자기공명영상이 인체에 미치는 영향 : 치아임플란트 재료에 따른 차이 분석 Effects of Magnetic Resonance Imaging on the Human Body : Analysis of differences according to Dental Implant Material원문보기
Brain MRI 검사에서는 영상을 얻기 위해 RF Pulse를 인체에 조사하게 되는데 이때 조사된 RF Pulse 에너지의 상당부분은 우리 몸에 그대로 흡수되게 되고 이로 인해 인체의 온도가 상승하게 되는데 노출정도에 따라 인체에 영향을 주게 된다. 그리고 같은 RF Pulse 에너지를 주었더라도 인체에 금속이 삽입되었다면 금속으로 인한 전자파 전도도가 증가하기 때문에 SAR가 증가하고 체온도 변화하게 된다. 이에 Brain MRI검사 시 치아 임플란트의 재료에 따라 발생되는 두부 전체의 SAR와 온도의 변화를 비교 분석하고자 한다. 실험은 인체 두부모델에 1.5Tesla MRI장비에서 발생되는 64MHz RF Pulse 주파수, 3.0Tesla MRI장비에서 발생되는 128MHz RF Pulse 주파수를 조사한 뒤 치아 임플란트 재료를 Titanium과 $Al_2O_3$로 변화시킨 경우 두부 전체의 SAR와 온도 변화를 알아본다. 치아 임플란트 재료의 변화에서 Titanium을 사용하였을 때, 두부 전체의 SAR와 온도는 높게 나타났다. 하지만 $Al_2O_3$을 사용하였을 때, Titanium보다 두부 전체의 SAR와 온도는 낮게 나타났다. 치아 임플란트의 재료는 금속의 비중이 작은 경금속이면서 전기적 도체인 Titanium과 비교했을 때 전기전도도가 낮은 전기적 부도체인 $Al_2O_3$에서 두부 전체의 SAR와 온도는 낮게 나타났다. 치아 임플란트 재료가 Titanium 일 경우 SAR의 최대값은 제한치보다 월등히 높기 때문에 향후 Titanium의 치아 임플란트 재료를 삽입한 환자가 Brain MRI 검사를 할 경우 환자의 생물학적 영향과 관련된 연구가 필요할 것이다. 또한, 치아 임플란트 시술 시 Titanium보다는 $Al_2O_3$ 재질의 치아 임플란트를 사용하는 것이 Brain MRI 검사에서 인체 두부 전체의 SAR와 온도를 감소시키는 방안이라는 점을 발견할 수 있었다.
Brain MRI 검사에서는 영상을 얻기 위해 RF Pulse를 인체에 조사하게 되는데 이때 조사된 RF Pulse 에너지의 상당부분은 우리 몸에 그대로 흡수되게 되고 이로 인해 인체의 온도가 상승하게 되는데 노출정도에 따라 인체에 영향을 주게 된다. 그리고 같은 RF Pulse 에너지를 주었더라도 인체에 금속이 삽입되었다면 금속으로 인한 전자파 전도도가 증가하기 때문에 SAR가 증가하고 체온도 변화하게 된다. 이에 Brain MRI검사 시 치아 임플란트의 재료에 따라 발생되는 두부 전체의 SAR와 온도의 변화를 비교 분석하고자 한다. 실험은 인체 두부모델에 1.5Tesla MRI장비에서 발생되는 64MHz RF Pulse 주파수, 3.0Tesla MRI장비에서 발생되는 128MHz RF Pulse 주파수를 조사한 뒤 치아 임플란트 재료를 Titanium과 $Al_2O_3$로 변화시킨 경우 두부 전체의 SAR와 온도 변화를 알아본다. 치아 임플란트 재료의 변화에서 Titanium을 사용하였을 때, 두부 전체의 SAR와 온도는 높게 나타났다. 하지만 $Al_2O_3$을 사용하였을 때, Titanium보다 두부 전체의 SAR와 온도는 낮게 나타났다. 치아 임플란트의 재료는 금속의 비중이 작은 경금속이면서 전기적 도체인 Titanium과 비교했을 때 전기전도도가 낮은 전기적 부도체인 $Al_2O_3$에서 두부 전체의 SAR와 온도는 낮게 나타났다. 치아 임플란트 재료가 Titanium 일 경우 SAR의 최대값은 제한치보다 월등히 높기 때문에 향후 Titanium의 치아 임플란트 재료를 삽입한 환자가 Brain MRI 검사를 할 경우 환자의 생물학적 영향과 관련된 연구가 필요할 것이다. 또한, 치아 임플란트 시술 시 Titanium보다는 $Al_2O_3$ 재질의 치아 임플란트를 사용하는 것이 Brain MRI 검사에서 인체 두부 전체의 SAR와 온도를 감소시키는 방안이라는 점을 발견할 수 있었다.
In MRI examination, when irradiating the human body with RF Pulse to acquire images, the portion of the irradiated RF Pulse energy is absorded into the human body, and this will affect the temperature of the human body. If a metal is inserted into the human body even if the same RF Pulse energy is a...
In MRI examination, when irradiating the human body with RF Pulse to acquire images, the portion of the irradiated RF Pulse energy is absorded into the human body, and this will affect the temperature of the human body. If a metal is inserted into the human body even if the same RF Pulse energy is applied, the SAR value increases and the body temperature changes due to the increase in the electromagnetic wave conductivity of the metal. So we measure and compared with the change in the SAR and temperature in the implant material of the dental implant in Brain MRI examinations. Experiments were performed on a human head model using a 64MHz and 128 MHz RF Pulse frequency generated by a 3.0 Tesla MRI apparatus. And then changed material of dental implants to Titanium and $Al_2O_3$. Using the XFDTD program, the changes in SAR and body temperature around the head were examined. When with Titanium the SAR value and temperature of Brain increased, but with $Al_2O_3$ showed lower SAR and temperature as compared with Titanium. The dental implants were low in SAR and temperature of the head in $Al_2O_3$, which are electrical insulators with low electrical conductivity, compared to Titanium, which is an electrical conductor. It is necessary to study the biologic effect of patient with brain MRI when titanium dental implant material is inserted in the future. Because the maximum value of SAR is much higher than the limit when dental implant material is Titanium. In addition, it is necessary to use an implant of $Al_2O_3$ material to reduce the SAR value and temperature of the Brain in Brain MRI examination.
In MRI examination, when irradiating the human body with RF Pulse to acquire images, the portion of the irradiated RF Pulse energy is absorded into the human body, and this will affect the temperature of the human body. If a metal is inserted into the human body even if the same RF Pulse energy is applied, the SAR value increases and the body temperature changes due to the increase in the electromagnetic wave conductivity of the metal. So we measure and compared with the change in the SAR and temperature in the implant material of the dental implant in Brain MRI examinations. Experiments were performed on a human head model using a 64MHz and 128 MHz RF Pulse frequency generated by a 3.0 Tesla MRI apparatus. And then changed material of dental implants to Titanium and $Al_2O_3$. Using the XFDTD program, the changes in SAR and body temperature around the head were examined. When with Titanium the SAR value and temperature of Brain increased, but with $Al_2O_3$ showed lower SAR and temperature as compared with Titanium. The dental implants were low in SAR and temperature of the head in $Al_2O_3$, which are electrical insulators with low electrical conductivity, compared to Titanium, which is an electrical conductor. It is necessary to study the biologic effect of patient with brain MRI when titanium dental implant material is inserted in the future. Because the maximum value of SAR is much higher than the limit when dental implant material is Titanium. In addition, it is necessary to use an implant of $Al_2O_3$ material to reduce the SAR value and temperature of the Brain in Brain MRI examination.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
와같은 세라믹 재질 임플란트가 있다. 이러한 치아임플란트는 금속재질과 세라믹 재질에 따라 SAR값의 변화와 인체의 온도 변화에 차이가 있지 않을까라는 의문으로 이번 연구를 시작하게 되었다.
제안 방법
MRI의 자장강도에 따른 RF puls의 영향이 치아임플란트의 재질에 따라 달라지는 SAR값과 두부의 체온변화에 미치는 영향을 알아보고자 XFDTD 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 아래와 같은 실험을 실시하였다.
각각의 실험에서 두부 전체의 SAR값의 변화와두부 전체의 온도 변화를 알아본다.
본 논문에서는 인체두부 모델을 전자장 분석 소프트 프로그램인 XFDTD 프로그램을 사용하여 전자파 인체 결합 특성연구로 수치해석을 이용하여 MRI 사용 시 인체두부모델에 삽입된 치아임플란트 주위의 비흡수율(SAR: Specific Absorption Rate) 분포와 온도상승(Temperature-Rise)을 분석하였다.
대상 데이터
본 논문에 사용된 인체두부 모델은 미국의 BrighamYoung University에서 MRI촬영으로 구성한 Jensen모델로 공기를 제외한 뼈, 피부, 근육, 뇌, 렌즈, 수양액, 각막등 7개의 조직으로 구성되었다. 인체 두부의 크기는 15.
이 모델링은 미국의 NLM(U.S.National Library of Medicine)에서 수행되고 있는The Visible Human Project에서 촬영된 MRI 데이터 기반으로 제작되었으며 한 셀의 크기는 3mm ×3mm × 3mm 이다.
치아임플란트의 재료는 금속의 비중이 작은 경금속이면서 전기적 도체인 Titanium을 사용했을 때가Conductivity가 낮은 전기적 부도체인 Al2O3을 사용했을 때 보다 모의 인체의 SAR와 두부 온도의 증가를 나타내었다.
이론/모형
모의 계산 방법은 일반적으로 매질의 복잡성에 별다른 영향을 받지 않으면서도 전파해석이 가능한 FDTD(finite-difference time-domain)방법을 사용한다.[7]
위 실험의 측정은 미국 램콤사의 전자장 분석 소프트 프로그램인 XFDTD 프로그램을 사용하였다.
성능/효과
재질보다 치아임플란트 재료가 Titanium 일 때 SAR와 두부 전체의 온도는 증가한다. 128MHz의 주파수를 적용하고 Al2O3 재질의 치아임플란트를 사용할 경우 SAR의 최대값은 0.0006390W/kg으로 나타났으며 128MHz의 주파수를 적용하고Titanium 재질의 치아임플란트를 사용할 경우 SAR의 최대값은 3.133W/kg으로 나타났다. 치아임플란트재료를 Titanium 재질을 사용할 때가 Al2O3 재질을사용할 때보다 SAR의 최대값은 4900배가 증가하였다.
128MHz의 주파수를 적용하고 Al2O3 재질의 치아임플란트를 사용할 경우 SAR의 평균값은 0.0000195W/kg으로 나타났으며 128MHz의 주파수를 적용하고 Titanium 재질의 치아임플란트를 사용할 경우 SAR의 평균값은 0.0006231W/kg으로 나타났다. 치아임플란트 재료를 Titanium 재질을 사용할 때가 Al2O3 재질을 사용할 때보다 SAR의 평균값은 32배가 증가하였다.
128MHz의 주파수를 적용하고 Al2O3 재질의 치아임플란트를 사용할 경우 두부 온도의 최대값은 0.043490℃으로 나타났으며 128MHz의 주파수를 적용하고 Titanium 재질의 치아임플란트를 사용할 경우 두부 온도의 최대값은 0.105500℃으로 나타났다. 치아임플란트 재료를 Titanium 재질을 사용할 때가Al2O3 재질을 사용할 때보다 두부 온도의 최대값은 2.
128MHz의 주파수를 적용하고 Al2O3 재질의 치아임플란트를 사용할 경우 두부 온도의 평균값은 0.003851℃으로 나타났으며 128MHz의 주파수를 적용하고 Titanium 재질의 치아임플란트를 사용할 경우 두부 온도의 평균값은 0.012480℃으로 나타났다. 치아임플란트 재료를 Titanium 재질을 사용할 때가 Al2O3 재질을 사용할 때보다 두부 온도의 평균값은 3.
Brain MRI 검사에서 치아임플란트 재료에 따른 두부 전체의 SAR값과 온도의 변화를 측정한 결과에서는 Al2O3 재질보다 치아임플란트 재료가 Titanium 일 때 SAR와 두부 전체의 온도는 증가한다. 128MHz의 주파수를 적용하고 Al2O3 재질의 치아임플란트를 사용할 경우 SAR의 최대값은 0.
이를 자세히 살펴보면, 128MHz 주파수에서 두부SAR의 최대값은 치아임플란트 재료로 Titanium 재질을 사용하였을 때 가장 높게 나타났고, Al2O3 재질을 사용하였을 때, 치아임플란트를 사용하지 않았을 때 순서로 높게 나타났다.
이를 자세히 살펴보면, 128MHz 주파수에서 두부SAR의 평균값은 치아임플란트 재료로 Titanium 재질을 사용하였을 때 가장 높게 나타났고, Al2O3 재질을 사용하였을 때, 치아임플란트를 사용하지 않았을 때 순서로 높게 나타났다.
이를 자세히 살펴보면, 128MHz 주파수에서 두부온도의 최대값은 치아임플란트 재료로 Titanium 재질을 사용하였을 때 가장 높게 나타났고, Al2O3 재질을 사용하였을 때, 치아임플란트를 사용하지 않았을 때 순서로 높게 나타났다.
이를 자세히 살펴보면, 128MHz 주파수에서 두부온도의 평균값은 치아임플란트 재료로 Titanium 재질을 사용하였을 때 가장 높게 나타났고, Al2O3 재질을 사용하였을 때, 치아임플란트를 사용하지 않았을 때 순서로 높게 나타났다.
이를 자세히 살펴보면, 64MHz 주파수에서 두부SAR의 최대값은 치아임플란트 재료로 Titanium 재질을 사용하였을 때 가장 높게 나타났고, Al2O3 재질을 사용하였을 때, 치아임플란트를 사용하지 않았을 때 순서로 높게 나타났다.
이를 자세히 살펴보면, 64MHz 주파수에서 두부SAR의 평균값은 치아임플란트 재료로 Titanium 재질을 사용하였을 때 가장 높게 나타났고, Al2O3 재질을 사용하였을 때, 치아임플란트를 사용하지 않았을 때 순서로 높게 나타났다.
이를 자세히 살펴보면, 64MHz 주파수에서 두부온도의 최대값은 치아임플란트 재료로 Titanium 재질을 사용하였을 때 가장 높게 나타났고, Al2O3 재질을 사용하였을 때, 치아임플란트를 사용하지 않았을 때 순서로 높게 나타났다.
이를 자세히 살펴보면, 64MHz 주파수에서 두부온도의 평균값은 치아임플란트 재료로 Titanium 재질을 사용하였을 때 가장 높게 나타났고, Al2O3 재질을 사용하였을 때, 치아임플란트를 사용하지 않았을 때 순서로 높게 나타났다.
0006231W/kg으로 나타났다. 치아임플란트 재료를 Titanium 재질을 사용할 때가 Al2O3 재질을 사용할 때보다 SAR의 평균값은 32배가 증가하였다.
012480℃으로 나타났다. 치아임플란트 재료를 Titanium 재질을 사용할 때가 Al2O3 재질을 사용할 때보다 두부 온도의 평균값은 3.2배가 증가하였다.
105500℃으로 나타났다. 치아임플란트 재료를 Titanium 재질을 사용할 때가Al2O3 재질을 사용할 때보다 두부 온도의 최대값은 2.4배가 증가하였다.
치아임플란트를 사용하지 않았을 경우 0.0000117W/kg, 치아임플란트 재질이 Titanium 일 경우 0.0003903W/kg, 치아임플란트 재질이 Al2O3 일 경우 0.0000134W/kg로 나타났다.
치아임플란트를 사용하지 않았을 경우 0.0000178W/kg, 치아임플란트 재질이 Titanium 일 경우 0.0006231W/kg, 치아임플란트 재질이 Al2O3 일 경우 0.0000195W/kg로 나타났다.
치아임플란트를 사용하지 않았을 경우 0.0004674W/kg, 치아임플란트 재질이 Titanium 일 경우 2.2100000W/kg, 치아임플란트 재질이 Al2O3 일 경우 0.0004832W/kg로 나타났다.
치아임플란트를 사용하지 않았을 경우 0.0006043W/kg, 치아임플란트 재질이 Titanium 일 경우 3.1330000W/kg, 치아임플란트 재질이 Al2O3 일 경우 0.0006390W/kg로 나타났다.
133W/kg으로 나타났다. 치아임플란트재료를 Titanium 재질을 사용할 때가 Al2O3 재질을사용할 때보다 SAR의 최대값은 4900배가 증가하였다.
후속연구
1990년대 초 부터 2000년대 초중반까지 Titanium 치아임플란트 재료로 시술했던 사람들이 많았다.[10] 이것은 향후 MRI 장비가 발전하면서 자장의 세기가 커져 RF Pulse가 증가하는 요즘 환자의 SAR와 온도상승과 관련해 참고 되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
MRI검사가 인체에 미치는 영향은?
오늘날 환자로부터 우수한 영상을 얻기 위한 많은 노력들이 이루어지고 있으며 MRI에서는 높은 화질의 영상을 위해 장비 성능의 발전과 함께 자기장의 세기가 더욱 증가하게 되고 이에 따라 인체에 부과되는 RF Pulse의 주파수 역시 증가하고 있다. MRI검사 시 MR영상을 얻기 위해 인체에 조사되는 RFPulse 에너지의 상당부분은 우리 몸에 그대로 흡수되게 된다. 이렇게 인체 조직에 흡수된 RF Pulse 에너지로 인해 전자파흡수율(specific absorption rate, SAR)이 증가하게 되고 이로 인해 인체의 온도가 상승하게 되는데 노출정도에 따라 인체에 영향을 주게 된다. 이러한 이유로 검사가 중단되거나 열감현상이 발생하고 심지어는 화상 위험의 가능성도 발생한다.
치아임플란트 재료에 따른 두부 전체 SAR값과 온도 변화는?
Brain MRI 검사에서 치아임플란트 재료에 따른 두부 전체의 SAR값과 온도의 변화를 측정한 결과에서는 Al2O3 재질보다 치아임플란트 재료가 Titanium 일 때 SAR와 두부 전체의 온도는 증가한다. 128MHz의 주파수를 적용하고 Al2O3 재질의 치아임플란트를 사용할 경우 SAR의 최대값은 0.
직접적 임상 실험이 불가능한 인체의 SAR값 도출을 위해 사용한 모의 계산 방법은 무엇인가?
모의 계산 방법은 일반적으로 매질의 복잡성에 별다른 영향을 받지 않으면서도 전파해석이 가능한 FDTD(finite-difference time-domain)방법을 사용한다.[7]
참고문헌 (10)
Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic, and electromagnetic fields(up to 300 GHz), International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection(ICNIRP) Guidelines.
M. G. Restivo, C. A. van den Berg, A. L. van Lier, D. L. Polders. A. J. Raaiijmakers, P. R. Luijten, H. Hooqduin, "Local specific absortion rate in brain tumors at 7 tesla," Magnetic Resonance Medicine, Vol. 7. No. 1, pp. 381-389, 2016.
Z. Wang, J. C. Lin, "Partial-Body SAR Calculations in Magnetic-Resonance Image(MRI) Scanning Sustems [Telecommunications Health and Safety]," IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 54. No. 2, pp. 230-237, 2012.
A. Hirata and O Fujiwara. "The correlation between mass-averaged SAR and temperature elevation in the human head model exposed to RF near-fields from 1 to 6GHz," Physics in medicine and biology, Vol. 54, No. 23, pp. 7227-7238, 2009.
K. B. Baker, J. A. Tkcah, . A. Nyenhuis, M. Phillips, F. G. Shellock, J. Gonzalez-Martinez, A. R. Rezai. "Evaluation of specific absorption rate as a dosimeter of MRI-related import heating," Journal of Magnetic Resonance fo Imaging, Vol. 20, No. 2, pp. 315-320, 2004.
J. Y. Lee, "FDTD Modeling of the Korean Humaan Head using MRI Images," The Journal of Korean of Electromagnetic Engineering and Science, Vol. 11, No. 4, PP. 582-591, Jun, 2006.
A. D. Tinniswood, C. M. Furse, and O. P. Cahdhi, "Computations of SAR distributions for two anatomically based models of the human head using CAD files of commercial telephones and the parallelized FDTD code," IEEE Trans, Antennas Propagat, Vol. 46, No. 6, pp. 829-833, Jun, 1998.
K. S. Yee, "Numerical solution of initial boundary value ons in isotropic media," IEEE Trans, Antennas Propagat, Vol. 14, No. 3, pp. 302-307, May, 1966.
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