KR20180061105A

KR20180061105A - 초음파 변환기

Info

Publication number: KR20180061105A
Application number: KR1020180058865A
Authority: KR
Inventors: 류연희; 박지은; 권오상; 조성진; 최광호; 강석윤
Original assignee: 한국 한의학 연구원
Priority date: 2018-05-24
Filing date: 2018-05-24
Publication date: 2018-06-07
Also published as: KR101881723B1

Abstract

일 실시예에 따른 초음파 변환기는, 원통형으로 마련된 케이스; 상기 케이스 내에 고정되어 초음파를 발생시키는 압전소자; 상기 케이스의 일단에 장착되어 상기 압전소자에서 발생된 초음파를 집속시키는 음향 렌즈; 및 상기 케이스 내에 고정되어 주위 온도를 측정하는 온도센서;를 포함하고, 상기 압전소자의 중앙 부분에 상기 온도센서가 장착될 수 있다.

Description

초음파 변환기{ULTRASONIC TRANSDUCER}

본 발명은 초음파 변환기에 관한 것이다.

고령화 시대 진입으로 인해 치매, 뇌혈관 질환, 퇴행성 질환, 중풍 등 난치성, 퇴행성 질환이 증가하고 이에 대한 치료법 개발에 대한 연구가 집중되고 있으며 비교적 부작용과 경제적 부담이 적은 한방치료에 대한 선호도가 증가하고 있다.

또한, 헬스케어 3.0 시대의 도입으로 예방과 관리를 통한 건강수명 연장에 관심이 증대됨에 따라 사후 치료 중심 의학에서 사전 예방 중심 의학으로 전환이 이루어지고 있고 침구 치료는 개인 특성에 초점이 맞춰진 새로운 대안으로 모색되고 있다.

한편, 뜸 요법은 쑥과 같은 재료를 사용하여 체내의 경혈 위에 올려놓고 뜸을 발화시켜 발생하는 온열 자극을 통해 질병을 치료하고 예방하는 특수온열 자극 요법이다. 뜸의 온열효과는 혈관을 확장시켜 혈액순환을 촉진시키고 질병에 대한 저항력을 증진시킴으로 질병을 치료하는데 직접적 효과가 있으며 경혈과 같은 심부를 자극하여 만성 두드러기, 호흡 관련 질병에 대한 고통을 감소시키기도 한다. 하지만 뜸 치료에 대한 수천년 동안의 임상 적용에 기초한 한의학의 경험적 우수성에도 불구하고 안정성, 유효성에 대한 의구심이 지속적으로 제기되고 있다.

전통 뜸 치료의 경우 대부분 시술자의 주관적이고 정성적인 치료에 의존하기 때문에 정량적이지 못하고 객관성이 결여되어 있다는 평가가 이루어지고 있다. 신체에 직접구를 시술할 경우 백혈구 중에서 과립구가 크게 증가해 인체 면역성을 떨어뜨리고 혈압 증가에 따른 성인병 유발 위험성을 지적한 보고가 있다. 또한 피부에 화상에 따른 흉터를 남길 수 있기 때문에 여자나 어린아이는 미용의 부분을 고려해야 하고 뜸으로 입은 화상은 심할 경우 성형수술로도 복원이 어려우므로 얼굴부위는 특히 피해야 한다.

따라서 뜸 요법을 대체하여 인체에 온열 자극을 가하는 기술에 대하여 다양하게 연구되고 있다.

예를 들어, 2014년 1월 27일에 출원된 KR 20-2014-0000571에는 '초음파 및 온열 효과를 가지는 조합 자극기'에 대하여 개시되어 있다.

일 실시예에 따른 목적은 초음파 변환기에 구비된 온도센서에 의해 초음파 발생 제어를 효과적으로 수행하여, 피부 표면 온도를 특정 시간 동안 온열 자극에 효과적인 목표 온도로 유지시킬 수 있는 초음파 변환기, 상기 초음파 변환기를 포함하는 비침습 온열 자극 시스템 및 비침습 온열 자극 시스템의 제어 방법을 제공하는 것이다.

일 실시예에 따른 목적은 초음파 변환기의 내부 온도를 실시간으로 측정하여 초음파에 의한 가열 및 냉각의 비율을 조절하여 특정 시간 동안 초음파를 일정하게 발진시킬 수 있는 초음파 변환기, 상기 초음파 변환기를 포함하는 비침습 온열 자극 시스템 및 비침습 온열 자극 시스템의 제어 방법을 제공하는 것이다.

일 실시예에 따른 목적은 초음파 변환기에 구비된 방열판 및 파워스테이션에 구비된 과열 방지 알고리즘에 의해 초음파 변환기 자체의 과열을 방지하여, 초음파 변환기의 발열에 의한 피부 표면 온도 상승을 방지할 수 있는 초음파 변환기, 상기 초음파 변환기를 포함하는 비침습 온열 자극 시스템 및 비침습 온열 자극 시스템의 제어 방법을 제공하는 것이다.

일 실시예에 따른 목적은 인체와 같이 생명체에 적용하는 경우 초음파를 투과시키고자 하는 부위에 정확히 에너지를 전달하고 뼈, 근육, 주요 장기와 같은 곳에 손상을 가하지 않도록 안정성이 향상될 수 있는 초음파 변환기, 상기 초음파 변환기를 포함하는 비침습 온열 자극 시스템 및 비침습 온열 자극 시스템의 제어 방법을 제공하는 것이다.

일 실시예에 따른 목적은 컴팩트한 구조로 마련되고 조작이 용이하여 사용자에 대한 편의성이 향상되어 뜸 치료 대체용으로 활용될 수 있는 초음파 변환기, 상기 초음파 변환기를 포함하는 비침습 온열 자극 시스템 및 비침습 온열 자극 시스템의 제어 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 초음파 변환기는, 케이스; 상기 케이스 내에 고정되어 초음파를 발생시키는 압전소자; 상기 케이스의 일단에 장착되어 상기 압전소자에서 발생된 초음파를 집속시키는 음향 렌즈; 및 상기 케이스 내에 고정되어 주위 온도를 측정하는 온도센서;를 포함하고, 상기 압전소자의 중앙 부분에 상기 온도센서가 삽입 장착될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 음향 렌즈의 중앙에는 관통홀이 형성되고, 상기 관통홀을 통해 상기 압전소자에 장착된 상기 온도센서의 일면이 외부에 노출될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 압전소자 및 상기 온도센서에 각각 연결된 신호선은 상기 케이스 내에서 통합되어 상기 케이스의 타단을 관통하여 연장될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 압전소자의 일면 및 상기 음향 렌즈 사이에 배치된 정합층; 및 상기 압전소자의 타면 및 상기 케이스의 타단 사이에 배치된 후면재;를 더 포함하고, 상기 후면재는 상기 온도센서가 상기 압전소자에 장착된 후에 상기 케이스 내에 도포될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 케이스의 과열을 방지하도록 복수 개의 냉각핀이 구비된 방열판;을 더 포함하고, 상기 방열판은 환형으로 마련되어 상기 케이스가 관통될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템은, 교류 전력 파형을 발생시키는 파워스테이션; 및 상기 파워스테이션에서 발생된 교류 전력 파형에 의해 초음파가 발진되는 초음파 변환기;를 포함하고, 상기 초음파 변환기에는 온도센서가 구비되며, 상기 온도센서에서 측정된 온도 데이터에 의해 상기 파워스테이션의 작동이 실시간으로 제어되어, 상기 초음파 변환기에서 특정 시간 동안 일정하게 초음파가 발진될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 파워스테이션은 상기 초음파 변환기의 과열 방지 알고리즘이 내장된 컨트롤러를 포함하고, 상기 과열 방지 알고리즘에는 온도의 상한값 및 하한값이 미리 설정되어, 상기 온도센서에서 측정된 온도 데이터가 상기 상한값을 초과하면 상기 파워스테이션의 작동이 오프(off)되고, 상기 온도센서에서 측정된 온도 데이터가 상기 하한값 이하가 되면 상기 파워스테이션의 작동이 온(on)될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 파워스테이션은, 상기 온도센서에서 측정된 신호를 증폭시키는 온도센서 증폭 회로; 및 상기 온도센서 증폭 회로에 전기적으로 연결되어 교류 전력 파형을 발생시키는 파형 발생부;를 포함하고, 상기 파형 발생부은 상기 과열 방지 알고리즘과 연동되어 작동이 제어될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 파형 발생부는 복수 개의 포트가 구비된 기판을 포함하고, 상기 복수 개의 포트는, 사용자에 의해 상기 교류 전력 파형의 설정값이 입력되는 인터페이스 포트; 상기 온도센서에서 측정된 신호가 입력되는 온도센서 포트; 상기 교류 전력 파형을 상기 초음파 변환기에 출력시키는 출력 포트; 및 상기 파워스테이션의 현재 상태가 표시되는 디스플레이와 연결되는 디스플레이 포트;를 포함할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템의 제어 방법은, 교류 전력 파형을 발생시키는 파워스테이션 및 상기 파워스테이션에서 발생된 교류 전력 파형으로부터 초음파를 출력하는 초음파 변환기를 포함하는 비침습 온열 자극 시스템이 제공되는 단계; 상기 초음파 변환기가 대상체의 피부 표면 상에 배치되는 단계; 상기 초음파 변환기에서 초음파가 출력되는 단계; 상기 대상체의 피부 표면이 연속 가열되는 단계; 상기 초음파 변환기에 구비된 온도센서에 의해 상기 초음파 변환기의 내부 온도가 측정되는 단계; 및 상기 측정된 초음파 변환기의 내부 온도에 의해 상기 파워스테이션의 작동이 제어되는 단계;를 포함하고,상기 측정된 초음파 변환기의 내부 온도에 의해 상기 파워스테이션의 작동이 제어되는 단계에서, 상기 초음파에 의한 가열 및 냉각의 비율이 조절되어, 상기 대상체의 피부 표면 온도가 특정 시간 동안 일정하게 유지될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 초음파에 의한 가열 및 냉각의 비율은 상기 파워스테이션에서 상기 교류 전력 파형을 발생시키는 시간 및 상기 파워스테이션에서 전원이 오프(off)되거나 전력이 감소된 시간의 비율의 조절에 의해 조절될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 대상체의 피부 표면이 연속 가열되는 단계에서, 상기 파워스테이션은 상기 초음파 변환기의 내부 온도가 목표 온도에 도달될 때까지 지속적으로 상기 교류 전력 파형을 발생시키고, 상기 초음파 변환기의 내부 온도가 상기 목표 온도에 도달되면 상기 파워스테이션의 작동이 오프(off)로 될 수 있다.

일 측에 의하면, 상기 파워스테이션에는 상기 초음파에 의한 가열 및 냉각의 비율이 미리 설정되고, 상기 측정된 대상체의 피부 표면 온도에 의해 실시간으로 상기 초음파에 의한 가열 및 냉각의 비율이 조절될 수 있다.

일 실시예에 따른 초음파 변환기, 상기 초음파 변환기를 포함하는 비침습 온열 자극 시스템 및 비침습 온열 자극 시스템의 제어 방법에 의하면, 초음파 변환기에 구비된 온도센서에 의해 초음파 발생 제어를 효과적으로 수행하여, 피부 표면 온도를 특정 시간 동안 온열 자극에 효과적인 목표 온도로 유지시킬 수 있다.

일 실시예에 따른 초음파 변환기, 상기 초음파 변환기를 포함하는 비침습 온열 자극 시스템 및 비침습 온열 자극 시스템의 제어 방법에 의하면, 초음파 변환기의 내부 온도를 실시간으로 측정하여 초음파에 의한 가열 및 냉각의 비율을 조절하여 특정 시간 동안 초음파를 일정하게 발진시킬 수 있다.

일 실시예에 따른 초음파 변환기, 상기 초음파 변환기를 포함하는 비침습 온열 자극 시스템 및 비침습 온열 자극 시스템의 제어 방법에 의하면, 초음파 변환기에 구비된 방열판 및 파워스테이션에 구비된 과열 방지 알고리즘에 의해 초음파 변환기 자체의 과열을 방지하여, 초음파 변환기의 발열에 의하한 피부 표면 온도 상승을 방지할 수 있다.

일 실시예에 따른 초음파 변환기, 상기 초음파 변환기를 포함하는 비침습 온열 자극 시스템 및 비침습 온열 자극 시스템의 제어 방법에 의하면, 인체와 같이 생명체에 적용하는 경우 초음파를 투과시키고자 하는 부위에 정확히 에너지를 전달하고 뼈, 근육, 주요 장기와 같은 곳에 손상을 가하지 않도록 안정성이 향상될 수 있다.

일 실시예에 따른 초음파 변환기, 상기 초음파 변환기를 포함하는 비침습 온열 자극 시스템 및 비침습 온열 자극 시스템의 제어 방법에 의하면, 컴팩트한 구조로 마련되고 조작이 용이하여 사용자에 대한 편의성이 향상되어 뜸 치료 대체용으로 활용될 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템을 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 3은 초음파 변환기의 구성을 개략적으로 도시한다.
도 4(a) 및 (b)는 음향 렌즈를 통한 음압 시뮬레이션 및 음향 출력 프로파일을 도시한다.
도 5는 정합층에서 초음파를 통한 투과 및 반사를 도시한다.
도 6은 초음파 변환기의 제작 과정을 도시한다.
도 7은 방열판의 사시도를 도시한다.
도 8(a) 및 (b)는 방열판의 유무에 따른 초음파 변환기 내부 열 발생 시뮬레이션을 도시한다.
도 9는 파워스테이션의 내부 구성을 도시한다.
도 10은 기판 상에 구비된 파형 발생부가 구현된 모습을 도시한다.
도 11은 컨트롤러에 내장된 구동 알고리즘을 도시한다.
도 12는 컨트롤러에 내장된 초음파 변환기의 과열 방지 알고리즘을 도시한다.
도 13은 일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템의 제어 방법을 나타내는 순서도이다.
도 14는 가열 및 냉각 비 조절에 의한 최종 온도 곡선을 도시한다.
도 15는 일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템에 의한 피하 및 심부의 온도 변화를 도시한다.
도 16은 일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템에서 온도 피드백 조건에 따른 온도 변화를 도시한다.
도 17은 일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템에 의한 온열 자극 전후의 열화상 이미지를 도시한다.
도 18은 일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템에 의한 백서 피부조직의 변화를 도시한다.

이하, 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템을 도시하고, 도 2는 일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템의 구성을 개략적으로 도시하고, 도 3은 초음파 변환기의 구성을 개략적으로 도시하고, 도 4(a) 및 (b)는 음향 렌즈를 통한 음압 시뮬레이션 및 음향 출력 프로파일을 도시하고, 도 5는 정합층에서 초음파를 통한 투과 및 반사를 도시하고, 도 6은 초음파 변환기의 제작 과정을 도시하고, 도 7은 방열판의 사시도를 도시하고, 도 8(a) 및 (b)는 방열판의 유무에 따른 초음파 변환기 내부 열 발생 시뮬레이션을 도시하고, 도 9는 파워스테이션의 내부 구성을 도시하고, 도 10은 기판 상에 구비된 파형 발생부가 구현된 모습을 도시하고, 도 11은 컨트롤러에 내장된 구동 로직을 도시하고, 도 12는 컨트롤러에 내장된 초음파 변환기의 과열 방지 알고리즘을 도시한다.

도 1 및 2를 참조하여, 일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템(10)은 초음파 변환기(100) 및 파워스테이션(200)을 포함할 수 있다.

일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템(10)은 초음파, 레이저 또는 고주파 등을 이용하여 비침습적 뜸(온열) 자극을 수행할 수 있으나, 이하에서는 초음파를 이용하여 비침습적 뜸(온열) 자극을 수행하는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.

특히 도 3을 참조하여, 상기 초음파 변환기(100)는 케이스(110), 압전소자(120), 온도센서(130), 음향 렌즈(140), 정합층(미도시) 및 후면재(150)를 포함할 수 있다.

케이스(110)는 내부 케이스(112) 및 외부 케이스(114)를 포함할 수 있다.

상기 내부 케이스(112)는 압전소자(120)와 외부 케이스(114)와의 절연을 위하여 아크릴 소재로 제작되고, 초음파 변환기(100)의 잡음을 제거하기 위하여 외부 케이스(114)는 알루미늄으로 제작될 수 있다.

상기 케이스(110)에는 초음파를 발생시키는 압전소자(120)가 장착될 수 있다.

상기 압전소자는 초음파 변환기(100)의 성능을 좌우하는 중요한 요소이다. 이러한 압전소자의 특성을 나타내는 변수들로는 압전상수, 유전상수, 공진주파수 등 있으나, 온열 자극용 의료용 초음파 변환기의 주파수 범위는 약 1-3 MHz이며 이에 필요한 압전 특성을 나타내는 인자 중에서 전기-기계결합계수(kt)와 압전변형상수(d33)를 고려하여 압전소자를 선정할 수 있다.

따라서 압전변형 상수인 d33은 PMN-PT 재료가 그 특성이 우수하나 개당 비용은 PZT-C91 재료가 매우 저렴하므로, 압전소자(120)는 예를 들어 PZT-C91로 마련될 수 있다.

또한, 압전소자(120)는 예를 들어 직경이 30mm인 디스크 형상으로 마련되어 케이스(110)의 일단 또는 전단부에 고정될 수 있다.

또는, 압전소자(120)는 직경이 12 내지 13mm인 튜브 형태로 마련될 수 있다.

압전소자(120)가 튜브형으로 마련된 경우, 공진주파수는 다음과 같이 정의될 수 있다.

이때,

는 압전소자의 두께이고,

는 밀도이고,

는 일정한 전하 밀도에서 탄성 컴플라이언스(Elastic compliance at constant charge density)이다.

전술된 압전소자(120)는 파워스테이션(200)에서 발생된 교류 전력 파형에 의해 초음파를 발진시킬 수 있으며, 이에 대해서는 이하에서 상술된다.

한편, 상기 케이스(110) 내에는 온도센서(130)가 고정될 수 있다.

구체적으로, 온도센서(130)는 주위 온도를 측정할 수 있도록 압전소자(120)의 중앙 부분에 장착될 수 있다.

이에 의해 온도센서(130)의 일면은 압전소자(120)의 중앙 부분을 통해 외부에 노출되고 온도센서(130)의 타면은 케이스(110) 내부를 향해 배치될 수 있다.

또한, 압전소자(120)가 튜브형으로 마련된 경우, 온도센서(130)가 압전소자(120)에 삽입되어 고정될 수 있다.

이와 같이 온도센서(130)가 초음파 변환기(100) 내에, 특히 압전소자(120)에 장착됨으로써 온도센서(130)는 초음파 변환기(100)에 의해 피부 표면 상에 온열 자극이 가해지는 중에 실시간으로 초음파 변환기(100)의 내부 온도를 측정할 수 있고, 온도센서(130)에 의해 획득된 온도 데이터는 초음파 변환기(100) 또는 파워스테이션(200)의 작동을 제어하는 데 활용될 수 있다.

또한, 케이스(110)의 일단에서 압전소자(120)의 전방에는 음향 렌즈(140)가 장착될 수 있다.

상기 음향 렌즈(140)는 압전소자(120)에서 발생된 초음파를 집속시키기 위한 것으로서 초음파 변환기(100)의 전면부에 부착될 수 있다.

이때, 음향 렌즈(140)의 중앙에는 관통홀(142)이 형성되어, 관통홀(142)을 통해 압전소자(120)의 중앙에 장착된 온도센서(130)의 일면이 외부에 노출될 수 있다.

또한, 음향 렌즈(140)는 유한요소해석 기법과 광경로 시뮬레이션에 사용되는 ray-tracing 기법을 응용하여 비구면 렌즈의 형태로 설계될 수 있다.

특히, 도 4(a)는 초점 거리를 12mm에 설정하여 비구면 음향 렌즈(140)를 통한 음압(acoustic pressure) 분포를 예측한 것으로 음향 렌즈(140)를 통과한 초음파는 측정 위치에서 집속이 되는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 도 4(b)는 중심축을 따른 음향 출력의 프로파일을 보여주며, 표면으로부터 6-8mm 거리 부근(초점거리는 약 12mm)에서 음향 출력이 최대가 되는 것으로 시뮬레이션 결과를 보여준다.

또한, 구체적으로 도시되지는 않았으나, 압전소자(120) 및 음향 렌즈(140) 사이에는 정합층(미도시)이 배치될 수 있다.

압전소자(120)에서 발생된 음향 에너지가 부하로 전달되는 양은 압전소자(120)와 부하 사이의 음향 임피던스 차이가 커지면 작아진다. 이 때 압전소자(120)와 부하 사이에 정합층을 넣어 음향 임피던스의 불일치를 개선하고 초음파 에너지의 투과성을 증가시킬 수 있다. 이론적으로 정합층은 임의의 수만큼 사용할 수 있지만 실제로는 압전소자(120)와 부하의 임피던스에 의해 1개 또는 2개를 사용하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 정합층은 2개의 정합층(pyrex, plexiglass) 또는 1개의 정합층(plexiglass)으로 마련될 수 있다.

특히, 도 5를 참조하여, 압전소자(120)에서 발생된 음파가 정합층을 거쳐 부하로 전달되는 과정을 확인할 수 있다.

매질(Ⅰ)에서 입사파와 반사파의 음압은 다음과 같다. 여기서, 투과율이 1이 되는데, 투과율이 1이란 압전재의 임피던스와 부하 임피던스의 기하 평균 임피던스를 갖는 1/4 파장 두께의 정합층을 사용하였을 때, 압전소자(120)에서 발생시킨 탄성에너지가 매질(Ⅲ) 까지 이론적으로 음향에너지의 완전한 전달이 가능해진다는 의미이다.

이때, Z₁은 압전재의 음향 임피던스이고,

Z₂는 정합층의 음향 임피던스이고,

Z₃은 물의 음향 임피던스이고,

λ는 물의 파장이고,

L은 정합층의 두께이다.

예를 들어, 압전소자(120)인 PZT C-91의 음향 임피던스는 약 34MRayL 이며, 물의 음향 임피던스는 약 1.5MRayL 로 계산된 Z₂의 값은 7.1 MRayL 이다.

현실적으로 약 7MRayL이 되는 정합층의 재료를 구하기 힘들어 3.5MRayL을 가지는 plexiglass로 대체하였으며, 정합층이 음향 렌즈(140)의 역할 또한 하게 될 수 있다.

또한, 압전소자(120)의 타면 및 케이스(110)의 타단 사이에는 후면재(150)가 배치될 수 있다.

상기 후면재(150)는 압전소자(120)의 뒷부분에 위치하여 압전소자(120)의 진동을 제한하는 댐퍼 역할을 하며, 초음파 변환기(100)의 분해능과 대역폭을 넓히는 역할을 한다.

후면재(150)의 음향 임피던스는 압전소자(120)의 음향 임피던스와 같은 값을 갖도록 하여 음파가 완전히 투과되도록 하거나 용도에 따라 후면재(150)의 음향 임피던스를 조절하여 사용한다.

예를 들어, 후면재(150)의 재질은 후면재(150)의 임피던스 조절할 필요 없이 에폭시로 마련될 수 있다.

또한, 도 3을 다시 참조하여, 전술된 압전소자(120) 및 온도센서(130)에는 신호선(C)이 연결될 수 있다.

구체적으로, 신호선(C)은 압전소자(120) 및 온도센서(130)에 각각 연결되고 케이스(110) 내에서 통합되어 케이스(110)의 타단을 관통하여 연장될 수 있다.

이때, 신호선(C)은 후면재(150) 내에서 두 개의 신호선으로 분리된 상태이며, 케이스(110)의 타단을 향하는 내부 케이스(112)의 면에서 두 개의 신호선이 통합될 수 있다.

도 6을 참조하여, 초음파 변환기(100)는 전술된 케이스(110), 압전소자(120), 온도센서(130), 음향 렌즈(140), 정합층(미도시) 및 후면재(150)를 통해 다음과 같이 제작될 수 있다.

우선, 정합층과 내/외부 케이스(110)를 압전소자(120)에 연결한다. 그런 다음, 온도센서(미도시)를 압전소자(120)의 중앙 부분에 삽입한 후, 후면재(150)를 도포한다. 마지막으로, 온도센서의 신호선(C)과 압전소자의 신호선(C)을 한 개의 신호선으로 통합시킨다.

도 7을 참조하여, 상기 초음파 변환기(100)는 케이스(110)에 장착되는 방열판(160)을 더 포함할 수 있다.

상기 방열판(160)은 케이스(110)의 과열을 방지하기 위한 것으로서, 예를 들어 환형으로 마련되어, 케이스(110)가 방열판(160)의 중앙에 관통될 수 있다.

또한, 방열판(160)에는 복수 개의 냉각핀(162)이 구비될 수 있다.

상기 복수 개의 냉각핀(162)은 케이스(110)의 중심축으로부터 방사상 방향으로 연장된 형태로 마련될 수 있다.

예를 들어 복수 개의 냉각핀(162)은 10mm의 길이를 구비하며 네 개로 마련될 수 있으나, 복수 개의 냉각핀(162)의 크기 및 개수는 이에 국한되지 아니하며, 케이스(110)의 과열을 효과적으로 방지할 수 있다면 어느 것이든지 가능하다.

또한, 효율적인 방열을 위해서 방열판(160)은 열전도도가 우수한 알루미늄으로 제작될 수 있다.

전술된 방열판(160)은 방열판(160)의 내주면에 서멀 그리스(thermal grease)를 도포한 후에, 케이스(110)를 방열판(160)의 내주면에 삽입함으로써, 케이스(110)와 결합될 수 있다.

초음파 변환기(100)는 약 30분 이상 동안 지속적으로 초음파를 발생시켜야 하기 때문에, 초음파 변환기(100)의 과열을 방지하기 위한 방열 대책이 필요하다. 따라서 초음파 변환기(100)의 주위에 접촉하여 방열할 수 있는 방열판(160)의 구조를 유한요소설계 기법을 이용하여 설계하고 제작하였다.

특히 도 8(a)를 참조하여, 방열판이 없을 때의 초음파변환기의 내부 온도 변화를 예측할 결과 압전소자에서 열이 집중적으로 발생하며, 음향 렌즈를 제외한 다른 부분으로 열이 전달되는 것으로 확인할 수 있다. 또한, 300초의 연속적인 가열에서 압전소자의 온도가 90도 이상으로 상승하는 것으로 나타났으며, 이러한 온도 상승은 압전소자의 성능에 영향을 미칠 수 있다.

반면, 도 8(b)를 참조하여, 케이스에 방열판을 장착한 후에 도 8(a)와 동일한 조건에서의 온도 변화를 예측한 결과, 냉각핀의 길이가 길어짐에 따라 열전달 특성이 우수한 것으로 나타났다. 특히, 도 8(b)는 냉각핀이 10mm일 때의 온도 예측 결과로써, 300초의 연속적인 가열에는 케이스의 온도가 54도까지 증가하는 것으로 예측되었다.

그러나, 이러한 시뮬레이션 결과를 통해서 방열판(160)을 장착하더라도 초음파 변환기(100)의 구동 시간이 길어짐에 따라 초음파 변환기(100)의 내부 온도는 성능에 영향을 미칠 만큼 상승하게 된다. 따라서 이를 방지하기 위해서는 초음파 변환기(100)의 방열판(160) 장착 이외에 다른 방법이 필요하다. 이를 위해서 전술된 바와 같이 초음파 변환기(100)의 내부에 온도센서(130)를 내장하고 초음파 변환기(100)의 내부 온도를 기반으로 하는 Tone-burst 신호의 출력의 제어 알고리즘, 예를 들어 초음파 변환기의 과열 방지 알고리즘을 파워스테이션(200)에 내장하였다.

다시 도 1 및 2를 참조하여, 전술된 초음파 변환기(100)에는 파워스테이션(200)이 전기적으로 연결될 수 있다.

상기 파워스테이션(200)에서는 교류 전력 파형을 발생시킬 수 있으며, 파워스테이션(200)에서 발생된 교류 전력 파형에 의해 초음파 변환기(100)에서 초음파가 발진될 수 있다.

구체적으로, 상기 파워스테이션(200)은 파형 발생부(210), 온도센서 증폭 회로(220), 파워 앰프(230), 입력 패널(240), 디스플레이(250) 및 전력 공급원(260)을 포함할 수 있다.

상기 파형 발생부(210)는 초음파 변환기를 구동하기 위해서 교류 전력 신호를 생성하는 장치이며, 예를 들어 다음의 사양을 만족하도록 설계될 수 있다.

출력 주파수는 0.8-1.2 MHz 대역이며, Tone-burst 파형은 PRF은 1-10 Hz 범위에서, duration time은 1-99% 범위에서 조절 가능하다. 또한, 온도센서를 통해 입력되는 신호를 통해서 25-60 ℃ 범위에서 온도 모니터링이 가능하다.

또한, 상기 파형 발생부(210)는 컨트롤러(212), CPLD(Complex Programmable Logic Device; 214) 및 드라이버(driver; 216)를 포함할 수 있다.

상기 컨트롤러(212)는 tone-burst waveform의 설정값을 입력하고, 입력값을 디스플레이하기 위한 사용자 인터페이스, 온도센서의 출력 및 feedback control, CPLD의 제어를 담당할 수 있다.

상기 CPLD(214)는 Controller의 입력값을 이용하여 tone-burst 파형을 출력할 수 있다.

상기 드라이버(216)는 CPLD에서 출력되는 신호를 파워앰프의 구동에 필요한 수준의 전압으로 증폭하는 기능을 수행할 수 있다.

도 10을 참조하여, 단일 기판(218) 상에 컨트롤러(212), CPLD(214) 및 드라이버(216)가 구현될 수 있다.

또한, 기판(218)에는 복수 개의 포트가 구비될 수 있다.

예를 들어, 기판(218)에는 사용자에 의해 교류 전력 파형의 설정값이 입력되는 인터페이스 포트(2182), 온도센서에서 측정된 신호가 입력되는 온도센서 포트(2184); 교류 전력 파형을 초음파 변환기(100)에 출력시키는 출력 포트(RF-output port; 2186); 파워스테이션(200)의 현재 상태가 표시되는 디스플레이와 연결되는 디스플레이 포트(2188)가 구비될 수 있다.

구체적으로, 입력 사용자 인터페이스 포트(2182)에 연결되는 입력 패널(240; keypad)를 이용하여 tone-burst 파형의 설정값을 입력할 수 있으며, 그 결과는 디스플레이 포트(2188)에 연결되어 있는 디스플레이(250)를 통해 확인할 수 있다. CPLD(214)를 통해 생성되어 부스팅된 Tone-burst 파형은 출력 포트(2186)를 통해 출력된다. 이때, RF 신호 전송의 안정성을 확보하기 위해서, 출력 포트(2186)는 50Ω SMA 단자로 구성될 수 있다.

또한, 도 11을 참조하여, 컨트롤러(212)의 구동 로직(logic)은 다음과 같이 구동될 수 있다.

파형 발생부(210)에 전원을 인가하면, 초기에 출력 주파수, PRF, Duration time 등을 설정하도록 되어 있으며, "실행(RUN)" 명령을 통해 "파형 발생(Waveform generating)"이 구동된다. "파형 발생" 모드가 작동이 되면 RF-output에서 파워 앰프를 구동할 수 있는 Tone-burst 파형이 발생한다. 반면, "정지(stop)" 명령이 입력되면 "파형 발생" 모드가 작동되지 않게 된다.

또한, 컨트롤러(212)에는 초음파 변환기의 과열 방지 알고리즘이 내장될 수 있다.

상기 과열 방지 알고리즘은 초음파 변환기(100)의 온도를 기반으로 하는 피드백(feedback) 출력 제어를 구현한 것이다.

도 12를 참조하여, 과열 방지 알고리즘은 다음과 같이 구동될 수 있다.

“파형 발생(Waveform generating)"이 구동되고 있는 동안, 초음파 변환기(100)에 장착되어 있는 온도센서(130)를 통해 온도를 모니터링 할 수 있다.

이때, 과열 방지 알고리즘에는 온도의 상한값(TEMP_HI) 및 하한값 (TEMP_LO)이 미리 설정되어 있으며, 온도센서(130)에서 측정된 온도 데이터가 상기 상한값을 초과하면 파워스테이션의 작동이 오프(off)되고, 상기 온도센서(130)에서 측정된 온도 데이터가 상기 하한값 이하가 되면 상기 파워스테이션(200)의 작동이 온(on)으로 변환될 수 있다.

구체적으로, 파워스테이션(200)의 작동이 오프(off)가 되면, 파형 발생부(210)에서 파형이 발생되지 않고, 파워스테이션(200)의 작동이 온(on)으로 되면, 파형 발생부(210)에서 파형이 발생될 수 있다.

또한, 이때, 온도의 상한값(TEMP_HI) 및 하한값 (TEMP_LO)은 파워스테이션(200)의 작동을 제어하는 온도 피드백 기준이 될 수 있다.

이와 같이 초음파 변환기(100)에 구비된 온도센서(130)에 의해 파워스테이션(200), 특히 파형 발생부(210)의 작동이 실시간으로 제어될 수 있어, 초음파 변환기(100)의 과열이 효율적으로 방지될 수 있다.

게다가, 파형 발생부(210)의 작동이 실시간으로 제어됨에 따라, 초음파 변환기(100)에서 특정 시간, 예를 들어 온열 자극에 요구되는 시간 동안 일정하게 초음파가 발진될 수 있다.

이와 같이 일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템은 초음파 변환기에 구비된 온도센서에 의해 압전소자 주위의 온도 또는 초음파 변환기 내부 온도 측정이 가능하여, 초음파 변환기 자체의 과열을 방지할 수 있으며, 컴팩트한 구조로 마련되고 조작이 용이하여 사용자에 대한 편의성이 향상되어 뜸 치료 대체용으로 활용될 수 있다.

이상 일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템에 대하여 설명되었으며, 이하에서는 일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템의 제어 방법에 대하여 설명된다.

도 13은 일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템의 제어 방법을 나타내는 순서도이고, 도 14는 가열 및 냉각 비 조절에 의한 최종 온도 곡선을 도시한다.

도 13을 참조하여, 일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템은 다음과 같이 제어될 수 있다.

우선, 교류 전력 파형을 발생시키는 파워스테이션 및 상기 파워스테이션에서 발생된 교류 전력 파형으로부터 초음파를 출력하는 초음파 변환기를 포함하는 비침습 온열 자극 시스템이 제공된다(S10).

그런 다음, 초음파 변환기가 대상체의 피부 표면 상에 배치된다(S20).

이어서, 파워스테이션에서 발생된 교류 전력 파형에 의해 초음파 변환기에서 초음파가 출력된다(S30).

이에 의해 대상체의 피부 표면이 연속 가열된다(S40).

구체적으로, 파워스테이션은 초음파 변환기의 내부 온도가 목표 온도에 도달될 때까지 지속적으로 교류 전력 파형을 발생시킬 수 있고, 초음파 변환기를 통해서 초음파가 지속적으로 발진될 수 있다.

예를 들어 30분(1800초) 동안 온열 자극이 가해지는 경우, 초기 180초 동안 대상체의 피부 표면이 연속적으로 가열되어, 목표 온도(42 내지 45℃)에 도달될 수 있다.

이때, 초음파 변환기의 내부 온도가 상기 목표 온도에 도달되면 파워스테이션의 작동이 오프(off)로 될 수 있다.

이어서, 초음파 변환기에 구비된 온도센서에 의해 초음파 변환기의 내부 온도가 측정된다(S50).

이때, 초음파 변환기에 구비된 온도센서에 의해 초음파 변환기의 내부 온도가 실시간으로 측정될 수 있다.

그런 다음, 상기 측정된 초음파 변환기의 내부 온도에 의해 상기 파워스테이션의 작동이 제어된다(S60).

구체적으로, 온도센서로 측정된 초음파 변환기의 내부 온도에 의해 초음파에 의한 가열 및 냉각의 비율이 조절될 수 있다. 이때, 초음파에 의한 가열 및 냉각의 비율은 상기 파워스테이션에서 상기 교류 전력 파형을 발생시키는 시간 및 상기 파워스테이션에서 전원이 오프(off)되거나 전력이 감소된 시간의 비율의 조절에 의해 조절될 수 있다.

예를 들어, 초음파 변환기에서 초음파 출력 조건을 25%G로 설정할 때, 180초 후 목표 온도에 도달하였고, 180초 가열 후 자연냉각에 따른 온도 곡선 분석 결과 파워 조절 구간에서 온도 상승/하강 곡선이 직선형을 보이고 약 3:1의 비율을 이루었다. 따라서 가열 및 냉각 비를 1:3부터 순차적으로 조절하여 온도 평형 조건을 탐색할 수 있다.

초기 연속 가열 후 1℃ 편차 내에서 30분 동안 온도 유지 조건은 다음과 같이 실험을 통해 확립될 수 있다.

초기 180초 동안 대상체의 피부 표면이 연속적으로 가열된 후에, 180-300초 구간에는 가열과 냉각의 비율이 1:2가 되게 하고, 300-1200초 구간에는 가열과 냉각의 비율이 1:3이 되게 하고, 1200-1800초 구간에는 가열과 냉각의 비율이 1:4가 되게 한다.

구체적으로, 180-300초 구간에는 1/2 동안 초음파를 발진시키고, 1/2 동안 파워스테이션을 오프로 하여 초음파를 발진시키지 않는다. 300-1200초 구간에는 1/3 동안 초음파를 발진시키고, 2/3 동안 파워스테이션을 오프로 하여 초음파를 발진시키지 않는다. 1200-1800초 구간에는 1/4 동안 초음파를 발진시키고, 3/4 동안 파워스테이션을 오프로 하여 초음파를 발진시키지 않는다.

그러나, 가열과 냉각 비율을 조절하는 방법은 이에 국한되지 아니하며, 가열과 냉각의 비율을 조절하여 초음파 변환기의 내부 온도 또는 대상체의 피부 표면 온도를 일정하게 유지시킬 수 있다면 어느 것이든지 가능하다.

이러한 온도센서로 측정된 초음파 변환기의 내부 온도 피드백에 의한 파워스테이션의 작동 제어를 통하여, 도 14에 도시된 바와 같이, 최종 온도 곡선이 도출될 수 있다.

이때, 목표 온도는 화상에 의한 위험 및 온열 효과를 종합적으로 고려하여 적정 온도 범위를 42 내지 45℃로 설정할 수 있으며, 사람의 체온이 36℃ 정도인 것을 고려하면 체표에서의 온도를 기준으로 6±1 ℃의 온도 상승이 적절하다.

또한, 파워스테이션에는 전술된 온도 유지 조건, 즉 초음파에 의한 가열 및 냉각의 비율이 미리 설정되고, 초음파에 의한 온열 자극 중에 온도센서에서 측정된 초음파 변환기의 내부 온도에 의해 실시간으로 초음파에 의한 가열 및 냉각의 비율이 조절될 수 있음은 당연하다.

이하에서는 일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템의 안정성에 대한 실험 데이터에 대하여 설명된다.

도 15는 일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템에 의한 피하 및 심부의 온도 변화를 도시하고, 도 16은 일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템에서 온도 피드백 조건에 따른 온도 변화를 도시하고, 도 17은 일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템에 의한 온열 자극 전후의 열화상 이미지를 도시하고, 도 18은 일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템에 의한 백서 피부조직의 변화를 도시한다.

일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템은 초음파 변환기의 발열로 인한 과잉 열자극을 억제하기 위해, 초음파 변환기에 방열판을 부착하고 초음파 변환기의 온도를 피드백 하여 파워스테이션의 출력을 제어한다.

초음파 변환기의 온도 피드백 기준은 45-48℃로 하고, 초음파 변환기의 온도가 48℃에 이르면 초음파 출력을 끊고 초음파 조사를 멈추게 된다. 자연냉각에 의해 초음파 변환기의 온도가 45℃까지 내려가면 파형 발생부에서 다시 파형을 초음파 변환기에 송출한다.

이는 초음파 변환기의 발열에 의해 피부가 화상을 입지 않도록 하는 것이다. 이 과정에서 초음파 출력이 연속적이지 않고 부분적 단절 현상이 생기기 때문에 타깃 조직에 충분한 에너지가 전달되는지 온도 프로파일 확인이 필요하다.

일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템의 측정 조건은 1MHz 주파수에서 PRF(pulse repetition frequency; 펄스 반복 주파수)는 10Hz로 하였고 P/N을 10, 30, 50, 75, 100%로 변화시켰다. 온도 측정은 피하(3mm 깊이)와, 심부(15mm 깊이)에서 이루어졌다.

도 15를 참조하여, 심부에서는 P/N에 관계없이 유효한 온도 상승이 이루어지지 않았다. 실제로 침을 삽입할 경우 경혈의 깊이는 1-2cm 까지도 고려하나 뜸 치료가 체표에서만 이루어지므로 뜸 시술 시와 동일한 조건하에 유효성을 평가해야 한다. 뜸의 경우 유효 온도 변화 깊이가 2-3mm 이므로 심부에서 온도 상승이 유효하게 일어나지 않은 것은 비침습 온열 자극 시스템 성능에 관련이 없다.

또한 뜸과 마찬가지로 조직 심부 깊숙이 열을 전달하여 내부에서 조직의 변형이 발생할 가능성이 없음을 확인하였다. 피하에서의 온도 변화를 보면 P/N이 10, 30 일 때는 유효하게 상승하지 않고 50 이상에서는 유의한 차이 없이 상승하는 것을 확인할 수 있다.

따라서 비침습 온열 자극 시스템 사용 시 P/N은 50% 이상을 유지해야 유효하다.

온도 곡선을 보면 약 15분 정도 후에 열평형을 이루는 것을 확인할 수 있다. 최종 변화 온도는 피하에서 약 7 ℃로 적정 온도 범위에 속한다.

이상의 온도 프로 파일 결과를 통해 비침습 온열 자극 시스템의 열자극 및 온도 피드백 시스템이 정상적으로 작동하는 것을 알 수 있다.

일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템의 열자극이 단순 초음파 변환기 발열의 전도인지 초음파 에너지의 변환인지를 파악하는 것은 시작품의 성능을 평가하는데 주요 요인이 된다. 초음파 변환기의 발열이 전도되는 것이라면 굳이 복잡하게 초음파를 활용할 것 없이 열선을 이용하는 것이 온도 제어도 용이하고 생산비 절감 효과도 높다.

초음파를 사용하는 것은 체표뿐만 아니라 피하까지 열을 고르게 전달하고 초음파의 약물 흡수 효과를 이용하여 뜸의 효능을 대체하기 위한 것이다. 따라서 시작품의 열자극이 단순 변환기 발열에 의한 것인지 아닌지를 확인해야 한다.

이를 위해 열전달 소스 확인을 위한 실험을 수행하였다.

일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템의 측정 조건은 1MHz 주파수에서 PRF 10Hz, P/N 50%로 하였으며 온도 피드백 조건을 45-48℃와 50-55℃로 설정하여 비교하였다. 온도 측정 위치는 표면과 2mm 깊이 지점이다.

도 16을 참조하여, 두 조건이 유의한 차이 없이 동일한 온도 변화를 일으키는 것을 확인할 수 있다.

만약 초음파 변환기의 발열의 전도에 의해 조직에 열이 전달되는 것이라면 초음파 변환기의 온도가 높은 조건에서 조직의 온도 상승은 더 빠르고 높아야 하나 그렇지 않은 것으로 보아 단순 초음파 변환기 발열의 전도에 의한 열 전달이 아닌 것을 확인 할 수 있다.

2mm 깊이에서 50-55℃ 피드백 조건의 초기 온도 상승이 빠른 것은 초음파 변환기가 발열되어 power off 조건에 도달하는데 더 많은 시간이 걸려 더 긴 시간 동안 조직을 가열하기 때문이다.

피드백 범위 도달 이후에는 두 조건에서 초음파 발진 기간(duration)이 동일하기 때문에 동일한 빠르기와 양의 온도 상승이 이루어진다. 이는 표면과 2mm 깊이에서 일관성 있게 나타난 결과이다.

이로써 일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템이 초기 설정한 목표에 잘 부합하도록 제작되었음을 확인할 수 있다.

또한, 온도 프로파일 측정에서 중요한 또 한 가지는 정확한 열자극 지점 확인이다. 위의 측정은 모두 초음파 변환기 중심과 동축 상에서 이루어졌기 때문에 비침습 온열 자극 시스템의 열자극 유효 범위의 횡적 지표를 알 수 없다. 즉, 경혈의 중심을 기준으로 하여 몇 mm까지 옆으로 벗어나도 유효 경혈 자극 범위에 속하는지 확인해야 한다. 이는 횡 방향으로 여러 지점에서 온도를 측정해야 하는데 개별적인 온도센서를 조직에 횡으로 여러 개 삽입하면 초음파 전달에 영향을 미치기 때문에 정확한 측정이 어렵다. 따라서 열화상 카메라를 이용한 표면 온도 분포를 비교함으로써 유효 열자극 범위를 측정하였다.

도 17을 참조하여, 자극 전 중심 온도가 25.1℃에서 자극 후 31.6℃까지 6.5℃의 온도 상승을 이루었다.

그런데 자극 중심에서 방사형으로 멀어질수록 온도가 낮아지는 것을 볼 수 있다. 즉, 비침습 온열 자극 시스템의 열전달은 중심에서 주로 이루어진다는 것이다.

또한, 자극 후 대퇴부 온도 분포를 X-축에 나란한 방향으로 투영하여 나타내면, 온도가 가장 높은 지점이 초음파 변환기의 중심이고, 이 중심에서 7mm 이내가 유효 온도 범위에 속해 있는 것을 확인할 수 있다. 따라서 비침습 온열 자극 시스템의 유효 열자극 범위는 7mm이다.

도 18을 참조하여, 비침습 온열 자극 시스템을 이용하여 30분, 1시간 및 2시간 동안 자극한 후 육안으로 관찰 시 발적, 종창, 탈락, 수포 등 화상으로 볼 수 있는 징후가 없었으며, H&E 염색 및 MT 염색 결과, 상용 간접구에서 발견되는 화상 특유의 조직학적 특성인 피부 진피층 조직구조의 파괴, 화상 변연부에서 관찰되는 구축성 손상, 표피부의 탈락/손상 및 collagen 성분의 용해 흔적이 발견되지 않았다.

현재 추정하고 있는 초음파 뜸 기기 권장 시술 시간은 30분으로, 30분을 넘어서게 되면 오히려 치료효과가 감소하게 된다. 따라서 초음파 뜸 기기는 30분을 넘지 않게 시술하도록 안내될 것이나 시술자의 실수 혹은 일반인의 무지에 의해 30분 이상 초음파를 이용한 열자극이 인가되었을 때 피부 및 피하조직에 열 또는 초음파 진동으로 인한 조직손상이 발생할 수 있는지를 확인하기 위해 1시간과 2시간 동안 초음파 뜸 기기를 시술하였고, 실험 결과 다소 시간이 지체되더라고 일 실시예에 따른 비침습 온열 자극 시스템을 이용한 시술로 피부에 화상 또는 물리적 손상이 발생할 가능성은 매우 낮음을 확인할 수 있었다.

이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10: 비침습 온열 자극 시스템
100: 초음파 변환기
110: 케이스
120: 압전소자
130: 온도센서
140: 음향 렌즈
150: 후면재
160: 방열판
200: 파워스테이션
210: 파형 발생부
220: 온도센서 증폭 회로
230: 파워 앰프
240: 입력 패널
250: 디스플레이
260: 전력 공급원

Claims

아크릴 소재로 마련된 내부 케이스 및 알루미늄 소재로 마련된 외부 케이스를 포함하는 케이스;
상기 케이스의 전단에 고정되어 초음파를 발생시키는 압전소자;
상기 압전소자의 전방에 장착되어 상기 압전소자에서 발생된 초음파를 집속시키는 음향 렌즈; 및
상기 케이스 내에 고정되어 상기 압전소자의 중앙 주위 온도를 실시간으로 측정하는 온도센서;
를 포함하고,
상기 압전소자의 중앙 부분에 상기 온도센서가 삽입 장착되고,
상기 케이스의 중심축 상에 상기 압전소자, 상기 음향 렌즈, 및 상기 온도센서가 배치되고,
상기 음향 렌즈의 중앙에는 관통홀이 형성되고,
상기 온도센서의 일면은 상기 관통홀을 통해 외부에 노출되고,
상기 음향 렌즈는 상기 압전소자에서 발생된 초음파를 대상체의 피부 표면 상의 특정 지점에 집속시키고, 상기 대상체의 피부 표면 상의 특정 지점은 상기 온도센서의 일면과 마주보도록 배치되고,
상기 케이스의 과열을 방지하고 자연 냉각시키기 위해 복수 개의 냉각핀이 구비된 방열판을 더 포함하고, 상기 방열판은 환형으로 마련되어 상기 케이스가 관통되며, 상기 방열판에는 상기 케이스의 중심축으로부터 방사상 방향으로 연장된 형태로 마련된 복수 개의 냉각핀이 구비되고,
상기 온도센서에서 측정된 상기 압전소자의 중앙 주위 온도 데이터가 목표 온도에 도달되면 상기 압전소자에 의한 초음파 발생이 정지되고, 상기 온도센서에서 측정된 상기 압전소자의 중앙 주위 온도에 기초하여 상기 초음파에 의한 가열 및 냉각의 비율이 조절되며,
초음파 발생 정지 후 상기 압전소자의 자연 냉각에 따른 온도 곡선을 분석하여 상기 가열 및 냉각의 비율을 순차적으로 조절하여 온도 평형 조건을 탐색하고, 상기 가열 및 냉각의 비율이 시간 구간별로 일정하게 유지되어, 특정 시간 동안 상기 온도센서에서 측정된 상기 압전소자의 중앙 주위 온도 데이터가 상기 목표 온도에서 유지되는 초음파 변환기.
제1항에 있어서,
상기 압전소자 및 상기 온도센서에 각각 연결된 신호선은 상기 케이스 내에서 통합되어 상기 케이스의 타단을 관통하여 연장되는 초음파 변환기.
제1항에 있어서,
상기 압전소자의 일면 및 상기 음향 렌즈 사이에 배치된 정합층; 및
상기 압전소자의 타면 및 상기 케이스의 타단 사이에 배치된 후면재;
를 더 포함하고,
상기 후면재는 상기 온도센서가 상기 압전소자에 장착된 후에 상기 케이스 내에 도포되는 초음파 변환기.