공부하고 정리하고

X-ray 촬영의 업그레이드 버전인 CT에 대해서 알아보겠습니다.
저는 아직까지 CT를 찍어본 적이 한번밖에 없어서 실제로 본적은 한번뿐이지만 여러분들은 보신적이 있으신가요?

이렇게 생겼습니다. 링모양의 기계가 웅~ 소리를 내면서 몸을 스캔하게 됩니다. 왜 이렇게 작동을 할까요?
오늘 그 원리를 알아보고 CT와 일반 X-ray 촬영기의 차이점에 대해서 설명하겠습니다.

CT

Computed Tomography라고 하며 컴퓨터 단층 촬영을 말합니다. 하지만 앞에 엑스선 전산화라는 말이 붙습니다. 앞에 이 말이 붙는다는 것은 X-ray 촬영의 원리와 비슷할 것이라고 생각할 수 있습니다.
네, 비슷합니다. 다시 저번 포스팅을 회상해보겠습니다. (의료분야에서의 활용1)
X선이 인체를 지나가면서 감쇠되는 정도를 우리의 몸 뒤에 있는 검출기를 통해 검출해내고 이를 디지털화해서 컴퓨터로 이미지를 얻어낸다고 했었습니다.
기억이 나시나요? 안나신다면 한번 읽어보고 오시는 것을 추천해 드립니다.

그런데 이 X-ray 촬영법은 이미지를 2D로 얻어냅니다. 즉, 3차원인 우리의 몸을 그저 종이에 붙였다가 때면 남는 흔적처럼 2차원으로 얻어내게 되는 것이죠. 그래서 정밀한 환부를 찾아내야 할 때는 X-ray 촬영은 한계가 있습니다. 이러한 한계를 보완하는 장비가 CT입니다.

CT는 2D를 3D로 얻어내도록 설계가 되어 있습니다. 어떻게 하는지 개념만 알아보겠습니다.
우리 인체의 가로 단면을 봅시다. 만약 X-ray라면 이 가로 길이만큼 우리는 정보를 얻겠죠. 하지만 그림에서와같이 두께라는 것이 존재하고 그사이에는 많은 장기와 뼈가 존재할 것입니다. 우리는 여기서 정확한 정보를 얻고자 합니다. 그래서 source가 나오는 즉, x-ray가 나오는 부분을 여러 곳에서 조사시켜주게 됩니다. 이렇게 하면 어떻게 달라질까요?

우리 몸의 가로 단면을 특정 크기로 구역화하여 가상으로 쪼개어 줍니다. 그럼 우리의 몸의 국소부위들은 행렬처럼 자리값을 부여받았습니다.
그리고 X선은 한 바퀴를 돌며 조사가 됩니다.
몸을 투과한 X선은 감쇠가 되었을 겁니다. 이 데이터는 검출기에 저장이 됩니다. 여기서 감쇠된 정도를 모든 방향에서 다 얻었기 때문에 우리는 각각의 자리값의 감쇠되는 정도를 알 수 있습니다. 어떻게요? 간단합니다. 간단한 3ⅹ3 행렬로 예를 들어보죠.

위에 써진 영문자는 각각의 자리가 가지는 감쇠된 정도를 나타내는 미지수입니다.
우리는 모든 방향에서 감쇠된 정도를 구한다고 했습니다.
즉, b,e,h를 지나는 경우 b부위와 e부위와 h부위를 지나며 감쇠된 결과 값을 알게 됩니다.
예로 b+e+h=7과 같이 말이죠.

이런식으로 모든 방향 이 경우 적어도 12개의 식을 얻게 됩니다. 그런데 미지수는 9개죠.

이 경우 연립방정식을 통해 결과값을 구할 수 있게 되고 미지수를 구할 수 있게 됩니다.

이 미지수들은 각각의 부위들이 가지는 감쇠정도를 말하며 우리 인체의 뼈나 특정 장기는 감쇠되는 정도가 밀도차, 구성 원소의 차이에 의해 다르게 됩니다. 그리고 이를 파악해놓았습니다.
즉, 각각의 부위가 어떤 물질로 이루어졌는지 알게 된다는 뜻입니다.

이런식의 방법을 적용하여 더 많은 미지수를 가진 우리의 몸을 컴퓨터가 계산하여 3차원 이미지 영상을 만들어 냅니다.
그런데 실제 우리 몸에 적용할 때는 더 많은 미지수가 있는 만큼 하나하나 소스를 옮겨가며 촬영하기는 어렵기 때문에 같은 선원 같은 검출기를 링에 서로 반대 방향에 넣고 이를 360도 돌려가며 촬영을 하는 것입니다.

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

오늘은 방사성동위원소의 이용 분야에서 마지막인 의료분야에 대해서 알아보려고 합니다.
하지만 소개하고자 하는 글이 길기 때문에 이 또한 몇 번에 걸쳐 소개하겠습니다.
앞으로 X-ray를 시작으로 CT, PET, 그리고 radiotherapy까지 소개하겠습니다.
그래서 X선을 통한 진단을 오늘 소개할 예정입니다.
그런데 사실, 이에 관한 포스팅은 예전에 한 적이 있습니다.
삼성전자: X선 피폭량 1/10로 줄여드립니다~ 에서 말이죠.
하지만 RI시리즈로 포스팅하고 있는 만큼 한번 더 소개하도록 하겠습니다.

X-ray란?

X선은 미지수 X에서 따온 말로 처음에 알 수 없는 빛이라 하여 X선이라는 말로 지었습니다.
X선은 원자핵 주위를 돌고 있는 전자가 여기되었다가 떨어지며 안정화가 되면서 에너지를 빛으로 방출한 결과물입니다.

조금 더 자세히 이야기하자면

양자역학 혹은 화학에서 핵의 주위를 돌고 있는 전자는 한 궤도가 아닌 여러 궤도를 가지며 이 궤도가 연속적이지 않고 불연속적으로 특정 궤도를 가진다고 합니다. 나무의 나이테를 떠올려보시면 원들이 동심을 가지고 있죠? 그런 것처럼 여러 원들이 각각의 궤도를 뜻합니다. 이를 반지름이 큰 원이 높은 에너지를 가졌다 하고 핵과 가장 가까운 궤도가 낮은 에너지를 가졌다고 합니다. 즉, 가까울수록 더 큰 지배를 받는다는 말입니다. 이를 가장 가까운 궤도부터 K 껍질, L 껍질, M 껍질, N 껍질이라고 합니다.

그렇다면 이 껍질들 사이 전자들은 어떻게 이동할까요? 양자역학에 근거하여 확률적으로 양자도약을 하게 됩니다.
그런데 우리가 반지름이 작은 안쪽 전자들에게 에너지를 준다고 보면 에너지가 높아진 전자는 높은 확률로 높은 에너지의 궤도로 전이가 됩니다. 하지만, 이 상태는 불안정합니다. 자연계는 외부의 힘이 없다면 안정한 상태로 돌아가려고 합니다. 이 전자도 마찬가지입니다. 다시 원래의 안정된 상태로 돌아가려고 합니다. 이 안정된 상태로 돌아가려면 어떻게 해야 할까요? 먹은 걸 다시 돌려줘야 합니다. 그래서 전자는 에너지를 방출시키고 떨어집니다. 이때 에너지를 방출하는 방법은 경쟁 관계에 의해 오제전자 혹은 X선으로 방출을 합니다. 이때의 X선을 특성X선이라 합니다.
우리는 이 X선을 사용하게 되는것이구요.

그리고 한 가지 다른 방법은 전자가 클롱힘을 통해 궤도가 휘게 될 때 전자기파를 방출하는데 이때의 전자기파를 연속 엑스선이라고 합니다. 연속인 이유는 다양한 에너지를 가진 빛이 방출이 되기 때문입니다.

이 X선을 평소 사진 찍는 취미가 있던 뢴트겐이 부인의 손을 찍어내는 결과를 만들어 내었고 의료분야의 진단 분야에서 유용하게 활용이 되기 시작합니다.

원리

원리는 단순합니다.
X선은 우리의 눈이 보는데 사용하는 가시광선보다 투과성이 높습니다. 그렇기에 인체를 투과하여 그 결과물을 받아낼 수 있습니다.

그런데 투과를 하면서 X선은 상호작용을 합니다. 왜냐하면 물질과 상호작용을 하면 광전효과 혹은 컴프턴산란 또는 쌍소멸의 방법으로 에너지를 내주게 됩니다. 그럼 투과를 못 하게 되거나 하더라도 에너지가 낮은 X선이 나오게 됩니다. 그럼 X선 다발을 생각해보죠. 수천만 개가 지나간다고 생각해봅시다.
그렇다면 X선 다발은 상호작용으로 에너지 밀도가 줄어듭니다.
그런데 줄어드는 정도가 물질에 따라 다릅니다. 물질마다 밀한정도가 다르고 각각의 물질을 이루고 있는 원자들 또한 다르기 때문입니다.
따라서 물질이 밀할수록 그리고 주기율표상에서 원자번호가 클수록 통과하기 힘든 물질이 됩니다.

활용

우리가 해야 할 일이 무엇일까요? 이 줄어든 결과물을 분석하면 됩니다.

과거 우리는 필름지를 활용해 이 결과물을 분석했습니다.

이 부분은 의료분야 전공이 아니기 때문에 지금도 사용하는지는 잘 모르겠습니다. 허나 제가 본최근 병원들은 다들 이 방법을 사용하지는 않는 것 같았습니다.

X선을 흡수한 물질이 감광하여 흔적이 나타나는데 뼈와 살 중에 뼈가 더 많은 상호작용을 통해 투과성이 더 낮습니다. 그래서 흔적에 차이가 생기게 되고 이를 분석하는데 사용하게 됩니다.

최근에는 검출기를 사용합니다. 디지털 검출기로 투과한 X선을 검출기를 통해 전자를 방출시키게 해서 이 전자를 계측하여 감쇠된 정도를 비교하게 됩니다. 그 결과를 이미지화해서 컴퓨터로 보게 되는 겁니다. 이 방법은 방사선 검출기에서도 동일하게 사용되는 방법이기도 합니다. 의료용은 시각적인 분석을 위해 이미지화를 한 차이가 있지만요.

X선을 얻는 방법?

얻는 방법은 방사성동위원소 중에 X선을 방출하는 동위원소를 밀봉시켜 보관하고 적절한 필터를 활용해 X선만 방출하도록 만든 장치를 활용할수 있습니다. 하지만 이 방법을 활용하면 보관이나 관리에 있어 까다로운 단점이 있습니다.

또 다른 방법은 전자를 가속시켜 금속판(텅스텐)으로 보내 부딪히면 위에서 언급한 특성 X선이 방출이 되는데 이 X선을 활용하는 방법이 있습니다. 이 장치는 가동을 하지 않는다면 방사선이 안나오는 장점이 있습니다.

마치며..

X선을 이용한 가장 기본적인 이 진단 방법은 뼈가 부러지거나 금이 갔을 때 정확하게 진단하는데 도움을 줍니다. 정말 현대 인류에 없어서는 안될 장비 중 하나입니다. 그렇기에 X선을 발견한 뢴트겐과 장치를 개발한 공학자들과 이 장치를 가지고 분석해 아픈 곳을 진단해주는 영상의학과 의사분들에게 감사하게 됩니다.
다음시간에는 CT장비에 대해서 간략하게 소개하도록 하겠습니다.

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

(출처 : https://news.samsung.com)

이번에 삼성전자에서 X선 피폭량을 줄일 수 있는 고감도 디텍터를 개발하였다고 합니다. 삼성전자 종합기술원에서 방사선 피폭량을 1/10로 줄일 수 있는 디텍터를 성균관대와 공동연구를 통해서 개발하였는데 X선 발생장치와 삼성전자의 개발한 부분을 소개할게요.

(출처: http://www.teledyneicm.com)

[X-선 발생장치 원리]

위에 그림과 같이 진공 tube 안에 필라멘트를 두고 열을 주면 전자가 튀어나오게 됩니다. 이 전자를 튜브에서 고전압을 걸어서 가속을 시키고 양극에 연결된 금속(보통 텅스텐사용)을 때리게 됩니다. 금속의 핵들은 가속된 전자와 충돌하여 전자가 들뜨게 되어 안정화되며 빛을 발산합니다. 이때 X선이 발생하게 됩니다.
발생한 X선은 tube를 나와 target(샘플 또는 사람)을 지나고 물질을 지나면서 감쇠한 에너지 정도를 detector로 받아들이게 됩니다. 여기서 감쇠는 질량감쇠계수에 따라 감소하는데 나중에 원리에 대해서 자세히 소개하겠습니다.

(출처 : https://www.tue.nl) ->기존의 Detector방식

[Detector의 무엇을 바꾼건가?]

삼성에서는 Detector에 사용하는 소재를 개발했는데 기존의 X-ray 평판 디텍터에 비해 감도가 20배 이상 뛰어나고 생산 가격도 더 낮은 페로브스카이트 반도체 소재를 개발하였습니다. 우선 20배 이상 감도가 좋다는 것은 기존의 X-선보다 20배 이상 낮은 선량을 가진 X-선도 감지한다는 것이기 때문에 피폭량을 줄일 수 있을 것입니다.
그리고 페로브스카이트라는 물질을 사용하였는데 러시아 과학자 페로브스키를 기념하여 명명한 무기물+유기물 결합하여 가지는 어떤 결정 구조체를 말합니다. 이 결정 구조체는 AMX_3큐빅으로 A, M양이온, X는 음이온으로 결합된 구조입니다. 이 결정구조는 에너지 전환 효율이 20%가 넘어 기존에 고효율 태양전지로 연구가 진행이 되고 있던 물질입니다.

(출처 : http://www.asiae.co.kr)

이 물질을 이용해 디텍터로서 사용을 하려면 투과성질을 낮추어야 하므로 태양전지의 1000배 이상 두께가 필요하고 동시에 엑스선에 의해 변환된 전기신호를 보존하는 성능확보가 가능한 합성방법을 이번에 개발한 것이라고 합니다.
또한, 이 물질은 진공 증착법으로 만든 기존의 디텍터와는 다르게 액상 공정을 통해 대면적으로 제작할 수 있어 디텍터를 크게 만들어 한 번에 전신 촬영이 가능한 X-ray 장치를 만들 수 있다고 합니다.
아직 남아있는 기술적 문제들이 있어서 연구중이라고 하지만 개발이 된다면 X선, CT 촬영을 좀 더 안심하고 받을 수 있는 날이 오지 않을까 싶습니다.