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암, 심장병, 뇌 손상, 뼈 감염 등 모두 매우 다양한 방식으로 신체에 영향을 미치는 무서운 건강 문제입니다. 하지만 의사가 이 모든 문제에 주목하는 의료 기술이 하나 있습니다. 바로 MRI로 더 잘 알려진 자기공명영상입니다. 매년 전 세계적으로 1억 건 이상의 MRI 스캔이 수행되어 현대 의학에서 가장 널리 사용되는 진단 방법 중 하나입니다. 그러나 최초의 전신 MRI 스캔은 불과 50년 전에만 수행되었습니다.
MRI의 기초는 최초의 기계가 도입되기 수십 년 전에 이루어졌습니다. 1952년 물리학자 펠릭스 블로흐(Felix Bloch)와 에드워드 퍼셀(Edward Purcell)은 핵자기공명(NMR)을 발견한 공로로 노벨 물리학상을 수상했습니다. 핵자기공명(NMR)은 자기장에 노출되었을 때 특정 원자핵이 전자기 복사 형태를 방출하는 특성입니다. 이 방사선을 기록함으로써 과학자들은 샘플 물질 내 분자의 구조와 상호 작용을 식별할 수 있습니다. 그러나 Bloch와 Purcell은 그들의 발견을 인체 영상화에 적용할 생각은 하지 않았습니다. 그 아이디어는 뉴욕주립대학교 보건과학센터 교수인 레이몬드 다마디안(Raymond Damadian) 박사에게서 나왔습니다.
1971년 다마디안은 사이언스 저널에 NMR이 건강한 인간 세포와 암세포 사이의 차이를 감지할 수 있음을 보여주는 논문을 발표했습니다. 암 조직의 물 분자는 더 자유롭게 움직이므로 방사선에 불일치가 발생합니다. 이는 획기적인 발전이었지만 이 발견을 일상적으로 사용할 수 있는 기능적 의료 기술로 전환하는 데는 10년이 걸릴 것입니다.
MRI 기술의 초기 개척자
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다마디안이 1971년 NMR에 자신의 발견을 발표했을 때, 그는 그것이 생성한 전자기 복사를 실제 이미지로 변환하는 방법을 알아내지 못했습니다. 그는 세포 샘플 내에서 암을 발견할 수 있었지만 인체의 더 넓은 범위 내에서 암을 정확히 찾아낼 수는 없었습니다. 그 격차를 해소하려면 남은 10년의 대부분이 걸릴 것입니다.
이때 다른 두 명의 영향력 있는 과학자가 NMR 스캐닝 작업을 시작했습니다. 첫 번째는 NMR 방사선을 사용하여 2차원 이미지를 최초로 만든 미국인 Paul Lauterbur였습니다. 그는 두 개의 코일이 있는 전자석을 만들어 이를 사용하여 다양한 강도의 자기 펄스를 생성했습니다. 이를 통해 그는 스캔된 공간 전체에 걸쳐 다양한 자기장 변화도를 생성하여 전체 중에서 신체의 개별 영역을 식별할 수 있는 일련의 고유한 데이터 포인트를 생성할 수 있었습니다.
이 과정에 참여한 두 번째 과학자는 영국인 Peter Mansfield였습니다. 그는 1974년 Lauterbur가 수행한 것보다 전자기 펄스의 주파수를 크게 증가시켜 훨씬 빠른 이미징 방법을 발명했습니다. 1977년, 조수를 스캔하여 최초의 전신 MRI 이미지를 만든 Damadian에게 상황이 다시 돌아왔습니다. 수십 년 후인 2004년 Lauterbur와 Mansfield가 그들의 연구로 노벨 의학상을 받았을 때 논란이 일어났습니다. 그러나 Damadian은 그의 연구가 MRI의 기반을 마련했지만 실제 기술에 대한 영향력이 적다는 전제로 제외되었습니다.
현재의 MRI 기술
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1970년대의 선구적인 작업에 이어 Siemens 및 GE와 같은 주요 기술 회사는 MRI 장비를 상업적으로 생산하기 시작했으며 이는 곧 병원의 주류가 되었습니다. 오늘날 MRI는 내부 상태와 부상을 진단하고 모니터링하는 데 널리 사용되는 방법이며 여전히 초기 개척자들이 개발한 것과 동일한 기본 기술을 사용합니다. 실제로 Lauterbur가 고안한 전자기 코일과 Mansfield가 개척한 급속 펄스 기술은 모든 MRI 스캔에서 실제로 들을 수 있습니다. MRI 기계를 직접 사용해 본 사람이라면 기계가 빠르게 켜지고 꺼질 때 진동하는 코일에서 나는 귀청이 먹먹할 정도로 달그락거리는 소리를 알고 있을 것입니다.
이전에도 엑스레이나 CT 스캔을 통해 내부 영상 촬영이 가능했던 것을 생각하면 MRI 기술이 왜 그렇게 필요한지 궁금할 것입니다. 그러나 엑스레이는 가장 투과성이 높은 방사선 유형 중 하나이며 반복적으로 노출되면 위험할 수 있습니다. 장기적인 상태를 모니터링하기 위해 빈번한 영상 촬영이 필요한 환자는 대신 MRI를 촬영함으로써 방사선 노출 위험을 피할 수 있습니다. 실제로 MRI의 유일한 주요 위험은 자기장이 금속을 끌어당길 수 있다는 것인데, 이는 피부 아래 부상으로 인해 특정 의료용 임플란트나 파편이 있는 사람들에게 위험합니다. 다행스럽게도 MRI에 안전한 금속이 일부 있으며 대부분의 의료용 임플란트에서 이를 사용하므로 MRI는 대부분의 환자에게 매우 안전한 시술이 됩니다.
