MRI의 기본원리를 알아보자3

안녕하세요!!
@chosungyun입니다.
저번 시간에 핵스핀들이 만들어내는 자기모멘트의 합인 자화도를 통해 거시적으로 분석한다고 설명했었습니다.
MRI의 기본원리를 알아보자2
오늘은 이 변화를 주는 요인인 라디오파에 대해서 조금 설명해보고자 합니다.

라디오파

전자기파중에 주파수대역이 라디오파 대역에 있는 경우를 말합니다.
가장 긴 파장을 가지는 영역이며 수백 Hz에서 수백만 Hz까지의 다양한 주파수가 있습니다.

그리고 공명을 걸기 위해 수소핵과 동일한 진동수를 필요합니다.
예로 1T의 자기장을 걸어주는 영상장치에서는 42.57MHz의 라모어 진동수를 가지며 1.5T의 경우는 64MHz의 라모어 진동수를 가지게 됩니다.
이 주파수 영역들은 우리가 듣는 FM라디오 영역때의 주파수들입니다. 그래서 외부 FM라디오파라는 노이즈를 줄이기 위해 MRI장치는 전자기파를 차폐시켜주는 장치를 필요로 합니다.

거시적 해석

MRI에서는 펄스를 주입해 순식간에 공명을 일으킵니다.
이를 거시적 관점에서 보면 전자기파인 라디오파를 주입시키면 전자기파에서 자기장 영역이 자화도에 영향을 주어 토크(돌림힘)를 가하여 이 자화도의 방향을 바꿔준다고 생각하시면 됩니다.
이 자화도의 변화하는 정도는 라디오파의 자기장에 의존합니다.

즉, 자기장을 걸어주어 주파수를 부여해준 상태에서 얼마나 강한 라디오파를 걸어주냐에 따라 이 자화도가 변화하는 정도가 달라집니다.

앞서 설명한 라디오 펄스는 순간적인 파동입니다.
라디오 펄스는 다양한 주파수가 섞인 순간적인 전자기파를 방출해내는 건데 이를 활용한다고 했죠?
앞서 소개한 포스팅에서는 이완시간이라는 개념을 언급하면서 자화도가 공명으로 변화한 후에 원래 윗방향으로 향하던 자화도의 방향이 변화함에 따른 시간차이를 분석에 활용한다고 했습니다.
하지만, 한 번 라디오파를 걸어준다고 원하는 값을 얻는 것은 아닙니다. 원하는 방향으로 자화도가 형성되기 위해서는 반복적으로 이 과정을 수행해야 하죠.
그렇기에 펄스를 일정한 시간(반복시간)을 두고 발생하는 방법으로 규칙적인 라디오파를 걸어줍니다.

이완시간

라디오파 펄스를 주고 나서의 상황을 보겠습니다.
라디오파에 의해 자화도는 변화했고 위상은 같아졌습니다.
그런데 이를 유지하지 못합니다. 강제적인 변화였고 그 외력이 없다면 원래의 상태로 돌아가려 합니다.
그래서 두가지 측면에서 다시 돌아갑니다.
첫번째로 높은 에너지준위로 올라간 수소핵들이 다시 낮은 에너지 준위로 내려갑니다. 이때 자화도의 방향은 원래의 방향인 위쪽, 종축자화도로 바뀌게 됩니다.
두번째는 동위상이 깨집니다. 라디오파에 의해 같은 위상으로 정렬했었지만 다시 원래의 자기장 방향으로 정렬하게 됩니다.
여기서 전자와 후자는 종축자화도 회복과 횡축자화도 소멸에 각각 작용하며 결과적으로는 동일한 결과를 불러오는데 작용합니다.
하지만, 각각 지칭하는 용어가 있습니다. 전자는 T₁ 이완시간 후자는 T₂ 이완시간입니다.
각각에 대해서 간략하게 설명하겠습니다.

T₁ 이완시간

종축자화도가 회복되는데 걸리는 시간을 말합니다. 다른 말로 스핀-격자 이완시간이라고도 합니다.
그런데 이 이완시간은 수소핵들이 여기되었다가 다시 원래 에너지 레벨로 돌아오는 과정인데 여기되었을때 주변의 같은 진동수를 가진 분자가 주변에 존재한다면 이에 대한 상호작용으로 더 빨리 에너지를 잃습니다.
즉, 회복하는 시간이 주변 물질이 무엇이냐에 따라 달라지는 것이죠.
그래서 순수한 물이 가장 오래 걸리는 한편 지방은 빨리 회복된다고 합니다.

T₂ 이완시간

횡축자화도가 사라지는데 걸리는 시간을 말합니다. 다른 말로 스핀-스핀 이완시간이라고도 합니다.
펄스가 사라지고 계속 걸려있던 자기장에 의해 공명으로 동위상이 되었던 진동수가 정렬 방향에 따라 차이가 나면서 동위상이 깨지는 현상이 발생합니다. 그리고 이로 인해 사라지는 횡축자화도의 소멸시간입니다.
이는 T₁ 이완시간보다 빠르게 진행이 됩니다.

MR신호

미시적으로는 핵의 여기와 회복으로 발생하는 에너지를 신호로 방출해내는 것이지만, 거시적으로 보았을 때 결국, 자화도의 변화가 발생한다는 것을 알 수 있습니다.
그래서 이 신호를 받아오기 위해 rf coil을 사용해 수신되는 전자기파의 변화를 측정합니다.
이 신호를 FID 신호라고 하는데 자유유도감쇠신호라고 합니다.

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오늘 소개할 내용은 여기까지입니다. 그럼 마지막으로 정리해보겠습니다.

라디오파 펄스를 순간적으로 주어 공명을 유도하고 펄스가 사라졌을 때 다시 원래 상태로 회복하면서 발생하는 자화도의 변화를 신호로 검출하는데 이 신호를 FID신호라고 한다.

라고 정리가 될 것 같습니다.
개인적으로 원래 알던 부분은 자화도개념까지만 알고 있었기 때문에 오늘 소개한 이완시간 개념부터는 잘못된 내용이 있을 수 있습니다. 혹시 발견하시면 댓글로 알려주세요.! 바로 고치도록 하겠습니다^^

오늘은 여기서 포스팅을 마칩니다. 감사합니다!!

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"해당 포스팅에 사용한 이미지의 출처는 구글이미지입니다"