IR (Inversion Recovery)
IR은 Spin echo와는 달리 먼저180°pulse를 사용하여 종축자기화를 반대 방향으로 반전(Inversion)시킨 다음,
Spin echo나 Turbo spin echo 방식을 이용하여 echo를 얻는 방법으로 TI(Inversion time)에 따라 영상의 대조 도가 다르게 나타난다
fat과 water가 Recovery되는 것을 나타낸 것으로
가)그림은 Saturation Recovery 방법을 이용한 것으로 T1 회복시간의 차이가 짧고,
나)그림은 IR pulse를 이용했기 때문에 가)그림 보다는 T1 회복시간 차이가 더욱 커서 T1 효과를 효과적으로 나타낸 영상이 된다.
최근에는 TI, TR, TE 등을 변화시켜 Fat과 Water Suppression 기법을 영상화 하는데 이용되 고 있다.
그러나 일반적으로 오직 T1WI 위한 방법을 이용하기에는 시간이 많이 소요되므로 Routine pulse sequence로 이용되지 않고 있다.
위 그림은 신호 포착하는 위치에 따라 Fat, Water 분리 영상화 시킬 수 있 는 기법의 예로,
만약 A지점에서 신호를 포착한다면, Fat의 원자핵은 X,Y 평면에 있기 때문에 종축자기화가 거의 없는 상태가 되고,
그때 다른 조직들의 종축자기화는 존재하기 때문에 signal이 나온다.
이런 방법을 이용한 것이 Fat Suppression 방법이다.
이때 TI는 약 150ms 정도가 된다(STIR).
B지점에서 Data를 얻는다면, Water의 종축자기화는 거의 없고 다른 조직 의 종축자기화는 존재하기 때문에 Signal이 나온다.
이런 방법을 이용하고 있는 것이 FLAIR(Flow attenuation IR)이라고 한다.
이때 TI는 2,000∼2,500ms로 상당히 긴 시간이 필요하다.
위 그림은 IR Sequence diagram 입니다. SE와 달리 TI(Inversion time)가 있고, TR은 처음 180도 반전 pulse 를 준 시점부터 다음 echo 를 얻기 위해 준 180도 반전 pulse 까지의 시간을 TR이라고 합니다.
TE는 반전 pulse 후 90도 여기 pulse 부터 echo 까지 시간을 말합니다.
최근 pulse sequence 중에서 GE는 hardware와 software의 발달로 이용 도가 급격히 증가 추세이다.
GE는 임상적으로 Cardiac Study, MRA(MR Angiography), Breath hold Study, Dynamic Study 등 여러 곳에 응용되고 있다.
GE는 FID signal을 Gradient를 이용하여 신호를 받아 T2 effect와 Susceptibility effect가 강조된 영상이 만들어 질 수 있기 때문에 Muscular skeletal Study및 여러 질병의 확진에 부가적 사용으로 많이 이용되고 있다.
GE는 SE와 비교할 때 크게 다른 점이 3가지가 있는데,
첫번째는 SE 에서 여기 pulse로 90°를 주었는데 GE는 90°보다 작은 여기 pulse를 이용한다.
두 번째는 SE 에서 여기 pulse 후에 생성된 FID가 Dephasing 될 때까지 기 다렸다가 Refocusing 시키는 180°를 이용했지만 GE는 FID를 강제로 Dephasing 시키는 Gradient를 걸어주고 180°pulse 대신에 Gradient로 Reverse 시켜 이 때 생성된 echo를 받는다.
마지막으로 작은 Flip Angle 사용으로 종축자기화로 회복되는 시간이 짧기 때문에 TR과 TE를 짧게 할 수 있어 Scan time이 짧게 걸린다.
MRI Parameters 부가인자
IR(Inversion Recovery)란? TI와 STIR·FLAIR 쉽게 이해하기
MRI Parameter와 Pulse Sequence를 공부하다 보면 IR(Inversion Recovery)라는 용어를 자주 만나게 됩니다.
SE와 TSE/FSE가 익숙해졌다면 다음으로 이해해야 할 중요한 sequence가 바로 IR입니다.
IR은 단순히 촬영시간을 빠르게 만드는 sequence라기보다 특정 조직의 신호를 선택적으로 억제하거나 원하는 조직의 대비를 강조하기 위해 사용하는 기법입니다.
특히 임상 MRI에서는
- STIR
- FLAIR
- T1-weighted IR
등 다양한 형태로 활용됩니다.
IR을 이해하기 위해 가장 중요한 parameter는 바로
TI(Inversion Time)입니다.
1. IR(Inversion Recovery)이란?
IR은 말 그대로
Inversion → Recovery
과정을 이용하는 MRI sequence입니다.
기본적인 개념은 다음과 같습니다.
180° Inversion Pulse
↓
자화가 반대 방향으로 뒤집힘
↓
기다리는 시간
↓
TI(Inversion Time)
↓
90° RF Pulse
↓
신호 획득
즉, 일반적인 SE가 90° RF pulse에서 시작하는 것과 달리 IR은 먼저 180° inversion pulse를 사용한다는 것이 가장 큰 특징입니다.
2. IR의 기본 원리
일반적인 SE에서는
90° → 180° → Echo
순서로 진행됩니다.
반면 IR에서는
180° → TI → 90° → 180° → Echo
와 같은 형태로 진행됩니다.
처음 180° RF pulse가 longitudinal magnetization을 반대 방향으로 뒤집습니다.
그 이후 시간이 지나면서 조직마다 서로 다른 속도로 longitudinal magnetization이 회복됩니다.
이 회복 과정 중 특정 시점에 90° pulse를 가해 신호를 측정합니다.
이때 조직마다 다른 회복 상태를 이용하여 특정 조직의 신호를 억제할 수 있습니다.
3. IR에서 가장 중요한 Parameter, TI
IR을 이해하는 핵심은
TI(Inversion Time)입니다.
TI는 쉽게 말하면
180° inversion pulse를 가한 후 90° excitation pulse를 가할 때까지의 시간
입니다.
즉,
180° Pulse
↓
TI
↓
90° Pulse
↓
Signal acquisition
이라고 이해하면 됩니다.
TI를 변화시키면 각각의 조직이 회복하는 위치가 달라지기 때문에 영상의 contrast와 특정 조직의 신호 억제에 영향을 줄 수 있습니다.
4. 왜 TI가 중요한가?
각 조직은 RF pulse를 받은 후 longitudinal magnetization이 서로 다른 속도로 회복됩니다.
예를 들어 지방과 CSF는 T1 relaxation 특성이 서로 다릅니다.
따라서 180° inversion pulse를 가한 후 일정 시간이 지나면 특정 조직의 longitudinal magnetization이
0에 가까워지는 순간
이 발생합니다.
이 시점에 적절하게 90° pulse를 가하면 해당 조직에서 발생하는 신호를 거의 없애거나 크게 억제할 수 있습니다.
이것이 IR을 이용한
신호 억제의 핵심 원리
입니다.
5. Null Point란?
IR에서 매우 중요한 개념이
Null Point
입니다.
특정 조직의 longitudinal magnetization이 0이 되는 시점입니다.
이때 해당 조직의 신호를 획득하면 신호가 매우 낮아져 영상에서 어둡게 나타날 수 있습니다.
쉽게 말하면
TI를 특정 조직의 Null Point에 맞추면 그 조직의 신호를 억제할 수 있다
고 이해하면 됩니다.
따라서
TI 설정 → 특정 조직 선택 → 신호 억제
라는 관계가 만들어집니다.
6. STIR이란?
IR을 이용한 대표적인 sequence가
STIR(Short Tau Inversion Recovery)
입니다.
STIR은 이름 그대로 비교적 짧은 TI를 이용하여 지방 신호를 억제하는 데 사용합니다.
기본적인 흐름은
180° inversion pulse
↓
짧은 TI
↓
90° pulse
↓
신호 획득
입니다.
지방의 T1 회복 특성에 맞춰 TI를 설정하면 지방의 longitudinal magnetization이 0에 가까워지는 시점에서 신호를 획득할 수 있습니다.
결과적으로
지방은 어둡게
나타나고,
지방을 제외한 병변이나 수분 성분이 상대적으로 잘 보일 수 있습니다.
7. STIR은 어디에 많이 사용할까?
STIR은 특히 근골격계 MRI에서 매우 유용합니다.
예를 들어
- 골수 부종
- 연부조직 부종
- 염증
- 외상
- 근육 및 인대 손상
- 골수 병변
등을 평가할 때 활용됩니다.
지방 신호가 강하게 억제되기 때문에 병변의 신호 대비가 좋아질 수 있습니다.
특히 Spine MRI에서
Sagittal STIR
은 골수 및 연부조직의 병변을 확인하는 데 유용하게 사용됩니다.
8. STIR의 중요한 주의점
STIR은 지방의 T1 특성을 이용하여 신호를 억제합니다.
따라서 일반적인 주파수 선택적 Fat Saturation과 원리가 다릅니다.
또한 STIR은 지방과 비슷한 T1 특성을 가진 다른 조직의 신호에도 영향을 줄 수 있습니다.
가장 중요한 점은
STIR은 일반적으로 조영증강 후 T1-weighted fat-suppressed 영상의 대체 목적으로 사용하지 않습니다.
조영제가 들어간 조직의 신호까지 억제될 수 있기 때문입니다.
따라서 조영증강 MRI에서는 검사 목적에 맞는 다른 fat suppression 기법을 사용하는 경우가 많습니다.
9. FLAIR란?
IR의 또 다른 대표적인 sequence가
FLAIR(Fluid Attenuated Inversion Recovery)입니다.
FLAIR 역시 IR을 이용합니다.
하지만 STIR과 목적이 다릅니다.
STIR은 주로
지방 억제
를 목적으로 하고,
FLAIR는 주로
CSF 신호 억제
를 목적으로 합니다.
즉,
STIR → Fat suppression
FLAIR → CSF suppression
으로 기억하면 가장 쉽습니다.
10. FLAIR의 원리
FLAIR에서는 CSF가 Null Point에 도달하도록 TI를 길게 설정합니다.
그 결과 CSF의 신호가 억제되어
CSF가 어둡게
나타납니다.
일반적인 T2-weighted 영상에서는 CSF가 밝게 보이기 때문에 병변과 구별하기 어려운 경우가 있습니다.
FLAIR에서는 CSF 신호를 억제하기 때문에
뇌실 주변이나 피질 주변의 병변이 상대적으로 더 잘 보일 수 있습니다.
11. T2와 FLAIR의 차이
Brain MRI에서 T2와 FLAIR를 비교하면 이해하기 쉽습니다.
T2-weighted image
CSF가 밝게 보입니다.
FLAIR
CSF 신호를 억제하기 때문에 CSF가 어둡게 보입니다.
따라서 뇌실 주변이나 뇌 표면에 위치한 병변을 관찰할 때 FLAIR가 매우 유용할 수 있습니다.
예를 들어
- 백질 병변
- 염증성 병변
- 일부 탈수초성 병변
- 뇌경색 관련 변화
- 종양 주변 변화
등을 평가할 때 활용됩니다.
다만 특정 질환의 진단은 FLAIR 하나만으로 결정하는 것이 아니라 다른 MRI sequence 및 임상정보를 함께 고려해야 합니다.
12. STIR과 FLAIR 비교
| 구분 | STIR | FLAIR |
| 기본 원리 | IR | IR |
| 주요 억제 대상 | 지방 | CSF |
| TI | 상대적으로 짧음 | 상대적으로 김 |
| 대표 검사 | Spine, MSK | Brain |
| 억제 목적 | Fat suppression | Fluid suppression |
| 영상 특징 | 지방이 어둡게 | CSF가 어둡게 |
| 주요 활용 | 부종, 골수 병변 등 | 뇌실 주변 병변 등 |
가장 쉽게 기억하면
STIR = Fat을 지운다
FLAIR = Fluid를 지운다
입니다.
13. IR과 T1 Contrast
IR은 단순한 Fat suppression이나 CSF suppression뿐만 아니라 T1 contrast를 조절하는 데도 사용할 수 있습니다.
180° inversion pulse 이후 TI를 조절하면 조직의 longitudinal magnetization 차이를 이용하여 다양한 T1 contrast를 만들 수 있습니다.
따라서 IR은 단순히 하나의 영상 sequence가 아니라
조직의 T1 relaxation 차이를 적극적으로 이용하는 방법
이라고 이해하는 것이 좋습니다.
14. IR과 TSE의 결합
실제 임상 MRI에서는 IR이 독립적으로 사용되기보다 다른 sequence와 결합되어 사용되는 경우가 많습니다.
대표적인 예가
IR + TSE
입니다.
예를 들어
STIR TSE
와 같은 sequence가 사용될 수 있습니다.
또한 Brain MRI에서는
FLAIR TSE
계열 sequence가 흔히 사용됩니다.
즉,
IR은 조직 신호를 선택적으로 억제하는 역할
을 하고,
TSE는 여러 Echo를 이용하여 촬영시간을 줄이는 역할
을 담당한다고 생각하면 이해하기 쉽습니다.
15. IR에서 TR과 TE도 중요하다
IR이라고 해서 TI만 중요한 것은 아닙니다.
MRI 영상의 contrast에는 여러 parameter가 함께 작용합니다.
대표적으로
- TR
- TE
- TI
- ETL
- Matrix
- FOV
- NEX
등이 있습니다.
특히 STIR이나 FLAIR 영상에서는
TI가 어떤 조직을 억제할 것인지
결정하는 데 중요한 역할을 합니다.
하지만 최종 영상 contrast는 TI 하나만으로 결정되는 것이 아니라 TR, TE 및 sequence 구성과 함께 결정됩니다.
16. TI를 잘못 설정하면?
IR에서 TI가 중요한 이유는 반대로 생각하면 쉽게 이해할 수 있습니다.
원하는 조직의 Null Point에 맞춰 TI를 설정해야 하는데 적절하지 않은 TI를 사용하면
원하는 조직이 충분히 억제되지 않을 수 있습니다.
또한 장비의 Field Strength와 조직의 T1 relaxation 특성 등에 따라 적절한 TI가 달라질 수 있습니다.
따라서 실제 MRI protocol에서는 장비와 검사 부위, Field Strength 등에 맞춰 TI를 설정합니다.
17. STIR과 일반 Fat Sat은 어떻게 다른가?
둘 다 지방을 억제하지만 원리는 다릅니다.
STIR
T1 relaxation 차이
를 이용합니다.
Frequency Selective Fat Sat
지방과 물의
공명주파수 차이
를 이용합니다.
따라서 STIR은 자기장 불균일의 영향을 받는 일반적인 주파수 선택적 Fat Sat보다 비교적 균일한 지방 억제가 가능한 장점이 있습니다.
반면 SNR이나 촬영시간, 조영증강 영상 활용 등의 측면에서는 각각 장단점이 있습니다.
18. IR을 이해하는 핵심 구조
IR은 다음 그림처럼 생각하면 쉽습니다.
180° Inversion Pulse
↓
자화가 뒤집힘
↓
TI
↓
조직마다 서로 다른 속도로 회복
↓
특정 조직의 Magnetization이 0에 도달
↓
90° RF Pulse
↓
신호 획득
↓
특정 조직 신호 억제
이 과정을 이해하면 STIR과 FLAIR의 원리도 자연스럽게 연결됩니다.
19. MRI Parameter 공부에서 IR의 핵심
지금까지 공부한 MRI Parameters와 연결해 보면 다음과 같습니다.
TR
반복되는 excitation 사이의 시간
TE
Echo를 획득하는 시간
TI
180° inversion pulse와 90° excitation pulse 사이의 시간
ETL
TSE에서 하나의 TR 동안 획득하는 Echo의 수
이 중 IR에서 가장 먼저 기억해야 할 것은
TI
입니다.
그리고 TI가 결정되면
어떤 조직의 신호를 억제할 것인가
와 연결됩니다.
20. IR 핵심 정리
IR(Inversion Recovery)은
180° inversion pulse를 먼저 가한 후 TI 동안 조직의 longitudinal magnetization이 회복되는 과정을 이용하는 sequence
입니다.
가장 중요한 parameter는
TI(Inversion Time)입니다.
특정 조직의 Null Point에 맞춰 TI를 설정하면 해당 조직의 신호를 억제할 수 있습니다.
대표적인 IR sequence는
STIR
과
FLAIR
입니다.
STIR은
지방 신호 억제
에 주로 사용하고,
FLAIR는
CSF 신호 억제
에 주로 사용합니다.
마무리
MRI에서 IR을 이해할 때 단순히
"STIR은 지방 억제"
"FLAIR는 CSF 억제"
라고 외우는 것보다 원리를 이해하는 것이 중요합니다.
핵심은 단순합니다.
180° inversion pulse
↓
TI
↓
조직별 T1 recovery 차이
↓
Null Point
↓
특정 조직의 신호 억제
이것이 IR의 기본 원리입니다.
그리고 이 원리를 이용해
STIR은 Fat을 억제하고
FLAIR는 CSF를 억제합니다.
앞에서 공부한 SE와 TSE/FSE가 Echo를 만드는 방법에 초점을 둔 sequence라면, IR은 조직의 회복 특성을 이용해 원하는 조직의 신호를 억제하거나 contrast를 조절하는 방법이라고 이해하면 좋습니다.
다음 MRI Parameters 편에서는 IR과 함께 자주 사용되는 STIR(Short Tau Inversion Recovery)의 원리와 Fat Suppression 방법을 좀 더 자세하게 살펴보겠습니다.
출처 및 참고
- MRI 기본 물리학 및 자기공명영상 관련 교육자료
- MRI Pulse Sequence 관련 전문 참고자료
- 자기공명영상(MRI) 물리학 및 임상영상 참고자료
- MRI 장비 제조사 기술자료 및 sequence 설명자료
- 본 글은 MRI 기본 원리를 이해하기 위한 교육용 콘텐츠이며, 실제 sequence 명칭과 parameter 및 구현 방식은 MRI 제조사와 장비에 따라 차이가 있을 수 있습니다.
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