MRI (Magnetic resonance imaging)

Introduction-MRI출처 : 고려병설대학

소개

• soft tissue anatomy• MRI

– 큰 자장이 걸려있는 검사기에서 고주파와 인체 속에 있는 수소핵 (proton) 과의 상호작용에 의한 에너지 방출을 검출하여 영상 구현

– Nuclei having odd number of neutrons, and odd number of protons, or both will have a net magnetic moment

– H or “Proton” NMR• High concentration and high sensitivity

MR 의 역사 및 배경• 역사

– 1964 년 Purcell 과 Bloch 연구진에 의해 처음으로 NMR 현상을 발표

– 1967 년 Damadian 이 쥐의 뇌를 영상화– 1973 년 Laterbur 의 경사자장개발로 핵자기공명에서

핵자기공명영상으로 발전• 각종 영상진단장치의 응용분야와 특징

진단 영상에서의 MRI 의 특성• 장점

– 대조도 분해능이 높다– 다변화 영상을 만들 수 있다여러가지 Parameter 를 변화시켜

병변진단이 용이하다 .– 방사선을 이용하지 않는다 .(RF Electromagnetic Radiation 와

Magnetic Field 를 이용 )– MRS, MRA, fMRI 등의 검사 가능

• 단점– 검사기간이 길다– 장비가 비싸다 .– 영상 인공물 (Artifact) 가 심하다 .

용어 해설• 자기공명영상 : Magnetic Resonance Imaging(MRI),

Nuclear Magnetic Resonance Computed Tomography, Spin Mapping, Hydrogen Mapping, Zeugmatography, Magnetic Resonance Imaging

• MRS : Magnetic Resonance Spectroscopy

• MRA : Magnetic Resonance Agiography

• fMRI : functional MRI

자기 (Magnetism)• 자성의 근원을 자기 , 자기를 가지고 있는 물체를 자석

• 외르스테드의 법칙 : 전기를 이용하여 자기를 발생시키는 원리• 페러데이의 법칙 : 자기를 이용하여 전기를 발생시키는 원리

• 도체의 분류 : 부도체 , 반도체 , 전도체 , 초전도체

• 자계의 분류– 강자성체 (Ferromagnetic material), 상자성체 (Paramagnetic

material), 반자성체 (Diamagnetic material)

• 자력의 단위– 1T(tesla)=10,000 gauss=1Kg/(sec2×A), A),

1gauss=1wb/2

Magnetization• 자기공명영상이 양자만 이용하는 이유

– 수소전자는 다른 원자의 전자와 공유결합하여 서로의 자기장 상쇄– 수소 양자는 1 개로서 원자핵 내에 한가자 방향만을 취할수 있어

자기장이 상쇄되지 않고 존재• magnetic moments alignment

– Static magnetic field(B0) 가 발생하면 자장에 평형되거나 역평형되게 정렬된다

– 평형된것이 약간 많아서 전체자장 M 만큼 자화된다 .– 그림 1 참조

세차운동

• 세차운동– 양자가 외부자기장 (B0 ) 을 중심으로 일정한 각 θ 을 유지하며

회전하는 운동

세차주파수

• 세차주파수 ( 그림 B)– 라모어 방정식

• F=γB0 , F(Larmor): 세차주파수 (MHz), B0 : 외부자기장(tesla), γ: 자기회전비

• γ: 자기회전비 는 nuclear 종류에 따라 결정– 수소의 자기 회전비 : 42.57MHz

– 라모어 방정식에서 얻어진 주파수를 걸면 Oscillating magnetic (RF) field

• the spins will absorb energy and become excited: excitation

– Tipping Magnetization, Induce a voltage in a nearby coil

– Figure 2.

순자화 & 숙임각• 순자화

– 핵자사이에 작용하던 힘들이 외부자장 (B0) 이 부여되면 작은 핵자기 모멘트가 (μ) 가 외부자장 방향으로 정렬하게 되는데 이를 순자화

– 순자화 M 은 각 핵자들의 핵자기 모멘트 (μ) 의 합으로 표시 (M=Σμ)– B0 값은 Mz(Z 축 ) 와 평형이므로 Mx(X 축 )=My(Y 축 )=0 이된다

• B0 에 대한 방향축을 Z 축이라 표시하며 , 여기에 수직인면을 X-Y 축으로 표시

• M0∝(Nr2B0/T)  :   근사치 , 비례치• (N : 핵자의 수 , r : 자기회전비 ,  B0 : 외부자장의 세기 , T : 절대온도 )

• 숙임각 (Filp Angle) : θ– 순자화 상태의 벡터가 Z 축으로부터 각 θ 만큼 움직이는 것으로 RF

에너지를 흡수하면서 일어난다 ( 기저 상태→여기상태 )– 순자화 벡터값을 다른 축 (X,Y) 으로 이동시켜 세차 주파수 값을 얻는

것이다

자유 유도 감쇠 &RF pulse• 자유 유도 감쇠 (FID: Free Induction Decay)

– RF pulse 를 차단하면 외부자가장의 불균일성과 내부자기장의 영향 때문에 동위상의 상태가 점차 상실되므로 X-Y 평면상의 자기 모멘트 백터합은 시간이 지남에 따라 감소

– 횡자화는 시간이 지날수록 흩어지는 상태가 되어 자화가 점차 없어지므로 수신코일에서 유도되는 전기신호 역시 약해진다 ( 그림 A) 이때 검출된 전기적 신호가 자유유도감쇠이다

• RF pulse(Radio Frequence Pulse)– Hard pulse : 강하고 짧음→순자화의 벡터가 기울어 질 때 빨리 기울어짐 – Soft pulse : 약하고 길다→순자화의 벡터가 기울어 질 때 느리게 기울어짐 – 0° RF pulse, 90° RF pulse, 180° RF pulse 가 있다

그림 A

Relaxation( 이완 )

• 이완이란 ?– 외부에서 RF 에너지를 흡수하면 그들의 자화가 바뀌었다가 ( 종자화→

횡자화 ) 흡수하였던 에너지를 차단하면 횡자화는 소멸되면서 종차화는 처음의 열 평형상태로 되돌아 가는 과정

– 또한 자기공명영상에서 각 조직들간에 대조도를 좌우하는 고유 인자 중에 가장 큰 비중을 차지하는 것이기도 하다 .

• 종이완 (T1,longitudinal,spin-lattice relaxation)

• 횡이완 (T2, transverse, spin-spin relaxation)

종이완 (T1,longitudinal)• 기저상태에 있던 스핀이 RF 의 에너지를 흡수하여 여기상태로

되었다가 RF 를 차단하게 되면 흡수 하였던 RF 의 에너지를 주변 조직에 방출하면서 기저 상태로 돌아오게 된다

• 공명된 스핀으로부터 RF pulse 를 차단하였을 때 종자화가 본래 가지고 있던 자화의 63% 까지 도달하는 시간을 T1 이완 시간 ( 그림 A)

• 인체조직의 T1 이완 시간 순서 ( 빠른순 ) – 지방→간→백질→회백질→근육→혈액→뇌척수액→물 ( 그림 B)

• T1 영상은 해부학적 영상이라 볼 수 있고 지방은 흰색으로 뇌척수액은 검정색으로 나타난다

그림 A 그림 B

횡이완 (T2,transverse)• 열평형상태의 스핀에 90°RF pulse 를 주게되면 종자화는 없어지고

새로이 횡자화가 생기며 , 이 횡자화는 X-Y 평면상에 360° 회전하게 된다

• 이때 스핀들간의 위상은 모두 같으며 이를 inphase 동위상이라고 한다

• 그러나 시간이 지남에 따라 스핀간의 동위상이 점차 상실되면서 X-Y평면상의 자기 벡터합이 감소하게 된다

• 90°RF pulse 를 차단하여 처음 자화의 37% 까지 소멸되는 시간을 T2이완시간이라 한다 ( 그림 A)

• 인체조직의 T2 이완시간 순서 ( 빠른순 )– 근육→간→비장→지방→백질→회백질→혈액→뇌척수액→물 ( 그림 B)

• T2 영상은 병리학적 영상이라 볼 수 있고 뇌척수액은 흰색으로 근육은 검정색으로 나타난다 .

그림 A 그림 B

영상획득

• 1 차원 영상• 2 차원 영상• 3 차원 영상

1 차원에서 위치 구별

• 공간적 위치구별– 공간적으로 변화하는 자장

• 공간적으로 변화하는 세차주파수 • B(x) = B_0 + G x• F(x) = gamma(B_0 + G x)

– Frequency encoding

Pulse 순서

• RF pulse• Frequency encoding• Fourier transform

– Magnitude of a frequency represents magnetization(induced voltage) at a specific location

• Measure T2(signal decay) and T1(magnetization recovery)

Phase encoding

• Same frequency• Different phase => phase

encoding

2 차원 위치 구별

• Two gradient is not working => 45 degree gradient

• X direction: frequency encoding• Y direction: phase encoding• Frequency encoding -> Phase

encoding -> frequency encoding• Echo Planar Imaging(EPI) for fMRI

K-space

• Data acquired form a continuous pathway through k-space

K-space(2)

• K공간 중심은 조직의 대조도 정보를 가지고 있고 , K 공간 바깥 부분은 조직의 세부적 묘사나 조직간의 경계 정보에 영향을 미친다

• Creating an MRI image by sampling 2D k-space – Nyquist sampling theorem

K-space(3)

(a) (b) (c)

(a) K space 의 바깥쪽 data 를 제거한 것으로서 대조도 정보는 남아 있으나 조직간에 세부적인 묘사가 잘 나타나지 않았다 . (b) K space 의 가운데 data 를 제거한 것으로서 대조도 정보는 사라지고 조직경계와 허상만 나타났다 . (c) raw data 전부를 받은 것으로 완전한 영상을 나타냈다 .

3 차원 위치 (slice) 구별

• Gradient in the Z-direction– Resonant frequency varying as a function of z– Resonant frequency at specific location

• Moving slice location– Shifting the RF frequency up or down– Shifting the overall magnetic field up or down

• Any oblique oriented slices by rotating x,y.z

Pulse sequence

• MR 영상에서 기본이 되는 4가지 pulse sequence– Partial saturation recovery( 부분 포화 회복 )

• 신호가 미약하여 peak 치 신호를 얻을 수 없어 현재는 사용하지 않음

– Spin echo– Gradient echo– Inversion recovery

Spin echo• 스핀 에코 신호는 90°, 180° 파형을 이용한 고주파 에코신호를 말하는데 이는

90° RF pulse 에 의하여 생긴 횡자화 성분의 스핀이 흩어 졌다가 180° RF pulse 에 의하여 다시 모여 생성되는 에코신호를 얻는 방법으로 스핀 에코기법이라고 한다

• inphase : 동위상 (90°RF pulse 인가 후 )• Dephase : 신호가 퍼짐 • Rephase : 신호가 모아짐 • TE(echo time) : 처음 90° RF pulse 와 echo signal 중간 가지의 시간 .• TR(time to repetition) : 처음 사용했던 RF pulse 를 재차 사용할 때까지의

시간 .

Spin echo• Spin echo 영상

– T1 weighted(T1 강조 ) : TE↓, TR↓=>T1WI : 해부학적 영상 , 검사시간 단축

– T2 weighted(T2 강조 ) : TE↑, TR↑=>T2WI : 병리학적 영상 .– Spin density weighed(Proton Density, 스핀밀도 강조 , 수소밀도 강조 )

: TE↓, TR↑=>PDWI(=SDWI), 대조도↓

A : TR=2500, TE=15(PDW1)

B : TR=500, TE=15(T1W1)

C : TR=2500, TE=90(T2W1)

Spin echo• Pulse sequence 에 따른 TR 과 TE

– 예 ) 800ms, 20ms => T1 에 가까움 , 6000/200 => T2 , 1600/20 => PD 에 가까움 , 1200/30 => T1 and PD mixed image( 영상을 만들어 내지 않음 )

• 각 강조영상 범위내에 있는 경우 TE 짧고 TR 길수록 영상이 좋아짐– 예 )1) 2000/80    200/100 ⓐ ⓑ

• =>ⓑ가 더 좋은 영상을 얻음 – ⓐ2000/100   3000/100   4000/100ⓑ ⓒ

• =>ⓒ가 좋은 영상을 얻음 ( 단 , 검사시간이 길어짐 )

– ①300/15  ②500/15  ③800/15• =>②③① 순으로 영상이 좋음 (② 가 T1범주안에 있으므로 )

Spin echo

• 다수의 절편

– 검사시간을 단축하기 위해 사용하는 방법으로서 한 절편을 얻는데 기다려야 하는 시간 동안 두 번째 절편을 얻은 후 기다려야 하는 시간 동안에 세 번째 절편 , 4번째 절편 등을 얻는다

• 한 TR 동안 다수의 절편을 얻을 수 있다 .

– Slice( 절편 ) 을 얻을 수 있는 최대수는 TR 에 비례하고 TE 에 반비례한다

• number of slice=TR(TE+Δ)

TR(Repetition time)

• TR 은 90 pulse 와 180 pulse 를 가한후 1 개의 signal 을 얻고 , 다음 signal 을 얻기 위해 두 번째 90 pulse 를 사용하는데 , 첫번째 90 pulse 에서 다음 90 pulse 까지의 시간

• TR 은 조직의 수소원자핵이 에너지를 흡수하는 시간• TR 이 영상에 미치는 영향

– TR 증가 SNR 은 좋아지지만 , 그로인한 Scan time 이 증가– 따라서 얻고자하는 고유영상에 가장 적합한 것을 선택

TE(Echo time)

• 인체로부터 나오는 signal 을 어느 시점에서 받아 영상화 하는가에 따라 T1W, T2W, PDW 의 영상이 얻어진다 .– TE : 조직이 흡수한 에너지를 방출하는데 걸리는 시간

T1 weighted Image

• Fat 과 water 사이에 T1 시간이 크게 다른 것을 이용한 대조도 영상– 기타 다른 조직은 중간정도의 신호– T2 Contrast 차이가 없은 상태에서 영상을 만듬 (TR 과 TE 조

절 )– TR 이 길면 fat 과 water 는 모두 회복되어 T1 이완시간이 모두

같은 상태가 되어 T1 강조 영상이 되지 않음 ( 짧은 TR, 짧은 TE)– 인체조직의 T1 이완 시간 순서

• 지방→간→백질→회백질→근육→혈액→뇌척수액→물

( 가 ) : 두 조직 T1 이완 차가 가장 클 태 가장 적절한 TR 을 나타낸 그림

( 나 ) : 짧은 TR 상태에서 RF pulse 를 주면 , 두 조직간에 T1 시간의 차이가 가장 크다 . 이때 짧은 시간에 signal 을 받아야 T1 weighted image 에 적합하다 . 만약 TE 가 길면 두 조직의 Signal 차이가 없으므로 T1 contrast 효과가 떨어진다 .

T2 weighted Image

• TR 과 TE 를 조절 T2 성질을 이용해 영상화– TR 을 길게 해서 T1 contrast 를 제거– 인체조직의 T2 이완시간 순서

• 근육→간→비장→지방→백질→회백질→혈액→뇌척수액→물

( 가 ) : RF pulse 를 주고 어떤 시간에 신호를 받아야 가장 효과적인 T2 weighted image를 얻을 수 있느냐는 ( 나 ) 의 그림처럼 TE 가 길어야 한다 .

TE 가 짧으면 두 조직간에 대조도가 없어서 Proton density weighted image 가 되므로 , TE 를 길게 해야만 조직간에 대조도 차이를 명확하게 나타낼 수 있다 .

Proton density weighted Image

• 환자의 일정 범위속에 존재하는 원자핵의 수가 조직마다 다른 것을 대조도로 나타낸 영상– Signal intensity 가 가장 높고 , 넓은 범위를 관찰하는데 이용– T1, T2 contrast 를 제거했을 때 , Proton density weighted

image 를 얻을 수 있다 .

• Long TR 과 Short TE 를 이용– 영상의 contrast 는 비교적 좋지않지만 , signal 이 높고 TR 이

길기때문에 많은 slice 를 얻을 수 있다 .

( 가 ) : long TR 에서는 두 조직이 거의 다 회복되었기 때문에 T1 contrast 를 보이지 않는다 . 그래서 Long TR 을 사용

( 나 ) : TE 가 길게 되면 조직간에 큰 T2 contrast 를 나타내는 signal 을 받고 , 짧은 TE 일 때는 T2 contrast 성분이 없는 상태의 signal 을 받는다 . 그러므로 TE 가 짧은 상태에서 Signal 을 얻어야 한다 .

Gradient echo( 경사자장 에코 )• 경사자장 에코신호와 스핀에코의 다른점

– 스핀의 재자화를 위한 180° RF pulse 대신에 경사자장을 반대 방향으로 바꾼후 FID 신호를 받는다

– 90° RF pulse 대신 5°-30° 의 작은 숙임각의 RF pulse 를 이용한다 – TR 과 TE 를 매우 짧게 한다

• 경사자장 에코 영상 – T1 강조 gradient echo 영상 : 숙임각 FA↑(30° 에 가까움 )– T2 강조 gradient echo 영상 : 숙임각 FA↓(5° 에 가까움 )– PD 강조 gradient echo 영상 : 영상을 만들지 않음 – 장점 : scan time 이 짧다 – 단점 : 신호가 미약하다 .( 영상이 거칠다 .)

Gradient echo( 경사자장 에코 )• Gradient echo(GE, GRE, field echo) : 임상적으로 Cardiac

imaging, MR angiography, 3-dimensional imaging(3 차원 영상 ), EPI(echo planar imaging, 초고속 영상 ), dynamic contrast technique 등과 같은 fast scan 등에 사용되고 근골격계 검사에도 SE 가 갖지 못하는 장점 때문에 많이 이용된다 .

• GE 는 경사자장 그자체에 의해서 흩어진 스핀만을 다시 모으므로 주자장의 불균일성 , 조직의 자화율 , 화학적 이동등에 의한 흩어지는 스핀을 SE pulse sequence 와 같이 echo 중앙에 재자화를 만들지 못한다

– 조직간의 자화율 변화나 화학적 이동에 대한 artifact 가 나타난다 .

– 또한 주자장 (B0) 이 균일하지 못하면 비균일한 자장이 경사자장의 선형성을 깨뜨려 여기서 얻어지는 영상은 부분적으로 어둡게 나타나거나 모양이 왜곡되어 나타나게 된다

– 그러므로 GE 신호를 이용한 영상을 얻을 때에는 균일한 자장이 필수적이다

Gradient echo( 경사자장 에코 )• 경사자장의 구성

– Z gradient : 횡단면

– Y gradient : 관상면

– X gradient : 시상면

Gradient echo( 경사자장 에코 )• 경사자장의 세기

– 1gauss/cm = 10mT/m

• 절편단면 선택 – 원하고자 하는 부위를 선택하여 촬영할 때는 선택된 경사자장에 맞는 공명

주파수의 RF pulse 를 가하면 그 부위만 공명되고 나머지 부분은 공명 되지 않아 선택된 부위만 신호를 얻을 수 있다

– 20mT/m 와 10mT/m 의 비교 • 20mT/m = 2gauss/cm = 1gauss/0.5cm => 0.5cm 의 단면이 얻어짐 • 10mT/m = 1gauss/cm =1gauss/1cm   => 1cm 의 단면이 얻어짐 • 즉 , 경사자장이 크면 얻어지는 단면은 얇아진다 • 또한 단면 선택을 좀 더 세분화하여 영상을 만들고자 할 때에는 경사자장의

기울기를 크게하고 각각 여기에 맞는 선택 공명 주파수를 인가하면 된다

• 절편단면의 폭 계산 – 주파수 대역폭 /( 자기회전비 × 경사자장의 세기 )=slice 두께

Inversion recovery( 반전회복 )• 180°RF pulse 를 처음 가하여 +Z 축으로 향해 있던 자화를 (Mz=M0)

를 -Z 축으로 반전 (Mz=-M0) 시키는 방법

• STIR(short TI inversion recovery) : 지방을 제거하는 방법 . 

Inversion recovery( 반전회복 )• FAIR(Fluid attenuated inversion recovery) : 뇌척수액의 신호를 제거하기 위한 기법 .

(a) (b)

우측 미상핵부위가 경색된 환자의 사진이다 . (a) 는 T2 강조영상이다 . (b) 는 FLAIR(TR/TE 1000/119, T1 2500) 로 촬영하였으며 병소부위가 더욱 뚜렷하게 관찰되었다

MR Parameter

MRI 의 구성

• Gantry• Operating Console• Computer

Gantry• Gantry 의 구성

– 주자석과 몇 개의 전자기적 장치 (secondary magnetic field) 로 구성– 강한 자성을 만드는 데에 세가지 방법

• 영구자석 , 상전도형 , 초전도형

Gantry• Secondary Magnetic Fields

– Shimming coil• 자석내경속에 놓여져 있으며 static Magnetic Field 의 비균일성을 수정하기

위해 낮은 자장을 만들어 낸다 .• Shimming 후 자장의 균일성을 유지하기 위해서 시간이 지나면서 Shim Drift

가 생기는 것과 Subject 자체에 의해 발생하는 균일성 감소를 조절해 준다 .

– Gradient coil, Gradient amplifier, 와류보정• 신호강도의 특징이 되는 영상내의 화적소의 두께와 FOV(Field of view) 는 X, Y,

Z 세종류의 Gradient coil 의 역할로 결정된다 .• Gradient 는 영상을 구성하는데 위치를 정한다 .• 주의의 전도물질에 와류를 방지하기 위해 와류보정을 한다 .

– Radio Frequency system• 주파수 합성기는 RF Pulse 를 Modulation 하기위해서 , 그리고 MR Signal 을

Demodulation 하기 위해 High Precision Waveform 을 만든다 .

– RF Coil• 공명현상을 유도해 내는데 필요한 Radiowave 는 주파수합성기에 의해 발생되어

RF coil 에 의해 전이• RF Coil 은 핵의 공명 주파수를 선정하기 위해 파장조절이 되고 조절된 Signal 은

공진하는 Proton 에 흠수

Operation Console & Computer• Operation

– MR 영상을 보여주는 Monitor 와 Keyboard 그리고 Scan 조건과 Scan 상황을 보여주는 Monitor 와 Keyboard 로 구성

– 대부분 CT 의 Console 을 응용하여 제작

• Computer– 용량이 크고 처리속도가 빠른 Minicomputer

• 128*128Pixel 에 50 Image1.6MB• 256*256 Pixel 에 31Slice, 4 Echo 의 Spin Echo Image 에 3D 를 구성하는 요소포함 8.1MB

MRI 촬영시 주의사항

Artifacts, 영상잡음 , 인공물 • motion and ghost artifact

– 심장 움직임 , 호흡에 의한 움직임 , 뇌척수액과 혈류의 pulsation 에 의한 주기적인 움직임으로 인하여 위상 부호화 축으로 불연속적인 신호가 발생 .

• chemical shift artifact( 화학적 이동 변이 )– 물분자와 지방의 화학적 환경이 다르므로 나타나는 현상

• black boundary artifact(out-of-phase artifact)– 지방과 물분자 사이 또는 근육과 지방 사이에 신호가 소실되어 검게

나타나는 것• eddy current artifact

– 와전류에 의하여 영상이 blurring 또는 공간적 위치변화가 발생되는 것 • truncation artifact(ringing, gibbs, spectral leakage artifact)

– 조직 간의 높은 대조도 경계 사이를 따라 평행하게 여러개의 선들로 나타난다 .( 고주파가 일부 비포함되어 나타남 )

• aliasing(wrap around) artifact – 일정한 FOV 를 초과하여 검사대상이 놓여져 있을 때 발생하는 것으로

주파수 부호화 방향과 위상 부호화 방향으로 발생

Artifacts, 영상잡음 , 인공물 • susceptibility artifact( 자화율 )

– 인체내에 인접해 있는 조직간 ( 물과 공기 , 공기와 지방 , 물과 지방 ) 또는 인체내에 철과 같은 물질 (clips, plate, screw) 이 있으면 자화율의 차이로 인하여 국소자장이 왜곡되거나 신호가 감소되어 나타나게됨

• zipperlike artifact – 고주파 경사자장의 변형에 의해 발생 .

• partial voluming artifact – voxel 이 너무 커서 신호가 묻혀 버리는 현상