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플리어스 초음파란?

PLIUS 초음파란?

Pulsed Low Intensity Ultra Sound 의 약자로서 비연속 저강도 초음파라고 할 수 있다.

일반적인 저강도 초음파는 비열효과를 이용하여 연부조직이나 연골 및 뼈 등에 전달하여 세포대사를 촉진시키는 치료에 활용하고 있다.

일반적인 저강도 초음파와 달리 PLIUS는 낮은 강도의 초음파에 주기적(10% ~ 50%)으로 비연속(Pulse)시켜 비열효과를 극대화하고 또 연골, 뼈 등에 저강도 초음파가 침투될 때 발생할 수 있는 경계면에서의 문제점을 해결하기위한 목적으로 사용된다. 근육과 뼈나 연골의 경계면에서는 초음파가 반사되며 이에 따라 정상파 형성에 의한 골막통, 초음파 진입방해 등이 발생할 수 있는 문제점을 해결하는데 비연속 저강도 초음파인 PLIUS를 사용해왔다.

당사에서 사용하는 PLIUS는 특별히 KAIST교수진에 의해 연골, 뼈의 세포대사 기능을 유지하면서도 염증/통증 치료를 극대화할 수 있는 기술을 개발한 데 그 의의가 있다고 할 수 있다.

KAIST의 원천기술인 당사만의 독특한 PLIUS 초음파는 그 조건이 까다로워서 구현하기가 쉽지 않은 것이 단점이라고 하겠다. 따라서 당사도 그 조건을 안정적으로 구현할 수 있는 기술을 개발하기위해 약 4-5년에 걸쳐 임상데이터도 축적하면서 동시 제어기술을 개발하기위해 많은 노력을 기울였다.

이러한 노력의 결과로 당시는 2012년 8월 KAIST의 원천기술인 PLIUS 초음파의 안정적 제어기술이 완성된 플리어스 초음파 관절의료기기를 출시하게 되었다.

✔ 일반 PLIUS 의 의료적 적용

PLIUS는 크게 연골치료, 골절치유 촉진, 영구치 재생 등에 적용되고 있으며 향후 적용범위가 많아 질것으로 보인다.

 

• 연골손상

퇴행성관절염 의 연골손상에 많이 활용되고 있다.

동물실험결과 저강도 초음파에 의해 활성화된 연골세포에서 골 혈성 관련 유전자의 발현보다 당 단백이나 제2형 교원질 등 연골 형성 유전자의 발현을 상승시켜 연골의 구조를 유지하고 있는 교원질망을 보호함으로써 연골의 파괴나 분해를 방지하는 효과가 있다고 보고되고 있다(MH Huang, HJ Ding,CY Chai, et al, Effects of sonication on articular cartilage in experimental osteoarthritis, J, Rheumatol, 24, 1978(1997).)

또한 저강도 초음파 자극이 분화된 연골과 골세포의 칼슘흡수를 증가 시킨다는 연구논문도 있다.(Ryaby, J.T.,Bachner, E.J., Bendo J.,et al., 1989, "Low intensity pulsed ultrasound increases Calcium incorporation in both Differentiating cartilage and bone cell cultures," Trans Orthop Res Soc, Vol. 14, pp, 15.)

국내 몇몇 연구진에 의해서도 저강도 초음파가 인체조직에 미치는 생물학적 작용과 치료적 효과와의 상관관계를 임상실험을 통해 세포증식과 유전자의 발현이 높게 나타나는걸 확인 하였다. 이는 저강도 초음파의 물리적 자극이 조골세포의 활성화에 영향을 줄 수 있다는 것을 의미하며 활성화된 조골세포가 연골세포의 재생에 영향을 끼쳐 관절치료에 효과적인 방법이 될 수 있음을 시사하고 있다.

• 골절상의 골유합 촉진

골절환자의 대부분이 4-8주면 골유합이 일어나지만 4-10% 정도가 Healing process 가 손상되어 지연유합, 불유합이 발생함으로서 고통을 겪게 된다.

골유합을 촉진하는데 PLUS가 유용하게 활용되고 있으며, PLIUS는 골아세포(골 형성세포)를 자극시켜 세포표면에 존재하는 인테그린이라는 기계수용체 효소가 활성화되어 골 치유에 필요한 단백질을 생성시켜 골절치유를 유도한다.

• 치아재생

캐나다에서 치아를 재생시키는 소형 PLUS 초음파 장치를 개발한 앨버타 대학의 태락 엘 비알리 (Tarak El-Bialy)교수는 초음파로 자극하여 치아성장을 촉진시킬 수 있고, 기타 많은 치과 질병에도 효과가 있다고 밝혔다.

초음파 이해

1. 초음파란?

초음파(ultrasonic)는 인간의 귀가 반응할 수 있는 것 이상의 주파수로서 이와 같은 비가청 영역의 음향 진동을 초음파 기술에서는 초음파(Utrasound)라고 부르고 있는데 JIS의 용어 사전에서는 “정상적인 청력을 가진 인간이 청감각을 느낄 수 없을 전도의 주파수(진동수)가 높은 음파(탄성파)" 라고 정의하고 있다.

간단히 설명을 하면 초음파란 음향 진동의 일종으로 우리가 북을 치거나 기타 등의 현을 튕겼을 때 음이 나는 것처럼 음은 무언가가 진동하는 것에 의해 발생하게 되는데, 이 때 진동이 느리면 낮은 소리가 빠르면 높은 소리가 난다.
이것에는 인간의 가청 범위의 상한을 넘는 20[kHz]부터 초음파 세정기 등에 많이 이용되는 30[KHz], 50[KHz], 100[KHz] 또 초음파거리게. 두께게 등에 사용되고 있는 100[KHz]. 1 [MHz], 20[MHz]로 그 범위는 대단히 넓다.

우리 귀에 들리는 소리는 한계가 있어서 아주 낮은 소리나 높은 소리는 들을 수가 없다. 또한 청능(audibilityl)의 상한선이 개인에 따라 다르므로 가청음의 범위를 16Hz에서 17.000Hz로 정하고 초음파의 주파수는 확실한 구분은 없지만 공학적으로 20.000Hz이상을 초음파라 정의하고 있다.

 

• 주파수에 따른 음파분류

저음파(infrasound)	16Hz이하
음파(sound wave)	16~17,000~20.000Hz
초음파(ultrasound)	17,000~20.000Hz
극초음파(hypersound)	10~100MHz

2. 초음파의 역사

초음파를 최초로 발견한 것은 1840년 미국, 네덜란드 음향 전문가들에 의해 박쥐를 관찰하면서 부터였다. 박쥐가 어두운 동굴 속에서 어떻게 날아다니며 먹이를 먹을 수 있는지에 대해 연구하던 중 박쥐가 2만-20만 Hz의 초음파를 발사하여 반사되어 오는 음파를 감지하여 살아간다는 것을 알았고, 1880년 Pierre Curie와 Paul Jacque Curie가 수정판에 압력을 가하면 전기가 발생하는 압전효과에 대해 처음 기술한 이래 Curie의 친구인 Langevin이 1910년 역압전효과를 이용하여 초음파를 발생시키는 방법을 이용하였으며, 1917년 조그만 물고기가 초음파의 빔 (beam)속에서 헤엄치다. 죽는 것을 보고 처음으로 초음파의 생물학적 효과에 대해 기록한 것을 기점으로 1927년 미국의 물리학자 Wood, RW와 Loomis가 Langevin의 이론적 연구를 토대로 초음파에너지의 생물학적 효과에 대한 연구결과를 출판한 이래 많은 간행물이 등장하였다. 1928년 Woeber K는 초음파가 골경화증 (Osteosclerosis)에 효과가 있다고 믿었으며, 1934년 Naka-(intracutaneous adenocarcinoma)이 발생됨을 주로 독일에서 초음파의 의학적 이용이 시작되고 1940년대 미국에 소개된 이래, haraw, Kobayashi R등은 쥐의 피부에 초음파를 조사한 결과 내피선종 관찰하였다. 1938년 Hirohashi K. Hayashi S들은 초음파를 5분간 조사한 결과 피부 종양이 흡수되었음을 관찰했고, 1944년 Horvath J는 초음파의 의료 이용연구에 관한 책을 출판하는 등 유럽에서 초음파에 대한 연구가 고조되었다 1930년대 주로 독일에서 초음파의 의학적 이용이 시작되고 1940년대 미국에 소개된 이래, 1952년에 미국 물리의학협의회(American Council of Physical Medicine &Rehabilitation)에서 초음파를 공식 물리치료요소로 채택한 이래 초음파 치료는 오늘날 널리 쓰이는 열치료의 하나이다.

3. 초음파의 특성

현재 초음파는 초음파진단기 및 초음파치료기, 치석제거 등의 의료기뿐만 아니라 어군탐지기, 초음파현미경, 초음파세정기, 초음파가공기, 초음파미용기로 까지 활용되고 있으며, 의료용 초음파는 치료, 진단, 수술 등에 이용하는데 물리치료용 초음파는 주로 열효과를 이용하여 연부조직손상의 회복에 이용하고, 진단용은 초음파영상기록에 이용하며 조직파괴용은 수술 및 종양조직파괴용등으로 사용한다. 치료용 초음파의 주파수는 05-50 MHz의 범위를 사용한다. 대개는 075 MHz, 087 MHz, 1,0 MHz, 1,5 MHz, 30 MHz등으로 고정되어 있거나 몇 가지 주파수를 선택하여 사용할 수 있도록 하였으며 08-1 MHz를 많이 사용한다.

 

• 초음파의 물리적 특성

1) 주파수 (frequency)
음파의 주파수는 단위시간동안 파동이 완전하게 순환한 주기의 수이다. 주파수는 다음과 같은 공식으로 구하여 단위는 Hz 또는 cps를 사용한다.
f = 1/T
주파수,T = 주기 (period)

2) 파장 (wave length)
음파의 파장은 밀도가 가장 높은 부분인 밀파의 중간과 다음 밀파의 중간부분 까지며, 음파의 파장은 매질에 따라서 다르다. 파장 (λ)은 전파속도 (c)를 주파수 (f)로 나눈 값으로 구할 수 있으며 주파수에 반비례한다.
λ = c/f

3) 전파
초음파가 기체, 액체, 고체 등의 매질 속을 진행할 때 분자의 진동을 발생시켜 종파로 전파한다. 또한 고체 매질에서는 초음파의 진행방향에 수직으로 매질분자가 상하진동하는 횡파도 발생한다.

4) 음파의 속도 (velocity)
음파의 전파속도는 매질의 밀도 (density &compressibility), 매질의 온도 등에 따라 다르다. 매질의 온도가 높고, 밀도가 높을수록 음파의 전파속도가 빨라진다.

5) 초음파의 음장
초음파는 같은 매질에서라도 항상 일관되게 전파되지 않고 변환기의 반경과 파장에 따라 침투깊이와 초음파 빔의 강도가 달라진다. 초음파 변환기에 가까운 부위에서는 최대 강도와 최소 강도가 매우 불규칙하게 분포하는데 이 부위를 근위장 (near field, Fresnel region)이라하고, 초음파 변환기로부터 거리가 멀어지면서 근위장의 마지막 최대강도가 나타난 이후에는 강도가 비교적 규칙적으로 감소하면서 진행하는데 이 부위를 원위장 (far field, Fraunhofer region)이라 한다.

6) 간섭장 (interference field)
초음파의 근위장에서는 강도가 균일하지 못하고 불규칙한데 이는 변환기의 전면에서 발생되는 간섭장때문에 생기는 불가피한 현상이다. A지점 및 B지점에서 발생한 초음파가 P지점에 도달하는데 A-P의 거리가 B-P의 거리보다 짧기 때문에 P지점에 도달하면 간섭현상이 일어난다. 이때 A-P와 B-P의 두 파는 도달하는 시간이 서로 달라 상쇄되기 때문에 강도가 감소된다. A-R의 거리와 B-R의 거리가 같을 때에는 R지점에 도달한 초음파가 겹쳐 동위상 (i phase)에서 강한 부가작용을 하기 때문에 강도가 증가된다. 근위장에서의 간섭현상으로 초음파의 강도가 5-10배 때로는 30배 이상 증가하여 hot spot, 조직손상이 생길 위험이 있기 때문에 변환기의 이동은 매우 중요하다. 근위장에서 초음파빔의 강도가 균일하지 못한 것을 빔비균질비 (beam non-uniformity ration, BNR)라 하며 빔비균질비 (BNR)는 초음파의 안전문제에 매우 중요한 사항이다. 초음파 변환기의 빔비균질비 (BNR)값은 대개 5-6이다.

7) 강도 (intensity)
초음파의 강도(I)는 단위시간동안 단위면적을 동과한 초음파에너지의 양으로 총출력 (output, w)을 변환기의 효과방출면적(effective radiating area, ERA, cm2)으로 나눈 값이고 단위는 W/cm2이다. 실제로 초음파 변환기의 표면 전체에서 초음파에너지가 방출되지는 않는다. 효과방출면적은 변환기 표면적의 약 80%정도이다.

8) 흡수 (absorption)
조직에 초음파를 적용하면 조직의 분자에서 초음파 에너지를 흡수하여 열에너지로 전환시킨다. 따라서 초음파 에너지의 흡수로 선택적으로 조직온도를 상승시킬 수 있는데 초음파 에너지의 흡수는 주파수. 조직의 특성, 조직의 밀도, 조직의 점성도, 조직의 음향 임피던스, 지방 및 수분 함량, 입사각, 반사, 산란, 굴절의 정도에 따라 영향을 받는다.

① 조직의 특성
초음파 에너지의 흡수는 구조단백의 함량이 많을수록 높아 뼈, 관절낭과 같이 교원조직의 함량이 많은 조직에서 흡수가 많이 된다. 단백함량이 많은 근육은 지방조직보다 초음파 에너지의 흡수량이 2-3배 정도 높고, 뼈는 연부조직보다 초음파에너지를 10배 이상 많이 흡수한다.(표 17-6) 신경조직의 단백은 초음파에 예민하게 반응한다.

② 주파수
주파수가 높고 파장이 짧을수록 초음파 에너지의 흡수량이 거의 배수로 증가하여 초음파의 흡수는 주파수와 거의 정상관관계를 가진다. 즉 3 MHz 초음파는 1 MHz 초음파보다 근육에서의 흡수계수가 3배정도 높다.

③ 매질의 점성도 (viscosity)
액체에서의 초음파 에너지 흡수는 점성도와 열전도도에 영향을 받는다. 흡수계수가 0.0022인 물의 경우 초음파 에너지의 흡수에 공기보다 500-1000배나 적어 초음파치료시 매우 좋은 매개물질로 사용된다.

④ 조직의 음향임피던스 (acoustic impedance)
전기에서 저항을 임피던스라고 하듯이 음에 대한 저항을 음향 임피던스라고 한다. 음파의 전파속도는 매질의 밀도에 영향을 받고 탄성이 클수록 빨라진다 (표 17-8). 음향 임피던스(Z)는 매질의 밀도 즉 조직의 비중(T, 105g/cm3)에 매질 속에서의 전도속도 (c, m/s)를 곱한 값이다. 따라서 초음파의 전파는 매질의 음향 임피던스에 영향을 받는다.

9) 반사 (reflection)
초음파는 서로 다른 매질의 경계면에서 반사한다. 에너지의 반사량은 각 조직의 음향 임피던스 차, 입사각에 따라 결정된다. 두 조직의 밀도와 음파의 전도속도가 같으면 초음파는 경계면을 완전히 통과하지만 음향 임피던스가 서로 다르면 경계면에서 초음파 에너지가 반사한다.

10) 굴절 (refraction)
초음파가 한 조직을 일정한 속도로 진행하다가 다른 조직의 경계면에 도달하면 음파의 진행방향이 굽어지는 굴절현상이 나타난다. 조직의 음향 임피던스가 비슷하면 경계면에서 거의 굴절을 하지 않고 조직을 통과한다. 그러나 전도속도가 다른 조직의 경계면에 도달하면 계속 바르게 진행하지 못하고 굴절과 반사를 한다. 입사각이 증가하면서 어떤 임계각(critical incidence angle)에 도달하면 굴절각이 90도에 이르러 두 조직의 경계면에 평행하게 진행한다. 입사각이 임계각 이상이 되면 입사각과 같은 각도로 반사하며 입사각을 조금 더 크게 하면 모든 초음파에너지가 반사하며 이를 전반사(total reflection)라 한다.
굴절률에 따른 입사각이 10°일 때 50°의 각도로 굴절되고, 입사각이 15°일 때 굴절각이 90°로 형성되어 조직의 경계면에 평행하게 되므로 초음파의 임계 입사각은 15°이다. 입사각이 15°이상일 때에는 굴절이 일어나지 않고 초음파 에너지의 전반사가 일어난다. 특히 굴절은 특히 건이 뼈에 부착하는 부위에서 많이 생겨 건부착부위에서 열 발생이 높아진다. 따라서 초음파 변환기를 조직에 수직으로 대고 치료해야함은 중요한 사항이다.

11) 감 쇄 (attenuation)
초음파가 복잡하게 구성된 사람의 조직을 통과할 때 초음파 에너지가 흡수되어 열로 전환될 뿐만 아니라 산란에 의해 강도가 점점 약해지는 감쇄현상이 일어난다. 초음파 에너지가 매질을 통과할 때 강도와 진폭이 점점 약해지는 것을 음파의 감쇄라 한다. 음파의 감쇄는 데시벨 (decibel, dB)단위를 사용하며 초음파가 매질을 통과할 때 단위 길이당 감쇄단위는dB/cm로 표시한다. 초음파의 감쇄는 초음파의 전파길이, 주파수, 매질에 따라 영항을 받는다.

① 반가층 (half-value thickness)
초음파의 감쇄는 전파길이가 길수록 빠르게 나타난다. 강도는 진폭의 제곱에 비례하므로 강도는 진폭보다 빨리 감소된다. 초음파의 강도가 변환기에서 멀리 떨어질수록 지수 함수적으로 감소된다. 초음파가 조직을 통과하면서 강도가 감소되는데 원래 강도의 반으로 줄어드는 깊이를 반가층 이라한다. 주파수가 낮을수록 반가층이 길어진다. 연부조직에서의 반가층은 1 MHz가 약 4 cm, 3 MHz가 약 2.5 cm정도이나 특히 피부, 지방은 반가층이 길어서 초음파 에너지가 잘 통과한다. 따라서 주파수가 낮을수록 심부조직을 효율적으로 가열하기 좋다.

② 주파수
초음파의 감쇄는 주파수에 비례한다. 초음파 변환기에서 1cm 떨어진 곳에서 초음파 에너지가 0.87MHz는 18%, 1MHz는 21%, 3MHz는 50% 감소하여 주파수가 높을수록 감쇄가 커져 1-3MHz의 초음파는 1mm당 약 2-5%씩 에너지가 감소한다. 0.8-1MHz의 초음파는 특히 표면조직에서 감쇄가 적어 심부조직에서 많이 흡수되기 때문에 심부조직에서 열 발생이 많이 된다. 3MHz의 초음파는 감쇄가 빨라 1-2cm깊이에서 에너지 흡수가 가장 많이 된다.

③조직의 성질
초음파 에너지의 감약은 조직의 교원단백 및 비교원단백의 함량과 수분함량에 영향을 받는다. 초음파의 감쇄는 조직의 단백함량에 비례하고 수분함량에 반비례한다. 혈액, 지방, 신경, 근육, 피부, 건, 연골, 뼈의 순서로 단백함량이 많고 수분함량이 적어 초음파의 감쇄도 같은 순서로 많아진다.

 

• 맥동초음파 (pulsed ultrasound)

맥동초음파는 초음파를 주기적으로 맥동시켜 조직에 전달하는 방법이다. 초음파가 발생되는 기간을 맥동기간(pulseduration)이라 하고 초음파가 발생되지 않는 기간을 맥동간간격 (interpulse interval)이라하며 맥동기간과 맥동간간격을 합한 기간을 맥동주기 (pulse penod)라 한다. 맥동율 (duty cycle)은 맥동기간을 맥동주기로 나눈 값이다. 맥동비 (pulse ratio, mark space ratio)는 맥동기간대 맥동간간격의 비이다.

맥동율 = 맥동기간 / 맥동주기 x 100(%)
맥동비 = 맥동기간 : 맥동간간격
맥동주기 = 맥동기간 + 맥동간간격

맥동초음파는 치료기의 종류에 따라 맥동율이 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 50% 등 다양하며 특히 20%, 25%, 50%를 많이 사용한다. 맥동율 20%로 10분간 치료한다면 실제 초음파가 조직에 전달되는 시간은 2분에 지나지 않고 시간정점강도가 2 w/cm2일 때 시간평균강도는 0.4 W/cm2가 된다. 따라서 0.5 W/cm2의 강도를 유지하려면 연속초음파는 그대로 0.5 W/cm2의 강도를 사용해도 되지만 1:1 맥동초음파는 1 W/cm2, 1:2 맥동초음파는 1,5 W/cm2,1:4 맥동초음파는 2.5 W/cm2, 1.7 맥동초음파는 4 W/cm2의 강도로 치료해야 한다.

 

• 음파영동(phonophoresis)

음파영동은 초음파의 요동에 의해서 약물을 피부를 통해 연부조직으로 이동시키는 방법이다. 대부분의 약물은 피부에서 느리게 흡수된다. 그러나 초음파의 열 효과에 의해서 세포막의 투과성이 증진되고 음향흐름과 같은 기계적 효과에 의해 확산속도가 증가됨 따라 약물의 흡수속도가 촉진된다. 이온도입 (iontophoresis)은 물질의 한 가지 이온만 조직에 침투되고 대개 침투 깊이는 0,1 cm이하로 진피층까지 침투되지만 음파영동은 물질 분자 전체를 약 10 cm, 적어도 5-6 cm 깊이까지 침투시킬 수 있어 골격근과 신경에 영향을 준다. 1950년대 관절염에 hydrocortisone 음파영동치료가 처음 소개된 이래 지난 30여 년간 dexamethasone, cortisol, fluocinolone, lasonil, salicylate, phenylbutazone, lidocaine, carbocaine,penicillin, tetracycline, interferon, 비타민 E등 여러 가지 약물이 음파영동치료에 이용되고 있다.

음파영동치료는 초음파의 종류, 주파수, 강도, 치료시간, 약물 농도 등의 조건을 고려하여 결정해야 한다. 음파영동치료는 조직의 투과성을 증진시켜 약물을 조직으로 도입시키는 치료방법이다. 같은 평균 강도의 맥동초음파와 연속초음파는 생체막 두과성과 이온의 능동수송능력이 같기 때문에 음파영동치료에는 맥동초음파나 연속초음파 어느 것이나 사용해도 효과가 비슷하다.

맥동초음파는 연속초음파보다 투과성이 떨어지는 것으로 알려져 있어 대부분이 연속초음파를 권장하고 있으나 Benson등은 맥동초음파와 연속초음파로 국소마취제 음파영동치료를 한 결과 맥동초음파가 침투력이 좋아서 약물 분자를 더 잘 이동시키고 또한 맥동율이 50%라면 실제로 연속치료때의 반의 강도로 치료할 수 있다고 하여 특정약물은 맥동초음파가 더 효과적이라고 하였다. 따라서 예를 들어 hydrocortisone을 사용하여 염증을 치료하고자 할 때는 맥동초음파를 사용하고, 약물도입과 함께 열 효과를 같이 이용하고자 할 때는 연속초음파를 사용한다.

초음파의 강도는 세포막의 투과성에 영향을 미친다. 3,0 W/cm2의 강도면 세포막의 투과성이 200%정도 증가한다. 따라서 음파영동은 1.0-1.5 W/cm2정도의 비교적 높은 강도를 사용한다. 음파영동의 치료시간으로 Griffin등은 30 cm2당 1분을 제시하였지만 대부분은 치료면적 10 cm2 당 1분을 권장하고 있다. 음파영동치료에 사용하는 약물의 농도와 초음파의 강도가 낮으면 효과가 적거나 없다. 대개 약물의 농도는 1%보다 10%가 훨씬 효과적인 것으로 알려져 있다.

음파영동치료에 사용하는 약품은 윤활성과 점성도가 좋은 연고, 크림, 로션으로 사용하기 때문에 약물자체를 전파매개물질로 쓸 수 있다. 음파영동치료를 한 후에는 환자의 피부와 변환기에 남아있는 약물을 깨끗이 닦아내야 한다.

 

• 초음파전파매개물질(couplant)

전자파와는 달리 초음파 에너지가 조직에 전파되기 위해서는 초음파변환기 표면과 치료부위의 피부 사이에 전파매개물질 (coupling media)이 있어야 한다. 공기 중에서는 초음파에너지가 현저하게 감쇄되고 공기-피부 경계면에서 거의 100%가 반사된다. 현미경으로 겨우 관찰할 수 있을 정도의 아주 미세한 기포가 있어도 초음파의 전파는 현저하게 감소된다. 따라서 초음파변환기와 피부사이에 공기층을 없애 반사를 최소화하고 전도성을 높이기 위해서 전파매개물질을 사용한다.

전파매개물질은 초음파에너지의 전도도 (transmissivity)가 좋아야하고, 거의 무시할 정도의 흡수력 (absorptivity)이 있어야하며, 치료중 피부에 지속적으로 체류할 수 있는 점착성 (viscosity)이 충분하고, 접촉이동치료시 초음파변환기의 이동이 원활하도록 윤활성 (lubricating quality)이 좋아야 한다. 또한 피부자극이 없어야하며 값이 싸고 구하기 쉬워야 한다. 전파매개물질의 온도는 가열양상에 영향을 미친다. 초음파치료는 특정부위의 조직을 선택적으로 가열하기 위해서 사용하기 때문에 이러한 목적을 달성하기 위해서는 전파매개물질의 온도를 적절하게 선택해야 한다. 18℃와 24℃의 미네랄유를 전파매개물질로 사용하여 사람의 대퇴부에 초음파를 한 후 조직의 온도상승 양상을 관찰한 결과 18c에서는 뼈에 가까운 근육 즉 심부조직에서 온도상승이 높게 일어났고, 24℃에서는 뼈에서 멀리 떨어진 조직 즉 표면조직에서 온도상승이 높게 일어났다.

 

• 초음파의 생물학적 효과

1) 열 효과 (thermal effects)
초음파치료의 일차적인 효과는 초음파 에너지 흡수에 따른 조직온도의 상승이다. 초음파 에너지가 조직에 도달하면 분자들의 마찰에 의해서 열 에너지로 전환된다. 열 발생은 조직온도를 상승시키고 이에 따라 혈류량 증진, 염증반응 유발 생체막 투과성 증가, 신진대사 증가, 교원조직의 신장력 증가, 통증역치 증가로 통증완화, 근경축 완화, 신경전도속도 변화, 효소활성 증가, 골격근의 수축력 변화 등과 같은 생리학적 반응이 나타난다.

2) 기계적 효과 (Mechanical effects or micr○massage)
초음파의 일차적인 중요 치료효과는 열 효과이지만 열 효과로 설명할 수 없는 여러 가지 효과들이 나타난다. 초음파 에너지가 조직 내로 들어가면 소일 종파가 조직 내에서 기계적인 일을 하게 됨에 따라 긴장, 압력 심부 조직세포의 요동과 분산이 일어나 조직의 가속운동이 일어남에 따라 미세맛사지(micromassage)가 일어난다. 미세맛사지와 같은 기계적 자극에 따라 세포막의 투과성 촉진, 단백합성능 증진, 창상치유 촉진, 공동형성, 미세순환증진, 조직파괴 등 여러 가지 생물학적 효과가 유발된다.

3) 화학적 효과
초음파는 당 및 과포화용액의 결정화 (crystallization), 가수분해 (hydrolysis), 산화, 당의 전환, 전분이나 고무등과 같은 물질을 해축(depolymerization)시키는 등의 효과가 있다. 이와 같은 효과는 화학적 효과 이외에도 열 효과, 기계적 효과가 같이 작용하여 일어나기도 한다. 초음파치료에서 화학적 효과를 이용하지는 않지만 실제로 과용량으로 치료하면 혈당이감소하는 등 화학적 변화가 일어난다.

4) 전기적 효과 (Electric effects)
고체와 전해질 경계면에서 얇은 이온층이 초음파의 영향을 받는다. 조직에 초음파를 조사하면 압력을 받는 단백, 셀룰로스 (cellulose)등 거대 분자들이 압전효과에 의해서 전하를 띠게 된다. 이와 같은 전기적 효과는 허혈이나 통증이 있는 부위에서 전하를 띠고 있는 단백질을 끌어당기기 때문에 대사산물을 유리시킬 수 있다.

 

• 초음파 발생 장치 (Ultrasound equipment)

1) 초음파의 발생원리
어떤 종류의 결정(crystal)을 특정한 방향으로 압축 (contraction)과 비압축 (expansion)을 반복시켜 주면 한쪽에는 양전하 (+)가, 다른 한쪽에는 음전하 (-)가 생겨 전류가 발생하게 되며 이러한 현상을 압전효과 (piezoelectric effect)라 한다. 반대로 결정에 교류전류를 통전시키면 결정이 압축과 비압축을 반복하여 기계적인 진동 (mechanical vibration)이 일어나 초음파를 발생시키는데 이러한 현상을 역압전효과(reverse piezoelectric effect)라 한다. 고주파 교류전류가 역압전 효과에 의해서 기계적인 진동으로 전환되어 초음파가 발생하게 된다.

2) 초음파치료기의 구성
초음파 발생장치는 전원공급회로, 진동회로, 변환기의 3가지 요소로 이루어져 있다.

① 전원공급회로
전원공급회로 (power supply circuit)는 완파장 정류기 (full wave rectification)와 여과기 (filter)로 이루어져 있으며 진동회로에 안정된 출력을 공급해준다.

②진동회로
진동회로 (oscillatory circuit)에서는 50-60 Hz의 교류전류를 고주파전류로 바꾸고 500 V 또는 그 이상의 고전압전류로 만들어 동축케이블을 통해 변환기의 금속전극에 전달한다.

③변환기
변환기 (transducer, applicator, sound head, probe)는 초음파를 발생하는 부위로 금속전극 (metal electrode)과 금속판(metal end plate)사이에 두께 2-3 mm, 직경 1-3 cm로 잘게 쪼갠 압전재를 두고 금속덥개 (metal housing)로 싸서 만든다. 변환기의 압전재에 고주파 교류전류가 전달되면 압전재가 변형되면서 압축과 비압축이 반복적으로 일어나 전극 판의 두께가 1-2 mm 정도 변화되어 진동을 발생 시킨다 .
변환기의 면적은 방산각과 반비례한다. 변환기의 면적이 5 cm2이하로 너무 적으면 방산 각이 커서 심부조직을 효율적으로 가열할 수 없고, 13 cm2이상으로 너무 크면 접촉유지가 어려워 부적당하다. 변환기의 면적은 대개 5-13 cm2정도이며 7-13 cm2를 많이 쓴다.

④ 압전재 (piezoelectric substance)
압전 성질을 가진 물질을 압전재라 하며 초음파 변환기에 사용하는 압전재는 천연 결정 (crystal)과 합성 세라믹 결정(synthetic ceramic crystal)이 있다. 천연 압전재로 수정, 토말린 등이 있으며 수정을 가장 많이 사용하고, 인공 압전재로는 티탄산바륨, 지르콘산연을 많이 사용하며 이외에도 주석산칼륨나트륨, 황산리튬, 페라이트 (femte)를 소결하여 만든 산화아연산화철 등을 사용한다.

 

• 세라믹 압전재(진동자) 제조공정도

 

• 초음파 진동자 제조공정

4. 초음파의 치료적용방법

 

• 접촉이동치료 (stroking technique)

초음파 변환기를 피부에 직접 접촉하고 천천히 변환기를 이동하면서 치료하는 방법으로 대부분 이 방법을 사용한다. 접촉이동치료는 이동방향에 따라 수직이동 (perpendicular stroke), 평행이동 (paralell stroke), 회전이동 (circular stroke)방법이 있다. 접촉이동치료는 평편하고 압박을 잘 견딜 수 있는 부위의 치료에 적합하다. 평행이동시 10 cm/s정도로 빠르게 이동하기도 하지만, 변환기의 이동속도는 대부분 2.5 cm/s (1 in/s) 정도로 느리게 이동하며 변환기의 접촉면이 50%씩 겹치도록 한다.

변환기의 접촉이 불량하거나 초음파풀이 부족할 때에는 골막통이 유발된다. 변환기는 피부와 직각을 유지해야하고 누르는 압력도 너무 세거나 약하지 않게 적절하고 일정해야 하며, 변환기와 피부에 초음파 풀을 충분히 발라야 한다. 그러나 초음파 풀을 너무 많이 사용하면 초음파 풀에서 초음파에너지가 흡수되고 매질의 온도가 상승되고 표면조직에서 가열이 일어날 수 있다. 따라서 초음파에너지가 효율적으로 조직에 전달될 수 있도록 초음파 풀을 얇게 발라야 한다. 변환기의 크기에 따라서 적정 치료면적 (filed)이 다르지만 대개 한 치료면적은 약 7.5-1.0 cm2정도를 기준으로 한다. 접촉이동방법은 겹치기 (overlapping stroke)에 따라 국소 온도상승이 약간은 불규칙하게 나타날 수 있지만 비교적 적절하고 균일하게 국소부위를 가열할 수 있으며 또한 근위장의 간섭장, 원위장에서 형성되는 최대강도의 중심부에서 열 집중 (hot spot)이 발생하는 것을 피할 수 있다.

 

• 고정치료 (stationary technique)

고정치료는 변환기와 피부에 초음파 풀을 충분히 바른 다음 변환기를 피부에 직각으로 접촉하고 고정시켜 치료하는 방법이다. 고정치료는 간섭장과 원위장의 빔 중심부에서 열 집중이 일어나고, 가열양상이 불균일하며, 중등도의 강도로도 조직온도가 매우 빠르게 상승되기 때문에 온도조절이 어려워서 그리 많이 이용하지 않는다. 대개 맥동초음파는 1.0W/cm2, 연속초음파는 0.8W/cm2의 낮은 강도로 적은 부위를 치료할 때 사용한다.

 

• 수중치료 (underwater or subaqueous technique)

수중치료는 물을 전파매개물질로 하여 물속에서 초음파치료를 시행하는 방법이다. 그릇에 물을 넉넉하게 채우고 치료부위를 완전히 담근 다음 변환기도 물속에 집어넣어 치료부위와 직각이 되도록 한다. 변환기는 치료부위의 피부로 부터 0.5-5 cm까지 떼기도 하나 대개는 1-2cm정도 거리를 둔다. 이때 물은 기포가 완전히 제거되어야 한다. 따라서 물을 끓인 다음 23.9-33,9 ℃ (75-92℉)까지 식힌 미온수 (tepid water)를 사용하는 것이 바람직하다. 치료중 변환기나 치료부위의 피부에 기포가 있을 때에는 즉시 손으로 닦아내고 알콜을 바른다. 물그릇은 플라스틱이나 고무 등으로 만든 것을 사용해야 한다. 회전욕조 (whirlpool bath)나 금속그릇에서 수중치료하면 초음파에너지가 반사될 뿐 아니라 특히 회전욕조에서는 기포가 많이 생기는 경우가 있기 때문에 이의 사용을 피해야 한다. 수중치료는 뼈가 돌출되어 볼록한 부위, 치료면이 불규칙한 부위 압박을 견디기 어려운 부위의 치료에 적합하기 때문에 주과절부위, 손과 손목 ,발과 발목 신경종 등에 사용하기 좋다. 주관절부위, 손과 손목, 발과 발목, 신경종 등에 사용하기 좋다.

 

• 완충치료 (coupling cushion technique)

완충치료는 초음파 변환기와 피부사이에 완충 물주머니를 끼우고 초음파치료를 시행하는 방법이다. 완충 물주머니는 열에 잘 견디는 얇은 고무나 플라스틱 주머니 (rubber or plastic bag) 또는 콘돔 등을 사용하여 만든다. 공기를 없애기 위해 물을 끓여 미온이 되도록 식히고, 주머니를 접어 안에 있는 바람을 완전하게 빼낸 다음 주머니를 접어서 물속에 다 잠기도록 천천히 집어넣고 조심스럽게 주머니를 펴면서 물을 가득 채운다. 물속에 완전히 잠긴 채 주머니를 약간 짜서 주머니 안에 물이 80%정도만 차게 한 후 출입구를 단단하게 막는다. 치료부위에 완충 물주머니를 올려놓고 미끄러지지 않도록 한 손으로 잡아 고정하고 다른 손으로 변환기를 잡아 완충 주머니위에 직각을 유지하면서 가볍게 접촉하고 조그만 원을 만들어 움직이면서 다른 치료사에게 강도조절 다이얼을 올리도록 한다. 이때에도 변환기, 피부 변환기와 피부에 접촉되는 물주머니에 초음파 풀을 충분히 발라야 한다. 완충치료는 불규칙한 부위나 개방성 창상 등이 있어 접촉치료나 수중치료가 어려운 경우의 치료에 적합하다.

5. 초음파의 치료용량

초음파의 치료용량은 치료부위의 위치 및 크기, 병변의 특성, 치료목적을 비롯하여 초음파의 주파수, 강도, 치료시간 맥동률 등 여러 가지 요인의 특성에 따라 결정해야 한다.

 

• 주파수

3 MHz초음파는 1-2 cm의 표면조직에서 흡수되기 때문에 팔꿈치 등과 같이 피부나 지방층으로 두껍게 덥히지 않은 부위의 치료에 적합하다. 1 MHz초음파는 3-5 cm의 심부조직에서 흡수를 많이 하기 때문에 지방이 많은 조직이나 치료부위가 3-5 cm의 심부조직의 치료에 적합하다. 표적조직이 매우 심부에 있을 때는 반가 층이 10 cm정 도로 매우 긴 0.75 MHz의 초음파를 사용하는 것이 바람직하다.

 

• 강도 (intensity)

초음파치료기에서 환자에게 전달되는 초음파의 강도를 정확하게 계산하고 조절할 수 없기 때문에 출력강도 (W) 변환기의 효과방사면적 (ERA), 주파수, 맥동률, 치료시간 등 여러 가지 요인을 고려하여 치료 강도를 추정한다. 연속초음파는 공간정점강도 (SPI)와 공간평균강도 (SAI)로 나누고, 맥동초음파는 시간정점강도(TPl)와 시간평균강도 (TAI)로 구분한다. 초음파의 강도는 치료목적, 치료부위의 깊이, 병변의 특성, 치료방법, 초음파의 주파수, 맥동 방법 등에 따라 결정해야 한다. 같은 크기의 변환기로 같은 면적을 치료했을 때 고정치료는 이동치료보다 평균 강도가 2배정도 높고, 맥동초음파를 사용했을 때는 맥동 율에 따라 평균 강도가 달라지기 때문에 치료방법에따라 강도를 선택해야 한다.

초음파의 치료강도 범위는 이동치료시 0,5-4,0 W/cm2 고정치료시 1,0 W/cm2이하이지만 대부분 3.0 W/cm2의 공간평균강도를 최대 치료강도로 설정하고 있다. 그러나 경우에 따라서는 0.5 W/cm2 이하의 낮은 강도나 4W/cm2의 높은 강도를 사용하기도 한다. 대개 강한 효과를 얻으려 할 때는 4 W/cm2정도의 최대 강도를 사용하고, 중등도 및 경한 효과가 목적일 때는 2 W/cm2 정도의 중간강도, 매우 경한 효과를 목적으로 할 때는 01-1 W/cm2의 낮은 강도를 사용한다. 치료부위의 연부조직의 두께에 따라 강도를 선택해야 한다. 고관절, 허리 등 심부조직에서 생리학적 효과를 충분히 얻기 위해서는 연속초음파로 1,5-2,5 W/cm2의 강도를 선택한다. 아주 강한 효과를 얻기 위해 3,0-4.0 W/cm2의 높은 강도를 사용하기도 하지만 대부분의 환자들이 불편감을 호소한다. 손목관절과 같이 연부조직이 얇은 부위는 0.5-1.0 W/cm2의 낮은 강도로 생리학적 효과를 충분히 얻을 수 있다.

관절주위조직을 신장시키기 위해서는 높은 강도를 사용하고 통증 및 근경축을 완화시키기 위해서는 낮은 강도를 사용한다. 급성질환은 낮은 강도를 사용하고 만성질환은 높은 강도를 사용한다. 열 효과를 배제할 때는 1.0w/cm2이하의 낮은 맥동초음파를 사용하고, 조직치유 염증질환의 치료에는 낮은 강도의 연속초음파를 사용한다. 치유과정이 느릴 때는 2.0W/cm2이상 높은 강도의 연속초음파를 사용한다.

 

• 시간 (duration)

초음파의 강도 선택과 마찬가지로 치료시간도 치료목적, 치료부위 및 병변의 특성, 초음파의 주파수 등을 고려해야 하지만 특히 변환기와 치료부위의 면적, 치료방법, 맥동 방법 등에 따라 결정해야 한다. 조직온도를 40-45℃까지 올리는데 는 5분이면 충분하다. 따라서 초음파의 치료시간은 5분 또는 그 이하가 적당하다. 강도를 증가시키면 조직온도가 과도하게 올라갈 수 있음으로 치료강도로 치료시간을 보상할 수 없다.

치료용 초음파 변환기의 면적은 대개 5-13 cm2정도이다. 효과방출면적이 1 cm2인 변환기로는 최대 15 cm2의 면적에, 5cm2인 변환기로는 최대면적 75 cm2까지 치료하며 치료면적 1 cm2당 최소 1분 치료하며 총 치료시간은 최대 15분까지 한다. 대개는 변환기의 효과방출면적보다 2배되는 치료부위에 평균 1,5 W/cm2로 5분정도 치료한다. 일반적으로 치료면적 50 cm2를 기준으로 했을 때 관절 주위는 5-10 분으로 치료시간을 충분히 길게 하고, 연속초음파는 최소 3분 최대 10분, 맥동초음파는 최소 5분 최대 15분정도로 한다. 치료부위가 70 cm2일 때는 약 1.5배, 100 cm2일 경우에는 2배 정도 치료시간을 늘려야 한다. 또한 고관절 및 견관절 등 큰 관절은 전면, 후면 측면 등 세부위로 나누어 치료해야하며 측면을 치료할 때 대전자부위는 주의를 기울여야 한다.

 

• 치료 빈도(frequency)

초음파치료의 빈도는 치료의 경과 병변의 특성 등을 고려하여 결정해야 한다. 치료 빈도는 기본적으로 1일 1회 치료하는 방법을 많이 쓰고 있지만 경우에 따라서는 1일 2회, 주당 3회 치료를 권장하기도 한다. 일반적으로 3-4회 치료한 후 뚜렷한 효과가 없으면 그 환자에게는 초음파치료가 적합하지 않음으로 치료를 그만두는 것이 바람직하다. 급성질환은 맥동초음파로 1일 1회씩 6-8일간 치료하고, 만성질환은 연속초음파를 사용하여 격일제로 총 10-12회 치료하는 것이 권장한다. 14회 이상 계속 치료하면 백혈구 및 적혈구의 수가 감소하는 것으로 알려져 있어 대부분의 경우 연속적으로 초음파치료를 시행하는 횟수를 14회로 한다. 따라서 14회 치료한 후 몇 주 쉬었다가 다시 14회 치료하는 방법을 권장한다.

 

• 용량의 변화

초음파 치료중 용량을 변화시킬 필요가 없다는 주장도 있지만 치료반응에 따라 치료용량을 변화시킬 필요가 있다. 첫 치료에서 치료효과가 좋을 때에는 다음 치료에서 같은 용량으로 계속 치료해도 되지만, 치료 전과 후의 경과를 비교하여 치료효과가 없을 때는 용량을 올려주고 오히려 증상이 악화되면 용량을 감소시켜 치료하면서 2-3회 치료 안에 가장 효과적인 치료용량을 구하여 치료한다. 이상적인 치료용량을 구한 후 4회 이상 치료해도 효과가 없을 때는 초음파치료를 중단한다.

 

• 연속 및 맥동초음파의 선택

1) 연속초음파 (CUS)
연속초음파는 조직온도상승에 더 유익하다. 따라서 열 효과를 이용하여 조직신장력 증진, 관절강직완화, 근경축 및 통증완화, 혈류량 증진, 신경전도속도 증진, 가벼운 염증반응완화 등을 목적으로 할 때는 연속초음파를 사용한다.

2) 맥동초음파 (PUS)
맥동을 50%이하의 맥동초음파는 열 효과가 아주 적다 따라서 비열효과를 이용하여 연부조직 및 뼈 등의 치유를 촉진하거나 세포대사 촉진, 통증완화 등을 목적으로 할 때는 액동초음파를 사용한다.

 

• 질환에 따른 치료용량

앞서 말한바 와 같이 초음파의 치료용량 은 치료부위의 위치 및 깊이, 치료부위와 변환기 의 면적, 병변의 특성, 치료목적· 초음파의 주파수, 맥동률, 치료방법 등 여러 가지 요인에 따라 결정해야 한다.

6.주의 및 위험

 

• 주의

1) 공기가 차있는 강 (air-filled cavity)
동 (sinus), 폐, 골반기관 (pelvic organ)등 공기가 차있는 강에서 초음파에너지가 반사하기 때문에 이들 부위를 치료할 때에는 낮은 용량으로 치료한다. 상악동염 (maxillary sinusitis)을 1 MHz 연속초음파로 치료할 때는 1.0 W/cm2의 강도로 2-3분간 맥동비 1.5인 1 MHz 맥동초음파로 치료할 때는 1.0 w/cm2의 강도로 4-5분간 치료한다. 전 두동염 (frontal sinusitis)을 3 MHz 연속초음파로 치료할 때는 0.8 w/cm2의 강도로 2-3분간의 동비 1:5인 1 MHz 맥동초음파로 치료할 때는 0.8 W/cm2의 강도로 4-5분간 치료한다. 늑간근의 타박상으로 흥막동 (pleurodynia)이 있을 때는 3 MHz 연속초음파를 사용하여 1,0 W/cm2의 강도로 4분간 치료한다.

2) 물이 차있는 강 (water-filled cavity)
복부, 삼출액이 많이 고인 관절 등 물이 차있는 기관에서는 공동형성의 위험이 있기 때문에 정상 강도보다 낮은 강도로 치료해야 한다.

3) 생식기관
고환이나 임신부자궁 등 생식기관은 불임증 및 여러 가지 기형의 위험이 있어 원칙적으로 초음파치료의 금기증이다. 그러나 초음파의 강도와 주파수를 신중히 고려하여 고환의 섬유성 반흔을 치료하기도 하며 임신말기에 임신부의허리부위에 초음파치료를 하기도 한다.

4) 골단판 (epiphyseal plate)
이차골화가 끝나지 않은 성장기 골단판은 매우 낮은 강도로 치료해야 한다. 위험이 없는 것으로 알려져 있으나 3 W/cm2의 강도로 3분 이상 고정치료하면 골단판손상 뼈의 랄미네랄 및 성장지연이 나타나기 때문에 주의해야 한다.

5) 금속
조직에 금속이 매입된 부위에서는 금속조직 경계면에서 초음파가 현저하게 반사하지만 금속은 열전도가 매우 높아서 열이 빠르게 분산되기 때문에 고주파심부두열치료와는 달리 안전하게 치료할 수 있다. 그러나 매입된 금속이 적거나 표면조직에 있을 때는 낮은 강도로 치료해야 한다. 플라스틱류의 초음파 특성에 대해서는 아직 잘 알려져 있지 않다. 따라서 고밀도 폴리에틸렌 (polyethylene) 및 아크릴(actyl)등 플라스틱소재를 사용하여 관절 성형술을 했을 때는 초음파치료를 하지 않는다.

6) 정상파
정상파가 발생하면 혈류의 정체와 내피세포손상을 일으킬 수 있기 때문에 변환기의 접촉을 바르게 하고 계속 이동해야한다.

 

• 위험

1) 화상
초음파치료시 다음과 같은 여러 가지 원인으로 화상이 발생될 수 있기 때문에 적절한 방법으로 화상을 방지해야 한다.

① 과용량 (over-dosage)
너무 높은 강도로 너무 긴 시간동안 초음파치료를 하면 화상이 생길 수 있기 때문에 적절한 용량으로 치료해야 한다.

② 변환기의 느린 이동 (too slow movement of transducer)
접촉이동치료시 변환기의 이동속도는 2.5 cm/s 정도로 비교적 느리게 이동하나 변환기를 너무 느리게 이동하거나 한 부위에서만 계속 치료하면 화상이 발생할 수 있다.

③ 변환기의 접촉 불량
변환기는 항상 치료부위의 피부와 직각 (90°)을 유지해야 하며 누르는 압력도 적절하고 일정해야 한다. 변환기를 잘못 접촉하면 초음파 에너지가 변환기로 반사됨에 따라 수정이 뜨거워져 피부에서 통증 및 화상이 생길 수 있고 변환기가 망가질 수 있다. 특히 뼈가 돌출된 불규칙한 부위에서는 주의해야 한다.

④ 전파매개물질의 부족
전파매개물질이 부족하거나 너무 많이 사용하면 화상이 유발될 수 있다. 초음파 전파매개물질이 너무 적으면 초음파에너지가 반사되고, 너무 많이 사용하면 전파매개물질이 초음파에너지를 흡수하여 전파매개물질의 온도가 상승됨에 따라 표면조직에서 화상이 일어날 수 있다.

⑤ 공기
변환기의 불량한 접촉으로 변환기와 피부사이에 공기가 들어가거나 수중치료시 물 표면, 피부 표면에 기포가 있을 때 초음파 에너지가 변환기로 반사되어 수정이 손상되어 피부에서 화상이 생길 수 있다.

2)골막통
변환기 접촉의 불량, 공기에 의한 초음파의 반사, 연부조직-골 경계면에서의 전단파 발생, 초음파 폴의 부족 등은 골막 통을 유발시킬 수 있다. 초음파 치료중 골막 통을 느끼게 되면 강도를 10%씩 감소하거나 또는 치료를 중단해야 한다.

3) 쇽크
접지 (ground)가 안 된 상태에서 변환기를 접촉하거나, 케이블이 잘못 연결되어 있거나, 변환기의 금속덮개(metal case) 및 수정에 결함이 있으면 쇽크가 발생할 수 있다. 또한 변환기의 손잡이와 함께 금속덥개를 같이 잡는 등과 같이 치료사가 변환기를 잘못사용할 때 쇽크가 발생할 위험이 있다. 쇽크출력이 18 wo이상까지 올라갈 수 있으며 이때는 화상의 위험이 뒤따른다.

4) 공동형성
높은 강도, 부적절한 치료기술, 불량한 치료기사용은 공동형성을 초래하여 조직파괴를 일으킨다. 따라서 초음파치료시 개스동공이 생기지 않도록 하기 위해서는 정확한 치료방법, 정확한 치료강도, 결함이 없는 기구를 선택해야 된다.

7. 초음파의 치료효과

 

• 관절 구축, 유착, 반흔 조직의 신장

관절구축은 고정, 외상, 류마티스성관절염, 퇴행성관절염 등으로 관절운동이 제한되고 관절낭, 인대, 건등 관절주위 결합조직이 유착, 반흔형성등의 변화가 일어나 발생한다. 또한 근육의 단축, 다발성근염 (polymyositis), 마비 등으로 근육의 섬유증이 발생하여 구축이 일어나며, 외상, 화상, 공피증 (scleroderma)과 같은 질환 등으로 피부 및 피하조직의 반흔형성으로 인해 구축이 발생한다. 구축조직에 열을 가하면 조직의 온도가 상승하여 교원조직의 점액탄력성 및 분자결합이 변화되고 소성변형을 일으켜 신장력이 증가한다. 실험을 통해 신장운동 중 또는 전 조직온도가 45℃까지 올라가면 조직손상의 위험이 최소화되고 조직의 길이가 최대로 증가되는 열-신장 (heat and stretch)개념을 정립한바 있어 신장운동은 반드시 열 치료와 동반되어야 한다. Jones (1976)는 사람의 콜라겐을 적출하여 0.6 W/cm2로 10분간 초음파를 적용하고 전자현미경으로 관찰한 결과 콜라겐의 길이가 10% 증가했다고 하였다. 특히 다른 열 치료보다 초음파치료가 구축조직의 신장에 더 효과적이다.

 

• 관절 강직의 감소

관절강직의 치료방법은 열 치료, 마사지, 운동치료, 강압에 의한 수동운동, 수술 등의 방법이 있다. 특히 열 치료는 관절강직 및 불편감을 현저하게 감소시킨다. Backlund와 Tiselius에 따르면 조직의 온도가 43℃에 이르면 관절강직이 현저하게 감소하고 10℃만 내려가도 관절 강직이 악화된다고 보고하였다.

 

• 통증 및 근경축 완화

초음파치료로 통증역치가 증가하고 근경축이 완화된다. 통증완화의 기전은 명확하지 않지만 열 효과, 기계적 효과, 전기적 효과가 모두 작용하고 국소충혈, 통증-경축-통증 악순환 고리의 차단, 일시적 신경차단, 통각수용체의 반응변화, 굵은 신경섬유의 활성 증가, 관문조절설, 엔돌핀작용설, 반자극설등으로 설명한다.

 

• 염증수복 및 치유 촉진

초음파의 열 효과와 기계적 효과에 의해 염증-수복반응이 일어나고 급성 및 만성창상의 치유를 촉진시킨다. 급성 기에 열 효과에 의해 비만세포 (mast cell)에서 화학매개체가 방출되어 혈관이 확장되고 세포막의 투과성이 증가되는 한편 기계적 효과에 의해 조직액이 부드럽게 요동치며 세포 및 분자의 운동이 증가된다. 이에 따라 탐식작용이 증가되고 섬유소 분해기전이 활성화되는 등 염증화해 과정을 촉진시켜 수복이 촉진한다. 육아조직이 형성되는 시기에는 초음파치료에 의해 세포막의 투과성이 증가하여 Ca++확산이 촉진되며 세포활성이 증가되고 모세혈관의 증식이 활발해진다. 대식세포가 죽은 백혈구를 포함한 모든 파편을 탐식하고 염증부위로부터 제거되며 또한 섬유모세포가 자극되어 교원조직등 단백합성능이 증가하여 조직의 재생과정을 촉진한다. 재형성기 에서는 초음파치료에 의해 반흔조직과 같은 성숙된 교원조직의 신장력을 증진시킨다.

 

• 칼슘침착의 흡수

초음파가 연부조직에 침착된 칼슘흡수를 도와주는데 효과적이다. 초음파가 칼슘흡수를 촉진하는 명확한 기전은 잘 알려져 있지 않지만 미세맛사지효과에 의해 단백에 결합된 칼슘을 들뜨게 하기 때문인 것으로 생각되며, 임상적으로 칼슘침착 주위조직의 염증을 완화시키고 통증완화 및 기능증진을 도와주는 것은 확실하다.

 

• 살균효과

0.5W/cm2의 낮은 강도로 2분 정도면 대장균(Escherichia coli)을 파괴할 수 있으며 일반적으로 3.5 w/cm2의 높은 강도로 15분간 치료하면 살균 효과가 있다. 세균의 치사용량이 높기 때문에 사람의 세균감염 부위를 살균목적으로 사용하는 데는 문제가 있다.

 

• 골절치유

초음파의 골절치유 효과에 대해서는 논란이 많다. Wadsworth와 Chanmugam은 골절부에 낮은 강도로 초음파치료하면 혈괴가 육아조직으로 진행하는 초기를 제외하고는 가골형성과 유합과정을 방해하지는 않고, 높은 강도에서는 유합과정을 방해한다고 하였다. 그러나 높은 강도에서도 가골형성에 영향을 주지 않을 뿐 아니라 뼈조직의 파괴도 없다는 보고도 있으며, Ardan등은 초음파가 골절치유에 아무런 영향을 주지 않는다고 하였고, Lehmann과 De Lateur은 골절치유에대한 많은 연구가 있어야 한다고 주장하였다. Heckmann 등 (1994)은 67명의 경골간의 폐쇄 및 개방골절을 대상으로 한 이중맹검시험에서 1.5MHz, 1000 pps, 200㎲, 공간평균시간평균 강도 30 mW/c㎡의 맥동초음파가 골절 치유를 촉진시켰음을 보고하는 등 최근 골절 특히 신선골절의 치유를 촉진시키기 위해 맥동초음파가 빈번하게 사용되고 있다.

8. 초음파치료의 적응증 (Indications)

 

• 관절 구축 및 유착

1) 고정, 외상, 류마티스성관절염, 퇴행성관절염 등으로 인한 관절구축
초음파치료는 관절낭, 인대 등 관절 주위조직과 건 및 근육의 유착, 반흔형성에 따른 관절구축에 매우 효과적이다. 특히 연부조직이 두껍게 덮인 큰 관절 주위조직을 가열하는데 적합하다. 고관절 주위조직은 1.0-2.5W/cm2의 강도로 5분간 치료하면 효율적인 온도상승을 기대할 수 있으며 전면, 측면, 후면의 세 부위로 나누어 치료해야 한다. 주관절, 수근관절 족관절과 같이 연부조직이 적은 관절은 1.0W/cm2 또는 그 이하의 강도로도 충분하다.

2) 근육 단축, 섬유 증으로 인한 구축
근육의 단축, 듀퓌트렌구축 (Dupuytren contracture)이나 다발성근염 (polymyositis) 및 마비 등으로 근육의 섬유증이 발생하여 초래된 구축에 효과적이다.

3) 외상, 피부질환으로 인한 구축 및 반흔조직
외상, 열상, 화상, X-선 화상, 공피증(scleroderma)과 같은 질환 등에 따라 피부 및 피하조직의 반흔형성으로 인해 초래된 구축에 효과적이다. 주위조직보다 치밀한 반흔조직은 관절가동범위운동과 마사지를 하기 전에 열 치료를 먼저 한다. 1.0-2.0 W/cm2 강도로 6-8분간 격일로 치료한다. 열상, X-선 화상으로 인한 반흔조직을 1.0-2.0 W/cm2 강도로 6-8분간 격일로 치료하여 관절가동범위가 효과적으로 증진되었다고 하였다.

 

• 관절 강직

탈구, 아탈구, 인대손상, 관절 타박상, 관절내골절, 지속적인 부종, 장기간 고정, 광범위한 연부조직손상에 의한 반흔구축등으로 유발된 관절강직 및 불편감의 치료에 효과적이다.

 

• 통증 및 근경축을 동반하는 질환

초음파는 특히 심부근육 및 건, 인대, 관절낭 등 심부관절 및 관절주위 조직의 통증완화에 적합하다.

1) 근골격계의 통증
①어깨통
회전근개 손상, 상완 이두근 건염, 극상근건염, 건봉하 점액낭염, 삼각근하 점액낭염, 오구돌기하 점액낭염, 뇌졸중, 고정 등으로 어깨통증이 발생하며 흔히 말기에 운동장애를 동반하는 유착성관절주위염으로 발전하기도 한다. 어깨통증은 1.5w/cm2의 강도로 3-5분씩 3주간 10회 치료하여 좋은 효과를 얻을 수 있으며 전면, 측면, 후면의 세 부위로 나누어 치료한다.

②요통
추간반수핵탈출증, 퇴행성관절염, 염좌, 강직성척추염, 척추손상으로 요통이 생길 수 있다. 요통은 보통 0.5-1.5 W/cm2의 강도로 척추주위근에 매일 10분씩 6-12회 치료하면 통증 및 근경축 완화, 관절가동범위 증진 등의 효과를 얻을 수 있다.

③경부통
초음파치료는 목장애 (neck dysfunction)에 따라 발생한 경부통 및 근경축을 완화시킨다.

④ 턱관절기능장애
0,6 W/cm2의 강도로 치료하여 구축, 퇴행성관절염 등으로 인한 턱관절기능장애(TMJ dysfunction)의 통증 및 근경축을 완화시키고, 얼굴부종 및 아관긴급 등을 완화시킨다. hydrocortison을 사용한 음파영동치료도 효과적이다

⑤ 근근막통증증후군 (myofascial pain syndrome)
Bonica가 근근막통증증후군에 초음파치료를 시도한 이래 발동점 (trigger point에 초음파치료를 하고 있다. 초음파-전기자극치료와 hydrocortison 음파영동치료를 하기도 한다.

2) 신경계의 통증
① 교감신경기능장애 (sympathetic dysfunction)로 인한 통증
초음파는 심한 통증이 동반되는 견수증후군 (shoulder-hand syndrome), 반사성교감신경위축증 또는 슈덱위축(Sudeck's atrophy), 작열통 (causalgia)등에 효과적이다 대개 맥동초음파를 1.0 W/cm2의 강도로 교감신경절, 성상신경절에 5-10분간 치료한다.

② 대상포진(herpes zoster)으로 인한 통증
대상포진은 피부증상과함께 주로 체간의 신경주행을 따라 이환되어 심한통증을 호소한다. 대개 맥동초음파를 이용하여 1.5 W/cm2의 강도로 신경근에 5-10분씩 매일 치료한다.

③ 신경통 (neuralgia)
신경염, 신경근염 (radiculitis), 좌골신경통 등으로 인한 통증에 어느 정도 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 슬개골전면의 외상으로 신경맥관다발이 타박상을 입으면 외상성 전슬개골 신경통 (traumatic prepatellar neuralgia)이 유발되며 적절한 치료를 하지 않으면 주위조직에 유착이 생길 수 있다. 대개 3 MHz의 초음파를 0.5-1.0 W/cm2의 낮은 강도로 4-5분 치료하면 효과적이다. 그러나 높은 강도로 치료하면 통증이 증가한다.

④ 신경종 (neuroma)으로 인한 통증
Morton족지, 절단단 신경종 (stump neuroma)등 으로 인한 통증치료에 효과적이며 Rubin과 Kuitert에 의하면 환상지통에 극적인 효과가 있다 하였다. 치료강도는 낮은 강도에서부터 1.5 W/Cm2까지 다양하다. 절단단신경종으로 인한 통증의 경우 맥동초음파쓰 0.5-0.8 W/Cm2의 낮은 강도로 5-8분, 또는 연속초음파를 0.5 W/cm2의 낮은 강도로 4-5분간 신경종부위를 치료하고, hydrocortison을 사용한 음파영동치료도 효과적이다.

⑤ 소아마비의 통증 및 근경축
초음파는 소아마비의 통증 및 근경 축 완화에 효과적이다.

 

• 급성 및 만성 염증성 질환과 창상

1) 점액낭염, 건염, 건초염, 관절주위염, 강직성척추염 등 염증성 질환
견봉하점액낭염, 상완이두근건염, 건초염 등 염증성질환에 초음파치료를 한 결과 통증 및 압통 완화, 관절가동범위 증가 등의 치료효과가 있다.

2) 염좌 혈종, 종창, 부종, 급성 강수증 (acute effusion of knee)
초음파는 급성 외상 치료에 유익하다 지속적인 부종은 염증을 오래가게 하고 통증증가 및 관절강직과 같은 기능장애를 일으키기 때문에 외상 직후 24-48시간 동안 부종을 예방하고 감소시키는 것은 매우 중요하다. 실험적으로 쥐의 복부에 부종을 유발시키고 4.0-8.0 W/cm2의 높은 강도로 치료했을 때에는 부종이 증가하였으나, 0.79 MHz의 초음파를 맥동율 20% 및 50%, 강도 0.5 w/cm2로 2-4분 동안 치료한 결과 부종이 감소하였다.

3) 창상 및 만성피부궤양
초음파는 창상, 수술창, 욕창, 만성 정맥류성궤양 등 급성 및 만성창상 치유에 유익하다. 필요한 경우 치료 전에 창상부위를 깨끗하게 하고 괴사조직을 제거해야 한다. Dyson 등 (1968)은 실험적으로 토끼의 귀에 창상을 유발시키고 2주후부터 주당 3회씩 3,5 MHz 초음파를 여러 강도로 치료한 결과 맥동율 20%의 맥동초음파는 025 W/cm2와 0.5 W/cm2. 연속초음파의 경우 0.1 w/cm2가 창상치유의 가장 효과적 인 용량이라고 하였다 욕창은 05-1,0w/cm2로 주당 3회 치료하고, 만성피부궤양은 다른 치료방법으로 효과가 없을 때 권장할 만 하며, Dyson과 Sucklig는 3 MHz, 맥동율 20%의 맥동초음파를 1.0 w/cm2강도로 5-10분간 주당 3회씩 치료한 결과 28일후 궤양의 크기가 현저하게 감소되었음을 보고하였다.

4) 건 봉합술 후
일반적으로 치유촉진을 위해서는 초기부터 재형기에 걸쳐 낮은 강도로 치료하는 것이 바람직하다. Robert는 건봉합술 후 석고고정한 토끼의 건에 맥동초음파를 사용하여 0.8 w/cm2의 낮은 강도로 5분간 주당 5회씩 6주간 치료한 결과 건치유가 촉진되고 건의 장력이 증가하였음을 보고하였으며, Enwemeka (1989)는 토끼의 아킬레스건을 절단한 후 봉합하고 섬유글라스로 고정한 다음 1 MHz의 초음파를 1.0 W/cm2의 낮은 강도로 5분씩 9일간 수중 치료한 결과 건의 횡단면 (CSA) 및 장력이 증가하고 교원섬유가 많아져 건의 치유가 유의하게 빨라졌음을 보고하였다.

5) 석회성 건염 및 점액낭염 (calcific tendinitis, bursitis)
극상근 건염 (supraspinatus tendinitis)은 반복적인 외상과 이에 따른 퇴행으로 건이 마멸되고 국소저혈이 일어나기 때문에 석회화가 발생하여 건주위에 국소염증을 초래하게 된다. 초기에 매우 심한 통증을 호소하고 외전 및 회전운동이 현저하게 제한되며 석회화액이 흡수되지 않으면 만성건염으로 넘어간다. 초음파는 칼슘흡수를 촉진하기 때문에 조기 초음파치료는 효과적이며 또한 하이드로코티숀 (hydrocortisone) 음파영동도 칼슘흡수에 유익하다.

6) 발바닥사마귀 (plantar wart, vemuca plantaris)
발바닥사마귀는 모세혈관의 혈전을 가운데 두고 비후 및 각질화된 상피세포가 둘러싼 피부질환이다. 바이러스 감염이 주된 원인이고 외상 및 심인성 요인도 작용한다. 아동기로부터 사춘기 및 장년기에 이르기까지 체중부하부위인 발바닥의 중족골두 (metatarsal head)에 호발하기 때문에 체중부하시 통증이 심하게 나타나 모든 사마귀중에서 가장 심각하다. 사마귀의 치료는 전기건조법 (electrodesiccation), 외과적 적출, 방사선치료, 액체질소나 드라이 아이스에 의한 냉동법등이 사용 되고 있다. Kent는 다른 치료방법과는 달리 조직손상 및 반흔을 남기지 않으며 치료과정이 간단하고 통증이 없을 뿐 아니라 치료효과가 우수하고 재발이 안 된다고 초음파치료의 장점을 열거하면서 초음파치료를 권장하였다 0.6 W/cm2강도로 직접 또는 간접접촉하여 7-15분간 2-15회 치료하는 방법을 가장 많이 사용하며, 1.0 W/cm2강도로 15분간 주당 2회씩 치료하기도 한다. Vaughn은 연속초음파를 0,69 W/cm2의 강도로 평균 7-8회 치료하여 83%, 0.75W/cm2강도로 수중 치료하여 51%에서 만족할만한 효과를 나타냈음을 보고하여 수중치료보다 접촉치료가 더 효과적임을 제시하였다.

7) 말초혈관장애
말초동맥부전 (peripheral arterial insufficiency)환자의 교감신경, 교감신경절에 초음파치료를 한 결과 사지의 혈류가 증진된바 있다. 순환장애 부위는 조짐괴사등의 위험이 있어 초음파치료를 하지 않지만 신경근, 교감신경, 교감신경절등 분절에 초음파치료하는 분절치료 (segmental treatment)방법으로 말초혈관장애를 치료할 수 있다.

8) 부인과 영역
분만 후 회음부 손상을 치유를 촉진시키고 부종 및 통증을 감소시킨다.