X-선 촬영에서 뼈는 흡수율이 높아 밝게 나타나고, 연부 조직은 상대적으로 어둡게 표현되는데요. 이러한 대비가 발생하는 과학적 원리는 무엇인가요?

Question

X-선 촬영에서 뼈는 흡수율이 높아 밝게 나타나고, 연부 조직은 상대적으로 어둡게 표현되는데요. 이러한 대비가 발생하는 과학적 원리는 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

X-선 촬영에서 뼈와 장기가 서로 다른 밝기로 나타나는 이유는 각 조직을 구성하는 원소의 종류와 밀도에 따라 X-선을 흡수하는 정도가 다르기 때문입니다. 이를 화학과 물리학적 관점에서 설명할 수 있어요.

​가장 핵심적인 원리는 원자 번호의 차이입니다. 뼈는 칼슘(20번)과 인(15번)처럼 상대적으로 원자 번호가 큰 원소들로 이루어져 있습니다. 원자 번호가 클수록 원자핵 주위에 전자가 많아지는데, X-선은 진행 경로에 전자가 많을수록 더 많이 부딪히고 흡수되는 성질이 있습니다. 이를 광전 효과라고 합니다. 반면 근육이나 지방, 장기 같은 연부 조직은 주로 수소(1번), 탄소(6번), 산소(8번) 등 원자 번호가 낮은 원소들로 구성되어 있어 X-선이 전자에 걸리지 않고 대부분 그대로 통과해 버립니다.

​물질의 밀도 또한 중요한 역할을 합니다. 같은 원소로 되어 있더라도 입자들이 얼마나 빽빽하게 모여 있느냐에 따라 X-선과의 충돌 확률이 달라집니다. 뼈는 매우 단단하고 밀도가 높아서 X-선이 통과하기 힘든 장벽 역할을 하는 반면, 폐처럼 공기가 가득 찬 장기는 밀도가 매우 낮아 X-선이 거의 아무런 저항 없이 통과하게 됩니다.

​결국 우리 몸을 통과한 X-선이 반대편 필름이나 디지털 센서에 도달할 때 그 양의 차이가 발생하게 됩니다. X-선을 많이 흡수한 뼈 부위는 센서에 도달하는 에너지가 적어 사진상에서 하얗게 보이고, X-선이 쉽게 통과한 연부 조직이나 공기 부위는 센서에 강한 에너지를 전달하여 검게 타서 나타나는 것입니다.

​이러한 흡수율의 차이 덕분에 우리는 칼을 대지 않고도 몸속의 단단한 구조물과 부드러운 조직 사이의 경계면을 뚜렷한 흑백의 대비로 관찰할 수 있습니다. 밀도 차이가 미세한 부위를 더 정확히 보기 위해 가끔 조영제라는 특수 약물을 사용하는 것도, 인위적으로 특정 부위의 원자 번호나 밀도를 높여 X-선 흡수율을 변화시키려는 같은 원리에서 비롯된 것입니다.

Answer 2

안녕하세요.

X-선 촬영에서 뼈와 연부 조직 사이에 명확한 대비가 나타나는 것은 X-선이 물질을 통과하면서 흡수되는 정도가 물질의 밀도와 원자번호에 따라 달라지기 때문입니다. X-선은 파장이 매우 짧고 에너지가 높기 때문에 인체를 통과할 때 일부는 그대로 통과하고 일부는 물질과 상호작용하여 흡수되거나 산란됩니다. 이때 각 조직이 X-선을 얼마나 많이 흡수하느냐에 따라 최종 영상의 밝기가 결정됩니다. 뼈가 밝게 보이는 이유는 주로 높은 밀도와 큰 유효 원자번호 때문인데요, 뼈에는 칼슘이 풍부하게 포함되어 있는데, 칼슘은 원자번호가 큰 원소입니다. 원자번호가 클수록 X-선과의 상호작용인 광전 효과가 더 잘 일어나 X-선이 많이 흡수됩니다. 또한 뼈는 연부 조직보다 밀도가 높기 때문에 단위 부피당 더 많은 원자들이 존재하여 X-선을 더 많이 차단하므로 뼈를 통과한 X-선의 양은 크게 감소하고, 필름이나 검출기에 도달하는 방사선이 적어지면서 해당 부분이 밝게 나타나는 것입니다.

반면에 근육, 지방과 같은 연부 조직은 대부분 물과 유사한 성분으로 이루어져 있습니다. 따라서 상대적으로 밀도가 낮고 원자번호도 작기 때문에, X-선과의 상호작용이 적어 더 많은 X-선이 통과하게 됩니다. 이 경우 검출기에 도달하는 방사선의 양이 많아지므로 영상에서는 검게 나타납니다. 이러한 차이는 X-선이 물질과 상호작용하는 방식에도 관련이 있는데요, 광전 효과와 함께 컴프턴 산란도 일어나는데, 이는 밀도에 의존하여 영상의 선명도에 영향을 줄 수 있습니다. 감사합니다.

Answer 3

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

x선 촬영에서 조직별로 명도차이가 발생하는 이유는 x선이 물질을 통과할 때 감쇠 라는 현상이 발생하기 때문입니다.

뼈와 연부조직은 다른 성분으로 이루어져 있습니다.

뼈는 칼슘과 인이 많이 들어있고 근육이나 장기들은 칼슘과 인은 없고 수소나 탄소 등으로 구성되어 있습니다. 상대적으로 뼈나 칼슘에는 원자번호가 높은 물질이 들어가 있고 연부조직에는 원자번호가 낮은 가벼운 원소들로 구성되어 있습니다.

x 선을 투과하게 되면 원자번호가 높은 물질의 밀도가 높기 때문에 광자가 잘 흡수를 하고 원자번호가 낮은 조직은 광자가 잘 통과를 하기에 투과되는 양의 차이가 발생합니다.

그래서 뼈와 같은 부분은 광자가 흡수되어 촬영하면 하얗고 밝게 나오고 연부조직은 광자가 통과하여 어둡고 검정색으로 나오는 것 입니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다~! 더 궁금한게 있으시면 언제든지 문의 주십시요:)