<그림1> 수소의 원자핵은 한 개의 막대자석과 같다. 회전하는 질량은 자기모멘트(Spin)를 만들고 외부자장의 영향으로 세차운동을 한다.

이들 미세자석들은 자장이 없는 상태에서는 제멋대로 배열되어 있으나, 외부에서 자장이 가해지면 자장방향과 거의 일치되어 세차운동을 하게 되는데 그 회전진동수는 원자핵의 종류에 따라 다르며 자장에 비례하게 된다.

2.원자핵의 공명

외부의 자장하에서 자화상태에 있는 원자핵이 어떤 일정한 주파수의 고주파를 발사하면, 일부 낮은 상태의 원자핵이 고주파에너지를 흡수하여 높은 에너지상태로 들뜨게 되는데 이것을 공명현상이라고 한다. 이때에 사용되는 고주파의 주파수는 공명 시키고자 하는 원자핵의 세차운동의 회전주파수에 일치하는 것으로써 이를 공명주파수( Larmor Frequency )라고 한다.

　 <표1> 주파수와 자장강도의 상관관계. 같은 핵이더라도 자장강도가 커지면 이에 비례하여 주파수도 커진다

원자핵은 각각의 공명주파수를 가지며, 이는 외부자장의 강도에 따라 변하게 된다.

<그림2> 평행상태에서 RF펄스를 주어 흥분시키면, MR신호를 내며 평행상태로 되돌아 간다. 이때 신호는 Z축에 수직인 XY평면상에 있어야만 측정이 된다.

3. 원자핵의 이완(Relaxation)

원자핵에 90°의 고주파를 발사하면 일부 낮은 상태의 원자핵이 높은 에너지 상태로 바뀌면서 평균자화가 자장방향의 90°인X-Y평면상의 수평방향으로 놓이게 된다. 이때 고주파 펄스를 끊게 되면 높은 에너지의 원자핵들은 흡수했던 고주파 에너지를 다시 방출하면서 원래의 상태로 돌아가는데 이것을 이완(Relaxation)이라 한다.

(1) T2 Relaxation
90°고주파 펄스를 발사한 직후에는 평균자화가 X-Y평면상에서 360°회전하게 되는데 이때 원자핵들은 회전속도와 회전의 위상이 모두 같다. 이것을 "Coherence"혹은 "In-Phase"상태라고 한다. 또한 이와 같은 때의 방출되는 에너지신호가 가장 크다. 그러나 시간이 지남에 따라 IN-Phase상태의 원자핵들은 자장의 균질성과 원자핵들의 상호작용의 상호작용에 영향을 받아 어떤 원자핵들은 빠른 속도로, 어떤 원자핵들은 느린 속도로 회전하게 되어 점차 "Dephase" 혹은 "Fan-Out" 상태가 된다.
원자핵들이 Dephasing 될수록 방출되는 에너지들의 신호는 급격히 감소하게 되는데(Signal Decay, Free Induction Decay ; FID), 이런 과정을 T2, Spin-Spin, 또는 Transverse Relaxation 이라 한다. T2 이완시간은 X-Y평면의 평균자화가 Dephasing에 의해 처음의 37%까지 감소하는데 걸리는 시간으로 정의된다. T2 는 외부자기장의 세기에 크게 영향을 받지 않는다.

(2) T1 Relaxation
고주파를 끊은 직후에 X-Y평면에서 Coherence상태에 있던 원자핵들이 Dephasing되는 과정을 거친 후, 원자핵들은 자장방향으로 다시 재배열하게 되는데 이때 원자핵들 주위물질(lattice)에 에너지를 주어 열평형 상태에 도달하게 된다. 이 과정을 T1, Spin-Lattice, 혹은 Longitudinal Relaxation 이라 한다. 시간이 경과함에 따라, Z방향으로 재 자화되면서 평균자화는 점차 커지는데, 처음 상태의 63%의 평균자화가 Z방향으로 형성될 때까지의 시간을 T1이완시간 이라고 정의한다. 외부자장의 세기가 높아지면 T1도 길어진다.

4. Pulse Sequence

(1) 포화회복 (Saturation Recovery)
90°주파 펄스를 일정한 시간간격( Repetition Time : TR )으로 반복하여 발사하고, 90°고주파 펄스를 발사한 직후 (대게 20-30msec 후)에 자유 유도 감쇄(Free Induction Decay)신호를 포착하는 방법으로 TR이 짧을수록 (300-500 msec) T1의 효과가 강조된 영상(T1-Weighted Image)을 얻게 되고, TR이 길수록(1500-2000 msec) Spin Density-Weighted Image를 얻게 된다. 예를 들자면 뇌의 T1 이완시간은 뇌척수액의 T1 보다 짧으므로 뇌척수액에 비해 T1-Weighted Image를 얻을 수 있는 것이다. TR이 아주 길면 뇌실질이나 뇌척수액의 원자핵이 모두 원래의 자화된 상태에서 다음 90°펄스를 내게 되므로 뇌실질과 뇌척수액의 신호강도는 T1및 T2효과가 거의 없어 단순히 Spin-Density에 의존하게 되므로 양성자의 대조도(Contrast)가 떨어진다. 반면에 뇌실질과 뇌척수액의 평균 재자화가 최대로 벌어졌을 때 다음 90°펄스를 반복하면T1 이 긴 뇌척수액은 신호강도가 낮고, T1이 짧은 뇌실질은 신호강도가 높게 되어 양성자의 대조도는 Long TR 때보다 좋아진다.

<그림3> T1 Weighted(left ) and T2 Weighted(right) Image

(2) 반전회복 (Inversion Recovery)
90°펄스를 가하기 전에 180°펄스를 주면 평균자화는 180°반대방향으로 반전되고, 이때부터 이완이 시작된다. 시간이 경과함에 따라 짧은 T1의 뇌실질은 많은 원자핵이 재자화되나, 긴 T1을 가진 뇌척수액은 같은 시간에 소량의 원자핵만이 재자화 된다. 일정한 시간 후에, 즉 뇌실질과 뇌척수액의 평균 재자화의 차이가 최대치가 될 때 90°펄스를 준다. 그러면 짧은 T1의 뇌실질은 충분한 원자핵이 다시 공명되어 큰 신호를 내지만 소량밖에 재자화 되지 못한 뇌척수액은 양이 적어 작은 신호를 내게 된다. 따라서 T1의 효과는 앞서 말한 짧은 TR의 포화회복보다 더 크게 나타난다. 간단히 말하면 포화 회복 방식에 비해 이완시간의 범위를 두배로 늘림으로써 T1의 효과를 극대화 시킨 영상이라 할 수 있다. 그러나 단점은 시간이 많이 걸리게 된다는 것으로 잘 사용되지는 않는다.

(3) Spin Echo
Spin echo란 90°펄스를 준 후에 180°펄스를 주면 에코신호가 나타나는데 이 에코신호를 포착하는 방법이다. 90°펄스를 주면 T2의 Dephasing 에 의해 신호강도가 급격히 감소하는 자유유도감쇄 신호가 나타나게 된다. 포화 회복 방식에서는 이 자유유도감쇄 신호를 직접 포착하지만 이것은 기술적으로 좋은 신호를 포착하기 어려우므로, 90°펄스 후에 180°펄스를 준 후 나타나는 에코신호를 잡는 spin echo방식이 가장 많이 사용된다.
90°펄스를 준 직후에는 평균자화는 X-Y평면에 눕게 된다. 시간이 경과함에 따라 스핀이 Dephasing 하는데, 일정시간(T1τ) 후에는 빠르게 도는 F원자핵과 천천히 도는 S원자핵으로 분산된다. 이때 Y축에 180°되는 펄스를 가하면 순간적으로 F는 F'위치에S는 S'위치에 서게 되며, 이때부터 각각의 자기가 도는 속도를 유지하며 다시 돌게 된다. 일정시간(τ) 후는 이들 원자핵들이 출발점에 나란히 서게 된다. 즉 Coherence 을 다시 갖게 되는데 이것을 Refocusing이라고 하고, 이때, 강한 에코신호가 나타나게 된다.
이러한 spin-echo방식은 TR과 TE(Echo time : 90°펄스에서 부 터 180°펄스를 준 후 에코신호가 나올 때 까지 의 시간)를 다양하게 변화시킴으로써 T1 Weighted T2 Weighted Image, T1과 T2의 혼합영상(Mixed Image) Spin-Density 등을 다양하게 얻을 수 있다.