※ 이글은 개인 공부를 위해 작성한 글로 오류가 존재할 수 있습니다.
MRI 장비를 보면 동그란 구멍을 기준으로 두꺼운 도넛모양이 둘러싸고 있다. 이 도넛모양에서 신호를 측정하겠구나?는 쉽게 상상할 수 있을 것이다. 그러면 구체적으로 어떤 일이 일어나는지 살펴보자.
힌트는 이름에 있다.
Magnetic → static magnetic field
Resonance → radio-frequency coil system
Imaging → magnetic gradient coil
각 사항에 대해 구체적으로 설명하기 전에 오늘의 내용을 이해하기 위해 도움이 될만한 배경지식을 먼저 살펴보면~
MRI는 사람의 몸을 구성하는 특정 원자핵의 에너지 변화를 활용해서 신호를 얻는다. 이때 주로 사용되는 원자는 수소(hydrogen)이다. 인체의 70%가 물(H20)인 사람에게 수소는 매우 흔한 원자이며, 원자번호가 1인 수소는 단 한개의 양성자(proton)을 갖고있어서 다른 원자들에 비해 신호를 감지하기에 용이하다.
1. Static magnetic field
static의 사전적인 의미는 고정적인으로, 변하지 않는 영구적인으로 생각하면 된다.
자석 주위에 자기장이 생긴다는 것은 알고 있을 것이다. 그렇다면 MRI에서도 자석을이용해서 자기장을 형성할까?
초기에는 그러한 방법을 사용하였으나 이는 신호의 크기가 매우 약하고, 모든 공간에 대해 균일한 자기장을 형성하기 어렵기(ingomogeneous) 때문에 지금은 그러한 방식을 사용하지 않는다.
1820년 한스 외르스테드(hans oersted)의 발견을 한번 쯤을 들어봤을 것 같다.
전선 주위에 있던 나침반의 바늘이 한 방향으로 정렬되는 것 말이다. 한스 외르스테드의 발견은 이후에 앙페르를 통해 더 연구되었고 그결과 <앙페르 법칙: 전류가 흐를 때 그 주위로 자기장이 형성된다.>가 수식적으로도 증명되었다.
이렇게 전류를 이용하여 MRI에서 사용하길 원하는 적절한 static magnetic field를 형성하게 된다.
여기서 '적절한'의 기준은 1) homoeneity(uniformity,균일성) 2) strength이다.
현재의 MRI는 전선이 절대온도 근처 (12K, -261℃)에 해당하는 온도로 냉각되는 superconducting electromagnet을 사용한다. 이 온도에서 저항(resistance)가 사라지고 강하고 안정적인 자기장을 형성할 수 있다.
충분히 강한 자기장의 세기란 일반적으로 사람일 경우 1.5~11T[테슬라] (주로 3T)이고, 동물일 경우 24T도 쓰인다. 참고로 지구 자기장의 크기가 30uT(0.3Gauss)인 것과 비교하면 매우 강한 자기장인 것이다.
하지만 균일한 자기장은 만드는 것은 생각보다 단순한 일이 아니다. 그래서 실제로는 shimming coil을 이용해서 더 homogeneous한 static magnetic field를 만든다.
2. Radio-frequency coil (RF coil)
static한 자기장만 있다면, 에너지 측면에서 그 어떠한 변화도 없기 때문에 방출되거나 흡수되는 에너지가 없고, 즉 우리가 관찰할 수 있는 신호가 생기지 않을 것이다.
그렇다면 어떻게 에너지변화를 가할 수 있을까?
MR signal은 electromagnetic RF coil에 의해 형성되는데, 이 coil은 원자핵의 공진주파수(resonant frequency)에서 전자기장을 생성하고 수신한다.
* excitation
* reception
RF coil은 주로 3가지 종류가 있다.
1) surface coil: sensitiviti가 높아 특정 영역을 target으로 할때는 좋지만, whole brain에는 부적절
2) volume coil: 넓은 영역에 uniform spatial coverage, surface coil보다는 덜 sensitivity
3) phase array coil: 여러개의 receiver coil이 중첩되는 형태로 존재
여기까지 이해했다면, 강한 자기장에 물체를 놓고, RF신호를 이용해서 원자핵의 에너지 준위를 바꾸고 다시 방출되는 신호를 receiver coil에서 감지하는 과정을 이해한 것이다.
하지만 이미지라고 하면 2D 평면 상에서 좌표값을 가지게 되는데 지금까지의 과정에서는 좌표를 알 수가 없다. 그래서 추가로 gradient coil이 필요하다.
3. Gradient coil
MR signal이 공간에따라 달라지도록(dependent) 해주기 위해 gradient coil을 적용한다.
gradient란 경사진이라는 의미로 이전에 설명했던 균일 자기장이라는 달리 일정한 경사값을 주어 이러한 경사를 가지면 이 위치이구나 하도록 추적하게 해준다. x,y,z방향으로 3개의 gradient coil을 이용해 좌표를 알 수 있다.
여기서 gradient coil의 강도는 코일의 전류밀도와 mri구멍(bore)사이즈에 의해 결정된다. bore크기가 2배 증가하면 2^5배 큰 전력이 필요하다. 이때문에 MRI 스캐너의 bore사이즈에 제한이 생기게 되는 것이다.
아마 이 그림이 위에서 설명한 scanner의 내부를 다 설명해줄 수 있지 않을까? 싶다.
상당히 복잡한 구조를 갖고 있는 MRI scanner
각각의 coil들로 인해 원자의 관점에서는 어떤 변화가 생기는지 이어서 알아보도록 하자.
'fMRI' 카테고리의 다른 글
| fMRI란?(흥미돋우기) (0) | 2022.05.25 |
|---|