현대에 와서 초음파 기기는 사람뿐만 아니라 동물의 질병을 진단하는 데 있어서 기본적이고 필수적인 장비가 됐다. 그러나 동물병원에서 가장 가성비가 높아야 할 장비가 실제로는 그렇지 않은 것 같다. 본 저자는 이런 상황을 개선하고자 초음파의 역사와 발전, 복강 및 심장에서 초음파 활용에 관한 연재를 준비했다. 연재를 통해 초음파 기기의 가성비가 높아지고 진단과 건강검진 등에서 많이 활용되는 효자 장비가 되길 바란다.
초음파의 역사와 발전①
1895년 뢴트겐 교수가 X-ray를 발견하고 난 뒤, 이에 대한 장비와 기술은 발견된 초기 몇 년간 급속하게 발전했다. 그러나 초음파의 의학적인 적용은 상당히 늦게 발전하였다. 처음으로 초음파가 중요하게 실제적으로 적용된 것은 1912년 북대서양에 가라앉은 Titanic 호를 찾기 위한 시도였으나, 성공적이지는 못하였다. 그 뒤 이 기술은 영상학적 면에서는 크게 진전이 없었으나, 2차 세계대전에서 군사학 분야에서 많은 진전이 있었다. 쏘나(Sonar; SOund Navigation And Ranging)가 개발되면서 바닷속 독일의 잠수함(U-보트)을 알아내고자 시도한 것이 중요한 성공적 적용이었다(1). 의학적 측면에서의 적용은 1940년대 후반과 1950년대 초반이었고, 그 뒤로 빠르게 발전하였다(2).
오늘날에 사용하는 초음파 기기에 대한 발전사와 역사를 통해 임상수의사들이 좀 더 폭넓은 이해와 관심을 갖길 바란다. 아울러 이를 통해 동물의 진단과 복지 향상에 초음파를 잘 활용하는 수의사가 되기를 기대한다.
1) 박쥐가 가르쳐 준 놀라운 비밀(?)
만물의 영장인 인간의 청력은 20~20,000Hz의 주파수의 영역을 들을 수 있다고 한다. 이 영역을 뛰어넘는 소리를 초음파(ultrasound; 초음파(超音波))라 부른다(2). 초음파도 음파의 한 영역이므로, 음파의 성질인 굴절, 반사, 흡수, 산란 등의 특성을 가지고 있다.
박쥐는 어두운 동굴에서도 잘 비행한다. 이 비밀에 흥미를 느낀 이탈리아 생리학자 스팔란차니(Lazzaro Spallanzani; 그림1)는 1794년 박쥐에 두건을 씌우고, 귀, 코를 막고, 날개에 왁스와 풀칠을 해보았다. 그럼에도 박쥐의 야간 비행에는 문제가 없었다. 나중에 박쥐의 혀를 자르고 눈알을 파내는 잔인한 실험도 하였으나, 완전한 비밀을 밝히지는 못하였다. 다만 박쥐의 청각에 비밀이 있다고 추측하였을 뿐이다(3,4). 그 뒤 어둠 속을 날 수 있는 박쥐의 비밀이 ‘echolocation(초음파의 반향정위(초음파를 이용하여 위치를 찾으면서 날아다니거나 물체의 형태 등을 구별하는 것))’이라는 사실이 150년이 지나서야 밝혀졌다(4).
박쥐 외에도 돌고래 등 몇몇 고래 종류도 초음파를 이용해 대화로 소통하고 바닷속을 움직이며 다닌다(5).
문헌
1. 윤선일: 어두운 물속을 밝히는 빛, 수중음향 탐지기(Sonar). 더 쎈 LIG. 2017; vol.88
2. Curry TS,III, Dowdey JE, Murry RC, JR, 1990.: Christensen’s Physics of Diagnostic Radiology, 4th ed., Williams & Wilkins, Baltimore, 323-371. Ultrasound,
3. 박지욱의 medical trivia:초음파 역사, 메디포뉴스. 2015-03-26. 디아트리트 Vol.15, No.1.
4. Kaproth-Joslin KA, Nicola R, Dogra VS: The history of US: from bats and boats to the bedside and beyond. RadioGraphics 2015;35(3):960-970.
5. 위키백과: 초음파(https://ko.wikipedia.org/wiki/초음파)
2) 소걸음같이 천천히, 꾸준히 발전해 오는 초음파기기(6)
음향연구에 있어서 일찍이(15세기) 레오나르도 다빈치(Leonardo da Vinci)는 바닷속에 긴 튜브를 놓고 반대쪽 튜브에 귀를 대어 소리가 전달되는 것을 알아내었고, 이어 1826년 스위스의 콜라동(Jean Daniel Colladon)은 호수에서 한 실험을 통해 음파의 속도가 공기보다 물속에서 더 빠르다는 것을 알아내었다.
또한, 마리 퀴리의 남편 피에르 퀴리(Pierre Curie)와 형제인 자크 퀴리(Jacques Curie)는 수정의 재질에 압축 또는 인장 같은 기계적 변화를 주면 전기적 신호가 발생하는 것을 알아내었으며, 이때 나타나는 것이 초음파임을 발견하였다(압전효과;piezoelectric effect). 그러나 이러한 현상에서 발견된 초음파가 의학적으로 활용되기까지는 좀 더 많은 시간이 걸렸다(6).
초음파가 진단장치에 사용되기 시작한 것은 2차 세계대전 기간이었다. 레이더에서 사용되는 펄스-에코의 원리가 초음파에도 적용되었고(7), 이것을 의료분야에 적용한 사람이 영국인 와일드(J.J.Wild)였다. 와일드는 이 원칙을 이용하여 초음파로 여성의 악성 종양을 찾아내었고, 후에 이 방법이 2차원적인 초음파 기기로 발전하게 되었다. 1948년 Howry와 그를 이은 Donald가 초음파 트랜스듀서를 개량하여 2차원 스캔을 통해서 체내에서 특수하게 반사하는 계면의 위치를 기록하는 것에 성공하였다. Donald, McVicar와 Brown(1958)은 이 기술과 비슷한 방법을 적용하여 임신한 여성의 배에 적용할 수 있는 상용화된 초음파 스캐너의 초기 형태를 처음으로 만들게 되었다.
또한, 초음파기기는 움직이는 심장을 기록하는 방법(M-mode)으로 발전되었으며, 이후 Satomura가 나가는 연속파와 움직이는 목표에서 나오는 에코와의 차이로 나타난 주파수의 Doppler shift를 성공적으로 시행하게 되었다(1957년).
문헌
6. Woo J: A short history of the development of ultrasound in obstetrics and gynecology.2003. Available from:<https://www.ob-ultrasound.net>:
7. Hill CR: Medical ultrasonics: an historical review. British Journal of Radilogy, 1973;46:899-905.
3) 동물 및 수의축산학 분야에서의 빛을 발한 초음파
동물은 말을 못하기 때문에 진단하는 데 어려움이 많다. 그래서 X-ray나 초음파를 이용한 정확한 영상진단이 필수적이다.
동물에서 초음파의 적용과 관련하여, 미국에서 1956년 처음으로 동물에서 이용되었다는 기록이 있다. 콜로라도주립대의 전신인 Colorado A & M College에서 Douglass Howry 연구팀이, 고기소에서 마지막 늑골 뒤쪽과 허리뼈 부분 사이에 초음파 프로브(트랜스듀서)를 대고 등지방을 측정하였다(8). 같은 시기 유럽에서는 금속결함을 탐지하는 A-mode의 산업용 초음파가 돼지의 등지방 측정에 사용되었고, 이후에는 기계적 B-mode scan 방법이 더 우수한 측정임을 알고 이를 이용하게 되었다(8).
1960년 국제가축박람회에서는 Stouffer가 초음파를 이용한 육질검사로 Branson model 6의 전신인 기계적 B 스캔 기기를 사용하였다(그림 2).
우리나라에서는 90년대 초부터 한우의 경쟁력을 높이기 위해, 육질 향상에 중점을 두고 종모우의 조기 선발과 출하 시기를 판정하는 데에 초음파를 이용하게 되었다(9).
수의학 분야에서 이용: 수의학 분야에서 초음파의 첫 사용은 1966년 양의 임신 진단이었다(그림 3)(10). 그 뒤 초음파 사용에 대한 기록은 1986년까지 492건으로, 활용이 크게 늘었다(11). 이 중 50% 정도는 대동물에 관한 것이었으며, 특히 임신 진단이 25% 정도를 차지할 정도였다. 그리고, 소동물에서 심장과 복부검사에 관한 논문이 169건(34%)으로 절반 정도 수준이었다.
현재 초음파검사는 소동물뿐만 아니라 대동물과 말의 진단분야에서 심장, 흉부, 복부, 산과, 안과와 근골격계에 적용되고 있다(12,13,14).
문헌
8. Stouffer JR: History of ultrasound in animal science. J Ultrasound Med 2004;23:577-584.
9. 김형철: 외국의 초음파 이용과 국내현황, 월간 한우개량, 2000; 6월:10-15.
10. Lindahl, I.L., Detection of pregnancy in sheep by means of ultrasound. Nature. 1966;212:642–643.
11. Lamb, C.R., Stowater, J.L., Pipers, F.S., The first twenty-one years of veterinary diagnostic ultrasound: a bibliography. Veterinary Radiology and Ultrasound.1988;29:37–45.
12. Green, R.W., 1996. In: Green, R.W. (Ed.), Small Animal Ultrasound, first ed. Lippincott/Raven Press, Philadelphia, PA/New York.
13. Reef, V.B., 1998. In: Reef, V.B. (Ed.), Equine Diagnostic Ultrasound, first ed. W.B. Saunders, Philadelphia, PA.
14. Nyland, T.G., Mattoon, J.S. (Eds.), 2002. Small Animal Diagnostic Ultrasound, second ed. W.B. Saunders, Philadelphia, PA.
4) 진단기기로써의 초음파의 발전(15)
장기 내에서 발생하는 작은 에코를 분석하여 실제 영상으로 나타낼 수 있다고 제안한 사람이 와일드(Wild; 1950년)(16) 였다. 그리고 이것이 가능해진 것은 1970년대 기기에 컴퓨터 시스템을 도입한 후였다(17,18). 이로써 많은 양의 data 저장과 처리가 가능해졌고, 2차원적 grey scale의 정지영상으로 나타낼 수 있게 되었으며, 1973년부터는 실시간 영상이 가능해졌다(19). 이 실시간 영상이 오늘날 사용되는 B-mode다.
반면 A-mode는 돼지에서 임신을 확인하는 검출장비로 국한되어 사용되고 있다(20). 그리고 심장과 같은 움직임을 표현하는 M-mode(time-motion)는 심장의 판막과 벽의 움직임을 평가하는 데 사용되었다(21,22). 그러나 B-mode나 M-mode는 혈류를 평가하지 못하였다.
도플러 초음파의 등장
도플러 원리는 오스트리아 물리학자인 요한 크리스찬 도플러(Johann Christian Doppler)에 의해 1842년 가설로 제안되었으며, 1845년 과학적으로 입증되었다. 그가 발견한 도플러 법칙이 초음파 기기 발전의 근간을 만드는 계기가 되었다.
초음파 빔이 혈관 내에 흐르는 움직이는 적혈구를 만나 돌아오면 에코의 주파수가 변하게 된다. 움직이는 물체가 탐촉자(transducer) 쪽으로 오면 주파수가 증가하게 되며, 이는 양성 도플러 시프트(shift)에 보인다. 반면 멀리 가는 물체에서는 주파수의 감소로 음성 도플러 시프트에 나타나게 된다. 이런 변화를 측정하면 움직이는 물체의 방향과 속도를 알 수 있다. 처음으로 의학적 도플러가 장착된 것은 1955년 일본이었고(23), 그 뒤 수십 년에 걸쳐 기계들이 혈류 속도를 측정하도록 만들어졌다(24,25). 이후 펄스파인 PW(pulse wave)와 연속파인 CW(continuous wave)로 발전되었다(26).
문헌
15. King AM:Review-Development, advances and applications of diagnostic ultrasound in animals. The Veterinary Journal. 2006; 171:408-420.
16. Wild, J.J.: The use of ultrasonic pulses for the measurement of biological tissues and the detection of density changes. Surgery 1950;27:183–188.
17. Kossof, G., Fry, F.J., Eggleton, R.C.:Application of digital computer to control ultrasonic visualization equipment. Ultrasonographic a Medica. 1971;1:33–40
18. Milan, J.:Digital storage display of two-dimensional ultrasonic scans. Journal of Physics and Medical Biology. 1972;17:440.
19. Griffth, J.M., Henry, W.L.: A real-time system for two-dimensional echocardiography. In: Proceedings of the 26th Annual Conference of Engineering in Medicine and Biology. 1973;15:422.
20. Holtz, W.: Pregnancy detection in swine by pulse mode ultrasound. Animal Reproduction Science. 1982;4:219–226.
21. Edler, I., Hertz, C.H., 1954a. The use of ultrasonic reflectoscope for the continuous recording of movements of heart walls. Kurgyl Fysiogr, Sallsk (Lund) Fordhandl 25, 5–40.
22. Edler, I., Hertz, C.H., 1954b. The use of ultrasonic reflectoscope for the continuous recording of movements of the heart valves. Kurgyl Fysiogr, Sallsk (Lund) Fordhandl 24, 1.
23. Nimura, Y., 1983. History of pulse and echo Doppler ultrasound in Japan. In: Spencer, M.P. (Ed.), Cardiac Doppler Diagnosis. Martimus Nijoff Publishers, Boston.
24. Franklin, D.L., Schegel, W.R.R.F.: Blood flow measured by Doppler frequency shift of back scattered ultrasound. Science. 1961;134:564–565.
25. Stegall, H.F., Rushmer, R.F., Baker, D.W.: A transcutaneous ultrasonic blood velocity meter. Journal of Applied Physiology.1966; 21:707–711.
26. Curry, T.S., Dowdey, J.E., Murry, R.C., 1990. Ultrasound. In: Curry, T.S., Dowdey, J.E., Murray, R.C. (Eds.), Christensen‘s Physics of Diagnostic Radiology, fourth ed. Williams & Wilkins, Philadelphia, PA, pp. 323–371.
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