의사・환자 방사선 피폭 최소화, 제품 소형화 대한 요구 충족
산・학・연,병원 간 공동연구 통해 신개념 의료기기 제품 출시
최근 전 세계적으로 건강하게 오래 사는 삶의 질에 대한 관심의 증가와 의료기술의 발달로 인한 평균수명 연장으로 인해 우리나라 뿐만 아니라 선진국을 중심으로 고령화 사회가 가속화 되고 있다. 이런 사회적, 경제적 필요성에 따라 첨단의료기기에 대한 산업계 및 의료계의 수요가 폭발적으로 증가하고 있으며, 더불어 전 세계 의료기기 시장도 연 5%이상의 꾸준한 성장률을 보여주고 있다. 의사가 신체에 질병이 있는 환자를 진단할 때 신체적, 정신적 손상 없이 해당 환자의 질병이 의심스러운 인체 내부의 해부학적, 기능적인 영상을 정확하게 제공하는 의료영상진단기기는 전체 진단의학 분야에서 매우 높은 비중을 차지하고 있다. 비침습적으로 환자의 내부를 2차원, 3차원으로 검사하는 영상진단기기는 X-선 촬영장치, 전산화 단층촬영장치(CT), 내시경, 초음파 영상기기, 자기공명영상장치(MRI), 핵의학 영상기기등이 있다.
1895년 독일 과학자 빌헴름 뢴트겐이 전자기파의 일종인 엑스선을 발견한지 120년이 지난 지금까지 X-선은 방사선 진단과 치료에서 가장 중요한 수단으로 병원에서 가장 많이 이용되고 있다. 다양한 의료영상기기 중에서 엑스레이 영상기기는 과거 필름으로 촬영하던 아날로그 방식에서 전자, 반도체, 디스플레이, 소프트웨어 등 과학기술의 급속한 발전으로 인한 디지털 방식의 전환으로 실시간 컴퓨터 모니터 상에 디지털 의료 영상을 제공하고 있다. 엑스선 의료 영상기기는 일반적으로 정확한 진단, 판독을 위한 정지 영상용 촬영 장치와 수술, 중재적 시술 및 CT 영상을 위한 동영상용 엑스선 촬영 장치로 구분된다. 더불어 임상응용분야에 따라 일반촬영, 유방촬영, 투시촬영, 전신 CT촬영, 치과 CT 촬영, 혈관조영술 등으로 분류된다. 일반적으로 디지털 엑스선 영상시스템은 엑스선 발생장치, 엑스선 검출기, 기구 제어부 및 영상처리/재구성 기술로 구성된다. 최근 의사. 환자에 대한 방사선 피폭의 최소화, 의료영상의 고화질화, 융합형 다중 기능영상 및 제품 소형화 대한 요구를 충족하기 위해서 산.학.연,병원 간의 공동연구로 하드웨어 및 소프트웨어 등 개별적인 핵심기술개발을 통해 신개념의 의료기기 제품을 출시하고 있다. 본 기고문에서는 엑스선 영상 디텍터 기술개발 동향 관점에서 현재 엑스선 영상기기를 소개하고, 더불어 미래의 차세대 엑스선 영상기기 기술을 전망해보고자 한다.
엑스선 의료영상기기는 엑스선이 인체를 투과하면서 해부학적 내부 구조를 2차원 및 3차원으로 영상화하여 의학정보를 제공하는 비침습적 도구이다. 의료현장에서 기존의 고정형 엑스선 디텍터에서 포터블(휴대용 )형태로 방사선사가 직접 들고 옮겨 다니면서 촬영하는 환경으로 빠르게 변화하고 있다. 최근 의료 및 산업현장에서 충격 및 낙하시 깨지지 않고 더 가벼운 엑스레이 디텍터가 소개되고 있다. 얇은 유리 및 플라스틱 기판소재(PI 또는 PEN)의 패널을 이용한 Non-breakable 엑스선 디텍터가 다양한 형태로 개발되어 제품이 현장에서 많이 사용될 것으로 생각된다.
현재 환자의 인체 영상을 전체적으로 촬영하기 위해서는 여러 번의 엑스선 조사를 한 후 자동 스티칭(stitching) 영상기술을 통해서 전신 영상을 구현하고 있다. 디텍터 패널의 대면적화 기술을 통해서 세계 최초 17x49인치(43.2x124.5cm) 크기의 엑스-선 디텍터를 개발함으로써 한 번의 촬영으로 전신 영상을 획득할 수 있는 시스템이 제품화되어 출시되고 있다.
지금까지 대부분 엑스선 영상기기에는 평판형 디텍터가 장착되어 영상을 획득하고 있으며, 최근 5년 전부터 GE, 필립스, 지멘스 등 의료영상기기업체를 중심으로 다양한 디스플레이 연구그룹들이 컨소시엄을 구성하여 곡면형(Curved) 타입 또는 플렉서블(flexible) 형태의 엑스선 영상 디텍터를 연구개발하고 있다. 유연한 플라스틱 기판을 이용한 저온공정방식과 유기물 소재를 이용하여 다양한 형태로 구부릴 수 있는 센서를 연구하고 있다. 본 기술을 활용할 경우, 인체 부위의 다양한 곡면에 엑스선 영상기기의 밀착이 가능하고, 휴대가 용이하며 다양한 임상분야 중에서 특히 치과용 및 전신용 CT 제품의 소형화가 가능할 것으로 기대된다.
현재 중재적 시술 및 수술에 필수적인 C-arm 엑스선장치에서는 동영상용 엑스선 디텍터로 영상 증배관(I.I) 또는 비정질 실리콘 박막트랜지스터(TFT) 패널을 탑재하여 사용되고 있다. 최근 의료현장에서 저선량화, 고해상도 및 고속의 투시/CT영상을 요구함에 따라 대학 및 연구소에서는 엑스선을 가시광선으로 변환하는 섬광체 및 가시광선을 전하로 전환하는 광소자 개발이 활발히 진행 중이다. 수십 년 동안 사용된 GOS 및 CsI 섬광체 소재를 대신하여 엑스선 흡수 및 발광효율이 높고, 빛의 산란이 적은 다양한 유기물, 무기물 또는 하이브리드 페로브스카이트 섬광체를 개발하고 있으며 임상적용을 위한 장시간 안정성, 신뢰성을 평가하고 있다. 또한 기존의 비정질 실리콘 소자를 대체하여 높은 민감도 및 낮은 암전류를 가진 다양한 유기물 광다이오드(OPD)와 전하의 이동도가 높은 산화물(Oxide) 반도체 및 다결정 실리콘(Si) 반도체 기반의 소자가 개발되면 방사선 피폭량을 최소화하면서 고속의 고품질 영상을 제공할 수 차세대 엑스선 영상기기를 기대하고 있다.
마지막으로 기존의 흑백 엑스선 영상만이 아닌 이중(dual) 또는 다중(multi) 에너지 영상을 제공하는 칼라 X-선 영상기기 개발이 진행 중이다. 현재 흉부방사선 촬영의 경우, 흉부의 다양한 병변을 정확하게 진단하기 위한 방편으로 저/고에너지 두 번 엑스선 조사를 통한 물질분리 알고리즘을 이용하여 뼈와 연부조직을 선택적으로 제거하는 영상화 방식을 사용하고 있다. 최근 이중-층(dual-layer) 구조의 엑스선 디텍터 기술개발을 통해서 한 번의 엑스선 촬영으로 환자의 움직임에 의한 인공물 없이 뼈와 연조직이 분리된 선명한 판독영상을 제공하며, 방사선 피폭선량의 저감화 및 환자의 골밀도 정보를 동시에 제공할 수 있을 것으로 기대된다. 다중에너지 엑스선 영상기기는 또한 중재적 시술시 비만 및 고령 환자에서도 선명한 뼈와 연조직의 영상을 제공함으로써 치료효과를 증대할 뿐만 아니라 혈관조영술시, 최소한의 조영제 및 방사선 사용으로 선명한 실시간 혈관정보를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
지금까지 의료용 엑스선 영상 디텍터 개발기술을 중심으로 현재와 미래의 차세대 엑스선 영상기기를 전망해보았으며, 앞으로 한국전기연구원 전기의료기기연구센터는 수요자 관점 및 환자 중심의 엑스선 기반 의료영상기기의 핵심기술을 개발하고, 국내 의료영상기기 산업의 기술 경쟁력 확보 및 의료기기 업체와의 공동연구, 기술 협력을 통한 새로운 개념의 스마트 의료기기를 개발하여 틈새시장(niche market) 진출에 이바지 하고자한다.
차보경 선임연구원(한국전기연구원 전기의료기기연구센터)