MRI 원리

참고한 글 : https://karl6885.github.io/neuroscience/2018/09/09/MRI-made-easy-1/

MRI 쉽게 이해하기 (1) 개요

 

MRI 작동 순서 
1. 자석 속 환자 
2. 전자기파 인가 
3. 전자기파 회수 
4. 방출되는 신호 
5. 이미지 재구성 

 

1. 자석 속 환자 

원자는 원자핵과 전자들로 구성됨. 원자핵엔 양의 전하를 가진 proton이 있음. 지구는 거대한 자기장임. proton은 지구와 같은 방향으로 돌고 있는데 나란히 혹은 거꾸로 정렬됨. 거꾸로 정렬된 proton이 에너지가 더 큼.* 또한 magentic field (B) 를 가지고 있어 하나의 작은 자석으로 간주됨.  

 

>> MRI 기기는 센 외부 자기장임. MRI 기기에 proton이 들어가면 그 자기장에 따라 나란히 혹은 거꾸로 정렬되는 것임. 

>> proton은 자기장에 따라 정렬되는 한편, 팽이처럼 빙빙 돌고 있음. 이러한 움직임을 precession 이라고 부름.  

>> precession 회전 주기는 magnetic field 세기에 비례함. Larmor equation 이라 함. W = r*B

     - W: precession 주기 (Hz or MHz) 

     - B: 외부 자기장 세기 (Tesla) 

     - r: gyro-magnetic ratio -> 물질마다 다름. proton은 42.5MHz/T 

>> 정방향/역방향 magnetic force 차이 -> 일부 magnetic force가 외부 자기장에 나란히 형성됨. Longitudinal magnetization 이라 함.  

Fig 1. Longitudinal magnetization

2. 전자기파 인가 

precssion 주기와 같은 파장으로 전자기파 (Radio Frequency pulse, RF pulse) 를 쏘게 되면 proton 은 에너지를 흡수함. 흡수하는 걸 공명 (resonance) 현상이라 함. proton이 에너지를 흡수해서 에너지가 높아지면 자기장에 역방향으로 정렬됨.* Longitudinal magnetization 감소되고 (Fig 2) proton 벡터가 한 쪽 방향으로 정렬됨. (Fig 3) 한 쪽 방향으로 정렬되면 외부 자기장에 수직 방향으로 magnetic force가 형성됨. (이미지 상으론 Y축 주황색 선) 이를 Transversal magnetization 이라 함. 

Fig 2. RF pulse 맞고, 정방향 proton이 에너지가 높아지면서 역방향으로 정렬되고, Longitudinal magnetization 감소됨.

Fig 3. RF pulse 맞고, 서로 다른 방향을 가리키던 proton 벡터가 한 쪽 방향으로 정렬되고, Tranversal magnetization이 생성됨.

3. 전자기파 회수 

전자기파를 회수하면 proton 은 원래 상태로 돌아감. proton 은 에너지를 잃으면서 다시 외부 자기장과 나란히 정렬됨. 1) 감소된 Longitudinal magnetization 은 다시 증가하고 2) 증가된 Tranversal magnetization 은 다시 감소함.  

 

1) T1 : Longitudinal magnetization 다시 증가하는 현상 = Longitudinal relaxation = Spin-lattice relaxation 

Fig 4. Longitudinal magnetization 이 다시 증가하는 현상을 그래프로 나타냄. (T1-curve)

 

2) T2 : Transversal magnetization 다시 감소하는 현상 = Transversal relaxation = Spin=spin relaxation  

Fig 5. Transversal magnetization 이 다시 감소하는 현상을 그래프로 나타냄. (T2-curve)

 

3) T1-T2 비교  (이해 필요 ) 

- p2 가 p1보다 1% 빠를 때, p1 (10Mhz = 50/(1*10^-6)), p2 (10.1Mhz = 50.5/(1*10^-6))임.  
- T1 은 300~2000 ms, T2 은 30~150 ms, 임.

- T1 이 끝나는 시점 = Longitudinal magnetization 이 63% (1-(1/e)) 까지 회복하는 시점 

- T2 가 끝나는 시점 = Transversal magnetization 이 37% (1/e) 까지 감소하는 시점. 

Fig 6. 이해가 ...

Fig 7. https://www.researchgate.net/figure/T1-T2-and-T2-relaxation-A-T1-curve-Plotting-the-recovery-of-longitudinal_fig7_233886360

Fig 8. https://www.researchgate.net/figure/Time-courses-of-the-magnetization-for-T1-and-T2-relaxation-are-shown-for-fat-blood-and_fig17_299512554

4. 방출되는 신호  

90º pulse : Longitudinal magnetization 을 0으로 만드는 RF pulse 파동. 

 

1) 90º pulse 를 인가하면 Longitudinal magnetization 은 0 (Z축 평행 벡터) 이 되고, Transversal magnetization 이 생성됨. (Z축 수직 벡터) magnetization 은 하얀색 원 (반시계 방향) 으로 계속 회전하고 있음. Logitudinal magnetizaion 은 증가하고 Transcersal magnetization 은 증가하는 방향으로 회전 반경은 점차 감소함.  

Fig 9. 90º pulse 인가시 magnetization 변화

 

2) 반시계 방향으로 점차 감소하는 회전 반경은 나선형 모양을 만들어냄. (Fig 10 왼) 나선형으로 움직이는 magnetization 은 전류를 유도하고** MRI 기기는 유도된 전류를 측정함. 이러한 신호를 FID  (Free Induction Decay) signal 이라고 함. 90º pulse 인가 직후 신호 세기는 가장 크고 점차 감소됨. (Fig 10 오) 

 

** : 움직이는 전자기력은 전류를 유도함.

Fig 10. 나선형 모양으로 움직이는 magnetization (왼) 과 그로 인해 유도된 전류를 측정. (오)

5. 이미지 재구성 

MRI 이미지는 촬영 방법 및 촬영 조직에 따라 차이가 있음. 조직별 T1, T2 차이는 Fig 8 참고. 

5-1. T1-weighted image 

1) 조직 A, B 가 존재하고 A가 B에 비해 T1, T2가 짧을 때 (= magnetization 회복 빠름.) 시간 간격 (Time to Repeat, TR) 을 두고 90º pulse 를 두 차례 인가. TR 이 충분히 긴 경우 A, B 모두 Longitudinal magnetization 을 회복하며 90º pulse 가 재인가 됐을 때 Transversal magnetization 크기 또한 동일함. (Fig 11) 

Fig 11. 90º pulse 간 시간 간격이 충분히 긴 경우

 

2) TR 이 짧은 경우 : A는 B보다 T1 이 짧기 때문에 더 빠르게 Longitudinal magnetization 을 회복함.*** A, B 모두 Longitudinal magnetization 을 회복하지 못한 상태에서 90º pulse 를 재인가하면 A, B 사이의 Transversal magnetization 크기가 달라짐.  

Fig 12. 90º pulse 간 시간 간격이 짧은 경우

 

>> 90º pulse 사이 시간 (TR) 을 조절하면 서로 다른 조직 간 (A, B) 에 차이를 주는 이미지를 촬영할 수 있음. T1 이 더 짧은 조직 (A) 을 잘 볼 수 있는 이미지를 생성. T1 으로 인한*** 이미지이므로 T1-weighted image 라고 함.  

5-2. Proton density weighted image  

TR 과 상관 없이 조직 간 proton density 차이로 인해 signal intensity 차이가 발생함. TR 을 매우 길게 해서 signal intensity 를 기반으로 촬영하는 방법을 Proton density weighted image 라고 함.   

Fig 13. 조직 간 signal intensity 차이. CSF 는 뇌척수액 (Cerebrospinal Fluid) 임.

5-3. T2-weighted image  

T2-weighted image 는 T2 가 긴 조직을 촬영하는 방법임. T2 는 시간이 지날수록 Transversal magnetization 가 감소함. T2가 길수록 측정되는 신호가 큼. (왜 ?) 

Fig 14. https://www.radiologycafe.com/frcr-physics-notes/mr-imaging/t1-t2-and-pd-weighted-imaging/

 

T2 는 RF pulse 가 인가되었을 때 proton 이 일정한 방향으로 돌다가 (Fig 3) 일관성을 잃으면서 Transversal magnetization 이 감소되는 현상임. proton 을 다시 일정한 방향으로 만들려면 180º pulse 를 인가해주면 됨. 180º pulse 에 의해 proton 벡터가 다시 모이는 것을 Spin echo 라고 함. 90º pulse 에 의해 Transversal magnetization 이 생긴 시점부터, 180º pulse 에 의해 Spin echo 가 생기는 시점까지 시간을 TE (Time to Echo) 라고 함. (Fig 15) Spin echo 지난 후 proton 벡터는 다시 흩어지므로 180º pulse 를 계속적으로 인가함. 

Fig 15. https://en.wikipedia.org/wiki/Spin_echo

 

자기장에 노출되면 proton 은 서로 다른 회전 속도를 가지게 됨. 이러한 속도 차이는 Spin echo 신호를 상쇄 시킴. (Fig 16) 시간이 지나면서 Spin echo 신호가 계속 감소되는데 이를 T2-effect 라고 함. 180º pulse 를 쓰지 않으면 Spin echo 신호가 매우 빠르게  감소하는데 이를 T2*-effect 라고 함. (Fig 17)    

Fig 16. https://makeagif.com/gif/t2-relaxation-o3045q

Fig 17. 180º pulse 연속 인가 시 발생 신호