공대상상(47호)

일상의 의학 속 공학

우리는 일상에서 손쉽게 의료 시스템을 접할 수 있고 모든 의료기기에는 기기를 작동시키고 구성하는 공학적 원리가 녹아 있습니다. X-ray, MRI, CT 등 다양한 의료기기는 각각의 용도와 목적에 따라 원리가 다른데요, 이번 기사에서는 이러한 의료기기에 어떤 공학적 원리가 스며 있고 어떻게 사용되는지 알아보도록 하겠습니다!

의료기기의 원리와 적용

1. X-ray에 숨은 공학

건강검진이나 골절 등 부상으로 X-ray를 찍어 본 경험이 다들 있으실 것입니다. X-ray는 이름에서도 알 수 있듯이 X선을 사용하는데요, X선은 전자기파의 한 종류입니다. 전자기파는 파장이 짧을수록 강한 에너지를 가지고 에너지가 강해짐에 따라 투과도 또한 강해집니다. X선은 파장이 짧아 투과도가 높은데, 이 특성을 이용하여 우리 몸속의 이상을 확인하는 장치가 X-ray입니다.

그렇다면 X-ray는 어떤 곳에 사용될까요? X선은 투과도가 강하기에 우리 몸에 쬐어 인체 내부를 파악할 수 있습니다. 또 간단한 골절부터 폐질환, 신장결석까지 다양한 질병을 정확하게 진단할 수 있습니다. 또한 암을 찾아내고, 암세포를 파괴하는 데도 사용됩니다. X선은 의료 분야 외에도 다양하게 사용되는데요.¹⁾ 공업 분야에서는 X선 해석을 통해 나일론, 플라스틱 등을 개발하고 의약품 분야에서 X선의 조사 효과를 이용하여 푸른곰팡이의 품종을 개량하고 있습니다. 푸른곰팡이는 페니실린의 원료지요.

X-ray는 CT나 MRI에 비해 저렴하고, 검사법이 간단하며, 다양한 질환을 진단할 수 있다는 장점도 있습니다. 또한 큰 부작용이 없고 후유증이 극히 미미합니다. 촬영 시 노출되는 X선의 양은 일상생활을 하면서 쬐는 자연방사선의 양보다 훨씬 적습니다. 다만, 임신부는 X선 촬영을 하면 향후 아이의 성장 발달에 영향을 미칠 수도 있어 최대한 피하는 것이 좋다고 합니다.

2. MRI 속 공학

크게 아팠던 경험이 있는 분들은 MRI를 촬영한 적이 있으실 것입니다. 자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging, MRI)은 핵자기공명 원리를 사용하는 영상 기술입니다.²⁾ 핵자기공명³⁾은 자기장 속에 놓인 원자핵이 특정 주파수의 전자기파와 공명하는 현상인데요, MRI 기기는 자석으로 구성된 장치에서 인체에 고주파를 쏘아 신체 부위의 수소 원자핵과 공명시킵니다. 그리고 각 조직에서 나오는 신호의 차이를 디지털 정보로 변환하여 영상화합니다.⁴⁾

MRI는 뇌, 척수, 근육, 간 등 연조직의 이상 여부를 영상화하고자 할 때 주로 사용됩니다. 특히 종양을 식별하는 데 유용하다고 합니다. 또 뇌종양과 뇌농양을 구별하는 뇌의 특정 분자 측정, 여성 생식기관의 이상과 고관절과 골반의 골절 식별, 출혈과 감염 평가 등에도 사용됩니다.⁵⁾

MRI의 가장 큰 장점은 안전하다는 것입니다. 방사선이 아닌 인체에 무해한 자기장을 사용하기 때문에 산모나 어린이들도 검사를 받을 수 있습니다. 또한 종단, 횡단면을 모두 확인할 수 있어 원하는 임의의 단면을 다양한 각도로 영상화할 수 있고, 따라서 모든 질환의 검사와 진단에 이용되고 있습니다. 따라서 CT보다 정밀한 3차원 영상을 볼 수 있습니다.⁶⁾ 하지만 안전하고 성능이 좋은 만큼 X-ray나 CT보다 훨씬 비쌉니다. 그리고 조직의 특성을 파악하기 위해 사용되는 조영제가 부담을 줄 수 있습니다.

3. CT 속의 공학

CT(Computed Tomography)는 X선을 이용해 몸의 가로 단면을 촬영하는 진단 검사 기기입니다. 인체 각 장기는 투과된 X선을 흡수하는 정도가 다른데, 그 차이를 컴퓨터로 재구성, 인체의 단면 영상을 얻거나 3차원적인 입체 영상을 얻게 됩니다.⁷⁾ CT 기기로 여러 방향에서 X선 영상을 촬영하고, 이를 컴퓨터로 계산하여 복원하면 횡단면 영상을 얻을 수 있습니다. 이렇게 얻은 횡단면 영상을 기하학적 처리를 통해 3차원 영상으로 변환하면 영상이 완성됩니다.

CT는 아주 작은 인체 조직의 밀도 차이도 구별할 수 있어 인체의 어느 부위나 검사가 가능합니다. 주로 암의 조기 진단 및 진행성 염증성 질환의 진단, 혈관성 질환의 진단, 영상 재구성에 의한 3차원 영상 진단 등에 쓰인다고 합니다. CT는 의학 분야 외에서도 사용되는데요, 대표적인 예가 문화재 복원입니다. 금동반가사유상과 가야 인물형 토기를 CT 촬영으로 분석하여 역사학적 의의를 얻어냈다고 합니다.⁸⁾

CT는 짧은 시간에 인체의 선명한 단면을 촬영해낼 수 있다는 분명한 장점이 있습니다. X선을 사용하기 때문에 뼈의 미세 골절, 병변, 뇌출혈 등을 MRI보다 훨씬 정확하게 포착해 냅니다. 또 촬영 시간이 짧기에 계속 움직이는 폐, 심장, 장 등의 장기를 촬영하는 데 유리합니다.⁹⁾ 그러나 X선 발생기가 몸의 중심으로 돌아가면서 촬영하기 때문에 X-ray보다 방사선 노출량이 많습니다. 그래서 1년에 두 번 이상 촬영하는 것은 피하는 것이 좋습니다. 또한 MRI보다 조직 대조도가 낮다는 단점 또한 존재합니다.

3. 마무리하며

이번 기사에서는 병원에 가면 쉽게 만날 수 있는 의료기기 속에 숨은 공학적 원리와, 각 의료기기가 어떨 때 사용되는지, 그리고 각 기기의 장단점까지 알아봤습니다. 언뜻 보면 관련 없어 보이는 의학과 공학은 사실 긴밀한 관계를 맺고 있으며, 우리 일상 속의 모든 곳에 공학이 숨어 있다는 것을 알아 가셨으면 좋겠습니다!