MRI에 대한 기초,(출처:삼성의료원 진단방사선과)..함부로 퍼왔음;;

[00학번하얀민규]

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MRI 소개

1) MRI란 무엇인가?

우리가 흔히 병원에 가서 받는 정밀진찰에는 X-ray, CT, MRI, 초음파,내시경 등이 있습니다. 그 중 인체를 구성하는 물질의 자기적 성질을 측정하여 Computer를 통하여 다시 재구성,영상화 하는 기술입니다. MRI는 X-ray처럼 이온화 방사선이 아니므로 인체에 무해하고, 3차원 영상화가 가능하고 CT에 비해 대조도와 해상도가 더 좋으며, Multiplanar Imaging으로 원하는 면의 인체 단면상을 만들 수 있는 등 여러 가지 장점으로 인해 널리 쓰여지고 있습니다.

MRI는 자기공명영상(MRI:Magnetic Resonance Imaging)은 뜻하는 말로서 인체를 자장이 형성 되어있는 직경 60cm의 커다란 통으로 만든 자석 장치에 눕고 고주파(Radio Frequency Pulse)를 발생시켜 인체에 보낸 후 인체내의 수소원자핵의 반응으로부터 발생되는 신호를 모아 컴퓨터로 계산하여 인체의 모든 부분을 단면 및 3차원영상으로 재구성하여 질병의 유무를 진단하는 검사입니다.

2) MRI원리 (전문가용)

개 요

우리가 흔히 병원에 가서 받는 정밀진찰에는 X-ray, CT, MRI, 초음파,내시경등이 있다. 그중MRI의 원리는 인체를 구성하는 물질의 자기적 성질을 측정하여 Computer를 통하여 다시 재구성,영상화 하는 기술이다. MRI는 X-ray처럼 이온화 방사선이 아니므로 인체에 무해하고, 3-D 영상화가 가능하고 CT에 비해 대조도와 해상도가 더 좋으며, Multiplanar Imaging으로 원하는 면의 인체 단면상을 만들 수 있는등 여러 가지 장점으로 인해 널리 쓰여지고 있다.

MRI system 의 물리적 원리

1.원자핵의 자화 ( Magnetization )

양성자와 중성자를 갖는 원자핵은 스핀과 자기 모멘트를 가지고 있어 각각 한 개의 미세자석과 같다. 특히 핵자기 공명에는 수소원자가 많이 쓰인다. 그 이유는 두가지로 높은 Sensitivity를 가지고 있다는 것과 실제로 주위에서 쉽게 구할수 있다는 것이다. 수소원자핵으로부터 얻는 신호의 감도는 회전자기비(Gyromagnetic Ratio:γ)에 비례하며, γ는 핵의 모양과 크기에 의존한다.

<그림1> 수소의 원자핵은 한개의 막대자석과 같다. 회전하는 질량은 자기모멘트(Spin)를 만들고 외부자장의 영향으로 세차운동을 한다.

이들 미세자석들은 자장이 없는 상태에서는 제멋대로 배열되어 있으나, 외부에서 자장이 가해지면 자장방향과 거의 일치되어 세차운동을 하게 되는데 그 회전진동수는 원자핵의 종류에 따라 다르며 자장에 비례하게 된다.

2.원자핵의 공명

외부의 자장하에서 자화상태에 있는 원자핵이 어떤 일정한 주파수의 고주파를 발사하면, 일부 낮은 상태의 원자핵이 고주파에너지를 흡수하여 높은 에너지상태로 여기되는데 이것을 공명현상이라고 한다. 이때에 사용되는 고주파의 주파수는 공명시키고자 하는 원자핵의 세차운동의 회전주파수에 일치하는 것으로써 이를 공명주파수( Larmor Frequency )라고 한다.

핵	자장강도 (Tesla)	주파수(MHz)
1H	0.15	6.4
1H	0.35	14.9
1H	0.5	21.3
1H	1.0	42.6
1H	1.5	63.9
1H	2.0	85.2
31P	1.0	17.2
31P	0.5	25.9
31P	2.0	34.5
31P	3.0	51.7

<표1>
주파수와 자장강도의 상관관계. 같은핵이더라도 자장강도가 커지면 이에 비례하여 주파수도 커진다.

원자핵은 각각의 공명주파수를 가지며, 이는 외부자장의 강도에 따라 변하게 된다. 수소원자핵의 공명주파수는 0.15Tesla하에서 약 6.4MHz이며, 20Tesla하에서는 약 85.2MHz이다.

<그림2>
평행상태에서 RF펄스를 주어 흥분시키면, MR신호를 내며 평행상태로 되돌아 간다.
이때 신호는 Z축에 수직인 XY평면상에 있어야만 측정이 된다.

3. 원자핵의 이완(Relaxation)

원자핵에 90°의 고주파를 발사하면 일부 낮은 상태의 원자핵이 높은 에너지 상태로 바뀌면서 평균자화가 자장방향의 90°인X-Y평면상의 수평방향으로 놓이게 된다. 이때 고주파 펄스를 끊게 되면 높은 에너지의 원자핵들은 흡수했던 고주파 에너지를 다시 방출하면서 원래의 상태로 돌아가는데 이것을 이완(Relaxation)이라 한다.

자장과 주파수의 관계를 나타내는 블록 방정식

(1) T₂ Relaxation

90°고주파 펄스를 발사한 직후에는 평균자화가 X-Y평면상에서 360°회전하게 되는데 이때 원자핵들은 회전속도와 회전의 위상이 모두 같다. 이것을 "Coherence"혹은 "In-Phase"상태라고 한다. 또한 이와같은 때의 방출되는 에너지신호가 가장 크다. 그러나 시간이 지남에 따라 IN-Phase상태의 원자핵들은 자장의 균질성과 원자핵들의 상호작용의 상호작용에 영향을 받아 어떤 원자핵들은 빠른 속도로, 어떤 원자핵들은 느린 속도로 회전하게 되어 점차 "Dephase" 혹은 "Fan-Out" 상태가 된다.
원자핵들이 Dephasing 될수록 방출되는 에너지들의 신호는 급격히 감소하게 되는데(Signal Decay, Free INduction Decay ; FID), 이런 과정을 T₂, Spin-Spin, 또는 Transverse Relaxation 이라 한다. T₂ 이완시간은 X-Y평면의 평균자화가 Dephasing에 의해 처음의 37%까지 감소하는데 걸리는 시간으로 정의된다. T₂ 는 외부자기장의 세기에 크게 영향을 받지 않는다.

(2) T₁ Relaxation

고주파를 끊은 직후에 X-Y평면에서 Coherence상태에 있던 원자핵들이 Dephasing되는 과정을 거친 후, 원자핵들은 자장방향으로 다시 재배열하게 되는데 이때 원자핵들 주위물질(lattice)에 에너지를 주어 열평형상태에 도달하게 된다. 이 과정을 T₁, Spin-Lattice, 혹은 Longitudinal Relaxation 이라 한다. 시간이 경과함에 따라, Z방향으로 재 자화되면서 평균자화는 점차 커지는데, 처음상태의 63%의 평균자화가 Z방향으로 형성될때까지의 시간을 T₁이완시간 이라고 정의한다. 외부자장의 세기가 높아지면 T₁도 길어진다.

    

<그림3> T₁ Weighted T₂ Weighted Image

3. Pulse Sequence

(1) 포화회복 (Saturation Recovery)
90°주파 펄스를 일정한 시간간격( Repetition Time : TR )으로 반복하여 발사하고, 90°고주파 펄스를 발사한 직후 (대게 20-30msec 후)에 자유 유도 감쇄(Free Induction Decay)신호를 포착하는 방법으로 TR이 짧을수록 (300-500 msec) T₁의 효과가 강조된 영상(T₁-Weighted Image)을 얻게 되고, TR이 길수록(1500-2000 msec) Spin Density-Weighted Image 를 얻게 된다. 예를 들자면 뇌의 T₁ 이완시간은 뇌척수액의 T₁ 보다 짧으므로 뇌척수액에 비해 T₁-Weighted Image를 얻을수 있는 것이다. TR이 아주 길면 뇌실질이나 뇌척수액의 원자핵이 모두 원래의 자화된 상태에서 다음 90°펄스를 내게 되므로 뇌실질과 뇌척수액의 신호강도는 T₁및 T₂효과가 거의 없어 단순히 Spin-Density에 의존하게 되므로 양성자의 대조도(Contrast)가 떨어진다. 반면에 뇌실질과 뇌척수액의 평균 재자화가 최대로 벌어졌을 때 다음 90°펄스를 반복하면T₁ 이 긴 뇌척수액은 신호강도가 낮고, T₁이 짧은 뇌실질은 신호강도가 높게 되어 양성자의 대조도는 Long TR 때보다 좋아진다.

(2) 반전회복 (Inversion Recovery)
90°펄스를 가하기 전에 180°펄스를 주면 평균자화는 180°반대방향으로 반전되고, 이때부터 이완이 시작된다. 시간이 경과함에 따라 짧은 T₁의 뇌실질은 많은 원자핵이 재자화되나, 긴 T₁을 가진 뇌척수액은 같은 시간에 소량의 원자핵만이 재자화 된다. 일정한 시간후에, 즉 뇌실질과 뇌척수액의 평균 재자화의 차이가 최대치가 될때 90°펄스를 준다. 그러면 짧은 T₁의 뇌실질은 충분한 원자핵이 다시 공명되어 큰 신호를 내지만 소량밖에 재자화 되지 못한 뇌척수액은 양이 적어 작은 신호를 내게 된다. 따라서 T₁의 효과는 앞서 말한 짧은 TR의 포화회복보다 더 크게 나타난다. 간단히 말하면 포화 회복 방식에 비해 이완시간의 범위를 두배로 늘림으로써 T₁의 효과를 극대화시킨 영상이라 할수 있다. 그러나 단점은 시간이 많이 걸리게 된다는 것으로 잘 사용되지는 않는다.

(3) Spin Echo
Spin echo란 90°펄스를 준 후에 180°펄스를 주면 에코신호가 나타나는데 이 에코신호를 포착하는 방법이다. 90°펄스를 주면 T₂의 Dephasing 에 의해 신호강도가 급격히 감소하는 자유유도감쇄 신호가 나타나게 된다. 포화 회복 방식에서는 이 자유유도감쇄 신호를 직접 포착하지만 이것은 기술적으로 좋은 신호를 포착하기 어려우므로, 90°펄스후에 180°펄스를 준 후 나타나는 에코신호를 잡는 spin echo방식이 가장 많이 사용된다.
90°펄스를 준 직후에는 평균자화는 X-Y평면에 눕게 된다. 시간이 경과함에 따라 스핀이 Dephasing 하는데, 일정시간(T₁τ) 후에는 빠르게 도는 F원자핵과 천천히 도는 S원자핵으로 분산된다. 이때 Y축에 180°되는 펄스를 가하면 순간적으로 F는 F'위치에S는 S'위치에 서게 되며, 이때부터 각각의 자기가 도는 속도를 유지하며 다시 돌게 된다. 일정시간(τ) 후는 이들 원자핵들이 출발점에 나란히 서게 된다. 즉 Coherence 를 다시 갖게되는데 이것을 Refocusing이라고 하고, 이때, 강한 에코신호가 나타나게 된다.
이러한 spin-echo방식은 TR과 TE(Echo time : 90°펄스에서 부터 180°펄스를 준 후 에코신호가 나올 때 까지의 시간)를 다양하게 변화시킴으로써 T₁ Weighted T₂ Weighted Image, T₁과 T₂의 혼합영상(Mixed Image) Spin-Density 등을 다양하게 얻을수 있다.

MRI의 구성

MRI는크게 세부분으로 나뉘게 되는데 그것은 다음과 같다.

1. Gantry
2. Operating Console
3. Computer

Gantry의 구성은 주자석과 몇 개의 전자기적 장치(secondary magnetic field)로 구성되어 있다. Operating Console은 일반적으로 MR영상을 보여주는 Momitor와 Keyboard 그리고 Scan 조건과 Scan 상황을 보여주는 Momitor와 Keyboard로 되어있다. Computer는 CT에서 사용되는 것보다 훨씬 빠르고 큰 것이 사용된다.

<그림4> MIR의 개략도

1. Gantry

MRI에 사용되는 강한 자성을 만드는 데에는 세가지 방법이 사용된다. 하나는 영구자석을 사용하는 방법이고 다른 두가지는 전자석을 이용하는 방법이다. 전자석을 이용하는 것으로는 Resistive Magnet과 Superconducting Magnet으로 나뉘는데 현재 병원에서 사용되어지는 것은 대부분 Superconducting Magnet이다.실제 임상에서 사용되는 MRI의 자장강도는 0.06-2.0Tesla정도이며, 고균일성을 유지해야 한다.

1) Main Magnet

(1) 영구자석
영상장치에 사용되는 영구자석은 자장의 세기가 0.3Tesla정도이다.자기장은 벽모양의 강자성 세라믹 물질에 전자기장을 걸어줘 만든 자석으로부터 나온다. 이런 벽돌모양의 자석을 양쪽에 한변이 1meter가 되도록 5겹으로 쌓아 큰 자석을 만든다. 두개의 큰자석 사이는 0.5-1meter를 유지한다. 각 자석의 돌출된 부분에는 Pole Face를 위치시키는데 이것은 장의 균일성을 증가시키기 위하여 자기장방향과 모양에 도움을 주기 위여 설계된 철판이다. 자기장의 균일성을 향상시키기 위하여 Adjusting Screws나 다른 Shimming장치를 설치하기도 한다. 각 자석을 연결해 주는 장치를 iron Yoke라 하는데 이것의 설치목적은 자석의 안정성, 자장의 휨 방지, 자장을 강하게 해주기 위해서 이다.

(2) Resistive Electromagnets
Resistive Electromagnets system의 주요자장은 매우크고 고전적인 전자석에 의해 발생된다. 그 크기가 크기 때문에 전력소모가 크고 가열로 인한 수냉식 Cooling system을 요구한다. 장점으로는 낮은 자장의 세기를 갖기 때문에 초전도 자석에 비해 제작비가 훨씬 싸다는 것, 자석의Shimming 이 쉽다는 것이다. 가장 흔히 쓰이는 Resistive Electromagnets system의 자장세기는 0.15-0.25Tesla이다.

<그림5> 영구, 상전도, 초전도 자석. MIR에서 자장방향과 축방향

(3) Superconducting Electromagnets
Superconducting Electromagnets 은 저항이 없는 초전도 물질(NbTi)을 사용하여 이론상으로는 영원히(?) 전류가 흐르게끔 만들어져 있다. 이 초전도 상태를 유지하려면 Magnet core를 4.2°K정도의 액체헬륨에 넣어야 하고 이 액체헬륨은 다시 77°K의 액체질소에 넣어둔다. 그렇기 때문에 가격이 비싸나, 2.0Tesla의 높은 자기장을 얻을수 있다.

1) Secondary Magnetic Fields
(1) Shimming coil
어떤 종류의 자석이라도 100%의 균일한 자장강도를 갖는 자석은 없다. 이런 자장을 더욱 균일하게 하기 위해서 Shimming coil을 설치한다. Shimming coil은 자석내경속에 놓여저 있으며 static Magnetic Field의 비균일성을 수정하기 위해 낮은자장을 만들어 낸다. Shimming 후 자장의 균일성을 유지하기 위해서는 시간이 지나면서 Shim Drift가 생기는 것과 Subject자체에 의해 발생되는 균일성 감소를 조절해 준다.

(2) Gradient coil, Gradient amplifier,와류보정
MRI Image는 입방체의 화적소들로 구성된 단면영상이다. 신호강도의 특징이 되는 영상내의 화적소의 두께와 FOV(Field of view)는 X, Y, Z세종류의 Gradient coil의 역할로 결정된다. Gradient는 영상을 구성하는데 위치를 정해주며, Echo Production에 중요한 기능을 한다.

<그림6> Gradient

Gradlent Amplifier는 Gradient coil을 작동시키는 역할을 한다. MRIsystem에는 세 개의 Amplifier 가 각각의 coil을 작동시키는데, 전류의 흐름으로 인해 주위의 전도물질에 와류가 생기게 된다. 이것을 방지하기 위하여 와류보정을 해 준다.

(3) Radiofrequency system
RFsystem은 주파수 합성기, RF Power Amplifier, Pre-Amplifier, Cupler 등으로 구성되어 있다. 주파수 합성기는 RF Pulse를 Modulation 하기 위해서, 그리고 MR Signal을 Demodulation하기 위해 High Precision Waveform을 만든다. RF Power Amplifier는 변조기에서 보내진 변조된 RF Pulse를 증폭시킨다. 증폭된 pulse는 RF coil로 전송되어 Spin을 흥분시킨다. Cupler는 RF Signal의 전송방향을 조절한다.

(4) RF Coil
공명현상을 유도해 내는데 필요한 Radiowave는 주파수합성기에 의해 발생되어 RF Coil에 의해 전이된다. RF Coil은 핵의 공명 주파수를 선정하기 위해 파장조절이 되고 조절이 된 Signal은 공진하는 Proton에 흡수된다. 이때 RF Power가 차단되면 여기된 원 자핵은 RF Coil에 있는 전류를 유도시키면서 약한 RF Signal을 발생시키게 된다.
MRI의 코일에는 크게 두가지가 있는데 Whole-Volume Coil이란 커다란 Sample Tissue에서 여기된 신호를 받아들이는 것이고, Local혹은 Surface Coil은 Tissue의 작은 면에서 신호를 받으나 상당히 높은 Signal-To-Noise Ratio를 갖는 것을 말한다. Whole-Volume Coil의 형태중 가장 널리 사용되는 형태는 Solenoidal식과 Sadd-Shaped식이 있다. 최근에는 Cylinder식과 Bird Cage식이 있 다.
Surface Coil은 일종의 Receiver Antenna로써 인체의 아주작은 단면을 영상화하는데 쓰이며, 다른 코일에 비해 월등히 나은 Signal Intensity를 발생시킨다. 종류로는 Orbit, Neck, Extremity, Breast, Spine 등의 Proton Surface Coil과 General Pu rpose Proton Surface Coil이 있다.
Quadrature Coil 은 두 개의 코일을 90°회전시키면서 분리되는 동종코일로 만들어 졌으며 구상코일이라고도 한다. 역할은 Tissue Magnetization의 두 횡성분간의 위상차이를 조화시키는 작용을 한다. 구상코일은 대게 Body Imaging을 하는데 사용된다.

2. Operating console

Operating Console은 일반적으로 MR영상을 보여주는 Momitor와 Keyboard 그리고 Scan 조건과 Scan 상황을 보여주는 Momitor와 Keyboard로 되어있으며, CT와 유사하게 Operating Console과 Remote Console로서 구분 제작되는 경우도 있다. 대부분의 CT의 Cons ole을 응용하여 제작하였기 때문에 거의 유사한 모습을 가지고 있으나 Large Acquisition Console은 크게 차이가 있다.

3. Computer

MRI systen에서 요구하는 computer는 영상을 만들기 위해 얻어지는 Data의 양이 엄첨나기 때문에 용량이 엄청나게 크고 처리속도가 빠른 Minicomputer를 사용하게 된다. 실제로 MRI에서 만들어 내는 Image를 Data수로 환산해 보면, 128X128 Pixel 에 50 Image 라면 1.6MB의 용량이, 256X256 Pixel 에 31 Slice, 4Echo의 Spin Echo Image 에 3D를 구성하는 요소까지 포함하면 8.1MB의 용량이 필요하게 된다.
256 Matrix Image가 요구되면 Computer의 처리는 512 256 Fast Fourier Transforms(FFT)로 전환된다. 각 FFT는 2048번의 복합증식을 하게 되는데 여기에서 각 FFT에 고유처리 시간을 갖는다. 245X256 DFT( 2-D Fourier Transforms) image일 경우 42,000번의 증식을 한다. 이러한 증식을 Floating-Point Number라고 하는데 초당 처리 FLOP수가 약 300,000이므로 15초 정도의 소요속도가 나올수 있다. 그래서 Array Processor의 속도는 0.5-20 MFLOPS 이다.

정 리

이상에서 설명한 것을 정리하면 다음과 같다

<그림7> MRI의 원리

1) 물질속에 있는 핵은 고유한 스핀으로 인해 자기 모멘트를 갖는다.
2) 핵은 Random하게 배열되어 있어 서로의 자장을 상쇄시켜 외부에서는 중성으로 측정된다.
3) 외부자장에 놓일 경우 자장방향 혹은 반대방향으로 정렬하며, Lamor방정식의 주파수로 세차운동을 한다.
 

<그림8> MRI영상에서 관심부위의 신호대 잡음비와 두 조직간의 대조를 계산하는 방법. 1(정상 뇌백질)은 479/11=43.5이고, 2(질병이 있는 부위)는 1147/11=104.3이다.

4) 자장방향의 자기 모멘트가 약간 더 많아 자장방향으로 평균자화 된다.
5) 세차운동을 하는 자기 벡터에 외부자장을 가하면 수직방향으로 늘어난다.
6) Lamor 주파수에 맞는 고주파수는 수직자화벡터에 Torque를 제공한다.
7) 자화벡터는 수직정렬에서 벗어나 나선형으로 움직이며 세차운동을 하고, 그 결과 수평자화가 증가한다.
8) 핵 스핀들은 물질마다 특정한 시간을 거친다음 완화된 원래의 상태로 되돌아 간다.
9) 수평자화 요소들은 원래의 상태로 되돌아 가며 측정가능한 MR신호를 방출한다.
10) 측정된 MR신호는 In-Phase상태의 수평자화의 크기와 일치한다.
11) 고주파가 핵의 스핀을 여기시키면서 자화벡터의 수직정렬을 기울어지게 만들어 MR신호를 발생한다.
12) 측정된 신호는 빠른 속도로 자화벡터가 0인 지점으로 T₂에 의해 Dephase 된다.
13) 원자핵의 밀도, T₁, T₂를 이용하여 그것들의 강조영상을 얻는다.

[95주영철]

잘~~ 퍼와야지... 그림이 하나도 안나오는데...

[00학번하얀민규]

어제 그림한개씩 일일히 다운받아서 붙였는데 또이러네요;아우 다음 참 이게 않좋아요 ㅠㅠ 다시했는데 안보임 또 말씀해주세요 항의하게 ㅋㅋ

[95주영철]

어~~ 보이오... 그림이 보이오~~