방사선학/미분류

MRI 자기공명영상(Magnetic Resonance Image)

Woo's 2010. 7. 30. 22:38

  • 개요

    • 원자는 핵과 전자로 이루어진 층으로 구성되어 있고 핵에는 양전하를 갖는 아주 작은 양성자 입자들이 있다.
    • 양성자들은 지구처럼 일정하게 축을 따라 회전운동(spin)을 하며 양성자의 양전하도 운동을 하게 된다.
      • 양성자와 중성자를 갖는 원자핵은 스핀과 자기 모멘트를 가지고 있어 각각 한 개의 미세자석과 같다.
    • 이들 회전운동을 하는 양성자들은 자장이 없는 상태에서는 자전축(spin axis)이 무작위로 배열되어 있지만
    • 일단 외부 자장(B0)이 가해지면, 즉, 자석 안에 들어가게 되면 자장의 방향에 따라 일직선으로 정렬하면서 자장축(수직 방향) 주위를 회전하는 세차운동(precession)을 하게 되며 이때 세차운동의 주파수는 외부 자기장의 세기와 비례하여 커진다.
      • 세차운동(precession)
        • 회전하고 있는 강체에 토크(torque)가 작용할 때, 회전하는 물체가 이러저리 움찔거리며 흔들리는 현상을 말한다. 세차운동을 관찰할 수 있는 가장 일반적인 예는 팽이를 돌릴 때, 회전 속도가 줄면서 팽이의 축을 중심으로 한 팽이의 회전이 아닌 축 자체가 팽그르르 도는 것이다.
        • 팽이의 경우
          •  
        • 원자핵의 경우
    • 인체를 강력한 자장 속에 눕혀 놓으면 외부 자장과 같은 방향으로 세차운동하는 양성자 수가 외부자장과 정반대 방향의 것보다 약간 더 많아 그 평균자화(net magnetization, M0)는 자장방향(B0)으로 형성되는데, 이것이 종축자기화 (longitudinal magnetization)이다.
    • 이때 공명현상 (resonance phenomenon)을 일으키기 위하여 외부에서 양성자(수소원자핵)의 세차주파수(precession frequency)와 동일한 주파수의 라디오파(radiofrequency, larmor resonance frequency)를 단시간 가해주면, 각각의 핵들은 고에너지 상태로 여기(excite)되었다가 고주파 펄스를 끊으면 높은 에너지의 원자핵들은 흡수했던 고주파에너지를 다시 방출하면서 원래의 상태로 돌아가는데, 이를 이완(relaxation)이라 하며 물질마다 이완되는 속도가 다르다는 것을 이용하여 자기공명영상을 얻는다.
    • 이때 핵들은 자장축과 같은 방향으로 여기되었다가 이완될 뿐만 아니라 자장축과 수직 방향으로도 여기되었다가 이완되는데, 이것을 각각 종축자기화 방향 및 횡측자기화 방향이라고 한다.
    • 종측자기화(T1)와 횡측자기화(T2)의 여기 및 이완은 동시에 그리고 독립적으로 일어나며 물질마다 그 양상이 다르다.
      • 지방조직은 종축자기화 및 횡축자기화의 이완이 빠르고 물은 종측자기화 및 횡측자기화의 이완이 늦다. 이때 종측자기화의 이완이 빠를수록 T1 강조영상에서는 높은 신호강도로 관찰되고 횡측자기화의 이완이 느릴수록 T2강조영상에서 높은 신호강도를 나타낸다.
    • 한편, 종측 자기화의 이완과 횡측자기화의 이완이 동시에 그리고 독립적으로 일어난다는 것은 이들을 개별적으로 영상화하는 것이 기술적으로 어렵다는 것을 의미한다.
      • 즉 종측 이완 정도의 차이를 나타내고자 하는 영상(T1 강조영상)에서도 어느 정도 횡측 이완 정도에 따른 T2효과가 반영된다. 따라서 진정한 의미의 종측자기화의 이완에 의한 영상(순수한 T1 영상)은 얻기 힘들고 단지 종측자기화가 좀더 강조된 영상을 얻을 수 있을 뿐이다. 이 때 종측자기화를 강조하느냐 횡측자기화를 강조하느냐 하는 것은 라디오 주파수 파동의 반복시간(repetition time: TR) 및 반향시간(echo time : TE)에 따라 달라진다. 따라서 우리가 MRI 영상을 T1이나 T2영상이라고 하지 않고 T1강조영상 및 T2강조영상이라고 부르는 것이다.
    • T1 강조영상이란 생체조직이나 물질들 간의 T1차이에 의해 결정된 신호강도의 차이로 얻은 영상으로 짧은(short) TR과 짧은(short) TE를 사용한다. 짧은 TR시 조직에서 종축자기화가 회복되지 않은 상태이므로 T1차이가 명확하지 않게 된다.
      • 짧은 TR은 가능한 한 최대로 짧은 T1만큼 짧은 것을 말하고, 긴 TR은 짧은 TR의 약 3배 정도이다. TR이 500msec 이하면 짧다(short)고 하고 1500msec 이상이면 길다(long) TR과 긴(long) TE를 사용하여 영상을 얻는다.
    • 긴 TR과 짧은 TE를 사용하면 조직 간의 T1과 T2 차이에 의한 신호강도 차이는 얼마되지 않고, 이 때는 양성자 밀도, 스핀 밀도차에 의해 주로 영향을 받는 proton 강조영상이 된다. T1강조영상에서 물(뇌척수액 혹은 소변)은 검게 보이고(low signal intensity), 지방은 아주 하얗게 보이며(high signal intensity), T2 강조영상에서 물은 아주 하얗게 보이고 지방은 물보다 어둡게 보인다. 공기나 석회화한 부분은 양성자(수소원자)의 밀도가 희박하므로 T1 강조영상이나 T2 강조영상에서 모두 아주 검게 보인다. 대부분의 병적인 조직은 물을 많이 함유하므로 T2 강조영상에서 정상조직보다 높은 신호강도를 나타낸다. 다시 말해서 T2 강조영상에서는 병변을 쉽게 찾을 수 있다는 장점이 있다. 반면에 T1 강조영상은 T2강조영상보다 횡측 이완이 적게 일어난 영상이므로 보다 높은 신호강도를 가지고 있어, 해부학적인 구조물을 좀 더 명확하게 구별할 수 있다. 또한 출혈에 의한 혈종은 혈종내의 성분이 변화함에 따라 다양한 신호강도를 나타내지만 아급성 출혈은 경우에는 특징적으로 T1 강조영상에서 높은 신호강도를 보일 수 있으므로 T1 강조영상은 병변내에서 출혈의 존재여부를 판단하는데 유용하다.

    • 종류

      • 혈류의 역학적 변화를 관찰할 수 있는 관류 영상기법(perfusion),

      • 인체 조직의 생리학적 대사활동에 대한 정보를 제공해 주는 대사적 물질의 영상화(chemical shift imaging)와 자기공명분광법,

      • 조직 내의 물 분자의 미시적 운동을 관찰할 수 있는 확산계수 영상(diffusion),

      • 뇌의 인지적 기능을 담당하는 뇌 영역을 국소화를 시킬 수 있는 뇌의 기능적 영상(functional magnetic resonance imaging; fMRI)

    • 자기공명영상의 기본 사양

  • 원자핵의 자화(Magnetization)

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  • 원자핵의 공명(Resonance)

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  • 원자핵의 이완(Relaxation)

    • 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 열평형 상태에 도달하게 된다. 이 과정을 T1, Spin-Lattice, 혹은 Longitudinal Relaxation 이라 한다.

      • 시간이 경과함에 따라, Z방향으로 다시 자화되면서 평균자화는 점차 커지는데, 처음 상태의 63%의 평균자화가 Z방향으로 형성될 때까지의 시간을 T1이완시간 이라고 정의한다. 외부자장의 세기가 높아지면 T1도 길어진다.

    • 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 이와 같은 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.

  • 영상의 감별요소

    • 자기공명영상의 물질 감별의 대조도 결정 요소

      1. 물질의 농도(concentration)

      2. 완화시간(relaxation time)인 T1 (spin-lattice relaxation time), T2(spin-spin relaxation)와 같은 물질 고유의 자기공명학적 성질

      3. 혈류와 같은 물질의 흐름 (flow), 확산과 같은 역동성 성질

      4. 물질의 자화 상태의 자화 전이 현상(magnetization transfer),

      5. 혈액 내의 산소 포화정도에 따라 변화되는 자기자화율(magnetic susceptibility)

    • 이들 조건들은 보고자 하는 목적에 따라 적절하게 선택된 측정 조건을 가진 데이터 측정기법과 결합되어 최종적으로 만들어진 영상에서 물질 특유의 신호 강도를 보여주게 된다.

    • T1과 T2

      • 물질의 농도와 완화시간 T1과 T2는 현재 질환 감별 측면인 진단의학적 관점에서 그 활용도가 매우 높은 측정 변수이다.

      • 물질의 농도가 증가함에 따라 영상 신호 강도는 선형적으로 비례하여 고강도신호를 보여준다.

      • 완화 시간 T1과 T2는 주변조직의 온도, 물질의 점성과 같은 외부조건과 조직의 내부 구조에 의해 결정되는데 이는 질환에 따른 조직의 병리학적인 환경을 아주 잘 대변해주고 있다.

      • 완화시간 T1과 T2는 그 사용용도에 따라 각기 이용되고 있다.

        • 즉, T1과 T2에 의해 화질이 결정되는 T1 강조 영상과 T2 강조영상은 각각 인체 조직의 해부학적 구조와 병리학적 구조에 대한 정보를 잘 나타내고 있다.

        • T1 강조영상은 뇌종양과 같은 특정 지역의 감별을 높이기 위하여 T1을 짧게 해주는 외부 주입 물질인 조영제를 사용하기도 한다.

        • T1 강조영상과 T2 강조영상을 얻기 위하여 90도와 180도 RF 펄스를 사용하여 데이터를 얻는 SE (spin echo) 방법과

          • 고속측정기법인 TSE(turbo spin echo)와 FSE(fast spin echo) 방법에서 TR과 TE를 조절하는 방법과,

          • 그리고 경사자계를 사용하여 데이터를 얻는 GRE(gradient echo) 방법에서는 RF의 숙임각(flip angle)의 조절하는 방법을 사용한다.

      • 혈류는 흐름에 의한 핵 자기모멘트의 위치 변화에 따른 자기공명영상에서 특유의 신호 강도와 위상 변화를 보여준다.

        • 이를 이용한 혈관측정기법으로서 흐름에 의한 영상 단면에서의 자화 상태의 농도 분포변화를 이용한 TOF(time of flight)와 흐름에 의한 영상 단면에서의 자화 상태의 위상변화를 이용한 PC(phase contrast) 방법이 있다 (그림 4).

        • 이중 PC 방법은 혈류의 속도를 정량적으로 측정하는 것이 가능하다. 이 방법들은 X-ray에 의한 DSA(digital subtraction angiography)와 같은 혈류 영상보다는 혈관 구조를 나타내는데 정확성은 떨어지지만 비관혈적인 방법으로서 환자에게 해가 없는 방법으로서 각광을 받고 있다.

      • 뇌혈관은 최근 들어, 조영제의 혈액 주입에 의한 신호 강도 증가를 이용한 새로운 방법도 도입되어 매우 짧은 시간 내에 혈관을 관찰할 수 있게 되었다. 또한, 혈액의 혈류 역학적 정보는 뇌졸중, 모야모야 질환, 동정맥 기형과 같은 뇌 혈관에 관련된 질환의 진단과 치료에 있어 매우 중요하다.

      • 이 경우, spin tagging 방법이라 불리는 180­90 RF 펄스에 의한 inversion recovery 방법을 사용하여 내부 자화 상태의 inversion 후의 시간에 따라 혈류의 흐름에 의한 신호 변화를 관찰하기도 하고 조영제와 EPI 측정 기법을 사용한 관류 기법을 통해 조직의 혈류 역학적인 정보를 얻을 수 있다.

      • 불규칙적인 운동으로 표현되는 물질의 확산은 온도나 조직 구조 등 주변환경의 조건에 따라 그 정도가 결정되고 경사자계 하에 있는 물질의 확산에 따른 자기공명신호 강도의 감소를 측정함으로써 이를 영상화 할 수 있다.

      • 움직임은 확산에 대한 영상의 민감도를 방해하기 때문에 움직임의 영향을 최소화할 수 있는 수백 ms의 측정 시간이 가능한 EPI와 같은 초고속의 자기공명영상측정 방법의 개발과 이를 가능하게끔 하는 시스템 성능의 향상이 있기 전까지는 확산강조영상의 광범위한 임상응용은 거의 불가능하였다. 현재, 이 방법은 급성 뇌졸중 환자의 뇌경색 부위 결정에 좋은 결과를 보여주고 있다.

      • 자화 전이 현상은 두 가지 자화 상태가 서로 교환되고 있는 상태에서 한쪽 자화상태를 RF 펄스를 사용하여 포화시키면 다른 자화 상태가 교환 상황에 따라 그 신호 강도가 달라지게 되는 것을 말한다. 이 현상은 위에서 말한 혈관측정방법(angiography)인 TOF방법과 함께 사용되어 혈관의 다른 조직과의 차이를 더욱 높이기도 한다.

      • 자기자화율은 국소적으로 자기장의 불균일도를 일으킴으로써 이로 인한 자화 상태의 위상이 분산됨에 따라 자기공명신호의 감소를 일으키는 한 요인이다. 매우 이질적인 대상인 공기에 접하고 있는 조직의 경계부분과 국소적이지만 혈액 내의 산소가 부족할 경우 paramagnetic한 성질로 변환되는 헤모글로빈을 많이 포함하는 부분에서 자기자화율 효과에 의해 영상 신호의 왜곡과 감소가 발생된다. 이들은 자기공명영상에 영상 왜곡과 같은 나쁜 영향을 주기도 하지만 후자의 경우 BOLD 효과(Blood oxygenation level-dependent effect)라 통상적으로 불리고 이는 뇌의 기능적 영상기법에 이용되기도 한다. 뇌의 기능이 활성화될 경우, 해당되는 뇌 영역에서 산소를 공급하는 혈류의 증가가 일어나고 이에 따라 초과 공급된 산소와 결합한 헤모글로빈은 nonparamagnetic한 성질을 보여주어 그 부분의 신호가 증가되어 인지적 기능에 대한 공간적 정보를 얻을 수 있다 (그림 5).

      • 지금까지 영상기기로서 뇌의 기능적 영상연구에 많이 사용된 PET(positron emission tomography)는 뇌의 기능에 따른 혈류 변화에 대한 최고의 민감도를 보여주었지만 방사선 동위원소의 사용, 낮은 공간적 분해능, 신뢰성 있는 결과를 얻기 위해서는 측정 데이터의 광범위한 축적과 여러 실험자의 데이터의 종합적인 분석의 필요성 등 여러 가지 점들에서 문제점을 보여주고 있다.

      • 그러나, MRI는 인체에 피해가 없고, 고해상력의 위치 정보를 얻을 수 있고, 무엇보다도 한 사람의 데이터 분석으로 신뢰성이 있는 결과를 얻을 수 있는 장점을 보여주고 있어 환자에 대한 임상 적용 가능성이 매우 크다고 볼 수 있다.