핵의 자기적 성질에 따른 정밀 측정 방법을 개발한 두 과학자

핵의 자기적 성질에 따른 정밀 측정 방법을 개발한 두 과학자

우리가 병원에서 자주 이용하는 MRI는 병원에서 사용되는 첨단 영상의학 장비 중의 하나입니다 MRI 장비를 사용하면 방사선 피폭없이 암과 같은 각종 질병을 빠르고 정확하게 진단하게 되는데요. 하지만 MRI는 강력한 자석을 사용하기 때문에 몸안에 금속성 물질이 삽입되어 있는 환자에게는 합병증을 유발하기도 합니다. MRI 장비는 ‘핵자기 공명’이라는 생소한 물리현상을 이용하고 있는데요. 이는 원자를 구성하는 미세입자인 양성자와 중성자 그리고 전자가 가지고 있는 ‘스핀’이라는 물리적인 성질을 이용합니다. 

 

원자핵은 양성자와 중성자로 구분되며 양성자와 중성자에 의해서도 원자핵이 미세자석이 되게 되는데요. 미세자석은 외부자석이 만든 자기장을 따라서 정렬하게 됩니다. 따라서 MRI는 우리몸을 구성하는 원자의 원자책이 갖는 핵자기를 이용하여 인체의 주요 기관이나 조직의 의료영상을 얻게 됩니다. 인체는 약 60%이상이 수소로 구성되어 있어서 MRI 의료영상 촬영에 수소 원자의 핵자기가 많이 이용되지만 나트륨, 산소, 인과 같이 다른 원소들의 핵자기가 이용되기도 합니다. 

 

이러한 사실을 발전시킨 두 과학자중 한명은 펠릭스 블로흐로 그는 1905년 10월 23일 스위스 취리히에서 태어난 인물입니다. 그는 유대인의 가정에서 태어났으며 취리히 연방 공과대학교에서 공부했습니다. 그는 공학을 공부했지만 전공을 물리학으로 변경하였고 그곳에서 슈뢰딩거의 강의와 세미나에 참여하게 됩니다. 그는 1927년 졸업후 라이프치히 대학교에서 하이젠베르크와 연구를 지속하였고 1928년 박사학위를 받게 됩니다. 그의 박사 학위 논문은 전자들을 기술하는 블로흐 파를 이용하여 고체에서 양자 이론을 설립하게 됩니다. 

 

이후 그는 유럽에서 연구를 지속하였으며 1933년 나치당이 나오자 독일을 떠나 1934년 미국으로 이민하여 스탠퍼드 대학교에 근무하게 됩니다. 1938년 블로흐는 캘리포니아 대학교 버클리의 37인치 사이클로트론에서 일하며 중성자의 자기 모멘트를 결정하였습니다. 이후 그는 스탠퍼드 대학교에서 최초의 이론 물리학 교수가 되었으며 제 2차 세계대전 동안에도 하버드대학교에서 레이다 프로젝트를 참여 사임하고 로스앨러모스 연구소에서 원자력에 관한 연구를 지속하였습니다. 

 

그는 MRI의  기본 원리인 핵자기 공명에 관한 연구와 원자력 산업에 관한 연구에 집중하였으며 1946년 핵 자화의 시간에 따른 변화를 설명하는 블로흐 방정식을 제안하였습니다. 이후 그는 퍼셀과 함께 1952년 정밀한 핵 자화 측정을 위한 새로운 방법을 개발한 공로로 노벨 물리학상을 수상하게 됩니다. 에드워드 밀스 퍼셀은 1912년 8월 30일 미국 일리노이주 테일러빌에서 출생한 인물입니다.

 

그는 퍼듀 대학을 졸업하였으며 독일 칼스루헤 공과 대학에서 1년 동안 유학하였습니다. 미국으로 돌아온 그는 하버드 대학에서 공부하여 학위를 받았으며 제2차 세계대전 중에는 방열 연구소에서 도파관 회로, 마이크로 파 전자기술 등을 연구하게 됩니다. 전쟁이후 그는 하버드 대학교의 교수가 되었으며 액체나 고체 시료로 고주파 핵자기 공명 흡수법에 의하여 원자핵의 자기 능률을 측정하는 방법을 고안하여 1952년 노벨 물리학상을 받게 됩니다. 지금까지 사용되고 있는 MRI 장비 역시 그들의 연구가 없었다면 존재하지 않았을 것입니다.

 

MRI영상을 촬영하기 위해서는 환자가 장비안으로 들어가 눕고 장비안에 강력한 자석이 있어 우리몸을 구성하는 원자들의 핵자기가 자기장을 형성하며 정렬하게 됩니다. 이후 우리몸의 미세자석이 정렬되고 나면 특정 주파수를 갖는 전자기파를 우리 몸에 쏘이게 되는데요. 미세자석은 전자기파의 에너지를 흡수시키면서 N극과 S극이 전자기파의 주파수에 맞추어 회전하게 됩니다. 이렇게 미세자석 역할을 하는 원자핵이 전자기파의 에너지를 흡수하여 N극과 S극이 회전하는 현상을 ‘핵자기 공명’이라고 말합니다. 이후 일정시간이 지나 전자기파를 끄면 회전하던 미세자석이 에너지를 잃게 되면서 다시 외부자석이 만드는 자기장 방향으로 정렬되는데요.

 

이때 특정 주파수를 갖는 전자기파를 외부로 방출하게 되는데. 이 전자기파를 검출하면 우리몸속에 회전하던 미세자석의 위치와 그 밀도에 대한 정보를 알게 되는것입니다. 저 역시 초등학교때 교통사고를 당하여 병원에 한달가량 입원하게 되었습니다. 당시에 머리를 크게 다쳐서 MRI 영상을 촬영했던 기억이 납니다. 당시 머리뼈에 금이 갔다는 사실을 MRI를 통해 알게 되었고 치료이후 다시 일상생활에 문제 없이 복귀할 수 있었습니다. 이렇듯 과학은 모든 분야에 공헌하고 있다고 생각합니다.

 

저 역시 MRI촬영이 없었다면 지금 세상에 없는 사람이 되어있을 수 있습니다. 많은 과학자들의 헌신과 노력에 감사함을 가져야 한다고 생각합니다. MRI 장비는 빠르고 정확하게 암과 같은 질병을 잡아낼 수 있어서 요즘에는 거의 모든 병원에서 사용되는 대표적인 장비입니다. 2015년 기준으로 전세계에는 약 3만 5천대의 MRI장비가 보급되었는데요. MRI 장비의 수요가 늘어나면서 구입비용또한 내려갔다고 합니다. MRI 장비는 최신 과학기술의 산물로 인류의 의료에 큰 기여를 했다고 할 수 있습니다. 따라서 핵자기공명을 개발시킨 많은 과학자 분들에게도 고마움 마음을 갖었으면 좋겠습니다.