MRI 경사자계코일(Gradient Coil)이란? MRI 영상을 만드는 핵심 원리
기계와 환자가 움직이지 않는 상태에서 자석에 의한 주자장의 세기를 위치에 따라 일시적인 경사를 만들고 공명주파수를 다르게 하여 위치정보를 얻을 수 있게 하는 경사자장 발생장치는 크게 magnet 내부의 원통에 감긴 X, Y, Z 축 세쌍의 경사자장 코일과 이 코일에 전류를 흘리는 경사자장신호증폭기 (Gradient pulse amplifier)로 구성된다.
Z축 경사자장 코일에 일정시간 동안 전류를 흘리면, 경사자장 코일이 만드는 자장과 같은 극성의 주자장 방향은 자장의 세기가 더욱 커지고, 주자장과 반대극성을 만드는 경사자장 코일쪽의 세기는 감소하여 자석 중심으로 위치에 따라 자장의 세기가 경사진 모양으로 만들어 진다.
즉 경사자장이 만들어지면, 이때 공명주파수는 경사자장의 크기에 따라 크거나 작게 변화된다.
그리고 특정위치에 해당하는 고주파 신호를 라디오 주파수 코일(RF-coil)을 통하여 인가하면 그 단면의 proton 만이 공명을 일으킨다. 즉 단편 선택(Slice selection)이 된 것이다.
Z축으로 선택된 특정 단편만 공명을 일으켜 놓은 상태에서, 이 특정 단편의 Y축 코일에 잠시동안 전류를 인가하면 전류가 흐르는 동안 Y축의 위치에 따라 공명주파수가 변화하게 되며 전류를 끊으면 다시 원래의 주파수로 일정하게 회전한다.
그러나 잠시동안 Y축을 따라 크기가 다른 자장을 경험한 proton들은 그 공명주파수가 다시 일정해졌어도, 회전위상(phase)의 크기가 Y축의 위치에 따라 변화되어진 상태에서 회전을 하게 된다.
즉, proton의 회전주파수는 일정해도 빠른 위치에서 회전하는 proton 이 보다 좀 느린 위치에서 회전하는 proton 등으로 위치에 따라 위상값의 변화가 생긴 것이다. 이것을 위상보호화(phase encoding)이라고 한다.
Z축으로 선택된 단면이 위상부호화된 상태에서 신호를 발생할 때, X코일에 잠시 전류를 인가하면 X축을 따라서 proton의 회전 주파수가 변화되어(frequency encoding 이 된 상태) proton 위치에 따라 주파수가 다른 여러 주파수의 복합된 신호를 한꺼번에 방출하게 된다.
이 신호를 수집하여 주파수를 구별하면 X축으로 위치를 알아낼수 있게 된다.
이와 같이 경사자장의 역할은 X, Y, Z 축으로 공명주파수 및 위상의 변화를 일으켜 위치정보를 얻을 수 있게 하는 중요한 일을 한다.
만약 경사자장의 세기가 계산된 값보다 크면 그 방향으로 길쭉한 타원모양의 영상이 얻어진다.(위치에 따라 변화되는 주파수 및 위상의 변화가 더욱 크게 일어나게 되고 주파수 및 위상의 크기는 화면상의 위치를 결정하는데, 큰 주파수 신호는 작은 주파수 신호보다 화면상에서 위치정보가 더 먼 곳에 위치되므로 결국 그 방향으로 타원모양이 된다.)
경사자장의 크기가 불규칙적으로 인가되면 영상은 위상부호화(phase encosing)방향으로 번져서 ghost 또는 smearing artifact 의 형태로 나타난다.
경사자장의 크기는 자석 중심에서 1M떨어진 지점의 자장의 세기를 얼마나 변화 시킬 수 있는 가로 표시된다.
25mT(250G)만큼 변화를 시킬 수 있으면 25mT/M로 표시한다.
또한 최대 경사자장까지 이르는 시간도 매우 중요하며 rising time (µsec)또는 slew rate(T/m/s)로 나타낸다.
경사자장은 짧은 시간(1ms 이하의 rising time)에 높은 전류를 경사자계코일에 흘려서 주자장의 크기를 강제적으로 변화시킨다.
자석안쪽 (bore)을 구성하는 재질은 전기가 흐르는 도체로 자장의 변화가 있으면 전류가 유도되어 와류가 발생하게 된다. 경사자장 코일에 의한 주자장의 변화는 자석bore에 와류를 만들고자 하는 경사자장과는 반대 방향으로 생긴다.
따라서 이를 보상하여 원하는 경사자자을 만드는 것을 와류보상(eddy current compensation)이라 하며 화질을 좌우하는 중요한 요소이다.
MR Instrumentation 와류보상 방법으로는 경사자장펄스 원래의 모양에서 발생하는 양만큼 더하여 인가하면 손실을 상쇄시킬 수 있게 된다.
또 다른 방법은 경사자장 코일의 바깥쪽에 반대 방향의 전류를 흘리는 코일을 붙이면 외부로 나가는 경사자장의 세기를 서로 상쇄시켜서 양을 대폭 감쇄 시킬 수 있다.
이를 능동적 경사자장코일(active gradient coil)이라 부르며 일반적으로 위의 두 방법을 모두 사용하여 보상하게 된다.
경사자장은 잠시동안만 인가되는 펄스 모양의 전류에 의해 발생되며 이를 경사자장펄스라 부른다.
경사 자장 증폭기는 사용자가 선택한 촬영 매개 변수에 따라 컴퓨터의 조절에 의해 경사자장파형 발생장치(gradient waveform generator)가 만든 펄스를 경사자장코일에 흘릴 수 있는 큰 전류로 증폭하는 장치이다.
검사 중 발생하는 소음은 자석이 서로 밀고 당기는 힘을 갖는 것처럼 경사자장 코일이 만드는 경사자장이 주자장과 서로 밀고 당기는 자력이 발생하여 경사자장 코일은 코일이 감겨있는 원통지지대에 커다란 충격을 준다.
이때 '탕탕탕' 하는 소리가 발생하게 된다.
경사자장증폭기와 경사자장 코일의 성능은 자석의 자장세기가 정해진 상태에서 장치의 영상성능을 결정하는 매우 중요한 요소로서 EPI(Echo Planar Imaging)와 같은 고속촬영기법을 위해서는 더욱 높은 전류를 더욱 빠르고 안정되게 흘릴 수 있어야 하므로 지속적인 개발이 진행 중이다.
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MRI 경사자계코일(Gradient Coil)이란? 위치 정보를 만드는 핵심 장치
MRI 검사를 받을 때 환자들이 자주 듣는 말 중 하나가 있습니다.
"검사 중에 쿵쿵거리는 큰 소리가 날 수 있습니다."
MRI에서 발생하는 이 소리의 주요 원인 중 하나가 바로 경사자계코일(Gradient Coil)입니다.
경사자계코일은 단순히 큰 소리를 만드는 장치가 아닙니다. MRI가 우리 몸속 어느 위치에서 신호가 발생했는지를 구분하고, 원하는 단면을 선택하며, 영상을 만들어내는 데 매우 중요한 역할을 합니다.
쉽게 말하면,
주자장(B0)이 MRI의 기본적인 자기장을 만들고, 경사자계코일은 그 자기장에 위치 정보를 추가하는 장치라고 이해하면 됩니다.
1. 경사자계코일이란?
MRI에는 강한 정자기장을 만드는 주자석(Main Magnet)이 있습니다.
하지만 주자석만으로는 인체에서 발생하는 MR 신호가 어느 위치에서 나온 것인지 구별하기 어렵습니다.
이때 사용하는 것이 경사자계코일입니다.
경사자계코일은 주자장 B0에 아주 작은 자기장 변화를 의도적으로 만들어냅니다.
이를 Gradient라고 합니다.
예를 들어 MRI 중심에서 자기장이 약간 강해지고 한쪽으로 갈수록 조금씩 약해지도록 만들 수 있습니다.
이렇게 위치에 따라 자기장의 세기가 달라지면,
위치에 따라 공명주파수도 달라집니다.
MRI는 이러한 차이를 이용해 신호가 발생한 위치를 알아냅니다.
2. 왜 '경사'라는 이름을 사용할까?
경사자계(Gradient)는 말 그대로 자기장의 세기가 위치에 따라 일정한 비율로 변화하도록 만드는 것입니다.
예를 들어 단순하게 표현하면,
한쪽에서는 자기장이 조금 약하고
중앙에서는 기준 자기장과 같으며
반대쪽에서는 자기장이 조금 강해지는 형태입니다.
즉,
B0 + Gradient = 위치에 따라 조금씩 다른 자기장
이 만들어집니다.
이 작은 차이가 MRI에서는 매우 중요합니다.
왜냐하면 자기장의 세기가 달라지면 라모어 주파수도 달라지기 때문입니다.
따라서 MRI는
위치 → 자기장 차이 → 공명주파수 차이 → 위치 정보
라는 원리를 이용할 수 있습니다.
3. MRI에는 경사자계코일이 몇 개 있을까?
일반적인 MRI에는 서로 다른 방향을 담당하는 3개의 주요 경사자계축이 있습니다.
X Gradient
좌우 방향의 위치 정보를 담당합니다.
Y Gradient
앞뒤 방향의 위치 정보를 담당합니다.
Z Gradient
머리에서 발 방향과 같은 상하 방향의 위치 정보를 담당합니다.
따라서 MRI에서는 일반적으로
X, Y, Z 세 방향의 Gradient를 조합하여 3차원적인 위치 정보를 얻습니다.
4. 경사자계코일의 가장 중요한 역할 3가지
경사자계코일은 MRI 영상 형성에서 크게 세 가지 중요한 역할을 합니다.
① Slice Selection
어떤 위치의 단면을 촬영할 것인지 선택합니다.
예를 들어 뇌 MRI에서 특정 위치의 Axial 영상을 얻거나, 허리 MRI에서 Sagittal 또는 Axial 단면을 선택할 때 Gradient가 사용됩니다.
RF Pulse와 특정 방향의 Gradient를 함께 사용하면 원하는 위치의 스핀만 선택적으로 여기할 수 있습니다.
즉,
Gradient + RF Pulse = 원하는 단면 선택
이라고 이해할 수 있습니다.
② Frequency Encoding
신호가 발생한 위치에 따라 서로 다른 주파수를 갖도록 만들어 위치 정보를 얻는 방법입니다.
Gradient를 사용하는 동안 위치에 따라 라모어 주파수가 달라집니다.
MRI는 이 주파수 차이를 분석하여 신호가 어느 위치에서 발생했는지 알아낼 수 있습니다.
이를 주파수 부호화(Frequency Encoding)라고 합니다.
③ Phase Encoding
또 하나의 중요한 위치 정보가 바로 위상입니다.
Gradient를 일정 시간 동안 가해 위치에 따라 서로 다른 위상 차이가 만들어지도록 합니다.
이후 Gradient를 끄더라도 만들어진 위상 차이를 이용하여 위치 정보를 얻을 수 있습니다.
이를 위상 부호화(Phase Encoding)라고 합니다.
결국 MRI의 공간정보는 크게
Slice Selection
→ Frequency Encoding
→ Phase Encoding
이라는 과정을 통해 만들어집니다.
5. 경사자계코일이 MRI 영상을 만드는 과정
전체적인 흐름을 단순하게 정리하면 다음과 같습니다.
주자장 B0 형성
↓
Gradient를 이용해 위치에 따른 자기장 차이 생성
↓
RF Pulse와 Gradient를 이용해 원하는 단면 선택
↓
Frequency Encoding과 Phase Encoding
↓
각 위치의 MR 신호에 공간정보 부여
↓
K-space에 데이터 저장
↓
Fourier Transform
↓
MRI 영상 재구성
따라서 경사자계코일은 단순한 보조 장치가 아니라 MR 신호를 실제 영상의 위치 정보로 바꾸는 핵심적인 역할을 합니다.
6. 왜 MRI 검사 중 '쿵쿵' 소리가 날까?
MRI 검사를 받을 때 가장 놀라기 쉬운 부분이 바로 큰 소리입니다.
이 소리는 경사자계코일이 빠르게 작동하면서 발생합니다.
Gradient coil에 빠르게 변하는 전류가 흐르면 강한 힘이 발생하고, 이 과정에서 코일과 주변 구조물이 미세하게 진동합니다.
이 진동이 우리가 듣는
"쿵쿵"
"우우웅"
"탁탁탁"
같은 MRI 특유의 소리로 들립니다.
특히 MRI 시퀀스에 따라 Gradient의 세기와 변화 속도가 달라지기 때문에 검사 종류에 따라 소리의 패턴도 달라질 수 있습니다.
그래서 MRI 검사실에서는 일반적으로 환자에게 귀마개나 헤드폰을 제공합니다.
7. Gradient가 강하면 무조건 좋은 것일까?
그렇지는 않습니다.
경사자계의 성능은 단순히 "강하다"만으로 결정되지 않습니다.
중요한 요소에는
- Gradient amplitude
- Slew rate
- Gradient linearity
- Switching performance
등이 있습니다.
Gradient amplitude
얼마나 강한 Gradient 자기장을 만들 수 있는지를 나타냅니다.
Slew rate
Gradient 자기장이 얼마나 빠르게 변화할 수 있는지를 나타냅니다.
쉽게 말하면,
Gradient를 얼마나 빠르고 강하게 변화시킬 수 있는가
와 관련된 개념입니다.
8. Gradient가 빠르게 변하면 어떤 장점이 있을까?
Gradient를 빠르게 변화시킬 수 있으면 MRI 시퀀스를 보다 빠르게 설계할 수 있습니다.
특히 빠른 MRI 촬영에서는 Gradient 성능이 매우 중요합니다.
예를 들어 EPI와 같은 빠른 영상 기법에서는 매우 빠른 Gradient switching이 필요합니다.
따라서 Gradient 성능은
영상 획득 속도와 시퀀스 설계 능력
에도 영향을 줍니다.
9. Gradient와 영상 해상도의 관계
Gradient는 MRI의 공간분해능에도 영향을 줄 수 있습니다.
강하고 정밀한 Gradient를 이용하면 위치에 따른 주파수 또는 위상 차이를 보다 효과적으로 만들어낼 수 있습니다.
하지만 실제 해상도는 Gradient 성능만으로 결정되지 않습니다.
다음과 같은 요소들이 함께 영향을 줍니다.
- FOV
- Matrix
- Bandwidth
- SNR
- Gradient 성능
- Pulse sequence
- Scan time
따라서 "Gradient가 강할수록 무조건 해상도가 좋아진다"고 단순하게 이해하면 안 됩니다.
10. Gradient와 SAR은 다른 개념이다
MRI에서 Gradient와 RF Pulse를 혼동하는 경우가 있습니다.
하지만 두 시스템의 역할은 다릅니다.
RF Pulse
→ 수소 원자의 자화를 변화시키는 역할
Gradient
→ MRI 신호에 위치 정보를 부여하는 역할
따라서 RF와 Gradient는 서로 다른 기능을 담당하면서 함께 작동합니다.
11. Gradient와 MRI 안전성
Gradient가 빠르게 변화하면 인체에 유도전기장이 발생할 수 있습니다.
이 때문에 MRI 장비에서는 Gradient의 변화 속도와 관련된 안전 기준을 고려해야 합니다.
대표적으로 Gradient switching에 의해 발생할 수 있는 현상으로 말초신경자극(PNS, Peripheral Nerve Stimulation)이 있습니다.
환자에게 따끔하거나 근육이 움찔하는 듯한 느낌이 발생할 수 있기 때문에 MRI 장비의 Gradient 출력은 안전 기준에 맞게 관리됩니다.
또한 Gradient switching은 큰 소음을 발생시키기 때문에 청각 보호도 중요합니다.
12. Gradient와 Shimming은 무엇이 다를까?
앞서 살펴본 Shimming과 Gradient를 혼동하기 쉽습니다.
하지만 목적이 다릅니다.
Shimming
주자장 B0의 불균일성을 보정하여
더 균일한 자기장
을 만드는 것이 목적입니다.
Gradient
의도적으로 자기장을 변화시켜
위치 정보를 만드는 것
이 목적입니다.
즉,
Shimming = 원하지 않는 자기장 불균일성 보정
Gradient = 의도적으로 자기장 차이를 만들어 위치정보 생성
이라고 정리하면 쉽습니다.
13. MRI 물리에서 Gradient의 위치
지금까지 공부한 MRI 물리 개념을 하나의 흐름으로 연결하면 이해가 훨씬 쉽습니다.
주자장 B0
↓
수소핵의 세차운동
↓
라모어 주파수
↓
RF Pulse
↓
공명 및 Flip Angle
↓
이완
↓
Gradient를 이용한 공간정보 부여
↓
Frequency Encoding + Phase Encoding
↓
K-space
↓
Fourier Transform
↓
MRI 영상
여기서 Gradient는 MR 신호를 단순한 신호가 아니라 '어디에서 발생한 신호인지' 알 수 있도록 만들어 주는 핵심 요소입니다.
마무리
MRI에서 주자장 B0가 기본적인 자기환경을 만든다면, 경사자계코일은 그 자기장에 의도적인 차이를 만들어 공간정보를 부여하는 장치입니다.
특히
1. Slice Selection
2. Frequency Encoding
3. Phase Encoding
이라는 세 가지 기능은 MRI 영상 형성에서 매우 중요합니다.
또한 검사 중 들리는 큰 MRI 소리는 빠르게 변화하는 Gradient에 의해 발생하며, Gradient의 amplitude와 slew rate 등의 성능은 MRI 시퀀스와 영상 획득 속도에도 중요한 영향을 줍니다.
MRI 물리를 공부할 때는
B0가 자기장을 만들고 → RF가 자화를 조절하고 → Gradient가 위치정보를 만들고 → K-space에 데이터를 저장한다
라고 기억하면 전체적인 구조를 이해하기 쉽습니다.
글의 출처 및 참고
- Westbrook, C. et al. MRI in Practice
- Haacke, E. M. et al. Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence Design
- Brown, R. W. et al. Magnetic Resonance Imaging: Physical Principles and Sequence Design
- International Society for Magnetic Resonance in Medicine (ISMRM)
- RadiologyInfo.org
- 대한영상의학회 MRI 관련 교육자료
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