1. 개요
| 음파 | ||
| 20Hz 이하 | 20~20,000Hz | 20,000Hz 이상 |
| 초저주파 | 가청음파 (소리) | 초음파 |
超音波 / ultrasound
초음파는 사람이 들을 수 있는 주파수보다 더 높은 주파수를 가지는 소리 혹은 파동이다. 참고로 일반적인 성인은 20 kHz 이상의 높은 소리는 듣지 못한다. 물론 개인마다, 특히 나이에 따라 차이가 있는데 일반적으로 어릴수록 더 높은 음을 들을 수 있다. 그리고 개, 고양이, 박쥐, 돌고래 등의 많은 동물들은 사람보다 높은 주파수의 소리를 들을 수 있다.[1] 이 점을 이용해서 개만 들을 수 있는 피리도 만들어졌다.
초음파를 만드는 방법에는 여러 가지가 있지만, 압전소자에 고주파 전류를 흘려서 빠르게 진동시키거나 자성 물체에 대해 자기장을 변화시켜 진동하도록 해서 초음파를 발생하는 방식이 많이 쓰인다.
2. 분야
2.1. 의료
| 의료영상 | |||||||
| <colbgcolor=#dcdcdc,#383b40> 원리 | 방사선 | 방사성 동위원소 (핵의학) | 자기장 | 초음파(광음향) | |||
| 진단법 | CT | X선 | PET | SPECT | MRI | fMRI | 초음파 영상 |
| 형태 | 3D | 2D | 3D | ||||
| 방사능 | 매우 높음 | 높음 | 낮음 | 없음 | |||
| 용도 | 해부학적 진단 | 생리학적 진단 | 해부학적 진단 | 생리학적 진단 (뇌) | 해부학적 진단 | ||
| 의료기기 및 의료 관련 제품 | |
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1958년에 영국 스코틀랜드의 글래스고의 한 산부인과 의사가 의료용으로 개발했고, 1960년대 초에 다른 산부인과 의사들도 의료용으로 초음파 개발을 도왔다. 당시 기술로는 태아 초음파의 경우 어느 정도 성장한 임신 중기 태아의 머리 정도만 확인할 수 있는 수준이었다.[2] 미국 같은 선진국에서도 의료용으로 대중적으로 보급된 것은 1970년대 말에 이르러서였고, 1980년대에는 개발도상국의 중산층 이상 가정에서도 접근이 가능해졌다. 이후에는 그 기술이 더욱 발달해 입체 초음파까지 널리 보급된 상황이다.[3]
의료용으로는, 초음파를 이용해서 내부 장기나 태아를 촬영하는 "초음파 검사"가 가장 흔하고 널리 알려진 예지만 별다른 예비 없이 필요하면 즉시 검사가 가능하다는 장점 때문에 산부인과 외에도 심장, 신장/방광, 간/췌장, 갑상선, 부신 및 기타 장기에 종양 유무나 결석 유무의 확인, 경동맥 협착 여부, 혈액의 흐름은 정상인지 등을 확인에 쓰이고, 심지어 근육과 인대손상을 확인하기 위해 정형외과에서 사용하기도 한다. 산부인과에서 부인과 관련 검진에서는 성경험이 없는 여성에게는 처녀막(질막) 손상 때문에 분만대에서 항문 초음파를 시행한다. 후기. 또, 항문 초음파는 대장항문외과와 남성의 전립선을 확인하는 데도 쓰인다.[4]
또한 초음파 검사는 값싸고, 장비의 이동이 가능하며, 방사선이 없다는 장점이 있다.
국민건강보험 급여처리는 안 됐었으나 2013년 10월부터 4대 중증질환에 대해 우선 급여 적용이 되도록 변경되었다. 심평원 홈페이지
다만 초음파는 뼈를 투과하지 못하기 때문에 두개골에 둘러싸인 뇌는 검사할 수 없다.(TCD 검사는 가능) 그러나 2세 미만까지는 두개골이 완전히 닫히지 않고 남아있는 숫구멍(fontanelle)을 통해 제한적으로 초음파를 통한 뇌 검사가 가능하다.
초음파 검사는 산부인과에서 태아의 상태를 확인하는 데 있어서 상당히 중요한 역할을 하게 된다. 분만대에서 시행하는 질내(transvaginal) 초음파 검사는 특히 임신 초기(trimester)에 사용되는 방법으로, 임산부의 체중(BMI)과 관련없이 사용할 수 있다는 장점이 있다. 또한 태아의 임신 기간(gestation)을 확인하는 방법으로도 사용된다. 경복부 초음파(transabdominal) 검사는 임신 기간 어느 때나 사용이 가능한 방법이나, 임산부가 비만일 경우 사용할 수 없다. 도플러(Doppler)는 제동맥(umbilical artery) 및 태아의 중대뇌동맥(MCA) 혈류를 관찰하는 방법으로, 주로 태아의 상태를 확인하거나 자궁내 태아발육 지연(IUGR), 혹은 동종면역(alloimmunization)으로 인한 태아의 빈혈을 검사할 때 사용된다.
임신 기간 동안 정기적으로 초음파 검사를 해서 태아의 이상 유무를 추적한다. 물론 초음파 장비에서 나오는 열이 자궁 내 온도를 상승시키기 때문에 의료 목적이 아닌 태아의 기념 촬영처럼 쓸데없이 초음파 검사를 하는 것은 피해야 한다. 국내에서는 임산부의 촬영 횟수가 평균 10.7회로, 미국이나 유럽에서는 특별히 필요한 경우가 아니면 3회를 넘지 않기 때문에, 초음파 검사를 해외에서보다 유독 자주하는 편이다. 고령임신이나 시험관 아기 등 특별한 상황에서는 초음파 검사가 증가할 수밖에 없다.
CT에서와 마찬가지로 촬영한 초음파 영상을 겹겹이 쌓아 3D로 재구성할 수도 있다.
태아의 초음파 사진. 참고로 이 예제 사진은 포샵질이 아닐까 싶을 정도로 잘 나온 편에 속한다. 실제 초음파 사진은 머릿속에서 태아의 이미지를 구성하고 그 상상에 꿰어 맞춰도 형태가 보일까말까한 경우가 대부분이다.
1991년에 어느 병원에서 소름 끼치는 실제 태아 초음파 사진이 찍혀서 해외토픽으로 뜬 적이 있다. 기사 궁금한 사람을 위해 설명을 하자면, 검붉은 빛이 돌며 어떤 얼굴 형체가 보인다.
초음파 검사 기계는 보통 이렇게 생겼다. 크게 모니터와 제어판, 그리고 초음파를 쏘는 트랜스듀서(프로브)로 구성되어 있다. 기계 자체의 구성은 굉장히 단순하기 때문에 노트북 수준으로 소형화시킬 수도 있다. 소형화 시켜 위급한 상황이 발생했을 경우 들고다니기 편하게 만드는 것이다. 응급실 및 앰뷸런스에서도 사용한다.
출처: 위키피디아
배나 가슴 등의 검사 부위에 초음파용 젤[5]을 바른 후, 의사(혹은 방사선사)가 프로브를 잡고 쓱쓱 문질러가며 모니터 화면을 보면서 진찰하고, 중요장면은 화면 캡처[6]를 한다. 캡처하는 순간에는 삑– 소리가 난다. 사진을 남기는 일 자체를 신체에 이상이 있는 것과 연결지어 불필요하게 걱정할 필요가 없다.
트랜스듀서. 출처: 위키피디아
초음파 검사 외에도 종양을 제거[7]하는 데 초음파가 사용되며, 치석의 제거(스케일링), 지방흡입 수술이나 조직 생검[8]의 보조적 역할 등에도 사용된다.
포항공과대학교 생체광음향 의료영상 연구실에서 개발한 광음향 초음파 영상 진단 방식으로 초음파를 활용하여 레이저를 도입하여 개발 중이다.
2.2. 산업
산업적으로는 측정이나 가공 등에 사용된다.- 수중 물체의 탐지나 거리 측정, 해저의 형태를 알아내기 위한 소나에 사용된다. 물체나 해저에서 반사된 음파를 측정해서 거리와 방향을 알아내어 활용하는 것이다.
- 물질의 용해성이나 분산도를 증가시킬 때 사용한다. 쉽게 얘기해서 초진동으로 용매에 닿는 물질의 표면적을 극대화시켜 용해도를 높이거나 물질 자체를 진동시켜 그 분산도를 높이는 것. 초음파 특성상 대개 물이나 아님 비인화성 액체를 초음파의 전달 물질로 이용한다. 아래 보기처럼 흔히 소니케이터(sonicator)로 잘 알려진 기기가 바로 그것. 실생활에서는 안경이나 시계 등을 세척하는 데 사용된다. 세척액을 넣고 작동시킨 후 세척할 물건을 담그면 된다. 안경점이나 귀금속가게에 흔히 있는 그것.
- 가습기에 사용된다. 가습 방식에는 여러 가지가 있지만 제일 흔한 것이 초음파를 쓰는 방식이다. 정확히는 빠르게 진동하는 진동판이 물을 미세한 물방울로 만들어 뿜어내는 것이다.
- 말랑말랑한 물체를 깔끔하게 자르는 데 사용된다. 초음파 커터 참고.
- 유리 가공에 쓰인다. 초음파 가공 참고
- 물체의 접착에 쓰인다. 초음파를 이용해서 녹여서 붙이기 때문에 초음파 용착이라고 한다. 고주파의 초음파를 맞은 물체는 미세하게 진동을 하면서 마찰열을 내는데, 이 열로 플라스틱이나 비닐 등의 소재를 녹여 접착하는 것이다.
- 가끔 고급차에는 와이퍼 대신 초음파 와이퍼가 있다.
- 자동차의 주차보조 센서에도 사용된다.[9] 센서가 초음파를 쏜 뒤 반사되어 되돌아오는 시간을 계산하여 거리를 표시하는 원리를 이용한 것이다. 일부 로봇청소기에도 적용된 바 있는데, 대표적인 게 LG에서 내놓은 것들.
2.3. 군사
3. 동물의 초음파 이용
동물도 초음파를 이용한다. 잘 알려진 바와 같이, 박쥐는 초음파를 내서 벽이나 물체에 반사되어 오는 초음파를 이용해서 물체와 먹이의 거리와 방향을 탐지한다. 이를 반향정위[10](echolocation)라 한다.밥벌이(?)다 보니 박쥐는 100 kHz 이상의 고음, 심지어는 200 kHz 까지도 들을 수 있다. 그 외 돌고래를 포함하는 이빨고래가 초음파를 사용한다. 머리 쪽으로부터 초음파를 쏴서 먹이를 찾는 데 이용한다. 고래끼리의 의사 소통에도 초음파를 사용한다.
이빨고래의 초음파. 머리 윗 부분에서 발신, 아랫 부분에서 수신. 출처: 위키피디아
4. 기타
- 창작물에서는 초음파를 이용한 능력이 묘사되기도 한다. 영어로는 Ultrasound Manipulation이라고 한다.
- 포켓몬스터의 기술 중 초음파가 있다.
- 초음파는 쥐, 바퀴벌레 등을 퇴치하지 못한다.[11]
[1] 그래서 20,000 Hz에 가까운 고주파는 사람에게는 불쾌하지만 오히려 그런 동물들에게는 평범하다. 초음파에 이르고도 더욱 주파수를 높이면 반대로 사람은 아예 느낄 수 없지만 동물들은 각자의 가청주파수 한계에 가까워질수록 괴로움을 느끼게 된다.[2] 그러다보니 1980년대 이전에는 쌍둥이 임신 사실을 모르고 낙태를 한 후, 한 태아만 보고 낙태가 종료된 줄 알았다가, 낙태 시술로 손상된 신체와 장기를 얻게 된 남은 아이가 태어난 일이 간혹 발생하기도 했다.[3] 입체 초음파는 2D인 정밀초음파와는 달리 태아의 코나 입술 모양 등이 누구를 닮았는지 짐작이 가능하다. 4D 초음파는 태아의 단층촬영이 가능해 세부적인 진단을 할 수 있다.[4] 하지만 의학기술이 많이 발달된 2023년 현재 누구나 꺼릴 법한 항문초음파를 굳이 억지로 사용할 필요는 전혀 없다. 전립선 검사는 단순히 피를 뽑거나 복부초음파로 충분히 검사가 가능하기 때문이다.[5] 초음파는 공기 중과 몸 속에서 속도 차이가 많이 나서 트랜스듀서와 피부 사이에 공기가 들어가있을 경우 오차로 인해 영상이 잘 안 나오기 때문에 이 공기층을 없애기 위한 것. 검사 끝나고 주는 페이퍼 타올로 닦으면 흔적도 없이 말끔히 닦이므로 걱정할 필요 없다. 주 성분이 알콜이라 사실 닦지 않아도 끈적거리지 않고 잘 마른다.[6] 영상 캡처는 검사 종류를 막론하고 매우 중요한 작업이다. 검사를 했다는 증거니까. 그리고 촬영을 해서 기록해 둬야지 뭐가 있는지 판독을 할 것 아닌가...[7] 고강도 집적 초음파(HIFU; High Intensity Focused Ultrasound) 등[8] Biopsy. 병변으로 의심되는 조직을 직접 채취하는 것인데, 초음파는 무엇보다 실시간으로 영상 확인이 가능하고 방사선 피폭도 없이 간편하기 때문에 생검에 큰 도움이 된다.[9] 자동차의 범퍼에 달린 그것[10] 반사된 것을 이용해서 위치를 정한다는 뜻.[11] 미국에서는 초음파를 이용하여 벌레들을 퇴치할 수 있다는 광고를 삽입할 수 없다. FTC