이 포스트는 이전에 작성된 MR physics 기초에 대한 포스트에 이어 작성된 글입니다. 1편을 못 보신 분은 아래 글을 참조하세요. 

goldenduck.tistory.com/329

3. FLAIR

FLAIR는 90도 앞에 180도 inversion pulse를 때려준다. 90도에서 180도 pulse까지의 시간을 inversion time (TI)라고 하는데, 이 inversion time을 조절하여 CSF signal을 억제하는 FLAIR 또는 지방을 억제하는 영상을 얻을 수 있다. 180도 inversion pulse를 때리면 vector 방향이 정 반대로 크기는 같은 -Mz 자화의 방향이 생긴다. 이 상태에서 T1 이완이 일어나게 된다. 억제하고자 하는 tissue가 있다면, 해당 조직의 T1 이완을 하다가 Mxy가 생기고 Mz가 0인 시점에 inversion time에 반영을 해주면 해당 조직을 억제할 수 있다. 

4. Gadolinium enhancement

gadolinium을 이용한 조영제를 MR 조영제로 쓴다. gadolinium은 7개의 unpaired electron을 가지고 있는데, 이는 물리학적으로 강한 paramagnetic 을 띤다고 한다. Paramagnetic은 주변 수소의 T1, T2 이완을 단축시키는 효과가 있다(단축되면 T1 high, T2 low로 보인다). 그러나 조영제 농도가 상대적으로 낮은 농도에서는 T1 이완효과가 T2 효과보다 크다. 이 경우 BBB 파괴로 인한 조영제 유출되어 증강되는 경우는 저농도에 해당한다. 고농도의 조영제의 경우(혈관으로 지나가는 고농도) T2 이완효과가 커서 perfusion 영상을 얻을 수 있다. 

조영증강 효과를 높이기 위해서는 이론적으로 (1) 조영제를 많이 주입한다 (2) field strength(Tesla)를 올린다. (3) 조영제의 relaxivity를 높인다 (4) 조영제를 주고 이미징을 하는 시간을 조절한다. 

5. Diffusion-weighted imaging

인체 내 물 분자의 확산 현상을 이용한 영상이다. 불규칙적인 물분자의 확산 운동은 MRI에서 신호 감소를 초래한다. 인체 내 물 분자의 운동 중 거시적으로는 blood flow, CSF motion이 있어 signal void가 나타나게 되고 microscopic하게는 diffusion, capillary perfusion이 있다. 

확산 MRI는 diffusion gradient라는 확산에 의한 신호 감소를 증폭시키는 gradient를 추가로 걸어주는 영상이다. 이 신호를 증폭시키기 위하여 90도, 180도 pulse를 주고 signal을 얻을 때 180도 앞뒤에다가 diffusion 경사자장이라는 강한 자장을 걸어주게 된다. 따라서 Diffusion MRI는 EPI, TSE에 많이 적용하여 쓰게 된다.

6. 기타 terminology

- b value

diffusion gradient의 세기이다. b value가 커지면 커질수록 신호 감소가 커지게 된다. diffusion이 강조되기 때문이고, 이는 diffusion에 의한 신호 감소를 증폭시킨다는 의미이다. Diffusion gradient를 쓰면 확산이 일어나는 모든 조직은 신호가 감소하게 된다. 특히 확산이 잘 되는 CSF가 제일 검게 된다.

- ADC

ADC는 감소를 수학적 계수에 의해 특정 pixel에서 signal을 재서 확산 계수를 계산하게 된다. 정상 brain의 확산 계수 값은 CSF와 뇌조직, 즉 두 개의 확산 계수만 가진다. 

- TRACE(isotropic) diffusion image

우리가 병원에서 흔히 접하는 diffusion image가 바로 TRACE diffusion image가 된다. GM, WM 사이에 확산 계수 차이는 없으나 확산 방향은 차이가 있다. WM는 물 분자의 확산이 fiber 배열 방향으로 일어나고, GM/CSF는 확산의 방향성이 전혀 없다고 알려져있다. 따라서 WM의 확산 방향성을 해결하기 위하여 x, y, z 세 방향으로 gradient를 걸어준다. 확산 운동이 방향성을 갇기 때문에 x, y, z 세 방향에서 걸어주고 averaging 하여 영상을 판독하는데 쓴다. 

diffusion MRI를 가장 많이 이용하는 경우는 acute infarction이다. acute cerebral infarction은 DWI에서 bright, ADC map에서 까맣게 보인다. 이렇게 되는 이유는, 뇌세포 차원에서 볼 때, ischemia가 되면 neuron으로 물이 들어가 cytotoxic edema가 생긴다. Neuron이 swelling 되면 물 분자가 확산할 수 있는 공간이 협소하여 확산이 잘 안되서 상대적으로 DWI에서 bright하게 보이게 된다. ADC는 확산이 잘 되지 않기 때문에 까맣게 보인다. 약 하루 정도까지의 infarction은 DWI, ADC가 정확히 반대로 보인다.

T2 shine through 현상을 알아야 하고, 이는 subacute stage에 잘 나타난다. infarct일어나고 6시간째에는 DWI, ADC가 흑백을 바꾸어 둔 것처럼 보이지만, 8일째 되면 ADC가 정상 조직과 비슷한 정도로 돌아오지만 DWI는 여전히 하얗다. 이 이유는 T2 shine through 때문이다. Diffusion MRI의 signal이 ADC에 의해서만 좌우되는 것이 아니라, T2 signal도 영향을 미치기 때문이다. 

조직 각각의 특성에 따라 T1 relaxation time, T2 relaxation time이 있는데, disease에 따라 이 신호가 바뀌게 된다. T1강조영상, T2 강조영상, Proton density 영상, FLAIR 등으로 이 신호 변화를 잡아내어 이미지화 하는 것이 MRI이다. 

1. T1, T2 relaxation time 

RF pulse를 가하여 proton의 종축 자기화 (Mz)를 횡축으로 눕히게 되면 Mxy라는 vector가 형성된다. Mz가 Mxy로 바꾸어야 MR 신호가 된다. 90도 펄스 직후에는Mxy가 100%, Mz가 0%가 되는 순간이 오는데, 이 순간 T1, T2 relaxation이 시작된다. Mz가 relaxation에서 회복되는 것이 T1이고, Mxy가 100%에서 relaxation 되는 것이 T2 relaxation curve 이다. 동시에 일어나고 서로 독립적으로 일어나고, T2가 T1의 대략 10배 빠르게 회복된다.

조직마다 이완되는 시간이 상이하고 이에 따라 이미지가 얻어지게 된다(fat이 가장 빠르고, 다음 brain tissue, 그 다음 CSF 이다). T1 relaxation time은 Mz가 63%를 회복하는데 걸리는 시간이다. 자장이 세질 경우 (1.5 T -> 3T -> 7T) T1 이완 시간이 길어지게된다.

T2 relaxation도 조직마다 다르다. T1 relaxation이 짧은 조직은 T2도 급격하게 curve가 감소하게 된다. T2 relaxation time은 Mxy(signal)이 37%까지 감소하는 데 걸리는 시간이다. 다만, T2는 자장의 세기에 별 영향을 받지 않는다. Fat이 가장 빨리 신호가 떨어지고, 그 다음 brain tissue, 그 다음 CSF 이다. 

이러한 T1, T2 relaxation time을 그대로 imaging에 반영하는 것이 아니라 scan parameter(TR- repetition time, TE - echo time, TI - inversion time) 등을 조절하여 MRI 영상에 반영하게 된다.

2. TR/TE vs. T1/T2 강조영상

90도 pulse, 180 pulse 주고 신호를 얻으면 이것이 spin echo 기법이다. 한 번으로 영상이 나오면 좋겠으나, 실제 영상을 얻을 때는 통상 수백 번의 RF pulse를 가해야 한다. 결국 수 백 번을 반복하는데 90도 pulse에서 다음 90도 pulse까지의 시간을 TR, 90도 pulse에서 signal 얻을 때까지의 시간을 TE라고 부른다.이렇게 반복하기 때문에 TR이라는 개념이 있는 것이지, 가슴 단순 촬영처럼 한 번에 발생한 RF로 신호가 나오면 TR 개념이 없다. 이 TE와 TR를 짧고 길게 조작을 하게 된다.

- T1

T1 강조 영상은 TR을 짧게 해주어서, T1 값의 차이가 영상에 영향을 미치게 된다(<600ms). TR이 충분하게 되면 Mz가 90도 pulse 회복을 다 하고 나서 pulse가 들어가기 때문에 T1 이완시간이 짧고 긴 것이 영상에 드러나지 않게 된다. 그러나 TR이 짧아져서 조직간 이완시간이 차이가 날 때 pulse가 들어가게 되면, 거의 회복이 다 된 경우에는 두 번째 pulse에 강하게 영향을 받지만 아직 이완이 덜 된 경우는 영향을 덜 받게 된다. 모든 tissue는 첫 번째 90도 pulse에는 강한 반응을 보이나, 두 번째 pulse부터는 T1 이완시간의 차이가 바로 반영이 되게 된다. 수 백번의 반복에 비슷한 현상이 이어진다. 

TE는 짧게 해주어야 T2 값의 차이에 영향을 못 미친다. Mxy가 시간에 따라 감소하는데, 조직간 신호의 차이를 영상에 반영하려면 TE를 길게 해 주어야 한다. 반영하지 않기 위해서는 짧게 한다. T1 강조 영상을 촬영하는 경우에는 짧게 해주어야 한다. 

조영제의 농도가 높아질수록 T1 T2 이완시간이 전부 짧아진다. 이완시간의 차이가 차이가 날 때, 즉 TR이 짧을 때 이미지를 얻으면 조직간 차이가 더 잘 나는 영상을 얻을 수 있다.

- T2

T1과 빈대이다. TR을 길게 하여 T1 값의 차이가 영향을 미치지 못하게 한다 (> 3000ms). TE는 길게 하여 T2 값의 차이가 영향을 미치게 한다. 이렇게 신호를 받으면 조직간 T2 값의 차이가 이미지에 영향을 미치게쯤 한다. TE가 길어야 T2 contrast가 가장 좋게 나온다. 

- Proton density 영상

말 그대로 proton density가 영상에 영향을 미친다. TR을 길게 하고 TE를 짧게 하여 T1, T2 모두 이미지에 영향을 못 미치게 한다. 이는 MSK 영상에서 유용하게 쓰이는데, ligament나 fibrous tissue는 proton density 영상에서 검게 보여서 유용하게 쓰인다. 

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