1.0T에서 공명주파수는 42.6MHz가 된다.
한쪽 끝의 spin들은 42.7MHz로 돌고 다른 쪽의 세차 주파수는 42.5MHz가 될것이다.
만약 42.7MHz로 된 RF pulse를 주면 gradient line 위에 있는 42.7MHz 위치에 서 모든 spin들은 Z축에 수직인 방향으로 자극을 받게 된다.
그리고 그 밖의 모든 spin 들은 42.7MHz 주파수를 접하지 못하는데 이것은 바로 그들의 공명주파수가 벗어나기 때문이다.
바로 이런 방법으로 하난의 횡단면은 선택적으로 여기된다.
만약 Z-gradient 대신에 X-gardient가 걸리면 단면선택은 sagittal plane이 될것이며, Y-gradient는 cornal plan이 될것이다.
그림 에서 보는 바와 같이 한 단면을 선택할 때에는 균등한 자장에 또 다른 경사자계를 부가해야 한다.
즉 a와 b, 또는 c와 d의 위치에 해당하는 spin들의 주파수 또한 달라지게 될 것이다.
이미 알고 있는 바와 같이 공명주파수(Lamar Frequency)라는 공식에서(W0=r * B) 자장의 세기에 따라서 세차주파수가 달라짐을 앞의 계산식에서 점검을 해보았다.
따라서 점선 부분과 실선 부분에 있는 spin 들은 f1이나 f2의 주파수에 영향을 받을 것이다.
고정된 RF를 주면 a와 b, 또는 c와 d의 spin 들은 RF에너지를 받아 X-Y 평면상에 넘어질 것이다.
곧 이어 RF 에너지를 끊어 주게 되면 자유유도감쇄(FID)signal 을 방출하게 된다.
단면선택의 두께는 고정된 f1과 f2의 주파수를 사용한다고 볼때 그림 3-1에서 보는 바와 같이 경사자계의 기울기가 클수록 slice 는 얇아지게 되며 RF pulse 의 폭이 좁을수록 더 얇은 slice 를 얻을 수 있을 것이다.
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MRI Slice Selection과 Slice Thickness, 원하는 단면은 어떻게 선택할까?
MRI를 촬영할 때 우리가 보는 영상은 인체 전체를 한꺼번에 촬영한 것이 아닙니다.
Axial, Sagittal, Coronal 등 원하는 방향의 특정 단면을 선택하고, 그 단면에서 발생하는 MRI 신호를 이용해 영상을 만듭니다.
그렇다면 MRI는 어떻게 원하는 위치의 단면만 선택할 수 있을까요?
핵심은 Slice Selection Gradient와 RF Pulse의 조합입니다.
그리고 선택한 단면의 두께를 결정하는 과정에는 Gradient Strength와 RF Bandwidth가 중요한 역할을 합니다.
이번 글에서는 MRI의 Slice Selection 원리와 Slice Thickness가 어떻게 결정되는지 쉽게 알아보겠습니다.
1. Slice Selection이란?
Slice Selection은 말 그대로 인체에서 원하는 단면을 선택하는 과정입니다.
예를 들어 뇌 MRI에서 특정 Axial 단면을 촬영하거나, 요추 MRI에서 Sagittal 단면을 촬영한다고 생각해 보겠습니다.
MRI는 인체의 모든 수소 원자에서 발생하는 신호를 무작정 영상으로 만드는 것이 아니라, 원하는 위치와 방향의 일정한 두께를 가진 영역을 선택합니다.
이 과정에서 중요한 것이
Gradient + RF Pulse
입니다.
즉, Slice Selection은 Gradient만으로 이루어지는 것이 아니라 경사자계와 RF Pulse가 함께 작동하는 과정입니다.
2. 왜 Gradient가 필요한가?
앞서 살펴본 것처럼 MRI의 수소 원자핵은 자기장 안에서 특정한 Larmor Frequency로 세차운동을 합니다.
기본 자기장 B0가 균일하다면 같은 종류의 수소는 비슷한 주파수를 갖습니다.
그런데 Slice Selection Gradient를 작동시키면 위치에 따라 자기장 세기가 달라집니다.
그러면 위치에 따라 Larmor Frequency도 달라집니다.
쉽게 표현하면,
위치 변화
→ 자기장 변화
→ Larmor Frequency 변화
입니다.
따라서 MRI는 특정 위치에 해당하는 주파수 범위를 선택할 수 있게 됩니다.
3. Slice Selection Gradient와 RF Pulse
Slice Selection의 핵심은 두 가지입니다.
Slice Selection Gradient
촬영하고자 하는 방향으로 자기장의 세기가 위치에 따라 달라지도록 만듭니다.
RF Pulse
특정 주파수 범위의 RF 에너지를 전달하여 해당 주파수에 해당하는 수소를 공명시킵니다.
두 가지를 동시에 사용하면 특정 위치에 있는 수소만 선택적으로 자화를 변화시킬 수 있습니다.
즉,
Gradient가 위치와 주파수를 연결하고
RF Pulse가 원하는 주파수 범위를 선택합니다.
이 과정을 통해 특정 Slice가 선택됩니다.
4. Slice Selection의 기본 원리
간단한 예를 들어보겠습니다.
인체를 위에서 아래 방향으로 통과하는 Z Gradient를 걸었다고 생각해 보겠습니다.
그러면 위치에 따라 자기장이 달라집니다.
예를 들어,
- 위쪽 → 상대적으로 낮은 주파수
- 가운데 → 중간 주파수
- 아래쪽 → 상대적으로 높은 주파수
와 같은 주파수 분포가 만들어질 수 있습니다.
이 상태에서 특정 주파수 범위의 RF Pulse를 가하면 그 주파수에 해당하는 위치의 수소가 선택적으로 공명합니다.
결과적으로 특정 위치의 얇은 단면을 선택할 수 있습니다.
5. Slice Thickness는 무엇인가?
Slice Thickness는 MRI에서 선택되는 단면의 두께를 의미합니다.
예를 들어
- 1 mm
- 2 mm
- 3 mm
- 5 mm
등으로 설정할 수 있습니다.
Slice Thickness가 얇아지면 작은 구조물을 보다 세밀하게 확인하는 데 유리할 수 있습니다.
반대로 Slice가 너무 얇아지면 신호가 감소하여 SNR이 낮아질 수 있습니다.
따라서 무조건 얇게 촬영하는 것이 좋은 것은 아닙니다.
검사 목적과 해부학적 구조, SNR, 검사시간 등을 함께 고려해야 합니다.
6. Slice Thickness를 결정하는 핵심 요소
Slice Thickness를 이해할 때 중요한 요소는 크게 두 가지입니다.
RF Bandwidth
그리고
Slice Selection Gradient Strength
입니다.
기본적인 관계를 개념적으로 표현하면,
Slice Thickness ∝ RF Bandwidth / Gradient Strength
로 이해할 수 있습니다.
즉,
RF Bandwidth가 넓어지면
더 넓은 주파수 범위를 선택하게 되므로 Slice Thickness가 두꺼워지는 방향으로 작용합니다.
Gradient Strength가 강해지면
같은 거리에서 더 큰 주파수 차이가 발생하므로 선택되는 Slice의 두께가 얇아지는 방향으로 작용합니다.
따라서 일반적인 관계는
Bandwidth 증가 → Slice Thickness 증가
Gradient 증가 → Slice Thickness 감소
입니다.
다만 실제 MRI의 Slice Thickness는 단순한 두 변수만으로 결정되는 것이 아니라 RF Pulse 특성, Gradient waveform, 시스템 설계 및 sequence 조건 등에 의해 영향을 받을 수 있습니다.
7. 왜 Gradient가 강하면 Slice가 얇아질까?
이 부분을 이해하면 Slice Selection이 훨씬 쉬워집니다.
Gradient가 약한 경우에는 일정한 거리 안에서 주파수 변화가 상대적으로 작습니다.
따라서 특정 RF Bandwidth에 해당하는 공간 범위가 넓어집니다.
반대로 Gradient가 강해지면 같은 거리에서도 주파수 변화가 커집니다.
그러면 동일한 RF Bandwidth가 더 좁은 공간에 해당하게 됩니다.
따라서
Gradient Strength 증가 → 위치별 주파수 차이 증가 → 같은 RF Bandwidth가 더 좁은 공간을 선택 → Slice Thickness 감소
라는 관계가 만들어집니다.
8. RF Bandwidth가 넓어지면 왜 Slice가 두꺼워질까?
이번에는 Gradient를 일정하게 유지한다고 생각해 보겠습니다.
RF Pulse의 Bandwidth가 좁으면 선택하는 주파수 범위도 좁습니다.
따라서 공간적으로 선택되는 영역도 얇아집니다.
반대로 RF Bandwidth가 넓어지면 더 넓은 주파수 범위가 선택됩니다.
Gradient가 만들어놓은 위치별 주파수 분포를 생각하면 더 넓은 공간 범위가 선택됩니다.
따라서 Slice Thickness가 두꺼워지는 방향으로 작용합니다.
9. Slice Position은 어떻게 바꿀까?
Slice Thickness뿐만 아니라 어디를 촬영할 것인지도 조절할 수 있습니다.
RF Pulse의 중심 주파수를 변화시키면 선택되는 위치가 달라질 수 있습니다.
예를 들어 같은 Gradient Strength와 같은 RF Bandwidth를 유지하면서 RF Pulse의 중심 주파수를 바꾸면 선택되는 Slice의 위치가 이동합니다.
즉,
RF 중심 주파수 변화 → Slice 위치 변화
라고 이해할 수 있습니다.
따라서 MRI에서는 Slice Thickness와 Slice Position을 서로 다른 방식으로 조절할 수 있습니다.
10. Slice Orientation은 어떻게 결정될까?
MRI는 Axial, Sagittal, Coronal뿐만 아니라 Oblique 방향으로도 촬영할 수 있습니다.
여기서 중요한 점은 Slice Selection Gradient가 반드시 Z축 하나만 사용하는 것은 아니라는 것입니다.
예를 들어 기본적인 Axial 영상에서는 Z Gradient가 Slice Selection에 사용되는 대표적인 예입니다.
하지만 Sagittal이나 Coronal, Oblique 영상에서는 X, Y, Z Gradient를 적절히 조합하여 원하는 방향의 Slice Selection Gradient를 만들 수 있습니다.
따라서
X = 특정 영상 방향
Y = 특정 영상 방향
Z = 특정 영상 방향
이라고 단순하게 외우기보다는,
X·Y·Z Gradient의 조합으로 원하는 Slice 방향을 만든다
라고 이해하는 것이 더 정확합니다.
11. 얇은 Slice가 항상 좋은 것은 아니다
MRI에서 "Slice Thickness를 얇게 하면 더 좋은 영상이 아닌가?"라는 생각을 하기 쉽습니다.
하지만 반드시 그렇지는 않습니다.
Slice를 얇게 만들면 Z축 방향의 공간분해능을 높이는 데 도움이 될 수 있습니다.
그러나 Slice가 얇아지면 해당 Slice에서 발생하는 신호량이 감소하기 때문에 일반적으로 SNR이 낮아질 수 있습니다.
또한 원하는 SNR을 유지하기 위해 다른 촬영 조건을 조정해야 할 수도 있습니다.
따라서 실제 검사에서는
공간분해능
SNR
검사시간
검사 목적
사이에서 적절한 균형을 찾아야 합니다.
12. Slice Thickness와 Partial Volume Effect
Slice Thickness는 Partial Volume Effect와도 관련이 있습니다.
하나의 Slice 안에 서로 다른 조직이 함께 포함되면 MRI 신호가 혼합되어 표현될 수 있습니다.
예를 들어 작은 병변이 두꺼운 Slice 안에 일부만 포함되면 주변 조직의 신호와 섞이면서 병변이 명확하게 보이지 않을 수 있습니다.
이를 Partial Volume Effect라고 합니다.
따라서 작은 병변이나 얇은 구조물을 평가할 때는 적절한 얇은 Slice가 도움이 될 수 있습니다.
하지만 역시 무조건 얇게 촬영하는 것이 정답은 아니며 검사 목적에 맞는 Slice Thickness를 선택해야 합니다.
13. 2D와 3D MRI에서 Slice 개념은 조금 다르다
MRI에서는 2D 촬영과 3D 촬영의 Slice 개념도 구분해서 이해할 필요가 있습니다.
2D MRI
한 번에 특정 Slice 또는 Slice Group을 선택하여 촬영합니다.
Slice Selection Gradient와 RF Pulse를 이용해 원하는 두께의 Slice를 선택합니다.
3D MRI
넓은 Volume을 대상으로 신호를 획득한 뒤, 그 Volume 안에서 Phase Encoding 등을 이용하여 공간 정보를 얻습니다.
이후 재구성을 통해 원하는 방향의 영상을 만들 수 있습니다.
따라서 3D MRI에서는 원래 획득한 데이터의 voxel 크기와 재구성 방법 등을 함께 고려해야 합니다.
14. Slice Gap과 Slice Thickness는 다르다
MRI 촬영 조건을 보다 보면 Slice Thickness와 함께 Gap이라는 용어를 볼 수 있습니다.
둘은 같은 개념이 아닙니다.
Slice Thickness
실제로 선택되는 Slice의 두께입니다.
Slice Gap
인접한 Slice 사이에 설정되는 간격입니다.
예를 들어
Slice Thickness = 3 mm
Gap = 1 mm
라면 인접한 Slice 사이의 공간적 간격을 포함한 전체 간격은 4 mm가 될 수 있습니다.
다만 장비와 콘솔에서는 Gap을 절대값이나 백분율 등 서로 다른 방식으로 표시할 수 있으므로 실제 프로토콜을 확인해야 합니다.
15. Slice Selection을 한 문장으로 정리하면
MRI의 Slice Selection은 다음과 같이 정리할 수 있습니다.
Slice Selection Gradient로 위치에 따른 자기장과 주파수 차이를 만들고, RF Pulse의 주파수 범위를 이용해 원하는 위치와 두께의 Slice를 선택하는 과정입니다.
그리고 Slice Thickness는 기본적으로
RF Bandwidth와 Slice Selection Gradient Strength의 관계
에 의해 결정됩니다.
16. 전체 과정을 쉽게 정리하면
MRI에서 Slice Selection은 다음 순서로 이해할 수 있습니다.
B0
↓
수소의 Larmor Frequency 형성
↓
Slice Selection Gradient 작동
↓
위치에 따른 자기장 변화
↓
위치에 따른 Larmor Frequency 변화
↓
RF Pulse 조사
↓
특정 주파수 범위의 수소 공명
↓
원하는 위치와 두께의 Slice 선택
이후 선택된 Slice에서 Phase Encoding과 Frequency Encoding을 이용하여 2차원 공간 정보를 얻고 K-space 데이터를 획득합니다.
마무리
MRI의 Slice Selection을 이해할 때 가장 중요한 것은 Gradient와 RF Pulse가 함께 작동한다는 것입니다.
Gradient는 위치에 따라 자기장을 변화시키고, 그 결과 위치에 따른 Larmor Frequency 차이를 만들어냅니다.
RF Pulse는 특정 주파수 범위를 선택하여 원하는 위치의 수소를 공명시킵니다.
그리고 Slice Thickness는 기본적으로
RF Bandwidth가 넓어질수록 두꺼워지는 방향
Slice Selection Gradient가 강해질수록 얇아지는 방향
으로 변화합니다.
따라서 MRI의 Slice Selection을 한 문장으로 기억한다면,
"Gradient가 위치를 주파수로 바꾸고, RF Pulse가 그 주파수 범위를 선택한다."
라고 기억하면 좋습니다.
다음 단계에서는 여기서 자연스럽게 이어지는 Slice Thickness와 Bandwidth의 관계, 그리고 Bandwidth가 SNR과 Chemical Shift Artifact에 어떤 영향을 미치는지 살펴보면 MRI 물리학을 더욱 깊이 이해할 수 있습니다.
글의 출처 및 참고
- Brown RW, Cheng YCN, Haacke EM, Thompson MR, Venkatesan R. Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence Design.
- Westbrook C, Talbot J. MRI in Practice.
- Haacke EM et al. Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence Design.
- MRI 장비 제조사 Pulse Sequence 및 MRI Physics 교육자료
- 영상의학 및 MRI 물리학 교육자료
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