KR101625646B1 - 실시간 hifu 치료 모니터링 방법 및 그 초음파 의료 장치 - Google Patents

실시간 hifu 치료 모니터링 방법 및 그 초음파 의료 장치 Download PDF

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Abstract

실시간 HIFU 치료 모니터링 방법 및 그 초음파 의료 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법은, 모니터링용 HIFU 신호와 치료용 HIFU 신호를 조합하여 HIFU 신호를 구성하는 단계와, 치료 중에 모니터링용 HIFU 신호를 HIFU 프로브를 통해 송신하고 반사신호를 이미징 프로브를 통해 수신하여 모니터링하는 단계를 포함한다.

Description

실시간 HIFU 치료 모니터링 방법 및 그 초음파 의료 장치 {Real-time HIFU treatment monitoring method and ultrasound medical device thereof}
본 발명은 초음파를 이용한 치료 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고강도 집속 초음파(High-Intensity Focused Ultrasound: HIFU)를 이용한 신호 처리 및 치료 모니터링 기술에 관한 것에 관한 것이다.
암, 종양, 병변 등과 같은 생체조직을 치료하는데 고강도 집속 초음파(High-Intensity Focused Ultrasound: 이하 HIFU라 칭함) 신호를 이용할 수 있다. HIFU를 이용한 치료 방식은 HIFU 신호를 대상체의 타겟(target)에 송신하여 발생하는 열을 통해 대상체의 조직을 괴사시키는 방식이다. 일반적인 외과수술이나 화학적인 치료(Chemotherapy) 방식 등에 비하여, HIFU 치료는 환자의 외상을 덜 손상시키고 비침입성 치료(Non-invasive treatment)를 실현할 수 있다. 그 적용 예로는 간암(Liver cancer), 뼈 육종(Bone sarcoma), 유방암(Breast cancer), 췌장암(Pancreas cancer), 신장암(Kidney cancer), 연조직의 종양(Soft tissue tumor) 및 골반 종양(Pelvic tumor) 등 다양하다.
HIFU를 이용한 치료 방식에 따르면, 치료하고자 하는 대상체에 HIFU 신호를 조사하고 대상체로부터 되돌아오는 HIFU 후방산란 신호(backscattering signal)를 수신하여 초음파 영상을 획득한다. HIFU를 대상체에 조사하면 대상체의 초점 부위에서 캐비테이션(cavitation) 현상이 발생할 수 있다. 캐비테이션 현상은 초음파가 대상체에 닿으면서 대상체 내의 압력 변화로 인해 생기는 음압과 양압의 작용으로 작은 기포가 형성되고, 이 기포가 최대로 커졌다가 터지는 과정이 반복되면서 해당 대상체 내의 세포가 파괴되는 것을 의미한다. 캐비테이션은 대상체의 초점 부위의 온도 상승을 촉진시킴에 따라 초점 부위에 해당하는 병변을 손상시켜 질병을 치료하게 한다.
일 실시 예에 따라, HIFU 치료를 진행하면서 실시간으로 HIFU 치료 모니터링을 통해 HIFU 캐비테이션 위치와 크기를 확인할 수 있는 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법 및 그 초음파 의료 장치를 제안한다.
일 실시 예에 따른 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법은, 모니터링용 HIFU 신호와 치료용 HIFU 신호를 조합하여 HIFU 신호를 구성하는 단계와, 치료 중에 모니터링용 HIFU 신호를 HIFU 프로브를 통해 송신하고 반사신호를 이미징 프로브를 통해 수신하여 모니터링하는 단계를 포함한다.
일 실시 예에 따른 HIFU 신호를 구성하는 단계에서, 치료용 HIFU 신호보다 길이가 짧은 펄스 형태의 모니터링용 HIFU 신호를 치료용 HIFU 신호와 조합하여 HIFU 신호를 구성한다.
일 실시 예에 따른 HIFU 신호를 구성하는 단계에서, 모니터링용 HIFU 신호 및 치료용 HIFU 신호 조합 시에, 병변까지의 깊이에 기초하여 모니터링용 HIFU 신호와 치료용 HIFU 신호 간의 시간 간격을 결정한다.
일 실시 예에 따른 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법은, 모니터링을 통해 반사신호의 변화를 분석하여 캐비테이션 위치 및 크기를 판단하는 단계를 더 포함한다. 캐비테이션 위치 및 크기를 판단하는 단계는, 반사신호로부터 HIFU 캐비테이션 신호를 추출하는 단계와, 추출된 HIFU 캐비테이션 신호의 크기 또는 주파수를 분석하여 기포 발생을 감지하는 단계와, 기포 발생 감지 이후 기포 파괴에 의한 HIFU 캐비테이션 신호의 크기 또는 주파수 변화로부터 캐비테이션 위치 및 크기를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법은 판단된 캐비테이션 위치에 치료용 HIFU 신호를 HIFU 프로브를 통해 송신하는 단계를 더 포함한다. 치료용 HIFU 신호를 HIFU 프로브를 통해 송신하는 단계에서, 대상체의 혈류량 및 조직의 특성을 추가로 반영하여 HIFU 신호를 송신할 수 있다.
일 실시 예에 따른 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법은 판단된 캐비테이션 위치 및 크기에 따라 모니터링용 HIFU 신호를 제어하는 단계를 더 포함한다. 모니터링용 HIFU 신호를 제어하는 단계는, 캐비테이션 크기가 미리 설정된 임계값보다 작으면 모니터링용 HIFU 신호의 횟수 또는 강도를 증가시키는 단계와, 캐비테이션 크기가 미리 설정된 임계값보다 크면 모니터링용 HIFU 신호의 횟수 또는 강도 증가를 중단시키는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법은, 모니터링용 HIFU 신호와 치료용 HIFU 신호가 조합된 HIFU 신호를 시간 지연에 따라 HIFU 프로브의 모든 채널에 인가하는 단계와, HIFU 프로브와 동기화된 송신 시점에 따라 이미징 초음파 신호를 이미징 프로브에 인가하는 단계를 더 포함한다. 모니터링용 HIFU 신호와 이미징 초음파 신호는 주파수 및 크기가 서로 상이할 수 있다.
일 실시 예에 따른 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법은, 모니터링용 HIFU 신호에 의해 반사되는 HIFU 캐비테이션 신호를 신호 처리하여 대상체의 초점 영상을 생성하는 단계와, 이미징 초음파 신호에 의해 반사되는 매질 영상 신호를 신호 처리하여 대상체의 매질 영상을 생성하는 단계를 더 포함한다.
다른 실시 예에 따른 초음파 의료 장치는, 모니터링용 HIFU 신호와 치료용 HIFU 신호를 조합하여 HIFU 신호를 구성하는 HIFU 제어부와, 치료 중에 모니터링용 HIFU 신호를 송신하는 HIFU 프로브와, 모니터링용 HIFU 신호에 의한 반사신호를 수신하는 이미징 프로브와, 이미징 프로브를 통해 수신되는 반사신호를 모니터링하는 모니터링부를 포함한다.
일 실시 예에 따른 모니터링부는 모니터링을 통해 반사신호의 변화를 분석하여 캐비테이션 위치 및 크기를 판단한다. 이때, HIFU 제어부는 모니터링부를 통해 판단된 캐비테이션 위치에 HIFU 프로브가 치료용 HIFU 신호를 송신하도록 제어할 수 있다. HIFU 제어부는 모니터링부를 통해 판단된 캐비테이션 위치 및 크기에 따라 모니터링용 HIFU 신호를 제어할 수 있다.
일 실시 예에 따른 초음파 의료 장치는 HIFU 프로브와 이미징 프로브 간의 송신 시점 또는 수신 시점을 동기화하는 동기화부를 더 포함한다.
일 실시 예에 따른 초음파 의료 장치는 모니터링용 HIFU 신호에 의해 반사되는 HIFU 캐비테이션 신호를 신호 처리하여 대상체의 초점 영상을 생성하고, 이미징 초음파 신호에 의해 반사되는 매질 영상 신호를 신호 처리하여 대상체의 매질 영상을 생성하는 영상 처리부를 더 포함한다.
다른 실시 예에 따른 초음파 의료 장치는 HIFU 신호를 송신하는 HIFU 프로브, HIFU 프로브와 동기화되는 이미징 프로브, 치료용 HIFU 신호와, 병변까지의 깊이에 기초하여 치료용 HIFU 신호와 시간 간격을 두고 치료용 HIFU 신호보다 길이가 짧은 펄스 형태의 모니터링용 HIFU 신호를 조합하여 HIFU 신호를 구성하는 HIFU 제어부를 포함한다.
일 실시 예에 따른 HIFU 제어부는 치료 중에 캐비테이션 위치 및 크기 판단을 위한 모니터링용 HIFU 신호를 HIFU 프로브에 인가하고 캐비테이션 위치 및 크기가 판단되면 치료용 HIFU 신호를 HIFU 프로브에 인가한다.
일 실시 예에 따르면, HIFU 치료를 진행하면서 실시간으로 HIFU 초점 위치를 가시화하고 치료 과정을 실시간으로 모니터링할 수 있다. 나아가, HIFU 치료 중에 원하는 위치에 캐비테이션이 형성되는지와 치료의 진행 정도를 실시간으로 모니터링할 수 있으며, HIFU 치료를 위한 치료용 HIFU 신호를 송신하기 위한 초점 위치를 확인할 수 있다.
나아가, 모니터링용 HIFU 신호와 치료용 HIFU 신호를 구분하고 모니터링용 HIFU 신호가 치료용 HIFU 신호보다 길이가 짧은 펄스 형태로 구성함에 따라 HIFU 치료 과정을 실시간으로 모니터링할 수 있고 모니터링에 의한 HIFU 치료 기간 지연을 최소화할 수 있다.
나아가, 모니터링용 HIFU 신호 및 치료용 HIFU 신호를 조합한 HIFU 신호 구성 시에, 병변까지의 깊이에 기초하여 모니터링용 HIFU 신호와 치료용 HIFU 신호 간의 시간 간격을 결정함에 따라 모니터링용 구간에는 치료용 HIFU 신호에 의한 영상이 보이지 않도록 하여 치료용 HIFU 신호에 의한 노이즈 발생을 방지하고 치료의 진행 상태를 잘 모니터링할 수 있으며 초점 위치를 가시화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 의료장치의 단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 의료장치의 구성도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 2의 영상 처리부의 세부 구성도,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 HIFU 신호 및 이미징 초음파 신호의 파형도,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 모니터링 구간과 치료 구간을 구분하여 도시한 타임도,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기화된 이미징 초음파 신호와 HIFU 신호가 송신되는 모습을 도시한 참조도,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법을 도시한 흐름도,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반사신호 모니터링 프로세스를 도시한 흐름도,
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 모니터링용 HIFU 신호 제어 프로세스를 도시한 흐름도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 의료장치의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 고강도 집속 초음파(High Intensity Focused Ultrasound; 이하 HIFU라 칭함) 치료를 위한 초음파 의료장치는 이미징 프로브(10)와 HIFU 프로브(11)를 포함한다. 이미징 프로브(10)와 HIFU 프로브(11)의 구조는 다양할 수 있는데, 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이 HIFU 프로브(11)가 이미징 프로브(10)의 주변에 형성되고, HIFU 프로브(11)의 중앙에 이미징 프로브(10)가 형성된다. 그러나 이미징 프로브(10)와 HIFU 프로브(11)의 구조는 이에 한정되지 않으며, 다양하게 변형 가능하다.
본 발명에 따르면, HIFU 치료를 진행하는 도중에 실시간으로 HIFU 치료를 모니터링한다. 이를 위해 모니터링용 HIFU 신호와 치료용 HIFU 신호를 조합하여 HIFU 신호를 구성하며, 치료 중에 모니터링용 HIFU 신호를 HIFU 프로브(11)를 통해 송신하고 반사신호를 이미징 프로브(10)를 통해 수신하여 모니터링한다.
일 실시 예에 따른 모니터링용 HIFU 신호는 HIFU 치료 중에 캐비테이션 위치와 크기를 실시간으로 판단하는 데 사용된다. 예를 들어, 모니터링용 HIFU 신호를 HIFU 프로브(11)를 통해 송신하고 HIFU 치료 중 발생하는 캐비테이션 상태를 이미징 프로브(10)를 통해 반사신호로 수신하여 모니터링한다. 반사신호 모니터링을 통해, 반사신호의 변화를 분석하여 캐비테이션 위치 및 크기를 실시간으로 판단할 수 있다. 모니터링용 HIFU 신호를 이용하여 캐비테이션 위치가 파악되면, HIFU 프로브(11)는 치료용 HIFU 신호를 캐비테이션 위치에 송신하여 HIFU 치료를 수행할 수 있다.
캐비테이션 상태 모니터링을 위한 일반적인 방식 중 하나는 능동 캐비테이션 매핑(Active cavitation mapping) 방식이다. 능동 캐비테이션 매핑 방식은 치료용 HIFU 신호 조사 이전 대상체의 영상신호와 치료용 HIFU 신호 조사 이후 대상체의 영상신호 사이의 강도(amplitude) 차를 계산하여 캐비테이션 발생 위치와 크기를 모니터링하는 방식이다. 그러나 액티브 캐비테이션 매핑 방식은 HIFU 신호 조사 전후로 캐비테이션에 의한 변화가 크지 않아 캐비테이션 모니터링이 쉽지 않다.
캐비테이션 상태 모니터링을 위한 일반적인 방식 중 다른 하나는 수동 음향 매핑(Passive Acoustic mapping) 방식이다. 수동 음향 매핑 방식은 치료용 HIFU 신호를 송신하고 반사신호를 이미징 프로브를 통해 획득하여 캐비테이션 발생 위치와 크기를 모니터링한다. 그러나 수동 음향 매핑 방식은 캐비테이션 발생 유무 확인은 가능하나, 캐비테이션 발생 위치와 크기까지 모니터링하기는 어렵다.
이에 비해, 본 발명은 HIFU 치료 중에 치료용 HIFU 신호와는 구별되는 모니터링용 HIFU 신호를 HIFU 프로브(11)에 송신하고, HIFU 치료 중 발생하는 캐비테이션 상태를 이미징 프로브(10)를 통해 반사신호로 수신하여 모니터링한다. 해당 방식은 HIFU 치료 중에 캐비테이션 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있다는 의미에서 실시간 캐비테이션 매핑(Real-time cavitation mapping) 방법이라 명한다. 실시간 캐비테이션 매핑 방법에 따르면, HIFU 치료를 진행하면서 실시간으로 HIFU 초점 위치를 가시화하고 치료 과정을 실시간으로 모니터링할 수 있다. 예를 들어, HIFU 치료 중에 원하는 위치에 캐비테이션이 형성되는지와 치료의 진행 정도를 실시간으로 모니터링할 수 있고, HIFU 치료를 위한 치료용 HIFU 신호가 송신되는 초점 위치를 확인할 수 있다. 초점 위치는 모니터링된 캐비테이션 발생 위치에 해당한다.
이하 후술되는 도면들을 통해 실시간 캐비테이션 매핑 방법 및 그 초음파 의료장치의 구성에 대해 상세히 후술한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 초음파 의료장치의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 초음파 의료장치(1)는 이미징 프로브(10), HIFU 프로브(11), 제어부(12), 모니터링부(13), 영상 처리부(14), 입력부(15), 디스플레이부(16) 및 저장부(17)를 포함한다. 제어부(12)는 HIFU 제어부(120)와 동기화부(122)를 포함할 수 있다.
각 구성요소의 위치는 도 2의 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 다양하게 수정하여 초음파 의료장치(1) 내에 다른 모듈에 위치하는 것으로 적용 가능하다. 예를 들어, 도 1에서는 동기화부(122)가 제어부(12) 내에 위치하나, 동기화부(122)를 별도로 구성할 수 있다. 다른 예로 모니터링부(13)가 영상 처리부(14) 내에 위치할 수 있다.
HIFU 프로브(11)는 HIFU 치료 중에 모니터링용 HIFU 신호와 치료용 HIFU 신호가 조합된 HIFU 신호를 대상체에 송신한다. HIFU 프로브(11)는 다수 개의 엘리먼트들로 구성된 배열형 프로브일 수 있다. 이때, 각 엘리먼트들을 나누어 서로 다른 스캔라인을 전담하여 HIFU 신호를 송신할 수 있다.
모니터링용 HIFU 신호는 치료용 HIFU 신호와 구별된다. 예를 들어, 모니터링용 HIFU 신호는 치료용 HIFU 신호보다 길이가 짧은 펄스 형태이다. 모니터링용 HIFU 신호와 치료용 HIFU 신호의 형태는 도 4를 참조로 하여 후술한다. 모니터링용 HIFU 신호와 치료용 HIFU 신호 간의 시간 간격은 병변까지의 깊이를 고려하여 설정될 수 있다. 예를 들어, HIFU 프로브(11)의 각 채널을 통해 HIFU 신호를 송신하는 경우, 병변까지 거리가 가장 먼 채널을 통해 송신된 모니터링용 HIFU 신호의 반사신호까지도 모니터링 구간 내에 수신될 수 있도록 모니터링 구간(monitoring period)을 설정하고 그 이후로 치료 구간(treatment period)을 설정한다. 모니터링 구간 및 치료 구간 설정 예는 도 5를 참조로 하여 후술한다.
이미징 프로브(10)는 HIFU 프로브(11)를 통해 송신된 HIFU 신호에 의해 대상체로부터 되돌아오는 반사신호를 수신한다. 반사신호는 후방산란신호(backscattering signal)로서, 캐비테이션 현상에 의해 생성되는 HIFU 캐비테이션 신호(cavitation signal)를 포함한다. 캐비테이션 현상은 초음파가 대상체에 닿으면서 대상체 내의 압력 변화로 인해 생기는 음압과 양압의 작용으로 작은 기포가 형성되고, 이 기포가 최대로 커졌다가 터지는 과정이 반복되면서 해당 대상체 내의 세포가 파괴되는 것을 의미한다.
일 실시 예에 따른 이미징 프로브(10)는 이미징 초음파 신호 송수신이 모두 가능하다. 예를 들어, 대상체에 이미징 초음파 신호를 송신(Tx)하고 이미징 초음파 신호에 의한 반사신호와 HIFU 프로브(11)의 HIFU 신호에 의한 반사신호를 모두 수신(Rx)한다. 이미징 초음파 신호에 의한 반사신호는 대상체의 매질에 대한 영상을 생성하기 위한 매질 영상 신호이다. 이미징 초음파 신호는 이미징 프로브(10)가 대상체의 매질에 대한 전체적인 영상을 획득하기 위해 대상체의 매질로 송신하는 초음파 신호를 의미한다. HIFU 신호에 의한 반사신호는 HIFU 프로브(11)를 통해 대상체의 타겟(target)에 송신된 HIFU 신호에 의해 대상체로부터 되돌아오는 HIFU 캐비테이션 신호이다.
이미징 프로브(10)가 이미징 초음파 신호를 송신하는 경우, 이미징 프로브(10)와 HIFU 프로브(11)는 동기화부(122)에 의해 송신 시점이 동기화된다. 예를 들어, 동기화부(122)는 HIFU 프로브(11)를 통해 송신되는 HIFU 신호와 이미징 프로브(10)를 통해 송신되는 이미징 초음파 신호가 초점 위치에 동일한 시간에 도달할 수 있도록 송신 시점을 동기화한다. 이러한 동기화는 이미징 프로브(10)와 초점위치 지점 간의 거리 정보, HIFU 프로브(11)와 초점위치 지점 간의 거리 정보, 이미징 초음파 신호 및 HIFU 신호가 대상체의 매질 내에서 이동하는 이동 속도 정보 등에 따라 이루어질 수 있다. 이에 비해, 이미징 프로브(10)가 이미징 초음파 신호를 송신하지는 않고, HIFU 프로브(11)를 통해 송신되는 HIFU 신호에 의한 반사신호만을 수신할 수도 있다. 이 경우, 동기화부(122)에 의해 이미징 프로브(10)의 수신 시점이 동기화된다.
모니터링부(13)는 이미징 프로브(10)를 통해 수신된 반사신호 모니터링을 통해, 반사신호의 변화를 분석하여 캐비테이션 위치 및 크기를 판단한다. 캐비테이션 위치가 판단되면, HIFU 제어부(120)는 판단된 캐비테이션 위치에 상응하는 초점 위치에 치료용 HIFU 신호를 송신할 수 있도록 HIFU 프로브(11)를 제어한다. HIFU 프로브(11) 제어는 HIFU 프로브(11)의 방향 조정을 포함한다. 치료용 HIFU 신호는 초점 위치의 병변을 치료하는 데 사용된다.
영상 처리부(14)는 이미징 프로브(10)에 의해 수신되는 반사신호를 신호 처리하여 영상을 생성한다. 반사신호는 HIFU 캐비테이션 신호와 매질 영상 신호를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따른 영상 처리부(14)는 HIFU 캐비테이션 신호를 신호 처리하여 대상체의 초점 영상을 생성한다. 그리고 매질 영상 신호를 신호 처리하여 대상체의 매질 영상을 생성한다. 나아가, 영상 처리부(14)는 대상체의 초점 영상과 대상체의 매질 영상을 매핑할 수 있다. 대상체의 초점 영상은 대상체의 타겟이 되는 초점 위치를 대상으로 생성되는 영상이고, 대상체의 매질 영상은 대상체의 매질을 대상으로 생성되는 전체 영상이다. 영상 처리부(14)를 통해 생성된 영상은 디스플레이부(16)를 통해 화면에 출력될 수 있다.
입력부(15)는 사용자의 조작 또는 입력에 의한 명령(Instruction)을 입력받는다. 사용자 명령은 초음파 의료장치(1)를 제어하기 위한 제어 명령 등이 될 수 있다. 디스플레이부(16)는 영상 처리부(14)에 의해 생성된 영상을 B-모드 또는 C-모드 영상 등으로 출력한다. 저장부(17)는 초음파 의료장치(1)의 구동에 필요한 각종 데이터와 초음파 의료장치(1)의 구동 시 생성되는 각종 데이터를 저장한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 도 2의 영상 처리부의 세부 구성도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 영상 처리부(14)는 빔포머(Beamformer)(132), 신호 처리부(Signal Processor)(134) 및 스캔 컨버터(Scan Converter)(136)를 포함한다.
일 실시 예에 따른 빔포머(132)는 이미징 프로브(10)를 통해 수신된 반사신호를 집속하여 로 데이터(Raw Data)인 프레임 데이터를 생성한다. 빔포머(132)는 아날로그 디지털 컨버터(ADC)에 의해 변환된 전기적 디지털 신호에 기초하여 수신 집속 신호(Receive Focusing Signal)를 형성할 수 있다. 빔포머(132)는 동기화부(122)의 제어에 따라 대상체로부터 이미징 프로브(10)에 반사신호가 도달하는 시간을 고려하여 각 전기적 디지털 신호에 적절한 지연을 가한 후 합산하여 수신 집속 신호를 형성할 수 있다.
일 실시 예에 따른 빔포머(132)는 HIFU 프로브(11)와 연결되어 HIFU 신호를 집속하고, 이미징 프로브(10)와 연결되어 이미징 초음파 신호를 집속한다. 그리고 빔포머(132)는 동기화부(122)의 제어에 따라 송신 집속 신호를 형성할 수 있다. 예를 들어, 빔포머(132)는 이미징 프로브(10)가 이미징 초음파 신호를 송신하거나 HIFU 프로브(11)가 HIFU 신호를 송신할 때, 동기화부(122)의 제어에 따라 이미징 프로브(10)와 HIFU 프로브(11)의 구동 타이밍을 조절하여 초점위치 정보에 대응하는 초점위치 지점으로 초음파 신호를 집속시킨다.
신호 처리부(134)는 빔포머(132)에 의해 생성된 프레임 데이터 신호를 디지털 신호 처리하여 영상을 생성한다. 예를 들어, 신호 처리부(134)는 이미징 프로브(10)를 통해 수신한 매질 영상 신호를 신호 처리하여 대상체의 매질 영상을 형성한다. 대상체의 매질 영상은 디스플레이부(16)로 전송되어 출력될 수 있다. 또한, 신호 처리부(134)는 이미징 프로브(10)를 통해 수신한 HIFU 캐비테이션 신호를 신호 처리하여 대상체의 초점 영상을 생성한다. 대상체의 초점 영상은 디스플레이부(16)로 전송되어 출력될 수 있다.
스캔 컨버터(136)는 영상을 소정의 주사선 표시형식의 디스플레이부(16)에서 사용되는 데이터 형식으로 변환한다. 스캔 컨버터(136)는 영상을 실제 디스플레이부(16)에 디스플레이되는 데이터 형태로 변환한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 HIFU 신호 및 이미징 초음파 신호의 파형도이다.
도 4를 참조하면, HIFU 프로브(11)의 모니터링용 HIFU 신호(110)와 치료용 HIFU 신호(112)는 구별된다. 모니터링용 HIFU 신호(110)는 치료용 HIFU 신호(112)보다 길이가 짧은 펄스 형태일 수 있다. 예를 들어, 모니터링용 HIFU 신호는(110) 수십 ms의 길이를 가진 펄스 신호일 수 있다. 모니터링용 HIFU 신호는(110)는 치료용 HIFU 신호(112)와는 다르게 치료용이 아닌 모니터링을 위해 필요한 만큼만 짧게 발생한다. 모니터링용 HIFU 신호(110)는 1개~20개 사이의 펄스가 반복된 형태일 수 있으나, 펄스의 횟수와 강도는 조절 가능하다. 이에 비해, 치료용 HIFU 신호(112)는 수십 개 이상의 펄스로 구성된 버스트(Burst) 신호일 수 있다. 모니터링용 HIFU 신호(110)와 치료용 HIFU 신호(112)는 그 강도가 동일할 수도 있으나 서로 상이할 수도 있다. 모니터링용 HIFU 신호(110)를 치료용 HIFU 신호(112)에 비해 매우 짧게 가져감에 따라, 짧은 모니터링 구간 내에 실시간으로 캐비테이션 상태를 모니터링할 수 있고 모니터링에 의한 HIFU 치료 기간 지연을 최소화할 수 있다.
HIFU 프로브(11)의 모니터링용 HIFU 신호(110)는 이미징 프로브(10)의 이미징 초음파 신호(100)와도 구별된다. 예를 들어, 모니터링용 HIFU 신호(110)는 이미징 초음파 신호(100)보다 크기가 크고 주파수가 작다. 모니터링용 HIFU 신호(110)와 이미징 초음파 신호(100)의 구별을 통해 모니터링용 HIFU 신호(110)에 의한 반사신호와 이미징 초음파 신호(100)에 의한 반사신호를 구별할 수 있다.
도 4를 참조하면, 모니터링 구간 τd(42)는 모니터링용 HIFU 신호(110)에 의한 반사신호를 모니터링할 수 있는 구간으로서, 모니터링 구간 τd(42) 내에서는 치료용 HIFU 신호(112)가 영상에 보이지 않도록 한다. 이에 따라, 모니터링 구간 τd(42)에서 치료용 HIFU 신호에 의한 노이즈 발생을 방지하고 치료의 진행 상태를 잘 모니터링할 수 있으며 초점 위치를 가시화할 수 있다.
이를 위해, 모니터링용 HIFU 신호(110)와 치료용 HIFU 신호(112) 간의 시간 간격을 병변까지의 깊이(Imaging Depth)를 고려하여 설정할 수 있다. 예를 들어, HIFU 프로브(11)의 각 채널을 통해 HIFU 신호를 송신하는 경우, 병변까지 거리가 가장 먼 채널을 통해 송신된 모니터링용 HIFU 신호(110)의 반사신호까지도 모니터링 구간 τd(42) 내에 수신될 수 있도록 모니터링 구간 τd(42)를 설정하고, 그 이후로 치료 구간 τH(44)를 설정한다. 모니터링 구간 τd(42)는 [2×병변까지의 깊이(Imaging Depth)/음속(Sound Velocity)] 식에 의해 계산될 수 있다.
치료 구간 τH(44)는 치료용 HIFU 신호 송신 기간이다. 동기 시간 τ0(46)은 HIFU 신호와 이미징 초음파 신호 간의 송신 시점 동기화를 위한 시간이다. 모니터링 구간 τd(42)와 치료 구간 τH(44)의 합은 펄스 반복 구간(Pulse Repetition Time: PRT)에 해당하며, 펄스 반복 구간이 미리 설정된 횟수로 반복될 수 있다. 지연시간(time delay)(τi)(40)은 HIFU 프로브(11)의 HIFU 채널 별로 이미징 프로브(10)와의 동기화를 위해 지연되는 시간이다. HIFU 채널 별로 지연시간 τi(40)을 반영하여 HIFU 채널들에 모니터링용 HIFU 신호와 치료용 HIFU 신호가 조합된 HIFU 신호가 인가된다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 모니터링 구간과 치료 구간을 구분하여 도시한 타임도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 모니터링 구간 τd(42) 내에서는 치료용 HIFU 신호가 영상에 보이지 않도록 모니터링 구간 τd(42)를 설정한다. 이때, 모니터링용 HIFU 신호(110)와 치료용 HIFU 신호(112) 간의 시간 간격은 병변까지의 깊이(Imaging Depth)를 고려하여 설정될 수 있다. 예를 들어, HIFU 프로브(11)의 각 채널을 통해 HIFU 신호를 송신하는 경우, 병변까지 거리가 가장 먼 채널을 통해 송신된 모니터링용 HIFU 신호(110)의 반사신호까지도 모니터링 구간 τd(42) 내에 수신될 수 있도록 모니터링 구간 τd(42)를 설정하고, 그 이후로 치료 구간 τH(44)를 설정한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기화된 이미징 초음파 신호와 HIFU 신호가 송신되는 모습을 도시한 참조도이다.
도 6을 참조하면, 이미징 프로브(10)는 대상체의 매질 전체의 영상을 획득해야 하기 때문에 이미징 프로브(10)가 위치하는 점을 기준으로 부채꼴 모양으로 한쪽 끝 라인(610)에서 다른 쪽 끝 라인(620)까지 이미징 초음파 신호를 송신할 수 있다. 이에 비해 HIFU 프로브(11)는 초점 위치(600)에 해당하는 대상체의 타겟에 HIFU 신호를 송신할 수 있다. HIFU 신호는 모니터링용 HIFU 신호(110)와 치료용 HIFU 신호(112)의 조합으로 구성된다.
다수의 엘리먼트로 이루어진 HIFU 프로브(11)의 위치에 따라 초점 위치(600)까지의 거리에 경로 차가 발생한다. 이때 각 HIFU 신호가 초점 위치(600)에 동시에 도달하도록 경로 차를 반영하여 HIFU 신호를 송신한다. 이에 따라, 초점 위치(600)에와의 거리와 상관없이 HIFU 프로브(11)의 엘리먼트 별로 동일한 시간에 HIFU 신호가 초점 위치(600)에 도달한다. 그리고 HIFU 프로브(11)를 통해 송신되는 HIFU 신호와 이미징 프로브(12)를 통해 송신되는 이미징 초음파 신호가 초점 위치(600)에 동일한 시각에 도달하도록 동기 시간 τ0을 설정하고, 이미징 프로브(12)는 동기 시간 τ0에 맞추어 이미징 초음파 신호를 초점 위치(600)에 송신한다.
도 5는 이미징 프로브(10)를 중앙에 배치하고 HIFU 프로브(11)를 이미징 프로브(10) 양측에 선형으로 대칭이 되도록 배치한 형태이다. 이미징 프로브(10) 아래에 초점이 위치하도록 하였을 때, 양단에 위치하는 HIFU 프로브(11)는 초점 위치(600)로부터 가장 먼 곳에 위치한 HIFU 프로브(11)가 된다. 이를 기준으로 나머지 HIFU 프로브(11) 및 이미징 프로브(10)의 초음파 발생 시점을 조절할 수 있다.
물론 이미징 프로브(10)가 반드시 가운데 있어야 하는 것은 아니고, 각 프로브가 동일 평면상에 존재할 필요는 없으며, HIFU 프로브(11)가 좌우 대칭일 필요도 없다. 본 실시 예에서 제안한 주된 특징인 HIFU 신호와 이미징 초음파 신호가 초점 위치(600)에서 동일한 시각에 도달하도록 각각의 프로브를 동기화하여 배치하도록 구성된다면 어떠한 것도 본 발명의 권리범위에 해당한다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2 및 도 7을 참조하면, HIFU 제어부(120)가 모니터링용 HIFU 신호와 치료용 HIFU 신호를 조합하여 HIFU 신호를 구성한다(700). HIFU 제어부(120)는 치료용 HIFU 신호보다 길이가 짧은 펄스 형태의 모니터링용 HIFU 신호를 치료용 HIFU 신호와 조합하여 HIFU 신호를 구성할 수 있다. 모니터링용 HIFU 신호와 치료용 HIFU 신호는 그 강도가 동일할 수도 있으나 서로 상이할 수도 있다. 모니터링용 HIFU 신호 및 치료용 HIFU 신호 조합 시에, 병변까지의 깊이에 기초하여 모니터링용 HIFU 신호와 치료용 HIFU 신호 간의 시간 간격을 결정할 수 있다.
이어서, HIFU 프로브(11)가 치료 중에 모니터링용 HIFU 신호를 송신(710)하고 이미징 프로브(10)가 반사신호를 수신한다(720). 이때, 동기화부(122)에 의해 이미징 프로브(10)의 반사신호 수신 시점을 동기화하여 반사신호를 수신할 수 있다. 이미징 프로브(10)가 이미징 초음파 신호를 송신하는 경우에는, 동기화부(122)가 HIFU 프로브(11)와 이미징 프로브(10)의 송신 시점을 동기화한다. 송신 시점이 동기화되면, 이미징 프로브(10)는 HIFU 신호에 대한 반사신호와 이미징 초음파 신호에 대한 반사신호를 동일한 시간에 수신할 수 있다. 모니터링용 HIFU 신호와 이미징 초음파 신호는 주파수 및 크기가 서로 상이할 수 있다.
이어서, 모니터링부(13)가 반사신호 모니터링을 통해, 반사신호의 변화를 분석하여 캐비테이션 위치 및 크기를 판단한다(730). 반사신호 모니터링 프로세스는 도 8을 참조로 하여 구체적으로 후술한다.
이어서, HIFU 제어부(120)는 판단된 캐비테이션 위치에 치료용 HIFU 신호를 HIFU 프로브(11)를 통해 송신하도록 HIFU 프로브(11)를 제어한다. HIFU 제어부(120)의 제어에 의해 HIFU 프로브(11)는 캐비테이션 위치에 치료용 HIFU 신호를 송신한다(740). 이때, HIFU 프로브(11)는 대상체의 혈류량 및 조직의 특성을 추가로 반영하여 HIFU 신호를 송신할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반사신호 모니터링 프로세스를 도시한 흐름도이다.
도 2 및 도 8을 참조하면, 모니터링부(13)는 반사신호로부터 HIFU 캐비테이션 신호를 추출한다(800). 반사신호에 포함된 HIFU 캐비테이션 신호와 매질 영상 신호는 그 크기 또는 주파수가 서로 상이하므로 쉽게 구분할 수 있다.
이어서, 모니터링부(13)는 추출된 HIFU 캐비테이션 신호 분석을 통해 기포 발생을 감지한다(810). 예를 들어, HIFU 프로브(11)를 통해 HIFU 신호를 송신하면, 대상체의 타겟에 캐비테이션 현상이 발생하여 HIFU 캐비테이션 신호의 크기가 갑자기 증가하며, 이를 통해 기포 발생을 감지할 수 있다. 캐비테이션 현상은 초음파가 대상체에 닿으면서 대상체 내의 압력 변화로 인해 생기는 음압과 양압의 작용으로 작은 기포가 형성되는 것을 의미한다.
이어서, 모니터링부(13)는 기포 발생 감지 이후 기포 파괴에 의한 HIFU 캐비테이션 신호의 크기 또는 주파수 변화를 통해 캐비테이션 위치 및 크기를 판단한다(820). 기포 파괴 시에 온도가 상승하고 치료 조직이 괴사되며, 그때의 캐비테이션 위치 및 크기를 판단할 수 있고, 판단된 캐비테이션 위치 및 크기로부터 HIFU 치료가 잘 되고 있는지를 모니터링할 수 있다. 또한 HIFU 프로브(11)를 통해 송신할 치료용 HIFU 신호의 초점 위치를 판단할 수 있다. 초점 위치는 판단된 캐비테이션 위치에 해당한다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 모니터링용 HIFU 신호 제어 프로세스를 도시한 흐름도이다.
도 2 및 도 9를 참조하면, HIFU 제어부(120)는 모니터링부(13)를 통해 판단된 캐비테이션 위치 및 크기에 따라 모니터링용 HIFU 신호를 제어한다. 예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 모니터링부(13)가 반사신호를 모니터링(900)하여 캐비테이션 위치 및 크기를 판단한다(910). 그리고 판단된 캐비테이션 크기와 미리 설정된 임계값을 비교한다(920). 이때, 캐비테이션 크기가 임계값보다 작으면 모니터링이 어려우므로 HIFU 제어부(120)를 통해 모니터링용 HIFU 신호의 횟수 또는 강도를 증가시킨다(930). 그러다 캐비테이션 크기와 임계값 비교(920) 시에 캐비테이션 크기가 임계값보다 크면 모니터링용 HIFU 신호의 횟수 또는 강도 증가를 중단시킨다(940). 임계값은 대상체의 조직 특성과 병변의 종류 등에 따라 다르게 설정될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 초음파 의료 장치 10: 이미징 프로브
11: HIFU 프로브 12: 제어부
13: 모니터링부 14: 영상 처리부
15: 입력부 16: 디스플레이부
17: 저장부 120: HIFU 제어부
122: 동기화부 142: 빔포머
144: 신호 처리부 146: 스캔 컨버터

Claims (21)

  1. 초음파 의료 장치를 이용한 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법에 있어서, 상기 초음파 의료 장치가:
    치료용 HIFU 신호보다 길이가 짧은 펄스 형태의 모니터링용 HIFU 신호를 치료용 HIFU 신호와 조합하여 HIFU 신호를 구성하는 단계; 및
    치료 중에 모니터링용 HIFU 신호를 HIFU 프로브를 통해 송신하고 반사신호를 이미징 프로브를 통해 수신하여 모니터링하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 HIFU 신호를 구성하는 단계는
    모니터링용 HIFU 신호 및 치료용 HIFU 신호 조합 시에, 병변까지의 깊이에 기초하여 모니터링용 HIFU 신호와 치료용 HIFU 신호 간의 시간 간격을 결정하는 것을 특징으로 하는 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법은
    모니터링을 통해, 반사신호의 변화를 분석하여 캐비테이션 위치 및 크기를 판단하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 캐비테이션 위치 및 크기를 판단하는 단계는
    반사신호로부터 HIFU 캐비테이션 신호를 추출하는 단계;
    추출된 HIFU 캐비테이션 신호의 크기 또는 주파수를 분석하여 기포 발생을 감지하는 단계; 및
    기포 발생 감지 이후 기포 파괴에 의한 HIFU 캐비테이션 신호의 크기 또는 주파수 변화로부터 캐비테이션 위치 및 크기를 판단하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법은
    판단된 캐비테이션 위치에 치료용 HIFU 신호를 HIFU 프로브를 통해 송신하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 치료용 HIFU 신호를 HIFU 프로브를 통해 송신하는 단계는
    대상체의 혈류량 및 조직의 특성을 추가로 반영하여 HIFU 신호를 송신하는 것을 특징으로 하는 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법.
  8. 제 4 항에 있어서, 상기 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법은
    판단된 캐비테이션 위치 및 크기에 따라 모니터링용 HIFU 신호를 제어하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 모니터링용 HIFU 신호를 제어하는 단계는
    캐비테이션 크기가 미리 설정된 임계값보다 작으면 모니터링용 HIFU 신호의 횟수 또는 강도를 증가시키는 단계; 및
    캐비테이션 크기가 미리 설정된 임계값보다 크면 모니터링용 HIFU 신호의 횟수 또는 강도 증가를 중단시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법은
    모니터링용 HIFU 신호와 치료용 HIFU 신호가 조합된 HIFU 신호를 시간 지연에 따라 HIFU 프로브의 모든 채널에 인가하는 단계; 및
    HIFU 프로브와 동기화된 송신 시점에 따라 이미징 초음파 신호를 이미징 프로브에 인가하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    모니터링용 HIFU 신호와 이미징 초음파 신호는 주파수 및 크기가 서로 상이한 것을 특징으로 하는 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법은
    모니터링용 HIFU 신호에 의해 반사되는 HIFU 캐비테이션 신호를 신호 처리하여 대상체의 초점 영상을 생성하는 단계; 및
    이미징 초음파 신호에 의해 반사되는 매질 영상 신호를 신호 처리하여 대상체의 매질 영상을 생성하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 HIFU 치료 모니터링 방법.
  13. 치료용 HIFU 신호보다 길이가 짧은 펄스 형태의 모니터링용 HIFU 신호를 치료용 HIFU 신호와 조합하여 HIFU 신호를 구성하는 HIFU 제어부;
    치료 중에 모니터링용 HIFU 신호를 송신하는 HIFU 프로브;
    모니터링용 HIFU 신호에 의한 반사신호를 수신하는 이미징 프로브; 및
    상기 이미징 프로브를 통해 수신되는 반사신호를 모니터링하는 모니터링부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 의료 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 모니터링부는
    모니터링을 통해, 반사신호의 변화를 분석하여 캐비테이션 위치 및 크기를 판단하는 것을 특징으로 하는 초음파 의료 장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 HIFU 제어부는
    상기 모니터링부를 통해 판단된 캐비테이션 위치에 HIFU 프로브가 치료용 HIFU 신호를 송신하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파 의료 장치.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 HIFU 제어부는
    상기 모니터링부를 통해 판단된 캐비테이션 위치 및 크기에 따라 모니터링용 HIFU 신호를 제어하는 것을 특징으로 하는 초음파 의료 장치.
  17. 제 13 항에 있어서, 상기 초음파 의료 장치는
    HIFU 프로브와 이미징 프로브 간의 송신 시점 또는 수신 시점을 동기화하는 동기화부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 의료 장치.
  18. 제 13 항에 있어서, 상기 초음파 의료 장치는
    모니터링용 HIFU 신호에 의해 반사되는 HIFU 캐비테이션 신호를 신호 처리하여 대상체의 초점 영상을 생성하고, 이미징 초음파 신호에 의해 반사되는 매질 영상 신호를 신호 처리하여 대상체의 매질 영상을 생성하는 영상 처리부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 의료 장치.
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 제 13 항에 있어서, 상기 HIFU 제어부는
    모니터링용 HIFU 신호 및 치료용 HIFU 신호 조합 시에, 병변까지의 깊이에 기초하여 모니터링용 HIFU 신호와 치료용 HIFU 신호 간의 시간 간격을 결정하는 것을 특징으로 하는 초음파 의료 장치.
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