몸 내부를 보여주는 스피커

인간의 몸에 칼을 대지 않고도 장기 내부의 움직임이나 태아의 성장 과정을 실시간으로 관찰할 수 있는 기술은 현대 의학이 이룩한 가장 위대한 성취 중 하나다. 엑스선(X-ray)이나 CT 촬영은 뼈와 같은 단단한 조직을 뚜렷하게 보여주지만, 방사선 피폭의 위험이 있어 임산부나 어린이에게 자주 사용할 수 없고 장기의 미세한 움직임을 포착하기 어렵다. 이 빈자리를 완벽하게 채워준 것이 바로 '의료용 초음파(Ultrasound)' 진단기다. 흔히 병원에서 의사가 젤을 바른 탐촉자(Probe)를 배에 문지르며 모니터를 통해 내부를 들여다보는 장비가 그것이다. 재미있는 사실은 이 첨단 의료 장비가 우리가 일상에서 음악을 들을 때 사용하는 스피커(Speaker), 그리고 박쥐나 돌고래가 어두운 곳에서 장애물을 피하기 위해 사용하는 반향 정위(Echolocation) 원리와 근본적으로 동일한 물리학적 기반 위에 서 있다는 점이다. 소리라는 매개체를 이용하여 어둠 속에 감춰진 인체 내부의 지도를 섬세하게 그려내는 초음파 진단 기술의 원리와, 그 속에 숨겨진 마법 같은 소재인 압전 소자에 대해 자세히 들여다보자.

메아리의 원리와 인체의 수중 탐지기

초음파 진단기의 작동 원리는 깊은 바다에서 잠수함이나 물고기 떼를 찾는 소나(Sonar, 음파 탐지기)와 똑같다. 인간의 귀로 들을 수 있는 주파수 대역(20~20,000Hz)을 훌쩍 넘어서는 2메가헤르츠(MHz) 이상의 매우 높은 진동수를 가진 소리, 즉 초음파를 인체 내부로 발사한다. 발사된 초음파는 인체의 장기, 혈관, 근육 등을 통과하며 앞으로 나아가다가, 성질이 다른 두 조직이 만나는 경계면(예를 들어 간과 혈관의 경계, 근육과 뼈의 경계)에 부딪히면 빛이 거울에 반사되듯 그 일부가 튕겨져 나온다. 이렇게 되돌아오는 미세한 메아리(Echo) 신호를 수신하여, 소리가 갔다가 돌아오는 데 걸린 시간을 계산하면 조직의 깊이를 알 수 있다. 또한 튕겨 나오는 소리의 강도를 분석하면 그 조직이 부드러운 지방인지, 단단한 뼈인지, 액체가 찬 물혹인지 그 밀도와 성질을 파악할 수 있다. 컴퓨터는 이 수많은 메아리 데이터들을 모아 우리가 눈으로 볼 수 있는 2차원 흑백 점(Pixel)들로 모니터 화면에 재구성한다. 소리로 그림을 그리는 셈이다.

압전 효과, 전기를 소리로 바꾸는 마법의 돌

그렇다면 인체 내부로 쏠 초고주파 소리는 어떻게 만들어 내며, 되돌아오는 미세한 소리는 어떻게 전기 신호로 바꿀 수 있을까? 그 핵심 부품은 초음파 탐촉자 끝에 촘촘하게 박혀 있는 '압전 소자(Piezoelectric Element)'다. 압전 효과란 수정(Quartz)이나 특정 세라믹 물질에 기계적인 압력을 가하면 전기가 발생하고, 반대로 전기를 가하면 물질이 팽창하고 수축하며 기계적인 진동을 일으키는 현상을 말한다. 1880년 피에르 퀴리와 자크 퀴리 형제가 처음 발견한 이 물리 법칙은 초음파 진단기의 심장이다. 탐촉자에 교류 전압을 가하면 압전 소자가 1초에 수백만 번씩 팽창과 수축을 반복하며 인체를 향해 초음파를 발사한다. 반대로 인체에서 튕겨 나온 미세한 초음파 메아리가 다시 탐촉자를 때리면, 압전 소자는 그 미세한 압력(떨림)을 감지하여 전기 신호로 변환해 컴퓨터로 보낸다. 즉, 압전 소자는 스피커(전기를 소리로 변환)와 마이크(소리를 전기로 변환)의 역할을 1초에 수천 번씩 번갈아 가며 수행하는 것이다. 피부에 젤을 바르는 이유는 공기가 초음파를 심하게 반사하여 신호가 몸속으로 들어가는 것을 방해하기 때문에, 젤을 통해 피부와 탐촉자 사이의 빈틈을 메워 음파가 매끄럽게 전달되도록 돕기 위함이다.

도플러 효과, 흐르는 피의 속도를 재다

초음파 진단기는 단순히 장기의 형태를 보는 것을 넘어, 혈관 속을 흐르는 피의 방향과 속도까지 실시간으로 측정할 수 있다. 여기에 적용된 물리학의 원리가 바로 '도플러 효과(Doppler Effect)'다. 구급차가 사이렌을 울리며 다가올 때는 소리가 높게(고주파) 들리고, 멀어질 때는 낮게(저주파) 들리는 현상과 같다. 탐촉자에서 쏜 초음파가 혈관 속을 빠르게 이동하는 적혈구에 부딪혀 반사될 때, 적혈구가 탐촉자 쪽으로 다가오고 있다면 반사된 초음파의 주파수는 높아지고, 멀어지고 있다면 주파수는 낮아진다. 컴퓨터는 이 미세한 주파수의 변화량을 계산하여 혈류의 속도를 구하고, 이를 빨간색과 파란색 같은 시각적인 색상(컬러 도플러)으로 화면에 표시해 준다. 의사들은 이를 통해 심장 판막이 제대로 닫히는지, 목의 경동맥이 플라크로 좁아져 피가 빠르게 소용돌이치는지, 태아의 탯줄에 혈액이 잘 공급되고 있는지 등을 방사선 없이도 정확하게 진단할 수 있다. 형태뿐만 아니라 생명 활동의 동역학까지 파악할 수 있는 강력한 진단 도구인 것이다.

해상도와 투과력의 물리적 딜레마

초음파 검사에는 뚜렷한 물리적 한계가 하나 존재하는데, 바로 소리의 주파수가 높아질수록 파장이 짧아져 투과력이 약해진다는 점이다.