WO2022265232A1 - 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 방법 및 시스템 - Google Patents

전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 방법 및 시스템 Download PDF

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윤명근
오건
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Korea University Research and Business Foundation
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    • A61N1/02—Details
    • A61N1/08—Arrangements or circuits for monitoring, protecting, controlling or indicating

Definitions

  • the present application relates to a method and system for optimizing an electrode array structure in electrotherapy, and more particularly, to a region of interest (ROI) in the human body using an electrode array in electrotherapy using a power source and electrodes.
  • OAR vital organs
  • a method and system for optimizing the structure of an electrode array in electrotherapy enabling treatment to be performed.
  • Electrotherapy is the use of electrical energy for the purpose of treatment.
  • an electric field is applied to the human body, and in addition to electrical stimulation therapy for various nerve paralysis, thermal effects such as electric light bath (heat bath) and microwave therapy are used.
  • thermal effects such as electric light bath (heat bath) and microwave therapy are used.
  • cancer treatment using AC voltage see Non-Patent Documents 1-6).
  • electrotherapy in which electrodes are attached to the skin and then voltage is applied to the human body, uses an electric field (or current generated by the electric field) generated in the human body by the applied voltage. It is necessary to minimize the electric field that is applied only to the region of interest (ie, the treatment region) as much as possible and unnecessarily transmitted to other normal tissues and vital organs other than the region of interest.
  • the effect of electric field treatment on cancer cells varies depending on the strength of the electric field applied to the tissue. Specifically, the greater the strength of the electric field, the greater the effect of inhibiting cancer cell death and division, and it can be said that the strength of the electric field and the cell death effect are in a proportional relationship (see Non-Patent Documents 7 and 8).
  • the strength of the electric field used is applied by applying the maximum electric field within a range that does not have side effects on the skin, but the size, shape, and position of the region of interest in the human body are considered.
  • Treatment using an electrode array of a uniform shape and size is in progress without a uniform shape and size, and as a result, an electric field is not sufficiently applied to the region of interest, or an electric field is applied to the region of interest as well as to nearby important organs unnecessarily, thereby performing inefficient electric field treatment There is a situation (see Non-Patent Document 9 and Patent Document 1).
  • Patent Document 1 US registered patent US 8,764,675 B2, 2014.07.01. Enrollment
  • Non-Patent Document 1 K. Heimrath et al, Transcranial direct current stimulation (tDCS) over the auditory cortex modulates GABA and glutamate: a 7 T MR-spectroscopy study, Scientific Report, 10, 20111 (2020).
  • Non-Patent Document 2 Eilon D. Kirson et al, Disruption of cancer cell replication by alternating electric fields, Cancer Research, 64, 3288-3295 (2004)
  • Non-Patent Document 3 Miklos Pless, Uri Weinberg, Tumor treating fields: concept, evidence, future, Expert Opinion, 20(8), 1099-1106 (2011)
  • Non-Patent Document 4 Stupp et al, Effect of Tumor-Treating Fields Plus Maintenance Temozolomide vs Maintenance Temozolomide Alone on Survival in Patients With Glioblastoma: A Randomized Clinical Trial, Journal of the American Medical Association, 318(23), 2306-2316 (2017)
  • Non-Patent Document 5 Eilon D. Kirson et al. Alternating electric fields (TTFields) inhibit metastatic spread of solid tumors to the lungs, Clin Exp Metastasis 26, 633-640 (2009)
  • Non-Patent Document 6 Novocure Corporate Presentation (https://3sj0u94bgxp33grbz1fkt62h-wpengine.netdna-ssl.com/wp-content/uploads/2019/2017201905_NVCR_Corporate_Presentation_vFF.pdf)
  • Non-Patent Document 7 Eilon D. Kirson et al, Alternating electric fields arrest cell proliferation in animal tumor models and human brain tumors, PNAS, 104(24), 10152-10157 (2007)
  • Non-Patent Document 8 Yunhui Jo et al, Effectiveness of a Fractionated Therapy Scheme in Tumor Treating Fields Therapy, Technology in Cancer Research & Treatment, 18, 1-10 (2019)
  • Non-Patent Document 9 Elijah J. Mun et al, Tumor-Treating Fields: A Fourth Modality in Cancer Treatment, Clinical Cancer Research, 24(2), 266-275, 2018
  • one embodiment of the present invention provides a method for optimizing an electrode array structure in electrotherapy.
  • the method for optimizing the structure of an electrode array in the electrotherapy may include obtaining region of interest and vital organ information from input patient data; setting the overall shape and total area of the electrode array based on the acquired ROI information; setting an area ratio occupied by a plurality of unit electrodes constituting the electrode array in the total area of the electrode array; repeating the setting of the overall shape and the total area and the setting of the area ratio until the electric field delivered to the region of interest and vital organs is optimized; and deriving a customized electrode array structure in which the electric field is optimized.
  • Another embodiment of the present invention provides a system for optimizing an electrode array structure in electrotherapy.
  • the system for optimizing the electrode array structure in the electrotherapy includes: a patient information acquisition unit that obtains information on a region of interest and an important organ from input patient data; Setting the variables of the electrode array for determining the electrode array structure based on the region of interest and vital organ information, and deriving a customized electrode array structure in which the electric field delivered to the region of interest and vital organs is optimized based on the electric field simulation result an electrode array structure setting unit; and an electric field simulation unit for simulating an electric field delivered to the region of interest and vital organs according to parameters of the electrode array set by the electrode array structure setting unit.
  • the unit in the total area and shape of the electrode array and the total area of the electrode array By using a customized electrode array that adjusts the ratio of the area occupied by the electrodes, it not only reduces the inefficiency of the treatment effect that occurs during electrotherapy, but also delivers the electric field required for treatment to the region of interest as much as possible, while minimizing it to the surrounding normal tissue. treatment can be performed.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example in which a virtual region of interest and vital organs are assumed in a human body model phantom.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of applying an electric field to a region of interest within the dummy phantom shown in FIG. 1 using electrotherapy equipment.
  • FIG. 3 is a diagram showing the strength of an electric field applied to a region of interest and an important organ in the case of using a simple rectangular electrode.
  • FIG. 4 is a diagram showing the strength of an electric field applied to a region of interest and an important organ when a customized electrode considering the shape of the region of interest is used.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a case where the shape of the electrode is the same and the area is changed in various ways.
  • FIG. 6 is a graph showing a correlation between the area of an electrode and the average strength of an electric field applied to a region of interest when electrodes of different areas shown in FIG. 5 are used.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a case where the body depth of a region of interest is variously changed.
  • FIG. 8 is a graph showing a correlation between the area of an electrode and the average intensity of an electric field applied to the region of interest when an electric field of FIG.
  • FIG. 9 is a diagram showing a comparison between a case where a single flat plate electrode is attached to a curved portion of the human body model phantom shown in FIG. 1 and a case where an electrode array including a plurality of unit electrodes is attached.
  • FIG. 10 is a view showing the case of viewing the single plate electrode and the electrode array shown in FIG. 9 from the electrode attachment direction.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example in which the entire area of an electrode array is set according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of a case in which the area ratio occupied by a plurality of unit electrodes is variously changed while maintaining the entire area of the electrode array shown in FIG. 11 .
  • FIG. 13 is a graph showing a correlation between an area ratio and an average intensity of an electric field applied to a region of interest when an electric field is applied using electrode arrays having different area ratios shown in FIG. 12 .
  • FIG. 14 is a diagram showing an example in which a region of interest and an important organ are assumed in a dummy phantom according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a view showing examples of cases in which the total area and shape of the electrode array and the area ratio of unit electrodes are variously changed and applied without change in consideration of the shape, size, and depth of the region of interest shown in FIG. 14; to be.
  • FIG. 16 is a graph showing a comparison of the strength of an electric field applied to a region of interest and an important organ for each case shown in FIG. 15 .
  • 17 is a diagram showing an example in which a region of interest and an important organ are assumed in a human body model phantom according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 compares the customized electrode array shown in FIG. 17 considering the shape, size, and body depth of the region of interest and an electrode array optimized by selectively applying voltage in consideration of the region of interest using an electrode array template having a predetermined structure. It is a drawing showing
  • FIG. 19 is a graph showing a comparison of the strength of an electric field applied to a region of interest and an important organ for each case shown in FIG. 18 .
  • 20 is a flowchart of a method for optimizing an electrode array structure in electrotherapy according to an embodiment of the present invention.
  • 21 is a block diagram of a system for optimizing an electrode array structure in electrotherapy according to another embodiment of the present invention.
  • the allowable current density of the skin surface is 30 mA/cm 2 or less, so in an embodiment to be described later, an electric field simulation is performed based on when voltage is applied so that the current density of the skin surface is 30 mA/cm 2 or less. It was performed (see Non-Patent Document 7).
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of assuming a virtual region of interest and vital organs in a manikin phantom
  • FIG. 2 is a process of applying an electric field to the region of interest in the manikin phantom shown in FIG. 1 using electrotherapy equipment.
  • 3 is a diagram showing the strength of an electric field applied to an area of interest and an important organ when a simple rectangular electrode is used
  • FIG. It is a diagram showing the strength of the electric field applied to regions and vital organs.
  • ROI virtual region of interest
  • OAR vital organs
  • the average strength of the electric field delivered to the region of interest (ROI) and vital organ (OAR) is 3.38 V/cm and 3.24 V/cm, respectively. cm, it can be seen that the strength of the electric field is almost the same.
  • the average strength of the electric field delivered to the ROI and vital organs (OAR). are 3.39 V/cm and 2.38 V/cm, respectively, indicating that side effects can be reduced as the strength of the electric field delivered to vital organs is relatively small compared to the region of interest.
  • FIG. 5 is a view showing an example of a case where the shape of the electrodes is the same and the area is varied
  • FIG. 6 is a diagram showing the area of the electrode and the area of interest applied to the region of interest when electrodes of different areas shown in FIG. 5 are used. It is a graph showing the correlation between the average strength of the electric field.
  • electrodes attached to the dummy phantom have the same shape, but the electrode areas are 14.5 cm 2 , 25.8 cm 2 , 58.1 cm 2 , 103.29 cm 2 , 161.4 cm 2 , and 207.3 cm 2 , respectively. was formed.
  • the average strength of the electric field delivered to the region of interest when a voltage is applied to the electrode is a proportional interval in which the strength of the electric field increases as the total area of the electrode increases, and the strength of the electric field when the electrode reaches a certain area or more It can be seen that there is a saturation section where is constant.
  • an area where the average intensity of the electric field transmitted to the region of interest begins to become constant may be defined as a saturation critical area, and the saturation critical area may be defined as in Equation 1 below.
  • Saturation critical area (the smallest of the values of A that makes
  • I is the average strength of the electric field delivered to the region of interest
  • A is the total area of the electrode.
  • FIG. 7 is a view showing an example of a case in which the body depth of the region of interest is variously changed
  • FIG. 8 is a method for applying an electric field to regions of interest having different body depths shown in FIG. 7 using electrodes of different areas.
  • it is a graph showing the correlation between the area of the electrode and the average intensity of the electric field applied to the region of interest.
  • the body depth of the region of interest in the dummy phantom that is, the distance between the region of interest and the electrode is 2 cm, 4 cm, and 6 cm, respectively.
  • a voltage was applied to the manikin phantom shown in FIG. 7 while changing the total area of electrodes as shown in FIG. It can be seen that the larger the depth, that is, the larger the region of interest is from the electrode.
  • the total area and shape of the electrode considering these three variables should be set to a value close to the saturation critical area, which is the area where the strength of the electric field starts to be saturated.
  • FIG. 9 is a view showing a comparison between a case in which a single flat plate electrode is attached to a curved portion of the manikin phantom shown in FIG. 1 and a case in which an electrode array including a plurality of unit electrodes is attached.
  • FIG. 9 is a view showing the case of viewing the single plate electrode and the electrode array from the electrode attachment direction.
  • FIG. 10 shows a case in which the single plate electrode and the electrode array shown in FIG. 9 are viewed from the electrode attachment direction.
  • the patient's body to be subjected to electrotherapy has different curves, and there is a limit to attaching a single flat electrode to these curved portions.
  • the electrode itself is very large, so electric shock that can occur when current leaks to the patient on one side only, and the patient's movement that can occur when the patient's movement is not properly controlled Side effects such as breakage of electrodes may occur.
  • the unit electrodes may be custom-made attached to not only flat areas but also curved areas.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example in which the total area of an electrode array is set according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 12 is an area ratio occupied by a plurality of unit electrodes while maintaining the total area of the electrode array shown in FIG. 11 13 is a diagram showing an example of variously changing
  • FIG. 13 is a graph showing an area ratio and an average intensity of an electric field applied to a region of interest when an electric field is applied using electrode arrays having different area ratios shown in FIG. 12 . It is a graph showing correlation.
  • the area ratio of the unit electrode must be 30% or more in order to deliver an electric field greater than 1 V/cm to the region of interest.
  • an electrode array composed of a plurality of unit electrodes in electrotherapy is more practical and reasonable than using a single plate electrode in various aspects. Specifically, it has the advantage of being easy to attach electrodes to curved areas and preventing various side effects in advance.
  • the total area and shape of the electrode array and the area occupied by unit electrodes in the total area of the electrode array are considered considering the size, shape, and depth of the body of the region of interest. It can be seen that the ratio of should be set.
  • FIG. 14 is a diagram showing an example of assuming a region of interest and an important organ in a manikin phantom according to an embodiment of the present invention
  • FIG. It is a diagram showing examples of cases in which the total area, shape, and area ratio of unit electrodes of the electrode array are variously changed and applied without change.
  • FIG. It is a graph showing the comparison of the strength of the applied electric field.
  • Case 2 is a case in which the electrode array is applied without change, and Case 1 and Case 4 are set differently while changing the shape of the electrode array according to the shape of the region of interest.
  • Case 3 shows a case where the entire area of the electrode array is changed according to the size of the region of interest.
  • FIG. 17 is a view showing an example of assuming a region of interest and an important organ in a manikin phantom according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 18 is a customized view considering the shape, size, and body depth of the region of interest shown in FIG. 17
  • FIG. 19 is of interest for each case shown in FIG. 18 It is a graph showing the comparison of the strength of the electric field applied to the region and vital organs.
  • the electric field applied to the region of interest has very close values of 2.79 and 2.77 V/cm, respectively.
  • the intensities of the electric fields applied to vital organs 1 and 2 also have approximate values in the above two cases.
  • an electrode array having a shape similar to that of the region of interest is used or an electrode array template having a predetermined structure is used to selectively apply voltage in consideration of the region of interest to the electrode. It can be seen that the array structure can be optimized.
  • 20 is a flowchart of a method for optimizing an electrode array structure in electrotherapy according to an embodiment of the present invention.
  • region of interest and vital organ information may be acquired from input patient data (S201).
  • the patient data may be a patient's medical image (eg, 3D medical image data), in this case, a region of interest (eg, a lesion to be treated) and the vicinity of the region of interest in the patient's medical image.
  • Information on the region of interest and vital organs can be obtained by segmenting the vital organ region located in the .
  • the region-of-interest information may include size, shape, and body depth information of the region of interest
  • the vital organ information may include shape and location information of the vital organ.
  • information on the region of interest and vital organs may be directly received from an external system or terminal and utilized.
  • the overall shape and total area of the electrode array may be set based on the obtained ROI information (S202).
  • the overall shape of the electrode array may be set based on the shape of the region of interest from the skin to which the electrode is attached, from the point of view of the region of interest inside the body (ie, from the electrode point of view).
  • the electrode arrays may be attached so that each pair faces each other around the region of interest, and at least one of the electrode arrays of each pair determines not only the shape of the region of interest from the electrode point of view, but also the shape and location of vital organs located around it.
  • the shape can be set taking into account.
  • the entire area of the electrode array may be set as a saturation threshold area, which is an area where the average intensity of the electric field delivered to the region of interest begins to become constant based on the overall shape of the set electrode array.
  • the saturation critical area may be calculated by additionally considering the depth of the body as well as the size of the region of interest.
  • the overall shape and area of the electrode array may be optimized by using an electrode array template having a predetermined structure, but selectively applying voltage only to unit electrodes corresponding to the overall shape of the electrode array set as described above. .
  • an area ratio occupied by a plurality of unit electrodes in the total area of the electrode array may be set (S203).
  • the strength of the electric field is determined to have a clinical therapeutic effect by referring to the correlation information between the ratio of the area occupied by the plurality of unit electrodes to the total area of the previously stored electrode array and the strength of the electric field transmitted to the region of interest.
  • the area ratio can be set to be greater than the strength of the electric field that can maximize
  • S202 and S203 may be repeatedly performed until the electric field delivered to the region of interest and vital organs is optimized (S204).
  • the electric field delivered to the region of interest and vital organs is simulated according to the parameters of the electrode array set in steps S202 and S203 by the electric field simulator, and the electric field delivered to the region of interest and vital organs is based on the simulation results. Steps S202 and S203 may be repeatedly performed until a predetermined criterion is satisfied.
  • the electric field delivered to the region of interest and vital organs is an electrode array variable that satisfies a predetermined criterion, that is, the overall shape and total area of the electrode array, and the total area occupied by the plurality of unit electrodes in the total area of the electrode array.
  • a predetermined criterion that is, the overall shape and total area of the electrode array, and the total area occupied by the plurality of unit electrodes in the total area of the electrode array.
  • the electrode array structure is formed by selectively applying voltage in consideration of the region of interest. can be optimized.
  • the method for optimizing the electrode array structure in electrotherapy according to an embodiment of the present invention described above with reference to FIG. 20 may be performed by a processing device, for example, the system for optimizing the electrode array structure in electrotherapy shown in FIG. 21 . there is.
  • 21 is a block diagram of a system for optimizing an electrode array structure in electrotherapy according to another embodiment of the present invention.
  • an electrode array structure optimization system 210 in electrotherapy includes a patient information acquisition unit 211, an electrode array structure setting unit 212, and an electric field simulation unit 213. It can be configured to include.
  • the patient information acquisition unit 211 may obtain region of interest and vital organ information from the input patient data.
  • the electrode array structure setting unit 212 determines the electrode array structure based on the region of interest and vital organ information acquired by the patient information acquisition unit 211, that is, the overall shape and total area of the electrode array and The area ratio of the plurality of unit electrodes constituting the electrode array is set in the total area of the electrode array, and the electric field delivered to the region of interest and vital organs is optimized based on the simulation result of the electric field simulation unit 213 described later.
  • An electrode array structure can be derived.
  • the electric field simulation unit 213 may simulate the electric field delivered to the region of interest and vital organs according to the parameters of the electrode array set by the electrode array structure setting unit 212 .

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 방법은, 입력된 환자 데이터에서 관심영역 및 중요장기 정보를 획득하는 단계; 획득한 관심영역 정보를 기초로 전극 어레이의 전체 모양 및 전체 면적을 설정하는 단계; 상기 전극 어레이의 전체 면적에서 상기 전극 어레이를 구성하는 복수의 단위 전극이 차지하는 면적 비율을 설정하는 단계; 상기 전체 모양 및 전체 면적을 설정하는 단계 및 상기 면적 비율을 설정하는 단계를 상기 관심영역 및 중요장기에 전달되는 전기장이 최적화될 때까지 반복하여 수행하는 단계; 및 상기 전기장이 최적화되는 맞춤형 전극 어레이 구조를 도출하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 방법 및 시스템
본 출원은 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 방법 및 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전원과 전극을 이용하는 전기요법에서 전극 어레이(Electrode Array)를 이용하여 인체 내 관심영역(Region of Interest, ROI)에 최적화된 전기장(또는 이에 기인한 전류)을 인가하기 위해서 관심영역의 크기, 모양 그리고 체내 깊이에 따라 전극 어레이의 전체 면적 및 모양, 그리고 전극 어레이의 전체 면적에서 단위 전극들이 차지하는 면적의 비율을 조절하여 전기장이 관심영역에 최대한 잘 부여되고 주변의 중요장기(Organ at risk, OAR)에는 최소한으로 부여될 수 있도록 최적화된 전기장 인가를 위한 전극 어레이의 구조를 설정하고 이를 기반으로 치료계획을 설립한 후 치료를 수행할 수 있도록 하는 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 방법 및 시스템에 관한 것이다.
전기요법은 전기 에너지를 치료의 용도로 사용하는 것으로 전극을 이용하여 인체 내에 전기장을 부여하며 각종의 신경마비에 대한 전기자극요법 외에, 전광욕(열기욕), 초단파치료법 등의 온열효과를 사용하는 것, 교류전압을 이용한 암치료 등이 있다(비특허문헌 1-6 참조).
일반적으로 피부에 전극을 부착한 후 인체 내에 전압을 인가하는 방식의 전기요법은 인가된 전압에 의해 인체 내에 발생되는 전기장(또는 전기장에 의해 발생되는 전류)을 이용하는 것으로, 전기요법을 효과적으로 하기 위해서는 전기장이 최대한 관심영역(즉, 치료부위)에만 부여되고 관심영역이 아닌 다른 정상조직 및 중요장기에는 불필요하게 전달되는 전기장을 최소화하는 것이 필요하다.
일 예로, 암 세포에 대한 전기장 치료의 효과는 조직에 인가된 전기장의 세기에 따라 차이를 나타낸다. 구체적으로, 전기장의 세기가 크면 클수록 암세포에 대한 사멸 및 분열 억제 효과가 커서 전기장의 세기와 세포 사멸 효과와 비례 관계에 있다고 할 수 있다(비특허문헌 7 및 8 참조). 현재 상용화된 전기장 암치료 시스템의 경우, 사용하는 전기장의 세기는 피부에 부작용이 없는 범위에서 최대한의 전기장을 인가하여 치료를 하고 있지만 관심영역의 크기, 모양, 인체 내에서 관심영역의 위치 등이 고려되지 않은 채 일률적인 모양 및 크기의 전극 어레이를 이용한 치료가 진행되고 있고 이로 인해 전기장이 관심영역에 충분히 인가되지 않거나 관심영역 뿐만 아니라 불필요하게 주변 중요장기에도 전기장이 인가되어 비효율적인 전기장 치료를 수행하고 있는 실정이다(비특허문헌 9 및 특허문헌 1 참조).
따라서, 전극 어레이를 이용한 전기요법에서 부작용을 최소화함과 동시에 치료 효과를 극대화시키기 위해서는 환자 개인마다 다른 특성을 지닌 관심영역의 크기, 모양 및 인체 내에서의 관심영역의 위치가 고려된 맞춤형 전기요법을 위한 기술이 필요하다.
[선행기술문헌]
(특허문헌 1) 미국등록특허 US 8,764,675 B2, 2014.07.01. 등록
(비특허문헌 1) K. Heimrath et al, Transcranial direct current stimulation (tDCS) over the auditory cortex modulates GABA and glutamate: a 7　T MR-spectroscopy study, Scientific Report, 10, 20111 (2020).
(비특허문헌 2) Eilon D. Kirson et al, Disruption of cancer cell replication by alternating electric fields, Cancer Research, 64, 3288-3295 (2004)
(비특허문헌 3) Miklos Pless, Uri Weinberg, Tumor treating fields: concept, evidence, future, Expert Opinion, 20(8), 1099-1106 (2011)
(비특허문헌 4) Stupp et al, Effect of Tumor-Treating Fields Plus Maintenance Temozolomide vs Maintenance Temozolomide Alone on Survival in Patients With Glioblastoma: A Randomized Clinical Trial, Journal of the American Medical Association, 318(23), 2306-2316 (2017)
(비특허문헌 5) Eilon D. Kirson et al. Alternating electric fields (TTFields) inhibit metastatic spread of solid tumors to the lungs, Clin Exp Metastasis 26, 633-640 (2009)
(비특허문헌 6) Novocure Corporate Presentation (https://3sj0u94bgxp33grbz1fkt62h-wpengine.netdna-ssl.com/wp-content/uploads/2019/05/201905_NVCR_Corporate_Presentation_vFF.pdf)
(비특허문헌 7) Eilon D. Kirson et al, Alternating electric fields arrest cell proliferation in animal tumor models and human brain tumors, PNAS, 104(24), 10152-10157 (2007)
(비특허문헌 8) Yunhui Jo et al, Effectiveness of a Fractionated Therapy Scheme in Tumor Treating Fields Therapy, Technology in Cancer Research & Treatment,18, 1-10 (2019)
(비특허문헌 9) Elijah J. Mun et al, Tumor-Treating Fields: A Fourth Modality in Cancer Treatment, Clinical Cancer Research, 24(2), 266-275, 2018
따라서, 당해 기술분야에서는 환자 체내의 관심영역의 크기, 모양 및 위치를 고려하지 않고 동일한 모양 및 크기의 전극 어레이를 이용함으로써 발생하는 전기장 치료의 비효율성을 줄임과 동시에 전기장 치료 과정에서 발생할 수 있는 다양한 부작용을 미연에 방지하고 이를 통해 관심영역에 전달되는 전기장의 세기는 최적화하기 위한 방안이 요구되고 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일 실시예는 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 방법을 제공한다.
상기 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 방법은, 입력된 환자 데이터에서 관심영역 및 중요장기 정보를 획득하는 단계; 획득한 관심영역 정보를 기초로 전극 어레이의 전체 모양 및 전체 면적을 설정하는 단계; 상기 전극 어레이의 전체 면적에서 상기 전극 어레이를 구성하는 복수의 단위 전극이 차지하는 면적 비율을 설정하는 단계; 상기 전체 모양 및 전체 면적을 설정하는 단계 및 상기 면적 비율을 설정하는 단계를 상기 관심영역 및 중요장기에 전달되는 전기장이 최적화될 때까지 반복하여 수행하는 단계; 및 상기 전기장이 최적화되는 맞춤형 전극 어레이 구조를 도출하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예는 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 시스템을 제공한다.
상기 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 시스템은, 입력된 환자 데이터에서 관심영역 및 중요장기 정보를 획득하는 환자 정보 획득부; 상기 관심영역 및 중요장기 정보를 기초로 전극 어레이 구조를 결정하는 전극 어레이의 변수를 설정하고, 전기장 시뮬레이션 결과를 기초로 상기 관심영역과 중요장기에 전달되는 전기장이 최적화되는 맞춤형 전극 어레이 구조를 도출하는 전극 어레이 구조 설정부; 및 상기 전극 어레이 구조 설정부에 의해 설정된 전극 어레이의 변수에 따라 상기 관심영역과 중요장기에 전달되는 전기장을 시뮬레이션하는 전기장 시뮬레이션부를 포함할 수 있다.
덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것이 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전극 어레이가 부착된 피부에서 바라본 관심영역의 크기, 모양 및 관심영역이 전극으로부터 떨어진 거리를 기반으로 전극 어레이의 전체 면적 및 모양, 그리고 전극 어레이의 전체 면적에서 단위 전극들이 차지하는 면적의 비율을 조절한 맞춤형 전극 어레이를 이용함으로써, 전기치료 시 발생하는 치료 효과의 비효율성을 줄일 뿐만 아니라 치료에 필요한 전기장을 관심영역에 최대한 전달함과 동시에 주변 정상조직에는 최소한으로 전달하도록 치료를 수행할 수 있게 된다.
이에 따라, 일률적인 모양 및 크기의 전극 어레이를 이용한 기존의 비효율적인 치료 방식이 가지는 문제점들을 해결하고, 보다 실용적이고 효과적인 임상적 결과를 기대할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 인체모형 팬텀에 가상의 관심영역 및 중요장기를 가정한 예를 도시하는 도면이다.
도 2는 전기치료 장비를 이용하여 도 1에 도시된 인체모형 팬텀 내의 관심영역에 전기장을 인가하는 일 예를 도시하는 도면이다.
도 3은 단순 사각형 모양의 전극을 이용하는 경우 관심영역과 중요장기에 인가되는 전기장의 세기를 도시하는 도면이다.
도 4는 관심영역의 모양을 고려한 맞춤형 전극을 이용하는 경우 관심영역과 중요장기에 인가되는 전기장의 세기를 도시하는 도면이다.
도 5는 전극의 모양은 동일하게 하고 면적을 다양하게 변경한 경우의 예를 도시하는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 서로 다른 면적의 전극을 이용하는 경우 전극의 면적과 관심영역에 인가되는 전기장의 평균 세기의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 관심영역의 체내 깊이를 다양하게 변경한 경우의 예를 도시하는 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 체내 깊이가 서로 다른 관심영역에 서로 다른 면적의 전극을 이용하여 전기장을 인가하는 경우 전극의 면적과 관심영역에 인가되는 전기장의 평균 세기의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 1에 도시된 인체모형 팬텀에서 굴곡이 있는 부위에 단일 평판 전극을 부착하는 경우와 복수의 단위 전극을 포함하는 전극 어레이를 부착하는 경우를 비교하여 도시하는 도면이다.
도 10은 도 9에 도시된 단일 평판 전극과 전극 어레이를 전극 부착 방향에서 바라본 경우를 도시하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 전극 어레이의 전체 면적을 설정한 예를 도시하는 도면이다.
도 12는 도 11에 도시된 전극 어레이의 전체 면적은 유지하고 복수의 단위 전극이 차지하는 면적 비율을 다양하게 변경한 경우의 예를 도시하는 도면이다.
도 13은 도 12에 도시된 면적 비율이 서로 다른 전극 어레이를 이용하여 전기장을 인가하는 경우 면적 비율과 관심영역에 인가되는 전기장의 평균 세기의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 인체모형 팬텀에 관심영역 및 중요장기를 가정한 예를 도시하는 도면이다.
도 15는 도 14에 도시된 관심영역의 모양, 크기 및 체내 깊이를 고려하여 전극 어레이의 전체 면적, 모양 및 단위 전극의 면적 비율을 다양하게 변경한 경우와 변경 없이 적용한 경우의 예를 도시하는 도면이다.
도 16은 도 15에 도시된 각 경우들에 대해 관심영역과 중요장기에 인가되는 전기장의 세기를 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따라 인체모형 팬텀에 관심영역 및 중요장기를 가정한 예를 도시하는 도면이다.
도 18은 도 17에 도시된 관심영역의 모양, 크기 및 체내 깊이를 고려한 맞춤형 전극 어레이와 기 정해진 구조의 전극 어레이 템플릿을 이용하여 관심영역을 고려하여 선택적으로 전압을 인가하여 최적화한 전극 어레이를 비교하여 도시하는 도면이다.
도 19는 도 18에 도시된 각 경우들에 대해 관심영역과 중요장기에 인가되는 전기장의 세기를 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 방법의 흐름도이다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 시스템의 구성도이다.
[부호의 설명]
210: 전극 어레이 구조 최적화 시스템
211: 환자 정보 획득부
212: 전극 어레이 구조 설정부
213: 전기장 시뮬레이션부
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
통상적으로 전기요법에서 피부 표면의 허용전류밀도는 30 mA/cm2 이하이므로, 후술하는 실시예에서 피부표면의 전류 밀도가 30 mA/cm2 이하가 되도록 전압을 인가할 때를 기준으로 전기장 시뮬레이션을 수행하였다(비특허문헌 7 참조).
도 1은 인체모형 팬텀에 가상의 관심영역 및 중요장기를 가정한 예를 도시하는 도면이고, 도 2는 전기치료 장비를 이용하여 도 1에 도시된 인체모형 팬텀 내의 관심영역에 전기장을 인가하는 일 예를 도시하는 도면이며, 도 3은 단순 사각형 모양의 전극을 이용하는 경우 관심영역과 중요장기에 인가되는 전기장의 세기를 도시하는 도면이고, 도 4는 관심영역의 모양을 고려한 맞춤형 전극을 이용하는 경우 관심영역과 중요장기에 인가되는 전기장의 세기를 도시하는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 인체모형 팬텀에 가상의 관심영역(ROI)과 중요장기(OAR)를 가정하고, 도 2에 도시된 바와 같이 인체모형 팬텀의 관심영역(ROI) 주변에 전극(Electrode)를 부착하고 전기치료 장비(Electrotherapy Equipment)를 이용하여 전기장을 인가할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 단순 사각형 모양의 전극(Simple square shaped electrode)을 이용하는 경우에는 관심영역(ROI)과 중요장기(OAR)에 전달되는 전기장의 평균 세기는 각각 3.38 V/cm, 3.24 V/cm으로, 전기장의 세기가 거의 동일함을 알 수 있다.
반면, 도 4에 도시된 바와 같이 관심영역의 모양을 고려한 맞춤형 전극(Customized electrode that conforms to the shape of ROI)을 이용하는 경우에는 관심영역(ROI)과 중요장기(OAR)에 전달되는 전기장의 평균 세기는 각각 3.39 V/cm, 2.38 V/cm으로, 관심영역에 비해 중요장기에 전달되는 전기장의 세기가 상대적으로 작아 부작용을 줄일 수 있음을 알 수 있다.
다시 말해, 전극이 부착되는 피부에서 체내의 관심영역을 바라보는 관점(즉, 전극 관점, electrode eye view)에서 본 관심영역의 모양과 부합(conformal)한 형태의 전극을 사용하는 경우(도 4)가 일정한 모양의 전극을 사용하는 경우(도 3)에 비해서 관심영역에 충분한 전기장을 전달하면서도 주변의 정상조직에 전달되는 전기장은 최소화할 수 있음을 알 수 있다.
도 5는 전극의 모양은 동일하게 하고 면적을 다양하게 변경한 경우의 예를 도시하는 도면이고, 도 6은 도 5에 도시된 서로 다른 면적의 전극을 이용하는 경우 전극의 면적과 관심영역에 인가되는 전기장의 평균 세기의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 인체모형 팬텀에 부착된 전극의 모양은 모두 동일하지만 전극의 면적은 각각 14.5 cm2, 25.8 cm2, 58.1 cm2, 103.29 cm2, 161.4 cm2 및 207.3 cm2 로 서로 상이하게 형성하였다.
도 6을 참조하면, 전극에 전압 인가 시 관심영역에 전달되는 전기장의 평균 세기는 전극의 전체 면적이 증가함에 따라 전기장의 세기가 함께 증가하는 비례 구간과 전극이 일정 면적 이상이 되었을 때 전기장의 세기가 일정해지는 포화 구간이 존재함을 알 수 있다. 여기서, 관심영역에 전달되는 전기장의 평균 세기가 일정해지기 시작하는 면적을 포화 임계면적이라고 정의할 수 있으며, 포화 임계면적은 하기의 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.
[수학식 1]
포화 임계면적 = (
Figure PCTKR2022006976-appb-I000001
으로 만드는 A 값 중 최소값)
여기서, I는 관심영역에 전달되는 전기장의 평균 세기이고, A는 전극의 전체 면적이다. 수학식 1을 기반으로 전극의 포화 임계면적을 산출할 수 있으며, 이에 따라 관심영역에 전달되는 전기장의 세기를 극대화함과 동시에 불필요하게 큰 전극을 사용한 필요가 없어져서 효율적인 전기치료를 가능하게 함을 알 수 있다.
도 7은 관심영역의 체내 깊이를 다양하게 변경한 경우의 예를 도시하는 도면이고, 도 8은 도 7에 도시된 체내 깊이가 서로 다른 관심영역에 서로 다른 면적의 전극을 이용하여 전기장을 인가하는 경우 전극의 면적과 관심영역에 인가되는 전기장의 평균 세기의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 인체모형 팬텀에서 관심영역의 체내 깊이, 즉 관심영역이 전극으로부터 떨어져 있는 거리가 각각 2cm, 4cm, 6cm인 경우를 가정한다.
도 8을 참조하면, 도 7에 도시된 인체모형 팬텀에 각각 도 5에 도시된 바와 같이 전극의 전체 면적을 변경하면서 전압을 인가하였으며, 같은 크기의 관심영역이라 할지라도 포화 임계면적은 관심영역의 체내 깊이가 커질수록, 즉 관심영역이 전극으로부터 떨어진 거리가 멀수록 커짐을 알 수 있다.
도 1 내지 도 8을 참조하여 상술한 내용을 고려하면, 전극의 전체 면적을 설정하기 위해서는 전극 관점에서 바라본 관심영역의 크기, 모양 그리고 관심영역이 전극으로부터 떨어진 거리가 고려되어야 함을 알 수 있고, 이러한 3개의 변수가 고려된 전극의 전체 면적 및 모양은 전기장의 세기가 포화되기 시작하는 면적인 포화 임계면적에 가까운 값으로 설정되어야 함을 알 수 있다.
도 9는 도 1에 도시된 인체모형 팬텀에서 굴곡이 있는 부위에 단일 평판 전극을 부착하는 경우와 복수의 단위 전극을 포함하는 전극 어레이를 부착하는 경우를 비교하여 도시하는 도면이고, 도 10은 도 9에 도시된 단일 평판 전극과 전극 어레이를 전극 부착 방향에서 바라본 경우를 도시하는 도면이다.
도 9의 좌측에 도시된 바와 같이, 굴곡이 있는 부위에 단일 평판 전극을 부착하는 경우 전극 부착이 제대로 이루어지지 않고 전극과 굴곡이 있는 부위 사이에 빈 공간이 생기게 된다. 이에 반해, 도 9의 우측에 도시된 바와 같이, 단일 평판 전극 대신 3개의 단위 전극을 포함하는 전극 어레이를 부착하는 경우 빈 공간이 줄어들고 굴곡된 부위에도 전극 부착이 상대적으로 용이하다는 것을 알 수 있다.
도 10은 도 9에 도시된 단일 평판 전극과 전극 어레이를 전극 부착 방향에서 바라본 경우를 도시하고 있다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 전기치료의 대상이 되는 환자의 신체는 각각 다른 굴곡이 존재하고 이러한 굴곡진 부위에 단일 평판 전극을 부착하는 것은 한계가 존재한다. 뿐만 아니라, 단일 평판 전극을 이용하여 전기치료를 진행할 경우 전극 자체가 매우 크기 때문에 치료를 받는 환자에게 전류가 한쪽으로만 누설될 경우 발생할 수 있는 감전, 환자의 움직임이 제대로 통제되지 않았을 때 발생할 수 있는 전극의 깨짐 등의 부작용이 발생할 수 있다. 이에 반해, 복수의 단위 전극을 포함하는 전극 어레이를 이용하는 경우 평평한 부위뿐만 아니라 굴곡진 부위에도 단위 전극들을 맞춤형으로 부착할 수 있다. 더 나아가, 전극 어레이의 경우 작은 단위 전극들을 각각 통제할 수 있기 때문에 전류 누설, 전극의 깨짐 등의 부작용도 미연에 방지할 수 있음을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 전극 어레이의 전체 면적을 설정한 예를 도시하는 도면이고, 도 12는 도 11에 도시된 전극 어레이의 전체 면적은 유지하고 복수의 단위 전극이 차지하는 면적 비율을 다양하게 변경한 경우의 예를 도시하는 도면이며, 도 13은 도 12에 도시된 면적 비율이 서로 다른 전극 어레이를 이용하여 전기장을 인가하는 경우 면적 비율과 관심영역에 인가되는 전기장의 평균 세기의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11 내지 도 13을 참조하면, 1 V/cm 보다 큰 전기장을 관심영역에 전달하기 위해서는 단위 전극의 면적 비율이 30% 이상이여야 함을 알 수 있다.
이러한 점들을 종합적으로 고려하면, 전기치료 시 복수의 단위 전극으로 이루어진 전극 어레이를 이용하는 것은 단일 평판 전극을 이용하는 것에 비하여 다양한 측면에서 보다 더 실용적이고 합리적이라고 할 수 있다. 구체적으로, 굴곡진 부위에 전극 부착이 용이하고 다양한 부작용을 미연에 방지할 수 있다는 장점을 가진다. 또한, 전극 어레이를 사용하여 체내 관심영역에 전달되는 전기장을 최적화하기 위해서는 관심영역의 크기, 모양 그리고 체내 깊이를 고려하여 전극 어레이의 전체 면적 및 모양, 그리고 전극 어레이의 전체 면적에서 단위 전극들이 차지하는 면적의 비율을 설정해 주어야 함을 알 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 인체모형 팬텀에 관심영역 및 중요장기를 가정한 예를 도시하는 도면이고, 도 15는 도 14에 도시된 관심영역의 모양, 크기 및 체내 깊이를 고려하여 전극 어레이의 전체 면적, 모양 및 단위 전극의 면적 비율을 다양하게 변경한 경우와 변경 없이 적용한 경우의 예를 도시하는 도면이며, 도 16은 도 15에 도시된 각 경우들에 대해 관심영역과 중요장기에 인가되는 전기장의 세기를 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 14 내지 도 16을 참조하면, 케이스 2는 전극 어레이를 변경 없이 적용한 경우이고, 케이스 1 및 케이스 4는 관심영역의 모양에 따라 전극 어레이의 모양을 변경하면서 단위 전극의 면적 비율을 상이하게 설정한 경우이며, 케이스 3은 관심영역의 크기에 따라 전극 어레이의 전체 면적을 변경한 경우를 도시하는 것이다.
케이스 2의 경우에는 관심영역과 중요장기에 인가되는 전기장의 세기에 큰 차이가 없으나, 케이스 1, 케이스 3 및 케이스 4의 경우에는 관심영역에 비해 중요장기에 인가되는 전기장의 세기를 크게 줄일 수 있음을 알 수 있다. 또한, 케이스 1과 같이 단위 전극의 면적 비율이 비교적 큰 경우 보다 큰 전기장을 관심영역에 전달할 수 있으며, 케이스 3과 같이 전극 어레이의 전체 면적을 관심영역의 크기에 부합하게 변경한 경우에 중요장기에 인가되는 전기장을 최소화할 수 있음을 알 수 있다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따라 인체모형 팬텀에 관심영역 및 중요장기를 가정한 예를 도시하는 도면이고, 도 18은 도 17에 도시된 관심영역의 모양, 크기 및 체내 깊이를 고려한 맞춤형 전극 어레이와 기 정해진 구조의 전극 어레이 템플릿을 이용하여 관심영역을 고려하여 선택적으로 전압을 인가하여 최적화한 전극 어레이를 비교하여 도시하는 도면이며, 도 19는 도 18에 도시된 각 경우들에 대해 관심영역과 중요장기에 인가되는 전기장의 세기를 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 17 내지 도 19를 참조하면, 관심영역의 모양과 유사한 모양을 가진 전극 어레이를 이용한 경우와 전극 어레이 템플릿 중 관심영역의 위치에 상응하는 단위 전극에만 전압을 인가한 경우 관심영역에 인가되는 전기장의 세기는 각각 2.79, 2.77 V/cm 값으로 매우 근사한 값을 가짐을 알 수 있다. 또한, 중요장기 1 및 중요장기 2에 인가되는 전기장의 세기 역시 상술한 두 경우에서 근사한 값을 가짐을 알 수 있다.
이러한 결과를 토대로, 인체 내에 최적화된 전기장을 인가하기 위해서는 관심영역의 모양과 유사한 모양의 전극 어레이를 이용하거나, 기 정해진 구조의 전극 어레이 템플릿을 이용하여 관심영역을 고려하여 선택적으로 전압을 인가하여 전극 어레이 구조를 최적화할 수 있음을 알 수 있다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 방법의 흐름도이다.
도 20을 참조하면, 우선 입력된 환자 데이터에서 관심영역 및 중요장기 정보를 획득할 수 있다(S201).
일 실시예에 따르면, 환자 데이터는 환자의 의료영상(예를 들어, 3차원 의료영상 데이터)일 수 있으며, 이 경우 환자의 의료영상에서 관심영역(예를 들어, 치료대상 병변)과 관심영역 부근에 위치하는 중요장기 영역을 분할하여 관심영역 및 중요장기 정보를 획득할 수 있다. 여기서, 관심영역 정보는 관심영역의 크기, 모양 그리고 체내 깊이 정보를 포함하고, 상기 중요장기 정보는 중요장기의 모양 및 위치 정보를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 외부 시스템 또는 단말로부터 관심영역 및 중요장기 정보를 직접 입력받아 이를 활용할 수도 있다.
이후, 획득한 관심영역 정보를 기초로 전극 어레이의 전체 모양 및 전체 면적을 설정할 수 있다(S202).
일 실시예에 따르면, 전극이 부착되는 피부에서 체내의 관심영역을 바라보는 관점(즉, 전극 관점)에서의 관심영역의 모양을 기초로 전극 어레이의 전체 모양을 설정할 수 있다. 이 경우, 전극 어레이는 관심영역을 중심으로 각 쌍이 서로 대향하도록 부착될 수 있으며, 각 쌍의 전극 어레이 중 적어도 하나는 전극 관점에서의 관심영역의 모양뿐만 아니라 주변에 위치한 중요장기들의 모양 및 위치를 고려하여 모양이 설정될 수 있다. 또한, 설정된 전극 어레이의 전체 모양을 기반으로 관심영역에 전달되는 전기장의 평균 세기가 일정해지기 시작하는 면적인 포화 임계면적으로 전극 어레이의 전체 면적을 설정할 수 있다. 이 경우, 포화 임계면적은 관심영역의 크기뿐만 아니라 체내 깊이를 추가로 고려하여 산출할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 기 정해진 구조의 전극 어레이 템플릿을 이용하되 상술한 바에 따라 설정된 전극 어레이의 전체 모양에 해당하는 단위 전극에만 선택적으로 전압을 인가하여 전극 어레이의 전체 모양 및 면적을 최적화할 수도 있다.
이후, 전극 어레이의 전체 면적에서 복수의 단위 전극이 차지하는 면적 비율을 설정할 수 있다(S203).
일 실시예에 따르면, 기 저장되어 있는 전극 어레이의 전체 면적 중 복수의 단위 전극이 차지하는 면적 비율과 이에 따라 관심영역에 전달되는 전기장의 세기의 상관관계 정보를 참조하여 전기장의 세기가 임상적 치료 효과를 극대화할 수 있는 전기장의 세기 이상이 되도록 면적 비율을 설정할 수 있다.
상술한 S202 및 S203은 관심영역 및 중요장기에 전달되는 전기장이 최적화될 때까지 반복하여 수행될 수 있다(S204).
일 실시예에 따르면, 전기장 시뮬레이터에 의해 S202 및 S203에서 설정된 전극 어레이의 변수에 따라 관심영역 및 중요장기에 전달되는 전기장을 시뮬레이션하고, 시뮬레이션 결과를 기초로 관심영역 및 중요장기에 전달되는 전기장이 기 정해진 기준을 만족할 때까지 S202 및 S203 단계를 반복하여 수행할 수 있다.
이후, 전기장이 최적화되는 맞춤형 전극 어레이 구조를 도출할 수 있다(S205).
일 실시예에 따르면, 관심영역 및 중요장기에 전달되는 전기장이 기 정해진 기준을 만족하는 전극 어레이의 변수, 즉 전극 어레이의 전체 모양 및 전체 면적, 그리고 전극 어레이의 전체 면적에서 복수의 단위 전극이 차지하는 면적 비율에 따르는 맞춤형 전극 어레이 구조를 도출할 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 도출된 맞춤형 전극 어레이 구조에 따라 제조된 전극 어레이를 이용하거나, 기 정해진 구조의 전극 어레이 템플릿을 이용하여 상기 관심영역을 고려하여 선택적으로 전압을 인가하는 방식으로 전극 어레이 구조를 최적화할 수 있다.
도 20을 참조하여 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 방법은 프로세싱 장치, 예를 들어 도 21에 도시된 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 시스템에 의해 수행될 수 있다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 시스템의 구성도이다.
도 21을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 시스템(210)은 환자 정보 획득부(211), 전극 어레이 구조 설정부(212) 및 전기장 시뮬레이션부(213)를 포함하여 구성될 수 있다.
환자 정보 획득부(211)는 입력된 환자 데이터에서 관심영역 및 중요장기 정보를 획득할 수 있다.
전극 어레이 구조 설정부(212)는 환자 정보 획득부(211)에 의해 획득한 관심영역 및 중요장기 정보를 기초로 전극 어레이 구조를 결정하는 전극 어레이의 변수, 즉 전극 어레이의 전체 모양 및 전체 면적과 전극 어레이의 전체 면적에서 전극 어레이를 구성하는 복수의 단위 전극이 차지하는 면적 비율을 설정하고, 후술하는 전기장 시뮬레이션부(213)의 시뮬레이션 결과를 기초로 관심영역과 중요장기에 전달되는 전기장이 최적화되는 맞춤형 전극 어레이 구조를 도출할 수 있다.
전기장 시뮬레이션부(213)는 전극 어레이 구조 설정부(212)에 의해 설정된 전극 어레이의 변수에 따라 관심영역과 중요장기에 전달되는 전기장을 시뮬레이션 할 수 있다.
환자 정보 획득부(211), 전극 어레이 구조 설정부(212) 및 전기장 시뮬레이션부(213)에 의해 수행되는 구체적인 사항은 도 20을 참조하여 상술한 바와 동일하므로 이에 대한 중복적인 설명은 생략한다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.

Claims (13)

  1. 정보를 참조하여 전기장의 세기가 임상적 치료 효과를 극대화할 수 있는 전기장의 세기 이상이 되도록 상기 면적 비율을 설정하는 것을 특징으로 하는 전기요법에서의 전극입력된 환자 데이터에서 관심영역 및 중요장기 정보를 획득하는 단계;
    획득한 관심영역 정보를 기초로 전극 어레이의 전체 모양 및 전체 면적을 설정하는 단계;
    상기 전극 어레이의 전체 면적에서 상기 전극 어레이를 구성하는 복수의 단위 전극이 차지하는 면적 비율을 설정하는 단계;
    상기 전체 모양 및 전체 면적을 설정하는 단계 및 상기 면적 비율을 설정하는 단계를 상기 관심영역 및 중요장기에 전달되는 전기장이 최적화될 때까지 반복하여 수행하는 단계; 및
    상기 전기장이 최적화되는 맞춤형 전극 어레이 구조를 도출하는 단계를 포함하는 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 관심영역 및 중요장기 정보를 획득하는 단계는, 입력된 환자의 의료영상에서 치료 대상인 관심영역 및 중요장기 영역을 분할하여 상기 관심영역 및 중요장기 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 관심영역 정보는 관심영역의 크기, 모양 그리고 체내 깊이 정보를 포함하고, 상기 중요장기 정보는 중요장기의 모양 및 위치 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전체 모양 및 전체 면적을 설정하는 단계는, 전극이 부착되는 피부에서 상기 관심영역을 바라보는 관점에서의 관심영역의 모양을 기초로 상기 전극 어레이의 전체 모양을 설정하는 것을 특징으로 하는 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전체 모양 및 전체 면적을 설정하는 단계는, 상기 중요장기의 모양 및 위치를 추가로 고려하여 상기 전극 어레이의 전체 모양을 설정하는 것을 특징으로 하는 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 전체 모양 및 전체 면적을 설정하는 단계는, 설정된 상기 전극 어레이의 전체 모양을 기반으로 상기 관심영역에 전달되는 전기장의 평균 세기가 일정해지기 시작하는 면적인 포화 임계면적으로 상기 전극 어레이의 전체 면적을 설정하는 것을 특징으로 하는 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 포화 임계면적은 하기의 수학식,
    포화 임계면적 = (
    Figure PCTKR2022006976-appb-I000002
    으로 만드는 A 값 중 최소값)을 기반으로 산출되며, I는 상기 관심영역에 전달되는 전기장의 평균 세기이고, A는 상기 전극 어레이의 전체 면적인 것을 특징으로 하는 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 포화 임계면적은 상기 관심영역의 크기 및 체내 깊이를 추가로 고려하여 산출되는 것을 특징으로 하는 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 면적 비율을 설정하는 단계는, 기 저장되어 있는 상기 전극 어레이의 전체 면적 중 상기 복수의 단위 전극이 차지하는 면적 비율과 이에 따라 관심영역에 전달되는 전기장의 세기의 상관관계 어레이 구조 최적화 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 반복하여 수행하는 단계는, 설정된 상기 전극 어레이의 전체 모양 및 전체 면적과 상기 면적 비율에 따라 상기 관심영역 및 중요장기에 전달되는 전기장을 시뮬레이션하고, 시뮬레이션 결과를 기초로 상기 관심영역 및 중요장기에 전달되는 전기장이 기 정해진 기준을 만족할 때까지 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 도출된 맞춤형 전극 어레이 구조에 따라 제조된 전극 어레이를 이용하거나, 기 정해진 구조의 전극 어레이 템플릿을 이용하되 상기 전극 어레이의 전체 모양에 해당하는 단위 전극에만 선택적으로 전압을 인가하는 방식으로 전극 어레이 구조를 최적화하는 것을 특징으로 하는 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 방법.
  12. 입력된 환자 데이터에서 관심영역 및 중요장기 정보를 획득하는 환자 정보 획득부;
    상기 관심영역 및 중요장기 정보를 기초로 전극 어레이 구조를 결정하는 전극 어레이의 변수를 설정하고, 전기장 시뮬레이션 결과를 기초로 상기 관심영역과 중요장기에 전달되는 전기장이 최적화되는 맞춤형 전극 어레이 구조를 도출하는 전극 어레이 구조 설정부; 및
    상기 전극 어레이 구조 설정부에 의해 설정된 전극 어레이의 변수에 따라 상기 관심영역과 중요장기에 전달되는 전기장을 시뮬레이션하는 전기장 시뮬레이션부를 포함하는 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전극 어레이의 변수는 상기 전극 어레이의 전체 모양 및 전체 면적과 전극 어레이의 전체 면적에서 전극 어레이를 구성하는 복수의 단위 전극이 차지하는 면적 비율을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기요법에서의 전극 어레이 구조 최적화 시스템.
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