Biomedical Engineering - Medical Imaging(X-Ray, CT, PET, Ultrasound, MRI)

 

안녕하세요! 이번 글에서는 우리의 몸속을 들여다보는 의료 영상 기술에 대해 소개하려고 합니다.

CT, MRI, 초음파 같은 의료 영상 기술은 단순한 사진을 넘어서 우리 몸의 생리적 현상과 구조를 관찰하고,

질병을 진단하거나 치료 계획을 세울 때 꼭 필요한 도구죠.

 

사실 이런 기술들은 그냥 병원에서 쓰이는 장비 같아 보일 수도 있지만, 과학과 공학의 발전이 집약된 결과물이에요.

그래서 오늘은 의료 영상 기술의 기본 원리부터, 각 영상 기법에 대한 소개를 드리려고 합니다.

 

의료 영상 기술이란?

 

의료 영상은 우리 몸속의 구조와 기능을 시각적으로 보여주는 기술입니다.
단순히 “뼈가 부러졌네”를 넘어서, 세포 수준의 활동이나 분자 움직임까지 보여줄 수 있는 첨단 기술이죠.
이 덕분에 질병의 진단, 치료 경과의 모니터링, 나아가 과학 연구까지 모든 분야에서 없어서는 안 될 존재가 됐습니다.

여기서 말하는 "영상"이란, 공간적 위치와 시간에 따라 변화하는 측정 가능한 특성을 표현한 것입니다.
그래서 의료 영상은 인체의 순간적인 구조뿐만 아니라, 변화와 기능까지 담아낼 수 있는 강력한 도구랍니다.

 

현대 영상 기술

 

오늘날 병원에서는 다양한 영상 기법이 쓰이고 있습니다.

• PET(양전자 방출 단층촬영) : 방사성 동위원소(Radioisotopes)를 사용해 유전자 발현을 촬영하거나, 암세포의 대사 활동 추적
• fMRI : 뇌의 혈류 변화를 측정해 뇌의 활동을 실시간으로 관찰
• 심장 초음파 : 심장 벽의 움직임을 영상으로 보여주어 심근경색 등 심장 손상을 파악

영상기법 주로 쓰이는 분야

CT	외상, 폐 질환, 뇌출혈
MRI	뇌, 근골격계 진단
PET	종양, 뇌기능 연구
초음파	산부인과, 심장, 응급진단
SPECT	심장혈관, 뇌혈류 분석

 

이처럼, 영상 기술은 단순한 사진을 넘어, 몸의 변화를 시공간적으로 해석이 가능하게 합니다. 

 

의료 영상의 기본 원리

 

그렇다면 의료 영상은 어떻게 만들어질까요?
기본 원리는 이렇습니다.

1. 에너지원(X-ray, radio waves, light, ultrasound)을 관찰할 조직에 쏘아줍니다.
2. 몸속을 통과하거나 반사되어 나온 신호를 Transducer(물리 신호를 전기 신호로 바꿔 영상으로 만드는 것)나 detector로 받습니다. 
3. 이 신호를 전기적 신호로 바꿔 컴퓨터가 처리 가능한 디지털 영상으로 변환합니다.
4. 혹은 조영제를 써서 특정 부위를 더 뚜렷하게 보이게도 합니다. 

 

X-ray

 

X-ray는 우리 몸을 투과하면서 조직마다 흡수되는 정도가 달라, 뼈와 같은 단단한 구조를 잘 보여줍니다.

그래서 골절 진단, 치아 검사, 흉부 촬영 등에 기본적으로 사용되고 있습니다.

 

 

X-ray는 파장이 10 pm ~ 10 nm인 이온화 방사선이며, 3D 물체를 2D 이미지로 투영합니다.

우리 몸을 투과하면서 각 조직마다 흡수되는 정도가 달라서, 뼈와 같은 단단한 구조를 잘 보여주는 특징이 있습니다.

 

하지만 단점도 존재하겠죠?

Soft tissue(연부조직) 간의 대비가 약해 암, 종양 같은 질환을 찾는 데는 불리합니다.

이를 수식과 연관해서 설명해보자면,

 

 

뼈와 같은 감쇠계수가 큰 경우에는 I가 감소하여 잘 보이지만,

Soft tissue는 I의 감소가 거의 비슷하여 대비가 낮아 경계가 흐릿해집니다.

따라서 부드러운 조직은 뚜렷하게 구분하기 어렵습니다. 

 

CT : 2D 이미지에서 3D 이미지로..

 

CT(컴퓨터 단층촬영)는 X-ray를 다양한 각도에서 찍고, 이를 컴퓨터로 3D로 재구성하는 기술이에요.
특히 헬리컬 CT는 환자가 기계 안을 지나가는 동안 X-ray가 연속으로 회전하면서, 빠르고 정밀하게 입체 영상을 만들어준답니다.

Ultrasound(초음파)

 

초음파(US)는 고주파 음파(2–15 MHz)를 몸에 쏘아 반사음을 영상으로 변환해요.

• 실시간으로 움직임을 볼 수 있고,
• 방사선이 없어서 임산부나 중환자 진단에 안전해요.

단, 뼈나 공기는 잘 통과하지 못하는 한계가 있기 때문에 보통 산부인과에서 많이 사용하곤 합니다. 

 

초음파 영상은 “음파가 얼마나 빨리 돌아오는지”를 계산해 깊이를 측정해요.
예를 들어, 복부 대동맥이 6cm 깊이라면, 초음파 속도로 계산하면 약 78μs 만에 반사음이 돌아옵니다. 

이런 초음파 신호를 여러 방향으로 쏘아 모아, 2D/3D 영상을 만들어내죠!

 

Nuclear Medicine Imaging(핵의학 영상)

 

 

핵의학 영상은 단순한 해부학적 구조가 아니라, 몸의 생리적·기능적 활동을 측정해요.

핵심은 방사성 추적자(radiotracer)! 이 물질이 몸속에서 스스로 방사선을 방출해주죠.

보통 감마선이나 양전자를 내보내는데, 이 신호를 감마카메라나 PET 스캐너가 받아서 영상으로 바꿔줍니다.

 

핵의학 영상은 크게 두 가지로 나뉘는데,

• SPECT : 감마선을 방출하는 추적자를 사용하며, 감마 카메라가 회전하면서 여러 각도의 2D 이미지를 얻고, 이를 3D로 재구성합니다.
• PET : 양전자를 방출하는 추적자를 사용하며, 양전자가 전자와 만나서 감마선 쌍을 만들어내는데, PET 스캐너가 이를 한번에 잡아 위치를 계산합니다.

PET은 SPECT보다 민감도와 해상도가 좋아, 뇌 종양 연구나 암 진단에 특히 많이 사용됩니다.

 

 

 

MRI

 

이제 마지막으로 MRI에 대해 설명드리겠습니다.

MRI는 방사선을 쓰지 않고, 수소 원자의 움직임을 포착해 몸속을 고해상도로 비춰주는 기술입니다.

 

또한 MRI Scanner는 강한 자기장, 자기장 gradient, Radio Wave를 사용하여 이미지를 생성합니다.

몸속에 있는 수소 원자(양성자)가 강력한 자기장에 들어가면, 자석처럼 작은 자기 모멘트를 만들어 정렬돼요.

 

• 평소에는 각자 방향이 제멋대로지만,
• 자기장에 들어가면 일부는 평행, 일부는 반평행으로 정렬돼서,
• 결과적으로 순 자기장이 생깁니다.

이때 라디오파(RF)를 보내면, 수소 원자가 들떠서 “스핀 에너지 상태”가 바뀌어요.
하지만 곧 다시 안정 상태로 돌아가는데, 그때 내는 신호를 MRI가 잡아내서 영상으로 변환해요.

• 이 신호의 특징은 조직마다 다르게 돌아오기 때문에,
• 뇌, 근육, 연부조직 등을 각기 다르게 보여줄 수 있습니다.

MRI에는 두 가지의 종류가 있는데,

수소 원자가 돌아오는 속도(=relaxation time)에 따라 영상 대비가 결정됩니다.

• T1 (스핀-격자 이완): 세로방향 자기화가 회복되는 시간
• T2 (스핀-스핀 이완): 가로방향 자기화가 소멸되는 시간

예를 들어, 지방은 T1이 짧아서 밝게 보이고, 물은 T2가 길어서 염증이나 부종을 밝게 보여줍니다. 

 

장단점으로는,

 

 

 

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오늘은 의료 영상 기술의 기초부터 최신 응용까지, 몸속을 들여다보는 과학의 눈을 함께 살펴보았습니다.
이제 병원에서 흔히 볼 수 있는 CT, MRI, 초음파뿐 아니라 PET, SPECT 같은 기능 영상의 원리도 조금은 더 친근하게 느껴지지 않나요?