박명환외 서론삼차원 (3 dimensional, 3D) 영상의특징은단위시간당신호대잡음비가 2차원영상방법에비하여높고, 절편의두께를얇게하여해상도를높일수있으며, 그에따라국소체적효과 (partial volume effect) 를줄일수있고, 3 가지방향으로구조영상을재구성할수있다

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1 삼차원자기공명영상법의뇌구조영상을위한최적화연구 : 센스인자변화에따른신호변화평가 박명환 1 이진완 1 이강원 1 류창우 1,2 장건호 1,2 목적 : 평행영상 (Parallel imaging) 기법의개발로긴촬영시간때문에종종사용되지못하던삼차원영상기법이최근들어환자병을진단하는데새로이사용되고있다. 이연구의목적은최근에뇌영상에서개발되어이용되고있는삼차원자기공명영상을사람의뇌에서짧은시간내에얻을수있도록 2차원평행영상기법을사용한최적화방법을연구하는데있다. 대상및방법 : 검사장비는 3.0T 자기공명영상장치를이용하였으며 8-채널 SENSE (sensitivity encoding) 머리코일을이용하였다. 팬텀및 3명의사람머리에서영상을얻었다. 세가지의삼차원영상법인 3D T1WI, 3D T2WI 및 3D FLAIR 영상방법에대하여평행인자 (SENSE factor) 의변화에따른팬텀영상을얻었다. 각각의영상법에서영상획득에적당한 SENSE 인자를찾기위해 Phase encoding 방향과 Slice encoding 방향을조합한 SENSE 인자를변화시키면서영상을얻었다. 영상분석을위하여특정영역 (ROI) 를설정한후에신호대잡음비 (Signal-to-noise ratio, SNR), 감소분율 (Percent Signal Reduction Rate, %R), 대조도 (contrast-to-noise ratio, CNR) 를계산하였다. 결과 : 팬텀을이용한 SENSE 인자변화에따른 SNR 및 %R 값의변화결과 3D T1WI 방법에서 SENSE 인자를사용한것들중에서 SENSE 인자를총 3인경우약 0.2% 의신호감소가나타났고영상시간은 5분이내였다. 3D T2WI 방법의경우 SENSE 인자를사용한것들중에서 SENSE 인자를총 3인경우에약 1.0% 신호감소가나타났고영상시간은약 5분이내였다. 3D FLAIR 방법의경우 SENSE 인자를사용한것들중에서 SENSE 인자를 4를사용한경우에약 0.2% 신호감소가나타났고영상시간은약 6분이었다. 사람을대상으로할경우 3D T1W 및 3D T2W 영상에서 SNR 및 CNR은 SENSE 인자를 3으로한경우에서 SENSE 인자를 4로한경우보다높게나타났다. 3D FALIR 영상의경우 CNR은 SENSE 4에서는 SENSE 3에비하여낮았다. 결론 : 본연구에서는 3가지 3차원영상법을실제임상적용이가능한시간영역에서 SENSE 인자를변화시키면서최적의영상을얻도록하는연구를실시한결과 SNR 감소를최소화하면서영상획득시간을약 5분에서 6분정도소요되는 2차원 SENSE 인자를찾았다. 이를뇌영상에적용하였을경우 SENSE 인자를적용하지않은경우와비교하면신호감소는최소화하면서영상의질은큰영향을주지않은것으로나타났다. 3D T1W 및 3D T2W는 SENSE 인자를 3으로 3D FLAIR인자는 SENSE 인자를 4로하는것이환자를대상으로한뇌영상에적합하다고생각된다. 앞으로는이들영상법이뇌영상뿐만아니라다른영역의영상에적용을위한최적화가필요하다고생각된다. 대한자기공명의과학회지 13: (2009) 1 경희대학교동서신의학병원영상의학과 2 경희대학교의과대학의학과본연구는보건복지부보건의료기술진흥사업의지원에의하여이루어진것임 (A062284). 접수 : 2009 년 10 월 27 일, 수정 : 2009 년 11 월 24 일, 채택 : 2009 년 11 월 30 일통신저자 : 장건호, ( ) 서울시강동구상일동 149 번지, 경희대학교의과대학동서신의학병원영상의학과 Tel. (02) Fax. (02) ghjahng@gmail.com

2 박명환외 서론삼차원 (3 dimensional, 3D) 영상의특징은단위시간당신호대잡음비가 2차원영상방법에비하여높고, 절편의두께를얇게하여해상도를높일수있으며, 그에따라국소체적효과 (partial volume effect) 를줄일수있고, 3 가지방향으로구조영상을재구성할수있다는것이다. 삼차원자기공명영상 (MRI) 은현재인체의여러부위에서병을진단하기위하여임상에많이사용되고있다 (1-9). 특히 3차원 MRI 방법을빈번하게적용하는부위중에한곳이머리부위이다 (10-14). 하지만 3 차원영상의경우 2차원영상보다매우긴영상획득시간때문에실제환자를대상으로하는일반적인영상획득에는많이이용되지못했다. 현재까지 3차원영상방법중에서뇌영상을위하여가장많이사용된방법중의하나가 3차원반전 T1 강조경사자장영상 (3D inversion recovery T1-weighted gradient-echo imaging, 3D T1WI) 방법이다. 이영상방법에서는뇌척수액 (cerebral spinal fluid, CSF) 신호를최소화시키기위하여반전시간을 CSF의 T1 값에맞게사용하여 CSF 신호는거의없고, 회백질신호는중간정도이며, 반면에 T1 값이짧은백질의경우종축자화 (longitudinal magnetization) 가빨리회복되어가장밝은신호를보여준다. 이방법은삼차원 MPRAGE (magnetization prepared rapid gradient echo) 영상방법으로널리알려져삼차원뇌구조영상을획득하는데가장많이사용되고있고 (15, 16), 뇌의여러질병의영상진단에도많이이용되고있으며 (17-20), 최근에국소체적분석 (voxel-based morphometry, VBM) 방법을이용한뇌에서의회백질의위축 (atrophy) 정도를분석하는데가장보편적으로사용되고있는방법이다 (21). 또하나의 3차원영상방법은최근에서야그사용빈도가증가하고있는방법으로 3차원 T2 강조고속스핀에코영상 (3D T2-weighted fast spin echo (FSE), 3D T2W FSE) 방법이다 (22, 23). 환자에서일반적으로 T2 강조영상을얻기위해서는주로 2차원 T2W FSE를사용하였다. 그이유는 T2 강조영상을얻기위하여긴반복시간 (Repetition time, TR) 과긴에코시간 (echo time, TE) 을이용하여야하기때문에영상획득에많은시간을필요하기때문이었다. 하지만최근들어코일제작에대한기술이발달하여평행영상 (parallel imaging) 방법이개발되면서영상시간을단축할수있게되어 3차원 T2W FSE 영상방법이적용되고시작하였다 (10, 24-26). 그리고일반적인뇌영상획득에는 2차원 FLAIR (Fluid-attenuated inversion-recovery) 영상을거의모든환자에서사용하였는데그이유는회백질, 백질, 그리고 CSF 신호를최소화한상태에서병변에대한신호를증가시킬수있기때문에선호하였다. 하지만 3차원 FLAIR 영상방법 (27, 28) 또한일반적인뇌영상기법으로환자들에일상적으로적용되지못했는데, 그 이유중의하나가긴영상획득시간때문이었다. 3차원 FLAIR 영상법이최근들어환자에적용되고있는데 (29, 30), 빠른영상기법들이개발되고있기때문이다. 위에서소개한 3가지의 3차원영상방법들에대한최적화연구가그동안많이진행되었다. 3차원 MPRAGE 영상을위한최적화연구에서는회백질과백질의대조도 (contrast) 를최적화하기위하여 SAA(simulated annealing algorithm) 방법이적용되어여러인자들을최적화하는논문이발표되었으며 (31), 신생아에서의최적의백질과회백질의대조도를얻기위하여성인에서사용하는반전시간을조정하여신생아적절한반전시간을최적화하는논문이발표되었다 (32, 33). 3차원 T2W FSE 영상을최적화시키기위하여 180도펄스를변환하여 PSF(point spread function) 을최적화하고또한 k-공간 (k-space) 을직사각형형태가아닌타원형형태로채우고평행영상 (parallel imaging) 을위해서자동으로코일을교정하는방법을연구한논문이발표되었다 (34). 또한여러가지평행영상을위한재구성 (parallel reconstruction) 하는방법을비교하고 2차원평행영상을구성하는방법에대한논문이발표되었다 (35). 삼차원 FLAIR 영상법에서긴 echo train length(etl) 을사용하면서비선택적인단열성반전펄스 (nonselective adiabatic inversion pulse) 를최적화하여사용하면 CSF 신호를균일하게최소화할수있고혈관에서발생할수있는인공물을최소화할수있다고보고되었다 (36). 평행자기공명영상법 (Parallel MRI) 은영상을얻으려고하는부위의주위에여러개의신호를받는코일 (multiple receiver coil) 을배열하여동시에자기공명신호를얻는것이다. 최근에들어서여러평행자기공명영상법이개발되었으며 (37-43) 계속해서새로운기술들이개발중에있다. 이들방법을이용할경우여러코일들이각기특징적인공간정보를받기때문에기존에사용되는영상법에서보다 k-공간정보를덜받을수있고, 따라서영상시간을단축할수있고, 영상의질도향상시킬수있다. 따라서현재임상에서사용되고있는상용화된자기공명영상장치에서는이들방법을대부분사용하고있다. 이들방법을 3차원영상법에적용하면 2차원방향으로평행영상을적용할수있어기존의3차원영상에서가장큰문제점으로제시된긴영상촬영단점을최소화시킬수있을것이다. 하지만 2차원방향으로평행영상을얻기위해사용하면영상에원하지않은인공물이발생할수있다. 따라서 3차원자기공명영상을얻기위해서는최적화된 1차원이아닌 2차원평행영상법이필요하다. 이논문의목적은최근에뇌영상에서개발되어이용되고있는 3D T1WI, 3D T2WI, 3D FLAIR 영상을사람의뇌에서짧은시간내에얻을수있도록 2차원평행영상기법을사용한최적화방법을연구하는데있다. 여러 2차원평행인자를변경하면서팬텀에적용후임상에적용가능한짧은허용시간을제공하는두개의 2차원평행인자를선택하여실제정상인의 3차원영상에적용하여영상의특성을연구하였다

3 삼차원자기공명영상법의뇌구조영상을위한최적화연구 방법및재료 1) 2차원평행영상법 (2D Parallel Imaging) 평행영상방법은여러개의신호를받는코일을이용하며각각의코일에서얻어진신호는독립적인신호를제공한다는원리에근거를하고있다. 따라서각코일에서받게되는 MR 신호는아래와같이나타낼수있다. S l (k) = v ρ(r)w l (r)e j2πkr dr [1] 여기서 ρ(r) 는영상을얻는부위에서의양성자 ( 프로톤 ) 밀도를나타내며, r 은관심영역내의좌표공간을나타내는벡터이고, W l (r) 는위치 r에서 l번째코일의민감도 (sensitivity profile) 이며, k는경사자장의언코딩에대한공간좌표값이다. 2차원평행영상신호는위의식에서주파수언코딩방향 (frequency-encoded direction) 을 x로, 2차원위상방향 (phase encoding direction) 을각각 y와 z로표시할경우다음과같이표현할수있다. S l (k y, k z, x) = v ρ(r)w l (r)e j2π(kyy+kzz) dydz 따라서 2차원평행영상법을사용하기위해서는두방향평행인자에대한최적의값을설정하는것이중요하다. 2) 영상획득 (Imaging Acquisitions) 검사장비는 3.0T 자기공명영상장치 (Philips, Achieva, Best, The Netherlands) 를이용하였으며 8-채널 SENSE (sensitivity encoding) 머리코일을이용하였다. 팬텀은제조사에서제공되는원통형팬텀을사용하였다 (Phantom Bottle Assembly, Invivo, U.S.A. 2.0±0.05 g/l CuSO4-5H2O, 4.5±0.05 g/l NaCL, 1.89L Distilled Water). 세가지의삼차원영상법인 3D T1WI, 3D T2WI 및 3D FLAIR 영상방법에대하여평행인자 (SENSE factor) 의변화에따른팬텀영상을얻었다. 본실험에서는 3가지삼차원영상법에 SENSE 평행영상방법을이용하여실제임상에서적절하게사용가능한영상획득시간을얻을수있도록최적의 SENSE 인자를찾는데사용하였다. SENSE 인자는 1, 2, 3, 4, 5로변화하면서 3차원영상을얻었다. 팬텀영상에서얻어진 SENSE 인자의변화에따른여러인자의사항을고려하여몇가지 SENSE 인자를선택하여 3명의정상인뇌에대한삼차원영상을얻었다. 각각의영상법에서영상획득에적당한 SENSE factor를찾기위해 Phase encoding 방향과 Slice encoding 방향을조합한 SENSE factor을변화시키면서영상을얻었다. 영상을얻는데이용된영상변수는다음과같았다. 3D T1WI 영상을위하여 TR=7.5 msec, TE=3.7 msec, TI=886 msec, Flip angle=8 을이용하였다. 3D T2WI TSE 영상을위하여 TR=3000 msec, TE=250 msec, TSE factor=80, Flip angle=90, Refocusing angle=40 을이용하였다. 3D FLAIR TSE 영상을위하여 TR=8000 msec, TE=253 msec, TI=2400 msec, TSE factor=87, Flip angle=90, Refocusing angle=50 을이용하였다. 세가지모든영상기법에서 FOV= mm, NEX=1, Voxel size= mm 등방성 (Isotropic) 크기를갖도록설정하였다. 3) 영상분석 (Imaging Processing and Analyses) 각각의 SENSE 인자의변화에따른 3 가지삼차원영상법의변화를살펴보기위하여 Region-of-Interest (ROI) 분석을이용하여아래의사항을계산하였다. 신호대잡음비 (Signal-to-noise ratio, SNR): SNR = Signal/STD noise 팬텀과정상인의뇌에서 SENSE 인자의변화에따른신호의변화를보기위하여팬텀영상의경우 Figure 1A에서보여주는것과같이팬텀의중심에서신호강도를얻었으며잡음은팬텀의외곽부분에서얻었다. 따라서 SNR 값은얻어진신호값 (Signal) 을잡음의표준편차 (STD noise ) 값으로나눈값을이용하였다. SNR을이용한경우신호의세기가같으나잡음의표준편차에따라서많이변화하는단점이있다. Figure 1B는사람뇌의 3D T1WI 및 3D FLAIR에서잡은 ROI를보여주고있다. a b Fig. 1. Locations of region-of-interests (ROI) in a phantom (a) and human brain (b) to obtain signal intensities and noise

4 박명환외 감소분율 (Percent Signal Reduction Rate, %R): %R= 100*(Signal(1)-Signal(i), i=1,2,3,4,5)/signal(1) 팬텀과정상인의뇌에서 SENSE 인자를사용하지않는경우의신호와사용하는경우의신호의변화를보기위하여감소분율을구하였다. 감소분율은 SENSE 인자를사용하지않았을때의신호에대한 SENSE 인자의사용 (i=1,2,3,4,5) 에따른신호의변화를백분율로나타낸것이다. 따라서작은값일수록 SENSE를사용하지않은상태에서얻은신호값과유사한신호값을갖는것을의미한다. 대조도 (contrast-to-noise ratio, CNR): CNR= (Signal(a) - Signal(b))/STD noise 정상인의뇌에서 SENSE 인자의변화에따른대조도의변화를살펴보기위하여사람의뇌영상을이용하여백질과회백질에관심영역을정하고두영역의신호의차이를잡음의표준편차로나누었다. 3D T2WI 와 3D FLAIR 영상에서는 (a) 는회백질에서의신호를 (b) 는백질에서의신호를이용하였고, 3D T1WI 의경우는반대로이용하였다. 결과 1. 팬텀에서 3D 영상법에서의 SENSE 인자변화에따른 SNR과 %R 변화팬텀을이용한 SENSE 인자변화에따른 SNR 및 %R 값의변화결과를 Table 1에 3가지 3차원영상법에대하여나열하고있다. 3D T1WI 방법 (Table 1A) 에서 SENSE 인자를사용한것들중에서 SNR 값은 SENSE 인자를총 3인경우와 SENSE 인자를총 2를사용한경우와큰차이가없었으나, SESNE 인자를총 5를사용할경우보다는 SNR이높게나타났다. %R의경우는 SENSE 인자를사용하지않은경우와총 2를사용한것과총 3을사용한것들사이에큰차이가없었으나 (%R < 0.5%), SENSE 인자를총 5를사용할경우는 3.5% 가감소하였다. 영상획득시간은 SENSE 인자를총 3 을사용할경우 5분이내에서영상획득이가능했다. 3D T2WI 방법 (Table 1B) 의경우 SENSE 인자를사용한것들중에서 SNR 값은 SENSE 인자를총 4인경우가 SENSE 인자를총 2와총 3을사용한경우보다조금높게나타났다. 하지만 SENSE 인자가총5인경우의 SNR은매우낮 Table 1. Normalized Signal Intensities (SI), SNR, %R, and Scan Times for the Three Types of Three-dimensional Sequences with Varying SENSE Factors A. 3D T1WI SENSE factors (phase/slice) Normalized SI SNR %R Scan times (Minutes) 1(1/0) ± :43 2(2/0) ± :42 3(1.5/1.5) ± :10 4(2/2) ± :06 5(2/3) ± :03 B. 3D T2WI SENSE factors (phase/slice) Normalized SI SNR %R Scan times (Minutes) 1(1/0) ± :54 2(2/0) ± :03 3(1.5/1.5) ± :33 4(2/2) ± :30 5(2/3) ± :42 C. 3D FLAIR SENSE factors (phase/slice) Normalized SI SNR %R Scan times (Minutes) 1(1/0) ± :08 2(2/0) ± :24 3(1.5/1.5) ± :04 4(2/2) ± :08 5(2/3) ± :08 SNR: Signal-to-noise ratio %R: Percent signal reduction rate

5 삼차원자기공명영상법의뇌구조영상을위한최적화연구 게나타났다. %R의경우는 SENSE 인자를사용한것들중에서 SENSE 인자가총 3과 4인경우는 1% 미만만이감소한반면에 SENSE 인자를총5를사용한경우에는약 3.9% 의신호가감소되었다. 영상획득시간은 SENSE 인자를총3을쓸경우는 5분이내에영상획득이가능했다. 3D FLAIR 방법 (Table 1C) 의경우 SENSE 인자를사용한것들중에서 SNR 값은 SENSE 인자를총 2, 3, 4를사용한것에서는비슷하게나타났다. 하지만 SENSE 인자를총 5를사용할경우에는큰감소를보였다. %R의경우는 SENSE 인자를사용한것들중에서 SENSE 인자가총 2, 3, 4인경우는약 0.3% 이내의신호감소를보였으나, SENSE 인자를총5를사용할경우에는약 3.4% 신호감소가나타났다. 영상획득시 간은 SENSE 인자를총2 혹은총3을사용할경우에는 10분이상이소요된반면에, SENSE 인자를총 4를사용한경우에는약 6분정도만이소요되었다. Figure 2는세가지삼차원영상법에서 SENSE 인자의변화에따른신호강조의변화 (Figure 2A) 와영상획득시간의변화 (Figure 2B) 를보여주고있다. SENSE 인자를사용하지않는경우에비하여총 SENSE 인자를 2, 3, 4를사용하는경우는신호강도가조금감소함을볼수있다. 하지만 SENSE 인자를 5로사용할경우에는신호강도가급격하게감소됨을보여주고있다. 영상획득시간은 3D FLAIR 가가장길고 SENSE 인자를 3 이상사용해야지 10분이내에촬영이가능하다. 반면에 3D TIW 혹은 3D T2W 영상법의경우에는 SENSE 인자가 a b Fig. 2. Variations of signal intensities (a) and scan times (b) with adjusting SENSE factors in the three-different three-dimensional MRI techniques. Fig. 3. Reformatted images of three 3D MRI methods with five different SENSE factors to demonstrate folding artifacts caused by SENSE reconstruction SENSE 3D Methods D T1W 3D T2W 3D FLAIR

6 박명환외 3 정도를사용할경우 5분이내정도의영상획득시간이소요됨을알수있다. Figure 3에서는 3개의삼차원영상법에대한시상면 (Sagittal) 으로촬영한영상을횡단면 (Axial) 으로각각의 SENSE 인자에대하여재구성하여보여주는사진이다. 그림에서보듯이 SENSE 인자가증가할수록 SENSE 인공물이좌우로들어오는것을확인할수있다. 2. 사람의뇌에서 3D 영상법에서의 SENSE 인자변화에따른 SNR과 CNR 변화팬텀을이용하여얻게된영상을분석한결과임상에서영상획득이용이한시간대라고생각하는 5분이내에서약 6분정도의시간을선택하고, 상대적으로많은 SNR 감소를보여주지않는 SENSE 인자가총3과총4를선택하여사람의뇌구조영상을촬영하였다. Figure 4 에서는 SENSE 인자를 3 ( 윗줄 ) 과 4( 아랫줄 ) 하였을경우에획득한 3 가지 3D 자기공명영상법에서얻은대표적인영상을보여주고있다. 모든영상에서매우좋은영상의질을보여주고있다. SNR 과 CNR은 SENSE 인자를 3으로한것이 4로한것보다시각적으로보았을때좋았다. Table 2은총 3명피험자에서얻어진영상을이용하여 ROI 분석을이용한경우각각의영상법에대한 SNR과 CNR 값의 평균값을 SENSE 인자총 3(Table 2A) 과 SENSE 인자총 4 (Table 2B) 에각각정리하였다. 3D T1W 영상에서 CNR은 SENSE 인자를 3으로했을경우가 4로했을경우보다높게나타났다. CNR이음수로나온이유는회백질영역의신호와백질신호의차이를보였기때문이다. SNR은 3D T1W 영상의특성상백질이회백질에서보다높게나타났고, SENSE 인자 3 에서얻어진 SNR이 SENSE 인자 4에서얻은것에비하여높게나타났다. 3D T2W 영상의경우 CNR은 SENSE 인자를 3으로한경우가 4로한경우보다높게나타났다. SNR의경우 SENSE 인자 3와 4에서모두회백질의신호가높았으며, SENSE 인자 3에서값이 4에서보다조금높았다. 3D FALIR 영상의경우 CNR은 SENSE 인자 3과 4에서모두 3가지영상법중에서제일낮게나타났고, SENSE 4에서는 SENSE 3에비하여낮았다. SNR은 SENSE 인자 3과 4 모두에서백질과회백질사이에는큰차이가없었고, SENSE 3에서약간높게나타났다. 고찰현재삼차원자기공명영상 (MRI) 은복부영상 (1), 근육및뼈영상 (2), 무릎영상 (3,4), 발목영상 (5), 척수사진술 3D T2W 3D FLAIR 3D T1W a 3D T2W 3D FLAIR 3D T1W b Fig. 4. Representative images obtained by using the three three-dimensional MRI techniques with SENSE factors of 3 (a, upper row) and 4 (b, lower row)

7 삼차원자기공명영상법의뇌구조영상을위한최적화연구 Table 2. SNR and CNR Values of the three 3D MRI Techniques Obtained with SENSE Factors of 3(A) and 4(B) in Human Brains A. SENSE factor=3 3D Methods White matter (WM) Gray matter (GM) SNR_WM SNR_GM CNR 3D T1W ± ± ± ± ± D T2W ± ± ± ± ± 5.9 3D FLAIR ± ± ± ± ± 3.93 B. SENSE factor=4 3D Methods White matter (WM) Gray matter (GM) SNR_WM SNR_GM CNR 3D T1W ± ± ± ± ± D T2W ± ± ± ± ± D FLAIR ± ± ± ± ± 2.45 (myelography) (6), 인체내의팔및다리및허벅지에있는정맥영상 (7, 8), 무릎연골조직영상 (9) 등의다양한곳에최적의영상을얻기위하여적용되고있다. 특히 3차원 MRI 방법을빈번하게적용하는부위중에한곳이머리부위이다. 뇌하마영역의영상을위하여 3차원 T2 강조 FSE 영상방법이적용되었고 (10), 아테롬성동맥경화증환자에서검게보이는경동맥벽 (carotid artery wall) 영상을위하여 3차원영상방법을적용하였고 (11), 반전자화전달영상 (inversion recovery magnetization transfer) 영상을위하여도사용되었으며 (12), 뇌혈류의신호를향상시키기위해서도 (13) 삼차원영상방법이제안되었다. 특히 3차원뇌영상방법을이용하여뇌세포의분리 (segmentation) 과회백질의위축 (atrophy) 를분석하기위한 Voxel-based morphometry (VBM) (14) 많이사용되고있다. 현재까지 3차원영상방법중에서뇌영상을위하여가장많이사용된방법중의하나가 3D T1WI 혹은 3D MPRAGE 방법이다. 이영상방법을다발성경화증 (multiple sclerosis) 질환환자에적용 (17, 18), 뇌의경뇌막공동영상 (intracranial dural sinuses) (19), 뇌종양환자영상 (20) 에적용하였고, 최근에 VBM 방법을이용한뇌에서의회백질의위축정도를분석하는데가장보편적으로사용되고있는방법이다 (21). 또하나의 3차원영상방법은최근에서야그사용빈도가증가하고있는방법으로 3D T2W FSE 방법이다 (22, 23). 최근들어코일제작에대한기술이발달하여평행영상 (parallel imaging) 방법이개발되면서영상시간을단축할수있게되어 3차원 T2W FSE 영상법이안와 (orbit) 영상 (24), 내이 (inner ear) 영상 (25), 혈액의신호를검게하는 MR 혈관조영술 (Intracranial black-blood MR angiography) (26), 뇌의해마 (hippocampus) 영상 (10) 적용되고있다. 3차원 FLAIR 영상방법이 (27, 28) 최근들어다발성경화증 (multiple sclerosis) 질환환자에적용되고있는데 (29, 30), 빠른영상기법들이개발되고있기때문이다. 최근에개발된평행자기공명영상법에는 SMASH (Simultaneous acquisition of spatial harmonics) (37), SENSE (Sensitivity encoding) (38), PILS (parallel imaging with localized sensitivities) (39), SPACERIP (sensitivity profiles from an array of coils for encoding and reconstruction in parallel) (40), gsmash (generalized SMASH) (41), GRAPPA (generalized autocalibrating partially parallel acquisitions) (42), PARS (parallel imaging with augmented radius in k- space) (43) 방법들이있고, 계속해서새로운기술들이개발중에있다. 이들기술의발달로 3차원영상법이실제임상에많이사용되기시작하였다. 본연구에서는 3가지 3차원자기공명영상법에대한실제임상적용을위한 SENSE 인자변화에따른 SNR 및 CNR의변화를알아보았다. SENSE 인자를 2차원으로변화시키면서임상에적용가능한시간인약 5분에서 6분정도에영상을얻을경우의 SNR 및 CNR의변화를살펴본결과 SENSE 인자를 3 혹은 4를사용할경우에임상적용이가능한것으로나타났다. 3D T1W 영상의경우 SENSE 인자를 3을사용할경우 5분이내에영상을얻을수있으며, SENSE를사용하지않은경우와비교하면신호의감소가 0.2% 정도밖에감소되지않았다 (Table 1A). 따라서 3D T1W 영상의경우는 2차원 SENSE 를각각 1.5 및 1.5를사용한총 3인 SENSE 인자를사용하는것을추천한다. 3D T2W 영상의경우 SENSE 인자를 3을사용할경우 5분정도에영상을얻을수있으며, SENSE를사용하지않은경우와비교하면신호의감소가 0.98% 정도밖에감소되지않았다 (Table 1B). 따라서 3D T2W 영상의경우는 2 차원 SENSE 를각각 1.5 및 1.5를사용한총 3인 SENSE 인자를사용하는것을추천한다. 이경우사람의머리에서얻은 SNR 값이 SENSE 인자총 4를사용하는것보다높았다. 3D FLAIR 영상의경우특히 SENSE 인자사용이중요하며그이유는영상을획득하는시간이다른영상법에비하여특히많이소요되기때문이다. SENSE 인자를 4를사용할경우 6분정도에영상을얻을수있으며, SENSE를사용하지않은경우와비

8 박명환외 교하면신호의감소가 0.2% 정도밖에감소되지않았다 (Table 1C). 따라서 3D FLAIR 영상의경우는 2차원 SENSE 를각각 2 및 2를사용한총 4인 SENSE 인자를사용하는것을추천한다. 3 가지모든영상법에서영상획득시간을더줄이기위하여 SENSE 인자를 5로증가하는것은바람직하지않은것으로나타났다 (Figure 2A). 피질의두께 (cortical thickness) 을측정하기위하여 3D T1W 영상을이용할경우 SENSE 인자의영향을평가하는기존연구에의하면, 피질의두께가 SENSE 인자의선택에따라차이가있다고보고하였다 (44). 따라서 SENSE 인자의최적화된값을결정한후에해당연구를수행하는것이필요하다고생각된다. 본연구의단점은사람을대상으로한피험자의수가너무적다는것이다. 따라서피험자수를증가한심층적인추가연구가필요하다. 또한피험자를정상군만을이용했는데실제환자군을대상으로한 3차원영상을이용한진단가치를평가하지않은단점이있다. SENSE 는부분적인 k-공간의정보를통하여영상시간을단축시키고중복되는축소된 FOV 안의영상정보를코일민감도 (sensitivity) 를이용하여재영상화하는기법이다. 그러므로, 팬텀을통하여 SENSE 의성능이나변수에따른변화를고찰하고자할때는현재본연구에서사용한원통형펜텀보다는해상도를볼수있는해상도펜텀 (resolution phantom) 을사용하는것이효과적일수있다. 특히 3차원영상법은 SENSE 인자외에여러다른인자에영향을받는다. 그중에서고속촬영을위하여사용되는 Turbo spin-echo (TSE) 영상법에는반복적인 refocusing 펄스를사용하게된다. 이경우고자장자기공명영상장치에서는 SAR (Specific Absorption Rate) 문제가발생하게된다. 따라서 3차원영상법을고자장에서사용할경우 refocusing 펄스를최적화할필요가있다. 본연구에서는이문제에대한것을언급하지않은것이또다른단점이된다. 본연구에서는 3차원영상법의적용을사람의머리영상을얻기위한임상적용에만적용을하였다. 하지만이들영상법들이인체의타영역에대한최적화연구가필요한실정이다. 결론본연구에서는 3가지 3차원영상법을실제임상적용이가능한시간영역에서 SENSE 인자를변화시키면서최적의영상을얻도록하는연구를실시하였다. 그결과 SNR 감소를최소화하면서영상획득시간을약 5분에서 6분정도소요되는 2차원 SENSE 인자를찾았다. 이를뇌영상에적용하였을경우 SENSE 인자를적용하지않은경우와비교하면신호감소는최소화하면서영상의질은큰영향을주지않은것으로나타났다. 3D T1W 및 3D T2W는 SENSE 인자를 3으로 3D FLAIR인자는 SENSE 인자를 4로하는것이환자를대상으로한뇌영상에적합하다고생각된다. 앞으로는이들영상법이뇌영상뿐만아니라다른영역의영상에적용을위한최적화가필 요하다고생각된다. 참고문헌 1.Held P, Fellner C, Fellner F, Geissler A, Gmeinwieser J. Threedimensional MP-RAGE--an alternative to conventional threedimensional FLASH sequences for the diagnosis of viscerocranial tumours? Br J Radiol 1995;68(816): Magland JF, Wald MJ, Wehrli FW. Spin-echo micro-mri of trabecular bone using improved 3D fast large-angle spin-echo (FLASE). Magn Reson Med Ristow O, Steinbach L, Sabo G, Krug R, Huber M, Rauscher I, Ma B, Link TM. Isotropic 3D fast spin-echo imaging versus s- tandard 2D imaging at 3.0 T of the knee--image quality and diagnostic performance. Eur Radiol 2009;19(5): Gold GE, Busse RF, Beehler C, Han E, Brau AC, Beatty PJ, Beaulieu CF. Isotropic MRI of the knee with 3D fast spin-echo extended echo-train acquisition (XETA): initial experience. AJR Am J Roentgenol 2007;188(5): Stevens KJ, Busse RF, Han E, Brau AC, Beatty PJ, Beaulieu CF, Gold GE. Ankle: isotropic MR imaging with 3D-FSE-cube--initial experience in healthy volunteers. Radiology 2008;249(3): Tomoda Y, Korogi Y, Aoki T, Morioka T, Takahashi H, Ohno M, Takeshita I. Detection of cerebrospinal fluid leakage: initial experience with three-dimensional fast spin-echo magnetic resonance myelography. Acta Radiol 2008;49(2): Mitsouras D, Mulkern RV, Owens CD, Conte MS, Ersoy H, Luu TM, Whitmore AG, Creager MA, Rybicki FJ. High-resolution peripheral vein bypass graft wall studies using high sampling efficiency inner volume 3D FSE. Magn Reson Med 2008;59(3): Rybicki FJ, Mitsouras D, Owens CD, Whitmore AG, Ersoy H, Mulkern RV, Creager MA, Conte MS. Lower extremity peripheral vein bypass graft wall thickness changes demonstrated at 1 and 6 months after surgery with ultra-high spatial resolution black blood inner volume three-dimensional fast spin echo magnetic resonance imaging. Int J Cardiovasc Imaging 2008;24(5): Zuo J, Li X, Banerjee S, Han E, Majumdar S. Parallel imaging of knee cartilage at 3 Tesla. J Magn Reson Imaging 2007;26(4): Murakami JW, Weinberger E, Tsuruda JS, Mitchell JD, Yuan C. Multislab three-dimensional T2-weighted fast spin-echo imaging of the hippocampus: sequence optimization. J Magn Reson Imaging 1995;5(3): Balu N, Chu B, Hatsukami TS, Yuan C, Yarnykh VL. Comparison between 2D and 3D high-resolution black-blood techniques for carotid artery wall imaging in clinically significant atherosclerosis. J Magn Reson Imaging 2008;27(4): Meara SJ, Barker GJ. Impact of incidental magnetization transfer effects on inversion-recovery sequences that use a fast spinecho readout. Magn Reson Med 2007;58(4): Fernandez-Seara MA, Wang Z, Wang J, Rao HY, Guenther M, Feinberg DA, Detre JA. Continuous arterial spin labeling per

9 삼차원자기공명영상법의뇌구조영상을위한최적화연구 fusion measurements using single shot 3D GRASE at 3 T. Magn Reson Med 2005;54(5): Wetzel SG, Johnson G, Tan AG, Cha S, Knopp EA, Lee VS, Thomasson D, Rofsky NM. Three-dimensional, T1-weighted gradient-echo imaging of the brain with a volumetric interpolated examination. AJNR Am J Neuroradiol 2002;23(6): Mugler JP, 3rd, Brookeman JR. Rapid three-dimensional T1- weighted MR imaging with the MP-RAGE sequence. J Magn Reson Imaging 1991;1(5): de Lange EE, Mugler JP, 3rd, Bertolina JA, Gay SB, Janus CL, Brookeman JR. Magnetization prepared rapid gradient-echo (MP-RAGE) MR imaging of the liver: comparison with spin-echo imaging. Magn Reson Imaging 1991;9(4): Shah M, Ross JS, VanDyke C, Rudick RA, Goodkin DE, Obuchowski N, Modic MT. Volume T1-weighted gradient e- cho MRI in multiple sclerosis patients. J Comput Assist Tomogr 1992;16(5): Filippi M, Yousry T, Horsfield MA, Alkadhi H, Rovaris M, Campi A, Voltz R, Comi G. 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10 박명환외 Wang J, Kiefer B, Haase A. Generalized autocalibrating partially parallel acquisitions (GRAPPA). Magn Reson Med 2002; 47(6): Yeh EN, McKenzie CA, Ohliger MA, Sodickson DK. Parallel magnetic resonance imaging with adaptive radius in k-space (PARS): constrained image reconstruction using k-space locality in radiofrequency coil encoded data. Magn Reson Med 2005;53(6): Park HJ, Youn T, Jeong SO, Oh MK, Kim SY, Kim EY. SENSE factors for reliable cortical thickness measurement. Neuroimage 2008;40(1): J. Korean Soc. Magn. Reson. Med. 13: (2009) Optimizations of 3D MRI Techniques in Brain by Evaluating SENSE Factors Myung Hwan Park 1, Jin Wan Lee 1, Kang Won Lee 1, Chang Woo Ryu 1,2, Geon-Ho Jahng 1,2 1 Department of Radiology, East-West Neo Medical Center, 2 School of Medicine, Kyung Hee University Purpose : A parallel imaging method provides us to improve temporal resolution to obtain three-dimensional (3D) MR images. The objective of this study was to optimize three 3D MRI techniques by adjusting 2D SESNE factors of the parallel imaging method in phantom and human brain. Materials and Methods : With a 3 Tesla MRI system and an 8-channel phase-array sensitivity-encoding (SENSE) coil, three 3D MRI techniques of 3D T1-weighted imaging (3D T1WI), 3D T2-weighted imaging (3D T2WI) and 3D fluid attenuated inversion recovery (3D FLAIR) imaging were optimized with adjusting SESNE factors in a water phantom and three human brains. The 2D SENSE factor was applied on the phase-encoding and the slice-encoding directions. Signal-to-noise ratio(snr), percent signal reduction rate(%r), and contrast-to-noise ratio(cnr) were calculated by using signal intensities obtained in specific regions-of-interest (ROI). Results : In the phantom study, SENSE factor=3 was provided in 0.2% reduction of signals against without using SENSE with imaging within 5 minutes for 3D T1WI. SENSE factor=2 was provided in 0.98% signal reduction against without using SENSE with imaging within 5 minutes for 3D T2WI. SENSE factor=4 was provided in 0.2% signal reduction against without using SENSE with imaging around 6 minutes for 3D FLAIR. In the human brain study, SNR and CNR were higher with SENSE factors= 3 than 4 for all three imaging techniques. Conclusion : This study was performed to optimize 2D SENSE factors in the three 3D MRI techniques that can be scanned in clinical time limitations with minimizing SNR reductions. Without compromising SNR and CNR, the optimum 2D SENSE factors were 3 and 4, yielding the scan time of about 5 to 6 minutes. Further studies are necessary to optimize 3D MRI techniques in other areas in human body. Index words : 3D MRI 2D SENSE 3D T1-weighted 3D T2-weighted 3D FLAIR Address reprint requests to : Geon-Ho Jahng, Ph.D., Department of Radiology, East-West Neo Medical Center #149 Sangil-dong, Gangdong-gu, Seoul , Korea. Tel Fax ghjahng@gmail.com