KR20190063395A - Brain metabolite network generation method using time varying function based on MRS - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은, 뇌 대사물질을 모니터링하기 위해, 뇌의 특정 영역에 대해 자기공명분광학(Magnetic Resonance Spectroscopy, MRS) 장비를 이용하여 일정 시간 간격마다 스펙트럼을 검출하고, 검출된 스펙트럼으로부터 대사물질의 양이 시간에 따른 양적 변화를 나타내는 뇌 대사물질의 시변함수를 획득하고, 획득한 시변함수를 이용해 뇌 대사물질 네트워크(brain metabolite network)를 구성하는, 자기공명분광 기반 뇌 대사물질에 대한 시변함수를 이용한 뇌 대사물질 네트워크 생성 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for monitoring brain metabolism by detecting a spectrum at a predetermined time interval using a magnetic resonance spectroscopy (MRS) apparatus for a specific region of the brain and measuring the amount of metabolites from the detected spectrum Obtaining the time-varying function of the brain metabolite that exhibits a quantitative change over time, and using the time-varying function of the magnetic resonance spectroscopy-based brain metabolite to construct the brain metabolite network using the acquired time- Metabolic network generation system and method.
MRS는 방사선을 사용하지 않은 비 침습적인 방법으로 뇌 대사물질을 관찰할 수 있어 임상적으로 사용되는 기법으로 핵자기공명현상(nuclear magnetic resonance; NMR)을 이용한다. 물체에 외부 자장을 가하면 해당 물체 내에 존재하는 스핀은 물질과 자기장의 강도에 의존한 세차주파수로 세차운동을 하게 되는데, 이때 스핀에 세차주파수와 같은 주파수를 가진 전자기파를 가하면 스핀이 그 에너지를 흡수하여 공명현상이 발생하게 된다. 이러한 현상을 핵자기공명현상(NMR)이라 하며 이 현상에 의해 유도기전력이 발생하는데, 발생한 유도기전력을 측정하여 스펙트럼으로 나타낸 기법이 자기공명분광학이다. 이 기법은 단백질이나 거대 분자의 구조와 형태를 밝히고 인체 장기 내에 존재하는 조직의 화학적인 특성, 즉 대사물질의 생화학적 정보를 얻는 데 사용된다. 임상적으로는 뇌 대사물질의 생화학적 변화를 관찰함으로써 세포 조직의 변화를 미리 발견하여 암이나 간질과 같은 질환의 예방 및 진단에 사용된다.MRS uses nuclear magnetic resonance (NMR) as a clinical technique because it can observe brain metabolites in a non-invasive way without using radiation. When an external magnetic field is applied to an object, the spin existing in the object carries out the car motion with the carburizing frequency depending on the intensity of the substance and the magnetic field. At this time, when the electromagnetic wave having the same frequency as the carburizing frequency is applied to the spin, A resonance phenomenon occurs. This phenomenon is referred to as nuclear magnetic resonance (NMR). Induced electromotive force is generated by this phenomenon. The spectroscopic technique by measuring induced electromotive force is magnetic resonance spectroscopy. This technique is used to reveal the structure and morphology of proteins or macromolecules and to obtain the biochemical information of metabolites, the chemical properties of tissues present in organs of the human body. Clinically, by observing the biochemical changes of the brain metabolism, it is used to prevent and diagnose diseases such as cancer and epilepsy by detecting the changes of the cell tissues in advance.
기존 자기공명분광학(MRS)의 임상적 연구에서는 한 시점에서 측정해 얻은 스펙트럼을 통해 그 속에 포함된 뇌의 대사물질의 양에 대한 정보를 얻고 이를 정량화해 정상군과 대조군의 특정 대사물질에 대한 양을 비교하여 관찰하는 방법을 적용한다. 하지만 같은 질병이나 상태이라도 사람마다 대사물질 양의 증감 속도와 주기가 다르기 때문에 기존 방법과 같이 한 시점에서만 대사물질의 양을 비교하게 되면 대사물질의 역동적인 변화를 관찰할 수 없으며 대사물질의 관찰 시점에 따라 결과 값이 달라지는 문제가 발생한다. In a clinical study of conventional magnetic resonance spectroscopy (MRS), information on the amount of metabolites in the brain contained in the spectrum obtained at one point was obtained and quantified to determine the amount of specific metabolites in the normal and control groups Are compared and observed. However, even in the same disease or condition, the rate and cycle of metabolism change is different for each person. Therefore, when comparing the amount of metabolites only at a certain point in time, it is impossible to observe the dynamic change of the metabolites. The resultant value varies depending on the type of the apparatus.
따라서 한 시점에서 하나의 스펙트럼을 이용하여 비교하는 것이 아닌, 일정 시간 간격으로 여러 번 측정하여 측정 시점마다 스펙트럼을 얻은 뒤 각 시점에서의 대사물질의 양을 정량화하여 시간에 따른 양적 변화를 시변함수(time varying function)로 얻어 이를 비교하는 것이 요망되며, 이렇게 함으로써, 대사물질의 전체 변화 주기를 비교하므로, 보다 정확한 결과를 얻을 수 있다.Therefore, rather than using one spectrum at a time, we measured the amount of metabolites at each time point by obtaining the spectrum at each time point by measuring several times at a certain time interval, time variing function, which allows a more precise result to be obtained by comparing the entire cycle of metabolism.
따라서, 본 발명은. 뇌의 특정 영역에 대해 자기공명분광학 장비를 이용하여 일정 시간 간격마다 스펙트럼을 검출하고, 검출된 스펙트럼으로부터 대사물질의 양의 시간에 따른 양적 변화를 나타내는 뇌 대사물질의 시변함수를 획득하고, 획득한 시변함수를 이용해 뇌 대사물질 네트워크를 구성하는, 자기공명분광 기반 뇌 대사물질에 대한 시변함수를 이용한 뇌 대사물질 네트워크 생성방법을 제안한다. Accordingly, the present invention is directed to: Observing the spectrum at certain time intervals using magnetic resonance spectroscopy equipment for a specific region of the brain, obtaining a time-varying function of the brain metabolite that exhibits a quantitative change over time of the amount of metabolite from the detected spectrum, We propose a method of generating a brain metabolic network by using a time-varying function for magnetic resonance spectroscopy-based brain metabolites, which constitutes a brain metabolism network using a time-varying function.
본 발명은 각 영역의 대사물질에 대한 시변함수로 영역들 간 상관 계수를 계산하여 네트워크를 구성함으로 써, 다양한 연구 및 분석에 이를 이용할 수 있다.The present invention can be used for various researches and analyzes by constructing a network by calculating correlation coefficients between regions with a time-varying function for metabolites in each region.
선행기술로, 국내 공개특허 제10-2011-0045618호는, 자기공명분광법을 이용한 뇌 대사물질의 양적 변화량을 측정함으로써 파킨슨 질환을 진단하는 방법과 파킨슨 질환 치료제를 스크리닝하는 방법에 관한 것으로서, 뇌의 대사물질의 양에 대한 정보를 얻고 이를 정량화하여 정상군과 파킨슨 질환 유발군의 특정 대사물질에 대한 양을 비교하여 관찰하는 방법을 적용하며, 한 시점에서만 대사물질의 양을 비교하므로, 대사물질의 역동적인 변화를 관찰할 수 없다.In the prior art, Korean Patent Laid-Open No. 10-2011-0045618 relates to a method of diagnosing Parkinson's disease and a method of screening a therapeutic agent for Parkinson's disease by measuring quantitative change of brain metabolism using magnetic resonance spectroscopy, Obtain information on the amount of metabolites and quantify them. By comparing the amounts of specific metabolites in the normal group and the Parkinson's disease-induced group, No dynamic changes can be observed.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 뇌 대사물질을 모니터링하기 위해, 뇌의 특정 영역에 대해 자기공명분광학(MRS) 장비를 이용하여 일정 시간 간격마다 스펙트럼을 검출하고, 검출된 스펙트럼으로부터 대사물질의 양의 시간에 따른 양적 변화를 나타내는 뇌 대사물질의 시변함수를 획득하고, 획득한 시변함수를 이용해 뇌 대사물질 네트워크를 구성하는, 자기공명분광 기반 뇌 대사물질에 대한 시변함수를 이용한 뇌 대사물질 네트워크 생성방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to provide a method for monitoring brain metabolism by detecting a spectrum at a predetermined time interval using a magnetic resonance spectroscopy (MRS) apparatus for a specific region of the brain, To obtain a time-varying function of a brain metabolite that exhibits a quantitative change over time and to construct a cerebral metabolic network using the acquired time-varying function. Method.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 특정 복셀 또는 영역을 기준(seed)으로 정한 뒤 그 복셀 또는 영역과 높은 상관관계(correlation)를 보이는 영역을 규명하는 방법(seed-based correlation analysis; SCA), 독립 성분 분석 기법을 통해 네트워크를 구성하는 방법(independent component analysis; ICA), 그래프 이론의 적용을 통해 네트워크를 구성 및 평가하는 방법에 의해 뇌 대사물질 네트워크를 구성하는, 자기공명분광 기반 뇌 대사물질에 대한 시변함수를 이용한 뇌 대사물질 네트워크 생성방법을 제공하는 것이다.Another problem to be solved by the present invention is to provide a seed-based correlation analysis (SCA) method for identifying a specific voxel or region as a seed and showing a high correlation with the voxel or region, Independent component analysis (ICA) is a method of constructing a network of brain metabolites by constructing and evaluating networks through the application of graph theory. And a method for generating a brain metabolite network using the time-varying function.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 뇌 대사물질을 모니터링하기 위해, 일정 시간 간격마다, 자기공명분광학(MRS) 장비로부터, 획득된 뇌의 영역에 대한 스펙트럼을 연산처리부가 수신하는, 스펙트럼 수신 단계; 스펙트럼 수신 단계에서 수신한 스펙트럼으로부터, 대사물질의 양이 시간에 따른 양적 변화를 나타내는 뇌 대사물질의 시변함수를 연산처리부가 획득하는, 스펙트럼 시변함수 획득 단계; 연산처리부는 시변함수 획득단계에서 획득한 시변함수를 이용하여 뇌 대사물질 네트워크를 생성하는, 네트워크 구성단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.In order to solve the above problems, the present invention provides a method for monitoring brain metabolism, comprising the steps of: receiving, from a magnetic resonance spectroscopy (MRS) instrument, step; A spectral time-varying function acquiring step of acquiring a time-varying function of a cerebral metabolism from the spectrum received in the spectral receiving step, the amount of metabolite showing a quantitative change with time; The operation processing unit is configured to generate a brain metabolism network using the time-varying function acquired in the time-varying function acquiring step.
스펙트럼 수신 단계에서 연산처리부가 수신한 스펙트럼 영상은, 2D 자기공명스펙트럼영상(MRSI) 기법 또는 3D MRSI 기법을 이용하여 획득된 다중복셀 자기공명스펙트럼(MRS)이다.The spectral image received by the arithmetic processing unit in the spectral receiving step is a multi-voxel magnetic resonance spectrum (MRS) obtained by using a 2D MR spectroscopy (MRSI) technique or a 3D MRSI technique.
상기 스펙트럼은 대사 물질의 양에 따른 화학적 천이(chemical shift) 정도를 나타내며, 상기 화학적천이 (δ)는 The spectrum represents the degree of chemical shift according to the amount of metabolite, and the chemical shift (?
(단, f는 대사물질내의 수소원자핵의 라모어 주파수, fref는 기준물질인 TMS(tetramethylsilane) 또는 DSS(4-dimethyl-4-silapentane-1-sulfonic acid)의 주파수)으로 나타낸다.(Where f is the Lamor frequency of the hydrogen nucleus in the metabolite and f ref is the frequency of tetramethylsilane (TMS) or 4-dimethyl-4-silapentane-1-sulfonic acid (DSS)).
상기 스펙트럼에서 피크(peak)의 중심지점의 화학적 천이값은 어떤 대사물질인지를 나타내며 피크의 넓이는 대사물질의 양을 나타낸다.In this spectrum, the chemical shift value at the center of the peak indicates the metabolite, and the width of the peak indicates the amount of the metabolite.
알라닌(Alanine, Ala)을 포함하는 다수개의 뇌 대사물질에 대해 각 대사물질만 포함하는 팬텀용액에서 자기공명분광학(MRS) 장비를 이용하여 스펙트럼을 측정하고, 연산처리부는 측정된 스펙트럼을 이용하여 기저집합(basis set) 데이터를 생성한다. 기저집합(basis set) 데이터를 위해, 18개의 뇌 대사물질에 대해 각 대사물질만 포함하는 팬텀용액을 만들어 스펙트럼을 측정하였으며, 상기 18개의 뇌 대사물질은, 알라닌(Alanine, Ala), 아스파르테이트(Aspartate, Asp), 크레아틴(Creatine, Cr), 포스포크리아틴(Phosphocreatine, PCr), 감마-아미노부티르산(gamma-Aminobutyric acid, GABA), 글루코스(Glucose, Glc), 글루타메이트(Glutamate, Glu), 글루타민(Glutamine, Gln), 글루타티온(Glutathione, GSH), 글리세로포스포콜린(Glycerophosphocholine, GPC), 포스포콜린(Phosphocholine, PCho), 미오이노시톨(Myo-Inositol, Ins), 젖산(Lactate, Lsc), N-아세틸아스파타이트(N-Acetylaspartate, NAA), N-아세틸아스파르틸글루타메이트(N-Acetylaspartylglutamate, NAAG), 포스포크리아틴(Phosphocreatine, PCr), 포스포릴에탄올아민(Phosphorylehtanolamine, PE), 타우린(Taurine, Tau)을 포함한다.The spectrum is measured using a magnetic resonance spectroscopy (MRS) apparatus in a phantom solution containing a plurality of metabolic materials including alanine (Alanine, Ala) and each metabolite alone. And generates basis set data. For the basis set data, spectra were measured by making a phantom solution containing only each metabolite for 18 brain metabolites, and the 18 brain metabolites were analyzed for alanine (Alanine, Ala), aspartate (Aspartate, Asp), Creatine (Cr), Phosphocreatine (PCr), Gamma-Aminobutyric acid (GABA), Glucose, Glc, Glutamate Glutamine, Gln, Glutathione (GSH), Glycerophosphocholine (GPC), Phosphocholine, PCho, Myo-Inositol, Ins, Lactate (Lsc) , N-Acetylaspartate (NAA), N-Acetylaspartylglutamate (NAAG), Phosphocreatine (PCr), Phosphorylethanolamine (PE), Taurine (Taurine, Tau).
스펙트럼 시변함수 획득 단계에서, 2D 자기공명스펙트럼(MRS)의 시계열 신호를 획득하기 위한 신호측정 시간 간격은, 1회 측정하는데 소요되는 시간인, TR×Nx×Ny×NEX (단, TR은 각 세차주파수에 해당하는 MRSI 펄스의 반복시간이며, Nx는 2D MRSI에서 스펙트럼을 획득할 다중복셀의 가로방향으로 배열된 복셀의 수이고, Ny는 2D MRSI에서 스펙트럼을 획득할 다중복셀의 세로방향으로 배열된 복셀의 수이고, NEX는 동일조건으로 실험을 반복하는 횟수임) 이상이다.In the spectrum time-varying function acquisition step, 2D magnetic resonance spectrum (MRS) signal measured time interval for obtaining a time-series signal, the time required to measure once, TR × N x × N y × NEX (where, TR is N x is the number of voxels arranged in the transverse direction of the multi-voxel to obtain the spectrum in 2D MRSI and N y is the length of the multi-voxel to obtain the spectrum in 2D MRSI, And NEX is the number of times the experiment is repeated under the same condition).
네트워크 구성단계에서, 네트워크 구성을 위해, 연산처리부는 특정 복셀 또는 영역을 기준(seed)으로 정한 뒤 그 복셀 또는 영역과 높은 상관관계(correlation)를 보이는 영역을 규명하는 방법(seed-based correlation analysis; SCA)을 이용할 수 있다.In the network configuration step, for the network configuration, the arithmetic processing unit determines a specific voxel or region as a seed and then identifies a region showing a high correlation with the voxel or region (seed-based correlation analysis; SCA) can be used.
MRSI 데이터를 n개의 다른 시각 (t1, t2, …, t10)에 측정을 하면, 각 시각마다 각각의 대사물질의 양들이 각 복셀에서 얻어지게 되며, 결과적으로 각 복셀마다 각 대사물질의 양은 n개의 데이터로 이루어진 시변량으로 표현된다.When the MRSI data are measured at n different times (t1, t2, ..., t10), the amounts of each metabolite are obtained in each voxel at each time, and as a result, the amount of each metabolite per voxel is n And expressed as a time-variant amount of data.
네트워크 구성단계에서, SCA 방법을 이용할 경우, 두 복셀에서 대사물질 양의 시변량을 각각 x, y라고 하고 이중 특정시간 ti에 측정된 대사물질양을 xi, yi라고 하고, 또한 시변량의 평균을 , 로 하고, 시변량의 표준편차를 sx,sy 라고 하면, 두 복셀의 상관 계수(r)는 In the network construction step, when the SCA method is used, the time-varying amounts of the metabolite amounts in the two voxels are x and y, respectively, and the amounts of metabolites measured at the specific time t i are x i and y i , Average of , , And the standard deviation of the time variant is s x , s y , the correlation coefficient (r) of the two voxels is
이며, 상기 상관 계수(r)은 -1에서 1사이의 값을 가지며, 연산처리부는 상기 상관 계수(r)를, 기 설정된 문턱치 (rthresh )와 비교하여. 상기 상관 계수(r)가 크면 양의 상관관계(correlation)가 있다고 판단하고, 상기 상관 계수(r)가 작다면 음의 상관관계(anti-correlation)가 있다고 판단하고, 상관 계수(r)가 크거나 작지 않다면, 상관관계가 없는 것으로 판단한다.The correlation coefficient r has a value between -1 and 1, and the arithmetic processing unit sets the correlation coefficient r to a predetermined threshold rthresh ). It is determined that there is a positive correlation when the correlation coefficient r is large and it is determined that there is a negative correlation if the correlation coefficient r is small and when the correlation coefficient r is large, Or is not small, it is judged that there is no correlation.
연산처리부는 상기 상관 계수를, 통계분석에서 사용되는 표준화한 z값으로 나타내고, 색으로 암호화하여 해부학적 영상에 표시하며, 상기 상관 계수를 구해진 두 영역은, 네트워크에서 엣지(edge)로 연결관계를 나타내되, 양의 상관관계로 연결되어 있을 경우의 엣지 색상과 음의 상관관계로 연결되어 있을 경우의 엣지 색상은, 서로 다른 색상이다. 연산처리부는, 양의 상관관계로 연결되어 있을 경우에는 빨간색 엣지로 표현하고, 음의 상관관계로 연결되어 있을 경우에는 파란색 엣지를 표현할 수 있다.The arithmetic processing unit displays the correlation coefficient as a standardized z value used in statistical analysis, encrypts it with a color and displays it on an anatomical image, and the two areas in which the correlation coefficient is obtained are connected to an edge of the network And edge colors when they are connected in a positive correlation and negative colors when they are connected in a negative correlation are different colors. The arithmetic processing unit may represent a red edge when connected by a positive correlation and a blue edge when connected by a negative correlation.
네트워크 구성단계에서, 네트워크 구성을 위해, 그래프 이론 접근 방법(graph theory approach)을 이용할 수 있다.At the network configuration stage, a graph theory approach can be used for network configuration.
네트워크는 노드(node)와 엣지(edge)를 포함하여 이루어진다.A network consists of a node and an edge.
네트워크 구성단계에서, 그래프 이론 접근 방법을 이용할 경우, 노드들 사이의 연결성 여부는 연결행렬(connectivity matrix, C)로 표현되며, N개의 노드로 이루어진 뇌 네트워크의 연결행렬은 N×N 행렬을 이루고,In the network configuration step, when a graph theory approach is used, whether a connection between nodes is represented by a connectivity matrix (C), a connection matrix of a brain network composed of N nodes forms an N × N matrix,
연결행렬의 i행 j열 원소 cij는 i번째 노드와 j번째 노드 사이의 연결성을 나타내는 값이다.The i row j column element c ij of the connection matrix is a value indicating the connectivity between the i-th node and the j-th node.
이진(binary) 네트워크의 경우, 연결행렬 cij는 In the case of a binary network, the connection matrix c ij
(단, r은 상관계수이며, rthresh 는 상관계수의 문턱치 임) 이며, 상기 연결행렬 값이 0일 경우, 해당 두 노드는 서로 연결되어있지 않으며, 상기 연결행렬 값이 0이 아닌 경우 서로 연결된 것으로 간주하여, 두 노드는 에지로 연결하여 표현한다.(Where r is the correlation coefficient and rthresh Is a threshold value of the correlation coefficient). When the connection matrix value is 0, the two nodes are not connected to each other. If the connection matrix value is not 0, they are regarded as being connected to each other. Express.
가중(weighted) 네트워크의 경우에는, 연결행렬 cij는 In the case of a weighted network, the connection matrix c ij is
이며, 상기 연결행렬 값이 0일 경우, 해당 두 노드는 서로 연결되어있지 않으며, 상기 연결행렬 값이 0이 아닌 경우 서로 연결된 것으로 간주하여, 두 노드는 에지로 연결하여 표현한다.When the connection matrix value is 0, the two nodes are not connected to each other, and when the connection matrix value is not 0, they are regarded as connected to each other, and the two nodes are connected to each other by an edge.
네트워크 구성단계에서, 연산처리부가, 뇌를 기능적으로 다수개의 서로 다른 영역으로 구분하고, 각 영역을 노드로 표현하고, 각 노드간 상관계수(r)를 계산하여 연결행렬을 구성하고, 상기 연결행렬의 행렬값을 그레이 레벨로 표현하고, 그레이 레벨로 표현된 연결행렬로 구성된 네트워크를 가중 네트워크라고 하며, 상기 가중네트워크에서는 r=0일 경우, 두 노드는 엣지로 연결하지 않으며, r≠0이면, 엣지로 연결하며, r값에 비례해서 엣지의 굵기가 정해지도록 구성된다.In the network configuration step, the arithmetic processing unit divides the brain functionally into a plurality of different areas, expresses each area as a node, calculates a correlation coefficient r between the nodes to construct a connection matrix, Is a gray level, and a network composed of connection matrices represented by gray levels is called a weighted network. In the weighted network, when r = 0, the two nodes do not connect to the edge. If r ≠ 0, Edge, and is configured to determine the thickness of the edge in proportion to the value of r.
네트워크 구성단계에서 구성한 네트워크를 통해 뇌에서 신진대사물질사이의 형성된 네트워크를 분석하기 위해서, 노드의 차수(node degree), 최단 경로 길이(shortest path length), 중심성(centrality), 군집 계수(clustering coefficient)를 포함하는 네트워크 파라미터를 검출한다. 상기 네트워크 파라미터는, 특정 노드 주변의 삼각망 수(Number of triangles around a node), 특정 노드와 다른 모든 노드와의 사이의 평균 거리(average distance between node i and all other nodes), 경로 길이(Characteristic path length), 특정 노드의 효율(Efficiency of node), 전체 효율(Global efficiency), 특정 노드의 군집계수(Clustering coefficient of node i), 특정 노드의 국소 효율(local efficiency of node i), 국소 효율(Local efficiency)을 더 포함할 수 있다.The node degree, the shortest path length, the centrality, and the clustering coefficient are used to analyze the network formed between the metabolites in the brain through the network constructed in the network configuration step. Lt; / RTI > The network parameters include a number of triangles around a node, an average distance between nodes and all other nodes, a length of a characteristic path, the efficiency of a particular node, the global efficiency, the clustering coefficient of a node, the local efficiency of a node, efficiency.
또한 본 발명의 뇌 대사물질 네트워크 생성방법에 대한 컴퓨터 프로그램 소스를 저장한 기록매체를 특징으로 한다.The present invention also provides a recording medium storing a computer program source for a method for generating a brain metabolism network.
본 발명의 자기공명분광 기반 뇌 대사물질에 대한 시변함수를 이용한 뇌 대사물질 네트워크 생성방법은, 뇌 대사물질을 모니터링하기 위해, 뇌의 특정 영역에 대해 자기공명분광학(MRS) 장비를 이용하여 일정 시간 간격마다 스펙트럼을 검출하고, 검출된 스펙트럼으로부터 대사물질의 양의 시간에 따른 양적 변화를 나타내는 뇌 대사물질의 시변함수를 획득하고, 획득한 시변함수를 이용해 뇌 대사물질 네트워크를 구성한다. 이는, 한 시점에서 하나의 스펙트럼을 이용하여 비교하는 것이 아닌, 일정 시간 간격으로 여러 번 측정하여 측정 시점마다 스펙트럼을 얻은 뒤 각 시점에서의 대사물질의 양을 정량화하여 시간에 따른 양적 변화를 시변함수로 얻어 이를 비교하는 것으로써, 대사물질의 전체 변화 주기를 비교하므로, 보다 정확한 결과를 얻을 수 있다.The method for generating a cerebral metabolic network using a time-varying function of a magnetic resonance spectroscopy-based brain metabolism of the present invention is a method for monitoring brain metabolism using a magnetic resonance spectroscopy (MRS) Acquiring a time-varying function of a brain metabolite that exhibits a quantitative change in the amount of metabolite over time from the detected spectrum, and constructing a brain metabolism network using the acquired time-varying function. This is because, rather than using one spectrum at a time, the spectra are measured at a predetermined time interval, and the quantities of the metabolites are quantified at each time point, By comparing these, it is possible to obtain more accurate results by comparing the total change period of the metabolites.
또한, 본 발명은 특정 복셀 또는 영역을 기준(seed)으로 정한 뒤 그 복셀 또는 영역과 높은 상관관계(correlation)를 보이는 영역을 규명하는 방법(seed-based correlation analysis; SCA), 독립 성분 분석 기법을 통해 네트워크를 구성하는 방법(independent component analysis; ICA), 그래프 이론의 적용을 통해 네트워크를 구성 및 평가하는 방법 각각에 의해 뇌 대사물질 네트워크를 구성한다. The present invention also relates to a method for identifying a specific voxel or region as a seed and then identifying a region showing a high correlation with the voxel or region thereof (seed-based correlation analysis (SCA) (ICA), and constructing and evaluating networks through the application of graph theory, constitute the brain metabolism network.
본 발명은 상관 계수(correlation coefficient)를 통해 뇌의 영역들 간 대사물질의 상호 연관성을 밝히는데 기여할 수 있다. 또한 같은 기능을 하는 뇌의 영역을 연결한 뇌의 기능적 네트워크(brain functional network)에서 연결된 두 영역이 본 발명인 뇌 대사물질 네트워크(brain metabolite network)를 통해 해당 영역에서 어떤 기능을 하는 대사물질의 양이 일치하게 증가하고 감소하는지 등을 봄으로써 두 영역의 기능적 연관성을 확인하는 것에서 그치지 않고 어떻게 상호작용하고 어떤 메커니즘(mechanism)을 통해 기능적으로 연관된 것인지 규명할 수 있다. 또한 이를 이용해서 뇌 질환의 진단과 치료 방법 개발에 보다 정확하고 정밀한 정보를 제공할 수 있으며, 치료과정을 모니터링하고 평가하는데 지표로 사용될 수 있다.The present invention can contribute to revealing the correlation of metabolites between regions of the brain through a correlation coefficient. In addition, two regions connected by a brain functional network connecting brain regions of the same function are connected to each other through the brain metabolite network of the present invention, It is possible to identify not only the functional relationship between the two domains, but also how they are interacted and functionally related through which mechanism. It can also be used to provide more accurate and precise information on the diagnosis and treatment of brain diseases, and can be used as an indicator to monitor and evaluate the treatment process.
도 1은 본 발명의 자기공명분광 기반 뇌 대사물질에 대한 시변함수를 이용한 뇌 대사물질 네트워크를 생성하기 위한 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 블럭도이다.
도 2는, 일반적으로 2D 자기공명스펙트럼영상(MRSI) 기법을 통해 획득된 뇌의 여러복셀에서의 스펙트럼을 설명하기 위한 설명도이다..
도 3는 일반적으로 2D MRSI에서 스펙트럼을 획득할 다중복셀에서 설정에 따른 복셀의 수을 설명하기 위한 설명도이다.
도 4은 일반적으로 2D MRSI 펄스열을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 일반적으로 3D MRSI 펄스열을 설명하기 위한 모식도이다.
도 6는 도 4의 경사자장 Gx와 Gy를 설명하기 위한 모식도이다.
도 7은 에코신호가 발생한 시점부터의 신호 획득을 설명하기 위한 설명도이다.
도 8은 마우스(mouse)의 해마영역에서 측정된 단일복셀 MR 스펙트럼의 예이다.
도 9은 다중복셀(3×3) 스펙트럼 실험을 10개의 서로 다른 시각에 실시하여 측정한 NAA의 시변량 그래프의 일예이다.
도 10는 네트워크가 노드와 엣지로 이루어짐을 설명하기 위한 모식도이다.
도 11은 뇌를 기능적으로 서로 다른 영역으로 구분하여 노드와 엣지로 나타내는 과정을 설명하는 설명도이다.
도 12은 12개의 노드로 이루어진 뇌의 네트워크 구성을 설명하는 설명도이다.
도 13은 AAL 템플릿의 각 영역을 나타낸다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram schematically illustrating the configuration of a system for generating a brain metabolism network using a time-varying function for a magnetic resonance spectroscopy-based brain metabolism of the present invention. FIG.
FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining spectra in various voxels of the brain obtained through a general 2D magnetic resonance spectroscopy (MRSI) technique.
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the number of voxels according to a setting in a multi-voxel to obtain a spectrum in 2D MRSI in general.
4 is a schematic diagram for explaining a 2D MRSI pulse train in general.
5 is a schematic diagram for explaining a 3D MRSI pulse train in general.
6 is a schematic diagram for explaining the gradient magnetic fields Gx and Gy in Fig.
FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining signal acquisition from the time when an echo signal is generated.
Figure 8 is an example of a single voxel MR spectrum measured in the hippocampal region of a mouse.
FIG. 9 is an example of a time-varying graph of NAA measured by performing multi-voxel (3 × 3) spectral experiments at 10 different viewing angles.
10 is a schematic diagram for explaining that a network is composed of nodes and edges.
11 is an explanatory view illustrating a process of dividing a brain functionally into different regions and representing the brain with nodes and edges.
12 is an explanatory diagram illustrating a network configuration of a brain having twelve nodes.
13 shows each area of the AAL template.
이하, 본 발명의 자기공명분광 기반 뇌 대사물질에 대한 시변함수를 이용한 뇌 대사물질 네트워크 생성방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for generating a cerebral metabolic network using a time-varying function of a magnetic resonance spectroscopy-based brain metabolism of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 자기공명분광 기반 뇌 대사물질에 대한 시변함수를 이용한 뇌 대사물질 네트워크를 생성하기 위한 시스템의 구성을 개략적으로 나타내는 블럭도로, 자기공명분광학(MRS) 장비(100), 신호전처리부(110), 연산처리부(200), 데이터 베이스(250), 키입력부(310), 출력부(320)을 포함하여 이루어진다.1 is a block diagram schematically illustrating the configuration of a system for generating a cerebral metabolic network using a time-varying function for a magnetic resonance spectroscopy-based brain metabolism of the present invention, a magnetic resonance spectroscopy (MRS)
자기공명분광학(MRS) 장비(100)는 뇌의 특정 영역에 대해 일정 시간 간격마다 스펙트럼을 검출한다.The magnetic resonance spectroscopy (MRS)
신호전처리부(110)는 자기공명분광학(MRS) 장비(100)로부터 수신된 신호에서 잡음을 제거하고 디지탈신호로 변환하는 신호전처리를 행한다.The
연산처리부(200)는 신호전처리부(110)로부터 수신된 스펙트럼으로부터 대사물질의 양이 시간에 따른 양적 변화를 나타내는 뇌 대사물질의 시변함수를 획득하고, 획득한 시변함수를 이용하여 뇌 대사물질 네트워크(brain metabolite network)를 구성하고, 뇌 대사물질 네트워크관련 데이터는 데이터 베이스(DB)(250)에 저장하고, 출력부(320)을 통해 출력된다. 연산처리부(200)는 컴퓨터, 마이크로프로세서등으로 구성될 수 있다.The
여기서, 키입력부(310)는, 파라미터, 영상 슬라이드 방향 등등을 설정하기 위해 필요하다.Here, the
연산처리부(200)는, 스펙트럼 획득 단계, 스펙트럼 시변함수 획득 단계, 네트워크 구성단계의 과정을 통해 뇌 대사물질 네트워크 생성한다. 따라서, 이하, 이들 단계에 대해서 설명한다.The
<스펙트럼 획득 단계>≪ Spectrum acquisition step &
먼저 자기공명분광학(MRS) 획득 장비를 통해 스펙트럼을 얻는 방법은 크게 단일복셀(single voxel) MRS기법과 다중복셀(multi voxel) MRS 기법이 있다. 본 발명은 여러 영역의 스펙트럼을 동시에 얻어야 하기 때문에 다중복셀 MRS방법에 초점을 맞추고 있다. 다중복셀 스펙트럼은 2차원(2D)과 3차원 (3D) 다중복셀 MRS기법을 통해 획득된다. 일반적으로 다중복셀 MRS기법은 화학적 천이영상 (chemical shift imaging, CSI) 기법 또는 자기공명스펙트럼영상(magnetic resonance sprectral imaging, MRSI) 기법으로 명명되어 사용된다. 본 발명에서는 설명의 편의상, MRSI 기법으로 통일하여 명명한다. First, the method of acquiring the spectrum through the MRS acquisition apparatus includes a single voxel MRS technique and a multi-voxel MRS technique. The present invention focuses on the multi-voxel MRS method because it is necessary to obtain spectra of various regions simultaneously. Multi-voxel spectra are obtained through two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) multivoxel MRS techniques. In general, the multivoxel MRS technique is named and used as a chemical shift imaging (CSI) technique or a magnetic resonance spectral imaging (MRSI) technique. In the present invention, MRSI technique is used for unifying for convenience of explanation.
일반적으로 2D MRSI 기법을 통해 획득된 스펙트럼은 도 2에서와 같이 뇌의 여러복셀에서 각 복셀마다 스펙트럼이 측정된다. Generally, the spectra obtained by the 2D MRSI technique are measured for each voxel in several voxels of the brain, as shown in FIG.
본 발명에서도 2D MRSI 와 3D MRSI기법을 이용하여 스펙트럼이 획득된다. 2D MRSI(자기공명스펙트럼영상) 기법으로 스펙트럼을 획득할 다중복셀(11)은 도 3에서와 같이 세로방향(y)으로 Ny개 가로방향으로 Nx개가 배열된 격자모양으로 설정하게 되기 때문에 복셀의 수는 Ny × Nx개가 된다. In the present invention, spectra are obtained using 2D MRSI and 3D MRSI techniques. Since the multivoxel 11 to acquire the spectrum by the 2D MRSI (Magnetic Resonance Spectrum Image) technique is set in a lattice shape in which N x pieces are arranged in N y horizontal directions in the vertical direction (y) as shown in FIG. 3, Is Ny x N x .
도 3에서는 노란 사각형(즉, 스펙트럼을 획득할 다중복셀(11)) 안의 16x16 복셀에서 MRS가 획득 되도록 설정한 후, 파란 사각형(즉, 고해상도의 스펙트럼을 얻고자 하는 영역(12)) 안에 있는 영역만을 정밀 시밍(shimming)해서 전체 16×16복셀의 MR 스펙트럼 중, 고해상도의 스펙트럼을 얻을 수 있는 파란선 영역 안의 10×8 복셀의 스펙트럼만을 보여주고 있다. 즉, 도 3은, 2D MRSI로 자기공명스펙트럼(MRS)을 측정할 영역(11)(즉, 도 3의 노란색 사각형 안)을, 16×16복셀로 설정하여, 자기공명스펙트럼(MRS)를 획득하고, 자기공명스펙트럼(MRS)을 측정할 영역(11), 즉, 상기 16×16복셀 중, 고해상도의 스펙트럼을 얻고자 하는 영역(12)(즉, 도 3의 파란색 사각형 안)으로서 10×8 복셀을 설정하여, 이 고해상도의 스펙트럼을 얻고자 하는 영역(12)을, 불균일한 자기장을 균일한 자기장으로 보정하는 과정인 정밀 시밍(shimming)을 행하여, 고해상도의 스펙트럼만을 나타낸 것이다. In FIG. 3, after setting the MRS to be obtained in the 16 × 16 voxel in the yellow square (ie, the multivoxel 11 to acquire the spectrum), the area in the blue square (ie, the
다중복셀 스펙트럼은 화학적 천이영상(chemical shift imaging, CSI) 펄스열 또는 자기공명스펙트럼영상(magnetic resonance spectral imaging, MRSI)펄스열을 가지고 획득하게 된다. MRSI 펄스열은 도 3 전체를 나타내는 용어라 할 수 있다.The multiple voxel spectra are acquired with a chemical shift imaging (CSI) pulse train or a magnetic resonance spectral imaging (MRSI) pulse train. The MRSI pulse sequence can be referred to as the term shown in FIG. 3 as a whole.
도 4는 2D MRSI 펄스열을 설명하기 위한 모식도이며, 도 5는 3D MRSI 펄스열을 설명하기 위한 모식도이다. Fig. 4 is a schematic diagram for explaining a 2D MRSI pulse train, and Fig. 5 is a schematic diagram for explaining a 3D MRSI pulse train.
도 4에서는 90°, 180°, 180°(즉, 90° - 180° - 180°)의 3개의 RF 펄스를 이용하여, 도 3의 2D 자기공명스펙트럼(MRS) 신호를 측정하게 될 영역 (11)을 선택하게 된다. 처음 90도 펄스는 2D 자기공명스펙트럼(MRS) 신호를 측정할 영역(11)(즉, 노란색 사각형 영역)의 복셀의 z방향 위치와 두께(△z)를 선택하고, 첫 번째 180도 펄스는 y방향 영역을 선택하고, 두 번째 180도는 x방향 영역을 선택해 준다. 한편, x영역과 y영역은 넓은 영역이므로 스펙트럼의 공간해상도를 증가시키기 위해서는 이 영역을 여러 복셀로 구분해줄 필요가 있다. 이를 위하여 위상부호화 경사자장(화살표)인 x축 경사자장(x-grandient, Gx)와 Y축 경사자장(y-gradient, Gy)을를 인가해 준다. 도 3의 경우 복셀의 수가 16 × 16이므로 Gx와 Gy를 각각 16단계의 경사자장 크기(gradient amplitude)를 갖도로 설정해야 Gx와 Gy의 조합의 265가지가 가능하다. 따라서 MRSI펄스(도 4의 HRF)에서는 Gx와 Gy의 256조합을 차례대로 인가하게 되며 이에 따라, 자기공명 영상 신호를 획득하게 된다. 이때 획득되는 자기공명 영상신호(SK(kx,ky;t))는 수학식 1 및 수학식 2와 같이 주어진다.In FIG. 4, three RF pulses of 90 °, 180 ° and 180 ° (that is, 90 ° - 180 ° - 180 °) are used to form a
여기서, kx와 ky는 2차원 k-공간에서의 x좌표와 y좌표를 나타내며, t는 자기공명 영상신호가 검출된 시간간격을 나타내며, SK(kx,ky;t)는 k-공간에서의 자기공명(MR) 영상신호를 나타내며, S(x,y;t)는 시간 공간에서의 자기공명(MR) 영상신호를 나타낸다. FT2D{S(x,y;t)}는 시간간격 t동안 검출된 x좌표와 y좌표를 갖는 영상샘플을 푸리에 변환한 값을 나타낸다. 일반적으로, 자기공명영상신호는 계측공간(이는 주파수공간 또는 후리에 공간 또는 k-공간이라 함) 상에 배치된다. 즉, 수학식 1은 2차원 k-공간에서의 자기공명(MR) 영상신호를 나타내며, 수학식 1을 2D-푸리에 역변환을 통해 시간 공간의 이미지의 각 복셀의 위치 (x, y)의 자기공명 스펙트럼 영상신호(S(x, y; t))를 구하면 수학식 2와 같다. Here, k x and k y represent the x and y coordinates in the two-dimensional k- space, t denotes a time interval, the MR signal is detected, SK (k x, k y ; t) is a k- (MR) image signal in space, and S (x, y; t) denotes a magnetic resonance (MR) image signal in time space. FT 2D {S (x, y; t)} denotes a value obtained by Fourier transforming an image sample having an x coordinate and a y coordinate detected during a time interval t. Generally, a magnetic resonance imaging signal is placed on a measurement space (which is referred to as a frequency space or a remainder space or k-space). In other words,
여기서 TR은 각 세차주파수(fℓ)에 해당하는 MRSI 펄스의 반복시간이며, TE는 각 세차주파수(fℓ)에 해당하는 MRSI 펄스의 에코시간이며, nℓ은 위치 (x, y)에 위치한 복셀안에 있는 수소원자핵들이 갖는 세차주파수의 개수를 나타내는 파라미터이며, T1ℓ, T2ℓ, T* 2ℓ는 복셀내 세차주파수 fℓ을 갖는 수소원자핵들의 수직자화의 이완시간(T1ℓ), spin-spin 상호작용에 의한 수평자화의 이완시간(T2ℓ), 자기장 불균일에 의한 수평자화 이완시간(T* 2ℓ)이다. 또한 Cℓ(x,y)는 (x,y)에 중심을 두고 있는 복셀내 조직의 세차주파수 fℓ을 갖는 수소원자핵의 밀도(proton density)를 나타내며 A(x,y)는 SK(kx,ky;t)에서 구체적인 수식으로 표현되지 않은 나머지 부분을 나타내며 수소원자핵의 각각의 세차주파수에 의존하지 않는다.Where TR is the repetition time of the MRSI pulse corresponding to the respective carburized frequency (f L ), TE is the echo time of the MRSI pulse corresponding to each car wash frequency (f L ), and n L is the location T 1 ℓ , T 2 ℓ , T * 2 ℓ is the relaxation time (T 1 ℓ ) of the vertical magnetization of the hydrogen nuclei having the voxel wavenumber frequency f ℓ , spin-spin The relaxation time (T 2ℓ ) of the horizontal magnetization due to the interaction, and the horizontal magnetization relaxation time (T * 2ℓ ) due to the magnetic field unevenness. In addition, C ℓ (x, y) are (x, y) represents a density (proton density) of hydrogen atomic nucleus A has a wash frequency f ℓ within voxel organization centered on (x, y) is SK (k x , k y ; t), and does not depend on the respective car wash frequencies of the hydrogen nuclei.
한편, kx와 ky는 수학식 3과 같은 관계식으로부터 결정되며 2차원 k-공간에서 한점을 나타낸다.On the other hand, k x and k y are determined from the relational expression as shown in Equation (3) and represent one point in the two-dimensional k-space.
여기서 는 자기 회전 비(磁氣 回轉 比)이고, Gx(τ)는 시간 τ에서 인가된 x축 경사자장의 크기를 말하고, Gy(τ)는 시간 τ에서 인가된 y축 경사자장의 크기를 말한다. 일반적으로 자기회전비는 핵의 종류에 따라지는 상수로, 수소원자핵의 경우, =2π42.577 MHz/T 이다.here Is the magnitude of the y-axis gradient magnetic field applied at time τ, Gx (τ) is the magnitude of the x-axis gradient magnetic field applied at time τ, and Gy (τ) is the magnitude of the y-axis gradient magnetic field applied at time τ. In general, the rate of magnetic rotation depends on the type of nucleus. In the case of hydrogen nuclei, = 2π 42.577 MHz / T.
도 6는 도 4의 경사자장 Gx와 Gy를 설명하기 위한 모식도이다. 도 4의 빨간 점선으로 둘러싸인 영역(15)은, 그림을 작게 그리다 보니 마름모 형태로 보이지만, 실제는 마름모 형태가 아니라, 도 6의 (a), (b)와 같은 사다리꼴들이 겹쳐져 있는 모양이다. 이에 대해서는 공지된 것으로, 이 부분을 설명하자면 너무 많은 설명이 필요하며, 더군다나 이 부분은 본 발명과는 상관이 없는 부분으로, 이에 대한 보다 상세한 설명은 생략한다. 6 is a schematic diagram for explaining the gradient magnetic fields Gx and Gy in Fig. The
도 4의 빨간 점선으로 둘러싸인 영역(15) 안에 묘사된 경사자장, Gx와 Gy를 확대하여 나타내면 도 6과 같이 나타낼 수 있으며, 따라서 kx와 ky는 수학식 4와 같이 주어진다.The gradient magnetic fields Gx and Gy depicted in the
수학식 4에서, τ2, τ1x, τ1y는 시간변수이며, Gx, Gy는 경사자장의 경사의 크기를 나타낸다. 즉, Gx는 설정된 x축 경사자장의 크기를 나타내며, Gy는 설정된 y축 경사자장의 크기를 나타낸다. 또한, τ2는 x축 경사자장이 가해진 시간간격과, y축 경사자장이 가해진 시간간격을 말하며, x축 경사자장이 가해진 시간간격과, y축 경사자장가 가해진 시간간격은 같다. τ1x는 x축 경사자장이, 기 설정된 x축 경사자장의 크기보다 크거나 같은 동안의 시간간격을 나타내며, τ1y는 y축 경사자장이, 기 설정된 y축 경사자장의 크기보다 크거나 같은 동안의 시간간격을 나타낸다.In Equation (4), τ 2 , τ 1x , and τ 1y are time variables, and G x and G y represent the magnitude of the gradient of the oblique magnetic field. That is, G x represents the magnitude of the set x-axis gradient magnetic field, and G y represents the magnitude of the y-axis gradient magnetic field. Also, τ 2 is a time interval at which the x-axis oblique magnetic field is applied and a time interval at which the y-axis oblique magnetic field is applied, and the time interval at which the x-axis oblique magnetic field is applied is equal to the time interval at which the y- τ 1x represents a time interval during which the x-axis oblique magnetic field is equal to or larger than the predetermined x-axis oblique magnetic field size, and τ 1y represents the time interval during which the y-axis oblique magnetic field is greater than or equal to the predetermined y- Lt; / RTI >
MRSI펄스열에서 90도 RF 펄스와 첫 번재 180도 RF 펄스 사이에 Gx와 Gy가 인가되며 신호의 측정은 두 번째 180도 펄스가 인가된 후 발생되는 에코신호를 자기공명스펙트럼(MRS)으로서 측정하게 된다. Gx and Gy are applied between the 90-degree RF pulse and the first 180-degree RF pulse in the MRSI pulse train, and the measurement of the signal measures the echo signal generated after the second 180-degree pulse is applied as a magnetic resonance spectrum (MRS) .
도 7은 에코신호가 발생한 시점부터의 신호 획득을 설명하기 위한 설명도로, 에코신호가 발생한 시점부터 소정시간간격으로 2048회 신호를 획득하게 된다. 도 7의 경우, MRS 신호(MRS signal)의 최대점에서 에코 신호가 발생하고, 에코신호가 발생한 시점부터 2048회 신호를 획득하나, 이로써 본 발명을 한정하기 위한 것이 안다. 다시말해, 도 7의 경우, 신호측정(즉, 샘플링)은 △t(=1/BW, 단, BW=수신대역폭) 시간간격으로 2048 (이값은 선택가능함)회 획득하게 된다. 여기서 △t는 샘플링간격을 말하며, 수신대역폭(receive bandwidth)은 MRI 신호를 수신하는 주파수 폭을 의미하는 것으로, MRI영상획득시 입력 파라미터로 주어진다. 따라서 주어진 k - 공간의 한점 (kx, ky)에 해당하는 k값을 갖는 신호(SK(kx,ky;t))를 △t간격으로 측정되는 2408개의 데이터는 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining signal acquisition from the time when an echo signal is generated, and 2048 times of signals are acquired at predetermined time intervals from the time when the echo signal is generated. 7, an echo signal is generated at the maximum point of the MRS signal (MRS signal), and the signal is obtained 2048 times from the time when the echo signal is generated, which is understood to limit the present invention. In other words, in the case of FIG. 7, the signal measurement (i.e., sampling) is obtained 2048 times (this value is selectable) in time intervals Δt (= 1 / BW, where BW = receive bandwidth). Here, Δt denotes a sampling interval, and a receive bandwidth denotes a frequency width at which an MRI signal is received, and is given as an input parameter when acquiring an MRI image. Therefore, the 2408 data measured at intervals of Δt for the signal SK (k x , k y ; t) having a k value corresponding to one point (k x , k y ) of a given k- .
2차원 k-공간의 16 × 16개의 각 픽셀에 저장된 2048개의 자기공명 영상신호(MR신호)신호들은 수학식 1에 의해 2D-푸리에 역변환을 통해 이미지 공간(즉, 시간공간의 이미지)의 16 x 16 각 복셀의 위치 (x, y)의 데이터로 수학식 6과 같이 바뀌게 된다. 즉, 수학식 6은, 수학식 2에서 t대신에 △t인 것이 다르다.The 2048 MRI signals (MR signal) signals stored in each 16 × 16 pixels of the two-dimensional k-space are transformed into 16 × 16 pixels of the image space (ie, the image of the time space) through the 2D- (X, y) of each of the 16 voxels as shown in Equation (6). That is, Equation (6) differs from Equation (2) by? T instead of t.
이 데이터는 이미지 공간의 각 픽셀에서 발생하는 자기공명 스펙트럼(MRS) 신호를 △t간격으로 2048개의 시간에 따라 측정해서 얻어진 것이다. 따라서 각 복셀에서 자기공명(MR) 스펙트럼은 그 복셀의 시간에 따른 2048개의 데이터를 1차원 푸리에 변환을 통해 얻을 수가 있다. This data is obtained by measuring the magnetic resonance spectrum (MRS) signal generated at each pixel of the image space according to 2048 time intervals. Therefore, the magnetic resonance (MR) spectrum in each voxel can be obtained by one-dimensional Fourier transform of 2048 data according to the time of the voxel.
여기서 SF(x, y;f)는 S(x,y;t)의 시간에 대한 푸리에 변환으로 다음과 같은 관계가 있다.Where SF (x, y; f) is the Fourier transform of the time of S (x, y; t)
도 8은 9.4T MRS 장비에서 마우스(mouse)의 뇌의 해마영역에서 획득한 단일 복셀 MR 스펙트럼이다. 스펙트럼의 가로축은 화학적 천이(chemical shift) 정도를 나타내며 그 단위는 ppm(percent per million, ppm)이고, 세로축은 대사 물질의 양(mM)을 나타낸다. 여기서 화학적천이 (chemical shift, δ)는 각 대사물질내의 수소원자핵이 주변원자들의 화학적 구조의 영향으로 라모어(Larmor)주파수가 달라지는 정도를 나타내는 양으로 수학식 8과 같이 정의된다.Figure 8 is a single voxel MR spectrum obtained from the hippocampal area of the mouse brain in a 9.4T MRS instrument. The horizontal axis of the spectrum represents the degree of chemical shift, the unit is ppm (percent per million, ppm), and the vertical axis represents the amount of metabolite (mM). The chemical shift (δ) is defined as Equation (8), which represents the degree to which the hydrogen atom in each metabolite varies in the Larmor frequency due to the chemical structure of the surrounding atoms.
수학식 8에서 f는 대사물질내의 수소원자핵의 라모어 주파수, fref는 기준물질인 TMS(tetramethylsilane) 또는 DSS(4-dimethyl-4-silapentane-1-sulfonic acid) 또는 이들의 주파수로, 기준 주파수라 할 수 있다. 본 발명에서는 DSS를 사용하였다.In equation (8), f is the Lamor frequency of the hydrogen nucleus in the metabolite, f ref is the reference material TMS (tetramethylsilane) or DSS (4-dimethyl-4-silapentane-1-sulfonic acid) . In the present invention, DSS was used.
이 화학적 천이는 자기장의 세기와 무관하게 결정되며 그 물질의 고유 특성을 나타낸다. 따라서 스펙트럼에서 피크(peak)의 중심지점의 화학적 천이값은 어떤 대사물질인지(즉, 대시물질의 종류)를 나타내며 피크의 넓이는 대사물질의 양을 나타낸다. 따라서 스펙트럼 분석을 통해 복셀 내에 어떤 대사물질이 얼마의 양만큼 존재하는 지를 측정해 낼 수 있다.This chemical shift is determined irrespective of the strength of the magnetic field and represents the intrinsic properties of the material. Therefore, the chemical shift value at the center of the peak in the spectrum represents the metabolite (ie, the type of dash material) and the width of the peak represents the amount of metabolite. Therefore, spectrum analysis can measure how much metabolite is present in the voxel.
스펙트럼의 분석은 18개의 뇌 대사물질 에 대해 각 대사물질만 포함하는 팬텀용액을 만들어 스펙트럼을 측정한 후 이를 기저집합(basis set)로 해서 상용 MRS 분석프로그램인 LC Model을 이용하여 진행하였다. Spectrum analysis was carried out using a commercially available MRS analysis program, LC Model, using a phantom solution containing only each metabolite for 18 brain metabolites, measuring the spectrum and using it as a basis set.
분석에 사용된 18개의 대사물질은 다음과 같다.The 18 metabolites used in the analysis are as follows.
알라닌(Alanine, Ala), 아스파르테이트(Aspartate, Asp), 크레아틴(Creatine, Cr), 포스포크리아틴(Phosphocreatine, PCr), 감마-아미노부티르산(gamma-Aminobutyric acid, GABA), 글루코스(Glucose, Glc), 글루타메이트(Glutamate, Glu), 글루타민(Glutamine, Gln), 글루타티온(Glutathione, GSH), 글리세로포스포콜린(Glycerophosphocholine, GPC), 포스포콜린(Phosphocholine, PCho), 미오이노시톨(Myo-Inositol, Ins), 젖산(Lactate, Lsc), N-아세틸아스파타이트(N-Acetylaspartate, NAA), N-아세틸아스파르틸글루타메이트(N-Acetylaspartylglutamate, NAAG), 포스포크리아틴(Phosphocreatine, PCr), 포스포릴에탄올아민(Phosphorylehtanolamine, PE), 타우린(Taurine, Tau)Aminobutyric acid (GABA), Glucose (Glucose), Glucose (Glucose), Glucose (Glucose), Glucose Gloc, Glc, Glutamate, Gln, Glutamine, Glutathione, GSH, Glycerophosphocholine, Phosphocholine, PCho, Myo-Inositol , Ins), Lactate (Lsc), N-Acetylaspartate (NAA), N-Acetylaspartylglutamate (NAAG), Phosphocreatine (PCr) Phosphorylethanolamine (PE), taurine (Taurine)
한편 2D MRS 신호를 측정하는데 걸리는 시간은 TR×Nx×Ny이 된다. 그런데 실제 실험에서는 이렇게 획득한 신호의 신호대 잡음비 (signal to noise ratio, SNR)가 스텍트럼을 정밀 분석하는데 충분하지 않기 때문에 여기횟수(number of excitations, NEX) 만큼 동일조건으로 실험을 반복하여 평균신호를 구하게 된다. 여기횟수(NEX)는, 데이터를 획득하고자 하는 경우에, MRSI 실험장치에 미리 입력하게 되어있다. 따라서 MRSI 실험을 통해 2D MRS 스펙트럼의 신호획득시간은 TR×Nx×Ny×NEX 이고, 3D MRSI는 2D MRSI를 단면방향(z방향)으로 한 차원 확장하면되기 때문에 자세한 수식과 설명을 생략하기로 하겠다.On the other hand, the time taken to measure the 2D MRS signal is TR x N x x N y . However, since the signal-to-noise ratio (SNR) of the acquired signal is not sufficient to precisely analyze the spectrum, the experiment is repeated under the same conditions as the number of excitations (NEX) do. The number of excursions (NEX) is to be input in advance to the MRSI experimental apparatus when it is desired to acquire data. Therefore, a signal acquisition time of the 2D MRS spectrum through MRSI experiment TR × N x × N y × NEX, 3D MRSI is to omit the detailed formula and described, since when expanded dimension to 2D MRSI in the cross direction (z-direction) I will.
<스펙트럼 시변함수 획득 단계><Acquisition of Spectrum Time-Varying Function>
2D MRS의 시계열 신호를 획득하기 위한 신호측정 시간 간격은 1회 측정하는데 소요되는 시간인 TR×Nx×Ny×NEX 이상이 되어야 한다.Signal measurement time interval for obtaining a time-series signal of the 2D MRS should be a time or more TR × N x × N y × NEX required to measure a time.
2D MRSI를 통해 TR×Nx×Ny×NEX 동안 획득된 2D MR 스펙트럼이 얻어진다. 이상적으로 하면 TR×Nx×Ny×NEX 이 아주 짧은 시간이어야 하지만 현실적으로는 10분 이상이 소요된다. 따라서 하나의 2D MR 스펙트럼은 측정하는 특정 시각에 얻어진 것이 아니라 10분 이상의 시간동안 획득한 신호에서 얻어지기 때문에 10분간의 발생하는 MR 스펙트럼의 평균값이라 할 수 있다. 따라서 시계열 신호를 획득하려면 시계열 데이터를 측정하는 시간간격 (△TT)와 시계열 데이터의 개수(NT)를 결정해야 한다. 이를 위해서 2D MRSI를 최적화해서 진단하고자 하는 목적에 따라 스펙트럼 분석에 적합한 2D MRS스펙트럼을 획득하는 최소시간을 실험을 통해 결정하였으며, 단일복셀 스텍트럼의 시계열 데이터의 분석을 통해 스펙트럼의 시간에 따른 변화를 측정해 낼 수 있도록 적합한 △TT을 결정하였으며 NT는 시계열 데이터를 통해 얻어지는 복셀들간의 스텍트럼의 상관관계를 구하는데 필요한 최소의 시계열 데이터의 개수를 만족하도록 결정하였다. A 2D MR spectrum obtained during TR x N x x N y x NEX is obtained via 2D MRSI. Ideally, TR x N x x N y x NEX should be very short, but in practice it takes more than 10 minutes. Therefore, a single 2D MR spectrum is not obtained at a specific time of measurement but is obtained from a signal acquired over 10 minutes, which is an average value of MR spectra occurring for 10 minutes. Therefore, to obtain the time series signal, the time interval (△ TT) for measuring time series data and the number of time series data (NT) must be determined. For this purpose, the minimum time required to acquire a 2D MRS spectrum suitable for spectrum analysis was determined through experiments, by optimizing 2D MRSI. The analysis of the time series data of a single voxel spectrum was used to measure the change with time of the spectrum TT is determined to be suitable for achieving the desired performance, and NT is determined so as to satisfy the minimum number of time series data required to obtain the correlation of the voxels obtained through the time series data.
< 네트워크 구성단계><Network configuration step>
본 발명에서 사용할 네트워크 구성방법은 두 가지이다. There are two network configuration methods to be used in the present invention.
첫 번째는 특정 복셀 또는 영역을 기준(seed)으로 정한 뒤 그 복셀 또는 영역과 높은 상관관계(correlation)를 보이는 영역을 규명하는 방법(seed-based correlation analysis; SCA)이다. 이 방법에서는 기준영역(seed ROI)을 선택한 뒤 이를 제외한 나머지 ROI와 상관관계를 봄으로써 네트워크를 구성한다. 이때 ROI(관심영역)는 가장 작게는 한 복셀이 되며 크게는 여러복셀로 이루어지게 설정하게 되며, 두 ROI사이의 상관관계는 두 ROI에서 MRS를 통해 측정되는 특정 대사물질 양의 시간에 따른 증감패턴을 상호 비교함으로써 알 수 있다. The first is a seed-based correlation analysis (SCA) that identifies a particular voxel or region as a seed and then shows a high correlation with the voxel or region. In this method, a network is constructed by selecting a seed region (ROI) and then correlating with the remaining ROIs. In this case, the ROI (ROI) is set to be the smallest one voxel and the voxel to be largely set. The correlation between the two ROIs is determined by the change in the amount of the specific metabolite amount Can be known by comparing them.
MRSI를 이용하여 다중 복셀에서 MRS 데이터가 측정되면 MRSI를 얻기위해 설정된 ROI내의 각 복셀에서 각 대사물질들의 양이 정량화 되어진다. 따라서 MRSI 데이터를 n개의 다른 시각 (t1, t2, …, t10)에 측정을 하면 각 시각마다 각각의 대사물질의 양들이 각 복셀에서 얻어지게 된다. 결과적으로 각 복셀마다 각 대사물질의 양은 n개의 데이터로 이루어진 시변량으로 표현된다. When MRS data is measured in multiple voxels using MRSI, the amount of each metabolite in each voxel within the ROI set to obtain MRSI is quantified. Therefore, when MRSI data is measured at n different times (t1, t2, ..., t10), the amounts of each metabolite are obtained in each voxel at each time. As a result, the amount of each metabolite per voxel is expressed as a time-variant of n data.
도 9는 다중복셀 (3×3) MRS실험을 10개의 시각 t1, t2, …, t10에 측정하여 스펙트럼을 구한 후 여러 대사물질중 NAA(N-Acetylaspartate)의 양을 측정하여 시변량을 구한 후 시간-NAA양의 그래프로 표현한 것이다. Figure 9 shows the results of a multivoxel (3x3) MRS experiment at 10 times t 1 , t 2 , ... , t 10 , and then the amount of NAA (N-Acetylaspartate) in the various metabolites was measured to determine the time-varying amount.
각 대사물질에 대한 네트워크를 구성하기 위해서는 서로 다른 두 복셀 사이에 상호연관성을 측정하는 척도가 필요하며 본 발명에서는 일반적으로 많이 사용되는 상관계수 (correlation coefficient, r)을 사용한다. 두 복셀에서 대사물질 양의 시변량을 각각 x, y라고 하고 이중 특정시간 ti에 측정된 대사물질양을 xi, yi라고 하고, 또한 시변량의 평균을 , 로 하고, 시변량의 표준편차를 sx,sy 라고 하면, 상관 계수(r)는 수학식 9와 같이 계산된다.In order to construct a network for each metabolite, a correlation matrix is required between two different voxels. In the present invention, a commonly used correlation coefficient (r) is used. Let x and y be the time-varying amounts of the metabolites in the two voxels, respectively, and the amount of metabolites measured at the specific time t i is called x i , y i , , , And the standard deviation of the time-varying amount is s x , s y , the correlation coefficient r is calculated as shown in Equation (9).
여기서 r은 상관 계수로 -1에서 1사이의 값을 가진다. 상관계수 r을 통해 두 ROI 사이에 상호연결 여부를 결정하기 위해서는 상관계수 문턱치 rthresh (>0)를 설정하여, r> rthresh 인 경우, 양의 상관관계(correlation)가 있다고 하고, r< -rthresh인 경우 음의 상관관계(anti-correlation)를 가진다고 간주하며, |r|<rthresh 일경우 상관관계가 없는 것으로 간주한다. 이러한 기준으로 상관관계가 있는 두 영역은 해당 대사물질에 대해 서로 연결되어 있다고 간주한다. 통계분석에서는 상관 계수를 표준화한 z값을 사용하게 되며 이를 색으로 나타내어 해부학적 영상에 나타낸다. 예를 들면 z값이 양수이면 빨간색으로 나타내되, 양수 값이 커질수록 빨간색에 흰색을 더 많이 섞은 색으로 표현할 수 있다. 여기서, 표준화한 z값은 상관 계수를 피셔(Fisher) z 변환에 따른 Z 점수로의 변환한 값을 말한다.Where r is the correlation coefficient between -1 and 1. In order to determine whether the two ROIs are interconnected through the correlation coefficient r, the correlation coefficient threshold value rthresh (> 0) to set r> r thresh , It is regarded that there is a positive correlation when r <-r thresh , and it is regarded as having a negative correlation when r <-r thresh , and it is regarded as having no correlation when | r | <r thresh . Two areas that are correlated by these criteria are considered to be linked to the metabolites. In the statistical analysis, the z value that normalized the correlation coefficient is used, and it is expressed in color and shown in the anatomical image. For example, if the z value is a positive number, it is represented in red. The larger the positive value, the more the color can be represented by a mixture of red and white. Here, the standardized z value refers to a value obtained by converting the correlation coefficient into the Z score according to the Fisher z transformation.
후술하겠지만 네트워크에서 연결되어 있는 두 영역은 엣지(edge)로 연결하게 되는데 이 때 양의 상관관계로 연결되어 있을 경우에는 빨간색 엣지로 표현하고, 음의 상관관계로 연결되어 있을 경우에는 파란색 엣지를 표현한다.As will be described later, the two regions connected to the network are connected to the edge. In this case, they are represented as a red edge when they are connected by a positive correlation, and a blue edge when they are connected by a negative correlation do.
두 번째 방법은 그래프 이론 접근 방법(graph theory approach)으로 그래프 이론을 뇌의 네트워크에 적용시킨 방법이다. 네트워크는,도 10에서와 같이, 노드(node)와 엣지(edge)로 이루어져 있다.The second method is a graph theory approach in which graph theory is applied to the brain's network. The network consists of a node and an edge, as in Fig.
뇌를 기능적으로 서로 다른 영역으로 구분하여 노드와 엣지로 나타내는 데, 이는, 사전에 뇌에 대한 영역을 설정한 데이터가 DB(250)에 저장되어 있고, 연산처리부(200)는 소정 프로그램에 의해, 상기 데이터에 따라서, 연산처리부(200)로 입력되는 뇌영상에서 뇌영역을 구분하여 노드와 엣지로 나타낸다. 이때, 뇌에 대한 영역을 설정한 데이터로써, 뇌를 기능적으로 구분한 국제적으로 통용되는 AAL template 영상을 사용한다. 각 개인의 뇌를 AAL template을 이용하여 규격화(normalization)하면 개개의 뇌영상과 AAL template의 각 위치가 1:1 대응되므로 개인의 뇌는 자동으로 기능적으로 구분되게 되며, 기능적으로 구분한 영역 하나가 하나의 노드가 된다. 즉 뇌를 기능적으로 150개로 구분하였다면 노드는 150개가 되는 것이다.The brain is functionally divided into different regions and represented by nodes and edges. This is because data in which a region for the brain is set in advance is stored in the
도 11은 뇌를 기능적으로 서로 다른 영역으로 구분하여 노드와 엣지로 나타내는 과정을 설명하는 설명도로, 도 11의 (a)는 뇌영상이고, 도 11의 (b)는 도 11의 (a)를 기능적으로 구분하여 색상을 달리 나타낸 영상이고, 도 11의 (c)는 도 11의 (b)에서 기능적 영역을 노드로 표시한 영상이고, 도 11의 (d)는 뇌의 각 노드 들의 사이의 연결성 여부를 엣지로 표현한 네트워크 영상이다.11 (a) and 11 (b) are explanatory diagrams for explaining the process of dividing the brain functionally into different regions and representing the process with nodes and edges, FIG. 11 (a) FIG. 11 (c) is an image in which the functional area is represented by a node in FIG. 11 (b), FIG. 11 (d) It is a network image that expresses whether or not it is edge.
도 11에서와 같이, 네트워크 구성을 위해서는 뇌를 기능적으로 서로 다른 영역으로 구분한 후, 각 영역을 노드로 표현하고, 또한 서로 연결되어 있는 두 노드를 연결성 여부는 엣지로 표현한다.As shown in FIG. 11, for the network configuration, the brain is functionally divided into different regions, each region is expressed as a node, and two nodes connected to each other are represented by an edge.
노드들 사이의 연결성 여부는 연결행렬(connectivity matrix, C)로 표현된다. N개의 노드로 이루어진 뇌 네트워크의 연결행렬은 N×N 행렬로 수학식 10과 같이 표현된다. 여기서 연결행렬(C)의 각 원소는 노드간 연결성 정도를 나타낸다. 각 노드는 번호가 주어진다. Connectivity between nodes is represented by a connectivity matrix (C). The connection matrix of the brain network consisting of N nodes is represented by an N × N matrix as shown in Equation (10). Here, each element of the connection matrix C represents the degree of connectivity between nodes. Each node is given a number.
연결행렬의 i행 j열 원소 cij는 i번째 노드와 j번째 노드 사이의 연결성을 나타내는 값(이하, ‘노드간 연결성 값’이라 한다)으로 주어진다. 이 값은 네트워크의 종류에 따라 달라진다. 여기서, 연결행렬의 각 원소(cij), 즉, 노드간 연결성 값은, 노드와 노드 사이의 상관계수를 구하고, 이렇게 구하여진 각 상관계수의 절대치가, 기 설정된 상관계수 문턱치 rthresh 보다 크거나 같으면 1(상관관계가 있음)로 나타내고, 상관계수 문턱치 rthresh 보다 작으면 0(상관관계가 없음)으로 나타낸다. The i row j column element c ij of the connection matrix is given as a value indicating the connectivity between the i-th node and the j-th node (hereinafter referred to as 'inter-node connectivity value'). This value depends on the type of network. In this case, each element (c ij ), that is, the inter-node connectivity value of the connection matrix, is obtained by obtaining a correlation coefficient between the node and the node, and the absolute value of each correlation coefficient thus obtained is set to a predetermined correlation coefficient threshold value r thresh Is expressed as 1 (correlated), and when it is smaller than the correlation coefficient threshold rthresh , it is represented as 0 (no correlation).
이진(binary) 네트워크의 경우, cij는 수학식 11과 같이 주어진다.In the case of a binary network, c ij is given by Equation (11).
경우에 따라서, 상관관계가 있을 경우, 상관정도에 따른 가중치를 가지게 하기 위하여, 기 설정된 상관계수 문턱치 rthresh 보다 크거나 같으면, 그 때의 상관계수 값을, 노드간 연결성 값으로 나타낸다.If there is a correlation, in order to have a weight according to the degree of correlation, a predetermined correlation coefficient threshold rthresh The correlation coefficient value at that time is represented by the inter-node connectivity value.
가중(weighted) 네트워크의 경우에는, cij는 수학식 12와 같이 주어진다.In the case of a weighted network, c ij is given by Equation (12).
여기서 이 때 연결행렬 값이 0일 경우 해당 두 노드는 서로 연결되어있지 않으며, 0이 아닌 경우 서로 연결된 것으로 간주하여, 두 노드는 에지로 연결하여 표현한다. In this case, when the connection matrix value is 0, the two nodes are not connected to each other. If the connection matrix value is not 0, they are considered to be connected to each other.
도 12는 12개의 노드로 이루어진 뇌의 네트워크 구성을 설명하는 설명도로, 도 12의 (a)는 뇌를 기능적으로 12개의 서로 다른 영역으로 구분하고, 각 영역을 노드로 표현하여 12개 노드로 나타낸 것이며, 도 12의 (b)는 도 12의 (a)의 각 노드간 상관계수를 구하여, 상관계수로 계산된 연결행렬을 나타낸 것이며, 도 12의 (c)는 도 12의 (b)의 연결행렬을 가중하여 구성한 가중네트워크를 나타내며, 도 12의 (d)는 도 12의 (c)에서 구한 가중치에 문턱치를 설정하여 재구성한 연결행렬을 나타내며, 도 12의 (e)는 도 12의 (d)의 연결행렬을 이용하여 구성한 가중네트워크를 나타내며, 도 12의 (f)는 도 12의 (d)의 연결행렬에서 구성한 이진 연결행렬을 나타내며, 도 12의 (g)는 도 12의 (f)의 이진행렬을 이용하여 구성한 이진 네트워크이다.FIG. 12 is an explanatory view for explaining a network configuration of a 12-node brain. FIG. 12 (a) is a functional block diagram of a brain, which is divided into 12 different areas, 12 (b) shows a connection matrix calculated by correlation coefficients obtained by calculating correlation coefficients between nodes in FIG. 12 (a), and FIG. 12 (c) 12 (d) shows a reconfigured connection matrix by setting a threshold value to a weight obtained in FIG. 12 (c), and FIG. 12 (e) 12 (f) shows a binary connection matrix constructed in the connection matrix of FIG. 12 (d), and FIG. 12 (g) shows a weighting network constructed by using the connection matrix of FIG. Is a binary network constructed by using a binary matrix of
즉, 도 12의 (a)에서와 같이 12개의 노드가 분포되어 있다. 이 노드들 사이의 상관계수 r을 계산하여 연결행렬을 구성하고 이 행렬값을 그레이 레벨로 표현하면 도 12의 (b)와 같이 표현된다. 이렇게 표현된 연결행렬로 구성된 네트워크를 가중 네트워크라고 하며 도 12의 (c)와 같이 표현된다. 이 가중네트워크에서는 r=0일 경우, 두 노드는 엣지로 연결되지 않으며, r≠0이면, 엣지로 연결하였으며, 이 때 r값에 비례해서 엣지의 굵기가 정해지도록 구성하였다. 한편 가중 네트워크에서 노드 사이의 연결성의 확률을 높이기 위해 r<rthresh일 경우 r=0으로 간주하면 연결행렬은 도 12의 (d)와 같이 표현되며 이때 구성된 네트워크를 표현하면 도 12의 (e)와 같이 표현된다. 한편 문턱치를 적용하여 구성한 연결행렬 도 12의 (d)를 이진화 하면 도 12의 (f)와 같은 이진 연결행렬이 얻어지며 이를 이용하여 도 12의 (g)와 같은 이진 네트워크를 구성할 수 있다.That is, 12 nodes are distributed as shown in FIG. 12 (a). The correlation coefficient r between these nodes is calculated to construct a connection matrix, and this matrix value is expressed in gray level as shown in FIG. 12 (b). The network composed of the connection matrix expressed as above is called a weighted network, and is expressed as (c) in FIG. In this weighted network, if r = 0, the two nodes are not connected to the edge. If r ≠ 0, they are connected to the edge, and the thickness of the edge is determined in proportion to the r value. In order to increase the probability of connectivity between nodes in the weighted network, if r < r thresh , r = 0, the connection matrix is expressed as (d) in FIG. 12, . 12 (d) is binarized to obtain a binary connection matrix as shown in FIG. 12 (f), and a binary network as shown in FIG. 12 (g) can be constructed using the binary connection matrix.
이렇게 구성한 네트워크를 통해 뇌에서 신진대사물질사이의 형성된 네트워크를 분석하기 위해서는 다음과 같은 네트워크 파라미터들을 사용하게 된다. 네트워크 파라미터는 전역변수(global parameter)와 지역변수(local parameter)로 구분된다. 전역변수로는 노드의 차수(node degree), 최단 경로 길이(shortest path length), 중심성(centrality), 군집 계수(clustering coefficient) 등의 특성을 계산하여 네트워크의 구조와 특성을 평가할 수 있다. 이들 네트워크 파라미터들은 2010년 (Rubinov M과 Sporns O.가 2010년에 NeuroImage에서 발표한 논문인 "Complex network measures of brain connectivity: uses and interpretations"에 정의되어 있는 네트워크 파라미터를 이용하여 분석한 것으로, 상세한 설명은 생략한다. (Rubinov M, Sporns O., 2010, Complex network measures of brain connectivity: uses and interpretations. NeuroImage 52: 1059-1069)The following network parameters are used to analyze the network formed between metabolites in the brain via the network thus constructed. Network parameters are divided into global parameters and local parameters. We can evaluate the network structure and characteristics by calculating characteristics such as node degree, shortest path length, centrality, and clustering coefficient as global variables. These network parameters were analyzed using network parameters defined in 2010 (Rubinov M and Sporns O., NeuroImage, 2010, "Complex network measures of brain connectivity: uses and interpretations" (Rubinov M, Sporns O., 2010, Complex network measures of brain connectivity: uses and interpretations. NeuroImage 52: 1059-1069)
노드의 차수(Degree of a node) (ki)는 수학식 13에 의해 구하여 진다. 즉, 노드의 차수는 노드간 연결성 값의 합이라 할 수 있다. The degree of a node (k i ) of the node is obtained by Equation (13). That is, the degree of the node can be said to be the sum of the values of connectivity between nodes.
단, SN은 모든 노드의 집합이다.However, SN is a set of all nodes.
최단 경로 길이(shortest path length) (dij)는 수학식 14에 의해 구하여 진다.The shortest path length (d ij ) is obtained by the following equation (14).
여기서 는 노드 i와 j사이의 최단거리를 말한다. 여기서 Cuv는 노드 i와 노드 j사이에 있는 노드들의 노드간 연결성값이며, 최단 경로 길이 (dij)는 노드 i와 노드 j사이에 있는 노드들의 노드간 연결성값 들의 합이라 할 수 있다.here Is the shortest distance between nodes i and j. Where Cuv is the inter-node connectivity of the nodes between node i and node j, and the shortest path length (d ij ) is the sum of the inter-node connectivity values of the nodes between node i and node j.
노드 i 주변의 삼각망 수(Number of triangles around a node) (ti)는 수학식 15에 의해 구하여 진다.The number of triangles around a node (t i ) around the node i is found by Equation (15).
노드 i와의 노드간 연결성값을 갖는 노드가 N개 있을 경우, 노드 i와의 노드간 연결성값을 갖는 노드 j와 노드 h에 있어서, 노드 i와 노드 j의 노드간 연결성값(cij)과, 노드 i와 노드 h의 노드간 연결성값(cih)과, 노드 j와 노드 h의 노드간 연결성값(cih)를 곱한 값이, 1개의 삼각망의 값이 되는데, 이러한 j와 h값을 바꾸어 적용하여, 결과적으로 노드 i와의 노드간 연결성값을 갖는 모든 노드에게 적용하여 삼각망의 값을 구하고, 이들을 합한 값의 1/2 이, 노드 i 주변의 삼각망의 수이다.When there are N nodes having the connectivity value between node i and node i, the connectivity value (cij) between node i and node j and the node i (Cih) of the node h and the value of the connectivity value (cih) between the node j and the node h are the values of one triangle network. By substituting the values of j and h, As a result, it is applied to all nodes having connectivity value between node i and node i, and the value of the triangle is calculated, and half of the sum of the values is the number of triangles around node i.
노드 i와 다른 모든 노드와의 사이의 평균 거리(average distance between node i and all other nodes)(Li)는 수학식 16에 의해 구하여 진다.The average distance between node i and all other nodes (L i ) is obtained from equation (16).
노드 i와의 노드간 연결성값을 갖는 노드가 N개 있을 경우, 노드 i와 다른 모든 노드와의 사이의 평균 거리는, 노드 i와 다른 모든 노드와의 사이의 최단 경로 길이를 구하여 이들을 합하고, 이합한 값을, 노드 i와의 노드간 연결성값을 갖는 노드의 갯수(N)에서 1을 차감한 값으로 나눈 값이다.If there are N nodes with node connectivity value between node i and node i, the average distance between node i and all other nodes is obtained by finding the shortest path length between node i and all other nodes, summing them, Is divided by the value obtained by subtracting 1 from the number (N) of nodes having the inter-node connectivity value with node i.
특징적 경로 길이(Characteristic path length)(L)는 수학식 17에 의해 구하여 진다. 특징적 경로 길이(L)는, 한 노드와 다른 모든 노드와의 사이의 평균 거리(Li)를, 모든 노드에 대해 구하고, 이들의 합을, 전체 노드의 수(N)로 나눈 값으로, 평균 경로 길이라고도 한다.The characteristic path length (L) is obtained by equation (17). The characteristic path length L is a value obtained by obtaining the average distance Li between one node and all the other nodes for all the nodes and dividing the sum by the number of all nodes N, Also called the length.
노드 i의 효율(Efficiency of node) (Ei)은 수학식 18에 의해 구하여 진다.Efficiency of node i (E i ) is obtained by equation (18).
즉, 노드 i의 효율(Ei)은, 노드 i와, 다른 모든 노드와의, 최단 경로 길이 (dij)의 역수를 구하고 이를 합한 후, 전체 노드의 수(N)에서 1을 차감한 값으로, 나눈 값이다.That is, the efficiency E i of the node i is obtained by calculating the reciprocal of the shortest path length (d ij ) between the node i and all the other nodes, summing the sum and subtracting 1 from the total number (N) .
전체 효율(Global efficiency) (E)은 수학식 19에 의해 구하여 진다. 전체 효율(E)는 각 노드의 효율을 합한 값을 전체 노드의 수(N)로 나눈 값으로, 각 노드의 효율의 평균이라 할 수 있다.The global efficiency (E) is obtained by equation (19). The total efficiency (E) is a value obtained by dividing the sum of efficiency of each node by the total number of nodes (N), which is an average of efficiency of each node.
노드 i의 클러스터링 계수(Clustering coefficient of node i)(Ci)는 수학식 20에 의해 구하여 진다. 클러스터링 계수는 클러스터 계수 또는 결집(또는 군집) 계수라고도 한다.The clustering coefficient of node i (Ci) of node i is obtained by equation (20). Clustering coefficients are also referred to as cluster coefficients or aggregation (or cluster) coefficients.
노드 i의 클러스터링 계수(Ci)는, 노드 i 주변의 삼각망 수(ti)를, 노드의 차수(ki)와, 노드의 차수(ki)에서 1을 차감한 값을 곱한 값으로, 나눈 값을 말한다. 클러스터링 계수는 주변 노드와 서로 직접 연결되어 있는지 어떤지를 기초로 기능 분리를 평가한다.Of node i clustering coefficient (Ci), the node i the triangle number (t i) of the surrounding, the product of the value obtained by subtracting 1 from the order (k i) of the node, the order (k i) of the node value, It refers to divided value. The clustering factor evaluates the functional segregation based on whether or not the neighboring nodes are directly connected to each other.
클러스터링 계수(Clustering coefficient) (C)는 수학식 21에 의해 구하여 진다. 클러스터링 계수(C)는, 각 노드의 클러스터링 계수(Ci)를 합하고, 이 값을 전체 노드의 수(N)로 나눈 값으로, 각 노드의 클러스터링 계수의 평균이라 할 수 있다.The clustering coefficient (C) is obtained by the following equation (21). The clustering coefficient C is a value obtained by adding the clustering coefficients Ci of the respective nodes and dividing the value by the total number of nodes (N), which is an average of the clustering coefficients of the respective nodes.
노드 i의 국소 효율(local efficiency of node i)(Eloc,t)은 수학식 22에 의해 구하여 진다.The local efficiency of node i (E loc, t ) of node i is found by Equation (22).
노드 i와의 노드간 연결성 값을 갖는 노드 j와 노드 h에 있어서, j와 h값을 바꾸어 가면서, 노드 j와 노드 h의 최단 경로 길이(dij)의 역수와, 노드 i와 노드 j의 노드간 연결성값(cij)과, 노드 i와 노드 h의 노드간 연결성값(cih)를 곱한 값을 구하고, 이렇게 구한 값들을 합산하고, 합산된 값을, 노드의 차수(ki)와, 노드의 차수(ki)에서 1을 차감한 값을 곱한 값으로, 나누어, 노드 i의 국소 효율(Eloc,i)로서 구한다. 국소 효율에서는, 어떤 노드의 근처에서만 구성된 국소 네트워크에 있어서, 모든 조합이 근처 노드 끼리에 있어서의 최단 경로 길이의 역수를 산출하여 사용하기 때문에, 간접적인 연결도 포함한 기능 분리를 평가할 수 있다.The reciprocal of the shortest path length (d ij ) of node j and node h and the reciprocal of the node i and node j, while changing the values of j and h in node j and node h, The value obtained by multiplying the connectivity value cij by the node i and the connectivity value cih between nodes of the node h is calculated and the values thus obtained are added together and the summed value is multiplied by the degree of node k i , (k i ), which is obtained by multiplying the value obtained by subtracting 1 from the local efficiency (E loc, i ) of the node i. In the local efficiency, since the inverse number of the shortest path length between neighboring nodes is calculated and used in all the local networks configured only in the vicinity of a certain node, the functional separation including the indirect connection can be evaluated.
국소 효율(Local efficiency)(Eloc)는 수학식 23에 의해 구하여 진다. The local efficiency (E loc ) is found by equation (23).
여기서, n은 국소 네트워크 내의 노드 수이고, 국소 효율(Eloc)은, 각 노드의 국소 효율(Eloc,i)을 합한 값을, 국소 네트워크 내의 노드 수로 나눈 값으로, 각 노드의 국소 효율의 평균이라 할 수 있다.Here, n is the number of nodes in the local network, and the local efficiency (E loc ) is a value obtained by dividing the sum of the local efficiencies (E loc, i ) of each node by the number of nodes in the local network. It is an average.
뇌 네트워크 구성을 위해 노드를 설정하는 방법은 여러 가지가 가능하다. 첫 번째 방법은 도 13과 같이 자동 해부학적 레이블링(AAL, Automated Anatomical Labeling) 템플릿(template)에서 기능적으로 분리해 놓은 116개의 영역 각각을 1개의 노드로 설정하여서 네트워크를 구성하는 방법이 있다. There are many ways to set up a node for a brain network configuration. A first method is to configure a network by setting each of the 116 regions functionally separated from an AAL (Automated Anatomical Labeling) template as one node as shown in FIG.
AAL탬플릿은 영상이고, 영상에서 각 영역이 구분이 되어있고 각 영역에 해당하는 픽셀들의 위치도 데이터베이스화 되어 있다. 따라서 AAL 탬플릿에서 각 픽셀을 마우스로 선택하면 픽셀 위치를 알 수 있기 때문에 그 픽셀이 116개 영역 중 어느 영역에 해당하는 알 수 있다. The AAL template is an image, each area is divided into images, and the positions of the pixels corresponding to each area are stored in a database. Therefore, when each pixel is selected with the mouse in the AAL template, the pixel position can be known, so that it can be known which of the 116 areas the pixel corresponds to.
또 다른 방법은 2D 또는 3D MRS데이터를 획득한 영역들을 해부학적으로 구분하여 노드로 설정하는 방법이 있다. Another method is to divide the regions obtained 2D or 3D MRS data anatomically and set them as nodes.
본 발명에서는 두가지 방법을 다 사용한다.In the present invention, both methods are used.
도 13는 공지되어 있는 AAL 템플릿의 각 영역을 나타내며, 도 13의 구분된 각 영역에 대한 명칭은 표 1과 같다.FIG. 13 shows each area of the known AAL template, and the names of the separated areas in FIG. 13 are shown in Table 1.
( (
중심전회Center last time
_왼쪽)_left)
( (
중심전회Center last time
_오른쪽)_Right side)
( (
이마위엽Forehead
_왼쪽)_left)
( (
이마위엽Forehead
_오른쪽)_Right side)
( (
이마위궤도엽Orbit above the forehead
_왼쪽)_left)
( (
이마위궤도엽Orbit above the forehead
_오른쪽)_Right side)
(이마중엽_왼쪽) (Left forehead _ left)
(이마중엽_오른쪽) (Right half of forehead)
( (
이마중궤도엽Orbit of the forehead
_왼쪽)_left)
( (
이마중궤도엽Orbit of the forehead
_오른쪽)_Right side)
( (
이마아래간부엽Lobes below the forehead
_왼쪽)_left)
( (
이마아래간부엽Lobes below the forehead
_오른쪽)_Right side)
( (
이마아래삼각엽Triangle below the forehead
_왼쪽)_left)
( (
이마아래삼각엽Triangle below the forehead
_오른쪽)_Right side)
( (
이마아래궤도엽Orbit below the forehead
_왼쪽)_left)
( (
이마아래궤도엽Orbit below the forehead
_오른쪽)_Right side)
( (
롤란딕간부엽Roland Dick
_왼쪽)_left)
( (
롤란딕간부엽Roland Dick
_오른쪽)_Right side)
(보조운동영역_왼쪽) (Auxiliary exercise area - left)
(보조운동영역_오른쪽) (Auxiliary exercise area_Right)
( (
후각부Rear part
_왼쪽)_left)
( (
후각부Rear part
_오른쪽)_Right side)
( (
이마위안엽Forehead yang
_왼쪽)_left)
( (
이마위안엽Forehead yang
_오른쪽)_Right side)
( (
이마안궤도엽Imaan orbit
_왼쪽)_left)
( (
이마안궤도엽Imaan orbit
_오른쪽)_Right side)
( (
곧은이랑Straight
_왼쪽)_left)
( (
곧은이랑Straight
_오른쪽)_Right side)
( (
뇌도엽Brain leaf
_왼쪽)_left)
( (
뇌도엽Brain leaf
_오른쪽)_Right side)
( (
대상속앞엽The front part of the subject
_왼쪽)_left)
( (
대상속앞엽The front part of the subject
_오른쪽)_Right side)
( (
다생속중엽Mature middle middle stage
_왼쪽)_left)
( (
대상속중엽Middle of subject
_오른쪽)_Right side)
( (
대상속뒷엽Back of object
_왼쪽)_left)
( (
대상속뒷엽Back of object
_오른쪽)_Right side)
(해마_왼쪽) (Hippocampus left)
(해마_오른쪽) (Hippocampal right)
( (
해마이랑Hippocampus
_왼쪽)_left)
( (
해마이랑Hippocampus
_오른쪽)_Right side)
(편도체_왼쪽) (Amygdala left)
(편도체_오른쪽) (Right side of the amygdala)
( (
조거구Joe
_왼쪽)_left)
( (
조거구Joe
_오른쪽)_Right side)
( (
설상엽Snow
_왼쪽)_left)
( (
설상엽Snow
_오른쪽)_Right side)
(언어중추_왼쪽) (Language center _ left)
(언어중추_오른쪽) (Language center _ right)
( (
뒤통수윗엽Upper back of head
_왼쪽)_left)
( (
뒷통수윗엽Upper back
_오른쪽)_Right side)
( (
뒷통수중엽Mid-back
_왼쪽)_left)
( (
뒷통쉬중엽Mid back
_오른쪽)_Right side)
( (
뒷통수내측엽Inner lobe of ridge
_왼쪽)_left)
( (
뒷통수내측엽Inner lobe of ridge
_오른쪽)_Right side)
( (
방추상회The
_왼쪽)_left)
( (
방추상회The
_오른쪽)_Right side)
( (
중심뒤고랑Center back gore
_왼쪽)_left)
( (
중심뒤고랑Center back gore
_오른쪽)_Right side)
( (
두정윗엽Poodle
_왼쪽)_left)
( (
두정윗엽Poodle
_오른쪽)_Right side)
( (
두정내엽Doodle Lobe
_왼쪽)_left)
( (
두정내엽Doodle Lobe
_오른쪽)_Right side)
( (
모서리위이랑Above corners
_왼쪽)_left)
( (
모서리위이랑Above corners
_오른쪽)_Right side)
( (
각회Each time
_왼쪽)_left)
( (
각회Each time
_오른쪽)_Right side)
( (
쐐기앞소엽Front leaflet
_왼쪽)_left)
( (
쐐기앞소엽Front leaflet
_오른쪽)_Right side)
( (
중심방소엽Center lobed leaf
_왼쪽)_left)
( (
중심방소엽Center lobed leaf
_오른쪽)_Right side)
( (
간미상엽Liverless
_왼쪽)_left)
( (
간미상엽Liverless
_오른쪽)_Right side)
( (
피곡Pieces
_왼쪽)_left)
( (
피곡Pieces
_오른쪽)_Right side)
(담창구_왼쪽) (Left)
(담창구_오른쪽) (Right)
(시상_왼쪽) (Prize_ Left)
(시상_오른쪽) (Prize_Right)
( (
헤쉴이랑Hechel
_왼쪽)_left)
( (
헤쉴이랑Hechel
_오른쪽)_Right side)
( (
측두윗엽Temporomandibular
_왼쪽)_left)
( (
측두윗엽Temporomandibular
_오른쪽)_Right side)
( (
측두윗엽극A temporal upper electrode
_왼쪽)_left)
( (
측두윗엽극A temporal upper electrode
_오른쪽)_Right side)
( (
측두중엽Middle temporal lobe
_왼쪽)_left)
( (
측두중엽Middle temporal lobe
_오른쪽)_Right side)
( (
축두중엽극Mid-shaft pole
_왼쪽)_left)
( (
측두중엽극Middle temporal pole
_오른쪽)_Right side)
( (
측두내엽Temporal lobe
_왼쪽)_left)
( (
측두내엽Temporal lobe
_오른쪽)_Right side)
( (
소뇌하퇴1Cerebellar lowering 1
_왼쪽)_left)
( (
소뇌하퇴1Cerebellar lowering 1
_오른쪽)_Right side)
( (
소뇌하퇴2Cerebellar lowering 2
_왼쪽)_left)
( (
소뇌하퇴2Cerebellar lowering 2
_오른쪽)_Right side)
( (
소뇌3
( (
소뇌3
( (
소뇌4
( (
소뇌4
(소뇌_6_왼쪽) (Cerebellum _6_ left)
(소뇌_6_오른쪽) (Cerebellum _6_ right)
(소뇌_7b_왼쪽) (Cerebellum _7b_ left)
(소뇌_7b_오른쪽) (Cerebellum _7b_right)
(소뇌_8_왼쪽) (Cerebellum _8_ left)
(소뇌_8_오른쪽) (Cerebellar _8_ right)
(소뇌_9_왼쪽) (Cerebellum _9_ left)
(소뇌_9_오른쪽) (Cerebellum _9_right)
(소뇌_10_왼쪽) (Cerebellum _10_ left)
(소뇌_10_오른쪽) (Cerebellum _10_right)
( (
충부Insistence
_1_2)_1_2)
( (
충부Insistence
_3)_3)
( (
충부Insistence
_4_5)_4_5)
( (
충부Insistence
_6)_6)
( (
충부Insistence
_7)_7)
( (
충부Insistence
_8)_8)
( (
충부Insistence
_9)_9)
( (
충부Insistence
_10)_10)
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, Modification is possible. Accordingly, it is intended that the scope of the invention be defined by the claims appended hereto, and that all equivalent or equivalent variations thereof fall within the scope of the present invention.
100: 자기공명분광학(MRS) 장비 110: 신호전처리부
200: 연산처리부 250: 데이터 베이스
310: 키입력부 320: 출력부100: Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) equipment 110: Signal preprocessing unit
200: operation processing unit 250:
310: key input unit 320: output unit
Claims (21)
스펙트럼 수신 단계에서 수신한 스펙트럼으로부터, 대사물질의 양이 시간에 따른 양적 변화를 나타내는 뇌 대사물질의 시변함수를 연산처리부가 획득하는, 스펙트럼 시변함수 획득 단계;
연산처리부는 시변함수 획득단계에서 획득한 시변함수를 이용하여 뇌 대사물질 네트워크를 생성하는, 네트워크 구성단계;
를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는, 뇌 대사물질 네트워크 생성방법.A spectral receiving step, at a predetermined time interval, for monitoring the brain metabolism, from the magnetic resonance spectroscopy (MRS) equipment, a spectrum of the obtained brain region is received;
A spectral time-varying function acquiring step of acquiring a time-varying function of a cerebral metabolism from the spectrum received in the spectral receiving step, the amount of metabolite showing a quantitative change with time;
Wherein the operation processing unit generates a cerebral metabolic network using the time-varying function obtained in the time-varying function acquiring step;
≪ / RTI >
스펙트럼 수신 단계에서 연산처리부가 수신한 스펙트럼 영상은, 2D 자기공명스펙트럼영상(MRSI) 기법 또는 3D MRSI 기법을 이용하여 획득된 다중복셀 자기공명스펙트럼(MRS)인 것을 특징으로 하는, 뇌 대사물질 네트워크 생성방법.The method according to claim 1,
Characterized in that the spectral image received by the arithmetic processing unit in the spectral receiving step is a multi-voxel magnetic resonance spectrum (MRS) obtained using a 2D MR spectroscopy (MRSI) technique or a 3D MRSI technique. Way.
상기 스펙트럼은 대사 물질의 양에 따른 화학적 천이(chemical shift) 정도를 나타내며, 상기 화학적천이 (δ)는
(단, f는 대사물질내의 수소원자핵의 라모어 주파수, fref는 기준물질인 TMS(tetramethylsilane) 또는 DSS(4-dimethyl-4-silapentane-1-sulfonic acid)의 주파수)
으로 나타내는 것을 특징으로 하는, 뇌 대사물질 네트워크 생성방법.3. The method of claim 2,
The spectrum represents the degree of chemical shift according to the amount of metabolite, and the chemical shift (?
(Where f is the Lamor frequency of the hydrogen nucleus in the metabolite and f ref is the frequency of tetramethylsilane (TMS) or 4-dimethyl-4-silapentane-1-sulfonic acid (DSS)
≪ / RTI >
상기 스펙트럼에서 피크(peak)의 중심지점의 화학적 천이값은 어떤 대사물질인지를 나타내며 피크의 넓이는 대사물질의 양을 나타내는 것을 특징으로 하는, 뇌 대사물질 네트워크 생성방법.The method of claim 3,
Wherein the chemical shift value of the central point of the peak in the spectrum indicates a metabolite and the width of the peak indicates an amount of a metabolite.
알라닌(Alanine, Ala)을 포함하는 다수개의 뇌 대사물질에 대해 각 대사물질만 포함하는 팬텀용액에서 자기공명분광학(MRS) 장비를 이용하여 스펙트럼을 측정하고, 연산처리부는 측정된 스펙트럼을 이용하여 기저집합(basis set) 데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는, 뇌 대사물질 네트워크 생성방법.5. The method of claim 4,
The spectrum is measured using a magnetic resonance spectroscopy (MRS) apparatus in a phantom solution containing a plurality of metabolic materials including alanine (Alanine, Ala) and each metabolite alone. And generating a set of basis data.
기저집합(basis set) 데이터를 위해, 18개의 뇌 대사물질에 대해 각 대사물질만 포함하는 팬텀용액을 만들어 스펙트럼을 측정하였으며, 상기 18개의 뇌 대사물질은, 알라닌(Alanine, Ala), 아스파르테이트(Aspartate, Asp), 크레아틴(Creatine, Cr), 포스포크리아틴(Phosphocreatine, PCr), 감마-아미노부티르산(gamma-Aminobutyric acid, GABA), 글루코스(Glucose, Glc), 글루타메이트(Glutamate, Glu), 글루타민(Glutamine, Gln), 글루타티온(Glutathione, GSH), 글리세로포스포콜린(Glycerophosphocholine, GPC), 포스포콜린(Phosphocholine, PCho), 미오이노시톨(Myo-Inositol, Ins), 젖산(Lactate, Lsc), N-아세틸아스파타이트(N-Acetylaspartate, NAA), N-아세틸아스파르틸글루타메이트(N-Acetylaspartylglutamate, NAAG), 포스포크리아틴(Phosphocreatine, PCr), 포스포릴에탄올아민(Phosphorylehtanolamine, PE), 타우린(Taurine, Tau)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 뇌 대사물질 네트워크 생성방법.6. The method of claim 5,
For the basis set data, spectra were measured by making a phantom solution containing only each metabolite for 18 brain metabolites, and the 18 brain metabolites were analyzed for alanine (Alanine, Ala), aspartate (Aspartate, Asp), Creatine (Cr), Phosphocreatine (PCr), Gamma-Aminobutyric acid (GABA), Glucose, Glc, Glutamate Glutamine, Gln, Glutathione (GSH), Glycerophosphocholine (GPC), Phosphocholine, PCho, Myo-Inositol, Ins, Lactate (Lsc) , N-Acetylaspartate (NAA), N-Acetylaspartylglutamate (NAAG), Phosphocreatine (PCr), Phosphorylethanolamine (PE), Taurine (Taurine, Tau). A method for generating a cerebral metabolite network.
스펙트럼 시변함수 획득 단계에서
2D 자기공명스펙트럼(MRS)의 시계열 신호를 획득하기 위한 신호측정 시간 간격은, 1회 측정하는데 소요되는 시간인, TR×Nx×Ny×NEX
(단, TR은 각 세차주파수에 해당하는 MRSI 펄스의 반복시간이며, Nx는 2D MRSI에서 스펙트럼을 획득할 다중복셀의 가로방향으로 배열된 복셀의 수이고, Ny는 2D MRSI에서 스펙트럼을 획득할 다중복셀의 세로방향으로 배열된 복셀의 수이고, NEX는 동일조건으로 실험을 반복하는 횟수임)
이상인 것을 특징으로 하는, 뇌 대사물질 네트워크 생성방법.The method according to claim 1,
In the spectral time-varying function acquisition step
The signal measurement time interval for acquiring the time series signal of the 2D magnetic resonance spectrum (MRS) is TR x N x N y x NEX
(Where TR is the repetition time of the MRSI pulse corresponding to each car- riage frequency, N x is the number of voxels arranged in the transverse direction of the multi-voxel to obtain the spectrum in 2D MRSI, and N y is the spectrum obtained in 2D MRSI The number of voxels arranged in the longitudinal direction of the multivoxel, and NEX is the number of times the experiment is repeated under the same conditions)
Of the total amount of the metabolites.
네트워크 구성단계에서, 네트워크 구성을 위해, 연산처리부는 특정 복셀 또는 영역을 기준(seed)으로 정한 뒤 그 복셀 또는 영역과 높은 상관관계(correlation)를 보이는 영역을 규명하는 방법(seed-based correlation analysis; SCA)을 이용하는 것을 특징으로 하는, 뇌 대사물질 네트워크 생성방법.The method according to claim 1,
In the network configuration step, for the network configuration, the arithmetic processing unit determines a specific voxel or region as a seed and then identifies a region showing a high correlation with the voxel or region (seed-based correlation analysis; RTI ID = 0.0 > (SCA). ≪ / RTI >
MRSI 데이터를 n개의 다른 시각 (t1, t2, …, t10)에 측정을 하면, 각 시각마다 각각의 대사물질의 양들이 각 복셀에서 얻어지게 되며, 결과적으로 각 복셀마다 각 대사물질의 양은 n개의 데이터로 이루어진 시변량으로 표현되는 것을 특징으로 하는, 뇌 대사물질 네트워크 생성방법.9. The method of claim 8,
When the MRSI data are measured at n different times (t1, t2, ..., t10), the amounts of each metabolite are obtained in each voxel at each time, and as a result, the amount of each metabolite per voxel is n Data is expressed as a time-varying amount of data.
네트워크 구성단계에서, SCA 방법을 이용할 경우,
두 복셀에서 대사물질 양의 시변량을 각각 x, y라고 하고 이중 특정시간 ti에 측정된 대사물질양을 xi, yi라고 하고, 또한 시변량의 평균을 , 로 하고, 시변량의 표준편차를 sx,sy 라고 하면, 두 복셀의 상관 계수(r)는
이며, 상기 상관 계수(r)은 -1에서 1사이의 값을 가지며,
연산처리부는 상기 상관 계수(r)를, 기 설정된 문턱치 (rthresh )와 비교하여.
상기 상관 계수(r)가 크면 양의 상관관계(correlation)가 있다고 판단하고, 상기 상관 계수(r)가 작다면 음의 상관관계(anti-correlation)가 있다고 판단하고, 상관 계수(r)가 크거나 작지 않다면, 상관관계가 없는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는, 뇌 대사물질 네트워크 생성방법.10. The method of claim 9,
In the network configuration step, when using the SCA method,
Let x and y be the time-varying amounts of the metabolites in the two voxels, respectively, and the amount of metabolites measured at the specific time t i is called x i , y i , , , And the standard deviation of the time variant is s x , s y , the correlation coefficient (r) of the two voxels is
, The correlation coefficient (r) has a value between -1 and 1,
The arithmetic processing unit sets the correlation coefficient r to a predetermined threshold rthresh ).
It is determined that there is a positive correlation when the correlation coefficient r is large and it is determined that there is a negative correlation if the correlation coefficient r is small and when the correlation coefficient r is large, Or if not, it is determined that there is no correlation.
연산처리부는 상기 상관 계수를, 통계분석에서 사용되는 표준화한 z값으로 나타내고, 색으로 암호화하여 해부학적 영상에 표시하며,
상기 상관 계수를 구해진 두 영역은, 네트워크에서 엣지(edge)로 연결관계를 나타내되, 양의 상관관계로 연결되어 있을 경우의 엣지 색상과 음의 상관관계로 연결되어 있을 경우의 엣지 색상은, 서로 다른 색상인 것을 특징으로 하는, 뇌 대사물질 네트워크 생성방법.11. The method of claim 10,
The operation processing unit displays the correlation coefficient as a standardized z value used in statistical analysis, encrypts the correlation coefficient and displays it on an anatomical image,
The edge areas of the two areas where the correlation coefficient is determined are connected to each other at an edge of the network. When the edge areas are connected by positive correlation, ≪ / RTI > is a different color.
연산처리부는, 양의 상관관계로 연결되어 있을 경우에는 빨간색 엣지로 표현하고, 음의 상관관계로 연결되어 있을 경우에는 파란색 엣지를 표현하는 것을 특징으로 하는, 뇌 대사물질 네트워크 생성방법.12. The method of claim 11,
Wherein the arithmetic processing unit is represented by a red edge when connected by a positive correlation and by a blue edge when connected by a negative correlation.
네트워크 구성단계에서, 네트워크 구성을 위해, 그래프 이론 접근 방법(graph theory approach)을 이용하는 것을 특징으로 하는, 뇌 대사물질 네트워크 생성방법.The method according to claim 1,
Characterized in that, for the network configuration, in the network configuration step, a graph theory approach is used.
네트워크는 노드(node)와 엣지(edge)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는, 뇌 대사물질 네트워크 생성방법.14. The method of claim 13,
Wherein the network comprises a node and an edge. ≪ Desc / Clms Page number 13 >
네트워크 구성단계에서, 그래프 이론 접근 방법을 이용할 경우,
노드들 사이의 연결성 여부는 연결행렬(connectivity matrix, C)로 표현되며, N개의 노드로 이루어진 뇌 네트워크의 연결행렬은 N×N 행렬을 이루고,
연결행렬의 i행 j열 원소 cij는 i번째 노드와 j번째 노드 사이의 연결성을 나타내는 값인 것을 특징으로 하는, 뇌 대사물질 네트워크 생성방법.15. The method of claim 14,
In the network configuration phase, when using the graph theory approach,
Connectivity between nodes is represented by a connectivity matrix (C), and the connection matrix of a brain network consisting of N nodes forms an N × N matrix,
Wherein the i-th row column element c ij of the connection matrix is a value indicating the connectivity between the i-th node and the j-th node.
이진(binary) 네트워크의 경우, 연결행렬 cij는
(단, r은 상관계수이며, rthresh 는 상관계수의 문턱치 임)
이며,
상기 연결행렬 값이 0일 경우, 해당 두 노드는 서로 연결되어있지 않으며,
상기 연결행렬 값이 0이 아닌 경우 서로 연결된 것으로 간주하여, 두 노드는 에지로 연결하여 표현하는 것을 특징으로 하는, 뇌 대사물질 네트워크 생성방법.16. The method of claim 15,
In the case of a binary network, the connection matrix c ij
(Where r is the correlation coefficient and rthresh Is the threshold of the correlation coefficient)
Lt;
If the connection matrix value is 0, the two nodes are not connected to each other,
Wherein when the connection matrix value is not 0, it is regarded as being connected to each other, and the two nodes are connected to each other by an edge.
가중(weighted) 네트워크의 경우에는, 연결행렬 cij는
이며,
상기 연결행렬 값이 0일 경우, 해당 두 노드는 서로 연결되어있지 않으며,
상기 연결행렬 값이 0이 아닌 경우 서로 연결된 것으로 간주하여, 두 노드는 에지로 연결하여 표현하는 것을 특징으로 하는, 뇌 대사물질 네트워크 생성방법.17. The method of claim 16,
In the case of a weighted network, the connection matrix c ij is
Lt;
If the connection matrix value is 0, the two nodes are not connected to each other,
Wherein when the connection matrix value is not 0, it is regarded as being connected to each other, and the two nodes are connected to each other by an edge.
네트워크 구성단계에서, 연산처리부가, 뇌를 기능적으로 다수개의 서로 다른 영역으로 구분하고, 각 영역을 노드로 표현하고, 각 노드간 상관계수(r)를 계산하여 연결행렬을 구성하고, 상기 연결행렬의 행렬값을 그레이 레벨로 표현하고, 그레이 레벨로 표현된 연결행렬로 구성된 네트워크를 가중 네트워크라고 하며,
상기 가중네트워크에서는 r=0일 경우, 두 노드는 엣지로 연결하지 않으며, r≠0이면, 엣지로 연결하며, r값에 비례해서 엣지의 굵기가 정해지도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 뇌 대사물질 네트워크 생성방법.18. The method of claim 17,
In the network configuration step, the arithmetic processing unit divides the brain functionally into a plurality of different areas, expresses each area as a node, calculates a correlation coefficient r between the nodes to construct a connection matrix, And a network constituted by a connection matrix expressed in gray level is referred to as a weighted network,
Wherein, in the weighted network, when r = 0, the two nodes are not connected to the edge, and if r ≠ 0, the edges are connected to the edge, and the thickness of the edge is determined in proportion to the r value. How to create a network.
네트워크 구성단계에서 구성한 네트워크를 통해 뇌에서 신진대사물질사이의 형성된 네트워크를 분석하기 위해서, 노드의 차수(node degree), 최단 경로 길이(shortest path length), 중심성(centrality), 군집 계수(clustering coefficient)를 포함하는 네트워크 파라미터를 검출하는 것을 특징으로 하는, 뇌 대사물질 네트워크 생성방법.19. The method according to any one of claims 11 to 18,
The node degree, the shortest path length, the centrality, and the clustering coefficient are used to analyze the network formed between the metabolites in the brain through the network constructed in the network configuration step. The method comprising the steps of: detecting a network parameter that includes the network parameter.
네트워크 파라미터는, 특정 노드 주변의 삼각망 수(Number of triangles around a node), 특정 노드와 다른 모든 노드와의 사이의 평균 거리(average distance between node i and all other nodes), 경로 길이(Characteristic path length), 특정 노드의 효율(Efficiency of node), 전체 효율(Global efficiency), 특정 노드의 군집계수(Clustering coefficient of node i), 특정 노드의 국소 효율(local efficiency of node i), 국소 효율(Local efficiency)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 뇌 대사물질 네트워크 생성방법.20. The method of claim 19,
The network parameters include the number of triangles around a node, the average distance between nodes and all other nodes, The efficiency of a particular node, the global efficiency, the clustering coefficient of the node i, the local efficiency of the node i, the local efficiency ). ≪ / RTI >
19. A recording medium storing a computer program source for a method of generating a cerebral metabolite network according to any one of claims 1 to 18.
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