MRI의 기본 원리

MRI의 기본 이론
스핀(Nuclear Spin)
원자는 핵과 전자로 구성되어 있다. 특히 수소원자(1H)는 양전하를 가진 양성자 1개왿� 그 주위를 움직이고 있는 1개의 전자로 구성되어 있다. 수소핵(proton)은 조그만 위성과 비슷하게 마치 지구가 자전하는 것처럼 꾸준히 축을 중심으로 돌고 있는데 이를 수소 핵이 스핀(spin)을 가졌다고 한다
핵자기 쌍극자(Nuclear Magnetic Moment)
양전하가 수소 핵에 붙어서 축을 중심으로 회전하는 것과 같아 양전하를 띤 수소의 핵 스핀으로 인하여 전류가 생성된다.
전자기학에 의하면 전하의 움직임은 전류의 흐름을 말하고, 전류의 흐름이 있으면 자장이 발생하는 것으로 알려져 있다. 예를 들어 철로 된 못에 에나멜선을 감고 건전지를 연결하면 그 못을 중심으로 감긴 전선을 따라 회전하는 전류에 의해 못이 전자석이 되는 원리처럼 수소 핵의 스핀에 의해서도 자장이형성된다. 이때 형성된 자장의 방향과 세기를 벡터로 표현한 것을 핵자기 상극자(Nuclear Magnetic Moment)라 한다.
즉, 양전하를 띤 수소 핵은 스핀을 가지고 있어서 양전하가 수소 핵을 중심으로 돌고 있으며, 이 양전하의 회전은 자장을 형성시켜 수소 핵은 마치 조그만 막대자석처럼 행동하게 된다 (그림1-2). 이때의 막대자석처럼 행동하는 핵을 자기 쌍극자(Magnetic dipole)라고 한다. 핵자기 쌍극자의 세기는 핵의 질량, 전하량, 핵의 회전속도에 의해 결정되므로 핵 자신 또는 외부의 상태 에 따라 달라진다. 또한, 수소원자 뿐만 아니라 홀수의 양성자나중성자를 가지고 있는 원자는 자기 쌍극자를 가지고 있다.
세차운동 (Precession)
나침반이 지구의 북극과 남극을 가리키듯이 막대자석을 실에 매달아 큰 자석의 N극과 S극 사이의 자장 내에 두면 막대자석도 N극은 큰 자석의 S극 쪽으로 일정한 방향을 가리킨다. 자장 내에 놓인 핵은 위왿� 같은 성질을 가지고있지만 회전하는 작은 입자로 된 핵은 조금 다른 양상의 행동을하게 된다.
핵 스핀과 비슷하게 행동하는 예로 중력 하에서의 자이로스코프 팽이운동이다. 이 팽이는 자신의 축을 중심으로 도는 자전운동(spin)과 자전축이 중력방향에 대해 각도를 가지고 회전하는세차운동(precession)을 동시에 하게 된다. 핵도 마찬가지로 핵의 회전축을 중심으로 한 회전운동과 이 회전축이 자장을 중심으로 회전하는 세차운동을 한다
세차운동은 회전 운동이므로 그 빠르기를 나타낼 때 회전축이 자장을 중심으로 1초당 회전수로 표시하며 이를 세차주파수(Precession frequency)또는 라모아 주파수(Larmor frequency) 라고 하고 Hz(1/sec)의 단위를 쓴다. 세차주파수는 외부에서 가해준 자장의 세기에 비례하는데 식 1-1과같이 외부 자장의 세기를 알면 세차운동의 속도를 정확히 알수 있다.
여기서 세차주파수로 MHz 의 단위를 쓰고 B0는 외부자장의 세기로 Tesla (1T=10,000Gauss)의 단위를, γ는 비례상수로 자기회전 비(gyromagnetic ratio)이며, MHz/T의 단위를 쓴다. 이 수식을 보면 자장의 세기가 강할 수 록 세차주파수도 높아지는 것을 알 수 있다. 정확한 관계는 자기회전 비에 의해 결정되는데 이 비율은 핵의 종류에 따라 달라진다.