위키독:의료 영상 장비

개요

의료 영상 장비란 의료목적으로 개발되어 인체의 내부를 영상화시켜 볼 수 있는 장비를 말하며 최초로 이용한 것은 X-ray를 이용한 기기이다. 현대에 와서는 MRI, fMRI, CT 등 많은 장비가 개발되어 있다. 이 모든 장비는 비파괴장비로써 직접 피부를 절개하지 않아도 몸 내부의 상태를 파악하는데 도움을 주고 있다.

이러한 의학분야의 영상장비는 뢴트겐이 X-ray를 발견한 1895년을 그 시초로 보고 있으며 그 이후로 개발된 의료장비들은 그 효율성과 공로를 인정받아 그야말로 노벨상의 밭을 일궜다.

1901년에 시작된 제 1회 노벨물리학상은 X-ray를 발견한 뢴트겐이 수상했으며

CT의 원리를 이론적으로 다진 앨런 코맥과 실제로 발명해낸 고드프리 하운스필드가 1979년에 공동으로 노벨 생리의학상을 수상하였다.

MRI는 그 기초원리인 핵자기공명을 발견한 에드워드 퍼셀과 펠릭스 블로흐가 1952년에 노벨 물리학상을 공동수상하였으며 MRI를 인체에 쓸 수 있는 원리를 발견한 폴 로터버와 이 데이터를 영상으로 만드는 기술을 개발한 피터 맨스필드가 2003년에 노벨 생리의학상을 공동수상하였다.

아쉬운 것은 PET인데 PET의 발명자만 아직 노벨상을 수상하지 못하였기 때문이다. 원형 PET를 최초로 개발한 사람은 조장희라는 사람으로 현재까지 가천의대 석좌교수 겸 뇌과학연구소장을 맡고 있다. 가천의대에 전용연구동이 배정되어 있으며 현재까지 노벨상에 가장 가까운 한국인이라는 평을 듣고 있다.

여담으로 MRI는 두 번의 노벨상과 4명의 수상자를 배출한 것 말고도 이그노벨상의 영예(?)까지 안겨줬는데 연구 논문 제목이 가히 충격적이다.

「성교중 여성이 흥분상태에 있을때 남녀성기의 MRI영상」

이라는 제목으로 Ida Sabelis라는 네덜란드의 여성 인류학자는 논문의 공동 저자인 남성과 함께 MRI 안에 들어가서 성관계하는 영상을 촬영한 다음 영국의학저널에 논문을 투고한 바있다. Ida Sabelis는 이 공로(?)로 2000년에 이그 노벨상을 수상하였으며 그 영상은 무려 유튜브에 공개되어있다.

영상

MRI 속의 촬영분은 1분 38초부터 시작된다.

반응은 다양한데 Did I just watch porn...? 라는 지극히 정상적인(?) 반응도 있다.

의료 기기명	한국명	개발년도
X-ray	엑스선 촬영	1895
CT	컴퓨터 단층 촬영	1972
PET	양전자 방출 단층 촬영	1975
MRI	자기공명영상	1979
fMRI	기능성 자기공명영상	1992

== 2. X-ray ==

x선, 혹은 뢴트겐선은 다들 알고있다시피 뢴트겐이 발견했다.

1895년 독일의 뢴트겐은 1894년부터 음극선(전자의 흐름)의 성질을 알아보기 위해 음극선을 금속판에 쏘는 실험을 시작하다가 음극선관에서 종이도 뚫고 지나가는 강한 빛이 나온다는 것을 알게 되었다. 그리고 뢴트겐은 1895년 12월 22일에 부인을 실험실로 불러서 음극선관에서 나오는 눈에 보이지 않는 이 빛으로 부인의 손 사진을 찍어 보았는데 손안에 있는 뼈는 물론이고 반지까지 찍히는 것을 보고 새로운 종류의 빛을 발견했다고 학계에 보고했다. 이때 이것이 어떠한 종류의 빛인지 알길이 없어 미지의 빛이라는 뜻의 X-ray라고 명명했고 이 이름이 지금까지 내려오고 있다.

원리

사실상 X-ray는 앞서 말했다시피 단순히 '빛'의 한 종류이다. 세상에는 우리의 눈이 받아들이는 빛인 '가시광선'뿐만 아니라 많은 종류의 빛이 있는데 X선도 단순히 그러한 종류의 빛인것이다. 여기서 중요한 것은 이 빛은 단순히 과학자들이 분류하기 쉽게 구분해놓은 것일뿐. 자외선에서 X선으로 넘어간다고 해서 갑자기 성질이 바뀌거나 하지는 않는다는 것이다.

X선은 파장이 짧은 빛으로 에너지가 매우 높다. 이 말은 물체에 대한 투과력이 높은 것을 의미하며 그렇기 때문에 우리의 몸을 쉽게 뚫고 지나가는 것이다. 하지만 뼈는 잘 뚫지 못해서 소위 말하는 X선 사진을 볼 수 있는 것이다.

X선을 방출하는 효과는 아인슈타인에게 노벨상을 안겨준 광전효과로 설명이 된다. 무거운 금속에 빛을 비추면 전자가 방출되는데 반대로 금속에 전자를 충돌시키면 고에너지의 빛이 방출되는데 그것이 바로 X선. 물론 전자의 양을 조절해서 다양한 진동수의 X선을 낼 수 있다. 이러한 원리로 여러장의 사진을 찍어 판독을 하는 것.

예전에는 아날로그 방식으로 촬영을 하여 사진들을 인쇄하여 보았지만 요즘은 거진 컴퓨터 속의 영상으로 대체되는 추세이다.

CT

Computer Tomography의 약자로 한국어로는 컴퓨터 단층 촬영.

2차원인 X선촬영사진을 3차원으로 바꿔주는 촬영 기법 및 장비를 말한다. 주로 PET와 함께 촬영하므로 PET/CT라는 표현을 많이 쓴다. 기존의 X선촬영은 단순히 평면이라서 판독이 잘 안되는 경우가 있었다. CT는 X선 발생장비를 원형으로 내장시켜 온몸을 180˚로 촬영하는 것이며 이때문에 기존의 X선 촬영의 수십~수백배의 피폭이 이루어진다. 하지만 의료용으로 제작된 것이고 최대의 목표가 최소한의 피폭인만큼 한 번 촬영했다고 해서 건강에 무리가 가는 일은 없다고 봐도 무방하다.

보통 뇌를 촬영할때도 사용하며 몸을 잘게 나눠서 촬영한 효과를 낸다.

물론 이렇게 촬영된 영상을 3D화 시키는 것도 가능하다.

원리

큰 원리는 X선 촬영을 180˚로 돌려가며 촬영하는 것. 통돼지 바비큐처럼 돌려가며 X선을 골고루 받게한다고 보면 된다. 물론 이 경우엔 사람은 가만히 있고 장비 자체가 돌아간다는 차이점이 있지만.

이때문에 CT촬영시에는 움직이면 안된다는 전제조건이 붙는다. 조금만 움직여도 촬영이 겹치기 때문에 흐릿하게 나올 수 있는 것. 하지만 MRI보다는 형편이 나은 편으로 일반 X선촬영과 같이 숨 한 번 쉬는 동안 촬영이 가능하다.

이 스캔한 것을 Sinogram이라고 부르는데 이는 X선이 통과한 연속적인 양을 나타낸다. 이를 계산을 통해 하나의 이미지로 나타낸다.

PET/CT

Positron Emission Tomography-Computed Tomography의 약자로 보통 PET/CT라고 많이 쓴다. 한국어로는 양전자 방출 단층 촬영. PET와 CT기술을 합쳐놓은 것이라고 보면 된다. 촬영기법에 관한 원리는 당연히 CT와 같다. 하지만 무엇을 촬영하는가하는 것은 전혀 다른 문제로써 '양자역학'에 나오는 원리를 이용한 장비이다.

PET/CT에 들어오면 사진이 한층 컬러풀해지는 것을 볼 수 있다.

PET/CT는 주로 암을 찾아내기 위해 많이 사용되며 타 장비에 비해 조금 복잡한 절차를 거친다.

1. 촬영전에는 4시간정도 공복 상태이어야한다.

2. 정맥주사를 놓는다. 주로 주사제로 F-18-FDG를 이용하며 방사선 동위 원소에 포도당의 일종인 의약품이다. 이 말은 당신의 몸 안에 방사선을 뿜는 물질(방사능물질)을 넣는다는 것을 의미한다. 즉, 반강제로 내부피폭을 당하는 것. 물론 이정도 피폭으로는 건강상에 크게 문제가 없으므로 검사가 가능한 것이지만. 그래도 이 물질이 다 빠져나오기전까지 환자는 걸어다니는 방사능이 되므로 물을 많이 마셔 오줌으로 빠르게 배출하거나 공기 좋은 곳에서 잠시 쉬다가 집에 가기를 권한다.

3. 그리고 이 방사능물질이 온몸에 퍼지도록 냅둔다. 약 1~2시간이 걸린다.

4. 그리고 환자는 PET/CT기계 속에 들어가게 된다. 전신스캔의 경우 5~40분 정도 걸린다.

5. 촬영이 끝나면 공기 좋은 곳에서 쉬다가 집으로 돌아가자.

원리

기본적인 원리는 전자와 양전자가 서로를 끌어안고 폭발할때 나오는 감마선을 측정하는 것. 헐크를 만든 그 감마선 맞다. 좀 더 자세히 설명하자면 다음과 같다.

SF영화나 소설에서 커다란 함선의 동력으로 한번씩 등장하곤 하는 반물질이라는 것이 있다.

이것은 폴 디랙에 의해 예견(1928년)되었고 칼 앤더슨이 발견(1932년:양전자)한 것으로 전하의 대전상태가 완전히 반대로 되어있으며 나머지 성질은 물질과 같다. 즉, 양성자는 -로 대전되어있고 전자는 +로 대전되어있는 것이다. 이러한 기묘한 성질덕에 물질과 반대되는 것이라고 하여 처음엔 반양성자, 반물질, 반전자 등으로 불렸으나 이 중 반전자는 +를 띤 전자라 하여 양전자로 이름이 바뀌었다.

반물질은 여러 매체에 등장하기도 했는데 가장 유명한 것은 역시 댄 브라운의 소설 및 영화 「천사와 악마」에 등장하는 반물질 폭탄일것이다. 물론 소설 속의 과장일 뿐이며 현재 속도로 폭탄정도에 쓸 반물질을 모으려면 몇세기가 걸린다.(...) 하지만 큰 에너지를 내놓는 것은 사실이며 물질과 반물질이 만나면 아인슈타인의 E=mc²에 의해 완전히 에너지로 변환된다. 이를 쌍소멸이라고 하며 현재 찌꺼기가 남는데다가 효율이 낮은(?) 핵분열과는 다르게 효율 100%로 에너지로 변환되어 버린다. 이는 현재 생각할 수 있는 에너지 중 최고의 효율이며 같은 양의 물질과 반물질이 만나므로 정확하게는 E=2mc²이 되겠다. 반물질도 전하만 다를뿐이라서 질량은 당연히 물질과 같다.

PET는 바로 이 원리를 이용하는 것.

촬영시에 가장 많이 쓰이는 물질은 18-FDG인데 포도당 비슷한 물질(FDG)의 일부분(2'OH)을 양전자 방출 핵종(18-F)으로 치환한 것이다. FDG는 포도당과 "충분히 비슷해서" 포도당이 흡수되는 곳에 함께 흡수되지만, "충분히 달라서" 흡수된 이후 포도당이 에너지 생산을 위해 분해되는 것처럼 분해되지는 않는다. 따라서 포도당과 달리 FDG는 한 번 흡수되면 양전자 방출 핵종이 붕괴하여 분자 구조가 변하기 전까지 계속해서 남아있게 되고, 핵의학 영상 기기들은 이를 촬영해 대사율이 높은 부분을 찾는 것이다. 몸 속에 주사한 뒤 이 물질이 어디에 많이 분포하는지(=양전자를 많이 방출하는지)를 알 수 있다.

이 양전자는 한번 붕괴하면 곧바로 물질, 그러니까 우리 몸안의 아무 전자와 만나게 되는데 이때 쌍소멸하며 전자와 양전자는 말그대로 사라지며 511KeV의 에너지를 가진 빛(전자기파)이 되는데 영상장비가 이 빛을 감지하고, 전기 신호로 바꾸어 컴퓨터에 영상으로 표시하는 것이다. 참고로 511KeV이라는 정확한 수치는 전자의 정지질량을 E=mc²에 넣어 나온 값.

위의 그림에는 그 각도가 180˚라고 되어있지만 이것은 완전히 정지한 전자와 양전자를 가정한 것으로 이론상의 값이다. 실제로 양전자와 전자는 움직이고 있으므로 정확하게 180˚로 갈라지지는 않는다.

MRI

Magnetic Resonance Imaging의 약자로 자기공명영상이라고 부른다.

NMR(핵자기공명)에서 발전한 장비로 처음에는 NMRI(핵자기공명영상)라고 불렀다. N은 물론 Nuclear의 약자로 '핵'을 의미한다. 이런 이름이었던 탓에 처음 개발된 72년에는 사람들이 이 장비를 무서워했었다! '핵'이라는 무시무시한 단어가 들어갔기 때문인데 이런 이유로 N을 빼버리고 MRI로 그 이름이 바뀌었다. 재미있는 사실은 MRI는 사람들이 걱정했던 것과 달리 오히려 방사선과는 전혀 관련 없는 장비이라는 것. 오히려 X선이 방사선이고 PET/CT의 감마선도 방사선이지만 시대가 시대인만큼 그러려니하자.(...)

NMR는 처음에 의료용 장비는 아니었다. 주로 화학연구실에서 쓰이던 장비로써 유기화합물을 분석할때 사용하며 유기물의 구조를 알아내기 위해 쓰던 장비였다. 이러한 장비를 인체에 쓰는 장비로 바꾼 것이 1979년의 일이다.

앞서 말했다시피 방사선과 관련 없는 장비이므로 검사를 할때 인체에 무해하다는 점이 최고의 장점이며 PET/CT처럼 뭔가를 주사할 필요도 없지만 시간이 오래걸리고 강한 자기장을 이용하므로 금속성 물질을 가지고 들어가거나 몸에 넣어놨을 경우 심각한 문제가 발생할 수도 있다는 점이 단점으로 꼽힌다.

MRI의 위엄.avi 혹은 MRI에 시계를 차고 가면 안되는 이유 등으로 인터넷에 퍼졌던 영상이다. MRI는 매우 비싼 장비이므로 절대로 실험할 생각은 하지 말자.

이런거 한 번 했다가 수억 깨지는 건 우습다.

원리

원자핵은 '스핀'이라는 고유의 성질을 가지고 있다. 이것은 '양자역학'을 공부해야 이해가 가는 개념으로, 스핀이라는 이름때문에 뭔가 회전할 것같은 인상을 풍기지만 그렇지는 않다. 다만 그냥 회전한다고 보아도 무방한 일종의 물리량이라고 보면 된다. 물체가 질량이라는 고유한 값을 가지듯이 그냥 스핀이라는 고유한 값을 가진다. 이 스핀 덕에 자석은 아무리 잘게 잘라도 자석인 것이다. 다시 말해 원자 하나하나가 미니 자석이라고 보면 된다.

이 미니자석들은 지구의 자전축이 그렇듯이 세차운동을 하게 된다. 이는 스핀과는 다른 운동이다. 스핀은 실제로 회전하지 않는다.

이 스핀은 평소에는 무작위이다. 하지만 강한 자기장 내에선 일렬로 정렬하게 되는데 MRI의 기본 기술인 NMR은 바로 이 원리를 이용하는 것이다. MRI는 인체내에서 60~70%를 차지하는 물을 이용하며 그 물 중에서도 수소 원자를 이용한다. 물이 H₂0라는 사실은 익히 알려져 있다. "병시나 산소. 문과 출신인 나도 알고 있음" 이 H₂O중에 들어있는 수소의 원자핵은 평상시에는 무작위의 스핀을 가지고 있다. 하지만 강한 자기장 내에서는 이 스핀이 한 방향으로, 그러니까 자기장의 방향을 따라 나란히 놓이게 된다.

그곳에다가 수직방향의 고주파 전자파를 쪼여주면 수소 원자핵의 전자파의 에너지를 흡수해 자기장의 반대방향으로 스핀의 방향을 바꾸게 된다. 이 고주파는 세차운동의 회전주파수와 일치하는 주파수를 사용하게 되며 이것을 공명주파수라고 한다. 수소원자핵은 고주파를 흡수하여 높은 에너지 상태가 되는데 이때를 '공명한다.'라고 표현한다. 이 고주파를 잠시 끊어버리면 수소원자는 다시 자기장의 방향으로 정렬하게 되는데 이 때 약한 전자파를 내게 된다. 이 전자파를 잡아내어 영상으로 내보내게 된다.

한편 스핀의 완화 요인에 따라 T1과 T2의 두가지 값을 가지게 되는데 그냥 간단하게 스핀이 되돌아가는 시간이 다르다고 보면 된다.

T1은 스핀-격자 완화라고 하는데 스핀이 주변 조직의 격자 구조와의 상호작용에 의해 완화되는 것이며

T2는 스핀-스핀 완화라고 하며 스핀이 주변의 수소 원자핵의 스핀과의 상호작용에 의해 완화되는 것을 뜻한다.

T1과 T2는 수소원자와 주변조직에 따라 다르게 나타나는데 이 시간차를 영상으로 바꾸는 것이 MRI의 원리이다. 정상적인 조직과는 다르게 암조직은 T1의 완화시간이 정상 세포보다 길며 이를 밝기로 바꾸었을때 주변보다 더욱 밝게 나타나기때문에 쉽게 알아볼 수 있게 되는것이다.

fMRI

Functional Magnetic Resonance Imaging의 약자로 기능성 자기공명영상이라고 한다.

그냥 MRI기계를 이용한다. 다만 찍는 방법이 좀 다를뿐. fMRI는 주로 뇌를 촬영하기 위한 기법이다.

이런 비슷한 그림들은 대부분 fMRI이라고 보면 된다. 실제로 구글에다가 MRI와 fMRI를 쳐보면 그 차이를 확실히 느낄 수 있다. MRI를 치면 대부분 기계가 나오지만 fMRI를 치면 대부분 뇌사진이 나온다.

"인간의 대부분은 뇌를 10%밖에 쓰지 못하고 죽는다." 라는 말이 있다. fMRI로 뇌를 찍어보면 당연히 반박할 가치도 없는 소리라는 것을 볼 수 있으며 이 말을 소재로 쓴 영화 '루시'는 그 전제부터 완전히 틀렸다는 것을 알 수 있다. 다만 그야말로 재미로 본다면 꽤나 흥미로운 설정이라고 할 수 있겠다.

원리

fMRI의 f는 MRI에 기능이 더해졌다는 뜻이 아니라 기능을 찍는 MRI라고 하여 fMRI라고 불리는 것이다. 주로 뇌의 기능을 촬영하는데 쓰이며 그 원리는 다음과 같다.

두뇌가 어떠한 일을 하면 그쪽의 혈류가 일시적으로 증가한다. 이는 그쪽이 산소를 많이 필요로 하기 때문인데 이 산소는 물론 피, 정확히는 헤모글로빈이 운반하게 된다. 그 헤모글로빈은 산소와 결합하여 옥시헤모글로빈(oxyhemoglobin)의 형태가 되는데 뇌세포에 산소를 공급해주고 나면 헤모글로빈은 디옥시헤모글로빈(deoxyhemoglobin)으로 바뀐다. 이로 인해 평상시 혈관에는 항상 일정 비율의 옥시헤모글로빈과 디옥시헤모글로빈이 존재하게 된다. 이 비율을 측정하여 얻어지는 신호를 BOLD(Blood Oxygen Level dependent)라고 하며 뇌의 어떠한 활동으로 인해 특정 구간의 산소요구량이 높아지면 당연이 옥시헤모글로빈의 농도가 높아지게 된다. 이를 파악하는 것이 바로 fMRI의 원리.

일본의 오가와라는 사람이 처음 생각해내어 개발한 것으로 덕분에 실시간으로 뇌의 정보를 파악할 수 있게 되었다.

여담으로 이 fMRI를 멋지게 표현한 영화가 있는데 그것이 바로 아이언맨3

자신의 뇌를 보여준다며 홀로그램 영상을 띄운 킬리언. 그리고 그것을 같이 바라보는 페퍼. fMRI가 홀로그램과 접목되면 이러한 것을 볼 수도 있을것이다.

물론 자기장을 이용한 MRI와는 차이가 있지만 fMRI의 핵심인 혈류량 혹은 아예 해당뉴런의 전기신호를 파악해서 영상으로 보여준다는 점은 동일하다. 실제로 영화에서도 다양한 자극에 따라 킬리언의 뇌가 빛나는 것을 볼 수 있다.