MRI의 기본원리를 알아보자5(완)

chosungyun (59)in #kr-science • 8 years ago

안녕하세요!!
@chosungyun입니다.

오늘은 경사자기장에서 간략하게 알아보려고 합니다.
그전에 MR신호를 얻어내는 과정을 다시 한번 상기해보겠습니다.
정자기장을 걸어주게 되면 일정한 라모어 진동수를 가진 두개의 상태의 스핀으로 나누어 집니다.
그리고 여기에 라디오파를 걸어주게 되면 공명을 하게 되고 공명후 원래의 상태로 회복이 되는 이완시간의 차이로 명암을 얻는다고 했습니다. 이 라디오파를 걸어주는 방법은 바로 전의 포스팅에서 여러 방법을 소개했었죠.
MRI의 기본원리를 알아보자4

그런데 말입니다.
이 명암차이를 얻는다고 해도 이 신호의 근원지를 알지 못한다면 제대로 된 진단을 하기에는 어려움이 있을 겁니다.
실제, 경사자기장이 없다면 발생하는 MR신호는 발생대상의 각 부분에서 나오는 신호들을 모두 합한 신호가 될 겁니다.
그래서 구별을 위해 경사자기장이라는 정자기장과 자기장의 세기가 다른 자기장을 걸어주게 됩니다.

여기에는 x,y,z방향에 따라 3종류의 경사자기장이 있습니다.
각각을 진동수인식 경사자기장(G_x), 위상인식 경사자기장(G_y), 단면결정 경사자기장(G_z)라고 합니다. 첫번째로 z방향의 단면결정 경사자기장을 살펴보겠습니다.

단면결정 경사자기장

정자기장의 z축 방향으로 위치에 따라 변하는 자기장을 말합니다.
정자기장과 이 자기장을 걸어준 상태에서 라디오파를 걸어주게 되면 정자기장에 의해 동일한 핵스핀 진동수를 가졌던것과 다르게 경사자기장에 의해 z방향에 따라 걸리게 되는 자기장이 두 자기장의 합으로 인해 달라지게 됩니다.
이렇게 되면 z방향으로 변함에 따라 공명이 되는 진동수가 다르게 되고 라디오파를 걸어주었을 때 공명조건에 차이가 생기게 됩니다.
이렇게 되면 특정 라디오파에 대한 결과가 특정 단면의 값만 보여주게 됩니다.
하지만, 걸어주게 되는 라디오파가 하나의 진동수만 가지는 것이 아니라 진동수폭을 가지므로 결과도 특정 단면이 아니라 특정 영상폭을 보여주게 됩니다.
그런데 이 영상폭은 단면결정 경사자기장의 z방향에 따른 변화가 클수록 영상폭이 얇아집니다.
즉, 경사자기장의 변화량 정도로 영상의 폭 단면 두께를 조정할 수 있습니다.

이 방법을 사용해서 우리는 하나의 단면을 결정할 수 있게 되었습니다.
하지만, 아직까지는 MR신호가 어디서 나오는지 구별할 수는 없습니다.
이를 구별하기 위한 자기장이 진동수인식 경사자기장과 위상인식 경사자기장입니다.

단면결정 경사자기장에 의해 하나의 영상 단면을 얻은 상태에서 여기서 나오는 MR신호의 위치값을 알기위해 영상단면을 여러 개의 조각으로 나뉜 복셀로 존재하고 이 복셀에서 나오는 MR신호를 읽어야 합니다.

그런데 하나의 단면이 있다고 했을 때 여기서 나오는 MR신호는 구별이 안됩니다. 하나의 단면에 나온 핵스핀들은 모두 동일한 진동수로 회전하고 있기 때문입니다.

그래서 우선 위상인식 경사자기장을 걸어주어 y방향으로 자기장의 변화가 생기는데 한쪽은 정자기장이 작아지도록 한쪽은 커지도록 걸리도록 하고 중간은 그대로 걸리게 된다면 핵스핀들이 가지는 진동수들이 차이가 생깁니다.

이러한 위상차가 발생했을 때 여기서 진동수인식 경사자기장을 걸어줍니다. 이 자기장은 x방향으로 걸어주어 핵스핀의 진동수가 차이나게 만들어 줍니다. 이렇게 하면 각 복셀이 내는 신호가 주변과 달라져 신호가 구별이 됩니다.

자기장이 걸리는 순서

어떻게 라디오파를 걸어주냐에 따라 다르겠지만, 단면을 결정짓기 위해 G_z를 걸어주고 G_y, G_x를 걸어주어야 합니다.

결과

결과적으로 얻은 MR신호는 그대로 사용하지는 못합니다. 여러 진동수를 가진 신호의 합이므로 이 신호를 진동수에 대한 Fourier 변환을 사용해 각 신호들을 구별해줍니다.
이 변환과정은 수학적인 과정이 필요하므로 불필요하게 길어질 수 있기 때문에 생략하도록 하겠습니다.

지금까지의 MRI 포스팅을 정리하자면 전자나 양성자 등은 스핀값을 가지는데 자기장을 걸어주면 제만효과에 의해 두가지 에너지 궤도로 갈라지게 됩니다. 아래 에너지 궤도의 진동수와 동일한 진동수의 라디오파를 걸어주면 공명현상이 발생하고 위 에너지 궤도로 도약하게 됩니다. 거시적으로 보았을 때 이러한 변화가 자기모멘트의 합인 자화도 벡터로 나타나게 되고 라디오파가 없어지면 다시 원래의 안정된 상태로 돌아가려고 하면서 원래의 자화도로 회복이 됩니다. 이러한 회복시간의 차이로 명암이 발생하는데 여기서 라디오파를 걸어주는 방법이 90°펄스와 180°펄스를 어떻게 걸어주냐에 따라 달라지게 됩니다. 또 한가지 명심해야 할 것은 명암차가 주는 정보를 얻었지만, 어디서 온 정보인지 정확하게 판단하기 위해 2D로서의 정보가 아닌 3D로의 정보를 얻기 위해 경사자기장을 이용해 위치값을 부여해주어야 한다는 내용이었습니다.

NMR : 전자의 에너지 궤도 불연속성과 제만효과
공명현상을 통한 핵자기공명현상
MRI의 기본원리를 알아보자1
MRI의 기본원리를 알아보자2
MRI의 기본원리를 알아보자3
MRI의 기본원리를 알아보자4

여기까지가 저의 MRI에 관한 소개입니다. 이 뒤로도 알아야 할 내용들이 많지만, 저도 이 뒤로는 잘 모르는 관계로 생략하도록 하겠습니다.^^ 양해 부탁드리겠습니다.
MRI는 여기서 끝났지만 NMR의 응용인 NMR분광기도 간략하게 살펴볼 예정이니 많은 관심 부탁드리겠습니다.

그리고 앞으로의 포스팅에 관해서 드릴 말씀이 있습니다. 현재 제가 1일 1포스팅을 기본으로 글을 쓰고 있습니다. 그런데 제가 2월달 3월달이 시험이 있어서 바쁠 예정입니다. 그래서 1일 1포스팅을 지키지 못하는 날이 점점 생길 것 같습니다.
그래도 쓰려고 노력하겠습니다. 다만, 1일 1포스팅을 못지키는 날이 많이 생길 수 있으니 양해부탁드리겠습니다.

오늘은 여기서 포스팅을 마칩니다. 감사합니다!!