2, 초음파 뇌혈류 검사(Transcranial Doppler)
이 단원에서는 초음파 뇌혈류 검사기의 구조, 역사, 장.단점 등에 대해서 설명하였다.
A, 구조
초음파 뇌혈류 검사기는 '발신 장치', '수신 장치', '영상 장치'로 구성되어 있다
1, 발신 장치
(가) 압전자
전류를 초음파로 또는 초음파를 전류로 변환시키는 장치를 '압전자(piezoelectric element)' 또는 '진동자'라고 한다. 이것은 초음파를 발신하는 기능 뿐 아니라 수신하는 기능도 갖고 있으며 '탐색자(probe, transducer)' 안에 내장되어 있다. 압전자는 초창기에는 '수정'이라는 광물질로 만들어지다가 최근에는 '세라믹' 소재로 바뀌었다. 가격이 비싸고 깨지지 쉬우므로 바닥에 떨어뜨리지 않도록 주의해야 한다. 탐색자 케이블은 꼬이거나 구부러지면 감도가 떨어지거나 손상될 수 있으므로, 케이블을 검사자의 목에 걸고 검사하는 것이 좋다. 케이블 손상시에는 탐색자 전체를 교체해야 한다. 장시간 연속적으로 사용하면 압전자에서 열이 발생하여 압전자가 손상될 수 있는데, 최근에는 대부분 열이 발생하지 않게 만들어져 있다.
(나) 탐색자의 특성
대부분의 초음파 뇌혈류 검사기에는 2 MHz 펄스파 방식 탐색자와 4 MHz 연속파 방식 탐색자가 장착되어 있다.
(1) 2 Mhz 펄스파 탐색자
두개골 안에 있는 '윌리스 환' 주위의 혈관을 검사하거나, 두개외 내경동맥에서 '대뇌반구 지수(HI)'를 구할 때 사용된다. 펄스파 방식이므로 깊이를 조절할 수 있는데 보통 45-150mm 범위이다. 정확한 혈류신호를 포착하기 위해서는 최소한 10 msec 동안은 탐색자를 움직이면 안된다. 펄스파 법에는 'Nyquist limit'가 있다는 것이 단점이다. 초음파 뇌혈류 검사기의 혈류속도의 측정한계는 보통 300 cm/sec 이하인데, 이보다 혈류속도가 높으면 그래프의 상단이 잘려나가서 기준선 아래에 나타나게 된다. 이것을 '위신호(僞信號; alliasing) 현상' 또는 '둘러겹침 현상'이라고 하며, 해결방법은 기저선을 낮추거나, 속도의 척도(scale)를 증키거나, 초음파 입사각을 크게 하거나, 연속파 도플러를 사용하면 된다.
2 MHz 탐색자는 뼈를 통과할 수 있을 정도의 강한 음파 에너지를 발신하므로, '머리뼈절제술(craniectomy site) 부위', 안와창, '두개외 경동맥' 등과 같이 두개골을 통과하지 않고 검사할 때는 출력(power)을 17 W/cm² 이하로 낮추어야 한다. 그렇지 않으면 뇌조직이나 안구에 열이 발생할 수 있다.
사진 2-1, 위신호 현상
사진 2-2, 위신호 현상을 해결하기 위해 속도의 척도(scale)를 증가시켰다.
(2) 4 Mhz 연속파 탐색자
두개골 바깥에 있는 총경동맥, 두개외 내경동맥, 외경동맥을 검사할 때 사용된다. 연속파 방식이므로 측정 깊이를 조절할 수 없다.
(3) 초음파 입사각(insonation angle)
혈류속도는 초음파 입사각이 0 도일 때 가장 정확하게 측정되지만, 실제로 이렇게 되는 경우는 거의 없다. 입사긱이 30 도일 때는 실제속도와 15 % 의 차이가 나고, 입사각이 60 도 까지는 임상적으로 의미있는 값을 얻을 수 있다. 중대뇌동맥의 근위부(M1)는 입사각이 작아서 실제 속도와 비슷하게 측정이 되지만, 중대뇌동맥의 원위부(M2)부분은 입사각이 크므로 실제보다 느리게 측정된다. 두개내 내경동맥(사이폰; siphon), 후대뇌동맥, 추골동맥은 U 모양의 경로이므로 입사각의 변화가 심하다.
사진 2-3-1 중대뇌동맥 원위부(M2)의 입사각이 크다 .
사진 2-3-2 중대뇌동맥 원위부(M2)의 입사각이 크다 .
사진 2-4 사이폰의 경로가 U 모양이므로 혈류방향이 입사각에 따라 다르다.
사진 2-5 후대뇌동맥의 경로가 U 모양이므로 혈류방향이 입사각에 따라 다르다. .
사진 2-6 추골동맥의 경로가 U 모양이므로 혈류방향이 입사각에 따라 다르다.
(다) 발신출력
출력의 단위는 dB을 사용한다. 발신출력을 높이려면 '표본용적(標本容積;sample volume)'을 높여야 하는데, 초음파 뇌혈류 검사기에서 '방출폭(放出幅; burst width)'과, '펄스 반복 주파수(Pulse Repetition Frequency;PRF)'을 높이면 된다. 펄스 반복 주파수는 혈류속도의 척도(scale)를 증가시키면 높아진다. 출력을 높이면 발신 신호가 강하게 되어 수신 영상이 뚜렷해진다.
2, 수신 장치
수신장치는 탐촉자의 수신부로 들어온 신호를 증폭하고 잡음을 없애주는 역할을 한다. 초음파 뇌혈류 검사기에 '이득(gain)'을 조절하는 스위치가 장착되어 있다.
3, 화면 표시 장치
도플러 신호를 화면에 표시하는 장치는 Stern과 Barnes 가 1979년에 개발한 Fast Fourier Transform(FFT)방식에 의하여 분석되어 화면에 표시되는데, 이것을 '스펙트럼 방식' 또는 '도플러 방식'이라고 한다. 여기에서 가로축은 시간, 세로축은 속도, pixel의 색깔은 신호의 강도가 된다.
사진 2-7, 초음파 뇌혈류 검사기의 첫 화면(모델명; FD-T98). 노란 화살표가 가리키는 곳들을 클릭하여 값을 조절할 수 있다.
B, 초음파 뇌혈류 검사의 역사
초음파가 두개골을 통과하기 위해서는 평균 135 mW/cm² , 최대 300 mW/cm² 의 출력이 필요하다. 일반적인 사용되는 의료 초음파 기기의 출력은 50 mW/cm² 이하이다.
초음파 뇌혈류 검사의 시초는 1974년에 Spencer가 5 MHz 연속파 모드의 탐촉자로 두개외 경동맥'과 '기저동맥'을 검사한 것으로 알려져 있다. 이 때의 기술로는 초음파가 두개골을 통과할 수 없었으므로 '큰 후두구멍( foramen magnum)'을 통하여 기저동맥을 검사할 수 있었다. 경두개 뇌혈류 검사는 1982년에 노르웨이의 Aaslid 등이 고출력 저주파인 2 MHz 펄스파 모드 탐촉자로 측두창을 통하여 뇌혈관을 관찰한 것이 시초로 알려져 있다. 초기에는 혈관연축(spasm)의 진단이나 '경동맥 내막 절제술(carotid endarterectomy)의 모니터링에 사용되다가, 뇌혈관 질환, 색전, 실신, 뇌사, 편두통 등으로 사용영역이 넓어졌다. 우리나라에서는 1989년부터 '혈관연축'이나 '뇌사'의 진단에 사용되기 시작하였으며 1990년에는 transcranial color duplex sonography(TCCD)가 소개되었고, 2000년에는 Power M-mode TCD (PMD)가 소개되면서 계속 발전하고 있다.
C, 초음파 뇌혈류 검사의 장.단점
'초음파 뇌혈류 검사'는 비침습적이고, 방사선에 노출되지 않고, 조영제를 사용하지 않고, 비용이 저렴하고, 이동하기 쉬우며, 반복적으로 검사하기가 쉽다. 혈류의 방향, 측부순환, 협착의 변화, 에 대한 정보를 알 수 있다. 그러나, 뇌혈관을 전체적으로 볼 수 없기 때문에 판독하기가 어렵고, 내경 감소가 50 % 이하인 협착은 진단하기 어려우며, 검사자의 숙련도에 따라 차이가 많이 나고, 측두골이 두꺼운 사람에게는 검사가 불가능할 때가 있다.
뇌혈관을 검사하는 '뇌 자기공명혈관조영술'과 '뇌혈관조영술'의 단점은 다음과 같다. '뇌 자기공명혈관조영술'은 비침습적이고, 방사선에 노출되지 않고, 혈관을 실제 모양대로 재현하여 보여 주므로 판독하기가 쉽다. 그러나, 촬영하는 시간이 많이 걸리고, 피검자가 조금이라도 움직이면 상이 제대로 나오지 않고, 혈류방향을 알 수 없다. 또한, 협착이 과장되어 보이고, 혈류속도가 아주 느린 부위는 폐색된 것처럼 보이므로, 내 경동맥의 근위부 폐색이 있을 때 원위부의 상당부분이 보이지 않게 되어 실제로 어디까지 막혔는지 알 수 없으며, 경동맥의 사이폰(siphon)부위는 굴곡이 많아서 잘 보이지 않고, 전 대뇌동맥의 A1 부분, 추골 동맥, 후대뇌동맥 등과 같은 직경이 작은 혈관은 혈류가 충분히 있는데도 보이지 않을 때가 있다. 또한, 몸속에 금속이 있을 때에는 허상(artifact)이 많이 생기며, 자기장의 영향을 받는 금속이 있으면 체내에서 움직여서 장기의 손상을 유발할 수 있다. '뇌혈관 조영술'은 작은 혈관도 볼 수 있고 측부순환도 관찰할 수 있으므로 혈관의 상태를 가장 정확하게 알 수 있는 검사이다. 그러나, 침습적이어서 뇌경색이나 출혈 등의 위험과 방사선에 노출되는 단점이 있다. 또한, 조영제를 높은 압력으로 주입할 때 혈류가 바뀔 수 있으므로 혈류가 실제와 다를 수 있다.
사진 2-8 초음파 뇌혈류 검사는 그림과 같이 뇌혈관의 일부분만 측정하므로, 전체적으로 볼 수 없는 단점이 있다.