KR102642708B1 - 압전소자의 임피던스 매칭 회로를 포함한 집속점 변경 고강도 집속초음파 - Google Patents

Abstract

본 발명은 압전소자의 임피던스 매칭 회로를 포함한 집속점 변경 고강도 집속초음파에 관한 것으로, 핸드피스 본체, 상기 본체에 장착되어 초음파를 발생시키는 압전소자를 포함하는 초음파 발생부, 상기 압전소자의 임피던스를 계측하는 계측부, 상기 본체에 장착되어 본체의 동작을 감지하는 센서부, 상기 본체에 입력된 입력신호 및 상기 센서부 및 계측부에 의해 감지된 측정값에 따라 초음파출력을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명은 압전소자의 회로특성을 검출하는 시스템을 구축하고, 구축된 시스템으로 검출된 압전소자의 회로 특성을 데이터베이스로 저장하여 압전소자의 임피던스와 초음파 출력 장비의 임피던스가 용이하게 매칭되도록 하는 현저한 효과가 있다.

Description

압전소자의 임피던스 매칭 회로를 포함한 집속점 변경 고강도 집속초음파 {Change the focus point including impedance matching circuit of piezoelectric element High-intensity focused ultrasound}

본 발명은 집속초음파에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기적 신호를 압전소자에 인가하여 초음파를 발생시키는 주파수와 압전소자 사이의 최적의 효율을 찾는 압전소자의 임피던스 매칭회로를 포함한 집속점 변경 고강도 집속초음파에 관한 것이다.

최근 치료나 피부 관리를 위한 기기로 초음파를 이용한 장치가 각광받고 있다.

이러한 초음파는 사람이 들을 수 있는 한계를 넘어선 주파수를 가진 음파를

의미하며, 일반적으로 건강한 사람이 들을 수 있는 음파는 20kHz이고, 초음파는 이

를 넘어선 음파를 말하며, 초음파 치료는 치료 효과를 위해 이런 초음파를 활용하는 것으로, 산부인과, 정형외과, 피부과 등에서 광범위하게 사용된며, 초음파 치료는 크게 1000W/cm2 이상의 고강도 초음파와 10∼50W/cm2 범위의 저강도 초음파로 나눌수 있다.

특히, 고강도 초음파 치료는 조직을 선택적으로 가열하여 치료하는 방식으

로 주로 종양 치료에 활용되며, 높은 에너지의 음파를 이용하여 세포나 조직을 파

괴하는 방법으로 피부 손상이 없어 회복이 빠르다는 장점이 있다.

그러나 종래의 초음파 장치는 압전소자의 회로적 특성이 완벽하게 같지 않아서 동일한 압전소자에 동일한 주파수를 조사하여도 효율이 같지 않았으며, 압전소자의 회로 특성과 맞지 않는 고주파는 압전소자에서 완전히 초음파로 변환되지 않고 반사파를 반사하며, 에너지 효율이 낮아짐과 동시에 압전소자를 발열시켰고, 나아가 압전소자의 고장으로 이어져 초음파 장비 불량이 야기되는 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허공보, 제10-2017-0134897호 대한민국 등록특허, 제10-1512686호

본 발명은 이를 해결하고자 안출된 것으로, 제어부에 의해 압전소자의 회로특성이 검출되도록 하고, 검출된 압전소자의 회로 특성이 데이터베이스에 저장되도록 하여, 압전소자의 임피던스와 초음파 출력 장비의 임피던스가 용이하게 매칭되도록 하는 압전소자의 임피던스 매칭 회로를 포함한 집속점 변경 고강도 집속초음파를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 압전소자의 임피던스 매칭 회로를 포함한 집속점 변경 고강도 집속초음파에 관한 것으로, 핸드피스 본체, 상기 본체에 장착되어 초음파를 발생시키는 압전소자를 포함하는 초음파 발생부, 상기 압전소자의 임피던스를 계측하는 계측부, 상기 본체에 장착되어 본체의 동작을 감지하는 센서부, 상기 본체에 입력된 입력신호 및 상기 센서부 및 계측부에 의해 감지된 측정값에 따라 초음파출력을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 계측부는 상기 압전소자에 명령신호가 전달되면, 압전소자에 공급되는 주파수를 발진하는 신호발생모듈과, 상기 압전소자에서 출력되는 반사파를 측정하며, 압전소자의 출력신호를 검출하는 검출모듈과, 신호발생모듈의 발진 주파수의 출력을 제어하며 상기 검출모듈의 측정값을 입력받아 상기 압전소자의 공진, 반공진 주파수를 계산하는 제어모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

따라서 본 발명은 압전소자의 회로특성을 검출하는 시스템을 구축하고, 구축된 시스템으로 검출된 압전소자의 회로 특성을 데이터베이스로 저장하여 압전소자의 임피던스와 초음파 출력 장비의 임피던스가 용이하게 매칭되도록 하는 현저한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 계측부의 개략도이다.

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 피부에 직접 접촉되어 피부에 초음파를 전달하기 위한 장비이다.

본 발명에 따른 집속초음파 장치(도면미도시)는 핸드피스 본체, 상기 본체에 장착되어 초음파를 발생시키는 압전소자를 포함하는 초음파 발생부, 상기 본체와 연결되어 상기 압전소자의 임피던스를 계측하는 계측부, 상기 본체에 장착되어 본체의 동작을 감지하는 센서부, 상기 본체에 입력된 입력신호 및 상기 센서부 및 계측부에 의해 감지된 측정값에 따라 초음파출력을 제어하는 제어부를 포함한다.

먼저, 상기 본체는 본 발명의 외관을 구성하는 요소이다.

상기 본체 또는 본체와 연결된 장비 등에는 입출력부가 구비된 디스플레이부(40)가 마련되며, 본체의 전원 켜짐 유무, 배터리 잔여량, 작동모드 등 핸드피스(초음파 장비)의 사용정보를 문자, 빛, 소리 등으로 전달되도록 마련된다.

상기 입력부는, 본체와 무선(또는 유선)으로 연결된 장비의 인터페이스의 입력부일 수 있으며, 상기 입력부는 사용자가 명령을 입력하는 입력수단과 상기 입력수단에 의해 입력된 정보를 포함한 각종 정보가 출력되는 출력수단, 기기의 동작전원을 공급하는 전원부 등을 포함한다.

다음으로, 상기 초음파 발생부는 상기 본체에 장착되어 초음파를 발생시키는 요소이다.

상기 초음파 발생부는 고주파 신호에 따라 초음파를 출력하는 압전소자를 포함하는 것으로, 상기 압전소자는 하나 이상의 고주파 대역에 대하여 전기 에너지를 초음파로 변환하는 초음파 변환기에 해당한다.

상기 초음파 발생부는 사용자(시술자)가 선택하는 동작모드에 따라 집속점이 다른 주파수를 발생하도록 마련된다.

이어서, 상기 계측부는, 상기 입력부를 통해 상기 압전소자(100)에 명령신호가 전달되면, 압전소자에 공급되는 주파수를 발진하는 신호발생모듈(10)과, 상기 압전소자에서 출력되는 반사파를 측정하며, 압전소자의 출력신호를 검출하는 검출모듈(20)과, 신호발생모듈의 발진 주파수의 출력을 제어하며 상기 검출모듈의 측정값을 입력받아 상기 압전소자의 공진, 반공진 주파수를 계산하는 제어모듈(30)을 포함한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에서의 상기 신호발생모듈과 검출모듈은 한 개의 입출력 포트를 사용하여 신호 발생과 신호검출을 동시에 진행하도록 마련된다.

한 개의 출력포트에서 발생된 주파수 가변 신호는 동축 케이블을 통해 압전소자에 공급된다.

이때 임피던스에 따라 고주파 전기 에너지가 진동 에너지로 모두 전환되지 못하는 경우, 여분의 고주파 전기 에너지는 입출력 포트로 되돌아오게 되며, 상기 검출모듈에서 이 값의 위상과 진폭을 감지하게 된다.

상기 검출모듈에서 감지된 위상과 진폭은 제어모듈에 입력되며, 상기 제어모듈에서 삼각함수 계산을 통한 분석 알고리즘을 통해 임피던스값이 측정된다.

이러한 임피던스값을 스미스차트에 매칭하여 L(인덕턴스) 과 C(커패시턴스)의 값을 얻게내고, 얻어진 L 과 C의 값에 해당하는 커패시터(capacitor)와 인덕터 소자를 사용하여 최적의 동작 점을 획득하게 되는 것이다.

더욱 상세하게, 본 발명에서 사용되는 압전소자는, 단일주파 대역에서 초음파를 발생시키는 것과 이에 3배수 차이나는 대역폭에서도 공진주파수를 가지는 다중 초음파 압전소자이다.

예를들어 1MHz를 공진주파수로 가지는 압전소자는 3MHz와 6MhHz 에서도 공진주파수 대역을 가지는 특성이 있다. 따라서, 본 발명의 계측부는 하나의 대역폭을 선정하여 공진주파수부터 반공진주파수까지의 대역폭을 측정하며 압전소자의 임피던스가 최소가 되는 공진주파수를 찾는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 계측부는 주파수의 대역폭을 소정의 간격으로 발진하며, 압전소자의 임피던스를 측정하되, 임피던스의 측정값 중 최대값에 해당하는 반공진주파수(Wa)와, 최소값에 해당하는 공진주파수(Wr)를 측정한다.

다시 말해, 제품에 사용되는 압전소자는 각각 조금씩 다른 고유의 공진주파수를 보유하고 있으며, 공진주파수를 보다 정밀하게 맞추기 위하여 제품에 정해진 공진주파수의 일정 대역폭을 설정하여 순차적으로 주파수를 증감하며 임피던스의 변화량을 측정하는 것이다.

상기 검출모듈(20)은 신호발생모듈(10)에서 발생된 고주파의 에너지 신호가 압전소자(100)을 동작시켜 초음파를 만들어 낼 때, 상기 고주파의 에너지 신호가 압전소자(100)에서 완전히 소비되지 않고 반사되는 반사파를 측정하게 된다.

제어모듈(30)은 검출모듈(20)의 측정값을 입력받는 것으로, 상기 제어모듈(30)은 반사파의 전기적 성분을 측정한 측정값을 실수부인 레지스턴스값(R)과 허수부인 리액턴스값(X)의 합의 형태로 출력하며, 레지스턴스(R)값과 상기 리액턴스(X)값을 스미스차트에 대입하여 인덕턴스(L)값과 캐패시턴스 값(C)을 계산한다.

스미스차트는 어드미턴스차트와 중첩되어 있으며, 실수부인 레지스턴스는 스미스차트의 수평선인 실수축을 따라 값이 이동하며, 허수부인 리액턴스는 +jX 와 -jX로 구분되어있으며, 직렬 LC 결합의 경우 +jX는 스미스차트 상 허수부의 양의 값으로 이동 궤적이 형성되고 -jX의 경우 허수부의 음의 값으로 이동 궤적이 형성 되는데, 병렬 LC 결합의 경우 어드미턴스차트의 허수부인 양과 음의 값으로 이동궤적이 형성 되고, 스미스차트와 어드미턴스차트 상의 이동 궤적을 통해 계측부에 의해 측정된 Z = R + jX값에서 인덕턴스(L)와 캐패시턴스(C)의 값을 계산한다.

또한, 상기 검출모듈(20)은 압전소자(100)의 온도값을 측정하는 온도센서를 포함한다.

이에 따라 검출모듈은 압전소자(100)의 온도와, 임피던스와, 온도가 증가함에 따라 변화하는 공진주파수를 측정하고, 온도와, 상기 온도에 따른 공진주파수에 대한 데이터베이스를 제어모듈(30)에 저장할 수 있다.

이어서, 압전소자(100)의 온도와, 온도가 증가함에 따라 변화하는 최소 임피던스와, 인가된 주파수를 측정하고, 온도와, 온도에 따른 최소 임피던스에 대한 데이터베이스를 제어모듈(30)에 저장할 수 있다.

다시 말하여, 압전소자는 물리적 특성상 온도가 변화하면 내부의 임피던스가 변화하며 임피던스 내부의 리액턴스 또한 변화하게 된다. 즉, 내부의 리액턴스의 변화는 물체 고유의 공진주파수를 변화시키므로 온도와 압전소자(100)의 관계를 나타내는 데이터베이스는 압전소자(100)의 주요한 성질 지표가 된다.

한편, 상기 센서부는 본체의 움직임(모션 변이량)을 감지하기 위해 본체의 가속도 및 각속도를 측정하는 6축 자이로센서를 포함하며, 상기 센서부를 통해 측정된 값은 I2C(Inter Integrated Circuit) 통신을 이용하여 제어부로 전송된다.

한편, 상기 제어부는, 상기 본체의 입력부를 통해 입력된 입력값을 토대로 제어부의 마이컴에 프로그램화되어 기설정된 제어정보와 비교하여 상기 초음파 발생부에서 출력되는 초음파 전류를 제어하는 요소이다.

상기 제어부는 계측부의 제어모듈과 동일하거나 또는 별개로 마련되어질 수 있다.

또한, 본 발명의 제어부는 본체가 이동하는 동안에만 초음파가 발생되도록 하여, 핸드피스가 정지된 상태에서 초음파가 발생됨에 따라 피부의 어느 한 부분에 집중적으로 초음파가 출력되는 것을 방지한다.

상기 제어부는, 상기 센서부로부터 수신된 측정값에 의해 본체가 정지했다고 판단되면 초음파 발생부에서 전류가 출력되지 않도록 하고, 본체가 이동상태인 것으로 판단되면 초음파 발생부에서 전류가 출력되도록 한다.

또한, 상기 제어부는 센서부에 의해 감지되는 본체의 이동속도에 따라 초음파 전류의 출력이 자동 조절되도록 한다.

더욱 상세하게는, 본체가 기설정된 속도보다 빠르게 이동되는 경우에는 초음파 전류의 출력을 증가시키고, 본체가 기설정된 속도보다 느리게 이동되는 경우에는 초음파 전류의 출력을 감소시켜 피부에 초음파 전류량이 일정하게 방출되도록 하는 것이다.

전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다.

본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 압전소자
10 : 신호발생부
20 : 검출부
30 : 제어부
40 : 디스플레이부

Claims (2)

1. 핸드피스 본체;
   상기 본체에 장착되어 초음파를 발생시키는 압전소자를 포함하는 초음파 발생부;
   상기 압전소자의 임피던스를 계측하는 계측부;
   상기 본체에 장착되어 본체의 동작을 감지하는 센서부; 및
   상기 본체에 입력된 입력신호 및 상기 센서부 및 계측부에 의해 감지된 측정값에 따라 초음파출력을 제어하는 제어부;를 포함하되,
   상기 계측부는,
   상기 압전소자에 명령신호가 전달되면, 압전소자에 공급되는 주파수를 발진하는 신호발생모듈과,
   상기 압전소자에서 출력되는 반사파를 측정하며, 압전소자의 출력신호를 검출하는 검출모듈과,
   신호발생모듈의 발진 주파수의 출력을 제어하며 상기 검출모듈의 측정값을 입력받아 상기 압전소자의 공진, 반공진 주파수를 계산하는 제어모듈을 포함하며,
   상기 신호발생모듈과 검출모듈은 한 개의 입출력 포트를 사용하여 신호 발생과 신호검출을 동시에 진행하도록 마련되는 것으로, 한 개의 출력포트에서 발생된 주파수 가변 신호는 동축 케이블을 통해 압전소자에 공급되며, 임피던스에 따라 고주파 전기 에너지가 진동 에너지로 모두 전환되지 못하는 경우, 여분의 고주파 전기 에너지는 입출력 포트로 되돌아오게 되며, 상기 검출모듈에서 이 값의 위상과 진폭을 감지하여 제어모듈에 입력되며, 상기 제어모듈에서 삼각함수 계산을 통한 분석 알고리즘을 통해 임피던스값이 측정되는 것을 특징으로 하는 압전소자의 임피던스 매칭 회로를 포함한 집속점 변경 고강도 집속초음파.
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