초음파 진단의 원리

 

기초지식 : Frequency 와 Amplitude

 

주파수: 1초에 파동이 몇 번 흔들리는가(진동수), 변하지 않음

진폭: 파동의 크기(에너지가 얼마나 강한가)

 

탐촉자가 1초에 정확히 5번 진동하는 파동(주파수)을 쏘았다고 가정하자.

이 파동이 지방을 지나고, 간 경계면에 부딪히고, 에너지를 잃고 돌아오더라도, 돌아온 파동은 여전히 1초에 5번 진동한다.

음원(파동을 만든 곳)이 바뀌지 않았기 때문에 파동의 간격은 유지되는 것이다.

 

하지만 마찰 때문에 소리 에너지의 일부가 열로 바뀌면서 파동의 높이가 점점 낮아진다.

또한 조직 경계면을 만났을 때, 에너지가 100% 다 돌아오는 것이 아니라 일부는 뚫고 지나가고(투과) 일부만 반사되므로 에너지가 줄어들게 된다.

이러한 에너지 손실(감쇠) 때문에, 최종적으로 탐촉자에 도달한 반사파는 처음보다 높이가 훨씬 낮아진(진폭이 작아진) 상태가 된다.

 

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음향저항?

 

우리 몸의 지방, 근육, 간, 뼈 등은 저마다 고유한 밀도와 초음파 전파 속도를 가지고 있다.

 

밀도와 속도를 곱한 값 = 음향 저항

 

조직의 종류가 달라진다 = 음향 저항이 달라진다

 

저항이 바뀌는 경계선 = 음향 계면

 

초음파 기계는 몸속 초음파의 속력을 물과 연부 조직의 평균 속도로 일정하다고 가정한다.

 

탐촉자가 초음파를 쏜 후 반사파가 돌아오기까지 20 마이크로초가 걸렸다면, 기계는 1,540 m/s 의 속도로 이 시간 동안 이동한 전체 거리'를 계산한 뒤 이를 2로 나눈다. 그리고 계산된 깊이 위치에 화면상에 점을 찍어준다.

 

깊이를 어떻게 계산할까?

 

초음파 탐촉자는 마치 레이저 빔을 왼쪽에서 오른쪽으로 아주 빠른 속도로 드르륵 훑으며 쏘는 기계, 혹은 하늘을 부채꼴로 회전하며 감시하는 레이더와 같다. 탐촉자는 한 곳으로만 초음파를 쏘는 게 아니라, 탐촉자 안에는 수백 개의 미세한 센서(소자)가 가로로 나란히 배열되어 있어서, 맨 왼쪽 센서부터 시작해 오른쪽 센서까지 순서대로 초음파를 번갈아가며 쏜다.

"몇 번째 수직선을 쏘고 있는가"가 화면의 좌우 위치(X)를 결정하고 "그 선에서 메아리가 몇 초 만에 돌아왔는가"가 화면의 상하 깊이 위치(Y)를 결정한다.

 

음향 계면까지의 '거리(깊이)'를 구하기 위해서, 기계는 조직의 음향 저항을 전혀 고려하지 않는다.

 

몸속 초음파 속도가 무조건 일정(1,540 m/s)하다고 미리 가정을 해두고, 오직 '시간(왕복 시간)'만을 측정하여 거리를 계산한다.

 

조직의 종류(밝기)를 결정할 때 이때 비로소 음향 저항의 차이를 반영한다.

즉 음향저항의 차이는 그 경계면이 '어디에 있느냐(거리)'가 아니라, '어떤 조직이냐(밝기)'를 결정하는 요인이다.

 

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B-모드란?

 

Brightness(밝기) 모드

 

우리가 흔히 보는 흑백 초음파 영상(예: 태아 초음파 사진)을 말한다.

 

반사파가 돌아온 시간을 측정해 장기의 위치(거리)를 정한 뒤, 그 지점에서 돌아온 반사파의 세기(진폭)를 '밝기'로 바꾸어 점으로 찍어주는 방식이다.

 

반사가 잘 되어 진폭이 크면 하얗고 밝게 표시되고, 에너지를 잃거나 투과되어 진폭이 작으면 어둡게 표시된다.

 

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초음파 영상을 보정해서 보여주는 이유

 

같은 조직이라면 깊은 곳에 있든 얕은 곳에 있든 화면에 똑같은 밝기로 보여주기 위해서

 

초음파는 나아가면서 끊임없이 에너지를 잃는다.

피부와 가까운 얕은 곳에 있는 경계면을 맞고 돌아온 파동은 에너지를 거의 빼앗기지 않아 진폭이 큰 상태로 돌아오므로 밝게 표시되는데 똑같은 성질의 조직인데 아주 깊은 곳에 있다면, 가고 오는 동안 에너지를 읽고 진폭이 작아져 화면에 어둡게 나오게 된다.

 

이를 해결하기 위해 B-모드 진단기는 '시간 이득 보정(TGC, Time Gain Compensation)'이라는 기능을 사용한다.

기기는 파동이 되돌아오는 데 걸린 시간이 길수록 '거리가 멀다 = 에너지를 많이 잃었다'는 것을 계산할 수 있으므로, 늦게 돌아온 신호일수록 그 밝기를 더 많이 곱해서(증폭해서) 보여준다.

 

얕은 곳에서 온 반사파: 원래 밝기 그대로 둠 (증폭 거의 안 함)

깊은 곳에서 온 반사파: 잃어버린 만큼 에너지를 강제로 크게 키움 (많이 증폭함)

 

이렇게 거리가 멀수록 밝기를 더 많이 증폭하여 보정해 주어야만, 전체 화면의 밝기가 균일해져서 깊이에 상관없이 몸속 조직을 정확하게 진단할 수 있다.

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반향 허상(Reverb Artifact)이란?

 

반향 허상이란 실제 몸속에는 존재하지 않는 가짜 줄(유령 이미지)이 초음파 화면에 나타나는 현상이다.

 

정상적인 초음파라면 몸속으로 들어가서 조직 경계면을 맞고, 딱 한 번만 탐촉자로 곧장 되돌아와야한다.

 

그러나 탐촉자를 피부에 제대로 밀착하지 않으면 탐촉자와 피부 사이의 경계면에서 문제가 발생한다.

초음파가 아래로 내려가서 얕은 조직 경계면을 맞고 탐촉자로 온다. 이때 탐촉자 안으로 쏙 들어가야 하는데, 밀착이 안 된 탐촉자와 피부 경계면에 부딪혀 다시 몸속 아래로 튕겨 내려간다. 그리고 아까 맞았던 그 조직 경계면을 또 맞고 탐촉자로 두 번째 돌아온다. 즉,  두 개의 벽 사이에 갇힌 탁구공처럼 파동이 위아래로 여러 번 복잡하게 왕복(반향)하는 과정이 반복되는데, 초음파 기기는 느리게 온 신호일수록 무조건 아주 깊은 곳에 있는 장기를 맞고 온 것이라 판단한다. 이 착각 때문에 하나의 경계면 밑으로 일정한 간격의 가짜 선들이 세로로 층층이 쌓여서 화면상 마치 촘촘한 주름이나 그늘막처럼 보이게 된다.

 

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실제 물혹이 있다면?

 

물혹 뒷부분이 유난히 하얗고 밝다 (후방음향증강)

 

일반적인 살 조직은 초음파를 계속 흡수해서 깊어질수록 파동이 약해진다. 하지만 물은 초음파 에너지를 거의 흡수하지 않는다. 

 

물혹을 통과한 초음파는 에너지를 전혀 잃지 않고 100% 쌩쌩한 상태로 그 뒤에 있는 조직에 도달합니다.물혹 옆쪽의 일반 살을 통과한 초음파는 에너지를 흡수당해 잃는다.결과적으로 물혹 바로 뒷부분의 조직을 맞고 돌아온 파동은 주변보다 진폭이 훨씬 커져서, 화면상에 유난히 하얗고 밝은 세로 눈이 부시는 기둥을 만들게 된다. 이를 후방음향증강이라고 부르며, 물혹을 증명하는 가장 확실한 증거가 된다.