초고자기장(7테슬라 이상) 자기공명영상(MRI)의 고질적인 문제였던 영상 불균일성과 조직 가열 현상을 개선할 수 있는 새로운 기술이 제안됐다. 연구진은 전자기 산란 이론을 기반으로 한 메타표면(metasurface) 설계 알고리즘을 개발해, 뇌 전체에서 균일한 자기장 분포를 구현하는 데 성공했다고 밝혔다.

MRI는 인체 내부 구조와 생리적 변화를 비침습적으로 관찰할 수 있는 대표적인 의료 영상 기술이다. 특히 자기장의 세기(B0)가 높을수록 신호대잡음비(SNR)와 공간 해상도가 향상돼 알츠하이머병이나 파킨슨병 같은 복잡한 뇌 질환을 보다 정확히 진단할 수 있다. 최근 7테슬라(T) 이상의 초고자기장 MRI가 등장하면서 뇌 영상의 정밀도가 크게 높아졌지만, 동시에 새로운 물리적 문제가 발생하고 있다.

문제의 핵심은 RF 자기장(B1+)의 파장이다. 자기장이 강해질수록 RF 주파수가 증가해 인체 조직 내부에서의 파장이 짧아지는데, 이때 파장이 인간 머리 크기와 비슷해지면서 복잡한 전자기 간섭이 발생한다. 그 결과 MRI 신호를 생성하는 B1+ 필드가 뇌 중심에 집중되고 주변 영역에서는 약해져 영상이 균일하지 않게 된다. 또한 특정 부위에 전자기 에너지가 집중되면서 조직 가열(SAR 증가) 문제도 나타난다.

지금까지는 이러한 문제를 해결하기 위해 두 가지 방법이 사용돼 왔다. 하나는 고유전율 패드나 금속 구조 등을 이용해 RF 필드를 국소적으로 조정하는 수동 방식, 다른 하나는 여러 개의 RF 송신 코일을 사용해 위상과 진폭을 조절하는 병렬 송신(pTx) 방식이다. 그러나 수동 방식은 뇌 전체에 걸친 균일화가 어렵고, pTx 방식은 장비와 제어 시스템이 복잡하며 안전성 관리가 까다롭다는 한계가 있다.

연구진은 이러한 문제를 해결하기 위해 위상 제어 메타표면을 활용한 새로운 접근법을 제안했다. 메타표면은 파장의 크기보다 작은 인공 구조를 배열해 전자기파의 위상과 파면을 정밀하게 조절하는 기술이다. 연구팀은 산란 이론에 기반한 최적화 알고리즘을 적용해, 최소한의 메타표면 요소로 RF 파동을 재배치하여 뇌 전체에서 균일한 B1+ 필드를 형성하도록 설계했다.

이 기술은 기존 MRI 장비의 하드웨어를 변경하지 않고도 적용할 수 있는 것이 특징이다. 연구진은 상용 전자기 시뮬레이션 소프트웨어를 이용해 남성·여성·유아 등 다양한 인체 뇌 모델을 대상으로 성능을 검증했다.

그 결과 메타표면을 적용했을 때 B1+ 필드 균일성이 약 두 배 개선된 것으로 나타났다. 균일도를 나타내는 변동계수(CV)는 평균적으로 0.32에서 0.16으로 감소했다. 동시에 조직 가열을 나타내는 SAR 값도 평균 약 23% 감소해 안전성 역시 향상된 것으로 확인됐다.

연구진은 이번 연구가 광학 분야에서 연구되어 온 ‘constant intensity wave’ 개념을 MRI 전자기장 제어 문제에 적용한 사례라고 설명했다. 이러한 접근은 향후 초고자기장 MRI에서 보다 균일하고 안전한 뇌 영상 촬영을 가능하게 해, 신경계 질환의 진단 정확도를 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.

Volumetric B1+ field homogenization in 7 Tesla brain MRI using metasurface scattering.
Gyoungsub Yoon, Sunkyu Yu*, Jongho Lee & Namkyoo Park*
ACS Photonics, https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5c02781, February 2026