KR20170139037A - 구획 교환을 포함하는 자기 공명 핑거프린팅(mrf)을 이용한 멀티 컴포넌트 복셀 분리 - Google Patents

구획 교환을 포함하는 자기 공명 핑거프린팅(mrf)을 이용한 멀티 컴포넌트 복셀 분리 Download PDF

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제시 해밀턴
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Abstract

NMR 핑거프린팅을 이용한 샘플의 특성 분석과 연관된 예시적인 실시예들을 기재하였다. NMR 장치의 일례는 물체와 연관된 (k, t, E) 공간을 반복적이고 가변적으로 샘플링하여 상기 (k, t, E) 공간의 상이한 포인트와 연관된 한 세트의 NMR 신호를 획득하는 NMR 로직을 포함한다. 샘플링은 t 및/또는 E를 비선형적으로 변화하여 수행된다. NMR 장치는 또한 상기 NMR 신호로부터 NMR 신호 전개를 생성하는 신호 로직과 획득된 신호와 기준 신호를 비교한 결과로부터 상기 물체의 조직의 특성을 파악하는 특성분석 로직을 포함한다. 예시적인 실시예들은 자기 교환이 일어날 수 있는 다중 구획을 포함하는 복셀의 분석을 가능하게 한다. 구획은 예를 들어 조직 내의 세포내 볼륨과 세포외 볼륨일 수 있고, 세포내 볼륨과 세포외 볼륨 사이의 물 이동으로 인하여 자기 교환이 일어날 수 있다.

Description

구획 교환을 포함하는 자기 공명 핑거프린팅(MRF)을 이용한 멀티 컴포넌트 복셀 분리
본 발명은 구획 교환을 포함하는 자기 공명 핑거프린팅(MRF)을 이용한 멀티 컴포넌트 복셀 분리에 관한 것이다.
기존의 자기공명영상(magnetic resonance imaging 또는 MRI)은 이완 파라미터 맵(relaxation parameter maps)을 생성할 수 있다. 이완 파라미터 맵은 핵자기공명(nuclear magnetic resonance 또는 NMR) 여기에 대응하여 생성되는 NMR 신호로부터 생성된다. NMR 신호는 MRI 신호를 T1(스핀-격자) 이완 또는 T2(스핀-스핀) 이완에 감작(sensitize)시키고, 다양한 시간을 기다린 후, 그 결과의 NMR 신호를 수집하여 생성될 수 있다. 기존에는, 단일 복셀은 단일 T1값과 단일 T2값을 가진 단일 조직 유형만을 포함하는 것으로 추정했다. 이러한 기존 접근에서, 획득된 신호 시간 경로는 지수함수형 회복 또는 붕괴를 따라간다. 따라서, 획득된 신호 시간 경로를 지수함수형 모델에 맞추어 복셀 내의 이완 파라미터(예, T1, T2)의 값을 산출할 수 있다. 이 연산은 이완 파라미트 맵을 생성할 때에 각 복셀별로 수행될 수 있다. 기존의 정량 이완 파리미트 맵 생성에서는, NMR 여기와 NMR 신호 획득 사이에 상당한 시간이 경과하여야 회복 또는 붕괴 곡선을 샘플링할 수 있다. 예를 들어, T1 매핑에서 수초의 지연은 빈번하다. 이러한 지연으로 인해 볼륨 내 복수의 구획(compartments)으로부터 신호를 구분하기가 어렵거나 불가능할 수 있다.
단일 복셀이 단일 지수함수형 회복 또는 붕괴를 생성할 것으로 추정하는 기존의 접근은, 복셀이 상이한 이완 특성을 가진 두 개의 상이한 구획을 포함하는 경우나 복셀이 교환이 일어나는 두 개의 컴포넌트를 가진 단일 구획을 포함하는 경우에 문제가 될 수 있다. 기존 접근은 상이한 결과를 생성하는 상이한 상황을 설명하기 더욱 어려울 수 있다. 예를 들면, 상이한 구획 사이에 자기교환(magnetic exchange)이 없는 경우, 이완 신호는 이중지수함수형(bi-exponential)일 수 있다. 그러나, 상이한 구획 사이에 자기교환이 있는 경우, 그 결과의 신호 전개는 이완 파라미터의 혼합에 좌우되는 시간 경로를 따를 수 있다. 교환이 실험에 비해 상대적으로 빠른 경우, 단일 복셀 내의 이완 파라미터값은 아래 식에 따라 설명될 수 있다.
Figure pct00001
또는
Figure pct00002
여기서, T1,A는 구획 A 내 물의 T1값이고, T2,A는 구획 A 내 물의 T2값이고, T1,B는 구획 B 내 물의 T1값이고, T2,B는 구획 B 내 물의 T2값이고, pA는 구획 A의 상대적 볼륨 분율(relative volume fraction)이고, pB는 구획 B의 상대적 볼륨 분율이다.
기존의 접근에서, 구획 사이의 자기교환이 느리고 실험상의 시간과 대략 비슷한 시간 척도로 발생하는 경우, 자기교환은 관촬된 이완값에 영향을 미칠 것이다. 예를 들어, 기존의 T1 매핑 실험에서, T1값과 T2값이 350ms/1400ms와 30ms/120ms이고 상대적 볼륨 분율이 25%와 75%인 구획 사이의 약 8.3s-1의 교환속도는 1020ms의 유효 단일지수함수형(mono-exponential) 이완값을 생성할 것이다. 약 8.3s-1의 교환속도는 120ms의 평균(mean) 세포외 체류시간(extracellular residence time)에 상응한다. 350ms/1400ms와 30ms/120ms의 T1값과 T2값과 25%와 75%의 상대적 볼륨 분율은 심근조직에서 관찰된다.
도 1은 자기교환이 발생하는 두 구획을 포함하는 볼륨(190)을 도시한 것이다. 제1 볼륨(100)은, 예를 들어, 세포외 볼륨일 수 있고, 제2 볼륨(110)은, 예를 들어, 세포내 볼륨일 수 있다. 세포내 볼륨(110)과 세포외 볼륨(100)은, 예를 들어, 심근조직을 포함하는 조직 내에 존재할 수 있다. 분자, 화학물질, 또는 스핀은 제1 볼륨(100)과 제2 볼륨(110) 사이를 이동하여 이 두 볼륨 사이의 자기교환을 야기할 수 있다. 예를 들어, 물분자들(112, 114)은 제2 볼륨(110)으로부터 제1 볼륨(100)으로 이동하는 반면, 물분자들(102, 104)은 제1 볼륨(100)으로부터 제2 볼륨(110)으로 이동할 수 있다.
세포외 볼륨(100) 내의 공명 종(resonant species)에는 제1 집합의 성질(예, T1extra, T2extra)이 있을 수 있다. 세포내 볼륨(110)의 공명 종에는 제2 집합의 성질(예, T1intra, T2 intra)이 있을 수 있다. 기존에는, MRI가 T1 intra와 T1extra를 구별할 수 없어서, 세포내 볼륨(110)과 세포외 볼륨(100)을 포함한 전체 볼륨(190)으로부터의 T1 신호는 T1 intra와 T1extra의 조합일 수 있었다. 도면에는 세포내 볼륨(110) 전체가 세포외 볼륨(100) 안에 있는 것으로 도시되었지만, 하부 볼륨의 기타 배치도 가능하다.
NMR을 이용한 고명 종의 특성 파악에는 공명 종의 상이한 성질(예, T1 스핀-격자 이완, T2 스핀-스핀 이완, 양성자 밀도)을 식별하는 것이 포함될 수 있다. 조직 유형, 속성 중첩 등의 기타 성질도 NMR 신호를 이용하여 식별될 수 있다. 이러한 성질과 기타 성질은 Magnetic Resonance Fingerprinting, Ma D et al., Nature 2013:495,(7440):187-192에 설명된 자기공명 핑거프린팅(magnetic resonance fingerprinting 또는 MRF)을 이용하여 동시에 파악될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 컴퓨터에 의해 실행되는 경우 방법을 수행하도록 상기 컴퓨터를 제어하는 컴퓨터 실행 가능 명령을 저장하는 컴퓨터 가독 매체에 있어서, 상기 방법은: 한 세트의 알려진 MRF-X(magnetic resonance fingerprinting with exchange, 교환을 포함하는 자기공명 핑거프린팅) 신호 전개에 접근하는 단계; 볼륨에 인가된 MRF-X 펄스 시퀀스에 의해 생성된 자기공명 핑거프린팅(magnetic resonance fingerprinting 또는 MRF) 여기에 대응하여 상기 볼륨에 의해 생성된 획득된 핵 자기공명(nuclear magnetic resonance 또는 NMR)에 접근하는 단계―여기서, 상기 볼륨은 동시에 개별 NMR 신호를 생성한 제1 하부 볼륨과 제2 하부 볼륨을 포함하고, 상기 제1 하부 볼륨과 상기 제2 하부 볼륨 사이에 자기 교환이 일어남; 및 적어도 부분적으로는 획득된 NMR 신호에 근거하여 상기 제1 하부 볼륨과 연관된 자기공명(magnetic resonance 또는 MR) 파라미터에 대한 정량적 값을 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체가 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 물체와 연관된 (k, t, E) 공간을 반복적이고 가변적으로 샘플링하여 한 세트의 NMR 신호를 획득하는 자기공명 핑거프린팅(magnetic resonance fingerprinting 또는 MRF) 장치로부터 제1 세트의 데이터를 수신하는 핵자기공명(nuclear magnetic resonance 또는 NMR) 로직―여기서, 상기 물체는 복수의 구획을 포함하고 상기 구획 사이에 자기 교환이 일어나는 복셀을 포함하고, 상기 MRF 장치는 MRF 펄스 시퀀스에 따라 무선주파수(radio frequency 또는 RF) 에너지를 상기 물체에 인가하여 상기 물체가 상기 한 세트의 NMR 신호를 생성하도록 하고, 상기 제1세트의 데이터의 데이터는 상기 (k, t, E) 공간 내의 상이한 포인트와 연관되되, t는 시간이고, E는 스핀-격자 이완인 T1과 스핀-스핀 이완인 T2를 포함하고, t 및 E의 하나 또는 그 이상은 비선형적으로 변화함; 상기 제1 세트의 데이터로부터 NMR 신호 전개를 생성하는 신호 로직; 및 필요 오차 범위 내에서 상기 NMR 신호 전개와 일치하는 선택된 저장된 신호 전개를 저장된 신호 전개의 모음에서 선택하고, 적어도 부분적으로는 상기 선택된 저장된 신호 전개에 근거하여 상기 복수의 구획에 속하는 구획 또는 상기 복수의 구획에 속하는 구획 사이의 자기 교환과 연관된 자기 공명(magnetic resonance 또는 MR) 파라미터에 관한 정량적 정보를 검색하는 매칭 로직을 포함하는 장치가 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면, MRF-X(magnetic resonance fingerprinting with exchange, 교환을 포함하는 자기공명 핑거프린팅) 펄스 시퀀스를 세포내 볼륨과 세포외 볼륨을 가진 세포를 포함하는 생물학적 조직에 인가하도록 자기공명영상(magnetic resonance imaging 또는 MRI) 장치를 제어하는 회로―여기서, 상기 세포내 볼륨과 상기 세포외 볼륨은 상기 세포내 볼륨과 상기 세포외 볼륨 사이의 물 이동으로 인하여 자기 교환이 일어남; 상기 MRF-X 펄스 시퀀스를 상기 생물학적 조직에 인가한 결과의 핵자기공명(nuclear magnetic resonance 또는 NMR)을 획득하는 회로; 상기 획득된 NMR을 MRF-X 사전의 선택된 항목에 매칭시키는 회로; 및 적어도 부분적으로는 상기 선택된 항목에 근거하여 상기 세포내 볼륨에 대한 T1 또는 상기 세포외 볼륨에 대한 T1을 정량화하는 회로를 포함하는 장치가 제공된다.
본 명세서에 포함되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부한 도면들은, 본 발명의 다양한 양상들의 다양한 예시적인 시스템, 방법, 및 기타 예시적인 실시예를 도시한다. 도면 내에 도시된 구성요소의 경계(예, 박스, 박스 집합, 또는 기타 형상)는 당연히 경계의 일례에 불과함은 당연할 것이다. 일부 예에서 하나의 구성요소가 다수의 구성요소로 설계되거나 다수의 구성요소가 하나의 구성요소로 설계될 수도 있음을 당업자는 당연히 이해할 것이다. 일부 예에서 다른 구성요소의 내부 요소로 도시된 구성요소는 외부 요소로 구현될 수 있고, 그 역도 가능하다. 또한, 구성요소는 축척에 맞게 도시되지 않을 수도 있다.
도 1은 복수의 구획을 포함하는 복셀을 도시한 것이다.
도 2는 기존의 스핀 에코 반전 복원 시퀀스로부터의 단일지수함수형 T1값 핏(fit)을 도시한 것이다.
도 3은 500번의 측정과 의사 랜덤(pseudorandom) 숙임각(0-70도)과 TR(9-12ms)에 대한 구획 교환을 포함한 자기공명 핑거프린팅(MRF-X) 신호 전개를 도시한 것이다.
도 4는 세포외 볼륨(ECV), 교환속도, 세포외 T1, 및 세포내 T1에 대한 MRF-X 민감도를 도시한 것이다.
도 5는 파라미터 맵의 백분율 오차를 도시한 것이다.
도 6은 MRF-X를 이용한 멀티 컴포넌트 복셀 분리와 연관된 자기공명(MR) 장치의 일례를 도시한 것이다.
도 7은 MRF-X를 이용한 멀티 컴포넌트 복셀 분리와 연관된 MR 장치의 일례를 도시한 것이다.
도 8은 MRF-X를 이용한 멀티 컴포넌트 복셀 분리와 연관된 MR 장치의 일례를 도시한 것이다.
도 9는 MRF-X를 이용한 멀티 컴포넌트 복셀 분리와 연관된 방법의 일례를 도시한 것이다.
도 10은 MRF-X를 이용한 멀티 컴포넌트 복셀 분리와 연관된 방법의 일례를 도시한 것이다.
도 11은 자기공명 핑거프린팅(MRF) 펄스 시퀀스의 일례를 도시한 것이다.
도 12는 MRF 펄스 시퀀스의 일례와 연관된 숙임각(flip angle)과 획득 시간의 일례를 도시한 것이다.
도 13은 MRF 펄스 시퀀스의 일례의 일부를 도시한 것이다.
MRF는 MRI 획득과 재구성에 대한 새로운 패러다임을 제공한다. MRF는 또한 획득된 데이터의 정량 분석에 대한 새로운 기회를 제공한다. MRF는 다수의 조직 특성의 신속하고 효율적이며 동시적인 정량화를 가능하게 해준다. 예시적인 장치와 방법은 MRF를 이용하여 단일 구획을 포함하는 복셀과 다수(예, 2개)의 구획으로 구성된 복셀을, 구획 사이의 자기교환의 효과를 명백히 모델링함으로써, 분석한다. 자기교환은 화학물질(예, 물)이 두 구획 사이를 이동함에 따라 발생할 수 있다. 자기교환의 효과를 정량화 또는 검사하기 위하여 MRF를 이용하는 예시적인 장치와 방법은 교환 MRF 또는 MRF-X라고 칭하기도 한다. 일 실시예에서, 교환은 단일 구획 내의 두 컴포넌트 사이에서 발생할 수 있다.
MRF-X는 볼륨 내의 둘 또는 그 이상의 구획의 측정 특성(예, T1, T2)을 가능하게 하고, 이는 이 구획에 자기교환이 발생하는 경우에도 마찬가지이다. 자기교환은, 예를 들어, 물이 두 구획 사이를 이동한 결과로 발생할 수 있다. 일 실시예에서, MRF-X는 심근 조직 내의 세포내 및 세포외 구역 모두의 측정 특성을 가능하게 한다. 표준 MRI의 경우와 같이, MRF-X에 의해 분석된 볼륨 내의 각 복셀이 단일 동종 조직을 포함한다고 추정하는 대신, MRF-X는 복셀이 다수(예, 2개)의 구획(예, 세포내 및 세포외 공간)을 포함할 수 있다고 고려한다. MRF-X는 또한 물분자가 구획 사이에 동적 평형으로 교환할 수 있다고 고려한다. 상이한 구획은 각 구역별로 고유한 자기 이완 특성(예, T1, T2), 자기교환속도 상수, 및 볼륨 분율이 있을 수 있다. 기존의 조직 성질 매핑은 이러한 구획값을 관찰하는 대신 구획이완값과 교환속도의 비선형 함수인 단일 조합 또는 "분명한" T2와 T2를 관찰한다. 볼륨 분율 Φ는, 다음 수학식과 같이, 구성요소의 볼륨 Vi 를 혼합물의 모든 구성요소의 볼륨 V로 나눈 값으로 정의될 수 있다.
Figure pct00003
기존의 MRI를 이용하여 생물학적 물질(예, 조직)을 분석하는 경우, 구획 사이의 교환은 영상이 수집되는 속도보다 훨씬 빠르게 이루어질 수 있다. 그러나, MRF-X를 이용하면, 영상이 예를 들어 최고 5 내지 20ms마다 획득되어, MRF-X가 교환에 더욱 민감하게 하여 개별적으로 별개의 구획에 대한 자기 이완 특성(예, T1, T2)을 정량화할 수 있다. 일 실시예에서, MRF-X는 조영제를 사용하지 않고 단일 스캔에서 ECV의 정량화를 가능하게 한다. 자기교환의 시간 척도에서 데이터가 획득됨에 따라, MRF-X는 자기교환 효과를 고려하여 ECV와 T1의 복셀에 관한 맵을 생성한다.
MRF-X는 자기교환이 일어날 수 있는 다수의 구획을 포함하는 복셀의 T1값 또는 T2값의 정량화를 가능하게 한다. 이 구획은 예를 들어 세포내 공간과 세포외 공간일 수 있다. 일 실시예에서, 세포내 공간과 세포외 공간은 심근 조직 내에 있을 수 있다. MRF-X는 또한 구획 사이의 교환 속도와 상대적 볼륨 분율의 정량화를 가능하게 한다. 기존의 MRF와 마찬가지로, MRF-X는 불규칙 분리와 규모를 가진 무선주파수(RF) 펄스가 사용되는 경우 MRI의 복소 신호 행동(complex signal behavior)을 이용한다. 예시적인 MRF-X 펄스 시퀀스는 상이한 MRI 조영 파라미터(MRI contrast parameters)의 영향을 동시에 받는, T1과 T2 등의, 시간 경과를 생성하도록 설계돼 있다. 복소 신호 시간 경과에 있어서, MRF-X 펄스 시퀀스의 시기를 알면 생리학적으로 관련 있는 T1과 T2 조합을 위해 발생할 수 있는 다양한 시간 경과를 수치적으로 도출하기 위해 블로흐(Bloch) 등식을 사용할 수 있다. 이후, 실제 시간 경과를 사전(dictionary) 내의 시간 경과와 비교하여 일치를 찾는다. 이후, 일치된 시간 경과에 대해 실제 T1과 T2 파라미터를 가져온다.
MRF-X에서, 펄스 시퀀스는 상이한 이완 파라미터를 가진 구획 사이의 교환과 관련된 신호 차이를 증폭하도록 설계될 수 있다. 일 실시예에서, 펄스 시퀀스는 단일 구획 내의 컴포넌트 사이의 교환과 관련된 신호 차이를 증폭하도록 설계될 수 있다. 신호의 모델링을 위하여 블로흐 등식 대신에 블로흐-맥코넬(Bloch-McConnell) 등식이 사용될 수 있다. 블로흐-맥코넬 등식은 MRI 신호 전개를 계산할 때 자기교환을 고려한다. 예시적인 장치와 방법은 구획 또는 컴포넌트 사이의 다양한 교환 속도, 다양한 T1값, 다양한 T2값, 및 다양한 볼륨 분율을 사용하여 블로흐-맥코넬 등식에 의해 생성된 데이터로 채워진 사전을 사용할 수 있다.
한 실험에서, T1extra=350ms, T2extra=30ms, T1intra=1400ms, 및 T2intra=120ms인 두 집합에 대해 블로흐-맥코넬 등식을 사용하여 신호 전개를 시뮬레이션 하였다. 25%와 50%의 ECV값과 중간(k=8.3s-1) 또는 빠른(k=1000s-1) 교환 속도로 4개의 조직을 시뮬레이션 하였다. TE=50ms이고, T1은 20-3000ms 범위이며, 측정 사이의 완전 이완인 조건에서 표준 반전 복원 스핀 에코 실험을 시뮬레이션 하였다. 이후, 신호는 원(native) T1 매핑을 모방하기 위하여 분명한 단일지수함수형 T1값을 맞추는데 사용되었다. 또한, 의사 랜덤 숙임각(0-70도)과 획득 시간 TR(9-12ms)을 포함하는 500번의 측정으로 MRF-X 시퀀스를 시뮬레이션 하였다. 다음의 파라미터를 사용하여 사전을 생성함으로써 민감도 분석을 수행하였다: 100-2000ms의 T1intra와 T1extra, 1-10s-1의 교환 속도, 및 0-100%의 ECV (T2extra=30ms 및 T2intra=120ms는 고정). 무작위로 선택된 신호 전개에, 이 신호 전개를 사전에 다시 일치시키기 전에, 노이즈가 추가되었다. 이 과정은 1000 항목과 5-100의 신호대잡음비(SNR) 레벨에 대해 반복되었고, 각 파라미터에 대한 상대적 오차는 (추정-실제)/(실제)의 수학식으로 산출되었다. SNR은 최고 신호 전개를 노이즈 표준편차로 나눈 값으로 정의되었다.
도 2는 표준 스핀 에코 반전 복원 시퀀스를 이용한 실험으로부터의 T1에 대한 단일지수함수형 핏(fit)을 도시한 것이다. 두개의 구획이 존재하지만, 세포내 또는 세포외 T1과 상이하고 교환 속도에 따라 변하는 단일 유효 T1이 관찰된다.
도 2는 시뮬레이션한 반전 실험의 결과(200)을 도시한다. 도 2는 반전 복원(IR) 스핀 에코 접근을 사용하여 기존의 MRI를 수행한 4개의 경우에 대한 T1의 단일지수함수형 핏을 도시한다. 획득 사이의 완전 이완 조건에서의 20ms 내지 3000ms의 반전 시간과 50ms의 에코 시간으로 이산 시간 블로흐-맥코넬 등식을 사용하여 반전 복원 실험을 시뮬레이션 하였다. 예시적인 실험에서, 교환이 있는 두 집합을 시뮬레이션한 신호를 기존의 T1 매핑 실험에 따라 단일지수함수형 이완에 맞추었다. 이 기존의 예에서, T1 측정은 전체 볼륨을 위한 것으로 복수의 구획으로 분리될 수 없다. 따라서, T1 측정은 상이한 구획에 대한 T1의 조합이다.
상이한 조합의 볼륨 분율과 교환 속도는 상이한 단일지수함수형 이완을 생성했다. 곡선(210)은 25%의 ECV와 8.2s-1의 교환속도에 관한 것이다. 이 예에서, T1 핏은 1020ms이다. 곡선(220)은 25%의 ECV와 1000s-1의 교환속도에 관한 것이다. 이 예에서, T1 핏은 800ms이다. 곡선(230)은 50%의 ECV와 8.3s-1의 교환속도에 관한 것이다. 이 예에서, T1 핏은 713ms이다. 곡선(240)은 50%의 ECV와 1000s-1의 교환속도에 관한 것이다. 이 예에서, T1 핏은 560ms이다.
도 2는 상이한 T1값을 가진 두 개의 구획이 존재하여도 T1값에 대한 양호한 핏을 도시한다. 고속의 교환 체제에 있어서, T1값은 상기에 제공된 고속 교환 이완 등식으로부터 추정되는 값이다. 그러나, 보통 속도의 교환에서도 단일지수함수가 관찰된다. 기존에는, 보통 속도의 교환과 연관된 단일지수함수 신호와 단일 복셀 컴포넌트로부터 또는 상이한 구획 T1값을 가진 고속 교환 체제를 포함하는 상이한 컴포넌트로부터 생성되는 신호를 구분하기란 어렵거나 불가능할 수 있었다. 이로 인해, 지수적 시간 척도 상에서 두 구획 사이에 무시할만한 교환이 있지 않는 한, 기존의 T1 매핑 실험에서 두 구획을 관찰하기란 어렵거나 불가능하다. 보통 속도의 교환도 복합 T1의 부적절한 추정을 야기할 수 있다.
도 3은 교환이 있는 2구획 복셀뿐만 아니라 IR 스핀 에코에 의해 판단된 유효 T1을 포함하는 단일 구획 복셀에 대한 실험으로부터의 MRF-X 신호 전개를 도시한다. 본 MRF-X의 예에서, T1 측정은 복수의 구획에 대해 구분될 수 있다. 신호 전개는 MRF-X로는 구분이 가능하지만 표준 T1 매핑으로는 구분이 불가능하다. 도 3에 도시된 결과를 도 2에 도시된 경우의 결과와 비교하면, 곡선(310)은 25%의 ECV와 8.2s-1의 교환속도에 관한 것이다. 곡선(320)은 25%의 ECV와 1000s-1의 교환속도에 관한 것이다. 곡선(330)은 50%의 ECV와 8.3s-1의 교환속도에 관한 것이다. 곡선(340)은 50%의 ECV와 1000s-1의 교환속도에 관한 것이다. 신호 전개가 두 구획으로부터의 T1값의 조합의 결과이고 단일 구획으로부터 야기될 수 있는 신호 전개와 동일한 형상인 도 2의 경우와 달리, 도 3에서는, 상이한 T1값을 가진 두 구획이 존재하는 결과의 신호 전개는 단일 T1값으로부터 야기되는 신호 전개와 상이하다.
도 4는 물 교환의 결과로 자기 교환이 일어나고 있는 두 구획(예, 세포내 공간, 세포외 공간)을 가진 복셀을 포함하는 볼륨의 MRF-X와 관련된 민감도 분석의 결과를 도시한 것이다. 제1 구획은 구획 A라 일컬을 수 있고, 제2 구획은 구획 B로 일컬을 수 있다. 도 4에 도시된 결과는 다음의 파라미터 범위를 가지고 생성된 MRF-X 사전과 관련된다.
T1A 100-2000ms
T1B 100-2000ms
교환 속도 1-10s-1
종 A의 볼륨 분율 0-100%
T2A 30ms
T2B 120ms
그래프(400)는 ECV에 대한 MRF-X의 민감도가 양호함을 보여준다. 그래프(410)는 교환 속도에 대한 MRF-X의 민감도가 양호함을 보여준다. 그래프(430)는 세포내 T1에 대한 MRF-X의 민감도가 양호함을 보여준다. 그래프(420)는, SNR=20 이상의 두 파라미터 모두에 대해 10% 이하의 상대 오차로, 세포외 T1에 대한 MRF-X의 민감도가 양호함을 보여준다. 일부 시퀀스는, SNR=30인 경우에 40% 미만의 오차와 SNR=100인 경우에 25% 미만의 오차로, 교환 속도에 민감할 수 있다. 실험을 통한 민감도 분석에서, 신호 전개를 사전에 다시 일치시키기 전에 무작위로 선택된 신호 전개에 노이즈가 추가되었다. 실험을 통한 민감도 분석에서, 이 과정은 5-100의 SNR을 사용하여 1000 항목에 대해 반복되었다. 각 파라미터에 대한 상대적 오차는 (추정-실제)/(실제)의 수학식으로 산출되었다. SNR은 최고 신호 전개를 노이즈 표준편차로 나눈 값으로 정의되었다.
MRF-X는 자기 교환이 존재하는 경우에 하부 복셀 T1과 T2, 볼륨 분율, 및 교환 속도의 정량화를 가능하게 한다. 섬유성 질환의 평가에 유용한 심근 세포외 볼륨 분율의 정량화는 혈액과 심근의 조영 전 및 조영 후 T1 측정을 사용하여 간접적으로 산출하는 것이 일반적이다. 그러나 MRF-X는 조영제 투여 없이 단일 스캔에서 ECV의 직접 측정을 가능하게 한다.
상이한 구획의 정확한 정량화는 심장 MRI에서 심근 조직의 특징 파악을 가능하게 한다. T1 매핑이 병원에서 시작됐지만, 심근 조직의 진단을 위한 T1 매핑의 사용 또는 그 가치에 대한 의문이 제기되어 왔다. 원 T1 매핑, 또는 조직 고유의 이완 파라미터를 사용하여 생성된 T1 맵은 부종, 아밀로이드종, 지방질 축적, 및 철침착증의 발견에 도움이 되어 왔다. T1 매핑은 또한 가돌리늄 기반 조영제 주입 이후에 수행되어 왔다. 이러한 접근은 조영후 T1 매핑(post-contrast T1 mapping)으로 일컬어진다. 원 T1 매핑과 조영후 T1 매핑은 맵을 생성하고 ECV를 정량화하는데 사용되어 왔다. 그러나 이러한 접근은 자기 교환 속도를 초과하는 MRI 영상 획득 시간(예, TR)과 조영제 섭취에 따른 문제들로 인해 퇴색되어 왔다.
심근 내의 복셀은 상이한 구획으로 구성된다. 구획은 세포내 공간과 세포외 공간을 포함할 수 있다. 조영제는 세포외 공간에는 스며들지만 세포내 공간에는 스며들지 않을 수 있으며, 이에 따라 T1 이완 시간에 상이한 변화를 야기할 수 있다. T1 이완 시간의 상이한 변화는 결국 상이한 세포외 분율의 차이를 반영할 수 있다. 이러한 ECV 파라미터는, 두 구획 내의 물 양성자가 T1 매핑 실험보다 상당히 빠른 시간 척도 상에서 교환한다는 전제 하에, 조영전 및 조영후 T1 맵을 모두 사용하여 픽셀에 관하여 산출되어, 복합 신호 전개가 개별 구획에 대한 두 집합의 이완 파라미터의 가중합으로 구성된 지수함수로 간주될 수 있다. 그러나, 두 집합 사이의 교환은 모델 내의 부정확성을 야기할 수 있다. 또한, 세포외 물의 볼륨 분율을 계산하려면, 모델은 조영전 및 조영후 T1 맵을 모두 수집해야 한다. 조영후 T1맵은 가돌리늄의 투여를 필요로 하고, 이는 신장 장애가 있는 환자에게는 신원성전신섬유증(nephrogenic systemic fibrosis)의 발생 위험이 있어서 적용할 수 없을 수 있다. 따라서, 심근 영상 및 기타 생물학적 영상의 개선이 필요하다.
도 5는 상이한 최적화 과정 동안의 오차 감소의 상이한 비율을 도시한 것이다. 다양한 실시예에서, MRF-X 시퀀스의 최적화가 수행될 수 있다. 최적화는 구획 간의 볼륨 분율과 교환으로 인한 신호 시간 경과의 변화를 강조하도록 설계될 수 있다. 최적화는 파라미터 추정을 향상하거나 스캔 시간을 축소하도록 설계될 수 있다. 최적화의 한 실험에서, 시퀀스 최적화는 8.3s-1의 교환 속도와 10% 단위로 증가하는 0 내지 100% 범위의 볼륨 분율을 가진 두 개의 구획이 각 픽셀에 있는 20개의 영상을 사용하여 디지털팬텀(digital phantom)에서 수행되었다. 스토캐스틱(stochastic) 최적화 방법을 사용하여 숙임각과 반복 시간의 최적의 집합을 구하였다. 가능한 시퀀스의 다중 순열(multiple permutations)를 신속히 샘플링하기 위해 스토캐스틱 최적화 방법이 선택되었다. 본 최적화 실험은 한 집단의 개체는 과정의 각 반복 시 교차 및 변이한다는 진화의 한 이론을 모방한다. 비용함수를 최소화하는 개체는 추후 반복까지 생존할 가능성이 높다. 본 최적화 실험에서, 현 MRF-X 시퀀스의 각 반복은 블로흐-맥코넬 등식을 사용하여 시뮬레이션 하였다. 팬텀 영상은 데카르트 k-공간(Cartesian k-space)으로부터 그리드(gridded)되었다. 그 결과의 신호 시간 경과를 5차원 사전에 일치시켜 종 A의 T1 맵, 종 A의 T2 맵, 종 B의 T1 맵, 종 B의 T2 맵, 및 볼륨 분율을 생성하였다. 파라미터 맵의 백분율 오차의 합을 비용함수로 채택하였다. 최적화된 시퀀스의 파라미터 맵의 백분율 오차는 무작위 초기 시퀀스에 비해 약 50% 감소하였다. 감소 비율은 최적화 접근에 따라 상이하였다.
예시적인 장치와 방법은 MRP를 이용하여 물체 내의 공명 종이 의사 랜덤 MR 신호 전개를 생성하도록 한다. 의사 랜덤 신호 전개는 저장된 신호 전개의 사전에 비교될 수 있다. 이 비교는, 예를 들어, OMP(orthogonal matching pursuit) 방식을 이용하여 수행될 수 있다(Doneva M, et al. MRM, 2010 참고). 저장된 신호 전개는 이전의 획득에서 가져오거나 심지어 이론상의 모델로부터 가져올 수 있다. 예를 들면, 저장된 신호 전개는 다음에 의해 묘사되는 집합으로부터 가져올 수 있다.
Figure pct00004
[1]
또는
Figure pct00005
[2]
여기서, SE는 신호 전개이고, Ns는 스핀의 수, NA는 시퀀스 블록의 수, NRF는 시퀀스 블록 내의 RF 펄스의 수, α는 숙임각, Φ는 위상각, Ri(α)는 이탈공명(off resonance)으로 인한 회전, RRFij(α, Φ)는 RF 차이로 인한 회전, R(G)는 기울기로 인한 회전, T1은 스핀-격자 이완, T2는 스핀-스핀 이완, D는 확산 이완, Pd는 양성자 밀도, Ei (T1,T2, ... )는 이완 차이로 인한 붕괴, M0은 디폴트 또는 평형 자화(default or equilibrium magnetization)이다.
일 실시예에서, 사전은 다음에 의해 묘사되는 신호 전개를 저장할 수 있다.
Figure pct00006
여기서, S0은 디폴트 또는 평형 자화이고, Si는 획득 블록 i 동안의 Mx, My, Mz 자화의 상이한 컴포넌트를 나타내는 벡터, Ri는 획득 블록 i 동안에 발생하는 회전 효과의 조합, Ei는 획득 블록 i의 상이한 상태에서 자화의 양을 변화시키는 효과의 조합이다. 본 실시예에서, 획득 블록 i에서의 신호는 획득 블록 i-1에서의 이전 신호의 함수이다.
추가적으로 또는 대안적으로, 사전은 다음에 의해 묘사되는 신호 전개를 저장할 수 있다.
Figure pct00007
본 실시예에서, 신호는 현 이완 및 회전 효과와 이전 획득의 함수이다. 추가적으로 또는 대안적으로, 사전은 다음에 의해 묘사되는 신호 전개를 저장할 수 있다.
Figure pct00008
본 실시예에서, 복셀은 다중 구획 내에 다중 공명 종 또는 스핀을 포함하고, 한 복셀 내의 각 스핀마다 효과가 다를 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 사전은 다음에 의해 묘사되는 신호를 저장할 수 있다.
Figure pct00009
본 실시예에서, 복셀은 다중 구획 내에 다중 공명 종 또는 스핀을 포함할 수 있고, 한 복셀 내의 각 스핀마다 효과가 다를 수 있으므로, 신호는 효과와 이전 획득 블록의 함수일 수 있다. 그러나, 공지의 신호 전개의 집합은 여기에 설명한 바와 같이 특별히 만들어진 신호 전개를 포함할 수 있다. 수학식 [1] 내지 [8]은 총괄하여 MRF 사전 등식으로 지칭할 수 있다.
일부 MRF 조사(investigation)는 마주칠 가능성이 있는 공명 종 및/또는 공명 종이 발견될 생물학적 조직의 구획화(compartmentalization) 교환 속도와 ECV에 관한 선험적(a priori) 지식이 있는 샘플을 포함할 수 있다. 선험적 지식은 샘플 내에서 마주칠 공명 종의 양의 가능한 또는 예상되는 비율에 관한 정보도 포함할 수 있다. 샘플의 일부 특성(예, T1 이완 시간, T2 이완 시간)이 특정 범위 안에 있을 가능성이 있는 경우, MRF의 패턴 일치 부분을 단순화 하거나 집중하는 것이 가능할 수 있다.
MRF는 MRF 펼스 시퀀스에 대응하여 생성된 의사 랜덤 MR 신호 전개를 측정하는 것을 포함한다. MRF는 또한 사전에 저장될 수 있는 모델링 된 신호 전개를 생성하는 것을 포함한다. 사전 항목들은 여러 파라미터의 함수일 수 있다. 조사할 샘플의 구성 또는 구획화를 미리 알고 있는 경우, 알고 있는 컴포넌트에 상응하는 사전 항목의 수학적 연산(예, 가중합)이 신호 전개를 모델링하기 위해 사용될 수 있고, 수신된 신호 전개에 근거하여 존재하는 것으로 추정되는 컴포넌트의 상대적 분율을 산출하기 위해 수학적 역연산(예, 의사역행렬(matrix pseudo-inverse))이 사용될 수 있다.
MRF는 다중 MR 파라미터에 관한 정량적 데이터를 동시에 제공한다. 관찰된 신호 전개는, 예를 들어, 템플릿 매칭 또는 기타 매칭 또는 비교 프로세스를 사용하여 사전에 매칭된다. 한 예시적인 매칭 프로세스에서, 획득된 신호 전개가 가장 근접하게 일치하는 저장된 신호 전개를 찾기 위해, 노이즈가 있는 획득된 신호와 사전의 항목 사이에서 내부 산물이 산출된다. 다른 예에서, 기타 패턴 매칭 또는 유사성 검출 방식이 수행된다. 이후, 획득된 노이즈가 포함된 신호와 일치하는 사전 항목에 관한 값을 가져올 수 있다. 일례에서, 이 값은 사전에 저장될 수 있고, 다른 예에서, MR 파라미터는 사전과 별개의 데이터 저장소에 저장될 수 있다. 일 실시예에서, 이 값은 신호 전개에 대한 수학적 연산을 수행함으로써 구할 수 있다.
하기의 설명은 여기에 사용된 선택된 용어의 정의를 포함한다. 이 정의는 용어의 범위 내에 있고 구현을 위해 이용될 수 있는 다양한 예 및/또는 컴포넌트를 포함한다. 예시는 본 설명을 예시에 제한하기 위한 것이 아니다. 용어의 정의에는 용어의 단수와 복수 형태가 모두 포함된다.
"일 실시예", "일례" 등에 관한 설명은 설명된 실시예 또는 예시가 특정 특징, 구조, 특성, 성질, 구성요소, 또는 한정사항을 포함할 수 있지만 모든 실시예 또는 예시가 반드시 이러한 특정 특징, 구조, 특성, 성질, 구성요소, 또는 한정사항을 포함하지 않을 수도 있음을 의미한다. 또한, "일 실시예에서"라는 표현을 반복적으로 사용하여도, 이는 반드시 동일한 실시예를 의미하는 것이 아닐 수도 있지만, 동일한 실시예를 의미하는 것일 수도 있다.
본 설명에 사용되는 "컴퓨터 가독 저장 매체"는 신호, 명령어, 및/또는 데이터를 저장하는 비일시적 매체를 의미한다. 컴퓨터 가독 매체는 비휘발성 매체, 휘발성 매체 등을 포함하는 형태를 가질 수 있다. 비휘발성 매체는 예를 들어 광디스크, 자기디스크 등을 포함할 수 있다. 휘발성 매체는 예를 들어 반도체 메모리, 동적 메모리 등을 포함할 수 있다. 통상적인 형태의 컴퓨터 가독 매체는 플로피 디스크, 플렉시블 디스크, 하드 디스크, 자기 테이프, 기타 자기 매체, ASIC, CD, 기타 광 매체, RAM, ROM, 메모리 칩 또는 카드, 메모리 디스크, 및 컴퓨터, 프로세서, 또는 기타 전자장치가 읽을 수 있는 기타 매체 등을 포함할 수 있다.
본 설명에서 사용되는 "로직"은 기능 또는 동작을 수행 및/또는 다른 로직, 방법 및/또는 시스템으로부터 기능 또는 동작을 야기하기 위한 하드웨어 또는 펌웨어 및/또는 이들의 조합을 포함한다. 로직은 소프트웨어로 제어되는 마이크로프로세서, 이산 로직(예, ASIC), 아날로그 회로, 디지털 회로, 프로그램 로직 장치, 명령어를 포함하는 메모리 장치 등을 포함할 수 있다. 로직은 하나 또는 그 이상의 게이트, 게이트의 조합, 또는 기타 회로 컴포넌트를 포함할 수 있다. 다중 논리 로직에 대한 설명에 있어서, 다중 논리 로직을 하나의 물리적 로직으로 구현하는 것도 가능할 수 있다. 유사하게, 단일 논리 로직에 대한 설명에 있어서, 단일 논리 로직을 다중 물리적 로직으로 분배하는 것도 가능할 수 있다.
도 6은 MRF 장치(600)를 도시한 것이다. MRF 장치(600)는 예를 들어 32 수신 채널을 구비한 Siemens 3T Skyra 스캐너의 일부일 수 있다. MRF 장치(600)는 MRF 펄스 시퀀스가 인가되는 물체에 대한 T1, T2를 포함하는 MR 파라미터를 동시에 정량화할 수 있다. MRF 장치(600)는 MRF-X를 수행하도록 구성되고, 따라서 자기 교환이 일어날 수 있는 구획 또는 다중 컴포넌트를 가진 복셀에 대한 T1 및 T2 값을 정량화하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, MRF-X는 자기 교환의 다중 집합을 가진 복셀 내의 볼륨 분율과 T1의 하부 복셀 매핑을 수행한다. 일 실시예에서, MRF-X는 조직 미세구조의 성질의 직접 측정을 가능하게 한다.
MRF 장치(600)는 NMR로직(610)을 포함한다. 일 실시예에서, NMR 로직(600)은 MRF 펄스 시퀀스에 따라 물체에 RF 에너지를 인가한다. NMR 로직(610)은 (k, t, E) 공간에서 물체를 반복적이고 가변적으로 샘플링하여 제 1 집합의 데이터를 획득한다. 제 1 집합의 데이터는 불변하지 않는 진폭 및/또는 상을 가진 NMR 신호의 집합일 수 있다. NMR 신호의 집합에 소속된 NMR 신호들은 각각 (k, t, E) 공간의 상이한 점들에 연관된다. 다른 실시예에서, 상이한 점들은 t 및/또는 E가 비선형적 및/또는 비불변적으로 변화하는 계획에 따라 샘플링 된다. 제 1 집합의 데이터는 제 1 집합의 데이터를 생성한 샘플 내의 상이한 구획의 상이한 공명 종으로부터 NMR 신호의 기여를 포함할 수 있다. MRF 장치(600)는 샘플 내의 상이한 구획의 상이한 공명 종에 관한 정량적 데이터의 생성을 가능하게 한다. 다중 구획에는 자기 교환이 일어날 수 있다.
MRF 장치(600)는 또한 신호 로직(620)을 포함한다. 신호 로직(620)은 획득된 NMR 신호로부터 NMR 신호 전개를 생성한다. 신호 전개는 일정 기간에 걸쳐 획득된 여러 NMR 신호를 포함할 수 있다. 신호 전개는 상이한 구획의 상이한 공명 종으로부터의 기여를 포함할 수 있다. 샘플 내의 상이한 구획의 공명 종의 상이한 양은 상이한 신호 전개가 생성되도록 초래할 수 있다.
MRF 장치(600)는 또한 매칭 로직(630)을 포함한다. 매칭 로직(630)은 생성된 NMR 신호 전개 또는 생성된 NMR 신호 전개와 관련된 정보와 저장된 신호 전개의 모음(예, 사전, 데이터베이스)과 비교하여 획득된 NMR 신호 전개에 대한 일치를 검색한다. 매칭 로직(630)은 검사된 각 픽셀 또는 복셀과 관련된 신호 전개에 대해 일치를 수행할 수 있다. 일 실시예에서, 신호 전개가 획득된 생물학적 조직의 ECV에 관한 정보가 판단될 수 있다. 매칭 로직(630)은 필요 오차 범위 내에서 NMR 신호 전개와 일치하는 선택된 저장된 신호 전개를 저장된 신호 전개의 모음에서 선택한다. 매칭 로직(630)은, 적어도 부분적으로는 선택된 저장된 신호 전개에 근거하여, 복수의 구획에 속하는 구획 또는 복수의 구획에 속하는 구획 사이의 자기 교환과 연관된 MR 파라미터에 관한 정량적 정보를 검색한다.
여기에서 사용된 "일치"는 신호 비교의 결과를 의미한다. "일치"는 완벽한 일치를 의미하는 것이 아니지만, 완벽한 일치일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 신호가 가장 근접하게 다른 신호와 유사한 경우, 일치일 수 있다. 제1 신호가 다른 신호와 임계치 이내에서 일치하는 경우, 일치일 수 있다. 일치는 템플릿 매칭, 패턴 매칭, 또는 기타 비교 방법에 의해 검색될 수 있다. 참조 정보는, 예를 들어, 이전에 획득된 신호 전개, 시뮬레이션 된 신호 전개, 생성된 NMR 신호 전개 이외의 신호 전개로부터 도출된 항목, 및 기타 정보일 수 있다. 참조 정보는 상이한 조직 유형(예, 건강한 조직, 질병에 걸린 조직, 중증에 걸린 조직, 정상 조직, 비정상 조직)으로부터의 신호 전개를 포함할 수 있다. 참조 정보는 MR 파라미터의 조합과의 공명 종의 조합으로부터 형성된 신호 전개를 포함할 수 있다. 참조 정보는 상이한 교환 속도, ECV, 또는 이들의 조합과 관련된 신호 전개를 포함할 수 있다.
MRF 장치(600)는 또한 물체가 제1 특정 범위 내에 있는 제 1 속성을 나타내는 공명 종을 포함하는지 여부 또는 복수의 구획을 구성하는 구획들이 제 2 특정 범위 내에 있는 제 2 속성을 나타내는지 여부에 대한 이해를 가능하게 하는 정량적 정보를 검색하는 특성분석(characterization) 로직(640)을 포함한다. 일 실시예에서, MRF 장치(600)는 이 정량적 정보로부터 영상을 생성할 수 있다. 영상은 예를 들어 T1 가중 영상, T2 가중 영상, 양성자 밀도 영상, 볼륨 분율 영상, 또는 기타 영상일 수 있다.
도 7은 MRF 장치(600)의 다른 실시예를 도시한 것이다. 본 실시예는 또한 성질(property) 로직(650)을 포함한다. 성질 로직(650)은 물체가 적어도 부분적으로는 정량적 정보에 근거한 성질을 가지고 있는 것으로 식별한다. 이 성질은 예를 들어 물체가 질병에 걸렸는지 혹은 건강한지 여부, 물체가 정상 범위에 있는 또는 정상 범위 밖에 있는 T1, T2, 또는 기타 파라미터를 포함하는지 여부, 또는 기타 성질을 묘사할 수 있다. 일 실시예에서, 이 성질은 심근 병리학 또는 상태(예, 섬유성 질환, 부종, 아밀로이드종, 지방질 축적, 철침착증)를 나타낼 수 있다. 여기서, 성질 로직(650)은 MRF 장치(600)의 일부인 것으로 도시되었지만, 일 실시예에서, 성질 로직(650)은 MRF 장치(600)와 별개의 장치에 위치할 수 있다.
도 8은 구획 교환을 포함하는 멀티 컴포넌트 복셀 분리와 연관된 MRF를 가능하게 하는 핑거프린팅 장치(899)를 포함하는 예시적인 MR 장치(800)를 도시한 것이다. 핑거프린팅 장치(899)는 여기에 설명한 예시적인 장치의 구성요소로 구성되거나 여기에 설명한 예시적인 방법을 수행할 수 있다. 여기서, 핑거프린팅 장치(899)는 MR 장치(800)의 일부인 것으로 도시되었지만, 일 실시예에서, 핑거프린팅 장치(899)는 별개의 장치일 수 있다.
일 실시예에서, 핑거프린팅 장치(899)는 MRI 장치(800)에 의해 조직에 인가된 MRF 여기에 대응하여 NMR이 일어나는 조직으로부터 수신된 신호 전개를 수집하는 수집 로직을 포함할 수 있다. 핑거프린팅 장치(899)는 또한 MRF 신호 전개의 사전을 저장하는 데이터 저장소를 포함할 수 있다. 기존의 시스템과 달리, 사전의 항목들은 둘 이상의 공명 종과 연관되거나 자기 교환이 일어날 수 있는 다중 구획을 포함하는 복셀과 연관된 한정 정보(constrained information)의 특별히 만들어진 조합일 수 있다. 조직의 구성에 관한 정보는 매칭된 신호 전개를 사용하여 검색할 수 있다. 핑거프린팅 장치(899)는 또한 일치하는 항목을 매칭된 신호 전개로 정하는 신호 전개와 가장 근접하게 관계된 사전의 일치하는 항목을 선택하는 선택 로직을 포함할 수 있다. 핑거프린팅 로직(899)은 또한 매칭된 신호 전개를 사용하여 식별된 것과 같은 조직의 구성에 적어도 부분적으로 근거한 조직의 범주를 식별하는 특성분석 로직을 포함할 수 있다. 특성분석 로직은 정량적 자기 공명에 기반한 접근을 사용하여 조직의 범주를 식별할 수 있다. 조직의 범주는 예상 범위 내에 있는 T1 및 T2 파라미터를 나타내는 조직과 예상 범위 밖에 있는 T1 및 T2 파라미터를 나타내는 조직을 구별할 수 있다.
MR 장치(800)는 기본계자(basic field magnet)(810)와 기본계자원(basic field magnet supply)(820)을 포함한다. 이상적으로는, 기본계자(810)는 균일한 B0 자기장을 생성할 것이다. 그러나, 실제로는, B0 자기장은 균일하지 않을 수 있고, MR 장치(800)에 의해 분석되는 물체 상에서 변할 수 있다. MR 장치(800)는 GS, GP, 및GR와 같은 경사자기장을 방사하는 경사자장코일(gradient coil)(830)을 포함할 수 있다. 경사자장코일(830)은 적어도 부분적으로 경사자장코일원(gradient coils supply)(840)에 의해 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 경사자기장의 시기(timing), 강도(strength), 및 방위(orientation)는 MR 절차 동안에 제어될 수 있고, 따라서 선택적으로 적응될 수 있다.
MR 장치(800)는 RF 펄스를 생성하고 RF 펄스의 대상 물체로부터 결과 NMR 신호를 수신하는 한 세트의 RF 안테나(850)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 펄스가 생성되는 방법과 결과 MR 신호가 수신되는 방법은 MR 절차 동안에 제어될 수 있고, 따라서 선택적으로 적응될 수 있다. 별개의 RF 전송 및 수신 코일이 적용될 수 있다. RF 안테나(850)는 적어도 부분적으로는 한 세트의 RF 전송부(860)에 의해 제어될 수 있다. RF 전송부(860)는 RF 안테나(850)에 신호를 제공할 수 있다.
경사자장코일원(840)과 RF 전송부(860)는 적어도 부분적으로는 제어컴퓨터(870)에 의해 제어될 수 있다. 일례에서, 제어컴퓨터(870)는 여기에 설명한 바와 같이 NMR 장치를 제어하도록 프로그램될 수 있다. 기존에는, RF 안테나(850)로부터 수신된 MR 신호는 영상을 생성하도록 이용될 수 있고, 이에 따라 픽셀화된 영상 데이터를 생성하는 2차원 FFT와 같은 변형 프로세스의 적용을 받을 수 있다. 변형은 영상컴퓨터(880) 또는 기타 유사한 처리장치에 의해 수행될 수 있다. 이후, 영상 데이터는 디스플레이(890)에 보여질 수 있다.
핑거프린팅 장치(899)는 RF 안테나(850)로부터 수신한 MR 신호로부터의 영상을 재구성해야 하는 기존의 방식을 필요없게 해준다. 이에 따라 장치(800)에 의해 물체에 인가되는 RF 에너지는 실질적으로 일정한 진폭 또는 상을 가진 신호를 생성하도록 한정될 필요가 없다. 대신, 핑거프린팅 장치(899)는 재구성, 이완 파라미터, 또는 기타 정보가 이미 사용 가능한 알려진 신호에 수신된 신호를 매칭하는 것을 가능하게 한다.
다른 실시예에서, 핑거프린팅 장치(899)는 세포내 볼륨과 세포외 볼륨이 있는 생물학적 조직에 MRF-X 펄스 시퀀스를 인가하기 위하여 MRI 장치(800)를 제어하는 회로를 포함할 수 있다. 세포내 볼륨과 세포외 볼륨에는 세포내 볼륨과 세포외 볼륨 사이의 물 이동으로 인하여 자기 교환이 일어난다. 회로는 MRI 장치(800)를 제어하여 0도 내지 70도 범위에서 의사 랜덤적으로 변화하는 숙임각을 가진, 또는 9ms 내지 12ms의 범위에서 의사 랜덤적으로 변화하는 획득 시간을 가진, 또는 다른 방식으로 변화하는 MRF-X 펄스 시퀀스를 인가할 수 있다.
핑거프린팅 장치(899)는 또한 MRF-X 펄스 시퀀스를 생물학적 조직에 인가한 결과의 NMR을 획득하는 회로와 획득된 NMR을 MRF-X 사전의 선택된 항목에 매칭시키는 회로를 포함할 수 있다. 핑거프린팅 장치(899)는 적어도 부분적으로는 선택된 항목에 근거하여 세포내 볼륨에 대한 T1 또는 세포외 볼륨에 대한 T1을 정량화하는 또 다른 회로를 포함할 수 있다. 추가적으로, 또는 대안적으로, 핑거프린팅 장치(899)는 적어도 부분적으로는 선택된 항목에 근거하여 세포내 볼륨에 대한 T2 또는 세포외 볼륨에 대한 T2를 정량화하는 회로를 포함할 수 있다. 추가적으로, 또는 대안적으로, 핑거프린팅 장치(899)는 적어도 부분적으로는 선택된 항목에 근거하여 생물학적 조직에 대한 세포외 볼륨을 정량화하는 회로를 포함할 수 있다.
핑거프린팅 장치(899)는 적어도 부분적으로는 선택된 항목에 근거하여 세포의 일부분의 영상을 생성하는 회로를 포함할 수 있다. 회로는 영상컴퓨터(880) 또는 디스플레이(890)와 상호작용할 수 있다. 영상은 예를 들어 세포내 볼륨에 대한 T1, 세포외 볼륨에 대한 T1, 세포내 볼륨에 대한 T2, 세포외 볼륨에 대한 T2, 생물학적 조직에 대한 세포외 볼륨, 또는 기타 정보를 포함하는 상이한 정보를 도시할 수 있다.
도 8에는 다양한 방식으로 연결된 다양한 컴포넌트를 포함하는 예시적인 MR 장치(800)가 도시되었지만, 다른 MR 장치는 다른 방식으로 연결된 다른 컴포넌트를 포함할 수 있음은 당연하다.
하기의 상세한 설명의 일부는 메모리 내의 데이터 비트에 대한 동작의 알고리즘 및 상징적 표현의 차원에서 제공된다. 이러한 알고리즘 설명 및 표현은 당업자에 의해 당업자의 작업의 실체를 타인에게 전달하기 위해 사용된다. 본 설명에서뿐만 아니라 일반적으로 알고리즘은 결과를 생성하는 동작의 순서인 것으로 이해된다. 이러한 동작은 물리적 양의 물리적 조작을 포함할 수 있다. 반드시는 아니더라도 보통, 물리적 양은 저장, 전송, 병합, 비교, 및 기타 로직 내에서의 조작 등이 가능한 전기 또는 자기 신호의 형태를 취한다. 물리적 조작은 구체적이고, 유형적이고, 유용하고, 현존하는 결과를 생성한다.
주로 통상적인 사용을 위하여, 이러한 신호를 비트, 값, 요소, 심볼, 특성, 기간, 수 등으로 지칭하는 것이 경우에 따라 편리하다는 것이 입증되었다. 그러나 이러한 용어들과 이 용어들과 유사한 용어들은 적합한 물리적 양과 연관되어야 하고, 따라서 단지 이러한 양에 적용되는 편리한 레이블(label)에 불과하다. 특별히 다르게 기재하지 않는 한, 본 명세서의 전반에 걸쳐, 처리, 연산, 판단 등을 포함하는 용어는 물리적(전자적) 양으로 나타내는 데이터를 조작 및 변형하는 컴퓨터 시스템, 로직, 프로세서, 또는 유사한 전자 장치의 행위 및 프로세스를 의미한다.
예시적인 방법은 순서도를 참조하여 더 잘 이해될 수 있다. 설명의 편의를 위하여, 도시된 방법은 일련의 블록으로 도시하고 설명하였지만, 이러한 방법이 블록의 순서로 제한되는 것이 아니며, 일부 블록은 도시하고 설명한 것과 다른 순서로 및/또는 다른 블록과 동시에 수행될 수 있음은 당연하다. 또한, 예시적인 방법을 구현하기 위하여 도시된 블록이 모두 필요하지 않을 수도 있다. 블록은 서로 병합되거나 다중 컴포넌트로 분리될 수 있다. 나아가, 추가적 및/또는 대안적 방법은 도시하지 않은 추가 블록을 도입할 수 있다.
도 9는 구획 교환을 포함하는 MRF-X 기반 멀티 컴포넌트 복셀 분리와 관련된 방법(900)을 도시한 것이다. 방법(900)은 한 세트의 알려진 MRF-X 신호 전개에 접근하는 단계(910)를 포함한다. 기존의 시스템과 달리, 한 세트의 알려진 MRF-X 신호 전개의 구성원은 자기 교환이 일어나는 다중 구획(예, 세포내 공간, 세포외 공간)을 포함하는 생물학적 조직에서 발견될 수 있는 복수의 선택된 공명 종과 연관된 NMR 신호와 연관된 한정 데이터를 병합하여 생성되었을 수 있다. 일 실시예에서, 데이터의 병합은 구성원과 연관된 공명 종의 상대적 분율을 식별하는 역연산(예, 의사역행렬)이 사용 가능한 연산(예, 가중합)의 사용을 포함한다.
방법(900)은 또한 볼륨에 인가된 MRF-X 펄스 시퀀스에 의해 생성된 MRF 여기에 대응하여 볼륨에 의해 생성된 획득된 NMR 신호에 접근하는 단계(920)을 포함한다. 볼륨은 MRF-X 펄스 시퀀스에 대응하여 개별 NMR 신호를 동시에 생성한 제1 하부 볼륨(sub-volume)과 제2 하부 볼륨을 포함한다. 획득된 NMR 신호는 자기 교환이 제1 하부 볼륨과 제2 하부 볼륨 사이에서 일어나는 동안에도 획득될 수 있다. 일 실시예에서, MRF-X 펄스 시퀀스는 5ms 내지 20ms 미만의 범위에서 변화하는 획득 시간을 가진 항정상태세차운동을 이용한 고속영상 포함 MRF(MRF with fast imaging with steady state precession 또는 MRF-FISP) 펄스 시퀀스이다. 일 실시예에서, MRF-X 펄스 시퀀스는 0도 내지 70도의 범위에서 변화하는 숙임각을 가진 MRF-FISP 펄스 시퀀스이다. 일 실시예에서, MRF-X 펄스 시퀀스는 0도 내지 70도의 범위에서 변화하는 숙임각과 9ms 내지 12ms의 범위에서 변화하는 획득 시간을 가진 MRF-FISP 펄스 시퀀스이다.
방법(900)은 또한 획득된 NMR 신호를 매칭하여 볼륨 내의 상이한 구획의 공명 종에 관한 정량적 데이터를 제공하는 단계(950)를 포함한다. 획득된 NMR 신호가 매칭되면, 방법(900)은 적어도 부분적으로는 획득된 NMR 신호에 근거하여 제1 하부 볼륨과 연관된 MR 파라미터에 대한 정량적 값을 판단하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 방법(900)은 또한 적어도 부분적으로는 획득된 NMR 신호에 근거하여 제2 하부 볼륨과 연관된 MR 파라미터에 대한 정량적 값을 판단하는 단계를 포함한다. 제1 하부 볼륨과 연관된 MR 파라미터는 예를 들어 스핀-격자 이완인 T1 또는 스핀-스핀 이완인 T2일 수 있다. 마찬가지로, 제2 하부 볼륨과 연관된 MR 파라미터는 T1 또는 T2일 수 있다.
일 실시예에서, 방법(900)은 적어도 부분적으로는 제1 하부 볼륨과 연관된 MR 파라미터에 대한 정량적 값 및/또는 제2 하부 볼륨과 연관된 MR 파라미터에 대한 정량적 값에 근거하여 볼륨의 성질을 판단하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 방법(900)은 또한 볼륨이 조직 범주의 구성원인 조직을 포함하는 것으로 식별하는 단계(960)를 포함한다. 조직 범주는 적어도 부분적으로는 제1 및 제2 하부 볼륨에 대한 정량적 값 또는 볼륨의 성질에 근거하여 선택될 수 있다. 일 실시예에서, 조직 범주는 조직이 예상 범위 내에 있는 특성을 보이는지 또는 예상 범위 밖에 있는 특성을 보이는지를 식별할 수 있다. 조직 범주는 예를 들어 건강한 조직 또는 질병에 걸린 조직일 수 있다. 일 실시예에서, 제1 하부 볼륨은 생물학적 조직 내의 세포내 공간일 수 있고, 제2 하부 볼륨은 생물학적 조직 내의 세포외 공간일 수 있다. 생물학적 조직은 예를 들어 심근 조직일 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, 조직 범주는 섬유성 질환 증상이 있는 심근 조직, 부종 증상이 있는 심근 조직, 아밀로이드종 증상이 있는 심근 조직, 지방질 축적 증상이 있는 심근 조직, 또는 철침착증 증상이 있는 심근 조직일 수 있다.
기준 신호 전개로부터 도출된 저장된 신호 및 정보는 매우 방대할 개연성이 있는 데이터 공간과 연관될 수 있다. 신호 전개를 위한 데이터 공간은 MRF 사전 등식의 구성원에 의해 부분적으로 설명될 수 있다. 일 실시예에서, MRF 사전 등식은 T1intra, T2intra, T1extra, T2extra, 및 볼륨 분율을 모델링하는 5 파라미터 사전을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 여기서, T1intra은 제1 하부 볼륨이 세포내 공간인 경우의 T1 이완, T2intra는 제1 하부 볼륨이 세포내 공간인 경우의 T2 이완, T1extra는 제2 하부 볼륨이 세포외 공간인 경우의 T1 이완, T2extra는 제2 하부 볼륨이 세포외 공간인 경우의 T2 이완을 의미한다. 다른 수의 파라미터를 가진 기타 사전 항목이 사용될 수도 있다.
도 9에는 다양한 단계가 직렬적으로 일어나는 것으로 도시되었지만, 도 9에 도시된 다양한 단계는 실질적으로 병렬적으로 일어날 수 있음은 당연하다. 도시한 바와 같이, 첫 번째 프로세스는 알려진 신호에 대한 접근을 제어할 수 있고, 두 번째 프로세스는 NMR 신호의 획득을 제어할 수 있고, 세 번째 프로세스는 볼륨을 예상 범위 내에 있는 특성을 보이는 조직을 포함하는 것으로 식별할 수 있다. 여기에서는 3개의 프로세스에 대하여 설명하였지만, 이보다 많거나 적은 수의 프로세스가 도입될 수 있음은 당연하다.
도 10은 도 9에 도시된 방법(900)의 다른 실시예이다. 본 실시예는 단계 910, 920, 950, 960을 포함한다. 그러나, 본 실시예는 또한 단계 905, 912, 970도 포함한다. 단계 905는 저장된 항목의 모음을 생성하는 단계 또는 한 세트의 알려진 MRF-X 신호 전개를 생성하는 단계를 포함한다. 한 세트의 알려진 MRF-X 신호 전개를 생성하는 단계는 자기 교환이 일어나는 다중 구획을 포함하는 복셀 내의 둘 또는 그 이상의 공명 종과 연관된 NMR 신호와 연관된 데이터를 가중합 연산을 사용하여 병합하는 단계를 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 역연산은 의사역행렬 연산일 수 있다.
일 실시예에서, 한 세트의 알려진 MRF-X 신호 전개를 생성하는 단계는 블로흐-맥코넬 등식을 사용하여 신호 전개를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 한 세트의 알려진 MRF-X 신호 전개를 생성하는 단계는 0 내지 100 퍼센트의 세포외 볼륨 범위을 차지하는 복수의 신호 전개를 생성하는 단계 또는 5.0s-1 to 1000s-1의 교환 속도 범위를 차지하는 복수의 신호 전개를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 한 세트의 알려진 MRF-X 신호 전개를 생성하는 단계는 T1intra, T2intra, T1extra, T2extra, 및 볼륨 분율을 포함하는 적어도 5개의 파라미터를 차지하는 복수의 신호 전개를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 이보다 많거나 적은 파라미터와 연관된 신호 전개를 사용할 수도 있다.
일 실시예에서, 한 세트의 알려진 MRF 신호 전개를 생성하는 단계(905)는 구획 사이에 자기 교환이 일어나는 다중 구획의 상이한 공명 종과 연관된 제1 및 제2 MR 파라미터를 한정함으로써 NMR 신호와 연관된 데이터를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 데이터를 생성하는 단계는 NMR 신호에 기여하는 제1 공명 종과 연관된 제1 MR 파라미터를 변경하되 NMR 신호에 기여하는 제2 공명 종과 연관된 제2 MR 파라미터는 유지하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 파라미터를 유지하는 것은 중앙값 주변의 작은 범위(예, 1%, 5%) 내에서 파라미터가 달라지게 하는 것을 포함할 수 있다. 파라미터는 T1과 T2를 포함할 수 있다. 제1 공명 종은 예를 들면 한 유형의 자기 교환이 일어나는 세포를 포함할 수 있다. 제2 공명 종은 예를 들어 상이한 유형의 자기 교환이 일어나는 세포를 포함할 수 있다.
단계 912는 MRF 장치를 제어하여 MRF 펄스 시퀀스를 사용하여 MRF 여기를 생성하는 단계를 포함한다. MRF 여기의 생성은 일련의 가변 시퀀스 블록 내의 물체 내의 볼륨에 RF 에너지를 인가하여 수행된다. MRF 시퀀스 블록은 하나 이상의 여기 위상(excitation phase), 하나 이상의 판독 위상(readout phase), 및 하나 이상의 대기 위상(waiting phase)을 포함한다. 또한, 일련의 가변 시퀀스 블록의 적어도 하나의 구성원은 일련의 가변 시퀀스 블록의 적어도 다른 하나의 구성원과 하나 이상의 시퀀스 블록 파라미터가 다르다. MRF-FISP 펄스 시퀀스라고 불리기도 하는 예시적인 항정상태세차운동을 이용한 고속영상(fast imaging with steady state precession 또는 FISP) 펄스 시퀀스는 도 11 내지 도 13에 도시되어 있다.
일 실시예에서, 단계 912는 NMR 장치를 제어하여 MRF 펄스 시퀀스와 연관된 숙임각을 변경하거나 MRF 펄스 시퀀스의 획득 주기를 변경하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 숙임각은 0 내지 70도에서 의사 랜덤적으로 변화하도록 제어될 수 있고, 획득 주기는 8ms 내지 12ms에서 의사 랜덤적으로 변화하도록 제어될 수 있다. 다른 범위의 숙임각 및 획득 주기가 사용될 수도 있다. 단계 912는 또한 에코 시간, 위상 인코딩, 확산 인코딩, 흐름(flow) 인코딩, RF 펄스 진폭, RF 펄스 위상, RF 펄스의 수, 시퀀스 블록의 여기 부분과 시퀀스 블록의 판독 부분 사이에 인가된 경사의 유형, 시퀀스 블록의 여기 부분과 시퀀스 블록의 판독 부분 사이에 인가된 경사의 수, 시퀀스 블록의 여기 부분과 시퀀스 블록의 판독 부분 사이에 인가된 경우 불균형 경사의 양, 시퀀스 블록의 판독 부분과 시퀀스 블록의 여기 부분과 시퀀스 블록의 여기 부분 사이에 인가된 경사의 유형, 시퀀스 블록의 판독 부분과 시퀀스 블록의 여기 부분 사이에 인가된 경우 불균형 경사의 양, 시퀀스 블록의 판독 부분 동안에 인가된 경사의 유형, 시퀀스 블록의 판독 부분 동안에 인가된 경사의 수, RF 훼손(spoiling)의 양, 또는 경사 훼손의 양 등을 포함하는 다른 시퀀스 블록 파라미터를 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
단계 912는 또한 MRF 장치를 제어하여 일련의 가변 시퀀스 블록 내의 시퀀스 블록 사이의 시간, 일련의 가변 시퀀스 블록 내의 시퀀스 블록의 RF 펄스의 상대적 진폭, 또는 일련의 가변 시퀀스 블록 내의 시퀀스 블록의 RF 펄스의 상대적 위상을 변경하는 단계를 포함할 수 있다.
방법(900)의 본 실시예는 또한 영상을 생성하는 단계(970)을 포함한다. 영상은 T1 가중 영상, T2 가중 영상, 양성자 밀도 영상, 또는 기타 영상일 수 있다. 영상은 적어도 부분적으로는 선택 항목과 연관된 정량적 값에 근거할 수 있다. 정보는 예를 들어 진단 또는 범주화를 포함할 수 있다.
영상을 생성하는 단계(970)는 적어도 부분적으로는 제1 하부 볼륨과 연관된 정량적 값에 근거하여 볼륨의 일부의 영상을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 영상을 생성하는 단계(970)는 적어도 부분적으로는 제2 하부 볼륨과 연관된 정량적 값에 근거하여 볼륨의 일부의 영상을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
예시적인 장치와 방법은 MRF를 이용하여 물체 내 공명 종의 MR 파라미터에 관한 정량적 데이터를 동시에 획득한다. 도 11은 예시적인 MRF-FISP 펄스 시퀀스(1100)를 도시한 것이다. MRF-FISP 펄스 시퀀스(1100)는 인가된 RF 에너지(1110)의 RF 반전 펄스(1102)를 포함한다. 여기에서는 반전 펄스(1102)가 도시되었지만, 다른 실시예에서는 반전 회복 시간(inversion recovery period)이 있을 수도 있고 없을 수도 있다. MRF-FISP 펄스 시퀀스(1100)는 불균형 절편선택경사(1120)를 포함한다. 여기에서는 절편선택경사(1120)가 불균형인 것으로 도시되었지만, 다른 실시예에서는 다른 경사(예, x, y, z 위상 인코딩, 주파수 인코딩, 판독 인코딩)가 불균형일 수 있다. 불균형 절편선택경사(1120)는 물체의 MRF 동안에 생성된 횡축자화(transverse magnetization)를 탈위상(diphase) 한다. 일 실시예에서, T2 또는 T2* 붕괴 이외에, 불균형 절편선택경사(1120)만이 횡축자화를 탈위상 한다. 이런 방식의 횡축자화의 탈위상은 불완전한 정자장(B0)으로 인한 인공물 또는 왜곡에 대한 면역성을 향상한다. MRF-FISP 펄스 시퀀스(1100)에서, 획득 주기(1140, 1150, 1160)는 동일한 기간일 필요는 없다. 그러나, 바람직한 일 실시예에서, 획득 주기(1140, 1150, 1160)는 동일하다. 여기에서는 MRF-FISP 펄스 시퀀스(1100)가 도시되었지만, 예시적인 장치와 방법은 다른 MRF 펄스 시퀀스를 사용할 수도 있다.
도 13은 MRF-FISP 펄스 시퀀스(1300)의 일부를 도시한 것이다. 여기에서는 1 획득 주기(1310)가 도시되었다. 영역 1302는 일반적으로 영역 1304를 상쇄시키고 영역 1306을 잔류로 남겨놓는다.
MRF-FISP 알고리즘은 MRF-FISP 펄스 시퀀스(1100)에 사용되는 숙임각 또는 획득 주기를 변화하여 상이한 조영을 생성하도록 조작될 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, MRF-FISP를 이용하여 검사할 상이한 조직 유형에 대한 고유한 신호 형상을 생성하기 위하여, 예시적인 장치와 방법은 상이한 획득 주기의 획득 시간 또는 숙임각을 다르게 할 수 있다. 일 실시예에서, 한 획득 주기와 다음 획득 주기의 숙임각 또는 반복 시간은 다를 수 있다.
도 12는 예시적인 MRF-FISP 펄스 시퀀스의 숙임각(1200)과 획득 시간(1210)의 예시적인 조작을 도시한 것이다. 일 실시예에서, 획득 주기별 획득 시간과 숙임각의 시누소이드(sinusoidal) 변형이 펄린 노이즈 패턴(Perlin noise pattern)에 사용될 수 있다.
도 11에 도시된 펄스 시퀀스(1100)의 불균형 경사(1120)는 도 12에 도시된 숙임각(1200)과 획득 주기(1210)의 변형과 병합하여 단일 복셀 내의 2TT 탈위상을 생성했다. 단일 복셀 내의 2TT 탈위상 또는 그 이상은 MRF-FISP 시퀀스를 이용하여 획득된 데이터가 B0 불균질에 대해 둔감하게 한다. 여기에서는 2TT 탈위상에 대해 설명하였지만, 다른 탈위상(예, 8TT)가 사용될 수도 있다.
예시들을 설명함으로써 예시적인 시스템, 방법 등을 설명하고 예시들을 비교적 상세하게 설명하였지만, 이는 첨부한 청구항의 범위를 설명한 내용으로 한정하려는 것이 아니다. 본 설명에 포함된 시스템, 방법 등을 설명하기 위하여, 구성 또는 방법의 모든 상상 가능한 조합을 기재하는 것은 당연히 불가능하다고 할 것이다. 이에 따라, 본 발명은 여기에 도시하고 설명한 상세한 내용, 대표 장치, 및 예시에 제한되지 않는다. 따라서, 본 발명은 첨부한 청구항의 범위 안에 있는 변경, 수정, 변형 등을 포함한다.
상세한 설명과 청구항에서 사용되는 "포함" 또는 "포함한다"는 용어는 이 용어가 청구항에서 전이어로 사용되는 경우와 유사한 의미로 해석된다.
상세한 설명과 청구항에서 사용되는 "또는"이라는 용어(예, A 또는 B)는 "A 또는 B 또는 A 및 B"를 의미한다. "A 및 B가 아닌 오직 A 또는 B"를 의미하고자 하는 경우에는 "A 및 B가 아닌 오직 A 또는 B"가 사용될 것이다. 따라서, "또는"이라는 용어는 배타적이지 않은 포괄적인 의미로 사용된다. 이에 대하여, Bryan A. Garner, A Dictionary of Modern Legal Usage 624 (2d. Ed. 1995)를 참고할 수 있다.

Claims (37)

  1. 컴퓨터에 의해 실행되는 경우 방법을 수행하도록 상기 컴퓨터를 제어하는 컴퓨터 실행 가능 명령을 저장하는 컴퓨터 가독 매체에 있어서, 상기 방법은:
    한 세트의 알려진 MRF-X(magnetic resonance fingerprinting with exchange, 교환을 포함하는 자기공명 핑거프린팅) 신호 전개에 접근하는 단계;
    볼륨에 인가된 MRF-X 펄스 시퀀스에 의해 생성된 자기공명 핑거프린팅(magnetic resonance fingerprinting 또는 MRF) 여기에 대응하여 상기 볼륨에 의해 생성된 획득된 핵 자기공명(nuclear magnetic resonance 또는 NMR)에 접근하는 단계―여기서, 상기 볼륨은 동시에 개별 NMR 신호를 생성한 제1 하부 볼륨과 제2 하부 볼륨을 포함하고, 상기 제1 하부 볼륨과 상기 제2 하부 볼륨 사이에 자기 교환이 일어남; 및
    적어도 부분적으로는 획득된 NMR 신호에 근거하여 상기 제1 하부 볼륨과 연관된 자기공명(magnetic resonance 또는 MR) 파라미터에 대한 정량적 값을 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방법은 적어도 부분적으로는 획득된 NMR 신호에 근거하여 상기 제2 하부 볼륨과 연관된 MR 파라미터에 대한 정량적 값을 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 하부 볼륨은 생물학적 조직의 세포내 공간이고, 상기 제2 하부 볼륨은 상기 생물학적 조직의 세포외 공간인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 생물학적 조직은 심근 조직인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 하부 볼륨과 연관된 상기 MR 파라미터는 스핀-격자 이완인 T1 또는 스핀-스핀 이완인 T 2인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제2 하부 볼륨과 연관된 상기 MR 파라미터는 스핀-격자 이완인 T1 또는 스핀-스핀 이완인 T 2인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 방법은 적어도 부분적으로는 상기 제1 하부 볼륨과 연관된 상기 MR 파라미터에 대한 상기 정량적 값 또는 상기 제2 하부 볼륨과 연관된 상기 MR 파라미터에 대한 상기 정량적 값에 근거하여 상기 볼륨의 성질을 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 MRF-X 펄스 시퀀스는 5ms 내지 20ms 미만의 범위에서 변화하는 획득 시간을 가진 항정상태세차운동을 이용한 고속영상 포함 MRF(MRF with fast imaging with steady state precession 또는 MRF-FISP) 펄스 시퀀스인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 MRF-X 펄스 시퀀스는 0도 내지 70도의 범위에서 변화하는 숙임각을 가진 항정상태세차운동을 이용한 고속영상 포함 MRF(MRF with fast imaging with steady state precession 또는 MRF-FISP) 펄스 시퀀스인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 MRF-X 펄스 시퀀스는 0도 내지 70도의 범위에서 변화하는 숙임각과 9ms 내지 12ms의 범위에서 변화하는 획득 시간을 가진 항정상태세차운동을 이용한 고속영상 포함 MRF(MRF with fast imaging with steady state precession 또는 MRF-FISP) 펄스 시퀀스인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 방법은:
    적어도 부분적으로는 상기 제1 하부 볼륨과 연관된 상기 정량적 값 또는 상기 제2 하부 볼륨과 연관된 상기 정량적 값에 근거하여 볼륨이 조직 범주의 구성원인 조직을 포함하는 것으로 식별하는 단계; 및
    상기 범주에 관한 정보를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 조직 범주는 범주 내의 정량적 값을 나타내는 조직 및 상기 범주 밖의 정량적 값을 나타내는 조직 중의 하나인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 조직 범주는 섬유성 질환 증상이 있는 심근 조직, 부종 증상이 있는 심근 조직, 아밀로이드종 증상이 있는 심근 조직, 지방질 축적 증상이 있는 심근 조직, 또는 철침착증 증상이 있는 심근 조직인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  14. 제3항에 있어서,
    상기 방법은 상기 한 세트의 알려진 MRF-X 신호 전개를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 한 세트의 알려진 MRF-X 신호 전개를 생성하는 단계는 블로흐-맥코넬(Bloch-McConnell) 등식을 사용하여 신호 전개를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 한 세트의 알려진 MRF-X 신호 전개를 생성하는 단계는 0 퍼센트 내지 100 퍼센트의 세포외 볼륨 범위을 차지하는 복수의 신호 전개를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 한 세트의 알려진 MRF-X 신호 전개를 생성하는 단계는 5.0s-1 to 1000s-1의 교환 속도 범위를 차지하는 복수의 신호 전개를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 한 세트의 알려진 MRF-X 신호 전개를 생성하는 단계는 T1intra, T2intra, T1extra, T2extra, 및 볼륨 분율을 포함하는 적어도 5개의 파라미터를 차지하는 복수의 신호 전개를 생성하는 단계를 포함하되,
    T1intra는 제1 하부 볼륨이 세포내 공간인 경우의 T1 이완이고,
    T2intra는 제1 하부 볼륨이 세포내 공간인 경우의 T2 이완이고,
    T1extra는 제2 하부 볼륨이 세포외 공간인 경우의 T1 이완이고,
    T2extra는 제2 하부 볼륨이 세포외 공간인 경우의 T2 이완인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 방법은:
    자기공명영상(magnetic resonance imaging 또는 MRI) 장치를 제어하여 일련의 가변 시퀀스 블록 내의 상기 볼륨에 무선주파수(radio frequency 또는 RF) 에너지를 인가함으로써 상기 MRF-X 펄스 시퀀스를 사용하여 상기 MRF 여기를 생성하는 단계―여기서, 시퀀스 블록은 하나 이상의 여기 위상(excitation phase), 하나 이상의 판독 위상(readout phase), 및 하나 이상의 대기 위상(waiting phase)을 포함하고, 시퀀스 블록 동안에 인가된 상기 RF 에너지는 상기 제1 하부 볼륨 및 상기 제2 하부 볼륨 내의 상기 하나 이상의 공명 종으로 하여금 동시에 개별 NMR 신호를 생성하도록 하고, 상기 일련의 가변 시퀀스 블록의 적어도 하나의 구성원은 상기 일련의 가변 시퀀스 블록의 적어도 다른 하나의 구성원과 다름; 및
    상기 MRF 장치를 제어하여 상기 동시에 생성된 개별 NMR 신호를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 시퀀스 블록 파라미터는 에코 시간, 숙임각, 위상 인코딩, 확산 인코딩, 흐름(flow) 인코딩, RF 펄스 진폭, RF 펄스 위상, RF 펄스의 수, 시퀀스 블록의 여기 부분과 시퀀스 블록의 판독 부분 사이에 인가된 경사의 유형, 시퀀스 블록의 여기 부분과 시퀀스 블록의 판독 부분 사이에 인가된 경사의 수, 시퀀스 블록의 여기 부분과 시퀀스 블록의 판독 부분 사이에 인가된 경우 불균형 경사의 양, 시퀀스 블록의 판독 부분과 시퀀스 블록의 여기 부분 사이에 인가된 경사의 유형, 시퀀스 블록의 판독 부분과 시퀀스 블록의 여기 부분 사이에 인가된 경사의 수, 시퀀스 블록의 판독 부분과 시퀀스 블록의 여기 부분 사이에 인가된 경우 불균형 경사의 양, 시퀀스 블록의 판독 부분 동안에 인가된 경사의 유형, 시퀀스 블록의 판독 부분 동안에 인가된 경사의 수, RF 훼손(spoiling)의 양, 또는 경사 훼손의 양을 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 방법은 상기 MRI 장치를 제어하여 상기 일련의 가변 시퀀스 블록 내의 시퀀스 블록 사이의 시간, 상기 일련의 가변 시퀀스 블록 내의 시퀀스 블록의 RF 펄스의 상대적 진폭, 또는 상기 일련의 가변 시퀀스 블록 내의 시퀀스 블록의 RF 펄스의 상대적 위상을 변경하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  22. 제1항에 있어서,
    상기 한 세트의 알려진 MRF-X 신호 전개는 상기 한 세트의 신호 전개 외부의 다음과 같이 정의된 신호 전개를 포함하되,
    SE = A-Bet/c
    여기서, SE는 신호 전개이고, A는 상수이고, B는 상수이고, T는 시간이고, C는 단일 이완 파라미터인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 한 세트의 알려진 MRF-X 신호 전개는 MRF 사전 등식(dictionary equations)의 구성원에 의해 묘사된 한 세트의 신호로부터 선택된 신호를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  24. 제1항에 있어서,
    상기 방법은 적어도 부분적으로는 상기 제1 하부 볼륨과 연관된 상기 정량적 값에 근거하여 상기 볼륨의 일부의 영상을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  25. 제2항에 있어서,
    상기 방법은 적어도 부분적으로는 상기 제2 하부 볼륨과 연관된 상기 정량적 값에 근거하여 상기 볼륨의 일부의 영상을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  26. 제2항에 있어서,
    상기 방법은 적어도 부분적으로는 상기 제1 하부 볼륨과 연관된 상기 정량적 값 및 상기 제2 하부 볼륨과 연관된 상기 정량적 값에 근거하여 상기 볼륨의 일부의 영상을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 가독 매체.
  27. 물체와 연관된 (k, t, E) 공간을 반복적이고 가변적으로 샘플링하여 한 세트의 NMR 신호를 획득하는 자기공명 핑거프린팅(magnetic resonance fingerprinting 또는 MRF) 장치로부터 제1 세트의 데이터를 수신하는 핵자기공명(nuclear magnetic resonance 또는 NMR) 로직―여기서, 상기 물체는 복수의 구획을 포함하고 상기 구획 사이에 자기 교환이 일어나는 복셀을 포함하고, 상기 MRF 장치는 MRF 펄스 시퀀스에 따라 무선주파수(radio frequency 또는 RF) 에너지를 상기 물체에 인가하여 상기 물체가 상기 한 세트의 NMR 신호를 생성하도록 하고, 상기 제1 세트의 데이터의 데이터는 상기 (k, t, E) 공간 내의 상이한 포인트와 연관되되, t는 시간이고, E는 스핀-격자 이완인 T1과 스핀-스핀 이완인 T2를 포함하고, t 및 E의 하나 또는 그 이상은 비선형적으로 변화함;
    상기 제1 세트의 데이터로부터 NMR 신호 전개를 생성하는 신호 로직; 및
    필요 오차 범위 내에서 상기 NMR 신호 전개와 일치하는 선택된 저장된 신호 전개를 저장된 신호 전개의 모음에서 선택하고, 적어도 부분적으로는 상기 선택된 저장된 신호 전개에 근거하여 상기 복수의 구획에 속하는 구획 또는 상기 복수의 구획에 속하는 구획 사이의 자기 교환과 연관된 자기 공명(magnetic resonance 또는 MR) 파라미터에 관한 정량적 정보를 검색하는 매칭 로직을 포함하는 장치.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 정량적 정보를 검색하고 상기 물체가 적어도 부분적으로는 상기 정량적 정보에 근거한 성질을 포함하는 것으로 식별하는 특성분석(characterization) 로직을 포함하고,
    상기 성질은 상기 물체가 제1 특정 범위 내에 있는 제 1 속성을 나타내는 공명 종을 포함하는지 여부를 묘사하거나, 상기 성질은 상기 복수의 구획을 구성하는 구획이 제 2 특정 범위 내에 있는 제 2 속성을 나타내는지 여부를 묘사하는 것을 특징으로 하는 장치.
  29. MRF-X(magnetic resonance fingerprinting with exchange, 교환을 포함하는 자기공명 핑거프린팅) 펄스 시퀀스를 세포내 볼륨과 세포외 볼륨을 가진 세포를 포함하는 생물학적 조직에 인가하도록 자기공명영상(magnetic resonance imaging 또는 MRI) 장치를 제어하는 회로―여기서, 상기 세포내 볼륨과 상기 세포외 볼륨은 상기 세포내 볼륨과 상기 세포외 볼륨 사이의 물 이동으로 인하여 자기 교환이 일어남;
    상기 MRF-X 펄스 시퀀스를 상기 생물학적 조직에 인가한 결과의 핵자기공명(nuclear magnetic resonance 또는 NMR)을 획득하는 회로;
    상기 획득된 NMR을 MRF-X 사전의 선택된 항목에 매칭시키는 회로; 및
    적어도 부분적으로는 상기 선택된 항목에 근거하여 상기 세포내 볼륨에 대한 T1 또는 상기 세포외 볼륨에 대한 T1을 정량화하는 회로를 포함하는 장치.
  30. 제29항에 있어서,
    적어도 부분적으로는 상기 선택된 항목에 근거하여 상기 세포내 볼륨에 대한 T2 또는 상기 세포외 볼륨에 대한 T2를 정량화하는 회로를 포함하는 장치.
  31. 제30항에 있어서,
    적어도 부분적으로는 상기 선택된 항목에 근거하여 상기 생물학적 조직에 대한 세포외 볼륨을 정량화하는 회로를 포함하는 장치.
  32. 제29항에 있어서,
    상기 MRF-X 펄스 시퀀스는 0도 내지 70도 범위에서 의사 랜덤적으로 변화하는 숙임각을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  33. 제29항에 있어서,
    상기 MRF-X 펄스 시퀀스는 9ms 내지 12ms 범위에서 의사 랜덤적으로 변화하는 획득 시간을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  34. 제29항에 있어서,
    적어도 부분적으로는 상기 선택된 항목에 근거하여 상기 세포의 일부의 영상을 생성하는 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 영상은 상기 세포내 볼륨에 대한 T1 또는 상기 세포외 볼륨에 대한 T1을 도시하는 것을 특징으로 하는 장치.
  36. 제34항에 있어서,
    상기 영상은 상기 세포내 볼륨에 대한 T2 또는 상기 세포외 볼륨에 대한 T2를 도시하는 것을 특징으로 하는 장치.
  37. 제34항에 있어서,
    상기 영상은 상기 생물학적 세포에 대한 세포외 볼륨을 도시하는 것을 특징으로 하는 장치.
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