임상생리학 ( 심장초음파 )-1 초음파의성질 Konyang University Dept. Biomedical Laboratory Science Keun-Sik Kim Ph.D
주요내용및활동 임상에서초음파가쓰이는영역은? ( 사전지식공유자유토론 ) 수업방법 토론식 국시관련문제제시및토론 ( 자료공유 ) 토론식 심장초음파의임상적의의 초음파기본물리학 국시관련문제제시및해결 질의문답 강의 PBL 본단원의학습역량및성과 수업을마친학생은 (A) 초음파의성질에대해 (C) 각특징에기반하여 (D) 초음파의물리적성질을설명할수있다 (B).
선행학습 발표 / 토의 임상에쓰이는초음파영역부분 Think! 1. 초음파사용영역 ( 임상부분 )? 2. 초음파의원리는? 3. 심장초음파로판독할수있는것은?
심장초음파검사 (Ultrasonic cardiography, UCG) 1. 초음파란? 초음파 : - 인간이들을수있는한계 (20 ~ 20,000 Hz) 를넘어선음파 - 주파수가 20,000 Hz 보다높은주파수를가진음파 초음파진단법 : 초음파 ( 주파수 20kHz 이상 ) 의반사와흡수에의해생기는영상으로인체내부를영상화하고진료하는의료기술 인체의체표에초음파발생을통해, 밀도나탄성도의차이가있는조직에서의음향저항의차이에따라초음파를반사하는원리를이용하여반사된메아리를탐지하여영상화한것 Acoustic imaging( 음향영상 ): 음파에의해생체내부관찰이되는초음파화상 ( 심장검사에이용하는검사방법 심초음파 ) 심초음파에사용되는주파수 : 1 ~ 10 MHz ( 인체내움직이는구조물살핌 )
심초음파진단법특징 1 비파괴적, 반복 쉽게검사가능 2 조영제사용안함 특별한전처리없음 3 단층상에서판막이나벽의움직임이실시간으로관찰가능 심장내구조물이상, 벽운동이상쉽게관찰 4 M-mode, Doppler 검사 좌심실용적, 심박출량, 구출율등구할수있음 (: 좌심실중심의심기능평가가능 ) 5 연부조직 (soft tissue) 의단층상, 움직임 영상화우수 ( 혈류속도, 방향, 움직임등다른정보측정가능 ) 6 심전도맥파 동시에검사가능 ( 심장의시상분석가능 ) 7 심장내혈전, 심내막염등의치료효과판정에적용, 검사시간이짧음 8 연부조직, 복부장기에는잘전달됨 ( 위장계통, 폐같이공기로찬장기나뼈에는초음파전달이안됨 ) 심초음파진단의대상질환 - 심실의크기및기능측정 ( 국소적심벽운동증가, 심박출량의측정 ) - 선천성심장질환진단에이용 ( 심실중격결손증, 심방중격결손증.. 등 ) - 후천정심장실환진단에이용 ( 승모판막협착증, 폐동맥판막질환, 심근증 ) Real time system 탐촉자에의해얻어진정보가모니터에시간의지연없이나타나고, 실시간으로심장의움직임, 태아태동등의관찰을가능케함.
https://www.youtube.com/watch?v=drgusgvl_4q 팔로 4 징후 (Tetralogy of Fallot)
2. 초음파성질 - 음의성질과동일하나, 음과초음파의차이는주파수범위차이 1) 음향변수 음파가전달되는양적인변화를표현하는단위 : 음압, 온도, 밀도등에의해영향을받음 (1) 주파수와주기 (frequency & period) - 주파수 : 초당발생하는사이클 (cycle) 수 ( 주파수 = 사이클수 / 초, 단위 : Hz, KHz, MHz) - 주기 : 한개의완전한사이클생성되는데소요되는시간 ( 주기 = 1 사이클 / 주파수 (MHz), 단위 : sec, msec(ms)) (2) 파장과진폭 (wave length & amplitude) - 초음파의파장 (l) = 속도 (c) 와진동수 (f) 에의해결정 l = c/f - 초음파속도 매질이같을때거의일정 진동수 (or 주파수 ) 는클수록파장짧다. e.g. 2.5 MHz = 0.6 mm, 5 MHz = 0.3 mm
- 초음파의파장 : 한주기의정점에서다음주기의정점까지거리 파장 ( λ ) l(lamda) 로표시, 파장과분해능은반비례 (Fig. 1-1) 거리분해능과밀접한관련 음향변수 주기 (T) - 진폭 : 바닥선을기준으로음향변수의최저압력과최고압력의합으로최대값으로정의 (3) 속도 - 초음파 : 매질을통해전파되는진동 ( 초음파진단 : 10 MHz 이하의펄스파이용 ) - 음파의전달속도 매질의특성에따라다름 - 매질의체적탄성율 : b, 매질의밀도 : r 음파의속도 : C = b/r (m/sec) - 체적의탄성률이클수록음의전달속도빠름, 밀도큰장기에서속도낮음
Cf. 라틴어대 ( 소 ) 문자및발음 (4) 강도 - 초음파의강도 : 단위면적당평균어느정도의음압이걸리는지표현한것 watt/cm 2 or mwatt/cm 2 진단용초음파의강도 : 0.04 watt/cm 2 (5) 펄스초음파및공간펄스길이 - 연속파가아닌짧은펄스파를이용할때, 한번에출력될수있는일정한크기의주파수파를가진파 - 의료용초음파 1 ms 당반복되는펄스 (0.8 ~ 15 MHz) 로구성 ( 길이 = 1 ms)
용어정리 진폭 (A): 음압내최고높이 파장 (λ): 한주기에해당하는길이 주파수 (f): 단위시간당발생하는주기의수 주기 (T): 한주기가발생하는시간 음파의전파속도 (C) C=λf 음속의가장낮은부위는폐조직, 공기로채워진폐포조직때문. 연부조직의평균음속 1,540m/s 생체조직중뼈조직의음속 4,080m/s 가장높은값 ( 탄성률높기때문 ) 일반적으로음파의전파속도는고체 > 액체 > 기체순으로작아짐.
펄스를연속해서발생 초음파치료용 [ 펄스 - 에코파 ] [ 연속파 ] - 거리분해능 : 영상표시장치에서서로다른두물체를식별해낼수있는능력 ( 트랜스듀서의형태나크기, 주파수등의인자에의해영향 )
2) 초음파의성질 (1) 흡수와감약 - 초음파는생체내통과하면서도중에흡수, 점차감쇠 ( 음의흡수, 산란, 반사현상에의한진폭의감소 ) - 초음파의흡수계수 파장이짧을수록커짐 - 주파수높을수록, 파장이짧을수록흡수잘됨 - 전파거리가길수록 음의강도작아짐 - 초음파의강도크면 매질속에서열을냄 ( 초음파가매질에흡수되는성질 ) (2) 전파와산란 - 초음파의전파와산란특징 균일한물체내의일정한거리를직진 ( 근거리음장 ) 한다음어느각도를가지고산란 ( 확산, 원거리음장 ) 함. (Fig. 1-3) 초음파는일정거리를직직한후, 각으로산란됨
가. 근거리음장 (near field) - Fresnel 영역 근거리음장 = 탐촉자반경 2 / 초음파파장 = ( 탐촉자반경 2 X 주파수 ) / 음속 - 탐촉자의반경일정시, 주파수높을수록, 산란하지않고긴거리통과 - 탐촉자의반경크면 근거리음장길어짐 ( 단점 : 근거리음장내, 2 점간의식별능력인방향분해능약함 ) 나. 원거리음장 (far field) - Fraunhofer 영역 근거리영역을지나면서초음파 beam 이증대된영역 ( ) - 원거리음장으로들어가면 각으로산란 - 산란되는각도 sin = (0.061 X 파장 ) / 탐촉자의반경 [ 파장 = 속도 / 주파수 ] - 파장이짧을수록 (= 주파수가높을수록 ) 작음, 산란적고, 직진성양호 - 반경이클수록, 작음 작음, 방향분해능좋음
(3) 반사와굴절 - 초음파는매질속을전파하다가매질의경계면에부딪히면반사가일어남 - 임피던스 (impedence): 음에대한매질의저항, Z (=kg/m 2 /sec) - Z = PC (r: 매질의밀도, C: 음속 ) - 두개의매질의임피던스차가클수록반사율도커짐 ( 공기가차있는장기나뼈를제외한장기들의임프던스차이는매우작음 ) 평균 1.3 ~ 1.7 X 10 6 rayls : 조직의음에대한저항 - 굴절 (Refraction) : 하나의매질에서또다른매질을통과할때, 음파의진행방향이변하는것 * 초음파의주파수가높을수록초음파빔은훨씬큰해상력을가짐 (4) 집속과확산 - 집속 (Focusing) 좋은해상도를얻기위해폭이좁고확장이적게되는초음파빔을만드는방법 근거리음장을좁고길게만드는것 - 근거리영역 ( 근거리음장 ) 진동자로부터거리가멀어짐에따라서초음파빔의직경이감소하는빔의영역 - 원거리영역 ( 원거리음장 ) 근거리영역을지나면서초음파빔의직경이증대및확장되는영역
- 초점영역 : 초음파빔 ( 음속 ) 에서최소의직경또는면적을이루는부분 - 초점거리 : 진동자면에서초점영역까지거리 진동자 초점거리 초점영역 - 탐촉자직경클수록 초점거리와초점영역길어짐 - 초음파의주파수높을수록 가는초점영역을얻을수있음 - 최상의영상을얻을수있는범위인근거리음장을길게하려면 탐촉자의크기증가또는주파수높임 [ 근거리음장 = ( 탐촉자반경 2 X 주파수 ) / 음속 ]
(5) 주파수와분해능 - 고주파수 더작은물체에서초음파를반사시키므로분해능이더우수 - 분해능 (Resolution) : 두개의반사체를식별할수있는능력으로, 주파수가높을수록우수 ( 거리분해능, 방위분해능, 측방분해능 ) 거리분해능 : 음파의길이를구별하는 x 축해당 : 초음파빔진행방향전후에존재하는두점식별능력 : 초음파주파수가높을수록 ( 파장이짧을수록 ) 좋다. 방위분해능 : 음파의두께구별 (Z축) : 초음파빔진행방향의수직방향에위치한두점식별능력방향분해능 : 초음파의음속형태와관련 : 초음파빔두께가가늘수록방위분해능양호 측방분해능 : 음파의높이구별 (Y축) : 초음파빔진행방향의직각방향에위치한서로다른두물체의식별능력 : 음속의직경에영향을받음, 음속직경감소시분해능향상 (6) 주파수와투과력 - 투과력 (Penetration): 물체를통과할수있는거리의표현 - 주파수가높을수록초음파의산란과흡수가증가, 투과력감소 - 성인 ( 투과력이좋은저주파 : 2 ~ 5 MHz) - 소아 ( 해상력이좋은고주파 : 5 ~ 10 MHz)
Q 1. 의학용초음파진단장치에서이용되는주파수범위는? 1 1~10 Hz 2 1~10 khz 3 11~100kHz 4 1~10 MHz 5 11~100 MHz Check! Q 2. 고주파수초음파의특성으로옳은것은? 1 생체내에서흡수되기쉽다. 2 체내의심층부까지도달하기쉽다. 3 파장이길어진다. 4 해상력이떨어진다. 5 투과성이좋아진다. 고주파수초음파특징 - 파장이짧음 - 투과력약함 ( 투과성나쁨 ) - 지향성이날카로움 ( 해상력좋음 ) - 생체내흡수가잘됨 - 심층부까지전달이어려움
다음시간 선행학습 초음파표시법및도플러효과조사