https://doi.org/10.35827/cp.2021.20.1.7
접수일: 2021년 6월 11일, 게재승인일: 2021년 6월 21일
책임저자: 민경훈, 경기도 성남시 분당구 야탑로 59
뿸 13496, 차의과학대학교 분당차병원 재활의학과교실 Tel: 031-780-1892, Fax: 031-780-3449
E-mail: [email protected]
Fig. 1. Four training categories for ultrasound guided inter- vention procedures (adapted from “Atlas of Ultrasound-Guided Procedures in Interventional Pain Management”).
근골격계 초음파의 기판 조절 입문: B Mode와 Doppler
차의과학대학교 의학전문대학원 분당차병원 재활의학교실
민 경 훈
Introduction to Knobology Focusing on
B Mode and Doppler Setting in Musculoskeletal Ultrasound
Kyunghoon Min, M.D., Ph.D.
Department of Rehabilitation Medicine, CHA Bundang Medical Center, CHA University School of Medicine, Seongnam, Korea
Musculoskeletal ultrasound has evolved as the essential tool to diagnose and guide intervention procedures in people with neuromusculoskeletal conditions. Image optimization and understanding device operations are core components for ultrasound guided intervention procedure training. All ultrasound machines share the common operative features and there are various buttons for the features in the device control panel. Ultrasound “knobology” refers to the thorough understanding of imaging optimization. This review addressed basic information for the transducers, depth setting, gain and focus control, different modes focusing on brightness and doppler modes. (Clinical Pain 2021;20:7-14)
Key Words: Interventional ultrasound, Musculoskeletal diseases, Knobology, Brightness mode, Doppler ultrasound imaging
서 론
신경근 초음파(neuromuscular ultrasound)는 신경근골격 계 질환의 진단(diagnosis), 예후 예측(prognostication), 유 도 하 치료(guide therapeutics)에 많이 활용되고 있다[1]. 특 히 초음파 유도하 중재시술(ultrasound-guided interven- tional procedure)은 통증 의학 분야에서 빠르게 발전하고 있는데, 이를 위해 4가지 요소, ① 바늘 가시화(visualiza- tion of needle insertion and injection), ② 영상 해석(image interpretation), ③ 영상 최적화(image optimization), ④ 장 비 작동의 이해(understanding device operations)가 필요하 다(Fig. 1) [2].
초음파 장비의 제어판(control panel)에는 영상을 조절하 고 저장하는 여러 버튼들 있는데, 최적의 초음파 영상을 얻 기 위해서, 이들 버튼의 기능과 조절에 대한 이해 (knobology)가 필요하다[3]. 여러 초음파 제조 회사가 있고, 다양한 장비들이 있지만, 기본 원리는 유사하다[4]. 이 종설 은 신경근골격 초음파에서 양질의 밝기(brightness, B) 모드
영상 획득과 도플러 설정에 필요한 기판 조절과 원리에 대 해 알아보고자 한다.
본 론
1. 초음파 탐촉자(transducer) 선택과 활용
초음파 장비의 전원 버튼( )을 눌러 장비를 켠 다음(Fig.
2), 탐촉자를 선택한다. 볼록형(curved, convex, curvilinear), 선형(linear), 위상 배열(phased array), 복강내(intracavity) 탐 촉자, 총 4가지의 기본 형태가 있다 (Fig. 3) [4]. 각 탐촉자의
Fig. 3. The types of ultrasound trans- ducers, (A) linear, (B) curved, con- vex, curvilinear, (C) phased array, and (D) intracavity. (adapted from samsunghealthcare.com/kr/products).
Fig. 2. Power button.
Table 1. Types, Frequencies, and Indications of Transducers
Probe type Frequency (MHz) Applications Curved
(convex, curvilinear)
2∼5 FAST, renal, aorta, IVC, pelvic, bladder, bowel, appendicitis
Linear 6∼15 Ocular, trachea, thyroid, thoracic, vascular access, DVT, MSK, soft tissue, appendicitis
Intracavity 8∼13 Peritonsillar abscess, pelvic Phased
array/sector
1∼5 Cardiac, abdominal, renal, pediatric abdomen, bladder, bowel, IVC DVT: deep vein thrombosis, FAST: focused assessment with so- nography in trauma, IVC: inferior vena cava, MSK: musculos- keletal.
Fig. 4. Changes of penetration according to transducer frequency.
Fig. 5. Footprints of ultrasound transducers (from https://www.po- cus101.com/ultrasound-machine-basics-knobology-probes-and- modes).
탐촉자는 다수의 초음파 소자(element)를 조절함으로써 탐 촉자를 움직이지 않더라도 넓은 부위를 검사할 수 있다. 반 면, 선형(linear)이나 볼록(curved) 탐촉자는 정해진 방향으 로만 초음파가 퍼지게 된다(Fig. 6) [5].
심장 초음파의 탐촉자가 의학 영역에서 사용되는 위상 배열(phased array) 탐촉자의 하나이다. 이 탐촉자를 사용 하면, 갈비뼈 사이의 좁은 영역을 통해서 전체 심장을 검사 할 수 있다(Fig. 7) [6]. 이 탐촉자는 움직임지 않고도 초음 파의 각도와 투과 깊이를 조절할 수 있기 때문에 의학 영역 외에 여러 산업 현장에서, 예를 들면, 파이프 이음새 결함 여부등을 확인하기 위해 활용된다.
정리하면, 볼록형 탐촉자의 주파수 영역은 2∼5 MHz로 낮고, 부착부가 커서 넓은 부위를 볼 수 있다. 위상 배열 탐촉자도 주파수 영역이 1∼5 Mz로 낮은 주파수 범위를 갖는데, 부착부가 작아서 늑골 사이와 같은 좁은 창 (window)에 적합하며, 부착부가 크지는 않지만, 다수의 소 자를 조절하여(“stitched”) 발생하는 초음파 파형에 의해 넓 은 부위의 영상을 얻을 수 있다. 선형 탐촉자는 주파수 영 역이 6 MHz 이상으로 높기 때문에, 얕은 구조물을 높은 해상도로 보기에 적합하다[5].
끝으로, 강내(intracavity) 탐촉자는 주로 여성 골반 검사 에 이용된다.
탐촉자를 선택한 뒤에 탐촉자 방향 표시(probe orientation marker)를 확인해야 한다. 보통 융기(ridge) 형태로 튀어나온 경우가 많다(Fig. 8).
노란 원이 탐촉자의 방향 표시이고, 이 표시가 있는 쪽이 초음파 모니터 영상의 왼쪽 상단이다. 초음파 탐촉자를 적 용하기 전에 탐촉자 방향 표시와 모니터 방향을 확인해야 한다(Fig. 9) [3].
2. 깊이(depth) 조절
탐촉자를 결정하면, 보통 사전설정(pre-setting) 항목을 한 번 더 선택하는데, 보고자 하는 목표 구조물에 적합한 세부 조건들[주파수(frequency), 깊이(depth), 감도(gain) 등]를 미 리 맞추어 놓은 조건이다. 처음에는 전체 윤곽을 볼 수 있도 록 하고, 목표 구조물이 보이면, 깊이를 조절한다. 초음파 유도 하 주사를 시행할 때, 목표 구조물보다 약 1 cm정도 더 보이도록 조정하는 것이 좋다[7]. 선형 탐촉자에서는 전 체 부착부에서 깊이가 일정하다. 볼록 탐촉자에서는 탐촉 자의 중앙에서의 깊이가 모니터 상의 깊이 척도(depth scale)와 일치하고, 볼록 탐촉자에서 발생하는 초음파가 방 사형으로 퍼지기 때문에, 중앙과 평행한 양 옆의 위치는 모 니터 상의 깊이 척도보다 더 깊다(Fig. 10) [7].
3. 감도(gain) 조절
감도는 화면의 밝기(brightness)를 조절하며, 너무 감도 를 낮추면(under-gained), 영상이 어둡게 보이고, 너무 올리 면(over-gained), 밝게는 보이지만, 해상도가 떨어지고, 잡 음(noise)이 증가한다. 감도는 전체적으로 조절(overall gain)할 수도 있고, 특정 깊이에 해당하는 부위만 조절할 수도 있다(time gain compensation, TGC) (Fig. 11) [3].
TGC 조절 버튼의 상층부는 근거리 감도(near-field gain) 을 조절하고, 하층부는 원거리 감도(far-field gain)을 조절 한다. 초음파가 매질을 통과하면서 감쇠(attenuation)되고, 해상도가 떨어지면서, 어둡게 보인다. TGC 버튼을 조절하 여 특정 부위의 밝기를 조절할 수 있고, 초음파 감쇠 현상 으로 초음파 신호가 약해지는 원거리의 초음파를 보상적으
Fig. 6. The arrays according to the ultrasound transducers.
Fig. 7. Utilization of the phased array transducer in the thoracic cavity.
Fig. 8. Marker for orientation of the transducer.
로 증폭하는데 활용되기도 한다(Fig. 12).
근거리(near field)와 원거리(far field) 사이가 초점 영역 (focal zone)이다. 초음파는 근거리에서 수렴(convergence) 하고 이후 확산(divergence)하는데, 사이에서 전환되는 부 위가 초점 영역이고 여기에서 좌우 해상도(lateral reso- lution)가 가장 높다[3]. 초음파 유도 하에 주사를 한다고 하 면, 주사 바늘과 목표 구조물이 가장 잘 구분되는 영역이다.
깊이와 밝기 조절 이후, 목표 구조물에 초점(focus)을 맞추 어야 한다(Fig. 13).
4. 초음파 영상 표시 방법
의학 영상에서 초음파는 크게 진폭 포드(amplitude mode, A mode), 밝기 모드(brightness mode, B mode), 움직임 모드 (motion mode, M mode), 도플러 모드(doppler mode) 4가지 방법으로 표시된다[8]. 진폭 모드(A mode)는 이미지의 형 태가 나타나지 않고, 신호 강도를 높이로 나타내는 모드이
다. 토끼의 안구를 초음파로 보았을 때, 위는 밝기 모드(B mode)로서 안구의 형태를 나타내고, 아래는 진폭 모드(A mode)로서 각 지점의 밝기의 정도를 높이로 반영한다(Fig.
14) [9].
움직임 모드(M mode)는 보고자 하는 단면에서 목표 구 조물의 두께 변화와 움직임을 시간에 따라 보여준다. 호흡 을 하면서 횡경막을 초음파로 보았을 때, 밝기 모드(B mode)에서는 최대 호기, 최대 흡기에서 초음파의 두께를 측정할 수 있고(B 패널), 동작 모드(M mode)로 보면, 시간 에 따른 횡경막의 두께 변화를 측정할 수도 있다(A 패널) (Fig. 15) [10].
도플러는 혈액 흐름(blood flow)을 측정하고 가시화하기 위하여 도플러 효과(doppler effect)를 이용하는 모드이다 [8]. 탐촉자 쪽으로 흐름이 다가오면 적색, 탐촉자에서 멀어 지면 청색으로 표시한다(Blue: Away from probe, Red:
Fig. 9. Check of the left and right directions of the transducer. Ultrasound transducer orientation. (A) The direction of the transducer in the yellow circle coincides with the direction of the monitor. (B) The direction of the transducer in the yellow circle is opposite to the direction of the monitor. (C) Before ultrasound evaluation, the directions of the transducer and monitor should be checked.
Fig. 10. Depth of reach of ultra- sound according to the footprints.
Blue shades show the same depth (red arrows: about 3.5 cm). The depth is constant at all locations of the monitor in the linear transducer (left). However, the radial shape should be considered at the sides in the curved transducer (right). SS fossa: supraspinatus fossa.
Fig. 11. Time gain compensation. Echogenicity become low in the depth area (red arraow), when the lower buttons in set low. SS fossa: supraspinatus fossa.
Towards probe, Blue Away Red Towards, BART) (Fig. 16).
근골격계에서 초음파 유도 하 주사를 시행할 때,, 도플러 모드를 통해 혈관을 발견하고, 원치 않는 혈관 손상과 혈관 내 약물 주사를 예방할 수 있다(ultrasound “prevents”
whereas contrast fluoroscopy “detects” intravascular in- jections: the title of Narouze, 2012) [11]. 도플러 모드에는 color, power, spectral doppler, duplex, continuous wave
doppler 총 5가지 종류가 있다[12]. Color 도플러는 흐름의 방향을 알려주는 directional 도플러이고, power 도플러는 방향성이 없이 흐름의 신호를 나타내는 non-directional 도 플러이다. Spectral 도플러는 color가 아니라 그래프의 형태 로 흐름을 나타내고, duplex 도플러는 밝기 모드(B mode) 와 color 도플러 두 가지를 같이 보여주는 초음파 영상이다 (밝기 모드, color 도플러, spectral 도플러 3가지를 같이 사
Fig. 12. Adjustment principle of time gain compensation.
Fig. 14. A-mode and B-mode ultrasound of Rabbit’s eye (from Toni et al., Vet Ophthalmol 2010; 13: 384-386).
Fig. 13. The focusing zones in ultrasound.
용하면 triplex 모드이다). Continuous wave 도플러는 심장 의 대동맥과 같이 아주 흐름이 빠른 흐름을 측정할 때 사용 된다.
Color 도플러 검사를 할 때, 우선 color 도플러를 활성화 시키고, 보고자 하는 영역을 결정한 뒤, 척도(doppler scale) 와 감도(doppler gain)을 조절해야 한다. Color 도플러 신호 강도는 탐촉자에서 발생하는 초음파와 혈류 사이의 각도의 코사인 값과 혈류의 흐름 속도에 비례한다(Fig. 17).
탐촉자와 혈류 사이의 각도가 90도이면, 코사인 90도인 0이 되어, 도플러 신호가 0가 되므로, 어느 정도 각도가 있 어야 한다. 일반적으로 60도 이하를 권장한다[13].
초음파를 이용하여 정확하게 측정할 수 있는 도플러 효 과(doppler effect or doppler shift)의 범위는 탐촉자에서 1
초에 발사되는 pulse의 수의 의미하는 pulse repetition fre- quency (PRF)에 의해 결정된다. 도플러 효과는 PRF/2인 Nyquist limit 범위에서 정확히 측정이 되는데, 실제 혈류의 속도와 이에 영향을 받는 도플러 효과가 초음파 장비의 Nyquist범위를 초과하면, 방향과 속도를 잘못 해석하게 되 고, aliasing(둘러 겹침)이라고 하는, 균질하지 않은 색깔 신 호가 나타난다. 따라서, 도플러 척도에서 조절하는 PRF는 적어도 aliasing가 발생하지 않도록 해야 한다(rule of thumb: the lowest PRF without aliasing). 척도를 정한 뒤, 감도를 조절한다. 근골격계 초음파에서는 주로 color 도플 러와 power 도플러를 사용하는데, power 도플러가 작은 혈 관을 찾는데 더 민감도(약 5배)가 높고, 초음파의 입사 각도 의 영향을 덜 받는다. Power 도플러의 단점은 흐름의 방향 성과 속도 정보가 없다는 점이다 감도는 영상에서 잡음 (noise)이 보일 때까지 올린 뒤, 잡음신호가 안보이는 가장 높은 감도로 정하는 것이 좋다(Fig. 18) [14].
Fig. 15. M-mode and B-mode ul- trasound of the diagragm (from Cardenas et al., Ultrasound Med Biol 2018; 44: 786-793). FRC:
functional residual capacity, TLC:
total lung capacity.
Fig. 16. Doppler effect and color display (from https://www.po- cus101.com/ultrasound-machine-basics-knobology-probes-and-
modes). Fig. 17. Doppler formula (from Lee SI. Basic principles of
Duplex Ultrasound. Educational Program of Korean Stroke Society. 2008).
Fig. 18. Gain setting in power do- ppler. Too much noise (top) and the highest sensitivity without background noise (bottom). CPA: color power angio.
결 론
근골격계 영역에서 초음파는 질환의 진단과 치료에 필수 불가결한 도구이다. 적절한 영상을 얻기 위한 기계 조작은
초음파 유도하 중재시술의 중요한 요소로, 초음파 기판에 는 초음파 영상 조작과 관련한 많은 버튼들이 있다. 이 종 설은 근골격계에 초음파를 시행할 때, 가장 필요한 내용으 로 생각되는 밝기 모드(B mode)와 도플러 조작에 필요한
Ultrasound-Guided Procedures in Interventional Pain Management. London: Springer; 2010. p. 35-75
3. Brull R, Macfarlane AJ, Tse CC. Practical knobology for ultrasound-guided regional anesthesia. Reg Anesth Pain Med 2010; 35: S68-S73
4. Enriquez JL, Wu TS. An introduction to ultrasound equip- ment and knobology. Crit Care Clin 2014; 30: 25-45 5. Ramsingh D, Singh S, Ross M, Williams W, Cannesson M.
Review of Point-of-Care (POC) Ultrasound for the 21st Century Perioperative Physician. Curr Anesthesiol Rep 2015; 5: 452-464
6. Diaz-Gomez JL, Via G, Ramakrishna H. Focused cardiac and lung ultrasonography: implications and applicability in the perioperative period. Rom J Anaesth Intensive Care 2016; 23: 41-54
7. Ihnatsenka B, Boezaart AP. Ultrasound: Basic under- standing and learning the language. Int J Shoulder Surg 2010; 4: 55-62
Biol 2018; 44: 786-793
11. Narouze SN. Ultrasound-guided cervical spine injections:
ultrasound “prevents” whereas contrast fluoroscopy “detects”
intravascular injections. Reg Anesth Pain Med 2012; 37:
127-130
12. Doppler Ultrasound: U.S. National Library of Medicine;
2021 [updated 15 December 2020. Available from:
https://medlineplus.gov/lab-tests/doppler-ultrasound 13. Oglat AA, Matjafri MZ, Suardi N, Oqlat MA,
Abdelrahman MA, Oqlat AA. A Review of Medical Doppler Ultrasonography of Blood Flow in General and Especially in Common Carotid Artery. J Med Ultrasound 2018; 26: 3-13
14. Terslev L, Diamantopoulos AP, Dohn UM, Schmidt WA, Torp-Pedersen S. Settings and artefacts relevant for Doppler ultrasound in large vessel vasculitis. Arthritis Res Ther 2017; 19: 167
