공부하고 정리하고

지난 포스팅의 MR신호를 발생시키는 과정까지의 내용을 이어 이번 포스팅에서는 대표적인 라디오파 펄스를 걸어주는 방법을 소개하고자 합니다.

하나의 펄스만 주고 끝내는 것이 아닌 펄스를 여러 번 주게 되는데 명암대비 좋은 영상을 만들기 위해서 다양한 펄스연결을 주게 됩니다.
오늘은 이 펄스연결방법을 소개합니다.

90°-90° 펄스연결

자화도가 횡축자화도가 되도록 만들어주는 펄스를 90°펄스라고 하는데 이펄스를 일정한 반복시간 TR이후 90°펄스를 다시 걸어주는 방식입니다.
이때 관측되는 신호의 세기는 이 TR시간에 비례하는데 TR을 길게 주었을때랑 짧게 주었을 때 생기는 영상이 차이가 있습니다.
두조직 A,B라는 조직이 있을 때 TR시간을 충분히 준 경우를 생각해보면 두조직간의 회복시간의 차이에 의한 신호차이가 발생하지는 않습니다. 즉, TR이 길어버리면 횡축자화도로 기울었던 자화도가 종축자화도로 돌아오는데 조직간의 차이가 존재하더라도 충분한 시간을 준다면 모두 회복한다는 이야기 입니다.
그럼 이때는 두조직간의 차이를 구분짓는 방법은 유일하게 양성자의 수 즉, 핵스핀의 수로 결정이 됩니다. 그래서 양성자의 밀도에 비례하게 되는데 이러한 영상을 얻는 방법을 양성자밀도 강조영상이라 합니다.
반면, TR을 충분히 길게 주지 않는다면 두조직중에 이완시간의 차이가 있을 때 TR이 짧아 어느 한 조직은 다 회복했는반면 한 조직은 회복중인 상황이 있을 수 있습니다.
즉, 이 차이로 인해 얻은 신호의 차이로 명암차가 발생하고 이를 구분짓는 인자가 T1이완시간이므로 T1 강조영상이라 합니다.

역회복 펄스연결

이름에서 느껴지듯이 앞의 90°펄스와는 달리 180°펄스를 걸어주게 됩니다. 이렇게하면 종축자화도는 정자기장의 반대방향으로 바뀌게 됩니다. 그리고 펄스가 없으면 다시 원래의 방향으로 돌아옵니다. 이때 일정시간후에 다시 90°펄스를 걸어서 MR신호를 검출합니다.
이때의 180°-90°펄스의 시간차를 TI(Time of Inversion)라하고 이 시간을 종축자화도가 모두 0이되는 시간에 맞추어 90°펄스를 걸어주게 되면 모두 횡축자화도로 전환되어 있기 때문에 나오는 MR신호가 0이 됩니다. 이러한 방식을 사용하면 특정조직에서 발생하는 신호를 없앨 수 있습니다. 대표적인 활용은 지방의 신호 억제에 광범위하게 사용한다고 합니다.

스핀에코 펄스연결

역회복 펄스와는 반대로 90°-180°펄스를 걸어주는 방법입니다.
90°펄스를 주었다가 사라지면 동위상이 깨지면서 횡축자화도가 없어지는데 이때 180°펄스를 걸어주면 종축자화도의 반대방향으로 힘을 주기 때문에 180°펄스를 걸어주고 일정시간후에 다시 횡축자화도를 형성하며 MR신호를 발생시킵니다. 이를 스핀에코 신호라고 합니다.
90°-90°펄스는 T1이완시간의 차이와 양성자밀도차이를 이용한 반면, 90°-180°펄스는 T2이완시간 차이도 고려한다는 특징이 있습니다.

경사자기장

펄스연결을 통해 명암차이를 얻는다고 해도 이 신호의 근원지를 알지 못한다면 제대로 된 진단을 하기에는 어려움이 있을 겁니다.
경사자기장이 없다면 발생하는 MR신호는 발생대상의 각 부분에서 나오는 신호들을 모두 합한 신호가 될 겁니다.
그래서 구별을 위해 경사자기장이라는 정자기장과 자기장의 세기가 다른 자기장을 걸어주게 됩니다.

여기에는 x,y,z방향에 따라 3종류의 경사자기장이 있습니다.
각각을 진동수인식 경사자기장(Gx), 위상인식 경사자기장(Gy), 단면결정 경사자기장(Gz)라고 합니다. 첫번째로 z방향의 단면결정 경사자기장을 살펴보겠습니다.

단면결정 경사자기장

정자기장의 z축 방향으로 위치에 따라 변하는 자기장을 말합니다.
정자기장과 이 자기장을 걸어준 상태에서 라디오파를 걸어주게 되면 정자기장에 의해 동일한 핵스핀 진동수를 가졌던것과 다르게 경사자기장에 의해 z방향에 따라 걸리게 되는 자기장이 두 자기장의 합으로 인해 달라지게 됩니다.
이렇게 되면 z방향으로 변함에 따라 공명이 되는 진동수가 다르게 되고 라디오파를 걸어주었을 때 공명조건에 차이가 생기게 됩니다.
이렇게 되면 특정 라디오파에 대한 결과가 특정 단면의 값만 보여주게 됩니다.
하지만, 걸어주게 되는 라디오파가 하나의 진동수만 가지는 것이 아니라 진동수폭을 가지므로 결과도 특정 단면이 아니라 특정 영상폭을 보여주게 됩니다.
그런데 이 영상폭은 단면결정 경사자기장의 z방향에 따른 변화가 클수록 영상폭이 얇아집니다.
즉, 경사자기장의 변화량 정도로 영상의 폭 단면 두께를 조정할 수 있습니다.

이 방법을 사용해서 우리는 하나의 단면을 결정할 수 있게 되었습니다.
하지만, 아직까지는 MR신호가 어디서 나오는지 구별할 수는 없습니다.
이를 구별하기 위한 자기장이 진동수인식 경사자기장과 위상인식 경사자기장입니다.

단면결정 경사자기장에 의해 하나의 영상 단면을 얻은 상태에서 여기서 나오는 MR신호의 위치값을 알기위해 영상단면을 여러 개의 조각으로 나뉜 복셀로 존재하고 이 복셀에서 나오는 MR신호를 읽어야 합니다.

그런데 하나의 단면이 있다고 했을 때 여기서 나오는 MR신호는 구별이 안됩니다. 하나의 단면에 나온 핵스핀들은 모두 동일한 진동수로 회전하고 있기 때문입니다.

그래서 우선 위상인식 경사자기장을 걸어주어 y방향으로 자기장의 변화가 생기는데 한쪽은 정자기장이 작아지도록 한쪽은 커지도록 걸리도록 하고 중간은 그대로 걸리게 된다면 핵스핀들이 가지는 진동수들이 차이가 생깁니다.

이러한 위상차가 발생했을 때 여기서 진동수인식 경사자기장을 걸어줍니다. 이 자기장은 x방향으로 걸어주어 핵스핀의 진동수가 차이나게 만들어 줍니다. 이렇게 하면 각 복셀이 내는 신호가 주변과 달라져 신호가 구별이 됩니다.

자기장이 걸리는 순서

어떻게 라디오파를 걸어주냐에 따라 다르겠지만, 단면을 결정짓기 위해 Gz를 걸어주고 Gy, Gx를 걸어주어야 합니다.

결과

결과적으로 얻은 MR신호는 그대로 사용하지는 못합니다. 여러 진동수를 가진 신호의 합이므로 이 신호를 진동수에 대한 Fourier 변환을 사용해 각 신호들을 구별해줍니다.

NMR : 전자의 에너지 궤도 불연속성과 제만효과
공명현상을 통한 핵자기공명현상
MRI의 기본원리를 알아보자1
MRI의 기본원리를 알아보자2
MRI의 기본원리를 알아보자3 
MRI의 기본원리를 알아보자4

<수정>

저번 포스팅인 NMR과 공명현상에서 소개한 내용 중에 잘못된 점이 있어 수정하고자 합니다.
이때 포스팅에서 사용한 이미지를 잠시 다시 보겠습니다.

여기서 보면 아래쪽의 업스핀이 (-) 핵자기 모멘트를 가지고 위쪽의 다운스핀이 (+) 자기 모멘트를 가진다고 제가 소개를 했었습니다. 그런데 이것은 전자에만 해당되는 이야기입니다. 전자와 부호가 반대인 반면 양성자에서는 이와 반대입니다. 즉, 자기모멘트 방향이 스핀 방향과 동일하다는 이야기입니다.
그래서 전에 소개한 내용은 전자에만 해당하는 내용이고 양성자(수소핵)의 경우에는 업스핀은 (+) 자기모멘트 다운스핀은 (-) 자기모멘트를 가진다는 점을 강조합니다.
이를 표현한 식을 보여드리고 본론으로 들어가도록 하겠습니다.

우리는 저번 시간까지의 과정을 통해 수소핵을 핵자기공명(NMR)현상을 이용하여 영상을 얻어낸다고 했습니다. 이 영상을 얻는 방법을 이해하기 위해 가장 먼저 이해해야 하는 이론은 자화도 개념이 되겠습니다.

자화도 벡터

자화도라는 것은 자화가 되어진 정도로 생각하시면 되는데 벡터라는 개념이 나옵니다.
여기서 벡터는 방향성을 나타낸다는 말인데 그럼 자화도 벡터는 방향성을 나타내는 자화도라고 생각하시면 됩니다.
다시 전에 소개했던 핵자기공명현상을 떠올려봅시다.
균일한 자기장을 걸어주면 라모어 세차운동에 의해 핵스핀들이 동일한 진동수로 세차운동을 하게 된다고 했었습니다.

공명현상을 통한 핵자기공명현상(NMR)

그런데 동일한 진동수를 가진다고 했지 동일한 위상을 가지는 것은 아닙니다. 위상자체는 각각 제각각이게 됩니다. 이러한 위상차에 의해 각각이 만들어 내는 자기모멘트들은 위나 아래로 모두 동일하지는 않습니다.
이러한 자기모멘트값들을 벡터합을 하게 되면 전체 거시적 자화도 벡터를 얻게 됩니다.
하나의 예를 들어보겠습니다.
다른 방향을 바라보고 있는 여러 작은 자석들을 모아놓았다고 합시다.
이 작은 자석 하나하나는 자기모멘트를 가지고 있고 모두 동일하지는 않습니다.
그런데 이 작은 자석들이 모여있는 곳에서 나와서 멀리 나왔다고 합시다. 그리고 다시 자석이 있는 곳을 바라봅니다. 

그럼 이때 보기에 자기모멘트가 제각각으로 보일까요?
아닙니다. 보기에는 하나의 자석이 하나의 자기모멘트를 띤다는 것을 알 수 있습니다.
조금 더 쉽게 예를 들자면 하나의 그룹이 있다면 그룹 원들은 다 제각각 다른 소리를 내지만 결국에는 하나의 의견을 수렴해서 결론을 도출하게 됩니다. 하나의 목소리를 내는 것이죠.
이와 같이 자화도 벡터도 같은 개념입니다.

왜 그럼 우리는 이 개념을 보아야 할까요?
영상을 얻기 위해서 NMR현상을 이용해 방출하는 MR 신호를 분석해야 합니다.
그런데 이 MR신호는 단순히 하나의 정보만을 나타내는 것이 아닙니다. 무수히 많은 핵들이 방출하는 복합적인 신호를 분석하는 것이죠.
그렇기에 각각의 공명들이 내는 전체의 신호인 자화도를 기준으로 앞으로 분석할 것입니다.
그러니, 앞으로 설명하는 이 자화도가 하나의 핵스핀이 만들어 내는 것이 아닌 단위표적당 내는 신호라고 생각해주시면 됩니다.

종축자화도와 횡축자화도

종축자화도는 자기장의 방향과 평행한 자화도를 말하며 횡축자화도는 자기장의 방향과 수직한 자화도를 말합니다.
자기장이 걸렸을 때 자기장방향과 동일한 자기모멘트를 가진 업스핀을 가진 핵자가 주를 이루고 몇몇 핵자가 다운스핀을 가지며 반대방향을 가르킵니다. 그래서 위상들의 차이가 존재하게 됩니다.
그런데 이때 라디오파를 걸어주어 업스핀을 가진 핵자들을 공명시켜주게 됩니다. 이때 동위상을 가지게 되면 자화도 벡터의 방향이 변화하게 됩니다. 

그런데 자기장의 방향과 수직이 되도록 자화도를 가질 때를 횡축자화도라고 합니다.
보통 MRI 영상을 얻기 위해서는 이 횡축자화도인 90° 펄스또는 완전 뒤집혀있는 180° 펄스를 얻어서 사용하게 됩니다.

라디오파

전자기파중에 주파수대역이 라디오파 대역에 있는 경우를 말합니다.
가장 긴 파장을 가지는 영역이며 수백 Hz에서 수백만 Hz까지의 다양한 주파수가 있습니다.

그리고 공명을 걸기 위해 수소핵과 동일한 진동수를 필요합니다.
예로 1T의 자기장을 걸어주는 영상장치에서는 42.57MHz의 라모어 진동수를 가지며 1.5T의 경우는 64MHz의 라모어 진동수를 가지게 됩니다.
이 주파수 영역들은 우리가 듣는 FM라디오 영역때의 주파수들입니다. 그래서 외부 FM라디오파라는 노이즈를 줄이기 위해 MRI장치는 전자기파를 차폐시켜주는 장치를 필요로 합니다.

거시적 해석

MRI에서는 펄스를 주입해 순식간에 공명을 일으킵니다.
이를 거시적 관점에서 보면 전자기파인 라디오파를 주입시키면 전자기파에서 자기장 영역이 자화도에 영향을 주어 토크(돌림힘)를 가하여 이 자화도의 방향을 바꿔준다고 생각하시면 됩니다.
이 자화도의 변화하는 정도는 라디오파의 자기장에 의존합니다.

즉, 자기장을 걸어주어 주파수를 부여해준 상태에서 얼마나 강한 라디오파를 걸어주냐에 따라 이 자화도가 변화하는 정도가 달라집니다.

앞서 설명한 라디오 펄스는 순간적인 파동입니다.
라디오 펄스는 다양한 주파수가 섞인 순간적인 전자기파를 방출해내는 건데 이를 활용한다고 했죠?
앞서 소개한 포스팅에서는 이완시간이라는 개념을 언급하면서 자화도가 공명으로 변화한 후에 원래 윗방향으로 향하던 자화도의 방향이 변화함에 따른 시간차이를 분석에 활용한다고 했습니다.
하지만, 한 번 라디오파를 걸어준다고 원하는 값을 얻는 것은 아닙니다. 원하는 방향으로 자화도가 형성되기 위해서는 반복적으로 이 과정을 수행해야 하죠.
그렇기에 펄스를 일정한 시간(반복시간)을 두고 발생하는 방법으로 규칙적인 라디오파를 걸어줍니다.

이완시간

라디오파 펄스를 주고 나서의 상황을 보겠습니다.
라디오파에 의해 자화도는 변화했고 위상은 같아졌습니다.
그런데 이를 유지하지 못합니다. 강제적인 변화였고 그 외력이 없다면 원래의 상태로 돌아가려 합니다.
그래서 두가지 측면에서 다시 돌아갑니다.
첫번째로 높은 에너지준위로 올라간 수소핵들이 다시 낮은 에너지 준위로 내려갑니다. 이때 자화도의 방향은 원래의 방향인 위쪽, 종축자화도로 바뀌게 됩니다.
두번째는 동위상이 깨집니다. 라디오파에 의해 같은 위상으로 정렬했었지만 다시 원래의 자기장 방향으로 정렬하게 됩니다.
여기서 전자와 후자는 종축자화도 회복과 횡축자화도 소멸에 각각 작용하며 결과적으로는 동일한 결과를 불러오는데 작용합니다.
하지만, 각각 지칭하는 용어가 있습니다. 전자는 T1 이완시간 후자는 T2 이완시간입니다.
각각에 대해서 간략하게 설명하겠습니다.

T1 이완시간

종축자화도가 회복되는데 걸리는 시간을 말합니다. 다른 말로 스핀-격자 이완시간이라고도 합니다.
그런데 이 이완시간은 수소핵들이 여기되었다가 다시 원래 에너지 레벨로 돌아오는 과정인데 여기되었을때 주변의 같은 진동수를 가진 분자가 주변에 존재한다면 이에 대한 상호작용으로 더 빨리 에너지를 잃습니다.
즉, 회복하는 시간이 주변 물질이 무엇이냐에 따라 달라지는 것이죠.
그래서 순수한 물이 가장 오래 걸리는 한편 지방은 빨리 회복된다고 합니다.

T2 이완시간

횡축자화도가 사라지는데 걸리는 시간을 말합니다. 다른 말로 스핀-스핀 이완시간이라고도 합니다.
펄스가 사라지고 계속 걸려있던 자기장에 의해 공명으로 동위상이 되었던 진동수가 정렬 방향에 따라 차이가 나면서 동위상이 깨지는 현상이 발생합니다. 그리고 이로 인해 사라지는 횡축자화도의 소멸시간입니다.
이는 T1 이완시간보다 빠르게 진행이 됩니다.

MR신호

미시적으로는 핵의 여기와 회복으로 발생하는 에너지를 신호로 방출해내는 것이지만, 거시적으로 보았을 때 결국, 자화도의 변화가 발생한다는 것을 알 수 있습니다.
그래서 이 신호를 받아오기 위해 rf coil을 사용해 수신되는 전자기파의 변화를 측정합니다.
이 신호를 FID 신호라고 하는데 자유유도감쇠신호라고 합니다.

정리하자면

라디오파 펄스를 순간적으로 주어 공명을 유도하고 펄스가 사라졌을 때 다시 원래 상태로 회복하면서 발생하는 자화도의 변화를 신호로 검출하는데 이 신호를 FID신호라고 한다.

 

“해당 포스팅에 사용한 이미지는 구글 이미지임을 알립니다.”

“해당 포스팅은 스팀잇에서 작성한 글을 옮긴 포스팅입니다.”

MRI는 (Nuclear) Magnetic Resonance Imaging이며 (핵)자기공명영상장치라고 합니다. 핵이 생략된 이유는 핵이라는 말 자체가 사람들에게 안 좋은 느낌을 주기 때문에 생략했다고 합니다.
그래서 원래는 NMRI라고도 합니다.

원리

가장 기본적인 원리는 핵자기공명현상을 이용하게 됩니다.
이는 고자기장을 걸어주었을 때 발생한 핵자의 공명진동수와 동일한 진동수를 가진 라디오파를 주어서 공명을 시키는 현상입니다.

이 공명이 되는 핵자는 우리의 인체를 구성하고 있습니다. 그렇기에 공명의 대상은 인체가 되는데 인체의 대부분은 무엇으로 이루어져 있죠?
바로 물입니다. 사람 체중의 70% 정도가 물인데 이 물은 H2O라는 분자로 이루어져 있습니다. 그리고 하나의 물분자당 2개의 수소가 있음을 알 수 있습니다.
즉, 인체 내부에는 아주 많은 수소가 있고 곳곳에 존재한다는 이야기입니다.
그렇기에 우리는 MRI를 사용했을 때 이 수소핵을 공명시키도록 만들어 줍니다.

그런데 기본적으로 수소핵들은 자기모멘트들을 가지고 각각의 자기모멘트에 의해 전체적인 자화도를 가집니다. 이 자화도가 공명시에 변화했다가 원래로 돌아오는 이완시간의 차이로 영상의 명암을 얻게 됩니다. 이것이 전체적인 MRI의 원리입니다.

MRI장비

MRI의 주요장비는 크게 4부분으로 구분할 수 있습니다.

• 정자기장을 생성해내는 자석
• 경사자기장을 만들어내기 위한 자석장치
• 공명을 유도할 라디오파 송신장치와 MR신호(결과신호)를 측정할 수신장비
• 신호를 분석 처리하여 영상화하는 컴퓨터
  로 구성이 됩니다.
  

장점과 단점

장점을 먼저 생각해보자면 다른 영상장치(X-ray, CT, PET, Gamma-Camera)들은 방사선을 방출하고 이를 검출하는 방법을 사용하는데 반해 MRI는 방사선을 검출하는 방법을 사용하지 않아 방사선 피폭에 대한 걱정을 할 필요가 없습니다.
또한 일반적인 CT같은 경우 뼈로 둘러싸인 신체 부위는 영상을 찍는데 어려움이 있으나 MRI는 이러한 부위에 대해서 효과적입니다.

또한 CT와 같은 장비가 잘 구별해내지 못하는 근육, 인대, 뇌 신경계, 종양구별에 좋습니다.

(약 1T가 지구자기장의 2만배정도의 세기이고 MRI장비마다 걸어주는 자기장은 차이가 있습니다)

하지만 단점도 존재합니다.

우선 촬영시간이 긴 편이고 밀폐된 통에 들어가 있기 때문에 폐쇄공포증 환자에게는 촬영이 힘듭니다. 또한 고자기장을 on/off해주면서 큰 소음이 발생합니다.
그리고 균일하고 강한 정자기장을 걸어주기 위해서 초전도체 자석을 사용하고 이를 유지하기 위해 많은 비용이 듭니다.
또한 강한 자기장 때문에 잔딘 시 금속 보형물을 사용한 상태로 사용하면 화상을 입을 수 있습니다.

하지만 요즘에는 MRI에 반응 안 하는 보형물을 사용하여 MRI진단이 가능하도록 한다고 합니다.

앞으로

 다음과 같은 순서로 원리에 대해 알아보고자 합니다. 

• 자화도 벡터 개념
• 이완시간과 반복시간
• MR신호
• 여러방법의 펄스 얻기
• 경사자기장을 이용한 위치값 부여