MRI (Magnetic resonance imaging)

Tae-hoon Kim

핵자기공명(NMR : Nuclear Magnetic Resonance)

자기공명영상 자기공명분광법

핵자기공명 현상

Nuclear magnetic resonance (NMR) is a physical phenomenon in which magnetic nuclei in a magnetic field absorb and re-emit electromagnetic radiation.

자기장 내에서 원자핵의 자기모멘트에 특정한 외부의 에너지가 작용하여 그 에너지를 흡수하고 다른 에너지 준위로 전이하는 현상

Hydrogen nuclear spin in no external magnetic field (left) and an applied magnetic field (right).

H, C, Na, P

핵자기공명 현상

Hydrogen

핵자기공명 현상

정자계 (static magnetic field)

핵자기공명 현상

공명주파수 (Larmor Frequency)

수소원자핵의 공명주파수는 0.15 Tesla 에서 약 6.4MHz, 20 Tesla 에서 약 85.2MHz 이다 .

핵자기공명 현상

FID 신호

핵자기공명 현상

Spin Echo

핵자기공명 주파수

Larmor Frequency

Q. 수소원자의 gyromagnetic ratio 는 42.58MHz/Tesla 이다 .

따라서 3Tesla 의 자계에서 수소원자의 핵자기 공명주파수는 ?

-> 127.7MHz

원자핵의 이완

스핀스핀완화시간 (Spin-spin relaxation time) T2

The most rapid form of relaxation is the dephasing of the spins, this is known as T2 relaxation or transverse relaxation. This has the effect of reducing the over all magnetisation vector in the XY plane.

원자핵의 이완

스핀격자완화시간 (Spin-lattice relaxation time) T1

The second slower form of relaxation involves the return to equilibrium of spin up and spin down states, this is known as T1 relaxation or longitudinal relaxation. This has the effect of restoring the overall magnetisation vector in the Z direction.

원자핵의 이완

핵자기공명(NMR : Nuclear Magnetic Resonance)

자기공명영상 자기공명분광법

자기공명영상- 자기공명영상은 기본적으로 수소밀도분포를 영상화하는 것이라 할 수 있다 .

- 수소 원자의 위치를 구별하기 위해서는 수소 원자의 공명주파수 , 혹은 위상을 위치에 따라 다르게 하는 것이 필요하다 . 이를 위해 경사자계코일을 사용한다 .

주파수인코딩 경사자계 위상인코딩 경사자계

자기공명영상

- 반복시간 (Repetition time) TR

: 고주파 펄스를 인가하고 난 뒤 핵자기공명신호를 수집하기까지 기다리는 시간이다 .

- 자기공명영산신호의 크기

자기공명영상- 스핀밀도 가중 영상 (spin density weighted imaging)

: 스핀밀도에 비례하는 M0 영상을 얻는 것이다 . TR>>T1, TE<<T2 의 조건으로 영상을 얻는다 .

- T2 가중 영상 (T2-weighted imaging) : TR>>T1, TE~T2 의 조건으로 영상을 얻는다 .

- T1 가중 영상 (T1-weighted imaging) : TR~T1, TE<<T2 의 조건으로 영상을 얻는다 .

T-1 weighted T-2 weighted

자기공명영상 시스템

자기공명영상 시스템- 주자석 : 정자계를 만들어 주는 역할을 하는 자석으로는 영구자석 , 상전도자석 ,초전도전자석이 있는데 , 최근 가장 많이 사용되고 있는 것은 초전도전자석이다 .

1. 영구자석 : 자성체를 이용해 만든 자석이다 . 영구자석은 일단 만들어지면 자계가 영구적으로 생기므로 유지비가 저렴하다는 장점이 있다 . 또한 누설 전계가 작아설치공간이 작다는 장점도 있다 . 그러나 자계의 세기가 0.35Tesla 이하로 제한되며자석의 시간적 안정도가 떨어진다는 단점이 있다 . 주로 소형병원에서 쓰인다 .

2. 초전도전자석 : 초전도전자석은 자계가 세고 (0.5 ~ 3Tesla), 자계의 공간균일도가좋으며 , 자계의 시간적인 안정성이 뛰어나 가장 많이 이용되고 있다 . 초전도전자석은영상을 얻고자 하는 부위에 원하는 자계를 만들어 주지만 , 초전도전자석 주변에 원하지 않는 누설자계를 함께 생성한다 . 이 누설자계는 심장박동보조장치 등과 같은의료기구의 오작동을 유발할 수 있기 때문에 누설자계가 적절한 수준으로 감쇠되는공간까지를 자기공명영상시스템은 확보해야만 한다 . 최근에는 자계차폐 기술이 개발되어서 설치 공간을 획기적으로 줄일 수 있다 .

자기공명영상 시스템- Shimming coil : 자계의 균일도는 양질의 자기공명영상을 얻기 위해 중요한 요소이다 .자계의 균일도를 더 높이기 위해 추가적으로 쓰이는 코일을 Shimming coil 이라 한다 . Shimming coil 은 열 개 정도로 구성되는데 각각의 코일에 흐르는 전류의 양을 조절하여초전도전자석의 자계 균일도를 높일 수 있다 .

- 경사자계코일 (gradient coil) : 정자계는 공간적으로 매우 균일하기 때문에 이상적인경우를 가정하면 영상하고자 하는 부위 모든 점에서의 자계강도는 같다고 할 수 있다 .즉 , 모든 점에서 원자핵 스핀의 에너지 준위차가 같기 때문에 여기된 원자핵이 평형상태로 회귀하면서 유도되는 전자파의 주파수도 모든 점에서 같게 된다 . 자기공명영상을 구성하기 위해서는 공간적인 정보를 구분하는 방법이 필요한데 이를 위해 경사자계코일이 사용된다 . 경사자계코일은 x, y, z 세 방향으로 선형적으로 변하는 경사자계를 만들어 준다 .

- 경사자계코일구동기 : 경사자계코일에 펄스형 전류를 인가해주는 장치이다 . 경사자계코일과 경사자계코일구동기의 성능을 함축해 나타내는 지표로 경사자계 강도가 쓰이며 단위는 mT/m 가 주로 쓰인다 . 일반적인 MRI 시스템의 경우 경사자계 강도는 30 ~ 60 mT/m 정도이다 .

자기공명영상 시스템- 고주파코일 : 자기공명영상에서 원자핵 스핀을 여기하고 , 여기된 스핀이 평형상태로 회귀하면서 발생하는 FID 신호를 감지하는 장치가 고주파코일이다 . 따라서 고주파코일의 감도 특성은 자기공명영상의 신호대잡음비를 좌우하므로 , 잡음이 적은 영상을 얻기 위해서는 고감도의 고주파코일이 필수적이라 하겠다 . 최근에는 위상배열형 고주파코일이 개발되어서 고주파코일의 감도가 크게 향상되었다 .

- 스펙트로미터 (Spectrometer) : MRI 를 하기 위해 필요한 고주파펄스 , 경사자계펄스파형을 합성하고 수신한 자기공명신호를 처리하여 영상을 구성하는 주제어 장치이다 .

- 콘솔 (console) : 촬영 소프트웨어를 돌리고 재구성된 영상을 도시하고 분석하기 위한 장치이다 .

핵자기공명(NMR : Nuclear Magnetic Resonance)

자기공명영상 자기공명분광법

자기공명분광자기공명분광법은 원자핵의 공간적인 밀도분포에 관한 정보에 구애되지 않고 시료의화학적인 분광정보만을 얻고자 하였다 . 즉 , 자기공명분광법에서는 공간적으로 균일한 시료를 고주파코일에 삽입하고 신호를 수집하기 때문에 시료에서 발생되는 신호는 모든 공간위치에서 동일하다 할 수 있다 .

자기공명분광

3 차원 공간정보 + 1 차원 분광정보

= 4 차원 영상

특정 물리적인 양의 영상화

인체 내의 여러가지 화학적인 특성 ( 스핀격자완화시간 , 스핀스핀완화시간 , 화학적 천이 등 )

혈류 속도

확산계수 (diffusion coefficient)

진단 요소

Q. 다음 중 MRI 를 이용해 진단 가능한 요소가 아닌 것은 ?

(1) 혈류 속도(2) 확산계수 (diffusion coefficient)

(3) 인체 내 화학적인 특성(4) 실시간 심장 모니터링 정답은 없다 . 모두 가능하다 .

고속영상 기법

2 차원 자기공명영상을 만드는데 걸리는 시간은 자기공명영상법에서 TR x Np x Navg 이다 .

여기서 TR 은 반복시간을 , Np 는 영상부호화 경사자계 스텝 수를 , 그리고 Navg 는 신호대잡음비를 개선하기 위해 같은 영상신호를 반복해서 수집하는 반복 횟수를 나타낸다 .

따라서 촬영시간을 줄일 수 있는 가장 간단한 방법은 이 세 값을 줄이는 것이다 . 하지만 Navg

를 1 로 하더라도 TR 을 줄이면 영상의 대조도가 달라지고 , Np 를 줄이면 영상의 해상도가 나빠지기 때문에 이들을 줄이는 데에는 한계가 있다 .

이러한 문제를 해결하기 위해 개발된 몇 가지 방법이 있다 .

(1) Fast Spin Echo : 180’ 고주파 펄스에 의해서 만들어지는 모든 스핀에코 신호 앞에 위상부호화 경사자계를 가하여 공간 주파수 영역을 주사하게 되면 , 한 TR 동안에 나오는 스핀에코의 수에 반비례하여 촬영시간이 줄어들게 된다 . 예를 들어 , 한 번의 스핀 여기로 8 개의 스핀에코를 받는다면 촬영 시간을 8 배 줄일 수 있다 . 그러나 한 TR 에 수집하는 스핀에코 수가 늘어나면 스핀스핀완화 현상에 의한 신호 감쇄 효과 때문에 영상의 해상도가 떨어지고 촬영 대상체의 움직임에 의해 크게 영향을 받는 등의 단점을 가지고 있다 .

(2) EPI(Echo Planar Imaging) : 핵스핀을 여기하기 위한 고주파 펄스를 단 한번 가하고 영상을 구성하는데 필요한 공간주파수 정보를 모두 얻는 방법으로 현존하는 가장 빠른 영상법이다 . 뇌기능 영상 등 고속촬영이 필요한 부분에서 이 방법이 사용된다 .

(3) SENSE : 고주파코일을 여러 개 사용해 동시에 MRI 신호를 수집할 수 있다 . 이 경우 고주파코일의 감도 분포가 서로 다른 점을 이용해 촬영시간을 줄일 수 있는데 이 방법을 SENSE 기법이라 한다 . 고주파코일을 N 개 사용한다면 촬영시간을 N 배 줄일 수 있다 .

기능적 영상법- 인체 내 혈액은 산소포화도에 따라 자화율이 약간 변한다 .

산소와 결합한 oxyhemoglobin 은 반자성 성질을 , 산소를 잃은 deoxyhemoglobin 은 상자성 성질을 갖는 것으로 규명되었다 . 자기공명영상으로 촬영하는 일반적인 조직들은 반자성 성질을 갖는데 , 반자성 조직 주위에 상자성 성질을 갖는 물질이 있으면 자화율의 불균일성에 의해 자계 강도의 불균일성이 야기된다 . 즉 , 혈액에 존재하는 상자성의 deoxyhemoglobin 은 반자성 성질을 갖는 주변 조직들과 인접했을 때 자화율 차이에 의하여 자계의 불균일성을 야기한다 . 이 자계의 불균일성은 자기공명신호의 크기에 영향을 줄 수 있다 .

- 뇌에서 활동을 하는 부분은 하지 않는 부분에 비해 산소를 더 많이 쓴다 . 따라서 그 부위에는 혈액 공급량이 일시적으로 증가하게 된다 . 이는 그 부위의 자성이 일시적으로바뀌는 것을 의미한다 . 이 자성 변화에 의해 활동 부위의 MRI 신호 크기는 2~4% 정도바뀌게 된다 . 뇌가 정해진 틀에 따라 활동하게 되면서 , 즉 뇌에 적절한 자극을 주면서MRI 영상을 계속 얻으면 활동이 없는 부위의 화소 값은 일정한 값을 갖지만 활동이 있는 부위는 화소 값이 바뀌게 된다 . 화소값이 뇌 자극 패턴에 따라 변하는 부위를 통계적인 방법으로 찾아 도시하는 것을 기능적 영상이라 한다 . 통계적 처리 방법으로는 SPM(Statistical Parameter Mapping) 방법이 많이 쓰인다 .

기출 문제 및 예상 문제 풀이

Q. MRI 고속 영상 기법이 아닌 것은 ?

(1) Fast Spin Echo

(2) EPI(Echo Planar Imaging)

(3) SPM(Statistical Parameter Mapping)

(4) SENSE

Q. MRI 기능적 영상법 설명 중 옳지 않은 것은 ?

(1) 산소와 결합한 oxyhemoglobin 은 반자성 성질을 갖는다 .

(2) 산소를 잃은 deoxyhemoglobin 은상자성 성질을 갖는다 .

(3) 일반적인 조직들은 상자성 성질을 갖는다 .

(4)통계적 처리 방법으로 SPM 이 많이 쓰인다 .

기출 문제 및 예상 문제 풀이

Q. 핵스핀을 여기하기 위한 고주파 펄스를 단 한번 가하고 영상을 구성하는데 필요한 공간주파수 정보를 모두 얻는 방법으로 현존하는 가장 빠른 영상법이다 .

뇌기능 영상 등 고속촬영이 필요한 부분에서 이 방법이 사용된다 . 이 방법은 ?

Q. 자계의 균일도는 양질의 자기공명영상을 얻기 위해 중요한 요소이다 .

자계의 균일도를 더 높이기 위해 추가적으로 쓰이는 코일은 무엇인가 ?

(1) Shimming coil

(2) Swimming coil

(3) Showing coil

(4) Shiming coil

기출 문제 및 예상 문제 풀이

Q. 자기공명영상에서 원자핵 스핀을 여기하고 , 여기된 스핀이 평형상태로 회귀하면서 발생하는 ( ? ) 신호를 감지하는 장치가 고주파코일이다 .

Q. MRI 기능적 영상법 설명 중 옳지 않은 것은 ?

(1) 산소와 결합한 oxyhemoglobin 은 반자성 성질을 갖는다 .

(2) 산소를 잃은 deoxyhemoglobin 은상자성 성질을 갖는다 .

(3) 일반적인 조직들은 상자성 성질을 갖는다 .

(4)통계적 처리 방법으로 SPM 이 많이 쓰인다 .

Q. 수소 원자의 위치를 구별하기 위해서는 수소 원자의 공명주파수 , 혹은 위상을 위치에 따라 다르게 하는 것이 필요하다 . 이를 위해 경사자계코일을 사용한다 . 다음 중 경사자계 코일의 종류가 아닌 것은 ?

(1) 위상인코딩 경사자계(2) 주파수디코딩 경사자계(3) 주파수인코딩 경사자계(4) 위상차 경사자계

기출 문제 및 예상 문제 풀이

Appendix