[H 한빙사선의학회지 1998; 38: 205-21 0
1.5T 자기공명영상을 이용한 사람 뇌의 언어관련 기능의 Mapping: 운동성 언어기능을중심으로l
정희영 · 검재형1， 3 • 신태민2， 3 • 박상호1， 4 • 김재수 이경규 · 박일순 · 박지훈 · 강수진 · 유진종 · 정성훈1，3
목 적 : MRI를 이용하여 전두엽의 운동성 언어기능을 영상화하고 이를 언어중추의 우 세 대뇌반구결정에 이용할수있는지 알아보고자하였다.
대상 및 방법 : 정상인 6명 (5명 -오른손잡이， 1명 -왼손잡이， 3명 -남자， 3명 -여자)을 대 상으로 거울을 통하여 시각적으로 영어 단어의 알파뱃 첫 이음절을 보여준 후 그 알파뱃으 로 시작되는 명사형 단어를 속으로 발음하게 하여 운동성 언어중추의 활성화를 유도하였다.
기능적 영상은 하전두회를 포함하는 3개의 횡단면에서 경사에코 기볍 (TR/TE/ f1ip angle : 80/60/40, 64 x 128matrix, 10mm thickness) 을 이용하여 시행하였다. 이어서 영상후처리 소프트웨어를 이용하여 감산 및 통계 처리한 후 최종적인 기능적 map을 얻었다. 활성화 신 호는 부위별로 분석하였으며 각 부위에서 활성화 화소의 수를 정량적으로 측정하여 좌우 비 교하였다. 재현성을 보기 위하여 동얼한 펴검자를 대상으로 같은 방법으로 운동성 언어중추 의 기능적 영상을다시 시행하였다.
결 과 :6명 중 5명에서 통계적으로 유의한 활성화 신호를 관찰하였으며 활성화 신호는
주로 양측 전두엽에 위치하였다. 활성화 화소의 수를 하전두회에서 좌우 비교하였을 때 5명 모두에서 좌측이 우세 대뇌반구로 나타났다. 다시 기능적 영상을 시행하였을 때 4명에서 첫 번째 기능적 영상과비슷한부위에서 활성화신호를관찰하였다.
결 론 : MRI를 이용하여 운동성 언어기능을 영상화할 수 있으며 이는 언어중추의 우세 대뇌반구를 결정하기 위한 유용한 비칩습적 검사방법으로 사용될 수 있다.
뇌의 기능적 영상은 1980년대에 양전자방출단층촬영 (posi - tron emission tomography, 이하 PET라 함)의 개발과 함께 시작되었으며(1-3) 1990년대에 접어들어 자기공명영상 (mag
netic resonance imaging, 이하 MRI라 함)의 기술적 발전에 힘업어 이를 이용한 기능적 영상도 가능하게 되었다 (4-5).
MRI를 이용한 기능적 영상은 PET에 비하여 공간분해능이 우 수하며 인체내에 방사성 동위원소나 조영제 등의 주업이 불필 요한 비침습적인 방법으로써 반복적 인 검사가 가능하다는 장점 이 있다. 1991년 Belliveau 등( 4) 이 MRI를 이용한 시각피질의 기능적 영상을 보고한 이후 일차적인 운동중추 및 감각중추의 기능적 영상들이 시도되었으며 (6-10) 또한 이러한 기능적 영 상의 신호는 그 해부학적 위치가 PET(1l- 12) 및 수솔적 뇌피 질 mapping( 13 -14) 의 결과와 잘 일치한다고 보고되어 있다.
최근에는 MRI를 이용하여 언어기능을 포함한 인식기능을
l 경상대학교 의과대학 방사선과학교실 2경싱대학교 공과대학 전기전자공학부
‘정상대학교 신경과학 연구소
4중국 서안시 제 4군의대학 당도의원 방사선과
이 논문은 1997년도 쇄링 방사선의학 연구기금의 지원을 받은 것임 이 논문은 1997년 9월 23일 접수하여 1997년 11월 7일에 채택되었음
영상화하려는 연구들이 진행되고 있다 (15-19). 사람의 언어기 능을 관장하는 주요 뇌중추의 위치는 우세 대뇌반구의 하전두 회 (inferior frontal gyrus, Broca 영 역 ) 및 상측두회 (superior temporal gyrus, Wernicke 영역)로 알려져 있다. 이 중 하전 두회는 소리내고자 하는 언어를 형성하는 기능(운동성 언어중 추)을 그리고 상측두회는 청각을 통하여 인지된 언어를 이해하 는 기능(감각성 언어중추)을 담당하고 있다. 언어가능의 영상 은 일차적인 운동피질이나 감각피질의 기능적 영상보다 임상 및 기초의학적 유용성이 높으나 국내에는 아직 보고가 없는 실 정이다. 저자들은 MRI를 이용하여 전두엽의 운동성 언어기능 을 영상화하고 이를 언어중추의 우세 대뇌반구 결정에 이용할 수 있는지 알아보고자 하였다.
대상및방법
대학졸업 이상의 교육을 받은 27세에서 29세 사이의 정상인 6명 (subject 1, 3, 4 오른손잡이 여자， subject 2, 6 : 오른손잡 이 남자， subject 5 : 왼손잡이 남자)을 대상으로 하였다. 운동 성 언어중추의 활성화를 유도하기 위하여 LCD 판넬 (QA-
%
정희영 외 : 1.5T 자기공명영상을 이용한 시랄 닙의 언어관련 기능의 Mapping
1800, Sharp Co., Japan), 오버헤드 프로젝터， 스크린 및 거울 을 도구로 사용하였으며 LCD 판넬은 개인용 컴퓨터와 연결되 어 있어 컴퓨터 모니터의 화상이 스크린에 투사되어 피검자는 거울을 통하여 볼 수 있도록 하였다. 그 다음 거울을 통하여 시 각적으로 영어 단어의 알파뱃 첫 두글자를보여준후그알파엣 으로 시작되는 명사형 단어를 소리내지 않고 속으로 발음하게 하였다(예 ; AP : apple, TR : train). 이때 5초 간격으로 두글 자로 된 새로운 알파뱃을 보여주었고 피검자는 가능한 많은 단 어를 생각하여 속으로 발음하도록 하였다. 이러한 전 과정을 검 사 시삭 직전 피검자에게 미리 설명하였으며 본검사의 목록에 포함되어 있지 않은 알파뱃으로 2-3개의 단어를 속으로 발음 히는연습을하였다.
MR영상을 얻기 위하여 1.5 tesla MR장치 (Siemens 63SP- 4000, Er langen, Germany) 와 보편적인 head coil을 사용하였 다. 기능적 영상은 정확한 영상단면의 위치를 결정하기 위하여 먼저 대뇌의 시상면 T1 강조영상을 얻어 이 영상으로부터 하전
A B
두회의 후방부 (Broca영역)가 포함되도록 다시 3개의 횡단면 T1 강조영상 (TR/TE: 450/15, 200x256 matrix, 10mm th ickness, no gap) 을 얻었다. 이어서 각 3단변에서 경사에코 기 법 (TR/TE/flip angle: 80/60/40, 64x128matrix, 1이nm thickness) 을 이용하여 휴식상태 (피검자가 스크린에 비친 깜 박거리는 컴퓨터 마우스만을 보는 상태)와 활성상태(스크린에 버친 알파뱃을보고단어를생각하여 속으로발음하는상태)를 번갈아 가며 각 상태에서 5개씩 총 20개의 연속적인 영상을 얻 었다. 스캔시간은 한 영상당 8초， 각 상태에서 40초， 각 상태 사 이에 10초의 간격을두어 한단면당총 3분 10강}소요되어 총 검사시간은 약 10분이 소요되었다.
얻어진 모든 영상들은 개인용 컴퓨터로 전송한 후 자체개발 한 소프트웨어 (2이를 이용하여 먼저 활성상태의 영상의 합 (sum) 에서 휴식상태의 영상의 함을 감산한 영상을 얻었다. 이 어서 Student t test를 이용하여 불필요한 noise를 제거하고 활성화 신호만을 선택하였다. 그리고 noise가 제거된 감산영상
Fig. 1. Functional MR images in Subject 3 using silent word gener- ation as a task.
A - C. Most of activation signals are distributed in both frontal lobes. Activation signals are vis- ible predominantly in both middle frontal gyri (open arrows) and left inferior frontal gyrus (closed ar- row).
D. Signal intensity data obtained from an irregular ROI including the left inferior frontal gyrus on Fig. 1 b show a cyclic change of signal intensity, matched with the rest and task periods
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Rest Task Rest Task Period
D
206
C). 활성화 신호가 나타난 부위의 신호강도는 휴식상태와 활성 상태에 따라 주기적으로 증감"Õ"}는 변화를 보였다(Fig. 1D).
1 2 3 4 5
때
m리 때
w
m
“ m
Whole Whole r?l
hemisphere frontal lobe
' - , -
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5
0.6 05
0.4 0.3 0.2
O -0.1 -0.2
0.1
×m깅E-I。-imN:m」mim」
을 색상처리하여 같은 위치의 T1 강조영상에 중첩시켜 최종적 인 기능적 영상을 얻었다. 마지막으로 관심영역을 마우스로 지 정하여 일련의 MR영상으로부터 동일부위의 신호강도를 측정 하여 휴식상태와 활성상태사이의 신호강도 변화를 알아보았다.
이상의 과정으로 얻어진 기능적 영상에서 우세 대뇌반구를 결정하기 위하여 좌우의 대뇌반구， 전두엽 및 하전두회에서 각 각 활성화 화소 (activated pixeI)의 수를 정량적으로 측정하였 다. 모든 피검자에서 3개의 횡단변에서 측정한 활성화 화소의 수를 합산한 후 아래의 수식으로 lateralization index를 계산 하였다.
lateralization index= (L - R) / (L+ R)
(L은 좌측 활성화 화소의 수， R은 우측 활성화 화소의 수) 이와 같이 계산된 lateralization index는 1에 가까울수록 좌측 대뇌가， -1에 가까울수록 우측대뇌가우세 대뇌반구임을냐타 내며 0은 양측성을 나타낸다.
이상과 같은 방법으로 얻어진 기능적 영상의 재현성을 알아 보고자 최소한 3일 이상의 간격을 둔 후 동일한 방법으로 운동 성 언어중추의 기능적 영상을 다시 시행하였다. 이때 파검자에 게 보여주는알파뱃 첫 두글자는이전과다론새로운글자로하 였다.
대한빙시선의학호|지 1998;38:205-210
Subject number
Fig. 2. Lateralization index of five subjects in each hemi- spheric region.
The numbers of activated pixels in each hemispheric re- gion (whole hemisphere, whole frontal lobe and inferior frontal gyrus) were compared between the left and right sides by calculating the lateralization index as (L- R)I (L+ R), where L and R are the number of activated pixels in the region of the left and right hemispheric regions, respectively. Lateralization indexes, when activated pixels are compared between both inferior frontal gyri, are positive values in all suggesting the left hemispheric dominance of language.
과
운동성 언어중추의 기능적 영상은 6명 중 5명에서 성공적으 로 얻었으며 Student t test의 P값 역치( threshold) 는 0.01
(subject 2) 또는 0.001 (subject 1, 3, 4, 5) 로 하였다. Subject 6에서는 통계적으로 유의한 (P값 0.01이하) 활성화 신호를 관찰 할 수 없어 기능적 영상을 얻는 데에 실패하였다. 성공한 5명에 서 활성화 신호는 시각적으로 주로 전두엽에 위치하였고 이 중 좌측 하전두엽에서 가장 많은 신호가 관찰되었다 (Fig. 1A-
7~ E걷
A B
Fig. 3. Repeated functional MR images in Subject 3 using silent word generation
A - C. Activation signals are visible in both frontal lobes in similar fashion as in Fig. 1. Note activation signals in both middle frontal gyri (open arrows) and left inferior frontal gyrus (closed arrow)
c
%
정희영 오1: 1.5T 자기공명영상올 이용한 사람 뇌의 언어관련 기능의 Mapping
Lateralization index는 대뇌반구 전체를 비교하였을 때 0.119
-0.521(평균 0.133), 전두엽 전체를 비교하였을 때 0.061- 0.415 (평균 0.194), 하전두회를 비교하였을 때는 0.114-0.379
(평균 0.243) 이었다(Fig. 2). 대뇌반구 전체 및 전두엽 전체를 비교하였을 때 각 l명 (subject 2, 3) 에서 우측이 우세반구로 나 타났으나 하전두회를 비교하였을 때는 5명 모두 좌측이 우세반 구로나타났다.
6명에서 재현성을 알아보고자 다시 기능적 영상을 시행하여 4명에서 성공적인 기능적 영상을 얻었으며 2명에서는통계적으 로 유의한(P값 0.01이하) 활성화 신호를 관찰할 수 없었다. 실 패한 2명 (subject 4, 6) 중 1명 (subject 6) 은 첫번째 시행한 기 능적 영상에서도 실패한 피검자이였다. 성공한 4명의 기능적 영상에서 활성화 신호는 시각적으로 첫번째 기능적 영상과 비 슷한부위에서 관찰되었다 (Fig. 3).
고 찰
최근 MRI의 기술적 발전에 힘입어 언어기능을 포함한 인식 기능을 영상화하려는 연구들이 활발히 시도되고 있다. 운동성 언어중추는 우세 대 뇌 반구 전두엽의 Brodmann 영 역 44, 45, 46， 47에 위치하고 있으며 이 중 Brodmann 영역 44,45(Broca
영역)가 주 기능을 담당하는 것으로 알려져 있다 (21). 강각성 언어중추는 보고에 따라 약간씩 차이가 있으나 우세 대뇌반구 측두엽의 Brodmann 영역 22에 위치하며 이는 청각을 통하여 인지된 언어를 이해하는 기능을 담당한다고 알려져 있다 (21).
언어의 기능적 영상의 엄상활용은 아직 초보단계에 있으나 가장 쉽게 활용할 수 있는 분야로써 우세 대뇌반구의 결정에 이 용할 수 있다. 즉， 언어중추 주위에 뇌병변이 있을 경우 우세 대 뇌반구의 위치를 결정해 줌으로써 수술계획이나 수술 후 합병 증을 예견하는 데에 도움을 줄 수 있다. Desmond 등(17) 은 측 두엽 간질 환자들을 대상으로 하여 기능적 영상을 시행하여 분 석한 결과가 Wada 검사와 모두 일치하여 MRI를 이용한 기능 적 영상은 침습적인 Wada 검사를 대신할 수 있다고 보고하였 으며 2명의 오른손잡이에서 우측대뇌반구가우세 반구로나타 나 오른손잡이의 언어중추가 항상 좌측에 있는 것이 아님을 업 증하였다. 또한 여자와 왼손잡이에 있어서는 언어중추가 양측 또는 우측 대뇌반구에 있을 확률이 높기 때문에 기능적 영상의 역할이 더욱 강조된다(1 7， 22).
본 연구에서는 6명 중 5명에서 성공적으로 운동성 언어중추 의 기능적 영상을 얻었으며 5명 모두 전두엽에서 가장 광범위 한 활성화 신호를 보여 이전의 보고와 일치하고 있으며 (16-19) 그 중 하전두회 및 그 주변 부위에서 가장 많은 신호 가 관찰되었다. 피검자에 따라 전두엽의 중전두회에서도 비교 적 강한 신호가 나타났으며 두정엽， 후두엽， 중심구( central sulcus), 대상회 (cingulate gyrus) 및 측두엽에서도 약한 활성 화 신호들이 관찰되어 Yetkin 등(18， 19) 의 보고와 일치하고 있으며 이들 부위가 언어와 관련된 보조기능을 담당한다고 해 석할 수 있다(16). 이와 같이 하전두회 외에도 많은 부위에서 활성화 신호가 나타나는 것은 운동성 언어중추를 자극시키기
위하여 사용한 활성화 방법과도 관계가 있는 것으로 생각된다.
즉 영어 단어의 첫 두글자를보고완전한단어를생각하여 속으 로 발음핸 과정에는 순수한 운동성 언어기능외에 시각， 기억 빛 사고의 기능이 함께 작용하기 때문이다. 따라서 운동성 언어 중추에 보다 국한된 활성화를 유도하려면 휴식상태 중에도 운 동성 언어기능을제외한시각，기억 및 사고기능등을자극시컴 으로써 (예 ; 시각을 통하여 단순한 도형과 문자를 혼합하여 보 여 주면서 이들을 서로 구분하도록 함) 이들 기능의 활성이 최 종적인 기능적 영상에서는 신호로 표출되지 않도록 하여야 한 다 (17， 22). 그러나 또 다른 연구에 의하면 본 연구와 비슷한 자 극 방법만으로도 Wada 검사와 일치효}는 신뢰도가 높은 결과를 얻었다고 보고하고 있다 (23， 24).
MRI를 이용한 기능적 영상에서 언어중추의 우세 대뇌반구 위치를 결정하기 위하여 활성화 화소의 수를 좌우 비교하는 방 법이 이용되고 있으며(1 7， 18, 22) 이 방법으로 계산된 late ralization index는 Wada 검사의 결과와 그 일치도가 매우 높 다고 보고되고 있다 (25). Lateralization index를 계산하려면 먼저 대뇌반구의 원하는 부위에서 활성화 화소의 수를 측정하 여야 하는데 Desmond 등(17) 과 Bahn 등 (23)은 전두엽의 하 전두회에서， Yetkin 등(18)은 전두엽 전체에서， Binder 등 (25)은 대뇌반구 전체에서 각각 활성화 화소의 수를 좌우 비교 하였으며 아직 어떤 부위를 비교하는 것이 가장 좋은지 통일된 방법이 정립되어 있지 않은 실정이다. 본 연구에서는 대뇌반구 전체와 전두엽 전체를 비교하였을 때 각 l명에서 우측이 우세 반구로 나타났으나 하전두회 부위만을 비교하였을 때는 모두 좌측이 우세반구로 나타나 언어중추의 우세반구 결정에 있어 하전두회의 좌우 비.ïJ1..7} 가장 정확한 방법으로 생각할 수 있으
나 Wada 검사를 함께 시행하지 않았으므로 기능적 영상으로
분석한 우세 대뇌반구의 위치를 검증할 수는 없었다.
본 연구에서 하전두회의 활성화 화소수를 비교하였을 때 개 인차가 있으나 오른손잡이 4명 및 왼손잡이 1명 모두 latera- lization index가 0 이상으로 계산되어 좌측이 우세 대뇌반구로 나타났다. 언어중추는 좌우측 대뇌반구 중 어느 한쪽으로 완벽 하게 치우쳐 있는경우는드물며 좌우측대뇌반구에 그기능이 어느정도 분산되어 있다고 설명하고 있다 (25). 그리고 이 분산 정도는 개인차가 있으나 연속적인 스펙트럼 상에 놓여 있으며 본 연구의 피검자들이 다양한 수치의 lateralization index를 보이는 것도 이것으로 설명할 수 있다. 본 연구에서 왼손잡이 1
명도 좌측 대뇌반구가 우세한 것으로 나타났으나 Binder 등 (25) 의 보고에서 3명의 왼손잡이 중 2명에서 화측이 우세 반구 이였다는 점을 고려하면 이들과 상이하지 않은 결과로 생각된 다. MRI를 이용한 언어중추의 기능적 영상은 이러한 우세 대 뇌반구의 위치 결정 외에도 어떤 특정 부위가 언어중추인지를 밝히는데 。1 용될 수 있으며 따라서 수술 치료시에 뇌의 철제 범 위를 결정하는 데에 큰 도움을 줄 수 있다 (25， 26).
본 연구에서 l명에서는 기능적 영상을 얻는 데에 실패하였으 며 실패한 첫번째 이유로 각 개 인의 수행능력 (performance) 의 차이를 들 수 있고 두번째로 기능적 영상을 얻기 위하여 시행한 경사에코 영상의 수가 적었다는 점을 들 수 있다. 본 연구에서 - 208 -
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는 기능적 영상을 얻기 위하여 고전적인 경사에코 기법을 사용 하였기 때문에 스캔시간의 제약으로 한 단면당 207B 의 영상만 을 얻었으나 echo-planar 영상기법을 이용하면 비슷한 검사 시 간에 훨씬 많은 수의 영상을 얻을 수 있으므로 미세한 강도의 활성화 신호를 검출하기에 보다 용이해지기 때문이다. 이 실패 한 l명은 다시 시행한 기능적 영상에서도 의미있는 활성화 신 호를 보이지 않아 수행능력의 차이가 배제된다면 다른 피검자 에 비하여 활성화 신호의 강도가 매우 미약하여 본 연구의 영상 기법으로는그신호를검출하기 어려웠다고생각할수있다.
기능적 영상을 다시 시행하여 첫번째 시행한 영상과 비슷한 부위에서 활성화 신호를 관찰할 수 있었던 4명에서， 그 신호의 위치가시각적으로완벽하게 동일한부위에서 나타나지 않았으 며 그 이유는 다음과 같이 설명될 수 있다. 첫번째， 두번의 기능 적 영상이 정확하게 똑같은 단변에서 시행될 수 없기 때문이며 두번째， 검사 당시 피검자의 정서적 또는 육체적 상태에 따라 뇌의 생리적 반응이 다를수있다는것이다.마지막으로기능적 영상을 얻기 위한 활성화 방법이 비슷한 경우 습관효과 (ha
bituation effect) 에 의하여 나중에 시행한 기능적 영상에서는 뇌의 활성화 정도가 감소될 수 있기 때문이다( 19). 저자들의 경 험으로도 연속하여 다음날 기능적 영상을 시행한 경우 활성화 신호의 강도가 약해지는 경우가 있었으며 이러한 현상을 습관 효과에 의한 것이라고 단정할 수는 없으나 이러한 습관효과를 줄이기 위하여 본 연구에서는 기능적 영상의 재현성을 볼 때 3
일 이상의 시간간격을둔후다시 시행하였다.
결론적으로 MRI를 이용하여 운동성 언어기능을 영상화할 수 있으며 이를 통하여 언어중추의 우세 대뇌반구를 결정할 수 있을 뿐만 아니라 나아가서 언어와 관련된 부위의 정확한 위치 를 파악하여 수술 치료시에 뇌의 절제범위를 결정동}는 데에 도 움을 줄 수 있다. 앞으로 MRI의 기술적 발전과 언어 관련 중추 의 활성화를유도할수있는다양한자극방법이 개발되면 언어 의 기능적 영상은 신경의학의 기초 및 임상분야에서 큰 역할을 할것으로기대된다.
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Hee Young Jung, M.D., Jae Hyoung Kim, M.D.I.3 Taemin Shin, PhD.2•3 Xiang Hao Piao, M.D. I. 4 Jae Soo Kim, M.D., Gyung Kyu Lee, M.D.
Il Soon Park, M.D., Ji Hoon Park, M.D., Su Jin Kang, M.D.
Jin Jong You, M.D., Sung Hoon Chung, M.D.L 3
1 Department of Radiology, College of Medicine, Gyeongsang National University 2Department of Electronic Engineering, College of Engineering, Gyeongsang National University
3Gyeongsang Institute for Neurosciencζ Gyeongsang National University
4Department of Radiolog)ι Tangdu Hospital, the Fourth Militaη Medical Universiη" X( an, C hina
Purpose: To investigate the feasibility of functional MR imaging of motor language function and its usefulness in the determination of hemispheric language dominance.
Materials and Methods: In order to activate the motor center of language, six subjects(5 right-handed, 1 left-handed; 3 males, 3 females) generated words. They were requested to do this silently, without physical articulation, in response to English letters presented visually. Gra- dient-echo images(TR
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E/flip angle, 80/60/400; 64X 128 matrix; lOmm thickness) were obtained in three axial planes including the inferior frontal gyrus. Functional maps were created hy the postprocessing of gradient-echo images, including subtraction and statistics. Areas of activation were topographically analyzed and numbers of activated pixels in each region were compared be- tween right and left sides. The reproducibility of functional maps was tested by repetition of func- tional imaging in the same subjects.Results: Statistically significant activation signals were demonstrated in five of six subjects, in whom the distribution of those signals was predominantly in both frontal lobes. Hemispheric lateralization of activation, when activated pixels were compared between both inferior frontal gyri, was in all cases on the left. In four subjects, functional maps were reproduced in a similar fashion.
Conclusion: Our results suggest that functional MR imaging can depict the activation of motor language function in the brain and can be used as a useful non-invasive method for determining the hemispheric dominance of language.
Index words: Brain, blood flow Brain, function Brain, MR
Magnetic resonance(MR), vascular studies
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