MRI 작동 원리

Oct 25 2010

MRI 스캔은 인체를 절단하지 않고 인체 내부를 볼 수있는 가장 좋은 방법이지만, 시험 준비를 할 때 불편할 수 있습니다. 좁은 구멍의 작은 석판 위에 완벽하게 누워 있으면 몸에 무슨 일이 일어나고 있는지 궁금 할 것입니다.

Lester Lefkowitz / Photographer 's Choice / Getty Images
Into the Abyss.

의사이자 과학자 인 Raymond Damadian 박사는 자석을 사용하여 신체를 비 침습적으로 스캔 할 수있는 기계를 생산하기 위해 수년간 노력했습니다. 일부 대학원생과 함께 그는 초전도 자석을 만들고 안테나 와이어 코일을 만들었습니다. 아무도이 장치의 첫 번째 환자가되고 싶지 않았기 때문에 Damadian은 첫 번째 환자가되기로 자원했습니다.

그러나 그가 들어갔을 때 아무 일도 일어나지 않았습니다. Damadian은 실패한 발명품에 수년을 낭비하는 것을보고 있었지만 그의 동료 중 한 명이 기계에 비해 너무 클 수 있다고 용감하게 제안했습니다. 날씬한 대학원생이 자원하여 시도해 보았고, 1977 년 7 월 3 일 첫 번째 MRI 검사가 인간에 대해 수행되었습니다. 하나의 이미지를 생성하는 데 거의 5 시간이 걸렸으며 "Indomitable"이라는 이름의 원래 머신은 현재 Smithsonian Institution에서 소유하고 있습니다.

불과 수십 년 만에 자기 공명 영상 ( MRI ) 스캐너 사용이 엄청나게 증가했습니다. 의사는 다발성 경화증, 뇌종양, 인대 파열, 건염, 암 및 뇌졸중을 진단하는 데 도움이되는 MRI 스캔을 주문할 수 있습니다 . MRI 스캔은 인체를 절단하지 않고 인체 내부를 볼 수있는 가장 좋은 방법입니다.

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MRI 검사를 준비 할 때 불편할 수 있습니다. 당신은 보석과 신용 카드를 벗겨 내고 당신 안에있을 수있는 모든 금속 도구에 대해 상세한 질문을했습니다. 당신은 작은 슬라브 위에 놓여 져서 사람이보기에 충분히 크지 않은 구멍에 밀어 넣습니다. 당신은 시끄러운 소음에 노출되어 있고 완벽하게 가만히 누워 있어야합니다. 그렇지 않으면 그들은 당신에게 다시이 일을 할 것입니다. 그리고 매분마다, 당신은이 기계 안에있는 동안 당신의 몸에 무슨 일이 일어나고 있는지 궁금 할 수밖에 없습니다. 이 시련이 X-ray 또는 CAT 스캔 과 같은 다른 이미징 기술보다 진정으로 낫다는 것이 과연 있을까요? Raymond Damadian은 무엇을 만들었습니까?

내용

MRI 자석 : 주요 선수
MRI 기계의 다른 부분
수소 원자와 자기 모멘트
MRI 스캔에서 다른 일이 진행되고 있습니까?
MRI 이미지 및 제작 방법
MRI 안전 문제

MRI 자석 : 주요 선수

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MRI 시스템의 구성 요소

MRI 스캐너는 크기와 모양이 다양하며 일부 최신 모델은 측면 주변이 더 개방되어 있습니다. 그래도 기본 디자인은 동일하며 환자는 직경이 약 60cm (24 인치)에 불과한 튜브에 밀어 넣습니다 [출처 : Hornak ]. 하지만 거기에 무엇이 있습니까?

MRI 시스템의 가장 크고 중요한 구성 요소는 자석입니다. 환자가 들어가는 것과 동일한 수평 튜브가 자석을 통해 앞뒤로 흐르고 있습니다. 이 튜브를 보어라고 합니다. 그러나 이것은 단순한 자석이 아닙니다. 우리는 여기에서 크고 안정적인 자기장을 생성 할 수있는 믿을 수 없을 정도로 강력한 시스템을 다루고 있습니다.

MRI 시스템에서 자석의 강도는 테슬라 로 알려진 측정 단위를 사용하여 평가됩니다 . 자석과 함께 일반적으로 사용되는 또 다른 측정 단위는 가우스입니다 (1 테슬라 = 10,000 가우스). 오늘날 MRI 시스템에서 사용되는 자석은 0.5- 테슬라에서 2.0- 테슬라 또는 5,000-20,000 가우스의 자기장을 생성합니다. 지구 자기장이 0.5 가우스를 측정한다는 것을 알게되면이 자석이 얼마나 강력한 지 알 수 있습니다.

대부분의 MRI 시스템은 초전도 자석을 사용합니다.이 자석 은 전기 전류가 통과하는 많은 코일 또는 와이어 권선으로 구성되어 최대 2.0 테슬라의 자기장을 생성합니다. 이러한 큰 자기장을 유지하려면 많은 에너지가 필요하며, 이는 초전도성 에 의해 달성 되거나 전선의 저항을 거의 0으로 감소시킵니다. 이를 위해 전선은 섭씨 영하 452.4도 (섭씨 영하 269.1도)에서 액체 헬륨에 지속적으로 담근다 [출처 : Coyne ]. 이 감기는 진공에 의해 단열됩니다. 초전도 자석은 비싸지 만 강한 자기장은 최고 품질의 이미징을 허용하며 초전도는 시스템을 경제적으로 작동하도록 유지합니다.

MRI 기계의 다른 부분

MRI 개발

MRI 기계는 더욱 환자 친화적으로 진화하고 있습니다. 예를 들어, 많은 밀실 공포증 환자 는 비좁은 경계를 견딜 수 없으며 구멍은 비만인 사람들을 수용하지 못할 수 있습니다. 더 많은 공간을 허용하는 개방형 스캐너가 더 많지만 이러한 기계는 자기장이 약해 비정상 조직을 놓치기가 더 쉬울 수 있습니다. 특정 신체 부위를 이미징하기위한 초소형 스캐너도 개발 중입니다.

MRI 분야에서 다른 발전이 이루어지고 있습니다. 예를 들어 기능성 MRI ( fMRI ) 는 신경 세포 활동에 대한 뇌지도 를 초 단위로 생성하고 연구자들이 뇌의 작동 방식을 더 잘 이해하도록 돕습니다. 자기 공명 혈관 조영술 ( MRA )은 신체의 거의 모든 부분에서 흐르는 혈액, 동맥 및 정맥의 이미지를 생성합니다.

두 개의 다른 자석이 MRI 시스템에서 훨씬 덜 사용됩니다. 저항 자석 은 구조적으로 초전도 자석과 비슷하지만 액체 헬륨이 부족합니다. 이 차이는 엄청난 양의 전기가 필요하므로 0.3 테슬라 수준 이상에서 작동하는 데 엄청나게 비쌉니다. 영구 자석 은 일정한 자기장을 가지고 있지만 너무 무거워서 큰 자기장을 유지할 수있는 자석을 만들기가 어려울 것입니다.

MRI 기계 내부에는 3 개의 그래디언트 자석 도 있습니다 . 이 자석은 주 자기장에 비해 강도가 훨씬 낮습니다. 180 가우스에서 270 가우스까지 강도가 다양합니다. 주 자석은 환자 주위에 강하고 안정적인 자기장을 생성하는 반면, 그래디언트 자석은 신체의 다른 부분을 스캔 할 수있는 가변 장을 생성합니다.

MRI 시스템의 또 다른 부분은 고주파를 환자의 신체로 전송하는 코일 세트입니다. 무릎, 어깨, 손목, 머리, 목 등 신체 부위마다 다른 코일이 있습니다. 이 코일은 일반적으로 이미지화되는 신체 부위의 윤곽을 따르거나 적어도 검사 중에 매우 가까이에 있습니다. 기계의 다른 부분에는 매우 강력한 컴퓨터 시스템과 환자를 보어 안으로 밀어 넣는 환자 테이블이 있습니다. 환자가 머리 또는 발로 먼저 들어가는 지 여부는 신체의 어느 부분을 검사해야하는지에 따라 결정됩니다. 스캔 할 신체 부위는 정확한 센터, 또는에 있으면 등각 , 자기장의 스캔을 시작할 수 있습니다.

스캔하는 동안 어떻게됩니까? 다음 페이지에서 알아보십시오.

수소 원자와 자기 모멘트

환자가 MRI 기계에 들어가면 인체 를 구성하는 수십억 개의 원자를 함께 가져갑니다 . MRI 스캔을 위해 우리는 몸이 대부분 물과 지방 으로 구성되어 있기 때문에 풍부한 수소 원자에만 관심이 있습니다. 이 원자들은 아이의 윗부분처럼 그들의 축에서 무작위로 회전하거나 세차 합니다. 모든 원자는 다양한 방향으로 진행되지만 자기장에 배치되면 원자는 자기장의 방향으로 정렬됩니다.

이 수소 원자는 강한 자기 모멘트를 가지며 , 이는 자기장에서 자기장의 방향으로 정렬됨을 의미합니다. 자기장이 기계의 중앙을 똑바로 내려 가기 때문에 수소 양성자가 정렬되어 환자의 발이나 머리를 가리 킵니다. 약 절반은 각 방향으로 이동하므로 대부분의 양성자가 서로 상쇄됩니다. 즉, 발쪽으로 정렬 된 각 원자에 대해 하나는 머리쪽으로 정렬됩니다. 백만 명 중 몇 개의 양성자 만이 제거되지 않습니다. 그다지 많이 들리지는 않지만 신체에있는 수소 원자의 수는 매우 상세한 이미지를 생성하기에 충분합니다. 우리가 지금 염려하는 것은이 타의 추종을 불허하는 원자들입니다.

MRI 스캔에서 다른 일이 진행되고 있습니까?

다음으로 MRI 기계는 수소에만 해당하는 무선 주파수 (RF) 펄스 를 적용합니다 . 시스템은 우리가 검사하고자하는 신체 부위로 맥박을 보냅니다. 펄스가 가해지면 타의 추종을 불허하는 양성자는 에너지를 흡수하고 다른 방향으로 다시 회전합니다. 이것이 MRI의 "공명"부분입니다. RF 펄스는 특정 주파수에서 특정 방향으로 회전하도록합니다. 특정 공명 주파수를 Larmour 주파수 라고하며 이미지화되는 특정 조직과 주 자기장의 강도를 기반으로 계산됩니다.

거의 동시에 세 개의 그래디언트 자석이 작동합니다. 그들은 특정 방식으로 빠르게 켜지고 꺼질 때 로컬 수준에서 주요 자기장을 변경하는 방식으로 메인 자석 내부에 배열됩니다. 이것이 의미하는 것은 우리가 그림을 원하는 영역을 정확히 선택할 수 있다는 것입니다. 이 영역을 "슬라이스"라고합니다. 몇 밀리미터만큼 얇은 빵 한 덩어리를 생각해보십시오. MRI의 조각은 매우 정확합니다. 어떤 방향 으로든 신체 의 어느 부분에서나 슬라이스를 취할 수 있으므로 의사는 다른 이미징 방식에 비해 큰 이점을 얻을 수 있습니다. 이는 또한 기계가 다른 방향에서 이미지를 얻기 위해 움직일 필요가 없음을 의미합니다. 기계는 그래디언트 자석으로 모든 것을 조작 할 수 있습니다.

그러나 기계는 스캔하는 동안 엄청난 양의 소음을 내며, 이는 지속적으로 빠른 망치질처럼 들립니다. 이는 주 자기장에 반대되는 그래디언트 자석의 와이어에서 전류가 상승하기 때문입니다. 메인 필드가 강할수록 그래디언트 노이즈가 커집니다. 대부분의 MRI 센터에서는 음악 플레이어를 가져와 라켓에서 빠져 나올 수 있으며 환자에게는 귀마개가 제공됩니다.

RF 펄스가 꺼지면 수소 양성자는 자기장 내에서 천천히 자연 정렬로 돌아가 RF 펄스에서 흡수 된 에너지를 방출합니다. 이렇게하면 코일이 픽업하여 컴퓨터 시스템으로 보내는 신호를 내 보냅니다. 그러나이 신호는 어떻게 의미있는 그림으로 변환됩니까?

MRI 이미지 및 제작 방법

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의사는 MRI 스캔에서 대비를 검사합니다.

MRI 스캐너는 환자의 신체 내부에있는 아주 작은 지점을 찾아 내고 본질적으로 "당신은 어떤 유형의 조직입니까?"라고 묻습니다. 이 시스템은 환자의 신체를 한 지점 씩 통과하여 조직 유형지도를 작성합니다. 그런 다음이 모든 정보를 통합하여 푸리에 변환으로 알려진 수학 공식을 사용하여 2D 이미지 또는 3D 모델을 만듭니다 . 컴퓨터는 수학적 데이터로 회전하는 양성자로부터 신호를 수신합니다. 데이터는 그림으로 변환됩니다. 이것이 MRI의 "영상"부분입니다.

MRI 시스템은 주사 가능한 조영제 또는 염료를 사용하여 검사중인 조직의 국소 자기장을 변경합니다. 정상 조직과 비정상 조직은이 약간의 변화에 다르게 반응하여 우리에게 다른 신호를줍니다. 이러한 신호는 이미지로 전송됩니다. MRI 시스템은 다양한 조직을 묘사하기 위해 250 개 이상의 회색 음영을 표시 할 수 있습니다 [출처 : Coyne]. 이 이미지를 통해 의사는 조영제를 사용하지 않을 때보 다 다양한 유형의 조직 이상을 더 잘 시각화 할 수 있습니다. "A"를 할 때 정상 조직이 "B"처럼 보일 것임을 알고 있습니다. 그렇지 않으면 이상이있을 수 있습니다.

X 선은 의사에게 보여주는 매우 효과적이다 깨진 뼈 ,하지만 그들은 기관, 인대 및 순환 시스템을 포함하여 환자의 부드러운 조직을 살펴 원하는 경우, 그들은 가능성이 MRI 검사를 할 것입니다. 마지막 페이지에서 언급했듯이 MRI의 또 다른 주요 장점은 모든 평면에서 이미지를 촬영할 수 있다는 것입니다. 예를 들어 컴퓨터 단층 촬영 (CT)은 하나의 평면 인 축 평면으로 제한됩니다 (빵 한 덩어리 비유에서 축 평면은 빵 한 덩어리가 일반적으로 슬라이스되는 방식입니다). MRI 시스템은 환자가 움직이지 않고도 축 이미지와 sagitall (빵을 세로로 가로로 자르기) 및 관상 (레이어 케이크의 레이어를 생각) 이미지 또는 그 사이의 어느 정도까지도 생성 할 수 있습니다.

그러나 이러한 고품질 이미지의 경우 환자는 전혀 움직일 수 없습니다. MRI 스캔은 환자가 20 ~ 90 분 이상 가만히 있어야합니다. 스캔되는 부품을 아주 조금만 움직여도 반복해야하는 왜곡 된 이미지가 발생할 수 있습니다. 그리고 이런 종류의 품질에는 높은 비용이 듭니다. MRI 시스템은 구입 비용이 매우 비싸기 때문에 시험도 매우 비쌉니다.

그러나 다른 비용이 있습니까? 환자의 안전은 어떻습니까?

MRI 안전 문제

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이 환자는 이륙 허가를 받았습니다.

모든 원자가 섞여있는 장기적인 영향에 대해 걱정할 수도 있지만, 자기장에서 벗어나면 신체와 화학 물질이 정상으로 돌아옵니다. 오늘날 의료 영상에 사용되는 강도의 자기장에 노출되는 인체에 대한 생물학적 위험은 알려져 있지 않습니다. MRI 시스템이 다른 이미징 장치와 마찬가지로 전리 방사선을 사용하지 않는다는 사실은 MRI 조영제가 부작용 발생률이 매우 낮기 때문에 많은 환자에게 편안함입니다. 대부분의 시설은 발달중인 태아에 대한 자기장의 생물학적 영향에 대한 제한된 연구로 인해 임산부를 이미지화하지 않는 것을 선호합니다. 임산부 를 스캔할지 여부 결정 환자는 MRI 방사선과 의사와 환자의 산부인과 의사의 상담을 통해 사례별로 만들어집니다.

그러나 MRI 제품군은 엄격한 예방 조치를 따르지 않으면 매우 위험한 장소가 될 수 있습니다. 신용 카드 또는 마그네틱 인코딩이있는 기타 모든 항목은 삭제됩니다. 금속 물체를 스캔 실로 가져 가면 위험한 발사체가 될 수 있습니다. 예를 들어, 종이 클립, 펜, 열쇠, 가위, 보석류, 청진기 및 기타 작은 물체는 경고없이 주머니에서 꺼내 몸에서 떼어 낼 수 있으며,이 지점에서 매우 빠른 속도로 자석 입구를 향해 날아갑니다.

큰 물체도 위험합니다. 대걸레 양동이, 진공 청소기, IV 폴, 환자 들것, 심장 모니터 및 수많은 기타 물체가 모두 MRI의 자기장으로 들어갔습니다. 2001 년에 스캔을 받고있는 한 어린 소년이 산소 탱크가 자기 구멍에 들어갔을 때 사망했습니다 [출처 : McNeil]. 한번은 권총이 경찰의 홀스터에서 날아가서 총을 발사했습니다. 아무도 다 치지 않았습니다.

안전을 보장하기 위해 환자와 지원 직원은 스캔 실에 들어가기 전에 금속 물체를 철저히 검사해야합니다. 그러나 종종 환자는 내부에 임플란트를 가지고있어 강한 자기장이있는 상태에서 매우 위험합니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.

눈의 금속 조각은 눈에 손상을 입히거나 실명을 일으킬 수 있으므로 매우 위험합니다.
스캔 중 또는 기계 근처에서도 오작동 할 수있는 심박 조율기
뇌의 동맥류 클립 , 자석이 움직일 경우 수리를 위해 배치 된 바로 그 동맥을 찢을 수 있음
자성 인 경우 치과 임플란트

스테이플, 인공 관절 및 스텐트를 포함한 대부분의 현대 외과 용 임플란트는 비자 성 재료로 만들어지며 그렇지 않은 경우에도 스캔 승인을받을 수 있습니다. 그러나 스캔 영역의 일부 정형 외과 용 하드웨어가 이미지 왜곡을 유발할 수 있으므로 의사에게 알리십시오.