KR102293945B1

KR102293945B1 - 플로우 포화 펄스를 사용하여 뉴로멜라닌 콘트라스트 정보를 획득할 수 있는 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102293945B1
Application number: KR1020210055970A
Authority: KR
Inventors: 이종호; 지수연; 최은정; 박성범; 송수화; 김응엽
Original assignee: 주식회사 휴런; 서울대학교산학협력단; 사회복지법인 삼성생명공익재단
Priority date: 2021-04-29
Filing date: 2021-04-29
Publication date: 2021-08-26

Abstract

본 발명의 일 양상인 뉴로멜라닌 콘트라스트 정보 제공 장치는, 환자의 뇌를 촬영한 MRI 영상을 획득하는 영상 수신부; 파킨슨 병의 영상 바이오 마커로 이용되는 뉴로멜라닌 영역의 관찰이 가능하도록, 상기 획득한 MRI 영상을 전처리하는 영상 전처리부; 상기 전처리된 MRI 영상을 분석하여 상기 뉴로멜라닌 영역이 포함된 제 1 영상을 분류하고, 상기 분류된 제 1 영상으로부터 상기 뉴로멜라닌 영역을 검출하는 영상 처리부; 및 상기 검출된 뉴로멜라닌 영역을 분석하여, 파킨슨 병과 관련된 상기 환자의 정보를 판단하는 영상 분석부;를 포함하되, 상기 영상 수신부는, 상기 획득되는 MRI 영상에 복수의 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)를 적용함으로써, MT 웨이팅(Magnetization Transfer weighting)을 가하고, 상기 가해진 MT 웨이팅을 기반으로, 상기 영상 전처리부가 상기 전처리를 수행할 수 있다.

Description

플로우 포화 펄스를 사용하여 뉴로멜라닌 콘트라스트 정보를 획득할 수 있는 장치 및 방법 {apparatus and method for getting high neuromelanin contrast achieved using sandwiched flow saturation RF pulses}

본 발명은 플로우 포화 RF 펄스를 사용하여 뉴로멜라닌 콘트라스트 정보를 획득할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.

신경퇴행성 질환은 신경 세포들이 어떤 원인에 의해 소멸함에 따라, 뇌 기능의 이상을 일으키는 질병을 지칭한다.

대표적인 신경퇴행성 질환으로는 흔하게 알츠하이머병이나 파킨슨 병, 드물게는 루게릭병 등을 예로 들 수 있다.

신경퇴행성 질환 중에서 파킨슨 병은 신경세포가 파괴되는 대표적인 신경퇴행성 질환으로, 몸이 굳어가고, 손발이 떨리며, 잘 걷지 못하는 증상과 함께 우울, 불안감이 함께 동반되어 삶의 질을 크게 떨어뜨린다.

이러한 신경퇴행성 질환을 진단하는 방법으로는 점막과의 접촉, 또는 피부 파괴, 또는 천연 또는 인공 체구 이외에 내부 체강 없이 진단하는 비침습적 방법으로 진단하고 있다.

뉴로멜라닌(neuromelanin, NM)에 민감한 MRI는 파킨슨 병에 대한 유망한 방법이고, 최근, MT-prepared GRE는, 우수한 NM 콘트라스트를 제공하는 것으로 나타났다.

단, 모든 벤더(vendors)에서 MT 펄스를 사용할 수 있지만, MT 효율을 제어하는 매개 변수(예를 들어, FA, offset-frequency)는 서로 다르고, 플렉서블(fexible)하지 않다는 문제점이 있어 이에 대한 해결방안이 요구되고 있는 실정이다.

1. 대한민국 특허 등록번호 제10-1754291호(2017년 7월 6일 공고) 2. 대한민국 특허 공개번호 제10-2016-0058812호(2016년 5월 25일 공개)

현재까지의 파킨슨 병 진단 및 약물유발성 파킨슨증의 감별 진단에는 동위 원소를 이용한 [18F]FP-CIT 양전자 방출 단층촬영(Positron emission tomography, PET)이 가장 객관적인 방법으로 사용되고 있다.

그러나 상기 [18F]FP-CIT PET는 매우 고가의 검사방법이고, 방사능 노출의 위험이 있다.

따라서 MRI를 이용하여 뉴로멜라닌 영역을 관찰하여 파킨슨 병을 조기에 진단할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, MRI를 분석해서 연령대비 파킨슨 병 위험도를 예측하여 파킨슨 병을 조기에 진단하는데 도움을 줄 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 파킨슨 병의 영상 바이오 마커로 제시된 뉴로멜라닌 영역을 분석하여 파킨슨 병 관련된 맞춤형 정보를 출력하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은, 뉴로멜라닌 영역의 관찰이 가능하도록, 획득한 MRI 영상을 전처리하고, 전처리된 MRI 영상을 분석하여 뉴로멜라닌 영역이 포함된 영상을 분류하고, 분류된 영상으로부터 뉴로멜라닌 영역을 검출하며, 검출된 뉴로멜라닌과 임상정보를 통해, 환자의 연령대비 파킨슨 병 위험도를 예측하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은, 뉴로멜라닌 이미징 프로토콜을 제안하는 것으로, 상기 프로토콜은, GRE 시퀀스(sequence)인 sandwich-fsNM을 기반으로 하고, MT 펄스 대신 여러 개의 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)를 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)는, 비대칭 MT 교차 슬라이스(asymmetric MT acrossslices)를 피하기 위해, 샌드위치(sandwich)와 같이 이미징 볼륨(imaging volume)에 대해 상위 및 하위 모두 위치할 수 있고, GRE 또는 TSE 시퀀스에 의해 준비된 MT와 대비하여 청반(locus coeruleus)을 더 잘 시각화할 수 있다.

본 명세서에서는, MT 가중치(MT weighting)를 위해, 여러 개의 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse, 이하, FS pulse라고 호칭함)를 사용하는 새로운 NM-sensitive imaging protocol인 sandwich-fsNM를 제안하고자 한다.

본 발명에 따른 FS pulse는, 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)는, 비대칭 MT 교차 슬라이스(asymmetric MT acrossslices) 효과를 피하기 위해, 샌드위치(sandwich)와 같이 이미징 볼륨(imaging volume)에 대해 상위 및 하위 모두 위치하고, 플렉서블(fexible) 할 수 있다(펄스 수 및 오프셋 주파수 관련).

또한, 본 발명의 목적은, 환자의 뉴로멜라닌 영역의 볼륨을 산출하고, 산출된 뉴로멜라닌 영역의 볼륨 및 획득된 임상 정보를 함께 이용하여 뉴로멜라닌 위축도를 산출하며, 산출된 뉴로멜라닌 위축도를 기초로 환자의 파킨슨 병 위험도를 예측하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은, 동일한 사람이 다른 시점에 획득된 복수의 뉴로멜라닌 위축도를 이용하여 환자의 뉴로멜라닌 위축률을 계산하고, 환자의 뉴로멜라닌 위축률을 다양한 형태로 표시 및 제공하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상인 뉴로멜라닌 콘트라스트 정보 제공 장치는, 환자의 뇌를 촬영한 MRI 영상을 획득하는 영상 수신부; 파킨슨 병의 영상 바이오 마커로 이용되는 뉴로멜라닌 영역의 관찰이 가능하도록, 상기 획득한 MRI 영상을 전처리하는 영상 전처리부; 상기 전처리된 MRI 영상을 분석하여 상기 뉴로멜라닌 영역이 포함된 제 1 영상을 분류하고, 상기 분류된 제 1 영상으로부터 상기 뉴로멜라닌 영역을 검출하는 영상 처리부; 및 상기 검출된 뉴로멜라닌 영역을 분석하여, 파킨슨 병과 관련된 상기 환자의 정보를 판단하는 영상 분석부;를 포함하되, 상기 영상 수신부는, 상기 획득되는 MRI 영상에 복수의 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)를 적용함으로써, MT 웨이팅(Magnetization Transfer weighting)을 가하고, 상기 가해진 MT 웨이팅을 기반으로, 상기 영상 전처리부가 상기 전처리를 수행할 수 있다.

또한, 상기 획득되는 MRI 영상의 전체 영역 중 상기 획득되는 MRI 영상에 가해진 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)와 가까운 영역일수록, 상기 MT 웨이팅에 따른 MT(Magnetization Transfer) 효과가 클 수 있다.

또한, 상기 영상 수신부는, 상기 획득되는 MRI 영상의 상단 및 하단에 샌드위치(sandwich) 형태로, 상기 복수의 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)를 적용하고, 거리에 따른 상기 MT 효과의 차이는, 상기 샌드위치 형태로 가해지는 상기 복수의 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)에 의해 상쇄됨으로써, 상기 제 1 영상 내에 균일한 MT 효과가 가해질 수 있다.

또한, 상기 샌드위치 형태를 구성하는 상기 상단에 가해지는 제 1 플로우 포화 펄스와 상기 하단에 가해지는 제 2 플로우 포화 펄스는, 쌍으로 존재하고, 미리 지정된 지점을 기준으로 동일한 거리만큼 이격 될 수 있다.

또한, 상기 영상 수신부는, 상기 제 1 영상에 T1 웨이팅(weighting)을 추가적으로 가하고, 상기 MT 웨이팅 및 상기 T1 웨이팅에 의해, 상기 제 1 영상 중 상기 뉴로멜라닌 영역이 상대적으로 밝게 표시되도록 함으로써, 상기 상기 뉴로멜라닌 영역을 검출할 수 있다.

또한, 상기 영상 수신부의 상기 복수의 플로우 포화 펄스를 적용하여 MT 웨이팅을 가하는 동작을 기반으로, 상기 환자의 뇌 영역 중 청반(locus coeruleus)과 흑질(substantia nigra)의 시각화가 가능할 수 있다.

또한, 상기 영상 처리부는, 상기 제 1 영상을 기초로 상기 뉴로멜라닌 영역의 볼륨을 산출하고, 상기 영상 분석부는, 상기 산출된 뉴로멜라닌 영역의 볼륨을 이용하여 상기 파킨슨 병과 관련된 상기 환자의 정보를 판단할 수 있다.

또한, 상기 영상 분석부는, 상기 산출된 뉴로멜라닌 영역의 볼륨 및 임상 정보를 함께 이용하여 뉴로멜라닌 위축도를 산출하고, 상기 산출된 뉴로멜라닌 위축도를 기초로, 상기 파킨슨 병과 관련된 상기 환자의 정보를 판단할 수 있다.

또한, 상기 영상 분석부는, 미리 지정된 주기로 획득된 복수의 뉴로멜라닌 위축도를 이용하여 상기 환자의 뉴로멜라닌 위축률을 계산하고, 상기 환자의 뉴로멜라닌 위축률을 표시하는 진단정보 출력부;를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 양상인 뉴로멜라닌 콘트라스트 정보 제공 방법은, 영상 수신부가 환자의 뇌를 촬영한 MRI 영상을 획득하는 제 1 단계; 영상 전처리부가 파킨슨 병의 영상 바이오 마커로 이용되는 뉴로멜라닌 영역의 관찰이 가능하도록, 상기 획득한 MRI 영상을 전처리하는 제 2 단계; 영상 처리부가 상기 전처리된 MRI 영상을 분석하여 상기 뉴로멜라닌 영역이 포함된 제 1 영상을 분류하는 제 3 단계; 상기 영상 처리부가 상기 분류된 제 1 영상으로부터 상기 뉴로멜라닌 영역을 검출하는 제 4 단계; 및 영상 분석부가 상기 검출된 뉴로멜라닌 영역을 분석하여, 파킨슨 병과 관련된 상기 환자의 정보를 판단하는 제 5 단계;를 포함하고, 상기 제 1 단계에서, 상기 영상 수신부는, 상기 획득되는 MRI 영상에 복수의 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)를 적용함으로써, MT 웨이팅(Magnetization Transfer weighting)을 가하고, 상기 가해진 MT 웨이팅을 기반으로, 상기 제 2 단계에서, 상기 영상 전처리부가 상기 전처리를 수행할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 뉴로멜라닌 콘트라스트 정보 제공 장치 및 방법에 의하면, MRI에서 뉴로멜라닌 영역이 포함된 영상만을 분류하고, 분류된 영상에서 뉴로멜라닌 영역을 분석하여 연령대비 파킨슨 병 위험도 예측할 수 있다는 효과가 얻어진다.

그리고 본 발명에 의하면, 영상을 이용해서 파킨슨 병을 진단함에 따라, 보편적으로 공급된 MRI 장비를 이용해서 파킨슨 병을 정밀하게 진단할 수 있고, 진단 결과의 정확도를 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.

또한, 본 발명에 따르면, 뉴로멜라닌 영역만을 관찰 가능하도록 할 수 있다.

구체적으로, 본 발명은 뉴로멜라닌 영역의 관찰이 가능하도록, 획득한 MRI 영상을 전처리하고, 전처리된 MRI 영상을 분석하여 뉴로멜라닌 영역이 포함된 영상을 분류하고, 분류된 영상으로부터 뉴로멜라닌 영역을 검출하며, 검출된 뉴로멜라닌 영역의 정상 여부를 분석하여, 환자의 파킨슨 병 유무를 진단할 수 있다.

본 발명은 뉴로멜라닌 이미징 프로토콜을 제공할 수 있고, 상기 프로토콜은, GRE 시퀀스(sequence)인 sandwich-fsNM을 기반으로 하고, MT 펄스 대신 여러 개의 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)를 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)는, 비대칭 MT 교차 슬라이스(asymmetric MT acrossslices)를 피하기 위해, 샌드위치(sandwich)와 같이 이미징 볼륨(imaging volume)에 대해 상위 및 하위 모두 위치할 수 있고, GRE 또는 TSE 시퀀스에 의해 준비된 MT와 대비하여 청반(locus coeruleus)을 더 잘 시각화할 수 있다.

또한, 본 발명에서는, MT 가중치(MT weighting)를 위해, 여러 개의 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)를 사용하는 새로운 NM-sensitive imaging protocol인 sandwich-fsNM를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 FS pulse는, 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)는, 비대칭 MT 교차 슬라이스(asymmetric MT acrossslices) 효과를 피하기 위해, 샌드위치(sandwich)와 같이 이미징 볼륨(imaging volume)에 대해 상위 및 하위 모두 위치하고, 플렉서블(fexible) 할 수 있다(펄스 수 및 오프셋 주파수 관련).

또한, 본 발명은, 환자의 뉴로멜라닌 영역의 볼륨을 산출하고, 산출된 뉴로멜라닌 영역의 볼륨 및 획득된 임상 정보를 함께 이용하여 뉴로멜라닌 위축도를 산출하며, 산출된 뉴로멜라닌 위축도를 기초로 환자의 파킨슨 병 유무를 진단할 수 있다.

또한, 본 발명은, 미리 지정된 주기로 획득된 복수의 뉴로멜라닌 위축도를 이용하여 환자의 뉴로멜라닌 위축률을 계산하고, 환자의 뉴로멜라닌 위축률을 다양한 형태로 표시 및 제공할 수 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명과 관련하여, 뉴로멜라닌 콘트라스트 정보 제공 장치의 블록 구성도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명과 관련하여, 플로우 포화(FS) 펄스의 설정 주파수와 관련된 일례를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명과 관련하여, FS 펄스의 MT 효과를 위한 2-pool Bloch 시뮬레이션의 일례를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명과 관련하여, 시뮬레이션 결과와 실험 결과의 일례를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명과 관련하여, SN과 CC 강의 시뮬레이션 CR과 실험 CR의 일례를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명과 관련하여, 제안된 프로토콜, MT-GRE 및 MT-TSE 간의 획득된 이미지를 비교한 일례를 도시한 것이다.
도 7 및 도 8은 본 발명과 관련하여, 동일한 객체 내에서 다른 스캐너를 적용한 다중 센터 파일럿 스캔(Multi-center pilot scan)의 일례를 도시한 것이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시례에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 실시례는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 뉴로멜라닌 콘트라스트 정보 제공 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

한편, 본 발명에 따라 적용되는 “진단”의 의미는 파킨슨 병의 유무를 판단하는 것 이외 파킨슨 병과 관련된 정보를 판단하는 모든 의미를 포함한다.

예를 들어, “진단”의 의미는, 파킨슨 병이 존재하지 않는 경우에도, 파킨슨 병과 관련된 연령대비 뇌 위축도 예측 정보, 연령대비 뇌 백분위 정보, 뇌 위험도 정보 등을 판단하는 것을 모두 포함할 수 있다.

뉴로멜라닌과 파킨슨 병

뉴로멜라닌(Neuromelanin)은 멜라닌, 단백질, 지질, 금속이온으로 구성된 불용성의 짙은 색소이다.

뉴로멜라닌을 포함하는 뉴런은 인간의 중추신경계의 특정 뇌 영역에 존재하는데, substantia nigra(SN)의 도파민성 뉴런과 locus coeruleus(LC)의 노르아드레날린성 뉴런에서 농도가 매우 높게 측정된다.

뉴로멜라닌은 도파민, 노르에피네프린과 세포질에 존재하는 카테콜아민이 철에 의존하는 산화작용을 함으로써 합성된다.

처음에 세포질에 있는 동안 뉴로멜라닌은 거대자가포식(macroautophagy)을 통해 세포기관내에 축적되고 이 소포(vacuoles)는 리소좀(lysosome)과 단백질 성분을 포함하는 자가포식소포(autophagic vacuoles)와 결합되어 최종적으로 뉴로멜라닌을 포함하는 세포기관을 형성하게 된다.

뉴로멜라닌을 함유하는 세포기관은 2~3세 사이에 처음 나아타고 나이에 따라 점차적으로 축적된다. 대략 60세까지 뉴런이 증가하고 이후에 감소한다고 알려져 있다.

파킨슨 병(Parkinson’s disease, PD)은 중뇌의 SN에 철성분이 침착되면서 발생하는 것으로 알려졌다.

철은 뇌 조직에 스트레스를 유발하고 세포를 괴사시킨다.

SN에 존재하는 뉴로멜라닌이 외부에서 유입된 철 성분을 붙잡고 있는 역할을 하는데, 뉴로멜라닌이 수용할 수 있는 한계보다 많은 철이 침착되면 조직에 스트레스를 유발하여 파킨슨 병으로 이어 질 수 있다.

이 철 성분은 뉴로멜라닌과 철 복합체의 상자성 특성을 이용하여 비침습적으로 Neuromelanin-sensitive MRI (NM-MRI)를 통해 영상화할 수 있다.

NM-MRI는 뉴로멜라닌 복합체를 고강도(hyperintensity) 신호를 생성한다.

NM-MRI는 SN의 도파민성 뉴런의 솔실을 측정해 검증되었고, 여러 연구를 통해 NM-MRI는 파킨슨병 환자의 SN에서 뉴로멜라닌이 포함된 뉴런의 손실을 관찰할 수 있는 것이 증명되었다.

결국, NM-MRI에서 뉴로멜라닌의 정도를 정량화하면 파킨슨병을 조기에 진단해 예방하거나 치료계획을 세울 수 있다.

하지만, 연령대별로 뉴로멜라닌의 정도는 다르기때문에 개인의 상태를 알기 힘들다.

따라서 연령 및 여러 가지 임상정보를 활용하여, 기계학습모델을 통해 연령대비 뉴로멜라닌 위축정보를 제공하고 추적검사를 통해 예후예측을 가능하게 해주는 장치, 시스템 및 방법에 대한 니즈가 높아지고 있는 실정이다.

뉴로멜라닌 콘트라스트 정보 제공 장치

도 1은 본 발명과 관련하여, 뉴로멜라닌 콘트라스트 정보 제공 장치의 블록 구성도를 도시한 것이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 뉴로멜라닌 콘트라스트 정보 제공 장치(1)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 영상 수신부(20), 영상 전처리부(25), 영상 처리부(30), 영상 분석부(40), 진단정보출력부(50)를 포함할 수 있다.

먼저, 영상 수신부(20)는, 환자의 뇌를 촬영한 MRI 영상을 획득할 수 있다.

영상 수신부(20)는 MRI 이외에도 환자의 뇌와 관련된 PET 영상 등을 추가로 획득할 수도 있다.

다음으로, 영상 전처리부(25)는, 파킨슨 병의 영상 바이오 마커로 이용되는 뉴로멜라닌 영역의 관찰이 가능하도록, 상기 획득한 MRI 영상을 전처리하는 기능을 제공한다.

영상 전처리부(25)의 가장 중요한 기능으로서, 영상 전처리부(25)는 획득한 MRI 영상을 기초로, 콘트라스트 대비율(Contrast Ratio, CR) 정보를 생성할 수 있다.

또한, 영상 처리부(30)는, 전처리된 MRI 영상을 분석하여 뉴로멜라닌 영역이 포함된 제 1 영상을 분류하고, 분류된 제 1 영상으로부터 뉴로멜라닌 영역을 검출하는 기능을 제공한다.

영상 처리부(30)는, 제 1 영상을 기초로 뉴로멜라닌 영역의 볼륨을 산출할 수 있고, 여기서 산출된 뉴로멜라닌 영역의 볼륨을 기초로, 영상 분석부(40)는, 환자의 파킨슨 병 유무를 진단하는 것이 가능하다.

영상 처리부(30)는, 제 1 영상과 관련된 복셀 개수 및 복셀 크기를 이용하여 뉴로멜라닌 영역의 볼륨을 산출할 수 있다.

또한, 영상 분석부(40)는, 검출된 뉴로멜라닌 영역의 정상 여부를 분석하여, 환자의 파킨슨 병 유무를 진단할 수 있다.

또한, 영상 분석부(40)는, 산출된 뉴로멜라닌 영역의 볼륨 및 획득된 임상 정보를 함께 이용하여 뉴로멜라닌 위축도를 산출하고, 산출된 뉴로멜라닌 위축도를 기초로 상기 환자의 파킨슨 병 유무를 진단할 수 있다.

또한, 영상 분석부(40)는, 산출된 뉴로멜라닌 위축도를 연령 대비 백분위 정보로 변환할 수도 있다.

영상 분석부(40)가 미리 지정된 주기로 획득된 복수의 뉴로멜라닌 위축도를 이용하여 상기 환자의 뉴로멜라닌 위축률을 계산하는 경우, 진단정보출력부(50)는 환자의 뉴로멜라닌 위축률을 다양한 형태로 표시하는 기능을 제공할 수 있다.

즉, 영상 전처리부(25)는, 획득한 MRI 영상을 기초로, 콘트라스트 대비율(Contrast Ratio, CR) 정보를 생성하는 것을 목적으로 한다.

또한, 영상 처리부(30)는 뉴로멜라닌영역 분류 영역을 분할하고 volume을 계산하는 기능을 제공한다.

영상 처리부(30)는, 전처리된 MRI 영상을 분석하여 상기 뉴로멜라닌 영역이 포함된 제 1 영상을 분류하는 분할부(31) 및 분류된 제 1 영상으로부터 뉴로멜라닌 영역을 검출하고, 뉴로멜라닌 영역의 볼륨을 산출하는 볼륨 계산부(32)를 포함할 수 있다.

볼륨 계산부(32)는, 제 1 영상과 관련된 복셀 개수 및 복셀 크기를 이용하여 상기 뉴로멜라닌 영역의 볼륨을 산출할 수 있다.

또한, 영상 처리부(30)는, 제 1 영상을 기초로 상기 뉴로멜라닌 영역의 볼륨을 산출할 수 있고, 본 발명의 실시례에 따르면, 임상 정보를 획득하는 임상정보 수신부(60)가 더 활용될 수 있다.

이때, 영상 분석부(40)는, 산출된 뉴로멜라닌 영역의 볼륨 및 획득된 임상 정보를 함께 이용하여 뉴로멜라닌 위축도를 산출할 수 있다.

또한, 영상 분석부(40)는, 상기 산출된 뉴로멜라닌 위축도를 기초로 상기 환자의 파킨슨 병 유무를 진단할 수 있다.

여기서, 뉴로멜라닌 위축도는, 정상인 집단의 영상에서 추출된 뉴로멜라닌 영역의 볼륨과 상기 환자의 뉴로멜라닌 영역의 볼륨을 비교하여 산출될 수 있다.

또한, 영상 분석부(40)는, 미리 지정된 주기로 획득된 복수의 뉴로멜라닌 위축도를 이용하여 상기 환자의 뉴로멜라닌 위축률을 계산할 수 있다.

이후, 진단정보 출력부(5)를 통해, 상기 영상 분석부(40)가 도출한 환자의 뉴로멜라닌 위축률을 다양한 형태로 표시 및 제공할 수 있다.

플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)를 사용하여 뉴로멜라닌 콘트라스트 정보를 획득할 수 있는 방법

본 발명은, 뉴로멜라닌 이미징 프로토콜을 제안하는 것으로, 상기 프로토콜은, GRE 시퀀스(sequence)를 기반으로 하고, MT 펄스 대신 여러 개의 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)를 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)는, 비대칭 MT 교차 슬라이스(asymmetric MT acrossslices)를 피하기 위해, 샌드위치(sandwich)와 같이 이미징 볼륨(imaging volume)에 대해 상위 및 하위 모두 위치할 수 있고, GRE 또는 TSE 시퀀스에 의해 준비된 MT와 대비하여 청반(locus coeruleus)과 흑질(substantia nigra) 을 더 잘 시각화할 수 있다

기존에는, 뉴로멜라닌 영역 관련 시그널을 얻기 위해, T1 웨이팅(weighting)을 가한 이미지에 자기화전달파(magnetization transfer pulse, 이하, MT 펄스)를 가함으로써, T1 웨이팅과 MT 웨이팅을 둘 다 적용될 수 있도록 하고, 가운데 있는 뉴로멜라닌 시그널을 밝게 나오게 하여 해당 영역의 시그널을 얻는 방법이 이용되었다.

본 발명은, 상기 자기화전달파(magnetization transfer pulse, 이하, MT 펄스) 대신 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)을 사용하여, MT 웨이팅을 이미지에 가하는 시퀀스에 대한 것이고, 샌드위치 형태와 같이, 이미지의 위 아래로 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)를 가하는 것을 기술적 특징으로 한다.

구체적으로, 본 발명은, 이미징 슬라이스를 기준으로, 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)를 오프 레저넌스 펄스(off-resonance pulse)인 것처럼 사용하데 되는데, 본 발명에 따르면, 이미징 슬라이스 별로 오프 레저넌스(off-resonance)가 달라지게 된다.

즉, 이미징 슬라이스가 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse) 보다 아래에 위치하고 있다고 가정했을 때, 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)에 의한 MT(magnetization transfer) 효과가 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)과 가까울수록 크고, 멀어질수록 효과가 작아지게 된다는 문제가 발생될 수 있다.

본 발명에서는, 이미징 슬라이스의 위 아래로 샌드위치 형태와 같이, 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)를 가하게 되고, 이와 같이, 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)가 위와 아래에 동시에 있게 되면(일정 지점을 기준으로 위와 아래 같은 거리로 이격되어 쌍으로 존재), 특정 영역에서의 MT 효과 차이가 상쇄되어, 결국 하나의 이미징 슬랩(관심영역) 내에 전반적으로 균일한 MT 효과가 가해질 수 있는 장점이 있다.

[FS 펄스의 MT 효과]

도 2는 본 발명과 관련하여, 플로우 포화(FS) 펄스의 설정 주파수와 관련된 일례를 도시한 것이다.

FS 펄스의 MT 효과는 도 2에 묘사되고, 도 2에서 FS 펄스는 슬라이스 선택 기울기로 적용된다.

따라서, 오프셋 주파수는 이미징 볼륨의 탑(top)으로부터 관심 슬라이스 (dS) 위치의 함수이다.

즉, 다음의 수학식 1과 같이 표시될 수 있다.

수학식 1

상기 수학식 1에서,

은

두께를 나타내고,

는

갭(gap)을 의미한다.

즉, 사용자는 대부분의 제품 MT 펄스에 비해 장점인 오프셋 주파수를 결정할 수 있다.

[2-pool Bloch 시뮬레이션]

도 3은 본 발명과 관련하여, FS 펄스의 MT 효과를 위한 2-pool Bloch 시뮬레이션의 일례를 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, dS 위치에서 스핀의 신호 강도는 2-pool Bloch 시뮬레이션으로 시뮬레이션 할 수 있다.

도 3에서는, Super-Lorentzian 흡수선 모양이 선택되었고 crus cerebri(CC) 및 substantia nigra(SN)에 대한 시뮬레이션 매개 변수는 이전 연구에서 조정되었으며, crus cerebri(CC) 및 substantia nigra(SN)의

는, 각각 0.86과 1로 설정되었다.

[시퀀스 파라미터]

본 발명과 실험에서는, 3 명의 건강한 피험자 (IRB 승인; 3T, Trio, Siemens)에서 이미지를 획득했다.

또한, fsNM에 대한 시퀀스 매개 변수는 달리 언급되지 않는 한 다음과 같이 고정되어 적용되었다.

또한,

이고,

이다.

FS 펄스는

및 Saturation bandwidth 는 2176Hz를 가지도록 하였다.

[MRI 실험]

최상의 NM 대비를 제공하는 시퀀스 매개 변수를 결정하기 위해 4 개의 실험이 수행되었다.

실험 1의 경우, 2-pool Bloch 시뮬레이션은 지정된 시퀀스 매개 변수를 사용하여 수행되었다.

실험 1(Experiment 1): single-sided FS vs. sandwiched FS

양면(샌드위치) FS의 대칭성을 평가하기 위해(예를 들어,

영역이 이미징 볼륨보다 낮고, 나머지는 이미징 볼륨보다 낮게 위치하는 경우,

)이고, fsNM은 6 개의 단면(이미지 볼륨보다 낮음)의 FS와 6 개의 샌드위치 형태의 FS로 획득되었다. 또한, 샌드위치 형 FS의 경우, 상위 및 하위 포화 펄스(각 3 개)가 교대로 적용되었다.

실험 2(Experiment 2): FS gap

FS 영역과 이미징 볼륨 사이의 간격 효과를 평가하기 위해, sandwich-fsNM 획득을

로 반복했다. 또한,

은 2로 고정하였다.

실험 3(Experiment 3): number of FS

이미지에서

의 효과를 평가하기 위해

획득을

으로 반복했다.

실험 4(Experiment 4): comparison with conventional NM

MT 펄스 준비(오프셋 주파수=1200Hz, FA=500°, RF 대역폭 = 230Hz) 및 T1 가중치(MT -GRE 및 MT-TSE)를 적용하여, 비교를 위해 단일 피험자에서 두 개의 기존 NM 민감 이미지를 획득하였다.

MT-GRE 시퀀스 매개 변수는 sandwich-fsNM 매개 변수와 일치했으며 MT-TSE 이미지는

, 슬라이스 두께 2.5mm,

, TR / TE = 910/14ms, readout bandwidth=120Hz/픽셀로 획득되었다.

[Contrast ratio]

SN과 CC 사이의 대조비 (CR)는 시뮬레이션 및 실험 데이터 모두에 다음과 같이 대해 계산되었다.

수학식 2

여기서

와

는 시뮬레이션 된 데이터의 경우 시뮬레이션 된 신호이거나 실험의 경우 ROI 평균 신호 강도를 의미할 수 있다.

도 4는 본 발명과 관련하여, 시뮬레이션 결과와 실험 결과의 일례를 도시한 것이다.

도 4를 참조하면, 시뮬레이션 결과는 단면 FS보다 샌드위치 형 FS에서 더 많은 대칭 적 MT 효과를 보여준다(도 4a, 및 도 4b).

실험 결과는 도 4b와 같고, 상위 슬라이스에서 단면 fsNM 이미지는 샌드위치 -fsNM 이미지(30.7 %)보다 SN 및 CC (22.4 %) 사이의 CR이 더 작은 반면 중간 슬라이스는 두 획득에서 유사한 대비를 보여준다.

도 5는 본 발명과 관련하여, SN과 CC 강의 시뮬레이션 CR과 실험 CR의 일례를 도시한 것이다.

와

의 효과는 도 5에 요약되어 있다. 시뮬레이션 및 실험 결과는

가 감소하고 (도 4a),

이 증가 할 때 (도 4b) CR 증가를 나타낸다.

실험 데이터를 추가로 분석하면

가 감소하고

이 증가함에 따라 CNR이 증가하고 SNR이 감소한다(도 4c, d의 표).

이고,

일 때, SN과 LC는 가장 명확히 시각화 된다.

변화하는

(

에서 0mm까지 3 % 차이)의 효과 사이즈는,

의 변화(2 FS 펄스에서 6으로의 15.5 % 차이) 보다 작은 값을 보였다.

도 6은 본 발명과 관련하여, 제안된 프로토콜, MT-GRE 및 MT-TSE 간의 획득된 이미지를 비교한 일례를 도시한 것이다.

도 6을 참조하면, MT-GRE 및 MT-TSE 이미지와 비교할 때, 우리의 sandwich-fsNM 이미지는 시각적으로나 메트릭(metrics)에 따라 더 나은 대비를 나타내었다.

도 6b를 참조하면, 슬라이스에서 평균을 낼 때 샌드위치-fsNM의 SN과 CC 사이의 CR(또는 CNR)은, MT-GRE보다 1.66(또는 1.34)배 더 높고, MT-TSE보다 1.14(또는 1.79) 배 더 높은 결과를 보였다.

또한, 도 6b를 참조하면, sandwich-fsNM의 SNR은 MT-GRE의 SNR보다 약간 낮지 만 MT-TSE의 SNR보다 큰 결과를 보였다.

한편, 도 7 및 도 8은 본 발명과 관련하여, 동일한 객체 내에서 다른 스캐너를 적용한 다중 센터 파일럿 스캔(Multi-center pilot scan)의 일례를 도시한 것이다.

도 7은, 3 flowsats에서의 결과를 도시한 것이고, 도 8은, 2 flowsats에서의 결과를 도시한 것이다.

본 발명에 따른 Sandwich-fsNM은 기존 방법보다 더 높은 대비를 제공하여 SN 및 LC를 명확하게 묘사 할 수 있다.

기존 MT 펄스(예를 들어, 오프셋 주파수=1200Hz, FA=500°, saturation-BW=230Hz)는 높은 FA에서 이점을 얻는 반면, FS 펄스(예를 들어, 오프셋 주파수=2629Hz(플렉서블),

, saturation-BW=2176Hz)는 플렉서블 오프셋 주파수와 펄스 수를 갖게 되고, 포화 대역폭(saturation bandwidth)이 넓어 기존 MT 펄스보다 높은 MT 효과를 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 효과

본 발명에 따른 뉴로멜라닌 콘트라스트 정보 제공 장치 및 방법에 의하면, MRI에서 뉴로멜라닌 영역이 포함된 영상만을 분류하고, 분류된 영상에서 뉴로멜라닌 영역을 분석하여 연령대비 파킨슨 병 위험도 예측할 수 있다는 효과가 얻어진다.

상술한 본 발명의 실시예들은 다양한 수단을 통해 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다.

하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 하나 또는 그 이상의 ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), 프로세서, 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.

펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차 또는 함수 등의 형태로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리 유닛에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 상기 메모리 유닛은 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.

상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.

Claims

환자의 뇌를 촬영한 MRI 영상을 획득하는 영상 수신부;
파킨슨 병의 영상 바이오 마커로 이용되는 뉴로멜라닌 영역의 관찰이 가능하도록, 상기 획득한 MRI 영상을 전처리하는 영상 전처리부;
상기 전처리된 MRI 영상을 분석하여 상기 뉴로멜라닌 영역이 포함된 제 1 영상을 분류하고, 상기 분류된 제 1 영상으로부터 상기 뉴로멜라닌 영역을 검출하는 영상 처리부; 및
상기 검출된 뉴로멜라닌 영역을 분석하여, 파킨슨 병과 관련된 상기 환자의 정보를 판단하는 영상 분석부;를 포함하고,

상기 영상 수신부는, 상기 획득되는 MRI 영상에 복수의 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)를 적용함으로써, MT 웨이팅(Magnetization Transfer weighting)을 가하고,
상기 가해진 MT 웨이팅을 기반으로, 상기 영상 전처리부가 상기 전처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 뉴로멜라닌 콘트라스트 정보 제공 장치.
제 1항에 있어서,
상기 획득되는 MRI 영상의 전체 영역 중 상기 획득되는 MRI 영상에 가해진 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)와 가까운 영역일수록, 상기 MT 웨이팅에 따른 MT(Magnetization Transfer) 효과가 큰 것을 특징으로 하는 뉴로멜라닌 콘트라스트 정보 제공 장치.
제 2항에 있어서,
상기 영상 수신부는, 상기 획득되는 MRI 영상의 상단 및 하단에 샌드위치(sandwich) 형태로, 상기 복수의 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)를 적용하고,
거리에 따른 상기 MT 효과의 차이는, 상기 샌드위치 형태로 가해지는 상기 복수의 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)에 의해 상쇄됨으로써, 상기 제 1 영상 내에 균일한 MT 효과가 가해지는 것을 특징으로 하는 뉴로멜라닌 콘트라스트 정보 제공 장치.
제 3항에 있어서,
상기 샌드위치 형태를 구성하는 상기 상단에 가해지는 제 1 플로우 포화 펄스와 상기 하단에 가해지는 제 2 플로우 포화 펄스는, 쌍으로 존재하고, 미리 지정된 지점을 기준으로 동일한 거리만큼 이격된 것을 특징으로 하는 뉴로멜라닌 콘트라스트 정보 제공 장치.
제 3항에 있어서,
상기 영상 수신부는,
상기 제 1 영상에 T1 웨이팅(weighting)을 추가적으로 가하고, 상기 MT 웨이팅 및 상기 T1 웨이팅에 의해, 상기 제 1 영상 중 상기 뉴로멜라닌 영역이 상대적으로 밝게 표시되도록 함으로써, 상기 상기 뉴로멜라닌 영역을 검출하는 것을 특징으로 하는 뉴로멜라닌 콘트라스트 정보 제공 장치.
제 1항에 있어서,
상기 영상 수신부의 상기 복수의 플로우 포화 펄스를 적용하여 MT 웨이팅을 가하는 동작을 기반으로, 상기 환자의 뇌 영역 중 청반(locus coeruleus)과 흑질(substantia nigra)의 시각화가 가능한 것을 특징으로 하는 뉴로멜라닌 콘트라스트 정보 제공 장치.
제 4항에 있어서,
상기 영상 처리부는,
상기 제 1 영상을 기초로 상기 뉴로멜라닌 영역의 볼륨을 산출하고,
상기 영상 분석부는,
상기 산출된 뉴로멜라닌 영역의 볼륨을 이용하여 상기 파킨슨 병과 관련된 상기 환자의 정보를 판단하는 것을 특징으로 하는 뉴로멜라닌 콘트라스트 정보 제공 장치.
제 7항에 있어서,
상기 영상 분석부는,
상기 산출된 뉴로멜라닌 영역의 볼륨 및 임상 정보를 함께 이용하여 뉴로멜라닌 위축도를 산출하고,
상기 산출된 뉴로멜라닌 위축도를 기초로, 상기 파킨슨 병과 관련된 상기 환자의 정보를 판단하는 것을 특징으로 하는 뉴로멜라닌 콘트라스트 정보 제공 장치.
제 8항에 있어서,
상기 영상 분석부는,
미리 지정된 주기로 획득된 복수의 뉴로멜라닌 위축도를 이용하여 상기 환자의 뉴로멜라닌 위축률을 계산하고,
상기 환자의 뉴로멜라닌 위축률을 표시하는 진단정보 출력부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 뉴로멜라닌 콘트라스트 정보 제공 장치.
영상 수신부가 환자의 뇌를 촬영한 MRI 영상을 획득하는 제 1 단계;
영상 전처리부가 파킨슨 병의 영상 바이오 마커로 이용되는 뉴로멜라닌 영역의 관찰이 가능하도록, 상기 획득한 MRI 영상을 전처리하는 제 2 단계;
영상 처리부가 상기 전처리된 MRI 영상을 분석하여 상기 뉴로멜라닌 영역이 포함된 제 1 영상을 분류하는 제 3 단계;
상기 영상 처리부가 상기 분류된 제 1 영상으로부터 상기 뉴로멜라닌 영역을 검출하는 제 4 단계; 및
영상 분석부가 상기 검출된 뉴로멜라닌 영역을 분석하여, 파킨슨 병과 관련된 상기 환자의 정보를 판단하는 제 5 단계;를 포함하고,

상기 제 1 단계에서, 상기 영상 수신부는, 상기 획득되는 MRI 영상에 복수의 플로우 포화 펄스(flow saturation pulse)를 적용함으로써, MT 웨이팅(Magnetization Transfer weighting)을 가하고,

상기 가해진 MT 웨이팅을 기반으로, 상기 제 2 단계에서, 상기 영상 전처리부가 상기 전처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 뉴로멜라닌 콘트라스트 정보 제공 방법.