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문제 정의
- 5 테슬라 자기공명영상에서 얻은 동맥스핀표지 뇌 관류 영상에서도17) 시퀀스 인자들의 최적화가 필요하다는 것을 보여주었다. 따라서, 본 논문의 목적은 동맥스핀표지 자기공명영상의 뇌 관류영상을 최적화 하기 위하여 필요한 여러 인자들의 변화에 따른 동맥스핀표지 신호변화를 3.0 테슬라 자기공명영상에서 관찰하는 것이다. 특히, 동맥스핀표지 신호 변화가 이들 인자에서 뇌 세포(brain tissues)의 종류에 따라서 어떻게 변화하고, 뇌의 특정 영역에 따라서 어떻게 변화를 하는가를 평가하는 것에 목적이 있다.
- 동맥스핀표지의 뇌 관류영상은 여러 인자들을 변화시켜 최적화시켜서 좋은 신호를 찾아내야 한다. 이에 본 연구에서는 정상 성인 남성을 대상으로 여러 인자들 중 라벨링 간격, 라벨링 지연시간, 라벨링 두께, 절편 획득 순서의 변화에 따른 ASL의 관류강조 신호변화가 백질과 회백질 그리고 측두엽, 전두엽, 후두엽, 두정엽에서 어떻게 변화하는지 살펴보았다. 그 결과 각 실험 조건에 따라서 관류신호강도가 크게 변화를 하는 것을 보여 주었고, 따라서 실제 환자를 대상으로 관류 영상을 얻고자 할 경우에는 실제 임상 적용 전에 최적화된 프로토콜을 만든 후에 사용을 해야할 것으로 생각한다.
- 0 테슬라 자기공명영상에서 관찰하는 것이다. 특히, 동맥스핀표지 신호 변화가 이들 인자에서 뇌 세포(brain tissues)의 종류에 따라서 어떻게 변화하고, 뇌의 특정 영역에 따라서 어떻게 변화를 하는가를 평가하는 것에 목적이 있다.
제안 방법
- 3) 라벨링 두께의 변화에 따른 관류 신호 변화 연구: 라벨링 두께(labeling thickness)는 Pulsed 동맥스핀표지 방법에서 전체 라벨링 되는 혈액의 량을 결정하는 역할을 한다.(Fig. 1a) 라벨링 두께를 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160, 180, 200 mm로 각각 변화시키고 라벨링 간격은 20 mm, 라벨링 지연시간은 1,600 mm, 절편 획득 순서는 ascend로 고정하여 영상을 획득하였다.
- 1) 영상획득 영역과 라벨링 영역간의 간격 변화에 따른 관류 신호 변화 연구: 라벨링 간격은 영상을 얻는 영역 마지막 절편(slice)과 라벨링을 하는 영역간의 간격을 말한다.(Fig. 1a) 본 실험에서는 이 간격의 변화가 동맥스핀표지 자기공명영상에 어떤 영향을 주는지 알아보기 위하여 그 간격을 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30 mm로 각각 변화시키고 라벨링 지연시간은 1,600 ms, 라벨링 두께는 100 mm, 절편 획득 순서는 ascend로 고정하여 영상을 획득하였다.
- 획득한 영상을 이용하여 관류강조영상(Perfusion-weighted imaging, PWI)을 얻기 위하여 자기공명영상 장비에 내장되어 있는 소프트웨어를 이용하여 실시하였다. 각각의 복셀에서 라벨링을 하지 않은 상태에서 얻은 영상과 라벨링을 하고 난 후에 얻은 영상의 차이를 이용하여 관류강조영상을 얻었다. 각각의 인자 변화에 따른 관류 신호 변화를 살펴보기 위해 Fig.
- 신경학적 증상이 없고 T2 강조영상에서 병변이 관찰 되지 않은 정상 성인 남성 5명을(평균연령 36세; 29세∼41세)대상으로 하였다. 각각의 실험을 할 때 동맥스핀표지 관류강조영상 획득 후 회백질과 백질의 영역을 구별하기 위하여 동맥스핀표지 자기공명영상을 획득 전에 ASL과 동일한 위치에 T2 강조 영상을 회득하였다. 검사 장비는 3.
- 각각의 복셀에서 라벨링을 하지 않은 상태에서 얻은 영상과 라벨링을 하고 난 후에 얻은 영상의 차이를 이용하여 관류강조영상을 얻었다. 각각의 인자 변화에 따른 관류 신호 변화를 살펴보기 위해 Fig. 2와 같이 T2 강조영상에 특정영역(Region-of Interest, ROI)을 설정하였다. 회백질, 백질, 전두엽, 측두엽, 후두엽, 두정엽에 ROI를 설정하였다.
- 1b). 본 실험에서는 라벨링 시간을 50, 200, 400, 600, 800, 1,000, 1,200, 1,400, 1,600, 1,800, 2,000 ms로 각각 변화시키고 라벨링 간격은 20 mm, 라벨링 두께는 100 mm, 절편 획득 순서는 ascend로 고정하여 영상을 획득하였다.
- 영상을 얻는데 이용된 공통된 변수는 다음과 같다: 반복시간(Repetition time, TR)=3,000 ms, 에코시간(Echo time, TE)=6.1 ms, 영상획득 시야(Field of view, FOV)=224×224 mm, 총 영상획득 수(Number of dynamic scans)=26, 영상획득 시간(Scan time)=3 minutes.
- 2와 같이 T2 강조영상에 특정영역(Region-of Interest, ROI)을 설정하였다. 회백질, 백질, 전두엽, 측두엽, 후두엽, 두정엽에 ROI를 설정하였다. T2 강조영상과 관류강조영상을 제공된 소프트웨어를 이용하여 정렬(realignment)시킨 후에, 각각의 피험자에서 모든 실험에 대하여 이들 영역에서 관류신호강도를 측정하여 평균 값을 계산하였다.
- 획득한 영상을 이용하여 관류강조영상(Perfusion-weighted imaging, PWI)을 얻기 위하여 자기공명영상 장비에 내장되어 있는 소프트웨어를 이용하여 실시하였다.
대상 데이터
- 사용한 동맥스핀표지 기법은 펄스 동맥스핀표지 방법 중에 하나인 STAR (Signal Targeting with Alternating Radiofrequency) 방법을 이용하였다.18,19) 영상 획득은 QUASAR (quantitative STAR labeling of arterial regions) 시퀀스를 사용하였다.20) 여러 인자의 변화에 따른 뇌 관류 영상의 신호변화를 평가하기 위하여 아래와 같은 실험을 실시하였으며 이를 Table 1과 Fig.
- 각각의 실험을 할 때 동맥스핀표지 관류강조영상 획득 후 회백질과 백질의 영역을 구별하기 위하여 동맥스핀표지 자기공명영상을 획득 전에 ASL과 동일한 위치에 T2 강조 영상을 회득하였다. 검사 장비는 3.0 테슬라 자기공명영상장치(Philips, Achieva, Best, The Netherlands)와 8-채널 SENSE (sensitivity encoding) 머리 코일을 이용하였다. 사용한 동맥스핀표지 기법은 펄스 동맥스핀표지 방법 중에 하나인 STAR (Signal Targeting with Alternating Radiofrequency) 방법을 이용하였다.
- 대표적으로 머리의 밑에서부터 영상을 획득하는 Ascend 방법과 머리의 꼭대기부터 영상을 획득하는 Descend 방법이 있다. 마지막 실험은 절편 획득 순서를 Ascend와 Descend로 변화시키고 라벨링 간격은 20 mm, 라벨링 지연시간은 1,600 mm, 라벨링 두께는 100 mm로 고정하여 영상을 획득하였다.
- 신경학적 증상이 없고 T2 강조영상에서 병변이 관찰 되지 않은 정상 성인 남성 5명을(평균연령 36세; 29세∼41세)대상으로 하였다.
데이터처리
- T2 강조영상과 관류강조영상을 제공된 소프트웨어를 이용하여 정렬(realignment)시킨 후에, 각각의 피험자에서 모든 실험에 대하여 이들 영역에서 관류신호강도를 측정하여 평균 값을 계산하였다.
- T2 강조영상과 관류강조영상을 제공된 소프트웨어를 이용하여 정렬(realignment)시킨 후에, 각각의 피험자에서 모든 실험에 대하여 이들 영역에서 관류신호강도를 측정하여 평균 값을 계산하였다. 획득된 신호강도를 피험자 수로 나누어 평균값을 구하였다.
이론/모형
- 0 테슬라 자기공명영상장치(Philips, Achieva, Best, The Netherlands)와 8-채널 SENSE (sensitivity encoding) 머리 코일을 이용하였다. 사용한 동맥스핀표지 기법은 펄스 동맥스핀표지 방법 중에 하나인 STAR (Signal Targeting with Alternating Radiofrequency) 방법을 이용하였다.18,19) 영상 획득은 QUASAR (quantitative STAR labeling of arterial regions) 시퀀스를 사용하였다.
성능/효과
- 1) 회백질과 백질의 변화: 라벨링 두께가 증가에 따라 회백질과 백질의 신호강도는 점차적으로 증가하다가 120 mm 두께 이후에는 감소하였다(Fig. 5b). 백질의 경우는 140 mm의 두께에서 가장 높은 신호강도를 보였다.
- 1) 회백질과 백질의 변화: 전체 절편의 평균 값을 보면 회백질에서 좌측과 우측 모두에서 라벨링 간격이 증가할수록 신호가 낮아지는 경향을 보이고 있다(Fig. 3b). 신호강도가 가장 높은 경우에는 라벨링 간격이 없을 때이며 가장 낮은 경우는 25 mm의 라벨링 간격을 이용할 경우였다.
- 1) 회백질과 백질의 변화: 회백질은 라벨링 지연시간 400 ms까지 양쪽 모두 감소하다가 라벨링 지연시간이 1,000 ms까지 증가하였다(Fig. 4b). 그 이후에는 감소되는 곡선을 보이고 있다.
- 2) 뇌실질의 변화: 라벨링 후에 영상을 얻는 영역까지 도달하는데 소요되는 시간은 측두엽과 두정엽은 400 ms, 전두엽과 후두엽은 200 ms 이었다. 최고 신호강도를 보인 라벨링 후의 지연 시간은 측두엽이 800 ms, 전두엽은 1,000 ms, 후두엽 및 두정엽은 1,200 ms이었다(Fig.
- 2) 뇌실질의 변화: 측두엽, 전두엽, 후두엽, 두정엽 모두에서 100 mm 정도의 라벨링 두께에서 가장 높은 관류신호강도를 보였다(Fig. 5c). 신호강도는 후두엽, 측두엽, 전두엽, 두정엽 순으로 높았다.
- 2) 뇌실질의 변화: 후두엽의 경우 5 mm 간격에서 최대신호강도를 보이고 간격이 넓어지면 신호강도가 빠르게 감소를 하였다(Fig. 3c). 전두엽과 측두엽은 일정 신호강도를 유지하다가 간격이 증가하면 감소하는 신호강도를 보이고 있다.
- 또한 1,000 ms 이후에 신호강도가 감소하는 주된 원인은 라벨링된 혈액의 이완(Relaxation)이 많이 되었기 때문으로 생각된다. 뇌실질의 변화에서는 라벨링 지연시간이 측두엽과 전두엽은 1,000 ms 때 후두엽과 두정엽은 1,200 ms 가장 높은 신호강도를 나타냈다. 측두엽과 전두엽에서 같은 지연시간에 높은 신호를 나타낸 것은 측두엽은 중대뇌동맥(Middle cerebral artery)과 전두엽은 전대뇌동맥(Anterior cerebral artery)에서 같은 위치에서 혈액 공급을 받고, 측두엽과 전두엽보다 후두엽과 두정엽의 신호강도가 200 ms 늦은 시간에 높은 신호강도를 나타난 것은 두정엽의 측정 부위가 위쪽에서 위치하기 때문일 것으로 생각이 된다.
- 신호강도가 가장 높은 경우에는 라벨링 간격이 없을 때이며 가장 낮은 경우는 25 mm의 라벨링 간격을 이용할 경우였다. 백질의 경우에는 신호강도가 낮아 라벨링 간격에 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.
- 따라서 ascend 혹은 descend 영상방법을 사용하여야만 한다. 본 실험 결과 descend으로 절편 획득을 할 경우가 ascend로 하였을 경우보다 회백질과 백질에서 높은 신호강도를 나타냈다. 라벨링된 혈액이 목 부근에서 머리 위쪽으로 올라가기 때문에 일반적으로 descend 방향으로 찍으면 슬라이스 찍는 시간이 라벨링된 혈액이 모두 절편을 얻는 영역에 도달 한 다음에 영상을 획득하기 때문에 descend으로 얻는 것이 효과적일 수 있다.
- 본 실험 결과 라벨링 두께가 증가할수록 회백질과 백질의 신호강도는 증가하다가 120 mm부터는 감소하고, 뇌 실질에서는 80∼120 mm 사이에서 높은 신호강도를 보였다.
- 또한 이 시간 간격이 너무 길면 라벨링된 혈액이 빠르게 이완되어 신호강도를 감소시킬 수 있는 원인이 될 수도 있다. 본 실험 결과 라벨링 후의 시간 변화에 따라 회백질의 신호강도가 높게 나온 것은 1,000 ms이지만 백질은 적정 시간을 찾을 수가 없다. 본 실험에서는 회백질에서 400 ms 정도가 라벨링된 혈액이 관심영역에 도달하는 시간(arterial transit time, ATT)으로 나타났으며, 그 이전에 관류강조신호가 높게 나타난 것은 라벨링되지 않은 혈액이 그 곳에 머물러 있기 때문으로 생각된다.
- 본 실험 결과 라벨링 간격 변화에 따라 회백질은 라벨링 간격이 15에서 20 mm 이후에 신호 강도가 더 가파르게 감소하는 것을 보여주기 때문에 이 정도의 간격을 유지하는 것이 바람직하다고 생각한다.
- 본 실험 결과 라벨링 후의 시간 변화에 따라 회백질의 신호강도가 높게 나온 것은 1,000 ms이지만 백질은 적정 시간을 찾을 수가 없다. 본 실험에서는 회백질에서 400 ms 정도가 라벨링된 혈액이 관심영역에 도달하는 시간(arterial transit time, ATT)으로 나타났으며, 그 이전에 관류강조신호가 높게 나타난 것은 라벨링되지 않은 혈액이 그 곳에 머물러 있기 때문으로 생각된다. 또한 1,000 ms 이후에 신호강도가 감소하는 주된 원인은 라벨링된 혈액의 이완(Relaxation)이 많이 되었기 때문으로 생각된다.
- 1) 회백질과 백질의 변화: 절편 획득 순서 변화에 따른 회백질과 백질에서의 관류신호강도 값을 Table 2a에 나열하였다. 절편 획득 순서에 따른 백질과 회백질의 관류신호강도 값은 회백질과 백질 모두 머리의 꼭대기부터 영상을 획득하는 descend에서 신호강도가 높았다. 회백질과 백질 모두 우측에 비해 좌측의 신호강도 값이 높았지만 백질은 descend에서 신호강도 값이 높았다.
- 즉 라벨링 간격의 변화에 두정엽이 가장 영향을 적게 받고 후두엽이 가장 많은 영향을 받았다.
- 절편 획득 순서에 따른 백질과 회백질의 관류신호강도 값은 회백질과 백질 모두 머리의 꼭대기부터 영상을 획득하는 descend에서 신호강도가 높았다. 회백질과 백질 모두 우측에 비해 좌측의 신호강도 값이 높았지만 백질은 descend에서 신호강도 값이 높았다.
후속연구
- 이에 본 연구에서는 정상 성인 남성을 대상으로 여러 인자들 중 라벨링 간격, 라벨링 지연시간, 라벨링 두께, 절편 획득 순서의 변화에 따른 ASL의 관류강조 신호변화가 백질과 회백질 그리고 측두엽, 전두엽, 후두엽, 두정엽에서 어떻게 변화하는지 살펴보았다. 그 결과 각 실험 조건에 따라서 관류신호강도가 크게 변화를 하는 것을 보여 주었고, 따라서 실제 환자를 대상으로 관류 영상을 얻고자 할 경우에는 실제 임상 적용 전에 최적화된 프로토콜을 만든 후에 사용을 해야할 것으로 생각한다. 특히 백질의 뇌 관류영상을 얻기 위해서는 여러 조건을 변화시켜 최적화한 후에 사용하는 것이 절대적으로 필요할 것으로 생각한다.
- 실제 혈관의 상태에 따라서 혈류의 속도가 바뀔 수 있기 때문에 정상인을 대상으로 할지라도 넓은 나이 범위를 같은 대상자를 피험자로 한 실험 결과가 필요하다. 또한 정상인 외에 각종 혈관질환이 있는 환자들을 대상으로 신호강도를 평가하는 것이 필요할 것으로 생각이 된다. 셋째, 본 실험에서 실시한 외에 다른 인자들에 대한 실험이 필요할 것이다.
- 본 실험에서 추가 실험이 어려웠던 것은 한 피험자당 약 1시간 동안 영상 획득을 하여야 했기 때문에 추가 실험이 어려웠다. 본 실험에서는 STAR 라벨링 방법 하나만을 최적화하는 실험을 하였으나 현재 많이 사용되고 있는 pCASL (pseudo continuous arterial spin labeling)방법21)에 대한 최적화가 필요하다고 생각이 된다.
- 이러한 문제 때문에 실제 아직은 일반적으로 환자에 사용을 하지 못하고 있다. 본 연구에서는 각 실험 조건에 따라서 관류신호 강도가 크게 변화를 하는 것을 보여 주었고, 따라서 실제 환자를 대상으로 관류 영상을 얻고자 할 경우에는 실제 임상 적용 전에 최적화된 프로토콜을 만든 후에 사용을 해야 할 것으로 생각한다. 특히 백질의 뇌 관류영상을 얻는 것은 아직 문제가 있는 것으로 생각이 된다.
- 또한 정상인 외에 각종 혈관질환이 있는 환자들을 대상으로 신호강도를 평가하는 것이 필요할 것으로 생각이 된다. 셋째, 본 실험에서 실시한 외에 다른 인자들에 대한 실험이 필요할 것이다. 예를 들면, 라벨링 되는 펄스의 강도에 따라서 라벨링 되는 효과가 다르게 나올 수 있으므로 3테슬라에서 사용 가능한 최대의 출력으로 라벨링 하는 것이 필요할 것이다.
- 특히 백질의 뇌 관류영상을 얻는 것은 아직 문제가 있는 것으로 생각이 된다. 하지만 회백질에서 비침습적인 방법으로 뇌 관류영상을 획득할 수 있어 신장에 문제가 있는 환자나 소아 환자 및 가임 영성의 뇌 질환에 동맥스핀표지 방법이 유용하게 사용될 것으로 사료된다.
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