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문제 정의
- 또한, 초음파 온열 치료의 효율성을 높이기 위해서는 생체 조직의 음향학적 특성을 고려한 모의실험은필수적이라고 할 수 있다. 이에 본연구에서는 생체 조직의 음향학적 특성을 고려한 초음파 온열치료기 전을 모델링하고, 음장의 분포 및 초음파로 인하여 전달되는 열에너지를 모의실험 가능한 초음파 온열 모의실험장치를 개발하고자 한다.
- Weinbaum 등과 Tompkins 등은 생체조직의 평균온도에 미치는 혈액유동과 관류율에 대하여 간단한 생체 열전달 방정식을제안한 바 있다[10-11]. 본 연구에서는 이들이 제안한 생체 열전달 방정식을 사용하여 인체 내부의 온도 변화를 고찰하였다. 식 (7)은 조직에서의 온도 평가에 일반적으로 사용되는 생체 열전달 방정식이다.
- 본 연구에서는 초음파 온열 치료의 효율성 향상을 위하여 조직 특성을 고려한 초음파 온열 모의실험장치를 개발하였다. Field II 와 매트랩 7.
가설 설정
- p는조직 내에서의 밀도, K는매질에서의 열전도율, ▽T 매질 사이의 온도 변화CK), Cb는 혈액의 비열[J/kg℃)], W는 혈액의 관류율[kgqm'sec)], 7;는 동맥의 온도(37℃로 가정)이다. 표 2는 근육 조직과 종양 조직 에서의 열전도도 비열, 밀도 등의 특징을 보여주고 있다[12-13].
제안 방법
- 본 연구에서 제안한 초음파 온열 모의실험장치는 인체 내 온도를 예 측하기 위하여 감쇠 계 수를 고려한 초음파 음장분포를 기 반으로 생체에 전달되는 열의 양을 계산한다. 이에, 주파수 의존 감쇠, 생체 열전달 방정식 그리고 초음파 조사에 따른 열 생성율을 바탕으로 제안한 모의실험장치를 구현하였다.
- 생체에 전달되는 열의 양을 계산한다. 이에, 주파수 의존 감쇠, 생체 열전달 방정식 그리고 초음파 조사에 따른 열 생성율을 바탕으로 제안한 모의실험장치를 구현하였다.
- 이에, 본 연구에서는 제안한 초음파 온열 모의실험 장치의 유용성 을 평 가하기 위하여 상용 초음파 장비에 대한 음장 측정비교 실험을 수행하였으며, 본 연구에서 제작한 조직 유사 팬텀에 가열실험을 진행하여 모의실험결과와 팬텀 내의 온도 변화 결과를 비교 분석하였다.
- 본 연구에서는 제안한 초음파 온열 모의실험장치의 온열 성능평가를 위하여 그림 2와 같이 실험 시스템을 구축하고 조직 유사 팬텀 가열실험을 진행하였다. 제작된 팬텀의 내부 온도 측정을 위하여 온도 측정 시스템을 설계 제작하였으며, 이 시스템을 사용하여 초음파 온열 모의실험 장치의 온도 변화 결과와 비교하여 유효성을 평가하였다.
- 가열실험을 진행하였다. 제작된 팬텀의 내부 온도 측정을 위하여 온도 측정 시스템을 설계 제작하였으며, 이 시스템을 사용하여 초음파 온열 모의실험 장치의 온도 변화 결과와 비교하여 유효성을 평가하였다. 조직 유사 팬텀eIEC 60601-2-37에 명시되어 있는 기준 규격을 따랐으며, 사용된 재료와 구성비는 표 4에 나타내었다 [15].
- 제작된 팬텀의 음향학적 특성을 파악하기 위하여 음향 속도 및 감쇠 계수 측정 실험을 수행하였다. 초음파 진동자는 3.
- 본 연구에서는 팬텀 내부의 온도를 측정하기 위하여 온도가 상승함에 따라 저항값이 낮아지는 특성을 가지는 NTC(Negative Thermal Coefficient) 타입 의 써미스터를 사용하였다. 그림 4는 가열실험에 사용된 팬텀 내 써미스터 위치를 나타내며, 그림 5는 온도 측정을위한 시스템의 구성도이다.
- MCU 내부의 UART 포트는 PC와의 직 렬통신을 위해 사용하였다. 온도 측정 시스템의 성능평가를 위하여 현재 판매되어지고 있는 온도계(52 II thermometer, FLUKE Co. Ltd.)와온도 특성 비교 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서 제안한 초음파 온열 모의실험장치는 여러 입력 파라미 터 를 기반으로 음장분석을 수행 할 수 있도록 GUI를 구성 하였다. 본 연구에서 제시한수식 들을 미리 매트랩 7.
- 본 연구에서 제시한수식 들을 미리 매트랩 7.0a에 프로그래밍하였으며, 이를 바탕으로 GUI는 여러 입력 파라미터 에 대한 음장 분석을 자동적으로 수행한다. 음장분석을 바탕으로 열의 양을 계산하고 생체 열전달 방정식을 이용하여 인체 내 온도를 예측 가능하게 하였다.
- 0a에 프로그래밍하였으며, 이를 바탕으로 GUI는 여러 입력 파라미터 에 대한 음장 분석을 자동적으로 수행한다. 음장분석을 바탕으로 열의 양을 계산하고 생체 열전달 방정식을 이용하여 인체 내 온도를 예측 가능하게 하였다. 초음파 온열 모의실험장치의 성능 평가를 위하여 본연구에서 제작한 조직 유사 팬텀으로 초음파 가열 실험을 수행하였으며, 초음파 온열 모의실험장치의 온도변화 결과와 비교 분석하였다.
- 음장분석을 바탕으로 열의 양을 계산하고 생체 열전달 방정식을 이용하여 인체 내 온도를 예측 가능하게 하였다. 초음파 온열 모의실험장치의 성능 평가를 위하여 본연구에서 제작한 조직 유사 팬텀으로 초음파 가열 실험을 수행하였으며, 초음파 온열 모의실험장치의 온도변화 결과와 비교 분석하였다. 또한, 이를정량적으로분석하기 위하여 시간에 따른 팬텀 내 온도 분포를 분석하였으며, 온열치 료의 시작 온도인 40 ℃ 이상에서의 온도 분포 면적과 열 괴사가 일어나는 55℃이상의 면적을 계산하여 모의실험결과와 비교 분석하였다.
- 초음파 온열 모의실험장치의 성능 평가를 위하여 본연구에서 제작한 조직 유사 팬텀으로 초음파 가열 실험을 수행하였으며, 초음파 온열 모의실험장치의 온도변화 결과와 비교 분석하였다. 또한, 이를정량적으로분석하기 위하여 시간에 따른 팬텀 내 온도 분포를 분석하였으며, 온열치 료의 시작 온도인 40 ℃ 이상에서의 온도 분포 면적과 열 괴사가 일어나는 55℃이상의 면적을 계산하여 모의실험결과와 비교 분석하였다.
- 초음파 온열 모의실험장치 의 음장 성 능평가를 위하여 상용의 치료용 초음파 장비 (HIFU System, China)에서 의 초음파 음장과 모의실험 결과를 비교분석하였다. 실험에서 사용된 설정 및 모의실험의 조건은 표 7에 나타내었으며, 모의실험과 실측한 음압 및 음향 강도의 비교는그림 9와같다.
- 이를 통하여 본 연구에서 개발된 모의실험장치의 유용성을 확인할 수 있었다. 정량적으로 평가하기 위하여 빔폭, 타원의 면적, 그리고 -6dB 이상 영역 의 면적 으로 각각 표시 하였으며, 파라미 터 에 대한 유사도는 모의실험 결과에 대한 측정 결과의 비를 수치적으로 계산하여 표현하였다. 유사도는 1에 가까울수록 더 유사하다는 것을 나타내는 지표로 사용하였다.
- 본 연구에서 구현된 초음파 온열 모의실험장치의 성능 평가를 위하여 초음파 가열 실험을 수행하였다. 초음파 가열실험은 IEC 60601-2-37에 명시되어 있는 조직유사 팬텀과 온도 측정 시스템을 이용하여 수행하였다.
- 초음파 가열 실험을 수행하였다. 초음파 가열실험은 IEC 60601-2-37에 명시되어 있는 조직유사 팬텀과 온도 측정 시스템을 이용하여 수행하였다. 제작된 초음파 팬텀 의 음향 특성 은 총 10 회의 실험을 통하여 평가하였다.
- 초음파 가열실험은 IEC 60601-2-37에 명시되어 있는 조직유사 팬텀과 온도 측정 시스템을 이용하여 수행하였다. 제작된 초음파 팬텀 의 음향 특성 은 총 10 회의 실험을 통하여 평가하였다. 제작된 조직 유사 팬텀의 평균 음속은 1, 538 m/s, 평균 감쇠계수는 0.
- 13으로 유효 음장영역 인 -6 dB 이 상에서 음장 형 태 및 크기가 서로 유사함을 확인할 수 있었다. 또한, 제안한 초음파온열 모의실험장치의 평가를 위하여 조직 유사 팬텀을 이용하여 초음파 가열 실험을 수행하였다. 초음파를 이용하여 조직 유사 팬텀을 가열하고, 팬텀 내부의 온도를 측정 하였으며, 동일한 조건으로 모의 실험을 수행 한 결과와 비교하였다.
- 측정 결과에서 가온 범위가 넓게 측정된 것은 초음파조사 시 온도센서에 의한 산란반사 및 상호 간섭에 의한 영향에 의 한것으로판단되었다. 정량적 분석을위하여, 모의실험 및 실험 결과를 바탕으로 초음파온열 모의실험장치의 성능평가를 수행하였다. 표 11은 영상면적에 따른모의실험의 정량적 분석표를 나타내고 있다.
- 표 11은 영상면적에 따른모의실험의 정량적 분석표를 나타내고 있다. 일반적 온열 치료의 시작 온도인 40 ℃ 이상인 면적 & 와열 괴사가 일어나는 55 ℃ 이상인 면적 Ri에 대하여 두 결과의 유사성을 분석하였다. Rs는 모의실험 결과에서 전체 온열 치료 면적 중에서 열 괴사가 일어나는 면적을 나타내고 있으며, Re는 실험 결과에서 전체 온열 치료 면적 중에서 열 괴사가 일어 나는 면적을 나타내고 있다.
- 고려한 초음파 온열 모의실험장치를 개발하였다. Field II 와 매트랩 7.0a를 기반으로 개발된 본 논문의 초음파 온열 모의실험 장치는 초음파 음장분포를 기반으로 열 생성율 및 생체 열전달 방정식을 사용하여 인체 내 온도를 예측 가능하도록 하였다. 모의실험 장치의 유용성을 확인하기 위하여 상용의 HIFU 장비의 음장측정 실험 및 조직 유사 팬텀 가열실험을수행하였으며, 이를 모의실험 결과와 각각 비교 분석하였다.
- 0a를 기반으로 개발된 본 논문의 초음파 온열 모의실험 장치는 초음파 음장분포를 기반으로 열 생성율 및 생체 열전달 방정식을 사용하여 인체 내 온도를 예측 가능하도록 하였다. 모의실험 장치의 유용성을 확인하기 위하여 상용의 HIFU 장비의 음장측정 실험 및 조직 유사 팬텀 가열실험을수행하였으며, 이를 모의실험 결과와 각각 비교 분석하였다.
- 또한, 제안한 초음파온열 모의실험장치의 평가를 위하여 조직 유사 팬텀을 이용하여 초음파 가열 실험을 수행하였다. 초음파를 이용하여 조직 유사 팬텀을 가열하고, 팬텀 내부의 온도를 측정 하였으며, 동일한 조건으로 모의 실험을 수행 한 결과와 비교하였다. 비교 분석한 결과 86 % 이상의 유사도를 확인할 수 있었으며, 각각의 실험결과와 모의실험의 비교분석을 통해 초음파 온열 모의실험장치의 유용성 및 신뢰성을 확인할 수 있었다.
대상 데이터
- 0 프로그램을 이용하여 제어하였다. 본 연구에서 음장분포 측정을 위하여 조사한 음향 파워는 40 W, 조사시 간은 3 초, 작동 주파수는 0.8 MHz이다. 표 3은 실험 장치의 세부 사항을 보여주고 있다.
- 측정 실험을 수행하였다. 초음파 진동자는 3.5 MHz (Aerotech Co. Ltd.)의 원형 단일 진동자를 사용하였으며, 구동 펄스는 MKPR-1030(MKC Korea Co. Ltd.) 펄스 발생기를 사용하였다. 반사 신호는 오실로스코프(Waverunner 6100, Lecroy Co.
- ) 펄스 발생기를 사용하였다. 반사 신호는 오실로스코프(Waverunner 6100, Lecroy Co. Ltd.)를 통하여 획득하였으며 마이크로소프트 엑셀 2007과 매트랩 7.0a를 이용하여 신호처리를 수행하였다. 그림 3은 제작된 팬텀의 음속과 감쇠계수를 측정하기위한 실험의 개략도를 보여주고 있다.
- 그림 4는 가열실험에 사용된 팬텀 내 써미스터 위치를 나타내며, 그림 5는 온도 측정을위한 시스템의 구성도이다. 조직 유사 팬텀 내 9개의써미 스터 로부터 온도를 순차적 으로 획 득하기 위하여 아날로그 멀티플렉서(DG509) 2개를 사용하였으며, 마이크로 컨트롤러(Atmega 128, Atmel Co. Ltd., 이하 MCU)를 이용하여 제어하였다. 차동 증폭 된 아날로그신호는 디지털신호로 변화되어 MCU에 저장되며, MCU에서는 전압 정보를 온도 정보로 변환하여 LCD에 디스플레이 한다.
데이터처리
- 본 연구에서 구현된 초음파 음장 모의실험의 정확성을 평가하기 위하여 상용 HIFU 장비 (Chongqing HIFU Technology. Co. Ltd.)의 음장을 실측하고 모의실험결과와 비교하였다. 음장 측정을 위한 실험 장치는KS-C-IEC61102 규격에 명시되어 있는 위치제어 시스템과 하이드로폰을 이용하여 수행하였다[14].
- , USA)을 통하여 획득하였다. 획득된 신호는 GPIB 통신방법을 이용하여 컴퓨터로 전송되 었으며 매트랩 7.0a 소프트웨어를 이용하여 데이터 처리를 수행하였다. 음장측정을 위한실험 장치는 랩뷰 8.
이론/모형
- )의 음장을 실측하고 모의실험결과와 비교하였다. 음장 측정을 위한 실험 장치는KS-C-IEC61102 규격에 명시되어 있는 위치제어 시스템과 하이드로폰을 이용하여 수행하였다[14]. 그림 1은 음장 측정을 위한실험 장치를 나타내며, 집속 영역에서의 초음파음장 분포 신호는 하이드로폰(HNA-0400, ONDA Co.
성능/효과
- 감쇠계수에 따른 음장 형태를 확인하기 위하여 다른 입력 파라미터를 고정한 후 매질의 감쇠 계수를 변화시켜 측정한 결과, 감쇠 계수가 높을수록 초음파 강도가 작음을 영상을 통하여 확인할 수 있었다. 표 6은 감쇠 계수에 따른 변화 관찰을 위하여 모의실험에 사용된 입력 조건을 나타내고 있으며, 그림 8은 감쇠계수에 따른 음장 형태의 변화를 보여주고 있다.
- 최대 음압및 최대 음향강도의 1/2 지 점 인 -6 dB 이상의 영역을 유효 음장 영역의 지표로 사용하였으며, 이를통하여 정량적으로 분석한 결과를 표 8에 나타내었다. 모의실험과 측정 결과를 비교 분석하였을 때, 유효 음장영역 인 -6 dB 이상에서의 음장 형태 및 크기는 모의실험과 유사하였으며, 분석치의 유사도 또한 1.13으로 1에 가까운 것을 확인하였다. 이를 통하여 본 연구에서 개발된 모의실험장치의 유용성을 확인할 수 있었다.
- 13으로 1에 가까운 것을 확인하였다. 이를 통하여 본 연구에서 개발된 모의실험장치의 유용성을 확인할 수 있었다. 정량적으로 평가하기 위하여 빔폭, 타원의 면적, 그리고 -6dB 이상 영역 의 면적 으로 각각 표시 하였으며, 파라미 터 에 대한 유사도는 모의실험 결과에 대한 측정 결과의 비를 수치적으로 계산하여 표현하였다.
- 모의실험결과와 음장 측정 결과 영상을 비교해 보았을 때 초음파 집속지점이 중심축 방향으로 4~5 mm 후방으로 치우친 형태를 보였다. 이는 HIFU 장비의 정확한 집속점을 측정면의 중심으로 설정하지 못한 결과로 판단되며, 하이드로폰을 수동으로 설정한 것에 대한 오차로 사료된다.
- 이는 HIFU 장비의 정확한 집속점을 측정면의 중심으로 설정하지 못한 결과로 판단되며, 하이드로폰을 수동으로 설정한 것에 대한 오차로 사료된다. 따라서 본 연구에서 개발된 초음파 온열 모의실험장치의 음장분석 성능평가에 미치는 영향은 미미한 것으로 판단된다.
- 팬텀 내부 온도 변화를 측정하기 위하여 제작된 온도 측정 시스템은 상용의 온도 측정기를 이용하여 성능을 평가하였으며, 측정 결과 16-90 ℃의 온도 범위에서 최대 오차는 1.65 ℃로 제작된 온도 측정 시스템의 성능이 우수함을 확인할 수 있었다. 그림 10은 개발된 온도 측정 시스템과 상용의 온도 측정 시스템의 온도 변화를 보여주고 있다.
- 제작된 초음파 팬텀 의 음향 특성 은 총 10 회의 실험을 통하여 평가하였다. 제작된 조직 유사 팬텀의 평균 음속은 1, 538 m/s, 평균 감쇠계수는 0.547 dB/[cmMHz]로 측정되었으며, 문헌에 수록되어 있는 조직 유사 팬텀의 특징인 음속 1, 540 m/s, 감쇠계수 0.500 dB/[cmMHz]와 유사함을 확인할 수 있었다. 표 9는 제작된 조직 유사 팬텀의 음향 특성 측정 결과를 보여주고 있다.
- 그림 11-(a)는 표 10의 조건을 바탕으로 초음파 가열 시간에 따른 팬텀 내부 온도의 변화를 보여주고 있으며, 그림 1 l-(b)는 동일 조건을 이용한 모의실험결과를 보여주고 있다. 비교 결과, 모의실험에 의한 온도 상승이 실험에 의한 온도상승보다 낮게 관찰되 었으며, 가온 범위 또한 좁게 나타남을 확인할 수 있었다. 측정 결과에서 가온 범위가 넓게 측정된 것은 초음파조사 시 온도센서에 의한 산란반사 및 상호 간섭에 의한 영향에 의 한것으로판단되었다.
- Rs는 모의실험 결과에서 전체 온열 치료 면적 중에서 열 괴사가 일어나는 면적을 나타내고 있으며, Re는 실험 결과에서 전체 온열 치료 면적 중에서 열 괴사가 일어 나는 면적을 나타내고 있다. 초음파 가열 후 2.3초까지는 열 괴사가 일어나지 않았으며, 가열 후 2.7초에서 최초 괴사가 발생함을 확인할 수 있었다. 실험 결과 중 실효 괴사가 일어나는2.
- 7초에서 최초 괴사가 발생함을 확인할 수 있었다. 실험 결과 중 실효 괴사가 일어나는2.7초와 3초에 대하여 유사도(Re/Rs)를 비교한 결과 2.7초에서 1.0025, 3초에서 0.86으로 산출되었다. 유사도가 1 인 경우가 완벽하게 같음을 의미하므로 두 결과가 약 86 % 이상 유사함을 확인할 수 있었다.
- 유사도가 1 인 경우가 완벽하게 같음을 의미하므로 두 결과가 약 86 % 이상 유사함을 확인할 수 있었다. 이를 통해 온도변화패턴의 유사성을 확인할 수 있었으며, 개발된 초음파온열 모의실험의 유용성을 확인할 수 있었다. 또한, 팬텀을 이용한 가열실험이 모의실험 결과보다 온열 효과가 빨리 관찰되었는데, 이는 앞에서 언급한 바와 같이 써미스터에 의한 초음파 간섭의 영향으로발생된 오차로 판단되며, 실측을 통한 초음파 온도 분포 평 가 보다 모의실험에 의한 온도 분포 방법이 오차를 줄일 수 있는 방법이라고 판단된다.
- 이를 통해 온도변화패턴의 유사성을 확인할 수 있었으며, 개발된 초음파온열 모의실험의 유용성을 확인할 수 있었다. 또한, 팬텀을 이용한 가열실험이 모의실험 결과보다 온열 효과가 빨리 관찰되었는데, 이는 앞에서 언급한 바와 같이 써미스터에 의한 초음파 간섭의 영향으로발생된 오차로 판단되며, 실측을 통한 초음파 온도 분포 평 가 보다 모의실험에 의한 온도 분포 방법이 오차를 줄일 수 있는 방법이라고 판단된다.
- 상용의 HIFU 장비로부터 측정한 음장 결과와 본 연구에서 제안한 모의실험장치의 음장 측정을 비교한 결과, 유사도 1.13으로 유효 음장영역 인 -6 dB 이 상에서 음장 형 태 및 크기가 서로 유사함을 확인할 수 있었다. 또한, 제안한 초음파온열 모의실험장치의 평가를 위하여 조직 유사 팬텀을 이용하여 초음파 가열 실험을 수행하였다.
- 초음파를 이용하여 조직 유사 팬텀을 가열하고, 팬텀 내부의 온도를 측정 하였으며, 동일한 조건으로 모의 실험을 수행 한 결과와 비교하였다. 비교 분석한 결과 86 % 이상의 유사도를 확인할 수 있었으며, 각각의 실험결과와 모의실험의 비교분석을 통해 초음파 온열 모의실험장치의 유용성 및 신뢰성을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 초음파 온열 모의실험장치를 통하여 주파수, 펄스 형태, 감쇠 계수 등의 여러가지 입력 변수에 따른 다양한 음장의 형태 및 그에 따른 온도 예측이 가능하였고, 이를 활용하여 병변의 위치, 해부학적 구조에 적합한 트랜스듀서의 형태, 펄스 형태 그리고 온열치료효과 등을 예측 가능할 것으로 판단된다. 향후 복잡한 인체 해부학적 구조를 변수로 하는 모의실험 장치의 개 발을 통하여 HIFU 시술을 보조하고, 효율적인 치료환경을 위한 정량화된 데이터를 제공할 수 있을 것으로 사료된다.
- 등을 예측 가능할 것으로 판단된다. 향후 복잡한 인체 해부학적 구조를 변수로 하는 모의실험 장치의 개 발을 통하여 HIFU 시술을 보조하고, 효율적인 치료환경을 위한 정량화된 데이터를 제공할 수 있을 것으로 사료된다.
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