Southern Illinois University(SIU) at Carbondale

1. Southern Illinois University(SIU) at Carbondale

2. 1. 음의 전파 음은 물체의 진동에 의해 발생 음(Sound)은 물체의 진동에 의해 발생되고, 공기 등의 매질을 통해 전파 –압력 파에 의해 전송된 기계적 파동 전자파(전파,가시광선 등)의 전파 : 매질이 불필요하고 음파보다 훨씬 높은 전파속도를 갖는다. 2. 초음파(Ultrasound) 인간이 들을 수 있는 가청주파수(20 – 20,000Hz) 보다 높은 주파수를 갖는 음파 - 진단용초음파 범위 : 1 – 30 MHz 초음파의 형태: 펄스파(pulse wave) 연속파 (continuous wave)

3. 3. 초음파진단의 역사 - 1912 침몰된 타이타닉호 선체 탐사 - 제2차 세계대전 당시 잠수함 위치 추적, 어군 탐지 등 의학에 이용 - 1949년 Dussik 초음파투과법 이용 뇌실 검사가 최초 - 1950년 Danaka가 A-made 검사 - 1952년 Wild는 B-made 방법 개발 - 1957년 Imura Doppler법 개발 - 1970년대 초음파진단장치 본격 개발 - 우리나라에는 1980년대 초부터 처음 도입 - 1989년 Cosgrove 등에 의해 Color Doppler 소개 - 1995년 Burns는 B-made를 이용 혈류상태를 영상화

4. 초음파진단의 개요

5. 초음파진단의 특성 1. 비파괴적, 비침습적이며, 환자에게 고통이 없다. 2. 신체적 장해가 없다. 3. 주사면과 주사방향의 선택이 자유롭다. 4. 연부조직의 진단 능력이 좋다 - 복부장기 및 산부인과 5. 혈류의 상태나 움직이는 장기 장기 묘사에 좋다 - 심장 6. 임상에서 취급이 용이하고 실시간으로 결과 확인 7. 장치가 소형, 설치 용이, 이동가능 8. 체내 gas나 bone에 의한 영향이 크다 –고 반사 9. Artifacts를 피할 수 없고, 정 Anatomy가 없다.

8. 초음파의 물리적 특성 음파의 본질 종파(longitudinal wave) 횡파(transverse wave) 음향변수(acoustic variables) 1) 압력(pressure) 2) 밀도(density) 3) 온도(temperature) 4)입자운동(particle motion)  음파의 변수(parameter) 1) 주파수(frequency, f ) : cycle/sec (Hz, kHz, MHz) 2) 주기(period, T ): 1cycle이 차지하는 시간( s, s) 3) 파장(wave length,  ) : mm, m (  = c / f ) 4) 진폭(amplitude, P) : 음압의 변화 5) 강도(intensity, I ) :단위면적 당 초음파출력의 크기(W/cm2) I = p2 / 2  c (I : 강도 , p : 진폭 ,  : 매질의 밀도, c : 음의 전파속도)

9. 6) 전파속도(propagation speed, c ): m/s, mm/s - 음이 매질 내에서 이동하는 속도로 밀도(),체적탄성율(경도:B)등에 영향을 받음 c = B / (m/s) = 1/  (m/s) (공기: 330, 지방:1,460, 물:1,490, 연부조직:1,540, 뼈:3,000이상) 펄스초음파의parameter 1) 펄스반복주파수(pulse repetition frequency :PRF):Hz, kHz, 2) 펄스반복주기(pulse repetition period : PRP) : s, ms 3) 펄스폭(pulse duration : PD) : s, s 4) 공간펄스길이(spatial pulse length : SPL) : mm SPL = 펄스중의 cycle 수  파장(전파속도/주파수) 5) 충격계수(duty factor : DF) DF = 펄스폭(s) / 펄스반복주기(s)

10. 음파의 감약 ◎ 원인 scattering(확산), reflection(산란), absorption(흡수) ◎ 단위 - dB/cm (decibel))0\) 감약(dB) = 감쇄계수(dB/cm) × 통과거리(cm) ◎ 1MHz 주파수일 때 1cm당 1dB의 감약 투과심도 원래강도의 50%로 감쇄하는 거리 ◎ 투과심도= 3/감약계수(dB/cm) 연부조직의 투과심도 = 3/주파수(MHz) (주파수가 1MHz일때 투과심도는 3cm)이다.) ◎ 반감두께 (Half value thickness)

11. 매질의 저항 : 음속이 매질을 지나며 갖게되는 저항을 음향저항 (Impedance: Z)이라 함 Z = ρ·C (Z: 임피던스, ρ: 밀도, C: 전파속도) ◎ 단위 : raly (Kg/m2/sec) (공기: 0.0004 × 104, 뇌: 1.54 × 106, 두개골: 7.80 × 106) 반사: 2개 매질의 임피던스 차이가 클수록 반사음이 많다.  2개 매질에 대한 반사계수(R) Z2-Z1 Z1:매질1의 임피던스 R =( ──── )2 Z2+Z1 Z2:매질2의 임피던스 두 매질 사이의 임피던스 차를 줄이기 (전반사현상 방지) 음원과 피부면 사이에 접촉매질 ( 광물성 oil 이나 수성 젤리) 사용 반사율(%) (연부조직-공기:99.9, 연부조직-뼈:43.0, 연부조직-지방:0.69)

12. 굴절 입사한 초음파가 두 물질의 경계면을 통과할 때 투과파의 진행방향이 변화하는 것 ◎ Snell’s law : 두 매질 사이의 음속에 따른 굴절각의 변화 sin2 / sin1 = C2 / C1 (C1 C2 =굴절각입사각, C1 C2 = 굴절각입사각) ① critical angle(임계각) :굴절각이 90⁰일때 각 ② Grazing 현상 : 굴절각이 임계각이면 전반사 됨 ③ edge shadow : 간 내에 낭성 종괴(cyst.mass)가 있으면 굴절각이 커서 종괴 양면에 그늘이 생김

13. 초음파의 발생 ① 압전효과(Piezoelectricity) 어떤 물질에 압력을 가하면 전압을 발생하고 전압을 가하면 변형하여 압력을 발생하는 현상 ② 초전효과(Pyroelectric effect) 압전 결정체를 냉각하거나 가열하면 +전하,- 전하극성(polarization)이 발생하는 현상 ③ 큐리온도(Curie temperature) : 표3-1 압전 결정체의 극성을 잃게 할 수 있는 온도 ④ 압전물질 (piezoelectric material) 수정(Quartz), 지르콘산연(PZT:lead zirconate titanate) 티탄산바륨(BaTiO3), 페라이트(Ferrite), 니켈(Ni) 아철산염(MoFe2O3) 등 - PZT : 유전율과 감도가 높아 저에너지 반사음의 수신율이 크다

14. 공진주파수(Resonant frequency) 압전결정의 전기적 에너지를 음향에너지로 가장 효율적으로 전환 할 때 공진주파수를 갖는다. - 압전결정의 두께에 따라 결정 됨 대역폭과Q-factor 1) 대역폭(Band width) : 압전물질에서 발생되는 주파수 범위 - 3.5MHz 탐촉자 : 2.5 – 4.5 MHz 사이의 초음파 발생 2) Q – factor = 가동주파수(MHz) / 대역폭 :화질인자 ① Q-factor값이 큰 경우 주파수 범위가 좁은 순수음이 발생, 음의 발신효율이 크다. ② Q-factor 값이 작은 경우 주파수 범위가 넓고, 대역폭이 커지며, 수신효율이 양호 Q-factor 값 수정(Quartz) : 2,500 이상, PZT-4 : 500 이상 PZT-5H : 75 이상

15. 탐촉자의 구조 ① 압전물질(piezoelectric material) ② 흡음층(damping layer or backing material) -후방음을 완전 흡수 ③ 결합층(matching layers) - 임피던스는 압전물질과 조직의 중간정도( 7×106 raly) -두께 : 초음파 파장의 1/4 -제1결합층 - 접시형 유리종류, 제2결합층 - epoxy수지 ④ 초음파절연체- 고무나 콜크로 case에 초음파 차단 ⑤고주파어스(Insulating ring) ⑥ 동조코일(tuning coil)

16. 초음파 음속의 집속(focusing) ① 음속직경 파장(주파수), 탐촉자의 직경, 탐촉자로부터의 거리에 좌우 ② 근거리 음장(near field= Fresnel zone) : (d) = 2r2 / λ ( d:근거리음장, r : 탐촉자 직경, λ: 음의 파장) ③ 원거리 음장(far field= Fraunhofer zone) 확산 각 (sinθ) = λ / r ④ ④ 주파수가 증가하면 확산각도가 커지고,직경이 크면 작아짐 ⑤ 음의 집속: 음향렌즈, 집속거울 사용, 압전물질의 모양변화. 분해능(Resolution) : ①거리분해능(Axial resolution) =축방향분해능=심도분해능 거리분해능(mm) = 공간펄스길이/2 연부조직에서 거리분해능= 0.77 펄스중의 사이클 수/주파수

17. <거리분해능 개선 방향> ㄱ) 공간펄스길이를 짧게 함ㄴ) 파장이 짧을수록(주파수가증가ㄷ) 펄스중의cycle 수 감소(탐촉자 내의 댐핑층 증가) - 주파수 증가- 감약증가-투과심도 감도 –분해능 오히려 저하 –초음파진단 시유효주파수 대역 – 1-30MHz사용 ②측방분해능(lateral resolution) = 음속직경 - 초음파 빔의 진행방향에 직각으로 있는 2개 물체 구별 능력 <개선방향> 음속직경을 감소 시킴 ( 전자 집속, 음향렌즈 사용, 주파수 증가) ③방위분해능(azimuthal resolution) 음속두께와 관계 –얇을수록 방위분해능 향상

19. Ch.4. Probe와Scan 방법 1. 압전결정의 배열 형태 1)선상배열 probe(linear array probe) : 2) 위상차배열 probe(phased array probe) : 3) 환상배열 probe(annular array probe) Linear Probe

20. Sector scan probe

21. Convex형 probe

22. Doppler 검사용probe

23. Trapezoid scan probe image

24. 특수 Probe 천자용 프로브(Puncture probe)

25. 수술용 Probe

26. Rectal Probe

27. 내시경 프로브(endoscopic probe)

28. Trans- Vaginal probe

29. 3 Dimensional Probe

31. Scanning 방법

32. Scanning 방법

33. 영상 기록 방법(display Mode) A – Mode(amplitude mode)

34. B – Mode (Brightness mode)

35. M – Mode( motion mode)

36. D – Mode(Doppler mode) 도플러효과를 이용 펄스파와 연속파를 이용, 혈류의 속도,방향을 측정할 수 있다. D-mode는 B-mode와 함께 사용 영상을 동시에 기록 연속파 – 탐촉자의 송, 수신부가 다름 , 위치(깊이)정보 제공 안됨 Pulse파– 탐촉자의 송,수신부가 동일, 혈류속도 측정은 정확, 거리분해능 감소

37. CFM – mode (color flow mapping) 혈관내의 혈류상태를B-mode의 gray scale 영상으로 나타냄.혈류를 칼라로 표시. frame rate를 10 – 20 frame/s 로 낮게 함 혈관의 폐쇄, 협착 유무, 혈류의 방향을 알 수 있고, 파형으로 속도를 정량분석 함 프로브를 향해 흐르는 혈액은 적색,먼쪽은 푸른색으로 표시