KR101447547B1

KR101447547B1 - 자기 공명 영상 촬상 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101447547B1
Application number: KR1020120133941A
Authority: KR
Inventors: 프라빈 굴라카; 최상천
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2012-11-23
Filing date: 2012-11-23
Publication date: 2014-10-06
Also published as: CN103829948B; US20140145718A1; US20150054507A1; EP2735880A1; US8878535B2; CN103829948A; KR20140066554A; WO2014081095A1; US9244143B2; EP2735880B1

Abstract

모션 아티팩트에 강인한 자기 공명 영상을 얻기 위해, k-공간 중심에서 오버샘플링이 가능한 펄스 시퀀스를 이용하는 자기 공명 영상 촬상 방법 및 장치가 개시된다.

Description

자기 공명 영상 촬상 방법 및 장치{METHOD FOR IMAGING MAGNETIC RESONANCE IMAGE AND APPRATUS USING THE SAME THEREOF}

본 발명은 k-공간(k-space) 중심에서 조밀한 데이터를 획득할 수 있는 자기 공명 영상(MRI: Magnetic Resonance Imaging) 촬상 방법 및 이를 이용한 k-공간(k-space) 중심에서 조밀한 데이터를 획득할 수 있는 자기 공명 영상 촬상 장치에 관한 것이다.

자기 공명 영상은 원자핵을 자장에 노출시킨 후 공명을 통해 얻어지는 정보로 영상을 나타낸 것이다. 원자핵의 공명이란 외부 자장에 의해 자화된 상태의 원자핵에 특정한 고주파를 입사시키면 낮은 에너지 상태의 원자핵이 고주파 에너지를 흡수하여 높은 에너지 상태로 여기되는 현상을 말한다. 원자핵은 종류에 따라 각기 다른 공명주파수를 가지며 공명은 외부 자장의 강도에 영향을 받는다. 인체 내부에는 무수히 많은 원자핵이 있으며 일반적으로 수소 원자핵을 자기 공명 영상 촬상에 이용한다.

자기 공명 영상 시스템은 비침습적이고(noninvasive), CT 장치에 비하여 조직의 대조도가 우수하며, 골조직에 의한 아티팩트(artifact)가 발생하지 않는다는 장점이 있다. 또한 자기 공명 영상 시스템은 대상체의 위치 변화 없이도 원하는 방향에 따라 다양한 단면을 촬영할 수 있으므로, 다른 화상 진단 장치와 함께 널리 이용된다.

자기 공명 영상에 의한 진단법은 여러 가지 장점을 가지지만 자기 공명 영상 촬상 시, 특히 뇌조직을 촬상하는 경우 대상체(주로 사람의 조직)의 움직임에 의해 발생하는 모션 아티팩트(motion artifact)는 자기 공명 영상의 질을 저하시키는 주된 원인이 된다.

모션 아티팩트를 줄이기 위해서는 유효한 촬상 데이터의 양을 많이 획득하여 신호 대 잡음비(SNR : Signal to Noise Ratio)를 높이거나, 스캔시간(scan time)을 짧게 하는 것이 필요한데 이 두 가지 요소는 서로 상대적인 상쇄관계(trade-off)에 있어 두 가지를 동시에 만족시키는 절충점을 찾는 방안이 요구된다. 스캔시간은 펄스 시퀀스에서 90° 펄스와 다음 90° 펄스의 한 주기를 의미하는 TR(Repetition Time, 반복 시간) 횟수, TR 반복주기와 비례하는 관계에 있다.

본 발명의 목적은 자기 공명 영상 촬상 시, 스캔시간을 단축하고 모션 아티팩트에 강인한 자기 공명 신호를 획득하는 자기 공명 영상 촬상 방법 및 장치를 제공하는 데 있다. 또한, 이와 같은 자기 공명 영상 촬상 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는 데 있다. 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 공명 영상 촬상 방법은, RF(Radio Frequency) 펄스 시퀀스를 인가하는 단계; 상기 인가된 펄스 시퀀스에 대한 응답으로 자기 공명 신호를 획득하는 단계; 및 상기 획득된 자기 공명 신호로부터 자기 공명 영상을 생성하는 단계를 포함하고, 상기 인가된 펄스 시퀀스는 k-공간(k-space)에서 나선형 궤적을 갖는 적어도 하나의 나선형 펄스 시퀀스 및 k-공간에서 적어도 하나의 블레이드(BLADE)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 공명 영상 촬상 장치는, 자기 공명 신호 획득에 사용되는 RF(Radio Frequency) 펄스 시퀀스를 생성하는 RF 펄스 생성부; 상기 인가된 펄스 시퀀스에 대한 응답으로 자기 공명 신호를 획득하는 신호 획득부; 및 상기 획득된 자기 공명 신호를 처리하여 자기 공명 영상을 생성하는 데이터 처리부를 포함하고, 상기 인가된 펄스 시퀀스는 k-공간(k-space)에서 나선형 궤적을 갖는 적어도 하나의 나선형 펄스 시퀀스 및 k-공간에서 적어도 하나의 블레이드(BLADE)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 나선형 펄스 시퀀스는 2 차원 k-공간에 존재하고, 상기 적어도 하나의 나선형 펄스 시퀀스의 궤적은 상기 2 차원 k-공간의 중심을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 블레이드는 상기 2 차원 k-공간에 존재하고, 상기 적어도 하나의 블레이드의 궤적은 상기 2 차원 k-공간의 중심에서 다른 펄스 시퀀스와 교차하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 인가된 펄스 시퀀스는 두개의 블레이드를 포함하고, 상기 두개의 블레이드의 궤적은 서로 직교하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 인가된 펄스 시퀀스는 복수 개의 나선형 펄스 시퀀스를 포함하고, 상기 복수 개의 나선형 펄스 시퀀스는 3차원 k-공간에 존재하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 복수 개의 나선형 펄스 시퀀스 각각의 궤적은 상기 3차원 k-공간의 한 축에 수직하며, 서로 평행한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 복수 개의 나선형 펄스 시퀀스의 궤적은 상기 3차원 k-공간의 한 축을 중심으로 서로 교차하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 블레이드는 상기 3차원 k-공간에 존재하고, 상기 적어도 하나의 블레이드의 궤적은 상기 복수 개의 나선형 펄스 시퀀스 각각과 나선 중심에서 교차하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 블레이드는 EPI(Echo Planar Imaging) 기법, FSE(Fast Spin Echo) 기법 또는 PI(Parallel Imaging) 기법 중 적어도 하나의 기법에 따라 생성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 블레이드는 등간격이 아닌 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은 상기 자기 공명 영상 촬상 방법을 실행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.

본 발명에 따르면, 자기 공명 신호를 얻기 위한 RF 펄스 시퀀스를 인가할 때, k-공간(k-space) 중심을 지나는 나선형 펄스 시퀀스와 블레이드 펄스 시퀀스를 인가함으로써 스캔시간을 단축하고 모션 아티팩트에 강인한 자기 공명 영상을 생성할 수 있다.

도 1은 자기 공명 영상 시스템의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 자기 도 1은 자기 공명 영상 시스템의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 자기 공명 영상 시스템에서 자기 공명 신호를 획득하는 자기 공명 영상 촬상 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 자기 공명 영상을 촬상하는 방법의 일 실시예를 나타낸 흐름도이다.
도 4는 PROPELLER기술을 이용하는 2차원 k-공간의 블레이드 궤적을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 k-공간의 펄스 궤적을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 k-공간의 펄스 궤적을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 또 다른 3차원 k-공간의 펄스 궤적을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드를 생성하는 방법 및 궤적을 도시한 도면이다.
도 9는 ACS(Auto Calibrationi Signal) 라인이 추가된 블레이드의 궤적을 도시한 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본 실시예에서 사용되는 '부'라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '부'들로 더 분리될 수 있다.

도 1은 자기 공명 영상 시스템의 전체 구조를 개략적으로 도시한 구성도이다. 자기 공명 영상 시스템(100)은 자기 공명 영상 촬상 장치(110), 자기 공명 영상 처리 장치(130) 그리고 영상 표시 장치(150)를 구비한다. 자기 공명 영상 시스템(100)을 구성하는 각 장치들은 도 1에 도시된 바와 달리 물리적으로 분리되어 있지 않고 통합된 형태일 수 있다.

자기 공명 영상 촬상 장치(110)는 자기 공명 영상 처리 장치(130)로부터 자기 공명 영상을 촬상하기 위한 제어신호를 입력받고 이를 이용하여 작동하며, 마그네트 시스템(112) 내에 위치한 대상체(114)로부터 자기 공명 영상을 생성하기 위해 사용되는 자기 공명 신호를 획득하여 자기 공명 영상 처리 장치(130)로 출력한다. 대상체(114)는 크레들(116)에 의해 마그네트 시스템(112) 내부로 이동하게 된다.

자기 공명 영상 처리 장치(130)는 자기 공명 영상 촬상 장치(110)로부터 자기 공명 신호를 입력받아 이를 재구성하여 대상체의 자기 공명 영상을 생성하고, 생성된 자기 공명 영상을 영상 표시 장치(150)로 전달한다. 자기 공명 영상 처리 장치(130)는 사용자로부터 제어정보 등을 입력받기 위한 사용자 인터페이스(도시되지 않음), 자기 공명 신호를 재구성하여 자기 공명 영상을 생성하는 영상 처리 프로세서(도시되지 않음), 생성된 자기 공명 영상과 여러가지 정보를 저장할 수 있는 스토리지(도시되지 않음), 자기 공명 영상 촬상 장치(110) 및 영상 표시 장치(150)와의 연결을 위한 입출력부(도시되지 않음) 등을 구비할 수 있다.

영상 표시 장치(150)는 자기 공명 영상 처리 장치(130)로부터 생성된 자기 공명 영상을 입력받고 디스플레이부에 표시한다.

도 2는 자기 공명 영상 시스템에서 자기 공명 신호를 획득하는 자기 공명 영상 촬상 장치(210)를 도시한 도면이다. 자기 공명 영상 촬상 장치(210)는 마그네트 시스템(220), 경사 자장 구동부(230), RF(Radio Frequency) 구동부(240), 신호 획득부(250) 및 제어부(260) 등을 구비한다. 마그네트 시스템(220)은 다시 주자장 코일부(222), 경사 자장(Gradient Magnetic Field) 코일부(224) 및 RF(Radio Frequency) 코일부(226)를 포함한다. 자기 공명 영상 촬상 장치(210)는 신호를 증폭하기 위한 증폭기와 노이즈 처리를 위한 저역 통과 필터(Low Pass Filter) 등을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르는 도 2의 자기 공명 영상 촬상 장치(210)의 마그네트 시스템(220)은 주자장 코일부(222), 경사 자장 코일부(224), RF 코일부(226)를 포함하는데, 이들은 원통 형상을 가지며, 동축을 중심축으로 하여 배치되어 있다. 도 2에서 보는 바와 바깥쪽에서부터 주자장 코일부(222), 경사 자장 코일부(224), RF 코일부(226) 순서로 배치되어 있으며, RF 코일부(226) 안쪽은 대상체가 위치할 수 있도록 비어 있는 구조이다. 대상체(114)를 크레들 위에 위치하도록 하고, 크레들을 마그네트 시스템(220) 내부로 이동시킴으로써 대상체(114)에 자장과 고주파를 인가할 수 있게 된다.

주자장 코일부(222)는 마그네트 시스템(220) 내부 공간에 정자장(Static Magnetic Field)을 형성한다. 정자장의 방향은 대상체의 체축, 다른 말로 길이 방향과 평행하거나 또는 수직일 수 있다. 이하 설명에서는 대상체의 체축 방향에 평행한 수평 자장인 경우를 일 실시예로써 설명한다.

수소 원자핵은 스핀운동으로 인하여 자기 모멘트(magnetic moment) 다른 말로, 자기 쌍극자 모멘트(magnetic dipole moment)를 가지게 되며 외부 자계가 없을 때 이 자기 모멘트의 방향은 일정한 규칙이 없이 무작위성을 가진다. 하지만 수소 원자가 정자장 안에 놓이게 되면 원자핵들은 낮은 에너지 상태로 가기 위해 정자장 방향으로 정렬하게 된다. 예를 들어, 수소 원자에 정자장

를 인가하면 자기 모멘트의 방향이

방향으로 정렬된다. 하지만 수소 원자핵은 스핀운동을 하고 있기 때문에

방향과

만큼 기울어진 채로 정렬하여 세차운동(precessional motion)을 하게 된다. 이 세차운동의 주파수를 라모 주파수(Lamor Frequency)라고 하며 자기 회전비(Gyromagnetic Ration)

와 외부에서 인가된 자기장의 세기

에 의해 라모 주파수

는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

자기 회전비

는 원자핵에 따라 다른 값을 가지는 고유의 비례상수이다.

수소 원자핵의 경우 1.0 Tesla의 자장에서 42.58Hz의 라모 주파수를 가진다. 원자핵에 이러한 라모 주파수에 해당하는 전자파를 가하면 낮은 에너지 상태의 원자핵이 높은 에너지 상태로 천이하게 된다. 한편, 정자장을 만드는 역할을 하는 자석으로는 영구자석, 상온전자석, 초전도전자석 등이 이용될 수 있다.

경사 자장 코일부(224)는 서로 수직인 3개의 축의 방향으로 경사 자장(Gradient Magnetic Field)을 형성한다. 이와 같은 3개의 축은 각각 슬라이스 축, 주파수 축, 위상 축을 의미한다. 정자장이 형성된 내부 공간에 있어서 서로 수직인 3개의 좌표축을 각각 x, y, z 라고 했을 때 그 중 어느 축이라도 슬라이스 축이 될 수 있다. 이때 그 나머지 두 축 중 하나는 주파수 축이고, 또 다른 하나는 위상 축이 된다. 슬라이스 축은 대상체의 체축 즉, 길이 방향에 대해 특정 각도로 기울어진 방향으로 설정될 수도 있다. 이하에서는 z 축을 슬라이스 축으로 결정하고, x 축을 주파수 축, y 축을 위상 축으로 한 경우를 상정하여 설명하며, z 축은 대상체의 체축 즉, 길이 방향인 경우로 설명한다.

대상체에 자장

를 인가하면 비슷한 성질을 가지는 조직들의 신호가 한꺼번에 방출되어 어느 위치에서 어떤 신호가 나왔는지를 알 수 없게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 경사 자장을 이용한다. 자계의 분포와 이에 따른 라모 주파수가 공간에 따라 선형적으로 변하는 경사 자장을 이용함으로써 관심 영역에 해당하는 대상체의 특정 위치에 있는 수소 원자핵을 선택적으로 공명시킬 수 있게 된다. 예를 들어, 경사 자장 코일(224)을 이용하여 대상체의 체축 방향으로 경사 자장을 인가하여 정자장과 경사 자장에 의해 1.3 테슬라(T) 내지 1.7 테슬라(T) 범위의 세기를 갖는 자장이 대상체의 체축 양 말단에 형성되는 경우, 중앙 위치에 대한 체축 방향과 수직인 단면의 자기 공명 영상을 얻기 위해서는 1.5 T에 대응하는 라모 주파수의 고주파를 인가하여 그 특정 단면 내에 있는 수소 원자핵들을 선택적으로 공명시킨다. 이 때 다른 위치의 단면에 있는 수소 원자핵들은 다른 라모 주파수를 가지므로 공명을 일으키지 않는다.

한편, 경사 자장 코일(224)은 대상체의 x, y, z 축 방향으로 세 가지 종류의 경사 자장을 가할 수 있다. 대상체의 체축에 수직인 특정 단면을 선택적으로 여기시키기 위한 전제 조건으로서 대상체의 체축을 따라 경사 자장을 형성시키는데, 이때 슬라이스 선택 경사 자장(Slice Selection Gradient)이 가해진다. 그리고 선택된 평면 내에서 2차원적인 공간정보를 얻기 위해 주파수 부호화 경사 자장(Frequency Encoding Gradient)과 위상 부호화 경사 자장(Phase Encoding Gradient)이 가해진다. 이와 같이 슬라이스 축, 주파수 축, 위상 축의 방향으로 경사 자장을 형성하기 위해 경사 자장 코일부는 3 종의 경사 자장 코일을 가진다.

RF 코일부(226)는 대상체 내의 수소 원자핵을 여기하기 위한 RF 펄스를 인가한다. 또한 여기된 수소 원자핵이 다시 안정 상태로 돌아오면서 발생되는 전자파를 획득한다. 이와 같이 획득되는 전자파를 자기 공명 신호라 한다. 본 발명에 따른 RF 코일부(226)는 여러 가지 타입의 RF 펄스를 대상체에 인가할 수 있고, 복수 개의 RF 펄스로 이루어진 펄스 시퀀스를 대상체에 인가할 수도 있다.

경사 자장 구동부(230)는 경사 자장 코일부(224)와 연결되어 있고, 경사 자장 코일부(224)에 경사 자장 형성과 관련된 신호를 출력한다. 경사 자장 구동부(230)는 슬라이스 축, 주파수 축, 위상 축에 대한 3 종의 경사 자장 코일 각각에 대응되는 경사 자장 구동 회로를 포함한다. RF 구동부(240)는 RF 코일부(226)와 연결되어 있고, RF 코일부(226)에 RF 펄스 및 펄스 시퀀스 인가와 관련된 신호를 출력한다.

신호 획득부(250)는 RF 코일부(226)와 연결되어 있고, RF 코일부(226)에 수신된 자기 공명 신호를 입력받아 디지털 데이터로 처리한다. 신호 획득부(250)는 수신된 자기 공명 신호를 증폭하는 증폭기, 증폭된 자기 공명 신호를 복조하는 복조기, 복조된 아날로그 신호를 디지털 형태로 변환하는 ADC 등으로 구현될 수 있으며, 디지털 형태로 변환된 자기 공명 신호를 저장할 수 있는 스토리지를 구비할 수 있다. 디지털 형태로 변화된 자기 공명 신호는 자기 공명 영상 처리 장치(130)에 전달된다.

제어부(260)는 그레디언트 구동부(230), RF 구동부(240) 및 신호 획득부(250)를 제어하여 자기 공명 신호를 획득한다. 제어부(260)는 자기 공명 영상 처리 장치로부터 전송되는 제어 신호를 입력받아 자기 공명 영상 촬상 장치(210)를 제어한다. 제어부(260)는 메모리를 포함할 수 있으며, 메모리는 제어부(260)의 동작에 대한 프로그램과 RF 펄스 및 펄스 시퀀스 인가와 관련된 각종 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들면 그레디언트 코일부(224)에 의해 형성되는 경사 자장의 기울기에 관한 정보가 저장될 수 있고, 자장의 세기에 기초한 RF 펄스의 주파수 값이나, 수소 원자핵의 자기 모멘트의 회전 각도와 관련된 RF 펄스의 지속 인가 시간, 수소 원자핵의 자기 모멘트가 얼마나 빨리 회전하는가와 관련된 RF 펄스의 강도(intensity) 등에 대한 정보들이 저장될 수 있다. 또한, 수소 원자핵의 자기 모멘트 방향이 인가된 RF 펄스에 의해 회전된 후부터 RF 펄스 인가 전의 상태 즉, 미리 형성되어 있는 정자장의 방향으로 회복하는데 소모되는 시간에 대한 각 조직별 정보를 저장할 수 있다.

도 3은 본 발명의 자기 공명 영상을 촬상하는 방법의 일 실시예를 나타낸 흐름도이다. 대상체는 자기 공명 촬상 장치의 크레들(cradle)위에 위치하며, 크레들에 의해 마그네트 시스템(220) 내부 공간으로 이동한다. 대상체는 인체의 특정 부위가 될 수 있다. RF 코일부(226)는 제어부(260)로부터 RF 코일 구동부(240)에 구동 신호가 입력되면, RF 코일 구동부(240)로부터 RF 펄스 시퀀스 인가 신호를 입력받아 대상체에 RF 펄스 시퀀스를 인가한다(310 단계).

신호 획득부(250)는 인가된 RF 펄스 시퀀스에 대한 응답으로 자기 공명 신호를 획득한다(320 단계). 자기 공명 신호를 획득하는 과정을 구체적으로 설명하면, SE(Spin Echo) 기법에서는 90° RF 펄스를 인가했다가 끊는 순간부터 원자핵들은 디페이징(dephasing)이 시작되는데, 이 때 FID(Free Induction Decaying) 신호가 방출되고, 이후 180° RF 펄스를 인가하는 방식에 따라 RF 코일을 이용해 다양한 에코(echo) 신호를 얻게 된다. 펄스 시퀀스를 발생시키는 기법에는 대표적으로 SE 외에도 FSE(Fast Spin Echo), IR(Inversion Recovery), GE(Gradient Echo), FE(Field Echo), EPI(Echo Planar Imagin) 기법 및 PI(Parallel Imaging) 기법 등이 있다.

자기 공명 영상 처리 장치(130)는 320 단계에서 획득된 자기 공명 신호를 후처리(post-processing)함으로써 자기 공명 영상을 생성하게 된다(330 단계). 생성된 영상은 영상 표시 장치(150)에 표시된다,

k-공간(k-space)은 각 단면의 데이터 공간에 대한 개념으로, k-공간을 퓨리에 변환(Fourier Transform)함으로써 원하는 영상을 얻을 수 있다. RF 펄스 시퀀스를 인가하고 난 다음 위상 부호화 경사 자계와 주파수 부호화 경사 자계의 크기를 각 단계별로 변화시키면 여러 위치 정보를 가지고 있는 원 신호(raw data)를 얻을 수 있는데, 이러한 원 신호는 위치 정보와 조직의 대조도(contrast) 정보를 함께 갖고 있으며 k-공간은 한 개의 영상을 만들 수 있는 원 데이터의 집합을 의미한다. 수집된 신호는 k-공간에 채워지게 되는데 각각의 반복시간(TR)동안 각각의 슬라이스는 위상 부호화 경사 자계와 주파수 부호화 경사 자계에 의해 위치정보를 구분하게 된다.

자기 공명 영상이 2차원 영상인 경우 2차원 k-공간을 가지며, 자기 공명 영상이 3차원 영상인 경우 3차원 k-공간을 가진다. k-공간의 각 축은 공간주파수에 대응되며 k-공간의 중심에 접근할수록 저주파 성분에 해당하므로 자기 공명 신호로서 보다 유효한 의미를 가진다. 따라서, k-공간의 중심이 조밀할수록 많은 유효 데이터를 오버샘플링(over-sampling)할 수 있고, 고품질의 자기 공명 영상을 얻을 수 있다.

그러나, 앞서 언급한 바와 같이 많은 데이터를 얻는 것과 스캔시간 사이에는 상대적인 상쇄관계(trade-off)가 존재하므로 k-공간의 중심이 과도하게 조밀해지면 스캔시간이 길어져 오히려 모션 아티팩트가 심해질 수 있다. 모션 아티팩트가 발생하지 않기 위해서는 촬상 대상체의 움직임이 없어야 하나, 대부분의 모션 아티팩트는 촬상 대상체인 환자의 호흡이나 심장 박동에 의해 발생하므로 모든 모션 아티팩트의 원인을 제거하는 것은 사실상 불가능하다. 특히 뇌 자기공명 영상 촬영등과 같이 고해상도가 요구되는 경우, 모션 아티팩트는 영상의 품질에 더 큰 영향을 미치며 통계적으로 40%의 뇌 자기공명영상에서 모션 아티팩트가 발생하고 있고, 10%의 경우 모션아티팩트로 인한 재촬영(rescan)이 필요하다.

고해상도의 MR 영상 또는 병변에 특화된 MR 영상을 얻기 위해서는 주로 확산 MRI(Diffusion MRI) 기법, 관류 MRI(Perfusion MRI) 기법 또는 기능적 자기 공명 영상(Functional MRI) 기법이 사용된다.

확산 MR 영상은 일반적 경사 자장 외에 매우 강한 한 쌍의 확산 경사 자장을 추가로 사용하여 확산에 의한 미약한 신호 감소를 극대화함으로써 조직의 확산 정도에 따른 신호 강도를 이용한 영상으로, 직접적인 혈관 또는 혈류검사가 아니고 조직 내의 물 분자의 확산에 의한 미시적인 운동을 확산계수의 차이로 영상화하는 기법이다. 종류로는 확산 강조 영상 (DWI : Diffusion Weighted Image)과 확산 텐서 영상 (DTI : Diffusion Tensor Image)이 있으며, 확산 강조 영상은 미세한 물분자의 움직임 변화를 관찰할 수 있고, 확산 텐서 영상은 서로 다른 두 조직을 연결하는 신경섬유와 물 분자의 운동을 분석할 수 있다. 주 적용 분야는 허혈성 뇌졸중으로, 특히 급성기 뇌졸중의 진단에 중요한 역할을 한다.

관류 MR 영상은, 주변 조직으로 산소와 양분을 공급하기 위하여 모세혈관으로 흐르는 혈류인, 관류의 시간당 통과량에 대한 정보를 이용하는 MRI 기술이다. 주로 상자성 조영제를 이용하는 first-pass 기법이 주로 사용되며, first-pass 기법은 시행하기 쉽고 스캔시간이 짧은 장점이 있으나 복잡한 후처리(post-processing) 과정이 필요하며 에러 발생 가능성이 높다. 허혈성 뇌졸중 및 뇌종양이 주 적용 분야로 주로 종양의 혈관성을 평가하기 위해 수행된다.

기능적 MR 영상은 뇌가 부위별로 특정 기능을 수행하는 점을 이용하여, 특정 부위의 뇌 신경활동이 항진되면 그 부위의 뇌혈류 및 대사가 국소적으로 증가하는 생리적 현상을 이용한다. 양전자 단층촬영(PET: Positron Emission Tomography)에 비하여 공간 및 시간 분해능이 우수할 뿐만 아니라 방사성 동위원소의 주입이 불필요하여 반복하여 시행할 수 있다는 장점이 있다. 일차적인 시각피질과 운동피질의 영상을 시작으로 언어기능을 포함하는 인지기능을 영상화 하는 단계까지 개발되었으며, 감각운동기능 이나 약물이 뇌 기능에 미치는 영향에 대한 연구가 진행 중이다.

도 4는 PROPELLER(Periodically Rotated Overlapping ParallEL Lines with Enhanced Reconstruction)기술을 이용하는 2차원 k-공간 블레이드(BLADE)의 궤적을 도시한 것이다. 블레이드는, 위상 부호화 라인(phase encoded line)에 해당하는 카테시안(Cartesian) 펄스 시퀀스들이 일정한 길이를 가지고 서로 평행하게 배치된 선형 궤적을 가지며, 스트립(strip)이라고도 불린다. 블레이드를 구성하는 위상 부호화 라인의 개수 및 간격에 따라 자기 공명 영상의 품질이 달라질 수 있다.

PROPELLER 기술은 블레이드를 일정 각도로 회전시키면서 2차원 k-공간을 채우는 방법으로, k-공간 중심부가 오버샘플링되므로 구조적인 모션 아티팩트에 강인하고, 그 외에도 부가적인 모션 아티팩트를 감소시켜 보다 좋은 품질의 자기 공명 영상을 얻을 수 있다. 그러나, PROPELLER 기반 기술은 다른 카테시안 펄스를 이용하는 방법에 비해 k-공간 데이터의 양이 2-3배 가량 더 많고, 그 결과 스캔시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 또한, 도 4에 따른 PROPELLER 기술 적용시 11 반복시간(TR)이 요구되며, 요구되는 반복시간(TR)의 증가는 스캔시간의 증가를 야기시킨다. 완전한 자기공명 영상을 얻기 위해 요구되는 반복시간은 블레이드를 구성하는 위상 부호화 라인의 개수 및 간격에 따라 달라질 수 있다. 이러한 스캔시간의 증가는 3차원 자기 공명 영상 촬상시에, 더욱 심각해질 수 있다. 따라서, 상기 언급한 PROPELLER의 단점을 극복하기 위한 기술에 대한 필요성이 증대되고 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 k-공간의 펄스 궤적을 도시한 도면이다. 도 5에서는, 2차원 k-공간에서 하나의 나선형 궤적을 갖는 하나의 나선형 펄스 시퀀스(510) 및 k-공간에서 두개의 블레이드(BLADE)(520, 530)가 존재한다.

도 5에 따른 실시예에서, 두개의 블레이드는 나선형 펄스 시퀀스의 중심에서 서로 직교하며, 그 결과 2차원 k-공간 중심은 다른 영역에 비해 조밀한 데이터 샘플을 얻을 수 있으므로, 모션 아티팩트에 강인한 자기 공명 신호를 얻을 수 있다. 또한 이와 같은 실시예를 구현하기 위해서는 RF 시퀀스를 세 번만 인가하면 되기 때문에 3 반복시간(TR)만이 필요하므로, 스캔시간 역시 짧아지게 되어 모션 아티팩트가 자기 공명 영상에 미치는 영향은 더욱 줄어들게 되며 전자파 흡수율 (SAR : Specific Absorption Rate)이 인체에 미치는 악영향을 줄일 수 있는 장점이 있다. 앞서 언급한 바와 같이 스캔시간은 TR 횟수, TR 반복주기와 비례하는 관계에 있다.

일반적으로, 두개의 블레이드는 직교하는 형태로 구현되지만, 블레이드 사이의 교차각은 실시예에 따라 달라질 수 있으며 세 개 이상의 블레이드를 포함하거나 두 개 이상의 나선형 펄스 시퀀스를 포함할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 k-공간의 펄스 궤적을 도시한 도면이다. 도 6에 따른 실시예에서, 3차원 k-공간의 펄스 궤적은 도 5의 실시예에 따른 2차원 k-공간의 펄스궤적들이 3차원 k-공간의 한 축에 수직하며, 서로 평행하게 쌓여있는(stack) 구조를 가진다. 이 때, TR 횟수 및 스캔시간을 줄이기 위해 3차원 k-공간 중심에 근접한 나선형 펄스 궤적에만 블레이드가 교차하도록 하고, 중심에서 먼 나선형 펄스 궤적에는 블레이드가 없도록 구현할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 또 다른 3차원 k-공간의 펄스 궤적을 도시한 도면이다. 도 7에 따른 실시예에서 3차원 k-공간의 펄스 궤적은 도 5의 실시예에 따른 2차원 k-공간의 펄스궤적들이 3차원 k-공간의 한 축을 중심으로 서로 교차하는(intersecting) 구조를 가진다.

도 6 및 도 7에 따른 실시예 역시 도 5의 경우와 마찬가지로, 블레이드 사이의 교차각은 실시예에 따라 달라질 수 있으며 각 나선형 펄스 시퀀스마다 세 개 이상의 블레이드를 포함할 수 있고, 각각 다른 개수의 블레이드를 포함할 수도 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 블레이드를 생성하는 방법 및 궤적을 도시한 도면이다. FSE(Fast Spin Echo)는 복수 개의 에코를 얻기 위해 90° RF 펄스를 인가하고, FID 신호가 수신된 후 여러번의 180° RF 펄스를 인가한다. 이 때 각 에코를 얻기 전에 매번 위상 부호화 경사 자장을 다르게 인가하고, 에코를 얻고 나면 반대쪽에 위상 부호화 경사 자장을 인가함으로써 한 반복시간(TR) 내에서 여러 개의 주파수 변환된 데이터를 얻게 된다. FSE 기법은 SE(Spin Echo) 기법보다 짧은 시간 내에 스캔이 가능하여 자기 공명 영상 데이터를 얻기 위해 널리 사용되는 기법으로, 아티팩트는 줄이면서 효율적으로 데이터를 얻을 수 있는 장점이 있다.

EPI(Echo-Planar Imaging) 기법은 고속으로 경사 자장을 진동시킴으로써 하나의 RF 펄스로 스핀을 흥분시켜 데이터를 얻을 수 있는 초고속 영상 촬영 기법이다. EPI 기법은 혈류 변화와 관련된 뇌 활동 등을 스캔하기 위해 사용하는, 기능적 자기 공명 영상(Functional MRI)기법 중 가장 빠른 기법이나, 높은 전류를 빠르고 안정적으로 공급해주는 것이 필요하다.

PI(Parallel Imaging) 기법은 민감도가 서로 다른 어레이(array) RF 코일의 민감도 차이를 이용하여 경사 자장 부호화 횟수를 줄임으로써 스캔시간이 짧아지는 자기 공명 영상 기법이다. 구체적으로는 복수 개의 RF코일에서 k-공간을 언더샘플링(under-sampling)하는 동시에 영상을 기록하는 방식으로 구현되며, 언더샘플링 함으로써 스캔시간을 줄일 수 있고 복수개의 RF 코일을 사용함으로써 언더샘플링에 의해 발생할 수 있는, FOV(Field of View) 밖의 영역이 영상화되는, 에일리어징 아티팩트(aliasing artifact)를 감소시킨다.

도 9는 ACS(Auto Calibrationi Signal) 라인이 추가된 블레이드의 궤적을 도시한 도면이다. PI 기법의 경우 어레이 RF코일을 이용하므로 측정된 데이터의 선형 조합(linear combination)에 의해 k-공간 데이터를 추가할 수 있는 자동보정(auto-calibrating) 기술을 적용할 수 있다. 자동 보정 기술을 적용하여 블레이드의 중심부에 ACS 라인을 추가함으로써, k-공간의 중심부에서 보다 조밀한 데이터 샘플을 얻을 수 있다. 따라서, 실제로 더 적은 수의 라인만으로 유사한 데이터 품질을 얻을 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명을 구현할 수 있음을 이해할 것이다. 그러므로 상기 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다.

이상에서 설명된 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

110: 자기 공명 영상 촬상 장치
130: 자기 공명 영상 처리 장치
150: 영상 표시 장치
210: 자기 공명 영상 촬상 장치
220: 마그네트 시스템
230: 경사 자장 구동부
240: RF(Radio Frequency) 구동부
250: 신호 획득부
260: 제어부
510: k-공간 나선형 펄스 시퀀스
520: k-공간 블레이드(BLADE)

Claims

RF(Radio Frequency) 펄스 시퀀스를 인가하는 단계;
상기 인가된 펄스 시퀀스에 대한 응답으로 자기 공명 신호를 획득하는 단계; 및
상기 획득된 자기 공명 신호로부터 자기 공명 영상을 생성하는 단계를 포함하고,
상기 인가된 펄스 시퀀스는 k-공간(k-space)에서 나선형 궤적을 갖는 적어도 하나의 나선형 펄스 시퀀스 및 k-공간에서 적어도 하나의 블레이드(BLADE)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 (Magnetic Resonance Imaging) 촬상 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 나선형 펄스 시퀀스는 2 차원 k-공간에 존재하고, 상기 적어도 하나의 나선형 펄스 시퀀스의 궤적은 상기 2 차원 k-공간의 중심을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 촬상 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 블레이드는 상기 2 차원 k-공간에 존재하고,
상기 적어도 하나의 블레이드의 궤적은 상기 2 차원 k-공간의 중심에서 다른 펄스 시퀀스와 교차하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 촬상 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 인가된 펄스 시퀀스는 두개의 블레이드를 포함하고,
상기 두개의 블레이드의 궤적은 서로 직교하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 촬상 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 인가된 펄스 시퀀스는 복수 개의 나선형 펄스 시퀀스를 포함하고,
상기 복수 개의 나선형 펄스 시퀀스는 3차원 k-공간에 존재하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 촬상 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 복수 개의 나선형 펄스 시퀀스 각각의 궤적은 상기 3차원 k-공간의 한 축에 수직하며, 서로 평행한 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 촬상 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 복수 개의 나선형 펄스 시퀀스의 궤적은 상기 3차원 k-공간의 한 축을 중심으로 서로 교차하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 촬상 방법.
제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 블레이드는 상기 3차원 k-공간에 존재하고,
상기 적어도 하나의 블레이드의 궤적은 상기 복수 개의 나선형 펄스 시퀀스 각각과 나선 중심에서 교차하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 촬상 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 블레이드는 EPI(Echo Planar Imaging) 기법, FSE(Fast Spin Echo) 기법 및 PI(Parallel Imaging) 기법 중 적어도 하나의 기법에 따라 생성되는 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 촬상 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 블레이드는 등간격이 아닌 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 촬상 방법.
자기 공명 신호 획득에 사용되는 RF(Radio Frequency) 펄스 시퀀스를 생성하는 RF 펄스 생성부;
상기 RF 펄스 시퀀스에 대한 응답으로 자기 공명 신호를 획득하는 신호 획득부; 및
상기 획득된 자기 공명 신호를 처리하여 자기 공명 영상을 생성하는 데이터 처리부를 포함하고,
상기 RF 펄스 시퀀스는 k-공간(k-space)에서 나선형 궤적을 갖는 적어도 하나의 나선형 펄스 시퀀스 및 k-공간에서 적어도 하나의 블레이드(BLADE)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 (Magnetic Resonance Imaging) 촬상 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 나선형 펄스 시퀀스는 2 차원 k-공간에 존재하고, 상기 적어도 하나의 나선형 펄스 시퀀스의 궤적은 상기 2 차원 k-공간의 중심을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 촬상 장치.
제 12 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 블레이드는 상기 2 차원 k-공간에 존재하고,
상기 적어도 하나의 블레이드의 궤적은 상기 2 차원 k-공간의 중심에서 다른 펄스 시퀀스와 교차하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 촬상 장치.
제 13 항에 있어서,
상기 RF 펄스 시퀀스는 두 개의 블레이드를 포함하고,
상기 두 개의 블레이드의 궤적은 서로 직교하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 촬상 장치.
제 11 항에 있어서,
상기 RF 펄스 시퀀스는 복수 개의 나선형 펄스 시퀀스를 포함하고,
상기 복수 개의 나선형 펄스 시퀀스는 3차원 k-공간에 존재하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 촬상 장치.
제 15 항에 있어서,
상기 복수 개의 나선형 펄스 시퀀스 각각의 궤적은 상기 3 차원 k-공간의 한 축에 수직하며 서로 평행한 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 촬상 장치.
제 15 항에 있어서,
상기 복수 개의 나선형 펄스 시퀀스의 궤적은 상기 3 차원 k-공간의 한 축을 중심으로 교차하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 촬상 장치.
제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 블레이드는 상기 3 차원 k-공간에 존재하고,
상기 적어도 하나의 블레이드의 궤적은 상기 복수 개의 나선형 펄스 시퀀스 각각과 나선 중심에서 교차하는 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 촬상 장치.
제 11 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 블레이드는 EPI(Echo Planar Imaging) 기법, FSE(Fast Spin Echo) 기법 및 PI(Parallel Imaging) 기법 중 적어도 하나의 기법에 따라 생성되는 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 촬상 장치.
제 11 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 블레이드는 등간격이 아닌 것을 특징으로 하는 자기 공명 영상 촬상 장치.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.