WO2023090699A1 - 피부 처치를 위한 고강도 집속 초음파 프로브의 제조 방법 - Google Patents

피부 처치를 위한 고강도 집속 초음파 프로브의 제조 방법 Download PDF

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WO2023090699A1
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김진우
김주환
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(주)동일기연
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Definitions

  • the present disclosure relates to a method for manufacturing a High Intensive Focused Ultrasound (HIFU) probe, and more particularly, to a high-intensity focused ultrasound probe capable of focusing high-intensity ultrasound for skin treatment based on the geometry of a transducer element. It relates to a manufacturing method.
  • HIFU High Intensive Focused Ultrasound
  • HIFU High Intensive Focused Ultrasound
  • High-intensity focused ultrasound is a technique for treating lesions by focusing high-intensity acoustic energy on a local area in the body to increase the temperature of the local area at the focusing point and generate a thermal transition.
  • the effect of removing wrinkles and restoring skin elasticity is used while the degenerated tissue is regenerated by making a wound due to thermal variation in a local area where fine ultrasound is focused.
  • Conventional high-intensity focused ultrasound devices use a method of transmitting strong ultrasound energy to a treatment area using a circular single-element ultrasound transducer as a transducer that generates ultrasound waves. Since a plurality of focusing points must be formed to deliver ultrasonic energy for skin treatment to a wide area, the conventional single-element ultrasonic transducer mechanically moves the single-element ultrasonic transducer to focus ultrasonic waves on various body parts. use the method
  • prior art 1 adjusts the depth of the target part manually, semi-automatically, or fully automatically by attaching a lever, motor, or scanner to the tip of the handpiece so that the user can arbitrarily select and focus the ultrasound.
  • the prior art 1 still has a problem in that a mechanical movement is required because the transducer must be moved using a motor.
  • the treatment time is prolonged and the position of the ultrasonic transducer in the handpiece must be mechanically changed to change the treatment depth, so there is a limit to improving the treatment effect.
  • an ultrasound transducer in the form of an array element is used as shown in FIG. 1 . That is, by electrically controlling the transmission time of a plurality of ultrasonic transducers in the lateral direction (x direction), ultrasonic waves are focused on a desired location, and reflected ultrasonic waves are received and imaged.
  • the elevation direction (y direction) may use a focusing technique to deliver high ultrasound energy to the focus, and as shown in FIG. 14 (a), natural focusing (natural focusing) Alternatively, as shown in FIG. 14 (b), a method using acoustic lens focusing (lens focusing) exists.
  • An embodiment of the present disclosure provides a high-intensity focused ultrasound probe in which a plurality of transducers capable of geometric focusing are configured in an array form based on a geometric structure and a manufacturing method thereof.
  • Another embodiment of the present disclosure provides a high-intensity focused ultrasound probe configured in an array form of a plurality of geometrically focused transducers that can be easily manufactured at low cost and a manufacturing method thereof.
  • Another embodiment of the present disclosure provides a high-intensity focused ultrasound probe configured in an array form of a plurality of geometrically focused transducers capable of transmitting high energy to a treatment site while reducing grating lobes and a method for manufacturing the same. .
  • Another embodiment of the present disclosure provides a high-intensity focused ultrasound probe composed of an array of a plurality of transducers capable of shortening the treatment time without mechanical movement by electrically controlling the transmission time of each ultrasound transducer element and a method of manufacturing the same. do.
  • An embodiment of the present disclosure provides a high-intensity focused ultrasound probe and a manufacturing method thereof.
  • a high-intensity focused ultrasound probe includes a transducer module for generating ultrasound by receiving an electrical signal and a circuit for inputting an electrical signal to the transducer module, and the transducer module includes a focusing direction of the generated ultrasound.
  • a plurality of transducer elements having a concave shape in a first axis direction of is disposed in a second axis direction perpendicular to the first axis with a kerf interposed therebetween, and each of the plurality of transducer elements is formed in a geometric structure that causes ultrasonic waves generated by receiving an electrical signal to be focused on a predetermined point, and a length in a third axis direction perpendicular to the first axis direction and the second axis direction is greater than the length in the second axis direction. It can have an elongated shape.
  • a method for manufacturing a high-intensity focused ultrasound probe includes a plurality of cells having a concave shape in a first axis direction, which is a focusing direction of ultrasound generated by a transducer module that generates ultrasound by receiving an electrical signal.
  • a high-intensity focused ultrasound probe includes a transducer module for generating ultrasound by receiving an electrical signal and a circuit for inputting an electrical signal to the transducer module, and the transducer module includes a focusing direction of the generated ultrasound.
  • It may include a bent portion formed by bending in a direction opposite to the ultrasound focusing direction.
  • a method of manufacturing a high-intensity focused ultrasound probe includes forming a transducer module that receives an electrical signal and generates ultrasonic waves, and disposing a circuit for inputting an electrical signal to the transducer module.
  • Forming the transducer module includes forming a curved transducer part having a concave shape in a first axis direction, which is a focusing direction of the generated ultrasonic waves, and perpendicular to the first axis of the curved transducer part.
  • a plurality of transducer elements are formed in the direction of the second axis, are formed to extend in the direction of the third axis, which is perpendicular to the first axis and the second axis, and separate at least a portion of the curved transducer unit to form a plurality of transducer elements.
  • the method may include forming a kerf portion and forming a bent portion bent in a direction opposite to the ultrasound focusing direction at at least one end of both ends of the transducer unit in the third axial direction.
  • a method for manufacturing a high-intensity focused ultrasound probe has a predetermined first thickness in a first axis direction, a predetermined curvature concave in the first axis direction, and a third axis direction perpendicular to the first axis.
  • a method for manufacturing a high-intensity focused ultrasound probe includes providing a plurality of plate-shaped transducer elements having a predetermined first thickness in a second axial direction, and a plurality of plate-shaped separation members having a predetermined second thickness. Forming a composite by alternately stacking a plurality of transducer elements and a plurality of separation members in a second axis direction, and forming a complex in which a plurality of plate-shaped transducer elements are concave in a first axis direction perpendicular to the second axis. Grinding one or both sides of the composite body perpendicular to the first axis to have a shape extending in a third axis direction perpendicular to the first axis and the second axis and having a curvature of .
  • a method for manufacturing a high-intensity focused ultrasound probe includes a curved transducer unit having at least a portion concave in a first axis direction, which is a focusing direction of ultrasound, and a third axis perpendicular to the first axis of the transducer unit.
  • a transducer element including a bent part formed by bending in a direction opposite to the ultrasonic focusing direction at both ends of the direction and extending in a third axial direction to the curved transducer, the first axis and the third axis and forming a plurality of kerf portions in a second axis direction perpendicular to the first axis by cutting at least a portion of the curved transducer portion.
  • a high-intensity focused ultrasound probe and a method for manufacturing the same enable a plurality of high-intensity focused ultrasound transducers to be geometrically focused based on a geometric structure and electrically controllable transmission time, thereby enabling low-cost and easy high-intensity focused ultrasound. It is possible to provide an array type probe, and it is possible to shorten the treatment time while improving the treatment effect.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an implementation environment of a high-intensity focused ultrasound probe according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a block diagram briefly illustrating a configuration of a high-intensity focused ultrasound probe according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG 3 is a perspective view and a plan view illustrating a transducer module in an array-type high-intensity focused ultrasound probe according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a perspective view and a side view illustrating a transducer module in an array-type high-intensity focused ultrasound probe according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 5 is an experiment result of a cuff interval of an array-type high-intensity focused ultrasound probe according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 6 is a result of testing the device width of an array-type high-intensity focused ultrasound probe according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 7 is a perspective view showing a transducer module in an array-type high-intensity focused ultrasound probe according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an array-type high-intensity focused ultrasound probe according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 9 is a view for explaining a method of manufacturing an array-type high-intensity focused ultrasound probe according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating a method of manufacturing an array-type high-intensity focused ultrasound probe according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining a method of manufacturing an array-type high-intensity focused ultrasound probe according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining a method of manufacturing an array-type high-intensity focused ultrasound probe according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 14 is a diagram explaining a focusing method of a probe used in a conventional diagnostic ultrasound imaging device.
  • FIG. 1 An implementation environment of a high-intensity focused ultrasound probe 100 according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. 1 .
  • the high-intensity focused ultrasound apparatus 200 controls the high-intensity focused ultrasound probe 100 to focus ultrasound waves generated from the high-intensity focused ultrasound probe 100 to a specific point inside the body. to transmit acoustic energy.
  • the high-intensity focused ultrasound apparatus 100 may change a focusing point by electrically controlling transmission times of array-type transducer elements included in a transducer module of the high-intensity focused ultrasound probe 100 .
  • the high-intensity focused ultrasound device 100 may deliver high-intensity focused ultrasound energy into the body for non-invasive face lifting, skin tightening, and non-invasive subcutaneous fat reduction or removal.
  • the high intensity focused ultrasound device 200 may include an input unit or an output unit for user input.
  • the input unit includes a user interface (UI) including a microphone and a touch interface for receiving information from a user, and the user interface may include a mouse and keyboard as well as mechanical and electronic interfaces implemented in the device, As long as it is possible to input a user's command, the method and form are not particularly limited.
  • UI user interface
  • the electronic interface includes a display capable of touch input.
  • the output unit is for displaying the output of the high-intensity focused ultrasound device 200 to the outside to convey information to the user, and may include a display, LED, speaker, etc. for displaying visual, auditory, or tactile output.
  • the display may display an ultrasound image of an internal body tissue.
  • the high-intensity focused ultrasound device 200 may include a peripheral device interface for data transmission with various types of connected external devices, a memory card port, and an external device I/O (Input/Output) port. ) and the like.
  • the high-intensity focused ultrasound probe 100 may include a handpiece (or may be called a wand) 100b and a cartridge 100a.
  • the ultrasonic transducer module may be implemented in the cartridge 100a.
  • the high-intensity focused ultrasound probe 200 may be implemented by integrating the hand piece 100b and the cartridge 100a.
  • an electrical connection terminal and a guide for physical coupling may be implemented in the handpiece 100b so that the cartridge 100a can be coupled to the handpiece 100b.
  • the guide portion may be implemented in a shape such as a protruding bar or projection in a direction in which the cartridge 100a is coupled to the front end of the handpiece 100b.
  • a configuration of a high-intensity focused ultrasound probe 100 according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. 2 .
  • the high-intensity focused ultrasound probe 100 may include a transducer module 110 that generates ultrasonic waves by receiving electrical signals and a circuit 120 that inputs electrical signals to the transducer module 110 .
  • the high-intensity focused ultrasound probe 100 moves in the forward and backward directions, which is the axial direction of the handpiece 100b, to provide multiple focusing points. It may include a stepping motor capable of one-dimensionally moving the transducer module 110 in order to focus the ultrasonic waves (ie, so that the ultrasonic focusing point forms a plurality of points at regular intervals along the same line).
  • a sensor 130 capable of determining the position of the transducer module 110 may be included.
  • the sensor 130 may be an optical sensor, a roller ball sensor, or the like.
  • an encoder is connected to a motor for moving the transducer module 110 without using the sensor 130 to calculate the movement displacement and to determine the current position of the transducer module 110.
  • the sensor 130 not only detects the movement of the transducer module 110 but also detects the combination of the handpiece 100b and the cartridge 100a (in this case, it may be a pressure sensor or a switch that detects electrical connection), the handpiece 100b Sensors for various purposes that detect the angle of the user with respect to the ground, the grip of the user's handpiece 100b, and the like can be used in various ways.
  • the array when the array is composed of a plurality of transducer elements, some of the plurality of transducer elements are sequentially controlled and the transmission time of the controlled transducer elements is varied in the forward and backward direction, which is the axial direction of the handpiece 100b.
  • the transducer module 110 may not be required.
  • a plurality of transducer elements may be rotated at a predetermined angle around an axis in the longitudinal direction of the handpiece by using a motor.
  • an axis in a direction in which the transducer elements are coupled may be orthogonal to an axis in a longitudinal direction of the handpiece 100b. Therefore, in this case, the transducer module can be moved so that the plurality of arrayed transducer elements move along the axis of the longitudinal direction of the handpiece 100b (that is, move along the third axis direction with reference to FIG. 3). . In this case, the treatment time can be shortened by simultaneously delivering ultrasonic energy to a larger area.
  • An array-type high-intensity focused ultrasound transducer module according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. 3 .
  • the first axis (height direction, also referred to as the axis of the axial direction) is the axis toward the point where ultrasonic waves are generated and focused from the plurality of transducer elements, and the direction in which the plurality of transducer elements are arranged is called the second axis (lateral axis).
  • direction also referred to as a lateral axis
  • an axis perpendicular to the first and second axes in the longitudinal direction in which each transducer element extends is referred to as a third axis (elevation direction axis, also referred to as elevation direction axis).
  • the first axis, the second axis and the third axis are orthogonal to each other.
  • An array-type high-intensity focused ultrasound transducer module includes a plurality of transducer elements 111 disposed in a second axial direction in a one-dimensional array with a kerf 113 interposed therebetween.
  • the kerf will be described later, it refers to an interval between transducer elements, and may be referred to as an element pitch including a width of the kerf and the transducer element 111 in the second axial direction.
  • the size of a grating lobe and the size of energy transmitted to the inside of the body may vary depending on the device spacing and the size of the cuff.
  • the optimal spacing of the ultrasonic elements should be selected in advance so that the size of the main lobe increases and the size of the lattice lobe is minimized.
  • Each of the transducer elements 111 may have a concave geometrical shape in the first axial direction, and this geometrical structure is related to setting a focusing point of ultrasonic waves generated from the transducer elements 111 .
  • Ultrasonic waves generated by the respective transducer elements 111 receiving electrical signals may travel in a concave direction and be focused at a specific depth point inside the body to transmit energy.
  • Each of the transducer elements 111 may be elongated in the third axis direction. Accordingly, the length of each transducer element 111 in the third axial direction may be longer than the width in the second axial direction.
  • Ultrasound generated by each transducer element 111 receiving an electrical signal proceeds in a concave direction and is focused at a specific depth point inside the body, and the transmitted energy (ie, the ultrasonic output energy of the transducer module) is transmitted at the focusing point. It may be 0.5 J/cm2 or more. Accordingly, a thermal transition may be generated at the focusing point inside the body by transferring energy so that the temperature of the focusing point inside the body reaches about 60 degrees Celsius or higher.
  • An array-type high-intensity focused ultrasound transducer module may include a separating member 115 disposed in the cuff 113 between the high-intensity focused ultrasound transducer elements 111 .
  • the high-intensity focused ultrasound transducer elements 111 may be coupled in a fixed form through a separation member 115 rather than being directly connected to each other and arranged in an array.
  • the plurality of transducer elements of the array-type high-intensity focused ultrasound transducer module may be connected to a signal line for applying an electrical signal to a back surface in a direction opposite to each ultrasound focusing direction by soldering.
  • soldering Since the high-intensity focused ultrasound transducer element applies a signal of high energy enough to cause a thermal transition to the desired lesion, it can generate high heat instantaneously, and a melting temperature of about 300 degrees Celsius or more is required to connect the signal line to the transducer element.
  • a point soldering method can be used.
  • the length of the separation member 115 in the first axial direction may be longer than the length (thickness) of the transducer element 111 in the first axial direction. Accordingly, the separation member 115 may serve as a dam to prevent molten lead from being connected to other elements when the signal line is connected to the transducer element 111 by a soldering method.
  • kerf width (size) of an array type high intensity focused ultrasound transducer module and a width of a transducer element according to an embodiment of the present disclosure will be described.
  • FIG. 5 shows simulation results for the lattice lobe size according to the kerf width.
  • the width of the transducer element was fixed at about 460 um (micrometer), and the simulation was performed at intervals of 20 um from 20 um to 160 um with the kerf width.
  • the size of the lattice lobe was set within the range of the kerf width less than about -15 dB compared to the maximum energy.
  • FIG. 5 (a) shows the beam profile when the kerf width is 40 um
  • FIG. 5 (b) shows the beam profile when the kerf width is 160 um.
  • 5 (c) shows a linear plot when the kerf widths are 40 um and 160 um.
  • 5 (d) shows the relative size of the lattice lobe according to the kerf width change as a graph.
  • the relative size of the lattice lobe is about -15.34 dB, and when it is 120 ⁇ m, it is -14.74 dB, which is larger than -15 dB. Accordingly, it can be seen that the kerf width can be increased to about 100 um under the corresponding conditions.
  • the kerf width was fixed at 40 um, and the simulation was performed while changing the device width from 400 um to 600 um at intervals of 50 um.
  • the range of device width in which the relative size of the lattice lobe was less than about -15dB was set.
  • Fig. 6 (a) shows the beam profile when the device width is 450 um
  • Fig. 6 (b) shows the beam profile when the device width is 600 um
  • 6(c) shows a linear plot when the device widths are 450 um and 600 um.
  • 6(d) shows the relative size of the lattice lobe according to the change in device width as a graph.
  • the relative size of the lattice lobe is about -16.26 dB, and when it is 550 um, it is -14.35 dB, which is greater than -15 dB. It can be seen that it can be increased to about 500 ⁇ 550 um.
  • the simulations performed in FIGS. 5 and 6 are simulation results performed when the device width and kerf width are fixed and the frequency is single (4 MHz), and the set range may vary according to various conditions.
  • the simulations of FIGS. 5 and 6 as the size of the lattice lobe increases as the width of the element and the kerf increases, the total energy can be reduced.
  • FIG. 7 Another embodiment of the array type high intensity focused ultrasound probe according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIG. 7 .
  • the high-intensity focused ultrasound probe 100 may include a transducer module, in which the transducer element 311, which is a part that generates ultrasonic waves, has a curved transducer unit 310, 320 due to the cuff 313. It can be formed in a plurality of sites of.
  • the transducer module is bent in a direction opposite to the ultrasonic focusing direction on at least one of both ends of the curved transducer parts 310 and 320 and the third axial direction of the transducer parts 310 and 320 to form a flat surface. It may include parts 315a and 315b.
  • the curved transducer units 310 and 320 may have a concave shape in a first axis direction, which is a focusing direction of ultrasonic waves.
  • portions of the curved transducer parts 310 and 320 are separated by the cuff 313 to apply an electrical signal to the transducer elements 311 formed in a plurality of parts to generate ultrasonic waves.
  • a signal line for applying an electrical signal may be connected to the transducer element 311 by soldering at the rear surface 310 opposite to the ultrasound focusing direction.
  • a separation member as shown in FIG. 4 may be disposed on the cuff 313 .
  • the ground electrode may be formed on at least a part of the front surface 320 in the ultrasonic focusing direction in the curved transducer unit, and may be formed by a sputtering method to reduce ultrasonic attenuation.
  • the ground electrode may be formed on at least a part of the front surface 320 of the plurality of transducer elements 311 in the ultrasound focusing direction.
  • the transducer elements 311 of multiple parts formed in a plurality of parts by separating parts of the transducer parts 310 and 320 mean the parts separated by the cuff 313 formed by extending along the third axis direction, , Accordingly, at least one end of both ends of the transducer elements 311 in the third axial direction may be connected to each other.
  • FIGS. 8 to 13 A manufacturing method of an array-type high-intensity focused ultrasound probe according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to FIGS. 8 to 13 .
  • a plurality of transducer elements 911 having a form are provided (S810).
  • a plurality of curvature-type transducer elements and a plurality of plate-shaped separation members are alternately stacked in the first axis direction and in the second axis direction orthogonal to the third axis (S830) so that the plate-shaped separation members are disposed on the cuff 911.
  • the transducer module After manufacturing, signal lines may be connected to the rear surface (surface opposite to the ultrasonic focusing direction) of the plurality of curvature-type transducer elements by a soldering method, and a ground electrode may be formed on the front surface.
  • the lamination method has an excellent effect of ease of manufacture.
  • a method of manufacturing a high-intensity focused ultrasound probe using a polishing or grinding method will be described with reference to FIGS. 10 and 11 .
  • a plurality of plate-shaped transducer elements 1111 having a predetermined thickness in the second axial direction are provided (S1010), and a plurality of plate-shaped separation members 1113 having different predetermined thicknesses are provided (S1020). Thereafter, a plurality of transducer elements 1111 and a plurality of separation members 1113 are alternately laminated in the direction of the second axis to form a composite (S1030), and one or both sides of the composite that are perpendicular to the first axis are formed by a grinding machine. In (1123), grinding (1121) is performed (S1040). At this time, the curvature of the grinding blade of the grinding machine 1123 is set to have a geometric structure considering the ultrasonic focusing point.
  • a method of manufacturing a high-intensity focused ultrasound probe using a cutting method will be described with reference to FIGS. 12 and 13 .
  • the transducer element 1300 including bent portions 1310a and 1310b formed by being bent in the direction opposite to the ultrasonic focusing direction at the ends is provided (S1210).
  • a plurality of cuff portions 1313 extending in a third axis direction from the curved transducer portions 1331 and 1333 and extending in a second axis direction perpendicular to the first axis and the third axis are formed on the curved transducer portion 1331.
  • 1333 is formed by cutting at least a part of the cutting machine 1340 (S122).
  • Parts of the curved transducer units 1331 and 1333 are separated by the cuff 1313, and electrical signals are applied to the transducer elements 1311 formed at the plurality of locations to generate ultrasonic waves.
  • a signal line for applying may be connected to the transducer element 1311 by soldering at the rear surface 1333 opposite to the ultrasonic focusing direction.
  • a separation member as shown in FIG. 4 may be disposed on the cuff 1313.
  • the ground electrode may be formed on the front surface 1331 of the curved transducer units 1331 and 1333 by a sputtering method.

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Abstract

본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브의 제조 방법은 전기적 신호를 입력 받아 초음파를 발생시키는 트랜스듀서 모듈에서 발생된 초음파의 집속 방향인 제1 축 방향으로 오목한(concave) 형태를 갖는 복수의 트랜스듀서 소자들이 커프(kerf)를 사이에 두고 제1 축과 수직인 제2 축 방향으로 배치되도록 트랜스듀서 모듈을 제작하는 단계 및 트랜스듀서 모듈에 전기적 신호를 입력하는 회로를 배치하는 단계를 포함하고, 복수의 트랜스듀서 소자들 각각은 전기적 신호를 입력 받아 발생하는 초음파가 소정의 지점에 집속되도록 야기하는 기하학적 구조로 형성되고, 제1 축 방향 및 상기 제2 축 방향에 수직인 제3 축 방향의 길이가 제2 축 방향의 길이보다 긴 형상을 가질 수 있다.

Description

피부 처치를 위한 고강도 집속 초음파 프로브의 제조 방법
본 개시는 고강도 집속 초음파(High Intensive Focused Ultrasound: HIFU) 프로브의 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 트랜스듀서 소자의 기하학적 구조에 기반하여 피부 처치를 위한 고강도 초음파를 집속 시킬 수 있는 고강도 집속 초음파 프로브의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 고강도 집속 초음파(High Intensive Focused Ultrasound: HIFU)를 피부 리프팅(lifting) 및 피부 타이트닝(tightening)과 같은 피부 처치에 사용하는 것이 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. 피부에 사용하는 경우, 미세한 초음파가 집속되는 국소 부위에 열적 변이로 인한 상처를 내어 변성된 조직이 재생되면서 주름 제거 및 피부 탄력 회복을 도모하는 효과를 이용하고 있다.
종래의 고강도 집속 초음파 기기는 초음파를 발생시키는 트랜스듀서(transducer)로서 원형의 단일 소자 초음파 트랜스듀서를 이용해 치료 부위에 강한 초음파 에너지를 전달하는 방법을 이용한다. 넓은 부위에 피부 처치를 위한 초음파 에너지를 전달하기 위하여 집속 지점을 복수로 형성시켜야 하므로, 종래의 단일 소자 초음파 트랜스듀서는 다양한 체내 부위에 초음파를 집속 시킬 수 있도록 단일소자 초음파 트랜스듀서를 기계적으로 이동시키는 방식을 이용한다.
따라서, 종래의 고강도 집속 초음파는 원형의 단일 소자 초음파 트랜스듀서를 채택함으로써, 처치 깊이(집속 지점)를 다르게 적용하는 경우 초음파 주파수와 트랜스듀서의 기하학적 구조가 다르게 설계된 핸드피스를 매번 교체해야 하는 문제점이 있다. 이런 문제점을 해결하기 위하여 선행기술 1은 핸드피스 팁에 레버 또는 모터나 스캐너를 장착하여 수동, 반자동, 전자동으로 타겟 부위의 깊이를 사용자가 임의로 선택하여 초음파를 집속시킬 수 있도록 조절하고 있다. 하지만, 선행기술 1은 여전히 모터를 이용한 트랜스듀서를 이동시켜야 하므로 여전히 기계적인 움직임을 필요로 하는 문제점이 있다. 또한, 이로 인해 치료 시간이 길어지고 치료 깊이 변화를 위해 기계적으로 핸드피스 내 초음파 트랜스듀서의 위치를 변경해야 하므로 치료 효과의 향상에 한계가 있다.
이에 비해, 발생되는 초음파의 에너지가 작은 진단용 초음파 기기의 경우, 도 1과 같이 배열 소자 형태의 초음파 변환기를 이용한다. 즉, 측방향(Lateral direction; x 방향)의 복수의 초음파 변환기들을 전기적으로 송신시간을 제어함으로써 원하는 위치에 초음파를 집속하고, 반사된 초음파를 수신하여 영상화한다. 이 때, 진단 해상도 향상을 위해 고도방향(Elevation direction; y방향)은 높은 초음파 에너지를 초점에 전달하기 위하여 집속 기술을 이용할 수 있고, 그 방법으로 도 14 (a)와 같이 내추럴 집속(natural focsuing)하거나 도 14 (b)와 같이 음향 렌즈 집속(lens focusing)을 이용하는 방법이 존재한다.
종래, 진단용 초음파 기기의 경우에도 제작 공정의 어려움으로 인해 배열 소자 초음파 변환기에 기하학적 집속(gometrical focusing)을 사용하지 못하고 있으며, 앞서 설명한 것처럼 치료용 초음파 기기인 고강도 집속 초음파 기기는 단일 초음파 트랜스듀서 소자를 이용하고 있는 실정이다.
이러한 문제점들에도 불구하고, 배열형 초음파 트랜스듀서 소자를 이용하여 고강도 집속 초음파 기기를 구현하는 것은 어려운 일이다. 내추럴 집속은 에너지가 분산되어 부적합하므로, 병변의 온도 상승을 위해서는 음향 렌즈 집속 또는 기하하적 집속이 적합하다. 하지만, 렌즈 집속의 경우 렌즈로 사용되는 물질로 인한 초음파 감쇄로 인해 처치 부위까지 고강도 에너지를 전달하기 어렵고, 기하학적 집속이 가능하도록 배열형 초음파 트랜스듀서들(배열형 초음파 트랜스듀서들의 전기적 송신시간 제어를 위해서는 적어도 집속 가능한 기하학적 구조를 가진 적어도 수십 개의 초음파 트랜스듀서들을 구성해야 한다)의 기하학적 구조를 형성하기 어려운 문제점이 있다.
본 개시의 일 실시 예는 기하학적 구조에 기반하여 기하학적 집속이 가능한 복수의 트랜스듀서들이 배열 형태로 구성되는 고강도 집속 초음파 프로브 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 개시의 다른 실시 예는 저렴한 비용으로 용이하게 제조 가능한 기하학적 집속이 가능한 복수의 트랜스듀서들이 배열 형태로 구성되는 고강도 집속 초음파 프로브 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 개시의 다른 실시 예는 격자엽(grating lobe)를 줄이면서도 높은 에너지를 처치 부위에 전달할 수 있는 기하학적 집속이 가능한 복수의 트랜스듀서들이 배열 형태로 구성되는 고강도 집속 초음파 프로브 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 개시의 다른 실시 예는 각 초음파 트랜스듀서 소자의 송신시간을 전기적으로 제어 가능하여 기계적인 이동 없이 치료 시간을 단축 가능한 복수의 트랜스듀서들이 배열 형태로 구성되는 고강도 집속 초음파 프로브 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 개시의 일 실시 예는 고강도 집속 초음파 프로브 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브는 전기적 신호를 입력 받아 초음파를 발생시키는 트랜스듀서 모듈 및 트랜스듀서 모듈에 전기적 신호를 입력하는 회로를 포함하고, 트랜스듀서 모듈은 발생된 초음파의 집속 방향인 제1 축 방향으로 오목한(concave) 형태를 갖는 복수의 트랜스듀서 소자들이 커프(kerf)를 사이에 두고 제1 축과 수직인 제2 축 방향으로 배치된 형태이고, 복수의 트랜스듀서 소자들 각각은 전기적 신호를 입력 받아 발생하는 초음파가 소정의 지점에 집속되도록 야기하는 기하학적 구조로 형성되고, 제1 축 방향 및 제2 축 방향에 수직인 제3 축 방향의 길이가 제2 축 방향의 길이보다 긴 형상을 가질 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브의 제조 방법은 전기적 신호를 입력 받아 초음파를 발생시키는 트랜스듀서 모듈에서 발생된 초음파의 집속 방향인 제1 축 방향으로 오목한(concave) 형태를 갖는 복수의 트랜스듀서 소자들이 커프(kerf)를 사이에 두고 제1 축과 수직인 제2 축 방향으로 배치되도록 트랜스듀서 모듈을 제작하는 단계 및 트랜스듀서 모듈에 전기적 신호를 입력하는 회로를 배치하는 단계를 포함하고, 복수의 트랜스듀서 소자들 각각은 전기적 신호를 입력 받아 발생하는 초음파가 소정의 지점에 집속되도록 야기하는 기하학적 구조로 형성되고, 제1 축 방향 및 상기 제2 축 방향에 수직인 제3 축 방향의 길이가 제2 축 방향의 길이보다 긴 형상을 가질 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브는 전기적 신호를 입력 받아 초음파를 발생시키는 트랜스듀서 모듈 및 트랜스듀서 모듈에 전기적 신호를 입력하는 회로를 포함하고, 트랜스듀서 모듈은 발생된 초음파의 집속 방향인 제1 축 방향으로 오목한 형태를 갖는 곡면형 트랜스듀서부, 곡면형 트랜스듀서부에 제1 축과 수직인 제2 축 방향으로 복수 개 형성되고, 제1 축 및 제2 축과 수직인 방향인 제3 축 방향으로 길이 연장되어 형성되고, 곡면형 트랜스듀서부의 적어도 일부를 분리하여 복수 부위의 트랜스듀서 소자를 형성하는 커프부 및 트랜스듀서부의 제3 측 방향의 양 끝 말단 중 적어도 어느 한 일단에 초음파 집속 방향과 반대 방향으로 절곡되어 형성된 절곡부를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브의 제조 방법은 전기적 신호를 입력 받아 초음파를 발생시키는 트랜스듀서 모듈을 형성하는 단계 및 트랜스듀서 모듈에 전기적 신호를 입력하는 회로를 배치하는 단계를 포함하고, 트랜스듀서 모듈을 형성하는 단계는, 발생된 초음파의 집속 방향인 제1 축 방향으로 오목한(concave) 형태를 갖는 곡면형 트랜스듀서부를 형성하는 단계, 곡면형 트랜스듀서부에 제1 축과 수직인 제2 축 방향으로 복수 개 형성되고, 제1 축 및 제2 축과 수직인 방향인 제3 축 방향으로 길이 연장되어 형성되고, 곡면형 트랜스듀서부의 적어도 일부를 분리하여 복수 부위의 트랜스듀서 소자를 형성하는 커프(kerf)부를 형성하는 단계 및 트랜스듀서부의 제3 축 방향의 양 끝 말단 중 적어도 어느 한 일단에 초음파 집속 방향과 반대 방향으로 절곡된 절곡부를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브 제조 방법은 제1 축 방향의 소정의 제1 두께 및 상기 제1 축 방향으로 오목한 소정의 곡률을 갖고, 제1 축과 수직한 제3 축 방향으로 길이 연장된 형태를 갖는 복수의 트랜스듀서 소자를 제공하는 단계, 소정의 제2 두께를 갖는 복수의 판상형 분리부재를 제공하는 단계 및 제1 축 방향 및 제3 축과 수직인 제2 축 방향으로 복수의 트랜스듀서 소자와 복수의 분리부재를 번갈아 적층하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브 제조 방법은 제2 축 방향의 소정의 제1 두께를 갖는 복수의 판상형 트랜스듀서 소자를 제공하는 단계, 소정의 제2 두께를 갖는 복수의 판상형 분리부재를 제공하는 단계, 제2 축 방향으로 복수의 트랜스듀서 소자와 복수의 분리부재를 번갈아 적층하여 복합체를 형성하는 단계 및 복수의 판상형 트랜스듀서 소자가 제2 축과 수직인 제1 축 방향으로 오목한 소정의 곡률을 갖고, 제1 축 및 제2 축과 수직인 제3 축 방향으로 연장된 형상을 갖도록 복합체의 상기 제1 축과 수직인 한 면 또는 양면을 연삭하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브 제조 방법은 적어도 일부가 초음파의 집속 방향인 제1 축 방향으로 오목한 형태를 갖는 곡면형 트랜스듀서부 및 트랜스듀서부의 제1 축과 수직인 제3 축 방향의 양 끝 말단에 초음파 집속 방향과 반대 방향으로 절곡되어 형성된 절곡부를 포함하는 트랜스듀서 소자를 제공하는 단계 및 곡면형 트랜스듀서부에 제3 축 방향으로 길이 연장되고, 제1 축 및 제3 축과 수직인 제2 축 방향으로 복수 개인 커프부를 상기 곡면형 트랜스듀서부의 적어도 일부를 절삭하여 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브 및 그 제조 방법은 복수의 고강도 집속 초음파 트랜스듀서들이 기하학적 구조에 기반하여 기하학적 집속이 가능하고 전기적으로 송신시간을 제어 가능함으로써, 저렴하고 용이하게 고강도 집속 초음파 배열형 프로브를 제공 가능하고 치료 효과는 향상시키면서 치료 시간을 단축시킬 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브의 실시 환경을 설명하는 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브의 구성을 간략하게 도시하는 블록도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배열형 고강도 집속 초음파 프로브에서 트랜스듀서 모듈을 표시한 사시도 및 평면도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배열형 고강도 집속 초음파 프로브에서 트랜스듀서 모듈을 표시한 사시도 및 측면도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배열형 고강도 집속 초음파 프로브의 커프 간격을 실험한 결과이다.
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배열형 고강도 집속 초음파 프로브의 소자 폭을 실험한 결과이다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배열형 고강도 집속 초음파 프로브에서 트랜스듀서 모듈을 표시한 사시도이다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배열형 고강도 집속 초음파 프로브를 제조하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배열형 고강도 집속 초음파 프로브를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배열형 고강도 집속 초음파 프로브를 제조하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 11은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배열형 고강도 집속 초음파 프로브를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 개시의 일 실시 예에 따른 배열형 고강도 집속 초음파 프로브를 제조하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 13은 본 개시의 일 실시 예에 따른 배열형 고강도 집속 초음파 프로브를 제조하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 종래의 진단용 초음파 영상 진단 기기에서 사용하는 프로브의 집속 방법을 설명하는 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 1을 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브(100)의 실시 환경을 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 개시의 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 장치(200)는 고강도 집속 초음파 프로브(100)를 제어하여 고강도 집속 초음파 프로브(100)에서 발생된 초음파를 신체 내부의 특정 지점에 집속시켜 음향 에너지를 전달할 수 있다. 고강도 집속 초음파 장치(100)는 고강도 집속 초음파 프로브(100)의 트랜스듀서 모듈에 포함된 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.
고강도 집속 초음파 장치(100)는 집속 지점 변경을 위하여 고강도 집속 초음파 프로브(100)의 트랜스듀서 소자들의 초음파 송신 시간 지연(delay)을 계산하기 위한 프로세서를 포함하는 제어부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 고강도 집속 초음파 장치(200)는 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 고강도 집속 초음파 장치(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.
고강도 집속 초음파 장치(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 장치(100)는 고강도 집속 초음파 프로브(100)와 케이블 또는 무선 연결되어 고강도 집속 초음파 프로브(100)를 제어할 수 있다.
일 실시 예에서, 고강도 집속 초음파 프로브(100)는 핸드피스(또는 완드라 불리울 수 있다)(100b) 및 카트리지(100a)를 포함할 수 있다. 이 경우, 초음파 트랜스듀서 모듈은 카트리지(100a) 내에 구현될 수 있다. 다른 실시 예에서, 고강도 집속 초음파 프로브(200)는 핸드피스(100b) 및 카트리지(100a)가 일체화되어 구현될 수 있다.
핸드피스(100b) 및 카트리지(100a)가 별도로 구현되는 경우 카트리지(100a)가 핸드피스(100b)에 결합 가능하도록 전기적 연결 단자 및 물리적 결합을 위한 가이드 부가 핸드피스(100b)에 구현될 수 있다. 일 실시 예에서, 가이드 부는 핸드피스(100b)의 전단부에 카트리지(100a)가 결합되는 방향으로 돌출된 바(bar) 또는 돌기 등의 형상으로 구현될 수 있다.
도 2를 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 고강도 집속 초음파 프로브(100)의 구성을 설명한다.
고강도 집속 초음파 프로브(100)는 전기적 신호를 입력 받아 초음파를 발생시키는 트랜스듀서 모듈(110) 및 트랜스듀서 모듈(110)에 전기적 신호를 입력하는 회로(120)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 고강도 집속 초음파 프로브(100)는 트랜스듀서 모듈(110)의 트랜스듀서 소자가 적은 개수의 어레이로 구성되는 경우 핸드피스(100b)의 축 방향인 전후 방향으로 이동시켜서 다수의 집속 지점에 초음파를 집속시키기 위해(즉, 초음파 집속 지점이 동일 선상을 따라 일정 간격으로 복수의 지점들을 이루도록) 트랜스듀서 모듈(110)을 1차원 이동시킬 수 있는 스테핑 모터를 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 트랜스듀서 모듈(110)의 위치를 판단할 수 있는 센서(130)를 포함할 수 있다. 센서(130)는 광학 센서, 롤러 볼 센서 등일 수 있다. 다른 실시 예로서, 센서(130)를 사용하지 않고 트랜스듀서 모듈(110)을 이동시키기 위한 모터에 인코더(encoder)를 연결하여 이동 변위를 계산하고, 현재 트랜스듀서 모듈(110)의 위치를 판단할 수 있다. 센서(130)는 트랜스듀서 모듈(110)의 이동뿐만 아니라 핸드피스(100b)와 카트리지(100a)의 결합 감지(이 경우 압력 센서이거나 전기적 연결을 감지하는 스위치일 수 있다), 핸드피스(100b)의 지면에 대한 각도, 사용자의 핸드피스(100b) 그립(grip) 등을 감지하는 여러 용도의 센서들이 다양하게 사용될 수 있다.
다른 실시 예로서, 트랜스듀서 소자가 다수인 어레이로 구성되는 경우 복수의 트랜드듀서 소자들의 일부를 차례대로 제어하고 제어되는 트랜스듀서 소자들의 송신 시간을 달리함으로써 핸드피스(100b)의 축 방향인 전후 방향으로 다수의 집속 지점에 초음파를 집속시킬 수 있다. 이 경우, 트랜스듀서 모듈(110)의 이동이 필요하지 않을 수 있다.
다른 실시 예로서, 트랜스듀서 소자가 다수인 어레이로 구성되는 경우 모터를 이용하여 핸드피스의 길이 방향의 축을 중심으로 복수의 트랜스듀서 소자들(트랜스듀서 모듈)을 일정 각도 회전시킬 수 있다.
다른 실시 예로서, 트랜스듀서 소자들의 1차원 배열에서 트랜스듀서 소자들이 결합된 방향의 축이 핸드피스(100b)의 길이 방향의 축과 직교할 수 있다. 따라서 이 경우, 배열형 복수의 트랜스듀서 소자들이 핸드피스(100b)의 길이 방향의 축을 따라서 이동하도록(즉, 도 3을 참조하면 제3 축 방향을 따라서 이동하도록) 트랜스듀서 모듈을 이동시킬 수 있다. 이 경우, 보다 넓은 면적에 동시에 초음파 에너지를 전달함으로써 치료 시간을 단축시킬 수 있다.
도 3을 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 배열형 고강도 집속 초음파 트랜스듀서 모듈을 설명한다.
본 명세서에서는 복수의 트랜스듀서 소자들로부터 초음파가 발생하여 집속되는 지점을 향하는 축을 제1 축(height 방향, axial 방향의 축이라고도 한다), 복수의 트랜스듀서 소자들이 배열된 방향을 제2 축(lateral 방향, 측 방향의 축이라고도 한다), 각 트랜스듀서 소자가 연장된 길이 방향이면서 제1 축 및 제2 축과 직각을 이루는 축을 제3 축(elevation 방향 축, 고도 방향 축이라고도 한다)으로 설명한다. 제1 축, 제2 축 및 제 3 축은 서로 직교한다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배열형 고강도 집속 초음파 트랜스듀서 모듈은 커프(kerf)(113)를 사이에 두고 1차원 배열 형태로 제2 축 방향으로 복수의 트랜스듀서 소자들(111)이 배치된 형태일 수 있다. 커프는 후술하겠지만, 트랜스듀서 소자들 사이의 간격을 의미하고, 커프와 트랜스듀서 소자(111)의 제2 축 방향의 폭을 포함하여 소자 간격 (pitch)이라고 할 수 있다. 소자 간격 및 커프의 크기에 따라 격자엽(grating lobe)의 크기 및 신체 내부에 전달되는 에너지의 크기가 달라질 수 있다. 따라서 배열 소자 형태의 고강도 집속 초음파 트랜스듀서는 주엽(main lobe) 크기의 증가와 격자엽의 크기가 최소가 되도록 최적의 초음파 소자 간격 선정이 선행되어야 한다.
각 트랜스듀서 소자들(111)은 제1 축 방향으로 오목한(concave) 기하학적 형태를 가질 수 있고, 이러한 기하학적 구조는 트랜스듀서 소자들(111)로부터 발생하는 초음파의 집속 지점의 설정과 관련되어 있다. 각 트랜스듀서 소자들(111)이 전기전 신호를 입력받아 발생시킨 초음파는 오목한 방향으로 진행하여 신체 내부의 특정 깊이 지점에 집속되어 에너지를 전달할 수 있다.
각 트랜스듀서 소자들(111)은 제3 축 방향으로 길게 연장된 형태일 수 있다. 따라서, 각 트랜스듀서 소자들(111)의 제2 축 방향의 폭보다 제3 축 방향의 길이가 긴 형상일 수 있다.
각 트랜스듀서 소자들(111)이 전기적 신호를 입력받아 발생시킨 초음파는 오목한 방향으로 진행하여 신체 내부의 특정 깊이 지점에 집속되어 전달되는 에너지(즉, 트랜스듀서 모듈의 초음파 출력 에너지)는 집속 지점에서 0.5 J/cm2 이상일 수 있다. 따라서, 신체 내부 집속 지점의 온도가 약 섭씨 60 도 이상이 되도록 에너지를 전달하여 신체 내부의 집속 지점에 열적 변이를 생성할 수 있다.
도 4를 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 배열형 고강도 집속 초음파 트랜스듀서 모듈을 설명한다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배열형 고강도 집속 초음파 트랜스듀서 모듈은 고강도 집속 초음파 트랜스듀서 소자들(111) 사이의 커프(113)에 배치된 분리부재(115)를 포함할 수 있다.
일 실시 예 에서, 고강도 집속 초음파 트랜스듀서 소자들(111)은 서로 직접 연결되어 배열 형태로 배치되는 것이 아니라 분리부재(115)를 통해 고정되는 형태로 결합될 수 있다.
일 실시 예에서, 분리부재(115)는 섭씨 300 도 이상의 열안정성을 갖는 물질로 구성될 수 있고, 예시적으로 폴리이미드(Polyimide: PI)일 수 있다. 따라서, 분리부재(115)는 연납땜 방법으로 신호선을 트랜스듀서 소자(111)에 연결할 때 분리부재(115)가 열적으로 변형되는 것을 방지할 수 있도록, 고온에 장시간 노출되어도 물성변화가 적은 물질로 구성될 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 배열형 고강도 집속 초음파 트랜스듀서 모듈의 복수의 트랜스듀서 소자들은 각각의 초음파 집속 방향과 반대 방향의 후면에 전기적 신호를 인가하는 신호선이 연납땜(soldering)으로 연결될 수 있다. 고강도 집속 초음파 트랜스듀서 소자는 원하는 병변에 열적 변이를 일으킬 정도의 높은 에너지의 신호를 인가하기 때문에, 순간적으로 높은 열을 발생시킬 수 있고, 신호선을 트랜스듀서 소자에 연결하기 위해서는 약 섭시 300 도 이상의 녹는점을 가지는 연납땜 방법을 이용할 수 있다.
일 실시 예에서, 분리부재(115)의 제1 축 방향의 길이는 트랜스듀서 소자(111)의 제1 축 방향의 길이(두께)보다 긴 형태일 수 있다. 따라서, 분리부재(115)는 연납땜 방법으로 신호선을 트랜스듀서 소자(111)에 연결할 때 용융된 납이 다른 소자와 연결되는 현상을 방지하는 댐 역할을 할 수 있다.
도 5를 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 배열형 고강도 집속 초음파 트랜스듀서 모듈의 커프 폭(크기)와 트랜스듀서 소자의 폭을 설명한다.
도 5는 커프 폭에 따른 격자엽 크기에 대한 시뮬레이션 결과를 보여준다. 해당 시뮬레이션은 트랜스듀서 소자 폭을 약 460 um(마이크로미터)로 고정하였으며 커프 폭을 20 um부터 160 um까지 20 um 간격으로 시뮬레이션을 진행하였다. 이 때 격자엽의 크기는 최대 에너지 대비 약 -15 dB 미만으로 커프 폭의 범위를 설정하였다. 도 5 (a)는 커프 폭이 40 um일 때 빔 프로파일(Beam profile)을 보여주며 도 5 (b)는 커프 폭이 160 um일 때 빔 프로파일을 보여준다. 도 5 (c)는 커프 폭이 40 um, 160 um일 때의 선형 플롯(Line plot)을 나타낸다. 도 5 (d)는 커프 폭 변화에 따른 격자엽의 상대적인 크기를 그래프로 표현하였다. 커프 폭의 크기가 100 um일 때 격자엽의 상대적인 크기가 약 -15.34 dB가 되는 것을 확인할 수 있으며, 120 um일 때 -14.74 dB가 되어 -15 dB 보다 커지는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 해당 조건에서는 커프 폭을 약 100 um까지 증가시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 6은 도 5와는 반대로 커프 폭을 40 um로 고정하였으며, 소자 폭을 400 um부터 600 um까지 50 um간격으로 변경하면서 시뮬레이션을 진행하였다. 이를 통해 격자엽의 상대적인 크기가 약 -15dB 미만으로 하는 소자 폭의 범위를 설정하였다. 도 6 (a)는 소자 폭이 450 um일 때 빔 프로파일을 보여주며 도 6 (b)는 소자 폭이 600 um일 때 빔 프로파일을 보여준다. 도 6 (c)는 소자 폭이 450 um, 600 um일 때의 선형 플롯을 나타낸다. 도 6 (d) 는 소자 폭 변화에 따른 격자엽의 상대적인 크기를 그래프로 표현하였다. 소자 폭의 크기가 500 um일 때 격자엽의 상대적인 크기가 약 -16.26 dB가 되는 것을 확인할 수 있으며, 550 um일 때는 -14.35 dB가 되어 -15 dB 보다 커지는 것을 확인할 수 있어 해당 조건에서는 소자 폭을 약 500~550 um까지 증가시킬 수 있음을 알 수 있다.
도 5 및 도 6에서 수행한 시뮬레이션은 소자 폭과 커프 폭을 고정 시켰고 단일 주파수(4 MHz)일 경우에 수행한 시뮬레이션 결과로서, 여러 가지 조건 변화에 따라 설정한 범위가 달라질 수 있다. 도 5 및 도 6의 시뮬레이션을 통해서 소자 및 커프 폭의 증가에 따라 격자엽의 크기가 커져 전체 에너지는 감소될 수 있으므로, 전체 에너지가 가장 크게 될 수 있도록 소자의 폭과 커프 폭, 소자 간격을 결정할 수 있다.
도 7을 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 배열형 고강도 집속 초음파 프로브의 다른 실시예를 설명한다.
앞서 설명한 부분과 중복되는 부분은 자세한 설명을 생략하고 트랜스듀서 모듈을 중심으로 하여 설명한다.
고강도 집속 초음파 프로브(100)는 트랜스듀서 모듈을 포함할 수 있고, 트랜스듀서 모듈은 초음파를 발생하는 부분인 트랜스듀서 소자(311)가 커프(313)로 인해 곡면형 트랜스듀서부(310, 320)의 복수의 부위에 형성될 수 있다.
트랜스듀서 모듈은 곡면의 트랜스듀서부(310, 320) 및 트랜스듀서부(310, 320)의 제3 축 방향의 양 끝 말단의 적어도 한 쪽에 초음파 집속 방향과 반대 방향으로 절곡되어 평면을 형성하는 절곡부(315a, 315b)를 포함할 수 있다. 곡면의 트랜스듀서부(310, 320)는 초음파의 집속 방향인 제1 축 방향으로 오목한 형태를 가질 수 있다.
일 실시 예에서, 커프(313)로 인해 곡면형 트랜스듀서부(310, 320)의 일부가 분리되어 복수의 부위에 형성된 복수 부위의 트랜스듀서 소자(311)에 전기적 신호를 인가하여 초음파를 발생시킬 수 있고, 전기적 신호를 인가하는 신호선은 초음파 집속 방향의 반대인 후면(310)에서 트랜스듀서 소자(311)에 연납땜으로 연결될 수 있다. 일 실시 예에서, 커프(313)에 도 4와 같은 분리 부재가 배치될 수 있다.
일 실시 예에서, 그라운드 전극은 곡면형 트랜스듀서부에서 초음파 집속 방향 전면(320)의 적어도 일부에 형성될 수 있고, 스퍼터링 방식으로 형성되어 초음파 감쇄를 감소시킬 수 있다. 그라운드 전극은 복수 부위의 트랜스듀서 소자(311)들의 초음파 집속 방향인 전면(320)의 적어도 일부에 형성될 수 있다.
트랜스듀서부(310, 320)의 일부가 분리되어 복수의 부위에 형성된 복수 부위의 트랜스듀서 소자(311)들은 제3 축 방향을 따라 길이 연장되어 형성된 커프(313)로 인하여 분리된 부분을 의미하고, 따라서 트랜스듀서 소자(311)들의 제3 축 방향의 양 말단 중 적어도 어느 한 일단은 서로 연결되어 있을 수 있다.
도 8 내지 도 13을 참조하여 본 개시의 일 실시 예에 따른 배열형 고강도 집속 초음파 프로브 제조 방법을 설명한다.
먼저 도 8 및 도 9를 참조하여 적층 방식으로 고강도 집속 초음파 프로브를 제조하는 방법을 설명한다.
전기적 신호가 인가되는 경우 초음파가 발생하여 집속되는 방향인 제1 축 방향으로 소정의 두께를 가지면서 제1 축 방향으로 오목한 소정의 곡률을 갖고, 제1 축과 수직한 제3 축 방향으로 길이 연장된 형태를 갖는 복수의 트랜스듀서 소자(911)가 제공된다(S810).
소정의 제2 두께를 갖는 복수의 판상형 분리부재가 제공되고(S820), 판상형 분리부재는 섭씨 300 도 이상의 열안정성을 갖는 물질로 구성될 수 있고, 예시적으로 폴리이미드일 수 있다.
제1 축 방향 및 제3 축과 직교하는 제2 축 방향으로 복수의 곡률형 트랜스듀서 소자와 복수의 판상형 분리부재를 번갈아 적층하여(S830) 판상형 분리부재가 커프(911)에 배치되도록 트랜스듀서 모듈을 제조하고, 이 후, 연납땜 방식으로 복수의 곡률형 트랜스듀서 소자의 후면(초음파 집속 방향과 반대 측의 면)에 신호선을 연결하고 전면에 그라운드 전극을 형성할 수 있다. 적층 방식은 제작의 용이성이 뛰어난 효과가 있다.
도 10 및 도 11을 참조하여 연삭(polishing, grinding) 방식으로 고강도 집속 초음파 프로브를 제조하는 방법을 설명한다.
제2 축 방향의 소정의 두께를 갖는 복수의 판상형 트랜스듀서 소자(1111)가 제공(S1010)되고, 소정의 다른 두께를 갖는 복수의 판상형 분리부재(1113)가 제공(S1020)된다. 이후, 제2 축 방향으로 복수의 트랜스듀서 소자(1111)와 복수의 상기 분리부재(1113)를 번갈아 적층하여 복합체를 형성(S1030)하고, 복합체의 제1 축과 수직인 한 면 또는 양면을 연삭기(1123)로 연삭(1121)한다(S1040). 이 때 연삭기(1123)의 연삭날의 곡률은 초음파 집속 지점을 고려한 기하학적 구조를 가질 수 있도록 설정한다. 한 면은 초음파가 발생하여 집속되는 방향인 제1 축 방향으로 소정의 두께를 가지면서 제1 축 방향으로 오목한 소정의 곡률을 갖도록 연삭하고, 그 반대 방향인 다른 한 면인 후면(초음파 집속 방향과 반대 측의 면)은 제1 축 방향으로 볼록한 소정의 곡률을 갖도록 연삭할 수 있다. 연삭 방식은 제작의 용이성이 뛰어나고 민감도가 낮은 효과가 있다.
도 12 및 도 13을 참조하여 절삭 방식으로 고강도 집속 초음파 프로브를 제조하는 방법을 설명한다.
적어도 일부가 초음파의 집속 방향인 제1 축 방향으로 오목한 형태를 갖는 곡면형 트랜스듀서부(1331, 1333) 및 트랜스듀서부(1331, 1333)의 제1 축과 수직인 제3 축 방향의 양 끝 말단에 초음파 집속 방향과 반대 방향으로 절곡되어 형성된 절곡부(1310a, 1310b)를 포함하는 트랜스듀서 소자(1300)를 제공(S1210)한다.
곡면형 트랜스듀서부(1331, 1333)에 제3 축 방향으로 길이 연장되고, 제1 축 및 제3 축과 수직인 제2 축 방향으로 복수 개인 커프부(1313)를 곡면형 트랜스듀서부(1331, 1333)의 적어도 일부를 절삭기(1340)를 통하여 절삭하여 형성(S122)한다.
커프(1313)로 인해 곡면형 트랜스듀서부(1331, 1333)의 일부가 분리되어 복수의 부위에 형성된 복수 부위의 트랜스듀서 소자(1311)에 전기적 신호를 인가하여 초음파를 발생시킬 수 있고, 전기적 신호를 인가하는 신호선은 초음파 집속 방향의 반대인 후면(1333)에서 트랜스듀서 소자(1311)에 연납땜으로 연결될 수 있다. 일 실시 예에서, 커프(1313)에 도 4와 같은 분리 부재가 배치될 수 있다. 일 실시 예에서, 곡면형 트랜스듀서부(1331, 1333)의 전면(1331)에 그라운드 전극이 스퍼터링 방식으로 형성될 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.

Claims (15)

  1. 전기적 신호를 입력 받아 초음파를 발생시키는 트랜스듀서 모듈에서 발생된 초음파의 집속 방향인 제1 축 방향으로 오목한(concave) 형태를 갖는 복수의 트랜스듀서 소자들이 커프(kerf)를 사이에 두고 상기 제1 축과 수직인 제2 축 방향으로 배치되도록 트랜스듀서 모듈을 제작하는 단계; 및
    상기 트랜스듀서 모듈에 전기적 신호를 입력하는 회로를 배치하는 단계를 포함하고,
    상기 복수의 트랜스듀서 소자들 각각은 전기적 신호를 입력 받아 발생하는 초음파가 소정의 지점에 집속되도록 야기하는 기하학적 구조로 형성되고, 상기 제1 축 방향 및 상기 제2 축 방향에 수직인 제3 축 방향의 길이가 상기 제2 축 방향의 길이보다 긴 형상을 가지는,
    고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 트랜스듀서 모듈의 초음파 출력 에너지는 집속 지점에서 0.5 J/cm2 이상인,
    고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브의 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 커프에 분리부재를 배치하는 단계를 더 포함하고,
    상기 분리부재의 상기 제1 축 방향의 길이는 상기 트랜스듀서 소자의 상기 제1 축 방향의 길이보다 긴,
    고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브의 제조 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 복수의 트랜스듀서 소자들 각각의 초음파 집속 방향과 반대 방향의 후면에 전기적 신호를 인가하는 신호선을 연납땜(soldering)으로 연결하는 단계를 더 포함하는,
    고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브의 제조 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    섭씨 300 도 이상의 열안정성을 갖는 물질로 구성된 분리부재를 상기 커프에 배치하는 단계를 더 포함하는,
    고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브의 제조 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 분리부재는 폴리이미드로 구성되는,
    고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브의 제조 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 트랜스듀서 모듈을 제작하는 단계는,
    상기 복수의 트랜스듀서 소자들 각각이 상기 제2 축 방향으로 직접적으로 연결되지 않도록 상기 복수의 트랜스듀서 소자들을 형성하는 단계를 포함하는,
    고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브의 제조 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 트랜스듀서 모듈을 제작하는 단계는,
    상기 복수의 트랜스듀서 소자들 각각의 상기 제3 축 방향의 양 끝 말단 중 적어도 어느 한 일단은 서로 연결되도록 상기 복수의 트랜스듀서 소자들을 형성하는 단계를 포함하는,
    고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브의 제조 방법.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 복수의 트랜스듀서 소자들 각각의 초음파 집속 방향 전면의 적어도 일부에 그라운드 전극을 형성하는 단계를 더 포함하는,
    고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브의 제조 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 복수의 트랜스듀서 소자들 각각의 상기 제3 축 방향의 양 끝 말단 중 적어도 어느 한 일단의 연장부는 초음파 집속 방향과 반대 방향으로 절곡된 절곡부를 형성하는 단계를 더 포함하는,
    고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브의 제조 방법.
  11. 전기적 신호를 입력 받아 초음파를 발생시키는 트랜스듀서 모듈을 형성하는 단계; 및
    상기 트랜스듀서 모듈에 전기적 신호를 입력하는 회로를 배치하는 단계를 포함하고,
    상기 트랜스듀서 모듈을 형성하는 단계는,
    발생된 초음파의 집속 방향인 제1 축 방향으로 오목한(concave) 형태를 갖는 곡면형 트랜스듀서부를 형성하는 단계;
    상기 곡면형 트랜스듀서부에 상기 제1 축과 수직인 제2 축 방향으로 복수 개 형성되고, 상기 제1 축 및 상기 제2 축과 수직인 방향인 제3 축 방향으로 길이 연장되어 형성되고, 상기 곡면형 트랜스듀서부의 적어도 일부를 분리하여 복수 부위의 트랜스듀서 소자를 형성하는 커프(kerf)부를 형성하는 단계; 및
    상기 트랜스듀서부의 상기 제3 축 방향의 양 끝 말단 중 적어도 어느 한 일단에 초음파 집속 방향과 반대 방향으로 절곡된 절곡부를 형성하는 단계를 포함하는,
    고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브의 제조 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 곡면형 트랜스듀서부에서 초음파 집속 방향 전면의 적어도 일부에 그라운드 전극을 형성하는 단계;
    상기 곡면형 트랜스듀서부에서 상기 전면과 반대인 후면의 적어도 일부에 전기적 신호를 인가하는 신호선을 연납땜(soldering)으로 연결하는 단계; 및
    분리부재로서, 상기 분리부재의 상기 제1 축 방향의 길이가 상기 곡면형 트랜스듀서부의 상기 제1 축 방향의 길이보다 긴 상기 분리부재를 상기 커프에 배치하는 단계를 더 포함하는,
    고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브의 제조 방법.
  13. 제1 축 방향의 소정의 제1 두께 및 상기 제1 축 방향으로 오목한(concave) 소정의 곡률을 갖고, 상기 제1 축과 수직한 제3 축 방향으로 길이 연장된 형태를 갖는 복수의 트랜스듀서 소자를 제공하는 단계;
    소정의 제2 두께를 갖는 복수의 판상형 분리부재를 제공하는 단계; 및
    상기 제1 축 방향 및 상기 제3 축과 수직인 제2 축 방향으로 복수의 상기 트랜스듀서 소자와 복수의 상기 분리부재를 번갈아 적층하는 단계를 포함하는,
    고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브의 제조 방법.
  14. 제2 축 방향의 소정의 제1 두께를 갖는 복수의 판상형 트랜스듀서 소자를 제공하는 단계;
    소정의 제2 두께를 갖는 복수의 판상형 분리부재를 제공하는 단계;
    상기 제2 축 방향으로 복수의 상기 트랜스듀서 소자와 복수의 상기 분리부재를 번갈아 적층하여 복합체를 형성하는 단계; 및
    복수의 상기 판상형 트랜스듀서 소자가 상기 제2 축과 수직인 제1 축 방향으로 오목한(concave) 소정의 곡률을 갖고, 상기 제1 축 및 상기 제2 축과 수직인 제3 축 방향으로 연장된 형상을 갖도록 상기 복합체의 상기 제1 축과 수직인 한 면 또는 양 면을 연삭하는 단계를 포함하는,
    고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브의 제조 방법.
  15. 적어도 일부가 초음파의 집속 방향인 제1 축 방향으로 오목한(concave) 형태를 갖는 곡면형 트랜스듀서부 및 상기 트랜스듀서부의 상기 제1 축과 수직인 제3 축 방향의 양 끝 말단에 초음파 집속 방향과 반대 방향으로 절곡되어 형성된 절곡부를 포함하는 트랜스듀서 소자를 제공하는 단계; 및
    상기 곡면형 트랜스듀서부에 상기 제3 축 방향으로 길이 연장되고, 상기 제1 축 및 상기 제3 축과 수직인 제2 축 방향으로 복수 개인 커프(kerf)부를 상기 곡면형 트랜스듀서부의 적어도 일부를 절삭하여 형성하는 단계를 포함하는,
    고강도 집속 초음파(HIFU) 프로브의 제조 방법.
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