【MRI 이론】 13강. MRS(Magnetic Resonance Spectroscopy)

13강. MRS(magnetic resonance spectroscopy)

 

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1. 개요 [본문]

2. 원리 1. 화학적 이동 [본문]

3. 원리 2. 스핀 커플링 [본문]

4. 원리 3. 스펙트럼의 선폭 [본문]

5. 원리 4. 물의 suppression [본문]

6. 응용 1. 지역화 기법 [본문]

7. 응용 2. 스펙트럼 분석 및 사후 처리 [본문]

8. 응용 3. 고자기장 분광학 [본문]

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1. 개요 [목차]

⑴ MRS와 MRI의 차이

① MRS : 가장 먼저 이용됨. pulse flip을 사용하지 않고 라모어 세차운동의 공명주파수 차이만을 이용

② MRI : 비교적 늦게 등장함. 라모어 세차운동 중에 pulse flip을 하였을 때 relaxation 되는 것을 이용

⑵ 어떤 MRI 장비로도 MRS 분석을 진행할 수 있음

① 이유 : MRI에서 pulse flip을 하지 않으면 MRS가 되기 때문

② MRS는 민감한 분석을 요하지 않기 때문에 1.5 T 이상의 MRI 스캐너이면 충분함

③ 수소가 아닌 다른 핵종에 대한 MRS의 경우 추가적인 송신기나 수신기를 요구함

④ whole-body MRS scanner : biopsy와 같은 침습적 절차 없이 병변에 대한 생화학적 분석을 가능하게 함

 

 

2. 원리 1. 화학적 이동(chemical shift) [목차]

⑴ MRS와 MRI의 비교

① 공통 절차

○ 자기장 하에서의 net magnetization

○ RF 에너지 흡수

○ T1 relaxation과 T2 relaxation

② 차이 1. MRS는 일반적으로 gradient vector가 없이도 진행할 수 있음

○ MRS에서 모든 분자는 동일한 자기장에 놓이게 됨

○ MRS에서는 chemical shift만이 자기장의 왜곡을 일으킴 : 어떤 물질인지를 식별하게 하는 진정한 신호를 제공

○ MRI에서는 chemical shift가 artifact를 일으키는 골칫덩이에 불과함

③ 차이 2. MRS에서는 relaxation 효과를 가능한 한 피하려고 함

○ MRS의 대상이 되는 분자는 대체로 molecule 수준이기 때문에 T1과 T2 값이 긴 편

○ TR을 1500 ms 이상으로 설정 : T1 saturation effect 최소화 및 고주파수 해상도 향상 목적

○ T2* dephasing effect는 거의 주자기장 불균일성(main field inhomogeneity)에서만 기인하게 됨

⑵ chemical shift 값은 reference 주파수에 대해 상대적으로 표현됨

 

ω_rel = (ω - ω_ref) / ω_ref

 

① 기준 주파수(reference frequency)

○ 실험실 환경에서 ¹H는 TMS(tetramethylsilane)의 주파수를 기준 주파수로 삼음

○ in vivo에서 ¹H는 N-acetylaspartate의 주파수(TMS + 2.0 ppm 정도)를 기준 주파수로 삼음

○ in vivo에서는 기준 물질이 다른 이유 : TMS의 독성, TMS의 조직 내 불균일한 분포 등

② 각각의 ¹H가 만들어내는 신호는 자기장에 비례하므로 이를 상대적 척도로 표현하면 자기장에 독립적인 값이 됨

○ 심지어 chemical shift artifact 또한 주파수에 비례함

⑶ chemical shift 값의 예시

① in vivo에서 chemical shift의 값의 범위는 대체로 0.0 ~ 4.5 ppm

○ 이유 : CH₃-, CH₂-, CH-에 있는 수소의 chemical shift 값이 주를 이루기 때문

② 4.5 ppm의 의미 : 1.5 T에서 285 Hz, 3.0 T에서 570 Hz를 의미

⑷ chemical shift는 정량적이기 때문에 복수의 물질에 대한 상대적 존재 비율을 구할 수 있음

⑸ chemical shift의 원리

① 원리 1. 렌츠의 법칙 : 외부 자기장의 변화가 있으면 전자는 그 자기장을 상쇄하는 방향으로 유도 자기장을 형성함

② 원리 2. 화학적 가리움 : 국소적인 자기장 변화로 기본 자기장 B0에 비례

 

B_i = B₀ (1 - σ_i)

 

○ B_i : 국소 자기장

○ σ_i : 양성자 i에 대한 가리움 효과를 반영하는 인자

③ 전자 결핍 환경에 있는 ¹H는 알짜 자기장이 크므로 공명주파수 및 δ 값이 큼

④ 전자 풍부 환경에 있는 ¹H는 알짜 자기장이 작으므로 공명주파수 및 δ 값이 작음

⑤ MRS는 굉장히 민감하지만 구체적으로 어떤 작용기가 있는지 지시하지는 못함

⑥ 예 1. creatine과 phosphocreatin은 인산기 그룹의 차이가 있지만 메틸기에 있는 수소원자는 동일한 MR 신호 생성

 

 

Figure. 1. creatine (a)과 phosphocreatine (b)

 

⑥ 예 2. 지방산을 구성하는 탄화수소들은 비슷한 chemical shift 값을 보여줌

 

 

3. 원리 2. spin coupling (J coupling) [목차]

⑴ 정의 : 핵 스핀, 결합 전자쌍, 파울리 배타원리에 의해 생기는 국소적 자기장 변화

 

출처 : 이미지 클릭

Figure. 2. spin coupling의 원리^]

 

⑵ chemical shift와의 비교

① 차이 1. spin coupling은 chemical shift와 달리 자기장의 세기에 영향을 받지 않음

② 차이 2. spin coupling은 항상 쌍으로 나타남 : chemical shift는 단독으로 나타남

⑶ 분류

① first-order coupling 조건 : Δω ≥ 10 J_AX, J_AX : 스핀 A와 X의 coupling constant

② second-order coupling 조건 : first-order coupling이 아닌 경우

⑷ 예. lactate(CH₃CHOHCOO^-) : 스핀 갈라짐이 쉽게 관찰됨

① 메틸기 수소의 경우

○ 밑줄 친 탄소에 붙은 수소가 spin-up인 경우 메틸기 수소의 스핀을 감소시킴 (spin-down화)

○ 밑줄 친 탄소에 붙은 수소가 spin-down인 경우 메틸기 수소의 스핀을 증가시킴 (spin-up화)

○ 메틸기 수소는 두 개의 피크로 쪼개짐 : 메틸기 수소의 원래 피크를 중심으로 대략 7 Hz 차이

○ 이때 7 Hz가 coupling constant J임

② 밑줄 친 탄소에 붙은 수소의 경우

○ 메틸기 수소는 총 네 가지 경우가 존재할 수 있음

○ 경우 1. 세 개의 수소가 spin-up인 경우 : 12.5%

○ 경우 2. 두 개의 수소가 spin-up, 나머지 한 개의 수소가 spin-down : 37.5%

○ 경우 3. 한 개의 수소가 spin-up, 나머지 두 개의 수소가 spin-down : 37.5%

○ 경우 4. 세 개의 수소가 spin-down인 경우 : 12.5%

○ 각각은 7 Hz의 주파수 차이가 날 것이며, 피크의 강도는 확률비에 따라 1 : 3 : 3 : 1을 따름

③ spin coupling의 중요한 특징 중 하나는 180° refocusing RF pulse에 의해 반전되지 않는다는 점

○ 아래를 보면, 180° refocusing RF pulse를 spatial localization에 활용할 수 있음

○ TE = 1/J = 1/7Hz = 288 ms로 설정하면 lactate resonance는 다른 noncoupled resonance와 in-phase가 됨

○ TE = 144 ms로 설정하면 lactate resonance는 다른 noncoupled resonance와 180° out of phase가 됨

 

 

4. 원리 3. 스펙트럼의 선폭(spectral linewidth) [목차]

⑴ 핵 스핀에 의한 피크는 일정한 선폭을 가진 신호로 나타남

① chemical shift를 거친 경우 피크가 기본 주파수에서 약간 벗어남

② spin coupling을 거친 경우 한 개였던 피크가 여러 피크로 나타남

⑵ FWHM(full-width at half-maximum height) : 피크의 폭

 

FWHM ∝ 1/T2*

 

① 요인 1. 분자의 종류

② 요인 2. magnet inhomogeneity

③ 요인 3. shim : resonance linewidth는 shimming을 통해 줄일 수 있음

④ 요인 4. 자기장의 세기 : 자기장이 증가할수록 MRS가 더 날카로워짐

⑶ MRS의 해상도

① 문제 1. chemical shift가 유사한 경우 magnet homogeneity가 상당히 높아야 신호를 분리할 수 있음

② 문제 2. posterior fossa, skull과 같이 자화 감수성의 차이가 있는 경우 MRS 분석이 어려움

③ 문제 3. 피크를 정의하는 점이 discrete하게 있기 때문에 주파수 해상도가 충분히 높아야 함

○ 0.2 ppm 정도의 차이를 분리하기 위해 일반적으로 전체 1000 Hz 범위에서 1 Hz/point의 해상도가 사용

○ 이 해상도를 달성하기 위해 1 ms/point의 dwell time이 요구됨

○ 그 결과 전체 샘플링 시간은 1초 이상이 됨

 

 

5. 원리 4. 물의 suppression [목차]

⑴ 개요

① 임상적 MRI의 경우 물과 지방 모두 고농도로 존재함

② MRS의 경우 지방 등의 대사물질은 물에 비해 10,000배 정도 묽은 상황

○ 신호의 대부분이 물에 대한 신호이기 때문에 대사물질의 신호가 대체로 물의 노이즈에 묻히게 됨

③ 이 경우 물의 신호를 suppression 한 뒤 대사물질의 신호를 읽어들이게 됨

⑵ 물의 suppression

① 방법 1. 주파수 선택적 RF 펄스를 이용하는 방법

② 방법 2. 물의 공명 주파수에 해당하는 주파수를 이용하여 물의 proton을 포화시키는 방법

③ 물의 suppression은 fat saturation과 유사한 기법

④ 물의 suppression은 쉽고 효율적인 기법 : 단일한 펄스로도 달성할 수 있음

 

 

6. 응용 1. 지역화 기법 [목차]

⑴ 개요

① 최근에는 MRI처럼 공간적으로 다른 MRS를 얻는 것까지 할 수 있음

② 원리 : 슬라이스 선택적 excitation pulse로 조직 내 특정 슬라이스에만 RF 에너지가 분포하도록 함

③ 한계

○ 일반적으로 MRI에서 voxel 사이즈는 1 × 1 × 5 ㎣인 반면 MRS는 15 × 15 × 15 ㎣로 비교적 큼

○ 그 결과 공간적으로 다른 MRS 연구는 조직 내 비교적 큰 영역에서만 이용할 수 있음

⑵ 종류 1. single voxel technique(SVT; single voxel spectrometry; SVS)

① 정의 : 조직 내 single small volume으로부터 스펙트럼을 얻는 기법

② 일반적으로 세 종류의 RF excitation pulse를 제공하여 원하는 지점을 excitation시킴

③ 1-1. PRESS(point resolved spectroscopy)

○ 정의 : standard multiecho sequence처럼 1개의 90° RF 펄스와 2개의 180° RF 펄스를 이용하는 방식

○ 각 RF 펄스는 slice selection gradient로서 기능함

○ 세 RF 펄스의 slice selection에 의해 교차되는 proton만이 의도된 TE에 맞는 spin echo를 생성함

④ 1-2. STEAM(stimulated echo acquisition method)

○ 정의 : 3개의 90° RF 펄스를 이용하는 방식

○ 각 RF 펄스는 slice selection gradient로서 기능함

○ 세 RF 펄스의 slice selection에 의해 교차되는 proton만이 stimulated echo를 생성함

④ PRESS와 STEAM의 차이

○ 차이 1. echo 신호의 본질의 차이

○ PRESS에서는 voxel로부터 전체 알짜 자화가 echo 신호를 만들기 위해 refocus됨

○ STEAM에서는 전체 알짜 자화 중 최대 절반만이 stimulated echo를 생성함

○ 그 결과 다른 scan parameter가 동일할 때 PRESS가 STEAM보다 더 나은 SNR을 보임

○ 차이 2. PRESS는 180° RF 펄스도 쓰지만 STEAM은 오직 90° RF 펄스만 사용함

○ 180° RF 펄스에 요구되는 강한 송신기 출력으로 인해 PRESS에서 voxel dimension은 제한됨

○ PRESS 스펙트럼은 임의의 coupled spin에 의한 modulation이 나타남

○ 반면 STEAM 스펙트럼은 스핀들의 J coupling에 영향을 받지 않음

○ 차이 3. STEAM은 PRESS보다 더 짧은 TE 값이 나올 수 있게 함

○ TE가 짧아지면 T2 relaxation으로 인한 신호 손실이 적어짐

○ TE가 짧아지면 스캔 시간이 짧아짐

⑶ 종류 2. multiple voxel technique(MVT)

① 정의 : 단일 측정 과정에서 여러 개의 스펙트럼을 얻는 기법

② 2-1. CSI(chemical shift imaging) : 가장 일반적으로 사용하는 MVT 기법

○ spatial localization을 위해 phase encoding gradient table이 사용 : 이 점은 표준 영상 기법과 유사함

○ spatial localization에 이용되는 gradient table의 개수에 따라 1D, 2D, 3D 버전이 될 수 있음

○ 2개의 gradient table이 사용되는 2D 버전이 가장 보편적으로 사용됨

○ PRESS, STEAM과 같은 volume-selective RF 펄스가 사용됨

③ 2-1-1. volume-selective CSI

○ 정의 : 세 개의 excitation pulse가 제각기 수직인 경우

○ 장점 : 타겟 voxel 바깥쪽에 있는 신호가 읽히는 경우를 최소화할 수 있음

○ volume-selective CSI는 한 번에 여러 volume에 대한 신호를 얻을 수 있음

○ 그 결과 병변의 지역이 넓거나 시시각각 확산을 하는 경우에도 용이하게 이용될 수 있음

○ volume-selective CSI의 경우 측정 시간이 상대적으로 긺

○ 그러나 모든 localization phase encoding이 끝나야 전체 데이터를 얻을 수 있음

○ 일반적으로 SVT의 경우 반복 측정을 하여 충분한 SNR을 확보할 수 있음

○ volume-selective CSI의 경우 SVT와 달리 사후처리를 반드시 요함

○ CSI 데이터가 오퍼레이터에 의해 다소 임의적일 수밖에 없음

 

 

7. 응용 2. 스펙트럼 분석 및 사후 처리 [목차]

⑴ 푸리에 변환(Fourier transformation)

① 정의 : 시간 도메인의 정보를 주파수 도메인으로 변환하는 수학적 기법

② 주파수 도메인의 도입

○ 한 voxel에 있는 MRS 신호는 공명 주파수, 선폭, 피크의 적분비 등으로 나타낼 수 있음

○ 위 정보들을 가공하면 물질 고유의 신호, 분자적 환경, 물질의 농도 등을 알아낼 수 있음

○ 이들 정보가 시간 도메인으로 얻어짐에도 불구하고 주파수 도메인으로 변환하면 훨씬 해석이 용이함

③ 푸리에 변환은 변환 전에 적용되는 추가적인 수학적 기법과 함께 최적화될 수 있음

○ 종류 1. 에코 신호의 필터링

○ 샘플링 시간 동안 발생한 노이즈를 줄일 수 있음

○ truncation artifact를 제거하기 위한 필터와 동일함

○ 종류 2. sinc interpolation : 푸리에 변환 후에 적용되는 기법

○ zero filling은 시간 도메인 신호 끝에 세기가 0인 데이터를 부가하여 규격을 맞추는 작업을 지칭함

○ 그러나 zero filling으로 인하여 일반적으로 background noise가 발생함

○ sinc interpolation은 시간 도메인 데이터에 0을 부가하지 않고 interpolation을 적용함

○ 효과 : 푸리에 분석 결과 얻은 스펙트럼의 해상도 향상, 최종 스펙트럼이 더 부드럽게 보이도록 함

○ 종류 3. residual eddy current에 의한 왜곡 보정

○ eddy current의 원인 : 시간에 따라 변하는 gradient pulse, 요동치는 자기장

○ 제조업자들은 eddy current를 보정하기 위해 eddy current compensation hardware를 추가하기도 함

○ 그러나 이러한 eddy current 보상 장치는 MRI에서는 충분하지만 MRS에서는 적절하지 않음

○ MRS에서는 suppression을 하지 않은 물의 신호를 추가로 얻어서 eddy current에 의한 residual field variation을 추산하여 보정하는 방법을 사용함

○ 만약 eddy current가 심각하지 않다면 소량의 물에 대한 신호를 따로 얻는 것으로도 충분함

⑵ 사후 처리

① 푸리에 변환 후에 얻은 복소수 주파수 도메인의 정보는 단일 모드 신호가 아님

② 즉, in-phase 모드 (dispersion)와 out-of-phase 모드 (absorption)가 있음

③ MRI에서는 위 두 노이즈를 포함하여 이미지를 생성함

④ MRS에서는 pure absorption mode가 선호되므로 (∵ 좁은 선폭, 단순성, 정량성) 위 노이즈를 제거해야 함

⑤ phase correction

○ 수학적으로 absorption mode는 실수부에, dispersion mode는 허수부에 할당함

○ 만일 실수부 스펙트럼이 하드웨어 결함이나 불완전한 water suppression으로 flat하지 않다면 baseline correction을 거치면 해결됨

○ 보정된 실수부 스펙트럼을 통해 공명 주파수, 선폭, 적분비 등을 계산할 수 있음

○ 눈으로 어림짐작하여 위 값들을 계산할 수 있지만 피크들을 이론적인 커브에 fitting하면 더 정확함

○ 공명 주파수, 선폭은 비교적 정확하지만 적분량은 보이지 않는 hardware 관련 요인에 영향을 많이 받는 편임

○ 따라서 적분량 대신 적분비를 구함으로써 비교적 정확한 결론을 낼 수 있음

○ MRS는 정량적이기 때문에 농도를 알고 있는 reference와 샘플을 동시에 찍으면 샘플 농도의 절대적 정량이 가능함

⑶ 한 병변에서는 비정상인 신호가 다른 병변에서는 정상일 수 있기 때문에 신호 해석에 주의를 다하여야 함

⑷ 예 1. 측두엽 간질 평가를 위한 MRS

① 정상 뇌는 일반적으로 TE 값이 길며 (135 ~ 270 ms) 세 개의 주요한 피크를 보여줌

○ N-acetyl aspartate (NAA) : 2.0 ppm

○ creatine (Cr) : 3.0 ppm

○ phosphocreatine (Cho) : 3.2 ppm

○ 물 : 4.7 ppm

② 정상 성인

○ NAA / Cr : 1.4 - 1.5

○ Cho / Cr : 0.8

③ 측두엽 간질 환자

○ NAA 수치가 줄어들고 Cho, Cr 수치가 증가함 (Achten et al., 1997)

⑸ 예 2. 신경교종(glioma)의 등급화(grading)

① methine group으로 인해 3.6 ppm의 공명주파수를 갖는 myo-Inositol (mIno)를 이용함

② 비교적 짧은 TE가 사용됨

③ 높은 등급의 신경교종과 낮은 등급의 신경교종의 비교는 mIno/Cr 비, Cho/Cr 비 등을 이용 (Pinker et al., 2012)

⑹ 예 3. 전립선암의 평가

① 정상 전립선은 Cho의 신호뿐만 아니라 citrate에 있는 메틸기 수소의 신호인 2.6 ppm가 나타남

② 악성 전립선암은 Cho에 비하여 감소한 citrate 수치가 나타남

③ 전립선 연구는 다음과 같은 이유로 어려움

○ endorectal surface coil이 자주 사용됨 : 작은 크기, 제한된 측정범위는 측정 병변이 정확한 위치에 있을 것을 요함

○ torso array coil의 사용 : patient cooperation을 도모하기 위해 사용되지만 SNR을 감소시킴

 

 

8. 응용 3. 고자기장 분광학(ultra-high field spectroscopy) [목차]

⑴ 개요

① ³¹P, ¹³C는 ¹H에 비해 민감도가 떨어지기 때문에 고자기장을 가하여 민감도를 높이는 작업을 요함

② 이유 1. 고자기장 하에서는 동일한 RF 주파수에 대해 chemical shift 차이가 더 증가함

③ 이유 2. 주파수 범위가 증가하기 때문에 선폭은 더 좁아짐

⑵ SNR의 증가를 위해 다음 두 가지 방법이 사용될 수 있음

① 방법 1. 더 작은 voxel을 스캔한다면 공간적 해상도가 증가함

○ 예를 들어, 더 적은 signal average를 가지고 동일한 SNR을 달성할 수 있음

○ 더 적은 스캔 시간은 역동학적 분석에 있어서 더 나은 시간 해상도를 달성할 수 있음

② 방법 2. 2D CSI를 활용하여 뇌의 백질과 회질에 있는 서로 다른 voxel 상에서 신호를 얻을 수도 있음

⑶ 고자기장이 야기할 수 있는 문제

① 문제 1. fat에서 얻어지는 신호가 증가함

○ 뇌 영상에서 suborbital fat이나 두개골 내 골수에 있는 fat이 잠재적으로 신호 오염을 야기할 수 있음

○ outer volume saturation 또는 지방 신호의 narrow-band inversion이 위 문제를 해결할 수 있음

② 문제 2. 물질 신호 간 chemical shift의 차이가 증가함

○ volume-selective excitation에서 proton의 misregistration이 일어날 수 있음

○ 물과 대사물질의 excitation 위치가 다른 경우 특히 문제가 될 수 있음

○ 위와 같은 문제는 MRI에서 chemical shift artifact와 유사한 상황

○ 특히 2D CSI에서 excitation volume을 세 가지 방향의 RF 펄스로 결정하기 때문에 문제가 될 수 있음

○ excitation volume 가장자리에 있는 voxel들은 비균질적인 excitation으로 인해 intensity variation이 있을 수 있음

○ 이는 전통적인 자기장에서도 일어날 수 있는 문제이지만 고자기장 하에서 특히 문제가 되므로 주의를 요함

 

입력 : 2019.05.02 10:42

수정 : 2021.08.27 23:15