Ⅰ. 서 론

자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging; MRI)은 연부조직의 우수한 대조도를 제공하고 기능적 정보를 제공 하는 영상 진단 방법이다. 최근에는 Diffusion tensor imaging을 이용하여 Fiber tractography를 이용한 신경섬 유다발을 직접 영상으로 볼 수도 있다[1]. 그러나 금속이 삽 입된 환자의 검사에서는 영상의 품질이 떨어지고 신호 소실 과 왜곡을 포함한 인공물(artifact)이 발생한다[2-4]. 금속 의 자화율 차이로 인해 발생하는 인공물은 주 자기장의 국 소적인 불균질로 인해 발생하며, 이 불균질은 금속 임플란 트를 둘러싼 조직에서 스핀들의 탈위상 및 주파수 이동을 일으킨다. 스핀들의 탈위상은 신호를 감소시키고 영상에서 저 신호 영역으로 나타나게 된다. 또한 주파수의 이동은 해 부학의 기하학적 왜곡을 초래하게 된다. 자화율 인공물 (susceptibility artifact)은 영상의 진단을 어렵게 하고 수 술 후 환자의 평가에도 어려움을 주게 된다. 자화율 인공물 을 줄이기 위해 높은 수신대역폭(receive bandwidth)을 사 용하거나 VAT(view angle tilting) 기법을 적용하는 여러 연구가 있었다[5-7]. 그러나 대부분의 자화율 인공물은 해 결할 수 없었다. 최근에는 VAT와 함께 SEMAC(slice encoding for metal artifact correction) 기법을 이용한 연구가 진행되어 자화율 인공물을 감소시켰다는 연구가 보 고되었다[8-11].

국민건강보험 공단에서 제공하는 2016년 주요수술통계 연보를 보면 2016년 무릎 관절 치환술(knee Replacement) 의 수술환자 수는 66,484명이고 수술건수가 69,755건으로 연평균 증가율이 6.4%로 나타났다[12]. 퇴행성 관절 질환, 외상 후 무릎 관절의 형태 및 골절 등으로 인해 인공 무릎 관절(total knee replacement; TKR)의 수술은 계속 증가 추세이다. 무릎 관절 치환술로 삽입된 금속물질은 수술 후 나타날 수 있는 합병증 및 수술 후 평가를 어렵게 만들고 있다.

수술을 시행한 환자에서의 금속물질에 대한 인공물을 줄 이려는 노력은 계속되어 왔다. 척추 인공물 삽입 환자에서 고식적(Conventional) T2WI(T2 weighted images)와 SEMAC 영상을 비교 하여 SEMAC 시퀀스에서 자화율 인공 물이 감소하는 것을 보고하였다[13]. 치아 금속물질(dental materials)을 삽입한 환자에서 VAT 기법과 SEMAC 기법을 이용하여 자화율 인공물이 감소하는 것을 확인하였다[14]. 또한 머리 동맥류 클립(aneurysm clips) 수술 환자에서 VAT기법과 SEMAC기법을 이용하여 자화율 인공물이 감소 된다고 보고하였다[15].

Reichert 등은 1.5T와 3.0T MRI를 이용하여 VAT와 SEMAC-VAT 기법을 팬텀과 금속물질이 삽입된 환자에서 비교 하여 VAT와 SEMAC-VAT 기법의 우수성을 밝혀냈다 [16]. 하지만 SEMAC기법은 옵션인 SEMAC 인자(factor)를 15로 고정하여 사용하였고, 고식적 TSE(turbo spin echo) 시퀀스는 수신 대역폭을 높여 자화율 인공물을 줄이는 방법으 로 비교 평가 하지 않았다. 이에 본 연구에서는 고식적 TSE 시퀀스에서 자화율 인공물을 최대한 줄이기 위해 수신대역폭 을 높이는 방법(high receive bandwidth; hiBW)을 사용하 였고, O-MAR(orthopedic metal artifact reduction) XD기 법은 strong, medium, weak의 3가지 옵션을 적용하여 SEMAC 인자를 변경하여 그 효과를 비교 평가하고자 하였다.

본 연구의 목적은 인공 무릎관절(knee implant) 팬텀에 서의 자화율 인공물 감소를 위한 hiBW, O-MAR, O-MAR XD(strong, medium, weak) 기법들의 효과를 비교 평가하 고자 한다.

Ⅱ. 대상 및 방법

1. MR Imaging Acquisition

인공 무릎관절(knee implant) 팬텀은 32채널 코일을 이용 하여 검사하였다. 인공 무릎관절의 재료는 코발트-크롬 합금 과 티타늄 합금(Ti-6AL-4V)으로 가로 6.5 cm, 세로 15.5 cm 크기이다(Fig. 1). 인공관절 주변에는 물을 채워 팬텀을 만들었다. MRI 영상은 3.0 T MRI 장비(intera achiva Tx 3.0T; philips medical systems, netherlands)를 사용하여 dual-source radiofrequency transmission을 이용했다. Imaging protocol은 hiBW, O-MAR, O-MAR XD(strong, medium, weak) 기법을 적용한 T2 FSE 관상면(Coronal) 영 상을 획득하였다(Fig. 2). hiBW TSE 시퀀스의 적용을 위해 서 수신 대역폭을 신호 대 잡음비(signal to noise ratio; SNR)를 고려하여 최대한 높은 수치로 검사를 진행했다. O-MAR XD기법에서 strong옵션은 SEMAC 인자가 25이고, medium옵션은 SEMAC 인자가 17이며 weak옵션은 SEMAC 인자가 9이었다. hiBW, O-MAR, O-MAR XD(strong, medium, weak) 기법의 비교 평가를 위해서 다른 변수들은 고정하고 O-MAR와 O-MAR XD의 선택 옵션만 변경하였다 (Table 1).

2. Data analysis

데이터 분석은 INFINITT Version 3.0.11.4 BN4 32Bit 에서 시행하였다. 획득된 T2 FSE 관상면 영상은 7개의 단 면에서 hiBW, O-MAR, O-MAR XD(strong, medium, weak)의 각각의 면적을 측정하였다. 7개의 단면에서 기법 별로 각각의 면적을 측정하여 35개의 면적에 대한 값을 획 득하였다.

3. Statistical Analyses

수집된 데이터는 SPSS software(SPSS 23.0 for Windows, SPSS, Chicago, IL USA)로 통계학적 분석을 실행하였다. 분석 기법으로는 One way ANOVA를 이용하였고, hiBW, O-MAR, O-MAR XD(strong, medium, weak)의 면적의 차이 를 확인하였다. 기술통계를 이용하여 평균과 표준편차를 구하 였고, 분산의 동질성 검증을 위하여 Levene 통계량을 이용하였 다. 다중비교(multiple comparison)를 위하여 Scheffe법을 이용하여 추가적인 검증을 실시하였다. 유의 수준은 p<0.05일 경우 통계적으로 유의하다고 판단하였다. hiBW, O-MAR, O-MAR XD(strong, medium, weak)의 면적에 대한 상자그림 (box plot) 그래프를 나타내었다.

Ⅲ. 결 과

인공 무릎관절(knee implant) 팬텀의 hiBW, O-MAR, O-MAR XD(strong, medium, weak)기법에 따른 결과 영 상은 Fig. 2에 나타냈다. 평균과 표준편차는 hiBW기법에서 123939.7±615.5 ㎟이었고, O-MAR기법에서는 12938.0± 561.1 ㎟의 면적 값을 나타내었다. 그리고 O-MAR XD기법 의 weak옵션에서는 6347.1±1082.2 ㎟, O-MAR XD 기법 의 medium옵션에서는 4569.8±717.5 ㎟, O-MAR XD 기 법의 strong옵션에서는 4072.9±830.0 ㎟의 면적 값을 나 타내었다. 분산의 동질성 검증을 위한 Levene 통계량은 p=0.437로 분산의 동질성 가정을 만족함을 알 수 있다. One-way ANOVA 분석의 결과, 검정통계량인 F값이 223.9 이며, p<0.001으로 유의수준 5%를 만족하므로 hiBW, O-MAR, O-MAR XD(strong, medium, weak) 기법의 평균이 모두 동 일하지 않음을 알 수 있었다. 즉, hiBW, O-MAR, O-MAR XD(strong, medium, weak) 기법에 따라 평균의 차이가 있음을 알 수 있었다(Table 2).

One-way ANOVA 분석의 결과, 이러한 유의한 차이가 어 디서 일어났는지를 알기 위해 추가적으로 다중비교(multiple comparison)를 실시하였다. 다중비교 분석 중에 Scheffe법 을 이용하여 추가적인 검증을 실시하였다. Scheffe법의 통계 을 살펴보면, O-MAR XD기법의 strong옵션은 medium옵션 을 제외하고 나머지 O-MAR XD기법의 weak, O-MAR, hiBW와 p<0.001로 유의한 차이를 보였다. O-MAR XD기법 의 medium옵션은 strong옵션을 제외하고 나머지 O-MAR XD기법의 weak, O-MAR, hiBW와 p<0.01로 유의한 차이를 보였다. O-MAR XD기법의 weak옵션은 O-MAR XD 기법의 strong, medium, O-MAR, hiBW와 p<0.01로 유의한 차이 를 보였다. O-MAR 기법은 hiBW기법을 제외하고 나머지 O-MAR XD기법의 strong, medium, weak와 p<0.001로 유 의한 차이를 보였다. hiBW기법은 O-MAR 기법을 제외하 고 나머지 O-MAR XD기법의 strong, medium, weak와 p<0.001로 유의한 차이를 보였다. Scheffe법의 동질적 부분 집합을 살펴보면, O-MAR XD 기법의 strong과 medium은 같은 a집단으로 분류되고, O-MAR XD기법의 weak는 b집단 에 분류되며 O-MAR와 hiBW는 같은 c집단으로 분류되었다 (Table 2).

hiBW, O-MAR, O-MAR XD(strong, medium, weak기 법에 따른 면적 값을 상자그림(box plot) 그래프로 나타내 었다. O-MAR XD 기법의 strong, medium, weak는 대체 로 낮게 측정되었고 O-MAR와 hiBW기법은 높게 측정되었 다(Fig. 3).

Ⅳ. 고 찰

본 연구의 결과를 살펴보면, 기술통계인 평균과 표준편차 에서 O-MAR XD기법의 strong옵션에서 인공 무릎관절에 대한 자화율 인공물이 최소로 나타났으며 O-MAR XD 기법 의 medium옵션, weak옵션, O-MAR, hiBW기법 순으로 인 공물이 커짐을 알 수 있었다. O-MAR XD기법의 medium옵 션의 자화율 인공물은 strong옵션과 같은 집단으로 분류될 정도로 차이가 크지 않았다. O-MAR XD기법의 weak옵션 은 strong과 medium옵션 보다는 많은 자화율 인공물이 발 생하였고, O-MAR와 hiBW기법 보다는 훨씬 적은 자화율 인공물이 나타났다. O-MAR와 hiBW기법은 가장 많은 자화 율 인공물이 발생하였고 O-MAR XD기법과 비교하여 현저 하게 인공물이 감소되는 효과를 볼 수 없었다.

hiBW는 고식적 TSE 시퀀스에서 자화율 인공물을 감소시키 기 위해 높은 band width를 사용하여 금속 물질에 의한 인공물 을 최소화 하는 방법이다. 하지만 자화율 인공물을 더 효과적 으로 감소시키기 위해서는 고급 기술을 적용해야 한다. O-MAR와 O-MAR XD는 Philips사에서 제공하는 시퀀스로 최근에 상용화되었으며 자화율 인공물을 줄이기 위한 고급 기술들이다. O-MAR는 hiBW와 VAT 기법의 조합이다. VAT 기법은 1988년 Cho 등에 의해 개발된 방법으로 절편 선택 경사자장에 추가적인 경사자장을 인가하여 in-plane 인공물 을 보정하는 효과적인 기법이다[17]. O-MAR XD는 VAT와 SEMAC 기법의 조합이다. SEMAC 기법은 2009년 Wenmiao 등에 의해 개발된 방법으로 절편 선택 경사자장에 위상 부호화 경사자장을 추가하여 in-plane과 through-plane 둘 모두의 자화율 인공물을 보정하는 기법이다[18].

금속 임플란트에 대한 인공물을 줄이려는 최근의 연구 들을 살펴보면, Song 등은 one-source radiofrequency transmission을 이용한 SEMAC과 dual-source radiofrequency transmission(DSPRF)을 이용한 SEMAC기법을 비교 평가 하여 둘 모두에서 자화율 인공물이 감소하였고, DSPRF는 신호 대 잡음비와 영상품질의 변화 없이 자화율 인공물을 효과적으로 줄였다고 보고하였다[19]. 본 연구에서도 dualsource radiofrequency transmission(DSPRF)을 이용했으 며, 더하여 O-MAR, O-MAR XD(strong, medium, weak) 를 비교 평가하였다. Gunilla 등은 인공 고관절 치환술(total hip replacement; THR)을 받은 환자에서 T1-hiBW, T1 VAT, T1 VAT+SEMAC을 비교 평가하여 VAT+SEMAC기법 이 금속인공물(Metal artifact)을 줄이는데 가장 효과적이 라고 보고하였다[20]. 하지만 Gunilla 등은 1.5T system을 가지고 SEMAC 인자를 12로 고정하여 사용하였고, 본 연구 에서는 3.0T MR system에서 실험하였으며, SEMAC 인자를 25, 17, 9로 하여 O-MAR XD기법의 strong·medium·weak 옵션들을 비교 평가하였다. Sutter 등은 인공 고관절 치환 술(THR, total hip replacement)을 받은 환자에서 1.5T system에서 T1-hiBW, VAT+SEMAC을 비교 평가하여 VAT+SEMAC 기법이 금속인공물(metal artifact)을 줄이 는데 더 효과적이라고 보고하였고, SEMAC 인자는 10과 12 를 사용하였다[21]. 3.0T MR system은 1.5T MR system에 비해 신호 대 잡음비와 분해능이 높고 스캔시간이 짧아지는 장점을 가지고 있어 최근에 많이 사용되고 있다. 이에 본 연 구에서는 3.0T MR system에서 실험을 실시하였고, 더하여 dual-source radiofrequency transmission을 이용하였다.

국내에서 무릎 관절 치환술의 수술환자 수가 1년에 약 6～7만 명이 시행하고 있으며, 이는 수술 후 나타날 수 있는 부작용 및 수술 후 평가를 위한 MRI 영상에서 삽입된 금속 물질로 인한 자화율 인공물에 의한 한계점을 가지고 있다. 이에 자화율 인공물을 줄이고자 하는 노력은 계속되어야 할 것이며, 본 연구에서의 최신 기법들에 의한 비교 평가는 진 단적 가치를 향상시키고 자화율 인공물을 줄이고자 하는 노 력에 도움을 주리라 사료된다.

제한점으로는 one-source RF와 dual-source RF 장비 에서의 비교 평가와 1.5T와 3.0T MR systems의 비교 평가 가 이루어지지 않았다. 또한 본 연구에서는 인공 무릎관절 에 대한 실험만 진행하여 고관절 인공관절(hip implant), 치아 보철 등과 같은 인체에 삽입되는 다른 금속물질에 대 한 연구도 추가적으로 확인하여야 할 것이다. hiBW는 일반 적으로 VAT기법을 포함한 시퀀스로 인식되고 있으나 여기 서는 P사에서 제공하는 방법을 이용하여 hiBW와 O-MAR (VAT 포함)기법을 분리하여 연구를 진행하였다. 마지막으 로 물 팬텀을 사용했으나 인체의 구성 성분에 가까운 조직 등가물질을 활용한 팬텀 또는 수술 받은 환자에서 직접적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

Ⅴ. 결 론

본 실험에서는 인공 무릎관절(knee implant)에서 MRI검 사는 전통적인 hiBW나 O-MAR 기법보다는 O-MAR XD기 법의 유용성을 알 수 있었으며, O-MAR XD기법 중에서도 strong 또는 medium옵션을 적용할 때 훨씬 더 자화율 인공 물이 감소하는 것을 알 수 있었다. 본 실험의 결과들을 통해 인공 무릎관절의 MRI검사는 O-MAR XD기법의 medium 또는 strong옵션을 사용함으로써 자화율 인공물이 많이 감 소된 영상의 획득이 가능하며 이는 인공 무릎관절을 수술 받은 환자에서 수술 후 평가 및 추적 진단에도 도움이 되리 라 사료된다.