KR100904812B1

KR100904812B1 - 초음파 여기 신호를 비침습식으로 인가하는 장치

Info

Publication number: KR100904812B1
Application number: KR1020047002002A
Authority: KR
Inventors: 윈더알란에이.; 탤리시로저제이.
Original assignee: 엑조겐 인코포레이티드
Priority date: 2001-08-09
Filing date: 2002-08-01
Publication date: 2009-06-25
Anticipated expiration: 2022-08-01
Also published as: ATE306969T1; EP1414521B1; CA2456734C; JP2004537383A; CA2456734A1; WO2003013654A1; ES2249617T3; DE60206773T2; AU2002329676B2; EP1414521A1; JP4299128B2; DK1414521T3; US7429248B1; DE60206773D1; KR20040048887A

Abstract

모드 컨버터는 조직면 및 뼈 조직면에 대해 다양한 각도로 모드 컨버터 상에 위치된 하나 이상의 초음파 변환기 또는 이러한 변환기의 하나 이상의 어레이를 가져, 하기의 현상, 즉 종파가 뼈 표면에 수직으로 생성되고, 종파가 피부 조직면에 입사 후에 피부의 표면을 따라 전파되고, 종파 및 전단파가 뼈 조직면에 입사 후에 뼈의 표면을 따라 전파되는 현상 중 하나 이상의 몇몇 조합이 발생한다. 개방된 조직 상처 부위 및 골절 부위에 이들 음향 모드를 조사하는 것은 골절 치유 프로세스의 혈관 생성 및 생물학적 내골성 또는 골막성 또는 내골성 및 골막성 치유 상태를 향상시키고 증진시킨다. 초음파 변환기 및 모드 컨버터를 경유하여 치료 영역에 지향되는 음향파의 공간 및 시간적 분포가 제어될 수도 있다.

모드 컨버터, 초음파 변환기, 음향파, 전단파, 연조직, 뼈 조직

Description

초음파 여기 신호를 비침습식으로 인가하는 장치 {AN APPARATUS FOR NONINVASIVELY APPLYING AN ULTRASOUND EXCITATION SIGNAL}

본 발명은 치료 초음파 장치에 관한 것이며, 특히, 음향파가 하나 이상의 변환기로부터 인체로 전달되는 각도를 제어하여, 피부 조직 및 뼈 조직 경계면 또는 표면에 음향파를 입사할 때에 특정 음향 모드로의 음향 에너지의 전환을 용이하게 하여, 얕거나 깊은 해부학적 구조체 모두에 대한 조직 치유를 보다 촉진시키기 위한 결합 시스템의 사용에 관한 것이다.

초음파는 45 년 이상 동안 물리 치료 분야에서 치료 기술로서 사용되어 왔다. 진통, 연조직 상해와, 골관절염, 관절 주위염, 윤활낭염, 힘줄 윤활막염, 및 다양한 근골격계 증후군을 포함하는 관절 기능장애의 처리용 보조 요법을 위한 처리 기술로 권장되어 왔다. 부가적으로, 초음파는 상처 치유, 국소약의 음성영동법, 흉터 조직의 처리 및 스포츠 상해의 처리의 가속화와 같은 응용 분야에서 사용되어 왔다.

초음파의 치료 생물학적 효과는 열적 및 비열적이라는 2 개의 주요 영역을 특징으로 할 수 있다. 비열적 효과는 음향 흐름, 공동화, 및 대략 0.05 MHz(메가 헤르츠) 내지 대략 5.0 MHz의 넓은 범위의 초음파 주파수에 걸친 다른 기계적 효과 를 포함한다. 신호 발생기로부터의 전기 출력은 전체적으로 티탄산 지르콘산 납(lead zirconate titanate, PZT), PMN-PZ-PT와 같은 단결정 강유전성 완화제 등과 같은 압전기 재료로 만들어진 변환기를 통해 기계적 진동으로 변환된다. 기계적 진동은 조직을 통해 진행하며 전파 과정에서 흡수되는 음향파를 생성시킨다. 점성 흡수의 속도 및 관련된 온도 증가는 마주치는 조직 유형의 마이크로 구조 특성, 음향파의 주파수, 공간적-시간적 음향 세기 및 조직 내의 비선형 전파의 정도에 의존한다. 음향 에너지는 치료 적용에 따라서 연속파 또는 펄스파의 형태일 수 있고, 초음속 겔, 로션, 하이드로겔 또는 물과 같은 음향 결합 재료를 사용하여 통상적으로 변환기로부터 환자의 조직으로 전환된다. 치료 목적으로 통상적으로 0.03 내지 3.0 W/cm²(와트 퍼 제곱 센티미터)의 음향 세기가 펄스 또는 연속파로서 적용되어, 골절 및 만성은 물론 급성 조직 상해의 처리를 가능하게 한다.

듀어트(Duarte)에게 허여된 미국 특허 제4,530,360호, 탈리쉬 등(Talish et al)에게 허여된 미국 특허 제5,003,965호, 카스텔(Castel)에게 허여된 미국 특허 제5,413,550호, 및 윈저 등(Winder et al)에게 허여된 미국 특허 제5,520,612호에서 명백한 바와 같이 초음파의 유익한 태양이 연구되어 있는 반면에, 음향파가 특정 목표 조직 부위에 전달되는 각도를 제어하거나, 음향 모드 자체를 제어하는 기술분야에서는 개시된 장치가 없다. 통상적으로, 치료 초음파 처리는 조직 내에서, 주로 종파로서, 처리 영역에 전파하는 음향 종파를 발생시키기 위해 압전기 변환기를 사용함으로써 투여된다. 만일 입사 종파가 압전기 변환기/피부 조직 경계면에 대해 수직하지 않는다면, 후속 연조직 내의 결과 굴절 음향파는 다양한 굴절 각도로 유사 종파 및 유사 전단파로서 전파한다. 결과로서, 현재 사용 가능한 치료 초음파 장치용 수단을 사용하여 목표 조직 영역과의 바람직한 정렬로서 환자에게 음항파를 투여하는 것은 종종 어려워진다. 이러한 장치는 처리 영역으로의 음향파의 특성을 명백하게 또는 내재적으로, 효과적으로 제어할 수 없다. 그러므로, 치료 과정을 용이하게 하기 위해 음향 종파 및 전단파가 목표 조직 부위로 선택적으로 전달되는 각도 및 각도들의 제어를 용이하게 할 수 있는 장치에 대한 요구가 존재한다.

이하의 설명은 본 명세서에서 실시예로서 광범위하게 설명된 바와 같이 본 발명의 목적에 따라서 전술된 문제점을 해결하고, 유익 및 이점을 제공하는 본 발명의 간단한 요약이다.

본 발명은 특정 처리 영역에서의 치유를 보다 촉진하기 위해 다양한 지정된 반사 부위로부터 조직 내의 굴절 및 반사 초음파의 제어를 용이하게 하는 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 태양은 그 기하학적인 구성이 다양한 각도로 복수개의 변환기의 위치설정을 가능하게 하는 모드 컨버터에 관한 것이다. 모드 컨버터는 비대칭일 수 있는 사다리꼴 형상의 단면을 가질 수 있고 음향파의 현저한 굴절, 왜곡 또는 감쇠를 유도하지 않고 음향파의 전파를 전환(channel)하고 지지하는 능력을 가지는 고체 재료로 조성된다.

모드 컨버터는 4 가지 방식 중 적어도 하나로 위치된 복수개의 변환기를 통 해 별개의 음향 결합 경로를 제공한다. 첫 번째로, 그 전송 면이 피부 조직면에 대해 평행한 상태로 모드 컨버터의 상부면(26) 상에 위치된 변환기는 음향 종파를 피부 조직 및 뼈 조직면에 대해 수직으로 전송한다. 두 번째로, 뼈 조직에 대해 제1 임계각으로 모드 컨버터의 경사진 측면 상에 위치된 변환기는 뼈 표면을 충격하며, 뼈 표면에 대해 평행하게 진행하는 종파와 부분적으로 뼈 조직에 대한 포와송비에 의해 결정된 각도로 진행하는 종파로 변환되는, 음향 종파를 전송한다. 세 번째로, 뼈 조직에 대해 제2 임계각으로 모드 컨버터의 다른 경사진 측면 상에 위치된 변환기는 뼈 표면을 충격하며, 전체적으로 뼈 표면에 대해 평행하게 진행하는 전단파로 변환되는 음향 종파를 전송한다. 네 번째로, 피부 조직에 대해 제1 임계각으로 모드 컨버터의 또 다른 경사진 측면 상에 위치된 변환기는 피부 조직을 충격하며, 부분적으로 피부 조직면에 대해 평행하게 진행하는 종파와 부분적으로 연조직에 대한 포와송비에 의해 결정된 각도로 진행하는 전단파로 변환되는 음향 종파를 전송한다. 모드 컨버터 장치는 도1 내지 도3에 도시된 바와 같이 상기 다양한 결합 경로의 어떤 조합도 통합하고 지지할 수 있으며, 치료 적용을 위해 종파를 전단파로 변환하기 위한 효율적인 수단이다.

본 발명에 대한 이하의 상세한 설명에서, 제1 매질은 설명된 개재된 경계면에 따라서 모드 컨버터 또는 연조직에 상응할 수 있다. 제1 매질이 모드 컨버터에 상응할 때, 제2 매질은 연조직에 상응한다. 이러한 예에서, 제1 임계각은 피부 조직면을 따라 진행하는 종방향 모드 성분을 발생시키는 각도에 상응한다. 제1 매질이 연조직에 상응할 때, 제2 매질은 뼈 조직에 상응한다. 이러한 예에서, 제1 임 계각은 뼈 조직면을 따라 진행하는 종방향 모드 성분을 발생시키는 각도에 상응하고, 제2 임계각은 뼈 조직면을 따라 진행하는 전단파를 발생시키는 각도에 상응한다. 골절 치유 과정의 내골성 및 골막성 위상을 증가시키기 위해서 낮은 세기의 초음속 종파 및 전단파가 바람직하다.

또한, 낮은 세기의 초음파는 혈관 생성의 과정을 향상시키거나 골절 부위 주변의 혈류량을 증가시켜서 외적인 근골격계 조직 상처 및 골절의 치유를 보다 가속화한다는 것이 임상적으로 증명되었다. 치유 과정을 용이하게 하기 위해, 변환기는 다양한 여기율(excitation rate)에서 상이한 신호 구조의 음향파로써 목표 조직의 연속적인 또는 동시적인 발신을 허용하는 프로그램 가능한 마이크로 컨트롤러에 의해 제어된다.

본 명세서에 통합되어 일부를 형성하는 첨부 도면은 본 발명의 실시예를 도시하며, 설명과 함께 본 발명의 원리를 개시한다.

도1은 뼈 조직에 대한 제1 임계각(θ_Lb) 및 제2 임계각(θ_SVb)을 지시하는 비대칭 사다리꼴 웨지로서 구성된 모드 컨버터의 일 실시예를 도시한 단면도이다.

도2는 뼈 조직에 대한 제1 임계각(θ_Lb) 및 피부 조직에 대해 보다 기울어진 제1 임계각(θ_Ls)을 지시하는 비대칭 사다리꼴 웨지로서 구성된 모드 컨버터의 일 실시예를 도시한 단면도이다.

도3은 피부 조직에 대한 제1 임계각(θ_Ls) 및 뼈 조직에 대한 제2 임계각(θ_SVb)을 지시하는 비대칭 사다리꼴 웨지로서 구성된 모드 컨버터의 대체 실시예를 도시한 단면도이다.

도1 내지 도3은 도면의 단순화를 위해서 피부 조직 및 뼈 조직면에서 종파의 기울어진 입사에 의해 발생된 반사 종파 및 전단파를 제외한 굴절파만을 도시한다.

도4는 4 개의 변환기가 모드 컨버터의 경사진 측면 상에 장착되고 1 개의 변환기가 모드 컨버터의 상부면 상에 장착된 본 발명의 실시예를 도시한 평면도이다.

도5는 모드 컨버터 내에 통합되고, 충전식 배터리를 구비한, 유닛으로서 시스템 컨트롤러, 신호 발생기 및 변환기를 지시하는 비대칭 사다리꼴 웨지로서 구성된 모드 컨버터의 일 실시예를 도시한 단면도이다.

본 발명은 생물학적 치유 기구의 연속단계를 유효하게 하기 위해 사용자로 하여금 음향 종파(40) 및 전단파(44)가 살아있는 조직에 전달되는 각도를 제어할 수 있게 하는 모드 컨버터(16)에 관한 것이다. 도1을 참조하면, 모드 컨버터(16)는 지정된 반사 부위(50)로부터 반사된 에너지의 처리 영역(52) 전체에 걸친 공간적 및 시간적 분포의 제어를 용이하게 한다. 처리 영역(52)은 하나 이상의 주위 근골격계 연조직창을 가지거나 가지지 않는, 조직 개방창이나 골절 또는 양측 모두로 조합될 수 있다. 또한, 주위 연조직(46)은 힘줄, 근육, 인대, 관절 및 활액낭, 주변 신경, 피부, 및 피하 지방을 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다. 조직 내의 음향파의 경로의 흡수 및 반사 양측 모두의 제어는 현저한 치료 유익을 초 래한다.

도1 내지 도3 및 도5에 도시된 바와 같이, 모드 컨버터(16)는 사다리꼴 단면 형상을 가질 수 있다. 또한, 모드 컨버터(16)는 본 발명의 기술 사상에 부합하는 전술된 설명과 같이 바람직한 각도 방향으로 변환기를 효과적으로 위치시키는 다른 다각형 단면 형상을 가질 수 있다. 또한, 발명의 이하의 상세한 설명은 설명의 목적으로 제공된 것이며 본 발명을 본 명세서에 설명된 물리적 장치에 한정하려는 것이 아니다. 오히려, 본 발명은 이하에 설명된 본 발명에 따르는 초음속 음향파로써 처리 영역에 발신하는 어떤 방식도 포함한다.

모드 컨버터(16)는 열가소성 수지, 열경화성 수지, 엘라스토머 및 그 혼합물을 포함하는 적절한 저점성 손실 재료로 조합될 수 있지만. 이에 한정되지는 않는다. 유용한 열가소성 수지로는 USI 코포레이션(매사츄세츠주, 말보로 소재, 플라스틱 시스템즈 c/o)으로부터 입수할 수 있는 에틸 비닐 아세테이트, 에머슨 앤 커밍사(매사츄세츠주, 캐튼 소재, 드웨이 앤 알메이 화학부)로부터 입수할 수 있는 에코탄 CPC 41, 및 렌 플라스틱스(캘리포니아주, 파운틴 밸리 소재, 시바 게이지 부)로부터 입수할 수 있는 폴리우레탄 RP 6400이 포함되지만, 이에 한정되지는 않는다. 유용한 열경화성 수지로는 어니스트 에프 풀람 인크(뉴욕, 스케넥크태디)로부터 입수 가능한 스퍼 에폭시(Spurr epoxy)와 같은 에폭시 및 에머슨 앤 커밍사로부터 입수 가능한 스티캐스트(Stycast)가 포함되지만, 이에 한정되지는 않는다. 유용한 엘라스토머로는 제너럴 일렉트릭사(뉴욕, 워터포드 소재, 실리콘 제품부)로부터 입수할 수 있는 RTV 60 및 RTV 90이 포함되지만, 이에 한정되지는 않는다.

설명된 본 실시예에서, 모드 컨버터(16)는 피부 조직면(36)에 대해 복수의 변환기를 정확하게 위치시킬 수 있는 사다리꼴 단면을 가진 비대칭 웨지와 같은 형상이다. 도1 내지 도3은 평탄 변환기(18), 제1 임계각 변환기(20) 및 제2 임계각 변환기(22)를 도시한다. 각각의 변환기는 초음파 적용에 공통으로 사용되는 재료 및 형상으로 구성된다. 적어도 하나의 변환기는 이에 제한되지 않지만 세라믹, 단결정 릴렉서 강유전체, 티탄산 지르코산 납, 메탄이오베이트 납, 티탄산 바륨 및 폴리비닐리덴 불화물(PVDF)의 압전 공중합체를 포함하는 압전 특성을 가질 수 있다. 이와 달리, 변환기는 자기 변형 특성을 가질 수 있다. 변환기는 전형적으로 모드 컨버터의 외부면에 장착된다. 그러나, 변환기는 모드 컨버터(16)의 공동 내에 삽입으로 모드 컨버터에 장착되거나 또는 도5에 도시된 바와 같이 그 자체의 모드 컨버터(16) 내측에 장착될 수 있다. 더욱이, 변환기는 아래 설명되는 각에 따라 변환기가 초음파 음향파를 방출하게 하는 임의 방식으로 모드 컨버터 상에 위치될 수 있다. 변환기는 모드 컨버터의 음향 임피던스에 상당하는 음향 임피던스를 가진 결합 재료를 구비한 모드 컨버터에 음향적으로 결합되고, 이는 모드 컨버터의 음향 임피던스의 양 또는 음의 10퍼센트 내의 음향 임피던스이다. 몇몇 실시예에서, 모드 컨버터의 음향 임피던스는 인체 연조직의 것과 거의 동일하다. 추가적으로, 모드 컨버터(16)는 인체의 근육-골격 연조직에 대한 종축 속도보다 작고 뼈 조직에 대한 종축 속도보다 작은 종축 속도를 가진 재료로 구성된다. 각각의 변환기로부터 발산하는 음향파는 시스템 제어기(24)에 의해 공간적 및 시간적으로 제어된다. 시스템 제어기(24)의 형상 및 제조는 본 기술분야를 다루는 사람들에게 널리 공지되어 있다.

도1 내지 도3의 모드 컨버터(16)는 사실상 평탄 상부면(26) 및 다중 경사면(28)을 포함한다. 그러나, 도5에 도시된 바와 같이, 만약 변환기가 모드 컨버터(16) 내에 삽입되면, 상부면(26)은 사실상 평탄할 필요가 없다. 대신, 상부면(26)은 변환기(18)가 모드 웨지 컨버터(16)의 저부면(34) 내에서 평행하면 임의의 형상일 수 있다. 사실상 평탄 상부면(26) 상에 위치되거나 모드 웨지 컨버터(16) 내에 삽입된 변환기(18)는 처리 영역(52)에 피부 조직면(36) 및 뼈 조직면(42)에 수직인 종파를 제공한다. 경사면(28)은 뼈 조직에 대한 제2 임계각[θ_SVb(32)], 또는 피부 조직에 대한 제1 임계각[θ_Ls(31)] 또는 뼈 조직에 대한 제1 임계각[θ_Lb(30)] 중 하나에 위치된다. 모든 임계각은 모드 컨버터(16)의 저부면(34)에 대해서 특정화된다.

작동 시, 모드 컨버터(16)의 저부면(34)은 인체 연조직(36)에 대한 음향 임피던스와 상당하는 음향 임피던스를 갖는 결합 재료를 사용한 피부 조직면에 결합되어, 모드 컨버터(16)로부터 인체까지 음향 에너지의 전달을 최대화한다. 도1 내지 도3에 나타낸 바와 같이 상기 각에 대한 아래첨자는 (좌측에서 우측으로 판독하여) 전파 음향 모드, 종축(L) 또는 수직 전단 응력(SV)을 나타내고, 이어서 음향파가 각각의 경계부에서 반사 후에 전파하는 조직면, 즉, 뼈(b) 또는 피부(s)를 나타낸다.

경사진 변환기(20, 22)는 도1 내지 도3에 도시된 바와 같이 변환기에 의해 생성된 음향파가 다양한 결합 경로를 제공할 수 있게 하는 다수의 임계각에 위치될 수 있다. 예를 들어, 도1에 도시된 바와 같이, 경사진 변환기(20, 22)는 처리 영역(52)에 뼈 조직면(42)을 따라 그에 평행하게 전파하는 종파(40) 및 전단파(44)를 제공한다. 더욱이, 도2에 도시된 바와 같이, 경사진 변환기(20, 22)에 의해 방출된 음향파는 피부 조직면(36) 및 뼈 조직면(42) 모두를 따라 그에 평행하게 전파하는 종파(40)로 전환될 수 있다. 추가적으로, 도3에 도시된 바와 같이, 경사진 변환기(20, 22)는 뼈 조직면(42)을 따라 그에 평행하게 전파하는 전단파(44)와, 피부 조직면(36)을 따라 그에 평행하게 전파하는 종파(40)를 처리 영역(52)에 제공할 수 있다.

치료상 바람직한 음향파 세트는 경사진 변환기(20, 22)를 임의 임계각에 위치시킴으로써 생성될 수 있다. 특히, 제1 임계각[θ_Lb(30), θ_Ls(31)]에 위치된 경사진 변환기 (20, 22)는 각각 뼈 조직면(42)과 피부 조직면(36)을 따라 그에 평행하게 진행하는 종파를 생성할 수 있다. 더욱이, 제2 임계각[θ_SVb(32)]에 위치된 경사진 변환기(20, 22)는 뼈 조직면(42)을 따라 그에 평행하게 진행하는 전단파를 생성할 수 있다. 이러한 임계각[θ_Lb(30), θ_Ls(31), θ_SVb(32)]은 후술되는 바와 같이 고상 등방성 균질 벌크 재료의 탄성 특성과, 전단파의 속도와 종파의 속도 사이의 관계를 이용하여 계산될 수 있다. 일반적인 모드 컨버터(16)의 경우, θ_Lb(30)는 θ_Ls(31)보다 작은 θ_SVb(32)보다 작다.

초음파의 반사는 상이한 음향 임피던스를 갖는 두 개의 매체 사이의 경계부에서 발생한다. 이러한 두 개의 위치는 피부 조직면(36) 및 뼈 조직면(42)이다. 음향 임피던스는 Rayls(kg/m²-sec)로 주어지고, 벌크 재료의 종파의 경우 ρC_L로서 정의되며, 여기서 ρ는 중량 밀도이고 C_L은 재료에서 소리의 종축 속도이다. 반사된 파의 강도는 두 개의 매체 사이의 경계부에서 반사 계수 R에 의해 결정되고, 그들의 음향 임피던스(Z₁, Z₂) 면에서는, R=(Z₂-Z₁)/(Z₂+Z₁)로 주어지며, 이는 매체의 상대적 음향 임피던스에 의존하는 위상 변환을 생성할 수 있다. 아래첨자 1, 2는 제1 매체 및 제2 매체에 관한 것이고, 여기서 제1 매체는 입사와 반사에 의해 특정되고, 제2 매체는 굴절과 전도에 의해 특정된다.

뼈 조직을 처리하는 각을 추정하기 위해, 주위 연조직(46) 및 뼈 조직(48)은 고상 등방성 균질 재료라고 여겨질 수 있다. 이에 따라, 음향파의 종축 속도는 조직의 탄성 특성으로 표현될 수 있다.

C_L={(E/ρ)[(1-ν)/(1+ν)(1-2ν)]}

여기서, E는 영 계수이고, ρ는 밀도이고, ν는 전단파 대 종파 속도의 비율의 함수인 포와송 비(Poisson's ratio)이다. 특히, 포와송 비는 ν=[1-2(C_S/C_L)²]/2[1-(C_S/C_L)²]으로 계산되고, 여기서, C_S는 음향파의 전단파 속도이다.

전단파(44)의 입자 방향은 전파 방향과 수직이고 골절 부위와 그 근처에서 발견되는 주위 연조직 및 골막을 자극할 때 종파보다 더욱 효과적일 수 있다. 이 는 두 형태의 전단파(44), 즉, 전파 방향에 대해 입자 운동의 방향에 의존하여 각각 SH 및 SV로 나타내어진 수평 전단응력 및 수직 전단응력으로 존재한다. 일반적으로, 두 개의 상이한 고상 매체 사이의 경계에 입사하는 임의의 전단파는 SH 및 SV 양쪽 성분을 포함한다. 더욱이, SV파는 스넬 법칙에 의해 형성된 경계 조건에 따라 모드 변환(modal conversion)을 될 수 있다.

(sinθ_S/C_S)₁=(sinθ_L/C_L)₁=(sinθ_L/C_L)₂=(sinθ_S/C_S)₂수식 1

여기서, θ_S는 전단각이고, θ_L은 종축 각이고, C_S는 전단 속도이고, C _L은 종축 속도이다. 스넬 법칙에 의해 정의된 이러한 경계 조건은 또한 매체 1과 매체 2 사이의 경계부에서 종파의 상호작용을 설명한다. 반대로, SH파는 모드 변환될 수 없다. 대신, SH파는 경계와 평행한 운동을 유지한다. 골절 채널과 같은 음향 도파관은 순수한 SH파를 지원할 수 있다.

종파가 뼈 또는 피부 조직면에서 90도의 굴절각을 생성하는 제1 임계각[θ_Lb(30) 또는 θ_Ls(31)]을 갖는 모드 컨버터에 의해 반사 부위(50)로 지향될 때, 굴절된 종파는 뼈 조직(48)과 주위 연조직(46) 사이의 경계부에 평행하게 진행하거나 또는 모드 컨버터(34)의 저부와 피부 조직면(36) 사이의 경계부에 평행하게 진행한다. 만약, 입사각이 임계각보다 크면, 스넬 법칙에 의해 계산되는 바와 같이 굴절각의 사인(sine)은 1보다 크다. 다시 말해, 일단 입사각이 임계각보다 커지면, 음향파는 제2 매체를 통과하지 못하고, 대신, 경계면에서 전체적으로 내부로 반사된다. 임계각보다 훨씬 큰 입사각의 경우, 표면에서 종파의 크기는 제한적이 긴 하지만 매우 작은 실제 음향력을 갖는다. 제1 매체에서 소리 속도가 제2 매체의 소리 속도보다 작다면 굴절된 임계각이 존재하지 않는 것에 주목해라. 종파가 특정 경계면에 대한 제1 임계각에서 매체 1에 전달될 때, 매체 2의 굴절된 전단파는 다음식에 의해 주어지는 각(θ_SV2)에 있다.

θ_SV2=sin^-1{(1-2ν)/2(1-ν)}^1/2 수식 2

여기서, ν는 뼈 조직 도는 연조직에 대한 포와송 비이다. 모든 재료에 대한 포와송 비는 0과 0.5 사이의 범위이고, 0과 동일한 ν를 가진 재료는 완전 압축성이라 하고, 반면 0.5와 동일한 ν를 가진 재료는 비압축성이라 한다. 특히, 뼈 조직에 대한 포와송 비는 전형적으로 대략 0.29 내지 대략 0.33의 범위 내에 있지만, 인체 연조직, 대부분의 엘라스토머 및 열가소성 수지에 대한 포와송 비는 전형적으로 대략 0.45 내지 대략 0.49에 있다. 대략 0.29와 대략 0.33 사이 및 대략 0.45와 대략 0.49 사이의 범위에 있는 ν의 경우, C_S/C_L은 각각 대략 0.5와 대략 0.54 사이 및 대략 0.14와 대략 0.3 사이의 범위에 있다. 이러한 데이터로부터, 모드 컨버터와 근육-골격 연조직은 준점성 유체로 설계될 수 있고 뼈 조직은 준 점탄성 고체로 설계될 수 있다.

도1 및 도3에 도시된 바와 같이, 종파가 임계각[θ_SVb(32)]에서 반사 부위(50)로 지향될 때, 피부 조직면에서 반사된 종파는 무시할 수 있고 단지 굴절된 전단파만이 연조직에 존재한다. θ_SVb가 뼈 조직에서 90도일 때의 경우, 종파는 뼈 조직면(42)에 평행하게 진행하는 전단파로 완전히 전환된다. 경사면(28)과 모드 웨지 컨버터(16)의 저부면(34) 사이에 형성된 θ_SVb(32)에 대한 각이 증가되고 결과적으로 θ_SVb가 θ_LS에 도달할 때, 음향 종파는 피부 조직 경계면을 따라 전파하려하지만 뼈 표면으로부터 반사된 전단파는 무시할 수 있고 뼈 표면으로부터 지수적으로 감소한다.

제1 임계각(30) 및 제2 임계각(32)은 상술된 수식 1을 사용해서 형성될 수 있다. 1997년 메드. 앤 바이올.의 초음파 제23권 1번 제129,134호에 공개되고 위 및 큐버레이(Wu 및 Cubberley)에 의해 쓰여진 초음파 분광기를 사용한 소과의 치밀한 뼈에서 전단파의 속도 및 감쇠의 측정에 따르면, 뼈 조직의 평균 종축 속도는 뼈 섬유의 길이에 대해 음향파의 방향에 의존해서 초당 대략 3075 내지 대략 3350미터(m/s)의 범위 내에 있을 때 생체조건 밖에서 측정되었다. 동일한 실험에서, 뼈 조직의 평균 전단파 속도는 대략 1750 내지 1950m/s로 측정되었다. 이러한 속도는 다양한 모드 컨버터 재료의 경우 상술된 수식 1의 θ_L 및 θ_SV의 계산으로 이용되었다. θ_Lb(30), θ_Ls(31), θ_SVb(32)에 대한 각의 범위는 음향 임피던스가 연조직의 음향 임피던스의 10퍼센트 내에 있는 다양한 재료에 대해 다음의 표에 주어진다.

음향 모드	모드 컨버터 재료	임계각의 범위(도)
뼈 표면을 따른 종파(Lb)	열가소성 수지	26-30
뼈 표면을 따른 종파(Lb)	RTV 엘라스토머(고무)	14-21
피부 표면을 따른 종파(Ls)	열가소성 수지	74-77
피부 표면을 따른 종파(Ls)	RTV 엘라스토머(고무)	31-43
뼈 표면을 따른 전단파(SVb)	열가소성 수지	50-60
뼈 표면을 따른 전단파(SVb)	RTV 엘라스토머(고무)	25-38

임계각[θ_Lb(30), θ_Ls(31), θ_SVb(32)]의 산출에 포함된 재료의 일반 특성은 다음과 같다.

재료	Z(MRayl)	C_L(m/s)	C_SV(m/s)
변환기(PZT)	28-32	3800
정합층	4.4-4.9	2800
열가소성 수지	1.56-1.63	1500-1520	210-460
RTV 계	1.41-1.55	830-1080	115-325
뼈 조직	6.8	3075-3350	1750-1950
연조직	1.4-1.68	1444-1570	220-470

C_sv값은 앞에 주어진 다양한 재료에 대한 포와송 비의 범위에 기초한다. 포유 동물 조직의 몇몇 형태에 대한 전단 속도는 초당 20 미터 미만으로 생체 내에서 측정되었고, 이는 앞선 표에서의 C_sv 값의 범위보다 한 차원 이상 작고 0.4995 보다 큰 포와송 비를 나타낸다.

모드 컨버터(16)에 있어서, 변환기는 음향파가 수 많은 방식으로 처리 영역(52)으로 전송될 수 있도록 위치 설정된다. 예를 들면, 음향 종파는 피부 조직면(36) 및 뼈 표면(42)에 법선인 입사 종파로서 뼈 골절 부위로 전파할 수도 있다. 다른 예에 있어서, 음향 종파는 제1 임계각[θ_Lb(30)]과 동일한 각으로 전송될 수도 있고, 주위 연조직(46)과 뼈 조직(48) 사이의 경계면에 입사 후 뼈 표면(42)을 따라 진행하는 종파(40)로 부분적으로 변환되고 수식 2에 주어진 굴절 각도로 진행하는 전단파로 부분적으로 변환된다. 이러한 조건에 대해, 뼈 조직 내 전단파의 굴적각은 30 내지 33 도의 범위이다. 또 다른 예에 있어서, 음향 종파는 제2 임계각[θ_SVb(32)]과 동일한 각으로 전송될 수도 있고, 주위 연조직과 뼈 조직 사이의 경계면에 입사 후, 주위 연조직과 뼈 조직 사이의 경계면을 따라 진행하는 SV 전단파(44)로 전부 변환된다. 또 다른 예에 있어서, 음향 종파는 제1 임계각[θ_Ls(31)]과 동일한 각도록서 전송될 수도 있고, 피부 조직면(36)에 입사 후, 피부 표면(36)을 따라 진행하는 종파(40)로 부분적으로 변환되고 수식 2에 의해 주어지는 연조직(46)에서의 굴절각으로서 진행하는 전단파로 부분적으로 변환된다. 이러한 조건에 대해, 연조직(46) 내의 전단파의 굴절각은 약 0 내지 18 도의 범위일 수도 있다. 이들 굴절된 전단파는 연조직 상처 치유를 향상시키는 상당한 치료값을 가질 수도 있다.

모드 컨버터(16)의 구성은 도1 내지 도3에 도시된 바와 같이, 처리 영역(52) 내부에서 원하는 음향 모드에 대한 원하는 입사각[θ_Lb(30), θ_Ls(31), θ_SVb(32)]을 생성하기 위해서 뼈 조직면(42)에 대한 변환기의 적절한 정렬을 성립시킨다. 다양한 실시예에 있어서, 모드 컨버터는 하나 이상의 이들 및 다른 모드를 포함할 수도 있다.

조직 내의 초음파 전파는 마이크로구조 레벨에서도 경로 내의 모든 흡수 및 반사 장애물 상에 단일 방향성의 방사력을 가한다. 본 발명의 실시예에 있어서, 연조직(46) 내의 음향파는 대게 30 내지 100 mW/cm²의 낮은 평균 공간 평균 시간(SATA) 음향 세기로서 특징지어진다. 이러한 레벨의 음향파는 생물학적 치유 기구의 단계적 반응을 유발 또는 발동시킬 수 있는 생물학적 역을 겨우 초과한다. 또한, 치료 캐리어 주파수는 10 kHz 내지 10 MHz의 범위일 수 있다. 조직 내 흡수 및 반사 경로 모두의 제어는 상당한 치료 이점을 낳을 수 있다.

작동에 있어서, 모드 컨버터(16)는 개방 조직 상처 또는 탈골 부위 혹은 이들 모두를 포함할 수도 있는 처리 영역(52)에 걸쳐 환자의 피부 조직면(36) 상에 위치된다. 개방 상처에 대해, 에코 초음파사(펜실베니아 리즈빌 소재)로부터 입수 가능한 하이드로스캔(Hydroscan)과 같은 초음파 접촉 매질 시트는 무균 보호를 위해 그리고 단면 오염을 감소시키기 위해 상처에 걸쳐 위치될 수 있다. 모드 컨버터(16)는 모드 컨버터(34)의 저부면과 연조직(46) 사이의 피부 조직면(36) 및 주위 연조직(46)과 뼈 조직(48) 사이의 뼈 조직 경계면(42)에 대해 하나 이상의 변환기를 위치 설정시킨다. 처리 영역(52)의 검색은 시스템 제어기(54)를 작동시킴으로 써 개시된다. 시스템 제어기(54)는 프로그램 가능한 신호 발생기(56)를 가동시켜서 하나 이상의 변환기로 전송되는 초음파 여기 신호를 발생시킨다. 여기 신호를 수신한 각각의 변환기는 뼈 조직(48)을 향해 모드 컨버터 재료(16), 피부 조직면(36) 및 주위 연조직(46)을 통해 전파하는 음향 종파를 방출한다. 또한 모드 컨버터(16)는 뼈 조직을 포함하지 않는 피부 조직면(36) 상의 상처를 향해 음향파를 전송하는데 사용될 수도 있다. 전술된 바와 같이, 음향 종파는 음향파가 뼈 조직면(42)과 충돌하는 입사각에 따라 모드 변환을 하게 된다.

하나 이상의 변환기는 처리 영역(52)을 초음파로서 비침습식으로 검색하기 위해, 시스템 제어기(54)에 의해 제어되는 특정된 순서 또는 동시 전송의 음향파를 발생시킨다. 시스템 제어기(54)는 프로그램 가능한 마이크로 프로세서일 수도 있고, 이에 제한되지는 않지만, 집적 회로, 아나로그 장치, 프로그램 가능한 논리 장치, 개인용 컴퓨터 또는 서버를 포함할 수도 있다. 시간 순서는 사용자에 의해 임의의 시간으로 설정되거나 제조 공정 중에 설정될 수도 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 모드 변환기(16)는 치유 과정을 효과적으로 수행하기 위해 몇 달 동안 매일 반복되고 매일 1회 또는 2회 실행되는 초음파 조사로 구성되는 치료 처리를 실행하는데 사용될 수도 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 음향파의 조사는 하나 이상의 변환기의 길이에 있어 1 내지 60 분의 범위이다. 모드 컨버터(16)는 골절 치유 프로세스에서 내골성 및 골막성 치유 시기 모두를 포함하는 조직 상처 치유를 촉진시키려는 노력으로, 얕은 또는 깊은 해부학상 구조로의 치료용 초음파 조사의 적용을 용이하게 하고 향상시키는데 사용될 수도 있다.

몇몇 실시예에 있어서, 모드 컨버터(16)는 도1 내지 도3에 도시된 바와 같이 3 개의 변환기를 포함한다. 그러나, 도4에 도시된 대체 실시예에 있어서, 모드 컨버터(16)는 평탄면(26) 및 4 개의 경사면(28)을 포함할 수도 있다. 대체 실시예에 있어서, 하나의 변환기(21)가 평탄 상부면(26) 상에 위치하고 하나 이상의 변환기(21)가 4 개의 경사면(28) 중 하나 이상에 위치한다. 이들 경사면(28) 각각은 제1 임계각[θ_Lb(30), θ_Ls(31)] 또는 제2 임계각[θ_SVb(32)] 중 하나로 위치될 수도 있다. 또한 4 개의 경사면(28) 모두 제1 임계각[θ_Lb(30), θ_Ls(31)]으로 위치될 수도 있다. 다르게는, 4 개의 경사면(28) 모두 제2 임계각[θ_SVb(32)]으로 위치될 수도 있다. 또한 실시예는 임계각[θ_Lb(30), θ_Ls(31), θ_SVb(32)]에 있어서의 경사면(28)의 임의의 조합을 포함할 수도 있다.

또한, 다른 대체 실시예는 5 개의 변환기를 포함할 수도 있다. 예를 들면, 모드 컨버터(16)는 도4의 도시된 대체 실시예에 도시된 바와 같이 평탄 상부면(26)을 포함할 수도 있다. 그러나, 측면의 개수를 4 개로 제한하기보다는, 대체 실시예는 그 개수에 있어 4 개 이상의 복수의 경사면을 포함할 수도 있다. 특히, 경사면(28)은 4 개보다 많은 임의의 개수일 수도 있다. 또한, 경사면(28)은 θ_Lb(30), θ_Ls(31), θ_SVb(32) 중 하나로 위치하는 각도를 가지는 측면의 임의의 조합일 수도 있다.

몇몇 실시예에 있어서, 단일 변환기(18)가 도1 내지 도3에 도시된 바와 같이 평탄 상부면(26) 상에 위치하고 하나 이상의 변환기가 모드 변환기(16)의 경사면(28) 상에 위치한다. 그러나, 대체 실시예에 있어, 각각의 경사면(28)은 단일 변환기보다는 변환기의 어레이를 포함할 수도 있다. 변환기의 어레이는 하나 이상의 임의 개수의 변환기를 포함할 수도 있다. 또한, 대체 실시예는 변환기의 어레이를 가지는 상부면을 포함하거나 포함하지 않을 수도 있는 변환기의 어레이를 가지는 단 한 개의 경사면을 포함할 수도 있다. 또한, 여기서 설명된 어레이의 조합은 전술된 실시예 중 임의의 것에 포함될 수도 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 모드 컨버터는 상부면(26)의 변환기의 어레이가 임계각[θ_Lb(30), θ_Ls(31), θ_SVb(32)]으로 전기적으로 조정될 수 있는 빔을 형성하도록 전기적인 페이스트된, 경사면을 가지거나 가지지 않는 단 한 개의 상부 평탄면(26)을 가질 수도 있다. 음향 빔을 전기적으로 조정하는 방법은 기술 분야의 숙련자에게 널리 공지되어 있다.

이들 실시예의 더 자세히 살펴보면, 시스템 제어기(54)는 환자의 다양한 조직 상처 및 뼈 골절 부위를 목표로 하기 위해 설명된 모드 컨버터의 임의의 조합을 통해 치료용 초음파 조사를 적용하도록 프로그램될 수도 있다. 또한, 시스템 제어기(54), 프로그램 가능한 신호 발생기(56) 및 변환기(18, 20, 22)는 단일의 집적 회로에 포함될 수도 있다. 이 실시예에 있어서, 각각의 유닛은 모드 컨버터의 복수의 표면 중 하나 이상에 분리되어 장착되거나, 삽입식으로 장착되거나, 재충전식 배터리(58)를 가진 독립 유닛으로서 도4에 도시된 바와 같이 모드 컨버터 자체의 내측에 장착될 수도 있다. 따라서, 모드 변환기는 단일 구조물 내부에 변환기(18, 20, 22), 시스템 제어기(54) 및 프로그램 가능한 신호 발생기(56)를 수용할 수 있다. 또한, 도5에 도시된 바와 같은 집적된 독립 유닛은 단일 외부 동력원에 전기적으로 접속될 수 있다.

전술된 임의의 실시예에 있어서, 복수의 변환기는 다양한 초음파 여기 신호로 프로그램될 수도 있고, 진폭 또는 위상 변조 또는 이들 모두에 의해 그리고 참고용인 윈저 등(Winder et al)에게 허여된 미국 특허 제5,520,612호에서 기술되고 개략적으로 도시된 것과 같은, 평균 공간 평균 시간(SATA) 세기, 캐리어 주파수, 펄스폭 및 펄스 반복 주파수를 변화시킴으로써 특정되어 진다. 캐리어 주파수는 하나 이상의 변환기에 대해 10 kHz 내지 10 MHz 사이일 수도 있다. 펄스폭은 하나 이상의 변환기에 대해 약 100 마이크로초 내지 100 밀리초의 범위 내일 수도 있다. 펄스 반복 주파수는 1 Hz 내지 10,000 Hz의 범위 내일 수도 있다. 평균 공간 평균 시간 세기는 하나 이상의 변환기에 대해 5 mW/cm² 내지 500 mW/cm²의 범위 내일 수도 있다. 진폭 변조의 정도는 진폭 인덱스에 의해 정의될 수 있고, 하나 이상의 변환기에 대해 0 내지 0.5의 범위 내일 수도 있다. 위상 변조는 시간 특성에 대한 선형 또는 비선형 주파수 특성에 의해 정의된다. 대게, 위상 변조는 지연 선형(CW)으로부터 시간 특성{f(t)}에 대한 주파수가 주어진 무한 전력 급수로 나타내어지는 대수적(쌍곡선 FM) 변화까지의 범위 내일 수도 있다.

f(t) = α₀ + α₁t + α₂t² + α₃t³ + ... 수식 3

여기서, 일련의 상수 α는 특정 변조 시스템을 특정한다.

본 발명은 특정 처리 영역에서의 치유를 보다 촉진하기 위해 다양한 지정된 반사 부위로부터 조직 내의 굴절 및 반사 초음파의 제어를 용이하게 하는 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다.

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상부면(26), 복수의 측면(28), 저부면(34) 및 하나 이상의 변환기(20, 22)를 포함하는 모드 컨버터(16)를 포함하고, 치료 적용을 위해 생체 내 인체 조직에 하나 이상의 변환기(20, 22)로부터의 초음파 여기 신호를 비침습식으로 인가하는 장치에 있어서,

복수의 측면(28)은 저부면(34)에 대해 일정 각도로 위치되며, 하나 이상의 변환기(20, 22)는 상기 모드 컨버터(16)의 복수의 측면 중 하나에 결합되고 저부면(34)에 대해 일정 각도로 위치되어, 하나 이상의 변환기(20, 22)로부터 방출된 초음파 여기 신호가 경계면에 충돌할 때 반사, 굴절 또는 반사 및 굴절되고 경계면에 평행하게 이를 따라 진행하고,

하나 이상의 변환기(20, 22)는 모드 컨버터(16)의 저부면(34)에 대해 제1 임계각으로 위치되어 초음파 여기 신호를 방출하며, 상기 초음파 여기 신호는 경계면에 평행하게 이를 따라 진행하는 종파로 부분적으로 변환되고, 경계면에 입사 후에 굴절각(θ_sv)으로 진행하는 전단파로 부분적으로 변환되고, 여기서, θ_sv = sin^-1{(1-2ν)/2(1-ν)}^1/2 이고, ν는 주위 연조직에 대한 포와송비이며, sv는 전단파의 수직 성분을 나타내며,

상기 경계면은 a) 피부 조직면과 모드 컨버터(16) 사이에 위치된 경계면, b) 주위 연조직과 뼈 조직 사이에 위치된 경계면, 또는 c) 피부 조직면과 모드 컨버터(16) 사이에 위치된 경계면 및 주위 연조직과 뼈 조직 사이에 위치된 경계면을 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 여기 신호를 비침습식으로 인가하는 장치.
제28항에 있어서, 하나 이상의 변환기(20, 22)로부터의 초음파 여기 신호의 공간 및 시간적 분포를 제어하는 시스템 제어기(54)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 여기 신호를 비침습식으로 인가하는 장치.
제28항에 있어서, 여기 신호를 발생시켜 하나 이상의 변환기(20, 22)로 전송하는 시스템 발생기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 여기 신호를 비침습식으로 인가하는 장치.
제29항에 있어서, 시스템 제어기(54)는 프로그램 가능한 마이크로프로세서인 것을 특징으로 하는, 초음파 여기 신호를 비침습식으로 인가하는 장치.
제28항에 있어서, 상기 모드 컨버터(16)는 상기 피부 조직면에 대해 법선인 종파를 발생시키기 위해 모드 컨버터(16)의 상부면(26) 상에 위치된 하나 이상의 변환기(18)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 여기 신호를 비침습식으로 인가하는 장치.
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제28항에 있어서, 하나 이상의 변환기(22)는 모드 컨버터(16)의 저부면(34)에 대해 제2 임계각으로 위치되어, 주위 연조직과 뼈 조직 사이의 경계면에서 반사되고 상기 경계면에 입사 후에 주위 연조직과 뼈 조직 사이의 경계면에 평행하게 이를 따라 음향 전단파로서 진행하는 초음파 여기 신호를 방출할 수 있는 것을 특징으로 하는, 초음파 여기 신호를 비침습식으로 인가하는 장치.
제37항에 있어서, 하나 이상의 변환기(22)로부터 제2 임계각으로 방출된 초음파 여기 신호는 주위 연조직과 뼈 조직 사이의 경계면에 평행하게 이를 따라 진행하는 음향 전단파로 전부 변환되는 것을 특징으로 하는, 초음파 여기 신호를 비침습식으로 인가하는 장치.
제28항에 있어서, 상기 모드 컨버터(16)는 주위 연조직의 음향 임피던스에 상당하는 음향 임피던스를 갖는 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 여기 신호를 비침습식으로 인가하는 장치.
제28항에 있어서, 상기 모드 컨버터(16)는 주위 연조직에 대한 종축 속도보다 작은 종축 속도를 갖는 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 여기 신호를 비침습식으로 인가하는 장치.
제28항에 있어서, 상기 모드 컨버터(16)는 뼈 조직에 대한 종축 속도보다 작은 종축 속도를 갖는 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 여기 신호를 비침습식으로 인가하는 장치.
제28항에 있어서, 상기 모드 컨버터(16)는 열가소성 수지, 엘라스토머 또는 이들의 조합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 여기 신호를 비침습식으로 인가하는 장치.
제42항에 있어서, 상기 모드 컨버터(16)는 에틸 비닐 아세테이트, 에코탄, 폴리우레탄, 실리콘 또는 이들의 조합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 여기 신호를 비침습식으로 인가하는 장치.
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제28항에 있어서, 상기 모드 컨버터(16)는 사다리꼴 단면을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 초음파 여기 신호를 비침습식으로 인가하는 장치.
제28항에 있어서, 상기 상부면(26)은 저부면(34)에 실질적으로 평행한 것을 특징으로 하는, 초음파 여기 신호를 비침습식으로 인가하는 장치.
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제28항에 있어서,

상기 장치는 환자에게 치료용 초음파를 계통적으로 투여하기 위해 구성되고,

하나 이상의 변환기(20, 22)로부터 음향 에너지의 공간 및 시간적 분포를 제어하기 위한 시스템 제어기(54)가 웨지 형태인 모드 컨버터에 결합되는 것을 특징으로 하는, 초음파 여기 신호를 비침습식으로 인가하는 장치.
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