비뇨기초음파 핸드북 2015 초음파의 기본 이론

초음파의 기본 이론

연세의대 조은석

Ⅰ. 기본물리 • 기본물리

① : 초음파란? 초음파는 사람이 들을 수 없는 높은 진동음역의 음파를 말하며 주파수 가 초당 20,000번이 넘는 음파를 말한다. 초음파는 종파이며 이것은 매질 내 입자의 운동방향이 초음파 파동의 운동방향과 같다는 것을 의미한다. 소리는 소밀이 반복되는 모양으로 전달되며 파장은 최고점 간의 거리이고, 주파수는 1초 동안 움직인 cycle의 수이다.

• 주파수가 초당 20,000번이 넘는 음파

• 초음파는 종파 : 매질 내의 입자의 운동방향이 파동의 운동방향과 동일

• 소리는 소밀이 반복되는 모양으로 전달

• 최고점 간의 거리가 파장, 1초 동안 cycle의 수를 주파수 (1/T)

복부 검사에서 흔히 사용하는 4 MHz(mega-hertz) 주파수 probe는 1초 에 4,000,000 사이클의 소리 진동이 발생한다는 의미이다. 고환 초음파에서 사용하는 8 or 12 MHz probe에서는 1초에 8,000,000 or 12,000,000 사이 클의 소리 진동이 발생한다.

• 기본물리 ② : 초음파와 조직 간의 상호 작용 초음파 펄스가 조직을  통과하여 멀리 갈수록 약해지는데 이를 감쇠 (attenuation)라 한다. 감쇠는 주로 반사, 굴절, 흡수 및 산란의 과정을 통 해 일어나며, 반사와 산란을 이용하여 초음파 영상을 만들게 된다. 반사는 서로 다른 두 매질의 경계 면에서 이루어지고 초음파 영상에서 두 장기 간의 경계를 구분할 수 있게 해준다. 산란은 인체 장기의 조직 질감이 나 조직 특성을 표현하며 renal or testicular echotexture를 나타낸다.

• 기본물리 ③ : 초음파의 반사 작용 두 물질의 경계 면에서 음향저항(acoustic impedance)의 차이 정도에 따라 반사가 이루어지는데, 음향저항 차이가 클수록 반사가 많이 이루어진다. 인 체 연부조직과 음향저항이 큰 공기나 뼈는 대부분 초음파를 반사시킨다. 이 럴 경우 투과되는 음파가 없기 때문에 대부분 반사된 부위 아래의 장기는 영 상을 만들 수가 없다. 그래서 탐촉자와 환자의 피부 사이에 소량의 공기라 도 끼어드는 것을 방지하기 위해 항상 gel 같은 결합물질을 사용한다. 예로 간과 폐의 경계 면에서 약 99.9%가 반사되고 약 0.1%만이 투과가 된다. 투과되는 것이 없기 때문에 폐에 대한 영상을 얻을 수 없다. 간과 신 장과의 경계 면에서는 약 0.1%가 반사되고 99.9%가 투과되는데, 이 투과된 초음파는 신장의 영상을 얻는 데 사용된다.

• 기본물리 ④ : Acoustic enhancement & posterior shadowing 초음파가 체내를 이동하다가 담석이나 뼈 같은 강한 음향 반사계면을 만 나면, 대부분 반사하거나 흡수되어 그 후방으로 충분한 강도의 음파가 들 어가지 못하여 후방 정보를 얻을 수 없게 된다. 영상에서는 후방 부분이 상 대적으로 저에코로 보이게 되어 마치 그림자가 생긴 것처럼 보이는데 이를 posterior shadowing이라 한다. 이 현상을 잘 이용하면 음파를 감쇠시킨 조직의 성질을 알아 낼 수 있는데, 대표적인 예가 담석 또는 전립선의 석회 화이다. 순수 액체 내에서는 연조직과 비교하여 음파의 감쇠가 거의 일어나지 않 는다. 초음파 영상에서 낭성 구조물 후방에서 낭성 구조물의 직경에 해당하 는 만큼 주변에 비해 감쇠가 덜 된 음파를 맞이하게 된다. 영상에서는 주변보다 높은 에코의 영역이 생기게 되는데 이를 acoustic enhancement라고 한다. 이 음향 증강은 상대적인 현상이며 실제로 음파 의 세기가 증가하는 것은 아니다. 신장 낭종을 볼 때 유용하다.

Ⅱ. 초음파 진단 장비

초음파 기기는 기본적으로 송신기, 탐촉자, 수신기, 영상표시장치로 구분 된다. 초음파 본체 내의 송신기에서 탐촉자로 전기에너지를 보내고, 탐촉자 에서 전기에너지를 파동에너지로 다시 인체로부터 온 파동에너지를 전기에너 지로 바꾸어 수신기에 전달한다. 수신기는 이 전기에너지를 감지하고 증폭 시키고 영상표시장치에 의해 영상으로 표현된다. 탐촉자와 영상표시장치에 대해 알아보자.

• 초음파 장비 ① : 탐촉자

탐촉자(probe)는 초음파를 만들어 인체 내부로 보내고, 다시 되돌아오는 초음파를 받아서 전기에너지로 바꾸는 기능을 가진다. 탐촉자 내부에는 약 0.5 mm의 압전결정(Piezoelectric crystal)이 있다. 이는 전기를 가하면 모 양과 크기가 변하여 초음파를 발생시키고, 반대로 인체에서 반사되어 돌아 오는 초음파에 의해 모양과 크기가 변하여 전기를 발생한다. 일반적으로 사용하는 탐촉자에는 볼록형, 직선형, 위상 배열형 또는 부채 꼴형, 질 내 또는 직장 내 초음파용이 있으며 볼록형은 복부 및 골반 초음 파에, 직선형은 유방, 갑상선, 근골격, 고환 초음파에 많이 사용한다.

• 초음파 장비 ② : 탐촉자와 해상력

해상력이란 가까이 있는 두 점을 구별할 수 있는 능력을 말하며, 측 방 향과 축 방향 해상력으로 세분할 수 있다. 해상력이 좋을수록 작은 병변을 잘 관찰할 수 있기 때문에, 높은 해상력을 갖는 조건으로 설정을 한 후 검사를 하는 것이 옳다. 탐촉자에서 나온 초음파는 탐촉자의 구경과 평행하거나 좁아지다가 일정 거리 이후 확산이 된다. 탐촉자 구경과 평행하거나 좁아지는 부분은 근 영 역(near zone), 퍼지는 부분을 원 영역(far zone)이라 한다. 주파수가 높을 수록 축 방향 해상력이 증가하고, 근 영역의 거리 또한 길어져 측 방향 해상 력도 증가한다. 하지만, 초음파 흡수가 많이 일어나 깊이 위치한 병변의 검 사에는 적당하지 않다. 일반적으로 복부 초음파 검사에는 2-5 MHz, 유방 갑상선 고환 등의 표재성 기관의 경우는 7-13 MHz의 탐촉자를 이용한다.

• 초음파 장비 ③ 영상표시장치 : B모드와 실시간 초음파

일반 초음파에서 반사되어 돌아오는 음파를 이차원적 회색조 단면영상으 로 표시하는데 이를 Brightness-mode 또는 B 모드라고 하고, 화면에 나 타나는 점 밝기는 반사되어 돌아오는 음파의 강도에 비례하여 흔히 gray scale이라고도 부른다. 탐촉자에서 수직으로 초음파를 조직에 전달하고 돌아오는 음파를 이용 하여 한 줄씩 순차적으로 영상을 만들어 합치면 하나의 화면이 만들어지게 된다. 이렇게 만들어진 영상을 초당 16-60 프레임으로 화면에 표시하여, 검사를 시행하는 즉시 동일한 시간에 영상을 제공하는 것을 실시간 초음파라 한다. 화면 발생률이 높아지면 빠르게 움직이는 구조물을 검사하는데 유리 하다.

• 초음파 장비 ④ 영상표시장치 : 시간-게인 조절 음파는 탐촉자에서 멀어질수록 감쇠현상에 의해 강도가 현저히 떨어진다. 이를 보정해주지 않으면 화면에 가까운 곳은 밝게, 먼 곳은 어둡게 나타나 먼 곳의 정보를 알아보기 어렵다. 초음파 장비에 시간-게인 조절장치는 특 정 깊이의 영상의 밝기를 조절하기 위해 사용된다.

Ⅲ. 기본적인 영상 조절

이제부터 초음파의 여러 장치를 이용하여 보려는 장기를 화면에 잘 보이 게 하는 영상 조절에 대해 알아본다.

• 기본적인 영상 조절 ① : 탐촉자와 주파수 선택

우선 보고자 하는 장기의 깊이와 해상도를 고려해서 탐촉자를 선택한다. 보고자 하는 부위의 깊이까지 투과할 수 있는 가장 높은 초음파 주파수를 선택한다. 피부에서 가까이 위치한 갑상선, 유방, 고환은 7.5-12 MHz가 적 당하며, 피부에서 12-15 cm 떨어진 복부 및 골반은 2-4 MHz가 적당하다. 탐촉자 내에서도 일정 범위의 주파수를 조절할 수 있으므로 보고자 하는 깊이까지 투과할 수 있는 가장 높은 주파수를 선택한다.

• 기본적인 영상 조절 ② : 깊이(Depth) 조절 깊이 조절은 image field의 크기를 조절하는 것이다. 보고자 하는 장기를 볼 수 있는 최소의 깊이를 선택하는 것이 좋다. 너무 깊은 영상을 선택하게 되면, 장기도 작게 보일 뿐만 아니라 화면 발생률이 낮아져 초음파 영상이 느려진다.

• 기본적인 영상 조절 ③ : 초점영역(Focus zone) 조절 초점영역은 초음파 음속이 가장 집중되는 부분으로 가장 좋은 해상도가 제공되는 부분이다. 초음파 기계에 따라서 초점영역을 여러 개 선택할 수 있 는 multi-focus 기능이 있는데, 높은 해상도 범위가 넓어지는 장점이 있으 나 화면 발생률이 낮아져 영상이 느려진다.

• 기본적인 영상 조절 ④ : 전체 게인(Overall gain) 조절 깊이에 관계없이 반사되어 돌아오는 모든 에코를 동일하게 증폭시키는 것을 전체 게인이라 하며 통상적으로 ‘게인’이라고 말한다. 전체 게인을 너 무 높이면 실제 장기에서 돌아오는 초음파 에코뿐만 아니라 산란되어 오는 에코도 같이 증가하기 때문에 병변의 선명도가 떨어진다. 반대로 전체 게인 을 너무 낮추면 산란 에코는 제거할 수 있지만, 실제 필요한 에코까지 제거 되므로 정확한 정보를 얻을 수 없다.

• 기본적인 영상 조절 ⑤ : 시간-게인 조절(TGC) 시간-게인 조절장치는 특정 깊이의 에코를 선택적으로 조절하여, 원하는 부위의 영상의 밝기를 조절하는 데 사용되며 일반적으로 TGC라 부른다. 음파가 탐촉자에서 멀어질수록 감쇠현상에 의해 강도가 현저히 떨어져 화 면에 가까운 곳은 밝게, 먼 곳은 어둡게 나타나게 되므로 초음파 기계에서 자동적으로 TGC control을 해준다. 하지만, 추가적으로 수동 시간-게인 조절장치를 이용하여 먼 곳의 정보를 선택적으로 증폭시켜 밝기를 조절할 수 있다. • 기본적인 영상 조절 : 정리 정리를 하면 가장 먼저 알맞은 탐촉자를 선택하고, 초음파 영상을 보며 Depth를 조정하여 보려는 장기를 화면의 중심에 위치시킨다. Focus를 가 장 잘 보고 싶은 부위에 위치시켜 그 부위의 해상도를 증가시키고, Gain과 TGC를 조정하여 화면 및 보려는 장기의 밝기를 적당히 조정한다. 이 영상 조절들은 초음파에서 가장 기본적인 것이며 중요하다.

Ⅳ. 추가적인 영상 조절

• 추가적인 영상 조절 ① : Sector width 보고자 하는 부위의 범위를 결정하는 것으로, sector width가 넓을수록, 화면에 표시되는 초당 프레임 수가 낮아진다. 즉 화면 발생률이 낮아져 화 면이 느려진다. 보고자 하는 부위를 포함하게 적당한 sector width를 조정 하는 것이 좋다. 깊은 화면을 표시해야 하거나, multi-focus를 사용할 때, 또는 도플러를 사용할 때 화면 발생률이 자동으로 낮아지는데, 이때 sector width를 줄이면 화면 발생률을 높여, 화면이 느려지는 것을 보상할 수 있다.

• 추가적인 영상 조절 ② : Compression (dynamic range) 반사되어 돌아오는 에코 신호(echo signal)의 강도는 범위는 모니터로 표 시할 수 있는 범위를 벗어나기 때문에 압축을 해야 한다. 따라서, 사용자가 화면에 표시되는 가장 큰 에코 신호와 작은 신호의 비율을 조정할 수 있는 데, 이를 dynamic range 조절 또는 compression이라고 한다. 다른 말로 하자면, 화면에 나타나는 White와 black 사이에 몇 단계의 gray scale이 있는지를 뜻하는 것이다. Dynamic range가 5 또는 50 dB(데시벨)로 조정한다는 것은 화타나는 가장 밝은 white 신호와 가장 어두운 black 신호와의 레벨 차이 가 10 5 배라는 뜻이다. 낮은 dynamic range를 사용하면 화면에 표시하는 white와 black 사이에 gray value의 수가 적어, 에코의 대조도는 증가하는 반면 거친 영상을 표시해 준다. 반대로 높은 dynamic range를 사용하면 화면에 표시하는 white와 black 사이에 gray value의 수가 많아져 부드러 운 영상을 만들 수는 있지만, 미묘한 에코의 차이를 구분하기 어렵다.

• 추가적인 영상 조절 ③ : Tissue harmonic imaging 조직을  통과할 때 초음파의 high pressure component(압축된 부 분)는 rarefaction component(희박한 부분)보다 더 빠르게 진행하므로 nonlinear propagation이 되고 wave의 distortion이 발생하여 복잡한 신 호가 섞이게 된다. 이 중 처음 입사한 주파수의 정수 배에 해당하는 주파수 성분을 하모닉 신호라고 한다. 현재 하모닉 영상은 기저 주파수의 두 배에 해당하는 주파수를 가진 에코 만을 선택적으로 받아들여 영상을 만든다. 영상의 질을 저하하는 신호 잡음 이 적고, 측면 해상도와 대조도가 증가하는 장점이 있다. 그러나 수신되는 주파수 폭이 좁아서 영상의 대조도와 해상력에 한계가 있고, 기저 주파수와 하모닉 신호가 상당히 중첩되어 전체적인 영상의 질이 저하되는 단점도 있다. 물이나 소변 등의 액체 내에서 생기는 잡음을 줄여 더욱 anechoic 하게 만들어 준다. 낭종, 담낭, 방광, 혈관 등을 검사할 때 유용하게 사용한다.

• 추가적인 영상 조절 ④ : Spatial compound imaging 한 방향의 초음파 빔을 사용하는 기존 초음파 영상과 달리 여러 방 향의 초음파 빔을 이용하여 얻은 에코를 병합 평균화하여 얻는 영상을 compound image라고 한다. 따라서 작은 조직의 산란으로 인한 speckle이 나 noise를 줄이고, contrast를 높이며 조직 간의 경계 면을 선명하게 해준다. 하지만 Acoustic enhancement 및 shadowing artifact 같은 유용한 정보가 줄어든다.

Ⅴ. 모니터에 표시되는 용어들

지금까지 조절했던 여러 가지 기능과 영상 표시에 대한 정보가 모니터에 표시된다. 

• 실전예시 ① : Image noise를 줄이는 방법 Overall gain을 줄이고, 주파수를 높이거나, compress를 높인다. 또는 Harmonic image 및 compound image를 사용한다.

• 실전예시 ② : 초음파 투과 Penetration을 증가시키는 방법 Focus를 아래로 내리고, overall gain 또는 TGC를 조절한다. 주파수가 낮은 탐촉자를 사용하거나, 탐촉자의 주파수를 낮춘다.

• 실전예시 ③ : Cyst 또는 담낭을 잘 보는 방법 Compress를 낮추거나, compound image를 사용한다. Harmonic만 적용하여도 잘 보인다.