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An experimental study on magnetic resonance image of blood flow in cardiovascular system

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(1)

大짧 1iX M 짧醫짱會었 23 쌀 쩌 3 ~'!Æ pp. 391 - 396, 1987 Journal 01 Korean Radiological Society, 23(3) 391-396, 1987

심맥관내 혈류의 자기 .공명 영상에 관한 실험적 연구*

서울대 학교 의 과대 학 방사선과학교실

박재형 ·임태환 ·장기현 ·서장해

**

· 란만청 ·김주한·문치웅 · 조장희

- Abstract-

An Experimental Study on Magnetic Resonance Image of B100d Flow in Cardiovascular System

Jae Hyung Park

,

M.D.

,

Tae Hwan Lim

,

M.D.

",

Kee Hyun Chang

,

M.D.

,

Chang Hae Suh

,

M.D."

,

Man Chung Han

,

M.D.

,

Chu-Wan Kim

,

M.D.

,

Chi Woong Moon"'

,

Zang Hee Cho

,

Ph. D .•••

Department of Radiology, College of Medicine, Seoul National University

To understand the basic phenomena 01 blood Ilow in cardiovascular magnetic resonance image (MRl), ECG-gated MRl was done in 3 normal adults and an experimental study was done using Ilow phantom with KAlS MRlsystem

ln three normal adults, images 01 descending thoracic aorta were evaluated at'the same slice according to the different cardiac phases. MR signal was highest in the images at end diastole immediately and 80mses alter R wave

No signal was detected in mid-systolic phase due to signal 1055 이 the rapidly Ilowing blood. At the lirst slice 01 the multi-slice techique in Ilow phantom, the relative intensity 1/10 was maximum as 2.39 at 1.8cm/sec among the 9 different velocities 01 the water

lowing through the PVC tubing 01 O.96cm diameter

As the velocity increased, the relative intensity 01 the MR signal decreased to become completely absent at 42.3cm/sec velocity

At the lirst slice, the shape 01 the transaxial image was homogeneously round in slower Ilow. However, it became irregular due to turbulence at 28.8cm/sec. At the 2nd slice, the shape 01 the image was similar with 1st ones in low velocities. As the velocity increased they changed into ring or smaller round shapes

*

본 연구는 1985 년도 서울대학교영원 대단위 연우비 보조로 이루어진 것입.

**

인하뱅원 방사선과

Department of Radiologκ Inha General Hospital

***

한국파학기술원 전기전자공학과

* * * Department'of Electrical Science, Korea Advanced Institute of Science

이 논운은 1987 년 4 월 17 일에 정수하여 1987 년 5 월 13 일에 채택되었응.

(2)

- 大합Ii:lcí!‘t짧햄짱함등농‘ 짝 23卷 짜 3,'JJi. 1987 -

1 .

서 론

자기공명영상술(이하 MRI 로 약항)은 1973 년 Lau- terbur 에 의해 영상 진단분야어l 등장한 。l 래 계속적인 말선을 하여 최 근 방사선과학적 진단분야의 총아로 인 정되고 있다 1) 이는 MRI 가 천산화단층촬영술( Com-

puted tomography) 이 가질 수 없는 MR 신호의 마 양한 구성요소 및 이로 인한 조직 특성화(tissue

cha-

racterization) 의 가능성파 또한 관상(coronal) 흑은 시상 (sagittal) 절단 가능성 뿐만아니라 신진대사와 혈 류의 흐릉을 포함하는 생화학적 및 생리학적인 현상을 나타낼 수 있는 장재력이 안정되기 해문이다. 신체의 여러 부분중 심맥관계 역시 자기공명영상술의 좋은 대 승L이 되는데 이는 영상 결펀으로부터 움직인 혈류에서 는 MR 신호를 얻을 수 없기 때운이다. 짜라서 신호 소 실로 인해 심맥판의 주위 조직과 혈류는 지갱적인 대조 를 보임 £로 해 부학적 구조가 뚜렷 이 냐타난다 2,3~ 이와 같이 싱백관내의 혈류는 영성구성에 기여할 뿐 아니라 혈류의 땅향과 속도에 따라 여 러 가지 종류의 현상이 나 타나며, 나아가서는 MRI 를 이용하여 혈류위 측정도 가 능하게 된다.

심맥판계 질환의 진단에 있어서 MRI 의 진단적 가치 에 대해서는 많은 보고가 있고 대동액의 죽상경화증, 대 동액류, 심근경색, 죠l검실류, 관상동맥 및 선천성 심장질 환의 MRI 소견이 알려져 있다4-10) 이들의 경우 대부 분 싱선도유도로서 동기 옐로 상을 축적 하여 MRI 을 시 행하였으며 우리나라에서도 한국과학기술원에서 자기공 영영상기가 개발되어 심맥관계의 자기공명영%」술에 대 해 이미 A고된 바 있 다 3 ,시 혈류의 MRI 소견에 대한 연구로는 생체 혹은 실험적 연구을 통하여 외국에서는 약간의 보고들이 있으나 우 리냐라에서는 아직도 시도된 바 없마 11-13) 저자들은 한국과학기숭원의 자기공명영 상기를 이용하여 정상인의 대동액에서 냐타냐는

MRI

에서의 혈류 현상을 관찰하고 혈판의 모형을 제작하여 유체의 속도변화에 짜음 MRI 의 변화를 관찰하여 실험 적 연구를통한약간의 지견을얻었기에 이을보고하는

바이다.

ll.

대상 및 방법

가. 흉부하행대동맥의 심주기에 따른 영상변화 대상응 지원자로서 25 세에서 30 세사이의 정상 성안

남자 3 명을 대상으로 하였다. 정치는 한국과학기술원 에서 개말한 KAIS 자기공영영상기, 자력

0

.1

5

Tesla 상전도 전자석이었으며 Spin-

echo

법을 이용한

Satu-

ration recovery땅법을 사용하였다. 십전도유도는 대 상의 o.}측 상승};>:]에 선극을 부파시킨 마음 냐타니눈 li- mb lead 의 심선도를 시용하였고 고주파 펄스의 반복 시 간 (TR)은 R파사이 의 간격 파 같아서 대 략 900msec 이었마. 촬영방법으로는 싱선도유도하에서 심장과 대동 액이 함께 설단될 수 있는 위치를 정하고 그부위에서

R

파 이후

80msec

간격으로 일정한 심주기에 해당되는 시기의 영상안을 분리하여 촬영하였다. 이때 반향지연 시간(TE)은 통상 30msec 이었으며 해상력은 1.4 X

1. 4mm 에 해 당하였마.

나. 모형도관내 유체의 속도에 따른 MR 신호의 변화

모형도관은 내경

0.96

cm 의 연성 PVC 도판 3 개로 제작하였다. 각 도관은 서로 냐란히 배열하였으며 3 도 판 모두 서로 다른 유량 조절장치와 연결하여 중앙의 도 판을 정지상태의 물로 하여 비교할 수 있케 하였고 나 머지 두 도판에서 서로 다흔 유속으로 l 회에 2 개의 유속에 대한 실험이 되도록 하였다 MRI 장치로는 한 국과학기술원에서 개말한 초선도 고자장형 자력

2.0

Te-

sla 전신용

KAIS

MRI 스캔너이었마. 사용펀 유체는 단순한 수도물로서, 측정된 Tl 및 T2는 각각 1536m

sec 와

297msec

이었다. 유속의 조절응

2.0m

높이의 물탱크에서 중력으로 흐르는 물을 도판에 장치된 유량 조절장치로 조정하였으며 유속의 측정은 단위 시간당의 유량을 바이커로 측정하여 계산하였다. 유속에 따른 M

R 신호의 변화를 보기 위해 TR을 800msec ,TE는

30

msec로 고정하였고 0.5 에서 42.3 cm/sec 에 이르는 9 가지의 서로 다른 유속A로 흐르는 동안 6 개의 다절펀 MR 을 시행하였다. 영상강도는 각 영상의 크기에 따라 8 개의 pixel 로 구성되는 원형의 ROI 로 부터 구하였 다. 유속별 영상신호강도는 같은 스캔에서의 정지된 물 의 신호강도와의 바 (I1 1

0

)로서 비교하였다.

ill.

결 과

가 흉부하행대동맥의 심주기에 따른 영상변화

흉부 하행대옹액은 직경 2.0 cm 정도의 원형구조로서 3예에서 모두 확연히 냐타났다 (Fig.1). 이완말기 (End diastole) 에 해 당하는 R 파 직후와 80msec에서는 모

-

392-

(3)

- 박재형 외 · 섬맥관내 혈류의 자기공명영상에 관한 실험적 연-

A

B

C

훌 ,

Fig.

1.

Serial ECG-gated MR image of descending thoracic aorta of a norma

l adult. High signal in-

tensity in

the

aorta due to

stagnant flow

(arrow) in

end-diastolic phase (upper row:A) im

mediately aft

er R wave. Signal loss

(arrow) due to hi

gh velocity

in

systolic phase (middle

row: B) 240msec after R wave. Peripheral high density (arrow) due to sluggish flow in diastolic phase

(l

ower row:C)

480 msec after

R wave

두 강한 MR 신호를 나타내었으며 이후의 수축기에서는 MR 신호가 완전히 소실됨으로 3 예 모두에서 대통액내 강이 검게 보였다. 이완 후반기에서는 대동액의 혈휴가 늦어지연서 대동맥내강의 내연에 연하여 MR신호가 증 가하는 경향을 보였마.

나. 모형도관내 유체의 속도에 따른

MR

신호의 변화

다절펀 영@」중 제 l절펀에서의 비교를 보연 영상신호 강도의 증대 효파는 일정 한 유속에 이르기 77]-.지 는 유속증 가에 짜라 점차 증가하여 최고치에 이르고 二L후 유속증 가에 짜라 강소하여 결국은 우신호상태로 되었다

(Fig.

2 ).

비교치 IIlo는 최대 2.39 이었으며 그 때의 유속

은 1.

8

cm/sec 이었다. 영상모양의 변화로서는 다절펀 영상 중 제 1절펀에서는 모두 균질의 원행 영상을 보였 으며 유속의 증강에 따은 원형의 크기 변화도 없었다 그러냐 와류형성이 예상되는

28.8 cm/sec

에서는 불규 칙한 원형으로 되었으며

42

.3 cm/sec 의 유속에서는 영 상신호가 없었다 (Fig.3A). 마절펀영상중 제 2절펀영 상은 낮은 유속에서 제 l절펀영상파 동일한 모양의 균 질성 원형영상을 보였고 유속 1.

8 cm/sec

에서는 굵은 환형의 영상을, 유속

2. 5

cm/sec 에서는 가는 환형을 보 였으며 그 이상의 유속에서는 작은 원형외 영상을 보였 다(Fig.3B). 유속

28. 8

cm/sec 에서는 제 l절펀과 마 찬가지로 불규칙저얀 비균질성 원형의 영상을 보였으며

393 -

(4)

λ;합放 M짜챔짝!會at-찌 23;양 찌 3

1987

-

4 。

1110

3.0

2 。

,。

fIt: TR = 800m

‘ .c

0.5 1.0 2.0 ~.o 10.0 20D 30 。

Veloclty (cm/sec)

Fig. 2.

Changes of signal intensity according to

flow velocity. TR was 80msec and TE was 30

msec

Relative signal intensity to stationary water (1/10)

was initially increased

,

however

,

decreased from 2.39 peak at velocity

1.

8cm/sec.

42.3cm/sec 에서는 영상신호가 없었다. 다절펀영상중 제 3 절펀이하의 영상에서는 제 2절펀파 유사하였으나,

신호강도가 약호벼었고 제 3 절펀이하의 영상에 대한 분 석은 시도하지 않았다-

N.

자기공영영상술의 여러가지 임상 응용가능성 중 생리 학적 띤에서의 잠재력으로서 본 연쿠좋 흉부하행대동액 의 심선도유도 자기공영영상을 통하여 동기별로 영상을

촬영할 수 있게 됨으로 심주기에 따라 변화하는 혈속을 측정할 수 있는 가능성을 볼 수 있다. 심수축기에 혈류 는 가속되고 이완말기에는 혈속이 매우 낮아짐으로서,

이러한 변화가 나타냐는 바 정지되어 있는 혈액은 강한 MR신호을 나타내며 심수축기의 높은 속도를 가진 혈 류는 천혀

MR

신호를 나타내지 않음을 알 수 있 었고,

이러한 현상이 고속혈류 신호소실(high velocity si.

gnal loss) 핸상으로 알려져 있으며 이 현상이 MRI

에 있어서 심액관계의 해부학적 구조가 잘 냐타날수 있 는 이온적 근거가 된마11-1석 그외의 여러 혈류 현상중 중요한 것으로는 비교적 낮운 유속에서의 혈듀가 정지 되어 있는 혈듀보마 좀 더 캉한 신호를 보이는 현상이 있는데 이를 소위 역설적 증강(paradoxical e

nhanc-

ement) 이라 하며 동액보마도 정맥혈에서 잘 냐타냐며 마절펀영상중 혈류가 유입되는 제 l 절펀에서 잘 냐타냥 이 알려져 있다 11-1낀 이 외에도 마만향기법 (multi-ec­

ho t

echn ique )에서 우수 에고(even echo)에 낮은 유속의 혈류가 더욱 중강되어 보이는 현상도 냐타냐는 데 이를 우수 에코 rephasing현상이라 한다κ18) 유 체의 생체외 실험을 위하여 고려해야 할 사항으로는 맥 동성 유체와지속성 유처1을 쿠분하여야 하고 층류와 와 류를 쿠분하여야 한다. 인체와 같은 액옹성 유체의 오 델을 만들기가 어려우므후 본 실험에서는 도판을 일정 한 속도후 흐르는 지속성 유체를 사용하여 영상을 얻었 마. 통상 층류와 와류의 유속에 따른 이론적인 예상은 레이놀드수에 근거하는 바 이는 일도, 유속 및 도판 내 경에 비레하며 유체의 정도에 반비례하는 상수(

Reyno-

lds Number

:

Re)로서 본 실험에 사용된 도판 내경 0.96cm 에서의 울의 경우 와류가 행성되는

Re 2100

이 상이 되는 것은 21.9 cm/sec 이상에 해당되는 것 A로 나타났마19) 딱라서 본 실험에서는 인체내의 헬판에 상 응하는 모형파 지속적 인 유체이기는 하냐 층유을 사용 하였으며 또한 본 실험에 사용된

MRI

기기는 실제 환 자진료에 사용할 수 있는 입상용 기기이며 쿄자장의 초

훌젊 때다짧밟법셉 A 합 며 효펴 률첼뿔쾌 룰폐 덜

B

Fig. 3. Image variations at 1st section slice (A

a-h) and 2nd

section slice (B

a-h)

in

multisection MRI of flow phantom with 800msec TR and 30msec TE. Flow velocities (cm/sec );a (0.5)

,

b

(1.

2)

, c (1

.8)

,

d (2.5)

, e (4.5),

f (6

.1), g (1

4.

3), h

(28.8)

394 -

(5)

박재형 외 성액관내 혈류의 자기공명영상에 관한 실험적 연구-

전도 2.0 Tesla MR진단기이드로 향후 임상적 응용에 대한 기초적 자료로 사용될 수 있마 하겠다. 다절펀 영 상중 제 2 섣펀 이하의 경우 제 1절펀에서 고주파 충격 을 이미 받은 원자스펀들이 부분적으로 포화되어 자화 가 완전히 회복되어 있지 않으냐 제 l절펀의 경우 항상 유체 가 웅직여서 완전자호탠 원자스핀이 유엽되 므로 상 대적으로 제 2 섣펀보다 혹은 정지되어 있는 동일한 유 체보다도 더욱 강한 MR신호을 내게 되뉴 것이다. 한 절펀에서의 유체의 신호강도는 이러한 유업성 신호증대 효과(inflow signal enhancement) 와 영상절펀내에 서 일단 여기된 원자스판이 재초점화 고주파 충격을 받 아 영상신호를 내 기 전에 영 상절펀에 서 유출됨으로써 딸 생되는 유출성 신호감소효과 (outflow signal loss)에 의해 결정된다고 볼 수 있마. 이러한 제 1결펀에서의 유업성 신호증대효파가 유속이 빠른 경우 제 2 절펀영상 오양에도 영향을 주어 환형 혹은 작은 원형의 모양이 냐 타날 수 있아. 따라서 낮은 유속에서는 일차적£로 유 업된 완전 자화스핀의 영향으로 원형 이 되 냐 유속이 빨 라지연 유체 중심부가 절펀。1동 및 활영시간 통안 영상 절펀에 서 빠져 냐가는 신호소설효과의 영향이 커 서 환형 이 된다 유속이 보다 커지연 절펀통고씨간에 이차적으 로 유입되는 완전자호댄 스핀에 의한 신호 증대 효과가 추가되어 영상은 표적형이 되며 더 빨라지연 이차척으 로 유업된 완전자화 스핀의 영향만 증대되어 영상은 다 시 작은 크기의 균질성 원형이 된다.

와류에 의 딴 변호F는 원자스판 일부가 영 상절펀내에 남 아 있어 신호를 나타낼 수 있 A 나 와류에 의한 무작위 성 운동으로 인해 스판간의 일치성이 상실되어 신호의 불규칙적 감소를 초래함。 l 설영될 수 있다. 또한 좌우 측 방향으로의 artifact 형 성 은 와류에 의 한 스펀들의 속도 백터가 자장경사연을 불규칙하게 횡단하여 Four.

ler 전환법에서의 횡축상의 좌표 encoding 이 방해를 받게 되묘로 말생하는 것으로 생각된다.

본 실험을 통하여 심액관내의 혈류가 MR 영상에 미 치는 영향에 대한 기본적 인 몇가지 현상을 설영할 수는 있으나 와류에 대한 펑가 빛 층류에 있어서도 영상기법

이 미치는 영향, 다반향 기법에서의 우수에코시의 rep-

hasing 및 원자스핀의 phase shift 측정을 이용한 유 속의 정량적 측정 등 고}제가 많이 낭아 있어 향후 이에 대한 연구결과가 기대되는 바이다

V.

료g

싱맥관계의 자기공영엿상숭에 나타냐는 혈류의 영상 에 판하여 기본적인 이해를 돕기 위하여 저자들은 정상 성인 3 영에서 한국과학기술원이 개발한 자기공영 영상 기로서 심전도유도 자기공명영상숭을 실시하여 싱주기 에 따른 흉부하행대동액의 영상을 얻었다. 아울러 내경 0.96cm의 PVC내로 물이 일정한 속도로 흐르는 도판 모형을 이용하여 자기공영영상을 얻음무로써 마음파 갚 은 결과를얻을수 있었다

1 정상 성인

3

영의 흉부하챙대동액에서는 이완말기 에 해당하는 R 파 직후와 80msec 이후에서 강한

MR

신호를 나타내 었으며 수축기에 서는 MR 신호가 완전히 소설되어 검게 나다났다.

2.

모형 도판의 마절펀영상숭 제 l섣펀에서 유처1 속도 을 0.5 에서 42.3 cm/sec 까지 변화시컸을 때 1.8cm/

sec 에서 정지된 울과의 MR신호강도 비교치 IIlo 가 최 대로서 2.39 이었무며 그후 점차 감소하여 42.3 cm,í:;ec 에서는 신호가 모두 소실되어 나타나지 않았다.

3.

영상모양의 변화로서는 제 l 절펀의 경우 균결성 원 형을 나타내었으냐 28.8 cm/sec 의 경우 와류형성우로 인한 불규칙성을 보였마. 제 2 절펀의 경우 낮응 유속에 서는 제 1칠펀의 경우와 동얻하였으나 유속。 l 증가됨에 따라 환형 혹운 작응 원형의 모양을 냐타내었나.

REFERENCES

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396 -

수치

Fig.  1.  Serial ECG-gated MR  image  of descending thoracic aorta of a norma l adul t
Fig.  3.  Image variations  at 1st section slice (A  a-h)  and 2nd  section  slice  (B  a-h)  in  multisection MRI  of flow  phantom  with 800msec TR and 30msec TE

참조

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