MRI 자기장 이용 인체 단면 촬영 원리

MRI의 물리적 기초: 핵자기 공명 현상

자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging, MRI)은 인체 내 풍부하게 존재하는 수소 원자핵(양성자)의 자기적 성질을 이용합니다. 수소 원자핵은 작은 자석과 같아서 고강도의 외부 정자기장 속에 놓이면 그 방향으로 정렬됩니다. 이 상태에서 특정 주파수의 전자기파(라디오파)를 쏘아주면, 정렬된 양성자들이 에너지를 흡수하여 공명하며 방향이 틀어집니다. 전자기파 펄스를 끄면 양성자들은 원래의 정자기장 방향으로 돌아오면서 흡수했던 에너지를 방출하는데. 이 방출되는 신호를 포착하여 영상화하는 것이 mri의 기본 원리입니다. 이 현상을 핵자기 공명(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)이라고 하며, ‘핵’이라는 단어가 포함되어 있으나 방사선이나 방사능과는 전혀 무관합니다.

영상화의 핵심: 공간 정보의 부호화와 슬라이스 선택

단순히 신호를 받아들이기만 한다면 인체 전체에서 나오는 신호의 총합만을 얻을 뿐, 단면 영상을 만들 수 없습니다. MRI가 특정 부위의 단면을 선명하게 보여줄 수 있는 이유는 정자기장에 공간 정보를 부여하는 기울기 자장(Gradient Magnetic Field) 시스템 덕분입니다.

슬라이스 선택 기울기 자장

촬영하고자 하는 단면의 두께와 위치를 결정합니다. 예를 들어 머리의 정중앙 시상면 단면을 찍고자 할 때, 두정부에서 턱 방향으로 머리 전체에 걸쳐 서서히 변화하는 기울기 자장을 걸어줍니다. 이렇게 하면 머리의 각 높이(위치)마다 양성자들이 공명하는 라디오파 주파수가 미세하게 달라집니다. 이때 특정 주파수 대역의 라디오파 펄스만을 조사하면, 오직 그 주파수에 해당하는 특정 두께의 슬라이스(단면)에 있는 양성자들만 선택적으로 공명하게 되어 신호를 발생시킵니다. 이 원리로 원하는 방향(시상면, 관상면, 축상면)과 두께의 단면을 정확히 선택할 수 있습니다.

위상 부호화 및 주파수 부호화 기울기 자장

선택된 단면 내에서 각 신호가 정확히 어디에서 발생했는지 위치를 특정하기 위해 사용됩니다. 단면의 한 방향(예: 위-아래)으로는 위상 부호화 기울기 자장을 매우 짧은 시간 동안 걸었다가 끕니다. 이 순간 위치에 따라 양성자들의 회전 위상이 미세하게 차이가 나게 되어 ‘위상’ 정보가 부여됩니다. 그 직후, 수직 방향(예: 좌-우)으로 주파수 부호화 기울기 자장을 걸어주면, 위치에 따라 신호의 주파수가 선형적으로 변화하게 됩니다. 이렇게 ‘위상’과 ‘주파수’라는 두 차원의 정보를 조합하여 2차원 단면 영상의 각 픽셀(화소) 정보를 완벽하게 재구성할 수 있습니다.

조영제의 역할과 T1, T2 가중 영상

MRI는 조직의 고유한 자기적 특성인 이완 시간(Relaxation Time)에 따라 다양한 대비의 영상을 생성합니다. T1 이완 시간은 양성자가 외부 자장 방향으로 돌아오는 속도. T2 이완 시간은 양성자들 간의 위상 일치가 무너지는 속도를 의미합니다. 물은 T1, T2가 모두 길고, 지방은 T1이 짧고 T2가 다소 깁니다. 펄스 시퀀스(라디오파와 기울기 자장을 가하는 타이밍 패턴)를 조절하여 T1 강조 영상(해부학적 구조 확인에 유리)이나 T2 강조 영상(부종, 염증 등 병변 확인에 유리)을 얻을 수 있습니다.

조영제는 일반적으로 가돌리늄(Gadolinium)이라는 희토류 원소를 킬레이트화한 안전한 형태로 사용됩니다. 가돌리늄은 강한 상자성체로 주변 수소 원자핵의 T1 이완 시간을 현저히 단축시킵니다. 그러므로 조영제가 모인 병변 부위는 T1 강조 영상에서 매우 밝은 고신호로 나타나, 혈관의 구조, 혈관이 풍부한 종양, 혈관장벽 손상(혈관부종) 등을 민감하게 발견할 수 있게 해줍니다.

다양한 펄스 시퀀스와 고급 영상 기법

기본적인 T1, T2 영상 외에도 특수한 펄스 시퀀스를 통해 다양한 정보를 추출할 수 있습니다.

MRI 시스템의 주요 구성 요소와 안전 고려사항

MRI 장치는 크게 자석 시스템, 기울기 자장 시스템, 라디오파 시스템, 컴퓨터 시스템으로 구성됩니다. 초전도 자석은 액체 헬륨으로 냉각되어 영구적으로 강력한 정자기장(일반적으로 1.5T 또는 3.0T, 지구자기의 3~6만 배)을 유지합니다. 이 극한의 물리적 환경은 뛰어난 영상 품질을 제공하는 동시에 엄격한 안전 수칙을 요구합니다.

• 발사체 위험: 강력한 자장에 철성 물체가 빨려 들어가 심각한 사고를 유발할 수 있습니다. 스테인리스 스틸도 위험하며, 산소통, 병상, 휠체어 등 모든 철제 물체는 촬영실 반경 5m 이내 반입이 금지됩니다.
• 임플란트 및 의료기기: 인공 심장박동기, 코클레아 임플란트, 금속 클립 등은 자장에 의해 기능 정지, 위치 이동, 발열이 발생할 수 있어 절대적인 금기 사항입니다. 최근 개발된 ‘MRI 조건부’ 임플란트는 특정 조건 하에서만 촬영이 가능합니다.
• 열 효과: 라디오파 에너지가 인체에 흡수되며 국부적 온도 상승을 유발할 수 있습니다. 특히 피부 접촉부위에 금속성 문신이나 아이섀도우가 있으면 화상 위험이 증가합니다.
• 청각 소음: 기울기 코일의 빠른 스위칭으로 인해 큰 타격음(약 100dB 내외)이 발생하므로, 환자는 반드시 귀마개나 방음 헤드폰을 착용해야 합니다.

MRI 촬영 전 반드시 실시하는 안전 설문지는 생명과 직결된 필수 절차입니다. 환자는 과거 수술 이력, 외상 경험, 직업(금속 세공 등), 체내에 잠재적 금속 이물(눈에 들어간 철편 등) 가능성에 대해 반드시 사실대로 정확히 기재해야 합니다. 촬영실 내부는 강력한 자기장이 항상 존재하며, 장비의 전원이 꺼져 있다고 해서 자장이 사라지는 것이 아니라는 점을 인지해야 합니다.

CT 대비 MRI의 장단점 및 한계

방사선을 사용하지 않는 MRI는 연부 조직 대비도에서 CT를 압도적으로 능가하며, 조영제 없이도 혈관, 담관, 뇌실 등을 명확히 보여줄 수 있습니다. 그러나 모든 영상의학 검사에는 트레이드오프가 존재합니다.

MRI는 폐나 장처럼 공기가 많고 움직임이 심한 장기, 급성 외상 환자, 금속 임플란트를 가진 환자에게는 사용이 제한적입니다. 더욱이 촬영 시간이 길고 소음이 크며, 폐쇄공포증 환자에게는 불편함을 초래할 수 있습니다. 이러한 단점을 보완하기 위해 개방형 MRI, 초고속 시퀀스, 소음 저감 기술 등이 지속적으로 개발되고 있습니다.

결론: 인체 탐구를 위한 비침습적 창

MRI는 핵자기 공명이라는 근본적인 물리 법칙을 기반으로, 정자기장, 기울기 자장, 라디오파라는 세 가지 장(場)을 정교하게 제어하여 인체의 단면을 화학적, 기능적 수준까지 가시화하는 획기적인 기술입니다. 이는 단순한 해부학적 영상을 넘어 물 분자의 확산, 혈류의 속도와 방향, 대사 산물의 분포, 심지어 뇌의 기능적 활성화 영역까지 측정할 수 있는 강력한 연구 및 진단 도구로 진화했습니다. 그러나 그 뛰어난 성능은 강력한 자기장이라는 특수 환경에서 비롯되므로, 이를 운용하고 이용하는 모든 과정에서 철저한 안전 관리가 선행되어야 합니다, mri 기술은 지속적인 펄스 시퀀스의 발전과 인공지능 기반 영상 재구성 기술의 결합을 통해 더 빠르고, 더 선명하며, 더 많은 정보를 제공하는 방향으로 진화하고 있습니다.