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KSMRM Spring 2007

자기공명영상을 이용한 확산및 관류 영상의 최신 동향

장건호

경희대학교 영상의학과

KSMRM Spring 2007

Objectives

• 관류영상 방법의 최신 동향을 이해.

• 확산영상 방법의 최신 동향을 이해.

• 이 두 가지 최근 기술들이 임상에 적용할 수 있는 가능성을 이해.

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Content

• Perfusion(관류) MRI– Dynamic Contrast Enhanced (bolus passage)

– Dynamic Susceptibility Contrast (bolus tracking)

– Arterial spin labeling

• Diffusion(확산) MRI– Diffusion-weighted imaging

– Diffusion tensor imaging

– Fiber Tracking

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pMRI: DCE or T1W PWI

• Common outputs: EES volume, CBF, CBV, Ktrans

• GD-DTPA 조영제:– 주입-> blood plasma 영역으로 들어옴

– 정상세포: BBB (blood brain barrier)을 통과하지 못함

– Tumor나 multiple sclerosis (MS) 등의 질환에서는 EES(Extravascular Extracellular Space )로들어감.

– 조직의 T1 값을 감소시켜 T1 강조 영상에서 신호강도를 증가시키는 역할

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DCE: New Parameters

• constant rate: kep=PS/ve

• Transfer constant (Ktrans): BBB leakage 의 경우 PS의 대용으로 사용

– flow와 permeability의 감별을 위함

– Limited permeability model (ex, MS):• Ktrans=PS (flow>>PS)

– Limited flow model (ex, tumor): • Ktrans=flow (flow<<PS)

• Permeability Map을 구하기 위한 free software: LUPE program

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Problems of the DCE Method

• Protocol: 3D Fast GE T1W sequence– TR<7 msec, TE<1.5 msec, FA=30

• Problems:– 1. AIF 측정의 정확성

– 2. 조영제가 얼마나 균일하게 조직 내에 분포되는가(tissue homogeneity)

– 3. 공간회상도 및 시간회상도를 향상 시키는 문제와(spatial and temporal resolution)

– 4. perfusion 및 permeability를 angiogenesis와 관련시켜 어떻게 해석할 것인가

– 5. Ktrans 및 ve를 임상에서 손쉽게 얻을 수 있는 소프트웨어를 만드는 것.

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pMRI: DSE or T2*W PWI

• Common outputs: CBF, CBV, MTT, Peak height, Percent signal recovery

• 조영제의 주입으로

– Susceptibility(자화감수성)이 증가하며,

– T2* 신호가 감소하게 됨.

– 이 감소를 시간에 따른 T2* relaxivity contrast 변화 (∆R2*)로 나타내게 됨.

• 영상: EPI sequence를 이용.

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Dynamic PWI

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A. Pre-injection baselineB. Contrast arrivalC. Peak signal changeD. RecirculationE. Post-injection baseline

A. Arrival timeB. Maximum contrast concentrationC. Full-width at half maximum

Change in MRI signal due to passage of contrast agent

Figure from Cerebral MR Perfusion. Sorensen and Reimer

Book by A.G. Sorensen & P. Reimer, 2000

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Flow Quantification

• AIF: 정량적인 flow을 얻기 위해서는 brain-feeding artery에서 조영제 농도의 변화를알아야 됨

• 선형관계: – 조영제의 농도와 ∆R2*의 변화

– 실제로는 비선형적(quadratic relation) 관계임.

• Phase를 이용한 flow quantification:

– 조영제의 농도와 Phase 변화: 선형적 관계

– flow quantification이 개발되고 있음.

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CBF measurement in DSC

)()()( tRtAIFCBFtCm ⊗×=

Cm (t) : measured concentration curve in tissueCBF : Cerebral Blood Flow [ml/100g/min]AIF (t) : Arterial Input functionR (t) : Residue function

[Ostergaard et al. 1996]known

unknown

)()(sec)(min/601min)/100/()/()( tRtAIFgmlCBF

kmlgtC

Hm ⊗×××=

ρ

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AIF And Partial Volume Effect (PVE)

• GE 영상에서는 voxel 크기가 커서 PVE의 문제가 발생

– Artery가 main magnetic field에 parallel 평행인경우:

• PVE 를 어렵지만 수정할 수가 있음.

– Artery가 main magnetic field와 non-parallel 경우

• PVE 를 보완하기가 매우 힘듬.

– local AIF 방법이 개발되고 있음

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Deconvolution and Data Presentations

• Hematocrit 양의 차이의 보정: 일정상수로 처리

• Dispersion에 대한 flow 값의 오차가 발생

• Deconvolution을 위한 최초 발표된– singular value decomposition (SVD) 방법

– 최근 개발된 Deconvolution 방법:• modified SVS

• Fourier method 및 maximum-likelihood expectation maximization (MLEM)

• Data presentations 방법: ROI – 각각의 voxel에 대하여 parameter를 구하고 그 ROI에 대

한 평균하는 방법

– 평균하고 parameter를 구하는 방법이 사용.

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Clinical Issues

• Percent signal recovery (PSR): – Malignant glioma와 metastasis 을 구별하기

위해 이용• Metastasis의 경우 PSR값이 capillary에서의 GD-

DTPA의 누수 때문에 감소

• Glioma grading을 위해서는 rCBV가 일반적으로 사용되어– rCBV가 클수록 high grade tumor.

• 예외: Oligodendroglioma의 경우는 grade에 관계없이 vascularity가 증가해서 rCBV를 이용할 수 없음.

– Grading을 위한 또 하나의 방법으로 Ktrans을 이용하고 있다.

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pMRI: ASL • Common output: CBF

• ASL perfusion 영상: RF 펄스를 이용하여 arterial blood의 longitudinal magnetization를 변화시켜 얻는 방법– PWI = Control - Labeled

• Development issues:– blood labeling 효과를 최대한도로 높이기 위함

– MT effect의 최소화: Static tissue의 기여도를 줄임

• ASL 방법:– pulsed ASL (PASL)

– continuous ASL (CASL)

– velocity selective ASL(VS-ASL)– Vascular Territory Imaging (VTI)

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PASL va CASL• PASL 방법: 짧은 시간 동안

blood를 labeling – 예: FAIR, PICORE, EPISTAR,

UNFAIR, EST, TITL, DIPLOMA 및 IDOL

• CASL 방법: flow driven adiabatic inversion– 특별한 하드웨어의 지원이 필

요

– PASL 방법에 비하여 어려움

– SNR이 높은 것이 장점

– pseudo-CASL이 개발

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Pseudo-continuous Flow Driven Adiabatic Inversion

• Repeated vs. continuous RF

• More compatible with current MRI RF amplifiers on

• Allows product body coil excite/array receive

– 2-3X SNR improvement

• Improved efficiency (~80% versus ~70% for AM control)

– 2X SNR improvement

• Total 5X SNR gain

– With background suppression >10X SNR gain

RF

G

labelcontrol

800 µsec

Garcia, de Garcia, de BazelaireBazelaire & Alsop, & Alsop, ISMRMISMRM 20052005 KSMRM Spring 2007

VS-ASL

• Wu WC, Wong EC, NeuroImage 2006

• VSASL 방법:

– blood의 최저속도를 기준으로 (cutoff velocity Vc) 설정

• 뇌졸증 환자와 같은cerebrovasculardiseases 환자의 경우– labeled blood 가 영상 영

역으로 흐르는 시간이 각각 다르며

– blood T1 값보다 시간이길게 될 수 있음

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VTI

• Green=left ICA

• Red=right ICA

• Blue=basilar artery

Gunther M 2006, MRM 56

• VTI 영상법은 PASL 방법을 이용하여 일부 feeding artery 만을labeling하는 방법임.

• Cerebralvascular disease 환자에서– stenotic vessel들이 여러 개 있을 경우

– carotid endarterectomy, stenting, 혹은 bypass등의 intervention 시술을 수행할 경우에 유용하게 사용될 수 있음.

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CBF and BOLD and CMRO2

• ASL 영상법을 이용하는 경우 oxygen metabolism (CMRO2)을 얻을 수 있음

• 동시에 CBF와 BOLD 영상을 얻고 이를 바탕으로 CMRO2을 구할 수 있음– Dual-echo method:

• 1st echo=ASL

• 2nd echo=BOLD

• CMRO2

– Single-echo method:• addition=BOLD

• subtraction=CBF

• CMRO2

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Improved Reliability with DIPLOMA ASL

• Jahng et.al. Radiology 2005

• Test-retest on 13 subjects

• ICC=Intra-class correlation coefficient

0.790.760.78PICORE

0.790.750.78EPISTAR

0.800.800.81DIPLOMA

WhiteGrayGlobal ICC

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Whole Brain ASL Perfusion MRI at 4T

Imaging Parameters: 2.4mm x 2.4mm; 3mm slices with 0.75mm gap; TR/TE=4200/11ms, 120 averages; 8 min

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3D ASL with 1min

Acquisition

• 3D GraseSeq

• 4.7x4.7x4mm with 26 slices

• 1min acquisition KSMRM Spring 2007

Intermission

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Alexander Leemans,Ph.D.

Diffusion Tensor MRI (DTI)

Brownian motion of molecules (microscopic)

Diffusion (macroscopic)

Diffusion?

Einstein relation: 2 6 r D t= r = displacement t = time

similar physical principle “water in water”

D = Diffusion CoefficientKSMRM Spring 2007

Alexander Leemans, Ph.D.

Diffusion Tensor MRI (DTI)Diffusion?

‘free’ diffusion

D is equal in all directions

isotropic diffusion

‘restricted’ diffusion

D is not equal in all directions

anisotropic diffusion

⇔

2D3D

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Alexander Leemans, Ph.D.

Diffusion Tensor MRI (DTI)Diffusion tensor!

mathematical framework to describe diffusion!

xx xy xz

yx yy yz

zx zy zz

D D DD D DD D D

⎡ ⎤⎢ ⎥= ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

D

1−= ⋅Λ ⋅D E E

“eigenvalue decomposition”

⎡ ⎤⎢ ⎥= ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

E1

1

1

x

y

z

eee

2

2

2

x

y

z

eee

3

3

3

x

y

z

eee

0 00 00 0

⎡ ⎤⎢ ⎥Λ = ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

1 λ

2 λ

3 λ

( )1 1,

e λ

( )2 2,

e λ

( )3 3,

e λ

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dMRI: DWI

• Pulsed-gradient spin-echo (PGSE) echo-planar imaging (EPI) sequence

• b-value: 확산현상을 결정짓는 인자

– trapezoidal gradient을 이용할 경우

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−+⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −∆=

6303

2322 δεεδδγ jiij GGb

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Improvements

• New PGSE-type sequence:

– Diffusion gradient에 의해 발생되는 eddy current에 의한 영상의 변질을 최소화

– Double-refocused PGSE EPI sequence 가 개발

• Minimization of susceptibility artifact:

– Residual eddy-current는 phase-encoding 방향으로 shearing, scaling, translation등의 영상 변질을 야기

– phase array coil의 개발

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Double refocusing Bipolar gradient Spin-Echo DTI Seq

• MRM 2003

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Two-compartment Model

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Diffusion Kurtosis Imaging, DKI• DTI 영상이 Gaussian 분포를 갖는다는 가정 함

• 실제 인체에서는 그러한 분포만을 형성하지는 않음

• Kurtosis:– 통계 분포에서 사용되는 fourth moment

– 큰 분포 (large displacement)에 매우 민감한 특성

– DKI 영상:

– D=ADC, K=apparent kurtosis coefficient (AKC)

– Gaussian diffusion에 제한 받지 않음

– K값을 얻기 위해서는 여러 b-value에 대한 영상을 얻은 후에 fitting을 해야 한다.

– 사람의 lung 과 normal human brain 에 적용 했음

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +−= KDbbDSS 22

0 61exp

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ADC vs. AKC in Human Brain

• Jensen JH, et al MRM 2005

Gray Matter

White MatterKSMRM Spring 2007

DTI• 구조물질들의 비등방성(Anisotropy) 확산 현상을 기술

• rotationally invariant scalar (RIS) 량:– 어떤 방향으로 영상을 획득하든지 관계없이 확산값은 변

하지 않음– 환자간의 확산을 비교할 수 있는 것이 특징– RIS index:

• Isotropic diffusion: Trace (mean diffusivity)• Anisotropic diffusion: FA, RA, 1-VR, LI• diffusion-shape index (linear diffusion 과 spherical

diffusion)

• Diffusion tensor의 eigenvalue와 eigenvector를 이용하여white matter의 방향성을 색으로 나타낼 수 있다. – Red=right-left, Green=anterior-posterior, Blue=head-feet 방향.

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Directionality

Fractional Anisotropy

Diffusion Tensor Imaging (DTI)

E1

E2E3

Mean Diffusivity

T1-weighted

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Geometrical Expressions of Diffusion

– Linear diffusion Cli:• λ1>> λ2 = λ3

– Planar diffusion Cpl:• λ1 = λ2 >> λ3

– Cylindrical diffusionCcy:

• λ1>> λ2 > λ3

– Spherical diffusionCsp:

• λ1 = λ2 = λ3

• Csp = 3 λ3/Mean

– Anisotropic diffusionCan=Cli+Cpl

• =1-Csp

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DTI directions

• D. Jones, 2006 ISMRMKSMRM Spring 2007

DTI 영상을 분석하는 방법

• ROI (region-of-interest) 방법– ROI 방법은 쉽게 사용할 수 있음– 가정을 증명하기 위해서 사용– 분석하는 사람의 견해가 들어갈 요지가 있음

• Histogram을 이용하는 방법– 여러 통계 처리의 반복에 대한 보상을 하지 않아도 됨– 선행되는 가설이 없는 경우 사용 가능

• 표준공간의 group mapping 하는 방법– voxel-based morphometry 분석:

• SPM (Statistical Parameter Mapping)• FSL(www.fmrib.ox.ac.uk)- TBSS(Track-based spatial

statistics) 등과 같은 프로그램을 이용하여 하는 것을

– 특정 선행 가설이 없어도 사용 가능.

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Fiber Tracking (FT) or Tractography

• 이용:– functional network의 연구

– neroanatomy의 연구

• 개발의 중심점: crossing-fiber 문제를 해결하기 위하여 개발

• 본 강의에서는 각 방법을 구체적으로 소개하는 것을 배제하고 어떤 방법들이 있는가를 살펴봄.

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Crossing fiber: Method 1• diffusion-tensor를 기초를 둔 방법

– multiple tensor fitting 방법– FORECAST (fiber orientation estimated using continuous axially

symmetric tensors)– 현재 임상에 사용

• 대표적으로 Streamline: voxel과 voxel 사이에 white matter의 연결을 찾아 내는데 사용되고 있다.

– DTIStudio, dTV Volume-1

– 이 방법들은 여전히 crossing 문제를 해결하지 못함– 이를 개선한 distributed connection 방법이 개발

• random walk diffusion model• Monte Carlo method• Front evolution 방법• Fast marching tractography (FMT) • Probabilistic 방법.

• HARDI (High angular resolution DWI):– 40-200 방향– b=2000 sec/mm2이 주로 이용

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Alexander Leemans, Ph.D.

Fiber Tractography (FT)virtual reconstruction of fiber pathways using DTI data

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Crossing fiber: Method 2

• q-space acquisition scheme– q=γδG/2π로 reciprocal wave-vector이다.

– 여러 q-value을 얻기 위하여 b-value에서와 같이diffusion gradient의 strength를 변화하게 됨

– q-space의 특징은 DTI에서 가정한 Gaussian free diffusion을 사용하지 않는다.

• q-space에 기초를 둔 방법:– diffusion spectrum imaging (DSI)

– Q-ball imaging (QBI)

– persistent angular structure MRI (PAS-MRI)

– CHARMED (Composite hindered and restricted model of diffusion)

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DSI: q-space

• Wedeen, MRM 2005

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Analysis Methods of FT

• 두 번째로 많은 연구가 진행되는 것이 얻어진fiber track을 정량적으로 어떻게 분석할 것인가?– 단순히 fiber를 보여주는 것 외에

– track의 volume 을 구하거나

– fiber path의 density 을 구하는 방법이 소개되고 있음.

– 또한 streamline 방법으로 얻어진 fiber의 개수를 얻음.

– 얻어진 fiber track에서의• diffusion anisotropy 값을 구하기.

• relaxation 시간을 구하기

• magnetization transfer ratio 값을 구하는 연구가 진행되고 있음

• 뇌의 여러 부위의 connectivity에 대한 연구 또한진행되고 있음.

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Conclusions• 최근 들어 뇌 관류 자기공명영상과 뇌 확산 자기공명영상 기술들이 많

이 진보되었다.

• 뇌 관류 영상:– DCE나 DSC-Perfusion MRI 경우는 환자에 주로 사용– ASL-perfusion MRI의 경우 임상적용이 잘 이루어지지 않고 있다.

• DWI나 DTI의 영상:– 현재 임상에 일반적으로 사용되고 있으나– Fiber tractography: 뇌종양 환자의 수술전 계획수립의 경우에 주로 임상– 임상 연구나 neuroanatomy 및 functional connection등의 연구에 주로 이

용

• 직접 임상에 사용하기 전에 많은 선행연구가 필요. • 앞으로 몇 년 내에는 뇌 확산 및 뇌 관류 영상이 임상에 보편적으로 이

용될 것으로 생각.

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Acknowledgements

• 대한자기공명의과학회

• 경희대학교 부속 동서신의학병원 영상의학과

• 보건복지부 보건의료기술진흥사업의 지원(A062284).