의료용 초음파 진단(일명 에코 진단)에 이용되는 조영제나 초음파 세정기 등 다양한 초음파 기술에서 매우 미세한 크기의 기포(버블)가 수행하는 역할은 매우 크다. 특히 마이크로미터 단위 크기의 버블(마이크로 버블)은 그 공진 주파수가 의료용 초음파 진단에 이용되는 MHz 대역과 일치하며, 체내의 모세혈관을 포함한 혈액 순환 시스템에 적합하기 때문에 초음파 조사 하의 그 거동에 대해 수많은 연구 보고가 이루어져 왔다. 음파의 파장에 대해 충분히 작은 크기의 버블은 초음파 주기에 호응한 팽창 수축 운동을 반복하기 때문에 혈류 내에서는 단순히 음파의 반사원이 될 뿐만 아니라, 입사파와는 다른 주파수를 포함하는 음파를 2차적으로 재방사하는 음원으로 작용한다.

 

하모닉 이미징으로 대표되는 이미징 기법에서는 송신 주파수와는 다른 수신 주파수를 해석함으로써 혈류만을 선택적으로 강조 조영한다. 따라서 초음파 조사 하의 마이크로 버블의 거동을 이해하는 것은 매우 중요하다. 지금까지의 마이크로 버블 음향 특성에 관한 실험적 검토의 대부분은 비교적 간편한 기법인 다수의 마이크로 버블을 포함하는 현탁액의 후방 산란파를 해석하는 케이스가 많다. 그러나 액체 중에 다수의 버블이 존재하는 경우, 버블 간에 서로 작용하는 힘(secondary Bjerknes force)이 작용하기 때문에 현탁액 중의 버블 밀도에 따라 음향 특성이 변화한다.

 

한편 현미경 시야 하에서 버블 단체의 거동을 직접 관측하는 기법도 보고되어 있다. 측정 정도는 현미경 화상의 해상도에 의존하지만, 고속도 카메라와 조합함으로써 그 거동을 상세히 알 수 있다. 따라서 이 글에서는 초음파에 의해 일어나는 단일 버블의 매우 작은 진동도 측정할 수 있는 광학적 기법에 대해서 소개한다.

 

음향 정재파 중의 버블 진동 계측

 

그림 1은 초음파 발생 장치를 포함한 단일 마이크로 버블의 관측 시스템을 나타내고 있다. 액체로 채운 관측용 셀의 바닥부에 압전 초음파 진동자를 접착하고 있으며, 진동자에 그 공진 주파수의 연속 정현파를 입력함으로써 셀 바닥부가 진동하고 액체 중에 초음파가 방사된다. 이때 액면 높이를 조정함으로써 액체 중의 수직 방향으로 음향 정재파를 발생시킬 수 있다.

 

 

액체 중의 음향 정재파 내에 마이크로 버블이 존재하는 경우, 버블은 정재파의 음압 배 위치로 끌려가 안정적으로 팽창 수축 운동을 반복하면서 포획된다(엄밀히는 공진 지름보다 작은 버블은 배 위치에, 공진 지름보다 큰 버블은 마디 위치에 각각 포획된다). 액체 중에 버블을 발생시키는 가장 간단한 기법은 단순히 액면을 가는 바늘 등으로 찌르는 것만으로 충분하며, 액면 근처에서 발생한 버블은 자동적으로 음압 배부로 끌려가 결과적으로 단일 버블로 포획된다. 포획된 버블에 대해 수평 방향에서 연속광을 조사하고, 그 초점 위치와 버블의 포획 위치가 일치하도록 조정하여 장거리 현미경 부착 고속도 카메라로 투과광을 관측한다. 일반적인 고배율 대물렌즈의 경우, 초점 거리가 짧기 때문에 렌즈와 관측 대상의 거리를 가깝게 할 필요가 있으나, 장거리 현미경을 이용함으로써 관측용 셀 내의 음장을 교란하지 않고 셀 외부에서 버블을 관측할 수 있다.

 

또한 수직 상방에서 레이저 도플러 진동계(Laser Doppler Vibrometer; LDV)에 의해 버블의 진동을 관측한다. LDV는 빛의 도플러 효과를 이용함으로써 일반적으로는 고체 표면의 진동 속도를 측정할 수 있는 장비이지만, 충분한 반사광을 얻을 수 있는 경우는 버블 표면과 같은 기액 계면의 진동도 측정할 수 있다. LDV 헤드에 대물렌즈를 장착하여 LDV 출력 레이저 초점의 빔 폭을 마이크로미터 단위로 좁히고, 그 초점을 관측용 셀 내의 버블 표면에 일치시켜 반사광을 LDV 헤드로 수광한다. 또한 LDV에 CCD 카메라를 탑재함으로써 LDV 출력 레이저의 대략적인 초점 위치를 알 수 있다.

 

 

그림 2는 음향 정재파에 포획된 마이크로 버블의 진동 계측 결과의 예를 나타내고 있으며, LDV(왼쪽 세로축․실선)와 고속도 카메라(오른쪽 세로축․플롯)에 의한 결과를 함께 표시하고 있다. 또한 같은 그림에 나타낸 바와 같이 고속도 카메라로 관측되는 버블은 광원의 입사광 굴절 및 투과에 의해 주변 부분은 어둡고, 중심 부분은 밝게 표시된다. 고속도 카메라의 분해능은 픽셀당 서브마이크론 단위인데, 버블 표면을 결정하는 촬영 영상의 휘도 임계값을 결정하여 버블의 면적으로부터 반경을 계산하고 있다. 그림 2(a)는 주파수 27kHz, 음압 진폭 10kPa일 때의 버블 진동 모습이며, 버블은 초음파 주파수에 동기한 조화적 진동을 보인다는 것을 알 수 있다. 또한 LDV 및 고속도 카메라에 의한 측정값은 정량적으로도 거의 일치한다. 한편 그림 2(b)는 27kHz, 20kPa일 때 다른 크기의 버블을 계측한 결과로, 버블은 주기적이지만 앞서와는 달리 비선형 진동을 보인다는 것을 알 수 있다. 또한 버블 진동이 비선형인 경우에도 LDV와 고속도 카메라의 측정값은 일치한다.

 

 

일반적인 초음파 조영제는 혈류 내의 용해를 방지하기 위해 마이크로 버블 주위에 분자막을 가진 캡슐 구조이다. 따라서 주위 분자막이 없는 마이크로 버블에 비해 음향적 탄성이 크고, 초음파 조사 하의 진동 진폭도 비교적 작다. 그림 3은 그 주위에 고분자막을 가진 마이크로 캡슐의 진동 계측 결과이다. 마이크로 버블에 비해 정재파 중의 진동 진폭이 작은 경우, 고속도 카메라에 의한 관측에서는 화상 분해능이 낮기 때문에 진동을 측정하기 어렵다. 그러나 LDV를 이용함으로써 그림에 나타낸 바와 같이 카메라로는 측정이 어려운 1µm 이하의 진동도 계측할 수 있다.

 

버블 표면 흡착 분자의 탈리 계측

 

마이크로 버블 주위를 화학적으로 개질하여 약물이나 유전자를 탑재함으로써 혈류를 통해 버블을 목표 환부에만 흡착시키고, 그 후 외부에서 초음파를 조사하여 버블을 진동·파괴함으로써 국소적인 약물 투여를 실현하는 드럭 딜리버리 시스템(Drug Delivery System; DDS)이 고안되고 있다. 이 초음파에 의한 DDS에서 초음파에 의해 방출되는 약물량을 정량적으로 평가하는 것은 매우 중요하다. 여기서는 그 주위에 계면활성제 분자가 흡착한 마이크로 버블에 초음파를 조사했을 때 버블 표면에서 탈리하는 분자의 계측 기법을 소개한다.

 

 

계측 시스템은 그림 1과 동일하지만, 그림 4에 나타낸 바와 같이 관측용 셀 내에 유리판을 설치하고 그 위에 주위에 계면활성제(DMPC) 분자가 흡착한 마이크로 버블을 고정시키고 있다. 유리판 두께(0.15mm)는 초음파 파장(주파수 39kHz의 경우 약 39mm)에 대해 충분히 얇기 때문에 음파는 거의 반사되지 않아 음향적으로는 무시할 수 있다. 그림 4에 나타낸 바와 같이 유리판에 흡착한 마이크로 버블의 직경 D와 버블의 중심에서 유리판까지의 거리 H를 측정함으로써 기하학적으로 버블의 접촉각 θ(＝cos⁻¹(2H/D))를 구할 수 있다. 유리판에 대한 버블의 접촉각은 버블의 표면 장력, 즉 버블 표면에 흡착하는 분자의 밀도에 의존한다. 그림 5는 버블 표면에 흡착하는 DMPC 농도와 접촉각의 관계를 나타내고 있으며, DMPC 농도가 높을수록 버블의 표면 장력은 저하하고 접촉각은 감소한다. 따라서 버블의 접촉각 θ를 측정함으로써 버블 표면의 DMPC 분자 농도를 측정할 수 있다.

 

 

한편 버블의 진동은 앞에서 말한 바와 같이 LDV로 측정할 수 있다. 그림 6(a)는 초음파 진동자에 주파수 39kHz, 50주기의 정현파 신호를 입력한 경우의 초음파 음압 파형을, 그림 6(b)는 그것에 의해 발생하는 버블의 진동 파형을 나타내고 있으며, 초음파 조사 후 곧바로 버블 진동이 일어난다는 것을 알 수 있다. 초음파에 의해 일어나는 버블 진동은 초음파 주파수, 음압 진폭, 버블 크기 등의 파라미터에 따라 민감하게 변화한다.

 

 

그림 7은 주파수 39kHz, 음압 진폭 20kPa일 때에 다양한 크기의 버블 진동을 측정한 결과를 나타내고 있다. 가로축은 정지 시의 버블 반경 R₀, 세로축은 R₀에 대한 진동 진폭 ∆R의 비율(규격화 진동 진폭)을 나타내고 있으며, 플롯은 측정값, 실선은 로렌츠(Lorentzian) 함수에 의한 피팅 곡선이다. 39kHz에서 가장 진동 진폭이 커지는 버블의 공진 반경은 약 97µm이라는 것을 알 수 있으며, LDV에 의해 버블의 공진 특성을 측정할 수 있다.

 

 

위의 측정으로 초음파 조사에 따른 버블 표면의 흡착 분자 변화를 정량적으로 평가할 수 있다. 그림 8(a)는 3가지 다른 크기 버블(반경 61, 90, 150µm)의 초음파 조사에 따른 접촉각 θ의 경시 변화를 나타내고 있다. 그림 중에 ‘US’로 표시한 t＝120s에서 주파수 39kHz, 50주기의 초음파 펄스를 버블에 조사하고 있다. 어느 버블에서나 초음파 조사와 동시에 접촉각이 급격히 증가한다는 것을 확인할 수 있다. 그림 5의 관계로부터 접촉각에서 버블 표면의 DMPC 농도로 환산한 결과가 그림 8(b)이다. 초음파 조사에 의해 각 버블 표면의 DMPC 분자 농도가 감소한다는 것을 알 수 있다. 또한 초음파 조사 전후의 DMPC 분자 농도의 변화로부터 그 탈리량도 정량적으로 측정할 수 있다. 반경 61, 90, 150µm의 3가지 버블의 규격화 진동 진폭은 각각 0.01, 0.03, 0.006으로, 초음파 조사 전에 대한 조사 후의 탈리 비율은 각각 50%, 70%, 58%였다. 즉, 이 결과는 그림 7에 나타낸 바와 같이 조사하는 초음파 주파수에 대한 공진 반경(97µm)에 가까운 버블일수록 진동 진폭이 크고, 주변의 계면활성제 분자의 탈리 비율이 커진다는 것을 의미한다.

 

 

맺음말

 

이 글에서는 초음파 조사 하의 마이크로 버블 진동의 광학적 관측 시스템을 소개했다. LDV와 고속도 카메라로 동시에 서로 다른 방향에서 관측함으로써 버블의 단순한 팽창 수축 운동뿐만 아니라 버블 표면에서 탈리하는 분자의 거동을 관측할 수 있다. 또한 지면 관계상 소개하지 못했지만, 초음파 영상법이나 DDS 등 버블의 응용 기술에서 매우 중요한 고차의 비구형 진동 모드나 버블 붕괴 현상도 관측·평가할 수 있다. 이러한 초음파 조사 하의 단일 버블 거동을 밝힘으로써 앞으로 실제 임상 응용에서 다수의 마이크로 버블 간의 상호작용 및 집단적 거동의 이해로 이어질 것으로 기대된다.