[LearnMRI] MRI 촬영 원리와 특징

26 Dec 2023     #bio #brainImaging #mri

MRI와 MRI modalities, MRI에서 관찰 가능한 Alzheimer’s disease 관련 feature를 정리해봅니다.

Magnetic Resonance Imaging (MRI)

자석으로 구성된 장치에서 인체에 고주파를 쏘아 신체부위에 있는 수소원자핵을 공명시켜 각 조직에서 나오는 신호의 차이를 디지털 정보로 변환한 이미지

MRI 촬영 원리

인체 조직은 물을 많이 포함하고 있다. 물의 수소원자핵(hydrogen nucleus)은 자성을 갖는다. 이 수소원자핵에 고주파를 발사하면 이를 공명시킬 수 있다. 고주파(radiofrequency; RF)를 순간적으로 발사하고 끊으면(RF pulse), 원자핵이 고주파 신호를 흡수했다가 방출한다(release). 여기서 MR 기기로 되돌아오는 신호의 크기 차이를 분석하고 극대화하여 2차원 영상으로 표현한 것이 MRI이다.

방출되는 신호의 크기와 파형은 물분자의 농도, 혈류, 주변 화학구조물과의 결합 상태 등에 따라 다르다. 조직 내 물이나 혈액 구성에 따라 T1 이완 시간(relaxation time)과 T2 이완 시간이 달라진다. 질병에 따라 이들 구성이 달라지므로, 질병에 따라 얻을 수 있는 신호가 다르다는 의미가 된다. 이 신호 변화를 달리 포착하여 T1 강조 영상(weighted image; WI), T2WI, FLAIR 등 다양한 MRI를 얻을 수 있다.

T1 relaxation time과 T2 relaxation time은 양성자(proton)에 RF pulse를 90도로 가한 후에 각각 다른 기준에 의해 측정된다. proton의 자기화를 종축($Mz$)에서 횡축으로 눕히면 $Mxy$ vector가 형성된다. $Mz$ vector가 0%, $Mxy$ vector가 100%가 되는 순간부터 T1, T2 relaxation time을 측정한다. 조직마다 두 relaxation time 모두 상이하게 나타난다.

T1 relaxation time은 $Mz$가 63%까지 회복하는 데에 걸리는 시간이다. 지방(fat) - 뇌세포 조직(brain tissue) - 뇌척수액(cerebrospinal fluid; CSF) 순으로 회복이 빠르다(T1 relaxation time이 빠르다).

T2 relaxation time은 $Mxy$가 37%까지 감소하는 데에 걸리는 시간으로, 자장의 세기에 별로 영향을 받지 않는다. Fat - brain tissue - CSF 순으로 신호가 빨리 감소한다.

T1 relaxation time이 짧은 조직은 T2 curve도 급격히 감소한다. 물과 지방은 T1과 T2에서 반대의 intensity를 갖는다 (opposite signal intensity).

Spin echo는 RF pulse를 90도와 180도로 주어 repetition time (TR)과 echo time (TE)을 조작하며 영상을 찍는 기법이다. TR은 90도 pulse에서 다음 90도 pulse까지의 시간, TE은 90도 pulse에서 신호를 얻을 때까지의 시간을 말한다. 영상 촬영 시 pulse를 여러 번 반복하므로, TR과 TE를 조작하여 다양한 영상을 얻을 수 있다.

MRI의 장단점

장점

• CT에 비해 연부 조직의 contrast가 더 잘 드러난다.
• 해부학적, 생리학적, 기능적 정보 등을 관찰할 수 있다.

단점

• 철자성 인공허상(ferromagnetic artifacts): 자장에 영향을 주는 금속물질 등이 체내 소량이라도 존재하면 자장의 균질성이 깨져 영상이 왜곡된다.
• 금니나 기타 삽입 물질이 있으면 영상의 질이 떨어진다.

금기: 자성에 영향을 받을 수 있는 신체 내 삽입물 등을 가진 환자에게는 사용하지 말아야 한다.