치료용 초음파가 발생하는 원리로 옳은 것은?

치료용 초음파는 탐촉자 안의 결정에 고주파 전압을 걸면 결정이 수축과 팽창을 반복하는 역압전효과로 기계적 진동을 만들어 발생시킨다. 이 진동이 매질을 통해 조직에 전달되어 온열효과와 비온열효과를 낸다.

치료용 초음파의 발생 원리: 압전효과

이 문제는 초음파치료기가 어떻게 초음파를 만들어 내는지를 묻습니다. 치료용 초음파는 사람 귀로 들리지 않는 높은 진동수의 음파이며, 장비의 탐촉자(transducer) 안에서 전기에너지가 기계적 진동으로 바뀌어 만들어집니다. 발생 원리를 알아야 탐촉자를 왜 조심해서 다뤄야 하는지, 왜 매질이 필요한지가 이해됩니다.

보기 3번 결정에 전압을 걸어 진동시키는 압전효과가 정답입니다. 탐촉자 속 결정(석영이나 인공 세라믹 등)에 고주파 교류 전압을 걸면 결정이 전압의 방향에 맞춰 수축과 팽창을 빠르게 반복합니다. 이 현상이 역압전효과(inverse piezoelectric effect)이고 치료용 초음파 발생에 쓰입니다. 만들어진 진동은 접촉 매질을 거쳐 조직으로 전달되어 열 작용과 비열 작용(공동현상, 음향 미세흐름)을 일으킵니다.

보기별 해설

1번: 자기장을 변화시켜 와전류를 만드는 효과 — 전자기 유도에 해당하며 와전류를 이용하는 기기의 원리입니다. 초음파 발생과는 관계가 없습니다.

2번: 기체를 방전시켜 빛을 내는 효과 — 기체 방전은 형광등이나 일부 광원, 레이저 매질에서 쓰는 원리이며 음파를 만드는 방법이 아닙니다.

4번: 전류를 저항체에 흘려 열을 내는 저항효과 — 줄열(Joule heat)로 열을 내는 원리로 전기 핫팩이나 일부 열치료기에 쓰입니다. 초음파는 진동으로 만들어지는 기계적 파동이라 구분됩니다.

5번: 전자를 가속시켜 방사선을 내는 효과 — X선 발생 원리입니다. 초음파는 전리방사선이 아니라 매질이 필요한 역학적 파동입니다.

임상 적용 관점

초음파는 매질이 있어야 전달되므로 피부와 탐촉자 사이에 젤을 충분히 바르고, 공기층이 생기지 않도록 탐촉자를 움직이며 대 줍니다. 결정을 흔드는 장비이므로 떨어뜨리거나 공기 중에서 오래 켜 두면 결정이나 장비가 손상될 수 있습니다. 한 부위에 고정하면 열이 쌓여 화상이나 골막 자극이 생길 수 있어 작은 원을 그리며 이동합니다.

초음파의 작용은 열 작용과 비열 작용으로 나뉩니다. 열 작용은 조직이 음파 에너지를 흡수해 온도가 올라가는 것이고, 비열 작용에는 미세한 기포가 팽창과 수축을 반복하는 공동현상과 세포막 주변에서 액체가 흐르는 음향 미세흐름이 있습니다. 연속파는 열 작용이 두드러지고 펄스파는 열을 줄이고 비열 작용을 이용할 때 선택합니다. 이 모든 효과가 압전 결정의 진동에서 출발한다는 점을 이해해 두면 이후 파라미터 설정 문제로 이어집니다.

정리하면 치료용 초음파는 압전 결정에 교류 전압을 걸어 진동시키는 방식으로 발생하며, 다른 보기는 전자기 유도, 방전, 저항열, X선 발생처럼 별개의 물리 원리입니다.