HIFU, 하이푸, 집속형초음파 피부미용 원리 및 설계 방법_2

HIFU 설계 시, depth를 선정하였다면, 그다음으로 고려해야 할 것이 있다.

바로, 초음파 감쇠 이다.

 

감쇠는 Attenuation coefficient이라고 표현하며,  발생된 초음파 에너지양에 감쇠 계수를 곱해주어 피부 속 초점에서의 에너지양을 계산한다.

 

Attuation coefficient = (dB/cm/MHz)

위와 같이 계산하며, 조직 별로 감쇠계수를 구한 표는 아래와 같다.

 

아래의 표를 보면

감쇠 계수는 물 < Soft tissue < Bone의 값을 갖는 것을 볼 수 있다.

감쇠 계수를 정확히 적용하기 위해서는 해당 매질에서의 초음파 이동거리를 고려려해야 한다.

 

예를 들어, 아래 그림과 같은 조건을 보자

- 트랜스듀서 외경: 20mm

- 트랜스듀서 곡률: 16.4mm

- 주파수: 4 MHz

- 전기적 출력: 30W 

- 초음파 출력: 25.5W (전기-기계 변환 압전 효율을 85%로 가정함)

- 피부침부깊이: 3.0mm라고 하자

(여기서 피부는 tissue임)

- film의 두께: 0.05mm 

 

초음파가 발생 후 매질별 초음파 이동거리를 계산해 보자.

1. 물에서 초음파 이동거리: 16.4mm-3.0mm=13.4mm

2. film에서 초음파 이동거리: 0.05mm

3. tissue에서 초음파 이동거리: 3.0mm

 

자, 이제 이동거리를 알았으니

맨 아래의 표를 참고하여 감쇠를 계산하여 보자.

 

1.  물에서의 감쇠

--> (-0.0022)*(1.3cm)*(4 MHz) = -0.01072 [dB]

2. film에서의 감쇠

-->  (-5.0)*(0.005cm)*(4 MHz)= -0.1 [dB]

3. tissue에서의 감쇠

--> (-0.6)*(0.3cm)*(4 MHz)= -0.72 [dB]

 

이제 각 매질에서의 감쇠값을 모두 더하면 된다.

1+2+3= 0.8307 [dB]의 감쇠가 발생하는 것이다.

따라서 초음파 강도 (W/cm2)를 계산할 때 초음파 감쇠에 대한 값을 항상 고려해야 한다.

 

film의 두께가 두꺼워지거나, 주파수가 증가하거나, 피부 침투 깊이가 깊어질 경우

더 큰 감쇠가 발생하므로, 이점은 초기 개발에 반드시 필요한 개념으로

Amp 설계 시 목푯 값보다 더 큰 출력이 가능하도록 해야 한다.

 

HIFU 피부 침투 깊이 모식도

 

 

그리고, Acoustic impedance라는 값을 간단히 이해해 보자.

밀도와 음속을 곱한 값이 Acoustic impedance 값이다. 

물의 Acoustic impedance는 1.5 Mrayl이며,  물과 유사한 값을 가질수록 초음파 전달이 잘 된다.

Acoustic impedance 값이 큰 Bone에서 초음파는 반사 및 산란이 되고 감쇠도 굉장히 크다.

따라서, 초음파 경로 설계 시에는 초음파가 투과되는 매질의 특성을 고려하는 것이 중요하다.

 

 

 

매질 별 초음파 특성(감쇠, 음향임피던스)

 

 

 

이제 매질에 따라 감쇠하는 것을 알았다.

매질에 따라 초음파 감쇠를 고려하여 Amp 설계를 해야 하는 것도 알았다.

 

 

자, 다음 포스팅에서는 초음파 강도, 초점영역의 크기와 직접적인 연관이 있는 초음파 트랜스듀서 사이즈 설계에 대해 알아볼 것이다.