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MRI의 기본이 되는 핵자기 공명 현상은 원자핵의 자기적 성질과 외부 자기장의 상호작용을 이용한 물리적 현상이다. 이 현상은 특정 조건에서 원자핵이 전자기파를 흡수하고 다시 방출하는 과정을 포함한다.

이 현상이 발생하기 위해서는 핵이 스핀과 자기 모멘트를 가져야 한다. 인체에서 가장 풍부하고 자기 모멘트가 큰 핵은 수소 원자핵(양성자)이다. 강력한 외부 정자기장 안에 놓이면, 무작위 방향을 향하던 수소 원자핵들의 스핀은 외부 자기장 방향과 평행(낮은 에너지 상태) 또는 반평행(높은 에너지 상태)하게 정렬된다. 평행 상태에 있는 핵이 약간 더 많아, 네트맥 자화 벡터가 형성된다.

이 상태에서 핵의 라모르 진동수와 동일한 주파수의 고주파(RF) 펄스를 가하면 공명이 일어난다. 핵들은 에너지를 흡수하여 에너지 준위가 높아지고, 자화 벡터가 기울어진다. RF 펄스가 중단되면, 핵들은 원래의 평형 상태로 돌아가며 흡수했던 에너지를 신호로 방출한다. 이 방출된 신호가 MRI 장치의 수신 코일에 포착되어 영상 재구성의 기초 데이터가 된다.

자기장 내에서 핵자기 공명 현상에 의해 여기된 수소 원자핵은 라디오파 펄스를 중단한 후, 자화 벡터가 평형 상태로 돌아오면서 신호를 방출한다. 이 신호는 안테나 역할을 하는 RF 코일에 의해 감지되어 전기적 신호로 변환된다. 이 신호는 모든 공간에서 혼합되어 들어오므로, 그 자체로는 공간 정보를 포함하지 않는다.

이 신호에 공간 정보를 부여하는 과정을 공간 부호화라고 한다. 이는 그라디언트 코일을 통해 생성된 선형적인 자기장 그라디언트를 이용하여 수행된다. 주로 세 가지 그라디언트가 사용된다.

* 슬라이스 선택 그라디언트: 특정 두께의 단면(슬라이스)만을 여기시키기 위해 사용된다. RF 펄스와 동시에 적용되어, 특정 라모르 주파수를 가진 슬라이스만이 공명 조건을 만족하도록 한다.

* 위상 부호화 그라디언트: 선택된 슬라이스 내에서 한 방향(일반적으로 y축)의 위치 정보를 부호화한다. 이 그라디언트를 짧은 시간 동안 적용하면, 그 방향으로 위치에 따라 위상 차이가 발생한다.

* 주파수 부호화 그라디언트: 슬라이스 내에서 수직 방향(일반적으로 x축)의 위치 정보를 부호화한다. 신호를 읽어들이는(Readout) 동안 적용되어, 그 방향으로 위치에 따라 신호의 주파수가 선형적으로 변화하도록 만든다.

이러한 부호화 과정은 k-공간이라는 수학적 공간에 데이터를 채우는 방식으로 이루어진다. k-공간의 각 점은 특정 위상 및 주파수 부호화 값을 가진 원본 신호의 샘플이다. 한 번의 RF 펄스와 위상 부호화 후 획득된 신호는 k-공간의 한 라인을 채운다. 서로 다른 위상 부호화 값을 반복 적용하여 k-공간의 모든 라인을 채운 후, 푸리에 변환이라는 수학적 연산을 적용하면 최종적인 해부학적 영상이 재구성된다.

자석 시스템은 MRI 장비의 가장 핵심적인 구성 요소로, 강력한 정자기장을 생성하여 핵자기 공명 현상의 기반을 제공한다. 이 시스템의 성능은 주로 사용되는 자석의 종류와 그 세기(단위: 테슬라)에 의해 결정되며, 이는 영상의 공간 해상도와 신호 대 잡음비에 직접적인 영향을 미친다.

MRI에 사용되는 자석은 크게 영구자석, 저항형 자석, 초전도 자석으로 분류된다. 각 유형은 장단점이 뚜렷하다.

초전도 자석 시스템은 액체 헬륨 속에 담긴 초전도 코일로 구성된다. 코일은 극저온(절대온도 4K[-269°C] 근처)에서 초전도 상태가 되어 전기적 저항이 거의 제로가 되므로, 한번 전류를 흘려주면 외부 전원 없이도 영구적으로 전류가 순환하며 강력한 자기장을 유지할 수 있다[2]. 이 시스템을 유지하기 위해서는 단열 용기(드워)와 정기적인 액체 헬륨 보충이 필요하다. 현대의 MRI는 헬륨 소모를 극도로 줄인 '제로 보일-오프' 설계를 채택하는 경우가 많다.

그라디언트 코일은 MRI 시스템 내에서 공간 정보를 부호화하기 위해 사용되는 핵심 구성 요소이다. 주 자석이 생성하는 균일한 정자장(B0) 위에, 세 공간 방향(x, y, z)으로 선형적인 자기장 변화(그라디언트)를 중첩시키는 역할을 한다.

이 코일은 일반적으로 주 자석의 보어 내부에 장착되며, 서로 직교하는 세 쌍의 코일로 구성된다. 각 코일 쌍은 선택적 슬라이스 자극, 위상 부호화, 주파수 부호화라는 세 단계의 공간 부호화 과정에 활용된다. 예를 들어, 슬라이스 선택 그라디언트는 특정 두께의 신체 단면만을 여기시키고, 위상 부호화 그라디언트는 위상 정보에 공간 위치를 매핑하며, 주파수 부호화 그라디언트는 주파수 차이를 공간 위치로 변환한다.

그라디언트 코일의 성능은 스위칭 속도(상승 시간)와 최대 그라디언트 강도로 평가된다. 빠른 스위칭은 고해상도 영상과 초고속 촬영 기법을 가능하게 하지만, 이 과정에서 코일의 급격한 움직임으로 인해 특유의 소음이 발생한다. 또한, 빠르게 변화하는 그라디언트 자기장은 신체 내에 유도 전류를 생성할 수 있어, 이에 대한 안전 기준이 정해져 있다.

RF 시스템은 MRI 장비에서 라디오파 신호를 발생시키고 검출하는 핵심 구성 요소이다. 이 시스템은 주로 RF 코일과 송수신기로 구성된다.

RF 코일은 환자 부위에 근접하여 설치되며, 그 형태와 크기는 촬영 부위에 따라 다양하게 설계된다. 예를 들어, 머리나 무릎과 같은 특정 부위를 위한 표면 코일이 있으며, 전신을 촬영할 수 있는 체간 코일도 존재한다. 이 코일은 라디오파 펄스를 방출하여 수소 원자의 핵 스핀을 여기시키고, 이후 원자핵이 기저 상태로 돌아오며 방출하는 신호를 감지하는 역할을 한다.

RF 시스템의 성능은 신호 대 잡음비를 결정하는 중요한 요소이다. 고품질의 영상을 얻기 위해서는 강력하면서도 정밀하게 제어되는 RF 펄스 생성과 민감한 신호 검출 능력이 필수적이다. 또한, 최근에는 여러 개의 채널을 가진 다채널 코일이 널리 사용되어, 촬영 시간을 단축하거나 영상의 해상도를 향상시키는 데 기여한다.

T1 강조 영상은 자기 공명 영상에서 가장 기본적이고 널리 사용되는 영상 기법 중 하나이다. 이 기법은 주로 조직의 T1 이완 시간 차이를 활용하여 해부학적 구조를 선명하게 보여준다.

T1 강조 영상에서 밝기는 해당 조직의 T1 이완 시간에 반비례한다. 즉, T1 이완 시간이 짧은 조직은 밝은 신호(하얀색)를, T1 이완 시간이 긴 조직은 어두운 신호(검은색)를 나타낸다. 일반적으로 지방 조직은 T1 이완 시간이 매우 짧아 밝게 보이는 반면, 물(예: 뇌척수액)은 T1 이완 시간이 매우 길어 어둡게 보인다. 대부분의 고형 조직은 중간 정도의 회색조로 표현된다.

이러한 특성 덕분에 T1 강조 영상은 해부학적 구조를 평가하는 데 매우 유용하다. 임상적으로는 뇌의 회백질과 백질을 명확히 구분하거나, 간, 비장과 같은 복부 장기의 정상 구조를 확인하며, 관절의 해부학을 평가하는 데 자주 사용된다. 또한 조영제를 주입한 후 촬영하는 조영증강 T1 강조 영상은 혈관 구조나 혈관이 풍부한 병변(예: 종양, 염증)을 더욱 선명하게 보여주는 핵심적인 방법이다.

T2 강조 영상은 T2 이완 시간의 차이를 기반으로 조직 대조를 얻는 MRI 기법이다. T2 이완 시간은 수소 핵의 자화 벡터가 횡방향 성분으로 감쇠하는 데 걸리는 시간을 의미하며, 조직 내 수분 함량과 분자 환경에 크게 의존한다. 자유수가 많은 조직일수록 T2 이완 시간이 길어져 영상에서 밝은 신호를 나타낸다.

일반적인 T2 강조 영상은 스핀 에코 펄스 시퀀스를 사용하여 획득한다. 이 시퀀스에서는 90도 여기 펄스와 180도 재초점화 펄스를 조합하여, T2 이완에 의한 신호 감쇠를 측정한다. 에코 시간을 길게 설정할수록 T2 가중치가 강해져, T2 이완 시간이 긴 조직(예: 뇌척수액, 낭종)과 짧은 조직(예: 피질골, 섬유 조직) 간의 대비가 더욱 두드러지게 나타난다.

임상적으로 T2 강조 영상은 부종, 염증, 출혈의 후기 단계, 그리고 대부분의 종양성 병변을 검출하는 데 매우 유용하다. 이러한 병변들은 일반적으로 주변 정상 조직보다 수분 함량이 높아 T2 신호가 증가하여 밝게 보인다. 특히 신경계 영상에서 뇌졸중, 다발성 경화증의 병변, 또는 척수 이상을 평가하는 핵심 기법으로 활용된다.

확산 강조 영상은 물 분자의 무작위 열 운동인 브라운 운동을 영상화하는 자기공명영상 기법이다. 이 기법은 조직 내 물 분자의 확산 능력을 정량화하여, 세포 내부의 미세 구조와 세포막의 무결성에 대한 정보를 제공한다. 확산이 제한된 영역은 밝게 나타나며, 확산이 자유로운 영역은 어둡게 표현되는 것이 일반적이다.

영상 획득을 위해 강력한 그라디언트 자기장 펄스를 적용한다. 이 펄스는 움직이는 물 분자의 위상을 변화시키며, 확산이 없는 정지된 분자들의 위상 변화는 상쇄된다. 그러나 확산 운동을 하는 분자들의 위상은 일관되게 변화하지 못해 신호 강도가 감소한다. 이 신호 감쇠 정도를 측정하여 확산 정도를 계산하고 영상으로 변환한다. 확산의 정도는 명목상의 확산 계수인 겉보기 확산 계수 값을 통해 정량화할 수 있다.

가장 널리 사용되는 임상 적용은 뇌졸중, 특히 급성기 뇌경색의 조기 진단이다. 뇌세포가 허혈에 의해 손상되면 세포 부종이 발생하고, 이로 인해 세포 내 공간이 좁아져 물 분자의 확산이 현저히 제한된다. 이는 발병 수분에서 수십 분 이내에 DWI 영상에서 고신호 영역으로 나타나며, 일반적인 T1 강조 영상이나 T2 강조 영상보다 훨씬 빠르게 병변을 발견할 수 있게 한다. 또한, 일부 뇌종양의 감별 진단이나 뇌농양의 진단에도 유용하게 활용된다.

확산 텐서 영상은 DWI의 발전된 형태로, 물 분자의 확산 방향성과 이방성을 3차원적으로 평가한다. 이 기법은 뇌의 백질 속 신경 섬유 다발의 방향과 무결성을 추정하여, 신경 섬유로를 비침습적으로 가시화하는 신경섬유조영술을 가능하게 한다. DTI는 뇌종양으로 인한 신경 섬유 다발의 변위나 손상 평가, 다발성 경화증과 같은 탈수초성 질환의 연구에 중요한 도구로 사용된다.

관류 영상은 조직의 혈류 공급 상태를 평가하는 MRI 기법이다. 이 기법은 시간 단위당 특정 조직 부피를 통과하는 혈액의 양, 즉 관류를 정량적으로 측정하거나 정성적으로 평가하는 데 사용된다. 임상적으로는 뇌졸중, 종양, 신경퇴행성 질환 등 다양한 질환에서 혈류 이상을 감지하고 모니터링하는 데 중요한 역할을 한다.

주요 기법으로는 동적 감수성 조영 영상과 동적 조영 증강 영상, 그리고 동맥 스핀 표지법이 있다. 동적 감수성 조영(DSC) 영상은 빠른 속도로 주입된 가돌리늄 기반 조영제가 혈관을 통과할 때 발생하는 국소적 자기장 왜곡을 추적한다. 이 신호 변화를 분석하여 뇌혈류량, 뇌혈류량, 평균 통과 시간 등의 매개변수를 계산한다. 반면, 동적 조영 증강(DCE) 영상은 조영제가 혈관 밖 세포외 공간으로 누출되는 속도와 양을 측정하여, 주로 혈관 투과성과 세포외 용적 분율을 평가한다. 이는 특히 혈관신생이 활발한 종양의 특성을 평가하는 데 유용하다.

조영제를 전혀 사용하지 않는 동맥 스핀 표지법(ASL)도 있다. 이 기법은 목의 혈관에 RF 펄스를 가해 들어오는 동맥혈의 수소 원자 스핀을 '표지'하고, 이 표지된 혈액이 뇌 조직에 도달했을 때의 영상을 획득한다. 표지되지 않은 영상과의 차이를 분석하여 뇌혈류량을 정량화한다. 이 방법은 조영제 사용의 위험이나 금기 사항이 있는 환자, 또는 반복적인 검사가 필요한 경우에 장점을 가진다.

MRI는 높은 연부 조직 대조도와 해상도를 바탕으로 뇌와 척수를 포함한 중추신경계 및 말초신경계의 해부학적 구조와 병변을 평가하는 데 핵심적인 영상 기법이다. 특히 다른 영상 진단법으로는 확인하기 어려운 병변을 조기에 발견하고 정확히 특성화하는 데 유용하다.

신경계 MRI의 주요 적용 분야는 뇌졸중, 뇌종양, 다발성 경화증, 퇴행성 뇌질환, 감염, 선천적 기형, 외상 등 광범위한 질환의 진단과 추적 관찰을 포함한다. 예를 들어, 확산 강조 영상은 뇌졸중 발생 수분 내에 허혈성 병변을 감지할 수 있으며, 관류 영상은 혈류 장애 영역을 추가로 평가한다. T2 강조 영상이나 FLAIR 영상은 다발성 경화증의 병변처럼 부종이나 염증을 잘 보여준다.

또한, MRI는 척추와 척수의 평가에 필수적이다. 추간판 탈출증, 척수 압박, 척수 종양, 척수 공동증 등을 정확히 진단할 수 있다. 기능적 MRI(fMRI)는 뇌의 특정 기능과 관련된 부위의 활동을 간접적으로 측정하여 뇌수술 전 기능적 지도를 작성하거나 신경과학 연구에 활용된다.

근골격계 영상은 MRI의 주요 임상 적용 분야 중 하나로, 연골, 인대, 힘줄, 근육, 골수 및 관절 구조를 다른 영상 기법보다 훨씬 우수하게 평가할 수 있게 한다. X선이나 컴퓨터단층촬영(CT)은 주로 골 구조를 보여주지만, MRI는 연부 조직의 높은 대조도 덕분에 연골 파열, 인대 손상, 힘줄염, 근육 파열 및 골절을 명확하게 시각화한다.

가장 흔히 촬영되는 부위는 무릎, 어깨, 발목, 고관절, 손목 및 팔꿈치 관절이다. 예를 들어, 무릎 MRI는 반월판 파열, 전방 십자 인대(ACL) 손상, 연골 결손을 진단하는 데 필수적이다. 어깨 MRI는 회전근개 파열이나 관절와순 손상을 평가한다. 이러한 평가는 수술 필요성을 결정하거나 비수술적 치료의 경과를 관찰하는 데 중요한 정보를 제공한다.

MRI는 또한 골수의 병변을 조기에 발견하는 데 매우 민감하다. 골수 부종, 일과성 골다공증, 골괴사(무혈관성 괴사), 골종양 및 감염(골수염)을 X선에서 이상 소견이 나타나기 전에 탐지할 수 있다. 확산 강조 영상이나 조영제 주입 후 촬영과 같은 특수 기법은 악성 종양과 양성 병변을 구분하거나 감염의 범위를 평가하는 데 도움을 준다.

근골격계 MRI의 한계는 검사 시간이 길고 비용이 상대적으로 높으며, 움직임 민감도가 높아 환자가 검사 중 완전히 움직이지 않아야 한다는 점이다. 그러나 비침습적이며 전리 방사선을 사용하지 않는다는 장점으로 인해, 연부 조직과 관절의 평가에 있어 금표준 영상 기법으로 널리 인정받고 있다.

심장 MRI는 심장의 구조, 기능, 혈류 및 조직 특성을 비침습적으로 평가하는 데 사용되는 중요한 영상 기법이다. 이는 관상동맥 질환, 심근병증, 심장 종양, 선천성 심장병 등 다양한 심장 질환의 진단과 치료 계획 수립에 필수적이다.

기능 평가를 위해 심전도 동기화 기술을 사용하여 심장 주기의 특정 시점(수축기, 이완기)에서 영상을 획득한다. 이를 통해 좌심실 구혈률과 같은 심실 기능 지표, 국소 벽 운동 이상, 심근의 두께와 질량을 정량적으로 분석할 수 있다. 관류 MRI는 스트레스 하에서 심근의 혈류 공급 상태를 평가하여 허혈성 심장병을 진단하는 데 도움을 준다.

혈관 영상 분야에서는 자기 공명 혈관조영술이 널리 활용된다. 특히 뇌혈관, 대동맥, 신장동맥, 말초동맥 등의 평가에 유용하다. 조영제를 사용하지 않고도 혈류를 가시화할 수 있는 시간 비행법 같은 기법도 있다. 대동맥 박리나 동맥류와 같은 급성 혈관 질환의 진단에 MRI는 중요한 역할을 한다.

최근 발전된 기법으로는 심근 조직 특성화가 있다. T1 매핑, T2 매핑, 세포외 용적 분율 측정 등을 통해 심근 섬유화, 염증, 침윤(예: 아밀로이드증), 철 과부하 등의 미세한 조직 변화를 감지할 수 있다. 이는 질병의 기전 이해와 예후 판정에 새로운 정보를 제공한다.

자기장 위험은 MRI 검사 시 사용되는 강력한 정자기장과 변화하는 자기장(그라디언트)으로 인해 발생할 수 있는 잠재적 위험을 포괄한다. 가장 큰 위험은 강력한 자기장이 페로자성 물체를 격렬하게 끌어당기는 투사체 효과이다. 이로 인해 의자, 산소통, 가위, 펜 등 검사실 내부로 반입된 금속 물체가 빠른 속도로 자석 쪽으로 날아들어 환자나 직원에게 심각한 상해를 입힐 수 있다. 따라서 철저한 검사 전 선별이 필수적이다.

자기장 자체는 인체 조직에 직접적인 생물학적 손상을 주지 않지만, 몸속에 이식된 페로자성 금속 임플란트는 문제를 일으킬 수 있다. 일부 오래된 동맥류 클립, 심장박동기, 코클리아 임플란트 등은 자기장에 의해 움직이거나 가열되거나 기능 장애를 일으켜 생명을 위협할 수 있다. 모든 이식 장치의 자기장 안전성(MR 조건부, MR 안전 등)을 사전에 확인해야 한다.

시간에 따라 빠르게 변하는 그라디언트 자기장은 말초 신경 자극을 유발할 수 있으며, 매우 높은 수준에서는 근육 경련이나 심장 세동을 일으킬 위험이 있다. 또한, RF 펄스에 의한 조직 가열 효과도 발생한다. 특히 긴 금속 이물이나 큰 문신이 있는 부위는 국소적으로 과도하게 가열될 수 있다. 이러한 위험들은 장비의 특정 흡수율 제한을 통해 관리된다.

MRI 검사에서 사용되는 가돌리늄 기반 조영제는 일반적으로 안전성이 높지만, 일부 환자에게서 부작용이 발생할 수 있다. 가장 흔한 반응은 경미하며, 주사 부위의 통증이나 따끔거림, 두통, 메스꺼움, 피부 발진 등이 포함된다. 이러한 증상은 대부분 일시적이며 특별한 치료 없이 저절로 소실된다.

드물지만 중증의 부작용이 발생할 수 있다. 가장 심각한 합병증 중 하나는 신섬유화증이다. 이는 신기능이 심각하게 저하된 환자에서 가돌리늄이 체내에 장기간 잔류하면서 피부와 내부 장기에 섬유화를 유발하는 질환이다[6]. 따라서 신장 기능이 심각하게 손상된 환자에게는 조영제 사용을 신중히 고려하거나 특정 유형의 조영제를 선택해야 한다.

알레르기 유사 반응도 중요한 부작용이다. 증상으로는 두드러기, 호흡 곤란, 혈관 부종, 드물게 과민성 쇼크가 포함될 수 있다. 기존에 요오드 조영제나 가돌리늄 조영제에 알레르기 반응을 보인 적이 있는 환자는 위험도가 더 높다. 이러한 반응이 발생하면 즉각적인 응급 처치가 필요하다.

조영제 투여 전에 의료진은 환자의 병력을 확인하여 위험 요소를 평가한다. 주요 평가 항목은 다음과 같다.

대부분의 MRI 기관은 중증 알레르기 반응에 대비해 응급 약품과 장비를 상비해둔다. 환자는 검사 전에 자신의 알레르기 병력과 신장 기능 상태를 정확히 알려야 안전한 검사를 받을 수 있다.