1. 서 론
경동맥(carotid artery) 협착(stenosis)의 정도를 측정하는 방법으로는 전형적인 경동맥 조영술에 의해 생성된 투영영상 을 이용, 기계적인 측정기를 사용한다. NASCET(North American Symptomatic Carotid Endarterectomy Trial)은 말 단(distal) 내경동맥(internal carotid artery, ICA)의 직경을 참 조 직경으로 하여 경동맥 협착의 정도를 측정하는 방법을 제 공하며, 협착 정도가 70% 이상이며 증상을 가지는 환자에게 는 경동맥 내막절제술(endarterectomy)을 권고하고 있다 [1].
ECST(European Carotid Surgery Trial)는 경동맥 벌브의 근
사된 직경을 참조 직경으로 하여 경동맥 협착의 정도를 측정 하는 방법을 제공하며, 협착 정도가 80% 이상이며 증상을 가 지는 환자에게는 경동맥 내막절제술을 권고 하고 있다 [2]. 또 한, 총경동맥의 직경을 참조 직경으로 하여 경동맥 협착의 정 도를 측정하는 방법이 있다 [3]. 전형적인 혈관 조영술은 경 동맥 협착증을 평가하고 정도를 측정하는 표준화된 방법으로 취급되고 있으며, 협착이 가장 심한 부위가 전형적인 디지털 감산조영술(digital subtraction angiography, DSA)이나 회전 조영술(rotational angiography)로 부터 얻어진 투영영상을 사 용하여 내경동맥의 협착 정도를 평가하는데 사용된다. 그러나 이러한 기법들은 동맥에 삽입되는 카테터(catheter)를 사용하 는 관계로 혈관이 막히는(thromboembolic) 사고의 위험을 내 제하고 있다 [4]. 그러므로 혈관 영상을 얻기 위해 컴퓨터단 층영상(Computed Tomography, CT) 기기나, 자기공명영상 (Magnetic Resonance Image, MRI) 기기를 이용한 혈관조영
자기공명혈관영상을 이용한 경동맥 내경 측정
박 병 래1・구 봉 오2
1부산가톨릭대학교 보건과학대학 방사선학과, 2물리치료학과
Measurement of Carotid Artery Diameter Using MR Angiography Images
Byung-Rae Park1, Bong-Oh Koo2
1Dept. of Radiological Science, College of Health Sciences, Catholic University of Pusan
2Dept. of Physical Theraphy, College of Health Sciences, Catholic University of Pusan
= Abstract =
The measurement of carotid artery stenosis in diameter using magnetic resonance angiography im- ages. The gray-level thresholding is one of the most popular and efficient method for image segmen- tation. We segmented the carotid artery and lumen from three-dimensional time-of-flight magnetic resonance angiography axial image using gray-level thresholding technique. Using the measured inti- ma-media thickness value of common carotid artery for each cases, we separated carotid artery wall from the segmented carotid artery region. After that, the regions of segmented carotid without artery wall were divided into region of blood flow and plaque. The carotid artery stenosis is measurement of highly recommended as a diagnosis and treatment tool with which the specific place of stenosis can be identified and the degree of stenosis can be measured qualitatively and quantitative.
Key words: Magnetic resonance angiography, Carotid artery, Stenosis
통신저자: 박병래, (609-757) 부산시 금정구 부곡3동 9번지 부산가톨릭대학교 보건과학대학 방사선학과
Tel: 051-510-0583, Fax: 051-510-0588 E-mail: brpark@cup.ac.kr
술 등과 같은 비침습(non-invasive) 기법의 사용이 요구되어 지고 있으며, 가능한 전형적인 혈관 조영술은 배제할 것을 권 고하고 있다. 비록 CT Angiography나 MR Angiography 등 이 비 침습 기법이고, 전형적인 혈관 조영술에 비해 더 많은 투영 영상을 제공하고 있지만, 경동맥 협착증을 위해 MIP(maximum intensity projection) 랜더링 방법을 사용하여 재구성된 혈관 조영 영상과 유사한 영상을 사용한다. 또한 경 동맥의 투영 영상을 사용할 경우 잔존하는 가장 좁은 루멘 (lumen)이 항시 보이지 않은 경우가 많음으로 해서 가장 큰 내경동맥의 협착증을 측정할 수 없다. 더군다나 동일한 투영 영상을 사용하여 측정 되었는지의 여부에 따라 그 결과의 차 이는 심하게 일어난다. 따라서 서로 다른 세 가지 경동맥 협 착증 측정 방법의 결과를 변환시켜 주는 공식이 고안되기도 하였다 [5]. 또한 특정 기관에 따라 측정 결과가 다르고, 서 로 다른 협착증을 측정자간의 차이가 생기며 측정 시간대에 따른 동일 측정자의 결과도 서로 다르다. 경동맥의 협착증의 정도를 수작업으로 측정하는 것은 시간이 많이 소모되고, 측 정 결과도 주관적인 판단이나, 훈련에 따라 서로 다르게 나타 난다. 차후 문제로, 시간 간격을 달리하여 동일한 영상을 이용 하더라도 측정 결과는 다르게 나타난다. 정확한 경동맥 협착 증의 평가 및 정도 판단은 경동맥 내막 절제술의 시술 대상 인 환자를 선택하는 관점에서 필수적이라 할 수 있다. 본 연 구에서는 경동맥의 축상 단면 MR Aangiography 영상을 사용 하여 경동맥 협착증을 측정하기 위해 영상획득, 영상분석, 경 동맥분할, 경동맥 루멘 및 플라그(plaque) 분할 및 경동맥 협 착증 정도 측정 과정을 수행하고자 한다.
2. 대상 및 방법
2.1. 영상획득
두경부 MR Angiography을 시행한 예 중 실험 대상으로 정 상 경동맥 및 편측 내경동맥 협착증이 의심되는 환자 13명, 나이 45에서 72세까지의 증례로 남여 구분은 없이 데이터를 분석하였다. 본 연구의 실험적 데이터로 선별하기 위하여 한 쪽 경동맥은 정상치를 나타내고, 반대쪽 경동맥은 비 정상치 를 나타내는 환자의 영상을 택하였다.
경동맥 협착증 정도를 측정하기 위한 사전 단계로 MR Angiography 영상획득, 영상 분석 및 경동맥 분할 과정을 수 행하였다. Magnetom Sonata 1.5 T(Siemens, Germany) 자 기공명영상 장비에서 혈관 조영제는 사용하지 않고 TOF (time-of-flight) MR Angiography 영상을 얻었다. 앙와위 (supine) 자세에서 head & neck coil을 사용하였으며, 펄스시
퀀스(pulse sequence)는 tof-fl3d1, repetetion time(TR) / echo time(TE) 38/7.1ms, Slice Thickness 1.5 mm, Number of Averages 1, Echo time 7.1, Echo train length 1, Flip Angle 250, Matrix 512×416(80%), Filed of view 230×
186 mm, Voxel Size 0.45×0.45×1.5 mm 이었다. 획득된 영상은 단일 펄스 시퀀스당 총 126 slice이었으며 횡단면상 이었다.
획득된 image data는 American College of Radiology와 National Electrical Manufacturers Association(ACR/ NEMA) 의 Digital Imaging and Communication in Medicine(DICOM) [6] 영상파일로 MR 시스템의 영상저장부에 기본적으로 저장 되고, 이는 PACS(Picture Archiving and Communications System)를 이용하여 개인용 컴퓨터에 전송, 저장한 후 영상 분석 및 처리를 하였다. PC는 Intel P4 2.66 GHz 프로세서에 1GB 메모리, 64 MB의 비디오 메모리를 가진 AGP 4X 64 MB(Gerforce 2 MX 400) VGA 카드를 사용하였다. 혈관 내 경을 측정하기 위한 경로탐색 및 구현 과정을 Fig. 1에 나타 내었다.
2.2. 영상분석
MR 시스템으로부터 전송되어진 MR Angiography의 원천 영상은 PC를 기반으로 하는 3차원 visualization software인 Rapidia version 2.8 프로그램(인피니트 테크놀로지)을 사용 하여 우선 최대신호강도투영기법(maximun intensity projec-
Fig. 1.Measurement of carotid artery stenosis process.
tion, MIP)을 적용하여 Fig. 2에서 3차원 볼륨 렌더링 상으로 가시화 한 뒤 양측 경동맥을 모두 관찰하였다. 볼륨 렌더링 상 은 전・후, 좌・우 및 상・하를 포함한 여러 각도로 렌더링을 하면서 디스플레이가 가능하도록 하여 혈관의 표면 및 협착 유무를 관찰 할 수 있도록 하였으며, 가시화된 영상은 경동맥 내경의 측정으로 이용 하고자 하였다. 관찰한 볼륨 렌더링 상 에서 편측 내경동맥에 협착이 의심되거나 확인된 예에 한하여 실험대상으로 정하였으며, 또한 3차원 혈관 상으로 나타내었 다. 편측 내경동맥 협착 환자에만 적용한 이유는 반대측 정상 내경동맥과 쉽게 비교 관찰하기 위해서였다. 획득된 인체 목 부분의 경동맥 영상을 분석하여 보면 고 신호강도를 나타나는 동맥 외에 골음영, 경추, 근육, 연부 조직등 다양한 신호강도 가 미소한 음영차이를 나타내는 것을 볼 수 있다. 그래서 횡 단면 원천 영상에서 음영을 크게 구분하면 저 신호강도로 나 타나는 연부조직 부위와 고 신호강도로 나타나는 경동맥부위 로 나뉘어 볼 수 있다. 이는 명암값의 빈도수로 나타내는 히 스토그램을 적용하고 분석하여 더욱더 확연히 구분되어 지도 록 하였다.
경동맥 3차원 볼륨 렌더링 상에서 4개의 조절점으로 나타 내는 불투명도 전이함수(opacity transfer function, OTF)의 임계값(threshold)을 Fig. 2와 같이 조절 하였다. 설정한 OTF
값을 기준영상으로 하여 3차원 혈관상으로 나타내었으며, 구 현은 정상측 혈관과 협착증이 있는 혈관을 각각 동일조건에서 구현하고자 하였다. 이는 동일 환자에서 양측을 비교함으로써 협착 유무의 중증도를 쉽게 판단할 수 있기 때문이다. 경로 탐 색시에는 정확성을 기하기 위하여 횡단면 원천 영상에서 혈관 의 위치를 직접 관찰하면서 경로탐색커서를 수동으로 설정하 였으며, 관찰하고자 하는 혈관의 시작 지점과 끝 지점을 정하 고 영상 디스플레이에서 확인하였다.
2.3. 경동맥 영역분할
인체의 목 부분에 위치한 경동맥을 촬영한 단면 원천 영상 들을 분석하여 보면, 단면 영상의 배경인 어두운 부분, 배경보 다 조금 밝은 부분, 목 단면에 위치한 각종 근육들의 좀 더 밝은 부분으로 구분 할 수 있다. 단면 원천영상에서 동맥을 제 외한 어두운 부분과 경동맥 및 척추기저동맥을 포함한 밝은 부분, 두 영역으로 구별할 수 있다. 명암 값의 빈돗 수를 사 용하여 작성된 단면 영상의 히스토그램을 분석 [7-9]하여 보 면, 동맥을 제외한 어두운 부분이 히스토그램 좌측에 위치하 는 것을 알 수 있다. 단면영상에서 어두운 부분이 밝은 부부 에 비해 상대적으로 면적이 넓기 때문에 두개의 봉우리를 이 루지는 못하지만, 경동맥 및 척추기저동맥을 포함한 밝은 영
Fig. 2.MIP of non-enhanced 3D volume rendering TOF MR Angiography. Display ranges of 3D volume rendering in opacity transfer func- tion at the histrogram.
역의 명암 값에 의한 범위를 임계값 처리기법으로 정하였다.
2.4. 경동맥 루멘 및 플라그 분할
총경동맥 및 내경동맥에 대한 협착증을 측정하기 위해 경동 맥 및 척추 기저동맥으로 분할된 영상에서 분지 이후에는 내 경동맥만, 그리고 분지 이전 영상에서는 총경동맥만을 분리하 였다. 분할된 총경동맥 또는 내경동맥의 영상을 분석하여 보 면, 혈류가 흐르는 영역과 이 영역을 둘러싼 혈관의 내막(inti- ma) 및 증막(media)과 같이 혈관의 두께에 해당하는 부분, 또 한 플라그의 명암값과의 차이가 나는 것을 알 수 있다. 히스 토그램 상에서 두개의 봉우리(peak) 사의의 값을 임계값으로 하여 혈류가 흐르는 영역과 플라그를 포함한 혈관두께 영역으 로 분할하였다. 그러나, 정확한 경동맥 협착증 정도를 계산하 기 위해서는 혈관의 두께는 제외되어야 하지만, 혈관벽과 플 라그의 명암값의 차이가 없어 이를 분할할 수 없는 문제를 가 지고 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 상대적으로 플라 그 형성이 생기기 어려운 부위인 총경동맥의 밑 부분의 혈관 벽 두께를 측정하였다. 측정한 총경동맥 밑 부분의 혈관벽 두 께의 평균값(4픽셀, 1.2 mm)을 사용하여 플라그를 분할하였 다.
2.5. 경동맥 협착증 정도 측정
경동맥 협착증을 측정하기 위한 방법으로는 전형적인 혈관 조영 투영 영상을 이용하고 측경기를 사용하여 다음과 같이 세 가지로 구분하여 볼 수 있다. 말단 내경동맥의 직경을 참 조 직경으로 사용한 NASCET 방법은[1-(최소의 잔여 루멘 직경 / 말단 내경동맥의 루멘 직경)]×100% 식으로 계산되 며, 총경동맥의 직경을 참조 직경으로 사용한 ECST 방법은 [1-(최소의 잔여 루멘 직경/총경동맥의 루멘 직경)]×100%
식으로 계산된다. 본 논문에서는 3차원 TOF MRA 단면 영상 을 사용한 새로운 형태의 경동맥 협착 플라그 만으로 분할된 이전 영상이며 분할된 두개 영역의 면적의 비율로서 경동맥 협착증 정도를 242개의 단면영상에 대해 각각 계산하였다. 다 시 말하면, 경동맥 MR Angiography 단면 영상을 사용한 경 동맥 협착증 정도 측정은 플라그가 존재하지 않은 혈관의 혈 류영역 면적과 실제로 측정된 혈류영역 면적의 비율로 하여 계산하였다. 본 논문에서 구현한 내경동맥 협착증 정도 측정 은 (분할된 플라그의 면적 / 혈류영역 및 플라그를 합한 면 적) * 100% 식으로 계산된다.
3. 결 과
MR Angiography 영상기법을 이용하여 경동맥 상을 획득하 고, 이를 3차원적으로 영상재구성하여 내경동맥의 내경을 측 정하고자 하였다. 경동맥의 축상 단면 MR Angiography 영상 을 사용하여 경동맥 협착증을 측정하기 위해 영상획득, 영상 분석, 경동맥 분할, 경동맥 루멘, 및 플라그 분할 및 내경동맥 협착증 정도 측정 과정을 수행하였다.
Fig. 3은 69세 남성의 경동맥을 획득한 영상이고 정상적인 우측 내경동맥의 내경을 나타내는 것으로써 총경동맥의 최대 직경은 6.65 mm 이며, 내경동맥의 내경은 6.29-6.33 mm을 보인다. 또한 측정 부분의 면적은 75.78 mm2 이다. 3차원 볼 륨 렌드링 상에서는 우측 내경동맥의 내경을 측정하기 위한 축적경로를 나타내고 기준 혈관상을 중심으로 정상부위의 기 준 내경과 반대측 병변이 측정되는 내경을 측정한 것을 보인
Fig. 3.Rt. Internal carotid artery (normal) in a 69-years-mail.
Fig. 4. Rt. Internal carotid artery (normal) in unfold rendering image.
Measurement of maximum ICA diameter and area.
다. 그리고 축상 단면상에서의 최소, 최대내경 측정부위를 보 인다(Fig. 4). 그렇지만 반대측 협착증세가 보이는 좌측 내경 동맥의 내경은 2.96-5.26 mm을 보인다 (Fig. 5). 또한 측정 부분의 면적은 18.66 mm2이다. 협착증세가 보이는 부분은 시 각적으로도 내경이 좁아져 있는 것이 관찰된다 (Fig. 6). 각각 의 MR Angiography 단면 영상에서 분할된 총경동맥 또는 내 경 동맥에서 혈관 두께를 제거한 면적, 제거하지 않은 면적 및 혈류 영역으로 나타내었다.
본 연구에서 수행한 13 증례, 26개의 내경동맥에서 좌, 우 측의 구분 없이 편측이 정상이고, 반대편은 협착이 있는 데이 터를 얻어 분석하였다. 협착 정도 측정치와 방사선과 전문의 의 판독치 와의 비교 분석 결과는 다음과 같다. 정상으로 판 독된 편측 내경동맥은 모두 다 일치하였으며, 협착증세가 있 는 편측 내경동맥의 협착 정도 측정치는 86% 가 일치하였다.
협착으로 판독된 편측 13개의 내경동맥의 값에서 각각 혈관 포함은 87.6%, 혈관제거는 88.2% 이며, 범위 값으로 정상과 협착을 구별하여 볼 때, 편측의 내경동맥에 대한 측정치가 정 량적으로 나타내어졌다. 그러나 협착의 유무와 협착으로 만 분 류하는 방사선 전문의의 정성적인 진단 결과와 본 연구에서 제안한 새로운 내경 측정 방법에 의한 정량적인 협착 정도와 의 비교 분석에 어려움이 따르고 있으나, 혈관을 제거하고 측 정한 협착 정도가 방사선 전문의의 판독 결과와 근접한 것으 로 판단된다.
본 연구에서는 혈관조영 투영 영상을 사용하고 잔존하는 루 멘의 직경을 이용하여 협착증을 진단하는 기존의 방법과 달 리, 단면 영상을 사용하고 혈류영역의 면적을 사용한 새로운 협착증 측정 방법은 기존 방법에 비해 시간이 절약되고, 서로 다른 측정자 및 기관간의 측정 결과의 변화가 최소화 될 것 으로 판단된다.
4. 고 찰
허혈성 뇌혈관질환(cerebrovascular disease)은 뇌혈관이나 경동맥이 다양한 원인에 의하여 막히거나 좁아져 뇌세포 기능 의 유지에 필요한 혈액공급이 차단되어 발병하는 질환이다. 경 동맥은 뇌에 혈류를 공급하는 주된 혈관의 하나로 협착증과 같은 경동맥질환은 뇌졸중의 직접적인 원인이 된다. 또한 경 동맥질환은 대부분 죽상경화증(atherosclerosis)에 기인하며 이는 혈관이 분지(bifurcation)하는 부분에서 호발하며, 총경동 맥(common carotid artery, CCA)이 내경동맥과 외경동맥 (external carotid artery, ECA)으로 나뉘는 부위에 잘 발생 한다. 기존의 의료영상에서는 2차원 영상이 많이 사용되어지 고 있으나, 점차적으로 3차원 영상의 비중이 높아지고 있으므 로, 영상의 3차원 화는 진단적으로 상당히 중요한 역할을 담 당할 것으로 기대 되어지고 있다. 이에 본 연구에서는 3차원 영상이 충분히 진단에 주 또는 보조적 역할을 담당할 수 있 을 것으로 기대되는 MR Angiography 영상을 3차원으로 재 구성하여 2차원 영상과 비교한 3차원 영상과 더 나아가 혈관 내부의 내경을 측정하고자 하였다. 이에 실제 내경동맥을 영 상화한 MR Angiography 영상에서 단면 영상을 이용 내경을 측정 구현하였다. 기존 연구들은 CT영상을 이용한 대장 및 흉 부의 가상내시경 상으로 가상대장경 [10] 및 기관지경이 주 를 이루고 있고, 일부 가상혈관경에 대한 연구가 있지만, 본 연구에서 구현한 경동맥 MR Angiography 영상을 이용한 혈 관의 내경을 측정한 보고가 드물다. 그러므로 본 연구에서는
Fig. 5.Lt. Internal carotid artery (stenosis) image.
Fig. 6. Lt. Internal carotid artery (stenosis) in unfold rendering image.
Measurement of maximum ICA diameter and area.
경동맥 협착증을 진단하기 위해 자기공명 혈관상을 시행한 환 자의 2차원 영상을 3차원 볼륨 렌더링 상으로 가시화 한 뒤 혈관상의 내부 탐색경로를 결정하고, 원근투영(perspective projection) 및 볼륨 데이터의 표면을 렌더링하기 위해 march- ing cube 알고리즘 [11]을 적용하였다. MR Angiography 영 상기법을 이용하여 획득한 내・외경 동맥상에서 혈관의 내경 을 측정하여 협착 부위의 정량적 계측과 임상적으로 활용 가 능 한 지를 알아보는데 그 의의가 있다 하겠다.
5. 결 론
경동맥 협착증을 측정하기 위해 MR Angiography 영상을 사용하였으며, 각 13증례의 경동맥을 촬영한 영상에 대해 컴 퓨터화한 경동맥 협착증 측정 방법을 구현하였다. 본 연구에 서는 혈관조영 투영 영상을 사용하여 협착증을 진단하는 기존 의 방법과 달리 단면 영상을 사용하였으며, 기존 방법에 비해 시간이 절약되고, 서로 다른 측정자 및 기관간의 측정 결과의 변화가 최소할 것으로 판단된다. 전문적인 영상처리 워크스테 이션 및 PC를 이용하여 3차원 볼륨 렌더링 상과 혈관상을 구 현하여 경동맥 내부의 협착 위치와 협착 정도를 정성적 및 정 량적으로 파악 할 수 있었다. MR Angiography 영상은 시술 시간도 짧고, 환자에게 위험부담이 없으며, 불편함을 최소화 할 뿐만 아니라 안정제 주사가 필요 없다는 장점이 있어 앞 으로 활용성이 증대될 것으로 예상된다. DICOM 파일의 MR Angiography 영상이면 MR장비와 PC간의 간단한 네트워크 기 반위에서도 다양한 영상을 쉽게 구현 할 수 있음을 알 수 있 었으며, 보다 쉽게 협착증을 관찰하여 진단과 치료에 보다 많
은 의료영상 정보를 제공할 수 있으리라 여겨진다.
참 고 문 헌
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대한PACS학회지 2004;10:111-116
=초 록=
자기공명 혈관상을 이용하여 경동맥의 협착증의 정도를 측정하고자 한다. 영상분할에 사용되는 방법 중 가장 널 리 사용되고 효율적인 명암값 임계치 방법을 사용하여 경동맥 및 동맥의 내강을 분할하였다. 각 증례의 측정된 총경 동맥의 혈관두께를 사용하여 분할된 경동맥으로부터 혈관을 제거 하였고, 혈관이 제거된 경동맥을 혈류 영역과 플 라그 영역으로 분할하였다. 경동맥의 축상 단면 자기공명 혈관상을 사용하여 경동맥 협착증을 측정하기 위해 영상 획득, 영상분석, 경동맥분할, 경동맥 루멘, 플라그 분할 및 경동맥 협착증의 측정 과정을 수행하였다. 경동맥 내부의 협착 위치와 협착 정도를 정성적 및 정량적으로 측정 할 수 있으며 협착증의 진단과 치료에 도움을 줄 수 있을 것으 로 기대된다.
