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문제 정의
- 저자는 TSE-CHESS 기법에 대한 이러한 단점을 보완하고, 인체 굴곡부위에 대한 최적의 지방소거기법에 대한 평가할 필요성이 있다고 생각하였다. 이에 본 실험에 목적으로 기존에 적용되었던 TSE-CHESS 지방소거기법과 또 다른 원리로 적용되는 TSE-SPAIR 지방소거기법을 비교 평가 하여 인체 굴곡부위에 대한 신호대 잡음비가 높은 영상의 질과 지방제거가 뚜렷하게 얻을 수 있는 TSE-SPAIR 기법의 유용성을 알아보고자 한다.
- 이러한 대치는 두 개 밖의 (extracranial) 두경부(head and neck) 진단에는 제한점을 발생하게 되었고, 이러한 원인은 조영증강 (enhancing lesions)된 병변이 짧은 TR(time of repetition)을 적용했을 때 지방부분에 고신호로 인하여 병변의 신호가 약하게 보이기 때문이다[9-10]. 저자는 TSE-CHESS 기법에 대한 이러한 단점을 보완하고, 인체 굴곡부위에 대한 최적의 지방소거기법에 대한 평가할 필요성이 있다고 생각하였다. 이에 본 실험에 목적으로 기존에 적용되었던 TSE-CHESS 지방소거기법과 또 다른 원리로 적용되는 TSE-SPAIR 지방소거기법을 비교 평가 하여 인체 굴곡부위에 대한 신호대 잡음비가 높은 영상의 질과 지방제거가 뚜렷하게 얻을 수 있는 TSE-SPAIR 기법의 유용성을 알아보고자 한다.
제안 방법
- 1. |PSNR| : 지방소거 후⦁전 신호강도 차이를 이용 하여 두 영상기법에 대한 지방소거 민감도를 반영하였다. |PSNR|을 측정하는 방법은 식 (eq.
- 2. CNR: 3 부위의 근육의 신호강도에서 인접부위의 지방 신호강도 차이를 이용하여 두 기법에 대한 지방소거 정도를 반영하였다. CNR을 평가하는 방법은 식 (eq.
- SPAIR 기법은 반전 RF 펄스로 지방성분만 반전시킨 후 IR(inversion recovery) 값에 따라 지방소거 정도가 차이가 있기 때문에 본 실험에서는 기본 보고에 제시 되었던 IR 값 50 ～ 300 msec 까지 범위로 본 실험에서는 75 msec를 적용하여 지방 신호가 TInull point(0)가 될 때 RF을 인가하여 지방을 소거하는 방법으로 하였다 [14,21].
- 두 기법 모두 영상의 해상도를 높이고, 검사시간 단축을 위해 SENSE[22] 기법을 적용하여 실험을 하였으며, 자장의 균일성에 민감하게 영향을 미치기 때문에 FOV(field of view)를 250 mm로 최대한 작게 선정하여 자장의 균일성을 유지하도록 하였다. TSE 펄스시퀀스는 turbofactor(TF)에 의한 대조도를 크게 좌우하기 때문에 강한 T1 강조영상 지방소거를 얻기 위하여 본 실험에서는 TF를 4번을 인가하도록 하였다. TF가 6개 이상이 될 때에는 T1 강조영상 효과가 아닌 양성자 밀도(proton density) 효과를 발생할 수가 있기 때문 이었다.
- 지원자 선정은 경추부위에 검사를 원하였으며, MRI 검사를 무상으로 제공받을 수있는 금전적 이득과 판독결과를 구두로 들을 수 있었다. 검사를 받기 전 본 실험에 안전성에 관한 설명한 후 참가 동의서를 작성 후 검사를 하였다. 실험에 참가한 대상자 들은 모두 평균 몸무게가 70.
- 두 가지의 지방소거기법을 분석하기 위해 경추부위의 머리반가시근(semispinalis capitis muscle), 어깨울림근 (levator scapulae muscle), 승모근(trapezius muscle)영역과 인접부위의 지방(fat)에 다른 주변조직이 포함되자 않게 적절한 관심영역(region of interest)을 설정한 후 차이를 측정을 하였고, 지질(lipid)성분이 많이 포함되어 있는 경추(cervical spine) 2 ～ 6번째 까지 관심영역을 설정한 후 신호강도를 측정하여 지 방 소거 정도를 평가 하였다. 경추부위 검사는 위치정보를 얻는 방향에 따라 SNR과 CNR 값 변동이 발생하므로 배경잡음 (backgroundnoise)에 신호강도는 위상부호화방 (phase-encoding direction)향과 주파수부호화방향 (frequency-encoding direction)인 경추 전⦁후 측 위⦁ 아래 공간에 노이즈가 많이 포함되도록 관심영역을 4구역 설정하여 측정을 하였다. 측정한 수치를 이용하여 두 기법에 대한 지방소거 민감도를 보기 위하여 지방조직 신호증강 백분율(percentage of signal enhancement ratio: PSNR)과 근육과 지방의 두 조직 차이를 평가하기 위하여 대조도대 잡음비 (contrast to noise: CNR)를 구 하였다.
- 이러한 점을 보완하고, 질이 좋은 영상을 얻는 방법으로 본 실험에서는 주 RF 펄스를 인가하기 전 검사 부위에 자장의 균일성 (homogeneity)을 유지하도록 하기 위하여 수동으로 중심 주파수를 X, Y, Z 축에 대하여 중심에 맞추는 교정 (shimming) 작업을 한 후 검사를 하였다. 그러한 과정을 통하여 얻은 결과는 [Fig. 5]에서 a 영상(red circle)과 같은 현상을 방지할 수가 있었으며, 두 기법에 대하여 정확한 비교평가를 가능하게 하였다. CHESS 기법은 본 실험에서 형태학적 정보를 제공하는데 이용되었지만, 이 기법은 신경과에서 비 침습적으로 대뇌 대사물질에 대하여 양성 및 악성 종양을 평가할 수 있는 뇌 기능적 검사(brain functional MRI), 유방검사(breast MRI), 비뇨기계 검사(urinary MRI)에 CHESS 기법을 적용한 MRS(magnetic resonance spectroscopy) 검사에도 유용하게 사용되고 있는 기법이기도 한다[18-20].
- 두 가지의 지방소거기법을 분석하기 위해 경추부위의 머리반가시근(semispinalis capitis muscle), 어깨울림근 (levator scapulae muscle), 승모근(trapezius muscle)영역과 인접부위의 지방(fat)에 다른 주변조직이 포함되자 않게 적절한 관심영역(region of interest)을 설정한 후 차이를 측정을 하였고, 지질(lipid)성분이 많이 포함되어 있는 경추(cervical spine) 2 ～ 6번째 까지 관심영역을 설정한 후 신호강도를 측정하여 지 방 소거 정도를 평가 하였다. 경추부위 검사는 위치정보를 얻는 방향에 따라 SNR과 CNR 값 변동이 발생하므로 배경잡음 (backgroundnoise)에 신호강도는 위상부호화방 (phase-encoding direction)향과 주파수부호화방향 (frequency-encoding direction)인 경추 전⦁후 측 위⦁ 아래 공간에 노이즈가 많이 포함되도록 관심영역을 4구역 설정하여 측정을 하였다.
- 또한 인체 굴곡 부위에 대한 중심주파수가 이동되기 때문에 영상의 질이 떨어지므로 주파수 보상(frequency offset)을 하기 위하여 200 Hz을 보상하여 균일한 지방소거를 하도록 하였다. 두 기법 모두 영상의 해상도를 높이고, 검사시간 단축을 위해 SENSE[22] 기법을 적용하여 실험을 하였으며, 자장의 균일성에 민감하게 영향을 미치기 때문에 FOV(field of view)를 250 mm로 최대한 작게 선정하여 자장의 균일성을 유지하도록 하였다. TSE 펄스시퀀스는 turbofactor(TF)에 의한 대조도를 크게 좌우하기 때문에 강한 T1 강조영상 지방소거를 얻기 위하여 본 실험에서는 TF를 4번을 인가하도록 하였다.
- 또한 인체 굴곡 부위에 대한 중심주파수가 이동되기 때문에 영상의 질이 떨어지므로 주파수 보상(frequency offset)을 하기 위하여 200 Hz을 보상하여 균일한 지방소거를 하도록 하였다. 두 기법 모두 영상의 해상도를 높이고, 검사시간 단축을 위해 SENSE[22] 기법을 적용하여 실험을 하였으며, 자장의 균일성에 민감하게 영향을 미치기 때문에 FOV(field of view)를 250 mm로 최대한 작게 선정하여 자장의 균일성을 유지하도록 하였다.
- 0 Tesla 자기공명영상기기(Trio; Siemens, Germany)로 사용하여 검사를 하였고, 데이터 획득을 위한 자기공명영상 수신코일로서 16채널 다중코일을 사용 하였다. 모든 영상은 시상면(sagittal plane)과 축면상(axial plane)으로 설정하여 데이터를 획득하였으며, 이때 사용된 펄스시퀀스는 TSE-CHESS(TR: 652 ms, TE: 10 ms, Matrix: 276x456, Slice thickness: 3 mm, Gap : 0.3 mm, FOV: 250 mm, Flip angle: 90˚)와 TSE-SPAIR(TR:652 ms, Inversion delay: 75 ms, TE: 10 ms, Matrix:276x456, Slice thickness: 3 mm, Gap : 0.3 mm, FOV: 250 mm, Flip angle: 90˚)을 적용하였다. 두 기법에서 매개변수에 따라 검사 소요시간은 3:40초, 5:40초로 설정되었다.
- 본 실험에서는 이론적 장, 단점을 고려 하여 검사시간이 짧으며, 영상의 질을 우수하게 만드는 TSE 펄스시퀀스에 CHESS와 SPAIR 지방소거 기법을 적용하여 실험을 하게 되었다. 이 두 기법은 T1, T2 강조 지방소거를 할 때 적용되는 방법으로 본 실험에서 T1 강조 지방소거에 중점을 가지고 평가를 하게 되었다. CHESS 기법은 인체 굴곡 부위에 검사를 할 경우에는 중심주파수 값이 굴곡 부위가 다르기 때문에 굴곡 정도가 심하지 않은 마른 체형의 환자를 검사를 할 경우에는 실패할 확률이 적지만, 일반적으로 보통 이상의 체형에서는 실패할 확률이 높은 검사 기법이다.
- CHESS 기법은 인체 굴곡 부위에 검사를 할 경우에는 중심주파수 값이 굴곡 부위가 다르기 때문에 굴곡 정도가 심하지 않은 마른 체형의 환자를 검사를 할 경우에는 실패할 확률이 적지만, 일반적으로 보통 이상의 체형에서는 실패할 확률이 높은 검사 기법이다. 이러한 점을 보완하고, 질이 좋은 영상을 얻는 방법으로 본 실험에서는 주 RF 펄스를 인가하기 전 검사 부위에 자장의 균일성 (homogeneity)을 유지하도록 하기 위하여 수동으로 중심 주파수를 X, Y, Z 축에 대하여 중심에 맞추는 교정 (shimming) 작업을 한 후 검사를 하였다. 그러한 과정을 통하여 얻은 결과는 [Fig.
- 경추부위 검사는 위치정보를 얻는 방향에 따라 SNR과 CNR 값 변동이 발생하므로 배경잡음 (backgroundnoise)에 신호강도는 위상부호화방 (phase-encoding direction)향과 주파수부호화방향 (frequency-encoding direction)인 경추 전⦁후 측 위⦁ 아래 공간에 노이즈가 많이 포함되도록 관심영역을 4구역 설정하여 측정을 하였다. 측정한 수치를 이용하여 두 기법에 대한 지방소거 민감도를 보기 위하여 지방조직 신호증강 백분율(percentage of signal enhancement ratio: PSNR)과 근육과 지방의 두 조직 차이를 평가하기 위하여 대조도대 잡음비 (contrast to noise: CNR)를 구 하였다.
대상 데이터
- 2012년 12월부터 2013년 7월까지 총 25명(남자: 12명, 여자: 16명, 연령분포: 30 ～ 40세(평균 35.28 ± 3.2세)로 경추에 질환이 없는 정상인 지원자를 대상으로 하였다.
- 57 kg 이었다. 검사에 대한 안전성을 고려하여 모든 지원자는 사전에 MRI 검사 경험자만을 선정하여 실험을 하였다. 본 실험에 사용된 장비는 3.
- 검사에 대한 안전성을 고려하여 모든 지원자는 사전에 MRI 검사 경험자만을 선정하여 실험을 하였다. 본 실험에 사용된 장비는 3.0 Tesla 자기공명영상기기(Trio; Siemens, Germany)로 사용하여 검사를 하였고, 데이터 획득을 위한 자기공명영상 수신코일로서 16채널 다중코일을 사용 하였다. 모든 영상은 시상면(sagittal plane)과 축면상(axial plane)으로 설정하여 데이터를 획득하였으며, 이때 사용된 펄스시퀀스는 TSE-CHESS(TR: 652 ms, TE: 10 ms, Matrix: 276x456, Slice thickness: 3 mm, Gap : 0.
데이터처리
- 두 가지 영상기법에서 정량적 분석으로 PSNRs와 CNRs에 대한 통계적 유의성은 paired Student's t-test로 계산되었으며, 통계에 사용된 프로그램은 SPSS 14.0을 이용하여 p 값이 0.05 이하 일 때 통계적 유의성을 두었다.
이론/모형
- 지방을 소거하는 방법 또한 기존 검사 기법에 비해 한층 진보된 방법으로 적용을 하고 있다. 기존에는 주로 인체에 모든 부위에 대하여 지 방소거방법으로 화학적 이동 선택포화(chemical shift selective saturation; CHESS) 기법을 적용하여 검사를 하였다[3-4]. 이 기법은 화학적 이동(chemical shift)효과를 이용하여 지방이나 물만을 선택적으로 영상화하는 방법으로 물을 억제 시키거나 지방을 억제시켜 영상을 얻는 방법이다.
- SPIR 기법은 스핀에코 펄스 시퀀스를 이용하여 금속성분이 포함되지 않은 부분에 T1, T2 강조영상 지방소거를 할 경우에 주로 사용되며, 경사자장에코는 금속성분이 검사부위에 포함되지 않으며, 호흡정지를 요하는 복부검사에 지방소거를 할 경우에 주로 사용된다. 본 실험에서는 이론적 장, 단점을 고려 하여 검사시간이 짧으며, 영상의 질을 우수하게 만드는 TSE 펄스시퀀스에 CHESS와 SPAIR 지방소거 기법을 적용하여 실험을 하게 되었다. 이 두 기법은 T1, T2 강조 지방소거를 할 때 적용되는 방법으로 본 실험에서 T1 강조 지방소거에 중점을 가지고 평가를 하게 되었다.
성능/효과
-
5. 결론
결론적으로, T1 강조 지방소거 경추 자기공명영상에서 TSE-CHESS 지방소거기법 보다 TSE-SPAIR 지방소거기법이 전반적으로 지방소거가 잘되어 유의성 있은 평가를 얻었다. 특히 TSE- SPAIR 기법은 굴곡부위의 경추영역에서 자장의 균일성을 유지하면서 지방이 잘 제거 되었고, 지방소거정도를 나타내는 PSNRs 값과 지방소거가 잘되어 지방과 근육의 차이를 크게 나타내는 CNRs 값이 정량적으로 우수한 결과를 얻었다.
- 두 기법에 대한 지방소거에 대한 민감도를 알아보기 위하여 지질(lipid) 성분이 많이 포함되어 있는 경추위치에서 C2 ～ C6까지 평균 신호증강 백분율(Absolute PSNRs)은-16.95 ± 0.50, -4.50 ± 0.69로 PSNRs 값 또한 TSE-SPAIR 가 높은 결과를 얻었다(p=0.00124, [Table 2]).
- 본 실험에서 제한점이 있다면 첫째, 다양한 질환을 대상으로 평가를 하지 못한 점, 그러나 지방소거에만 중점을 갖는다면 큰 차이가 없을 것 라고 생각한다. 둘째, 정확한 지방소거를 위해 여기(exciting) RF 펄스를 인가하기 전에 체적교정(volume shimming)을 하지 못한점, 두 기법 모두 수동교정(manual shimming)을 했기 때문에 정량적으로 지방소거를 평가하는데 큰 차이가 없을 것이라고 사료된다. 향후 저자는 이러한 제한점을 개선 하기 위하여 경추에 가장 흔한 질환인 골절 및 추간판(disc)과 종양환자를 대상으로 1.
- 본 실험을 통하여 두 기법을 적용했을 때 경추를 비롯하여 주변 지방영역에 대하여 PSNRs 과 CNRs 값은 지방소거 정도의 차이를 정량적으로 알 수가 있었다. 현재 임상에서는 자기공명영상기기를 이용하여 경추 질환 평가에서 지방을 소거하는 방법으로는 CHESS( CHEmical shift Selective Saturation technique), STIR(Short TI Inversion Recovery), SPIR(Spectral Presaturaion with Inversion Recovery, SPAIR(Spectral Adiabatic Inversion Recovery), PROSET(PRinciple Of Selected Excitation Technique) 기법이 주로 사용되고 있다[15-17].
- Choi 등 보고에서 요추 (lumber) 압박골절(compression fracture) 검사에서 SPAIR 영상이 많은 정보를 제공하는 것으로 보고된 봐도 있다[26]. 본 연구를 포함하여 기존 보고들은 2D를 이용한 SPAIR 가 CHESS 기법에 비해 높은 평가를 얻은 결과이었다. 마찬가지로 3D SPAIR 기법에서도 영상의 질적 측면에서 아주 좋은 결과를 보여 주기도 하였다[27].
- 이러한 결과는 TSE-CHESS 기법에서 CNR 값이 작은 이유는 지방을 소거하는 주파수 선택 RF 펄스가 경추부위가 굴곡 되어 있기 때문에 RF 펄스와 지방이 가지고 있는 주파수가 정확하게 일치되지 않게 되어 대조도 잡음비가 낮았다. 상대적으로 TSE-SPAIR 값은 조직이 가지고 있는 주파수와 RF 펄스를 일치시켜 제거하는 방법과 다르게 조직의 이완시간에 맞추어 RF 펄스를 인가하므로 조직의 차이를 크게 만들어 대조도대 잡음비가 높게 나타나게 되었다. 신호증강백분율 값도 같은 이유로 인하여 3 ～ 4 배까지 높게 나타나게 되어 두 기법에 대한 신호강도 차이가 TSE-SPAIR 기법이 높게 나타났다.
- 상대적으로 TSE-SPAIR 값은 조직이 가지고 있는 주파수와 RF 펄스를 일치시켜 제거하는 방법과 다르게 조직의 이완시간에 맞추어 RF 펄스를 인가하므로 조직의 차이를 크게 만들어 대조도대 잡음비가 높게 나타나게 되었다. 신호증강백분율 값도 같은 이유로 인하여 3 ～ 4 배까지 높게 나타나게 되어 두 기법에 대한 신호강도 차이가 TSE-SPAIR 기법이 높게 나타났다.
- 00116, [Table 1]), TSE-SPAIR 기법이 유의성 있는 값을 얻었기 때문에 지방소거 기법으로 적절한 결과 이었다. 이러한 결과는 TSE-CHESS 기법에서 CNR 값이 작은 이유는 지방을 소거하는 주파수 선택 RF 펄스가 경추부위가 굴곡 되어 있기 때문에 RF 펄스와 지방이 가지고 있는 주파수가 정확하게 일치되지 않게 되어 대조도 잡음비가 낮았다. 상대적으로 TSE-SPAIR 값은 조직이 가지고 있는 주파수와 RF 펄스를 일치시켜 제거하는 방법과 다르게 조직의 이완시간에 맞추어 RF 펄스를 인가하므로 조직의 차이를 크게 만들어 대조도대 잡음비가 높게 나타나게 되었다.
- a, b 그림에서 머리반가시근(large arow), 어깨울림근(small arow), 승모근(arow head)과 인접 부위의 3 부위의 지방(small, middle, large circle)과 큰 차이를 보이고 있는 것을 알 수가 있다. 이러한 차이는 지방소거가 TSE-SPAIR 기법이 TSE-CHESS 기법에 비해 지방소거가 TSE-SPAIR 기법이 높다는 결과이다.
- 총 25명의 정상인 지원자에서 경추 3 부위에 대한 근육과 지방의 차이에 대한 정량적 분석결과 TSE-CHESS 기법과 TSE-SPAIR 기법에 대한 평균 CNRs 값은 24.30± 2.58, 32.64 ± 2.82 이였으며( p=0.00116, [Table 1]), TSE-SPAIR 기법이 유의성 있는 값을 얻었기 때문에 지방소거 기법으로 적절한 결과 이었다.
- 결론적으로, T1 강조 지방소거 경추 자기공명영상에서 TSE-CHESS 지방소거기법 보다 TSE-SPAIR 지방소거기법이 전반적으로 지방소거가 잘되어 유의성 있은 평가를 얻었다. 특히 TSE- SPAIR 기법은 굴곡부위의 경추영역에서 자장의 균일성을 유지하면서 지방이 잘 제거 되었고, 지방소거정도를 나타내는 PSNRs 값과 지방소거가 잘되어 지방과 근육의 차이를 크게 나타내는 CNRs 값이 정량적으로 우수한 결과를 얻었다. 이러한 점으로 볼 때 향후 경추영역을 비롯하여 인체 여러 굴곡 부위에 지방소거 기법을 적용할 때 TSE-SPAIR 기법이 우호적인 진단적 정보를 제공할 것이라고 사료된다.
후속연구
- 마찬가지로 3D SPAIR 기법에서도 영상의 질적 측면에서 아주 좋은 결과를 보여 주기도 하였다[27]. 본 실험에서 제한점이 있다면 첫째, 다양한 질환을 대상으로 평가를 하지 못한 점, 그러나 지방소거에만 중점을 갖는다면 큰 차이가 없을 것 라고 생각한다. 둘째, 정확한 지방소거를 위해 여기(exciting) RF 펄스를 인가하기 전에 체적교정(volume shimming)을 하지 못한점, 두 기법 모두 수동교정(manual shimming)을 했기 때문에 정량적으로 지방소거를 평가하는데 큰 차이가 없을 것이라고 사료된다.
- 특히 TSE- SPAIR 기법은 굴곡부위의 경추영역에서 자장의 균일성을 유지하면서 지방이 잘 제거 되었고, 지방소거정도를 나타내는 PSNRs 값과 지방소거가 잘되어 지방과 근육의 차이를 크게 나타내는 CNRs 값이 정량적으로 우수한 결과를 얻었다. 이러한 점으로 볼 때 향후 경추영역을 비롯하여 인체 여러 굴곡 부위에 지방소거 기법을 적용할 때 TSE-SPAIR 기법이 우호적인 진단적 정보를 제공할 것이라고 사료된다.
- 둘째, 정확한 지방소거를 위해 여기(exciting) RF 펄스를 인가하기 전에 체적교정(volume shimming)을 하지 못한점, 두 기법 모두 수동교정(manual shimming)을 했기 때문에 정량적으로 지방소거를 평가하는데 큰 차이가 없을 것이라고 사료된다. 향후 저자는 이러한 제한점을 개선 하기 위하여 경추에 가장 흔한 질환인 골절 및 추간판(disc)과 종양환자를 대상으로 1.5 T MRI와 3.0 T MRI 기기를 이용한 비교 실험을 통하여 지방소거에 대한 최적의 정보를 제공하고자 한다.
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