High-frequency imaging and treatment-integrated ultrasound transducer for diagnosis and treatment of subcutaneous layer disease

Abstract

흑색종암은 멜라닌을 생성하는 세포의 악성 종양으로, 멜라닌세포는 피부 표피의 하단층에 위치한다. 이 암의 근본적인 원인은 자외선 노출이며 초기에 암이 발견되면 쉽게 치료되지만 이 암의 위험한 점은 피부 표면에서 자주 발생하며 진단이 쉽지 않기 때문에 쉽게 전이된다는 것이다. 최근 연구에 따르면 피부암 진단을 위한 고주파 초음파를 가장 비용 효과적이고 안전한 방법으로 제시되었는데 암이 주로 표피층 아래에 위치하기 때문에 초음파 영상촬영은 광학법으로 그 부위를 관찰하는 것보다 더 깊이 관찰할 수 있다는 장점이 있다. 나아가 고주파 초음파를 사용함으로써 초음파 영상에서 흑색종양과 몰의 차이를 확인할 수 있어 조직검사 없이도 피부의 흑색종의 초기 진단 정확도를 높일 수 있다. 또한 흑색종 암 치료는 주로 종양과 근위부 조직 전체를 제거하게 되는데 직접적인 절제를 함으로써 이루어지는 수술은 늦게 회복되고 고통스럽다는 단점이 있으며 2년 이내에 재발률이 높은 고 흉터가 남는다. 이러한 문제를 극복하기 위해 최근에는 전자파, 극저온요법 등 새로운 치료법이 제시되고 있다. 그 중에서도 고강도 집속 초음파(HIFU)는 종양 치료에 많은 임상시험에 활용되어 안전하고 신속하게 치료된다는 점에서 주목을 받고 있다. 또한 약해진 면역체계는 수술 후 회복에 만성적인 문제로, 최근 연구에서는 HIFU 치료는 면역체계를 자극하는 효과가 있으며 흑색종암을 치료하는 경우 흑색종 세포이동과 전이를 억제하는 효과가 있다는 것이 밝혀졌다. 더욱이 HIFU 치료는 영상 촬영 양식과 결합하기 쉽다는 장점이 있다. 이러한 점들을 바탕으로 본 연구에서는 흑색종 암을 치료하고 진단하기 위한 HIFU 치료와 초음파 영상 촬영을 위한 초음파 트랜스듀서를 개발했다. 본 연구에서 진행한 주요과제는 아래와 같다. 첫번째로 트랜스듀서의 내구성을 높이기 위해 HIFU 트랜스듀서 제조공정 사이에 플라즈마 세척공정이 추가했다. HIFU 치료의 경우 변환기는 정확한 치료를 위해 초점 빔을 생성하는 것이 중요하다. 많은 HIFU 변환기는 초음파의 초점을 맞추기 위해 렌즈를 사용하는데 렌즈가 파장의 1/4보다 두껍다면 초음파 전달력의 면에서 손해를 감수해야 한다. 우리는 음향 임피던스의 불일치를 보상해 줌으로써 두 개의 음향 매칭 레이어가 있는 프레스 중심 변환기를 설계해 이 문제를 해결하고자 하였다. 여러층을 사용하는 만큼 변환기를 제조하기 위해서는 HIFU 신호를 견디기 위해 층의 접합 강도가 강해야 하기 때문에 각 층 사이의 분리를 일으키는 원인인 유기물을 플라즈마 처리를 추가하여 배재함으로써 부착 강도를 강화하였다. 두번째로, HIFU 치료와 고주파 초음파 영상 촬영을 위해 두가지의 음향층을 갖춘 트랜스듀서를 한 하우징에서 제작했다. 각 용도의 음향 스택은 별도로 최적화되어 제작되어 하나의 하우징에 통합하였다. 각 트랜스듀서는 동일한 베어링 볼로 포커싱함으로써 같은 깊이에서 초음파가 집속되도록 공정을 진행하였다. 변환기를 제조한 후, 각 치료와 영상 목적별로 변환기의 기능을 실험에 의해 평가하였다.