X-ray 의 원리가 궁금합니다
평소 발목을 자주 접질러 침을 자주 맞는데 맞을때 마다 X-ray 를 촬영합니다.. 신기하게도 뼈사진이 찍히는데 X-ray의 원리가 궁금합니다
2개의 답변이 있어요!안녕하세요. X-ray 원리에 대해서 질문 주셨군요!
X-ray를 설명하기에 앞서 X-ray에 사용되는 X선에 대해 설명해 드리겠습니다.
X선은 투과력이 매우 강한 전자기파입니다. 파장은 10 ~ 0.01 nm 이며, 주파수는 30 PHz ~ 120 EHz로 이는 약 10 nm ~ 400nm의 파장을 가지고 750THz~30PHz 가진 가시광선보다 파장이 짧고 주파수가 큽니다.
이렇게 투과력이 강한 X선을 신체에 쏘면 뼈와 금속 등을 제외한 모든 부위를 투과하게 됩니다.
이때 X선이 투과하지 못 한 부분은 X-ray 사진에서 흰색을 띠며 투과한 부분은 검은색으로 띠게 됩니다.
X-ray사진에서 뼈 부분이 흰색으로 보이는 이유가 이 때문입니다.
안녕하세요. JAMESON입니다.
출처: YTN사이언스 [궁금한S] 몸속을 찍는 사진기...'의료영상기기'의 원리 2020.03.27 입니다.
해당 내용 입니다.
[앵커]
과학에 대한 모든 궁금증을 풀어주는 '궁금한 S' 시간입니다. 치료보다는 조기 진단을 통한 예방이 중요한 요즘. CT나 MRI 같은 의료영상기기의 역할은 필수적인데요. 환자의 정확한 상태를 파악해 조기에 적절한 치료를 받을 수 있게 도와주는 의료영상기기의 원리는 무엇일까요? 지금 바로 화면으로 만나보시죠.
[이효종]
안녕하세요! 과학의 모든 궁금증을 해결하는 궁금한 S의 이효종입니다. 궁금한 S와 함께할 오늘의 이야기 만나볼게요.
수박은 두드렸을 때 똑똑 소리가 나야 잘 익은 것이고, 딸기는 만져봤을 때 단단한 녀석이 맛이 좋고 신선하다는 일반적으로 알고 있는 꿀팁이 있죠. 이렇게 열심히 과일을 골라도, 막상 먹으려고 깎아보면 안이 썩어있거나 잔뜩 물러있는 경우가 많곤 합니다.
속을 알 수 없는 과일처럼, 우리의 인체도 마찬가지입니다. 그래서 우리는 CT나 MRI 같은 의료영상기기들로 건강을 검진하곤 하는데요. 굳이 우리 몸속에 칼을 대지 않아도 종양 등의 각종 질병 등을 찾아낼 수 있어 유용한 방법으로 쓰입니다. 그런데 어떻게 이런 것들이 가능하게 된 것일까요?
몸속을 찍는 사진기의 시작은 X선 사진이었습니다. 1895년 독일의 과학자 '빌헬름 뢴트겐'은 원자 속에서 방출되는 기묘한 복사선인 뢴트겐선을 찾아내는 데 성공하게 됩니다. X선은 세포 조직을 자유롭게 통과할 수 있는데요.
X선을 담을 수 있는 카메라, 또는 현상할 수 있는 건판을 이용하면 우리 몸속의 뼈의 조직을 들여다볼 수 있어서 의학적으로 많이 사용하게 되었어요. 실제로 X-RAY는 제1차 세계대전 때 병사들의 몸에 박힌 총알을 제거하는데 큰 공을 세웠고, 뢴트겐은 1901년 제정된 노벨 물리학상의 최초 수상자가 되었다고 합니다.
하지만 인체의 내부를 한 장의 평면 사진으로밖에 볼 수 없다는 점에서 X선의 한계가 있었는데요. 그래서 몸을 입체로 볼 수 있는 기술이 필요했습니다. 수학자 라돈은 단층 영상의 원리를 처음으로 제시했는데요. 이를 실현할 기술이 없었다가 1970년대 초 미국 터퍼츠의 앨런 코맥과 영국 EMI 연구소의 가드프리 하운스필드에 의해 컴퓨터 단층 영상 촬영 장치, CT가 개발되었습니다.
살아있는 사람의 인체 내부의 구조를 영상으로 확인할 수 있다는 것은 정말 기적 같은 일이었어요. 인체의 내부를 수평, 수직, 관상 면에서 단층으로 볼 수 있었는데요. 이러한 장점 때문에 오늘날 CT는 머리, 폐, 심장, 뼈, 혈관에 이르기까지 인체의 모든 부위에서 사용되고 있는데요. 그렇다면 어떻게 CT가 X선을 이용해 단층촬영을 할 수 있었을까요?
들여다보고자 하는 물체를 360도 돌려가면서 X-RAY 촬영을 하게 되면, 각각의 사진들에서 한 단면들의 성분을 잘라낼 수 있습니다. 이 사진을 일정한 길이로 똑같이 늘려 각도대로 사진을 돌려가면서 합성하게 되면, 정말 신기하게도 잘라낸 단면의 2차원 정보를 얻어낼 수 있습니다.
이렇게 얻어낸 2차원 정보를 연달아 쌓으면 비로소 우리는 X-RAY를 이용한 3차원 신체구조 모델을 얻어낼 수 있는 것입니다. 하지만 CT에도 심각한 단점이 있습니다. 근육의 차이 같은 조직정보는 분별하기가 어렵고요. 높은 에너지의 전리 방사선을 이용한다는 것이었죠.
CT를 촬영할 때 받게 되는 방사선량은 무시 못 할 수준으로 과도하게 사용할 경우 암 발생 등의 우려가 있는데요. 그래서 자기공명영상촬영장치, MRI가 탄생하게 되었습니다.
MRI는 우리 몸 안에 존재하고 있는 물 분자로부터 신호를 얻어내는 기계입니다. 우리가 일상 속에서 흔히 인테리어나 과학실험에서 사용하는 '미니 네오디뮴'이라는 자석이 있는데요. 그 표면의 매우 강한 자기장의 세기를 가우스 (G)라는 단위로 표현할 수 있는데, 그 세기는 약 2,500G 정도 합니다. 그런데 이 가우스보다 더 높은 수준이 자기장은 테슬라 (T)라는 단위를 사용해서 표현하고 있어요.
1T=10,000G 정도의 크기를 지니고 있습니다. MRI에서는 약 3T를 이용하고 있으니 정말 어마어마한 세기의 자기장이라는 것을 알 수 있죠.
그렇다면 강력한 자기장 속으로 우리의 몸이 들어가게 되면 어떤 현상이 나타날까요? 생물체, 특히 인체는 70%가 물입니다. 이렇게 중요한 물에는 수소가 포함되어 있는데요. 평소 수소의 원자핵은 회전운동을 하고 있지만, 자기장에 놓이게 되면 자기장 방향을 중심으로 세차운동이 일어납니다. 세차운동이란 회전하는 강체의 회전축이 변하는 운동을 말합니다. 세차운동 상태의 원자핵에 전자기파를 쏘이면 세차운동과 공명하는 주파수만 다시 방출하게 됩니다. 이때 다시 방출되는 전자기파를 안테나로 모아 컴퓨터로 재구성하면 영상을 얻을 수 있는데, 이것이 바로 MRI입니다.
MRI는 자기장과 고주파를 이용하기 때문에 인체에 해가 없다는 장점이 있습니다. 또한, 인대나 근육 같은 연부조직의 해상도와 대조도가 CT보다 훨씬 좋으며, 조영제 같은 특별한 약물 없이도 고해상도의 혈관 영상을 찍을 수 있어요.
최근에는 양전자 단층 촬영장치 'PET'이라는 의료영상기기가 주목받고 있는데요. PET은 양전자를 방출하는 방사성 의약품을 이용해 인체의 생화학적 상태를 3차원 영상으로 나타낼 수 있는 기기입니다. CT나 MRI는 체내 조직의 해부학적 변화를 보기 때문에 질병이 상당히 진전된 뒤에나 발견되지만, PET은 생체의 '생리 화학적 변화'를 볼 수 있기 때문에 질병을 조기에 발견할 수 있어요.
