[Acoustic/Application] High-Intensity Focused Ultrasound (HIFU)

[HIFU란?]

• 초음파 에너지를 국부적으로 고도로 집중시켜 좁은 범위에 열을 발생시켜 이 열을 이용하여 손상된 조직(tissue)를 파괴시키는 정밀한 의료 과정을 의미함.

• 발열 요법(hyperthermia therapy)에 속하며, 이는 질병 치료에 있어 온도를 이용하는 진료법임.

• 환자의 몸으로 최소 침투 또는 비침투 방법으로서 체내로 직접 음파 에너지를 주입하는 방법임.

• 본 치료법을 승인하는 국가는 다음과 같음
  - 자궁 유종 치료를 위한 MRgHIFU(Magnetic Resonance guided HIFU): 호주, 캐나다, 유럽, 이스라엘, 미국.
  - USgHIFU(Ultra Sound guided HIFU): 불가리아, 중국, 홍콩, 이탈리아, 일본, 한국, 말레이시아, 멕시코, 폴란드, 러시아, 루마니아, 스페인, 영국.

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[이론]

초음파를 집중시키는 방법에는 다음과 같은 방법들이 있다:

렌즈를 이용하는 방법 / 곡면형 트랜스듀서(transducer)를 이용하는 방법 / 위상 어레이(array)를 이용하는 방법 / 앞의 세 가지 방법을 혼용하는 방법

초음파 모델

초음파 지수 감쇠 모델(exponential model of ultrasound attenuation) - 초음파 강도가 조직 내에서 이동 거리에 따라 지수로 감쇠하는 모델, 즉,

여기서, 는 초기 광선 강도, 는 감쇠 계수[1/m], z는 감쇠 매질을 통해 초음파가 이동한 거리[m].

위의 모델 식을 변수 z에 대하여 편미분하면,

또는

여기서 Q는 초음파장으로부터 흡수된 열량 밀도를 의미한다.

SAR

특정 매질에 의해 흡수되는 열량을 표현하는 기준으로 SAR이 사용되기도 하는데, 이는 흡수된 열량 Q를 조직 밀도로 나누어 계산한다.

조직에 흡수되는 열량, 초음파 광선 강도, 초음파가 조직에 닿는 면적 사이에는 다음과 같은 관계가 성립된다:

조직이 흡수한 열량 ∝ 초음파 강도 ∝ 1/(초음파가 닿는 면적)

흡수하는 열량은 초음파가 닿는 면적과 반비례하므로 열량이 많이 흡수되도록 하려면 더욱 더 초음파가 포커싱되어야 한다.

CEM

조직 내 손상된 양을 측정하는 지표로 CEM(Cumulative Equivalent Minutes)를 정의하여 사용한다.

이에 대한 여러가지 수식화가 알려져 있지만 현재 가장 널리 사용되는 수식은 1984년에 Dewey와 Sapareto가 발표한 논문이다:

43℃에 대하여 R = 0.5,

37℃ - 43℃에 대하여 R = 0.25를 사용하며

기준 온도는 T_ref = 43℃이다.

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[포커싱]

초음파 포커싱 방식은 다음과 같이 두가지가 있다:

• 기하학적(geometric) 방식: 렌즈 또는 구형 곡면 트랜스듀서.

• 전자(electronic) 방식: 트랜스듀서 어레이의 상대 위상(phase) 조절.

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[HIFU 작동 원리]

음파가 조직과 만날 때 일부는 반사되고 일부는 조직 내로 침투하여 열로 변환된다. 조직 손상은 조직이 흡수한 열량에 대한 온도와 음파에 노출된 시간에 대한 함수로 표현할 수 있다.

음파 강도가 충분히 높으면 동공(cavitation) 현상이 나타나는데, 즉, 미세기포(microbubble)가 형성되고 음향장과 상호작용하게 된다.

음향장 내에 생성된 미세기포는 진동하고 자라게 되며 마침내 폭발(관성(inertial) 동공 또는 과도(transient) 동공)하게 된다.

관성 동공이 일어나는 동안 기포 내에 매우 높은 온도가 형성되어 폭발 시 폭발에 대한 충격파가 발생하고 이 충격파에 의한 제트(jet)가 조직에 손상을 가한다. 동공 현상의 발생과 이론 인한 조직 손상의 결과는 예측할 수 없는 것이기 때문에 일반적인 의료 적용에서는 피해야 한다. 그러나, 동공 현상은 HIFU를 이용한 치료(암세포 제거 등)의 수단이 될 수 있기 때문에 치료 분야에서는 현재 활발히 연구되고 있다.

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[다른 방법에 대한 HIFU 장점]

• 비침투 또는 최소침투 방식의 치료 방법

• 주변 조직을 손상시키지 않고 원하는 조직만 정확히 제거할 수 있는 방법

• 방사선 등과 같은 에너지 집중 응용 치료 방식과는 다르게 외관상으로는 조직에 어떠한 효과를 누적시키지 않으므로 반복적인 치료가 가능

• 마취가 필요 없음(그러나 실질적으로는 마취 권장)

• 선택적 치료가 가능

• 실시간 모니터링 가능

• 저렴한 가격으로 치료 가능

• 다양한 종양에 적용 가능

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[HIFU는 언제 활용되는가]

HIFU는 포커싱 되는 범위가 매우 좁기 때문에 단일 종양 또는 큰 종양의 일부분 제거 시 활용되며, 종양이 넓게 퍼져 있을 경우에는 활용이 불가능하다.

HIFU는 고체 뼈(solid bone)나 공기(air)는 투과하지 못하므로 모든 종양의 치료에 대해 만능은 아니다.

치료 분야는 다음과 같다:

• 전립선 암

• 신장 암

• 일차 및 이차 간암

• 췌장 암

• 방광 암

다음 치료 분야는 적용이 불가능하다:

• 뇌종양

• 폐암

• 척추 부분의 암

• 임파선에 퍼진 암

• 피부암

• 머리 및 목 부위 암

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[관련 기관 및 영상]

International Society for Therapeutic Ultrasound

HIF for Prostate Cancer

Uterine Fibroid Therapy using HIFU

HIFU Focal One

HIFU Mechanism

3D Animation of HIFU Procedure

HIFU

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[향후 응용 분야]

• Targeted drug delivery (목표지향적 의약 딜리버리)
• Transcutaneous drug delivery (경피성 의약 딜리버리)
• Cerebral hemorrhage treatment (뇌출혈 치료)
• Osteoporosis treatment (골다공증 치료)
• Chronic pain management (만성 통증 관리)
• Gene therapy (유전자 치료)