뜸 자극용 초음파 치료기기의 음향렌즈 설계를 위한 초음파 집속 특성 연구 Study of Focusing Characteristics of Ultrasound for Designing Acoustic Lens in Ultrasonic Moxibustion Device원문보기
전통적인 뜸 요법은 시술자의 주관적이고 정성적인 치료로 인해 환자의 피부에 강한 열 자극이 가해져 심한 통증을 주거나 화상을 입히는 문제점을 갖고 있다. 이러한 한계를 극복하기 위한 대안으로 객관성과 정량화가 가능한 초음파를 활용한 뜸 자극 치료기술이 주목받고 있다. 하지만, 초음파 에너지를 열에너지로 변환하기 위해서는 초음파 치료기기의 음향렌즈에 따른 초음파 집속 특성 분석이 필요하다. 따라서, 본 논문에서는 초음파 집속 특성에 영향을 주는 음향렌즈의 형태(오목렌즈, 계단형 렌즈)에 따른 집속 시뮬레이션을 통해 각 렌즈의 음압 분포, 음압의 크기, 초점의 위치를 계산하였으며, 설계한 렌즈를 제작하여 음압 측정 실험을 통해 음향렌즈의 집속 성능을 검증하였다.
전통적인 뜸 요법은 시술자의 주관적이고 정성적인 치료로 인해 환자의 피부에 강한 열 자극이 가해져 심한 통증을 주거나 화상을 입히는 문제점을 갖고 있다. 이러한 한계를 극복하기 위한 대안으로 객관성과 정량화가 가능한 초음파를 활용한 뜸 자극 치료기술이 주목받고 있다. 하지만, 초음파 에너지를 열에너지로 변환하기 위해서는 초음파 치료기기의 음향렌즈에 따른 초음파 집속 특성 분석이 필요하다. 따라서, 본 논문에서는 초음파 집속 특성에 영향을 주는 음향렌즈의 형태(오목렌즈, 계단형 렌즈)에 따른 집속 시뮬레이션을 통해 각 렌즈의 음압 분포, 음압의 크기, 초점의 위치를 계산하였으며, 설계한 렌즈를 제작하여 음압 측정 실험을 통해 음향렌즈의 집속 성능을 검증하였다.
Traditional moxibustion therapy can cause severe pain and leave scarring burns at the moxibustion site as it relies on the practitioner's subjective and qualitative treatment. Recently, ultrasound therapy has received attention as an alternative to moxibustion therapy owing to its objectiveness and ...
Traditional moxibustion therapy can cause severe pain and leave scarring burns at the moxibustion site as it relies on the practitioner's subjective and qualitative treatment. Recently, ultrasound therapy has received attention as an alternative to moxibustion therapy owing to its objectiveness and quantitative nature. However, in order to convert ultrasound energy into heat energy, there is a need to precisely understand the ultrasound-focusing characteristics of the acoustic lens. Therefore, in this study, an FEM simulation was performed for acoustic lenses with different geometries a concave lens and zone lens as the geometry critically influences ultrasound focusing. The acoustic pressure field, amplitude, and focal point were also calculated. Furthermore, the performance of the fabricated acoustic lens was verified by a sound pressure measurement experiment.
Traditional moxibustion therapy can cause severe pain and leave scarring burns at the moxibustion site as it relies on the practitioner's subjective and qualitative treatment. Recently, ultrasound therapy has received attention as an alternative to moxibustion therapy owing to its objectiveness and quantitative nature. However, in order to convert ultrasound energy into heat energy, there is a need to precisely understand the ultrasound-focusing characteristics of the acoustic lens. Therefore, in this study, an FEM simulation was performed for acoustic lenses with different geometries a concave lens and zone lens as the geometry critically influences ultrasound focusing. The acoustic pressure field, amplitude, and focal point were also calculated. Furthermore, the performance of the fabricated acoustic lens was verified by a sound pressure measurement experiment.
따라서 본 논문에서는 뜸 요법이 가지고 있는 한계를 극복하기 위해 정확하고 효과적인 자극을 경혈에 줄 수 있는 뜸 자극용 초음파 치료기기 설계를 위한 음향렌즈의 초음파 집속 특성에 관해 연구하였다. 이를 위해 이론적으로 음향렌즈를 설계한 후 시뮬레이션을 통해 음압 분포, 음압 크기, 초점 위치를 계산하였으며, 초음파 변환기에 음향렌즈를 부착하여 음압 측정 실험을 통해 렌즈의 성능을 검증하였다.
제안 방법
따라서 본 논문에서는 뜸 요법이 가지고 있는 한계를 극복하기 위해 정확하고 효과적인 자극을 경혈에 줄 수 있는 뜸 자극용 초음파 치료기기 설계를 위한 음향렌즈의 초음파 집속 특성에 관해 연구하였다. 이를 위해 이론적으로 음향렌즈를 설계한 후 시뮬레이션을 통해 음압 분포, 음압 크기, 초점 위치를 계산하였으며, 초음파 변환기에 음향렌즈를 부착하여 음압 측정 실험을 통해 렌즈의 성능을 검증하였다.
초음파 변환기에 렌즈가 결합된 시스템인 뜸 자극용 초음파 치료기기의 음압 분포와 초점의 위치를 FEM 시뮬레이션을 통해 예측하였으며, 음향렌즈의 집속 성능 실험을 통해 음향렌즈의 형태에 따라 음압 분포가 어떻게 달라지는지 확인하였다. 또한, 음압 크기는 시뮬레이션과 실험 결과를 직접적으로 비교할 수는 없지만, λ/4 계단형 렌즈의 음압이 초점에서 가장 높게 나타나 뜸 자극용 초음파 치료기기의 음향렌즈로 계단형 렌즈가 오목렌즈에 비해 효과적이었다.
대상 데이터
본 논문에서는 오목렌즈와 계단형 렌즈를 선택하여 시뮬레이션과 실험을 수행하였다.
시뮬레이션 결과를 토대로 음향렌즈의 집속 성능을 검증하기 위해 렌즈를 제작하였으며, 렌즈의 재질은 PMMA를 사용하였다. Fig.
데이터처리
설계한 오목렌즈와 계단형 렌즈를 통과한 초음파 빔의 음압 분포를 분석하기 위한 FEM 시뮬 레이션 프로그램인 COMSOL Multi-physics의 Acoustics 모듈을 활용하였다. 모델은 오목렌즈 2개(λ/4, 3λ/4)와 계단형 렌즈 2개(λ/2, λ/4)로 설정하였으며, 모델 형상은 Fig.
성능/효과
초음파 변환기에 렌즈가 결합된 시스템인 뜸 자극용 초음파 치료기기의 음압 분포와 초점의 위치를 FEM 시뮬레이션을 통해 예측하였으며, 음향렌즈의 집속 성능 실험을 통해 음향렌즈의 형태에 따라 음압 분포가 어떻게 달라지는지 확인하였다. 또한, 음압 크기는 시뮬레이션과 실험 결과를 직접적으로 비교할 수는 없지만, λ/4 계단형 렌즈의 음압이 초점에서 가장 높게 나타나 뜸 자극용 초음파 치료기기의 음향렌즈로 계단형 렌즈가 오목렌즈에 비해 효과적이었다. 이는 계단형 렌즈의 경우 일정한 높이 간격으로 이루어져 있어 집속점에서 같은 위상을 갖는 파의 집속으로 인해 오목렌즈에서의 구면수차가 발생하지 않아 적은 상쇄간섭을 일으키기 때문이다.
5의 시뮬레이션 결과와 같은 방법으로 중심축 상에서 1 MHz에서의 초음파 진폭 변화 크기를 나타낸 것이다. 시뮬레이션 결과와 마찬가지로 계단형 렌즈의 집속 성능이 오목렌즈에 비해 음압이 크게 측정되었으며, λ/4 계단형 렌즈의 음압이 가장 크게 나타나 집속 성능이 다른 렌즈에 비해 우수한 결과를 얻었다.
후속연구
이는 계단형 렌즈의 경우 일정한 높이 간격으로 이루어져 있어 집속점에서 같은 위상을 갖는 파의 집속으로 인해 오목렌즈에서의 구면수차가 발생하지 않아 적은 상쇄간섭을 일으키기 때문이다. 그러나 계단형 렌즈를 사용할 경우 음압 분포가 복잡하여 온도 분포 측정 연구를 통해 적용 가능성에 대해 추가적인 검증이 필요하다.
본 연구를 기반으로 뜸 자극용 초음파 치료기기를 인체조직 또는 인체 유사 조직에 적용하였을 때, 초점에서의 상승 온도 측정 연구가 앞으로 진행되어야 한다. 또한, 펄스파가 아닌 연속적인 정현파를 발생시킬 수 있는 시스템을 구축하여 성능 평가가 이루어진다면, 뜸 자극용 초음파 치료기기에 최적화된 음향렌즈 설계가 가능하다.
본 연구를 기반으로 뜸 자극용 초음파 치료기기를 인체조직 또는 인체 유사 조직에 적용하였을 때, 초점에서의 상승 온도 측정 연구가 앞으로 진행되어야 한다. 또한, 펄스파가 아닌 연속적인 정현파를 발생시킬 수 있는 시스템을 구축하여 성능 평가가 이루어진다면, 뜸 자극용 초음파 치료기기에 최적화된 음향렌즈 설계가 가능하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전통적인 뜸 요법의 문제점은 무엇인가?
전통적인 뜸 요법은 시술자의 주관적이고 정성적인 치료로 인해 환자의 피부에 강한 열 자극이 가해져 심한 통증을 주거나 화상을 입히는 문제점을 갖고 있다. 이러한 한계를 극복하기 위한 대안으로 객관성과 정량화가 가능한 초음파를 활용한 뜸 자극 치료기술이 주목받고 있다.
뜸 요법이란 무엇인가?
한의학에서 뜸 요법은 인체의 경혈이 위치한 피부에 쑥과 같은 재료를 올려놓고 직접 연소시켜 열을 가하여 온열적 자극과 이종단백체인 히스토톡신에 의한 화학적 자극을 통해 질병을 예방 및 치료하는 자극요법이다[1]. 뜸 요법은 크게 3가지 효능을 가지고 있다.
뜸 요법의 효능은 무엇인가?
뜸 요법은 크게 3가지 효능을 가지고 있다. 첫 번째, 뜸의 열 자극은 세포의 움직을 활발하게 하여 신경계에 영향을 주어 생체반응이 일어나게 된다. 두 번째로 뜸은 피부에 작은 화상을 입혀 세포가 분해하여 나온 단백체가 혈액 내에 흡수되어 전신을 순환하며 각종 질병의 회복을 돕는다. 세 번째는 뜸이 자율신경과 호르몬 분비에 영향을 미쳐 신체의 균형을 이루는 것이다[2]. 이와 같은 뜸의 효능이 제대로 발휘되기 위해서는 일정한 자극량과 자극시간이 환부에 가해져야 하는데, 열 자극량이 강할 경우 심한 통증을 유발하며 피부에 화상을 입히는 부작용이 발생할 수 있다[3].
참고문헌 (7)
J. Y. Cha, H. S. Myoung, S. P. Cho and K. J. Lee, "Development of deep-heating stimulation system for substituting the heat effect of moxibustion," Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea, Vol. 46, No. 6, pp. 50-57 (2009)
N.-S. Kim, "Theory and practice of moxibustion for lifelong health," Legitimacy Acupuncture & Moxibustion Research Institute (Korean), pp. 15-16 (2008)
Y. B. Park and W. Huh, "A Study of the patterns of combustion temperature by tonification and sedation method on the heat," Journal of Korean Institute of Oriental Medical Diagnostics, Vol. 3, No. 2, pp. 82-94 (1999)
E. Babaev, "Ultrasound moxibustion method and device." U.S. Patent Application 12/024, 521 (2008)
T. Tarnoczy, "Sound focusing lenses and waveguides," Ultrasonics, Vol. 3, No. 3, pp. 115-127 (1965)
J. Li, C. R. Friedrich and R. S. Keynton, "Design and fabrication of a miniaturized, integrated, high-frequency acoustical lenstransducer system," Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 12, No. 3, p. 219 (2002)
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