X-ray 방사선의 원리

X-ray 촬영의 시작

X-ray는 우리가 일상적으로 병원에서 접할 수 있는 가장 오래되고 널리 사용되는 영상 진단 기술이다. 주로 뼈의 골절, 폐 질환, 치과 진료, 관절 이상 등을 확인할 때 사용되며, 촬영 시간이 짧고 비용이 낮기 때문에 가장 접근성이 높은 검사 방식으로 자리 잡았다. 하지만 X-ray는 단순히 카메라처럼 사진을 찍는 방식이 아니다. 사람이 볼 수 없는 파장의 고에너지 방사선이 인체를 통과하고, 이 방사선이 인체 내부의 구조에 따라 감쇠되는 정도를 기록해 영상으로 변환된다. 이 과정은 물리학의 기본 원리와 전자기파의 성질을 바탕으로 한다. 즉, X-ray는 빛이 아니라 전자기 스펙트럼의 일종이며, 이를 영상으로 만들어내는 과정은 매우 정교한 기술과 원리를 포함하고 있다. 단순히 촬영 버튼을 누르는 것만으로 이뤄지는 것처럼 보이지만, 그 안에는 다양한 물리학적 반응과 영상처리 기술이 복합적으로 작동하고 있다. 이 글에서는 X-ray가 어떻게 발생하고, 인체를 통과하며, 최종적으로 영상으로 변환되는지 그 과정을 자세히 설명하고자 한다.

 

X-ray 방사선 발생 원리

X-ray는 일반적인 가시광선과 달리 매우 짧은 파장을 가진 고에너지 전자기파다. X-ray를 발생시키는 장치는 X-ray 튜브라고 불리며, 이 장비는 고전압을 이용해 음극에서 방출된 전자를 양극으로 가속시킨다. 양극에는 대개 텅스텐이나 몰리브덴과 같은 금속 타깃이 위치해 있는데, 빠르게 충돌한 전자가 이 타깃 원자와 상호작용하면서 에너지를 방출하게 된다. 이때 생성되는 것이 바로 X-ray다. 방사선은 두 가지 방식으로 생성된다. 하나는 제동 방사선(bremsstrahlung)이고, 다른 하나는 특성 방사선(characteristic radiation)이다. 제동 방사선은 전자가 금속 원자 핵 근처를 지나며 속도를 잃고 방향을 바꾸는 과정에서 방출되는 에너지이며, 다양한 파장을 가진 연속적인 X-ray를 생성한다. 반면 특성 방사선은 전자가 원자의 내껍질 전자를 튕겨내고, 상위 껍질의 전자가 내려오며 발생하는 특정 파장의 X-ray다. 이 두 가지 방사선이 합쳐져 우리가 영상에 사용하는 X-ray가 된다. 생성된 방사선은 인체를 향해 방사되며, 이 과정에서 인체 조직의 밀도에 따라 감쇠된다.

 

감쇠와 대비의 원리

X-ray는 인체를 통과하면서 조직별로 다르게 흡수된다. 이 흡수 차이가 영상의 대비(contrast)를 만들어내는 핵심 요소다. 뼈는 칼슘과 같은 고원자번호 물질로 구성되어 있어 X-ray를 많이 흡수한다. 반면, 공기나 연부조직은 밀도가 낮아 방사선을 거의 흡수하지 않는다. 이로 인해 뼈는 영상에서 흰색으로, 공기층은 검은색으로 나타나며, 근육이나 지방은 회색으로 표현된다. 이러한 감쇠 현상은 X-ray의 에너지, 조직의 두께, 밀도, 원자번호 등에 따라 달라진다. 감쇠된 X-ray는 필름 또는 디지털 검출기에 도달하여 그 세기에 따라 픽셀의 밝기를 형성한다. 필름 방식에서는 X-ray가 강하게 닿은 부위가 더 많이 감광되어 어둡게 나오고, 적게 닿은 부위는 밝게 남는다. 디지털 방식에서는 감지된 방사선 세기를 수치로 변환해 각기 다른 회색 조로 표현한다. 이 과정을 통해 의료진은 내부 구조의 형태뿐 아니라 이상 병변의 존재 여부도 판단할 수 있다. X-ray는 기본적으로 단층 이미지를 제공하지만, 이 감쇠 원리를 통해 3차원 구조를 2차원으로 압축해 시각화하는 데 매우 효과적이다.

 

X-ray 영상의 디지털 변환

현대의 X-ray 촬영은 대부분 디지털 방식으로 전환되었다. 과거에는 방사선을 필름에 직접 노출시켜 현상 과정을 거쳤지만, 현재는 검출기가 직접 전기 신호를 생성하여 컴퓨터로 전송한다. 이 전기 신호는 아날로그 상태이므로 디지털 변환 과정을 거쳐 픽셀 데이터로 변환된다. 각 픽셀은 방사선 세기에 따라 밝기 값을 가지며, 전체 영상은 회색조로 구성된다. 영상의 품질은 픽셀의 해상도, 감도, 신호 대 잡음비(SNR)에 따라 결정된다. 최근에는 인공지능 기술이 접목되어 X-ray 영상의 판독 정확도를 높이고 있다. AI는 병변의 형태나 위치를 자동으로 분석하고, 이상 징후가 있는 부위를 표시해주는 기능을 수행한다. 또한, 영상 품질 향상을 위해 자동 보정 기술, 노이즈 제거 알고리즘, 대비 조절 기능 등도 함께 사용된다. 이러한 기술 발전은 단순히 진단 이미지를 생성하는 것을 넘어서, 판독의 효율성과 정확도를 높이는 방향으로 진화하고 있다. 방사선량을 줄이면서도 선명한 이미지를 얻기 위한 저선량 촬영 기술도 병행되고 있어, 환자 안전과 영상 품질이라는 두 가지 요소를 동시에 충족시키고 있다.