Multi-element Ultrasound Applicator for the Treatment of Cancer in Uterus and Cervix

자궁암 치료용 다채널 초음파 온열치료기

The objective of this study was to construct multi-element ultrasound applicators for the treatment of gynecologic cancer with high dose rate brachytherapy. For the treatment of uterus, piezo-ceramic crystal transducer (PZT -5A) with outer diameter of 4 mm, wall thickness of 1.3 mm, and length of 24.5 mm was selected. For the treatment of cervix or vagina, it should be possible to insert the applicator into the vagina. Thus, a cylindrical PZT -8 material with outer diameter of 24.5 mm, wall thickness of 1.3 mm, and length of 15.2 mm was selected. The operating frequencies determined by vector impedance measurement were 3.2 MHz for the PZT 5A cylinder (OD=4 mm) and 1.7 MHz for the PZT -8 cylinder (OD: 24.5 mm). The ratios of generated acoustic output power to applied electric power were 33% and 61% for the tandem type crystal and the cylinder type crystal, respectively. The radiated acoustic pressure fields from both transducers were calculated using a Matlab code and measured in water using hydrophone. There was good agreement between measured and calculated acoustic pressure field distribution. For a tandem type transducer, the calculated acoustic pressure field decreased from 0.023 MPa at 10 mm to 0.010 Mpa at 30 mm, the reduction of 57%. For the cylinder type transducer which will be used for the treatment of vagina showed 78% reduction at 15 mm and 66% at 25 mm as compared to values at 5 mm from the surface. Based on the characteristics of the transducers, this study demonstrated the possibility of using the crystals as a heating source. Finally, a 3-element and 4-element prototype applicators were constructed. The 3-element applicator is 75 mm long and 4 mm thick and will be used for the treatment of uterus. The 4-element applicator is 61 mm long and 24.5 mm thick and will be used for the treatment of vagina. Using these applicators, it is possible to generate enough power to increase temperature to therapeutic level.

본 연구에서는 자궁경부암 및 질암 치료 시 고선량률 강내 근접치료기와 병행하여 사용가능한 다채널 초음파 온열 치료 기구를 제작하였다. 텐덤형의 경우 자궁 내에 삽입이 용이하도록 외부직경 4 mm, 두께 0.7 mm, 길이 24.5 mm인 원통형 plezo-ceramic crystal transducer (PZT-5A) 물질이 초음파 발생원으로 사용되었다. 질벽 또는 질 천정치료에 이용될 치료기는 질에 삽입되어야 하므로 질의 크기와 비슷한 직경 24.5 mm, 두께 1.3 mm, 길이 15.2 mm인 원통형 PZT-8 물질이 이용되었다. 임피던스와 phase 측정결과에 따라 외부직경이 4 mm인 PZT-5A의 작동주파수는 3.2 MHz 로 결정되었고 외부직경이 24.5 mm인 PZT-8 물질의 작동 주파수는 1.7 MHz로 결정되었다. Radiation force 방법으로 측정된 초음파 발생효율은 텐덤형 초음파원은 33%이고 원통형 초음파원은 61%이다. 원통형 초음파 발생물질로부터 발생되는 초음파 분포도를 MATLAB을 이용하여 계산하였고 실제 물 팬텀 내에서 열전대를 이용하여 측정하였다. 계산을 통해 얻어진 radial 한 방향으로 방사된 초음파압은 자궁내로 삽입되는 텐덤형 트랜스듀서의 경우 표면에서 5 mm 되는 점을 기준으로 10 mm 에서는 58%이고 20 mm에서는 45%이다. 질 치료에 사용될 트랜스듀서의 세기는 표면으로부터 5 mm에서의 세기를 기준으로 15 mm 거리에서는 78%, 25 mm 거리에서는 66％로 감소하였다. 특성분석 결과 직경 4 mm인 PZT-5A 와 24.5 mm인 PZT8 물질은 온열치료의 초음파원으로 사용가능함이 입증되었다. 따라서 직경 4 mm인 PZT-5A 트랜스듀서 3개를 연결하여 치료길이가 75 mm인 텐덤형 온열치료기구를 제작하였고 직경 24.5 mm인 PZT-8 트랜스듀서 4개를 연결하여 치료길이가 61 mm인 질암 치료용 온열치료기구를 제작하였다.