KR20160019081A - 자기공명영상장치 및 그 제어방법 - Google Patents

자기공명영상장치 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

자기공명영상장치는, 대상체로부터 발생되는 자기공명신호를 수신하는 복수의 채널을 포함하는 코일; 상기 자기공명신호에 기초하여 k-스페이스(space) 상의 언더샘플링(undersampling)된 영상 데이터를 생성하는 데이터 생성부; 및 병렬 영상(parallel imaging) 복원 방법을 이용하여 상기 영상 데이터에 대한 제 1복원 영상을 생성하고, 압축 센싱(compressed sensing) 복원 방법을 이용하여 상기 영상 데이터에 대한 제 2복원 영상을 생성하는 복원 영상 생성부; 를 포함할 수 있다.
이와 같은 자기공명영상장치 및 그 제어방법을 의하면, 램덤 언더샘플링랜덤(rando undersapling)의 영상 데이터 및 병렬 영상 방법과 압축 센싱을 이용하여 영상 복원을 수행하므로, 영상 획득의 속도를 증가시키고 영상의 품질 또한 개선케 한다.

Description

자기공명영상장치 및 그 제어방법{MAGNETIC RESONANCE IMAGING APPARATUS AND CONTROLLING}
자기 공명 영상을 이용하여 각종 질병을 진단하기 위해 사용되는 자기공명영상장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 의료용 영상 장치는 환자의 정보를 획득하여 영상을 제공하는 장치이다. 의료용 영상 장치는 X선 장치, 초음파 진단 장치, 컴퓨터 단층 촬영 장치, 자기공명영상장치 등이 있다.
이 중에서 자기공명영상장치는 영상 촬영 조건이 상대적으로 자유롭고, 연부 조직에서의 우수한 대조도와 다양한 진단 정보 영상을 제공해주기 때문에 의료용 영상을 이용한 진단 분야에서 중요한 위치를 차지하고 있다.
자기 공명 영상(Magnetic Resonance Imaging, MRI)는 인체에 해가 없는 자장과 비전리 방사선인 RF를 이용하여 체내의 수소 원자핵에 핵자기 공명 현상을 일으켜 원자핵의 밀도 및 물리화학적 특성을 영상화한 것이다.
구체적으로, 자기공명영상장치는 원자핵에 일정한 자기장을 가한 상태에서 일정한 주파수와 에너지를 공급하여 원자핵으로부터 방출된 에너지를 신호로 변환하여 인체 내부를 진단하는 영상 진단 장치이다.
원자핵을 구성하는 양성자는 스스로가 스핀 각운동량과 자기 쌍극자를 갖기 때문에 자기장을 가해주면 자기장의 방향으로 정렬되고, 자기장의 방향을 중심으로 원자핵이 세차운동을 한다. 이러한 세차운동에 의해 핵자기 공명 현상을 통한 인체의 영상을 획득할 수 있다.　
한편, 자기공명영상장치에 의한 촬영은, 촬영 부위와 MR영상의 종류 등에 따라 짧게는 20여분에서 1시간 이상이 소요될 수 있다. 즉, 자기공명영상장치의 촬영 시간은 다른 의료용 영상 장치에 비해 상대적으로 길다는 단점이 있다. 이러한 단점은 환자에게 촬영 부담을 줄 수 있으며, 특히 폐쇄공포증이 있는 환자에게는 시행을 곤란하게 한다. 따라서, 촬영 시간을 단축시기고자 하는 기술들이 최근까지 개발되고 있으며, 촬영 시간의 단축과 더불어 영상의 질적인 면에서도 개선이 요구되고 있는 실정이다.
랜덤 언더샘플링(rando undersapling)의 영상 데이터 및 병렬 영상 방법과 압축 센싱을 이용하여 영상 복원을 수행하는 자기공명영상장치 및 그 제어방법을 제공한다.
자기공명영상장치는 대상체로부터 발생되는 자기공명신호를 수신하는 복수의 채널을 포함하는 수신 코일; 상기 자기공명신호에 기초하여 k-스페이스(space) 상의 언더샘플링(undersampling)된 영상 데이터를 생성하는 데이터 생성부; 및 병렬 영상(parallel imaging) 복원 방법을 이용하여 상기 영상 데이터에 대한 제 1복원 영상을 생성하고, 압축 센싱(compressed sensing) 복원 방법을 이용하여 상기 영상 데이터에 대한 제 2복원 영상을 생성하는 복원 영상 생성부; 를 포함할 수 있다.
자기공명영상장치에서, 상기 언더샘플링된 영상 데이터는, 비균일(non-uniform) 랜덤 언더샘플링(random undersampling)된 영상 데이터를 포함할 수 있다.
자기공명영상장치에서, 상기 병렬 영상 복원 방법은, SPACE RIP(Sensitivity Profiles From an Array of Coils for Encoding and Reconstruction in Parallel), SMASH(Simultaneous acquisition of spatial harmonics), PILS(Partially Parallel Imaging With Localized Sensitivitie), GRAPPA(Generalized Autocalibrating Partially Parallel Acquisitions) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.　　　　
자기공명영상장치에서, 상기 압축 센싱 복원 방법은, 상기 제 1복원 영상을 상기 제 2복원 영상의 생성을 위한 초기치로 이용할 수 있다.
또한, 상기 압축 센싱 복원 방법은, 사전 학습 압축 센싱(Dictionary Learnig compressed sensing) 방법을 포함할 수 있다.
상기 사전 학습은 압축 센싱 방법은, 하기의 [수학식 3]을 이용하는 것도 가능하다.
　[수학식 3]
Figure pat00001
　여기서, x는 제 2 복원 영상을 의미하며 y는 그에 대응되는 본래의 K-스페이스를 의미한다. Rij는 패치(patch)의 선택을, Fu는 고속 푸리에 변환(FFT)을 각각 의미한다. D는 k-SVD(Singular Value Decomposeition)를 통해 획득한 딕셔너리(Dictionary)를 의미하고, Zij는 OMP(Orthogonal Matching Pursuit)를 통해 획득한 희박성 계수(sparse coefficient)를 의미한다. ∥∥2는 L2-norm을 ∥∥0는 L0-norm을 각각 의미한다. λ는 두번째 ∥∥2의 가중치이며, T0는 희박성 정도(sparsify)이다.
상기 사전 학습은, 글로벌 딕셔너리(Grobal Dictionary) 또는 어답티브 딕셔너리(Adaptive Dictionary)를 이용하는 자기공명영상장치일 수 있다.
상기 언더샘플링은, 카테시안 궤적(cartesian Trajectory), 방사 궤적(RAdial Trajectory), 나선 궤적(Spiral Trajectory) 중 적어도 하나를 이용하는 자기공명영상장치일 수 있다.
자기공명영상장치에서, 상기 데이터 생성부는, 상기 복수의 채널에 대응하여 복수의 영상 데이터를 생성할 수 있다.
자기공명영상장치에서, 상기 복원 영상 생성부는, 상기 복수의 영상 데이터에 대응하여 복수의 제 1복원 영상 및 복수의 제 2복원 영상을 생성할 수 있다.
또한, 상기 복원 영상 생성부는, 스퀘어 썸(square sum) 또는 컴플렉스 썸(complex sum)을 이용하여 상기 복수의 제 2 복원 영상을 하나의 영상으로 결합시키고, 최종 복원 영상을 생성할 수도 있다.
자기공명영상장치의 제어방법은, 복수의 채널을 포함하는 수신 코일이 대상체로부터 발생되는 자기공명신호를 수신하고; 상기 자기공명신호에 기초하여 k-스페이스(space) 상의 언더샘플링(undersampling)된 영상 데이터를 생성하고; 병렬 영상(parallel imaging) 복원 방법을 이용하여 상기 영상 데이터에 대한 제 1복원 영상을 생성하고; 및 압축 센싱(compressed sensing) 복원 방법을 이용하여 상기 영상 데이터에 대한 제 2복원 영상을 생성하는; 것을 포함할 수 있다.
상기 언더샘플링(undersampling)된 영상 데이터를 생성하는 것은, 비균일(non-uniform) 랜덤 언더샘플링(random undersampling)된 영상 데이터를 생성하는 것은 포함할 수 있다.
상기 병렬 영상(parallel imaging) 복원 방법을 이용하여 상기 영상 데이터에 대한 제 1복원 영상을 생성하는 것은, SPACE RIP(Sensitivity Profiles From an Array of Coils for Encoding and Reconstruction in Parallel), SMASH(Simultaneous acquisition of spatial harmonics), PILS(Partially Parallel Imaging With Localized Sensitivitie), GRAPPA(Generalized Autocalibrating Partially Parallel Acquisitions) 중 적어도 하나를 이용하여 상기 제 1복원 영상을 생성하는 것을 포함하는 자기공명영상장치의 제어방법.
상기 압축 센싱(compressed sensing) 복원 방법을 이용하여 상기 영상 데이터에 대한 제 2복원 영상을 생성하는 것은, 상기 제 1복원 영상을 상기 제 2복원 영상의 생성을 위한 초기치로 이용하는 것을 포함할 수 있다.　　　
상기 압축 센싱(compressed sensing) 복원 방법을 이용하여 상기 영상 데이터에 대한 제 2복원 영상을 생성하는 것은, 사전 학습 압축 센싱(Dictionary Learnig compressed sensing) 방법을 이용하여 상기 제 2복원 영상을 생성하는 것을 포함할 수도 있다.
상기 압축 센싱(compressed sensing) 복원 방법을 이용하여 상기 영상 데이터에 대한 제 2복원 영상을 생성하는 것은, k-SVD(Singular Value Decomposeition)방법을 이용하여, 글로벌 딕셔너리(Grobal Dictionary) 또는 어답티브 딕셔너리(Adaptive Dictionary)를 생성하는 것을 포함하는 것도 가능하다.
상기 압축 센싱(compressed sensing) 복원 방법을 이용하여 상기 영상 데이터에 대한 제 2복원 영상을 생성하는 것은, OMP(Orthogonal Matching Pursuit)방법을 이용하여, 희박성 계수(Sparse coefficient)를 획득하고 패치 재구성(patched reconstruction)을 수행하는 것을 포함하는 것도 가능하다.
상기 압축 센싱(compressed sensing) 복원 방법을 이용하여 상기 영상 데이터에 대한 제 2복원 영상을 생성하는 것은, 하기의 [수학식 3]을 이용하여 상기 제 2복원 영상을 생성하는 것을 포함할 수도 있다.
　[수학식 3]
Figure pat00002
　여기서, x는 제 2 복원 영상을 의미하며 y는 그에 대응되는 본래의 K-스페이스를 의미한다. Rij는 패치(patch)의 선택을, Fu는 고속 푸리에 변환(FFT)을 각각 의미한다. D는 k-SVD(Singular Value Decomposeition)를 통해 획득한 딕셔너리(Dictionary)를 의미하고, Zij는 OMP(Orthogonal Matching Pursuit)를 통해 획득한 희박성 계수(sparse coefficient)를 의미한다. ∥∥2는 L2-norm을 ∥∥0는 L0-norm을 각각 의미한다. λ는 두번째 ∥∥2의 가중치이며, T0는 희박성 정도(sparsify)이다.
상기 신호에 기초하여 k-스페이스(space) 상의 언더샘플링(undersampling)된 영상 데이터를 생성하는 것은, 카테시안 궤적(cartesian Trajectory), 방사 궤적(RAdial Trajectory), 나선 궤적(Spiral Trajectory) 중 적어도 하나를 이용하여 상기 언더샘플링된 영상 데이터를 생성하는 것을 포함할 수 있다.
상기 언더샘플링된 영상 데이터를 생성하는 것은, 상기 복수의 채널에 대응하여 복수의 영상 데이터를 생성하는 것을 포함할 수 있다.
상기 제 1복원 영상을 생성하는 것은, 상기 복수의 영상 데이터에 대응하여 복수의 제 1복원 영상을 생성하는 것을 포함할 수도 있다.
상기 제 2복원 영상을 생성하는 것은, 상기 복수의 영상 데이터에 대응하여 복수의 제 2복원 영상을 생성하는 것을 포함할 수도 있다.
스퀘어 썸(square sum) 또는 컴플렉스 썸(complex sum)을 이용하여 상기 복수의 제 2 복원 영상을 하나의 영상으로 결합시키고, 최종 복원 영상을 생성하는 것; 을 더 포함하는 자기공명영상장치의 제어방법인 것도 가능하다. 　　
이와 같은 자기공명영상장치 및 그 제어방법을 의하면, 램덤 언더샘플링랜덤(rando undersapling)의 영상 데이터 및 병렬 영상 방법과 압축 센싱을 이용하여 영상 복원을 수행하므로, 영상 획득의 속도를 증가시키고 영상의 품질 또한 개선케 한다.
도 1은 자기공명영상장치 일 실시예에 따른 제어 블록도이다.
도 2a는 RF 수신 코일이 마련된 자기공명영상장치의 외관을 개략적으로 도시한 일 예이며, 도 2b는 RF 수신 코일이 마련된 자기공명영상장치의 외관을 개략적으로 도시한 다른 예이다.
도 3은 자석 어셈블리의 외관을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 대상체가 놓여 있는 공간을 x, y, z 축으로 구분한 도면이다.
도 5는 자석 어셈블리의 구조와 경사 코일부의 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 경사 코일부를 구성하는 각 경사 코일의 동작과 관련된 펄스 시퀀스를 도시한 도면이다.
도 7은 자기 공명 영상의 획득을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 병렬 영상법의 샘플링 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 언더샘플링된 영상 데이터의 획득을 위한 RF 수신 코일을 예시한 도면이다.
도 10은 병렬 영상법의 샘플링에서 비균일(non-uniformly) 랜덤 언더샘플링을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 사전 학습 압축 센싱의 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 12 내지 도 13은 자기공명영상장치에 의해 생성된 제 2복원 영상의 결과를 보여주는 도면들이다.
도 14는 자기공명영상장치의 일 실시예에 따른 흐름도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 자기공명영상장치 및 그 제어방법을 후술된 실시예들에 따라 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 자기공명영상장치의 일 실시예에 따른 제어 블록도이다. 이하, 도 1을 참조하여 자기공명영상장치(100)의 동작을 개괄적으로 설명하도록 한다.
도 1을 참조하면, 자기공명영상장치(1)는 자기장을 형성하고 원자핵에 대한 공명 현상을 발생시키는 자석 어셈블리(150)와, 자석 어셈블리(150)의 동작을 제어하는 제어부(120), 원자핵으로부터 발생되는 에코신호 즉, 자기 공명 신호를 수신하여 자기 공명 영상을 생성하는 영상 처리부(160) 를 포함한다.
자석 어셈블리(150)는 내부 공간에 정자장(Static field)을 형성하는 정자장 코일부(151), 정자장에 경사(gradient)를 발생시켜 경사자장(gradient field)을 형성하는 경사 코일부(152) 및 RF 펄스를 송신하여 원자핵을 여기시키는 RF 송신 코일(153a)을 포함한다. 그리고 자석 어셈블리(150)와 별도로 여기된 원자핵으로부터 방출하는 전자파 즉, 에코 신호를 수신하는 RF 수신 코일(153b)이 마련된다. 즉, 자석 어셈블리(150)의 내부 공간에 대상체(도 2a 내지 도 2b의 200)가 위치하면 대상체(200)에 정자장, 경사자장 및 RF 펄스가 송신되어 대상체(200)를 구성하는 원자핵이 여기되고, 그로부터 에코 신호가 발생되어 RF 수신 코일(153b)에 수신된다.
여기서, 대상체(200)는 인간이나 동물의 생체 뿐만 아니라, 자기공명영상장치(1)에 의해 그 내부 구조가 영상화 될 수 있는 것이면 대상체가 될 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 인간의 생체 즉, 인체를 대상체(200)로 고려하여 설명하며, RF 수신코일(135b)에 대한 더욱 구체적 설명은 후술하도록 한다.
제어부(120)는 정자장 코일부(151)가 형성하는 정자장의 세기 및 방향을 제어하는 정자장 제어부(121), 펄스 시퀀스를 설계하여 그에 따라 경사 코일부(152) 및 RF 코일부(153)를 제어하는 펄스 시퀀스 제어부(122)를 포함한다.
자기공명영상장치(1)는 경사 코일부(152)에 경사 신호를 인가하는 경사 인가부(130) 및 RF 송신 코일(153a)에 RF 신호를 인가하는 RF 인가부(140)를 구비하여 펄스 시퀀스 제어부(122)가 경사 인가부(130) 및 RF 인가부(140)를 제어함으로써 자석 어셈블리(150) 내부 공간에 형성되는 경사자장 및 원자핵에 가해지는 RF를 조절하도록 할 수 있다.
RF 수신 코일(153b)은 영상 처리부(160)와 접속되어 있고, 영상 처리부(160)는 스핀 에코 신호 즉, 원자핵으로부터 발생되는 자기 공명 신호에 관한 데이터를 수신하는 데이터 수집부(161), 데이터 수집부(161)에서 수신한 데이터들을 저장하는 데이터 저장부(162), 저장된 데이터들을 처리하여 자기 공명 영상을 생성하는 데이터 처리부(163)를 포함한다.
데이터 수집부(161)는 RF 수신 코일(153b)이 수신한 자기 공명 신호를 증폭하는 전치 증폭기(preamplifier), 전치 증폭기로부터의 자기 공명 신호를 전송받아 위상 검출하는 위상 검출기, 위상 검출에 의해 획득된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터를 포함할 수 있다. 그리고 데이터 수집부(161)는 디지털 변환된 자기 공명 신호를 데이터 저장부(162)로 전송한다.
데이터 저장부(162)에는 2차원 푸리에(Fourier) 공간을 구성하는 데이터 공간이 형성되며 스캔 완료된 전체 데이터의 저장이 완료되면 데이터 처리부(163)는 2차원 푸리에 공간 내의 데이터를 2차원 역푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform ; IFFT)하고, 영상 복원을 수행하여 대상체(200)에 대한 영상을 재구성한다. 재구성된 영상은 디스플레이(112)에 표시될 수 있다.
또한, 자기공명영상장치(1)는 사용자 조작부(110)를 구비하여 사용자로부터 자기공명영상장치(1)의 전반적인 동작에 관한 제어 명령을 입력받을 수 있고, 특히 사용자로부터 스캔 시퀀스에 관한 명령을 수신하여 이에 따라 펄스 시퀀스를 생성할 수 있다. 　
사용자 조작부(110)는 사용자가 시스템을 조작할 수 있도록 마련되는 조작 콘솔(111)과, 제어 상태를 표시하고 영상 처리부(160)에서 생성된 영상을 표시하여 사용자로 하여금 대상체(200)의 건강상태를 진단할 수 있도록 하는 디스플레이(112)를 포함할 수 있다.
도 2a는 RF 수신 코일이 마련된 자기공명영상장치의 외관을 개략적으로 도시한 일 예이며, 도 2b는 RF 수신 코일이 마련된 자기공명영상장치의 외관을 개략적으로 도시한 다른 예이다.
도 2a 내지 도 2b에 도시된 바와 같이, RF 수신 코일(153b)은 자석 어셈블리(150)와 분리되어 마련될 수 있고, 다른 구성을 함께 구비하여 대상체(200)의 각 부위, 예를 들어 머리, 목, 어깨, 허리 등에 부착될 수 있다. RF 수신 코일(153b)은 부착되는 부위에 따라 머리코일, 목 코일, 어깨 코일, 허리 코일 등으로 구분되며, 부착되는 부위별 형상에 따라 만드는 것이 일반적이다.
구체적으로, RF 수신 코일(153b)이 머리 코일인 경우, 도 2a에 도시된 바와 같이 대상체(200) 중 머리 부위의 촬영을 위해 투구 형상을 구비할 수 있으며, RF 수신 코일(153b)이 어깨 코일인 경우, 도 2b에 도시된 바와 같이 대상체(200) 중 어깨 및 흉부의 촬영을 위해 어깨 가슴 보호대 형상을 구비할 수 있다. 　　　
RF 수신 코일(153b)의 예로 대상체(200) 일부에서 여기된 자기 공명 신호를 받아들이는 표면 코일(surface coil)이 있다. 표면 코일은 체적 코일(volume coil)에 비해 상대적으로 크기가 작고 2차원 면 형태를 취하고 있기 때문에, 인접한 부위에 대하여 월등히 높은 신호 대 잡음비(signal to noise ratio)를 갖는다.
RF 수신 코일(153b)의 다른 예로, 표면 코일 여러 개를 1차원 또는 2차원으로 공간 배열하여 수신 영역을 넓히는 배열형 코일(array coil)이 있다. 배열형 코일은 촬영 부위에 따라 그 배열 형상이 달라지며, 머리용, 두경부용, 흉부용, 척추용, 복부용, 다리용 등으로 분류된다. 배열형 코일을 이루는 각 표면 코일의 상대적인 위치가 다르므로 각 표면 코일이 수신하는 신호의 위상도 차이가 난다. 따라서 각 표면 코일이 수신하는 신호를 합성하여 영상을 재구성할 때, 표면 코일의 수신 위상(receive phase)을 고려함으로써 신호 대 잡음비가 높은 영상을 획득할 수 있다.
또한, RF 수신 코일(153)은 병렬 영상법(parallel imaging)을 이용하기 위하여 복수채널 코일을 포함하며, 이에 대한 구체적 설명은 후술하기로 한다.
대상체(200)는 자기공명영상장치에 의한 촬영을 위해 RF 수신 코일(153b)을 신체의 일부에 장착하고, 이송부(210) 상에 눕는다. 본체(100)에는 전술한 제어부(120), 경사 인가부(130), RF 인가부(140) 및 영상 처리부(160)가 구비될 수 있으며, 이와 같은 본체(100)의 일단에는 자석 어셈블리(150) 및 RF 수신 코일(153b)와 신호를 송수신하기 위한 하나 이상의 케이블이 마련될 수 있다. 또한, 전술한 사용자 조작부(110)는 조작의 편의성을 위해 도 2a 내지 도 2b에 도시된 바와 같이 본체(100)의 상부에 마련될 수 있다.
이하에서는 도 3 내지 도 5를 참조하여 자기공명영상장치(1)의 동작에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 도 3은 자석 어셈블리의 외관을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 4는 대상체가 놓여 있는 공간을 x, y, z 축으로 구분한 도면이다. 그리고 도 5는 자석 어셈블리의 구조와 경사 코일부의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 자석 어셈블리(150)는 내부 공간이 비어 있는 원통형의 형상을 갖으며, 이와 같은 형상을 갠트리(gantry) 또는 보어(bore)라고 한다. 그리고, 그 내부 공간은 캐비티(cavity)라고 하며, 이송부(210)는 그 위에 누워 있는 대상체(200)를 캐비티로 이송시켜 자기 공명 신호를 얻을 수 있도록 한다.
자석 어셈블리(150)는 전술한 바 있듯이 정자장 코일부(151), 경사 코일부(152), 및 RF 송신 코일(153a)을 포함한다.
정자장 코일부(151)는 캐비티의 둘레를 코일이 감고 있는 형태가 되며, 정자장 코일부(151)에 전류가 인가되면 자석 어셈블리(150) 내부 공간 즉, 캐비티에 정자장이 형성된다. 이 때, 정자장의 방향은 일반적으로 자석 어셈블리(150)의 동축과 평행하다.
캐비티에 정자장이 형성되면 대상체(200)를 구성하는 원자 특히, 수소 원자의 원자핵은 정자장의 방향으로 정렬되며, 정자장의 방향을 중심으로 세차운동(precession)을 한다. 원자핵의 세차속도는 세차주파수로 나타낼 수 있으며 이를 라모르(Larmor) 주파수라 부르고 아래의 [수학식 1]으로 표현할 수 있다.
　[수학식 1]
ω=γB0
　여기서, ω는 라모르 주파수이고 γ는 비례상수이며 B0는 외부 자기장의 세기이다. 비례상수는 원자핵의 종류마다 달라지며 외부 자기장의 세기의 단위는 테슬라(T) 또는 가우스(G)이고 세차주파수의 단위는 Hz이다.
예를 들어, 수소 양성자는 1T의 외부 자기장 속에서 42.58MHZ의 세차주파수를 가지며, 인간의 몸을 구성하는 원자 중 가장 큰 비율을 차지하는 것이 수소이므로 자기공명영상장치(1)에서는 주로 수소 양성자의 세차운동을 이용하여 자기 공명 신호를 얻는다.
경사 코일부(152)는 캐비티에 형성된 정자장에 경사(gradient)를 발생시켜 경사자장(gradient magnetic field)를 형성한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 대상체(200)의 머리부터 발까지의 상하방향과 평행하는 축, 즉 정자장의 방향과 평행하는 축을 z축으로, 대상체(200)의 좌우방향과 평행하는 축을 x축으로, 공간에서의 상하방향과 평행하는 축을 y축으로 결정할 수 있다.
자기 공명 신호에 대한 3차원의 공간적인 정보를 얻기 위해서는 x, y, z 축 모두에 대한 경사자장이 요구된다. 이에 경사 코일부(152)는 세 쌍의 경사 코일을 포함한다.
도 5에 도시된 것처럼 z축 경사 코일(152a)은 일반적으로 한 쌍의 링 타입의 코일로 구성되고, y축 경사 코일(152b)은 대상체(200)의 위아래에 위치한다. x축 경사 코일(152c)은 대상체(200)의 좌우측에 위치한다.
도 6은 경사 코일부를 구성하는 각 경사 코일의 동작과 관련된 펄스 시퀀스를 도시한 도면이다.
반대극성을 가진 직류전류가 두 개의 z축 경사 코일(152a) 각각에서 반대 방향으로 흐르게 되면 z축 방향으로 자장의 변화가 발생하여 경사자장이 형성된다.
z축 경사 코일(152a)에 일정 시간 동안 전류를 흘려 주어 경사자장이 형성되면, 공명 주파수는 경사자장의 크기에 따라 크거나 작게 변화된다. 그리고, 특정 위치에 해당하는 고주파 신호를 RF 송신 코일(153a)를 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(152a)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(152b)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(155)에 의해 생긴 경사자장은 위상 부호화(phase encoding)에 사용된다.
z축 경사 코일(154)에 의해 형성된 경사자장을 통해 슬라이스가 선택되고, y축 경사 코일(155)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(156)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(156)에 의해 생긴 경사자장은 주파수 부호화(frequency encoding)에 사용된다.
전술한 것처럼, z, y, x축 경사 코일에 의해 형성되는 경사자장은 슬라이스 선택, 위상 부호화, 주파수 부호화를 통해 각 스핀들의 공간 위치를 부호화(spatial encoding)한다.
경사 코일부(152)는 경사 인가부(130)와 접속되어 있고, 경사 인가부(130)는 펄스 시퀀스 제어부(122)로부터 전송받은 제어신호에 따라 경사 코일부(152)에 전류 펄스를 인가하여 경사자장을 발생시킨다. 따라서, 경사 인가부(130)는 경사 전원이라고도 하며, 경사 코일부(152)를 구성하는 세 개의 경사 코일(152x,152y,152z)에 대응하여 세 개의 구동회로를 구비할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 외부 자기장에 의해 정렬된 원자핵들은 라모아 주파수로 세차운동을 하며 여러 개의 원자핵의 자화(magnetization) 벡터합을 하나의 평균자화(net magnetization) M으로 나타낼 수 있다.
평균자화의 z축 성분은 측정이 불가능하고, Mxy만이 검출될 수 있다. 따라서 자기 공명 신호를 얻기 위해서는 원자핵을 여기(excitation)시켜 평균자화가 XY 평면 위에 존재하게 해야 한다. 원자핵의 여기를 위해 원자핵의 라모아 주파수로 tune된 RF 펄스를 정자장에 인가해야 한다.
RF 송신 코일(153a)는 RF 펄스를 송신하여 원자핵을 여기시키고, 이와 별도로 여기된 원자핵이 방출하는 전자파 즉, 자기 공명 신호를 수신하는 RF 수신 코일이 포함될 수 있음은 앞서 언급한 바와 같다.
RF 송신 코일(153a)는 RF 인가부(140)와 접속되어 있고, RF 인가부(140)는 펄스 시퀀스 제어부(122)로부터 전송받은 제어신호에 따라 RF 송신 코일(153a)에 고주파 신호를 인가하여 RF 송신 코일(153a)로 하여금 자석 어셈블리(150) 내부에 RF 펄스를 송신하게 한다.
RF 인가부(140)는 고주파 신호를 펄스형 신호로 변조하는 변조 회로 및 펄스형 신호를 증폭하는 RF 전력 증폭기를 포함할 수 있다.
한편, RF 수신 코일(153b)은 영상 처리부(160)와 접속되어 있고, 영상 처리부(160)는 원자핵으로부터 발생되는 자기공명신호에 관한 데이터를 수신하는 데이터 수집부(161), 데이터 수집부(161)에서 수신한 데이터들을 처리하여 자기공명영상을 생성하는 데이터 처리부(163)를 포함한다.
데이터 수집부(161)는 RF 코일부(153)의 수신 코일이 수신한 자기 공명 신호를 증폭하는 전치 증폭기(preamplier), 전치 증폭기로부터의 자기 공명 신호를 전송받아 위상 검출하는 위상 검출기, 위상 검출에 의해 획득된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터를 포함한다. 그리고 데이터 수집부(161)는 디지털 변환된 자기 공명 신호를 데이터 저장부(162)로 전송한다.
데이터 저장부(162)에는 2차원 푸리에 공간을 구성하는 데이터 공간이 형성되며 스캔 완료된 전체 데이터의 저장이 완료되면 데이터 처리부(163)는 2차원 푸리에 공간 내의 데이터를 2차원 역푸리에 변환(IFFT)하여 대상체(200)에 대한 영상을 재구성한다. 재구성된 영상은 디스플레이(112)에 표시된다.
원자핵으로부터 자기 공명 신호를 얻기 위해 주로 사용되는 방법으로 스핀 에코 펄스 시퀀스가 있다. RF 송신 코일(153a)에서 RF 펄스를 인가 할 때, 첫 번째 RF 펄스 인가 후 적당한 시간 간격 △t를 두고 RF 펄스를 한번 더 송신하면, 그로부터 △t시간이 경과하였을 때 원자핵들에 강한 횡자화가 나타나며 이로부터 자기 공명 신호를 얻을 수 있다. 이를 스핀 에코 펄스 시퀀스라 하고, 첫 번째 RF 펄스 인가후 자기 공명 신호가 발생할 때까지 걸리는 시간을 TE(Time Echo)라 한다.
양성자가 얼마나 플립(flip)되었는지 여부는 플립되기 전에 위치하던 축으로부터 이동한 각으로 나타낼 수 있으며, 플립 정도에 따라 90도 RF 펄스, 180도 RF 펄스 등으로 나타낸다.
이상으로 자기공명영상장치(1)의 구조와 동작에 대해 구체적으로 살펴보았으며, 이하에서는 RF 수신 코일(153b)가 수신한 에코 신호에 기초하여 영상 복원을 수행하는 영상 처리부(160)에 대해 상술하기로 한다. 　
도 7은 자기 공명 영상의 획득을 설명하기 위한 도면이다.
외부에서 대상체에 강한 자기장을 걸어주면, 자성을 띈 수소 원자들이 해당 자기장을 따라 정렬한다. 이와 같이 정렬된 수소들에 RF 펄스를 가함으로써 원자들을 흥분시키고, 이들이 다시 원래의 상태로 이완됨에 따라 발생하는 자기 공명 신호, 다시 말하면 에코 신호를 RF 수신 코일(153b)에서 검출한다. 에코 신호는 데이터 수집부(161)에서 k-스페이스(space)라 불리는 공간 상의 데이터(data)로 표현되며, 이 때, k-스페이스라 불리는 공간 상의 데이터를 간단히 영상 데이터라 칭할 수 있다. 　
다시 말하면, 도 7에 도시된 바와 같이 영상에 RF 펄스를 가함으로써 영상 데이터로 변환할 수 있으며, 이는 하기의 [수학식 2]와 같이 2차원 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform; FFT)으로 획득할 수 있다. 　　　　　
　[수학식 2]
Figure pat00003
　여기서, f(x,y)는 영상이며, F(kx,ky)는 영상 데이터를 의미한다. 그리고 kx축에 따른 데이터 획득이 주파수 부호화가 되며, ky축에 따른 데이터 획득이 위상 부호화가 된다. 이와 같이 획득된 영상 데이터는 데이터 저장부(162)에 저장될 수 있다.
전술한 바를 역으로 생각하면, 데이터 저장부(162)에 저장된 영상 데이터에 역푸리에 변환(IFFT)을 취함으로써 도 7의 좌측에 도시된 바와 같은 자기 공명 영상을 얻어낼 수 있는 것이다. 이 때, 자기 공명 영상을 복원 영상이라 칭하며, 자기 공명 영상의 생성을 복원 영상의 생성 혹은 영상 복원이라 칭하겠다.
한편, 약한 자기 위상 부호화 자기장이 걸렸던 곳은 높은 진폭을 가진 신호로 나타나고 k-스페이스의 중심부에 채워지며 조직의 대조도 정보를 가지고 있음을 알 수 있다. 반면, 강한 위상 부호화 자기장이 걸렸던 곳은 탈위상(dephasing) 효과로 인해 약한 세기의 신호를 갖고 k-스페이스의 바깥 부분에 채워지며 영상에서의 세부적인 묘사나 조직 간의 경계를 나타냄을 알 수 있다.
영상 데이터에 역퓨리에 변환(IFFT)을 취함으로써 복원 영상을 생성할 수 있다는 점에 착안하면, 영상 복원에 이용할 영상 데이터를 먼저 획득하여야 한다. 영상 데이터의 획득 시간을 줄이기 위하여, 자기공명영상장치(1)는 샘플링(sampling) 수행할 수 있다. 그리고 샘플링된 영상 데이터의 획득을 위하여, RF 송신 코일(153a)이 그에 대응되는 RF 펄스를 송신할 수 있다. 이 때, 병렬 영상법의 샘플링 방법을 이용하는 것으로 하며, 그 중에서도 랜덤 언더샘플링(random undersampling)을 이용하는 것이 바람직할 것이다. 병렬 영상법의 샘플링과 램덤 언더샘플링은 도 8 내지 도 10을 참조하여 설명하기로 한다.
도 8 내지 도 10에서는 설명의 편의를 위해 카테시안 궤적(cartesian Trajectory)에서 샘플링을 수행하지만, 이 외에 방사 궤적(RAdial Trajectory), 나선 궤적(Spiral Trajectory) 등 카테시안 궤적이 아닌 궤적(non-cartesian Trajectory)에서 샘플링 수행이 가능하다는 점을 명확히 한다.
도 8은 병렬 영상법의 샘플링 방법을 설명하기 위한 도면이다. 더 정확하게 말하면, 병렬 영상법의 일 예인 센서티비티 인코딩(sensitivity encoding; SENSE)의 샘플링 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8의 왼쪽은 k-스페이스 전체에 대해 나이퀴스트(Nyquist) 비율로 샘플링 하여 영상 데이터를 획득하는 경우로서, 일반적인 영상법의 샘플링 방법을 나타낸다. 여기서, 나이퀴스트 비율이란, 원 신호 주파수 대역폭의 두 배 이상의 샘플링 주파수로 샘플링 해야만 원래의 신호를 복구할 수 있다는 것으로서, 이러한 최소 샘플링 주파수를 나이퀴스트 비율이라고 한다.
도 8의 오른쪽은 k-스페이스 전체에 대해 나이퀴스트 비율 이하로 샘플링하여 즉, 언더샘플링(undersampling)으로 영상 데이터를 획득하는 경우로서, 병령 영상법의 샘플링 방법을 나타낸다. 다시 말하면, 나이퀴스트 샘플링 간격보다 2배 큰 간격으로 영상 데이터를 획득한다. 이와 같은 방법에 의한 영상 데이터의 획득 시간은 나이퀴스트 비율로 샘플링할 때보다 2배가 빨라지게 되는데, 이를 감소인자(reduction factor)=2라 한다. 오른쪽 도면은 왼쪽 도면에 비해 영상 데이터의 획득 시간을 2배 빨리 하는 경우를 나타내었지만, 실제로 나이퀴스트 샘플링 간격보다 몇 배 큰 간격으로 획득하느냐에 따라 영상 데이터의 획득 시간은 더 줄어들 수 있다.
도 8의 오른쪽과 같은 언더 샘플링을 위해서는 즉, 병렬 영상법을 이용하기 위해서는 RF 수신 코일(153b)이 위상 배열(phased array) 코일과 같은 복수채널 코일을 포함하여야 한다. 여기서 복수채널 코일이란, 복수의 채널을 포함하는 코일을 의미한다.
도 9는 언더샘플링된 영상 데이터의 획득을 위한 RF 수신 코일을 예시한 도면이다.
도 9를 참조하면, RF 수신 코일(153b)는 4개의 채널을 가진 위상 배열 코일로 구성될 수 있다. RF 수신 코일(153b)을 통해 도 8의 오른쪽에 도시된 바와 같은 언더샘플링된 영상 데이터가 획득된다고 하면, 이를 역푸리에 변환(IFFT)하여 도 9에 도시된 바와 같은 한 번 겹쳐진 형태의 복원 영상을 생성할 수 있게 된다. 다시 말하면, 아티팩트(artifact)된 복원 영상을 채널수 만큼 얻게 된다.
한편, 각 채널은 자신의 고유의 특성을 가지고 있는데, 이는 영상에서 어느 부분이 밝기(intensity)가 다른 부분보다 더 크게 나타나는가 하는 것이다. 예를 들어, 채널 수가 4인 도 9의 경우, 각 채널 별로, 왼쪽 위, 오른쪽 위 또는 왼쪽 아래 및 오른쪽 위 부분이 다른 부분에 비해 좀 더 밝기가 크게 된다. 구체적으로 왼쪽 위 채널(제 1 채널)에 대응하여 복원된 영상에서는 왼쪽 위 부분이 다른 부분에 비해 좀 더 밝으며, 오른쪽 위 채널(제 2 채널)에 대응하여 복원된 영상에서는 오른쪽 위 부분이 다른 부분에 비해 좀 더 밝다. 마찬가지로, 왼쪽 아래 채널(제 3 채널)에 대응하여 복원된 영상에서는 왼쪽 아래 부분이 다른 부분에 비해 좀 더 밝으며, 오른쪽 아래 채널(제 4 채널)에 대응하여 복원된 영상에서는 오른쪽 아래 부분이 다른 부분에 비해 좀 더 밝다.
각 채널의 고유의 특성을 유지하되, 아티팩트 현상을 제거하기 위해, 도 10에 도시된 바와 같은 랜덤 언더샘플링(random undersampling)을 이용할 수 있다. 　도 10은 병렬 영상법의 샘플링에서 비균일(non-uniformly) 랜덤 언더샘플링을 설명하기 위한 도면이다.
도 10의 왼쪽에 도시된 도면은 도 8의 왼쪽에 도시된 도면과 같이, k-스페이스 전체에 대해 나이퀴스트(Nyquist) 비율로 샘플링 하여 영상 데이터를 획득하는 경우를 보여주고 있다.
이에 반해, 도 10은 k-스페이스 전체에 대해 나이퀴스트 비율 이하로 샘플링하여 즉, 언더샘플링(undersampling)으로 영상 데이터를 획득하는 경우를 보여주고 있다. 이 때, 샘플링 간격은 무시하고 랜덤으로 추출하되, 영상 정보를 많이 지니고 있는 부분 즉, k-스페이스에서 중심점 부근은 샘플링 밀도를 높이고 있다. 다시 말하면, k-스페이스의 중심 부분이 저주파 영역에서 샘플링 비율을 높이고, k-스페이스의 가장자리 부분이 높은 공간 주파수 영역으로 갈수록 샘플링 비율이 낮아지도록 한다.
RF 수신 코일(153b) 즉, 4개의 채널을 통해 도 10의 오른쪽에 도시된 바와 같은 랜덤 언더샘플링된 영상 데이터가 획득된다고 하면, 이를 역푸리에 변환(IFFT)하여 생성된 복원 영상은 아티팩트 현상이 제거된 영상이 된다. 　
따라서, 데이터 처리부(163)은 먼저 도 10의 오른쪽에 도시된 바와 같은, 랜덤 언더샘플링된 영상 데이터에 기초하여 영상 복원을 수행한다. 이 때, 생성된 복원 영상을 제 1복원 영상으로 정의할 수 있다. 영상 복원의 수행에 있어, 공지 기술인 SPACE RIP(Sensitivity Profiles From an Array of Coils for Encoding and Reconstruction in Parallel), SMASH(Simultaneous acquisition of spatial harmonics), PILS(Partially Parallel Imaging With Localized Sensitivitie), GRAPPA(Generalized Autocalibrating Partially Parallel Acquisitions) 등 병렬 영상법에 적용될 수 있는 것이라면 제한 없이 적용가능하나, GRAPPA를 적용하여 영상 복원을 수행하는 것이 바람직할 것이다. 따라서 GRAPPA를 적용하여 영상 복원을 수행하는 방법에 대해 간단히 설명하면 다음과 같다.
GRAPPA는 언더샘플링된 영상 데이터를 나이퀴스트 비율로 샘플링된 영상 데이터로 보정한다. 다시 말하면, 나이퀴스트 비율로 샘플링된 영상 데이터의 라인(line) 수가 n개이고 언더샘플링된 영상 데이터의 라인(line) 수가 2/n일 때, GRAPPA는 언더샘플링된 영상 데이터의 라인 2/n으로부터 샘플링 되지 않았던 나머지 2/n개의 라인을 생성한다. 예를 들어, 제 1채널에 의해 획득된, 언더샘플링된 영상 데이터에서 제 1라인과 제 3라인 및 제 4라인은 샘플링 되었지만, 제 2라인은 샘플링되지 않은 경우, 제 2 라인에 가장 가까운 라인 즉 제 1라인과 제 3라인을 선형 조합하여 제 2라인을 추측한다.이와 같이 GRAPPA는 이웃하는 라인의 선형 조합으로부터 샘플링 되지 않았던 나머지 2/n라인을 추측하여, 나이퀴스트 비율로 샘플링된 영상 데이터로 보정한다. 즉, 각 채널별로 완전한 k-스페이스 형태의 영상 데이터를 생성한다.
그리고 GRAPPA는 완전한 k-스페이스 형태의 영상 데이터를 각 채널별로 역푸리에 변환(IFFT)하여 복원 영상을 각각 생성한다. 채널의 개수에 대응하여 생성된 복수의 복원 영상이 제 1복원 영상이 되는 것이다.
　데이터 처리부(163)는 상술한 바와 같이 생성된 제 1복원 영상을 초기치로 하여 영상 복원을 재수행한다. 다시 말하면, 복수의 제 1 복원 영상 각각에 대하여 영상 복원을 재수행하여, 복수의 제 2 복원 영상을 재생성한다.
제 2복원 영상의 생성에 있어, 공지 기술인 압축 센싱(compressed sensing)을 적용할 수 있으며, 바람직하게는 미리 설정된 딕셔너리(Dictionary)를 이용하는 사전 학습 압축 센싱(Dictionary Learnig compressed sensing)을 적용할 수 있다.
사전 학습 압축 센싱에 대해 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 먼저, k-SVD(Singular Value Decomposeition)방법을 이용하여 글로벌 딕셔너리(Grobal Dictionary) 또는 어답티브 딕셔너리(Adaptive Dictionary)를 생성한다. 그리고 OMP(Orthogonal Matching Pursuit)방법을 이용하여 희박성 계수(Sparse coefficient)를 찾고, 패치 재구성(patched reconstruction)을 수행한다. 패치 재구성을 반복 수행하면서, 일정 수렴 조건을 만족할 때의 영상을 제 2 복원 영상으로 제공한다. 상술한 사전 학습 압축 센싱은 도 11 및 하기의 [수학식 3]으로 표현될 수 있다. 　
도 11은 사전 학습 압축 센싱의 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
[수학식 3]
Figure pat00004
도 11을 참조하면, [수학식 3]에서 x는 복수의 제 2 복원 영상 각각을 의미하며 y는 그에 대응되는 본래의 K-스페이스를 의미한다. Rij는 패치(patch)의 선택을, Fu는 고속 푸리에 변환(FFT)을 각각 의미한다. 그리고 D는 k-SVD를 통해 획득한 딕셔너리(Dictionary)를 의미하고, Zij는 OMP를 통해 획득한 희박성 계수를 의미한다. 또한 ∥∥2는 L2-norm을 ∥∥0는 L0-norm을 각각 의미하며, [수학식 3]에서와 달리 L1-norm으로 구성되는 것도 가능하다. λ는 두번째 ∥∥2의 가중치이며, T0는 희박성 정도로써 미리 설정되어 데이터 저장부(162)에 저장되어 있을 수도 있고, 사용자로부터 조작 패널을 통해 입력 받을 수도 있다.
[수학식 3]에서 λ를 너무 작게하면, 복수의 제 2 복원 영상 각각에서 고해상도 정보가 약화되는 효과가 나타난다. 그리고 λ를 너무 크게하면, 복수의 제 2복원 영상 각각에서 잡음이 증가하는 효과가 나타난다. 즉, [수학식 3]에서 첫번째 항과 두번째 항은 함께 영상 복원을 수행하되, 첫번째 항은 노이즈 제거를 두번째 항은 고해상도 정보의 손실 차단을 각각 조율하고 있다. 　　　　　　　
한편, [수학식 3]과 같은 사전 학습 압축 센싱은 복수의 제 1복원 영상 각각을 초기치로 사용하므로, 수렴 조건을 만족하는데 걸리는 시간을 단축시키는 효과를 가져온다. 　　　
사전 학습 압축 센싱을 적용하여 채널의 개수에 대응되는 복수의 제 2복원 영상을 획득하면, 데이터 처리부(163)는 획득된　복수의 제 2복원 영상을 스퀘어 썸(square sum)이나 컴플렉스 썸(complex sum) 등을 이용하여 하나의 복원 영상으로 결합시킨다. 이 때, 결합된 하나의 복원 영상을 최종 복원 영상이라 정의할 수 있으며, 최종 복원 영상은 디스플레이(112)에 출력되어 사용자로 하여금 확인 가능하게 된다.
도 12 내지 도 13은 상술한 자기공명영상장치에 의해 생성된 최종 복원 영상의 결과를 보여주는 도면들이다. 먼저, 도 12는 본래의 k-스페이스와 최종 복원 영상의 k-스페이스를 비교한 도면이다. 도 12는 중심점을 기준으로하여 k-스페이스를 kx방향으로 단면화한 것으로서, A는 본래의 K-스페이스 단면을 나타내는 그래프이며, B는 최종 복원 영상의 k-스페이스 단면을 나타내는 그래프이다. 도 12에 도시된 바와 같이, A와 B의 차이가 거의 없으므로 최종 복원 영상의 화질 또한 극대화되었음을 확인할 수 있다.
다음으로, 도 13의 (a)에는 완전한 k-스페이스를 각 채널별로 역푸리에 변환(IFFT)하고 하나의 영상으로 결합시킨 영상, 즉 영상 복원의 목표로 삼았던 목표 영상이 도시되어 있다. 도 13의 (b)에는 GRAPPA를 이용하여 복수의 제 1복원 영상을 생성하고 이를 하나로 결합시킨 영상이 도시되어 있다. 도 13의 (c)는 제 1복원 영상에 사전 학습 압축 센싱을 적용하여 복수의 제 2 복원 영상을 생성하고 이를 하나로 결합시킨 영상이 도시되어 있다. 즉, 최종 복원 영상이 도시되어 있다. 이 때, 영상을 결합은 전술한 바 있는 스퀘어 썸(square sum)이나 컴플렉스 썸(complex sum) 등을 이용하는 것으로 한다. 도 13을 통해 확인할 수 있듯이 영상(b)에는 잡음이 많이 섞여 있으나, 영상(c) 즉, 최종 복원 영상에는 잡음이 제거되어 있으며, 영상의 화질이 목표 영상과 거의 차이가 없다.
이상으로 자기공명영상장치(1)의 구성 및 각 구성의 역할을 실시예들을 바탕으로 설명하였으며, 이하에서는 주어진 흐름도를 참조하여 자기공명영상장치(1)의 제어 방법을 살펴보기로 한다.
도 14는 자기공명영상장치의 일 실시예에 따른 흐름도이다.
먼저, 랜덤 언더샘플링 (random undersampling) 패턴을 갖는 대상체에 대한 영상 데이터를 획득한다(500).
이 때, 언더샘플링은 k-스페이스 전체에 대해 나이퀴스트 비율 이하로 샘플링하는 것을 말한다. 랜덤 언더샘플링 시 균일(unifromly)하게 샘플링 하는 것이 아니라, 비 균일(non-uniformly)하게 샘플링 하며, 바람직하게는 k-스페이스의 중심 부분이 에서는 샘플링 비율을 높이고, k-스페이스의 가장자리 부분으로 갈수록 샘플링 비율이 낮아지도록 한다.
이와 같은 랜덤 언더샘플링을 복수의 채널 각각에 대하여 수행하고, 복수의 채널에 대응하여 복수의 영상 데이터를 획득한다. 이와 같이 획득된 복수의 영상 데이터는 데이터 저장부(162)에 저장될 수 있다. 　
영상 데이터에 기초하여 병렬 영상(parallel imaging) 복원 방법으로 최초 영상 복원을 수행한다(510).
병렬 영상 복원 방법으로는 공지 기술인 SPACE RIP(Sensitivity Profiles From an Array of Coils for Encoding and Reconstruction in Parallel), SMASH(Simultaneous acquisition of spatial harmonics), PILS(Partially Parallel Imaging With Localized Sensitivitie), GRAPPA(Generalized Autocalibrating Partially Parallel Acquisitions) 등이 적용될 수 있으나, 바람직하게는 GRAPPA를 적용하여 영상 복원을 수행하는 것으로 한다. 병렬 영상 복원 방법에 의해, 채널의 개수에 대응하여 생성된 복수의 복원 영상이 제 1복원 영상이 된다.
압축 센싱(compressed sensing)을 적용하여, 바람직하게는 미리 설정된 딕셔너리(Dictionary)를 이용하는 사전 학습 압축 센싱(Dictionary Learnig compressed sensing)을 적용하여 영상 복원을 재수행한다(520). 　
이 때, 복수의 제 1복원 영상 각각을 초기치로 하여 영상 복원을 재수행하며, 채널의 개수에 대응하여 재생성된 복수의 복원 영상이 제 2복원 영상이 된다.
그리고 제 2 복원 영상 각각의 생성 과정을 세분화하면 다음과 같이 구분할 수 있다. 먼저, k-SVD(Singular Value Decomposeition)방법을 이용하여 글로벌 딕셔너리(Grobal Dictionary) 또는 어답티브 딕셔너리(Adaptive Dictionary)를 생성한다. 그런 다음, OMP(Orthogonal Matching Pursuit)방법을 이용하여 희박성 계수(Sparse coefficient)를 찾고, 패치 재구성(patched reconstruction)을 수행한다. 패치 재구성을 반복 수행하면서, 일정 수렴 조건을 만족할 때의 영상을 제 2 복원 영상으로 제공한다. 이와 같은 사전 학습 압축 센싱의 방법은 하기의 [수학식 3]으로 표현될 수 있다.
　[수학식 3]
Figure pat00005
　여기서, x는 복수의 제 2 복원 영상 각각을 의미하며 y는 그에 대응되는 본래의 K-스페이스를 의미한다. Rij는 패치(patch)의 선택을, Fu는 고속 푸리에 변환(FFT)을 각각 의미한다. 그리고 D는 k-SVD를 통해 획득한 딕셔너리(Dictionary)를 의미하고, Zij는 OMP를 통해 획득한 희박성 계수를 의미한다. 또한 ∥∥2는 L2-norm을 ∥∥0는 L0-norm을 각각 의미하며, [수학식 3]에서와 달리 L1-norm으로 구성되는 것도 가능하다. λ는 두번째 ∥∥2의 가중치이며, T0는 희박성 정도로써 미리 설정되어 데이터 저장부(162)에 저장되어 있을 수도 있고, 사용자로부터 조작 패널을 통해 입력 받을 수도 있다.
복수의 제 2복원 영상으로부터 단일의 최종 복원 영상을 생성하고, 최종 복원 영상을 데스플레이(112)에 표시한다(530).
복수의 제 2복원 영상으로부터 단일의 최종 복원 영상을 생성하기 위해, 스퀘어 썸(square sum)이나 컴플렉스 썸(complex sum) 등을 이용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 그리고 디스플레이(112)에 최종 복원 영상을 출력함으로써 사용자가 최종 복원 영상을 확인하고, 대상체를 진단할 수 있게 된다.
이상과 같이 예시된 도면을 참조로 하여, 자기공명영상장치 및 그 제어방법의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시 될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100 : 본체 　　　　　　　　　　　　　　　　110 : 사용자 조작부
111 : 조작콘솔 　　　　　　　　　　　　　112 : 디스플레이
120 : 제어부 　　　　　　　　　　　　　　　121 : 정자장 제어부
122 : 펄스시퀀스 제어부 　　　　130 : 경사 인가부
140 : RF 인가부 　　　　　　　　　　　　150 : 자석 어셈블리 　　　　
151 : 정자장 코일부 　　　　　　　　152 : 경사 코일부
153a : RF 송신 코일 　　　　　　　　153b : RF 수신 코일
160 : 영상 처리부 　　　　　　　　　　161 : 데이터 수집부
162 : 데이터 저장부 　　　　　　　　163 : 데이터 처리부

Claims (13)

  1. 대상체로부터 발생되는 자기공명신호를 수신하는 복수의 채널을 포함하는 수신 코일;
    상기 자기공명신호에 기초하여 k-스페이스(space) 상의 언더샘플링(undersampling)된 영상 데이터를 생성하는 데이터 생성부; 및
    병렬 영상(parallel imaging) 복원 방법을 이용하여 상기 영상 데이터에 대한 제 1복원 영상을 생성하고, 압축 센싱(compressed sensing) 복원 방법을 이용하여 상기 영상 데이터에 대한 제 2복원 영상을 생성하는 복원 영상 생성부;를 포함하고,
    상기 압축 센싱 복원 방법은,
    사전 학습 압축 센싱(Dictionary Learnig compressed sensing) 방법을 포함하는 자기공명영상장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 언더샘플링된 영상 데이터는,
    비균일(non-uniform) 랜덤 언더샘플링(random undersampling)된 영상 데이터를 포함하는 자기공명영상장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 병렬 영상 복원 방법은,
    SPACE RIP(Sensitivity Profiles From an Array of Coils for Encoding and Reconstruction in Parallel), SMASH(Simultaneous acquisition of spatial harmonics), PILS(Partially Parallel Imaging With Localized Sensitivitie), GRAPPA(Generalized Autocalibrating Partially Parallel Acquisitions) 중 적어도 하나를 포함하는 자기공명영상장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축 센싱 복원 방법은,
    상기 제 1복원 영상을 상기 제 2복원 영상의 생성을 위한 초기치로 이용하는 자기공명영상장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 사전 학습 압축 센싱 방법은,
    하기의 [수학식 3]을 이용하는 자기공명영상장치.
    　[수학식 3]
    Figure pat00006

    　여기서, x는 제 2 복원 영상을 의미하며 y는 그에 대응되는 본래의 K-스페이스를 의미한다. Rij는 패치(patch)의 선택을, Fu는 고속 푸리에 변환(FFT)을 각각 의미한다. D는 k-SVD(Singular Value Decomposeition)를 통해 획득한 딕셔너리(Dictionary)를 의미하고, Zij는 OMP(Orthogonal Matching Pursuit)를 통해 획득한 희박성 계수(sparse coefficient)를 의미한다. ∥∥2는 L2-norm을 ∥∥0는 L0-norm을 각각 의미한다. λ는 두번째 ∥∥2의 가중치이며, T0는 희박성 정도(sparsify)이다.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 사전 학습은,
    글로벌 딕셔너리(Grobal Dictionary) 또는 어답티브 딕셔너리(Adaptive Dictionary)를 이용하는 자기공명영상장치.
  7. 복수의 채널을 포함하는 수신 코일이 대상체로부터 발생되는 자기공명신호를 수신하고;
    상기 자기공명신호에 기초하여 k-스페이스(space) 상의 언더샘플링(undersampling)된 영상 데이터를 생성하고;
    병렬 영상(parallel imaging) 복원 방법을 이용하여 상기 영상 데이터에 대한 제 1복원 영상을 생성하고; 및
    압축 센싱(compressed sensing) 복원 방법을 이용하여 상기 영상 데이터에 대한 제 2복원 영상을 생성하는;
    것을 포함하고,
    상기 압축 센싱(compressed sensing) 복원 방법을 이용하여 상기 영상 데이터에 대한 제 2복원 영상을 생성하는 것은,
    사전 학습 압축 센싱(Dictionary Learnig compressed sensing) 방법을 이용하여 상기 제 2복원 영상을 생성하는 것을 포함하는 자기공명영상장치의 제어방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 언더샘플링(undersampling)된 영상 데이터를 생성하는 것은,
    비균일(non-uniform) 랜덤 언더샘플링(random undersampling)된 영상 데이터를 생성하는 것은 포함하는 자기공명영상장치의 제어방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 병렬 영상(parallel imaging) 복원 방법을 이용하여 상기 영상 데이터에 대한 제 1복원 영상을 생성하는 것은,
    SPACE RIP(Sensitivity Profiles From an Array of Coils for Encoding and Reconstruction in Parallel), SMASH(Simultaneous acquisition of spatial harmonics), PILS(Partially Parallel Imaging With Localized Sensitivitie), GRAPPA(Generalized Autocalibrating Partially Parallel Acquisitions) 중 적어도 하나를 이용하여 상기 제 1복원 영상을 생성하는 것을 포함하는 자기공명영상장치의 제어방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 압축 센싱(compressed sensing) 복원 방법을 이용하여 상기 영상 데이터에 대한 제 2복원 영상을 생성하는 것은,
    상기 제 1복원 영상을 상기 제 2복원 영상의 생성을 위한 초기치로 이용하는 것을 포함하는 자기공명영상장치의 제어방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 압축 센싱(compressed sensing) 복원 방법을 이용하여 상기 영상 데이터에 대한 제 2복원 영상을 생성하는 것은,
    k-SVD(Singular Value Decomposeition)방법을 이용하여, 글로벌 딕셔너리(Grobal Dictionary) 또는 어답티브 딕셔너리(Adaptive Dictionary)를 생성하는 것을 포함하는 자기공명영상장치의 제어방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 압축 센싱(compressed sensing) 복원 방법을 이용하여 상기 영상 데이터에 대한 제 2복원 영상을 생성하는 것은,
    OMP(Orthogonal Matching Pursuit)방법을 이용하여, 희박성 계수(Sparse coefficient)를 획득하고 패치 재구성(patched reconstruction)을 수행하는 것을 포함하는 자기공명영상장치의 제어방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 압축 센싱(compressed sensing) 복원 방법을 이용하여 상기 영상 데이터에 대한 제 2복원 영상을 생성하는 것은,
    하기의 [수학식 3]을 이용하여 상기 제 2복원 영상을 생성하는 것을 포함하는 자기공명영상장치의 제어방법.
    　[수학식 3]
    Figure pat00007

    　여기서, x는 제 2 복원 영상을 의미하며 y는 그에 대응되는 본래의 K-스페이스를 의미한다. Rij는 패치(patch)의 선택을, Fu는 고속 푸리에 변환(FFT)을 각각 의미한다. D는 k-SVD(Singular Value Decomposeition)를 통해 획득한 딕셔너리(Dictionary)를 의미하고, Zij는 OMP(Orthogonal Matching Pursuit)를 통해 획득한 희박성 계수(sparse coefficient)를 의미한다. ∥∥2는 L2-norm을 ∥∥0는 L0-norm을 각각 의미한다. λ는 두번째 ∥∥2의 가중치이며, T0는 희박성 정도(sparsify)이다.
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