자기 공명 영상(MRI)

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자기공명영상(MRI)은 자기장과 체내 원자의 자연 공명을 이용하여 인체 조직의 영상을 얻는 의료기기입니다. 기본 장치는 1945년에 처음 개발되었으며 이후 꾸준히 기술이 향상되었습니다. 고성능 컴퓨터의 도입으로 MRI는 중요한 진단 장치가 되었습니다. 비침습적이며 다른 의료 영상 도구와 달리 연조직과 경조직 모두를 촬영할 수 있습니다. MRI는 종양이나 화학적 불균형과 같은 이상에 대해 내부 장기를 검사하는 데 주로 사용됩니다.

연혁

자기공명영상(MRI)의 개발은 1900년대 초 핵자기공명(NMR)의 발견으로 시작되었습니다. 이때 과학자들은 원자의 구조와 가시광선과 특정 물질에서 방출되는 자외선의 성질을 파악하기 시작했습니다. NMR의 기초가 되는 원자핵의 자기적 특성은 1924년 Wolfgang Pauli에 의해 입증되었습니다.

최초의 기본 NMR 장치는 1938년 I. I. Rabi에 의해 개발되었습니다. 이 장치는 특정 물질의 자기 특성과 관련된 데이터를 제공할 수 있었습니다. 그러나 두 가지 큰 한계를 겪었습니다. 첫째, 이 장치는 기체 물질만 분석할 수 있고 두 번째로 이러한 물질의 간접적인 측정만 제공할 수 있습니다. 이러한 한계는 Felix Bloch와 Edward Purcell이 이끄는 두 그룹의 과학자가 개선된 NMR 장치를 독립적으로 개발한 1945년에 극복되었습니다. 이 새로운 장치는 다양한 유형의 시스템에서 데이터를 수집할 수 있도록 하여 많은 연구자에게 유용함이 입증되었습니다. 추가 기술 개선 후 과학자들은 1960년대 중반에 이 기술을 사용하여 생물학적 조직을 조사할 수 있었습니다.

의학에서 NMR의 사용은 곧 이어졌습니다. 초기 실험은 NMR이 정상 조직과 암 조직을 구별할 수 있음을 보여주었습니다. 나중의 실험은 많은 다른 신체 조직이 NMR 스캔으로 구별될 수 있음을 보여주었습니다. 1973년에는 NMR 데이터와 단층촬영의 컴퓨터 계산을 사용한 영상화 방법이 개발되었습니다. 최초의 자기공명영상(MRI)을 제공했다. 결과적으로 이 방법을 이용하여 마우스를 검사하게 되었고, 검사에 소요되는 시간은 1시간 이상이었지만 마우스의 내부장기 영상을 얻을 수 있었다. 몇 년 후 인간의 이미징이 뒤따랐습니다. 필요한 스캔 시간을 줄이고 이미지의 해상도를 향상시키기 위해 다양한 기술 개선이 이루어졌습니다. MRI의 3차원 응용에서 가장 눈에 띄는 개선이 이루어졌습니다.

배경

MRI 판독의 기본 단계는 간단합니다. 먼저 환자를 강하고 일정한 자기장에 배치하고 여러 개의 코일로 둘러싸여 있습니다. 그런 다음 무선 주파수(RF) 방사선이 시스템에 적용되어 환자 내의 특정 원자가 공명하게 됩니다. RF 방사가 꺼지면 원자는 계속 공명합니다. 결국, 공명하는 원자는 자연 상태로 돌아가고 그렇게 함으로써 NMR 신호인 무선 주파수 방사선을 방출합니다. 그런 다음 신호는 컴퓨터를 통해 처리되고 환자의 시각적 이미지로 변환됩니다.

신체의 세포에서 방출되는 NMR 신호는 주로 세포의 양성자에 의해 생성됩니다. 초기 MR 이미지는 주어진 조직 내의 양성자 농도에만 기초하여 구성되었습니다. 그러나 이러한 이미지는 좋은 해상도를 제공하지 못했습니다. MRI는 이완 시간으로 알려진 현상, 즉 양성자가 신호를 방출하는 데 걸리는 시간을 고려할 때 신체의 내부 이미지를 구성하는 데 훨씬 더 유용해졌습니다. 모든 신체 조직에는 감지할 수 있는 두 가지 유형의 이완 시간(T1 및 T2)이 있습니다. 다른 유형의 조직은 다른 T1 및 T2 값을 나타냅니다. 예를 들어, 뇌의 회백질은 혈액과 T1 및 T2 값이 다릅니다. 이 세 가지 변수(양성자 밀도, T1 및 T2 값)를 사용하여 고해상도 이미지를 구성할 수 있습니다.

MRI는 인간 두뇌의 이미지를 만드는 데 가장 많이 사용됩니다. 연조직과 병변을 구별할 수 있기 때문에 이 부위에 특히 유용합니다. MRI는 구조적 정보 외에도 뇌 기능 영상을 가능하게 합니다. 뇌의 한 영역이 활성화되면 해당 영역으로의 혈류가 증가하기 때문에 기능적 영상이 가능합니다. 충분한 속도로 스캔하면 실제로 혈액이 장기를 통해 이동하는 것을 볼 수 있습니다. MRI의 또 다른 응용 프로그램은 근육 골격 영상입니다. 무릎, 손목, 어깨 관절의 인대와 연골 손상은 MRI로 쉽게 볼 수 있습니다. 이것은 전통적인 침습적 수술의 필요성을 제거합니다. MRI의 개발 용도는 신체를 통해 화학 물질을 추적하는 것입니다. 이러한 스캔에서 탄소 13 및 인 31과 같은 분자의 NMR 신호가 수신되고 해석됩니다.

원자재

MRI 시스템의 주요 기능 부품에는 외부 자석, 경사 코일, RF 장비 및 컴퓨터가 포함됩니다. 다른 구성 요소에는 RF 차폐, 전원 공급 장치, NMR 프로브, 디스플레이 장치 및 냉각 장치가 포함됩니다.

일정한 외부 자기장을 생성하는 데 사용되는 자석은 MRI 시스템 중 가장 큰 부분입니다. 유용하려면 자석이 신체의 특정 체적 또는 슬라이스 전체를 관통하는 안정적인 자기장을 생성할 수 있어야 합니다. 세 가지 종류의 자석을 사용할 수 있습니다. 저항성 자석은 루프에 싸인 얇은 알루미늄 밴드로 구성됩니다. 루프 주위에 전기가 흐를 때 루프에 수직으로 자기장이 생성됩니다. MRI 시스템에서는 4개의 저항성 자석이 서로 수직으로 배치되어 일정한 자기장을 생성합니다. 루프 주위에 전기가 전도됨에 따라 루프의 저항은 열을 생성하며, 이는 냉각 시스템에 의해 발산되어야 합니다.

초전도 자석은 저항성 자석과 같은 문제와 한계가 없습니다. 초전도 자석은 액체 헬륨과 액체 질소로 과냉각되는 구리 매트릭스의 니오븀-티타늄 합금으로 만들어진 링 자석입니다. 이러한 저온에서는 저항이 거의 없으므로 매우 낮은 수준의 전기가 필요합니다. 이 자석은 저항성 유형보다 작동 비용이 저렴하고 더 큰 전계 강도를 생성할 수 있습니다. 사용되는 다른 유형의 자석은 영구 자석입니다. 그것은 강자성 물질로 구성되고 상당히 크며 작동하는 데 전기가 필요하지 않습니다. 또한 MRI 시스템 설계에 더 많은 유연성을 제공합니다. 그러나 영구 자석이 생성하는 자기장의 안정성이 의심스럽고 크기와 무게가 어마어마할 수 있습니다. 이러한 서로 다른 종류의 자석 각각은 다양한 강도의 자기장을 생성할 수 있지만 최적의 자기장 강도는 발견되지 않았습니다.

샘플에서 수신된 NMR 신호를 디코딩하는 방법을 제공하기 위해 자기장 기울기가 사용됩니다. 일반적으로 3개의 경사 코일 세트를 사용하여 3차원 각각의 데이터를 제공합니다. 1차 자석과 마찬가지로 이 코일은 자기장을 생성하는 전도 루프로 만들어집니다. MRI 시스템에서는 환자를 둘러싸고 있는 실린더 주위를 감쌉니다.

RF 시스템은 MRI 기계에서 다양한 역할을 합니다. 첫째, 원자가 신호를 방출하도록 유도하는 RF 복사를 전송하는 역할을 합니다. 그런 다음 방출된 신호를 수신하고 증폭하여 컴퓨터에서 조작할 수 있도록 합니다. RF 코일은 RF 하드웨어의 주요 부분입니다. 시스템. 그들은 진동 자기장을 생성하도록 구성되어 있습니다. 이 필드는 정의된 영역의 원자가 RF 방사선을 흡수한 다음 신호를 방출하도록 유도합니다. RF 신호를 보내는 것 외에도 코일은 환자로부터 신호를 수신할 수도 있습니다. MRI 시스템의 유형에 따라 안장 RF 코일 또는 솔레노이드 RF 코일이 사용됩니다. 코일은 일반적으로 대상 옆에 위치하며 환자에게 맞도록 설계되었습니다. RF 간섭을 줄이기 위해 알루미늄 시트가 사용됩니다.

MRI 시스템의 마지막 링크는 전송된 신호를 제어하고 수신된 신호를 처리 및 저장하는 컴퓨터입니다. 수신된 신호는 컴퓨터에서 분석되기 전에 아날로그-디지털 변환기를 통해 변환됩니다. 컴퓨터는 신호를 수신하면 다양한 재구성 알고리즘을 수행하여 저장에 적합한 숫자 행렬을 생성하고 푸리에 변환기를 사용하여 시각적 디스플레이를 구축합니다.

제조
프로세스

MRI 시스템의 개별 구성 요소는 일반적으로 별도로 제조된 다음 큰 단위로 조립됩니다. 이 장치는 매우 무거우며 때로는 100톤(102미터톤)이 넘습니다.

자석

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1 MRI 시스템에서 가장 많이 사용되는 자석은 초전도 전자석입니다. 다양한 재료를 사용하여 만들 수 있지만 기본 설계에는 도선 코일, 냉각 시스템 및 전원 공급 장치가 포함됩니다. 코일은 구리에 내장된 니오븀 티타늄 합금 필라멘트로 구성된 와이어를 큰 루프로 감아서 만듭니다. 필요한 자기장을 생성하기 위해 많은 코일이 사용됩니다. 한 유형의 시스템에서는 8개의 코일이 사용되며, 6개는 1차 자기장을 생성하고 2개는 초과 자기장을 보상합니다.

2 코일을 액체 헬륨이 담긴 용기에 담근다. 이것은 온도를 초전도체로 만드는 수준으로 감소시킵니다. 온도를 안정적으로 유지하기 위해 용기는 액체 질소와 같은 다른 냉각제를 포함하는 두 개의 추가 용기로 둘러싸여 있습니다. 이 구조는 진공 밀봉된 용기에 얇은 막대로 매달려 있습니다. 전원 공급 장치는 자기 코일에 연결되어 있으며 자석에 전원을 공급해야 할 때만 사용됩니다. 자석은 환자를 자기장으로 끌어들이는 슬라이딩 테이블인 환자 지지대에 부착됩니다.

그라데이션 코일

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3 경사 코일은 저항형 전자석입니다. MRI 시스템에는 일반적으로 3세트의 경사 코일이 있습니다. 각 코일은 구리 또는 알루미늄의 얇은 스트립을 특정 패턴으로 감아 만들어집니다. 코일은 구조에 에폭시를 도입하여 강도를 부여합니다. 이 코일의 크기는 환자가 들어갈 구멍의 너비를 결정합니다. 더 작은 코일은 더 적은 에너지를 필요로 하기 때문에 이 너비는 환자의 밀실 공포증을 방지할 만큼 충분히 커야 하지만 합리적인 양의 전기가 필요할 만큼 충분히 작아야 합니다. 이러한 경사 코일은 일반적으로 간섭 와전류를 방지하기 위해 차폐됩니다.

RF 시스템

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4 RF 시스템의 전자 부품은 외부 공급업체에서 제공하고 MRI 제조업체에서 조립할 수 있습니다. 이러한 구성 요소는 다양한 디자인으로 만들어진 RF 코일에 부착됩니다. 송신기 및 수신기 코일은 경사 코일과 동일한 유형의 재료로 구성됩니다. 그들은 또한 주 자석과 매우 유사하게 구성됩니다. 그러나 그것들은 진동 자기장을 생성할 수 있는 구리와 같은 전도성 물질의 루프로 구성됩니다. RF 코일의 한 유형은 원형으로 형성되어 환자에게 직접 적용되는 표면 코일입니다. 또 다른 유형은 안장 코일입니다. 이것들은 자석 구멍에 바로 장착되거나 새장 코일 모양으로 만들어지고 경사 코일 내부에 바로 배치될 수 있습니다. 각 유형의 코일은 전원에 부착됩니다.

컴퓨터

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5 이 컴퓨터는 컴퓨터 제조업체에서 제공하며 MRI 시스템에 사용하도록 수정 및 프로그래밍되었습니다. 여기에는 사용자 인터페이스, 푸리에 변환기, 신호 변환기 및 전치 증폭기가 연결되어 있습니다. 디스플레이 장치와 레이저 프린터도 포함되어 있습니다.

최종 조립

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6 MRI의 각 구성 요소는 함께 조립되어 적절한 프레임에 배치됩니다. 조립은 시스템이 사용될 공장이나 현장에서 이루어질 수 있습니다. 두 경우 모두 자석의 특성으로 인해 일반적으로 공기에 매달린 차량으로 운반하는 것과 같은 특별한 취급 예방 조치가 필요합니다.

품질 관리

제조되는 각 MRI 시스템의 품질은 전체 생산 공정에 걸쳐 육안 및 전기 검사를 통해 보장됩니다. MRI의 성능은 제대로 작동하는지 확인하기 위해 테스트됩니다. 이러한 테스트는 과도한 열 및 습도와 같은 다양한 환경 조건에서 수행됩니다. 대부분의 제조업체는 생산하는 MRI 시스템에 대해 자체 품질 사양을 설정합니다. 표준 및 성능 권장 사항은 다양한 의료 기관 및 정부 기관에서도 제안되었습니다.

미래

현재 MRI 연구의 초점은 스캔 해상도 향상, 스캔 시간 단축 및 MRI 디자인 개선을 포함하는 영역에 있습니다. 해상도를 개선하고 스캔 시간을 줄이는 방법에는 신호 대 잡음비를 줄이는 방법이 있습니다. MRI 시스템에서 노이즈는 관심 신호를 방해하는 무작위로 생성된 신호에 의해 발생합니다. 이를 줄이는 한 가지 방법은 높은 자기장 강도를 사용하는 것입니다. MRI 시스템의 개선된 설계는 이러한 간섭을 줄이고 전자석과 관련된 소음을 줄이는 데 도움이 됩니다. 미래에는 실시간 MRI 스캔이 가능해야 합니다.