ABSTRACT
5. 초음파의 접촉매질(couplant)
접촉 매질이란 음향방출을 감시하는 동안 경계면을 통과하여 음향 에너지의 전달 을 증진하기 위하여 구조물과 센서 경계면에 사용하는 물질이다. 공기의 밀도가 낮기 때문에 초음파가 공기를 통과하는데 어려움이 있다.
Table 2-1과 같이 물과 비슷한 지방, 연부조직, 근육의 경우에 전파속도가 빠르기 때문에 피부 깊숙이 초음파가 잘 전달된다. Fig. 2-2와 같이 공기층에서 초음파 전파 속도가 감소하고 공기자체가 반사경 역할을 하기 때문에 반사량이 높아서 열 발생으 로 인한 통증 유발할 수 있다. 공기-피부 경계면에서 거의 100% 반사하기 때문에 초 음파 집속 기술을 이용하여 CTO를 제거하기 위해서 초음파발생장치와 인체사이에 초음파 전파를 위한 접촉 매질을 필요로 한다. 따라서 초음파의 전달효과를 증대하기 위해서는 오일이나 점도가 높은 젤을 피부에 바르는데, 이는 중간의 공기층을 제거하 기 위해서이다. 초음파는 물에서 가장 잘 전달되고 사람의 인체는 물로 구성되어 있 기 때문에 젤없이 사용하여도 초음파는 피부로 전달되지만 젤을 사용하는 것이 더 효 과적이다.
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Air Fat Water Soft tissue Muscle Bone
330 1460 1480 1540 1580 40000
Table 2-1 Ultrasound propagation velocity according to couplant(m/s)
Fig. 2-2 Reflection of ultrasound with heat focused at the interface of tissue and air
제 2 절 고강도초음파집속술(HIFU) 1. HIFU의 원리
HIFU의 원리는 Fig. 2-3과 같이 돋보기를 이용하여 태양광선을 먹지의 한 초점에 집중시키면 그 초점에 정확히 일치하는 국소 부위에서는 불이 나지만 바로 그 주변은 아무런 영향이 없는 것과 유사한 것이라 할 수 있으며, 따라서 HIFU는 그 초점에 일 치하는 병변에 포함되어 있는 세포들만을 죽일 뿐 초점에서 벗어나 있는 피부나 주위 장기에는 해가 발생하지 않는다[14]. HIFU는 기존의 초음파와 동일한 원리를 바탕으 로 하고 있다. 집속된 초음파는 단순히 통과하는 생체 조직에 대해서는 아무런 해를 입히지 않고 전파해나갈 수 있다. 그러나 초음파가 충분한 에너지를 가지고 있고 특 정 부위에 집중되어진다면 특정 부위에 집중되어진 에너지는 조직괴사를 일으키기에 충분한 만큼의 온도 상승을 유발할 수 있다.
초음파는 두 가지 주요 기전에 의해 조직 손상을 일으킨다. 첫째는 물리적 에너지 가 열로 바뀜에 의한 것이고, 둘째는 공동형성(cavitation)을 통해서이다. 초음파가 조 직을 통해 전파해나갈 때 그 에너지의 일부는 열로 바뀌게 되는데, 정상적인 상황에 서는 이때 발생한 열은 즉시 주위로 흩어지게 된다. 만일 열의 발생속도가 냉각속도 보다 빠르게 되면 국소 온도가 상승하게 된다. 온도가 42°C 혹은 이를 조금 넘는 정 도로 맞추어 일정 시간 동안 지속하는 것을 목표로 한다. 이와 달리 HIFU는 짧은 시 간 동안 고온으로 유지함에 의해 신속하게 열에 의한 독성이 발생하여 응고성 괴사 (coagulative)를 통해 비가역적으로 세포를 괴사시킨다. HIFU 치료 동안에 표적이 되 는 조직의 온도는 신속하게 85°C 이상으로 상승하게 되므로, 노출 시간을 매우 짧게 하는 경우에도 효과적으로 세포를 죽일 수 있고, 따라서 온도에 대한 정교한 관리 (monitoring)를 필요로 하지 않는다. 표적이 되는 조직 부위와 주변 조직과의 경계가 매우 분명한 것을 통해서도 알 수 있다. 혈액순환에 의한 냉각효과가 온열요법의 원 리를 이용한 치료법에 있어서의 효능 감소의 원인이 될 가능성이 있는데, 이는 치료 하는 동안에 열이 표적 부위로부터 주위로 퍼져나갈 수 있는 충분한 시간이 존재하기 때문이다. 그러나 이것은 HIFU의 경우에는 노출 시간이 3초 이하 정도로 짧기 때문 에 전혀 문제가 되지 않는다. HIFU에 의해 형성되는 병변(lesion)은 타원형의 모양으
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로서 그 장축은 초음파 발사 방향에 평행하며 일반적인 노출시간을 적용하였을 때 그 크기는 1.7MHz에서 1.5x15mm, 3.0MHz에서 1.7x24mm로서 크기는 초음파 주파수 및 발생장치의 종류에 좌우된다. Fig. 2-4와 같이 음향에 의한 공동형성은 복잡하고 예측하기가 힘든 현상이지만, 그 최종 결과는 결국 기계적 스트레스(mechanical stress)와 열 손상에 의한 세포 괴사이다. 초음파는 조직을 진동하게 만들고, 분자 구 조들은 압축(compression)과 희박화(rarefaction)의 과정을 반복하게 된다. 희박화의 과정 동안에 용액으로부터 기체가 빠져나와 기포를 만들고 이것이 크기가 변하거나 급속히 축소되면서 기계적 스트레스를 야기하고 미세 환경이 2000-5000K의 고온에 이르도록 하는 것이다. 공동현상은 펄스 길이, 주파수, 강도에 주로 좌우된다. 이 현상 은 진단적 목적의 초음파에서는 발생하지 않지만, HIFU를 시행할 때에는 고려해야 하는 부분이다[15].
Fig. 2-3 Principle of HIFU[16]
Fig. 2-4 Principle of inertial cavitation[17]
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