영상진단기기의 기술개요
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1. 개요
진찰이나 검사실 소견상 의심되는 점이 있다면 의사는 당신 몸 속에 무엇이 진행되고 있는지 발견하기를 원할 것이다. 그들은 직접 혹은 특별한 기구나 특정 부위를 열어봄으로써 당신의 몸을 들여다볼 수도 있다. 그러나 첫 번째 단계는 의심되는 부위에 영상을 얻는 것이다. 이러한 영상 조사는 특정 장기에 종양을 보여줄 수도 있고 주위 조직 침범 여부와 크기에 대한 의사의 접근을 도와줄 것이다. 외과적인 수술을 하지 않고 질병이나 신체의 이상을 검사하는 방법은 현대 진단의학에서 없어서는 안되는 매우 중요한 위치를 차지하고 있다. 이러한 검사 방법 중에서, 질병의 발견 × 범위 파악 × 특성화 하기 위하여, 영상촬영 × 진단에 의하여 신체내부의 상태를 확인하는 방법으로 컴퓨터단층촬영기법(CT, Computerized Tomography), MRI(Magnetic Resonance Imaging), 초음파 진단기 등이 개발되어 상용되고 있다.
이와 같이 대상이 되는 물체를 파괴하지 않고 외부에서 측정된 자료로부터 내부의 정보를 검사하는 기술을 통칭하여 비파괴검사(NDT, Nondestructive Testing)라고 한다. 비파괴검사 방법은 어떠한 물리적 현상에 기초하는가에 따라 다음과 같이 크게 분류할 수도 있다.
- 방사선 검사법 (Radiographic Testing): CT, Emission Tomography 등 - 자기장 검사법(Magnetic Tomography) - 전자기장 검사법(Electro-magnetic Tomography): Eddy Current 검사법 - 전기장 검사법(Electrical Impedence Tomography) - 초음파 검사법(Ultrasound Tomography) - 열 검사법(Thermal Tomography)
영상진단기는 영상진단기 전분야에 걸쳐서 진단시간의 단축, 실시간 진단, 입체화(3차원 이미지, 4차원 이미지)되는 추세이며 그에 따른 특수분야에 적용시킬 수 있는 다양한 진단방법이 개발되고 있다. 특히 정보통신망과의 연계로 영상압축 및 저장 기술이 더욱 중요시 되고 있다.
초음파 진단기는 아날로그에서 디지털로, 2차원 초음파 진단기에서 3차원, 4차원 초음파 진단기로 전환하는 추세가 뚜렷해지고 있다. 입체영상을 실시간 동영상으로 제공하며, 3차원 영상 초음파 진단기를 통해 입체영상을 획득할 때 소요되는 시간을 단축시켜 시간과 비용절감에 많은 도움이 되고, 태아의 움직임을 산모가 입체적으로 볼 수 있는 초음파 진단기기가 개발되었다. 원격지에서 볼륨 이미지 네트워크를 통해 원격진단에도 용이하다. 4차원 초음파 영상진단기를 이용해 종양에 들어가는 혈관의 영양을 평가해 암 진단 및 치료에 획기적 전기를 마련할 수 있으며 간, 유방, 안구, 갑상선 등 다방면에서 활용할 수 있다.
디지털 의료 영상 장치 중 가장 비중을 많이 차지하는 것은 디지털 X-ray장치인 R/F type이며, 유방조영장치(mammo), 혈관조영장치(angio) 부분의 개발이 활발하다.
컴퓨터 단층 촬영이나 자기 공명 영상 같은 다른 방법과 대조적으로 어떤 공간을 점유하고 있는 병소를 보여줄 방법으로는 양자 단층 촬영법이 있다. 이 스캔은 자라나는 조직이 있는 부위를 조명하여, 혈전, 반흔, 죽은 암 조직과 살아있는 조직을 구별해 줄 것이다. 양자 단층 스캔은 미래에 더 많이 사용될 것이다.
MRI는 초전도 마그네트를 사용하고, 폐쇄공포증을 방지하며 interventional한 기능을 수행하기 위한 개방형 MRI가 많이 개발되고 있으며, 엔지오 기능의 확대·원격진단 기능 추가 등 제품 성능을 개선한 MRI가 개발되고 있다.
영상진단의 가장 기초적 기술분야로 카테터를 이용, 환부의 영상을 직접 찍는 내시경 분야에서, 광역학적 진단을 이용하는 형광내시경, 3차원 내시경, MEMS로 구동되는 내시경 등의 개발이 활발히 이루어지고 있다.
영상진단기 기술에서 변환할 신호(이미지, 데이터)의 취득과 함께 중요한 것이 취득한 영상의 처리에 관한 것이다. 디텍터에서 취득된 신호 자료를 처리 대상으로 사용하고 있으며, 최근에는 레이저를 이용한 3차원 범위 영상(range image), 여러 개의 카메라로 취득된 입체 영상(stereo image), 다중 센서에서 취득된 다중 대역 영상(multi band image)에 대한 연구가 활발히 진행중이다. 영상처리 분야는 특징 추출(feature extraction), 영상 개선(image enhancement), 영상 복구 (image restoration), 영상 재구성(image reconstruction), 영상 분석(image analysis), 영상 인식(image recognition), 영상 압축(image compression) 등으로 분류할 수 있는데 특히, 영상 재구성은 입체 영상을 분석하고 3차원으로 재구성하여 현실감 있게 표현하는 것으로 MRI, CT 등에서 취득된 영상을 Radon 변환, 투시 투상 기법(perspective projection) 등으로 재구성하여 분석을 용이하게 하는 연구가 진행 중이다.
영상진단기는 최근 주목 받고 있는 전자의료기 부분에서도 큰 비중을 차지하고 있다. 시장규모로는 전체 의료기 시장의 약 50%에 이른다. 전자의료기기 시장은 타 산업과 달리 기술에 의한 진입장벽이 두터운 전형적인 선진국 독점형 첨단 산업이다. 즉, 전자의료기기에 적용되는 기술은 전자공학, 전산공학, 기계공학, 물리학, 화학 등 공학기술과 의학, 생리학 등이 복합되어 있는 특성을 갖기 때문에 복합 산업기술이 발달하고 첨단기술 운영의 경험이 풍부하며, 막대한 연구개발비를 회수할 만한 시장이 확보되어 있는 선진국에서 주도한다. 최근 전자의료기기는 선진국 기업이 주도하고 있지만, 최근 전자의료기기의 디지털화가 급격히 진행되고 있어, 우리의 IT 경쟁력을 바탕으로 집중 육성할 경우 고부가가치 차세대 전략산업으로 성장 가능성이 있다. 다른 반도체, 자동차, 철강 분야 등에 비교했을 때에도 높은 부가가치를 나타낸다. 디지털X-ray, MRI 등 영상진단기 분야와 PACS(의료영상전달시스템), 생체현상기록기 분야의 시장이 유망하다. 특히, GNP 대비 의료비 지출액이 높은 미국, 일본, 서유럽 등의 수입 전자의료기기가 국내시장의 72%를 차지하고 있는 실정에서 국내 의료기기 산업의 발전이 뒷받침되지 않을 경우 인구고령화와 생활수준 향상으로 급증하는 의료 서비스 수요의 적절한 대응이 어렵고 무역적자도 확대될 수 있다. 꾸준한 연구 개발과 투자로 인한 기술력 향상과 그로 인한 기술경쟁력 획득, 수출증대가 필요한 시점이다.
2. Digital Radiography
1895년 W.C. Roentgen(독)이 차폐된 음극관을 이용한 실험을 하던 중 형광작용이 미지의 광선에 의해 생기는 것을 확인하고 이를 X-Ray라고 명명한 이래 방사선은 각종 질환의 진단술로 꾸준히 발전되어 왔다(X-Ray의 발견으로 제1회 노벨 물리학상 수상).
X-ray 장비의 기본 원리를 간단히 설명하면 X-ray 장비는 크게 두 부분으로 나뉘는데 먼저 X-ray를 발생시키는 X-선관 그리고 인체를 투과한 X-ray를 검출하는 검출기로 나눌 수 있다. X-선관은 기본적으로 오늘날까지 뢴트겐이 100여년 전에 고안한 디자인에서 크게 벗어나지 않고 있는데 먼저 필라멘트에 전류를 통하게 하여 전자를 만들어내고 이러한 음전기를 가지고 있는 전자들이 전기적으로 양극을 띠고 있는 텅스텐과 같은 금속에 가속되어 금속표면에 충돌하는 경우 X-선을 만들어 내게 된다. 이러한 X-선관은 보통 유리관으로 밀봉되어 있고 유리관 내부를 진공으로 유지하여 가속된 정자가 공기입자와 충돌하여 금속을 때리지 못하도록 방지한다. 이러한 X-ray 발생장치는 모든 X-ray 장비들에서 유사하지만 X-ray 장비들을 구분짓는 것은 검출기 부분의 차이다. 일반 X-ray 촬영의 경우 검출기는 우리가 흔히 보게되는 X-ray 필름으로 흉부 촬영시 많이 사용된다. 한편 X-ray 투시영사기(Fluoscopy)는 이체를 투과한 X-ray의 강약을 형광으로 변환시켜 영상증폭기로 증강시키고 이를 TV 카메라나 CCD 카메라를 이용하여 모니터에 나타내 주는 방법으로 환자의 입장에서는 비교적 적은 X-ray에 노출되고 검사자는 X-ray에 직접 노출되지 않은 상태에서 모니터를 통해 방사선 영상을 관찰할 수 있는 장점이 있다. 이러한 X-ray 투시영상기는 모니터로 관찰하기 때문에 X-ray 영상의 강도와 대조도 등을 조절할 수 있고 또한 실시간으로 관찰할 수 있는 장점이 있다. 따라서 투시는 인체내부의 여러 장기 중, 주로 위장, 십이지장, 소장, 대장 등 소화기 계통의 장기와 심장, 혈관 등의 움직이는 부위를 직접 관찰하며 질병을 진단하는데 기본적인 검사방법으로 자리잡고 있다. 또한 이러한 X-ray 투시영상기는 혈관조영술이나 외과적으로 수술이 어려운 경우 혈관내로 도관을 삽입하여 질환 부위를 치료사는 각종 중재적 시술에서도 필수적인 장치이다.
여러 가지 목적으로 X-ray가 여전히 널리 쓰일 때 신체 각 부분의 X-ray의 흡수율 차이로 인한 밀도의 변화를 보여주는 물체의 투영된 영상(shadowgram)이 얻어졌다. 그러나 여러 가지 문제가 발생했다. 다른 구조 성분들은 그것들을 구별할 수 있도록 충분히 다른 밀도를 가지고 있지 않고 그 영상들은 전체 혹은 부분적으로 보는 방향에 따라 중첩되기 때문이다. 최근에 디지탈 방식은 그런 문제들을 극복하는데 도움이 되었다. 이 방식은 넓은 지역의 신호변환 X-ray 감지기의 개발과 초고속 디지탈 자료 과정에 의해 가능해졌다. 이 디지탈 방사선 사진기술의 사용 예는 동맥과 같은 혈관의 관찰이나, 흉부 방사성 사진으로부터 bone shadow의 제거 등을 들 수 있다.
현재 X-ray기술의 발전 방향을 살펴보면 첫째, 기존의 단순 X-ray 촬영이나 유방촬영, 그리고 투시영상기술들을 디지털화하려는 시도가 활발하게 진행되고 있는데 이는 소위 필름없는 병원을 표방하는 PACS(Picture Archiving and Communication System)시스템의 도입이 활발히 진행되고 있기 때문이다. 의료용 IT산업인 PACS시스템의 도입에는 필히 기존의 X-ray장비들의 검출기 부분을 디지털화 하여 저장할 수 있는 시스템으로 바꾸는 과정이 선행되어야 한다. 현재 이러한 디지털화 작업에는 CR장비가 많이 이용되고 있는데 CR은 기존의 필름을 형광체로 된 카세트로 바꾸고 이 카세트에 저장된 잠상을 레이저 스캔 기술을 이용하여 디지털화하는 기술이다. 한편 X-ray장비의 검출기 부분을 직접 디지털화가 가능한 장치로 바꾼 X-ray 장비를 digital radiography(DR)라고 한다. 현재까지는 DR시스템이 보편화 되진 않았지만, 앞으로 PACS 시스템의 확산됨에 따라 급속히 보급될 것이다.
기존의 X-선 검사(필름을 사용하는 아날로그 방법)는 개선해야 할 점이 여러 가지 있기 때문에, DR로의 전환이 필수적이다. 무엇보다 필름에 영상을 만들고 그 필름을 보관, 관리하는 과정에 많은 공간과 시간과 경비 및 인력이 필요하다. 최소한 5년 치의 진료 필름을 보관한다고 했을 경우, 대학 병원급에서도 수백평의 필름 관리실이 요구된다. 하지만 병원 내에서 그만큼 큰 공간은 엄청난 비용이다. 때문에 DR로 전환된다면 이런 큰 공간 비용을 경감시킬 수 있고 검사정보의 분실 염려가 없어지게 된다. DR은 생산성 향상과 함께 Chemical Cost 등의 유지비를 낮출 수가 있다 한번 제작된 필름은 수정·보완이 불가능하여 다시 촬영하지 않는 한 달리 방법이 없다. 하지만 DR에서는 환자에게 또는 다른 고통과 방사선 피폭 없이 수정 보완이 가능하여 의사가 필요로 하는 정보를 손쉽게 획득할 수 있다. 필름은 필요한 곳에 직접 전달되어야 하기 때문에 시간과 공간의 제약을 받지만, DR에서는 시간과 공간의 제약을 거의 받지 않는다. 시설이 갖추어진 병원에서는 X-선 사진을 들고 뛰어다닐 필요 없이 모니터 앞에서 키보드만 두들기면 해결된다. 다른 병원, 다른 도시, 심지어 다른 나라에까지도 실시간 전달이 가능하므로 시간과 공간을 거의 초월할 수 있게 된다.
또한Digital 기술은 Networking과 진단영역에서의 새로운 가치를 지닌다고 할 수가 있다. 모든 영상정보를 최소공간에 저장 가능하고, 간단한 키 조작으로 완전한 오리지널 데이터의 호출이 가능하고, 환자정보시스템과 영상정보를 연계하여 적절한 진단이 가능하다. 원격진단의 기반으로 생각할 수도 있다. 또 한번의 Exposure를 통해 이미지를 판독하기 쉽게 조정함으로써 이미지 판독이 훨씬 수월해졌을 뿐만 아니라, 진단의 정확성까지 높이게 되었다. 두께보상이 가능한 Dynamic Range management, 적절한 대조도 조절이 가능한 Contrast management, 관용도를 넓힐 수 있는 Gray scale management가 바로 이러한 역할을 하는 것이다.
DR시스템은 크게 고주파 X선 발생장치, X선 튜브, 검출기, 콘트롤러부, 튜브지지장치, 환자(피검체)용 테이블 지지장치로 구성된다. 그 중 검출기 부분은 피검체를 통과한 X선을 직접 검출하는 DR의 핵심적 장치라 할 수 있다. 주로CCD, Storage phosphor image plate, Photodiode, 광도전체(X-ray에 민감한 물질로 a-Se, a-Si 등), Thin Film Transistor (광전도 물질과 TFT를 사용)를 이용하여 검출한다.
DR은 오늘날 방사선과 영역의 가장 중요한 화두인 PACS의 전제 조건이므로 그 연구와 시설투자는 두말할 필요 없이 중요하다. DR과 PACS는 개인의 취향이나 병원의 여건에 관계없이 시행해나가야 할, 선택의 여지가 없는 확고한 방향이다. 단지 시간이 문제인데, 빠르면 빠를수록 좋고, 투자를 서두르면 서두를수록 현명한 선택이 될 것이다. CT, MR, 초음파검사, RI scan 등은 그 자체가 디지털 영상이므로 어려움이 없으므로 전통적인 X-선 검사만 디지털화한다면 방사선과 영역의 전 영상을 데이터화 시킬 수 있어, 병원 사무자동화를 완성할 수 있을 것이다. 고해상의 DR을 빠른 시간에 만들어 낼 수 있는 값싸고 손쉬운 기술개발이 관건이다.
3. Multi-slice CT
방사선을 이용하여 골과 연부 조직의 단면 영상을 촬영하는 전산화 단층촬영술(CT)은 1972년 하운스필드(영)에 의해 처음 소개되었으며, 1979년에 노벨 의학상을 수상했다.
컴퓨터 단층촬영술은 뇌, 흉부, 복부 그리고 신체의 어느 부분이라도 얇은 조직의 X 선 영상을 얻고 컴퓨터로 합성하여 특정부위의 횡단면 영상을 얻는다. 촬영대상에 투과되어서 나오는 X-선의 강도를 모든 방향에서 측정하여 신체나 물체 내부의 밀도분포를 영상화하는 기법이다. 컴퓨터단층촬영장치는 X-선을 인체에 조사(照査),입체 영상을 얻어 병변을 진단하는 장비이다.
기존의 X-선 촬영에 비해 많은 양의 X-선에 노출되기는 하지만 종양이 의심될 때 행해질 수 있는 많은 위험한 시술을 하지 않아도 된다. 단층촬영을 통해 얻은 정보는 진단뿐만 아니라 치료 계획을 세우는데도 매우 유용하다.
인체의 한 단면에 X-선을 투과시키면 X-선이 지나간 조직들은 그 조직들의 X-선 흡수율에 따라 각각 다르게 X-선을 흡수하게 되고, 결국 흡수되지 않고 남은 X-선은 감약되어 인체를 뚫고 나온다. 체축에 X-선관으로부터 X-선속을 가느다란 Beam 또는 선상Beam으로 조사, 대향하는 위치에 단빔인 경우에는 1개, 선상빔인 경우에는 원호상으로 늘어선 다수개의 신틸레이션 카운터 또는 크세논 비례계수관을 두어 투과 X-선 강도를 측정한다. 이 측정을 체축의 주위로 1°씩 회전시키면서 360°에 대하여 실시한다.
얻어진 Data에서 컴퓨터를 이용하여 횡단면의 2차선 매트릭스(160×160 ∼ 512×512)의 각 요소에 관해서 X-선 흡수계수(흡수계수는 공기를 -1,000(or -500), 물을 0, 뼈를 +1,000(or 500)으로 하는 상대치로 나타낸다)를 연산하여 이것을 CRT상에 휘도변조에 의해 표시하는 방법이다. 우리가 보는 CT영상은 이 디지털 영상을 모니터를 통하여 촬영한 화상이다.
전형적인 CT scanner는 radiation source, radiation detector system, mechanical manipulator, 그리고 display가 장착된 컴퓨터의 네 부분으로 구성된다. radiation detector system 은 scintillating crystals과 photodiode와 같은 관측 유닛들로 구성되어있다. data acquisition system (DAS)는 방사 데이터를 측정하여 그것을 스캐너의 컴퓨터 시스템에 적용 가능한 포맷으로 디지털화한다. mechanical manipulator는 물체를 x-ray source과 detector에 상대적으로 정확히 움직이게 하는데 쓰인다. 마지막으로, CT system은 컴퓨터를 통해서 scan motion을 조정하고 데이터 측정의 시간간격을 조정한다. 다음에, 컴퓨터는 원시 스캔 데이터로부터 영상을 재구성한다.
Spiral CT는 기존의 CT와 비교해 볼 때, 기존의 CT는 환자가 정지해 있는 상태에서 X-Ray tube가 한번 움직이면서 한 개의 Data를 얻는 반면, Spiral CT는 환자의 테이블이 일정한 속도로 움직이면서 CT gantry를 통과하는 동안 X-Ray tube가 연속적으로 회전하면서 한꺼번에 원하는 부위의 data를 얻은 후 영상을 재구성 하는 방법으로, X-Ray tube가 나선형으로 회전하므로 Spiral CT라 불리게 되었다.
멀티슬라이스 초고속 전산화 단층촬영기(Computed Tomography system for Multi-Slice Spiral Scanning , High speed CT , Multislice spiral CT)는 기존의 일반 Single-Slice Spiral C.T 촬영방식보다 한층 개량된 장비로, 기존의 단층촬영기에 비해 동시에 여러 단층을 촬영하므로 매우 신속하게 검사를 하며 매우 정밀한 영상을 얻을 수 있다. 또한 미세단층촬영을 시행하여 3차원 영상을 자유롭게 얻을 수 있으며 CT를 이용한 혈관조영술도 가능하다. Scan속도 향상, 검출기 분해능 향상, 동시에 수개의 슬라이스 영상 획득, 가슴과 복부 등 움직이는 장기의 진단 능력 향상, 실시간 3차원 영상 및 영상 재구성 기법(VRT)에 의한 4차원 영상, 뇌기능 분석용 Perfusion C.T, 조영제 투여 농도 자동 파악 기능(Care Bolus), 가상내시경(C.T Endoscopy), 탁월한 혈관조영(C.T Angio) 촬영 기능을 수행할 수 있다. 특히, 환자의 조영제 투입량과 X선 조사량을 줄일 수 있고, 얇은 두께 촬영이 가능하여 영상 구성시 작은 병변도 구별할 수 있는 깨끗한 이미지 재현할 수 있고, 진단속도를 단축할 수 있다.
4. Open MRI
의료용으로 사용되고 있는 MRI(Magnet Resonance Imaging)장비는 인체에 유해한 방사선을 발생하지 않으면서 환자의 해부학적 구조 및 생리학적 정보를 얻을 수 있으며 뇌, 뼈, 관절, 복부 및 각종 질환 등에 탁월한 진단의 정확도를 보이는 최첨단의 영상 진단 장치이다.
현재 미국, 일본 및 유럽을 중심으로 전 세계적으로 보급되어 첨단 의료 진단용으로 우수한 기능을 발휘하고 있다.
전자기 스펙트럼의 광학 영역에서 우리는 인간의 신체 안을 들여다 볼 수 없다. 자외선을 지난 높은 에너지 영역의 X-ray 그리고 X-ray의 발견 이후에 그것들의 투명성은 우리가 적외선을 지나 낮은 에너지 방사 영역에 도달할 때까지 거절 당했다.
여기에 신체를 통과하는 복사를 허용하고 설명할 수 있는 방법으로 물질과의 상호작용을 허락하는 인간 신체의 조직의 흡수영역이 있다. 이것이 바로 Nuclear Magnetic Resonance(NMR)이다. 이것은 국제적으로 자기공명영상이라고 인정되고 이 기술은 X-ray스캐닝으로 문제가 발생하는 것을 피하기 위해 개발된 것이다.
화학적 분석의 분광방법으로 NMR의 사용은 30년 전으로 거슬러 올라가야 하지만 신체의 화학성분의 공간 분포를 나타내는데 가능성의 인식은 단지 15년전 Lauterbur(1973)의 업적에 의해서이다. 그러나, 1980년대까지 상업적인 자기공명스캐너는 개발되지 않았고 그 방법은 의학에는 전혀 사용되지 않았다.
NMR분광학과 자기공명영상(MRI)에 대한 물리적 현상은 핵의 spin을 가지고 있는 원자들이 전자기복사를 흡수 또는 방출함으로써 생기는 고주파 자기장에 반응할 때 일어나는 자기공명에 의존한다.
MRI의 주요 발전은 지금까지 양자 분포를 도식화 함으로써 이루어졌다. 수소는 인간 신체에서 가장 풍부한 원소이다. 그 기술은 다른 환경, 즉 물(병든 조직의 지표), 다른 종류의 조직 등등 사이의 양자들을 구별할 수 있다. 더우기 뼈는 고주파 복사를 통과시키기 때문에 뼈 안쪽은 신체의 다른 부분처럼 영상화 하는 것이 가능하다.
X-ray 단층촬영으로는 얻을 수 없는 정보를 MRI가 만들어 낼 수 있다는데 중요한 이유가 바로 여기에 있다.
(MRI로 촬영한 뇌의 횡단면)
MRI는 방사선을 이용한 것이 아니라 인체에 해가 없는 고주파를 이용하여 체내의 원자핵에 핵자기공명현상을 일으켜서 그 원자핵의 물리화학적 특성을 영상화한 것이라고 정의할 수 있다. MRI는 CT에 비해 촬영시간은 길고 좌상은 보다 알기 쉬우며 부종도 보다 알기 쉽고 방사선피복이 없으며 금속의 반입이 곤란한 특징이 있다.
MRI를 구성하는 장비에는 마그네트, Gradient Amp, RF Amp, 스펙트로미터, 마그네트 전원 공급 장치(MPSU, Magnet Power Supply Unit), 콘솔, Laser Imager, Shield Room, AVR (자동전압조정장치), Air Conditioner(항온항습기), RF Coil, 기타부속장비 등이 있다.
초기에는 금속초전도 재료를 사용하는 MRI의 성능 향상을 위한 기술 개발이 주로 진행되어 왔으나, 기술의 진보와 더불어 최근에는 환자와 사용자 모두에게 편리한 기능을 제공하는 다양한 형상의 MRI가 출시되고 있다.
MRI 보급 확산의 큰 장애가 되어온 고가의 운전비용 문제는 효율적인 냉각시스템의 개발에 함께 의료기관에의 보급이 급속하게 증가하고 있는 추세이다. 대부분의 초전도 MRI는 환자가 자석 홀 안으로 들어가야 하기 때문에 진단 시 두려움을 유발하기도 하였으나 최근에는 개방형 MRI가 개발되었고, 액체 질소의 온도에서 작동하는 고온초전도 재료를 이용한 MRI 시제품이 개발되어 헬륨 공급이 어려운 지역에서도 첨단의 MRI 의료 혜택을 누릴 수 있을 것이다.
국내에서는 1992년부터 한국전기연구원을 중심으로 국내 최초로 초전도 MRI 시제품을 개발하여 전신 촬영 시험에 성공하였으며 업체와 공동으로 초전도 MRI 시스템을 국산화하기 위한 연구를 계속 수행하고 있다.
5. 3D/4D 초음파 진단기
초음파는 전자기파보다 50배 정도 작은 크기의 속도로 조직을 통과한다. 의료영상에서 관심이 있는 범위는 결과적으로 레이다로 영상을 만드는데 사용된 전파메아리 기술과 비슷한 방식으로 초음파 영상을 곧 바로 얻는 것이다. 초음파에서 평면 위치표시는 B-scan 영상이라고 한다.
그것들은 검사하는 신체중에 선택된 한 평면에 폭이 좁은 광선을 주사함으로써, 그러나 CRT화면에 세기변조로 연속되는 초음파 반사의 진폭 대 거리를 나타냄으로써 얻을 수 있다.(X-ray CT처럼) 이런 방법으로 광선 방향과 비행시간 자료는 검사중인 평면의 영상을 제공해준다.
따라서 B-scan 영상은 자연스럽게 단층촬영이라고 말할 수 있다. 종종 전자공학에서, 현대 주사기술로 B-scan기술은 신체 기관의 대부분의 움직임을 잡을 수 있을 정도로 충분히 빠르게 얻을 수 있다.
초음파 단층 촬영 영상의 다른 형태는 X-ray와 방사성 동위원소 방출과 비슷한 방식처럼 투과한 투영으로부터 재결합하여 얻을 수 있다. 이것이 바로 여기서 소개할 초음파 단층촬영 영상기술의 방법이다.
그러나 여기서 실제 시간을 알려주는 이미 잘 정립된 영상기술이 있는데도 왜 장황한 재건 방법으로 괴롭히느냐는 명백한 질문이 떠 오를 것이다.
그 대답은 재건된 영상은 결국 조직병리학을 고려하는 향상된 진단 정보를 포함하고 있다는데 있다. B-scan 영상법으로부터 양적인 정보를 얻는데 있어 주요 문제들 중의 하나가 대부분의 경우 조직 특성으로 인해 초음파 산란을 서로 연관시키기가 어렵다는 것이 증명되었기 때문이다. 그러나 많은 연구 업적들은 초음파의 진행속도와 흡수 변화가 종종 조직 특성과 잘 연관된다는 것을 보여주고 있다.
초음파 진단기는 프로브와 프로브와 연결된 본체 즉, 프로브에 의해 송수신 된 신호들의 신호처리를 행하는 장치와 신호처리, 변환된 이미지를 디스플레이 수단에 나타내도록 하는 장치를 포함하여 구성된다. 그 중 프로브라고 불리우는 초음파를 송수신하는 기능을 가진 탐촉자(transducer)는 주사방식에 따라 선형방식(linear), 부채꼴/곡면(curved/arc), 환상방식(circular) 등으로 크게 나뉠 수 있다. 곡면구조는 스캔각도가 넓기 때문에 복부용으로 널리 사용되고, 선형구조의 프로브는 주로 목, 신생아의 복부, 머리진단에 사용된다. 초음파를 이용하면 다양한 질병에 대한 진단이 가능해진다.
(3차원 초음파 진단기로 촬영한 태아의 얼굴)
2차원 초음파 진단은 일반적인 초음파 진단기의 기술로써 현재도 가장 중요하게 사용되고 있는 영상 합성 방법이다. 현재 일부 선도적이 초음파 업체만이 3D를 구현하고 있는 상태이고 향후 4D 에 대한 기술이 시장을 주도할 것으로 예상되고 있다.
산부인과에서의2차원 초음파 진단법은 자궁의 구조를 보여주는 데는 뛰어나지만 3차원 초음파 진단법은 태아의 외형적 특징을 더욱 선명하게 볼 수 있게 해준다. 2차원 초음파에 비해 좋은 점으로는 자궁속의 태아를 입체적으로 볼 수 있고, 오차율이 적으며, 임신 초기에 기형아 여부를 좀 더 빨리 알 수 있다.
3차원 초음파의 목표는 관심 있는 장기의 형태를 표현하는 것으로, 목표를 달성하기 위해서는 초음파 빔에 따른 에코 데이터 처리과정, 관심영역에 초음파 빔의 이동과정 (3차원 데이터는 초음파 빔과 반사된 음파의 이동시간에서 얻어진 축의 변환/회전 과정을 통해서 형성. 음파의 이동시간은 관심 용적 내 음파 속도의 추정에 의한 거리 정보로 변환), 데이터 저장과 간극 보정 과정, 데이터 표현/시각화의 과정이 필수적이다. 2차원 초음파의 모든 기법이 또한 3차원 초음파에 적용될 수 있다.
4D기술은 3D 초음파영상을 표시할 때 필요한 처리 시간을 획기적으로 단축하여 이를 준 실시간으로 (2-4 frames/second) 처리가 될 수 있게 만든 기술이다. 기존 static 3D의 불편한 점을 해소함으로써 3D 초음파진단의 영역을 확대하는데 결정적인 역할을 하고 있다. 4D를 구현하기 위해서는 프로브를 이용하여 고속으로 데이터를 획득하고 저장하는 과정, 저장된 데이터를 읽어오는 과정, 데이터를 3차원 랜더링하는 과정을 병렬적으로 고속수행하여야 한다.
6. 형광 내시경
1868년 독일의 의사가 차력사의 식도에 직경 1.3cm의 금속관을 47cm나 집어넣고 위를 직접 관찰한 것이 위내시경의 시초이다. 인간의 몸 속을 들여다 보기 위한 노력은 1백 여년이 지난 지금 모든 장기의 영상진단은 물론 각종 수술에까지 그야말로 다양하게 응용되는 본격적인 내시경시대를 열고 있다.
내시경의 최대장점은 인체의 공간을 통하거나 최소절개를 통해 진단 및 수술용 기구를 집어넣어 치료함으로써 수술후유증을 최소화할 수 있는 것이다. 따라서 내시경은 질병의 정확한 진단뿐 아니라 외과수술의 많은 부분을 대체하면서 입원을 하지 않는 "통원 수술"이라는 새로운 용어를 탄생시키고 있다.
내시경 발전의 분수령은 광섬유의 개발과 응용, 어떤 굴절에도 빛을 전달하는 광섬유의 탄생으로 인체 내에서 자유자재로 구부러질 수 있는 내시경이 가능하게 됐다. 여기서 더 발전하여 광학내시경 시장을 급속히 대체하고 있는 것이다.
전자내시경은 초소형 카메라(CCD)를 내시경 앞쪽에 장착하여 직접 영상을 모니터에 전달함으로써 광섬유를 없앤 것이 특징이다. 영상이 깨끗하고 반영구적인 장점이 있다. 그러나 CCD의 크기 때문에 몸 안에 들어가는 내시경 굵기를 줄이지 못해 소아용 등에선 아직 광학내시경이 사용되고 있다.
앞으로의 개발은 3차원의 입체영상과 배율을 높여도 자연색과 선명성을 잃지 않는 내시경에 초점이 맞춰져 있다. 또 모터에 카메라를 실어 원격조정으로 몸 안을 돌아다니는 내시경(MEMS를 이용한 내시경) 연구도 한창진행중이다.
암조직을 아주 초기단계에서 포착할 수 있는 기술인 내시경 형광탐지체제 (형광내시경)는 현재 사용되고 있는 방법들에 비해 암조직을 초기단계에서 탐지해 내는 성공률이 매우 높다.
형광내시경진단은 암세포가 보라색 빛(레이저)에 노출되면 형광(螢光)을 띠게 하는 특수용액을 환자에게 먹이고 뒤이어 내시경을 체내에 투입해 암조직을 확인하는 방법이다.
이 특수용액은 여러 가지 약을 혼합한 것으로 내시경 카메라가 투입되기 전에 환자가 마시게 되며 특히 식도암과 결장암을 조기에 포착하는데 효과가 있다.
PDT는(Photodynamic Therapy)는 광감제를 정맥주사하면 암(악성종양)을 찾아가서 축적되고 그 후 특정 파장의 레이저를 조사하여 종양의 위치와 범위의 확인(PDD, Photodynamic Diagnosis)을 거쳐 암세포만 파괴되는 원리를 이용한 치료이다. 이는 단순히 레이저의 열에 의한 효과가 아니라 레이저의 에너지가 광감제가 있는 곳에서 화학적 반응을 유도하여 활성화 산소(singlet oxygen)를 생성하는 광화학 반응의 결과이다. PDT는 특정 파장의 빛에 의해 광화학 반응이 존재하는 암세포만 골라서 괴사시키는 방법으로 정상 조직에는 아무런 영향이 없이 조직의 병소 부위만 선택적으로 파괴한다. PDT는 1903년 피부암의 치료에 처음 사용된 이래 광 반응물질과 레이저의 발달로, 1992년 캐나다에서 방광암, 식도암에 대한 치료방법으로 처음 승인된 이래, 유럽에서 폐암과 식도암의 치료(초기 및 진행성 병변), 1994년 일본에서 자궁경부이형성증을 포함하여 자궁 경부암, 식도암, 폐암, 위암 등에 대한 치료방법으로 인정받았고, 1995년 미국 FDA에서 암 치료로 인정되어 현재 폐, 식도, 방광, 피부암의 치료에 이용되고 있으며 점차 위암, 대장암 등의 소화기계 암과 유방암에도 적용되어 비교적 좋은 치료결과를 보이고 있으며, PDT는 진행되거나 혹은 재발된 암의 치료뿐 아니라 초기 암 또는 암 전단계 병소부위에도 치료효과가 있어 수술이 불가능한 고령자나 전신 상태가 나쁜 경우에도 적용이 가능한 것으로 보고되고 있다. 최근에는 건선, 망막의 황반부 변성, 류마치스 관절염 등 비악성질환의 치료에도 적용이 점차로 확대되어 가고 있다.
형광내시경은 반도체 레이저를 이용하여 여기용 광을 발하는 광원부, 출사된 광의 파장을 바꾸는 파장제어수단, 광을 전달하는 광섬유 등의 광전달수단, CCD 등의 검출기, 검출파장을 필터링하는 필터부, 광학계, 광량제어수단 등으로 구성된다.
형광내시경을 이용한 광역학진단, 광역학치료는 암치료 효과가 매우 크고, 부작용이 거의 없으며, 시술시 고통이나 통증이 없고, 반복시술이 가능하고, 경제적인 장점이 있다.
7. 적외선 진단기
적외선 체열 진단기란, 인체에서 방출되는 극미량의 적외선을 감지하여 인체의 통증부위 및 질병부위의 미세한 체열변화를 컬러영상으로 나타내줌으로써 인체의 이상유무와 질병여부를 진단하는 첨단 의료 영상 진단기이다.
병원에 가면 일반적으로 X-ray, CT 또는 MRI 촬영을 많이 하게 된다. 이러한 장비들은 쉽게 말하자면 인체의 해부학적인 이상여부를 진단하는 장비이다. 이에 비해 적외선 진단기는 생리학적인 이상여부를 진단할 수 있는 검사장치로, 신경 × 근육× 인대 혹은 관절 손상으로 발생된 혈액순환의 기능적인 변화와 특히 PAIN(통증)을 시각화 하여 질병을 진단 확인 할 수 있도록 인체(피부)로부터 발산되는 적외선을 감지하여 그 데이터를 가지고 영상으로 나타내는 장비이다. 따라서 한의학에서도 매우 밀접한 의학 분야라고 할 수 있다.
"모든 질환에는 체온과 체표면 사이에 온도 변화가 있다. "고 주장한 것에 착안하여 Thermography가 미국 나사 우주국에서 개발되었으며, 의료기기로서는 Thermal Video System 256칼라로 표출되는 것이다. W. Hershel에 의한 적외선의 발견은 새로운 개념의 온도 측정을 가능하게 한 것으로 그의 아들인 J. Hershel이 적외선을 영상화 하는데 성공하였으며 그 후 Lawson에 의해 의료용 적외선 체열진단기가 사용되면서 인체 표면에 대한 종합적인 측정이 가능하게 되었다.
액화 질소에 의해 냉각되어진 측정기가 인체에서 나오는 적외선을 감지하여 영상화 하는 기기로서 엑스레이와 같이 몸을 투과하거나 하는 침투성이 없으며 순전히 인체의 열을 측정하는 고도로 예민한 온도계라고 할 수 있다.
Thermal Video System은 적외선 에너지를 전기적인 신호로 전환하여 영상처리기기를 통하여 Thermal Image를 256칼라로 보여준다. 의료기기로서 Thermal Video System은 피부 온도의 병리, 생리학적 변화를 탐색하기 때문에 통증을 연구, 분석, 진단할 수 있는 필수적인 진단 기기이다. 세계 신경과학회의 공식적인 입장 표명에서도 Thermography에서 이상이 없으면 이상이 없는 것으로 판정해도 된다고 발표했다.
적외선 체열 진단 방법은 기존의 영상진단 방식과 높은 상관관계를 가지며, 임상적 증상에 의한 진단의 정확도가 93% 이상으로 높다.
각 부위의 온도를 0.1도 씩의 차이를 두고 측정할 수 있으며 이 측정은 대개 염증성의 변화, 국소×혈류량의 감소 혹은 증가 같은 신체의 변화에 따라 그 온도가 변하게 된다.
최근까지의 체표 온도에 대한 연구 동향은 주로 혈관, 신경, 근골격계 통증 질환에서 그 진단적인 가치를 인정 받았으며 그의 해석에 대해서도 좌우의 온도편차, 신경분절의 분포, 혈관의 분포와 혈류의 관계, 특정 질환의 온도 패턴 등으로 연구와 그 결과가 입증되고 있으며 보다 능동적인 시도로는 침이나 약물 등의 치료 후 온도 변화를 측정 함으로서 그 치료의 예후를 즉시 확인 할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
신경통, 척추 질환 및 척추 신경손상 수술후 평가, 자율신경계 손상, 말초 신경계 손상, 반사성 교감신경 이양증, 뇌졸증 등의 신경계 질환, 근건막 통증 증후군, 염좌 및 좌상, 관절염 초기 진단 등의 근골격계 질환, 심부정맥질환, 혈전증, 버거씨병, Raynaud's Syndrome 등의 심혈관계질환, 부비동염, 임포턴스, 악관절 질환, 하악골 염증질환과 화상, 습진, 알레르기성 피부염, 피부이식 수술후 효과 및 적합성 판정 등의 피부과 질환, 유방암 조기 Screen Test, 갑상선, 부갑상선 질환, 디스크 질환, 신경의 염증성 질환, 내부 장기의 한열 변화를 측정할 수 있다.
인체에 무해한 촬영 방식으로 임산부나, 유아에게도 사용할 수 있고, 비침습적인 방법으로 통증이 없으며, 통증에 대해 객관적으로 평가, 측정, 진단할 수 있는 유일한 장비이며, 인체의 생리적인 기능의 이상 유무를 진단가능하고, 치료 전, 후의 경과를 비교할 수 있고, 가병(위병)을 판별할 수 있는 특징이 있다. |
http://www.medicenter.org/devinfo/patent/image/chap02.jsp
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