NMR(MRI)의 원리

물리학에서는 비교적 최근 개발된 기기인 NMR을 원리 그대로 사용한다. 보통 NMR은 특정한 장비 없이 강한 자기장이 형성되어 있는 초전도 코일 속에 작은 코일과 시료를 넣으면 준비는 끝난다. 실험을 시작하면, 강한 자기장 속에서 원자핵의 자기스핀이 정렬된 물질(시료)에 작은 코일로 자기장 펄스를 가한 뒤, 나오는 방사선(Resonance) 강도를 측정한다. 작은 코일과 자기장 펄스를 조절하면 어떤 원자핵이든지 반응을 살펴볼 수 있다. 실험 대상 물체에 가해진 자기장과 전기장의 세기와 위치도 알아낼 수 있으므로 각종 물질의 자기적 특징을 알아내기에 좋다. 대표적인 예가 초전도체의 자기 특성인데, 초전도체에 형성되는 자기 볼텍스(Vortex) 변화를 조사할 수 있다.

NMR은 다양한 물질을 측정할 수 있지만 사용환경을 유지하기가 어렵고 대형화/실용화가 힘들다. 그래서, 의료용으로 장비를 만들 때는 기계를 간편하게 만들기 위해(사실은 여러 가지 이유로 NMR보다 MRI 장비가 더 복잡하다.) 생체조직에 많은 수소 원자에 장비를 최적화시키는데, 이를 MRI(fMRI 포함)라고 부른다. MRI는 방사선을 방출하는 원자핵 위치를 측정하여 그림(Image)으로 보여주는 것이 가장 중요하다.

이 글에서는 NMR 원리를 간단히 살펴보자. 너무 간단하고 쉽게 설명하려 했기 때문에 엄밀한 의미에선 엉터리인 부분도 있다.

① 시료는 원자핵과 전자로 이뤄져 있다. 원자핵과 전자는 자기모먼트(자기쌍극자)라는 물리적 특성을 가진다. 외부 자기장이 없을 때는 원자핵 자기모먼트는 흐트러져서 임의의 방향을 띈다. 그런데 원자핵 자기모먼트는 외부 자기장 영향을 받아서 (여러 이유로 모든 원자핵이 외부 자기장 방향으로 완전히 정렬하지는 못하지만) 같은 방향으로 정렬하려고 한다. 정렬된 것이 에너지가 더 낮기 때문이다. 자기장이 강하면 강할수록 더 많은 원자핵이 정렬한다.

NMR에서는 보통 1 T보다 강한 자기장을 가해준다. 태양 표면 자기장의 100 배, 지구 표면 자기장의 10000 배쯤 되는 세기이다.

② 시료를 다른 작은 코일(Coil)로 감싸고, 코일에 삼각파 혹은 사각파의 전류 펄스_Pulse를 흘려보낸다. 이 전류는 큰 자기장을 만들지는 못하지만 순간적으로 주변 자기장을 교란한다. 그러면 정렬되어 있던 원자핵 중에 일부가 흐트러져 방향을 바꾼다. 흐트러진, 시료 속의 온갖 종류의 원자핵은 강한 자기장과 자기모먼트를 다시 일치시키려고 반시계방향으로 서서히 돌며 에너지를 방출하며 서서히 정렬된다. 이때 되돌아가 정렬되는데 걸리는 시간은 원자핵 종류마다 고유값을 갖고 있다.

③ 적절한 시간이 흐른 뒤에 작은 코일에 두 번째 펄스를 가한다. 그러면 첫 번째 전류 펄스 때문에 흐트러져 있던 원자핵 자기모먼트를 뒤집는다.
두 번째 전류 펄스를 언제 주느냐와 어떤 원자핵이냐에 따라서 원자핵 자기쌍극자는 영향을 적게 받기도 하고 많이 받기도 한다. 따라서 두 펄스를 가한 시간 차이를 조절하여 검사할 원자핵 종류를 선택할 수 있다. 병원 MRI는 이 시간이 수소핵(양성자)에 정밀하게 맞춰져 있고, 물리학 연구에 쓰이는 NMR은 특별히 결정된 시간 없이 외부 장비로 그때그때 시간을 맞춰준다. (그래서 실험할 때마다 회로를 바꿔야 한다.)

④ 흐트러진 원자핵은 방향이 90˚~180˚ 뒤집히는데, 이 원자핵은 전자기파(보통 전파)를 방출하면서 서서히 강한 자기장 방향으로 다시 정렬된다. 방출된 전자기파는 처음 전류를 흘려보냈었던 작은 코일에 전류를 유도하므로 이 전류를 측정하여 원자핵 상태를 파악할 수 있다.
원자핵 자기모멘트가 외부 자기장에 정렬하는 것은 모든 원자핵이 한꺼번에 변하는 것이 아니고 확률에 의존하여 조금씩 변하는 것이므로, 시간이 지나면서 점차 정렬되는 원자핵 수가 증가하다가 일정시간 이후 감소한다. 코일에 두 번째 전류 펄스를 흘려줬을 때부터 검출된 전류가 최고점에 이르는 순간까지의 시간_{(오른쪽 그림에서의 t0)}을 측정하면 원자핵의 존재나 상태를 파악할 수 있게 되고, 상세하게 물질의 상태를 파악할 수 있게 된다. 원자핵 종류에 따라서 자기모먼트나 t₀가 다르므로 가능한 일이다.

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NMR이나 MRI 기기는 강한 자기장을 사용하므로, 초전도자석을 써야 되고, 초전도체를 유지하기 위해서는 액체헬륨과 액체질소를 사용해야 한다. 기기값과 유지비가 많이 드는 이유다. 그래서 사용료가 비싸 대중화에 걸림돌이 되고 있다. 최근에는 빠른 시간동안 연속적으로 상태를 파악할 수 있는 fMRI 장치까지 개발되는 등 많이 발전하고 있는 분야이다. 그러나 아직 갈 길도 먼 것 같다.
NMR을 처음 개발한 미국의 로터버(P. C. Lauterbur)와 영국인 맨스필드(P. Mansfield)가 노벨상을 받았다.

ps.
자기쌍극자가 처음 발견됐던 약 60여 년 전에는 NMR같은 것은 상상도 하지 못했다. 이처럼 과학은 전혀 상상치 못한 분야로 연결되어 꽃을 피우는 경우가 많다. 우리나라처럼 당장 필요할 것으로 생각되는 분야만 집중투자한다면 발전이 오히려 더뎌짐을 주의해야 한다. 과학계에서는 그것이 확실한 길이었던 것처럼 보였는데, 막상 도착해 보면 가시덩쿨 속인 경우가 많기 때문이다.
우리나라 후학들이 더욱더 멋진 장치들을 개발하길 바란다.

ps.
양전자단층촬영(PET)이란 장치가 있는데, 원리상으로는 MRI보다 훨씬 더 정확할 수 있는 장비라고 한다. 아직 얻을 수 있는 해상도가 MRI보다 낮아서 이론치 성능을 구현하는 대엔 무리라고 한다…… 그러나 현재 발전추세라면 몇 년 안에 MRI만큼은 발전하지 않을까?