탄소나노튜브 복합체 광음향 트랜스듀서에서 발생한 충격파의 인체 두개골 투과 특성

Abstract

의료 초음파는 20세기 후반부터 의학 기술 발전에 많은 기여를 하고 있으며, 진단 초음파와 치료 초음파로 구분할 수 있다. 본 논문에서는 뇌 치료 기초 연구로서 탄소나노튜브(Carbon nano tube; CNT) 복합체 광음향 트랜스듀서에서 발생한 충격파의 인체 두개골 투과 특성을 실험적으로 측정하였다. 제주대학교 해부학 교실에서 제공된 3구의 두개골의 전정을 기준점으로 중심과 시상봉합의 왼쪽과 오른쪽, 전두골, 후두골의 한 점을 각각 측정하였다. 두개골의 평균 두께는 CT(Computed Tomography) 영상에서 추출하였으며 두개골 3구의 평균 두께는 각각 7.5±0.3, 5.2±0.5, 5.6±0.5 mm이다. 두개골의 밀도와 음속은 CT 영상에서 추출된 HU(Hounsfield Unit)값으로 계산하였으며, 평균 밀도와 음속은 각각 1.908±0.047, 1.85±0.032, 1.995±0.052 g/𝑐𝑚3, 2836±51, 2750±48, 2963±63 m/s이다. 실험은 두 가지 경우로 수행하였으며 먼저 고강도 집속 초음파 트랜스듀서 (H-101, Sonic concepts Inc, Bothell, WA, USA)에서 발생되는 1.1MHz 주파수 대역의 초음파가 중심부위를 투과하기 전과 후의 신호를 바늘형 하이드로폰 (TNU001A, Onda, Sunnyvale, CA, USA)으로 측정하였다. 두개골 투과 전 음압은 240 kPa, 투과 후 음압은 8.8 kPa로 약 25 배 감소하였다. SIM4LIFE 소프트웨어 시뮬레이션 결과 두개골 투과 전 260 kPa, 투과 후 11kPa로 실험 결과와 유사하게 약 25 배 감소되었다. 또한 레이저 시스템 (파장 = 532 nm, 에너지 = 250 mJ, TribeamK, Jeisys, Medical Inc, Seoul, Korea)을 이용한 CNT 복합체 광음향 트랜스듀서에 의해 발생된 광대역 충격파를 두개골 투과 전과 후의 신호를 바늘형 하이드로폰으로 측정하였다. 3구 두개골의 다섯 측정 부위 평균 음압은 투과 전음압으로 정규화한 값으로 0.07, 0.07, 0.192이고, 평균 중심 주파수는 266, 175, 398 kHz이며 평균 감쇠계수는 3.38, 5.09, 3.04 np/cm/MHz로 측정되었다. CNT 복합체 광음향 트랜스듀서에서 발생된 충격파가 한 두개골을 투과한 후 측정 된 감쇠계수와 SIM4LIFE 소프트웨어에서 200–900 kHz의 협대역 주파수 대역을 시뮬레이션하여 계산된 감쇠계수는 각각 6.02, 5.98 np/cm/MHz로 유사한 값이 도출되었다. CNT 복합체 광음향 트랜스듀서에서 발생된 충격파는 두개골의 두께에 따라 투과된 후의 음압 및 주파수 대역이 줄어들었으며 주파수 대역에 따른 감쇠계수를 시뮬레이션을 통해 검증하였다. CNT 복합체 광음향 트랜스듀서에서 발생된 충격파의 두개골 투과 실험을 통해서 측정된 결과는 향후 열효과 외에 기계적인 효과를 통해 뇌치료를 할 수 있는 뇌신경조절이나 혈뇌장벽 개방을 통해 약물 전달하는 분야 등 비침습적인 초음파를 통한 뇌 치료에 적용할 때 중요한 자료로 제공될 수 있다.

Medical ultrasound has contributed to development of medical technology since the late 20th century and is divided into diagnostic and therapeutic ultrasound. This thesis is a basic study of therapeutic ultrasound of brain tissue through skull, in which experimentally measured the transmission characteristics of shock wave generated by Carbone Nano-Tube (CNT) composite photoacoustic transducer through human skull. Three human skull cadavers were provided from the Anatomy laboratory in Jeju National University. Five measurement positions were decided from the reference position of the bregma, center, left and right lobes of sagittal suture, frontal and occipital lobes. The average thickness of the human skulls was extracted from CT (Computed Tomography) images, and the average thicknesses of the three human skulls were 7.5 ± 0.3, 5.2 ± 0.5, and 5.6 ± 0.5 mm. The density and sound speed of the human skull cadavers were calculated by HU (Hounsfield Unit) value extracted from CT images. The average density and sound speed of the three human skulls were 1.908±0.047, 1.85±0.032 and 1.995±0.052 g/𝑐𝑚3, and 2836±51, 2750±48, and 2963±63 m/s, respectively. The experiment was carried out in two cases. First, a HIFU (High Intensity Focused Ultrasound) transducer (H-101, Sonic concepts Inc, Bothell, WA, USA) transmitted ultrasound of center frequency of 1.1 MHz through central position of a human skull and a needle hydrophone (TNU001A, ONDA, Sunnyvale, CA, USA) was used to measure the pressure without and with the skull. The sound pressures transmitted without and with the human skull were measured to be 240 kPa and 8.8 kPa, which was 25 times less. Simulation results of SIM4LIFE software without and with the human skull were 260 kPa and 11 kPa, which is similar to the experimental results. Second, shock wave generated by a CNT composite photoacoustic transducer using a laser system (Wave length = 532nm, Laser energy = 250mJ, TribeamK, Jeisys, Medical Inc, Seoul, Korea) was measured without and with human skull cadavers by the same needle hydrophone. The normalized transcranial sound pressures by reference ones without skulls were averaged to 0.07, 0.07 and 0.192 from 5 measurement positions for the three human skulls. The average center frequencies and attenuation coefficients were measured to 266, 175, 398 kHz, and 3.38, 5.09, 3.04 np/cm/MHz, respectively. Attenuation coefficients of experimental results from the broad band CNT composite transducer and simulated narrow band results for frequencies of 200 – 900 kHz with a step of 100 kHz were 6.02 and 5.98 np/cm/MHz, respectively, which are reasonably in agreement. Both sound pressure and center frequency of shock wave generated by the CNT composite photoacoustic transducer were decreased with thickness of the human skull, and the attenuation coefficient measured from broad band shock wave was confirmed by simulated one from continuous waves. These experimental results from the shock wave generated by CNT composite photoacoustic transducer may provide important data when applied to brain treatments by mechanical effects of transcranial ultrasound such as drug delivery through temporary Blood-Brain-Barrier opening and neuromodulation.