초음파 기술활용

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• 초음파 기술활용 (1)

  초음파 특성 및 활용분야

  1. 초음파란 무엇인가?
  • 다양화된 소고기 품질에 대하여 소비자의 기호를 만족시키기 위해서는 이용 목적에 적합한 육질을 갖는 종축의 육성과 비육우의 사양관리가 필요하다. 따라서 한우의 생체 상태에서 육질 및 육량의 특성을 정확히 추정할 수 있다면 소비자가 원하는 우수한 종축의 선발이나 고급육 생산을 위한 경제적인 비육우 사양관리 및 적정한 출하시기를 판단할 수 있어 효율적인 생산관리가 가능하게 된다.
    
    한우가 고급육으로 개량되기 위하여 현재는 도살 후 주관적 판단에 의하여 결정되는 도체등급 성적으로 종모우를 평가·선발하고 있으나 살아있는 가축을 대상으로 초음파기를 이용하여 육량 및 육질을 객관적으로 측정할 수 있는 방법을 종축 선발에 이용한다면 보다 우수한 종축을 빠른 기간 내에 선발할 수 있게 된다.
    
    또한 비육의 조기 단계에서 비육종료시의 산육형질을 정확하게 예측한다면 고급육 생산기술의 향상과 출하시기의 조기 결정으로 보다 경제적인 사양관리를 할 수 있게 된다. 초음파 기술은 산 채로 소의 고기 생산능력을 평가 할 수 있으므로, 그 소가 현재 비육 단계에서 어떤 상태에 있는 것인지, 예를 들면 「등지방이 두꺼워지고 있으므로 빨리 출하하는 편이 좋다」거나 「지방 교잡이 들어가기 시작하므로 좀 더 비육 하는 편이 좋겠다」등의 출하 시기의 결정에 응용 할 수 있다.
    
    진동하는 물체는 모두 소리를 발생시키는데 그림 1에서 보는바와 같이 주파수란 1초에 진동하는 주기의 횟수를 의미하며 단위는 Hz이다. 사람이 들을 수 있는 범위는 1초에 20번 진동하는 소리부터 20,000번 진동하는 소리까지이고(20Hz- 20,000Hz) 이를 가청 주파수라 한다. 초음파도 일종의 소리이고 사람이 들을 수 있는 주파수 범위 이상의 진동을 갖는 소리로 정의된다. 보통 20,000Hz-30MHz까지를 초음파라 한다. 이중 동물 진단에 이용되는 초음파는 보통 1MHz-10MHz까지가 이용되는데 생체조직 진단용에는 1MHz-3.5MHz의 초음파가 이용된다. 인체 또는 가축 진단용 초음파는 높은 주파수를 가지면서도 그 세기가 약하기 때문에 몸에 무해하다. 초음파의 속도와 흡수는 표 1에서와 같이 조직의 밀도나 구성성분에 따라서 서로 다른데 모든 초음파 진단기는 기본적으로 생체 내부의 속도를 1540m/sec라 가정하고 제작되고있다.
    

    발성

    

    <그림1> 소리의 진동

    
    
    
    
    <표 1> 매질별 초음파의 성질

    구 분	음 속(m /s)	1MHz의 감쇠계수 (dB /cm)	등급판정소 x10з(kg . ㎡.s)
    공기	330	12	0.0004
    혈관	1,570	0.2	1.62
    뇌	1,540	0.2	1.60
    지방	1,450	0.8	1.35
    연부조직(평균)	1,540	1.0	1.00
    위장	1,560	0.9	1.62
    두피골	4,080	13	1.80
    물	1,480	0.002	1.52

• 초음파 기술활용 (2)

  초음파 특성 및 활용분야

  가. 종모우 선발
  • 현재의 한우개량은 개체의 혈통이나 발육능력으로 당대검정을 실시한 후 후보종모우를 선발하고 이들의 자손 10여두를 거세 비육시켜 후대검정을 거친 후 도체형질 중에서 특히 근내지방도의 유전능력이 우수한 보증종모우를 선발하는 체계이다. 그러나 초음파에 의한 육질 판정의 정확도가 아주 높다고 하면 후대검정을 거치지 않고 당대에서 바로 종모우를 선발하여 활용이 가능하다. 표 2는 초음파기를 이용하여 한우 근내지방도의 연간 개량량 변화를 나타내고 있으며 초음파기의 정확도가 60%만 되어도 기존의 개량량과 같은 개량효과를 가져올 수 있는 것으로 나타났다. 즉 종모우 선발에 초음파기술을 적용시키면 당·후대검정을 걸쳐 종모우로 선발되는 현행 검정체계보다 세대간격을 훨씬 앞당김으로써 개량 효율을 높일 수 있다고 하겠다.
    
    
    
    <표 1> 초음파 측정에 의한 한우 개량효과 추정

    구 분	근내지방도 유전력	선발강도	세대간격	선발정확도	년간 유전적 개량량
    기존	0.35	2.44	5년	100	0.1642
    초음파측정	0.35	2.44	3년	10	0.0285
    				40	0.1139
    				60	0.1708
    				80	0.2277
    				100	0.2847

  나. 종빈우 선발
  • 번식우의 경우 사양조건이 비육우와는 달리 송아지 분만을 되풀이 하므로서 산육 및 육질능력을 일정하게 지속할 수 없고 종빈우 선발시 혈통과 외모심사를 중심으로 이루어지고 있어 육질능력을 알 수가 없으며 수정란 생산용 공란우 선정시 생산된 후손의 도체능력으로 어미의 능력을 판단한다고 해도 자손의 수가 적어 정확도가 많이 떨어지고 소요되는 기간이 최소한 4∼5년 이상 걸리므로 우수한 빈우를 선발하기가 매우 어려운 것이 현실이다. 번식우의 경우 지방교잡 및 등심단면적이 최고점에 달하는 시기는 40∼50개월령으로서 60개월령부터 감소하기 시작하며 분만 후 지방두께가 전구 15mm이상, 곤부 10mm 이상은 미약발정 및 발정재귀가 늦고 수태에 소요되는 인공수정회수도 많아진다.
    
    초음파 측정으로 산육 및 육질형질의 능력을 추정하여 혈통등록 사업 및 종빈우 선발에 이용은 계획교배가 가능하며 균일화되고 안정적인 송아지의 생산 기반을 갖출 수 있어 번식 효율을 한층 더 높일 수 있을 것으로 생각된다.
  다. 비육우의 출하적기 판단
  • 초음파진단의 최대 장점은 소를 도살하지 않고 도체형질을 추정할 수 있다는 점이다. 같은 소에 대해서 살아있는 상태로 비육 개시시기부터 종료시까지 단계적으로 산육 및 육질형질을 추정할 수가 있어 비육기간중의 사양형태에 따라 산육형질에 대한 발육변화의 차이를 볼 수 있다는 것이다. 가령 등심의 발육이나 지방의 축적이 어느 시기에 시작하고 언제쯤 정체되기 시작하는지를 아는 것은 사양관리 측면에서 경제적으로 비육효율을 높이는데 상당히 중요하다. 이러한 정보를 축적해 나가면 비육기간중 일정시기에 초음파를 측정하여 비육종료시기를 명확히 판단해 나갈 수 있고 또한 종료후의 실측값을 비육 도중에 예측하는 것이 가능해진다.
  라. 자료수집 및 분석 체계도
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    자료수집 및 분석 체계도

• 초음파 기술활용 (3)

  초음파 특성 및 활용분야

  초음파의 기본원리
  • 가축에 초음파를 측정하기에 앞서 초음파 성질에 대해서 간략하게 설명하면 그림 2에서 위쪽은 수조 밑에 고무공을 고정하고 각각에 공기, 물, 오일과 물 등 2층이 되도록 채워놓고 초음파를 측정한 그림이고 아래쪽은 이때 나타난 각각의 초음파 화상이다.
    
    모든 고무공의 윗부분의 윤곽, 즉 물과 고무공의 위쪽 경계면에서의 반사파가 탐촉자에서 깊이에 대응하여 반사파가 강하게 곡선 형태로 확인된다. 그러나 공기가 들어있는 고무공에 대해서는 아래 부분의 윤곽은 확인할 수 없으나(A) 물이 들어있는 고무공에 대해서는 동전 같은 원을 얻을 수 있고(B) 한편 오일과 물 2층으로 된 고무공에서는 그 경계면이 뚜렷하게 나타난다(C).
    
    위 사항을 살펴보면 중요한 것을 확인할 수 있는데 초음파는 성질이 다른 2개의 매질 경계면에서 반사하고 그 반사파가 화상에서 하얗게 나타나고 있으며, 하얗게 비추어진 것이 고무, 기름 또는 물이라는 것까지는 나타나 있지 않으나 같은 매질에서는 반사가 일어나지 않아 화상에서 검게 나타남을 알 수 있다. 또한 초음파는 액체 혹은 고체에서는 전파가 진행되지만 공기에서는 전파하지 않는다는 것을 알 수 있다.
    <자료출처 : 한우사업종합관리시스템 홈페이지>
    

    <그림 2> 고무공에 의한 초음파 화상

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  초음파 진단기의 구성 요소 및 종류

  가. 초음파 진단기의 구성
  • (1) 본체(Main body, Control box)
    는 개체의 정보를 입력하고 여러 가 지 기능을 조절하는 계측기능과 저장기능을 갖는 장치로 컴퓨터의 본체와 같은 기능을 한다.
    (2) 화면장치(Display device)
    는 반사된 정보를 화면으로 나타내는 장치 로써 컴퓨터의 모니터와 같은 역할을 한다.
    (3) 영상기록장치(Printer 등)
    는 측정된 자료를 저장하고 출력하는 장치 로써 얻어진 영상을 파일이나 비디오 테이프에 기록하고 에코 프린 터를 이용하여 바로 출력할 수 있다.
    (4) 탐촉자(Probe, Transducer, Scanner)
    초음파를 발신하고 수신하는 장치로써 수정, 전기석, 세라믹 등 압전 효과 를 갖는 소자로 힘을 가하면 전기가 발생되고 반대로 전기 신호가 가해지면 진동을 일으킨다.
    
    (가) 선형 탐촉자(Linear Array Probe)는 육질 판정용에 주로 사용되 는 것으로 그림 4와 같이 Element를 직선으로 배열해 둔 형태로 써 probe의 길이 만큼 반사 영역을 얻을 수 있다.
    

    <그림4> 선형 탐촉자

    (나) 콘벡스 탐촉자(Convex Array Probe)는 진단영역이 넓어야 하는 복부 등의 임심진단용으로 주로 쓰는데 5에서 보는 바와 같이 Element를 직선으로 배열한 후 적당한 곡선 형태로 휘어 초음파 빔 이 방사형으로 퍼지기때문에 probe의 길이보다 넓은 영역의 영상을 얻을 수 있다.
    

    <그림 5> 콘벡스 탐촉자

    (다) 섹터 탐촉자(Mechanical Sector Probe)는 갈비사이의 좁은 틈을 통하여 심장 등을 관찰하는데 사용하며 그림 6과 같이 하나 또는 소 수의 element를 기계적으로 회전시켜 내부 구조를 관찰할 수 있다.
    

    <그림 6> 섹터 탐촉자

  나. 초음파 진단기의 종류
  • 세계 각국에서 이용되고 있는 초음파 진단기는 표 3과 같이 탐촉자 이동방식과 실시간 이동(real-time) 방식으로 구분될 수 있는데 최근에는 후자가 주로 이용되고 있다.
    
  다. 초음파 진단기 선택시 고려 사항
  • 구매자들은 "초음파 진단기"를 구매하기에 앞서 "초음파기술 활용화 시스템"을 갖추는데 우선 신경을 써야하는데, 그 이유는 작업의 효율성(현장에서는 정확한 화상자료를 얻고 판독과 평가는 사무실에서 실시)과 자료의 안정적 관리를 도모하기 위한 것이다. 그리고 그 활용화 시스템은 그림 7에서와 같이 ① 화상판독 프로그램 ② 영상수신카드 ③ 저장장치(컴퓨터)가 부가적으로 수반되는 시스템이다.
    
    아울러 화상자료 이외에 기본적인 사양관리시스템(시설, 사료)과 혈통자료 등의 기록이 뒤따라 주어야 하고 반드시 자료화(DB화)되어야 한다. 이는 선별 출하와 출하시기조절 이외에 지역 브랜드 내지는 안정되고 올바른 고급육 생산 체계를 위해서라도 반드시 필요하다는 것이다. 절대적으로 초음파기술은 단편적·산발적으로 이용되어서는 안 된다는 것이다. 근래 우리 나라 고급육·브랜드 현실이 안정되지 못하고 불안했던 이유는 바로 이러한 관련 요소들에 대해 총괄적 해석이 부족했기 때문인 것이다.
    즉 고급육 생산과 관련되는 여러 가지 요인들에 대한 정보가 없기 때문에 결과에 대한 원인규명과 대책이 불가능했던 것이다. 따라서 부가적으로 체크되어야 할 자료로는
    
    ① 기본적인 사양 관리 시스템[사료급여체계, 사육체계(입식년월일, 출하일, 군사/계류/방목, 거세방법 및 거세시기) 및 발육성적 관리체계(체중/일당증체량/체척)]
    ② 혈통자료(부·모명, 인공수정 유·무) 그리고 ③ 기타 초음파작업체계(촬영일/시기, 촬영자/판독자, 판독값)에 대한 모든 관련자료가 수반되어야 한다는 것이다.
    
    초음파 활용 시스템을 구성한 다음에는 초음파 진단기를 선택하여야 하고, 이때 고려할 사항으로서는
    ① 검증유무
    ② 가격정도
    ③ 서비스체계 등을 살펴보아야 할 것이다.
    
    검증유무에 있어서는 기기의 정확도, 편리성, 견고성 및 저장기능 등을 들 수 있고 가격정도에 있어서는 품질을 전제로 한 저가원칙 그리고 서비스체계에 있어서는 판매 전의 교육 체계와 판매 후의 사후 관리 체계를 살펴보아야 할 것이다. 더불어 기기의 주파수(2.0∼3.5㎒), 해상도(분해능), 탐촉자의 길이 및 주변의 사용 선례 등을 참고하는 것이 좋다.
    <자료출처 : 한우사업종합관리시스템 홈페이지>

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  음파 진단 요령 및 화상판독

  가. 초음파 진단기의 구성
  • 초음파 측정시 가장 중요한 것은 그림 8과 같이 소가 움직이지 않도록 보정시키는 것인데 소가 움직이면 정확하고 뚜렷한 영상을 얻을 수 없다. 소를 보정틀 또는 우형기에서 움직이지 못하도록 보정을 시키거나 이러한 시설이 없는 우사의 경우에는 목 부위를 단단히 잡아 맨 후 2∼3분쯤 층분히 안정을 시킨다.
    

    <그림 8> 보정된 소의 모습

  나. 측정 부위 털깎기 및 이물질 제거
  • 소를 보정한 후 복부 좌측의 측정부위에 대하여 털을 깎아 주는데 특히 톱밥우사에서 비육한 소의 경우에는 털 사이에 톱밥 등 이물질이 끼어 좋은 화상을 얻을 수 없다. 여름의 경우에는 털이 짧아 깎지 않아도 무방하나 이물질 제거는 반드시 하여야 하는데 제거가 잘 되지 않을 때에는 기름을 적당히 바른 후 등긁개로 긁어 주는 것이 좋다. 털은 위허리의 꼭지점 인 제13흉추와 요추가 만나는 점을 기준으로 등 중심선에서 복부 쪽으로 15(가로)x30㎝(세로)정도의 크기로 깍는다(그림 9). 털을 깍은 부분에 대하여 이물질을 제거한 후(그림 10) 오일(식용유, 유동파라핀 오일 등)을 충분히 발라 주는데(그림 11) 오일을 충분히 바르는 이유는 탐촉자와 소의 표피와의 밀착을 위한 것으로 기포 등의 생겨서는 안되며, 또한 무리한 힘을 가하여 조사형질(특히 등지방두께)의 변형을 가져와서도 안 된다.
    

    cow

    

    <그림 10> 털깍기 및 이물질 제거

    

    <그림 11> 기름 바르기

  다. 초음파 측정
  • 어린 소이거나 측정부위의 요철이 심할 경우 탐촉자(probe) 접촉용으로 시판되고 있는 물질(실리콘 종류)을 쓰기도 하지만 감쇠가 일어나기 쉬워 투과력이 다소 저하되는 결점이 있다. 탐촉자는 두 손을 이용하여 움직이지 않도록 하며 소의 위허리 꼭지점을 기준으로 등 중심선에 대하여 직각이 되게 하여 측정을 하고(그림 12) 정확하고 선명한 화상을 얻었을 때 화상을 정지시키고 저장시킨다.
    

    <그림 12> 초음파 측정 장면

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  초음파 특성 및 활용분야

  진단부위의 해부학적 구조 및 화상의 이해
  • 초음파 화상 판독의 숙련을 위해서는 반드시 측정하는 부위에 대한 해부학적 지식이 필요하다. 도체의 등심부위 절단면의 구조는 근육, 지방 및 골 조직으로 이루어져 있는데(그림 13), 근육조직은 배최장근, 배다열근, 횡돌간근, 후배거근, 장늑근 및 대요근이 있으며 등심단면적 측정시에 배다열근과 횡돌간이 포함되지 않도록 해야 한다. 지방조직은 등지방 층과 근막으로 구분되며 골조직은 극돌기(극상돌기), 척추, 제 13늑골 및 제 1요추 극돌기가 존재한다. 이와 같은 구조를 이해하여만 초음파 화상을 얻었을 때 각 부위의 경계를 쉽게 예측할 수 있게 된다(그림 14).
    
    초음파 화상에서 등 중심선은 극돌기의 중심부분에 대한 반사파를 얻지 못하여 검게 나타나므로 비교적 쉽게 알 수 있다(그림 15). 등심의 오른쪽(배다열근 부분) 경계를 나타내는 부위에서 반사파가 좌우 대칭되는 중심의 검은 부분이 등 중심선이다. 등 중심선이 화면에 많이 들어가면 등심 좌측 경계(장늑근 부위)의 작도가 곤란하므로 특히 등심단면적이 클 경우 등 중심선은 화면에서 약간 비칠 정도만 측정하여야 한다.
    <자료출처 : 한우사업종합관리시스템 홈페이지>
    

    <그림 13> 도체 등심 부위의 구조

    

    <그림 14> 초음파 화상의 등심 부위의 구조

    

    <그림 15> 등 중심선의 화상

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  초음파 화상 판독

  가. 표피
  • 초음파 화상의 위에서 2번째의 연속적인 반사(흰색의 Line)의 상부에 검게 나타나는 부분이 표피를 나타내는데 표피의 두께는 2㎜ 내외로 거의 일정하게 나타난다.
  나. 등지방
  • 위에서 2번째의 연속적인 반사(흰색의 Line)의 상단에서 3번째의 연속적인 반사(흰색의 Line)의 하단까지의 부분이 등지방 층이며 두께는 등심 우측(등 방향)에서 얇고 좌측(복부 방향)으로 내려감에 따라 두꺼워 지는 것이 일반적이다. 등 지방층과 등심 경계에서 또다른 연속적인 반사가 나타날 경우가 있는데 이는 등지방이 두껍거나 비육된 암소에서 가끔 나타나는 제2지방층이다. 이 경계에 생기는 반사파는 근막의 두꺼운 부분(등 방향)이 가장 강하고 좌측(복부 방향)으로 감에 따라 약하게 됨과 동시에 불연속으로 나타나는 경우가 많다. 등지방과 등지방 내층이 인접한 부위는 강한 반사파가 나타나기 때문에 조금만 숙달되면 비교적 용이하게 판별할 수 있다.
  다. 등심
  • (1) 등심 좌측(복부방향) 경계
    등심좌측에서 반사파가 불연속적으로 나타나는데 등심 하단부를 향하여 반원 형태로 하강하는 윤곽을 볼 수 있다. 반원 형태는 늑골 위에 있는 장늑근의 바로 우측을 통함으로 경계를 알 수 있다.
    
    (2) 등심 하단부의 경계
    등심 하단부의 중앙에서 다소 우측(등 방향)에 걸쳐 횡돌기에서의 강한 반사가 보이는데 이 반사파가 등 중심선과 거의 수직으로 통한다는 것을 알 수 있다. 또한 등심 경계의 아래로 강한 반사가 연속적으로 나타나는데 이는 흉벽에서 반사되어진 것이다.
    
    (3) 등심 우측(등 방향)의 경계
    배다열근과 횡돌간근의 좌측이 배최장근의 경계가 된다. 그러나 이들의 근육은 초음파 화상에서는 명확한 반사가 되어 돌아오지 않을 때가 많고 경계를 작도할 때에 가장 주의를 요하는 부위이다. 등심 우측 경계는 배다열근 및 횡돌간근과 인접하기 때문에 역 S자 모양을 하고 있다.
    

    <그림 16> 초음파 화상의 경계

  라. 근내지방도
  • 등심단면 내에 나타난 반사파의 크기와 출현율 및 분포 정도를 함께 고려하여 근내지방도를 평가한다(그림19). 반사파의 크기는 작고 부드러우며 전체적으로 넓게 고루 분포된 것이 근내지방도가 높은 개체이다(그림 17). 또한 근내지방도가 높을수록 등심내 지방에서의 초음파 통과가 어렵고 대부분 근육내에서 초음파가 감쇠되어 등심 아래의 경계면을 확인할 수 없는 경우가 대부분이다. 반대로 반사파가 크고 굵게 나타나고 균일하지 못하며 등심내 검은 부분이 많이 나타나는 것은 근내지방도가 낮은 개체이다(그림 18). 또한 근내지방도가 낮으면 등심에서 초음파가 아무런 저항없이 쉽게 통과하여 아래부분의 경계가 뚜렷하게 나타남을 알 수 있다.
    

    <그림 17> 근내지방도가 높은 화상

    

    <그림 18> 근내지방도가 낮은 화상

    

    <그림 19> 근내지방도별 초음파 화상 기준

    

    <그림 20> 한국의 BMS 기준

  마. 초음파 판정과 도체 실측값의 비교
  • 표 4는 한우 거세비육우(생후 24개월령)의 도살시 실제 자료와 초음파 판정값을 비교한 것인데 등지방두께, 등심단면적 및 근내지방도의 실제값과 초음파값의 차이가 적은 것으로 나타났다.
    
    
    
    <표 4> 거세비육우의 도체 실측값과 초음파 판정값의 비교

    	도체 실측값 (A)	초음파 측정값 (B)	l A - B l
    조사두수		354
    나이 (개월령)		24
    등지방두께(mm)	6.5 ±. 14	6.25 ±. 11	0.31
    등심단면적(c㎥)	72.7 ±. 42	71.3 ±. 39	1.4
    근내지방도 (1-7)	2.74 ±. 0.08	2.99 ±. 07	0.25