【MRI 이론】 12강. Advanced Imaging Application

12강. Advanced Imaging Application^]

 

추천글 : 【MRI 이론】 MRI 이론 목차

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1. 확산 [본문]

2. 관류 [본문]

3. 기능적 MRI [본문]

4. 초고강도 영상기술 [본문]

5. 불활성기체 영상기술 [본문]

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1. 확산(diffusion) [목차]

⑴ 조직의 운동

① 종류 1. 응집성 부피 유동(coherent bulk flow)

○ 압력 차이에 의한 흐름

○ 혈관 조영술을 통해 측정 가능

○ 예 : 혈류, 뇌척수액(cerebrospinal fluid)

② 종류 2. 브라운 운동(Brownian motion)

○ MRI에서는 확산운동(diffusion)이 가장 중요

○ 농도 차이에 의한 흐름

⑵ Stejskal-Tanner(Stejskal and Tanner, 1965) method 또는 pulsed gradient spin echo (PGSE) method

① diffusion-weighted imaging이라고도 함

② 원리

○ spin echo pulse sequence에서 90° RF 펄스를 사용하여 flip시키고 180° RF 펄스를 사용하여 rephasing함

○ 90° RF 펄스와 180° RF 펄스 사이에 다른 영역의 proton에 G_DIFF(diffusion gradient)를 가함

○ GDIFF에 영향을 받은 proton들이 확산을 하여 관심 영역에 확산을 하여 유입

○ 180° RF 펄스로 관심 영역의 proton을 rephasing시켰을 때 확산해 들어온 proton들에 의해 신호가 감쇄됨

○ 확산이 활발할수록 신호 감쇄가 두드러짐

③ 수식화

 

S(TE, b) ∝ exp(-TE/T2) × exp(-b × D), b = γ²G²t²(T - t/3)

b : 신호민감성과 관련된 인자, D : 확산계수(㎟/s)

 

○ b 값은 일반적으로 0-1,000 s/㎟

④ D가 증가하면 신호감쇄 증가; D가 감소하면 신호감쇄 감소

⑤ DWI quantification할 때 ADC라는 단위를 사용 : DWI 세기와 ADC는 반비례함

⑶ 생명체 내 확산현상을 측정하기 어려운 이유

① 혈류(perfusional blood flow)

② T2 효과

③ 방향 의존성

⑷ 이유 1. 혈류

① 모세혈관 내 혈류(intravoxel incoherent motion 또는 pseudodiffusion)는 확산과 분간하기 어려울 정도로 복잡

② ADC(apparent diffusion coefficient) : 모세혈관 내 혈류를 확산으로 간주한 포괄적인 확산계수

○ 주요 가정 : 모세혈관내 혈류의 크기가 그렇게 크지 않음

③ 대책 1. voxel 크기를 감소

○ 단점 : 충분한 SNR을 확보하기 위해 스캔 시간을 늘려야 함

④ 대책 2. higher diffusion encoding gradient 사용 또는 신호 손실을 encoding strength의 biexponential function으로 간주

○ 가능한 이유 : 모세혈관 내 혈류가 확산에 비해 훨씬 빠르기 때문

⑸ 이유 2. T2 효과(T2 effect)

① 확산을 측정하는 MRI는 echo-based이므로 TE(time of echo) 시간을 길게(70 ms ~) 할당해야 함

② T2 relaxation 신호에서 true dephasing과 확산을 구분할 수 없게 됨

③ 대책 : ADC map을 계산해야 함

⑹ 이유 3. 방향 의존성(directional dependence)

① 이유 3-1. 용액에서는 D가 모든 방향에 대해 일정하지만 조직에서는 ADC가 모든 방향에 대해 일정하지 않음

② 이유 3-2. 확산 방향이 분명하지 않음

○ 실제로 해부학적 경계와 수직하지도 않음

③ 이유 3-3. 확산을 정확하게 기술하기 위해서는 3 × 3 행렬의 텐서를 사용해야 함

④ 대책 1. trace image를 얻는 것

○ 선택된 b에 대하여 세 방향으로의 확산을 평균 낸 것

○ 장점 : 방향에 상관없이 독립적인 값

○ 확산의 존재는 알려주지만 방향에 대한 정보는 알려주지 않음

⑤ 대책 2. diffusion tensor를 사용하는 것

○ diffusion tensor의 고유값(eigenvalue 또는 characteristic value)을 구하는 과정이 필요

○ diffusion tensor가 확산의 가장 단순한 표현 방법을 제공하기 때문에 자주 채용됨

○ 3차원 타원체(ellipsoid)의 표현 : 장축은 확산의 방향, 타원체의 각 축의 길이는 각 축의 고유값의 square root

○ 등방성 확산은 구로 표현되며 세 방향의 고유값은 모두 동일한 값

○ 비등방성 확산을 표현하는 또다른 방법

 

RA = D_ANISO / D_ISO

FA (fractional anistropy) = (3/2)^1/2 × D_ANISO / D_DIAG

 

○ 만일 확산이 등방적이면 RA = FA = 0

○ FA가 더 자주 쓰임

⑺ 응용 : 허혈성 뇌졸중의 진단

① 허혈성 뇌졸중이 발병하면 뇌 조직의 산소 공급이 차단됨

② 해당 뇌 조직의 ADC 값이 감소

③ 해당 뇌 조직의 영위상화 신호는 감소하고 신호 자체의 크기는 증가

④ ADC 값의 감소는 분명하지 않으나 추정컨데 세포막의 Na⁺, K⁺ 투과성의 증가와 세포내 물 함량의 증가가 관여하는 것으로 여겨짐

 

 

2. 관류(perfusion) [목차]

⑴ 개요

① 관류 : 혈류 중 조직 내로 흘러 들어가는 것

② 혈관 조영술은 일반적으로 관류에 대한 충분한 공간적 해상도를 제공하지 못함

③ 관류의 기능 : 세포에 영양분 제공, 세포 노폐물 제거, 온도 유지

⑵ 기법

① 기법 1. 빠른(이미지 당 20초 이내) T1-weighted imaging

○ gadolinium-기반 조영제의 정맥 주입(bolus administration) 후에 이루어짐

○ 일반적으로 spoiled gradient echo, T1-weighted magnetization, 또는 echo planar technique에서 이루어짐

○ 만일 조영제가 조직내 관밖의 공간으로 흘러 들어가면 신호의 증가가 관찰됨

○ 신호가 증가가 관찰되지 않는 perfusion defect만을 도식화하면 유용한 자료를 얻을 수 있음

② 기법 2. 조영제가 혈관 내에만 머물러 있는 경우

○ 조영제의 상자성이 T2* 영위상화를 가속화하여 유의미한 신호를 만들어 냄

○ 관류가 잘 흐르는 조직은 그렇지 않은 조직보다 신호 감쇄폭이 큼

○ serial T2*-weighted gradient echo 또는 echo planar sequence를 사용

○ 예 : 뇌에서의 blood-brain barrier

③ 기법 3. perfusion MRI : 조영제의 동적 평형 농도를 이용 

④ 기법 4. ASL(arterial spin labeling)

○ 조영제를 사용하지 않는 대신 EPI pulse sequence를 사용하는 것

○ 한 펄스는 태그(tag)하고, 다른 한 펄스는 참조(reference)용

○ 두 펄스로부터 얻어진 이미지를 빼어 주면 태그한 proton들의 신호만 도출됨

○ tagging pulse와 data collection 간 시간 간격을 조절할 수 있으므로 tag position을 비교적 자유롭게 선택할 수 있음

○ 방법 1. PASL(pulsed arterial spin labeling)

○ inversion pulse나 saturation pulse 사용

○ tagging pulse는 moving spin이나 stationary tissue에 가해짐

○ 방법 2. CASL(continuous arterial spin labeling)

○ tag 이미지의 경우 혈류에 saturation pulse를 가하여 참조 이미지를 통해 혈류를 가시화함

○ 한계 1. 최종 이미지의 SNR에 제한이 있음

○ 한계 2. SAR을 증가시키는 것도 제한됨

⑶ 응용

① 조직의 혈류 이상 진단

○ 심근경색에 의한 혈류 이상은 방사성 핵종 연구를 통해 다년간 연구됨

○ first-pass MR perfusion은 관류의 서로 다른 위상을 이미지화하는 데 좋은 상관관계를 제공 (Wilke et al., 1999)

○ 조영제 주입 전에 혈류 신호를 최소화하기 위해 파라미터가 선택됨

○ 관류가 잘 흐르지 않는 조직의 경우 주입된 조영제 양이 적을수록 신호 강화에 딜레이가 생김

○ gadolinium-기반 조영제의 주입에 따른 간 연구는 조직의 관류 차이를 증명

② 암의 식별

○ 뇌하수체샘종(pituitary adenomas)은 조영제 주입에 따라 microadenomas와 macroadenomas의 관류 차이가 있음 (Finelli and Kaufman, 1993)

○ 악성 유방암은 양성 유방암보다 조영제의 조직 내 이동이 빠름 (Kvistad et al., 2000)

 

 

3. 기능적 MRI(functional MRI) [목차]

⑴ 개요

① 해부학적 MRI(anatomical MRI)와 구별하기 위해 기능적 MRI라는 명칭이 붙음

② perfusion T1-weighted imaging과의 차이점

○ perfusion T1-weighted imaging은 T2* relaxation time을 줄이기 위해 조영제를 사용

○ 기능적 MRI는 체내에 있는 헤모글로빈을 이용

⑵ 이론 : BOLD(blood oxygenation level dependent effect) (DeYoe et al., 1994)

① 단계 1. 뇌 활동 증가 → 산소 섭취 증가, 뇌 혈류 증가 

○ 뇌 혈류 증가 : 산소화된 헤모글로빈을 전달하기 위함

② 단계 2. oxyHb 증가, deoxyHb 감소

○ oxyHb : 산소화된 헤모글로빈(oxygenated hemoglobin). 반자성으로 자기 모멘트가 굉장히 작음

○ deoxyHb : 탈산소화된 헤모글로빈(deoxygenated hemoglobin). 상자성으로 자기 모멘트가 큼

③ 단계 3. magnetic susceptibility 감소 → T2* 증가 

④ 단계 4. T2*-weighted image의 신호 강도인 I_xy가 증가 → 이미지가 밝아짐

⑶ BOLD fMRI의 주의사항

① 환자의 운동 보정

② 좌표계 표준화 : CT, PET 이미지나 다른 환자의 데이터와 비교하기 위해

③ 역치값 설정 : p-value 5 %를 일반적으로 사용

④ 기계의 편차는 15분 이상의 연속적 스캐닝에서 1 % 미만인 것을 사용할 것

⑷ 성과

① 광 자극이나 finger tapping 실험에서는 성공적으로 뇌 활성 부위를 예측

② 인지 과정과 같은 복잡한 자극은 아직 연구중

 

 

4. 초고강도 영상기술(ultra-high field imaging) [목차]

⑴ 개요

① 수 T 수준의 자기장은 철제가 물체에 굉장히 강한 힘을 야기할 수 있음

② 임상학적으로 사용되는 MRI 장치는 3.0 T 이하

③ 양질의 이미지를 얻기 위해서는 8.0 T 이상

④ 1.5 T 이상의 자기장을 사용하는 경우 몇 가지 문제점이 생김

⑵ 문제 1. 금속 물체 이슈

① MRI 장치

○ 초전도체로 이루어진 솔레노이드 자석

○ 액화 He로 극저온을 형성

○ 도선을 굉장히 촘촘히 감아 놓음

○ 저항이 0에 가까운 도선을 전류가 흐르면서 생긴 자기장이 중첩되어 강자기장 형성

② MRI 장치 밖에도 자기장이 형성되어 금속 물체와 상호작용 (fringe magnet field)

③ 환자의 경우 금속 임플란트나 전자기기를 등각점으로부터 멀리 떨어트려야 함

⑶ 문제 2. 조직 반응 이슈

① 자기장의 세기가 강할수록 RF power가 더 많이 요구됨

○ skin effect : 자기장↑ → RF 주파수↑ → RF 침투도가 떨어짐 → RF power가 더 많이 요구

○ RF power는 RF 주파수의 제곱에 비례

○ 초고강도 영상기술에서는 RF transmitter의 종류가 달라져서 다른 프로토콜을 사용해야 함

② 조직 반응성 차이

○ 자기장이 강할수록 chemical shift artifact가 커짐

○ 해결법 1. voxel 크기를 감소시킴

○ 해결법 2. 동등한 SNR을 얻기 위해 signal average를 덜 획득

③ T1 relaxation 문제

○ T2 relaxation time과 달리 T1 relaxation time은 자기장 증가에 의해 크게 증가함

○ T1 saturation이 빈번하게 일어나 relaxation이 일어날 수 있도록 TR 시간이 길어짐

④ magnetic susceptibility 차이가 강자기장 하에 커짐

⑷ 자기장 자체가 인체에 유해하지는 않음

 

 

5. 불활성기체 영상기술(noble gas imaging) [목차]

⑴ ¹H 영상기술

① 장점 : 자연계에서 굉장히 풍부, 핵 자기 모멘트가 큼

② 단점 : 알짜 자화와 ¹H와의 상호작용이 크지 않아 신호의 크기가 작음

⑵ ²³Na 영상기술

① 체내에도 있는 ²³Na에 의한 영상기술이 가능하다는 연구 결과가 있음

② 신호의 크기가 작아 실용적으로 사용하기 어려움

⑶ 불활성기체 영상기술

① 과분극된 ³He와 ¹²⁹Xe을 이용한 폐 MRI 연구가 성공적으로 보고됨(MacFall et al., 1996; Mugler et al., 1997)

② 폐 연구에서 ¹H의 단점

○ 공기 중에서 물의 낮은 함량

○ 산소가 상자성이므로 자화 감수성이 큼

○ 호흡 운동에 의한 motion artifact

③ 원리

○ 루비듐(rubidium) 원자가 레이저에 의해 활성화

○ 활성화된 루비듐 원자가 ³He나 ¹²⁹Xe에게 에너지를 전달

○ 비활성 기체가 스핀 분극에 의해 parallel 또는 anti-parallel 방향으로 배향됨

○ MRI 자석보다 10,000-100,000배 강력한 알짜 자화를 형성

○ gradient echo imaging technique가 사용되며 T2* relaxation이 끝날 때까지(약 1분) 실시됨

④ 장점

○ 헬륨과 제논은 반응성이 적고 조직 내로 쉽게 녹아들 수 있음

○ 대부분의 환자에게 무반응성, 제논의 경우 약간의 진정제 효과가 있긴 함

⑤ 단점

○ ³He와 ¹²⁹Xe는 자연계에 풍부하지 않음

○ 비활성 기체의 공명 주파수는 ¹H와 다르므로 MRI와는 다른 RF 송출기와 수신기 코일이 사용됨

○ 반복 실험이 불가능

○ 오직 gradient echo technique만 사용 가능; 과분극된 비활성 기체는 echo 신호를 만들지 못함

 

입력 : 2019.04.11 21:26