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문제 정의
- 따라서 현재 상용화된 외국의 표준 팬텀의 제한점을 극복하고, 최신 자기공명기기 기술 발달에 따른 새로운 성능평가 기능을 갖춘 국내 MRI 기기 사용 현실에 적합한 자체 국내 표준팬텀 기술 개발이 필요하다고 사려된다. 이러한 배경하에 본 논문은 MRI 영상 화질 평가 기술 개발의 일환으로 기초적 예비 연구 수행으로 제작된 표준 팬텀에 대해 기술하였다.
- 2). 팬텀 영상들을 대상으로 자기공명영상 화질 평가의 적합성 가능여부를 평가하였다.
제안 방법
- 본 논문은 가장 기본적 이 고 중요한 MRI 기 기 성 능 평가를 위하여 측정 할 수 있는 다음과 같은 8가지 영상화질 항목들 즉, 절편 두께 정확도(slice thickness accuracy), 공간 분해능 (high contrast spatial resolution), 대조도 분해능(low contrast object detectability), 기하학적 정확도 (geometry accuracy), 절편 위치 정확도 (slice position accuracy), 영상강도 균일성 (image intensity uniformity), 고스트 신호 백분율 (percent signal ghosting), 신호대잡음비 (singal to noise ratio) 등을 대상으로 표준 팬텀 사양을 결정하였다. 또한, 개발된 표준 팬텀이 갖추어야 할 사양으로서 다음 사항을 고려하여 팬텀 개발에 참조하였다; 1) 평가 프로토콜과 평가프로그램의 정확성 보장 2) 화질 평가 프로그램의 자동화와의 연동성에 따른 측정 항목에 대한 요소 배치 및 사양 3) 측정방법 용이성 4) 코일 장착시 편리성과 안정성을 보장.
- 표준 시퀀스를 이용한 T1 및 T2 강조영상의 영상 파라미터는 (Table 1) 에 제시 하였다. 병 원고유 시 퀀스를 이용한 T1 및 T2 강조영상의 영상 파라미터는 표준 시퀀스에서 절편 두께와 절편 간격만 동일하게 정하고 나머지 파라미터는 각 장비별로 실제 임상에 적용하는 최적의 파라미터를 사용해 영상을 얻었다. 기준 영상으로 얻은 시상 영상을 바탕으로 총 11개의 축상 영상을 얻었다 (Fig.
- 사용하였다. 이를 5 mm 두께의 축상 단면으로 자른 영상 (11개 영상 중 6번째 단면영상)으로부터 얻은 영상신호 크기의 거리에 따른 변화로부터 단면두께를 측정하여 그 절편 두께 정확성을 평가하였다. 팬텀 위치 부정확성에 따른 오차 문제를 보정하기 위하여 병렬로 2개의 wedge형태의 물체가 기울임 방향이 반대로 서로 나란히 마주보게 위치하게 하였다 (Fig.
- 이를 5 mm 두께의 축상 단면으로 자른 영상 (11개 영상 중 6번째 단면영상)으로부터 얻은 영상신호 크기의 거리에 따른 변화로부터 단면두께를 측정하여 그 절편 두께 정확성을 평가하였다. 팬텀 위치 부정확성에 따른 오차 문제를 보정하기 위하여 병렬로 2개의 wedge형태의 물체가 기울임 방향이 반대로 서로 나란히 마주보게 위치하게 하였다 (Fig. 3).
- “ㄱ” (수직 방향), “ㄴ”(수평 방향) 자 형태로 이루어진 구멍들로 구성되고 각 구멍 크기와 간격은 4개의 종류로서 (0.5, 1.0, 1.1, 1.2 mm) 단면 상의 두 수직 방향으로 놓인 각 홈의 구별 여부로 공간적 분해능을 평가하였다. 측정 pixel들의 partial volume effect 문제를 해결하기 위해 구멍들의 배 열은 x, y 방향으로 각각 0.
- 2 mm) 단면 상의 두 수직 방향으로 놓인 각 홈의 구별 여부로 공간적 분해능을 평가하였다. 측정 pixel들의 partial volume effect 문제를 해결하기 위해 구멍들의 배 열은 x, y 방향으로 각각 0.25 mm씩 이동하여 위치시켰다.“ㄱ”자와, "ㄴ"자 형태는 각각 수평, 수직방향의 공간적 분해능을 평가하는데 사용되었다 (Fig.
- 두께가 다른 얇은 acryl판 4종류 (두께 : 0.1, 0.15, 0.2, 0.25 mm) 사용하여 영상 대조도를 다르게 하였다. 각각의 판 위에는 직경 2, 4, 6, 8, 10 mm인 5개의 원이 3개의 방사형으로 배치되 어 있고 주변부와 영상강도가 구별되는 원의 개수를 측정함으로써 물체 대조도 분해능을 평가하였다.
- 25 mm) 사용하여 영상 대조도를 다르게 하였다. 각각의 판 위에는 직경 2, 4, 6, 8, 10 mm인 5개의 원이 3개의 방사형으로 배치되 어 있고 주변부와 영상강도가 구별되는 원의 개수를 측정함으로써 물체 대조도 분해능을 평가하였다. 기존 ACR 팬텀과는 달리 4개의 대조도 분해능을 보이는 항목들을 하나의 평면 위에 구현하였다 (Fig.
- 각각의 판 위에는 직경 2, 4, 6, 8, 10 mm인 5개의 원이 3개의 방사형으로 배치되 어 있고 주변부와 영상강도가 구별되는 원의 개수를 측정함으로써 물체 대조도 분해능을 평가하였다. 기존 ACR 팬텀과는 달리 4개의 대조도 분해능을 보이는 항목들을 하나의 평면 위에 구현하였다 (Fig. 5).
- 8개의 구멍으로 이루어진 기준물체를 사용하여 수평, 수직, 서로 직교하는 두 개의 대각선 방향 등 총 4개의 방향에서 두 개의 구멍 간의 거리를 측정함으로써 실측치 (154 mm)와 비교하여 기하학적 정확도를 평가하였다. 각 기준물체의 구멍 직경은 2 mm이고 직경 154 mm원 둘레에 일정한 간격으로 배치하였다(Fig.
- 절편위치의 정확도를 평가하기 위해 2개의 삼각형 모양의 평판을 상호 마주보게 배치하였다. 평판의 아래 위치는 laser로 설정된 4번째 기준영상을 얻은 위치로부터 시작된다.
- 평판의 아래 위치는 laser로 설정된 4번째 기준영상을 얻은 위치로부터 시작된다. 11개의 단면 영상 중 10번째 영상의 중앙에 나타나는 2개의 좌우 직사각형 물체의 안쪽 경계선 사이의 거리으로부터 절편 위치 정확도를 측정하여 실측치 (57.5 mm)와 비교 평가하였다 (Fig. 7).
- 영상인 두번째 단면영상을 사용하였다. 전체 물체 영 역의 75%의 면적이 포함되는 영역에서 신호크기를 기준으로 상위, 하위분포로 각각 100개가 되는 pixel들의 평균영상크기로부터 측정하였다 (Fig. 8).
- 11개의 단면영상 중 두번째 단면영상에서 정의된4개의 영역들 (위상코딩방향에서 물체 밖의 좌우영역, 주파수 영역 방향에서 상하 영역)에서 측정된 평균 신호크기로부터 계산하였다 (Fig.9).
- 모두 최대 30cm까지 높이가 조절이 가능하다. 팬텀 장착의 평형 상태를 관찰하기 위하여 팬텀 전, 후면 중앙면에 위치한 두 개의 막대판 위에 원형 수평계를 설치하였다 (Fig. 10).
대상 데이터
- 또한, 개발된 표준 팬텀이 갖추어야 할 사양으로서 다음 사항을 고려하여 팬텀 개발에 참조하였다; 1) 평가 프로토콜과 평가프로그램의 정확성 보장 2) 화질 평가 프로그램의 자동화와의 연동성에 따른 측정 항목에 대한 요소 배치 및 사양 3) 측정방법 용이성 4) 코일 장착시 편리성과 안정성을 보장. 이를 바탕으로하여 설계된 팬텀은 전문 팬텀 가공업체를 통하여 가공 제작되었고, 팬텀용액은 기존 ACR 팬텀에서 사용된 동일한 성분이 배합된 용액 (10 mM NiCl, 75 mM NaCl)을 사용하였다.
- 기기 종류에 따른 팬텀 적합성 평가를 위하여 0.3, 1.5, 3.0 T 등 3종류의 자기 장 크기의 국내외 제품 (GE, SIEMENS, Philips, ISOL, Hitachi)를 사용하였다. 코일은 birdcage형태의 두부용 코일을 사용하여 팬텀영상을 습득하였다.
- 0 T 등 3종류의 자기 장 크기의 국내외 제품 (GE, SIEMENS, Philips, ISOL, Hitachi)를 사용하였다. 코일은 birdcage형태의 두부용 코일을 사용하여 팬텀영상을 습득하였다. 팬텀영상은 ACR팬텀영상 습득 방법과 같이 표준 시퀀스와 병원고유 시퀀스를 촬영하였다.
- 코일은 birdcage형태의 두부용 코일을 사용하여 팬텀영상을 습득하였다. 팬텀영상은 ACR팬텀영상 습득 방법과 같이 표준 시퀀스와 병원고유 시퀀스를 촬영하였다. 표준 시퀀스를 이용한 T1 및 T2 강조영상의 영상 파라미터는 (Table 1) 에 제시 하였다.
- 병 원고유 시 퀀스를 이용한 T1 및 T2 강조영상의 영상 파라미터는 표준 시퀀스에서 절편 두께와 절편 간격만 동일하게 정하고 나머지 파라미터는 각 장비별로 실제 임상에 적용하는 최적의 파라미터를 사용해 영상을 얻었다. 기준 영상으로 얻은 시상 영상을 바탕으로 총 11개의 축상 영상을 얻었다 (Fig. 1). 4번째의 단면영상의 중심이 laser 기준위치로 설정하였다 (Fig.
- 제작된 팬텀은 현재 상용화된 8채널 두부용 코일에 장착이 가능하도록 그 크기가 외경 16 cm인 원통형모양 (길이 12 cm)으로 8가지의 화질 평가 항목이 가능하도록 구성되었다.
- 절편두께 평가를 위하여 일정한 각도(15도)로 경사진wedge 물체를 사용하였다. 이를 5 mm 두께의 축상 단면으로 자른 영상 (11개 영상 중 6번째 단면영상)으로부터 얻은 영상신호 크기의 거리에 따른 변화로부터 단면두께를 측정하여 그 절편 두께 정확성을 평가하였다.
- 11개의 영상 중 아무런 구조물이 없어 신호크기가 공간적으로 균일한 영상인 두번째 단면영상을 사용하였다. 전체 물체 영 역의 75%의 면적이 포함되는 영역에서 신호크기를 기준으로 상위, 하위분포로 각각 100개가 되는 pixel들의 평균영상크기로부터 측정하였다 (Fig.
- 11. A 3D shape of MRI phantom including 8 evaluation items.
성능/효과
- 5T 이하 장비시스템에 맞게 고안된 기존 팬텀의 평가 기준은 새롭게 수정될 필요성이 존재한다 (9, 10). 또한, 코일의 모양 및 사양은 각 MRI 제조회사에 따라 다르기 때문에 모든 코일성능 평가에 적합한 팬텀을 제작한다는 것은 현실적으로 불가능하며, 표준성 MRI 성능, 화질평가를 위한 표준팬텀의 역할 및 기능을 고려할 때, 모든 MRI 기기에 공통적으로 성능평가를 적용할 수 있는 표준팬텀개발이 적절할 것으로 판단된다. 따라서 현재 상용화된 외국의 표준 팬텀의 제한점을 극복하고, 최신 자기공명기기 기술 발달에 따른 새로운 성능평가 기능을 갖춘 국내 MRI 기기 사용 현실에 적합한 자체 국내 표준팬텀 기술 개발이 필요하다고 사려된다.
- 그림 12은 팬텀에 장착된 지지대에 대한 외관과 코일 안에 장착된 팬텀을 보여준다. 사용된 6개 종류의 두부용 코일 안에 팬텀 장착이 성공적으로 이루어졌다.
- 사용된 모든 기기에서 얻은 단면 영상들은 팬텀 영상의 육안적 평가 결과, 대조도 분해능 평가항목에서 공기방울에 의한susceptibility artifact로 인해 low contrast object의 경계부가일그러져 보여 대조도 평가에 영향을 미치는 경우가 있었지만 화질 평가에는 영향이 없었다 (Fig. 1). 그 외 장비에서 촬영된 표준팬텀영상의 영상화질에는 각 화질 항목 평가에 영향을 미칠 수 있는 이상소견이 없었다.
- 그 외 장비에서 촬영된 표준팬텀영상의 영상화질에는 각 화질 항목 평가에 영향을 미칠 수 있는 이상소견이 없었다. 객관적으로 평가할 수가 있는 정량화된 절편 두께 정확도, 절편위치 정확도, 기하학적 정확도의 경우, 기기 성능을 평가하는데 그 값이 기준치에 비교하여 적절한 범위에 들어 감을 알 수 있었다 (Table 2).
- 본 논문에서 개발된 팬텀은 코일 장착시 그 사용상 편리함과 안정성을 보여주었고 기기 종류에 상관없이 8가지의 화질 성능들을 평가하기에 문제가 없는 영상을 제공해주었다. 6개의 기기에서 얻은 팬텀영상들은 일부 대조도 분해능 단면에서 공기 방울로 인한 인공물이 보여졌으나 그 외의 대상 장비에서 촬영된 표준 팬텀 영상의 영상화질에는 평가에 영향을 미칠 수 있는 이상소견이 없어, 제작된 표준팬텀을 이용해 적절한 팬텀 영상을 얻을 수 있음을 확인하였다.
- 평가하기에 문제가 없는 영상을 제공해주었다. 6개의 기기에서 얻은 팬텀영상들은 일부 대조도 분해능 단면에서 공기 방울로 인한 인공물이 보여졌으나 그 외의 대상 장비에서 촬영된 표준 팬텀 영상의 영상화질에는 평가에 영향을 미칠 수 있는 이상소견이 없어, 제작된 표준팬텀을 이용해 적절한 팬텀 영상을 얻을 수 있음을 확인하였다. 대조도 분해능을 평가하는 구조물에서 향후 팬텀의 수정, 보완 과정에서 제작 시 공기방울이 들어가지 않도록 더욱 주의해야 하거나 대조도 분해능 단면의 구조적 수정이 필요할 것으로 생각된다.
- 두부코일 안에서 팬텀을 고정시키는 크래들 기능을 팬텀 자체에 모두 포함하는 점에서 그 차이점이 있다. 이를 국내 MRI 장비에서 팬텀영상 촬영한 결과 3축 방향의 수평이 평가에 적절하도록 잘 맞춰졌고, 고정이 잘 되지 않아 발생할 수 있는 고스트 인공물이 발생하지 않아 적절한 고정이 이루어진 것으로 생각된다. 표준팬텀을 이용한 팬텀영상검사 촬영의 기술적 요인으로 3 축 방향의 수평과 팬텀의 코일내의 고정에 대해 적절한 성능을 가졌다고 판단된다.
- 이를 국내 MRI 장비에서 팬텀영상 촬영한 결과 3축 방향의 수평이 평가에 적절하도록 잘 맞춰졌고, 고정이 잘 되지 않아 발생할 수 있는 고스트 인공물이 발생하지 않아 적절한 고정이 이루어진 것으로 생각된다. 표준팬텀을 이용한 팬텀영상검사 촬영의 기술적 요인으로 3 축 방향의 수평과 팬텀의 코일내의 고정에 대해 적절한 성능을 가졌다고 판단된다.
- 제작된 표준팬텀의 임상환경에 대한 적합성을 알아보기 위하여 수행된 팬텀영상 검사에서 대상에 포함된 MRI 장비는 국내에서 비교적 많이 사용되는 장비회사 5곳을 포함하였고, 0.3 T 에서 3.0 T까지의 다양한 자장세기를 갖는 장비들로 구성되어 여러 종류의 장비에 대한 팬텀영상을 얻은 것으로 판단되었다. 그러나 MRI 화질평가 초기제작 표준팬텀의 임상환경 적용 및 적합성 평가를 객관적으로 수행하기 위하여 좀 더 많은 종류와 수의 장비를 대상으로 이미 많은 병원에서 사용하고 있는 ACR 팬텀의 영상에 의한 화질 평가 결과와의 비교 연구를 추가 적으로 수행할 필요가 있다.
- 결론적으로 MRI 장비의 성능 및 화질에 대한 평가를 위해 자체 개발한 표준팬텀을 제작하였고, 일부 기술적 문제점 이 발견되었지만 평가에 적절한 화질 수준을 획득하였고 여러가지 평가항목에 대한 평가가 가능함을 확인하였다. 추후 본 연구 결과 와이를 보완하는 추가적 연구를 통해 국내 자기공명영상 품질관리사업에 활용할 수 있는 완성도를 갖춘 자체 팬텀의 개발 확립이 가능하고 이를 통하여 자기공명영상의 품질평가 기술을 확보할 수 있을 것이다.
후속연구
- 그러나 MRI 기술 발달 상 새로운 측정기법의 도입과 코일을 포함한 하드웨어의 발달은 기존 팬텀으로서는 성능 평가에 제한점이 발생할 수 있으며, 적정 성능평가를 위해서는 기기 발달에 따른 지속적인 팬텀 개발에 대한 필요성이 있다고 판단된다. 이를 위해서는 최소한 기존 ACR 팬텀의 기능을 갖춘 국내 자체 팬텀 제작 기술 보유가 필요하며, 이러한 기술 보유는 향후 새로운 MRI 기술발달에 따른 이를 평가할 수 있는 적정 팬텀 개발을 가능하게 할 수 있을 것으로 사려된다. 또한, 코일 자체의 기술발전에 따라 기존 birdcage형태의 두부용 코일은 최신 시스템에는 수집전용 다채널코일로 대체되는 추세임으로, 기존 두부용 코일에 맞게 설계된 ACR 팬텀 의 사용은 추후 적정평가에 제한점이 발생할 수 있으며, 최근 임상용으로서 3T 고자장 시스템의 도입으로 인하여 기존 1.
- 이를 위해서는 최소한 기존 ACR 팬텀의 기능을 갖춘 국내 자체 팬텀 제작 기술 보유가 필요하며, 이러한 기술 보유는 향후 새로운 MRI 기술발달에 따른 이를 평가할 수 있는 적정 팬텀 개발을 가능하게 할 수 있을 것으로 사려된다. 또한, 코일 자체의 기술발전에 따라 기존 birdcage형태의 두부용 코일은 최신 시스템에는 수집전용 다채널코일로 대체되는 추세임으로, 기존 두부용 코일에 맞게 설계된 ACR 팬텀 의 사용은 추후 적정평가에 제한점이 발생할 수 있으며, 최근 임상용으로서 3T 고자장 시스템의 도입으로 인하여 기존 1.5T 이하 장비시스템에 맞게 고안된 기존 팬텀의 평가 기준은 새롭게 수정될 필요성이 존재한다 (9, 10). 또한, 코일의 모양 및 사양은 각 MRI 제조회사에 따라 다르기 때문에 모든 코일성능 평가에 적합한 팬텀을 제작한다는 것은 현실적으로 불가능하며, 표준성 MRI 성능, 화질평가를 위한 표준팬텀의 역할 및 기능을 고려할 때, 모든 MRI 기기에 공통적으로 성능평가를 적용할 수 있는 표준팬텀개발이 적절할 것으로 판단된다.
- 6개의 기기에서 얻은 팬텀영상들은 일부 대조도 분해능 단면에서 공기 방울로 인한 인공물이 보여졌으나 그 외의 대상 장비에서 촬영된 표준 팬텀 영상의 영상화질에는 평가에 영향을 미칠 수 있는 이상소견이 없어, 제작된 표준팬텀을 이용해 적절한 팬텀 영상을 얻을 수 있음을 확인하였다. 대조도 분해능을 평가하는 구조물에서 향후 팬텀의 수정, 보완 과정에서 제작 시 공기방울이 들어가지 않도록 더욱 주의해야 하거나 대조도 분해능 단면의 구조적 수정이 필요할 것으로 생각된다. 또한, 현재 사용된 직경 16 cm의 팬텀은 기존 birdcage 형태의 두부용 코일에 비해 크기가 작아지고 원통형 형태가 아닌 다채널 두부용 코일에 대한 적합성은 보여주고 있지만 보통 20 cm 이상의 FOV의 영상을 얻는 자기공명영상 특성상 기기의 기하학적 정확도와 영상 강도의 공간적 균일도를 정확히 반영하기에는 문제의 소지가 있다고 판단된다.
- 또한, 현재 사용된 직경 16 cm의 팬텀은 기존 birdcage 형태의 두부용 코일에 비해 크기가 작아지고 원통형 형태가 아닌 다채널 두부용 코일에 대한 적합성은 보여주고 있지만 보통 20 cm 이상의 FOV의 영상을 얻는 자기공명영상 특성상 기기의 기하학적 정확도와 영상 강도의 공간적 균일도를 정확히 반영하기에는 문제의 소지가 있다고 판단된다. 그러므로 좀더 넓은 영역에서의 평가를 위하여 직경 크기가 16 cm 보다 큰 팬텀이 개발되어야 할 것이다. 그러나, 본 연구에서 개발된 팬텀이 사용될 경우, 위 두 평가 항목에 대한 성능의 합격 기준은 이에 따라 강화되어야 한다고 사려된다.
- 본 논문에서는 팬텀 용액으로서 ACR 팬텀에서 사용한 동일한 용액을 사용하였으나 추후 용액의 종류와 농도에 따른 화질 평가에 대한 영향에 대한 연구가 필요하다. 특히, 최근에 출시되는 3T 이상의 고자장의 자기공명영상기기의 경우, 고자장에 따른 물체의 자기공명특성의 변화와 증가된 susceptibility 효과로 인하여 이에 따른 팬텀 용액의 성분 및 농도에 대한 영상 신호 크기의 변화 및 평가측정기법의 선택은 반드시 고려되어야 한다.
- 0 T까지의 다양한 자장세기를 갖는 장비들로 구성되어 여러 종류의 장비에 대한 팬텀영상을 얻은 것으로 판단되었다. 그러나 MRI 화질평가 초기제작 표준팬텀의 임상환경 적용 및 적합성 평가를 객관적으로 수행하기 위하여 좀 더 많은 종류와 수의 장비를 대상으로 이미 많은 병원에서 사용하고 있는 ACR 팬텀의 영상에 의한 화질 평가 결과와의 비교 연구를 추가 적으로 수행할 필요가 있다.
- 대한 평가가 가능함을 확인하였다. 추후 본 연구 결과 와이를 보완하는 추가적 연구를 통해 국내 자기공명영상 품질관리사업에 활용할 수 있는 완성도를 갖춘 자체 팬텀의 개발 확립이 가능하고 이를 통하여 자기공명영상의 품질평가 기술을 확보할 수 있을 것이다.
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