장건호 1 김호성 2 김선미 1 류창우 1 관류자기공명영상은크게외인성과내인성조영제를사용하는방법으로나눌수있고, 외인성조영제를사용하는방법으로는 DSC 와 DCE 방법이있으며, 내인성조영제를사용하는방법으로는 ASL 이있다. 이들관류자기공명영상방법들은환자의상태와나타내고자하는영상인자에따라선별적으로최적화되어사용되어야한다. 그예로급성뇌졸중환자의경우매우빠른영상획득이최우선적인인자이므로 DSC 가주로이용되고있고, 뇌종양환자의경우여러물리적인자를고려한 DSC 혹은 DCE 스캔이필요하다. 또한소아나가임여성및신장병질환이있는경우는 ASL 을이용되고있다. 관류자기공명영상기술은방사성물질을전혀사용하지않아약물효과의평가와기타치료효과를이해하는데많은응용이있을것으로생각된다. 서론최근에관류자기공명영상 (Perfusion MRI, pmri) 은암혹은뇌졸증환자들에게많이적용되고있다 (1, 2). 특히관류현상을이용한생리적기전연구등의기초과학분야에서도많이이용되고있다. 기술적인측면을보면어떤방법은거의많은부분이개발되어사용되고있고, 어떤방법은아직도많은개발이요구된다. 인체에적용되는관류현상은혈액이모세혈관을통하여세포의실질 (parenchyma) 로전달되는것을의미한다. 관류자기공명영상은크게두가지방법으로분류할수있다. 하나는인체의정맥을통한조영제를투여하여얻는외인성 (exogenous) 관류자기공명영상방법이고가장보편적인방법이다. 조영제의흐름을시간변화에따라추적하면서일정인체부위에서계속하여영상을얻는방법이다. 현재외인성관류자기공명영상방법은환자의진단에많이이용되고있다. 다른하나는인체내의혈액만을이용하는내인성 (endogenous) 관류자기공명영상방법이다. 내인성관류자기공명영상법은라디오 주파수 (radiofrequency, RF) 펄스를이용하여동맥혈 (arterial blood) 의종축자화 (longitudinal magnetization) 를변화시켜얻는방법으로혈액의 T1 이완 (relaxation) 시간이영상의질을좌우하게된다. 내인성관류자기공명영상법은임상연구에주로응용되고있다. 따라서본논문의목적은관류자기공명영상법의이해를돕기위하여외인성및내인성관류자기공명영상법에대한원리와기술적인면을기술하는데있다. 본론 1. 외인성관류자기공명영상외인성관류자기공명영상법은영상을찍는방법에따라영상신호가조영제때문에밝게나타나거나혹은어둡게나타난다. 조영제에의하여 T1 이완시간의감소에따라 T1 강조영상을이용할경우에신호증가가나타난다. 또다른경우는조영제때문에 T2 혹은 T2* 이완시간의감소에따른신호감소효과가나타날수있다. 따라서외인성관류자기공명영상법에는 T1 대한자기공명의과학회지 15:91-101(2011) 1 경희대학교의과대학강동경희대학교병원영상의학과 2 울산대학교의과대학서울아산병원영상의학과 * 본연구는보건복지가족부보건의료연구개발사업의지원에의하여이루어진것임 (A092125). 접수 : 2011 년 4 월 5 일, 수정 : 2011 년 6 월 29 일, 채택 : 2011 년 6 월 30 일통신저자 : 장건호, (134-727) 서울특별시강동구상일동 149, 강동경희대학교병원영상의학과 Tel. (02) 440-6187 Fax. (02) 440-6932 E-mail: ghjahng@gmail.com - 91-
장건호외 감소 ( 신호증가 ) 를이용하는방법과 T2 감소 ( 신호감소 ) 를이용하는방법의두가지영상방법으로분리를할수있다. 조영제주입후신호의증가를이용한 T1 강조영상을이용한방법은 DCE(Dynamic Contrast-Enhanced 또는 bolus passage) 방법 (1, 3) 이라고부른다. 조영제주입후신호의감소를이용한 T2 혹은 T2* 강조영상을이용한방법은덩어리추적방법 (bolus tracking) 혹은 DSC (Dynamic Susceptibility-weighted Contrast-enhanced) 방법 (1, 3) 이라고부른다. 이들방법에대해서는아래에서자세하게다루기로한다. 관류자기공명영상을얻기위해서주로사용되는조영제는가도리늄 (Gadolinium) 계통의조영제를사용한다. 이조영제는일반적으로임상에사용되고있는조영제중하나이다. 따라서외인성방법을이용한관류영상을얻기위해서는보통일반적으로사용되는조영제를사용하게된다. 가도리늄조영제의효과를몇가지살펴보면아래와같다. 첫째, 이조영제는물과혼합되면 T1 이완값 (T1 relaxation) 을짧게하여 T1 강조영상에서신호증가를유발한다. 둘째, 이조영제는 T2 이완값 (T2 relaxation) 을감소하고, T2 강조영상이나 T2* 강조영상에서신호를감소시킨다. 그러나 T1 감소효과및 T2 감소효과는가도리늄이있는곳 ( 혈관내 ) 과그주위 ( 혈관외 ) 에서발생하게된다. 따라서모세혈관외부에서도자화감수율 (magnetic susceptibility) 효과를잘관찰할수있어혈관내효과와더불어그주변에서도가도리늄의효과를관찰할수있다. 또한자화감수율효과는가도리늄이없는정맥혈액에서도관찰할수있다. 하지만내부자화감수율 (intrinsic magnetic susceptibility) 효과의근본이되는혈색소 (hemoglobin) 의양은매우적어그변화가눈으로띌정도로많지못하다 (< 1~3%)(4). 따라서자화감수율효과를매우높게하기위해서외부에서상자성 (paramagnetic) 물질을주입하여자화감수율을유발시킬수있는조영제가필요하고, 주로사용하는것이바로가도리늄이다. 가도리늄을사용할경우신호의변화를약 20% 이상높일수있다. 이것이바로관류영상에조영제를사용하는대표적인이유이다. 따라서이방법은조영제를사용하지않는내인성관류자기공명영상방법에비하여그민감도가매우높아현재임상에대표적으로사용된다. 가도리늄외에사용하는다른조영제는디스프로지움 (Dysprosium-paramagnetic agents), 일반적가도리늄조영제와달리거대분자로만들어진가도리늄과결합된알부민 (Gd bounded-albumin), 초상자성나노입자인철산화물 ( 예 :Ferumoxides) 입자및미세기포 (microbubble) 등이있다. 조영제주입에따른관류영상에서여러인자들을획득하기위해서는 2 구획 (two-compartment) 으로나누어진약물동력학모형 (pharmaco-kinetic model) 을이용하게된다. 그림1 은뇌병변발생에따른조영제가혈관내 (compartment I) 와혈관외세포외공간 (compartment II) 영역을이동하는원리를보여주는 2구획약물동력학모형을보여주고있다. V p 와V e 는 혈장 (plasma) 과혈관외세포외공간영역의체적을나타낸다. K tran 는혈관내영역에서혈관외세포외공간영역으로이동되는조영제의분율을나타내며, 반면에 K ep 는혈관외세포외공간영역에서혈관내영역으로역류되는조영제의분율을나타낸다. 각파라미터에대한설명은본논문의뒤부분의부록에나타나있다. 1) 신호감소를이용한관류자기공명영상조영제주입후영상신호의감소를이용한관류자기공명영상법을위에서언급한바와같이 DSC 방법혹은 T2* 강조법혹은 Bolus Tracking 방법이라고명명되고있다. GD-DTPA 를환자팔의전주와 (Antecubital) 정맥혈에주입하고, 심장을경유하여영상을얻고자하는영역의자화감수율이증가하며, T2* 신호가감소하게된다. 이감소를시간에따른 T2* 이완률상수 (relaxivity constant) 변화 (ΔR2*) 로나타내게된다 (5). 이방법을이용하면혈류 (flow) 영상을효과적으로얻을수있다 (6). 이방법을이용한관류영상을얻기위하여에코플래너영상 (echo-planar imaging, EPI) 시퀀스를주로이용하게되고, 약 20개의절편 (slice) 을얻는데소요되는시간이약 1.5-2초정도로매우빠르다. 정량적인혈류 (flow) 를얻기위해서는시간의변화에따른관심영역으로공급되는동맥에서주입되는조영제농도의변화를알아야하는데이를동맥주입함수 (arterial input function, AIF) 이라고부른다 (7). 미세혈관계 (Microvasculature) 에서의혈류를얻기위해서는경사자장에코 (gradient-echo, T2*W) 보다는스핀에코 (spin-echo, T2W) 시퀀스가선호되고있다. 그러나스핀에코를이용할경우는 AIF를얻기가힘들어정량적인분석을위해서는경사자장에코가선호된다. 대부분의혈류계산모델에서는조영제의농도와 ΔR2* 의변화가선형관계를가지고있다는가정을이용하는데실제로는비선형적 그림 1. 뇌병변발생에따른조영제가혈관내 (compartment I) 와혈관외세포외공간 (compartment II) 영역을이동하는원리를보여주는 2 구획약물동력학모형 - 92-
(quadratic relation) 관계를갖는다. 또한조영제의자화감수율에따른혈관내국소자기장이변화하여선형적인위상 (Phase) 변화를유발하기때문에이위상변화에기초를둔조영제의변화를이용한혈류계산방법이개발되고있다 (8). 그림 2는여러복셀 (voxel) 에서조영제주입시신호획득에따른신호감소의변화를보여주고있다. 영상획득시에처음 9개의영상은조영제주입전에획득한것이며 10번째영상획득시에조영제를주입하였고, 총 56번의뇌전체에대한영상을얻었다. 혈류값 (flow) 을얻기위하여 AIF 값이필요하다. 그러나현재사용되는경사자장에코영상에서는복셀크기가커서국소체적효과 (partial volume effect) 의문제가발생하고있다. 예를들어동맥 (artery) 혈관이주자장 (main magnetic field) 에평행하다고가정하면동맥혈관내부의신호만이변화하게되며국소체적효과에의한복셀내의총신호는혈액 (blood) 과주위조직 (tissue) 의합으로나타난다 (5, 9). 따라서국소체적효과를어렵지만수정할수가있다. 하지만동맥혈관이주자장과평행을이루지않을경우는조영제로인해혈관이외의조직도신호가변화하게된다 (10). 이경우 AIF를중대뇌동맥 (middle cerebral artery, MCA) 나국소 AIF 알고리즘 (local AIF algorithms) 을사용할경우에복셀내의신호는혈관의직경, 혈관에대한복셀의위치, 주자장에대한혈관의각도및복셀의위치에따라변화하여국소체적효과를보정하기가매우힘들다. 최근에는국소 AIF 방법이개발되고있는데이경우는한개의 AIF가아닌각절편마다여러개의복셀에대한 AIF 값을이용한다 (11). 또다른방법으로 ICA(independent component analysis) 방법을이용한국소 AIF 를얻는방법이소개되었다 (11). 주입된조영제는혈관내 (intravascular) 와혈관외-세포외 (extravascular-extracellular space, EES) 공간에만영향을주고, 큰혈관과작은혈관사이에헤마토크릿 (Hematocrit) 양의차이가존재하여이를보정해야하나각각의환자에대해측정하기가불편하여일정상수로처리하고있다. 조영제가시간경과에따른분산 (Dispersion) 효과 (12) 때문에혈류값의오차가발생하고있으나국소 AIF 방법에의하여수정되고있다 (11, 13). 최적의조영제효과를얻기위해서는초당 4 혹은 5 ml 로조영제를주입하고약 20 gauge의정맥주사요법을이용하는것이좋다. 얻어진신호로부터정량적인혈류값을얻기위해서는디콘볼루션 (deconvolution) 방법을사용하는데대표적인방법이특이값분해 (singular value decomposition, SVD) (14) 방법으로낮은신호대잡음비 (signal-to-noise ratio, SNR) 와 residue function에대해독립적이기때문에사용이편리하나조영제의특정영역에도달하는시간 (delay)(12) 에의존도가커서여러다른방법이최근에개발되고있다 (15-17). 현재널리사용되는디콘볼루션방법으로는개선된 SVD(modified SVD), Fourier 방법및 maximumlikelihood expectation maximization (MLEM) 방법등이있다 (18). 영상을얻는부위전체에대한것이아니고특정영역 (Region-of-interest, ROI) 만을정의하여분석시에는각각의복셀에대하여원하는관류관련인자를구하고그 ROI에대한평균하는방법과 ROI의신호를먼저평균하고관류관련인자를구하는방법이사용되고있다. 현재관심은종양환자에서혈관내에서혈관외로조영제가빠져나가는정도를나타내는투자율 (permeability) 영상에있다. 일반적으로 DSC 방법을이용한투자율영상은쉽지않기때문에그것을대체할수있는방법이소개되고있다. 그대표 그림 2. 여러복셀에서조영제주입시신호획득에따른신호감소. 영상획득시처음 9 개의영상은조영제주입전에획득한것이며, 10 번째영상획득시에조영제를주입하였고, 총 56 번의뇌전체에대한영상을얻었다 (TR=1.8 s, TE=35 ms). - 93-
장건호 외 적인 방법이 조영제 주입 후 감소되었던 신호가 얼마만큼 회복 되는 가 (percent signal recovery, PSR)를 평가하는 방법이 소개되었다(19). 이 PSR 방법을 이용한 악성 신경교종 (malignant glioma)과 전이암(metastasis)을 구별하는 것인 데 사용한 결과 전이암의 경우 PSR값이 모세혈관(capillary) 에서의 가도리늄 조용제의 누수 때문에 감소된다고 보고하였다 (19, 20). 신경교종의 등급(glioma grading)을 위해서는 혈류 량(flow volume)값이 일반적으로 사용되어 혈류량이 클수록 높은 등급의 종양이 된다고 보고하였다. 하지만 희소돌기아교세 포종 또는 핍지교종 (oligodendroglioma)의 경우는 등급에 관 계없이 맥관질(vascularity)이 증가해서 혈류량을 이용할 수 없다. 따라서 혈류량을 이용한 등급 결정시에는 원섬유성 별세 포종(fibrillary astrocytoma)의 경우만을 이용하는 것이 좋 다. 종양의 등급을 위한 또 하나의 방법으로 아래의 DCE 방법 에서 소개될 Ktrans영상을 이용하고 있다. 그림3은 신경교종 (glioblastoma, 3a)와 핍지교종 (oligodendroglioma, 3b) 에 서 DSC 관류 방법을 이용하여 얻은 혈류량 영상을 보여주고 있다. 2) 신호증가를 이용한 관류 자기공명영상 가도리늄 조영제의 주입으로 조영제는 혈장(blood plasma) 영역으로 들어온 후 인체의 물 성분들과 빠른 시간 내에 평형상 태(steady-state)를 유지하며 신장(Kidney)를 통하여 제거되 거나 혈관외-세포외 영역 (EES, ve)으로 흘러 들어오게 된다. 이 조영제는 조직의 T1 값을 감소시켜 T1 강조 영상에서 신호 강도를 증가시키는 역할을 한다. 조영제의 양에 따른 T1 감소 는 다음과 같이 나타낼 수 있다. R1(t)=R10+r1C(t) [1] 여기서 R1은 조영제 주입후의 이완률(relaxation rate, 1/T1)이며 R10은 조영제 주입전의 R1, r1은 조영제의 단위농 도당 이완률의 증가(Relaxivity)이며, C(t)은 조직내 조영제의 시간에 따른 농도이다. 이 조영제는 정상세포에서는 뇌혈관장벽 (blood brain barrier, BBB)을 통과하지 못하지만, 종양 (tumor)이나 다발성 경화증(multiple sclerosis, MS) 등의 질환에서는 혈관외-세포외 영역으로 들어가게 된다. 따라서 이 들 환자에서는 기존에 얻었던 혈류량과 평균전이상수(MTT) 혹 은 혈류(flow) 외에 최근 들어 다른 생리학적인 인자들에 관심 을 갖게 되었는데, 그 인자는 혈관내시세포의 포면 투자율 (Permeability surface area product of the endothelium, 그 림 3. 신 경 교 종 (glioblastoma, 3a)와 핍 지 교 종 (Oligodendroglioma, 3b) 에서 DSC 관류 방법을 이용하여 얻 은 혈류량 영상. 조영제 주입후 T1 강조영상(CE T1WI), 컴퓨 터단층촬영(CT), T2 강조영상(T2WI), 혈류량(CBV) a b - 94 -
PS) 및혈관외-세포외영역의체적 (EES v e ) 이다 (21). 시간에따른조직내조영제농도 C p 와이들인자들간에관계는아래의식으로표현할수있다. dc t dt =CBF ρ(1-hct) C p - C t / νe [2] 여기서 CBF는혈류 (ml/g/min) 를, ρ는조직의밀도 (g/ml), C p 는동맥혈액프라즈마내의조영제농도 (mm), v e 는총 EES 체적 (ml) 이다. 따라서투자율이매우높은상황 (PS >> CBF) 에서는 K tran = CBF ρ (1-Hct) 이되고, 투자율이낮은경우 (PS << CBF) 에는 K tran = PS ρ이된다. 마지막으로상수률과 K tran 과의관계는 K ep = K tran /νe 로표현할수있다. 하지만이들인자를일일이측정하기가싶지않아서상수률 (constant rate) k ep (=PS/v e ) 을대신사용하기도한다. 그림 4은 DCE 방법을이용한관류자기공명영상에서나타나는조영제주입후의시간경과에대한신호의변화를보여주고있 그림 4. DCE 방법을이용한관류자기공명영상에서나타나는조영제주입후의시간경과에대한신호의변화. 처음 2 개까지는조영제를주입하지않은상태로신호를얻은것이며, 3 번째영상획득부터조영제를주입하여신호가계속증가되는것을보여주고있다. 관심영역은그림 5 에표시하였으며위의선은병변에서아래선은정상유방조직에서얻은것이다. 다. 처음 2개까지는조영제를주입하지않은상태로신호를얻은것이며, 3번째영상획득부터조영제를주입하여신호가계속증가되는것을보여주고있다. DCE 방법을이용할경우는 3차원고속경사자장에코 (3D Fast gradient-echo) T1 강조시퀀스를사용하게되고, TR 및 TE가짧은상태로촬영을하게된다 (TR < 7 msec, TE < 1.5 msec, flip angle 30 ) (22). 뇌혈관장벽 (BBB) 이손상되면조영제가혈관내에게혈관밖으로빠져나가는일이발생하게된다. 이경우정확한혈류값을얻는데문제가발생하게된다. 따라서이누수 (leakage) 현상을최소화시키는작업이필요한데보통지연된영상획득시간과고농도의조영제주입 ( 약 3배 ) 으로최소화할수있다. 종양의경우조영제의흡착이투자율에의한효과가아닌단순히혈류 (flow) 현상만을반영할수있다. 따라서혈류와투자율의감별을위하여교환상수 (transfer constant) K trans 값을혈관내시세포의포면투자율 (PS) 의대용으로사용하기도한다 (23, 24). 그대용조건은다발성경화증과같은제한된투자율의경우 (flow>>ps) 에는 K trans 값이 PS 값과같다는조건을사용하고 (K trans =PS), 종양과같은제한된혈류의경우 (flow<<ps) 에는 K trans 값이 flow 값과같다는조건을 (K trans =flow) 사용한다. 급성다발성경화증 (Acute MS) 병변영역에서는 K trans 값이약 0.050/min 정도이고 v e 값은약 21% 정도인것으로밝혀졌으며, 만성다발성경화증 (Chronic MS) 병변영역에서는 K trans 값이약 0.013/min로감소되고 v e 값은약 49% 정도로증가되는것으로밝혀졌다. 또한, 현재유방및전립선암에서도 K trans 영상을얻는연구가진행중에있다 (25). 하지만 T1 강조 DCE MRI을이용해서혈류값을구하기위해서는낮은 PS (flow>>ps) 및적당량의혈장체적 (blood plasma volume, v p ) 조건을만족해야한다. 현재 T1 강조 DCE 방법이직면하고있는문제는첫째얼마나정확하게 AIF을측정할수있는가, 둘째조영제가얼마나균일하게조직내에분포되는가 (tissue homogeneity), 셋째영상의공간회상도 (spatial resolution) 및시간회상도 (temporal resolution) 를향상시키는문제와, 넷째혈류 (flow) 및투자율 (permeability) 을혈관신생 (angiogenesis) 그림 5. DCE 방법을이용하여촬영한유방암환자에서얻은혈류량영상. 숫자가의미하는것은영상의스캔번호이며, Subt 는 11 번째영상에서 2 번째영상을뺀것이고, InitS 는 initial slope 을 AUC 는 area under curve 를의미한다. - 95-
장건호외 와관련시켜어떻게해석하고, 마지막으로 K trans 및v e 를임상에서손쉽게얻을수있는소프트웨어를만드는것이다. 앞으로기대되는분야는 K trans 을보다쉽게얻기위하여새로운형태의조영제가만들어질것으로예상된다 (23, 26). 그림 5는 DCE 방법을이용하여촬영한유방암환자에서얻은혈류량영상을보여주고있다. 숫자가의미하는것은영상의스캔번호이며, Subt는 11번째영상에서 2번째영상을뺀것이고, InitS는조영제가관심영역으로얼마나빨리들어오는가를보여주는 그림 6. 동맥스핀라벨링 (ASL) 관류자기공명영상법을이용하여얻은시간경과에따른신호값. 십자표시는실제획득한신호값이며, 점선은자유롭게수소원자가혈관내에서혈관외로이동하는경우 (free diffusible) 와실선은이동에제한이있는경우 (PS limited) 을보여주고있다. initial slope 영상을 AUC는조영제가총들어온량을의미하는 area under curve 이다. 2. 내인성관류자기공명영상동맥스핀라벨링 (arterial spin labeling, ASL) 관류자기공명영상 (27) 을얻기위하여일반적으로두번의영상을촬영하게되는데, 첫번째영상에서는혈액에특정라디오주파스펄스를가하지않고영상을얻고 (Control or Reference), 두번째영상에서는혈액을자화시킨후에영상을얻어 (Labeled or Tagged) 두영상의차가관류값에비례해서나타나게된다. 백질혹은회백질등의세포신호 (static tissue) 의기여도를최소한도로줄이고혈액의라벨링 (blood labeling) 효과를최대한도로높이기위해서최근까지아래에요약한여러 ASL 방법이개발되고있다. 세포신호의기여로관류량의계산에오차가발생하는데그주된이유중의하나가자화전이 (magnetization transfer, MT) 효과에의한것이다. 라벨링하는동안에주워지는라디오펄스에의하여영상을촬영하고자하는영역의뇌세포신호를작지만변화시킬수있는자화전이현상이발생하게된다. 반면에라벨링을하지않을경우에는이런자화전이현상이일어나지않는다. 따라서자화전이가발생된영상과그렇지않은영상의차이에서관류관련현상외에자화전이효과가함께나타나게된다. 이것을최소화시키기위하여그동안많은방법들이제안되고있다. 대부분의 ASL 방법을이용한관류값을얻기위해서는단하나의라벨링시간을이용하여영상을얻게된다. 여러개의라벨링시간을이용하지못하는이유는 ASL 방법에의하여얻어 그림 7. 3 테슬라 MRI 에서 PASL 방법을이용하여얻는정상인의뇌에서의라벨링한후에얻은 EPI 영상과각절편에서의 CBF 영상. 뇌의회백질에는백질에비하여높은 CBF 를보여주고있다. - 96-
지는두영상의차 (Perfusion-weighted imaging, PWI) 영상에서 SNR이너무낮아약 40번에서 60번가량을반복하여영상을얻게된다. 따라서이경우보통검사시간이 4분에서 5 분정도가소비된다. 또한이경우에는라벨링시간에대한최적화가필수적으로이루어져야한다. 최근에는 Look-Locker 영상기법을이용한여러라벨링시간에대한영상을약 5분정도에얻을수있어 DSC 혹은 DCE 방법에서와같이시간경과에따른라벨링신호의전체적인변화를얻을수있다. 그림 6 은 ASL 관류자기공명영상법을이용하여얻은시간경과에따른신호값을보여주고있다. 십자표시는실제획득한신호값이며, 점선은자유롭게수소원자가혈관내에서혈관외로이동하는경우 (free diffusible) 와실선은이동에제한이있는경우 (PS limited) 을보여주고있다. 따라서이방법을이용할경우 DSC와 DCE 방법에서와같이 ASL 방법에서도혈류와혈류량그리고여러시간관련인자들을획득할수있다. ASL 방법에는크게 3 가지로구분이된다. 첫째는아주짧은시간동안만라벨링펄스를주는순간동맥스핀라벨링 (pulsed ASL, PASL) (28-33) 과라벨링펄스를계속적으로가하는연속동맥스핀라벨링 (continuous ASL, CASL) (34-36) 및혈액의일정속도이상이되는경우만을라벨링하는속도선택동맥스핀라벨링 (velocity selective ASL, VSASL) (37, 38) 방법이있다. 순간동맥스핀라벨링 (PASL) 방법은약 15 ms의짧은시간동안혈액을라벨링하기때문에일반적으로사용되고있는 MRI 장비에서제공되는라디오펄스와경사자기장을이용하여라벨링이가능하며간편한것이특징이다. 여기에속한방법으로는 FAIR(30), PICORE(32), EPISTAR(39), SMRAT(40), UNFAIR(41, 42), BASE(43), EST(44), TITL(29), DIPLOMA(45) 및 IDOL(46) 등이있다. 반면에연속동맥스핀라벨링 (CASL) 방법은약 1초혹은 2초의긴시간동안혈류속도에따른반전펄스 (flow driven adiabatic inversion)(35) 를이용하여혈액을라벨링하는방법으로일반적으로 MRI 사용되는라디오펄스와경사자장으로는사용하기힘들고특별한하드웨어의지원이필요하고 PASL 방법에비하여어려움이있지만 SNR이높은것이장점이다 (47). 또한최근에 pseudo-casl이개발되고있으며 (48, 49), 이방법에서는기존의 CASL에서사용되는연속적인라디오펄스 (continuous RF irradiation) 를가하는것과다르게분리된연속적인라디오 (discrete RF) 펄스로이용하여혈액을라벨링하고있다. 또한기존 CASL에서사용되는특수연속경사자장 (continuous gradient) 부분을분리된연속적인경사자장 (discrete gradient) 으로대처하였다. 이로인해 RF 펄스의공명영역이증가하여 MT 효과를약 20% 줄었으며 SNR을높이고특별하드웨어없이일반장비에서도사용가능하다. 그림 7은 3테슬라 MRI에서 PASL 방법을이용하여얻는정상인의뇌에서의라벨링한후에얻은 EPI 영상과각절편에서의 CBF 영상을보여주고있다. 뇌졸증환자와같은뇌혈관질환환자의경우라벨링된혈액 이영상획득영역으로흐르는시간이각각다르며혈액의 T1 값보다시간이길게될수있다. 이런경우에속도선택 ASL(VSASL) 방법을사용하게되는데그원리는혈액의최저속도를기준으로 (cutoff velocity Vc) 그이상의혈류에대해서만라벨링하는방법이다. 이경우특정위치에대하여라벨링을하는것이아니고일정시간 TI 후에피의속도가 Vc 이하인것만을 (decelerated blood only) 라벨링하는방법이다. 이방법을이용하면정맥혈액의가속효과때문에정맥혈액의기여도를줄일수있다. 또한, 최근에 ASL 방법을이용한혈관영역 (vascular territory) 영상을얻는방법이개발되고있는데, 이방법은뇌혈관질환환자에서협착성혈관 (stenotic vessel) 들이여러개있을경우경동맥내막절제술 (carotid endarterectomy), 스텐트삽입술 (stenting), 혹은우회술 (bypass) 등의중재시술을수행할경우에유용하게사용될수있다. 혈관영역영상법 (Vascular territory imaging, VTI) 은 PASL 방법을이용하여일부급양동맥 (feeding artery) 만을라벨링하는방법이다 (50-52). 이렇게다양한라벨링방법과함께이방법을이용한영상을얻는시권스또한많이개발되었다. 주로에코플래인영상을이용한것이대부분이나영상의질을향상시키기위하여다른시퀀스들도이용되고있다. 예를들면 SEEPAGE(53) 시퀀스, STAR-HASTE 시퀀스 (54), PULSAR(55) 시퀀스, IDOL- Turbo FLASH(46), QUASAR(56), FAIREST(57), ITS- FAIR(58), FAIRER(59-60), QUIPSS(32), QUIPSS II(33), Q2TIPS(61), ASSIST(62) 이다. ASL 영상방법을이용하는경우는일반적으로얻을수있는 CBF 값외에추가적으로전혀다른인자를얻을수있다. 라벨링을하지않고얻어지는영상은일반적으로사용되는뇌기능영상 BOLD(blood oxygenation-level dependent) 기법과거의동일한상태에서얻는것이며, 라벨링하여얻어지는것은후에 CBF 값을얻게된다. 따라서 BOLD 뇌기능영상과 CBF 영상을함께얻을수있으며, 이를이용하여산소대사 (oxygen metabolism, CMRO2) 을얻을수있다 (63, 64). 결론최근들어관류자기공명영상기술들이많이진보되어현재각종임상연구에이용되고있다. 실제관류자기공명영상을환자에서얻기위해서는최적의프로토콜을이용하여병을이해하는데가장적합한인자들을얻는것이중요하다. 현재관류자기공명영상을얻는방법에는세가지로분류할수있으며, DCE 나 DSC 방법은뇌졸증영상이나뇌종양환자에주로사용되어병의종류와등급의정확성을이해하는데기여하고있다. ASL 방법은퇴행성뇌질환등의임상연구에많이사용되고있지만, 아직실제임상적용이많이이루어지지않고있다. 앞으로관류자기공명영상기술은방사성물질을전혀사용하지않아소아혹은가임여성의뇌관류영상획득에유의하게사용될것으로 - 97-
장건호외 예상하며약물효과의평가와기타치료효과를이해하는데많은응용이있을것으로생각된다. Appendix 관류자기공명영상과관련된약어는아래와같다. DCE: Dynamic Contrast Enhanced (bolus passage) DSC: Dynamic Susceptibility Contrast (bolus tracking) PS: Permeability surface area product of the endothelium R 1 : Spin-lattice or longitudinal relaxation rate (1/T1) R 2 : Spin-spin or transverse relaxation rate (1/T2) EES: Extravascular Extracellular Space CBV: Cerebral Blood Volume (ml blood/100gm tissue) CBF: Cerebral Blood Flow (ml blood/100gm tissue/min) v e : Fractional volume of the EES, 0<v e <1 VSASL: Velocity selective ASL VTI: Vascular territory imaging AIF: Arterial Input Function( 동맥주입함수 ) T1W: T1-weighted BBB: Blood Brain Barrier v p : Blood plasma volume T2*W: T2*-weighted(T2* 강조 ) MTT: Mean Transit Time (min)( 평균전이상수 ) k ep : Constant rate( 상수률 ), PS/v e K trans : Transfer constant( 전이상수 ) ASL: Arterial spin labeling( 동맥혈스핀라벨링 ) PASL: Pulsed ( 순간라벨링 ) ASL CASL: Continuous( 연속라벨링 ) ASL 참고문헌 1.Barbier EL, Lamalle L, Decorps M. Methodology of brain perfusion imaging. J Magn Reson Imaging 2001;13:496-520 2.Brown GG, Clark C, Liu TT. Measurement of cerebral perfusion with arterial spin labeling: Part 2. Applications. J Int Neuropsychol Soc 2007;13:526-538 3.Rosen BR, Belliveau JW, Vevea JM, Brady TJ. Perfusion imaging with NMR contrast agents. Magn Reson Med 1990;14:249-265 4.Ogawa S, Lee TM, Kay AR, Tank DW. Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation. Proc Natl Acad Sci U S A 1990;87:9868-9872 5.van Osch MJ, Vonken EJ, Viergever MA, van der Grond J, Bakker CJ. Measuring the arterial input function with gradient echo sequences. Magn Reson Med 2003;49:1067-1076 6.Johnson G, Wetzel SG, Cha S, Babb J, Tofts PS. Measuring blood volume and vascular transfer constant from dynamic, T(2)*-weighted contrast-enhanced MRI. Magn Reson Med 2004;51:961-968 7.Fritz-Hansen T, Rostrup E, Larsson HB, Sondergaard L, Ring P, Henriksen O. Measurement of the arterial concentration of Gd-DTPA using MRI: a step toward quantitative perfusion imaging. Magn Reson Med 1996;36:225-231 8.Bleeker EJ, van Buchem MA, Webb AG, van Osch MJ. Phasebased arterial input function measurements for dynamic susceptibility contrast MRI. Magn Reson Med 2010;64:358-368 9.van Osch MJ, Vonken EJ, Bakker CJ, Viergever MA. Correcting partial volume artifacts of the arterial input function in quantitative cerebral perfusion MRI. Magn Reson Med 2001;45:477-485 10.van Osch MJ, van der Grond J, Bakker CJ. Partial volume effects on arterial input functions: shape and amplitude distortions and their correction. J Magn Reson Imaging 2005;22:704-709 11.Calamante F, Morup M, Hansen LK. Defining a local arterial input function for perfusion MRI using independent component analysis. Magn Reson Med 2004;52:789-797 12.Calamante F, Gadian DG, Connelly A. Delay and dispersion effects in dynamic susceptibility contrast MRI: simulations using singular value decomposition. Magn Reson Med 2000;44:466-473 13.Alsop DC, Wedmid A, Schlaug G. Defining a local input function for perfusion quantification with bolus contrast MRI. 2002; Honolulu, Hawaii p659 14.Ostergaard L, Weisskoff RM, Chesler DA, Gyldensted C, Rosen BR. High resolution measurement of cerebral blood flow using intravascular tracer bolus passages. Part I: Mathematical approach and statistical analysis. Magn Reson Med 1996;36:715-725 15.Wu O, Ostergaard L, Weisskoff RM, Benner T, Rosen BR, Sorensen AG. Tracer arrival timing-insensitive technique for estimating flow in MR perfusion-weighted imaging using singular value decomposition with a block-circulant deconvolution matrix. Magn Reson Med 2003;50:164-174 16.Smith MR, Lu H, Trochet S, Frayne R. Removing the effect of SVD algorithmic artifacts present in quantitative MR perfusion studies. Magn Reson Med 2004;51:631-634 17.Vonken EP, Beekman FJ, Bakker CJ, Viergever MA. Maximum likelihood estimation of cerebral blood flow in dynamic susceptibility contrast MRI. Magn Reson Med 1999;41:343-350 18.Chen JJ, Smith MR, Frayne R. Advantages of frequency-domain modeling in dynamic-susceptibility contrast magnetic resonance cerebral blood flow quantification. Magn Reson Med 2005;53:700-707 19.Lupo JM, Cha S, Chang SM, Nelson SJ. Dynamic susceptibility-weighted perfusion imaging of high-grade gliomas: characterization of spatial heterogeneity. AJNR Am J Neuroradiol 2005;26:1446-1454 20.Cha S, Lupo JM, Chen MH, Lamborn KR, McDermott MW, Berger MS, Nelson SJ, Dillon WP. Differentiation of glioblas- - 98-
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J. Korean Soc. Magn. Reson. Med. 15:91-101(2011) Principles and Technical Aspects of Perfusion Magnetic Resonance Imaging Geon-Ho Jahng 1, Ho-Sung Kim 2, Sun Mi Kim 1, Chang-Woo Ryu 1 1 Department of Radiology, Kyung Hee University Hospital-Gangdong, School of Medicine, Kyung Hee University, Seoul, South Korea 2 Department of Radiology, Asan Medical Center, School of Medicine, Ulsan University, Seoul, South Korea Perfusion magnetic resonance imaging (pmri) is a special technique for evaluation of blood flow. Exogenous pmri methods which are dynamic susceptibility contrast (DSC) and dynamic contrast-enhanced (DCE) use an intravenous bolus injection of paramagnetic contrast agent. In contrast, an endogenous pmrm method which is arterial spin labeling (ASL) use diffusible blood in body. In order to scan pmri in human, technical optimizations are very important according to disease conditions. For examples, DSC is popularly used in patients with acute stroke due to its short scan time, while DSC or DCE provides the various perfusion indices for patients with tumor. ASL is useful for children, women who are expected to be pregnant, and in patients with kidney diseases which are problematic in nephrogenic systemic fibrosis (NSF). Perfusion MRI does not require any injection of radioisotopes. We expect that demand for perfusion MRI will be higher in evaluating drug efficacy and other treatment effects. Index words : Perfusion MRI Principle Technical aspect DSC DCE ASL Address reprint requests to : Geon-Ho Jahng, Ph.D., Department of Radiology, Kyung Hee University Hospital-Gangdong, School of Medicine, Kyung Hee University, 149 Sangil-dong, Gangdong-gu, Seoul 134-727, Korea. Tel. 82-2-440-6187 Fax. 82-2-440-6932 E-mail: ghjahng@gmail.com - 101-