[논문]강력 집속 초음파 시스템의 열적 성능 평가를 위한 팬텀 개발에 관한 기초연구

유우진; 노시철; 박문규; 민해기; 박재현; 최흥호

문제 정의

본 연구에서는 강력집속초음파의 열적 성능 평가의 일환으로 팬텀 내부온도 분포 측정이 가능한 온도 팬텀을 제작하고, 초음파 가열 실험을 통하여 제작된 팬텀의 유용성을 확인하였다. 생체 내의 정확한 열 전달 및 온도의 평가를 위해서는 생체 연부 조직과 비슷한 음향 특성을 가지는 생체 연부 조직 유사 팬텀이 팔요하다.
그러나 강력 집속초음파 성능 및 안전성을 평가 기술은 아직 확립되어 있지 못하다. 이에 본연구에서는 강력 집속 초음파의 전달 에너지와 열적 분포를 측정하여 안전성 평가에 활용 가능한 초음파 열 분포 측정을 위한 팬텀을 제안 하였으며, 초음파 가열 실험을 통하여 제안된 팬텀의 유용성을 평가하였다';
제작된 팬텀의 음향속도, 감쇠 계수 등의 음향학적 특징을 측정하기 위한 실험을 수행하였다. 실험 장치의 구성은 그림 1에서와 같이 수조에 증류수를 채우고, 단일 트랜스듀서를 고정시킨 후, 수조의 바닥에 음향 흡수체, 반사판 그리고 팬텀의 순으로 정 렬하였다.

제안 방법

강력 집속 초음파의 연부 조직에 전달되는 열을 측정하기 위하여 연부조직과 음향학적 특징이 유사한 조직 유사 팬텀을 제작하였다. 팬텀은 IEC 60601-2-37에 명시되어 있는 기준 규격을 따라 제작하였다.
반사 신호는 오실로스코프(Lecroy, NI 를 통하여 저장되어 컴퓨터를 이용하여 신호처리를 수행하였다. 마지막으로 강력 집속 초음파의 열적 성능 평가를 위하여 써미스터를 3×3(간격 1cm)의 형태로 팬텀 내에 삽입, 정렬시켰다. 온도 센서는 초음파 진행에 최소의 간섭을 주기 위하여 일자의 형태로 배열하였으며, 후방 산란을 방지하기 위하여 홉읍체를 팬텀 아래 부분에 삽입하였다.
ltd)을 사용하였다’ 펄스 발생기로부터 -150V 부펄스는 초음파진동자를 진동시켜 초음파를 발생시키고, 이렇게 방사되어진 초음파는 팬텀을 통과한 후 반사판에서 반사된다. 반사 신호는 오실로스코프(Lecroy, NI 를 통하여 저장되어 컴퓨터를 이용하여 신호처리를 수행하였다. 마지막으로 강력 집속 초음파의 열적 성능 평가를 위하여 써미스터를 3×3(간격 1cm)의 형태로 팬텀 내에 삽입, 정렬시켰다.
실험에서의 오차를 줄이기 위해, 3번의 신호를 측정하여 산호를 분석하였다. 음향 속도는 그림 4(a)의 두 반사 신호의 피크점 사이의 시간으로 팬텀의 두께의 2배를 나누어주어 구하였으며, 감쇠 계수는 그림 4(b)의 두 신호를 FFT하여 음압이 줄어든 비율을 통하여 구하였다.
생체 내의 정확한 열 전달 및 온도의 평가를 위해서는 생체 연부 조직과 비슷한 음향 특성을 가지는 생체 연부 조직 유사 팬텀이 팔요하다. 이를 위하여 IEC 60601-2-37에 수록된 조직 유사 팬텀을 제작하고 이의 음향학적 특성을 측정하였다. 제작돤 팬텀은 표 2의 결과와 같이 연부조직과 유사한 음향속도(연부조직 : 1540m/s) 및 감쇠 계수(연부조직 : 0.
제작된 온도 열적 성능 평가를 위한 팬텀을 평가하기 위하여 치료용 초음파 프로브를 이용한 초음파 가열 실험을 수행하였다. 초음파 가열 실험을 위한 실험 장치는 그림 3과 같다.
팬텀 내부의 온도를 측정하기 위하여 온도 측정 시스템을 구성하였다. 그림 2는 온도 측정을 위한 시스템의 구성 블록도이다, 9개의 써미스터로부터의 온도 정보를 읽기 위하여 브릿지 형태의 아날로그 회로를 구성하고 순차적으로 읽어오기 위하여 아날로그 멀티플렉서를 사용하였다.

대상 데이터

수행하였다. 실험 장치의 구성은 그림 1에서와 같이 수조에 증류수를 채우고, 단일 트랜스듀서를 고정시킨 후, 수조의 바닥에 음향 흡수체, 반사판 그리고 팬텀의 순으로 정 렬하였다. 초음파 진동자는 3.
실험 장치의 구성은 그림 1에서와 같이 수조에 증류수를 채우고, 단일 트랜스듀서를 고정시킨 후, 수조의 바닥에 음향 흡수체, 반사판 그리고 팬텀의 순으로 정 렬하였다. 초음파 진동자는 3.5MHz(Aerotech )의 원형 단일 진동자를 사용하였으며, 펄스 발생기는 MKPR-1030(MKC Korea Co. ltd)을 사용하였다’ 펄스 발생기로부터 -150V 부펄스는 초음파진동자를 진동시켜 초음파를 발생시키고, 이렇게 방사되어진 초음파는 팬텀을 통과한 후 반사판에서 반사된다. 반사 신호는 오실로스코프(Lecroy, NI 를 통하여 저장되어 컴퓨터를 이용하여 신호처리를 수행하였다.
음향학적 특징이 유사한 조직 유사 팬텀을 제작하였다. 팬텀은 IEC 60601-2-37에 명시되어 있는 기준 규격을 따라 제작하였다. 표 1은 팬텀에 사용된 재료 및 성분비이다.

성능/효과

이로 인하여 발생되는 열에 대한 고려든 향후 연구에 이루어져야 할 것이다. 또한, 초음파 가열 실험에 의해 나타난 그림 6의 결과는 충분한 에너지의 초음파 조사가 이루어지면 팬텀의 내부 온도가 전반적으로 상승한다는 것을 알 수 있었으며, 본 연구에서 제안된 팬텀이 초음파 조사에 따른 온도 효과를 평가하기에 적합한 방법임을 확인할 수 있었다. 향후 연구에서는 본 연구에서 제작된 팬텀을 강력집속초음파에 적용시킨 실험 결과를 시뮬레이션, 음장 측정 등 여러가지 방법들과의 비교를 통하여 제작된 팬텀을 강력집속초음파에 적용하는 것에 대한 유용성이 평가되어져야 할 것이다.
온도의 범위는 2FC부터 25笆까지로, 가열 전의 팬텀의 온도는 약 22℃로 균일하였으며, 20분 가열 후 팬텀의 최고 온도는 약 25℃로 팬텀 내부의 온도가 상승한 것이 관찰되었다.
이를 위하여 IEC 60601-2-37에 수록된 조직 유사 팬텀을 제작하고 이의 음향학적 특성을 측정하였다. 제작돤 팬텀은 표 2의 결과와 같이 연부조직과 유사한 음향속도(연부조직 : 1540m/s) 및 감쇠 계수(연부조직 : 0.6-2.24)률 가짐을 확인하였고, 초음파의 열적 성능 평가를 위한 조직 유사 팬텀으로 사용 가능함을 확인하였다. 제작된 팬텀은 그림 5의 초음파 영상에서처럼 내부에 온도 센서가 위치함으로 인하여 초음파 진행이 온도 센서로부터 간섭을 받지만, 온도 센서 주변의 부위에서는 초음파가 일반 조직에서처럼 무리없이 진행됨이 관찰 가능하다.
24)률 가짐을 확인하였고, 초음파의 열적 성능 평가를 위한 조직 유사 팬텀으로 사용 가능함을 확인하였다. 제작된 팬텀은 그림 5의 초음파 영상에서처럼 내부에 온도 센서가 위치함으로 인하여 초음파 진행이 온도 센서로부터 간섭을 받지만, 온도 센서 주변의 부위에서는 초음파가 일반 조직에서처럼 무리없이 진행됨이 관찰 가능하다. 그렇지만, 온도 센서 표면에서의 반사는 초음파가 골 표면에 반사되어질 때 열이 발생하는 것처럼 센서 부위의 온도가 실제 팬텀의 온도보다 높게 관찰될 가능성이 있다.

후속연구

주목을 끌고 있다. 또한 HIFU 주변 기술이 발전하고 개선됨에 따라 더욱 광범위하게 응용될 것으로 기대되어 지고 있다.
그렇지만, 온도 센서 표면에서의 반사는 초음파가 골 표면에 반사되어질 때 열이 발생하는 것처럼 센서 부위의 온도가 실제 팬텀의 온도보다 높게 관찰될 가능성이 있다. 이로 인하여 발생되는 열에 대한 고려든 향후 연구에 이루어져야 할 것이다. 또한, 초음파 가열 실험에 의해 나타난 그림 6의 결과는 충분한 에너지의 초음파 조사가 이루어지면 팬텀의 내부 온도가 전반적으로 상승한다는 것을 알 수 있었으며, 본 연구에서 제안된 팬텀이 초음파 조사에 따른 온도 효과를 평가하기에 적합한 방법임을 확인할 수 있었다.
또한, 초음파 가열 실험에 의해 나타난 그림 6의 결과는 충분한 에너지의 초음파 조사가 이루어지면 팬텀의 내부 온도가 전반적으로 상승한다는 것을 알 수 있었으며, 본 연구에서 제안된 팬텀이 초음파 조사에 따른 온도 효과를 평가하기에 적합한 방법임을 확인할 수 있었다. 향후 연구에서는 본 연구에서 제작된 팬텀을 강력집속초음파에 적용시킨 실험 결과를 시뮬레이션, 음장 측정 등 여러가지 방법들과의 비교를 통하여 제작된 팬텀을 강력집속초음파에 적용하는 것에 대한 유용성이 평가되어져야 할 것이다.

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