투웨이 포커싱등 해상도 획기적 발전 기대
특정한 임상문제를 해결하고자 어떤 영상 진단장치를 선택할 것인가를 결정짓는 잣대로 해상도, 반응 속도, 사용의 용이성, 환자의 거부감, 그리고 안정성 등을 고려할 수있다.
초음파 진단장치는 복부 초음파에서 1mm보다 작은 공간 해상도를 제공하고 초당 15 프레임 이상의 실시간 영상 획득이 가능하여, 사용하기 편리하고 환자에게 거부감이 없으며 또한 환자 및 시술자 모두에게 안전하다는 다방면의 장점을 갖는다.
의료 진단장치가 갖추어야할 가장 중요한 전제요소는 환자 및 시술자에게 어떠한 해도가해져서는 안된다는 것이다.
특히 진단 대상이 임신중인 태아를 가정한다면 안정성 논란이 수십 년을 끌어온 것이 전혀 이상하지 않다.
초음파 진단장치에 대한 안정성 논란은 1988년 AIUM(American Institute of Ultrasound in Medicine)내의 생체 효과 위원회(Bioeffect committee)가 발표한 다음과 같은 결론에 의해 사실상 종결되었다.
초음파 진단장치의 잠재적인 유해성을 평가하는 가장 엄격한 방법은 무작위로 적용한 임상 결과를 근거로 하는 것이다.
지난 25년간의 광범위한 임상 적용에도 불구하고 초음파 진단장치에 노출된 환자 또는 시술자들에게서 어떠한 생물학적 유해성도 찾을 수 없었다.
1990년대 들어 초음파 진단기는 기술적으로 비약적인 발전을 거듭하였다.
그 중에서 가장 중요한 것은 해상도의 개선일 것이다.
MRI 또는 CT에 비해서 현저히 해상도가 떨어지는 초음파 진단기의 최대 단점을 극복하기 위한 기술적 발전이며, 이것은 디지털 빔포밍(Digital beamforming) 시스템과 하모닉 이미징(harmonic imaging) 기법에 의해 가능해졌다.
디지털 빔포밍은 기존의 아날로그 빔포밍(analog beamforming)에 비해서 영상의 모든 점에서 초음파 신호의 포커싱(focusing)을 하므로, 초음파 영상의 해상도를 획기적으로 진일보시킨 기술이다.
더불어 주파수가 높으면 높을수록 해상도가 좋아지는 초음파 신호의 특성을 이용하는 하모닉 이미징 기법은 디지털 빔포밍과는 달리 해상도뿐만 아니라 contrast까지 개선시킨 기법으로 90년대 후반부터 크게 각광받고 있다. 한편 80년대 후반부터 연구개발이 이루어진 삼차원 초음파 영상기법은 90년대 중반에 이르러 상용화에 성공한 경우이다.
기존의 2D 초음파 영상이 크로스 섹셔녈 이미지(cross-sectional image)를 제공하는 반면에, 삼차원 초음파 영상은 서피스 렌더링(surface rendering) 기법과 볼륨 렌더링(volume rendering) 기법을 이용하여 형태학적 연구가 가능하게 해주었다.
그리고 마지막으로 영상의 저장 및 이동을 용이하도록 하는 PACS 시스템은 전자공학 및 컴퓨터 산업의 급격한 발전에 힘입어 90년대에 널리 보급되어 활용되고 있다.
위에서 언급한 초음파 영상기술은 이제 21세기에 들어서면서 다음과 같이 여러 분야에서 매우 활발한 연구개발이 이루어질 것이다.
첫번째로는 해상도를 개선하기 위한 노력이 계속될 것이다. 그 대표적인 기법으로 투웨이 포커싱(2-way focusing)을 들 수 있다.
이것은 기존의 수신 시에만 하는 다이나믹 포커싱(dynamic focusing)을 송신과 수신에 대해 모두 다이나믹 포커싱을 할 수 있는 진보된 기법으로 포괄적으로는 synthetic aperture 기법 중 하나로 분류될 수 있다.
이 기술의 완성은 초음파 영상의 해상도를 또 한 단계 획기적으로 발전시킬 수 있는 계기가 될 것이다.
초음파 주파수를 높일수록 해상도는 좋아지지만 침투력이 나빠지게 된다. 이러한 한계를 극복할 수 있는 방법이 코디드 엑사이테이션(coded excitation 또는 pulse compression) 기법인데, 가까운 미래에 대중화가 이루어질 것이다.
90년대에 초음파 영상의 개선에 크게 한 몫을 한 하모닉 이미징 기법은 2000년대에 들어서도 연구개발이 이루어지고 있으며, 서브 하모닉 이미징(sub-harmonic imaging) 기법도 실현 가능성 측면에서 주목받고 있는 새로운 기법이다.
지금까지 언급한 해상도의 향상을 위한 시스템에서의 개선 이외에도 변환기의 개선을 통해서 초음파 영상의 개선은 가능하며, 또한 매우 중요하다.
이는 변환기의 성능이 초음파 영상의 질을 결정하는 가장 기본적인 입력장치이기 때문이다.
근래 연구되고 있는 변환기는 넓은 주파수 범위를 가지고 있어서, 앞으로는 한 개의 프로우브(probe)를 이용하여 복부와 작은 부위, 혈관 등을 모두 진단할 수 있는 시대가 될 것이다.
또한 elevation 방향으로의 해상도가 이차원 초음파 영상의 해상도에 미치는 영향을 무시할 수 없으므로, elevational focusing을 위한 1.5D 이상의 프로우브의 활용도도 더욱 높아질 것이며, 궁극적으로는 2D array probe를 사용한 임의의 점에서의 포커싱과 조종이 가능한 제품이 선보일 것이다.
21세기에 선보일 것으로 예상되는 두 번째는 connectivity에 관한 기술로서, 기존의 병원내에서의 PACS 시스템으로 한정지었던 connectivity는 이제 인터넷 시대를 맞이하여 웹에 기반을 둔 connectivity로 발전할 것이다.
즉, 웹에서의 초음파 영상의 업로드와 다운로드 같은 기본적인 기능을 이용한 원격진료가 가능하게 되며, 특히 가까운 장래에 모바일 인터넷을 이용하는 장비가 출시되어 전쟁터나 응급실 등에서 공간과 시간의 제한없이 진단이 가능하게 될 것이다.
지난 90년대에 획기적으로 발전한 삼차원 초음파 영상기술은 2000년에 들어서면서 실시간 3D 영상이 가능한 초음파 영상기술로 발전하였다. 이를 위해서는 막강한 계산 능력을 갖춘 CPU와 멀티 빔 리시빙(multi-beam receiving) 기능이 필수적이다.
단기적으로는 임상적으로 유용한 수준에서의 초당 4 볼륨 처리가 가능해질 것이며, 장기적으로는 현재 2D 영상을 획득하는 정도에서 실시간 삼차원 초음파 영상기술이 이루어 질 것이다.
네번째로는 전자 및 부품 공학의 발전과 더불어 초음파 진단기의 크기가 획기적으로 작아지고 있는 것을 지적할 수 있다.
특히 SOC 기술의 발전은 초음파 진단기기를 동일한 기능으로 노트북 PC 보다 더 소형화시킬 수 있게 해준다.
이와 같은 초음파 진단기의 소형화는 개인용SONO를 지향하여, 결국 포켓용 초음파는 제 2의 청진기와 같이 사용될 것이다.
또한 포켓용 초음파는 무선 인터넷 기능까지 갖추어서 앞서 언급한 connectivity의 발전과 같이할 수 있다.
한편, 1980년부터 활발히 연구된 조직 characterization 분야는 80년대 후반에 상품화에 실패하면서 급격히 퇴조되었으나, 90년대에 들어오면서 phase aberration correction 기법과 elastogram이 매우 활발히 연구가 진행되고 있다.
이중 elastogram은 초음파에 의해 가해진 조직의 경도를 측정하여 영상화하는 것으로, 특히 유방암의 조기 발견에 있어서는 기존의 2D 초음파 영상보다 탁월한 것으로 평가된다.
현재까지 발표된 논문에 의하면 elastogram은 유방암과와 전립선암, 신장이나 간의 손상 등에서 좋은 결과를 보여주고 있어 가까운 미래에 상품화가 가능할 것으로 기대된다.
현대인 식생활에 기인한 질병중에서 가장 보편적인 것 중의 하나는 동맥경화증일 것이다. 이를 초음파 기기로 조기 진단하기 위한 노력은 80~90년대부터 연구하여 왔고, 앞으로도 지속될 것이다.
이 여섯번째의 신기술은 IVUS(intravascular ultrasound·혈관내 초음파 진료법)라고 불리우며, 주로 20㎒부터 200㎒까지의 높은 주파수의 초음파를 사용하여 혈관의 cross-sectional 및 삼차원 영상을 제공할 것이다.
즉 고주파의 초음파 영상으로부터 혈관내에 있는 atherosclerotic plaque를 발견할 수 있다.
여태까지도 그랬지만 기술의 발전 방향과 상품화 사이에는 명확하게 필요충분조건이 성립되지 않는 것 같다. 기술의 발전은 산업계, 학계, 병원의 유기적인 협조하에서 만이 비로소 인류의 건강을 책임질 수 있는 의료기기로서 거듭날 수 있다고 믿는다.