2008 년대한뇌졸중학회추계보수교육 Duplex 초음파검사의기본원리 원광대학교의과대학산본병원신경과학교실, 인암뇌신경연구센터이성익 서 론 Ultrasound(US) 는진단적뿐만아니라치료적목적으로활발히이용되고연구되는분야이다. Ultrasonography(USG) 는검사비용이비교적싸고, 사용하기쉽고인체에미치는해가거의없다. Duplex USG 는 US를이용해해부학적인영상을제공하는 Brightness mode(b-mode) 영상과혈류속도측정이가능한 Doppler검사를동시에수행하는것을의미한다. 1,2) 하지만 Duplex USG 는 US가가지고있는물리적인특성으로인해필연적으로많은 artifact 를가지며혈류속도측정값에서도오차가발생한다. 이같은한계를극복하기위해서는 US가조직을지나가며나타내는반응과함께그반응이 USG에어떻게사용이되는가에대한이해가선행되어야한다. 1. Ultrasound 란무엇인가 US는사람이들을수없는고주파수 (frequency) 의소리 (sound) 를의미한다. 일반적으로사람이들을수있는소리의주파수대 ( 가청주파수 ) 는 20~20,000 Hz이지만, 진단적목적으로사용하는 US는 2~15 MHz를이용한다. 물리적으로는 US는소리와차이가없고, 어떤 medium 으로퍼져나가는압력의변화로정의한다 (Fig. 1). 소리가공기라는 medium 을통해서퍼져나가는압력의변화를귀의고막을통해감지하는것이라면, USG 는인간이들을수없는고주파수 US를아주짧은시간동안 (pulsed wave) 인체내로발사한후돌아오는 echo 의물리학적인특성을분석하여필요한정보를얻는것이다. US는 1초동안반복되는 cycle 의수인주파수로구분을하며, 하나의 cycle 이완성하는데걸리는시간을 period, 하나의 cycle 이한번이루어지는동안지나가는거리를 wavelength 라고 Propagation Rarefaction Compression Pressure maximum Amplitude Zero Pressure minimum 1 cycle Wavelength Fig. 1. Sound is a travelling pressure variation. Region of compression(dark) and rarefaction(white) is traveling along with the high- and low-pressure regions of the wave. 대한뇌졸중학회추계보수교육 87
한다 (Fig. 1, Table 1). 일반적으로 2 MHz 에가까울수록저주파수 (low frequency), 15 MHz 에가까울수록고주파수로편의상분류한다. 2. Ultrasound 의속도 US는주파수에상관없이일정한속도를가지고있으며, 속도는 medium 의밀도 (density) 에의해결정된다 (Table 2). 일반적으로밀도가높을수록즉, 딱딱할수록빠른속도를, 밀도가낮을수록느린속도를가진다. 예를들어뼈 (bone) 는다른 soft tissue 에비해 US가빠른속도로통과하고, air는상대적으로느린속도로지나간다. US는인체를구성하는조직에따라서로다른속도를가지고있지만뼈를제외하고는큰차이가없어 USG에서는 soft tissue 의평균인 1,540 m/sec(1.540 mm/μsec) 를 US의속도로사용한다 (Table 2). 즉, 인체내에서속도를 1,540 m/sec 로가정하면, US가 1 cm를진행하는데걸리는시간 =1/0.154 μsec US가 1 cm를진행하는데걸리는시간 =6.49 μsec US가 1 cm를왕복하는데걸리는시간 =6.49 2=13 μsec 라는시간차가발사된 US와돌아오는 echo 사이에존재하다. 위의개념은 USG에 US가지나가면서만들어내는 echo 의위치를잡는기본적인개념이된다. Soft tissue 내의 US의 wavelength 는속도 1,540,000 mm/sec를주파수로나눈값으로결정되며, wavelength 가짧을수록, 즉고주파수 US 일수록좋은해상도의 B-mode 영상을얻을수있다. Table 1. Common ultrasound periods and wavelengths in soft tissue Frequency(MHz) Period(μs) Wavelength(mm)* 02.0 0.50 0.77 03.5 0.29 0.44 05.0 0.20 0.31 07.5 0.13 0.21 10.0 0.10 0.15 15.0 0.07 0.10 *Assuming a soft tissue propagation speed of 1,540 m/sec Table 2. Speed of sound and acoustic impedance of some common biological materials Material Speed(m/s) Acoustic impedance(rayls) Air 1,330 0.0004 10 6 Aqueous humor 1,500 1.50 10 6 Blood 1,570 1.61 10 6 Bone 3,500 7.80 10 6 Brain 1,540 1.58 10 6 CSF 1,510 - Fat 1,450 1.38 10 6 Lens of eye 1,620 1.84 10 6 Muscle 1,580 1.70 10 6 Skin 1,600 - Vitreous humour 1,520 1.52 10 6 Soft tissue average 1,540 1.63 10 6 88 대한뇌졸중학회추계보수교육
Table 3. Attenuation coefficients for some biological materials at 1 MHz. The values at a higher frequency may be obtained approximately by multiplying by the frequency in MHz Materials Attenuation coefficient(db cm -1 ) Blood 0.2 Bone 10 Brain(adult) 0.8 Brain(infant) 0.3 Fat 0.6 Muscle 1.5 Water 0.002 Soft tissue average 0.7 3. Attenuation 과주파수 Attenuation 이란 US가 medium을지나가면서원래의강도 (intensity) 가줄어드는것을의미하며, decibels(db) 이란단위를사용한다. Attenuation 과정은반사 (reflection) 외에 absorption 과 scattering 이란 2가지기전으로설명할수있으며, 대부분의 soft tissue 에서는 absorption을통해 attenuation 이이루어지고, 대부분열로전환된다. Scattering은주로 wavelength 이하의작은크기를가진물체와만날때발생하며, 특정한방향성없이흩어지는것을의미한다. 주로혈관내의적혈구에의한 attenuation 의과정에서일어나는현상이다. Attenuation 은 medium의종류따라다르며 (attenuation coefficient, Table 3), 일반적으로 MHz에비례한다. 이 attenuation 정도는 db이란단위를사용하고다음과같이정의한다. Attenuation(dB)=-10 log 10 (I X /I O ) IX=final intensity. IO=initial intensity. 3 db은처음 intensity의 1/2, 10 db은 1/10, 30 db은 1/1,000만남아있게된다. 이러한 attenuation 은 MHz에비례하기때문에, 2 MHz 에서 1.4 dbcm -1 라면 10 MHz 에서는 7 dbcm -1 를갖는다. 따라서저주파수 US는고주파수에비해에너지는적게잃으면서더깊이통과할수있다. USG에서사용하는주파수대의 US는 soft tissue 내에서 attenuation 이심하게발생하여대개수 centimeter 이상진행하면미미한정도의 US만이남아있게된다. Transcranial Doppler(TCD) 와같이비교적 attenuation coefficient 가큰 skull 을통과해야하는경우에는 2 MHz 의저주파수 US를사용해야하며, 경동맥 duplex USG 과같이비교적얕은곳을검사한다면고주파수 US를이용해도된다. 물은 Attenuation coefficient 가 0.002 dbcm -1 로적어서비교적멀리까지통과할수있으며, 이는잠수함에서소나 (Sonar, sound navigation and ranging) 란장비로음파를이용한탐지가가능한이유이다. 4. Ultrasound 와 echo의생성 US가균일한 medium 을통과한다면반사 (reflection) 되지도않고 scattering도일어나지않는다. 그렇지만인체내에서는반사도일어나고 scattering 이일어나기때문에이과정에서 echo 가형성이되고, 다시 transducer 를통해들어가서 USG 를구성하는정보를제공한다. US가반사되려면수직으로어떠한 interface 를만난다고가정할때, 인접한두 medium 사이에 acoustic impedance 가존재해야가능하다. Acoustic impedance 는 medium 의밀도와속도에의해결정된다. 대한뇌졸중학회추계보수교육 89
두 medium 사이의 acoustic impedance 가클수록반사되는 echo 가강해지며, 적을수록미미하다. Transducer 를떠난 US가인체로들어오기전에공기층을통과해야하는경우 acoustic impedance차가커서대부분이통과하지못하고반사된다. 이런현상을막기위해 transducer 와인체사이에 gel 을사용하여 acoustic impedance 의차이를줄여 US의인체내통과를도와주게된다. 반사혹은 attenuation이심하게발생하는 calcified plaque 의경우 B-mode 영상에서 plaque 뒤로검은음영의그림자를보이는 post-acoustic(echogenic) shadowing(pas) 이나타난다 (Fig. 2). Fig. 2. Post acoustic(echogenic) Shadowing(PAS) is produced by plaque in B-mode image of common carotid artery. A B Transducer Wavelength, λ Regions of rarefaction Regions of compression SPL=2λ Pressure amplitude Resting or Ambient pressure Regions of ambient pressure Fig. 3. A:A Diagram shows an ultrasound pulse that was generated by a transducer and consists of two wave cycles. The spatial pulse length(spl) in this case is equal to twice the ultrasound wavelength. B:A Diagram shows tall elements of the tissue medium along with the regions that are compressed and rarefied by the pressure oscillations of the ultrasound pulse(dashed line). Regions beyond the extent of the ultrasound pulse are at ambient pressure. 5. B-mode 영상과 Pulse-echo technique USG 의 transducer 는아주짧은시간동안 US를발사한후돌아오는 echo 를수집하는시간을갖는다. 이때만들어지는짧은 US를 pulse 라고하고 B-mode 검사에서는대개 2~3개의 cycle 을가진 pulse 를이용한다 (Fig. 3). 3) B-mode 영상의 B는 brightness 를의미하며, Pulse-echo technique 이란 transducer를나온 US pulse 가 soft tissue 를지나가면서발생한 echo의진폭과왕복시간을계산하여점의형태의 brightness로환산하여적절한깊이로위치시켜서하나의 scan line 을표현하는것을의미하며, 해부학적인영상을제공한다 (Fig. 4). 하나의 pulse 가지나가면서일정시간이경과하면 B-mode 영상의하나의 scan line 이만들어지고, 다음 pulse 는약간다른방향으로발사한후이웃한 scan line을만들어낸다. Pulse와다음 pulse의시간간격을 pulse repetition period(prp) 라고하고, Pulse repetition frequency(prf) 는 transducer에서 1초에발사되는 pulse 의수를의미 90 대한뇌졸중학회추계보수교육
Fig. 4. Sequence of pulse-echo technique diagrams show the propagation of an ultrasound pulse(yellow descending arrow) along on particular beam line(dotted line). Echoes(blue ascending arrows) are generated by reflections of the pulse from structures in the tissue medium all along this path, and echoes travel back to the transducer. Fig. 5. B-mode transverse images of common carotid artery(c) and jugular vein(j) show less compensated by time(left) and compensated image(right). Time-gain compensation is needed to overcome the attenuation of ultrasound transmitted in deep place. 한다. 예를들면, 10 cm 깊이까지관찰하고자할때, pulse 를발사하고최소한 130 μsec(prp) 를기다린후다음 pulse 를발사해야하므로, PRF 는 7.7 khz 이하가되어야만 range ambiguity 없이원하는깊이까지관찰이가능하다. 만약 B-mode 영상이 300 개의 scan line 으로구성되어있다면, 1초에 25개의 B-mode 영상을만들수있다. 이와같이 PRF는 B-mode 영상의 temporal resolution을결정할뿐만아니라, Doppler 검사에서도 aliasing artifact를유발하는주요결정인자가된다. PRF(Hz)/number of scan lines of 1 B-mode image=frame rate(/sec) Attenuation coefficient, 진행깊이와주파수에의해결정이되는 attenuation 정도는수 centimeter만 진행해도상당한부분의원래강도를잃게된다. 간 (liver) 에서처럼균일한조직의깊은곳에서, 약화된 US에의해만들어진 echo 는얕은곳에있는조직에서발생하는 echo 의강도에비해훨씬약할수밖에없다. 따라서, 이러한 attenuation 에의한균일한조직의 echogenicity 변화를극복하기위해시간대별로돌아오는 echo의증폭 (amplification) 정도를달리하는방법을쓴다. 이를 time-gain compensation 이라고하며양질의 B-mode 영상을얻기위해꼭필요한과정이다 (Fig. 5). 대한뇌졸중학회추계보수교육 91
6. B-mode영상의 resolution Resolution 이란영상이얼마나정확하게표현할수있는정도를의미한다. 크게 spatial 과 temporal resolution 으로나누어질수있으며, temporal resolution 은앞서기술한대로 PRF에의 해결정된다. Spatial resolution 의경우, 해상도를좌우하는요소로 wavelength 외에도 beam width 가있다. Wavelength 는작을수록세밀한 axial resolution을갖는다고앞서기술하였으나, 정확하게는 pulse 의 spatial pulse length(spl) 에의해결정이되고 SPL/2 이상간격을두고 떨어져있는물체만구분될수있다 (Fig. 6). B-mode image 에사용되는 pulse 는보통 2~3개 의 cycle 로이루어져있고, 따라서 3.0 MHz 7.5 MHz Axial resolution 0.5 mm cyst 1.53 mm spatial pulse length도 2~3개의 wavelength 값을갖는다. Beam width는초음파의 transducer 에서발사되는 US의폭을의 0.63 mm 미하며 lateral resolution 을결정한 Time A Time B Time C 다. Transducer를떠난 beam은처 Spatial Maximum 음에는점점좁아지다가 (near zone, Transducer Wavelength pulse length* axial resolution *Assumes 3 wavelengths/pulse Fig. 6. High frequency transducer produces pulsed ultrasound with short spatial pulse lengh(spl). Pulse with SPL 0.63mm by 7.5 MHx transducer makes two different echoes between different walls of 0.5 mm cyct wall, but SPL 1.53 mm pulse by 3.0 MHz m- akes only one echo. Maximal axial resolution is SPL/2. 3.0 MHz 0.51 MHz 1.53 MHz 0.765 MHz 7.5 MHz 0.21 MHz 0.63 MHz 0.315 MHz near field, Fresnel zone) 가장정점 (focal region) 을지난이후로는점점넓어지며 (far zone, far field, Fraunhofer zone), 좁아질때까지의거리를 near zone length(nzl) 라고하며, 넓은 aperture, high frequency일수록 NZL는길어진다 (Fig. 7). Lateral resolution은 beam width 가좁아진 NZL 범위내에서점점좋 아지다, far zone에서는점점떨어진 다. Focusing 이라고하는것은 NZL 를조절하여, lateral resolution이검 사자가관심을가지고관찰해야하는 위치에서가장좋게하는과정을의 NZ 미한다. 이러한 NZL를조절하기위 FR 해 lens 를사용하여 beam 을굴절 시키거나 (Fig. 7B), 처음부터 curved element 들을이용하거나 (Fig. 7C) FZ 혹은 element들에서 beam을발생 A B C 시킬때각 element 들간의시간차를두어서 NZL 를조절하는 phasing 이란기법을사용하여조절할수있 Fig, 7. Diagrams show the ultrasound beam profiles from an unfocused transducer(a), a mechanically focused transducer with acoustic lens(b), and a mechanically focused transducer with curved piezoelectric elements(c). Lateral resolution is the best at focal region(fr). NZ:near zone, FZ:far zone. 다 (Fig. 8). Transducer는 piezoelectrical element들의묶음 (array) 으로구 92 대한뇌졸중학회추계보수교육
Synchronous beam Individual Piezoelectric elements US beam Line #1 Focused beam #2 Beam Steering A #3 B Steering and focusing Fig. 8. A:Linear-phased array(transducer) consists of many piezoelectric elements. Transducer produces ultrasound pulse by stimulating one group of piezoelectrical elements. Another pulse is produced at neighboring group of elements after pulse repetition period. B:Time delay(phasing) between individual element make focusing and beam steering possible. A B C Fig. 9. Photographs show ultrasound transducers with curvilinear(a), linear(b), and vecter(c) arrays along with sample image(field of view). 성되어있고, 이러한 array 의모양에따라 curvilinear, linear, vector로구분되고, beam의방향이다르므로 array에따라 B-mode영상의모양이바뀐다 (Fig. 9). Phasing 이가능한 transducer 를 phased array 라고하고, 현대적인초음파검사장비는대부분 phased array 이며, carotid duplex 에서는 linear(phased) array(figs. 8, 9) 의사용이권장이되며, 4) 좁은 insonation window 를가질수밖에없는 transcranial color Doppler나 echocardiography는몇개의 piezoelectrical element 들에서 phasing 으로 beam 의방향을달리하는 vector array 를사용한다 (Fig. 9). 7. Doppler principle과 Aliasing 흔히 duplex USG 라고하는것은 B-mode 영상과 Doppler 검사를동시에수행하는것을의미한다. 만약일정한주파수의소리를만드는 source 가한방향으로움직일때 source 에서발생하는원래주파수는관찰자의위치에따라주파수가다르게감지될수있다 (Fig. 10). 1842년오스트리아의물리학자 Christian Doppler 가이현상을발견하여보고하였고, 현재는 Doppler effect 라하고이러한주파수의변화를 Doppler shift 라고한다. 이러한 Doppler effect 는움직이는물체에의한반사되는 US의 echo 에도동일하게나타나고, Doppler shift 는 scatterer 의 대한뇌졸중학회추계보수교육 93
속도가빠를수록, US의주파수가높을수록비례해서발생한다. 다음과같은공식으로 Doppler shift 를구할수있다. Doppler shift=received frequency-source frequency Doppler shift=source frequency[2 scatterer speed/ Doppler shift=(propagation speed-scatterer speed)] 일반적으로다가오는물체의의한주파수의증가를 positive Doppler shift, 그반대경우를 negative Doppler shift라고한다. Color Doppler는이러한 positive 와 negative Doppler shift 의색깔을구분하여표현하고, Power Doppler 는 positive 혹은 negative 에상관없이강도만을표현한다 (Fig. 11). 위공식에서 scatterer speed 는혈관내의적혈구의속도를의미하며, 생리학적범위에서 US 의속도 1,540 m/sec 에비해미미하기때문에무시하고, 혈류속도는다음과같은공식으로단순화한다. Scatterer speed(cm/s)=77 Doppler shift(khz)/ Scatterer speed(cm/s)=[source frequency(mhz) cosine Doppler angle] Doppler angle이란 beam의운동방향과알고자하는 scatterer 운동방향 ( 혈류흐름방향 ) 이이루는각을의미한다 (Fig. 12). 이는 Doppler effect 를이용한혈류속도의측정에서중요한교정인자로, 그각도가클수록 cosine 값이작아져서, 작은 Doppler shift 도빠른속도로환산이될수있고, 따라서 Doppler angle 이크게되면, 측정값자체의정확성이떨어진다. 예를들면, 같 Longer wavelength Lower frequency Shorter wanelength Higher frequency Fig. 10. Doppler effect by moving source. The source of sound moves to the right, the frequency of the waves in the direction is higher than in opposite direction. Fig. 11. B-mode images with superimposed Color Doppler(left) and power Doppler(right) of the jugular vein (J) and common carotid artery(c). Red-color of the common carotid artery means negative Doppler shift in here. 94 대한뇌졸중학회추계보수교육
은 Doppler shift 를혈류속도로환산할때, Doppler angle 을 60도로교정을하면 cosine 60 은 1/2 이므로, Doppler angle 이 0도일때에 (cosine 0 =1) 비해 2배의속도를갖는것으로계산된다. 일반적으로 60도이하를권장하고, 5,6) 0도에가까울수록정확한측정값으로여겨진다. TCD 상에서는이러한 Doppler angle 을가름할 B-mode 영상이없으므로, 이를 0도로가정하고측정하지만, duplex USG에서는 Doppler angle 의근사치를 B-mode 영상으로알수있으므로교정할수있고, 이과정을 angle correction이라고한다 (Fig. 13). Pulsed US를이용하여올바르게측정할수있는 Doppler shift 의범위는 PRF 에의해결정된다. 이한계를 Nyquist limit 이라고한다. Nyquist limit=prf/2 Nyquist limit 을벗어나는 Doppler shift 는정확하게측정이되지않는데, 이런현상을 aliasing 이라고한다. Aliasing을피하기위한방법으로 PRF를증가시켜 Nysquist limit 을증가시키거나, Doppler 검사에사용하는주파수를낮추거나혹은 baseline 의위치를조정하여측정값이잘리지않도록조정하는방법등이있다. 이는 pulsed wave 를이용해 scatterer velocity 측정할때, Doppler shift를주파수변화를직접보는것이아니라 phase 의변화만을보기때문에생기는현상이다. 이에대한보다자세한설명은뒤의참고문헌을참조하기를권장한다. Transducer (frequency f) Doppler frequency (f d)=2. ft. V. cosθ c beam fd - doppler shift c - is speed of sound in tissue θ ft - transmited beam V - velocity of the bllod O - angle of incidence between the ultrasoundbeam and the direction of the flow Fig. 12. Doppler equation relates the Doppler shift to the blood velocity, the frequency and Doppler angle. Doppler angle between direction of blood and ultrasound could be measured on B-mode image. Fig. 13. Duplex ultrasonography of the common carotid artery shows that angle correction is needed to estimate accurate blood velocity. Between the white thin-line and arrow is Doppler angle to be corrected. Appropriate angle correction is done in the left is 60 and inappropriate correction in the right is 30. The Corrected blood velocities are shown in the left upper of the image. 대한뇌졸중학회추계보수교육 95
Fig. 14. Aliasing artifacts(round circles) in pulsed Doppler spectral display and color-doppler of duplex ultrasonography in the stenosed internal carotid artery. Pulse repetition frequency(prp) of pulsed Doppler spectrum is 20.3 khz(arrow). To avoid Aliasing, increasing PRP could be considered. 결 론 Duplex USG 는 US의다양한물리적특성과변수를단순화시키고극복하여, B-mode 영상을구현하고 Doppler검사를통해혈류속도를계산해낸다. 따라서여러가지검사결과에영향을줄수있는변수를검사자스스로조절하여최상의질을구현할수있어야한다. 여기서설명한물리학적인개념은저자의물리학적인이해의한계로인해, 기본적인개념위주로기술해놓았다. 최근의초음파검사장비는여러가지기술적인발전을통해 harmonic 영상과 compound 영상과같은세밀한영상을제공하고있지만기본적인원리는여기서설명한원리에서벗어나지않는다. 컴퓨터계산과장비가발전함에따라여러가지획기적인시도가 US를이용하여많이시도되고있으며, 앞으로 US를이용한어떠한검사가임상에서사용될지기대된다. 중심단어 :Ultrasound Duplex ultrasonography 기본원리. REFERENCES 1) Kremkau FW. Diagnostic Ultrasound: principles and instruments. 6th ed. Philadelphia: WB Saunder, 2002. 2) Evans DH. Physical and Technical Principles Front Neurol Neurosci 2006;21:1-18. 3) Hangiandreou NF. B-mode US: Basic Concepts and New Technology Radio Graphics 2003;23:1019-1033. 4) Touboul PJ, Hennerici MD, Mearis S, Adams H, Amarenco P, Bornstein N, Csiba L, Desvarieux M, Ebrahim S, Fatar M, Hernandez Hernandez R, Jaff M, Kownator S, Prati P, Rundek T, Sitzer M, Schminke U, Tardif JC, Taylor A, Vicaut E, Woo KS, Zannad F, Zureik M. Mannheim carotid intima-media thickeness consensus (2004-2006). An update of the Adversory Board of the 3 rd and 4 th Watching the Risk Symphosium, 13 th and 15 th European Stroke Conference, Manheim, Germany, 2004, and Brussels, Belgium, 2006. Cerebrovasc Dis 2007;23:75-80. 5) Primozich JF. In support of using a constant 60 angle. J Vasc Tech 1993;17:307-310. 6) Daigle RJ. In support of using multiple angles. J Vasc Tech 1993;17:307-310. 96 대한뇌졸중학회추계보수교육