초음파를 이용한 조직 자극 기법은 지속적으로 연구, 개발되고 있으며, 최근 미용 및 비만 치료에 대한 관심이 높아짐에 따라 초음파 지방 제거술에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 초음파 지방 제거술을 위한 초음파 변환기를 설계하고, 조사조건에 따른 집속영역의 형태와 열 변성 영역을 시뮬레이션 하였다. 이를 통하여 제원을 검증하였으며, 제작된 변환기의 초음파 방사 특성 및 가열 특성을 측정하여 유효성을 평가하였다. 또한 복합 구조의 매질을 대상으로 초음파 가열 특성을 예측하였으며 제작된 변환기의 집속점 형태 및 가열 특성이 지방층을 충분히 유화시킬 수 있을 것으로 판단하였다. 본 연구의 결과는 보다 효율적이고 안전한 초음파 지방 제거술의 기초 연구로 활용될 것으로 사료된다.
초음파를 이용한 조직 자극 기법은 지속적으로 연구, 개발되고 있으며, 최근 미용 및 비만 치료에 대한 관심이 높아짐에 따라 초음파 지방 제거술에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 초음파 지방 제거술을 위한 초음파 변환기를 설계하고, 조사조건에 따른 집속영역의 형태와 열 변성 영역을 시뮬레이션 하였다. 이를 통하여 제원을 검증하였으며, 제작된 변환기의 초음파 방사 특성 및 가열 특성을 측정하여 유효성을 평가하였다. 또한 복합 구조의 매질을 대상으로 초음파 가열 특성을 예측하였으며 제작된 변환기의 집속점 형태 및 가열 특성이 지방층을 충분히 유화시킬 수 있을 것으로 판단하였다. 본 연구의 결과는 보다 효율적이고 안전한 초음파 지방 제거술의 기초 연구로 활용될 것으로 사료된다.
Tissue stimulation technique using ultrasound has been continuously studied and developed. Recently, as a increment of interests for obesity treatment and cosmetic care, a various studies on ultrasonic fat emulsification has been conducted. In this study, the fat emulsification adapted ultrasonic tr...
Tissue stimulation technique using ultrasound has been continuously studied and developed. Recently, as a increment of interests for obesity treatment and cosmetic care, a various studies on ultrasonic fat emulsification has been conducted. In this study, the fat emulsification adapted ultrasonic transducer was designed. And using designed transducer, the simulation for the shape of focal area and thermal degradation region was conducted. The dimensions were verified by the simulation results. And the effectiveness was confirmed by evaluating measured radiation characteristic and heating characteristic. In addition, we estimated the ultrasonic heating characteristics in composite structure medium. The shape of focal point and heating characteristic of the proposed transducer were determined to be sufficient to emulsify the fat. The results of this study are considered to be used as basic research in more efficient and safe ultrasonic fat removal.
Tissue stimulation technique using ultrasound has been continuously studied and developed. Recently, as a increment of interests for obesity treatment and cosmetic care, a various studies on ultrasonic fat emulsification has been conducted. In this study, the fat emulsification adapted ultrasonic transducer was designed. And using designed transducer, the simulation for the shape of focal area and thermal degradation region was conducted. The dimensions were verified by the simulation results. And the effectiveness was confirmed by evaluating measured radiation characteristic and heating characteristic. In addition, we estimated the ultrasonic heating characteristics in composite structure medium. The shape of focal point and heating characteristic of the proposed transducer were determined to be sufficient to emulsify the fat. The results of this study are considered to be used as basic research in more efficient and safe ultrasonic fat removal.
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문제 정의
본 연구에서는 초음파 가열 특성을 이용한 지방 제거용 집속형 변환기를 개발하고 특성을 평가하고자 하였다. 제작된 변환기를 이용한 가열 특성 평가에 앞서 유한요소해석 프로그램인 PZFlex(Weidlinger Associates Inc.
본 연구에서는 초음파 지방 제거를 목적으로 하는 변환기를 설계 및 제작하고 특성을 평가하였다. 인체 내 지방층의 위치를 고려하여 집속거리를 설정하였으며, 시뮬레이션을 통하여 제원을 검증하고, 제작된 변환기의 초음파 방사 특성 및 가열 특성을 측정하여 유효성을 검증하였다.
이에 본 연구에서는 초음파 지방 제거술을 위한 초음파 변환기를 설계하고, 조사조건에 따른 집속영역의 형태와 열 변성 영역을 시뮬레이션 하였으며, 제작된 변환기에서 발생되는 음압분포와 열 변성 특성을 측정하여 비만치료에서의 유용성을 확인하였다.
가설 설정
복부 지방의 위치는 개인적인 차이가 있지만 일반적으로 피부 표면으로부터 10-50 mm 지점에 층을 이루고 있다고 보고되고 있다. 본 연구에서 설계 되는 초음파 변환기는 기계적으로 집속점 조절 가능 범위가 20 mm로 가정하고 변환기의 집속점이 개구면을 기준으로 35 mm로 설정하였다. 그림 1은 설계된 진동자의 형태를 보여주고 있다.
제안 방법
본 연구에서 제작된 초음파 변환기의 지방 제거 유효성을 평가하기 위하여 지방조직 유사 팬텀을 이용하여 가열 특성과 열 변성 특성을 관찰하였다. 가열 특성은 팬텀의 내부 초점영역에 온도 센서를 매식하여 조사 시간에 따른 온도 상승을 측정하여 평가하였다.
, USA)를 이용하여 제안된 초음파 변환기의 가열 특성을 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션을 위한 매질의 설정은 본 기술 개발의 목적인 인체 내 지방층에서의 초음파 열 자극에 부합하도록 인체와 유사한 복합 매질로 설정하였으며, 각 조직층의 음향학적 특성과 열적 특성을 고려하여 매질을 모델링하였다. 매질의 크기는 60 ☓ 60 mm로 설정하였으며 커플링 매질은 탈기수를 사용하였다(27 mm).
본 연구에서는 초음파 지방 제거를 목적으로 하는 변환기를 설계 및 제작하고 특성을 평가하였다. 인체 내 지방층의 위치를 고려하여 집속거리를 설정하였으며, 시뮬레이션을 통하여 제원을 검증하고, 제작된 변환기의 초음파 방사 특성 및 가열 특성을 측정하여 유효성을 검증하였다. 또한 복합 구조의 매질을 대상으로 초음파 가열 특성을 예측하였으며 이를 통하여 제작된 변환기의 집속점 형태 및 가열 특성이 지방층을 충분히 유화시킬 수 있는 특성을 가진 것으로 판단하였다.
대상 데이터
초음파 음압분포는 변환기 표면에서 축방향으로 20 mm부터 70 mm 범위, 측방향으로 50 mm 영역에 대한 음압 분포를 측정하였다. 33220A 모델의 함수발생기(Agilent, USA)와 4101 모델의 비매칭 RF 증폭기(NF, Japan)을 이용하여 변환기를 구동시켰다. 여기 신호는 2.
본 연구에서는 효과적인 초음파의 전달을 위하여 압전 전동자는 PZT-4 계열의 재료를 사용하였으며, 집속형으로 설계하였다. PZT-4 계열의 재료는 전기 기계 결합 계수가 크기 때문에 전기 에너지가 음향 에너지로 변환되는 효율이 우수하며, 높은 음향 강도의 음향 출력을 낼 수 있다는 장점이 있다.
, USA)를 사용하여 음압분포, 주파수 응답 특성을 확인하였다. 시뮬레이션을 위한 초음파 전파 매질은 25 ℃의 탈기수로 설정하였으며, 구동신호는 3 MHz의 연속 정현파를 사용하였다. 조사 강도는 변환기 표면 음압을 기준으로 100 kPa을 적용하였으며, 샘플링은 1파장 당 30개로 설정하였다.
33220A 모델의 함수발생기(Agilent, USA)와 4101 모델의 비매칭 RF 증폭기(NF, Japan)을 이용하여 변환기를 구동시켰다. 여기 신호는 2.6 MHz, 5 Vpp 연속 구형파를 사용하였으며, 증폭이득은 20으로 설정하였다. 음장 내 각 지점에서의 음압은 HNA-0400 모델 수중청음기(Onda, USA)와 AH2010-025 모델의 전단 증폭기(Onda, USA, 20 dB 이득)를 사용하여 측정하였으며, 6100A 모델의 디지털오실로스코프(LeCroy, USA)를 이용하여 저장, MATLAB 13.
데이터처리
본 연구에서 제작된 초음파 변환기의 지방 제거 유효성을 평가하기 위하여 지방조직 유사 팬텀을 이용하여 가열 특성과 열 변성 특성을 관찰하였다. 가열 특성은 팬텀의 내부 초점영역에 온도 센서를 매식하여 조사 시간에 따른 온도 상승을 측정하여 평가하였다. 팬텀의 초기 온도는 실온인 약 25℃로 설정하였으며, 조사 조건은 연속파 구형파를 사용하였다.
설계된 변환기의 특성을 확인하기 위하여 포트란 언어기반의 유한요소해석 프로그램인 PZFlex(Weidlinger Associates Inc., USA)를 사용하여 음압분포, 주파수 응답 특성을 확인하였다. 시뮬레이션을 위한 초음파 전파 매질은 25 ℃의 탈기수로 설정하였으며, 구동신호는 3 MHz의 연속 정현파를 사용하였다.
변환기 여기 조건은 3 MHz, 연속 정현파를 사용하였으며, 조사 강도는 변환기 표면을 기준으로 100 kpa, 500 kPa, 1 MPa로 하였다. 시뮬레이션 분해능은 초음파 한 파장당 30개의 데이터를 계산하였으며, 5초 동안 초음파 조사 후 생체 열전달 방정식을 통해 해석된 결과를 이용하여 열적 분포 특성 및 변성 영역 면적을 예측하였다. 변성 역역의 결정은 지방조직이 괴사되는 온도인 58 ℃를 기준으로 면적을 산출하였다.
6 MHz, 5 Vpp 연속 구형파를 사용하였으며, 증폭이득은 20으로 설정하였다. 음장 내 각 지점에서의 음압은 HNA-0400 모델 수중청음기(Onda, USA)와 AH2010-025 모델의 전단 증폭기(Onda, USA, 20 dB 이득)를 사용하여 측정하였으며, 6100A 모델의 디지털오실로스코프(LeCroy, USA)를 이용하여 저장, MATLAB 13.0 프로그램을 이용하여 영상화 및 분석을 수행하였다. 음압분포 측정결과 변환기 표면에서 30 mm 지점에서의 음압 분포의 경우 5 ㎟의 유효 방사면적을 보였으며, 좌우 대칭도가 매우 우수함을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 초음파 가열 특성을 이용한 지방 제거용 집속형 변환기를 개발하고 특성을 평가하고자 하였다. 제작된 변환기를 이용한 가열 특성 평가에 앞서 유한요소해석 프로그램인 PZFlex(Weidlinger Associates Inc., USA)를 이용하여 제안된 초음파 변환기의 가열 특성을 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션을 위한 매질의 설정은 본 기술 개발의 목적인 인체 내 지방층에서의 초음파 열 자극에 부합하도록 인체와 유사한 복합 매질로 설정하였으며, 각 조직층의 음향학적 특성과 열적 특성을 고려하여 매질을 모델링하였다.
제작된 변환기의 중심주파수는 HP4191A 모델의 Impedance Analyzer를 이용하여 측정한 결과 2.6 MHz로 측정되었으며, 임피던스는 5 Ω으로 측정되었다. -3dB 대역폭은 0.
이론/모형
180 초 동안 초음파를 조사하여 가열 특성 및 변성 정도를 평가하였다. 변성 형태는 디지털카메라 (D90모델, Nicon, Japan)를 사용하여 획득 후 MATLAB 13.0을 이용하여 처리하였다. 그림 9는 초음파 가열 특성 평가를 위한 실험셋업을 보여주고 있다.
본 연구진행을 통하여 제작된 초음파 변환기에 대하여 식품의약품안전처 고시 고강도 집속형 초음파 수술기(HIFU) 평가 가이드라인 (2009.10), KS-C-IEC 60601-2-5: 의료용 전기기기(제2-5부): 초음파 물리 치료기의 기본안전과 필수성능에 관한 개별 요구사항 3판(2011.12), IEC-61689: Physiotherapy systems – Field specifications and methods of measurement in the frequency range 0.5 MHz to 5 MHz (2013.02) 등의 국내외 기준 규격을 참고로 하여 성능을 측정, 평가 하였다. 성능평가 항목은 주파수 응답특성, 음압 분포, 축방향 프로파일, 측방향 프로파일, 초점크기, 초점거리로 하였다.
성능/효과
인체 내 지방층의 위치를 고려하여 집속거리를 설정하였으며, 시뮬레이션을 통하여 제원을 검증하고, 제작된 변환기의 초음파 방사 특성 및 가열 특성을 측정하여 유효성을 검증하였다. 또한 복합 구조의 매질을 대상으로 초음파 가열 특성을 예측하였으며 이를 통하여 제작된 변환기의 집속점 형태 및 가열 특성이 지방층을 충분히 유화시킬 수 있는 특성을 가진 것으로 판단하였다. 제작된 변환기에서 방사되는 초음파 빔의 특징과 조직유사 팬텀을 이용하여 가열 특성을 평가한 결과 시뮬레이션 결과와 유사함을 확인하였으며, 이를 통하여 본 연구를 통하여 제작된 초음파 변환기가 지방 제거에 유효함을 확인하였다.
또한 복합 구조의 매질을 대상으로 초음파 가열 특성을 예측하였으며 이를 통하여 제작된 변환기의 집속점 형태 및 가열 특성이 지방층을 충분히 유화시킬 수 있는 특성을 가진 것으로 판단하였다. 제작된 변환기에서 방사되는 초음파 빔의 특징과 조직유사 팬텀을 이용하여 가열 특성을 평가한 결과 시뮬레이션 결과와 유사함을 확인하였으며, 이를 통하여 본 연구를 통하여 제작된 초음파 변환기가 지방 제거에 유효함을 확인하였다. 차후 제작된 변환기를 이용한 초음파 가열에서 구동 조건 따른 가열 특성 변화에 대한 연구를 통하여 보다 효율적인 초음파 지방술에 활용될 것으로 생각되며, 본 연구의 결과는 비침습적이고 안전한 초음파 지방 제거술의 기초 연구로 활용될 것으로 사료된다.
후속연구
제작된 변환기에서 방사되는 초음파 빔의 특징과 조직유사 팬텀을 이용하여 가열 특성을 평가한 결과 시뮬레이션 결과와 유사함을 확인하였으며, 이를 통하여 본 연구를 통하여 제작된 초음파 변환기가 지방 제거에 유효함을 확인하였다. 차후 제작된 변환기를 이용한 초음파 가열에서 구동 조건 따른 가열 특성 변화에 대한 연구를 통하여 보다 효율적인 초음파 지방술에 활용될 것으로 생각되며, 본 연구의 결과는 비침습적이고 안전한 초음파 지방 제거술의 기초 연구로 활용될 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
치료용 초음파를 이용한 조직 자극 기법의 현재 개발 현황은 어떠한가?
치료용 초음파 영역은 물리적으로 단순히 조직을 자극하는 기술부터 종양 치료 및 피부 미용 목적 등 광범위한 영역을 가지고 있다[1]. 이러한 초음파를 이용한 조직 자극 기법은 지속적으로 연구, 개발되고 있으며, 일부 제품화되어 임상에서 활용되고 있다. 최근 미용 및 비만 치료에 대한 관심이 높아짐에 따라 초음파 지방 제거술에 대한 다양한 연구가 진행되고 있으며[2], 국내외에서 제품화가 상당부분 진행된 것으로 보고되고 있다.
초음파 지방 제거술에 대한 다양한 연구가 진행되고 있는 이유는 무엇인가?
초음파를 이용한 조직 자극 기법은 지속적으로 연구, 개발되고 있으며, 최근 미용 및 비만 치료에 대한 관심이 높아짐에 따라 초음파 지방 제거술에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 초음파 지방 제거술을 위한 초음파 변환기를 설계하고, 조사조건에 따른 집속영역의 형태와 열 변성 영역을 시뮬레이션 하였다.
치료용 초음파 영역의 범위는 무엇인가?
치료용 초음파 영역은 물리적으로 단순히 조직을 자극하는 기술부터 종양 치료 및 피부 미용 목적 등 광범위한 영역을 가지고 있다[1]. 이러한 초음파를 이용한 조직 자극 기법은 지속적으로 연구, 개발되고 있으며, 일부 제품화되어 임상에서 활용되고 있다.
참고문헌 (8)
Petwe N. T., Wells et. al., "Advanced in ultrasound techniques and instrumentation", Churchill liningstone Inc., 1993.
Ferraro G. A, De Francesco F, Nicoletti G, et. al., "Histologic effects of external ultrasound-assisted lipectomy on adipose tissue", Aesthetic Plast Surg., vol. 32, no. 1, pp. 111-115, 2007.
Flavio Henrique Mendes, "External Ultrasound-Assisted Lipoplasty from Our Own Experience", Aesthetic Plastic Surgery, vol. 24, no. 4, pp 270-274, 2000.
Fodor, P. B., Smoller, B. R., Stecco, K. A., et. al., "Biochemical changes in adipocytes and lipid metabolism secondary to the use of high-intensity focused ultrasound for non-invasive body sculpting", annual meeting of the American Society of Aesthetic Plastic Surgery, April 2006.
Solish, N., Lin, X., Axford-Gatley, R. A., Strangman, N. M. and Kane, M., "A Randomized, Single-Blind, Postmarketing Study of Multiple Energy Levels of High-Intensity Focused Ultrasound for Noninvasive Body Sculpting", Dermatologic Surgery, vol. 38, no. 1, pp. 58-67, 2012.
Ajit Mal, Feng Feng, Michael Kabo, Jeffrey Wang, "Interaction of high intensity focused ultrasound with biological materials", SPIE's NDE and Smart Structures Symp., pp. 4702-40, San Diego, CA, USA, March 2002.
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