fMRI of the Motor Speech Center Using EPI

대한밤사선의학회지

1998;38:957-964

EPI 기법을 이용한 운동성 뇌언어중추의 기능적 자기공명영상1

유인규1， 2

.

장기현 · 송인찬 · 김홍대 · 성수옥 · 이상건 3

.

장현정 · 한문희

목 적 : 운동성 언어중추의 기능적 자기공명영상을 얻는데 있어

EPI

기법의 유용성을 평 가하고운동성 언어중추의 기능적 자기공명영상의 기초자료를얻고자하였다.

대상 및 방법 : 오른손잡이 젊은 정상자원자 10명(남 : 녀

= 8: 2

, 연령 : 21-27세， 평균연 령 : 23세)을 대상으로 1.

5T

초전도 자기공명영상장치를 사용하여

Interleaved gradient echo si ngle shot EP

I(

TR / TE 3000/40

, 숙임각

90

⁰,

matrix 128 x 128

, 절편두께 1Omm,

no slice gap

, FOV 30x30cm) 의 조건으로 운동성 언어중추의 기능적 활성화영상을 얻었다.

Paradigm은 휴식기 -활성기를 8차례 반복하였다. 휴식기에서는 2내지 4음절의 명사형 단 어를 3초씩 107H를 단순히 보여만 주고， 활성기에서는한음절 단어를같은 방법으로보여주 고이 단어로시작되는어떤 단어라도속으로만크게 외치게 하였다.8분동안총 9607H 의 축 상영상을 얻었다. 휴식기와 활성기사이의 신호강도차이를

z-score(p <

0.05) 로 영상처리한 후 T1-강조영상에 중첩시 키고 색상처 리하여 최종 활성화영상을 얻었r다. 분석내용은 활성화 신호가 나타난 영역， 평균 신호강도 상승율(%)， 평균 활성 화소수 (pixel

number)

, 신호강 도의 순환적 변화여부를 평가하였다.

결 과 :7예 (70%) 에서 좌측

Broca

영역과 인접영역 (Brodmann 영역

44

,

45

,

46

,

6

, 10) 에 서 활성화 영역이 관찰되였고， 이 중 3예는 양측

Broca

영역에서 관찰되었다. 나머지 3예중 2예는 양측 내측 전두엽부위 (Brodmann 영역 12) 에서 활성화영역이 나타났다. 1 예에서는 의미있는활성화신호가나타나지 않았다. 좌측 Broca 영역에 나타난평균신호강도상승율 은

2.6

:t 1.

3 %

, 평균 활성 화소수는

67

:t 46였다. 우측

Broca

영역의 평균 신호강도 상승율

은 1.

2

:t 1.7%, 평균 활성 화소수는

23

:t 33이었다. 휴식 -활성화에 따른 순환적 신호강도의

변화는 좌측

Broca

영역에서 7예중 4예에서 보였고 이 중 2예에서는 양측

Broca

영역에서 순환적 신호강도의 변화를보였으며，내측전두엽부위에서는 2예에서 나타났다.

결 론 : 1.

5T EPI

기법으로 대부분의 정상자원자에서 운동성 언어중추를 효과적으로 지 도화 (mapping) 할 수 있었으며， 이 연구결과는 앞으로 임상응용에 참고자료가 될 수 있으 리라생각된다.

뇌피질 활성화를 이용한 기능적 자기공명영상 (functional

magnetic resonance imaging ;

fMRI)은 뇌의 인지기능 (cog

nitive

function)을 비침습적으로 지도화 (mapping) 할 수 있 는 새로운 영역의 영상방법이다. 뇌피질의 기능적 자기공명영 상의 기본원리는 활성화 (activation) 시에 국소적 뇌혈류량과 산화혈색소( oxyhemoglobin)가 증가하고 이에 따라 활성화된 부위에서 신호강도가 미세하게 증가되는데 이 활성기 신호

1 서울대학교의과대학 방사선과학교실， 방사선의학연구소 2을지의과대학 노원을지병원 진단방사선과

3서울대학교 의과대학 신경과학교실

이 논문은 보건복지부 G7 의료공학기술개발 연구비보조로 이루아진 것엄.

이 논문은 1997년 8월 14일 접수하여 1998년 4월 21 일에 채택되었음.

와 휴식기 신호를비교，감산통계처리하여 국소적으로지도화 하는것이다(1-4).

뇌피질의 fMRI에 관한 연구는 시각피질을 대상으로 가장 먼저 이루어 졌으며 (5) , 감각 및 운동피 질에 대하여도 이미 많 은 연구가 발표된 바 있다 (6-10). 최근에는 언어중추， 기억중 추， 청각중추피질과 같이 보다 고등 인지가능을 담당하는 뇌 피 질에 대 해 활발히 연구가 시도되고 있으며 그 연구결과가 국내 외 여러 곳에서 앞다투어 보고되고 있다(1 1-23).

이 연구에서는 뇌의 운동성 언어중추 (motor

speech center)

의

fMRI

를 얻는데 있어

EPI

기법의 유용성을 평가하고， 운동 성 언어중추의 fMRI의 기초적 자료를 얻고자 하였다.

- 957 -

유인뮤 오1 : EPI 기업을 이용한 운동성 뇌언어증추의 기능적 자기공명영상

대상및방법

21-27세(평균연령 : 23세)의 오른손잡이 정상인 자원자

10

명 (남 녀

=8:

2) 을 대상으로 하였다. 1.5T 초전도 자기공명 영상장치

(Signa Horison , General Elect

ric medical

system , Milwaukee

, USA) 를 사용하여

EPI

기법을 이용한

BOLD

(blood ^-D

xygen

level강ependent) 기법으로 운동성 뇌 언어중추 의 기능적 활성화영상을 얻었다.

lnterleaved

gradient echo single

shot

EPI기법으로

TR

/

TE 3000/40

, 숙임Zf (flip angle) 90⁰,

matrix 128x

128, 절편두께 10mm, no slice

gap

,

FOV

30x30cm를 사용하였다. 절편은 전두엽 기저부로부터 위 로 6개의 축상절편 (axial slice) 을 얻었다.

Paradigm은 휴식 기 활성 기를 8차례 반복하여 총 16회 검사

(

task) 를 시행하였다. 1회 검사에는 30초가 소요되었다. 휴식 기에서는 2내지 4음절의 한글 명사형단어(예 ;가방， 호랑나비 등)를 3초 간격으로 연이어 107~ 의 단어를， 30초 동안 슬라이드 투사를 통해 보여주고 단순히 보기만 하라고 요청하였다. 활성 기에서는한글한음절단어(예 :가，냐， 바등)를휴식기와같은 슬라이드 투사방법으로 보여주고 이 단어로 시작되는 어떤 단 어라도 속으로만 최대한 크게 외치게 (maximum

internal

word

generation) 하였다. 이 때 머리운동에 의한 인공음영

(artefact) 을 방지하기 위하여 절대로 혀나 업의 근육은 움직 이지 않도록 요구하였다. 1 회 검사시 소요된 30초동안 각 절편 당 10개의 축상단면영상을 얻어 6절편에서 60개의 영상을 얻었 다. 결과적으로 총 16회 검사시 소요된 촬영시간은 8분이였고 각 절편당 160영상， 6절편에서 총 960영상을 얻었다. 모두 8차 례의 휴식기 활성기를 반복하였으므로， 각 절편당 80개의 휴식 기영상과 80개의 활성화영상을 얻었다 (Fig.l).

얻어진 모든 영상들을 개인용 컴퓨터로 전송한 후 휴식기와

15 16

r e s t

W M

m …

”

60 i mag e s 1 60 images l60 imag e s 1 60 image s 1 1 60 i m ages 1 60 ir聊S

Fig. 1.

Diagram of

fMRI

scheme

A

total of 960 images for

6

slices (80 rest and 80 acti- vation images per slice) were obtained with repeated 8 series of alternating rest and

activation

tasks during 8 minutes.

It

took

30

seconds to obtain 60 images for 6

slices

during

rest or

activation task.

활성기사이의 신호강도차이를 표준정규분포에 의거한 Z응core

(p <

0.05) 로 통계처리하여 l차 활성화영상을 얻였다. 1차 활성 화영상을 동일절편수준에서 얻은 통상적 스핀에코 Tl강조영 상에 중첩시켰다. 1. 5T에서 BOLD효과에 의한 신호강도 상승 률보다 높은 6% 이상되는 신호는 임의로 제거한 후

p- va

lue 등 급 (0.01

< p<0.05

,

0.005 < p < 0.01

,

0.001 < p < 0.005

,

0.0005 < p

<

0.001

,

p <

0.00005) 별로 활성화 신호를 색상처리하여 운동성 뇌언어중추피질이 지도화된 최종 기능적 활성화 자기공명영상 을얻었다.

결괴분석은 휴식기에 비해 활성기의 신호강도 상승이 평균

1

%

이상으로 나타났을 때를 활성화 신호가 나타난 것으로 정하 였다. 분석내용은 활성화 신호가 발생한 Brodmann영역 (BA) ，

Broca

영역 (Fig.2) 에서의 활성화 선호발생여부， 평균 활성화 신호강도 상승율(%)， 평균 활성 화소수 (activated

pixel num- ber

), 휴식기 -활성기에 따른 활성화 신호강도의 주기적 변화

(cyclic

change) 여부를 평가하였다.

결 과

전체 자원자의 결괴는

Table

1 에 요약하였다. 여러 영역에서 의 평균 활성화 신호강도 상승율(%)， 평균 활성 화소수， 활성 화 신호강도의 주기적 변화여부는

Table

2에， 활성화 신호가 발생한

Brodmann

영역별 자원자의 수는

Table

3에 요약하였 다.

활성화 신호가 나타난 영역

오른손잡이의 운동성 언어중추로알려져 있는좌측대뇌반구

의

Broca

영역에 활성화 신호가 지도화된 사람은 7명이었다

(Fig.

3). 이 중 3명은 우측

Broca

영역에서도 활성화 신호가 보여 양측

Broca

영역에 지도화되였다 (Fig.4). 좌측

Broca

영

Fig

.

2. Schematic lateral diagram of the Brodmann map of

human cortex

on

a cytoarchitectonic basis. Gray-colored area represents th

e Broca’

s

area.

m

”

[H한밤사선의학회지 1998; 38: 957-964

Activated

areas (%

SI change/Activated pixel numbers) Lateral frontal cortex (Broca

’

s area, BA 6, 10)

RH

Table 1.

Summary of Motor Speech

fM

RI in 10 Normal Volunteers

Age/Sex No

Medial fron

tal cortex

(BA 12) RH LH

LH

BA 12 (1. 06/10) BA 12 (1.3 6 /1 2)

BA 45,

46

(2.64/22) BA 44

,

45

, 46,

10 (4.30/92) BA 44

,

46

,

6

,

10 (1. 48/44)

BA 44, 45, 46 (2.83

/116)

BA 44

,

45

,

46

,

10

(5.04

/1 41)

BA 12 (1. 62/17) BA 45

,

6 (3. 24/48)

BA 44

,

45

,

46

,

6 (2.67

/76)

BA 44,

6

(1. 47

/26)

BA 12 (2.36/99) BA 12 (2

.60/122)

BA 44, 6 (1.7 9/24) BA 44

,

45

,

10

,

6 (1.3

1/23)

째 째 씨 샤싸 째 샤씨 샤씨 째 깐 빼

1 2 3 4 5 6 7 8 9

m

fM

R1 : functional MR

I,

BA: Brodmann

area,

LH: left hemisphere, RH : right

hemisphere

No : volunteer number, SI : signal intensity

Table 2. Summary

of Activated Areas

of Motor Speech fM

R1 in 10 Normal Volunteers

A verage

activated PN(range)

A verage

%SI change(range)

No

Lt

Broca

’s

area Rt Broca

’

s area Lt medial frontal

cotex

Rt medial frontal

cortex

67 ::!: 46(44

-

14 1) 23 ::!:

33(

0

-

92)

13

::!:

31(

0

-

99) 18 ::!:

38(

0

-

122) 2.6:!: 1.3(1.3

-

5.0)

1.

2:!:

1.7( 0

-

4.3) 0.4::!:O.8( 0

-

2.4) 0.6::!:O.9( 0

-

2.6) CC

44

?ι

1i 1i

)2%

4

?ι

‘---

) 1

%

「/

1j 14 1j

Activated area

fM

R1: functional MR

I,

No : numbers, SI

: signal intensity,

PN

: pixel numbers

CC: Concordant cycIic change of signal intensity foIIowing rest-activation paradigm

질에 나타났으나 신호강도변화가

1%

미만이어서 효과적인 활 성화 신호가 나타나지 않은 것으로 판정하였다.

하내측 전두엽에

1%

이상의 활성화 신호가 나타난 사람은 총 3명(자원자

1

,

5

, 7) 이였다. 이 중 2명(자원자

1

, 7) 이 양측 내측 전두엽 부위에서 활성화 신호를 보였고 이 중 1명 (자원자 7) 은 양측 Broca 영역에서도 활성화 신호를 보였다 (Fig. 5). 나머지 1명(자원자5) 은우내측전두엽 피질부위에서만활성화 신호강도가나타났다.

Brodmann

영역중 가장 빈번하게 활성화 신호가 보인 피질 은 좌측

BA

44피질(6명)이었고(Fig. 3)， 그 다음으로 좌측

BA

45， 6피질 (5명)과 좌측 BA 46피질(4영)에서 자주 활성화신호 가 관찰되었다 (Fig.

4).

그 외에 좌측

BA

10피질과 우측

BA

12피질은 3명에서， 좌측

BA

12피질과 우측

BA 44

,

45

, 46피질 은 2명에서， 우측

BA 6

,

10

피질은 1명에서 각각 활성화 신호가 발생하였다.

Table 3.

Volunteer Numbers

Showing

Various Activated Brodmann Areas in Motor Speech

fM

R1 according to Sig- nal 1ntensity Change

>

1% )2

%

CC

LH RH LH RH LH RH

1i

?ι 1ι

”U ---i 1j

4i

1j

이4

---i -- ‘

이4

-‘

nU 1i 1l 1J

A“

I

、j”ι

1i 1i 이ι 껴/‘

q4 1i 1i 1j r0 -3 4

‘

F]

「‘J

14

Brodmann area

”%

%

ν%

6

m u

fM

RI : functional MRI , LH: left hemisphere RH : right hemisphere

CC : Concordant

cycIic change

of signal intensity

foIIow-

ing rest-activation paradigm

평끌 활성화 신호강도상승률r 평균 활성 화소수

1%

이하의 활성화 신호강도를 보인 사람이 4명 있었지만 기 준에 의해 제외하였다 활성화 신호는 좌측

Broca

영역에서 1.

31-5.04%를， 우측

Broca

영역에서는 1.47-4.30% 의 범위를

-

959

- 역에 활성화신호를 보이지 않은 3명중 2명 (자원자

1

, 5) 은 하 내측 전두엽 (BA 12)에 활성화 신호가 지도화되었다. 나머지

1

명 (자원자 8) 은 미약한 활성화 신호가 %택 하내측 전두엽 피

유인뮤 오1 : EPI 기법을 이용한 운동성 뇌언어중추의 기능적 자기공명영상

보였다. 좌측

Broca

영 역에 활성화 신호가 지도화된 7명중 4명 은 2% 이상， 나머지 3명은

1-2

% 이하의 신호강도상승을 보 여 좌측

Broca

영역에서 평균 신호강도 상승율은 2.6 i: 1.3%

였다. 우측 반구

Broca

영역에서는 2명에서 2% 이상， 1명에서 는 1-2%의 신호강도의 변화를 보였다. 나머지 4명에서는 유 의한 신호강도 상승이 보이지 않아 우측

Broca

영역에서 평균 신호강도 상승율은 1.2 i: 1.7%로 나타났다. 그 외에 좌내측 전 두엽 피질부위는 0.4 i:

0.8

%, 우내측 전두엽 피질부위는 0.6 i:

0.9%의 평균 활성화 신호강도상승율을 보였다.

평균

1%

이상의 활성화 선호를 보인 활성 화소수는 좌측

Fig. 3. fMR1 of Volunteer 2 showing activation

signals in the left Broca

’

s area.

Activated

signals

are seen in the

left

Brodmann area

44

and 6(arrows).

Broca

영역에서 평균 67 i: 46(44-141) 개， 우측

Broca

영역에 서 평균 23 i: 33(0-92) 개， 좌내측 전두엽 피질 영역에서는 평 균 13 i: 31( 0-99) 개， 우내측 전두엽 피질부위에서는 평균

18

i: 38(0 -122) 개였다.

활성화 신호강도의 주기적 변화

휴식기 -활성기에 따른 신호강도의 주기적 변화는

1%

이상 의 활성화 신호강도 상승율을 보인 영역에서는 부분적으로 나 타났다.2% 이상의 활성화 신호강도 상승율을 보인 모든 지역 에서는 분명한 주기적 변화가 나타났다(Fig.4B).

고 찰 연구방법에대한검토

뇌피질의 기능적 영상기법은 과거에 전기자극，

PET

검사에 만 의존하여 왔으나 (24-26) ， 1991년 최초로

Belliveau

등이

fast

MR

영상기법을 이용하여 시각피질을 지도화하는데 성공

하였다 (5). 곧 이어 199깐건

Ogawa

등이 감각중추를 지도화하 는데 사용한 경사자계 반향 (gradient ech이기법의 BOLD기볍 이 출현하게 되어 그 후 현재까지 뇌피질의 fMRI에 널리 이용 되어 왔다(6， 27). 최근에는 활성화 신호강도의 증폭을 위하여 뇌혈류량의 변화를 직접 볼수 있는， 조영제 주업후 동적 (dy

namic) MR

영상기법이 등장하고 있다 (28， 29).

BOLD

기법에서 활성화 신호생성의 근원은 크게 BOLD효

과와 유업 효과 (inflow effect) 로 나눌 수 있다. BOLD효과와 유입 효과는 모두 미세정맥 및 피질정액등 뇌피질의 유출정맥 계 내에서 일어나는 현상이다 (30).

BOLD

효과는 뇌피질의 활 성화시 국소적 혈류 증가로 인한 산소유업의 증가가 활성조직 의 산소요구량보다 크게 되어 환원혈색소 (methemoglobin) / 산화혈색소비가 감소하게 되고 결과적으로 활성화된 부위에셔

잉 까

4 %μ

뼈

@u

πμ aω 따μ

B

Fig. 4. fM

R1

of Volunteer 4 showing activation signals

in the Broca's areas bi

laterally.

A. Activated sign때s

are seen

in

the both Brodmann

값eas 44, 45, 46, lO

(arrows)

B.

Cyclic

changes

of signal intensity ($1) in the left Broca

’

s area are seen in concordance with alternating rest (R)

and activation

(A) tasks.

A

n U

%

대한방사선의학회지 1998; 38:957-964

Fig. 5. fMRI of

Volunteer 7

showing

activation signals predominantly in the right medial frontal area.

Activated signals are predominantly mapped

in

the right medial frontal

lobe(arrows).

Smaller signals

are

also activated in the both Broca' s areas and left medial frontal cortex(open arrows)

.

의 주위 proton의

T2*

이완시간을 증가시켜 T2-강조영상에서 신호강도의 증가를 초래하게 된다. 따라서 BOLD효과는 자화 율 효과와 관련이 있으므로 경사자계 반향기법과 고자장， 긴 에 코시간에서 크게 나타난다. 유업 효과는 영상단면으로 유입되 는 혈류 내 불포화 양자의 양이 증가하기 때문이며 반복시간이 짧은 영상기법에서 숙임각이 클수록 크게 나타난다. 유업효과 는 사용하는 영상기법의

par

ameter(TR,

TE

, 숙임각 등)에 따 라 신호생성이 미치는 영향이 달라지며

BOLD

효과와 유업효 과의 영향을 정확히 양적으로 평가하기는 어렵다(1 -3，

6).

BOLD

효과가 어느정도크기의 혈관에서 가장 크게 나타나는

가 하는 것은 중요한 문제인데 이 연구에서 사용한 경사자계 반 향기법에서는 모세혈관보다 크기가 큰 뇌피질 정맥주위에서 BOLD 효과가크게 나타나는것으로알려져 있다(1 -3， 29).

다절편의 기능적 영상화에 있어 유용성이 예견되어온

EPI

기법은 이 연구에서 그 유용성을 잘 보여 주었다. EPI기법은 경사자계 반향기법의 일종이나 FLASH와 같이 추가로 고주파 를 주지않고 계속적으로 경사자계를 반전시키면서

90

-120개 의 반향신호를 얻고 이것으로 k응pace를 채워 넣음으로서 하나 의 영상단면을 만드는 기법이다. 보통 0.5초 이내에 한 영상을 얻을 수 있으므로 기존 FLASH와 같은 경사자계기법에서 시간 이 오래걸려 하기 힘든 다절편 기능적 영상이 가능하고 초고속 으로 영상화가 이루어지므로 생리적인 움직임에 크게 영향을 받지 않는 장점이 있다 (31). 이 연구에서는 6절편의 기능적 영 상을얻는데 3초가소요되었고 8차례의 휴식 활성화를반복하 여 총 960영상을 얻는데 8분밖에 걸리지 않았다.

EPI

기법은 앞으로도 보다 고등 인지기능 영상화를 위해서는 초고속 영상 화， 적은 운동성 허상， 반복용이성， 다절편 영상가능성 등의 장 점으로 필수적 기법으로 생각되나 뇌기저부 부근에서의 심한

영상왜곡 (image

distortion)

, 신호소실 등의 단점은 앞으로 개 선해야 할 과제이다 (31) . 또한 모세혈관이나 가는 정맥에서 나

오는

BOLD

효과에 의한 활성화 신호포착은 스핀에코 기법이

우수하므로

T2

효과가 가미된 펄스파형과 같은 다양한

EPI

펄 스파형이 기능적 영상을 형성하는 데 어떤 장단점이 있는지 앞 으로 더 비교 연구검토되어야 할 과제이다 (32， 33).

이 연구에서는 운동성 뇌언어 중추피질로 생각되는 측하부 전두엽피질(inferolateral

frontal

cortex)을 중심으로 축상의 6절편을 선정하였는데 양 대뇌 반구피질을 동시에 영상화할 수 있는 점， 이제까지 알려진

Broca

영역이외의 전두엽 내피질과 같은 피질도 함께 영상에 포함할 수 있는 점 등을 고려하였기 때문이다.

Paradigm구성의 펼수요소는 휴식기， 활성기를 반복해 휴식 기와 활성기의 신호강도차이를 통계적인 방법을 사용해 활성기 만의 유의한 신호강도를 영상화할 수 있어야 한다 (4

).

순수한 운동성 뇌 언어중추란 자극을 받아들인 감각성 경로를 제거한，

언어발생에 관여승}는 중추이다(1 3， 16). 따라서 이 연구에서는 휴식기에는내적으로단어 발생없이 단어를보여주거나들려주 어 감각성 언어중추까지만 활성화되게 하고， 활성기에는 내적 인 단어발생을 시행해 감각성 언어중추뿐만 아니라 운동성 언 어중추까지 활성화시켜 활성기에서 휴식기를 감산하여 통계처 리함으로써 순수한 운동성 언어중추만 지도화할 수 있게

para-

digm을 구성하였다. 청각으로 들려주는 방법보다 슬라이드 투 사를 통해 보여주는 방법을 택했는데 이는

MR

영상장치내에 서 보다 쉽고， 확실하게 자극을 피검자에게 입력할 수 있기 때 문이다(1 8). 그러나 이 연구의 paradigm은 단어발생시 연상작 용을 요구하고 있으므로 순수한 운동성 언어중추 피질이외의 동적 기억피질 (wor

king memory cortex)

, 집중히는데 관여하 는 피질도 함께 활성화되었으리라 생각된다(1 9). Paradigm은 8차례 반복하여 시행하였는데 시간에 따라검사자의 호응도가 떨어질 수 있다는 보고를 감안해 볼 때 과연 몇 차례 반복하는 것이 가장 신뢰성 있는 결과를 낼 것인가는 앞으로 더 연구해야 할 과제이다(1 3，

16).

또한 자극입력방법으로 사용한 시각적 방 법이외의 청각적 업력방법도 앞으로 함께 비교 연구할 필요성 이있다.

활성화 신호를 검출하기 위하여 사용한 Z응core는， 데이터수 가 많을 경우(보통 40개 이상) 데이터의 신호크기들이 표준정 규분포를 따른다는 가정이 성립하므로

z= (Aa-Ar) /

(<1. +<1r) 의 식에 의해 결정된다 (Aa: 활성화시 신호강도크기의 평균，

A-

r : 휴식시 신호강도크기의 평균， ^(Ja : 활성화시 신호강도크기의

표준분산， ^(J

r:

휴식시 신호강도크기의 표준분산). p (0.05를 역 치로 정한 이유는 언어중추의 fMRI의 활성화 신호는 운동중추 의 그것보다 작거나 잘 나오지 않는 점이 알려져 있어 일반적 통계유의수준인

p

(0.05으로 정하였다. 그러나 본 연구에서

p(

0.05 중에서도 5단계로 세분하여 활성 화소수측정이 가능하였 던 점 (실제 5단계로 활성 화소수가 계산되는 프로그램을 사용 하였고 대부분에서 활성 화소의 p-value는 0.01 이하였다)， 신 호강도의 주기적 변화여부로 활성화 신호의 검증이 가능하였던 점등으로 이 연구의 결과 흑은 의미가 과대해석되거나 신뢰성

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유인김 오1: EPI 기법을 이용한 운동성 뇌언어중추의 기능적 자기공명영상

이 떨어질 가능성은 적다고 생각된다. 또한 편측지수(lateral­ ization index) 를 사용하지 않고 활성 화소수를 직접 측정한 것 은 연구의 목적상 기본자료로서 활성 화소수 측정의 필요성이 있었고 각 영역별로 활성 화소수를 신뢰범위내에서 측정할 수 있다면 편측지수를 사용하는 것보다 오히려 동시에 편측화 (lateralization) 와 국소화(localization) 를 할 수 있는 점에서 더 유용할 수 있기 때문이다.

이 연구에서 1% 이상의 신호강도 상승율을 보일 때만 활성 화 신호로 간주하였는데， 그 이유는 신호강도의 주기적 변화가 나타나기 시작하는수준이 1% 이상이었기 때문이였다.또한1.

5T에서 BOLD 효과에 의한 신호강도 상승률보다 높은 6% 이 상되는 신호는 잡음， 피질정맥 (cortical venule), 운동성 인공 음영에 의한 신호로 간주하고 임의로 제거하였다. 이러한 후처 리 과정을 거쳐 나타난 활성화 신호를 공간적 해상도가 EPI 영 상보다 월등히 좋은 통상의 스핀에코영상에 중첩시켰다. 정밀 히 분석하면 EPI에서 얻어진 활성화 신호강도는 영상의 왜곡 으로 인한 약간의 요등기 (misregistration) 의 가능성이 있지 만 큰 차이는 없으리라 생각된다.

연구결과에대한검토

이 연구에 사용된 fMRI영상기법과 paradigm구성은 최선의 방법으로 정립된 것이 아니기 때문에 활성기에 발생된 활성화 신호가 과연 신뢰할 수 있는 신호인가에 대해 의문이 제기될 수 있다. 그러나 다음과 같은 세가지 사실로 본 연구결괴는 신뢰성 을 보여 주고 있다고 생각한다. 첫째는 paradigm이 논리적으로 구성되었으면 휴식기활성기에 따른신호강도의 주기적 변화가 나타나므로 분명한 신호강도의 주기적 변화가 보이면 para- digm 과 연구결과를 모두 신뢰할 수 있다(13-17). 본 연구에 서는 4명에서 분명한 주기적인 신호강도의 변화가 보였고， 3명 에서는 반복된 8차례중 부분적으로 주기적인 신호강도의 변화 가 보였으므로 paradigm 과 연구결과에 대해 신뢰할 수 있다 고 생각한다. 특히 활성화 신호강도 상승율이 2% 이상일 때는 신호강도의 분명한 주기적 변화가 관찰되어 그 결과의 신뢰성 을 확신할 수 있었다. 둘째는 활성화 신호가 기존의 신경학적 지식과 부합되게 오른손잡이일 경우 운동성언어중추의 우세반 구인 좌측 반구에 편측화된 점이고， 셋째는 기존 PET 연구결 과와 부합되게 좌측 반구중 주로 하외측 전두엽 피질인 Broca 영역에 활성화 신호가 국소화된 점이다 (25， 26).

위에 활성화 신호를 보인 사람은 한명도 없었는데 그 이유는 paradigm의 구성이 BA 47을 활성화하도록 구성되어 있지 않 았기 때문으로 생각된다. 3명에서 양측 Broca 영역에 활성화신 호가보였는데 이는기존의 PET 보고와잘얼치하는결과이다

(25,26). BA 6, 10은 Broca영역의 인접지역으로 5명에서 BA 6의 활성화를 보였다. Bookheimer 등은 이 영역이 조용하게 단어발생시에는 자주 활성화되고 크게 소리내는 단어발생을 요 구하면 오히려 활성화가 안되는 결과를 들어 운동성 활동을 억 제할 때 활성화되는 것으로 보고하고 있다 (34). 이 연구의 paradigm이 단어발생시 속으로만 외치고 절대로 혀나 업을 움 직이지 못하게 요구하였기 때문에 이 영역에서 활성화신호가 발생한 것으로 보인다. BA 10에서도 3명에서 활성화 신호가 발 생하였는데 이 영역은기존에 별로보고되지 않은콧이다. 아마 도 BA 4빠 같이 동적 기억에 관여하는 피질이 아닌가 추정된 다(13).

내측 전두엽피질 (BA 12) 에서의 활성화 신호는 기존의 보고 가 없어 새로운 결과라 할 수 있다. 이 부위에서 활성화 신호가 발생한 사람은 3명으로 7번 자원자를 제외하고 모두 Broca 영 역에서 활성화 신호가 발생하지 않은 사람들이었다. 좌측 Broca 영역에서 활성화 신호가 발생하지 않은 8번 자원자도 양 측 내측 전두엽피질에서 약 0.8% 정도의 활성화 신호가 관찰되 었었다. 이 영역의 활성화 신호에서도 주기적변화가 보인 점으 로 보아 인공음영에 의한 신호일 가능성은 없고 따라서 이 영역 은 단어연상에 따른 연결망이거나 집중에 관여하는 피질의 일 종으로 BA 46영역과 같이 동적 기억중추의 일부분을 담당할 가능성이 있다(1 9， 26). 즉 좌측 Broca 영역에서 활성화 신호가 발생하지 않고 내측 전두엽피질에서만 활성화 신호가 발생한

1

, 5번 자원자는 단어연상 단계까지만 활성화되고 충분한 내적 단어발생에는실패했을가능성을추정해 볼수있으나이에 대 한 확인을 위하여는 보다 구체적인 paradigm구성이 필요하리 라고사료된다.

언어중추의 활성화 신호의 범위가 어느 정도 나올 것인가에 대해 기존보고가거의 없어 활성화신호를어느수준부터 어느 수준까지 볼 것인가에 대해 의문시되었다. 그러나 BOLD 효과 에 대한 보고는 약 6% 미만으로 알려져 있어 6% 이상의 신호 는 임의적으로 제거하였고， 1% 이하의 신호를 보인 사람이 4명 있었지만 주기적인 신호변화를 보이지 않아 인공음영의 가능성 을 배제하기 위하여 활성화 신호범위에서 제외하였다. 좌측 Broca 영역은 BA 44, 45가 고전적 운동성 언어중추 영역이 Broca 영역의 평균 신호강도 상승율은 2.6:t 1.3%로， 우측 고， BA 46, 47도 연관기능을 수행하므로 BA 44, 45, 46, 47이 Broca 영역의 1.2::!:: 1.7% 보다 약 2.2배 높았으며， 활성 화소수 Broca 영역으로 알려져 있다. BA 44, 45는 이 연구에서 가장 도 좌측 67 :t 46개로， 우측의 23:t 33개에 비해 약 2.9배 많았는 많이 활성화된 지역으로 Petersen 등 (25) 은 Wenicke 영역과 데 이는 오른손잡이의 우세반구가 좌측이라는 사실에 잘 부합 어의 연결망 (semantic network) 으로 연결되어 있기 때문으로 된다. 내측 전두엽피질부위의 평균 신호강도 상승율은 좌측이 생각하고 있다. BA 46은 동적 기억중추 (working memory 0.4::!:: 0.8%，우측이 0.6::!::O.9% 로좌측보다우측이 오히려 약 cortex) 로 단어연상 paradigm 에서는 대부분 활성화된다고 간 우세하였는데 그 이유는 분명치 않다.

Frith 등에 의하여 보고되어 있다 (26). 이 연구에서도 활성화 이 연구의 중요한 결과를 요약하면， 7명에서 운동성 언어중 된 7명중 4명에서 이 부위에 활성화 신호가 관찰되었다. BA 47 추인 좌측 Broca 영역이 성공적으로 지도화되었고， 4명에서 휴 에 대해서는 Le Bihan 등 (4) 과 McCarthy 등(13) 이 영사에서 식 -활성기에 따른 분명한 주기적인 변화를 보여 주었다. 활성 동사로 빠른 전환시 활성화된 결과를 보고한 바 있으나， 이 부 화 신호강도 상승율과 활성 화소수도 우세반구인 좌측에서 우

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대한방시선의학회지

1998 ; 38: 957-964

측에 비해 각각 평균 약 2.2배， 2.9배 높았다. 비록 모든 자원자 에서 일정하고 일관된 결과를 나타내지는 않았지만 비교적 성 공적으로 운동성 언어중추를 지도화하였다는 결론을 내릴 수 있다. 그러나 보다 안정적이고 일관된 결과를 얻기 위해서는 앞 으로 보다 개선된 영상기법과 세밀한 paradigm을 개발하여 더 많은 연구를 할 필요가 있다고 생각된다.

참 고 문 헌

1. Rosen BR, Aronen HJ, Kwong KK, Belliveau JW, Hamberg LM, Fordham JA. Advances in clinical neuroimaging: functional MR imaging techniques. Radio‘graphics 1993; 13: 889-896

2. Moseley ME, Glover GH. Functional MR imaging ’ Capabilities and limitations. Neuroimag Clin N Am 1995;5(2): 161-191 3. Lee CC, Jack CR, Riederer SJ. Use of functional magnetic reson-

ance imaging. Neurosurg C/in N Am 1996; 7 : 665-683

4. Le Bihan 0, Jezzard p, Turner R, Cuenod CA, Zeffiro TA Analysis of functional brain MR images with Z maps‘ J Magn Reson Imaging 1993; 3: 141

5‘ Belliveau JW, Kennedy DN, McKinstry RC, et al. Functional mapping of the human visual cortex by magnetic resonance imaging. Science 1991; 254:716-719

6. Ogawa S, Tank DW, Menon R, et al. Intrinsic signal changes accompanying sensory stimulation: functional brain mapping with magnetic resonance imaging. Proc Nat/ Acad Sci 1992; 89 5951-5955

7. Kwong KK. Belliveau JW, Chesler DA, et al. Dynamic magnetic resonance imaging of human brain activity during primary sen- sory stimulation. Proc Nat/ Acad Sci 1992; 89: 5675-5679 8. Jack CR, Thompson RM, Butts RK, et al. Sensory motor cortex:

correlation of presurgical mapping with functional MR imaging and invasive cortical maI;'ping. Radi%gy 1994; 190: 85-92 9 깅재형 1 신태민， 검재수 등 1.5-Tesla 자기공명영상장치를 이용

한 사람 대뇌피질 활성의 기능적 영상에 관한 연구 대한방사선 의 학회지 1996; 35 : 633-643

10 장현정， 유인규， 송인찬， 한운희， 이홍규， 장기현 대뇌운동피질 의 기능적 자기공명영상 1.0T와 1. 5T의 비교 대한방사선의학회 지 1997 ; 36 : 723- 728

11. Rao SM, Binder JR, Bandettini P A. et a1. Functional magnetic resonance imaging of complex human movements. Neur% gy 1993; 43: 2311-2318

12. Bellemann ME, Spitzer M, Brix G, et al. Neurofunctional MRI imaging of higher cognitive performance of the human brain.

Radi%ge 1995; 35(4): 272-82

13. McCarthy G, Blamire AM, Rothman DL, Gruetter R, Shulman RG. Echo-planar magnetic resonance imaging studies of frontal cortex activation during word generation in humans^‘ Proc Natl.

Acad Sci. 1993; 90: 4952-4956

14. Morris GL, Yetkin FZ, Mueller WM, et al. Language lateralization with funcional MR imaging and intracarotid amobarbital test. Radi%gy 1993; 189: 140

15. Frackowiak RSJ. Functional mapping of verbal memory and language. Trends Neurosurg 1994; 17: 109-115

16. Cuenod CA, Bookheimer SY, Hertz-Pannier L, Zeffiro TA, Theodore WH, Bihan DL. Functional MRI during word gener- ation, using conventional equipment: A potential tool for language localization in the cliniçal environment. Neur% gy

1995; 45: 1821-1827

17. Binder JR, Rao SM, Hammeke TA, et al. Lateralized human brain language systems demonstrated by task subtraction func- tional magnetic resonance imaging. Arch Neuro/ 1995; 52:

593-601

18. Yetkin FZ, Hammel

‘

e TA, Swanson SJ, et al. A comparison of functional MR activation patterns during silent and audible language tasks. AJNR 1995; 16: 1087-1092

19. Klein 0, Milner B, Zatorre RJ, Meyer E, Evans AC. The neural substrates underlying word generation: A bilingual functional-imaging study. Proc Nat/ Acad Sci 1995; 92 2899-2903

20. Shaywitz BA, Shaywitz SE, Pugh KR, et al. Sex differences in the functional organization of the brain for language. Nature 1995; 373 : 607-609

21. Yetkin 0, Yetkin FZ, Haughton VM, Cox RW‘ Use of functional MR to map language in multilingual volunteers. AJNR 1996; 17 : 473-477

22. Sinnatamby R, Antoun NA, Freer CEL, Miles KA, Hodges JR Neuroradiological findings in primary progressive aphasia : CT, MRI and cerebral perfusion SPECT. Neuroradi%gy 1996; 38:

232-238

23. Strainer JC, Ulmer JL, Yetkin FZ, Haughton VM, Daniels DL, MilIen SJ. Functional MR of the primary auditory cortex: an analysis of pure tone activation and tone discrimination. AJNR 1997; 18: 601-610

24. Schaff1er L. Luders HO, Dinner DS, Lesser RP, Chelune GJ Comprehension deficits elicited by electrical stimulation of Broca’5 area. Brain 1993; 116 : 695- 715

25. Petersen SE, Fox PT, Posner MI. Mintun M, Raichle ME. Posi tron emission tomographic studies of the cortical anatomy of single-word processing. Nature 1988; 331: 585-589

26. Frith CD, Friston K. Liddle PF, Frackowiak RS. WilIed action and the prefrontal cortex in man: a study with PET. Proc R Soc Lond Bio/ 1991; 244: 241-246

27. Ogawa S, Lee TM, Nayak AS, et al. Oxygenation-sensitive con- trast in magnetic resonance image of rodent brain at high mag- netic fields. Magn Reson λ1ed 1990; 14: 68-78

28. Mattay VS, Weinberger DR, Barrios FA, et al. Brain mapping with functional MR imaging : comparison of gradient echo-based exogenous and endogenous contrast techniques.

Radi%

‘

^{gy 1995; 194 ‘ 687-691}

29. Frahm J, Kruger G, Merboldt K-D, Kleinschmidt A. Dynamic uncoupling and recoupling of perfusion and oxidative metab- olism during focal brain activation in man. Magn Reson Med 1996; 35: 143-148

30. Kim JH, Shin T, Kim JS, Kim H-J, Chung SH. MR imaging of cerebral activation performed with a gradient-echo technique at 1.5T: sources of activation signals‘ AJR 1996; 167 ‘ 1277-1281 31. Edelman RR, Wielop이 sk

%

유인뮤 오1: EPI 기업을 이용한 운동성 뇌언어중추의 기능적 자기공명영상

J Korean Radiol Soc 1998; 38: 957 - 964

fM RI of the Motor Speech Center Using EPP

In Kyu Yu, M.D.

L 2

, Kee-Hyun Chang, M.D. , In Chan Song, M.D.

Hong Dae Kim, M.D., Su Ok Seong, M.D., Sang Kun Lee, M.D.

Hyun-Jung Jang, M.D. , Moon Hee Han, M.D.

1 Department of Radiology, Seoul National University College of Medicine, and the Institute of Radiation Medicine 2Deparment of Radiology, Nowon Eulji Hospital, Eulji College of Medicine

3Department of Neurology, Seoul National University College of Medicine

Purpose: To evaluate the feasibility of functional MR imaging (fMRI) using the echo-planar imaging (EPI) technique to map the motor speech center and to provide the basic data for motor speech fMRI during internal word generation.

Materials and Methods : This study involved ten young , healthy , right-handed volunteers (M:

F=8: 2; Age: 21 - 27); a

1.

5T whole body scanner with multislice EPI was used . Brain activation was mapped using gradient echo single shot EPI(TR/TE of 3000/40, slice numbers 6, slice thickeness 10 mm, no interslice gap, matrix numbers 128 X 128, and FOV 30 X 30). The paradigm consisted of a series of alternating rest and activation tasks, repeated eight times. During the rest task, each of ten Korean nouns composed of two to four syllables was shown continuously every 3 seconds. The subjects were required to see the words but not to generate speech, whereas during the activation task, they were asked to internally generate as many words as possible from each of ten non-con- crete one-syllabled Korean letters shoyvn on the screen every 3 seconds. During an eight-minute period, a total of 960 axial images were acquired in each subject. Data were analyzed using the Z-score(p < 0.05), and following color processing, the activated signals were overlapped on

Tl

-weighted images. The location of the activated area , mean activated signal intensity change(%) , mean activated pixel numbers, and the presence of cyclic change in signal intensity were evaluated.

Results: In seven su bjects , activation was observed in the left Broca’s area and its adjacent areas (Brodmann areas 44, 45, 46, 6 and 10); in three of the seven, activation in Broca' s areas was bilat- eral. In two of the remaining three subjects , the medial portion of the fronta l lobe was activated , while in the other, there was no significant signal change in any area. Mean activated signal change was 2.6 :t

1.

3 % in the left Broca’s area and

1.

2 :t

1.

7 % in the right , while the mean number of activated pixels was 67 :t 46 in the left area and 23 :t 33 in the right. Periodic cyclic signal change according to rest and activation was seen in the left Broca’ s area in four subjects

,

in the bilateral Broca’ s area in two, and in the medial portion of the frontal lobe in two.

Conclusion: The results of this study indicate that in most subjects , fMRI using EPI can effectively map the motor speech cente

r.

The data obtained may be useful for the clinical

appli~

cation of fM R

I.

Index words: Brain

Magnetic resonance(MR), functional Speech

Address reprint requests to : In Kyu Yu, M .D., Department of Radiology, Nowon Eulji Hospital

~

280-

1,

Hagye 1-Dong, Nowon -Gu, Seoul 139-231 , Korea. Te

l.

82-2-970-8290 Fax. 82-2-970-8346

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