영상의학

MRI 공명(Resonance)이란? 자기공명영상에서 RF 펄스가 중요한 이유

봄날의 중년 2021. 5. 26. 15:54

공명 현상

공명(Resonance)에 관한 쉬운 예중에 하나를 드면 소리굽쇠를 들 수있습니다.

진동수가 다른 소리굽쇠를 마주 보게 한 후 한쪽의 소리굽쇠를 치게 되면 다른 한쪽의 소리굽쇠는 울리지 않는다.

그러나 진동수가 같은 소리굽쇠를 마주보게 한후 치게 되면 다른 한쪽이 치지 않았는데도 같이 울리는 것을 볼수있습니다.

이것은 진동수가 같은 소리굽쇠 간의 소리에너지가 전달된 것인데, 이것이 바로 공명현상입니다.

또 다른예를 들면 실제로 발생했던 사건으로 1940년 11월 7일 미국 워싱턴주 타코마시의 다리(bridge)가 자신의 자연주파수와 주의환경(바람, 약한 지진에 의한 미동 등)에 의한 주파수가 우연히 같아져서 다리가 주위환경에너지를 흡수함으로 진동이 점점 커져서 결국 무너진 사건도 있었습니다.

MR에서의 공명현상

MR에서 신호를 얻기 위해서는 자장방향(종축)으로 배열하여 있는 순자화를 횡축방향으로 이동시켜야 하는데 이때 이용되는 것이 공명현상입니다.

수소 원자핵은 외부의 자장에 비례하여 세차운동을 한다고 하였습니다. 이때 수소원자의 세차주파수와 동일한 주파수의 전자기파(RF)를 입사하여 수소원자핵에 외부의 에너지를 전달하는 현상을 MR에서의 공명현상이라고 합니다.

그래서 세차주파수를 공명주파수라고도 합니다.

공명 현상의 결과

공명의 첫번째 결과는 수소원자가 전자기파(RF)라는 외부의 에너지를 받으므로서 낮은 에너지 상태의 핵들(자장과 평행방향)이 높은 에너지상태(자장과 반 평행방향)로 이동하게 된다.

두번째 결과는 각각의 위상(out of phase)을 가지고 세차운동을 하던 원자핵들이 전자기파가 입사되는 순간 모두 같은 위상(in phase)이 된다.

결과적으로 공명현상으로 인하여 종축의 자화는 없어지고 새롭게 횡축의 자화가 생긴다.

전자기파(Electomagnetic wave)

전자기파 스펙트럼은 주파수의 범위나 파장의 길이로 정의되며, 저주파 인 라디오파(RF)에서 부터 고주파인 우주선까지 해당됩니다.

전자파스펙트럼의 일반적인 분류는 다음 그림과 같습니다.

자기공명에서 이용되는 공명주파수는 라디오주파수 영역에 속하는데, 전기장과 자기장의 진동방향은 직교하고 있으며 어느쪽도 진행방향에 대해서 수직입니다.

수소원자핵은 이러한 전자기파를 공명현상에 의해 에너지를 흡수하고, 전자기파를 차단하면 흡수했던 에너지를 방출하게 됩니다.

Radio-Log [라디오 로그]

현직 방사선사의 쉽게 이해하는 의료 방사선 정보 및 건강 정보 공유 공간입니다.

daily.ohappyhappy.com

MRI 공명(Resonance)이란? 자기공명영상에서 RF 펄스가 중요한 이유

MRI를 처음 공부할 때 자주 등장하는 단어가 있습니다.

바로 공명(Resonance)입니다.

MRI의 정식 명칭인 Magnetic Resonance Imaging에도 이 공명이라는 개념이 들어 있습니다.

그렇다면 MRI에서 말하는 공명이란 무엇일까요?

쉽게 말하면 외부에서 가해지는 RF 에너지의 주파수가 수소 원자핵이 세차운동하는 고유 주파수와 일치하면서 에너지가 효과적으로 전달되는 현상입니다.

MRI에서는 이 현상을 이용해 인체 내부의 신호를 만들어냅니다.

1. MRI에서 왜 수소 원자핵을 이용할까?

우리 몸은 대부분 물로 이루어져 있고, 물에는 수소 원자가 포함되어 있습니다.

수소 원자핵인 proton(양성자)은 자기적 성질을 가지고 있습니다.

강한 자기장인 B0 안에 인체가 들어가면 수소 원자핵의 자기모멘트가 자기장 방향을 기준으로 정렬되고, 동시에 특정한 주파수로 회전하는 세차운동(Precession)을 합니다.

이때 중요한 것이 바로 라모어 주파수(Larmor frequency)입니다.

라모어 주파수는 자기장의 세기에 따라 결정됩니다.

대표적으로

1.5T MRI → 약 63.9 MHz
3.0T MRI → 약 127.7 MHz

정도의 주파수를 갖습니다.

즉, MRI 장비는 자기장 세기에 따라 수소 원자핵이 세차운동하는 주파수를 알고 있습니다.

2. 공명(Resonance)의 핵심

공명을 쉽게 이해하려면 그네를 생각하면 됩니다.

그네가 일정한 주기로 움직이고 있는데 사람이 그 움직임에 맞춰 적절한 타이밍으로 힘을 가하면 그네의 움직임이 점점 커집니다.

반대로 타이밍이 맞지 않으면 효과적으로 움직임을 증가시키기 어렵습니다.

MRI의 공명도 비슷한 원리로 이해할 수 있습니다.

수소 원자핵이 특정 주파수로 세차운동하고 있을 때 그 주파수와 일치하는 RF 에너지를 가하면 수소 원자핵에 에너지가 효과적으로 전달됩니다.

이것이 MRI에서 말하는 공명입니다.

3. MRI에서는 RF Pulse가 공명을 일으킨다

MRI 장비에는 강한 정자기장 B0 외에도 RF(Radio Frequency) 펄스를 발생시키는 시스템이 있습니다.

RF 펄스의 주파수를 수소 원자핵의 라모어 주파수에 맞추면 공명이 발생합니다.

과정은 간단하게 정리하면 다음과 같습니다.

B0 자기장 형성

↓

수소 원자핵의 세차운동

↓

라모어 주파수 결정

↓

같은 주파수의 RF Pulse 조사

↓

공명 발생

↓

수소 원자핵에 에너지 전달

↓

순자화 벡터가 회전

↓

RF Pulse 종료 후 이완

↓

MRI 신호 발생

이 과정이 MRI 영상의 기본적인 출발점입니다.

4. 공명이 발생하면 무엇이 달라질까?

RF 펄스가 조사되기 전에는 순자화 벡터가 주로 종축(Z축) 방향을 향하고 있습니다.

여기에 적절한 RF 에너지를 가하면 순자화 벡터가 Z축에서 XY 평면 방향으로 회전합니다.

이때 중요한 개념이 Flip Angle(플립각)입니다.

대표적인 RF 펄스가 바로

90° RF Pulse

입니다.

90° RF 펄스가 적절하게 작용하면 종축 방향의 순자화가 횡축 방향으로 이동합니다.

이렇게 만들어진 횡자화(Transverse Magnetization)가 MRI 신호를 만드는 데 중요한 역할을 합니다.

5. 공명과 Flip Angle의 관계

RF 에너지가 수소 원자핵에 전달되면 순자화 벡터의 방향이 변합니다.

RF 펄스의 세기와 지속시간 등에 따라 회전하는 정도가 달라집니다.

예를 들어

90° RF Pulse

종축 방향의 순자화가 횡축 방향으로 이동합니다.

180° RF Pulse

순자화 벡터를 반대 방향으로 뒤집습니다.

이러한 RF 펄스는 MRI의 다양한 Pulse Sequence를 구성하는 기본 요소가 됩니다.

특히 Spin Echo(SE)에서는 90° RF Pulse와 180° RF Pulse가 중요한 역할을 합니다.

6. 공명 주파수는 MRI 자기장 세기에 따라 달라진다

MRI에서 공명을 이해할 때 반드시 기억해야 할 것이 있습니다.

자기장 세기가 달라지면 라모어 주파수도 달라집니다.

예를 들어 수소의 경우 대략

42.58 MHz/T

의 비율을 가집니다.

따라서

1.5T에서는 약 63.9 MHz,

3.0T에서는 약 127.7 MHz가 됩니다.

따라서 MRI 장비는 자기장 세기에 맞는 RF 주파수를 사용해야 합니다.

즉,

B0가 결정되면 → 라모어 주파수가 결정되고 → RF 주파수도 결정됩니다.

7. 공명이 발생하지 않으면 어떻게 될까?

RF 펄스가 수소 원자핵의 라모어 주파수와 크게 어긋나면 원하는 만큼 효과적인 에너지 전달이 이루어지지 않습니다.

따라서 MRI에서는 RF 펄스의 주파수와 자기장 세기의 관계가 매우 중요합니다.

이러한 주파수 선택이 정확해야 원하는 부위의 수소 원자핵으로부터 적절한 신호를 얻을 수 있습니다.

MRI가 단순히 강한 자기장을 사용하는 장비가 아니라 자기장과 RF 주파수를 정밀하게 제어하는 장비라고 할 수 있는 이유입니다.

8. 공명과 MRI 신호의 관계

공명이 발생했다고 해서 바로 영상이 만들어지는 것은 아닙니다.

공명은 MRI 신호가 만들어지는 과정의 중요한 시작점입니다.

전체적인 흐름을 보면 다음과 같습니다.

① 강한 자기장 B0

수소 원자핵이 자기장에 영향을 받습니다.

② 세차운동

수소 원자핵이 라모어 주파수로 세차운동합니다.

③ RF Pulse

라모어 주파수와 일치하는 RF 에너지를 조사합니다.

④ 공명

수소 원자핵에 에너지가 효과적으로 전달됩니다.

⑤ 순자화 벡터 회전

종축 자화가 횡축 방향으로 이동합니다.

⑥ RF Pulse 종료

수소 원자핵은 원래의 평형 상태로 돌아가기 시작합니다.

⑦ 이완(Relaxation)

T1 회복과 T2 감쇠가 발생합니다.

⑧ 신호 수신

변화하는 횡자화에 의해 코일에 유도되는 신호를 검출합니다.

⑨ 영상 재구성

수집한 신호를 이용해 MRI 영상을 만들어냅니다.

9. 공명은 '같은 주파수'가 핵심이다

MRI 공명을 이해할 때 가장 중요한 문장은 이것입니다.

"수소 원자핵의 라모어 주파수와 RF 펄스의 주파수가 일치할 때 공명이 발생한다."

다만 실제 MRI에서는 단순히 주파수만 맞추는 것이 아니라 RF 펄스의 세기, 지속시간, 대역폭, 자기장 균일성 등 여러 요소가 함께 작용합니다.

따라서 공명은 MRI 물리학에서 독립된 하나의 개념이라기보다 B0 자기장, 세차운동, 라모어 주파수, RF Pulse, Flip Angle, 이완 및 신호 발생을 연결하는 핵심 개념이라고 이해하면 좋습니다.

10. 한눈에 이해하는 MRI 공명

MRI의 기본 원리를 한 문장으로 정리하면 다음과 같습니다.

강한 자기장 속에서 수소 원자핵이 특정 주파수로 세차운동하고, 그 주파수에 맞는 RF 에너지를 가하면 공명이 발생하여 순자화가 회전하고 이후 발생하는 신호를 이용해 영상을 만드는 것입니다.

따라서 MRI 물리를 공부한다면 다음 순서로 이해하면 훨씬 쉽습니다.

자기장 B0

→ 순자화(Net Magnetization)

→ 세차운동(Precession)

→ 라모어 주파수(Larmor Frequency)

→ 공명(Resonance)

→ RF Pulse

→ Flip Angle

→ 횡자화(Transverse Magnetization)

→ T1/T2 Relaxation

→ MRI Signal

→ 영상(Image)

MRI의 '공명'은 단순히 MRI 이름에 들어가는 용어가 아니라, RF 에너지를 수소 원자핵에 전달하고 MRI 신호를 만들어내는 핵심 원리입니다.

다음 단계에서는 공명과 직접 연결되는 RF Pulse와 Flip Angle을 이해하면 MRI Pulse Sequence를 훨씬 쉽게 이해할 수 있습니다.

글의 출처 및 참고

대한영상의학회 및 MRI 관련 교육자료
International Society for Magnetic Resonance in Medicine (ISMRM)
RadiologyInfo.org, Magnetic Resonance Imaging
Westbrook C. MRI in Practice
Haacke EM et al. Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence Design

※ MRI 물리학 설명은 이해를 돕기 위해 일부 내용을 단순화하여 설명했습니다.