심장초음파

초음파는 인간의 가청 주파수 범위(약 20 Hz ~ 20 kHz)를 넘어서는, 매우 높은 주파수(일반적으로 1~20 MHz)를 가진 음파이다. 심장초음파 검사에서는 이 초음파를 발생시키고 수신하는 변환기를 사용하여 심장의 구조와 운동을 영상화한다.

초음파의 핵심 물리적 특성 중 하나는 조직의 경계면에서 반사된다는 점이다. 서로 다른 밀도를 가진 조직 사이의 경계(예: 혈액과 심장벽)에 초음파가 도달하면 일부는 반사되어 변환기로 돌아오고, 나머지는 더 깊은 조직으로 전달된다. 이 반사된 에코 신호의 강도와 도달 시간을 분석하여 심장 내부의 실시간 2차원 영상을 구성한다.

초음파의 투과 깊이와 해상도는 사용하는 주파수에 의해 결정된다. 일반적으로 높은 주파수(예: 7.5-10 MHz)의 초음파는 해상도가 높아 세부 구조를 선명하게 보여주지만, 조직 투과력이 낮아 표면 근처의 구조만 관찰할 수 있다. 반면, 낮은 주파수(예: 2.5-3.5 MHz)는 투과력이 좋아 심장 깊숙한 곳까지 영상을 얻을 수 있으나, 해상도는 상대적으로 떨어진다. 따라서 검사 목적과 환자의 체형에 따라 적절한 주파수의 탐촉자를 선택한다.

초음파의 또 다른 중요한 특성은 매질(조직) 내에서의 속도가 상대적으로 일정하다는 것이다. 인간 조직 내에서의 초음파 평균 속도는 약 1540 m/s로 알려져 있다. 에코 신호가 돌아오는 데 걸리는 시간을 측정하면, 이 속도 상수를 이용해 심장 구조물까지의 거리(깊이)를 정확하게 계산할 수 있다. 이 원리는 심장의 크기, 심실 벽 두께, 판막 운동 범위 등을 정량적으로 측정하는 기초가 된다.

도플러 효과는 음파나 전자기파의 주파수가 파원과 관찰자의 상대적 운동에 따라 변화하는 현상을 말한다. 심장초음파에서는 이 원리를 활용하여 혈류의 속도와 방향을 측정한다. 초음파 탐촉자가 혈액 속 움직이는 적혈구에 초음파를 발사하면, 반사되어 돌아오는 초음파의 주파수는 적혈구의 운동 방향과 속도에 따라 변화한다. 이 주파수 변화를 분석하여 혈류 속도를 정량적으로 계산할 수 있다.

도플러 심장초음파는 크게 펄스파 도플러, 연속파 도플러, 컬러 도플러로 구분된다. 펄스파 도플러는 심장 내 특정 위치(샘플 용적)의 혈류 속도를 측정하는 데 사용되며, 승모판 유입 혈류나 대동맥 유출 혈류의 파형을 평가할 수 있다. 연속파 도플러는 매우 높은 혈류 속도도 측정 가능하여, 판막 협착증이 있을 때 발생하는 고속 혈류를 정확히 평가하는 데 필수적이다.

컬러 도플러는 2차원 심초음파 영상 위에 혈류의 방향과 상대적 속도를 색상으로 중첩하여 표시하는 기술이다. 일반적으로 탐촉자를 향해 오는 혈류는 빨간색으로, 멀어지는 혈류는 파란색으로 코딩된다. 이를 통해 판막 역류나 심장 내 단락과 같은 이상 혈류의 존재, 위치, 범위를 직관적으로 파악할 수 있다. 또한 조직 도플러 영상은 심근 자체의 운동 속도를 측정하여 심실 기능을 더욱 정밀하게 평가하는 데 활용된다.

이러한 도플러 기법의 적용은 심장초음파를 단순한 해부학적 영상 검사를 넘어, 혈역학적 정보를 제공하는 역동적인 평가 도구로 격상시켰다. 이를 통해 심장의 펌프 기능, 판막의 기능적 상태, 그리고 심장 내 다양한 압력 차이를 비침습적으로 추정하는 것이 가능해졌다.

경흉부 심장초음파는 가장 일반적으로 시행되는 심장초음파 검사 방식이다. 검사자는 환자의 가슴 피부에 젤을 바르고 초음파 탐촉자를 다양한 위치와 각도로 접촉시켜 심장을 관찰한다. 이를 통해 심장의 크기, 벽 두께, 심실 및 심방의 구조, 심근의 수축력, 심장 판막의 모양과 움직임 등을 실시간 영상으로 확인할 수 있다.

검사는 보통 환자가 왼쪽으로 누운 자세에서 진행되며, 탐촉자를 위치에 따라 움직이며 여러 표준 절단면을 얻는다. 주요 절단면으로는 흉골 좌단장축면, 흉골 좌단단축면, 심첨부 사장축면, 심첨부 사장축면 등이 있다. 각 절단면은 심장의 특정 구조를 가장 잘 보여주도록 설계되어 있다.

이 검사는 비침습적이며 방사선 노출이 없어 안전하고, 통증이 거의 없다. 검사 시간은 일반적으로 20분에서 40분 정도 소요된다. 검사 전 특별한 준비는 필요하지 않으나, 편안한 옷을 입고 오는 것이 좋다. 경흉부 심장초음파는 심부전, 심장 판막 질환, 선천성 심장병 등 다양한 심장 질환의 일차적인 선별 및 진단에 핵심적인 역할을 한다.

경식도 심장초음파는 초음파 탐촉자를 환자의 식도 내로 삽입하여 심장을 바로 뒤에서 관찰하는 검사법이다. 경흉부 심장초음파에 비해 심장과 탐촉자 사이에 폐나 늑골과 같은 구조물의 간섭이 적어, 훨씬 더 선명하고 고해상도의 영상을 얻을 수 있다. 이 검사는 특히 심장의 후방 구조물인 좌심방, 이첨판, 대동맥 근부, 그리고 심방중격 등을 정밀하게 평가해야 할 때 필수적으로 시행된다.

검사는 일반적으로 국소 마취제로 구강과 인후부를 마취한 후, 진정제를 투여하여 환자의 불편감을 최소화한 상태에서 진행된다. 탐촉자가 부착된 유연한 내시경 도관을 식도 안으로 서서히 넣어 심장 뒤쪽의 적절한 위치에 고정시킨다. 검사 소요 시간은 대략 15분에서 30분 정도이며, 검사 중 환자의 혈압, 맥박, 산소 포화도 등을 지속적으로 모니터링한다.

주요 임상적 적용 분야는 다음과 같다.

검사 후에는 진정제 효과가 완전히 소실될 때까지 안정을 취해야 하며, 일시적인 인후통이나 삼킴 곤란이 발생할 수 있다. 드물지만 식도 손상이나 출혈과 같은 합병증의 위험이 존재하므로, 숙련된 의사가 적절한 적응증 하에 시행해야 한다.

스트레스 심장초음파는 신체적 또는 약리학적 스트레스를 가하여 심장에 부하를 준 상태에서 심장의 구조와 기능을 초음파로 평가하는 검사법이다. 이 검사의 핵심 목적은 휴식 상태에서는 정상으로 보일 수 있는 허혈성 심장병을 발견하거나, 알려진 심장병의 중증도를 평가하는 것이다. 운동이나 약물로 심장의 일과성 부하를 증가시키면, 혈류 수요가 공급을 초과하는 영역에서 국소 벽 운동 이상이 나타날 수 있다. 이렇게 유발된 심근의 수축 이상을 실시간으로 관찰함으로써 관상동맥질환의 존재와 범위를 진단한다.

검사는 주로 두 가지 방식으로 수행된다. 첫째는 운동 부하 심장초음파로, 환자가 트레드밀 또는 자전거 에르고미터를 이용하여 점진적으로 운동 강도를 높이는 동안 또는 직후에 심장을 촬영한다. 둘째는 약물 부하 심장초음파로, 운동이 불가능한 환자에게 도부타민이나 아데노신, 디피리다몰 등의 약물을 정맥 주사하여 심박수와 심장 수축력을 증가시키거나 관상동맥을 확장시킨다. 두 방법 모두 심장에 스트레스를 가한 '부하 시'와 그 이전의 '기저 시' 영상을 비교 분석하는 원리는 동일하다.

주요 평가 지표는 좌심실 벽의 운동성이다. 검사자는 심장의 여러 부분(분절)이 스트레스 하에서 정상적으로 두꺼워지고(축두께 증가) 안쪽으로 움직이는지(내향 운동)를 평가한다. 새로운 국소 벽 운동 이상이 나타나거나 기존 이상이 악화되는 것은 해당 부위를 담당하는 관상동맥에 혈류 장애가 있음을 시사하는 중요한 소견이다. 또한, 판막 기능, 특히 대동맥판협착의 중증도를 부하 상태에서 재평가하거나, 운동 유발성 폐고혈압을 진단하는 데에도 활용된다.

스트레스 심장초음파의 결과는 민감도와 특이도가 높은 편이며, 방사선 노출이 없는 장점이 있다. 검사 결과는 다음 표와 같이 임상적 판단에 활용된다.

이 검사는 관상동맥질환의 진단, 혈관재개통술(관상동맥우회로이식술 또는 관상동맥중재시술)의 필요성 판단, 그리고 그 수술 후의 예후 평가에 널리 사용된다.

좌심실의 기능은 가장 핵심적인 평가 항목으로, 수축기능과 이완기능으로 나누어 평가한다. 수축 기능은 주로 좌심실 구혈률을 측정하여 정량화한다. 이는 심장이 한 번 수축할 때 박출하는 혈액량의 비율을 의미하며, 정상 범위는 55% 이상이다. 구혈률이 낮아지면 심부전이나 심근경색 후 심근 손상 등을 시사한다. 구혈률 외에도 심실 용적, 심박출량, 심박출계수 등을 측정하여 심장의 펌프 기능을 종합적으로 평가한다.

이완 기능 평가는 심장의 이완 과정이 원활한지를 확인하는 것으로, 도플러 심초음파를 통해 측정한다. 좌심실로 혈액이 유입되는 속도 패턴(E파와 A파)을 분석하여 이완 기능 장애의 유무와 정도를 판단한다. 이완 기능 장애는 고혈압, 허혈성 심질환, 노화 등에서 흔히 나타나며, 심부전의 초기 단계를 발견하는 데 중요한 지표가 된다.

우심실의 기능 평가는 상대적으로 복잡하지만 중요성이 점차 부각되고 있다. 우심실의 크기, 벽 두께, 수축력(삼첨판륜 수축기 변위)을 평가한다. 폐고혈압, 우심부전, 폐색전증 등이 의심될 때 중점적으로 시행한다. 심실 기능 평가는 심장의 전반적인 기계적 성능을 이해하고, 다양한 심혈관 질환의 진단, 중증도 평가, 치료 반응 모니터링 및 예후 판정에 필수적인 정보를 제공한다.

심장초음파는 심장의 네 개 주요 판막(삼첨판, 폐동맥판, 승모판, 대동맥판)의 형태와 움직임을 실시간으로 평가하는 핵심 검사법이다. 이를 통해 판막의 구조적 이상, 협착 또는 역류의 존재 여부와 그 심각도를 정량적으로 분석할 수 있다.

각 판막의 구조는 단면 심초음파를 통해 정밀하게 관찰된다. 판막의 두께, 석회화 정도, 판막엽의 수(예: 이첨판 대동맥판), 건삭의 상태 등을 확인하여 판막증이나 판막폐쇄부전의 원인을 규명한다. 특히 경식도 심초음파는 해상도가 높아 세균성 심내막염으로 인한 식생이나 판막륜 농양과 같은 미세한 병변을 발견하는 데 유용하다.

판막의 기능 평가에는 도플러 심초음파가 필수적으로 활용된다. 연속파 도플러는 고속 혈류를 측정하여 판막 협착의 정도를 평가하는 데 사용되며, 색채 도플러는 혈류의 방향과 속도를 색으로 표시하여 역류의 존재와 범위를 직관적으로 보여준다. 주요 측정 지표는 다음과 같다.

이러한 평가는 심장 초음파를 통해 비침습적으로 이루어지며, 판막 질환의 진단, 경과 관찰, 수술 시기 결정 및 수술 방법(판막 성형술 vs 판막 치환술) 선택에 결정적인 정보를 제공한다.

심장 내 압력 측정은 심장초음파 검사의 중요한 기능 중 하나이다. 이는 직접적인 침습적 방법 없이, 도플러 효과를 활용한 혈류 속도 측정과 베르누이 방정식을 적용하여 심장 내 다양한 부위의 압력 차이를 간접적으로 계산해낸다. 가장 흔히 측정하는 것은 삼첨판 역류를 통한 우심실 수축기 압력이며, 이는 폐동맥 수축기 압력을 추정하는 데 사용된다[1].

주요 측정 및 추정 대상은 다음과 같다.

이러한 비침습적 압력 추정은 심부전, 판막질환, 선천성 심장병 등 다양한 심장 질환의 진단, 중증도 평가, 치료 반응 모니터링에 필수적이다. 특히 폐고혈압의 선별 및 추적 관찰에 핵심적인 역할을 한다. 그러나 이 방법은 기술적으로 정확한 도플러 신호 획득에 의존하며, 특정 부정맥이 있거나 신호가 불량한 경우에는 측정이 어렵거나 부정확할 수 있다는 한계를 가진다.

관상동맥질환은 심근에 혈액을 공급하는 관상동맥이 좁아지거나 막혀서 발생하는 질환으로, 심장초음파는 이 질환의 진단과 평가에 중요한 역할을 한다. 특히 급성 심근경색이 의심되는 상황이나 만성 관상동맥질환의 결과를 평가할 때 핵심적인 영상 검사이다.

심장초음파는 관상동맥질환으로 인한 심장의 구조적, 기능적 변화를 직접 관찰한다. 가장 중요한 평가 요소는 심근의 국소 벽 운동 이상이다. 정상적으로 수축해야 하는 심근 부위가 혈류 공급 감소로 인해 제대로 수축하지 못하거나(운동감소증), 전혀 움직이지 않거나(운동무력증), 심지어 수축기에 반대 방향으로 부풀어 오르는(역행성 운동) 현상을 확인할 수 있다. 이러한 이상 부위의 위치와 범위를 통해 어느 관상동맥에 문제가 있는지 추정할 수 있으며, 심근 경색으로 괴사된 부위는 얇아지고 반짝이는 심내막을 보이는 경우가 많다.

또한, 스트레스 심장초음파는 잠재적인 관상동맥질환을 발견하는 데 유용하다. 운동이나 약물로 심장에 부하를 가한 전후에 심초음파를 시행하여, 부하 상태에서 새롭게 나타나는 심근의 국소 벽 운동 이상을 포착한다. 이는 혈류 공급에 여유가 없는 협착이 있음을 시사하는 소견으로, 관상동맥의 기능적 중대성을 평가하는 데 도움을 준다. 관상동맥질환의 합병증, 예를 들어 심실 중격 결손, 유두근 기능 부전에 의한 승모판 역류, 또는 심장 파열 등의 진단에도 심장초음파가 필수적으로 사용된다.

심부전은 심장의 펌프 기능이 저하되어 신체 조직에 필요한 혈액을 충분히 공급하지 못하는 상태를 말한다. 심장초음파는 심부전의 진단, 원인 규명, 중증도 평가 및 치료 반응 모니터링에 필수적인 검사이다.

심장초음파를 통한 심부전 평가의 핵심은 좌심실의 수축 및 이완 기능을 정량화하는 것이다. 가장 널리 사용되는 지표는 좌심실 구혈률이다. 이는 좌심실이 수축할 때마다 내보내는 혈액의 비율을 나타내며, 정상치는 55% 이상이다. 구혈률이 낮아지면 수축 기능이 저하된 심부전(심장 박출 분율 감소 심부전)을 의미한다. 또한, 심장초음파는 심실의 크기와 벽 두께, 심실 간의 운동 협조성(심실 동기화)을 평가하여 심부전의 형태를 구분하는 데 도움을 준다.

이완 기능의 평가도 중요하다. 도플러 심장초음파를 이용하여 이완기 혈류 속도를 측정하고, 조직 도플러 기법으로 심근의 운동 속도를 분석함으로써 이완 기능이 저하된 심부전(심장 박출 분율 보존 심부전)을 진단할 수 있다. 또한, 심장 초음파 조영제를 사용하면 심실 내 혈류 패턴을 더 명확히 시각화하여 혈전 유무나 심실 내 혈류 혼합을 평가하는 데 유용하다. 심부전의 원인을 찾기 위해 심장 판막의 구조와 기능, 심낭의 상태, 심실 벽의 운동 이상 등을 종합적으로 분석한다.

선천성 심장병은 태아기 심장 발달 과정에서 구조적 이상이 발생한 질환을 총칭한다. 심장초음파는 이러한 구조적 결손을 비침습적으로 직접 가시화하고, 혈류 역학적 영향을 평가하는 데 필수적인 검사법이다. 특히 신생아, 영유아에서 심잡음, 청색증, 성장 장애 등의 증상이 있을 때 1차적으로 시행되는 핵심 영상 진단 도구이다.

검사는 주로 경흉부 심장초음파를 통해 수행되며, 다양한 표준 절단면을 통해 심장의 해부학적 구조를 체계적으로 관찰한다. 주요 진단 대상은 심방중격결손, 심실중격결손, 개방성 동맥관과 같은 단순 결손부터, 팔로씨 사징, 대혈관 전위, 좌심장형성부전증후군과 같은 복잡 심기형까지 광범위하다. 도플러 초음파를 활용하면 결손을 통한 단락 혈류의 방향과 속도를 측정하여 혈역학적 중요도를 판단할 수 있다.

표: 주요 선천성 심장병의 심장초음파 소견 예시

태아기 진단에도 심장초음파(태아 심초음파)가 중요하게 사용된다. 임신 18~22주 경에 시행하는 상세 초음파 검사에서 태아 심장의 4방향 단면 등을 평가하여 주요 기형을 조기에 발견할 수 있다. 이는 출생 후 즉각적인 치료 계획 수립과 예후 향상에 기여한다. 성인에서 발견되는 무증상의 소형 결손이나, 경과 관찰이 필요한 경미한 기형의 평가에도 지속적으로 활용된다.

3D 심장초음파는 기존의 2차원 이미지를 넘어 심장의 입체적인 구조와 움직임을 실시간으로 재구성하여 보여주는 영상 기술이다. 이 기술은 초음파 변환기를 통해 얻은 여러 각도의 2차원 단면 영상 데이터를 컴퓨터로 처리하여 하나의 3차원 볼륨 데이터셋을 생성한다. 생성된 3차원 모델은 의사가 자유롭게 회전시키고 다양한 각도에서 가상으로 절단하여 관찰할 수 있게 해준다.

주요 적용 방식은 실시간 3D와 전심장 3D로 구분된다. 실시간 3D는 빠른 프레임 속도로 특정 영역의 움직임을 입체적으로 보여주는 반면, 전심장 3D는 심장 전체를 광범위하게 스캔하여 포괄적인 해부학적 구조를 파악하는 데 유용하다. 특히 경식도 심장초음파와 결합된 3D 기술은 심장 후방 구조에 대한 매우 선명한 입체 영상을 제공한다.

이 기술의 가장 큰 임상적 장점은 복잡한 해부학적 구조를 정확하게 시각화하고 정량화할 수 있다는 점이다. 예를 들어, 승모판이나 대동맥판과 같은 심장 판막의 병변 평가, 판막 개존 면적의 정확한 측정, 심방 중격 결손과 같은 선천성 심장병의 결손 크기와 형태 분석에 매우 유용하다. 또한, 심실 용적이나 박출률 계산 시 기존 2D 방법에 내재된 기하학적 가정의 오차를 줄여 보다 정확한 심실 기능 평가를 가능하게 한다[2].

3D 심장초음파는 수술 전 계획 수립이나 심장 카테터를 이용한 중재 시술 중에 실시간 가이드 역할을 하여 시술의 정확성과 안전성을 높인다. 그러나 여전히 영상의 공간 해상도와 시간 해상도 사이에는 트레이드오프 관계가 존재하며, 데이터 처리와 분석에 추가적인 시간과 전문성이 필요하다는 한계를 지닌다.

심장초음파 검사에서 조영제는 심장 내 혈류를 시각적으로 더욱 선명하게 보여주기 위해 사용되는 약제이다. 주로 정맥을 통해 주입되며, 초음파 신호를 강화하여 심장의 구조와 기능을 더 정확하게 평가할 수 있게 돕는다. 기존의 표준 검사만으로는 심내막 경계가 불분명하거나 혈류 신호가 약한 경우가 있는데, 조영제를 사용하면 이러한 문제를 극복할 수 있다.

가장 널리 사용되는 조영제는 미세 기포를 포함하는 초음파 조영제이다. 이 기포는 혈액 내에서 초음파를 강하게 반사하는 특성을 지니고 있다. 이를 통해 심실의 윤곽을 명확히 구분하여 심박출량이나 좌심실 구혈률과 같은 심실 기능 지표를 더 정확히 측정할 수 있다. 또한, 심장 내 단락이나 혈전과 같은 이상 구조물의 유무를 판별하는 데도 유용하게 활용된다.

조영제의 적용은 특정 임상 상황에서 진단적 가치를 크게 높인다. 예를 들어, 스트레스 심장초음파 검사 시 국소 벽 운동 이상을 평가할 때, 또는 심부전 환자에서 심실 내 혈전을 배제해야 할 때 표준 검사보다 우수한 결과를 제공한다. 또한, 심내막염 진단 시 심장 내 농양이나 판막의 용종성 병변을 발견하는 데 도움이 될 수 있다.

조영제 사용은 일반적으로 안전하지만, 드물게 알레르기 반응이나 호흡 곤란 등의 부작용이 발생할 수 있다. 특히 신부전 환자에게는 특정 조영제 사용에 주의가 필요하다[3]. 따라서 검사 전 환자의 병력과 신기능을 확인하는 것이 중요하다.