본 연구에서는 자궁경부암 및 질암 치료 시 고선량률 강내 근접치료기와 병행하여 사용가능한 다채널 초음파 온열 치료 기구를 제작하였다. 텐덤형의 경우 자궁 내에 삽입이 용이하도록 외부직경 4 mm, 두께 0.7 mm, 길이 24.5 mm인 원통형 plezo-ceramic crystal transducer (PZT-5A) 물질이 초음파 발생원으로 사용되었다. 질벽 또는 질 천정치료에 이용될 치료기는 질에 삽입되어야 하므로 질의 크기와 비슷한 직경 24.5 mm, 두께 1.3 mm, 길이 15.2 mm인 원통형 PZT-8 물질이 이용되었다. 임피던스와 phase 측정결과에 따라 외부직경이 4 mm인 PZT-5A의 작동주파수는 3.2 MHz 로 결정되었고 외부직경이 24.5 mm인 PZT-8 물질의 작동 주파수는 1.7 MHz로 결정되었다. Radiation force 방법으로 측정된 초음파 발생효율은 텐덤형 초음파원은 33%이고 원통형 초음파원은 61%이다. 원통형 초음파 발생물질로부터 발생되는 초음파 분포도를 MATLAB을 이용하여 계산하였고 실제 물 팬텀 내에서 열전대를 이용하여 측정하였다. 계산을 통해 얻어진 radial 한 방향으로 방사된 초음파압은 자궁내로 삽입되는 텐덤형 트랜스듀서의 경우 표면에서 5 mm 되는 점을 기준으로 10 mm 에서는 58%이고 20 mm에서는 45%이다. 질 치료에 사용될 트랜스듀서의 세기는 표면으로부터 5 mm에서의 세기를 기준으로 15 mm 거리에서는 78%, 25 mm 거리에서는 66％로 감소하였다. 특성분석 결과 직경 4 mm인 PZT-5A 와 24.5 mm인 PZT8 물질은 온열치료의 초음파원으로 사용가능함이 입증되었다. 따라서 직경 4 mm인 PZT-5A 트랜스듀서 3개를 연결하여 치료길이가 75 mm인 텐덤형 온열치료기구를 제작하였고 직경 24.5 mm인 PZT-8 트랜스듀서 4개를 연결하여 치료길이가 61 mm인 질암 치료용 온열치료기구를 제작하였다.
본 연구에서는 자궁경부암 및 질암 치료 시 고선량률 강내 근접치료기와 병행하여 사용가능한 다채널 초음파 온열 치료 기구를 제작하였다. 텐덤형의 경우 자궁 내에 삽입이 용이하도록 외부직경 4 mm, 두께 0.7 mm, 길이 24.5 mm인 원통형 plezo-ceramic crystal transducer (PZT-5A) 물질이 초음파 발생원으로 사용되었다. 질벽 또는 질 천정치료에 이용될 치료기는 질에 삽입되어야 하므로 질의 크기와 비슷한 직경 24.5 mm, 두께 1.3 mm, 길이 15.2 mm인 원통형 PZT-8 물질이 이용되었다. 임피던스와 phase 측정결과에 따라 외부직경이 4 mm인 PZT-5A의 작동주파수는 3.2 MHz 로 결정되었고 외부직경이 24.5 mm인 PZT-8 물질의 작동 주파수는 1.7 MHz로 결정되었다. Radiation force 방법으로 측정된 초음파 발생효율은 텐덤형 초음파원은 33%이고 원통형 초음파원은 61%이다. 원통형 초음파 발생물질로부터 발생되는 초음파 분포도를 MATLAB을 이용하여 계산하였고 실제 물 팬텀 내에서 열전대를 이용하여 측정하였다. 계산을 통해 얻어진 radial 한 방향으로 방사된 초음파압은 자궁내로 삽입되는 텐덤형 트랜스듀서의 경우 표면에서 5 mm 되는 점을 기준으로 10 mm 에서는 58%이고 20 mm에서는 45%이다. 질 치료에 사용될 트랜스듀서의 세기는 표면으로부터 5 mm에서의 세기를 기준으로 15 mm 거리에서는 78%, 25 mm 거리에서는 66％로 감소하였다. 특성분석 결과 직경 4 mm인 PZT-5A 와 24.5 mm인 PZT8 물질은 온열치료의 초음파원으로 사용가능함이 입증되었다. 따라서 직경 4 mm인 PZT-5A 트랜스듀서 3개를 연결하여 치료길이가 75 mm인 텐덤형 온열치료기구를 제작하였고 직경 24.5 mm인 PZT-8 트랜스듀서 4개를 연결하여 치료길이가 61 mm인 질암 치료용 온열치료기구를 제작하였다.
The objective of this study was to construct multi-element ultrasound applicators for the treatment of gynecologic cancer with high dose rate brachytherapy. For the treatment of uterus, piezo-ceramic crystal transducer (PZT -5A) with outer diameter of 4 mm, wall thickness of 1.3 mm, and length of 24...
The objective of this study was to construct multi-element ultrasound applicators for the treatment of gynecologic cancer with high dose rate brachytherapy. For the treatment of uterus, piezo-ceramic crystal transducer (PZT -5A) with outer diameter of 4 mm, wall thickness of 1.3 mm, and length of 24.5 mm was selected. For the treatment of cervix or vagina, it should be possible to insert the applicator into the vagina. Thus, a cylindrical PZT -8 material with outer diameter of 24.5 mm, wall thickness of 1.3 mm, and length of 15.2 mm was selected. The operating frequencies determined by vector impedance measurement were 3.2 MHz for the PZT 5A cylinder (OD=4 mm) and 1.7 MHz for the PZT -8 cylinder (OD: 24.5 mm). The ratios of generated acoustic output power to applied electric power were 33% and 61% for the tandem type crystal and the cylinder type crystal, respectively. The radiated acoustic pressure fields from both transducers were calculated using a Matlab code and measured in water using hydrophone. There was good agreement between measured and calculated acoustic pressure field distribution. For a tandem type transducer, the calculated acoustic pressure field decreased from 0.023 MPa at 10 mm to 0.010 Mpa at 30 mm, the reduction of 57%. For the cylinder type transducer which will be used for the treatment of vagina showed 78% reduction at 15 mm and 66% at 25 mm as compared to values at 5 mm from the surface. Based on the characteristics of the transducers, this study demonstrated the possibility of using the crystals as a heating source. Finally, a 3-element and 4-element prototype applicators were constructed. The 3-element applicator is 75 mm long and 4 mm thick and will be used for the treatment of uterus. The 4-element applicator is 61 mm long and 24.5 mm thick and will be used for the treatment of vagina. Using these applicators, it is possible to generate enough power to increase temperature to therapeutic level.
The objective of this study was to construct multi-element ultrasound applicators for the treatment of gynecologic cancer with high dose rate brachytherapy. For the treatment of uterus, piezo-ceramic crystal transducer (PZT -5A) with outer diameter of 4 mm, wall thickness of 1.3 mm, and length of 24.5 mm was selected. For the treatment of cervix or vagina, it should be possible to insert the applicator into the vagina. Thus, a cylindrical PZT -8 material with outer diameter of 24.5 mm, wall thickness of 1.3 mm, and length of 15.2 mm was selected. The operating frequencies determined by vector impedance measurement were 3.2 MHz for the PZT 5A cylinder (OD=4 mm) and 1.7 MHz for the PZT -8 cylinder (OD: 24.5 mm). The ratios of generated acoustic output power to applied electric power were 33% and 61% for the tandem type crystal and the cylinder type crystal, respectively. The radiated acoustic pressure fields from both transducers were calculated using a Matlab code and measured in water using hydrophone. There was good agreement between measured and calculated acoustic pressure field distribution. For a tandem type transducer, the calculated acoustic pressure field decreased from 0.023 MPa at 10 mm to 0.010 Mpa at 30 mm, the reduction of 57%. For the cylinder type transducer which will be used for the treatment of vagina showed 78% reduction at 15 mm and 66% at 25 mm as compared to values at 5 mm from the surface. Based on the characteristics of the transducers, this study demonstrated the possibility of using the crystals as a heating source. Finally, a 3-element and 4-element prototype applicators were constructed. The 3-element applicator is 75 mm long and 4 mm thick and will be used for the treatment of uterus. The 4-element applicator is 61 mm long and 24.5 mm thick and will be used for the treatment of vagina. Using these applicators, it is possible to generate enough power to increase temperature to therapeutic level.
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문제 정의
본 연구에서는 생물학적으로 인체에 해가 없고 물리적으로 가장 장점이 많은 초음파를 사용하여 고선량률 근접치 료기와 병행하여 사용할 수 있는 온열치 료기 구인 텐덤형 및 원통형 기구가 개발되었다. 오보이드형은 Lee 등에 의해 제작되었다.
제안 방법
위의 공식에서 f 는 진동수, V는 음파의 속고, t는 트랜스듀서의 두께이다. 그러나 제작된 트랜스듀서의 두께는 오차가 있으므로 참고문헌에서 보여주듯이 임피던스 스캔에 의해 결정된다 6 따라서 각각의 트랜스듀서의 작동 주파수를 결정하기 위해 Vector Impedance Meter (Hewlett Packard Model 4193A, USA)를 이용하여 임피던스와 위상을 측정하였다. 측정된 임피던스 데이터를 이용하여 임피던스가 최대가 되고 위상이 0인 점의 주파수에서 각각의 트랜스듀서를 작동하였다.
트랜스듀스의 거리에 따른 초음파의 세기는 온도 본포와 비례한다. 따라서 거리에 따른 초음파 압력을 계산하였다. 반경 a인 원통형 초음파로부터 발생되는 초음파의 압력은 거리(7, S)에서 모노크로믹 excitation 이라고 가정할 때 아래의 공식에 의해 계산된다.
마지막으로 초음파 세기 분포도를 hydrophone을 이용하여 4면이 모두 음파를 흡수하는 검은색 고무로 덮여 있는 물 팬텀 내에서 측정하였다.31)
초음파 온열치료기구는 고선량률 근접 방사선 치료기인 Fletcher Williamson 치료기 및 질 치료기와 같이 사용이 가능하도록 디자인되었다. 디자인을 기반으로 다채널 치료기구들 즉질벽 또는 천정치료에 이용될 4채널 원통형 치료기구와 자궁암 및 자궁경부암 치료를 위한 3채널 텐덤형 치료기구가 제작되었다.
초음파 온열치료기구는 고선량률 근접 방사선 치료기인 Fletcher Williamson 치료기 및 질 치료기와 같이 사용이 가능하도록 디자인되었다. 디자인을 기반으로 다채널 치료기구들 즉질벽 또는 천정치료에 이용될 4채널 원통형 치료기구와 자궁암 및 자궁경부암 치료를 위한 3채널 텐덤형 치료기구가 제작되었다. 치료기제작에 앞서 치료기의 사용 가능성을 타진하기 위하여 컴퓨터simulation을 이용하여 초음파 분포도를 방사 방향 및 수평 한 방향으로 계산하여 보았고 그 결과 각각의 초음파소스들을 온열치료기로 사용하기에 적합함이 입증되었다.
결론적으로 의료기구가 개발되어 임상에서 사용되기까지 거쳐야 할 단계는 의료기기의 디자인, 프로토타입 제작, 특성 분석, 동물실험, 및 임상실험 등 5단계로 나뉘는데 본 연구에서는 자궁경부암, 자궁내막암 및 직장암 치료에 쓰이는 고선량률 강내근접치료와 같이 사용될 수 있는 초음파 온열치료기를 디자인 및 제작되었고 특성 분석이 실행되었다. 그러나 동물실험 및 임상실험은 자원 부족으로 인하여 아직 시행되지 못하였으나 동물실험을 통하여 본 연구에서 제작된 기구의 유용성을 증명된다면 임상에서 사용 가능하게 될 것이다.
그러나 제작된 트랜스듀서의 두께는 오차가 있으므로 참고문헌에서 보여주듯이 임피던스 스캔에 의해 결정된다 6 따라서 각각의 트랜스듀서의 작동 주파수를 결정하기 위해 Vector Impedance Meter (Hewlett Packard Model 4193A, USA)를 이용하여 임피던스와 위상을 측정하였다. 측정된 임피던스 데이터를 이용하여 임피던스가 최대가 되고 위상이 0인 점의 주파수에서 각각의 트랜스듀서를 작동하였다.
대상 데이터
오보이드형은 Lee 등에 의해 제작되었다. 현재 미국 하버드의대에서 전립선암 온열치료에 사용되는 초음파 치료기와 같은 방법을 통하여 디자인 및 제작되었고 치료기의 특성 또한 미국에 있는 연구실에서 분석되었다. 온열치료기구의 개발은 자궁암치 료 의 치료효과를 증가시켜 치료 성적을 향상시키고 재발된 암 환자에게는 방사능 조사가 한계가 있으므로 치료방법이 없는 환자들에 사용될 수 있다.
5 mm 인 PZT-5A 물질이 선택되었다 원통형 치료기구는 질천장 및 질벽을 치료하여야 하므로 크기가 20 mm에서 40 mm 정도 되어야 한다. 따라서 직경이 24.5 mm 이고 길이가 15.2 mm 인 PZT-8 물질이 사용되었다.(Boston Piezo Optics Inc, Boston) Fig.
데이터처리
균일한 excitation인 원통형 물질의 경우는 트랜스듀서의 표면에 있는 모든 line element들은 동일한 속도에서 진동한다. 위의 공식을 이용하여 직경 4 mm이고 3.2 MHz에 서 작동되는 원통형 트랜스듀서(PZT-5A)와 직경 25 mm이 고 1.7 MHz에서 작동되는 원통형 소스에서 발생되는 음파 압력을 Matlab을 이용하여 계산하였다.
이론/모형
본 연구에서는 생물학적으로 인체에 해가 없고 물리적으로 가장 장점이 많은 초음파를 사용하여 고선량률 근접치 료기와 병행하여 사용할 수 있는 온열치 료기 구인 텐덤형 및 원통형 기구가 개발되었다. 오보이드형은 Lee 등에 의해 제작되었다. 현재 미국 하버드의대에서 전립선암 온열치료에 사용되는 초음파 치료기와 같은 방법을 통하여 디자인 및 제작되었고 치료기의 특성 또한 미국에 있는 연구실에서 분석되었다.
초음파 발생 효율은 적용된 전력 대비 발생된 초음파량으로 계산되는데 트랜스듀서에 가해준 전력은 RF power meter (HP model 438)로 측정하였고 트랜스듀서의 초음파 발생 효율은 Radiation force 기법을 이용하여 측정하였다.28, 29)
성능/효과
강내근접 치료는 강내에 미리 삽입된 기구에 방사성 동위원소를 삽입하여 종양에 많은 양의 방사선량을 조사하는 방법이다. 자궁암 치료에 외부 방사선 치료와 더불어 강내근접 치료를 시행하면서 국소재발률은 감소되었고 생존율이 향상되었다. 그러나 방사선 치료의 성적이 좋다고는 하나종양의 크기가 크거나 진행된 병기의 경우 국소재발률이 감소되지 않는다는 문제점이 있다.
효율성 측정 결과 텐덤형 및 원통형 모두 가해준 전력이 증가함에 따라 비례적으로 증가하였다. 텐덤형의 경우 발생된 초음파의 발생 효율은 가해준 전력이 0.
2 MHz이다 이론상으로는 트렌스듀서 의 두께가 일정하므로 트랜스듀서의 길이를 따라 측정된 Z방향에서의 세기는 일정하다. 그러나 측정된 분포도를 살펴보면 계산값과는 달리 트랜스듀서 중앙이 높고 양쪽 끝으로 갈수록 세기가 감소하였다, 트랜스듀서의 길이를 따라 측정한 결과 세기 분포가 균일하지 않음을 볼 수 있다 (Fig. 7).측정값에서 나타나는 불균일도는 트랜스듀서의 실제 두께가 균일하지 않기 때문에 나타나는 현상이다.
6).측정값을 살펴보면 5 nun에서의 세기 대비 10 mm 에서 77%이고 20 mm 에서 64%이다(Fig. 8).
7 MHz에서 작동했을 때 계산된 초음파 분포도이다. 표면으로부터 수직한 방향으로 계산된 초음파 세기는 거리에 증가함에 따라 지수적으로 감소하였고 표면으로부터 5 mm에서의 세기 대비 10 mm 거리에서는 78%이고 20 mm 거리에서는 66%이다. 계산된 압력을 살펴보면 텐덤형은 표면에서 15 mm 되는 점에서의 0.
디자인을 기반으로 다채널 치료기구들 즉질벽 또는 천정치료에 이용될 4채널 원통형 치료기구와 자궁암 및 자궁경부암 치료를 위한 3채널 텐덤형 치료기구가 제작되었다. 치료기제작에 앞서 치료기의 사용 가능성을 타진하기 위하여 컴퓨터simulation을 이용하여 초음파 분포도를 방사 방향 및 수평 한 방향으로 계산하여 보았고 그 결과 각각의 초음파소스들을 온열치료기로 사용하기에 적합함이 입증되었다. 본 연구에서 개발된 초음파 온열치료기는 고선량률 치료기와 동시에는 사용할 수 없다.
후속연구
치료기제작에 앞서 치료기의 사용 가능성을 타진하기 위하여 컴퓨터simulation을 이용하여 초음파 분포도를 방사 방향 및 수평 한 방향으로 계산하여 보았고 그 결과 각각의 초음파소스들을 온열치료기로 사용하기에 적합함이 입증되었다. 본 연구에서 개발된 초음파 온열치료기는 고선량률 치료기와 동시에는 사용할 수 없다. 그러므로 고선량률 근접 치료를 하기 직전 또는 직후에 온열치료가 이루어져야 한다.
결론적으로 의료기구가 개발되어 임상에서 사용되기까지 거쳐야 할 단계는 의료기기의 디자인, 프로토타입 제작, 특성 분석, 동물실험, 및 임상실험 등 5단계로 나뉘는데 본 연구에서는 자궁경부암, 자궁내막암 및 직장암 치료에 쓰이는 고선량률 강내근접치료와 같이 사용될 수 있는 초음파 온열치료기를 디자인 및 제작되었고 특성 분석이 실행되었다. 그러나 동물실험 및 임상실험은 자원 부족으로 인하여 아직 시행되지 못하였으나 동물실험을 통하여 본 연구에서 제작된 기구의 유용성을 증명된다면 임상에서 사용 가능하게 될 것이다. 따라서 본 연구에서 제작된 프로토타입 초음파 온열치료기구는 자궁경부암, 자궁내막암, 질암 등에서 고선량 및 저선량 근접방사선 치료와 같이 사용될 수 있다.
그러나 동물실험 및 임상실험은 자원 부족으로 인하여 아직 시행되지 못하였으나 동물실험을 통하여 본 연구에서 제작된 기구의 유용성을 증명된다면 임상에서 사용 가능하게 될 것이다. 따라서 본 연구에서 제작된 프로토타입 초음파 온열치료기구는 자궁경부암, 자궁내막암, 질암 등에서 고선량 및 저선량 근접방사선 치료와 같이 사용될 수 있다. 이러한 초음파 온열치료기구를 병행하여 사용함으로써 방사선치료실패의 주원인으로 알려져 있는 저산소성 암세포의 방사선 저항력을 극복할 수 있고 동시에 주위 정상조직의 손상을 최소화할 수 있는 치료방법으로 쓰일 수 있다.
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