정상노인 및 경도인지장애 및 알츠하이머성 치매 환자에서의 한국인 뇌 구조영상 표준판 개발 Development of a Korean Standard Structural Brain Template in Cognitive Normals and Patients with Mild Cognitive Impairment and Alzheimer's Disease원문보기
목적 : 자기공명영상을 이용한 치매연구에서 삼차원 T1강조 뇌 구조 영상으로 뇌기능을 분석할 경우 복셀 기반 형태분석 방법이 이용 된다. 그러나 일반적으로 The Montreal Neurological Institute (MNI) 152 라는 젊은 서양성인 뇌로 만들어진 표준판에 정규화되고 이는 분석오차가 생길 수 있어 한국 노인 및 치매환자의 뇌를 분석할 경우 부정확한 결과를 초래한다. 따라서, 본 연구의 목적은 뇌 분석을 최적화 하기 위해 한국 노인 및 치매 환자의 뇌 구조 영상의 표준판을 개발하는데 있다. 대상 및 방법 : 검사장비는 3테슬러를 이용하였으며 8채널 SENSE (sensitivity encoding) 머리코일을 이용하였다. 펄스열은 삼차원 T1 강조 터보 경사자장 타입으로 뇌의 해부학 영상을 획득하였다. 신경심리 검사 점수결과에 따라 정상 노인 43명, 경도인지장애 환자 44명, 알츠하이머성 치매 환자 36명 의 세 그룹으로 나누었다. 일반 선형 모델 방정식을 사용하여 나이와 성별 및 질환간의 차이에 의한 인자를 고려 하였으며, 평가된 인자는 쌍일치 접근 방법으로 한국 노인과 치매 환자의 뇌 표준판을 만들었다. 두 표준판의 Talairach 기준 점에 따른 평균거리와 뇌실의 거리를 계산하였다. 또한 뇌 전체 영역에서 회백질과 백질을 확률이 50% 이상인 복셀 개수를 세어 회백질과 백질의 영역을 계산하였다. 결과 : 최종 뇌 표준판은 MNI152뇌 표준판과 비교했을 경우 공간 분해능이 높았고, 평균거리와 뇌실의 크기에서 차이가 있었다. 회백질 및 백질의 영역은 본 연구에서 개발한 뇌 표준판의 회백질과 백질 모두에서 더 적었고, 백질보다 회백질에서 더 많은 차이가 있었다. 결론 : 본 연구에서 개발한 한국 뇌 표준판은 앞으로 한국 노인과 치매환자의 질환을 분석하는 연구에 유용할 것으로 생각된다.
목적 : 자기공명영상을 이용한 치매연구에서 삼차원 T1강조 뇌 구조 영상으로 뇌기능을 분석할 경우 복셀 기반 형태분석 방법이 이용 된다. 그러나 일반적으로 The Montreal Neurological Institute (MNI) 152 라는 젊은 서양성인 뇌로 만들어진 표준판에 정규화되고 이는 분석오차가 생길 수 있어 한국 노인 및 치매환자의 뇌를 분석할 경우 부정확한 결과를 초래한다. 따라서, 본 연구의 목적은 뇌 분석을 최적화 하기 위해 한국 노인 및 치매 환자의 뇌 구조 영상의 표준판을 개발하는데 있다. 대상 및 방법 : 검사장비는 3테슬러를 이용하였으며 8채널 SENSE (sensitivity encoding) 머리코일을 이용하였다. 펄스열은 삼차원 T1 강조 터보 경사자장 타입으로 뇌의 해부학 영상을 획득하였다. 신경심리 검사 점수결과에 따라 정상 노인 43명, 경도인지장애 환자 44명, 알츠하이머성 치매 환자 36명 의 세 그룹으로 나누었다. 일반 선형 모델 방정식을 사용하여 나이와 성별 및 질환간의 차이에 의한 인자를 고려 하였으며, 평가된 인자는 쌍일치 접근 방법으로 한국 노인과 치매 환자의 뇌 표준판을 만들었다. 두 표준판의 Talairach 기준 점에 따른 평균거리와 뇌실의 거리를 계산하였다. 또한 뇌 전체 영역에서 회백질과 백질을 확률이 50% 이상인 복셀 개수를 세어 회백질과 백질의 영역을 계산하였다. 결과 : 최종 뇌 표준판은 MNI152뇌 표준판과 비교했을 경우 공간 분해능이 높았고, 평균거리와 뇌실의 크기에서 차이가 있었다. 회백질 및 백질의 영역은 본 연구에서 개발한 뇌 표준판의 회백질과 백질 모두에서 더 적었고, 백질보다 회백질에서 더 많은 차이가 있었다. 결론 : 본 연구에서 개발한 한국 뇌 표준판은 앞으로 한국 노인과 치매환자의 질환을 분석하는 연구에 유용할 것으로 생각된다.
Purpose : To generate a Korean specific brain template, especially in patients with Alzheimer's disease (AD) by optimizing the voxel-based analysis. Materials and Methods : Three-dimensional T1-weighted images were obtained from 123 subjects who were 43 cognitively normal subjects and patients with ...
Purpose : To generate a Korean specific brain template, especially in patients with Alzheimer's disease (AD) by optimizing the voxel-based analysis. Materials and Methods : Three-dimensional T1-weighted images were obtained from 123 subjects who were 43 cognitively normal subjects and patients with 44 mild cognitive impairment (MCI) and 36 AD. The template and the corresponding aprior maps were created by using the matched pairs approach with considering differences of age, gender and differential diagnosis (DDX). We measured several characteristics in both our and the MNI templates, including in the ventricle size. Also, the fractions of gray matter and white matter voxels normalized by the total intracranial were evaluated. Results : The high resolution template and the corresponding aprior maps of gray matter, white matter (WM) and CSF were created with the voxel-size of $1{\times}1{\times}1\;mm$. Mean distance measures and the ventricle sizes differed between two templates. Our brain template had less gray matter and white matter areas than the MNI template. There were volume differences more in gray matter than in white matter. Conclusion : Gray matter and/or white matter integrity studies in populations of Korean elderly and patients with AD are needed to investigate with this template.
Purpose : To generate a Korean specific brain template, especially in patients with Alzheimer's disease (AD) by optimizing the voxel-based analysis. Materials and Methods : Three-dimensional T1-weighted images were obtained from 123 subjects who were 43 cognitively normal subjects and patients with 44 mild cognitive impairment (MCI) and 36 AD. The template and the corresponding aprior maps were created by using the matched pairs approach with considering differences of age, gender and differential diagnosis (DDX). We measured several characteristics in both our and the MNI templates, including in the ventricle size. Also, the fractions of gray matter and white matter voxels normalized by the total intracranial were evaluated. Results : The high resolution template and the corresponding aprior maps of gray matter, white matter (WM) and CSF were created with the voxel-size of $1{\times}1{\times}1\;mm$. Mean distance measures and the ventricle sizes differed between two templates. Our brain template had less gray matter and white matter areas than the MNI template. There were volume differences more in gray matter than in white matter. Conclusion : Gray matter and/or white matter integrity studies in populations of Korean elderly and patients with AD are needed to investigate with this template.
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문제 정의
따라서 본 연구의 목적은 50대에서 80대 사이의 한국 정상노인 (Cognitive Normal), 경도인지장애 (Mild Cognitive Impairment)환자, 알츠하이머성 치매 (Alzheimer’s disease, AD)환자군의 삼차원T1강조영상을 각 회백질 (Gray matter), 백질 (White matter) 뇌척수액 (Cerebrospinal Fluid)의 조직맵 (tissue maps)으로 분할한 뒤 특정 뇌 표준판을 만들고 MNI152 표준판과 비교하여 한국 노인 및 치매 환자의 뇌 분석을 최적화하기 위한 방법을 연구하는데 있다.
성별을 인자로 사용한 이유는 치매환자가 대체적으로 여성에 많이 발병되고 본 연구에 이용된 피험자의 경우 남자와 여자 간의 성별의 차이가 있기 때문이다. 또한 환자군을 인자로 사용한 이유는 세가지 (정상군, 경도인지장애군, 치매환자군) 다른 군간의 차이점을 보정해 주기 위해서이다. 따라서 우리의 모델을 평가하기 위하여 일반 선형 모델 (general linear model)방정식을 사용하였고 최종적으로 나타나는 영상은 각 복셀에 대한 나이에 따른 4개의 인자와 하나의 성별 및 하나의 DDX 차이에 따른 조직맵을 얻었다.
본 연구는 한국 노인 및 치매환자들의 뇌기능을 분석하기 위한 삼차원T1강조 영상을 이용한 복셀기반 형태분석에서 SPM5프로그램을 이용해 뇌 표준판에 공간 정규화 할 경우 분석오차를 최소화하기 위해서 뇌 구조 영상의 표준판을 개발하는 연구를 시행하였다. 50~80대 사이 한국 노인 및 치매환자에 조직맵 (회백질, 백질 및 뇌척수액)을 분할한 뒤, 평가 (estimation)와 생성 (creation)과정을 통해 한국 노인과 치매환자의 세분화 된 특정 뇌 표준판을 완성하였다.
본 연구에서는 자기공명영상을 이용한 한국 노인 및 치매환자에서 뇌기능의 활성화된 영역을 찾기 위한 복셀 기반 형태분석 (Voxel-Based Morphometry, VBM)을 위하여 삼차원T1 강조 뇌 구조 영상을 분할하고 특정 뇌 표준판을 만드는 연구를 시행하였다.
제안 방법
본 연구는 한국 노인 및 치매환자들의 뇌기능을 분석하기 위한 삼차원T1강조 영상을 이용한 복셀기반 형태분석에서 SPM5프로그램을 이용해 뇌 표준판에 공간 정규화 할 경우 분석오차를 최소화하기 위해서 뇌 구조 영상의 표준판을 개발하는 연구를 시행하였다. 50~80대 사이 한국 노인 및 치매환자에 조직맵 (회백질, 백질 및 뇌척수액)을 분할한 뒤, 평가 (estimation)와 생성 (creation)과정을 통해 한국 노인과 치매환자의 세분화 된 특정 뇌 표준판을 완성하였다. 각 기준점들간의 평균 거리와 뇌실의 거리를 쟀을 경우 두 표준판에 유의미한 차이가 있었다.
회백질, 백질, 뇌척수액과 각각에 공유되는 cluster의 세기 분포를 위해 Gaussiansper class = 2 × 2 × 2 × 4 voxels로 하였고 지역적으로 이미지를 최적화 하기위해 아핀 조정 (affine Regularisation)과 조직맵을 등록시키기 위한 뒤틀림 조정 (Warping Regularisation)=1, 뒤틀림 주파수 끊어버림 (Warp Frequency cutoff)은 25 mm로 하였으며 비선형 조정 (nonlinear regularization)은“very light regularization”으로 하였다. FWHM (full width half maximum)은 70 mm로 중첩적분하여 편평화 (smoothing)하였다. 회백질, 백질, 뇌척수액의 조직맵을 평균 영상에 비선형방법 (Non-linear only)으로 정규화하고 최종적으로 삼차원 복셀 크기를 1 × 1 × 1 mm로 하였다.
다음으로 SPM5 (Statistical Parametric Mapping 5, Wellcome Departmentof Imaging Neuroscience, University College London, UK) 프로그램에서 제공한 VBM5(Voxel-Based Morphometry 5) 소프트웨어[23]를 사용하여 각 삼차원 T1강조 뇌 구조를 회백질(Gray Matter), 백질(White Matter), 뇌척수액 (Cerebrospinal Fluid)의 조직맵 (Tissue maps)으로 분할하였다. 회백질, 백질, 뇌척수액과 각각에 공유되는 cluster의 세기 분포를 위해 Gaussiansper class = 2 × 2 × 2 × 4 voxels로 하였고 지역적으로 이미지를 최적화 하기위해 아핀 조정 (affine Regularisation)과 조직맵을 등록시키기 위한 뒤틀림 조정 (Warping Regularisation)=1, 뒤틀림 주파수 끊어버림 (Warp Frequency cutoff)은 25 mm로 하였으며 비선형 조정 (nonlinear regularization)은“very light regularization”으로 하였다.
7). 다음으로 생성 (creation) 단계를 통해 평가 (estimation)된 변화인자를 이용하여 공변량 값을 마찬가지로 나이와 성별로 하여 쌍일치접근 (matched pairs approach)방법으로 하여 각각 변수에 대하여 각 조직맵을 만들고 한국 노인 및 치매환자의 뇌 표준판을 만들었다.
2). 또한 MNI 뇌 표준판과 한국 노인 및 치매환자의 뇌실의 크기를 알기 위해 a부터 e까지의 특정 영역을 선정하여 각각에 따른 거리를 수동적으로 계산하였다. 그 결과 전반적으로 두 표준판에서 뇌실의 크기에 따른 차이가 있었다 (Fig.
반향 시간 (echo time, TE)=3.7 ms, 반복시간 (repetition time, TR)=8.1 ms, 반전시간 (inversion time, TI)=1013.4 ms, 시야 (field of view)=236 × 236 mm, 매트릭스크기 (matrix size)=236 × 236 mm, 복셀 크기 (voxel size)=1 × 1 × 1 mm, 영상획득 방향=시상면 (sagittal), 절편두께 (slice thickness)=1 mm, 절편수 (Slice)=326, 슬라이스 방향 평행인자 (SENSE factor)=2.5, 숙임각 (Flip angle)=8º로 총 영상획득 시간은 4분 35초 였다.
본 연구에서 구조영역별 표준판을 완성하기 위하여 SPM5프로그램에서 제공된VBM5 소프트웨어 (23)를 이용 하여 뇌 구조를 회백질 (Gray matter, GM), 백질 (White matter, WM) 및 뇌척수액 (Cerebrospinal Fluid, CSF)으로 분할하여 조직맵 (tissue maps)으로 구분 하였다. 그 결과 각각의 조직맵이 명확하게 관찰되었고 본 연구에서 사용한 VBM5 소프트웨어가 정상인과 환자군 모두에서 조직맵을 잘 분할 하여 뇌 표준판 및 표준 조직맵이 생성되는데 큰 문제가 없음을 알 수 있었다 (Fig.
2). 분할된 구조 조직 별 뇌 표준판을 만들기 위해 TOM 소프트웨어 (25)를 이용한 두 단계를 시행 하였다. 첫번째 단계는 평가 (estimation) 로서 나이와 성별, 환자군 차이에 따른 영향을 얻기 위하여 다중 회기 모델 (multiple regression model)방정식을 사용하여 변수에 따른 변화 값 (beta)을 얻는 과정이다.
05). 성별과 나이에 유의한 차이가 있었으므로, 본 연구에서 만드는 뇌 표준판에 전체 피험자의 성별을 공변량 값으로 사용하였고, 전체 피험자에 대한 나이와 3개의 피험자 군 (CN, MCI, AD)에 대해서도 뇌 표준판을 생성할 때에 공변량 값으로 사용하였다.
1에서는 본 연구에서 뇌 표준판을 얻기 위하여 사용한 각 단계를 나타내고 있다. 영상을 표준판으로 정합하는 과정의 오차를 줄이기 위하여 총 123명 각각의 삼차원 T1강조 뇌영상을 전교련 (anterior commissure, AC)과 후교련 (posterior commissure, PC)선을 중심으로 위치 조정 하였다.
회백질, 백질, 뇌척수액과 각각에 공유되는 cluster의 세기 분포를 위해 Gaussiansper class = 2 × 2 × 2 × 4 voxels로 하였고 지역적으로 이미지를 최적화 하기위해 아핀 조정 (affine Regularisation)과 조직맵을 등록시키기 위한 뒤틀림 조정 (Warping Regularisation)=1, 뒤틀림 주파수 끊어버림 (Warp Frequency cutoff)은 25 mm로 하였으며 비선형 조정 (nonlinear regularization)은“very light regularization”으로 하였다.
회백질, 백질, 뇌척수액의 조직맵을 평균 영상에 비선형방법 (Non-linear only)으로 정규화하고 최종적으로 삼차원 복셀 크기를 1 × 1 × 1 mm로 하였다.
Table 2는 정규화된 MNI152표준판과 본 연구에서 개발한 뇌 표준판 각각의 특징을 비교한 결과이다. 회백질과 백질은 뇌 전체 영역 중에서 회백질과 백질의 영역을 확률이 50% 이상인 복셀 개수를 세어 계산하였다. 회백질의 경우 한국 노인 및 치매환자의 뇌 표준판은 MNI152에 비하여 약 20% 적었고, 백질의 경우 2.
평균적으로 이들 표준 뇌 영상은 현재 SPM5 프로그램에서 사용하고 있는 MNI152 뇌 표준판의 복셀 크기 2 × 2 × 2 mm과 비교하면 한국 노인 및 치매 환자의 뇌 표준판의 복셀크기는 1 × 1× 1 mm로 공간 분해능 (spatial resolution)이 뛰어남을 보여 주었다. 회백질과 백질의 영역을 조사하기 위해서 뇌 전체 영역에 따른 회백질과 백질의 확률이 50% 이상인 복셀 개수를 세어 계산하였다. 회백질의 경우 한국 노인 및 치매환자의 뇌 표준판은 34.
대상 데이터
Each subject is a 70 years-old woman.
본 연구는 연구를 주관한 기관의 임상실험인증을 받은 후에 실시하였으며, 모든 피험자에서 참여 동의서를 획득하고 연구를 진행하였다. 대상군은 표준 신경심리검사(Seoul Neuropsychological Screening Battery, SNSB)를 수행하고 MRI뇌 영상을 얻었다. SNSB검사는 주의집중능력, 언어 및 그와 관련된 기능, 시공간 기능, 기억력 및 전두엽, 집행기능의 5가지 인지영역을 평가 함으로써 치매환자를 진단하는 신경심리검사이다.
피험자 군의 분류는 SNSB 검사를 바탕으로 이루어 졌다. 본 연구에 참여한 총 피험자는 148명 이었으며 이중 25명은 피험자의 움직임이나 MRI뇌 영상을 판독한 결과 뇌에 병변이 있는 경우로 본 연구에서 배제되었다. 최종적으로 정상 노인 43명(평균나이64.
검사 장비는 3테슬러 (Tesla) 자기공명영상장치 (Philips, Achieva, Best, The Netherlands)를 이용하였으며 8 채널 SENSE (Sensitivity encoding) 머리 코일을 이용하였다. 사용한 펄스열(pulse sequence)은 뇌척수액 신호를 최소화시킬 수 있는 반전 (inversion recovery) T1 강조 터보경사자장 타입의 삼차원T1강조 영상이고, 사용된 인자는 다음과 같다. 반향 시간 (echo time, TE)=3.
본 연구에 참여한 총 피험자는 148명 이었으며 이중 25명은 피험자의 움직임이나 MRI뇌 영상을 판독한 결과 뇌에 병변이 있는 경우로 본 연구에서 배제되었다. 최종적으로 정상 노인 43명(평균나이64.9세; 표준편차7.6세; 나이범위50-82세; 남자15명, 여자28명), MCI환자44명 (평균나이67.7세; 표준편차7.69세; 나이범위50-83세; 남자20명, 여자22명),AD환자36명 (평균나이72.7세; 표준편차9.2세; 나이범위53-87세;남자7명, 여자29명)이 본 연구에 포함되었다. 이들을 정리한 내용이 Table 1에 있다.
데이터처리
첫번째 평가단계는 나이(age)와 성별 (gender), 환자군(differential diagnosis, DDX)에 따른 영향을 고려하기 위하여 다중 회기 모델 (multiple regression model)을 사용하였다. 나이를 인자로 사용한 이유는 전체 피험자의 나이 분포가 50~87세로 넓게 분포되었기 때문이며, 나이에 대한 회귀 모델(regression model)을 3차 다항식으로 계산을 하였다(26). 성별을 인자로 사용한 이유는 치매환자가 대체적으로 여성에 많이 발병되고 본 연구에 이용된 피험자의 경우 남자와 여자 간의 성별의 차이가 있기 때문이다.
성별을 인자로 사용한 이유는 치매환자가 대체적으로 여성에 많이 발병 되고 본 연구에 이용된 피험자의 경우 남자와 여자 간의 성별의 차이가 있기 때문에 인자로 선택하였고 환자군 차이를 인자로 사용한 이유는 세가지 (정상군, 경도인지장애군, 치매환자군) 다른 군간의 차이점을 보정해 주기 위함이다. 이러한 인자들은 student t-test를 통한 각 군간의 성별과 나이를 비교하여 나타난 결과를 바탕으로 선택되었다. 성별에서의 차이는 정상인(CN)과 MCI환자, 정상인과 AD환자 사이에서 통계적으로 별 차이가 없었지만(p > 0.
이론/모형
VBM5를이용하여 얻은 모든 대상의 삼차원T1강조 영상과 분할된 조직맵 (회백질,백질, 뇌척수액)의 뇌 표준판을 만들기 위해 SPM5프로그램의 TOM (Template-O-Matic) 소프트웨어를 사용하였다(25). 표준판을 만드는 과정은 평가(estimation)와 표준판 생성 (creation) 두 단계로 이루어 졌다.
검사 장비는 3테슬러 (Tesla) 자기공명영상장치 (Philips, Achieva, Best, The Netherlands)를 이용하였으며 8 채널 SENSE (Sensitivity encoding) 머리 코일을 이용하였다. 사용한 펄스열(pulse sequence)은 뇌척수액 신호를 최소화시킬 수 있는 반전 (inversion recovery) T1 강조 터보경사자장 타입의 삼차원T1강조 영상이고, 사용된 인자는 다음과 같다.
다음으로 위에서 얻어진 평가된 파라미터 인자를 이용하여 각각의 변수와 피험자에 대한 T1강조영상 (Whole brain)과 조직맵 (회백질, 백질, 뇌척수액)을 만든 후 최종적으로 평균된 표준판을 만드는 방법인 쌍일치접근법 (Matched pairs approach)을 사용하여 최종 표준판 생성하였다.
05) (Table1). 따라서 우리의 모델을 평가하기 위하여 일반 선형 모델 (general linear model) 방정식을 사용하여각 복셀에 대한 T1강조영상과 회백질, 백질 및 뇌척수액의 나이에 따른 4개의 인자와 하나의 성별 및 환자군간의 차이에 따른 조직맵을 얻었다 (Fig. 7). 다음으로 생성 (creation) 단계를 통해 평가 (estimation)된 변화인자를 이용하여 공변량 값을 마찬가지로 나이와 성별로 하여 쌍일치접근 (matched pairs approach)방법으로 하여 각각 변수에 대하여 각 조직맵을 만들고 한국 노인 및 치매환자의 뇌 표준판을 만들었다.
또한 환자군을 인자로 사용한 이유는 세가지 (정상군, 경도인지장애군, 치매환자군) 다른 군간의 차이점을 보정해 주기 위해서이다. 따라서 우리의 모델을 평가하기 위하여 일반 선형 모델 (general linear model)방정식을 사용하였고 최종적으로 나타나는 영상은 각 복셀에 대한 나이에 따른 4개의 인자와 하나의 성별 및 하나의 DDX 차이에 따른 조직맵을 얻었다.
표준판을 만드는 과정은 평가(estimation)와 표준판 생성 (creation) 두 단계로 이루어 졌다. 첫번째 평가단계는 나이(age)와 성별 (gender), 환자군(differential diagnosis, DDX)에 따른 영향을 고려하기 위하여 다중 회기 모델 (multiple regression model)을 사용하였다. 나이를 인자로 사용한 이유는 전체 피험자의 나이 분포가 50~87세로 넓게 분포되었기 때문이며, 나이에 대한 회귀 모델(regression model)을 3차 다항식으로 계산을 하였다(26).
SNSB검사는 주의집중능력, 언어 및 그와 관련된 기능, 시공간 기능, 기억력 및 전두엽, 집행기능의 5가지 인지영역을 평가 함으로써 치매환자를 진단하는 신경심리검사이다. 피험자 군의 분류는 SNSB 검사를 바탕으로 이루어 졌다. 본 연구에 참여한 총 피험자는 148명 이었으며 이중 25명은 피험자의 움직임이나 MRI뇌 영상을 판독한 결과 뇌에 병변이 있는 경우로 본 연구에서 배제되었다.
성능/효과
student t-test를 이용한 각 군간의 성별의 차이는 정상인과 MCI환자 (p = 0.22)와 정상인과 AD환자 (p = 0.13) 사이에서 통계적으로 유의한 차이가 없었지만 (p > 0.05), MCI환자와 AD환자간 (p = 0.007)에는 성별에 따른 유의한 차이가 있었다 (p < 0.05).
본 연구에서 구조영역별 표준판을 완성하기 위하여 SPM5프로그램에서 제공된VBM5 소프트웨어 (23)를 이용 하여 뇌 구조를 회백질 (Gray matter, GM), 백질 (White matter, WM) 및 뇌척수액 (Cerebrospinal Fluid, CSF)으로 분할하여 조직맵 (tissue maps)으로 구분 하였다. 그 결과 각각의 조직맵이 명확하게 관찰되었고 본 연구에서 사용한 VBM5 소프트웨어가 정상인과 환자군 모두에서 조직맵을 잘 분할 하여 뇌 표준판 및 표준 조직맵이 생성되는데 큰 문제가 없음을 알 수 있었다 (Fig. 2). 분할된 구조 조직 별 뇌 표준판을 만들기 위해 TOM 소프트웨어 (25)를 이용한 두 단계를 시행 하였다.
또한 연령과 성별에 따른 정상 한국인 뇌실의 계측학적 연구에서 연령이 높을수록 뇌실의 크기가 크다고 보고 되었다(22). 그러므로 MNI 뇌 표준판로 한국 노인 뇌를 분석할 경우, 인종에 의한 오차나 연령과 성별에 의한 형태적 기능적인 오차가 생길 수 있어 한국인의 노화에 따른 뇌 기능 연구에 부정확한 결과를 가져올수 있다. 이 때문에 어린 환자군 혹은 나이가 많은 노인 환자군에서 얻은 영상을 분석하기 위해서는 연구 중심의 표준화된 특정 뇌 표준판이 필요하다.
그러나 두 연구간의 뇌 표준판과 크기가 다르기 때문에 크기를 비교하는데는 제한이 있었다. 뇌 전체 영역에 따른 회백질 및 백질의 영역를 확률로 계산하여 비교한 결과에서 회백질과 백질 영역 모두에서 한국 및 치매환자의 뇌 표준판이 더 작았고, 백질의 영역보다 회백질에서 더 많은 차이를 보였다. 또한 연구에 맞는 특별한 대상으로 개발한 표준판이 공간 분해능과 공간 해상도가 높음을 보여주었다.
2% 더 적었다. 대체적으로 본 연구에서 개발한 뇌 표준판의 회백질과 백질의 영역이 작았고, 백질보다 회백질 영역에서 더 많은 차이가 있었다. 비교한 결과로 보아 연령간에 차이와 인종간의 차이 때문에 발생한 것으로 판단된다.
2% 더 적었다. 대체적으로 본 연구에서 개발한 뇌 표준판의 회백질과 백질의 영역이 작았고, 백질보다 회백질에서 더 많은 차이가 있었다.
뇌 전체 영역에 따른 회백질 및 백질의 영역를 확률로 계산하여 비교한 결과에서 회백질과 백질 영역 모두에서 한국 및 치매환자의 뇌 표준판이 더 작았고, 백질의 영역보다 회백질에서 더 많은 차이를 보였다. 또한 연구에 맞는 특별한 대상으로 개발한 표준판이 공간 분해능과 공간 해상도가 높음을 보여주었다. 본 연구에서 개발한 뇌 표준판은 앞으로 한국 노인과 치매환자의 질환을 분석하는데에 기여 하고자 한다.
세명 모두에서 조직맵이 명확하게 관찰됨을 확인 할 수있다. 본 연구에서 사용한 VBM5 소프트웨어가 정상인과 환자군 모두에서 조직맵을 잘 분할 하여 뇌 표준판 및 표준 조직맵이 생성되는데 큰 문제가 없음을 알 수 있었다.
성별에서의 차이는 정상인(CN)과 MCI환자, 정상인과 AD환자 사이에서 통계적으로 별 차이가 없었지만(p > 0.05), MCI환자와 AD환자간에는 유의한 차이가 있었다 (p 0.05) 정상인과 AD환자 및 MCI환자와 AD환자간에는 유의한 차이가 있었다 (p < 0.05) (Table1).
4는 VBM5 소프트웨어를 이용한 대표적인 각 한 명의 정상인 (CN), MCI환자, AD환자에 대한 공간 정규화 후의 삼차원 T1강조 (Whole brain) 및 회백질 (GM), 백질 (WM), 뇌척수액 (CSF) 조직맵의 분할한 결과이다. 세명 모두에서 조직맵이 명확하게 관찰됨을 확인 할 수있다. 본 연구에서 사용한 VBM5 소프트웨어가 정상인과 환자군 모두에서 조직맵을 잘 분할 하여 뇌 표준판 및 표준 조직맵이 생성되는데 큰 문제가 없음을 알 수 있었다.
평균적으로 이들 표준 뇌 영상은 현재 SPM5 프로그램에서 사용하고 있는 MNI152 뇌 표준판의 복셀 크기 2 × 2 × 2 mm과 비교하면 한국 노인 및 치매 환자의 뇌 표준판의 복셀크기는 1 × 1× 1 mm로 공간 분해능 (spatial resolution)이 뛰어남을 보여 주었다.
한국 노인 및 치매 환자의 뇌 표준판과 MNI152 뇌 표준판의 각 기준점들간의 평균거리를 알기 위해 정의된8개의 Talairach 기준 점 (Talairach reference point) 중에서 본 연구에서는 6개의 기준 점을 선택 하여 각각의 거리를 수동적으로 계산 하였는데 그 결과로 AP-PP 거리에서 MNI152 뇌 표준판은 173.8 mm, 한국 노인의 뇌 표준판은 168.4 mm 이었고 RP-LP 거리는 각각 131 mm, 142.3 mm 이었으며 SP-IP 거리는 각각 129.7 mm와 126.4 mm이었다(Fig. 2). 또한 MNI 뇌 표준판과 한국 노인 및 치매환자의 뇌실의 크기를 알기 위해 a부터 e까지의 특정 영역을 선정하여 각각에 따른 거리를 수동적으로 계산하였다.
현재 SPM5에서 사용하고 있는 MNI152 뇌 표준판에서 복셀 크기 2 × 2 × 2 mm과 비교하면 노인 및 치매 환자의뇌 표준판의 복셀 크기는 1 × 1 × 1 mm로 공간 분해능(spatial resolution)이 높았다.
회백질과 백질의 영역을 조사하기 위해서 뇌 전체 영역에 따른 회백질과 백질의 확률이 50% 이상인 복셀 개수를 세어 계산하였다. 회백질의 경우 한국 노인 및 치매환자의 뇌 표준판은 34.9% 이었고 MNI152뇌 표준판은 54.9%로 본 연구에서의 뇌 표준판이 약 20% 적었고, 백질의 경우 각각 21.2%와 23.4%로 본 연구에서 개발한 뇌 표준판이 약2.2% 더 적었다. 대체적으로 본 연구에서 개발한 뇌 표준판의 회백질과 백질의 영역이 작았고, 백질보다 회백질 영역에서 더 많은 차이가 있었다.
후속연구
본 연구에서 개발한 뇌 표준판은 앞으로 한국 노인과 치매환자의 질환을 분석하는데에 기여 하고자 한다. 나아가 우리는 SPM5 프로그램을 사용했는데 현재까지 SPM8 프로그램이 개발되어 사용 중에 있고 앞으로 계속적인 소프트웨어 프로그램 발전을 통해 더 세밀한 분할과 평탄화, 운동물 (artifacts) 제거 등을 통한 정확한 분석과 판단이 가능해 질 것으로 기대해 본다.
또한 연구에 맞는 특별한 대상으로 개발한 표준판이 공간 분해능과 공간 해상도가 높음을 보여주었다. 본 연구에서 개발한 뇌 표준판은 앞으로 한국 노인과 치매환자의 질환을 분석하는데에 기여 하고자 한다. 나아가 우리는 SPM5 프로그램을 사용했는데 현재까지 SPM8 프로그램이 개발되어 사용 중에 있고 앞으로 계속적인 소프트웨어 프로그램 발전을 통해 더 세밀한 분할과 평탄화, 운동물 (artifacts) 제거 등을 통한 정확한 분석과 판단이 가능해 질 것으로 기대해 본다.
이번 연구에서 제한점은 피험자 군간의 성별과 나이의 차이가 유의하게 나타났는데 뇌 표준판을 만드는 과정에서 성별, 나이별 및 환자군별에 따른 차이 (Differential diagnosis, DDX)를 고려하여 만들어 연구의 단점을 극복하였다고 평가 할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
현재 가장 많이 사용되는 대표적인 뇌 구조 방법들은 어떤 것들이 있나요?
구조적 자기공명영상(Structural Magnetic Resonance Imaging, MRI)과 기능적 자기공명영상 (functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI)을 이용한 임상적용 및 인지과학 연구가 많이 진행되고 있다. 현재 가장 많이 사용되는 대표적인 뇌 구조 펄스열(pulse sequence)로 삼차원 T1 강조 (3Dimension-T1 Weighted Imaging)영상을 얻을 수 있는 MPRAGE (Magnetization Prepared Rapid acquisition Gradient Echo) (1) 혹은 SPGR (Spoiled Gradient-Recalled) (2) 방법이있다. 삼차원 T1강조 뇌 구조 영상을 이용한 특정영역을 분석 하기 위하여 관심영역 (Region of interest, ROI) 방법이 사용되나, 이 방법은 주관적인 판단에 의해 평가에 오차가 존재할 수있다 (3).
VBM을 통한 분석을 할 경우 어느 영역을 관찰하며, 어떤 환자로 전환됨을 예측 할 수 있나요?
노인 및 치매환자에 대한 뇌 연구를 할 경우에도 VBM을 통한 분석이 필요하다(7, 8). 이는 해마(hippocampus) 혹은 내후각내피질 (entorhinal cortex)과 같은 조직의 손상 또는 특질상 취약한 뇌 영역을 관찰하므로 정상노인에서 경도인지기능장애(Mild Cognitive Impairment, MCI) 혹은 알츠하이머성 치매(Alzheimer’s disease, AD) 환자로 전환됨을 예측할 수 있다(9). 그 예로, 알츠하이머성 치매 환자에서 3차원 뇌 구조 T1 강조 영상을 이용한 회백질 감소(7, 10), 알츠하이머성 치매에서 Voxel-based DTI 분석(11), 알츠하이머성 치매에서 ASL를 이용한 perfusion 분석(12)등 이 보고된 바 있다.
복셀기반 형태분석을 통한 방법은 어떤 방법으로 관찰하며, 장점은 무엇인가요?
삼차원 T1강조 뇌 구조 영상을 이용한 특정영역을 분석 하기 위하여 관심영역 (Region of interest, ROI) 방법이 사용되나, 이 방법은 주관적인 판단에 의해 평가에 오차가 존재할 수있다 (3). 복셀기반 형태분석 (Voxel-Based Morphometry, VBM)을 통한 삼차원T1강조뇌 구조영상 방법은 회백질 감소 (gray matter loss) 또는 백질의 신호 강도를 이용한 특정 부위의 부피차이를 관찰하는 방법으로 두뇌 전체를 분할(Segmentation)하여 뇌의 전체적인 변화를 객관적으로 조사할 수 있다는 장점을 가지고 있다(4). VBM 분석을 위해서는 뇌 표준판(brain template)에 맞춰 공간정규화(Spatial normalization)하는 과정을 통하여 위치정보를 얻는다(5).
참고문헌 (28)
Brant-Zawadzki, M, G.D. Gillan, and W.R. Nitz, MP RAGE: a three-dimensional, T1-weighted, gradient-echo sequence--initial experience in the brain. Radiology 1992;182:769-775
Yamashita E, et al. Evaluation of three-dimensional fast spoiled gradient recalled acquisition in the steady state (FSPGR) using ultra magnetic field 3-Tesla MRI for optimal pulse sequences of T1-weighted imaging. Nippon Hoshasen Gijutsu Gakkai Zasshi 2006;62:297-304
Pruessner JC, et al. Volumetry of hippocampus and amygdala with high-resolution MRI and three-dimensional analysis software: minimizing the discrepancies between laboratories. Cereb Cortex 2000;10:433-442
Lim HK, Choi EH, and Lee CH, A voxel-Based Morphometry of gray matter reduction in patients with dementia of the Alzheimer's type. Kor J Biol Psychia 2008;15:118-125
Kakeda, S. and Y. Korogi, The efficacy of a voxel-based morphometry on the analysis of imaging in schizophrenia, temporal lobe epilepsy, and Alzheimer's disease/mild cognitive impairment: a review. Neuroradiology, 2010
Frisoni GB, et al. The Clinical Use of Structural MRI in Alzheimer Disease. Nat Rev Neurol 2010;6:67-77
Choi SH, et al. Optimized VBM in patients with alzheimer's disease: gray matter loss and its correlation with cognitive function. J Kor Rad Soc 2005;53:323-329
Kazemi K, et al. A neonatal atlas template for spatial normalization of whole-brain magnetic resonance images of newborns: preliminary results. Neuroimage 2007;37:463-473
Shin DH, et al. A study on the deviation of cluster based on template images of Korean children's brain SPECT image using the statistical parametic mapping. Kor Med Phys 2004; 15:45-53
Talairach, J. and P. Tournoux, Co-planar stereotaxic atlas of the human brain: 3-dimensional proportional system-an approach to cerebral imaging. Thieme Medical Publishers 1988: p. 1
Lancaster JL, et al. Bias between MNI and Talairach coordinates analyzed using the ICBM-152 brain template. Hum Brain Mapp 2007;28:1194-1205
Zilles, K, et al. Hemispheric shape of European and Japanese brains: 3-D MRI analysis of intersubject variability, ethnical, and gender differences. Neuroimage 2001;13:262-271
Chung SC, et al. The voumetric study of the ventricle in Korean according to age and gender. Kor J Anat 2005;38:207- 213
May, A. and C. Gaser, Magnetic resonance-based morphometry: a window into structural plasticity of the brain. Curr Opin Neurol 2006;19:407-411
Franke K, et al. BrainAGE: a completely automated age estimation framework using structural MRI. 16th Annual Meeting of the Organization for Human Brain Mapping. 2010. Barcelona, Spain
Karas G, et al. Precuneus atrophy in early-onset Alzheimer's disease: a morphometric structural MRI study. Neuroradiology 2007;49:967-976
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