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Copyright ⓒ 2014 by The Korean Surgical Ultrasound Society
ISSN 2288-9140
의료 초음파의 역사와 미래
가톨릭대학교 부천성모병원 외과
박일영
History and Future of Medical Ultrasound
Il Young Park
Department of Surgery, Bucheon St. Mary’s Hospital, The Catholic University of Korea, Bucheon, Korea
Received January 23, 2014 Revised February 10, 2014 Accepted February 14, 2014
Ultrasound is a frequency of sound which is not audible to human ear. It has been used for medical purpose since the mid-20th century. Ultrasound can be used as therapeutic tools such as high intensity focused therapy, target therapy and surgical instruments. As surgeons posess the anatomical knowledge and surgical skill, they can easily perform ultrasound examinations. Especially ultrasound examinations by surgeon could be an aid for better sur- gical results. As the utilization of ultrasound is being expanded, surgeons should study and try to develop ultrasound technology for the benefits of patients.
Keywords: Ultrasound, Surgeon, Therapy Correspondence to:
Il Young Park
Division of Hepatobiliary Surgery, Department of Surgery, Bucheon St. Mary’s Hospital, The Catholic University of Korea, Sosa-dong, Wonmi-gu, Bucheon 420-717, Korea
Tel: ＋82-32-340-7021 Fax: ＋82-32-340-7021 E-mail: [email protected]
서 론
사람이 들을 수 없는 소리가 있다는 것이 알려지면서 초음파는 여러 분야에서 연구되기 시작하였고 20세기 중 반부터는 의료 분야에서도 이용하게 되었다. 의료 분야 에서 초음파는 초기에 질병을 진단하는데 사용되었으나 최근에는 수술용 기구 및 질환의 치료 기구로도 개발되 고 있다. 의사들은 진단과 치료에서 사용되는 초음파에 대해서 잘 알아야 유용하게 사용할 수 있다. 이 글은 초음 파의 역사를 알고 현재 개발되는 분야를 찾아서 향후 초 음파를 어떻게 활용하고 발전시킬 수 있는가를 알아보고 자 하였다.
본 론
초음파의 역사는 거슬러 올라가면 레오나르도 다빈치 가 1490년 바다 속에 긴 튜브를 넣어 물을 통해 전달되는 소리로 멀리 있는 배를 감지 할 수 있다는 것을 발견한 때 부터 시작된다. 1794년 이탈리아의 생리학자 Lazzaro Spallanzani가 박쥐에서 눈과 입을 가리는 실험을 통해 우리가 들을 수 없는 소리가 있다는 것을 알아내었고(1) 1826년 Jean Daniel Colladon이 물속에서 종소리가 대기 중의 종소리보다 더 빨리 전달된다는 것을 제네바 호수에 서 증명하였다.(2) 1877년 큐리 형제가 수정이나 티탄산 바륨을 가진 재질에 전기 신호를 가하면 기계적 변화가 발 생하고 기계적 변화를 가하면 전기 신호가 발생하는 압전 효과를 발견하였고 이 발견으로 ultrasound transducer
REVIEW ARTICLE
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(초음파변환기)를 개발할 수 있게 되었다.(3) 1912년 대서 양을 운항하다 빙산에 부딪혀 침몰하여 1,513명이 희생된 대형 여객선 타이타닉호 사건 후 빙산의 위치를 감지할 수 있는 음파탐지장비 개발이 추진되어 1915년 프랑스 물리 학자 Paul Langevin이 수중청음기라는 고주파 초음파 장 비를 발명하였으며(1) 이를 개량한 초음파 장비가 1,2차 세계대전 때에 바다 밑에 있는 잠수함을 찾아내어 파괴하 는데 사용되었다. 공학적으로는 1928년 소련의 과학자 Sergei Sokolov는 초음파를 투과하여 고체의 결함을 탐지 하는 것을 제안하였고 1941년 Floyd Firestone이 음파를 이용해 금속의 내부 결함을 조사하는 초음파 반사경을 특 허 냈는데 이것이 최초의 초음파 탐지기이다.(2)
의료용 초음파는 1942년 오스트리아의 신경과의사인 Karl Dussik이 뇌종양 환자에서 뇌실의 위치를 알기 위해 금속 결함 감지에 사용되던 초음파를 환자에게 사용하였 고(2) 1948년 내과의사인 George Ludwig가 처음으로 담 석증 환자에서 초음파를 사용하였다.(4) 1957년 John Wild는 장 조직의 두께를 알기 위해 초음파를 사용하였 다.(5) 그 해 콜로라도 대학의 Douglas Howry와 Joseph Holmes 가 현재 쓰는 초음파 장비의 기본인 B형 모드의 초음파 영상 장치를 만들어 사용했다.(6) 1955년 영국 글 래스고 대학 산부인과 의사인 Ian Dornald는 태아에서 초 음파로 성장을 측정하여 산부인과 영역에서 초음파를 연구 하였고(7) 스웨덴의 Inge Edler는 처음으로 심장 질환 환 자에서 초음파를 시행하였다.(8) 1966년 도플러(doppler) 초음파가 발명되고 컬러 도플러 등이 개발되면서 많은 초 음파 장비가 만들어져 1980년대 초음파 기기는 놀라운 성 장을 하였다. 우리나라에는 1980년 초부터 초음파 장비가 도입되어 의료분야에서 사용되기 시작하였다.
초음파의 물리학적 특성을 살펴보면 다음과 같다. 음파 는 소리의 파동으로 이는 물체의 진동에 의해 발생되고 공 기, 물 등의 매질을 통해 전파하게 된다. 이러한 음파 중에 서 초음파는 인간이 들을 수 있는 20-20,000 Hz 보다 높 은 주파수의 소리이다. 초음파는 인간은 들을 수 없지만 박쥐나 고래들은 초음파를 사용하여 주위 사물들을 인식 한다. 초음파는 압전 결정에 전류를 걸어주면 음파를 만들 어내고 음파가 압전 결정에 닿으면 전기적 신호를 만들어 초음파 영상이 보이게 된다. 이 초음파는 반사, 굴절, 저 항, 흡수 및 산란 등의 현상으로 전달되게 된다. 생체 내에 서는 1,500 m/sec로 물속에서의 속도와 거의 같고 공기
중의 속도의 약 5배의 속도이다. 초음파의 비 파괴적이고 비 침습적인 점을 이용하여 의료 분야에서 환자에게 고통 이 없이 진단할 수 있는 기구로 사용하고 있다. 초음파는 연부 조직 질환의 진단이 어렵지 않고 움직이는 장기에서 도 실시간 시행할 수 있으며 장비를 이동하기에 용이 하 다. 그러나 단점으로는 허상이 있어 가스나 뼈 등은 그림 자로 잘 안보이며 초음파를 시행하는 사람의 능력에 따라 판독하는 데 차이가 있을 수 있다. 수신된 초음파는 증폭되 어 모니터에 나타나는데 이 방법들에는 진폭(amplitude) 의 A 모드, 밝기(brightness)의 B mode, 운동 (Motion)의 M 모드로 나뉘게 된다. 우리가 흔히 사용하는 영상은 B mode이고 M mode는 심장, 혈관 질환 진단에 이용하고 있 으며 A mode는 거의 사용하지 않는다. 도플러 방법은 운 동하는 물체에 반사되는 초음파가 운동 속도에 비례하여 주파수가 변화하는 이치를 이용하여 혈류의 속도를 알 수 있어 혈관 초음파에서 사용된다.
의료 초음파는 크게 진단적 초음파와 치료적 초음파로 나뉘게 된다. 진단적 초음파는 Douglas Howry가 B 모드 초음파를 개발한 한 이래 많은 발전을 해 왔다. 초음파 검 사는 2-18 MHz 사이의 주파수를 선택하여 사용한다. 갑 상선, 유방 등 깊지 않은 부위는 7-18 MHz의 높은 주파수 를 사용하여 해상도를 높이고 간, 신장 등 깊은 부위는 1-6 MHz의 낮은 주파수를 사용하여 깊은 부위의 영상도 얻어내는 것이다. 초음파 진단 검사의 분야는 다양해서 복 부에서는 간, 담낭 췌장 비장 신장 및 혈관 등의 장기를 찾 아 해부학적, 병리학적 소견을 찾아내고 산과에서는 태아 질환 판별 과 부인과 영역에서 자궁과 난소 등의 질환을 진단한다. 그 외에도 외과 영역에서는 유방 및 갑상선 질 환의 진단 및 직장, 항문 초음파와 혈관 초음파도 활성화 되고 있다. 안과에서는 안구에 대한 구조도 초음파 검사로 시행하고 있다. 손상 시에는 환자의 장기 손상 여부를 실 시간으로 진단 및 처치를 할 수 있어 큰 도움이 되고 있다.
외과 외에도 정형외과에서는 진단과 치료에 근골격계 초 음파 검사를 많이 사용하고 있고 산부인과 초음파, 심장초 음파 검사 등이 괄목할 만 하게 발전하고 있다. 폐 질환에 서도 초음파가 시행되어 기흉, 흉막액, 폐 기질 질환들을 찾아내고 치료에 도움을 주고 있다.(9)
최근에는 수술중 초음파, 복강경 초음파, 내시경 초음 파 및 직장 및 항문 초음파도 흔히 이용되고 있다. 수술중 초음파는 1970년대 말에 B 모드 초음파가 만들어져서
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3 1977년 수술중 초음파로 Cook (10)이 수술 중 신장에서 결
석의 위치를 찾아내었고 Makuuchi (11)가 간종양 환자에 서 수술 중 간내의 종괴를 찾아내었다. 1990년대 복강경 수술이 발전하면서 복강경 초음파가 외과 의사들에게 많 이 이용되었고 수술 중 진단뿐 아니라 종괴의 위치, 절제 범위 및 고주파 소작술(radiofreqency ablation therapy;
RFA) 치료에도 사용된다. 1980년대부터 발전한 내시경 초음파는 이제는 진단뿐 아니라 치료에서도 사용되고 있 다. 내시경초음파 유도 하에 내장신경총에 알콜을 주입하 여 통증을 차단하거나 췌장 낭종을 제거하고 항암물질 주 입이나 RFA등에 시행되고 있다.(12,13)
과거에 초음파 검사는 영상의학과에서 주로 사용하여 왔으나 외과 의사가 시행한 초음파의 진단율이 영상의학 과 초음파 진단율에 필적할 만큼 되어 이 장비가 외과의사 에게 침상 옆에서 사용하는 필수 장비가 되고 있다.(14)
치료용 초음파는 1927년 Wood와 Loomis가 처음으로 초음파의 생물학적 화학적 효과에 대해 발표하였고(15) 1930년대 운동 선수들의 치료에도 초음파가 사용되었다.
1942년 Lynn 등이 동물 실험에서 초음파를 사용하여 간 종양을 치료하였음을 보고한 바 있다.(16) 또한 치료용으 로 치과에서 초음파를 이용한 치석 제거는 흔히 사용되고 있다. 1940년대 동물 실험을 시행한 High intensity fo- cused ultrsound therapy (HIFU)는 조직을 가열하여 기 질적 변화를 일으키는 장비로서 1990년대에 종양치료에 도입되었다. 그러나 이 장비는 시행 후 발생하는 피부 화 상이나 장 손상 등의 합병증으로 아직 FDA의 공인을 받지 못하고 있다. 초음파를 이용한 혈전용해술과 목표 세포에 약물을 전달하는 방법으로 contrast enhanced ultra- sonography (CEUS)의 기술을 이용하여 microbubble에 항암제나 항응고제 같은 약제를 붙여 투여한 후 병변 부위 에 초음파를 투사하여 cytoplasm에 약제가 분비가 되도 록 하는 기술들이 개발되고 있다.(17,18) 최근에 초음파는 수술 기구에도 사용되고 있다. 수술 기구에 사용되는 초음 파는 높은 주파수로 조직을 가열 시킨다. 수술 부위의 결 찰 및 절제하는데 초음파를 사용하고 있는데 간 절제 시 많이 사용하는 Cavitron Ultrasound surgical Aspirator (CUSA)와 harmonic scalpel도 초음파를 이용한 장비이 며 물리치료에서도 초음파 장비가 사용되고 있다.
앞으로 초음파는 더욱 발전 할 것이다. 간 생검 없이 간의 섬유화를 측정하는 Fibroscan과 유방 등에서 섬유화를 검
사하는 Elastogrphy 등 초음파를 이용한 다양한 장비들이 현재 사용되고 있다. HIFU는 전립선암 등에도 사용되고 있 으며(19) 자기공명영상장치의 유도 하에 종양 부위에 비 침 습적으로 치료한다고 보고되고 있다.(20) 향후에 합병증들 을 잘 조절하면 국소적인 종양 치료 방법으로 역할을 할 수 있으리라 생각한다. 향후 조영제 증강 초음파, color flow doppler, power doppler, 작고 저렴한 탐촉자와 초음파 기 구, 수술중 초음파 등이 발전 할 수 있는 분야들이다.
기술의 발달로 큰 기계였던 초음파를 손에 들고 다닐 수 있게 되었다. 의사들이 환자들 침상 옆에서 초음파를 청진 기처럼 들고 다니며 쉽게 흉부나 복부를 진찰할 수 있게 되었다.(9) 환자 옆에서 담낭, 갑상선, 유방 질환 환자뿐 아니라 심부정맥혈전증이나 손상이 있는 경우 쉽게 진단 및 처치를 할 수 있게 되었고 향후 그 유용성은 더 늘어나 리라 생각한다.(21) 최근 통신 공학의 발달로 높은 산에서 다친 환자의 상태를 초음파를 시행한 후 컴퓨터 웹카메라 와 아울러 초음파 영상을 핸드폰 테터링을 이용하여 전문 가에 전송하여 다친 환자 상태를 정확히 파악하고 도움을 줄 수 있는 Telesonography (통신초음파)가 시도 되었 고,(22,23) 지구에서 멀리 떨어진 우주에서도 우주인에게 초음파를 시행하여 그 영상을 지구의 센터에 전달할 수 있 게 되었다. 이에 더하여 최근에는 초음파를 이용하여 피부 를 통해 약제를 이동시키는 sonophoresis 방법들이 소개 되고 있다.(24) 또한 HIFU는 지방을 줄이는 방법에도 시 도 되고 있으며(25) 부인과 자궁근종 환자에서도 HIFU가 사용되고 있다.(26) 뇌 혈전증 환자에서 생긴 혈전에 초음 파를 이용하여 혈전을 제거하는 방법도 보고 되었다.(27) 뇌의 blood brain barrier 도 일시적으로 파괴하고 약물을 전달할 수 있게 초음파를 사용하기도 하며 심혈관 질환에 서도 초음파가 치료용으로 사용되고 있다.(28)
결 론
초음파는 향후 진단적 목적으로는 더 작고 간편히 가지 고 다닐 수 있는 장비로 의사 진료에 필수 도구가 될 것이 라고 생각되며 초음파의 특성을 이용한 수술 기구가 더 만 들어지고 질병의 치료에도 사용될 수 있는 초음파 장비가 개발되리라 생각된다. 의사들은 초음파를 더 많이 활용하 고 연구하고 새로운 초음파 장비 및 치료 방법을 개발하는 데 힘써야 하겠다.
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