1. DSC and DCE (조영제 사용 기법)

DCE는 Dynamic Contrast Enhanced MRI의 약자, DSC는 Dynamic Susceptibility Contrast의 약자이다. DCE는 조영제를 넣고 T1 weighted image에서 밝은 것을 정량화하는 기법이고 DSE는 T2/T2* weighted image를 얻은 후 signal이 얼마나 까맣게 변하는지를 보고 정량화한다. MRI에서는 조영제 concentration과 Signal intensity가 정비례하지는 않는다. CT에서 정량화된 값을 구할 수 있으나, MRI는 상대적인 값을 구하여 해석해야 한다. DCE는 정량화된 값을 구할 수 있다. 조영제가 얼마나 밖으로 샜는지를 구할 수 있으나 blood perfusion에 대한 정량화된 값을 얻기는 어렵다. 

DSC와 DCE의 주요한 차이는 signal intensity의 차이가 있다. DSC는 T2 base image이고, 조영제를 얻은 후 signal intensity가 DCE에 비해 10배 차이가 난다. DCE는 굉장히 작은 신호 차이를 가지고 image 해석을 해야 한다는 의미이다. 보통의 MR scanner에서는 DSC는 routinely 제공하지만 DCE는 routinely 제공하지 않는다. 이는 작은 신호를 가지고 여러 맵을 만들어야해서 재현성과 오차 범위가 커지기 때문이다. DSC는 signal 차이가 커서 조영제가 다녀오면서 큰 signal gap을 보인다. 조영제가 새는 부분으로 contrast leakage가 되고, 얼마나 샜는지에 따라 이미지를 해석할 수 있다.

- DSC

조영제를 injection 후 GRE-EPI 기법을 사용하기는 하지만 spin echo 기법을 쓰기도 한다. 조영제를 넣고 조영제 농도가 우리가 보고 싶은 조직에 pass 하면서 어떤 signal change를 만드는지 본다. 이를 통하여 map을 만들게 된다. 조영제를 넣고 signal이 떨어지면 정상이고, 높아지면 병변(e.g. stroke)이다. 조영제를 넣고 signal이 많이 떨어지는 부분이 정상인데 이 부분을 까맣게, signal change가 안 떨어지는 부분을 하얗게 이미지에 넣는다. 

Tumor에서 DSC를 해석하는 방법을 알아보자. Glioma는 grade가 높아질수록 나쁜 질환이고, 그럴수록 perfusion이 증가하고 CBV 값을 중요하게 생각한다. 또 post RT change를 감별하는 데 DSC를 사용할 수 있다. Radiation에 의한 change일 경우 perfusion, 즉 CBV 값이 증가되는 정도가 적게 나타난다.

- DCE

DCE는 조영제가 BBB에 의해 vascular space에서 extravascular space로 얼마나 샜는지 보는 기법이다. 대표적 기법이 Ktrans, Ve, Vp가 있다. Ktrans는 volume transfer constant between the plasma and extravascular extracellular space(즉 평형상수)를, Ve는 extravascular extracellular space per unit volume of tissue and is also known as leakage space(바깥에 조영제가 얼마나 존재하는지 퍼센트), Vp는 blood plasma volume per unit volume of tissue, which may be a marker of angiogenic activity in a tumor(혈관 안 조영제)라고 생각하면 된다. BBB가 깨지면 Ktrans, Ve가 증가한다.

DCE는 작은 signal로 해석해야 한다는 단점이 있다. 따라서 기본적으로 조영증강이 잘 되는 portion 위주로 해석해야한다. Glioma 같은 tumor에서는 Ve Vp가 둘 다 증가한다. 이에 반해 stroke 같은 경우는 Ve가 증가한다. 

2. ASL(arterial spine labeling) tecnhique

ASL은 우리 몸의 spin을 labeling하여 이미지를 만드는 테크닉이다. Brain으로 가는 모든 혈과는 목을 지나는데, 목의 혈관에 energy를 주면 에너지를 받아서 labeling이 되는 효과를 받는다. water가 brain으로 올라가서 signal을 만들게 된다. 따라서 두 번 스캔하면 CBF를 구할 수 있게 된다. 이 techinique은 T1 based image이고 tissue당 brain T1 계산값이 들어가있다. 따라서 이 수식을 다른 장기에 쓸 수 없다. ASL technique이 쓰이는 이유는 조영제를 쓰지 않아서 같은 환자에서 여러 번 사용할 수 있다는 장점이 있기 때문이다. 신기능이 떨어진 환자에서는 ASL을 사용할 수 있다. 또 ASL은 절대치를 계산할 수 있다는 장점이 있다. 

ASL은 single measurement를 바탕으로 결과가 나오기 때문에 해석에 주의해야 한다. 대표적인 것이 delayed transit time이다. 조영제 injection 후 curve를 만드는데, 어떤 경우에는 brain 혈관에 협착이 있으면 천천히 perfusion이 될지언정 전체적 perfusion volume은 큰 변화가 없을 것이다. 그러나 ASL의 기본 가정은 downslope의 특정 point가 blood flow를 반영하는 시점이라고 대전제를 한다. 따라서 peak가 늦게 나타나는 경우 circulation이 천천이 되는 부위가 perfusion이 더 많이 되는 것처럼 오류를 일으킨다. 이것이 delayed transit time effect이다. 따라서 DSC와 mismatch가 있을 수 있다.

3. SWI (hemorrhage가 까맣게 보인다)

SWI는 이전의 gradient imaging의 upgrade 버전이다. bleeding을 보는 데 sensitive한 technique이다. iron, heme 이외에 calcification도 positive 나올 수 있으나 어느 정도 구분이 된다. SWI는 high resolution 3D gradient echo 기법을 기반으로 한다. phase image + magnitude를 합쳐 만든다.

SWI의 clinical application에는 traumatic brain injur, stroke, neurodegenerative disease, multiple sclerosis, vascular malformation and venous disease, brain tumor가 있다. 그러나 주로 hemorrhage 평가에 많이 이용된다. 특히 brain injury에서는 diffuse axonal injury를 보는 데 이용되는데, multiple microbleed가 SWI에서 쉽게 detection 된다. Amyloid angiopathy는 lobar type bleeding이 성인에서 발견되었을 때 진단하고, SWI가 이를 detection 하는데 유용하다. Venous malformation도 SWI에서도 잘 보인다. Tumor의 경우 GRE에서 small amount of bleeding을 보기 어려우나 SWI에서 쉽게 볼 수 있다. RT change vs. tumor recur를 감별할 때에도, recurred tumor의 경우 내부 bleeding을 갖는 경우가 많이 없다. high-grade tumor라도 dot-like microbleed가 있는 수준이나, RT change에서는 큰 hemorrhage를 관찰할 수 있다. 

이 포스트는 이전에 작성된 MR physics 기초에 대한 포스트에 이어 작성된 글입니다. 1편을 못 보신 분은 아래 글을 참조하세요. 

goldenduck.tistory.com/329

3. FLAIR

FLAIR는 90도 앞에 180도 inversion pulse를 때려준다. 90도에서 180도 pulse까지의 시간을 inversion time (TI)라고 하는데, 이 inversion time을 조절하여 CSF signal을 억제하는 FLAIR 또는 지방을 억제하는 영상을 얻을 수 있다. 180도 inversion pulse를 때리면 vector 방향이 정 반대로 크기는 같은 -Mz 자화의 방향이 생긴다. 이 상태에서 T1 이완이 일어나게 된다. 억제하고자 하는 tissue가 있다면, 해당 조직의 T1 이완을 하다가 Mxy가 생기고 Mz가 0인 시점에 inversion time에 반영을 해주면 해당 조직을 억제할 수 있다. 

4. Gadolinium enhancement

gadolinium을 이용한 조영제를 MR 조영제로 쓴다. gadolinium은 7개의 unpaired electron을 가지고 있는데, 이는 물리학적으로 강한 paramagnetic 을 띤다고 한다. Paramagnetic은 주변 수소의 T1, T2 이완을 단축시키는 효과가 있다(단축되면 T1 high, T2 low로 보인다). 그러나 조영제 농도가 상대적으로 낮은 농도에서는 T1 이완효과가 T2 효과보다 크다. 이 경우 BBB 파괴로 인한 조영제 유출되어 증강되는 경우는 저농도에 해당한다. 고농도의 조영제의 경우(혈관으로 지나가는 고농도) T2 이완효과가 커서 perfusion 영상을 얻을 수 있다. 

조영증강 효과를 높이기 위해서는 이론적으로 (1) 조영제를 많이 주입한다 (2) field strength(Tesla)를 올린다. (3) 조영제의 relaxivity를 높인다 (4) 조영제를 주고 이미징을 하는 시간을 조절한다. 

5. Diffusion-weighted imaging

인체 내 물 분자의 확산 현상을 이용한 영상이다. 불규칙적인 물분자의 확산 운동은 MRI에서 신호 감소를 초래한다. 인체 내 물 분자의 운동 중 거시적으로는 blood flow, CSF motion이 있어 signal void가 나타나게 되고 microscopic하게는 diffusion, capillary perfusion이 있다. 

확산 MRI는 diffusion gradient라는 확산에 의한 신호 감소를 증폭시키는 gradient를 추가로 걸어주는 영상이다. 이 신호를 증폭시키기 위하여 90도, 180도 pulse를 주고 signal을 얻을 때 180도 앞뒤에다가 diffusion 경사자장이라는 강한 자장을 걸어주게 된다. 따라서 Diffusion MRI는 EPI, TSE에 많이 적용하여 쓰게 된다.

6. 기타 terminology

- b value

diffusion gradient의 세기이다. b value가 커지면 커질수록 신호 감소가 커지게 된다. diffusion이 강조되기 때문이고, 이는 diffusion에 의한 신호 감소를 증폭시킨다는 의미이다. Diffusion gradient를 쓰면 확산이 일어나는 모든 조직은 신호가 감소하게 된다. 특히 확산이 잘 되는 CSF가 제일 검게 된다.

- ADC

ADC는 감소를 수학적 계수에 의해 특정 pixel에서 signal을 재서 확산 계수를 계산하게 된다. 정상 brain의 확산 계수 값은 CSF와 뇌조직, 즉 두 개의 확산 계수만 가진다. 

- TRACE(isotropic) diffusion image

우리가 병원에서 흔히 접하는 diffusion image가 바로 TRACE diffusion image가 된다. GM, WM 사이에 확산 계수 차이는 없으나 확산 방향은 차이가 있다. WM는 물 분자의 확산이 fiber 배열 방향으로 일어나고, GM/CSF는 확산의 방향성이 전혀 없다고 알려져있다. 따라서 WM의 확산 방향성을 해결하기 위하여 x, y, z 세 방향으로 gradient를 걸어준다. 확산 운동이 방향성을 갇기 때문에 x, y, z 세 방향에서 걸어주고 averaging 하여 영상을 판독하는데 쓴다. 

diffusion MRI를 가장 많이 이용하는 경우는 acute infarction이다. acute cerebral infarction은 DWI에서 bright, ADC map에서 까맣게 보인다. 이렇게 되는 이유는, 뇌세포 차원에서 볼 때, ischemia가 되면 neuron으로 물이 들어가 cytotoxic edema가 생긴다. Neuron이 swelling 되면 물 분자가 확산할 수 있는 공간이 협소하여 확산이 잘 안되서 상대적으로 DWI에서 bright하게 보이게 된다. ADC는 확산이 잘 되지 않기 때문에 까맣게 보인다. 약 하루 정도까지의 infarction은 DWI, ADC가 정확히 반대로 보인다.

T2 shine through 현상을 알아야 하고, 이는 subacute stage에 잘 나타난다. infarct일어나고 6시간째에는 DWI, ADC가 흑백을 바꾸어 둔 것처럼 보이지만, 8일째 되면 ADC가 정상 조직과 비슷한 정도로 돌아오지만 DWI는 여전히 하얗다. 이 이유는 T2 shine through 때문이다. Diffusion MRI의 signal이 ADC에 의해서만 좌우되는 것이 아니라, T2 signal도 영향을 미치기 때문이다. 

조직 각각의 특성에 따라 T1 relaxation time, T2 relaxation time이 있는데, disease에 따라 이 신호가 바뀌게 된다. T1강조영상, T2 강조영상, Proton density 영상, FLAIR 등으로 이 신호 변화를 잡아내어 이미지화 하는 것이 MRI이다. 

1. T1, T2 relaxation time 

RF pulse를 가하여 proton의 종축 자기화 (Mz)를 횡축으로 눕히게 되면 Mxy라는 vector가 형성된다. Mz가 Mxy로 바꾸어야 MR 신호가 된다. 90도 펄스 직후에는Mxy가 100%, Mz가 0%가 되는 순간이 오는데, 이 순간 T1, T2 relaxation이 시작된다. Mz가 relaxation에서 회복되는 것이 T1이고, Mxy가 100%에서 relaxation 되는 것이 T2 relaxation curve 이다. 동시에 일어나고 서로 독립적으로 일어나고, T2가 T1의 대략 10배 빠르게 회복된다.

조직마다 이완되는 시간이 상이하고 이에 따라 이미지가 얻어지게 된다(fat이 가장 빠르고, 다음 brain tissue, 그 다음 CSF 이다). T1 relaxation time은 Mz가 63%를 회복하는데 걸리는 시간이다. 자장이 세질 경우 (1.5 T -> 3T -> 7T) T1 이완 시간이 길어지게된다.

T2 relaxation도 조직마다 다르다. T1 relaxation이 짧은 조직은 T2도 급격하게 curve가 감소하게 된다. T2 relaxation time은 Mxy(signal)이 37%까지 감소하는 데 걸리는 시간이다. 다만, T2는 자장의 세기에 별 영향을 받지 않는다. Fat이 가장 빨리 신호가 떨어지고, 그 다음 brain tissue, 그 다음 CSF 이다. 

이러한 T1, T2 relaxation time을 그대로 imaging에 반영하는 것이 아니라 scan parameter(TR- repetition time, TE - echo time, TI - inversion time) 등을 조절하여 MRI 영상에 반영하게 된다.

2. TR/TE vs. T1/T2 강조영상

90도 pulse, 180 pulse 주고 신호를 얻으면 이것이 spin echo 기법이다. 한 번으로 영상이 나오면 좋겠으나, 실제 영상을 얻을 때는 통상 수백 번의 RF pulse를 가해야 한다. 결국 수 백 번을 반복하는데 90도 pulse에서 다음 90도 pulse까지의 시간을 TR, 90도 pulse에서 signal 얻을 때까지의 시간을 TE라고 부른다.이렇게 반복하기 때문에 TR이라는 개념이 있는 것이지, 가슴 단순 촬영처럼 한 번에 발생한 RF로 신호가 나오면 TR 개념이 없다. 이 TE와 TR를 짧고 길게 조작을 하게 된다.

- T1

T1 강조 영상은 TR을 짧게 해주어서, T1 값의 차이가 영상에 영향을 미치게 된다(<600ms). TR이 충분하게 되면 Mz가 90도 pulse 회복을 다 하고 나서 pulse가 들어가기 때문에 T1 이완시간이 짧고 긴 것이 영상에 드러나지 않게 된다. 그러나 TR이 짧아져서 조직간 이완시간이 차이가 날 때 pulse가 들어가게 되면, 거의 회복이 다 된 경우에는 두 번째 pulse에 강하게 영향을 받지만 아직 이완이 덜 된 경우는 영향을 덜 받게 된다. 모든 tissue는 첫 번째 90도 pulse에는 강한 반응을 보이나, 두 번째 pulse부터는 T1 이완시간의 차이가 바로 반영이 되게 된다. 수 백번의 반복에 비슷한 현상이 이어진다. 

TE는 짧게 해주어야 T2 값의 차이에 영향을 못 미친다. Mxy가 시간에 따라 감소하는데, 조직간 신호의 차이를 영상에 반영하려면 TE를 길게 해 주어야 한다. 반영하지 않기 위해서는 짧게 한다. T1 강조 영상을 촬영하는 경우에는 짧게 해주어야 한다. 

조영제의 농도가 높아질수록 T1 T2 이완시간이 전부 짧아진다. 이완시간의 차이가 차이가 날 때, 즉 TR이 짧을 때 이미지를 얻으면 조직간 차이가 더 잘 나는 영상을 얻을 수 있다.

- T2

T1과 빈대이다. TR을 길게 하여 T1 값의 차이가 영향을 미치지 못하게 한다 (> 3000ms). TE는 길게 하여 T2 값의 차이가 영향을 미치게 한다. 이렇게 신호를 받으면 조직간 T2 값의 차이가 이미지에 영향을 미치게쯤 한다. TE가 길어야 T2 contrast가 가장 좋게 나온다. 

- Proton density 영상

말 그대로 proton density가 영상에 영향을 미친다. TR을 길게 하고 TE를 짧게 하여 T1, T2 모두 이미지에 영향을 못 미치게 한다. 이는 MSK 영상에서 유용하게 쓰이는데, ligament나 fibrous tissue는 proton density 영상에서 검게 보여서 유용하게 쓰인다. 

다음 내용은 아래 post에서 확인할 수 있습니다.

goldenduck.tistory.com/330

1. 급성기 경색

- hypodense on CT

- DWI 신호증가(초보자도 감지쉬움)

- T1 low signal intensity, 부종, 고랑의 소실

- T2 high signal intensity (발견이 더 쉬운편)

혈관성 부종은 약 1일 후부터 나타나 3-7일 사이에 가장 심해진다. 

2. 아급성기 

1주일이 지나면서 종괴효과와 부종이 감소하기 시작하는 시기

- isodense on CT

- ADC 증가(가성 정상화)

- DWI 신호증가 (T2 신호가 확산강조영상에 영향을 미치기 때문, T2 shine through)

- T1: 출혈성 변환이 고신호

- gyral enhancement: BBB의 파괴로 조영제가 조직 내로 침투되는 것 

3. 만성기 경색

- 3-4주째부터 종괴효과와 부종이 더욱 감소

- 경색 부위에 신경교증(gliosis)나 낭성 변화 진행하며 뇌위축 또는 뇌경화증으로 진행 

- Wallerian degeneration: 근위부 신경세포 및 축삭의 경색으로 인해 나타남

                                  FLAIR상 추체로를 따라 고신호 병변을 볼 수 있다. 

각각 sequence에서 무엇이 밝게, 무엇이 어둡게 표현되는지 익혀봅시다.

1. MRI 원리

Pulse Sequence = RF(radiofrequency) + Acquisition

RF(energy)를 준 후 tisssue로부터 release되는 energy를 감지

MR physics에 대한 자세한 내용은 아래 post에 작성하여 두었으니 필요한 분은 참고하시면 됩니다.

goldenduck.tistory.com/329

2. T1 vs. T2

물과 지방은 opposite signal intensity이다

T1과 T2에서 특정 물질은 반대의 intensity를 가질 것이다.

3. T1

fat- bright

water - dark

fresh blood - bright

T1 high signal intensity: subacute hematoma(methemoglobin), calcification, fat, paramagnetic substance(Ca, Fe, Mn, Cu, Gd), protein(고단백 물질), 유동 관련 증강, 멜라닌

uses: anatomical detail, vascular changes, disruption of BBB

3-1. Contrast - enhanced T1 weighted image

contrast leakage from BBB disruption

uses: tumor, infection/inflammation, subacute infarction, etc.

4. T2

fat-dark

water- bright (e.g. CSF)

flow is dark (blood vessel)

Low signal intensity: acute hematoma(deoxyhemoglobin, hemosiderin), calcification, protein, 높은 세포밀도, 적은 세포질(scant cytoplasm), 섬유교원성 간질(fibrocollagenous stroma), 유동액에 의한 신호소실(flow signal void)

uses: anatomic detail, picking up lesions

CSF도 밝아서 잘 구분이 안 된다는 단점이 있음

5. FLAIR(fluid attenuation inversion recovery)

T2 + CSF 까맣게 죽인 것

Non free flowing water is bright

fat is dark

uses: delineating lesions near ventricles, edema (free flowing이 아니어서 밝게 보입니다), grey-white differentiation이 잘 보입니다

6. GRE - gradient echo (SWI, T2*)

paramagnetic substances are dark (blood, calcium, metals) 예를들어 wilson's disease의 경우 GRE로 copper deposition을 MRI에서 찾을 수 있다.

정상적으로 substantia nigra, red nucleus, globus pallidus에 침착된 철이 관찰될 수 있다. 

uses: early hemorrhage, old hemorrhage(secondary to deposition of hemosiderin)

hemorrhage 검출에 탁월하므로 diffuse axonal injury에서 보이는 microbleed 검출에 탁월

7. DWI (diffusion weighted imaging, ADC)

ischemic stroke의 초기에 사용

fluid restriction is bright (cytotoxic edema) - bright signal로 보입니다.

DWI는 물분자의 브라운 무브먼트를 감지하는 것입니다. CT에서 조기에 감지하기 힘든 lesion도 DWI가 감지하는 이유는 ischemic stroke에 해당하는 부위가 부어서 물분자들의 움직이기 적어지기 때문이지요. 

DWI는 반드시 ADC와 correlation을 해보아야합니다. ADC는 apparent diffusion coefficient를 의미합니다. 간혹 T2에서 high signal이 보이는 이미지의 경우 T2 shine through effect로 인하여 DWI에서 high signal intensity가 관찰되기도 합니다. ADC에서는 fluid restriction이 어둡게 보이니 T2 shine through effect와 fluid restriction을 감별할 수 있습니다.

uses: ischemia, abscess, seizure

아래 유튜브 영상과 책을 참고하여 작성하였습니다. 

Reference: youtu.be/aK1BcfkL5ww

              신경영상의학, 일조각