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고강도 집속 초음파 발생용 오목한 환상형 배열 트랜스듀서의 최적설계
Optimal design of a concave annular array transducer to generate high intensity focused ultrasound 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.35 no.6, 2016년, pp.452 - 465  

최은아 (경북대학교 기계공학과) ,  노용래 (경북대학교 기계공학과)

초록
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본 연구에서는 의료 치료용으로 고강도 집속 초음파를 발생시킬 수 있는 오목한 환상형 배열 트랜스듀서의 구조를 최적설계하였다. 트랜스듀서는 곡률반경으로 40 mm를 가지는 여러 개의 동심원 채널로 이루어진 위상배열 구조이다. 구조 설계를 위해 트랜스듀서의 음장을 해석할 수 있는 이론식을 유도하였으며, 이론식 계산 결과의 타당성을 유한요소해석 결과와 비교함으로써 검증하였다. 배열 트랜스듀서의 기하학적 초점 이외 지점에서의 동적 집속 가능 유무도 함께 확인하였다. 또한 음장 내 원하지 않는 지점에 발생하는 그레이팅 로브의 레벨은 트랜스듀서의 채널수와 주파수와의 관계를 이용하여 개선될 수 있음을 확인하였다. 따라서 정점으로부터 특정 범위 내에 주엽이 존재하면서 그레이팅 로브를 포함한 최대 부엽의 크기를 체계적으로 줄일 수 있도록 트랜스듀서 구조를 최적 설계하였다. 설계된 구조는 모든 집속 지점에서 목표를 만족하는 성능을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, the structure of a concave annular array transducer was optimized to generate high intensity focused ultrasound for medical therapeutic application. The transducer has a phased array structure composed of several concentric channels that have 40 mm as the radius of curvature. We deriv...

주제어

#최적설계   #오목한 환상형   #배열 트랜스듀서   #고강도 집속 초음파   #그레이팅 로브  

AI 본문요약
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제안 방법

  • 본 연구에서는 중심주파수가 3 MHz이고, 곡률반경이 40 mm인 오목한 환상형 고강도 집속 초음파(Concave Annular High Intensity Focused Ultrasound, CA-HIFU) 배열 트랜스듀서를 모델로 하여, 기하학적 중심에 주엽을 발생시킴과 동시에 그레이팅 로브 및 최대 부엽의 크기를 최소화시킬 수 있는 트랜스듀서의 최적구조를 설계하였다. 먼저, CA-HIFU 배열 트랜스듀서의 원거리 음장을 나타내는 이론식을 유도하고, 유도된 이론식에 의한 계산결과를 유한요소해석 결과와 비교함으로써 이론식의 타당성을 검증하였다.

대상 데이터

  • Fig. 1(a)는 본 연구의 모델인 CA-HIFU 배열 트랜스듀서이며, 여러 개의 동심원 음원들로 이루어져 구의 중심에 해당하는 기하학적 초점에 초음파를 집속시키는 구조를 가지고 있다. CA-HIFU 배열 트랜스듀서의 원거리 음장 해석 이론식을 유도하기 위하여각 동심원에 여러 개의 원형 피스톤 음원들을 규칙적으로 배열하여 원형 피스톤 음원들이 Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
자궁근종의 치료를 위해 HIFU 트랜스듀서의 연구 개발과 적용이 활발한 이유는 무엇인가? [1]에 의해 생물학과 신경학 분야에서 주로 사용하던 평면파 형태의 초음파를 한 지점에 집속시킴으로써 강도를 높이고자 하는 연구가 그 시초였으며, 최근에는 자궁근종, 간종양, 유방암, 췌장암, 전립선종양, 뇌종양의 제거 등 아주 다양한 의료 분야에 적용되고 있다.[2-4] 그 중에도 자궁근종의 치료를 위한 HIFU 트랜스듀서의 개발과 적용이 활발한데, 이것은 생식 가능 여성의 25 %가 자궁근종을 가지고 있을 정도로 치료를 필요로 하는 수요가 많기 때문이다. 기존의 자궁근종 제거 기술인 자궁 동맥색전술은 MRI(Magnetic Resonance Imaging)나 초음파를 이용한 영상기술을 사용해 최소한의 절개로 종양을 제거하는 역할을 하지만, HIFU 트랜스듀서를 이용한 치료법은 이와 비교하였을 때 절개가 필요하지 않으며 치료 후 정상적인 생활로 돌아갈 수 있는 기간을 현저하게 단축시키는 등 더 많은 장점을 가지고 있다.
고강도 집속 초음파(High Intensity Focused Ultrasound, HIFU) 발생용 트랜스듀서란 무엇인가? 고강도 집속 초음파(High Intensity Focused Ultrasound, HIFU) 발생용 트랜스듀서는 초음파를 집속시켜 고강도 에너지로 체내 깊게 자리잡고 있는 병변을 괴사시키는 치료용 장치로서, 절개하여 종양을 제거하는 종래의 기술을 대체하는 장치로 각광받고 있다. 1942년 Lynn et al.
고강도 집속 초음파(High Intensity Focused Ultrasound, HIFU) 발생용 트랜스듀서는 어떻게 활용되어지는가? 1942년 Lynn et al.[1]에 의해 생물학과 신경학 분야에서 주로 사용하던 평면파 형태의 초음파를 한 지점에 집속시킴으로써 강도를 높이고자 하는 연구가 그 시초였으며, 최근에는 자궁근종, 간종양, 유방암, 췌장암, 전립선종양, 뇌종양의 제거 등 아주 다양한 의료 분야에 적용되고 있다.[2-4] 그 중에도 자궁근종의 치료를 위한 HIFU 트랜스듀서의 개발과 적용이 활발한데, 이것은 생식 가능 여성의 25 %가 자궁근종을 가지고 있을 정도로 치료를 필요로 하는 수요가 많기 때문이다.
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참고문헌 (17)

  1. J. G. Lynn, R. L. Zwemer, A. J. Chick, and A. E. Miller, "A new method for the generation and use of focused ultrasound in experimental biology," J. Gen. Physiol. 26, 179-193 (1942). 

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  4. D. N. Stephens, D. E. Kruse, S. Qin, and K. W. Ferrara, "Design aspects of focal beams from high-intensity arrays," IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 58, 1590-1602 (2011). 

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  16. K. Jo, D. Lee, T. Kim, D. Kwon, and Y. Roh, "Analysis of conformal array beam patterns" (in Korean), J. Acoust. Soc. Kr. Suppl.1(s) 28, 310-313 (2009). 

  17. L. E. Kinsler, A. R. Frey, A. B. Coppens, and J. V. Sanders, Fundamentals of Acoustics (Wiley, New York, 2000), pp. 199, 127, and 182. 

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