골관절염 진단: 자기 공명 영상 촬영

자기공명영상(MRI)은 최근 몇 년 동안 골관절염의 비침습적 진단을 위한 주요 방법 중 하나로 자리 잡았습니다. 1970년대 자기공명영상(MR)의 원리가 인체 연구에 처음 사용된 이후, 이 의료 영상 기술은 급격하게 변화했으며 계속해서 빠르게 발전하고 있습니다.

기술 장비와 소프트웨어가 개선되고, 영상 획득 방법이 개발되고, MR 조영제도 개발되고 있습니다. 이를 통해 MRI의 새로운 응용 분야가 끊임없이 발견되고 있습니다. 처음에는 중추 신경계 연구에만 국한되었지만, 이제는 거의 모든 의학 분야에서 성공적으로 사용되고 있습니다.

1946년, 스탠퍼드 대학교와 하버드 대학교의 연구진은 핵자기공명(NMR)이라는 현상을 독립적으로 발견했습니다. NMR의 핵심은 자기장 내에 있는 일부 원자핵이 외부 전자기장의 영향을 받아 에너지를 흡수했다가 무선 신호의 형태로 방출할 수 있다는 것입니다. 이 발견으로 F. 블로흐와 E. 파멜은 1952년 노벨상을 수상했습니다. 이 새로운 현상은 곧 생물학적 구조의 스펙트럼 분석(NMR 분광법)에 사용되었습니다. 1973년, 폴 라우텐버그는 NMR 신호를 사용하여 이미지를 얻을 수 있는 가능성을 처음으로 시연했습니다. 이것이 NMR 단층촬영술이 등장한 방식입니다. 살아있는 사람의 내부 장기를 촬영한 최초의 NMR 단층촬영술은 1982년 파리에서 열린 국제 방사선학회(International Congress of Radiologists)에서 시연되었습니다.

두 가지 설명이 필요합니다. 이 방법은 NMR 현상에 기반하지만, "핵"이라는 단어를 생략하고 자기공명(MR)이라고 합니다. 이는 환자가 원자핵의 붕괴와 관련된 방사능에 대해 생각하지 않도록 하기 위한 것입니다. 두 번째는 MR 단층촬영기가 우연히 양성자, 즉 수소 원자핵에 "동조"되는 것이 아니라는 점입니다. 조직에는 이 원소가 많이 존재하며, 수소 원자핵은 모든 원자핵 중 가장 큰 자기 모멘트를 가지고 있어 상당히 높은 수준의 MR 신호를 생성합니다.

1983년에는 전 세계적으로 임상 연구에 적합한 기기가 몇 대뿐이었지만, 1996년 초에는 전 세계적으로 약 1만 대의 단층촬영기가 가동되었습니다. 매년 1,000대의 새로운 기기가 도입되고 있습니다. MR 단층촬영기의 90% 이상이 초전도 자석(0.5~1.5T)을 사용하는 모델입니다. 흥미로운 점은 1980년대 중반에는 MR 단층촬영기 제조업체들이 "자기장이 높을수록 좋다"는 원칙에 따라 1.5T 이상의 자기장을 가진 모델에 집중했지만, 1980년대 말에는 대부분의 적용 분야에서 평균 자기장 강도를 가진 모델에 비해 유의미한 우위를 점하지 못한다는 점이 분명해졌다는 것입니다. 따라서 주요 MR 단층촬영기 제조업체(제너럴 일렉트릭, 지멘스, 필립스, 도시바, 피커, 브루커 등)는 현재 중자장 및 저자장 모델 생산에 많은 관심을 기울이고 있습니다. 고자장 시스템은 소형화와 경제성, 만족스러운 화질, 그리고 현저히 낮은 비용 측면에서 고자장 시스템과 차별화됩니다. 고자장 시스템은 주로 MR 분광학 연구 센터에서 사용됩니다.

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MRI 검사법의 원리

MRI 스캐너의 주요 구성 요소는 초강력 자석, 무선 송신기, 수신 무선 주파수 코일, 컴퓨터, 그리고 제어판입니다. 대부분의 장치는 인체의 장축과 평행한 자기 모멘트를 갖는 자기장을 가지고 있습니다. 자기장의 세기는 테슬라(T) 단위로 측정됩니다. 임상 MRI에서는 0.2~1.5T의 자기장이 사용됩니다.

환자가 강한 자기장에 놓이면 자기 쌍극자인 모든 양성자가 외부 자기장 방향으로 회전합니다(나침반 바늘이 지구 자기장을 향하는 것처럼). 또한 각 양성자의 자기 축이 외부 자기장 방향을 중심으로 회전하기 시작합니다. 이 특정 회전 운동을 행렬이라고 하며, 그 주파수를 공진 주파수라고 합니다. 짧은 전자기파 무선 주파수 펄스가 환자의 몸을 통과하면 전파의 자기장이 모든 양성자의 자기 모멘트가 외부 자기장의 자기 모멘트를 중심으로 회전하게 합니다. 이를 위해서는 전파의 주파수가 양성자의 공진 주파수와 같아야 합니다. 이 현상을 자기 공명이라고 합니다. 자기 양성자의 방향을 바꾸려면 양성자와 전파의 자기장이 공명해야 합니다. 즉, 주파수가 같아야 합니다.

환자의 조직에 순 자기 모멘트가 생성됩니다. 조직은 자화되고 그 자성은 외부 자기장과 정확히 평행하게 배향됩니다. 자성은 조직의 단위 부피당 양성자 수에 비례합니다. 대부분의 조직에 포함된 엄청난 수의 양성자(수소 핵)는 순 자기 모멘트가 환자 외부에 위치한 수신 코일에 전류를 유도할 만큼 충분히 크다는 것을 의미합니다. 이렇게 유도된 MR 신호는 MR 영상을 재구성하는 데 사용됩니다.

핵의 전자가 여기 상태에서 평형 상태로 전이하는 과정을 스핀-격자 완화 과정 또는 종방향 완화라고 합니다. 이 과정은 스핀-격자 완화 시간(T1)으로 특징지어지며, 이는 90° 펄스로 여기된 후 핵의 63%가 평형 상태로 전이하는 데 걸리는 시간입니다. 스핀-스핀 완화 시간(T2) 또한 구별됩니다.

MR 단층촬영을 얻는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 이 방법들은 고주파 펄스 생성의 순서와 특성, 그리고 MR 신호 분석 방법에 따라 다릅니다. 가장 널리 사용되는 두 가지 방법은 스핀 격자와 스핀 에코입니다. 스핀 격자는 주로 T1 이완 시간을 분석합니다. 다양한 조직(뇌의 회백질과 백색질, 뇌척수액, 종양 조직, 연골, 근육 등)에는 서로 다른 T1 이완 시간을 갖는 양성자가 포함되어 있습니다. MR 신호의 강도는 T1의 지속 시간과 관련이 있습니다. T1이 짧을수록 MR 신호가 더 강해지고 TV 모니터에 이미지의 주어진 영역이 더 밝게 나타납니다. 지방 조직은 MR 단층촬영에서 흰색이고, 그 다음으로 뇌와 척수, 치밀한 내장, 혈관벽, 근육이 MR 신호 강도의 내림차순으로 흰색입니다. 공기, 뼈, 석회화는 실제로 MR 신호를 생성하지 않으므로 검은색으로 표시됩니다. 이러한 T1 이완 시간 관계는 MRI 스캔에서 정상 조직과 변형된 조직을 시각화하기 위한 전제 조건을 만듭니다.

스핀 에코라고 불리는 또 다른 MRI 기법에서는 환자에게 일련의 고주파 펄스를 조사하여 세차 운동하는 양성자를 90° 회전시킵니다. 펄스가 멈춘 후, 반응 MRI 신호가 기록됩니다. 그러나 반응 신호의 강도는 T2의 지속 시간과 다르게 작용합니다. T2가 짧을수록 신호가 약해지고, 결과적으로 TV 모니터 화면의 밝기가 어두워집니다. 따라서 T2 기법을 사용한 최종 MRI 영상은 T1 기법을 사용한 영상과 정반대입니다(음성은 양의 반대이기 때문입니다).

MRI 단층촬영은 CT 스캔보다 근육, 지방층, 연골, 혈관 등 연조직을 더 잘 보여줍니다. 일부 기기는 조영제를 주입하지 않고도 혈관 영상을 생성할 수 있습니다(MRI 혈관조영술). 뼈 조직의 수분 함량이 낮기 때문에, 뼈 조직은 X선 CT 스캔처럼 차폐 효과를 일으키지 않습니다. 즉, 척수, 추간판 등의 영상을 방해하지 않습니다. 물론 수소 핵은 물 속에만 존재하는 것이 아니라 뼈 조직에서도 매우 큰 분자와 조밀한 구조에 고정되어 있어 MRI를 방해하지 않습니다.

MRI의 장단점

MRI의 주요 장점은 비침습성, 무해성(방사선 노출 없음), 3차원 영상 획득, 움직이는 혈액의 자연스러운 대조도, 뼈 조직의 인공물 없음, 연조직의 높은 감별도, 생체 내 조직 대사 연구를 위한 MP 분광법 수행 능력입니다. MRI는 정면, 시상면, 축면, 사면 등 인체의 모든 단면에서 얇은 층의 영상을 획득할 수 있습니다. 장기의 체적 영상을 재구성하고, 단층 촬영 영상 획득을 심전도 영상과 동기화할 수 있습니다.

주요 단점으로는 영상을 얻는 데 비교적 오랜 시간이 걸린다는 것(보통 몇 분)이 있는데, 이로 인해 호흡 운동으로 인한 인공물이 나타나며(특히 폐 검사의 효과를 떨어뜨림), 부정맥(심장 검사), 결석, 석회화, 일부 유형의 뼈 병리를 안정적으로 감지할 수 없다는 것, 장비와 운영 비용이 많이 든다는 것, 장치가 있는 장소에 대한 특별한 요구 사항(간섭으로부터 차폐), 폐소공포증이 있는 환자를 검사할 수 없다는 것, 인공 심장 박동 조절기, 비의료용 금속으로 만든 대형 금속 임플란트를 검사할 수 없다는 것 등이 있습니다.

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MRI용 조영제

MRI 사용 초기에는 서로 다른 조직 간의 자연적인 대조도 덕분에 조영제가 필요 없다고 여겨졌습니다. 하지만 곧 조영제를 사용하면 서로 다른 조직 간의 신호 차이, 즉 MR 영상의 대조도를 크게 향상시킬 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 상자성 가돌리늄 이온을 함유한 최초의 MR 조영제가 시판되면서 MRI의 진단 정보량이 크게 증가했습니다. MR 조영제 사용의 핵심은 조직 및 장기 양성자의 자기 매개변수, 즉 T1 및 T2 양성자의 이완 시간(TR)을 변경하는 것입니다. 오늘날 MR 조영제(또는 조영제 - CA)는 여러 가지로 분류됩니다.

MR-KA는 이완 시간에 미치는 주된 효과에 따라 다음과 같이 구분됩니다.

• T1-CA는 T1을 단축시켜 조직 MP 신호 강도를 증가시킵니다. 양성 CA라고도 합니다.
• T2를 단축시켜 MR 신호 강도를 감소시키는 T2-CA. 이는 음성 CA입니다.

MR-CA는 자기적 특성에 따라 상자성 및 초상자성으로 구분됩니다.

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상자성 조영제

상자성(paramagnetic)은 하나 이상의 홀전자를 가진 원자에 의해 생성됩니다. 이러한 원자는 가돌리늄(Gd), 크롬, 니켈, 철, 망간의 자성 이온입니다. 가돌리늄 화합물은 가장 광범위한 임상 적용을 받았습니다. 가돌리늄의 조영 효과는 이완 시간 T1과 T2의 단축에 기인합니다. 저용량에서는 T1에 대한 효과가 우세하여 신호 강도가 증가하고, 고용량에서는 T2에 대한 효과가 우세하여 신호 강도가 감소합니다. 상자성 물질은 현재 임상 진단 분야에서 가장 널리 사용됩니다.

초상자성 조영제

^{초상자성 산화철의 주된 효과는 T2 이완의 단축입니다. 선량 이} 증가함에 따라 신호 강도가 감소합니다. 마그네타이트 페라이트(Fe2+OFe23+O3)와 구조적으로 유사한 강자성 산화철을 포함하는 강자성 CA _도^이 CA _그룹 에 포함될 수 있습니다.

다음 분류는 CA의 약동학을 기반으로 합니다(Sergeev PV et al., 1995):

• 세포외(조직 비특이적)
• 위장관;
• 유기성 (조직 특이적);
• 혈관 공간을 결정하는 데 사용되는 거대 분자.

우크라이나에는 세포외 수용성 상자성 CA인 MR-CA가 네 가지 알려져 있으며, 그중 가도디아마이드와 가도펜테트산이 널리 사용되고 있습니다. 나머지 CA 그룹(2-4)은 해외에서 임상시험이 진행 중입니다.

세포외 수용성 MR-CA

국제 명칭	화학식	구조
가도펜테트산	가돌리늄 디메글루민 디에틸렌트리아민 펜타아세테이트((NMG)2Gd-DTPA)	선형, 이온
가도테르산	(NMG)Gd-DOTA	순환, 이온
가도디아마이드	가돌리늄 디에틸렌트리아민 펜타아세테이트-비스-메틸아미드(Gd-DTPA-BMA)	선형, 비이온성
가도테리돌	Gd-HP-D03A	순환, 비이온성

세포외 CA는 정맥 주사로 투여되며, 98%가 신장을 통해 배출되고, 혈액-뇌 장벽을 통과하지 않으며, 독성이 낮고, 상자성 물질 그룹에 속합니다.

MRI 금기 사항

절대적 금기사항에는 검사가 환자의 생명에 위협이 되는 상황이 포함됩니다. 예를 들어, 전자, 자기 또는 기계적으로 작동하는 임플란트(주로 인공 심박 조율기)가 있는 경우입니다. MRI 스캐너에서 발생하는 고주파 방사선에 노출되면 요청 시스템에서 작동하는 심박 조율기의 기능이 손상될 수 있습니다. 자기장의 변화가 심장 활동을 모방할 수 있기 때문입니다. 또한 자기장은 심박 조율기가 소켓에서 움직이고 전극을 움직일 수 있습니다. 또한, 자기장은 강자성 또는 전자 중이 임플란트의 작동을 방해합니다. 인공 심장 판막의 존재는 위험하며, 고자기장 MRI 스캐너에서 검사하고 판막 손상이 임상적으로 의심되는 경우에만 절대적 금기사항입니다. 검사의 절대적 금기사항에는 중추 신경계에 작은 금속 수술용 임플란트(지혈 클립)가 있는 경우도 포함됩니다. 자기장 인력으로 인해 위치가 변하면 출혈 위험이 있기 때문입니다. 신체 다른 부위에 존재하는 경우, 치료 후 클램프의 섬유화와 캡슐화가 클램프를 안정적으로 유지하는 데 도움이 되므로 위협이 덜합니다. 그러나 잠재적 위험 외에도, 자성을 가진 금속 임플란트의 존재는 어떠한 경우에도 인공물(artifact)을 발생시켜 연구 결과 해석에 어려움을 초래합니다.

MRI 금기 사항

순수한:	상대적인:
심장 박동 조율기	기타 자극제(인슐린 펌프, 신경 자극기)
강자성 또는 전자 중이 이식	비강자성 내이 이식, 심장판막 보철물(고자기장, 기능 장애가 의심되는 경우)
뇌혈관의 지혈 클립	다른 부위의 지혈 클립, 심부전, 임신, 폐소공포증, 생리적 모니터링 필요

위에 나열된 것 외에도 상대적 금기증으로는 비대상성 심부전, 생리적 모니터링(기계적 환기, 전기 주입 펌프)이 필요합니다. 폐소공포증은 1~4%의 경우 검사에 장애가 됩니다. 이는 개방형 자석 장치를 사용하거나, 장치와 검사 과정에 대한 자세한 설명을 통해 극복할 수 있습니다. MRI가 배아나 태아에 해롭다는 증거는 없지만, 임신 초기에는 MRI 검사를 피하는 것이 좋습니다. 임신 중 MRI 검사는 다른 비이온화 진단 영상법으로 만족스러운 정보를 얻을 수 없는 경우에 권장됩니다. MRI 검사는 검사 중 환자의 움직임이 영상 품질에 훨씬 더 큰 영향을 미치기 때문에 CT 검사보다 환자의 참여가 더 필요합니다. 따라서 급성 질환, 의식 장애, 경직성 질환, 치매 환자, 그리고 소아 환자의 검사는 종종 어렵습니다.

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