【MRI 이론】 7강. MRI 파라미터

7강. MRI 파라미터

 

추천글 : 【MRI 이론】 MRI 이론 목차

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1. 파라미터 [본문]

2. 내재적 파라미터 [본문]

3. 외부 파라미터 [본문]

4. 파라미터 트레이드오프 [본문]

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1. 파라미터(parameter) [목차]

⑴ 파라미터는 이미 제작자에 의해 결정되거나 사용자 인터페이스 소프트웨어에 의해 조절됨

⑵ 좋은 파라미터의 조건

① 조건 1. 적당한 스캔 시간

② 조건 2. 충분한 공간 해상도

③ 조건 3. contrast-to-noise ratio : 스캔 시간, 공간 해상도와 달리 측정 전에는 결정될 수 없어 까다로움 (∵ 조직에 따라 상이함)

⑶ 예 1. 중추신경계 : 스캔 시간이 길어서 높은 공간적 해상도와 contrast-to-noise ratio를 확보함

⑷ 예 2. 흉강, 복강 : 스캔 시간이 짧아서 공간적 해상도와 contrast-to-noise를 희생하는 대신 motion artifact를 최소화할 수 있음

 

 

2. 내재적 파라미터(intrinsic parameter) [목차]

⑴ 정의 : 복셀에 의해 생성되는 근본적인 신호를 조절하는 파라미터

① 조직의 특성에 따라 달라짐

② 신호를 생성하는 부분에만 영향을 주기 때문에 주위 공기의 신호 등은 영향을 주지 않음

⑵ 종류 1. 반복시간(repetition time) TR (단위 : ms)

① 정의 : 주어진 복셀에 RF 펄스가 연속으로 주어질 때 그 시간 간격

② TR이 길어지면 T1 완화를 많이 해서 T1-weighting이 적어짐

 

Figure. 1. (a) TR of 500 ms; (b) TR of 2000 ms

펄스 시퀀스, spin echo; TE, 30 ms; acquisition matrix, N_PE, 224 and N_RO, 256;

FOV, 201 mm PE × 230 mm RO; N_SA, 1; slice thickness, 5 mm.

 

③ 다중 슬라이스 루프에서 TR은 슬라이스의 개수를 제한함

⑶ 종류 2. 에코 시간(echo time) TE (단위 : ms)

① 정의 : 흥분 펄스와 최대 크기의 에코 간 시간 간격

② 펄스 시퀀스 - spin echo : TE가 T2-weighting을 결정함

 

Figure. 2. (a) TE of 30 ms; (b) TE of 80 ms

펄스 시퀀스, spin echo; TR, 2000 ms; acquisition matrix, N_PE, 224 and N_RO, 256;

FOV, 201 mm PE × 230 mm RO; N_SA, 1; slice thickness, 5 mm.

 

③ 펄스 시퀀스 - gradient echo : TE가 T2*-weighting을 결정하고 지방과 물의 신호차이를 야기함

④ 펄스 시퀀스 - echo train spin echo, echo planar imaging, MP gradient echo sequence : 이미지 재구성에 쓰이는 모든 에코가 동시에 발생하지 않기 때문에 TE는 중요한 요소로 부각됨

⑷ 종류 3. 반전 시간(inversion time) TI (단위 : ms)

① 정의 : 180° 반전 펄스와 이미징 흥분 펄스 간 시간 간격

② 관련된 펄스 시퀀스 : IR(inversion recovery), echo train IR, magnetization-prepared gradient echo sequence

③ 반전 시간에 따른 신호의 분리 : TI는 반전 펄스 이후로 T1 relaxation의 정도를 결정함

 

출처 : 이미지 클릭

Figure. 3. 반전 시간에 따른 신호의 분리^]

 

④ 적절한 TI를 통해 suppression 대상을 조절할 수 있음 (예 : fat suppression)

 

Figure. 4. (a) TI = 140 ms (fat suppression); (b) TI = 2100 ms (CSF suppression)

펄스 시퀀스, echo train spin echo, five echoes; TR, 7000 ms; TE, 14 ms;

acquisition matrix, N_PE, 224 and N_RO, 256; FOV, 201 mm PE × 230 mm RO; NSA, 1; slice thickness, 5 mm.

 

⑸ 종류 4. echo train length : 터보 인자(turbo factor)라고도 함

① 정의 : 에코의 개수, 즉 phase encoding 단계의 수

② 관련된 펄스 시퀀스 : echo train spin echo, echo train IR, echo planar sequence

③ 특징 1. TR이 충분하면, echo train 길이가 길수록 스캔 시간이 짧아짐

④ 특징 2. echo train length가 길수록 sequence kernel time(minimum TR per slice)이 길어짐

○ 이유 1. T2 relaxation을 통한 마지막 에코의 신호 감쇠가 커짐

○ 이유 2. 그로 인해 동일한 슬라이스를 얻기 위해 요구되는 최소 TR이 길어짐

⑤ 특징 3. phase encoding 단계의 수는 echo train length의 배수임

⑹ 종류 5. 에코 간격(echo spacing) (단위 : ms)

① 정의 : echo train에서 각 에코 간의 시간 간격

② 관련된 펄스 시퀀스 : ETSE, echo train IR, echo planar sequence

③ 특징 1. 에코 간격이 길수록 각 에코 간 T2 완화 시간이 길어짐

④ 특징 2. 에코 간격이 작을수록 sequence kernel time이 짧아짐

⑺ 종류 6. 숙임각(flip angle) (단위 : degree) : excitation angle이라고도 함

① 정의 : 에너지를 흡수하면서 기본 자기장 방향인 z축으로부터 회전한 각 변위

② 일반적으로 횡단면 자화를 최대로 하기 위해 90° 펄스를 사용함

③ 숙임각은 양성자에 의해 흡수된 에너지 및 양성자에 의한 신호의 크기와 비례함

④ 각 조직의 TR, TI와 더불어 숙임각은 이미지의 T1-weighting을 결정함

⑤ 펄스 시퀀스 - gradient echo sequence : Ernst angle α_E는 특정 TR에 대해 최대 신호가 생성되는 숙임각을 지칭함

 

 

 

3. 외부 파라미터(external parameter) [목차]

⑴ 정의 : 복셀 크기 등의 데이터의 수집 기법이나 조직과 무관한 다른 요소에 영향을 주는 파라미터

① 일반적으로 최종 이미지에서 공간적 해상도나 배경의 노이즈에 영향을 줌

② 펄스 시퀀스의 선택에 따라 달라짐 : 한 펄스 시퀀스에서 모든 외부 파라미터 조합이 가능한 것은 아님

⑵ 종류 1. 슬라이스 두께(slice thickness) TH (단위 : mm)

① 정의 : RF 에너지를 흡수하는 조직의 slice selection 방향으로의 길이

② 슬라이스 두께의 조절은 보통 G_SS의 조절을 통해 이루어짐

③ 특징 1. 슬라이스가 두꺼울수록 복셀당 생성되는 신호가 많아짐

④ 특징 2. 슬라이스가 얇을수록 partial volume averaging을 적게 만듦

⑶ 종류 2. 슬라이스 간격(slice gap) (단위 : mm)

① 정의 : 인접한 슬라이스 간의 간격. 일반적으로 슬라이스 두께에 대한 비율로서 표현됨

② 슬라이스 간격을 조절하면 최종 이미지의 크기를 조절할 수 있음

③ 크로스 토크(crosstalk) : 슬라이스 간격이 너무 좁으면 슬라이스 조직 내 동일 부위를 흥분시키는 현상

○ 오버랩되는 조직의 신호가 포화되므로 신호의 크기를 약화시킴

○ 슬라이스 간격이 넓다면 크로스 토크의 정도는 줄어듦

⑷ 종류 3. 흥분 순서(excitation order)

① 정의 : 어떤 슬라이스들을 흥분시킬지에 대한 시간적인 순서

② 종류 3-1. sequential ordering : 조직 순서와 시간 순서가 일치하는 경우

○ 슬라이스 간 상대적 타이밍이 중요할 때 주로 사용됨

○ 예 : 심장의 심전도 연구

③ 종류 3-2. interleaved ordering : 1, 3, 5 ··· 순으로 조직을 흥분시킨 뒤 2, 4, 6, ··· 순으로 조직을 흥분시키는 방법

○ 장점 : 최대한 T1 이완이 되도록 하여 크로스 토크를 최소화시킴

④ 종류 3-3. arbitrary ordering

 

Figure. 5. 흥분 순서의 예

 

⑸ 종류 4. 분획의 수(number of partition) N_PART

① 정의 : 매순간 흥분되는 조직에서 데이터 처리를 위해 분할되는 구획의 수. 3D volume study에서 사용됨

② 유효 슬라이스 두께 = 슬라이스 두께 ÷ N_PART

③ 3D 시퀀스의 스캔 시간은 N_PART에 비례함

⑹ 종류 5. FOV(field of view) (단위 : mm²)

① 정의 : MR 신호가 정확히 샘플링되는 영역

② 종류 1. 직사각형 FOV 또는 anisotropic FOV : readout 방향과 phase encoding 방향으로 제각기 값이 명시되는 것

③ 종류 2. 정사각형 FOV 또는 isotropic FOV : 한 가지 값만 명시

④ gradient amplitude를 증가시키면 FOV가 감소함

⑤ FOV를 감소시키면 공간적 해상도가 증가하고, 복셀 크기가 감소하며 SNR이 감소함

⑺ 종류 6. 획득 행렬(acquisition matrix) (N_PE, N_RO)

① 정의 : 최종 이미지 생성에 쓰이는 raw data 샘플링 격자

② 구성 : phase encoding 단계 수 N_PE와 frequency encoding 단계 수 N_RO

○ 제조업자에 따라 어떤 숫자를 먼저 쓸지는 제각기 다름

③ 공간적 해상도를 높이려면 수집 행렬의 크기를 크게 하면 됨

④ 오버샘플링(oversampling) : 특정 FOV를 정의하는 데 필요한 것보다 더 많은 데이터를 얻는 것

○ 목적 : 고주파수 aliasing artifact 감소, SNR 증가

○ 특징 1. readout 방향으로의 오버샘플링은 스캔 시간을 증가시키지 않음

○ 특징 2. phase encoding 방향으로의 오버샘플링은 그 정도에 비례하여 스캔 시간을 증가시킴

⑻ 종류 7. signal average 수 N_SA : 흥분 펄스의 수(number of excitation pulse) N_EX라고도 함

① 정의 : 각 슬라이스와 각 phase encoding에 대해 이용되는 신호의 개수

② 목적 : SNR 향상

③ 방법 : 특정 위상에 따라 슬라이스별로 데이터를 얻거나 특정 슬라이스에 따라 위상별로 데이터를 얻게 됨

④ 스캔 시간, SNR, N_SA의 관계

 

 

⑼ 종류 8. 수신기의 밴드폭(receiver bandwidth) BW_REC (단위 : Hz)

① 정의 : 정확하게 디지털 샘플링을 할 수 있는 최대 주파수, 즉 Nyquist 주파수

② Nyquist 주파수는 샘플링 시간과 N_RO에 의존함

③ 표현 : 전체 readout FOV에 대한 전체 밴드폭으로 나타내거나 픽셀당 밴드폭, 즉 주파수 해상도로 표현됨

④ 특징 : BW_REC가 작을수록 SNR은 향상되고 chemical shift artifact는 커짐

 

 

4. 파라미터 트레이드오프 [목차]

⑴ 일반적으로 좋은 파라미터의 조건을 찾는 것은 어려움

① 이유 1. 한 파라미터의 변화가 좋은 파라미터의 세 조건을 모두 향상시키거나 악화시키지 않을 수 있음

② 이유 2. 조직에 따라 좋은 파라미터의 조건이 상이함

③ 이유 3. 각각의 파라미터는 실제로 독립적이지 않음 : 예를 들어, TE는 반드시 TR보다 작아야 함

⑵ Measurement effects - intrinsic parameters

 

Parameter	Direction of change	Effect on spaital resolution	Effect on S/N ratio	Effect on scan time
TR	Increase	None	Increase	Linear increase
TE	Increase	None	Decrease	None
Excitation angle, α	Increase	None	Increase for long TR	None
Excitation angle, α	Increase	None	Decrease for short TR	None

 

 

Table. 1. Measurement effects - intrinsic parameters

 

⑶ Measurement effects - extrinsic parameters

 

Parameter	Direction of change	Effect on spaital resolution	Effect on S/N ratio	Effect on scan time
TH	Increase	Linear decrease	Linear decrease	None
NPART	Increase	Linear increase	Square root increase	Linear increase
FOVRO	Increase	Linear decrease	Linear decrease	None
FOVPE	Increase	Linear decrease	Linear decrease	None
NRO	Increase	Linear increase	Square root increase	None
NPE	Increase	Linear increase	Square root increase	Linear increase
NSA	Increase	None	Square root increase	Linear increase
BWREC	Increase	None	Square root decrease	None

 

 

Table. 2. Measurement effects - extrinsic parameters

 

⑷ Intrinsic variables

① standard single spin echo signal intensity : 숙임각은 90도. refocusing pulse는 180도

 

 

② standard inversion recovery signal intensity : 숙임각은 90도. refocusing pulse는 180도

 

 

③ standard spoiled gradient echo signal intensity : 숙임각은 α

 

 

⑸ Extrinsic variables

① standard 2D imaging acquisition

 

 

② standard 3D imaging acquisition

 

 

입력: 2017.03.07 13:02

수정: 2020.04.30 19:27