KR20250000319A - Ultrasound-photo integrated probe device - Google Patents

Abstract

Translated fromKorean

본 발명의 일 측면에 따른 초음파-광 융합 프로브 장치는 광을 조사하는 광원부; 상기 광원부에 의해 조사된 광을 투과시키도록 구성되는 압전체로서, 상기 압전체에 의해 발생된 초음파 신호의 송신 방향과 상기 광원부로부터의 광 조사 방향은 동일 방향으로 구성되는, 압전체; 및 상기 초음파 신호의 송신 방향 및 상기 광 조사 방향과의 중첩이 회피되는 방식으로 상기 압전체의 제1 및 제2 표면에 각각 배치되는 제1 및 제2 전도성 부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.An ultrasound-optical fusion probe device according to one aspect of the present invention is characterized by including: a light source unit that irradiates light; a piezoelectric body configured to transmit light irradiated by the light source unit, wherein a transmission direction of an ultrasonic signal generated by the piezoelectric body and a direction of light irradiation from the light source unit are configured in the same direction; and first and second conductive members arranged on first and second surfaces of the piezoelectric body, respectively, in such a way that overlap between the transmission direction of the ultrasonic signal and the direction of light irradiation is avoided.

Description

Translated fromKorean

초음파-광 융합 프로브 장치{ULTRASOUND-PHOTO INTEGRATED PROBE DEVICE}{ULTRASOUND-PHOTO INTEGRATED PROBE DEVICE}

본 발명은 초음파-광 융합 프로브 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an ultrasound-optical fusion probe device.

물리적인 침습 과정 없이도 환부를 자극할 수 있는 초음파 자극 치료법이 널리 이용되고 있다. 초음파는 그 강도에 따라 고강도 집속 초음파(HIFU: High-intensity Focused Ultrasound)와 저강도 집속 초음파(LIFU: Low-intensity Focused Ultrasound)로 구분된다. 고강도 집속 초음파는 암세포, 종양, 병변 등의 생체 조직을 물리적으로 제거하는 직접적인 치료에 이용되는 반면, 저강도 집속 초음파는 생체 조직을 괴사시키지 않고도 의학적 효과를 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다. 예를 들면, 고강도 집속 초음파를 이용하여 병변을 비침습적으로 제거할 수 있으며, 또한 저강도 집속 초음파를 이용하여 인지장애, 불안증, 우울증 등의 신경성질환을 비침습적으로 치료할 수 있다. 이러한 초음파 치료 장치에는 대상체의 초음파 영상을 획득하기 위해 진단용 초음파 신호를 송수신하기 위한, 그리고 치료 대상이 되는 환부에 치료용 초음파 신호를 송신하기 위한 초음파 프로브(초음파 트랜스듀서)가 구비된다.Ultrasound stimulation therapy, which can stimulate the affected area without physical invasion, is widely used. Ultrasound is divided into high-intensity focused ultrasound (HIFU) and low-intensity focused ultrasound (LIFU) depending on its intensity. High-intensity focused ultrasound is used for direct treatment to physically remove living tissues such as cancer cells, tumors, and lesions, while low-intensity focused ultrasound is known to obtain medical effects without necrosis of living tissues. For example, high-intensity focused ultrasound can be used to noninvasively remove lesions, and low-intensity focused ultrasound can be used to noninvasively treat neurological disorders such as cognitive impairment, anxiety, and depression. These ultrasound treatment devices are equipped with an ultrasound probe (ultrasound transducer) for transmitting and receiving diagnostic ultrasound signals to obtain ultrasound images of the subject, and for transmitting therapeutic ultrasound signals to the affected area to be treated.

본 발명의 일 측면에 따른 목적은 종래의 초음파 프로브 대비 물리적 특성을 개선하여 고출력(High Acoustic Power) 특성을 확보함과 동시에 사이즈를 감소시킬 수 있는 초음파 프로브 구조를 제시하고, 압전체를 통한 초음파 치료 방식과 광원을 통한 광열 치료 방식을 동시 적용하여 치료 효과를 극대화할 수 있는 초음파-광 융합 프로브 장치를 제공하는 것이다.An object of one aspect of the present invention is to provide an ultrasonic probe structure capable of securing high output (High Acoustic Power) characteristics while reducing the size by improving the physical characteristics compared to conventional ultrasonic probes, and to provide an ultrasonic-optical fusion probe device capable of maximizing the treatment effect by simultaneously applying an ultrasonic treatment method using a piezoelectric body and a photothermal treatment method using a light source.

본 발명의 일 측면에 따른 초음파-광 융합 프로브 장치는 광을 조사하는 광원부; 상기 광원부에 의해 조사된 광을 투과시키도록 구성되는 압전체로서, 상기 압전체에 의해 발생된 초음파 신호의 송신 방향과 상기 광원부로부터의 광 조사 방향은 동일 방향으로 구성되는, 압전체; 및 상기 초음파 신호의 송신 방향 및 상기 광 조사 방향과의 중첩이 회피되는 방식으로 상기 압전체의 제1 및 제2 표면에 각각 배치되는 제1 및 제2 전도성 부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.An ultrasound-optical fusion probe device according to one aspect of the present invention is characterized by including: a light source unit that irradiates light; a piezoelectric body configured to transmit light irradiated by the light source unit, wherein a transmission direction of an ultrasonic signal generated by the piezoelectric body and a direction of light irradiation from the light source unit are configured in the same direction; and first and second conductive members arranged on first and second surfaces of the piezoelectric body, respectively, in such a way that overlap between the transmission direction of the ultrasonic signal and the direction of light irradiation is avoided.

본 발명에 있어 상기 초음파 신호의 송신 방향 및 상기 광 조사 방향과, 상기 제1 및 제2 전도성 부재를 통한 전계 인가 방향은 수직인 것을 특징으로 한다.In the present invention, the transmission direction of the ultrasonic signal, the light irradiation direction, and the electric field application direction through the first and second conductive members are characterized in that they are perpendicular.

본 발명에 있어 상기 초음파 신호의 송신 방향 및 상기 광 조사 방향이 제1 방향으로 정의될 때, 상기 광원부 및 상기 압전체는 상기 제1 방향을 따라 정렬 배치되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, when the transmission direction of the ultrasonic signal and the light irradiation direction are defined as the first direction, the light source unit and the piezoelectric body are characterized in that they are aligned along the first direction.

본 발명은 후면층;을 더 포함하고, 상기 광원부, 상기 후면층 및 상기 압전체는, 상기 제1 방향을 따라 순차적으로 정렬 배치됨에 따라, 상기 후면층은 상기 압전체와 함께 상기 광원부로부터의 광 조사 경로를 구성하는 것을 특징으로 한다.The present invention further includes a rear layer; and the light source unit, the rear layer, and the piezoelectric body are sequentially aligned and arranged along the first direction, so that the rear layer, together with the piezoelectric body, forms a light irradiation path from the light source unit.

본 발명에 있어 상기 압전체에 의한 초음파 신호의 송신 및 상기 광원부에 의한 광 조사를 제어하는 제어부;를 더 포함하고, 상기 제어부는, 치료 대상이 되는 환부에 대한 치료 모드에서, 상기 압전체를 통한 초음파 치료 동작 및 상기 광원부를 통한 광열 치료 동작을 선택적으로 수행하는 것을 특징으로 한다.The present invention further includes a control unit that controls transmission of an ultrasonic signal by the piezoelectric body and irradiation of light by the light source unit, and the control unit is characterized in that it selectively performs an ultrasonic treatment operation by the piezoelectric body and a photothermal treatment operation by the light source unit in a treatment mode for a target area to be treated.

본 발명에 있어 상기 제어부는, 상기 치료 모드에서 상기 초음파 치료 동작 및 상기 광열 치료 동작을 모두 수행하는 경우, 상기 초음파 치료 동작이 수행되는 제1 시구간과 상기 광열 치료 동작이 수행되는 제2 시구간을 적어도 부분적으로 중첩시키거나, 상기 제1 시구간 및 상기 제2 시구간 사이에 미리 설정된 갭(Gap) 이하의 범위의 시간차를 두는 것을 특징으로 한다.In the present invention, when performing both the ultrasonic treatment operation and the photothermal treatment operation in the treatment mode, the control unit is characterized in that it at least partially overlaps a first time period during which the ultrasonic treatment operation is performed and a second time period during which the photothermal treatment operation is performed, or provides a time difference of a range less than a preset gap between the first time period and the second time period.

본 발명에 있어 상기 광원부는, 제1 파장대의 제1 광을 조사하는 제1 광원과, 상기 제1 파장대와 상이한 제2 파장대의 제2 광을 조사하는 제2 광원을 포함하고, 상기 광열 치료 동작 과정에서, 상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 광원을 동시에 활성화시키는 방식, 또는 상기 제1 및 제2 광원을 순차적으로 활성화시키는 방식으로 상기 광원부를 제어하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the light source unit includes a first light source that irradiates first light of a first wavelength band and a second light source that irradiates second light of a second wavelength band different from the first wavelength band, and in the photothermal treatment operation process, the control unit is characterized in that it controls the light source unit in a manner of activating the first and second light sources simultaneously or in a manner of activating the first and second light sources sequentially.

본 발명에 있어 상기 치료 모드는 치료 대상이 되는 질환에 따라 복수의 치료 모드로 구분되고, 각각의 치료 모드에서의 초음파 신호의 주파수는 가변 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the treatment mode is divided into a plurality of treatment modes depending on the disease to be treated, and the frequency of the ultrasonic signal in each treatment mode is configured to be variable.

본 발명에 따를 때, 초음파 프로브의 엘리먼트 적층 방향, 압전체에 대한 전계 인가 방향, 및 압전체의 분극 방향이 미리 정의된 관계 프로파일(적층 방향에 대한 전계 인가 방향 및 분극 방향의 수직 프로파일)을 갖도록 구성하여 기계적 품질 계수(Q_m, Mechanical Quality Factor) 및 항전계(E_C, Coercive Electric field)와 같은 물리적 특성을 개선함으로써 초음파 프로브의 고출력(High Acoustic Power) 특성을 확보할 수 있다.According to the present invention, the element stacking direction of the ultrasonic probe, the electric field application direction to the piezoelectric body, and the polarization direction of the piezoelectric body are configured to have a predefined relationship profile (a perpendicular profile of the electric field application direction and the polarization direction with respect to the stacking direction), thereby improving physical properties such as the mechanical quality factor (Q_m ) and the coercive electric field (E_C ), thereby securing the high acoustic power characteristics of the ultrasonic probe.

또한, 본 발명에 따를 때, 초음파 프로브의 후단에 소정 파장대의 광을 조사하는 광원부를 배치하여, 초음파 프로브에 의한 초음파 치료 및 광원부에 의한 광열 치료를 동시 적용함으로써 환부(예: 골관절 또는 피부)에 대한 치료 효과를 극대화할 수 있으며, 초음파 프로브와 광원부를 초음파 신호 및 광의 송신 방향에 따라 정렬 배치시키는 구조를 채용함으로써 전체 프로브 장치의 사이즈를 저감시킬 수 있다.In addition, according to the present invention, by arranging a light source unit that irradiates light of a predetermined wavelength at the rear end of an ultrasonic probe, the treatment effect on the affected area (e.g., bone joint or skin) can be maximized by simultaneously applying ultrasonic treatment by the ultrasonic probe and photothermal treatment by the light source unit, and by adopting a structure in which the ultrasonic probe and the light source unit are aligned according to the transmission direction of the ultrasonic signal and light, the size of the entire probe device can be reduced.

나아가, 본 발명에 따를 때, 상술한 관계 프로파일에 의해 제1 및 제2 전도성 부재가 압전체의 측면에 배치됨에 따라, 광원부로부터 조사되는 광과 제1 및 제2 전도성 부재가 상호 중첩되지 않으며, 따라서 제1 및 제2 전도성 부재가 압전체의 상하면에 배치될 경우 요구되는 전도성 부재의 투명 재질에 대한 의존성이 제거되어 전도성 부재의 설계 및 구현 자유도가 향상될 수 있다.Furthermore, according to the present invention, since the first and second conductive members are arranged on the side surfaces of the piezoelectric body by the above-described relationship profile, the light irradiated from the light source unit and the first and second conductive members do not overlap each other, and therefore, when the first and second conductive members are arranged on the upper and lower surfaces of the piezoelectric body, the dependence on the transparent material of the conductive member required is eliminated, and thus the degree of freedom in design and implementation of the conductive member can be improved.

도 1은 본 실시예의 초음파-광 융합 프로브 장치에서 초음파 프로브 어레이의 구조를 보인 예시도이다.
도 2는 본 실시예의 초음파-광 융합 프로브 장치에서 프로브 유닛의 구조를 보인 예시도이다.
도 3은 본 실시예의 초음파-광 융합 프로브 장치에서 관계 프로파일을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 실시예의 초음파-광 융합 프로브 장치에서 프로브 유닛 및 광원부의 배치 구조를 보인 예시도이다.
도 5는 본 실시예의 초음파-광 융합 프로브 장치를 기능적으로 설명하기 위한 블록구성도이다.
도 6은 본 실시예의 초음파-광 융합 프로브 장치에서 초음파 치료 동작 및 광열 치료 동작이 수행되는 시계열적 구성을 보인 예시도이다.Figure 1 is an exemplary diagram showing the structure of an ultrasonic probe array in an ultrasonic-optical fusion probe device of the present embodiment.
Figure 2 is an exemplary diagram showing the structure of a probe unit in the ultrasonic-optical fusion probe device of the present embodiment.
Figure 3 is an exemplary diagram for explaining a relationship profile in the ultrasound-optical fusion probe device of the present embodiment.
Figure 4 is an exemplary diagram showing the arrangement structure of the probe unit and the light source unit in the ultrasonic-optical fusion probe device of the present embodiment.
Figure 5 is a block diagram for functionally explaining the ultrasound-optical fusion probe device of the present embodiment.
Figure 6 is an exemplary diagram showing a time-series configuration in which ultrasound treatment operation and photothermal treatment operation are performed in the ultrasound-optical fusion probe device of the present embodiment.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 초음파-광 융합 프로브 장치를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, the ultrasound-optical fusion probe device according to the present invention will be described with reference to the attached drawings. In this process, the thickness of lines and the size of components illustrated in the drawings may be exaggerated for the sake of clarity and convenience of explanation. In addition, the terms described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, and may vary depending on the intention or custom of the user or operator. Therefore, the definitions of these terms should be made based on the contents throughout this specification.

도 1은 본 실시예의 초음파-광 융합 프로브 장치에서 초음파 프로브 어레이의 구조를 보인 예시도이고, 도 2는 본 실시예의 초음파-광 융합 프로브 장치에서 프로브 유닛의 구조를 보인 예시도이며, 도 3은 본 실시예의 초음파-광 융합 프로브 장치에서 관계 프로파일을 설명하기 위한 예시도이고, 도 4는 본 실시예의 초음파-광 융합 프로브 장치에서 프로브 유닛 및 광원부의 배치 구조를 보인 예시도이며, 도 5는 본 실시예의 초음파-광 융합 프로브 장치를 기능적으로 설명하기 위한 블록구성도이고, 도 6은 본 실시예의 초음파-광 융합 프로브 장치에서 초음파 치료 동작 및 광열 치료 동작이 수행되는 시계열적 구성을 보인 예시도이다.FIG. 1 is an exemplary diagram showing the structure of an ultrasound probe array in an ultrasound-optical fusion probe device of the present embodiment, FIG. 2 is an exemplary diagram showing the structure of a probe unit in an ultrasound-optical fusion probe device of the present embodiment, FIG. 3 is an exemplary diagram for explaining a relationship profile in an ultrasound-optical fusion probe device of the present embodiment, FIG. 4 is an exemplary diagram for explaining the arrangement structure of a probe unit and a light source unit in an ultrasound-optical fusion probe device of the present embodiment, FIG. 5 is a block diagram for functionally explaining the ultrasound-optical fusion probe device of the present embodiment, and FIG. 6 is an exemplary diagram showing a time-series configuration in which an ultrasound treatment operation and a photothermal treatment operation are performed in the ultrasound-optical fusion probe device of the present embodiment.

도 1에 도시된 것과 같이 본 실시예의 초음파-광 융합 프로브 장치(1)(이하, 본 장치)는 복수의 프로브 유닛(PU)이 연속적으로 배열되는 어레이 구조로 구현되며, 1차원(1D) 또는 2차원(2D) 어레이 구조로 구현될 수 있다(도 1은 2차원(8X8) 어레이 구조의 구현 예시를 보이고 있다). 각각의 프로브 유닛(PU)은 커프(Kerf)(K)에 의해 구획되며, 커프(K)는 각각의 프로브 유닛(PU) 사이에 형성되는 간극(Gap)에 해당할 수 있다. 도 1에 도시된 구조 및 후술하는 광원부(50)는 본 장치(1)의 내부에 적용 가능한 어레이 구조에 해당하며, 소정의 마운팅 부재 및 프레임을 통해 본 장치(1)의 내부에 고정 설치될 수 있다.As illustrated in FIG. 1, the ultrasound-optical fusion probe device (1) of the present embodiment (hereinafter, referred to as the device) is implemented with an array structure in which a plurality of probe units (PUs) are sequentially arranged, and can be implemented with a one-dimensional (1D) or two-dimensional (2D) array structure (FIG. 1 shows an example of an implementation of a two-dimensional (8X8) array structure). Each probe unit (PU) is partitioned by a kerf (K), and the kerf (K) can correspond to a gap (Gap) formed between each probe unit (PU). The structure illustrated in FIG. 1 and the light source unit (50) described below correspond to an array structure that can be applied to the inside of the device (1), and can be fixedly installed inside the device (1) through a predetermined mounting member and frame.

이하에서는 본 실시예에서 채용된 프로브 유닛(PU)의 구조와 관계 프로파일에 대하여 우선적으로 설명한 후, 프로브 유닛 및 광원부(50)의 배치 구조, 그리고 초음파 치료 동작 및 광열 치료 동작에 대하여 설명한다.In the following, the structure and relationship profile of the probe unit (PU) employed in this embodiment will be first described, and then the arrangement structure of the probe unit and light source unit (50), and the ultrasonic treatment operation and photothermal treatment operation will be described.

1. 프로브 유닛의 구조1. Structure of the probe unit

도 2에 도시된 것과 같이 본 실시예에서 프로브 유닛(PU)은 축 방향(Axis Directon)(A)으로 순차적으로 적층되는 후면층(10), 압전체(20), 정합층(30), 그리고 압전체(20)의 제1 및 제2 표면에 각각 배치되는 제1 및 제2 전도성 부재(41, 42)를 포함하는 구조로 정의된다(후술하는 것과 같이 후면층(10)은 실시예에 따라 생략될 수도 있다). 구조의 명확한 설명을 위해, 이하에서 표기하는 '상부' 및 '하부'는 본 장치(1)의 축 방향(Axis Direction)(A)을 기준으로 하는 것으로 설명하고, '측면'은 본 장치(1)의 측 방향(Lateral Direction)(L) 또는 고도 방향(Elevation Direction)(E)을 기준으로 하는 것으로 설명한다.As illustrated in FIG. 2, the probe unit (PU) in the present embodiment is defined as a structure including a back layer (10), a piezoelectric body (20), a matching layer (30), and first and second conductive members (41, 42) arranged on first and second surfaces of the piezoelectric body (20), which are sequentially laminated in the axial direction (A) (as described below, the back layer (10) may be omitted depending on the embodiment). For a clear description of the structure, the terms 'upper' and 'lower' indicated below are described as referring to the axial direction (A) of the device (1), and the 'side' is described as referring to the lateral direction (L) or elevation direction (E) of the device (1).

후면층(Backing Layer)(10)은 후술하는 압전체(20)의 하부에 배치되고, 압전체(20)에서 발생하여 하부로 진행하는 초음파 신호를 흡수 및 감쇠시킴으로써 초음파 신호가 압전체(20)의 하부로 진행되는 것을 차단하며, 이에 따라 영상의 왜곡을 방지하는 기능을 수행한다. 후면층(10)은 압전체(20)보다 작은 음향 임피던스를 가질 수 있으며, 예를 들어 2MRayl 내지 5MRayl의 음향 임피던스를 갖는 물질로 구성될 수 있다. 또한, 후면층(10)은 초음파 신호의 감쇠 또는 차단 효과를 향상시키기 위해 복수의 층으로 제작될 수 있다. 한편, 후면층(10)은 본 장치(1)의 레벨에서 초음파 신호의 감쇠 특성 및 임피던스 정합 특성이 확보되는 범위 내에서 생략될 수도 있다. 후면층(10)이 마련되는 실시예에서, 후면층(10)은 후술하는 광원부(50)로부터의 광 조사 경로를 형성하며, 이를 위해 후면층(10)은 광투과성 재질(예: 투명 에폭시 또는 유리 재질)로 구현될 수 있다.The backing layer (10) is arranged below the piezoelectric body (20) described below, and absorbs and attenuates ultrasonic signals generated from the piezoelectric body (20) and propagating downward, thereby blocking the ultrasonic signals from propagating downwardly of the piezoelectric body (20), thereby preventing image distortion. The backing layer (10) may have an acoustic impedance lower than that of the piezoelectric body (20), and may be composed of a material having an acoustic impedance of, for example, 2MRayl to 5MRayl. In addition, the backing layer (10) may be manufactured into a plurality of layers in order to improve the attenuation or blocking effect of the ultrasonic signal. Meanwhile, the backing layer (10) may be omitted within a range in which the attenuation characteristics and impedance matching characteristics of the ultrasonic signal are secured at the level of the present device (1). In an embodiment in which a back layer (10) is provided, the back layer (10) forms a light irradiation path from a light source unit (50) described later, and for this purpose, the back layer (10) may be implemented with a light-transmitting material (e.g., transparent epoxy or glass material).

압전체(Piezoelectiric Material)(20)는 대상체에 대한 진단 시에는 후술하는 제1 및 제2 전도성 부재(41, 42)를 통해 전기적 신호가 인가됨에 따라 기계적으로 진동하여 진단용 초음파 신호를 발생시켜 대상체(예: 신체, 또는 신체 내 조직)로 송신하며, 대상체 내부의 특정 부위로부터 반사된 초음파 신호를 수신하고 전기적 신호로 변환하도록 동작한다. 또한, 압전체(20)는 대상체의 치료 대상이 되는 환부에 대한 치료 시에는 제1 및 제2 전도성 부재(41, 42)를 통해 전기적 신호가 인가됨에 따라 기계적으로 진동하여 치료용 초음파 신호를 발생시키도록 동작한다. 본 실시예는 대상체의 환부에 대한 치료에 포커싱한다.When diagnosing a target object, the piezoelectric material (20) mechanically vibrates in response to an electrical signal applied thereto through the first and second conductive members (41, 42) described below, thereby generating a diagnostic ultrasonic signal and transmitting the same to the target object (e.g., a body or a tissue within the body), and receives an ultrasonic signal reflected from a specific part within the target object and converts it into an electrical signal. In addition, when treating a target area of the target object, the piezoelectric material (20) mechanically vibrates in response to an electrical signal applied thereto through the first and second conductive members (41, 42), thereby generating a therapeutic ultrasonic signal. The present embodiment focuses on treating a target area of the target object.

압전체(20)는 압전 단결정 소재(Piezoelectric Single Crystal Material)로 구현될 수 있다. 구체적으로, 압전체(20)는 1세대 단결정인 PMN-PT[Pb(Mg_2/3Nb_1/3)O₃-PbTiO₃], 2세대 단결정인 PIN-PMN-PT[Pb(In_1/2Nb_1/2O₃)-Pb(Mg_1/3Nb_2/3O₃)-PbTiO₃], 그리고 1세대 및 2세대의 단결정에 Mn 등의 dopant를 첨가한 3세대 단결정인 Mn:PIN-PMN-PT 중 어느 하나로 구현될 수 있으며, 이와 같이 압전 단결정 소재로 구현되는 압전체(20)는 광투과 특성을 갖도록 구성되어 후술하는 광원부(50)로부터의 광 조사 경로를 구성할 수 있다. 압전 단결정 소재로 구현되는 압전체(20)는 세라믹 분말을 결정 성장 방향(<001>, <011> 또는 <111> 축)의 시드가 장입된 백금 도가니에 넣고 밀봉하여 고온 결정성장로에 장시간 동안 두어 완전히 용융시키고, 소정 시간 동안에 걸쳐 온도를 유지한 다음 서서히 냉각시켜 수득되는 잉곳으로부터 미리 제조된다. 한편, 본 실시예에서 압전체(20)의 분극 방향(결정 방향)은 관계 프로파일(Relation Profile)에 따라 정의되며, 이에 대한 구체적인 설명은 후술한다.The piezoelectric body (20) can be implemented with a piezoelectric single crystal material. Specifically, the piezoelectric body (20) can be implemented with any one of a first-generation single crystal PMN-PT [Pb(Mg_2/3 Nb_1/3 )O₃ -PbTiO₃ ], a second-generation single crystal PIN-PMN-PT [Pb(In_1/2 Nb_1/2 O₃ )-Pb(Mg_1/3 Nb_2/3 O₃ )-PbTiO₃ ], and a third-generation single crystal Mn:PIN-PMN-PT in which a dopant such as Mn is added to the first and second-generation single crystals. The piezoelectric body (20) implemented with the piezoelectric single crystal material in this way is configured to have a light transmission characteristic and can configure a light irradiation path from a light source unit (50) described below. A piezoelectric body (20) implemented with a piezoelectric single crystal material is manufactured in advance from an ingot obtained by putting ceramic powder into a platinum crucible loaded with seeds of a crystal growth direction (<001>, <011>, or <111> axis), sealing it, placing it in a high-temperature crystal growth furnace for a long time to completely melt it, maintaining the temperature for a predetermined period of time, and then slowly cooling it. Meanwhile, in the present embodiment, the polarization direction (crystal direction) of the piezoelectric body (20) is defined according to a relation profile, and a specific description thereof will be described later.

정합층(Matching layer)(30)은 압전체(20)의 상부에 배치되며, 압전체(20)의 음향 임피던스와 대상체의 음향 임피던스를 매칭함으로써 대상체로 전달되는 초음파 신호 또는 대상체로부터 반사되는 초음파 신호의 손실을 저감시키는 기능을 수행한다. 즉, 정합층(30)은 압전체(20)와 대상체 사이의 음향 임피던스 차이를 감소시켜 압전체(20) 및 대상체 간의 음향 임피던스를 정합시킴으로써 압전체(20)에서 발생한 초음파 신호가 대상체로 효율적으로 전달되도록 하는 기능을 수행한다. 대상체 및 압전체(20) 간의 음향 임피던스의 정합을 위해 정합층(30)은 미리 정의된 음향 임피던스를 갖는 물질로 구현될 수 있으며, 예를 들어 대상체의 음향 임피던스보다 크고 압전체(20)의 음향 임피던스보다 작은 음향 임피던스를 갖는, 광투과성을 갖는 유리 재질 또는 수지 재질로 구현될 수 있다.The matching layer (30) is arranged on the upper part of the piezoelectric body (20) and matches the acoustic impedance of the piezoelectric body (20) with the acoustic impedance of the target object to reduce the loss of the ultrasonic signal transmitted to the target object or the ultrasonic signal reflected from the target object. That is, the matching layer (30) reduces the difference in acoustic impedance between the piezoelectric body (20) and the target object to match the acoustic impedance between the piezoelectric body (20) and the target object, thereby performing the function of allowing the ultrasonic signal generated from the piezoelectric body (20) to be efficiently transmitted to the target object. In order to match the acoustic impedance between the target object and the piezoelectric body (20), the matching layer (30) may be implemented with a material having a predefined acoustic impedance, and for example, may be implemented with a glass material or resin material having light transmittance and having an acoustic impedance that is larger than the acoustic impedance of the target object and smaller than the acoustic impedance of the piezoelectric body (20).

제1 및 제2 전도성 부재(41, 42)는 압전체(20)의 제1 및 제2 표면에 각각 배치되어, 압전체(20)로 전기적 신호를 전달하기 위한 전극으로 기능한다. 제1 및 제2 전도성 부재(41, 42)는 후술하는 신호(Signal) 경로 또는 접지(Ground) 경로의 일부를 구성한다.The first and second conductive members (41, 42) are respectively arranged on the first and second surfaces of the piezoelectric body (20) and function as electrodes for transmitting electrical signals to the piezoelectric body (20). The first and second conductive members (41, 42) constitute part of a signal path or a ground path, which will be described later.

2. 관계 프로파일(Relation Profile)2. Relation Profile

본 실시예에서 후면층(10), 압전체(20) 및 정합층(30)의 적층 방향(이하, 엘리먼트 적층 방향)과, 제1 및 제2 전도성 부재(41, 42)를 통한 전계 인가 방향(압전체(20)를 기준으로 상기한 제1 및 제2 표면이 위치한 방향과 동일한 의미를 갖는다)과, 압전체(20)의 분극 방향은 미리 정의된 관계 프로파일을 갖도록 구성되며, 상기한 관계 프로파일은 기계적 품질 계수(Q_m, Mechanical Quality Factor) 및 항전계(E_C, Coercive Electric field)와 같은 물리적 특성을 개선하여 본 장치(1)의 고출력(High Acoustic Power) 특성을 확보하기 위한 프로브 유닛(PU)의 배치 구조와 연관된다. 도 3은 관계 프로파일에 따른 프로브 유닛(PU)의 배치 구조를 나타낸다.In the present embodiment, the stacking direction (hereinafter, element stacking direction) of the back layer (10), the piezoelectric body (20), and the matching layer (30), the electric field application direction (which has the same meaning as the direction in which the first and second surfaces are located based on the piezoelectric body (20)) through the first and second conductive members (41, 42), and the polarization direction of the piezoelectric body (20) are configured to have a predefined relationship profile, and the relationship profile is related to the arrangement structure of the probe unit (_PU ) to secure the high acoustic power characteristic of the device (1) by improving physical characteristics such as the mechanical quality factor (Q_m ) and the coercive electric field (E C ). FIG. 3 shows the arrangement structure of the probe unit (PU) according to the relationship profile.

구체적으로, 엘리먼트 적층 방향이 제1 방향(D1)으로 정의되고, 압전체(20)에 대한 전계 인가 방향이 제2 방향(D2)으로 정의되며, 압전체(20)의 분극 방향이 제3 방향(D3)으로 정의될 때, 관계 프로파일은 제1 방향(D1)과 제2 방향(D2)이 수직인 수직 프로파일과, 제2 방향(D2) 및 제3 방향(D3)이 수평인 수평 프로파일을 포함할 수 있다. 본 장치(1)에서 엘리먼트 적층 방향은 축 방향(A)에 해당하므로, 엘리먼트 적층 방향과 수직이며 상호 평행한 압전체(20)의 전계 인가 방향 및 분극 방향은 측 방향(L) 또는 고도 방향(E)에 해당할 수 있다(설명의 편의를 위해 이하에서는 압전체(20)의 전계 인가 방향 및 분극 방향이 측 방향(L)에 해당하는 것으로 설명한다).Specifically, when the element stacking direction is defined as a first direction (D1), the electric field application direction to the piezoelectric body (20) is defined as a second direction (D2), and the polarization direction of the piezoelectric body (20) is defined as a third direction (D3), the relationship profile may include a vertical profile in which the first direction (D1) and the second direction (D2) are perpendicular, and a horizontal profile in which the second direction (D2) and the third direction (D3) are horizontal. Since the element stacking direction in the present device (1) corresponds to the axial direction (A), the electric field application direction and the polarization direction of the piezoelectric body (20), which are perpendicular to the element stacking direction and parallel to each other, may correspond to the lateral direction (L) or the elevation direction (E) (for convenience of explanation, the electric field application direction and the polarization direction of the piezoelectric body (20) are described below as corresponding to the lateral direction (L).).

엘리먼트 적층 방향은 압전체(20)의 진동 방향 및 초음파 신호의 송신 방향과 동일하므로, 압전체(20)에 제1 및 제2 전도성 부재(41, 42)를 통해 측 방향(L)으로 전계가 인가되면(도 3은 제1 전도성 부재(41)가 신호 전극(+)에 해당하고 제2 전도성 부재(42)가 접지 전극(-)에 해당하는 예시를 보이고 있다), 측 방향(L)의 분극 방향을 갖는 압전체(20)는 축 방향(A)으로 진동하며, 이에 따라 압전체(20)의 축 방향(A)으로 초음파 신호가 송신된다. 즉, 본 실시예에서 전계 인가 방향(= 전극 배치 방향 = 분극 방향 = 제2 방향 = 제3 방향)은 압전체(20)의 진동 방향(= 초음파 신호 송신 방향 = 엘리먼트 적층 방향 = 제1 방향)과 수직이다.Since the element stacking direction is the same as the vibration direction of the piezoelectric body (20) and the transmission direction of the ultrasonic signal, when an electric field is applied to the piezoelectric body (20) in the lateral direction (L) through the first and second conductive members (41, 42) (FIG. 3 shows an example in which the first conductive member (41) corresponds to the signal electrode (+) and the second conductive member (42) corresponds to the ground electrode (-)), the piezoelectric body (20) having the polarization direction in the lateral direction (L) vibrates in the axial direction (A), and accordingly, an ultrasonic signal is transmitted in the axial direction (A) of the piezoelectric body (20). That is, in the present embodiment, the electric field application direction (= electrode arrangement direction = polarization direction = second direction = third direction) is perpendicular to the vibration direction of the piezoelectric body (20) (= ultrasonic signal transmission direction = element stacking direction = first direction).

위와 같은 관계 프로파일을 갖도록 하기 위해 프로브 유닛(PU)에 적용되는 압전체(20)를 그 결정계(Crystal System)의 관점에서 설명하면, 도 3에 도시된 것과 같이 압전체(20)의 전계 인가 방향 및 분극 방향은 결정계를 기준으로 <011> 축에 해당하며, 엘리먼트 적층 방향은 결정계를 기준으로 <100> 축에 해당한다. 즉, 압전체(20)의 분극 방향이 <011> 축으로 설정되고, <011> 축에 대응되는 압전체(20)의 제1 및 제2 표면에 각각 제1 및 제2 전도성 부재(41, 42)를 배치한 후 전기적 신호를 인가할 경우, 압전체(20)는 <100> 축 방향으로 진동하게 되며, 이에 따라 앞서 설명한 관계 프로파일이 구현될 수 있다.In order to have the above relationship profile, the piezoelectric body (20) applied to the probe unit (PU) is explained from the perspective of its crystal system. As shown in FIG. 3, the electric field application direction and polarization direction of the piezoelectric body (20) correspond to the <011> axis based on the crystal system, and the element stacking direction corresponds to the <100> axis based on the crystal system. That is, when the polarization direction of the piezoelectric body (20) is set to the <011> axis, and the first and second conductive members (41, 42) are arranged on the first and second surfaces of the piezoelectric body (20) corresponding to the <011> axis, respectively, and then an electric signal is applied, the piezoelectric body (20) vibrates in the <100> axis direction, and thus the relationship profile described above can be implemented.

본 명세서에서 표기된, 3차원 공간을 기준으로 하는 제1 내지 제3 방향과, 프로브 유닛(PU)을 기준으로 하는 축 방향(A), 측 방향(L) 및 고도 방향(E)과, 압전체(20)의 결정계에서 축 방향의 대응 관계는 하기 표 1과 같이 정리된다.The correspondence between the first to third directions based on the three-dimensional space indicated in this specification, the axial direction (A), the lateral direction (L), and the elevation direction (E) based on the probe unit (PU), and the axial direction in the crystal system of the piezoelectric body (20) is organized as shown in Table 1 below.

3차원 공간 기준Based on 3D space프로브 유닛 기준Based on probe unit압전체 결정계Piezoelectriccrystal system제1 방향Direction 1축 방향(A)Axial direction (A)<100> 축<100> axis제2 방향 = 제3 방향2nd direction = 3rd direction측 방향(L) 또는 고도 방향(E)Lateral (L) or Elevation (E)<011> 축<011> axis

앞서 언급한 것과 같이 본 실시예에서 채용된 관계 프로파일은 기계적 품질 계수 및 항전계와 같은 물리적 특성을 개선하여 초음파 프로브 장치(1)의 고출력(High Acoustic Power) 특성을 확보하기 위한 구성으로서 기능한다. 하기 표 2 내지 표 4는 본 실시예에서 채용된, 관계 프로파일에 따른 '측 방향(L) 전극 배치 구조 및 축 방향(A) 진동 구조'(본 실시예 구조)와, 종래의 '축 방향(A)의 전극 배치 및 진동 구조'(종래 구조)에 대하여 압전 상수, 기계적 품질 계수 및 항전계 특성을 비교한 실험데이터이다.As mentioned above, the relationship profile employed in this embodiment functions as a configuration for securing high output (High Acoustic Power) characteristics of the ultrasonic probe device (1) by improving physical characteristics such as mechanical quality factor and coercive field. Tables 2 to 4 below are experimental data comparing the piezoelectric constant, mechanical quality factor, and coercive field characteristics of the 'lateral (L) electrode arrangement structure and axial (A) vibration structure' (structure of this embodiment) according to the relationship profile employed in this embodiment and the conventional 'axial (A) electrode arrangement and vibration structure' (conventional structure).

압전 상수(d, 10Piezoelectric constant (d, 10^-12-12C/N)C/N)GenerationGenerationPMN-PT(1st)PMN-PT(1st)PIN-PMN-PT(2nd)PIN-PMN-PT(2nd)Mn:PIN-PMN-PT(3rd)Mn:PIN-PMN-PT(3rd)mol%mol%28PT28PT28PT28PT30PT30PT29PT29PT종래 구조Conventional structure12831283117811781574157414651465본 실시예 구조Structure of this embodiment---979-979-1500-1500-1207-1207

기계적 품질 계수(Qm)Mechanical quality factor (Qm)GenerationGenerationPMN-PT(1st)PMN-PT(1st)PIN-PMN-PT(2nd)PIN-PMN-PT(2nd)Mn:PIN-PMN-PT(3rd)Mn:PIN-PMN-PT(3rd)mol%mol%28PT28PT28PT28PT30PT30PT29PT29PT종래 구조Conventional structure250250160160580580본 실시예 구조Structure of this embodiment--68068010001000

항전계(Ec, KV/cm)Electrostatic field (Ec, KV/cm)GenerationGenerationPMN-PT(1st)PMN-PT(1st)PIN-PMN-PT(2nd)PIN-PMN-PT(2nd)Mn:PIN-PMN-PT(3rd)Mn:PIN-PMN-PT(3rd)mol%mol%28PT28PT28PT28PT30PT30PT29PT29PT종래 구조Conventional structure226666본 실시예 구조Structure of this embodiment--5-65-61010

표 2에 따를 때 본 실시예의 구조는 종래 구조와 동등한 수준의 압전 상수가 확보될 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 표 3에 따를 때 압전체(20)가 2세대 및 3세대 압전 단결정으로 구현될 경우 종래 구조 대비 높은 기계적 품질 계수가 확보될 수 있음을 확인할 수 있으며, 표 4에 따를 때 압전체(20)가 3세대 압전 단결정으로 구현될 경우 종래 구조 대비 높은 항전계가 확보될 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 본 실시예의 구조는 종래 구조와 동등한 수준의 압전 상수가 유지되면서 높은 기계적 품질 계수 및 항전계를 확보할 수 있으며, 이에 따라 프로브 유닛(PU)의 고전압 특성(내전압성)과 고출력(High Acoustic Power) 특성이 확보되는 효과가 도출된다.According to Table 2, it can be confirmed that the structure of the present embodiment can secure a piezoelectric constant at the same level as the conventional structure. In addition, according to Table 3, it can be confirmed that a high mechanical quality factor can be secured compared to the conventional structure when the piezoelectric body (20) is implemented with a second-generation and third-generation piezoelectric single crystal, and according to Table 4, it can be confirmed that a high coercive field can be secured compared to the conventional structure when the piezoelectric body (20) is implemented with a third-generation piezoelectric single crystal. That is, the structure of the present embodiment can secure a high mechanical quality factor and coercive field while maintaining a piezoelectric constant at the same level as the conventional structure, and accordingly, the effect of securing the high-voltage characteristics (withstand voltage) and high-output (High Acoustic Power) characteristics of the probe unit (PU) is derived.

또한, 초음파 신호의 송신 방향(즉, 축 방향(A))에 제1 및 제2 전도성 부재(41, 42)가 배치되지 않으므로, 제1 및 제2 전도성 부재(41, 42)에 의한 송신 초음파 신호의 왜곡(Distortion)이 저감될 수 있다.In addition, since the first and second conductive members (41, 42) are not arranged in the transmission direction of the ultrasonic signal (i.e., the axial direction (A)), distortion of the transmitted ultrasonic signal by the first and second conductive members (41, 42) can be reduced.

3. 프로브 유닛 및 광원부의 배치 구조3. Layout structure of probe unit and light source unit

광원부(50)는 후술하는 것과 같이 치료 대상이 되는 환부에 대한 치료용 광을 조사하는 구성에 해당한다. 본 실시예에서 압전체(20)에 의해 발생된 초음파 신호의 송신 방향과 광원부(50)로부터의 광 조사 방향은 앞서 설명한 제1 방향(즉, 축 방향(A))으로 구성되며, 이를 위해 광원부(50) 및 압전체(20)(또는 프로브 유닛(PU))는 도 4에 도시된 것과 같이 제1 방향을 따라 정렬 배치된다.The light source unit (50) corresponds to a configuration that irradiates therapeutic light to the target area of treatment as described below. In this embodiment, the transmission direction of the ultrasonic signal generated by the piezoelectric body (20) and the light irradiation direction from the light source unit (50) are configured in the first direction (i.e., the axial direction (A)) described above, and for this purpose, the light source unit (50) and the piezoelectric body (20) (or the probe unit (PU)) are aligned along the first direction as illustrated in FIG. 4.

광원부(50)로부터의 광 조사 방향이 초음파 신호의 송신 방향과 동일한 제1 방향으로 구성됨에 따라, 광원부(50)로부터의 광 조사 방향 또한 제1 및 제2 전도성 부재(41, 42)를 통한 전계 인가 방향과 수직 구조로 구성되며, 제1 및 제2 전도성 부재(41, 42)의 위치 측면에서 볼 때, 제1 및 제2 전도성 부재(41, 42)는 초음파 신호의 송신 방향 및 광 조사 방향과의 중첩이 회피되는 방식으로 압전체(20)의 제1 및 제2 표면에 각각 배치된다. 즉, 광원부(50)로부터의 광 조사 방향에 제1 및 제2 전도성 부재(41, 42)가 배치되지 않으므로, 제1 및 제2 전도성 부재(41, 42)에 의한 광의 왜곡(Distortion)이 저감될 수 있다.Since the light irradiation direction from the light source unit (50) is configured in the first direction, which is the same as the transmission direction of the ultrasonic signal, the light irradiation direction from the light source unit (50) is also configured in a structure that is perpendicular to the electric field application direction through the first and second conductive members (41, 42), and when viewed in terms of the positions of the first and second conductive members (41, 42), the first and second conductive members (41, 42) are arranged on the first and second surfaces of the piezoelectric body (20) in such a way that overlap with the transmission direction of the ultrasonic signal and the light irradiation direction is avoided. That is, since the first and second conductive members (41, 42) are not arranged in the light irradiation direction from the light source unit (50), distortion of light caused by the first and second conductive members (41, 42) can be reduced.

제1 및 제2 전도성 부재(41, 42)가 광원부(50)로부터의 광 조사 방향과 중첩되지 않음은, 제1 및 제2 전도성 부재(41, 42)의 구현 자유도를 보장하는 구성으로서 기능한다. 즉, 일반적인 초음파 프로브의 구조와 같이 제1 및 제2 전도성 부재(41, 42)가 압전체(20)의 상하면(즉, 축 방향(A) 면)에 배치될 경우, 광원부(50) 및 압전체(20)가 축 방향(A)을 따라 정렬 배치된다면, 광원부(50)로부터 조사되는 광의 투과를 위해 제1 및 제2 전도성 부재(41, 42)는 투명 재질로 구현할 필요가 있으며, 이는 전도성 부재(41, 42)에 대한 제조 공정 상의 시간 및 비용적 소모를 야기하게 된다. 반면, 전술한 것과 같이 본 실시예에서 광원부(50)로부터의 광 조사 방향은 축 방향(A)에 해당하고, 제1 및 제2 전도성 부재(41, 42)의 배치 방향은 측 방향(L)(또는 고도 방향(E))에 해당하여, 제1 및 제2 전도성 부재(41, 42)가 광 조사 경로 상에 위치하지 않기 때문에, 제1 및 제2 전도성 부재(41, 42)는 메탈과 같은 통상의 전도성 재질로 구현될 수 있으며, 이는 제1 및 제2 전도성 부재(41, 42)에 대한 설계 및 구현 자유도가 개선됨을 의미한다.The fact that the first and second conductive members (41, 42) do not overlap with the direction of light irradiation from the light source unit (50) functions as a configuration that ensures the freedom of implementation of the first and second conductive members (41, 42). That is, when the first and second conductive members (41, 42) are arranged on the upper and lower surfaces (i.e., the axial direction (A) planes) of the piezoelectric body (20) as in the structure of a general ultrasonic probe, if the light source unit (50) and the piezoelectric body (20) are aligned along the axial direction (A), the first and second conductive members (41, 42) need to be implemented with a transparent material for the transmission of light irradiated from the light source unit (50), which causes time and cost consumption in the manufacturing process for the conductive members (41, 42). On the other hand, as described above, in the present embodiment, the light irradiation direction from the light source unit (50) corresponds to the axial direction (A), and the arrangement direction of the first and second conductive members (41, 42) corresponds to the lateral direction (L) (or the elevation direction (E)), so that the first and second conductive members (41, 42) are not located on the light irradiation path, and therefore, the first and second conductive members (41, 42) can be implemented with a typical conductive material such as metal, which means that the design and implementation freedom for the first and second conductive members (41, 42) is improved.

위와 같은 구조에 따라, 광원부(50)로부터 조사되는 광은 후면층(10), 압전체(20), 정합층(30)을 거쳐 치료 대상이 되는 환부로 조사된다. 한편, 광원부(50)터로부터 조사되는 광의 방사 범위를 제한하고 특정 범위로 집속하기 위한 광학 렌즈(L)가 후면층(10) 및 광원부(50) 사이에 구비될 수도 있다.According to the structure as above, light irradiated from the light source unit (50) passes through the back layer (10), the piezoelectric body (20), and the matching layer (30) and is irradiated to the target area to be treated. Meanwhile, an optical lens (L) for limiting the radiation range of the light irradiated from the light source unit (50) and focusing it to a specific range may be provided between the back layer (10) and the light source unit (50).

4. 제어부에 의한 환부 치료 제어4. Control of treatment of the affected area by the control unit

도 5는 본 실시예의 초음파-광 융합 프로브 장치(1)를 기능적으로 설명하기 위한 블록구성도로서, 도 5를 참조할 때 본 실시예의 초음파-광 융합 프로브 장치(1)는 전술한 프로브 유닛(PU) 및 광원부(50)와 함께 인터페이스부(60) 및 제어부(70)를 더 포함한다.FIG. 5 is a block diagram for functionally explaining the ultrasonic-optical fusion probe device (1) of the present embodiment. Referring to FIG. 5, the ultrasonic-optical fusion probe device (1) of the present embodiment further includes an interface unit (60) and a control unit (70) along with the probe unit (PU) and light source unit (50) described above.

인터페이스부(60)는 본 장치(1) 및 사용자 간의 인터페이싱을 수행하는 입출력 장치로 기능할 수 있으며, 통상의 입출력 장치(예: 조작 버튼 또는 터치스크린)가 인터페이스부(60)에 포함될 수 있다.The interface unit (60) can function as an input/output device that performs interfacing between the device (1) and a user, and a typical input/output device (e.g., an operation button or a touch screen) can be included in the interface unit (60).

제어부(70)는 압전체(20) 및 광원부(50)에 대한 제어 주체로서, 프로세서(Processor), 중앙 처리 장치(CPU: Central Processing Unit) 또는 SoC(Systen on Chip)로 구현될 수 있으며, 운영 체제 또는 어플리케이션을 구동하여 제어부(70)에 연결된 복수의 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소들을 제어할 수 있고, 각종 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있으며, 메모리에 저장된 적어도 하나의 명령을 실행시키고, 그 실행 결과 데이터를 메모리에 저장하도록 구성될 수 있다.The control unit (70) is a control entity for the piezoelectric body (20) and the light source unit (50), and may be implemented as a processor, a central processing unit (CPU), or a system on chip (SoC), and may control a plurality of hardware or software components connected to the control unit (70) by driving an operating system or application, perform various data processing and calculations, and may be configured to execute at least one command stored in a memory and store the execution result data in the memory.

치료 대상이 되는 환부에 대한 치료 모드에서, 제어부(70)는 기본적으로 제1 및 제2 전도성 부재(41, 42)에 전기적 신호(예: 펄스 전압 신호)를 인가하여 압전체(20)를 축 방향(A)으로 진동시킴으로써 압전체(20)로부터 축 방향(A)으로 초음파 신호가 송신되도록 제어할 수 있으며, 이에 따라 초음파 치료 동작이 구현된다. 초음파 치료 동작이 적용되는 질환은, 예를 들어 골관절염 또는 피부 질환 등이 해당할 수 있다. 골관절염 또는 피부 질환과 같은 질환에 대한 초음파 치료 동작의 치료 효과를 극대화하기 위해, 제어부(70)는 광원부(50) 구동을 통해 광열 치료 동작을 제어할 수 있으며, 제어부(70)는 광원부(50)에 전기적으로 연결된 드라이버 IC(미도시)에 대한 제어를 통해 광원부(50)의 구동을 제어하여 광열 치료 동작을 제어할 수 있다.In the treatment mode for the target area to be treated, the control unit (70) basically controls the piezoelectric body (20) to vibrate in the axial direction (A) by applying an electrical signal (e.g., a pulse voltage signal) to the first and second conductive members (41, 42), thereby transmitting an ultrasonic signal from the piezoelectric body (20) in the axial direction (A), thereby implementing an ultrasonic treatment operation. Diseases to which the ultrasonic treatment operation is applied may include, for example, osteoarthritis or skin diseases. In order to maximize the treatment effect of the ultrasonic treatment operation for diseases such as osteoarthritis or skin diseases, the control unit (70) can control the photothermal treatment operation by driving the light source unit (50), and the control unit (70) can control the photothermal treatment operation by controlling the driving of the light source unit (50) through control of a driver IC (not shown) electrically connected to the light source unit (50).

광열 치료 동작을 위해, 광원부(50)는 제1 파장대의 제1 광을 조사하는 제1 광원과, 제1 파장대와 상이한 제2 파장대의 제2 광을 조사하는 제2 광원을 포함하도록 구성될 수 있으며, 각 광원은 LED로 구현될 수 있다. 본 실시예에서 제1 파장대는 600 ~ 700nm에 해당할 수 있으며, 제2 파장대는 800 ~ 900nm에 해당할 수 있다. 제1 파장대의 제1 광은 조사 대상이 되는 환부의 온도를 상승시킬 수 있어 광열 치료를 위한 기본 광원으로서 기능할 수 있으며, 제2 파장대의 제2 광은 투과력 및 광효율이 높고 깊은 조직까지 투과하여 세포 치료에 사용될 수 있어 광열 치료의 효과를 극대화시키는 보조 광원으로서 기능할 수 있다. 또한, 위와 같은 파장대의 광에 의해 골관절염 및 피부 질환에 대한 치료 효과가 존재함은 이미 입증된 바와 같다.For the photothermal therapy operation, the light source unit (50) may be configured to include a first light source that irradiates first light of a first wavelength band and a second light source that irradiates second light of a second wavelength band different from the first wavelength band, and each light source may be implemented as an LED. In the present embodiment, the first wavelength band may correspond to 600 to 700 nm, and the second wavelength band may correspond to 800 to 900 nm. The first light of the first wavelength band may increase the temperature of the target irradiation area, and thus may function as a basic light source for photothermal therapy, and the second light of the second wavelength band may function as an auxiliary light source that maximizes the effect of photothermal therapy since it has high penetrability and light efficiency and can penetrate deep into tissues and be used for cell therapy. In addition, it has already been proven that light of the above wavelength band has a therapeutic effect on osteoarthritis and skin diseases.

제어부(70)는 치료 대상이 되는 환부에 대한 치료 모드에서, 인터페이스부(60)에 대한 사용자의 조작에 따라, 압전체(20)를 통한 초음파 치료 동작 및 광원부(50)를 통한 광열 치료 동작을 선택적으로 수행할 수 있다. 즉, 제어부(70)는 인터페이스부(60)에 대한 사용자의 조작에 따라, 압전체(20)를 통한 초음파 치료 동작만을 수행하거나, 광원부(50)를 통한 광열 치료 동작만을 수행하거나, 초음파 치료 동작 및 광열 치료 동작의 조합 동작을 수행할 수 있다.The control unit (70) can selectively perform an ultrasonic treatment operation through the piezoelectric body (20) and a photothermal treatment operation through the light source unit (50) in a treatment mode for the target area to be treated, depending on the user's manipulation of the interface unit (60). That is, the control unit (70) can perform only an ultrasonic treatment operation through the piezoelectric body (20), only a photothermal treatment operation through the light source unit (50), or a combined operation of the ultrasonic treatment operation and the photothermal treatment operation, depending on the user's manipulation of the interface unit (60).

초음파 치료 동작 및 광열 치료 동작이 수행되는 시구간을 각각 제1 시구간 및 제2 시구간으로 정의할 때, 치료 모드에서 초음파 치료 동작 및 광열 치료 동작을 모두 수행하는 경우, 제어부(70)는 제1 및 제2 시구간을 적어도 부분적으로 중첩시킬 수 있다.When the time periods during which the ultrasonic treatment motion and the photothermal treatment motion are performed are defined as the first time period and the second time period, respectively, and when both the ultrasonic treatment motion and the photothermal treatment motion are performed in the treatment mode, the control unit (70) can at least partially overlap the first and second time periods.

구체적으로, 도 6을 참조할 때, 제어부(70)는 제1 시구간(T1) 동안 압전체(20)에 의한 치료용 초음파 송신을 제어함으로써 기본적인 초음파 치료 동작을 수행할 수 있으며, 치료 효과를 극대화하기 위해 광열 치료 동작이 수행되는 제2 시구간을 초음파 치료 동작이 수행되는 제1 시구간 전부에 걸쳐 중첩시킬 수도 있고(광열 치료 ①), 제1 및 제2 시구간의 일부(T_OVLP)만을 상호 중첩시킬 수도 있다(광열 치료 ②).Specifically, referring to FIG. 6, the control unit (70) can perform a basic ultrasonic treatment operation by controlling the transmission of therapeutic ultrasonic waves by the piezoelectric body (20) during a first time period (T1), and in order to maximize the treatment effect, the second time period during which the photothermal treatment operation is performed can be overlapped over the entire first time period during which the ultrasonic treatment operation is performed (photothermal treatment ①), or only a part (T_OVLP ) of the first and second time periods can be overlapped with each other (photothermal treatment ②).

다른 실시예로서, 제어부(70)는 제1 및 제2 시구간을 중첩시키지 않고, 제1 시구간 및 제2 시구간 사이에 미리 설정된 갭(Gap) 이하의 범위의 시간차(T_diff)를 두어, 초음파 치료 동작이 완료된 후 광열 치료 동작이 수행되도록 할 수도 있다(광열 치료 ③). 상기한 갭에 해당하는 시간 간격은, 순차적으로 수행되는 초음파 치료 동작 및 광열 치료 동작을 통해 환부에 대한 연속적 치료 효과를 기대할 수 있는 시간의 상한값으로서, 갭 이하의 값을 갖는 시간차를 두고 초음파 치료 동작 및 광열 치료 동작이 수행되도록 함으로써 환부에 대한 치료의 시너지 효과를 발생시키기 위한 구성으로 기능한다.As another embodiment, the control unit (70) may not overlap the first and second time sections, but may provide a time difference (T_diff ) less than or equal to a preset gap (Gap) between the first and second time sections, so that the photothermal therapy operation is performed after the ultrasonic treatment operation is completed (photothermal therapy ③). The time interval corresponding to the above-mentioned gap is an upper limit of the time during which a continuous treatment effect on the affected area can be expected through the ultrasonic treatment operation and the photothermal therapy operation that are sequentially performed, and functions as a configuration for generating a synergistic effect of treatment on the affected area by allowing the ultrasonic treatment operation and the photothermal therapy operation to be performed with a time difference less than or equal to the gap.

제1 및 제2 시구간의 중첩 구간(T_OVLP)(즉, 초음파 치료 동작 및 광열 치료 동작의 동시 수행 구간), 또는 제1 및 제2 시구간 사이의 시간차(T_diff)는, 질환의 진행 상태 및 환부의 온도 등을 토대로 사용자(예: 의사)가 임상적 판단을 한 후 인터페이스부(60)에 입력하는 방식으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 질환의 진행도가 높고 환부의 온도가 기준치 미만인 경우, 인터페이스에 대한 사용자의 조작에 따라 제어부(70)는 제1 및 제2 시구간 전체를 상호 중첩시킬 수 있고(도 6의 ①), 질환의 진행도가 높고 환부의 온도가 기준치 이상인 경우, 인터페이스에 대한 사용자의 조작에 따라 제어부(70)는 제1 및 제2 시구간 중 일부만을 상호 중첩시킬 수 있으며(도 6의 ②), 질환의 진행도가 낮고 환부의 온도가 기준치 이상인 경우, 인터페이스에 대한 사용자의 조작에 따라 제어부(70)는 제1 시구간 및 제2 시구간 사이에 상술한 갭 이하의 시간차를 둘 수 있다.The overlapping period (T_OVLP ) between the first and second time intervals (i.e., the period of simultaneous performance of ultrasound treatment and photothermal treatment), or the time difference (T_diff ) between the first and second time intervals, can be determined by a user (e.g., a doctor) making a clinical judgment based on the progression of the disease, the temperature of the affected area, etc., and then inputting it into the interface unit (60). For example, when the progression of the disease is high and the temperature of the affected area is below the reference value, the control unit (70) can overlap the entire first and second time periods (① in FIG. 6) depending on the user's operation of the interface; when the progression of the disease is high and the temperature of the affected area is above the reference value, the control unit (70) can overlap only a part of the first and second time periods (② in FIG. 6) depending on the user's operation of the interface; and when the progression of the disease is low and the temperature of the affected area is above the reference value, the control unit (70) can provide a time difference of less than the above-described gap between the first and second time periods depending on the user's operation of the interface.

한편, 광열 치료 동작 과정에서, 제어부(70)는 제1 및 제2 광원을 동시에 활성화시키는 방식, 또는 제1 및 제2 광원을 순차적으로 활성화시키는 방식으로 광원부(50)를 제어할 수도 있으며, 이 방식 또한 질환의 진행 상태 및 환부의 온도 등을 토대로 사용자가 임상적 판단을 한 후 인터페이스부(60)에 입력하는 방식으로 결정될 수 있다.Meanwhile, during the photothermal treatment operation process, the control unit (70) may control the light source unit (50) in a manner of activating the first and second light sources simultaneously, or in a manner of activating the first and second light sources sequentially. This method may also be determined in a manner in which the user makes a clinical judgment based on the progression of the disease, the temperature of the affected area, etc., and then inputs the judgment into the interface unit (60).

한편, 치료 모드는 치료 대상이 되는 질환에 따라 복수의 치료 모드로 구분되고, 각각의 치료 모드에서의 초음파 신호의 주파수는 가변 가능하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 골관절염에 대한 치료 모드에서 초음파 신호의 주파수는 XX 대역으로 설정될 수 있고, 피부 질환에 대한 치료 모드에서 초음파 신호의 주파수는 3MHz(HIFU) 대역으로 설정될 수 있다. 이러한 주파수 가변 기능은 인터페이스부(60)가 지원할 수 있다.Meanwhile, the treatment mode is divided into multiple treatment modes according to the disease being treated, and the frequency of the ultrasonic signal in each treatment mode can be configured to be variable. For example, in the treatment mode for osteoarthritis, the frequency of the ultrasonic signal can be set to the XX band, and in the treatment mode for skin disease, the frequency of the ultrasonic signal can be set to the 3MHz (HIFU) band. This frequency variable function can be supported by the interface unit (60).

이와 같이 본 실시예에 따를 때, 초음파 프로브의 엘리먼트 적층 방향, 압전체(20)에 대한 전계 인가 방향, 및 압전체의 분극 방향이 미리 정의된 관계 프로파일(적층 방향에 대한 전계 인가 방향 및 분극 방향의 수직 프로파일)을 갖도록 구성하여 기계적 품질 계수 및 항전계와 같은 물리적 특성을 개선함으로써 초음파 프로브의 고출력(High Acoustic Power) 특성을 확보할 수 있다.In this way, according to the present embodiment, the element stacking direction of the ultrasonic probe, the electric field application direction to the piezoelectric body (20), and the polarization direction of the piezoelectric body are configured to have a predefined relationship profile (a vertical profile of the electric field application direction and the polarization direction with respect to the stacking direction), thereby improving physical properties such as the mechanical quality factor and the coercive field, thereby securing the high output (high acoustic power) characteristics of the ultrasonic probe.

또한, 본 실시예에 따를 때, 초음파 프로브의 후단에 소정 파장대의 광을 조사하는 광원부를 배치하여, 초음파 프로브에 의한 초음파 치료 및 광원부)에 의한 광열 치료를 동시 적용함으로써 환부(예: 골관절 또는 피부)에 대한 치료 효과를 극대화할 수 있으며, 초음파 프로브와 광원부를 초음파 신호 및 광의 송신 방향에 따라 정렬 배치시키는 구조를 채용함으로써 전체 프로브 장치의 사이즈를 저감시킬 수 있다.In addition, according to the present embodiment, by arranging a light source unit that irradiates light of a predetermined wavelength at the rear end of the ultrasonic probe, the treatment effect on the affected area (e.g., bone joint or skin) can be maximized by simultaneously applying ultrasonic treatment by the ultrasonic probe and photothermal treatment by the light source unit, and by adopting a structure in which the ultrasonic probe and the light source unit are aligned according to the transmission direction of the ultrasonic signal and light, the size of the entire probe device can be reduced.

나아가, 본 실시예에 따를 때, 상술한 관계 프로파일에 의해 제1 및 제2 전도성 부재가 압전체의 측면에 배치됨에 따라, 광원부로부터 조사되는 광과 제1 및 제2 전도성 부재가 상호 중첩되지 않으며, 따라서 제1 및 제2 전도성 부재가 압전체의 상하면에 배치될 경우 요구되는 전도성 부재의 투명 재질에 대한 의존성이 제거되어 전도성 부재의 설계 및 구현 자유도가 향상될 수 있다.Furthermore, according to the present embodiment, since the first and second conductive members are arranged on the side surfaces of the piezoelectric body by the above-described relationship profile, the light irradiated from the light source unit and the first and second conductive members do not overlap each other, and therefore, when the first and second conductive members are arranged on the upper and lower surfaces of the piezoelectric body, the dependency on the transparent material of the conductive member required is eliminated, and thus the degree of freedom in designing and implementing the conductive member can be improved.

본 명세서에서 사용된 용어 "부"는 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어로 구현된 유닛을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 로직, 논리 블록, 부품, 또는 회로 등의 용어와 상호 호환적으로 사용될 수 있다. 부는, 일체로 구성된 부품 또는 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는, 상기 부품의 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에 따르면, 모듈은 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit)의 형태로 구현될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.The term "unit" as used herein may include a unit implemented in hardware, software or firmware, and may be used interchangeably with terms such as logic, logic block, component, or circuit. A unit may be a component that is configured integrally or a minimum unit of the component that performs one or more functions or a part thereof. For example, according to one embodiment, a module may be implemented in the form of an ASIC (Application-Specific Integrated Circuit). In addition, the implementations described herein may be implemented in, for example, a method or process, an apparatus, a software program, a data stream or a signal. Even if discussed only in the context of a single form of implementation (e.g., discussed only as a method), the implementation of the discussed feature may also be implemented in other forms (e.g., as an apparatus or a program). The apparatus may be implemented in suitable hardware, software and firmware, etc. The method may be implemented in a device such as a processor, which generally refers to a processing device including, for example, a computer, a microprocessor, an integrated circuit or a programmable logic device. The processor also includes communication devices, such as computers, cell phones, personal digital assistants ("PDAs"), and other devices that facilitate communication of information between end-users.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, these are merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible from this. Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the following patent claims.

1: 초음파 프로브 장치
PU: 프로브 유닛
K: 커프
L: 광학 렌즈
10: 후면층
20: 압전체
30: 정합층
41, 42: 제1 및 제2 전도성 부재
50: 광원부
60: 인터페이스부
70: 제어부1: Ultrasonic probe device
PU: Probe Unit
K: Cuff
L: Optical lens
10: Back layer
20: Piezoelectric
30: Matching layer
41, 42: First and second conductive members
50: Light source
60: Interface section
70: Control Unit

Claims (8)

Translated fromKorean

광을 조사하는 광원부;
상기 광원부에 의해 조사된 광을 투과시키도록 구성되는 압전체로서, 상기 압전체에 의해 발생된 초음파 신호의 송신 방향과 상기 광원부로부터의 광 조사 방향은 동일 방향으로 구성되는, 압전체; 및
상기 초음파 신호의 송신 방향 및 상기 광 조사 방향과의 중첩이 회피되는 방식으로 상기 압전체의 제1 및 제2 표면에 각각 배치되는 제1 및 제2 전도성 부재;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파-광 융합 프로브 장치.
A light source that irradiates light;
A piezoelectric body configured to transmit light irradiated by the light source unit, wherein the transmission direction of the ultrasonic signal generated by the piezoelectric body and the direction of light irradiation from the light source unit are configured in the same direction; and
First and second conductive members respectively arranged on the first and second surfaces of the piezoelectric body in such a way that overlap with the transmission direction of the ultrasonic signal and the light irradiation direction is avoided;
An ultrasound-optical fusion probe device characterized by including a .
제1항에 있어서,
상기 초음파 신호의 송신 방향 및 상기 광 조사 방향과, 상기 제1 및 제2 전도성 부재를 통한 전계 인가 방향은 수직인 것을 특징으로 하는 초음파-광 융합 프로브 장치.
In the first paragraph,
An ultrasonic-optical fusion probe device, characterized in that the transmission direction of the ultrasonic signal, the light irradiation direction, and the electric field application direction through the first and second conductive members are perpendicular.
제1항에 있어서,
상기 초음파 신호의 송신 방향 및 상기 광 조사 방향이 제1 방향으로 정의될 때, 상기 광원부 및 상기 압전체는 상기 제1 방향을 따라 정렬 배치되는 것을 특징으로 하는 초음파-광 융합 프로브 장치.
In the first paragraph,
An ultrasonic-optical fusion probe device, characterized in that when the transmission direction of the ultrasonic signal and the light irradiation direction are defined as a first direction, the light source unit and the piezoelectric body are aligned and arranged along the first direction.
제3항에 있어서,
후면층;을 더 포함하고,
상기 광원부, 상기 후면층 및 상기 압전체는, 상기 제1 방향을 따라 순차적으로 정렬 배치됨에 따라, 상기 후면층은 상기 압전체와 함께 상기 광원부로부터의 광 조사 경로를 구성하는 것을 특징으로 하는 초음파-광 융합 프로브 장치.
In the third paragraph,
including a back layer;
An ultrasound-optical fusion probe device, characterized in that the light source unit, the rear layer, and the piezoelectric body are sequentially aligned along the first direction, such that the rear layer, together with the piezoelectric body, forms a light irradiation path from the light source unit.
제1항에 있어서,
상기 압전체에 의한 초음파 신호의 송신 및 상기 광원부에 의한 광 조사를 제어하는 제어부;를 더 포함하고,
상기 제어부는, 치료 대상이 되는 환부에 대한 치료 모드에서, 상기 압전체를 통한 초음파 치료 동작 및 상기 광원부를 통한 광열 치료 동작을 선택적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 초음파-광 융합 프로브 장치.
In the first paragraph,
It further includes a control unit that controls the transmission of an ultrasonic signal by the piezoelectric body and the irradiation of light by the light source unit;
An ultrasound-light fusion probe device characterized in that the control unit selectively performs an ultrasonic treatment operation through the piezoelectric body and a photothermal treatment operation through the light source unit in a treatment mode for the target area to be treated.
제5항에 있어서,
상기 제어부는, 상기 치료 모드에서 상기 초음파 치료 동작 및 상기 광열 치료 동작을 모두 수행하는 경우, 상기 초음파 치료 동작이 수행되는 제1 시구간과 상기 광열 치료 동작이 수행되는 제2 시구간을 적어도 부분적으로 중첩시키거나, 상기 제1 시구간 및 상기 제2 시구간 사이에 미리 설정된 갭(Gap) 이하의 범위의 시간차를 두는 것을 특징으로 하는 초음파-광 융합 프로브 장치.
In paragraph 5,
An ultrasound-optical fusion probe device characterized in that, when performing both the ultrasonic treatment operation and the photothermal treatment operation in the treatment mode, the control unit at least partially overlaps a first time period during which the ultrasonic treatment operation is performed and a second time period during which the photothermal treatment operation is performed, or provides a time difference of less than a preset gap between the first time period and the second time period.
제6항에 있어서,
상기 광원부는, 제1 파장대의 제1 광을 조사하는 제1 광원과, 상기 제1 파장대와 상이한 제2 파장대의 제2 광을 조사하는 제2 광원을 포함하고,
상기 광열 치료 동작 과정에서, 상기 제어부는, 상기 제1 및 제2 광원을 동시에 활성화시키는 방식, 또는 상기 제1 및 제2 광원을 순차적으로 활성화시키는 방식으로 상기 광원부를 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파-광 융합 프로브 장치.
In Article 6,
The above light source unit includes a first light source that irradiates first light of a first wavelength band, and a second light source that irradiates second light of a second wavelength band different from the first wavelength band.
An ultrasound-light fusion probe device characterized in that, during the photothermal treatment operation process, the control unit controls the light source unit in a manner of activating the first and second light sources simultaneously or in a manner of activating the first and second light sources sequentially.
제6항에 있어서,
상기 치료 모드는 치료 대상이 되는 질환에 따라 복수의 치료 모드로 구분되고, 각각의 치료 모드에서의 초음파 신호의 주파수는 가변 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파-광 융합 프로브 장치.In Article 6,
An ultrasound-optical fusion probe device characterized in that the above treatment mode is divided into multiple treatment modes according to the disease to be treated, and the frequency of the ultrasound signal in each treatment mode is configured to be variable.

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