KR20240044842A - 신체 내 지방 제거용 고강도 집속 초음파 프로브 및 장치와 그 동작 방법 - Google Patents
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Abstract
본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파(HIFU) 장치는 전기적 신호를 입력 받아 초음파를 발생시키는 복수의 트랜스듀서 소자들이 3차원 형상의 곡면에 불규칙하게 배열된 트랜스듀서 모듈을 포함하는 프로브 및 복수의 트랜스듀서 소자들의 구동 신호를 생성하는 신호 발생기를 포함하는 제어 시스템을 포함한다.
Description
본 개시는 고강도 집속 초음파 프로브 및 장치와 그 동작 방법에 관한 것으로서, 고강도 집속 초음파의 효율을 향상시키는 기술에 관한 것이다.
최근, 고강도 집속 초음파(High Intensive Focused Ultrasound: HIFU)를 피부 리프팅(lifting) 및 피부 타이트닝(tightening)과 같은 피부 처치뿐만 아니라 지방 제거용으로 사용하는 것에 많은 관심을 받고 있다.
고강도 집속 초음파는 체내의 국소 부위에 고강도의 음향 에너지를 집속시켜 집속 지점의 국소 부위 온도를 증가시키고 열적 변이를 발생시킴으로써 병변을 치료하는 기술이다. 피부를 포함한 체내 초음파 집속 지점에 사용하는 경우, 미세한 초음파가 집속되는 국소 부위에 열적 변이로 인한 상처가 발생되고 변성된 조직이 재생되면서 주름 제거, 피부 탄력 회복 또는 지방의 제거를 도모하는 효과를 이용하고 있다.
종래의 고강도 집속 초음파 기기는 주로 도 1과 같이 초음파를 발생시키는 트랜스듀서(transducer) 소자들을 구형 곡면에 규칙적으로 배치하고, 초음파가 방사되는 방향(20)의 집속 지점(10)에 초음파를 집속 시킴으로써 치료 부위에 강한 초음파 에너지를 전달하는 방법을 이용한다. 예를 들어, 선행기술 1은 종양을 제거하기 위해 도 1의 복수의 고강도 집속 초음파 트랜스듀서 소자들이 오목한 구면에 배열 형태를 가지는 페이즈드 어레이(phased-array) 프로브의 구동을 통해 초음파 집속 지점을 이동시키는 기술을 개시하고 있다.
이러한 2D 배열 초음파 변환기는 초음파 송신 시간을 제어함으로써 빔을 조향(Steering)하여 조사 위치를 변경 가능하여 볼륨(Volume) 처치가 가능하고 한 번에 넓은 영역을 커버해 처치 시간을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 현재 사용되고 있는 종양 치료에 사용되는 고강도 집속 초음파 치료 장치의 경우 최대 12 cm의 크기를 가질 수 있는 자궁 근종의 처치를 위하여 2D 배열 초음파 트랜스듀서의 크기가 커져야 하고 트랜스듀서를 구성하는 각 초음파 트랜스듀서 소자(element) 및 커프(kerf)의 크기도 함께 커져야 한다. 이 경우, 처치 영역 이외의 정상 조직에 영향을 주는 격자엽(Grating lobe)의 크기가 커지는 문제를 초래하며, 초음파 빔을 조향할 수 있는 범위가 줄어 한 번에 치료할 수 있는 영역이 줄어든다. 따라서 현재 사용되고 있는 트랜스듀서의 구조는 한 번에 넓은 영역을 치료하여야 하는 복부 지방 제거용으로 적합하지 않다.
더불어, 현재 사용되고 있는 자궁 근종 제거를 위한 2D 배열소자 형태의 고강도 집속 초음파 치료 장치의 경우 초음파 신호 발생기(pulse generator)와 각 초음파 트랜스듀서 소자 간 1 대 1 연결하여 구동하는 방법을 취하고 있다. 이는, 초음파 집속 부위에 열적 변이를 위해 개별 트랜스듀서 소자들의 시간 지연이 수 ns 미만이 되면서 최소 수 ms 이상 동안 초음파가 여기되어야 하지만, 하나의 신호 발생기로 여러 개별 트랜스듀서 소자를 제어하기 어려운 문제점에 기인한다. 따라서, 각 개별 트랜스듀서 소자들을 신호 처리기와 연결하는 신호선이 수백 개로 구성될 수 밖에 없고, 이를 복부 등의 지방 제거에 사용하기에는 불가능할 수 밖에 없다.
선행기술 1: "Acoustic Field of PhasedArray Ultrasound Transducer with the Focus/Foci Shifting", Journal of Medical and Biological Engineering, 39, p919-931, 2019.02.05.
본 개시의 일 실시 예는 고강도 집속 초음파 프로브의 크기를 감소시키면서도 충분한 처치 효율을 가지는 고강도 집속 초음파 프로브 및 장치, 그 구동 방법을 제공한다.
본 개시의 다른 실시 예는 고강도 집속 초음파 프로브가 발생하는 초음파의 격자엽의 크기를 감소시키면서 처치 효율을 가지는 고강도 집속 초음파 프로브 및 장치, 그 구동 방법을 제공한다.
본 개시의 다른 실시 예는 복수의 고강도 집속 초음파 트랜스듀서 소자들을 신호선 개수의 부담 없이 효율적으로 구동하기 위한 고강도 집속 초음파 장치 및 구동 방법을 제공한다.
본 개시의 일 실시 예는 전기적 신호를 입력 받아 초음파를 발생시키는 복수의 트랜스듀서 소자들이 3차원 형상의 곡면에 불규칙하게 배열된 트랜스듀서 모듈 및 제어 시스템으로부터 입력 받은 제어 신호에 기반하여 복수의 트랜스듀서 소자들의 구동 신호를 제공하는 구동 신호부를 포함하는 고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브를 제공한다.
본 개시의 다른 실시 예는 전기적 신호를 입력 받아 초음파를 발생시키는 복수의 트랜스듀서 소자들이 3차원 형상의 곡면에 불규칙하게 배열된 트랜스듀서 모듈을 포함하는 프로브 및 복수의 트랜스듀서 소자들의 구동 신호를 생성하는 신호 발생기를 포함하는 제어 시스템을 포함하는 고강도 집속 초음파(HIFU) 장치를 제공한다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파(HIFU) 장치의 동작 방법은 프로세서에 의해, 고강도 집속 초음파의 대상체 내 집속 지점을 확인하는 단계, 집속 지점에 기반하여 복수의 트랜스듀서 소자들로 구성된 소자 그룹 별로 지연 시간을 결정하는 단계, 소자 그룹의 각 지연 시간에 기반하여 국소 지연 시간을 각 상기 트랜스듀서 소자들에 전기적으로 연결된 시간 지연 소자에 설정하는 단계 및 시간 지연 소자에 전기적으로 연결된 신호 발생기가 소자 그룹의 각 지연 시간에 기반하여 트랜스듀서 소자들을 구동하는 구동 신호를 발생하도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브 및 장치는 초음파를 발생시키는 복수의 트랜스듀서 소자들이 3차원 형상의 곡면에 불규칙하게 배열된 구조를 통해 격자엽으로 인한 정상 조직의 손상을 방지하면서 신체 내 지방을 효율적으로 제거할 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브 및 장치는 초음파를 발생시키는 복수의 트랜스듀서 소자들이 3차원 형상의 곡면에 불규칙하게 배열된 구조를 통해 짧은 시간에 지방 제거를 위한 처치를 수행할 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브 및 장치는 초음파를 발생시키는 복수의 트랜스듀서 소자들이 3차원 형상의 곡면에 불규칙하게 배열된 구조를 통해 트랜스듀서 소자들의 개수를 감소시켜 고강도 집속 초음파 프로브 생산 비용을 감소시킬 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브 및 장치의 구동 방법은 하나의 신호 발생기가 복수의 트랜스듀서 소자들의 구동을 제어함으로써 처치자의 운용 부담 없이 신체 내 지방을 효율적으로 제거할 수 있다.
도 1은 종래 고강도 집속 초음파 프로브의 트랜스듀서 모듈을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 고강도 집속 초음파 프로브 및 장치의 환경을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브 및 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브의 복수의 트랜스듀서 소자들의 구동 방법을 설명하는 도면이다.
도 5 및 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브의 트랜스듀서 모듈 구조를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브의 초음파 집속 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브 및 장치를 구동하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브의 복수의 트랜스듀서 소자들의 구동 방법을 설명하는 도면이다.
도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브의 초음파 집속 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 고강도 집속 초음파 프로브 및 장치의 환경을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브 및 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브의 복수의 트랜스듀서 소자들의 구동 방법을 설명하는 도면이다.
도 5 및 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브의 트랜스듀서 모듈 구조를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브의 초음파 집속 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브 및 장치를 구동하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브의 복수의 트랜스듀서 소자들의 구동 방법을 설명하는 도면이다.
도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브의 초음파 집속 시뮬레이션 결과를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 2를 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브 및 장치를 구동하기 위한 환경을 설명한다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 초음파 장치는 배열형 고강도 집속 초음파 프로브(100)(이하에서는, 고강도 집속 초음파 프로브로 지칭한다) 및 제어 시스템(200)을 포함한다. 도 2를 참조하여 배열형 고강도 집속 초음파 프로브(100) 및 제어 시스템(200)의 실시 환경을 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 개시의 실시 예에 따른 초음파 장치는 제어 시스템(200)에서 고강도 집속 초음파 프로브(100)를 제어하여 고강도 집속 초음파 프로브(100)에서 발생된 초음파를 신체 내부의 특정 지점에 집속시킴으로써 환자의 내부 조직(진피, SMAS(superficial musculo-aponeurotic system)층, 지방층 등)에 음향 에너지를 전달할 수 있다. 제어 시스템(200)은 고강도 집속 초음파 프로브(100)의 트랜스듀서 모듈에 포함된 복수의 배열형(array) 트랜스듀서 소자들의 송신 시간을 전기적으로 제어하여 집속 지점을 변경할 수 있다. 고강도 집속 초음파 장치(100)는 비침습적 페이스 리프팅(face lifting) 시술, 스킨 타이트닝(skin tightening) 시술, 비침습적 피하 지방층의 감소 또는 제거 시술 등을 위하여 신체 내부에 고강도 집속 초음파 에너지를 전달할 수 있다.
일 실시 예에서, 제어 시스템(200)은 동일한 깊이의 복수의 위치에서 초음파 에너지가 집속되도록 고강도 집속 초음파 프로브(100)의 복수의 배열형 트랜스듀서 소자들을 제어하거나, 서로 다른 깊이에서 초음파 에너지가 집속되도록 고강도 집속 초음파 프로브(100)의 복수의 배열형 트랜스듀서 소자들을 제어할 수 있다. 제어 시스템은 복수의 트랜스듀서 소자들의 적어도 일부를 서로 다른 시간에 구동하도록 소자 별로 또는 소자 그룹 별로 지연 시간을 설정할 수 있다.
제어 시스템(200)은 집속 지점 변경을 위하여 고강도 집속 초음파 프로브(100)의 각 트랜스듀서 소자들 또는 소자 그룹의 초음파 송신 지연 시간(time delay)을 계산하기 위한 처치 빔포머(treatment beamformer)를 포함하는 제어부를 포함할 수 있다. 지연 시간은 도 9를 참조하여 아래에서 설명한다.
일 실시 예에서, 제어 시스템(200)은 사용자의 입력을 위한 입력부 또는 출력부를 포함할 수 있다.
입력부는 마이크로폰, 사용자로부터 정보를 입력 받기 위한 터치 인터페이스를 포함하는 사용자 인터페이스(UI: User Interface)를 포함하고, 사용자 인터페이스는 마우스, 키보드뿐만 아니라 장치에 구현된 기계식, 전자식 인터페이스 등을 포함할 수 있고 사용자의 명령을 입력 가능한 것이라면 특별히 그 방식과 형태를 한정하지 않는다. 전자식 인터페이스는 터치 입력 가능한 디스플레이를 포함한다.
출력부는 제어 시스템(200)의 출력을 외부에 표출하여 사용자에게 정보를 전달하기 위한 것으로서, 시각적 출력, 청각적 출력 또는 촉각적 출력을 표출하기 위한 디스플레이, LED, 스피커 등을 포함할 수 있다. 디스플레이는 고강도 집속 초음파 프로브(100)가 이미징 트랜스듀서 소자 모듈을 포함하는 경우, 신체 내부 조직의 초음파 영상을 표시할 수 있다.
제어 시스템(200)는 다양한 종류의 연결된 외부 기기와의 데이터 전송을 위한 주변 장치 인터페이스부를 포함할 수 있고, 메모리 카드(memory card) 포트, 외부 장치 I/O(Input/Output) 포트(port) 등을 포함할 수 있다.
고강도 집속 초음파 장치의 제어 시스템(200)은 고강도 집속 초음파 프로브(100)와 케이블 또는 무선 연결되어 고강도 집속 초음파 프로브(100)의 구동을 제어할 수 있다.
일 실시 예에서, 고강도 집속 초음파 프로브(200)는 트랜스듀서 모듈을 구동하는 신호 구동부의 적어도 일부 회로 소자들을 하우징 내부에 포함하면서 처치자의 손잡이 역할을 수행하는 핸드피스부와 전기적 신호를 입력 받아 초음파를 발생시키는 복수의 트랜스듀서 소자들이 3차원 형상의 곡면에 불규칙하게 배열된 트랜스듀서 모듈을 포함할 수 있다.
복수의 트랜스듀서 소자들은 대상자의 신체 내부인 집속 지점으로 초음파를 방사하는 축(2축)의 반대 방향으로 오목하게 형성된 3차원 곡면에 불규칙하게 배치된다.
핸드피스부 및 트랜스듀서 모듈이 별개의 하우징으로 구현되는 경우 트랜스듀서모듈이 핸드피스부에 전기적 및 물리적으로 결합 가능하도록 전기적 연결 단자 및 물리적 결합을 위한 가이드 부가 핸드피스부 및 트랜스듀서 모듈에 구현될 수 있다.
도 3을 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브(100) 및 제어 시스템(200)의 구성을 설명한다.
고강도 집속 초음파 프로브(100)는 전기적 신호를 입력 받아 초음파를 발생시키는 트랜스듀서 모듈(110) 및 트랜스듀서 모듈(110)에 전기적 구동 신호를 입력하는 구동 신호부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 구동 신호부는 복수의 각 트랜스듀서 소자에 전기적으로 연결된 복수의 시간 지연 소자(120)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 복수의 트랜스듀서 소자들은 복수의 소자 그룹들로 설정되고, 복수의 소자 그룹들게 각각 구동 신호를 제공하는 복수의 신호 발생기(pulse generator, pulser)가 프로브(100)의 하우징 내 또는 제어 시스템(200)에 구현될 수 있다.
일 실시 예에서, 프로브(100)는 결합된 트랜스듀서 모듈(110)의 종류 또는 결합 여부를 판단할 수 있는 센서를 포함할 수 있다. 센서(130)는 자기 센서, 광학 센서 등일 수 있다. 트랜스듀서 모듈(110)이 탈착 가능하도록 구현되는 경우, 트랜스듀서 소자들의 배치 형태 및 소자의 크기에 따라 서로 다른 복수의 트랜스듀서 모듈(110)을 집속 지점의 위치 또는 대상자의 처치 영역의 성향에 따라 서로 다른 종류의 트랜스듀서 모듈(110)이 프로브(100)에 교환적으로 탈착되어 사용될 수 있다.
일 실시 예로서, 제어 시스템(200)은 복수의 초음파 집속 위치에 초음파가 동시에 또는 차례대로 집속되도록 처치 빔포머(210)에서 결정된 지연 시간에 기반하여 기반하여 복수의 트랜스듀서 소자들의 적어도 일부 또는 전부의 구동을 제어할 수 있다. 또는, 복수의 소자 그룹의 적어도 일부 또는 전부의 구동을 제어할 수 있다. 소자 그룹의 적어도 두 개 이상의 트랜스듀서 소자들로 설정될 수 있고, 구동 방법에 따라 동일한 트랜스듀서 소자가 서로 다른 소자 그룹에 설정되거나, 하나의 트랜스듀서 소자는 하나의 소자 그룹에만 속하도록 배타적으로 설정될 수 있다.
제어 시스템(200)은 제어되는 트랜스듀서 소자들의 제어에 사용되는 시간 지연을 달리함으로써 핸드피스의 축 방향(2축)인 전후 방향으로 다수의 집속 지점에 초음파를 집속시키거나, 환자의 서로 다른 피부 깊이에 초음파를 집속시킬 수 있다.
제어 시스템(200)은 초음파 프로브(100)의 배열형 복수의 트랜스듀서 소자들의 적어도 일부가 서로 다른 시간에 전기적 제어 신호를 입력 받거나 서도 다른 시간에 초음파를 발생하도록 지연 시간을 계산하는 처치 빔포머(treatment beamformer)(210)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 처치 빔포머(210)에서 생성한 지연 시간은 복수의 각 트랜스듀서 소자들과 개별적 및 전기적으로 연결된 복수의 각 시간 지연 소자(120)에 설정될 수 있다. 시간 지연 소자(120)는 입력된 신호를 설정된 시간만큼 지연시켜 출력하는 아날로그 시간 지연 소자일 수 있고, 일 실시 예에서 트랜스듀서 소자들과 1:1로 연결되거나 복수의 트랜스듀서 소자들과 연결될 수 있다. 아래의 실시 예들에서는 시간 지연 소자(120)가 트랜스듀서 소자들과 1:1로 연결된 것을 전제로 하여 구동 방법을 설명하지만, 동일한 지연 시간을 갖는 트랜스듀서 소자들을 하나의 시간 지연 소자(120)에 연결하여 구동하는 것을 배제하지 않는다.
처치 빔포머(210)의 구동 신호는 신호 발생기(pulser), DAC(Digital Analog Converter) 및 증폭기를 포함하는 처치 회로(220)를 통하여 프로브(100)로 전송될 수 있다. 처치 회로(220)는 디지털 소자부 및 아날로그 소자부를 포함할 수 있다. 구동 신호는 신호 발생기에 전달되어 고전압 신호(HV 신호)로 변환될 수 있다. 제어 시스템(200)은 처치용 초음파의 집속 지점의 위치, 깊이를 제어하기 위하여 각 트랜스듀서 소자들의 초음파 발생 지연 시간을 계산하여 프로브(100)로 전송하고 시간 지연 소자(120)에 설정할 수 있다.
일 실시 예에서, 제어 시스템(200)은 발생한 초음파(처치용 초음파 또는 이미징을 위한 별도의 초음파)가 신체 내부에서 반사된 수신 초음파에 기반하여 초음파 B 모드 이미지를 생성할 수 있다. 이 경우, 프로브(100)는 초음파 신호가 변환된 전기적 신호(수신 초음파 신호로 지칭한다)를 처리하기 위한 아날로그 프론트 엔드 회로를 포함할 수 있다. 아날로그 프론트 엔드 회로는 저잡음 증폭기(low-noise amplier: LNA), 감쇠 보정을 위한 TGC(depth gain compensation)를 포함할 수 있다. 프로브(100)에서 트랜스듀서 소자들(111)이 수신한 초음파를 전기적 신호로 변환하여 이미징 회로(250)로 전송하고, 이미징 회로(250)는 ADC(analog digital converter), FIFO(first-input-first-output) 메모리 등을 포함할 수 있다. 디지털 처리된 수신 초음파 신호는 이미징 빔포머(240)에서 처치 빔포머(2110)의 시간 지연에 기반하여 수신 집속(Rx focusing)을 수행한 후, 이미지 프로세서(260)에서 스캔 컨버팅을 수행하고 디스플레이(270)에 표시될 수 있다.
일 실시 예에서, 제어 시스템(200)은 수신된 초음파 신호를 영상화하는 초음파 이미징 모드(B 모드)로 동작할 지 또는 대상체에 고강도 집속 초음파 처치를 수행하는 처치 모드로 동작할 지를 제어하는 컨트롤러(230)를 포함할 수 있다.
도 4를 참조하여 본 개시의 실시 예에 따른 트랜스듀서 모듈(110)의 복수의 트랜스듀서 소자들, 시간 지연 소자(120) 및 신호 발생기(221)의 전기적 연결을 설명한다.
앞에서 설명한 것처럼 신호 발생기(221)는 제어 시스템(200)의 내부 회로로서 구현되거나 프로브(100)의 내부 회로로서 구현될 수 있다. 도 4는 신호 발생기(221)가 제어 시스템(200)의 내부 회로로서 구현된 것을 전제로 하여 설명하는 도면이다.
트랜스듀서 모듈(110)의 트랜스듀서 소자들은 구동 신호를 제공 받아 대상체에 열적 변이를 야기하는 에너지를 가진 초음파를 발생하고, 일 실시 예에서 동일한 소자 그룹으로 설정된 트랜스듀서 소자들은 동일한 신호 발생기(221)에 의해 제어될 수 있다. 일 실시 예에서, 서로 다른 소자 그룹이 동일한 신호 발생기(221)에 의해 제어되거나, 각 소자 그룹은 서로 다른 신호 발생기(221)에 전기적으로 연결되어 서로 다른 구동 신호에 의해 제어될 수 있다.
일 실시 예에서, 하나의 신호 발생기(221)로 복수의 시간 지연 소자(221) 및 트랜스듀서 모듈(110)의 복수의 소자들을 구동함으로써 프로브(100)와 제어 시스템(200) 사이의 신호선의 수를 감소시킬 수 있다.
트랜스듀서 소자들에 전기적으로 연결되고 신호 발생기(221)로부터 구동 신호를 수신하는 시간 지연 소자들(120)은 설정된 지연 시간 이후에 구동 신호를 출력함으로써 각 트랜스듀서 소자들의 구동을 제어할 수 있다.
도 5 및 6을 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브(110)의 트랜스듀서 모듈(110)에 불규칙하게 배치된 트랜스듀서 소자들을 설명한다.
트랜스듀서 소자들은 초음파를 방사하는 축(2축)의 반대 방향으로 오목하게 형성된 3차원 곡면에 불규칙하게 배치될 수 있다.
일 실시 예에서, 곡면의 중심으로부터 이격되어 미리 설정된 개수의 동심원들(111, 112) 위치에 복수의 트랜스듀서 소자들이 배치될 수 있고, 동일한 동심원(112)에 위치한 트랜스듀서 소자들 중 일부는 소자들 사이의 간격(113) 또는 커프(114)(kerf)가 서로 다르도록 트랜스듀서 소자들을 배치할 수 있다.
일 실시 예에서, 배치된 트랜스듀서 소자들 중 일부(회색 소자들)를 서로 이웃하거나 또는 바로 이웃하지는 않지만 근처에 위치한 소자들끼리 소자 그룹(115, 116, 117, 118)으로 설정할 수 있다.
일 실시 예에서, 복수의 트랜스듀서 소자들을 도 5 (a)와 같이 배치되도록 구현하여, 도 6과 같이 필요에 따라 서로 다른 소자 그룹으로 설정하여 구동할 수 있다. 이 경우, 하나의 트랜스듀서 모듈을 초음파 집속 위치, 에너지 등에 따라 다양하게 활용할 수 있다.
트랜스듀서 소자들의 불규칙한 배치는 예를 들어 도 5 (b)와 같이 배치할 수 있다. 예를 들어, 곡면의 중심으로부터 이격되어 미리 설정된 개수의 동심원들(111, 112) 위치에 복수의 트랜스듀서 소자들을 배치 위치를 결정한 후, 각 소자들을 중심 소자(510)로부터 방사되는 반지름을 기준으로 우측(520), 좌측(530) 또는 반지름 방향(540)으로 이동시킨 위치를 최종 소자의 위치로 결정할 수 있다. 도 5 (b)는 반지름을 기준으로 설명했지만, 이와 유사하게 동심원의 원주를 기준으로 각 소자들의 위치를 이동시킨 위치를 최종 소자의 위치로 결정할 수 있다.
다른 실시 예에서, 복수의 트랜스듀서 소자들을 도 5 (a)와 같은 배치 위치를 설계하고, 특정 위치의 소자들만 실제적으로 구현하여 복수의 소자 그룹으로 설정하여 구동할 수 있다. 이 경우, 복수의 트랜스듀서 모듈에 기반하여 정밀하게 초음파 집속 위치, 에너지 등을 제어할 수 있다.
일 실시 예에서 곡면의 적어도 두 위치에서 곡면의 기준 면적당 배치된 트랜스듀서 소자들의 개수가 서로 다르거나, 상기 곡면의 중심을 기준으로 곡면을 접었을 때 서로 반대편의 트랜스듀서 소자들의 배치는 비 대칭으로 일치하지 않을 수 있다.
도 7 (b)는 종래의 도 7 (a)와 같이 규칙적으로 배치된 트랜스듀서 소자들에 기반하여 조사된 집속 초음파에 의하여 초점 영역에서 측정된 상대적인 에너지 세기의 단면도를 보여주고, 도 7 (d)는 본 발명의 실시 예에 따라 도 7 (c)와 같이 불규칙적으로 배치된 트랜스듀서 소자들에 기반하여 조사된 집속 초음파에 의하여 초점 영역에서 측정된 상대적인 에너지 세기의 단면도를 보여준다.
도 7 (d)는 도 7(c)에 비하여 격자엽의 크기가 감소한 것을 확인할 수 있다. 즉, 도 7(c)의 격자엽은 규칙적으로 배치된 초음파 소자의 배열 패턴에 의해 도 7 (d)에 비하여 격자엽이 큰 것을 확인할 수 있다. 이 경우, 배열 성분이 커짐에 따라 격자엽도 커질 수 있고, 격자엽의 크기가 증가함에 따라 주엽의 크기가 감소될 수 있어 원하지 않는 조직에 손상을 줄 수 있다. 이에 반해, 도 7 (d)는 격자엽의 크기가 확연히 감소한 것을 확인할 수 있다.
도 8을 참조하여 본 개시의 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브 및 장치를 구동하는 방법을 설명한다.
고강도 집속 초음파 장치는 초음파를 집속시킬 대상체 내 집속 지점을 확인할 수 있다(S110). 집속 지점은 내부 설정으로서 미리 설정된 간격에 따라 깊이를 달리하거나 위치를 달리한 복수의 지점들 중 하나일 수 있다. 또는, 처치자의 입력 또는 선택으로 결정된 위치일 수 있다.
고강도 집속 초음파 장치는 확인된 집속 지점에 적합한 에너지를 전달할 수 있도록 각 소자 그룹 별 지연 시간을 결정할 수 있다(S120).
도 9를 참조하여 소자 그룹 별 지연 시간을 결정하는 방법을 설명한다.
고강도 집속 초음파 장치는 집속 지점(시술 지점)(xf, yf, zf)에 대한 각 트랜스듀서 소자의 지연 시간(deN)을 <수학식 1>에 의해 결정할 수 있다.
xeN, yeN, zeN은 개별 트랜스듀서 소자의 위치이고, C는 초음파 속도를 의미한다.
고강도 집속 초음파 장치는 결정된 집속 지점에 대해 <수학식 1>에 의해 결정된 소자 그룹 n에 속한 각 개별 소자의 지연 시간들(910) 중에서 가장 최소의 지연 시간을 소자 그룹 n의 그룹 별 지연 시간(920)으로 결정할 수 있다. 고강도 집속 초음파 장치는 개별 소자의 지연 시간들(910)과 그룹 별 지연 시간(920)의 차이(930)를 산출하고 양자화한 결과(940)를 각 개별 소자의 국소 지연 시간으로 결정하여 개별 소자에 구동 신호를 공급하는 시간 지연 소자(120)에 지연 시간으로 설정할 수 있다. 도 9의 소자 그룹 n에 속한 개별 소자의 국소 지연 시간(940)은 50 ns 단위로 양자화한 결과를 도시한다.
일 실시 예에서, 복수의 소자 그룹에 각각 전기적으로 연결된 복수의 신호 발생기들(221)의 구동 신호 송신은 서로 다른 시간에 이루어질 수 있다. 이 경우, 각 신호 발생기(221)는 그룹 별 지연 시간(920)이 지난 후에 구동 신호를 각 시간 지연 소자(120)에 송신할 수 있다. 따라서, 각 소자 그룹 별로 서로 다른 시간에 송신된 구동 신호는 다시 시간 지연 소자(120)에서 서로 다른 시간이 더 지연된 후 각 트랜스듀서 소자들에 공급됨으로써, 하나의 신호 발생기로 다수의 트랜스듀서 소자들의 구동을 제어할 수 있다.
일 실시 예에서, 고강도 집속 초음파 장치는 집속 지점이 변경되는 경우 각 소자 그룹별 지연 시간과 시간 지연 소자의 국소 지연 시간을 다시 산출하거나, 미리 집속 지점에 따라 산출되어 저장된 각 소자 그룹별 지연 시간과 시간 지연 소자의 국소 지연 시간을 로딩하여 신호 발생기(221)와 시간 지연 소자(120)에 설정할 수 있다.
또한, 시간 지연 소자(120)에 설정되는 개별 소자 별 국소 지연 시간을 양자화하여 설정함으로써, 시술 지점에서의 유의미한 초음파 강도의 저하나 격자엽으로 인한 문제를 발생시키지 않고도 효율적으로 각 소자들의 구동을 제어할 수 있다. 도 10은 이러한 방법으로 각 개별 소자의 지연 시간이 양자화하여 결정된 지연 시간에 따라 방사된 초음파의 집속 지점에서의 에너지 시뮬레이션 비교 결과를 보여준다.
도 10을 참조하면, 도 10 (a) 및 (b)는 개별 소자의 지연 시간을 양자화하지 않고 이상적인 지연 시간을 인가하였을 때의 에너지 세기 단면도이고, 도 10 (c) 및 (d)는 개별 소자의 지연 시간을 양자화한 결과에 기반한 지연 시간을 인가하였을 때의 에너지 세기 단면도이다.
앞서 도 7을 참조하여 설명한 것처럼, 이상적인 지연 시간을 인가하였을 때와 양자화한 지연 시간을 인가하였을 때 모두 격자엽의 크기가 주엽보다 모두 -10 dB 이상 차이를 보여줌으로써 시술 지점 주변 조직의 손상이 없음을 확인할 수 있다. 또한, 도 10 (b) 및 (d)에서 확인 가능한 것처럼 두 경우 모두 매우 유사한 초음파 에너지 세기를 갖는 것으로 측정되어, 인접한 트랜스듀서 소자 간의 지연 시간이 양자화 기준인 50 ns이하의 오차를 가질 경우 시술 결과에 차이를 발생하지 않음을 알 수 있다.
전술한 본 개시 또는 일부의 개시는, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 상기 컴퓨터는 각 장치의 프로세서를 포함할 수도 있다.
한편, 상기 프로그램은 본 개시를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 통상의 기술자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다. 프로그램의 예에는, 컴파일러에 의하여 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함될 수 있다.
본 개시의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 개시에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다.
본 개시에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 개시가 한정되는 것은 아니다. 본 개시에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 개시를 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 개시의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 통상의 기술자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 인자(factor)에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 개시의 사상은 상기 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 개시의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 집속 지점
20: 초음파 방사 방향
100: 초음파 프로브
110: 트랜스듀서 모듈
120: 시간 지연 소자
200: 제어 시스템
221: 신호 발생기
20: 초음파 방사 방향
100: 초음파 프로브
110: 트랜스듀서 모듈
120: 시간 지연 소자
200: 제어 시스템
221: 신호 발생기
Claims (18)
- 전기적 신호를 입력 받아 초음파를 발생시키는 복수의 트랜스듀서 소자들이 3차원 형상의 곡면에 불규칙하게 배열된 트랜스듀서 모듈; 및
제어 시스템으로부터 입력 받은 제어 신호에 기반하여 상기 복수의 트랜스듀서 소자들의 구동 신호를 제공하는 구동 신호부를 포함하는,
고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브.
- 제1 항에 있어서,
상기 트랜스듀서 모듈은,
상기 곡면의 적어도 두 위치에서, 상기 곡면의 기준 면적당 배치된 상기 트랜스듀서 소자들의 개수가 서로 다른,
고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브.
- 제1 항에 있어서,
상기 트랜스듀서 모듈은,
상기 곡면의 중심을 기준으로 서로 반대편의 상기 트랜스듀서 소자들의 배치가 비 대칭인,
고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브.
- 제1 항에 있어서,
상기 트랜스듀서 모듈은,
상기 곡면의 중심으로부터 소정의 반지름만큼 이격한 제1 동심원에 위치한 상기 트랜스듀서 소자들 중 적어도 일부의 커프(kerf)는 서로 다른,
고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브.
- 제1 항에 있어서,
상기 트랜스듀서 소자들은 상기 구동 신호를 제공 받아 대상체에 열적 변이를 야기하는 에너지를 가진 초음파를 발생시키는,
고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브.
- 제1 항에 있어서,
상기 트랜스듀서 모듈은 미리 설정된 개수의 서로 이웃한 상기 트랜스듀서 소자들마다 서로 다른 소자 그룹으로 설정되고, 동일한 소자 그룹의 상기 트랜스듀서 소자들은 동일한 신호 발생기에 의해 제어되는,
고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브.
- 제6 항에 있어서,
상기 트랜스듀서 소자들은 복수의 소자 그룹들로 설정되고,
상기 복수의 소자 그룹들 중 서로 다른 적어도 두 소자 그룹에 전기적으로 연결된 서로 다른 상기 신호 발생기는 서로 다른 시간에 상기 구동 신호를 송신하는,
고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브.
- 제6 항에 있어서,
상기 구동 신호부는 각 상기 트랜스듀서 소자에 전기적으로 연결된 복수의 시간 지연 소자를 포함하고,
복수의 소자 그룹들 중 제1 소자 그룹의 복수의 상기 시간 지연 소자 중 적어도 두 개의 상기 시간 지연 소자는 서로 다른 지연 시간을 갖도록 설정되는,
고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브.
- 제6 항에 있어서,
복수의 소자 그룹들 중 제1 소자 그룹의 복수의 상기 트랜스듀서 소자들 중 적어도 두 개의 상기 트랜스듀서 소자들은 서로 다른 지연 시간만큼 시간이 지난 후 상기 구동 신호를 수신하는,
고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브.
- 제7 항에 있어서,
집속 지점이 변경되면 상기 시간 지연 소자의 지연 시간이 재 설정되는,
고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브.
- 전기적 신호를 입력 받아 초음파를 발생시키는 복수의 트랜스듀서 소자들이 3차원 형상의 곡면에 불규칙하게 배열된 트랜스듀서 모듈을 포함하는 프로브; 및
상기 복수의 트랜스듀서 소자들의 구동 신호를 생성하는 신호 발생기를 포함하는 제어 시스템을 포함하는,
고강도 집속 초음파(HIFU) 장치.
- 제11 항에 있어서,
상기 프로브 또는 상기 제어 시스템은,
상기 트랜스듀서 소자에 전기적으로 연결된 시간 지연 소자를 포함하고,
상기 신호 발생기는 상기 시간 지연 소자에 전기적으로 연결되어, 상기 시간 지연 소자에 상기 구동 신호를 전송하는,
고강도 집속 초음파(HIFU) 장치.
- 제12 항에 있어서,
상기 신호 발생기는 복수이고, 적어도 두 개의 상기 신호 발생기는 서로 다른 상기 시간 지연 소자에 전기적으로 연결되는,
고강도 집속 초음파(HIFU) 장치.
- 제13 항에 있어서,
복수의 상기 신호 발생기 중 적어도 두 개의 상기 신호 발생기는 서로 다른 시간에 상기 시간 지연 소자에 상기 구동 신호를 전송하는,
고강도 집속 초음파(HIFU) 장치.
- 프로세서에 의해, 고강도 집속 초음파(HIFU)의 대상체 내 집속 지점을 확인하는 단계;
상기 프로세서에 의해, 상기 집속 지점에 기반하여 복수의 트랜스듀서 소자들로 구성된 소자 그룹 별로 지연 시간을 결정하는 단계;
상기 프로세서에 의해, 상기 소자 그룹의 각 지연 시간에 기반하여 국소 지연 시간을 각 상기 트랜스듀서 소자들에 전기적으로 연결된 시간 지연 소자에 설정하는 단계; 및
상기 시간 지연 소자에 전기적으로 연결된 신호 발생기가 상기 소자 그룹의 각 지연 시간에 기반하여 상기 트랜스듀서 소자들을 구동하는 구동 신호를 발생하도록 제어하는 단계를 포함하는,
고강도 집속 초음파(HIFU) 장치의 동작 방법.
- 제15 항에 있어서,
상기 트랜스듀서 소자들은 전기적 신호를 입력 받아 초음파를 발생시키고, 3차원 형상의 곡면에 불규칙하게 배열된,
고강도 집속 초음파(HIFU) 장치의 동작 방법.
- 제15 항에 있어서,
상기 소자 그룹 별로 지연 시간을 결정하는 단계는,
상기 집속 지점에 기반하여 각 상기 소자 그룹에 속한 상기 트랜스듀서 소자들의 각 지연 시간을 결정하는 단계; 및
동일한 소자 그룹에 속한 상기 트랜스듀서 소자들의 각 지연 시간 중 최소 지연 시간을 상기 소자 그룹의 지연 시간으로 결정하는 단계를 포함하는,
고강도 집속 초음파(HIFU) 장치의 동작 방법.
- 제17 항에 있어서,
상기 국소 지연 시간을 상기 시간 지연 소자에 설정하는 단계는,
상기 소자 그룹의 지연 시간과 상기 트랜스듀서 소자들의 각 지연 시간의 차이를 양자화한 값에 기반하여 상기 국소 지연 시간을 결정하는 단계를 포함하는,
고강도 집속 초음파(HIFU) 장치의 동작 방법.
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-
2022
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-
2023
- 2023-05-18 WO PCT/KR2023/006759 patent/WO2024071560A1/ko unknown
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 선행기술 1: "Acoustic Field of PhasedArray Ultrasound Transducer with the Focus/Foci Shifting", Journal of Medical and Biological Engineering, 39, p919-931, 2019.02.05. |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2024071560A1 (ko) | 2024-04-04 |
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