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원리

대한충격파재생의학회

원리

충격파 치료의 원리 충격파는 대량의 에너지가 순간적으로 방출되는 경우 발생하는 불연속적 파동의 한 종류로 파동이 액체, 기체, 플라스마 등의 유체속을 음속보다 빠르게 지날 때 발생하는 것을 의미한다. 초기에는 충격파가 인체 내에서 어떤 기전을 통해 치료 효과를 갖는지 알지 못했다. 따라서 비슷한 효과를 보일 것으로 판단되는 질병에 실험적으로 충격파를 적용하고 결과를 분석하여 적응증을 늘려갔다. 2000년대에 들어서 충격파가 생체 조직에 어떤 변화를 일으키는지 관찰하는 기술들이 발 달함에 따라 충격파의 체내 작용 기전을 밝혀내는 데 진전이 있었으나 아직 정확하게 모든 기전을 알아내진 못하였다.

충격파를 만드는 원리는 크게 초점형, 방사형으로 나눌 수 있다(그림 1). 초점형 충격파는 사람의 몸이 물과 비슷한 음향 임피던스를 갖추고 있는 점에 착안해 사람의 몸이 매질이 되어 충격파를 전달하는 원리를 이용한다. 전기 에너지를 기계적 에너지로 전환시켜 충격파를 만든 뒤 반사판을 이용해 특정 부위에 충격파를 집중시킨다. 조직의 특정 부위에 에너지가 집중되어 상대적인 통증이 심할 수 있다.

그림 1 (a) 방사형 충격파 파형; (b) 초점형 충격파 파형

초점형 충격파는 생성 방식에 따라 세가지 유형으로 나눌 수 있는데, 전기 수력(eletrohydraulic), 전자기 (electromagnetic), 압전기(piezoelectric) 원리가 있다. 전기 수력 원리는 1세대 타입으로 전자기나 압전기 방식보다 상대적으로 더 큰 에너지를 내는 장점이 있으며 고압의 전기를 이용한 수중 폭발을 일으켜 발생한 충격파를 반사체를 이용하여 하나의 초점에 모이게 하는 장치이다. 전자기 원리는 전류를 코일을 통과시키면 서 강한 자기장이 형성되고, 이렇게 만들어진 충격파를 렌즈를 이용하여 초점을 형성하는 방식이다. 압전기 원리는 전류 공급에 따라 부피가 수축과 팽창을 하는 압 전 금속(piezoelectric crystals)이 주변의 수중에서 충격파를 발생시키는 원리이며, 형성된 충격파가 바로 초점을 형성할 수 있게 압전 금속이 기하학적으로 정렬하게 된다.

방사형 충격파는 공기압을 이용해 압력파(pressure wave)를 만드는 방식으로 발사체에서 압축 공기를 가속화시킨 후 애플리케이터(applicator)에서 피부에 운동 에너지를 전달하는 방식이다. 조직에 전반적으로 충격파를 전달하는 효과가 있어 근육 조직의 치료에 많이 이용된다. 반면 충격파의 에너지를 조직의 한 곳에 집중할 수 없는 단점이 있다.

의학에서 사용하는 충격파는 10ns의 짧은 시간 안에 5~120MPa까지의 높은 압력 상승을 보이고 최고 압력의 지속 시간은 매우 짧다. 이후에 압력의 크기가 양성 압력 진폭의 10% 정도 되는 음성 압력 위상이 뒤이어 나타나며 이는 공동화(cavitation) 현상을 일으키는 주원인이라고 생각된다. 이런 공동화는 세포막의 투과성과 생물학적 분자의 이온화를 증가시킨다. 충격파가 지나갈 때 조직의 분자들은 진동하면서 충격파에 대한 반응으로 공동화 거품 (cavitation bubble)의 군집(cluster)을 형성하게 된다. 충격파 치료가 인체 내에서 어떤 기전 으로 효과를 나타내는지 여러가지 가능성들을 포함하여 현재까지 밝혀진 바를 중심으로 ISMST에서는 다양한 기전을 인정하고 있다.

표 1 충격파 치료의 인체내 기전(ISMST)