Ⅰ서 론
초전도 자석을 활용하여 고자장을 발생하는 자기공명영상 (magnetic resonance imaging; MRI)은 저자장 MRI에 비 해 높은 신호 대 잡음비(signal to noise ratio; SNR)와 대 조도 대 잡음비(contrast to noise ratio; CNR)로 공간분해 능이 증가된다1). 이러한 이점으로 1.5T 이상의 높은 자장을 발생하는 고자장 MRI는 현대 의학에서 진단과 분석을 위한 중요한 도구로 사용되고 있다2). 그러나 동일 조직에서 인체 에 미치는 비흡수율(specific absorption rate; SAR)이 증 가되고, 영상의 균일성에 커다란 영향을 미치는 유전체 효과 (dielectric effect)가 발생하는 문제점을 가지고 있다3,4).
유전체 효과는 자장 하에서 RF pulse 인가 시 인체 조직 의 전도성이 증가하여 부분적으로 흐르는 누설전류에 의해 발생한다. 이 효과로 인하여 MRI 검사 시 저자장에 비해 고 자장에서 RF pulse 파장(약 26cm)이 인체의 지름보다 짧아 져 RF 영역의 균질성을 떨어뜨리는 정재파(standing wave) 를 형성한다. 정재파는 RF pulse와 조직 사이의 반응을 증 대시켜 인체에서 목적 부위의 크기나 모양, 조직의 특성에 따라 상이한 영향을 주어 영상의 균일성을 저하시킨다. 이 러한 현상은 얇은 부위보다는 두꺼운 부위(복부, 골반 등)와 비만, 복수(ascites)환자 등에서 명확하게 나타난다.
MRI에서 dielectric effect는 신호강도 차이를 유발하여 영상의 균일성을 저하시켜 임상적 진단에 어려움을 주고5,6), 영상의 후처리(postprocessing)에 악영향을 제공하는 등 영상 품질과 밀접한 관련이 있다7).
Dielectric effect를 줄이기 위한 방법으로는 부분적인 여 기, 관심 부위의 RF shimming, 인체와 코일 사이에 상대적 으로 높은 전도성을 가진 dielectric pad를 위치시키는 방법 등이 사용되어 왔다. 그러나 대부분 효과가 미미하여 최근 에는 dual RF sour ce를 사용하는 Multi-tr ansmit 기법 (multi-transmit parallel RF transmission technology) 이 유용한 해결 방안으로 주목받고 있다8,9,10).
Multi-transmit 기법은 기하학적으로 두 개의 RF coil을 90° 간격으로 위치시켜 통합한 body coil을 사용하는 특징이 있다. 분리된 RF coil은 독립적으로 인체의 크기와 모양, 지방과 물의 상대적인 양에 따라 자동적으로 RF pulse의 파형이나 위상, 크기 등을 최적화하여 검사부위마다 다르게 작용하게 된다11). 이에 따라 RF pulse 조절을 통해 인체 내에서 숙임각 (flip angle) 분포를 균일하게 함으로써 불가피하게 발생하는 dielectric effect를 감소시켜 일정한 대조도와 균질한 신호의 영상을 얻을 수 있다. 특히 복부나 고관절 등 두꺼운 부위에서 Multi-transmit 기법의 유용성이 높게 입증되고 있다12-17).
또한, 목적 부위에 따라 SAR 분포를 최적화하여 국소적 인 SAR를 줄임으로써 반복시간(repetition time; TR)을 낮 추어 영상의 획득시간을 단축할 수 있는 장점이 있다12).
그러나 대부분의 연구들이 dielectric shading이 뚜렷하게 나타나는 두꺼운 부위에 적용하여 영상의 균일도 향상에 국한하 고 있을 뿐, 26cm 이하의 얇은 부위에 대한 적용사례는 전무한 실정이다. 물론 26cm 이하에서는 정재파가 겹치는 부위와 벗어나 균일성이 저하되지 않으므로 영상의 품질 면에서는 Multi-transmit 기법의 적용이 불필요할 수도 있다. 그러나 검증된 바가 없으며, MRI의 최대 단점인 장시간 검사시간을 개선할 수 있다면 유용성 측면에서 매우 높다고 할 수 있다. 특히 통증이나 장시간 검사로 인한 동일한 자세 유지가 불가능 한 환자를 대상으로 Multi-transmit 기법의 적용은 검사시간 의 단축은 물론, 양질의 영상을 획득하는데 매우 유익할 것이다.
이에 저자들은 영상 획득시간 단축에 유용성이 입증된 Multi-transmit 기법을 26cm 이하의 얇은 부위에 적용하고 자 하였다. 이를 위해 ACR 팬텀을 이용하여 RF 파장 길이인 26cm 이하의 얇은 부위에서 Multi-transmit 기법 적용 전· 후 영상의 균일도 변화를 알아보고, 영상 획득시간을 비교하 여 적용의 유용성에 관한 기초자료를 제공하고자 하였다.
Ⅱ연구방법
연구방법은 Multi-transmit 기법 적용 전, 후 ACR 팬텀 영상을 획득하여 비교 평가하였다. ACR 팬텀(J10470, J.M specialty, San Diego, CA.)은 지름이 14.8cm, 길이 19cm의 원통형 구조로 MRI 장비의 정도관리에 사용되는 표준 팬텀이 다. 영상획득 장비는 Philips Achieva 3.0T(Netherland), 6 channel SENSE cardiac coil을 이용하였으며, 정도관리에 이용되는 표준 T1, T2 강조영상의 매개변수에 multitransmit 기법의 적용 전․후 차이를 알아보기 위해 TR을 최 소(minimum)로 하여 영상을 획득하였다.
영상의 매개변수는 T1 강조영상의 경우 TR은 450~750ms 범위에서 minimum, TE 20ms, FOV 250×250 mm, slice thickness 5mm, slice gap 5mm, FA 70, matrix 256×256, NEX 1을 사용하였으며, T2 강조영상의 경우 TR은 3000~ 6000ms 범위에서 minimum, TE 80ms, slice thickness 5mm, gap 2mm, FOV 250×250mm, FA 120, matr ix 256×256, NEX 1을 사용하였다. ACR 팬텀의 관상면 영상 (axial image)은 Multi-transmit 기법 적용 전․후 각각 30번 획득하였다. 영상은 평가프로그램인 Image J(Ver. 1.47v, NIH, USA)를 이용하여 MRI 장비의 정도관리 항목(공간분해 능, 슬라이스 두께 정확도, 슬라이스 위치 정확도, 고스트 신호 백분율, 저대조도 식별분해능, 균질도)와 SNR, 그리고 검사 시간을 측정하여 비교 평가하였다.
SNR은 미국의학물리학자협회(American Association of Physicists in Medicine; AAPM)의 권고법18)을 이용하여 팬텀 내 중심에 관심영역(region of interest; ROI)을 설정하여 신호 강도를 측정하였다. 이후 팬텀 외부 4곳의 백그라운드 신호강도 의 표준편차를 평균하여 관심영역의 신호강도를 평균한 백그라 운드 신호강도의 표준편차로 나누어 산출하였다(식 1).
통계적 분석 방법은 Multi-transmit 기법 적용 전․후의 결과를 MRI 장비 정도관리 합격기준과 비교한 후, 대응표 본 T 검정을 이용하여 유의한 차이가 있는지 평가하였다.
Ⅲ연구결과
1Geometric accuracy
기하학적 정확도는 Figure 1과 같이 실제길이가 190mm인 팬텀의 상하, 좌우, 대각선 방향의 길이를 측정하여 모든 측정 치가 실제 길이와 2mm 오차범위이어야 한다. 연구결과 모두 2mm의 오차범위 내에 들어 있어 MRI 장비 정도관리 합격기준 에 해당됨을 알 수 있었다. Multi-transmit 기법 적용 전·후 차이는 통계적 유의성이 없었다(p>.05), (Table 1).
2High Contrast Spatial Resolution
공간분해능은 그림 2와 같이 1.0mm의 횡렬분해능과 종 렬분해능 4열 중 1열만 네 점이 분리되면 MRI 장비 정도관 리의 합격 기준에 해당한다. 1.0mm의 횡렬분해능과 종렬분 해능에서 분리되는 열(횡렬, 종렬) 개수의 평균값은 모두 2 개 이상의 분리된 열을 볼 수 있어, 정도관리 합격 기준에 해당됨을 알 수 있었다. Multi-transmit 기법 적용 전·후 의 차이는 통계적 유의성이 없었다(p>.05), (Table 2). Fig .2
3Slice Thickness Accuracy
슬라이스 두께 정확도는 그림 3과 같이 모든 절편의 두께 가 5mm에서 0.7mm의 오차범위 이내에 있어야 한다. 연구 결과 T1, T2강조영상 모두 0.7mm의 오차범위 내에 있음을 알 수 있었으며, Multi-transmit 기법 적용 전·후의 차이 역시 통계적 유의성이 없었다(p>.05), (Table 3). Fig .3
4Slice Position Accuracy
슬라이스 위치 정확도는 그림 4와 같이 1번과 11번 영상 의 측정치가 모두 5mm이내여야 한다. 연구결과 T1, T2강 조영상 모두 1번과 11번 영상에서 측정치가 5mm 이하임을 볼 수 있었으며, 적용 전·후의 차이는 통계적 유의성이 없었 다(p>.05), (Table 4). Fig .4
5Image Intensity Uniformity
(Recommended Action Criteria: greater than or equal to 82.0%) 영상의 강도 균일성은 그림 5와 같이 PIU값이 3T이상일 때 82% 이상이어야 한다. 연구 결과 T1, T2강조영상 PIU값 이 82% 이상임을 볼 수 있었으며, 적용 전·후의 차이는 통 계적으로 유의하지 않았다(p>.05), (Table 5). Fig .5
6Percent Signal Ghosting
(Recommended Action Criteria: less than or equal to 2.5%) 고스트 신호 백분율은 그림 6과 같이 2.5%이하여야 한 다. 연구 결과 T1, T2강조영상 모두 2.5% 이하임을 알 수 있었으며, Multi-transmit 기법 적용 전·후의 차이는 통계 적으로 유의하지 않았다(p>.05), (Table 6). Fig .6
7Low Contrast Object Detectability
(Recommended Action Criteria: greater than 37) 대조도 분해능은 그림 7과 같이 8번부터 11번 영상에서 배열되어 있는 바퀴살이 40개 중 37개 이상 구분되어야 한 다. 연구결과 T1, T2강조영상 모두 37개 이상 구분되며, 기법 적용 전·후의 차이는 통계적으로 유의하지 않았다(p>.05), (Table 7). Fig .7
8SNR
SNR은 그림 8과 같이 전술한 정도관리 항목들과 마찬가지 로 T1, T2강조영상 모두 Multi-transmit 기법 적용 전·후의 차이는 통계적으로 유의하지 않았다(p>.05), (Table 8). Fig .8
9Scan Time
영상획득시간은 T1, T2 강조영상 모두 Multi-transmit 기법 적용 후가 적용 전에 비해 감소하였다. T1 강조영상은 적용 전 2분 53초에서 적용 후 1분32초로 46.8%(1분 21초) 감소하였으며, T2 강조영상은 적용 전 5분 28초에서 적용 후 4분 26초로 18.9%(1분 02초)로 감소하였다(Table 9).
Ⅳ고 찰
MRI는 영상학적 진단에 매우 유용하지만 장시간 소요되 는 검사시간은 고질적인 문제라 할 수 있다. 그간 검사 소요 시간을 감축하기 위해 여러 기법들이 개발되어 임상에서 사 용되고 있으나, 다양한 인공물과 영상의 질 저하 등으로 무 한정 단축시킬 수 없는 것이 당면한 문제점이다.
검사시간을 단축하며 영상의 질 저하를 방지할 수 있는 방법은 주 자기장(static magnetic strength field)을 높이 는 것이다.
이는 검사시간이 단축되면서 낮아지는 SNR을 자장의 세 기로 보상하는 방법으로서 통상 자장을 두 배(1.5T에서 3.0T)로 높여 SNR을 증가시킨다. 그러나 자장의 증가는 몸 속의 수소원자를 공명시키는 RF pulse의 파장을 짧게 하는 단점이 있다. 이로 인해 3.0T에서 26cm인 RF pulse의 파장 보다 두꺼운 인체에서는 투과되지 못한 반사파와 합성된 정 재파, 즉 RF 신호의 균일성을 떨어뜨리는 standing wave 가 발생한다. 이를 해결하기 위해 Multi-transmit 기법이 개발되었다.
Multi-transmit 기법은 SNR을 유지하여 일정한 대조도 와 균일한 신호를 나타내는 양질의 영상을 얻을 수 있으며, single RF source에 비해 짧은 영상획득시간과 SAR이 낮아 지는 장점이 있다. 그러나 개발된 주목적이 26cm 이상의 두 꺼운 부위에서 영상의 균일도 향상에 초점을 맞추어 개발되 었기에 26cm 이하에서는 적용하지 않고 있다. 그러므로 저 자들은 Multi-transmit 기법을 26cm 이하의 얇은 부위에 적용하여도 영상의 질이 유지될 것이며, 또 다른 장점인 영상 획득시간이 감축될 것이라는 예측으로 연구를 진행하였다.
연구결과 ACR 팬텀을 이용한 T1, T2 강조영상에서 기하 학적 정확도, 공간분해능, 슬라이스 두께 정확도, 슬라이스 위치 정확도, 신호강도 균일성, 고스트 신호 백분율, 대조도 분해능 등 정도관리 항목과 SNR 모두 통계적으로 유의하지 않았다. 그러나 검사시간은 위 결과와는 대조적으로 T1영상 에선 46.8%, T2영상에선 18.9% 감소하는 매우 획기적인 결 과를 나타내었다. 이는 Multi-transmit기법 적용하면 영상 의 질 차이 없이 시간이 줄일 수 있음을 의미한다.
MRI의 고질적인 문제인 장시간의 영상획득시간을 줄이 려는 많은 연구들이 있었다. Excobedo 등19)은 TSE(turbo spin echo) 기법을 사용하여 영상획득시간을 줄이려고 하였 다. 그러나 TSE 기법은 turbo factor에 따라 시간을 줄일 수 있는 장점은 있지만, 국소(local) SAR이 증가하고 환자 의 움직임에 민감해져 인공물(blurring)이 나타날 수 있다 는 단점이 있다20). 이에 반해 Pruessmann 등21)은 parallel technique의 하나인 SENSE(sensitivity encoding) 기법을 사용하여 시간을 줄이고자 하였다.
그러나 SENSE 기법의 경우 reduction factor가 올라가 면 그만큼 k-공간을 건너뛰게 되고, 이로 인해 SNR이 비례 하여 낮아진다는 문제점이 있다. 본 연구는 TSE 기법의 장 점을 유지하며, 단점인 인공물과 SAR을 줄일 수 있다는 점, 그리고 SNR의 감소 없이 영상획득시간을 획기적으로 줄일 수 있다는 점에서 선행연구 보다 우수하다고 할 수 있다.
그 외, Rahbar 등14)의 유방 검사에서 B1 균일도를 유지 하며 영상을 개선하려 한 연구와, Nelles 등13)의 척추 검사 에서 Multi-transmit 기법의 사용 전·후 비교 연구 등의 선행 연구가 있다. 그러나 이들 연구는 두꺼운 부위에 대한 Multi-transmit 기법의 적용 전·후 영상의 균일도만 비교 하는데 그쳤다. 실제 26cm 이하의 얇은 부위를 대상으로 팬 텀을 사용하여 영상의 균일도와 획득시간을 수치적으로 정 량화하여 증명한 본 연구와는 큰 차이가 있다.
영상획득시간의 단축에 관한 선행 연구로, Excobedo 등19) 은 무릎 반월판검사에서 기존 SE(spin echo)기법보다 TSE 기법을 이용하면 검사시간을 30% 줄일 수 있다고 하였고, Bauer 등22)은 발목검사 시 GRAPPA 기법을 사용하여 T1영 상에서 44.2%, T2영상에서 44.1% 줄 일 수 있다고 하였다. 또한 Song 등23)은 혈관의 black blood 영상획득 시 multislice 기법을 이용하면 약 50% 줄일 수 있다고 하였고, Golay 등24)은 자기공명분광영상(MRS) 검사에서 병변에 따라 FOV 를 줄임으로써 약 35%의 영상획득 시간을 줄일 수 있다고 보고하였다. 그러나 위 연구 모두 영상획득시간은 감소하지 만 SNR이 줄어든다는 고질적인 문제점이 있다.
본 연구는 Multi-transmit 기법 적용 후, T1, T2강조영 상의 균일도와 SNR은 차이가 없었으며, 영상획득시간은 T1 영상에서 46.8%, T2영상에서 18.9% 감소하여 선행 연구들 과 차이가 있음을 알 수 있다.
본 연구는 인체를 대상으로 하지 않았다는 점과 Multitransmit 기법의 장점 중 하나인 SAR의 감소를 측정하지 않았다는 제한점이 있다. 따라서 향후 추가적인 연구가 필 요할 것으로 사료된다. 그럼에도 불구하고 선행연구에 비해 영상획득시간의 감소는 비슷하지만, 영상의 질과 SNR 변화 없이 검사 소요시간을 감소시킬 수 있다는 점과, 선행연구 들의 기법을 본 연구의 기법과 동시에 적용할 수 있다는 점 에서 연구의 가치를 부여할 수 있다.
Ⅴ결 론
Multi-transmit 기법 적용에 따른 변화를 팬텀을 이용하 여 정량적으로 평가한 첫 연구라는 점과 얇은 부위에서 영 상의 질 변화 없이 영상획득시간의 감소를 증명하였다는 데 에 연구의 의의를 둘 수 있다.
결론적으로 영상의 균질도 향상에 국한하고 있는 Multitransmit 기법을 26cm 이하의 얇은 부위에 적용하면, 영상 의 질을 유지하면서 영상획득시간을 획기적으로 줄일 수 있 어, 임상 적용에 유용하리라 사료된다.
