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X선은 독일의 물리학 교수인 빌헬름 콘라트 뢴트겐이 1895년 11월 8일 뷔르츠부르크대학에 있는 그의 실험실에서 발견했다.

초기의 방사선 진단은 X선의 3가지 특성, 즉 조직을 투과하고 필름을 감광시키며 일부 물질로 하여금 형광을 발하게 하는 성질에 의존해 이루어졌다. 방사선은 조직을 투과할 때 투과하는 조직의 밀도에 따라 흡수되는 정도가 다르다. 따라서 조직을 뚫고 나온 방사선은 인체 안의 밀도 차이로 인해 나타난 인체구조의 영상을, 필름에 감광시키거나 직접 형광 화면에 나타낸다(진단영상). 이 진단법은 인접한 조직의 밀도가 비슷한 경우 영상이 뚜렷이 구별되지 않는다는 단점이 있다.

X선이 발견되고 나서 20년 동안은 주로 골절의 진단과 치료에, 제1차 세계대전을 치르면서는 인체 내에서 총탄과 같은 이물질의 위치를 찾는 데 이용했다.

그뒤 인공적인 조영제(造影劑)를 이용하는 방법이 도입되었는데, 여기에는 인체에 해가 없는 황산바륨의 혼합 반죽 등이 사용되었다. 이것을 먹거나 관장(灌腸)을 하여 인체에 주입하면 소화기의 여러 부분을 잘 볼 수 있다. 이 기법은 점차 개선되어 현재도 사용되고 있으며, 이를 이용한 소화기의 방사선학적 검사는 소화기 질환의 정확한 진단에 도움을 주고 있다.

최근에는 혈관을 통해 주입할 수 있는 다양한 조영제들이 생산되고 있다. 조영제는 혈관(동맥이나 정맥 모두)을 볼 수 있게 하고, 선택적으로 농축되어 신장을 통해 배설되면서 요도를 볼 수 있게 해준다. 뢴트겐은 X선을 발견하고서 처음 몇 개월 동안은 움직이는 물질을 촬영하려고 시도했다. 그결과 방사선은 움직임을 묘사할 수 있는 능력이 있고, 따라서 움직임이 없는 해부학적 구조물이 아닌 동적인 생리학적 기능도 나타낼 수 있다는 것을 알게 되었다.

그러나 기술적인 어려움과 방사선량이 많을 때 환자에게 위험하다는 사실 때문에 이 기법은 제대로 발전되지 못했다.

1950년대에 이르러 영상증폭기라고 하는 전자기법이 개안되어, 기술적인 어려움을 극복할 수 있게 되었고, 방사선영화촬영술이 보편화되었다. 이렇게 방사선학이 발전하고 있는 동안에 사진기술도 꾸준히 발달했다.

초기에는 감광제를 1겹만 입힌 사진원판이 사용되었으나, 점차 2겹을 입힌 원판이 사용되었으며, 지금은 감광물 또한 발달해 해상력(解像力)이 좋고 왜곡이 없는 영상을 빠른 시간 안에 만들어 낼 수 있게 되었다. 이와 함께 인화술도 발달해 오늘날에는 자동인화기를 이용해 90초 안에 완전히 인화·건조된 필름을 제작할 수 있게 되었다.

1970년대 들어 영국의 고드프리 하운스필드와 미국의 앨런 코맥은 X선 영상의 새로운 형태인 전산화 단층촬영(CT)을 고안했다. 이 방법은 여러 각도로 투사된 X선이 인체를 통과하면서 감소되는 양을 측정한 후 컴퓨터가 보고자 하는 장기를 종단면이나 횡단면으로 재구성한다.

이렇게 컴퓨터가 구성한 영상에서는 간과 신장 같은 연성조직도 분명하게 구분된다. 이 기술은 전통적인 X선에 비해 진단을 위한 정보를 훨씬 많이 제공한다. 오늘날에는 전세계적으로 많은 대형 병원과 의학 센터에서 이러한 전산화단층촬영기를 사용하고 있다. 또한 최근에 발달된 기술로 핵자기공명(NMR) 또는 자기공명영상(MRI)이라고도 하는 것이 있는데, 이것은 강력한 자장 영역에 사람을 놓고 방사파를 발사하는 방법이다.

인체 안에 있는 여러 종류의 원자는 자장의 영향으로 각기 다른 진동수의 방사파를 흡수한다. 이 흡수진동수를 측정하고 이를 이용해 컴퓨터가 인체 내부구조의 영상을 재구성한다.

최근에 개발된 또다른 기술로 양전자방출단층촬영, 즉 PET가 있는데, 이것은 인체에 투여한 화합물에 대해 반물질(反物質) 입자가 생성되는 것을 이용한 것이다. 양전자라고 하는 이 입자는 마치 물질과 반물질이 만나서 서로를 소멸시키는 것처럼 반대입자인 전자를 만나면 에너지를 방출하면서 중성화한다.

인체의 주위에 설치된 탐지기가 방사선 형태로 나오는 이 에너지를 포착해 투여된 화합물의 이동과 대사과정을 추적한다. 새로 개발된 이들 방사선학 기술들 때문에 인체 내부의 구조를 훨씬 더 안전하게 검사할 수 있게 되었으며, 훨씬 선명하고 정확한 영상을 얻게 되었고, 치료방법에 있어서의 오류를 감소시킬 수 있게 되었다.