MRI의 원리

[김영해(성북석관)]

자기 공명 영상법,

MRI(magnetic resonance imaging) 원리

MRI 원리를 이해하려면 핵자기 공명, NMR(nuclear magnetic resonance)를 이해하여야 한다. 질량수나 원자번호 또는 둘 다 홀수인 경우, 원자핵은 양자화된 스핀 각운동량과 자기 모멘트를 가지게 된다. 이러한 원자에는 1H1, 13C6, 19F9, 31P15 등이 속한다. 이들 원소들이 모두 NMR에 의하여 구조를 정확하게 알 수 있지만 여기서는 가장 흔하고 MRI에서도 사용되는 수소원자에 대하여 설명하려고 한다.

수소 원자핵이 가지고 있는 핵스핀 양자수 I는 1/2이므로 허용된 에너지 준위는 둘이다(+1/2:바닥상태, -1/2:들뜬 상태). 수소 원자들이 강한 외부 자기장 안에 놓이면 수소 원자핵, 즉 양성자는 자기장의 방향으로 정렬되고, 자기장의 세기에 관계되는 진동수로 세차운동(precessional motion)을 한다(+1/2 상태). 이 때 같은 진동수를 가진 라디오파를 쪼여주면 세차운동을 하고 있는 수소 원자핵이 라디오파를 흡수하여 들뜬 상태(-1/2)로 천이한다. 더 자세히 묘사하면 세차운동을 하고 있는 원자핵이 바닥상태에 있으면 지구처럼 축을 중심으로 세차운동하며 들뜨게 되면 거꾸로 세차운동을 하게 된다.

바닥상태: ↗ I = +1/2

들뜬 상태: ↙ I = -1/2

이 흡수되는 라디오파의 진동수는 수소 원자핵의 주위 환경에 의하여 변화된다. 즉 수소원자 주위의 전자밀도 분포, 수소분자가 결합된 원소(주로 탄소, 질소, 산소, 황, 및 금속과 준금속 원소들)에 의하여 수소 원자가 흡수하는 라디오파의 진동수가 달라지므로 얻어지는 스펙트럼을 분석하면 분자의 구조를 정확하게 알 수 있다.

MRI는 1970년대 후반부터 영국의 에버딘대학과 노팅엄대학에서 연구 개발하여 응용하기 시작하였다. 이제 MRI의 원리에 대하여 알아보기로 하자.

NMR와는 조금 다르게 MRI에서는 들뜬 수소 원자핵이 다시 바닥상태로 돌아올 때(relaxation) 방출하는 라디오파를 검출하여 영상으로 변화시킨다. 수소원자는 인체를 구성하고 있는 유기 분자에 존재하기 때문에 MRI를 이용하면 인체에서 원하는 부위의 영상을 촬영할 수 있다. MRI는 X-선을 사용할 때 생길 수 있는 생물학적 위험이 전혀 없는 진단법이다. 이 기법은 특히 병든 조직, 암세포, 척추 손상 중추 신경계의 이상 등을 진단하는데 유용하게 사용되고 있다. MRI에는 매우 강한 자석이 필요한데 초전도체를 이용하면 비교적 쉽게 원하는 세기의 전자석을 만들 수 있다. 최근에는 임계온도 Tc가 250 K인 Bi-Sr-Ca-Cu-O 그룹에 속하는 초전도 물질이 만들어졌다고 보고되었으므로 필요한 자석을 만드는 것이 용이해질 것이다.

[탁순덕(TX)]

잘 읽었습니다. 마침 어머니(92세)께서 오른쪽 다리에 통증을 호소하셔서 내일 아침에 척추 중추신경계의 이상 상태를 점검하기위해 MRI를 예약해논 상태였습니다. 현재 어머니는 집안에서도 Walker에 의존해서 간신이 거동을 하시고 계십니다.