이 문서는
Screen-film radiography (X-ray) 에서 사용되는 Radiographic Film의 감광 및 현상을 설명한다 (사실 광학필름과 큰 차이 없음).
20세기 동안 표준 의료 X-ray영상의 표준이었으나,
현재는 디지털로 전환이 급격히 이루어짐.
Computed Radiography(CR)와 Digital Raidography(DR)이 대세임.
의료분야에선 오늘날에는 거의사용되지 않음.
0. Radiographic Cassette
Radiographic film은 양쪽에 intensifying screen(증감지)가 놓이고, 균일하게 접촉되고 한 방향으로만 방사선적으로 투명하게 만든 raidographic cassette 의 핵심 요소임.
다음 그림은 film을 가운데 두고 양 쪽에 intensifying screen이 놓이도록 해주는 radiographic cassette(방사선 카세트)의 개략도임:
1. Intensifying Screen
X-ray photon도 직접적으로 film을 감광시킬 수 있으나 높은 투과성으로 인해 1-2%정도만이 film에 의해 검출됨
때문에 intensifying screen을 통해 visible photon으로 바꾸고 이 visible photon으로 film을 감광시키는 방법을 주로 사용.
증감지라고 불리며,
sensitivity를 올리기 위해서는 double-emulsion film의 앞,뒤에 놓여지고(일반 X-ray),
spatial resolution을 위해선 single-emulsion file의 앞에 놓여지는 구조 (Mammography에서 주로 사용됨)로 사용됨.
- base: polyester 플라스틱 (기계적 안정성 및 film에 intensifying screen을 밀착시켜줌).
- relective layer: Phosphor에서 발생한 빛이 나가지 않도록 해줌 ($2.5 \mu m$ 두께의 magnesium oxide 또는 titanium dioxide).
- protective coating: 플라스틱 보호막 (film과 탈부탁을 여러 번 하는 과정에서 intensifying screen을 보호)
Intensifying Screen의 Phosphor 가 X-ray photon을 visible photon으로 변환함:
- phosphor(형광체)는 fluorescence(형광) 과 phosphorescence(인광) 을 통한 luminescence(발광)을 수행:
- Calcium tungstate (CaWO₄) : 1986년 그 유명한 토마슨 에디슨이 개발 ( $eta\approx 0.3$, blue light)
- 현재는 rare earth(희토류) 기반 형광체가 주로 사용됨: Gadolinium oxysulfide (Gd₂O₂S:Tb, green light), Lanthanum oxybromide (LaOBr:Tb)
- 가급적 fluorescence (형광) 이 주로 일어나는 Phosphor가 선호됨.
- X-ray 의 투과성이 크므로 높은 Z를 통한 높은 linear attenuation coefficient ($\mu$, 많은 X-ray 흡수)를 가져야하며
- detection efficiency $\eta$ 와 관련됨.
- 얼마나 많은 X-ray Photon을 정지시켜서 검출해내는지를 의미: Calcium tungstate (CaWO₄)는 0.3정도로 알려짐.
- conversion ratio (흡수된 X-ray를 visible photon으로 변환하는 효율)이 높고
- 5-20%의 conversion ratio를 가지는 일반적 intensifying screen은 50keV Photon 1개당 1,000여개의 visible photon이 생성.
- conversion ratio가 클수록 높은 speed를 가졌다고 표현: film이 노출속도가 빨라지기 때문임.
- 생성된 visible photon이 film으로 잘 전달되도록 투명해야함.
증감지의 성능은 total light output로 표현됨.
- total light output: 주어진 X-ray 에너지에서 얼마나 많은 Visible Photon이 나오는지 ($\mu$와 conversion ratio 에 의해 결정됨)
2. film의 특성.
자세한 건 Medical Imaging Singals and Systems, 2nd ed. 의 5.3.4절 참고
2-1. Speed
일반적으로 다음의 특징을 가짐:
- high speed = high contrast = 낮은 exposure latitude (허용가능한 노출범위가 좁아짐): Bone radiograpy에서 선호
- low speed = low contrast = 높은 exposure latitude (다양한 조직밀도 차이을 영상화): Chest radiography 에서 선호.
high speed film 의 경우 emulsion(감광유제)의 sensitivity가 높음: 더 적은 X-ray exposure로 충분한 latent image 형성.
- 광학 필름의 경우 ISO값이 클수록 speed가 빠름: 빠른 셔터스피드와 짧은 노출시간 촬영가능
- 이는 환자의 방사선 노출시간 감소 및 피폭 감소로 이어짐
- 하지만 영상품질은 low speed film 에 비해 떨어짐.
2-2. Film Gamma
- H&D Curve에서 선형 영역의 기울기.
- Gamma가 크다면, 보다 high contrast 이나 노출 범위가 좁아져서 낮은 exposure latitude를 가짐.
위의 그림은 매우 단순한 형태이고, 실제에 가까운 건 다음과 같음:
- a)가 가장 speed가 빠름 (Intensifying screen 을 통해 visible photon이므로 일반 high speed film을 사용)
- b)는 X-ray 필름이지만 증감지가 없기 때문에 그 다음 speed이며, 가장 큰 film gamma 를 가져서 가장 낮은 Exposure latitude를 가짐.
- c)는 증감지도 없고 일반 high speed film (visible photon용)이므로 가장 느린 speed를 보임.
3. film 을 통한 영상 형성과정 (visible photon)
다음은 film에서 감광과 현상 등의 과정을 설명한다.
3-1. Exposure : Latent Image 형성
- Photon이 silver halide crsytal (할로겐화 은 결정, AgX: 보통 AgBr) 에 흡수됨.
- AgBr (Silver bromide)가 주로 사용되나
- AgI (Silver iodine), AgCl (Silver Chloridee)도 일부 같이 사용됨 (Intensifying screen에서 청녹색 광자포획을 위해)
- 증감지(Intensifying Screen)을 통해 X-ray Photon이 visible Photon으로.
- electron이 들뜸(excited) : 전자 트랩(결정 내의 trap site)에 포획됨 .
- 포획된 electron 들로 인해 인근의 Ag⁺ 이온을 환원됨 (center of latent image형성).
- 즉, Ag⁺ 이온이 금속 은(Ag, 검은색)으로 변환.
반응식:
$$Ag^+ + e^- ;;\longrightarrow;; Ag$$
- 결과:
- 빛을 받은 부분에 소량의 Ag 클러스터가 형성됨
- 잠상(latent image) 형성
3-2. Development (현상)
- 현상액(developer, 환원제)이 잠상 중심(Ag, latent image center) 주위의 Ag⁺ 이온을 빠르게 금속 Ag로 환원시킴.
- Reducing Agent (환원제) : Hydroquinone, Metol
- Activator (활성제, 촉진제) : 알카리성 환경 제공
- Restrainer (억제제) : fog 방지
- Preservative (보존제) : developer의 산화 방징.
- 따라서 Photon이 입사한 결정 전체가 Ag (검은 금속-은) 으로 바뀜.
- Photon이 흡수되지 않은
반응식:
$$AgBr + e^- \longrightarrow Ag + Br^-$$
3-3. Stop bath (정지)
- 산성 용액으로 현상액 반응을 멈춤.
- 현상액 제거
3-4. Fixing (정착)
- 노출되지 않은 은할로겐화물(AgBr 등)을 제거.
- 정착액(티오황산나트륨, Na₂S₂O₃)이 Ag⁺ 이온을 착물로 만들어 용해시킴.
반응식:
$$AgBr + 2S_2O_3^{2-} \longrightarrow [Ag(S_2O_3)_2]^{3-} + Br^-$$
- 결과: 빛이 닿지 않은 부분은 투명하게, 빛이 닿은 부분은 검게 남음.
3-5. Washing/Drying
- 정착액을 완전히 제거하기 위해 물로 세척.
- 화학물질 잔여물이 남으면 필름이 변색되거나 손상됨.
- 세척 후 필름을 건조: 최종 영상이 안정적으로 남음.
결과적으로,
- Photon이 흡수된 곳: 필름이 검게
- Photon이 흡수되지 않은 곳: 필름이 투명해짐
즉, 네거티브 이미지가 만들어짐.
3-6. 최종 요약
- 노광: $Ag^+ + e^- \to Ag$ : Latent image(잠상) 생성
- 현상: 잠상 주위 AgBr 전체 환원 → 검게
- 정지: 반응 멈춤
- 정착: 남은 AgBr 제거 → 투명
- 세척/건조: 안정화 → 네거티브 이미지 완성
같이보면 좋은 자료들
film에 대한 좋은 자료 (일반 사진의 필름과 매우 유사함)
https://youtu.be/2Glw-MDd6FQ?si=Rih1wRrqpmudIvrO
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