MRI (Magnetic resonance imaging)

1. MRI (Magnetic resonance imaging) Introduction-MRI 출처 : 고려병설대학

2. 소개 • soft tissue anatomy • MRI • 큰 자장이 걸려있는 검사기에서 고주파와 인체 속에 있는 수소핵(proton)과의 상호작용에 의한 에너지 방출을 검출하여 영상 구현 • Nuclei having odd number of neutrons, and odd number of protons, or both will have a net magnetic moment • H or “Proton” NMR • High concentration and high sensitivity

3. MR의 역사 및 배경 • 역사 • 1964년 Purcell과 Bloch연구진에 의해 처음으로 NMR현상을 발표 • 1967년 Damadian이 쥐의 뇌를 영상화 • 1973년 Laterbur의 경사자장개발로 핵자기공명에서 핵자기공명영상으로 발전 • 각종 영상진단장치의 응용분야와 특징

4. 진단 영상에서의 MRI의 특성 • 장점 • 대조도 분해능이 높다 • 다변화 영상을 만들 수 있다여러가지 Parameter를 변화시켜 병변진단이 용이하다. • 방사선을 이용하지 않는다.(RF Electromagnetic Radiation와 Magnetic Field를 이용) • MRS, MRA, fMRI등의 검사 가능 • 단점 • 검사기간이 길다 • 장비가 비싸다. • 영상 인공물(Artifact)가 심하다.

5. 용어 해설 • 자기공명영상 : Magnetic Resonance Imaging(MRI), Nuclear Magnetic Resonance Computed Tomography, Spin Mapping, Hydrogen Mapping, Zeugmatography, Magnetic Resonance Imaging • MRS : Magnetic Resonance Spectroscopy • MRA : Magnetic Resonance Agiography • fMRI : functional MRI

6. 자기(Magnetism) • 자성의 근원을 자기, 자기를 가지고 있는 물체를 자석 • 외르스테드의 법칙 : 전기를 이용하여 자기를 발생시키는 원리 • 페러데이의 법칙 : 자기를 이용하여 전기를 발생시키는 원리 • 도체의 분류: 부도체, 반도체, 전도체, 초전도체 • 자계의 분류 • 강자성체(Ferromagnetic material), 상자성체(Paramagnetic material), 반자성체(Diamagnetic material) • 자력의 단위 • 1T(tesla)=10,000 gauss=1Kg/(sec2×A), A), 1gauss=1wb/2

7. Magnetization • 자기공명영상이 양자만 이용하는 이유 • 수소전자는 다른 원자의 전자와 공유결합하여 서로의 자기장 상쇄 • 수소 양자는 1개로서 원자핵 내에 한가자 방향만을 취할수 있어 자기장이 상쇄되지 않고 존재 • magnetic moments alignment • Static magnetic field(B0)가 발생하면 자장에 평형되거나 역평형되게 정렬된다 • 평형된것이 약간 많아서 전체자장 M 만큼 자화된다. • 그림 1참조

9. 세차운동 • 세차운동 • 양자가 외부자기장(B0 )을 중심으로 일정한 각θ을 유지하며 회전하는 운동

10. 세차주파수 • 세차주파수(그림 B) • 라모어 방정식 • F=γB0 , F(Larmor): 세차주파수(MHz), B0 : 외부자기장(tesla), γ:자기회전비 • γ:자기회전비 는 nuclear 종류에 따라 결정 • 수소의 자기 회전비 : 42.57MHz • 라모어 방정식에서 얻어진 주파수를 걸면 Oscillating magnetic (RF) field • the spins will absorb energy and become excited: excitation • Tipping Magnetization, Induce a voltage in a nearby coil • Figure 2.

12. 순자화&숙임각 • 순자화 • 핵자사이에 작용하던 힘들이 외부자장(B0)이 부여되면 작은 핵자기 모멘트가(μ)가 외부자장 방향으로 정렬하게 되는데 이를 순자화 • 순자화 M은 각 핵자들의 핵자기 모멘트(μ)의 합으로 표시(M=Σμ) • B0값은 Mz(Z축)와 평형이므로 Mx(X축)=My(Y축)=0 이된다 • B0에 대한 방향축을 Z축이라 표시하며, 여기에 수직인면을 X-Y축으로 표시 • M0∝(Nr2B0/T) : 근사치, 비례치 • (N : 핵자의 수, r : 자기회전비, B0 : 외부자장의 세기, T : 절대온도) • 숙임각(Filp Angle) : θ • 순자화 상태의 벡터가 Z축으로부터 각θ만큼 움직이는 것으로 RF에너지를 흡수하면서 일어난다(기저 상태→여기상태) • 순자화 벡터값을 다른 축(X,Y)으로 이동시켜 세차 주파수 값을 얻는 것이다

13. 자유 유도 감쇠&RF pulse • 자유 유도 감쇠(FID: Free Induction Decay) • RF pulse를 차단하면 외부자가장의 불균일성과 내부자기장의 영향 때문에 동위상의 상태가 점차 상실되므로 X-Y평면상의 자기 모멘트 백터합은 시간이 지남에 따라 감소 • 횡자화는 시간이 지날수록 흩어지는 상태가 되어 자화가 점차 없어지므로 수신코일에서 유도되는 전기신호 역시 약해진다(그림 A) 이때 검출된 전기적 신호가 자유유도감쇠이다 • RF pulse(Radio Frequence Pulse) • Hard pulse : 강하고 짧음→순자화의 벡터가 기울어 질 때 빨리 기울어짐 • Soft pulse : 약하고 길다→순자화의 벡터가 기울어 질 때 느리게 기울어짐 • 0° RF pulse, 90° RF pulse, 180° RF pulse 가 있다 그림 A

14. Relaxation(이완) • 이완이란? • 외부에서 RF에너지를 흡수하면 그들의 자화가 바뀌었다가(종자화→횡자화) 흡수하였던 에너지를 차단하면 횡자화는 소멸되면서 종차화는 처음의 열 평형상태로 되돌아 가는 과정 • 또한 자기공명영상에서 각 조직들간에 대조도를 좌우하는 고유 인자 중에 가장 큰 비중을 차지하는 것이기도 하다. • 종이완(T1,longitudinal,spin-lattice relaxation) • 횡이완(T2, transverse, spin-spin relaxation)

15. 종이완(T1,longitudinal) • 기저상태에 있던 스핀이 RF의 에너지를 흡수하여 여기상태로 되었다가 RF를 차단하게 되면 흡수 하였던 RF의 에너지를 주변 조직에 방출하면서 기저 상태로 돌아오게 된다 • 공명된 스핀으로부터 RF pulse를 차단하였을 때 종자화가 본래 가지고 있던 자화의 63%까지 도달하는 시간을 T1이완 시간(그림 A) • 인체조직의 T1이완 시간 순서(빠른순) • 지방→간→백질→회백질→근육→혈액→뇌척수액→물 (그림 B) • T1 영상은 해부학적 영상이라 볼 수 있고 지방은 흰색으로 뇌척수액은 검정색으로 나타난다 그림 A 그림 B

16. 횡이완(T2,transverse) • 열평형상태의 스핀에 90°RF pulse를 주게되면 종자화는 없어지고 새로이 횡자화가 생기며, 이 횡자화는 X-Y평면상에 360°회전하게 된다 • 이때 스핀들간의 위상은 모두 같으며 이를 inphase 동위상이라고 한다 • 그러나 시간이 지남에 따라 스핀간의 동위상이 점차 상실되면서 X-Y평면상의 자기 벡터합이 감소하게 된다 • 90°RF pulse를 차단하여 처음 자화의 37%까지 소멸되는 시간을 T2이완시간이라 한다 (그림 A) • 인체조직의 T2이완시간 순서(빠른순) • 근육→간→비장→지방→백질→회백질→혈액→뇌척수액→물 (그림 B) • T2 영상은 병리학적 영상이라 볼 수 있고 뇌척수액은 흰색으로 근육은 검정색으로 나타난다. 그림 A 그림 B

17. 영상획득 • 1차원 영상 • 2차원 영상 • 3차원 영상

18. 1차원에서 위치 구별 • 공간적 위치구별 • 공간적으로 변화하는 자장 • 공간적으로 변화하는 세차주파수 • B(x) = B_0 + G x • F(x) = gamma(B_0 + G x) • Frequency encoding

20. Pulse 순서 • RF pulse • Frequency encoding • Fourier transform • Magnitude of a frequency represents magnetization(induced voltage) at a specific location • Measure T2(signal decay) and T1(magnetization recovery)

22. Phase encoding • Same frequency • Different phase => phase encoding

23. 2차원 위치 구별 • Two gradient is not working => 45 degree gradient • X direction: frequency encoding • Y direction: phase encoding • Frequency encoding -> Phase encoding -> frequency encoding • Echo Planar Imaging(EPI) for fMRI

25. K-space • Data acquired form a continuous pathway through k-space

26. K-space(2) • K공간 중심은 조직의 대조도 정보를 가지고 있고, K공간 바깥 부분은 조직의 세부적 묘사나 조직간의 경계 정보에 영향을 미친다 • Creating an MRI image by sampling 2D k-space • Nyquist sampling theorem

27. K-space(3) (a) (b) (c) (a) K space의 바깥쪽 data를 제거한 것으로서 대조도 정보는 남아 있으나 조직간에 세부적인 묘사가 잘 나타나지 않았다. (b) K space의 가운데 data를 제거한 것으로서 대조도 정보는 사라지고 조직경계와 허상만 나타났다. (c) raw data 전부를 받은 것으로 완전한 영상을 나타냈다.

28. 3차원 위치(slice) 구별 • Gradient in the Z-direction • Resonant frequency varying as a function of z • Resonant frequency at specific location • Moving slice location • Shifting the RF frequency up or down • Shifting the overall magnetic field up or down • Any oblique oriented slices by rotating x,y.z

29. Pulse sequence • MR 영상에서 기본이 되는 4가지 pulse sequence • Partial saturation recovery(부분 포화 회복) • 신호가 미약하여 peak치 신호를 얻을 수 없어 현재는 사용하지 않음 • Spin echo • Gradient echo • Inversion recovery

30. Spin echo • 스핀 에코 신호는 90°, 180°파형을 이용한 고주파 에코신호를 말하는데 이는 90° RF pulse에 의하여 생긴 횡자화 성분의 스핀이 흩어 졌다가 180° RF pulse에 의하여 다시 모여 생성되는 에코신호를 얻는 방법으로 스핀 에코기법이라고 한다 • inphase : 동위상(90°RF pulse인가 후) • Dephase : 신호가 퍼짐 • Rephase : 신호가 모아짐 • TE(echo time) : 처음 90° RF pulse와 echo signal 중간 가지의 시간. • TR(time to repetition) : 처음 사용했던 RF pulse를 재차 사용할 때까지의 시간.

31. Spin echo • Spin echo영상 • T1 weighted(T1 강조) : TE↓, TR↓=>T1WI : 해부학적 영상, 검사시간 단축 • T2 weighted(T2강조) : TE↑, TR↑=>T2WI : 병리학적 영상. • Spin density weighed(Proton Density, 스핀밀도 강조, 수소밀도 강조) : TE↓, TR↑=>PDWI(=SDWI), 대조도↓ A : TR=2500, TE=15(PDW1) B : TR=500, TE=15(T1W1) C : TR=2500, TE=90(T2W1)

32. Spin echo • Pulse sequence 에 따른 TR과 TE • 예) 800ms, 20ms => T1에 가까움, 6000/200 => T2 , 1600/20 => PD에 가까움 , 1200/30 => T1 and PD mixed image(영상을 만들어 내지 않음) • 각 강조영상 범위내에 있는 경우 TE 짧고 TR길수록 영상이 좋아짐 • 예)1) ⓐ2000/80 ⓑ200/100 • =>ⓑ가 더 좋은 영상을 얻음 • ⓐ2000/100 ⓑ3000/100 ⓒ4000/100 • =>ⓒ가 좋은 영상을 얻음(단, 검사시간이 길어짐) • ①300/15 ②500/15 ③800/15 • =>②③①순으로 영상이 좋음(②가 T1범주안에 있으므로)

33. Spin echo • 다수의 절편 • 검사시간을 단축하기 위해 사용하는 방법으로서 한 절편을 얻는데 기다려야 하는 시간 동안 두 번째 절편을 얻은 후 기다려야 하는 시간 동안에 세 번째 절편, 4번째 절편 등을 얻는다 • 한 TR동안 다수의 절편을 얻을 수 있다. • Slice(절편)을 얻을 수 있는 최대수는 TR에 비례하고 TE에 반비례한다 • number of slice=TR(TE+Δ)

34. TR(Repetition time) • TR은 90 pulse와 180 pulse를 가한후 1개의 signal을 얻고, 다음 signal을 얻기 위해 두 번째 90 pulse 를 사용하는데, 첫번째 90 pulse에서 다음 90 pulse 까지의 시간 • TR은 조직의 수소원자핵이 에너지를 흡수하는 시간 • TR이 영상에 미치는 영향 • TR 증가 SNR은 좋아지지만, 그로인한 Scan time이 증가 • 따라서 얻고자하는 고유영상에 가장 적합한 것을 선택

35. TE(Echo time) • 인체로부터 나오는 signal을 어느 시점에서 받아 영상화 하는가에 따라 T1W, T2W, PDW의 영상이 얻어진다. • TE : 조직이 흡수한 에너지를 방출하는데 걸리는 시간

36. T1 weighted Image • Fat 과 water사이에 T1 시간이 크게 다른 것을 이용한 대조도 영상 • 기타 다른 조직은 중간정도의 신호 • T2 Contrast 차이가 없은 상태에서 영상을 만듬 (TR 과 TE 조절) • TR 이 길면 fat과 water는 모두 회복되어 T1 이완시간이 모두 같은 상태가 되어 T1 강조 영상이 되지 않음 (짧은 TR, 짧은 TE) • 인체조직의 T1이완 시간 순서 • 지방→간→백질→회백질→근육→혈액→뇌척수액→물 (가) : 두 조직 T1 이완 차가 가장 클 태 가장 적절한 TR을 나타낸 그림 (나) : 짧은 TR 상태에서 RF pulse를 주면 , 두 조직간에 T1시간의 차이가 가장 크다. 이때 짧은 시간에 signal을 받아야 T1 weighted image에 적합하다. 만약 TE가 길면 두 조직의 Signal 차이가 없으므로 T1 contrast 효과가 떨어진다.

37. T2 weighted Image • TR과 TE를 조절 T2성질을 이용해 영상화 • TR을 길게 해서 T1 contrast를 제거 • 인체조직의 T2이완시간 순서 • 근육→간→비장→지방→백질→회백질→혈액→뇌척수액→물 (가) : RF pulse를 주고 어떤 시간에 신호를 받아야 가장 효과적인 T2 weighted image를 얻을 수 있느냐는 (나)의 그림처럼 TE가 길어야 한다. TE가 짧으면 두 조직간에 대조도가 없어서 Proton density weighted image가 되므로, TE를 길게 해야만 조직간에 대조도 차이를 명확하게 나타낼 수 있다.

38. Proton density weighted Image • 환자의 일정 범위속에 존재하는 원자핵의 수가 조직마다 다른 것을 대조도로 나타낸 영상 • Signal intensity가 가장 높고, 넓은 범위를 관찰하는데 이용 • T1, T2 contrast를 제거했을 때, Proton density weighted image를 얻을 수 있다. • Long TR과 Short TE를 이용 • 영상의 contrast는 비교적 좋지않지만 , signal이 높고 TR이 길기때문에 많은 slice를 얻을 수 있다. (가) : long TR에서는 두 조직이 거의 다 회복되었기 때문에 T1 contrast를 보이지 않는다. 그래서 Long TR을 사용 (나) : TE가 길게 되면 조직간에 큰 T2 contrast를 나타내는 signal을 받고, 짧은 TE 일 때는 T2 contrast 성분이 없는 상태의 signal을 받는다. 그러므로 TE가 짧은 상태에서 Signal을 얻어야 한다.

39. Gradient echo(경사자장 에코) • 경사자장 에코신호와 스핀에코의 다른점 • 스핀의 재자화를 위한 180° RF pulse대신에 경사자장을 반대 방향으로 바꾼후 FID신호를 받는다 • 90° RF pulse대신 5°-30°의 작은 숙임각의 RF pulse를 이용한다 • TR과 TE를 매우 짧게 한다 • 경사자장 에코 영상 • T1강조 gradient echo영상 : 숙임각 FA↑(30°에 가까움) • T2강조 gradient echo 영상 : 숙임각 FA↓(5°에 가까움) • PD강조 gradient echo 영상 : 영상을 만들지 않음 • 장점 : scan time이 짧다 • 단점 : 신호가 미약하다.(영상이 거칠다.)

40. Gradient echo(경사자장 에코) • Gradient echo(GE, GRE, field echo) : 임상적으로 Cardiac imaging, MR angiography, 3-dimensional imaging(3차원 영상), EPI(echo planar imaging, 초고속 영상), dynamic contrast technique 등과 같은 fast scan등에 사용되고 근골격계 검사에도 SE가 갖지 못하는 장점 때문에 많이 이용된다. • GE는 경사자장 그자체에 의해서 흩어진 스핀만을 다시 모으므로 주자장의 불균일성, 조직의 자화율, 화학적 이동등에 의한 흩어지는 스핀을 SE pulse sequence와 같이 echo 중앙에 재자화를 만들지 못한다 • 조직간의 자화율 변화나 화학적 이동에 대한 artifact가 나타난다. • 또한 주자장(B0)이 균일하지 못하면 비균일한 자장이 경사자장의 선형성을 깨뜨려 여기서 얻어지는 영상은 부분적으로 어둡게 나타나거나 모양이 왜곡되어 나타나게 된다 • 그러므로 GE신호를 이용한 영상을 얻을 때에는 균일한 자장이 필수적이다

41. Gradient echo(경사자장 에코) • 경사자장의 구성 • Z gradient : 횡단면 • Y gradient : 관상면 • X gradient : 시상면

42. Gradient echo(경사자장 에코) • 경사자장의 세기 • 1gauss/cm = 10mT/m • 절편단면 선택 • 원하고자 하는 부위를 선택하여 촬영할 때는 선택된 경사자장에 맞는 공명 주파수의 RF pulse를 가하면 그 부위만 공명되고 나머지 부분은 공명 되지 않아 선택된 부위만 신호를 얻을 수 있다 • 20mT/m와 10mT/m의 비교 • 20mT/m = 2gauss/cm = 1gauss/0.5cm => 0.5cm의 단면이 얻어짐 • 10mT/m = 1gauss/cm =1gauss/1cm=> 1cm의 단면이 얻어짐 • 즉, 경사자장이 크면 얻어지는 단면은 얇아진다 • 또한 단면 선택을 좀 더 세분화하여 영상을 만들고자 할 때에는 경사자장의 기울기를 크게하고 각각 여기에 맞는 선택 공명 주파수를 인가하면 된다 • 절편단면의 폭 계산 • 주파수 대역폭/(자기회전비×경사자장의 세기)=slice두께

43. Inversion recovery(반전회복) • 180°RF pulse를 처음 가하여 +Z축으로 향해 있던 자화를 (Mz=M0)를 -Z축으로 반전(Mz=-M0)시키는 방법 • STIR(short TI inversion recovery) : 지방을 제거하는 방법.

44. Inversion recovery(반전회복) • FAIR(Fluid attenuated inversion recovery) : 뇌척수액의 신호를 제거하기 위한 기법. (a) (b) 우측 미상핵부위가 경색된 환자의 사진이다. (a)는 T2 강조영상이다. (b)는 FLAIR(TR/TE 1000/119, T1 2500)로 촬영하였으며 병소부위가 더욱 뚜렷하게 관찰되었다

45. MR Parameter

46. MRI의 구성 • Gantry • Operating Console • Computer

47. Gantry • Gantry 의 구성 • 주자석과 몇 개의 전자기적 장치(secondary magnetic field)로 구성 • 강한 자성을 만드는 데에 세가지 방법 • 영구자석, 상전도형, 초전도형

48. Gantry • Secondary Magnetic Fields • Shimming coil • 자석내경속에 놓여져 있으며 static Magnetic Field의 비균일성을 수정하기 위해 낮은 자장을 만들어 낸다. • Shimming 후 자장의 균일성을 유지하기 위해서 시간이 지나면서 Shim Drift가 생기는 것과 Subject자체에 의해 발생하는 균일성 감소를 조절해 준다. • Gradient coil, Gradient amplifier, 와류보정 • 신호강도의 특징이 되는 영상내의 화적소의 두께와 FOV(Field of view)는 X, Y, Z세종류의 Gradient coil의 역할로 결정된다. • Gradient는 영상을 구성하는데 위치를 정한다. • 주의의 전도물질에 와류를 방지하기 위해 와류보정을 한다. • Radio Frequency system • 주파수 합성기는 RF Pulse를 Modulation하기위해서, 그리고 MR Signal을 Demodulation하기 위해 High Precision Waveform을 만든다. • RF Coil • 공명현상을 유도해 내는데 필요한 Radiowave는 주파수합성기에 의해 발생되어 RF coil에 의해 전이 • RF Coil은 핵의 공명 주파수를 선정하기 위해 파장조절이 되고 조절된 Signal은 공진하는 Proton에 흠수

49. Operation Console & Computer • Operation • MR영상을 보여주는 Monitor와 Keyboard 그리고 Scan 조건과 Scan 상황을 보여주는 Monitor와 Keyboard로 구성 • 대부분 CT의 Console을 응용하여 제작 • Computer • 용량이 크고 처리속도가 빠른 Minicomputer • 128*128Pixel에 50 Image1.6MB • 256*256 Pixel에 31Slice, 4 Echo의 Spin Echo Image에 3D를 구성하는 요소포함8.1MB

50. MRI 촬영시 주의사항