KR101784502B1 - 동적 태그 자기 공명 영상 장치 및 방법 - Google Patents

동적 태그 자기 공명 영상 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 태그 기반의 자기 공명 영상 방법은 (a) RF 펄스 인가에 따른 자기 공명 신호를 획득하는 단계; (b) 상기 획득된 자기 공명 신호로부터 동적 태그 정보와 정적 영상 정보를 획득하는 단계; 및 (c) 상기 동적 태그 정보와 정적 영상 정보를 조합하여 동적 태그 기반의 자기 공명 영상을 생성하는 단계를 포함한다.

Description

동적 태그 자기 공명 영상 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR DYNAMIC TAGGED MAGNET RESONANCE IMAGING}
본 발명은 자기 공명 영상 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 동적 태그 정보를 표시하는 자기 공명 영상 장치 및 방법에 관한 것이다.
자기 공명 영상 기술은 움직임에 매우 민감한 검사법으로서, 심장과 같이 주기적으로 움직이는 객체에 대하여 자기 공명 영상을 획득할 경우 움직임에 의한 왜곡(motion artifact)이 발생할 가능성이 매우 높다. 이러한 움직임에 의한 왜곡을 해소하기 위한 방법 중 하나로서, 동적 태그 정보를 표시할 수 있는 자기 공명 영상 기법에 대한 연구가 다양한 형태로 진행되고 있다.
동적 태그 자기 공명 영상 기법은 자기 공명 신호를 영상화하는 과정에서 태그 정보가 영상에 삽입되도록 하여, 그물망 무늬 또는 격자 무늬가 자기 공명 영상에 나타나도록 한다. 객체가 움직일 경우 격자 무늬가 확장 또는 축소됨을 확인할 수 있으며, 이를 통해 객체의 움직임을 보다 용이하게 확인할 수 있다.
동적 태그 자기 공명 영상을 획득하기 위하여, 기저 영상에 특정 기본 주파수를 갖는 태그 패턴을 곱하는 과정이 수행되며, 이에 의하여 기저 영상의 진폭이 공간적으로 변조된다. 예를 들면, SPAMM(SPAtial Modulation of Magnetization) 기법이 사용될 수 있으며, RF 포화 펄스를 인가하여 줄무늬 또는 격자 무늬가 표시되도록 한다.
종래 기술에 따르면, 동적 태그 자기 공명 영상을 직접 푸리에 변환했을 때, k-공간에서 동적 태그 자기공명영상의 모폴로지(morphology) 특성에 의하여 주기적으로 나타나는 피크 영역을 추출하여 위상(phase) 영상을 얻고, 그로부터 조직의 물리적 성질(Displacement, Stiffness, etc)을 정량화한다. 이 때, 위상 영상과 동시에 크기(magnitude) 영상도 함께 획득할 수 있는데, 그 해상도가 매우 낮고, 신호 대 잡음비가 낮아 활용도가 매우 낮은 상태이다. 또한 동적 태그 자기 공명 영상을 고속 인코딩 방식으로 얻게 되면 나이퀴스트(Nyquist)비율에 미치지 못하는 샘플링 횟수로 인해 왜곡이 발생하고 신호 대 잡음비가 낮아지게 된다.
또한, 기존의 압축 센싱 기법으로 복원하였을 경우, 샘플링 횟수가 적어질수록 k-공간에서 동적 태그의 피크 영역 복원에 한계가 있다. 따라서 압축 센싱 기법으로 복원된 영상의 동적 태그 정보를 이용해 조직의 물리적 성질을 정량화 할 경우 그 값의 신뢰도가 떨어지게 된다.
미국 등록 특허 제6892089호(발명의 명칭: Cardiac motion tracking using cine harmonic phase (HARP) magnetic resonance imaging)
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 일부 실시예는 동적 태그 정보와 정적 영상 정보를 함께 추출할 수 있는 동적 태그 기반의 자기 공명 영상 장치 및 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 태그 기반의 자기 공명 영상 방법은 (a) RF 펄스 인가에 따른 자기 공명 신호를 획득하는 단계; (b) 상기 획득된 자기 공명 신호로부터 동적 태그 정보와 정적 영상 정보를 획득하는 단계; 및 (c) 상기 동적 태그 정보와 정적 영상 정보를 조합하여 동적 태그 기반의 자기 공명 영상을 생성하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 태그 기반의 자기 공명 영상을 생성하는 자기 공명 영상 장치는 자기 공명 신호로부터 동적 태그 기반의 자기 공명 영상을 생성하는 프로그램이 저장된 메모리 및 상기 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는 상기 프로그램의 실행에 따라, RF 펄스 인가에 따른 자기 공명 신호를 획득하고, 상기 획득된 자기 공명 신호로부터 동적 태그 정보와 정적 영상 정보를 획득하고, 상기 동적 태그 정보와 정적 영상 정보를 조합하여 동적 태그 기반의 자기 공명 영상을 생성한다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 자기 공명 신호로부터 동적 태그 정보와 정적 영상 정보를 함께 추출할 수 있고, 이에 기반하여 대상체의 변위(displacement) 또는 변형량(strain) 정보를 확인하는데 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 공명 영상 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 통상적인 자기 공명 영상장치의 동작과 관련된 펄스 시퀀스를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 태그 자기 공명 영상 방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 태그 자기 공명 영상 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정적 영상 복원 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 태그 자기 공명 영상의 활용예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 태그 자기 공명 영상의 성능을 설명하기 위한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 "자기 공명 영상 (MRI: Magnetic Resonance Imaging)"이란 핵자기 공명 원리를 이용하여 획득된 대상체에 대한 영상을 의미한다.
또한, "영상(image)” 또는 “이미지"는 이산적인 요소들로 이루어진 다차원(multi-dimensional) 데이터를 의미하는 것으로, 2차원 이미지에서의 복수의 픽셀들 및 3차원 이미지에서의 복수의 복셀들로 구성된 것을 의미한다.
또한, "대상체(object)"는 자기 공명 영상장치의 영상 촬영의 대상이 되는 것으로, 사람이나 동물 또는 그 일부를 포함하는 것일 수 있다. 또한, 대상체는 심장, 뇌 또는 혈관과 같은 각종 장기나 다양한 종류의 팬텀(phantom)을 포함할 수 있다.
또한, "사용자"는 의료 전문가로서 의사, 간호사, 의료 영상 전문가 등이나 장치 수리 기술자가 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한, "펄스 시퀀스"란, 자기 공명 영상장치에서 반복적으로 인가되는 신호를 의미한다. 펄스 시퀀스는 RF 펄스의 시간 파라미터로서 반복 시간(Repetition Time, TR)이나 에코 시간(Time to Echo, TE) 등을 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 자기 공명 영상장치의 실시예들에 대해서 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 공명 영상 장치를 도시한 도면이다.
자기 공명 영상 장치(1)은 MRI 스캐너(10), 신호 처리부(20), 모니터링부(40), 제어부(50) 및 인터페이스부(60)를 포함할 수 있다.
MRI 스캐너(10)는 자기장을 형성하고 원자핵에 대한 공명 현상을 발생시키는 것으로서, 대상체가 MRI 스캐너(10) 내부에 위치한 상태에서 자기 공명 영상이 촬영된다. MRI 스캐너(10)는 주 자석(12), 경사 코일(14), RF 코일(16) 등을 포함하고, 이를 통해 정자기장 및 경사자장이 형성되며, 대상체를 향하여 RF 신호가 조사된다.
주 자석(12), 경사 코일(14) 및 RF 코일(16)은 미리 설정된 방향에 따라 MRI 스캐너(10)내에 배치된다. 원통의 수평축을 따라 원통 내부로 삽입 가능한 테이블상에 대상체가 위치하며, 테이블의 이동에 따라 대상체가 MRI 스캐너(10)의 보어 내부에 위치할 수 있다.
주 자석(12)은 대상체에 포함된 원자핵들의 자기 쌍극자 모멘트(magnetic dipole moment)의 방향을 일정한 방향으로 정렬하는 정자기장(static magnetic field)을 생성한다.
경사 코일(Gradient coil)(14)은 서로 직교하는 X축, Y축 및 Z축 방향의 경사자기장을 발생시키는 X코일, Y 코일 및 Z 코일을 포함한다. 경사 코일(14)은 대상체의 각 부위 별로 공명 주파수를 서로 다르게 유도하여 대상체의 각 부위의 위치 정보를 획득할 수 있도록 한다.
RF 코일(16)은 대상체에게 RF 신호를 조사하고, 대상체로부터 방출되는 자기 공명 영상 신호를 수신할 수 있다. RF 코일(16)은 세차 운동을 하는 원자핵을 향하여 세차운동의 주파수와 동일한 주파수의 RF 신호를 출력한 후, 대상체로부터 방출되는 자기 공명 영상 신호를 수신할 수 있다.
예를 들어, RF 코일(16)은 원자핵을 낮은 에너지 상태로부터 높은 에너지 상태로 천이시키기 위하여, 해당 원자핵에 대응하는 주파수를 갖는 RF 신호를 생성하여 대상체에 인가한다. 이후에, RF 코일(16)이 RF 신호의 전송을 중단하면, 전자파가 가해졌던 원자핵은 높은 에너지 상태로부터 낮은 에너지 상태로 천이하면서 라모어 주파수를 갖는 전자파를 방사하게 되며, RF 코일(16)은 해당 전자파 신호를 수신한다.
RF 코일(16)은 원자핵의 종류에 대응하는 무선 주파수를 갖는 RF 신호를 송신하는 송신 RF 코일과 원자핵으로부터 방사된 전자파를 수신하는 수신 RF 코일을 각각 포함한다.
또한, RF 코일(16)은 MRI 스캐너(10)에 고정된 형태이거나, 착탈이 가능한 형태일 수 있다. 착탈이 가능한 RF 코일(16)은 대상체의 일부에 결합될 수 있는 머리 RF 코일, 흉부 RF 코일, 다리 RF 코일, 목 RF 코일, 어깨 RF 코일, 손목 RF 코일 및 발목 RF 코일 등과 같은 형태로 구현될 수 있다.
MRI 스캐너(10)는 디스플레이를 통해 사용자나 대상체에게 각종 정보를 제공할 수 있으며, 외측에 배치된 디스플레이(18)와 내측에 배치된 디스플레이(미도시)를 포함할 수 있다.
신호 처리부(20)는 소정의 MR 펄스 시퀀스에 따라 MRI 스캐너(10)의 내부에 형성되는 경사자장을 제어하고, RF 신호와 자기 공명 영상 신호의 송수신을 제어할 수 있다.
신호 처리부(20)는 경사자장 증폭기(22), 스위칭부(24), RF 송신부(26) 및 RF 수신부(28)를 포함할 수 있다.
경사자장 증폭기(Gradient Amplifier)(22)는 MRI 스캐너(10)에 포함된 경사 코일(14)을 구동하며, 경사자장 제어부(44)의 제어 하에 경사자장을 발생시키는 펄스 신호를 경사 코일(14)에 공급한다. 경사자장 증폭기(22)로부터 경사 코일(14)에 공급되는 펄스 신호를 제어함으로써, X축, Y축, Z축 방향의 경사 자장이 합성될 수 있다.
RF 송신부(26)는 RF 펄스를 RF 코일(16)에 공급하여 RF 코일(16)을 구동한다. RF 수신부(28)는 RF 코일(16)이 수신한 후 전달한 자기 공명 영상 신호를 수신한다.
스위칭부(24)는 RF 신호와 자기 공명 영상 신호의 송수신 방향을 조절할 수 있다. 예를 들어, 송신 동작 동안에는 RF 코일(16)을 통하여 대상체로 RF 신호가 조사되게 하고, 수신 동작 동안에는 RF 코일(16)을 통하여 대상체로부터의 자기 공명 영상 신호가 수신되게 한다. 스위칭부(24)는 RF 제어부(46)로부터의 제어 신호에 의하여 스위칭 동작이 제어된다.
인터페이스부(30)는 사용자의 조작에 따라 제어부(40)에 펄스 시퀀스 정보를 지령하는 것과 동시에, MRI 시스템 전체의 동작을 제어하는 명령을 전달할 수 있다. 인터페이스부(30)는 RF 수신부(38)로부터 수신되는 자기 공명 영상 신호를 처리하는 영상 처리부(36), 출력부(34) 및 입력부(32)를 포함할 수 있다.
영상 처리부(36)는 RF 수신부(38)로부터 수신되는 자기 공명 영상 신호를 처리하여, 대상체(10)에 대한 MR 화상 데이터를 생성할 수 있다.
영상 처리부(36)는 RF 수신부(38)가 수신한 자기 공명 영상 신호에 증폭, 주파수 변환, 위상 검파, 저주파 증폭, 필터링(filtering) 등과 같은 각종의 신호 처리를 가한다.
영상 처리부(36)는, 예를 들어, k 공간에 디지털 데이터를 배치하고, 이러한 데이터를 2차원 또는 3차원 푸리에 변환을 하여 화상 데이터로 재구성할 수 있다.
또한, 영상 처리부(36)가 자기 공명 영상 신호에 대해 적용하는 각종 신호 처리는 병렬적으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 다채널 RF 코일에 의해 수신되는 복수의 자기 공명 영상 신호에 신호 처리를 병렬적으로 가하여 복수의 자기 공명 영상 신호를 화상 데이터로 재구성할 수도 있다.
출력부(34)는 영상 처리부(36)에 의해 생성된 화상 데이터 또는 재구성 화상 데이터를 사용자에게 출력할 수 있다. 또한, 출력부(54)는 UI(user interface), 사용자 정보 또는 대상체 정보 등 사용자가 MRI 시스템을 조작하기 위해 필요한 정보를 출력할 수 있다. 출력부(54)는 스피커, 프린터 또는 각종 영상 디스플레이 수단을 포함할 수 있다.
사용자는 입력부(32)를 통해 대상체 정보, 파라미터 정보, 스캔 조건, 펄스 시퀀스, 화상 합성이나 차분의 연산에 관한 정보 등을 입력할 수 있다. 입력부(32)는 키보드, 마우스, 트랙볼, 음성 인식부, 제스처 인식부, 터치 스크린 등을 포함할 수 있고, 기타 당업자에게 자명한 범위 내에서 다양한 입력 장치들을 포함할 수 있다.
제어부(40)는 MRI 스캐너(10) 내부에서 형성되는 신호들의 시퀀스를 제어하는 시퀀스 제어부(42), 및 MRI 스캐너(10)와 MRI 스캐너(10)에 장착된 기기들을 제어하는 스캐너 제어부(48)를 포함할 수 있다.
시퀀스 제어부(42)는 경사자장 증폭기(22)를 제어하는 경사자장 제어부(44), 및 RF 송신부(26), RF 수신부(28) 및 스위칭부(24)를 제어하는 RF 제어부(46)를 포함한다. 시퀀스 제어부(42)는 인터페이스부(30)로부터 수신된 펄스 시퀀스에 따라 경사자장 증폭기(22), RF 송신부(26), RF 수신부(28) 및 스위칭부(24)를 제어할 수 있다. 펄스 시퀀스는 경사자장 증폭기(22), RF 송신부(26), RF 수신부(28) 및 스위칭부(24)를 제어하기 위해 필요한 모든 정보를 포함하며, 예를 들면 경사 코일(24)에 인가하는 펄스(pulse) 신호의 강도, 인가 시간, 인가 타이밍(timing) 등에 관한 정보 등을 포함할 수 있다.
모니터링부(50)는 MRI 스캐너(10) 또는 MRI 스캐너(10)에 장착된 기기들을 모니터링 또는 제어한다. 모니터링부(50)는 시스템 모니터링부(52), 대상체 모니터링부(54), 테이블 제어부(56) 및 디스플레이 제어부(58)를 포함할 수 있다.
시스템 모니터링부(52)는 정자기장의 상태, 경사자장의 상태, RF 신호의 상태, RF 코일의 상태, 테이블의 상태, 대상체의 신체 정보를 측정하는 기기의 상태, 전원 공급 상태, 열 교환기의 상태, 컴프레셔의 상태 등을 모니터링하고 제어할 수 있다.
대상체 모니터링부(54)는 대상체의 상태를 모니터링하는 것으로, 대상체의 움직임 또는 위치를 촬영하는 카메라, 대상체의 호흡을 측정하는 호흡 측정기, 대상체의 심전도를 측정하기 위한 ECG 측정기, 또는 대상체의 체온을 측정하는 체온 측정기를 포함할 수 있다.
테이블 제어부(56)는 대상체가 위치하는 테이블의 이동을 제어한다. 테이블 제어부(56)는 시퀀스 제어부(42)가 출력하는 시퀀스 제어 신호에 동기하여 테이블의 이동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 대상체의 이동 영상 촬영(moving imaging)에 있어서, 테이블 제어부(56)는 시퀀스 제어에 따라 테이블을 이동시킬 수 있으며, 이에 의해, MRI 스캐너의 FOV(field of view)보다 큰 FOV로 대상체를 촬영할 수 있다.
디스플레이 제어부(58)는 MRI 스캐너(10)의 외측 및 내측에 위치하는 디스플레이를 온/오프 또는 디스플레이에 출력될 화면 등을 제어한다. 또한, MRI 스캐너(10) 내측 또는 외측에 스피커가 위치하는 경우, 디스플레이 제어부(58)는 스피커의 온/오프 또는 스피커를 통해 출력될 사운드 등을 제어할 수도 있다.
MRI 스캐너(10), RF 코일(16), 신호 처리부(20), 모니터링부(50), 제어부(40) 및 인터페이스부(30)는 서로 무선 또는 유선으로 연결될 수 있고, 무선으로 연결된 경우에는 서로 간의 클럭(clock)을 동기화하기 위한 장치(미도시)를 더 포함할 수 있다. MRI 스캐너(10), RF 코일(16), 신호 처리부(20), 모니터링부(50), 제어부(40) 및 인터페이스부(30) 사이의 통신은, LVDS(Low Voltage Differential Signaling) 등의 고속 디지털 인터페이스, UART(universal asynchronous receiver transmitter) 등의 비동기 시리얼 통신, 과오 동기 시리얼 통신 또는 CAN(Controller Area Network) 등의 저지연형의 네트워크 프로토콜, 광통신 등이 이용될 수 있으며, 당업자에게 자명한 범위 내에서 다양한 통신 방법이 이용될 수 있다.
도 2는 통상적인 자기 공명 영상장치의 동작과 관련된 펄스 시퀀스를 도시한 도면이다.
z축 경사 코일(14z)에 일정 시간 동안 전류를 흘려 주어 경사자장이 형성되면, 공명 주파수는 경사자장의 크기에 따라 크거나 작게 변화된다. 그리고, 특정 위치에 해당하는 고주파 신호를 RF 코일(16)을 통해 인가하면 그 특정 위치에 대응되는 단면의 양성자 만이 공명을 일으킨다. 따라서, z축 경사 코일(154)은 슬라이스 선택에 사용된다. 그리고, z축 방향으로 형성되는 경사자장의 기울기가 클수록 얇은 두께의 슬라이스를 선택할 수 있다.
z축 경사 코일(14z)에 의해 형성된 경사자장을 통해 슬라이스가 선택되면, 슬라이스를 구성하는 스핀들은 모두 동일한 주파수 및 동일한 위상을 가지므로 각 스핀을 구별할 수 없다.
이 때, y축 경사 코일(14y)에 의해 y축 방향으로 경사자장이 형성되면, 경사자장은 슬라이스의 행(row)들이 서로 다른 위상을 갖도록 위상 시프트를 일으킨다.
즉, y축 경사자장이 형성되면 큰 경사자장이 걸린 행의 스핀들은 높은 주파수로 위상이 변하고 작은 경사자장이 걸린 행의 스핀들은 보다 낮은 주파수로 위상이 변한다. y축 경사자장이 사라지면 선택된 슬라이스의 각 행들은 위상 시프트가 일어나 서로 다른 위상을 갖게 되고, 이로 인해 행들을 구별할 수 있다. 이와 같이 y축 경사 코일(14y)에 의해 생긴 경사자장은 위상 부호화(phase encoding)에 사용된다.
z축 경사 코일(14z)에 의해 형성된 경사자장을 통해 슬라이스가 선택되고, y축 경사 코일(14y)에 의해 형성된 경사자장을 통해 선택된 슬라이스를 구성하는 행들을 서로 다른 위상으로 구별한다. 그러나, 행을 구성하는 각 스핀들은 모두 동일한 주파수 및 동일한 위상을 가지므로 구별할 수 없다.
이때 x축 경사 코일(14x)에 의해 x축 방향으로 경사자장이 형성되면, x축 경사자장은 각 행을 구성하는 스핀들이 서로 다른 주파수를 갖도록 하여 각각의 스핀을 구별하도록 해준다. 이와 같이 x축 경사 코일(14x)에 의해 생긴 경사자장은 주파수 부호화(frequency encoding)에 사용된다.
이와 같이, z, y, x축 경사 코일에 의해 형성되는 경사자장은 슬라이스 선택, 위상 부호화, 주파수 부호화를 통해 각 스핀들의 공간 위치를 부호화(spatial encoding)한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기 공명 영상 장치(1)는 영상 처리부(36)의 구성에 특징을 가진 것이다. 이때, 영상 처리부(36) 또는 영상 처리부(36)가 포함된 인터페이스부(30)는 별도의 컴퓨팅 장치 형태로 구현될 수 있으며, 컴퓨팅 장치에 탑재된 메모리와 프로세서에 기반하여 후술할 동적 태그 기반의 자기 공명 영상을 생성하는 동작을 수행한다.
이때, 메모리에는 동적 태그 기반의 자기 공명 영상을 생성하는 프로그램이 저장된다. 메모리는 전원이 공급되지 않아도 저장된 정보를 계속 유지하는 비휘발성 저장장치 및 저장된 정보를 유지하기 위하여 전력이 필요한 휘발성 저장장치를 통칭하는 것이다.
프로세서는 메모리에 저장된 프로그램의 실행에 따라, 신호 처리부(20)로부터 수신한 자기 공명 신호에 기반하여 동적 태그 기반 자기 공명 영상을 생성한다.
이때, 자기 공명 신호는 시공간 인코딩 영역(k, t-space)에서의 시간의 흐름에 따라 공간을 표현하는 복수의 프레임(frame) 을 포함하는 영상 데이터일 수 있다.
앞에서 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, MRI 스캐너(10)는 자기 공명 신호를 발생하기 위하여, 하나의 자기장을 고정시킨 채 다른 자기장을 전자기 펄스를 이용하여 조절하여, 스핀 시스템을 여기(excitation) 시킬 수 있다. 그리고 MRI 스캐너(10)는 복수의 경사 코일(14)에 기초하여, 자기장을 형성하여 시공간 영역에 대한 자기 공명 신호를 획득할 수 있다.
이와 같이, 자기 공명 영상 장치(1)의 프로세서는 MRI 스캐너(10)로부터 획득된 신호를 수신할 수 있다. 그리고 자기 공명 영상 장치(1)는 MRI 스캐너(10)로부터 획득된 자기 공명 신호를 이용하여 동적 태그 기반 자기 공명 영상을 생성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 태그 자기 공명 영상 방법을 도시한 순서도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 태그 자기 공명 영상 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 자기 공명 영상 장치(1)로부터 RF 펄스의 인가에 따라 생성되는 자기 공명 신호를 획득 한다(S310).
자기 공명 신호를 획득하는 과정에서 시공간 인코딩영역(k, t-space)에서 샘플링되지 않은 상태의 전체 데이터를 획득하거나, 언더샘플링(under sampling) 기법을 통해 샘플링된 데이터를 획득한다.
언더 샘플링을 수행하는 경우 자기 공명 영상 신호의 에너지가 k-공간의 저주파수 영역에 집중되어 있는 것에 착안하여 저주파수 영역은 높은 밀도로 샘플링하고, 고주파수 영역은 낮은 밀도로 랜덤하게 샘플링하는 랜덤 언더 샘플링 기법을 사용할 수 있다.
또는, 동적 태그 자기공명영상의 모폴로지 특성에 의하여 k-공간에 주기적으로 나타나는 피크들의 고유 특성을 유지할 수 있도록 저주파수 영역뿐만 아니라 피크가 나타나는 영역에 대해서도 높은 밀도로 데이터를 샘플링하는 가변 밀도 언더 샘플링 기법을 사용할 수 있다.
즉, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, k-공간상에서 피크가 나타나는 영역은 흰색 반점 형태로 표시될 수 있으며, 피크가 나타나는 영역에 대해서도 높은 밀도로 자기 공명 신호를 샘플링하도록 한다. 예를 들면, (b)의 중앙 부분에 도시된 흰색 영역 뿐만 아니라, 그 대각 방향에 배치된 흰색 영역에 대해서도 높은 밀도로 자기 공명 신호를 샘플링하도록 한다.
도 4의 (a)는 공간(spatial) 도메인에서의 동적 태그 자기 공명 영상을 나타낸 것이고, (b)는 푸리에(fourier) 도메인에서의 동적 태그 자기 공명 영상을 나타낸 것이고, (c)는 k- 공간에서의 가변 밀도 언더 샘플링을 도시한 것이고, (d)는 ky 방향에서의 확률 밀도 함수(probability density function)를 도시한 것이고, (e)는 가변 밀도 언더 샘플링에 따른 k-t 공간에서의 샘플링 패턴 결과물을 도시한 것이다.
다시 도 3을 참조하면, 가변 밀도 언더 샘플링을 통해 획득한 자기 공명 신호로부터 동적 태그 정보와 정적 영상 정보를 획득한다(S320).
자기 공명 신호(X)는 아래 수학식과 같이 정적 영상(L), 태그 정보(T) 및 노이즈 성분(N)을 포함하는 형태로 모델링 될 수 있다.
Figure 112016086466281-pat00001
이때, X는 카소라티(Casorati) 행렬로서,
Figure 112016086466281-pat00002
(x-t 공간)와 같이 정의된다. X는 시간적으로 연속되는 동적 태그 자기 공명 영상들을 포함한다.
정적 영상(L)과 태그 정보(T)를 획득하는 과정은 아래 수학식을 풀이하는 과정을 통해 구현된다.
Figure 112016086466281-pat00003
이때,
Figure 112016086466281-pat00004
는 카소라티 행렬 연산자를 나타내고,
Figure 112016086466281-pat00005
는 핸켈 행렬 연산자를 나타내며,
Figure 112016086466281-pat00006
는 뉴클리어 노름(nuclear norm)을 나타낸다.
Figure 112016086466281-pat00007
이때, d는 k-t 공간에서 측정된 데이터를 나타내고, Fu는 언더 샘플링된 푸리에 변환 연산자를 나타내고,
Figure 112016086466281-pat00008
는 유클리디안 노름(Euclidian norm)을 나타내고,
Figure 112016086466281-pat00009
는 뉴클리어 노름(nuclear norm)을 나타낸다. 앞선 단계에서 언더 샘플링을 수행하지 않는 경우에는 전체 데이터를 기반으로 수학식 3을 풀이할 수 있다.
한편,
Figure 112016086466281-pat00010
과
Figure 112016086466281-pat00011
는 각각 정적 영상(L)에 대한 사전 정보와 태그 정보(T)에 대한 사전 정보를 나타낸다.
태그 정보(T)의 경우 시간에 따라 천천히 변화하므로, 서로 연속된 시간 프레임 데이터 간의 유사성이 크다는 사전 정보를 활용하여, 각 프레임 데이터마다 임의의 크기의 패치를 슬라이딩시켜 아래 수학식과 같이 카소라티 행렬 구조로 재배열할 수 있다. 즉, 각 프레임 데이터를 벡터화하고, 이를 순차적으로 쌓아서 카소라티 행렬을 생성한다. 아래 수학식 4에 도시된 태그 정보(T)의 경우 총 M개의 프레임 데이터에 대하여 카소라티 행렬을 생성한 것을 나타낸다. 또한, 카소라티 행렬에서의 태그 정보(T)는 서로 상당히 높은 수준의 연관성(correlation)을 갖기 때문에, 저차 계수(low rank) 특성을 갖게 된다.
Figure 112016086466281-pat00012
정적 영상(L)의 경우, 태그 정보가 위치하던 영역(줄무늬 패턴 또는 격자 무늬 패턴)의 데이터가 누락된 상태이므로, 영상 보간법을 이용하여 복원하는 단계를 수행한다. 예를 들면, 누락된 픽셀 주변의 픽셀들간의 연관성을 이용하여 누락된 부분을 복원한다.
이와 같은 정적 영상(L)의 복원을 위해, 정적 영상(L)의 복원을 위한 초기값을 획득하는 단계를 별도로 수행하고, 이를 사전 정보로서 활용 할 수 있다. 예를 들면, 자기 공명 신호를 획득하는 과정에서 동적 태그를 설정하지 않고, 기준 영상을 위한 자기 공명 신호를 획득하고, 그로부터 기준 영상을 생성하여 정적 영상(L)의 초기값으로 설정할 수 있다. 또는, 동적 태그 자기공명영상의 영상 획득 과정에서 T1 이완 효과에 의해서 시간 후반부로 갈수록 영상에서 태그가 옅어지는 특성을 이용하여 시간적으로 가장 마지막 단계에서 획득한 자기 공명 신호로부터 획득한 동적 태그 자기 공명 영상을 정적 영상(L)의 초기값으로 설정할 수 있다.
한편, 정적 영상(L)의 복원를 위해, 핸켈(Hankel) 구조로 데이터를 재배열하고, 저차 계수 완성(low rank completion) 알고리즘을 적용하여 정적 영상을 복원한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 정적 영상 복원 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도시된 바와 같이, 서로 다른 시간에 생성된 복수의 정적 영상에 대하여 소정 크기의 패치를 슬라이딩시키고, 각 패치에 해당하는 데이터들을 벡터화하여 쌓아서 핸켈 행렬을 생성할 수 있다. 이러한 핸켈 행렬에 대하여 저차 계수 알고리즘을 적용하여 정적 영상을 복원할 수 있다. 이때, 복수의 정적 영상은 앞서 설명한 초기값으로 설정된 기준 영상이나 시간적으로 가장 마지막 단계에서 획득한 동적 태그 자기 공명 영상을 포함할 수 있다.
이와 같이 획득한 동적 태그 정보와 정적 영상의 정보를 합산하여, 동적 태그 자기 공명 영상을 갱신하고, 갱신된 동적 태그 자기 공명 영상과 시공간 영역에서 획득한 자기 공명 신호 간의 오차가 최소화될 때 까지 동적 태그 정보 및 정적 영상 정보를 분리 및 복원하는 과정을 반복 수행한다.
다음으로, 최종적으로 획득한 동적 태그 정보와 정적 영상 정보를 조합하여 동적 태그 기반의 자기 공명 영상을 획득한다(S330).
본 발명에서는 동적 태그 정보와 정적 영상 정보를 조합하여 대상체의 활성 상태에 대한 물리적 정보를 확인할 수 있다. 도면을 참고하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 태그 자기 공명 영상의 활용예를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에서는 자기 공명 신호로부터 동적 태그 정보와 정적 영상 정보를 함께 획득할 수 있다. 이렇게 확보한 동적 태그 정보는 대상체의 변위(displacement) 또는 변형량(strain) 정보를 확인하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 간(liver)의 경화 정도를 비침습적으로 확인하기 위해서는 심장의 움직임에 의하여 간이 움직이는 정도를 확인하는 방법을 사용할 수 있다. 이때, 동적 태그 정보에 기반하여 대상체의 변위 정도를 확인하고, 그에 따라 간 경화 정도를 판별할 수 있다.
또한, 정적 영상 정보는 로드맵 정보로서 활용될 수 있다. 이에, 대상체의 변위에 대한 정보 뿐만 아니라, 대상체의 구조 및 기능적인 측면도 함께 확인할 수 있다.
이와 같이 동적 태그 정보와 정적 영상 정보를 조합하여 도 6과 같은 이미지를 생성할 수 있다.
도 6의 (a), (b), (c)는 건강한 간의 상태를 나타내는 것이고, (d), (e), (f)는 간 경변이 있는 간의 상태를 나타내는 것이다. 건강한 간의 경우 붉은 색으로 표시되는 변위량이 높은 영역이 상대적으로 많이 나타나고 있음을 확인할 수 있으며, 이러한 이미지를 통해 대상체의 물리적인 상태를 정량적으로 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 태그 자기 공명 영상의 성능을 설명하기 위한 도면이다.
도 7의 (a)에 도시된 그림은 종래의 기술에 기반하여 생성된 것이고, (b)에 도시된 그림은 본 발명에 기반하여 생성된 것이다. 각 그림에서 붉은색으로 표시된 부분은 심장의 박동에 의하여 움직임이 발생하는 부분을 나타낸다.
그런데, (a)의 경우 심장과 인접한 부분 뿐만 아니라, 다른 영역에서도 붉은색으로 표시된 부분이 나타나고 있으며, 이는 실제 현상을 왜곡하고 있음을 확인할 수 있다. (b)의 경우 심장과 인접한 부분외에는 붉은색으로 표시된 부분이 거의 나타나지 않아, 보다 강건하게 물리적 성질을 정량화하고 있음을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 자기 공명 영상 장치
10: MRI 스캐너
20: 신호 처리부
30: 인터페이스부
40: 제어부
50: 모니터링부

Claims (12)

  1. 동적 태그 기반의 자기 공명 영상 방법에 있어서,
    (a) RF 펄스 인가에 따른 자기 공명 신호를 획득하는 단계;
    (b) 상기 획득된 자기 공명 신호로부터 동적 태그 정보와 정적 영상 정보를 획득하는 단계; 및
    (c) 상기 동적 태그 정보와 정적 영상 정보를 조합하여 동적 태그 기반의 자기 공명 영상을 생성하는 단계를 포함하는 동적 태그 기반의 자기 공명 영상 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (a) 단계는 동적 태그 기반의 자기 공명 신호의 k-공간에 주기적으로 나타나는 피크 영역에 대해서 나머지 영역에 비하여 상대적으로 높은 밀도로 자기 공명 신호를 샘플링하는 가변 밀도 언더 샘플링 기법을 적용하는 동적 태그 기반의 자기 공명 영상 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 동적 태그 기반의 자기 공명 영상과 시공간 영역에서 획득한 자기 공명 신호 간의 오차가 최소화될 때까지 상기 (b) 단계 및 (c) 단계를 반복 수행하는 동적 태그 기반의 자기 공명 영상 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 아래의 수학식 1 에 해당하는 최적화 문제를 풀이하는 과정을 통해 상기 동적 태그 정보와 정적 영상 정보를 획득하는 것인 동적 태그 기반의 자기 공명 영상 방법.
    [수학식 1]
    Figure 112016086466281-pat00013

    이때, d는 k-t 공간에서 측정된 데이터를 나타내고, Fu는 언더 샘플링된 푸리에 변환 연산자를 나타내고,
    Figure 112016086466281-pat00014
    는 유클리디안 노름(Euclidian norm)을 나타내고,
    Figure 112016086466281-pat00015
    는 뉴클리어 노름(nuclear norm)을 나타내고,
    Figure 112016086466281-pat00016
    과
    Figure 112016086466281-pat00017
    는 각각 정적 영상(L)에 대한 사전 정보와 태그 정보(T)에 대한 사전 정보를 나타내고,
    Figure 112016086466281-pat00018
    는 카소라티 행렬 연산자를 나타내고,
    Figure 112016086466281-pat00019
    는 핸켈 행렬 연산자를 나타냄.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 상기 정적 영상(L)에 대한 사전 정보로서, 동적 태그를 설정하지 않고 획득한 기준 영상 또는 자기 공명 신호 획득시에 시간적으로 가장 마지막 단계에서 획득한 자기 공명 신호로부터 획득한 동적 태그 자기 공명 영상을 사용하는 것인 동적 태그 기반의 자기 공명 영상 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 동적 태그 기반의 자기 공명 영상은 상기 동적 태그 정보로부터 획득한 대상체의 시간에 따른 변위 정보를 포함하고, 상기 정적 영상 정보로부터 획득한 대상체의 구조 정보를 포함하는 것인 동적 태그 기반의 자기 공명 영상 방법.
  7. 동적 태그 기반의 자기 공명 영상을 생성하는 자기 공명 영상 장치에 있어서,
    MRI스캐너로부터 수신한 자기 공명 신호로부터 동적 태그 기반의 자기 공명 영상을 생성하는 프로그램이 저장된 메모리 및
    상기 프로그램을 실행하는 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는 상기 프로그램의 실행에 따라, RF 펄스 인가에 따른 자기 공명 신호를 획득하고, 상기 획득된 자기 공명 신호로부터 동적 태그 정보와 정적 영상 정보를 획득하고, 상기 동적 태그 정보와 정적 영상 정보를 조합하여 동적 태그 기반의 자기 공명 영상을 생성하는 동적 태그 기반의 자기 공명 영상 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 프로세서는 동적 태그 기반의 자기 공명 신호의 획득 시에 k-공간에 주기적으로 나타나는 피크 영역에 대해서 나머지 영역에 비하여 상대적으로 높은 밀도로 자기 공명 신호를 샘플링하는 가변 밀도 언더 샘플링 기법을 적용하는 동적 태그 기반의 자기 공명 영상 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 프로세서는 동적 태그 기반의 자기 공명 영상과 시공간 영역에서 획득한 자기 공명 신호 간의 오차가 최소화될 때까지, 상기 동적 태그 정보와 정적 영상 정보를 획득하는 단계 및 상기 동적 태그 정보와 정적 영상 정보를 조합하여 동적 태그 기반의 자기 공명 영상을 생성하는 단계를 반복 수행하는 동적 태그 기반의 자기 공명 영상 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 프로세서는 아래의 수학식 1 에 해당하는 최적화 문제를 풀이하는 과정을 통해 상기 동적 태그 정보와 정적 영상 정보를 획득하는 것인 동적 태그 기반의 자기 공명 영상 장치.
    [수학식 1]
    Figure 112016086466281-pat00020

    이때, d는 k-t 공간에서 측정된 데이터를 나타내고, Fu는 언더 샘플링된 푸리에 변환 연산자를 나타내고,
    Figure 112016086466281-pat00021
    는 유클리디안 노름(Euclidian norm)을 나타내고,
    Figure 112016086466281-pat00022
    는 뉴클리어 노름(nuclear norm)을 나타내고,
    Figure 112016086466281-pat00023
    과
    Figure 112016086466281-pat00024
    는 각각 정적 영상(L)에 대한 사전 정보와 태그 정보(T)에 대한 사전 정보를 나타내고,
    Figure 112016086466281-pat00025
    는 카소라티 행렬 연산자를 나타내고,
    Figure 112016086466281-pat00026
    는 핸켈 행렬 연산자를 나타냄.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 프로세서는 단계는 상기 정적 영상(L)에 대한 사전 정보로서, 동적 태그를 설정하지 않고 획득한 기준 영상 또는 자기 공명 신호 획득시에 시간적으로 가장 마지막 단계에서 획득한 자기 공명 신호로부터 획득한 동적 태그 자기 공명 영상을 사용하는 것인 동적 태그 기반의 자기 공명 영상 장치.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 동적 태그 기반의 자기 공명 영상은 상기 동적 태그 정보로부터 획득한 대상체의 시간에 따른 변위 정보를 포함하고, 상기 정적 영상 정보로부터 획득한 대상체의 구조 정보를 포함하는 것인 동적 태그 기반의 자기 공명 영상 장치.
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