강력한 자기장과 무해한 고주파(RF) 펄스를 이용하여 체내 수소 원자핵의 공명 신호로부터 뇌의 해부학적 미세 구조와 실시간 신경 활동(혈류 산소화)을 3차원으로 시각화하는 비침습적 최첨단 뇌영상 기술
🧠 ( Magnetic Resonance Imaging )
두뇌의 해부학적 특성을 잘 찍어내는 MRI (자기공명영상) 는 우리 몸속에 있는 수소 분자의 특성을 잘 이용해서 찍는 것이다. 수소 분자가 무슨 상관이 있는가? 두뇌의 백질과 회백질에는 이 수소분자의 밀도가 전혀 다르다. 그래서 수소 분자로부터 나오는 신호의 밀도 차이가 곧 두뇌의 조직을 그대로 잘 재현하게 되는 것이다. 그러나 이것은 두뇌의 '모습' '생김' 즉 구조에 대한 정보이지 기능에 대한 정보는 아니다 ........ 이렇게 구조를 찍는데 쓰이는 MRI 를 잘 이용하면 이번엔 같은 기계로 같은 그 자리에서 이어서 '활동' 즉 '기능' 을 찍을 수 있다. 한 사람을 한 기계에서 구조영상과 기능영상을 찍어낸다는 것은 대단히 중요한 장점이다. 어려움 없이 두 영상을 합치면 그 기능이 어느 구조위에서 일어나고 있는지 정확하게 집어낼 수 있기 때문이다......
MRI 로 기능 (function) 을 찍는 영상이라고 해서 function 의 'f' 가 붙어서 우리가 'fMRI' 라고 부르는 이 기능 영상방법은 우리 두뇌의 묘한 부조화를 이용한 것이다. 위에서 두뇌의 한 동네가 바빠지면 그 쪽으로 혈류가 일시적으로 증가한다고 소개한 바 있다. 이때 혈류만 증가하는게 아니라, 혈당도 증가하고, 그리고 산소공급이 증가한다. 뇌 세포에 산소가 혈류를 통해서 공급되려면 잘 알려진 사실과 같이 헤모글로빈이라는 것이 작용하게 된다. 즉 바쁜 동네를 지나는 핏줄 속에 산소와 결합된 헤모글로빈이 많아지는 것이다. 이상하게도 정말 필요 (수요) 한 것보다도 더 많이 공급되는 현상이 있는데 물론 오래 가지는 않고 다시 수요 공급의 균형이 금방 돌아온다. 그래서 그 뇌 조직이 계속 분주하다 해서 과잉공급 시기가 계속되는 것도 아님을 주의하자. 이때 산소와 결합된 헤모글로빈은 또 잘 알려진 사실이지만 철분 이온과 결합되어 있는 것이고 산소를 넘겨주고 이산화탄소를 받은 헤모글로빈과 철분이온과의 결합상태가 달라서 자기장에 영향을 주는 속성도 다르다. 철이 자기장에 영향을 준다는 것도 여기서 또 중요하지만 지당한 사실. 즉 MRI 는 자기장의 속성을 고도의 방법으로 잘 이용해서 찍는 기법이다. 산소와 결합한 헤모글로빈이 이산화탄소와 결합한 헤모글로빈과의 농도 차이가 생기면, MRI 가 찍을 수 있는 신호의 강도 차이가 생긴다. 활동이 왕성한 뇌조직 주변을 지나는 모세 혈관에 결국 일시적으로 산소 (+헤모글로빈) 가 과잉 공급되는 순간을 포착하면 두뇌의 어느 동네가 지금 분주한가 하는 귀한 정보를 '지도화' 하게 되는 것이다. .........
방사선 동위원소를 만들어야 하는 어렵고 비싼 기술도 필요없고, 실험에 참여하거나 검사에 참여하는 사람이 정맥주사를 손등에 맞고 있을 필요도 없이 여전히 두뇌 '활동 사진' 을 찍는 것이 1990 년대 후반부터 실질적으로 가능해 지게 되었다. 말 그대로 활동사진이다. 두뇌를 몇분에 걸쳐 한 장을 찍어내는 것이 아니라 (H215O PET 이나 FDG-PET 처럼) 매 1-3 초 마다 뇌 전체를 한 프레임씩 계속 찍으니 이게 활동사진이 아니고 무엇이란 말인가. .........
fMRI 를 좀더 자유롭게 쓸 수 있게 되면서 fMRI 를 이용한 두뇌와 인지과정의 기제를 연구하려는 실험이 폭발적으로 증가하고 있다. 이는 세계적인 추세이며 우리나라도 요 몇 년동안 연구 수와 연구자의 수가 증가하고 있다. 여전히 기계가 비싸고 대부분의 기계가 의료용으로 병원에서 환자 진료용으로 쓰이고 있어 자유롭게 연구하는데 쓰지 못하고 있다는 문제가 있다. 선진국처럼 연구용 MRI 가 연구소나 대학 캠퍼스에 설치된다면 아직도 해결해야 할 두뇌의 수수께끼가 다음 세대 과학자들을 기다리고 있을 것이다.
물론 이 기계가 연구자의 꿈을 실현한 기계는 아니다. 실제로 이 기계는 공기주머니 근처 (코 위, 귀 위) 의 신호가 잘 안나오고, 기계가 자기장 펄스를 때리느라고 끊임없는 큰 소음을 내고 (귀마개를 꼭하고 기계에 누워야 한다), 들어가 누워있는 자리는 좁고 긴 원통형이어서 좀 불쾌감을 느끼는 사람도 있을 정도이다. 더 중요한 것은 쇠, 금속 물질이 이 기계 근처에 가면 신호가 망가질 뿐 아니라 이 쇠붙이가 기계속으로 무서운 속력으로 빨려가면서 안전사고를 낼 위험도 있다. 예를 들어 이를 금속으로 교정하고 있는 사람은 피험자가 될 수 없다 (신호가 망가진다). 몸속에 금속 성분의 부속품을 이식하고 있는 사람은 물론 기계 근처에 가서는 안된다. 특히 심장박동기를 이식하고 있는 사람은 절대 근처에 가서는 안된다. 그렇지만 이 방법은 또 장점도 많다. 우선 몇 번이고 다시 찍어도 전혀 안전에 문제가 없다. 예를 들어 여러분이 새로운 외국어 (아랍어) 를 배우는 학기 초에 찍고, 학기 중간에 찍고, 학기 말에 찍었다고 해보라. 아랍어를 보고 읽는데 뇌가 어떻게 다르게 반응하는 가를 시리즈로 찍어서 분석했다면 얼마나 귀한 정보를 얻을 수 있겠는가 상상해 보라. 발달기의 어린이들도 찍을 수 있다. 물론 5 살 미만의 아이들은 거의 불가능하다. 그 기계에서 약간만 움직여도 그것은 곧 엄청난 잡음 신호가 되기 때문이다. 그러나 어느 정도 움직이지 말라는 지시를 따를 수 있는 아이들도 학령 전, 학령 후, 반복해서 찍어도 된다. 약물 복용 전후로 찍을 수도 있고 치료 전후로도 찍을 수 있다. 연구자의 상상력에 맡기기로 하자. 이런 장치와 방법으로 무엇을 할 수 있는지는, 그냥 놀랄 준비만 하면 된다 ............ (강은주 2003)
자기공명영상 (Magnetic Resonance Imaging, MRI) 이란 인체를 강력한 정자기장(통상 1.5~3.0 테슬라, 연구용 7.0T 이상)에 위치시킨 후, 특정 주파수의 고주파(Radiofrequency, RF) 펄스를 인가하여 체내 수소 원자핵(양성자, 1H proton)의 핵자기공명(Nuclear Magnetic Resonance, NMR)을 유도하고, 이들이 본래 상태로 복귀하면서 방출하는 전자기파 신호를 컴퓨터로 디지털 연산 및 역푸리에 변환(Inverse Fourier Transform)하여 인체의 단면을 초고해상도로 재구성하는 영상 진단 기술입니다.
인체 체중의 약 60~70%는 물(H2O)로 이루어져 있습니다. 평상시 제멋대로 회전하던 수소 원자핵의 자기 모멘트(Spin)가 강력한 외부 주자기장(B0) 안에서 일정한 방향으로 정렬하며, 고유한 라모어 주파수(ω0 = γB0)로 세차운동(Precession)을 시작합니다.
수소 원자핵의 세차운동 주파수와 정확히 일치하는 RF 전자기파 펄스를 쏘아주면 원자핵들이 에너지를 흡수하여 공명(Resonance)을 일으킵니다. 그 결과 종축 자화 벡터가 횡축(90° 또는 180°)으로 기울어지며 일제히 위상을 맞춰 회전하게 됩니다.
RF 펄스를 차단하면 원자핵들이 흡수했던 에너지를 방출하며 원래의 평형 상태로 돌아갑니다. 이 과정을 이완(Relaxation)이라 하며, 주변 격자로 에너지를 방출하는 T1 이완(종축 이완)과 스핀 간의 상호작용으로 위상이 흩어지는 T2 이완(횡축 이완)의 조직별 고유 시간 차이가 영상의 흑백 명암 대조도를 결정합니다.
3차원 경사자기장 코일(Gradient Coils, Gx, Gy, Gz)을 순간적으로 작동시켜 위치마다 주파수와 위상에 미세한 차이를 부여(주파수·위상 부호화)합니다. 수신 코일로 모은 복합 아날로그 신호를 2D/3D 고속 푸리에 변환(FFT)으로 해독하여 정밀한 화소(Pixel/Voxel)로 매핑합니다.
전통적인 MRI가 뇌의 구조적 형태를 촬영한다면, 기능성 자기공명영상 (Functional MRI, fMRI)은 신경세포가 작동하는 순간의 국소 혈류 역학적 변화(Hemodynamic Response)를 포착하여 뇌의 인지·운동·감각 기능을 지도화합니다. 그 핵심 원리가 바로 BOLD (Blood Oxygenation Level Dependent) 효과입니다.
MRI는 RF 펄스를 가하는 주기(TR, Repetition Time)와 에코 신호를 측정하는 시간(TE, Echo Time)을 조절하여 임상 목적에 맞는 다양한 조직 대조도를 연출합니다.
| 영상 기법 (Sequence) | 신호 특징 및 명암 | 주요 용도 및 임상적 진단 가치 | 관련 뇌 구조 |
|---|---|---|---|
| T1 강조영상 (T1-Weighted, T1WI) |
백질(White matter): 밝음 회백질: 중간 회색 뇌척수액(CSF): 어두움 |
가장 우수한 해부학적 구조 묘사. 뇌 위축, 뇌이랑과 고랑의 구조적 기형, 뇌종양 해부학적 경계 파악. | 대뇌피질, 백질신경로, 뇌실 |
| T2 강조영상 (T2-Weighted, T2WI) |
뇌척수액(CSF): 밝게 빛남 수분/부종 조직: 밝음 백질: 어두운 회색 |
병적인 수분 증가(부종, 염증) 탐색에 최적. 뇌부종, 뇌경색, 종양 주변 부종, 감염성 병변 검출. | 뇌실주변부, 병변 부종 부위 |
| FLAIR (액체감쇠역전회복) |
뇌척수액(CSF) 신호만 억제 병적 부종만 밝게 남김 |
뇌실 주변 뇌척수액의 강한 신호를 지워 다발성 경화증 탈수초 반, 지주막하 출혈, 뇌경색 감별. | 뇌실막하, 피질하 백질 |
| DWI & DTI (확산강조 & 확산텐서) |
물 분자의 브라운 운동 및 신경섬유 방향성(이방성) 추적 |
급성 뇌경색을 발병 수분~수시간 내 조기 확진. 3차원 백질 신경섬유로 추적(Tractography). | 추체로, 뇌량, 시상방사선 |
| MRA (자기공명혈관조영술) |
혈류의 이동 속도(TOF) 이용 혈관만 선명하게 추출 |
조영제 투여 없이도 뇌동맥류, 뇌혈관 협착, 윌리스 동맥륜 기형을 비침습적으로 입체 조망. | 윌리스 동맥륜, 내경동맥 |
[장점] 방사선 피폭이 전혀 없어 소아·임산부도 안전하게 촬영 가능하며, 뼈에 의한 음영 장애 없이 뇌 연부조직을 임의의 3차원 축(가로·세로·관상면)으로 자유롭게 촬영할 수 있습니다.
[한계점] CT(수초~수분)에 비해 검사 시간이 길고(20~45분), 장비 가동 소음(90~110dB)이 크며, 좁은 보어(원통) 구조로 인한 폐쇄공포증 발생 가능성이 있습니다.
MRI의 초전도 자석은 전원을 꺼도 24시간 내내 강력한 자기장을 유지합니다. 가위, 산소통, 휠체어 등 강자성체 물품이 기계로 무섭게 날아드는 미사일 효과(Missile Effect) 위험이 있습니다.
절대적 금기 환자 : 심장박동기(Pacemaker), 인공와우(달팽이관 이식), 구형 동맥류 클립, 금속 파편 삽입 환자는 자기장에 의해 체내 장치가 오작동하거나 조직 손상을 입을 수 있어 촬영이 전면 금지됩니다.
| 구분 | 구조적 MRI | 기능적 fMRI | 컴퓨터단층촬영 (CT) | 양전자방출단층 (PET) |
|---|---|---|---|---|
| 물리적 신호원 | 수소 원자핵 스핀 (NMR) | 혈중 산소치 변화 (BOLD) | X선 조직 투과 감쇠율 | 방사성동위원소 양전자 |
| 방사선 피폭 | 없음 (완전 무해) | 없음 (완전 무해) | 있음 (X선 피폭) | 있음 (동위원소 정맥주사) |
| 공간 분해능 | 매우 우수 (< 1 mm) | 우수 (1 ~ 3 mm) | 우수 (0.5 ~ 1 mm) | 보통 (4 ~ 8 mm) |
| 시간 분해능 | 해당 없음 (정적 영상) | 우수 (1 ~ 2초 단위) | 초고속 (수초 내 완료) | 느림 (수십분~수시간) |
| 주요 장점 | 연부조직 대조도 최고 | 구조와 기능을 동시 획득 | 골절·급성출혈 초고속 확인 | 포도당·도파민 대사 정밀 측정 |