음향 패턴 간섭 복사력 기반 초음파 신경 자극 :Ultrasound Neurostimulator based on Acoustical Pattern Interference Radiation Force

김영훈

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김영훈 (한양대학교 )

지도교수: 박관규

발행연도: 2023

저작권: 한양대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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초록· 키워드

경두개 집속 초음파를 이용한 심부 뇌 자극에 대한 수요가 증가하고 있다. 신경질환에 효과적인 심부 뇌 자극은 전극을 뇌에 직접 이식하는 방식이다. 경두개 집속 초음파는 경두개 전기 자극, 경두개 자기 자극과 같은 다른 비침습적 방법에 비해 높은 공간 분해능과 침투 깊이로 주목받고 있다. 열에너지, 캐비테이션, 음향 방사력이 경두개 집속 초음파의 잠재적인 메커니즘으로 언급되지만, 본 논문에서는 ARF를 사용하는 경우에 대해서만 다룬다.
집속 초음파에 의해 조직에서 발생하는 것으로 알려진 수많은 음향 방사력방정식을 수치 시뮬레이션을 통해 비교하였다. 단일 집속 변환기를 사용할 때 계산된 음향 방사력에 따라 조직 응답을 얻었다. 비교된 세 가지 음향 방사력방정식은 레이놀즈 응력, 운동량 자속 밀도 텐서 및 감쇠에 의한 힘이다. 조직에서 발생하는 변위와 응력 텐서의 비교를 기반으로 레이놀즈 응력 방정식은 조직의 응답을 가장 잘 설명하는 음향 방사력 방정식으로 결정되었다.
기존의 초음파 신경조절 방식보다 더 강하게 자극하기 위해서는 레이놀즈 응력에 의한 힘의 크기를 키워야 한다. 레이놀즈 응력에 의한 힘은 입자 속도장의 제곱 구배에 비례하므로 크기를 증가시키기 위해 정상파를 사용하였다. 기존의 방식과 달리 두 개의 집중된 탐촉자를 서로 마주보게 배치하여 정상파를 생성하였다. 정재파에서 발생하는 레이놀즈 응력에 의한 힘을 패턴 간섭 방사력이라고 하며, 수치 해석 시뮬레이션 결과 기존 방식보다 약 34배 큰 것으로 나타났다. 패턴 간섭 방사력을 직접 측정하는 대신 시간평균 2차압력을 측정하여 검증하였다. 시간평균 2차 압력을 측정하기 위해 정재파 압력장 중앙에 유리관을 놓고 관 내부의 수면 변화를 측정하였다.
패턴 간섭 방사력의 분해능을 향상시키기 위해 단일 주파수 연속파 파형 대신 주파수 변조 파형을 사용하였다. 실험을 통해 선형 주파수 변조 처프 파형을 이용하여 생성된 주파수 변조 패턴 간섭 복사력의 분해능이 기존 패턴 간섭 방사력 대비 약 8.5배 향상됨을 확인하였다. 폴리디메틸실록산 캔틸레버를 이용한 새로운 기술은 기존 패턴 간섭 방사력 및 주파수 변조 패턴 간섭 복사력을 측정하기 위해 정상파에서 복사력을 측정하기 위해 개발되었다. 시뮬레이션과 실험을 통해 주파수 변조 패턴 간섭 복사력의 목표점은 변환기 중 하나에 지연 시간이 주어졌을 때 3mm와 6mm만큼 이동할 수 있었다.
주파수 변조 패턴 간섭 방사력를 얻기 위해 최적화 방법을 수행하고 조직 내부에 설계된 스트레스 텐서를 생성하기 위해 입력 및 출력 압력을 최적화하였다. 목표 응력 패턴의 분해능, 파장 및 위치를 변경하여 최적화된 입력 및 출력 압력을 분석하였다. 최적화 결과는 분해능이 최적화된 출력 압력의 주파수 대역폭과 관련이 있으며 주 주파수는 목표 응력 패턴의 파장과 관련이 있음을 보여주었다. 또한 최적화 방법을 사용하면 시간 지연을 사용하여 목표 위치를 이동하는 것보다 더 정확한 결과를 보여준다

The demand for deep brain stimulation (DBS) using transcranial focused ultrasound (tFUS) is increasing. DBS, which is effective for neurological disorders, use the method implanting electrodes directly into the brain. tFUS is attracting attention due to its high spatial resolution and penetration depth compared to the other non-invasive methods such as transcranial electrical stimulation (tES) and transcranial magnetic stimulation (TMS). Thermal energy, cavitation, and acoustic radiation force (ARF) are commonly mentioned as potential mechanisms of tFUS, and some recent studies also suggest a stress tensor. This thesis covers only with the case of using ARF and the resulting stress tensor.
Several types of ARFs are used in various fields. First, it is necessary to specify which ARF is occurring in the tissue. Equations that can calculate ARF include Reynolds stress force (RSF), momentum flux density tensor force, and attenuation force. The tissue displacement and stress tensor by each ARF were compared by numerical simulation. Tissue displacement showed the same response to the three ARFs, but stress tensor was generated only when RSF was used. Considering the importance of stress tensor, the RSF equation was determined as the ARF occurring in tissue.
To stimulate more strongly than the existing ultrasound neuromodulation method, the magnitude of RSF must be increased. Since RSF is proportional to the gradient of the square of the particle velocity field, a standing wave was used to increase the magnitude. Unlike the conventional method, two focused transducers were placed facing each other to create a standing wave. The RSF generated from a standing wave is called pattern interference radiation force (PIRF), and numerical simulations showed that it is approximately 34 times larger than the conventional method. Instead of measuring the PIRF directly, the time-averaged second-order pressure was measured for verification. To measure the time-averaged second-order pressure, a glass tube was placed in the middle of a standing wave pressure field to measure the change in water surface inside the tube.
To improve the resolution of PIRF, a frequency-modulated waveform was used instead of a single frequency continuous wave (CW) waveform. Through the experiment, it was confirmed that the resolution of the frequency-modulated pattern interference radiation force (FM-PIRF) generated using the linearly frequency-modulated chirp waveform was improved by about 8.5 times compared to the PIRF. A new technique using polydimethylsiloxane (PDMS) cantilever was developed to measure the radiation force in a standing wave to measure PIRF and FM-PIRF. Through simulation and experiment, target point of FM-PIRF was able to move by 3 mm and 6 mm when the delay time was given to one of the transducers.
Optimization method was performed to obtain FM-PIRF and optimized input and output pressure to generate the designed stress tensor inside the tissue. The optimized input and output pressure was analyzed by changing the resolution, wavelength, and position of the target stress pattern. The optimization results showed that the resolution is related to the frequency bandwidth of the optimized output pressure, and the main frequency is related to the wavelength of the target stress pattern. In addition, using the optimization method shows more accurate results than moving the target position using time delay.

Chapter1. Introduction - 1 -
1.1. Motivation - 1 -
1.2. Background of Transcranial Focused Ultrasound Neuromodulation - 3 -
1.2.1. Efficiency - 3 -
1.2.2. Resolution - 5 -
1.2.3. Positioning - 7 -
1.2.4. Effect of the Skull - 9 -
1.3. Objective and organization of dissertation - 10 -
Chapter 2. Acoustic Radiation Force - 13 -
2.1. Theoretical Background of Acoustic Radiation Force - 14 -
2.1.1. Reynolds Stress Force - 15 -
2.1.2. Momentum Flux Density Tensor Force - 17 -
2.1.3. Attenuation Force - 19 -
2.2. Acoustic Radiation Force for Neuromodulation - 20 -
2.2.1. Numerical Simulation - 21 -
2.2.2. Acoustic Simulation Result - 24 -
2.2.3. Response of the Tissue - 29 -
2.2.4. Effect of Attenuation Coefficient - 33 -
2.3. Acoustic Radiation Force Measurement - 36 -
Chapter 3. Magnitude Increment of the Acoustic Radiation Force - 37 -
3.1. Pattern Interference Radiation Force - 38 -
3.1.1. Principle of Pattern Interference Radiation Force - 38 -
3.1.2. Numerical Simulation - 40 -
3.2. Indirect Measurement of Acoustic Radiation Force - 48 -
3.2.1. Time-Averaged Second-Order Pressure - 48 -
3.2.2. Numerical Simulation - 49 -
3.2.3. Experiment Setup - 52 -
3.2.4. Indirect Measurement Result - 58 -
3.2.5. Limitation of Indirect Measurement - 61 -
Chapter 4. Spatial Resolution Improvement of the Pattern Inference Radiation Force - 63 -
4.1. Frequency-Modulated Pattern Inference Radiation Force - 64 -
4.1.1. Principle of Frequency-Modulated Pattern Inference Radiation Force - 64 -
4.1.2. Numerical Simulation - 66 -
4.1.3. Chirp Waveform Design - 71 -
4.1.4. Target Point Movement - 78 -
4.2. Direct Measurement of Acoustic Radiation Force - 81 -
4.2.1. Acoustic Radiation Force Measurement using Polydimethylsiloxane Cantilever - 81 -
4.2.2. Experiment Setup - 82 -
4.2.3. Direct Measurement Result - 88 -
4.2.4. Frequency Tuning - 91 -
Chapter 5. Stress Field Optimization for Frequency-Modulated Pattern Interference Radiation Force - 92 -
5.1. Optimization For Frequency-Modulated Waveform - 93 -
5.1.1. Pressure Field Calculation from Frequency-Modulated Waveform Input - 93 -
5.1.2. Optimization Process - 96 -
5.2. Optimization Results and Verification - 98 -
5.2.1. Single Compressive Stress Target - 98 -
5.2.2. Single Tensile Stress Target - 103 -
5.2.3. Target Location Movement - 106 -
5.2.4. Resolution Control - 108 -
5.2.5. Target Size Control - 110 -
Chapter 6. Conclusion - 112 -
6.1. Summary - 112 -
6.2. Technical vision - 115 -
Reference - 117 -
국문 초록 - 127 -
감사의 글 - 129 -

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