부서지는 타코마 다리
◆ 학생용 워크북
자기공명(MRI) 촬영의 원리
1971년 뉴욕에서 의사로 교육 중이던 다마디안은 핵자기 공명 장치로 살아있는 세포를 관찰하다가 종양 에 걸린 세포가 건장한 세포보다 긴 반송신호를 보낸다는 사실을 발견했다. 다미한은 자신이 발견한 사실에 근거하여 암세포를 찾아내는 방법을 1974년에 특허로 등록하였으며 그 이후로 의사들은 암세포를 발견하 기 위해 그의 방법을 사용했다. 이후 일리노이 대학의 로터버 교수와 노팅검 대학의 맨스필드가 다마디안의 연구를 발전시켰고, 두 사람은 2003년에 노벨과학상을 수상하였다.
공명현상
공명현상은 특정진동수(주파수)에서 큰 진폭으로 진동하는 현상을 말한다. 이때의 특정의 진동수를 공 명진동수라고 하며, 공명진동수에서는 작은 힘의 작용에도 큰 진폭과 에너지를 전달할 수 있다. 모든 물체 의 각각의 특정한 진동수를 가지고 진동하여, 이러한 진동수를 고유진동수라고 한다. 물체는 여러 개의 고 유진동수를 가질 수 있으며 고유진동수와 같은 진동수의 외력이 주기적으로 전달되어 진폭이 크게 전달되 는 현상을 공명현상이라고 한다.
(공명 전의 모습) (공명 후의 모습)
공명현상을 이용한 예
공명현상을 이용한 것 중에 대표적인 것이 전자레인지이다. 파장이 약 12cm 정도 되는 마이크로파를 이 용해 음식을 가열한다. 마이크로파의 진동수가 물분자의 고유진동수와 비슷하여 수분이 있는 음식물을 전 자레인지 안에 넣고 작동시키면 공명현상에 의해 마이크로파는 물분자를 매우 빠른 속력으로 회전시키고, 이때 발생하는 마찰열로 음식물을 데워진다. 따라서 수분이 없는 매우 건조한 음식이나 마른 접시를 전자 레인지 안에 넣고 돌리면 데워지지 않는다.
< 원리>
공명을 이용한 MRI
MRI 촬영 역시 공명현상의 원리를 활용한 것이다. X선을 사용하지 않으면서 인체의 단면을 성명하게 사 진 찍은 MRI 촬영의 기본 원리는 인체의 대부분을 차지하고 있는 물(H2O)을 공명시키는 것이다. 신체검사 를 하고 있는 사람의 몸에 자기장을 걸어주면 몸 안에 있는 수소 원자는 공명 현상에 의해 외부의 전자기파 로부터 특정의 진동수의 에너지를 흡수하게 된다. 그런 다음 건강한 세포와 종양세포의 반송된 신호의 차 이를 측정해서 우리 몸 내부의 질병 여부를 알게 되는 것이다.
기본적으로 MRI 촬영은 테슬라(T)라는 자기장의 세기 단위를 사용하며 MRI 장비는 자기장이 셀수록 영 상의 화질과 속도가 빨라진다.
테슬라의 역사
자기장의 세기를 나타내는 단위인 테슬라(T)는 미국으로 이민 온 천재적인 세르비아 과학자 니콜라 테슬 라(Nikola Tesla, 1856~1943)의 이름에서 따온 것이다. 테슬라가 만든 회전자장을 이용한 교유모터는 이 론에만 머물던 교류전기의 영역을 실생활로 확장시켰다. 하지만 그 당시 이미 직류전기시스템에 많은 돈이 투자하고 있었던 에디슨의 노골적인 방해를 받게 된다. 리모컨, 교류전기, 모터, 형광등, 네온사인, 레이더 등을 고안한 천재과학자였지만 결국 에디슨에 가려 고전을 면치 못했고, 평생 발명에만 몰두하드라 독신으 로 살다 심장마비로 쓸쓸하게 숨졌다. 그가 죽고 20여 년 후인 1961년에 국제 순수 및 응용물리학연맹은 자기장의 세기를 나타내는 단위로 테슬라를 쓰기로 했다.
MRI로 진단할 수 있는 병
MRI 촬영은 X선 검사나 CT 촬영과 달리 방사능 노출이 없으며 촬영할 수 있는 범위가 넓은 것이 장점이 다. 뇌출혈, 뇌경색, 뇌종양 등 각종 뇌질환과 추간판탈출, 퇴행성척추질환의 진단에는 거의 필수적인 방법 이며, 무릎, 어깨, 손목, 발목 등 관절의 이상, 스포츠 관련 외상, 골수염, 무혈성 괴사 등의 진단에도 사용된 다. 선천성 심장질환, 심근경식, 간종양, 두경부의 염증이나 종양의 진단에 있어서도 MRI 촬영이 필요하며 혈관조영술(MRA)도 가능하다.
MRI 촬영은 뇌질환 진단에도 매우 정확하고 효과적인 검사이다.
자기공명영상 검사실 내에는 강한 자기장이 형성되어 있다. 그래서 검사실에 들어갈 때는 금속류의 제품 은 갖고 들어가지 않아야 한다.
생각 열기
병을 진단하기 위한 의료첨단기기 알아보기 1차시 병을 진단하기 위한 여러 가지 진단기구 원리를 파악한다!
첨단의료 장비 과학적 원리
청진기
인체 내부의 작은 음과 큰 음을 귀로 듣는 장비 구체적인 원리는 교사용 읽기자료 청진기 참고
전자 내시경
빛의 전반사를 이용하여 인체 내부를 들여다보는 기기로 교 사용 읽기자료 전자 내시경 참고
자동 혈압계
혈압을 측정할 때는 혈압계에 연결된 공기 주머니로 팔을 감싸고 공기를 주입하고 그 공기를 빼면서 혈압을 측정함 (교사용 읽기자료 참고)
초음파 진단기
대상물에 프로브를 대고 초음파를 발생시켜 반사된 초음파 를 수신하여 영상을 구성하고, 초음파를 발생 시키면 매우 짧은 시간 안에, 음파가 매질 속을 지나가고, 음향 임피던 스가 다른 두 매질 사이를 지날 때에는 반사파가 발생한다.
그 반사파를 측정해 반사음이 되돌아 올 때까지의 시간을 통해 거리를 역산함으로써 영상을 구성한다.
제시된 의료장비의 과학적 원리를 이야기하여 봅시다.
생각 펼치기➊
MRI와 X선의 차이 분석하기 1차시
첨단진단 의료장비인 CT와 MRI의 과학적 원리를 알고 MRI의 장점을 알아보자.
(협동식 토론 수업)
의료의 발전사는 읽기자료의 각종 첨단기기에 기록되어 있으며 이를 바탕으로 간단한 원리를 학생들이 알 수 있도록 한다.(뒤의 교사용 읽 기자료 참고)
자기장의 공명현상을 이용하기 때문에 자기장의 세기를 크게 할 필요 가 있다. 그래서 센 자기장은 걸어주기 위한 방법을 개선하면 선명한 사진을 얻을 수 있을 것이다.
MRI는 병을 진단하는 범위가 CT보다는 넓다. 뇌출혈, 뇌종양, 추간판 탈출, 퇴행성척추등이나. 무릎, 어깨, 관절의 이상, 외상, 골수염, 무 혈성 괴사 등 많은 병의 진단에 활용되고 있다.
M RI의 촬영 원리가 나오는 동영상을 보고 어떤 원리가 적용되고 알아보고 그 원리에 대해 조별 토론을 한다.
M RI와 X선과의 차이는 무엇인지 말해봅시다.
M RI에서 선명한 사진을 얻으려면 어떻게 해야 하는지 말해봅시다.
M RI와 어떤 병을 진단하는 데 M RI가 유리한지를 말해봅시다.
M RI는 어떤 종류들이 있고 또 현재의 개발단계에 있는 것은 어떤 것이 있는지 팀별로 조사하여 발 표해 봅시다.
조 자기장이 인간에 주는 혜택 사례
자기장이 인간에게 주는
피해 사례 관점과 논거
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자기 공명으로 인체 내 부의 영상을 얻을 수 있 고 정확한 병의 진단을 할 수 있다.
자기장으로 인하여 나침 반을 사용할 수 있다.
인체에 영향에 대해 아직 밝혀진 것은 없지만 자기 장을 만들기 위해 높은 전 류를 흘려주면서 생기는 많은 문제점을 가지고 있 다.
미래에 자기장이 인류에 어떤 영 향을 줄 것인가?
또한 자기장이 없다면 인류는 어떻게 될 것인 가.
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자기장이 인간에게 주는 피해와 혜택에 대해 모둠별로 조사하고 이를 바탕으로 찬반 토론을 실 시한다.
생각 펼치기➋
공명의 원리를 이용한 LED실험 2차시
MRI의 원리가 되는 공명현상을 실험을 통하여 이해한다.
[실험] 공명 현상을 이용한 LED전등 켜기
준비물 : 에나멜선 10m, 함수발생기(Function Generation), 전선집게, 사포, LED전등, 전원장치, 테 이프, 가위, 자
➊ 에나멜선을 이용하여 원형 또는 사각 코일을 만들어 전원장치와 함수 발생기에 연결한다.
➋ 특정 모양(원, 또는 사각, 마름모…) 형태에 감은 수를 달리하여 연결한다.
(1차코일 회로 만들기)
➌ 공명을 일으킬 수 있도록 모양, 감은 수 등을 고려하여 다양하게 화로를 만들고 전류가 유도되었는지 를 알기 위해 LED램프를 연결한다. (2차코일 회로)
➍ 공명을 일으키는 2차 코일에 공명이 될 수 있게 1차 코일에 가까이 가져간다.
➎ LED전등에 불이 들어올 수 있도록 함수발생기에서 주파수를 다양하게 바꾸어준다.
➏ 공명이 일어나는 공명(공진) 주파수에 대해 생각해보고 어떤 원리에 의하여 일어나는 토론하고 결과 를 작성한다.
< 주파수를 잡기 위해 실험을 설치한 모습>
< 되어 전기신호가 유도된 모습>
M RI를 이용한 영상 구현 방법인 공명현상에 대해 말해봅시다.
공명현상은 신호의 세기가 최대 되었을 때 전달되는 현상을 말한다. 실험에서 전자기 공명으 로 인하여 도선에서 도선으로 전기가 전달되면서 LED전등에 빛이 들어오는 것을 관찰할 수 있 다.
우리의 생활 주변에서 일어나는 다양한 공명의 사례에 대해 조사해보고 발표해 봅시다.
전파의 송신과 수신에서 공명현상이 발생한다. 타고마 다리가 붕괴된 것은 바람이 가진 고유 진동수가 다리에 전달되면서 공명이 일어난 것이다.
전자기파의 공명과 자기장의 공명에 대해 말해보고 토론해 봅시다.