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"J. Korean Soc. Radiol., Vol. 10, No. 7, November 2016"
Experimental Study of Chemical Shift Artifacts at 1.5T and 3.0T MRI using Gradient Echo Pulse Sequence
Kweon Dae Cheol1,*
1Department of Radiological Science, College of Health Science, Shinhan University
Received: October 10, 2016. Revised: October 30, 2016. Accepted: November 30, 2016
ABSTRACT
An experimental study was to use the parameter to determine the MRI artifact of chemical shift that occurs in water and fats. Scanning the image according to the encoding parameter and the bandwidth and change in 1.5T and 3.0T MRI to the SNR, we compared the CNR. In the image was confirmed that the occurrence of artefacts in the chemical shift of the water and oil. 3.0T more image artifacts in the 1.5T was confirmed that the relatively reduced. The width of the bandwidth it could be confirmed that according to the honeycombs artifacts decrease. Therefore, in order to reduce the artifacts in the MRI scan of the chemical shift runners weak field strength, is thought to be appropriate to widen the width of the bandwidth.
Keywords: MRI, Chemical shift, Artifact, GE pulse sequence
Ⅰ. INTRODUCTION
자기공명영상(magnetic resonance imaging: MRI)은 인체조직의 부위에 있는 수소원자핵을 공명시켜 인체 조직내에서 발생하는 신호의 차이 정도를 측정하여 컴 퓨터의 수학적 처리를 통해 영상을 만드는 방법으로 다 양한 펄스시퀀스를 이용하여 생리학, 해부학, 병리학 정보로 활용하여 질병의 진단, 질환의 발견을 용이하게 하는 진단적 영상장비로 현재 널리 이용되고 있다.[1]
인체내의 수소원자핵의 양성자(proton)는 외부에서 자기장이 가해지면 자기장 방향과 거의 일치되어 세차 운동을 하게 된다. 이러한 외부의 자기장에서 자화상태 에 있는 수소원자핵이 어떤 일정한 주파수의 라디오고 주파(RF)를 발사하면, 일부 낮은 기저상태(ground state) 의 수소원자핵이 고주파에너지를 흡수하여 높은 에너 지상태(excited state)로 여기(excitation)되는 공명현상을 일으켰던 수소의 양성자가 다시 에너지 준위가 낮은 원래의 기저상태로 되돌아가는 현상을 이완(relaxation) 이라고 하며, 이때에 인체의 조직에서 자기공명의 신호 가 발생되는 원리이다.
MRI에서는 물과 지방 사이에 화학적 이동(chemical shift) 현상을 가지고 있고 지방에 의해 구조적 현상이 나타난다. 지방조직 자체는 기본적으로 강한 신호를 가 지고 있어 인공물(artifact)을 유발한다. 생체내 조직에 서 지방과 물 성분이 함께 존재하기 때문에 정확한 영 상을 획득하기에는 어려운 점이 있다.
지방과 물은 MRI의 T1, T2이완의 이완 시간 차이를 발생하고, MRI 신호의 민감도(sensitivity)에 따라 기존 의 일반적 MRI기법에서는 부적절한 대조도및 화학적 이동으로 인한 인공물이 발생하기도 한다. 특히 지방과 물 성분에 의해서 화학적 이동 현상은 MRI의 공명신 호의 위치를 부정확하게 하여 영상정보를 왜곡하고, 영 상화 과정의 효율성을 저하시켜 정확한 MR 영상을 획 득하는데 한계가 있었다.[2,3]
화학적 인공물은 일반적으로 MRI 고유의 특성과 부 적절한 영상획득방법 및 기계자체의 오작동 등에 의한 인공물과 특별한 부위 혹은 인접 조직의 특성 등에 따 른 특별한 환경에서 인공물과 외부에서 가해주는 특별 한 파형에 의해 생기는 인공물로 분류한다.
https://doi.org/10.7742/jksr.2016.10.7.531
*Corresponding Author: Kweon Dae Cheol E-mail: [email protected] Tel: +82-31-870-3416
이러한 인공물을 실험적으로 확인하기 위해 물과 지 방을 화학적 이동의 인공물을 확인하기 위해 물과 기 름을 혼합하여 팬텀을 제작하여 경사에코(gradient ech o: GE) 펄스 시퀀스와 다양한 bandwidth 및 주파수부 호화의 parameter의 변화를 이용하여 물과 지방의 화학 적 이동을 실험적으로 연구하였다.
Ⅱ. MATERIAL AND METHODS
1. MRI 기기 및 스캔 방법
MRI의 GE 펄스 시퀀스을 이용하여 parameter의 변 화에 따른 화학적 이동의 인공물을 실험적으로 알아보 기 위해 물과 canola oil (Cheiljedang Co. Ltd., Seoul, K orea)을 혼합하여 팬텀을 제작하여 실험적으로 스캔하 였으며 깨끗하게 소독되어진 phantom의 bottle에 물과 기름을 각각 300 mL을 물과 기름이 서로 분리가 될 때 까지 약 5분간 정지된 상태로 두어 phantom bottle 에서 물과 기름이 분리 되어진 것을 확인한 후 실험적 으로 스캔하였다.
Fig. 1. Water mixed canola oil phantom
MRI 1.5T와 3.0T (Achieva, Philips Medical Systems, The Netherlands)을 이용하여 FFE (fast field echo)의 gr adient echo의 펄스시퀀스와 8 channel head coil을 사용 하였다. 1.5T에서 TR (837 ms), TE (25 ms), water fat s hift (1.002 pix), 3.0T는 TR(760 ms), TE (16 ms), water fat shift (2.002 pix)로 스캔하였고, matrix (256 × 256), bandwidth 109 및 217 Hz, 숙임각 25°동일하게 주파수 부호화방향은 RL (right-left)로 하였다 (Table 1). 주파 수 부호화방향을 AP(anterior-posterior) 방향으로 변경 하였고, 1.5T에서 bandwidth를 54, 109 Hz, 3.0T는 109,
Table 1. Scan parameters of gradient echo pulse sequence at MRI
Parameter 1.5T 3.0T
Water fat shift (pixels) 1.002 2.002
Bandwidth (Hz) 109, 217 109, 217
Flip angle (degree) 25 25
TR (ms) 837 760
TE (ms) 25 16
Matrix M × P 256 × 256 256 × 256
GE 펄스 시퀀스에 사용된 스캔 parameter는 다음 표 와 같다. 아래 두 표에서 WFS (water fat shift)와 bandw idth로 스캔하고 모두 slice thickness는 3 mm로 스캔 하였다.
Table 2. Scan parameters changed of gradient echo pulse sequence at MRI
Parameter 1.5T 3.0T
Water fat shift (pixels) 1.997 3.997
Bandwidth (Hz) 54, 109 109, 217
Flip angle (degree) 25 25
TR (ms) 837 760
TE (ms) 25 16
Matrix M × P 256 × 256 256 × 256
2. 영상측정 및 통계분석
영상측정은 ImageJ 프로그램(NIH, Bethesda, MD, U SA)을 이용하여 물과 기름의 SNR 및 CNR을 3회 반복 하여 측정한 값의 평균값을 산출하여 분석하였다. 펄스 시퀀스에 따른 데이터의 통계처리는 SPSS(Version 21, IBM Corp., NY, USA)을 이용하여 독립표본 t 검정하 였고, 통계적 유의수준은 p < .05로 설정하였다.
Ⅲ. RESULTS
물과 지름을 혼합한 팬텀으로 화학적 이동의 인공물 을 정량적 평가하기 위해 SNR과 CNR을 측정하였다.
SNR에서 1.5T는 물에 비해 기름이 높게 측정되었고, b andwidth가 작을수록 SNR이 높았다. 또한 3.0T에서도 물에 비해 기름이 높았고, bandwidth가 작을수록 SNR 이 높게 측정되었다 (Table 3). 팬텀의 CNR 측정에서 1.5T에서 bandwidth가 작을수록 높게 측정되었고, 3.0T 에서는 물에 비해 기름이 높게 측정되었고, bandwidth 가 작을수록 CNR이 높게 측정되었다 (Table 4).
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Table 3. SNR of gradient echo pulse sequence at MRI Bandwidth (Hz) Mean SNR at 1.5T Mean SNR at 3.0T
Water Oil Water Oil
109 135.47 441.39 466.81 1158.45
217 99.58 304.38 322.07 765.92
p-value p < .05
Table 4. CNR of gradient echo pulse sequence at MRI Bandwidth (Hz) Mean CNR at 1.5T Mean SNR at 3.0T
Oil-Water Oil-Water
109 305.92 691.64
217 204.8 443.85
1.5T에서 팬텀을 스캔하였을 때에 bandwidth 가 217 Hz에 비해 109 Hz에서 화학적 인공물이 심하게 보이 고 있고 (Fig. 2), 주파수부호화를 AP로 변경하였을 때 는 bandwidth가 109 Hz에 비해 54 Hz에서 인공물이 변화가 크게 보였다 (Fig. 3).
3.0T에서팬텀을 스캔하였을 때 bandwidth 가 217 H z에 비해 109 Hz에서 화학적 인공물이 경계가 매우 심 하게 보이고 있고 (Fig. 4), 주파수부호화를 AP로 변경 하였을 때는 bandwidth가 217 Hz에 비해 109 Hz에서 인공물이 변화가 크게 보였다 (Fig. 5).
자장의 세기에 따른 물과 기름의 화학적 이동의 인 공물은 1.5T에 비해 3.0T에서 눈에 뜨게 증가하였다.
또한, bandwidth가 작을수록 화학적 이동의 인공물이 물과 기름의 경계가 심하게 왜곡되는 영상을 보여주었다.
(a) 1.5T MRI GE pulse sequence bandwidth of 109 Hz
(b) 1.5T GE pulse sequence bandwidth of 217 Hz
Fig. 2. 1.5T GE pulse sequence.
(a) 1.5T GE pulse sequence frequency encoding AP changed with bandwidth of 54 Hz
(b) 1.5T GE pulse sequence frequency encoding AP changed with bandwidth of 109 Hz
Fig. 3. 1.5T GE pulse sequence MRI.
(a) 3.0T MRI GE pulse sequence bandwidth of 109 Hz
(b) 3.0 MRI GE pulse sequence bandwidth of 217 Hz Fig. 4. 3.0T GE pulse sequence.
(a) 3.0T GE pulse sequence frequency encoding AP changed with bandwidth of 109 Hz
(b) 3.0T GE pulse sequence frequency encoding AP changed with bandwidth of 217 Hz
Fig. 5. 3.0T GE pulse sequence MRI.
Ⅳ. DISCUSSION
MRI는 생체조직에서 지방과 물 성분이 함께 존재하 기 때문에 정확한 영상을 묘출하는 어려움이 있고, 인 공물을 유발하고 있다. 지방과 물은 MRI의 시간 차이 를 유발하고, MRI 신호의 민감도에 따라 부적절한 대 조도와 화학적 이동의 인공물을 발생시킨다. 이러한 화 학적 이동의 현상으로 지방으로 둘러싸여 있는 구조물 의 해부학적 형태가 소실되고 고신호 강도의 지방조직 이 호흡에 따른 위상 인공물을 발생시켜 정확한 진단 을 위한 영상의 묘출에는 어려움이 있다.[1]
GE MRI는 자장의 경사로 인해 탈위상화가 빠르게 진행되는 현상과 반대 극성의 경사자장을 가하여 스핀 을 재초점화 시키는 방법으로 신호강도의 소실로 나타 나는 출혈성 병변의 발견에 매우 민감한 검사방법이다.
[4,5]
이러한 경사에코의 장점은 빠른 스캔시간, magnetic susceptibility를 이용한 출혈 발견, 3D 영상, MR angiog raphy 등에 이용되고 있으며, 경사에코 자기공명영상은 자기화율 효과(magnetic susceptibility effects)를 일으킬 수 있는 물질을 포함하고 있는 미세 출혈이나 석회화 등의 병변을 진단하는 데 유용하다. 그러나 단점으로는 작은 숙임각과 짧은 TR로 인한 낮은 SNR, 자기화율
인공물이 증가하고, boundary 효과에 의한 인공물이 증 가하고 있다.[6,7]
본 논문에서는 화학적 이동의 인공물을 실험적으로 연구하기 위해 물과 카놀라유를 섞어 MRI 검사를 진 행하였을 때 경계면에서 인공물이 발생하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 이론적인 부분과 동일하게 주 자장 의 강도가 낮은 장비를 사용했을 때 인공물이 줄어드 는 것을 확인 할 수 있었고, bandwidth의 폭이 넓을수 록 인공물이 줄어드는 것도 확인 할 수 있었다. 다양한 주파수 부호화 방향이 있으며, 정량적 평가로는 차이가 있었지만 정성적 평가로는 확연히 차이가 나지 않은 점 역시 아쉬웠다.
화학적 이동의 인공물은 고자기장 일수록 많이 발생 하게 되는 인공물이다. 화학적 이동효과를 이용하여 인 체의 자기공명분광법(magnetic resonance spectroscopy) 기능적 검사에 많은 진단적 정보를 제공하기도 하지만, 해부학적진단에서는 영상의 질을 떨어지기도 한다. 위 상(phase) 또는 주파수 방향으로 나타나며 유일하게 경 사에코 펄스시퀀스에서 발생되는 인공물이다. 화학적 이동 인공물은 1.5T에 비해 3.0 T에서 더욱 심하게 발 생되었다. 화학적 이동의 인공물의 방지방법으로는 지 방과 물이 다른 세차주파수로 인하여 발생하기 때문에 지방소거(fat suppression) 기법을 적용하거나 낮은 자기 장을 사용해야 할 것이다.
본 실험적 스캔에 적용된 GE 펄스 시퀀스는 뇌질환 검사를 비롯하여 복부 검사에 필수적인 검사기법으로 사용하고 있다.[8] 이유는 MRI가 발전하여 검사시간이 짧으며 SNR이 높은 영상을 얻을 수가 있기 때문이다.
뇌 질환 검사에는 뇌경색, 뇌출혈 환자 등에게 진단적 성과를 크게 영향을 주기 때문에 중요한 기법이기도 하다. 복부검사에는 모든 장기검사 시 대부분이 적용되 는 기법이다. 지방간 검사를 비롯하여 복부 혈류 역학 적 정보를 제공할 때 필수적으로 적용되는 기법이기도
하다.[9,10] 복부 검사 시 주로 2D GE 기법은 해부학적
정보를 제공하는데 사용되는 기법이고 GE를 이용하 여 복부 검사에서 장(bowel)의 영향으로 지방소거, 자 기감수성효과 등 흔들림이 없는 영상을 얻는 것이 가 장 중요하다. 화학적 이동의 인공물은 지방과 물이 포 함되는 화소(pixels)로부터 발생하기 때문에 지방소거기 법을 적용하거나 TE 값을 탈위상(out-of phase) 값으로
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선정해야 할 것이다.[11,12] 현재는 임상에서 종양l 및 색 전증 등의 진단에 유용하게 적용하고 있어 화학적 이 동의 인공물에 대한 적용 및 연구가 필요하여 인공적 으로 기름과 물을 혼합하여 팬텀으로 실험적으로 MRI 의 여러 parameter를 적용하여 실험적 연구에 의의가 있다.[13,14]
화학적 이동의 인공물는 주파수 차이에 의해 발생하 는 인공물로, 주 자장의 강도가 낮은 장비를 사용하면 지방과 물 사이의 주파수 차이가 강도가 강한 장비를 사용하는 것 보다 차이가 줄어들어 인공물의 면에서 더 좋은 영상을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있었다.
Ⅴ. CONCLUSION
물과 기름을 이용하여 화학적 이동의 인공물에 대한 실험적인 연구를 하여 스캔한 영상에서 물과 기름의 화학적 이동의 인공물의 발생을 확인할 수 있었다. 결 론적으로 3.0T보다 1.5T의 영상이 화학적 이동의 인공 물이 비교적 발생이 줄었음을 확인할 수 있었다. 또한 bandwidth의 폭이 넓어짐에 따라 인공물이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 MRI검사에서 화학적 이동의 인공물을 감소하기 위해서는 주자기장의 변화 및 bandwidth의 폭을 넓히는 것이 화학적 이동의 인공 물의 발생을 감소할 수 있다.
Acknowledgement
본 논문은 2016년도 신한대학교 학술연구비 지원으 로 연구되었다.
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GE 펄스시퀀스을 이용한 1.5T와 3.0T MRI의 화학적 이동 인공물의 실험적 연구
권대철1,*
1신한대학교 보건과학대학 방사선학과
요 약
물과 지방에서 발생하는 화학적 이동의 인공물을 확인하기 위해 다양한 MRI parameter를 적용하여 실험 하였다. MRI의 1.5T와 3.0T에서 parameter와 bandwidth 및 부호화 변화에 따른 영상을 스캔하여 SNR, CNR 을 비교하였다. MRI 영상에서 물과 기름의 화학적 이동의 인공물의 발생을 확인할 수 있었고, 3.0T보다 1.5 T에서의 영상이 인공물이 비교적 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. Bandwidth의 폭이 넓어짐에 따라 인공 물이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 MRI검사에서 화학적 이동의 인공물을 감소하기 위해서는 주 자장의 세기가 약하고, bandwidth의 폭을 넓히는 것이 적절할 것으로 생각된다.
중심단어: 자기공명영상, 화학적 이동, 인공물, 경사에코
