[의료기기·음향공학·IP-R&D] 경두개 초음파 신경자극의 정밀도는 두개골 보정에서 달라집니다
경두개 초음파 신경자극에서는 장치에 설정한 출력만으로 뇌의 표적 부위에 도달한 자극을 설명할 수 없습니다. 두개골이 음파의 크기와 위상을 바꾸기 때문에 실제 전달 음장의 보정·재현성이 핵심 설계변수가 됩니다. 2024년 실험연구, 2024·2026년 미국 등록특허 및 2025년 국제 안전성 합의문을 대조하면 기술을 보호할 구성과 실제 검증할 시험을 구분할 수 있습니다.
초음파 신경자극기의 중심주파수, 구동전압, 펄스폭을 정했다고 가정해 보겠습니다. 물속에서 동일한 출력과 초점을 재현하더라도 사람의 두개골을 통과한 뒤 뇌의 목표 부위에 같은 음압이 전달된다고 볼 수는 없습니다. 두개골의 두께·밀도·음속과 입사각에 따라 감쇠와 위상차가 발생하기 때문입니다.
따라서 경두개 초음파 신경자극(TUS, transcranial ultrasound stimulation)의 핵심은 기기에 인가한 에너지의 반복보다 목표 위치에 형성되는 실제 음장의 재현에 있습니다. 이 기술적 차이는 시험과 성능평가뿐 아니라 경쟁특허의 구성요소를 비교하고 후속 발명을 보호하는 방법에도 영향을 줍니다.
1. 같은 출력에서도 뇌 표적의 음압은 달라집니다
초음파는 두피·두개골·뇌조직을 통과할 때 반사·흡수·굴절됩니다. 두개골은 음향 특성이 균일하지 않기 때문에 어레이 소자들이 같은 구동신호를 내보내더라도 표적에서의 파동 중첩이 달라지고 초점의 크기·위치가 바뀔 수 있습니다. 여러 소자에서 방출한 파동의 상대 위상(phase)이 핵심인 이유입니다.
Wilson·Riis·Kubanek의 2024년 실험논문은 선행 실측자료를 인용해 두개골과 측정 조건에 따른 초음파 강도 감쇠가 4.5~64배까지 달랐다고 설명합니다. 이 수치는 모든 환자에게 적용할 고정 보정계수가 아니라, 자유장(free field)에서 측정한 출력만으로 두개골 안의 자극강도를 결정할 수 없다는 근거입니다.
자유장은 두개골과 같은 전달 장애물이 없는 기준 측정환경이고, in situ 음장은 두개골을 통과한 뒤 실제 표적 안에 형성된 음압·강도 분포입니다. 출력만으로는 뇌 표적에 도달한 음장과 주변 조직에 전달된 기계적·열적 영향을 설명하기 어렵습니다.
2. 두개골 투과보정의 실제 실험근거
2024년 연구진은 적출 인체 두개골 양측에 각각 126개 소자를 가진 곡면 초음파 어레이를 배치했습니다. 한쪽 어레이에서 신호를 보낸 뒤 반대편 어레이에서 수신해 두개골에 의한 감쇠와 위상차를 측정하는 상대 투과 측정(RTT, relative through-transmit) 방식을 사용했습니다.
이 방식은 두개골 영상으로 음향특성을 미리 추정하는 방법과 달리, 실제 투과된 신호를 토대로 어레이별 위상과 진폭 보정값을 정하는 접근입니다. 기술적 기여는 “출력을 높였다”가 아니라 측정된 투과신호가 각 소자의 보정값과 목표 음장에 어떻게 반영되는가에 있습니다.
연구의 생체반응 실험에서는 참가자 11명이 적출 두개골 내부의 표적 위치에 자신의 엄지손가락을 놓았으며, 연구진은 650 kHz 초음파의 300 ms 자극 등에 대한 말초신경의 감각반응을 비교했습니다. 실제 살아 있는 사람의 두개골 안 뇌를 자극하여 임상 치료효과를 평가한 시험이 아닙니다.
연구에서 가장 강한 조사조건의 반응비율은 RTT 보정에서 62.7%, 수중음향센서(hydrophone) 참조 보정에서 66.3%였고 두 결과의 유의한 차이는 관찰되지 않았습니다. 다만 실제 비교에 사용된 적출 두개골은 한 개이고, 자극 대상은 말초신경이었습니다. 따라서 두개골 투과보정의 기술적 필요성을 뒷받침하는 실험이지 특정 질환에 대한 환자 임상유효성이나 장기 안전성을 확정하는 자료는 아닙니다.
3. 미국 등록특허는 보정에 사용하는 입력정보와 제어순서를 구별합니다
두개골 통과 초음파의 초점을 보정하는 기술은 한 종류의 특허로 정리되지 않습니다. 2024년 12월 31일 미국 등록 US12179042B2의 독립항 1은 어레이를 이용해 두개골의 서로 다른 위치에 다섯 번 이상의 탐침 초음파 이벤트를 수행하고, 이들 이벤트에서 얻은 반사파를 신호처리해 상대위상을 정한 뒤 어레이를 구동하는 구성을 요구합니다.
특히 해당 독립항에는 개별 이벤트의 방사영역과 서로 다른 두개골 지점 사이의 거리 등 구체적인 한정이 존재합니다. 따라서 “반사파를 측정해 위상을 보정한다”라는 설명만으로 모든 필수 구성요소가 충족된다고 볼 수는 없습니다. 위치별 반사신호를 얻는 방식과 그 정보를 실제 상대위상으로 전환하는 관계가 분석의 핵심입니다.
반면 2026년 10월 6일 등록 US12752133B2의 독립항 1은 두부 영상정보를 이용한 음향특성 추정, 신경항법에 의한 탐촉자 위치 취득, 실시간 음장 시뮬레이션, 해부학 영상 위의 음장 표시, 목표 위치에 맞추는 반복적인 송신 위상조정을 결합합니다. 이 경우 핵심 입력은 반사파 탐침 이벤트만이 아니라 영상·항법 정보와 계산된 실시간 음장입니다.
또한 후자의 제7항에는 피험자 움직임에 따라 갱신된 음장이 허용범위를 벗어나면 자극을 종료하는 안전제어가 추가됩니다. EEG 전극을 포함하는 별도의 장치구성은 시스템 독립항 16에 기재되어 있습니다. 종속항 7의 종료조건이나 독립항 16의 EEG를 방법 독립항 1의 공통 필수요건으로 삽입해서는 안 됩니다.
이 두 등록공보를 함께 읽으면 특허의 보호대상은 단순한 주파수·소자수·출력의 차이보다 실측 또는 영상·항법 정보 → 위상 보정값 → 음장과 표적의 정합 → 구동·안전제어 중 어떤 관계를 새롭게 특정했는지에 있음을 알 수 있습니다.
4. ITRUSST 합의문은 음장 재현성과 생물물리적 안전성을 나눠 평가합니다
국제 경두개 초음파 자극 안전·표준화 컨소시엄 ITRUSST는 2024년 연구조건 표준 보고 합의문과 2025년 생물물리적 안전성 합의문을 발표했습니다. 첫 문서는 트랜스듀서·구동시스템·자유장 출력·펄스 타이밍·두개골 통과 후 노출 추정 등 실험 조건을 일관되게 기록하기 위한 틀입니다.
두 번째 문서는 저강도 경두개 초음파 자극을 대상으로 기계적·열적 위험을 검토합니다. 특정한 전제 아래 전문가들은 기계적 지표인 MI 또는 MItc가 1.9 이하인 조건, 온도 상승 2°C 이하 또는 기준온도 37°C를 가정한 절대온도 39°C 이하인 조건 등을 중요하지 않은 수준의 위험과 관련된 판단기준으로 제시합니다.
| 검증축 | 무엇을 설명해야 하는가 | 연결되는 증거 |
|---|---|---|
| 실제 음장 | 자유장 출력과 표적 내 압력·초점 위치의 관계 | 두개골 감쇠·위상보정과 in situ 추정 |
| 기계적 위험 | 음압·주파수와 MI/MItc의 적용전제 | 음향출력과 두개골 모델·조영제 유무 |
| 열적 위험 | 온도 상승·열량·노출시간에 따른 위해 | 조직별 온도분포·펄스·듀티비·반복 |
| 제어 재현성 | 탐촉자 이동·결합변화 후 표적 이탈 여부 | 항법·시뮬레이션·갱신·안전정지 로그 |
중요한 경계가 있습니다. ITRUSST의 수치는 법률상 FDA 허가 기준이나 모든 환자에게 적용되는 절대 안전상한값이 아닙니다. 2025년 합의문은 조영제·마이크로버블 등의 특별한 조건이 없는 경우를 기본 전제로 하며, 조직을 고온으로 파괴하는 고강도 집속 초음파(HIFU)와 혈뇌장벽 개방기술은 별도의 적용영역으로 제외했습니다. 또한 합의문은 규제기관의 공식 기준을 대체하지 않는 전문가 판단임을 명시합니다.
5. IP-R&D의 검증대상은 설정값이 아니라 음장을 만드는 기술관계입니다
제품개발팀이 초음파 소자나 구동회로를 바꿀 때에는 소자수·구동전압의 사양표뿐 아니라 동일한 표적에 형성된 음장이 유지되는지를 확인해야 합니다. 두개골에 대한 탐촉자의 위치가 달라지거나 음향 결합상태가 바뀌어도 표적과 조직 노출량을 어떻게 확인할 수 있는지도 연구과제입니다.
이 연구·특허에서 공통으로 드러나는 기술적 흐름은 자유장 출력 확인 → 두개골로 인한 감쇠·위상 추정 → 표적 내 음장 보정 → 안전성·재현성 검증입니다. 이는 특정 제품에 법적으로 강제되는 시험항목의 목록이 아니라 실제 연구결과를 다음 제품설계의 검증 질문으로 연결해 정리한 것입니다.
실험으로 표적 편차·노출 강도·위상보정 재현성을 확인했다면, 신규 출원에서는 “정확하게 초음파를 쏜다”는 결과 표현보다 어떤 물리적 신호를 얻고, 어떤 계산으로 다음 구동을 바꾸며, 어떤 조건에서 안전 제어가 작동하는지를 기술적으로 설명할 수 있어야 합니다. 실제 성능시험과 독립항에 적힌 구성의 차이가 동일한 기술적 원인에서 도출되는 것이 중요합니다.
참고한 원논문·등록특허·합의문
- Wilson MG, Riis TS, Kubanek J. (2024), Controlled ultrasonic interventions through the human skull, Frontiers in Human Neuroscience 18:1412921, Figure 1·3, CC BY 4.0.
- Martin E. 외 (2024), ITRUSST consensus on standardised reporting for transcranial ultrasound stimulation, Brain Stimulation 17(3):607–615.
- Aubry JF. 외 (2025), ITRUSST consensus on biophysical safety for transcranial ultrasound stimulation, Brain Stimulation 18(6):1896–1905.
- US12179042B2, 2024.12.31 등록, 두개골 위치별 탐침 초음파·반사파와 상대위상 보정의 독립항 1.
- USPTO Official Gazette, US12752133B2, 2026.10.6 등록, 영상·신경항법·실시간 음장 시뮬레이션과 위상갱신(독립항 1), 종료조건(종속항 7), 시스템 독립항 16.
INTLAW 인사이트 — 표적 음장을 재현할 수 있는 기술이 보호대상이 됩니다
비침습 초음파 신경자극에서 기술적 차이는 높은 출력 수치 하나로 결정되지 않습니다. 두개골을 통과한 뒤 목표 위치에 어떤 음장이 형성되는지, 어떤 측정이나 모델을 통해 그 음장을 보정하고 재현할 수 있는지가 실제 제품기술을 가르는 중요한 관계입니다.
INTLAW는 비침습 신경자극 의료기기의 기술구성과 경쟁특허를 검토하는 IP-R&D에 참여해 왔습니다. 이 분야에서 경쟁권리를 분석할 때도 장치의 형상·구동조건과 표적에서의 실제 효과를 분리해 살펴보고, 반드시 유지해야 할 자극기능과 변경할 수 있는 측정·보정·제어구성을 함께 검토합니다. 등록특허가 한정하는 입력정보와 갱신관계, 연구로 입증할 수 있는 성능자료가 서로 연결되어야 후속 출원의 차별성이 설득력을 가질 수 있습니다.
그 결과 기술개발팀에 남아야 하는 것은 어레이 사양표만이 아닙니다. **어떤 표적 음장을 실제로 만들어야 하며, 그 음장을 어떻게 검증하고 재현할 것인지, 그 과정에서 새롭게 확보한 기술관계가 무엇인지**를 결정할 근거입니다. 특허분석이 이런 연구개발 선택을 가능하게 만들 때 제품의 성능과 권리전략이 함께 발전합니다.