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생체자기 계측

인체의 근육이나 신경조직에서 세포의 활동에 의한 이온전류가 발생하는 데, 이러한 활동전류에 의해 발생된 자장을 생체자기라 한다. 생체자기는 시간에 따라 끊임없이 변하므로 SQUID의 좋은 측정 대상이다. 이 신호들은 아주 미약한데, 수 fT(뇌)로부터 50,000 fT(심장)로 다양하다. SQUID가 개발되기 전에 이 신호들은 지자기, 자동차, 에레베이터 등 커다란 외부잡음에 묻혀 측정 할 수가 없었다. 1969년 MIT의 연구진이 자기차폐실내에서 point contact형 SQUID를 이용하여 최초로 심장의 자기신호를 측정한 이래, 현재는 간질의 임상진단에 사용하는 수준까지 생체자기 계측기술은 꾸준히 발전하여 왔다.

뇌자도

뇌의 대뇌피질에는 100 억 개 이상의 신경세포가 있으며 이들은 약 1014개의 신경섬유에 의해 연결되어 신경망을 형성하고 있다. 만약 어느 한곳에 활동전류가 발생되면 주변에 있는 수 천 개의 신경세포에도 거의 동시에 전류가 흐르게 되고, 이는 매우 작은 크기의 전기 dipole로 작용한다. 만일 dipole이 뇌의 구형표면에 평행하게 위치해 있다면, 이 dipole은 외부로 자장을 발생한다.

넓은 부위의 자장분포를 동시에 측정하기 위해서는 여러 개의 SQUID센서를 동시에 작동시켜 측정하는 다채널 시스템이 필요한데, 사용목적에 따라 19∼150 채널 측정장치가 사용된다. 선진국의 경우 20 여 년 전부터 대학, 연구소 등에서 뇌자도 시스템을 개발하기 시작하여 현재는 미국 센디에고의 4-D NeuroImaging(이전에는 핀란드의 Neuromag과 미국의 BTi), 캐나다의 CTF, 일본 카나자와 대학과 연계된 Yokogawa 및 Eagle Technologies, 이탈리아의 AtB 에서 상품으로 판매하기 시작하는 상황이다. 100채널급의 경우 대당 판매가격이 200만불(차폐실 포함)정도로 고가이지만, 간질수술의 경우 질환부위를 수 mm 이내로 찾아내어 수술의 정확도를 높여 주기 때문에 미국의 100 여 개 보험회사에서 보험혜택을 주고 있다. 우리 나라의 경우 한국표준과학연구원 초전도그룹에서 10 여 년 전부터 Nb SQUID센서를 개발하기 시작하여 선진국 수준의 3 fT/√Hz급 감도를 지닌 센서제작기술을 확보하고, 평면형 40채널급과 곡면형 37채널급 뇌자도시스템을 개발하였다. 이 장치들은 Nb SQUID센서 외에도 그림2의 (a)와 같은 공간분해능을 고려한 Insert, 저잡음 구동회로 등으로 구성되어 있다. 외부의 자기잡음의 영향을 줄이기 위하여 μ-metal과 Al으로 구성된 자기차폐실에서 뇌자도를 측정하는 데, 뇌의 청각유발 신호측정, 한의학적 연구 등을 수행하고 있으며 향후 간질 spike의 진단에 이용할 계획이다.

뇌자도 다음으로 많은 연구가 이루어지고 있는 분야가 심장에서 발생하는 자기신호를 측정하는 심자도분야이다. 심장의 규칙적인 박동은 동결절이라 불리는 pacemaker에서 발생한 전류가 심방과 심실사이에 있는 방실결절에 모아졌다가 His Purkinje시스템이라는 전기통로를 따라 심실로 전해져 심장이 수축과 이완을 계속하게 한다. 이 전기신호가 이상을 일으키게 되면 중대한 심장질환을 야기하게 되는 데, 예를 들면 전기신호가 정상이 아닌 통로를 따라 빨리 도착하게 되면 심실이 정상보다 빨리 수축하는 등 부정맥이 생기게 된다.

심자도 측정기술은 이러한 심장전류의 흐름으로 발생하는 수십 pT 크기의 자장을 비접촉적인 방법으로 측정하는 기술이다. 현재 병원에서 널리 사용되는 심전도계는 심장주위의 전위차를 직접 측정하여 판단하게 하는 데, 뇌파 측정의 경우처럼 왜곡된 신호를 측정할 수 있으므로 심장의 기능을 정밀하게 진단하는 데는 한계가 있다. 이에 비하여 SQUID를 이용한 심자도측정은 왜곡되지 않은 자기신호로부터 심장활동전류의 위치, 시간 등을 정확히 측정하여 심장기능의 이상유무 및 부정맥의 발생위치 까지 판별할 수 있다. 유럽에서 발표된 자료에 의하면 서방 세계에서만 1년에 600만 명이 심장관련 질환으로 사망하는 것으로 보고되고 있다. 그러나 기존의 심전도측정만으로는 심장돌연사의 예측, 부정맥의 발생위치 추정 등에 한계가 있으므로, SQUID를 이용한 심자도 측정기술이 각광을 받고 있다. 현재 저온초전도 SQUID를 이용한 심자도측정장치가 4-D NeuroImaging의 다채널 장치, 일본의 Eagle Technology의 31채널 장치, 미국의 CMI의 9채널 장치, 이탈리아의 AtB, 독일 SQUID AG의 1채널장치가 시판되고 있다.

뇌자도에 비해 심자도의 신호는 수백 배 이상 크기 때문에 35 fT/√Hz의 잡음 수준을 가진 고온초전도 SQUID로도 측정이 가능하다. 독일의 Forschungszentrum Juelich(FZJ)의 ISG에서는 200 Hz에서 35∼40 fT/√Hz의 RF SQUID와 electronic gradiometer를 이용하여 정상인과 부정맥환자의 심자도를 측정했으며, 측정값의 정확도 검증을 위하여 PTB의 37채널 저온SQUID시스템과 비교하였다. 일본의 SSL에서는 4, 16, 32 채널 심자도 측정장치를 개발한 바 있다. 5 mm washer형 DC SQUID를 사용했는데, 1 kHz에서 70∼250 fT/√Hz, 1 Hz에서 300∼800 fT/√Hz의 잡음수준을 지니고 있다.

비차폐환경에서 사용할 수 있는 고온초전도 심자도측정 장치개발도 많이 연구되고 있는 데, 독일의 필립스에서는 70 fT/√Hz의 9채널 direct-coupled DC SQUID magnetometer를 제작하여 심자도를 측정하였으며, 네델란드의 Twente대학에서도 유사한 7채널 시스템으로 심자도를 측정하였다.

태아의 심장기능 진찰을 위한 태아심자도 측정분야가 새롭게 부상하고 있는 데, 임신 7∼8 개월부터는 태아가 모태로부터 전기적으로 절연상태가 되기 때문에 기존의 심전도로는 측정하기가 힘들다. 그러나 인체는 자기신호에 대하여 투명하기 때문에 Nb SQUID로 태아의 심장신호를 측정하여 태아의 부정맥 등 심장기능의 이상여부를 측정할 수 있다.

국내의 경우 LG전자기술원에서 YBCO SQUID를 이용하여 심자도신호를 관측했으며, 한국표준과학연구원에서는 7채널과 16채널 심자도 측정장치를 개발하였다. 한국표준과학연구원에서는 30°bicrystal SrTiO3기판에 direct-coupled DC SQUID magnetometer를 사용하여 심자도를 측정하고 있으며, 향후 비차폐환경에서 일반의사들이 간편히 사용할 수 있도록 기술을 개발하고 있다.

기타

말초신경의 전기신호는 전기신경도(Electro Neurography)로 측정하는 데, 표피섬유가 절연체이기 때문에 전극침을 사용하여 측정한다. SQUID의 경우 자기신호가 섬유에 의해 왜곡되지 않기 때문에 비파괴적인 진단기술이 될 수 있으며 특히 피부 깊숙한 부위의 신경활동 관찰에 아주 효과적이다. 이 신호들은 아주 미세하기 때문에 자기차폐실내에서 10 fT/√Hz급의 magnetometer를 이용하여 측정한다.

소화기내에서 영양분의 변천과정, 알약 혹은 캡슐이 녹고 약이 분해되는 위치 등을 알기위해서도 SQUID가 이용된다. 자기표적물을 보호막으로 싸고 소화기관내를 지나게 하면서 SQUID로 위치를 추적한다. 분해연구를 위해서 대상 의약품에 자화가 가능한 나노입자를 부착하고 추적한다.

간장과 관련된 지중성 빈혈과 철분과다 축적연구를 위하여 생체간장의 자화율 측정에도 SQUID가 이용되고 있다. 간 혹은 비장의 자화율은 인체에 자장을 가하고 magnetometer를 이용하여 측정한다. 간의 자화율은 간의 철분농도를 정량적으로 측정할 수 있고, 철분과다 환자의 상태를 진단하는 데 유효하게 쓰이고 있다. 이러한 목적으로 미국의 Tristan Technologies Inc.에서는 SQUID 측정장치를 상용화하였다.

비파괴평가

SQUID의 미세자기 검출능력은 기존의 비파괴검사 장비로는 탐지가 불가능했던 금속내부 깊은 곳에서 발생한 미세균열이나 재료의 열화에 따른 피로결함, 금속의 부식 감지 등에 응용도 가능하게 하고 있다. 기존의 비파괴 검사법에 사용되는 와전류, 초음파, X-ray 등은 측정대상물이 여러 겹으로 되어 있거나, 내부의 깊숙한 위치에서 발생한 결함은 측정할 수가 없었다.

SQUID는 낮은 주파수에서 뛰어난 감도를 지니고 있어 여러 층으로 된 구조물이나 재료의 깊은 곳에서 발생한 결함도 찾을 수 있다. SQUID를 이용한 비파괴평가는 측정대상물에 전류를 직접 흘리거나, 자장을 가하여 결함 주위에서 이상전류에 의해 발생한 자장을 분석하거나, 혹은 비자성재료에 자성성분의 불순물이 포함되어 있는 경우, 불순물로부터 발생하는 미세자장 등을 감지하여 분석하는 기술이다. 주요 측정대상은 항공기의 날개 및 동체의 리벳팅 주변, 바퀴드럼의 미세균열이나 부식발생여부, 원자로나 교량의 철판에 스트레스 혹은 미세균열 탐지, IC회로 혹은 모듈에서 결함 등 피해발생시 경제적 손실 또는 인명피해가 큰 분야이다.

항공기의 결함탐지

미국, 유럽 여러 국가의 항공산업의 역사가 오래됨에 따라 운항중인 항공기의 피로누적, 스트레스 증가 등으로 눈에 보이지 않는 부분에서 결함발생이 염려된다. 항공기의 경우 운항중 사고가 발생하면 수 많은 인명피해로 직결되기 때문에 무엇보다도 초기단계에서 결함발견이 중요하다. 항공기의 날개와 동체는 7075-T651이라는 Al으로 3∼5층의 랩 조인트 구조로 되어있다. 이들은 리벳으로 연결되어 있는데 그 주변에서 미세균열 혹은 부식이 발생되어 큰 피해로 이어질 수 있다. 이를 사전에 방지하기 위하여 많은 비파괴검사가 이루어 지고 있는 데, 초음파탐사법의 경우 겹층이 밀봉이나 접착이 잘 되어 있지 않으면, 2층이나 3층 이하로 초음파신호가 들어가지 못한다. 와전류탐사법의 경우 내부 1cm 깊이의 결함을 찾으려면 100 Hz 정도의 신호를 보내고 결함신호를 수신해야 되는 데, 검출코일의 감도가 급격히 떨어져서 분석이 어렵다.

미국의 Vanderbilt대학팀은 4개의 pick-up코일과 1.5 mm Dewar바닥을 가진 고분해능 장치를 이용하여 비행기의 랩조인트 내부의 미세균열과 부식활동을 탐지하는 기술을 개발하고 있다. 이들은 그림10에서 보는바와 같이 sheet inducer를 이용하여 170 Hz의 와전류를 작동시켜 8mm 깊이에 있는 결함을 SQUID magnetometer를 이용하여 이미지화 시켜 탐색에 성공하였다. 미국 SQM tech사는 휴대용 냉동기가 부착된 고온초전도 SQUID scanner를 개발하여 C-141수송기의 날개의 결함을 검사하는 기술을 개발하고 있다. 독일의 Juelich의 ISI그룹에서는 루프트한자 항공사와 공동으로 비행기 날개와 동체의 내부 결함을 탐지하는 기술을 개발하고 있다. 이들은 고온초전도 RF SQUID를 이동할 수 있는 질소 Dewar에 넣어, 항공기 동체의 리벳부분을 주사시키면서 결함을 탐지하고 있다.