A Study on the Design and Fabrication of Fat Emulsification Adapted Focused Ultrasonic Transducer

논문 2015-52-11-13

지방 조직 유화를 위한 집속형 초음파 변환기 설계 및 제작에 관한 연구

( A Study on the Design and Fabrication of Fat Emulsification Adapted Focused Ultrasonic Transducer )

김 주 영^*, 김 재 영^*, 정 현 두^*, 노 시 철^**, 문 창 수^***, 문 치 웅^*, 최 흥 호^**

( Ju-Young Kim, Jae-Young Kim, Hyun-Du Jung, Si-Cheol Noh, Chang-Su Mun, Chi-Woong Mun, and Heung-Ho Choi

)

요 약

초음파를 이용한 조직 자극 기법은 지속적으로 연구, 개발되고 있으며, 최근 미용 및 비만 치료에 대한 관심이 높아짐에 따 라 초음파 지방 제거술에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 초음파 지방 제거술을 위한 초음파 변환기를 설 계하고, 조사조건에 따른 집속영역의 형태와 열 변성 영역을 시뮬레이션 하였다. 이를 통하여 제원을 검증하였으며, 제작된 변 환기의 초음파 방사 특성 및 가열 특성을 측정하여 유효성을 평가하였다. 또한 복합 구조의 매질을 대상으로 초음파 가열 특 성을 예측하였으며 제작된 변환기의 집속점 형태 및 가열 특성이 지방층을 충분히 유화시킬 수 있을 것으로 판단하였다. 본 연구의 결과는 보다 효율적이고 안전한 초음파 지방 제거술의 기초 연구로 활용될 것으로 사료된다.

Abstract

Tissue stimulation technique using ultrasound has been continuously studied and developed. Recently, as a increment of interests for obesity treatment and cosmetic care, a various studies on ultrasonic fat emulsification has been conducted. In this study, the fat emulsification adapted ultrasonic transducer was designed. And using designed transducer, the simulation for the shape of focal area and thermal degradation region was conducted. The dimensions were verified by the simulation results. And the effectiveness was confirmed by evaluating measured radiation characteristic and heating characteristic. In addition, we estimated the ultrasonic heating characteristics in composite structure medium. The shape of focal point and heating characteristic of the proposed transducer were determined to be sufficient to emulsify the fat. The results of this study are considered to be used as basic research in more efficient and safe ultrasonic fat removal.

Keywords: HIFU, Fat emulsification, Ultrasonic transducer, Acoustic field simulation, Composite structure phantom

* 정회원, 인제대학교 의용공학과

(Department of Biomedical Engineering, Inje University)

** 정회원, 한국국제대학교 방사선학과

(Depatrment of Radiological Science, International University of Korea)

*** 정회원, KMG 거명 (KMG Kumyoung)

ⓒ Corresponding Author(E-mail: [email protected])

※ 이 논문은 2015년도 정부(산업통상자원부)의 재원으로 중소기업기술정보진흥원의 지원을 받아 수행된 연구임.

(No.S2177131)

Received ; July 23, 2015 Revised ; September 30, 2015 Accepted ; October 28, 2015

Ⅰ. 서 론

치료용 초음파 영역은 물리적으로 단순히 조직을 자 극하는 기술부터 종양 치료 및 피부 미용 목적 등 광범 위한 영역을 가지고 있다^[1]. 이러한 초음파를 이용한 조 직 자극 기법은 지속적으로 연구, 개발되고 있으며, 일 부 제품화되어 임상에서 활용되고 있다. 최근 미용 및 비만 치료에 대한 관심이 높아짐에 따라 초음파 지방 제거술에 대한 다양한 연구가 진행되고 있으며^[2], 국내 외에서 제품화가 상당부분 진행된 것으로 보고되고 있 다. 초음파를 이용한 지방 제거술에는 대표적으로 체내 삽입술과 체외 시술이 있다^[3]. 체내 삽입술은 피하지방 층에 프로브 및 캐뉼라를 삽입하여 발생된 초음파와 튜 메슨트 용액으로 지방을 융해 시키는 시술로 삽입 시 감염 및 합병증이 발생될 수 있으며, 칩습되는 부위가 넓다는 단점을 가지고 있다^[4∼5]. 이러한 단점을 보완하 기 위하여 체외에서 초음파 에너지를 가하여 지방을 제 거하는 방법이 개발되었다^[6]. 초음파 체외 시술은 미세 기포의 붕괴로 인한 충격파로 지방세포의 막을 파괴시 키는 캐비테이션을 이용한 방법과 고강도 집속 초음파 로 조직의 온도를 58℃ 이상으로 상승시켜 지방 조직의 응고 및 유화를 유도하는 열적 효과를 이용한 방법으로 나누어진다. 이들 체외 시술은 출혈 및 감염의 위험을 없애고, 약물 주입의 부작용, 시술에 대한 환자의 거부 감 등을 최소화 한 방법으로 체내 시술의 단점을 극복 하였다^[7]. 또한 집속 초음파 기법은 비침습적이며, 시술 후 일상생활로의 복귀가 쉽다는 장점을 가지고 있다.

집속 초음파는 높은 음압을 이용하여 조직을 자극하거 나 제거하는데^[1,8], 이를 임상에 적용하기 위해서는 적절 한 초음파 구동 기법뿐만 아니라 목적에 부합되는 변환 기 설계 및 성능 평가가 선행되어야 한다.

이에 본 연구에서는 초음파 지방 제거술을 위한 초음 파 변환기를 설계하고, 조사조건에 따른 집속영역의 형 태와 열 변성 영역을 시뮬레이션 하였으며, 제작된 변 환기에서 발생되는 음압분포와 열 변성 특성을 측정하 여 비만치료에서의 유용성을 확인하였다

Ⅱ. 본 론

1. 변환기 설계 및 시뮬레이션

본 연구에서는 효과적인 초음파의 전달을 위하여 압

Parameter Value

Dielectric constant ε₃₃T/ε0 1,550

Electromechanical coupling coefficient (%)

KP 0.558

K31 0.34

K33 0.72

D Piezo-electric constant (×10^-12 m/V)

D31 150

D33 340

G Piezo-electric constant (×10^-3 mV/N)

G31 11.0

G33 22.0

Mechanistic Quality Factor Q^m 1,780 Dielectric loss (%) Tan δ 0.4

Curie Temperature (℃) Tc 200

표 1. 사용된 PZT-4 계열 물질의 음향특성

Table 1. Acoustic properties of the PZT-4 family material.

그림 1. 곡면형 세라믹의 기하학적 제원

Fig. 1. The geometric dimensiions of curved ceramic.

전 전동자는 PZT-4 계열의 재료를 사용하였으며, 집속 형으로 설계하였다. PZT-4 계열의 재료는 전기 기계 결합 계수가 크기 때문에 전기 에너지가 음향 에너지로 변환되는 효율이 우수하며, 높은 음향 강도의 음향 출 력을 낼 수 있다는 장점이 있다. 표 1은 본 연구에서 사 용된 PZT-4 계열 물질의 특성을 보여주고 있다. 지방 제거를 위한 초음파 구동 주파수는 일반적으로 1-3 MHz의 범위를 사용하는데, 본 연구에서는 3 MHz로 결정하였다. 복부 지방의 위치는 개인적인 차이가 있지 만 일반적으로 피부 표면으로부터 10-50 mm 지점에

그림 2. 시뮬레이션을 위한 기하학적 구조 Fig. 2. Geometry for simulation.

층을 이루고 있다고 보고되고 있다. 본 연구에서 설계 되는 초음파 변환기는 기계적으로 집속점 조절 가능 범 위가 20 mm로 가정하고 변환기의 집속점이 개구면을 기준으로 35 mm로 설정하였다. 그림 1은 설계된 진동 자의 형태를 보여주고 있다.

설계된 변환기의 특성을 확인하기 위하여 포트란 언 어기반의 유한요소해석 프로그램인 PZFlex(Weidlinger Associates Inc., USA)를 사용하여 음압분포, 주파수 응 답 특성을 확인하였다. 시뮬레이션을 위한 초음파 전파 매질은 25 ℃의 탈기수로 설정하였으며, 구동신호는 3 MHz의 연속 정현파를 사용하였다. 조사 강도는 변환기 표면 음압을 기준으로 100 kPa을 적용하였으며, 샘플링 은 1파장 당 30개로 설정하였다. 시뮬레이션 범위는 변 환기의 크기를 고려하여 60 × 70 mm의 음압 분포를 계산하였다. 그림 2는 시뮬레이션을 위한 변환기와 매 질의 기하학적 구조를 보여주고 있다.

시뮬레이션 결과 공진 주파수는 3 MHz, 대역폭은 2.9 - 3.1 MHz, Q-factor는 15로 예측되었으며, 음압 분 포는 –3dB 기준으로 축방향 길이(초점길이) 6 mm, 측 방향 초점크기 2 mm로 예측되었다. 축방향 초점길이는 일반적인 지방의 두께를 고려하였을 때 적절한 크기로 판단되었다. 또한, 측방향 길이는 매우 우수한 특성을 보였는데 이를 통하여 원하는 집속점에 대한 선택적 자 극이 가능할 것으로 생각되었다. 그림 3은 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다.

2. 변환기 제작 및 성능평가

본 연구진행을 통하여 제작된 초음파 변환기에 대하

여 식품의약품안전처 고시 고강도 집속형 초음파 수술 기(HIFU) 평가 가이드라인 (2009.10), KS-C-IEC 60601-2-5: 의료용 전기기기(제2-5부): 초음파 물리 치 료기의 기본안전과 필수성능에 관한 개별 요구사항 3판 (2011.12), IEC-61689: Physiotherapy systems - Field specifications and methods of measurement in the frequency range 0.5 MHz to 5 MHz (2013.02) 등의 국 내외 기준 규격을 참고로 하여 성능을 측정, 평가 하였 다. 성능평가 항목은 주파수 응답특성, 음압 분포, 축방 향 프로파일, 측방향 프로파일, 초점크기, 초점거리로

(a)

(b)

(c)

그림 3. 시뮬레이션 결과; (a) 음압분포, (b) 축방향 프로 파일, (c) 측방향 프로파일

Fig. 3. Result of simulation; (a) acoustic pressure distribution, (b) axial profile, (c) lateral profile.

(a) (b)

그림 4. (a) 제작된 곡면형 세라믹, (b) 변환기 시제품 Fig. 4. (a) Fabricated curved ceramic,

(b) prototype transducer.

하였다.

제작된 변환기의 중심주파수는 HP4191A 모델의 Impedance Analyzer를 이용하여 측정한 결과 2.6 MHz 로 측정되었으며, 임피던스는 5 Ω으로 측정되었다.

-3dB 대역폭은 0.357 MHz, Q-factor는 7.22로 확인되 었다. 그림 4는 제작된 초음파 변환기의 외형을 보여주 고 있다.

음압분포를 측정하기 위하여 3축 제어가 가능한 수 조를 사용하였으며, 매질은 탈기수를 사용하였다. 초음 파 음압분포는 변환기 표면에서 축방향으로 20 mm부 터 70 mm 범위, 측방향으로 50 mm 영역에 대한 음압 분포를 측정하였다. 33220A 모델의 함수발생기(Agilent, USA)와 4101 모델의 비매칭 RF 증폭기(NF, Japan)을 이용하여 변환기를 구동시켰다. 여기 신호는 2.6 MHz, 5 Vpp 연속 구형파를 사용하였으며, 증폭이득은 20으로 설정하였다. 음장 내 각 지점에서의 음압은 HNA-0400 모델 수중청음기(Onda, USA)와 AH2010-025 모델의 전단 증폭기(Onda, USA, 20 dB 이득)를 사용하여 측정 하였으며, 6100A 모델의 디지털오실로스코프(LeCroy, USA)를 이용하여 저장, MATLAB 13.0 프로그램을 이 용하여 영상화 및 분석을 수행하였다.

음압분포 측정결과 변환기 표면에서 30 mm 지점에 서의 음압 분포의 경우 5 mm²의 유효 방사면적을 보였 으며, 좌우 대칭도가 매우 우수함을 확인할 수 있었다.

집속거리는 34 mm로 측정되어 설계 제원과 일치하였 으며, 초점 영역에서의 빔폭은 3 mm, 초점 길이 약 8 mm 정도로 측정되었다. 그림 5는 제작된 변환기의 공 진 주파수 특성 및 주파수 응답 특성을 보여주고 있으 며, 그림 6은 측정된 음압 분포와 음압 프로파일을 보 여주고 있다.

그림 5. 공진 특성 및 주파수 응답 특성 Fig. 5. Resonance characteristics and frequency

response.

(a)

(b)

(c) 그림 6. 음장 측정 결과;

(a) 음압분포, (b) 축방향 프로파일, (c) 측방향 프로파일

Fig. 6. Acoustic field measurement ; (a) acoustic pressure distribution, (b) axial profile, (c) lateral profile.

3. 초음파 가열 특성 평가

가. 초음파 가열 시뮬레이션

본 연구에서는 초음파 가열 특성을 이용한 지방 제거 용 집속형 변환기를 개발하고 특성을 평가하고자 하였 다. 제작된 변환기를 이용한 가열 특성 평가에 앞서 유 한요소해석 프로그램인 PZFlex(Weidlinger Associates Inc., USA)를 이용하여 제안된 초음파 변환기의 가열 특성을 시뮬레이션 하였다. 시뮬레이션을 위한 매질의 설정은 본 기술 개발의 목적인 인체 내 지방층에서의 초음파 열 자극에 부합하도록 인체와 유사한 복합 매질 로 설정하였으며, 각 조직층의 음향학적 특성과 열적 특성을 고려하여 매질을 모델링하였다. 매질의 크기는 60 ☓ 60 mm로 설정하였으며 커플링 매질은 탈기수를 사용하였다(27 mm). 다층 구조는 인체의 조직과 유사 하도록 피부층 3 mm, 지방층 15 mm, 근육층 15 mm로 결정하였으며 초음파 집속 영역은 34.3 mm로 지방층에 형성되도록 한 후 시뮬레이션을 수행하였다. 변환기 여 기 조건은 3 MHz, 연속 정현파를 사용하였으며, 조사 강도는 변환기 표면을 기준으로 100 kpa, 500 kPa, 1 MPa로 하였다. 시뮬레이션 분해능은 초음파 한 파장 당 30개의 데이터를 계산하였으며, 5초 동안 초음파 조 사 후 생체 열전달 방정식을 통해 해석된 결과를 이용 하여 열적 분포 특성 및 변성 영역 면적을 예측하였다.

변성 역역의 결정은 지방조직이 괴사되는 온도인 58 ℃ 를 기준으로 면적을 산출하였다. 그림 7은 시뮬레이션 에 사용된 변환기와 복합 구조 매질의 기하학적 제원을

그림 7. 가열 특성 시뮬레이션을 위한 지방 조직 모델 링

Fig. 7. Fat tissue modeling for heating characteristics simulation.

Objects Water Skin Fat Muscle

Density (Kg/m³) 1,000 1,100 850 1041

Attenuation coefficient (dB/cm) 0.002 3.5 1.8 0.57

Sound speed (m/s) 1,496 1,537 1,430 1,580

Specific heat capacity (J/Kg/K) 2,060 3,470 2,300 3,430

Thermal conductivity (W/m/K) 0.61 0.29 0.25 0.5

Temperature (℃) 27 37 37 37

표 2. 각 조직의 음향학적 특성

Table 2. Acoustic characteristics of each medium.

보여주고 있으며, 표 2는 각 매질층의 특성을 보여주고 있다.

열의 전달되는 형태는 지방 내 집속점을 중심으로 확 산되는 형태로 관찰되었으며, 열 분포 면적은 100 kPa 에서 최소면적 4.8 mm², 500 kPa에서 최대면적 113.18 mm²로 확인되었다. 열 변성은 본 연구에서 목표한 지 방층에서 가장 크게 나타났으며, 피부층에서는 300 kPa 까지 증가한 후 더 이상 증가하지 않음이 확인되었다.

피부층에서의 변성은 강한 초음파 에너지가 입사되면서 발생하는 것으로 커플링 매질의 온도를 조절하거나 시 술 중 피부 냉각을 위한 추가 조치를 통하여 해결할 수 있을 것으로 판단되었다. 한편 근육층에서의 열 변성은

그림 8. 각 조직층에서의 변성 영역 크기 변화 시뮬레 이션 결과

Fig. 8. Simulation result of degeneration area size in each tissue layers.

확인되지 않았는데 이를 통하여 본 연구에서 제안한 변 환기가 지방만을 선택적으로 자극할 수 있다는 것을 확 인할 수 있었다. 그림 8은 팬텀 내 각 조직층에서의 변 성 특성 시뮬레이션 결과를 보여주고 있다.

나. 초음파 가열 성능 평가

본 연구에서 제작된 초음파 변환기의 지방 제거 유효 성을 평가하기 위하여 지방조직 유사 팬텀을 이용하여 가열 특성과 열 변성 특성을 관찰하였다. 가열 특성은 팬텀의 내부 초점영역에 온도 센서를 매식하여 조사 시 간에 따른 온도 상승을 측정하여 평가하였다. 팬텀의 초기 온도는 실온인 약 25℃로 설정하였으며, 조사 조 건은 연속파 구형파를 사용하였다. 180 초 동안 초음파 를 조사하여 가열 특성 및 변성 정도를 평가하였다. 변 성 형태는 디지털카메라 (D90모델, Nicon, Japan)를 사 용하여 획득 후 MATLAB 13.0을 이용하여 처리하였

그림 9. 가열 특성 평가를 위한 실험 셋업

Fig. 9. Experimental set-up for heating characterization.

그림 10. 집속영역에서의 온도 변화

Fig. 10. Temperature changes in the focal area.

(a) (b) (c)

그림 11. 집속점에서의 열변성 형태 변화;

(a) 30 초, (b) 60 초, (c) 180 초

Fig. 11. Changes of thermal denatured shape in the focal area.

그림 12. 조사 시간에 따른 변성 크기 변화

Fig. 12. Changes of the denatured area size according to the sonication time.

다. 그림 9는 초음파 가열 특성 평가를 위한 실험셋업 을 보여주고 있다.

초음파 조사 전 팬텀 내 초기 온도는 24.3 ℃로 측정 되었으며, 초점영역에서의 온도 상승은 최대 78.4 ℃까 지 상승함을 확인하였다(온도 상승폭 : 54.9 ℃). 팬텀 내 열적 변성은 초음파 조사 후 약 20초 후 가시화 되 었으며, 조사 시간이 길어질수록 변성 영역이 넓어지는 것으로 관찰되었다(획득된 영상의 크기: 1,280 X 720, 픽셀 크기 : 0.0144 mm²). 육안으로 관찰이 가능한 변성 의 최소 크기는 0.33 mm² 였으며, 180초 조사 후 변성 영역은 56.20 mm²으로 측정되었다. 그림 10은 초음파 조사에 따른 집속영역에서의 온도변화 그래프이며, 그 림 11은 팬텀 내 변성 형태, 그림 12는 변성 영역의 크 기 변화를 보여주고 있다.

Ⅳ. 결 론

본 연구에서는 초음파 지방 제거를 목적으로 하는 변 환기를 설계 및 제작하고 특성을 평가하였다. 인체 내 지방층의 위치를 고려하여 집속거리를 설정하였으며, 시뮬레이션을 통하여 제원을 검증하고, 제작된 변환기 의 초음파 방사 특성 및 가열 특성을 측정하여 유효성 을 검증하였다. 또한 복합 구조의 매질을 대상으로 초 음파 가열 특성을 예측하였으며 이를 통하여 제작된 변 환기의 집속점 형태 및 가열 특성이 지방층을 충분히 유화시킬 수 있는 특성을 가진 것으로 판단하였다. 제 작된 변환기에서 방사되는 초음파 빔의 특징과 조직유 사 팬텀을 이용하여 가열 특성을 평가한 결과 시뮬레이 션 결과와 유사함을 확인하였으며, 이를 통하여 본 연 구를 통하여 제작된 초음파 변환기가 지방 제거에 유효 함을 확인하였다. 차후 제작된 변환기를 이용한 초음파 가열에서 구동 조건 따른 가열 특성 변화에 대한 연구 를 통하여 보다 효율적인 초음파 지방술에 활용될 것으 로 생각되며, 본 연구의 결과는 비침습적이고 안전한 초음파 지방 제거술의 기초 연구로 활용될 것으로 사료 된다.

REFERENCES

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Aesthetic Plast Surg., vol. 32, no. 1, pp. 111-115,

[3] Flavio Henrique Mendes, “External Ultrasound -Assisted Lipoplasty from Our Own Experience”,

Aesthetic Plastic Surgery, vol. 24, no. 4, pp

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[8] Ajit Mal, Feng Feng, Michael Kabo, Jeffrey Wang, “Interaction of high intensity focused ultrasound with biological materials”, SPIE's

NDE and Smart Structures Symp., pp. 4702-40,

저 자 소 개 김 주 영(학생회원)

2000년 인제대학교 의용공학과 학사 졸업.

2002년 인제대학교 의용공학과 석사 졸업.

2014년 인제대학교 의용공학과 박사 수료.

<주관심분야 : 의료용 초음파, 초음파 치료, 재활 치료, 초음파 정도관리>

김 재 영(학생회원)

2014년 인제대학교 의용공학과 학사 졸업.

2014년～현재 인제대학교 의용공 학과 석사과정.

<주관심분야 : 초음파 조직유사 팬텀, 생체신호 처리>

정 현 두(학생회원)

2012년 인제대학교 의용공학과 학사 졸업.

2014년 인제대학교 의용공학과 석사 졸업.

<주관심분야 : 의료용 초음파, 초 음파 캐비테이션 모니터링, 생체 신호 처리>

노 시 철(정회원)

2002년 인제대학교 의용공학과 학사 졸업.

2004년 인제대학교 의용공학과 석사 졸업.

2011년 인제대학교 의용공학과 박사 졸업.

2011년～현재 한국국제대학교 방사선학과 교수.

<주관심분야 : 의료용 초음파, 초음파 캐비테이 션,치료 초음파, 비전리 방사선>

문 창 수(정회원)

1993년～1997년 거산전자 장비개발팀 부장.

1997년～현재 KMG 거명 대표이사.

1998년～현재 한국산업기술진흥 협회 정회원

<주관심분야 : FA, 기구설계, 전기전자>

문 치 웅(정회원)

1983년 서강대학교 전자공학과 학사 졸업.

1985년 한국과학기술원 전기전자 공학부 석사 졸업.

1991년 한국과학기술원 전기전자 공학부 박사 졸업

2005년～2006년 Emory University 교환교수.

1999년～현재 인제대학교 의용공학과 교수.

<주관심분야 : 자기공명영상, 생체신호 처리, 세 포자극>

최 흥 호(정회원)

1984년 인하대학교 전자공학과 학사 졸업.

1986년 인하대학교 전자공학과 석사 졸업.

1991년 인하대학교 전자공학과 박사 졸업.

1993년～1994년 동경대학교 교환교수.

1991년～현재 인제대학교 의용공학과 교수.

<주관심분야 : 의료 초음파, 재활치료, 생체신호 처리, 초음파 정도관리>