KR100698582B1 - 충격파 생성 장치 및 이를 포함하는 충격파 치료기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 충격파 생성 장치 및 충격파 치료기에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 충격파 생성 장치는 펄스 파워 생성기, 충격파 생성기, 그리고 충격파 집속기를 포함한다. 펄스 파워 생성기는 펄스 전류를 생성한다. 충격파 생성기는 상기 펄스 파워 생성기에서 생성된 펄스 전류를 인가받을 수 있도록 상기 펄스 파워 생성기에 전기적으로 연결되며, 상기 펄스 전류를 이용하여 충격파를 생성한다. 충격파 집속기는 상기 충격파 생성기에 의해 생성된 충격파를 소정 초점 부위로 집속한다. 상기 충격파 생성기는 테이퍼진 원통형 구조를 가진다.
펄스, 진동, 충격파, 집속, 초점

Description

충격파 생성 장치 및 이를 포함하는 충격파 치료기{APPARATUS FOR GENERATING SHOCK WAVE AND SHOCK WAVE TREATMENT APPARATUS}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 충격파 생성 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 충격파 생성 장치의 펄스 파워 생성기의 회로도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 충격파 생성 장치의 충격파 생성기와 충격파 집속기가 결합된 상태의 일부 절개 사시도이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 절개한 단면을 보여주는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 충격파 생성 장치의 충격파 생성기의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 충격파 생성 장치의 충격파 집속기의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 충격파 생성 장치의 충격과 생성기와 충격파 집속기에 의한 충격파의 전파를 보여주기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 충격파 생성 장치의 펄스 파워 생성기에 의해 생성된 펄스 파워의 일예를 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 충격파 생성 장치의 충격파 생성기의 테이 퍼진 원통형 구조의 기하학적 변수를 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 충격파 생성 장치에서 테이퍼진 원통형 구조에 따른 테이퍼 각도를 도시하는 도면이다.
도 11은 체외 충격파 치료기에 사용되는 충격파 형의 일예를 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 충격파 생성 장치에서 테이퍼 각이 변화할 때 초점에서 예측된 충격파 파형들을 보여주는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 충격파 생성 장치에서 테이퍼진 원통형 구조의 상단과 하단의 직경 차이에 따른 충격파의 최대 압력의 변화를 보여주는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 펄스 파워 생성기 115: 콘덴서
123: 방전 스위치 200: 충격파 생성기
201: 몸체 203: 코일
205: 금속 멤브레인 207: 절연막
300: 충격파 집속기 303: 충격파 반사기
305: 밀폐 커플링 401: 초음파 영상 프로브
본 발명은 충격파 생성 장치 및 이를 포함하는 충격파 치료기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자기형(electromagnetic type) 충격파 생성 장치 및 충격파 치료기에 관한 것이다.
충격파는 극히 짧은 시간에 공기가 압축된다거나 항공기나 탄환 등의 물체가 빠른 속도로 운동할 때 생성된다. 기체 내의 압력파는 압축된 부분과 팽창된 부분이 함께 소리와 같은 일정한 속도로 전달되는 것이 보통이지만 압력 변화가 급격히 생기면 팽창부는 서서히 압축부는 급격하게 변화되어 파형이 찌그러져 그 파가 통과할 때는 압력, 밀도, 속도 등이 갑작스럽게 증가하는 것으로 느껴진다. 전기 공학에서는 임펄스 전압이나 전류를 충격파라 부르기도 한다. 임펄스 전류 또는 전압이란 아주 짧은 시간(수 ㎱~㎲) 동안 아주 높은 에너지를 발생하는 것을 말한다.
충격파는 다양한 목적의 장비에 응용되어 왔으며, 그 하나의 예로 충격파는 체외 충격파 쇄석기에 응용되었다. 체외 충격파 쇄석기란 체외에서 충격파를 생성시켜 체내의 결석을 분쇄하는 장비이다. 나아가, 충격파의 파괴적 특성을 이용하여 각종 고형 암 조직을 괴사시키려는 시도가 있다.
충격파 생성 장치는 크게 압전소자형(piezoelectric type), 전기수력학적형(electrichydraulic type), 전자기형(electromagnetic type)으로 나뉘어 질 수 있다. 이중 전자기형 충격파 생성 장치는 전자기적 효과를 이용하여 충격파를 생성시키는 장치이다. 통상적으로, 전자기형 충격파 생성 장치는 원통형의 코일과 이를 둘러싸는 얇은 금속판을 포함하며, 코일에 강한 임펄스 전류를 흘려주면 코일에 유도된 자장에 의해 야기되는 금속판의 미세한 진동을 충격파원(shock wave source)으로 사용한다.
그러나 종래의 전자기형 충격파 생성 장치는 충격파의 집속점에서 생기는 초점의 형상이 매우 좁고 에너지는 높은 특성을 가지고 있어 그 용도가 한정될 수밖에 없는 문제가 있다. 특히 충격파의 초점 형상이 좁고 에너지가 높은 특성으로 인하여 종래의 전자기형 충격파 생성 장치는 체외 충격파 쇄석기에는 사용될 수 있었으나 이와 다른 종류의 체외 충격파 치료기에 사용되기에는 적합하지 않다.
본 발명은 상기 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 충격파가 집속되는 초점 부위의 면적이 넓고 그 에너지 레벨이 낮게 형성되는 충격파 생성 장치 및 이를 포함하는 충격파 치료기를 제공함에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 의한 충격파 생성 장치는 펄스 파워 생성기, 충격파 생성기, 그리고 충격파 집속기를 포함한다. 펄스 파워 생성기는 펄스 전류를 생성한다. 충격파 생성기는 상기 펄스 파워 생성기에서 생성된 펄스 전류를 인가받을 수 있도록 상기 펄스 파워 생성기에 전기적으로 연결되며, 상기 펄스 전류를 이용하여 충격파를 생성한다. 충격파 집속기는 상기 충격파 생성기에 의해 생성된 충격파를 소정 초점 부위로 집속한다. 상기 충격파 생성기는 테이퍼진 원통형 구조를 가진다.
상기 몸체의 내부에는 길이방향을 따라 관통홀이 형성되고, 초음파 영상을 얻기 위한 초음파 영상 프로브가 상기 관통홀에 설치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 충격파 치료기는, 펄스 파워 생성기, 충격파 생성기, 충격파 집속기, 그리고, 초음파 영상을 얻기 위한 초음파 영상 프로브를 포함한다. 펄스 파워 생성기는 펄스 전류를 생성한다. 충격파 생성기는 상기 펄스 파워 생성기에서 생성된 펄스 전류를 인가받을 수 있도록 상기 펄스 파워 생성기에 전기적으로 연결되며, 상기 펄스 전류를 이용하여 충격파를 생성한다. 충격파 집속기는 상기 충격파 생성기에 의해 생성된 충격파를 소정 초점 부위로 집속한다. 상기 충격파 생성기는 길이방향을 따라 관통홀이 형성되는 테이퍼진 원통형의 구조를 가진다.
상기 충격파 집속기는, 포물선형의 반사면을 구비하는 충격파 반사기, 그리고 충격파가 전이되는 충전액이 채워지는 충전공간이 형성되도록 상기 반사기에 체결되는 밀폐 커플링을 포함할 수 있다.
상기 초음파 영상 프로브는 회전 가능하고 그 길이방향으로 이동하도록 상기 관통홀에 설치될 수 있다.
상기 충격파 생성기는, 테이퍼진 원통형의 몸체, 상기 몸체의 외면에 권선되며 상기 펄스 파워 생성기에 전기적으로 연결되는 코일, 상기 코일에 의해 형성되는 전자기장의 변화에 따라 진동하도록 상기 코일의 외면을 둘러싸게 상기 몸체에 부착되는 금속 멤브레인, 그리고 상기 코일과 상기 금속 멤브레인 사이에 배치되는 절연막을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조로 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 충격파 생성 장치는 펄스 파워 생성기(100), 충격 파 생성기(200), 그리고 충격파 집속기(300)를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 충격파 치료기는 본 발명의 실시예에 따른 충격파 생성 장치를 포함하여 구현될 수 있다.
펄스 파워 생성기(100)는 펄스(pulse) 전류를 생성한다. 충격파 생성기(200)는 펄스 파워 생성기(100)에서 생성된 펄스 전류를 인가받을 수 있도록 펄스 파워 생성기(100)에 전기적으로 연결되며, 테이퍼(taper)진 원통형 구조를 가진다. 충격파 생성기(200)는 펄스 전류를 이용하여 충격파(shock wave)를 생성한다. 충격파 집속기(300)는 충격파 생성기(200)에 의해 생성된 충격파를 소정 초점 부위로 집속한다. 충격파 생성기(200)는 충격파 집속기(300)의 내부에 설치된다.
도 1에 예시적으로 도시된 바와 같이, 펄스 파워 생성기(100)는 케이스(case)(101)와 그 내부에 설치되는 전기회로 구현될 수 있다. 펄스 파워 생성기(100)의 작동을 위한 각종 명령 등을 입력하기 위한 입력 인터페이스(input interface)(103), 그리고 펄스 파워 생성기(100)의 작동 상태 등에 관한 각종 정보를 출력하기 위한 출력 인터페이스(105)가 케이스(101)에 구비될 수 있다. 입력 및 출력 인터페이스(103,105)는 별개로 구현될 수도 있으며, 터치 스크린(touch screen)과 같은 하나의 통합된 입출력 인터페이스로 구현될 수도 있다.
펄스 파워 생성기(100)는 펄스 전류(pulse electric current)를 생성하며, 펄스 전류를 생성하는 통상의 전기회로로 구현될 수 있다. 도 2에 예시적으로 도시된 바와 같이, 펄스 파워 생성기(100)는 고전압을 생성시키는 트랜스포머(transformer)(111), 교류를 직류로 변환하는 정류장치(113), 생성된 직류 고전압( 수 내지 수십 kV)의 충전이 가능한 콘덴서(condenser)(115), 그리고 콘덴서(115)의 충전 시에 충전 전류를 제한하기 위한 충전 저항(117)을 포함한다. 또한 펄스 파워 생성기(100)는 충전된 고전압의 크기를 측정하기 위한 고전압 분압 저항(119), 그리고 고전압의 차단을 위한 고전압 방전장치(121)를 더 포함한다. 그리고 펄스 파워 생성기(100)는 충전된 고전압을 펄스 형태로 방전하기 위한 방전 스위치(123)를 더 포함한다. 방전 스위치(123)는 스파크 갭 스위치(spark gap switch)나 싸이러트론(thyratron)으로 구현될 수 있으며, 스위치 드라이버(switch driver)(125)는 외부로부터 인가되는 펄스(pulse) 신호를 이용하여 방전 스위치(123)의 온(on)/오프(off) 작동을 제어한다.
한편, 도 2에 간단히 도시된 바와 같이, 충격파 생성기(200)의 일단은 동축 케이블(130)을 통하여 방전 스위치(123)에 전기적으로 연결되고 다른 일단은 접지된다. 따라서 방전 스위치(123)가 닫히면, 콘덴서(115)에 충전된 전류가 순간적으로 방전되어 동축 케이블(130)을 통하여 충격파 생성기(200)로 공급된다. 도 8은 펄스 파워 생성기(100)에서 방전 전압을 16㎸, 충전용 콘덴서(115)의 용량을 1.2㎌로 했을 경우 생성된 전형적인 전류 및 전압 파형을 보여준다. 전류 펄스의 최대치는 약 8㎄에 달하며 펄스 폭은 6㎲ 정도이다. 사용된 싸이러트론 스위치는 어느 정도의 역전류를 차단하는 능력이 있으며 도 11에는 한 방향의 전류 성분만 표시되어 있다.
이하에서, 첨부된 도 3 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 충격파 생성 장치의 충격파 생성기(200)와 충격파 집속기(300)에 대해서 구체적으로 설명한다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 충격파 집속기(300)는 충전액(充塡液)으로 채워지는 충전(充塡, filling) 공간(301)을 형성한다. 충격파 생성기(200)는 충격파 집속기(300)에 고정되며, 충격파 생성기(200)의 일부는 충격파 집속기(300)에 의해 형성되는 충전 공간(301)에 위치한다.
도 5를 참조하면, 충격파 생성기(200)는 몸체(201), 코일(coil)(203), 금속 멤브레인(membrane)(205), 그리고 절연막(207)을 포함한다.
몸체(201)는 테이퍼(taper)진 원통형의 형상을 가지며, 전기 절연 물질로 형성된다. 예를 들어, 몸체(201)는 아크릴 재질로 형성될 수 있다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 몸체는 그 선단으로 갈수록 직경이 점차 축소되도록 테이퍼지게 형성된다. 테이퍼 각(α)은 도 9에 기하학적으로 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 몸체(201)는 원통형의 형상을 가지는 경사부(209)와 이 경사부(209)에 결합되며 충격파 집속기(300)와의 고정을 위한 결합부(211)를 포함한다.
코일(203)은 몸체(201)의 외면에 권선되어 솔레노이드(solenoid)를 형성하며 펄스 파워 생성기(100)에 전기적으로 연결된다. 보다 구체적으로, 코일(203)은 몸체(201)의 경사부(209)의 외면에 나선형으로 권선된다. 코일(203)은 전기전도성의 금속 재질로 형성될 수 있으며, 예를 들어 구리로 형성될 수 있다. 한편, 코일(203)의 직경은 1 내지 2mm 정도로 형성될 수 있다. 도면에는 명백히 도시되지 아니하였으나, 도 2에 개념적으로 도시된 바와 같이 코일(203)의 일단은 펄스 파워 생성기(100)의 방전 스위치(123)에 연결되고 다른 일단은 접지된다. 이에 따라 방 전 스위치(123)의 온/오프 작동의 반복에 의해, 펄스 전류가 코일(203)을 흐르게 된다.
금속 멤브레인(205)이 권선된 코일(203)의 외면을 둘러싸도록 몸체(201)에 부착되며, 코일(203)과 금속 멤브레인(205) 사이에는 절연막(207)이 형성된다. 금속 멤브레인(205)은 전자기장에서 힘을 받는 임의의 금속 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 금속 멤브레인(205)은 황동 재질로 형성될 수 있으며, 그 두께는 0.1mm 정도로 할 수 있다. 절연막(207)은 전기 절연성을 가지는 임의의 재질로 형성될 수 있으며, 예를 들어 종이로 형성될 수 있다.
코일(203)에 펄스 전류가 흐르면 코일(203)에 의해 형성되는 전자기장이 변하게 되고, 코일(203)의 외면을 둘러싸는 금속 멤브레인(205)은 코일(203)에 의해 형성되는 전자기장의 변화에 따라 진동하게 된다.
한편, 도 4 및 도 6을 참조하면, 충격파 집속기(300)는 충격파 반사기(303)와 밀폐 커플링(305)을 포함한다. 충격파 반사기(303)는 포물선형의 반사면(307)을 구비하고, 밀폐 커플링(305)은 결합부재(306)에 의해 충격파 반사기(303)에 체결된다. 밀폐 커플링(305)이 충격파 반사기(303)에 체결됨으로써, 충전액이 채워지는 충전 공간(301)이 밀폐 커플링(305)과 충격파 반사기(303) 사이에 형성된다. 충전 공간(301)은 충전액으로 채워지며, 충전액은 금속 멤브레인(205)의 진동에 의해 생성된 충격파가 전파될 수 있는 임의의 액체(예를 들어, 물)로 할 수 있다. 한편, 도면에는 도시되지 아니하였으나, 충격파 집속기의 주변에는 절연물질로 형성되는 케이스가 구비될 수도 있다.
충격파 반사기(303)의 재질은 음향 반사 계수가 충분히 크며 물에 의해 부식되지 않는 스테인레스 강(stainless steel)일 수 있다.
충격파 반사기(303)의 중앙 부분에는 관통홀(311)이 형성되며, 이 관통홀(311)에 결합부재(313,315)가 고정된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이 결합부재(313,315)는 서로 정렬된 관통홀을 구비하며, 이 관통홀에 충격파 생성기(200)의 결합부(211)가 삽입된다. 이에 따라 충격파 생성기(200)가 충격파 집속기(300)에 고정된다. 본 실시예는 결합부재(313,315)가 두 개인 경우이나, 결합부재의 개수 및 형상은 다양하게 변경될 수 있다.
밀폐 커플링(305)은 충격파 생성기(200)에서 생성된 충격파를 인체 내부에 효과적으로 전달하는 기능을 수행하기 위해 충전 공간(301)에 채워지는 충전액을 밀폐하기 위한 것이다. 예를 들어, 밀폐 커플링(305)은 무독성 실리콘으로 만들어 질 수 있으며, 인체 배부의 해부학적 위치에 따라 밀폐 커플링(305)의 높이가 자연적으로 조절될 수 있도록 하기 위한 주름부(317)를 가지고 있다.
도 7은 충격파 생성기(200)와 충격파 집속기(300)가 서로 결합된 상태를 보여주고 있다. 도 7을 참조하면, 충격파 반사기(303)의 반사면(307)은 초점(F)에서 반사면(307)의 임의의 지점까지의 거리와 반사면(307)의 동일한 지점에서 충격파 생성기(200)의 중심선에서 수직으로 연결한 거리의 합이 서로 같다는 조건을 만족한다. 충격파 반사기(303)의 반사면(307)의 곡면의 조건을 만족하는 포물선의 방정식은 다음의 식의 형태로 표현될 수 있다.
[식1]
Figure 112006011118316-pat00001
여기서, x, y는 도 7에 표시된 2차원 좌표 변수이고 a는 상수이다.
본 발명의 실시예에 따른 충격파 생성 장치가 충격파 치료기로 사용되는 경우, 초음파가 집속되는 초점 부위의 위치는 인체 내부의 해부학적 크기를 고려하여 적절히 선정되어야 한다. 상수 b의 값은 집속기 전면부의 크기를 결정하며, 전면부의 관통공의 크기가 클수록 피부와 접하는 위치에서의 충격파의 압력이 낮아지므로 피부에서 충격파에 의한 통증을 덜 느끼게 된다. 참고로, 신장 결석을 치료하는 경우라면, a는 150mm, b는 152.12mm 정도가 적당하다.
펄스 파워 생성기(100)의 작용에 의해 펄스 파워(수 내지 수십 kA)가 충격파 생성기(200)의 코일(203)에 인가되면, 코일(203) 주위에 형성되는 짧은 시간 간격으로 변화하는 전자기장이 형성된다. 이러한 변화하는 전자기장과 금속 멤브레인(205)의 상호 작용에 의해, 금속 멤브레인(205)이 기계적인 진동을 하게 된다. 금속 멤브레인(205)의 진동이 충전 공간(301)에 채워진 충전액에 전달되면서 충격파가 형성되어 전파되는 것이다. 즉, 금속 멤브레인(205)의 진동이 주위의 충전액으로 전달됨으로써, 펄스 파워 생성기(100)가 원통형의 충격파 발생원이 된다. 충전액을 매질로 하여 전파되는 충격파는 충격파 집속기(300)의 반사면(307)에 의해 반사되어 소정의 초점 부위로 집속된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 충격파 치료기에 따르면, 충격파 생성 기(200)의 몸체(201)의 내부에는 길이방향을 따라 관통홀(213)이 형성되고, 초음파 영상을 얻기 위한 초음파 영상 프로브(401)가 관통홀(213)에 설치된다. 도 3 및 도 4는 충격파 생성기(200)의 몸체(201)의 내부에 관통홀(213)이 형성되고 이 관통홀(213)에 초음파 영상 프로브(401)가 삽입 설치되는 경우를 도시하고 있으나, 초음파 영상 프로브가 없는 경우에는 이 관통홀(213)의 양단이 막힌 구조로 이루어질 수 있다. 초음파 영상 프로브(401)는 초음파 영상을 얻기 위한 외부 장치에 연결될 수 있다. 충격파 생성 장치에 초음파 영상 프로브(401)가 구비됨으로써, 충격파 생성 장치를 이용하여 치료를 위해 치료 부위를 실시간으로 관찰하고 정확한 치료 부위를 찾을 수 있게 된다. 이에 따라 충격파 치료기의 사용이 더욱 간편하게 된다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 초음파 영상 프로브(probe)(401)는 원통형의 프로브 부착부(403)의 관통홀(405)에 삽입되어 그 선단이 충전 공간(301)에 위치하게 된다. 프로브 부착부(403)는 지지부(407)에 고정된다. 초음파 영상 프로브(401)는 회전 가능하고 그 길이방향을 따라 이동 가능하게 설치된다. 지지부(407)는 회전 및 직선 이동(도 4에서 상하 방향 이동) 가능하도록 설치됨으로써, 초음파 영상 프로브(401)가 회전 및 직선 이동(도 4에서 상하 방향 이동) 가능하게 된다. 초음파 영상 프로브(401)의 회전 및 직선 이동이 가능함으로써, 적절한 초음파 이미지를 얻을 수 있게 된다.
충전 공간(301)에 채워진 유체의 밀폐를 위해, 충격파 생성기(200)의 몸체(201)의 관통홀(213)의 내면과 프로브 부착부(403)의 외면 사이에 적어도 하나의 오링(O-ring)(409)이 배치된다.
본 발명의 실시예에 따른 충격파 생성 장치의 초점 부위에서의 충격파의 파형을 위치 지연 이론에 의해 예측해 보면 다음과 같다. 우선, 이론식을 유도하기 위해 도 9에서 테이퍼진 원통형 구조를 도시하고 기하학적인 형상을 결정하는 변수를 정의하였다. 정의된 기하학적 변수를 이용하면 테이퍼 각(taper angle)(α)은 다음의 식으로 정의될 수 있다.
[식2]
Figure 112006011118316-pat00002
여기서 H는 원통의 높이, Da, Db는 테이퍼진 원통의 단경 및 장경을 의미한다. 도 10은 사다리꼴 도형의 직경 차에 따른 테이퍼 각의 변화(이때, H는 상수로 취급함)를 도시하고 있다.
충격파 초점 부위의 파형([P(t)]를 예측하기 위해, 도면에서 정의된 기하학적 변수를 이용하여 충격파의 위상을 고려한 다음 식을 이용하였다.
[식3]
Figure 112006011118316-pat00003
여기서, M은 최대 이터레이션 회수(maximum iteration number)이고, Po(t)는 평행 실린더 구조의 충격파형이다. 그리고 td는 다음 식으로 정의된다.
[식4]
Figure 112006011118316-pat00004
여기서, c는 음속(speed of sound)이고, min(td)는 td(max(D(y))이고, max(td)는 td(min(D(y))이다.
그리고 Po(t)는 다음의 식과 같이 정의될 수 있다.
[식5]
Figure 112006011118316-pat00005
여기서, A는 진폭 상수(amplitude constant)이고, a는 감쇠 상수(decay constant)이고, f는 기본 주파수(fundamental frequency)이고, B는 위상(phase)이다. 그리고 H(t)는 다음과 같이 정의된다.
[식6]
Figure 112006011118316-pat00006
식 5 및 식 6을 이용하여 충격파를 구현할 경우 충격파의 라이즈 타임(rise time)은 0이 된다. Po(t)가 20㎱의 충격파 전면의 라이즈 타임(rise time of shock front)을 갖도록 추가로 고려하였다. 그림 11은 이번 예측에서 사용한 충격파 Po(t)의 파형을 도시하고 있다. 계산에서 사용된 상수의 값은 a= 6E5; B=p/5; f=0.1E6이고, A는 Po(t)의 최대값이 50 MPa이 되도록 정의되었다.
테이퍼진 원통형 구조를 가지는 충격파 생성 장치의 초점에서의 충격파 파형 을 예측하는 시뮬레이션은 테이퍼 각 0 내지 10도 사이에 대해서 수행되었다. 추후 실험적인 비교를 위해 시뮬레이션을 위한 테이퍼 원통형 구조는 기 제작되어 사용 중인 원통형 구조의 충격파 생성기와 동일한 값을 사용했다. 즉, 원통형 구조는 H=110 mm, Do=80 mm의 값을 가지도록 했으며, 시뮬레이션에서 테이퍼 각은 최대 10도 (Da=70 mm, Db=90 mm)까지 고려했다.
테이퍼진 원통형 구조의 충격파 생성기의 테이퍼 각을 증가하면서 식 3을 이용하여 초점에서 예측한 충격파 파형을 도 12에 도시하였다. 점선으로 표기된 파형은 원통형인 경우 즉 Po(t)를 의미한다. 도면에 도시된 바와 같이, 테이퍼 경사가 아주 미세하게 변화하더라도 충격파의 파형은 크게 변화하고 있다. 특히 충격파의 포지티브 반주기(positive half cycle)는 매우 민감하게 반응한다. 즉, 충격파의 전면(shock front)은 급격히 상승하며, 피크 포지티브 압력(peak positive pressure) (P+)는 급속히 감소한다. 반면 네가티브 반주기(negative half cycle)는 크게 변하지 않고, 피크 네가티브 압력(peak negative pressure)(P-)은 비슷한 값을 유지하고 있다.
테이퍼진 원통형 구조의 충격파 생성기의 테이퍼 각도에 따른 충격파의 압력 (P+, P-)은 도 13에 요약하고 있다. 그림 12에서 보여주는 것처럼, 피크 포지티브 압력(P+)은 피크 네가티브 압력(P-)에 비해 급격히 감소하고 있다.
시뮬레이션 결과 충격파의 최대 압력(P+, P-)은 테이퍼 각도에 매우 민감하게 변하는 것으로 나타났다. 특히 피크 포지티브 압력(P+)은 테이퍼 각도가 증가함에 지수 함수적으로 매우 급격하게 감소하고 있다. 피크 네가티브 압력(P-)은 피크 포지티브 압력(P+)에 비해 매우 완만한 감소를 보이고 있다. 초기에는 가우시안 형태로 매우 완만하게 감소하다가 점차 가파른 감소 형태를 보여주고 있다.
시뮬레이션 결과는 충격파 파형 및 압력의 예측에서 은 시간 지연에 따른 위상차만을 고려한 것이다. 실제로 충격파는 전파 과정을 통해 비선형적으로 파형이 왜곡되고, 충격파 전면(shock front)을 구성하는 고주파수 영역의 하모닉(harmonic) 성분에 대한 추가적인 감쇠 효과도 무시할 수 없이 크다. 따라서 초점에서의 정확한 충격파 파형 예측을 위해서는 비선형 전파 과정, 주파수 에 따른 에너지 감쇄, 회절(diffraction) 등을 모두 고려해야 한다. 이러한 과정은 엄청난 계산시간(computing time)을 요구하며 실제로 퍼스널 컴퓨터 수준에서는 수행하기 어렵다. "Coleman et al"(1991)이 제안[Coleman A. J., Choi M. J. and Saunders J. E.(1991). Theoretical predictions of the acoustic pressure generated by a shock wave lithotripter. Ultrasound in Medicine & Biology, 17(3), 245,25)]한 빔 액시스(beam axis)를 따라 충격파의 전파 과정을 예측하는 1차원 모델을 이용할 경우 계산 시간을 크게 단축할 수 있을 것으로 예상된다.
테이퍼진 원통형 구조의 충격파 생성 장치의 파형 및 음장 예측 결과를 실험적으로 평가하기 위해 테이퍼진 원통형 구조의 충격파 생성 장치의 시제품을 제작하였다. 제작된 테이퍼진 원통의 테이퍼 각도는 10도이며 그 크기는 H=110 mm, Da=70 mm, Db=90 mm로 하였다. 그리고 포물선형 충격파 집속기의 기하학적 사양은 (a=193, b=150)로 하였다.
테이퍼진 원통형 충격파 생성 장치의 충격파의 초점 강도의 특성을 실험적으 로 확인하기 위해 모의 결석에 대한 마모 효과를 평가했다. 실험에서 충격파 생성기 시제품은 펄스 파워 생성기의 설정 값 1 ㎌, 20 ㎸로 구동하였다. 모의 결석을 충격파 초점 부위에 위치시킨 후 1,000 회 충격파를 조사한 결과, 테이퍼진 원통형 구조를 갖는 충격파 생성 장치에 의한 결석의 마모는 원통형 보다 넓게 퍼져 있으며, 총 분쇄 량도 작게 나타났다. 이것은 원통형의 충격파 생성 방식은 좁은 초점 영역에 큰 에너지가 집속되지만, 테이퍼 원통형에서는, 시뮬레이션에서 예측한 것처럼, 초점 부위가 넓게 분포하고 집속된 충격파의 최대값도 크게 감소하고 있음을 시사한다.
결론적으로 테이퍼 원통형 충격파 생성기에서 예측된 충격파의 파형은 원통형의 경우와 비교하여 충격파 전면(shock front) 부분이 심하게 완만해지나, 네가티브 반주기(negative half cycle) 영역에서는 크게 변화하지 않았다. 테이퍼의 각도가 증가함에 따라 피크 포지티브 압력(P+)은 매우 급격하게, 피크 네가티브 압력(P-)은 비교적 완만하게 감소하는 것으로 나타났다. 결석 분쇄 실험을 통해 테이퍼 원통형 충격파 생성기에서 최대 압력 감소 효과와 초점 영역의 확대를 확인할 수 있었다.
이상에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경 및/또는 수정을 포함한다.
이 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용되는 포함한다는 용어 및 그 활용형 태는, 반대되는 의미로 명백히 기재되지 않는 한, 나열된 구성요소 외의 다른 구성요소를 배제하는 의미로 해석되어서는 안 된다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 의한 충격파 생성 장치에 따르면, 테이퍼진 원통형의 충격파 발생원에서 충격파가 발생되므로, 충격파가 집속되는 초점 부위의 면적이 넓고 에너지 레벨이 낮아져 다양한 용도로 사용될 수 있다.
나아가 본 발명의 실시예에 따른 충격파 치료기는 초음파 영상 프로브를 포함하므로, 초음파 영상을 보면서 충격파 치료를 시술할 수 있다. 또한 초음파 영상 프로브가 회전 및 이동 가능하게 설치되므로, 보다 적절한 초음파 영상의 획득이 가능하다.

Claims (8)

  1. 펄스 전류를 생성하는 펄스 파워 생성기,
    상기 펄스 파워 생성기에서 생성된 펄스 전류를 인가받을 수 있도록 상기 펄스 파워 생성기에 전기적으로 연결되며, 상기 펄스 전류를 이용하여 충격파를 생성하는 충격파 생성기, 그리고
    상기 충격파 생성기에 의해 생성된 충격파를 소정 초점 부위로 집속하는 충격파 집속기를 포함하며,
    상기 충격파 생성기는 테이퍼진 원통형 구조를 가지는 충격파 생성 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 충격파 생성기는,
    테이퍼진 원통형의 몸체,
    상기 몸체의 외면에 권선되며 상기 펄스 파워 생성기에 전기적으로 연결되는 코일,
    상기 코일에 의해 형성되는 전자기장의 변화에 따라 진동하도록 상기 코일의 외면을 둘러싸게 상기 몸체에 부착되는 금속 멤브레인, 그리고
    상기 코일과 상기 금속 멤브레인 사이에 배치되는 절연막
    을 포함하는 충격파 생성 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 몸체의 내부에는 길이방향을 따라 관통홀이 형성되고, 초음파 영상을 얻기 위한 초음파 영상 프로브가 상기 관통홀에 설치되는 충격파 생성 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 충격파 집속기는,
    포물선형의 반사면을 구비하는 충격파 반사기, 그리고
    충격파가 전이되는 충전액이 채워지는 충전공간이 형성되도록 상기 반사기에 체결되는 밀폐 커플링을 포함하는 충격파 생성 장치.
  5. 펄스 전류를 생성하는 펄스 파워 생성기,
    상기 펄스 파워 생성기에서 생성된 펄스 전류를 인가받을 수 있도록 상기 펄스 파워 생성기에 전기적으로 연결되며, 상기 펄스 전류를 이용하여 충격파를 생성하는 충격파 생성기,
    상기 충격파 생성기에 의해 생성된 충격파를 소정 초점 부위로 집속하는 충격파 집속기, 그리고,
    초음파 영상을 얻기 위한 초음파 영상 프로브를 포함하며,
    상기 충격파 생성기는 길이방향을 따라 관통홀이 형성되는 테이퍼진 원통형의 구조를 가지며,
    상기 초음파 영상 프로브는 상기 관통홀에 삽입되는 충격파 치료기.
  6. 제5항에서,
    상기 충격파 집속기는,
    포물선형의 반사면을 구비하는 충격파 반사기, 그리고
    충격파가 전이되는 충전액이 채워지는 충전공간이 형성되도록 상기 반사기에 체결되는 밀폐 커플링을 포함하는 충격파 치료기.
  7. 제5항에서,
    상기 초음파 영상 프로브는 회전 가능하고 그 길이방향으로 이동하도록 상기 관통홀에 설치되는 충격파 치료기.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에서,
    상기 충격파 생성기는,
    테이퍼진 원통형의 몸체,
    상기 몸체의 외면에 권선되며 상기 펄스 파워 생성기에 전기적으로 연결되는 코일,
    상기 코일에 의해 형성되는 전자기장의 변화에 따라 진동하도록 상기 코일의 외면을 둘러싸게 상기 몸체에 부착되는 금속 멤브레인, 그리고
    상기 코일과 상기 금속 멤브레인 사이에 배치되는 절연막
    을 포함하는 충격파 치료기.
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