엑스레이

X-ray
와인 장면의 자연색 X선 사진입니다. 중공 실린더의 가장자리를 솔리드 캔들과 비교하여 기록합니다.
윌리엄 쿨리지(William Coolidge)는 의료 영상과 엑스레이(X-ray)에 대해 설명합니다.
전자기 스펙트럼
이름. 파장 주파수(Hz) 광자 에너지(eV)
감마선 < 0.01nm > 30 EHz >124keV
엑스레이 0.01nm – 10nm 30 EHz – 30 PHz 124 keV – 124 eV
자외선 10 nm – 400 nm 30PHz – 750THz 124 eV – 3 eV
가시광 400nm - 750nm 750THz – 400THz 3 eV – 1.7 eV
적외선 750nm – 1mm 400 THz – 300 GHz 1.7 eV – 1.24 meV
전자레인지 1mm – 1m 300 GHz – 300 MHz 1.24 meV – 1.24 µeV
라디오 ≥ 1m ≤ 300MHz ≤ 1.24 µ eV

X선(또는 그보다 덜 일반적으로 X-radiation)은 고에너지 전자기 방사선입니다. 1895년[1] 독일 과학자 빌헬름 콘라트 뢴트겐이 이를 발견하고 알려지지 않은 유형의 방사선을 의미하기 위해 X-방사선이라는 이름을 붙인 후 많은 언어에서 뢴트겐 방사선이라고 불립니다.[2]

X선 파장자외선 파장보다 짧고 감마선 파장보다 깁니다. 일반적으로 인정되는 엄격한 X선 대역의 경계에 대한 정의는 없습니다. 일반적으로 X선의 파장은 10 나노미터에서 10 피코미터이며, 이는 각각 30 페타헤르츠에서 30 엑사헤르츠(3×1016 Hz ~ 3×1019 Hz) 범위의 주파수와 100 eV에서 100 keV 범위의 광자 에너지에 해당합니다.

X선은 건설 자재 및 생체 조직과 같은 많은 고체 물질을 투과할 수 있으므로 X선 방사선 촬영은 의료 진단(: 가 부러졌는지 확인) 및 재료 과학(예: 일부 화학 원소의 식별 및 건설 자재의 약점 감지)에 널리 사용됩니다.[3] 그러나 X선은 방사선을 이온화하고 있으며, 높은 강도에 노출되면 DNA 손상, 을 유발하고 고용량 화상 및 방사선 질환을 유발하여 건강에 위험할 수 있습니다. 그들의 생성과 사용은 공중 보건 당국에 의해 엄격하게 통제됩니다.

역사

뢴트겐 이전 관측 및 연구

X선을 방출한 방전관의 일종인 Crookes tube의 예

1895년 발견되기 전까지 X선은 실험용 방전관에서 나오는 미확인 방사선의 한 종류에 불과했습니다. 이들은 1869년에 처음으로 관측된 에너지가 넘치는 전자빔음극선을 조사하는 과학자들에 의해 발견되었습니다. 1875년경 발명된 초기 크룩스 튜브의 많은 부분은 의심할 여지 없이 X-선을 방출했는데, 이는 초기 연구자들이 X-선에 기인하는 효과를 발견했기 때문이며, 아래에 자세히 설명되어 있습니다. 크룩스 튜브는 수 킬로볼트에서 100킬로볼트 사이의 높은 직류 전압에 의해 튜브의 잔류 공기가 이온화되어 자유 전자를 생성합니다. 전압은 음극에서 나오는 전자를 충분히 높은 속도로 가속시켜 양극이나 튜브의 유리 벽에 부딪힐 때 X선을 만들어 냈습니다.[4]

모르는 사이에 엑스레이를 만들어냈다고 생각된 최초의 실험자는 윌리엄 모건이었습니다. 1785년, 그는 부분적으로 진공 상태인 유리관을 통해 전류를 흘려 X선이 만들어내는 빛을 내는 효과를 설명하는 논문을 런던 왕립학회에 발표했습니다.[5][6] 이 연구는 험프리 데이비와 그의 조수 마이클 패러데이에 의해 더 탐구되었습니다.

스탠포드 대학교 물리학 교수 페르난도 샌포드가 자신의 "전기 사진"을 만들었을 때, 그는 자신도 모르게 X선을 생성하고 감지했습니다. 1886년부터 1888년까지 베를린의 헤르만헬름홀츠 연구소에서 공부한 그는 이전에 하인리히 헤르츠필립 레나드가 연구한 것처럼 별도의 전극에 전압을 가했을 때 진공관에서 발생하는 음극선에 익숙해졌습니다. 1893년 1월 6일 그가 물리학 리뷰에 보낸 편지(그의 발견을 "전기 사진"이라고 묘사)는 정당하게 출판되었고, "렌즈나 빛 없이, 어둠 속에서 접시와 물체로 찍은 사진"이라는 제목의 기사가 샌프란시스코 심사관에 실렸습니다.[7]

1888년부터 필립 레나드(Philipp Lenard)는 음극선이 크룩스 튜브에서 공기 중으로 통과할 수 있는지를 알아보기 위한 실험을 진행했습니다. 그는 끝에 얇은 알루미늄으로 만든 "창"이 있는 크룩스 튜브를 만들었는데, 음극선이 음극을 향하도록 하여 (후에 "레나드 튜브"라고 불림). 그는 사진 판을 노출시키고 형광을 일으키는 무언가가 통과한다는 것을 발견했습니다. 그는 다양한 물질을 통해 이 광선들의 투과력을 측정했습니다. 이 "레나드 광선" 중 적어도 일부는 실제로 X선이었다는 주장이 제기되었습니다.[8]

1889년 프라하 폴리테크닉 대학의 실험물리학 강사인 이반 풀루지는 1877년부터 기체로 채워진 튜브의 다양한 디자인을 연구해 왔으며, 어떻게 밀봉된 사진 플레이트가 튜브에서 나오는 방출물에 노출되었을 때 어두워지는지에 대한 논문을 발표했습니다.[9]

헬름홀츠는 X선에 대한 수학 방정식을 공식화했습니다. 그는 뢴트겐이 발견하고 발표하기 전에 분산 이론을 가정했습니다. 그는 빛의 전자기 이론에 근거를 두었습니다.[10][full citation needed] 하지만, 그는 실제 엑스레이로 작업하지는 않았습니다.

1894년 니콜라 테슬라는 실험실에서 크룩스 튜브 실험과 관련된 것으로 보이는 손상된 필름을 발견하고 이 보이지 않는 복사 에너지를 조사하기 시작했습니다.[11][12] 뢴트겐이 X-선을 확인한 후, 테슬라는 크룩스 튜브뿐만 [13]아니라 그 자신이 디자인한 고전압과 튜브를 사용하여 자신의 X-선 이미지를 만들기 시작했습니다.

뢴트겐의 발견

빌헬름 뢴트겐

1895년 11월 8일, 독일 물리학 교수 빌헬름 뢴트겐이 레나르 튜브와 크룩스 튜브로 실험하던 중 X선을 우연히 발견하고 연구를 시작했습니다. 1895년 12월 28일, 그는 "새로운 종류의 광선에 관하여: 예비 통신"이라는 최초의 보고서를 작성하여 뷔르츠부르크의 물리-의학 학회지에 제출했습니다.[14] 이것은 X선으로 쓰여진 첫 번째 논문이었습니다. 뢴트겐은 이 방사선이 알려지지 않은 유형의 방사선임을 나타내기 위해 "X"라고 불렀습니다. 일부 초기 문헌들은 X를 그리스 문자의 대문자 Chi, χ로 해석한 Chi-ray라고 부릅니다. X-선이라는 이름은 붙었지만, 많은 동료들이 뢴트겐의 반대에 부딪혀 뢴트겐 광선이라고 부르자고 제안했습니다. They are still referred to as such in many languages, including German, Hungarian, Ukrainian, Danish, Polish, Czech, Bulgarian, Swedish, Finnish, Portuguese, Estonian, Slovenian, Turkish, Russian, Latvian, Lithuanian, Albanian, Japanese, Dutch, Georgian, Hebrew, Icelandic, and Norwegian. 뢴트겐은 이 발견으로 최초의 노벨 물리학상을 수상했습니다.[18]

뢴트겐이 죽은 후 실험실 노트를 불태웠기 때문에 그의 발견에 대한 상반된 설명이 있지만, 이것은 그의 전기 작가들에 의해 재구성된 것일 가능성이 높습니다. [19][20]뢴트겐은 그 튜브에서 보이는 빛이 간섭하지 않도록 검은 판지로 싸둔 크룩스 튜브에서 나오는 음극선을 조사하고 있었습니다. 플라티노시아나이드 바륨으로 칠한 형광 스크린을 사용합니다. 그는 약 1미터(3.3피트) 떨어진 스크린에서 희미한 녹색 빛을 발견했습니다. 뢴트겐은 튜브에서 나오는 보이지 않는 광선들이 화면을 빛나게 하기 위해 판지를 통과하고 있다는 것을 깨달았습니다. 그는 그들이 그의 책상 위에 있는 책과 종이들도 통과할 수 있다는 것을 발견했습니다. 뢴트겐은 이 미지의 광선들을 체계적으로 조사하는 일에 몰두했습니다. 처음 발견한 지 두 달 만에 그는 논문을 발표했습니다.[21]

Handmit Ringen (반지가 있는 손): 1895년 12월 22일에 찍은 빌헬름 뢴트겐의 아내의 손의 첫 번째 "의학적" 엑스레이 인쇄물로 1896년[22][23] 1월 1일 프라이부르크 대학교의 물리학 연구소의 루트비히 젠더에게 제공되었습니다.

뢴트겐은 엑스레이로 인해 형성된 사진판에 아내의 손을 사진으로 만들면서 그들의 의료적 용도를 발견했습니다. 아내의 손 사진은 최초로 엑스레이를 이용한 인체부위 사진이었습니다. 사진을 봤을 때, 그녀는 "나는 나의 죽음을 보았습니다"라고 말했습니다.[24]

X선의 발견은 상당한 관심을 불러일으켰습니다. 뢴트겐의 전기 작가 오토 글래서는 1896년 한 해에만 무려 49편의 에세이와 새로운 광선에 관한 1044편의 기사가 출판되었다고 추정했습니다.[25] 사이언스와 같은 잡지가 그 해에만 무려 23편의 기사를 기고하는 등 전 세계 거의 모든 신문이 새로운 발견에 대해 광범위하게 보도했다는 점을 고려한다면 이것은 아마도 보수적인 추정이었을 것입니다.[26] 새로운 발견에 대한 선정주의적 반응에는 새로운 종류의 광선을 텔레파시와 같은 오컬트 및 초자연적인 이론과 연결시키는 출판물이 포함되었습니다.[27][28]

방사선학의 발전

1800년대 후반 초기의 크룩스 튜브 장치로 X선 이미지를 촬영했습니다. 중앙에 크룩스 튜브가 보입니다. 서 있는 남자가 투시 스크린으로 손을 보고 있습니다. 앉아있는 남자가 손을 사진판 위에 올려놓고 방사선 사진을 찍고 있습니다. 방사선 노출에 대한 예방 조치는 취해지지 않으며, 그 위험성은 당시에는 알려지지 않았습니다.
1897년 X-ray로 진단된 탄환의 외과적 제거(삽입부 참조)

뢴트겐은 X선이 의학적으로 응용될 수 있다는 것을 즉시 알아차렸습니다. 그는 12월 28일 물리-의학회 제출과 함께 유럽 전역에서 아는 의사들에게 편지를 보냈습니다(1896년 1월 1일).[29] 뉴스(그리고 "섀도그램"의 제작)는 스코틀랜드의 전기 엔지니어 앨런 아치볼드 캠벨-윈튼이 뢴트겐 이후 처음으로 엑스레이(손)를 제작하면서 빠르게 퍼졌습니다. 2월까지 북미에서만 46명의 실험자가 이 기술을 사용했습니다.[29]

임상 조건에서 X선을 처음 사용한 것은 1896년 1월 11일 영국 버밍엄에서 존 홀-에드워즈가 동료의 손에 꽂힌 바늘을 방사선 촬영한 것입니다. 1896년 2월 14일 홀에드워즈는 X선을 수술에 사용한 최초의 인물이기도 합니다.[30]

제임스 그린, "영국 바트라키아인과 파충류의 그림" (1897)에서, (왼쪽부터) 라나에스쿨렌타 (현재 펠로필락스 레스토네), 라세르타 비비파라 (현재 주토카 비비파라), 라세르타 아길리스가 등장하는 이미지

뢴트겐이 발견된 지 몇 주 후인 1896년 초, 이반 로마노비치 타르하노프는 개구리와 곤충에 X선을 조사했고, X선은 "사진을 찍을 뿐만 아니라 생활 기능에도 영향을 미친다"고 결론지었습니다.[31] 비슷한 시기에 동물 삽화가 제임스 그린은 깨지기 쉬운 표본을 조사하기 위해 엑스레이를 사용하기 시작했습니다. 조지 알버트 불렌저(George Albert Boulenger)는 1896년 5월 런던 동물학회에 제출한 논문에서 이 연구에 대해 처음으로 언급했습니다. 그린과 제임스 H. 가디너가 1897년에 불렌저의 서문과 함께 쓴 책인 Sciagraphs of British Batrachians and Parpetics (sciagraph는 X선 사진의 옛 이름입니다)가 출판되었습니다.[32][33]

풀루이 디자인의 방전관을 이용해 미국에서 만든 최초의 의료용 엑스레이를 얻었습니다. 1896년 1월, 뢴트겐의 발견을 읽은 다트머스 대학의 프랭크 오스틴은 물리학 실험실에서 모든 방전관을 실험한 결과 풀루이 관에서만 X선이 생성된다는 것을 발견했습니다. 이것은 풀루이가 형광 물질의 샘플을 보관하는 데 사용되는 운모의 비스듬한 "표적"을 튜브 내에 포함시킨 결과입니다. 1896년 2월 3일, 이 대학의 의학 교수 길만 프로스트와 그의 형 에드윈 프로스트는 길만이 몇 주 전에 골절로 치료했던 에디 맥카시의 손목을 엑스레이에 노출시켰고, 하워드 랭길로부터 얻은 젤라틴 사진판에 뼈가 부러진 결과 이미지를 수집했습니다. 지역 사진작가도 뢴트겐의 작품에 관심이 있었습니다.[34]

1896년 의학전문지 《노벨 아이코그라피 드 라 살페트리에르》에 발표된 명판. 왼쪽 손 기형, 오른쪽 같은 손에서 방사선 촬영을 통해 볼 수 있습니다. 저자들은 이 기법을 뢴트겐 사진이라 이름 지었습니다.

뢴트겐 자신의 독창적인 실험에 참여한 그 자신을 포함한 많은 실험자들은 어떤 형태의 발광 스크린을 사용하여 X선 이미지를 "라이브"로 볼 수 있는 방법을 생각해 냈습니다.[29] 뢴트겐은 플라티노시아나이드 바륨으로 코팅된 스크린을 사용했습니다. 1896년 2월 5일 이탈리아 과학자 엔리코 살비오니(그의 "크립토스코프")와 프린스턴 대학윌리엄 프랜시스 마지("스키스코프")가 둘 다 플라티노시아나이드 바륨을 사용하여 라이브 이미징 장치를 개발했습니다. 미국 발명가 토마스 에디슨은 뢴트겐의 발견 직후 연구를 시작해 X선에 노출됐을 때 물질이 형광을 내는 능력을 조사한 결과 텅스텐산칼슘이 가장 효과적인 물질이라는 사실을 밝혀냈습니다. 1896년 5월, 그는 최초의 대량 생산된 라이브 이미징 장치인 그의 "비타스스코프"를 개발했고, 나중에 형광 투시기라고 불리게 되었고, 이것은 의료용 엑스레이 검사의 표준이 되었습니다.[29] 에디슨은 그의 유리 공예가 중 한 명인 Clarence Madison Dally가 죽기 전인 1903년경 X-ray 연구를 중단했습니다. 댈리는 자신의 손으로 엑스레이 튜브를 검사하는 습관이 있었는데, 엑스레이 튜브에 이 생겨 목숨을 구하려는 헛된 시도로 양팔이 절단될 정도로 끈질기게 암이 생겼습니다. 1904년, 그는 엑스레이 노출로 인한 사망으로 알려진 최초의 사람이 되었습니다.[29] 형광 투시기가 개발되는 동안, 세르비아계 미국인 물리학자 미하일로 푸팽은 에디슨이 개발한 칼슘 텅스텐 스크린을 사용하여 형광 스크린을 사용하여 의료 영상용 엑스레이를 만드는 데 걸리는 노출 시간을 한 시간에서 몇 분으로 단축시켰다는 것을 발견했습니다.[35][29]

1901년, 미국 대통령 윌리엄 맥킨리뉴욕 버팔로에서 열린 팬아메리칸 엑스포에 참석하던 중 암살 시도로 두 발의 총상을 입었습니다. 한 발의 총알이 흉골을 스쳤을 뿐, 또 다른 총알은 복부 안쪽 어딘가에 박혀 발견되지 않았습니다. 걱정하는 맥킨리 보좌관은 발명가 토마스 에디슨에게 유탄을 찾기 위해 엑스레이 기계를 버팔로로 급히 보내라고 했습니다. 그것은 도착했지만 사용되지 않았습니다. 총격 자체는 치명적이지 않았지만 탄환의 경로를 따라 괴저가 발생했고, 맥킨리는 6일 후 세균 감염으로 패혈성 쇼크로 사망했습니다.[36]

발견된 위험요소

1895년 과학자, 의사, 발명가들에 의해 발견된 후 X-선에 대한 광범위한 실험이 이루어지면서 화상, 탈모, 그리고 더 나쁜 것들에 대한 많은 이야기들이 당시의 기술 저널에 실렸습니다. 1896년 2월, 밴더빌트 대학의 존 다니엘(John Daniel)과 윌리엄 로플랜드 더들리(William Lofland Dudley) 교수는 더들리가 엑스레이를 받은 후 탈모가 발생했다고 보고했습니다. 머리에 총을 맞은 아이는 1896년 밴더빌트 연구소로 옮겨졌습니다. 총알을 찾기 전에, 더들리(Dudley)[37][38][39]가 "특유의 과학에 대한 헌신으로" 자원한 실험이 시도되었습니다. 다니엘(Daniel)은 더들리(Dudley)의 두개골 사진을 찍은 지 21일 후, 엑스레이 튜브(X-ray tube)에서 가장 가까운 그의 머리 부분에 직경 5 센티미터(2인치)의 대머리 반점이 발견되었다고 보고했습니다. "두개골의 측면을 향해 판이 있는 플레이트 홀더가 체결되었고, 두개골과 머리 사이에 동전이 놓였습니다. 튜브는 머리카락으로부터 0.5인치[1.3cm] 거리를 두고 반대편에 고정되어 있었습니다."[40] X선은 화상, 탈모, 암을 넘어 방사선의 양에 따라 남성의 불임과 연관될 수 있습니다.

1896년 8월 HD. 콜롬비아 대학을 졸업한 호크스는 엑스레이 시연으로 심한 손과 가슴 화상을 입었습니다. 그것은 Electrical Review에 보고되었고 X-ray와 관련된 문제에 대한 많은 다른 보고로 이어졌습니다.[41] 에디슨 연구소의 엘리후 톰슨(Elihu Thomson), 윌리엄 J. 모튼(William J. Morton), 니콜라 테슬라(Nikola Tesla) 등 많은 실험자들도 화상을 입었다고 보고했습니다. 엘리후 톰슨(Elihu Thomson)은 의도적으로 손가락을 엑스레이 튜브에 노출시켰고 통증, 붓기, 수포를 겪었습니다.[42] 자외선과 (테슬라에 따르면) 오존을 포함한 다른 영향들이 때때로 피해의 원인으로 지목되기도 했습니다.[11] 많은 의사들은 X선 노출로 인한 영향이 전혀 없다고 주장했습니다.[42] 1905년 8월 3일, 캘리포니아 샌프란시스코에서, 미국의 엑스레이 개척자인 엘리자베스 플라이슈만이 엑스레이 작업의 결과로 합병증으로 사망했습니다.[43][44][45]

Hall-Edwards는 1904년까지 암(당시에는 X-ray 피부염이라고 불림)이 충분히 발전하여 X-ray의 위험성에 대한 논문을 작성하고 공개 연설을 할 수 있었습니다. 그의 왼팔은 1908년 팔꿈치에서 절단되어야 했고,[46][47] 그 후 곧 그의 오른팔에 엄지손가락만 남긴 채 손가락 4개가 절단되어야 했습니다. 그는 1926년 암으로 세상을 떠났습니다. 그의 왼손은 버밍엄 대학에 보관되어 있습니다.

20세기 이후

1940년 흉부 투시로 검사 중인 환자로, 연속적으로 움직이는 영상을 표시했습니다. 이 이미지는 X선 시술 중 방사선 노출이 무시할 수 있다고 주장하는 데 사용되었습니다.

X선의 많은 응용은 즉시 엄청난 관심을 불러일으켰습니다. 작업장들은 엑스레이를 생성하기 위한 특수 버전의 크룩스 튜브를 만들기 시작했고, 이 1세대 콜드 캐소드 또는 크룩스 엑스레이 튜브는 약 1920년까지 사용되었습니다.

전형적인 20세기 초 의료용 엑스레이 시스템은 차가운 음극 크룩스 엑스레이 튜브에 연결된 럼코르프 코일로 구성되었습니다. 일반적으로 고전압 측에 튜브와 병렬로 스파크 갭을 연결하여 진단에 사용했습니다.[48] 스파크 갭을 통해 스파크의 극성을 감지하고, 스파크 길이로 전압을 측정하여 튜브 진공의 "경도"를 결정할 수 있었으며, X선 튜브가 분리된 경우 부하를 제공했습니다. 튜브의 경도를 감지하기 위해 스파크 갭을 처음에 가장 넓은 설정으로 열었습니다. 코일이 작동하는 동안 작업자는 불꽃이 나타나기 시작할 때까지 간격을 줄였습니다. 스파크 갭이 약 6.4cm(2.5인치)에서 불꽃이 튀기 시작한 튜브는 부드러운(저진공) 재질로 손과 팔 등 얇은 신체 부위에 적합하다고 판단했습니다. 튜브가 어깨와 무릎에 적합한 13cm(5인치) 스파크가 튀었습니다. 18~23cm(7~9인치)의 스파크는 더 큰 개인의 복부를 이미징하기에 적합한 더 높은 진공을 나타냅니다. 스파크 갭이 튜브에 병렬로 연결되어 있었기 때문에, 이미지 촬영용 튜브를 작동시키기 위해서는 스파크가 멈출 때까지 스파크 갭을 열어야 했습니다. 사진 플레이트의 노출 시간은 손의 경우 약 30분에서 흉곽의 경우 약 2분이었습니다. 플레이트는 노출 시간을 줄이기 위해 형광염을 약간 첨가할 수 있습니다.[48]

크룩스 튜브는 신뢰할 수 없었습니다. 완전히 대피하면 이러한 튜브에 전류가 흐르지 않기 때문에 소량의 가스(불변의 공기)를 포함해야 했습니다. 하지만, 시간이 지나면서, X-선은 유리가 가스를 흡수하게 했고, 튜브는 곧 작동을 멈출 때까지 "더 단단한" X-선을 만들어 냈습니다. 더 크고 자주 사용되는 튜브에는 "소프트너"라고 알려진 공기를 복원하기 위한 장치가 제공되었습니다. 이것들은 종종 구조 내에 비교적 많은 양의 공기를 가두는 광물인 작은 운모 조각을 포함하는 작은 사이드 튜브의 형태를 취했습니다. 작은 전기 히터가 운모를 가열하여 미량의 공기를 방출하여 튜브의 효율을 회복시켰습니다. 하지만 운모는 수명이 한정되어 있었고, 복원 과정도 통제하기 어려웠습니다.

1904년 존 앰브로즈 플레밍진공관의 첫 번째 종류인 열전자 다이오드를 발명했습니다. 이것은 진공에서 전류를 흐르게 하는 뜨거운 음극을 사용했습니다. 이 아이디어는 엑스레이 튜브에 빠르게 적용되었고, 따라서 "쿨리지 튜브"라고 불리는 가열 음극 엑스레이 튜브는 1920년경에 성가신 차가운 음극 튜브를 완전히 대체했습니다.

1906년쯤 물리학자 찰스 바클라는 X선이 기체에 의해 산란될 수 있다는 사실을 발견했고, 각 원소는 특징적인 X선 스펙트럼을 가지고 있다는 사실을 발견했습니다. 그는 이 발견으로 1917년 노벨 물리학상을 수상했습니다.

1912년 막스라우에, 폴 니핑, 발터 프리드리히는 결정에 의한 X선의 회절을 처음으로 관찰했습니다. 발견은 폴 피터 이왈드, 윌리엄 헨리 브래그, 윌리엄 로렌스 브래그의 초기 연구와 함께 X선 결정학 분야를 탄생시켰습니다.[49]

1913년 헨리 모즐리는 다양한 금속에서 나오는 X선으로 결정학 실험을 수행하고 X선의 진동수와 금속의 원자 번호를 연관시키는 모즐리의 법칙을 만들었습니다.

쿨리지 엑스레이 튜브는 같은 해 윌리엄 D에 의해 발명되었습니다. 쿨리지. X선의 지속적인 방출을 가능하게 했습니다. 현대의 X-선 튜브는 이러한 설계를 기반으로 하며, 종종 정적 타겟보다 훨씬 높은 열 방출을 허용하는 회전 타겟을 사용하여 회전 CT 스캐너와 같은 고출력 애플리케이션에서 더 많은 양의 X-선 출력을 허용합니다.

찬드라의 은하단 아벨 2125 이미지는 합병 과정에서 수백만 도의 거대한 가스 구름 몇 개의 복합체를 보여줍니다.

방사선 치료 분야로 발전한 X선을 의료 목적으로 사용하는 것은 영국 버밍엄의 존 홀-에드워즈 소령에 의해 개척되었습니다. 그러던 중 1908년 팔에 X선 피부염이 퍼져 왼쪽 팔을 절단해야 했습니다.[50]

의학은 또한 인간의 생리학을 연구하기 위해 이 영화를 사용했습니다. 1913년 디트로이트에서 사람의 위장 안에서 삶은 달걀을 보여주는 영화가 만들어졌습니다. 이 초기 엑스레이 영화는 4초마다 한 장의 정지 영상 속도로 기록되었습니다.[51] 뉴욕의 루이스 그레고리 콜 박사는 그가 "직렬 방사선 촬영"이라고 부르는 이 기술의 선구자였습니다.[52][53] 1918년, 엑스레이는 움직이는 인간의 뼈대를 포착하기 위해 영화 카메라와 함께 사용되었습니다.[54][55][56] 1920년에는 영국 음성학 연구소의 언어 연구에서 혀와 치아의 움직임을 기록하는 데 사용되었습니다.[57]

1914년, 마리 퀴리는 제 1차 세계 대전에서 부상당한 군인들을 지원하기 위해 방사선 자동차를 개발했습니다. 이 자동차는 부상당한 군인들의 신속한 X선 영상 촬영을 가능하게 하여 전장의 외과의들이 신속하고 정확하게 수술할 수 있도록 해줄 것입니다.[58]

1920년대 초부터 1950년대까지 X선 기계는 신발[59] 착용을 돕기 위해 개발되어 상업용 신발 매장에 판매되었습니다.[60][61][62] 자주 사용하거나 잘 통제되지 않는 사용의 영향에 대한 우려는 1950년대에 표출되었고,[63][64] 이는 해당 관행의 궁극적인 종식으로 이어졌습니다.[65]

엑스레이 현미경은 1950년대에 개발되었습니다.

1999년 7월 23일에 발사된 찬드라 X-선 관측소는 X-선을 생성하는 우주의 매우 폭력적인 과정을 탐험할 수 있게 해주었습니다. 우주를 비교적 안정적으로 볼 수 있는 가시광선과 달리 엑스선 우주는 불안정합니다. 별들은 블랙홀, 은하 충돌, 초신성 등에 의해 찢겨지고, 중성자별은 플라즈마 층을 쌓아 우주로 폭발하는 특징을 가지고 있습니다.

거미의 위상차 X선 영상

1980년대 레이건 행정부전략적 방위 구상의 일환으로 X선 레이저 장치가 제안되었지만, 이 장치의 유일한 테스트(열핵 폭발로 구동되는 일종의 레이저 "블래스터" 또는 데스 레이)는 결정적인 결과를 얻지 못했습니다. 기술적이고 정치적인 이유로, 전체 프로젝트(엑스레이 레이저 포함)는 자금이 지원되었습니다(그러나 나중에 다른 기술을 사용하여 국가 미사일 방어로 부활했습니다).

위상차 X선 이미징은 X선 빔의 위상 정보를 사용하여 이미지를 형성하는 다양한 기술을 말합니다. 밀도차에 대한 민감도가 좋아 연조직 이미징에 특히 유용합니다. 광범위한 생물학 및 의학 연구에서 세포 및 조직학적 구조를 시각화하는 중요한 방법이 되었습니다. X선 위상차 이미징에는 여러 가지 기술이 사용되고 있으며, 모두 물체에서 나오는 X선의 위상 변화를 강도 변화로 변환하기 위해 서로 다른 원리를 사용하고 있습니다.[66][67] 여기에는 전파 기반 위상 대비,[68] 탈보트 간섭계,[67] 굴절 강화 이미징 [69]및 X선 간섭계가 포함됩니다.[70] 이러한 방법은 일반적인 흡수 기반 X선 이미징에 비해 더 높은 대비를 제공하여 밀도가 거의 유사한 세부 사항을 서로 구별할 수 있습니다. 단점은 이러한 방법에는 싱크로트론 또는 마이크로포커스 X선 소스, X선 광학 및 고해상도 X선 검출기와 같은 보다 정교한 장비가 필요하다는 것입니다.

에너지 범위

엑스선은 자외선보다 파장이 짧은 전자기 스펙트럼의 일부입니다. 응용 프로그램마다 X선 스펙트럼의 다른 부분을 사용합니다.

부드럽고 단단한 엑스레이

5~10keV(0.2~0.1nm 파장 이하) 이상의 높은 광자 에너지를 갖는 X선을 하드 X선이라고 하며, 낮은 에너지(및 더 긴 파장)를 갖는 X선을 소프트 X선이라고 합니다.[71] 수 keV의 광자 에너지를 갖는 중간 범위는 종종 부드러운 X선으로 불립니다. 하드 엑스레이는 투과 능력으로 인해 물체 내부를 이미지화하는 데 널리 사용됩니다(예: 의료 방사선 촬영 및 공항 보안). X선이라는 용어는 방법 자체 외에도 이 방법을 사용하여 생성된 방사선 영상을 지칭하는 데 사용됩니다. 하드 엑스레이의 파장은 원자의 크기와 비슷하기 때문에 엑스레이 결정학에 의한 결정 구조를 결정하는 데에도 유용합니다. 반면에 부드러운 X-선은 공기 중에서 쉽게 흡수되며, 물 중에서 600 eV(~2 nm) X-선의 감쇠 길이는 1 마이크로미터 미만입니다.[72]

감마선

X선과 감마선을 구별하는 정의에 대한 합의는 없습니다. 한 가지 일반적인 방법은 두 종류의 방사선을 그 근원에 따라 구별하는 것입니다: X선은 전자에 의해 방출되고 감마선은 원자핵에 의해 방출됩니다.[73][74][75][76] 이 정의에는 몇 가지 문제가 있습니다. 다른 프로세스에서도 이러한 고에너지 광자를 생성할 수 있거나 생성 방법이 알려지지 않은 경우가 있습니다. 하나의 일반적인 대안은 파장(또는 주파수 또는 광자 에너지)에 기초하여 X선과 감마선을 구별하는 것이며, 감마선으로 정의되는 10m−11(0.)와 같은 임의의 파장보다 짧은 방사선을 사용합니다.[77] 이 기준은 광자를 모호하지 않은 범주에 할당하지만 파장을 알고 있는 경우에만 가능합니다(일부 측정 기술은 검출된 파장을 구별하지 않습니다). 그러나 일반적으로 X선 튜브에서 방출되는 전자기 방사선은 방사성 에서 방출되는 방사선보다 파장이 길고 광자 에너지가 낮기 때문에 이 두 정의는 종종 일치합니다.[73] 역사적 선례로 인해 특정 상황에서 한 가지 용어 또는 다른 용어가 사용되는 경우가 있으며, 측정(검출) 기법에 기반하거나 파장이나 출처가 아닌 의도된 용도에 기반합니다. 따라서 의료용 및 산업용으로 생성된 감마선, 예를 들어 6~20 MeV 범위의 방사선 치료를 이러한 맥락에서 X선이라고도 할 수 있습니다.[78]

특성.

이온화 방사선 위험 기호

X-선 광자는 원자를 이온화하고 분자 결합을 방해하기에 충분한 에너지를 가지고 있습니다. 이것은 이온화 방사선의 한 종류이며, 따라서 살아있는 조직에 해롭습니다. 짧은 시간 동안 매우 높은 방사선량은 화상과 방사선 질환을 유발하는 반면, 낮은 선량은 방사선에 의한 의 위험을 증가시킬 수 있습니다. 의료 영상에서 이러한 암 위험 증가는 일반적으로 검사의 이점을 크게 능가합니다. X선의 이온화 능력은 방사선 치료를 통해 악성 세포를 죽이는 암 치료에 활용될 수 있습니다. X선 분광법을 이용한 재료 특성 분석에도 사용됩니다.

하드 엑스레이는 흡수되거나 산란되지 않고 비교적 두꺼운 물체를 통과할 수 있습니다. 이 때문에 시각적으로 불투명한 물체의 내부를 이미지화하기 위해 X선이 널리 사용되고 있습니다. 가장 자주 볼 수 있는 응용 분야는 의료 방사선 촬영 및 공항 보안 스캐너이지만 유사한 기술은 산업(예: 산업 방사선 촬영 및 산업 CT 스캐닝) 및 연구(예: 작은 동물 CT)에서도 중요합니다. 침투 깊이는 X선 스펙트럼에서 몇 배의 크기에 따라 달라집니다. 이를 통해 광자 에너지를 응용 프로그램에 맞게 조정하여 물체를 통해 충분한 전송을 제공하고 동시에 이미지에서 좋은 대비를 제공할 수 있습니다.

X선은 가시광선보다 파장이 훨씬 짧기 때문에 일반 현미경으로 볼 수 있는 것보다 훨씬 작은 구조물을 탐사할 수 있습니다. 이 성질은 고해상도 이미지를 얻기 위한 X선 현미경결정원자의 위치를 결정하는 X선 결정학에서도 사용됩니다.

물질과의 상호작용

540 eV에서 산소 흡수 에지, 광 흡수의 에너지−3 의존성 및 콤프턴 산란으로 인한 더 높은 광자 에너지에서 레벨 오프를 나타내는 물에서의 X선의 감쇠 길이. 소프트 엑스레이(왼쪽 절반)에 비해 하드 엑스레이(오른쪽 절반)의 감쇠 길이가 약 4배 더 깁니다.

X선은 광흡수, 콤프턴 산란, 레일리 산란의 세 가지 주요 방식으로 물질과 상호 작용합니다. 이러한 상호작용의 강도는 X선의 에너지와 물질의 원소 조성에 따라 달라지지만, X선 광자 에너지는 화학적 결합 에너지보다 훨씬 높기 때문에 화학적 특성에는 크게 의존하지 않습니다. 광흡수 또는 광전 흡수는 소프트 엑스레이 체제와 더 낮은 하드 엑스레이 에너지에서 지배적인 상호 작용 메커니즘입니다. 더 높은 에너지에서는 콤프턴 산란이 지배적입니다.

광전 흡수

단위3 질량당 광전 흡수 확률은 Z/E3 거의 비례하며, 여기서 Z원자 번호이고 E는 입사 광자의 에너지입니다.[79] 규칙은 흡수 에지라고 하는 상호 작용 확률의 급격한 변화가 있는 내부 쉘 전자 결합 에너지에 가깝게 유효하지 않습니다. 그러나 낮은 광자 에너지와 높은 원자 수에 대해 높은 흡수 계수 및 따라서 짧은 침투 깊이의 일반적인 경향은 매우 강합니다. 연조직의 경우 광흡수는 콤프턴 산란이 차지하는 약 26keV 광자 에너지를 지배합니다. 원자 번호가 높은 물질의 경우 이 한계가 더 높습니다. 뼈에 많은 양의 칼슘(Z = 20)과 높은 밀도가 의료 방사선 사진에 선명하게 나타나는 이유입니다.

광흡수된 광자는 모든 에너지를 상호작용하는 전자에 전달하여 전자가 결합된 원자를 이온화하고 그 경로에서 더 많은 원자를 이온화할 가능성이 있는 광전자를 생성합니다. 외부 전자는 빈 전자 자리를 메우고 특징적인 X선 또는 오거 전자를 생성합니다. 이러한 효과는 X선 분광법 또는 오거 전자 분광법을 통한 원소 검출에 사용될 수 있습니다.

콤프턴 산란

콤프턴 산란은 의료 영상에서 X선과 연조직 사이의 주요 상호 작용입니다.[80] 콤프턴 산란은 외부 쉘 전자에 의한 X선 광자의 비탄성 산란입니다. 광자의 에너지 일부가 산란 전자로 전달되어 원자를 이온화시키고 X선의 파장을 증가시킵니다. 산란된 광자는 어떤 방향으로도 갈 수 있지만, 특히 고에너지 X선의 경우 원래 방향과 유사한 방향일 가능성이 더 높습니다. 다른 산란각에 대한 확률은 클라인-니시나 공식으로 설명됩니다. 전달된 에너지는 에너지운동량의 보존으로부터 산란각으로부터 직접 얻을 수 있습니다.

레일리 산란

레일리 산란은 X선 영역에서 지배적인 탄성 산란 메커니즘입니다.[81] 비탄성 전방 산란은 굴절률을 발생시키며, X선의 경우 굴절률이 1보다 약간 낮습니다.[82]

생산.

충분한 에너지를 가진 하전 입자(전자 또는 이온)가 물질에 부딪힐 때마다 X선이 생성됩니다.

전자에 의한 생산

일부 일반적인 음극 재료에 대한 특징적인 X선 방출선.[83][84]
양극
재료.
원자
번호
광자 에너지 [keV] 파장[nm]
Kα1 Kβ1 Kα1 Kβ1
W 74 59.3 67.2 0.0209 0.0184
42 17.5 19.6 0.0709 0.0632
CU 29 8.05 8.91 0.154 0.139
아그 47 22.2 24.9 0.0559 0.0497
31 9.25 10.26 0.134 0.121
49 24.2 27.3 0.0512 0.0455
로듐 타겟이 있는 X선 튜브가 방출하는 X선의 스펙트럼으로, 60 kV에서 작동합니다. 매끄럽고 연속적인 곡선은 브렘스트랄룽에 의한 것이며, 스파이크는 로듐 원자의 특징적인 K선입니다.

X선은 X선 튜브에 의해 생성될 수 있습니다. X선 튜브는 높은 전압을 사용하여 뜨거운 음극에 의해 방출된 전자를 고속으로 가속시키는 진공 튜브입니다. 고속 전자는 금속 표적인 양극과 충돌하여 X선을 만듭니다.[85] 의료용 X선 튜브에서는 일반적으로 텅스텐 또는 레늄(5%)과 텅스텐(95%)의 내크랙 합금이 대상이지만, 유방 촬영에서와 같이 더 부드러운 X선이 필요한 경우와 같이 더 특수한 용도를 위한 몰리브덴일 수도 있습니다. 결정학에서는 구리 타겟이 가장 일반적이며, 샘플의 철 성분에서 형광이 발생할 수 있는 경우 코발트가 종종 사용됩니다.

생성된 X선 광자의 최대 에너지는 입사된 전자의 에너지에 의해 제한되며, 이는 튜브의 전압과 전자 전하의 곱과 같으므로 80kV 튜브는 80kV 이상의 에너지를 가진 X선을 생성할 수 없습니다. 전자가 표적에 부딪힐 때 X선은 두 가지 다른 원자 과정에 의해 만들어집니다.

  1. 특성 X선 방출(X-ray electroluminescence): 전자가 충분한 에너지를 가지고 있으면 표적 원자의 내부 전자 껍질에서 궤도 전자를 쓰러뜨릴 수 있습니다. 그 후 더 높은 에너지 준위의 전자가 빈 자리를 채우고 X선 광자가 방출됩니다. 이 과정은 때때로 스펙트럼 라인이라고 불리는 몇 개의 개별 주파수에서 X선의 방출 스펙트럼을 생성합니다. 일반적으로 이것들은 상부 껍질에서 K 껍질로(K 라인이라고 함), L 껍질로(L 라인이라고 함) 등으로 전환됩니다. 전이가 2p에서 1s로 진행되면 Kα라고 하고, 3p에서 1s로 진행되면 Kβ라고 합니다. 이러한 선의 주파수는 대상의 재료에 따라 다르므로 특성 선이라고 합니다. Kα 라인은 일반적으로 Kβ 라인보다 더 큰 강도를 가지며 회절 실험에서 더 바람직합니다. 따라서 Kβ 라인은 필터에 의해 걸러집니다. 필터는 일반적으로 양극 재료보다 하나의 양성자가 적은 금속으로 제조됩니다(예를 들어, Cu 양극용 Ni 필터 또는 Mo 양극용 Nb 필터).
  2. 브렘스트랄룽: 이것은 전자가 핵 근처의 강한 전기장에 의해 산란되면서 방출되는 방사선입니다. 이 X선은 연속적인 스펙트럼을 가지고 있습니다. 브렘스트랄룽의 주파수는 입사하는 전자의 에너지에 의해 제한됩니다.

따라서 튜브의 결과 출력은 튜브 전압에서 0으로 떨어지는 연속 브렘스트랄룽 스펙트럼과 특성 라인에서 여러 스파이크로 구성됩니다. 진단용 X-선 튜브에 사용되는 전압은 약 20 kV에서 150 kV 사이이며, 따라서 X-선 광자의 최고 에너지는 약 20 kV에서 150 kV 사이입니다.[86]

이 두 가지 X선 생산 과정 모두 비효율적이어서 튜브가 사용하는 전기 에너지의 약 1%만 X선으로 변환되므로 튜브가 소비하는 전력의 대부분은 폐열로 방출됩니다. 사용 가능한 X선 플럭스를 생성할 때 X선 튜브는 과도한 열을 방출하도록 설계되어야 합니다.

연구에서 널리 사용되고 있는 X선의 전문 공급원은 입자 가속기에 의해 생성되는 싱크로트론 방사선입니다. X선 튜브보다 몇 배나 큰 X선 출력, 넓은 X선 스펙트럼, 우수한 시준선형 편광이 독특한 특징입니다.[87]

에너지가 15keV에서 최대치를 기록하는 짧은 나노초 단위의 X선 버스트는 압력에 민감한 접착 테이프를 적당한 진공에서 뒷면에서 박리함으로써 안정적으로 생성될 수 있습니다. 이는 마찰전기 충전에 의해 생성된 전하가 재결합된 결과일 가능성이 높습니다. X선 트리볼 발광의 강도는 X선 영상의 소스로 사용하기에 충분합니다.[88]

빠른 양이온에 의한 생산

X선은 또한 빠른 양성자나 다른 양이온에 의해 생성될 수 있습니다. 양성자 유도 X선 방출 또는 입자 유도 X선 방출은 분석 절차로 널리 사용됩니다. 높은 에너지의 경우 생산 단면ZZ122−4 비례하며, 여기서 Z1 이온의 원자 번호, Z2 표적 원자의 원자 번호를 나타냅니다.[89] 이러한 단면에 대한 개요는 동일한 참고 문헌에 나와 있습니다.

낙뢰 및 실험실 배출물 생산

X선은 지상 감마선 섬광에 수반되는 번개에서도 생성됩니다. 기본 메커니즘은 번개와 관련된 전기장에서 전자의 가속과 브렘스트랄룽을 통한 광자의 후속 생성입니다.[90] 이것은 몇 keV와 수십 MeV의 에너지를 가진 광자를 생성합니다.[91] 약 1미터 길이의 갭 크기와 1 MV의 피크 전압을 갖는 실험실 방전에서는 160 keV의 특성 에너지를 갖는 X선이 관찰됩니다.[92] 가능한 설명은 두 스트리머의 만남과 고에너지 도망 전자의 생성입니다.[93] 그러나 미시적 시뮬레이션은 두 스트리머 사이의 전기장 향상 기간이 너무 짧아서 상당한 수의 도망 전자를 생성할 수 없다는 것을 보여주었습니다.[94] 최근 스트리머 주변의 공기 섭동이 도망가는 전자의 생성과 이에 따른 방전에서 나오는 X선의 생성을 촉진할 수 있다고 제안되었습니다.[95][96]

탐지기

X선 검출기는 용도에 따라 모양과 기능이 다양합니다. 방사선 촬영에 사용되는 것과 같은 영상 검출기는 원래 사진 플레이트와 나중에 사진 필름을 기반으로 했지만, 현재는 대부분 영상 플레이트평판 검출기와 같은 다양한 디지털 검출기 유형으로 대체되고 있습니다. 방사선 방호를 위해 직접 노출 위험은 종종 이온화 챔버를 사용하여 평가되지만 선량계는 피폭된 방사선량을 측정하는 데 사용됩니다. X선 스펙트럼은 에너지 분산 또는 파장 분산 분광계에 의해 측정될 수 있습니다. X선 결정학과 같은 X선 회절 응용 분야에는 하이브리드 광자 계수 검출기가 널리 사용됩니다.[97]

의료용

병원 방사선실에서 X선 검사를 받는 환자
히아타탈 탈장을 보여주는 여성 환자의 흉부 방사선 사진입니다.

X선이 뼈 구조를 식별할 수 있다는 뢴트겐의 발견 이후 X선은 의료 영상에 사용되고 있습니다.[98] 그 주제에 대한 논문이 발표된 지 한 달도 안 되어 첫 의료 이용이 이루어졌습니다.[34] 2010년까지 전 세계적으로 50억 건의 의료 영상 검사가 진행되었습니다.[99] 2006년 의료 영상의 방사선 피폭은 미국 전체 이온화 방사선 피폭의 약 50%를 차지했습니다.[100]

투영 방사선 사진

오른쪽 무릎의 단순 방사선 사진

투영 방사선 촬영은 X선 방사선을 이용하여 2차원 영상을 제작하는 행위입니다. 뼈에는 고농도의 칼슘이 함유되어 있는데, 상대적으로 원자번호가 높기 때문에 X선을 효율적으로 흡수합니다. 이렇게 하면 뼈의 그늘에서 검출기에 도달하는 X선의 양이 줄어 방사선 사진에서 명확하게 볼 수 있습니다. 폐와 갇힌 가스도 티슈에 비해 흡수력이 떨어지기 때문에 뚜렷하게 나타나는 반면, 티슈 종류 간의 차이는 더 잘 보이지 않습니다.

투영 방사선 사진은 골격계병리를 감지할 뿐만 아니라 연조직의 일부 질병 과정을 감지하는 데 유용합니다. 몇 가지 주목할 만한 예로는 폐렴, 폐암 또는 폐부종과 같은 폐 질환을 식별하는 데 사용할 수 있는 매우 일반적인 흉부 X선과 장(또는 장) 폐쇄, 유리 공기(내장 천공) 및 유리 유체(복수 내)를 감지할 수 있는 복부 X선이 있습니다. X선은 종종(항상은 아니지만) 보이는 담석(방사선 불투과성이 거의 없는) 또는 신장 결석과 같은 병리를 감지하는 데 사용될 수도 있습니다. 전통적인 플레인 엑스레이는 뇌나 근육과 같은 연조직의 영상 촬영에 덜 유용합니다. 투영 방사선 사진이 광범위하게 사용되는 한 분야는 무릎, 엉덩이 또는 어깨 치환술과 같은 정형외과 임플란트가 주변 뼈에 대해 신체에 어떻게 위치하는지를 평가하는 것입니다. 이는 일반 방사선 사진에서 2차원으로 평가할 수도 있고, '2D~3D 등록'이라는 기법을 사용할 경우 3차원으로 평가할 수도 있습니다. 이 기술은 일반 방사선 사진에서 임플란트 위치를 평가하는 것과 관련된 투영 오류를 무효화하는 것으로 알려져 있습니다.[101]

치과 방사선 촬영은 충치와 같은 일반적인 구강 문제의 진단에 일반적으로 사용됩니다.

의료 진단 애플리케이션에서 낮은 에너지(소프트) 엑스레이는 영상에 기여하지 않고 방사선량을 증가시키기 때문에 원하지 않습니다. 따라서 종종 X선 필터라고 불리는 알루미늄으로 이루어진 얇은 금속 시트가 일반적으로 X선 튜브의 창 위에 놓여 스펙트럼에서 낮은 에너지 부분을 흡수합니다. 이것은 스펙트럼의 중심을 더 높은 에너지(또는 더 단단한) X선으로 이동시키기 때문에 을 경화시키는 것이라고 불립니다.

동맥 및 정맥(혈관 조영술)을 포함한 심혈관 시스템의 영상을 생성하기 위해 해부학적 관심 영역의 초기 영상이 촬영됩니다. 그런 다음 이 영역 내의 혈관에 요오드화 조영제가 주입된 후 동일한 영역에서 두 번째 영상이 촬영됩니다. 그런 다음 이 두 영상이 디지털 방식으로 차감되어 혈관이 윤곽을 나타내는 요오드화 조영제의 영상만 남깁니다. 그런 다음 방사선 전문의 또는 외과 의사는 얻은 영상을 정상 해부학적 영상과 비교하여 혈관의 손상이나 막힘이 있는지 여부를 판단합니다.

컴퓨터단층촬영

Head CT 스캔(횡단면) 슬라이스 – 의료 방사선 촬영의 현대적 응용

컴퓨터 단층 촬영(CT 스캐닝)은 다양한 방향으로 촬영된 대규모 2차원 X선 영상 시리즈에서 단층 영상 또는 신체의 특정 영역의 슬라이스를 얻는 의료 영상 촬영 방식입니다.[102] 이러한 단면 이미지는 신체 내부의 3차원 이미지로 결합되어 다양한 의학 분야에서 진단 및 치료 목적으로 사용될 수 있습니다.

투시 진단

투시 진단은 의사방사선 치료사가 투시 진단을 사용하여 환자의 내부 구조에 대한 실시간 움직이는 영상을 얻기 위해 일반적으로 사용하는 영상 기술입니다. 형광 투시기는 가장 간단한 형태로 X선 소스와 형광 스크린으로 구성되며 그 사이에 환자가 배치됩니다. 그러나 현대 형광 투시기는 화면을 X선 이미지 강화기와 CCD 비디오 카메라에 결합하여 모니터에서 이미지를 기록하고 재생할 수 있습니다. 이 방법은 조영제를 사용할 수 있습니다. 예를 들어 심장 카테터 삽입(관상동맥 막힘 검사) 및 바륨 스왈로우(식도 장애 및 연하 장애 검사)가 있습니다.

방사선 치료

X선을 치료제로 사용하는 것은 방사선 치료법으로 알려져 있으며, 주로 의 관리(완화 포함)에 사용됩니다. 영상 촬영에만 사용되는 것보다 더 높은 방사선량이 필요합니다. X-선 빔은 낮은 에너지의 X-선 빔을 사용하여 피부암을 치료하는 데 사용되며, 높은 에너지의 빔은 뇌, 폐, 전립선, 유방과 같은 신체 내의 암을 치료하는 데 사용됩니다.[103][104]

부작용

임산부의 복부 방사선 사진

엑스레이는 이온화 방사선의 한 형태로, 세계보건기구 국제암연구소와 미국 정부 모두에서 발암물질로 분류됩니다.[99][105] 진단 X선(주로 사용되는 선량이 크기 때문에 CT 스캔에서 나오는)은 노출된 사람들의 발달 문제와 의 위험을 증가시킵니다.[106][107][108] 현재 미국 암의 0.4%는 과거에 시행된 컴퓨터 단층 촬영(CT 스캔)에 의한 것으로 추정되며, 2007년 CT 사용률이 1.5-2%까지 증가할 수 있습니다.[109]

실험 및 역학 데이터는 현재 암 위험이 증가하지 않는 임계 방사선량이 아래에 있다는 명제를 지지하지 않습니다.[110] 그러나, 이것은 점점 더 의심을 받고 있습니다.[111] 암 위험은 1100mGy의 노출에서 시작할 수 있습니다.[112] 진단용 엑스레이의 추가 방사선은 75세까지 평균적으로 암에 걸릴 확률을 0.6~3.0%[113] 증가시킬 것으로 추정됩니다. 흡수되는 방사선의 양은 X선 검사의 종류와 관련된 신체 부위에 따라 다릅니다.[109] CT 및 투시 진단은 일반 X선보다 더 많은 방사선량을 수반합니다.

위험성을 높이기 위해 일반 흉부 X선은 사람들이 (장소에 따라) 10일에 걸쳐 매일 노출되는 배경 방사선에서 사람을 동일한 양으로 노출시키는 반면 치과용 X선에서 노출되는 것은 환경 배경 방사선의 약 1일에 해당합니다.[114] 각각의 X선은 평생 암 위험을 1,000,000분의 1 미만으로 증가시킵니다. 복부 또는 흉부 CT는 전신에 대한 2-3년의 배경 방사선 또는 복부 또는 흉부에 대한 4-5년의 배경 방사선에 해당하므로 평생 암 위험은 1,000분의 1에서 10,000분의 1 사이로 증가합니다.[114] 이는 미국 시민이 평생 암에 걸릴 확률이 약 40%인 것과 비교됩니다.[115] 예를 들어, 흉부 CT 스캔에서 몸통에 대한 유효 선량은 약 5mSv이고 흡수된 선량은 약 14mGy입니다.[116] 조영제를 사용하고 사용하지 않고 한 번 수행하는 헤드 CT 스캔(1.5mSv, 64mGy)[117]은 헤드에 대한 배경 방사선의 40년에 해당합니다. CT로 인한 유효 선량의 정확한 추정은 사용된 방법에 따라 성인 머리 스캔의 추정 불확실성 범위가 약 ±19%에서 ±32%로 어렵습니다.[118]

방사선의 위험은 태아에게 더 크므로 임신한 환자의 경우 조사(X-ray)의 이점을 태아의 잠재적 위험과 균형을 이루어야 합니다.[119][120] 9개월 안에 스캔이 1개가 되면 태아에게 해로울 수 있습니다.[121] 따라서 임신한 여성은 방사선을 사용하지 않기 때문에 초음파를 진단 영상으로 받습니다.[121] 방사선 피폭량이 너무 많으면 태아나 산모의 생식기관에 유해한 영향을 미칠 수 있습니다.[121] 미국에서는 어린이를 대상으로 400만 명 이상을 포함하여 연간 6,200만 건의 CT 스캔이 수행되는 것으로 추정됩니다.[109] 불필요한 X선(특히 CT 스캔)을 피하면 방사선량 및 관련 암 위험이 감소합니다.[122]

의료용 엑스레이는 인간이 만든 방사선 노출의 중요한 원천입니다. 1987년, 그들은 미국에서 인간이 만든 소스에서 노출된 것의 58%를 차지했습니다. 인간이 만든 소스는 전체 방사선 피폭의 18%에 불과했고, 대부분이 자연적인 소스(82%)에서 나왔기 때문에 의료용 엑스레이는 미국 전체 방사선 피폭의 10%에 불과했고, 의료 절차(핵의학 포함)는 전체 방사선 피폭의 14%를 차지했습니다. 그러나 2006년까지 미국의 의료 절차는 1980년대 초의 경우보다 훨씬 더 많은 이온화 방사선을 제공하고 있었습니다. 2006년에 의료 피폭은 모든 출처에서 미국 인구의 총 방사선 피폭의 거의 절반을 차지했습니다. 그 증가는 의료 영상 시술, 특히 컴퓨터 단층 촬영(CT)의 사용 증가와 핵의학의 사용 증가로 추적할 수 있습니다.[100][123]

영국 버밍엄 치과 병원의 엑스레이 보호창. 제조사 스티커에는 150Kv의 납 2.24mm에 해당한다고 명시되어 있습니다.

치과용 엑스레이로 인한 복용량은 시술 및 기술(필름 또는 디지털)에 따라 크게 다릅니다. 시술과 기술에 따라 사람의 치아 엑스레이를 한 번 촬영하면 0.5~4mmrem의 노출이 발생합니다. X-선의 입 전체 시리즈는 최대 6(디지털)에서 18(필름) mrem까지, 연간 평균 최대 40 mrem까지 노출될 수 있습니다.[124][125][126][127][128][129][130]

재정적 인센티브는 X선 사용에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 의사들은 X선을 더 많이 제공할 때마다 별도의 비용을 지불합니다.[131]

이미징 응용을 위한 X선의 잠재적인 대안으로 초기 광자 단층 촬영 또는 EPT[132](2015년 기준)가[133] 연구되고 있습니다.

기타용도

X선의 다른 주목할 만한 용도는 다음과 같습니다.

이 회절 패턴에서 반사라고 불리는 각각의 점은 결정을 통과하는 산란된 X선의 보강 간섭으로부터 형성됩니다. 데이터는 결정 구조를 결정하는 데 사용할 수 있습니다.
  • X-선 결정학은 결정 내 원자들의 격자를 통해 X-선의 회절에 의해 만들어지는 패턴을 기록한 다음, 그 격자의 성질을 밝히기 위해 분석하는 것입니다. 로잘린드 프랭클린은 이와 관련된 기술인 섬유 회절을 이용하여 DNA이중 나선 구조를 발견했습니다.[134]
  • 천체의 X선 방출에 대한 연구를 다루는 천문학의 관측 분야인 X선 천문학.
  • X-선 현미경 분석 - 부드러운 X-선 대역의 전자기 방사선을 사용하여 매우 작은 물체의 이미지를 생성합니다.
  • X-ray 형광, X-ray를 검체 내에서 생성하여 검출하는 기술 X선의 방출 에너지는 샘플의 구성을 식별하는 데 사용될 수 있습니다.
  • 산업 방사선 촬영은 산업 부품, 특히 용접부의 검사를 위해 X선을 사용합니다.
  • 문화적 대상의 방사선 촬영, 그림의 X선을 통해 그림의 밑그림, 그림의 과정이나 나중에 복원자에 의한 오점 변화, 때로는 지지대에 대한 이전 그림을 드러냅니다. 납백과 같은 많은 색소들이 방사선 사진에서 잘 보입니다.
  • X-선 분광법은 그림에서 색소의 반응을 분석하는 데 사용되었습니다. 예를 들어, 반 고흐 그림의 색 저하를 분석할 때.[135]
검사 및 품질 관리를 위한 X-ray 사용: 다이 및 본드 와이어의 구조 차이로 인해 왼쪽 칩이 위조된 것으로 드러납니다.[136]
  • 포장 품목의 인증 및 품질 관리.
  • 산업용 CT(Computed Tomography)는 X선 장비를 사용하여 외부 및 내부 구성 요소의 3차원 표현을 생성하는 프로세스입니다. 이는 스캔된 객체의 프로젝션 이미지를 여러 방향으로 컴퓨터 처리하여 수행됩니다.
  • 공항 보안 수하물 스캐너는 항공기에 싣기 전에 수하물 내부에 보안 위협이 있는지 검사하는 데 X선을 사용합니다.
  • 국경 통제 트럭 스캐너와 국내 경찰 부서는 트럭 내부를 검사하기 위해 X선을 사용합니다.
피터 대즐리바늘귀 엑스레이 파인 아트 사진
  • X-ray 아트와 미술 사진, X-ray의 예술적 사용, 예를 들어 Stane Jagodich의 작품.
  • 1920년대에 인기를 끌었지만 지금은 FDA에 의해 금지된 방법인 X-ray 제모.[137]
  • 신발에 맞는 투시기는 1920년대에 대중화되었고, 1960년대에는 미국에서, 1970년대에는 영국에서, 이후에는 유럽 대륙에서 금지되었습니다.
  • 뢴트겐 입체사진법은 마커의 이식을 기반으로 뼈의 움직임을 추적하는 데 사용됩니다.
  • X선 광전자 분광법광전 효과에 의존하는 화학 분석 기술로, 일반적으로 표면 과학에 사용됩니다.
  • 방사선 내폭은 핵분열 폭발(A-bom)에서 발생하는 고에너지 X-선을 이용하여 핵연료를 핵융합 점화(H-bom)할 정도로 압축하는 것입니다.

가시성

일반적으로 인간의 눈에는 보이지 않는 것으로 여겨지지만, 특별한 상황에서는 X선을 볼 수 있습니다. 브란데스는 1895년 뢴트겐의 획기적인 논문 직후에 한 실험에서 눈을 X선 튜브에 가까이 대고 어두운 적응을 한 후 눈 자체에서 발생하는 것처럼 보이는 희미한 "청회색" 광채를 보고했습니다.[138] 이 말을 들은 뢴트겐은 자신의 기록책을 검토한 결과 자신도 그 효과를 봤음을 알게 되었습니다. 뢴트겐은 나무로 된 문의 반대편에 X선 튜브를 놓았을 때 눈 자체에서 나오는 것처럼 보이는 같은 푸른 빛을 주목했지만, 한 종류의 튜브를 사용했을 때만 그 효과를 보았기 때문에 그의 관찰이 거짓이라고 생각했습니다. 나중에 그는 효과를 만들어낸 관이 빛을 선명하게 볼 수 있을 정도로 강력한 유일한 것이라는 것을 깨달았고 그 후 실험은 쉽게 반복될 수 있었습니다. X-선이 실제로 어두운 곳에 적응한 육안으로 희미하게 보인다는 사실은 오늘날 대부분 잊혀졌습니다. 이것은 아마도 이제 무모하게 위험하고 잠재적으로 해로운 전리방사선 실험으로 여겨질 것을 반복하지 않기를 바라는 마음 때문일 것입니다. 눈에서 어떤 메커니즘이 가시성을 만들어 내는지는 알려져 있지 않습니다. 기존의 감지(망막에서 로돕신 분자의 여기), 망막 신경 세포의 직접적인 여기 또는 예를 들어, 2차 감지에 의한 것일 수 있습니다. 종래의 망막 검출에 의한 안구 내 인광의 X선 유도 2차 생성된 가시광선.

X-선은 보이지 않지만, X-선 빔의 세기가 충분히 높으면 공기 분자의 이온화를 볼 수 있습니다. 유럽 싱크로트론 방사선 시설[139] 위글러에서 나오는 빔라인은 그러한 높은 강도의 한 예입니다.[140]

측정단위 및 노출량

X선 이온화 능력을 측정하는 것을 노광이라고 합니다.

  • 킬로그램당 쿨롱(C/kg)은 이온화 방사선 피폭의 SI 단위이며, 물질 1킬로그램에 각 극성의 전하 1쿨롱을 만드는 데 필요한 방사선량입니다.
  • 뢴트겐(R)은 1입방 센티미터의 건조한 공기에서 각 극성의 전하 단위를 하나 만드는 데 필요한 방사선의 양을 나타내는 구식의 전통적인 노출 단위입니다. 1 뢴트겐 = 2.58×10 C/kg.

그러나 이온화 방사선이 물질(특히 살아있는 조직)에 미치는 영향은 생성된 전하보다는 물질에 축적된 에너지의 양과 더 밀접한 관련이 있습니다. 이렇게 흡수된 에너지의 측정값을 흡수 선량이라고 합니다.

  • 회색(Gy)은 흡수된 선량의 SI 단위이며, 어떤 종류의 물질이든 1킬로그램1줄의 에너지를 축적하는 데 필요한 방사선량입니다.
  • rad는 (낡은) 전통적인 단위로, kg당 10밀리줄의 에너지가 축적된 것과 같습니다. 100 rad = 1 gray.

등가선량은 방사선이 인체 조직에 미치는 생물학적 영향을 측정한 것입니다. X선의 경우 흡수된 선량과 동일합니다.

  • 뢴트겐 등가 남성(rem)은 전통적인 등가 선량 단위입니다. X선의 경우 rad, 즉 kg당 10밀리줄의 에너지가 축적된 것과 같습니다. 100 rem = 1 Sv.
  • 시버트(Sv)는 동등한 선량과 유효 선량의 SI 단위입니다. X선의 경우 "equivalent 선량"은 수치상 회색(Gy)과 같습니다. 1 Sv = 1 Gy. X선의 "유효 선량"의 경우 일반적으로 회색(Gy)과 동일하지 않습니다.
이온화 방사선 관련량
구성 단위 기호. 파생 연도 SI등가
활동(A) 겁이 많은 Bq s−1 1974 SI단위
큐리 3.7 × 10초10−1 1953 3.7×1010 Bq
러더퍼드 Rd 10초6−1 1946 1,000,000 Bq
노출(X) 킬로그램당 쿨롱 C/kg C ⋅공기kg 1974 SI단위
뢴트겐 R esu / 0.001293 g of air 1928 2.58 × 10−4 C/kg
흡수선량(D) 회색의 자이 J kg 1974 SI단위
그램당 erg erg/g erg ⋅ g 1950 1.0 × 10−4 Gy
래드 래드 100 erg ⋅g 1953 0.010 Gy
등가선량(H) 체로 치다 Sv J⋅kg×W 1977 SI단위
뢴트겐 동족 100 erg ⋅ g × W 1971 0.010 Sv
유효용량(E) 체로 치다 Sv Jkg×W×W 1977 SI단위
뢴트겐 동족 100 erg ⋅ g × W × W 1971 0.010 Sv

참고 항목

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