X-ray와 CT 원리, 벡터로 이해하는 영상의학

✔️ 안녕하세요, 고품격 의약계열 심화탐구 전문 채널 메디컬저널입니다.

❗️메디컬저널은 교과 내용 중의 개념이 실생활이나 의약, 생명, 보건 계열 진로 영역에 어떤식으로 적용되는 지를 정확하게 짚어드리고, 그 이상의 의미있는 심화적 내용들로 탐구 보고서를 채워나가는 방식을 명확히 제시합니다. 포함된 내용들과 예시들 모두 학생의 눈높이에서 오랜시간 고민을 거쳐 채워진 것으로, 어디에서도 볼 수 없는 자료임을 감히 자신합니다.

영상의학이란, 영상의학과? 방사선과?

✔️ 어두운 환경에서, 어떤 사과에 빛을 비추면 빛이 사과를 통과하지 못해 생기는 그림자가 만들어질 것입니다. 우리가 비추는 빛은 가시광선으로서 사과와 같은 일반적인 물체를 통과하지 못하기에 빛을 비추는 방향의 반대 영역에 빛이 통과하지 못함으로써 어두운 그림자가 형성됩니다. 즉, 그림자를 통해 우리는 빛을 비추는 한 방향에서의 사과의 크기, 표면 등 2차원적인 외적 특성을 파악할 수 있습니다. 만약 빛을 모든 방향에서 비추고 그림자를 확인한다면, 사과의 모든 방면에서의 외적 특성이 파악될 것이고, 그로부터 우리는 사과의 모습을 종합적으로 추론하여 3차원적인 입체의 외형을 떠올릴 수 있을 것입니다.

❗️그런데 만약, 빛의 일부가 물체를 통과할 수 있다면, 빛을 비추는 물체의 반대편에는 균일하게 어두운 그림자가 아닌, 빛이 투과한 정도에 따라 각 부분에서 명암이 모두 다른 균일하지 않은 그림자가 만들어질 것입니다. 빛이 물체를 잘 투과한 부분은 밝게, 물체를 잘 통과하지 못한 부분은 어둡게 나타날 것인데, 이때 빛이 잘 통과하는지 못하는지는 물체의 내적 특성과 관련이 있습니다. 물체 내부가 빛을 잘 흡수하는 물질로 이루어진 경우 빛이 통과하지 못하는 반면 내부가 비어있거나 빛을 거의 흡수하지 못하는 경우 대부분의 빛이 물체를 통과할 수 있을 것입니다. 즉 이러한 방법으로 빛을 비추는 한 방향에서의 물체의 내적 특성을 파악할 수 있으며, 마찬가지로 빛을 모든 방향에서 비추어 확인함으로써 물체의 내부가 어떻게 이루어져 있는지 3차원적 입체의 내부 모습을 확인할 수 있습니다.

⇢ 이러한 기본적 원리에 따라, 광선의 특성으로서 인체 내부의 형상을 관찰하는 분야를 '영상의학', '영상의학과(Radiology)'라고 하며, 우리에게 이미 그 이름이 익숙한 CT나 MRI와 같은 장비들로 인체 내부 질병을 진단하고 치료하는 것을 목적으로 하는 임상 의학과 입니다.

✔️ 영상의학과는 내과, 외과와 같은 병원의 진료분과 중 하나입니다. 과학기술이 발전함에 따라 다양한 영상 진단장비들이 개발되어 활용되면서, 영상의학과의 중요성은 점점 더 커지고 있습니다. 영상의학과는 직접 환자를 보지않고 임상에 도움을 주는 '서비스과'로 여겨지기도 하지만, 이는 영상의학과 역할 중 일부일 뿐이며 영상의학과 의사는 영상 판독을 통해 임상 치료에 큰 영향을 미치는 진료 행위를 수행한다고 할 수 있습니다. 또한 영상 판독을 통한 진단 및 진료 자문 역할 뿐 아니라, 비침습적인 중재적 시술을 통해 환자를 직접 치료하기도 합니다.

❗️영상의학과의 구성 역시 다른 분과와는 차이점이 있는데, 영상의학과는 영상 촬영을 직접 시행하거나 혹은 지시하며 검사결과를 종합, 분석, 진단하고 비침습적 치료를 수행하는 의사 선생님과, 의사의 지시에 따라 촬영 검사를 수행하고 결과를 정리해 보고하며 기록을 관리하는 방사선사 선생님, 영상 촬영에 필요한 조영제를 투여하기 전 환자에게 설명하고 부작용 발생시 이에 대응하며 또한 필요한 간호를 제공하는 간호사 선생님으로 구성됩니다.

❗️영상의학과 의사가 되기 위해서는 의과대학을 졸업하고 인턴과정 이후 영상의학과 전공의(레지던트)에 합격해야합니다. 영상의학과는 분과들 중에서 인기있는 과 중 하나로, 최고의 경쟁률을 자랑하는 피안성(피부과, 안과, 성형외과) 바로 다음 그룹인 정재영(정신건강의학과, 재활의학과, 영상의학과) 중 하나로 분류됩니다.

❗️ 다음으로 방사선사 혹은 간호사가 되기 위해서는 전문대나 4년제 대학교의 방사선학과를 졸업한 후 국가시험에 합겨하여 방사선사 면허를 취득해야 합니다.

벡터는 어디에 적용되고 있을까?

✔️ 사실 수학 기하 과목에서 평면벡터를 배우기 이전에도, 통합과학, 물리 등 과학 과목에서 벡터량, 스칼라량을 구분하며 배웠던 적이 있다. 과학 과목들에서는 주로 속력은 스칼라량이고 속도는 벡터량이다 라는 식의 구분을 기반으로 한 문제들을 풀었던 기억이 있는 한편, 기하과목에서는 이를 보다 수치적, 수학적으로 학습하였다. 그런데 과학과목, 수학과목 모두에서, 벡터라는 개념이 도대체 실제로 어디에 적용되고 있을지에 대한 궁금증을 해소하기는 쉽지 않았다. 따라서 이번 탐구에서는 나의 희망 진로인 (의약, 보건, 생명, 공학 등)에서 벡터의 개념이 어떻게 적용되고 있는지를 탐구해보고 이를 추가적인 심화 탐구로 확장해 나감으로서 전공적합성 경쟁력을 기르고자 한다.

벡터란 무엇인가?

✔️ 우리는 통합과학이나 물리 과목을 통해 벡터량이 무엇인지를 배운 적이 있습니다. 사실 중학교때부터 속력과 속도의 차이에 대해 배우며 벡터라는 개념을 어느정도는 이미 습득한 것으로 볼 수 있습니다. 벡터량이란, 크기와 방향을 모두 지니는 물리량으로서 변위, 속도, 가속도, 힘 등은 벡터량에 해당합니다. 따라서 이러한 물리량을 표현하기 위해서는 반드시 크기와 방향을 함께 표현해주어야 하며, 이는 단순 하나의 숫자로만 표현 가능한 시간, 속력, 온도, 질량 등의 스칼라량과는 큰 차이가 있습니다. 이전의 과학 과목들에서는 주로 + 혹은 -로서 서로 반대 방향 두방향만을 표현하곤 했으나, 사실 방향이란 평면에서는 0도에서 360도까지 무한한 방향의 경우의 수가 존재합니다.

❗️따라서 단순히 + 혹은 -로 방향을 표시하는 것이 아닌, 평면에서 다양한 방향과 크기의 벡터량을 표현하기 위한 수단으로서 평면벡터 화살표가 사용되며 화살표의 머리는 벡터의 방향을, 길이는 벡터의 크기를 나타냅니다. 벡터는 크기와 방향만을 가질 뿐 위치에 대한 정보는 포함하지 않습니다. 따라서 우리는 벡터의 원점을 좌표평면상의 원점에 위치시켜 표현할 수 있으며, 이때 벡터를 좌표로서 표현할 수 있게 됩니다.

* 평면벡터의 연산, 내적 등의 개념은 생략하도록 하겠습니다.

X-ray 촬영, 스칼라량을 통한 2D 이미지

✔️ 서두의 사과 예시로서 살펴본 것 처럼, 일반적으로 물체를 통과하지 못하는 가시광선 영역의 빛은 물체의 표면적 특성에 대한 정보만을 제공할 뿐입니다. 하지만, 그보다 큰 에너지를 가지는 빛(전자기파) X ray는 물체를 관통할 수 있는 에너지 특성을 가지고 있습니다.

❗️방사선의 일종인 X선은 파장이 짧고 에너지가 높은 전자기파로서 물체를 통과하는 능력을 가지고 있습니다. 이 때 조사해준 X파가 모두 물체를 그대로 통과하는 것은 아니며, 일부는 물체를 통과하는 과정에서 물체 구성 물질의 전자전이 과정에서 에너지 흡수가 일어나 통과하지 못하게 됩니다. 만약 10 만큼의 에너지를 가지는 X선을 물체에 조사하였을 때, 물체 내부를 통과하는 과정에서 전자 전이로 2만큼의 에너지 흡수가 일어난다면, 8만큼의 에너지를 가지는 X선이 물체를 통과해 반대편에서 측정되는 것입니다.

✔️ 간단한 예시로서, X선의 에너지를 내부에서 1만큼 흡수하는 사과가 있다고 가정할 때, 상자의 아래쪽은 사과 2개를, 윗쪽에는 사과 1개를 배치하고 왼쪽편에서 평행한 X선을 조사해주면, 오른쪽 검출기에서는 아래쪽에서는 에너지 8의 X선이, 윗쪽에서는 에너지 9의 X선이 검출 될 것입니다. 따라서 위 예시에서는 위쪽과 아래쪽 두 지점에서 X선 영상을 확인할 때, 두 지점에서 명암의 차이가 나타나게 됩니다.

⇢ 위의 예시는 간단한 설명을 위해 사과가 위아래로 2D로만 쌓여있는 물체에 X선을 조사하는 것처럼 나타냈으나, 실제로는 가로, 세로, 높이를 지니는 3차원의 물체를 대상으로 하나의 측면에서 X선을 조사하게되며, 이때 X-ray film 위의 각 지점마다 명암의 차이를 지니는 2D의 결과를 얻을 수 있는데, 이것이 바로 흉부 X-ray 등으로 우리에게 비교적 익숙하며 간단한, 영상의학의 기본이 되는 X-ray(엑스레이) 촬영입니다.

❗️2D 이미지가 표현되는 X-ray 필름은 X-ray가 많이 도달할 수록, 더 많은 화학반응에 의해 어둡게 변하도록 설계되어 있습니다. 따라서 만약 인체 내부 물질의 밀도가 높거나, X-ray를 더 잘 흡수하는 물질로 구성된 경우 통과하는 과정에서 더 많은 흡수가 일어나게되고, 따라서 X-ray 필름에는 적은 양의 X-ray가 도달하며 결국 그 영역은 film 상에 밝게 표현됩니다.

❗️그렇다면, 이제 본격적으로 수학(기하)와 관련된 내용을 살펴보도록 하겠습니다. 최근에는 전통적 방식의 X-ray 필름보다는 디지털 방식의 검출, 컴퓨터를 활용한 이미지 생성 방식으로 X-ray 이미지 획득이 이루어집니다. 이때 Digital Detector에서는 각 지점에 들어온 X-ray 선량을 숫자 값으로 측정하고, 이를 명암의 2D 이미지로 표현해 냅니다.

❗️ 그렇다면 디지털 검출기에 관측되는 숫자 값은 스칼라량일까요 벡터량일까요? X-ray 촬영은 앞선 흉부 X-ray 촬영처럼 인체를 하나의 측면에서 관찰하는 것입니다. 따라서 Detector에서 검출된 X-ray의 양은 모두 같은 방향을 가지기에, 방향을 따지는 것이 무의미하며, X-ray 2D 이미지 생성에 있어 단순히 값의 크기만이 중요한 스칼라량이라 할 수 있습니다. 이것이 바로 X-ray와 CT의 기술적, 수학적 측면에서 차이를 설명하는 시작점이 되며, 이제 인체 횡단면 2D 이미지와, 인체 3D 이미지를 만들어내는 CT 촬영에 대해 다루어보도록 하겠습니다.