KR101967239B1 - 자기 공명 영상 촬상 방법 및 장치 - Google Patents

자기 공명 영상 촬상 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

자기 공명 영상 촬상 방법 및 장치에 관한 것으로서, 대상체의 서로 다른 영역에 대한 T1 컨트라스트를 생성하는 과정을 중첩하여 수행함으로써, 빠른 시간 내에 조직의 구별을 강화한 자기 공명 영상을 획득할 수 있다. 이에 따라 자기 공명 영상을 획득하는데 소요되는 시간을 단축하고, 병변 판단력을 높일 수 있는 자기 공명 영상을 제공할 수 있다.

Description

자기 공명 영상 촬상 방법 및 장치{METHOD FOR IMAGING MAGNETIC RESONANCE IMAGE AND APPRATUS USING THE SAME THEREOF}
자기 공명 영상 촬상 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 대상체의 서로 다른 영역에 대한 T1 컨트라스트를 생성하는 과정을 중첩하여 수행함으로써, 빠른 시간 내에 조직의 구별을 강화한 자기 공명 영상을 획득하는 자기 공명 영상 촬상 방법 및 장치에 관한 것이다.
자기 공명 영상(Magnetic Resonance Imaging, MRI)은 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.
최근에는 자기 공명 영상을 획득함에 있어서, 빠른 시간 내에 자기 공명 영상을 영상화하는 기술들에 대한 연구가 진행되고 있다. 예를 들어, Echo-Planar Imaging(EPI)과 같은 기술이 대표적이다.
관련된 기술 문헌에는, 미국등록특허 US 6,310,479, 미국등록특허 US 6,144,200,및 한국등록특허 10-0852402가 존재한다.
빠른 시간 내에 자기 공명 영상을 영상화하는 기술에서 대상체의 복수의 영역에 대한 T1 영상들을 얻기 위해 추가적으로 필요한 T1 컨트라스트 생성 과정에 소모되는 전체 시간을 최소화함으로써, 자기 공명 영상의 빠른 영상화 기술의 응용을 극대화시키고 동시에 충분한 병변 판별력을 확보하고자하는 자기 공명 영상 촬상 방법 및 장치를 제공하는데 있다. 또한, 이와 같은 자기 공명 영상 촬상 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 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.
본 발명의 일 측면에 따른 자기 공명 영상 촬상 방법은 서로 다른 조직들로 구성된 대상체의 제 1 영역에 T1 컨트라스트(contrast)를 생성하는 단계, 상기 대상체의 제 2 영역에 T1 컨트라스트를 생성하는 단계, 상기 제 1 영역에 펄스 시퀀스를 인가하여 자기 공명 신호를 획득하는 단계, 및 상기 제 2 영역에 펄스 시퀀스를 인가하여 자기 공명 신호를 획득하는 단계를 포함하고, 상기 제 1 영역에 T1 컨트라스트를 생성하는 단계와 상기 제 2 영역에 T1 컨트라스트를 생성하는 단계가 서로 중첩(overlapped)된다.
본 발명의 다른 측면에 따라 상기 자기 공명 영상 촬상 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 자기 공명 영상 촬상 장치는 서로 다른 조직들로 구성된 대상체의 제 1 영역 및 상기 대상체의 제 2 영역에 T1 컨트라스트를 생성하는 RF(Radio Frequency) 펄스와 자기 공명 신호 획득에 사용되는 소정의 펄스 시퀀스를 인가하는 RF 코일부, 상기 인가된 소정의 펄스 시퀀스에 대한 응답으로 상기 제 1 영역 및 상기 제 2 영역으로부터 자기 공명 신호를 획득하는 신호 획득부, 및 상기 제 1 영역에 T1 컨트라스트를 생성하는 것과 상기 제 2 영역에 T1 컨트라스트를 생성하는 것이 서로 중첩(overlapped)되도록 RF 펄스의 인가 시점을 결정하는 제어부를 포함한다.
자기 공명 영상을 획득하는데 소요되는 시간을 단축하고, 병변 판단력을 높일 수 있는 자기 공명 영상을 제공할 수 있다.
도 1은 자기 공명 영상 시스템의 전체 구조를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 자기 공명 영상 시스템에서 자기 공명 신호를 획득하는 자기 공명 영상 촬상 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 빠른 시간 내에 자기 공명 영상을 영상화하는 기술에서 T1 영상을 얻기 위한 펄스 시퀀스 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 4는 빠른 시간 내에 자기 공명 영상을 영상화하는 기술에서 대상체의 복수의 영역에 대한 T1 영상을 얻는 과정을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 빠른 시간 내에 자기 공명 영상을 영상화하는 기술에서 대상체의 복수의 영역에 대한 T1 영상을 얻는 과정을 도시한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따라 빠른 시간 내에 자기 공명 영상을 영상화하는 기술에서 대상체의 복수의 영역에 대한 T1 영상을 얻기 위한 펄스 시퀀스 다이어그램을 도시한 도면이다.
도 7은 자기 공명 영상을 촬상하는 방법의 일실시예를 나타낸 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명을 한정하지 아니하고 오로지 예시를 위한 실시예에 의해 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 하기 실시예는 본 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.
본 실시예들은 자기 공명 영상 촬상 방법 및 장치에 관한 것으로서 이하의 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려져 있는 사항들에 관해서는 자세한 설명을 생략한다. 자기공명현상을 보이는 원자들로는
Figure 112012067573061-pat00001
,
Figure 112012067573061-pat00002
,
Figure 112012067573061-pat00003
,
Figure 112012067573061-pat00004
등이 있는데 이 중 자기 공명 영상에서 주로 영상화에 이용되는 것은 수소 원자이므로 이하에서는 수소 원자를 영상화하는 것을 일실시예로써 설명한다.
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 시스템 (100)은 PET(Positron Emission Tomography) 등의 다른 의료영상기기와 결합된 형태인 하이브리드 자기 공명 영상 시스템을 포함할 수도 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) 내의 크래들(116) 위에 위치한 대상체(114)로부터 자기 공명 영상을 생성하기 위해 사용되는 자기 공명 신호를 획득하여 자기 공명 영상 처리 장치(130)로 출력한다.
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, 자기 공명 신호를 재구성하여 자기 공명 영상을 생성하는 영상 처리 프로세서, 생성된 자기 공명 영상과 여러가지 정보를 저장할 수 있는 스토리지, 자기 공명 영상 촬상 장치(110) 및 영상 표시 장치(150)와의 연결을 위한 입출력부 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 장치는 대상체에 자장과 고주파를 가하고 이에 대한 응답으로 대상체로부터 감지되는 신호를 획득한다. 자기 공명 영상 촬상 장치(210)는 마그네트 시스템(220), 그레디언트 구동부(230), RF(Radio Frequency) 구동부(240), 신호 획득부(250), 제어부(260) 등을 구비한다. 마그네트 시스템(220)은 다시 주자장 코일부(222), 그레디언트 코일부(224), RF(Radio Frequency) 코일부(226)를 포함한다.
주자장 코일부(222)는 마그네트 시스템(220) 내부 공간에 정자장(Static Magnetic Field)을 형성한다.
그레디언트 코일부(224)는 서로 수직인 3개의 축의 방향으로 경사 자장을 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.
한편, 그레디언트 코일(224)은 대상체의 x, y, z 축 방향으로 세 가지 종류의 그레디언트를 가할 수 있다. 대상체의 체축에 수직인 특정 단면을 선택적으로 여기시키기 위한 전제 조건으로서 대상체의 체축을 따라 경사 자장을 형성시키는데, 이때 슬라이스 셀렉션 그레디언트(Slice Selection Gradient)가 가해진다. 그리고 선택된 평면 내에서 2차원적인 공간정보를 얻기 위해 프리퀀시 인코딩 그레디언트(Frequency Encoding Gradient)와 페이즈 인코딩 그레디언트(Phase Encoding Gradient)가 가해진다. 이와 같이 슬라이스 축, 주파수 축, 위상 축의 방향으로 경사 자장을 형성하기 위해 그레디언트 코일부는 3 종의 그레디언트 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.
그레디언트 구동부(230)는 그레디언트 코일부(224)와 연결되어 있고, 그레디언트 코일부(224)에 경사 자장 형성과 관련된 신호를 출력한다. 그레디언트 구동부(230)는 슬라이스 축, 주파수 축, 위상 축에 대한 3 종의 그레디언트 코일 각각에 대응되는 그레디언트 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 코일부에 수신된 자기 공명 신호를 입력받아 디지털 데이터로 처리한다. 신호 획득부는 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 장치에 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.
도 3은 빠른 시간 내에 자기 공명 영상을 영상화하는 기술에서 T1 영상을 얻기 위한 펄스 시퀀스 다이어그램을 도시한 도면이다. 도 3의 다이어그램은 RF 코일부(226) 및 그레디언트 코일부(224)의 동작 신호를 나타낸 것이다. 세로 축의 RF 는 Radio Frequency 의 약자로 RF 코일부(226)에서 인가하는 고주파를 의미한다. SS는 그레디언트 코일부(224)에 의해 가해지는 슬라이스 셀렉션 그레디언트(Slice Selection Gradient), PE는 페이즈 인코딩 그레디언트(Phase Encoding Gradient), FE는 프리퀀시 인코딩 그레디언트(Frequency Encoding Gradient)를 각각 의미한다. 가로 축은 시간의 흐름을 나타내며, TI는 인버젼 타임(Inversion Time)을 의미하고, TR은 레피티션 타임(Repetition Time)을 의미한다. Mz는 자화(Magnetization)를 의미하며, 그래프에서는 대상체 내의 한 영역에 포함되어 있는 두 조직에서 수소 원자핵들의 자화 방향을 나타낸다. 여기서 자화는 순자화(Net Magnetization)를 말하며, 대상체 내의 각 조직에 포함되어 있는 수소 원자핵들의 자기 모멘트들의 합 벡터를 말한다.
자기 공명 영상의 경우, 영상의 주파수 도메인에서 신호를 획득하는데, 특히 자기 공명 영상의 영상화 기법 중 하나인 Echo-Planar Imaging(EPI)는 주파수 도메인에서 신호를 스캔하는 동선을 최소화함으로써 하나의 영상을 빠르게 획득하는 것이 가능하게 한다. 하지만, 영상을 빠르게 획득하는 대신, 영상화 방식의 특성상 T2 또는 T2* 영상 특성을 갖는 한계가 있다. 따라서, 빠른 시간 내에 자기 공명 영상을 영상화하는 기술에서 T1 영상을 얻기 위해서는 영상화 과정의 전처리 과정으로서 T1 특성을 생성하여 T1 컨트라스트를 확보하는 과정이 추가적으로 필요하다. 이와 관련하여, 도 3을 이용하여 이하 자세히 설명한다.
a 시점에서 대상체는 주자장 코일부(222)에 의해 형성된 정자장(static magnetic field)내에 위치하고 있다. 정자장에 의해 대상체 내의 두 조직에서 수소 원자핵들의 자화 방향은 정자장 방향으로 정렬된다. 도 3에서 Mz를 보면, 실선과 점선이 모두 같은 방향임을 알 수 있다.
b 시점에서 RF 코일부(226)는 대상체에 RF 펄스를 인가한다. 이는 대상체의 특정 영역에 대하여 T1 특성을 생성하는 시작 단계이다. 대상체에는 이미 z 축 방향으로 경사자장이 형성되어 있는 상태이며, RF 펄스의 주파수 대역은 관심 영역에 해당하는 대상체의 특정 부위에 형성된 경사자장 세기에 비례한다. 또한, RF 펄스는 각 조직에서 수소 원자핵이 가지는 공명 주파수의 주파수 대역(frequency band)을 모두 포함한다. RF 펄스는 도 3에 도시된 바와 같이 180°RF 펄스일 수 있으며, time 도메인에서 sinc 함수 등의 다양한 형태일 수 있다.
b 시점 이후로는 RF 펄스가 차단되고 대상체에 이미 형성되어 있던 정자장의 영향에 의해 대상체 내의 조직에서 수소 원자핵의 자기 모멘트가 이완(relaxation)되게 한다. 이와 같은 자기 모멘트의 이완은 RF 펄스에 의해 여기 상태가 되었던 수소 원자핵이 정자장 방향의 안정한 상태로 복귀하는 과정을 말한다. 이 과정에서 두 조직에서 수소 원자핵의 스핀 격자 이완 시간(spin lattice relaxation time) 다른 말로, T1 relaxation time 차이에 의해 각 수소 원자핵의 자기 모멘트 방향이 RF 펄스 인가 전으로 복귀하는데 걸리는 시간 또는 복귀하는 속도가 상이하므로, 각 조직에서 수소 원자핵의 자기 모멘트 방향 또는 전체적인 관점에서 각 조직에서 수소 원자핵들의 자화 방향이 서로 이루는 각도는 시간이 지남에 따라 점점 증가함을 알 수 있다. 이는 대상체의 특정 영역 내의 각 조직의 T1 특성 간의 콘트라스트를 생성하는 중임을 의미한다. 도 3을 보면, 실선의 경우 Mz의 값이 짧은 시간 내에 음(-)에서 양(+)으로 변하였으며, 인버젼 타임(Inversion Time, TI)이 지나자 RF 펄스 인가 전의 Mz 값의 수준으로 회복되었음을 알 수 있다. 반면, 점선의 경우 Mz의 값에 거의 변화가 없으며, 인버젼 타임(Inversion Time, TI)이 지날 때까지도 RF 펄스 인가 전의 Mz 값의 수준으로 회복되지 못하였음을 알 수 있다. 결과적으로, 실선의 경우 RF 펄스 인가 전의 정자장 방향으로 자기 모멘트 방향이 회복되었으나, 점선의 경우 RF 펄스 인가 시의 자기 모멘트 방향에서 거의 변화가 없다.
c 시점에서, 대상체 내의 두 조직에서 수소 원자핵의 자기 모멘트 방향 또는 전체적인 관점에서 각 조직에서 수소 원자핵들의 자화 방향은 서로 반대 방향을 향한다. 도 3에서 보면, 실선의 화살표는 a 시점에서와 같이 + z 축 방향으로 향해 있고, 점선의 화살표는 b 시점에서와 같이 - z 축 방향으로 향해 있음을 알 수 있다. 결과적으로, 두 개의 자기 모멘트 방향이 반대이므로, 자기 모멘트 방향이 서로 이루는 각도는 약 180°임을 확인할 수 있다. 이는 대상체의 특정 영역 내 각 조직의 T1 특성 간의 콘트라스트 생성을 완료한 것임을 의미한다.
a 시점에서부터 c 시점에 이르기까지, 다시 말해서 RF 펄스의 인가와 이완(Relaxation) 과정을 통하여, 대상체 내의 두 조직에서 수소 원자핵의 자기 모멘트 방향 또는 전체적인 관점에서 각 조직에서 수소 원자핵들의 자화 방향은 서로 반대 방향을 향하게 되었고, 각 조직의 T1 특성에 따라 T1 컨트라스트의 생성이 완료된다. 결과적으로 T1 컨트라스트를 생성하기 위한 부분이 추가되었으며, 도 3에 의할 때 인버젼 타임(TI)만큼의 시간이 추가되었음을 알 수 있다.
d 시점에서부터 RF 코일부(226)는 영상화를 위하여 대상체에 자기 공명 신호를 획득하는데 사용하는 펄스 시퀀스를 인가하기 시작한다. 스핀 에코 펄스 시퀀스(spin echo pulse sequence)를 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않으며 그레디언트 에코 펄스 시퀀스(gradient echo pulse sequence) 등 다양한 펄스 시퀀스가 사용될 수 있다.
도 4는 빠른 시간 내에 자기 공명 영상을 영상화하는 기술에서 대상체의 복수의 영역에 대한 T1 영상을 얻는 과정을 도시한 도면이다. 도 3과 관련한 위의 설명에서, 빠른 시간 내에 자기 공명 영상을 영상화하는 기술의 경우, T1 영상을 얻기 위해서는 T1 컨트라스트를 생성하기 위한 부분이 추가되며, 인버젼 타임(TI)만큼의 시간이 추가됨을 알 수 있었다. 이하에서는 대상체의 복수의 영역에 대한 영상을 얻는 경우에 대해서 설명한다.
도 4를 참조하면, 대상체를 영상화하고자 하는 제 1 영역 내지 제 N 영역의 복수 개의 영역으로 나누고, 각 영역에 대하여 빠른 시간 내에 자기 공명 영상을 영상화하는 기술을 사용하여 T1 영상을 얻고자 하는 경우, 소요되는 시간을 설명하고 있다. 이때 제 1 영역 내지 제 N 영역의 복수 개의 영역은 대상체의 서로 다른 단면일 수도 있고, 대상체의 서로 다른 서브볼륨(subvolume)이 될 수도 있다.
먼저, 제 1 영역에 대한 부분을 보면 시간 t 가 0일 때, T1 컨트라스트 생성이 시작되고, 인버젼 타임이 지났을 때 T1 컨트라스트의 생성이 완료되었음을 알 수 있으며, 인버젼 타임 경과 후 영상화에 소모되는 레피티션 타임까지 경과하면 제 1 영역에 대한 T1 영상을 얻기 위한 과정이 완료된다. 즉, 제 1 영역에 대한 T1 영상을 얻기 위해서는 인버젼 타임과 레피티션 타임이 경과하여야 함을 알 수 있다.
다음으로 제 2 영역에 대한 부분을 보면, 제 1 영역에 대한 T1 영상을 얻기 위한 과정과 동일한 시간이 제 2 영역에 대한 T2 영상을 얻기 위해 소모됨을 알 수 있다. 즉, 제 2 영역에 대한 T1 영상을 얻기 위해서는 인버젼 타임과 레피티션 타임이 경과하여야 함을 알 수 있다.
결과적으로, 제 N 영역에 대해서까지, T1 영상을 얻기 위해서는 다음과 같은 수식 값의 스캔 시간(Scan Time)이 필요함을 알 수 있다.
Figure 112012067573061-pat00005
따라서, T1 특성을 생성하기 위한 부분의 시간인 인버젼 타임(T1)이 영상화 하고자 하는 영역 갯수만큼 늘어나 스캔 시간이 길어지는 문제가 발생한다. 예를 들어, 뇌영상화에서 회질(Gray Matter, T1 = 920 ms at 1.5 T)과 백질(White Matter, T1 = 780 ms at 1.5 T)간 T1 컨트라스트를 확보하는 것이 중요한데, 이를 위한 인버젼 타임(TI)이 1초(s), 각 영역의 영상화 시간인 레피티션 타임(TR)이 100 밀리초(ms) 수준이라면, 10개의 영상을 얻기 위한 총 스캔 시간은 11초가 됨을 알 수 있다. 따라서, Echo-Planar Imaging(EPI)와 같은 빠른 영상화 기술에서 T1 영상을 얻기 위해서는 각 영역에 대해서 추가적인 인버젼 타임(TI)이 소모됨에 따라, 자기 공명 영상을 빠른 시간 내에 영상화하는 기술의 응용 및 활용범위가 크게 제한되는 문제점이 발생한다. 또한 각 영역에 포함되어 있는 두 조직간의 최대 컨트라스트를 얻기 위해서는 T1 relaxation time에 의해 미리 결정되어 있는 고정된 인버젼 타임(TI) 값을 사용해야 하므로, 인버젼 타임(TI) 값을 임의로 줄일 수도 없다. 따라서, 빠른 시간 내에 자기 공명 영상을 영상화하는 기술에서 T1 영상을 얻고자 하는 경우, T1 컨트라스트 생성 과정에 소모되는 시간을 최소화할 방안이 요구된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 빠른 시간 내에 자기 공명 영상을 영상화하는 기술에서 대상체의 복수의 영역에 대한 T1 영상을 얻는 과정을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 도 4와 같이 대상체를 영상화하고자 하는 제 1 영역 내지 제 N 영역의 복수 개의 영역으로 나누고, 각 영역에 대하여 빠른 시간 내에 자기 공명 영상을 영상화하는 기술을 사용하여 T1 영상을 얻고자 하는 경우, 소요되는 시간을 설명하고 있다. 이때 제 1 영역 내지 제 N 영역의 복수 개의 영역은 대상체의 서로 다른 단면일 수도 있고, 대상체의 서로 다른 서브볼륨(subvolume)이 될 수도 있다. 도 4에서 설명한 대상체의 복수의 영역에 대한 T1 영상을 얻는 과정과 비교하면서 이하 설명한다.
먼저, 도 5에서 제 1 영역에 대한 부분을 보면 시간 t 가 0일 때, T1 컨트라스트 생성이 시작되고, 인버젼 타임이 지났을 때 T1 컨트라스트의 생성이 완료되었음을 알 수 있으며, 인버젼 타임 경과 후 영상화에 소모되는 레피티션 타임까지 경과하면 제 1 영역에 대한 T1 영상을 얻기 위한 과정이 완료됨을 알 수 있다. 따라서, 도 4의 제 1 영역에 대한 부분만 비교하면 소모된 시간이 인버젼 타임과 레피티션 타임의 합으로 서로 같음을 알 수 있다.
도 4의 대상체의 복수의 영역에 대한 T1 영상을 얻는 과정과 차이점은 제 2 영역에 대한 T1 영상을 얻는 과정에서부터 나타난다. 도 4의 제 2 영역에 대한 부분을 보면 제 2 영역의 T1 컨트라스트 생성 시작이 제 1 영역에 대한 영상화가 완료된 후, 즉, 인버젼 타임(TI)과 레피티션 타임(TR)이 경과된 후 제 2 영역에 대한 T1 컨트라스트 생성이 시작되는 반면, 도 5의 제 2 영역에 대한 부분을 보면 T1 컨트라스트의 생성 시작이 제 1 영역의 인버젼 타임(TI)이 경과하기 전임을 알 수 있다. 도 5에서는 인버젼 타임(TI)이 경과하기 전 제 2 영역에 대한 T1 컨트라스트 생성 시작 시점을 인버젼 타임(TI)보다 크기가 작은 레피티션 타임(TR)인 경우를 예로 들었으나, 이에 한정되지 않는다. 도 5에서 제 2 영역에 대한 T1 영상을 얻기 위해 소모되는 시간은 제 1 영역에 대한 T1 영상을 얻기 위해 소모되는 시간과 같지만, 제 2 영역에 대한 T1 영상을 얻기 위해 T1 컨트라스트를 생성하는 시점이 제 1 영역에 대한 T1 컨트라스트를 생성하는 중이라는 점에 주목해야 한다. 결과적으로 보면, 도 4와 달리 도 5에서는 제 1 영역에 대한 T1 영상을 생성하는 과정과 제 2 영역에 대한 T1 영상을 생성하는 과정이 중첩된다는 특징이 있다. 즉, 제 2 영역의 T1 컨트라스트 생성 시작 시점이 제 1 영역에 대한 T1 영상화 완료 후가 아닌 제 1 영역에 대한 T1 컨트라스트 생성 중에 있다.
마찬가지로 제 N 영역에 T1 컨트라스트를 생성하는 시점은 제 N-1 영역의 T1 컨트라스트를 생성하는 도중이 될 것이며, 제 N 영역의 T1 컨트라스트 생성 과정과 제 N-1 영역의 T1 컨트라스트 생성 과정은 그 일부가 중첩될 것이다.
결과적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 대상체의 복수의 영역에 대한 T1 영상을 얻는 과정은 제 1 영역에서부터 제 N 영역에 대해서까지, T1 영상을 얻기 위해서 다음과 같은 수식 값의 스캔 시간(Scan Time)이 필요함을 알 수 있다.
Figure 112012067573061-pat00006
즉, 본 발명에서는 대상체의 각 영역에 대한 T1 영상을 순차적으로 얻는 것이 아니라, 인버젼 타임(TI)을 최대한 공유하도록 각 영역의 T1 컨트라스트 생성 과정을 재배치하여, 전체 스캔 시간을 줄임으로써 자기 공명 영상에 대한 빠른 영상화가 가능해진다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따라 빠른 시간 내에 자기 공명 영상을 영상화하는 기술에서 대상체의 복수의 영역에 대한 T1 영상을 얻기 위한 펄스 시퀀스 다이어그램을 도시한 도면이다. 이하, 도 5에서 설명한 내용을 펄스 시퀀스 다이어그램을 이용하여 부연 설명한다.
도 6을 참조하면, 도 6 아래쪽에 a-1, a-2, a-3, ... , a-N이 있는데 이는 제 1 영역부터 제 N 영역에 대한 T1 컨트라스트의 생성 시작 시점을 나타내고, b-1, b-2, b-3, ... , b-N이 있는데 이는 제 1 영역부터 제 N 영역에 대한 영상화 시작 시점을 나타낸다. 도 6을 참조하면, 각 영역에 대해 T1 컨트라스트를 생성하는데 소모되는 시간은 인버젼 타임(TI)만큼임을 알 수 있다. 또한 각 영역에 대한 영상화에 소모되는 시간은 레피티션 타임(TR)만큼임을 알 수 있다. 또한, 각 영역에 대한 T1 영상을 획득하는데 소모되는 시간은 각각 인버젼 타임(TI)와 레피티션 타임(TR)의 합과 같음을 알 수 있다.
도 6에서 알 수 있는 본 발명의 특징을 살펴보면, 제 2 영역의 T1 컨트라스트 생성 시작점인 a-2가 제 1 영역의 T1 컨트라스트 생성 시작점인 a-1로부터 소정의 시간만큼 경과된 후이고, a-1로부터 인버젼 타임이 경과되기 전이라는 것을 알 수 있다. 또한 a-2가 a-1로부터 소정의 시간만큼 경과된 후인데, 이때 그 소정의 시간은 인버젼 타임(TI)보다 작은 레피티션 타임(TR) 값이 될 수 있다.
본 발명에서는 대상체의 각 영역에 대한 T1 컨트라스트 생성 과정에 소모되는 시간인 인버젼 타임(TI)을 최대한 공유하도록 각 영역의 T1 컨트라스트 생성 과정을 중첩시킴으로써, 전체 스캔 시간을 줄여 자기 공명 영상에 대한 빠른 영상화를 가능하게 하며, 본 발명의 일 실시예에 따른 대상체의 복수의 영역에 대한 T1 영상을 얻는 과정은 위의 수학식 3의 스캔 시간(Scan Time)이 소모됨을 알 수 있다. 도 4의 대상체의 복수의 영역에 대한 T1 영상을 얻는 과정과 비교하였을 때, 절약되는 시간은 다음과 같다.
Figure 112012067573061-pat00007
앞에서 든 예를 가지고 비교해볼 때, 뇌영상화에서 회질과 백질로 이루어진 뇌에 대한 10개의 영상을 얻기 위한 총 스캔 시간은 2초가 됨을 알 수 있고, 절약된 시간은 9초 즉, 82 퍼센트의 절감 효과가 있음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 자기 공명 영상을 촬상하는 방법의 일실시예를 나타낸 흐름도이다.
710 단계에서 서로 다른 조직들로 구성된 대상체의 제 1 영역에 T1 컨트라스트를 생성한다. 대상체를 영상화하고자 하는 복수의 영역으로 나누어 볼 수 있는데, 이 때 복수의 영역은 대상체의 서로 다른 단면일 수도 있고, 대상체의 서로 다른 서브볼륨(subvolume)이 될 수도 있다. 대상체는 인체의 특정 부위가 될 수 있으며, 제 1 조직부터 제 N 조직의 복수 개의 서로 다른 조직들로 구성될 수 있다. 각각의 조직은 자기공명현상을 일으키는 수소 원자핵과 같은 공통의 원자핵을 포함한다.
T1 컨트라스트를 생성하기 위해 대상체에 180°RF 펄스를 인가하면 대상체 내의 제 1 조직과 제 2 조직의 수소 원자핵들의 자화 방향이 180°만큼 회전하게 되고, 이후 RF 펄스의 인가가 차단된 채로 일정한 시간이 경과되면 대상체 내의 제 1 조직과 제 2 조직의 수소 원자핵들은 원래의 자기 모멘트 방향으로 되돌아가게 되는데, 이때, 제 1 조직에서 수소 원자핵과 제 2 조직에서 수소 원자핵의 자기 모멘트 방향의 회복 속도 및 회복 시간에는 차이가 존재함으로 T1 컨트라스가 생성된다.
수소 원자핵의 자기 모멘트 방향이 시간이 지나면서 회복하는 정도를 나타내는 척도로써 스핀 격자 이완 시간(spin lattice relaxation time) 다른 말로, T1 relaxation time이 있다. 스핀 격자 이완 시간(spin lattice relaxation time)이란 대상체에 RF 펄스를 인가하여 자기 모멘트 방향을 정자장에 의해 정렬된 방향에서 인가한 RF 펄스에 상응하는 각도만큼 회전시켰을 때, RF 펄스가 인가된 후부터 자기 모멘트의 방향이 정자장에 의해 정렬되었던 종전의 방향으로 63.2%까지 복귀되었을 때까지의 경과 시간을 말한다. 스핀 격자 이완 시간은 대상체의 체축 방향(z축 방향)으로의 자화의 회복을 의미한다. 각 조직에 포함된 수소 원자핵들의 T1 특성 차이에 의해, T1 컨트라스트가 생성되는 것이다.
T1 컨트라스트를 생성하기 위해 대상체에 180°RF 펄스를 인가한 후 소정의 시간이 경과되면, T1 컨트라스트가 생성된 것으로 볼 수 있는데, 구체적인 예로써, 인버젼 타임이 경과되면 T1 컨트라스트 생성이 완료된 것으로 볼 수 있다.
720 단계에서, 대상체의 제 1 영역에 T1 컨트라스트를 생성하는 단계와 중첩하여 대상체의 제 2 영역에 T1 컨트라스트를 생성한다. 제 2 영역에 T1 컨트라스트를 생성하는 과정은 710 단계에서 설명한 제 1 영역에 T1 컨트라스를 생성하는 것과 동일하다. 즉, 제 2 영역에 존재하는 경사자장의 크기를 고려한 RF 펄스를 대상체에 인가하면, 제 2 영역에 포함된 각 조직에서의 수소 원자핵의 T1 특성 차이에 따른, 제 2 영역의 각 조직간의 T1 컨트라스트가 생성된다. 특히, 본 발명은 제 2 영역에 대한 T1 컨트라스트 생성 과정을 제 1 영역에 대한 T1 컨트라스트 생성 과정과 중첩시킴으로써, 복수의 영역에 대한 T1 컨트라스트 생성 시간을 최소화하는데 특징이 있다.
제 1 영역에 대한 T1 컨트라스트 생성 과정과 제 2 영역에 대한 T1 컨트라스트 생성 과정을 중첩시킨다는 것은 제 1 영역에 T1 컨트라스트를 생성하는 중에 제 2 영역에 T1 컨트라스트의 생성을 시작하는 것을 포함한다. 또한, 제 1 영역의 T1 컨트라스트 생성 완료 직후 수행되는 제 1 영역의 영상화를 위한 자기 공명 신호 획득 과정을 제 2 영역에 T1 컨트라스트를 생성하는 중에 시작한다는 것으로도 표현할 수 있다. 또 달리 표현하면, 제 2 영역의 T1 컨트라스트 생성 완료 직후 수행되는 제 2 영역의 영상화를 위한 자기 공명 신호 획득 과정을 제 1 영역의 영상화를 위한 자기 공명 신호 획득을 완료하였을 때 시작한다는 것으로도 표현할 수 있다. 뿐만 아니라, 제 2 영역에 T1 컨트라스트를 생성하는 단계는 제 1 영역에 T1 컨트라스트 생성을 시작한 때로부터 소정의 시간이 지연된 후 시작되는 것으로도 표현할 수 있다. 이 때 소정의 시간은, 영상화에 필요한 레피티션 타임(Time Repetition)만큼일 수 있다.
730 단계에서 대상체의 제 1 영역에 펄스 시퀀스를 인가하여 자기 공명 신호를 획득한다. 구체적인 과정을 살펴보면, RF 코일부(226)는 제어부(260)로부터 RF 코일 구동부(240)에 구동 신호가 입력되면 RF 코일 구동부(240)로부터 펄스 시퀀스 인가 신호를 입력받아 대상체에 펄스 시퀀스를 인가한다. 제어부(260)는 T1 컨트라스트의 생성이 완료되면 자기 공명 신호를 획득하기 위한 펄스 시퀀스를 대상체에 인가하도록 제어한다. 예를 들어 제어부(260)는 인버젼 타임의 경과 여부로 제 1 영역에 대한 T1 컨트라스의 생성이 완료되었는지 판단할 수 있다.
제어부(260)는 제 1 영역에 T1 컨트라스트 생성이 완료되었다고 판단한 경우, 예를 들어 인버젼 타임이 경과된 것으로 판단한 경우, 펄스 시퀀스가 인가되도록 RF 구동부(240)를 제어하여 RF 코일부(226)가 대상체의 제 1 영역에 펄스 시퀀스를 인가한다. 이와 같은 펄스 시퀀스는 스핀 에코 펄스 시퀀스(spin echo pulse sequence) 또는 그레디언트 에코 펄스 시퀀스(gradient echo pulse sequence) 등 다양한 펄스 시퀀스가 될 수 있다. RF 코일부(226)는 인가한 펄스 시퀀스에 대한 응답으로 대상체의 서로 다른 조직들로부터 자기 공명 신호를 수신한다. 신호 획득부(250)는 대상체의 제 1 영역의 각 조직에서 발생하는 자기 공명 신호 전체를 획득하고, 이를 디지털화하여 자기 공명 영상 처리 장치(130)로 전달하고, 자기 공명 영상 처리 장치(130)는 획득된 자기 공명 신호를 이용하여 자기 공명 영상을 생성하고, 생성된 자기 공명 영상을 영상 표시 장치(150)로 전달한다.
740 단계에서 대상체의 제 2 영역에 펄스 시퀀스를 인가하여 자기 공명 신호를 획득한다. 펄스 시퀀스를 인가하여 자기 공명 신호를 획득하는 과정은 730 단계에서 설명한 제 1 영역에 펄스 시퀀스를 인가하여 자기 공명 신호를 획득하는 과정과 동일하다. 즉, 제어부(260)는 제 2 영역에 T1 컨트라스트 생성이 완료되었다고 판단한 경우, 펄스 시퀀스가 인가되도록 RF 구동부(240)를 제어하여 RF 코일부(226)가 대상체의 제 2 영역에 펄스 시퀀스를 인가한다. RF 코일부(226)는 인가한 펄스 시퀀스에 대한 응답으로 대상체의 서로 다른 조직들로부터 자기 공명 신호를 수신한다. 신호 획득부(250)는 대상체의 제 2 영역의 각 조직에서 발생하는 자기 공명 신호 전체를 획득하고, 이를 디지털화하여 자기 공명 영상 처리 장치(130)로 전달한다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 자기 공명 영상 촬상 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
210 ... 자기 공명 영상 촬상 장치
220 ... 마그네트 시스템
222 ... 주자장 코일부
224 ... 그레디언트 코일부
226 ... RF 코일부
230 ... 그레디언트 구동부
240 ... RF 구동부
250 ... 신호 획득부
260 ... 제어부

Claims (17)

  1. 서로 다른 조직들로 구성된 대상체의 제 1 영역에 대한 T1 컨트라스트(contrast)를 생성하는 단계;
    상기 대상체의 제 2 영역에 대한 T1 컨트라스트를 생성하는 단계;
    상기 제 1 영역에 펄스 시퀀스를 인가하여 자기 공명 신호를 획득하는 단계; 및
    상기 제 2 영역에 펄스 시퀀스를 인가하여 자기 공명 신호를 획득하는 단계를 포함하고,
    상기 제 1 영역에 대한 T1 컨트라스트를 생성하는 단계와 상기 제 2 영역에 대한 T1 컨트라스트를 생성하는 단계가 서로 중첩되고(overlapped),
    상기 제 2 영역에 대한 T1 컨트라스트를 생성하는 단계는, 상기 제 1 영역에 대한 T1 컨트라스트 생성을 시작한 때로부터 레피티션 타임(Repetition Time)만큼의 시간이 지연된 후 시작되고,
    상기 레피티션 타임은, T1 영상을 획득하기 위한 스캔 시간 내에서, 인버젼 타임(Inversion Time) 이후 영상화에 소모되는 시간을 나타내는, 자기 공명 영상 촬상 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 영역에 대한 T1 컨트라스트를 생성하는 단계는 상기 제 1 영역에 대한 T1 컨트라스트를 생성하는 중에 시작되는 자기 공명 영상 촬상 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 영역에 펄스 시퀀스를 인가하여 자기 공명 신호를 획득하는 단계는 상기 제 2 영역에 대한 T1 컨트라스트를 생성하는 중에 시작되는 자기 공명 영상 촬상 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 영역에 펄스 시퀀스를 인가하여 자기 공명 신호를 획득하는 단계는 상기 제 1 영역에 펄스 시퀀스를 인가하여 자기 공명 신호를 획득하는 단계가 완료될 때 시작되는 자기 공명 영상 촬상 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 대상체의 제 3 영역에 대한 T1 컨트라스트를 생성하는 단계; 및
    상기 제 3 영역에 펄스 시퀀스를 인가하여 자기 공명 신호를 획득하는 단계를 포함하고,
    상기 제 2 영역에 대한 T1 컨트라스트를 생성하는 단계와 상기 제 3 영역에 대한 T1 컨트라스트를 생성하는 단계가 서로 중첩되는 자기 공명 영상 촬상 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역은 상기 대상체의 서로 다른 단면인 자기 공명 영상 촬상 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역은 상기 대상체의 서로 다른 서브볼륨(subvolume)인 자기 공명 영상 촬상 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항 및 제 6 항 내지 제 8 항 중에 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
  10. 서로 다른 조직들로 구성된 대상체의 제 1 영역 및 상기 대상체의 제 2 영역에 대한 T1 컨트라스트를 생성하는 RF(Radio Frequency) 펄스와 자기 공명 신호 획득에 사용되는 소정의 펄스 시퀀스를 인가하는 RF 코일부;
    상기 인가된 소정의 펄스 시퀀스에 대한 응답으로 상기 제 1 영역 및 상기 제 2 영역으로부터 자기 공명 신호를 획득하는 신호 획득부; 및
    상기 제 1 영역에 대한 T1 컨트라스트를 생성하는 것과 상기 제 2 영역에 대한 T1 컨트라스트를 생성하는 것이 서로 중첩(overlapped)되도록 RF 펄스의 인가 시점을 결정하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 제 2 영역에 대한 T1 컨트라스트를 생성하는 RF 펄스의 인가 시점을 상기 제 1 영역에 대한 T1 컨트라스트를 생성하는 RF 펄스의 인가 시점으로부터 레피티션 타임(Time Repetition)만큼의 시간이 지연된 후로 결정하고,
    상기 레피티션 타임은, T1 영상을 획득하기 위한 스캔 시간 내에서, 인버젼 타임(Inversion Time) 이후 영상화에 소모되는 시간을 나타내는 자기 공명 영상 촬상 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제 2 영역에 대한 T1 컨트라스트를 생성하는 RF 펄스의 인가 시점을 상기 제 1 영역에 대한 T1 컨트라스트를 생성하는 도중으로 결정하는 자기 공명 영상 촬상 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제 1 영역으로부터 자기 공명 신호를 획득하는 펄스 시퀀스의 인가 시점을 상기 제 2 영역에 대한 T1 컨트라스트를 생성하는 도중으로 결정하는 자기 공명 영상 촬상 장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제 2 영역으로부터 자기 공명 신호를 획득하는 펄스 시퀀스의 인가 시점을 상기 제 1 영역으로부터 자기 공명 신호를 획득한 후로 결정하는 자기 공명 영상 촬상 장치.
  14. 삭제
  15. 제 10항에 있어서,
    상기 RF 코일부는 상기 대상체의 제 1 영역에 대한 T1 컨트라스트를 생성하는 RF 펄스와 자기 공명 신호 획득에 사용되는 소정의 펄스 시퀀스를 더 인가하는 자기 공명 영상 촬상 장치.
  16. 제 10항에 있어서,
    상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역은 상기 대상체의 서로 다른 단면인 자기 공명 영상 촬상 장치.
  17. 제 10항에 있어서,
    상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역은 상기 대상체의 서로 다른 서브볼륨(subvolume)인 자기 공명 영상 촬상 장치.
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