[임상특강] 대한구강악안면초음파연구회-치의학에서의 초음파 진단과 응용②
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[임상특강] 대한구강악안면초음파연구회-치의학에서의 초음파 진단과 응용②
  • 윤숙자・한상선 교수
  • 승인 2018.05.17 09:21
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초음파영상 촬영 원리와 판독법

돌고래는 초음파(Ultrasound)를 사용해 서로 대화를 나눈다고 한다. 그뿐 아니라 초음파를 보내고 에코를 받아들여 위치를 찾아가기도 하고, 먹이감의 크기, 위치, 이동방향 등의 정보를 얻는다. 초음파영상은 이와 같은 원리를 사용해 얻어진다. 초음파영상 촬영장비는 탐촉자(Transducer), 스캐너, 모니터로 구성돼 있다. 탐촉자는 Piezoelectric Elements로 구성된다. 전류가 흐르면 Piezoelectric Elements가 팽창, 수축을 반복하면서 초음파를 생성하고, 또한 인체에서 돌아오는 에코를 받아들이는 역할을 한다. 스캐너는 에코를 전기신호로 바꾸어 디지털영상으로 변환시켜 모니터에 보여준다<그림1>.

소리(Sound)는 Positive, Negative Pressure가 반복되는 파동 형태의 에너지며, 물체를 투과해서 지나갈 수 있다. 한 Cycle의 길이를 파장이라고 하고, 초당 Cycle의 횟수를 주파수(Frequency, 단위는 Hz)라고 한다. 인간의 가청 음파(Sound wave)는 16~2만 Hz이다. 2만 Hz 이상을 초음파라고 하는데, 의료용에 사용되는 범위는 1~20 MHz다. 주파수에 따라서 물체 투과력에 차이가 있다<그림2>.

음파는 진행하는데 반드시 매질이 필요하다. 공기, 액체, 고체가 모두 매질이 될 수 있으며, 음파의 진행속도는 매질에 따라 다르다. 공기에서는 가장 느리며 초속 330m로 진행한다. 물에서는 초속 1480m, 간, 신장, 근육 등의 연조직에서는 초속 1550~1580m이며, 뼈와 같은 경조직에서는 초속 4080m로 진행한다. 초음파영상 촬영장비에서는 인체 연조직 내 평균진행속도인 초속 1540m로 설정돼 있다.

속도가 설정돼 있고, 에코가 반사돼 되돌아오는 시간을 잴 수 있기 때문에, 속도와 시간을 곱해 에코가 생성되는 위치까지의 거리를 얻는다. 거리 정보를 사용해 영상을 만든다. 음파는 매질을 따라 진행하다가 다른 매질을 만나게 되면, 일부는 계속 진행(Transmission, T)하고, 또 일부는 반사(Reflection, R)돼 접촉면(Interface)에서 에코로 되돌아온다<그림3>.

진행하는 파장의 반사되는 에코의 세기는 매질 간의 Acoustic Impedance의 차이에 따라 달라진다. Acoustic Impedance(z)는 매질의 밀도(Density, p)와 음파의 속도(c)의 곱으로 결정된다(z=pc). 속도가 매질에 따라 다르기 때문에, 결국 Acoustic Impedance는 매질의 영향을 많이 받는다. 두 매질 간의 Acoustic Impedance가 차이가 크면 반사가 크다. 만일 음파가 연조직을 따라 진행하다가 공기와 만나면, 공기는 다른 조직에 비해 Acoustic Impedance가 매우 낮기 때문에 반사가 매우 세고, 따라서 강한 강도의 에코가 만들어진다. 뼈를 만날 때도 뼈가 다른 조직보다 Impedance가 매우 높기 때문에 강한 에코가 만들어진다.

음파는 매질을 지나면서 에너지가 감쇠(Attenuate)하게 되는데 흡수(즉 열 발생), 산란, 반사에 의해서 감쇠가 일어난다. 매질이 되는 조직에 따라서 감쇠의 정도가 다르다. 물에서는 감쇠되지 않으며, 뼈에서 상당히 크고, 공기에서 가장 크다. 따라서 공기와 뼈 후방으로부터는 진단 정보를 얻을 수 없다. 공기에서 감쇠가 가장 높기 때문에 초음파영상을 촬영할 때 공기를 매질로 사용할 수 없고, 물과 유사한 젤을 매질로 사용해 인체에 탐촉자를 적용한다.

초음파와 물질간의 상호작용 결과, 생성되는 에코의 강약이 영상으로 표현된다. 무에코(Anechoic)는 검게 보인다. Cyst의 경우, 내부에 물로 돼있어서 감쇠되지 않으면서, 내부에 다른 물질이 없어서 접촉면이 없기 때문에, 반사돼 오는 에코가 없다. 이런 경우 무에코이다. 저에코(Hypoechoic)는 주변에 비해서 에코 발생량이 적은 경우다. 고에코(Hyperechoic)는 공기나 뼈를 만났을 때에 해당한다. 공기와 뼈는 다른 주변 조직과 Acoustic Impedance가 차이가 커서 반사가 크고 감쇠가 높다. 이런 경우 고에코(Hyperechoic)이다. Isoechoic은 주변조직과 유사한 에코가 생성될 때 사용하는 용어다<그림4>.

그림 5는 반사가 매질 간의 접촉면의 종류에 따라 다르게 발생함을 설명한다. 넓고 매끄러운 접촉면을 정면에서 만나면, 거울반사가 발생해 입사각과 동일한 반사각으로 에코가 만들어진다(A). 그러나 접촉면이 비스듬하게 위치한 경우는 에코가 탐촉자로 돌아오지 않아, 모양이 정확하게 얻어지지 않는다(B). 접촉면이 음파의 파장 보다 매우 작을 때, 산란이 발생한다(C). 조직의 접촉면이 불규칙한 경우에는 산란과 유사하게 반사된다(D)<그림5>.

타액선, 갑상선, 간, 신장 등의 실질조직은 초음파영상에서 작은 알갱이들이 모여 있는 듯이 보인다. 산란에 의해 형성된 여러 개의 에코 파장들이 합해지면서, 간섭현상에 의해 파장이 증폭(A)되기도 하고, 상쇄(B)되기도 하기 때문이다<그림6>.

탐촉자에 따라서 생성하는 주파수가 다르고 용도도 다르다. 음파의 주파수가 높을수록 감쇠되는 속도가 빠르다. 따라서 높은 주파수일수록 멀리까지 진행하지 못한다. 표층 조직의 검사에서는 주파수가 높은 탐촉자를 사용하고, 심부 검사에는 낮은 주파수의 탐촉자를 사용한다. 그림 7은 주로 사용되는 탐촉자를 보여주고 있다. A는 Phased Array Transducer(예, 2MHz)로서 Rib Bone 사이의 좁은 틈새로 음파를 보내어 심장 검사에 사용된다. 

B는 Curved Array Transducer(예, 4MHz)로서 복부 검사용으로 사용된다. 초음파가 부채살 모양으로 퍼져나가기 때문에 넓은 범위를 볼 수 있다는 장점이 있다. C는 Linear Array Transducer(7MHz 이상의 고주파 탐촉자)로서, 타액선, 갑상선, 경동맥 등 표층조직의 검사에 사용된다. 주파수가 높을수록 해상도가 높다는 장점이 있지만 촬영범위(field of view, FOV)가 좁다는 단점이 있다<그림7>.



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