치료초음파

• 치료 초음파
• 치료적 초음파 열 및 비열 효과
• 조직 수복 초음파 적용
• 기타 적용
• 금기사항 및 주의사항

치료 초음파에 관한 설명

초음파는 1950년대 이후로 임상 실행의 한 부분이며 임상 문제에 대해 광범위하고도 검증된 도구로 사용되고 있다. Shah 및 Farrow(2012)는 Pope 등(1995)에 의해 널리 인용된 논문과 같이,초음파의 현재의 임상적 인기에 대한 통찰력을 제공한다.

작은 것에서부터, 휴대용 기기, 이용 가능한 옵션 중 하나로써 초음파를 포함하는 멀티-모드 기계에 이르기까지 수많은 이용 가능한 치료용 초음파 기계들이 있다

초음파 에너지 (Ultrasound Energy)

초음파(US)는 전기 에너지가 아닌 역학적 에너지의 형태이며, 높은 주파수의 역학적(기계적) 진동(mechanical vibration)은 소리 에너지로써 알려져 있다.

정상 사람 가청 범위는 16Hz에서 약 15-20,000hz(어린이 및 젊은 성인에서)의 범위 이다. 이 상한 한계를 넘어선 역학적(기계적) 진동은 초음파(Ultrasound)로써 알려져 있다.

치료에 사용된 주파수는 보통 1.0 ~ 3.0 MHz 사이 이다(1MHz=초당 1백만 주기).음파(sound waves)는 압축(Compression)과 희박(Rarefaction) 영역으로 구성된 종파(Longitudinal wave) 이다.

음파에 노출되면 물질의 입자는 파동과 더불어 이동하기보다는 어떤 고정점 주변에서 진동하게 된다. 음파 내 에너지가 물질을 통과함으로써, 물질의 입자의 진동을 야기 시킨다.

조직 내 분자 진동에서의 증가는 분명히 열을 발생시키고 비록 치료에서의 현재 사용은 이 열 현상에 초점을 맞추지는 않지만 초음파는 조직 내 열적 변화를 일으키는데이용될 수 있다(Williams 1987, Baker et al 2001, terHaar 1999, Nussbaum 1997, Watson 2000, 2008). 열적변화와 더불어, 작지만 열적인 요소가 분명한 다른 모드(예, 펄스 단파)와 같이, 조직의 진동은 특성 상 열적이지않은 것으로 고려되는 효과를 갖는 것으로 보인다.

초음파가 물질(조직)을 통과할 때, 파내의 에너지가 물질로 전이되면서 에너지 준위들이 줄어들게 된다. 다른 조직에 대한 초음파의 에너지 흡수 및 감쇠 특징은 문서화 되어 있다(흡수 섹션 참조).

초음파 (Ultrasound Waves)

주파수(Frequency) - 1초에 입자가 완전한 압축(compression)/이완(rarefaction) 사이클을 경험하는 횟수. 보통 1 또는 3 MHz 이다. (kHz 범위에서 작동하는 기계도 있음 – 본 논문의 끝에 저주파수/장파 초음파의 코멘트 참조)

파장(Wavelength) - 특정 매질 내 파형에서 두 상응점(equivalent point) 사이의 거리. '평균 조직'에서의 파장은 1.5mm가 되며, 3MHz에서의 파장은 0.5mm가 된다.

속도(Velocity) - 파(disturbance)가 매질을 통과하는 속도. 식염수 용액에서, 초음파의 속도는 약1500m sec-1이며, 공기에서는 약 350m sec-1.이다(음파는 좀 더 치밀한 매질에서 더 빠르게이동할 수 있다). 대부분의 조직에서 초음파의 속도는 식염수에서와 유사한 것으로 여겨진다).

이러한 3가지 인자가 상호연관 되지만, 모든 종류의 조직에서 항상 같지는 않다. 평균 그림(average figures)은 조직에서의 초음파의 통과를 나타내는데 가장 흔히 사용된다. 어떤 기계들은 추가적인 주파수를 생성하기도 하지만 (예, 0.75, 1.5MHz) 치료목적의 장비에서 전형적인 초음파 파장은 보통 1~3MHz이고 '장파'를 생성하는 초음파 장비는 수십 kHz에서 작동한다. (보통40-50,000Hz- '일반적인 초음파'보다 훨씬 낮은 주파수이지만, 여전히 사람 가청 범위 밖)이 관계를 수식으로 표현하면 V=F.λ이다. 여기서 V=속도, F=주파수, λ=파장이다.

초음파 에너지 초음파 빔, 근거리 음장, 원거리 음장 및 빔 비균일성(Ultrasound Beam, Near Field, Far Field, and Beam Non Uniformity)

초음파 빔은 균일하지 않고, 트랜스듀서(transducer)와의 거리에 따라 그 특성이 변한다. 치료 헤드에서 가장 가까운 초음파 빔은 근거리 음장, 간섭(Interference) 장, 또는 프레즈넬 존(Frenzelzone)이라 부른다. 이 장에서의 초음파의 거동은 유의미한 간섭 영역의 비규칙 적인 것이다. 이장의 각 부분들에서 초음파 에너지는 기계에 설정된 출력보다 수 배 높을 수 있다 (12-15배 정도 까지도 가능).

근거리 음장의 크기(길이)는 r2/λ(r=트랜스듀서 크리스탈의 반지름, λ=사용되는 주파수에 의한 초음파 파장)를 이용하여 계산될 수 있다(3MHz의 경우 0.5mm. 1.0MHz의 경우 1.5mm).

예로써, 1MHz에서 작동되는 25mm 직경의 '크리스탈'은 경계=12.5mm2/1.5mm=10cm에서 근거리 음장/원거리 음장 경계를 가지므로 큰 치료 헤드와1MHz 초음파를 사용했을 때, 근거리 음장(최대 간섭)은 치료 헤드로부터 약 10cm로 확장된다.

더 높은 주파수 초음파를 사용했을 때, 경계 거리는 좀 더 증가한다. 이 경계를 넘어서면 원거리 음장(Far Field) 또는 프라운호퍼 존(Fraunhofer zone)이 존재한다. 이 장에서 초음파 빔은 보다 균일하고 부드럽게 발산된다. 근거리 음장에서 언급된 '핫 스팟(hot spots)'은 중요하지 않다. 치료적 적용의 목적상의 원거리 음장은 효과적으로 닿지 않는 범위에 존재한다.

초음파 어플리케이터(applicator)(트랜스듀서)에 대한 품질 지표 중에 하나는 빔 비균일성 비율(BNR)에 해당하는 값이다. 이는 본 근거리 음장 간섭의 지표를 제시한다. 이는 최대강도를 평균강도로 나눈 비율을 숫자로 표시하는 것이다. 대부분의 어플리케이터에 대해, BNR은 약 4-6이된다(즉, 최대 강도가 평균 강도보다 4또는 6배 높다는 것이다.) 초음파 특성상, 비록 일부 제조사들은 제네레이터의 BNR이 효과적으로 1.0으로 줄어들었음을 주장하지만 이론상의 BNR 최적값은 4.0이라 생각한다. 최근 기계와 관련된 일부 부정확성이 일부 최근 논문(Alvarenge et al 2010; Gutierrez et al2010; Straub et al, 2008 및 John et al 2007)에서 고려되었고 Pye(1996)은 영국에서 임상적사용에서 기계의 보정과 관련하여 우려스러운 데이터를 제시하였다.

조직을 통한 초음파 전달 (Ultrasound Transmission Through the Tissues)

모든 재료(조직)는 음파의 통과에 대해서 임피던스(impedance)를 나타낸다. 조직의 고유 임피던스는 조직의 밀도와 탄력성에 의해 결정된다. 한 매질에서 다른 매질로 에너지가 최대로 전달되기 위해서는 두 매질의 임피던스는 가능한 동일해야 한다. 제너레이터에서 발생한 초음파가 조직을 통과하고다른 형태의 조직을 통과하는 경우에는 분명히 앞서말한 내용이 충족 될 수 가 없다. 타입을 통하는 경우, 이는 실제로 얻어질 수 없다.

이러한 차이를 최소화하기 위해, 접합 매질을 사용해야 한다. 만약 트랜스듀서와 피부사이에 작은 공기 간극이 존재한다면, 반사될 초음파는 99.998%에 달하며, 이는 전혀 효과적인전달이 되지 못함을 뜻한다.

이러한 맥락에서 사용되는 접합매질은 물, 다양한 기름, 크림 및 젤을 포함한다. 이상적으로, 접합매질은 모든 존재하는 공간을 차지하기 위해 유체이어야 하고 제자리에 머무르기 위해 상당한점성을 가진 접합매질에 닿는 매질에 적합한 임피던스를 가져서 초음파의 흡수, 감쇄나 교란이최소가 되면서 전달이 되어야 한다.

현재로서는 젤 기반의 매질이 오일 및 크림 보다 선호되는 것 같다. 물은 좋은 매질이고, 대안으로 사용될 수 있지만, 점성의 측면에서 상기 기준에 부합하지 못한다. 통상적인 임상적 사용에젤 간의 실제적(임상적) 차이는 없다(Poltawski and Watson 2007). 젤에 활성 약제(예, 항염증제)의 추가가 널리 시행되고 있지만, 아직 연구는 불완전한 상태이다. 우리는 최근에 이것의 사용을 더욱 심층적으로 평가하고 있는 중이다.

임상적 측면에서, 초음파 치료는 환자들 간의 미생물체의 잠재적인 전파를 최소화하기 위해 치료중 크리넥스 화장지로 단지 닦는 것이 아닌, 알코올을 묻힌 탈지면으로 소독되어야 한다.

임상적 측면에서, 초음파 치료는 환자들 간의 미생물체의 잠재적인 전파를 최소화하기 위해 치료중 크리넥스 화장지로 단지 닦는 것이 아닌, 알코올을 묻힌 탈지면으로 소독되어야 한다. 임피던스 차이에 의해 경계에서 발생하는 반사와 더불어, 파(wave)가 90°로 경계면에 닿지 않는다면 일부 굴절(refraction)이 된다. 궁극적으로, 이차 매질을 통하여 초음파 빔의 방향은 원래 매질을 통과하는 경로와 같지 않게 되고- 경로는 비스듬히 꺾어진다. 피부 경계선에서 초음파의임계 각도는 약 15°이다. 만약 치료 헤드가 피부 표면의 평면에 15° 이상의 각도에 있다면, 초음파 빔의 대부분은 예상한 대로 조직을 투과하는 것 보다 피부 표면과 평행하게 피부 조직을 통과하게 된다.

초음파 흡수 및 감쇠 (Ultrasound Absorption and Attenuation)

초음파 에너지의 흡수는 지수 패턴을 따른다. 즉, 더 많은 에너지가 심부 조직에서 보다 표층 조직에서 흡수된다. 에너지가 효과적이어야 하면 흡수가 되어야 하고 특정한 효과를 얻기 위해 적용된 초음파 량과 관련하여 이 사항이 고려되어야 한다. (ter Haar 1999, Watson 2008,Watson and Young 2008).

흡수(침투)는 지수 함수적이기 때문에, (이론상) 모든 에너지가 흡수되는 지점은 존재하지 않지만,초음파 에너지가 치료 효과를 내기에 충분하지 않는 지점은 확실히 존재한다. 초음파 빔이 조직내로 침투함에 따라, 에너지의 많은 부분이 흡수될 것이고, 그러므로 치료적 효과를 얻기에는 이용 가능한 에너지가 보다 작아진다. 반감 깊이(half value depth)가 초음파에 관련하여 종종 인용되며, 이는 표면 에너지의 반이 이용 가능한 조직의 깊이를 나타낸다.

이는 각 조직마다 다르고, 다른 초음파 주파수에 따라서도 다르다. 아래 표는 치료용 초음파에 대한 전형적인(또는 평균적인) 반감 깊이를 제시한다(after Hoogland 1995).

	1MHz	3MHz
근육	9.0mm	3.0mm
지방	50.0mm	16.5mm
건	6.2mm	2.0mm

만약 개별 환자에서 이러한 각 층의 두께를 알 수 있다면 평균 반감 깊이는 각 주파수에 대해적용된다. 이들 값(after Low & Reed)은 보편적으로 수용되지 않으며(Ward 1986 참조), 일부 연구(아직공개되지 않음)는 임상 환경에서 이는 유의하게 더 낮아질 수 있다고 주장한다.

길이(cm)	1MHz	3MHz
2	50%
4	50%	50%
6
8		25%

깊이에 있어서 특정 초음파 강도를 얻기 위해, 좀 더 표층의 조직에 의해 흡수되는 에너지 비율의 고려되어야 한다. 표는 흔하게 사용되는 두 주파수에서 전형적인 조직의 에너지 준위의 감소근사치를 나타낸다.

초음파의 침투(혹은 전파)가 각 조직 타입에 동일하지 않기 때문에, 일부 조직이 다른 조직 보다 초음파를 더 많이 흡수할 가능성이 있는 점은 확실하다.

일반적으로, 높은 단백질 함량을 갖는 조직은 초음파를 더 많은 양으로 흡수할 것이며, 그러므로 높은 수분 함량과 낮은 단백질 함량을 갖는 조직은 초음파 에너지를 거의 흡수하지 못하게 되고(예, 혈액 및 지방), 반면 낮은 수분 함량과 높은 단백질 함량을 갖은 조직은 좀 더 효율적으로 초음파를 흡수할 것이다.

조직은 그들의 상재적 조직 흡수에 따라 순위 매겨질 수 있고, 임상적 의사 결정의 측면에서 이는 중요하다. (Watson 2008) 비록 연골과 골은 본 척도의 상위 말단에 있지만, 파(wave) 반사와 관련된 문제는 이들 조직의 표면을 때리는 초음파 에너지의 대부분이 반사될 수 있다는 점을 의미한다.

임상 실습의 측면에서 최고로 흡수하는 조직은 높은 콜라겐 함량을 가진 조직이다-인대, 건, 근막, 관절낭, 반흔조직(Watson 2000, 2008, Watson & Young 2008, ter Haar 1999, Nussbaum 1998, Frizzel & Dunn 1982)

낮은 에너지 흡수능의 조직으로의 치료용 초음파의 적용이 좀더 고도로 흡수하는 물질 내로의 에너지 적용 보다 효과적일 가능성은 더 적다.

이러한 중재의 비효율성의 최근의 증거들은 Wilkin et al(2004)와 Markert et al(2005)에서 찾아볼 수 있으며, 반면 더 잘 흡수하는 조직에서의 적용이 기대한 대로 더 효과적인 중재로 이어질 것이다.

(예, Sparrow et al 2005, Leung et al 2004) 초음파의 생리학적 효과는 맥동단파(pulsed shortwave)와 레이저 치료와 거의 일치한다- 그러나 주요한 차이는 옆의 다이어그램에서 요약된 대로 초음파 에너지는 다른 양식(장치)와 다른 조직에서 우선적으로 흡수된다는 점이다.

펄스 초음파(맥동 초음파, Pulsed Ultrasound)

많은 임상의들에게 펄스 초음파 출력 기능을 제공하는 대부분의 기계들에 있어서 이는 선호하는치료 모드이다. 변화시킬 수 있는 미작동(OFF) 기간으로 펄스 지속기간(기계에서 작동하는 기간)은 최근까지 거의 2ms(2/1000 s)이다. 현재 일부 기계는 비록 임상적 의의가 있는지 없지는 결정되어야 하지만, 다양한 작동(ON) 시간을 제공한다.

비록 다른 비율도 이용 가능하지만, 전형적인 펄스 비율은 1:1 및 1:4이다(조사량(irradiation dose) 계산 참조). 1:1 모드에서 기계는 2ms작동 후 2ms 정지한다. 1:4 모드에서는 2ms 작동 출력 후 8ms 정지 기간이 뒤따른다. 옆의 다이어그램은 펄스 비율 변화의 영향을 설명한다.

펄스 초음파의 효과는 잘 문헌화 되어 있으며, 이러한 출력타입은 보다 급성 병변의 치료에서 특히 선호된다. 일부 기계는 문헌에서 주장하는 것 같지 않은 펄스 패러미터를 제공한다(예, 1:9,1:20). 어떤 제조사는 비율 보다 퍼센트의 측면에서 펄스를 기술한다(1:1=50%, 1:4=20% 등).

OFF 대비 ON 시간의 비율은 조사량(irradiation dose) 계산에서 관련된 요소이고 보다 상세한사항은 조사량(irradiation dose) 계산 보완 자료에 포함되어 있다.

펄스 주파수(Pulse Frequency)

많은 치료사들이 혼돈하고 있는 한가지는 일부 초음파 기계에서 제공되는 '주파수' 기능이다. 펄스 비율(사용율)은 흔히 1:4(20%)이지만, 펄스 주파수를 변경하는 옵션이 있다(즉, 초당 전달되는초음파 펄스). 이는 펄스의 지속기간(DURATION)을 조정하면 가능하다. 전형적으로, 지속기간은2ms이어서 1:4 비율로 작동(on)되며, 기계는 2ms 동안 ON되고 8ms동안 OFF된다.

한 '사이클'(ON: OFF)을 완성하는데 10ms가 소요되며, 그러므로 100사이클이 초당 완성되며, 기계는100Hz로 초음파를 전달하게 된다. 만약 펄스 지속기간이 2ms에서 4ms로 증가된다면, 1:4 비율에서, 기계는 4ms 동안 ON이 되고, 그 뒤 16ms 동안 OFF될 것이고, 한 사이클에 20ms가 소요되므로 초 당 50 사이클이 되고 기계 내 세팅은 50Hz의 초음파 펄스가 될 것이다.

하나의 작동 모드가 다른 것에 대해서 어떤 임상적인 장점을 갖는다는 것을 주장할 수 증거는 없다. 2ms펄스 시간은 '정상'이며, 대부분의 기계에서(이는 초당 초음파 에너지의 100 펄스가 전달될 것임을 효과적으로 의미하는) 설정되어 있다.