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[바이오토픽] (RIP) MRI의 아버지 피터 맨스필드(1933–2017)
의학약학 양병찬 (2017-03-20 09:20)

자기공명영상(MRI)을 개발하여 의학에 혁명을 가져온 물리학자
피터 맨스필드

피터 맨스필드가 1972년 떠올렸던 아이디어는 자기공명영상(MRI: magnetic resonance imaging)의 개발로 이어져, 수백만 명의 사람들에게 혜택을 줬다. 에프엠대로 훈련받은 물리학자 맨스필드는 "핵자기공명(NMR: nuclear magnetic resonance)이라는 현상을 이용하면 살아있는 조직에 대한 단면영상(cross-sectional image)을 얻을 수 있겠구나"라고 생각했던 것이다. 그가 개발한 안전하고 비침습적인 기법은 생명체의 부드러운 조직과 기관을 눈이 부시도록 자세히 영상화하여, 의학진단에 혁명을 가져옴과 동시에 인간의 뇌(腦)를 연구하는 방법을 바꿔놓았다. 그는 이 업적을 인정받아 2003년 노벨생리의학상을 공동으로 수상했다.

지난 2월 8일 세상을 떠난 맨스필드는 1933년 런던의 지극히 평범한 환경에서 태어났다. 아버지는 가스 수리공이었고, 어머니는 웨이트리스였다. 그의 정규교육은 전쟁 때문에 열다섯 살에 끝났다. 인쇄소에 취직한 그는 야간학교에서 학업을 이어갔고, 후에 전시(戰時) 군수성의 로켓추진부서에서 일했다. 군복무를 마친 맨스필드는 파트타임 과정에서 과학을 공부하여, 스물네 살의 나이에 런던에 있는 퀸메리칼리지의 물리학과에 들어갔다.

그는 거기서 NMR 전문 물리학자 잭 파울스를 만나 지속적인 관계를 유지했다. NMR은 '특정 원자(수소 포함)의 핵이 미세한 막대자석처럼 행동하며, 자기장 안에서 정렬(整列)한다'는 사실을 이용한다. 그런데 이러한 정렬은 무선주파수 자기장의 펄스에 의해 교란되며, 자화(magnetization)가 평형으로 돌아올 때 하나의 신호가 탐지될 수 있다. 이상과 같은 원리를 이용하면, 원자가 속해있는 분자의 구조를 추론할 수 있다.

1959년, 박사과정 학생이던 맨스필드는 NMR에서 예기치 않은 고체반향(solid echo)을 발견했다. 그것은 일부 고체에서 두 번의 여기펄스(excitation pulse) 후에 관찰되는 현상이었는데, 이를 설명하려면 정교한 양자역학이 필요했다. 이 현상에 주목한 NMR의 개척자 찰스 슬리터는 맨스필드를 일리노이 대학교 어바나 캠퍼스의 박사후 과정으로 불러들였다. 그 후 맨스필드의 PhD 심사위원인 레이몬드 앤드루가 그를 노팅엄 대학교의 물리학과로 영입했고, 영국으로 다시 건너간 맨스필드는 그곳에서 여생을 보냈다.

1972년, 맨스필드는 '결정구조를 연구할 때, 엑스선 대신 NMR을 사용할 수 있다'는 가능성에 눈을 떴다. 그는 "스핀(spin)의 물리학을 'k-공간(결정학에서 사용하는 수학개념)'에서 공식화함으로써, 스핀의 공간적 분포를 영상화할 수 있다"는 사실을 깨달았다. 한 핵심적인 실험에서, 그는 불균등한 자기장을 (플라스틱 시트 사이에 놓인) 1밀리미터 두께의 장뇌(camphor)층에 적용함으로써 NMR 스펙트럼을 측정하는 데 성공했다. 즉, 불균등한 자기장(field gradient)은 NMR 신호를 장뇌층의 (오해의 여지가 없는) 회절패턴에 배열했는데, 이 정보는 푸리에 변환(Fourier transform)이라는 유명한 수학을 이용하여 영상으로 재구성될 수 있었다.

그런데 공교롭게도, (후에 맨스필드와 노벨상을 공동수상한) 폴 로터버도 거의 같은 시기에 '불균등한 자기장을 회전시킴으로써 액체의 (조악한) NMR 영상을 얻을 수 있다'는 사실을 발견했다. 이 소식을 들은 맨스필드는 액체를 영상화하는 작업에 눈을 돌렸다. 왜냐하면 살아있는 조직은 다량의 수분을 포함하고 있으므로, 액체를 영상화할 경우 살아있는 조직을 영상화하는 길이 열리기 때문이었다. 맨스필드는 영상화할 물질의 절편(slice)을 선택하는 방법과, 영상을 얻기 위한 선주사영상화(line-scan imaging)라는 핵심개념을 고안해냈다. 이 성과는 일련의 획기적인 논문들과 『생의학에서 MRI, NMR 영상화』(Elsevier, 1982)라는 단행본의 일부였다.)

1977년 맨스필드가 이끄는 연구팀은 '살아있는 인간의 신체부위'에 대한 MRI 영상을 처음으로 만들었는데, 그것은 한 학생의 손가락에 대한 단면영상이었다. 이로 인해 연구팀은 인간의 전신을 스캔하는 데 필요한 기금을 충분히 확보할 수 있었다. 1978년 연구팀은 인간의 영상을 얻기 위해 자신들이 개발한 스캐너에 자신감을 느꼈지만, 한편으로 '커다란 자기장이 심근경색을 유발할지도 모른다'는 우려감도 느꼈다. 맨스필드는 기니피그를 자청하여, 선주사 MRI(line-scan MRI)라는 비교적 빠른 기법을 이용하여 자신의 복부를 촬영한 최초의 인간이 되었다.

하지만 영상화의 속도에 불만을 느낀 맨스필드는 1977년, 에코평면영상화(EPI: echo-planar imaging)라는 방법을 개발하여 이 문제를 해결했다. EPI는 기존의 방법보다 약 100배 빨랐으며, '신속히 전환되는 불균등 자기장'을 이용하여 '1초의 몇 분의 일'이라는 짧은 시간에 데이터를 모아 영상을 만들었다. 맨스필드는 주로 심장영상화를 위해 EPI를 개발했으며, 이로 인해 심혈관에 대한 실시간 MRI가 처음으로 가능해졌다.

임상에 사용할 수 있는 MRI 스캐너는 1980년 애버딘 대학교에 처음 설치되었으며, 1984년 마침내 시장에 출시되었다. MRI는 침습성이 없는 데다 연조직(soft tissue)을 매우 선명하게 영상화할 수 있어, 진단방사선과학이 비약적으로 발달하여 새로운 산업으로 등장하는 데 기여했다.

1980년대 후반, 나는 맨스필드의 노팅엄 연구실에서 미국 국립보건원(NIH)으로 자리를 옮겨, 'EPI가 대뇌혈액 산소화(cerebral blood oxygenation)의 변화를 즉석에서 매핑(mapping)할 수 있다'는 사실을 입증했다. 이는 기능적 MRI(fMRI: functional MRI)의 개발로 이어졌고, fMRI는 오늘날 인간의 뇌활동을 실시간으로 탐지하는 데 사용되고 있다.

맨스필드는 1987년 왕립협회의 정회원으로 선출되었고, 1993년에는 나이트(knight) 작위를 받았다. 그는 많은 특허권을 보유하고 있었으며, '발명가가 적절한 보상받는 것'을 중요하게 여겼다. 그가 수령한 거액의 특허권 로열티와 연구기금은 1991년 노팅엄에서 문을 연 「피터 맨스필드 경(卿) 영상화센터」 의 기반이 되어, MRI 연구에 크게 기여했다.

팀원들 사이에서 'PM'으로 불렸던 피터는 1994년 은퇴했지만, 동료들과의 협동연구를 계속했다. 그의 리더십, 열정, 세심함, 학자정신은 과학계에서 '높은 수준의 표준'으로 자리잡았다. 늘 연구에 헌신했으며, 연구실에 있을 때 가장 행복해 했다. 그는 언어에도 관심이 많아, 한때 자신이 이끄는 연구팀에게 아랍어를 가르치는 과정을 개설한 적도 있었다. 온화하고 관대했던 그는 재능있는 PhD 학생들을 꾸준히 양성하여, MRI 과학이라는 떠오르는 분야에 지속적으로 공급했다. 그는 낡은 안경을 수리하여 착용했고 해진 신발을 신었다. 많은 후학들은 PM의 가식없는 모습과 행동, 그리고 해맑은 미소를 기억하며 즐거워한다.

※ 필자 로버트 터너는 독일 라이프치히에 있는 막스플랑크 인간인지 및 뇌과학연구소의 신경물리학 명예감독으로, 1984년부터 1988년까지 노팅엄 대학교에서 피터 맨스필드와 함께 연구했다.

※ 출처: Nature 543, 180 (09 March 2017) http://www.nature.com/nature/journal/v543/n7644/full/543180a.html




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양병찬 (약사, 번역가)
서울대학교 경영학과와 동대학원을 졸업하고, 은행, 증권사, 대기업 기획조정실 등에서 일하다가, 진로를 바꿔 중앙대학교 약학대학을 졸업하고 약사면허를 취득한 이색경력의 소유자다. 현재 서울 구로구에서 거주하며 낮에는 약사로, 밤에는 전문 번역가와 과학 리포터로 활발하게 활동하...
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회원작성글 칙사  (2017-03-20 22:37)
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