고강도 초음파 치료에서 캐비테이션 버블의 제어를 이용한 열적 효과 증강에 관한 연구 :Study on the Thermal Effect Enhancement Using the Control of Cavitation Bubble in High Intensity Ultrasound

이원호

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이원호 (인제대학교, 인제대학교 일반대학원)

지도교수: 崔興浩

발행연도: 2023

저작권: 인제대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수9

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2023

고강도 초음파 치료에서 캐비테이션 버블의 제어를 이용한 열적 효과 증강에 관한 연구

이원호 의용공학과 2023.01 학위논문

2022

고강도 초음파 조사에서 미세기포가 열적 증강 효과에 미치는 영향

이원호 , 문창수 , 최흥호 대한전자공학회 학술대회 2022.06 학술대회자료

2020

지질코팅 초음파 조영제의 쉘 두께와 조사강도가 초음파 압력전달에 미치는 영향에 대한 시뮬레이션 연구

이원호 , 신경원 , 장민경 외 2명 대한전자공학회 학술대회 2020.08 학술대회자료

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진단 초음파에서 미세기포는 반사신호를 강화하여 영상의 질을 높이는 역할로 활용되고 있지만, 치료 초음파에서는 집속점을 이동시키도 음파를 산란시키는 현상 때문에 지양되어왔다. 특히, 고강도 집속초음파(High-Intensity Focused Ultrasound, HIFU)는 높은 음압으로 미세기포의 진동 및 폭발을 유발하여 추가적인 열을 상승시키기 때문에 정상 조직의 손상, 괴사 등의 부작용을 유발할 수 있다. 최근 이러한 미세기포에 의한 열적 증강효과를 고강도 집속초음파 치료에 활용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있지만, 대부분의 연구가 실험을 통한 정성적 분석과 조직의 변성 정도 비교로 제한되어왔다. 또한, 다량의 미세기포가 포함된 초음파 조영제의 특성 상, 단일 미세기포가 아닌 미세기포 군에 의한 열적 효과분석이 필요하나 실제 임상에 활용하기 위한 미세기포 군의 정량적 연구는 부족한 실정이다.
이에 본 연구에서는 우선 정재파를 이용해 미세기포를 포집하고 포집된 미세기포의 양을 정재파 생성 조건에 따라 정량적으로 평가하였다. 또한, 고강도 초음파를 조사할 때, 포집 되는 미세기포 군에 의한 열적 증강효과를 확인하고 미세기포를 사용하였을 때 기대되는 음향 에너지 감소의 상관관계를 분석하였다. 먼저 정재파를 이용해 미세기포를 포집하고 포집된 미세기포의 양을 조절하기 위하여 혈류의 흐름을 모사하는 시스템을 제작하고 정재파 형성 조건에 따라 미세기포군의 포집 특성을 평가하여 미세기포군의 제어가 가능함을 확인하였다. 이후 포집된 미세기포에 의한 열적 증강 효과를 평가하기 위하여 음향 강도에 따라 정재파를 형성시킨 후 미세기포를 포집하고, 여기에 고강도 초음파를 조사하여 파괴되는 미세기포에 의한 열적 증강효과를 확인하였다.
또한 이 때 발생하는 열적 상승효과를 분석함으로써 생체조직에 가해지는 음향강도의 감소를 확인하였으며 같은 온도를 발생시킬 경우에 미세기포와 음향에너지 감소량과의 상관관계를 도출하였다. 본 연구의 결과를 통하여 도출된 미세기포를 사용하였을 때 기대되는 음향에너지 감소의 상관관계는 필요한 음향 강도를 줄여 임상에서의 고강도 초음파 치료시 발생할 수 있는 부작용의 발생을 최소화 시킬 수 있을 것으로 기대된다.

In the diagnostic ultrasound domain, microbubbles are utilized to enhance reflection signals, improving the quality of imaging. However, in therapeutic ultrasound, their use has been avoided due to the phenomenon of scattering ultrasound and shifting focal points. Particularly, High-Intensity Focused Ultrasound (HIFU) can induce vibration and explosion of microbubbles with high acoustic pressure, causing side effects such as damage and necrosis to normal tissues. Recent research aims to harness the thermal augmentation effect of these microbubbles in HIFU therapy. However, most studies have been limited to qualitative analysis through experiments and comparisons of tissue changes. In this study, microbubbles were initially captured using standing waves, and the quantity of captured microbubbles was quantitatively evaluated based on standing wave generation conditions. Furthermore, when investigating high-intensity ultrasound, the thermal augmentation effect due to the captured microbubble group was confirmed. The correlation between the expected decrease in acoustic energy when using microbubbles and the analysis of thermal effects caused by the captured microbubbles was analyzed. Adjust the quantity of captured microbubbles based on standing wave generation conditions, confirming the controllability of microbubble groups. Subsequently, the thermal augmentation effect caused by the captured microbubbles was evaluated by forming standing waves based on acoustic intensity, capturing microbubbles, and investigating high-intensity ultrasound to confirm the thermal augmentation effect caused by the destructed microbubbles. Furthermore, the analysis of the resulting thermal elevation effect allowed for the confirmation of the decrease in acoustic intensity applied to biological tissues. The correlation between the quantity of microbubbles and the decrease in acoustic energy at the same temperature was derived. The results of this study suggest that the expected correlation between the use of microbubbles and the decrease in acoustic energy can reduce the necessary acoustic intensity, minimizing potential side effects during high-intensity ultrasound therapy in clinical settings.

#미세기포 #정재파 #고강도 초음파 #캐비테이션 #열적 증강효과

국문초록 ·ⅰ
Abstract ⅲ
Ⅰ. 서 론 1
Ⅱ. 연구 배경 및 이론 ·3
A. 초음파 캐비테이션 3
B. 음향 정재파 ·6
1. 음향 정재파의 원리 6
2. 음향 정재파를 이용한 입자분리 8
Ⅲ. 연구 목적 9
Ⅳ. 연구 방법 12
A. 정재파를 이용한 미세기포의 포집 12
1. 미세기포 포집 형태 분석 ·12
2. 정재파를 이용한 미세기포 포집 16
3. 정재파 형성 조건에 따른 미세기포 포집 평가 26
B. 온도 가속 효과 평가 ·28
Ⅴ. 연구 결과 30
A. 정재파 생성 조건에 따른 미세기포 포집 평가 30
1. 출력에 따른 미세기포 포집 ·30
2. 근거리 음장에서의 미세기포 포집 36
B. 온도 가속 효과 평가 ·39
1. 미세기포 포집을 이용한 온도 상승 가속 39
2. 동일한 가온 효과에 대한 필요 음향에너지 비교 44
Ⅵ. 결론 47
Ⅶ. 참고문헌 48

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