KR20190021958A

KR20190021958A - 인체모사 팬텀 및 mri 스캐너의 sar 값을 획득하기 위한 방법

Info

Publication number: KR20190021958A
Application number: KR1020170107475A
Authority: KR
Inventors: 서영섭
Original assignee: 한국표준과학연구원
Priority date: 2017-08-24
Filing date: 2017-08-24
Publication date: 2019-03-06
Also published as: KR102006666B1

Abstract

본 발명은 MRI(Magnetic Resonance Imaging) 장치가 제공하는 시퀀스들 - DTI(Diffusion Tensor Imaging) 시퀀스를 포함함 - 의 SAR(Specific Absorption Rate) 값을 획득하기 위한 방법으로서, 인체모사 팬텀을 MRI 장치에 안착시키는 제1 단계와, DTI 시퀀스로 스캔하여 온도 및 SAR 값을 산출하는 제2 단계와, 측정대상 시퀀스로 스캔하는 제3 단계와, 측정대상 시퀀스로 스캔한 후 DTI 시퀀스로 스캔하여 온도를 산출하는 제4 단계와, 상기 제4 단계에서 획득된 온도와 제2 단계에서 획득된 온도의 차이에 기초로 측정대상 시퀀스의 SAR 값을 획득하는 제5 단계를 포함하여 이루어지고, 상기 측정대상 시퀀스는 DTI 시퀀스 보다 높은 SAR 값을 갖는 시퀀스로 이루어진다.

Description

인체모사 팬텀 및 MRI 스캐너의 SAR 값을 획득하기 위한 방법{Human torso phantom and Method for acquiring specific absorption rate during MRI scans}

본 발명은 인체모사 팬텀 및 MRI 스캐너의 SAR 값을 획득하기 위한 방법에 관한 것이다.

MRI(Magnetic Resonance Imaging)는 질병 진단 및 치료를 위해 이미지를 생성하는 장치로서, 고정 전기자기장과 RF transmit coil과, x-, y-, z-gradient coils로부터 생성된 시간적으로 변화하는 전기자기장을 이용한다. 시간적으로 변화하는 전기자기장은 MRI 스캐너 내부에서 인체에 전류와 전압을 유도한다.

한편 MRI 스캔이 이루어지는 동안에 시간적으로 변화하는 전기자기장에 의해 와전류가 발생된다. 와전류에 의해 인체에 RF 전력이 축적되고 환자에게 원하지 않는 열을 가져올 수 있다. 이것은 안전문제에 있어서 중요하다. 무엇보다 인체에 흡수되는 RF 에너지의 량을 결정하는 것이 필요하며, 이것은 전자파인체흡수율(SAR: Specific Absorption Rate)과 관련이 있다.

국제전기기술연구회(IEC: International Electrotechical Commission)에 따르면, SAR 값은 머리에는 6분 동안에 3.2 W/kg로 제한되어야 하며, 머리를 제외한 인체에는 6분 동안에 4.0 W/kg로 제한되어야 한다. 마찬가지로 미국식품의약국(FDA: Food and Drug Administration)에 따르면 SAR 값은 머리에는 10분동안에 3 W/kg 보다 작아야 하고, 인체 전체에서 15분 동안에 4 W/kg 보다 작아야 한다. 특히 고열로 인한 인체 조직의 손상 위험은 신생아와, 구두로 의사소통을 할 수 없는 어린이와, MRI 스캔 중 마취 상태에 있는 사람과, 팔/다리의 감각이 둔한 환자에게 상대적으로 심각하다.

상업적으로 판매되는 MRI 스캐너는 각각의 스캔에서 추정된 SAR 값을 제공한다. 이와 같은 SAR 값은 RF 파형, 펄스시퀀스 변수, 시스템 교정, Q 요소, RF transmit coil의 부하 등으로부터 계산된다. SAR 값은 소정의 요소들의 평균으로부터 추정하여 계산된다. 이러한 요소들은 실재 스캐너마다 달라질 수 있으며 시간이 지나면서 변화될 수도 있다.

제조사에 의해 부정확하게 추정되는 SAR 값이 임상 MR 이미지 시스템에 표시된다. 예를 들어 어느 하나의 연구에 따르면, 스캐너는 2.2 배 이상 SAR가 과대평가되었다. 허용된 최고의 SAR 값에 도달하기 전에도, 환자는 MRI 영상 촬영 중에 전자파흡수에 의해 땀을 흘리게 되는 과열 가능성에 대한 우려가 있어왔다. 반면에 SAR를 과대평가하면 중요한 특정 스캔을 환자에게 수행할 수 없게 될 수도 있다.

만약 직교 RF transmit coil에서 오작동 및 고장이 일어나면 높은 RF 에너지가 발생될 수 있다는 것을 생각할 수 있다. 이는 예상된 축적 전력 수준보다 높은 RF에너지가 인체에 흡수될 가능성이 있다. 따라서 MRI 스캐너에서 표시되는 SAR 값과 무관하게 독립적으로 정확한 SAR 값을 직접적으로 획득하는 것이 바람직하다.

기존의 방법은 실린더(Cylinder), 구(Sphere), 헤드(Head)로 구성된 해부학 모델 팬텀에서 SAR 값을 얻기 위해서 RF 에너지 축적값을 수치계산한다. 서로 다른 펄스 시퀀스에서 얻어지는 SAR 값은 다양하고 큰 범위를 갖는다.

공개특허공보 제10-2009-0091897호의 유방암 진단장치를 위한 한국인 표준체형 수치팬텀작성방법

의료영상장치의 전자파 안정에 대한 연구(대한안전경영과학회지, 2010년12월, 선종률 외2) 기능적 자기공명영상 사용유무에 따른 확산텐서영상 분석의 유효성 평가(J Korean Soc Phys Ther Vol.25, No 5, October 2013, 이동훈 외2)

본 발명은 인체모사 팬텀 내부에 온도센서를 설치하여, MRI 영상에서 획득한 온도와 동일한지 여부를 확인할 수 있는 인체모사 팬텀을 제공하려는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 인체모사팬텀을 사용하여 MRI 스캐닝 동안에 실재 인체가 받는 전자파인체흡수율을 계산하는 정확한 방법을 제공하려는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 MR 확산텐서 영상기법(DTI: Diffusion tensor imaging)을 이용해서 얻은 MRI영상에서 획득한 확산계수를 이용하여 보다 정확한 방법으로 SAR 값을 계산하기 위한 표준화된 방법을 제공하려는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 언급한 과제로 제한되지 않는다. 언급하지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 MRI 영상 획득 시에 MRI 장치에서 계산되는 온도를 검증하기 위한 인체모사 팬텀은, 인체의 몸통 형상의 케이스와, 상기 케이스에 채워지는 겔(Gel) 팬텀과, 상기 겔 팬텀의 수직하는 단부면의 외측 가장자리에 복수 개 설치되는 온도센서로 이루어진다.

또한 겔 팬텀의 열확산 계수는 1.4ⅹ10^-7m²/s 이고, 열 용량은 4156 J/(kg·℃))일 수 있다.

본 발명은 MRI장치가 제공하는 시퀀스들 - DTI시퀀스를 포함함 - 의 SAR값을 획득하기 위한 방법이며, 이러한 방법은 인체모사 팬텀을 MRI 장치에 안착시키는 제1 단계와, DTI 시퀀스로 스캔하여 온도 및 SAR 값을 산출하는 제2 단계와, 측정대상 시퀀스로 스캔하는 제3 단계와, 측정대상 시퀀스로 스캔한 후 DTI 시퀀스로 스캔하여 온도를 산출하는 제4 단계와, 상기 제4 단계에서 획득된 온도와 제2 단계에서 획득된 온도의 차이에 기초로 측정대상 시퀀스의 SAR 값을 획득하는 제5 단계를 포함하여 이루어지고, 상기 측정대상 시퀀스는 DTI 시퀀스 보다 높은 SAR 값을 갖는 시퀀스이다.

실시예로서, 제2 단계 및 제4 단계의 온도는 DTI 시퀀스 스캔으로부터 MD(mean diffusivity)를 얻은 후 하기 〈수식 1〉로부터 온도(T)를 산출된다.

〈수식 1〉

D = D_0·[(T/T_s)-1]^γ

여기서, D₀=1.635ⅹ10^-8m²/s, T_s=215.05K, γ=2.063 이고, 확산계수(D)에는 MD가 적용된다.

추가적으로, 제2 단계의 SAR 값은 하기 〈수식 2〉에 의하여 계산된다.

〈수식 2〉

C_p△T = SAR_DTI·TA_DTI

여기서, C_p(=4.18kJ/(kg·℃))는 팬텀의 비열이고, △T는 온도 변화이며, TA는 영상획득시간이다. 그리고 SAR_DTI는 DTI 시퀀스 스캔의 SAR 값을 나타내며,TA_DTI는 DTI 시퀀스 스캔에 의한 영상획득시간을 나타낸다.

본 발명에 따른 방법은, 인체모사 팬텀의 수직하는 단부면의 외측 가장자리에 복수 개의 온도센서를 설치되고, 상기 제2 단계 이후에, 제2 단계에서 산출된 온도(T)와 인체모사 팬텀의 온도센서로부터 측정된 온도를 비교하는 단계를 더욱 포함한다.

또한 제5 단계에서 측정대상 시퀀스의 SAR 값은 하기 〈수식 3〉에 의하여 계산된다.

〈수식 3〉

C_p△T = SAR_DTI·TA_DTI+ SAR_high·TA_high

여기서, C_p(=4.18kJ/(kg·℃))는 팬텀의 비열이고, △T 는 온도 변화이며, TA는 펄스 시퀀스에 의한 영상획득시간이다. 그리고 SAR_high는 측정대상 시퀀스 스캔의 SAR 값을 나타내며, TA_high는 측정대상 시퀀스 스캔에 영상획득시간을 나타낸다.

또한 본 발명은 MRI 장치가 제공하는 시퀀스의 SAR 값을 획득하기 위한 방법을 구현하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체를 제공한다.

또한 본 발명은 MRI 장치가 제공하는 시퀀스의 SAR 값을 획득하기 위한 방법을 구현하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 프로그램을 제공한다.

본 발명에 따르면, 확산계수를 이용하여 보다 정확한 방법으로 SAR 값을 계산하기 위한 표준화된 방법을 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면 water diffusion coefficient를 정량화하여 측정한 SAR 값은 임상 MRI 시스템에서 계산한 SAR 값에 대한 대안으로서 사용될 수 있다

도 1은 본 발명의 실시예에 사용된 인체모사팬텀 용기의 형상도.
도 2는 인체모사팬텀의 초기온도와 열적평형에 도달하는 데 걸리는 시간을 측정하기 위하여 설치한 4개의 광섬유 온도센서의 위치도.
도 3은 팬텀의 가장자리에 나타난 관심영역 ROI(적색)를 나타낸 도면.
도 4는 P사 3T scanner에서 평균확산계수 (MD: mean diffusivity) MRI영상들의 차이로부터 획득된 온도의 변화를 나타낸 도면.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 실험에 사용된 MRI 스캐너와 인체모사 팬텀은 아래와 같다.

〈MRI 스캐너〉

본 발명의 실시예에서는 5개의 MRI 스캐너를 사용하여 SAR 값을 측정한다. 5개의 MRI 스캐너는 P사의 A모델 1.5 T, G사의 S모델 1.5 T, S사의 M모델 3 T 그리고 두 개의 동일한 P사의 A모델 3 T 시스템이다. 여기서 두 개의 동일한 P사의 A모델 3 T 시스템은 편의상 P사의 A모델 3 T(1), P사의 A모델 3 T(2)로 구분한다. MRI 스캐너에 표시된 SAR 값은 1.48, 1.5, 1.58, 2.5W/kg이다. 그리고 SAR 값을 갖는 3개의 다른 MRI 시퀀스에 대한 것을 2개의 개별적 자기장 강도에서 여러 가지 스캐너로 측정하였다.

MRI 스캐너들의 이미지 획득 파라미터(Image acquisition parameters)를 〈표 1〉에 요약하였다. 여기서 RF 여기 전력(RF excitation power)은 integrated RF body coil(Multi-transmit mode= “NO”at P사 3T)로부터 전송된 것이다. 실험에서는 receive coil을 4-channel 또는 8-channel body array coil로 채용하였다.

Image acquisition parameters at 1.5 and 3.0 T.

	Image sequence
	T1w TSE	T1 TIRM	T2w TSE
TR/TE [ms]	800/10	1150/9.3	4710/110
TI [ms]	N/A	220	N/A
Field of view [mm²]	440×400	440×400	440×400
No. of slices	10	8	10
Slice thickness [mm]	6	6	6
Acquisition matrix	440×400	256×256	200×154 (reconstructed to 400×400)
Voxel size [mm³]	1×1×6	1.56×1.45×6	1×1×6
Slice orientation	Transverse	Transverse	Transverse
Phase-encoding direction	AP	AP	AP
NSA	2	1	4
Total scan time (G사 1.5 T/ P사 1.5 T)	5 min 12 s/ 4 min 56 s	4 min 18 s	4 min 23 s
Parallel imaging method	No	GRAPPA for S사 3 T	No
Bandwidth [Hz/pixel] (G사 1.5 T/ P사 1.5 T)	260/290	260	334

TSE= Turbo spin echo, TIRM= Turbo inversion recovery magnitude

〈인체모사 팬텀〉

실린더 형상의 인체모사 팬텀(50cm(L)ⅹ43cm(W)ⅹ28cm(H))을 미국 인체측정기준 데이터에 기초하여 제조하였다.

NaCl 52.7g, HEC powder 1054.6g, distilled water 33.6L로 이루어지는, 인체 조직과 유사한, 겔 상태의 HEC(hydroxy-ethyl cellulose) 식염용액 약 33.6L를 밀폐된 플라스틱 팬텀 용기(두께 15mm)에 가득 채웠다. 이는 미국 재료시험학회(ASTM: American Society of Testing Materials)에서 제시된 국제표준방식으로서 SAR 측정을 위해 제시된 것이다.

열특성 분석기(KD2, Decagon Devices Inc., Pullman, WA, USA0를 사용하여 겔(gel)의 열 특성(열확산 계수=1.4ⅹ10^-7m²/s, 열 용량=4156J/(kg·℃))이 측정되었다.

유전체 평가 키트(DAK-12, SPEAG Ltd., Zurich, Switzerland)를 사용하여 겔 용액의 전기 전도도와 상대 유전율이 측정하였다.

전기전도도(σ)는 64 MHz에서 0.48 ±0.04 S/m 이고, 128 MHz에서 0.49±0.04 S/m 이었다. 그리고 상대 유전율(ε_r)은 64 MHz에서 76.48 ±3.98이고 128 MHz에서 76.22 ±4.12로 측정되었다.

마지막으로 팬텀 용기에 진공을 형성을 하여 겔 팬텀용액에서 공기방울을 제거하였다.

도 1은 인체 모사 팬텀의 커버를 나타낸 것인데, 측정을 위해 커버에 내부에 복수 개의 광섬유 온도센서를 설치하고 인체 모사 팬텀을 채운다.

4개의 광섬유 온도센서(OFS, Neoptix Inc., Quebec, Canada)가 28℃의 겔 팬텀의 수직하는 단부면의 외측 가장자리에 배치하였는데, 측정하는 동안에 환경적 열손실은 최소화되는 것을 확인하였다.

〈DTI(Diffusion Tensor Imaging) 스캔으로부터 MD(mean diffusion)를 획득하고, 획득된 MD에 기초하여 온도(T)를 계산하는 방법〉

SAR 측정을 위하여, DTI(Diffusion Tensor Imaging) 스캔으로부터 DWI(Diffusion Weighted Imaging)의 ROI(region-of-interest) 기반에서 MD 계산을 수행하였다. ROI 기반 정량화 측면에서, Fig 3에서 보는 바와 같이, b=0 이미지 및 high b 확산 가중 영상이미지에서 겉보기확산계수(ADC: apparent diffusion coefficient) 를 산출하여 MD 값을 얻었다. 이렇게 얻은 MD 값을 확산계수(D)로 사용한다.

겔(gel)에서 water 확산계수는 실재 free water의 확산계수와 동일하며, 확산계수(D)는 온도(T)에 매우 민감하다. 온도는 〈수식 1〉을 사용하여 계산하였다.

〈수식 1〉

D = D _0· [(T/T _s )-1] ^γ

여기서, D₀=1.635ⅹ10^-8m²/s, T_s=215.05K, γ=2.063 이다. 여기서, D₀는 0-100℃에서의 순수물의 자가확산계수이고, T_s는 기준온도이며, γ는 비례상수이다. 그리고 DTI에 의해 측정된 평균 확산계수는 〈수식 1〉의 확산계수(D)와 동일하다.

상기 〈수식 1〉에서 얻은 온도(T)가 실재 인체모사 팬텀의 온도와 동일한지를 확인하기 위하여 인체모사 팬텀에 설치한 광섬유 온도센서로부터 검출되는 온도와 비교하였다. 온도의 차이가 큰 경우 〈수식 1〉로부터 계산된 온도(T)는 신뢰성이 없다고 판단할 수 있으며, 온도의 차이가 미미할 경우 〈수식 1〉로부터 계산된 온도(T)는 신뢰할 수 있는 값일 수 있다.

〈수식 1〉의 확산계수(D)로부터 얻어진 온도 변화의 검증은, Fig. 2에서와 같이, 4개의 광섬유 온도센서에 의해 측정된 것과 비교하여 수행되었다.

온도센서들의 주위에 그려진 각각의 관심영역(ROI) 내의 평균 확산계수는, IDL 8.4(IDL Research Systems Inc., Boulder, CO, USA) 소프트웨어를 사용해 직접 만든 GUI 프로그램을 이용해 각각의 MRI영상장비에서 high SAR 이미지 시퀀스로 MRI 스캔 전후에서 계산되었다.

MD 값은 센서의 팁에서 보여주는 MRI영상에서 센서의 팁을 포함한 ROI 내의 14픽셀이며 14픽셀의 평균값을 얻는다.

한편, 각각의 실험에서, 팬텀은 스캔룸 내에 배치되었고, 적어도 24시간동안에 열적 평형을 이루었다. 동일한 팬텀 무게 34 kg가 MRI 시스템에 저장 입력되었다.

MRI 스캔 후 인체모사 팬텀의 온도변화를 관찰하였다. 팬텀에 배치한 온도센서의 초기 온도와 환경 간의 열적 평형에 도달하는데 소요되는 시간을 측정하였다. 팬텀에 설치된 센서로부터 측정된 온도와 magnet bore 내부 온도의 차이가 0.1℃ 미만일 때, 열적 평형에 도달하였다고 간주하였다.

팬텀의 가장자리에 배치된 광섬유 센서로 측정한 온도가 주변환경의 온도와 열적 평형에 도달하기 까지 걸린 시간을 〈표 3〉에 나타내었다.

Phantom temperatures (mean±measured via optic fiber sensors and times to equilibrate with temperature inside a magnet bore at 3 T

Temperature inside magnet bore = 22.8 ±0.6℃
Sensor No.	Initial temperature	Final temperature	Time to equilibrate with the environment
OFS#1	28.4 ±0.5℃	22.7 ±0.6℃	4 hrs 08 min
OFS#2	28.3 ±0.6℃	22.8 ±0.5℃	4 hrs 02 min
OFS#3	28.3 ±0.6℃	22.8 ±0.6℃	4 hrs 07 min
OFS#4	28.2 ±0.5℃	22.7 ±0.6℃	4 hrs 11 min

초기 팬텀의 온도는 약 28℃ 였으며, 주변 환경에서 열적 평형을 도달하는 데 4시간 이상이 걸렸다.

따라서 MRI 스캔 시간은 인체모사 팬텀이 주변 환경에서 열적 평형에 도달하는 시간에 비하여 짧은 시간이어서 MRI 스캔 동안 주변 환경에 의한 열적 영향은 미미한 것을 확인하였다.

〈온도(T)로부터 SAR 값을 계산하는 방법〉

상기 〈수식 1〉로부터 계산된 온도(T)를 기초로 SAR 값을 계산한다. SAR 값은 하기 〈수식 2〉에 따른다.

〈수식 2〉

C _p △T = SAR _DTI ·TA _DTI

여기서, C_p(=4.18kJ/(kg·℃))는 팬텀의 비열이고, △T는 온도 변화이며, TA는 펄스 시퀀스에 의한 영상획득시간이다. 그리고 SAR_DTI는 DTI 스캔의 SAR 값을 나타내며, TA_DTI는 DTI 스캔의 펄스 시퀀스에 의한 영상획득시간을 나타낸다.

상기 〈수식 2〉로부터 계산된 SAR 값은 인체모사 팬텀에서 검출된 온도와 동일한 온도를 기초로 계산된 값이므로 신뢰성 있는 SAR 값이다.

〈MRI 장치가 제공하는 DTI 시퀀스를 제외한 다른 시퀀스의 SAR 값을 계산하는 방법〉

본 발명에서는 이와 같이 획득되는 DTI 시퀀스 스캔으로 계산되는 SAR 값을 이용하여, MRI 장치의 DTI 시퀀스를 제외한 다른 시퀀스의 SAR 값을 계산한다. 설명의 편의를 위해, DTI 시퀀스를 제외한 다른 시퀀스 스캔을 “측정대상 시퀀스”라 지칭한다.

각각의 MRI 스캐너에서 high SAR 시퀀스로 겔 팬텀을 가열하는 것은 high SAR 이미지 시퀀스를 실행하기 전후의 평균확산(MD: Mean Diffusivity)의 변화에 의해 평가 되었다.

우선 DTI 시퀀스 스캔을 하고, 측정대상 시퀀스로 스캔을 한 후, 한번 더 DTI 시퀀스 스캔한다. 여기서 측정대상 시퀀스는 DTI 시퀀스 스캔할 때 보다 높은 SAR 값는 시퀀스이다. 이어서 첫 번째 DTI 스캔에서 얻은 확산계수를 〈수식 1〉에 대입해서 획득한 온도와 두 번째 DTI 스캔에서 얻은 확산계수를 〈수식 1〉에 대입해서 얻은 온도를 계산한다. 이들 온도 차이와 DTI 시퀀스 스캔 시의 SAR 값 및 TA를 〈수식 3〉에 대입하여 측정대상 시퀀스의 SAR 값을 획득하는 단계를 포함한다.

한편 측정대상 시퀀스의 스캔이 이루어지면 SAR에 의하여 온도가 높아진다. 즉 측정대상 스퀀스의 스캔 이전과 이후의 온도 차이를 검출하여 측정대상 시퀀스 스캔의 SAR 값을 획득할 수 있다.

우선, DTI(diffusion tensor imaging) 시퀀스 스캔에 의해 유도된 SAR 값을 얻은 후, (DTI 시퀀스 스캔 보다 높은 SAR 값을 나타낸다고 추정되는) 높은 SAR 값(high SAR)의 MRI 스퀀스로 MRI 스캔을 한다. 이어서 앞서 설명한 바와 같이, 이전과 이후의 DTI 시퀀스 스캔 시의 DTI 영상기법에서 얻은 확산계수에 의한 온도 차이와 DTI 시퀀스 스캔으로부터 획득되는 SAR와 TA를 얻는다. 실험에서는 반복된 DTI 스캔들을 사용하여 각 MRI 스캐너에서 인체 모사 팬텀에 대해 측정하였다.

스캐너별 DTI 영상 획득 매개요소는 〈표 2〉에 나타내었다.

DTI acquisition parameters for each scanner

	G사 1.5 T	P사 1.5 T	S사 3 T	P사 3 T(1)
b-values [s/mm²]	0, 1000	0, 1000	0, 1000	0, 1000
No. of gradient directions	30	30	30	30
TE [msec]	80	82	88	74
TR [msec]	9218	8000	7100	6844
FoV [mm²]	400×400	380×380	400×400	400×400
Acquisition matrix	128×128	128×128	128×128	128×128
Slice thickness [mm]	4	4	4	4
No. of slices	16	14	14	14
Parallel imaging method	ASSET	SENSE	GRAPPA	SENSE
Acquisition time	5 min 12 s	4 min 56 s	4 min 18 s	4 min 23 s

팬텀의 가장자리에 놓여진 ROI 내에서 확산 평균은 IDL 8.4에 제시된 소프트웨어를 사용하여 각각 DTI 스캔이 평가되었다. 그리고 평균확산 영상(mean diffusivity map)들 간의 차이로부터 온도 변화를 추정하였다.

ROI의 확산평균의 표준오차 범위는 0.0005×10^-3에서 0.0006^-3mm²/s 이며, 이는 5개의 스캐너를 반복 측정하여 얻은 범위이다.

측정 후 스캐너 룸(scanner room)에 팬텀을 하루 동안 배치되어 환경과의 열 평형에 도달한 것을 확인하였다. 각 MRI 스캐너에 대해 SAR 측정을 적어도 10회 반복하였고, 평균 및 표준편차(SD)를 계산하였다. 또한 MRI 스캐너에서 측정된 평균 SAR 값과 MRI 스캐너의 화면에 표시되는 SAR 값의 백분율 차이를 계산하였다.

〈표 4〉에서는 3개의 MRI 스캐너 중 하나의 팬텀에서 4개의 광섬유 온도 센서를 사용하여 확산 계수로 얻은 온도를 보여준다.

Temperatures obtained by diffusion coefficients and measured via optic fiber temperature sensors before and after high SAR image sequence on one of two same model P사 3 T (T2w TSE and MRI system-reported SAR value = 1.5 W/kg)

		Before high SAR image sequence	After high SAR image sequence	Temperature difference between before and after high SAR image sequence
Position #1	Mean diffusion coefficient [×10^-3mm²/s]	2.1462	2.1553
	Temperature obtained by mean diffusion coefficient [K]	295.41	295.57	0.16
	Temperature measured via temperature sensor [°C]	24.18	24.35	0.17
Position #2	Mean diffusion coefficient [×10^-3mm2/s]	2.1473	2.1542
	Temperature obtained by mean diffusion coefficient [K]	295.43	295.56	0.13
	Temperature measured via temperature sensor [°C]	24.01	24.15	0.14
Position #3	Mean diffusion coefficient [×10^-3mm2/s]	2.1473	2.1533
	Temperature obtained by mean diffusion coefficient [K]	295.43	295.54	0.11
	Temperature measured via temperature sensor [°C]	24.16	24.28	0.12
Position #4	Mean diffusion coefficient [×10^-3mm2/s]	2.1484	2.1583
	Temperature obtained by mean diffusion coefficient [K]	295.45	295.63	0.18
	Temperature measured via temperature sensor [°C]	24.21	24.38	0.17

2가지 방법으로 측정된 온도는 잘 일치하는 것을 볼 수 있고, 두 방법의 차이는 6% 내지 9% 사이이다.

SAR 값과 온도 변화는 아래 〈수식 3〉에 따른다.

〈수식 3〉

C _p △T = SAR _DTI ·TA _DTI + SAR _high ·TA _high

〈수식 3〉에서 우측 첫 번째 항은 DTI 시퀀스의 가열을 의미하며, 우측 두 번째 항은 조사 중인 high SAR 시퀀스 가열을 의미한다. 상기 〈수식 3〉에 의하여 high SAR(SAR_high) 값을 구할 수 있다.

각각의 스캐너로부터 측정된 high SAR 값의 결과를 〈표 5〉에 나타내었다.

SAR measurement results using MR DTI from four MRI systems

	P사 1.5 T	G사 1.5 T	S사 3 T	P사 3 T(1)	P사 3 T(2)
Image sequence	T1w TSE	T1w TSE	T1 TIRM	T2w TSE	T2w TSE
Temperature difference between before and after the high SAR image sequence [°C] (mean±SD)	0.08 ±0.01	0.07 ±0.01	0.11 ±0.01	0.18 ±0.02	0.18 ±0.02
Measured SAR value induced by a DTI scan [W/kg] (mean±SD)	0.11 ±0.01	0.21 ±0.02	0.48 ±0.04	0.53 ±0.05	0.51 ±0.05
High SAR sequence scan time [sec]	168	169	186	320	320
MRI system-reported SAR value [W/kg]	1.58	1.48	2.5	1.5	1.5
SAR value measured for the high SAR image sequence [W/kg] (mean±SD)	1.38 ±0.09	1.39 ±0.12	1.96 ±0.18	1.94 ±0.18	1.96 ±0.19
Percentage difference between measured and reported SAR values [%]^a	-13.5	-6.3	24.2	25.6	26.6

TSE = Turbo spin echo, TIRM = Turbo inversion recovery magnitude, The sign ‘-’means that measured SAR value was lower than the reported one

G사 1.5 T MRI system의 경우 MRI 스캐너에 표시된 SAR 값은 1.58 W/kg이며, 측정된 SAR 값은 1.38 W/kg이다.

P사 1.5 T MRI scanner의 경우, MRI 스캐너에 표시된 SAR 값은 1.48 W/kg이며, 측정된 SAR 값은 1.39 W/kg이다.

S사 3 T MRI system의 경우, MRI 스캐너에 표시된 SAR 값은 2.5 W/kg이며, 측정된 SAR 값은 1.96 W/kg이다.

2개의 동일 모델인 P사 3 T MRI scanner들의 경우, 표시된 SAR 값은 1.5 W/kg이며, 측정된 SAR 값은 1.94 W/kg와 1.96 W/kg이다.

G사 1.5 T, P사 1.5 T, S사 3 T, P사 3 T(1)(2)에서 측정된 SAR 값과 표시된 SAR 값의 백분율 차이는 각각 13.5, 6.3, 24.2, 25.6 및 26.6 % 이다.

MRI 검사 중에 정확한 SAR 측정을 얻는 것은 쉽지 않다. 스캐너에 표시된 전신 평균 SAR 값은 실재 SAR 값과 다른 수 있다.

확산계수는 서로 다른 펄스 시퀀스의 상대적인 SAR 레벨을 정량화하고, 다양한 MR 장치 제조업체의 다양한 MRI 스캐너 레벨 및 다른 자기장 세기를 비교할 수 있도록 한다.

되돌아가 〈표 3〉을 참조하면, 팬텀이 실내 온도와 평형을 유지하는 데 약 4시간이 걸렸지만, SAR 측정은 훨씬 빨라졌다. 이것은 SAR 가열의 영향이 측정시간 동안 사라지지 않는다는 것을 의미하고, 10분을 넘지 않는다는 것을 의미한다.

공급업체가 사용하는 SAR의 자세한 교정절차는 최종 사용자가 알지 못한다. 〈표 5〉에서는 MRI 시스템에서 계산하여 표시한 SAR 값은 신뢰할 수 없다는 것을 보여준다.

일반적으로 MRI 스캐너에 표시된 SAR 값은 실재 SAR 보다 크다. 그러나 동일한 모델의 2대의 3 T 장비는 시스템에 표시된 SAR 값보다 측정된 SAR 값이 더 높게 나타났다. 이렇듯 MRI 시스템은 예상하는 것보다 휠씬 높은 출력을 낼 수도 있다.

이것은 coil Q-factor 또는 RF transmit coil의 오작동에 기인한 것일 수 있다. 예를 들어, RF transmit coil의 오작동은 증가된 B counter-rotating RF component에 의해 이루어질 수 있다. 이 결과는 MR 제조사마다 SAR 값의 교정이 다르게 이루어진다는 것을 의미한다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

Claims

MRI 영상 획득 시에 MRI 장치에서 계산되는 온도를 검증하기 위한 인체모사 팬텀으로서,
인체의 몸통 형상의 케이스와,
상기 케이스에 채워지는 겔(Gel) 팬텀과,
상기 겔 팬텀의 수직하는 단부면의 외측 가장자리에 복수 개 설치되는 온도센서로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인체모사 팬텀.
청구항 1에 있어서,
상기 겔 팬텀의 열확산 계수는 1.4ⅹ10^-7m²/s 이고, 열 용량은 4156 J/(kg·℃)인 것을 특징으로 하는 인체모사 팬텀.
MRI(Magnetic Resonance Imaging) 장치가 제공하는 시퀀스들 - DTI(Diffusion Tensor Imaging) 시퀀스를 포함함 - 의 SAR(Specific Absorption Rate) 값을 획득하기 위한 방법으로서,
인체모사 팬텀을 MRI 장치에 안착시키는 제1 단계와,
DTI 시퀀스로 스캔하여 온도 및 SAR 값을 산출하는 제2 단계와,
측정대상 시퀀스로 스캔하는 제3 단계와,
측정대상 시퀀스로 스캔한 후 DTI 시퀀스로 스캔하여 온도를 산출하는 제4 단계와,
상기 제4 단계에서 획득된 온도와 제2 단계에서 획득된 온도의 차이에 기초로 측정대상 시퀀스의 SAR 값을 획득하는 제5 단계를 포함하여 이루어지고,
상기 측정대상 시퀀스는 DTI 시퀀스 보다 높은 SAR 값을 갖는 시퀀스인 것을 특징으로 하는 MRI 장치가 제공하는 시퀀스의 SAR 값을 획득하기 위한 방법.
청구항 3에 있어서,
제2 단계 및 제4 단계의 온도는 DTI 시퀀스 스캔으로부터 MD(mean diffusivity)를 얻은 후 하기 〈수식 1〉로부터 온도(T)를 산출하는 것을 특징으로 하는 MRI 장치가 제공하는 시퀀스의 SAR 값을 획득하기 위한 방법.
〈수식 1〉
D = D_0·[(T/T_s)-1]^γ
여기서, D₀는 0-100℃에서의 순수물의 자가확산계수이고, T_s는 기준온도이며, γ는 비례상수이고, 확산계수(D)에는 MD가 적용된다.
청구항 4에 있어서,
상기 제2 단계의 SAR 값은 하기 〈수식 2〉에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 MRI 장치가 제공하는 시퀀스의 SAR 값을 획득하기 위한 방법.
〈수식 2〉
C_p△T = SAR_DTI·TA_DTI
여기서, C_p(=4.18kJ/(kg·℃))는 팬텀의 비열이고, △T는 온도 변화이며, TA는 영상획득시간이다. 그리고 SAR_DTI는 DTI 시퀀스 스캔의 SAR 값을 나타내며, TA_DTI는 DTI 시퀀스 스캔에 의한 영상획득시간을 나타낸다.
청구항 4에 있어서,
상기 인체모사 팬텀의 수직하는 단부면의 외측 가장자리에 복수 개의 온도센서를 설치되고,
상기 제2 단계 이후에,
제2 단계에서 산출된 온도(T)와 인체모사 팬텀의 온도센서로부터 측정된 온도를 비교하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 MRI 장치가 제공하는 시퀀스의 SAR 값을 획득하기 위한 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 제5 단계에서 측정대상 시퀀스의 SAR 값은 하기 〈수식 3〉에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 MRI 장치가 제공하는 시퀀스의 SAR 값을 획득하기 위한 방법.
〈수식 3〉
C_p△T = SAR_DTI·TA_DTI+ SAR_high·TA_high
여기서, C_p(=4.18kJ/(kg·℃))는 팬텀의 비열이고, △T 는 온도 변화이며, TA는 영상획득시간이다. 그리고 SAR_high는 측정대상 시퀀스 스캔의 SAR 값을 나타내며, TA_high는 측정대상 시퀀스 스캔에 의한 영상획득시간을 나타낸다.
청구항 3 내지 청구항 7 중 선택되는 어느 한 항에 기재된 MRI 장치가 제공하는 시퀀스의 SAR 값을 획득하기 위한 방법을 구현하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
청구항 3 내지 청구항 7 중 선택되는 어느 한 항에 기재된 MRI 장치가 제공하는 시퀀스의 SAR 값을 획득하기 위한 방법을 구현하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 프로그램.