T1이완(relaxation)
공명된 상태에서 고주파펄스를 끊게 되면 순자화가 원래의 평형상태로 회복되는 것을 이완(relaxation)이라고 합니다.
이때 두가지 일이 동시에 발생되는데 종축자화가 원래의 상태로 회복되는 과정을 T1이완 또는 종축이완(Longitudinal relaxation)이라고 하며, T1이완이 일어나기 위해서는 수소원자핵의 에너지를 주위물질(Lattice)에 전달하기 때문에 spin-lattice 이완 이라고도 합니다.
또한 원래의 자화의 63%까지 회복될때 까지의 시간을 그물질의 T1 relaxation time 이라고 정의합니다.
T1이완시간이 두배가 되면 91%의 종축자화가 회복되며, 3배의 시간 후에는 97%가 회복됩니다.
T1이완 시간이 가장 긴 물질은 순수한 물로써 약 3초이상이다.
인체내에서는 순수한 물은 아니더라도, 비점액성 액체의 분자는 매우 빠르게 움직이므로, 에너지 전달이 매우 느리고, 이완시간이 길다.
뇌척수액이나 소변과 같이 전해질만 조금 있고, 큰 분자가 없는 액체는 T1이완시간이 2~3초로 매우 길다.
물질의 이완시간은 그 양자가 존재하는 분자의 크기에 따라 달라진다.
물처럼 작은 분자는 빠르게 움직이므로 이완효율이 낮고 이완시간이 길다.
지방조직안에 있는 지방산은 활동이 제한 되어 있어 T1이완 효율이 높아 인체 조직중에서 T1이완시간이 가장 짧다.
단백질 같은 큰 분자의 양자는 T1이완시간과 횡이완이 너무 빨라 영상화 하기 힘들다.
T2 이완( relaxation )
전자기파는 외부자장과 나란하게 종축(Z)으로 배열되어 있는 자화(또는 spin)를 횡축(X-Y)평면으로 눕게 한다.
이렇게 누운 스핀은 종축성분(Mz)과 횡축성분(Mxy)으로 나눌 수 있는데, 이들 중 Mxy 만이 RF Coil에 의해 MR신호로 검출된다.
만일 90도 RF Pulse가 X-Y 평면으로 가해졌다고 하면 종축자화는 0(zero)가 될것이고 횡축자화는 최대가 될 것이다.
이때 spin들의 위상을 살펴보면 동위상(in-phase) 이다.
시간이 지남에 따라 동위상의 spin 들은 spin과 spin의 상호작용(interaction)에 의해 횡축 평면에서 흩어지게 되는데 이를 dephasing 이라 하고, dephase가 많이 되면 될수록 MR신호도 점점 작아져 나중에는 사라져 버린다.
이와같이 spin 들간의 상호작용에 의하여 MR신화가 감소하는 현상을 T2relaxation(decay)이라 하고, 횡축에서 일어난다고 하여 횡이완(transverse relaxation)또는 spin-spin relaxation 이라 한다.
어떤 물질의 T2 relaxation time은 횡축자화가 37% 남을 때까지의 시간으로 정의하며, 항상 그 물질의 T1 이완시간 이하이다.
또한 T2 relaxation은 t1 relaxation과 동시에 일어나지만 서로 별개의 과정이다.
물분자의 겨우 분자의 운동이 너무 빠르기 때문에 스핀간의 에너지 교환이 비효율적이어서 T2 이완시간이 길다.
지방의 경우는 분자의 크기가 크고, 고도로 구조화 되어 있어 분자의 운동이 상대적으로 느리다. 그래서 스핀간의 에너지 교환이 효율적이어서 T2이완시간이 짧다.
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MRI 이완(Relaxation)이란? T1 이완과 T2 이완 쉽게 이해하기
MRI 물리를 공부하다 보면 이완(Relaxation)이라는 용어를 자주 만나게 됩니다.
MRI에서 이완은 단순히 '휴식을 취한다'는 의미가 아닙니다.
RF Pulse를 받은 수소 원자핵이 에너지를 방출하면서 원래의 평형 상태로 돌아가는 과정을 MRI에서는 이완(Relaxation)이라고 합니다.
그리고 이 과정에서 발생하는 신호의 특성을 이용해 MRI 영상을 만들어냅니다.
MRI의 이완은 크게 두 가지로 나누어 이해하면 쉽습니다.
- T1 이완(Longitudinal Relaxation)
- T2 이완(Transverse Relaxation)
두 과정은 동시에 일어나지만 의미와 영상에서의 역할은 서로 다릅니다.
1. MRI에서 왜 이완이 발생할까?
앞서 살펴본 것처럼 강한 자기장 B0 안에 인체가 들어가면 수소 원자핵의 순자화가 자기장 방향으로 형성됩니다.
여기에 적절한 주파수의 RF Pulse를 가하면 공명이 발생하고, 순자화 벡터가 원래 위치에서 회전합니다.
대표적으로 90° RF Pulse를 사용하면 순자화가 Z축에서 XY 평면으로 이동합니다.
그런데 RF Pulse를 계속 조사하는 것은 아닙니다.
RF Pulse가 끝나면 수소 원자핵은 더 이상 외부에서 지속적으로 에너지를 공급받지 않습니다.
그러면 수소 원자핵의 자화는 다시 평형 상태로 돌아가기 시작합니다.
이 과정을 Relaxation, 이완이라고 합니다.
2. 이완은 크게 T1과 T2로 나뉜다
MRI에서 이완을 이해하는 가장 중요한 방법은 종축 방향과 횡축 방향을 따로 보는 것입니다.
T1 이완
종축 방향의 자화가 다시 회복되는 과정입니다.
즉,
종축 자화(Longitudinal Magnetization)의 회복
이라고 이해하면 됩니다.
T2 이완
횡축 방향에서 서로 같은 위상을 유지하던 수소 원자핵들이 점차 위상을 잃어가는 과정입니다.
즉,
횡자화(Transverse Magnetization)의 감소
라고 이해하면 쉽습니다.
3. T1 이완이란?
T1 이완은 흔히 Spin-Lattice Relaxation이라고 부릅니다.
RF Pulse에 의해 에너지를 받은 수소 원자핵이 주변 조직으로 에너지를 전달하면서 종축 방향의 자화를 다시 회복하는 과정입니다.
쉽게 표현하면
RF Pulse로 기울어진 자화가 다시 B0 방향으로 회복되는 과정
입니다.
예를 들어 90° RF Pulse를 사용하면 종축 자화가 거의 0이 되고 횡자화가 최대가 됩니다.
RF Pulse가 끝난 후 시간이 지나면서 종축 자화가 다시 회복됩니다.
이것이 T1 회복입니다.
4. T1의 'T'는 무엇을 의미할까?
T1에서 숫자 1은 첫 번째 이완이라는 의미라기보다 종축 자화가 회복되는 특성을 나타내는 시간상수입니다.
T1은 조직마다 다릅니다.
예를 들어 지방과 물은 서로 다른 T1 특성을 가지고 있습니다.
따라서 같은 RF Pulse를 사용하더라도 조직에 따라 종축 자화가 회복되는 속도가 달라집니다.
이러한 조직 간 차이가 MRI 영상의 대조도(Contrast)를 만드는 중요한 요소가 됩니다.
5. T2 이완이란?
T2 이완은 Spin-Spin Relaxation이라고 합니다.
T2는 T1과 달리 종축 자화의 회복을 설명하는 것이 아닙니다.
RF Pulse에 의해 만들어진 횡자화가 시간이 지나면서 감소하는 현상을 설명합니다.
RF Pulse 직후에는 수소 원자핵들이 비교적 같은 위상으로 움직이면서 강한 횡자화를 형성합니다.
하지만 시간이 지나면서 주변 수소 원자핵 사이의 미세한 상호작용 때문에 서로의 위상이 점점 달라집니다.
결과적으로 횡자화가 감소하고 MRI 신호도 감소합니다.
이를 T2 이완이라고 합니다.
6. T1과 T2의 가장 큰 차이
두 가지를 간단하게 비교하면 다음과 같습니다.
| 구분 | T1 이완 | T2 이완 |
| 다른 이름 | Spin-Lattice | Spin-Spin |
| 주요 변화 | 종축 자화 회복 | 횡자화 감소 |
| 방향 | Z축 | XY 평면 |
| 핵심 개념 | 에너지 방출과 평형 회복 | 위상 일치성 감소 |
| 시간 특성 | 비교적 긴 시간 | 일반적으로 T1보다 짧음 |
| MRI 영상 | T1 강조영상에 중요 | T2 강조영상에 중요 |
여기서 중요한 점은 T1과 T2 이완은 서로 완전히 분리되어 순서대로 발생하는 것이 아니라 RF Pulse가 끝난 후 동시에 진행된다는 것입니다.
7. T1과 T2를 쉽게 생각하는 방법
두 개의 서로 다른 변화를 생각하면 이해하기 쉽습니다.
T1은 '세로 방향의 회복'
RF Pulse에 의해 기울어진 순자화가 다시 B0 방향으로 회복됩니다.
즉,
Z축 자화 회복 = T1
이라고 기억하면 됩니다.
T2는 '가로 방향의 정렬이 무너지는 과정'
RF Pulse에 의해 만들어진 횡자화가 시간이 지나면서 수소 원자핵들의 위상이 서로 달라지면서 감소합니다.
즉,
XY 평면의 횡자화 감소 = T2
라고 기억하면 됩니다.
8. T1 회복과 T2 감쇠는 동시에 발생한다
MRI를 공부하면서 자주 생기는 오해가 있습니다.
'T1이 먼저 발생하고 그 다음에 T2가 발생한다'고 생각하는 것입니다.
실제로는 그렇지 않습니다.
RF Pulse가 종료되면 T1 회복과 T2 감쇠가 동시에 진행됩니다.
다만 우리가 관찰하는 물리적 변화가 서로 다릅니다.
T1은
종축 자화가 회복되는 과정이고,
T2는
횡축 자화가 감소하는 과정입니다.
따라서 하나의 RF Pulse 이후 수소 원자핵에서는 두 가지 변화가 동시에 일어납니다.
9. T1과 T2가 MRI 영상에 중요한 이유
MRI에서 조직을 구별하는 중요한 요소 가운데 하나가 바로 조직마다 서로 다른 T1과 T2 특성을 가지고 있다는 것입니다.
예를 들어 같은 자기장과 RF Pulse를 사용해도 조직마다
- 종축 자화가 회복되는 속도
- 횡자화가 감소하는 속도
가 다릅니다.
MRI 장비는 이러한 차이를 적절한 Pulse Sequence와 TR, TE 등의 파라미터를 이용해 영상의 대조도로 표현합니다.
따라서 MRI 영상에서 보이는 조직 간 밝기 차이는 단순히 '조직의 색깔이 다르기 때문'이 아니라 조직의 자기적 특성과 이완 특성의 차이가 반영된 결과라고 볼 수 있습니다.
10. T1 강조영상과 T2 강조영상
이완을 이해하면 T1 강조영상과 T2 강조영상도 쉽게 연결할 수 있습니다.
T1 강조영상
T1 이완 차이를 영상 대조도로 이용합니다.
일반적으로 지방은 T1 강조영상에서 상대적으로 밝게 보이고, 물은 상대적으로 어둡게 보이는 특징이 있습니다.
T2 강조영상
T2 이완 차이를 영상 대조도로 이용합니다.
일반적으로 물이나 액체 성분은 T2 강조영상에서 상대적으로 밝게 보이는 특징이 있습니다.
다만 실제 영상의 신호 강도는 단순히 T1이나 T2 하나만으로 결정되는 것이 아니라 TR, TE, T1, T2, proton density, sequence 형태 등 여러 요소의 영향을 받습니다.
11. T1과 T2는 '시간'과 관련이 있다
T1과 T2를 이해할 때 시간 개념도 중요합니다.
T1
종축 자화가 평형 상태를 향해 회복되는 특성을 나타냅니다.
T2
횡자화가 감소하는 특성을 나타냅니다.
따라서 MRI에서는 각각의 조직이 가진 T1과 T2 특성을 고려해 적절한 TR(Time of Repetition)과 TE(Time of Echo)를 설정합니다.
이러한 파라미터 조절을 통해 원하는 영상 대조도를 얻을 수 있습니다.
12. T2와 T2*는 다르다
MRI에서 T2를 공부하면 곧 T2*라는 개념도 만나게 됩니다.
둘은 비슷하지만 같은 것은 아닙니다.
T2 이완
수소 원자핵 사이의 상호작용 등에 의해 횡자화의 위상 일치성이 감소하는 현상입니다.
T2 감쇠*
T2에 의한 위상 분산뿐 아니라 자기장 불균일성 등에 의한 추가적인 위상 분산까지 포함합니다.
따라서 일반적으로
T2 감쇠가 T2 감쇠보다 빠르게 나타납니다.*
이 차이는 Gradient Echo(GRE) 계열 영상과 Susceptibility 관련 영상 등을 이해할 때 매우 중요합니다.
13. MRI 이완 과정을 한 번에 정리하면
MRI의 전체 과정을 연결하면 다음과 같습니다.
① B0 자기장
수소 원자핵의 순자화 형성
↓
② 세차운동
수소 원자핵이 라모어 주파수로 세차운동
↓
③ RF Pulse
공명 조건에서 RF 에너지 전달
↓
④ 순자화 회전
종축 자화가 횡축 방향으로 이동
↓
⑤ RF Pulse 종료
외부 RF 에너지 공급 중단
↓
⑥ T1 이완
종축 자화 회복
↓
⑦ T2 이완
횡자화 감소
↓
⑧ MRI 신호 발생 및 감쇠
↓
⑨ 영상 재구성
이렇게 연결하면 MRI 물리학의 핵심 흐름이 훨씬 명확해집니다.
14. MRI 이완에서 꼭 기억해야 할 5가지
MRI 이완을 공부한다면 다음 다섯 가지만 먼저 기억해도 좋습니다.
첫째, 이완은 RF Pulse 이후 평형 상태로 돌아가는 과정입니다.
둘째, T1은 종축 자화의 회복입니다.
셋째, T2는 횡자화의 감소입니다.
넷째, T1과 T2 이완은 RF Pulse 종료 후 동시에 진행됩니다.
다섯째, 조직마다 T1과 T2 특성이 다르기 때문에 MRI 영상의 대조도가 만들어집니다.
마무리
MRI에서 이완(Relaxation)은 영상이 만들어지는 과정에서 매우 중요한 개념입니다.
앞서 살펴본 세차운동과 공명이 수소 원자핵에 RF 에너지를 전달하는 과정이라면, 이완은 RF Pulse가 끝난 후 수소 원자핵이 변화된 상태에서 다시 평형 상태로 돌아가는 과정이라고 이해하면 쉽습니다.
특히
T1 = 종축 자화 회복
T2 = 횡자화 감소
라는 두 가지 관계를 정확하게 기억하는 것이 중요합니다.
이 개념을 이해하면 다음에 공부할 FID, Spin Echo, T1 강조영상, T2 강조영상, TR과 TE도 훨씬 쉽게 연결할 수 있습니다.
MRI 물리학의 흐름을 정리하면
순자화 → 세차운동 → 공명 → RF Pulse → 이완 → MRI 신호
로 이어집니다.
결국 MRI는 수소 원자핵의 이러한 미세한 자기적 변화를 측정해 인체 내부의 정보를 영상으로 바꾸는 검사라고 할 수 있습니다.
글의 출처 및 참고
- RadiologyInfo.org, Magnetic Resonance Imaging
- International Society for Magnetic Resonance in Medicine(ISMRM)
- Westbrook C. MRI in Practice
- Haacke EM et al. Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence Design
- 대한영상의학회 MRI 관련 교육자료
※ MRI 물리학의 이해를 돕기 위해 일부 전문적인 내용을 쉽게 풀어 설명했습니다.
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