ABSTRACT
3. CTO 조직을 괴사하기 위한 최적 조건
Fig. 3-11은 신호를 발생시켜주는 신호 발생기(function generator)이고, Fig. 3-12은 발생된 함수를 증폭시켜주는 파워증폭기(high speed bipolar amplifier)이고, Fig. 3-13은 초음파를 발생시켜주는 변환기(transducer), impedance matching network는 변환기 의 임피던스와 계측기의 임피던스 차를 보정하는 역할을 해준다. Table 3-4, 5, 6은 각각의 장비의 사양이다. CTO 모사물질은 CaCO3인 분필을 사용하였으며, CTO 조 직을 고정시키고 이동시키는 3축 스테이지(3-axis stage)로 구성된다. 변환기와 CTO 조직사이에는 접촉매질 역할을 하는 물(water)을 수조에 담아서 초음파를 발생시켜 주며, 접촉매질인 물의 경우 아주 미세한 기포만 있어도 초음파의 반사가 현저히 발 생하기 때문에 가스를 제거 후 사용해야 한다.
주파수가 낮을수록 CaCO3 표면에서 받는 압력이 높고 변형이 많았기 때문에 낮은 주파수인 1.1MHz에서의 괴사되는 크기를 평가하기로 하였다. Function generator에 서 주파수는 1.1MHz, 신호는 sine파로 구동하였으며, 전압은 최저에서 최고인 Vpp 로 구동하였다. Power amplifier의 경우 function generator에서 받은 신호를 증폭하 여 계측기의 임피던스와 변환기의 임피던스 차를 보정해 주었으며 트랜스듀서에서 초음파를 가진하여 CaCO3의 표면에서 변형된 크기 즉, 괴사되는 크기를 평가하는 실 험을 하였다. 평가 항목은 병변에 되도록 작은 초점으로 큰 에너지를 모을 수 있는 초점영역 즉. 초점거리, 전압, 노출시간에 따라 괴사되는 크기를 측정하여 최적의 조 건을 찾는데 있다.
Fig. 3-11 Function generator(FG200)
Table 3-5 Function generator specification Specification
Frequency range Sine or Square waveform : 1µHz ~ 15MHz Triangle or Pulse waveform : 1µHz ~ 200kHz
Amplitude setting range ±20Vpp
Maximum output voltage ±10V
Output impedance 50Ω ± 1%
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Fig. 3-12 High speed bipolar amplifier(HSA4014)
Table 3-6 High speed bipolar amplifier specification
Specification
Frequency range DC to 1 MHz
Output
Maximum voltage 150Vp-p(±75V)
Slew late 400V/µs typ.
Impedance 0.125Ω+0.4µH max.
Frequency response 1MHz(+0.5 to –3dB, 10Vrms, ±75V range)
Power consumption 700W/900VA
Fig. 3-13 Transducer(H-101)
Table 3-7 Transducer specification
Specification
Power Up to 400 Watts
Frequency 1.1 MHz (standard); 3.3 MHz Bandwidth +/- 250 KHz to –3 dB points
Efficiency 85% (min) at 1.1MHz
Active diameter 70 mm
Geometric focal length 63 mm
- 40 - 가. 초점거리에 따른 괴사 크기 측정
Fig. 3-14와 같이 CaCO3 표면이 초점거리에 따라서 괴사된 형상이다. 초점거리에 따른 조직 괴사를 측정하기 위해 0.1mm의 정밀도를 가진 3축 스테이지를 이용하여 초점거리를 제어하였으며, function generator에서 주파수는 1.1MHz, 전압은 8Vpp, Sine파 신호를 조건으로 초음파 노출시간은 30초 동안 각각 3회씩 측정하였다.
초점거리의 범위는 Fig. 3-15와 같이 62.5mm 부근에서 측정하기 위해 초점거리는 59~67mm 범위 내에서 실험하였다. 작은 초점으로 큰 에너지를 얻을 수 있는 초점영 역으로는 61~64mm에서 초음파의 전달 효율이 좋다. 이번 실험을 통해 실제 압력이 최고지점인 62, 63mm에서 강도가 가장 큰 것을 검증하였다.
Fig. 3-14 Necrosis shape according to focal distance
58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 0
2 4 6
Necro diameter(mm)
Focal distance(mm) (a) Necrosis diameter
58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68
0 2 4 6
Necrosis depth(mm)
Focal distance(mm) (b) Necrosis depth
Fig. 3-15 Necrosis of CaCO3 according to focal distance
- 42 - 나. 전압에 따른 괴사 크기 측정
Fig. 3-16과 같이 전압에 따라서 CaCO3 표면이 괴사된 형상이다. 실험조건으로는 초점거리가 62.5mm이고, 전압의 범위는 5~12Vpp, 그 외 다른 조건들은 첫 번째 실험 과 동일하게 하여 조직의 괴사된 크기를 각각 3회씩 측정하였다. Fig. 3-17과 같이 전 압이 크면 클수록 괴사된 직경은 크지만 깊이는 전압 8Vpp에서 가장 크다. 조직을 괴 사하기 위한 최적의 조건으로 초점거리 62.5mm, 전압은 8Vpp로 선정하였다.
Fig. 3-16 Necrosis shape according to voltage
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 0
2 4 6
Necrosis diameter(mm)
Voltage(Vpp) (a) Necrosis diameter
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
0 2 4 6
Necrosis depth(mm)
Voltage(Vpp) (b) Necrosis depth
Fig. 3-17 Necrosis of CaCO3 according to voltage
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다. 초음파 노출시간에 따른 괴사 깊이 측정
Fig. 3-18 (a)와 같이 초음파 노출시간에 따라 CaCO3의 깊이 방향으로 괴사된 형 상이다. 실험조건으로는 주파수가 1.1MHz이고, 초점거리는 62.5mm, 전압은 8Vpp로 설정하였고, 노출시간은 1~6초 동안 1초 간격으로 CaCO3의 깊이 방향으로 괴사된 깊 이를 각각 3회씩 측정하였다. CaCO3 괴사 직경은 거의 비슷하지만, Fig. 3-18 (b)와 같이 초음파의 노출시간이 지나면 지날수록 깊이는 점점 깊어진다. 노출시간 6초 이 후에는 괴사되는 깊이가 5mm 이상으로 거의 비슷한 깊이 측정되었다. 특히, 1초 만 에 순간적으로 괴사되며 그 이후에는 매 초 마다 약 5mm 정도 더 깊이 파였다. 최적 조건을 찾는 실험을 통해 CTO 괴사조직의 크기에 따른 기준을 설정하였다.
(a) Necrosis shape
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0 1 2 3 4 5 6
Necrosis depth(mm)
Exposure time(s)
(b) Necrosis depth according to exposure time Fig. 3-18 Necrosis of CaCO3 according to exposure time
제 3 절 체외 집속 초음파를 이용한 CTO tunneling
관상동맥과 같은 탄력성 동맥의 내부에 지방과 콜레스테롤로 이루어진 물질의 침 착이 진행되면 침착물에 의해 혈관의 내강이 감소하고 이로 인하여 혈류가 감소하게 된다. 특히 심혈관에 이러한 병변이 발생하게 되면 협심증을 유발하게 되며, 심하면 환자의 생명에 치명적인 심장의 경색증이 발생할 수 있다. 또 병변이 장기간 진행되 어 동맥의 내강이 침착물질에 의하여 완전히 차단되는 만선완전협착의 경우 침착물 질 내부의 칼슘화에 의하여 병변이 단단해 지는데[1], 이러한 경우에는 HIFU의 원리 를 이용하여 병변을 제거하는 방법이 효과적인 것으로 알려져 있다.
Fig. 3-19와 같이 인체 외부에서 비침습적으로 초음파를 집속시켜 병변을 tunneling 함으로써 CTO 치료에 적용하기 위한 기초 연구를 수행하였다.
Fig. 3-19 Non-invasive treatment of CTO
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Fig. 3-20과 같이 polyethylene tube는 혈관을 모사한 물질로 안에 CaCO3를 고정시 킨 후 초음파를 투과하여 tube의 손상없이 CaCO3 조직이 괴사가 되는지를 평가하는 실험을 수행하였다. 평가항목으로는 각각의 주파수, 전압에 따른 tunneling 너비를 측 정하였다.
Fig. 3-21 (a)와 같이 변환기의 주파수를 0.8, 1.1, 1.4MHz, 전압은 8Vpp, 초점거리 는 62.5mm로 설정하였으며, Fig. 3-21 (b)와 같이 변환기의 주파수를 1.1MHz, 전압 은 4, 7, 9Vpp, 초점거리는 동일하게 하여 실험하였다. 각각의 주파수 혹은 전압 별로 초음파 노출시간에 따른 tunneling 된 크기를 측정하였으며, (a)는 주파수가 낮을수록 CaCO3의 표면이 넓게 tunneling 되며, (b)는 높은 전압일수록 초음파 전달 효율이 좋 고 초음파가 노출되는 일정시간까지는 tunneling 깊이는 깊어진다. CaCO3의 조직을 괴사한 실험을 통해 비침습적인 치료에 대하여 검증하였다.
(a) Before (b) After
Fig. 3-20 Tunneling test of CaCO3
20 30 40 50 60 1.5
2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
Tunneling width(mm)
Exposure time(s)
0.8MHz 1.1MHz 1.4MHz
(a) Frequency
20 40 60
2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
Tunneling width(mm)
Exposure time(s)
4Vpp 7Vpp 9Vpp
(b) Voltage
Fig. 3-21 Tunneling width of CaCO3 according to exposure time
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제 4 절 접촉매질 연구 1. 접촉매질의 필요성
초음파는 극초단파, 적외선 및 자외선과 같은 전자기 방사선과는 다르며, 에너지가 종파로서 전달되고 전달매체가 이러한 주파수에서는 신체와 진동의 원천 사이에서 요구된다. 헤드에서 조직으로 에너지를 최대로 이동시키기 위해 기계의 변환기의 헤 드와 신체 사이에 밀접한 접촉이 있어야 한다. 소량의 공기마저도 열의 흐름을 분열 시킬 수 있다. 공기 중에서는 초음파 에너지가 현저하게 감쇄되고 공기-피부 경계면 에서 거의 100%가 반사된다. 현미경으로 겨우 관찰할 수 있을 정도의 아주 미세한 기포가 있어도 초음파의 전파는 현저하게 감소된다. 따라서 임상적인 치료에서는 변 환기와 환자와의 사이의 공간이 액체의 얇은 층으로 채워지는데, 이것은 초음파 에너 지의 전달을 허용할 것이다[23]. 접촉매질은 초음파 에너지의 전도도가 좋아야 하고, 흡수력을 무시할 정도이어야 하며, 치료 중 피부에 지속적으로 체류할 수 있는 점착 성이 충분하고, 접촉이동 치료시 초음파 변환기의 이동이 원활하도록 윤활성이 좋아 야 한다. 접촉매질의 종류에는 물, 초음파풀, 글리세롤, 미네랄유, agar gel 등이 있는 데, 그 중 agar gel은 투명하고 유연한 겔로 대부분 물로 이루어져 초음파 전도도가 우수하여 물 대신 접촉매질의 역할을 하기에 충분하다.
본 실험은 변환기와 CaCO3 조직 사이에 agar gel을 밀접하게 접촉하여 초음파가 잘 전달될 수 있도록 하였고, 각각의 agar 농도 별로 초음파의 노출시간에 따른 CaCO3
의 괴사 크기를 측정하였다.