[MRI] MRI 기초_1. 기본 원리

Modality 중 MRI에 대해 기본부터 차근차근 정리하고자 합니다.

기본 원리부터 MR imaging을 위한 MR physics와 MR imaging까지 모두 다룰 예정입니다.

MRI (Magnetic Resonance Imaging) : 자기공명영상

1. 기본 원리

MRI는 자기장을 이용하여 수소원자의 변화를 측정하고, 이를 통해 신체 기관을 촬영합니다.

 

따라서 수소원자에 대해 먼저 알아보고, 수소원자의 변화가 어떠한 의미인지 살펴보겠습니다.

 

출처 : https://brunch.co.kr/@ygdmi1/3

수소원자는 그림과 같이 핵을 중심으로 전자가 공전합니다.

전자가 공전하므로, 전자의 흐름(전류)이 생기고, 전류가 생기므로 자기장이 형성됩니다.

이 때, 오른손 법칙에 의해 다음 그림과 같이 자기장의 벡터 방향이 결정됩니다.

출처 : https://en.wikipedia.org/wiki/Right-hand_rule

즉, 수소의 자전축 방향으로 자기장의 벡터 방향(=자기모멘트 방향)이 결정됩니다.

신체 기관 내에는 위와 같은 수소가 굉장히 많이 존재합니다. (한 voxel 안에도 마찬가지로 많은 수소가 존재합니다.)

자연상태에서 각 수소들의 자전축은 임의의 방향을 가리키고 있는데,

서로 반대되는 방향의 수소끼리 자기모멘트가 서로 상쇄되어

자연상태에서는 에너지가 0(zero)인 zero-sum 상태를 가지게 됩니다.

 

그런데 이러한 zero-sum 상태에서 외부로부터 강력한 자기장($B_0$)을 걸어주면

수소원자들의 자기벡터 방향이 $B_0$와 나란하게 정렬합니다.

 

이 때, 나란하게는 2가지의 방향을 포함한다는 의미인데,

첫째는 $B_0$와 같은 방향이고, 이를 spin-up 상태라고 합니다.

둘째는 $B_0$와 반대 방향이고, 이를 spin-down 상태라고 합니다.

spin-up(빨간 박스)와 spin-down(파란 박스)

spin-up상태의 수소원자들은 낮은 에너지를 갖고,

spin-down상태의 수소원자들은 높은 에너지를 갖습니다.

 

$B_0$에 의해 나란하게 정렬한 수소원자들의 자기벡터를 모두 합한 합벡터를 $B$라고 하면,

신체의 조직마다 갖고 있는 수소의 양이 다르고, 각 조직마다 또한 조직의 상태마다

spin-up, spin-down된 수소원자의 개수에 차이를 보이기 때문에 $B$는 다르게 측정되는 것입니다.

 

때문에 $B$를 측정하여 조직을 구분하고, 조직의 상태를 진단하는 MRI 영상을 찍을 수 있는 것입니다.

 

그렇다면 $B$를 어떻게 측정할 수 있을까요?

결론부터 말하자면, 수소원자는 세차운동을 하는데 세차운동에서의 횡자화된 정도를 통해 측정할 수 있습니다.

횡자화된 정도는 진폭을 통해 측정할 수 있습니다.

(자세한 사항은 우선은 생략하고 추후에 알아보도록 하겠습니다. 여기에서는 $B$를 측정하여 MRI영상을 찍는다는 것과 세차운동이 무엇인지만 기억하고 넘어가도록 하겠습니다.)

 

세차운동(Precession)이란, 팽이가 돌아갈 때를 생각하면 쉽게 알 수 있습니다.
팽이를 강하게 돌리면 팽이의 축이 좌표계에서의 z축과 동일할 텐데요, (=종자화)
시간이 지나면 팽이의 축이 흔들리기 시작하다가 결국에는 xy평면에 누워버릴 것입니다. (=횡자화)
즉, 회전하고 있는 물체에 돌림힘(토크)이 작용할 때, 회전하는 물체가 흔들리는 현상을 세차운동이라고 합니다.

단, 수소원자와 팽이의 차이점은 수소원자는 힘을 받을 때 횡자화한다는 것입니다.

즉, 수소원자가 외부($B_0$)로부터 힘을 받아 횡자화되고 다시 종자화되기까지는 시간이 소요되는데,

이를 Relaxation time이라고 한다.

이러한 Relaxation time으로 부터 image를 얻어내는 것이 MRI의 기본 원리입니다.

 

Relaxation의 정의를 살펴보고 포괄적인 기본 개념에 대한 글을 마치겠습니다.

Relaxation(이완)
: 수소원자가 RF pulse의 에너지를 흡수하여 횡자화한 후, 다시 에너지를 방출하면서 종자화하여 원래 상태로 돌아오는 것.

RF pulse가 무엇인지는 추후에 다루도록 하겠습니다.

다음글에서는 MRI에 사용되는 주요 자기장들과 이들을 통해 만들어내는 작용들을 살펴보도록 하겠습니다.

 

[MRI] MRI 기초_3. T1, T2 relaxation time과 weighted image

 

*** 참고로 proton은 양성자라는 의미지만 수소원자가 이온화하면 양성자 1개만 남으므로 같은 의미로 사용됩니다.

*** 피드백 및 잘못된정보에 대한 수정요청은 항상 환영합니다 :)

 

[참고]

blog.daum.net/ironmanjws/15861221