WO2020101421A1 - 초음파 트랜스듀서 - Google Patents

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WO2020101421A1
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linear arrays
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오진식
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Osteosys Co Ltd
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    • A61B8/44—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device
    • A61B8/4477—Constructional features of the ultrasonic, sonic or infrasonic diagnostic device using several separate ultrasound transducers or probes

Definitions

  • the present disclosure relates to ultrasonic transducers.
  • Extracorporeal shockwave therapy is a method of treating an affected area by irradiating ultrasound for treatment on a test object.
  • the commonly used extracorporeal shockwave therapy (ESWT) device includes an ultrasonic transducer, and uses a method of irradiating ultrasonic waves for treatment with an ultrasonic transducer in an affected area.
  • an ultrasonic transducer generally includes a piezoelectric element for irradiating therapeutic ultrasound on an object.
  • the ultrasound treatment for irradiation from the piezoelectric element of the ultrasound transducer it is important to have an arrangement that can be effectively transmitted to the affected area, the ultrasound treatment for irradiation from the piezoelectric element of the ultrasound transducer.
  • the piezoelectric element in order to properly arrange the piezoelectric element so that the therapeutic ultrasound can be efficiently transmitted to the affected area of the object in a general ultrasonic transducer, it is necessary to process the ceramic material so that the piezoelectric element has an appropriate shape.
  • FIG. 1 is a front view showing the configuration of a typical ultrasonic transducer 1, including an annular annular array.
  • the ultrasonic transducer 1 includes a plurality of piezoelectric elements 11 and a plurality of piezoelectric element arrays 10 and imaging probes 20 arranged in a ring-annular array form. ). Note that, in FIG. 1B, the imaging probe 20 is omitted for convenience of description.
  • the piezoelectric element 11 irradiates therapeutic ultrasound to the affected part of the subject.
  • the plurality of piezoelectric elements 11 are configured in a circumferential shape, each having a different diameter, as shown in FIG. 1B.
  • the ultrasonic waves for treatment irradiated from each piezoelectric element 11 may be irradiated intensively to the affected area of the object by disposing a separate acoustic lens (not shown).
  • the ultrasound for treatment may be intensively irradiated to the affected area of the object.
  • the inner diameter of the ring-shaped piezoelectric element 11 disposed at the innermost of the plurality of piezoelectric elements 11 is R 1-in and the outer diameter is R 1-out , the second largest diameter is adjacent thereto
  • the inner diameter of the ring-shaped piezoelectric element 11, R 2 -in, should be designed equal to or smaller than R 1-out .
  • the third diameter of the ring-shaped piezoelectric element 11, the inner diameter of R 3-in should be designed equal to or slightly larger than R 2-out .
  • the piezoelectric elements 11 are arranged to have ring shapes having different sizes, so that the ultrasonic waves for treatment irradiated from the piezoelectric elements 11 can be effectively focused to the affected area of the object.
  • the piezoelectric element 11 is manufactured by processing ceramic materials such as barium titanate (BaTiO 3 ), lead titanate (PbTiO 3 ), and lead zirconate system (PbZrO 3 ) using microelectromechanical systems (MEMS) technology.
  • ceramic materials such as barium titanate (BaTiO 3 ), lead titanate (PbTiO 3 ), and lead zirconate system (PbZrO 3 ) using microelectromechanical systems (MEMS) technology.
  • MEMS microelectromechanical systems
  • the piezoelectric elements 11 made of ceramic materials having different sizes In order to manufacture the piezoelectric elements 11 made of ceramic materials having different sizes, a special manufacturing equipment capable of manufacturing different diameters of the piezoelectric elements 11 in each ring shape is required, and a complicated manufacturing process is required. Must go through.
  • the ring-annular array type ultrasonic transducer 1 consumes a lot of effort to manufacture and increases the processing cost.
  • the present invention has a main purpose of providing an ultrasonic transducer having a simple treatment and excellent treatment effect due to the effective focusing of ultrasound for treatment on a target region.
  • the present invention has a main object to provide an ultrasonic transducer that saves time and cost for processing or manufacturing.
  • a housing a base disposed on the front surface of the housing, and a plurality of linears disposed along a radial direction of the base extending from a central region of the base on the base while irradiating therapeutic ultrasound
  • an array Linear array
  • the ultrasonic transducer characterized in that it comprises a plurality of linear arrays, including a plurality of piezoelectric elements that are arranged to be adjacent to each other along the radial direction and are linear elements that extend parallel to each other.
  • FIG. 1 is a front view showing the configuration of a typical ultrasonic transducer, including an annular annular array.
  • Figure 2 is a side view showing the configuration of an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a front view showing the configuration of the first type of ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a front view showing the configuration of the second type of ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 shows the configuration of a piezoelectric element that is one component of the ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 6 shows the configuration of an ultrasonic transducer according to another embodiment of the present invention.
  • FIG 7 shows the performance test results of the ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a partial perspective view showing a part of an ultrasonic transducer according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 6A and 6B are partial perspective views showing a part of the ultrasonic transducer of another embodiment of the present invention shown in FIGS. 6A and 6B for comparison with the embodiment of FIG. 9.
  • FIG 11A illustrates a curvature profile when the linear array 930 is partially cut in the transverse direction D T according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11B shows a curvature profile when the linear array 630 of the embodiment shown in FIG. 10 is cut in the transverse direction D T.
  • FIG. 12A shows the intensity of ultrasound for treatment on a subject when focus is formed at a reference focal length in the ultrasound transducer according to the embodiment of FIG. 9.
  • 12B is a measurement of the intensity of ultrasound for treatment in the ultrasound transducer according to the embodiment of FIG. 10.
  • first, second, i), ii), a), b), etc. may be used. These symbols are only for distinguishing the components from other components, and the essence or order or order of the components is not limited by the symbols.
  • a part in the specification refers to 'include' or 'equipment' a component, this means that other components may be further included rather than excluding other components unless explicitly stated to the contrary. .
  • FIG. 2 is a side view showing the configuration of the ultrasonic transducer 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic transducer 100 includes a housing 110, a base 120, a linear array 130, an imaging probe 140, and an acoustic lens 150 ) And a gel pad (160).
  • the housing 110 provides a space for the base 120, the linear array 130, and the imaging probe 140 to be disposed.
  • the front portion of the housing 110 has a base 120
  • the outer side may be formed to be bent in the shape of an “a” in the front direction so that a space that can be arranged is provided.
  • the front portion of the housing 110 may be formed in a cylindrical or polygonal column shape, for example.
  • the base 120 is disposed on the front portion of the housing 110, and the linear array 130 is disposed on the upper surface of the base 120.
  • the imaging probe 140 is disposed on a central area in the front direction of the housing 110.
  • the housing 110 shown in Figure 2 is the outer diameter (D 3 ) is shown a configuration of 110mm.
  • the linear array 130 is formed to a position spaced 5 mm from the outermost of the housing 110, respectively, from the shortest portion of the linear array 130 disposed on one side to the shortest portion of the linear array 130 disposed on the other side.
  • the distance to D 2 was configured to be 100 mm.
  • the base 120 provides a space for the linear array 130 to be arranged. That is, the linear array 130 is disposed on the front surface of the base 120, and the base 120 can serve as a backing panel supporting the linear array 130.
  • the base 120 may be formed in an octagonal shape in cross section, as shown in FIG. 3, but this is only exemplary and may have other shapes, such as having a circular cross section.
  • the imaging probe 140 is disposed in the central region of the base 120, and the linear array 130 is disposed around the region around the imaging probe 140.
  • the region in which the imaging probe 140 is disposed in the ultrasonic transducer 100 shown in FIG. 2 is designed such that the width D 1 is about 42 mm.
  • the linear array 130 generates therapeutic ultrasound waves by vibration generated from the piezoelectric element, and the therapeutic ultrasound waves are irradiated toward the object.
  • the linear array 130 refers to a linear array type in which piezoelectric elements having similar lengths and widths in a linear form are arranged adjacent to each other.
  • the linear array 130 includes a long side formed along the length direction and a relatively long side, and a short side formed along the width direction and formed relatively short.
  • the linear array 130 is disposed in front of the base 120.
  • the plurality of linear arrays 130 are disposed adjacent to the center area of the front surface of the base 120, and the linear arrays 130 are radially arranged around the center area of the front surface of the base 120.
  • the linear array 130 has a length axis of the base 120 ).
  • the long side of the linear array 130 is disposed parallel to the radial direction of the base 120, and the short side of the linear array 130 is vertically disposed to the radial direction of the base 120.
  • each linear array 130 is composed of a plurality of piezoelectric elements, and due to such a configuration, the ultrasonic transducer 100 according to an embodiment of the present invention has a simple manufacturing process as will be described in detail later. , Equipment for manufacturing has a simple advantage.
  • the imaging probe 140 serves to generate information about the ultrasound image of the object, and to transmit information about the ultrasound image of the object to a display unit (not shown).
  • the imaging probe 140 includes an unshown image ultrasound transmitter and an image ultrasound receiver.
  • the ultrasound image transmitting unit irradiates ultrasound for an image toward an object.
  • the ultrasound image receiving unit receives an echo signal of ultrasound for an image reflected by an object.
  • the echo signal received by the image ultrasound is converted into an image signal by a signal processing unit (not shown), and the image signal is transmitted to the display unit and an ultrasound image of the object may be output on the display unit.
  • the acoustic lens 150 focuses ultrasound for treatment into a target region.
  • the acoustic lens 150 is disposed on the front surface of the base 120 and the plurality of linear arrays 130, and the therapeutic ultrasonic component irradiated from the linear array 130 passes through the acoustic lens 150 to a region of the object. Is focused.
  • the acoustic lens 150 By providing the acoustic lens 150 in this way, it is possible to efficiently focus the ultrasound for treatment, and the treatment effect can be improved.
  • the embodiment of the present invention by showing the configuration of focusing ultrasound for treatment by providing an acoustic lens 150, the embodiment of the present invention also focuses on the treatment ultrasound using a beamforming technique. Configurations for adjusting the position may be included.
  • the position in which the ultrasound for treatment is focused may be controlled by controlling the amplitude or phase of the driving signal input to the piezoelectric element of the linear array 130.
  • the acoustic lens 150 is not necessarily provided for focusing of the therapeutic ultrasound.
  • the acoustic lens 150 can be designed to have a different degree of refraction of each therapeutic ultrasound component.
  • the curvature R 1 of the acoustic lens 150 may be, for example, 90 mmR, and the curvature of the acoustic lens 150 may be designed to have a different, appropriate curvature.
  • the gel pad 160 is disposed on the front surface of the acoustic lens 150 and is disposed to facilitate the transmission of ultrasound for treatment.
  • the therapeutic ultrasound irradiated from the linear array 130 is focused by the acoustic lens 150 and passes through the gel pad 160 to be irradiated through the object.
  • the inside of the gel pad 160 may be filled with a fluid, and may serve to reduce attenuation, scattering, and the like of therapeutic ultrasound irradiated from the linear array 130.
  • the gel pad 160 since the gel pad 160 is filled with a fluid, it may also serve to cool the heat generated by ultrasonic waves.
  • the thickness of the gel pad 160 from the base 120 may be about 30 mm, and the thickness of the gel pad 160 may be designed differently.
  • the ultrasonic transducer 100 includes an unshown signal transmission / reception line capable of transmitting / receiving electrical signals to / from the linear array 130 in the housing 110 or in the unshown controller. can do.
  • the ultrasonic transducer 100 may include components such as an unshown power button and an operation input button capable of controlling its operation, and may be connected to a separate control device.
  • components such as an unshown power button and an operation input button capable of controlling its operation, and may be connected to a separate control device.
  • this is not a configuration to be focused on in the configuration of the present invention, detailed description thereof will be omitted.
  • FIG 3 is a front view showing the configuration of the first form of the ultrasonic transducer 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the first form of the ultrasonic transducer 100 includes four linear arrays 130 arranged on the base 120 along the radial direction of the base 120 Have
  • the ultrasonic transducer 100 is characterized in that a plurality of piezoelectric elements having the same linear shape are linear arrays arranged adjacent to each other. Accordingly, each linear array 130 has a rectangular shape.
  • the linear array 130 is illustrated in a case where the length ratio of short sides and long sides is about 16 mm to 34 mm. Meanwhile, the ratio of the length to the width of the linear array 130 of the embodiment of the present invention may be formed differently.
  • the ratio of the width to the length is within 1: 2 to 1: 4. It is preferred.
  • Each linear array 130 constituting the first type of ultrasonic transducers 100 is disposed at a predetermined angle. At this time, the angle of each linear array 130 spaced apart may be about 90 degrees.
  • each linear array 130 is arranged to have a length in the upper, lower, left and right directions surrounding the center of the base 120, and each linear array 130 is formed to have the same shape. .
  • each linear array 130 has a point-symmetrical arrangement relative to the center of the base 120.
  • Each linear array 130 may be all of the same shape and size. Therefore, in manufacturing the ultrasonic transducer 100, it is not necessary to have a manufacturing facility or the like for separately manufacturing each array or piezoelectric element.
  • the ultrasonic transducer 100 is a simple process of manufacturing each linear array 130 as will be described in detail later, and the linear array as in the comparative example described above There is an advantage that does not require a complicated process and manufacturing equipment for manufacturing (130).
  • the present applicant was able to confirm that in the case of the first form of the ultrasonic transducer 100 according to an embodiment of the present invention, it has significant efficiency in terms of its therapeutic effect when compared with the comparative example described above.
  • the ultrasonic transducer 100 although the area occupied by the linear array 130 is relatively narrower than the annular array type ultrasonic transducer 100, the treatment The effect was confirmed to be similar to the annular array type ultrasonic transducer 100.
  • the ultrasonic transducer 100 has the advantage of being simpler to manufacture than the comparative example and less effective in manufacturing the device while performing effective treatment on the subject.
  • FIG. 4 is a front view showing the configuration of the second form of the ultrasonic transducer 100 according to an embodiment of the present invention.
  • a plurality of line type linear arrays 130 are arranged on the base 120.
  • the linear array 130 is disposed adjacent to the center region of the base 120 such that the radial direction of the base 120 and its longitudinal axis extend side by side.
  • each linear array 130 is disposed at a 45-degree interval. Therefore, in contrast to the HIFU transducer portion consisting of a total of four linear arrays 130 in the first aspect, the HIFU transducer portion in the second aspect consists of a total of eight linear arrays 130.
  • the linear array 130 is doubled compared to the first form, thereby minimizing the difference in area occupied by the linear array 130 on the base 120 when compared with the annular array type transducer.
  • the ultrasound focusing and treatment effect can be increased to a level almost similar to the annular array type transducer.
  • FIG. 5 shows a configuration of a piezoelectric element that is one component of the ultrasonic transducer 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the linear array 130 is composed of a plurality of piezoelectric elements.
  • the piezoelectric element may be manufactured using a piezoelectric material such as lead zirconate titanate (PZT), polyvinylidene fluoride (PVDF), lead magnesium niobate (PMN), etc., and is electrically connected to a printed circuit board (not shown) to drive signals. Accordingly, it is possible to generate ultrasonic waves for treatment by the piezoelectric effect.
  • a piezoelectric material such as lead zirconate titanate (PZT), polyvinylidene fluoride (PVDF), lead magnesium niobate (PMN), etc.
  • the plurality of piezoelectric elements are each formed in a straight shape, and each piezoelectric element may have the same shape and size.
  • the processes of manufacturing a plurality of piezoelectric elements can all be designed in the same process.
  • FIG. 6 shows a configuration of an ultrasonic transducer 600 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A shows a front view of the ultrasonic transducer 600 according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 6B is a side view of the ultrasonic transducer 600 according to another embodiment of the present invention. It is shown.
  • the ultrasonic transducer 600 may include a configuration of the ultrasonic transducer 600 according to an embodiment of the present invention, in which the contents are not arranged.
  • a linear array 630 is disposed on a curved surface.
  • the central region of the base 620 is formed to have a constant thickness, for example, and an imaging probe 640 may be disposed in the central region of the base 620. Meanwhile, in another embodiment of the present invention, the height H 1 of the central portion of the base 620 may be about 12.4 mm.
  • the thickness of the base 620 gradually increases when it deviates from the central region of the base 620.
  • the height H 2 at the outermost portion of the base 620 may be about 30 mm.
  • the curvature of the front portion of the base 620 may be determined by roughly considering the distance from the base 620 to the focal position P 2 of the therapeutic ultrasound, and for example, the curvature R 2 of the front portion of the base 620. May be 90 mmR.
  • each piezoelectric element disposed on the front portion of the base 620 is also disposed on the curvature surface. Accordingly, each linear array 630 is also formed on the curvature surface.
  • the efficiency of focusing the therapeutic ultrasound irradiated from each piezoelectric element into one region of the object may be increased.
  • each piezoelectric element is formed on a curvature surface, unlike the ultrasonic transducer 100 according to an embodiment of the present invention, a high treatment without an acoustic lens 150 (see FIG. 2) It can have the effect of focusing ultrasound.
  • the process of manufacturing and attaching the acoustic lens 150 (see FIG. 2) is not required when manufacturing the ultrasonic transducer 600 according to another embodiment of the present invention, the manufacturing process and manufacturing equipment are simplified, and the manufacturing cost is reduced. There is an advantage that can be saved.
  • FIG 7 shows the performance test results of the ultrasonic transducer 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic transducer 100 was inspected using eight linear arrays 130 arranged on the base, and detailed specifications of the ultrasonic transducer 100 are as described above.
  • FIG. 7A is a measurement of the intensity of ultrasound for treatment on a subject when focus is formed at a reference focal length in the ultrasound transducer 100 according to an embodiment of the present invention. Meanwhile, for convenience of description, the focal length at this time is set to 0 mm.
  • the z-axis direction means the depth direction of the object
  • the x-axis and y-axis directions mean the horizontal axis and the vertical axis direction perpendicular thereto at the same depth on the object.
  • the test was conducted so that the therapeutic ultrasound had a frequency of 1.5 MHz, and the dynamic range (DR) was set to be 60 dB. All of these settings are the same in the following process.
  • the region with the strongest therapeutic ultrasound was displayed in red, and the weakest region was displayed with blue.
  • the lower left graph of FIG. 7A shows the intensity of the therapeutic ultrasound according to the depth at the point where the x-axis coordinate is 0, that is, the point where the most focused focusing intensity is on the xy plane.
  • the amplitude of the therapeutic ultrasound is the largest at a point having a depth of about 30mm from the surface of the object, it can be seen that the therapeutic ultrasound has the greatest intensity at the above point.
  • the graph on the upper left of FIG. 7A shows the intensity of therapeutic ultrasound according to a change in position in the x-axis direction at a depth of 29.80 mm on the object.
  • the intensity of the ultrasound for treatment is the largest, and the intensity of the ultrasound is symmetrically decreased as it moves away from it.
  • a graph is formed radially around a point having a depth of about 30 mm on the object. Since the focusing point of the therapeutic ultrasound is located not deep on the object, it can be seen that the therapeutic ultrasound is effectively focused at the corresponding point.
  • 7B, 7C, 7D, and 7E show the intensity of therapeutic ultrasound at the position on the object when the focal position is 20 mm, 40 mm, 60 mm, or 80 mm from the reference focus, respectively.
  • the focal position of the therapeutic ultrasound is different from that of FIG. 7A, the positions where the therapeutic ultrasound is most strongly focused are also formed differently. That is, in FIGS. 7B, 7C, 7D, and 7E, the ultrasound for treatment is focused most strongly at depths of 49.60 mm, 69.40 mm, 89.80 mm, and 109.60 mm on the object, respectively.
  • the form in which the ultrasound for treatment is focused is radially formed similarly to the case of FIG. 7A.
  • the concentration of the corresponding radial decreases from FIG. 7A to FIG. 7E because the delivery efficiency of therapeutic ultrasound gradually decreases toward the deeper position of the object.
  • FIGS. 8A, 8B, 8C, 8D, and 8E show ultrasound intensity on the object position when the focal positions of the therapeutic ultrasound waves are 0 mm, 20 mm, 40 mm, 60 mm, and 80 mm, respectively.
  • Each array 10 of the transducer 1 has a thickness of 1.2 mm, and the ultrasonic transducer 1 has an annular annular array 10 composed of a total of 24 piezoelectric elements 11.
  • FIGS. 7A and 8A, 7B and 8B, 7C and 8C, 7D and 8D, and FIGS. 7E and 8E are very similar in shape, and the intensity of the therapeutic ultrasound in the focused region There was no significant difference.
  • the ultrasonic transducer 100 including the linear array 100 has a relatively small area occupied by the transducer array compared to the ultrasonic transducer 1 composed of an annular annular array. And, it means that the focusing intensity and intensity of the therapeutic ultrasound are similar to the focusing intensity and intensity of the therapeutic ultrasound of the ultrasound transducer 1 shown in FIG. 1.
  • the ultrasonic transducer 100 of the present invention is simpler to manufacture and has superior therapeutic effect compared to the prior art transducer 1.
  • FIG. 9 is a partial perspective view showing a part of an ultrasonic transducer according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 6A and 6B are partial perspective views showing a part of the ultrasonic transducer of another embodiment of the present invention shown in FIGS. 6A and 6B for comparison with the embodiment of FIG. 9.
  • the linear array 930 of the ultrasonic transducer is bi-directional, ie, longitudinal and transverse, as compared to the embodiment shown in FIG. The difference is that (D T ) is formed of a curved surface having a curvature.
  • the base 920 of the ultrasonic transducer is at least partially also a curved surface corresponding to the curved surface formed by the linear array 930, that is, in the transverse direction perpendicular to the longitudinal direction and the longitudinal direction. It has a cross section with curvature.
  • FIG. 11A is a part of the linear array 930 according to another embodiment of the present invention in the lateral direction D T The curvature profile when cut is shown, and FIG. 11B shows the curvature profile when cut in the transverse direction D T of the linear array 630 of the embodiment shown in FIG. 10.
  • the linear array 930 illustrated in FIG. 11A has a curvature in which a height difference is formed in the transverse direction
  • the linear array 630 illustrated in FIG. 11B forms a plane without a height difference in the transverse direction.
  • the collection performance of the linear array 930 of FIG. 9 and the linear array 630 of FIG. 10 may be different due to the curvature difference formed along the transverse direction D T. have.
  • ultrasonic waves emitted from the linear array 930 at a position away from the linear array 930 by an arbitrary radius R 3 may be interpreted as being collected on the collecting surface CA 1 . You can.
  • ultrasound waves emitted from the linear array 630 at a position away from the linear array 630 of FIG. 10 by a radius R3 equal to the radius R3 of FIG. 9 are collected (CA) 2 ).
  • the collecting surface CA 1 of FIG. 9 may be smaller than the collecting surface CA 2 of FIG. 10, and in the illustrated embodiment, may be approximately 20% smaller. This means that, assuming that the distance to the patient's affected area is set to R3, a sound pressure of 20% can be further increased by a transducer of the same size.
  • FIG. 12A is a measurement of the intensity of ultrasound for treatment on a subject when focus is formed at a reference focal length in the ultrasound transducer according to the embodiment of FIG. 9, and FIG. 12B is an ultrasound transducer according to the embodiment of FIG. 10 The intensity of the therapeutic ultrasound was measured.
  • FIG. 12B the embodiment of FIG. 10 shows an increase in intensity of the vertical beamfield gradually as the focal length approaches 0 mm.
  • FIG. 12A FIG.
  • FIG. 12B the embodiment of FIG. 10 shows an increase in intensity of the vertical beamfield gradually as the focal length approaches 0 mm.
  • FIG. 12A FIG.
  • FIG. 12A the intensity of the vertical beam field is rapidly increased in the process of approaching the focal length of 0 mm, and thus the beam intensity is concentrated near the focal length of 0 mm.
  • the ultrasonic transducers 100 and 600 according to each embodiment of the present invention are manufactured using a linear array 130 and 630 of a line type, the manufacturing process is compared to the case of manufacturing using another type of array. It is simple and has the advantage of using simple manufacturing equipment.
  • ultrasonic transducers 100 and 600 according to each embodiment of the present invention have the above manufacturing advantages, they have excellent treatment effects like the ultrasonic transducers of the prior art.

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Abstract

초음파 트랜스듀서를 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 하우징, 상기 하우징의 전면에 배치되는 베이스 및, 치료용 초음파를 조사하며 상기 베이스 상에서 상기 베이스의 중앙영역으로부터 연장하는 상기 베이스의 반경방향을 따라 배치되는 복수의 선형 어레이(Linear array)로서, 서로 나란하게 연장하는 직선형 소자이며 상기 반경방향을 따라 서로 이웃하도록 배열되는 복수의 압전소자를 포함하는, 복수의 선형 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서를 제공한다.

Description

초음파 트랜스듀서
본 개시는 초음파 트랜스듀서에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 개시에 대한 배경정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
체외 충격파 치료(ESWT; Extracorporeal shockwave therapy)는 검사대상체 상에 치료용 초음파를 조사함으로써 환부를 치료하는 방법이다.
일반적으로 사용되고 있는 ESWT(Extracorporeal shockwave therapy) 장치는 초음파 트랜스듀서를 포함하며, 초음파 트랜스듀서에서 치료용 초음파를 환부로 조사하는 방식을 사용한다.
또한, 일반적으로 초음파 트랜스듀서는 대상체 상에 치료용 초음파를 조사하기 위한 압전소자를 포함한다.
이때 대상체의 치료를 위해, 초음파 트랜스듀서의 압전소자로부터 조사되는 치료용 초음파가 환부에 효과적으로 전달될 수 있는 배치를 가지는 것이 중요하다.
또한, 일반적인 초음파 트랜스듀서에서 치료용 초음파가 효율적으로 대상체의 환부에 전달될 수 있도록 적절히 압전소자를 배치하기 위해서는, 압전소자가 적절한 형태를 가지도록 세라믹 소재를 가공하는 것이 필요하다.
도 1은 환상 고리형 어레이를 포함하는, 일반적인 초음파 트랜스듀서(1)의 구성을 도시한 정면도이다.
도 1을 참조하면, 초음파 트랜스듀서(1)는 복수의 압전소자(11)를 포함하며 환상 고리형 어레이(ring-annular array) 형태로 배치된 복수의 압전소자 어레이(10) 및 이미징프로브(20)를 포함한다. 다만, 도 1b에서는 설명의 편의를 위해 이미징프로브(20)를 생략 도시하였음에 유의한다.
압전소자(11)는 치료용 초음파를 대상체의 환부를 향해 조사한다.
복수의 압전소자(11)는 도 1b에 도시된 바와 같이 각각 직경이 다른 원주 형태 즉, 링 형태로 구성된다.
여기서 각각의 압전소자(11)로부터 조사된 치료용 초음파는 미도시된 별도의 음향렌즈(acoustic lens)를 배치함으로써 대상체의 환부로 집중 조사될 수 있다.
또는 별도의 압전소자(11)에 입력되는 구동 신호의 진폭 또는 위상을 조절함으로써 치료용 초음파를 대상체의 환부로 집중 조사할 수 있다.
한편, 복수의 압전소자(11) 중 가장 내측에 배치된 링 형태의 압전소자(11)의 내경을 R 1-in, 외경을 R 1-out이라고 하면, 이에 가장 인접한, 두 번째로 직경이 큰 링 형태의 압전소자(11)의 내경인 R 2-in은 R 1-out과 동일하거나 미세하게 크게 설계되어야 한다.
이와 유사하게, 세 번째로 직경이 큰 링 형태의 압전소자(11)의 내경인 R 3-in은 R 2-out과 동일하거나 미세하게 크게 설계되어야 한다.
이와 같이 압전소자(11)가 각각 크기가 다른 링 형태를 가지도록 배치되는 것은 각각의 압전소자(11)로부터 조사된 치료용 초음파가 대상체의 환부로 효과적으로 집속될 수 있도록 하기 위함이다.
이때, 압전소자(11)는 MEMS(Microelectromechanical systems) 기술을 이용해 타이타늄산바륨(Barium titanate, BaTiO 3)과 Lead titanate(PbTiO 3), Lead zirconate system(PbZrO 3) 등의 세라믹 재료를 가공하여 제조한다.
또한, 이와 같은 각각 크기가 다른 링 형태를 가진 압전소자(11)를 기판 상에 열 압착법 또는 초음파 압착법 등을 통해 부착하는 공정이 필요하다.
이와 같이 세라믹 재질로 이루어진 압전소자(11)가 각각 상이한 사이즈를 가지도록 제조하기 위해서는, 각각의 링 형태의 압전소자(11)의 직경을 다르게 제조할 수 있는 특수한 제조 설비가 필요하며, 복잡한 제조 공정을 거쳐야 한다.
따라서, 환상 고리형 어레이(ring-annular array) 타입의 초음파 트랜스듀서(1)는 제조하기 위한 노력이 많이 소모되고, 가공비가 높아지게 된다.
한편, 도 1에 도시된 환상 고리형 어레이가 아닌, 매트릭스 어레이(matrix array) 또는 원형 어레이(circular array) 타입의 초음파 트랜스듀서의 경우에도 앞서 설명한 바와 유사한 제조 공정 상의 어려움이 있다.
이에 따라, 제조가 용이하면서도 대상체의 치료에 있어 적절한 치료 효과를 갖는 압전소자 어레이의 적절한 배치에 대한 연구가 필요한 실정이다.
이에, 본 발명은 목적 영역 상에 치료용초음파가 효과적으로 집속됨으로 인해 치료 효과가 뛰어나면서도, 구성이 간단한 초음파 트랜스듀서를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
또한, 본 발명은 가공 또는 제조를 위해 소모되는 시간 및 비용이 절감되는 초음파 트랜스듀서를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 하우징, 상기 하우징의 전면에 배치되는 베이스 및, 치료용 초음파를 조사하며 상기 베이스 상에서 상기 베이스의 중앙영역으로부터 연장하는 상기 베이스의 반경방향을 따라 배치되는 복수의 선형 어레이(Linear array)로서, 서로 나란하게 연장하는 직선형 소자이며 상기 반경방향을 따라 서로 이웃하도록 배열되는 복수의 압전소자를 포함하는, 복수의 선형 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서를 제공한다.
도 1은 환상 고리형 어레이를 포함하는, 일반적인 초음파 트랜스듀서의 구성을 도시한 정면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 구성을 도시한 측면도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 제1형태의 구성을 도시한 정면도이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 제2형태의 구성을 도시한 정면도이다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 일 구성요소인 압전소자의 구성을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 구성을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 성능 검사 결과를 도시한 것이다.
도 8은 일반적인 환상 고리형 어레이로 구성된 초음파 트랜스듀서의 성능 검사 결과를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 일부를 나타내는 부분 사시도이다.
도 10은 도 9의 실시예와의 대비를 위하여 도 6a 및 도 6b에 도시된 본 발명의 다른 실시예의 초음파 트랜스듀서의 일부를 나타내는 부분 사시도이다.
도 11a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 선형 어레이(930)를 횡방향(D T)으로 일부 절개했을 때의 곡률 프로파일을 도시한다.
도 11b는 도 10에 도시된 실시예의 선형 어레이(630)를 횡방향(D T)으로 절개했을 때의 곡률 프로파일을 도시한다.
도 12a는 도 9의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서에서 기준 초점 거리에 초점을 형성하였을 때 대상체 상에서 치료용 초음파의 강도를 측정한 것이다.
도 12b는 도 10의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서에서 치료용 초음파의 강도를 측정한 것이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, i), ii), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례나 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)의 구성을 도시한 측면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)는 하우징(110), 베이스(120), 선형 어레이(linear array; 130), 이미징프로브(140), 음향렌즈(150) 및 젤패드(gel pad; 160)를 포함한다.
하우징(110)은 베이스(120), 선형 어레이(130) 및 이미징프로브(140) 등이 배치되기 위한 공간을 마련한다.
하우징(110) 중 베이스(120), 선형 어레이(130) 및 이미징프로브(140) 등이 배치되는 영역을 하우징(110)의 전면부라고 할 때, 하우징(110)의 전면부는 베이스(120)가 배치될 수 있는 공간이 마련되도록 그 외측이 전면 방향으로 "ㄱ"자 형태로 절곡되게 형성될 수 있다.
또한 하우징(110)의 전면부는 예시적으로 원통형 또는 다각기둥 형상으로 형성될 수 있다. 이와 같은 하우징(110)의 전면부 상에 베이스(120)가 배치되며, 베이스(120) 상면에는 선형 어레이(130)가 배치된다.
또한 하우징(110) 전면 방향의 중앙 영역 상에는 이미징프로브(140)가 배치된다.
한편, 도 2에 도시된 하우징(110)은 그 외경(D 3)이 110mm인 구성이 도시되어 있다.
또한, 선형 어레이(130)는 하우징(110)의 최 외곽으로부터 각각 5mm 이격된 위치까지 형성되었으며, 일측에 배치된 선형 어레이(130)의 최단부로부터 타측에 배치된 선형 어레이(130)의 최단부까지의 거리(D 2)는 100mm인 것으로 구성되었다.
베이스(120)는 선형 어레이(130)가 배치되기 위한 공간을 마련한다. 즉, 베이스(120) 전면에는 선형 어레이(130)가 배치되며, 베이스(120)는 선형 어레이(130)를 지지하는 배킹 패널(backing panel) 역할을 할 수 있다.
베이스(120)는 도 3에 도시된 바와 같이 그 단면이 팔각 형태로 형성될 수 있으나, 이는 예시적인 것일 뿐이고 원형 단면을 가질 수도 있는 등 다른 형태도 가능하다.
한편, 베이스(120)의 중심 영역에는 이미징프로브(140)가 배치되며, 이미징프로브(140)가 배치된 영역 주변부를 선형 어레이(130)가 둘러싸며 배치된다. 이때, 도 2에 도시된 초음파 트랜스듀서(100)에서 이미징프로브(140)가 배치된 영역은 예시적으로 그 폭(D 1)이 약 42mm 정도가 되도록 설계되었다.
선형 어레이(130)는 압전소자에서 발생되는 진동에 의해 치료용 초음파를 발생시키고, 치료용 초음파는 대상체를 향해 조사된다.
선형 어레이(130)는 직선 형태의 유사한 길이 및 폭을 가진 압전소자가 나란히 인접하여 배치된 리니어 어레이(linear array) 타입을 의미한다. 선형 어레이(130)는 그 길이 방향을 따라 형성되며 상대적으로 길게 형성된 장변 및, 그 폭 방향을 따라 형성되며 상대적으로 짧게 형성된 단변을 포함한다.
선형 어레이(130)는 베이스(120) 전면에 복수로 배치된다. 복수의 선형 어레이(130)는 베이스(120) 전면의 중앙 영역에 인접하게 배치되며, 선형 어레이(130)는 베이스(120) 전면 중앙 영역을 중심으로 방사상으로 배치된다.
구체적으로, 베이스(120) 전면의 중앙점으로부터 베이스(120) 전면의 외측 모서리를 향하는 임의의 방향을 베이스(120)의 반경방향이라고 했을 때, 선형 어레이(130)는 그 길이 축이 베이스(120)의 반경방향 상에 놓이도록 배치된다.
이때 선형 어레이(130)의 장변은 베이스(120)의 반경방향과 나란하게 배치되며, 선형 어레이(130)의 단변은 베이스(120)의 반경방향과 수직하게 배치된다.
한편, 각각의 선형 어레이(130)는 복수의 압전소자로 구성되며, 이와 같은 구성으로 인해 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)는 추후 자세히 설명할 내용과 같이 제조 공정이 단순하며, 제조를 위한 설비가 간단한 장점을 가진다.
이미징프로브(140)는 대상체의 초음파 영상에 대한 정보를 생성하고, 미도시된 디스플레이부에 대상체의 초음파 영상에 대한 정보를 전달하는 역할을 한다. 이미징프로브(140)는 미도시된 영상초음파 송신부 및 영상초음파 수신부를 포함한다.
영상초음파 송신부에서는 영상용 초음파를 대상체를 향해 조사한다. 영상초음파 수신부는 대상체에 의해 반사된 영상용 초음파의 에코 신호를 수신한다.
영상초음파에 의해 수신된 에코 신호는 미도시된 신호처리부에서 영상신호로 변환되며, 상기 영상신호는 디스플레이부에 전달되어 대상체의 초음파 영상이 디스플레이부 상에 출력될 수 있다.
음향렌즈(150)는 치료용 초음파를 목적 영역으로 집속한다.
음향렌즈(150)는 베이스(120) 및 복수의 선형 어레이(130)의 전면에 배치되며, 선형 어레이(130)로부터 조사된 치료용 초음파 성분은 음향렌즈(150)를 통과하여 대상체의 일 영역으로 집속된다.
이와 같이 음향렌즈(150)를 구비함으로써 치료용 초음파의 집속을 효율적으로 할 수 있으며, 치료 효과가 향상될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서 음향렌즈(150)를 구비함으로써 치료용 초음파를 집속하는 구성을 예시적으로 도시하고 있으나, 본 발명의 일 실시예에서도 빔포밍 기술을 이용하여 치료용 초음파의 집속 위치를 조절하는 구성이 포함될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에서도 선형 어레이(130)의 압전소자로 입력되는 구동 신호의 진폭 또는 위상을 제어함으로써 치료용 초음파가 집속되는 위치가 제어되는 구성을 포함할 수 있다. 이 경우, 치료용 초음파의 집속을 위해 음향렌즈(150)를 필수적으로 구비하여야 하는 것은 아니다.
한편, 각각의 치료용 초음파는 설정된 초점 영역(P 1) 상으로 집중되어야 하므로, 각 치료용 초음파 성분의 굴절 정도가 상이하도록 음향렌즈(150)를 설계할 수 있다.
한편, 음향렌즈(150)의 곡률(R 1)은 예시적으로 90mmR일 수 있으며, 음향렌즈(150)의 곡률은 이와 다른, 적절한 곡률을 가지도록 설계 가능하다.
젤패드(160)는 음향렌즈(150) 전면에 배치되며, 치료용 초음파 전달을 용이하게 하기 위해 배치된다. 선형 어레이(130)에서 조사된 치료용 초음파는 음향렌즈(150)에 의해 집속되어 젤패드(160)를 지나 대상체를 통해 조사된다.
젤패드(160) 내부는 유체로 충진될 수 있으며, 선형 어레이(130)에서 조사된 치료용 초음파의 감쇄, 산란 등을 줄이는 역할을 할 수 있다.
또한, 젤패드(160)는 유체로 충진되므로, 초음파로 인해 발생하는 열을 냉각하는 역할도 할 수 있다.
한편, 젤패드(160)의 베이스(120)로부터의 두께는 약 30mm일 수 있으며, 젤패드(160)의 두께는 이와 달리 설계하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)는 선형 어레이(130)에 전기적 신호를 송수신할 수 있는, 미도시된 신호 송수신 라인을 하우징(110) 내부 또는 미도시된 컨트롤러에 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)는 그 동작을 컨트롤할 수 있는 미도시된 전원 버튼 및 동작 입력 버튼 등의 구성을 포함할 수 있으며, 별도의 제어 장치와 연결될 수 있다. 다만, 이는 본 발명의 구성에서 중점적으로 다루고자 하는 구성은 아니므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)의 제1형태의 구성을 도시한 정면도이다.
도 3를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)의 제1형태는 4개의 선형 어레이(130)가 베이스(120) 반경방향을 따라 베이스(120) 상에 배치된 구성을 가진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)는 동일한 직선 형태를 가진 복수의 압전소자가 서로 나란히 인접 배치된 리니어 어레이(Linear array) 타입인 것이 특징이다. 따라서, 각각의 선형 어레이(130)는 직사각 형태를 가진다.
본 발명의 일 실시예에서 선형 어레이(130)는 단변 및 장변의 길이 비율이 약 16mm 대 34mm인 경우가 도시되어 있다. 한편, 본 발명의 일 실시예의 선형 어레이(130)의 가로 대 세로의 길이 비율은 이와 다르게 형성될 수 있다.
이때, 초음파 트랜스듀서(100) 작동시 치료용 초음파 집속 정도에 따른 치료 효율과 베이스(120) 및 기타 구성의 배치 및 형태를 고려할 때 가로 대 세로의 길이 비율은 1:2 내지 1:4 이내인 것이 바람직하다.
제1형태의 초음파 트랜스듀서(100)를 구성하는 각각의 선형 어레이(130)는 각각 일정 각도씩 이격되어 배치된다. 이때 각각의 선형 어레이(130)가 이격된 각도는 약 90도일 수 있다.
이로 인해 베이스(120)의 중심부를 둘러싼 상, 하, 좌 및 우 방향으로 길이를 가지도록 각각의 선형 어레이(130)가 배치되며, 각각의 선형 어레이(130)는 모두 그 형태가 동일하도록 형성된다.
따라서, 각각의 선형 어레이(130)는 베이스(120)의 중앙을 기준으로 점대칭되는 배치를 가진다.
각각의 선형 어레이(130)는 모두 그 형태 및 크기가 동일하게 제조된 것일 수 있다. 따라서 초음파 트랜스듀서(100)를 제조함에 있어서 각각의 어레이 또는 압전소자를 별도로 제조하기 위한 제조 설비 등을 갖출 필요가 없다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)는 추후 구체적으로 설명할 내용과 같이 각각의 선형 어레이(130)를 제조하는 과정이 간단하며, 앞서 설명한 비교 실시예와 같이 선형 어레이(130)를 제조하기 위한 복잡한 과정 및 제조 설비가 필요 없는 장점이 있다.
한편, 본 출원인은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)의 제1형태의 경우, 앞서 설명한 비교 실시예와 비교했을 때 그 치료 효과 면에서 상당한 효율을 가짐을 확인할 수 있었다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)는 선형 어레이(130)가 차지하는 면적이 환상 어레이(annular array) 타입의 초음파 트랜스듀서(100)보다 상대적으로 좁음에도 불구하고, 그 치료 효과는 환상 어레이 타입 초음파 트랜스듀서(100)와 유사한 것을 확인할 수 있었다.
이로 인해, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)는 비교 실시예보다 제조가 간단하고 장치 제조시 재료를 덜 소진하면서도, 대상체에 대해 효과적인 치료를 수행할 수 있는 장점이 있다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)의 제2형태의 구성을 도시한 정면도이다.
본 발명의 일 실시예의 제2형태에서는, 제1형태의 경우와 마찬가지로 라인 타입의 선형 어레이(130)가 베이스(120) 상에 복수로 배치된다. 구체적으로, 선형 어레이(130)는 베이스(120) 중앙 영역에 인접하여 베이스(120) 반경 방향과 그 길이축이 나란하게 연장되도록 배치된다.
다만, 제2형태에서는, 제1형태의 경우와는 다르게 각각의 선형 어레이(130)가 45도씩 이격되어 배치된다. 따라서 제1형태에서 HIFU 트랜스듀서부가 총 네 개의 선형 어레이(130)로 구성되는 것과는 달리, 제2형태에서는 HIFU 트랜스듀서부가 총 여덟 개의 선형 어레이(130)로 구성된다.
이와 같이 제2형태에서는 제1형태보다 선형 어레이(130)를 두 배로 늘림으로써, 환상 어레이 타입의 트랜스듀서와 대비했을 때 선형 어레이(130)가 베이스(120) 상에서 차지하는 면적의 차이를 최소화하였다.
이로 인해 치료용 초음파를 조사하는 조사원의 면적을 늘림으로써, 초음파 집속 및 치료 효과를 환상 어레이 타입 트랜스듀서와 거의 유사한 수준까지 높일 수 있다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)의 일 구성요소인 압전소자의 구성을 도시한 것이다.
도 5을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 선형 어레이(130)는 복수의 압전소자로 이루어진다.
이때 압전소자는 압전재료인 PZT(lead zirconate titanate), PVDF(polyvinylidene fluoride), PMN(lead magnesium niobate) 등을 이용하여 제작된 것일 수 있으며, 미도시된 인쇄회로기판과 전기적으로 연결되어 구동 신호에 따라 압전효과에 의해 치료용 초음파를 발생시킬 수 있다.
이때, 복수의 압전소자는 각각 직선 형태로 형성되며, 각각의 압전소자는 모두 동일한 형상 및 크기를 가질 수 있다.
따라서 본 발명의 일 실시예에서 선형 어레이(130)를 제조함에 있어서, 복수의 압전소자를 제조하는 과정은 모두 동일한 과정으로 설계할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서 선형 어레이(130)를 제조함에 있어서, 각각 다른 직경을 가진 소자를 각각 제조 및 배치해야 하는 환상 어레이 타입의 트랜스듀서와 달리 복잡한 제조 설비 및 제조 공정이 필요 없는 장점이 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(600)의 구성을 도시한 것이다.
구체적으로, 도 6의 a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(600)의 정면도를 도시한 것이고, 도 6의 b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(600)의 측면도를 도시한 것이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(600)는, 그 내용이 배치되지 않는 선에서 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(600)의 구성을 포함할 수 있다.
다만 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(600)는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(600)와 달리 선형 어레이(630)가 곡면 상에 배치된다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(600)의 베이스(620)의 중앙 영역을 제외한 외곽 영역은 전면이 치료용 초음파가 조사된 영역을 향해 곡률지도록 파라볼라 형상을 가진다.
이때, 베이스(620)의 중앙 영역은 예를 들어 그 두께가 일정하도록 형성되며, 베이스(620)의 중앙 영역에는 이미징프로브(640)가 배치될 수 있다. 한편, 본 발명의 다른 실시예에서 베이스(620)의 중앙부의 높이(H 1)가 약 12.4mm일 수 있다.
베이스(620)의 전면부는 치료용 초음파가 조사될 영역을 향해 곡률져야 하므로, 베이스(620)의 중앙 영역을 벗어나면 베이스(620)의 두께는 점진적으로 증가한다. 예시적으로 베이스(620)의 최외곽에서 그 높이(H 2)는 약 30mm일 수 있다.
이때 베이스(620) 전면부의 곡률은 베이스(620)로부터 치료용 초음파의 집속 위치(P 2)까지의 거리를 대략적으로 고려하여 결정될 수 있으며, 예시적으로 베이스(620) 전면부의 곡률(R 2)은 90mmR일 수 있다.
또한 베이스(620) 전면부가 곡률진 구성을 가지므로, 베이스(620) 전면부에 배치되는 각각의 압전소자도 곡률면 상에 배치된다. 이에 따라, 각각의 선형 어레이(630)도 곡률면 상에 형성된다.
이로 인해 각각의 압전소자로부터 조사된 치료용 초음파가 대상체의 일 영역으로 집속되는 효율이 높아질 수 있다.
이와 같이 본 발명의 다른 실시예에서는 각각의 압전소자가 곡률면 상에 형성되므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)와 달리 음향렌즈(150; 도 2 참조)가 없이도 높은 치료용 초음파 집속 효과를 가질 수 있다.
이에 따라 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(600)의 제조시 음향렌즈(150; 도 2 참조)를 제조 및 부착하는 공정이 필요 없으므로, 제조공정 및 제조설비가 간소화되고, 제조비용이 절약될 수 있는 장점이 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)의 성능 검사 결과를 도시한 것이다.
이때 초음파 트랜스듀서(100)는 베이스 상에 여덟 개의 선형 어레이(130)가 배치된 형태를 사용하여 검사를 수행하였으며, 초음파 트랜스듀서(100)의 세부 규격은 앞서 설명한 내용과 같다.
여기서 도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)에서 기준 초점 거리에 초점을 형성하였을 때 대상체 상에서 치료용 초음파의 강도를 측정한 것이다. 한편, 설명의 편의상 이때의 초점 거리를 0mm로 설정하기로 한다.
또한 여기서 z축 방향은 대상체의 깊이 방향을 의미하고, x축 및 y축 방향은 대상체 상의 동일 깊이에서 가로축 및 이에 수직한 세로축 방향을 의미한다.
한편, 해당 검사는 치료용 초음파가 1.5MHz의 진동수를 가지도록 하여 진행하였으며 DR(Dynamic Range)는 60dB가 되도록 설정하였다. 이와 같은 설정 사항은 이하 과정에서 모두 동일하다.
또한, 대상체 상에서 치료용 초음파의 세기에 따라, 가장 치료용 초음파가 강한 영역은 붉은 색으로 표시되도록 하였으며, 가장 약한 영역은 파란 색으로 표시되도록 하였다.
먼저 도 7a의 좌측 하단 그래프는 x축 좌표가 0인 지점, 즉 xy평면 상에서 가장 치료용 집속 강도가 높은 지점에서 깊이에 따른 치료용 초음파의 강도를 나타내었다. 이때, 치료용 초음파의 진폭은 대상체 표면으로부터 약 30mm 깊이를 가지는 지점에서 가장 크므로, 위 지점에서 치료용 초음파는 가장 큰 강도를 가짐을 알 수 있다.
도 7a의 좌측 상단 그래프는 대상체 상의 깊이가 29.80mm인 점에서 x축 방향으로의 위치 변화에 따른 치료용 초음파의 강도를 나타낸 것이다. 이때 x축 좌표가 0일 때 가장 치료용 초음파의 강도가 크고, 이로부터 멀어질수록 대칭적으로 치료용 초음파의 강도가 작아짐을 알 수 있다.
또한 도 7a의 우측 그래프를 참조하면, 대상체 상에서 깊이가 약 30mm인 지점을 중심으로 방사형으로 그래프가 형성됨을 알 수 있다. 치료용 초음파의 집속 지점이 대상체 상에서 깊지 않은 곳에 위치하므로, 치료용 초음파는 해당 지점에서 효과적으로 집속됨을 알 수 있다.
도 7b, 도 7c, 도 7d, 도 7e는 각각 초점 위치가 기준 초점으로부터 20mm, 40mm, 60mm, 80mm일 때 대상체 상의 위치에서 치료용 초음파의 강도를 표시한 것이다.
치료용 초음파의 초점 위치가 도 7a와는 차이가 있으므로, 치료용 초음파가 가장 강하게 집속되는 위치도 각각 달리 형성된다. 즉, 도 7b, 도 7c, 도 7d 및 도 7e에서 각각 대상체 상의 깊이 49.60mm, 69.40mm, 89.80mm 및 109.60mm에서 가장 강하게 치료용 초음파가 집속된다.
도 7b 내지 도 7e에서 치료용 초음파가 집속되는 형태는 방사형으로 도 7a의 경우와 유사하게 형성된다. 다만 해당 방사형의 집중도는 도 7a로부터 도 7e로 갈수록 감소하는데, 이는 대상체의 더 깊은 위치로 갈수록 치료용 초음파의 전달 효율이 점점 감소하기 때문이다.
도 8은 일반적인 환상 고리형 어레이로 구성된 초음파 트랜스듀서(1)의 성능 검사 결과를 도시한 것이다.
구체적으로, 도 8a, 도 8b, 도 8c, 도 8d 및 도 8e는 각각 치료용 초음파의 초점 위치가 각각 0mm, 20mm, 40mm, 60mm 및 80mm일 때 대상체 위치 상에서 초음파 강도를 표시한 것이다.
해당 성능 검사는 도 1에 도시된 것과 같은, 일반적인 트랜스듀서(1)를 사용하여 수행하였다. 해당 트랜스듀서(1)의 각각의 어레이(10)는 그 두께가 1.2mm이며, 초음파 트랜스듀서(1)는 총 24개의 압전소자(11)로 구성된 환상 고리형 어레이(10)가 배치되었다.
이때 도 7과 도 8을 대비해 보면, 도 7에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100)의 성능 그래프와 도 8에 도시된 환상 고리형 어레이 타입의 초음파 트랜스듀서(1)의 성능 그래프의 형태는 상당히 유사함을 알 수 있다.
즉 도 7a와 도 8a, 도 7b와 도 8b, 도 7c와 도 8c, 도 7d와 도 8d, 그리고 도 7e와 도 8e는 그 형태가 매우 유사하며, 치료용 초음파의 집속 영역에서의 강도에 있어서도 큰 차이를 보이지 않았다.
이는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 어레이(100)를 포함하는 초음파 트랜스듀서(100)는 환상 고리형 어레이로 구성된 초음파 트랜스듀서(1)에 비해 트랜스듀서 어레이가 차지하는 영역이 상대적으로 적음에도 불구하고, 치료용 초음파의 집속 정도 및 강도가 도 1에 도시된 초음파 트랜스듀서(1)의 치료용 초음파의 집속 정도 및 강도와 유사함을 의미한다.
따라서, 본 발명의 초음파 트랜스듀서(100)는 종래 기술의 트랜스듀서(1)에 비해 제조가 간편하면서도 우수한 치료 효과를 가짐을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서의 일부를 나타내는 부분 사시도이다.
도 10은 도 9의 실시예와의 대비를 위하여 도 6a 및 도 6b에 도시된 본 발명의 다른 실시예의 초음파 트랜스듀서의 일부를 나타내는 부분 사시도이다.
이하에서 도 9에 도시된 실시예와 도 6에 전술된 실시예와의 차이점을 위주로 설명되며 반복적인 설명은 생략된다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 도 9에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예는 도 10에 도시된 실시예에 비하여 초음파 트랜스듀서의 선형 어레이(930)이 양방향, 즉, 종방향 및 횡방향(D T)으로 곡률을 갖는 곡면으로 형성된 점에서 차이가 있다.
이에 상응하여, 도 9의 실시예에서 초음파 트랜스듀서의 베이스(920)는 적어도 부분적으로 역시 선형 어레이(930)가 형성하는 곡면에 상응하는 곡면, 즉, 종방향 및 종방향에 수직한 횡방향으로 곡률을 갖는 단면을 가진다.
횡방향(D T)으로 형성되는 프로파일을 비교하기 위하여, 도 11a 내지 도 11b를 참조하면, 도 11a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 선형 어레이(930)를 횡방향(D T)으로 일부 절개했을 때의 곡률 프로파일을 도시하고, 도 11b는 도 10에 도시된 실시예의 선형 어레이(630)를 횡방향(D T)으로 절개했을 때의 곡률 프로파일을 도시한다.
도시된 바와 같이, 도 11a에 도시된 선형 어레이(930)는 횡방향으로 높이차가 형성되는 곡률을 가지며 도 11b에 도시된 선형 어레이(630)은 횡방향으로 높이차가 없는 평면을 이룬다.
다시 도 9 및 도 10을 참조하면, 이와 같은 횡방향(D T)을 따라 형성되는 곡률차이에 의해 도 9의 선형 어레이(930)와 도 10의 선형 어레이(630)은 그 집음 성능이 달라질 수 있다.
예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 임의의 반경(R 3) 만큼 선형 어레이(930)로부터 떨어진 위치에서 선형 어레이(930)으로부터 방사된 초음파들이 집음면(CA 1)에 모이는 것으로 해석될 수 있다.
아울러, 도 10에 도시된 바와 같이, 도 9의 반경(R3)와 동일한 반경(R3) 만큼 도 10의 선형 어레이(630)로부터 떨어진 위치에서 선형 어레이(630)으로부터 방사된 초음파들이 집음면(CA 2)에 모이는 것으로 해석될 수 있다.
이 때, 도 9의 집음면(CA 1)은 도 10의 집음면(CA 2) 보다 작을 수 있으며, 도시된 실시예에서는 대략 20% 정도 작을 수 있다. 이는 환자의 환부까지의 거리가 R3로 정해진 것을 가정할 때, 동일한 사이즈의 트랜스듀서로 20% 만큼의 음압을 더 증가시킬 수 있음을 의미한다.
특히, 도 12a는 도 9의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서에서 기준 초점 거리에 초점을 형성하였을 때 대상체 상에서 치료용 초음파의 강도를 측정한 것이고, 도 12b는 도 10의 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서에서 치료용 초음파의 강도를 측정한 것이다.
도 12b에 도시된 바와 같이, 도 10의 실시예는 초점거리 0mm에 가까워질 수록 수직 빔필드의 강도가 점진적으로 증가하는 양상을 보인다.대비적으로, 도 12a에 도시된 바와 같이, 도 9의 실시예는 초점거리 0mm에 가까워지는 과정에서 급격히 수직 빔필드의 강도가 증가되어 초점거리 0mm 근처에 빔 강도가 집중되는 양상을 보인다.
이와 같이 본 발명의 각 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100; 600)는 라인 타입의 선형 어레이(130; 630)를 이용하여 제조하므로, 다른 타입의 어레이를 이용하여 제조하는 경우에 비해 제조 과정이 단순하며, 간단한 제조 설비를 사용할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명의 각 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서(100; 600)는 위와 같은 제조상의 장점이 있음에도 불구하고, 종래 기술의 초음파 트랜스듀서와 마찬가지로 우수한 치료 효과를 가진다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
[부호의 설명]
100: 초음파 트랜스듀서
110: 하우징
120: 베이스
130: 선형 어레이
140: 이미징프로브
150: 음향렌즈
160: 젤패드

Claims (10)

  1. 하우징;
    상기 하우징의 전면에 배치되는 베이스; 및,
    치료용 초음파를 조사하며 상기 베이스 상에서 상기 베이스의 중앙영역으로부터 연장하는 상기 베이스의 반경방향을 따라 배치되는 복수의 선형 어레이(Linear array)로서, 서로 나란하게 연장하는 직선형 소자이며 상기 반경방향을 따라 서로 이웃하도록 배열되는 복수의 압전소자를 포함하는, 복수의 선형 어레이
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  2. 제1항에 있어서,
    복수의 상기 선형 어레이는 서로에 대해 일정 각도를 갖도록 이격되어 배치된 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 선형 어레이는 서로에 대해 90도 방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 선형 어레이는 서로에 대해 45도 방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  5. 제3항 및 제4항에 있어서,
    상기 복수의 선형 어레이는 상기 베이스의 중앙 영역을 중심으로 서로 대칭되도록 배치된 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 베이스는 전면이 파라볼라 형상을 가지며, 상기 복수의 선형 어레이는 상기 베이스 전면 상에서 상기 전면이 파라볼라 형상에 상응하도록 만곡 배치된 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 선형 어레이는 상기 반경 방향에 평행하게 연장하는 장변 및 상기 장변에 수직한 단변을 갖는 사각 형상이며, 상기 장변 및 단변의 비율은 2:1 내지 3:1인 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 베이스의 중앙 영역에 상기 대상체를 향해 영상용 초음파를 송수신하도록 구비된 이미징프로브를 더 포함하는 초음파 트랜스듀서.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 압전소자는 세라믹 소재를 가공한 것인 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 베이스는 적어도 부분적으로 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향으로 곡률을 갖는 곡면을 포함하며, 상기 복수의 선형 어레이는 상기 베이스의 곡면 상에서 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향으로 곡률을 갖도록 만곡 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 트랜스듀서.
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