초음파 치료

(1)

초음파 치료

Ultrasonic Therapy

임재길

(2)

(3)

초음파 치료기

(4)

초음파 정의

• 가청 주파수

– 사람의 귀로 들을 수 있는 주파수 – 16~20,000Hz

• 초음파(Ultrasound)

– 진동 주파수가 17,000~20,000Hz이상인 불가청 진동 음파(Acoustic Vibration)

– 물체의 진동에 의해 일어나는 탄성파 – 압전 효과(Piezoelectric effect)

• 초음파 치료(Ultrasound Therapy)

– 0.5~5MHz내의 초음파를 사용하여 치료

• 음파 영동 치료

– 초음파 에너지로 피부를 통해 약물을 조직 내로 도입시 키는 치료 방법

(5)

음파의 분류

• 저음파(Infrasound subsonic)

– 최저 가청 주파수보다 낮은 음파

• 초음파(Ultrasound)

– 가청 주파수보다 높은 음파

• 극초음파(Pretersound, Hypersound)

– 수 십 MHz이상으로 매우 높은 주파수의 초음파

(6)

분류 주파수

저음파 (Infraound) 16-20Hz이하

음파 (Sound Wave) 16-20 ~ 17,000-20,000HZ 초음파 (Ultrasound) 17-20KHz이상

극초음파 (Hypersound) 수 10~100MHz 이상

(7)

음파의 종류와 스펙트럼

(8)

의용 초음파 분류

• 치료용 초음파

– 열효과 이용

– 연부 조직 손상의 회복에 이용

• 진단용 초음파

– 초음파 영상 기록 이용

• 조직 파괴용

– 수술 및 종양 조직 파괴용으로 이용

(9)

초음파의 전파

• 종파(Longitudinal Wave)

– 초음파가 매질에 도달해 매질 속에서 분자가 앞뒤로 진 동하여 매질의 분자 운동 방향과 초음파의 진행 방향이 평행한 종파 발생

• 횡파(Transverse Wave)

– 초음파의 진행 방향에 수직으로 매질 분자가 상하 진 동하는 파동

– 고체 매질에서만 발생 – 전단파(Shearing Wave)

• 골막-뼈 경계면에서 특징적으로 횡파가 발생하는 것

• 정상파(Standing Wave, Stationary Wave)

– 초음파가 밀도가 높은 조직에 도달해 반사가 일어날 때 입사파와 반사파가 간섭하여 음파의 진행을 멈추게 되 는 파

(10)

초음파의 진행 방향과 종파 및 횡파

(11)

초음파의 전파 방향과 소밀파의 특성

(12)

I. 초음파치료의 개요

(13)

I. 초음파치료의 개요

1. 초음파치료의 역사

초음파는 Pierre Curie가 압전효과(piezoelectric effect)를 발견함으로써 연구되기 시작함

1917년 Langevin이 석영 결정에 고주파를 흘려주면 초음파가 발생된다는 사실을 확인

치료적 효과를 위한 접근 :

1927년 미국의 물리학자 R.W. Wood와 A.L. Loomis 등에 의하여 그 생물학적 효과가 보고되면서 의료분야에서 응용

(14)

초음파 발생 장치

(15)

초음파 발생 원리

• 압전 효과(Piezoelectric Effect)

– 결정(Crystal)을 특정한 한 방향으로 압축과 팽 창을 반복시켜 주면 한 쪽에는 양전하(+)가 다 른 한 쪽에는 음전하(-)가 생겨 전류를 발생시 키는 효과

• 역압전 효과(Reverse Piezoelectric Effect)

– 결정에 교류 전류를 통전시키면 결정이 압축과

팽창을 반복하여 기계적 진동이 일어나 초음파

를 발생시키는 효과

(16)

압전 효과 및 역압전 효과

(17)

석면에서의 압전 효과

(18)

초음파 치료기의 구성

• 전원 공급 회로(Power Supply Circuit)

– 전파 정류기(Full Wave Rectification) – 여과기(Filter)

– 진동 회로에 안정된 출력 공급

• 진동 회로(Oscillatory Circuit)

– 50~60Hz 교류 전류를 고주파 전류로 바꾸고, 500V 이상의 고전압 전류로 만들어 동축 케이 블을 통해 변환기에 전달

• 변환기(Transducer)

• 압전재(Piezoelectric Substance)

(19)

초음파 치료기의 구성회로

(20)

변환기

• 변환기(Transducer)

– 초음파 발생 부위

– 금속 전극과 금속판 사이에 잘게 쪼갠 압전재 를 두고 금속 덮개로 싸서 만들어졌음

– 변환기 압전재에 고주파 전류가 전달되면 압전 재가 변형되면서 압축과 팽창 일어나 진동 발 생

– 변환기 면적은 방산각과 반비례

• 방산각(Divergence Angle)

– 초음파 빔이 진행하면서 옆으로 퍼지는 각도

(21)

초음파 변환기의 구조

(22)

압전재(Piezoelectric Substance)

• 압전 성질을 가진 물질

• 초음파 변환기에 사용하는 압전재

– 천연 결절

– 합성 세라믹 결정(Synthetic Ceramic Crystal)

(23)

2.의료용 초음파의 발생

1) 발진기

의료에서 열 치료의 목적으로 사용되는 초음파 치료장치는 크게 전기적 신호를 일으키는 발진기와 발진된 신호를 음파의 형태로 바꾸는 변환기로 구성

진공관 발진회로

(24)

2.의료용 초음파의 발생 1) 발진기

전기음향변환소자 : 전기적 진동을 기계적 진동으로 반도체 트렌지스터

발진회로

(25)

2.의료용 초음파의 발생

2) 전기음향변환소자

(1) 자왜진동자(magnetostriction)

 자왜현상 : 철(Fe)이나 니켈(Ni), 코발트(Co) 등과 같은 자성체를 자화시키면, 자성체가 자화의 방향으로

신장되거나 혹은 수축됨

 자왜특성을 가진 자성체를 교류로 자화시키면 자성체는 진동을 일으키며 그 단면으로부터 초음파가 발생

(26)

2.의료용 초음파의 발생 2) 전기음향변환소자

(2) 전왜진동자

 압전효과 : 수정과 같은 결정체에 압축력 혹은 신장력을 가하면 전기분극이 일어나는 현상

표면이 전기적으로

중성인 안정상태의 석영을 압박한 결과

상면에 음전하, 석영을 신장한 결과 상면에 양전하,

(27)

2.의료용 초음파의 발생 2) 전기음향변환소자

(2) 전왜진동자

 역압전효과 : 결정체에 전계를 인가하면 결정체가 압축 또는 신장을 일으키는 현상

 전왜진동자는 인가된 교류전압의 주파수가 결정체의 고유주파수와 일치할 때 가장 강한 초음파 진동을 발생

 수정(crystal), 로셀염(Rochelle salt), 티탄산바륨…

(28)

3. 생체조직에서의 음파 특성

2) 음파의 감쇠 조직

(Tissue)

감쇠(%/cm) (Attenuation)

조직 (Tissue)

감쇠(%/cm) (Attenuation) 혈액(blood) 3 피부(skin) 39

지방(fat) 13 건(tendon) 59 근육(muscle) 24 연골(cartilage) 68

혈관

(blood vessel)

32 뼈(bone) 96

감쇠(attenuation) : 음압과 음파의 세기가 음원으로부터 거리가 멀어질수록 강도와 진폭이 점점 작아지게 되는 현상 흡수감쇠 : 음파의 에너지가 열로 변하면서 감쇠되는 것

조직의 수분함량에 반비례, 단백질의 함량에 비례

(29)

29

3. 생체조직에서의 음파 특성 2) 음파의 감쇠

조 직 흡수계수(dB/cm) 비 고

1MHz 3MHz

혈 액 0.028 0.84

혈 관 0.4 1.2

뼈 조 직 3.22 -

피 부 0.62 1.86

연 골 1.16 3.48

공기(20°C) 2.76 8.28

건 조 직 1.12 3.36

근 조 직 △0.28 → ◎ 0.76 △0.84 → ◎ 2.28

지방조직 0.14 0.42

물(20°C) 0.0006 0.0018

신경조직 0.12 0.8

△

초음파가 근조직에 수직일때

◎

초음파가 근조직에 평행일때

(30)

3. 생체조직에서의 음파 특성 2) 음파의 감쇠

주파수에 따른

초음파의 침투깊이

(31)

5. 맥동비와 활동주기

시간적 평균강도를 0.25W/cm² 으로 일정하게 유지하고자

할 때 필요한 시간적 최고강도 (3가지 서로 다른 맥동비에서) 활동주기=

맥동기간 + 맥동간 간격 맥동기간

X 100

(32)

6. 유효방사면

초음파 방사도자의 유효조사면

(33)

여러 가지 경계면에서 초음파의 반사율

7. 반사와 굴절

경계면 반사율(%)

알루미늄 – 공기 100

알루미늄 – 접촉매질(contact medium) 60

치료용 방사도자 – 접촉매질 매질에 따름

접촉매질 – 피부 0.1

피부 – 지방조직 0.9

물 – 지방조직 0.2

지방조직 – 근조직 0.8

근조직 – 뼈조직 34.5

피부 - 공기 100



방사도자의 금속과 공기경계면(metal-air interface)에서는 99%의 반사가 일어남. 그러므로 결합매질(coupling Medium)을 사용해야 함

(34)

여러 가지 경계면에서 초음파의 반사율 7. 반사와 굴절

알루미늄 – 공기 100

접촉매질 – 피부 0.1

피부 – 지방조직 0.9

물 – 지방조직 0.2

지방조직 – 근조직 0.8

근조직 – 뼈조직 34.5

피부 - 공기 100



입사각이 뼈에 90°일 경우에는 25%정도의 반사가 있지만, 34° 정도의 입사각으로 적용되었다면 25%의 반사와

75%의 굴절이 일어남

(35)

여러 가지 경계면에서 초음파의 반사율

I. 초음파치료의 개요 7. 반사와 굴절

알루미늄 – 공기 100

접촉매질 – 피부 0.1

피부 – 지방조직 0.9

물 – 지방조직 0.2

지방조직 – 근조직 0.8

근조직 – 뼈조직 34.5

피부 - 공기 100



초음파치료기를 작동시킨 상태에서 방사도자를 공기중에 방치 하거나 치료시 방사도자와 치료 조직면 사이가 잘 밀착되지

않아 공기가 차 있으면 반사되어 투과된 초음파가 방사도자로 반사되어 가열되는 현상이 일어남

(36)

각 조직의 반가층과 침투깊이

7. 반사와 굴절

조 직 반가층 침투깊이

1MHz 3MHz 1MHz 3MHz

뼈조직 0.21 0.04 7 -

피 부 4.0 2.5 37 12

연 골 0.6 0.2 20 7

공 기 2.5 0.8 8 3

건조직 0.62 0.2 21 7

근조직 ◎0.9 △24.6 ◎0.3 △8 ◎30 △82 ◎10 △27

지방조직 5 2.64 165 55

물 11,500 3,833.3 38,330 12,770

△

초음파가 근조직에 평행일때

◎

초음파가 근조직에 수직일때

골막과 뼈의 경계면에서는 초음파 에너지의 약 70%는 반사 되고 30%가 뼈에 급속하게 흡수되어 열로 전환

(37)

주파수에 따른 반가층

--- 주파수 (MHz) 반가층 (cm) --- 0.75 10.0

0.85 9.0 1.0 6.5 1.5 5.5 3.0 3.0

---

(38)

주파수에 따른 조직에서의 반가층의 깊이 (cm)

---

주파수 피부 지방 근육 건 연골 뼈

--- 1 MHz 4.0 5 0.9 0.62 0.6 0.21 3 MHz 2.5 2.64 0.3 0.2 0.2 0.04 ---

• 주파수가 낮을 수록 반가층(Half value

thickness:초음파의 강도가 반으로 줄어드 는 깊이)이 길어진다

• 주파수는 흡수계수와 감쇄에 비례

(39)

골막과 뼈, 조직과 공기 경계면에서의

초음파 반사와 열집중

(40)

조직 경계면에서의

초음파 에너지 반사

(41)

8. 방사도자의 크기와 방산각

방산각은 방사도자의 크기와 주파수에 반비례함

초음파 빔의 방산

(42)

초음파의 음장

• 같은 매질이라도 변환기의 반경과 파장에 따라 침 투 깊이와 초음파 빔의 강도가 달라짐

• 근위장(Near Field, Fresnel Region)

– 초음파 변환기의 가까운 부위로 최대 강도와 최소 강도 가 불규칙하게 분포하는 부위

– 파가 변환기에 평행하게 진행하는 부위 – r:초음파 변환기 반경, λ:파장

• 원위장(Far Field, Fraunhofer Region)

– 초음파 변환기로부터 거리가 멀어지면서 근위장의 마 지막 최대 강도가 나타난 이후 강도가 비교적 규칙적으 로 감소하는 진행하는 부위

– 파가 변환기에서 확산되어 진행하는 부위

 r 2

 거리 근위장

(43)

초음파 빔의 진행 특성

(44)

변환기의 크기와 주파수에

따른 조직에서의 근위장 거리

(45)

간섭장(Interference Field)

• 간섭장

– 근위장에서 강도가 균일하지 못하게 하는 원인 – 간섭장에 의해 초음파 강도가 30배 이상 증가

할 수도 있는데 이는 조직의 손상을 유발 시킴 – 빔비균질비(Beam Non-uniformity Ratio,BNR)

• 근위장에서 초음파 빔의 강도가 균일하지 못한 것

• 초음파 안전 문제에서 매우 중요

• 일반적으로 5~6의 값임

(46)

10. 초음파에 의한 열의 발생

초음파(A)와 극초단파(B) 적용 시 고관절

내부에서의 온도변화

(47)

I. 초음파치료의 개요 10. 초음파에 의한 열의 발생

초음파(A)와 단파(B) 적용 시 고관절

내부에서의 온도변화

(48)

II. 초음파의

생물리학적 효과

(49)

1. 마이크로마사지 효과

기계적 적용에 의한 생물학적 효과

1. 미세 세포구조물(microscopic cell structure)들에 대한 소성(loosening)효과

2. 열을 발생시키는 마찰(friction)효과

3. 액체 매질 속에 있는 입자들의 진동(oscillation)효과 4. 세포막을 통과하는 확산(diffusion)의 촉진효과

5. 세포간 마사지(intracellular massage)효과

6. 생화학적으로 활성화된 복합분자에 대한 억제효과 7. 신경이나 근육 또는 교원간질(collagen cement)을

구성하는 단백질에 대한 해축(depolymerisation)효과

(50)

1. 마이크로마사지 효과

기계적 적용에 의한 생물학적 효과

8. 단백질들과 결합하고 있는 칼슘의 흥분성 증대효과 9. 세포내외의 교질성 물질(colloidal substance)에 대한

점성의 가역성 효과

10. 특성 약물의 침투효과(초음파 영동법) 11. 신경이나 순환기전에 대한 효과

12. 공동(cavity)의 생성효과

(51)

2. 신경조직에 미치는 효과

초음파강도와 신경전도 속도의 관계

1. 초음파강도가 0.5W/cm

²

정도일 때는 운동신경의 전도속도가 증가

2. 초음파강도가 1-2 W/cm2 정도일 때는 신경의 전도 전도속도가 감소

3. 초음파강도가 3W/cm2 정도일 때는 신경의 전도 속도가 증가

(52)

2. 신경조직에 미치는 효과

초음파에 의한 신경조직의 변화

1. 신경의 세포체(cell body)는 대뇌피질(cerebral cortex) 보다 초음파에 더 민감

2. 백질(white matter)은 대뇌피질보다 초음파에 더 민감 3. 각종 섬유로(fiber tract)들은 세포핵보다 초음파에

의한 손상에 더 민감

4. 백질에 있는 섬유들은 신경세포와 파괴가 없는 상태 에서도 손상이 일어날 수 있음

5. 모든 신경의 구성성분 파괴되어도 순환계는 파괴되지 않을 수 있음

(53)

3. 화학적 효과

초음파는 당의 전환(inversion of sugar)이나 가수분해 (hydrolysis) 그리고 과포화된 용액(supersaturated solution)의 결정화(crystallisation)를 일으키는 효과를 갖고 있음. 이들 효과들은 초음파의 기계적 혹은 열적 효과들이 직 • 간접적으로 영향을 미쳐 일어남

(54)

4. 전기적 효과

초음파는 전해질용액의 영향을 미치므로 고체분자와 전해질 용액의 경계면에서 이온의 얇은 층(thin layer)에 교란을 일으킴으로써 나타나는 효과

(55)

5. 약물에 대한 효과

초음파 빔은 매질이나 현탁액 속에 녹아 있는 약품을

피부를 통하여 피부 밑에 있는 조직들에 침투시킬 수 있음

 초음파 영동법(phonophoresis)

(56)

III. 초음파의 적용기술

(57)

1. 매질의 선택

기포가 제거된 물의

투과도를100%로 했을 때 각 매질들의 투과도

(58)

1. 매질의 선택

24° 기포가 제거된 물 24° 미네랄 오일

(59)

2. 방사도자의 적용법

1) 고정법(Stationary technique)

고정법은 자주 사용되지 않는 방법 :

국소부위에 아주아주 빠르게 온도가 상승되고 적절한 온도의 조절이 어렵기 때문

(60)

2. 방사도자의 적용법

2) 이동법(Stroking technique)

임상에서 가장 많이 사용 – 온도의 상승은 고정법에 비해

서서히 상승되고 온도조절이 쉬운게 특징, 초당 약 1인치 정도 거리이동

평행이동법 원형이동법

(61)

2. 방사도자의 적용법

3) 수중치료법

직접 접촉이 곤란한 뼈의 돌출부나 오목한 부위의 치료를 위해 쓰여짐

수중치료법을 이용한 손의 치료

끓인물 사용, 글러브 착용, 거리는 10cm이내 1~2cm이 적당

(62)

3. 치료강도와 안전 상한선

 강도(intensity) : 음파가 발휘할 수 있는 힘의 크기 (magnitude of the force)

 임상적으로 치료강도를 결정할 때는 물리적 계산법을 이용하는 것은 별 의미가 없으며, 일반적으로 경찰법을 이용할 때는 3.0W/cm

²

전후 그리고 고정법을 사용할 때는 1.0W/cm

²

이하의 강도가 추천

(63)

4. 치료시간 및 치료빈도

 전기물리학적 • 생물리학적 요인들과 질환의 특성, 치료부위 등에 따라 달라짐

(64)

IV. 초음파의 임상적 치료

(65)

1. 초음파 영동법을 이용한 치료

(1) 초음파 영동법의 개요

 초음파 적용으로 인한 세포의 투과성 변화를 이용하여 약물을 조직에 침투시키는 방법

 약물의 침투를 표면조직인 상피나 진피에 국한하는 경우 에는 1.5 – 3 MHz의 고주파를 사용하고, 약물의 침투

깊이를 깊게 해야 할 경우에는 이보다 낮은 주파수를 선택

 이온도입법에서와는 달리 약 10%정도의 농도가 많이 이용

(66)

1. 초음파 영동법을 이용한 치료

이온도입법 VS 초음파 영동법

침투깊이

표재성 5cm이상

침투시킬수 있음

(67)

이온도입법 VS 초음파 영동법

약물의 극성 전기적으로

양성이거나 음성

전기적 극성에

관계없음

(68)

이온도입법 VS 초음파 영동법

약물의 도입

전기적 반발력 방법 세포막의 투과성

증가

(69)

(2) 염증의 완화를 위한 초음파 영동법 (3) 바이러스에 대한 초음파 영동법 (4) 국소마취제의 초음파 영동법

(70)

2. 유착(Adhesion)의 치료

유착 조직에 초음파를 적용하면 점성다당류(mucopoly- Saccharides), 점성단백질(mucoproteins) 혹은 당단백질 (glycoproteins)의 해중합(depolymerization)을 일으켜 유착을 예방하고 관절에서 히알우론산(hyaluronic acid)의 점성을 떨어뜨려 유착의 재흡수가 일어나도록 함

(71)

3. 근경련(Muscle Spasm)의 치료

근경련이 있는 근육에 초음파를 적용하면 온도가 상승함에 따라 약 42°를 전후하여 골지건 기관(GTO)으로부터의 흥분 발사가 증가하고 II군 섬유로부터의 흥분발사가 감소.

이와 함께 초음파 적용부의 피부온도가 상승하여 근방추에 대한 γ운동신경섬유의 활동이 감소됨으로써 α운동신경의 흥분이 억제되어 근경련의 완화가 일어남

(72)

4. 신경종(Neuroma)의 치료

정형외과적으로 사지를 절단한 환자의 절단단(stumps)이나 신경손상이 있었던 부위에서 가끔 발견되는 작은 신경종은 낮은 용량의 펄스형 초음파를 적용하면 치료됨

(73)

5. 석회화 건염(Cacified Tendinitis)의 치료

초음파는 단백질과 결합된 칼슘의 흥분(excitation)을 일으 키기 때문에 석회화 건염의 완화를 가져올 수 있으며 특히 극상근 부위의 건염에 효과적임

(74)

6. 혈종(Hematoma)의 치료

혈종이 생성되기 시작하는 초기, 즉 48시간 이내에

약 3MHz의 초음파를 낮은 강도로 혈종부위 주위에 적용하면 삼출물의 기질화(organization)를 예방하는데 도움이 됨

근육간 혈종 근육내 혈종

(75)

7. 종창(Swelling)의 치료

종창에 대한 초음파의 적용은 세포막의 투과성 증가와

모세 혈관의 확장으로 인하여 불필요한 대사물을 제거 하는데 도움을 줄 수 있음

(76)

8. 만성 활막역(Chronic Sunovitis)의 치료

침투깊이를 생각하여 주파수를 선택하고 만성의 경우는 적용량을 비교적 높게 함

(77)

9. 골절의 치료

골절에 대한 초음파의 치료는 아직 많은 연구를 필요로 하고 있으므로 적용 시 신중을 기하여야 하며, 너무 높은 강도를 사용해서는 절대로 안됨

(78)

10. 오십견(Frozen Shoulder)의 치료

외상성 오십견이거나 원인불명으로 인한 오십견일 경우, 병변이 시작된 초기에는 가벼운 운동과 함께 얼음찜질을 하면서 초음파치료를 병행하고, 중간단계에 이르러서는 적외선이나 극초단파와 함께 초음파를 적용하는 것도 효과적일 수 있음

(79)

11. 적응증과 금기증

1) 적응증

 유착(adhesions)

 통증과 근경축(pain and muscle spasm)

 포진 후 신경통(post – herpetic neuralgia)

 신경종(neuroma)

 외상성 전슬개골 신경통(traumatic prepatellar neuralgia)

 석회성 건염(calcified tendinitis)

 혈종(hematoma)

 종창(swelling)

 활막염(synovitis)

 족저사마귀(planter warts)

(80)

11. 적응증과 금기증

2) 금기증

 뇌 및 척수(brain and spinal cord)

 눈(eye)

 생식기관 및 복부기관(reproductive organ and abdominal organ)

 임신된 자궁(pregnant uterus)

 급성 감염 혹은 패혈증(acute infections or septicemia)

 종양(tumor)

 심부 방사선 조사환자(deep x-ray or radium isotopes)

 심부 정맥혈전증 혹은 동맥질환(deep vein thrombosis or arterial disease)

 혈우병(hemophilia)

 폐결핵 혹은 골결핵(tuberculosis of lungs or bone)

 감각마비부위(anesthetic area)

(81)