Biophysical Model-based Quantitative Microstructure Mapping using Magnetic Resonance Imaging = 자기공명영상을 이용한 생체물리학적 모델 기반 정량적 미세구조체 영상법
저자
발행사항
서울 : 서울대학교 대학원, 2022
학위논문사항
학위논문(박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·정보공학부 2022. 2
발행연도
2022
작성언어
영어
주제어
DDC
621.3
발행국(도시)
서울
형태사항
xvi, 124 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 이종호
UCI식별코드
I804:11032-000000171615
DOI식별코드
소장기관
자기공명영상(MRI)이 폴 C. 러터버와 피터 맨스필드경에 의해 소개된 이후 자기공명영상은 3차원 연조직 구조(특히 뇌조직 구조)에 대한 전례 없는 해부학적 정보들을 제공해오고 있다. 자기공명영상 방법론으로는 광범위한 물리 메커니즘(예: 물분자의 확산계수, 스핀격자 이완시간 (T 1 이완시간))을 기반으로 다양한 영상법이 개발되어 뇌의 병리적 특성 마다 특화된 민감도와 특이도를 가지는 다양한 이미지 대조도를 시각화하는 영상을 획득할 수 있다.
최근, MRI 신호에 대한 물리적 모델링이 발전을 거듭하며 이완시간상수나 물확산계수등의 자기공명영상의 근간을 형성하는 물리량 자체를 측정할 수 있는 "정량적 자기공명영상"이라는 새로운 분야가 등장하였다. 이 기술은 자기공명영상 촬영의 시점, 제조사, 촬영장소등에 종속적이던 기존 정성적 자기공명영상의 한계점을 극복하며 시점과 장소 등에 무관한 정량적 측정의 기준을 제공하였다. 이러한 정량적 자기공명영상법의 한가지 갈래로서 뇌에 대한 조직학적 정보를 생체(Invivo) 상태로 영상화하는 주제는 오랫동안 중요한 연구 분야로 주목을 받아왔다. 특히 철과 수초와 같은 뇌 미세구조체의 변화는 정상적인 뇌기능과 신경퇴행성 질환의 조직병리학적 특성과 밀접한 연관을 가지기 때문에 뇌 미세구조체 정량적 영상법은 의학적, 신경과학적 유용성을 가지고 있다.
본 논문에서는 뇌내 미세구조체를 영상화하기 위한 몇가지 생물물리학적(Biophysical) 모델을 조사하고 발전시켜 철과 수초와 같은 뇌 미세구조체를 정량화할 수 있는 생물물리학적 모델을 제시한다. 첫번째 모델로써 다중 에코 기울기 에코 데이터의 신호 감쇠 특성을 분석하여 수초 농도를 측정하는 자기공명영상 방법론인 경사에코 수초물영상법을 제안하였다. 이 방법은 신경수초에 대한 정량적 바이오마커로서 수초물영상을 제공한다. 본 논문에서는 3T 및 7T 두 고자장에서 고품질 경사에코 수초물 이미지를 생성하기 위한 새로운 시퀀스 및 후처리 기술을 제안하였다. 첫째로는 빠르게 감쇠하는 미엘린 물 신호를 포착하기 위해 양극성 데이터읽음을 포함하는 경사에코시퀀스가 설계되었다. 이 "경사쌍" 기술은 자기공명영상에서 발생하는 와전류의 영향을 성공적으로 보상하였다. 또한, 다중 구획 T1 효과를 탐색하기 위하여 다양한 젖힘각을 이용해 젖힘각 효과는 긴 TR이 있는 2D 다중 슬라이스 수집을 사용하여 방지할 수 있음을 보였다. 추가로 해당 시퀀스는 혈액 유입 및 자화 전달(Magnetization transfer)등의 교란요인에 대해 평가되었으며 이러한 교란 요인에 대한 견고성을 보였다. 마지막으로, 시간 및 공간적 B 0 필드 불균일 효과는 B 0 내비게이터 및 복셀 내 필드 불균일성 보정을 사용하여 보정하였다. 이 방법을 사용하여 3T 및 7T 자장 모두에서 생체상태 인간 두뇌의 고품질 수초 이미지를획득하는데 성공하였다.
미세구조 영상화를 위한 두 번째 생물물리학 모델로서, 철과 수초가 자화율에 대하여 서로 다른 특성을 가지는 것(즉, 철이 양성 감수성을 갖는 것과 수초가 음성 감수성을 가짐)을 통해 자기공명신호에 철 및 수초가 각각 미치는 개별 영향도를 독립적으로 설명하는 새로운 생물물리학 모델을 제안한다. 이 모델을 사용하여 철과 수초의 복셀 단위 분포를 생성하는 𝜒 -분리라고 하는 방법을 제안하였다. 이 방법은 Monte-Carlo 컴퓨터 시뮬레이션과 팬텀 실험을 사용하여 검증되었으며 마지막으로 사후 및 생체 내 뇌에 적용되어 그 유효성을 보였다. 그 결과로 잘 알려진 철과 수초의 조직학적 특징이 사후뇌표본(예: Gennari 선에서 동시에 발견되는 철과 수초)뿐 만이 아니라 건강한 자원자(예: 수초가 결핍되고 및 철이 풍부한 Pulvinar의 영상화)와 다발성 경화증 환자군(예: , 탈수초화된 철-테두리 병변 영상화)에서도 발견되었다.
이렇게 제안된 방법들은 생체상태에서 조직학적 정보에 접근할 수 있는 새로운 장을 열어 뇌 미세 구조 영상 기반의 의학 및 뇌과학에서 실용적으로 적용가능한 도구로써 그 유용성을 제시한다.
Since magnetic resonance imaging (MRI) was introduced by Paul C. Lauterbur and Sir. Peter Mansfield, MRI has provided unprecedented anatomical information of 3-dimensional soft tissue, especially in the brain. By leveraging its sensitivity to a wide range of image contrast mechanisms (e.g., diffusion coefficient of water molecule, spin-lattice relaxation (T 1 relaxation)), various MRI methods have been developed to visualize different image contrasts which have unique sensitivity and specificity to the pathological condition of the brain.
Recently, quantitative MRI techniques, which enable to measure MRI physical quantities such as relaxation time constant or diffusion coefficient, are emerging with the development in physical modeling of MRI signals. The techniques can overcome the challenges in the conventional MR contrast-based analysis, which is rather qualitative, by providing the quantitative metrics fairly comparable across time points, MRI vendors, and sites. As one of topics in the quantitative MRI, obtaining histological information from the in-vivo brain has been a long-standing target. Particularly, quantitative imaging of brain microstructures, such as iron and myelin, has practical utility in neuroscience and medicine because they are involved in normal brain function and are histopathological hallmarks in neurodegenerative diseases.
In this thesis, a few biophysical models are investigated and developed to quantify the brain microstructures in the brain (e.g., iron and myelin). As the first model, gradient echo-based myelin water imaging (GRE-MWI), an MRI method to measure myelin concentrations by analyzing the signal attenuation characteristics of multi-echo gradient-echo data, was developed. This method provides the myelin water fraction as a quantitative biomarker for myelin. In this thesis, we propose a novel sequence and post-processing technique to create high-quality GRE-MWI images in 3T and 7T. To capture the fast-decaying myelin water signal, a GRE sequence with bipolar readout was designed as a "gradient pairing" to compensate for the effects of eddy current. The flip angle effects from the multi-compartmental T 1 effect were explored and prevented using a 2D multi-slice acquisition with a long TR. The sequences were also evaluated for the effects of blood inflow and magnetization transfer and revealed robustness against these confounding factors. Finally, the temporal and/or spatial B 0 field heterogeneity effects were compensated for using the B 0 navigator and intra-voxel field heterogeneity correction. Using this method, high-quality myelin water images of the in-vivo human brain were successfully acquired at both 3T and 7T.
As the second biophysical model for microstructural imaging, I suggest a new biophysical model that describes the individual contribution of iron and myelin to MRI signals via their different characteristics related to magnetic susceptibility (i.e., iron having positive susceptibility vs. myelin having negative susceptibility). Using this model, I develop a method, which is referred to as 𝜒 -separation, that generates the voxel-wise distributions of iron and myelin. The method is validated using Monte-Carlo computer simulation and phantom experiments and, finally, applied to postmortem and in-vivo brains. The results delineate the well-known histological features of iron and myelin in the postmortem specimen (e.g., iron and myelin in line of Gennari), healthy subjects (e.g., myelin-deficient and iron-rich pulvinar), and multiple sclerosis patients (e.g., demyelinated iron-rim lesion).
These proposed methods open the possibility of in-vivo histology technology, which may serve as a practical tool for exploring the microstructural information of the brain.
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