1장 방사선의 물리와 엑스선 발생

1.1 방사선의 분류 빈출

방사선은 두 갈래로 나눈다. 질량과 전하가 없는 에너지의 파동이 전자기방사선(electromagnetic radiation), 질량을 가진 입자의 흐름이 입자방사선(particulate radiation)이다. 이것과 별개로 물질을 이온화하는지에 따라 전리방사선(ionizing radiation)과 비전리방사선(non-ionizing radiation)으로 나눈다. 가르는 것은 광자(photon) 하나의 에너지다.

방사선의 종류

가시광선은 파장이 약 400–700 nm이고 사람의 망막을 자극해 시감각을 일으키는 전자기방사선이다. 같은 전자기방사선이지만 에너지가 낮아 원자를 이온화하지 못한다.

파장, 진동수, 에너지

엑스선의 파장 λ(Å)와 에너지 E(keV)는 E = 12.4 / λ 로 이어진다. 파장이 절반이 되면 에너지는 2배가 된다. 예를 들어 파장 0.248 Å은 12.4 ÷ 0.248 = 50 keV이고, 그 절반인 0.124 Å은 12.4 ÷ 0.124 = 100 keV다.

전자기방사선은 질량과 전하가 모두 없다. 그래서 전기장이나 자기장 안에서도 휘지 않고 직진한다. 불투명한 물체를 만나면 그 뒤에 그림자(음영)가 생기는 것도 직진하기 때문이다.

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1.2 엑스선의 성질 빈출

엑스선은 파장이 짧고 광자(photon) 에너지가 높은 전자기방사선(electromagnetic radiation)이다. 그래서 인체 조직을 투과하고, 형광(fluorescence) 물질을 빛나게 하고, 필름을 감광시키고, 원자를 이온화한다. 치과 영상은 이 성질들 위에서 만들어진다.

형광 물질로는 황화아연과 텅스텐산칼슘이 대표적이다. 엑스선 에너지를 가시광선으로 바꿔 필름에 보내는 장치가 증감지이고, 이 덕분에 같은 영상을 더 적은 선량으로 얻는다(4장 파노라마).

잠상은 감광은 되었지만 눈에 보이지 않는 상이다. 현상처리(film processing)를 거쳐야 보이는 상이 된다(5장).

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1.3 엑스선 발생장치와 엑스선관 빈출

엑스선은 엑스선관 안에서 만들어진다. 음극(cathode)의 필라멘트가 열전자(thermion)를 내고, 고전압이 이 전자를 가속해 양극(anode)의 표적에 부딪치게 한다. 이때 에너지의 99% 이상이 열이 되고 1% 미만만 엑스선이 된다. 엑스선관은 관두 안에 변압기(transformer), 절연유(insulating oil)와 함께 들어 있다.

엑스선관과 관두의 구성

변압기 셋

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1.4 음극: 필라멘트와 집속컵 최고 빈출

음극(cathode)은 전자를 공급하고 모으는 쪽이다. 텅스텐 필라멘트가 가열되어 열전자(thermion)를 내고, 집속컵(focusing cup)이 이 전자를 좁게 모아 양극(anode) 표적의 초점으로 보낸다.

필라멘트가 뜨거울수록 열전자가 많이 나온다. 필라멘트 온도는 필라멘트에 흐르는 전류로 정해지고, 그 결과가 음극에서 양극으로 흐르는 관전류(mA)(mA)다(7절).

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1.5 양극: 텅스텐 타깃과 초점

양극(anode)에는 텅스텐 타깃이 있고, 음극(cathode)에서 온 고속 전자가 여기 부딪친다. 전자가 부딪치는 면이 초점이다. 타깃에서 생긴 열은 구리동체가 받아 관 밖의 절연유(insulating oil)로 내보낸다. 초점은 실제로는 크게, 보이기에는 작게 만드는 것이 이 절의 핵심이다.

양극의 구성

텅스텐의 융점은 약 3,400 °C이다. 교재에 따라 3,370 °C로 쓴다.

선초점 원리

타깃을 비스듬히 세우면 실제초점은 넓게 두고 중심선 방향의 실효초점만 좁힐 수 있다. 실효초점의 폭은 대략 실제초점의 길이 × sin(경사각)이다. 경사각이 약 20°이면 실제초점 길이 3 mm가 실효초점 3 × sin 20° ≈ 3 × 0.34 ≈ 1 mm가 된다.

실효초점이 작으면 상 가장자리의 반음영(penumbra)(흐림)이 줄고 선예도가 높아진다. 반대로 실제초점 자체를 작게 만들면 열이 한곳에 몰려 타깃이 상한다.

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1.6 제동방사선과 특성방사선

엑스선이 만들어지는 방식은 둘이다. 전자가 원자핵 근처에서 감속되면 제동방사선(bremsstrahlung radiation), 전자가 원자의 안쪽 궤도를 건드리면 특성방사선(characteristic radiation)이다. 치과 진단용 엑스선은 대부분이 제동방사선이다.

두 기전 비교

최대 에너지

전자가 표적 원자핵과 거의 정면으로 충돌하면 운동에너지가 모두 한 광자로 바뀐다. 이때 광자 에너지가 최대이고 파장은 최단이다. 최대 광자 에너지는 관전압(kVp)의 숫자와 같다. 70 kVp이면 최대 70 keV다.

최단파장(minimum wavelength)은 λmin(Å) = 12.4 / kVp 로 구한다. 관전압이 높아질수록 최단파장은 짧아진다.

텅스텐의 K 궤도 결합에너지는 약 69.5 keV이다. 관전압이 이보다 낮으면 K 특성방사선은 나오지 않는다. 60 kVp로 찍으면 텅스텐의 K 특성방사선은 없고, 거의 모두 제동방사선이다.

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1.7 관전압과 관전류 최고 빈출

관전압(kVp)은 질을, 관전류(mA)와 시간은 양을 정한다. 관전압은 양극(anode)과 음극(cathode) 사이의 전위차이고, 관전류는 필라멘트를 얼마나 달구느냐로 정해지는 열전자(thermion)의 수이다.

무엇을 정하는가

관전류와 조사시간(초)의 곱이 mAs이다. 10 mA에 0.5초이면 5 mAs다. 20 mA에 0.25초도 같은 5 mAs로, 엑스선의 양이 같다.

치과 구내 촬영은 보통 60–70 kVp, 7–10 mA 범위를 쓴다. 감수

관전압을 높이면

피부 피폭선량이 줄어든다는 말은 같은 정도의 영상 농도를 얻도록 mAs를 낮췄을 때의 이야기다. 높은 kVp는 엑스선의 양도 함께 늘리므로 mAs를 그대로 두면 선량은 오히려 는다.

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1.8 여과기와 시준기 최고 빈출

엑스선속은 나오는 길에서 두 번 다듬는다. 여과기(filter)는 영상에 쓸모없는 저에너지 엑스선을 걸러 질을 바꾸고, 시준기(collimator)는 선속의 크기와 모양을 줄인다. 둘 다 환자 피폭을 줄이는 장치다(2장).

여과기

저에너지 광자는 영상에 닿기 전에 환자의 피부와 표층에 모두 흡수되어 피폭만 늘린다. 알루미늄은 이 연선을 효과적으로 흡수하고 유용한 고에너지 광자는 대부분 통과시킨다. 연선이 빠지면 남은 선속의 평균 에너지가 높아지는데 이것을 선속경화라 한다.

총여과(total filtration)는 관 자체에서 생기는 고유여과(inherent filtration)(유리벽, 절연유, 방출창)와 추가로 끼우는 부가여과(added filtration)(알루미늄)의 합이다. 총여과는 관전압(kVp) 70 kVp 이하에서 알루미늄 1.5 mm 이상, 70 kVp를 넘으면 2.5 mm 이상이어야 한다. 감수

시준기의 모양

직사각형 시준기가 권장된다. 영상수용체 밖은 어차피 영상에 쓰이지 않기 때문이다. 줄어드는 정도는 교재에 따라 약 60%로도 쓴다.

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1.9 방사선속의 구분과 역제곱 법칙

엑스선관 표적에서 나온 선속은 일차방사선(primary radiation)이다. 이 선속이 환자 조직과 상호작용해 새로 생기거나 방향이 바뀐 것이 이차방사선(secondary radiation)이고, 그중 원래 방향에서 벗어난 것이 산란방사선(scattered radiation)이다. 거리가 멀어질수록 강도가 줄어드는 규칙은 역제곱 법칙(inverse square law)이다.

방사선의 구분

산란방사선은 영상을 뿌옇게 만들어 대조도(contrast)를 떨어뜨리고, 환자와 술자의 불필요한 피폭 원인이 된다. 술자가 산란선을 막는 법은 2장, 영상에 남는 안개상(fog)은 5장에 있다. 시준기(collimator)는 환자 안에서 일어나는 산란을 줄인다.

역제곱 법칙

방사선의 강도는 선원(초점)으로부터의 거리의 제곱에 반비례한다. 역자승 법칙이라고도 한다. 식으로는 I₁ / I₂ = (D₂ / D₁)² 이다. 거리가 2배가 되면 강도는 1/4, 절반이 되면 4배가 된다.

계산 예

거리를 늘리고도 같은 노출을 얻으려면 시간(또는 mAs)을 거리비의 제곱만큼 늘려야 한다. 반대로 거리를 줄이면 시간을 줄인다. 장조사통(long cone)을 쓰는 평행촬영(paralleling technique)에서 노출시간을 늘리는 까닭이다(3장).

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복습

헷갈리는 쌍

확인 문제

1. 전자기방사선에서 광자 에너지와 반비례하는 물리량은?

   파장

2. 광자 에너지와 정비례하는 물리량은?

   진동수

3. 전리방사선에 속하는 전자기방사선은?

   엑스선과 감마선

4. 알파선을 이루는 입자는?

   양성자 2개와 중성자 2개

5. 엑스선이 형광 물질에 닿으면 무엇이 나오나?

   가시광선 (형광 작용)

6. 엑스선이 필름 유제층에 만드는, 현상 전의 보이지 않는 상은?

   잠상

7. 엑스선관에서 전자 에너지가 엑스선이 되는 비율은?

   1% 미만 (99% 이상은 열)

8. 엑스선관을 고진공으로 하는 이유는?

   전자와 기체 분자의 충돌 방지 (필라멘트 산화도 막는다)

9. 필라멘트 가열 회로에 쓰는 변압기는?

   저전압(강압)변압기

10. 집속컵이 띠는 전하와 역할은?

    음전하, 전자를 표적의 초점으로 모으기

11. 구리동체의 역할은?

    텅스텐 타깃의 열 흡수와 방출

12. 실효초점이 작아지면 영상에 일어나는 변화는?

    반음영 감소, 선예도 향상

13. 제동방사선이 만드는 스펙트럼은?

    연속 스펙트럼

14. 특성방사선의 에너지를 정하는 것은?

    표적 원자의 궤도 간 결합에너지 차이

15. 관전류가 직접 정하는 것은?

    엑스선의 양 (열전자 수)

16. 관전압을 올리면 대조도와 흑화도는?

    대조도 감소, 흑화도 증가

17. 여과기를 거친 선속의 광자 수와 평균 에너지는?

    광자 수 감소, 평균 에너지 증가

18. 환자 피폭 면적을 더 줄이는 시준기 모양은?

    직사각형

19. 엑스선관 표적에서 곧바로 나온 진단용 선속의 다른 이름은?

    유용선속 (일차방사선)

20. 20 cm에서 강도 100인 선속의 40 cm에서의 강도는?

    25 (거리 2배, 강도 1/4)