맨스필드의 에코플래너 스캐닝, 1초의 일부로 MRI 영상 전체를 포착하다

자기공명영상(MRI)은 1970년대 초 폴 라우터버가 경사 자석이 핵스핀 신호를 2차원 영상으로 바꿀 수 있음을 보여주면서 등장했다. 그러나 초기 스캐닝 방식은 공간 정보를 한 번에 한 줄씩 획득했기 때문에 쓸 만한 영상 하나를 얻는 데 수 분이 걸렸고, 살아서 숨 쉬는 환자는 그 시간 동안 너무 많이 움직인다. 속도는 편의의 문제가 아니라, MRI가 실험실의 호기심거리로 남을지 의학이 될지를 가르는 문제였다.

노팅엄의 피터 맨스필드 연구팀은 바로 그 반복 자체를 공격했다. 1977년에 발표된 그들의 다중평면 및 에코플래너 방식은 《Journal of Physics C》에 'Multi-planar image formation using NMR spin echoes'라는 제목으로 실렸으며, 빠르게 변화하는 경사를 이용해 단 한 번의 여기 후에 완전한 영상 평면을 구성할 만큼의 신호를 모았다 — 이것이 훗날 에코플래너 스캐닝이라 불리게 되었다. 노벨 위원회는 나중에 '매우 빠른 경사 변화를 통해 극히 신속한 영상화가 어떻게 달성될 수 있는지'를 보여준 공로를 정확히 맨스필드에게 돌렸다.

이 기법은 당시의 하드웨어보다 앞서 나갔다. 경사 코일과 증폭기가 임상 등급이 되기까지 약 10년이 걸렸지만, 일단 그렇게 되자 에코플래너 영상화는 가장 빠른 응용 분야들의 주력이 되었다 — 심장 영상, 뇌졸중 확산 영상, 그리고 사실상 기능적 MRI 전반이다.

점 하나하나가 아니라 평면 전체를 한 번에 부호화한다

한 번의 획득으로 생리 현상을 정지시킨다. 영상 전체가 수 분이 아니라 수십 밀리초 안에 포착되면 움직임 인공물은 거의 사라진다.

반복되는 여기 대신 경사가 부호화 작업을 수행하므로, 속도는 더 강한 자석을 기다리는 데서가 아니라 전환 가능한 자석을 더 잘 설계하는 데서 나왔다.

맨스필드의 신호 분석은 빠른 원시 에코를 수학적으로 재구성 가능하게 만들어, 물리학의 호기심거리를 노벨 인용문이 표현한 대로 '실용적인 방법'으로 바꾸었다.

이 접근법은 하드웨어보다 10년 앞서 나갔다 — 방법을 일찍 발표했기에 1980년대 후반에 성숙한 임상 시스템들이 이를 전면적으로 채택했다.

처리량이 병목이라면 불필요하게 반복되는 단계를 찾아라. 모든 것을 한 번에 부호화하는 것은 전환 하드웨어에 대한 어려운 엔지니어링을 속도의 한 자릿수 향상과 맞바꾸는 것이다.

2003년 노벨 생리학·의학상은 '자기공명영상에 관한 발견'으로 라우터버와 맨스필드에게 공동 수여되었다. 그때까지 에코플래너 영상화는 사실상 모든 fMRI와 뇌의 신경섬유로를 지도화하는 데 쓰이는 확산 영상의 토대가 되어 있었으며 — 2010년 PLOS 리뷰 문헌에 따르면 — 전뇌 fMRI는 여전히 이 기법으로 돌아가고, 다중화 EPI 같은 이후의 개선이 남아 있는 수 초 길이의 다중 슬라이스 획득 문제를 다루고 있다. 1977년에 처음 기록된 방법이 신경과학이 뇌가 사고하는 모습을 지켜보는 표준 방식이 되었다.