정량 감수성 지도화

3. 기술

정량 감수성 지도화(QSM) 기술은 크게 데이터 획득, 배경 자기장 제거, 자기장-근원 역변환의 세 단계로 나눌 수 있다.
데이터 획득원칙적으로 모든 3D 기울기 에코 시퀀스가 데이터 획득에 사용될 수 있다. 실제로는 충분한 감수성 효과를 얻기 위해 적당히 긴 에코 시간을 갖는 고해상도 영상이 선호되지만, 최적의 영상 매개변수는 특정 적용 분야와 자기장 세기에 따라 달라진다. 다중 에코 획득은 B₁ 불균일성의 영향을 받지 않고 정확한 B₀ 자기장 측정을 위해 유용하다. 유속 보정은 정맥혈에서 감수성 측정의 정확도를 높일 수 있지만, 완전히 유속이 보상된 다중 에코 시퀀스를 설계하는 데는 기술적인 어려움이 따른다.^[1]
배경 자기장 제거인간 뇌의 QSM에서 관심 대상은 뇌 내부의 국소 감수성 분포이다. 그러나 국소 소스에 의해 유도된 자기장은 주 자기장 불균일성(불완전한 시밍) 및 공기-조직 경계면과 같은 다른 소스에 의해 유도된 장에 의해 불가피하게 오염된다. 이러한 배경 자기장은 국소 자기장보다 수십 배 더 강한 감수성 차이를 보인다. 따라서 위상 영상의 선명한 시각화와 QSM의 정밀한 정량화를 위해서는 비생물학적 배경 자기장을 제거해야 한다.

이상적인 배경 자기장 제거 방법은 동일한 모양의 균일한 팬텀으로 관심 샘플을 대체하고 스캐너 시밍을 동일하게 유지하는 별도의 참조 스캔을 통해 직접 측정하는 것이다. 그러나 임상 적용에서는 이러한 접근 방식이 불가능하므로 후처리 기반 방법이 선호된다. 고역 통과 필터링을 포함한 전통적인 발견적 방법은 배경 자기장 제거에 유용하지만 국소장도 훼손하고 정량적 정확도를 저하시킨다.

최근에는 배경 자기장이 조화 함수라는 사실을 활용하는 방법들이 개발되었다. 대표적인 예로는 쌍극자장으로의 투영(PDF)^[8], 위상 데이터에 대한 정교한 조화 아티팩트 감소(SHARP)^[9], 라플라스 경계값(LBV) 방법^[10] 등이 있다. 이러한 방법들은 추정 국소장에서 향상된 대비와 더 높은 정밀도를 제공한다.

• 다중 방향 샘플링을 통한 감수성 계산 (COSMOS): 여러 방향에서 과도한 샘플링을 통해 역 문제를 해결한다.^[11][12] 푸리에 변환 영역에서 제로 콘 표면이 B₀ 필드에 대해 매직 각도로 고정되어 있다는 사실을 활용한다. 모델이 없는 자화율 분포를 가정하고 측정된 데이터에 대한 완전한 충실도를 유지하며, ''생체 외'', ''생체 내'' 및 팬텀 실험에서 광범위하게 검증되었다. 그러나 일반적으로 세 가지 방향이 필요하므로 임상 적용의 실용성이 제한된다.
• 형태학적 정보를 이용한 쌍극자 역변환 (MEDI): MRI이 위상 영상뿐만 아니라 크기 영상도 제공한다는 점을 활용한다. 크기 영상에 존재하지 않는 QSM의 가장자리는 가중된 $l\_1$ 노름 최소화 문제를 해결하여 희소화된다.^[13][14] 팬텀, 시험관 내 및 생체 외 실험에서 검증되었으며, 생체 내 인간 뇌에서 COSMOS와 유사한 결과를 보였다.^[15] 단일 각도 획득만 필요하므로 QSM에 대한 보다 실용적인 솔루션이다.
• 임계값 기반 K-공간 분할 (TKD): 푸리에 공간에서 부정확한 데이터가 원뿔과 그 주변 지역에만 존재한다는 점을 이용한다.^[12][17] 단일 각도 획득만 필요하며 구현이 쉽고 계산 속도가 빠르지만, QSM에서 줄무늬 인공물이 자주 나타나고 감수성 값이 COSMOS에 비해 과소평가된다.

3. 1. 데이터 획득

3. 2. 배경 자기장 제거

3. 3. 자기장-근원 역변환

3. 3. 1. 다중 방향 샘플링을 통한 감수성 계산 (COSMOS)

3. 3. 2. 형태학적 정보를 이용한 쌍극자 역변환 (MEDI)

3. 3. 3. 임계값 기반 K-공간 분할 (TKD)

4. 임상 응용

QSM은 석회화와 철 침착을 구별하고, 조영제 농도를 정량적으로 측정하는 데 유용하다.

QSM은 T2* 강조 영상에서 구별이 어려운 석회화와 철 침착을 구분하는 데 도움을 줄 수 있다.^[19] 피질 뼈의 주요 구성 요소인 석회화는 생체 내 및 팬텀 실험에서 물과 비교했을 때 반자성체로 확인되었다.^[11][18] 따라서 QSM을 통해 강한 상자성체를 띄는 철 침착물과 석회화를 구별할 수 있다.

4. 1. 석회화와 철의 구별

4. 2. 조영제 정량화

참조

_[1] 웹사이트 1st International Workshop on MRI Phase Contrast and Quantitative Susceptibility Mapping, Jena (2011) http://www.mrt.uni-j[...]
_[2] 웹사이트 2nd International Workshop on MRI Phase Contrast & Quantitative Susceptibility Mapping, Cornell (2013) http://weill.cornell[...]
_[3] 웹사이트 3rd International Workshop on MRI Phase Contrast & Quantitative Susceptibility Mapping, Duke (2014) http://www.biac.duke[...]
_[4] 웹사이트 4th International Workshop on MRI Phase Contrast & Quantitative Susceptibility Mapping, Graz (2016) http://www.qsm2016.c[...]
_[5] 논문 Quantitative susceptibility mapping (QSM): Decoding MRI data for a tissue magnetic biomarker
_[6] 논문 A fast calculation method for magnetic field inhomogeneity due to an arbitrary distribution of bulk susceptibility 2003
_[7] 논문 Application of a Fourier-based method for rapid calculation of field inhomogeneity due to spatial variation of magnetic susceptibility 2005
_[8] 논문 A novel background field removal method for MRI using projection onto dipole fields 2011
_[9] 논문 Quantitative imaging of intrinsic magnetic tissue properties using MRI signal phase: an approach to in vivo brain iron metabolism? 2011
_[10] 논문 Background field removal by solving the Laplacian boundary value problem 2014
_[11] 논문 Calculation of susceptibility through multiple orientation sampling (COSMOS): A method for conditioning the inverse problem from measured magnetic field map to susceptibility source image in MRI 2009
_[12] 논문 Susceptibility mapping in the human brain using threshold-based k-space division 2010
_[13] 논문 Quantitative susceptibility map reconstruction from MR phase data using bayesian regularization: Validation and application to brain imaging 2009
_[14] 논문 Quantitative susceptibility mapping by regulating the field to source inverse problem with a sparse prior derived from the Maxwell Equation: validation and application to brain http://cds.ismrm.org[...] 2011-01-26
_[15] 논문 Morphology enabled dipole inversion (MEDI) from a single-angle acquisition: Comparison with COSMOS in human brain imaging 2011-09
_[16] 논문 Quantitative susceptibility mapping of human brain reflects spatial variation in tissue composition 2011
_[17] 논문 Magnetic susceptibility mapping of brain tissue in vivo using MRI phase data 2009
_[18] 논문 Quantitative MR susceptibility mapping using piece-wise constant regularized inversion of the magnetic field 2008
_[19] 논문 Differentiation between diamagnetic and paramagnetic cerebral lesions based on magnetic susceptibility mapping 2010
_[20] 논문 In vivo quantification of contrast agent concentration using the induced magnetic field for time-resolved arterial input function measurement with MRI 2008
_[21] 웹사이트 1st International Workshop on MRI Phase Contrast and Quantitative Susceptibility Mapping, Jena (2011) http://www.mrt.uni-j[...]
_[22] 웹사이트 2nd International Workshop on MRI Phase Contrast & Quantitative Susceptibility Mapping, Cornell (2013) http://weill.cornell[...]
_[23] 웹인용 3rd International Workshop on MRI Phase Contrast & Quantitative Susceptibility Mapping, Duke (2014) http://www.biac.duke[...] 2024-05-24
_[24] 웹인용 4th International Workshop on MRI Phase Contrast & Quantitative Susceptibility Mapping, Graz (2016) http://www.qsm2016.c[...] 2024-05-24
_[25] 논문 Quantitative susceptibility mapping (QSM): Decoding MRI data for a tissue magnetic biomarker