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문제 정의
- 본 연구에서는 동물실험을 통하여 뇌 혈류량을 분석하기 위하여 고양이를 대상으로 내경동맥을 통해 지방물질인 리노레익(linoleic acid)과 비지방 색전 물질인이바론 입자(ivalon)을 실험적으로 주입하여 뇌 지방색전증을 유발시킨 후 정상 부위와 색전 부위에서 뇌혈류량의 변화를 정량적으로 분석하고 동적특성 변화를구현 할 수 있는 기법으로 자기공명 영상처리 알고리즘을 제안한다. 영상 데이터는 뇌경색의 초기 단계인 30분과 2시간에서 T2WI, 확산강조영상 (diffusion weighted imaging: DWI), 그리고 역동적 PWI를 획득하였다.
- 영상 데이터는 뇌경색의 초기 단계인 30분과 2시간에서 T2WI, 확산강조영상 (diffusion weighted imaging: DWI), 그리고 역동적 PWI를 획득하였다. 색전 유발 후 T2WI와 DWI에서 획득한 영상을 정량화하기 위하여 뇌 영역의 경계를 검출하고, 이들 두 영상을 정합한 후 영상들 간 시간대별 신호강도의 변화를 비교하고자 하였다. 또한 획득한 PWI으로부터 국소뇌혈류량(regional cerebral blood volume: rCBV)을 정량적으로 비교, 분석하여 평균 뇌혈류량비 (mean rCBV ratio)와 평균통과시간(mean transit time: MTT)을 측정하였으며, 뇌 혈류량의 동적변화 특성 및 혈류역학적 변화는 제안한 영상 후처리 프로그램에 적용하여 상대적 관류도 맵으로 나타내고자 하였다.
- T2WI와 DWI 기법으로 획득된 MR 영상을 이용하여 뇌 색전 부위의 시간대별 정량화를 위하여 뇌 영역의 경계 검출과 두 가지 기법에 의한 MR 영상간의 영상정합 과정을 수행하고자 하였다. 이를 위해 먼저 T2WI에서 두개골 부위의 영상을 제거한 영상과 DWI 의 형태 구조학적인 특징을 추출하였다.
- 본 연구에서는 지방 색전물질을 실험 동물에 주입하고 뇌 지방 색전증을 유발한 후 MR 영상을 획득하여 대뇌 혈류량의 동적특성 변화를 구현 할 수 있는 자기공명 영상처리 알고리즘을 제시하였다. 제안된 알고리즘의 실험은 고양이를 대상으로 리노레익 지방물질과 비지방 색전물질인 이바론을 주입하여 뇌 지방 색전증을 유발한 후 뇌 혈류량을 정량적으로 측정하였다.
제안 방법
- 색전 유발 후 T2WI와 DWI에서 획득한 영상을 정량화하기 위하여 뇌 영역의 경계를 검출하고, 이들 두 영상을 정합한 후 영상들 간 시간대별 신호강도의 변화를 비교하고자 하였다. 또한 획득한 PWI으로부터 국소뇌혈류량(regional cerebral blood volume: rCBV)을 정량적으로 비교, 분석하여 평균 뇌혈류량비 (mean rCBV ratio)와 평균통과시간(mean transit time: MTT)을 측정하였으며, 뇌 혈류량의 동적변화 특성 및 혈류역학적 변화는 제안한 영상 후처리 프로그램에 적용하여 상대적 관류도 맵으로 나타내고자 하였다.
- First-pass 관류기법은 조영제에 의한 뇌 조직의 T2 또는 T2* 이완시간의 단축을 원리로 하고 있다. 조영제가 대뇌 국소 부위에 유입된 후 1차 통과되어 일어나는 신호강도의 변화를 측정하여 시간-신호강도 곡선을 구한다. 시간에 따른 신호강도의 변화와 일정시간 t에서의 신호강도는 초기 신호강도와 에코시간 및 그 부위에서의 T2, 값으로 이루어진 자연로그 함수로 표현되며 다음의 식으로 나타낼 수 있다.
- 13 kg) 이었고 암수구분 없이 사용하였다. 실험 대상을 색전 물질에 따라 실험군과 대조군으로 구분하였다. 실험군은 11마리에 유리 지방산인 리노레익 산 (linoleic acid)을 0.
- 뇌 혈류량을 측정하기 위하여 T2WI 와 초신속영상(echo planar imaging, EPI) 기법을 적용한 DWI 및 PWI 기법들을 사용하였다. 뇌 색전 유발후 30분과 2시간에서 T2WI와 DWI를 동일한 조건에서 실험군(n=ll)과 대조군(n=9)에 적용하여 각각 획득하였다.
- 획득된 MR 영상 데이터를 영상 후처리 과정에 의해분석하기 위하여 워크스테이션(magic view 1000, Siemens, Germany), 영상저장장치(π view spectra server, Mediface, Korea), 그리고 개인용 PC를 사용하였으며 , 영 상저 장전송시스템 (picture archive and communication system, PACS) 에 의해 MR 영상을획득한 후 영상 후처리 수행과정은 [그림 1]과 같다.
- 영상획득 과정을 통해 획득한 40개의 단면 PWI들로부터 관류 정보를 구하기 위하여 다음과 같은 raw 데이터 변환과정을 수행하였다. 먼저 MRI 기기의 콘솔에서 웍스테이션—화일전송 프로토콜 및 의료영상전송 프로토콜 DICOM 3.
- 상기 (식 2, 3)에 의해 AR2* 곡선과 상대적 및 국소뇌혈류량을 정량적으로 산출하고자 Visual C++ 언어를 이용하여 영상 후처리 알고리즘을 개발하였으며 알고리즘의 일부를 [그림 2]에 나타내었다. 변환된 raw 데이터 PWI에서 각 화소별로 구한 시간-신호강도 곡선을 개발된 영상 후처리 프로그램에 적용하여 AR2* 곡선으로 변환시켰다
- 일부를 [그림 2]에 나타내었다. 변환된 raw 데이터 PWI에서 각 화소별로 구한 시간-신호강도 곡선을 개발된 영상 후처리 프로그램에 적용하여 AR2* 곡선으로 변환시켰다
- 과정을 수행하고자 하였다. 이를 위해 먼저 T2WI에서 두개골 부위의 영상을 제거한 영상과 DWI 의 형태 구조학적인 특징을 추출하였다. 그리고 추출된 결과를 이용하여 영상정합을 수행하고자 동일한 시기및 색전 부위의 T2WI와 두개골을 제외한 형태인 DWI 에서 뇌 색전 부위를 비교하였다.
- 이를 위해 먼저 T2WI에서 두개골 부위의 영상을 제거한 영상과 DWI 의 형태 구조학적인 특징을 추출하였다. 그리고 추출된 결과를 이용하여 영상정합을 수행하고자 동일한 시기및 색전 부위의 T2WI와 두개골을 제외한 형태인 DWI 에서 뇌 색전 부위를 비교하였다. 그러나 동일한 크기 및 위치에서 신호가 관찰되지 않았다.
- 형태가 유사한 영상 간의 정합에 사용되는 다항 워핑알고리듬을 적용하여 T2WI와 DWI 간의 영상정합을 수행하였다. 뇌 영역의 위치정보를 이용하여 영상 워핑을 수행하였다.
- 뇌 영역의 위치정보를 이용하여 영상 워핑을 수행하였다. 영상 워핑 수행 후 나타나는 일그러짐현상을 방지하기 위하여 팬트 보간 알고리즘(Fant's interpolation algorithm)을 사용하였다.
- 다항 워핑은기준점에 의해 제어되므로 변환되지 않는 기준점을 설정하고 기준점들 사이 영상을 변환시키는 기법으로 다항 워핑 중 3차 워핑을 사용하였다. T2WI와 DWI 간의영상정합은 기준점을 두 영상의 뇌 영역에 45º씩 배열하여 8개로 설정한 후 각 기준점에 대해 영상정합 과정을 수행하였다. 다항 워핑 기법을 적용하여 변환된 영상정합은 [그림 3, b]에 나타내었다
- 뇌 혈류의 상대적 관류도 맵은 영상처리 소프트웨어 (interactive data language, IDL, Research Systems Inc., Colorado, USA)도 함께 사용하여 뇌 혈류량을 비교 측정하였다. 시간-신호강도 곡선에서 조영제가 들어가기 전의 정상상태를 기준 신호의 위상을 설정하고, 40 초 동안에 획득한 PWI 상의 대뇌피질 영상에서의 동적신호를 측정하였다.
- , Colorado, USA)도 함께 사용하여 뇌 혈류량을 비교 측정하였다. 시간-신호강도 곡선에서 조영제가 들어가기 전의 정상상태를 기준 신호의 위상을 설정하고, 40 초 동안에 획득한 PWI 상의 대뇌피질 영상에서의 동적신호를 측정하였다. 그리고 평균 통과시간 이내에 있는 화소들에 대한 시간-신호강도 곡선을 AR2* 곡선 변환식에 적용하였다.
- 그리고 평균 통과시간 이내에 있는 화소들에 대한 시간-신호강도 곡선을 AR2* 곡선 변환식에 적용하였다. 잡음이 발생할 경우 경사도 계산 시에 오류가 발생할 수 있기 때문에 시간-신호강도 곡선이 잡음에 의해 나타나는 불규칙한 영상신호 곡선을 미분하여 매끄러운 영상신호 곡선으로 전환하였다. 1차 관류곡선은 혈류의 1차 관류를 나타내기 때문에 V -variate 함수 즉, AR2*(t) = AR2*(0)tW" (t>0)을 적용하였다.
- 1차 관류곡선은 혈류의 1차 관류를 나타내기 때문에 V -variate 함수 즉, AR2*(t) = AR2*(0)tW" (t>0)을 적용하였다. 그리고 초기 위상 값을 10 정도로 두고 시간-신호강도 곡선을 최소 제곱법 알고리듬으로 비선형곡선 피팅(fitting)하여 AR2*(0), a, P 등의 매개변수를 구하였다[8]. 만일 시간-신호강도 곡선이 잡음이 많이함유된 경우에는 초기 위상 값 10정도를 적분하였으며, 피팅한 후의 적분 값이 raw 데이터의 적분 값보다 큰경우는 부적절한 피팅으로 간주하고 raw 데이터의 적분 값을 이용하였다.
- 그리고 초기 위상 값을 10 정도로 두고 시간-신호강도 곡선을 최소 제곱법 알고리듬으로 비선형곡선 피팅(fitting)하여 AR2*(0), a, P 등의 매개변수를 구하였다[8]. 만일 시간-신호강도 곡선이 잡음이 많이함유된 경우에는 초기 위상 값 10정도를 적분하였으며, 피팅한 후의 적분 값이 raw 데이터의 적분 값보다 큰경우는 부적절한 피팅으로 간주하고 raw 데이터의 적분 값을 이용하였다. AR2*의 raw 데이터를 적분하여총 관류량 영상을 측정하였고, Y-variate 함수를 피팅한 곡선으로부터 1차 관류영상을 구하는 알고리즘을 개발하여 [그림 4]에 나타내었다.
- 만일 시간-신호강도 곡선이 잡음이 많이함유된 경우에는 초기 위상 값 10정도를 적분하였으며, 피팅한 후의 적분 값이 raw 데이터의 적분 값보다 큰경우는 부적절한 피팅으로 간주하고 raw 데이터의 적분 값을 이용하였다. AR2*의 raw 데이터를 적분하여총 관류량 영상을 측정하였고, Y-variate 함수를 피팅한 곡선으로부터 1차 관류영상을 구하는 알고리즘을 개발하여 [그림 4]에 나타내었다. AR2* (t) 곡선에서 값이변하기 시작할 때부터 최대 신호강도 변화까지의 시간을 최고치 도달시간 (time to peak, TTP) 맵으로 영상화하였다.
- 정량적인 신호강도는 색전증 유발 후 30분과 2시간의 T2WI와 DWI에서 ROI 즉, 색전 부위와 그에 상응하는 반대측 정상부위에서 측정하였다. 실험군의 T2WI와 DWI의 시간대별 신호강도는 색전 부위는 고 신호 강도를 나타내었고, 뇌 편측의 색전 부위는 대부분 대뇌피질을 침범하는 현상을 보였다.
- 뇌 혈류량은 시간-신호강도 곡선을 AR2* 곡선으로 변환하고 이를 적분하여 구하였다. 색전 물질 주입한 후 30분과 2시간이 경과한 시점에서 국소 뇌 혈류량 및 평균 뇌 혈류량의 비를 측정하였다.
- 이를 적분하여 구하였다. 색전 물질 주입한 후 30분과 2시간이 경과한 시점에서 국소 뇌 혈류량 및 평균 뇌 혈류량의 비를 측정하였다. 편측 내경동맥에 리노레익 색전물질을 주입한 후 30분과 2시간이 경과된 시점에서 측정한 뇌 혈류량은 병변 부위의 뇌 혈류량이 정상부위에 비해 감소되었다.
- 상대 관류도 맵상에서 혈류의 폐쇄에 의한 관류도 영상에서 관류결손이 관찰되었으며, 영상에서 저 신호강도로 관측됨을 알 수 있었다. 색전술을 시행한 후 2시간이 경과된 시점에서 획득된세 가지 PWI도 나타내었다. [그림 7.
- 영상처리 알고리즘을 제시하였다. 제안된 알고리즘의 실험은 고양이를 대상으로 리노레익 지방물질과 비지방 색전물질인 이바론을 주입하여 뇌 지방 색전증을 유발한 후 뇌 혈류량을 정량적으로 측정하였다. T2WI와 DWI 기법으로 획득된 MR 영상을 이용하여뇌 색전 부위의 시간대별 정량화를 위하여 뇌 영역의 경계 검출과 MR 영상간의 영상정합 과정을 수행하였으며, 그 결과 제안돤 알고리즘의 정합구조가 뇌 지방색전증 부위의 뇌 혈류량의 동적 변화 특성 및 대뇌 혈류량의 영상정보인 상대 관류도 맵으로도 구현 할 수 있었다.
대상 데이터
- 제안한다. 영상 데이터는 뇌경색의 초기 단계인 30분과 2시간에서 T2WI, 확산강조영상 (diffusion weighted imaging: DWI), 그리고 역동적 PWI를 획득하였다. 색전 유발 후 T2WI와 DWI에서 획득한 영상을 정량화하기 위하여 뇌 영역의 경계를 검출하고, 이들 두 영상을 정합한 후 영상들 간 시간대별 신호강도의 변화를 비교하고자 하였다.
- 실험동물은 고양이 20마리로 몸무게 2.1 ~4.2 kg (평균 3.13 kg) 이었고 암수구분 없이 사용하였다. 실험 대상을 색전 물질에 따라 실험군과 대조군으로 구분하였다.
- 실험 대상을 색전 물질에 따라 실험군과 대조군으로 구분하였다. 실험군은 11마리에 유리 지방산인 리노레익 산 (linoleic acid)을 0.03 ml 주입하였고, 대조군은 9마리에 비지방 색전 물질인 이바론(ivalon, polyvinyl alcohol'PVA, Nycomed, Paris, France) 10 mg을 생리식염수 50 ml에 혼합하여 주입하여 뇌 지방 색전증을유발시켰다.
이론/모형
- 5 cm의 좁은 영상영역용 radio-frequency coiKSiemens, Germany)을 머리위에 고정시켰다. 뇌 혈류량을 측정하기 위하여 T2WI 와 초신속영상(echo planar imaging, EPI) 기법을 적용한 DWI 및 PWI 기법들을 사용하였다. 뇌 색전 유발후 30분과 2시간에서 T2WI와 DWI를 동일한 조건에서 실험군(n=ll)과 대조군(n=9)에 적용하여 각각 획득하였다.
- 뇌 영역의 위치정보를 이용하여 영상 워핑을 수행하였다. 영상 워핑 수행 후 나타나는 일그러짐현상을 방지하기 위하여 팬트 보간 알고리즘(Fant's interpolation algorithm)을 사용하였다. 다항 워핑은기준점에 의해 제어되므로 변환되지 않는 기준점을 설정하고 기준점들 사이 영상을 변환시키는 기법으로 다항 워핑 중 3차 워핑을 사용하였다.
- 시간-신호강도 곡선에서 조영제가 들어가기 전의 정상상태를 기준 신호의 위상을 설정하고, 40 초 동안에 획득한 PWI 상의 대뇌피질 영상에서의 동적신호를 측정하였다. 그리고 평균 통과시간 이내에 있는 화소들에 대한 시간-신호강도 곡선을 AR2* 곡선 변환식에 적용하였다. 잡음이 발생할 경우 경사도 계산 시에 오류가 발생할 수 있기 때문에 시간-신호강도 곡선이 잡음에 의해 나타나는 불규칙한 영상신호 곡선을 미분하여 매끄러운 영상신호 곡선으로 전환하였다.
성능/효과
- 정상부위에서 측정하였다. 실험군의 T2WI와 DWI의 시간대별 신호강도는 색전 부위는 고 신호 강도를 나타내었고, 뇌 편측의 색전 부위는 대부분 대뇌피질을 침범하는 현상을 보였다. 실험군 유리 지방산 물질리노레익을 주입한 후 시간대별 시간-신호강도의 특성변화에서 30분에 획득한 T2WI에서는 우측 대뇌피질의두정 부위 회백질에 국소적으로 중등도의 고 신호강도가 나타났으며, DWI에서도 동일 국소 부위에 경색 색전 부위가 중등도의 고 신호강도로 관측되었다.
- 실험군의 T2WI와 DWI의 시간대별 신호강도는 색전 부위는 고 신호 강도를 나타내었고, 뇌 편측의 색전 부위는 대부분 대뇌피질을 침범하는 현상을 보였다. 실험군 유리 지방산 물질리노레익을 주입한 후 시간대별 시간-신호강도의 특성변화에서 30분에 획득한 T2WI에서는 우측 대뇌피질의두정 부위 회백질에 국소적으로 중등도의 고 신호강도가 나타났으며, DWI에서도 동일 국소 부위에 경색 색전 부위가 중등도의 고 신호강도로 관측되었다. 2시간경과 후의 T2WI에서는 국소적으로 두정 부위에 경색색전 부위가 뚜렷이 구분되는 고 신호강도로 나타났으며, DWI에서도 동일 국소 부위에 경색 색전 부위가 확연하게 고 신호강도로 [그림 5]에서 관찰되었다.
- 실험군 유리 지방산 물질리노레익을 주입한 후 시간대별 시간-신호강도의 특성변화에서 30분에 획득한 T2WI에서는 우측 대뇌피질의두정 부위 회백질에 국소적으로 중등도의 고 신호강도가 나타났으며, DWI에서도 동일 국소 부위에 경색 색전 부위가 중등도의 고 신호강도로 관측되었다. 2시간경과 후의 T2WI에서는 국소적으로 두정 부위에 경색색전 부위가 뚜렷이 구분되는 고 신호강도로 나타났으며, DWI에서도 동일 국소 부위에 경색 색전 부위가 확연하게 고 신호강도로 [그림 5]에서 관찰되었다.
- 색전 물질 주입한 후 30분과 2시간이 경과한 시점에서 국소 뇌 혈류량 및 평균 뇌 혈류량의 비를 측정하였다. 편측 내경동맥에 리노레익 색전물질을 주입한 후 30분과 2시간이 경과된 시점에서 측정한 뇌 혈류량은 병변 부위의 뇌 혈류량이 정상부위에 비해 감소되었다.
- 그리고 평균 뇌 혈류량의 비는 실험군에서 30분에는 30~39%로 감소되었다가, 2시간에는 44~61%로 다소혈류량이 회복됨을 알 수 있었다. 그러나 대조군에서는 30분에 21%, 2시간에는 36%로 실험군 색전물질에 비해 혈류량이 적게 측정되었다(p< 0.
- c] 는 AR2* 곡선의 raw 데이터를 모두 적분하여 얻은 상대 관류도 맵으로 나타낸다. 상대 관류도 맵상에서 혈류의 폐쇄에 의한 관류도 영상에서 관류결손이 관찰되었으며, 영상에서 저 신호강도로 관측됨을 알 수 있었다. 색전술을 시행한 후 2시간이 경과된 시점에서 획득된세 가지 PWI도 나타내었다.
- 제안된 알고리즘의 실험은 고양이를 대상으로 리노레익 지방물질과 비지방 색전물질인 이바론을 주입하여 뇌 지방 색전증을 유발한 후 뇌 혈류량을 정량적으로 측정하였다. T2WI와 DWI 기법으로 획득된 MR 영상을 이용하여뇌 색전 부위의 시간대별 정량화를 위하여 뇌 영역의 경계 검출과 MR 영상간의 영상정합 과정을 수행하였으며, 그 결과 제안돤 알고리즘의 정합구조가 뇌 지방색전증 부위의 뇌 혈류량의 동적 변화 특성 및 대뇌 혈류량의 영상정보인 상대 관류도 맵으로도 구현 할 수 있었다. 그러므로 이전의 MR 영상에서 판단할 수 있었던 단순한 해부학적 정보 외에 혈류 역학적 정보까지 나타낼 수 있었다.
후속연구
- 향후 본 동물연구를 바탕으로 다양한 임상적 적용을 거쳐 지속적으로 연구를 수행하면 사람에 있어서 정상조직과 뇌경색이 유발된 조직의 뇌 혈류량 차이를 정확히 비교할 수 있으리라 여겨진다 이와 같은 실험의 결과에 의해 대뇌 국소부위 혈류량 분석이 앞으로 절대적 혈류량 분석을 하는데 기초 자료로 활용될 수 있으리라 여겨진다.
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