뇌를 이미징할 때 CT 촬영이 널리 사용되지만 그에 못지 않게 MRI(자기 공명 영상법; Magnetic Resonance Imaging) 기법도 많이 쓰입니다. MRI는 핵자기공명(NMR; Nuclear Magnetic Resonance) 원리를 이용한 방법인데요, X선을 사용하는 CT 촬영과는 다르게, MRI는 생체 조직의 자기적 성질을 이용합니다.
물질을 이루는 원자의 핵에는 양성자(proton)과 중성자(neutron)이 있어서 그런 원자들이 자기력에 영향을 받습니다. 그런 원자들 중에서도 특히, 뇌를 비롯한 모든 생체 조직에 있는 수소 원자를 MRI에서 이용합니다.

MRI로 촬영한 뇌의 단면

MRI로 촬영한 뇌의 단면

참고로, 첫 MRI는 1977년에 Raymond Damadian 박사가 만들었습니다.

MRI장치

먼저 MRI 장치에 들어가는 사람을 둘러싼 금속 원통을 살펴보겠습니다.

MRI 안에 들어가면 커다란 자석의 중심에 있게 됩니다. 주변에서 볼 수 있는 보통의 영구자석(permanent magnet)과 다르게 MRI에 쓰이는 자석은 전류를 흘리면 자기장을 생성하는 초전도 자석(superconducting magnet)입니다.
자기장의 단위는 T(테슬라)와 G(가우스)를 쓰는데요, 1T는 10,000G입니다. 지구 자기장이 약 5G 정도이니 MRI에 쓰는 자석은 굉장히 강한 자기장을 생성하는 것입니다. 그렇기 때문에 금속으로 된 물건들(지퍼 등)은 MRI 촬영을 할 때 피해야 하고, 마찬가지로 페이스메이커(pacemaker)나 동맥류 클립(aneurism clip)등을 삽입한 사람들은 MRI촬영을 할 수 없습니다.

이처럼 MRI가 작동하는데 강한 자기장이 필요한데, 보통의 영구자석으로 이런 세기의 자기장을 생성하려면 그 크기가 너무 커지고, 또 너무 무거워지기 때문에 전자석(electromagnet)을 이용하는 것입니다. 하지만 강한 자기장을 생성하기 위해서 보통의 코일에 강한 전류를 흘려주면 코일의 저항때문에 MRI를 운용하는데 드는 에너지가 어마어마해집니다.
이 문제를 해결하기 위해 코일 주변에 −269 °C의 액체 헬륨을 두른 초전도 자석을 쓰는 것입니다.    물론 진공으로 단열된 상태이기 때문에 추위가 문제되지는 않습니다.

왜 초전도 자석까지 쓰면서 강한 자기장을 생성했을까요?? 수소 원자의 양성자의 자전(spin)축을 한 방향으로 정렬하기 위해서입니다. 사람의 몸은 대부분이 물이기 때문에 많은 수소 원자가 있습니다. 모든 수소 원자 안에는 (+)전하를 띤 양성자(proton)가 팽이처럼 축을 중심으로 자전(spin)하고 있습니다. 이 자전이 각각 작은 자기장을 발생시키는데, 이로 인해 양성자 안에서 N극과 S극이 생깁니다. 평상시에 이 양성자들은 임의의 축으로 자전합니다.

proton_alignment

하지만 강한 자기장을 걸어주면 양성자의 자전축이 자기장과 평행한 방향으로 정렬됩니다. 이 중에자기장과 방향이 같은 양성자들과 방향이 반대인 양성자들이 있는데, 낮은 에너지 배열(N-S N-S)을 이루는 양성자들이 높은 에너지 배열(N N-S S)을 이루는 양성자보다 많습니다.
이런 식으로 양성자의 자전축이 자기장과 평행한 상태가 되면, RF 코일(Radio Frequency coil)이라고 하는 코일로 고주파 전파(RF wave)를 보내줍니다. 고주파 전파를 보내면 낮은 에너지 배열을 이룬 양성자들이 고주파 전파의 에너지를 흡수하고, 회전축을 뒤집어서 높은 에너지 배열로 돌아섭니다. 이처럼 수소 원자의 양성자의 회전축을 뒤집을 수 있는 에너지를 제공하는 주파수를 라모 주파수(Larmor frequency)라고 합니다.
RF 전파가 멈추면, 양성자가 흡수했던 에너지를 방출하고, 원래의 배열로 돌아갑니다. 그 방출한 에너지가 신호가 되는 것입니다. 그 신호가 스캐너를 통해 전류로 바뀌고, MRI로 촬영한 지역의 물 함량이 적을수록 에너지를 방출하는 양성자가 적기 때문에 신호가 약해집니다.

NMR

한편, MRI에서 나는 소음은 ‘gradient magnet’ 때문에 생깁니다. 스캐너 안에는 x, y, z축의 3개의 ‘gradient magnet’이 있습니다. 자석의 세기는 주 자석보다 많이 약합니다. 이 자석들은 특정한 지역의 자기장을 변화시키는 것으로 체내 수소 양성자의 분포를 만들어 냅니다.
이 ‘gradient magnet’을 빠른 속도로 켜고 끄면서 소음이 발생하는 것인데요, 이러면서 체내의 원하는 단면을 찍을 수 있는 것입니다. 시상면(sagittal; y-z), 관상면(coronal; x-z), 횡단면(transverse; x-y) 이런 식으로도 가능하고, x, y, z 자석을 조합하면 원하는 어느 단면이든 얻을 수 있습니다.

Gradient magnet

MRI는 전부 회색 톤이긴 하지만 250개 이상의 다른 회색을 쓸 수 있기 때문에 조직의 밀도나 수분 함량이 조금만 달라져도 알 수 있습니다. 예를 들어 뇌종양같은 비정상 조직들은 주변의 정상 조직과 다르게 나타납니다.
MRI 영상은 CT 촬영에 비해 깔끔한 영상을 얻을 수 있다는 장점이 있습니다. MRI를 통해 개개의 회(gyrus; 나온 부분)와 구(sulcus; 들어간 부분)까지도 볼 수 있고, 1mm 보다 작은 구역도 분석할 수 있습니다. 게다가 X-선 검사나 CT촬영과 다르게, MRI 촬영은 체내에 거의 영향을 주지 않아서, 필요한 만큼 촬영할 수 있다는 장점도 있습니다. ==★

sig

광고