초전도체 활용 의료기기 : MRI, 뇌자도, 심자도 장치
초전도체 활용 분야로 이번 포스팅에서는 의료기기에 대해 알아보겠습니다. 대학병원과 같은 큰 병원에는 MRI, 심자도, 뇌자도 장치가 있으니, 극저온을 이용한 초전도체는 이미 우리 생활에 깊숙이 들어와 있다고 볼 수 있습니다. MRI를 이용한 영상 진단 방법과 MRI 장치에서 초전도체가 활용되고 있는 부분, 뇌자도, 심자도 장치의 초전도체 활용 분야를 정리해 보았습니다.
글의 순서
MRI (Magnetic Resonance Imaging, 자기공명영상)
초전도체 활용 분야 : MRI 장치
자기장을 이용한 뇌자도 장치(magnetoencephalography, MEG)
심자도 장치
뇌자도 장치, 심자도 장치의 초전도 기술, 스퀴드(SQUID)
MRI (Magnetic Resonance Imaging, 자기공명영상)
MRI를 우리말로 번역하면 자기 공명 영상입니다. 이번 포스팅은 초전도체 활용 분야 중 MRI인 만큼 자기, 또는 자석에 초점을 맞줘보겠습니다. 참고로 자기공명영상 촬영 절차부터 살펴보겠습니다.
(1) 자석으로 구성된 장치에 눕힌 사람을 밀어 넣는다.
(2) 자석으로 구성된 장치는 인체에 고주파를 쏜다.
(3) 고주파를 맞은 인체에서는 수소 원자핵이 공명하기 시작한다.
(4) 자석으로 구성된 장치는 수소원자핵의 공명으로 발생하는 신체 조직의 신호를 수집한다.
(5) 자석으로 구성된 장치는 신체의 각 조직에서 나오는 신호의 차이를 디지털 정보로 변환하여 영상화한다.
이처럼 자기공명영상, MRI 장치는 영상을 통해 진단할 수 있는 장치입니다. 영상 진단 장치는 CT나 X 레이도 있는데, CT나 X-ray로는 볼 수 없는 인체의 내부를 볼 수 있습니다. 자기를 활용하는 MRI 장치의 바탕이 되는 중요한 기술은 저온 공학과 초전도체입니다.
초전도체 활용 분야 : MRI 장치
좋은 MRI 영상을 얻기 위해서는 MRI 장치에 필요한 자기장의 세기가 세야 합니다. 자기장의 세기를 강하게 하는데 필요한 것이 바로 초전도 자석입니다. MRI 진단은 자기장을 발생시키는 커다란 자석통 속에서 이루어집니다. 초전도성을 얻기 위해서 온도를 극저온까지 내려야 하므로 자석 통에는 냉각장치까지 들어있습니다.
일반적으로 전자석은 금속 코일을 감아서 만듭니다. 그런데, 보통의 코일로는 강력한 자석을 만들 수 없습니다. 그래서 초전도 코일을 사용합니다. 초전도 코일의 초전도성을 유지하기 위해서 액체 헬륨으로 냉각하며, 그 온도은 섭씨 영하 269도에 이릅니다. 물론 온도가 쉽게 변하지 않도록 단열 기술도 필요합니다.
자석 통 속은 초전도 코일이 전자석을 만들고, 코일의 초전도성을 유지시키기 위해 영하 269도의 액체 헬륨이 감싸고 있습니다. 극저온 환경이 유지되는 것입니다.
자기장을 이용한 뇌자도 장치(magnetoencephalography, MEG)
자기장을 이용한 뇌자도 장치는 뇌 신경회로에서 미세한 전류에 의해 발생하는 자기장 신호를 측정해서 뇌 질환을 측정하는 장치입니다. 뇌자도 장치는 뇌의 지도를 그릴 수 있습니다. 뇌 전체에서 발생하는 자기장을 측정해 뇌 상태에 대한 지도를 그려줍니다. 예를 들어 뇌에 질환이 있을 경우 특정 부분에서 평소와 다른 자기장이 발생하기 때문에 그 위치를 파악할 수 있습니다.
뇌 신경 신호는 머리뼈, 뇌의 피부와 같은 조직을을 거치면서 왜곡될 수 있습니다. 그런데, 자기장 신호는 그런 신호 왜곡이 거의 없기 때문에 문제가 되는 부분의 신호를 잘 잡아낼 수 있는 것입니다.
자기장을 이용한 뇌자도 장치에서는 어느 부분에 초전도체가 활용될까요? 자기장 측정 센서인 스퀴드(SQUID) 센서가 바로 초전도 현상을 이용합니다. 스퀴드는 Superconducting QUantum Interference Device를 줄여쓴 말로 초전도 양자간섭소자를 의미합니다. 초전도 현상을 이용하는 만큼 여기에도 액체 헬륨을 이용한 냉각장치가 붙어있고, 단열까지 해야 하기 때문에 복잡하고 비싸다는 것은 흠입니다.
심자도 장치
뇌자도 장치와 같은 원리를 사용하는 심자도 장치도 있습니다. 심자도 측정장치도 스퀴드(SQUID)센서를 이용합니다.
심자도 장치는 심장의 미세한 전류에 의해 발생되는 자기장 신호를 측정해 심장질환을 진단할 수 있게 합니다. 순간적으로 일어나는 심근전류 변화를 측정할 수 있고, 뇌자도 장치처럼 심장에 대한 지도(3차원 정보)를 얻을 수 있습니다. 심장의 미세한 전류를 측정해 허혈성 심근질환이나 부정맥과 같은 심장질환을 진단하는데 쓰입니다. 스퀴드 센서를 사용하는 만큼 액체헬륨으로 극저온 환경을 만들어야 하며, 당연히 단열도 필요합니다.
뇌자도 장치, 심자도 장치의 초전도 기술, 스퀴드(SQUID)
뇌자도, 심자도 장치의 핵심은 스퀴드라는 자기센서와 이를 이용한 정밀 측정기술입니다. 스퀴드는 일반적인 산업용 자기센서보다 감도가 1000배나 좋습니다. 인간이 개발한 자기 센서 중에서 가장 감도가 좋은 센서입니다.
스퀴드 센서로는 사람 몸에서 나오는 여러 가지 자기 신호들, 예를 들면, 뇌, 심장에서 나오는 자기신호, 심지어 태아의 뇌 또는 심장에서 나오는 자기신호까지 측정할 수 있습니다. 미약한 신호를 측정할 수 있는 스퀴드 센서는 의료분야를 포함해 활용 범위가 넓습니다. 아주 먼 거리에 있는 금속물체도 탐지할 수 있으므로, 잠수함을 탐지하거나, 지하 광물을 탐색할 때도 활용될 수 있습니다.
마치며 …
대학병원과 같은 큰 병원에는 MRI, 심자도, 뇌자도 장치가 있으니, 극저온을 이용한 초전도체는 이미 우리 생활에 깊숙이 들어와 있다고 볼 수 있습니다.
이번 포스팅에서는 초전도체 활용 분야로 의료기기인 MRI 장치, 뇌자도 장치, 그리고 심자도 장치에 대해 알아보겠습니다. 세 가지의 공통점은 극저온 환경에서 작동되는 초전도체를 활용한다는 것입니다. 액체헬륨으로 극저온 환경을 만들고, 이를 유지하기 위해 단열 기술이 필요하다는 점 등 비싸다는 단점이 있습니다.
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참고자료
[1] 가톨릭관동대학교 국제성모병원, 자기공명영상, MRI 검사란?
[2] 황정은(2014), 뇌 수술 위치 정확하게 짚어주는 기술, [인터뷰] KRISS 생체신호센터 김기웅 박사
[3] KRISS 한국표준과학연구원, 산 넘어 또 산, 심자도 측정장치 개발 성공스토리
[4] EBSDocumentary (EBS 다큐), 입증만 하면 최소 노벨상? 그래서 초전도체로 뭘 할 수 있는데?│초전도체의 과거와 현재, 그리고 미래까지│다큐프라임│#골라듄다큐