A Study on Effectiveness of Application of the IEC 61689 Standard to Ultrasonic Physiotherapy Systems with Frequency Range over 5MHz

학 술 논 문

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5MHz 초과 초음파자극기에 대한

IEC 61689 규격 적용의 유효성에 관한 연구

윤주신

·최기상

1한국산업기술시험원 의료기기평가센터, ²서울시립대학교 전자전기컴퓨터공학부

A Study on Effectiveness of Application of the IEC 61689 Standard to Ultrasonic Physiotherapy Systems with

Frequency Range over 5MHz

Ju-Shin Youn

and Gi Sang Choi

1

Medical Device Evaluation Center, Korea Testing Laboratory

2

Dept. of Electrical and Computer Engineering, University of Seoul (Manuscript received 10 June 2015; revised 25 June 2015; accepted 30 June 2015)

Abstract: Ultrasonic physiotherapy systems should comply with IEC 60601-2-5(particular requirements for safety of ultrasonic physiotherapy equipment) standard for safety of patients and clinical performances. One of the most important parameters in the standard is the effective radiating area ( A

). It has to be measured in accordance with IEC 61689 (field specifications and methods of measurement in the frequency range 0.5MHz to 5MHz). Typical ultra- sonic physiotherapy system works in the frequency range 1MHz ~ 3MHz to comply with the IEC 61689. However, ultrasonic physiotherapy system using frequencies over 5MHz is out of the IEC 61689’s scope. That is, even if such ultrasonic physiotherapy systems are developed by demands of the market, there is no standard to apply. It is the motivation for this study. Whereas there are other parameters to be considered, this study focuses on the effective radiating area and shows effectiveness of applying IEC 61689 in measuring effective radiating area of ultrasonic phys- iotherapy systems using frequency range over 5MHz by comparing the results of computer simulation and exper- iment. Results of this study shows that applying the IEC 61689 standard to ultrasonic physiotherapy system using frequency range over 5MHz is possible.

Key words: ultrasonic physiotherapy system, effective radiating area, IEC 61689

I. 서 론

식품의약품안전처의 분류에 따르면 초음파자극기(ultra- sonic physiotherapy equipment) 는 ‘20 kHz 이상의 초음 파 에너지를 인체에 가하여 통증의 완화 등에 사용하는 기 구’로 정의된다[1]. 초음파자극기의 트랜스듀서에서 발생한 초음파는 일정한 거리까지 트랜스듀서에 수직방향으로 진행

을 하다가 일정한 거리가 되면 넓게 확장하는 특성을 갖는 다. 이렇게 초음파의 음장이 급속히 확장되는 지점까지의 거 리를 근위장(near field)라 하고, 그 지점 이후를 원위장(far field) 이라고 한다. 트랜스듀서에서 가까운 근위장에서는 간 섭현상이 심하여 강도가 균일치 못한 특징이 있으나, 원위 장에서는 급격하게 감쇠현상이 일어나므로 치료에는 근위장 의 에너지를 이용한다.

초음파자극기의 주파수는 대게 0.5MHz ~ 5MHz정도인 데 초음파가 매질을 통과하면서 원래 크기의 반으로 줄어드 는 거리인 반가층은 주파수가 높을수록 짧아지고, 주파수가 낮을수록 길어진다. 즉 주파수가 낮을수록 멀리까지 에너지 전달이 가능하다. 따라서 1~2 cm 깊이의 환부에는 3.0MHz Corresponding Author : Gi Sang Choi

Dept. of Electrical and Computer Engineering, University of Seoul, 163 Seoulsiripdaero, Dongdaemun-gu, Seoul 130- 743 Korea

TEL: +82-2-6490-2323, E-mail: [email protected]

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주파수 정도의 초음파자극기를 사용하며, 4 cm 이상 깊이 의 환부에는 1.0MHz 주파수 정도의 초음파자극기를 사용 한다[2].

초음파자극기의 초음파출력(P)은 대게 15W 이내이며 IEC 60601-2-5 규격에 의해 단위 유효방사면적(A

) 당 초 음파출력을 의미하는 최대유효강도가 3 W/cm

를 초과하지 말아야 한다[3]. 그리고 이러한 규격의 만족여부 측정방법은 IEC 61689 에 규정되어 있다. 그런데 이 규격은 0.5~5MHz 의 주파수를 사용하는 초음파자극기에 대해서만 적용하도록 되어 있다. 즉, 1 cm 미만의 표층부를 치료하기 위해 5MHz 이상의 초음파주파수를 이용하는 초음파자극기가 개발될 경 우 IEC 61689의 시험방법을 적용할 수 없는 문제가 있다.

지금까지 IEC 61689 규격에 의한 초음파자극기의 유효방 사면적이나 빔불균질비 측정과 관련하여 측정불확도에 대한 연구[4]나 시판중인 초음파자극기에 대해 초음파 특성들이 실제 표명하고 있는 수치와 어느 정도 차이가 나는지에 대 한 연구[5]는 있었으나, 이 규격의 적용범위에서 벗어나는 초음파주파수를 사용하는 초음파자극기에 대하여 이 규격의 적용가능 여부를 알아보는 연구는 없었다.

본 연구에서는 1.0MHz, 3.5MHz 트랜스듀서와 7.5MHz 트랜스듀서에 대해 유효방사면적과 근위장의 길이를 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 그리고 IEC 61689규격에 따른 실험에 의해 구해본다. 그리고 7.5MHz 트랜스듀서에 대한 시뮬레 이션 결과와 실험에 의한 실측치의 차이를 1.0MHz, 3.5 MHz 트랜스듀서의 경우와 비교해 본다. 그리하여 5MHz 이상의 초음파주파수를 사용하는 초음파자극기에 대해서도 IEC 61689 규격을 적용하여 유효방사면적과 근위장의 길 이를 측정하는 것에 타당성이 있는지를 알아보고자 한다.

II. 유효방사면적, 초음파출력 그리고 근위장 길이의 측정

초음파의 출력 및 유효방사면적을 구하는 방법으로는 온 도센서를 이용하는 방법, Schlieren 방법, Sarvazyan 방법, 컴퓨터를 이용한 광학적 토모그래피(tomography), IR 서 모그래피(thermography)등 다양한 방법이 연구되었으나, 현재 가장 정확한 방법은 IEC 61689 규격에 에 따라 하이 드로폰(hydrophone)을 사용하는 방법이다[6].

IEC 61689 국제규격에 따르면 유효방사면적은 트랜스듀 서 표면에서 3 mm 떨어진 지점에서 초음파 진행방향에 수 직인 평면에 일정한 간격으로 배열된 포인트들의 음압을 측 정하여 그 제곱의 합을 구하고, 내림차순으로 정리한 후, 총 합의 75%가 되는 지점까지의 포인트의 숫자를 구하고 한 포인트 당 면적에 곱해서 빔단면적(beam cross-sectional area) 를 구하고 여기에 변환상수 4/3을 곱한 것으로 정의된다.

한편, 초음파트랜스듀서의 방사력(radiation force)은 정 밀저울을 이용해 측정하며 환산공식을 이용해 초음파출력으 로 변환할 수 있다. 측정 시에는 초음파 방사력을 완전히 받 아낼 수 있는 타겟이 중요한데, 음장보다 더 큰 면적을 가 지고 있어야 하며, 타켓의 형식으로는 반사식 타겟(re- flecting target) 과 흡수식 타겟(absorbing target)이 있다.

또한 반사식 타켓은 볼록(convex)형과 오목(concave)형으 로 나뉘며 상용화된 측정기들은 대부분 반사식 볼록형 (reflecting convex type) 으로 제작되어 있다[7].

반사식 타켓의 경우에는 C 가 매질에서의 음속, F 가 방 사력, θ 가 초음파 빔의 진행방향과 반사식 타겟 표면이 이 루는 각일 때 Eq. (1)과 같이 초음파출력을 결정할 수 있다.

그리고 반사식 타겟은 타겟에 부딪히고 반사된 초음파 빔들 이 모두 흡수될 수 있도록 수조벽에 흡수체를 설치해야 하 며 공동현상(cavitation) 발생을 막기 위해 탈기된 물을 사 용해야 한다.

(1)

초음파트랜스듀서가 작동할 때 트랜스듀서의 표면 위에 있는 모든 점들이 초음파의 근원이 되며, 이 모든 점들에서 발생한 파동들이 서로 중첩, 상쇄과정을 거쳐 초음파 빔의 음장특성이 형성된다. 트랜스듀서와 가까운 근위장에서는 빔 의 직진성이 강하며, 진행방향으로 최소음압과 최대음압으 로의 교차가 심한 특징을 보인다. 또, 빔 축에 수직인 평면 상의 음압분포도 회절과 간섭현상으로 인해 중심점을 기준 으로 음압의 최대, 최솟값이 반복되어 잔잔한 수면 위에 돌 을 던졌을 때 발생하는 동심원과 같은 양상을 보인다. 그러 나 원위장에서는 초음파 빔이 발산하며, 초음파의 강도가 거 리에 따라 단순하게 지수적으로 감소한다. 그리고 빔 축에 수직인 평면상의 음압분포도 근위장과는 달리 최대, 최소음 압의 동심원들이 없어지고, 빔 축을 중심으로 최대음압이 나 타나며 빔 축에서 멀어질수록 음압이 지수적으로 감소한다.

따라서 근위장의 길이는 빔 축 방향으로 움직이며 음압분포 를 측정하여 결정할 수 있다. 여기서 이동 스텝의 최소거리 는 초음파의 한 파장보다 짧게 해야 하며, 국제규격에서는 최대 0.5 mm로 제한하고 있다.

III. 실험장치 및 방법

1. 트랜스듀서

실험에는 각각 1.0MHz, 3.5MHz 그리고 7.5MHz의 공 칭주파수를 갖으며 그 외 사양은 같은 Olympus V314, V381, 그리고 V321 초음파 트랜스듀서를 이용하였다. 각 트랜스듀서의 사양은 표 1과 같다. 이 표에서 나온 공기 중

P cF 2cos

θ ---

=

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에서의 임피던스, 저항, 정전용량(capacitance), 어드미턴스 (admittance) 와 공진주파수는 Agilent 4294A 임피던스 어 낼라이저(impedance analyzer)를 이용하여 직접 측정하 였다.

2. 초음파출력의 측정

주파수를 정밀하게 제어할 수 있는 Wave Factory WF1946 신호발생기로 전기신호를 발생시키고 Electronics

& Innovation 325LA 전력증폭기로 충분히 증폭하여 트랜 스듀서에 인가해서 초음파를 발생시켰다. 그리고 Ohmic UPM-DT-50SP radiation force balance (RFB) 를 이용해 초음파출력을 측정하고 각 트랜스듀서들이 동일한 초음파출 력을 갖도록 조정하였다. 실험에 사용된 RFB는 0~30 W (0.05 W resolution), 0.5~10MHz 의 초음파출력을 측정할 수 있다. 타겟은 반사식 볼록형을 사용했으며 수조 내에 초 음파흡음재를 설치해서 IEC 61161 국제규격의 요구사항을 준수하였다(그림 1).

3. 초음파음장측정시스템

초음파음장측정시스템(acoustic intensity measurement system, AIMS) 은 하이드로폰을 이용하여 수중에서 초음파

음장과 초음파관련 파라미터들을 측정하는데 사용된다. 실 험에 적용한 ONDA사의 초음파음장측정시스템은 크게 수 조, 물 컨디셔너(water conditioner), 모터 드라이버, angular positioner, PC 로 구성된다. 수조에는 하이드로폰이 설치되 어 있으며, 주파수 0.25~60MHz의 초음파 측정이 가능하 고 0.91 m × 0.53 m × 0.59 m 크기를 갖는다. 물 컨디셔너 는 국제규격의 요구사항에 맞는 매질의 상태를 유지시켜주 고, 모터 드라이버는 하이드로폰의 위치와 방향을 조정하기 위한 스텝모터들을 구동시키며 3축 방향으로 12 µm의 분 해능을 가지고 있다. PC는 모터 드라이버를 통한 스텝모터

Fig. 1. Block diagram of the RFB measurement system.

표 1. 실험에 사용된 트랜스듀서.

Table 1. Transducers used in the experiment.

Photo Nominal Freq (MHz) 1.00 3.50 7.50

Part No. V314 V381 V321

Serial No. 891226 886672 913584

Designation Immersion Immersion Immersion

Diameter (cm) 1.905 1.905 1.905

Center Freq (MHz) 0.97 3.38 7.95

Impedance (Ω) 318.06 30.79 23.29

Resistance (Ω) 8.39 7.33 15.42

Capacitance (pF) 501.29 0.00188 0.0013

Admittance (mS) 3.16 32.48 42.99

Resonance Freq (MHz) 1.003 2.845 6.863

그림 2. 음장측정시스템 구성도.

Fig. 2. Block diagram of the sound field measurement system.

표 2. ONDA HNC-200 하이드로폰 사양.

Table 2. Specifications of the ONDA HNC-200 hydrophone.

Photo Parameter Value

Frequency 범위 [MHz] (± 6dB) 1-10 EOC Nominal Sensitivity

[nV/Pa] 45

EOC Nom. Sens.

[dB re 1 V/uPa] −267

Acceptance angle

(−6 dB at 5 MHz) 90^o

Capacitance [pF] 70

Max. Operating Temperature

[^oC] 50

Effective Radius [μm] 200

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의 제어, 하이드로폰에 의해 획득된 초음파신호의 저장 및 분석에 사용되며, 물 컨디셔너의 제어에도 사용된다. 그림 2 는 AIMS의 구성을 보여준다.

AMIS 와 함께 사용되는 하이드로폰은 ONDA의 HNC- 200 모델로서 표 2의 특성을 갖는다. 실험에서는 초음파 진 행방향에 수직인 면에 대하여 표 3의 조건으로 각 트랜스듀 서 당 4회씩 초음파음장을 측정하였다.

IV. 초음파음장 시뮬레이션

Matlab 기반의 초음파음장시뮬레이션 소프트웨어인 Field II 를 이용해 초음파의 진행방향(Z 축)과 수직인 방향(X 축) 의 음압분포를 구하였다. 시뮬레이션을 위한 입력조건으로 트랜스듀서 형식, 트랜스듀서 반지름, 공칭주파수, 입력신호 형식, 입력신호주파수, 시뮬레이션 범위(lateral, axial), 매 질의 종류, 음속, 감쇠계수, 매질의 온도, 매질의 밀도 등이 있는데 표 4와 같이 실험에 의한 측정시의 조건들과 같게 설정하고 시뮬레이션을 실시하였다.

V. 실험과 시뮬레이션의 결과

1. 1.0MHz 트랜스듀서

1.0MHz 트랜스듀서에 대하여 초음파음장의 시뮬레이션 결과와 실측결과를 비교하면 그림 3과 같이 매우 유사하였 다. 그림 4는 Z = 3 mm와 원위장의 시작점인 Z = 54 mm 에서 실측된 X-Y 평면에서의 음압분포를 보여준다. 근위장 에 속하는 3 mm 깊이에서는 간섭의 심해 음압분포가 고르 지 못한 것을 볼 수 있으나 원위장이 시작되는 깊이에서는 고른 음압분포를 보인다.

그림 5는 X-축 상에서 음압의 시뮬레이션치와 실측치를 비교해서 보여준다. 시뮬레이션에서는 근위장이나, 원위장 모두에서 규칙적인 음압분포를 볼 수 있으나, 실측의 경우 근위장에서는 불규칙한 양상을, 원위장에서는 규칙적이고, 균일한 음압분포가 형성되는 것을 볼 수 있다. Z-축 방향의 음압분포를 그래프로 보면, 그림 6과 같다. 시뮬레이션에서 근위장의 길이 Z

은 61 mm, 실측치는 54 mm로 나타나서 약간의 차이를 보였다.

표 3. 실측실험 조건.

Table 3. Experimental conditions.

1.0MHz Transducer 3.5MHz Transducer 7.5MHz Transducer 1^st 2^nd 3^rd 4^th 1^st 2^nd 3^rd 4^th 1^st 2^nd 3^rd 4^th

Z axis Length (mm) 250 250 540

Number of Points 2501 2501 5401

XY Width (mm) 50 50 40 50 50 60

Number of Points 101 101 81 101 101 121

Auto Width (○ , × ) ○ × ○ × ○ ×

Threshold Finding Width(dB) 32 - 32 - 32 -

표 4. 시뮬레이션 조건.

Table 4. Simulational conditions.

1.0MHz 3.5MHz 7.5MHz

Transducer

Type Piston Piston Piston

Nominal Freq (MHz) 1.0 3.5 7.5

Radius (mm) 9.52 9.52 9.52

Input signal

Type Sine Sine Sine

Frequency (MHz) 1.0 3.5 7.5

Simulation range

Lateral (mm) 50 50 50

Axial (mm) 250 250 540

Medium

Type Water Water Water

Velocity (m/s) 1496.71 1490.41 1490.51

Atten Coef (dB/cm) 0.0002 0.0002 0.0002

Temp (^oC) 22.12 23.06 22.75

Density (kg/m³) 1000 1000 1000

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Fig. 3. Results of computer simulation (a) and experimental measurement (b) for 1.0MHz transducer (0 mm < x < 50 mm, 0 mm < z < 250 mm).

그림 4. 1.0MHz 트랜스듀서의 초음파 진행방향에 수직인 면에서의 음압 실측결과, (a) z = 3 mm, (b) z = 54 mm.

Fig. 4. Experimental result of the sound pressure on the plane perpendicular to the direction of ultrasonic sound propagation for 1.0MHz transducer, (a) z = 3 mm, (b) z = 54 mm.

그림 5. 1.0MHz 트랜스듀서의 초음파 진행방향에 수직인 면에서의 음압 시뮬레이션 결과와 실측결과의 비교, (a) 시뮬레이션 (z = 3 mm), (b) 시뮬레이션 (z = 61 mm), (c) 실측결과 (z = 3 mm), (d) 실측결과 (z = 54 mm).

Fig. 5. Comparison of the simulational and the experimental sound pressure on the plane perpendicular to the direction of ultrasonic sound propagation for 1.0MHz transducer, (a) simulation (z = 3 mm), (b) simulation (z = 61 mm), (c) experiment (z = 3 mm), (d) experiment (z = 54 mm).

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2. 3.5MHz 트랜스듀서

3.5MHz 트랜스듀서에 대해서도 초음파음장의 시뮬레이 션 결과와 실측결과를 비교한 결과 그림 7과 같이 매우 유 사하였다. 그림 8은 Z = 3 mm와 원위장의 시작점인 Z = 54 mm 에서 실측된 X-Y 평면에서의 음압분포이다. 근위장에 속하는 3 mm 깊이의 결과는 간섭장으로 인해 음압분포가 고르지 못하지만 원위장에 속하는 200 mm 깊이에서는 음 압분포가 고르다.

그림 9는 X-축 상에서 음압의 시뮬레이션치와 실측치를

비교해서 보여준다. 시뮬레이션 결과는 근위장이나, 원위장 모두에서 규칙적이고 대칭적인 음압분포를 보여주나, 실측 치는 근위장에서는 불규칙한 양상보이는 것을 알 수 있다.

Z- 축 방향으로의 음압분포를 그래프로 보면, 그림 10과 같 다. 시뮬레이션에서 근위장의 길이 Z

은 212.8 mm, 실측 치는 200 mm로 나타났다.

3. 7.5MHz 트랜스듀서

7.5MHz 트랜스듀서에 대해서도 초음파음장의 시뮬레이

Fig. 6. Comparison of the simulational and the experimental sound pressure distribution in the direction of ultrasonic sound propagation for 1.0MHz transducer, (a) simulation (0 mm < z < 250 mm), (b) experiment (0 mm < z < 303 mm).

그림 7. 3.5MHz 트랜스듀서의 초음파 음장 시뮬레이션 (a) 과 실측결과 (b) (0 mm < x < 50 mm, 0 mm < z < 250 mm).

Fig. 7. Results of computer simulation (a) and experimental measurement (b) for 3.5MHz transducer (0 mm < x < 50 mm, 0 mm < z < 250 mm).

그림 8. 3.5MHz 트랜스듀서의 초음파 진행방향에 수직인 면에서의 음압 실측결과, (a) z = 3 mm, (b) z = 200 mm.

Fig. 8. Experimental result of the sound pressure on the plane perpendicular to the direction of ultrasonic sound propagation for 3.5MHz transducer, (a) z = 3 mm, (b) z = 200 mm.

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Fig. 9. Comparison of the simulational and the experimental sound pressure on the plane perpendicular to the direction of ultrasonic sound propagation for 3.5MHz transducer, (a) simulation (z = 3 mm), (b) simulation (z = 213 mm), (c) experiment (z = 3 mm), (d) experiment (z = 200 mm).

그림 11. 7.5MHz 트랜스듀서의 초음파 음장 시뮬레이션 (a) 과 실측결과 (b) (0 mm < x < 50 mm, 0 mm < z < 250 mm).

Fig. 11. Results of computer simulation (a) and experimental measurement (b) for 7.5MHz transducer (0 mm < x < 50 mm, 0 mm < z < 250 mm).

그림 10. 3.5MHz 트랜스듀서의 초음파 진행방향 음압 시뮬레이션 결과와 실측결과의 비교, (a) 시뮬레이션 (0 mm < z < 250 mm), (b) 실측결과 (0 mm < z < 303 mm).

Fig. 10. Comparison of the simulational and the experimental sound pressure distribution in the direction of ultrasonic sound propagation for 3.5MHz transducer, (a) simulation (0 mm < z < 250 mm), (b) experiment (0 mm < z < 303 mm).

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그림 12. 7.5MHz 트랜스듀서의 초음파 진행방향에 수직인 면에서의 음압 실측결과, (a) z = 3 mm, (b) z = 437 mm.

Fig. 12. Experimental result of the sound pressure on the plane perpendicular to the direction of ultrasonic sound propagation for 7.5MHz transducer, (a) z = 3 mm, (b) z = 437 mm.

그림 13. 7.5MHz 트랜스듀서의 초음파 진행방향에 수직인 면에서의 음압 시뮬레이션 결과와 실측결과의 비교, (a) 시뮬레이션 (z = 3 mm), (b) 시뮬레이션 (z = 456 mm), (c) 실측결과 (z = 3 mm), (d) 실측결과 (z = 437 mm).

Fig. 13. Comparison of the simulational and the experimental sound pressure on the plane perpendicular to the direction of ultrasonic sound propagation for 7.5MHz transducer, (a) simulation (z = 3 mm), (b) simulation (z = 456 mm), (c) ex- periment (z = 3 mm), (d) experiment (z = 437 mm).

그림 14. 7.5MHz 트랜스듀서의 초음파 진행방향 음압 시뮬레이션 결과와 실측결과의 비교, (a) 시뮬레이션 (0 mm < z < 540 mm), (b) 실측결과 (3 mm < z < 543 mm).

Fig. 14. Comparison of the simulational and the experimental sound pressure distribution in the direction of ultrasonic sound propagation for 7.5MHz transducer, (a) simulation (0 mm < z < 540 mm), (b) experiment (0 mm < z < 543 mm).

77 션 결과와 실측결과를 비교하면 그림 11과 같이 매우 유사

하다. 그리고 3.5MHz 트랜스듀서의 경우보다 근위장의 길 이 Z

이 오히려 길어지는 것을 알 수 있다. 그림 12는 Z = 3 mm 와 원위장의 시작점인 Z = 437 mm에서 실측된 음압 분포를 보여준다. 근위장에 속하는 3 mm 깊이에서는 역시 간섭장으로 인해 음압분포가 고르지 못한 것을 볼 수 있으 며, 원위장에 속하는 437 mm 깊이에서는 고른 음압분포를 보인다.

그림 13은 X-축 상에서 음압의 시뮬레이션치와 실측치를 비교해서 보여준다. 시뮬레이션 결과상으로는 근위장이나, 원위장 모두에서 규칙적이고 대칭적인 음압분포를 볼 수 있 으나, 실험결과는 근위장에서는 불규칙하고, 원위장에서는 규 칙적이고, 균일한 음압분포가 형성되는 것을 보여준다. Z-축 방향의 음압분포는 그림 14와 같다. 시뮬레이션에서 근위장 의 길이 Z

이 456 mm인데 반해 실측치는 437 mm였다.

4. 실험결과와 시뮬레이션 결과의 비교분석

표 5는 실험결과와 시뮬레이션 결과를 요약해서 보여준다.

IEC 61689 국제규격을 적용할 수 있는 1.0MHz, 3.5MHz 트랜스듀서에 대해 유효방사면적의 실험결과와 시뮬레이션 결과는 10%이내의 차이를 보였으며, 국제규격 적용주파수 를 벗어나는 7.5MHz 트랜스듀서의 경우 0.4%의 오차를 보 였다. 규격적용 범위내의 트랜스듀서들(1.0MHz, 3.0MHz) 의 오차가 7.5MHz 트랜스듀서의 오차보다 큰 것은 빔 축 으로부터 빔이 벌어지는 방산각이 주파수가 낮을수록 커지 는 현상 때문에 낮은 주파수 트랜스듀서의 실측치가 커졌기 때문으로 생각된다. 7.5MHz 트랜스듀서의 X-Z평면 그래프 ( 그림 11)를 보면 원위장에서 빔의 방산각이 낮은 주파수의 트랜스듀서 결과보다 작고, 직진성이 강한 것을 볼 수 있다.

근위장의 길이 Z

은 시뮬레이션 결과보다 실측결과가 모두 작게 측정되었으며, 1.0MHz 트랜스듀서는 −9.8%, 3.5MHz

트랜스듀서는 −3.8%, 7.5MHz 트랜스듀서는 −4.6%의 오 차를 보였다. 이는 실제 측정상황에서 물에 의한 감쇠가 이 론적 예측보다 더 커서 Z

이 트랜스듀서 쪽에 더 가깝게 생 긴 때문으로 생각된다.

VI. 결 론

본 연구에서는 1.0MHz, 3.5MHz 그리고 7.5MHz 초음 파 트랜스듀서에 대해 유효방사면적과 근위장의 길이를 컴 퓨터 시뮬레이션에 의해, 또 IEC 61689 규격에 따른 실험 에 의해 구해 보았다. 그리고 7.5MHz 트랜스듀서에 대한 시뮬레이션 결과와 실험에 의한 실측치의 차이를 1.0MHz, 3.5MHz 트랜스듀서의 경우와 비교해 보았다.

7.5MHz 트랜스듀서의 유효방사면적과 근위장의 길이는 컴퓨터 시뮬레이션 및 실험결과 사이의 차이가 1.0MHz, 3.5MHz 의 경우와 비교해서 비슷한 수준으로 낮게 나타났 다. 따라서 본 연구의 결과는 5MHz 이상의 주파수를 갖는 초음파자극기에 대해서도 유효방사면적을 측정하여 최대유 효강도(maximum effective intensity)가 규정이하가 되는 지를 결정하는데 IEC 61689 규격의 방법을 적용할 수 있 다는 것을 보여준다. 또 이러한 결과는 5MHz 이상의 초음 파주파수를 이용하는 초음파자극기를 개발했을 경우 5MHz 이하의 초음파자극기에 대한 시험방법인 IEC 61689를 확 장해서 적용하는 것이 타당하다는 것을 보여준다.

Reference

[1] Regulations for classification of medical devices, No. 2014- 110, Korean Ministry of Food and Drug Safety, pp. 38, 2014.

(in Korean).

[2] Raejoon Park, et al., “Electrical Treatment”, Hyunmoonsa, pp. 434, 2009. (in Korean).

표 5. 시뮬레이션과 실험 결과의 비교.

Table 5. Comparison of the simulational and the experimental results.

1.0 MHz Transducer 3.5 MHz Transducer 7.5 MHz Transducer 1^st 2^nd 3^rd 4^th 1^st 2^nd 3^rd 4^th 1^st 2^nd 3^rd 4^th

모의 AER (cm²) 2.36 2.36 2.36

ZN (cm) 6.1 21.3 45.6

실측

AER (cm²) 2.43 2.44 2.50 2.50 2.56 2.52 2.61 2.63 2.24 2.41 2.42 2.42

평균 AER (cm²) 2.47 2.58 2.37

표준편차 0.03 0.04 0.07

오차 (%) +4.7 +9.3 +0.4

ZN (cm) 5.6 5.5 5.4 5.4 20.1 21.1 20.0 20.6 46.6 41.0 43.7 42.5

평균 ZN (cm) 5.5 20.5 43.5

표준편차 0.08 0.44 2.05

오차 (%) −9.8 −3.8 −4.6

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[3] IEC 60601-2-5, Particular requirements for the safety of ultrasonic physiotherapy equipment, IEC, pp. 14, 2000.

[4] Andrè V. Alvarenga, Rodrigo P.B. Costa-Fèlix, “Metrologi- cal aspects on therapeutic ultrasound parameters: effective radiating area and non-uniformity ration”, Physics Procedia, vol. 3, pp. 643-649, 2010.

[5] Rinaldo Guirro, Sandra C. Britshcy Dos Santos, “Evaluation of the acoustic intensity of new ultrasound therapy equip-

ment”, Ultrasonics, vol. 39, pp. 553-557, 2002.

[6] Mario-Ibrahin Gutièrrez, Arturo Vera and Lorenzo Leija,

“Methods for Characterization of Physiotherapy Ultrasonic Transducers”, New Developments in Biomedical Engineer- ing, Domenico Campolo, InTech, pp. 517-542, 2010.

[7] IEC 61161 Radiation force balances and performance requirements, IEC, pp. 10, 2013.