초음파 방사에 의한 캐비테이션 생성 및 열적효과 제어를 위한 시뮬레이션에 관한 연구 The study of simulation for control cavitation generation and thermal effect using ultrasound emission원문보기
본 연구에서는 현재 암(종양) 치료를 위해 사용되고 있는 초음파 온열 치료 및 고강도 집속 초음파 등에서 적용할 수 있는 천이형 초음파 캐비테이션을 이용한 열적제어에 관한 기초 연구를 수행하였다. 초음파 캐비테이션은 20㎑ 이상의 주파수 대역과 수십 의 세기의 초음파 트랜스듀서에서 발생할 수 있으며, 주파수가 다른 2개 이상의 초음파 ...
본 연구에서는 현재 암(종양) 치료를 위해 사용되고 있는 초음파 온열 치료 및 고강도 집속 초음파 등에서 적용할 수 있는 천이형 초음파 캐비테이션을 이용한 열적제어에 관한 기초 연구를 수행하였다. 초음파 캐비테이션은 20㎑ 이상의 주파수 대역과 수십 의 세기의 초음파 트랜스듀서에서 발생할 수 있으며, 주파수가 다른 2개 이상의 초음파 트랜스듀서의 간섭 현상을 이용하여 발생시킬 수도 있다. 초음파 캐비테이션은 안정형과 천이형으로 구분할 수 있으며, 안정형은 기포에 의한 에너지 강도가 약하며 초음파 영상의 아티펙트의 원인이 될 수 있으며, 천이형은 기포가 터지면서 순간적으로 높은 에너지 강도의 보이게 된다. 천이형에서 발생한 에너지는 초음파 집속 부위에서 발생하며 종양 세포를 괴사 시킬 수 있을 정도의 높은 온도 발생을 야기한다. 본 연구에서는 높은 에너지 강도를 가지는 천이형 초음파 캐비테이션의 발생과 이에 의한 온도 상승효과를 예측하기 위하여 캐비테이션 발생 시뮬레이션과 온도 시뮬레이션을 LabVIEW와 MATLab(Field II)을 이용하여 개발하였다. 개발에 앞서 생체 열전달 방정식과 버블다이나믹스에 관한 수학적 분석을 수행하였으며, 초음파 트랜스듀서의 정보, 매질의 정보, 구동 펄스 등에 의해 결과를 도출할 수 있도록 하였다. 주파수가 각각 500㎑, 1.1㎒인 두 개의 초음파 트랜스듀서를 사용하였으며, 캐비테이션의 유효성 평가를 위하여 BSA와 Polyacrylamide를 혼합하여 반투명한 젤 형태의 팬텀을 제작하였고, 이에 대한 음향학적, 물리적 특성을 평가하였다. 팬텀의 특성 평가 결과 캐비테이션의 발생을 확인할 수 있으며, 특성의 수치는 연부조직과 유사하여 기존의 TMM(Tissue Mimicking Materials, 조직등가물질) 팬텀을 대체할 수 있다는 결과를 확인하였다. 또한 개발된 팬텀을 이용하여 초음파 캐비테이션의 발생 및 가열 실험을 수행하였다. 초음파 조사 시간은 60초로 하였으며, 조사 강도는 1W-10W(1W Step), 20W-80W(10W Step)로 설정하였다. 초음파 조사 후 카메라 및 초음파 진단 장비를 이용하여 캐비테이션의 발생 유무를 확인하였으며, 지름과 부피를 각각 측정하였다. 실험 결과 10W 이하의 저강도 영역에서는 캐비테이션이 발생하지 않았으며, 20W이상의 영역부터 고강도로 진행될수록 캐비테이션의 발생이 증가함을 확인할 수 있었다. 고강도로 진행될수록 군집화된 미세기포의 크기는 증가하였지만 캐비테이션에 의한 온열 효과는 점차 줄어듦을 확인할 수 있었다. 이는 캐비테이션의 포화 현상으로 온도가 상승할수록 증기압 또한 상승하여 미세기포를 천이시키기 위해 필요한 에너지가 증가하기 때문이다. 또한 캐비테이션의 발생과 온도 상승과의 상관 관계 분석을 위하여 유의 수준 0.05에서 Pearson 분석을 수행하였다. 그 결과 1.1㎒에서는 캐비테이션의 부피 및 지름이 온도 상승에 미치는 효과가 0.703이상으로 높게 나타났으나 500㎑에서는 0.775의 유의수준을 나타났으며 이를 통하여 초음파 캐비테이션의 양이 많을수록 고온의 효과를 나타냄을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 진행된 캐비테이션 발생 및 온도 시뮬레이션은 향후 더 많은 연구를 통해 정밀도 향상과 온도 조절 방법 등이 보완되어져야 할 것이며, 이를 통하여 임상에서 초음파 시술 전 캐비테이션에 의한 효과를 고려하여 기존의 초음파 치료법보다 짧은 시간 안에 넓은 면적을 치료할 수 있는 치료법의 개발에 활용되어 질수 있을 것이라 기대해 본다.
본 연구에서는 현재 암(종양) 치료를 위해 사용되고 있는 초음파 온열 치료 및 고강도 집속 초음파 등에서 적용할 수 있는 천이형 초음파 캐비테이션을 이용한 열적제어에 관한 기초 연구를 수행하였다. 초음파 캐비테이션은 20㎑ 이상의 주파수 대역과 수십 의 세기의 초음파 트랜스듀서에서 발생할 수 있으며, 주파수가 다른 2개 이상의 초음파 트랜스듀서의 간섭 현상을 이용하여 발생시킬 수도 있다. 초음파 캐비테이션은 안정형과 천이형으로 구분할 수 있으며, 안정형은 기포에 의한 에너지 강도가 약하며 초음파 영상의 아티펙트의 원인이 될 수 있으며, 천이형은 기포가 터지면서 순간적으로 높은 에너지 강도의 보이게 된다. 천이형에서 발생한 에너지는 초음파 집속 부위에서 발생하며 종양 세포를 괴사 시킬 수 있을 정도의 높은 온도 발생을 야기한다. 본 연구에서는 높은 에너지 강도를 가지는 천이형 초음파 캐비테이션의 발생과 이에 의한 온도 상승효과를 예측하기 위하여 캐비테이션 발생 시뮬레이션과 온도 시뮬레이션을 LabVIEW와 MATLab(Field II)을 이용하여 개발하였다. 개발에 앞서 생체 열전달 방정식과 버블 다이나믹스에 관한 수학적 분석을 수행하였으며, 초음파 트랜스듀서의 정보, 매질의 정보, 구동 펄스 등에 의해 결과를 도출할 수 있도록 하였다. 주파수가 각각 500㎑, 1.1㎒인 두 개의 초음파 트랜스듀서를 사용하였으며, 캐비테이션의 유효성 평가를 위하여 BSA와 Polyacrylamide를 혼합하여 반투명한 젤 형태의 팬텀을 제작하였고, 이에 대한 음향학적, 물리적 특성을 평가하였다. 팬텀의 특성 평가 결과 캐비테이션의 발생을 확인할 수 있으며, 특성의 수치는 연부조직과 유사하여 기존의 TMM(Tissue Mimicking Materials, 조직등가물질) 팬텀을 대체할 수 있다는 결과를 확인하였다. 또한 개발된 팬텀을 이용하여 초음파 캐비테이션의 발생 및 가열 실험을 수행하였다. 초음파 조사 시간은 60초로 하였으며, 조사 강도는 1W-10W(1W Step), 20W-80W(10W Step)로 설정하였다. 초음파 조사 후 카메라 및 초음파 진단 장비를 이용하여 캐비테이션의 발생 유무를 확인하였으며, 지름과 부피를 각각 측정하였다. 실험 결과 10W 이하의 저강도 영역에서는 캐비테이션이 발생하지 않았으며, 20W이상의 영역부터 고강도로 진행될수록 캐비테이션의 발생이 증가함을 확인할 수 있었다. 고강도로 진행될수록 군집화된 미세기포의 크기는 증가하였지만 캐비테이션에 의한 온열 효과는 점차 줄어듦을 확인할 수 있었다. 이는 캐비테이션의 포화 현상으로 온도가 상승할수록 증기압 또한 상승하여 미세기포를 천이시키기 위해 필요한 에너지가 증가하기 때문이다. 또한 캐비테이션의 발생과 온도 상승과의 상관 관계 분석을 위하여 유의 수준 0.05에서 Pearson 분석을 수행하였다. 그 결과 1.1㎒에서는 캐비테이션의 부피 및 지름이 온도 상승에 미치는 효과가 0.703이상으로 높게 나타났으나 500㎑에서는 0.775의 유의수준을 나타났으며 이를 통하여 초음파 캐비테이션의 양이 많을수록 고온의 효과를 나타냄을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 진행된 캐비테이션 발생 및 온도 시뮬레이션은 향후 더 많은 연구를 통해 정밀도 향상과 온도 조절 방법 등이 보완되어져야 할 것이며, 이를 통하여 임상에서 초음파 시술 전 캐비테이션에 의한 효과를 고려하여 기존의 초음파 치료법보다 짧은 시간 안에 넓은 면적을 치료할 수 있는 치료법의 개발에 활용되어 질수 있을 것이라 기대해 본다.
In this study, to overcome the weaknesses of HIFU (High Intensity Focused Ultrasound) and EWSL (Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy) which are used to treat tumors, the use of cavitation for tumor treatment was investigated. Ultrasound cavitation is generated at a frequency of over 20㎑ and dozens ...
In this study, to overcome the weaknesses of HIFU (High Intensity Focused Ultrasound) and EWSL (Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy) which are used to treat tumors, the use of cavitation for tumor treatment was investigated. Ultrasound cavitation is generated at a frequency of over 20㎑ and dozens of intensity. In addition, it is possible to create cavitations using difference frequency transducers. Ultrasound cavitation is classified into stable and collapse condition. In stable cavitations, micro bubbles are generated by acoustic oscillations; there are no physical changes except for bubble oscillation. Collapse cavitation is a phenomenon of repetition of bubble generation and oscillation to burst the micro bubbles. Collapse cavitation generates high energy and increases the temperature sufficiently (over 42.5 ℃) to cause necrosis around the tissue. To predict the heating effect and collapse cavitation generation, which has a high energy level, a simulation for cavitation generation and heating were developed using LabVIEW and MATLab (Field II). Before the simulation was developed, a numerical analysis of bubble dynamics was performed, and the results of the simulation were calculated using information about the ultrasound transducer, medium, and operating pulse. Because two different transducers (500 ㎑, 1.1 ㎒) were used in this study, the operation of a developed simulation considered the center frequency and attenuation. One purpose of this study was to confirm occurrence of cavitation and distribution using a gel phantom. The phantom was developed using a mixture of polyacrylamide and BSA (Bovine Serum Albumin), and the phantom underwent a simple evaluation test of its acoustic and physical characteristics. The phantom has a visible characteristic, and it was helpful for observation of the cavitation. Moreover it has several similar characteristics to soft tissue and the TMM(Tissue Mimicking Materials) phantom can be replaced. The ultrasonic emission time was 60 seconds, and 1W-10W (1W step) and 20W-80W (10W step) intensities were used in each transducer experiment. After ultrasonic emission, the cavitation’s diameter and volume were measured using the camera and ultrasonic image scanner. In the experimental results, there was no cavitation at low intensities under 10W. However, as the intensity (over 20W condition) increased, greater cavitation was observed. This means that a greater intensity can create larger bubble cloud, but there was a decline in the heat effect on cavitation. When the temperature of the liquid increases, the bubbles become more numerous, and the cavitation should be more intensive. On the other hand, as the temperature rises, the liquid develops a higher vapor pressure, so the gas content in the bubbles becomes higher and the implosion force of the cavitation collapse decreases. To perform a correlation analysis between the generation of cavitation and temperature increase, the Pearson’s correlation analysis method was used at a 0.05 level of significance. In the results of the correlation analysis, the caviation’s effect on the temperature was over 0.703 at 1.1 ㎒ and 0.775 at 500 ㎑. This means that cavitation is useful for increasing the temperature further. The simulations developed for cavitation generation and heating will need to compensate the defect through further study and experiments. In the future, this study, which has considered cavitation effects, could be helpful in the treatment of tumors using ultrasound. Furthermore, it will improve the efficiency of ultrasound induced hyperthermia.
In this study, to overcome the weaknesses of HIFU (High Intensity Focused Ultrasound) and EWSL (Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy) which are used to treat tumors, the use of cavitation for tumor treatment was investigated. Ultrasound cavitation is generated at a frequency of over 20㎑ and dozens of intensity. In addition, it is possible to create cavitations using difference frequency transducers. Ultrasound cavitation is classified into stable and collapse condition. In stable cavitations, micro bubbles are generated by acoustic oscillations; there are no physical changes except for bubble oscillation. Collapse cavitation is a phenomenon of repetition of bubble generation and oscillation to burst the micro bubbles. Collapse cavitation generates high energy and increases the temperature sufficiently (over 42.5 ℃) to cause necrosis around the tissue. To predict the heating effect and collapse cavitation generation, which has a high energy level, a simulation for cavitation generation and heating were developed using LabVIEW and MATLab (Field II). Before the simulation was developed, a numerical analysis of bubble dynamics was performed, and the results of the simulation were calculated using information about the ultrasound transducer, medium, and operating pulse. Because two different transducers (500 ㎑, 1.1 ㎒) were used in this study, the operation of a developed simulation considered the center frequency and attenuation. One purpose of this study was to confirm occurrence of cavitation and distribution using a gel phantom. The phantom was developed using a mixture of polyacrylamide and BSA (Bovine Serum Albumin), and the phantom underwent a simple evaluation test of its acoustic and physical characteristics. The phantom has a visible characteristic, and it was helpful for observation of the cavitation. Moreover it has several similar characteristics to soft tissue and the TMM(Tissue Mimicking Materials) phantom can be replaced. The ultrasonic emission time was 60 seconds, and 1W-10W (1W step) and 20W-80W (10W step) intensities were used in each transducer experiment. After ultrasonic emission, the cavitation’s diameter and volume were measured using the camera and ultrasonic image scanner. In the experimental results, there was no cavitation at low intensities under 10W. However, as the intensity (over 20W condition) increased, greater cavitation was observed. This means that a greater intensity can create larger bubble cloud, but there was a decline in the heat effect on cavitation. When the temperature of the liquid increases, the bubbles become more numerous, and the cavitation should be more intensive. On the other hand, as the temperature rises, the liquid develops a higher vapor pressure, so the gas content in the bubbles becomes higher and the implosion force of the cavitation collapse decreases. To perform a correlation analysis between the generation of cavitation and temperature increase, the Pearson’s correlation analysis method was used at a 0.05 level of significance. In the results of the correlation analysis, the caviation’s effect on the temperature was over 0.703 at 1.1 ㎒ and 0.775 at 500 ㎑. This means that cavitation is useful for increasing the temperature further. The simulations developed for cavitation generation and heating will need to compensate the defect through further study and experiments. In the future, this study, which has considered cavitation effects, could be helpful in the treatment of tumors using ultrasound. Furthermore, it will improve the efficiency of ultrasound induced hyperthermia.
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