몸 전신을 3D로 촬영하는 신개념 ‘스캐너’ 탄생 & X선·CT·MRI 기술 원리는 뭘까

8일 오전 서울 송파구 서울아산병원 감염관리센터에서 의료진들이 음압CT촬영실 장비를 점검하고 있다. 2022.2.8

연말이 되면 병원 건강검진 센터는 한 해가 가기 전에 건강검진을 받으러 온 사람들로 북새통을 이룬다.

건강검진에서 빠질 수 없는 것이 ‘X선’ 검사다.

X선은 10㎚(나노미터)~0.01㎚ 파장 대역의 전자기파를 아울러 부르는 것으로, 원자 내 전자의 에너지 변화에 따라 발생한다.

독일의 물리학자 윌리엄 뢴트겐이 처음으로 X선의 활용처를 발견한 이래로, X선은 의료, 과학, 산업, 보안 업계에서 널리 쓰이고 있다.

의료에서 주로 쓰이는 X선은 외부에서 강한 에너지를 가지고 이동하던 전자가 원자핵의 영향으로 방향을 바꾸며 발생한다. 연속적이고 넓은 에너지 대역·파장대를 가진 것이 특징이다.

X선은 가시광선보다 투과성이 좋아 인체를 투과할 수 있다. 다만, 인체를 지나가는 과정에서 혈액, 뼈, 피부, 근육 등을 만나면 저마다 다른 방식으로 반사·흡수·산란되며, 최종적인 투과량이 다르게 된다. 각 부위를 통과하며 다르게 남은 X선을 검출해 영상으로 만들면 흔히 볼 수 있는 X선 영상이 된다.

즉, 우리 몸을 통과할 수 있는 광선을 쬐어주고 구성성분에 따라 다르게 나오는 그림자를 보는 것이다.

CT도 마찬가지로 X선을 활용하지만, 분석방법이 다르다. 기본적인 개념은 1917년 체코의 수학자 라돈에서 출발한다. 라돈은 여러 단면의 넓이로부터 입체의 모양을 얻어내는 수학적 기법을 개발했다. 단면의 ‘모양’을 재조합해 입체의 ‘모양’을 추정하는 것은 쉽지만, 단면의 ‘넓이’를 기반으로 입체를 재구성하는 일은 쉽지 않다.

라돈의 개발 이후 수학 계산 기법의 발달, 진단 기술의 발달으로 1970년대에 CT가 개발된다.

현대 CT의 과학적 원리는 X선 검사와 다르지 않다. 다만 X선을 여러 방향에서 빠르게 투과·검출해, 이를 알고리즘으로 분석·재조합 후 단층 및 입체 영상을 만들어낸다.

MRI는 X선과 CT와는 전혀 다른 원리로 작동한다. X선과 CT가 본질적으로는 그림자를 보는 것이라면, MRI는 몸을 구성하는 원자에 전자기장을 가해줄 때 나오는 미세한 전자기파를 보는 것이다.

가장 널리 쓰이는 MRI는 인체를 구성하는 수소에서 나오는 전자기파를 감지한다. 수소의 전자핵인 양성자는 서로 다른 ‘스핀’을 가지고 있다. 이 스핀은 강한 자기장 속에서는 한 방향으로 정렬하게 된다. 정렬된 이후 전자기파를 짧은 시간 쬐어주면, 스핀의 상태가 바뀌었다가 원래대로 돌아오며 미세한 전자기파를 내뿜는다. 이 미세한 전자기파를 조사하면, 수소의 배치 등의 정보를 얻을 수 있다.