Ⅰ서 론
자기공명영상(magnetic resonance image, 이하 MRI) 장치의 성능을 좌우하는 척도 중 핵심은 진단에 중요한 정 보를 제공하는 영상의 질이라고 할 수 있으며, 이를 평가하 는 대표적인 기준 중 하나가 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, 이하 SNR)이다1-2).
SNR을 측정하기 위한 방법에는 단일 영상을 이용하는 두 영역측정법(two region method)이 흔히 사용된다. 두영역 측정법은 물체의 관심영역(region of interest, 이하 ROI) 에서 측정한 신호강도를 배경영역(background)에서 측정 한 잡음(noise) 신호강도의 표준편차로 나누어 SNR을 산출 하는 방법으로, 간단하고 비교적 측정시간이 짧다3-6).
두영역측정법을 이용하여 SNR을 측정하기 위해서는 3가 지 전제조건이 필요하다. 영상 전체에 걸쳐서 공간적으로 균일한 잡음 분포를 이루어야 하고, 영상을 획득할 때마다 잡음이 일정한 통계 분포를 가져야 하며, 표준 단일채널구 상코일로 영상을 획득해야 하는 것이다3). 이는 기존의 영상 획득 방법이 잡음의 분포로서 rician noise distribution을 따르기 때문이다7-9). 그러나 MRI 장치의 발전으로 다중채 널코일과 병렬영상기법이 일반화된 현행 영상에서는 두영 역측정법을 사용하여 SNR을 측정하면 부정확할 수 있다. 이는 두영역측정법을 위한 3가지 전제 조건에 위배되기 때 문이다. 즉, 영상 획득시간의 감소를 위해 병렬영상기법을 적용하게 되면 위상 부호화 신호의 손실로 인해 영상의 SNR 이 acceleration factor의 제곱근 만큼 감소하게 된다. 이로 인해 보상하기 위한 영상의 재구성 과정 중 잡음이 증 폭되고, RF 코일의 기하학적 구조에 따라 잡음의 증폭정도 가 달라져 기존의 rician noise distribution을 따르지 않는 다. 그러므로 잡음이 공간적으로 일정하지 않고 다양성을 띄게 되는 두영역측정법은 배경영역에서 ROI의 위치에 따 라 경우에 수가 발생하게 되고 위치에 따른 재현성이 떨어 져 정확성이 감소된다7,10-12).
부정확한 SNR의 산출은 MRI 장치의 성능점검 지표가 될 수 없으며, 병변과 조직의 물리․생화학적 특성과 변화에 관 한 신뢰성 있는 척도가 될 수 없다13). 또한 이로 인해 획득 할 수 있는 정보가 줄어들어 병변의 감별에 어려움이 따르 며, 환자의 진단 및 치료에 심각한 영향을 초래할 수 있다. 그러나 위와 같은 문제점에도 불구하고 다중채널코일과 병 렬영상기법을 이용한 많은 연구에서 SNR의 측정에 두영역 측정법을 사용하고 있는 실정이다4,11).
이에 본 연구에서는 3가지 전제조건을 만족하는 두영역 측정법으로 측정한 SNR 값과, 전제 조건 고려 없이 두영역 측정법 적용하여 다중채널코일 및 병렬영상기법으로 산출 한 SNR 값을 비교하고자 하였다. 이를 통하여 다중채널코 일과 병렬영상기법 이용 시 관행적으로 사용하고 있는 두영 역측정법의 문제점을 파악하여 개선방안에 관한 기초자료 를 제시하고자 하였다.
Ⅱ연구방법
SNR 값의 비교를 위하여, 먼저 두영역측정법 사용 시 3 가지 전제 조건에 만족하는 단일채널구상코일을 이용한 기 준 SNR을 산출하였다. 이후 다중채널코일과 병렬영상기법 을 이용한 SNR은 공신력 있는 기관인 미국의학물리학자협 회(American Association of Physicists in Medicine, 이하 AAPM)와, 미국국가전기제작자협회(the National Electrical Manufacturers Association, 이하 NEMA), 제조사의 권고 등에 의거 3가지 전제조건 고려 없이 관행적인 방법으로 적용 하여 산출하였으며14-15), 이를 비교 평가하였다(Figure. 1-4). Fig .2, 3
영상획득 장비는 3.0T 초전도 자기공명 영상장치(Achieva, Philips medical system, Netherlands)를 이용하였으며, 기준이 되는 SNR을 산출하기 위한 단일채널구상코일은 1 channel transmit receive head coil을 사용하였고, 각 방 법을 비교하기 위한 다중채널코일은 8 channel SENSE head coil을 사용하였다.
영상의 매개변수는 T1 강조영상의 경우 TR 500 ms, TE 10 ms, slice thickness 5 mm, gap 2 mm, FOV 230 mm, FA 70, NAV 1을 사용하였으며, T2 강조영상의 경우 TR 3000 ms, TE 80 ms, slice thickness 5 mm, gap 2 mm, FOV 230 mm, FA 90, NAV 1을 사용하여 ACR phantom(J10470, J.M specialty, San Diego, CA.)의 축상면 영상(axial image)을 획득하였다(병렬영상기법을 적용한 Philips 권고 방법은 SENSE factor 1 적용).
SNR은 Image J(Ver. 1.47v, NIH, USA) 프로그램을 이 용하여 각 방법에 따라 신호강도를 측정한 후, 아래의 공식 을 이용하여 산출하였다.
신호강도 측정 시 ROI는 10 mm2로 설정하였으며, AAPM과 제조사 권고방법은 단일 측정방법을 가지나 두영 역측정법과 NEMA 권고방법은 측정자가 배경영역의 표준 편차를 측정하기 위해 ROI를 어느 부분에 위치시키느냐에 따라 위치에 따른 경우의 수가 발생할 수 있어 네 부분 (right up, right down, left up, left down)의 영역을 모 두 측정하였다(Figure 5, 6).
통계적 분석은 각 방법으로 산출한 SNR의 비교를 위해 표 준편차를 평균으로 나눈 상대표준편차(relative standard deviation, RSD)로 비교하였으며, 단일채널코일을 이용한 두영역측정법을 기준으로 각 방법의 Blend-Altman plot을 작성하여 95% 신뢰구간을 비교하였다. 신뢰구간의 간격이 좁을수록 기준이 되는 단일채널구상코일을 이용한 두영역 측정법과 일치도가 높음을 의미하며, 상대표준편차가 작을 수록 재현성이 우수하고 정밀도가 높은 것을 의미한다.
Ⅲ연구결과
단일측정방법의 AAPM 권고법이 T1(4.53), T2(3.34) 강 조영상 모두에서 낮은 상대표준편차를 보여 높은 정밀도를 나타내었으며, 다중채널코일과 병렬영상기법 이용 시 T1, T2 강조영상 모두에서 가장 높은 상대표준편차를 보여 낮은 정밀도를 나타내었다.
잡음의 표준편차를 얻기 위한 배경영역에서 ROI 위치에 따른 경우의 수 차이는 T1 강조영상의 경우, 기준이 되는 단 일채널구상코일을 이용한 두영역측정법은 배경영역 ROI의 위치에 따른 네 영역의 SNR과 상대표준편차의 차이가 적어 공간적으로 균일한 잡음 분포를 이루었다.
NEMA 권고법은 기준이 되는 단일채널구상코일을 이용 한 두영역측정법과 마찬가지로 위치에 따른 SNR과 상대표 준편차의 차이가 적어 공간적으로 균일한 잡음 분포를 이루 었다. 다중채널코일과 병렬영상기법을 이용한 두영역측정 법의 경우, 위치에 따라 최소 34.02%에서 최대 176.6%의 차이를 보여 공간적으로 잡음의 분포가 균일하지 않았다 (Table 1).
T2 강조영상의 측정 결과, 단일채널구상코일을 이용한 두영역측정법과 NEMA 권고법은 위치에 따른 SNR과 상대 표준편차의 차이가 적어 공간적으로 균일한 잡음 분포를 이 루었으나, 다중채널코일과 병렬영상기법의 두영역측정법은 위치에 따라 144.56%에서 358.6%의 차이를 보여 공간적으 로 잡음분포가 균일하지 않았다(Table 2).
Blend-Altman plot에서도 단일채널구상코일을 이용한 두영역측정법을 기준으로 각 권고법에 따른 Blend-Altman plot을 작성하여 비교한 결과, T1, T2 강조영상 모두 단일 측정방법을 가지는 AAPM 권고법에서 신뢰구간의 간격이 가장 좁았으며, 다중채널코일과 병렬영상기법을 이용한 측 정법이 가장 넓었다. 간격이 좁을수록 기준방법과 일치도가 높으므로, AAPM 권고법이 가장 일치도가 높고, 다중채널 코일과 병렬영상기법을 이용한 두영역측정법이 가장 낮음 을 알 수 있었다(Figure 7-14). Fig .8,9,10,11,12,13
Ⅳ고찰 및 결론
SNR은 MRI 장치의 성능과 영상의 질을 평가하는 객관적 인 지표로서 산출방법에 관한 지속적인 연구가 이루어지고 있다. 그 중 두영역측정법은 측정 시간이 짧고 산출 방법이 간단하여 많은 연구에 이용되고 있다3-6). 그러나 Deshmane 등10)과 Sodickson 등11)은 MRI 장치의 하드웨어 및 소프트 웨어의 발전으로 도입된 다중채널코일과 병렬영상기법이 잡음의 공간적 분포에 영향을 미친다고 하였다. 이로 인해 다중채널코일과 병렬영상기법 이용 시 두영역측정법에 대 한 정확성이 감소하는 것으로 보고하였다.
이러한 문제점을 인지하여 AAPM과 NEMA 등 국제적인 전문기관에서는 다중채널코일과 병렬영상기법 이용 시 SNR 측정방법을 별도로 권고하고 있는 실정이다. 그러나 대부분 문제점에 대한 정량적인 자료 제시나 직접적인 상호 비교결과 없이 해당 기관에서 정한 측정방법을 권고하는 수 준에 머무르고 있다. 또한 Dietrich 등4)과 Michael 등9), Kellman 등13)은 다중채널코일과 병렬영상기법 이용 시 재 구성 필터 차이에 따른 SNR 측정법에 관하여 연구를 하였 으나, 근본적인 문제점의 개선보다는 자체 개발한 SNR 측 정법과 기존의 방법을 비교한 정도라는 한계가 있었다.
Larsson 등16)과 Wiens 등17), Imai 등18)도 두영역측정법 의 단점을 보완하여 보다 정확한 SNR을 측정하기 위한 대 체 방안을 제시하였으나, 이 또한 자체 개발한 개별적인 측 정법과 AAPM이나 NEMA의 측정법을 비교한 결과 발표 수 준에 머물렀다.
즉 해당 연구자들의 자체 연구법에 대한 실험적인 연구로 서 다중채널코일과 병렬영상기법을 이용한 연구와의 단순 비교 연구로서, 관행적으로 두영역측정법을 사용하면 어떠 한 문제점이 발생할 수 있는지에 대한 구체적인 언급이 없 다고 하겠다.
이에 본 연구에서는 개별연구를 제외한 공신력 있는 기관 에서 SNR 산출을 위해 제안하고 있는 방법들을 정량적으로 비교함으로써, 다중채널코일과 병렬영상기법 이용 시 관행 적으로 사용하고 있는 두영역측정법의 문제점을 분석하고 자 시도하였다.
연구결과, T1, T2 강조영상 모두 다중채널코일과 병렬영 상기법 이용한 두영역측정법이 가장 높은 상대표준편차를 보여 낮은 정밀도를 나타내었다. 잡음의 표준편차를 얻기 위한 ROI 위치에 따른 SNR의 차이도 다중채널코일과 병렬 영상기법을 이용한 두영역측정법이 T1 강조영상은 최소 34.02%에서 최대 176.60%, T2 강조영상은 최소 144.56% 에서 최대 358.60%의 차이를 보여 공간적으로 잡음의 분포 가 균일하지 않음을 알 수 있었다.
이러한 결과는 전제조건을 만족하지 않는 다중채널코일 과 병렬영상기법을 이용한 두영역측정법의 문제점을 잘 나 타내는 것으로서, Blend-Altman plot 통해서 자세히 살펴 볼 수 있었다. 즉 다중채널코일과 병렬영상기법을 이용한 두영역측정법의 95% 신뢰구간이 가장 넓어 기준이 되는 단 일채널구상코일을 이용한 두영역측정법과의 일치도가 낮음 을 알 수 있다.
본 연구를 진행함에 있어 두영역측정법의 한계를 보완하 여 보다 정확한 SNR 측정을 위해 선행 연구방법들4,13,16-18) 과 직접적인 비교 평가를 하고자 하였다. 그러나 연구자들 의 임의적 개발로 인한 공신력이 부족하고, 각 방법의 병렬 영상기법과 재구성 방법에 한계점이 있어 비교평가가 이루 어지지 못한 아쉬움이 제한점으로 남는다.
그럼에도 불구하고 본 연구는 동일한 영상획득조건에서 자기공명영상장치의 성능평가 시험에서 표준이 되는 AAPM 이 제시하는 SNR 산출방법19)과, 넓은 범위의 잡음 영역, 영 상의 불균일, 인공물 영역에 걸친 신호 영역 내에서의 잡음 레벨을 정확히 결정할 수 있는 NEMA의 인접 픽셀의 차이 를 이용한 SNR 산출방법20), 그리고 자기공명영상장치의 제 조사가 권고하고 있는 방법까지 직접적으로 비교하였다는 특징이 있다. 이를 통하여 연구자들이 간과할 수 있는 전제 조건을 만족하지 않는 다중채널코일과 병렬영상기법을 이 용한 두영역측정법의 문제점을 정량적으로 분석하여 증명 하였다는데 학술적 의의가 크다고 하겠다.
