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

이 글에서는 MRI의 기본적인 image인 T1, T2 weighted image에 대해 정리해보고자 한다.

(T1, T2 weighted image를 T1, T2 relaxation time을 통해 취득하므로 해당 내용 역시 포함될 예정)

2. T1, T2 image

T1, T2 image의 정의를 보자면 다음과 같다.

T1 weighted image : 횡자화되었던 수소원자가 다시 종자화로 돌아오는 과정(longitudinal magetization)이 63% 진행된 시간을 T1 relaxation time이라고 한다. (종자화 63% 회복상태) 이를 이용한 영상이 T1 weighted MR image이다.

T2 weighted image : 100%의 횡자화 상태에서 종자화가 진행되면서 횡자화가 줄어드는 과정(transvers magnetization)이 100%에서 37%만큼 진행되기까지 걸리는 시간을 T2 relaxation time이라고 한다. 이를 이용한 영상이 T2 weighted MR image이다.

이 정의를 보면 T1, T2 weighted image에 대해 알기 위해선, T1, T2 relaxation time에 대해 알면 됨을 파악할 수 있다.

또한, 이러한 해석 과정에서 MRI의 기본 원리에 대해 더 정확하게 깨우칠 수 있다.

 

앞선 글에서 $B_0$를 쏴주면, 수소원자들은 정렬되면서 같은 방향은 저에너지, 반대방향은 고에너지를 갖게되고

정렬된 원자들의 개수 차이로 인하여 에너지 차이가 발생한다고 하였다.

 

이렇게 발생한 에너지 차이를 갖는 RF(라디오 주파수 : Radio Frequency)를 쏘면 낮은 에너지를 갖는 수소가 RF의 에너지를 흡수해서 공명하면서 flip한다.

 

방금 말한 RF가 앞의 글에서 언급했던 RF pulse이다.

RF pulse(Radiofrequency pulse) : 무선주파수 pulse로, 파장 1mm~100km 범위, 진동수 3KHz~300GHz까지의 전자기파를 일컫는다.
(출처 : 위키백과)

다시 본론으로 돌아와서,

flip한다는 것은, 아래 gif와 같이 2가지를 내포한다.

1. x-y plane으로 90도 flip하는 것과,

2. 수소원자의 자전축들이 같은 방향을 가리키게 되는 것(=In-Phase).

(Up) 1번 , (Bottom) 2번 설명과 부합

여기에서 헷갈렸던 것이, 이미 $B_0$로 인하여 수소원자들의 자전축은 $B_0$와 나란하게 정렬된 것이 아니었나?

어째서 같은 방향을 다시 가리킨다고 하는거지? 였는데

$B_0$로 인해 나란하게 정렬되었다는 말은, 완전히 같은 방향을 본다는 의미가 아니라

아래 gif와 같이 세차운동을 하는 수소원자의 자전축의 방향이 같고, 세차운동의 중심이 되는 점이 동일하다는 의미였다.

이를 Larmor precession(Larmor 세차운동)이라고 한다.

Larmor precession

- T1 relaxation time

T1 image는 flip의 x-y plane으로 90도 눕는다는 의미와 연관된다.

x-y plane으로 누웠던 수소원자들이 쏴주던 RF를 끊어주면,

기존에 걸어준 외부 자기장인 $B_0$에 의해서 다시 서서히 일어난다.

 

이 영상을 보고오면 이해가 쉬울 것이다.

영상에서 검정색 화살표가 점점 일어나듯, 수소원자들의 자전축이 일어나는 것이다.

따라서 수소원자들의 자기모멘트 벡터합이 z축 방향으로 다시 커질 것(increase)이고, 이를 나타낸 것이 다음 그림이다.

 

일반적으로 자기장($B_0$)의 방향을 z축으로 설정한다.

이를 longitudinal magetization이라 하고,

이러한 과정이 63% 진행되었을 때의 시간을 T1 relaxation time 이라고 한다.

- T2 relaxation time

T2 image는 flip의 2번째 의미인 In-Phase(수소원자의 자전축이 동일한 방향을 보는 것)에서 비롯된다.

 

Larmor precession을 하고 있던 수소원자들의 자전축들이 RF pulse에 의하여 세차운동 반경(맞는 표현인가?)중에서

동일한 방향으로 바라보게 된다. (=In-Phase)

동일한 방향을 바라보기 때문에 수소원자들의 자기모멘트 벡터합은 증가할 것이다.

 

이후에, RF를 끊어주면 동일한 방향으로 쏠렸던 자전축들이 다시 각자 가리키던 방향으로 흩어지게 된다.

자전축들이 다시 흩어지면서 이에 따라 당연히 수소원자들의 자기모멘트 벡터합은 감소하게 된다.

이를 Transversal magetization이라 하고,

이러한 과정이 37%까지 진행되었을 때의 시간을 T2 relaxation time이라고 한다.
(37%까지 진행된거니까 63% 진행된거랑 동일한거같은데 왜 37%까지라고 하는지는 모르겠다.)

 

 

이렇게 T1, T2 relaxation time에 대해 알아보았다. 그렇다면 이러한 relaxation time으로 어떻게 image를 만드는 것일까?

 

다음 그림과 같이 구성원에 따른 relaxation time에는 차이가 발생한다.

이러한 차이를 이용하여 영상을 구성하여 weighted image를 만든다.

(정확히 모르겠넹 ㅎㅎ)

 

Q. 왜 하필 수소를 사용하여 MRI를 측정할까?
A. 수소 원자는 자연상에서 굉장히 흔한 원소로, 인체에도 풍부하다. 또한, 외부 자기장에 반응하는 정도가 굉장히히커서 MRI 측정요소로 매우 적합하다.

 

T1 : parallel to $B_0$ (z axis)
T2 : perpendicular to $B_0$ (x-y axis)

위에서 언급한 T1, T2에서의 longitudinal component(z axis)와 transversal component(x-y plane)를 합치면
MRI 공부를 하면서 초반에 접하게 되는 net magnetization이 된다.

 

 

 

T1 weighted image에서는 액체가 검게 나타나고,
T2 weighted image에서는 고체가 검게 나타난다.

 

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

*** 피드백 및 잘못된정보에 대한 수정요청은 항상 환영합니다 :)

 

[참고]

nate9389.tistory.com/972

www.startradiology.com/the-basics/mri-technique/index.html

www.youtube.com/watch?v=Ok9ILIYzmaY