진동하는 모든 물체는 소리(음파)를 발생시키는데 소리의 높낮이는 물체가 진동하는 회수(주파수)에 의해 결정되며 넓은 소리의 범위 가운데 사람이 들을 수 있는 범위는 제한되어 있다.

  소리는 그 주파수에 따라 구분되는데 사람이 들을 수 있는 범위는 1초에 20번 진동하는 소리에서부터 20,000번 진동하는 소리까지이고(20Hz~20,000Hz) 이를 가청 주파수라 한다. 초음파도 일종의 소리이고 사람이 들을 수 있는 주파수 범위 이상의 진동수를 갖는 소리로 정의된다. 보통 20,000Hz~30MHz 까지를 초음파라 한다. 이 중 인체 진단에 이용되는 소리인 진단용 초음파는 보통 1MHz~20MHz까지를 의미한다. 그리고 초음파 영상 진단기에 상용화된 초음파는 2MHz~10MHz이나 소의 육질진단에 이용되는 것은 2MHz~3.5MHz Probe)이다. 이렇게 높은 주파수를 가지면서도 그 세기가 약하기 때문에 인체에는 무해하다. 비파괴 검사나 초음파 쇄석기 등에 이용되는 초음파는 주파수가 낮은 반면 그 세기가 강하게 만들어 사용한다.

그림 1. 주파수의 성질

  소리의 속도는 소리를 전달하는 물질의 특성에 의해 결정되는데 물체의 딱딱한 정도에 비례하는데 모든 초음파 진단기는 기본적으로 생체 내부의 속도를 1,540m/sec라 가정하고 제작된다. 하지만 지방(fat)에서의 속도는 1,450m/sec로 가정한 속도와 차이가 있으므로 장기 내부가 잘 보이지 않거나 보여도 오차를 갖게 되는 원인이 되기도 한다(표 1). 초음파 영상 진단기는 인체에 초음파를 발사한 후 인체에서 돌아오는 반사파를 검출하여 적절한 신호처리를 해서 화면에 보여주는 장치이다.

  초음파가 물체를 통과해서 전달되기 어려운 정도를 나타내는 척도로 전기저항

(impedance)을 사용하는데 이 전기저항은 생체 조직마다 서로 다른 값을 갖는다. 전기저항이 서로 다른 장기나 조직이 만나는 경계면이 생기고 이 경계면에서 반사나 굴절 등이 발생한다. 산란은 장기의 내부에서 산란체 역할을 하는 실질에 의해 발생하고 반사는 초음파가 생체 내부에서 장기와 장기 또는 서로 성질이 다른 조직의 경계면에 직각으로 부딪혔을 때 직각으로 되돌아오는 것을 말하며 두 조직 또는 두 장기 사이의 전기저항 차가 클수록 반사되는 양이 많아진다.

  뼈를 통해 초음파가 침투하지 못하는 가장 큰 이유는 조직과 뼈 사이에서 대부분 반사되기 때문이다. 경계면에 초음파가 직각이 아닌 다를 각으로 입사 되면 일부는 입사각과 같은 각으로 반사되어 나가고 일부는 투과되는데 이때 투과되는 음파가 일직선상에서 벗어나 휘어지는 현상을 굴절이라 한다. 주파수가 높을수록 감쇠량이 많아지며 이 때문에 고주파 탐촉자를 이용하는 경우 깊은 곳까지 초음파의 투과가 이루어지지 않는다.

표 1. 매질별 초음파의 성질

  탐촉자는 초음파 진단기에서 가장 중요한 부분인데 수정, 전기석, 세라믹 등 압전 효과를 갖는 소자로서 표면에 직각으로 힘을 가하면 전기가 발생하고 반대로 전기 신호가 가해지면 진동하는 성질을 가진 소자를 말한다. 초음파를 발생시키기 위해 변환기를 이용한다. 초음파 진단기는 변환기에 전기 신호를 가해 초음파를 발생시키고, 인체에서 돌아오는 반사파에 따라 변환기에서 발생되는 전기 신호를 검출한 후 이 전기 신호의 세기에 따라 화면의 해당 위치에 밝기로 영상을 표시한다.

  육질 판정용에 주로 사용되는 것은 선형 탐촉자인데 압전소자를 직선으로 배열해 둔 형태로써 화면에 표시되는 영상은 직사각형으로 탐촉자의 길이에 비례하는 크기를 가진다. 초음파가 탐촉자의 표면에서 직선으로 발사되기 때문에 영상을 얻고자 하는 부위에 공기나 뼈 등의 장애물이 없어야 좋은 영상을 얻을 수 있다.

  가축에 초음파를 진단하기에 앞서 초음파 성질에 대해서 간략하게 설명하면 위쪽은 수조 밑에 고무공을 고정하고 각각에 공기, 물, 오일과 물을 채워놓고 초음파를 측정한 그림이고 아래쪽은 이때 나타난 각각의 초음파 영상이다.

                  A                   B                  C

그림 2. 고무공에 의한 초음파 영상(HARADA, 1996)

  모든 고무공의 윗부분의 윤곽, 즉 물과 고무공의 위쪽 경계면에서의 반사파가 탐촉자에서 깊이에 대응하여 반사파가 강하게 곡선 형태로 확인된다. 그러나 공기가 들어있는 고무공에 대해서는 아래 부분의 윤곽은 확인할 수 없으나(A) 물이 들어있는 고무공에 대해서는 동전 같은 원을 얻을 수 있고(B) 한편 오일과 물 2층으로 된 고무공에서는 그 경계면이 뚜렷하게 나타난다(C). 위 사항을 살펴보면 중요한 것을 확인할 수 있는데 초음파는 성질이 다른 2개의 매질 경계면에서 반사하고 그 반사파가 영상에서 하얗게 나타나고 있으며 하얗게 비추어진 것이 고무, 기름 또는 물이라는 것까지는 나타나 있지 않으나 측정자가 반사되어 나오는 부분의 내부구조를 어느 정도 이해하고 있어야 한다. 따라서 같은 매질에서는 반사가 일어나지 않아 영상에서 검게 나타남을 알 수 있다. 또한 초음파는 액체 혹은 고체에서는 전파가 진행되지만 공기에서는 전파하지 않는다는 것을 알 수 있다. 또한 고무공의 양쪽 측면과 같이 반사파가 되돌아오기 힘든 면의 윤곽은 흐리하게 나타나므로 경우에 따라서는 영상을 얻을 수 없는 경우도 있다.

<출처> 농촌진흥청 국립축산과학원 김형철연구사 033-330-0656 khc3365@lorea.kr