MRI의 기본 원리에 대해 알아보자2

안녕하세요!!
@chosungyun입니다.
오늘부터 MRI의 영상을 얻기 위한 과정들을 순차적으로 알아보려고 합니다.
제가 소개하는 내용은 가장 기본적인 원리 부분에서의 설명이며 전문적인 내용은 포함하고 있지않습니다. 영상을 얻는 방법은 조영제를 포함해 다양한 점을 참고해야 한다는 점 이해 바랍니다.

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<수정>

정말 죄송하지만 공명현상을 통한 핵자기공명현상(NMR) 에서 소개한 내용 중에 잘못된 점이 있어서 그 부분을 언급하고 가겠습니다.
제가 참고하던 책이 잘못되어 있어서 생각지도 못하고 그대로 올려버렸습니다. 죄송합니다.
이때 포스팅에서 사용한 이미지를 잠시 다시 보겠습니다.

여기서 보면 아래쪽의 업스핀이 (-) 핵자기 모멘트를 가지고 위쪽의 다운스핀이 (+) 자기 모멘트를 가진다고 제가 소개를 했었습니다. 그런데 이것은 전자에만 해당되는 이야기입니다. 전자와 부호가 반대인 반면 양성자에서는 이와 반대입니다. 즉, 자기모멘트 방향이 스핀 방향과 동일하다는 이야기입니다.
제가 보던 책도 이 실수를 그대로 따라서 했기에 틀렸음을 인지 못 하고 그대로 설명해버렸습니다. 그래서 전에 소개한 내용은 전자에만 해당하는 내용이고 양성자(수소핵)의 경우에는 업스핀은 (+) 자기모멘트 다운스핀은 (-) 자기모멘트를 가진다는 점을 강조합니다.
이를 표현한 식을 보여드리고 본론으로 들어가도록 하겠습니다.

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우리는 저번 시간까지의 과정을 통해 수소핵을 핵자기공명(NMR)현상을 이용하여 영상을 얻어낸다고 했습니다. 이 영상을 얻는 방법을 이해하기 위해 가장 먼저 이해해야 하는 이론은 자화도 개념이 되겠습니다.

자화도 벡터

자화도라는 것은 자화가 되어진 정도로 생각하시면 되는데 벡터라는 개념이 나옵니다.
여기서 벡터는 방향성을 나타낸다는 말인데 그럼 자화도 벡터는 방향성을 나타내는 자화도라고 생각하시면 됩니다.
다시 전에 소개했던 핵자기공명현상을 떠올려봅시다.
균일한 자기장을 걸어주면 라모어 세차운동에 의해 핵스핀들이 동일한 진동수로 세차운동을 하게 된다고 했었습니다.

공명현상을 통한 핵자기공명현상(NMR)

그런데 동일한 진동수를 가진다고 했지 동일한 위상을 가지는 것은 아닙니다. 위상자체는 각각 제각각이게 됩니다. 이러한 위상차에 의해 각각이 만들어 내는 자기모멘트들은 위나 아래로 모두 동일하지는 않습니다.
이러한 자기모멘트값들을 벡터합을 하게 되면 전체 거시적 자화도 벡터를 얻게 됩니다.
하나의 예를 들어보겠습니다.
다른 방향을 바라보고 있는 여러 작은 자석들을 모아놓았다고 합시다.
이 작은 자석 하나하나는 자기모멘트를 가지고 있고 모두 동일하지는 않습니다.
그런데 이 작은 자석들이 모여있는 곳에서 나와서 멀리 나왔다고 합시다. 그리고 다시 자석이 있는 곳을 바라봅니다. 그럼 이때 보기에 자기모멘트가 제각각으로 보일까요?
아닙니다. 보기에는 하나의 자석이 하나의 자기모멘트를 띤다는 것을 알 수 있습니다.
조금 더 쉽게 예를 들자면 하나의 그룹이 있다면 그룹 원들은 다 제각각 다른 소리를 내지만 결국에는 하나의 의견을 수렴하게 됩니다. 하나의 목소리를 내는 것이죠.
이와 같이 자화도 벡터도 같은 개념입니다.

왜 그럼 우리는 이 개념을 보아야 할까요?
영상을 얻기 위해서 NMR현상을 이용해 방출하는 MR 신호를 분석해야 합니다.
그런데 이 MR신호는 단순히 하나의 정보만을 나타내는 것이 아닙니다. 무수히 많은 핵들이 방출하는 복합적인 신호를 분석하는 것이죠.
그렇기에 각각의 공명들이 내는 전체의 신호인 자화도를 기준으로 앞으로 분석할 것입니다.
그러니, 앞으로 설명하는 이 자화도가 하나의 핵스핀이 만들어 내는 것이 아닌 단위표적당 내는 신호라고 생각해주시면 됩니다.

종축자화도와 횡축자화도

종축자화도는 자기장의 방향과 평행한 자화도를 말하며 횡축자화도는 자기장의 방향과 수직한 자화도를 말합니다.
자기장이 걸렸을 때 자기장방향과 동일한 자기모멘트를 가진 업스핀을 가진 핵자가 주를 이루고 몇몇 핵자가 다운스핀을 가지며 반대방향을 가르킵니다. 그래서 위상들의 차이가 존재하게 됩니다.
그런데 이때 라디오파를 걸어주어 업스핀을 가진 핵자들을 공명시켜주게 됩니다. 이때 동위상을 가지게 되면 자화도 벡터의 방향이 변화하게 됩니다. 그런데 자기장의 방향과 수직이 되도록 자화도를 가질 때를 횡축자화도라고 합니다.
보통 MRI 영상을 얻기 위해서는 이 횡축자화도인 90° 펄스또는 완전 뒤집혀있는 180° 펄스를 얻어서 사용하게 됩니다.
이 펄스가 생기는 정도를 조절하는 것은 다음 시간에 이어서 소개하도록 하겠습니다.

그럼 오늘 소개한 내용을 정리해보겠습니다.
전자와 다르게 핵스핀은 동일한 자기모멘트를 가진다.
그래서 업스핀은 (+) 자기모멘트 다운스핀은 (-) 자기모멘트를 가진다.
공명을 했을 때 업스핀을 가진 핵자와 다운스핀을 가진 핵자들로 나누어진다.
하지만 대부분은 업스핀(낮은상태)을 나타내고 자화도 벡터는 자기장과 동일한 방향을 가진다.
이때 핵자의 라모어 진동수와 동일한 진동수의 라디오파를 걸게 되면 다운스핀을 가진 핵자들이 생겨나며 전체 자화도의 방향은 바뀌게 된다.

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여기까지가 오늘 소개한 내용이 되겠습니다. 조금 어려우실 거라고 생각이 되어 걱정이 되네요… 더 쉽게 잘 풀어 써보고 싶은데 그게 어렵군요.
조금 더 쉽고 편리하게 설명하기 위해서 제가 저번에 말씀드린 와콤펜? 비슷한 거를 해외직구로 샀는데 태평양 한가운데인지 아직 오지를 않네요.
어쨌든, 그거 오면 그림 설명까지 최대한 덧붙여서 설명해보겠습니다. 기대해주세요.^^

오늘은 여기서 포스팅을 마칩니다. 감사합니다!!

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"해당 포스팅에 사용한 이미지의 출처는 구글 이미지입니다"