목적 : 본 연구는 PRF(Proton Resonance Frequency)를 이용한 MR 온도감시 영상에서 시간 해상도를 keyhole방법 적용으로 향상시키고자하였다. 제시된 keyhole방법과 기존 온도영상 방법 사이의 비교를 위해 온도 값에 대한 RMS(Root Mean Square) 오차와 SNR(Signal to Noise Ratio)을 비교하였다. 대상 및 방법 : PRF 방법과 GRE(Gradient Recalled Echo)를 이용하여 MR 온도영상을 구현하였으며 장비로는 임상용 1.5T MRI 장치를 이용하였다. 인체모사 조직인 2% 한천 젤 팬텀과 돼지 근육조직으로 실험을 수행하였다. 2.45GHz대역의 마이크로파 발생장치로 MR호환 동축 슬롯 안테나를 구동하여 MRI장치 내에서 대상 조직과 팬텀을 5분간 가열하였다. 가열 직후 10분 동안에 순차적으로 MR 원 데이터를 획득하였다. 획득된 원 데이터는 PC로 전송되어 전체 위상을 부호화하여 얻은 원 데이터의 바깥영역과 K-space의 중앙 영역을 각각 128, 64, 32, 16으로 위상부호화된 데이터로 keyhole영상을 재구성하였다. 256개로 전체 부호화된 자체-참조 온도영상과 RMS 오차를 비교하였으며, zero-filling 영상과 SNR비교를 하였다. 결과 : keyhole 온도 영상에서 위상부호화 수가 128, 64, 32, 16으로 줄어들수록 RMS 오차로 산출한 온도의 차이가 0.538, 0.712, 0.786, 0.845$^{\circ}C$
만큼 증가하였으나 SNR 값은 keyhole의 위상부호화 수가 줄어도 유지되었다. 결론 : 본 연구는 고정된 매트릭스 크기에 keyhole 방법 적용을 이용하여 온도 감시에서의 시간해상도 증가와 SNR 값을 유지하는 결과를 도출하여 성공적인 적용을 보여 주었다. 본 연구를 기반으로 한 다음 연구에서는 최적화된 변수를 이용한 keyhole 방법 적용으로 최소 온도 오차의 실시간 MR 온도 감시가 가능할 것이라 예상된다.
목적 : 본 연구는 PRF(Proton Resonance Frequency)를 이용한 MR 온도감시 영상에서 시간 해상도를 keyhole방법 적용으로 향상시키고자하였다. 제시된 keyhole방법과 기존 온도영상 방법 사이의 비교를 위해 온도 값에 대한 RMS(Root Mean Square) 오차와 SNR(Signal to Noise Ratio)을 비교하였다. 대상 및 방법 : PRF 방법과 GRE(Gradient Recalled Echo)를 이용하여 MR 온도영상을 구현하였으며 장비로는 임상용 1.5T MRI 장치를 이용하였다. 인체모사 조직인 2% 한천 젤 팬텀과 돼지 근육조직으로 실험을 수행하였다. 2.45GHz대역의 마이크로파 발생장치로 MR호환 동축 슬롯 안테나를 구동하여 MRI장치 내에서 대상 조직과 팬텀을 5분간 가열하였다. 가열 직후 10분 동안에 순차적으로 MR 원 데이터를 획득하였다. 획득된 원 데이터는 PC로 전송되어 전체 위상을 부호화하여 얻은 원 데이터의 바깥영역과 K-space의 중앙 영역을 각각 128, 64, 32, 16으로 위상부호화된 데이터로 keyhole영상을 재구성하였다. 256개로 전체 부호화된 자체-참조 온도영상과 RMS 오차를 비교하였으며, zero-filling 영상과 SNR비교를 하였다. 결과 : keyhole 온도 영상에서 위상부호화 수가 128, 64, 32, 16으로 줄어들수록 RMS 오차로 산출한 온도의 차이가 0.538, 0.712, 0.786, 0.845$^{\circ}C$
만큼 증가하였으나 SNR 값은 keyhole의 위상부호화 수가 줄어도 유지되었다. 결론 : 본 연구는 고정된 매트릭스 크기에 keyhole 방법 적용을 이용하여 온도 감시에서의 시간해상도 증가와 SNR 값을 유지하는 결과를 도출하여 성공적인 적용을 보여 주었다. 본 연구를 기반으로 한 다음 연구에서는 최적화된 변수를 이용한 keyhole 방법 적용으로 최소 온도 오차의 실시간 MR 온도 감시가 가능할 것이라 예상된다.
Purpose : This study proposes the keyhole method in order to improve the time resolution of the proton resonance frequency(PRF) MR temperature monitoring technique. The values of Root Mean Square (RMS) error of measured temperature value and Signal-to-Noise Ratio(SNR) obtained from the keyhole and f...
Purpose : This study proposes the keyhole method in order to improve the time resolution of the proton resonance frequency(PRF) MR temperature monitoring technique. The values of Root Mean Square (RMS) error of measured temperature value and Signal-to-Noise Ratio(SNR) obtained from the keyhole and full phase encoded temperature images were compared. Materials and Methods : The PRF method combined with GRE sequence was used to get MR temperature images using a clinical 1.5T MR scanner. It was conducted on the tissue-mimic 2% agarose gel phantom and swine's hock tissue. A MR compatible coaxial slot antenna driven by microwave power generator at 2.45GHz was used to heat the object in the magnetic bore for 5 minutes followed by a sequential acquisition of MR raw data during 10 minutes of cooling period. The acquired raw data were transferred to PC after then the keyhole images were reconstructed by taking the central part of K-space data with 128, 64, 32 and 16 phase encoding lines while the remaining peripheral parts were taken from the 1st reference raw data. The RMS errors were compared with the 256 full encoded self-reference temperature image while the SNR values were compared with the zero filling images. Results : As phase encoding number at the center part on the keyhole temperature images decreased to 128, 64, 32 and 16, the RMS errors of the measured temperature increased to 0.538, 0.712, 0.768 and 0.845$^{\circ}C$, meanwhile SNR values were maintained as the phase encoding number of keyhole part is reduced. Conclusion : This study shows that the keyhole technique is successfully applied to temperature monitoring procedure to increases the temporal resolution by standardizing the matrix size, thus maintained the SNR values. In future, it is expected to implement the MR real time thermal imaging using keyhole method which is able to reduce the scan time with minimal thermal variations.
Purpose : This study proposes the keyhole method in order to improve the time resolution of the proton resonance frequency(PRF) MR temperature monitoring technique. The values of Root Mean Square (RMS) error of measured temperature value and Signal-to-Noise Ratio(SNR) obtained from the keyhole and full phase encoded temperature images were compared. Materials and Methods : The PRF method combined with GRE sequence was used to get MR temperature images using a clinical 1.5T MR scanner. It was conducted on the tissue-mimic 2% agarose gel phantom and swine's hock tissue. A MR compatible coaxial slot antenna driven by microwave power generator at 2.45GHz was used to heat the object in the magnetic bore for 5 minutes followed by a sequential acquisition of MR raw data during 10 minutes of cooling period. The acquired raw data were transferred to PC after then the keyhole images were reconstructed by taking the central part of K-space data with 128, 64, 32 and 16 phase encoding lines while the remaining peripheral parts were taken from the 1st reference raw data. The RMS errors were compared with the 256 full encoded self-reference temperature image while the SNR values were compared with the zero filling images. Results : As phase encoding number at the center part on the keyhole temperature images decreased to 128, 64, 32 and 16, the RMS errors of the measured temperature increased to 0.538, 0.712, 0.768 and 0.845$^{\circ}C$, meanwhile SNR values were maintained as the phase encoding number of keyhole part is reduced. Conclusion : This study shows that the keyhole technique is successfully applied to temperature monitoring procedure to increases the temporal resolution by standardizing the matrix size, thus maintained the SNR values. In future, it is expected to implement the MR real time thermal imaging using keyhole method which is able to reduce the scan time with minimal thermal variations.
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문제 정의
각 팬텀과 조직은 (그림 1)처럼 제작한 아크릴 통 (65×55×95 mm3) 내에 고정시켜 온도에 대한 위상의 변화만을 획득하기 위해 다른 기타 변수에 의해 움직임이 야기되는 인공물(artifact)을 최대한 줄이고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 크기(magnitude) 영상에만 적용해온 기존의 keyhole방법을 위상을 이용하는 PRF 온도영상에도 적용을 시도하여 하드웨어의 제약에 따르지 않고 SNR 또한 최소의 손실을 유지시켜 촬영 시간을 줄이는 방안을 찾고자 하였다(5-7).
하지만 거의 대부분이 해부학적 구조의 관찰이나 병변의 진단을 위한 목적으로 한 크기영상(magnitude image)에 주로 적용하고 있다. 본 연구에서는 keyhole방법을 PRF 방법에 의한 MR 온도영상처럼 위상영상에 초점을 맞춰 접근하여 그 실효성과 가능성에 대해 살펴보았다.
제안 방법
가열방법으로는 자체 제작한 MR 호환 마이크로파 동축슬롯 안테나(microwave coaxial-slot antenna)를 이용하여 (그림 2)와 같이 MRI 주 자석 내에서 조직모사 팬텀 및 돼지 근육조직을 5분간 가열한 뒤, 열이 식는 10분간의 시간동안 촬영을 실시하였다(8, 9). 장비로는 임상용 1.
이 방법을 이용하여 -π부터 +π범위의 제한된 값을 가지는 위상을 선형적으로 나타내어 위상이 겹치는 현상을 보완할 수 있도록 한다(10-12). 그리고 위상변화에 따른 온도 변화를 나타내기 위해 [식 1]의 PRF 방법을 이용하여 MR 온도영상을 구현하였다.
본 연구를 진행한 MRI 장치는 GRE 영상법에서 위상부호화 수를 64 이하로 줄일 수 없게 고정되어 있어 실제로 위상부호화를 변화시켜가며 keyhole영상을 얻지 못하였다. 대신 일정한 간격으로 256 위상부호화 영상을 얻은 다음 전처리 데이터에서 위상부호화수를 바꿔가며 keyhole 영상들을 재구성하였다. 본 연구의 결과를 바탕으로 높은 하드웨어 사양 없이도 keyhole 방법을 이용하여 보다 높은 시간해상도의 온도감시 기술을 구현할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 SNR 비교를 위해서는 keyhole 방법에서 쓰인 높은 공간 주파수 영역을 조합하는 대신에 ‘0’으로 채운(zero filling) 영상과의 차이를 비교하였다.
마이크로파 동축슬롯 안테나를 이용하여 5분 동안 가열한 뒤, 10분 동안 열이 식는 과정에서 위상 전체를 부호화시킨 시간에 따른 온도변화 영상을 구현하였다. 이 영상들은 아래의 평가에 쓰일 대조군으로 두었으며 이하 self-reference라 하였다.
복소수형태로 수집된 MR 원데이터(raw data)를 PC로 전송하여 위상영상으로 재구성한 뒤 위상영상의 겹쳐진(wrap)부분을 자체 개발한 2D unwrap algorithm을 이용하여 위상을 보정하였다. 이 방법을 이용하여 -π부터 +π범위의 제한된 값을 가지는 위상을 선형적으로 나타내어 위상이 겹치는 현상을 보완할 수 있도록 한다(10-12).
본 연구에서는 전체 위상 부호화 수(n)를 조직의 경우 256으로, 팬텀의 경우 128로 두어 낮은 공간 주파수의 영역을 128, 64, 32, 16, 8, 그리고 4로 바꿔가며 부호화하여 각각의 경우에 따른 온도영상을 재구성하였다.
제시된 keyhole 방법의 평가를 위해 각각의 해당 위상 부호화 수로 획득된 영상과 self-reference와의 차이를 영상으로 구성하였다. 그림 8은 조직모사 팬텀을 이용하여 keyhole 위상부호화 수를 16으로 하여 얻은 온도감시 영상과 해당 self-reference와의 차이를 시간의 순서대로 나타내었다.
제시한 keyhole방법을 적용하여 k-space영역에서 낮은 공간 주파수에 해당하는 중앙에서부터의 위상 부호화 수를 각각 128, 64, 32, 16, 8, 그리고 4로 바꿔가며 시간에 따른 팬텀과 조직의 온도변화 영상을 재구성하였다. 그림 6에서는 그림 4의 (a)를 이용하여 조직모사 팬텀 전체(128)의 부호화부터 그 수를 6까지 감소시켜 재구성하였다.
대상 데이터
실험재료로는 근육유사모델로 2% agarose gel에 T1 시간을 줄이기 위해 MnCl2 0.6mM/l를 첨가한 조직모사 팬텀과 돼지고기 뒷다리 근육조직을 이용하였다. 각 팬텀과 조직은 (그림 1)처럼 제작한 아크릴 통 (65×55×95 mm3) 내에 고정시켜 온도에 대한 위상의 변화만을 획득하기 위해 다른 기타 변수에 의해 움직임이 야기되는 인공물(artifact)을 최대한 줄이고자 하였다.
가열방법으로는 자체 제작한 MR 호환 마이크로파 동축슬롯 안테나(microwave coaxial-slot antenna)를 이용하여 (그림 2)와 같이 MRI 주 자석 내에서 조직모사 팬텀 및 돼지 근육조직을 5분간 가열한 뒤, 열이 식는 10분간의 시간동안 촬영을 실시하였다(8, 9). 장비로는 임상용 1.5T MR system(Echo speed, General Electronics Co., MI, USA)를 이용하였으며 수신코일로는 상용화된 무릎 코일을 사용하였다. 팬텀과 조직의 MR 변수는 (표 1)에 나타내었다.
데이터처리
Keyhole방법으로 재구성된 영상과의 온도 차이 비교를 위해 영상간의 RMS error를 이용하였으며, 비교대상으로는 256(팬텀의 경우 128)으로 전체가 위상 부호화된 영상을 self-reference로 두어 비교하였다. 또한 SNR 비교를 위해서는 keyhole 방법에서 쓰인 높은 공간 주파수 영역을 조합하는 대신에 ‘0’으로 채운(zero filling) 영상과의 차이를 비교하였다.
성능/효과
각 영상들의 SNR 비교를 위해 적용된 keyhole방법의 영상의 SNR과 k-space영역에서 높은 공간 주파수를 채우지 않고 ‘0’으로 채운(zero filling) 뒤 재구성한 영상의 SNR을 keyhole위상부호화수에 따른 변화를 그림 12에 그래프로 나타내었다. SNR 비교를 통해서 위상 부호화 수가 줄어들수록 zero filling 영상과 제시된 keyhole 방법으로 구성된 영상과의 SNR 차이가 점점 크게 차이가 나는 것을 확인할 수 있었다.
9℃보다 작음을 알 수 있다. 본 연구의 결과를 바탕으로 위상 부호화 수를 최소 32개까지 감소시키면 촬영 시간을 32/full만큼(전체 부호화 수가 256일 때는 1/8, 128일 때는 1/4) 줄일 수 있는 결과를 도출할 수 있게 된다. 즉 감소된 촬영 시간동안 {32/full}-1의 개수만큼 영상을 더 획득할 수 있어 시간해상도를 증가시킬 수 있게 된다.
이러한 차이들은 안테나의 끝 부분을 중심으로 하는 ROI(64×64)에서 영상의 강도(intensity)에 대한 평균값을 구하여 그림 10의 그래프로 나타내었다. 오차의 평균값은 위상 부호화 수가 줄어들수록 커지는 것을 확인할 수 있으며 keyhole의 위상부호화 수가 32 미만이면 평균오차가 급격히 커지는 것을 알 수 있다. ROI 내에서 keyhole 온도 영상의 RMS 오차를 구하여 이를 온도 측정 오차 그래프로 그림 11에 나타내었다.
후속연구
또한 정보의 변화가 적은 높은 공간 주파수 영역을 새로 획득할 부분과 조합함으로서 matrix size를 고정하였기 때문에 SNR을 유지시킬 수 있는 장점을 가진다. 따라서 다음 연구에서는 최적화된 변수를 이용하여 오차의 손실을 최소화하는 유의수준을 검증하여 진단에 적합한 변수로 촬영 시간을 단축시켜 실시간 온도영상의 구현에 대한 가능성을 기대할 수 있을 것이다. 또한 본 연구에서는 GRE만을 이용한 제한적인 연구였지만, 차후 GRE이외의 다른 펄스열에 대한 계속적인 연구를 통해 대상에 따른 다양한 방법과 용도로 사용할 수 있을 것이라 예상된다.
따라서 다음 연구에서는 최적화된 변수를 이용하여 오차의 손실을 최소화하는 유의수준을 검증하여 진단에 적합한 변수로 촬영 시간을 단축시켜 실시간 온도영상의 구현에 대한 가능성을 기대할 수 있을 것이다. 또한 본 연구에서는 GRE만을 이용한 제한적인 연구였지만, 차후 GRE이외의 다른 펄스열에 대한 계속적인 연구를 통해 대상에 따른 다양한 방법과 용도로 사용할 수 있을 것이라 예상된다.
대신 일정한 간격으로 256 위상부호화 영상을 얻은 다음 전처리 데이터에서 위상부호화수를 바꿔가며 keyhole 영상들을 재구성하였다. 본 연구의 결과를 바탕으로 높은 하드웨어 사양 없이도 keyhole 방법을 이용하여 보다 높은 시간해상도의 온도감시 기술을 구현할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
자기공명영상의 장점은 무엇인가?
자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging, MRI)은 비침습적으로 생체 내부를 영상화 할 수 있는 방법으로 특히 체내의 온도분포를 관찰할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그 중에서 PRF(Proton Resonance Frequency)방법을 통한 온도 영상은 가장 많이 활용되고 있다(1, 2).
SENSE같은 병렬 영상방법이 가지는 제약은 무엇인가?
그중에서 FLASH(Fast low angle shot) MRI나 EPI(Echo planar imaging)와 같이 펄스 열(pulse sequence) 변화의 경우에는 촬영 시간을 줄이는 장점을 가져다주는 대신 높은 사양의 하드웨어를 필요로 하며 SNR이 감소하는 단점을 가진다. 그리고 또 다른 방법으로는 SENSE(Sensitivity encoding method)나 SMASH(Simultaneous acquisition of spatial harmonics)같이 병렬 영상(parallel imaging) 방법을 이용한 것으로서 이 방법 역시 촬영 시간은 줄이지만 특수한 하드웨어가 필요하다는 제약을 갖는다.
Keyhole방법의 장점은 무엇인가?
적용된 keyhole방법은 촬영시간에서 위상 부호화 수를 줄일 수 있기 때문에 그 만큼의 촬영시간을 단축시켜 시간해상도를 높일 수 있고 같은 시간동안은 보다 많은 고해상도 영상을 획득할 수 있다. 또한 정보의 변화가 적은 높은 공간 주파수 영역을 새로 획득할 부분과 조합함으로서 matrix size를 고정하였기 때문에 SNR을 유지시킬 수 있는 장점을 가진다. 따라서 다음 연구에서는 최적화된 변수를 이용하여 오차의 손실을 최소화하는 유의수준을 검증하여 진단에 적합한 변수로 촬영 시간을 단축시켜 실시간 온도영상의 구현에 대한 가능성을 기대할 수 있을 것이다.
참고문헌 (12)
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