초음파는 인간의 귀로 들을 수 있는 주파수 범위인 약 20Hz에서 20,000Hz를 초과하는 소리를 말합니다. 이는 사람의 귀로 들을 수 없는 소리이며, 그럼에도 불구하고 우리 생활속에서 초음파를 사용하는 진단 장비를 자주 볼 수 있습니다. 이 기술이 도대체 어떠한 신뢰성을 바탕으로 진단 장비에 활용이 되고 있는지 간략하게 이 글에서 알아보도록 하겠습니다.
초음파란 무엇인가?
초음파는 사람의 귀로 들을 수 있는 소리보다 진동수가 높은 소리를 의미합니다. 사람이 들을 수 있는 소리의 주파수 범위는 대략 20Hz에서 20,000Hz (20kHz)입니다. 이 범위를 초과하는 주파수를 가진 소리를 ‘초음파’라고 부릅니다. 초음파가 발생하기 위해서는 주위의 공기 분자들을 (공기중에서 사용하는 경우) 아주 빠르게 진동 시켜야 합니다. 진동을 유발 시키기 위해서는 진동을 유발하는 물체인 진동자(Oscillator)가 필요한데 진동자로 사용하는 물질은 주로 전왜현상과 자왜현상을 나타내는 물질입니다. 어려운 용어인 전왜현상과 자왜현상에 대해서 이 글에선 다루지 않기로 하겠습니다.
고주파의 진동수를 사용하는 초음파는 소리의 주파수가 높기 때문에 짧은 거리를 빠르게 이동하며, 초음파의 반사되는 현상을 사용하여 이런 특성을 이용하여 의료, 산업, 과학 분야에서 다양하게 활용됩니다. 예를 들어, 의료 분야에서는 초음파를 이용한 진단 기술 검사가 널리 사용됩니다. 이 검사는 인체 내부를 안전하게 살펴보는 데 사용되며, 특히 임산부의 배 속 아기의 상태를 확인하는 데 흔히 쓰입니다.
산업 분야에서는 초음파를 이용하여 금속이나 다른 재료의 두께를 측정하거나, 재료 내부에 결함이 있는지를 찾는 데 사용됩니다. 또한, 물체의 거리를 측정하는 거리 측정기나, 물속의 물체를 탐지하는 탐지기 등에도 활용됩니다. 이처럼 초음파는 주파수가 높아서 짧은 거리를 빠르게 이동할 수 있는 특성을 가지고 있으며, 이 특성을 이용하여 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.
초음파 탐지기
초음파를 측정하는 기술 중 하나로 ‘초음파 탐지기’가 있습니다. 초음파 탐지기는 우리가 자주 보는 초음파 검사나 주차 센서, 로봇 청소기 등 일상생활에서도 사용되는 기술입니다. 이 기술은 초음파가 물체에 부딪쳐서 돌아오는 시간을 측정하여 물체와의 거리를 알아내는 원리를 바탕으로 작동 합니다.
이해를 쉽게 돕기 위해, 초음파 탐지기를 ‘야구공을 던지고 받는 것’ 으로 비유해 볼 수 있습니다. 초음파를 발생시키는 것은 야구공을 던지는 것과 같습니다. 초음파 탐지기는 초음파를 발생 시키는 트랜스듀서라는 부품을 가지고 있습니다. 이 트랜스 듀서가 초음파를 발생 시키면, 그 초음파는 야구공처럼 공기를 통해 나아갑니다.
초음파가 물체에 부딪치는 것은 야구공이 벽에 부딪치는 것과 같습니다. 초음파는 앞에 있는 물체에 부딪쳐서 반사되어 돌아옵니다. 이는 야구공이 벽에 부딪쳐서 돌아오는 것과 같이 다시 받는 것은 야구공을 다시 잡는 것과 같습니다. 초음파 탐지기는 반사된 음파를 다시 트랜스듀서에서 받습니다. 이제, 음파가 발생되어 다시 받아질 때까지 걸린 시간을 측정합니다. 이것은 야구공을 던져서 다시 잡을 때까지 걸린 시간을 측정하는 것과 같습니다. 이 시간이 물체와의 거리를 알려줍니다. 왜냐하면, 초음파는 일정한 속도로 움직이기 때문에, 이동하는 데 걸린 시간을 알면 그 거리를 계산할 수 있기 때문입니다.
이런 원리를 이용하여, 초음파 탐지기는 물체와의 거리를 측정하거나, 물체의 크기와 모양을 파악하거나, 심지어는 인체 내부의 상황을 살펴보는 데 사용됩니다. 이 기술은 의학, 산업, 로봇 공학 등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.
초음파 진단장비의 원리 및 응용분야
초음파영상의 기본원리는 박쥐나 돌고래가 앞에 놓인 물체를 탐지하는 원리와 같습니다. 이는 앞서 설명했던 것과 마찬가지로 초음파를 발사한 후에 장애물을 맞고 반사되어 오는 초음파를 감지하여 물체와 떨어진 거리를 관측하는 것입니다.
처음파 영상장비에서의 진동자(트랜스듀서)에 의해 짧은 초음파 펄스가 인체 내부로 발사됩니다. 이 펄스가 조직경계면을 만나게 되면 초음파 일부가 반사되는데 이 반사되는 초음파 중에 후방반사(Back scattered) 되는 것이 진동자에 다시 돌아오면서 감지되게 됩니다. 이러한 신호들을 여러 차례 반복해서 수집하게 되면 전체적인 조직 경계의 모습을 파악할 수 있고 이로 인해 영상을 확인 할 수 있습니다. 실제로는 여러 차례 반복하는 것이 아닌 여러개의 초음파를 동시에 발사하여 받아 들이게 됩니다.
인체 내에서의 초음파의 속도는 1540m/s 정도 됩니다. 인체 내부로 전파되면서 각 조직에 흡수 되면서 그 세기 또한 줄어 들게 됩니다. 이런 진단장비는 우리가 잘 알고 있는 복부 초음파에서 부터 뇌동맥, 동맥경화, 유방, 갑상선, 안과질환, 피의 속도 측정 등을 측정하는데 사용되고 있습니다. 각각의 영역에서 필요로 하는 진동수는 대개 2.5에서 12MHZ 사이에 진동수를 사용하게 됩니다. 너무 높은 진동수를 사용하게 되면 인체 내부로 초음파가 침투가 어렵기 때문에 각각의 침투 깊이에 맞는 진동수를 사용하여, 작업을 해야 합니다.