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MRI 영상획득 중의 피험자 움직임 감지 및 알림 시스템
Head Motion Detection and Alarm System during MRI scanning 원문보기

대한자기공명의과학회지 = Journal of the Korean society of magnetic resonance in medicine, v.16 no.1, 2012년, pp.55 - 66  

배종원 (연세대학교 의과대학 의과학과) ,  박해정 (연세대학교 의과대학 의과학과) ,  김대진 (연세대학교 의과대학 핵의학과 및 영상의학교실)

초록
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목적 : 자기공명영상(MRI) 획득시 피험자의 머리 움직임은 영상의 품질에 영향을 줄 수 있다. 영상 왜곡의 발생 원인이 되는 피험자의 움직임을 감지하기 위한 3차원 광학 추적 시스템을 제작하였다. 대상 및 방법 : 시스템은 두 대의 CCD 카메라 및 적외선 조명, 구형 반사 마커, 프레임 그래버(frame grabber)와 데스크탑 컴퓨터로 구성되었다. 두 대의 카메라를 이용하여 마커의 움직임을 관측하는 스테레오 비전 시스템을 제작하고, 카메라의 내부/외부 매개변수를 측정하는 캘리브레이션(calibration)과 측정된 매개변수를 이용하여 3차원 움직임 정보를 계산하는 삼각측량(triangulation)기법을 적용하였다. 캘리브레이션 보드와 피험자용 안경을 제작하여 움직임 추적의 정확도와 실제 MRI 영상 촬영 동안의 움직임 검출의 유효성을 평가하였다. 결과 : 반사 마커가 부착된 안경을 쓴 피험자들이 MRI 영상 촬영 동안 머리를 규칙적으로 움직였을 때, 시스템은 MRI의 고자장 환경 내에서도 영상에 영향을 주지 않고 피험자들의 움직임을 잘 감지했다. 결론 : 제작한 스테레오 비전 시스템은피험자의 머리 움직임을 잘 감지하였고, 실시간 알림 기능을 통해 피험자의 움직임을 중지할 수 있도록 알려줌으로써 MRI 영상에 영향을 주는 것을 최소화할 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Purpose : During brain MRI scanning, subject's head motion can adversely affect MRI images. To minimize MR image distortion by head movement, we developed an optical tracking system to detect the 3-D movement of subjects. Materials and Methods: The system consisted of 2 CCD cameras, two infrared ill...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이 연구에서 MRI를 이용하여 영상을 획득할 때의 피험자의 움직임을 감지하고 알려주는 기술을 개발하고 평가하였다. 기존에 행해진 MRI에서의 피험자 움직임 검출과 움직임을 보정하는 연구 (18, 19, 20)에서는 MRI를 사용하는 환경을 고려하여 MRI의 보어 내에서 피험자의 움직임을 검출할 수 있도록 MRC社의 12M카메라 (21)를 사용하였다.
  • 이러한 점에서 상대적으로 저가이면서 MRI 영상 획득에 영향을 미치지 않는 장비를 이용하여 피험자의 움직임을 측정하는 시스템이 특히 유용하다 할 수 있다. 이 연구의 주 목적은 비자성 재질의 특수 장비가 아닌 일반적인 장비를 이용하여, MRI 영상을 획득 할 때 발생할 수 있는 피험자 또는 환자의 머리 움직임을 검출하고 그것을 실시간으로 알려주는 시스템을 개발하는 것이다.
  • 7 하단 그림에서 움직인 순간과 그에 따른 메시지가 나타나는 것을 확인할 수 있다.현재의 시스템은 촬영 중에 피험자가 머리를 움직였는지의 여부만 관측하는 것을 목적으로 하고 있지만 더 나아가서 궁극적으로 MRI내에서의 피험자의 움직임의 방향과 정도를 검출해내고 그에 따라 손상된 MRI 영상의 흔들림이나 품질을 역으로 보정하여 원래의 정상적인 영상에 가깝게 복원할 수 있는 시스템을 구축하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
기능자기공명영상은 무엇이며 이것의 장점은 어떠합니까? MRI는 자기장을 이용해 인체 내의 수소 원자를 이용하는 방식으로 인체 내의 연조직을 검사하는 데에 장점을 가지는데, 특히 뇌의 병변을 검사할 때 양전자방출단층촬영(positron emission tomograph, PET)이나 컴퓨터단층촬영(computerized tomography, CT) 등에 비해 매우 우수한 성능을 보인다 (2, 3). MRI의 활용 방법 중 기능자기공명영상(functional MRI, fMRI)을 이용하면 뇌 기능(function)에 대한 정보를 얻을 수 있는 장점이 존재하는데, 이것은 주로 뇌에 특정한 활성자극(active stimulation)을 주고 자극에 반응하는 뇌 영역을 규명하는 방법이다 (4, 5). fMRI를 이용하면 뇌에는 특정한 자극이 주어지지 않은 휴지 상태(resting-state)에서도 자발적으로 요동하는 혈액산소수준의존(blood oxygen level dependent : BOLD) 신호를 감지해낼 수 있으며, 이러한 BOLD 신호의 자발적 요동을 이용한 연구도 최근 들어 많이 이루어지고 있다 (6).
기능자기공명영상의 단점은 무엇입니까? fMRI를 이용하면 뇌에는 특정한 자극이 주어지지 않은 휴지 상태(resting-state)에서도 자발적으로 요동하는 혈액산소수준의존(blood oxygen level dependent : BOLD) 신호를 감지해낼 수 있으며, 이러한 BOLD 신호의 자발적 요동을 이용한 연구도 최근 들어 많이 이루어지고 있다 (6). MRI가 갖는 이런 우수한 활용도에도 불구하고, 자성 재질로 만든 물체에 영상이 영향을 많이 받는 문제점이 있고 fMRI영상의 경우 패러다임에 따라 피험자의 뇌 기능을 측정하는데 필요한 영상 획득시간이 오래 걸린다는 등의 단점이 있다. 즉 MRI를 촬영하는 동안 피험자가 움직이면 영상이 왜곡(distortion)되어 임상 진단에 필요한 병변의 탐색에 어려움을 겪을 수 있으며 이에 따라 환자의 치료가 지연되는 문제가 유발될 수 있는 것이다. 특히 뇌 MRI와 관련하여 피험자의 머리 움직임은 6개의 자유도(degree of freedom, DOF)를 가지는 강체(rigid-body)의 운동으로 모델링 할 수 있는데,두 대의 카메라를 이용한 스테레오 비전 시스템(stereo vision system)을 이용하면 움직임에 대한 3차원 좌표를 측정할 수 있다.
자기공명영상이란 무엇이며 이것의 장점은 어떠합니까? 자기공명영상(magnetic resonance imaging, MRI)은 방사선을 사용하지 않는 비침습적인 방법으로 3차원의 인체 해부 영상을 획득할 수 있고, 대조도(contrast)와 공간 해상도(spatial resolution)가 뛰어나 질병의 진단을 위해 널리 사용되고 있다 (1). MRI는 자기장을 이용해 인체 내의 수소 원자를 이용하는 방식으로 인체 내의 연조직을 검사하는 데에 장점을 가지는데, 특히 뇌의 병변을 검사할 때 양전자방출단층촬영(positron emission tomograph, PET)이나 컴퓨터단층촬영(computerized tomography, CT) 등에 비해 매우 우수한 성능을 보인다 (2, 3). MRI의 활용 방법 중 기능자기공명영상(functional MRI, fMRI)을 이용하면 뇌 기능(function)에 대한 정보를 얻을 수 있는 장점이 존재하는데, 이것은 주로 뇌에 특정한 활성자극(active stimulation)을 주고 자극에 반응하는 뇌 영역을 규명하는 방법이다 (4, 5).
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참고문헌 (25)

  1. 대한자기공명의과학회, 자기공명영상학, 일조각, 2008 

  2. Allen ED, Bryd SE, Darling CF, et al. The clinical and radiological evaluation of primary brain neoplasm in children, Part II: radiological evaluation. J Natl Med Assoc 1993;85:546-553 

  3. Deck MD, Hanschke C, Lee BC, et al. Computed tomography versus magnetic resonance imaging of the brain. Clin Imaging 1989;13:2-15 

  4. Bandettini PA, Wong EC, Hinks RS, Tikofsky RS, Hyde JS. Time course EPI of human brain-function during task activation. Magn Reson Med 1992;25:390-397 

  5. Ogawa S, Tank DW, Menon R, et al. Intrinsic signal changes accompanying sensory stimulation-functional brain mapping with magnetic-resonance-imaging, Proc. Natl Acad Sci USA, 1992;89:5951-5955 

  6. Na SM, Park HJ, Chang Y. Low Frequency fluctuation component analysis in active stimulation fMRI paradigm. J Korean Soc Magn Reson Med 2010;14:115-120 

  7. G.Sudhir, S.Banerjee and A.Zisserman. Finding point correspondence in motion sequence preserving affine structure, Computer Vision and Image Understanding 1997;68:237-246 

  8. V.A. Christpoulos, P. DeMuynck and J. Cornelis. Contour simplification for segmented stillimage and video coding: algorithms and experimental results, Signal Processing : Image Communication, 1999;14:335-357 

  9. H Chen, D Ye, et al. A technique for binocular stereo vision system calibration by the nonlinear optimization and calibration points with accurate coordinates, Institute fo Physics Publishing Journal of Physics: Conference Series 48, 2006 

  10. Tsai RY. A versatile camera calibration technique for high accuracy 3D machine vision metrology using offtheshelf TV cameras and lenses, IEEE Jouenal of Robotics and Automation RA-3(4):323-344, 1987 

  11. Zhengyou Zhang. A flexible new technique for camera calibration, Technical report, Microsoft Research, 2002 

  12. B.Jean Yves, P.Pietro. Camera calibration from points and ones in dual-space geometry, European conference on computer vision, 1998 

  13. R.I.Hartley and A. Zisserman. Multiple view geometry in computer vision. Cambridge University Press 2000:237-361 

  14. O. Faugeras. Three-dimensional computer vision: a geometric viewpoint. MIT Press, 1993 

  15. Don Koks. A roundabout route to geometric algebra, explorations in Mathematical Physics, Springer Science+ Business Media, LLC. 2006;144-183 

  16. Chaurasia BD, Mathur BB (1976). Eyedness. Acta Anat (Basel) 96(2):301-305 

  17. SPM, Statistical Parametric Mapping, http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/ 

  18. Qin L, van Gelderen P, Derbyshire JA, et al. Prospective headmovement correction for high-resolution MRI using an in-bore optical tracking system, Magn Resonin Med 2009;62:924-934 

  19. Forman C, Aksoy M, Hornegger J, Bammer R. Self-encoded marker for optical prospective head motion correcetion in MRI. Med Image Anal 2011;15:708-719 

  20. M.Zaitsev, C.Dold, G. Sakas, et al. Magnetic resonance imaging of freely moving objects: prospective real-time motion correction using an external optical motion tracking system, Neuroimage 2006;31:1038-1050 

  21. http://www.mrc-systems.de/englisch/products/mrcamera.html 

  22. S.J. Maybank and O.D. Faugeras. A theory of selfcalibration of a moving camera. The international Journal of Computer Vision 1992;8:123-152 

  23. Q.-T. Luong and O.Faugeras, Self-calibration of a moving camera from point correspondences and fundamental matrices The International Journal of Computer Vision 1997;22:261-289 

  24. R.I. Hartley. An algorithm for self calibration from several views, In Proc. IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, 908-912, Seattle, WA, June 1994 

  25. S. Bounoux. From projective to euclidean space under any practical situation, a criticism of self-calibration, In Proc. 6th International Conference on Computer Vision, 1998;790-796 

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