초음파치료 제3장 초음파기기

 

 

3.                   초음파 발생 장치

 

3.1               초음파의 발생원리

어떤 종류의 결정(crystal)을 특정한 방향으로 압축(contraction)과 비압축(expansion)을 반복시켜 주면 한쪽에는 양전하(+)가, 다른 한쪽에는 음전하 (-)가 생겨 전류가 발생하게 되며 이러한 현상을 압전효과 (piezoelectric effect)라 한다. 대로 결정에 교류전류를 통전시키면 결정이 압축과 비압축을 반복하여 기계적인 진동(mechanical vibration)이 일어나 초음파를 발생시키는데 이러한 현상을 역압전효과(reverse piezoelectric effect)라 한다[그림 3-1]. 고주파 교류전류가 역압전효과에 의해서 기계적인 진동으로 전환되어 초음파가 발생하게 된다.

 

 

[그림 3-1] 압전효과 및 역압전효과

 

3.2               초음파치료기의 구성

초음파 발생장치는 전원공급회로, 진동회로, 변환기의 3가지 요소 (3 basic compoment)로 이루어져 있다[그림 3-2].

 

 

[그림 3-2] 초음파치료기의 구성회로

 

3.2.1          전원공급회로

전원공급회로(power supply circuit)는 완파장 정류기(full wave rectification)와 여과기(filter)로 이루어져 있으며 진동회로에 안정된 출력을 공급해준다.

 

3.2.2          진동회로

진동회로(oscillatory circuit)에서는 50-60 ㎐의 교류전류를 고주파전류로 바꾸고 500 V 또는 그 이상의 고전압전류로 만들어 동축케이블을 통해 변환기의 금속전극에 전달한다.

 

3.2.3          변환기

변환기(transducer, applicator, sound head, probe)는 초음파를 발생하는 부위로 금속전극(metal electrode)과 금속판(metal end plate)사이에 두께 2-3 ㎜, 직경 1-3 ㎝로 잘게 쪼갠 압전재를 두고 금속덮개(metal housing)로 싸서 만들었다[그림 3-3]. 변환기의 압전재에 고주파 교류전류가 전달되면 압전재가 변형되면서 압축과 비압축이 반복적으로 일어나 전극판의 두께가 1-2 ㎛ 정도 변화되어 진동을 발생시킨다[그림 3-4].

 

 

[그림 3-3] 초음파 변환기의 구조

 

변환기의 면적은 방산각과 반비례한다. 변환기의 면적이 5 ㎠ 이하로 너무 적으면 방산각이 커서 심부조직을 효율적으로 가열할 수 없고, 13 ㎠ 이상으로 너무 크면 접촉유지가 어려워 부적당하다. 변환기의 면적은 대개 5-13 ㎠ 정도이며 7-13 ㎠를 많이 쓴다.

 

 

[그림 3-4] 변환기의 초음파 발생

 

3.2.4          압전재

압전성질을 가진 물질을 압전재라하며 초음파 변환기에 사용하는 압전재는 천연 결정(crystal)과 합성 세라믹 결정(synthetic ceramic crystal)이 있다[표 3-1]. 천연 압전재로 수정, 토말린 등이 있으며 수정을 가장 많이 사용하고, 인공 압전재로는 티탄산바륨, 지르콘산연을 많이 사용하며 이외에도 주석산칼륨나트륨, 황산리튬, 페라이트(ferrite)를 소결하여 만든 산화아연산화철 등을 사용한다.

 

[표 3-1] 초음파 발생에 사용하는 압전재

 

3.3               강도

초음파의 강도(I)는 단위시간동안 단위면적을 통과한 초음파에너지의 양으로 압력진폭(P₀)  제곱값을 2배의 조직밀도(ρ_o) 및 초음파의 속도 (C_o)로 나눈값이다.

 

1 =	P02
	2 ρo Co

 

즉 음파의 경로에 수직인 1 ㎡의 면적을 1초에 1 줄의 에너지가 지나갈 때의 강도를 말하며, 총출력(output, W)을 변환기의 효과방출면적(effective radiating area, ERA, ㎠)으로 나눈 값이고 단위는 W/㎠이다. 실제로 초음파 변환기의 표면 전체에서 초음파에너지가 방출되지는 않는다. 효과방출면적은 변환기 표면적의 약 80% 정도이다. 사람의 청각은 데시벨(decibel, ㏈) 단위를 사용하는데 청력의 시발점인 0 ㏈은 10^-12 W/㎠에 해당되고, 10^-2 W/㎠의 강도는 100 ㏈에, 1 W/㎠의 강도는 160 ㏈에 해당된다.

 

I = output (W) / ERA (cm²)

 

초음파의 강도는 공간과 시간의 개념에 따라 구분한다. 초음파는 간섭에 의해 음장에 따라 최대강도와 최소강도가 불규칙하게 변화하기때문에 공간정점강도(spatial peak intensity, SPI)와 공간평균강도(spatial average intensity, SAI)로 나누고, 맥동초음파의 경우에는 시간정점강도(temporal peak intensity, TPI)와 시간평균강도(temporal average intensity, TAI)로 구분한다[그림 3-5].

 

 

[그림 3-5] 초음파 강도의 공간분포와 시간분포

 

공간정점강도(SPI)는 최대강도가 나타나는 부위이며, 공간평균강도(SAI)는 여러 정점강도를 평균으로 계산한 강도이다. 시간정점강도(TPI)는 맥동기간동안 발생된 정점강도이며, 시간평균강도(TAI)는 시간정점강도의 합을 전 맥동주기로 나눈 값 즉 맥동주기동안에 나타난 시간정점강도의 평균값이다. 시간평균강도(TAI)는 맥동율에 따라 다르다. 예를 들어 시간정점강도가 2.0 W/㎠일 때 시간평균강도는 맥동율 50% 즉 맥동비 1:2인 경우 1 W/㎠(2.0 x 0.5)가 되고, 맥동율 25% 즉 맥동비 1:4일 때는 0.5 W/㎠(2.0 x 0.25)가 된다.

실제 치료강도는 특정한 시간동안 공급된 공간평균강도인 공간평균시간평균강도(spatial average temporal average intensity, SATA)로 표시한다. 공간평균시간평균강도(SATA)는 효과방출면적에 대한 초음파 빔의 총 출력 계수로 흔히 효과강도(effectice intensity, EI)라 하며 초음파의 총 출력을 변환기의 효과방출면적으로 나눈 값이다.

공간평균시간정점강도(spatial average temporal peak intensity, SATP)는 효과방출면적에 대한 맥동기간동안 나타나는 초음파 빔의 최대출력 계수로 맥동초음파에서만 사용하는 개념이다.

 

 

공간정점시간평균강도(spatial peak temporal average intensity, SPTA)는 초음파 빔에서 생성되는 최대 시간평균강도이다. 이는 BNR을 결정하는데 사용하며 초음파의 안전문제에 중요하게 작용한다. 초음파는 근위장 처음 1 ㎝에서 간섭이 많이 일어나 공간정점시간평균강도(SPTA)가 높아질 수 있고 이에 따라 hot spot, 조직손상이 초래될 수 있다.

 

3.4               맥동초음파

맥동초음파는 초음파를 주기적으로 맥동시켜 조직에 전달하는 방법이다. 초음파가 발생되는 기간을 맥동기간(pulse duration)이라 하고 초음파가 발생되지 않는 기간을 맥동간 간격(interpulse interval)이라 하며 맥동기간과 맥동간 간격을 합한 기간을 맥동주기(pulse period)라 한다. 맥동율(duty cycle)은 맥동기간을 맥동주기로 나눈 값이다. 맥동비(pulse ratio, mark space ratio)는 맥동기간대 맥동간 간격의 비이다.

맥동율 = 맥동기간 / 맥동주기 x 100 (%)

맥동비 = 맥동기간 : 맥동간 간격

맥동주기 = 맥동기간 + 맥동간 간격

맥동초음파는 치료기의 종류에 따라 맥동율이 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 50% 등 다양하며 특히 20%, 25%, 50%를 많이 사용한다. 맥동기간, 맥동간 간격, 맥동주기, 맥동비, 맥동율의 관계는 [그림 3-6] 및 [표 3-2]와 같다. 맥동율 20%로 10분간 치료한다면 실제 초음파가 조직에 전달되는 시간은 2분에 지나지 않고 시간정점강도가 2 W/㎠일 때 시간평균강도는 0.4 W/㎠가 된다. 따라서 0.5 W/㎠의 강도를 유지하려면 연속초음파는 그대로 0.5 W/㎠의 강도를 사용해도 되지만 1:1 맥동초음파는 1 W/㎠, 1:2 맥동초음파는 1.5 W/㎠, 1:4 맥동초음파는 2.5 W/㎠, 1:7 맥동초음파는 4 W/㎠의 강도로 치료해야 한다.

 

 

[그림 3-6] 맥동률 20%와 50%의 초음파

 

 

[표 3-2] 맥동주기, 맥동비 및 맥동율

맥동기간	맥동간간격	맥동주기	맥동비	맥동율
2 ms	2 ms	4 ms	1:1	50 %
2 ms	4 ms	8 ms	1:2	25 %
2 ms	8 ms	10 ms	1:4	20 %
2 ms	10 ms	12 ms	1:5	14 %
2 ms	14 ms	16 ms	1:7	12.5%