양성자 공명 주파수 기반의 자기공명 온도측정법에 관한 연구 : 뇌의 온도 계수 결정과 위상 차이 영상을 위한 키홀 방법의 적용 = Proton resonance frequency based magnetic resonance thermometry
저자
발행사항
김해시 : 인제대학교일반대학원, 2011
학위논문사항
학위논문(석사)-- 인제대학교일반대학원 : 의용공학과 2011.02
발행연도
2011
작성언어
한국어
주제어
DDC
616.07548 판사항(20)
발행국(도시)
경상남도
형태사항
ⅶ, 80 p. : 삽화 ; 26 cm.
일반주기명
지도교수:문치웅
참고문헌:p.74-79
소장기관
본 연구에서는 양성자 공명 주파수 기반의 자기공명 온도측정법으로 정상인 뇌의 온도 계수를 결정하고, 키홀 방법이 적용된 위상 차이 영상을 최적화 하고자 하였다. 먼저 뇌 대사물질의 온도 계수를 결정하기 위해 핵자기공명분광장치를 이용한 단일 용적 기법으로 온도 분포에 따른 뇌 대사물질들의 화학적 이동 변화를 독립적으로 산출한 뒤, 분광 영상법으로 실제 정상인 뇌의 온도를 대사물질별로 지도화 하였다. 두 번째로는 위상 차이 영상에 키홀 방법을 적용하여 최소의 온도 차이로 시공간 해상도를 향상시킬 수 있는 최적화된 위상부호화의 수를 찾고자 하였다.
단일 용적 기법을 이용한 온도측정에서는 NMR장치 내부의 온도조절기를 이용하여 섭씨 25도부터 80도까지 5도 간격으로 온도의 범위를 변화시켜가며 분광 신호를 측정하였다. 각 대사물질에 대한 온도 계수는 제작된 후처리 소프트웨어를 이용하여 온도에 의해 변화된 화학적 이동 변화를 곡선 적합함으로서 산출되었다. 산출된 각각의 온도 계수는 선형 회귀분석으로 평가 및 결정되었다. 결정된 5가지 주요 뇌 대사물질(totCr, Cho, Cr, NAA, Lac)의 온도 계수는 각각 0.0086, 0.0088, 0.0091, 0.0089, 그리고 0.0088ppm/℃였으며, 이를 이용하여 자기공명영상장치의 분광 영상으로 정상인 뇌에 대한 온도를 지도화 하였다. 그 결과 각각의 뇌 대사물질; totCr, Cho, Cr, NAA에 따른 관심부위당 평균 온도는 35.849±2.149℃. 37.287±0.961℃, 34.640±0.911℃, 그리고 35.503±0.931℃로 나타났다.
위상 차이 영상법을 이용한 온도측정은 SPGR 펄스열로 조직 모사 팬텀과 돼지고기 근육 조직에서 수행되었다. 가열은 RF방식으로서 자체 제작된 동축슬롯 안테나를 이용하여 50W로 2분동안 가열하였다. 획득된 데이터는 자체 제작된 MATLAB기반의 영상처리 프로그램을 이용하였으며, 키홀 방법의 적용을 위해 k-space의 중앙 영역을 각각 128, 64, 32, 16, 8, 4로 위상부호화하여 영상을 재구성하였다. 모든 온도영상에서의 온도해상도는 TE(echo time)에 의해 5.763[°/℃] (=0.1005[rad/℃])로 나타났다. 키홀이 적용된 온도영상에서 위상부호화수가 줄어들수록 온도오차가 증가하였으나, SNR은 비교적 유지되는 경향을 나타냈다. 또한 전체가 부호화된 영상과의 paired t-test에서는 16개 이하로 위상부호화된 키홀 영상에 비해 p<0.05에서 유의한 온도차이가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구의 결과를 통해 뇌 대사물질의 화학적 이동 변화와 온도 변화의 선형적인 관계를 객관적으로 입증하였으며, 각 대사물질별로 임상적으로 활용 가능한 온도계수를 가이드라인으로 제시하였다. 또한 위상 차이 영상법에 키홀 방법을 적용하여 최소의 온도오차의 최적화된 위상부호화수를 결정하였다. 본 연구는 이러한 자기공명분광영상법을 이용하여 넓은 범위의 비침습적 뇌 온도 측정의 가능성을 보였으며 제안된 키홀 방법으로 실시간 자기공명 온도측정에서 시간분해능을 높였다.
This study is to determine the temperature coefficients of normal human brain metabolites using MR thermometry with proton resonance frequency(PRF) method, and is to optimize phase difference image utilizing keyhole method. To determine the temperature coefficients of brain metabolites, first, chemical shift changes of each metabolites of brain were independently estimated according to the temperature variation using single voxel technique(SVT) on nuclear magnetic resonance. And then, spectroscopic images were also obtained in normal human brain. Second, in phase difference imaging(PDI), we try to find optimized number of phase encoding to improve temporal and spatial resolution with minimum temperature error using keyhole method.
In SVT experiment, NMR signals were obtained in the temperature range from 23℃ to 80℃ every 5℃ step increment using internal temperature controller on the machine. Temperature coefficients of each metabolite peaks were also estimated from the measured chemical shift depending on the temperature change through curve fitting with self-developed post processing tool. Each temperature coefficients were determined in linear regression analysis. The temperature coefficients of totCr, Cho, Cr, NAA, and Lac were 0.0086, 0.0088, 0.0091, 0.0089, and 0.0088ppm/℃, respectively. Using above facts, the temperature distribution in normal human brain was obtained using spectroscopic imaging technique of MRI. Estimated mean temperature of each metabolites in the region of interest were totCr = 35.849 ± 2.149℃, Cho = 37.287 ± 0.961℃, Cr = 34.640 ± 0.911℃, and NAA = 35.503 ± 0.931℃, respectively.
For the PDI experiment, tissue mimic phantom and swine’s muscle tissue were used and they were heated during 2 minutes with 50W power by self-developed coaxial slot antenna as a RF heating manner. Obtained data were processed by self-developed MATLAB based image processing program. To apply the keyhole method, center part of k-space of image were acquired using SPGR pulse sequence according to 128, 64, 32, 16, 8, and 4 phase encoding lines, and then phase images were reconstructed. The temperature resolution was calculated as 5.763[°/℃] (=0.1005[rad/℃]) at TE(echo time)=25msec in all temperature images. In applied keyhole temperature images, smaller number of phase encoding, more temperature error increases, but SNR was not decreased comparably. Also keyhole image with less then 16 phase encoding is significantly different compared with full(256) phase encoded image.( p<0.05)
In this study, linear relationship between temperature change and chemical shift variation of brain metabolites was proved. Moreover, the optimized phase encoding number for the PDI was found when the keyhole method was applied. Therefore, authors believe that non-invasive brain temperature measurement is possible using MR spectroscopic imaging technique and suggest that keyhole method is a powerful non-invasive tool to monitor the temperature in the deep part of the object in real time.
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