MRI Shimming 쉽게 이해하기, 왜 자기장 균일성이 중요할까?
MRI 자장 보정(Shimming)이란? 균일한 자기장을 만드는 이유
MRI 검사를 받을 때 환자는 강한 자기장 속에 들어가게 됩니다.
MRI에서 중요한 것은 단순히 강한 자기장을 만드는 것만이 아닙니다.
그보다 중요한 요소 중 하나가 바로 자기장이 검사 영역 전체에서 얼마나 균일하게 유지되는가입니다.
자기장이 균일하지 않으면 수소 원자핵의 공명 주파수가 위치에 따라 달라지고, 신호의 위상과 주파수에도 영향을 주어 영상의 품질이 떨어질 수 있습니다.
이때 사용하는 기술이 바로 Shimming, 자장 보정입니다.
쉽게 말하면,
Shimming = MRI 검사 영역의 자기장을 최대한 균일하게 만들어 주는 과정
이라고 이해하면 됩니다.
1. MRI에서 왜 자기장 균일성이 중요할까?
MRI에서는 강한 정자기장인 B0를 이용합니다.
B0가 균일하다면 같은 종류의 수소 원자핵은 비슷한 라모어 주파수로 세차운동하게 됩니다.
하지만 실제 MRI 장비에서는 자기장이 완벽하게 균일하지 않습니다.
여러 가지 원인으로 인해 검사 영역 안에서 자기장의 세기가 조금씩 달라질 수 있습니다.
예를 들어
- MRI 장비 자체의 자석 특성
- 자석 주변의 금속 물질
- 환자의 신체 구조
- 조직과 공기 사이의 자기적 특성 차이
- 환자의 위치
- 검사 부위
등이 자기장 균일성에 영향을 줄 수 있습니다.
따라서 MRI에서는 검사 전에 또는 검사 과정에서 B0의 불균일성을 보정하는 과정이 필요합니다.
이것이 Shimming입니다.
2. Shimming의 기본 개념
Shimming을 아주 쉽게 생각하면 울퉁불퉁한 바닥을 평평하게 만드는 작업과 비슷합니다.
MRI의 B0 자기장이 완벽하게 균일하다면 평평한 바닥과 같습니다.
하지만 실제로는 미세한 높낮이 차이가 존재합니다.
Shimming은 이러한 차이를 줄여서
B0 자기장을 가능한 한 균일하게 만드는 과정
입니다.
즉,
불균일한 B0
↓
자장 측정
↓
불균일성 분석
↓
보정 자기장 적용
↓
균일해진 B0
라는 과정으로 이해할 수 있습니다.
3. MRI의 자기장은 왜 불균일해질까?
MRI에서 자장 불균일성은 크게 두 가지 관점에서 생각할 수 있습니다.
① 장비 자체에서 발생하는 불균일성
초전도 자석을 사용하더라도 자석 전체의 자기장이 완벽하게 동일하지는 않습니다.
자석의 구조와 제작 과정에서 미세한 자기장 차이가 발생할 수 있습니다.
이를 주자장 자체의 불균일성이라고 볼 수 있습니다.
② 환자가 들어오면서 발생하는 불균일성
환자의 몸은 다양한 조직으로 구성되어 있습니다.
특히
공기와 조직의 경계
에서는 자기적 특성의 차이가 크게 나타날 수 있습니다.
이러한 차이는 국소적인 자기장 불균일성을 만들어낼 수 있습니다.
대표적으로
- 뇌와 부비동 주변
- 두경부
- 흉부
- 복부
등은 자장 불균일성의 영향을 받기 쉬운 부위입니다.
4. Shimming은 어떻게 자기장을 보정할까?
MRI에는 자기장을 미세하게 조절할 수 있는 Shim 시스템이 있습니다.
기본적으로 Shimming은 검사 영역의 자기장 분포를 측정한 다음 불균일성을 줄이는 방향으로 보정합니다.
이를 위해 MRI에서는 다양한 Shim Coil 또는 Shim 장치를 사용합니다.
Shim coil은 주자장 B0에 작은 보정 자기장을 추가합니다.
쉽게 말하면
기존 B0 + 보정 자기장 = 보다 균일한 자기장
이 되는 것입니다.
중요한 점은 Shimming이 주자장을 크게 바꾸는 것이 아니라 미세한 불균일성을 보정하는 작업이라는 것입니다.
5. Passive Shimming과 Active Shimming
MRI의 Shimming은 크게 Passive Shimming과 Active Shimming으로 구분할 수 있습니다.
Passive Shimming
MRI 장비를 설치하거나 조정하는 과정에서 특정 위치에 작은 자성체 또는 금속성 shim material을 배치하여 자기장 불균일성을 보정하는 방식입니다.
자석의 자기장 분포에 맞춰 적절한 위치에 shim material을 배치하여 B0를 균일하게 만드는 방식입니다.
따라서 장비 설치와 초기 자장 조정 과정에서 중요합니다.
Active Shimming
Shim Coil에 전류를 흘려 보정 자기장을 만드는 방식입니다.
전류의 크기 등을 조절하여 자기장 불균일성을 보정합니다.
Passive Shim과 달리 전기적으로 보정량을 조절할 수 있다는 특징이 있습니다.
현대 MRI에서는 Active Shimming이 중요한 역할을 합니다.
6. Global Shim과 Local Shim
Shimming은 보정 범위에 따라서도 생각할 수 있습니다.
Global Shim
검사 영역 전체 또는 비교적 넓은 영역의 자기장 균일성을 개선하는 방식입니다.
MRI 시스템의 전반적인 B0 균일성을 확보하는 데 중요합니다.
Local Shim
특정 검사 부위 또는 관심 영역에 초점을 맞춰 자기장을 보정하는 방식입니다.
예를 들어 뇌 MRI에서는 특정 부위의 자장 불균일성을 개선하기 위해 Local Shim을 사용할 수 있습니다.
따라서
Global Shim = 넓은 영역의 보정
Local Shim = 특정 관심 영역의 보정
이라고 이해하면 쉽습니다.
7. Shimming과 Larmor Frequency의 관계
앞서 MRI의 공명(Resonance)과 Larmor Frequency를 공부했다면 Shimming의 중요성을 더욱 쉽게 이해할 수 있습니다.
수소 원자핵의 라모어 주파수는 자기장 세기에 비례합니다.
즉,
B0가 달라지면 → Larmor Frequency도 달라집니다.
그런데 검사 영역 안에서 B0가 위치에 따라 달라지면 수소 원자핵의 공명 주파수도 조금씩 달라집니다.
그러면 MRI가 원하는 주파수에서 신호를 정확하게 수집하기 어려워질 수 있습니다.
따라서
B0 균일성 확보
↓
Larmor Frequency의 균일성 향상
↓
공명 및 신호 측정 안정성 향상
이라는 관계가 만들어집니다.
8. Shimming과 MRI 영상 품질
자장 불균일성이 심하면 MRI 영상에서 여러 가지 문제가 발생할 수 있습니다.
대표적으로
- 영상 왜곡
- 신호 손실
- 주파수 차이에 따른 artifact
- 지방억제 불균일
- Susceptibility artifact 증가
- Spectroscopy 품질 저하
등이 나타날 수 있습니다.
특히 Fat Saturation을 사용하는 영상에서는 자장 균일성이 매우 중요합니다.
왜냐하면 지방억제는 특정 주파수 대역을 이용하기 때문입니다.
자장 불균일성이 심하면 지방의 공명 주파수가 위치에 따라 달라질 수 있어 일부 영역의 지방이 제대로 억제되지 않을 수 있습니다.
결과적으로 영상에서
지방은 밝게 남고, 다른 부위는 지방이 억제되는
불균일한 Fat Sat이 나타날 수 있습니다.
9. Shimming과 Fat Saturation의 관계
이 부분은 실제 MRI 검사에서 매우 중요합니다.
지방과 물은 공명 주파수가 서로 조금 다릅니다.
MRI에서는 이 주파수 차이를 이용해 지방 신호를 억제할 수 있습니다.
그런데 B0가 균일하지 않으면 지방의 공명 주파수도 위치에 따라 변화할 수 있습니다.
그러면 Fat Sat Pulse가 지방의 주파수를 정확하게 따라가지 못하는 영역이 생길 수 있습니다.
따라서
좋은 Shimming
→ 균일한 B0
→ 안정적인 지방 공명 주파수
→ 균일한 Fat Saturation
이라는 관계가 중요합니다.
10. Shimming과 Susceptibility Artifact
Shimming은 Susceptibility와도 밀접한 관련이 있습니다.
서로 다른 물질은 자기장에 서로 다른 영향을 줍니다.
특히 공기와 조직, 금속과 조직처럼 자기적 특성의 차이가 큰 경계에서는 국소적인 자기장 불균일성이 발생할 수 있습니다.
이러한 영역에서는
- 신호 소실
- 왜곡
- 밝기 변화
- 위상 변화
등이 나타날 수 있습니다.
대표적으로
부비동 주변
두개골 기저부
귀 주변
등에서 susceptibility에 의한 영향을 관찰할 수 있습니다.
Shimming을 적절하게 수행하면 일부 B0 불균일성을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
다만 모든 susceptibility artifact를 Shimming만으로 제거할 수 있는 것은 아닙니다.
11. Shimming과 MRI Spectroscopy
Shimming은 일반 MRI 영상뿐만 아니라 MR Spectroscopy(MRS)에서도 매우 중요합니다.
MR Spectroscopy에서는 다양한 대사물질의 신호를 주파수 차이로 구분합니다.
따라서 주파수 분해능이 중요합니다.
B0가 불균일하면 각각의 신호가 넓어지거나 서로 겹칠 수 있습니다.
이를 흔히 Broad Spectral Line과 관련된 문제로 설명합니다.
따라서 MRS에서는 좋은 B0 균일성을 확보하는 것이 매우 중요합니다.
즉,
좋은 Shimming → 좁고 선명한 Spectral Line → 더 나은 Spectroscopy 품질
로 연결됩니다.
12. 1.5T와 3T에서 Shimming이 중요한 이유
MRI의 자기장 세기가 높아질수록 자장 불균일성의 영향도 더욱 중요해질 수 있습니다.
특히 3T MRI에서는 1.5T에 비해
- Susceptibility effect
- B0 inhomogeneity
- B1 inhomogeneity
등에 대한 고려가 더욱 중요합니다.
따라서 3T MRI에서는 적절한 Shimming이 영상 품질을 확보하는 데 중요한 역할을 합니다.
특히
뇌 MRI
복부 MRI
MRS
Fat Saturation
등에서는 자장 균일성에 대한 고려가 중요합니다.
13. Shimming은 검사 전에만 하는 것일까?
반드시 그렇지는 않습니다.
MRI 장비에서는 기본적인 자장 보정이 이루어져 있지만, 검사 부위와 환자의 특성에 따라 추가적인 보정이 필요할 수 있습니다.
특히 환자가 MRI bore 안으로 들어오면 환자의 조직 특성 때문에 기존의 자기장 분포가 변할 수 있습니다.
따라서 MRI 시스템은 검사 영역에 맞춰 전역 또는 국소적인 Shimming을 수행할 수 있습니다.
최근 MRI 시스템에서는 자동화된 Auto Shimming 기능도 널리 사용됩니다.
14. Auto Shimming이란?
Auto Shimming은 MRI 장비가 검사 영역의 자장 상태를 측정하고 이를 바탕으로 적절한 Shim 조건을 자동으로 설정하는 기능입니다.
기본적인 과정은
자장 측정
↓
B0 불균일성 분석
↓
최적 Shim 값 계산
↓
Shim 전류 설정
↓
B0 균일성 개선
으로 생각할 수 있습니다.
검사자는 시스템에서 제공하는 자동 Shimming 기능을 이용해 보다 안정적으로 검사 조건을 설정할 수 있습니다.
15. Shimming과 B0, B1은 구별해야 한다
MRI 물리학을 공부할 때 중요한 부분입니다.
Shimming은 주로 B0 자기장의 균일성을 개선하는 것과 관련됩니다.
반면 B1은 RF 자기장과 관련된 개념입니다.
즉,
B0 = 정자기장
B1 = RF 자기장
이라고 구분할 수 있습니다.
따라서 일반적인 의미의 Shimming은 B0 Homogeneity를 개선하기 위한 자장 보정을 의미합니다.
다만 고자장 MRI에서는 RF field인 B1의 불균일성을 보정하기 위한 별도의 RF 관련 기술도 중요해집니다.
따라서 B0 Shimming과 B1 관련 보정 기술을 같은 개념으로 생각해서는 안 됩니다.
16. MRI 물리학에서 Shimming의 위치
지금까지 공부한 내용을 연결하면 Shimming의 위치를 쉽게 이해할 수 있습니다.
B0 자기장
↓
Shimming
↓
균일한 B0 형성
↓
수소 원자핵 세차운동
↓
Larmor Frequency
↓
RF Pulse
↓
Resonance
↓
Flip Angle
↓
Relaxation
↓
MRI Signal
↓
Image
즉, Shimming은 MRI 신호가 만들어지는 과정에서 공명과 신호 검출이 안정적으로 이루어질 수 있도록 B0 환경을 정리해 주는 역할을 한다고 이해하면 됩니다.
17. Shimming의 핵심을 한 문장으로 정리하면
MRI의 Shimming은
"검사 영역에서 B0 자기장의 불균일성을 최소화하여 수소 원자핵의 공명 주파수와 신호가 보다 균일하게 측정될 수 있도록 하는 자장 보정 과정"
입니다.
쉽게 말하면
MRI 자기장을 가능한 한 고르게 만드는 작업
이라고 기억하면 됩니다.
마무리
MRI에서 좋은 영상을 얻기 위해서는 강한 자기장을 만드는 것뿐만 아니라 균일한 자기장을 유지하는 것도 중요합니다.
실제 MRI에서는 자석 자체의 특성이나 환자의 조직, 공기와 조직의 경계 등으로 인해 B0가 완벽하게 균일하지 않을 수 있습니다.
이러한 불균일성을 줄이는 과정이 바로 Shimming(자장 보정)입니다.
Shimming은 크게
Passive Shimming
과
Active Shimming
으로 구분할 수 있으며, 검사 범위에 따라 Global Shim과 Local Shim의 개념도 사용할 수 있습니다.
특히 Shimming은
Larmor Frequency
Resonance
Fat Saturation
Susceptibility Artifact
MR Spectroscopy
등과 밀접하게 연결되어 있습니다.
따라서 MRI 물리학을 공부할 때 Shimming은 단순히 '자기장을 보정하는 기능'으로만 기억하기보다
B0 균일성 → 공명 주파수 균일성 → 신호 안정성 → 영상 품질
이라는 흐름으로 이해하는 것이 좋습니다.
지금까지 공부한 MRI 기본 원리를 연결하면
B0 자기장
→ Shimming
→ 순자화
→ 세차운동
→ Larmor Frequency
→ Resonance
→ RF Pulse
→ Relaxation
→ MRI Signal
→ Image
의 흐름으로 정리할 수 있습니다.
글의 출처 및 참고
- Westbrook C. MRI in Practice
- Haacke EM et al. Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence Design
- Brown RW et al. Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence Design
- International Society for Magnetic Resonance in Medicine(ISMRM)
- RadiologyInfo.org, Magnetic Resonance Imaging
- 대한영상의학회 MRI 관련 교육자료
※ MRI 장비와 제조사에 따라 Shimming 방식과 세부적인 구현 방법에는 차이가 있을 수 있습니다. 본 글은 MRI 물리학의 기본 개념을 이해하기 위한 설명입니다.
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