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초음파진단기에서 사용하는 초음파란 인간이 들을 수 없는 20,000Hz 이상의 진동수를 가진 소리이다. 초음파 영상의 원리는 Pulse파를 인체 내로 투과시켜 검사하고자 하는 Object에 부딪혀 나오는 반사파를 영상화한 것이다. 초음파 검사는 초음파 영상을 실시간으로 얻기 때문에, 장기의 구조뿐 아니라 운동까지도 관찰할 수 있으며, 혈관 내부의 혈류도 측정할 수 있다. 인체에 해로운 방사선을 사용하지 않으며, 통증 없이 신속하게 검사를 할 수 있어 환자가 가진 질환을 진단하거나 그 치료 경과를 판단하기에 매우 쉽고 편리한 영상검사법이다.
본 글에서는 초음파 영상 표시 방법을 설명하고 초음파 허상에 대해서 알려주며 초음파 변환기에 대한 글을 쓰도록 하겠다.
목차
- 초음파 영상 표시 방법
- 초음파 허상
- 초음파 변환기
초음파 영상 표시 방법
1. A-mode (Amplitude mode) : 반사된 초음파 신호를 진폭으로 보여주는 모드 (요즘은 잘 사용하지 않음)
2. B-mode (Brightness mode) : 일반적인 초음파 영상. 반사된 초음파 신호를 밝기로 보여주는 모드
3. M-mode (Motion mode) : 시간의 흐름에 따른 밝기의 변화로 반사된 초음파 신호가 변화되는 것을 보여주는 모드
(B-mode가 변형된 형태. 심장 초음파에 주로 사용)
4. D-mode (Doppler mode) : 도플러 효과를 이용해 혈류의 속력 및 방향을 측정 혈류에서 적혈구가 다가오는지 멀어지는지 판단하는 데 사용
연속파형 도플러 : Continuous Wave Doppler
-혈류 속도 측정 가능
-측정할 수 있는 최대 속도에 제한 없음
-정확한 위치 정보를 알기 어려움
펄스파형 도플러 : Pulsed Wave Doppler
-연속파의 속도측정기능+pulse echo의 위치측정기능
-측정할 수 있는 최대 속도에 제한 있음
-PRF의 반을 초과하는 도플러 신호에서 허상 존재
도플러 효과 : 전자기파를 방출하는 물체가 관측자 기준으로 가까워지거나 멀어질 때 관측자가 측정하는 전자기파의 파장이 달라지는 현상 물체가 다가옴 = 파장이 짧아짐 = 청색 편이 , 물체가 멀어짐 = 파장이 길어짐 = 적색 편이
색 혈류 촬영 : Color Flow Mapping
B-mode 위에 도플러효과를 이용하여 혈류의 방향, 속도를 색 영상으로 나타냄
Spectral Doppler
도플러효과를 이용하여 푸리에 변환하여 혈류의 시간에 따른 흐름 속도를 나타냄
초음파 허상
초음파 허상 : 초음파 영상에서 비정상적인 해부학적 구조물이 영상으로 나타나거나 정상적인 구조물이 부적절한 모양이나 크기로, 또는 소실되어 보이는 것
초음파 영상 가정 5가지
1. Echo는 main beam으로부터 발생한 것이다.
2. 발생한 echo는 단일 직선 반사 경로를 통해 탐촉자로 돌아온다.
3. 관찰하려는 구조물의 깊이는 음파에서 발생한 echo가 탐촉자로 돌아오는 데 걸리는 시간에 비례한다.
4. 인체조직 내에서 초음파의 속도는 일정하다.
5. 인체 내에서 초음파의 감쇠는 균일하게 일어난다.
다중반사허상/반향허상(reverberation artifact) : 탐촉자와 인체의 계면 사이에서 음속이 반향을 반복함에 따라 형성되는 허상
여운허상(ring-down artifact) : 미세 결정 초음파가 미세 결정 또는 미세 낭성 구조같이 오랫동안 공명할 수 있는 구조에 닿았을 때 발생하는 허상
거울허상 (mirror image artifact) : 반사도가 강하면서 초음파 진행 방향과 비스듬히 놓인 반사 계면으로 인해 실제 종괴가 음향 반사 계면의 반대쪽에서도 보이는 허상
음속두께허상 (beam -thickness artifact) : 음속이 액체가 고인 조직보다 두께가 넓을 때 발생하는 허상
측엽허상 (side-lobe artifact) : 초음파 탐촉자에서 발생한 side-lobe에 의해 발생하는 허상
음파속도허상 (speed of sound artifact) : 소리의 전파 속도가 다른 매질을 통한 스캔을 할 때 거리가 부정확하게 계산되어 발생하는 허상
후방음영 (posterior acoustic shadowing) : 후방으로 충분한 음파가 들어가지 못하여 후방 정보를 얻지 못해 저 에코로 보이는 현상
후방음향증강 (posterior acoustic enhancement) : 감쇠가 덜 된 음파를 맞이하게 되어 주위 조직보다 고 에코로 보이는 현상
초음파 변환기
초음파 변환기 : 사람의 청각 범위를 벗어난 초음파 음파를 교류 (AC) 또는 직류 (DC) 전기 신호로 변환 한 다음 전송 또는 기록하는 전기 구성 요소
1. 압전 소자
1) 두께를 조절하여 공진주파수를 결정하는 역할
2) 임피던스 매칭 코일을 사용하여 주파수의 대역폭을 결정함
3) 초음파 트랜스듀서의 가장 중요한 부분
압전효과
PZT : 적절한 압전 특성을 가지며, 압전체 구조에서 에너지 변환 물질로 보통 사용된다. 지난 수 십 년 간 압전 에너지 하베스터와 관련된 다양한 연구가 활발히 진행되어 왔다.
1) 세라믹 소자를 가열하여 분극화 하면 내부 원자들의 전기적인 극성배열이 발생
2) 원자들의 극성 방향이 변화하면서 원자들 간의 견인력이 증가하고 두께 변화를 초래
2. 흡음 층(backing layer): 후방 음을 흡수하는 곳(그 사이는 압전 물질로 이루어져 있음)
1) 압전 소자가 매우 짧은 주파수로 진동해야 함
2) 축방향으로 진동의 분해능 최적화
3) 주로 후방 음을 흡수하는 역할을 함
4) 텅스텐과 고무 가루로 구성되어있음
3. 임피던스 결합 층(impedance matching layer): 인체 표면에 닿는 곳
1) 조직과 압전 소자 사이 위치
2) 탐촉자와 피부 사이의 음향 저항의 차이를 감소시킴
3) 조직 내로 효율적으로 초음파 빔이 전달되게 함
4) 반사된 빔을 높은 감도로 수신할 수 있게 도와줌
4. 절연체 및 케이블: 초음파가 밖으로 새어 나가지 못하게 차단하는 역할
초음파 변환기 종류
1. 집속형 트랜스듀서 : 빔의 폭을 좁게 만들어 반사신호를 크게 하기 위하여 렌즈를 압전 소자 전면에 접속하거나 압전 소자를 굴곡형으로 제작한 것
1) 동일한 조건의 비집속형 트랜스듀서에 비해 좁은 빔폭을 가짐
2) 반사신호의 크기 증가
3) 높은 주파수가 빔폭을 줄여 해상도 높임
2. 배열형 트랜스듀서 : 다수의 트랜스듀서를 일렬로 배열한 것, 진동자의 배열 형태에 따라서 선형배열/곡면 배열/위상배열/동심원배열 등이 있음
1) 선형 배열
- 약 20개의 압전 소자에서 초음파를 발생시켜 측정함
- 순차적으로 이동하며 초음파 신호를 측정함
- 측정한 신호는 이미지에서 하나의 라인을 이룸
- 크기가 크고 압전 소자의 배열에 따라 영상의 모양이 결정됨
2) 위상 배열
- 모든 압전 소자 사용
- 물리적으로 변환기를 이동하지 않아도 이미지 얻을 수 있음
- 모든 소자가 동시에 초음파 송수신 가능
초음파 영상 표시 방법 중에서 도플러 효과를 사용한 D-mode가 가장 중요하다. 그리고 소개한 다양한 허상들을 잘 알아두며 초음파변환기의 구조 4가지와 종류에 대해서 잊지 않았으면 좋겠다.