2008년 10월 07일
초음파 현미경 (Acoustic Microscope)
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초음파 현미경 (Acoustic Microscope)
개념
현재까지 광학 현미경과 전자 현미경은 다른 여러 분야뿐만 아니라 의학 분야에서도 중요한 역할을 담당해왔다. 최근에는 초음파 현미경(Acoustic Microscope)의 개념이 진단의학에 응용되고 있으며, 국외에서는 많은 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다. 예를 들면, 그림 1은 알츠하이머병을 가진 인간의 뇌에 주파수 600 MHz의 초음파를 이용하는 초음파 주사 현미경 (SAM; Scanning Acoustic Microscope)을 이용하여 얻은 음향영상으로서, 이는 진단의학 분야에서 하나의 중요한 응용가능성을 보여주고 있다. 이와 같이 초음파를 이용하는 초음파 현미경은 가장 최신의 광학 현미경을 사용하더라도 시각화가 매우 어려운 생체조직의 즉각적인 영상화가 가능하다. 또한 질병의 진행상황을 조직의 탄성특성에 의한 음향영상화를 통하여 보다 쉽게 진단할 수 있다.
그림 1. 알츠하이머병을 가진 인간의 뇌에 600 MHz의 초음파 주사 현미경을 이용하여 얻은 음향영상.
원리
초기의 초음파 현미경은 투과식이다. 이것은 두 개의 초음파 렌즈를 사용하여 한 렌즈에서 음파를 발생시키고 시편을 통과한 탄성파를 다른 렌즈에서 수신하는 방식이다. 그러나 이 방식은 두 개의 렌즈를 정확히 마주보게 정렬시키기가 무척 까다롭고 시편의 두께가 제한된다는 단점이 있다. 그래서 요즈음에는 반사식 장치가 주로 사용되고 있다. 현재에도 사용되는 투과식 장치로는 레이저 초음파 현미경 (SLAM; Scanning Laser Acoustic Microscope)이 있는데, 이것은 초음파 수신 렌즈를 레이저로 대치한 것이다.
초음파 현미경 장치는 보통 네 가지 주요부분-초음파 현미경렌즈, 시편대, 전기적 장치, 컴퓨터-로 구성된다. 그림 2는 초음파 현미경렌즈의 개략적인 구조를 보여주고 있다. 신호발생기에서 생성된 고주파 파열음 또는 펄스 신호는 렌즈의 트랜스듀서에서 평면파로 변환된다. 이 평면파는 렌즈의 곡면에서 굴절되어 커플링 액체에서 초점을 향하여 집속된다. 이 전파경로에 놓인 시편으로부터 반사된 음파는 다시 렌즈를 거쳐 트랜스듀서로 돌아간다. 이때 컴퓨터는 측정장치를 조정하는 한편 돌아온 신호를 저장하고 영상표현이나 신호 분석에 이용된다.
그림 2. 피부조직 진단을 위한 초음파 현미경렌즈의 개략도.
영상을 얻기 위한 초음파 주사 현미경에 사용되는 렌즈는 곡면이 구형으로 되어 한 점을 향해 음파가 모이는 점 집속 렌즈이다. 시편에서 투과와 반사를 하여 돌아오는 음파 신호의 크기와 전파시간으로부터 필요한 정보를 얻고, 가로방향의 주사를 하여 평면 영상을 얻는다. 영상의 해상도는 사용되는 신호의 중심주파수와 렌즈 개구수치(NA; numerical aperture)에 따라 결정되는데, 가령 200 MHz에서 약 5 μm 정도이다. 현재 사용되는 주파수 범위는 대략 10 MHz부터 2 GHz까지이다. 해상도를 향상시키기 위해 주파수를 증가시키면 탄성파의 투과 깊이가 제한되므로 활용대상에 따라 최적의 주파수를 선정한다.
역사
초음파를 현미경 기술에 활용해 보려는 아이디어는 1930년대에 러시아의 과학자 Sokolov에 의해 제기되었는데, 그 초음파 현미경은 가시광선의 주파수 대역에 해당하는 수 GHz의 주파수 대역에서 작동하는 것이었다. 그것은 가해지는 초음파의 에너지에 반응하여 압전 결정에서 발생되는 전류를 감지하는 원리를 이용하였다. 그 당시에는 실험장치들이 뒷받침되지 않아 여러 가지 이유에서 고주파수 대역에서는 작동이 어려웠으며, 저주파수 대역에서의 영상화에 주로 이용되었다.
그후 전자공학의 발달에 힘입어 충분한 해상도를 얻을 수 있는 실험장치들이 개발되면서 여러 사람들에 의하여 고주파수 대역에서의 초음파 현미경을 개발하기 위한 많은 노력이 1960년 이후에 실질적으로 구체화되었으며, 고주파 초음파 음파변환기의 개발 이후에야 가능할 수 있었다. 새롭게 개발된 이 장비들은 레이저 초음파 현미경으로 불리 우며, 현장에서 실시간 영상을 얻는 것이 가능하나 100 MHz 이하의 주파수 대역으로 제한된다.
1970년대 초에 미국스탠포드 대학교의 Quate교수와 당시 대학원생 Lemons에 의해서 최초로 영상용 초음파 주사 현미경이 개발되었다. 레이저 초음파 현미경과 비교하여 그 사용법이 어렵고 실시간 영상화가 불가능하였으나, 레이저를 필요로 하지 않을 뿐더러 수 GHz의 주파수 대역에까지 적용 가능한 장점을 가지고 있다. 1970년대 말에는 미국 Hughes연구소의 Weglein에 의해 초음파 현미경을 이용한 소재물성의 정량적 측정이 시작되었다. 이어서 1980년대 초에 일본의 동북대학교 구시비끼 교수팀에 의해 이방성 소재의 물성 측정을 가능케 한 방향성 초음파 현미경이 개발되었다.
응용 분야
현미경의 개발과정에 있어서, 광학 현미경이 최초로 개발되어 사용되었으며, 그 뒤를 이어 전자 현미경이 개발되어 현재까지 많은 발전이 있었다. 근래에 빛과 전자를 이용하는 광학 현미경 및 전자 현미경과 유사한 원리로서 초음파를 이용하는 초음파 현미경의 가능성이 제안되어 왔고 그 응용 분야가 점진적으로 확장되고 있다. 초음파 현미경은 비록 해상도에 있어서 광학 현미경에 비하여 그 해상도가 떨어지더라도 대상 물질의 음향특성이나 탄성특성을 이해할 수 있는 유일한 수단이다. 실제로 연 조직의 광학특성은 그 변화의 정도가 매우 미소하지만, 초음파 영상에 의한 탄성특성은 그 변화 정도가 100배 이상 변하는 특성을 가진다. 원리적으로 초음파 현미경은 기계적 또는 탄성적인 성질을 영상화함으로써 조직의 구조나 질병의 진행상황을 판단하는 데 중요한 도구가 된다.
레이저 초음파 현미경은 최초로 생의학 분야에서 적용되었다. 현재까지 그 적용 분야가 점차 확대되어 왔으며, 초음파 현미경이 광학 현미경보다 조직검사에 있어 우수한 효과가 입증되어 왔다. 일반적으로 광학 현미경은 단지 조직구조를 시각화하는 목적으로 사용되어 왔으며, 최종적인 영상을 얻기 위하여 많은 노력과 시간이 필요하다. 따라서 광학 현미경은 짧은 시간에 생체조직에서의 실시간 영상화는 불가능하다. 그에 비하여 초음파 현미경은 조직을 영상화하는데 쉽고 빠른 적용이 가능하므로 생체조직의 실시간 영상화가 수월하다. 광학영상과 음향영상이 원리에 있어서 많은 유사점을 가지고 있다하더라도 조직의 광학특성과 탄성특성의 차이점과 마찬가지로 서로 다른 많은 차이가 있다. 음향영상의 해석에 있어서 그 특성에 대한 명확한 이해가 아직 이루어지지 않고 있으며, 특히 생물학적 변화과정과 연관하여 그 음향특성에 대한 해석이 중요한 과제라 할 수 있다. 이러한 문제점과 짧은 역사에도 불구하고 초음파 현미경은 진단의학과 생물학적 연구에 있어서 그 역할이 증대되고 있으며, 인간복지에 있어서 음향학의 역할을 대변하고 있다.
세부응용 분야
탄성파는 고체 내부로 침투할 수 있는 특성이 있으므로, 초음파 현미경에 의한 영상은 시편의 표면뿐만 아니라 표면 아래의 구조까지도 보일 수 있다. 수신되는 신호에 시간차이를 적절히 적용하면 깊이에 따른 영상을 얻을 수도 있다. 따라서 내부결함의 크기 뿐 아니라 위치도 파악할 수 있다. 이외에도 섬유 복합재료에서 섬유와 기지 사이의 결합 상황을 관찰하거나, 반도체 회로에서 박막과 기판간의 결함을 조사하는 데에도 활용된다. 또한 영상의 명암은 시편 각 부분의 음향 임피던스 차이에 의해서 얻어지므로 투명한 시편일지라도 염색할 필요가 없고, 같은 색깔의 다른 요소가 구별되어 광학현미경으로 관찰하기 어려운 생물학적 시편들에도 활용될 수 있다.
초음파 현미경은 이미 의학에서 매우 중요한 역할을 담당하고 있다. 피부과학에서 이 기술은 피부조직을 진단하는 데 많이 이용되고 있으며, 그 목적은 생체검사를 하지 않고 병리학적 접근이 가능하도록 하는 것이다. 초음파 주사 현미경은 피부에 직접 이용되어 생체 기반에서 음향영상을 제공하는 것이다. 또한 초음파 현미경 기술은 매우 얇은 혈관에 초소형의 음파변환기를 투입하여 인체에 아무런 위험 없이 생체 내에서의 영상을 얻을 수 있다. 또한 절단된 상해부위의 진단, 상해부위나 종양의 위치 및 크기의 진단, 그리고 피부조직의 진단에 응용될 수 있다. 초음파 현미경의 사용 주파수 대역은 최초에 10 MHz - 30 MHz의 주파수를 가지는 초음파가 A 모드로 피부의 두께를 측정하는 데 이용되었다. 또한 B 모드로서 약 10 MHz의 초음파가 이용되었으나 그 해상도가 불충분하였다. 근래에는 15 MHz - 50 MHz의 주파수 대역을 가지는 초음파를 이용하기 위한 연구가 이루어지고 있으나 실용화는 이루어지지 않고 있다. 그림 3은 피부 종양의 음향영상을 보여 주는 한 예이다.
그림 3. 피부 종양의 음향영상.
초음파 현미경이 안과학에서 최초로 이용된 시기는 1950년대 말이다. 1970년대에 들어서 초음파 현미경에 주로 사용된 주파수 대역은 7 MHz이며, 1980년에는 10 MHz로 주파수가 높아짐에 따라 해상도 또한 향상되었다. 오늘날에는 15 MHz의 주파수 대역부터 80 MHz의 주파수 대역까지의 초음파가 사용되고 있다. A 모드로서는 두 가지의 중요한 응용분야가 있다. 첫째, 두께 측정으로서 각막 굴절수술이 행해지기 전에 각막의 두께 측정에 이용되며, 둘째, 안구의 구조와 크기를 측정하는 데 응용된다. B 모드의 영상화에 있어서는 안구의 상해부위 등의 진단에 응용된다.
# by | 2008/10/07 01:16 | Automation | 트랙백(1) | 덧글(0)
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제목 : 진짜.... 별개 다있네
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