위상 대비 자기 공명 영상화

위상 대비 자기 공명 영상화
셀리악동맥(상부)과 상중동맥(하부)의 전파를 가진 56세 남성의 위상 대비(PC) MRI 시퀀스의 등방성 투영 재구성(VIPR)을 크게 과소 샘플링했다.층류 흐름은 참 루멘(닫힌 화살표)에 존재하며 나선 흐름은 거짓 루멘(열린 화살표)에 존재한다.[1]
목적	자기 공명 혈관 조영법

위상 대비 자기 공명 영상(PC-MRI)은 흐름 속도를 결정하는 데 주로 사용되는 특정 유형의 자기 공명 영상이다.PC-MRI는 자기공명 벨로시메트리의 방법으로 간주할 수 있다.자기공명 혈관조영법도 제공한다.현대의 PC-MRI는 일반적으로 시간적으로 분해되기 때문에 4D 영상화(공간적 차원 3+시간)의 수단을 제공한다.^[2]null

작동 방식

양성자나 중성자 수가 홀수인 원자는 임의로 정렬된 각 회전 운동량을 가진다.강한 자기장에 놓일 때 이러한 스핀들 중 일부는 외부장의 축과 일직선으로 정렬하여 그물망 '종도' 자성을 일으킨다.이러한 스핀들은 해당 필드의 강도에 비례하는 주파수로 외부 필드의 축을 중심으로 전처리된다.그런 다음, 에너지는 RF(Radio Frequency) 펄스를 통해 시스템에 추가되어 스핀들이 처리되는 축을 변화시킨다.그런 다음 이러한 회전은 패러데이의 유도 법칙을 사용하여 수신기 코일(무선주파수 코일)에 의해 관측될 수 있다.다른 조직들은 다른 방식으로 추가된 에너지에 반응하며, 영상 파라미터는 원하는 조직을 강조하기 위해 조정될 수 있다.null

이 스핀들은 모두 원자의 속도에 따라 달라지는 위상이 있다.스핀의$$ 위상 편이 (${\displaystyle \varphi }$) ${\displaystyle (\phi$)}은(는) 그라데이션 $필드{\displaystyle \mathbf{}}$ G${\displaystyle }$( ${\displaystyle t}$) ${\displaystyle \mathbf {G} (t)}$:

${\displaystyle \phi =\put _{0}^{t}B_{0}+\mathbf {G}(\tau )\cdot \mathbf {r}(\tau )d\tau }$

여기서 $\gamma {\displaystyle }$ ${\displaystyle \gamma}$은(는) 자석비이고 $r{\displaystyle \mathbf{}}$ ${\$는) 다음과 같이 정의된다$$.

${\displaystyle \mathbf {r} (\tau )=\mathbf {r} _{0}+\mathbf {v} _{r}\tau +{\frac {1}{2}}\mathbf {a} _{r}\tau ^{2}+\ldots }$ ,

${\displaystyle {\mathbf{r}}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{}}_{}}$ ${\$은 스핀의 초기 위치, ${\displaystyle {}_{}}$ r ${\$은 스핀 속도, ${\displaystyle {}_{}}${\$displaysty \mathbf {a} _{r}}}}$은 스핀 가속이다$$.null

x-방향으로 정적 스핀과 스핀만 고려한다면 위상 편이 방정식을 다음과 같이 다시 쓸 수 있다.

${\displaystyle \phi =\gamma x_{0}\int _{0}^{t}G_{x}(\tau )d\tau +\gamma v_{x}\int _{0}^{t}G_{x}(\tau )\tau d\tau +\gamma {\frac {a_{x}}{2}}\int _{0}^{t}G_{x}(\tau )\tau ^{2}d\tau +\ldots }$

그런 다음 가속 및 고차 항은 단계적 표현을 다음과 같이 단순화하기 위해 무시할 수 있다고 가정한다.

${\displaystyle \phi =\gamma (x_{0}M_{0}+v_{x}M_{1}}}}$

여기서 $M{\displaystyle {}_{}}$ ${\$은 x-gradient의 zerot 모멘트, $M{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {1\mathrm{}}_{}}$ ${\$}은$$ x-gradient의 첫 모멘트다.null

서로 반대되는 자기 그라데이션(양극 그라데이션)을 적용하여 서로 다른 두 가지 획득을 할 경우, 두 획득 결과를 함께 추가하여 그라데이션에 의존하는 위상 변화를 계산할 수 있다.

${\displaystyle \Delta \pi =v(\gamma \Delta M_{1}})$

여기서 $\Delta {\displaystyle \mathrm{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {1\mathrm{}}_{}}$= ${\displaystyle 2}$ ${\displaystyle {M\mathrm{}}_{}}$ 1 ${\$^[3]

위상 편이를 측정하여 다음 방정식에 따라 속도로 변환한다.

${\displaystyle v={\frac {v_{enc}{\pi }}}\Delta \pi }$

여기서 $v{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{en}}_{}}$ ${\displaystyle c_{}}$ ${\$는 기록할 수 있는 최대 속도고 Δ ${\displaystyle \mathrm{and}}$ {\$displaystyle \Delta \phi }$은 기록된 위상 편이 된다.null

$v{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{en}}_{}}$ ${\displaystyle c_{}}$ ${\$의 선택은 '동적 범위'라고 알려진 가시 속도 범위를 정의한다$$.슬라이스의 최대 속도보다 $낮은$ ${\displaystyle v_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{en}}_{}}$ c$${\$displaystyle v_{enc}$를 선택하면 영상에서 앨리어싱이 유도되며, $v{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{en}}_{}}$ c$${\$displaystyle v_{enc}$보다 약간 큰 속도가 반대 방향으로 이동하는 것으로 잘못 계산된다$$.그러나 인코딩할 수 있는 최대 속도와 속도 측정값의 신호 대 잡음 비 사이에는 직접적인 트레이드오프가 있다.이를 다음과 같이 설명할 수 있다.

${\displaystyle SNR_{v}={\frac {\pi }{\sqrt{2}}:{\frac {v}{v_{enc}}}}}}}SNR}$

여기서 S ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle SNR}$은(스캐너의 자기장, 복셀 볼륨 및 스캔의 획득 시간에 따라 다름) 이미지의 신호 대 잡음 비율이다.null

예를 들어 '낮은' $v{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle e_{}}$ ${\displaystyle n_{}}$ ${\displaystyle c_{}}$ ${\$스캔에서 예상되는 최대 속도 이하)를 설정하면 느린 속도(더 나은 SNR)를 더 잘 시각화할 수 있지만 더 높은 속도에서는 잘못된 값에 별칭이 지정된다.'높음' $v{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{en}}_{}}$ ${\displaystyle c_{}}$ ${\$스캔에서 예상되는 최대 속도 이상)를 설정하면 적절한 속도 정량화가 가능하지만, 동적 범위가 클수록 SNR 감소는 물론 더 작은 속도 특징을 모호하게 된다.따라서 $v{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{en}}_{}}$ ${\displaystyle c_{}}$ ${\$의 설정은 애플리케이션에 따라 달라지며$$, 선택에 주의를 기울여야 한다.특히 흐름의 속도 동적 범위가 높은 임상 애플리케이션(예: 흉강 내 혈관의 혈류 속도)에서 적절한 속도 정량화를 더욱 허용하기 위해 동일한 반복 시간에 이중 속도 인코딩을 사용하는 이중 에코 PC-MRI(Dual-echo PC-MRI) 방법을 개발했다.^[5]DEC 방법은 적절한 속도 정량화가 가능할 뿐만 아니라, (특히 4D 플로우 이미징에 적용할 경우) 총 획득 시간(특히 4D 플로우 이미징에 적용할 경우)을 2개의 $개별{\displaystyle {}_{}}$ v ${\displaystyle {\mathrm{e-n}}_{}}$ c ${\$$displaystyle v_{enc}$ 값에서$$ 수행되는 단일 에코 싱글 에코 단일 ${\displaystyle {\mathrm{v-c}}_{}}$ {\$displaystystyley v_{enc}$에 비해 감소시킨다.null

$v{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {\mathrm{en}}_{}}$ ${\displaystyle c_{}}$ ${\$을(를) 보다 유연하게 선택할 수 있도록 순간 위상(위상 해제)을 사용하여 동적 범위와 SNR을 모두 증가시킬 수 있다$.$^[6]

인코딩 메서드

각 속도 차원이 반대방향으로 적용된 그라데이션으로부터의 획득에 기초하여 계산되는 경우, 이를 6점법이라고 한다.그러나 보다 효율적인 방법 또한 사용된다.여기에 두 가지가 설명되어 있다.

단순 4점법

네 세트의 인코딩 그라데이션이 사용된다.첫 번째는 참조이며 ${\displaystyle }$ ${\displaystyle x$ y ${\displaystyle y$ $z{\displaystyle }$ ${\displaystyle$ z$}$에 음의 모멘트를 적용한다$.$다음 $단계$는 x$${\$displaystyle x$에 양의 모멘트를 적용하고 $y{\displaystyle }$ ${\displaystyle y}$ 및$$ $z{\displaystyle }${\$displaystyle z}$에 음의 모멘트를 적용한다$.$세 번째는 $y{\displaystyle }$ ${\displaystyle y$에 양의 모멘트를 적용하고, $x{\displaystyle }${\$displaystyle x}$ 및$$$z{\displaystyle }$ {\$displaystyle z}$에 음의 모멘트를 적용하며$,$ $마지막$은 z ${\displaystyle$ $z$$}$에 양의 모멘트를 적용하고, x ${\displaystyty y}$와 y}에 음의 모멘트를 적용한다$.$^[7]그 후, 다음과 같이 해당 위상 인코딩의 위상 정보를 바탕으로 속도를 해결할 수 있다.

${\displaystyle {\hat{v}_{x}={\frac {\fli_{x}-\pi_{0}{0}{\gamma \Delta M_{1}}}}}}}}}}$

${\displaystyle {\hat{v}_{y}={\frac {\fli_{y}-\pi_{0}{0}{\gamma \Delta M_{1}}}}}}}}}}$

${\displaystyle {\hat{v}_{z}={\frac {\fli_{z}-\pi_{0}{0}{\gamma \Delta M_{1}}}}}}}}}}$

균형 4점법

균형잡힌 4점법에는 4세트의 인코딩 그라데이션도 포함되어 있다.첫 번째는 모든 방향에서 음의 그라데이션이 적용되는 단순 4점법과 같다.두 번째$$모멘트는 $x{\displaystyle }$ {\$displaystyle x}$에 음의 모멘트가 있고$,$ $y{\displaystyle }$ ${\displaystyle$ $y$$}$ $및$ z ${\displaystyle$ z$}$에 양의 모멘트가 있다$.$세 번째 모멘트는$y{\displaystyle }$ {\$displaystyle y}$에 음의 모멘트가 있고$,$ $x{\displaystyle }$ ${\displaystyle$ $x$$}$ $및$ z ${\displaystyle$ z$}$에 양의 모멘트가 있다$.$마지막에는 $z{\displaystyle }$ ${\displaystyle z}$에 음의 모멘트가 있고, $x{\displaystyle }$ ${\displaystyle$ x$}$ 및 $y$ ${\displaystyle y}$에 양의 모멘트가 있다$.$^[8]이것은 우리에게 다음과 같은 방정식 체계를 제공한다.

${\displaystyle \phi _{2}-\phi _{1}=\phi _{x}+\phi _{y}}}$

${\displaystyle \phi _{3}-\phi _{1}=\phi _{x}+\phi _{z}}}$

${\displaystyle \phi _{4}-\phi _{1}=\phi _{y}+\phi _{z}}$

그런 다음 속도를 계산할 수 있다.

${\displaystyle {\hat{v}_{x}={\frac {-\phi_{1}+\phi_{2}+\phi_{4}{2\gamma \Delta M_{1}2}}:$

${\displaystyle {\hat{v}_{y}={\frac {-\phi_{1}+\phi_{2}-\phi_{3}+\phi_{4}}{2\gamma \Delta M_{1}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}{{{{{{1}}}}}}}}}}}}}}}}}}$

${\displaystyle {\hat{v}_{z}={\frac {-\phi_{1}-\phi_{1}{2}+\phi_{4}}{2\gamma \Delta M_{1}:{1}}}}}}}}$

심장과 호흡 동기 소급

의료 영상촬영의 경우 심장이나 폐에서 나온 운동 아티팩트가 없는 3D 공간과 시간에 고해상도 스캔을 받기 위해 소급심장 동기 및 호흡기 보상이 사용된다.심장 동기부터 시작하여 환자의 심전도 신호는 영상 처리 과정 전반에 걸쳐 기록된다.마찬가지로 환자의 호흡 패턴도 스캔 내내 추적할 수 있다.스캔 후 k-space(임시 영상 공간)에서 지속적으로 수집된 데이터를 그에 따라 할당하여 환자의 심장 박동 및 폐 움직임의 타이밍과 일치시킬 수 있다.즉, 이러한 스캔은 심장 평균화되므로 측정된 혈속은 여러 개의 심장 주기에 걸쳐 평균이다.^[9]null

적용들

위상 대비 MRI는 자기공명 혈관조영술(MRA)의 주요 기법 중 하나이다.이것은 협착(비정상적 좁아짐), 폐쇄, 동맥류(혈관벽 확장, 파열 위험) 또는 기타 이상을 평가하기 위해 동맥(및 덜 일반적인 정맥)의 영상을 생성하는 데 사용된다.MRA는 목과 뇌의 동맥, 흉부와 복부 대동맥, 신장 동맥, 다리(후기 검사를 흔히 "런오프"라고 한다)를 평가하는 데 사용된다.null

제한 사항

특히 PC-MRI의 몇 가지 제한사항은 측정 속도에서 중요하다.

• 부분 부피 효과(복셀이 정적 물질과 이동 물질의 경계를 포함하는 경우)는 물질 또는 조직 사이의 인터페이스에서 부정확한 속도로 이어지는 위상을 과대평가할 수 있다.
• (화소 내 속도가 이질적이거나 난류 영역인 경우) 라복셀 위상 분산은 흐름 특성을 정확하게 해결하지 못하는 결과 위상을 생성할 수 있다.
• 가속도와 높은 동작 순서가 무시할 수 있다고 가정하면 흐름장에 따라 부정확할 수 있다.
• 변위 아티팩트(오류 및 경사 흐름 아티팩트라고도 함)는 위상 인코딩과 주파수 인코딩 사이에 시간 차이가 있을 때 발생한다.이러한 아티팩트는 흐름 방향이 슬라이스 평면 내에 있을 때 가장 높다(생물학적 흐름의 경우 심장 및 대동맥에서 가장 두드러짐).^[10]

크게 밑도는 등방성 투영 재구성(VIPR)

광대한 과소 샘플링된 등방성 투영 재구성(VIPR)은 방사상으로 획득한 MRI 시퀀스로, 스캔 시간이 현저히 감소하고 숨을 참을 필요 없이 고해상도 MRA를 발생시킨다.^[11]null

참조