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Southern Illinois University(SIU) at Carbondale. 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).
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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. 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
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.
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)
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)
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)
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)
굴절 입사한 초음파가 두 물질의 경계면을 통과할 때 투과파의 진행방향이 변화하는 것 ◎ Snell’s law : 두 매질 사이의 음속에 따른 굴절각의 변화 sin2 / sin1 = C2 / C1 (C1 C2 =굴절각입사각, C1 C2 = 굴절각입사각) 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
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
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
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)
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
<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
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
특수 Probe 천자용 프로브(Puncture probe)
영상 기록 방법(display Mode) A – Mode(amplitude mode)
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
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