KR100485197B1 - 이미지아티팩트저감을갖는볼륨분광법 - Google Patents

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Abstract

슬라이스 선택 볼륨 자기 공명 분광법(slice selective volume magnetic resonance spectroscopy)의 자화율 아티팩트들(susceptibility artifacts)은 슬라이스 선택 크기들과 같거나 그보다 큰 공칭 분해도(nominal resolution)로 페이즈 인코딩(phase encoding)을 적용함으로써 감소된다. 이 방법의 바람직한 실시예에서, 페이즈 인코딩은 제 1 및 최종 RF 슬라이스 선택들의 축들을 따라 적용된다. 해당 볼륨은 2D 페이즈 인코딩에 의해 규정된 단일 픽셀 내에 완전히 포함된다. 해당 볼륨으로부터의 비억제 워터 레퍼런스 신호(unsuppressed water reference signal)는 이들 아티팩트들에 의해 비교적 영향받지 않으며 페이즈 인코딩 없이 수집된다.

Description

이미지 아티팩트 저감을 갖는 볼륨 분광법{Volume spectroscopy having image artifact reduction}
본 발명은 일반적으로 자기 공명 분광법(magnetic resonance spectroscopy)에 관한 것으로, 특히, 볼륨으로부터의 국부화된 스펙트럼이 단일 주사(single scan)로 얻어질 수 있는 볼륨 분광법에 관한 것이다.
볼륨 국부화된 자기 공명 분광법(volume localized magnetic resonance spectroscopy)은 뇌에서의 확산된 화학적 변화들을 초래하는 변이들(abnormalities)의 검출에 특히 유용한 일상적인 임상 도구(clinical tool)가 되었다. 해당 볼륨에서 스핀을 직접 여기하고, 자극된 에코의 사용 및 카르-퍼셀(Carr-Purcell) 에코의 사용을 포함하는 3차원 선택을 달성하는 여러 가지 기술들이 공지되어 있다. 이들 기술들은 단일 주사로 국부화된 스펙트럼을 얻는다. 예컨대, 점 분해 분광법(PRESS, 미국 특허 제 4,480,228호 참조)은 3 펄스열(three pulse sequence)을 이용하며, 각각의 펄스는 주파수 선택적이다.
이들 방법들에 잔존하는 가장 어려운 도전들 중 하나는 뇌의 많은 부위들에서 자연스럽게 발생하고 어떤 병소 병리학들(focal pathologies)에 대해 해당 부위에서 발생할 수 있는 큰 자화율 구배들(magnetic susceptibility gradients)의 해로운 영향이다. 이런 구배들은 자동화의 실패를 초래하거나 데이터를 쓸모 없게 만드는 아티팩트를 초래할 수 있다. 이 아티팩트는 PRESS와 자극된 에코 획득물 양쪽에서 발생한다. 예컨대, PRESS에서, 제 1 슬라이스 선택(P1) 또는 제 3 슬라이스 선택(P3)의 축을 따르는 자화율 구배는 제 2 슬라이스 선택 펄스(P2)의 축을 따르는 동일한 자화율 구배에 비해 아티팩트를 발생시킬 가능성이 더 많다. 따라서, 구배 순서(gradient order)는 단일 축을 따르는 자화율 구배를 무마시키는데 사용될 수 있다. 불행히도, 자화율 구배는 항상 단일 축으로 한정되는 것은 아니며 상기 문제점에 대한 더 일반적인 해결책이 요구된다.
발명의 개요
본 발명은 단일 복셀 스펙트럼들로부터 자화율 아티팩트들(susceptibility artifacts)을 분해하고 제거하기 위해 단일 복셀 분해도(single voxel resolution)로 또는 그보다 큰 분해도로 페이즈 인코딩(phase encoding)하는 것을 이용한다.
본 발명의 바람직한 실시예는 P1 및 P3 슬라이스 선택축들을 따른 페이즈 인코딩을 이용하여 아티팩트 감소를 달성한다. 간단히 말해서, 이미징될 객체는 정자계(static magnetic field) 내에 위치하고, 3개의 주축들의 각각을 따른 슬라이스 선택 구배의 존재 하에 3개의 RF 펄스들의 열이 그 객체를 통해 인가되며, 각각의 RF 펄스는 인가된 구배축에 수직인 평면을 여기시킨다. 3개의 RF 펄스들은 여기된 평면 각각에 의해 교차되는 해당 볼륨으로부터의 에코를 일괄적으로 자극한다. 중요하게, 페이즈 인코딩 구배들이 추가되어 해당 볼륨 바깥으로부터의 자화율 아티팩트들을 분해하여 제거한다. 보통, P2 슬라이스 선택축은 아티팩트가 존재하지 않으며 정상 스펙트럼을 발생시키기 위한 페이즈 인코딩을 필요로 하지 않는다. 또한, 여기된 볼륨을 통해 해당 볼륨 외부에서의 신호들을 디페이즈(dephase)하고 및 물분자 스핀을 디페이즈하도록 스포일링 구배들의 열(a sequence of spoiling gradients)이 적용된다. 다음에 각각의 여기된 평면에 의해 교차된 볼륨으로부터 국부화된 스펙트럼 신호가 검출된다.
또한, 해당 볼륨이 될 분광 이미지의 분해도를 선택함으로써, 분광 이미지 그리드(spectroscopy image grid)는 전체적으로 단일 픽셀 내에서 소정의 신호 복셀을 포착하도록 자동적으로 시프트될 수 있다. 이것은 스펙트럼 응답 함수 및 국부화에 대한 부수적인 영향, 즉 분해도가 여기된 볼륨보다 작은 종래의 분광 이미지 방법의 잘 알려진 제한 특징의 문제점을 제거한다. 대안적으로, 작은 그리드 시프트는 데이터의 사후처리에서 화학적 시프트 아티팩트 및 어떤 부분적인 볼륨효과를 제거하도록 이루어질 수 있다.
본 발명과 그 목적 및 기능은 다음의 상세한 설명 및 첨부된 특허청구범위를 도면과 함께 참조하면 보다 쉽게 이해될 것이다.
도시된 실시예의 상세한 설명
도면을 참조하면, 도 1A는 MRI 시스템의 코일 장치를 도시하는 단면의 부분적 투영도이고, 도 1B 내지 도 1D는 도 1A의 장치에서 생성될 수 있는 자계 구배를 도시한다. 이 장치는 Hinshaw와 Lent의 "An Introduction to NMR Imaging : From the Bloch Equation to the Imaging Equation"(Proceedings of the IEEE, Vol. 71, No. 3, 1983년 3월, 338-350쪽)에 기술되어 있다. 간략히 말해서, 코일쌍(10)을 포함하는 자석에 의해 일정한 정자계(B0)가 발생된다. 실린더(12)상에 감길 수 있는 복잡한 구배 코일 세트에 의해 구배 자계(G(x))가 발생된다. RF 자계(B1)는 RF 코일(14)에 의해 발생된다. 조사되는 샘플은 RF 코일(14)내의 Z축을 따라 위치할 것이다.
도 1B에는, 정자계(B0)에 수직이며 X축을 따르는 거리에 의해 선형적으로 변하지만 Y축이나 Z축을 따르는 거리에 의해서는 면하지 않는 X 구배 자계가 도시되어 있다. 도 1C 및 도 1D는 Y구배 자계 및 Z 구배 자계 각각의 유사한 도시이다.
도 2는 NMR 장치의 기능적 블록도이다. 컴퓨터(20)는 MRI 장치의 동작을 제어하도록 프로그램되고 MRI 장치로부터 검출된 FID 신호를 처리한다. 구배 자계는 구배 증폭기(22)에 의해 에너지를 공급받고, 라머 주파수(Larmour frequency)에서 B1 자계를 발생시키는 RF 코일은 송신기(24) 및 RF 코일(26)에 의해 제어된다. 선택된 중축(nuclei)이 여기된 후, RF 코일(26)은 수신기(28)로 전달되고 다음에 컴퓨터(20)의 처리를 위해 수치화기(30)에 전달되는 FID 신호를 검출하는데 사용된다.
도 3은 단일 샷 볼륨 선택을 사용하는 에코 신호, RF 펄스 및, 구배를 도시한다. RF 펄스(P1, P2, P3)는 주파수 선택적이며, P1과 P2 사이에서 지연 τ1을 가지고 P2와 P3사이에서 지연 τ2를 가진 채 해당 볼륨에 인가된다. 3개의 RF 펄스는 슬라이스 선택 구배를 가진 채 동시에 인가된다. 구배(G1, G2, G3, G4)는 RF 펄스 각각으로부터 자유 유도 감쇠 응답(F1, F2, F3)을 스포일링하고, 슬라이스 선택 평면(SE-L1,2; SE-L2,2; SE,L1,3)중 두 개의 교차점에 의해 발생된 스핀 에코를 스포일링하고, 마지막으로 볼륨 에코(STE-vol 또는 SE-vol) 중 하나를 스포일링하도록 계산된다. 반대로, 구배 적분은 해당 볼륨 에코(예컨대, SE-vol)를 완전히 리페이즈(rephase)하도록 계산된다.
전술된 것처럼, 볼륨 국부화된 자기 공명 분광법은 뇌에서 확산된 화학적 변화를 초래하는 변이의 검출에 특히 유용한 일상적인 임상 도구가 되었다. PRESS와 자극된 에코 획득은 도 1 및 도 2의 장치와 함께 볼륨 국부화된 MR 분광법을 실현하는 두 개의 공지된 기술이다. 그러나, PRESS와 자극된 에코 획득물 모두에서 스펙트럼 아티팩트가 발생된다. 두 방법에서 원하는 신호는 3개의 수직 RF/선택 평면 모두의 합류점에서 발생된 "볼륨" 에코이다. 3개의 RF 펄스(P1, P2, P3)는 이들 볼륨 에코를 발생시키는데 사용된다. 에코는 또한 3개의 개별적인 RF 펄스쌍(즉, P1-P2, P2-P3, P1-P3)에 의해 열로 발생되며, SE-L1,2, SE-L2,3 및 SE-L1,3으로 표시된다. 보통, 스핀의 결과적인 3개의 수직선(또는 칼럼)에서 신호의 원치 않는 부분은 큰 분쇄기 구배열을 이용하여 스포일링된다. 불행히도, 강한 자화율 구배(또는 심지어 해당 볼륨 바깥의 빠른 동차성 하락)의 존재는 너무 커서 스포일링만으로는 제거될 수 없는 원치 않은 아티팩트 신호를 발생시킬 수 있다.
최악의 경우는 스핀의 칼럼 중 하나의 워터 신호가 워터 억제 정지 대역 바깥의 원하는 화학적 시프트 통과 대역으로 시프트될 때이다. 이 원치 않은 신호는 해당 신호보다 큰 크기의 3 순서가 될 수 있으며, 따라서 완전히 스포일링하기가 어렵다. 그러나, SE-L1,3이 SE-L1,2 보다 더 효과적으로 스포일링되고 SE-L2,3 보다도 더 효과적으로 스포일링된다는 것은 공지되어 있으므로 구배 순서가 도움이 될 수 있다. 따라서, 강한 자화율 또는 동차성 구배가 예컨대 Y축을 따라 존재할 경우, XYZ 또는 ZYX의 구배 순서를 사용하는 것이 가장 바람직할 것이다. 이 슬라이스 선택 구배는 까다로운 Y축을 따르는 스핀의 칼럼이 가장 효과적으로 억제될 수 있는 SE-L1,3 에코가 되도록 한다. 그러나, 자화율 구배는 항상 단일축으로 한정되는 것은 아니다.
도 4A 내지 도 4F는 시험되는 볼륨에서 Y축에 따르는 자화율 구배에 기인한 볼륨 분광법의 아티팩트의 존재를 도시한다. 제 1 슬라이스 선택(P1) 또는 제 3 슬라이스 선택(P3)의 축을 따르는 자화율 구배는 도 4C 내지 도 4F에 도시된 것과 같은 아티팩트를 초래할 것이다. 그러나, 제 2 슬라이스 선택(P2)의 축을 따르는 동일한 자화율 구배는 이러한 아티팩트를 초래하지 않으며 도 4A 및 도 4B에 도시된 것과 같은 정상 스펙트럼을 초래한다. 따라서, 구배 순서는 단일 축을 따르는 자화율 구배를 억제하기 위해서는 사용될 수 있지만 구배가 두 개 이상의 축을 따라 존재할 경우에는 사용될 수 없다.
본 발명에 따라, P1 및 P3 슬라이스 축의 단일 복셀 분해도로 페이즈 인코딩의 사용은 단일 복셀 스펙트럼으로부터 자화율 아티팩트를 분해하여 제거한다. 단일 복셀 분광법의 1차원 페이즈 인코딩된 획득물에 대한 이러한 분해도는 도 5에 도시되어 있고, 2차원 페이즈 인코딩된 단일 복셀 분광법에 대한 분해도는 도 6에 도시되어 있다. 공지 기술에 따른 정상 신호 복셀 획득물은 잉여 아티팩트를 포함하지만 페이즈 인코딩을 사용하는 획득물은 잉여 아티팩트를 감소시키거나 제거한다. 공간적인 국부화의 주요 방법으로서 페이즈 인코딩은 공지된 기술이다. 예컨대, Diehl 등의 NMR Basic Principles and Progress (Springer-Verlag, 19921), 특히 Decorps 및 Bourgeois에 의한 페이즈 인코딩 기술(Phase Encoding Techniques)에 관한 섹션을 참고하라. 종래의 이미징 및 분광 방법에서는, 볼륨을 분해하기 위해, 더 나아가 스핀의 슬라이스(또는 슬라브)를 분해하기 위해 페이즈 인코딩이 사용된다. 본 발명에서는 해당 볼륨을 규정하기 위해 슬라이스 선택이 사용된다. 페이즈 인코딩은 단지 벗어난 볼륨 자화율 아티팩트를 제거하는데 에만 사용된다.
본 발명은 Webb 등에 의해 "Automated Single-Voxel Proton MRS : Technical Development and Multisite Verification" (Magnetic resonance in Medicine, 31:365-373 (1994), 365-373쪽)에 기재된 PROBE(proton brain examination) 기술로 쉽게 구현된다. 또한, 자동화된 PROBE 기술을 사용할 때, 소정의 신호 복셀을 포착하기 위해 SI 그리드는 자동적으로 시프트될 수 있다. 워터 레퍼런스 데이터는 전술된 Webb 등에 의한 자료에서 기술된 것처럼 수집되어 인가된다. 억제되지 않은 워터 신호는 어느 벗어난 볼륨 자화율 아티팩트에 비해 크므로 페이즈 인코딩에 의해 수집될 필요가 없다.
해당 볼륨을 규정할 때 RF 펄스에 의해 페이즈 인코딩이 선택적으로 사용되는 볼륨 자기 공명 분광 방법은 이미징 된 데이터에서 자화율 아티팩트를 성공적으로 감소시킨다는 것이 입증되었다. 본 발명은 특정 실시예를 기준으로 설명되었지만, 그 설명은 본 발명의 예시일 뿐이며 본 발명을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 당업자라면 첨부된 특허 청구 범위에 의해 규정된 본 발명의 진정한 정신 및 범위에서 벗어나지 않은 채 다양한 변형 및 응용이 가능할 것이다.
도 1A 내지 도 1D는 종래의 MRI 장치 및 그 장치에서 발생된 자계를 도시하는 도면.
도 2는 MRI 및 분광 장치의 기능 블록도.
도 3은 본 발명에 따라 볼륨 분광법을 실행할 때의 RF 펄스, 경사도(gradient) 및 에코 신호(echo signal)를 도시하는 도면.
도 4A 내지 도 4F는 정상 스펙트럼 및 아티팩트를 갖는 구배 슬라이스 선택 순서(gradient slice selection order)를 도시하는 도면.
도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 자화율 아티팩트의 분해도를 도시하는 도면.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※
20 : 컴퓨터 22 : 구배 증폭기
24 : 송신기 26 : RF 코일
28 : 수신기 30 : 수치화기

Claims (4)

  1. 감소된 아티팩트들(artifacts)을 갖는 볼륨 자기 공명 분광 방법에 있어서,
    a) 정자계(static magnetic field)에 이미징될 객체를 위치시키는 단계;
    b) 3개의 주축들의 각각을 따른 3개의 슬라이스 선택 구배들의 존재 하에 3개의 RF 펄스들의 열을 상기 객체를 통해 인가하는 단계로서, 각각의 RF 펄스는 해당 볼륨으로부터의 에코를 일괄적으로(collectively) 자극하는 축을 따른 평면을 여기시키는, 상기 인가 단계;
    c) 볼륨 아티팩트들 중의 어느 볼륨 아티팩트를 분해(resolve)하여 제거하기 위해 복셀 사이즈(voxel size)보다 크거나 같은 분해도(resolution)로 제 1 슬라이스 선택 구배 및 제 3 슬라이스 선택 구배로부터 얻어진 슬라이스들을 페이즈 인코딩(phase encoding)하는 단계; 및
    d) 여기된 칼럼들의 각각에 의해 교차된 볼륨으로부터 국부화 스펙트럼 신호를 검출하고, 또한 제 1 및 제 3 슬라이스 선택 구배 축들을 따른 페이즈 인코딩에 의해, 선택된 볼륨 밖의 아티팩트들을 분해하는 단계를 포함하는 볼륨 자기 공명 분광 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 3 구배들을 인가하는 단계는 상기 볼륨 밖의 신호들을 디페이즈(dephase)하는, 볼륨 자기 공명 분광 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 단계 c)에서, 모든 3개의 축들은 복셀 크기들과 적어도 같은 분해도로 페이즈 인코딩되는, 볼륨 자기 공명 분광 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 단계 c)는 결과적인 스펙트럼을 페이즈 및 와류 정정하기 위해 수집되고 이용된 비페이즈 인코딩 워터 레퍼런스 주사(water reference scan)를 포함하는, 볼륨 자기 공명 분광 방법.
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