KR20250000319A - 초음파-광 융합 프로브 장치 - Google Patents

Abstract

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.

Description

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

본 발명은 초음파-광 융합 프로브 장치에 관한 것이다.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

1. 프로브 유닛의 구조

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.

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.

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.

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.

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.

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.

2. 관계 프로파일(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.

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).

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.

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.

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.

3차원 공간 기준	프로브 유닛 기준	압전체 결정계
제1 방향	축 방향(A)	<100> 축
제2 방향 = 제3 방향	측 방향(L) 또는 고도 방향(E)	<011> 축

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.

압전 상수(d, 10-12C/N)
Generation	PMN-PT(1st)	PIN-PMN-PT(2nd)		Mn:PIN-PMN-PT(3rd)
mol%	28PT	28PT	30PT	29PT
종래 구조	1283	1178	1574	1465
본 실시예 구조	-	-979	-1500	-1207

기계적 품질 계수(Qm)
Generation	PMN-PT(1st)	PIN-PMN-PT(2nd)		Mn:PIN-PMN-PT(3rd)
mol%	28PT	28PT	30PT	29PT
종래 구조	250	160		580
본 실시예 구조	-	680		1000

항전계(Ec, KV/cm)
Generation	PMN-PT(1st)	PIN-PMN-PT(2nd)		Mn:PIN-PMN-PT(3rd)
mol%	28PT	28PT	30PT	29PT
종래 구조	2	6		6
본 실시예 구조	-	5-6		10

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.

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.

3. 프로브 유닛 및 광원부의 배치 구조

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.

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.

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.

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.

4. 제어부에 의한 환부 치료 제어

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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: 제어부

Claims (8)

1. 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.
   
2. 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.
   
3. 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.
   
4. 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.
   
5. 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.
   
6. 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.
   
7. 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.
   
8. 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.

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