초록 ▼

□ 연구개요
기존 레이저 생성 집속초음파(Laser-generated focused ultrasound; LGFU)는 비열적 단펄스 발진 기술로 정밀 치료 가능성을 주목받으며 연구되어 왔으나, 광음향 발진체의 내구성 문제로 출력 초음파의 세기에 한계가 있었음. 본 과제에서는 (1) 내구성이 크게 강화된 광음향 발진체 기반의 LUS 렌즈 제작, (2) 광학계 개선을 통해 단일 광섬유 기반의 고에너지(>20 mJ/pulse; 7-ns pulse width) 광결합 기반 LUS 최초 구현, (3) 다채널 중첩을 통한 초음파 세기 증

□ 연구개요
기존 레이저 생성 집속초음파(Laser-generated focused ultrasound; LGFU)는 비열적 단펄스 발진 기술로 정밀 치료 가능성을 주목받으며 연구되어 왔으나, 광음향 발진체의 내구성 문제로 출력 초음파의 세기에 한계가 있었음. 본 과제에서는 (1) 내구성이 크게 강화된 광음향 발진체 기반의 LUS 렌즈 제작, (2) 광학계 개선을 통해 단일 광섬유 기반의 고에너지(>20 mJ/pulse; 7-ns pulse width) 광결합 기반 LUS 최초 구현, (3) 다채널 중첩을 통한 초음파 세기 증폭 및 초점 정렬 구현, (4) 조직모방 젤을 이용한 다채널 LUS 시스템의 파쇄 성능 검증 및 상업화 기반 확보에 중점을 두어 연구를 수행하였음. 구축된 다채널 LUS 시스템의 출력은 정밀 치료 초음파 활용을 위한 충분한 수준에 도달된 것으로 판단됨. 또한 광섬유 기반의 단채널 고출력 LUS 기술이 확보됨에 따라 향후 다양한 형태/배치의 다채널 어레이로 확대 구현하거나, 광섬유 결합(fiber-optic coupled) 기반 인체삽입형 LUS 소자로 발전가능성이 매우 높다고 판단됨.

□ 연구 목표대비 연구결과
● 고에너지 광전달이 가능한 단채널 광초음파 발진 렌즈(LUS) 제작: 단일 광섬유 기반 20 mJ 이상의 나노초 펄스 레이저 활용이 가능한 단채널 LUS를 최초로 제작하였음. 향후 고출력 다채널(>3) 어레이를 비롯 인체삽입형 소자로 발전 가능성이 매우 높음 (현재까지 학계 보고된 것 가운데 최고 출력 달성).
● 다채널 LUS 시스템 구축 및 성능 검증: 3채널 LUS 기반 공초점 치료 초음파 시스템을 구축하였음. 공초점 거리 13 mm 달성, 파쇄 선폭 60 μm의 높은 정밀도로 공동 생성 및 조직파쇄가 가능하였으나, 시간당 파쇄부피(0.1 mm³/min)는 당초 목표(4 mm³/min) 대비 미흡하였음. 또한 초점 영역의 파쇄 특성을 실시간 모니터링 할 수 있는 시스템을 구축하였음.
● LUS 기반 비열적 고정밀 치료초음파 시스템 상업화 기반 확보: 관련 연구분야 최초로 다채널 LUS 시스템을 구축하였으며, 향후 출력강도 개선을 통해 상업화 발전시킬 수 있을 것으로 기대됨.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
● 최초의 다채널 LUS 어레이 개발을 통한 고정밀 비열적 초음파 파쇄 기술 확보:
- LUS 기반 치료초음파 연구분야 선도
- 다채널 어레이 기반 치료초음파 구현을 위한 기반 기술 확보
- 기존 펨토초 레이저(수억원대) 기반 조직절개 기술을 대체할 수 있는 원가 절감형(수천만원 수준) 원천 기술 확보
- 치료 초음파 원천 기술 확보를 통한 건강 복지 사회 구현에 기여
● 나노소재 고분자 복합물 기반 높은 내구성 및 초음파 출력을 갖는 LUS 발진체 기술 확보
- 광학, 초음파, 신호처리, 나노소재 등 학제간 융합 연구를 통한 관련 연구분야 세계 선도 및 소자 제작 노하우 축적
- 유연(flexible), 대면적 등 다양한 형태의 발진체로 변형 가능한 원천 기술 확보
- 높은 레이저손상임계점을 갖는 고내구성 나노 소재 원천 기술 특허화 및 상업화 기반 확보
● 광섬유 기반 고에너지 광결합 단채널 LUS 개발
- 새로운 구조/배치를 갖는 다채널 어레이 구조 개발 가능
- 단일 광섬유 기반 인체삽입형 고강도 치료초음파 발진체 기술 확보
- 소형 LUS/LGFU 기반 고강도 초음파 기술 상업화
- 연구실 창업을 통한 관련 기술 제품화 구현 (2021년 창업 후 현재 진행 중; ‘퍼스클리너’)

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 4
• 2.1 1차년도 수행 과정 및 내용 ... 4
• 2.2 2차년도 수행 과정 및 내용 ... 6
• 2.3 3차년도 수행 과정 및 내용 ... 9
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 11
• 1) 정성적 연구개발성과 (연구개발결과) ... 11
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 12
• 3) 목표 달성 수준 ... 12
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 12
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 13
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 13
• 6. 자체점검표 ... 14
• [붙임1] 세부 정량적 연구개발성과 ... 15
• [붙임2] 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 21
• 끝페이지 ... 36