MRI GE(Gradient Echo)란? SE와 다른 Echo 생성 원리 쉽게 이해하기
GE (Gradient Echo), FE (Field Echo)
위 그림은 GE sequence diagram 이다.
임의의 αo RF pulse를 주면 이 pulse에 의해서 FID signal이 나오는데 이때 사용된 αo pulse 의 Flip Angle은 90°보다 작은 각도이다.
생성된 FID signal이 Dephasing 되는 것을 SE 처럼 기다리는 것이 아니라 Dephasing gradient를 이용하여 강제Dephasing 시킨다.
위 그림은 Dephasing gradient를 나타낸 것이다.
여기 pulse를 주고 난 후 각 조직의 원자핵들은 Mxy 평면에서 처음에는 같은 위상에 있다가 시간이 지나며 흩어지는데, 가)는 Gradient를 가하지 않은 상태에 모든 조직의 원자핵은 In phase 상태이다.
여기에 나)와 같이 Dehpasing 시키는 Gradient가 걸리면 Gradient 세기가 높은 쪽의 원자핵은 빨리 돌고 낮은 세기가 있는 쪽은 느리게 움직이므로 결국 FID signal은 감소된다.
그 다음에 FID signal을 다시 모아 echo를 얻기 위해 Rephasing gradient를 걸어 주어야 하는데 SE 에서는 180°를 이용했지만 GE는 Rephasing gradient를 이용한다.
위 그림은 Rephasing gradient를 나타낸 것이다.
가)는 Dephasing gradient에 의해 자장의 세기가 높은 쪽의 원자핵은 빠르게 돌고 낮은 쪽 은 느리게 도는데
나) 처럼 Dephasing과 반대의 Gradient를 걸어주면
가) 에서 빨리 돌던 원자핵은 느리게, 또 느리게 돌던 원자핵은 빨리 돌아 결국은 Gradient가 가하지 않는 상태
즉 다)와 같이 되는데 이렇게 원자핵이 한곳에 있을 때 (In phase)가 가장 신호가 크다.
이때 생성된 echo를 Gradient echo라고 한다.
GE는 TR, TE 그리고 Flip Angle를 적절히 조절 하여 T1weighted Image와 T2* 그리고 Proton Density weighted Image 를 얻을 수 있다.
T2* : 순수한 T2현상에서 얻은 신호가 아니라, 영상 내 에 Static magnetic field inhomogeneities가 포함된 것을 의미한다.
MRI Parameters 부가인자
GE(Gradient Echo)와 FE(Field Echo)란? SE와 무엇이 다를까
MRI Pulse Sequence를 공부하다 보면 GE(Gradient Echo)라는 용어를 자주 접하게 됩니다.
그런데 장비나 교재에 따라 FE(Field Echo)라는 표현도 사용됩니다.
처음 MRI를 공부하는 입장에서는
"GE와 FE가 서로 다른 Sequence인가?"
라는 의문이 생길 수 있습니다.
결론부터 말하면 GE와 FE는 기본적으로 Gradient를 이용해 Echo를 만드는 계열을 가리키는 용어이며, 제조사나 문헌에 따라 표현이 달라질 수 있습니다.
이번 글에서는 GE와 FE의 기본 원리부터 SE와의 차이, Flip Angle, TR, TE, Gradient Rephasing까지 연결해서 정리해 보겠습니다.
1. GE(Gradient Echo)란?
GE는
Gradient Echo
의 약자입니다.
SE(Spin Echo)가 RF Pulse와 180° Refocusing Pulse를 이용하여 Echo를 만드는 것과 달리, GE는 Gradient의 방향과 세기를 조절하여 dephasing과 rephasing을 만들고 Echo를 형성합니다.
쉽게 말하면
SE = 180° RF Pulse로 Echo 형성
GE = Gradient로 Echo 형성
이라고 이해하면 됩니다.
2. GE의 기본 원리
GE의 기본적인 흐름은 다음과 같습니다.
RF Pulse
↓
Transverse Magnetization 형성
↓
Gradient를 이용한 Dephasing
↓
Gradient 방향을 반대로 바꾸어 Rephasing
↓
Gradient Echo 발생
↓
Signal acquisition
여기서 중요한 점은
180° RF Refocusing Pulse가 반드시 필요하지 않다는 것
입니다.
이것이 SE와 GE의 가장 중요한 차이 중 하나입니다.
3. SE와 GE의 차이
두 Sequence를 비교하면 쉽게 이해할 수 있습니다.
| 구분 | SE | GE |
| Echo 생성 | RF Refocusing | Gradient Rephasing |
| 180° Pulse | 사용 | 일반적인 GE에서는 사용하지 않음 |
| Flip Angle | 일반적으로 90° | 90°보다 작은 경우 많음 |
| TR | 비교적 길게 설정 가능 | 짧게 설정 가능 |
| 촬영시간 | 상대적으로 길 수 있음 | 짧은 촬영 가능 |
| T2 효과 | T2 | T2* |
| Susceptibility 영향 | 상대적으로 적음 | 상대적으로 큼 |
따라서 GE는 빠른 촬영이 필요한 MRI 검사에서 매우 중요한 역할을 합니다.
4. GE에서 Flip Angle이 중요한 이유
GE를 이해할 때 TR과 함께 반드시 알아야 할 parameter가
Flip Angle
입니다.
SE에서는 일반적으로 90° RF Pulse를 이용하지만 GE에서는 반드시 90°를 사용할 필요가 없습니다.
예를 들어
10°
20°
30°
60°
등 다양한 Flip Angle을 사용할 수 있습니다.
Flip Angle을 조절하면
- Signal intensity
- T1 weighting
- SNR
- 촬영시간
- Contrast
등에 영향을 줄 수 있습니다.
따라서 GE에서는
TR + TE + Flip Angle
의 조합이 매우 중요합니다.
5. GE에서 작은 Flip Angle을 사용하는 이유
GE에서는 작은 Flip Angle을 사용하면 한 번의 RF Pulse에서 자화를 모두 뒤집지 않기 때문에 다음 RF Pulse를 비교적 빠르게 적용할 수 있습니다.
즉,
작은 Flip Angle
짧은 TR
을 이용하면 빠른 반복 촬영이 가능합니다.
이러한 특성 때문에 GE는
- Dynamic MRI
- 조영증강 MRI
- MR Angiography
- Cardiac MRI
- 3D MRI
등 다양한 검사에 활용됩니다.
6. GE에서 TE도 중요하다
GE에서는 TE(Echo Time)도 중요한 parameter입니다.
TE는
RF Pulse를 가한 후 Echo Signal을 측정하는 시점까지의 시간
입니다.
GE에서는 특히 TE가 영상의 T2* 효과에 영향을 줍니다.
짧은 TE
Susceptibility 효과가 상대적으로 감소하고 T1-weighted GE 등에 활용될 수 있습니다.
긴 TE
T2* 및 susceptibility 효과가 상대적으로 강조됩니다.
따라서 GE에서
TR + TE + Flip Angle
을 함께 봐야 영상의 특성을 이해할 수 있습니다.
7. GE는 T2가 아니라 T2*에 민감하다
GE의 중요한 특징 중 하나가
T2 effect*
입니다.
SE에서는 180° Refocusing Pulse가 자기장 불균일 등에 의해 발생한 일부 dephasing을 다시 모아주기 때문에 T2* 효과가 어느 정도 보정됩니다.
하지만 일반적인 GE에는 이러한 180° RF Refocusing Pulse가 없기 때문에
자기장 불균일
이나
Susceptibility 차이
의 영향을 더 크게 받습니다.
따라서 GE의 Echo는 일반적으로
T2 Echo*
라고 이해합니다.
8. T2와 T2*의 차이
간단하게 구분하면 다음과 같습니다.
T2
Spin-spin interaction에 의한 transverse magnetization의 감소를 반영합니다.
T2*
T2 relaxation뿐 아니라
자기장 불균일 등에 따른 추가적인 dephasing
까지 포함합니다.
즉,
T2*는 T2보다 더 빠르게 신호가 감소합니다.
따라서 같은 조건이라면 GE는 SE보다 susceptibility에 민감합니다.
9. GE가 Susceptibility에 민감한 이유
GE는 180° Refocusing Pulse를 사용하지 않기 때문에 작은 자기장 차이에 의해 발생한 phase dispersion이 그대로 영상 신호 감소에 영향을 줄 수 있습니다.
이 특성은 단점만 있는 것은 아닙니다.
오히려 이러한 민감성을 이용하여
- 미세출혈
- 혈액 성분 변화
- 철 침착
- 정맥 구조
- Susceptibility 변화
등을 평가하는 데 활용할 수 있습니다.
특히 Brain MRI에서
GRE
또는
T2 GRE*
계열 영상이 활용되는 이유입니다.
10. GRE란?
GE와 비슷한 표현으로
GRE(Gradient Recalled Echo)
라는 용어가 있습니다.
말 그대로
Gradient를 이용하여 Echo를 다시 형성한다
는 의미입니다.
따라서
GE = Gradient Echo
GRE = Gradient Recalled Echo
는 서로 밀접한 개념입니다.
임상 및 장비 제조사에 따라 용어와 세부 구현 방식은 조금씩 달라질 수 있습니다.
11. FE(Field Echo)란?
이번에는 FE를 살펴보겠습니다.
FE = Field Echo
라는 표현입니다.
MRI 장비나 일부 교재에서는 Gradient Echo 계열을 설명하면서
Field Echo
라는 용어를 사용하기도 합니다.
여기서 중요한 것은 이름 때문에 완전히 다른 원리라고 생각하지 않는 것입니다.
기본적으로 FE 역시
Gradient를 이용해 Echo를 형성하는 방식
을 설명하는 용어로 사용됩니다.
따라서 문헌이나 장비에서
FE
라고 표시되어 있다면 해당 장비에서 사용하는 명칭과 Sequence의 세부 구조를 확인하는 것이 좋습니다.
12. GE와 FE는 같은 것인가?
기본 개념에서는
GE와 FE는 Gradient를 이용해 Echo를 형성하는 계열
이라는 점에서 서로 연결됩니다.
하지만 모든 GE Sequence와 모든 FE Sequence가 임상적으로 완전히 동일한 설정이나 구현을 가진다고 단정해서는 안 됩니다.
MRI 제조사마다 Sequence 이름과 구현 방식이 다르기 때문입니다.
예를 들어 제조사에 따라
- GRE
- SPGR
- FSPGR
- FLASH
- TFE
- FFE
등 다양한 명칭이 사용됩니다.
따라서 실제 장비에서 Sequence 이름을 볼 때는
이름만 보는 것이 아니라 TR, TE, Flip Angle, preparation pulse, k-space acquisition 방식 등을 함께 확인하는 것
이 중요합니다.
13. GE의 가장 큰 장점은 빠른 촬영
GE의 중요한 장점은
짧은 TR과 작은 Flip Angle을 이용한 빠른 촬영
이 가능하다는 것입니다.
이러한 특징 때문에 움직임이 있는 장기나 시간에 따른 변화를 관찰해야 하는 검사에서 특히 유용합니다.
대표적으로
Dynamic Contrast MRI
조영제가 혈관을 통과하는 시간에 따라 여러 영상을 빠르게 획득할 수 있습니다.
MR Angiography
혈관의 흐름과 혈액의 특성을 이용하여 혈관 영상을 얻는 데 활용됩니다.
Cardiac MRI
심장의 움직임을 고려하여 빠르게 영상을 획득하는 데 사용할 수 있습니다.
3D MRI
얇은 단면과 높은 공간해상도의 3D 영상을 획득하는 데 활용됩니다.
14. GE와 T1-weighted Image
GE에서는 TR과 Flip Angle을 적절하게 설정하면
T1-weighted contrast
를 만들 수 있습니다.
대표적으로
짧은 TR + 짧은 TE + 적절한 Flip Angle
조합을 이용할 수 있습니다.
특히 조영증강 MRI에서 T1-weighted 3D GRE 계열 sequence가 널리 사용됩니다.
예를 들어 Brain MRI나 Abdomen MRI에서
3D T1-weighted GRE
를 이용하여 조영증강 영상을 획득하는 경우가 있습니다.
15. GE와 Fat Suppression
GE는 Fat Suppression과 결합하여 사용할 수도 있습니다.
예를 들어
T1-weighted 3D GRE + Fat Suppression
형태로 사용하면 지방 신호를 억제하면서 조영증강된 병변이나 혈관 구조 등을 보다 명확하게 평가할 수 있습니다.
따라서 실제 MRI protocol에서
3D T1 FS GRE
와 같은 이름을 볼 수 있습니다.
여기서 각각의 의미를 분리해서 보면 이해하기 쉽습니다.
3D
3차원 데이터 획득
T1
T1-weighted contrast
FS
Fat Suppression
GRE
Gradient Echo
즉,
3D T1 FS GRE = 지방 억제가 적용된 3차원 T1-weighted Gradient Echo 계열 영상
이라고 이해할 수 있습니다.
16. GE와 BOLD MRI
GE의 T2* 민감성은 기능적 MRI에서도 중요합니다.
대표적인 것이
BOLD(Blood Oxygenation Level Dependent)
기법입니다.
뇌가 활성화되면 해당 부위의 혈류와 산소화 상태가 변화하고, 이에 따른 국소적인 susceptibility 변화가 MRI 신호에 영향을 줍니다.
이러한 미세한 T2* 변화에 민감한 GE-EPI 계열 sequence가 fMRI에서 널리 사용됩니다.
즉,
GE의 단점처럼 보였던 susceptibility 민감성
이 오히려 fMRI에서는 중요한 장점으로 활용되는 것입니다.
17. GE와 EPI
GE를 공부하다 보면
EPI(Echo Planar Imaging)
라는 용어도 만나게 됩니다.
EPI는 매우 빠른 영상 획득 방식으로, Gradient를 빠르게 변화시키면서 많은 k-space 데이터를 짧은 시간에 획득합니다.
대표적으로
- Diffusion MRI
- fMRI
- Perfusion MRI
등에서 활용됩니다.
특히 일반적인 GE-EPI는 susceptibility artifact에 민감할 수 있기 때문에 Brain MRI에서
Air-bone interface
가 있는 부위나 금속 주변에서 왜곡이 크게 나타날 수 있습니다.
18. GE의 단점
GE는 빠른 촬영이라는 장점이 있지만 몇 가지 단점도 있습니다.
① Susceptibility artifact
자기장 불균일에 민감하기 때문에 susceptibility artifact가 크게 나타날 수 있습니다.
② T2* effect
SE보다 T2* 영향이 커서 영상의 신호 감소가 빠르게 발생할 수 있습니다.
③ B0 불균일 영향
주자기장의 불균일이 영상에 영향을 줄 수 있습니다.
④ 금속 주변 Artifact
금속이나 공기와 조직의 경계에서 신호 손실 및 왜곡이 증가할 수 있습니다.
따라서 검사 목적에 따라 GE와 SE 계열을 적절하게 선택해야 합니다.
19. GE의 핵심 Parameter 정리
GE에서 특히 중요하게 보는 parameter는 다음과 같습니다.
| Parameter | 주요 역할 |
| TR | 반복 촬영 간격, T1 weighting 및 촬영시간에 영향 |
| TE | T2* 및 susceptibility 효과에 영향 |
| Flip Angle | T1 contrast, Signal, SNR 등에 영향 |
| FOV | 촬영 범위 |
| Matrix | 공간해상도 |
| NEX | SNR 및 촬영시간에 영향 |
| Bandwidth | SNR, chemical shift, artifact 등에 영향 |
앞에서 공부했던 MRI Parameters가 GE에서도 그대로 연결됩니다.
20. GE를 SE와 비교해서 기억하기
MRI Sequence를 공부할 때 가장 쉽게 기억하는 방법은 Echo를 어떻게 만드는지를 비교하는 것입니다.
SE
90° RF Pulse
↓
자화 형성
↓
180° Refocusing Pulse
↓
Spin Rephasing
↓
Spin Echo
GE
RF Pulse
↓
자화 형성
↓
Gradient Dephasing
↓
Gradient Rephasing
↓
Gradient Echo
이 차이를 이해하면 GE의 특징도 자연스럽게 연결됩니다.
21. GE를 공부할 때 꼭 기억할 5가지
첫째,
GE는 Gradient Echo의 약자입니다.
둘째,
180° RF Refocusing Pulse 없이 Gradient를 이용하여 Echo를 형성하는 것이 기본적인 특징입니다.
셋째,
GE는 T2보다 T2 효과에 민감합니다.*
넷째,
짧은 TR과 작은 Flip Angle을 이용하여 빠른 촬영이 가능합니다.
다섯째,
Susceptibility에 민감하다는 특성을 이용해 GRE, EPI, fMRI 등 다양한 검사에 활용됩니다.
마무리
GE(Gradient Echo)는 MRI에서 매우 중요한 Pulse Sequence입니다.
SE가
180° RF Refocusing Pulse
를 이용해 Echo를 만드는 방식이라면,
GE는
Gradient의 Dephasing과 Rephasing
을 이용하여 Echo를 만듭니다.
따라서 GE에서는
TR + TE + Flip Angle
의 관계가 특히 중요합니다.
또한 180° RF Refocusing Pulse를 사용하지 않기 때문에 *T2 및 susceptibility effect에 민감하다**는 특징을 가지고 있습니다.
이러한 특성 때문에 GE는
Dynamic MRI, 3D T1 MRI, MRA, Cardiac MRI, GRE, EPI, fMRI
등 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.
그리고 FE(Field Echo)라는 표현을 만났을 때는 GE와 완전히 별개의 원리라고 생각하기보다는, 해당 MRI 장비나 문헌에서 Gradient Echo 계열을 어떻게 명명하고 있는지 확인하는 것이 좋습니다.
MRI Sequence를 제대로 이해하려면 Sequence 이름을 외우는 것보다
어떤 RF Pulse를 사용하고, 어떤 Gradient를 이용하며, 어떤 방식으로 Echo를 만드는가
를 이해하는 것이 가장 중요합니다.
다음 편에서는 GE와 밀접하게 연결되는 GRE의 종류와 Spoiled GRE, Balanced GRE, SSFP의 차이를 중심으로 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 제조사별 Sequence 기술자료
- 본 글은 MRI 원리를 이해하기 위한 교육용 콘텐츠이며, 실제 Sequence 명칭과 구현 방법은 제조사와 장비에 따라 차이가 있을 수 있습니다.
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