안녕하세요, 라브입니다.
이번 글에서는 NMR (Nuclear Resonance Imaging)과 MRI (Magnetic Resonance Imaging)의 기본 원리에 대해 알아보도록 하겠습니다.
모든 원자의 핵은 자연 상태에서 특정한 축을 기준으로 회전하는 세차운동(precession)을 하고 있으며, 이를 핵 스핀(nuclear spin)이라고 부릅니다.
이러한 핵 스핀은 자석처럼 자기장에 반응을 하는데요. 자연 상태에서 핵 스핀의 축은 각각 무작위한 방향으로 정렬이 되어 있기 때문에 net magnetization은 0으로, 평형 상태(equilibrium)입니다.
이때 원자 고유의 radio frequency (RF)에 맞는 에너지 차이 만큼의 자기장을 가하게 되면 해당 원자의 핵 스핀 축은 자기장과 동일한 방향(낮은 에너지 상태)과 반대 방향(높은 에너지 상태)으로 정렬이 됩니다.
낮은 에너지 상태가 더욱 안정하므로 자기장과 동일한 방향으로 향하는 핵 스핀의 개수가 반대 방향보다 많습니다.
MRI를 보시면 우측 그림과 같이 원기둥 형태의 기계 안에 사람이 들어가게 되는데요.
사람의 몸에 일정한 방향으로 자기장을 걸어주기 위함입니다.
정렬된 핵 스핀에 RF pulse에 해당하는 주파수를 가해주면 net magnetization (M0)이 변하게 됩니다.
90도, 즉 M0이 평형 상태로 돌아가게 만드는 주파수에 해당하는 RF pulse를 saturation pulse라고 합니다.
saturation pulse를 가해주면 M0이 서서히 z축(가해준 자기장과 동일한 방향)에서 xy-plane으로 향하게 됩니다.
이 과정에서 나오는 신호를 free induction decay (FID)라고 하며, 이 신호를 습득하여 fourier transform을 통해 변환하면 우리가 볼 수 있는 NMR spectrum이 나타나게 됩니다.
NMR 원리를 한 figure로 정리한 것입니다.
MRI 이미지를 얻는 방식도 이와 유사합니다.
단, MRI는 RF pulse를 주었다가 제거를 할 때의 상태로 돌아가는 시간에 중점을 두고, 이 신호들을 해석하여 이미지를 얻습니다.
정렬된 핵 스핀에 RF pulse를 주었다가 제거를 하면 net magnetization은 다시 외부 자기장과 동일한 방향으로 향합니다. 즉, M0의 방향이 xy 평면에서 다시 z축으로 향하게 됩니다.
z축 관점에서 magnetization은 0에서 점점 RF pulse 주기 전과 동일한 정도로 증가를 하게 되고, xy 평면에서는 100%에서 점점 0으로 감소합니다.
이때 z축 방향 magnetization이 63%까지 회복되는 데 걸리는 시간을 T1 relaxation time이라고 하고, xy 평면 방향 magnetization이 37%까지 감소하는 데 걸리는 시간을 T2 relaxation time이라고 합니다.
T1 relaxation time은 자기장을 걸어준 방향과 동일하기 때문에 longitudinal relaxation time이라고 하며, 핵 스핀이 주변 환경(lattice)과 상호작용하며 생기기 때문에 spin-lattice relaxation time이라고도 합니다.
반대로 T2 relaxation time은 자기장을 걸어준 방향과 수직 방향이기 때문에 transverse relaxation time이라고 하며, spin-spin relaxation time이라고도 합니다.
NMR과 MRI 모두 가장 흔하게 사용하는 원소는 수소(1H)입니다.
수소는 자연계에 굉장히 흔하게 존재하며 대부분의 유기 화합물이 가지고 있고, 특히 체내에도 물 분자로 인해 수소 원자가 많이 존재하기 때문입니다.
지금까지 NMR과 MRI의 기본 원리에 대해 알아보았습니다.
감사합니다.
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