MRI TSE(FSE)란? Turbo Spin Echo 원리와 ETL 쉽게 이해하기
위 그림은 TSE의 diagram인데 SE의 Multi echo를 얻기 위해 180°pulse 를 가하는 것처럼,
Turbo spin echo도 90°∼ 180°∼180°… 180°와 같이 여러 번의 180°를 가한다.
SE와 다른 점은 매번 echo를 얻기 전에 Gp Step을 각각 다르게 인가하고, signal을 얻은 다음 반대쪽에 Gp를 인가하여 다음 180°pulse를 줄때 Phase가 가하지 않는 상태로 한 후 다시 180°pulse를 가한다.
결국, 한번에 TR내에서 여러 개의 Phase encoding 이 된 Data Line을 얻게 된다.
Spin echo는 한 TR 내에서 한 개의 Phase encoding된 echo를 얻는데 비해,
TSE는 위 그림에서 보다시피 한 TR 내 에서 8개의 Phase encoding된 echo를 얻을 수 있다.
그러므로 Scan time 은 TR × Phase encoding × AVG ÷ ETL(echo train length)이 되므로,
SE 보다 짧은 시간 내에 Scan이 가능하다.
MRI Parameters 부가인자
Turbo Spin Echo(TSE)와 Fast Spin Echo(FSE)란?
MRI 검사를 공부하다 보면 SE(Spin Echo) 다음으로 자주 등장하는 sequence가 있습니다.
바로
TSE(Turbo Spin Echo)
또는
FSE(Fast Spin Echo)
입니다.
두 용어는 제조사와 장비에 따라 명칭이 다를 뿐, 기본적으로 같은 계열의 빠른 Spin Echo sequence를 의미합니다.
쉽게 말하면
TSE/FSE는 기존 SE의 영상 특성을 유지하면서 촬영시간을 줄이도록 발전한 sequence
라고 이해하면 됩니다.
1. TSE와 FSE는 무엇인가?
기본적인 SE에서는
90° RF pulse → 180° RF pulse → Echo
과정을 통해 하나의 Spin Echo를 얻습니다.
그리고 여러 번 반복하면서 K-space를 채워야 합니다.
이 때문에 검사시간이 길어질 수 있습니다.
TSE/FSE에서는 이 과정을 개선합니다.
하나의 90° excitation pulse 뒤에 여러 개의 180° refocusing pulse를 연속적으로 사용합니다.
그 결과 한 번의 TR 동안 여러 개의 Echo를 얻을 수 있습니다.
즉,
SE
90° → 180° → Echo
에서
TSE/FSE
90° → 180° → Echo → 180° → Echo → 180° → Echo ...
와 같은 방식으로 여러 Echo를 연속적으로 획득합니다.
이것이 TSE/FSE가 빠른 이유입니다.
2. TSE의 기본 원리
TSE/FSE를 이해하기 위해서는 먼저 SE의 기본 구조를 기억해야 합니다.
SE에서는 90° RF pulse가 transverse magnetization을 만들고,
180° RF pulse가 spin을 다시 모아 Spin Echo를 만듭니다.
TSE에서는 하나의 90° RF pulse 뒤에 여러 개의 180° refocusing pulse를 연속적으로 가합니다.
따라서
하나의 excitation에서 여러 개의 Spin Echo를 획득
할 수 있습니다.
이렇게 획득한 각각의 Echo를 서로 다른 K-space line에 저장합니다.
결과적으로 K-space를 훨씬 빠르게 채울 수 있습니다.
3. 왜 촬영시간이 짧아질까?
MRI 촬영시간은 여러 parameter의 영향을 받지만, 기본적으로 많은 phase encoding step을 반복해서 데이터를 획득해야 하기 때문에 시간이 필요합니다.
기존 SE에서는 하나의 TR에서 상대적으로 적은 수의 K-space line을 획득합니다.
반면 TSE/FSE에서는 하나의 TR에서 여러 개의 Echo를 이용하여 여러 K-space line을 채울 수 있습니다.
따라서 전체 촬영시간을 크게 줄일 수 있습니다.
간단하게 표현하면
SE
한 번의 TR → 적은 양의 K-space 데이터 획득
TSE/FSE
한 번의 TR → 여러 개의 K-space 데이터 획득
이라고 생각하면 됩니다.
4. Echo Train이란?
TSE/FSE에서 반드시 알아야 하는 용어가
Echo Train
입니다.
하나의 excitation 뒤에 연속적으로 발생하는 여러 개의 Echo를 말합니다.
예를 들어
90°
↓
Echo 1
↓
Echo 2
↓
Echo 3
↓
Echo 4
↓
Echo 5
처럼 여러 Echo가 이어진다면 이것을 하나의 Echo Train으로 생각할 수 있습니다.
이때 Echo가 몇 개 이어지는지가 TSE/FSE의 중요한 특징이 됩니다.
5. Echo Train Length, ETL
Echo Train과 함께 반드시 알아야 하는 것이
ETL(Echo Train Length)
입니다.
ETL은 쉽게 말해
한 번의 TR에서 획득하는 Echo의 개수
를 의미합니다.
예를 들어 ETL이 8이라면 하나의 excitation 과정에서 8개의 Echo를 이용해 K-space 데이터를 획득하는 방식입니다.
ETL이 증가하면 일반적으로 더 많은 K-space line을 한 번의 TR에서 채울 수 있기 때문에
촬영시간을 줄일 수 있습니다.
하지만 ETL을 무조건 크게 설정하는 것이 항상 좋은 것은 아닙니다.
영상의 blurring이나 contrast 등에 영향을 줄 수 있기 때문입니다.
6. ETL이 증가하면 촬영시간은 어떻게 될까?
일반적인 개념으로 보면
ETL 증가 → 촬영시간 감소
라는 관계가 있습니다.
예를 들어 동일한 조건에서
ETL 4
보다
ETL 8
을 사용하면 한 번의 TR에서 더 많은 데이터를 얻을 수 있습니다.
따라서 필요한 TR 반복 횟수가 줄어들어 촬영시간을 단축할 수 있습니다.
하지만 실제 촬영시간은
- TR
- Echo Train Length
- Phase matrix
- NEX
- Parallel imaging
- Partial Fourier
- Acceleration factor
등 여러 요소의 영향을 받습니다.
따라서 ETL만으로 실제 촬영시간을 판단해서는 안 됩니다.
7. TSE에서 Echo마다 다른 K-space 데이터를 얻는다
TSE/FSE의 중요한 특징 중 하나입니다.
연속적으로 발생하는 여러 Echo를 단순히 같은 데이터를 반복해서 얻는 것이 아닙니다.
각 Echo를 이용하여 서로 다른 phase encoding을 적용하고 K-space의 서로 다른 부분을 채웁니다.
결국 여러 Echo를 이용하여 하나의 K-space를 빠르게 완성하게 됩니다.
이것이 TSE/FSE의 핵심적인 원리입니다.
8. Effective TE란?
TSE/FSE를 공부하다 보면
Effective TE
라는 용어를 만나게 됩니다.
특히 T2-weighted TSE 영상에서 매우 중요한 개념입니다.
TSE에서는 여러 개의 Echo가 존재하기 때문에
"TE가 정확히 어느 Echo의 TE인가?"
라는 문제가 생깁니다.
이때 영상의 주요 contrast에 가장 큰 영향을 미치는 K-space 중심부를 어느 Echo에서 채웠는지가 중요합니다.
이를 반영하는 개념이
Effective TE
입니다.
쉽게 말하면
K-space 중심부가 획득된 Echo의 시간
이 영상 contrast를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.
9. 왜 K-space 중심부가 중요할까?
K-space의 모든 데이터가 영상에 동일한 역할을 하는 것은 아닙니다.
일반적으로
K-space 중심부
는 영상의 전체적인 신호 강도와 contrast에 중요한 영향을 미치고,
K-space 주변부
는 공간해상도와 세부적인 구조 표현에 더 큰 영향을 줍니다.
따라서 TSE에서는 여러 Echo 중 어느 시점에 K-space 중심부를 채우느냐가 최종 영상의 contrast에 영향을 줄 수 있습니다.
이 때문에 TSE의 TE를 이해할 때는 단순한 "Echo 발생 시간"뿐만 아니라
Effective TE와 K-space filling
을 함께 이해하는 것이 중요합니다.
10. T2-weighted TSE
임상 MRI에서 TSE/FSE는 특히 T2-weighted 영상에 많이 활용됩니다.
일반적으로
긴 TR + 긴 Effective TE
를 이용하여 T2 weighting을 강조합니다.
T2-weighted TSE에서는 물 성분이 밝게 나타나는 특징을 관찰할 수 있습니다.
예를 들어
- CSF
- 관절액
- 부종
- 일부 염증성 병변
등이 밝게 나타나는 경우가 있습니다.
다만 병변의 신호는 조직 특성과 sequence 조건에 따라 달라질 수 있습니다.
11. T1-weighted TSE
TSE/FSE는 T2 영상에만 사용되는 것이 아닙니다.
T1-weighted TSE 영상도 가능합니다.
일반적으로
짧은 TR + 짧은 Effective TE
를 이용하여 T1 weighting을 강조합니다.
대표적으로
- Brain T1
- Spine T1
- Abdomen T1
- 관절 및 근골격계
등 다양한 검사에서 활용될 수 있습니다.
12. PD-weighted TSE
TSE/FSE는 PD(Proton Density)-weighted 영상에서도 많이 사용됩니다.
일반적으로
긴 TR + 짧은 TE
조건을 이용하여 T1과 T2의 영향을 상대적으로 줄이고 proton density 차이를 강조하는 방향으로 촬영합니다.
특히 관절 MRI에서 PD TSE 계열 영상이 흔히 사용됩니다.
필요에 따라 fat suppression을 추가하여
PD FS
와 같은 영상을 만들기도 합니다.
13. TSE와 Fat Suppression
TSE/FSE는 다양한 Fat Suppression 기법과 함께 사용할 수 있습니다.
예를 들어
- T2 TSE FS
- PD TSE FS
- T1 TSE FS
등의 방식입니다.
특히 근골격계 MRI에서는 지방 신호를 억제하면
부종이나 염증, 골수 병변 등의 병변 대비를 높이는 데
도움이 될 수 있습니다.
다만 실제 영상에서는 사용한 fat suppression 방식과 장비 특성에 따라 영상 품질이 달라질 수 있습니다.
14. TSE의 장점
TSE/FSE의 가장 큰 장점은 역시
촬영시간 단축
입니다.
그 밖에도 다음과 같은 장점이 있습니다.
① 검사시간 감소
여러 Echo를 한 번에 획득하기 때문에 기존 SE보다 빠르게 촬영할 수 있습니다.
② SE 계열의 영상 특성
180° refocusing pulse를 이용하기 때문에 GRE 계열과 비교했을 때 susceptibility 영향에 상대적으로 강한 편입니다.
③ 다양한 Contrast
T1, T2, PD 등 다양한 영상 contrast를 만들 수 있습니다.
④ 임상 활용도가 높음
Brain, Spine, Joint, Abdomen 등 다양한 부위의 MRI 검사에서 활용됩니다.
15. TSE의 단점
빠른 촬영이 가능하다고 해서 단점이 없는 것은 아닙니다.
대표적으로
Blurring
이 있습니다.
Echo Train이 길어질수록 서로 다른 시간대에 획득된 데이터가 하나의 영상에 사용됩니다.
이 과정에서 T2 decay 등의 영향을 받으면서 영상의 세부 구조가 약간 흐릿하게 나타날 수 있습니다.
특히 ETL이 너무 길어지면 이런 현상이 더 눈에 띌 수 있습니다.
16. ETL과 Blurring의 관계
일반적인 개념으로 보면
ETL 증가
↓
촬영시간 감소
하지만
ETL 증가
↓
더 긴 Echo Train
↓
T2 decay 영향 증가
↓
Blurring 증가 가능성
이라는 관계가 있습니다.
따라서 촬영 protocol을 설정할 때는
빠른 촬영
과
영상 품질
사이의 균형을 고려해야 합니다.
17. TSE와 SAR
TSE/FSE에서는 180° refocusing pulse를 여러 번 사용합니다.
따라서 RF energy가 많이 사용될 수 있고,
이에 따라 SAR(Specific Absorption Rate)가 중요한 문제가 될 수 있습니다.
특히
- 높은 Field Strength
- 긴 Echo Train
- 많은 Refocusing Pulse
등에서는 SAR 제한을 고려해야 합니다.
장비에 따라 refocusing pulse의 flip angle을 조절하거나 sequence parameter를 변경하여 SAR을 관리하기도 합니다.
18. Variable Refocusing Flip Angle
최근의 TSE/FSE sequence에서는 모든 refocusing pulse를 반드시 동일한 180°로 사용하는 것은 아닙니다.
Variable Refocusing Flip Angle
을 사용하는 방식도 있습니다.
Refocusing pulse의 flip angle을 조절하면
- SAR 감소
- 영상 contrast 조절
- Echo Train 최적화
- 촬영시간 및 영상 품질 조절
등에 활용할 수 있습니다.
따라서 실제 MRI 장비에서 표시되는 TSE sequence는 기본적인 교과서의 SE와 완전히 동일한 형태로만 동작한다고 생각하면 안 됩니다.
19. TSE와 SE의 차이
| 구분 | SE | TSE/FSE |
| 기본 RF | 90° + 180° | 90° + 여러 refocusing pulse |
| Echo | 상대적으로 적음 | 여러 Echo |
| ETL | 일반적으로 1 | 여러 개 |
| 촬영시간 | 상대적으로 김 | 짧음 |
| 영상 특성 | 기본 SE contrast | SE 계열 contrast |
| SAR | 상대적으로 낮음 | 증가 가능 |
| Blurring | 상대적으로 적음 | ETL 증가 시 증가 가능 |
| 임상 활용 | 기본 sequence | 매우 광범위 |
20. TSE/FSE와 GRE의 차이
TSE/FSE와 GRE를 비교하면 더욱 쉽게 이해할 수 있습니다.
TSE/FSE
180° refocusing RF pulse
를 이용하여 Spin Echo를 만듭니다.
GRE
Gradient reversal
을 이용하여 Gradient Echo를 만듭니다.
따라서 두 sequence는 Echo를 만드는 원리가 다릅니다.
이 차이는
- susceptibility
- T2* 영향
- SAR
- 촬영시간
- 영상 contrast
등 여러 부분에서 차이를 만들어냅니다.
21. MRI Parameters와 TSE
TSE/FSE를 이해하려면 앞에서 공부했던 parameter와 연결해서 보는 것이 좋습니다.
TR
T1 weighting과 촬영시간 등에 영향을 줍니다.
TE
특히 T2 weighting에서 중요한 역할을 합니다.
Effective TE
TSE 영상의 실제 contrast를 이해하는 데 중요한 parameter입니다.
ETL
한 번의 TR에서 몇 개의 Echo를 이용하는지를 나타냅니다.
Matrix
K-space를 채우는 데이터의 양과 공간해상도에 영향을 줍니다.
NEX
같은 데이터를 반복 획득하는 횟수와 관련되며 SNR 및 촬영시간에 영향을 줍니다.
FOV
촬영 범위를 결정하며 spatial resolution과도 연결됩니다.
즉 MRI parameter들은 각각 독립적으로 존재하는 것이 아니라 서로 영향을 주고받습니다.
22. TSE를 쉽게 기억하는 방법
TSE/FSE를 처음 공부한다면 복잡하게 생각하지 않아도 됩니다.
다음 흐름을 기억해 보세요.
90° RF pulse
↓
180° refocusing pulse
↓
Echo 1
↓
180° refocusing pulse
↓
Echo 2
↓
180° refocusing pulse
↓
Echo 3
↓
여러 Echo를 이용해
K-space를 빠르게 채운다
이것이 TSE/FSE의 핵심입니다.
23. TSE/FSE 핵심 정리
TSE는 Turbo Spin Echo,
FSE는 Fast Spin Echo입니다.
기본적인 SE sequence를 빠르게 발전시킨 sequence입니다.
가장 중요한 특징은
하나의 excitation 뒤에 여러 개의 refocusing pulse를 사용하여 여러 Echo를 획득한다는 것
입니다.
그리고 각각의 Echo를 이용해 K-space의 여러 부분을 채웁니다.
이 때문에 기존 SE보다 촬영시간을 크게 줄일 수 있습니다.
다만 ETL을 지나치게 증가시키면
blurring
이나 contrast 변화가 발생할 수 있고,
여러 refocusing pulse 때문에
SAR
도 중요한 고려사항이 됩니다.
마무리
MRI Pulse Sequence를 공부할 때 SE를 이해했다면 그다음 단계가 바로 TSE/FSE입니다.
SE가 MRI Spin Echo의 기본 원리를 보여주는 sequence라면,
TSE/FSE는 그 원리를 이용하면서 여러 Echo를 한 번에 획득하여 촬영시간을 줄인 sequence라고 생각하면 됩니다.
특히 다음 네 가지를 기억하면 TSE/FSE의 기본 개념을 대부분 이해할 수 있습니다.
SE + 여러 Refocusing Pulse
여러 Echo 획득
K-space를 빠르게 채움
ETL 증가 → 촬영시간 감소 가능, 그러나 Blurring과 SAR 등을 고려
앞으로 MRI sequence를 공부할 때는 단순히 sequence 이름을 암기하기보다
RF pulse가 어떻게 들어가는지
Echo가 어떻게 만들어지는지
K-space를 어떻게 채우는지
어떤 TE가 contrast를 결정하는지
를 연결해서 이해하는 것이 중요합니다.
다음 편에서는 TSE/FSE와 자주 비교되는 GRE(Gradient Echo)를 살펴보면서, Spin Echo와 Gradient Echo가 어떻게 다른지 쉽게 정리해 보겠습니다.
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 sequence의 명칭, parameter 및 구현 방식은 MRI 제조사와 장비에 따라 차이가 있을 수 있습니다.
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