병의 치료에 사용되는 방사능 원소들
응용분야 핵종 제조방법 방출입자 에너지
(keV) 방사능 약물 반감기 갑상선 종양,
갑상선 기능항진증
핵분열 ( )
전자,
감마선 188 8일
뼈의 통증 완화
원자로 전자 200
103
or EDTMP
28년 2일
골수 이상 증식증 원자로 전자 700 14일
간세포 악성종양 핵분열 ( )
전자,
감마선 188 -Lipiodal 8일
위암, 허파암 원자로 전자 930
-DOTA Octreother
65일 무릎 통증
(류마티스)
원자로 전자 930 -silicate 65일
위에서 본 바와 같이 아인슈타인의 질량-에너지 등가원리는 핵의 결합에너지를 설명하였고 이에 따라 핵에너지의 봉인을 푸는 결과를 가져왔다. 이에 따라 인류는 핵폭탄에 의해 멸망하지 않을까 하는 걱정을 하게 되었다. 그러나 다른 한편으로는 핵에너지가 전기를 생산하는데 사용되 고 있으며 인간의 병을 진단하고 치료하는데도 사용되고 있다. 지금까지 보았듯이 어떠한 과학적 지식도 좋은 곳에 쓰일 수도 있고 나쁜 곳에 사용될 수도 있다. 아인슈타인의 질량-에너지 등가 원리도 그런 면에서 다른 과학적 지식과 동일한 길을 가고 있다.
실시간으로 관찰할 수 있는 장점이 있다. 즉, 대사과정을 관찰할 수 있는 것이 장점이다. 그러나 방사선 장비만으로는 장기의 위치를 파악하는데 어려움이 있다. 이 어려움을 극복하기 위해 근래 에는 PET-CT 장비가 개발되었다. 대사과정의 관측이 가능한 PET과 해상도가 좋은 CT가 결합 한 것이다. 그러나 X-선 CT보다 더 해상도가 좋은 MRI와 PET과의 융합은 아직 성공하지 못하 고 있다.
MRI는 NMR(Nuclear Magnetic Resonance, 핵자기공명)의 원리를 사용한 것이다. 따라서 NMRI(핵자기공명영상)이라는 용어가 정확한 것이지만 X-선 CT에서와 같이 사람들이 핵에 대한 거부감이 있기 때문에 핵이라는 부분을 뺀 것이다. NMR은 핵의 자기적 특성을 이용한다. 중성자 수와 양성자 수의 합이 홀수이거나, 중성자의 수와 양성자의 수가 모두 홀수인 원자의 핵들은 자 기모멘트를 가진다. 즉, 이들의 핵들은 핵자석이 된다. 유기물질 중에는 수소, 탄소 13, 질소 15, 인 31, 산소 17 등이 핵자석이 될 수 있다. MRI에서는 수소 핵의 자기적 성질을 이용한다. 인체 의 대부분이 물로 구성되고 있고 물속에 수소가 존재하므로 큰 신호를 얻을 수 있기 때문이다.
NMR과정에 대해 알아보도록 하자(그림 20). 어떤 핵자석이 2개의 에너지 상태에 존재할 수 있다고 가정한다. 수소 핵의 경우가 그렇다. 자기장 속에서 수소 핵은 자기장 방향으로 정렬하거 나 자기장 반대방향으로 정렬하는 등의 2가지의 선택을 할 수 있다. 에너지 관점에서 보면 자기 장 방향으로 정렬하는 것이 더 안정적이다. 따라서 더 많은 수의 수소 핵들이 자기장 방향으로 정렬하게 된다. 외부에서 걸어주는 자기장의 세기를 증가시키면 점점 더 많은 수의 수소 핵들이 자기장 방향으로 정렬하게 된다. 그리고 수소 핵자석은 자기장 방향 또는 자기장 반대방향으로 정렬함과 동시에 세차운동(팽이운동)도 한다. 세차운동의 진동수는 외부자기장의 세기에 비례한 다. 즉, 외부자기장의 세기가 커지면 커질수록 수소 핵자석의 세차운동의 진동수는 커진다. 이렇 게 자기장이 걸려 있는 상태에서 외부에서 라디오파 펄스가 주어진다. 수소 핵의 두 에너지 상태 (자기장 방향과 자기장 반대방향으로 정렬하는 에너지 상태)의 차이에 해당되는 에너지를 가진 라디오파(MHz영역)가 주어지면 자기장 방향으로 정렬되어 있는 수소 핵의 일부분이 라디오파의 에너지에 공명되어(에너지를 받아) 자기장 반대방향으로 정렬하게 된다. 그런데 외부에서 걸어주 는 라디오파는 펄스파이다. 즉, 순간적으로 걸어주고 끈다. 이렇게 되면 라디오파에 의해 억지로 자기장 반대방향으로 정렬하게 된 수소 핵들이 외부의 라디오파가 없어지면 원래 상태인 자기장 방향으로 정렬하는 상태로 돌아간다. 이때 에너지를 방출하게 되는데 이것이 공명신호이다. 그리 고 수소 핵이 원래 상태로 돌아가는 과정을 이완(격자와의 상호작용에 의한 이완과 수소 핵 상호 간의 작용에 의한 이완이 있음)이라고 한다. 그런데 수소 핵의 주위에 어떠한 물질이 있느냐에
물속에 있는 수소 핵의 이완시간은 길다. 이러한 정보는 이완되는 수소 핵이 발생하는 공명신호 를 관측함으로써 구할 수 있다. 만약 인체의 한 단면의 각 부분에 있는 수소 핵의 이완시간을 결 정할 수 있다면 이를 명암처리를 함으로써 영상을 구성할 수 있다. 이것이 곧 MRI 영상이다.
그림 20. 블록, 퍼셀과 NMR의 원리
NMR로 화합물 내에 있는 수소 핵의 화학적 이동(chemical shift)과 스핀-스핀 결합 (coupling)을 측정함으로써 그 화합물의 분자구조와 원자들이 어떻게 연결되어 있는지를 알 수 있다. 즉, 화학적 이동은 분자의 구조에 대한 정보를 주는 반면에 스핀-스핀 결합은 분자 안에서 원자들이 어떻게 연결되어 있는가에 대한 상세한 정보를 준다. NMR은 특히 유기화합물의 구조 를 결정하는데 많이 사용되고 있다. 유기물질에 관련된 원소들인 수소, 탄소 13, 불소 19, 인 31 등이 사용된다. 그러나 양성자(수소) NMR이 가장 많이 사용되고 있다. NMR 과정에서는 특정 진 동수의 라디오파 펄스에서 자기장의 세기를 조금씩 변화시키면서 시료의 공명신호를 관찰한다.
또는 자기장의 세기를 고정하고 라디오파 펄스의 진동수를 변화시키면서 공명신호를 관찰할 수
도 있다. NMR에서는 1T에서 20T의 자기장을 사용하고 있다.
첫째 화학적 이동에 대해 알아보자(그림 21의 위쪽 그림). 모든 물질에서 양성자는 동일한 자 기모멘트를 가지고 있으므로 모두 동일한 진동수 (또는 자기장의 세기)에서 신호가 관측될 것이 다. 그러나 화학적 응용을 위해서는 다행스럽게도 물질에 따라 양성자가 존재하는 주위의 환경이 다르다. 각 물질에는 수소 주위에 수소와 결합하는 화합물이나 이온들이 존재한다. 전자들도 전 기를 띄고 있으므로 외부자기장에 의해 움직여서 양성자 주위에 자기장을 만든다. s궤도의 전자 가 주위에 있는 경우 전자의 운동에 의해 양성자가 느끼는 자기장은 외부자기장보다 줄어들게 된다. 즉, 전자의 운동이 외부자기장을 차단(shielding)하는 효과가 있다. 따라서 공명을 위해서 는 독립된 양성자에서 보다 조금 더 센 자기장(차이는 ppm정도)을 걸어주어야 공명이 일어난다.
반면에 p궤도의 전자의 경우 구면 대칭이 아니다. 따라서 양성자 주위의 자기장을 크게 만든다 (de-shielding). 따라서 공명을 위해서는 독립된 양성자에서 보다 조금 더 약한 자기장을 걸어주 어야 공명이 일어난다. 즉, 양성자가 존재하는 위치에서의 주위 환경이 화합물마다 조금씩 다르 기 때문에 양성자가 어떤 화합물에 있는가에 따라 공명을 위한 자기장(또는 라디오파 진동수)이 조금씩 다르다. 이를 화학적 이동이라고 부른다. 화학적 이동을 자기장의 차이로 표시하기보다는 공명진동수차이로 표시하는 것이 일반적이다. 유기화합물들에서 수소 핵의 공명진동수 차이는 12ppm의 영역에 대부분 존재한다. 즉, 차이가 크다고 하더라도 12ppm정도라는 의미이다.
그림 21. 유기물질의 구조분석에서 NMR의 응용
둘째, 스핀-스핀 결합에 대해 알아보자(그림 21의 아래쪽 그림). 스핀-스핀 상호작용은 양성 자 주위에 몇 개의 다른 양성자(수소)가 있느냐에 따라 다르다. 예를 들어 그림 21에 구조가 주 어진 1,2,3-trichloroethene에 대해 알아보자. 화학적 이동은 3.96ppm과 5.76ppm에서 관찰된 다. 이는 각각 수소 핵 Ha와 Hb에 의한 것이다. 이 화학적 이동의 신호가 몇 개로 갈라져 있음 을 볼 수 있다. 이는 스핀-스핀 결합의 효과에 의한 것이다. 스핀-스핀 결합은 주위에 있는 자기 적 핵과의 상호작용을 말한다. 양성자 Ha의 경우 Hb에 의해 만들어지는 자기장의 영향을 받는다.
Hb에 의해 만들어지는 자기장은 정자기장의 방향 또는 반대방향이 될 확률이 반씩 있다. 정자기 장 방향이 되면 공명진동수가 작아지고 정자기장 반대방향이면 공명진동수가 커지게 된다. 이에 따라 신호가 둘로 갈라짐을 볼 수 있다. 다음에는 Ha에 의한 Hb에 대한 영향을 보기로 하자. Ha
는 2개가 있으므로 스핀이 정렬할 수 있는 방법의 수가 4가지이다. 즉, 둘 다 자기장방향, 하나 는 자기장 방향이고 다른 하나는 자기장 반대방향(이 경우 스핀이 2개이므로 정렬개수도 2가지), 모두 자기장 반대방향 등이 있다. 이 중에서 하나는 자기장 방향이고 다른 하나는 자기장 반대방 향인 경우는 2가지이므로 신호의 세기는 2배가 된다. 이와 같이 Hb는 3개의 상태로 분리됨을 볼 수 있다. 위의 예에서 보듯이 신호의 갈라짐을 통해 주위에 양성자(수소)의 수가 어떻게 배치되 어 있는지를 알 수 있다. NMR은 양성자가 존재하는 주위의 환경에 따라 공명의 조건이 달라지 는 것을 관측함으로써 전체적으로 분자를 구성하는 원자들이 어떻게 배치되고 결합하는지를 관 찰할 수 있다.
NMR기술을 영상에 이용한 것이 MRI이다. NMR에서는 신호의 공간적 위치가 중요하지 않다.
화합물에서 관찰하려는 원소(예들 들면 수소)가 여러 원자와 어떻게 결합하여 분자를 이루는가를 분석하여 분자의 구조를 결정하는 것이기 때문에 시료에서 그 분자가 어느 위치에 있는가에 대 한 정보는 중요하지 않다. 그러나 영상을 구성하기 위해서는 그 신호가 어느 위치에서 나온 것이 냐 하는 것은 중요한 문제이다. 각 위치에서 발생하는 신호를 분석함으로써 각 위치에서의 이완 시간의 차이를 구하여 이를 영상을 구성하는 영상인자로 사용해야 되기 때문이다. 이러한 문제들 때문에 NMR기술이 1929년에 개발되었지만, MRI가 상용으로 사용하게 된 것은 1980년대에 이 르러서였다. MRI의 시발점이 된 것이 로터버(Paul Lauterbur, 1929~2007, 2003년 노벨생리학 상 수상)의 경사자기장(gradient filed)의 개념이다. 1973년 로터버는 네이쳐(Nature, 242권, 190페이지)지에 물과 중수에 대해 경사자기장을 이용하여 영상차이를 구한 논문을 발표하였다.
이후 에른스트(Richard Ernst, 1933~ , 1991년 노벨화학상)의 FT-NMR기술을 통해 현재의 MRI 시스템으로 발전하게 되었다.
경사자기장은 위치에 따라 자기장의 세기를 달리한 것이다. NMR에서는 항상 고자기장인 정
자기장(, 수 테슬라의 자기장)이 걸려 있다. 이 정자기장에 덧붙여 경사자기장(수십 밀리 테슬 라의 자기장)을 정자기장의 방향으로 걸어주는 경우를 보자. 이렇게 위치에 따라 다른 자기장이 덧붙여지면 각 단면에 있는 수소 핵자석들의 세차운동 진동수가 다르게 된다. 그림 22의 아래 그림에서 보듯이 정자기장과 평행하게 기울기 의 경사자기장이 걸리면 각 위치에 있는 수소 핵자석이 느끼는 자기장의 세기는 다르다( ⋯). 따라서 특정 라디오파에 반응하는 수소 핵 자석은 특정 단면에 있는 핵자석들 뿐이다. 이 특정 라디오파와 에너지가 맞지 않는 다른 단면에 있는 핵자석들은 이 라디오파에 일절 반응하지 않는다. 이와 같이 특정 라디오파에 대해 반응하 는 핵자석의 단면을 결정하는 경사자기장을 단면결정 경사자기장(slice-select gradient)이라고 부른다.
그림 22. 로터버와 맨스필드, 단면경사자기장
단면결정 경사자기장에 의해 단면이 결정된다고 해도 그 단면에 있는 모든 수소 핵자석들은 동일한 세차운동 진동수로 회전하기 때문에 NMR과정을 통해 얻어지는 신호의 진동수는 동일하 다. 여기서 기술적인 얘기를 하면 수소 핵자석 하나 하나의 상태를 관측하는 것은 불가능하다.
우리가 관측하는 것은 자화도 벡터로서 이는 단위 체적 당에 존재하는 수소 핵자석들에 대한 자 석의 세기들을 벡터적으로 합성한 것이다. 이 자화도 벡터의 크기는 라디오파를 이용한 NMR과 정을 거침으로써 구할 수 있다. 그런데 단면에 있는 모든 부분(픽셀)에 있는 자화도 벡터는 동일 한 세차운동 진동수로 회전하기 때문에 NMR과정을 거쳐 관찰하는 신호의 진동수는 모두 동일하 여 그 신호가 어디에서 나온 것인지를 구별할 수 없다. 우리가 관측하는 신호는 라디오파이다.
전자기파(라디오파)는 진동수와 위상으로 구별할 수 있다. 진동수가 다른 두 신호는 두 개의 신 호로 구별이 된다. 그런데 전자기파의 시작점(위상)이 다르면 두 전자기파는 진동수가 같더라도 구별이 가능하다. 우리의 경우 결정된 단면에서 나오는 신호의 진동수가 모두 같아서 신호를 구 하더라도 어디에서 나오는 신호인지를 구별할 수 없으므로 다른 방법을 사용해야 한다. 그림 23 에서와 같이 9개의 픽셀로 구성된 간단한 단면을 고려해 보자. 왼쪽 그림은 단면결정 경사자기장 에 의해 영상단면이 결정되더라도 각 픽셀의 자화도 벡터가 동일한 세차운동 진동수로 회전함을 보여준다. 이러한 단면에 위쪽방향(축 방향)으로 경사자기장을 걸어준다. 이 경사자기장을 위상 인식 경사자기장(phase encoding gradient)이라고 부른다. 이 경사자기장에 의해 위쪽 줄에 있 는 자화도 벡터는 경사자기장에 의해 자기장이 덧붙여졌으므로 더 빠르게 회전하고, 아래 줄의 자화도 벡터는 자기장이 줄었으므로 느리게 회전한다. 중간 줄에는 자기장의 변화가 없으므로 종 전과 동일한 속도로 회전한다. 이렇게 속도가 달라진 상태에서 위상인식 경사자기장을 끈다. 이 렇게 경사자기장이 꺼지게 되면 회전 속도는 경사자기장이 없던 상태로 돌아가지만 그림에서와 같이 빨리 돌던 것(위쪽에 있는 줄)은 시작점 즉, 위상이 빠르고 아래 줄은 위상이 늦게 된다. 이 에 따라 줄 사이에는 위상의 차이가 존재하게 되므로 구별이 가능하게 된다. 그러나 여전히 동일 한 줄에서는 위상도 같고 진동수도 같다. 이를 다르게 만들기 위해 수평방향(축 방향)으로 경사 자기장(진동수인식 경사자기장, frequency encoding gradient)을 걸어준다. 이 경사자기장에 의 해 오른쪽 기둥의 자화도 벡터는 회전이 빨라지고 왼쪽 기둥의 자화도 벡터들의 회전속도는 느 려진다. 중간 기둥에서의 자화도 벡터의 회전속도는 종전과 변함이 없다. 결과적으로 각 픽셀에 서 나오는 전자기파는 진동수와 위상 중 하나는 다르기 때문에 모든 픽셀에서 나오는 전자기파 를 구별할 수 있게 된다. 그러나 또 다른 문제가 여전히 존재한다. 왜냐하면 우리가 한 번에 관 측하는 신호는 9개의 픽셀에서 나오는 신호의 합이다. 푸리에 (Jean J. Fourier, 1768~1830) 변 환 기술을 사용하면 진동수는 구별할 수 있지만 위상을 구별해야 하는 문제가 남아있다. 이는
X-선 CT에서 한 번의 관측에서 얻을 수 있는 실험치의 수가 미지수의 수보다 적은 문제와 동일 하다. X-선 CT에서는 X-선 빔을 작은 각도로 나누어 X-선 빔을 회전하면서 여러 번 관찰함으 로써 이 문제를 해결하였다. 동일한 방법이 MRI에도 적용된다. 9개의 픽셀을 가진 예에서 보듯 이 9개의 미지수 중에서 각 픽셀에서 나오는 라디오파의 진동수(3가지)는 결정되었으나 위상(3가 지)이 결정되지 않았다. 따라서 위상인식 경사자기장에서 위상을 달리하여 3번을 더 측정하면 된 다. 위의 예에서는 위상을 120o, 240o, 360o 등 3번의 경우를 측정하면 미지수를 결정하는데 충 분한 실험치가 확보된다. 임상에서는 주로 256×256 픽셀이 하나의 영상을 구성한다. 따라서 이 경우 위상인식 경사자기장을 256번 반복해야 된다. 즉, 360o/256=1.4o씩 변화시키면서 256회 신 호를 반복하여 측정하여야 된다. 이렇게 구한 각 픽셀의 신호의 세기를 명암으로 표시한 것이 MRI 사진이다. 여기서 각 픽셀의 신호의 세기는 그 픽셀에서의 수소 핵자석의 이완시간을 반영 하고 있다.
그림 23. 경사자기장에 의한 각 픽셀에서 나오는 신호의 구별
MRI는 혈관조영술(angiography)에도 이용된다. 단면에서 가장 큰 신호를 따라감으로써 피의 흐름을 추적할 수 있다. 이를 통해 혈관의 상태를 점검할 수 있다. 또한 뇌의 연구에서 fMRI(functional MRI)가 사용되고 있다. fMRI에서는 뇌의 어느 부분이 어떤 역할을 하는지, 즉 뇌의 지도를 만드는데 MRI를 사용하는 것이다. 뇌의 특정부분이 활동을 하면 혈류가 그 부분에 유입된다. 뇌의 활동에 의한 혈액 역학을 살펴보기로 하자. 혈액 속의 헤모그로빈(hemoglobin) 분자가 산소와 결합하면 oxyhemoglobin(oxyH라고 부르자)이 되고, 이 때 혈액은 다소 반자성을 나타낸다. 반면에 헤모그로빈 분자에서 산소가 떨어져 나가면 deoxyhemoglobin(deoxyH라고 하
한다. 피검사자에게 특정 움직임을 하게 하거나 자극을 주면 뇌 부분에서 그 작용을 담당하는 피 질신경의 특정 부분이 활동을 하게 된다. 이에 따라 특정 부분에서의 신경 대사작용이 활발해지 고 국부적인 혈관확장과 혈류의 증가현상이 일어난다. 그러나 이렇게 증가한 혈류에 의한 산소공 급은 뉴런의 대사에 필요한 량보다 많아서 결과적으로 과도한 산소가 활동지역에 공급된다. 따라 서 활동지역의 정맥이나 모세혈관에서의 oxyH의 량이 비활동지역에서 보다 많아지게 된다. 이는 상대적으로 deoxyH의 량이 줄어든다는 것을 의미한다. deoxyH는 상자성을 가지고 수소핵자석 의 이완을 가속화시키며 이에 따라 공명신호가 줄어들게 만든다. 활동지역에서 deoxyH의 량이 줄어들기 때문에 활동지역의 신호가 비활동지역의 신호보다 상대적으로 크게 되어 MRI 사진에서 는 활동지역이 더 밝게 나타난다. 최대 oxyH/deoxyH의 비의 변화에 따른 신호의 차이는 대략 6%미만이다. 이와 같은 신호의 차이에 따른 MRI 사진의 변화를 관찰함으로써 특정한 활동이나 자극에 대한 뇌의 활동 지도를 만들 수 있다. 즉, 뇌의 어떤 영역이 어떠한 작용이나 자극에 어 떻게 반응하는지를 알 수 있게 되는 것이다.
MRI가 현대의학에 혁명적인 진단 장비로서 등장한지 30년이 채 되지 않았다. 그럼에도 불구 하고 현재 정확한 진단을 위해 MRI가 필수적으로 사용되고 있다. 따라서 MRI는 세상을 바꾸는 기술로 자리를 잡고 있다.