【MRI 이론】 10강. Motion Artifact Reduction Techniques

10강. Motion Artifact Reduction Techniques^]

 

추천글 : 【MRI 이론】 MRI 이론 목차

---

1. 개요 [본문]

2. 방법 1. acquisition parameter modification [본문]

3. 방법 2. 트리거 / 게이팅 [본문]

4. 방법 3. flow compensation [본문]

5. 방법 4. 방사형 motion compensation [본문]

---

 

1. 개요 [목차]

⑴ MR 이미지에서 환자의 움직임이 있으면 phase encoding 방향에서 심각한 이미지 artifact가 발생 (ref)

① 데이터 수집 중에 가장 artifact가 생기기 쉬운 단계 : 낮은 진폭의 phase encoding 단계(k-space의 중심)에서의 에코 측정

② 높은 진폭의 phase encoding 단계(k-space의 가장자리)에서의 움직임은 번짐(blurring)을 만들 뿐 심각한 신호의 오류를 생성하지 않음

⑵ 최종 이미지에서 motion artifact를 줄이기 위한 방법

① 방법 1. spatial presaturation

○ 만일 움직이는 조직의 신호가 관심 대상이 아니라면, patial presaturation이 신호의 artifact를 크게 줄일 수 있음 (ref)

○ 이는 척추 연구를 할 때 복부와 심장의 motion artifact를 제거하는 데 유용함

② 방법 2. acqusition parameter modification

○ 움직이는 조직으로부터의 신호가 유용한 경우

○ 데이터 수집 과정에서 작용

③ 방법 3. physiological triggering

○ 움직이는 조직으로부터의 신호가 유용한 경우

○ 데이터 수집 과정에서 작용

④ 방법 4. flow compensation

○ 움직이는 조직으로부터의 신호가 유용한 경우

○ 움직이는 조직에서 나오는 신호를 변형시킴

⑤ 이들 중 어느 것도 완전하게 motion artifact를 제거하지는 못하지만, 이 방법들을 적절히 조합하면 상당히 효과적

 

 

2. 방법 1. acquisition parameter modification [목차]

⑴ 획득 파라미터(acquisition parameter)의 적절한 선택은 motion artifact의 정도를 변형할 수 있음

⑵ 방법 1. motion artifact rotation

① frequency encoding과 phase encoding 방향의 교환

② 즉, phase encoding 방향을 바꿈으로써 motion artifact가 관심 영역에서 덜 나타나도록 할 수 있음

③ 이러한 접근은 artifact를 제거하거나 최소화하는 게 아니라 이미지에서 나타나는 방향을 바꿈

④ 예를 들어, 만일 phase encoding 방향이 AP(anterior-posterior) 방향이면 sagittal sinus vein의 안구 운동이나 혈류에 의한 motion artifact가 뇌병변을 가릴 수 있음

⑤ Phase encoding 방향이 LR(left-right) 방향이면, 안구 운동에 의한 artifact는 뇌 밖에 있게 됨

⑥ 혈류에 의한 artifact도 마찬가지로 뇌 밖에 있게 됨

⑶ 방법 2. signal average의 수를 증가시키는 방법

① 이 접근은 특히 호흡운동이 심각한 고스팅을 일으키는 복부 스캔에서 유용함

② multiple average를 통해 조직의 신호는 스캔 중의 평균적인 위치에 의존하게 됨

③ 조직은 대개 한 위치에서 크게 벗어나지 않기 때문에 신호는 응집성 있게 중첩됨

④ 따라서 motion artifact에 의한 영향은 조직의 신호에 비해 세기가 약해짐

⑷ 방법 4. 복부와 흉부 스캐닝에서 motion artifact를 제거하기 위해 한 번의 호흡운동 안에 한 번에 스캔할 수도 있음

① 예를 들어, TR = 140 ms, N_PE = 128, N_SA = 1일 때, 전체 스캔 시간은 18초 정도 됨

② 공간적 해상도는 phase encoding 방향의 FOV_PE에 의존하지만, motion artifact는 환자가 호흡을 멈추고 있으면 제거 가능

③ 이러한 기법을 single-shot echo train spin echo 또는 EPI 기법이라고 하며, 1초 안에 이미지가 얻어져야 함

 

 

3. 방법 2. 트리거 / 게이팅(trigger / gating) [목차]

⑴ 개요

① motion artifact를 제거하기 위한 또다른 방법으로서 심박동이나 특정 펄스에 동기적으로 데이터를 수집하는 방법이 있음

② 데이터 수집과 타이밍 신호 간의 관계는 세 가지 기준을 통해 얻을 수 있음

③ 기준 1. prospective method

○ 주어진 타이밍 신호에 따라 데이터 수집을 하는 기법

○ 움직이는 조직은 주기적으로 같은 위치에 있기 때문에 motion artifact의 영향이 굉장히 작아짐

④ 기준 2. retrospective method

○ 에코 신호를 통해 타이밍 신호를 측정하지만

○ 타이밍 신호의 측정과 신호의 보정은 스캔이 끝나기 전까지 시행되지 않음

⑤ 기준 3. 트리거 혹은 게이팅에 의해 데이터 수집이 일어나는 방법

○ 트리거 분석은 일반적으로 prospective하고, 신호가 탐지되는 대로 데이터 수집을 시작하게 함

○ sequence 실행 동안 스캐너에 의해 발생하는 노이즈는 신호원에 동기화될 수 있음

○ 대조를 제어하는 TR은 UI에 있는 TR에 의해서 조절된다기 보다 트리거 신호를 위한 반복 시간 T_REP에 의해 조절됨

○ 이때 타이밍 신호를 측정하는 몇 가지 외재적 방법이 사용될 수 있음

○ 심장 스캐닝에서 데이터 수집 과정은 환자로부터 측정된 심전도(ECG)에 의해 동기화될 수 있음

○ 펄스 트리거에서는 보통 손발에서 센서가 펄스를 측정함

○ 호흡운동 트리거는 환자의 가슴이나 복부에 부착된 transducer의 압력값이나 strain 값을 이용함

○ 타이밍을 재는 내부적 방법으로 navigator echo라는 방법이 있음

○ 이는 적절히 위치하면 조직의 MR 신호를 읽는 것은 물론 diaphragm이 조직의 움직임도 읽을 수 있음

○ 트리거 연구에서는 몇 가지 잠재적인 문제점이 존재함

○ 문제점 1. 트리거 연구에서는 그렇지 않은 연구보다 스캔 시간이 길어질 수도 있음

○ 데이터 수집이 끝난 뒤(일반적으로 TR) 또다른 트리거 신호를 제공하기 전까지 트리거 신호가 하드웨어에 의해 탐지되기 위해 여분의 시간이 요구됨

○ 이 여분의 시간은 트리거의 변화에 따라 대략 150-200 ms 정도 됨

○ 그 결과 총 스캔시간은 1-2 분 정도 길어짐

○ 문제점 2. 트리거 신호가 불규칙할 때 발생함

○ 특정 phase encoding에 대한 T_REP는 관심이 되는 단계 직전의 R-R 시간 구간에 의존함

○ 심박동의 변화는 각 phase encoding 단계에서의 T1 완화의 신호의 크기를 변화시킴

○ 이러한 세기의 편차는 설사 트리거가 완벽하게 됐다고 하더라도 최종 이미지에서 misregistration artifact를 발생

○ 특히 심박동의 불안정성은 k-space의 중심(k_y=0)에서 데이터를 수집할 때 가장 치명적임

⑵ 심장 연구는 prospective triggering을 사용하는 전형적인 예

① R 파동의 피크는 보통 타이밍 참조 신호로 사용됨

② 각각의 phase encoding 단계는 R 파동의 신호에 맞춰 진행되어 심장의 상대적 위치가 측정 중에 바뀌지 않도록 함

③ 슬라이스당 kernel time이 R-R 시간 구간(T_REP)보다 짧기 때문에, 몇몇 신호는 한 번의 심박동 안에 얻어질 수 있음

④ 환자로부터 적절한 ECG 신호를 얻는 것은 굉장히 중요함

⑤ 부적절한 전극의 위치는 대동맥에서 흐르는 혈류의 상당한 신호를 초래함

⑥ 게다가, 송출된 RF 에너지와 gradient pulse는 납선과 상호작용하고, ECG 신호에 상당한 노이즈를 생성시킴

⑦ 또 이러한 coupling에 의해 고 저항의 납선은 환자에게 화상을 초래할 수 있음

⑶ 역사적으로, 트리거는 spin echo sequence를 사용해서, 한 슬라이스 내 한 신호(k-space에서 한 줄)가 한 심박동 안에서 측정

① 스캔 중의 각 이미지는 심박동 주기에서 서로 다른 위치, 시간에서 얻어짐

② 이러한 이미지는 R-R 시간 구간에 의존하면서 전형적으로 T1-weighted하고 혈류 신호가 작으며, 심장의 형태학적 연구에서 사용됨

③ 현재의 스캔 기법의 추세는 분할하는 식으로 gradient echo sequence를 사용해서 한 슬라이스 내 여러 신호가 한 심박동 안에서 측정되도록 함

④ 이는 더 적은 심박동에서 raw data 세트를 완성시키도록 함으로써 가변적인 심박동에서도 덜 민감하게 해 줌

⑤ 대부분의 경우, 스캔 시간은 충분히 짧아서 환자가 그동안 숨을 참고 있을 수 있고, 이를 통해 호흡운동으로 인한 motion artifact가 줄어듦

⑥ 이러한 스캔에서는 형태학적 연구를 위해서 spoiled gradient echo sequence를 이용하거나 혈류 신호를 증폭하기 위해 부분적 혹은 전체적으로 refocused gradient echo sequence를 이용함

⑦ 이러한 이미지를 빠르게 얻어내면 심장주기를 전체적으로 묘사하면서 순환계의 동적 연구가 가능해짐

⑧ 이러한 prospective cine examination의 단점은 일반적으로 맨 처음 얻어지는 이미지가 그 뒤의 이미지에 비해 더 밝음

⑨ 이유 : 트리거 신호를 준비하기 위한 "죽은" 시간 때문에 첫 이미지에서 T1 완화가 더 많이 진행되기 때문

⑷ 게이팅 기법은 연속적인 RF 에너지와 gradient pulse를 이용하고 측정 신호는 가하지 않는 sequence를 사용하고, 에코가 실질적으로 측정됐을 때의 시간과 타이밍 신호를 연결시킴

① 연속적인 RF 에너지는 상대적으로 일정한 알짜 자화를 만들고, 이는 모든 이미지에서 유사한 정도의 대조가 생기도록 함

② prospective 게이팅은 심장 연구나 복부 연구에서 호흡운동에 의한 artifact를 제거하기 위해 사용돼 왔음

③ 환자의 호흡 사이클과 데이터 수집 주기를 동기화하는 데 있어 두 가지 방법이 존재함

④ 방법 1. simple respiratory gating

○ 최소의 움직임이 있을 때 데이터를 수집하는 기법

○ 호흡 중에는 데이터를 수집하지 않으므로 이 방법은 더 긴 시간을 소요함

⑤ 방법 2. respiratory compensation

○ T1-weighted 이미지를 생성하고 phase encoding의 순서를 재정렬하여 인접한 G_PE가 측정하는 복부의 상대적 위치 또한 비슷하도록 맞춤

○ 일반적으로 작은 크기의 G_PE에서는 날숨을 하고 난 직후에 움직임이 최소일 때 측정하여 에코에 기여하는 신호가 최대가 되도록 함

○ 높은 크기의 G_PE는 들숨 중에 측정됨

○ 보통 스캔 중에는 균일한 호흡 운동을 보이기 때문에 호흡 운동에 의한 ghost는 상당히 개선됨

○ 비균일한 호흡 운동의 경우 게이팅이 적용되지 않을 때처럼 심각한 artifact가 생성됨

⑸ 심장의 동적 이미징을 위한 prospective triggering의 대체적인 방법으로 retrospective gating이 알려져 있음

① 이 접근에서는, ECG 신호가 똑같이 측정되지만 데이터 수집 과정이 타이밍 신호에 영향을 받지는 않음

② 대신에, 데이터는 트리거되지 않고 측정되고 각 phase encoding 단계가 측정됐을 때의 R 파동의 정보다 저장됨

③ 데이터 수집이 완료되고 난 후 심장주기의 다양한 시점에 따라 이미지가 재구성됨

④ 공백이 생기는 특정 phase encoding 단계는 기존에 측정된 값을 보간법을 적용하여 채워 넣음

 

 

4. 방법 3. flow compensation [목차]

⑴ flow compensation, GMR(gradient motion rephasing), MAST(motion artifact suppression technique)

① pulse sequence에 추가적인 gradient pulse를 제공하여 움직이는 양성자가 경험한 phase shift를 수정하는 기법

② 같은 지역에 적용되는 반대 극성의 gradient pulse들은 gradient echo를 형성함 (ref)

③ 양성자를 적절하게 영위상화하고 재위상화하는 것과 정확한 주파수-위상 매핑은 gradient pulse 동안 아무런 움직임이 없을 때 가능함

④ 어느 한 gradient pulse에서 움직임이 있으면 두 번째 gradient pulse 시간이 끝날 때 불완전한 위상 상쇄와 알짜 위상 축적이 초래될 수 있음

⑤ 위상 축적의 양은 움직임의 속도에 대한 함수

⑥ 추가적인 위상 축적은 운동의 방향이나 gradient pulse와 관계없이 신호 세기의 편차를 유발하여 phase encoding 방향으로 분명한 motion artifact를 유발함

⑵ 만일 양성자의 속도가 gradient pulse가 인가되는 동안 일정하게 유지되면, 움직임에 의한 위상 변화는 추가적인 gradient pulse를 인가함으로써 수정할 수 있음

① 이러한 펄스는 어떤 보상이 이뤄지길 바라느냐에 따라 방향을 달리 해야 함

② 펄스의 지속시간, 세기, 타이밍은 일정한 속도로 움직이는 양성자가 이미지 내에 적절하게 위치하도록 정의되고, 이를 응용하여 일정한 가속도에 대한 방법도 연구됨(Pipe and Chenevert, 1991)

③ 뇌척수액 스캔을 목적으로 할 때, gradient echo sequence를 사용하면 velocity compensation으로 충분하지만 spin echo sequence를 사용하면 더 높은 차수의 compensation이 요구됨

⑶ flow compensation을 하려면 pulse sequence에서 특정 제한 조건이 생김

① 추가적인 gradient pulse가 슬라이스 루프 동안에 인가되는 동안에 minimum TE는 더 길어져야 함

② 짧은 TE가 요구되는 pulse sequence에서는 짧은 지속시간을 갖는 높은 크기의 gradient pulse가 쓰임

③ 이는 sequence에 이용될 수 있는 minimum FOV를 제한함

④ 하지만 실제로는 TE와 minimum FOV를 근소하게 변화시키기만 하면 됨

 

 

5. 방법 4. 방사형 motion compensation [목차]

⑴ 방사 스캐닝은 매 데이터 수집마다 k-space의 중심 데이터를 수집한다는 점을 응용

⑵ k-space의 중심 데이터는 거의 같을 것이므로, 매 측정 시 쓰이는 데이터 라인들은 k-space에 해당하는 평면 상의 motion artifact를 보정할 수 있음

⑶ 다른 echo train은 k-spce 중심에 대해서 서로 다른 각도(시야 각)로 데이터를 얻지만, echo train spin echo에서 쓰이는 어떤 방법은 k-space 상의 데이터를 분획해서 데이터를 획득함

⑷ 이 방법은 PROPELLER 또는 BLADE라고 하며, 공간적 해상도가 낮지만 motion artifact를 효과적으로 제거한 이미지를 획득

 

입력 : 2017.11.19 08:18