초음파를 이용한 의료용 진단 기술은 초음파 기술의 발전 및 초음파 조영제의 개발과 함께 비약적인 발전을 이루어 왔다. 정밀한 진단을 위하여 지속적으로 초음파 송수신 기술이 발전되었고 영상을 구현하는 기법에서도 다양한 연구가 이루어져왔다. 초음파 조영제는 체내로 주입된 마이크로 크기의 버블 계면에서 발생하는 초음파 반응성 차이를 진단에 이용하면서 발전되어 왔으며, 현재는 나노 크기의 버블을 이용하여 모세 혈관의 통과성을 높이는 동시에 조직으로 침투가 가능한 시스템을 개발 중에 있다. 또한 상대적으로 비등점과 반응성이 낮은 액체를 이용하여 나노 또는 마이크로 크기의 액체 입자로 주입한 후 체내의 원하는 지점에서 초음파 자극을 통해 기체로 상변이를 유도하는 연구도 진행 중에 있다. 나아가 이러한 조영제를 약물 전달체로 이용하여 초음파 자극에 의해 목표 지점에서 약물을 방출하고 진단도 가능하게 하는 전달 시스템도 활발한 연구 중에 있다. 진단을 이용한 나노 크기의 조영제 개발과 초음파 약물 전달 시스템의 경우 현재는 초기 개발 단계지만 근시일 내에 다양한 기술을 융합하는 시도가 있을 것으로 예상된다. 목차 1. 서론 1. 서론 초음파(ultrasound)는 인간의 가청음역보다 높은 범위인 20,000Hz 이상의 주파수를 가진 음파를 지칭하며, 이러한 초음파를 이용하여 인체 내부 장기나 뼈, 근육조직, 혈액 등 다양한 경계면에서 음파의 확산, 반사, 흡수 및 산란을 통해 생성된 수신 차이를 영상으로 구현한 것을 초음파 영상(ultrasonography)이라고 한다. 초음파를 포함한 음파(sound wave)는 이동하기 위한 매개체를 필요로 하는데 각각의 매개체는 고유의 전달 속도를 가진다. 음파의 전파 속도는 매개체의 밀도(density)와 경도(stiffness) 또는 체적 탄성률(bulk modulus)의 영향을 크게 받으며 주파수와 파장의 곱으로 산출 된다 [1]. 예를 들어 밀도가 높은 골 조직(cortical bone)의 경우 4,080 m/s의 속도를 가지는 반면 액체로 이루어진 혈액의 경우 1,570 m/s의 전파 속도를 가진다 [1]. 의료 진단용 초음파 영상 장치는 현재 가장 널리 사용되는 진단 기술 중 하나로 이동성과 접근성이 뛰어난 동시에 다른 영상 기술과 비교해 상대적으로 저렴한 비용으로 진단이 가능한 장점을 가지고 있다. 2008년 연구에 따르면 근골격계의 진단에 Magnetic resonance imaging(MRI)의 대체제로 초음파를 이용할 경우 진단 비용이 5배가량 줄어드는 것을 발견했으며, Computed tomography (CT)보다도 3배 낮은 비용이 발생했다고 밝혔다 [2]. 또한 실시간으로 진단이 가능하여 빠르게 결과를 도출할 수 있으며, 음파를 이용하여 체외에서 비침습적으로 진단이 가능하기 때문에 다른 의료 영상화 기술에 비하여 인체에 안전한 것으로 평가받고 있다. 그럼에도 불구하고 MRI, CT, PET 등의 진단 기술 또는 조영제의 발전에 비해 초음파 기술의 발전은 상대적으로 활발하지 않은 상태이다. 최근 들어 다양한 종류의 초음파 조영제가 개발되면서 영상 증강을 통한 진단 정확성을 높이려는 노력이 계속 되고 있다. 초음파 조영제는 단백질, 지질, 고분자 등으로 gas core를 감싸고 있는 형태를 가지고 있다. 대게 1 – 10 µm 전후 마이크로 크기를 가지고 있어 모세혈관도 통과할 수 있는데, 공기 또는 중량이 높은 gas를 내부에 포집한 조영제는 체내에서 초음파 자극에 의해 수신 신호가 달라지게 된다. 정맥을 통해 체내로 주입된 조영제는 체순환을 통해 진단하고자 하는 혈관 또는 조직에서 영상 신호를 증강 시키는 역할을 하게 되는데, 고정된 장기뿐 아니라 혈류 등 움직이는 물체를 추적하는데도 활용되고 있다. 초음파 진단 기계가 가진 장점 중 사용이 용이하고 이동이 가능한 점을 이용해 휴대용 초음파 기기의 개발도 이루어지고 있다. 대표적으로 GE healthcare 사에서 개발한 Vscan 이라는 초경량 심장 초음파가 있으며 Mobisante 사가 출시한 복부진단용 초음파인 MobiUS SP1과 MobiUS TC2가 있다. 이러한 휴대용 초음파의 개발은 디지털 헬스케어 산업의 발달과 함께 앞으로 더욱 가속화 될 것으로 기대된다. 본 보고서는 기존의 초음파를 이용한 의료 진단용 기술을 간략하게 소개하고, 초음파 영상 증강을 위해 사용되는 조영제의 개발도 함께 살펴보고자 한다. 또한 초음파를 이용한 치료법의 개발과 조영제를 이용한 약물 전달 방법도 살펴보고 기대되는 연구 발전 방향에 대해서도 논의하고자 한다. 2. 본론 2.1 초음파를 이용한 의료 진단 기술의 발전 2011년에 조사된 연구에 따르면 초음파 영상진단 장치의 전세계 시장규모는 전체 영상진단 기기의 20.4%를 차지할 만큼 그 사용폭이 넓다 [3]. 주로 순환기내과(복부, 갑상선, 심장, 혈관 관련), 영상의학과, 산부인과에서 초기 진단 목적으로 사용되고 있으며 최근에는 비영상 전공 분야에서도 사용이 증가되는 추세를 보이고 있다. 연구 기관뿐만 아니라 초음파 스캐너를 제조하는 산업분야나 제약회사 등 세분화된 연구 영역에서 다양한 영상화 양식을 개발하거나 이미 개발된 양식의 성능 개선을 위한 연구를 지속하고 있다. 시중에서 사용되고 있는 초음파 종류는 복부 촬영이나 종양 검사 등을 위해 내장 기관을 시각화하는 흑백 초음파 시스템과 뇌혈관계 혈류의 속도 및 방향을 관찰하기 위해 사용되는 컬러도플러(colour Doppler) 초음파 시스템이 있다. 최근에는 2차원의 다각적 초음파 이미지를 재구성하여 3차원으로 구현하는 연구들이 진행되고 있다. 초음파 영상을 표시하는 방법은 실시간 진단을 기본으로 하는 A (amplitude), B (bright), M (motion) 모드로 나누어서 설명할 수 있지만, 최근에 들어서는 도플러 영상이나, 확장형 영상, 실시간 통합 영상 3차원 영상 등 고차원적인 영상 구현 기술을 사용하기도 한다. A 모드의 경우 간단하게 음향 임피던스(acoustic impedance)가 다른 두 물질의 임계면에서 일어나는 반사파를 수신하여 시간 차이를 바탕으로 물질까지 위치를 계산하여 그래프로 구현한다. B모드의 경우 A모드와 같은 원리를 이용하여 계산된 거리차를 점의 밝기로 표시한다. 한꺼번에 다수의 초음파 빔을 발생시키고 수신하여 큰 화면으로 만들 수 있는데, 가장 흔하게 접할 수 있는 초음파 진단 방법이다. M 모드의 경우 초음파 반사파의 세기 변화를 영상화하여 관찰하는 부위의 움직임을 살펴볼 수 있다. 도플러 효과는 물체의 움직임에 따라 음파의 주파수가 변화하는 현상을 말한다. 초음파 영상에서 도플러 변화 주파수를 감지하면 관찰하는 물체가 움직이는 방향이나 속도 등을 추적할 수 있기 때문에 주로 혈류나 심장을 관찰하기 위해 사용된다. 체내에서 감지되는 도플러 효과는 적혈구가 반사체 역할을 하여 이동 방향과 혈류의 연속성 등을 파악할 수 있다. 컬러도플러는 탐색기를 기준으로 다가오는 혈류와 멀어지는 혈류를 구분하여 각각 적색과 청색으로 표시한다. 그러나 탐색기에서 가장 가까운 부분의 혈류를 파악하기가 힘들어 혈류의 연속성과 불연속성을 판단하는데 오류가 생길 수 있다. 이러한 단점을 보완하는 방법 중 하나로 혈류가 있는 모든 부분을 표시하는 방법인 파워도플러(power Doppler)도 사용된다. 파워도플러는 반사된 도플러 에너지를 기록하는 방법을 사용하여 작은 혈관과 느린 속도의 혈류도 검출할 수 있다. 그러나 방향과 속도 정보가 소실되는 단점도 있어서 주로 컬러도플러와 병행하여 함께 사용한다. 1968년 Gramiak R.과 Shah P.M.이 대혈관 내에 주입된 생리식염수를 통해 초음파 신호가 변화하는 것을 발견한 이래, microbubble을 통한 초음파 신호 증강 효과에 관한 연구가 시작되었다. 기체 상태인 bubble이 액체 상태의 혈액에 유입된 후 초음파에 노출되면 공명현상이 발생하는데 이로 인해 초음파 산란이 발생되고 영상을 증가시키게 된다. 일반적으로 통용되는 초음파 조영제는 대개 적혈구보다 작은 1-10 um 전후의 크기를 가진 microbubble을 이용하여 만들어지며, 다양한 종류의 microbubble의 발전으로 의료 진단용 기술로서의 초음파 연구가 더욱 활발해졌다. 특히 microbubble의 크기는 모세혈관을 통과할 수 있기 때문에 일반 정맥으로 주사한 후에 체순환을 기대할 수
있고 이를 통해 목표 장기까지 도달할 수 있는 가능성을 열어주었다. 정맥을 통하여 초음파 조영제가 투여되면 혈관이나 장기로 조영제가 확산되면서 여러가지 조영 양상을 관찰할 수 있게 되며 이를 통해 얻은 이미지를 이용하여 질환을 감별할 수 있다. 조영제를 이용한 영상 증강 효과는 조영제의 도움 없이 촬영되는 기존의 흑백 초음파나 컬러도플러 초음파를 이용하는 것과 비교해 장기나 종양 내의 혈관 조영의 특징적인 현상을 한 차원 높게 구현할 수 있게 도와준다 [4]. 조영제의 도입은 특히 도플러 효과를 이용한 초음파 측정에 획기적인 발전을 가져다 주었다. 조영제를 이용한 조영 증강 효과는 혈관을 통한 체내 기관의 관찰 및 혈류 변화를 측정할 때 주로 쓰이는데, 컬러앰플리튜드이미징(colour amplitude imaging, CAI)과 함께 그 변화의 범위와 민감도를 좀 더 정확하게 측정할 수 있게 해준다 [5]. 2.2 초음파 조영제 개발 기체 상태인 분자가 가지는 특성상 표면 장력의 변화와 외부 압력에 민감하기 때문에 혈액에서 안정성이 액체나 고체 상태의 조영제에 비해 낮은 편이고, 이로 인해 주사 후 원하는 타깃 지점까지 도달할 수 있는 microbubble의 농도는 결국 크게 감소하게 된다. 이러한 이유로 최근까지도 microbubble의 체내 안정성을 향상시키기 위한 다양한 연구가 진행되어 왔는데, 주로 shell 물질을 다양화하는 방법과 분자량이 크고 혈액에서 용해도가 낮은 기체를 사용하는 방법을 이용한다. Shell을 이루는 물질은 단백질, 지질, 고분자 등이며 단일 물질을 사용하여 surfactant와 함께 수용액 상에 분산시키거나 두 가지 이상의 물질을 결합하여 안정성을 높이기도 한다. 그림1에서 볼 수 있듯이 gas로 이루어진 core가 전체 부피 중 대부분을 차지하며 shell의 두께는 구성 물질에 따라 1 – 200 nm 사이로 형성된다 [7]. Shell의 일차적인 역할은 gas와 수용액 사이에서 물리적인 장벽을 이루어 gas의 확산을 막는 것이다. 지질로 이루어진 shell의 두께는 ~3 nm 정도로 다른 물질에 비해 얇은 막을 이룬다. 단백질로 이루어진 shell은 3차원 구조의 단백질 두께로 인해 15 - 20 nm로 이루어지며, 고분자의 경우 가장 두꺼운 구조를 형성하며 약 100 – 200 nm의 shell을 가진다. Shell을 기체 표면에 결집시키는 힘으로는 van der Waals 작용 및 소수성 물질 간의 작용이 원동력으로 작용하며 단백질이나 고분자의 경우 공유 결합을 통해 더욱 강한 결집력을 가질 수 있다 [7]. |
초음파 검사 원리 - cho-eumpa geomsa wonli
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