꼬슬꼬슬 Convergence !!

  림프구(lymphocytes)는 면역계 구성하는 주요한 세포로 T cell과 B cell, NK cell 이 있습니다.

  항원의 침입을 인식하여 (antigen recognition) 활성화되어 항원을 제거하는 작용(effector cells)을 하며 이 때 림프구는 특정 항원과 특이적으로 반응(antigen specific) 합니다.
  특이적 반응은 세포 표면의 항원 수용체(cell surface antigen receptor)에 의해 결정 됩니다.

림프구는 골수에서 혈구줄기세포가 분화되어 만들어집니다.
림프구의 분화와 기능으로 나눠서 알아보겠습니다.


■ 림프구의 분화
  
  골수에서 아직 성숙되지 못해 항원을 인식할 수 없는 림프구를 navie, resting 또는 virgin lymphocytes라고 부르기도 하며 일반적으로 small lymphocytes 라고 부릅니다. 이 미성숙한 small lymphocytes는 세포질보다 핵이 잘 발달된 약 8~10㎛ 정도의 둥근 세포입니다. 
  small lymphocytes 휴지기 상태로 DNA의 복제나 세포 분열이 일어나지 않는 G0 상태의 세포로 이 것들은 항원을 만나지 못하면 며칠에서 몇 주 내에 죽게 됩니다. 우리 몸에서는 실제로 수 많은 림프구들이 사라지고 또 새로 만들어지기 때문에 그 평형상태를 유지합니다. 구지 또 군대와 비교하자면 훈련소에서 일정 과정을 통과하지 못하는 훈련병은 귀가 조치 되는 것과 비교할 수 있겠네요. 하지만  다음 기수를 통해서 귀가 조치된 수 만큼이 채워 지겠죠.
  림프구가 항원을 인식하면 활성화 되는데 small lymphocytes 에서 변화하여 cell cycle의 G1 단계로 들어가 세포가 성장하고 세포질이 많아지며 전사와 복제가 증가하고 결국 세포 분열을 하게 됩니다. 이런 현상을 아세포전환(blast transformation) 이라고 하며 이렇게 전환된 세포를 림프아세포(lymphoblast)라고 부릅니다.
 

  위 과정을 통해 특정한 항원과 반응하는 림프구의 수가 늘어나게 되고, 이들 중 일부는 작용세포(effector cell)로 일부는 기억세포(memory cell)로 전환되어 적응면역반응의 특성이 나타나게됩니다. 음.. 자신의 특기에 맞는 병과로 분화 되는군요.

■ 림프구의 종류와 기능

  아래 세가지 림프구 모두 골수의 전구세포가 분화 성숙되어 만들어진 세포입니다.

◆B 림프구 (B cell, B lymphocytes)
  골수에서 만들어지며
  항체를 생산해서 체액성 면역에 관여합니다.

◆T 림프구 (T cell, T lymphocytes)
  골수의 전구세포가 흉선(thymus)에서 성숙되어 만들어 집니다.
  면역 반응을 조절 (조력 T 림프구 : helper T lymphocytes, 조절 T 림프구 : regulatory T lymphocytes)
  하기 때문에 면역 반응에서 중요한 세포이며
  직접 세포를 파괴하는 작용(세포독성 T 림프구 : cytotoxic T lymphocytes : CTL)
  을 나타내기 나타내기 때문에 세포 매개성 면역 반응에서 중요합니다.

◆자연 살해 세포 (NK cell : natural killer cell)
  골수에서 만들어지며
  선천 면역 반응에서 암세포나 바이러스에 감연된 세포를 죽이는 기능을 합니다.
  (CTL과 유사합니다.)
  세포 안에 과립성 구조물이 있어서 큰과립성림프구(large granular lymphocyte)라고도 불립니다.

T 림프구나 NK cell이 근접전을 한다면 B림프구는 항체를 통해 원거리에서 적을 제압한다고 볼 수도 있을까요??

  림프구들은 서로 모양이 비슷하기 때문에 현미경으로는 구별이 힘듭니다. 마치 아래 군인들 처럼 말이죠 다들 같은 옷을 입고 있네요. 이들 각각을 확인 하는 방법은 소속과 이름을 묻거나 군번을 물어보는 것이겠죠? 그래서 림프구의 세포 표면에 있는 막 단백질에 대한 항체를 이용하여 막 단백질의 종류를 조사하는 방법으로 각각을 구분합니다.

  면역세포들이 세포 표면에 가지고 있는 표면의 분자 구조인 표현형 marker를 일반적으로 CD(cluster of differentiation : 분화집단)이라고 부릅니다. 
  군대에서 부대 마크로 각각 부대를 구분하듯이 CD분자들 중에는 세포의 집단마다 공통적으로 나타나는 것이 있어 세포 집단을 구분하는데 이용됩니다. 그 예로 CD3라는 분자는 T림프구에 공통적으로 있기 때문에 이를 이용하여 T림프구를 구분합니다. 즉, 같은 계열의 세포들이 같은 종류의 CD분자를 가지므로 세포의 계통을 확인하는데 유용한 것입니다.
  한편 부대 마크는 같지만 중대가 다른 경우도 있겠죠? 혹은 병과가 다르거나?  같은 세포 집단이라 하더라도 나타나는 CD분자의 종류는 세포의 분화 단계나 활성화 단계에 따라 다를 수 있어서 적절한 CD분자를 이용하면 세포의 분화 및 성숙 단계를 구분할 수 있습니다 그 예로 CD4와 CD8을 이용하면 T 림프구를 두가지 그룹(helper T cell, CTL)으로 구분할 수 있습니다.

면역계(Immune System)는 면역 기능에 관여하는 세포나 조직이 모여서 이루어진 하나의 체계를 말합니다.
이런 면역계는 림프구(lymphocyte)와 보조세포(accessory cells) 그리고 이들이 모여 만들어진 림프조직(lymphoid tissues)들로 이루어져 있습니다.

면역 세포들은 림프와 혈액을 통해 순환하기 때문에 중추 신경계를 제외한 우리 몸의 거의 모든 조직에서 발견됩니다. 특히 림프조직에 집중적으로 분포하며 이 림프 조직은 면역 세포들 간의 상호작용이 유기적으로 일어날 수 있는 구조로 이루어져 있습니다. 항원이 침입하면 림프 조직에서 림프구가 항원을 인식하여 그 항원을 제거할 수 있는 림프구가 활성화되도록 합니다. 림프구의 활성화는 항원 침입에 의해 림프구가 증식하여 수가 늘고 분화하여 특정 항원 제거에 필요한 기능을 얻게되는 과정으로 나타나며 이를 통해 효과적으로 항원을 제거하게 됩니다. 그리고 면역 세포들은 계속해서 새로 만들어지고 죽어나가는 과정을 거쳐서 항상 건강한 면역세포를 만들어낼 수 있도록 합니다. 지금까지 설명한 특성들에 의해 적은 수의 림프구를 가지고도 효과적인 면역 반응이 가능해집니다.

각각의 림프구와 보조세포들 그리고 림프조직에 대해 알아보기 전에 혈구 생성 과정에 대해 알아보겠습니다.


■ 혈구 생성 과정 (hematopoiesis)

  백혈구를 포함한 모든 혈구(blood cells)는 hematopoeitic stem cell (HSC) 이라는 전구 세포로부터 만들어지며 이 과정을 혈구 생성 과정이라고 합니다. 혈구 전구 세포는 골수에 위치하고 있어 bone marrow hematopoeitic stem cell 이라 불리며 살아있는 동안 다른 혈구로 전환되며 계속 재생산(self renewal)됩니다. 또 골수의 전구 세포가 다양한 혈구 세포로 전환된다는 의미에서 pluripotent stem cell 이라고도 부릅니다.

  혈구 생성은 임신 초기의 태아에서는  배아의 난황에서 일어나고 3개월 후의 태아는 간에서 이루어 지다가 비장에서 나타납니다. 임신 말기의 태아부터 골수에서 골수전구세포가 평생 혈구를 생산하게 됩니다.

  골수의 전구 세포는 전체 골수 세포의 0.01% 이하 정도로 적은 수이며 이들 중 일부가 혈구 생성과정에 필요한 것으로 알려져 있습니다. 실제 골수 이식에서 전구 세포의 0.015%만 있어도 원래의 혈구생성 체계를 다시 충진할 수 있는 정도로 골수 전구 세포의 재생 능력이 좋으며 이를 이용해서 골수 이식을 가능한 것입니다.

  일단 혈구 생성 과정에 들어간 전구 세포는 progeniotor cell로 분화되어 다시는 전구세포로 돌아가지 못하게 되며 스스로 재생되지 못합니다. progenitor cell에는 lymphoid progenitor cell과 myeloid progenitor cell이 있으며, lymphoid progenitor cell은 다시 B cell, T cell, NK cell (Natural Killer cell)로 분화하고 myeloid progenitor cell은 적혈구(RBC), 과립구, 대식세포, mast cell, megakaryocytes 등의 세포로 분화합니다.

  골수 전구 세포는 그물 모양으로 배열된 stromal cell 이라는 기질 세포의 작용으로 증식하고 분화하는데 이 stromal cell이 혈구의 증식과 분화에 필요한 세포 상호 작용을 제공함과 함께 증식 중인 혈구들을 위한 cytokine과 같은 성장 인자를 제공합니다.

  이와 같이 분화 성숙된 혈구들은 말초 혈액에서 일정기간 활동하다가 더 이상 쓸모가 없어지면 죽어 없어지고 계속해서 골수의 전구 세포로부터 다시 만들어 집니다. 다시 말하면 말초 혈액에서 항원에 의해 활성화 되어 면역 반응을 유도한 결과로 항원을 없애게 되면 그 항원을 없애는 면역 세포들도 없어진다는 것입니다. 비유하자면 전쟁 중에 적국의 비행기를 모두 격추시킨다면 대공포대를 유지할 이유가 없어져 버리는 것과 비슷하다고 생각하시면 쉬울 것 같네요.

  이렇게 필요 없어진 새포들은 세포 자살(apoptosis)을 통해 사라지게 되는데 이 과정을 계획된 세포의 죽음(programmed cell death) 이라고 표현합니다. 이런 세포 자살은 혈액의 혈구 수를 일정하게 유지하는 데에도 중요하지만, 필요 없는 면역 반응을 사라지게 하는 의미도 있습니다.
  apoptosis가 일어나는 모습을 보면 세포가 안으로 수축하면서 외부와의 단절을 유지한 상태로 죽는 것을 볼 수 있는데요. 이것은 종양 세포 등을 죽여야하는 것에 대해 생각하면 이해가 되실 것 같습니다. 잘못된 물질이나 정보가(항원으로 작용할  수 있는 것들??) 외부로 나가는 걸 막기 위해서라는 설명을 들을 적이 있는 것 같군요.

  혈구가 죽어 없어지는 것과 새로 만들어지는 것은 균형을 이루고 있으며 이로 인해 건강한 사람은 혈액 중에 일정한 수의 혈구를 가지고 있는 것입니다.

앞서 소개해 드린 면역 반응들은 각각의 반응을 위한 세포와 조직이 있습니다. 바로 면역 세포 와 조직입니다. 면역세포에는 림프구와 보조세포 등이 있고 면역 조직에는 림프 조직이 있습니다. 그리고 면역을 돕는 물질에 사이토카인(cytokine)이 있습니다.


이번 포스트에서 면역 세포부터 림프조직까지 소개하겠습니다!!
 

■ 림프구(lymphocyte)
 B cell
 : 항원과 반응하여 항체를 만들어 냅니다. 만들어진 항체는 항원과 결합 하기만 하여 그 항원의 작용을 무력화 시킵니다. 즉 항원의 감염성이나 독성을 중화시키는 것입니다.

 T cell
 : 다른 면역 세포와 작용하여 면역 반응을 조절(helper T cell)하거나 직접 다른 세포를 죽이는 역할(CTL)을 합니다.

  림프구 들은 직접 전장에 뛰어들어 전투를 하는 병사에 비유할 수 있을것 같네요.


■ 보조 세포(accessory cell)
 대식세포(macrophage), 수지상 세포(dendritic cell)
  림프구에 항원을 제시하는 역할등을 통해 적응면역에 도움을 줍니다.

 대식세포, NK cell(natural killer cell), 과립구(granulocyte)
  선천 면역에서 식균 작용 및 염증반응 등 일차적인 방어체계를 형성합니다.

  보조 세포들은 직접 식균 작용등을 하며 외부의 물질과 싸우기도 하지만 마치 전탐병처럼 적의 위치를 전투병에게 알려주는 역할을 한다고 이해하면 좋을 것 같네요. 그리고 림프구의 활성에도 영향을 준다는 의미에서 전투병에게 힘나는 음식을 제공하는 조리병과도 비교할 수 있지 않을까 생각됩니다. 크게 보면 군대에서 전투 이외의 영역을 지원하는 지원병과들이라고 볼 수 있겠네요.^^



■ 림프 조직
 1차 림프 조직
 : 골수, 흉선
  면역 반응에 관여하는 세포의 분화 및 성숙을 담당하는 조직입니다.
  우리 몸 속의 전투요원들을 훈련 시키는 훈련소 같은 곳이죠.

 2차 림프 조직
 : 림프절, 비장
  면역 반응을 위한 세포들의 상호작용이 일어나는 곳 입니다. 어릴 때 림프절이 부어 올라서 아팠던 기억을 가지신 분이라면 이해가 쉬우실겁니다. 그때 바로 림프절에서 치열한 전투가 일어 났었겠죠?


■ 림프의 순환
  심장의 도움으로 항원을 림프 조직에 운반하거나 면역 반응으로 생산된 항체, 세포, cytokine을 항원이 있는 곳으로 운반 합니다.

■ 면역 세포의 상호작용과 사이토 카인(cytokine)
 세포표면 수용체
 :  면역 세포끼리 수용체의 접촉을 통해 직접적으로 상호작용합니다. 항원을 제시하는 과정도 이 세포표면 수용체에 의해 일어납니다.

세포가 분비한 cytokine
  소량 분비 : 분비된 세포 근처 세포에 작용
  다량 분비 : 전신에 영향, hormone 작용

  소량으로 분비되면 자기 자신이나 바로 근처의 세포에만 영향을 줍니다. 마치 귓속말 처럼말이죠. 그리고 다량 분비가 되면 전신에 영향을 주게됩니다. 사단에서 내려오는 지령처럼 모든 부대가 긴장을 하게 되겠죠?

이번 포스트를 끝으로 면역학에 대한 소개를 마칩니다. ^^ 부족한 부분과 구체적인 부분은 차차 채워가도록 하죠.

적응 면역(adaptive immunity)은 다른 말로 후천 면역, 획득 면역(acquired immunity)라고도 불리는 면역 형태로 선천 면역에 의해 항원이 완전히 제거되지 않았을 때 유도되는 면역 반응으로 항원에 특이적인 면역 세포들을 활성시킵니다.

항원수용체(antigen receptor)에 의해 특정한 항원과만 반응 하는 특이적 면역(specific immunity) 반응이며 항원의 유입 횟수가 증가하면 면역 기억(immunologic memory)에 의해 반응이 속도와 강도가 커지는 면역 형태 입니다.

■ 적응 면역 반응의 종류
 세포매개성 면역 반응(cell mediated immunity)
 : 세포가 직접 항원을 제거하는 반응으로, 세포독성림프구(CTL : Cytotoxic T Lymphocyte)가 관여합니다.

 체액성 면역 반응(humoral immunity)
 : 세포(B cell)가 만들어낸 단백질이 체액속에서 반응하는 것으로 이 단백질을 우리는 항체(antibody)라고 합니다..


■ 적응 면역 반응의 특성

 특이성(specificity)
 : 자신의 생성을 유도한 항원과만 반응 합니다. 옛날에 주유소습격사건에서 한놈만 패는 사람과 비슷하겠네요^^

 다양성(diversity)
 : 한 개체의 면역체계는 수 많은 항원에 반응합니다.

 면역 기억(immunologic memory)
 : 항원에 대한 노출이 증가하면 그 항원에 대한 반응 속도및 강도가 증가합니다. 위 그림에 그래프가 보이시죠?


■ 적응 면역 반응의 유도
 능동 면역
 : 항원이 숙주에 들어가서 항체를 생성할 수 있도록 유도 하는 과정입니다. vaccine이 여기에 포함됩니다. 특정 항원에 감염되는 것도 능동 면역을 유도합니다.

 수동 면역
 : 항체나 림프구를 직접 이식 하는 방법으로 
   특정 항원에 대한 면역 반응이 없는 숙주에  항체를 주입하는 항혈청(anti-serum)
   림프구를 이식하는 Adoptive transfer 가 있습니다.
  

■ 적응 면역 반응의 과정
  항원 인식 → 활성화 → 작용 의 단계를 거칩니다.

  항원인식(cognitive phase)
  : 특이적 항원 수용체가 항원을 인식합니다. 마치 유니폼으로 피아를 구분하거나 신분증 또는 지문으로 신분을 알아내는 것 처럼말이죠.

  활성화(activation phase)
  : 항원에 대한 림프구의 증식과 분화가 일어납니다. 아래 그림에서 오른쪽 상자의 가운데 과정입니다.

   작용(effector phase)
  : 항체(체액성)나 세포(세포매개성)가 항원을 제거합니다. 위 그림에서 가장 오른쪽의 과정이겠죠^^


■ 클론 선택 이론
  각가의 림프구는 한 가지 항원과만 반응합니다. 적응 면역의 다양성과 특이성은 항원이 림프구 클론을 선택하여 활성화시켜 유도됩니다. 즉 항원에 맞는 클론이 선택적으로 활성화 된다는 말입니다.

 

 

 

계속해서 면역학에 대해 간단히 소개합니다.
저번 포스팅한데로 면역은 질병으로부터 숙주를 보호하고 외부의 물질과 반응하여 그 물질을 제거하며 신체 내부의 죽은 세포나 종양을 제거하기도 합니다. 그리고 대부분의 외부 물질이 항원이 되며 자신의 물질까지 항원이 될 수 있습니다. 또 면역은 자신에게 불리하게 나타나서 오히려 우리 몸에 이상을 일으키기도 합니다.

이런 면역에는 두 가지 형태가 있습니다.
크게 선천 면역(congenital immunity), 적응 면역(adaptive immunity)으로 나뉩니다.


■ 선천 면역 (congenital immunity)
선천 면역은 다른 말로 기존 면역(innate immunity) 또는 자연 면역(natural immunity)이라고 하기도 합니다.
선천 면역은 항상 존재하는 면역 반응으로 항상 활성화 되어 있습니다.
 
- 비특이적 면역반응(non-specific immunity)
   : 댜양한 종류의 항원과 반응합니다.

이 선천 면역의 요소는 다음과 같은 것들이 있습니다.

 - 해부학적 장해물 : 피부, 점막, 코털 등등
 - 화학적 방어체계 : 눈물의 lysozyme, 위의 염산
 - 선천 면역 세포 : 식균세포(phagocytes), 자연살해 세포(Natural Killer cell)
 - 선천 면역 단백질 : 보체(complement), 사이토카인(cytokine)

보체는 간단히 말해 항원의 인식을 도와주는 것이고, 사이토카인은 면역에 관계한 신호 물질이라고 생각하시면 됩니다.

알기 쉽게 표현하자면 우리 나라의 휴전선, 그리고 비무장 지대의 지뢰, 산이나 강, 성이나 요새 등과 비교할 수 있습니다.




■ 적응 면역 (adaptive immunity)
적응 면역은 후천 면역 또는 획득 면역(acquired immunity)라고도 하며 항원에 특이적으로 반응하는 특이적 면역(specific immunity)입니다.
 - 항원에 의해 유도
   : 면역 세포들의 활성
 - 특이적 면역(specific immunity)
   : 특정한 항원과 반응 - 항원수용체(antigen receptor)
 - 기억(memory)
   : 항원의 유입 횟수 증가 → 반응 커짐

적응 면역에 대해서는 조금더 설명이 필요하기 때문에 다음 포스트에서 다루겠습니다.
대략 어느 정도 비교해보자면.... 각자 맡은 역할이 다른 군인 개개인으로 비유할 수 있겠네요.
현빈 같이 아직 군인이 아닌 사람이 훈련소에서 적(항원)과 아군(자신)를 구분하고 또 그 적과 싸우는 훈련을 받아서 그 적이 침입했을 때 그 특정한 적에게만 공격해서 우리 나라를 지키는 것과 유사하다고 할 수 있습니다.

이렇게 훈련병이 훈련을 받는 것 처럼 시간이 걸리기 때문에 적응 면역 반응은 선천 면역 반응 보다 느리게 일어납니다.

의공학에서 무시할 수 없는 분야 중 하나인 면역학(Immunology)에 대해서 공부한 내용을 포스팅합니다.
면역에 대해 공부하면서 생명의 탄생도 기적이지만, 생명의 유지도 정말 기적 같다는 생각이 들었습니다. 그리고 우리 사회에 일어나는 많은 일들을 면역으로 비유할 수도 있겠다는 생각도 했습니다.
또 면역에 대한 몇가지 잘 못된 상식을 바르게 이해할 수 있는 기회가 되었습니다.
오늘은 간단히 면역에 대해 이야기 하겠습니다.

먼저 면역이 어떤 기능을 하는지 알아보겠습니다.

■ 질병으로부터 숙주를 보호(특히 감염성)

   세균이나 바이러스 같은 미생물의 감염으로부터 우리를 보호합니다.

■ 외부의 물질과 반응, 외부 물질 제거.

   화학 물질(꽃가루 등등)이나 이식된 세포나 조직 등과 반응 합니다.


■ 신체 내부의 문제 해결

   우리 몸의 죽은 세포를 제거하고, 종양 세포도 제거합니다.

위에 열거한 것들이 면역의 기본적인 기능이 되겠습니다. 우리가 잘 알고 있듯이 외부의 미생물의 침입을 막는 것에서부터 우리 몸속의 문제를 해결하는 것 까지 면역의 기능은 다양합니다. 외부의 물질에 대한 반응이 군대의 역할이라면, 내부의 문제를 해결하는 반응은 경찰의 역할 정도로 이해하면 쉽습니다.



(그림의 시위장면과 사격장면은 면역 반응에 대한 이해를 돕기위한 이외의 목적은 없습니다. 특정 정치가의 이름이 보여서요 ㅎㅎ;)
그럼 이런 면역 반을을 일으키는 원인 물질(항원)에는 어떤 것들이 있을까요?

■ 항원(Antigen)

   - 항체(Antibody)와 반응하는 모든 물질(항체는 면역반응의 결과물입니다.)
 

   - 면역세포와 반응하는 모든 물질


   - 외부물질의 대부분

   - 자신의 물질 (자가항원)


우리를 구성하는 요소를 제외한 거의 모든 물질이 항원이 될 수 있습니다 심지어는 우리 몸을 구성하는 물질 조차도 항원으로 작용하기도 합니다. 그리고 우리 몸을 지키기 위한 면역 반응이 때때로 우리의 건강에 불리하게 나타나기도 합니다.


■ 자신에게 불리하게 나타나는 면역반응

   - 염증반응(Inflammation)
     면역 반응이 일어나는 분위에 면역 물질들이 많이 모이면서 부어오르고 열이 나며 통증을 느끼는 등의 증상이 나타납니다.

   - 과민반응(Hypersensitivity)
     외부 물질에 대해 과민 반응하여 재채기 같은 반응이 일어납니다. 또 다른 예로는 아낙필락시 쇼크 등이 있습니다.

   - 자가면역질환(Autoimmune disease)
     자기 자신의 세포나 물질에 반응하여 나타나는 질환으로 대표적으로 루푸스가 있습니다.

   - 이식 거부(transplantation rejection)
     이식된 조직에 대한 거부 반응으로 그 조직이 괴사 합니다.

우리 몸을 지키기 위한 면역 반응이 심각하게 일어나는 경우 우리 몸은 마치 도시가 전쟁을 겪은 것처럼 폐허가 되어버립니다. 전신에 염증 반응을 일으키면서 신체의 기능을 할 수 없게 되는 것이죠. 패혈증(sepsis)이 그 예가 될 수 있겠네요.

오늘은 여기까지 입니다. 면역은 우리의 생명을 유지하기 위해 꼭 필요한 것이지만 그 것이 과도하게 반응 했을 때에는 오히려 우리 몸을 상하게 하거나 심하면 생명을 위협할 수도 있다는 것 까지 이해하시면 되겠습니다^^ 면역에 대한 자세한 내용은 차차 채워 가도록 하겠습니다.

MRI에서 얻은 신호로 부터 영상을 얻어내기 위해서는 푸리에 변환(Fourier transform)이 사용됩니다.
푸리에 변환의 기본이 되는 푸리에 급수에 대해 알아오라는 과제를 받았네요.

모터, 회전 기계, 음파, 지구의 운동, 정상적인 심장 등에서의 주기현상을 코사인과 사인 함수들의 항으로 나타내는 주기함수는 푸리에 급수가 됩니다. 다시 말하면 푸리에 급수는 코사인 및 사인 항들로 이루어진 급수입니다.
푸리에 급수는 실용적으로 관심거리가 되는 불연속적인 많은 주기함수들을 다룰 수 있습니다.

다시 정리해서 말하자면
푸리에 급수 (Fourier series)는
임의의 주기함수를 아래와 같은 삼각함수로 구성되는 급수로써 표현하는 것입니다.

$$ f(x)= a_0 + \sum_{n=1}^{\infty}\ (a_n\ cos\ nx\ +\ b_n\ sin\ nx)$$

그러니깐 위 그럼 처럼 사각파도 주기를 가지고 있다면 수많은 sin파의 합으로 나타 낼 수있다는 것입니다.

푸리에 급수는 주어진 주기함수 $f(x)$를 코사인 및 사인 함수로 표현하기 위한 작업에서 등장합니다.
이 급수의 계수는 오일러 공식(Euler formulas)에 의해$f(x)$로부터 결정됩니다.

푸리에 계수에 대한 오일러 공식
$f(x)$가 다음과 같은 삼각 급수
$$ f(x)= a_0 + \sum_{n=1}^{\infty}\ (a_n\ cos\ nx\ +\ b_n\ sin\ nx)$$
로 표시할 수 있는 주기 2π인 주기함수라면(즉, 이 급수는 수렴하며 합이$f(x)$가 된다면) 함수  $f(x)$가 주어졌을 때, 이에 대응하는 급수의 상수항 $a_0$와계수 $a_n$과 $b_n$는

다음 오일러 공식(Euler formulas)에 의해 결정됩니다.
$$ a_{0} = {1\over2\pi} \int_{-\pi}^{\pi}f(x)\ dx $$
$$ a_{n} = {1\over\pi} \int_{-\pi}^{\pi}f(x)\ cos\ nx\ dx $$
$$ b_{n} = {1\over\pi} \int_{-\pi}^{\pi}f(x)\ sin\ nx\ dx $$

오일러 공식이 어떻게 나오는 지는 다음 포스트를 기대해주세요^^

임상의공학 시간에 신경생리학 부분에 대한 보충 자료로 본 영상입니다.
에드 보이든의 방법으로 뇌를 해석할 수 있게 된다면 그 다음 세상은 어떤 세상이 될까요?
마지막 후안의 한마디가 깊은 의미를 가지고 있는 것 같습니다.

가장 중요한 것은 인간의 정신을 바라보는 시각이 변했다는 것과 그것을 해석하려는 방법도 변하고 있다는 것이라고 생각합니다. 뉴런들을 전기적 신호가 아닌 빛으로 제어할 수 있다니 정말 놀라울 뿐입니다.  

Anthony Atala(안소니 아탈라) 박사의
인공 장기 배양에 대한 소개 입니다.

근육, 혈관, 방광 등이 배양되는 모습을 소개하고
장기를 찍어내는 기계도 소개합니다.

영화나 소설에서나 가능할 것 같은 일들이 가능해진다는 것이 정말 가슴 설레는 일인것 같습니다.
요즘 저는 옛날 만화를 즐겨보는데 그 70~80년대 만화 속에 그려진 로봇, 전화, 컴퓨터 같은 것들이 지금은 현실이 되어있습니다. 미래는 어쩌면 스티븐 스필버그나 미야자키하야오 같은 사람들이 설계해 주는 것이 아닐까요?

TED에서 퍼온 영상입니다.

사람의 신장을 프린트한다!!
앞으로 조직공학이 어떤 방향으로 발전할지 모르겠지만 정말 놀라운 영상입니다.
이런 일이 가능하다는 것은 사람의 장기를 만들기 위해 다른 생명체에 해를 주지 않을 수 있다는 의미겠지요??
그리고 세상에 장기기증을 기다리는 많은 사람들에게 희망적인 이야기가 될것 같습니다.

더 나아가서 나중에 이렇게 개발한 장기가 정상적으로 기능하고 잘 공급된다면 장기매매 같은 범죄도 줄일 수 있지 않을까 생각 되기도하네요.

수소 원자핵 양성자의 회전 속도를 알기 위해서 Larmor equation을 이용합니다.
위 그림에서

을 나타냅니다.

Larmor equation은

즉, 회전 속도는 외부에서 걸어준 자장의 세기와 비례한다는 의미 입니다.


γ는 비례상수로 자장의 세기가 1T일 때 42.576MHz 입니다. 1.5T에서는 64MHz라고 하네요.

ω0의 범위는 약 10^7 ~ 10^8 정도 라고 합니다.
그래서 MRI는 공명을 일으키기 위해 수십 MHz 대역의 RF(Radio Frequency)를 사용합니다.

사진은 Larmor equation을 발견한 Joseph Larmor(1857~1942, 영국) 입니다.

수소 원자핵 양성자(proton)의 스핀은 외부 자장이 없으면 회전 축이 무작위로 배열되어 의미 있는 신호를 얻기 힘듭니다.
외부 자장에 의해 스핀은 자장에 수평한 방향으로 정렬되어 자장을 축으로 회전하게 됩니다.
그림으로 보면 아래와 같은 모양이 되겠지요. (외부 자장 B0가 z축 방향으로 흐르고 있습니다.)

하지만 이때 스핀이 외부 자장에 평행하기는 하지만 모든 스핀의 방향까지도 외부 자장과 일치 하지는 않습니다.
그래도 강력한 자장 속에서 외부 자장과 같은 방향으로 세차운동하는 양성자수가 외부 자장과 반대 방향인 것보다 약간 더 많기 때문에 정렬된 양성자 스핀들의 벡터 합을 MRI 신호를 만들기 위해 사용합니다.

서로 반대 방향의 스핀 수의 차이는 자장의 세기에 따라  다음 그림으로 타나낼 수 있습니다.
자장의 세기가 0.5T(Tesla)일 때 100만개 중 3개, 1T일 때 100만개 중 6개 차이이니 아주 미세한 차이라는 것을 알 수 있습니다.

이런 미세한 차이의 벡터의 합을 Net magnetization(평균자화) 이라고 하고 기호 로는 M 이라고 나타냅니다. 
그리고 이렇게 M이 외부자장의 방향으로 형성되는 것을 Longitudinal magnetization(종축자화) 라고 합니다.

원자는 핵과 전자로 구성되어 있고 핵에는 양전하를 띄는 양성자가 있습니다.
양성자는 일정하게 축을 따라 회전 운동(spin)을 합니다.

수소 원자 핵의 spin은 자기 모멘트(μ : Nuclear magnetic moment)를 가지고 있어 작은 막대 자석에 비유할 수 있습니다.

이렇게 회전 운동을 하는 양성자들은 외부에 자장(B0)이 없는 상태에서는 회전축(spin axis)이 무작위로 배열되어있습니다.
이때 외부 자장을 가하면 원자핵의 스핀들이 자장의 방향에 따라 일직선으로 정렬해서 자장축을 회전하게됩니다.

이렇게 정렬된 수소원자핵들에서 나오는 자장을 이용해서 MRI에 필요한 신호를 만들게 됩니다.
자세한 내용은 계속 포스팅 됩니다.^^

 

■ 소재와 문명 (Materials and Civilization)
  소재는(Materials) 인간 문화와 문명에 필수적인 부분입니다. 그 예로 각 시대를 구분하는데에 그 시대에 많이 사용했던 소재의 이름을 붙이는 것을 알 수 있습니다.

 - 석기시대 (Stone age)

 

 - 청동기시대 (Bronze age)

 - 철기시대 (Iron age)

 
  그렇다면 지금은 어떤 시대라고 할 수 있을까요?

이번 학기에 자기공명 영상에 대해서 배웁니다^^
제가 배운 내용을 기초로 적는 글이라 부족함이 많겠지만 도움이 되길 바랍니다!!

■ MRI?
 요즘 어느 정도 규모가 큰 병원이라면 MRI라는 시설을 갖추고 있습니다. 그리고 실제로 많은 사람들이 이 진단장비를 통해서 질병의 진단을 받습니다. 그럼 이 MRI라는 녀석에 대해서 간단히 알아볼까요?

 'Magnetic Resonance Imaging' 우리말로 옮기면 '자기공명영상'입니다.

이름에서 느껴지듯이 MRI는 자장을 사용하는 장비입니다. 우리 나라를 기준으로 지구의 자장이 0.5G(가우스)정도인데 MRI는 지구 자장의 15000~30000배 정도의 자장을 사용합니다.

그러면 이런 큰 자장을 얻기 위해서는 어떻게 해야될까요?

우선 자석의 종류에는 크게 지남철을 이용한 영구 자석과 전류의 흐름을 이용한 전자석이 있습니다.
MRI에서는 전자석을 이용하게 되는데 높은 자장을 얻기 위해 초전도 물질을 사용합니다.

 

초전도 물질은 전기 저항이 '0Ω'이기 때문에 전기적 소모가 없어 처음에만 전류를 흘려주면 코일의 루프를 통해 전류가 영원히 흐르게 됩니다. 또한 열 발생이 없어 아주 높은 전류를 통하게 할 수 있기 때문에 높은 자장을 얻을 수 있습니다.




■ MR System 의 정의
 - 고자장을 이용하여
 - 인체 내부 단면 영상(MR Imaging) 또는 분광정보(MR Spectroscophy)를 얻어
 - 질병을 진단하는
 - 비파괴 영상장치 (in vivo : 인체의 손상 없이)
정도로 정의할 수 있습니다.

단면 영상을 통해 장기의 위치나 구조등 인체 내부의 해부학적 정보를 얻을 수 있고,
분광 정보를 통해 장기나 조직의 대사 정보를 얻을 수 있습니다.


■ MRI 특징
 - 인체에 무해 (non-invasive)
 - 연부조직의 대조도(soft tissue contrast)가 우수
 - 다양한 변수 (ρ, T1, T2, v, D, σ 등등)
 - 임의의 방향으로 영상(oblique imaging)이 가능
 - 해부학, 분광학적 영상 및 기능적 영상이 가능
 - 실시간 중재적 시술 및 영상 유도 수술

MRI는  방사선 피폭 등의 위험이 없고 X-ray나 CT에 비해 살, 근육, 장기 등 연부 조직(soft tissue)에 대한 대조도(contrast)가 우수합니다. 그리고 X-ray는 조직에 대한 감쇠계수만을 변수로 갖고 있지만 MRI는 다양한 변수를 통해 같은 부위라도 용도에 맞는 다른 영상을 얻을 수 있습니다.
 

예를 들면 위 사진과 같이T1와 T2는 서로 contrast가 반대이고 T2는 주로 암 진단에 사용합니다. 또 환자나 기계를 이동시키거나 회전 시키지 않고 다양한 방향으로 영상을 얻을 수 있고(S/W적으로), 장기의 위치나 구조 등의 해부학적 영상 및 조직의 대사 정보를 얻을 수있는 분광학적 영상(운동 전 근육과 운동 후 젖산이 쌓인 근육 등) 또는 기능적영상(뇌기능:해부학적 구조는 그대로인데 자극에 대해 어디서 반응이 나타나는지 확인)을 얻을 수 있습니다. 마지막으로 특수한 경우에 실시간 중재적 시술이나 영상유도 수술에 사용할 수 있습니다.
(그런데 자료를 찾다보니 고해상도 CT에서 더 좋은 영상을 얻는 경우도 있는 것 같습니다.^^;;)

위 사진은 CT와 MRI 영상의 비교입니다 A가 CT, B가 MRI입니다. CT영상을 통해 석회 침착등을 쉽게 관찰할 수 있고 MRI영상을 통해 종양을 진단할 수 있습니다. 사진에서 CT는 뼈가 하얗게 나온 반면에 MRI에서는 검게 나옵니다 이것은 MRI는 뼈에서 신호를 거의 안 받기 때문이라고 합니다.


■ MR Signal
MR Signal은 H(수소)원자핵에서 나온 신호이며 우리 몸 속의 H2O(물)분자의 H 원자핵 농도에 따라 영상이 나타납니다.


■ MR Angiography
혈관의 혈류를 조영제 없이 영상으로 나타낼 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만 요즘은 MR용 조영제를 사용하면 혈류를 더욱 잘 볼 수 있기때문에 조영제를 사용합니다. (MR에서 사용하는 조영제는 CT나 X-ray에서 사용하는 조영제와는 다른 성분으로 부작용이 훨씬 적다고 합니다.)

■ MRI가 등장할 수 있었던 배경
1924년 Wolfgang Pauli가 원자핵이 스스로 회전(스핀)하고 있다는 것을 발견
 → 전하를 띈 물질이 움직이면(회전) 주변에 자장이 발생한다.
1937년 Nuclear Magnetic Resonance(NMR) Phenomenon
 → 에너지를 가진 것들은 공명현상을 가지는데 원자핵은 자장에 대한 공명현상을 가지고 있다.
1946년 Measurement of NMR Signal
→ 자기장 내 저 에너지 준위의 원자핵은 특정 주파수(spin에 맞는 주파수)의 복사선(RF)을 흡수하면 고 에너지 준위로 전위한다.
→ 에너지와 주파수는 비례한다. (E=hv)