자기 공명 영상

자기 공명 영상(magnetic resonance imaging, MRI)는 핵자기 공명 컴퓨터 단층촬영(nuclear magnetic resonance computed tomography, NMR-CT)이라고도 불리는 생체 영상화 기술 중 하나로, 핵자기 공명(nuclear magnetic resonance)을 원리로 사용한다.¹⁾

자기 공명 영상(MRI)을 통한 머리 영상화 사진()

목차

자기장(magnetic field)을 발생하는 자기 공명 촬영 기기에 인체를 위치시키고, 특정 주파수의 전자기파를 조사하면 신체 내 수소 원자핵(hydrogen nucleus)이 공명하게 된다. 이러한 현상을 핵자기 공명이라 하며, 자기장 속에 놓인 원자핵이 특정 주파수의 전자기파에 공명하는 현상이다.

자기 공명 영상은 핵자기 공명을 발생하는 수소 원자핵의 전자파 흡수 및 방출 패턴(신호) 차이를 측정하고 컴퓨터를 통해 2차원 또는 3차원으로 재구성하여 영상화시키는 원리이다. 성인의 경우 체중의 약 60%가 체액(biofluid)이고 그 대부분은 물이다. 물 분자에 있는 수소 원자의 원자핵인 양성자는 임의적 방향의 스핀(spin)을 가지고 있는데, 강력한 자기장에 들어가면 수소 원자핵의 스핀 방향이 자기장의 방향을 따라 배열하게 된다. 이 상태에서 정렬 방향과 수직하게 구조파의 전자기 펄스를 걸어주면, 수소 원자핵은 전자파의 에너지를 흡수해 자기장의 반대 방향으로 정렬 방향을 바꾸게 된다. 이후, 자기장을 끄면, 수소 원자핵은 본연의 정렬 상태로 되돌아가면서 약한 전자파를 방출한다. 이때 방출되는 전자파를 추적해 영상화를 구현하는 것이 자기 공명 영상의 원리이다.

정렬한 수소 원자핵이 본연의 방향으로 되돌아가는 시간(완화 시간, relaxation time)은 그 요인에 따라 크게 T1 또는 T2 값을 가진다. 일반적으로, 특정 부위에서 T1은 밝은 자기 공명 영상을, T2는 어두운 자기 공명 영상을 제공한다. 이러한 자기 공명 영상은 암 등의 질병 진단이나 뇌 영상화에 폭넓게 활용되고 있으며, 조영제(contrast agent)와 함께 사용됨으로써 그 활용 범위를 확장하고 있다.²⁾

자기 공명 영상(MRI) 장비()

생체 영상화에 있어 관찰하고자 하는 대상과 배경의 대비(contrast)는 진단 및 추적에 있어 매우 중요한 부분을 차지한다. 예를 들어, 암의 경우 정상 조직과 암 병변 부위를 잘 대비하게 하는 것은 중요하다. 이렇듯 생체 영상화에 있어 관찰하고자 하는 대상을 잘 대비되어 관찰될 수 있도록 도와주는 역할을 하는 것이 조영제(contrast agent)이다. 물론, 자기 공명 영상의 경우 조영제를 사용하지 않고 검사해도 진단이 가능한 질병도 있지만, 일반적으로는 조영제를 사용하여 신뢰도 및 정확도 등을 확보한다.

자기 공명 영상의 조영제는 크게 T1 조영제와 T2 조영제로 나뉜다. T1 조영제는 관찰하고자 하는 부위가 밝게 보이는 특징을 가지는 조영제로, 대부분 가돌리늄(Gadolinium, GD)을 중심 원자로 가지고 있다. 가돌리늄 조영제는 가돌리늄-리간드(ligand) 킬레이트 착물(chelate complex)로서 인체 안정성이 확보된 조영제이며, 신장(kidney)을 통해 대사된다. T2 조영제는 관찰하고자 하는 부위가 어둡게 보이는 특징을 가지는 조영제로, 대부분 철 나노입자(iron nanoparticle)를 바탕으로 만들어진 물질이다. ³⁾

자기 공명 영상 T1 가돌리늄 조영제의 화학 구조()

자기 공명 영상 장비는 크게 자기장 부분, RF펄스(radiofrequency pulse)와 경사자계(gradient magnetic field)에 관련된 신호 발생 및 수집 부분, 신호처리 부분으로 구성된다. 자기장 부분은 물질의 자화상태(magnetization)을 만들어주는 부분으로서 대부분 그 세기가 수 테슬라(Tesla, 1T = 10,000 Gauss)이다. 자기장의 균일도는 차후 영상 화질 결정에 중요한 역할을 하며, 일반적으로 사용되는 1.5 테슬라의 경우 자기장 균일도가 일반적으로 50 cm 안에서 약 1 ppm 정도이다. 자기장의 균일도를 향상시키기 위하여 여러 채널의 보정 코일(shimming coil)이라는 것이 장착되어 있다. 3 테슬라 이상의 높은 자장을 발생할 수 있는 장비는 신뢰성과 정확성이 보다 증가하게 되고, 뇌의 기능적 영상화 응용에 높은 효율을 보이기 때문에 관련 기업들이 그 연구 개발에 많은 투자를 하고 있다.

신호의 발생 및 수집을 담당하는 RF펄스와 경사자계는 영상의 선명도 및 정확성, 측정 시간 단축에 크게 영향을 미친다. 병원에서 특정 부위의 이미지를 얻으려 할 때, 일단 몸 전체가 들어가는 거대한 외부 자석이 있고, 이 자석이 만드는 자기장은 균일해서 부위별로 수소 핵스핀의 공명파수가 같고, 이는 자기 공명 영상에서 신호로 나타나지 못한다. 따라서, 관찰하고자 하는 부위별로 다른 신호를 얻고 영상을 얻기 위해 외부 자기장에 추가로 장비를 사용하게 되는데, 이 장비에서 발생하는 경사(gradient) 특성의 자기장이 외부 자기장에 추가된다. 결과적으로 부위별로 수소 공명 주파수(proton resonance frequency)가 달라져서 이미지를 얻게된다. 이렇듯 경사자계는 자기 공명 영상을 획득함에 있어 중요한 제반 시스템이다.

신호처리 부분의 경우에도, 점차 자기 공명 영상을 이용한 활용범위가 넓어짐에 따라 영상 처리 속도를 향상시키기 위하여 다양한 형태로 발전하고 있다. 이렇듯 자기 공명 영상은 물리, 화학, 약학, 의학이 모두 접목된 대표적 생체 영상화 기술이다.⁴⁾

자기 공명 영상에서 물질 감별의 대조도(contrast)는 일반적으로 (1) 물질의 농도(concentration), (2) 완화시간(relaxation time), (3) 혈류와 같은 물질의 흐름(flow), (4) 물질의 자화 상태의 자화 전이 현상(magnetization transfer), (5) 혈액 내 산소 포화도에 따라 변화되는 자기 자화율(magnetic susceptibility), (6) 사용된 조영제에 따른 반응(contrast agent response) 등에 따라 달라진다.⁴⁾

자기 공명 영상의 역사는 1946년 핵자기 공명의 첫 연구 발표로 거슬러 올라간다. 핵자기 공명 현상은, 1946년 미국 하버드 대학교의 에드워드 밀스 퍼셀(Edward Mills Purcell) 연구진과 스탠포드 대학교의 펠릭스 블로흐(Felix Bloch) 연구진에 의해 최초로 보고되었다. 1952년 이들은 그 공로를 인정받아 노벨물리학상을 수상하였다.

1973년 뉴욕 주립 대학교의 폴 로터버(Paul C. Lauterbur)는 경사자장을 이용하여 핵자기 공명을 영상화(imaging)와 합쳐 최초로 자기 공명 영상 기술을 소개하였다. 이때 소개된 명칭은 NMRI (nuclear magnetic resonance imaging)이다. 이후, NMRI는 컴퓨터의 발전 및 소프트웨어의 발전, 고자기장 생성 장비의 기술 개발 등을 통해 급속히 발전하였으며, 현재는 진단 영상 의학에 없어서는 안될 중요한 위치에 오르게 되었다. 현재는 NMRI의 앞글자에서 핵(nuclear)을 생략하고 MRI라고 통용되어 사용한다. 폴 로터버는 2003년 피터 맨스필드(Peter Mansfield)와 함께 자기 공명 영상 개발의 공로를 인정받아 노벨 생리의학상을 수상하였다. ⁵⁾

(1) 방사선 동위원소를 사용하지 않으므로, 방사선 노출로부터 자유롭다.

(2) 컴퓨터 단층촬영은 공기가 많은 부위(폐) 또는 밀도가 높은 부위(뼈)에 대해 효과적이지 않은 반면, 자기 공명 영상은 선명한 영상을 제공한다.

(3) 암과 같은 특정 질병의 진단 용도로 비교적 효율적으로 활용이 가능하다. 일부 질병의 경우, 질병 위치 뿐만 아니라 특성까지도 관찰이 가능하다.

(4) 컴퓨터 단층촬영이 횡단면 영상이 주영상인 반면, 자기 공명 영상은 방향에 자유도를 가진다.

(5) 자기 공명 영상을 통해 혈액 내 산소 함유량 측정이 가능하며, 이를 이용하여 뇌속의 혈류를 분석하는 새로운 자기 공명 영상 기술 개발이 가능하다.⁶⁾

(1) 비교적 높은 비용과 긴 촬영 시간 측면에서 단점을 가진다.

(2) 생체 내 수소 원자만을 감지할 수 있는 기술이기에, 기타 다른 원자와 관련된 질병의 진단과 추적 등에는 활용이 제한된다.

(3) 자기 공명 영상 장비의 가격이 높으며, 유지 및 보수에 비용이 많이 소요된다.

(4) 생체 내 금속 보형물은 열 화상 등 부작용을 유발할 수 있다.

(5) 특정 목적을 위해 조영제를 필수적으로 사용해야하는 경우가 있으며, 사람에 따라 조영제에 부작용을 보이는 경우가 있다.⁶⁾

1. McRobbie D.W.; Moore E.A.; Graves M.J.; Prince M.R. MRI from Picture to Proton, Cambridge University Press, 2007, p1. ISBN 978-1-139-45719-4.
2. MRI(Magnetic Resonance Imaging)의 원리와 응용, 오창현, 한국자기학회지 제6권 제4호, 1996, 8, 272-276
3. Geraldes, C. F. G. C.; Laurent, S. 'Classification and basic properties of contrast agents for magnetic resonance imaging'. Contrast Media & Molecular Imaging. 2009, 4(1), 1–23
4. 의학 속의 자기 공명 영상,
5. The History of MRI,
6. What are the advantages and disadvantages?