2. 초음파 진단 장비의 구성과 역할

초음파 진단 장비

초음파 장비에는 기능에 따라 흑백 영상만 볼 수 있는 것, 흑백 영상과 함께 도플러 검사를 할 수 있는 이중 도플러 초음파 검사기, 그리고 색도플러 영상까지 나타낼 수 있는 장비가 있으며, 기본 장비에 기능이 추가될수록 장비 가격이 높아진다.

장비는 저가일수록 기능이 단순하고 제약이 많으며, 고가일수록 기능이 다양해 복잡하고 미세한 검사까지 가능하다.

고가의 장비일수록 영상의 질도 좋아지고 여러 조절 장치 및 기능이 많아지는데, 이 점은 장점도 되지만 초음파 전문의가 아닌 사람에게는 부담이 될 수도 있다. 장비의 성능을 충분히 활용하기 위해서는 기계의 여러 특성과 조절 장치 등을 제대로 사용할 줄 알아야 하는데 이를 위해서는 큰 노력과 경험이 필요하기 때문이다.

초음파 장비를 선택할 때는 카메라와 비교해보면 도움이 된다. 카메라도 몇천 원 하는 일회용부터 몇천만원을 호가하는 고급 카메라까지 가격과 사양이 다양하다. 일회용 카메라는 아주 조작이 간단하고 쉬우며, 물론 사진의 질은 고급 카메라보다 떨어지지만, 일상적인 기념사진을 찍는 데는 크게 문제가 되지 않는다. 고급 카메라는 근접촬영, 확대 촬영 같은 여러 기능이 있어서 좀 더 복잡하고 미세한 작업을 할 수가 있지만, 일상생활에서 흔히 사용되지 않으며 많은 경험과 지식이 필요하다. 이는 초음파 장비도 마찬가지다. 그렇다면 초음파 장비를 쉽게 이해하기 위해 초음파를 커다란 컴퓨터로 생각해 보자, 여기서는 흔히 사용하는 복부초음파 장비 중 흑백 영상만 나오는 것을 기준으로 하겠다.

현재 가장 널리 쓰이고 있는 실시간 초음파 영상장치는 기본적으로 본채와 이것에 연결된 탐촉자, 영상표시장치, 기록장치, 키보드로 구성되어 있다. 본체를 열어보면, 내부에 여러 개의 디지털 회로판이 있는데 복잡한 장비일수록 회로판이 많고 간단한 장비는 몇 개 되지 않는 컴퓨터의 몸체 내부와 크게 다를 게 없다.

컴퓨터에 모니터와 키보드가 있듯이 초음파 장비에도 모니터와 키보드가 있고, 또 컴퓨터에 출력장치로 레이저 프린터가 있듯이 초음파 장비에는 다중형식의 카메라 또는 열 프린터가 연결되어 있다.

컴퓨터와 초음파 장비의 가장 큰 차이점은 탐촉자이다. 탐촉자가 초음파를 생성해 인체 내부로 보낸 다음 되돌아오는 초음파가 다시 탐촉자를 때리게 되면, 이 초음파 에너지는 전기에너지로 바뀌고 이 전기에너지가 영상화된다. 탐촉자에서 초음파를 형성하는 과정은 매우 복잡하여, 초음파 음속 형성에 초음파 장비 안에 있는 본체 기능의 반 이상이 사용된다. 또한 되돌아오는 복잡한 초음파 신호를 처리하는 부분도 초음파 장비의 본체가 담당하고 있다.

송신기와 수신기

본체는 여러 개의 작은 소 블록 또는 회로로 구성되어 있으며, 송신기와 수신기의 역할을 수행한다. 탐촉자는 정확히 조절된 고압의 전기에너지가 가해지면 인체로 음파 에너지, 즉 초음파를 내보내게 된다. 송신기는 적절한 초음파를 내보낼 수 있도록 감쇠기를 통해 탐촉자에 가해지는 전기에너지의 최대 출력을 조절함으로써 탐촉자가 인체로 내보내는 음파 에너지를 허용된 기준치 이하로 낮추며, 전자식 배열 탐촉자에 가해지는 전기에너지에 다양한 형태의 시간 조절, 즉 지연함으로써 음속의 방향을 조절하고 집 속하는 역할을 한다. 또한 탐촉자로부터 나오는 초음파 펄스 간의 시간 간격을 조절함으로써, 펄스 반복 주파수를 조절해 초음파 검사를 할 수 있는 깊이를 결정한다. 수신기는 인체로부터 돌아온 에코가 탐촉자의 압전결정을 때림으로써 발생한 미세한 전압에 의한 약한 신호를 감지하고 증폭시킨다. 고 진폭의 신호를 적절히 제한해 조절하고, 저 진폭 에코와 고 진폭 에코가 비교적 작은 차이로 같은 영상에 보일 수 있게 한다. 

탐촉자

컴퓨터와 초음파 장비의 가장 큰 차이점은 탐촉자이다. 이는 주변 기기 중 가장 중요한 부분으로, 초음파를 만들어서 인체 내부로 보내고, 다시 돌아오는 초음파를 받아서 이를 전기에너지로 바꾸는 기능을 가지고 있다. 

탐촉자의 구성체 중 가장 중요한 것은 압전결정이다. 압전결정은 탐촉자의 표면 부근에 위치한 얇은 판으로 그 전 후면에는 금 또는 은으로 된 전극이 위치한다. 전면 전극은 전기 충격으로부터 환자를 보호하기 위한 접지전극이며, 후면 전극은 압전결정으로부터 발생한 초음파가 뒤로 전달되는 것을 방지하는 후면흡음 층과 접해 있다. 이들 모두를 고무 또는 코르크 등으로 된 방음 체로 싸서 용기 밖으로 전파되는 소리를 막아주고, 이것을 다시 강한 플라스틱으로 싸서 기계적 충격으로부터 보호한다. 어떤 물질에 전기를 가하면 그 물질의 모양과 크기가 변하고, 반대로 그 물질의 모양과 크기가 변하면 전기가 발생하는데 이를 압전효과라 하며, 이러한 성질을 가지고 있는 물질을 압전물질이라 한다. 압전물질은 기하학적 형태로 배열된 수많은 쌍극자로 형성되어 있는데, 여기에 갑작스러운 전기부하가 가해지면, 쌍극자들이 재정렬되면서 압전결정의 두께가 변하고, 진동하면서 초음파를 발생하게 된다. 탐촉자 내부에는 이러한 압전물질이 내장되어 있다. 초음파 진단기를 전원에 연결하면 탐촉자는 송신기로부터 탐촉자로 전달된 전기에너지를 초음파로 바꾸어 인체로 보내고, 인체로부터 돌아온 초음파가 탐촉자의 압전결정을 압축시키면 전압이 발생하게 된다. 이 전기신호를 영상으로 만드는 것이 초음파 영상이다. 탐촉자는 초음파를 발생시키는 사이사이에 되돌아오는 초음파를 수신한다. 의학용 초음파에 가장 많이 쓰이는 압전물질은 인공세라믹 결정체(PZT)이다.