2009. 9. 21. 10:36ㆍ화학
자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging：MRI)
① 1973년 라우터버(Lauterber)와 다마디안(Damadian)에 의해 핵자기공명분광법(nuclear resonance spectroscopy：뉴클리어 레저넌스 스펙트로스커피)을 단층촬영에 적용할 수 있다는 가능성이 제시되면서 자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging：마그네틱 레저넌스 이머징：MRI) 기술은 나날이 발전을 거듭해 왔다. MRI는 처럼 어떤 물질의 화학구조를 분석 가능하게 하는 자기공명현상과 컴퓨터를 이용한 단층촬영기술을 결합시킨 첨단과학의 소산이라고 할 수 있다. 즉, MRI는 기존의 진단방법들의 장점을 가지면서 이들의 단점을 갖고 있지 않는 것이 큰 장점이다. 그리고 MRI는 인체 내의 여러 가지 화학적인 특성(예를 들면, 화학적 천이, 스핀 격자 완화시간, 스핀 완화시간 등), 혈류속도, 확산계수 등 여러 가지 물리적인 양을 보여줄 수 있다고 밝혀져 MRI의 중요성이 더해 가고 있다.
[그림] MRI를 통해 뇌를 스캔한 사진
② 자기공명현상을 보이는 원소들로는 H(수소), Li(리튬), C(탄소), Na(나트륨), P(인), I(요오드) 등이 있는데 이 중에서 자기공명영상에서 영상화하는 것은 거의 H(수소) 원자이다. 수소 원자핵은 스핀 운동으로 인하여 자기동작(magnetic moment：마그네틱 모멘트)을 거쳐 수소 원자핵을 아주 미세한 자석으로 변환시킨다.
③ 수소 원자핵들이 수없이 많이 있을 때 수소 원자핵들의 자기 모멘트는 일정한 규칙 없이 무작위한 방향으로 놓이게 되는데 이들의 수소 원자가 정자계(Staticmagnetic field：스터틱마그네틱 필드) 안에 놓이게 되면 일부는 정자계와 같은 방향으로 정렬되고 나머지는 정자계와 반대방향으로 정렬하게 된다. 정자계와 같은 방향으로 정렬된 원자핵은 낮은 에너지 준위에 있고 반대방향으로 정렬된 원자핵은 높은 준위에 있게 되는 것이다.
④ 높은 에너지 준위에 있는 원자핵의 수보다는 낮은 에너지 준위에 있는 원자핵의 수가 조금 더 많은데, 이 차이는 정자계의 강도에 비례한다. 열적인 평형상태에서는 높은 에너지 준위와 낮은 에너지 준위 사이에 천이라는 핵들의 수가 서로 같아져서 이들 에너지 준위에 있는 원자핵 수의 차는 일정한 값을 유지하게 된다. 평형상태를 유지하고 있는 원자핵의 에너지 준위 차이만큼의 에너지를 갖는 전자파를 원자핵에 인가하게 되면 낮은 에너지 준위에 있는 원자핵들 중의 일부가 높은 에너지 준위로 옮겨가게 된다. 전자파의 인가가 중지되면 높은 에너지 준위에 있는 원자핵이 낮은 에너지 준위로 옮겨가면서 열적인 평형상태로 돌아가게 되는 것이다. 이때 외부에 설치된 고주파 코일에 전기신호가 유도되는데 이를 자유유도감쇠(Free Induction Decay：프리 인덕션 디케이：FID) 신호라 하는데 이 FID 신호를 감지하고 컴퓨터로 처리해서 영상으로 만들게 되는 것이다.
⑤ 정자계를 만들어 주는 역할을 하는 자석으로는 상온전자석, 영구자석, 초전도전자석이 있는데, 최근에는 초전도전자석을 가장 많이 사용하고 있다. 초전도전자석은 자계의 세기가 크고(0.5～8.0 [T] 테슬라), 자계의 공간 균일성이 높고, 자계의 시간적인 안정성이 뛰어남으로 가장 많이 사용되고 있다. 하지만 초전도 전자석의 단점으로는 설치비와 유지경비가 많이 들고 누설 자장이 큰 것이 단점이다. 구부러짐이 없는 단층영상을 얻기 위해서는 영상으로 나타내고자 하는 부위에서 정자계가 매우 균일해야 한다. 자기공명영상 시스템에서 쓰는 자석들로는 보통 지름이 30[cm] 구 안에서 10[ppm] 이하의 자계균일도를 가진다.
⑥ 정자계는 공간적으로 상당히 균일하기 때문에 이상적인 경우를 가정한다면 영상하고자 하는 부위의 모든 점들에서 자계 강도는 같다고 할 수 있다. 하지만 보고자 하는 부위의 상태, 얻고자 하는 영상을 미리 예측하고 그에 적절한 방법을 사용해야 하기 때문에 실제 운용 면에서 상당한 지식을 필요로 할 뿐만 아니라 환자에 대한 세심한 배려도 중요하다. 그리고 모든 점에서 원자핵 스핀의 에너지 준위 차가 같기 때문에 여기된 원자핵이 평형상태로 돌아옴으로써 유도되는 전자파의 주파수도 모든 점에서 같게 되는 것이다.
⑦ 자기공명영상을 구성하기 위해서는 공간적인 정보를 구분하는 방법이 있어야 하는데, 이를 위해 경사자계 코일(gradient coil：그레이디언트 코일)이 쓰인다. 경사자계 코일은 x, y, z 세 방향으로 선형적으로 변하는 경사자계를 만들어 준다. x방향의 경사자계를 만들어 정자계에 더해 주게 되면 x방향으로의 자계 강도가 선형적으로 증가하게 되고 x방향으로 다른 위치에 놓인 원자핵들은 서로 다른 주파수의 FID 신호를 유도하게 되는 것이다. 따라서 신호를 받을 때에 있어서 주파수 분석을 하게 되면 임의의 위치에 있는 스핀들의 양을 알 수 있게 된다.
⑧ 자기공명영상에서 원자핵 스핀을 여기(excitation, 엑사이티션)하고, 여기된 스핀이 평형상태로 회귀하면서 발생하는 FID 신호를 감지하는 장치가 바로 고주파 코일이다. 따라서 고주파 코일의 감도 특성은 자기공명영상의 신호대잡음비를 좌우하기 때문에 잡음이 적은 영상을 얻기 위해서는 고감도의 고주파 코일이 필수적이라 할 수 있겠다. 요즘에는 위상 배열형(phase array：페이즈 어레이) 고주파 코일이 개발되어서 고주파 코일의 감도가 더욱 크게 향상되었고 여러 부위들을 촬영할 수 있게 되어 신체 내부의 다양한 부위를 영상으로 나타낼 수 있게 되었다.
⑨ MRI는 임상적으로 매우 넓게 이용되고 있으며, 인체 내의 혈관을 촬영하는 데 쓰이기도 하고, 뇌의 기능을 촬영하는 데에도 많이 쓰인다. 최근 MRI를 이용하여 뇌의 기능을 영상화하며 뇌의 기능을 연구하는 데도 큰 활력소가 되고 있다. 인체에 시각적이나 청각적인 자극을 주면서 뇌의 어느 부분이 활성화되는지에 대한 연구를 할 수 있을 뿐만 아니라, 한의학에서 침 시술을 할 때 뇌의 어느 부분이 활동하는지에 대한 연구결과도 발표되고 있어 학계의 큰 관심이 쏟아지고 있다.
출처 : 메디저널