[국내논문]정상인에서 기능적 뇌 자기공명영상과 확산텐서영상 합성기법을 이용한 피질척수로의 위치에 따른 정량적 분석 Quantitative Evaluation of the Corticospinal Tract Segmented by Using Co-registered Functional MRI and Diffusion Tensor Tractography원문보기
목적 : 기능적 뇌 자기공명영상 (fMRI)과 확산텐서영상(DTI) 합성기법을 이용하여 피질척수로의 여러 부위에서 정량적 특성을 연구하고자 하였다. 대상 및 방법 : 신경학적 이상이 없는 정상인 10명 (남: 8, 여: 2, 평균연령: 30세, 연령분포 : 22 -38세)을 대상으로 하였다. fMRI는 1.5T를 이용하였으며, 손의 쥐기 펴기를 수행하였다. fMRI와 확산텐서섬유로(DTT)의 합성이 가능한 DtiStudio 프로그램을 이용하여 피질척수로를 3차원 영상화하였다. 이때, 시작 관심영역은 2차원 분할 비등방성(fractional anisotropy, FA) 색지도(color map)에서 fMRI의 운동 수행 시 활성부위가 가장 많은 곳으로, 목표 관심영역은 하부 전방 뇌교의 피질척수 부위로 설정하였다. 정량적 분석을 위하여 관심영역을 부채살부터 연수까지 좌우 각각 5곳에 설정하여 분할 비등방성과 현성 확산계수(ADC)를 측정하였다. 결과 : 모든 대상자는 fMRI에서 일차 감각운동 영역이 주로 활성화되었다. 확산텐서 영상에서 피질척수로의 경로는 일차 감각운동 영역부터 연수까지 주행하였다. 피질척수로의 FA 값은 모든 대상자에서 중뇌와 내측 섬유띠의 후지가 타 부위보다 높았다. 결론 : fMRI와 DTT의 합성기법은 피질척수로 상태의 3차원 영상화 및 각 부위에서 FA와 ADC값을 이용한 정량적 분석이 가능하였다. 앞으로, fMRI와 DTT 합성기법은 뇌손상 환자에서 피질척수로의 명확한 상태를 연구하는 데 유용하게 이용될 것으로 사료된다.
목적 : 기능적 뇌 자기공명영상 (fMRI)과 확산텐서영상(DTI) 합성기법을 이용하여 피질척수로의 여러 부위에서 정량적 특성을 연구하고자 하였다. 대상 및 방법 : 신경학적 이상이 없는 정상인 10명 (남: 8, 여: 2, 평균연령: 30세, 연령분포 : 22 -38세)을 대상으로 하였다. fMRI는 1.5T를 이용하였으며, 손의 쥐기 펴기를 수행하였다. fMRI와 확산텐서섬유로(DTT)의 합성이 가능한 DtiStudio 프로그램을 이용하여 피질척수로를 3차원 영상화하였다. 이때, 시작 관심영역은 2차원 분할 비등방성(fractional anisotropy, FA) 색지도(color map)에서 fMRI의 운동 수행 시 활성부위가 가장 많은 곳으로, 목표 관심영역은 하부 전방 뇌교의 피질척수 부위로 설정하였다. 정량적 분석을 위하여 관심영역을 부채살부터 연수까지 좌우 각각 5곳에 설정하여 분할 비등방성과 현성 확산계수(ADC)를 측정하였다. 결과 : 모든 대상자는 fMRI에서 일차 감각운동 영역이 주로 활성화되었다. 확산텐서 영상에서 피질척수로의 경로는 일차 감각운동 영역부터 연수까지 주행하였다. 피질척수로의 FA 값은 모든 대상자에서 중뇌와 내측 섬유띠의 후지가 타 부위보다 높았다. 결론 : fMRI와 DTT의 합성기법은 피질척수로 상태의 3차원 영상화 및 각 부위에서 FA와 ADC값을 이용한 정량적 분석이 가능하였다. 앞으로, fMRI와 DTT 합성기법은 뇌손상 환자에서 피질척수로의 명확한 상태를 연구하는 데 유용하게 이용될 것으로 사료된다.
Purpose : The purpose of this study was to investigate the quantitative evaluation of the corticospinal tract (CST) at the multiple levels by using functional MRI (fMRI) co-registered to diffusion tensor tractography (DTT). Materials and Methods : Ten normal subjects without any history of neurologi...
Purpose : The purpose of this study was to investigate the quantitative evaluation of the corticospinal tract (CST) at the multiple levels by using functional MRI (fMRI) co-registered to diffusion tensor tractography (DTT). Materials and Methods : Ten normal subjects without any history of neurological disorder participated in this study. fMRI was performed at 1.5 T MR scanner using hand grasp-release movement paradigm. DTT was performed by using DtiStudio on the basis of fiber assignment continuous tracking algorithm (FACT). The seed region of interest (ROI) was drawn in the area of maximum fMRI activation during the motor task of hand grasp-release movement on a 2-D fractional anisotropy (FA) color map, and the target ROI was drawn in the cortiocospinal portion of anterior lower pons. We have drawn five ROIs for the measurement of FA and apparent diffusion coefficient (ADC) along the corona radiata (CR) down to the medulla. Results : The contralateral primary sensorimotor cortex (SM1) was mainly found to be activated in all subjects. DTT showed that tracts originated from SM1 and ran to the medulla along the known pathway of the CST. In all subjects, FA values of the CST were higher at the level of the midbrain and posterior limb of internal capsule (PLIC) than the level of others. Conclusion : Our study showed that co-registered fMRI and DTT has elucidated the state of CST on 3-D and analyzed the quantitative values of FA and ADC at the multiple levels. We conclude that co-registered fMRI and DTT may be applied as a useful tool for clarifying and investigating the state of CST in the patients with brain injury.
Purpose : The purpose of this study was to investigate the quantitative evaluation of the corticospinal tract (CST) at the multiple levels by using functional MRI (fMRI) co-registered to diffusion tensor tractography (DTT). Materials and Methods : Ten normal subjects without any history of neurological disorder participated in this study. fMRI was performed at 1.5 T MR scanner using hand grasp-release movement paradigm. DTT was performed by using DtiStudio on the basis of fiber assignment continuous tracking algorithm (FACT). The seed region of interest (ROI) was drawn in the area of maximum fMRI activation during the motor task of hand grasp-release movement on a 2-D fractional anisotropy (FA) color map, and the target ROI was drawn in the cortiocospinal portion of anterior lower pons. We have drawn five ROIs for the measurement of FA and apparent diffusion coefficient (ADC) along the corona radiata (CR) down to the medulla. Results : The contralateral primary sensorimotor cortex (SM1) was mainly found to be activated in all subjects. DTT showed that tracts originated from SM1 and ran to the medulla along the known pathway of the CST. In all subjects, FA values of the CST were higher at the level of the midbrain and posterior limb of internal capsule (PLIC) than the level of others. Conclusion : Our study showed that co-registered fMRI and DTT has elucidated the state of CST on 3-D and analyzed the quantitative values of FA and ADC at the multiple levels. We conclude that co-registered fMRI and DTT may be applied as a useful tool for clarifying and investigating the state of CST in the patients with brain injury.
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제안 방법
대상자들은 눈을 감은 채 앙와위로 누워 검사를 시행하였으며, 몸의 움직임으로 인한 영향을 최소화하기 위해 고정 기구를 사용해 전완을 내전상태로 유지하였다. 20초간의 운동기와 20초간의 휴식기를 반복하였으며, 운동기에는 메트로놈을 이용하여 1Hz의 빈도로 수지의 쥐기와 펴기 동작을 반복하였고 각각의 휴지기와 운동기를 3회(총60) 반복하였다. 혈액산소수준의존(blood oxygenation level dependent, BOLD) fMRI 영상은 1.
피질척수로는 2차원 분할 비등방성 색지도에서 적색(X component, 좌-우), 녹색(Y component, 전-후), 청색(Z component, 상-하)으로 각각 할당되었다. 2차원 분할 비등방성 색지도에서 시작 ROI는 기능적 자기공명영상에서 손 운동에 의해 활성화된 대뇌피질의 일차 감각운동 영역을 중심으로 설정하였으며, 목표 ROI는 하부 뇌교의 앞쪽 청색부위 (blue portion)로 설정하였고, 양측 ROI를 모두 통과하는 뇌 백질 섬유만 재구성 되도록 하였다. 이때 섬유로의 역치는 분할 비등방성과 각의 종료(angle termination)에서 각각 0.
DtiStudio 확산텐서영상에서 좌우 피질척수로의 부채살, 내막 후지, 중뇌, 뇌교, 연수에서 각각의 ROI를 설정한 후 분할 비등방성과 현상 확산계수 값을 구하였다.
그러므로, 기능적 뇌 자기공명영상과 확산텐서영상의 합성기법은 뇌 연구에서 매우 유용한 영역이나, 사용 방법 및 과정상의 복잡성 등으로 인하여 피질척수로에 대한 체계적인 시도가 진행된 바 없으므로, 본 연구는 정상 성인을 대상으로 피질척수로를 3차원 영상화 후 각 부위별로 정량적 분석을 시도 하였다.
기능적 자기공명 영상에서 활성된 영역을 확산텐서영상으로 합성이 가능한 프로그램인 DtiStudio, version 1.02 software (H. Jiang, S, Mori Department of Radiology, Johns Hopkins University, Baltimore, Maryland, U.S.A.)에 포함된(18), fiber assignment continuous tracking 알고리즘을 이용하여(19), 피질척수로를 3차원으로 재구성하였다. 피질척수로는 2차원 분할 비등방성 색지도에서 적색(X component, 좌-우), 녹색(Y component, 전-후), 청색(Z component, 상-하)으로 각각 할당되었다.
기능적 자기공명영상은 1인당 총 780개의 영상을 획득하였다. 기능적 자기공명영상 자료는 MATLAB (Mathwork INC., Natick, MA, U.S.A.)에서 SPM-99 software (Wellcome Department of Cognitive Neurology, London, UK)을 이용해 분석하였다. 휴식기와 운동기의 뇌 활성화 차이는 통계적 검증을 통해 p < 0.
대상자들은 눈을 감은 채 앙와위로 누워 검사를 시행하였으며, 몸의 움직임으로 인한 영향을 최소화하기 위해 고정 기구를 사용해 전완을 내전상태로 유지하였다. 20초간의 운동기와 20초간의 휴식기를 반복하였으며, 운동기에는 메트로놈을 이용하여 1Hz의 빈도로 수지의 쥐기와 펴기 동작을 반복하였고 각각의 휴지기와 운동기를 3회(총60) 반복하였다.
모든 영상은 전교련과 후교련을 연결한 선(AC-PC line)에 평행이 되도록 경축면(transaxial)으로 얻었으며, 해부학적 영상은 T1 강조영상을 얻었다 (13 axial, slice thickness 5 mm, matrix 128×128, FOV 210 mm).
본 저자들은 기능적 뇌 자기공명영상과 확산텐서영상의 합성 기법을 이용하여 피질척수로의 기능적 연결성과 해부학적 연결성을 3차원적으로 재구성하였으며, 정량적 분석을 통해 부위에 따른 분할 비등방성과 현성 확산계수 값의 차이를 확인하였다. 본 연구의 결과는 앞으로 뇌손상 후 피질척수로의 손상정도와 뇌가소성에 의한 운동신경 회복기전의 정확한 평가 및 추적 연구에 도움 될 것으로 사료된다.
영상촬영조건은 확산강조 경사자장의 방향수 32방향, Matrix 128×128, field of view = 221×221 mm2 , TR/TE/FA 10,726 ms／76 ms／90º, EPI factor=67, bvalue= 1000 s/mm2 , NEX=1, thickness = 2.3 mm로 하였다.
한편, 기능적 뇌 자기공명영상과 확산텐서영상의 합성기법을 이용한 기존 피질척수로의 영상화는, 중뇌 이하에서 내측 섬유 띠와 소뇌각과의 구분에 제한이 있었으며, 단수 ROI로 이용되는 경우가 많았다. 이에 본 연구방법은 기능적 뇌 자기공명영상 에서 손의 운동에 의하여 활성화된 일차 감각운동 영역을 시작 ROI로, 목표 ROI은 이미 공통으로 지나가는 경로만을 취하여 뇌교 아래인 연수까지 주행하는 피질척수로를 명확하게 3차원 영상화하였으며, 이전 해부학적 및 영상학적 경로와 일치하였다. 따라서 본 연구결과는 피질과 피질 하 영역에서 피질척수로의 상태 및 변화를 3차원적으로 연구하는 데 적용될 수 있을 것으로 사료된다.
혈액산소수준의존(blood oxygenation level dependent, BOLD) fMRI 영상은 1.5 T MR 기기(Philips Gyroscan Intera system)에서 두부코일을 사용하여 경사자장 방향 EPI 기법을 적용하였다 (TR/TE= 2 sec/6 ms, FOV 210 mm, matrix 64×64, slice thickness 5 mm).
대상 데이터
모든 영상은 전교련과 후교련을 연결한 선(AC-PC line)에 평행이 되도록 경축면(transaxial)으로 얻었으며, 해부학적 영상은 T1 강조영상을 얻었다 (13 axial, slice thickness 5 mm, matrix 128×128, FOV 210 mm). 기능적 자기공명영상은 1인당 총 780개의 영상을 획득하였다. 기능적 자기공명영상 자료는 MATLAB (Mathwork INC.
모든 대상자는 기능적 자기공명 영상과 DtiStudio 확산텐서 영상에서 일측 손의 운동 시 반대 측 대뇌피질의 일차 감각운동 영역을 중심으로 활성화가 보였다 (Fig. 1a).
본 연구에서는 Synergy-L Sensitivity Endocinding (SENSE) 두부코일을 장착한 1.5T MR 기기 (Philips Gyroscan Intera system)를 사용하였다. 영상 기법은 180º무선주파수 진동(radio frequency pulse) 전 후의 두 확산-민감 변화도로 single-shot spin echo EPI를 사용하였고, 자동 조정장치 교정(navigator echo-phase correction)은 동작 교정장치(motion correction)로 채택되었다.
연구 대상자는 과거 병력상 신경학적 증상이 없고, 에딘버그 손잡이 검사(17)에서 오른손이 우성으로 판명된 10명의 정상 성인(남자 8명, 여자 2명, 평균 연령 29.5±5.7세)을 대상으로 하였다.
영상 기법은 180º무선주파수 진동(radio frequency pulse) 전 후의 두 확산-민감 변화도로 single-shot spin echo EPI를 사용하였고, 자동 조정장치 교정(navigator echo-phase correction)은 동작 교정장치(motion correction)로 채택되었다. 영상 범위는 전교련-후교련 연결선에 평행하게 60개의 인접하는 절편영상을 획득하였다. 영상촬영조건은 확산강조 경사자장의 방향수 32방향, Matrix 128×128, field of view = 221×221 mm2 , TR/TE/FA 10,726 ms／76 ms／90º, EPI factor=67, bvalue= 1000 s/mm2 , NEX=1, thickness = 2.
데이터처리
0 for window를 이용하여, 대상자의 나이 및 성별의 분포에 대한 자료는 평균과 표준편차를 이용한 기술통계를 실시하였다. 또한 분할 비등방성 및 현성 확산계수를 종속변수로 설정하여, 이에 대한 각 부위별 좌우 측의 차이와 좌측 및 우측에서의 부위에 따른 각 종속변수의 차이를 일원배치분산 분석(one way ANOVA)을 실시하였고, 사후 분석은 bonferroni를 통해 검증 하였다. 통계적 유의 수준으로 p < 0.
본 연구에서 수집된 자료는 SPSS version 15.0 for window를 이용하여, 대상자의 나이 및 성별의 분포에 대한 자료는 평균과 표준편차를 이용한 기술통계를 실시하였다. 또한 분할 비등방성 및 현성 확산계수를 종속변수로 설정하여, 이에 대한 각 부위별 좌우 측의 차이와 좌측 및 우측에서의 부위에 따른 각 종속변수의 차이를 일원배치분산 분석(one way ANOVA)을 실시하였고, 사후 분석은 bonferroni를 통해 검증 하였다.
휴식기와 운동기의 뇌 활성화 차이는 통계적 검증을 통해 p < 0.001(uncorrected)일 때 의미 있게 활성화된 부위로 간주하였다.
이론/모형
영상 기법은 180º무선주파수 진동(radio frequency pulse) 전 후의 두 확산-민감 변화도로 single-shot spin echo EPI를 사용하였고, 자동 조정장치 교정(navigator echo-phase correction)은 동작 교정장치(motion correction)로 채택되었다.
성능/효과
본 연구는 정상인에서 기능적 뇌 자기공명영상과 확산텐서영상의 합성기법을 이용하여 피질척수로를 3차원 영상화하였으며, 기존의 확산텐서영상에서 구현된 피질척수로와 비교하여 모양과 주행경로가 일치하는 것을 확인하였다. 피질척수로의 부위에 따른 정량적 분석을 통하여 좌우의 중뇌와 내막 후지가 다른 부위보다 분할 비등방성이 높은 결과를 얻었다.
10로 가장 낮았다. 부위에 따른 통계학적 유의성을 살펴 본 결과 우측 피질척수로는 중뇌가 연수에 비하여 높았으며, 좌측 피질척수로는 중뇌가 연수, 뇌교, 부채살에 비하여 그리고 내막 후지가 연수와 뇌교에 비하여 높았다 (Fig. 2).
또한, 미만성 축삭손상으로 인한 피질척수로의 국소병변 또는 근위축성 축삭경화증 환자군와 정상군에서 연수부터 부채살까지 포함한 정량적 분석이 시행된 바 있다(21-23). 상기 결과에서 정상군의 분할 비등방성은 내막 후지와 중뇌에서 0.65~0.67와 0.65~0.75로, 각각 0.45~0.55와 0.30~0.56의 값을 보인 뇌교와 연수보다 높았으며, 현성 확산계수는 다양하게 제시되었다. 한편, 본 연구를 통해 최초로 시도된 기능적 뇌 자기공명영상과 확산텐서영상의 합성기법을 이용한 피질척수로의 부위별에 따른 정량적 분석에서, 분할 비등방성은 좌우의 내막 후지와 중뇌에서 각각 0.
04로 가장 낮았다. 통계학적 유의성은 우측 피질척수로의 부위 내에서 없었으며, 좌측 피질척수로는 연수가 부채살에 비해 유의하게 높았다 (Fig. 3). 피질척수로의각 구간에서 좌우 비교에 따른 분할 비등방성과 현성 확산계수 값의 통계학적 유의성은 없었다 (p > 0.
본 연구는 정상인에서 기능적 뇌 자기공명영상과 확산텐서영상의 합성기법을 이용하여 피질척수로를 3차원 영상화하였으며, 기존의 확산텐서영상에서 구현된 피질척수로와 비교하여 모양과 주행경로가 일치하는 것을 확인하였다. 피질척수로의 부위에 따른 정량적 분석을 통하여 좌우의 중뇌와 내막 후지가 다른 부위보다 분할 비등방성이 높은 결과를 얻었다.
56의 값을 보인 뇌교와 연수보다 높았으며, 현성 확산계수는 다양하게 제시되었다. 한편, 본 연구를 통해 최초로 시도된 기능적 뇌 자기공명영상과 확산텐서영상의 합성기법을 이용한 피질척수로의 부위별에 따른 정량적 분석에서, 분할 비등방성은 좌우의 내막 후지와 중뇌에서 각각 0.67~0.70과 0.71~0.75 로 부채살, 뇌교, 연수와 비교하여 높게 나타났는데, 이는 기존의 연구 결과와 거의 일치하는 것으로 본 연구방법과 결과에 대한 정확성과 신뢰도를 뒷받침하고 있다.
후속연구
그러나 본 연구의 한계점으로 피질척수로의 일차 감각운동 영역을 중심으로 시작 ROI 로 국한함으로써 보조 운동 영역 (supplementary motor area)과 전운동 영역(premotor cortex)에서 기원된 피질척수로를 파악하는 데 제한이 있다. 앞으로 기능적 뇌 자기공명영상에서 활성화된 대뇌피질의 성질을 보다 잘 반영할 수 있는 probabilistic fiber tracking 알고리즘과의 비교 연구가 고려되어야 할 것으로 보인다.
이에 본 연구방법은 기능적 뇌 자기공명영상 에서 손의 운동에 의하여 활성화된 일차 감각운동 영역을 시작 ROI로, 목표 ROI은 이미 공통으로 지나가는 경로만을 취하여 뇌교 아래인 연수까지 주행하는 피질척수로를 명확하게 3차원 영상화하였으며, 이전 해부학적 및 영상학적 경로와 일치하였다. 따라서 본 연구결과는 피질과 피질 하 영역에서 피질척수로의 상태 및 변화를 3차원적으로 연구하는 데 적용될 수 있을 것으로 사료된다. 또한 피질척수로의 부위별 분할 비등방성에 대한 측정은 피질척수로의 미세한 손상 확인 및 운동신경 회복 전후 피질척수로의 변화를 정량적 평가하는데 객관적 자료로 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
따라서 본 연구결과는 피질과 피질 하 영역에서 피질척수로의 상태 및 변화를 3차원적으로 연구하는 데 적용될 수 있을 것으로 사료된다. 또한 피질척수로의 부위별 분할 비등방성에 대한 측정은 피질척수로의 미세한 손상 확인 및 운동신경 회복 전후 피질척수로의 변화를 정량적 평가하는데 객관적 자료로 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
본 저자들은 기능적 뇌 자기공명영상과 확산텐서영상의 합성 기법을 이용하여 피질척수로의 기능적 연결성과 해부학적 연결성을 3차원적으로 재구성하였으며, 정량적 분석을 통해 부위에 따른 분할 비등방성과 현성 확산계수 값의 차이를 확인하였다. 본 연구의 결과는 앞으로 뇌손상 후 피질척수로의 손상정도와 뇌가소성에 의한 운동신경 회복기전의 정확한 평가 및 추적 연구에 도움 될 것으로 사료된다.
그러나 본 연구의 한계점으로 피질척수로의 일차 감각운동 영역을 중심으로 시작 ROI 로 국한함으로써 보조 운동 영역 (supplementary motor area)과 전운동 영역(premotor cortex)에서 기원된 피질척수로를 파악하는 데 제한이 있다. 앞으로 기능적 뇌 자기공명영상에서 활성화된 대뇌피질의 성질을 보다 잘 반영할 수 있는 probabilistic fiber tracking 알고리즘과의 비교 연구가 고려되어야 할 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
피질척수로의 여러 부위에서 정량적 특성하기 위해 이용한 기법은?
목적 : 기능적 뇌 자기공명영상 (fMRI)과 확산텐서영상(DTI) 합성기법을 이용하여 피질척수로의 여러 부위에서 정량적 특성을 연구하고자 하였다. 대상 및 방법 : 신경학적 이상이 없는 정상인 10명 (남: 8, 여: 2, 평균연령: 30세, 연령분포 : 22 -38세)을 대상으로 하였다.
확산텐서영상을 이용한 정상 피질척수로에 대한 부위별 최초의 정량적 연구는 Virta 등(20)이 연령, 성별, 좌우에 따라 대뇌각, 뇌교, 연수에서 분할 비등방성, 현성 확산계수, 주요 확산력을 제시하였는데 그 결과는?
확산텐서영상을 이용한 정상 피질척수로에 대한 부위별 최초의 정량적 연구는 Virta 등(20)이 연령, 성별, 좌우에 따라 대뇌각, 뇌교, 연수에서 분할 비등방성, 현성 확산계수, 주요 확산력을 제시하였다. 그 결과 분할 비등방성은 대뇌각이 가장 높았 으며 연수, 뇌교 순으로, 성별과 좌우에 따른 차이는 없었지만 낮은 연령군이 높은 연령군보다 대뇌각에서 유의하게 높은 것으로 보고하였다. 그 후 Stieltjes 등(15)은 뇌간의 연수, 뇌교, 중뇌에서 피질척수로, 내측 섬유띠와 소뇌각에 대한 정량적 분석으로 피질척수로의 분할 비등방성은 중뇌의 값은 Virta 등과 일치하였으나, 중뇌, 뇌교에서는 다른 결과를 보고 하였다.
대상자들이 고정 기구를 사용해 전완을 내전상태로 유지한 이유는?
대상자들은 눈을 감은 채 앙와위로 누워 검사를 시행하였으며, 몸의 움직임으로 인한 영향을 최소화하기 위해 고정 기구를 사용해 전완을 내전상태로 유지하였다. 20초간의 운동기와 20초간의 휴식기를 반복하였으며, 운동기에는 메트로놈을 이용하여 1Hz의 빈도로 수지의 쥐기와 펴기 동작을 반복하였고 각각의 휴지기와 운동기를 3회(총60) 반복하였다.
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