕복 운동을 얻을 수 있다. 마그네틱 코어(3422)의 이러한 왕복 운동은 프로브(3) 전체의 진동을 유도하여, 전단파를 생성하도록 한다.
바람직하게는 전기 자극은 Dirac(지속 시간이 몇 밀리초)에 가까워야 한다.
이러한 유형의 여진기(34)의 단점은 아래의 경우에 마그네틱 코어(3422)의 움직임을 미세하게 제어하기 어렵다는 것이다:
- 전류 인가의 영향 하에서, 마그네틱 코어(3422)는 스프링(343)을 압축함으로써 로드의 헤드(3411) 쪽으로 이동하고,
- 전자기력이 없을 때 연속적인 움직임이 가해지며 그 결과 스프링(343)의 질량과 강성에 따라 맥동이 있는 마그네틱 코어(3422)의 진동이 발생한다.
따라서 마그네틱 코어(3422)의 움직임의 주파수를 설정하는 것은 스프링(343)의 강성이다: 여기를 미세하게 제어하거나 댐핑시키는 수단이 없다. 더욱이, 그러한 시스템에서 발달된 자력은 로드가 마그네틱 코어(3422)에 접촉할 때 최대가 되는 마그네틱 코어(3422)로의 로드의 침투에 매우 의존적이다.
이러한 유형의 여진기의 또 다른 단점은 플런저 로드의 병진 이동을 가이드하는 것과 관련이 있다. 특히, 가이드 슬라이드를 형성하는 도관 내부의 플런저 로드의 움직임과 관련된 마찰은 마찰 댐핑을 유발한다. 가동부의 이러한 마찰 댐핑은 제어되지 않고, 시간이 지남에 따라 가변적이며 프로브의 배향에 크게 의존한다는 단점이 있다.
이것이 발명자들이 관성 진동 여진기가 가동부의 병진 이동을 보장하기 위해 로드와의 마찰에 의해 협력하는 가이드 슬라이드를 갖지 않는 다른 변형 실시예(후술함)를 제안한 이유이다. 이는 시간과 공간에서 변하지 않는 본질적인 진동 동작을 갖는 이점을 갖는 관성 진동 여진기를 가질 수 있게 한다.
아래에 설명된 이러한 다양한 변형에서, 고정부(341)와 가동부(342) 사이에서 연장되는 하나(또는 그 이상)의 복귀 스프링(들)(343)에 의해 가동부의 (병진 또는 회전) 이동의 가이드가 보장된다.
2.2.
여진기의 제2 변형 실시예
더 많은 제어를 허용하는 여진기의 제2 변형이 도 5를 참조하여 설명된다. 이 여진기(34)는 여전히 전자기력을 사용하지만, 영구 자석에 의해 분극된 자기 시스템과 함께 작동한다.
더 구체적으로:
- 여진기(34)의 고정부(341)는:
o
다음을 포함하는 뼈대(3415):
하우징(31)에 (직접 또는 간접적으로) 부착되도록 의도된 베이스(34151),
베이스(34151)에 수직으로 돌출하는 관형 지지체(34152) - 관형 지지체(34152)는 중앙 도관을 포함함 - ,
o
관형 지지체(34152)에 장착된 전기 활성화 코일(3416)를 포함하고,
- 여진기(34)의 가동부(342)는 뼈대(3415)를 부분적으로 둘러싸도록 배열된 전기자(3423)를 포함하고, 전기자(3423)는:
환형 영구 자석(34231), 및
관형 지지체(34152)의 중앙 도관 내부에 슬라이드 가능하게 장착되도록 의도된 연강으로 만들어진 축방향 관형 가이드(34232),
관형 가이드(34232)와의 자기 에어 갭을 규정하기 위하여 관형 지지체(34152)와 권선(3416)을 둘러싸는 연강으로 제조된 환형 극편(34233)을 포함하고,
- 복귀 스프링(343)은 베이스(34151)와 전기자(34233) 사이에서 연장된다.
이 여진기는 예를 들어 전자 카드(32)에 통합된 제어기(도시되지 않음)에 의해 구동될 수 있다. 이 제어기는 그 작동 원리가 다음과 같은 여진기(34)의 활성화 코일(3416)에 전원을 공급하기 위해 전기 여기 신호(수 밀리초에서 수십 밀리초까지)를 방출할 수 있게 한다.
하우징(31)에 기계적으로 부착된 활성화 코일(3416)은 환형 영구 자석(34231)에 의해 연속적으로 바이어스되는 전기자(3423)의 에어 갭에서 진화한다.
활성화 코일(3416)에 전류로 전원이 공급되는 경우(즉, 제어기가 전기 여기 신호를 방출할 때), 그 방향이 (베이스(34151)를 향하거나 또는 베이스(34151) 반대이며), 전류의 방향에 따라 달라지는 전류에 비례하는 수직 전자기력(vertical electromagnetic force)을 전기자(3423)에 인가한다.
이 힘은 고정부(341)의 (관형 지지체(34152)의) 중앙 도관을 따라 가동부(342)의 병진 이동을 유도한다. 보다 구체적으로, 전류의 방향에 따라 이 힘은:
- 복귀 스프링(343)이 압축되도록 고정부의 베이스(34151)를 향한 가동부의 병진 이동을 유도하거나,
- 또는 복귀 스프링(343)이 늘어나도록 고정부(341)의 베이스(34151)와 반대 방향으로 가동부(342)의 병진 운동을 유도한다.
전류 차단 후, 가동부(342)는 휴지 위치로 돌아올 때까지 연속적으로 압축 및 신장되는 복귀 스프링(343)으로 인한 진동에 의해 초기 위치로 복귀한다. 그러면 활성화 코일(3416)에 전류가 인가되는지 차단되는지에 따라 가동부(342)의 전후 이동을 얻을 수 있다. 이러한 가동부(342)의 전후 이동은 반응에 의해 프로브(3) 전체의 진동을 유도하는데, 이는 프로브(3)가 조직과 접촉할 때 전단파를 생성하도록 한다.
이러한 장치는 상업적으로 존재하며 오디오 여진기라고 한다. 예로서 도 6은 도 5의 관성 여진기의 기능을 포함하는 상업용 오디오 여진기(Tectonic 제품 참조 TEAX 14C02-8)의 예를 보여준다.
도 6을 참조하면 이 오디오 여진기는 다음으로 구성된다.
- 베이스를 형성하는 원형 링(3417), 상기 링(3417)의 외부면은 접착층으로 덮여 있음,
- 링(3417)의 내면에 있는 유도 코일(3418),
- 복귀 스프링을 형성하고 링(3417)으로부터 바깥쪽으로 돌출하는 4개의 자가 회복 탄성 러그(3431),
- 전기자를 형성하는 실질적으로 직사각형인 프레임(3432), 링(3417) 반대편에 있는 각각의 탄성 러그(3431)의 단부는 프레임(3432)의 각각의 모서리에 연결됨,
- 더 큰 프레임의 가장자리에 부착된 영구 자석(3424)에 의해 바이어스된 자기 회로,
- 유도 코일(3418)을 전류원(미도시)에 전기적으로 연결하기 위한 전기 커넥터(3428', 3428'').
이러한 오디오 여진기는 공명판과 같은 지지체에 부착되어 관성에 의해 진동하도록 조정된다. 상업용 오디오 여진기의 이러한 예의 치수는 기존 프로브에 사용되는 전자 카드의 폭 및 두께와 호환된다. 1A의 전류 하에 생성된 힘은 2.4N이다. 이러한 여진기의 가동부의 질량은 12.8g이고 100Hz에서 진동한다(프로브의 총 중량 235g에 대해).
따라서, 그러한 여진기를 50Hz의 공진 주파수에서 진동시키려면, 예를 들어 영구 자석(3424)에 38.4g의 추가 관성 질량을 부착함으로써 가동부의 질량을 51.2g으로 증가시키는 것이 필요하다.
이 추가 관성 질량(3425)는 도 7a에 도시된 바와 같이 영구 자석(3424)의 상부면에 부착될 수 있다. 이것은 여진기(34)의 가동부(342)의 무게 중심(3426)의 위치의 수정을 유도하고, 무게 중심(3426)은 가동부의 반대쪽에 있는 복귀 스프링의 고정 지점을 포함하는 가동부의 고정 평면 외부에 위치된다. 본 발명의 맥락에서, "복귀 스프링의 단부" 라는 용어는 다음을 의미하는 것으로 이해된다:
- 복귀 스프링이 단일 자체 복구 탄성 요소로 구성된 경우: 탄성 요소의 두개의 팁,
- 복귀 스프링이 복수의 자가 회복 탄성 요소로 구성되고 중심점이 고정 및 가동부 중 하나에 각각 연결된 상기 탄성 요소의 팁으로부터 등간격에 위치하는 경우:
o 복귀 스프링(343)의 제1 단부를 형성하는 고정부(341)에 연결된 탄성 요소의 팁으로부터 등간격에 위치하는 제1 중심점과,
o 복귀 스프링(343)의 제2 단부를 형성하는 가동부(342)에 연결된 탄성 요소의 팁으로부터 등간격에 위치한 제2 중심점.
변형예로서 그리고 도 7b에 도시된 바와 같이, 추가 관성 질량(3425)은 복귀 스프링(343) 주위에 분포될 수 있어서, 가동부(342)의 무게 중심(3426)이 가동부의 고정 평면(P) 가까이에 위치된다.
도 7c에 도시된 실시예에서, 추가 관성 질량은 가동부(342) 전체에 분포된다. 보다 구체적으로, 이 실시예에서, 추가 관성 질량은 측벽을 포함한다. 이 측벽은 복귀 스프링(들)(343)의 압축 세그먼트(SC)에 수직으로 연장되는 와인딩 축 주위에 감겨져 있고, 측벽은 압축 세그먼트(SC)를 둘러싼다. 이는 여진기의 부피를 제한할 수 있다. 더욱이, 이 실시예에서, 여진기는 고정부(341)과 가동부(342) 사이에 배치된 댐핑층(3419)을 포함한다. 이 댐핑층은 충격 흡수 재료로 만들어진다. 이를 통해 프로브가 떨어지는 경우 여진기가 손상될 위험을 제한할 수 있다. 대안적으로, 추가 관성 질량은 복귀 스프링의 압축 세그먼트에 평행한 대칭축을 가질 수 있고 영구 자석 주위에 분포될 수 있다. 이는 (가동부의 이동 방향으로) 여진기의 높이를 감소시켜 초음파 펄스 탄성 촬영 프로브의 부피를 제한할 수 있다.
전술한 바와 같이, 여기 신호가 제어기에 의해 인가될 때마다, 여진기(34)의 가동부(342)는 초기 휴지 위치로 돌아갈 때까지 고정부(341)에 대해 진동한다. 유리하게는, 가동부(342)의 진동 - 특히 초기 휴지 위치로 복귀할 때까지 복귀 스프링(343)에 의해 야기되는 가동부의 진동 - 은 제어기에 의해 감쇠("댐핑")되어 기계적 여기의 최적 제어를 허용할 수 있다. 이 감쇠는 적응적일 수 있다. 특히, 감쇠는 프로브와 환자 신체 사이의 접촉에 의해 제공되는 댐핑의 변화에 적응할 수 있다. 이를 위해서는 프로브의 실제 움직임을 알아야 한다. 프로브의 실제 움직임에 대한 지식은 다양한 직접적 또는 간접적인 방법으로 얻을 수 있다. 예를 들어, 특정 위치 센서를 사용하지 않고 아래와 같이 이러한 움직임을 결정할 수 있다.
- 트랜스듀서 어레이에 의해 수신된 음향 반향을 처리함으로써(기계적 여기 동안 및 이후의 초음파 이동 필름은 프로브와 조직 사이의 상대적 이동의 정확한 값을 제공할 수 있음),
- 또는 전기 여기 단계 후에 여진기 코일에서 전류 증폭기에 의해 증폭된 신호를 사용함으로써, 이 신호는 여진기(34)의 가동부과 프로브(31)의 상대적 움직임을 나타낸다. 이것이 0일 때, 이것은 가동부, 따라서 프로브가 더 이상 진동하지 않는다는 것을 의미한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 장치는 (수신된 음향 반향의 처리로부터 및/또는 여자 코일에 흐르는 전류의 측정으로부터) 프로브와 조직 사이의 상대적 이동을 나타내는 정보를 사용하여 가동부의 진동을 감쇠시킬 수 있는 신호를 계산한다. 이를 통해 프로브의 절대 이동을 나타내는 정보보다 가동부의 진동을 더 효과적으로 감쇠할 수 있도록 한다.
물론, 가동부(342)의 진동은 감쇠되지 않을 수 있다. 이 경우, 제어기에 의해 여기 신호가 인가될 때마다 여진기(34)의 가동부(342)는 자유롭게 진동한다. 이 자유 진동으로 인해 가동부가 초기 휴지 위치로 돌아갈 때까지 프로브가 움직인다.
프로브의 움직임(여진기의 자유 진동과 관련됨)은 수집된 데이터의 디지털 필터링에 의해 전단파의 진행 표현과 분리될 수 있다. 실제로, 본 발명의 맥락에서, 후처리의 적용은 전단파의 움직임의 표현으로부터 프로브의 움직임을 분리할 수 있게 한다. 가동부의 진동을 감쇠시키지 않는다는 사실은 프로브가 소비하는 전기 에너지를 줄이는 것을 허용한다. 실제로, 여진기의 가동부의 진동이 감쇠되는 프로브의 경우 다음이 필요하다;
- 여진기의 가동부의 진동이 감쇠되지 않은 프로브에서 얻은 전단파와 동일한 에너지를 갖는 전단파를 얻기 위하여 보다 높은 강도의 전기 여기 신호를 사용하는 것,
- 가동부의 진동을 댐핑시기 위하여 에너지가 0이 아닌 전기 감쇠 신호를 적용하는 것.
2.3.
도 7a 내지 도 7c의 실시예에 관한 설명
가동부의 병진 이동을 보장하기 위해 가이드 로드와 마찰에 의해 협력하는 가이드 슬라이드가 없기 때문에, 도 7a 내지 7c에 도시된 여진기의 실시예는 시간과 공간에서 보다 안정적인 본질적인 진동 거동을 갖는 이점을 갖는다. 이러한 다양한 실시예에서, (또는 일부 또는 각각의) 복귀 스프링(들)은 마찰을 감소시키고 진동 댐핑 현상을 최소화하는 가동부를 위한 이동 가이드를 형성한다.
그러한 여진기는 특히 EP 3 315 074에 설명된 진동기와 달리 전단파를 생성하기 위해 여진기에 의해 소비되는 에너지를 제한할 수 있게 하는 공진 주파수에서 여기된다.
2.4.
발명에 관한 이론
도 4, 5, 6 및 7a, 7b에 도시된 여진기(34)의 상이한 변형 실시예는 도 8에 도시된 블록도에 의해 표현될 수 있다.
이 도면에서:
- 질량 "m"은 여진기(34)의 가동부(342)을 나타내고; "v" 는 질량 "m"의 순간 속도, " x"는 위치이며,
- 질량 "M"은;
o 여진기(34)의 고정부(341) 뿐만 아니라
o 프로브의 다른 구성 요소(하우징, 트랜스듀서, 전자 카드 등)을 나타내며;
이 질량 "M" 은 일반적으로 200~300g으로 구성된다. "V"는 질량 "M"의 순간 속도, " X"는 위치이며,
- 강성 계수 "k"는 복귀 스프링(343)을 나타낸다.
독자는 실제 질량 "M" 과 관련된 유효 질량을 정의하는 것이 이러한 유효 질량은 특히 다음 사항에 의존하기 때문에 어렵다는 것을 인식할 것이다.
o 프로브를 손으로 잡는 힘,
o 손과 프로브 사이의 접촉 유형(프로브의 파지 수단을 구성하는 재료의 유연성),
o 프로브가 조직에 가하는 추적력(tracking force).
나머지 계산에서는 질량 "M" 과 관련된 유효 질량이 "M" 의 실제 질량의 두 배(즉, 400~600g 사이에 포함된 유효 질량)와 같다고 간주될 것이다.
순간 t0 =0에서, 복귀 스프링은 휴지 위치에 있다. 총 에너지 E로 몇 수 밀리초 동안 두 개의 질량 "M" 과 "m"을 분리하는 경향이 있는 충격력(impulsive force)이 프로브에 적용된다.
동일한 힘이 부호가 반대인 두 질량에 작용하므로, 다음과 같이 쓸 수 있다.
M*d(V)/d(t)=-m*d(v)/d(t)
복귀 스프링이 두 개의 질량 "M"과 "m"에 항상 동일한 진폭과 반대 부호의 힘을 가하기 때문에 초기 펄스 이후에 복귀 스프링이 2개의 질량의 분리에 반응할 때도 이 방정식은 여전히 참이다. 따라서 다음과 같이 작성할 수 있다.
d(M*V + m*v)/dt=0,
여기서: M*V + m*v = 상수(제트 추진 이론의 틀 내에서 고려되는 운동량 보존 법칙에 불과함).
따라서 v = M/m * V을 얻고, 적분하면:
x = M/m*X (1)
방정식 (1)의 항 사이의 관계는 속도와 움직임이 질량의 반비례임을 나타낸다. 이 관계를 통해 시스템의 첫 번째 일관성을 확인할 수 있다: 질량 "M" 의 0.1mm 이동을 얻으려면 관성 질량 "m"(질량 "M" 보다 10배 더 가벼움)을 1mm 이동해야 하고; 이러한 밀리미터 이동은 특히 도 6에 표시된 오디오 여진기를 사용하여 현실적이다.
에너지 확장 수준에서 다음과 같이 작성할 수 있다.
참고 Eu는 유용한 에너지이고, 이면:
이다.
따라서 에너지 효율 는 다음과 같다:
질량 "M" 과 "m" 의 비율이 10이면, 에너지 효율은 9%로 이는 Fibroscan®보다는 낮지만(100%에 근접), "푸시" 초음파(아마도 1/1000 정도)보다는 훨씬 높다. 따라서 우리는 여전히 시스템의 일관성에 있다.
이제 이 에너지의 절대값을 연구할 것이다.
초기 펄스 후에 두 개의 질량 "M" 과 "m"이 펄스 에 해당하는 주파수에서 진동한다.
스프링 강성, k 와 사이의 일반적인 관계는 쉽게 설명할 수 있다:
Ω = √(k*(1/m + 1/M)) (3)
더욱이:
여기서:
- vMax 는 관성 질량 "m" 의 최대 속도 값이며,
- xMax 는 관성 질량 "m"으로부터의 거리의 최대값이다.
따라서 프로브에 공급되는 에너지는 다음 방정식을 충족한다:
특별한 경우 :
- "m" 의 질량은 "M " 의 질량의 10분의 1이고,
- M=0.25kg,
- 주파수는 50Hz이고,
- XMaz 는 1mm이고,
그러면 공급되는 에너지는 다음과 같다: .
이 에너지는 프로브 작동에 할당된 에너지 양에 비해 매우 낮다(일반적으로 5와트 미만). 유효 질량이 프로브보다 3배 더 크고 결과적으로 xMax도 1mm보다 3배 더 커야 한다고 가정해야 하는 경우에도, 필요한 에너지는 10배만 더 가치가 있다, 즉 10mJ를 조금 넘는다고 해도 여전히 매우 합리적이다.
결론적으로 전단파를 생성하기 위하여
o
관성 질량,
o
관성 질량의 운동 진폭,
o
프로브에 가져올 에너지
측면에서 규모의 순서는 모두 합리적이고 수용 가능하다.
관성 진동 여진기를 사용하면 다음을 갖는 전단파를 생성하도록 구성된 프로브를 얻을 수 있다.
- "푸시" 유형 솔루션 보다 훨씬 높은 에너지 효율, 그리고
- Fibroscan®과 같은 기계적 여기 수단을 사용하는 솔루션보다 훨씬 작은 부피.
3.
여진기 배열의 예
도 3은 프로브의 제1 실시예를 예시한다. 도 9 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 프로브(3) 내의 관성 진동 여진기(34)의 배열은 다양할 수 있다. 프로브의 다른 실시예는 이제 이들 도 9 내지 도 12를 참조하여 더 상세히 설명될 것이다.
3.1.
제2 실시예
프로브(3)의 예가 도 9를 참조하여 예시되며, 상기 프로브는:
- 하우징(31)
- 전자 획득 카드(32),
- 트랜스듀서 어레이(33), 및
- 한 쌍의 관성 진동 여진기(34a, 34b).
각각의 여진기(34a, 34b)는 복귀 스프링에 의해 서로 연결된 고정부(341a, 341b) 및 가동부(342a, 342b)을 포함한다. 각 여진기(34a, 34b)의 고정부(341a, 341b)는 트랜스듀서 어레이(33)에 연결된 가장자리 반대쪽인 전자 카드(32)의 가장자리에 고정된다.
관성 진동 여진기(34a, 34b)는 예를 들어 전자 카드(32)에 통합된 제어기에 의해 구동될 수 있다. 이 제어기는 (수 밀리초의) 전기 여기 신호를 인가하여 여진기(34a, 34b)에 의한 진동 생성을 유도할 수 있게 한다.
이 시스템의 장점은 다음과 같다.
- 2개의 관성 여진기(34a, 34b)가 제어기에 의해 동위상으로 구동되면(즉, 활성화 신호가 2개의 관성 진동 여진기(34a, 34b)에 동시에 인가됨), 프로브의 (수직) 병진 이동을 생성하는 것이 가능하고,
- 한편, 2개의 관성 여진기(34a, 34b)가 제어기에 의해 역위상으로 제어되는 경우, 트랜스듀서 평면에서 주요 수평 성분으로 프로브의 회전 운동을 생성하는 것이 가능하다.
물론, 독자는 여진기(34a, 34b)가 동위상 또는 역위상 이외의 구성으로 제어되어 예를 들어 임의의 사전 결정된 시간 변화를 갖는 움직임을 생성할 수 있음을 이해할 것이다. 또한 독자는 프로브가 하우징의 가변 위치에 배열된 두 개 이상의 관성 진동 여진기를 포함할 수 있음을 이해할 것이다.
마지막으로, 독자는 여진기가 다른 변형 실시예에 따라 배열될 수 있음을 인식할 것이다. 예를 들어, 도 12에 도시된 실시예에서, 가동부(342)은 다음을 포함한다:
- 특히 다음을 포함하는 2개의 자기 모터:
o 활성화 코일(3416', 3416'') 및
o 영구자석(3424', 3424''),
- 상이한 강성 k', k''(예를 들어, k' = 2xk'')의 2개의 복귀 스프링(343', 343''), 각각의 스프링은 각각의 자기 모터와 연관됨.
따라서 두 개의 결합 발진기가 얻어진다. 이를 통해 대상 물체의 점도를 평가할 수 있도록 광범위한 진동 주파수를 탐색할 수 있다.
3.2.
제3 실시예
도 10을 참조하면, 프로브(3)의 또 다른 예는 다음을 포함한다:
- 하우징(31)
- 전자 획득 카드(32),
- 트랜스듀서 어레이(33), 및
- 관성 진동 여진기(34).
이 실시예에서, 관성 진동 여진기(34)는:
- 트랜스듀서 어레이(33) 가까이(즉, 트랜스듀서 어레이에 연결된 전자 카드의 가장자리)에 위치되고,
- 가동부(342)가 프로브(3)의 종축 A-A'에 수직인 횡축을 따라 병진 운동하도록 배향되고,
도 3에 도시된 실시예와 달리, 관성 진동 여진기(34)는:
- 트랜스듀서 어레이(33)로부터 거리를 두고(즉, 트랜스듀서 어레이(33) 반대편에 있는 전자 카드의 가장자리에) 위치하며
- 가동부(342)가 종축 A-A'에 평행하게(즉, 어레이(33)의 트랜스듀서가 연장되는 평면에 수직으로) 병진 이동하도록 배향된다.
이 제3 실시예에서, 관성 진동 여진기(34)의 위치 및 배향은 어레이(33)의 트랜스듀서의 평면에서 가동부(342)의 움직임을 생성하도록 허용한다.
3.3.
제4 실시예
도 11을 참조하면, 여진기(34)의 영구 자석(3424)에 고정된 추가 관성 질량(3425)이 프로브(3)의 전자 카드(32a)로 구성되는 프로브의 다른 예가 도시되어 있다.
보다 구체적으로 이 실시예에서, 프로브는 다음을 포함한다:
- 하우징(31),
- 제1 및 제2 전자 획득 카드(32a, 32b) - 상기 제1 및 제2 전자 카드는 유연한 연결 케이블(36)에 의해 서로 전기적으로 연결됨,
- 트랜스듀서 어레이(33), 및
- 다음을 포함하는 관성 진동 여진기(34):
o 트랜스듀서 어레이(33)와 기계적으로 통합된 고정부(미도시),
o 영구 자석(3424)에 의해 분극된 자기 회로를 포함하는 가동부, 및
o 고정부과 가동부 사이의 복귀 스프링(343).
도 11에 도시된 바와 같이, 제1 전자카드(32a)는 여진기(34)의 영구자석(3424)과 기계적으로 일체화되어 있다. 따라서, 제1 전자카드(32a)는 50Hz의 주파수에서 여진기(34)의 진동을 유도하는데 필요한 추가적인 관성 질량을 구성한다. 이는 한편으로는 프로브(3)의 크기를 제한하고 다른 한편으로는 추가적인 관성 질량을 형성하기 위해 구성 요소 중 하나를 사용함으로써 프로브의 중량 증가를 제한할 수 있게 한다.
다음으로 제2 전자 카드(32b)는 트랜스듀서 어레이(33)와 기계적으로 통합된다.
작동 원리는 다음과 같다. (수 밀리초의) 활성화 신호가 여진기(34)에 인가되면, 영구 자석(3424) 및 제1 전자 카드(32a)는 트랜스듀서 어레이(33)와 반대 방향으로 병진 이동한다. 복귀 스프링(343)이 신장된다. 전기 활성화 신호를 차단한 후, 복귀 스프링(343)은 자석(3424) 및 제1 전자 카드(32a)에 힘을 인가하여 이들을 다시 트랜스듀서 어레이(33) 쪽으로 가져온다. 영구 자석(3424) 및 전자 카드(32a)는 트랜스듀서 어레이(33) 쪽으로 병진 이동하고 그들의 휴지 위치를 넘어서서 복귀 스프링(343)이 압축된다. 그런 다음 복귀 스프링은 영구 자석(3424)(및 제1 전자 카드(32a))에 영구 자석을 트랜스듀서 어레이로부터 분리하려는 힘을 가한다. 이 댐핑 진동은 영구 자석과 전자 카드가 그들의 휴지 위치로 돌아갈 때까지 계속된다.
이 진동을 지속하기 위해 활성화 신호를 주기적으로 인가할 수 있다. 따라서 프로브를 환자의 피부에 적용하면 전단파 열(shear wave train)이 조직에 생성된다.
3.4.
다른 유형의 여진기
물론 다른 유형의 관성 진동 여진기를 사용하여 프로브에 의해 전단파를 생성할 수 있다. 예를 들어, 프로브는 편심 질량을 구동하는 모터가 있는 관성 진동 여진기(34)를 포함한다.
4.
결론
사용된 여진기(34) 또는 프로브(3)을 위해 보유된 배열에 상관없이, 프로브의 작동 원리는 다음과 같다.
액추에이터 진동 여진기(34)는 가동부(342)의 이동에 응답하여 프로브(3)의 이동을 유도하고 분석될 대상 조직에 저주파 탄성파(전단파)를 발생시킨다. 구체적으로, 제어기는 여진기(34)에 여기 신호를 방출한다.
이 신호는 고정부에 대한 가동부의 이동을 유도한다(동시에 또는 연속적으로, 예를 들어 역위상으로). 이 신호(몇 밀리초)가 중단되면, 가동부는 진동을 통해 원래 위치로 돌아간다 - 또는 제어기가 가동부의 진동을 댐핑시키기 위해 감쇠 신호를 방출하는 경우에는 그렇지 않다. 여진기에 의해 생성된 진동 운동은 트랜스듀서 어레이와 기계적으로 통합된 고정부를 통해 프로브로 전달된다.
접촉 조직에서 저주파 전단파가 전파되는 동안, 트랜스듀서 어레이(33)는 저주파 탄성파의 전파를 연구할 수 있도록 고주파 초음파를 방출하고 수신한다.
위에서 제안한 전단파 발생 방식은 조직에 접촉하는 트랜스듀서 어레이(33)가 관성 진동 여진기에 의해 직접적으로 움직이기 때문에 조직에 기계적 에너지를 전달하는데 효과적이다. 또한 부피가 최소화된 프로브를 얻을 수 있다.
위에서 설명한 관성 진동 여진기를 프로브에 통합하기 위해 다른 솔루션을 고려할 수 있다. 예를 들어, 상기 여진기는 도 13에 도시된 바와 같이 2차 리셉터클(312)에 통합될 수 있다. 이 경우, 하우징(31)은 다음을 포함한다:
- 특히 선택적 전자 획득 카드와 트랜스듀서 어레이를 통합하는 1차 리셉터클(311),
- 2차 리셉터클(312), 2차 리셉터클(312)은 1차 리셉터클(311)과 기계적으로 통합된다.
대안적으로, 관성 진동 여진기는 프로브(3)의 하우징(31)에 통합될 수 있다(도 14). 모든 경우에, 관성 진동 여진기는 트랜스듀서 어레이와 일체형으로 장착되며 여진기의 어떤 가동부도 프로브를 들고 있는 사용자와 접촉하지 않으므로 자유로운 진동이 가능하다. 사용자가 프로브를 조작하면 여진기에 의해 유도된 진동의 진폭이 감쇠되지만, 사용자 손 조직의 탄력성으로 인해 환자와 접촉하는 전단파의 방출을 방지하지 않는다.
독자는 여기에 기술된 새로운 교시 및 이점으로부터 실질적으로 벗어나지 않고 전술한 발명에 대해 많은 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.
따라서, 이러한 모든 수정은 첨부된 청구 범위 내에 포함되도록 의도된다.
Claims (11)
- 매체, 예를 들어 간과 같은 인간 또는 동물의 생물학적 조직의 점탄성 특성을 측정하기 위한 프로브로서, 상기 측정은:
- 매체에서 적어도 하나의 저주파 탄성파를 생성하는 것,
- 저주파의 생성과 동시에:
o 고주파 초음파를 방출하는 것, 및
o 매체에서 초음파의 반사로 인한 음향 반향을 수신하는 것으로 구성되고,
상기 프로브는:
- 하우징(31),
- 고주파 초음파를 방출하고 음향 반향을 수신하기 위해 하우징과 기계적으로 통합된 트랜스듀서 어레이(33),
- 상기 및 적어도 하나의 저주파 탄성파를 방출하기 위한 적어도 하나의 관성 진동 여진기(34) - 상기 및 적어도 하나의 여진기는:
o 트랜스듀서 어레이(33)와 기계적으로 통합된 고정부(341),
o 저주파 탄성파를 생성하도록 진동을 생성하기 위하여 상기 고정부에 대해 자유롭게 움직일 수 있는 가동부(342),
o 고정부(341)와 가동부(342) 사이에서 연장되는 적어도 하나의 복귀 스프링(343)를 포함함 - 를 포함하되,
가동부(342)의 질량은 프로브 총 중량의 5%와 25% 사이로 구성되고, 상기 및 적어도 하나의 복귀 스프링의 강성 계수는 300kg.s2와 50,000kg.s2 사이로 구성되어, 관성 진동 여진기(34)의 공진 주파수는 저주파 탄성파의 주파수와 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 프로브. - 청구항 1에 있어서, 각각의 관성 진동 여진기(34)는 상기 가동부의 병진 이동을 보장하기 위해 가이드 로드와 마찰에 의해 협력하는 가이드 슬라이드를 갖지 않으며, 상기 및 적어도 하나의 복귀 스프링은 상기 고정부에 대한 상기 가동부의 이동을 위한 가이드를 형성하는 프로브.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 고정부(341)에 대한 가동부(342)의 이동을 구동할 수 있게 하는 전기 여기 신호를 인가하기 위한 제어기를 더 포함하고, 상기 가동부는 적어도 하나의 영구 자석을 포함하는 프로브.
- 청구항 3에 있어서, 각각의 관성 진동 여진기(34)는 영구 자석(3424) 주위에 분포된 추가 관성 질량을 더 포함하는 프로브.
- 청구항 4에 있어서, 상기 추가 관성 질량은 상기 복귀 스프링의 압축 세그먼트(SC)에 수직으로 연장되는 와인딩 축 둘레에 감긴 적어도 하나의 측벽을 포함하고, 상기 및 적어도 하나의 측벽은 상기 압축 세그먼트(SC)를 둘러싸는 프로브.
- 청구항 4에 있어서, 상기 추가 관성 질량은 상기 복귀 스프링의 압축 세그먼트(SC)에 평행한 대칭축 주위로 연장되고, 상기 질량은 영구 자석(3424) 주위에 분포되는 프로브.
- 청구항 4에 있어서, 적어도 하나의 전자 획득 카드(32a)를 더 포함하고, 상기 전자 카드(32a)로 구성된 추가 관성 질량은 영구 자석(3424)과 기계적으로 통합되는 프로브.
- 청구항 3에 있어서, 상기 제어기에 의해 구동되는 여러개의 관성 진동 여진기(34a, 34b)를 포함하고, 각각의 여진기는 각각 복귀 스프링(343', 343'')을 포함하고, 각각의 복귀 스프링(343')은 다른 복귀 스프링(343'')의 강성 계수와 상이한 강성 계수를 갖는 프로브.
- 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 관성 진동 여진기는 고정부(341)와 가동부(342) 사이에 배치된 댐핑층(3419)을 더 포함하고, 상기 댐핑층은 충격-흡수 재료로 만들어지는 프로브.
- 청구항 3 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기는 상기 관성 진동 여진기(34)의 고정부(341)에 대한 각각의 관성 진동 여진기(34)의 가동부(342)의 진동을 댐핑시키기 위해 각각의 관성 진동 여진기(34)에 감쇠 신호를 인가하도록 구성되고, 상기 감쇠 신호는 (수신된 음향 반향의 처리 및 /또는 여진기에 흐르는 전류의 측정으로부터) 프로브와 관심 매체 사이의 상대적 이동을 나타내는 정보의 함수로서 계산되는 프로브.
- 청구항 3 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기는 감쇠 신호의 후속 인가 없이 각각의 여진기의 상기 가동부의 진동을 유도하기 위해 각각의 여진기에 전기 여기 신호를 인가하여 각각의 여진기의 가동부가 자유롭게 진동하도록 프로그래밍되는 프로브.
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