SE (Spin Echo)
임상에 주로 이용되는 echo에는 크게 4가지가 있습니다.
그것은 SE(spin echo), GE(gradient echo), RF echo, Stimulated echo 등이다.
이 중에서 가장 대표적인 것이 Spin echo로써 SE 방식은 여기 pulse인 90°RF pulse를 준 후에 Refocusing pulse인 180°RF pulse를 인가하면 신호가 생성되는데, 이 신호를 영상화 하는 것이 Spin echo기법이다.
위 그림은 SE Sequence diagram으로 여기 pulse(90°RF)를 주면, 자장의 불균일성과 Spin-Spin 상호작용에 의해 T2의 Dephasing 이 생기고, 그때 신호가 급격히 감소하는 FID(Free Induction Decay) Signal이 나타난다.
이 FID signal은 불안정한 상태에서 생성된 신호이기 때문에 임상적인 가치로서의 영상에는 좋은 신호가 되기 어렵다.
그래서 좀 더 안정된 상태의 신호를 얻기 위해 Dephasing 된 spin을 다시 모아주는 180° RF pulse를 주면, FID 신호가 다시 모여 안정된 echo가 나타난다.
Gs로 표시된 것은 90° 와 180° pulse를 줄 때 Slice Selection gradient가 걸리는 것을 나타낸 것 이고,
Gp는 여기 pulse 후 Phase encoding gradient가 한 TR 내에서 한 Step씩 증가 또는 감소되어 걸리는 관계이며,
Gr는 먼저 Rephasing 시키는 Frequency encoding gradient가 걸린 다음 일정시간 후 그 크기의 2배 가 되는 Gradient가 걸리면 그 중간에서 echo가 만들어 진다. Gr을 readout or sampling gradient라고도 한다.
위 그림은 Spin echo가 생성되는 것을 설명한 것으로, 먼저 여기 90°RF pulse를 인가하면 각 조직의 vector는 종축자기화에서 Mxy 평면으로 눕게 된다.
여기 pulse를 끊는 순간부터 각 원자핵들은 Dephasing이 시작되는 데, 이때 FID signal이 나온다.
RF pulse를 끊는 직후에 원자핵들은 그림 처럼 같은 위상에 있으므로 신호가 크고, 시간이 지나면서 신호가 감소되기에 다시 180°RF pulse를 주게 되면 빠르게 흩어졌던 fat과 느리게 흩어지던 water가 다시 모이기 시작해 어느 시점에 안정된 신호가 나타나는데, 이 신호를 포착하는 방법이 Spin echo 방식이다.
Spin echo 방식은 Refocusing pulse를 한번만 가했을 때 는 한 개의 echo가 생성되고, 여러 개의 180° pulse를 인가하면 여러 개의 echo가 생성된다.
위 그림은 SE using one echo and Multi echo를 나타내는 그림으로,
가) 와 같이 여기 pulse 후 한 개의 Refocusing pulse를 한 개 이용하면 한 개 의 echo를 얻을 수 있고,
나) 와 같이 여러 개의 Refocusing pulse를 연속 적으로 사용하면 한번의 여기 pulse로 여러 개의 echo를 얻는데,
Multi echo 방식은 TE를 조절하여 PD와 T2WI를 동시에 얻는데 이용된다.
MRI Parameters 부가인자 Pulse Sequence
SE(Spin Echo)란 무엇일까?
MRI 검사실에서 촬영 조건을 확인하다 보면 TR, TE, Flip Angle, FOV, Matrix 같은 parameter와 함께 반드시 만나게 되는 용어가 있습니다.
바로 Pulse Sequence입니다.
MRI에서 Pulse Sequence는 단순히 하나의 parameter를 의미하는 것이 아닙니다.
어떤 방식으로 RF pulse를 가하고, 신호를 만들고, 신호를 측정할 것인지 결정하는 MRI 영상 획득의 기본적인 방법이라고 이해하면 쉽습니다.
대표적인 Pulse Sequence에는
- SE(Spin Echo)
- FSE 또는 TSE(Fast/Turbo Spin Echo)
- GRE(Gradient Echo)
- IR(Inversion Recovery)
- EPI(Echo Planar Imaging)
등이 있습니다.
이번 편에서는 이 가운데 MRI의 가장 기본적인 Pulse Sequence라고 할 수 있는
SE(Spin Echo)
를 알아보겠습니다.
1. SE(Spin Echo)란?
SE는 Spin Echo의 약자입니다.
우리말로는 스핀 에코라고 합니다.
SE는 MRI에서 매우 기본적이면서도 중요한 영상 획득 방법입니다.
특히 MRI를 처음 공부한다면
90° RF pulse → 180° RF pulse → Echo 발생
이라는 기본적인 흐름을 먼저 이해하는 것이 중요합니다.
SE sequence에서는 먼저 90° RF pulse를 가하여 조직의 종축 자화를 횡축 방향으로 회전시킵니다.
그 이후 180° RF pulse를 사용하여 dephasing된 spin들이 다시 모이도록 만들고,
결국 Spin Echo라는 신호를 만들어냅니다.
2. SE의 기본적인 구조
가장 기본적인 SE sequence는 다음과 같은 흐름으로 이해할 수 있습니다.
90° RF pulse
↓
Spin dephasing
↓
180° RF pulse
↓
Rephasing
↓
Echo 발생
이때 우리가 측정하는 Echo가 바로 MRI 신호를 만드는 중요한 요소가 됩니다.
즉 SE의 핵심은
180° RF pulse를 이용해 spin의 dephasing을 다시 모아 Echo를 만들어내는 것
입니다.
3. 90° RF pulse의 역할
SE sequence의 시작에는 일반적으로 90° RF pulse가 사용됩니다.
정지 상태에서 외부 자기장 B0 방향으로 정렬되어 있던 자화가 RF pulse를 받으면서 횡축 방향으로 이동합니다.
쉽게 설명하면
종축 자화 → 횡축 자화
로 변화시키는 과정이라고 생각할 수 있습니다.
이렇게 만들어진 transverse magnetization이 MRI signal을 생성하는 기본적인 출발점이 됩니다.
4. 90° pulse 이후 무슨 일이 일어날까?
90° RF pulse가 끝난 뒤에는 여러 spin들이 같은 위상으로 움직이기 시작합니다.
하지만 시간이 지나면서 각각의 spin이 가지고 있는 주파수 차이 때문에 서로 조금씩 위상이 달라집니다.
이를
Dephasing
이라고 합니다.
이 과정에서 측정 가능한 transverse signal은 감소하게 됩니다.
이것이 FID(Free Induction Decay)와 관련된 현상입니다.
5. 180° RF pulse의 역할
SE에서 가장 중요한 부분 중 하나입니다.
90° RF pulse 이후 spin들이 서로 다른 위상으로 흩어지기 시작하면,
일정 시간이 지난 후
180° RF pulse
를 가합니다.
이 pulse는 spin의 방향을 뒤집어 줍니다.
그 결과 먼저 앞서가던 spin과 뒤처졌던 spin의 상대적인 위치가 바뀌면서 시간이 지나면 다시 같은 위상으로 모이게 됩니다.
이를
Rephasing
이라고 합니다.
6. Spin Echo는 어떻게 만들어질까?
180° RF pulse 이후 spin들이 다시 모이면서 신호가 가장 강해지는 시점이 발생합니다.
이때 만들어지는 신호가
Spin Echo
입니다.
따라서 SE라는 이름도 여기서 나온 것입니다.
간단하게 기억하면
90° pulse로 spin을 눕히고
↓
180° pulse로 spin을 다시 모아
↓
Echo를 얻는다
라고 생각하면 됩니다.
7. TE와 SE
앞에서 MRI parameter 중 TE(Echo Time)를 살펴봤습니다.
SE에서도 TE는 매우 중요한 parameter입니다.
TE는 일반적으로
90° RF pulse부터 Echo를 측정하는 시점까지의 시간
을 의미합니다.
따라서 SE에서
TR
과
TE
를 어떻게 설정하느냐에 따라 영상의 contrast가 크게 달라집니다.
8. SE에서 T1 강조영상 만들기
SE sequence에서도 TR과 TE를 조절하여 T1 강조영상을 만들 수 있습니다.
일반적으로
짧은 TR + 짧은 TE
를 사용하면 T1 weighting을 강조하는 방향으로 작용합니다.
대표적으로 T1-weighted image에서는
- 지방이 비교적 밝게 보이고
- 물 성분은 상대적으로 어둡게 보이는
특징을 관찰할 수 있습니다.
다만 실제 영상의 신호와 contrast는 단순히 TR과 TE만으로 결정되는 것은 아니며 조직의 T1, T2, proton density 및 다양한 촬영 조건의 영향을 받습니다.
9. SE에서 T2 강조영상 만들기
T2-weighted image는 일반적으로
긴 TR + 긴 TE
를 사용합니다.
긴 TR은 T1 효과를 줄이고,
긴 TE는 T2 relaxation에 따른 신호 차이를 더 크게 반영하도록 합니다.
따라서 T2 강조영상에서는
물 성분이 밝게 보이는 특징
을 흔히 관찰할 수 있습니다.
예를 들어 CSF가 밝게 보이는 대표적인 영상이 T2-weighted image입니다.
10. Proton Density 영상도 가능하다
SE에서는 T1이나 T2 영상만 만드는 것이 아닙니다.
PD(Proton Density)-weighted image
도 만들 수 있습니다.
일반적으로
긴 TR + 짧은 TE
를 이용하여 T1 및 T2 weighting을 상대적으로 줄이고 proton density에 따른 신호 차이를 강조하는 방식입니다.
관절 MRI 등에서 PD 계열 영상이 많이 활용됩니다.
11. SE의 가장 큰 장점
SE sequence의 중요한 장점 가운데 하나는 영상의 안정성과 신뢰성이 높다는 것입니다.
특히 180° refocusing pulse를 사용하여 자장 불균일성이나 susceptibility에 의한 일부 영향을 보정할 수 있습니다.
따라서 기본적인 T1, T2 contrast를 얻는 데 매우 유용합니다.
또한 MRI의 여러 빠른 sequence들이 SE를 기반으로 발전해 왔다는 점에서도 SE의 중요성을 알 수 있습니다.
12. SE와 GRE의 차이
MRI를 공부하다 보면 SE와 GRE(Gradient Echo)를 비교하게 됩니다.
가장 중요한 차이 중 하나는
Echo를 어떻게 만드는가
입니다.
SE
90° RF pulse
↓
180° RF refocusing pulse
↓
Spin Echo
GRE
작은 flip angle RF pulse
↓
Gradient reversal
↓
Gradient Echo
즉
SE는 RF 180° pulse를 이용하여 spin을 refocusing
하고,
GRE는 gradient를 이용하여 echo를 생성
합니다.
이 차이는 MRI 영상의 contrast와 artifact 특성에 큰 영향을 줍니다.
13. SE와 Susceptibility
SE는 180° refocusing pulse를 사용하기 때문에 static field inhomogeneity에 의한 영향을 어느 정도 보정할 수 있습니다.
반면 GRE는 일반적으로 180° refocusing pulse가 없기 때문에 susceptibility와 magnetic field inhomogeneity의 영향을 더 크게 받을 수 있습니다.
따라서
SE → 상대적으로 susceptibility 영향 감소
GRE → susceptibility 영향에 민감
이라는 기본적인 차이를 기억하면 좋습니다.
다만 실제 sequence와 TE, field strength, tissue 특성 등에 따라 정도는 달라질 수 있습니다.
14. SE의 단점은?
SE의 대표적인 단점은 촬영시간이 길다는 것입니다.
특히 기본적인 conventional SE에서는 한 번의 TR에서 획득할 수 있는 phase encoding data가 제한적이기 때문에 검사시간이 길어질 수 있습니다.
MRI 검사 시간이 길어지면
- 환자의 움직임 가능성 증가
- 검사자의 검사 운영 부담
- 전체 검사시간 증가
등의 문제가 발생할 수 있습니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 등장한 것이
FSE/TSE
입니다.
15. FSE/TSE는 SE와 어떤 관계일까?
FSE는 Fast Spin Echo
TSE는 Turbo Spin Echo
의 약자입니다.
기본적인 원리는 SE와 유사합니다.
하지만 한 번의 TR 안에서 여러 개의 180° refocusing pulse를 사용하여 여러 개의 echo를 연속적으로 획득합니다.
이렇게 얻은 여러 echo를 서로 다른 phase encoding에 이용함으로써 촬영시간을 크게 줄일 수 있습니다.
즉
SE → 기본적인 Spin Echo
FSE/TSE → 여러 Echo를 이용하여 빠르게 촬영하는 Spin Echo 계열
이라고 이해하면 쉽습니다.
16. Echo Train Length
FSE/TSE를 공부할 때는
ETL(Echo Train Length)
이라는 용어도 등장합니다.
하나의 TR 동안 몇 개의 echo를 획득하는지를 나타내는 개념입니다.
예를 들어 ETL이 증가하면 한 번의 TR에서 더 많은 k-space line을 채울 수 있기 때문에 촬영시간을 줄이는 데 도움이 됩니다.
하지만 ETL이 증가하면 영상 contrast나 blurring 등에 영향을 줄 수 있으므로 무조건 크게 설정하는 것이 좋은 것은 아닙니다.
17. SE에서 K-space와 Echo
MRI에서 실제 영상을 만들기 위해서는 획득한 신호를 K-space에 저장합니다.
기본 SE에서는 한 번의 excitation과 refocusing 과정을 통해 Echo를 얻고,
phase encoding을 변화시키면서 반복적으로 데이터를 획득하여 K-space를 채웁니다.
K-space에 저장된 데이터를 Fourier Transform 등의 과정을 거쳐 우리가 보는 MRI 영상으로 재구성합니다.
따라서
RF pulse → Echo → K-space → Reconstruction → MRI image
라는 전체 흐름을 이해하면 MRI의 기본 원리를 이해하는 데 큰 도움이 됩니다.
18. SE에서 중요한 Parameter
SE sequence를 이해할 때 다음 parameter를 함께 살펴보면 좋습니다.
| Parameter | 역할 |
| TR | 반복되는 excitation 사이의 시간 |
| TE | Echo를 측정하는 시간 |
| Flip Angle | RF pulse에 의해 자화가 회전하는 각도 |
| FOV | 촬영 범위 |
| Matrix | 영상의 pixel 구성 |
| NEX | 신호 반복 획득 횟수 |
| ST | 절편 두께 |
| GAP | 절편 사이 간격 |
| ETL | FSE/TSE에서 echo train 길이 |
이 parameter들이 서로 조합되면서 최종적인 MRI 영상의 특성이 결정됩니다.
19. SE를 한 장의 그림으로 이해한다면
SE의 전체적인 과정을 아주 단순하게 표현하면 다음과 같습니다.
90° RF pulse
↓
횡축 자화 생성
↓
Dephasing
↓
180° RF pulse
↓
Rephasing
↓
Spin Echo
↓
K-space 데이터 획득
↓
MRI 영상 재구성
이 흐름을 머릿속에 기억해 두면 이후 FSE, TSE, IR, GRE 등을 공부할 때 훨씬 쉽게 이해할 수 있습니다.
20. SE를 공부할 때 꼭 기억할 5가지
첫 번째.
SE = Spin Echo
두 번째.
기본 SE는
90° RF pulse + 180° RF refocusing pulse
를 사용합니다.
세 번째.
180° pulse의 중요한 역할은
spin을 refocusing하여 Spin Echo를 만드는 것
입니다.
네 번째.
TR과 TE를 조절하여 T1, T2, PD weighting을 만들 수 있습니다.
다섯 번째.
SE는 기본적으로 안정적인 영상을 얻을 수 있지만 상대적으로 긴 촬영시간이 단점이며, 이를 개선하기 위해 FSE/TSE가 사용됩니다.
마무리
MRI를 제대로 이해하려면 TR, TE, FOV, Matrix 같은 parameter뿐만 아니라 Pulse Sequence 자체가 어떻게 신호를 만들어내는지 이해해야 합니다.
그 출발점이 바로 SE(Spin Echo)입니다.
SE는
90° RF pulse → dephasing → 180° RF pulse → rephasing → Spin Echo
라는 기본 구조를 가지고 있습니다.
그리고 이 과정에서 얻은 Echo 신호를 이용해 K-space를 채우고 최종 MRI 영상을 만들어냅니다.
SE를 제대로 이해하면 이후 배우게 될
FSE/TSE
GRE
IR
STIR
FLAIR
EPI
등의 sequence를 이해하는 데도 큰 도움이 됩니다.
MRI를 공부할 때는 sequence 이름만 외우기보다
어떤 RF pulse를 사용하는가?
Echo는 어떻게 만드는가?
TR과 TE는 어떻게 설정하는가?
어떤 contrast를 얻는가?
촬영시간과 artifact에는 어떤 영향을 주는가?
를 연결해서 이해하는 것이 중요합니다.
다음 편에서는 SE에서 발전한 대표적인 빠른 영상기법인 FSE(Fast Spin Echo)와 TSE(Turbo Spin Echo)를 중심으로, Echo Train Length와 촬영시간이 어떻게 연결되는지 살펴보겠습니다.
출처 및 참고
- MRI 기본 물리학 및 자기공명영상 관련 교육자료
- MRI Pulse Sequence 관련 교육자료
- 자기공명영상(MRI) 물리학 및 임상영상 참고자료
- MRI 장비 제조사 기술자료 및 임상 protocol 참고자료
- 본 글은 MRI의 기본 원리를 이해하기 위한 교육용 콘텐츠이며 실제 촬영 protocol과 영상 특성은 장비, field strength, sequence 및 검사 목적에 따라 달라질 수 있습니다.
태그
#MRI
#MRIParameter
#PulseSequence
#SE
#SpinEcho
#MRI원리
#MRI물리
#MRI공부
#MRI촬영
#MRI검사
#방사선사
#영상의학
#자기공명영상
#RFpulse
#90도Pulse
#180도Pulse
#Refocusing
#Dephasing
#Rephasing
#SpinEcho
#T1Weighted
#T2Weighted
#PDWeighted
#FSE
#TSE
#GRE
#Kspace
#EchoTime
#RepetitionTime
#의료영상
댓글