3.0 Tesla 자기공명영상시스템에서 고 해상도 나선주사영상

High-resolution Spiral-scan Imaging at 3 Tesla MRI

목적 : 3.0 Tesla 고 자장에서 고 해상도 나선주사영상을 수행하였다. 나선주사영상은 초고속 영상기법의 하나로서, Echo Planar Imaging(EPI)에 비하여 eddy current 가 작게 발생하고, 경사자계 파형의 기울기가 완만하여 상대적으로 낮은 slew rate 를 가진 경사자계시스템으로 구현이 가능한 장점이 있다. 또한 고 자장 영상에서 고속스핀에코(Fast Spin Echo: FSE) 등의 rf 에코 기반의 고속영상방법에서 심각하게 대두되는 SAR 문제가 근원적으로 발생하지 않는 장점이 있어 고 자장에서의 초고속영상방법으로 주목을 받고 있다. 본 연구에서는 3.0 Tesla 에서 나선주사방식으로 고 해상도 영상을 얻어 고 자장 MRI에서 나선주사영상기법의 다양한 응용 가능성을 살펴보고자 한다. 대상 및 방법 : 3 Tesla 전신 자기 공명 영상 시스템에서 다양한 해상도의 나선주사영상 방법을 개발하였다. 고차(higher-order) shimming 을 통하여 영상의 화질을 개선하였고, 해상도에 맞게 interleaves 수를 조절하였다. 스핀에코 와 gradient에코 기반 나선주사영상방법을 구현하였고, 에코 time 과 repetition time, rf 회전 각도를 조절하여 영상의 대조도(contrast)와 신호대잡음비를 조절하였다. 결과 : 3 Tesla 전신 자기 공명 영상 시스템에서 나선 주사 방법을 이용하여 다양한 해상도의 영상을 얻었다. 고 자장에서 주 자장의 불균일도(inhomogeneity) 의 절대 크기가 커지기 때문에 이를 줄이기 위한 shimming 이 더욱 중요해진다. 한번의 스캔으로 axial, sagittal, coronal 방향의 불균일도 map을 구하여 spherical harmonics 분석으로 고차 shimming을 하였다. 팬텀과 in-vivo 두부 영상에서 single shot 나선주사 영상으로 $100{\times}100$ 정도의 영상과 6-12 정도의 interleaves 를 적용하여 $256{\times}256$ 의 고 해상도 영상을 얻을 수 있었다. 결론 : 신호대잡음비의 향상과 스펙트럼의 분리, 뇌기능영상에서 BOLD 효과 향상 등으로 고자장 영상에 대한 관심이 높아지고 있다. 그러나 고 자장 영상에서의 rf field 에 의한 SAR 증가는 중요한 제한 요소로 부각되고 있다. 나선주사영상은 SAR 문제가 근원적으로 발생하지 않고, EPI에 비하여 하드웨어 요구 조건이 낮아 고 자장에서의 고속영상방법으로 적합하다. 본 논문에서는 고차 shimming 을 통하여 불균일도를 개선하고, single shot 과 interleaving 을 적용한 multi-shot 나선주사영상 기법으로 $100{\times}100$에서 $256{\times}256$의 고해상도 영상을 얻어 고 자장에서 초고속영상기법으로 다양한 적용 가능성을 보였다.

Purpose : High-resolution spiral-scan imaging is performed at 3 Tesla MRI system. Since the gradient waveforms for the spiral-scan imaging have lower slopes than those for the Echo Planar Imaging (EPI), they can be implemented with the gradient systems having lower slew rates. The spiral-scan imaging also involves less eddy currents due to the smooth gradient waveforms. The spiral-scan imaging method does not suffer from high specific absorption rate (SAR), which is one of the main obstacles in high field imaging for rf echo-based fast imaging methods such as fast spin echo techniques. Thus, the spiral-scan imaging has a great potential for the high-speed imaging in high magnetic fields. In this paper, we presented various high-resolution images obtained by the spiral-scan methods at 3T MRI system for various applications. Materials and Methods : High-resolution spiral-scan imaging technique is implemented at 3T whole body MRI system. An efficient and fast higher-order shimming technique is developed to reduce the inhomogeneity, and the single-shot and interleaved spiral-scan imaging methods are developed. Spin-echo and gradient-echo based spiral-scan imaging methods are implemented, and image contrast and signal-tonoise ratio are controlled by the echo time, repetition time, and the rf flip angles. Results : Spiral-scan images having various resolutions are obtained at 3T MRI system. Since the absolute magnitude of the inhomogeneity is increasing in higher magnetic fields, higher order shimming to reduce the inhomogeneity becomes more important. A fast shimming technique in which axial, sagittal, and coronal sectional inhomogeneity maps are obtained in one scan is developed, and the shimming method based on the analysis of spherical harmonics of the inhomogeneity map is applied. For phantom and invivo head imaging, image matrix size of about $100{\times}100$ is obtained by a single-shot spiral-scan imaging, and a matrix size of $256{\times}256$ is obtained by the interleaved spiral-scan imaging with the number of interleaves of from 6 to 12. Conclusion : High field imaging becomes increasingly important due to the improved signal-to-noise ratio, larger spectral separation, and the higher BOLD-based contrast. The increasing SAR is, however, a limiting factor in high field imaging. Since the spiral-scan imaging has a very low SAR, and lower hardware requirements for the implementation of the technique compared to EPI, it is suitable for a rapid imaging in high fields. In this paper, the spiral-scan imaging with various resolutions from $100{\times}100$ to $256{\times}256$ by controlling the number of interleaves are developed for the high-speed imaging in high magnetic fields.