MRI의 정의 12편(자기공명 영상에서 유속의 영향)

 

MRI 판독중인 의사

4-2 자기공명영상에서 유속의 영향

MR 신호는 (x-y) 평면에 누운 자화 M의 Mxy 성분이 검출기인 RF coil에
전기적 신호로서 검출된다. Mxy는 x축의 Mx 성분, y축의 My 성분으로 나눌 수가 있어 복소수(complex) 

신호를 형성하며 각각 Mxy의 실수부, 허수부로 불리기도 하다.
이들을 제곱하여 더한 후 제곱근을 구하면 신호의 크기(magnitude or intensity)가 되고 위상(phase)은 로 

표시됨을 알고 있다. 비균일 자장 내에서 움직이지 않는 스핀은 경험하는 자장의 세기가 변하지 않으므로 

일정한 세차운동 주파수를 유지한다.
그러나 움직이는 스핀은 위치마다 경험하는 자장의 세기가 변하여 세차운동 주파수가 달라지므로 

위상은 Mx, My 변화로 시간에 대하여 축적되어 나타난다. 즉 MR신호는 크기와 위상을 갖고 

있으며 이 둘 다 움직이는 스핀(유체)에 대하여 영상을 할 경우 영향을 받는다.

4-2-1 유체의 MR신호 크기에 대한 영향

▣ 유속신호 강조효과
MR신호의 유속영상은 1951년 최초로 Suryan에 의해 관측되었다. 그는 정지된 액체에서 보다 흐르고 있는 

유체에서 나오는 MR신호가 훨씬 크다는 것을 알았다. 이를 유속신호강조

(flow-related enhancement orparadoxical enhancement)라 한다. 이 현상은 영상 단면 내의 정지된 

부분에서 나오는 포화(saturation)된 신호보다 새로이 포화되지 않은 스핀이 영상단면으로 흘러 들어가

 발생시키는 신호가 더 크다는 것이다. 여기서 포화란 수소신호의 모임인 세로축 자화 Mz가 그 최댓값인 

평형자화 M0보다 작은 값을 갖는 것을 말한다. 조직 내의 자화 Mz는 영상을 얻기 전에는 가장 큰 값인

M0를 갖고 있다.
MR신호를 수집하기 시작하면 조직 내의 수소원자 스핀들은 반복된 RF파형을 받게 되는데 한번 RF를 받은

 자화 M의 z성분 Mz은 시간이 지남에 따라 의 관계로 커진다. 반복시간 TR이 T1보다 충분히 긴 경우는 

Mz가 거의 M0와 같아 스핀들은 비포화(평형) 상태가 된다.
TR이 T1보다 짧으면 위 식에 의해 Mz이 최댓값인 M0로 다 커지기 전에 RF에 의해 가로평면으로 누워 신호를 만들어야 하므로 포화된 작은 신호를 발생한다.
TR이 짧을수록 포화된 정도는 커지고 따라서 MR신호는 작아진다. 단면 선택 RF를 사용할 경우 영상단면 

바깥스핀은 RF를 경험하지 않아 비포화 상태로 남아있게 된다. 영상단면의 정지된 조직 스핀들은 반복해서
RF를 경험하므로 포화되어 신호가 작은 반면 혈액이 영상단면으로 흘러 들어갈 경우 비포화 상태의 새로운 혈액스핀이 영상단면 내로 흘러 들어오면 RF를 처음 받게 되므로 M0의 큰 신호를 낸다.

결국 유속을 지닌 혈액은 T1이완시간이 길어도 정지된 조직 내의 다른 신호보다 큰 신호를 낸다. 이 현상을 

유속신호 강조효과 (flow - relatedsignal enhancement)라고 한다.
에서 윗 쪽을 향한 화살표를 두께 dz의 단면을 선택하는 90o RF 파형이라고 하고 이 파형이 반복시간 

TR마다 되풀이되며 b, c, d에서 직사각형이 이들 RF파형에 의해 선택된 단면이라고 하자.
관속의 유체속도 V가 0일 때는 선택된 단면 내의 모든 스핀이정지 상태여서 관 속이나 바깥의 선택된 단면에서 나오는 신호는 모두 반복되는 RF 파형에 의해 포화된 상태이고 신호는 앞에서 설명한 수식에 의한 Mz의 크기를 갖는다. 관속의 유체속도가 RF파형이 반복되는 동안모두 빠져나오지 못했을 때 즉, V＜z/TR 일 때는 관속의 스핀 일부의 비포화 상태로 있어 Mz보다 큰 신호를 내고 다른 일부 선택단면을 빠져나가는 동안 최소한 한번 이상 RF 파형을 받은 신호로 비포화 신호보다 작은 신호를 낸다. 비 포화 된 상태의 표시된 곳에서 

나오는 신호는 이전의 RF파형을 받아 신호를 낸 후 TR동안 선택단면을 빠져나간 스핀들로 다음 RF파형에 의해 신호를 만들지 못한다. 혈관의 유속이 빨라서 TR동안 이전의 RF를 받은 스핀들이 모두 선택된 단면을

 빠져나간 경우, 즉 V＞dz/TR이면 다음 RF파형에 의해 신호를 낼 선택된 단면의 스핀은 모두 새로 유입된 

비포화 상태의 스핀들로 가장 큰 신호를 낸다. 이 경우 V=dz/TR 보다 큰 유속을 가져도 신호를 내는 비포화 상태의 스핀 체적이 늘지 않으므로 신호는 더 커지지 않고 일정하게 된다. V=dz/TR 일 때의 속도를 

임계속도(criticalvelocity)라 부르기도 한다.

이 유속신호 강조효과는 단일단면 선택 영상 법 (single slice imagingmethod)에서 가장 흔히 볼 수 있으며 

다단면 선택 영상 법 (multi-sliceimaging method)에선 유체가 흘러 들어가는 쪽 단면의 영상에서 가장

현저하게 나타난다.

① 유입 절편 현상(Entry slice phenomenon)

유속신호 강조효과는 다단면 선택 영상 법 (multi slice imaging method)
에서 유체가 흘러 들어가는 쪽 단면의 영상에서 가장 현저하게 나타나며,
그 이후의 단면들에서는 포화현상이 나타나므로 신호가 감소된다. 즉, 다단면 선택 영상 법에서의 

유속신호 증가는 유체가 유입되는 첫 단면에서 가장 크며 이러한 것을 유입 절편 현상이라고 한다.

② 사전포화방법 (Presaturation)

유속신호증강효과는 비 포화 된 스핀이 영상단면으로 들어와서 생기는 것이므로 영상단면을 선택하기 

전이나 영상정보 수집 전에 비포화 스핀에 의한 신호를 억제시켜 주면 그 신호가 없어질 것이다. 이를 

사전포화방법이라 하며, 영상선택단면 전에 사전포화 RF 파형을 가하면 선택단면으로 들어오는 혈액은 

사전포화 RF 파형에 의해 포화되어 강한 신호를 내지 못한다. 이 기법은 arterial pulsation에 의한 잔상

(ghost artifact)을 줄이고 혈전(thrombus)과 혈류를 감별하는데 이용되며 MR angiography에서 

혈관선택에 이용된다.

유속신호 감쇄효과

유속신호가 감쇄되는 경우는 스핀 반향 영상법 (spin-echo sequence)에서 나타난다. 

고주파스핀반향신호(RF spin-echo signal) 혈관 속의 혈류속도 V≤dz/(TE/2)로 흘러 

단면선택용적 90°RF pulsef를 경험한 스핀 중 TE/2 동안 선택된 단면을 빠져나간 부분은 180°RF pulse를 

경험하지 못해 신호를 내지 못하고 단면을 빠져나가지 못한 부분은 180°RF를 받아 신호를 낸다. 

이때 신호를 발생시킬 수 있는 부분의 체적은 속도가 빠를수록 감소하여 그 신호가 감소되며 이를 유속신호 감소효과(wash-out effect)라 한다. 이러한 신호감소효과는 영상용적 내에서 9 0 ° p u l s e를 받아 

여기 된 스핀이 180°pulse를 받아 재자화 되기 전에 그 영상용적을 빠져나감으로써 영상 신호를 내지 

못한다

이때 신호를 발생시킬 수 있는 부분의 체적은 속도가 빠를수록 감소하여
신호크기(SI)는 V=0 일 때 SI0의 신호크기를 갖고 단면의 두께를 dz, 그리고 

혈류속도를 V라고 하면 혈관 내의 신호의 크기는 다음과 같은 식으로 나타내진다.
김 효과를 줄이고 혈관신호를 강조하려면 단면두께(dz)를 두껍게 하고
TE를 줄여야 하고 영상 파형을 심장의 확장(diastole) 상태에 동기 시켜
혈액의 속도가 최소 일 때 영상정보를 얻어 영상의 질을 높여야 한다(밝은 혈관영상). 

반면에 혈관신호를 보이지 않게 하려면 씻김 효과를 극대화시키면 된다.(검은 혈관영상)

4-4-2 유속의 MR 신호 위상에 대한 영향

스핀이 r 위치에서 움직이지 않는다고 하면 경사자계의 세기는
G x r이 되어 세차주파수는 γ x G x r로 주어지므로 T 시간 이후의 스핀 위상 Φs는 다음과 같다.

반면에 스핀이 경사자계가 걸려있는 공간상을 지나가면 지나는 위치마다 세차주파수가 점점 변하면서 

위상의 변화도 생긴다. 예를 들면 t=0이란 시간에서 위상이 0인 스핀이 일정한 속도 V로 경사자계 G가 

걸린 공간상을 방향을 바꾸지 않고 지나간다고 하자.


처음 스핀이 위치한 곳을 r이라 두면 t 시간 동안 스핀이 움직인 거리는 Vx t가 되고 이곳에서의 

자장세기는 G x r(=G x V x t)가 되어 t이후의 스핀 세차운동 주파수 f는 γ x G x V x t가 된다. 즉 

세차운동주파수는 시간에 따라 달라지는데 속도에 따라 다른 주파수를 갖 는다. 유속에 의한 

위상 Φv는 주파수 f를 시간에 대해 적분한 꼴로 다음과 같이 표현된다.

폭이 T이고 세기가 G인 경사자계를 가하면 위상 Φv는 정지된 스핀의 위상 Φs와는 다른 꼴인 다음 

식과 같이 주어진다.

스핀의 움직임에 의해 변하는 신호의 위상은 속도와 가해진 경사자계의 세기에 비례하고 경사자계의 

폭에는 제곱에 비례함을 알 수 있다. 여기서 유속에 의한 위상은 경사자계에 의해서 조절되는데 이를 

경사자계에 의한 유속 부호화(flow encoding)라 한다. 경사자계가 끝난 다음부터는 스핀이 움직여도 

G = 0이므로 위상 Φv는 γGVT2/2 (t=T)에서 변하지 않는다. 이처럼 경사자계가 걸린 상태에서 스핀의 

움직임은 위상의 변화로 알 수 있는데 이 움직임은 환자의 움직임, 혈관 내의 혈류, 액체상태의
분자가 불규칙적인 Brownian 운동에 의한 확산운동(random diffusionalmotion)등도 포함한다.