WO2017135567A1 - Ｈｉｆｕ와 초음파 영상을 위한 초음파 치료 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

Ｈｉｆｕ와 초음파 영상을 위한 초음파 치료 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to an ultrasound technique for noninvasive treatment based on medical imaging, and in particular, to implement an ultrasound transducer for acquiring an ultrasound image and an ultrasound transducer for treatment in a single probe.
  • Ultrasound (US) image is a structure of the observation region by applying an ultrasonic signal to the observation region in the human body using an ultrasonic probe (probe), receiving the ultrasonic signal reflected back from the tissue and extracting the information contained in the signal And equipment for imaging characteristics.
  • This has the advantage that it is possible to obtain a real-time image without harm to the human body compared to other medical imaging systems such as X-ray, CT, MRI, PET.
  • HIFU High Intensity Focused Ultrasound
  • Ultrasound tumor treatment devices generally employ spherical focusing. Ultrasonic waves emitted from all points are focused toward the center of the sphere. An emitter on the ultrasound therapy device emits ultrasound from the outside of the body to the inside of the body, which is focused during emission and transmission to form a high energy focus point. Thus, high intensity and continuous ultrasound energy is applied to the lesion area of the patient.
  • the conventional probe structure for performing the HIFU treatment by ultrasound image confirmation due to the difficulty of the transducer arrangement of any one of the image transducer or the HIFU treatment transducer It solves the problem of adverse effects on normal tissues due to the insufficient resolution of the image, and the ultrasonic response device due to the frequency response characteristic that is not specific to the low band signal or the high band signal in the probe structure using the universal transducer. We want to overcome the limitations of overall performance degradation.
  • an ultrasound therapy apparatus for generating an ultrasound image by irradiating the ultrasound signal to the object and the signal reflected from the object;
  • a plurality of high intensity focused ultrasound (HIFU) transducers that treat tissue in the focused area by radiating an ultrasonic signal to a target to generate thermal energy;
  • a controller configured to control a difference between apertures of the transducer arrays formed by the imaging transducer and the HIFU transformer to be within a predetermined value, wherein the imaging transducer and the HIFU transformer are probes.
  • HIFU high intensity focused ultrasound
  • the HIFU transducer has a frequency response characteristic of the center frequency band lower than that of the imaging transducer.
  • the converter for the image has a frequency response characteristic of the center frequency band is 3MHz ⁇ 5MHz
  • the HIFU transformer preferably has a frequency response characteristic of the center frequency band of 1MHz ⁇ 1.5MHz.
  • the imaging transducer and the HIFU transducer may be randomly disposed on one surface of the probe assembly or may be arranged to form a sparse array.
  • the imaging transducer and the HIFU transducer form a circular imaging transducer group and a circular HIFU transducer group for each transducer of the same type, but the circular imaging transducer
  • the group and the circular HIFU transducer group can be arranged to form concentric circles with different radii.
  • the controller may generate and apply an ultrasound signal having a different center frequency band to each of the imaging transducer and the HIFU transducer.
  • the ultrasound therapy apparatus in order to solve the above technical problem, a plurality of image transducer for generating an ultrasound image by irradiating the ultrasound signal to the target and the signal reflected from the target; And a plurality of high intensity focused ultrasound (HIFU) transducers for treating tissues in a focused area by irradiating an ultrasonic signal to a target to generate thermal energy, wherein the imaging transducer and the HIFU transducer are for each of the same type of transducers.
  • the transducer group for the circular image and the circular HIFU transducer group are formed to form concentric circles having different radii on one surface of the probe assembly.
  • the imaging transducer included in the transducer group for circular imaging and the HIFU transducer included in the circular HIFU transducer group may include a grating lobe generated by a gap between transducers. The location of the grating lobe may be minimized.
  • the imaging transducer included in the circular imaging transducer group and the HIFU transducer included in the circular HIFU transducer group may be disposed on each concentric circle at equal intervals. .
  • the circular imaging transducer group and the circular HIFU transducer group may be repeatedly arranged alternately in a direction of increasing radius from the center of the probe assembly.
  • the circular imaging transducer group and the circular HIFU transducer group may be arranged such that concentric circles adjacent to each other have the same distance.
  • the radius of the virtual concentric circles is determined such that the area of each area divided by at least two virtual concentric circles is the same, and the radius of the virtual concentric circles adjacent to each other among the virtual concentric circles is determined.
  • a new concentric circle is formed based on the average of, and one of the circular group transducer group or the circular HIFU transducer group may be disposed on the new concentric circle.
  • the radius of the virtual concentric circles is determined so that the area of each area divided by at least two virtual concentric circles is the same, and the area of each area divided by the virtual concentric circles.
  • a new concentric circle is formed at a position bisecting and one of the circular group transducer group or the circular HIFU transducer group may be disposed on the formed new concentric circle.
  • the control method of the ultrasound therapy apparatus (a) using a plurality of imaging transducers arranged on one surface of the probe (probe) assembly to target the ultrasound signal Irradiating and receiving a signal reflected from the subject to generate an ultrasound image of the tissue to be treated; (b) irradiating an ultrasonic signal to the object using a plurality of HIFU transducers disposed at a different position from the transducer for imaging on one surface of the probe assembly to generate thermal energy to generate tissue in the focused region; Treating; And (c) generating an ultrasound image of the treatment state of the tissue by irradiating the ultrasound signal to the object using the plurality of imaging transducers and receiving the signal reflected from the object.
  • the steps (b) and (c) are repeated at least one or more times.
  • the imaging transducer and the HIFU transducer may be randomly arranged on one surface of the probe assembly or arranged to form a sparse array.
  • the steps (a) to (c) may selectively drive the image converter and the HIFU converter, respectively, and the aperture of the transducer array may be determined by the driven transducer.
  • the imaging transducer and the HIFU transducer form a circular imaging transducer group and a circular HIFU transducer group for each transducer of the same type, wherein the circular The imaging transducer group and the circular HIFU transducer group are arranged to form concentric circles having different radii, and the steps (a) to (c) include the imaging transducer and the HIFU transducer respectively selected.
  • the aperture of the transducer array may be determined by the diameter of the transducer group being driven.
  • the steps (a) to (c) may include the same spacing on each concentric circle among the image converter included in the circular image transducer group and the HIFU transducer included in the circular HIFU transformer group.
  • steps (a) to (c) may selectively select the circular group transducer group and the circular HIFU transducer group which are repeatedly arranged alternately from each other in a direction of increasing radius from the center of the probe assembly.
  • the control unit may be driven so that the difference in aperture of the transducer group to be driven is within a predetermined value.
  • the steps (a) to (c) are arranged in a position where the influence of the grating lobe caused by the gap between the transducers is minimized
  • Each of the converted converters can be selectively driven.
  • a control method of an ultrasound therapy apparatus wherein the HIFU transducer has a frequency response characteristic of a center frequency band lower than that of the imaging transducer, and the steps (a) to (c) May generate and apply ultrasonic signals of different center frequency bands to each of the image converter and the HIFU transformer.
  • Embodiments of the present invention can improve the lateral direction resolution according to the large transducer diameter by the two types of transducers having different purpose of use are arranged in separate positions by utilizing the entire area of the probe, grating lobe
  • a placement technique that minimizes the effects of energy energy can be concentrated only on the local area to be treated without damage to normal tissues around the lesion area, and by adopting a transducer with a frequency response for each purpose, Effective HIFU treatment and axial direction resolution enhancement using high band frequency can be achieved simultaneously.
  • 1 is a view for explaining the characteristics of the ultrasound image and ultrasound treatment according to the aperture of the transducer.
  • FIGS. 2 and 3 are diagrams illustrating a probe structure including both an ultrasound transducer for acquiring an ultrasound image and a high intensity focused ultrasound (HIFU) transducer for ultrasound therapy.
  • HIFU high intensity focused ultrasound
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a frequency spectrum for the case of transmitting two types of ultrasonic signals using the same transducer of FIG.
  • FIG. 5 illustrates a schematic structure of a probe including both an ultrasound imaging transducer and an HIFU transducer proposed by embodiments of the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating an ultrasound therapy apparatus for HIFU and ultrasound imaging according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 7 and 8 are diagrams illustrating the frequency response of a transducer selectively specialized for receiving ultrasound for imaging or receiving ultrasound for therapeutic treatment in performing ultrasound image acquisition and ultrasound treatment through one probe.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a process of disposing an ultrasound imaging transducer and an HIFU transducer in an ultrasound therapy apparatus according to another exemplary embodiment.
  • FIG. 10 to 12 are views illustrating a strategy for determining the size of a circular transducer formed by each of the ultrasound imaging transducer and the HIFU transducer in the ultrasound therapy apparatus of FIG. 9 according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a diagram for describing a grating lobe according to the arrangement of an ultrasonic transducer.
  • FIG. 14 is a flowchart illustrating a method of controlling the ultrasound therapy apparatus, according to another exemplary embodiment.
  • an ultrasound therapy apparatus includes a plurality of imaging transducers that irradiate an ultrasound signal to a target and receive a signal reflected from the target to generate an ultrasound image; A plurality of high intensity focused ultrasound (HIFU) transducers that treat tissue in the focused area by radiating an ultrasonic signal to a target to generate thermal energy; And a controller configured to control a difference between apertures of the transducer arrays formed by the imaging transducer and the HIFU transformer to be within a predetermined value, wherein the imaging transducer and the HIFU transformer are probes.
  • HIFU high intensity focused ultrasound
  • High intensity focused ultrasound is a non-invasive treatment technique that irradiates human tissue with high-intensity ultrasound and necrosis lesion tissue such as cancer in human tissue, using multiple transducers placed in the probe. After converting the electrical signal into an ultrasonic signal, the ultrasonic signal is irradiated into the human body.
  • HIFU generally focuses and irradiates an ultrasound signal with a higher intensity than that used for ultrasound imaging, and necrotic lesion tissue by multiple procedures. The irradiated energy is converted into thermal energy and causes necrosis by raising the tissue located in the focal region of the ultrasound to a high temperature.
  • the imaging necrosis is necrotic before the start of the treatment or between multiple HIFU irradiation procedures. And an ultrasound image obtained by irradiating the surrounding area and receiving information about whether necrosis of the tissue and damage of surrounding tissue are necessary.
  • 1 is a view for explaining the characteristics of the ultrasound image and the ultrasound treatment according to the aperture of the transducer, it is represented by visualizing the focus of the ultrasound signal focused from the ultrasound transducer 110.
  • the focusing point must be accurate and localized for successful treatment because the neural focus can prevent necrosis of normal tissues. .
  • the larger the aperture (aperture) of the ultrasonic transducer has a physical feature that can focus the beam in a narrower area, which is shown in FIG. Referring to FIG. 1, it can be seen that D is an aperture of the ultrasonic transducer 110 and is inversely proportional to the beam width of the focal point. That is, the larger the aperture of the transducer 110, the higher the resolution of the ultrasound image, so that not only a high quality image can be obtained, but also HIFU treatment has the advantage that only the desired site can be precisely local treatment.
  • FIGS. 2 and 3 are diagrams illustrating a probe structure including both an ultrasound transducer for acquiring an ultrasound image and a high intensity focused ultrasound (HIFU) transducer for ultrasound therapy.
  • HIFU high intensity focused ultrasound
  • the ultrasound transducer 210 for imaging is concentrated in the center of the circular probe assembly 250 as shown in FIG. 2 and the HIFU therapy transducer 220 in the peripheral area thereof. Can be placed at the same time to obtain an image.
  • the probe assembly 250 designed as described above is formed such that the area composed of the image transducer 210 is smaller in size than the area composed of the HIFU transducer 220. This results in less than optimum performance, given that the aperture size of the probe is proportional to the resolution of the focal point. That is, a problem arises that the resolution of the ultrasound image obtained through the image transducer 210 is relatively low quality because the aperture of the image transducer 210 is small. If the image transducer 210 and the HIFU therapeutic transducer 220 are changed in position, the diameter of the HIFU therapeutic transducer 220 is relatively small, making it difficult to accurately treat a lesion in the local area. Another problem may arise.
  • the distribution areas of the transducers are divided so as to reduce the grating lobes where the ultrasonic waves are focused on unintended areas caused by the gaps between the transducers. Inappropriate
  • a universal transducer 310 capable of irradiating both the HIFU and the imaging ultrasound to the circular probe assembly 350 is shown in FIG. 3. Wide placement across the probe area allows simultaneous treatment and image acquisition.
  • Ultrasound for HIFU requires a lower frequency band than ultrasound for imaging when considering the depth of transmission due to the attenuation effect.
  • the resolution of the ultrasound image is proportional to the center frequency of the ultrasound, it is preferable that the frequency band of the ultrasound image is high. Therefore, the implementation of the ultrasound for imaging and the ultrasound for HIFU using physically identical transducers means that the two different frequency ranges must be encompassed, and it is very difficult to design and implement the actual transducer. Therefore, a problem of deterioration in performance or efficiency in use of each mode may occur due to the characteristics of a general-purpose transducer not specialized in each mode (ie, an image acquisition or treatment mode).
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a frequency spectrum when two kinds of ultrasonic signals are transmitted using the same transducer of FIG. 3, and the graph shown shows a frequency response with respect to a center frequency.
  • the frequency response thereof may not accurately correspond to each frequency band. . That is, the low frequency band and the high frequency band do not satisfy any band, and the frequency response characteristic 410 is not sensitive to a specific frequency band and occurs over the entire band, resulting in a degradation in response performance.
  • the present invention proposes an ultrasonic therapy apparatus and a control method thereof capable of rapidly necrotic tissue and feeding back the treatment state at high resolution.
  • FIG. 5 illustrates a schematic structure of a probe including both an ultrasound imaging transducer and an HIFU transducer proposed by embodiments of the present invention, and includes a transducer 10 for an ultrasound image and a transducer for HIFU ( 20) are fabricated according to each other's frequency band, and are arranged as shown in FIG. 5 using all the apertures of the probe without limiting the distribution area on one surface of one probe assembly 50.
  • the arrangement positions of the transducers may be freely arranged or optimized and arranged according to a sparse array technique.
  • the probe proposed through FIG. 5 has a plurality of transducers 10 for ultrasound imaging and HIFU transformation for treatment over the entire area of the probe assembly 50.
  • the transducer array is formed of transducers respectively driven when driving the ultrasonic transducer 10 for acquiring an ultrasound image or driving the HIFU transducer 20 for treatment. It has the advantage of maximizing the aperture.
  • the transducer element that can secure the frequency response characteristics for the purpose can be adopted.
  • the HIFU transformer 20 may have a frequency response characteristic of a center frequency band lower than that of the image converter 10, and more specifically, the image converter 10 may have a center frequency band. It has a frequency response characteristic of 3MHz ⁇ 5MHz, the HIFU transducer 20 preferably has a frequency response characteristic of the center frequency band of 1MHz ⁇ 1.5MHz.
  • each transducer 10, 20 specific to the treatment or imaging is placed across the probe assembly 50, thereby converging the ultrasound energy in the lower frequency band to a narrower point
  • Necrosis of tissues with thermal ablation and mechanical cavitation in time allows non-invasive treatment of tumors or cancers.
  • high resolution and excellent image quality ultrasound images can be fed back to the tissue during treatment to ensure the stability and accuracy of the procedure.
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating an ultrasound therapy apparatus for HIFU and an ultrasound image, according to an exemplary embodiment.
  • the probe assembly 50 may be configured according to the transducer arrangement method shown in FIG. 5.
  • the plurality of imaging transducers 10 may be configured to irradiate an ultrasonic signal to a target and to receive a signal reflected from the target to generate an ultrasonic image.
  • the plurality of HIFU (High intensity focused ultrasound) transducers 20 may include ultrasonic waves. By irradiating a signal to a target to generate heat energy, it is a structure for treating the tissue in a focused area.
  • the imaging transducer 10 and the HIFU transducer 20 are disposed at physically different positions on one surface of the probe assembly 50, and are formed to have frequency response characteristics of different center frequency bands. do.
  • each of the transducers 10 and 20 may be designed and implemented as a transducer element specialized for the frequency response characteristic for the purpose.
  • the imaging transducer 10 and the HIFU transducer 20 may be randomly disposed on one surface of the probe assembly 50 or may be arranged to form a sparse array.
  • the imaging transducer 10 and the HIFU transducer 20 may be randomly disposed on one surface of the probe assembly 50 or may be arranged to form a sparse array.
  • the image converter 10 and the HIFU transformer 20 form a circular image transducer group and a circular HIFU transformer group for each transducer of the same type, but the circular image transducer group And the circular HIFU transducer group may be arranged to form concentric circles having different radii. A detailed arrangement strategy for forming concentric circles will be described later with reference to FIGS. 9 through 12.
  • the controller 30 is configured to generate and apply ultrasonic signals having different center frequency bands to each of the image transducer 10 and the HIFU transducer 20.
  • the control unit 30 is a means for controlling the difference between the apertures of the transducer arrays formed by the image transducer 10 and the HIFU transducer 20 to be within a predetermined value. In this way, localization of the treatment area can be achieved while maintaining high resolution of the ultrasound image.
  • FIG. 7 and 8 illustrate frequency response of a transducer selectively specialized for imaging ultrasound reception or therapeutic ultrasound reception in performing ultrasound image acquisition and ultrasound therapy through one probe, each of which is disposed in a probe assembly.
  • the converter is designed to have a frequency response that meets the intended use.
  • the center frequency of ultrasound for medical ultrasound imaging is 3MHz ⁇ 5MHz.
  • the center frequency of the ultrasonic wave for HIFU is about 1MHz ⁇ 1.5MHz.
  • FIG. 7 shows a transducer having excellent frequency response 710 for a high frequency band, which is a transducer 10 for imaging of the ultrasound therapy apparatus of FIG. 6 capable of providing high quality resolution in the high frequency band. It is advantageous to utilize.
  • Figure 8 shows a transducer having a good frequency response 810 for the low frequency band, it is advantageous to use such a transducer as the HIFU transducer 20 of the ultrasound therapy device of Figure 6 that requires a frequency response of the low frequency band Do.
  • the imaging transducer and the HIFU transducer form a circular imaging transducer group and a circular HIFU transducer group for each transducer of the same type to form concentric circles having different radii on one surface of the probe assembly. It is assumed to be deployed.
  • the transducer group for the circular image and the circular HIFU transducer group are repeatedly arranged alternately in the direction of increasing radius from the center of the probe assembly, thereby converting the transducer used for image acquisition or HIFU treatment.
  • the aperture of the array can be similarly maintained.
  • FIG. 9 illustrates an example of a process of optimizing and arranging an ultrasound imaging transducer and an HIFU transducer in an ultrasound therapy apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • a transformer group consisting of a plurality of circular array transducers is formed, each of which is composed of only a single type of transformer. That is, only one of the transducer group [B] for imaging or the transducer group [A] for treatment forms a circular array transducer.
  • the imaging transducer group [B] and the therapeutic transducer group [A] are each optimized for transducer placement, and then alternately arranged to draw concentric circles on the probe assembly. C].
  • the imaging transducer included in the transducer group for the circular image and the HIFU transducer included in the circular HIFU transducer group may be disposed on each concentric circle at equal intervals.
  • the first transducer of each group of transducers is influenced by grating lobes or side lobes caused by the spacing between the transducers. It is desirable to arrange at random to minimize the. That is, it is advantageous to prevent the transducers belonging to different groups from being arranged side by side on the virtual reference line.
  • 10 to 12 are views illustrating a strategy for determining the size of a circular transducer formed by each of the ultrasound imaging transducer and the HIFU transducer in the ultrasound therapy apparatus of FIG. 9 according to another embodiment of the present invention.
  • the solid line represents a concentric circle in which the transducer group for the circular image or the circular HIFU transducer group may be actually arranged
  • the dotted line is represented by a virtual concentric circle as an auxiliary line for determining the arrangement of the transducer group.
  • 10 to 12 may be individually applied to both the circular group transducer group or the circular HIFU transformer group.
  • the arrangement strategy in the case of arranging a single type of transducer irrespective of the type of the transducer may be described. Introduced, it can be seen that by overlapping the concentric circles arranged for each transducer type, the transformer arrangement structure as described above with reference to FIG. 9 can be completed.
  • the concentric circles may be disposed on a solid line to have the same spacing. That is, in FIG. 10, each transducer group may be arranged at equal intervals (meaning that the RES values are the same) with the adjacent transducer group based on the center of the circular transformer.
  • individual transformers forming a group of transformers may also be arranged at equal intervals (meaning that the CES values are the same) with transformers adjacent to each other. Accordingly, the dotted lines in FIG. 10 are represented by virtual concentric circles spaced apart by the same distance from adjacent solid lines, and actually represent auxiliary lines irrelevant to the arrangement of transducers.
  • Equation 1 has the same relationship.
  • the circular transducer is based on a new concentric circle whose length corresponds to the average of two radii of adjacent imaginary concentric circles (represented by dashed lines). Groups (represented by solid lines) can be placed. In this case, as illustrated, the individual transformers forming the group of transformers may be arranged at equal intervals (meaning that the CES values are the same) with the adjacent transformers.
  • the virtual concentric circles (such that the area of each region divided by at least two virtual concentric circles is equal) Determine the radius of the line, and form a new concentric circle (represented by a solid line as the location of the actual transducers) at a position that bisects the area of each area separated by the virtual concentric circles.
  • a new concentric circle represented by a solid line as the location of the actual transducers
  • one of the transducer group for the circular image or the circular HIFU transducer group may be disposed.
  • This placement strategy finds a radius that allows the area of each concentric area to be equal, and then places a group of transducers (represented by a solid line) corresponding to the new concentric circle at a location that divides the area into equal areas. to be.
  • the method of FIG. 12 is the same until the process of initially determining the positions of virtual concentric circles using Equation 1 according to the method of FIG. 11 described above.
  • the method of finding a position (expressed by a solid line) where an actual circular transducer group is disposed between adjacent virtual concentric circles is different from each other, so that the divided distances as shown in FIG. 11 are not equally spaced but the divided areas are the same.
  • the individual transformers forming the group of transformers may be arranged at equal intervals (meaning that the CES values are the same) with the adjacent transformers.
  • FIG. 13 is a diagram for describing a grating lobe according to the arrangement of an ultrasonic transducer.
  • FIG. 14 is a flowchart illustrating a method of controlling the ultrasound therapy apparatus, according to another embodiment of the present invention. A series of steps of controlling the ultrasound therapy apparatus according to the configuration of FIG. However, in order to avoid duplication of description here, only the outline of the individual configuration of the probe assembly will be outlined.
  • the ultrasound treatment apparatus may radiate an ultrasound signal to a subject by using a plurality of imaging transducers disposed on one surface of a probe assembly, and receive a signal reflected from the subject, thereby obtaining an ultrasound image of the tissue to be treated.
  • the ultrasound therapy apparatus may radiate heat energy by irradiating the ultrasound signal to the target using a plurality of HIFU (High intensity focused ultrasound) transducers disposed at different positions from the imaging transducer on one surface of the probe assembly. Thereby treating the tissue in the focused area.
  • HIFU High intensity focused ultrasound
  • the ultrasound therapy apparatus In operation S1430, the ultrasound therapy apparatus generates an ultrasound image of the treatment state of the tissue by irradiating an ultrasound signal to the object and receiving a signal reflected from the object by using the plurality of imaging transducers. This process is for confirming the effect of the treatment.
  • the S1420 step and the S1430 step are controlled by controlling the image converter and the HIFU transformer, respectively, as in step S1450. Repeated more than once. That is, the HIFU treatment and image confirmation may be repeated until the effect of the treatment reaches a satisfactory level.
  • the imaging transducer and the HIFU transformer are each arranged randomly on one surface of the probe assembly, or are arranged to form a sparse array, and in steps S1410 to S1430, the The image converter and the HIFU transformer are selectively driven, respectively, and the aperture of the transducer array may be determined by the driven transducer.
  • the image converter and the HIFU transformer respectively, a circular image transducer group and a circular HIFU transducer group for each of the same type of transducer, the circular image transducer group and the circular HIFU transformer group are arranged to form concentric circles having different radii, and in steps S1410 to S1430, the image transducer and the HIFU transducer are selectively driven, respectively, and the transducer array is driven by the diameter of the transducer group driven.
  • the aperture of can be determined.
  • the operations S1410 to S1430 may include transforms arranged at equal intervals on respective concentric circles among the image transducer included in the circular image transducer group and the HIFU transducer included in the circular HIFU transducer group.
  • the ruler can be driven selectively.
  • steps S1410 to S1430 the circular image transducer group and the circular HIFU transducer group that are repeatedly arranged alternately with each other in a direction of increasing radius from the center of the probe assembly are selectively driven, It is desirable to control so that the difference in aperture of the group of transducers to be driven is within a certain value. Through this configuration, it is possible to simultaneously achieve high resolution of ultrasound image acquisition and localization of HIFU treatment.
  • steps S1410 to S1430 it is preferable to selectively drive the transducers disposed at positions where the influence of the grating lobes generated by the intervals between the transducers is minimized.
  • the HIFU transformer has a frequency response characteristic of a center frequency band that is relatively lower than that of the image converter, and in steps S1410 to S1430, the image converter and the HIFU converter are different from each other. Ultrasonic signals in the center frequency band may be generated and applied.
  • two kinds of transducers having different purposes of use are not distributed or limited in different regions in the probe assembly, but are arranged throughout the one surface of the probe to secure a large aperture of each transducer.
  • Ultrasound can be focused on the area. Accordingly, the image having high resolution can be fed back in the lateral direction, and by using an arrangement technique that can minimize the effect of the grating lobe, it is possible to suppress the concentration of the ultrasonic waves outside the focusing region. Therefore, energy can be concentrated only on the local area to be treated without damaging the normal tissue around the lesion area. As a result, necrosis of the lesion tissue can be performed quickly, which solves the problem of skin surface heat rise over time, which was a problem in HIFU treatment.
  • treatment can be performed in a low frequency band, reducing the attenuation of the signal and generating mechanical cavitation, one of the effects of HIFU. Improve the effectiveness of treatment.

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Abstract

본 발명은 HIFU와 초음파 영상을 위한 초음파 치료 장치 및 그 제어 방법에 관한 것으로, 초음파 치료 장치는, 프로브(probe) 조립체의 일면에 배치되어 초음파 신호를 대상에 조사하고 대상으로부터 반사된 신호를 수신하여 초음파 영상을 생성하는 복수 개의 영상용 변환자, 프로브 조립체의 일면에서 영상용 변환자의 서로 다른 위치에 배치되고 초음파 신호를 대상에 조사하여 열에너지를 발생시킴으로써 집속 영역 내의 조직을 치료하는 복수 개의 HIFU(High intensity focused ultrasound) 변환자 및 영상용 변환자와 HIFU 변환자가 각각 형성하는 변환자 어레이의 구경(aperture)의 차이가 소정값 이내가 되도록 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

ＨＩＦＵ와 초음파 영상을 위한 초음파 치료 장치 및 그 제어 방법
본 발명은 의료 영상 진단을 기초로 한 비침입성 치료(noninvasive treatment)를 위한 초음파 기술에 관한 것으로, 특히 초음파 영상을 획득하기 위한 초음파 변환자와 치료를 위한 초음파 변환자를 하나의 프로브(probe) 내에 구현하는 초음파 치료 장치 및 이러한 초음파 치료 장치에 구비된 다수의 초음파 변환자를 제어하는 방법에 관한 것이다.
초음파(ultrasound, US) 영상은 초음파 프로브(probe)를 이용하여 인체 내의 관찰 영역에 초음파 신호를 인가하고 조직으로부터 반사되어 돌아오는 초음파 신호를 수신하여 그 신호에 포함된 정보를 추출함으로써 관찰 영역의 구조 및 특성을 영상화하는 장비이다. 이는 X-ray, CT, MRI, PET 등의 다른 의료영상 시스템들과 비교하였을 때 낮은 비용으로 인체에 해가 없는 실시간 영상을 얻을 수 있다는 장점을 갖는다.
인체 조직은 그 부위의 온도가 섭씨 60~85 도일 때 괴사 된다는 것이 알려져 있다. 이런 현상을 이용하여 고강도 집속 초음파, 즉 HIFU(High Intensity Focused Ultrasound) 치료는 초음파 에너지를 한 지점(초점)에 집속하여 병변 조직을 열(Thermal Coagulation) 및 기계적인 에너지(Cavitation)로 괴사시키는 기술이다. 초음파 치료의 발전과 함께, 특정의 초음파 치료, 특히 HIFU는 많은 종류의 질병, 특히 종양(Tumor)을 효과적으로 치료하기 위하여 데미징 도스(Damaging dose)에 적용된다. 종래의 외과수술 및 화학적인 치료(Chemotherapy)와 비교할 때, HIFU 치료는 환자의 외상을 덜 손상시키고 비침입성 치료(Non-invasive treatment)를 실현시킬 수 있다. 따라서, HIFU의 임상 적용은 빠르게 발전되고 있다. 이러한 징후는 간암(Liver cancer), 뼈 육종(Bone sarcoma), 유방암(Breast cancer), 췌장암(Pancreas cancer), 신장암(Kidney cancer), 연조직의 종양(Soft tissue tumor) 및 골반 종양(Pelvic tumor)을 포함한다.
초음파 종양 치료 장치는 일반적으로 구형 집속(Sphere focusing)을 채택한다. 모든 점으로부터 발산되는 초음파는 구형의 중심으로 향하여 집속된다. 초음파 치료 장치상의 발산기(Emitter)는 몸체의 외부로부터 몸체의 내부로 초음파를 발산하고, 이것은 방출 및 전송 동안에 집속되어서 고에너지 집속점을 형성한다. 따라서, 고강도 및 연속적인 초음파 에너지는 환자의 병변 영역에 적용된다.
집속점에서 발생되는 과도한 고온의 효과(65~100℃), 캐비테이션 효과(Cavitation effect), 기계적인 효과 및 음파-화학적인 효과는 병든 조직의 응고성 괴사(Coagulative necrosis)를 선택적으로 발생시키고, 또한 종양의 증식(Proliferation), 침입(Invasion) 및 전이(Metastasis)를 못하게 하기 위하여 사용된다.
HIFU 치료를 적용하는 동안에 집속점의 정확하고 안전하며 효과적인 국소화(Localization)는 성공적인 치료를 위하여 필수적이며, 대상을 위치시키기 위한 작동의 편리성을 더욱더 향상시킬 필요가 있다. 따라서, 중요한 혈관 및 장기를 손상시키지 않고 HIFU 신호를 통하여 시술을 시행할 수 있으며, HIFU 시술의 안정성 및 정확성을 향상시킬 수 있는 HIFU 치료 신호의 정확한 초점 확인이 반드시 필요하다.
그런데, HIFU 시술에 사용되는 고강도 초음파 에너지가 원하지 않는 곳에 집속될 경우, 병변 부위가 아닌 다른 조직을 괴사시키는 문제점이 있었는바, 초음파 영상을 획득하는 영상용 초음파 기술과 더불어 활용되어야 할 필요성이 강하게 요구된다. 이하에서 제시되는 선행기술문헌에는 초음파 영상 기술과 HIFU 치료 기술을 연계하는 기술적 수단에 대해 소개하고 있다.
<선행기술문헌>
한국특허공개공보 10-2013-0034987, 2013년04월08일 공개, 서강대학교 산학협력단
본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 초음파 영상 확인을 통해 HIFU 치료를 수행하기 위한 종래의 프로브 구조가 변환자 배치에 따른 어려움으로 인해 영상용 변환자 또는 HIFU 치료용 변환자 중 어느 일방의 구경을 충분히 확보하지 못하여 영상의 해상도가 저하되어 정상 조직에 부작용이 가해지는 문제점을 해결하고, 범용 변환자를 이용한 프로브 구조에서 저대역 신호 또는 고대역 신호에 특화되지 못한 주파수 응답 특성으로 인해 초음파 치료기의 전반적인 성능이 저하되는 한계를 극복하고자 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 치료 장치는, 초음파 신호를 대상에 조사하고 상기 대상으로부터 반사된 신호를 수신하여 초음파 영상을 생성하는 복수 개의 영상용 변환자; 초음파 신호를 대상에 조사하여 열에너지를 발생시킴으로써 집속 영역 내의 조직을 치료하는 복수 개의 HIFU(High intensity focused ultrasound) 변환자; 및 상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자가 각각 형성하는 변환자 어레이의 구경(aperture)의 차이가 소정값 이내가 되도록 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자는 프로브(probe) 조립체의 일면의 서로 다른 위치에 각각 배치되며, 서로 다른 중심 주파수 대역의 주파수 응답 특성을 갖도록 형성된다.
일 실시예에 따른 초음파 치료 장치에서, 상기 HIFU 변환자는 상기 영상용 변환자에 비해 상대적으로 더 낮은 중심 주파수 대역의 주파수 응답 특성을 갖는다. 또한, 상기 영상용 변환자는 중심 주파수 대역이 3MHz ~ 5MHz인 주파수 응답 특성을 갖고, 상기 HIFU 변환자는 중심 주파수 대역이 1MHz ~ 1.5MHz인 주파수 응답 특성을 갖는 것이 바람직하다.
일 실시예에 따른 초음파 치료 장치에서, 상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자는, 각각 상기 프로브 조립체의 일면에 랜덤(random)하게 배치되거나, 희박 어레이(sparse array)를 형성하도록 배치될 수 있다.
일 실시예에 따른 초음파 치료 장치에서, 상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자는, 동일한 종류의 변환자별로 각각 원형 영상용 변환자 그룹과 원형 HIFU 변환자 그룹을 형성하되, 상기 원형 영상용 변환자 그룹과 상기 원형 HIFU 변환자 그룹은 서로 다른 반지름을 갖는 동심원을 형성하도록 배치될 수 있다.
일 실시예에 따른 초음파 치료 장치에서, 상기 제어부는, 상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자 각각에 서로 다른 중심 주파수 대역의 초음파 신호를 생성하여 인가할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 치료 장치는, 초음파 신호를 대상에 조사하고 상기 대상으로부터 반사된 신호를 수신하여 초음파 영상을 생성하는 복수 개의 영상용 변환자; 및 초음파 신호를 대상에 조사하여 열에너지를 발생시킴으로써 집속 영역 내의 조직을 치료하는 복수 개의 HIFU(High intensity focused ultrasound) 변환자를 포함하고, 상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자는 동일한 종류의 변환자별로 각각 원형 영상용 변환자 그룹과 원형 HIFU 변환자 그룹을 형성하여 프로브(probe) 조립체의 일면에 서로 다른 반지름을 갖는 동심원을 형성하도록 배치된다.
다른 실시예에 따른 초음파 치료 장치에서, 상기 원형 영상용 변환자 그룹에 포함된 영상용 변환자와 상기 원형 HIFU 변환자 그룹에 포함된 HIFU 변환자는, 변환자 사이의 간격에 의해 발생하는 그레이팅 로브(grating lobe)의 영향이 최소화되는 위치에 배치될 수 있다.
다른 실시예에 따른 초음파 치료 장치에서, 상기 원형 영상용 변환자 그룹에 포함된 영상용 변환자와 상기 원형 HIFU 변환자 그룹에 포함된 HIFU 변환자는, 각각의 동심원 상에 동일한 간격으로 배치될 수 있다.
다른 실시예에 따른 초음파 치료 장치에서, 상기 원형 영상용 변환자 그룹과 상기 원형 HIFU 변환자 그룹은, 상기 프로브 조립체의 중앙으로부터 반지름이 증가하는 방향으로 서로 번갈아가며 반복적으로 배치될 수 있다.
다른 실시예에 따른 초음파 치료 장치에서, 상기 원형 영상용 변환자 그룹과 상기 원형 HIFU 변환자 그룹은, 서로 인접한 동심원들이 동일한 간격을 갖도록 배치될 수 있다.
다른 실시예에 따른 초음파 치료 장치에서, 적어도 2개의 가상의 동심원에 의해 구분된 각 영역의 면적이 동일하도록 상기 가상의 동심원들의 반지름을 결정하고, 상기 가상의 동심원들 중 서로 인접한 가상의 동심원들의 반지름의 평균을 기준으로 새로운 동심원을 형성하며, 형성된 상기 새로운 동심원 상에 상기 원형 영상용 변환자 그룹 또는 상기 원형 HIFU 변환자 그룹 중 어느 하나를 배치할 수 있다.
다른 실시예에 따른 초음파 치료 장치에서, 적어도 2개의 가상의 동심원에 의해 구분된 각 영역의 면적이 동일하도록 상기 가상의 동심원들의 반지름을 결정하고, 상기 가상의 동심원들에 의해 구분된 각 영역의 면적을 양분하는 위치에 새로운 동심원을 형성하며, 형성된 상기 새로운 동심원 상에 상기 원형 영상용 변환자 그룹 또는 상기 원형 HIFU 변환자 그룹 중 어느 하나를 배치할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초음파 치료 장치의 제어 방법은, (a) 프로브(probe) 조립체의 일면에 배치된 복수 개의 영상용 변환자를 이용하여 초음파 신호를 대상에 조사하고 상기 대상으로부터 반사된 신호를 수신하여 치료 대상 조직에 대한 초음파 영상을 생성하는 단계; (b) 상기 프로브 조립체의 일면에서 상기 영상용 변환자와 다른 위치에 배치된 복수 개의 HIFU(High intensity focused ultrasound) 변환자를 이용하여 초음파 신호를 상기 대상에 조사하여 열에너지를 발생시킴으로써 집속 영역 내의 조직을 치료하는 단계; 및 (c) 상기 복수 개의 영상용 변환자를 이용하여 초음파 신호를 상기 대상에 조사하고 상기 대상으로부터 반사된 신호를 수신하여 상기 조직의 치료 상태에 대한 초음파 영상을 생성하는 단계를 포함하되, 상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자를 각각 제어하여 상기 (b) 단계 및 상기 (c) 단계를 적어도 1회 이상 반복하여 수행한다.
또 다른 실시예에 따른 초음파 치료 장치의 제어 방법에서, 상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자는, 각각 상기 프로브 조립체의 일면에 랜덤(random)하게 배치되거나, 희박 어레이(sparse array)를 형성하도록 배치되고, 상기 (a) 단계 내지 상기 (c) 단계는, 상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자를 각각 선택적으로 구동하되, 구동되는 변환자에 의해 변환자 어레이의 구경(aperture)이 결정될 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 초음파 치료 장치의 제어 방법에서, 상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자는, 동일한 종류의 변환자별로 각각 원형 영상용 변환자 그룹과 원형 HIFU 변환자 그룹을 형성하되, 상기 원형 영상용 변환자 그룹과 상기 원형 HIFU 변환자 그룹은 서로 다른 반지름을 갖는 동심원을 형성하도록 배치되며, 상기 (a) 단계 내지 상기 (c) 단계는, 상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자를 각각 선택적으로 구동하되, 구동되는 변환자 그룹의 지름에 의해 변환자 어레이의 구경(aperture)이 결정될 수 있다. 또한, 상기 (a) 단계 내지 상기 (c) 단계는, 상기 원형 영상용 변환자 그룹에 포함된 영상용 변환자와 상기 원형 HIFU 변환자 그룹에 포함된 HIFU 변환자 중 각각의 동심원 상에 동일한 간격으로 배치된 변환자를 선택적으로 구동할 수 있다. 나아가, 상기 (a) 단계 내지 상기 (c) 단계는, 상기 프로브 조립체의 중앙으로부터 반지름이 증가하는 방향으로 서로 번갈아가며 반복적으로 배치된 상기 원형 영상용 변환자 그룹과 상기 원형 HIFU 변환자 그룹을 선택적으로 구동하되, 구동되는 변환자 그룹의 구경(aperture)의 차이가 소정값 이내가 되도록 제어할 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 초음파 치료 장치의 제어 방법에서, 상기 (a) 단계 내지 상기 (c) 단계는, 변환자 사이의 간격에 의해 발생하는 그레이팅 로브(grating lobe)의 영향이 최소화되는 위치에 배치된 변환자를 각각 선택적으로 구동할 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 초음파 치료 장치의 제어 방법에서, 상기 HIFU 변환자는 상기 영상용 변환자에 비해 상대적으로 더 낮은 중심 주파수 대역의 주파수 응답 특성을 가지며, 상기 (a) 단계 내지 상기 (c) 단계는, 상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자 각각에 서로 다른 중심 주파수 대역의 초음파 신호를 생성하여 인가할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 사용 목적이 상이한 두 종류의 변환자가 프로브의 전 영역을 활용하여 각각 별도의 위치에 배치됨으로써 큰 변환자 구경에 따른 측방향(lateral direction) 해상도를 향상시킬 수 있고, 그레이팅 로브의 영향을 최소화할 수 있는 배치 기법을 활용함으로써 병변 부위 주변의 정상 조직에 피해가 없이 치료하고자 하는 국소 부위에만 에너지를 집중할 수 있으며, 각 목적에 맞는 주파수 응답을 가진 변환자를 채택함으로써 저대역 주파수를 활용한 효과적인 HIFU 치료와 고대역 주파수를 활용한 축방향(axial direction) 해상도 향상을 동시에 달성할 수 있다.
도 1은 변환자의 구경에 따른 초음파 영상 및 초음파 치료의 특징을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3은 초음파 영상의 획득을 위한 초음파 변환자와 초음파 치료를 HIFU(High intensity focused ultrasound) 변환자를 모두 구비하는 프로브(probe) 구조를 예시한 도면이다.
도 4는 도 3의 동일한 변환자를 이용하여 두 가지 종류의 초음파 신호를 송신할 경우에 대한 주파수 스펙트럼을 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예들이 제안하는 초음파 영상용 변환자와 HIFU 변환자를 모두 구비하는 프로브의 개괄적인 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 HIFU와 초음파 영상을 위한 초음파 치료 장치를 도시한 블록도이다.
도 7 및 도 8은 하나의 프로브를 통해 초음파 영상 획득과 초음파 치료를 수행함에 있어서 영상용 초음파 수신 또는 치료용 초음파 수신에 선택적으로 특화된 변환자의 주파수 응답을 예시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 치료 장치에서, 초음파 영상용 변환자와 HIFU 변환자를 배치하는 과정의 일례를 도시한 도면이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 9의 초음파 치료 장치에서, 초음파 영상용 변환자 및 HIFU 변환자 각각이 형성하는 원형 변환자의 크기를 결정하는 전략을 예시한 도면이다.
도 13은 초음파 변환자의 배치에 따른 그레이팅 로브(grating lobe)를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초음파 치료 장치의 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
<부호의 설명>
10, 210: 영상용 초음파 변환자
20, 220: 치료용 초음파 변환자
310: 영상 획득 및 치료가 가능한 초음파 변환자
30: 제어부
50, 250, 350: 프로브 조립체
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 치료 장치는, 초음파 신호를 대상에 조사하고 상기 대상으로부터 반사된 신호를 수신하여 초음파 영상을 생성하는 복수 개의 영상용 변환자; 초음파 신호를 대상에 조사하여 열에너지를 발생시킴으로써 집속 영역 내의 조직을 치료하는 복수 개의 HIFU(High intensity focused ultrasound) 변환자; 및 상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자가 각각 형성하는 변환자 어레이의 구경(aperture)의 차이가 소정값 이내가 되도록 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자는 프로브(probe) 조립체의 일면의 서로 다른 위치에 각각 배치되며, 서로 다른 중심 주파수 대역의 주파수 응답 특성을 갖도록 형성된다.
본 발명의 실시예들을 설명하기에 앞서, 초음파 기술에 기반을 둔 영상 및 HIFU 치료의 물리적 특징을 간략히 소개한 후, 양자를 함께 운용하는 경우의 실질적 문제점과 한계를 극복하기 위해 본 발명의 실시예들이 채택하고 있는 기술적 수단을 순차적으로 제시하도록 한다.
고강도 집속 초음파, 즉 HIFU(High intensity focused ultrasound)는 인체 조직에 높은 강도의 초음파를 조사하여 인체 조직 내 암과 같은 병변 조직을 괴사시키는 비침습적 치료 기술로서, 프로브 내에 배치된 다수의 변환자들을 이용하여 전기 신호를 초음파 신호로 변환시킨 후, 초음파 신호를 인체 내로 조사한다. HIFU는 일반적으로 초음파 영상을 위해 사용하는 것보다 높은 강도의 초음파 신호를 치료하고자 하는 영역에 집속하여 조사하게 되며, 여러 횟수에 걸쳐 시술함으로써 병변 조직을 괴사시킨다. 조사된 에너지는 열에너지로 변환되어 초음파의 초점 영역에 위치한 조직을 높은 온도로 상승시켜 괴사시키게 되므로, 치료의 정확성과 안전성을 위해 치료 시작 전 또는 다수의 HIFU 조사 과정 사이에 영상용 초음파를 괴사되는 영역 및 그 주변에 조사하여 초음파 영상을 얻어 조직의 괴사 여부 및 주변 조직의 피해 여부에 관한 정보를 피드백 받을 필요가 있다.
도 1은 변환자의 구경에 따른 초음파 영상 및 초음파 치료의 특징을 설명하기 위한 도면으로서, 초음파 변환자(110)로부터 집속되는 초음파 신호의 초점을 시각화하여 표현하였다.
일반적으로 초음파 영상(imaging)을 위한 초음파의 경우, 높은 주파수로 초음파 신호를 방사할수록 높은 해상도(resolution)의 영상을 얻을 수 있다는 특징이 있다. 이러한 초음파 영상을 위한 변환자뿐만 아니라, HIFU 치료용 변환자의 경우에도 성공적인 치료를 위하여 집속점이 정확해야 하며 또한 국소화되어야만 하는데, 그 이유는 정확한 초점 확인을 통해 정상 조직의 괴사를 방지할 수 있기 때문이다.
한편, 초음파 변환자의 구경(aperture)이 클수록 더 좁은 영역에 빔을 집속할 수 있다는 물리적 특징을 갖는데, 도 1에는 이러한 성질이 나타나 있다. 도 1을 참조하면, D는 초음파 변환자(110)의 구경(aperture)으로서, 집속점의 빔 너비(beam width)에 반비례함을 확인할 수 있다. 즉, 변환자(110)의 구경이 클수록 초음파 영상의 해상도가 높아지므로 고품질의 영상을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, HIFU 치료의 경우에도 시술자가 희망하는 부위만 정확하게 국소 치료가 가능하다는 장점을 갖는다.
도 2 및 도 3은 초음파 영상의 획득을 위한 초음파 변환자와 초음파 치료를 HIFU(High intensity focused ultrasound) 변환자를 모두 구비하는 프로브(probe) 구조를 예시한 도면이다.
HIFU 치료와 동시에 영상을 통해 치료 상태를 피드백 받기 위해 도 2와 같이 원형의 프로브 조립체(250)의 중앙에 영상용 초음파 변환자(210)를 밀집시키고 그 주변 영역에 HIFU 치료용 변환자(220)를 위치시켜 치료와 동시에 영상을 얻을 수 있다. 그러나, 이와 같이 설계된 프로브 조립체(250)는 영상용 변환자(210)로 구성된 영역이 HIFU 변환자(220)로 구성된 영역보다 크기가 작게 형성되게 된다. 이로 인하여 프로브의 구경 크기가 초점 지점의 해상도에 비례하는 점을 고려했을 때, 최적의 성능을 내지 못한다. 즉, 영상용 변환자(210)의 구경이 작아 영상용 변환자(210)를 통해 획득되는 초음파 영상의 해상도가 상대적으로 저품질이라는 문제점이 발생한다. 만약 영상용 변환자(210)와 HIFU 치료용 변환자(220)의 위치를 바꿀 경우에는 HIFU 치료용 변환자(220)의 구경이 상대적으로 작아져 국소 영역의 병변 부위에 대한 정확한 치료가 어려워진다는 또 다른 문제점이 발생할 우려가 있다.
또한, 하나의 프로브 조립체(250)에서, 변환자의 분포 영역을 나누어서 배치하였기 때문에 변환자 사이의 간격에 의해 발생하는 의도하지 않은 영역에 조사된 초음파가 집속되는 그레이팅 로브(grating lobe)을 감소시키기엔 부적절하다.
초음파 변환자와 HIFU 변환자를 모두 구비하는 프로브 구조를 고안하기 위한 다른 시도로서, 원형의 프로브 조립체(350)에 HIFU와 영상용 초음파를 모두 조사할 수 있는 범용 변환자(310)를 도 3과 같이 프로브 영역 전반에 걸쳐 넓게 배치하여 치료와 영상 획득을 동시에 달성할 수 있다.
HIFU을 위한 초음파는 감쇠 효과에 따른 투과 깊이를 고려할 때, 영상을 위한 초음파에 비해 낮은 주파수 대역을 필요로 한다. 하지만 초음파 영상의 해상도가 초음파의 중심 주파수에 비례하는 점을 고려할 때, 영상용 초음파의 경우 주파수 대역이 높은 것이 좋다. 따라서 물리적으로 동일한 변환자를 이용하여 영상용 초음파와 HIFU용 초음파를 구현하는 것은 두 개의 상이한 주파수 범위를 모두 포섭해야 함을 의미하며, 실질적인 변환자의 설계와 구현을 매우 어렵게 한다. 따라서 각 모드(즉, 영상 획득용 또는 치료용 모드를 의미한다.)에 특화되지 않은 범용적인 변환자의 특성에 의해 오히려 각각의 모드별 사용시 성능 내지 효율이 저하되는 문제가 발생하게 된다.
도 4는 도 3의 동일한 변환자를 이용하여 두 가지 종류의 초음파 신호를 송신할 경우에 대한 주파수 스펙트럼을 예시한 도면으로서, 도시된 그래프는 중심 주파수에 대한 주파수 응답을 나타낸다. 도 4를 참조하면, 물리적으로 하나의 초음파 변환자를 이용하여 저주파수 대역의 초음파 신호와 고주파수 대역의 초음파 신호를 모두 발생시키고자 하더라도 이에 대한 주파수 응답은 각각의 주파수 대역에 정확하게 대응하지 못하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 저주파수 대역 및 고주파수 대역 어느 하나의 대역도 충족시키지 못하고 주파수 응답 특성(410)이 특정 주파수 대역에 민감하지 못하고 전체 대역에 걸쳐 발생하게 되어 응답 성능이 저하되는 현상이 나타나게 된다.
따라서, 상기된 문제점을 인지하여 안출된 본 발명의 실시예들은, 하나의 프로브 조립체 내에 치료용으로 최적화된 HIFU 변환자와 영상용으로 최적화된 변환자를 모두 집적하되, 각각의 목적에 맞게 효율이 최대가 될 수 있도록 개별 변환자들을 설계하여 배치함으로써, 빠른 시간 내에 효과적으로 조직을 괴사시키며 이러한 치료 상태를 높은 해상도로 피드백 받을 수 있는 초음파 치료 장치 및 그의 제어 방법을 제안하고자 한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 구체적으로 설명하도록 한다. 도면에 표기된 동일한 부재 번호는 동일한 구성을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예들이 제안하는 초음파 영상용 변환자와 HIFU 변환자를 모두 구비하는 프로브의 개괄적인 구조를 도시한 도면으로서, 초음파 영상을 위한 변환자(10)와 HIFU을 위한 변환자(20)를 서로의 주파수 대역에 맞게 각각 제작하여 하나의 프로브 조립체(50)의 일면에 분포 영역을 제한하지 않고 프로브의 전체 구경(aperture)을 모두 사용하여 도 5와 같이 배치한다. 이때 변환자의 배치 위치는 자유롭게 배치하거나, 희박 어레이(sparse array) 기법 등에 따라 최적화하여 배치될 수 있다.
특히, 앞서 살펴본 도 2 및 도 3의 프로브와는 달리, 도 5를 통해 제안된 프로브는 프로브 조립체(50)의 전체 영역에 걸쳐 초음파 영상을 위한 복수 개의 변환자(10)와 치료를 위한 HIFU 변환자(20)가 특정 영역의 구분 없이 배치됨으로써, 초음파 영상 획득을 위한 초음파 변환자(10) 구동시 또는 치료를 위한 HIFU 변환자(20) 구동시 각각 구동되는 변환자들로 형성되는 변환자 어레이의 구경(aperture)를 극대화할 수 있다는 장점을 갖는다. 또한 물리적으로 초음파 변환자(10) 및 HIFU 변환자(20)를 분리하여 설계, 구현함으로써 목적에 맞는 주파수 응답 특성을 확보할 수 있는 변환자 소자를 채택할 수 있다는 장점도 갖는다.
여기서, HIFU 변환자(20)는 영상용 변환자(10)에 비해 상대적으로 더 낮은 중심 주파수 대역의 주파수 응답 특성을 가질 수 있으며, 보다 구체적으로 상기 영상용 변환자(10)는 중심 주파수 대역이 3MHz ~ 5MHz인 주파수 응답 특성을 갖고, 상기 HIFU 변환자(20)는 중심 주파수 대역이 1MHz ~ 1.5MHz인 주파수 응답 특성을 갖는 것이 바람직하다.
상기된 바와 같은 개별 변환자의 배치를 통해, 치료 또는 영상에 특화된 각각의 변환자(10, 20)를 프로브 조립체(50) 전반에 배치함으로써, 낮은 주파수 대역의 초음파 에너지를 더욱 좁은 지점에 집속하여 빠른 시간 내에 조직을 열(thermal ablation) 및 기계적인 에너지(cavitation)으로 괴사시켜 종양이나 암을 비침습적으로 치료 가능하다. 또한 치료 중 조직의 상태를 높은 해상도와 우수한 화질의 초음파 영상을 피드백 받을 수 있어 시술의 안정성 및 정확성을 보장할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 HIFU와 초음파 영상을 위한 초음파 치료 장치를 도시한 블록도로서, 도 5에 제시된 변환자 배치 방법에 따라 프로브 조립체(50)를 구성할 수 있다.
복수 개의 영상용 변환자(10)는 초음파 신호를 대상에 조사하고 상기 대상으로부터 반사된 신호를 수신하여 초음파 영상을 생성하는 구성이고, 복수 개의 HIFU(High intensity focused ultrasound) 변환자(20)는 초음파 신호를 대상에 조사하여 열에너지를 발생시킴으로써 집속 영역 내의 조직을 치료하는 구성이다. 상기 영상용 변환자(10)와 상기 HIFU 변환자(20)는 프로브(probe) 조립체(50)의 일면의 물리적으로 서로 다른 위치에 각각 배치되며, 서로 다른 중심 주파수 대역의 주파수 응답 특성을 갖도록 형성된다. 이를 위해 각각의 변환자(10, 20)들은 목적에 맞는 주파수 응답 특성에 특화된 변환자 소자로서 설계, 구현될 수 있다.
또한, 상기 영상용 변환자(10)와 상기 HIFU 변환자(20)는, 각각 상기 프로브 조립체(50)의 일면에 랜덤(random)하게 배치되거나, 희박 어레이(sparse array)를 형성하도록 배치될 수 있는데, 발명의 본질을 흐릴 우려가 있으므로 여기서는 희박 어레이의 구체적인 배치 방법에 대한 설명은 생략하도록 한다.
나아가, 상기 영상용 변환자(10)와 상기 HIFU 변환자(20)는, 동일한 종류의 변환자별로 각각 원형 영상용 변환자 그룹과 원형 HIFU 변환자 그룹을 형성하되, 상기 원형 영상용 변환자 그룹과 상기 원형 HIFU 변환자 그룹은 서로 다른 반지름을 갖는 동심원을 형성하도록 배치될 수도 있다. 동심원을 형성하는 구체적인 배치 전략에 관하여는 이후 도 9 내지 도 12를 통해 설명하도록 한다.
한편, 제어부(30)는 상기 영상용 변환자(10)와 상기 HIFU 변환자(20) 각각에 서로 다른 중심 주파수 대역의 초음파 신호를 생성하여 인가하는 구성이다. 또한, 제어부(30)는 상기 영상용 변환자(10)와 상기 HIFU 변환자(20)가 각각 형성하는 변환자 어레이의 구경(aperture)의 차이가 일정한 값 이내가 되도록 제어하는 수단으로서, 이러한 제어 방식을 통해 초음파 영상의 고해상도를 유지하면서도 이와 동시에 치료 영역의 국소화를 달성할 수 있다.
도 7 및 도 8은 하나의 프로브를 통해 초음파 영상 획득과 초음파 치료를 수행함에 있어서 영상용 초음파 수신 또는 치료용 초음파 수신에 선택적으로 특화된 변환자의 주파수 응답을 예시한 도면으로서, 프로브 조립체에 배치되는 각각의 변환자를 사용 목적에 부합하는 주파수 응답을 갖도록 설계하기 위해 제시되었다.
앞서 기술한 바와 같이, 일반적으로 의료용 초음파 영상을 위한 초음파의 중심 주파수는 3MHz ~ 5MHz이다. 이에 반해 HIFU을 위한 초음파의 중심 주파수는 1MHz ~ 1.5MHz정도가 사용된다. 변환자의 경우 여러 가지 최적화를 위한 변수가 존재하지만 그중 대표적인 부분은 중심 주파수이다. 예를 들어, 도 7 및 도 8에서 LF=1MHz, HF=3MHz로 가정할 때, 초음파 변환자의 주파수 응답을 1MHz와 3MHz 모두를 만족하도록 설계하는 것은 물리적으로 매우 어렵다. 이에 반해 변환자를 1MHz, 3MHz에 각각 맞추어서 2 종류로 설계하는 것은 상대적으로 용이하다. 따라서, 도 7의 경우는 영상을 위한 변환자로 3MHz을 중심 주파수로 하는 주파수 응답을 갖도록 설계하고, 도 8의 경우는 HIFU를 위한 변환자로 1MHz을 중심 주파수로 하는 주파수 응답을 갖도록 설계하였다.
즉, 도 7은 고주파수 대역에 대한 주파수 응답(710)이 우수한 변환자를 나타낸 것으로서, 이러한 변환자는 고주파수 대역에서 고품질의 해상도를 제공할 수 있는 도 6의 초음파 치료 장치의 영상용 변환자(10)로서 활용하는 것이 유리하다. 반면, 도 8은 저주파수 대역에 대한 주파수 응답(810)이 우수한 변환자를 나타낸 것으로서, 이러한 변환자는 저주파수 대역의 주파수 응답이 요구되는 도 6의 초음파 치료 장치의 HIFU 변환자(20)로 활용하는 것이 유리하다.
이하에서는 프로브 조립체 상에 동심원을 형성하는 초음파 변환자들의 구체적인 배치 전략에 관하여 다양한 구현예를 제시하도록 한다. 이를 위해, 영상용 변환자와 HIFU 변환자는 동일한 종류의 변환자별로 각각 원형 영상용 변환자 그룹과 원형 HIFU 변환자 그룹을 형성하여 프로브(probe) 조립체의 일면에 서로 다른 반지름을 갖는 동심원을 형성하도록 배치되는 것을 전제로 한다. 또한, 구현의 관점에서, 원형 영상용 변환자 그룹과 원형 HIFU 변환자 그룹은, 프로브 조립체의 중앙으로부터 반지름이 증가하는 방향으로 서로 번갈아가며 반복적으로 배치됨으로써, 영상 획득 또는 HIFU 치료에 사용되는 변환자 어레이의 구경을 유사하게 유지할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 치료 장치에서, 초음파 영상용 변환자와 HIFU 변환자를 최적화하여 배치하는 과정의 일례를 도시한 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 다수의 원형 어레이 변환자로 구성된 변환자 그룹을 형성하되, 각각의 변환자 그룹은 단일의 유형의 변환자로만 구성된다. 즉, 영상을 위한 변환자 그룹 [B] 또는 치료를 위한 변환자 그룹 [A] 중 어느 하나로만 원형 어레이 변환자를 형성한다. 이제, 영상용 변환자 그룹 [B]와 치료용 변환자 그룹 [A]를 각각 변환자 배치에 관하여 최적화한 후, 이들 변환자 그룹을 번갈아가며 동심원을 그리도록 배치함으로써 하나의 프로브 조립체 상에 [C]와 같이 형성할 수 있다.
필요에 따라, 원형 영상용 변환자 그룹에 포함된 영상용 변환자와 원형 HIFU 변환자 그룹에 포함된 HIFU 변환자를 각각의 동심원 상에 동일한 간격으로 배치할 수 있다. 이때, 원의 중심을 지나는 가상의 기준선을 가정할 때, 각각의 변환자 그룹의 첫 번째 변환자는, 변환자 사이의 간격에 의해 발생하는 그레이팅 로브(grating lobe) 내지 사이드 로브(side lobe)의 영향을 최소화하도록 랜덤하게 배치하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 가상의 기준선 상에 서로 다른 그룹에 속하는 변환자들이 일렬로 나란하게 배치되지 않도록 하는 것이 유리하다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 9의 초음파 치료 장치에서, 초음파 영상용 변환자 및 HIFU 변환자 각각이 형성하는 원형 변환자의 크기를 결정하는 전략을 예시한 도면이다. 여기서, 실선은 원형 영상용 변환자 그룹 또는 원형 HIFU 변환자 그룹이 실제로 배치될 수 있는 동심원을 나타내고, 점선은 이러한 변환자 그룹의 배치를 결정하기 위한 보조선으로서, 가상의 동심원으로 표현되었다. 도 10 내지 도 12에 따른 배치 전략은 원형 영상용 변환자 그룹 또는 원형 HIFU 변환자 그룹 모두에 개별적으로 적용될 수 있는 것으로서, 여기서는 변환자의 종류와 무관하게 단일 종류의 변환자를 배치하는 경우의 배치 전략을 소개하였으며, 각각의 변환자 종류별로 배치된 동심원 구조를 오버랩(overlap)함으로써 앞서 도 9를 통해 설명한 바와 같은 변화자 배치 구조를 완성할 수 있음을 알 수 있다.
첫째, 도 10를 참조하면, 원형 변환자 그룹을 하나의 프로브 조립체 상에 동심원을 그리도록 배치함에 있어서, 상기 동심원이 동일한 간격을 갖도록 실선 상에 배치될 수 있다. 즉, 도 10에서 원형 변환자의 중심을 기준으로 각각의 변환자 그룹이 인접한 변환자 그룹과 서로 등간격(RES 값이 서로 같음을 의미한다.)으로 배치될 수 있다. 또한, 예시된 바와 같이, 변환자 그룹을 형성하는 개별 변환자들도 서로 인접한 변환자들과 등간격(CES 값이 서로 같음을 의미한다.)으로 배치될 수도 있다. 따라서, 도 10의 점선은 인접한 실선으로부터 동일한 거리만큼 이격된 가상의 동심원으로 표현되었으며, 실제로는 변환자 배치와는 무관한 보조선을 나타낸다.
둘째, 도 11을 참조하면, 원형 변환자 그룹을 하나의 프로브 조립체 상에 동심원을 그리도록 배치함에 있어서, 적어도 2개의 가상의 동심원(동심원의 원점을 포함하는 경우가 아니라면 3개의 가상의 동심원이 될 수 있다.)에 의해 구분된 각 영역의 면적이 동일하도록 상기 가상의 동심원들(점선으로 표현되었다.)의 반지름을 결정하고, 상기 가상의 동심원들 중 서로 인접한 가상의 동심원들의 반지름의 평균을 기준으로 새로운 동심원(실제 변환자들이 배치되는 위치로서 실선으로 표현되었다.)을 형성하며, 형성된 상기 새로운 동심원 상에 상기 원형 영상용 변환자 그룹 또는 상기 원형 HIFU 변환자 그룹 중 어느 하나를 배치할 수 있다. 이러한 배치 전략은 동심원으로 분리된 각 영역의 면적이 같아지도록 하는 반지름들 간의 중간에 새로운 동심원에 해당하는 변환자 그룹(실선으로 표현되었다.)을 배치하는 방법이다.
도 11에 예시된 바와 같이, 3개의 가상의 동심원들을 반지름이 작은 값부터 순서대로 Ri -1, Ri, Ri +1이라고 할 때, 각 영역의 면적이 같도록 하는 반지름은 다음의 수학식 1과 같은 관계를 갖는다.
수학식 1
Figure PCTKR2016014948-appb-M000001
수학식 1에서 i는 양의 정수이고, R0=0으로 가정하자. 따라서, 수학식 1에 따라 구하고자 하는 3개의 가상의 동심원들 중에서 가장 내측에 형성되는 동심원은 반지름이 0인 원의 중심이 되어 실제로는 2개의 가상의 동심원만이 남게 된다.
즉, 이상의 관계에 의해 인접하는 반지름 간의 길이가 결정될 경우, 인접하는 가상의 동심원들(점선으로 표현되었다.)의 2개의 반지름의 평균에 해당하는 길이를 반지름으로 하는 새로운 동심원을 기준으로 원형 변환자 그룹(실선으로 표현되었다.)을 배치할 수 있다. 이 경우 또한, 예시된 바와 같이, 변환자 그룹을 형성하는 개별 변환자들이 서로 인접한 변환자들과 등간격(CES 값이 서로 같음을 의미한다.)으로 배치될 수도 있다.
셋째, 도 12을 참조하면, 원형 변환자 그룹을 하나의 프로브 조립체 상에 동심원을 그리도록 배치함에 있어서, 적어도 2개의 가상의 동심원에 의해 구분된 각 영역의 면적이 동일하도록 상기 가상의 동심원들(점선으로 표현되었다.)의 반지름을 결정하고, 상기 가상의 동심원들에 의해 구분된 각 영역의 면적을 양분하는 위치에 새로운 동심원(실제 변환자들이 배치되는 위치로서 실선으로 표현되었다.)을 형성하며, 형성된 상기 새로운 동심원 상에 상기 원형 영상용 변환자 그룹 또는 상기 원형 HIFU 변환자 그룹 중 어느 하나를 배치할 수 있다. 이러한 배치 전략은 동심원으로 분리된 각 영역의 면적이 같아지도록 하는 반지름을 구하고, 다시 그 영역을 같은 면적으로 양분하는 위치에 새로운 동심원에 해당하는 변환자 그룹(실선으로 표현되었다.)을 배치하는 방법이다.
즉, 도 12의 방법은 앞서 기술한 도 11의 방법에 따라 수학식 1을 이용하여 최초에 가상의 동심원들의 위치를 결정하는 과정까지는 동일하다. 다만, 이후 인접한 가상의 동심원들 간에 실제 원형 변환자 그룹이 배치되는 위치(실선으로 표현되었다.)를 찾는 방식이 상이하며, 도 11과 같은 양분되는 거리가 동일한 간격이 아니라 양분되는 면적이 동일하도록 하는데 차이점이 있다. 물론 이 경우 또한, 예시된 바와 같이, 변환자 그룹을 형성하는 개별 변환자들이 서로 인접한 변환자들과 등간격(CES 값이 서로 같음을 의미한다.)으로 배치될 수도 있다.
도 13은 초음파 변환자의 배치에 따른 그레이팅 로브(grating lobe)를 설명하기 위한 도면이다.
통상적으로 규칙적으로 변환자를 배열할 경우, 변환자 사이의 간격에 의해 발생하는 의도하지 않은 영역에 조사된 초음파가 집속되는 그레이팅 로브(grating lobe)가 발생할 우려가 있다. 도 13에서 [A]에는 메인 로브(main lobe)만이 형성되어 있는데 반해, [B]에는 메인 로브의 양쪽으로 그레이팅 로브가 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 프로브 조립체 상에 변환자들을 배치함에 있어서 변환자들이 랜덤(random)하게 그리고 조밀하지 않게(sparse) 배치되는 전략의 채택이 중요하다.
다만, 실질적인 구현의 관점에서, 변환자를 랜덤하게 배열한다는 것 자체가 제작에 어려움을 발생시킬 수 있거나, 오히려 사이드 로브(side lobe)가 발생하게 될 수도 있다. 따라서, 제작의 용이성을 고려하여 도 9 내지 도 12의 배치 전략에 따를 경우 그 특성이 일관되고 빔 형성의 패턴을 예측할 수 있는 프로브 조립체의 생산이 가능하다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 초음파 치료 장치의 제어 방법을 도시한 흐름도로서, 앞서 기술된 도 6의 구성에 따른 초음파 치료 장치를 시계열적인 관점에서 목적에 맞도록 제어하는 일련의 단계를 제안하되, 여기서는 설명의 중복을 피하기 위해 프로브 조립체의 개별 구성에 대해서는 개요만을 약술하도록 한다.
S1410 단계에서, 초음파 치료 장치는, 프로브(probe) 조립체의 일면에 배치된 복수 개의 영상용 변환자를 이용하여 초음파 신호를 대상에 조사하고 상기 대상으로부터 반사된 신호를 수신하여 치료 대상 조직에 대한 초음파 영상을 생성한다.
S1420 단계에서, 상기 초음파 치료 장치는, 상기 프로브 조립체의 일면에서 상기 영상용 변환자와 다른 위치에 배치된 복수 개의 HIFU(High intensity focused ultrasound) 변환자를 이용하여 초음파 신호를 상기 대상에 조사하여 열에너지를 발생시킴으로써 집속 영역 내의 조직을 치료한다.
S1430 단계에서, 상기 초음파 치료 장치는, 상기 복수 개의 영상용 변환자를 이용하여 초음파 신호를 상기 대상에 조사하고 상기 대상으로부터 반사된 신호를 수신하여 상기 조직의 치료 상태에 대한 초음파 영상을 생성한다. 이 과정은 치료의 효과를 확인하기 위한 과정으로서, 생성된 결과 영상의 판단/판정에 따라 S1450 단계와 같이 상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자를 각각 제어하여 상기 S1420 단계 및 상기 S1430 단계를 적어도 1회 이상 반복하여 수행하게 된다. 즉, 치료의 효과가 만족한 수준에 이를 때까지 HIFU 치료와 영상 확인을 반복할 수 있다.
또한, 상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자는, 각각 상기 프로브 조립체의 일면에 랜덤(random)하게 배치되거나, 희박 어레이(sparse array)를 형성하도록 배치되고, 상기 S1410 단계 내지 상기 S1430 단계는, 상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자를 각각 선택적으로 구동하되, 구동되는 변환자에 의해 변환자 어레이의 구경(aperture)이 결정될 수 있다.
또한, 상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자는, 동일한 종류의 변환자별로 각각 원형 영상용 변환자 그룹과 원형 HIFU 변환자 그룹을 형성하되, 상기 원형 영상용 변환자 그룹과 상기 원형 HIFU 변환자 그룹은 서로 다른 반지름을 갖는 동심원을 형성하도록 배치되며, 상기 S1410 단계 내지 상기 S1430 단계는, 상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자를 각각 선택적으로 구동하되, 구동되는 변환자 그룹의 지름에 의해 변환자 어레이의 구경(aperture)이 결정될 수 있다.
또한, 상기 S1410 단계 내지 상기 S1430 단계는, 상기 원형 영상용 변환자 그룹에 포함된 영상용 변환자와 상기 원형 HIFU 변환자 그룹에 포함된 HIFU 변환자 중 각각의 동심원 상에 동일한 간격으로 배치된 변환자를 선택적으로 구동할 수 있다.
또한, 상기 S1410 단계 내지 상기 S1430 단계는, 상기 프로브 조립체의 중앙으로부터 반지름이 증가하는 방향으로 서로 번갈아가며 반복적으로 배치된 상기 원형 영상용 변환자 그룹과 상기 원형 HIFU 변환자 그룹을 선택적으로 구동하되, 구동되는 변환자 그룹의 구경(aperture)의 차이가 일정한 값 이내가 되도록 제어하는 것이 바람직하다. 이러한 구성을 통해 초음파 영상 획득의 고해상도 확보와 HIFU 치료의 국소화를 동시에 달성할 수 있다.
또한, 상기 S1410 단계 내지 상기 S1430 단계는, 변환자 사이의 간격에 의해 발생하는 그레이팅 로브(grating lobe)의 영향이 최소화되는 위치에 배치된 변환자를 각각 선택적으로 구동하는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 HIFU 변환자는 상기 영상용 변환자에 비해 상대적으로 더 낮은 중심 주파수 대역의 주파수 응답 특성을 가지며, 상기 S1410 단계 내지 상기 S1430 단계는, 상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자 각각에 서로 다른 중심 주파수 대역의 초음파 신호를 생성하여 인가할 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 다양한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
상기된 본 발명의 실시예들에 따르면, 사용 목적이 상이한 두 종류의 변환자가 프로브 조립체 내에 영역을 달리하여 분포되거나 제한되지 않고, 프로브 일면의 전반에 걸쳐 배치됨으로써 각 변환자의 구경을 크게 확보하여 좁은 영역에 초음파를 집속시킬 수 있다. 이에 따라 측방향(lateral direction)으로 해상도가 좋은 영상을 피드백 받을 수 있으며, 그레이팅 로브의 영향을 최소화할 수 있는 배치 기법을 활용함으로써 집속 영역 외의 부분에 초음파가 집속되는 일을 억제할 수 있다. 따라서 병변 부위 주변의 정상 조직에 피해가 없이 치료하고자 하는 국소 부위에만 에너지를 집중할 수 있다. 결과적으로 병변 조직만의 괴사를 빠른 시간 내에 수행할 수 있어 HIFU 치료에서 문제되던 시간에 따른 피부 표면 열 상승 문제를 해결할 수 있다.
또한, 각 목적에 맞는 주파수 응답을 가진 변환자를 사용하기 때문에 낮은 주파수 대역으로 치료를 수행할 수 있어 신호의 감쇠 효과가 줄어들며 HIFU의 효과중 하나인 기계적인 에너지(cavitation)를 더욱 효과적으로 발생시킬 수 있어 치료의 효과를 향상시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 높은 주파수 대역으로 영상용 초음파를 주사하여 축방향(axial direction) 해상도가 좋은 영상을 얻을 수 있어 조직의 상태를 정확하게 판단할 수 있어 치료의 정확성을 높일 수 있다.

Claims (20)

  1. 초음파 신호를 대상에 조사하고 상기 대상으로부터 반사된 신호를 수신하여 초음파 영상을 생성하는 복수 개의 영상용 변환자;
    초음파 신호를 대상에 조사하여 열에너지를 발생시킴으로써 집속 영역 내의 조직을 치료하는 복수 개의 HIFU(High intensity focused ultrasound) 변환자; 및
    상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자가 각각 형성하는 변환자 어레이의 구경(aperture)의 차이가 소정값 이내가 되도록 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자는 프로브(probe) 조립체의 일면의 서로 다른 위치에 각각 배치되며, 서로 다른 중심 주파수 대역의 주파수 응답 특성을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 초음파 치료 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 HIFU 변환자는 상기 영상용 변환자에 비해 상대적으로 더 낮은 중심 주파수 대역의 주파수 응답 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 치료 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 영상용 변환자는 중심 주파수 대역이 3MHz ~ 5MHz인 주파수 응답 특성을 갖고,
    상기 HIFU 변환자는 중심 주파수 대역이 1MHz ~ 1.5MHz인 주파수 응답 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 초음파 치료 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자는,
    각각 상기 프로브 조립체의 일면에 랜덤(random)하게 배치되거나, 희박 어레이(sparse array)를 형성하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 치료 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자는,
    동일한 종류의 변환자별로 각각 원형 영상용 변환자 그룹과 원형 HIFU 변환자 그룹을 형성하되, 상기 원형 영상용 변환자 그룹과 상기 원형 HIFU 변환자 그룹은 서로 다른 반지름을 갖는 동심원을 형성하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 치료 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자 각각에 서로 다른 중심 주파수 대역의 초음파 신호를 생성하여 인가하는 것을 특징으로 하는 초음파 치료 장치.
  7. 초음파 신호를 대상에 조사하고 상기 대상으로부터 반사된 신호를 수신하여 초음파 영상을 생성하는 복수 개의 영상용 변환자; 및
    초음파 신호를 대상에 조사하여 열에너지를 발생시킴으로써 집속 영역 내의 조직을 치료하는 복수 개의 HIFU(High intensity focused ultrasound) 변환자를 포함하고,
    상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자는 동일한 종류의 변환자별로 각각 원형 영상용 변환자 그룹과 원형 HIFU 변환자 그룹을 형성하여 프로브(probe) 조립체의 일면에 서로 다른 반지름을 갖는 동심원을 형성하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 치료 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 원형 영상용 변환자 그룹에 포함된 영상용 변환자와 상기 원형 HIFU 변환자 그룹에 포함된 HIFU 변환자는, 변환자 사이의 간격에 의해 발생하는 그레이팅 로브(grating lobe)의 영향이 최소화되는 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 치료 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 원형 영상용 변환자 그룹에 포함된 영상용 변환자와 상기 원형 HIFU 변환자 그룹에 포함된 HIFU 변환자는, 각각의 동심원 상에 동일한 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 치료 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 원형 영상용 변환자 그룹과 상기 원형 HIFU 변환자 그룹은,
    상기 프로브 조립체의 중앙으로부터 반지름이 증가하는 방향으로 서로 번갈아가며 반복적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 치료 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 원형 영상용 변환자 그룹과 상기 원형 HIFU 변환자 그룹은,
    서로 인접한 동심원들이 동일한 간격을 갖도록 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파 치료 장치.
  12. 제 7 항에 있어서,
    적어도 2개의 가상의 동심원에 의해 구분된 각 영역의 면적이 동일하도록 상기 가상의 동심원들의 반지름을 결정하고,
    상기 가상의 동심원들 중 서로 인접한 가상의 동심원들의 반지름의 평균을 기준으로 새로운 동심원을 형성하며,
    형성된 상기 새로운 동심원 상에 상기 원형 영상용 변환자 그룹 또는 상기 원형 HIFU 변환자 그룹 중 어느 하나를 배치하는 것을 특징으로 하는 초음파 치료 장치.
  13. 제 7 항에 있어서,
    적어도 2개의 가상의 동심원에 의해 구분된 각 영역의 면적이 동일하도록 상기 가상의 동심원들의 반지름을 결정하고,
    상기 가상의 동심원들에 의해 구분된 각 영역의 면적을 양분하는 위치에 새로운 동심원을 형성하며,
    형성된 상기 새로운 동심원 상에 상기 원형 영상용 변환자 그룹 또는 상기 원형 HIFU 변환자 그룹 중 어느 하나를 배치하는 것을 특징으로 하는 초음파 치료 장치.
  14. (a) 프로브(probe) 조립체의 일면에 배치된 복수 개의 영상용 변환자를 이용하여 초음파 신호를 대상에 조사하고 상기 대상으로부터 반사된 신호를 수신하여 치료 대상 조직에 대한 초음파 영상을 생성하는 단계;
    (b) 상기 프로브 조립체의 일면에서 상기 영상용 변환자와 다른 위치에 배치된 복수 개의 HIFU(High intensity focused ultrasound) 변환자를 이용하여 초음파 신호를 상기 대상에 조사하여 열에너지를 발생시킴으로써 집속 영역 내의 조직을 치료하는 단계; 및
    (c) 상기 복수 개의 영상용 변환자를 이용하여 초음파 신호를 상기 대상에 조사하고 상기 대상으로부터 반사된 신호를 수신하여 상기 조직의 치료 상태에 대한 초음파 영상을 생성하는 단계를 포함하되,
    상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자를 각각 제어하여 상기 (b) 단계 및 상기 (c) 단계를 적어도 1회 이상 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는 초음파 치료 장치의 제어 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자는, 각각 상기 프로브 조립체의 일면에 랜덤(random)하게 배치되거나, 희박 어레이(sparse array)를 형성하도록 배치되고,
    상기 (a) 단계 내지 상기 (c) 단계는, 상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자를 각각 선택적으로 구동하되, 구동되는 변환자에 의해 변환자 어레이의 구경(aperture)이 결정되는 것을 특징으로 하는 초음파 치료 장치의 제어 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자는, 동일한 종류의 변환자별로 각각 원형 영상용 변환자 그룹과 원형 HIFU 변환자 그룹을 형성하되, 상기 원형 영상용 변환자 그룹과 상기 원형 HIFU 변환자 그룹은 서로 다른 반지름을 갖는 동심원을 형성하도록 배치되며,
    상기 (a) 단계 내지 상기 (c) 단계는,
    상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자를 각각 선택적으로 구동하되, 구동되는 변환자 그룹의 지름에 의해 변환자 어레이의 구경(aperture)이 결정되는 것을 특징으로 하는 초음파 치료 장치의 제어 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 (a) 단계 내지 상기 (c) 단계는,
    상기 원형 영상용 변환자 그룹에 포함된 영상용 변환자와 상기 원형 HIFU 변환자 그룹에 포함된 HIFU 변환자 중 각각의 동심원 상에 동일한 간격으로 배치된 변환자를 선택적으로 구동하는 것을 특징으로 하는 초음파 치료 장치의 제어 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 (a) 단계 내지 상기 (c) 단계는,
    상기 프로브 조립체의 중앙으로부터 반지름이 증가하는 방향으로 서로 번갈아가며 반복적으로 배치된 상기 원형 영상용 변환자 그룹과 상기 원형 HIFU 변환자 그룹을 선택적으로 구동하되, 구동되는 변환자 그룹의 구경(aperture)의 차이가 소정값 이내가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파 치료 장치의 제어 방법.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 (a) 단계 내지 상기 (c) 단계는,
    변환자 사이의 간격에 의해 발생하는 그레이팅 로브(grating lobe)의 영향이 최소화되는 위치에 배치된 변환자를 각각 선택적으로 구동하는 것을 특징으로 하는 초음파 치료 장치의 제어 방법.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 HIFU 변환자는 상기 영상용 변환자에 비해 상대적으로 더 낮은 중심 주파수 대역의 주파수 응답 특성을 가지며,
    상기 (a) 단계 내지 상기 (c) 단계는,
    상기 영상용 변환자와 상기 HIFU 변환자 각각에 서로 다른 중심 주파수 대역의 초음파 신호를 생성하여 인가하는 것을 특징으로 하는 초음파 치료 장치의 제어 방법.
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