Radiology and Related Technology

[타잔김°³о♡]

Radiology and Related Technology

1. Radiology

   1) Definition : application of radiation in medical diagnosis and treatment

   2) 4 Major fields of radiology

      - Diagnostic radiology, 진단방사선과학

        방사선학적 영상을 이용하여 방사선학적 진단 및 중재적 시술을 담당

      - Therapeutic radiology (Radiation oncology), 치료방사선과학

        방사선을 이용하여 종양 환자의 방사선 치료를 담당

      - Nuclear medicine (Radioiostope imaging), 핵의학

        방사선 동위원소를 이용하여 핵의학적 진단 및 방사선 치료를 담당

      - Basic radiology (Radiation physics, Radiation biology)

        방사선물리학, 방사선생물학 등의 방사선 관련 기초 연구를 담당

        * radiological informatics as PACS

   3) Role of Diagnostic Radiologist

- team member : 현대 의학에서는 어느 한 환자의 질환을 한 명의 의사가 혼자 돌보지 않고, 내과계 의사, 외과계 의사들과 더불어 진단방사선과, 핵의학과, 임상병리과, 조직병리과 등의 진단지원 부서 및 마취과, 치료방사선과, 재활의학과 등의 치료지원 부서 등이 협력하여 team approach로 질병을 극복한다. 진단방사선과 전문의는 환자의 질병을 극복하기 위한 team의 member로서 현대 의학의 진단 방법 중 매우 중요한 방사선학적 진단을 담당한다.

- decision making : 진단방사선과의 주된 임무는 환자의 진단을 위해 필요한 방사선학적 영상에 의한 단서를 제공하는 일이다. 진단이란 질병의 일차적인 진단 뿐 아니라 치료 경과 혹은 관찰 경과 중의 추적검사의 소견도 포함된다. 방사선학적 진단의 단서는 임상 기록의 검토와 team의 member들과의 토론을 통해 질병 극복의 방침을 정하기 위한 의사결정에 중요한 부분이 된다.

- performance : 진단방사선과 전문의는 방사선사를 지휘하여 일반 방사선 검사가 원활히 이루어지도록 방사선과를 관리하는 일 이외에도 특수 방사선 검사를 직접 시술한다. 또한 중재적 시술을 통해 환자의 질병을 직접 치료하거나 진단적 처치를 시행하기도 한다.

   4) 10 fields of diagnostic radiology

      - Chest radiology

      - Musculoskeletal radiology

      - Gastrointestinal radiology

      - Genitourinary radiology

      - Pediatric radiology

      - Neuroradiology

      - Cardiovascular radiology

      - Computed tomographic radiology

      - Ultrasonographic radiology

      - Magnetic resonance imaging

      Etc as Head and Neck radiology, Breast radiology, Emergency radiology

   5) Interventional radiology

      Radiologic intervention : diagnostic and/or therapeutic procedures alternative to surgery

      Examples : percutaneous aspiration and biopsy (needle)

                 percutaneous drainage and ostomy (tube)

                 percutaneous angioplasty, valvuloplasty and holoviscus dilatation (balloon)

                 embolization and hemostasis (coil etc)

                 selective blood sampling and transplantation

                 percutaneous removal of stones, foreign bodies (wire)

                 endoprosthesis or stents (stents)

                 neurolysis (alcohol etc)

                 reduction of intussusception (enema)

2. Observation of human body

   1) 그림 (Drawing)

   2) 사진 (Photograph)

   3) 모형 (Model)

   4) 실물 (Real body)

       사체 (Cadever) - In vitro

   ☞  생체 (Living body) - In vivo

   5) 영상의학적 방법

     - 내시경적 영상 (Endoscopic image)

내시경은 렌즈와 광섬유를 이용한 광학적 장치를 이용하여 생체 내부의 특정공간(식도, 위,

창자, 관절, 부비동, 뇌실 등)의 표면을 관찰하는 방법으로 내시경을 통해 조직을 채취하거나

수술적 치료를 할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 내표면 내부의 구조를 관찰할 수 없으며

따라서 다른 장기와의 관계도 파악하기 힘들다.

     - 방사선 영상 (Radiological image)

방사선 영상은 간접적인 방법이기는 하지만 생체의 구조뿐 아니라 움직임과 일부 생리학적,

생화학적인 기능적인 면까지 보여주고 2차원적 영상뿐 아니라 3차원적인 영상으로도 관찰할 수 있다.

3. Radiological imaging of human body

   1) X-ray : Radiography, Fluoroscopy, Computed Tomography (CT)

   2) Gamma-ray　: Radioisotope Imaging (RI)

   3) Ultrasound : Ultrasonography (US), Doppler study

   4) Nuclear Magnetic Resonance : Magnetic Resonance Imaging (MRI)

   5) Positron : Positron Emission Tomography (PET)

   6) Infra-red ray : Thermography

※ 조영제 (Contrast material) : 생체의 lumen(위, 장관, 혈관, 뇌척수강, 관절강 등)에 투입하여 진단방사선학적 영상의 대조도(contrast)를 높여 줌으로써 생체 구조나 병변을 주위와 잘 구별할 수 있게 해주어 진단적 가치를 향상시키는 물질.

      1) Radiographic contrast media

        (1) Barium : Barium sulfate(BaSO₄)의 colloidal form

            주로 위, 장관의 검사에 사용

        (2) Water soluble contrast media : Iodine compound

            주로 혈관(신장), 뇌척수강, 관절강 등에 사용

            Adverse effects : Ionicity, Osmolarity, Iodine sensitivity와 관련

        (3) Oil soluble contrast media : Iodine compound

            임파촬영, 동맥색전술에 사용

        (4) Negative contrast media : Air, CO₂

            위장, 대장, 관절강 등의 이중조영촬영에 사용

       2) MRI contrast media : Paramagnetic effect를 나타내는 Gadolinium 계열의 물질

       3) Ultrasound contrast media

4. 방사선 (Radiation)

   1) 정의 : 방사선은 공간을 통한 에너지의 전달(energy transport through space)로 정의되는데, 물리학적으로는 광선, 전파, 초음파, Laser 등 에너지가 전달된 물체에 이온화를 일으키지 않는 non-ionizing radiation도 넓은 의미의 방사선에 포함되나, 일반적으로는 이온화를 일으킬 수 있는 ionizing radiation을 말한다. Ionizing radiation에는 alpha, beta, neutron, positron 등 입자로 되어있는 입자선(particulate radiation)과 X-ray, gamma ray 등의 전자파(electromagnetic radiation)가 있다.

   2) 방사선과 물질의 상호작용

     (1) 고전산란 (coherent scattering of Rayleigh)

입사된 방사선의 energy가 물체를 이루는 원자의 전자들에게 energy를 전달하고 소멸된다. 여분의 energy를 흡수한 전자들이 안정되면서 여분의 energy를 방출한다(간섭성 산란, excitation). 약한 energy를 가진 방사선에서 발생하며 중요한 의미가 없다.

     (2) 광전효과 (photoelectric effect)

입사된 방사선이 궤도전자의 결합 energy보다 약간 크면(500 keV 이하에서 잘 나타난다) energy를 물체의 궤도전자(대개는 K각 전자)에 전달하고 소멸되면 Energy를 전달받은 전자는 광전자(photoelectron, Auger전자)로 방출되고 보다 외각의 전자가 낮은 궤도로 천위되면서 여분의 결합 energy를 특성방사선(characteristic radiation=형광 X-ray)으로 방출하고 원자는 양전자로 남게 된다. 이때 발생하는 특성방사선은 energy가 낮아 체내에서 흡수되므로 X-ray 사진의 대조도를 만드는데 공헌을 한다. 또한 양전자를 만들어 필림에 감광효과를 준다. 진단방사선과 영역에 매우 중요한 효과이다.

     (3) 콤톤산란 (Compton scattering)

입사된 방사선이 비교적 결합 energy가 낮은 외각전자와 충돌하여 energy의 일부만 외각전자를 이탈 (반도전자 recoil electron)시키는데 사용하고 자신은 전자에 의해 굴절되어 다른 방향으로 진행한다. 전자에 energy를 주지않고 진행방향만 바뀌는 경우는 톰슨 산란(Thomson scattering)이라 한다. 0.5 - 5 MeV 사이의 energy를 가진 방사선에서 잘 일어나며 진단방사선과 영역에서 발생하는 산란선이 대개 이로 인해 발생한다.

     (4) 전자대 창생 (pair production)

입사된 방사선의 energy가 1.02 MeV 보다 클 때 원자핵의 coulomb장과의 상호작용으로 한 쌍의 음전자(electron)과 양전자(positron)를 창생(즉 방사선의 energy가 새로 생겨난 두개의 입자의 질량이 되고 남은 energy는 입자들의 운동 energy가 된다)시키고 소멸된다. 양전자는 매우 불안정하여 곧 양전자의 반물질인 인근의 전자(electron)과 충돌하여 0.51 MeV의 energy를 가지는 두개의 소멸방사선(annihilation radiation)을 양전자의 진행 방향과 직각방향으로 양쪽으로 방출하고 양전자와 전자의 질량이 소멸된다. 치료방사선과 영역에서 발생하는 산란이다.

     (5) 광핵반응 (photodisintegration)

매우 높은 energy의 방사선이 입사될 때 물체의 원자 자체가 붕괴되는 반응으로 핵폭발 때에나 cyclotron 등의 입자가속기에서의 실험에서 볼 수 있다.

   ※ 진단방사선과 영역(X-선 투시 및 촬영)에서는 photoelectric effect가,

      치료방사선과 영역(방사선 치료)에서는 Compton effect가 가장 중요하다.

5. X-ray

   1) 정의 : a form of electromagnetic radiation of very short wave length (0.5- 0.06 Å)

   2) 발견 : 1885년 11월 8일 독일의 Wilhelm Conrad Roentgen이 발견

   3) X-선 발생장치 : X-선은 X-ray tube에서 발생한다. X-ray 발생장치는 X-ray tube와  필요한 전원 을 공급하는 전원장치 그리고 이를 조정하는 조정장치로 구성된다.

      그러나 X-ray 촬영장치는 이외에도

▷ X-ray tube를 지지하는 장치(Tube Support System)에는 X-ray tube에서 발생하는 열을 방출시키는 oil cooling system, X-ray 조사시야를 조정하는 collimator, 지지대 및 X-ray tube unit를 고정시키는 정지장치(brake)가 있으며

▷ 환자의 촬영 자세를 위한 장치(Patient Positioning System)는 서있는 자세로 촬영하는 stand Bucky unit와 눕거나 업드려 촬영하는 수평형의 Free Floating Table, Table의 각도를 조정할 수 있는 Tilting table이 있는데, 모두 X-선의 산란에 의한 영상의 흐림을 방지해주는 grid, Bucky grid 장치가 부착되어 있다.

    (1) X-ray tube

        X-ray tube는 기본적으로 Coolidge tube의 일종이다.

        음극, cathode : filament = source of electron

filament의 두 극에는 낮은 전압의 전류(관전류, tube current, mAs)가 흐르지만 anode와의 사이에는 40-150 kV 정도의 전압차가 있으며(관전압, tube voltage, kVp) cathode에는 -극이 연결되어 있다. 양극 간의 높은 전압에 의해 가열된 고속전자가 튀어나온다.

        양극, anode : target(tungsten) = source of X-ray

양극에서 튀어나온 고속전자(anode에는 +극이 연결되어 있다)가 대개 tungsten (원자번호 74로 높고, 녹는 온도가 섭씨 3,370도 정도로 높기 때문)으로 되어있는 target에 충돌하면 X-ray가 나온다. 고속전자의 energy는 대부분이 열로 손실되고 1% 정도 만이 X-ray로 변환된다. 따라서 target 이외에는 열전도성이 좋은 구리로 되어있어 tube 외부로 열을 방출한다. X-ray 투시 등 연속적으로 X-ray를 발생시키면 너무 열이 많이 생기므로 anode를 원판으로 만들어 회전시킴으로써 target의 손상을 방지하는 회전양극(rotating anode)을 사용하기도 한다.

    (2) 전원장치

전원장치는 X-ray tube의 양극에 150 kV전압을 걸어주기 위한 변압기와 관전압, 관전류, 조사시간을 조절하기 위한 조절장치, 스위치 등으로 구성된다.

   4) X-ray의 발생 원리

수천 volt 이상의 강한 전압이 걸려있는 음극(cathode)의 가열된 filament에서 튀어나온 전자가 빠른 속도로 양극(anode)의 원자량이 큰 물질(Target, 대개 Tungsten=원자량 74, 융점 3,370℃)에 충돌하면서 전자가 감속되면서 남는 energy가 (제동방사선, Bremsstrahlung) 혹은 이탈된 내각 전자의 자리에 외각 전자가 전이되면서 남는 결합 energy(특성방사선, characteristic X-ray)를 electromagnetic radiation의 형태로 방출함으로써 생성된다.

    (1) 제동방사선 (Bremsstrahlung)

filament에서 가열되어 양극의 전압차에 끌려 튀어나온 입사전자가 target 물질의 원자핵의 자기장내에서 갑자기 제지를 받을 때 발생하는 연속 X-ray. 입사전자의 평균 energy 손실(즉 방출되는 X-ray의 세기)은 입사전자의 energy와 target 물질의 원자번호에 비례한다. 진단용 X-ray의 70%를 차지한다.

    (2) 특성방사선 (Characteristic X-ray)

입사전자가 target 원자의 내각 궤도전자를 이탈시킴으로써 외각전자가 천위되고 이때 두 전자의 binding energy 차이 만큼의 energy를 가진 광자(photon)가 방출된다. Target 원자에 따라 일정한 energy의 X-ray가 나온다. 예를 들면 target으로 많이 쓰이는 tungsten(원자기호 W)의 K각 전자가 이탈되면 L각의 전자가 K각으로 천위되면서 60 keV의 energy를 가진 X-ray(K radiation)가 나온다.

   5) X-ray의 특성

     (1) 투과효과 (penetrating effect)

Coolidge tube를 가지고 실험을 하다가 우연히 물체를 투과하여 형광의 상을 맺는 것을 발견한 Roentgen은 이 미지의 광선을 X-ray라 명명했다. 즉 X-ray는 물체를 투과한다. 그러나 인체내의 다양한 원소 구성과 결합 구조는 투과하는 X-ray에 대해 각기 다른 흡수와 산란을 일으켜 인체를 투과한 후의 X-ray는 부위마다 다른 강도를 갖는다. 어떤 부위를 통과한 X-ray의 강도가 약해지는 정도를 선감약계수(linear attenuation coefficient)라 한다.

     (2) 형광효과 (luminescent effect)

X-ray는 형광물질에 충돌하면 형광을 낸다. 형광판(fluorescent plate)이나 영상증배관 (image intensifier)을 사용하여 물체를 통과한 X-ray에 의한 영상을 관찰할 수 있다.

     (3) 감광효과 (photographic effect)

X-ray는 사진 film과 같은 감광물질에 충돌하여 원자를 ion화시켜 감광시킨다. 물체를 통과한 X-ray를 사진 film에 감광시켜 X-ray 사진을 얻을 수 있다.

     (4) 전리효과 (ionizing effect)

전리방사선인 X-ray는 물체의 원자를 전리시킬 수 있다.

     (5) 화학적, 생물학적효과 (chemical and biological effect)

X-ray는 생체에서 주로 물을 전리시켜 oxygen free radical을 만들고 이것이 DNA의 결합을 파괴하여 암세포를 죽이기도 하고(방사선치료, radiation therapy), 정상세포를 암세포로 만들기도 한다 (oncogenecity). 방사선에 의한 장애는 생애를 통해 축적되는 효과가 있다.

    ※ 진단방사선과 영역에서는 주로 투과, 형광, 감광효과를 이용하고,

       치료방사선과 영역에서는 주로 전리효과를 통한 화학적, 생물학적 효과를 이용한다.

   6) X-선 영상 형성 (Radiography and Fluoroscopy)

    방사선 사진 농도 Radiographic density

인체의 각 조직의 밀도(density, 엄밀히 말하자면 electron density이므로 원자의 종류에도 관계가 있지만)에 따라 그 부위를 통과한 X-ray의 강도가 달라진다. 즉 뼈와 같이 조직의 밀도가 높은 곳은 X-ray가 많이 흡수되어 film을 덜 감광시키게 되어 사진에는 흰색으로 나타난다. 그러나 공기가 많은 폐는 X-ray가 많이 통과하여 film을 많이 감광시켜 사진에 검게 나타난다.

X-ray film에서 구별할 수 있는 것은 뼈, 물, 지방과 공기 정도이다. 우리 몸의 연부조직이나 피가 들어있는 혈관도 모두 물과 같은 정도로 보인다. 우리가 X-ray film에서 장기들을 구별해서 볼 수 있는 것은 주로 장기를 둘러싸고 있는 지방조직이 물보다 X-ray를 좀 더 투과시켜 약간 더 검게 나타나기 때문이다. 장기의 두께가 두꺼우면 X-ray가 통과하는 길이 길므로 역시 흡수가 많아 얇은 장기보다 더 희게 보이는 것도 도움이 된다.

석회화 병변은 뼈와 비슷한 정도로 희게 보이지만 쇠와 같은 금속물질은 X-ray를 전혀 통과시키지 않아 완전히 희게 나타나 구별할 수 있다. 그러나 알루미늄 등의 경금속은 연부조직과도 구별되지 않으며 유리도 구별하기 힘들다.

인체에 X-ray를 투과시켜 film에 사진을 찍는 것을 단순촬영 plain radiography라 한다.

식도나 위장 등 소화관이나 비뇨기계, 혈관 등 공간(lumen)이 있는 장기(holoviscus)에 X-ray를 많이 흡수하는 물질(조영제, contrast material)을 넣고 X-ray를 찍으면 그 공간을 볼 수가 있게 된다. 이를 조영제 촬영이라 한다. 혈관(angiography)이나 비뇨기계(urography)를 보기 위해서는 주로 iodine이 붙어있는 유기물질의 수용성(water soluble) 조영제를 사용한다. 과거에 뇌척수강(myelography 등)을 조영하기 위해서 iodine 제제의 유용성(oil soluble) 조영제를 사용하였으며 검사 후 조영제를 다 빼내어야 했기 때문에 매우 고통스러웠다. 그러나 지금은 뇌척수강에서도 흡수되어 배설되는 수용성 조영제를 사용하기 때문에 검사가 많이 쉬워졌다.

식도나 위장 등의 소화기관을 보기 위해서는 황산바륨(barium sulfate, BaSO4)의 현탁액 (colloid)를 사용한다. 먹거나 tube를 통해 혹은 관장(barium enema, colon study)하여 검사를 한다. 이때 물에 녹으면 탄산가스를 방출하는 물질(sodium bicarbonate)을 먹이거나 (상부위장관 투시검사, UGIS, Upper GastroIntestinal Study때), 혹은 공기를 바로 pump로 주입하여(Colon study 때) 장관을 부풀려 장관의 내면에 묻은 조영제를 촬영함으로써 더욱 많은 정보를 얻을 수 있다. 이를 이중조영검사(double contrast study)라 하는데 공기를 negative contrast material로 사용하는 예이다. 척수강을 통해 공기를 주입하여 뇌의 cistern 등에 들어있는 공기를 촬영하는 pneumoencephalography라는 검사도 있었지만 지금은 CT, MRI 등의 더욱 좋은 검사법이 있기 때문에 거의 시행하지 않는다.

      (1) primary radiological image : 조직대조도(subject contrast, tissue contrast)

          여러 조직의 X-선 감약계수(attenuation coefficient)의 차이에 의함.

          물체를 통과해 나온 X-선의 강도는

            ① 조사된 방사선의 energy, intensity

            ② 물체를 구성하고 있는 원소의 흡수, 산란의 정도 (밀도와 두께와 관련)

               에 따라 다르다.

          촬영방법에 의해서도 차이가 난다. (조영제 투여, Grid, Tomography, Panorama,

                                            Magnification 등)

          생체 각 조직의 방사선 투과성 : radiolucent / radiopaque

             X-선 사진에서 구분할 수 있는 것은 다음 다섯가지 정도이다.

             ① 공기(gas)                                       very radiolucent

             ② 지방(fat)                                            radiolucent

             ③ 물(water), 연조직(soft tissue), cartilage 등        intermediate

             ④ 뼈(bone), calcification                               radiopaque

             ⑤ 금속(Heavy metal)                                very radiopaque

       (2) secondary radiological imaging : 시각매체

           ① Film : Film-cassette complex (intensifying screen)

                     Serial filming (Automatic film changer, 2-6/sec)

                     Film subtraction

              ※ Ionography, Xeroradiography : Selenium plate

           ② Fluolescent screen : 암실투시

                                   간접촬영 camera (60, 70, 100mm)

           ③ Image intensifier : Mirror system

                                  Television camera(CCTV) or with VTR recording

                                  Camera (35, 100, 110mm)

                                  Cine camera (30-120/sec)

           ④ Digital imaging : Digital subtraction angiography and radiography

                                Digital radiography

6. X-ray 영상 촬영 방법

  1) X-ray 사진 (Radiography)

X-ray는 물체를 통과하므로 X-ray film은 보통 사진 film과 달리 양쪽에 감광유제가 발라져 있어 이중으로 film을 감광시키지만 이것만으로는 충분한 영상을 얻기 힘들다. X-ray film이 가시광선에 감광되지 않도록 집어넣는 case를 cassette라 한다. 이 cassette 속에는 양쪽에 형광물질이 발라져 있는 얇은 판이 film에 밀착되게 붙어있는데 X-ray가 이 형광판에 작용하여 형광을 내게하고 이 형광이 또 film을 감광시켜 밝은 영상을 얻을 수 있다. 이 형광판을 증감지(intensifying screen)라 한다. 증감물질은 텅스텐 칼슘(CaWO4)이나 녹색 형광을 내는 희토류 금속(rare earth metal)이 사용되며 2 - 10배의 효과를 낸다(film-cassette complex). 촬영한 film은 현상액, 정착액을 통과한 후 물로 씻은 후(수세) 말려서 관찰한다. X-ray film을 자동으로 현상하고 말려주는 장치를 자동현상기(automatic film processor) 라 한다. Cassette를 사용하지 않고 형광판이 부착된 암상자에 일반 사진 film(60, 70, 100, 110mm)을 사용하는 camera로 촬영하는 것을 간접촬영(Indirect radiography)라 하는데 film 비용이 적게들고 장치가 비교적 간단하여 신체검사나 결핵 이동검진 등에 많이 사용된다. Digital radiography로는 FCR(Fuji computed radiography)이 사용되는데 이는 방사선에 노출되면 energy 준위가 달라지는 특수 물질을 coating한 imaging plate에 X-선 사진을 찍은 후 imaging plate에 특정 파장의 laser를 조사하여 energy 준위에 따라 다른 강도로 나오는 특정 파장의 광선을 scan하여 digital data로 저장한 뒤 이를 다시 laser camera로 film에 찍어내는 촬영방법이다. 이 방법은 촬영된 영상이 적절치 않은 경우에 이를 조절하여 최적의 영상을 만들 수 있고 필요한 크기의 다양한 format으로 film을 구성할 수 있으며 필요한 X-선의 양이 비교적 적어 소아나 인체의 두꺼운 부위를 촬영할 때 편리하다.

  2) X-ray 투시 (Fluoroscopy)

X-ray가 형광물질에 충돌하면 형광을 내는 성질을 이용하여 형광판(fluorescent plate)이나 영상증배관(image intensifier)을 사용하여 물체를 통과한 X-ray에 의한 영상을 관찰하는 것을 X-ray 투시라 한다. 대개 영상증배관에 TV camera를 부착하여 TV monitor로 인체내의 움직이는 것 까지 관찰할 수 있다. 필요한 경우 적절한 시기에 적절한 부위를 X-ray film에 촬영하는데 이를 spot 촬영 이라 한다. 혈액이 빠른 속도로 움직이는 혈관이나 심장을 촬영하는 경우에는 초당 2-6매 정도의 속도로 촬영하게 되는데 이를 위해 고속으로 필림을 바꿔주는 장치(PUCK)가 필요하다 (seriography). 영상증배관에 맺힌 영상을 lens를 통해 일반 사진 film(35, 60, 70, 100, 110mm) 을 사용하는 camera로 촬영할 수도 있으며, 16mm 영화촬영기를 부착하여 심장의 움직임 등을 영화로 촬영하기도 한다(Cine angiography).

   3) 전산화단층촬영 (CT, Computed tomography)

X-ray tube와 반대쪽의 검출기(detector)가 인체 주위를 회전하면서 인체의 여러 방향에서 투사된 방사선의 강도를 측정한다. 이 측정치를 컴퓨터로 계산하여 인체 각 부위의 방사선 감약계수(radiation attenuation coefficient)를 산출하고 인체의 단면상(cross section)으로 재구성하여 모니터에 표시해 주는 영상 촬영방법이다. 각 화소(pixel)의 방사선 감약계수를 CT계수(CT number, Hounsfield number)라 하는데 공기를 -1000, 물을 0, 뼈를 +1000으로 한다. 뇌의 백질은 22-32 정도이고 회질은 36-46 정도로 나타나므로 뇌의 회질과 백질을 구별할 수 있을 정도로 대조분해능이 뛰어나다. 이외에도 종래 X-ray 촬영으로 구분할 수 없었던 연부조직이나 각종 체액을 성분에 따라 정확히 파악할 수 있고 단면의 영상이라 겹쳐짐이 없이 3차원적인 구조를 파악할 수 있어 방사선학적 진단에 혁신을 일으켰다.

   4) 기타

      유방촬영 (Mammography)

유방은 연부조직으로만 구성된 조직이므로 투과력이 강한 높은 energy의 X-ary보다는 투과력이 약한 낮은 energy의 X-ray가 조직의 대조도를 높이는데 유리하다. 따라서 아주 약한 강도의 X-ray를 내는 Molibdenium같은 금속을 target물질로 쓰는 특별한 X-ray tube를 사용하며 역시 적합한 감도의 특별한 film과 증감지, cassette를 사용한다.

      Xeroradiography

건식복사기(유명한 Xerox사의 이름은 건조하다는 Xero라는 라틴어 단어 에서 유래하였음)는 광선을 받으면 전자를 방출하는 성질을 가진 selenium(사진기에 사용되는 무전원용 노출측정계에도 쓰임)을 감광판(최근에는 drum 형을 사용)으로 사용하여 영상을 노출시킨 후 전하를 가진 탄소입자를 도포하여 복사물을 얻는 방법이다. X-선 사진을 사진용 film이 아닌 건식 복사기용 감광판에 찍은 후 종이에 인쇄하는 방법을 Xeroradiography라 한다. 넓은 노출관용도 (exposure latitude)를 가져 뼈와 연골, 연부조직을 동시에 표현하여 정형외과 영역이나 류마티스의 진단에 사용되기도 한다. 또한 경계면 강조현상 (edge enhancement) 때문에 작은 석회화 병변을 더욱 잘 찾게 해 주어 유방촬영에 응용되기도 한다. 그러나 다른 영상진단법보다 그다지 탁월한 것도 아니면서 일본의 한 작은 회사가 기술을 독점하여 널리 보급되지 못하던 중 다른 분야의 기술이 발전하면서 사장되어 가는 추세이다.

      골밀도측정 (Bone Mineral Densitometry, BMD)

갱년기 이후에 골절에 중요한 원인인 골소송증(osteoporosis)에 관한 관심이 높아지면서 골밀도를 측정하는 방법이 개발되었다. 방사선 동위원소가 부착된 뼈에 잘모이는 물질에서 방출되는 gamma선을 측정하여 뼈의 정량적인 분석을 하는 방법(RadioIsotope Absortiometry, RIA)과, 전산화 단층촬영에서 뼈에 해당하는 CT 계수를 가진 화소(pixel)의 수로 뼈의 정량적 분석을 하는 방법(CT-BMD)도 있으나, 두가지 서로 eneregy 수준의 X-선 사진을 찍은 후 컴퓨터로 근육에 의한 영향을 제거하여 뼈의 정량적 분석을 하는 Dual Photon X-ray Absorptiometry (DEXA)가 가장 정확한 방법으로 알려져 있다.

      Panorama 촬영

턱뼈는 반원형으로 되어 있어 어떤 방향에서 X-선 사진을 찍어도 구조의 중복을 피하기 힘들어 전반적인 턱뼈의 상태를 파악하기 힘들기 때문에 턱뼈를 반원형으로 감싸는 film과 cassette를 놓고 반대 쪽에서 X-선 tube를 반원의 중심을 중점으로 회전시키면서 촬영하면 한장의 film에 턱뼈가 펼쳐져 찍힌 사진이 나오게 된다. 치과, 구강외과 영역에서 많이 사용된다.

7. X-ray를 사용하지 않는 영상진단법

  1) 초음파 촬영 (US, Ultrasonography)

인간의 가청영역인 20-20,000Hz 보다 높은 주파수의 음을 초음파라 한다. 의학적으로 1-20MHz의 주파수를 이용하기도 하지만 영상을 얻는 데에는 대개 3.5-10MHz의 주파수를 이용한다. 삐에르 뀌리가 발견한 압전효과(piezoelectric effect)를 이용한 압전물질에 의해 발생되는 초음파는 인체의 조직 사이에 초음파 전달에 대한 저항(impedence)의 차이가 있는 경계면에서 반사되며 이를 음파탐지기가 검출하여 되돌아온 시간으로 공간위치를 컴퓨터로 계산한 후 재구성된 영상이 인체의 단면을 표시해 준다. 대개의 초음파 촬영기의 음파발생과 음파검출은 1개의 압전물질에서 이루어지며 이는 탐촉자(transducer)에 들어있다. 초음파는 X-ray와 달리 인체에 무해하므로 태아도 검사할 수 있고 인체의 다양한 단면을 보여 줄 수 있을 뿐 아니라 인체 내부의 움직임까지도 볼 수 있는 장점이 있다. 또한 음파의 반사를 이용하므로 X-ray 촬영과는 전혀 다른 조직에 관한 정보를 제공하기 때문에 낭종(cyst)인지 고형 종괴(solid tumor)인지도 구별할 수 있다. 또한 Doppler 효과를 이용하여 혈류 등의 속도와 흐름의 양상을 알려주어 심장과 혈관의 질환의 진단에 사용된다.

  2) 자기공명영상 촬영 (MRI, Magentic Resonance Imaging)

인체를 약간의 자장경사가 있는 강력한 자기장(0.1-2 Tesla, 1 Tesla=10,000 gaus) 속에 놓고 일정한 주파수의 전자파(radiofrequency)를 조사하면 자기장에 의해 일정한 방향으로 회전축이 정렬된 체내의 양성자(수소 원자의 핵)이 여기(excitation)되고, 전자파 조사를 중단하면 여기상태에서 이완(relaxation)되면서 핵의 수와 종류 혹은 주위 환경에 따라 다양하게 전자파의 형태로 남은 energy를 방출한다. 이때 자장경사에 의해 공명(resonance)되는 주파수의 전자파 신호를 검출하여 컴퓨터로 계산한 후 인체의 각 부위의 신호강도(signal intensity)를 단면상으로 모니터에 나타내 주는 영상촬영 방법이다. 자장에 종축으로 일어나는 이완시간으로 계산한 영상을 T1강조영상 (T1WI, T1 weighted image)라 하고 횡축을 따라 일어나는 이완시간으로 계산한 영상을 T2강조영상(T2WI, T2 weighted image)라 한다. 또한 양자농도(proton density) 등으로도 영상을 만들 수 있어 더욱 다양하게 조직에 관한 정보를 알아낼 수 있다. 그리고 혈관속을 흐르는 혈액에서 나오는 신호는 수신할 수 없어 무신호(signal void)로 나타나는 점을 이용하여 혈관만을 볼 수도 있다(MRA, MR angiography). 자기공명영상은 홀수 원자번호를 가지는 원자핵만을 영상화할 수 있는데 대개는 인체에 매우 흔히 존재하는 수소의 원자핵을 영상화한다. 그러나 sodium, phosphorus등의 원소를 선택적으로 영상화하는 방법(spectroscopy)도 있다. 이 방법을 사용하면 그 원자가 어떤 분자에 어떤 상태로 있는가에 따라 다른 영상이 나오기 때문에 암의 조기 발견 등에 이용하기 위해 많은 연구가 진행되고 있으나 아직 실용화가 이루어지지는 않은 단계이다. 최근에는 적혈구 내에 자기친화적 물질인 철원자가 존재함을 이용하여 외부 자극에 반응하는 뇌의 특정부분에 혈류가 증가함을 MRI로 감지하여 뇌의 기능적 영상을 얻는 기능적 자기공명영상(functional MRI)이 연구되고 있다.

     MRI의 장점

       1.연부조직 및 체액 등의 조직대조도가 뛰어나다.

       2.각 방향(axial, coronal 및 sagittal)의 단면상(sectional image) 촬영이 가능하다.

       3.조영제 없이도 심혈관계 촬영이 가능하다.

       4.각종 질환에 따른 조직특성진단(tissue characterization)이 가능하다.

       5.전리방사선을 이용하지 않는다.

     MRI의 단점

       1.장치의 가격이 비싸다.

       2.중환자나 철제의 체내외 의료재료가 있는 환자 및 심장박동기 등의 의료기기가 반드시 필요한

         경우 촬영하기 힘들다.

       3.촬영 중 움직이면 영상의 질이 나빠진다.

  3) 방사선동위원소 촬영 (Radioisotope Image, Nuclear Medicine)

인체 내에 존재하는 특정물질에 gamma선을 방출하는 방사선동위원소를 화학적으로 붙여서 정맥주사를 한 후 인체내에서 방출되는 gamma선을 Gamma camera (Scintillation camera)로 촬영하면 그 물질이 많이 모여있는 곳을 영상화 할 수 있다. 방사선동위원소로는 99mTechnicium을 많이 사용하는데 영상을 얻는데 적합한 gamma선을 방출하며 적당한 반감기를 갖는다. 영상의 질은 별로 좋지 않지만 체내의 생리, 생화학적 기능을 영상화하여 질병의 발견이나 생체 기능의 측정에 사용된다. 뇌가 포도당만을 에너지원으로 사용하는 특성을 이용하여 입자가속기를 이용하여 방사선동위원소로 전환시킨 포도당을 주사하고 뇌의 활성화된 부위에서 방출되는 양전자를 검출하여 영상화하는 방법으로 양전자방출단층촬영 (Positron Emmision Tomography, PET)이 뇌의 기능을 연구하는데 사용되고 있으며 최근 일부 임상 진단에 응용되고 있다.

  4) 적외선 촬영 (Thermography)

적외선촬영은 체표면의 온도를 영상으로 나타내는 것이다. 보급 초기에는 온도변화에 민감한 접촉성 액정필름(LCD film)을 이용하였으나 최근에는 컴퓨터에 연결된 적외선 카메라(InfraRed Camera)를 사용하고 있다. 대부분의 의학자들은 이 방법이 별로 임상적인 의의와 신뢰성이 없다고 생각하고 있으며 극히 일부분의 학자들이 임상적인 의의를 연구하고 있으나 큰 진전이 없다

8. 영상저장전송체계 PACS (Picture Archival and Communication System)

컴퓨터와 통신기술의 발전에 따라 방사선학적 영상을 획득하고, 분배하고, 보여주며, 저장하는 영상저장전송체계가 70년대 중반부터 시도되었다. 그러나 이 기술은 비용대비 효과면에서 경제성이 기대되기 시작한 90년대 후반에 와서야 실용화되기 시작하였다.

   1) 영상의 획득

(1) X-선 사진은 14 inch film scanner로 scan하는 방식과 FCR을 이용하여 직접 digital data를 획득하는 방법을 사용하고 있다. X-선 검출관에 slit beam X-ray를 사용하여 직접 digital image를 얻는 digital radiography가 소개되기는 하였지만 널리 사용되고 있지는 않다. 최근에는 Selenium이 coating된 active matrix TFT에 직접 촬영하여 중간에 scan 과정이 없이 바로 digital image를 얻는 기술이 개발되고 있으나 아직 실용화되지는 않았다.

(2) CT, Ultrasound, MRI, RI 등 처음부터 digital로 생성되는 영상은 video 촬영기로 나가는 영상을 capture하는 방식을 사용하였으나 최근에는 LAN을 통해 digital data를 바로 전송하는 쪽으로 발전하고 있다.

(3) 다양한 회사의 다양한 검사기기에서 획득되는 영상에 관한 일반 정보(피검자 이름, 검사명, 영상순서, 촬영조건 등)과 영상 정보의 표준화를 위해 ACR-NEMA에서 제정한 국제 표준인 DICOM(Digital Image Communication in Medicine)이 제정되어 있지만 아직 업계의 적극적인 협조를 얻고있지 않다. 또한 다양한 기기를 연결하는 interface에도 아직 어려운 점이 많다.

   2) 영상의 분배

방사선학적 영상은 file size가 매우 크며 수도 많기 때문에 이를 분배하기 위한 통신망은 매우 고속이어야 한다. 최근에는 구내에서는 ATM-LAN을 많이 사용하지만 아직 고속 WAN이 보급되어 있지 않아 외부와의 연결에는 많은 문제가 있다. 또한 병원의 HIS(Hospital Information System)이나 RIS(Radiology Information System)과의 연계도 미흡한 실정이다.

   3) 영상의 관찰

방사선학적 영상으로 진단할 때에는 매우 미소한 구조물을 관찰하여야 할 필요가 있기 때문에 영상의 관찰에는 4K 이상의 monitor를 필요로 하며 휘도도 매우 밝아야 한다. 또한 세로로 긴 영상을 많이 취급하기 때문에 세로가 긴 vertical monitor를 필요로 하며, 동시에 8개의 monitor를 운용할 수 있는 station을 필요로 할 수도 있다. 이런 system은 고속의 CPU와 대량의 memory 그리고 multiple video board를 필요로 한다. Human interface인 viewing software도 용이한 검색을 위해 multimedia database를 사용하며 다양한 post-processing, magnification 등의 기능을 제공하는 등 매우 고가의 것들이다.

   4) 영상의 저장

영상의 저장은 단기 저장과 영구 저장의 측면으로 나눌 수 있다. 현재 병실이나 외래에서 진료 중인 환자의 영상은 빠른 접근을 위해 대개 hard disk에 저장한다. 그러나 hard disk의 용량을 무한히 확장하기는 불가능하므로 영구 저장의 방법을 강구해야할 필요가 있다. 영구 저장은 CD-ROM, DVD등이 고려되고 있으며 용이한 재사용을 위해 juke box등을 이용하기도 한다. 역시 용이한 검색을 위해 database 기술이 응용된다.

이와 같이 PACS의 구축은 매우 많은 비용을 필요로 한다. 그리고 아직도 개발되지 않았거나 개발 중인 기술도 많이 있다. 최근에는 비용 절감을 위해 방사선 진단에 필요한 고가 장비로 구성된 diagnostic PACS와 방사선과 보고서를 참조하여 임상의사가 관찰하는 비교적 저가의 clinical PACS로 구분하여 접근하기도 한다. 또한 economic PACS 개념의 jpg file을 사용하며 internet과 web을 이용하려는 경향도 있다.

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