h초음파의 기본 물리와 허상

초음파의 기본물리와 허상

 

초음파의 기본물리와 허상

1) 소리의 특성

종파
 음파는 전파되는 성질을 가지며 질량을 가지고 있지는 않으나 에너지를 가지고 있다. 
초음파의 펄스(Pulse)는 매질 내에서 매질 내 입자의 운동방향과 초음파 파동의 운동방향이 같은 종파처럼
전달된다. 이때 반복되는 각각의 전후 움직임을 사이클(cycle)이라고 부르고, 1초 동안의 사이클 수를 주파수
(frequency)라고 정의한다. 소리의 주파수를 나타내는 단위는 Hertz(Hz)로 표기한다.
 
1 Hz=1 cycle/sec
1,000 cycles/sec=1 KHz
1,000,000 cycles/sec=1 MHz
 
의학용 주파수는 대개 2~20 MHz 범위에 속하며, 보통 복부 스캔에서는 1~5 MHz, 소아에서는 5~7 MHz,
경부 스캔과 같은 표재성 장기의 검사에는 7~12 MHz의 주파수를 사용한다. 물론 파장도 가청음보다 
짧아서 0.3~1.5 mm 정도이다. 주파수가 증가할수록 음속의 방향성이 생기고 해상력이 증가한다.
1) 소리의 속도
음파는 진동이기 때문에 전파되기 위해서는 매질이 필요하며 음파의 전파속도는 주파수에 상관없이 소리가 통과하는 매질의 성질(매질의 종류, 매질의 압축성(compressibility)과 밀도(density))에 따라 결정된다. 
소리의 운동을 표시할 때 한 사이클이 움직이는 거리가 파장(λ)이며, 파장을 주파수와 곱한 값이 소리의 속도이다. 일정한 매질 내에서는 음파의 속도는 고정되어 있기 때 문에 주파수(Hz)와 파장(λ)은 역비례 관계에 있게 되며, 주파수가 증가할수록 파장은 감소하게 된다.
 
V=fλ [V=소리의 속도(m/sec), f=주파수(Hz),
λ=파장(m)]
 
음파의 전파속도는 매질의 압축성과 밀도의 영향을 받는다. 압축성과 속도는 반비례하여 금속같이 압축성이 낮을수록 소리는 빨리 전달되고, 공기같이 압축성이 높은 경우에는 속도가 감소한다. 따라서 전파 속도는 기체상태에서 가장 늦고, 고체상태에서 가장 빠르며, 액체상태에 서는 중간 정도이다. 또한 밀도가 높은 물질일수록 음파의 전달속도는 느려지는데, 밀도가 높은 물질일수록 그 구성입자들의 관성(inertia)이 커지므로 입자를 움직이게 하거나 멈추게 하는 것이 어려워지기 때문이다. 보통 액체상태에서는 밀도와 압축성이 서로 반비례하여 작용하기 때문에 모든 액체 상태에서 음파의 속도는 비슷해진다. 인체의 경우 뼈를 제외하고는 
거의 모는 조직이 액체와 같은 특성을 갖고 있기 때문에 초음파 진단의 대상인 인체 연조직 내의 음파속도는 액체에서의 음파속도 와 비슷한 1,540m/sec이다.
 

2) 거리의 측정

 
초음파 진단은 펄스(pulse)-에코(echo)의 원리를 이용한다. 초음파의 짧은 펄스가 체내로 발사되면 이 펄스
는 체내의 어느 반사면과 만날 때까지 일정한 속도로 조직 속을 여행한다. 반사면에 부딪히게 되면 음속의 
일부가 음원 쪽으로 반사되는데 이것이 에코(echo)이다. 초음파가 탐촉자(transducer)에서 인체 내부로 전파된 시점부터 반사체에 부딪혀서 에코가 탐촉자로 되돌아올 때까지의 시간을 측정하고 거리로 환산하면 반사체의 위치를 측정할 수 있다.
 
강 도
음파의 강도는 가청음의 영역에서는 소리의 크기를 의미하며, 생물학적 효과와 관련이 있다. 음파를 전달하는
매질의 진동 폭에 의하여 결정되는데, 진폭이 크면 클수록 소리의 강도는 높아진다.
 
I=A2(I=강도, A=진폭)
 
펄스를 내는 데 필요한 에너지는 소리를 내는 것과는 비교할 수 없이 적고 에코의 강도 또한 아주 약하다. 
넓은 범위에 걸쳐 있어서 이를 비교하기가 힘들 뿐 아니라 다른 에코 하나하나의 강도의 절대치보다는 한 에코에 대한 다른 에코의 상대적 강도의 관계만이 중요하므로 절대 값인 Watt/cm2 단위보다는 상대강도(relatic intensity)를 보통 사용하고 그 단위는 데시벨(decibel(dB))이다.
 
초음파와 조직 간의 상호작용
초음파 펄스가 체내의 연조직으로 보내지면 끊임없이 변화가 일어나는데, 음속이 조직을 통과하면서
지속적으로 약해지는 감쇠(attenuation)가 가장 의미 있는 변화이다. 조직 내에서 음파는 더 멀리 전파되어 
가면 갈 수 록 약해지며, 이는 음파의 파장, 조직의 종류와 밀도, 조직의 이질성, 조직 내 반사면의 종 및 수
등과 관계가 있다. 감쇠는 주로 반사, 굴절, 흡수 및 산란의 과정을 통하여 일어나며, 
이 중 반사가 바로 초음파의 기본이 되는 에코이다.