KR20020082152A - 핵스핀 단층촬영에서 입력 장치를 가진 사용자인터페이스에서의 다수의 스핀 스펙트럼 디스플레이간의스텝리스 오버랩 - Google Patents

핵스핀 단층촬영에서 입력 장치를 가진 사용자인터페이스에서의 다수의 스핀 스펙트럼 디스플레이간의스텝리스 오버랩 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상이한 스핀 스펙트럼 내지는 스핀 스펙트럼의 여러가지 MR-영상(해부학적 MR-영상, 혈관 조영에 의한 MR-영상 또는 신체 기능관련 MR-영상)의 대조 영상들을 동시 산출함에 따라 적절한 입력 장치(23, 24 내지는 도 2a 및 도 2b)를 통해 상기 대조 영상들의 스텝리스 오버랩이 수행될 수 있게 하는, 핵스핀 단층촬영-측정 영상의 처리 및 디스플레이를 위한 장치에 관한 것이다.
또한 일반적인 회색조(gray scale)-디스플레이 외에도 스핀 스펙트럼에 따라 컬러 디스플레이도 가능하다.

Description

핵스핀 단층촬영에서 입력 장치를 가진 사용자 인터페이스에서의 다수의 스핀 스펙트럼 디스플레이간의 스텝리스 오버랩{STEPLESS OVERLAP BETWEEN DISPLAYS OF MANY SPIN SPECTRUMS IN THE USER-INTERFACE WITH AN INPUT DEVICE IN THE NUCLEAR SPIN TOMOGRAPHY}
본 발명은 의학에서 환자 검사용으로 사용되는 핵스핀 단층촬영(KST, 동의어: 자기공명 단층촬영)에 관한 것이다. 본 발명은 특히 핵스핀 단층촬영-측정 영상의 처리 및 디스플레이 장치 및 영상 출력 MR-방법에 관한 것이다.
핵스핀 단층촬영이란 높은 연부조직 대조도(contrast resolution)를 우선 특징으로 하는, 의학적 진단을 위한 단면 영상 방법을 말한다. 핵스핀 단층촬영은 뛰어난 연부조직(soft tissue) 표시 성능으로 인해 X선-컴퓨터 단층촬영보다 수 배 더 뛰어난 방법으로 발전하였다. 오늘날 핵스핀 단층촬영은 측정 시간이 분단위일 때 최고의 영상 품질을 실현하는 스핀 에코(spin-echo)-시퀀스 및 경사 에코(gradient echo)-시퀀스의 사용을 기초로 한다.
특히 생체 조직에서 매우 빈번히 발생하는 수소원자 핵은 의학적으로 중요한 영상들의 작성을 가능하게 한다. 그러나 예컨대13C,19F,23Na,31P와 같은 더 무거운 자기 핵도, 생체 조직 내에서 그의 낮은 농도에도 불구하고, 검출이 가능하며, 수소 핵과 유사하게 영상으로 표시될 수 있다. 도 3은, 생체 조직 내에 존재하는 가장 중요한 핵의 자연 발생을 고려하여, 동일한 측정 주파수에서 나타나는 상기 핵의 공명 주파수 및 그의 상대 검출 감도를 도시한 것이다.
검사된 원자핵을 상이한 분자에 배치하는 실험에서, 자계가 같을 때 공명 주파수에 미세한 차이가 나타나는 것이 관찰되었다. 그 원인은 소위 "화학적 이동(chemical shift")을 야기하는 분자 내 전자들이다. 화학적 이동은 핵이 놓여있는 화학적 결합의 방식에 따라 공명 주파수가 전계 강도에 비례하여 약간 변동되는 특성을 의미한다.
도 4에는 예컨대 2 T에서 나타나는 인체의 대퇴부 근육의 인광체 스펙트럼(phosphor-spectrum)이 도시되어있다. 대사물질인 아데노신 3인산(ATP), 크레아틴인산(PCr), 무기인산(Pi) 및 포스포디에스테르(PDE)를 그들의 상이한 화학적 이동에 따라 구별할 수 있다.
특히 수소의 공명 주파수 흡수시, 환자의 조직을 디스플레이할 때 지방과 물 사이의 경계층에 화학적 이동의 영향으로 형성되는 인공물(artifact)이 발생한다. 상기 인공물의 인체 내에서의 높은 농도로 인해 특히 자유수(free water)와 지방의 수소핵이 영상 표시에 기여하게 된다. 상기 수소핵의 상대적 공명 주파수 차(△f)는 약 3 ppm(parts per million)이다. △f는 상기 두 핵의 영상의, 데이터 수신시 능동 경사("판독 경사" 또는 "코딩 경사")의 방향으로의 상대적 이동을 야기한다. 이동의 척도는 픽셀당 사용된 밴드폭에 따라 좌우되며, 상기 밴드폭은 특히 시야각(Field of View) 및 매트릭스 크기에 따라 좌우된다.
따라서 사용자가 인체 내부에서의 방향 설정을 더 간편하게 할 수 있도록 하기 위해, 스핀-종(species)의 신호가 완전히 또는 어느 정도까지 억압될 필요가 있다.
중요한 진단 정보는 수분 신호(water signal)에서 추론되기 때문에, 지방 신호(fat signal)는 일반적으로 억압된다. 지방 신호의 페이드 인(fade in)(내지는 불완전한 억압)은 (예컨대 정형외과술에서) 해부학적 방향 설정에 이용된다.
수소핵의 핵 공명 흡수시 고정 설정된 지방 억제율을 디스플레이하는 것이 일반적이다. 이러한 표준 방법은 두 스핀-종 중 하나만, 바람직하게는 지방만 검출하고 횡단면(transverse plane) 쪽으로≤90°의 각도로 회전하는 선택적 협대역 HF-펄스를 조사하기 위해, 수분과 지방간의 주파수 편이를 이용한다. 적절한 경사 펄스(훼손 경사)의 조사를 통해 가로 자기화(transverse magnetization)가 완전히 탈위상(dephase)되는지, 그리고 세로 스핀 성분이 아직 간섭되는지가 고려된다.= 90°인 경우에는 전체 지방 성분이 억제되는데, 그 이유는 HF-펄스가 조사된 후에는 세로 성분이 더 이상 존재하지 않기 때문이다.
물론 전술한 방법에 따르면 기존에 사용자에 의해 디스플레이된 영상 내에 입력되는 억제율은 공명 흡수 이전에만 고정 설정될 수 있고, 측정이 종료된 후에는 변경이 불가능하다.
본 발명의 목적은 측정 후에도 1 개의 측정 영상 내에서 2 개 이상의 대조 영상의 성분 표시 변경을 가능하게 하는, 핵스핀 단층촬영-측정 영상의 처리 및 표시 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 핵스핀 단층촬영기를 개략 도시한 것이다.
도 2a는 2-콘트라스트-오버랩용 입력 장치를 일차원 슬라이더 형태로 나타낸 것이다.
도 2b는 3-콘트라스트-오버랩용 입력 장치를 삼각형 조정기 형태로 나타낸 것이다.
도 2c는 삼각형 조정기의 가능한 설정예를 나타낸 것이다.
도 3은 생물학적 조직 내에서 가장 중요한 핵의 공명 주파수 및 그의 상대적 검출 감도를 나타낸 것이다.
도 4는 2T(Tesla)에서 인체 대퇴부 근육의 인광-스펙트럼을 나타낸 것이다.
*도면의 주요 부호 설명*
1 : 기본 계자석2 : 보정 코일
3 : 경사 자계 장치4 : 고주파 안테나
5 : 재물대(載物臺)6 : 수신 다이플렉서
7, 14 : 증폭기8 : 고주파-수신 채널
9 : 송신 채널11 : 출력부
12 : 입력부15 : 보정 전원 장치
17 : 이미징 컴퓨터18 : 시퀀스 제어기
19 : 합성기20 : 제어 컴퓨터
21 : 단말장치22 : 고주파 장치
23 : 일차원 슬라이더24 : 삼각 조정기
25 : 메모리
상기 목적은 본 발명에 따라 독립 청구항들의 특징부를 통해 달성된다. 종속항에는 본 발명의 중심 사상이 매우 바람직한 방식으로 전개되어있다.
즉, 적어도 2 개의 대조 영상을 동시 기록하기 위한 하나의 메모리를 가진, 핵스핀 단층촬영-측정 영상의 처리 및 표시 장치가 제안된다. 그럼으로써 대조 영상은 예컨대 각각 상이한 화학적 이동을 갖는 상이한 스핀 스펙트럼으로부터 획득될 수 있다. 또한 대조 영상은 상이한 종류의 MR-영상(해부학적 MR-영상, 혈관 조영에 의한 MR-영상 또는 신체 기능관련 MR-영상)으로부터 획득될 수도 있다. 즉, 동일한 인체의 2 개 또는 3 개의 영상의 오버랩을 통해서도 오버랩 영상이 획득된다.
또한 상기 장치는 촬영된 대조 영상들을 디스플레이하기 위한 모니터뿐만 아니라, 상기 모니터 상에 디스플레이되는, 대조 영상 선택용 입력 장치도 포함한다.
본 발명에 따르면 상기 입력 장치를 통해, 촬영된 2 개 내지는 3개의 대조 영상들 간의 스텝리스 오버랩이 가능하다.
2 개의 대조 영상용 입력 장치는 직선 슬라이더의 형태로 구현되며, 3 개의대조 영상용으로 사용되는 경우 삼각 조정기 형태로 구현된다.
특히 스핀 스펙트럼을 기초로 하는 대조 영상의 경우 제 1 스핀 스펙트럼은 수분이고, 제 2 스핀 스펙트럼은 지방일 수 있다.
대조 영상들의 동시 촬영은 처리 장치 내에서 Dixon법에 의해 또는 표준 방식에 따른 각각의 다른 스핀 스펙트럼의 신호 억압에 의해 실시된다.
본 발명의 더욱 바람직한 개념은 각각의 스핀 스펙트럼의 대조 영상이 상이한 색상으로 표시된다는 점이다.
본 발명의 그 밖의 장점과 특징들은 첨부된 도면에 관련된 실시예에 따라 더 자세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따라 물체의 핵스핀 영상을 작성하기 위한 핵스핀 단층촬영기의 개략도이다. 핵스핀 단층촬영기의 구조는 종래의 단층촬영기의 구조와 동일하다. 물체의 검사 영역, 예컨대 인체의 검사될 부분의 영역 내에서 핵스핀의 분극 내지는 정렬을 위해 기본 계자석(1)이 시간에 따라 일정한 세기의 자계를 발생시킨다. 핵스핀 공명 측정에 필요한 기존 자계의 높은 균일도는 인체의 검사될 부분이 수용되는 구형 측정 체적(M) 내에서 정해진다. 균일도에 대한 요구를 지지하기 위해, 그리고 특히 시간에 따라 일정한 영향을 제거하기 위해 적절한 장소에 강자성체로 된 소위 보정 플레이트(shim plate)가 제공된다. 시간에 따라 일정한 영향들은 전원 장치(15)에 의해 제어되는 보정 코일(2, shimming coil)을 통해 제거된다.
기본 계자(1) 내에는 3 개의 부분 권선으로 이루어진 실린더형 경사 코일 장치(3)가 설치된다. 각각의 부분 권선은 증폭기(14)로부터 직각 좌표계의 각 방향으로 선형 경사 자계를 발생시키기 위한 전류를 공급받는다. 이 때, 경사 자계 장치(3)의 제 1 부분 권선이 x축 방향의 경사(Gx)를, 제 2 부분 권선이 y축 방향의 경사(Gy)를, 그리고 제 3 권선이 z축 방향으로의 경사(Gz)를 발생시킨다. 각각의 증폭기(14)는 경사 펄스를 적절한 시기에 발생시키기 위한 시퀀스 제어 장치(18)에 의해 제어되는 디지털-아날로그-변환기를 갖는다.
경사 자계 장치(3)의 내부에는 검사될 대상 내지는 대상의 검사 영역의 핵의 여기 및 핵스핀의 정렬을 위해 고주파 라인 증폭기(30)로부터 송출되는 고주파 펄스를 교번 자장으로 변환하는 고주파 안테나(4)가 배치된다. 상기 고주파 안테나(4)에 의해, 세차 운동을 하는 핵스핀으로부터 유래하는 교번 자장, 즉 통상 하나 이상의 고주파 펄스 및 하나 이상의 경사 펄스로부터 야기되는 핵스핀 에코 신호도 증폭기(7)에 의해 고주파 장치(22)의 고주파 수신 채널(8)로 공급되는 전압으로 변환된다. 또한 상기 고주파 장치(22)는 송신 채널(9)을 포함하며, 상기 송신 채널(9) 내에서 핵 자기 공명의 여기를 위한 고주파 펄스가 발생된다. 이 때 각각의 고주파 펄스는 제어 컴퓨터(20)에 의해 사전설정된 펄스 시퀀스에 따라 시퀀스 제어기(18) 내에서 복소수의 열로서 숫자로 표시된다. 상기 숫자열은 실수부와 허수부로서 각각 하나의 입력부(12)를 통해 고주파 장치(22) 내 디지털-아날로그-변환기에 공급된 후, 그로부터 송신 채널(9)에 전달된다. 송신 채널(9)에서는 펄스 시퀀스가 고주파-반송 신호로 변조되고, 상기 고주파-반송 신호의 기본 주파수는 측정 체적 내 핵스핀의 공명 주파수와 일치한다.
송신 조작을 수신 조작으로 전환하는 것은 송/수신 다이플렉서(6)에 의해 이루어진다. 고주파 안테나(4)가 핵스핀의 여기를 위한 고주파 펄스를 측정 체적(M) 내로 조사하고, 그로 인해 야기된 에코 신호를 스캐닝한다. 그에 상응하게 획득된 핵 공명 신호들은 고주파 장치(22)의 수신 채널(8) 내에서 위상감응 복조되고, 각각의 아날로그-디지털-변환기를 통해 측정 신호의 실수부 및 허수부로 변환된다. 그러한 방식으로 획득된 측정 데이터로부터 이미징 컴퓨터(17)를 통해 하나의 영상이 재구성된다. 측정 데이터, 이미지 데이터 및 제어 프로그램의 관리는 제어 컴퓨터(20)를 통해 이루어진다. 제어 프로그램의 프리세팅에 따라 시퀀스 제어기(18)가 각각의 바람직한 펄스 시퀀스의 생성 및 k-공간(k-space)의 적절한 스캐닝을 컨트롤한다. 특히 상기 시퀀스 제어기(18)는 경사의 시기적절한 스위칭, 정해진 위상과 진폭을 가진 고주파 펄스의 방출 및 핵 공명 신호의 수신을 제어한다. 고주파 장치(22) 및 상기 시퀀스 제어기(18)를 위한 시간축은 합성기(19)에 의해 이용될 수 있다. 핵스핀 영상의 생성 및 생성된 핵스핀 영상의 디스플레이를 위한 적절한 제어 프로그램의 선택은 1 개의 키보드 및 하나 이상의 모니터를 포함하는 단말장치(21)에 의해 이루어진다.
본 발명의 기본 개념은 핵스핀 단층촬영-영상을 2 개 내지 3 개의 대조 영상으로 분리하여 생성시키는 것이다. 이는 전술한 방법에 따른 독립적인 촬영을 통해, 또는 Dixon법에 따른 2-point/Multipoint-방법을 통해 구현된다.
영상 정보, 즉 예컨대 지방과 수분과 같이 2 개 종에서의 스핀-종 내지는 스핀 스펙트럼의 대조 영상이 이미징 컴퓨터(17)의 메모리(25) 내에 서로 분리되어 존재하게 되면, 제어 컴퓨터(20)의 소프트웨어 측에서는 디스플레이 범위 내에서 순수한 수분 영상의 순수한 지방 영상으로의 스텝리스 오버랩이 픽셀 단위로 선형으로 생성될 수 있다.:
Sum(x)=Fat*(1-x) + Water*x
x=0일 때 순수한 지방 영상을 얻을 수 있고, x=1일 때 순수한 수분 영상을 얻게 되며, x=0.5인 경우에는 균등한 비중의 영상을 얻게 된다(여기서 지방과 수분은 단지 예를 든 것이다). 매개변수(x)의 제어는 예컨대 도 2a에 도시되어있는 것과 같은, 단말장치(21)의 입력 인터페이스를 통해 실시된다. 2-콘트라스트-오버랩의 경우 일차원 슬라이더(23, 도 2a)로 충분하다. 상기 슬라이더의 좌측 단부는 100% 콘트라스트(1)를, 우측 단부는 100% 콘트라스트(2)를, 그리고 중간 위치는 50-50 콘트라스트를 나타내며, 상기 슬라이더는 그에 상응하게 연속 전이부를 갖는다.
메모리(25) 내에 3 개의 스핀-종의 동시 촬영이 제공되는 경우, 3-콘트라스트-오버랩을 위해 삼각형 조정기(24, 도 2b)가 사용될 수 있다. 3 개의 모서리 중 각 지점은 관련 콘트라스트의 100%로 해석되고, 중간 지점은 3 개의 콘트라스트의 1/3-1/3-1/3으로서 해석된다. 즉, 2 개의 콘트라스트 사이의 삼각 경계 상의 지점들이 3 개의 콘트라스트 중 2 개 사이에서 오버랩된다.
도 2c에는 3-콘트라스트-조정기가 어떻게 산술적으로 변환되는지가 도시되어있다. 마주보는 대변으로 뻗은 수선의 길이는 각 콘트라스트 비율의 척도를 나타낸다.
이 때, 각 수선의 전체 길이는 다음과 같이 표준화된다:
x1+x2+x3=1
3-콘트라스트-영상은 상응하는 콘트라스트-비를 갖는 수선의 웨이팅으로부터 획득된다.
x1*Contrast 1 + x2*Contrast 2 + x3*Contrast 3
콘트라스트 조정기를 활성화시키는데에는 1 개의 명령(예를 들면, 1번의 마우스 클릭이나 키보드) 및 그에 이어서 입력 장치가 1차원(2-콘트라스트-조정기용) 또는 2차원(3-콘트라스트-조정기용)으로 이동하는 것으로 충분하다. 상기 입력 장치는 마우스일 수는 있으나, 반드시 그래야만 하는 것은 아니다. 상기 이동은 임의 성질의 "코드 생성(code generation)"에 의해 위치 함수/콘트라스트 함수의 위치로 변환된다.
이상적으로는 예컨대 순수한 수분 디스플레이가 순수한 지방 디스플레이로 내지는 제 3 종의 디스플레이로 오버랩될 수 있다. 일반적인 회색조(gray scale) 디스플레이 외에 컬러 디스플레이(예: 수분의 경우 청색조, 지방의 경우 적색조 등)도 가능하다.
전술한 설명들은 대조 영상이 예컨대 해부학적 MR-영상, 혈관 조영에 의한 MR-영상 또는 신체 기능관련 MR-영상과 같은 상이한 방식의 MR-영상으로 이루어지는 경우에 동일하게 적용된다.
본 발명을 통해 측정 후에도 1 개의 측정 영상 내에서 2 개 이상의 대조 영상의 성분 표시 변경을 가능하게 하는, 핵스핀 단층촬영-측정 영상의 처리 및 표시 장치를 제공하는 것이 보증된다.

Claims (9)

  1. - 적어도 2 개의 대조 영상을 저장하기 위한 메모리(25),
    - 핵스핀 단층촬영-측정 영상의 디스플레이를 위한 모니터(21),
    - 디스플레이될 핵스핀 단층촬영-측정 영상의 콘트라스트를 선택하기 위한, 상기 모니터(21) 상에 디스플레이되는 입력 장치(23, 24 또는 도 2a 및 도 2b),
    - 상기 입력 장치(23, 24 또는 도 2a 및 도 2b)를 이용하여 선택된 콘트라스트를 기초로 하여 상기 메모리(25) 내에 저장된 대조 영상으로부터 모니터(21) 상에 디스플레이될 핵스핀 단층촬영-측정 영상을 산출하기 위한 처리 장치를 포함하는, 핵스핀 단층촬영-측정 영상의 처리 및 디스플레이를 위한 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 입력 장치는 2 개 내지는 3 개의 대조 영상들간의 콘트라스트가 비단계적으로(stepless) 선택될 수 있게 해 주는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서,
    2 개의 대조 영상을 위한 입력 장치는 직선의 슬라이더(23 또는 도 2a) 형태로 구현되고, 각각의 끝점은 순수한(pure) 대조 영상에 상응하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 1항 또는 2항에 있어서,
    3 개의 대조 영상을 위한 입력 장치는 삼각 조정기(24 또는 도 2b) 형태로 구현되고, 각각의 끝점은 순수한 대조 영상에 상응하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 1항 내지 4항에 있어서,
    상기 대조 영상들은 각각 화학적 이동이 상이한 스핀 스펙트럼을 기초로 하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1항 내지 5항에 있어서,
    상기 대조 영상들은 상이한 방식의 MR-영상을 기초로 하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    제 1 스핀 스펙트럼은 수분을 나타내고, 제 2 스핀 스펙트럼은 지방을 나타내는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1항 내지 7항에 있어서,
    상기 처리 장치에서는 Dixon법에 의해 또는 표준 방법에 따른 각각의 다른 스핀 스펙트럼 신호의 억압을 통해 대조 영상의 동시 산출이 실시되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 1항 내지 8항에 있어서,
    상기 각 스핀 스펙트럼의 콘트라스트 디스플레이는 상이한 색상으로 구현되는 것을 특징으로 하는 장치.
KR1020020022157A 2001-04-23 2002-04-23 핵스핀 단층촬영에서 입력 장치를 가진 사용자인터페이스에서의 다수의 스핀 스펙트럼 디스플레이간의스텝리스 오버랩 KR20020082152A (ko)

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