Evaluation of Image Usability by SEMAC Turbo Factor Change using Susceptibility Artifact Reduction

Susceptibility Artifact를 감소시키는 SEMAC 사용 시 Turbo Factor 변화에 따른 영상의 유용성 평가

Abstract

The study analyzes Non SEMAC and SEMAC to reduce susceptibility artifacts that may occur when performing magnetic resonance imaging(MRI) of metal patients. The Foot and Ankle Phantom was used as the experimental tool and the 3.8 cm general screw was used to make the magnetic susceptibility artifact. The experimental equipment was used 3.0T Magnetom Skyra and the area was measured with the 17th image where the signal off is the most noticeable in the obtained image. Statistical analysis was performed using the SPSS(Ver.25) program and the significance was assessed by the Wilcoxon Signed Rank Test. As a result, the area of Non SEMAC which is the lowest signal was $289.53{\pm}23.07197mm$. When the Turbo Factor was changed to 3, 4, and 5 after SEMAC use, it decreased to $125.02{\pm}7.45875mm$, $120.96{\pm}12.01704mm$ and $108.79{\pm}16.53498mm$, respectively. In conclusion, this study demonstrates that Using SEMAC with Turbo Factor effectively reduces the susceptibility artifacts.

본 연구에서는 Metal 환자를 대상으로 자기공명영상검사를 할 때 발생할 수 있는 자화율 인공물을 줄이기 위해 SEMAC(Slice Encoding for Metal Artifact Correction) 기법을 사용하여 실험하였다. 실험도구는 신체 조직과 유사한 Foot&Ankle Phantom을 사용하였으며 자화율 인공물을 만들기 위해 3.8 cm의 일반 나사못을 사용하였다. 실험장비는 3.0T Magnetom Skyra를 이용하였으며, 얻어진 영상에서는 신호 꺼짐 현상이 가장 두드러지는 17번째 영상으로 면적을 측정하였다. 분석방법은 동일한 부위에서의 신호 꺼짐 현상의 면적을 측정한 후에 통계프로그램인 SPSS(Ver.25)를 사용하여 평균을 구한 후 Wilcoxon 부호순위검정(Signed Rank Test)으로 유의성을 평가하였다. 연구결과 Non SEMAC일 때의 면적은 $289.5300{\pm}23.07197mm$로 신호 꺼짐 현상이 가장 크게 나타났으며 SEMAC 사용 후 Turbo Factor를 3, 4, 5로 변화를 주었을 때 각각 $125.0200{\pm}7.45875mm$, $120.9600{\pm}12.01704mm$, $108.7900{\pm}16.53498mm$로 감소하였다. 결론적으로 본 연구는 SEMAC 사용 시 자화율 인공물을 효과적으로 감소시켜 SEMAC의 유의성을 증명하였고 TF를 함께 적용하였을 때 촬영시간 감소와 인공물의 면적을 효과적으로 줄일 수 있음을 보여준다.

Ⅰ. INTRODUCTION

자기공명영상(magnetic resonance imaging, MRI)검사는 체내 조직에 분포하는 수소의 원자핵에 라디오파(radio frequency, RF)를 이용하여 자기공명 현상을 일으켜 양성자들에서 나오는 신호를 받아 영상을 만들어 내는 과정이며, 신호 크기는 체적소(voxel)에 있는 핵스핀 수와 체적소에 대한 자장의 균일성에 의해 좌우된다.[1-3] MRI는 다른 영상 진단 장비 중 공간분해능과 조직 간의 대조도가 우수하고, 연부조직에 대한 해부학적 구조를 가장 잘 표현해 주어 높은 해상도의 이미지로 검사의 정확성을 높였으며, 검사 시간의 단축과 화질 향상이 꾸준히 진행되고, 검사에 필요한 기술을 개발함으로써 진단의 정확성을 위하여 노력하고 있다.[4] 또한 의료분야에서 직접 보기 힘든 인체의 구조를 3차원 영상으로 구현함으로써 질병의 진단 및 병변의 해부학적인 위치를 보다 쉽게 찾을 수 있게 해주었으며, 특히 근골격계 검사에서 이상적인 검사 방법 중  하나로 소개되고 있다.[5-7] 하지만 이러한 진단적 가치가 높은 다양한 장점에도 불구하고, 많은 환자들에게서 볼 수 있는 금속성 이식물은 자화율(magnetic susceptibility)의 차이로 인하여 발생하는 금속 물질의 자화 성질에 따라 검사의 진행 및 시행 여부에 크게 관여하며, 자장의 변형으로 인해 주파수 부호화 방향으로 변형 및 신호 변화를 보이고, 안전과 영상 왜곡의 이유로 MRI에서 부적격 원인이 된다.[8-10]

그래서 진단적 가치를 저해하고, 영상의 왜곡을 방지하기 위한 다양한 검사 기법들이 개발되고 활용되어지고 있으며, 특히 정형외과 수술로 인해 몸에 삽입된 금속성 물질이 국소자장의 균질도를 왜곡하고 저하 시키는 문제점을 보완해주는 다양한 기법들이 발명 되었다.[11,12] 

이러한 영상의 왜곡을 감소시켜주는 대표적인 기법 중에 하나가 바로 SEMAC(Slice Encoding for Metal Artifact Correction) 이다.[13] SEMAC은 VAT(View Angle Tilting) 스핀에코(spin echo, SE) 시퀀스에 기초한 것으로, 여기된 각각의 슬라이스 대한 Z위상 인코딩 단계를 적용하여 금속에 의한 Artifact를 보정한다. 이때, Z위상 인코딩 단계는 왜곡된 프로파일을 분해한다. 즉 금속으로 인하여 왜곡된 프로파일을 슬라이스 방향으로 확장함에 따라 추가된 3차원 데이터를 획득한 후, 각각의 슬라이스에 대한 동일한 방법을 적용하고, 그 영상들을 조합함으로써 금속으로 인한 Artifact를 보정한다.[14-16] 금속에 의한 왜곡은 VAT 스핀에코로 보정이 가능한 인플레인(inplane) 왜곡과 복수의 데이터를 결합한 상태에서 보정을 수행해야 하는 관통(through)왜곡으로 분류될 수 있다. 관심영역에서 모든 슬라이스의 분석된 프로파일은 슬라이스 왜곡을 해결하면서 실제 체적소 위치에 정렬되며, 각 체적소에서 해석된 여러 개의 데이터 요소가 결합되어 금속 인공물의 수정이 완료된다.[17-19] SEMAC을 이용하여 복원한 영상은 신호대잡음비(SNR)가 좋지 않다는 문제점이 있다. 이에 하나의 반복시간(repetition time, TR)안에 여러 개의 180◦ 고주파 펄스를 에코열길이(echo train length, ETL) 또는 Turbo factor(TF)라고 하며 수가 많을수록 검사시간이 짧아지고 높은 TR을 사용할 수 있으며 화질에 향상을 꾀할 수 있다.  

이에 본 논문에서는 금속성 이식물에 대한 자화율의 차이와 왜곡현상을 감소시키는 SEMAC기법을 TF를 변화시키며 유용성에 대해 평가하고  진단 가치가 높은 영상을 얻기 위한 최적의 조건을 찾고자 한다.

 

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

1. 실험재료

검사 장비로는  Magnetom Skyra 3.0T(Siemens, Germany)를 사용하였고, 코일은 16 채널 Foot & Ankle 코일(Foot & Ankle 16 Channel Coil, A 3T Tim Coil, Siemens Healthcare, Germany)을 이용하였고 Fig. 1과 같다. 또한 Foot & Ankle Phantom 3300ml K2275를 사용하였으며, 금속 물질은 길이 3.8 cm의 일반 나사못을 사용하였으며 Fig. 2와 같다. 

 

Fig. 1. Foot&Ankle 16 Channel Coil, A 3T Tim Coil.

 

Fig. 2. Foot & Ankle Phantom 3300ml K2275 and 3.8 cm Metal Material.

 

2. 실험방법

검사 방법으로는 Phantom에 나사못을 고정 시킨 후 Susceptibility Artifact Reduction 기법을 적용하지 않은 Sequence 와 Susceptibility Artifact Reduction 기법인 SEMAC Protocol을 이용하여 Factor를 6으로 고정한 상태에서 Turbo Factor(TF)를 3 → 4 → 5로 변화시키면서 각각 10회의 실험을 진행하였으며, 조건은 Table 1, 2, 3, 4와 같다. 
또한 정량적인 분석을 위해 실험으로 얻어낸 Data를 가지고 Image J Program(Ver. 1.52f 7)을 이용하여 각각의 Sequence에서 얻은 영상에서 SEMAC을 사용하지 않았을 때 신호 꺼짐 현상이 가장 많은 17번째 영상으로 면적을 측정하였으며, SEMAC을 사용한 영상에서도 같은 위치에서 면적을 측정하여 Fig. 3과 같이 비교 분석하였다. 
정량적 분석(Quantitative Data)방법으로는 통계프로그램 SPSS(Ver. 25)를 이용하여 면적의 평균과 표준편차 값을 구하였으며, 비모수통계분석(Non-parametric Statistics)중 Wilcoxon 부호순위검정(Signed Rank Test)으로 유의성을 평가하였다. 

 

Table 1. Non SEMAC Parameter.

 

Table 2. SEMAC 6 TF=5 Parameter.

 

Table 3. SEMAC 6 TF=4 Parameter.

 

Table 4. SEMAC 6 TF=3 Parameter.

 

Fig. 3. Signal offset area measurement

 

Ⅲ. RESULT

Table 5와 같이 Non SEMAC을 사용 하였을 때와 SEMAC을 사용 하였을 때의 Sequence 별 평균 면적의 차이는 Non SEMAC일 때 289.53±23.07197 mm, SEMAC의 TF=3은 125.02±7.45875 mm, TF=4는 120.96±12.01704 mm, TF=5는 108.79±16.53498 mm로 Non SEMAC이었을 때가 가장 신호의 꺼짐 현상이 심하였으며, SEMAC을 사용하였을 때 Turbo factor가 증가함에 따라 신호의 꺼짐 현상의 면적이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

또한 Fig. 4와 같이 Radiant Program을 이용하여 Sequence별 Susceptibility Artifact Reduction을 확인하기 위해 Color Mapping을 해본 결과 Non SEMAC이었을 때가 가장 신호의 꺼짐 현상이 심하였으며, SEMAC을 사용하였을 때 TF가 증가함에 따라 신호의 꺼짐 현상의 면적이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

 

Table 5. Average of area

 

Fig. 4. Using Radiant DICOM Viewer 32-bit for Color Mapping Image. 

 

Table 5는 Non SEMAC 과 SEMAC의 Susceptibility Artifact Reduction의 신호 꺼짐의 면적을 측정하여 통계학적으로 분석을 한 것으로서, 비교값 모두 P값이 0.05보다 낮게 나왔다. 즉, SEMAC을 사용하였을 때가 사용하지 않았을 때보다 Susceptibility Artifact Reduction이 더 발생하며, 금속에 의한 artifact를 감소시키고, 유의미한 차이가 있는 것으로 나타났다. 

 

Table 5. Non SEMAC Compared with SEMAC 

Table 6은 SEMAC의 TF 변화에 따라 Susceptibility Artifact Reduction의 신호 꺼짐 면적의 변화를 측정하여 통계학적으로 분석을 한 것으로서, TF를 3→4→5로 변화시켰을 때, Table 2에서 설명하였듯이 TF=5에서 Susceptibility Artifact Reduction의 면적이 가장 큰 반면, TF가 감소할수록 면적이 증가하는 것을 알 수 있었다. 또한 각각의 TF에 의한 비교분석에도 TF=3과 TF=4는 P값이 .407로 0.05보다 높게 나타났다. 이는 TF=3과 TF=4에서의 Susceptibility Artifact Reduction은 크게 차이가 없어 유의성이 없는 것으로 보이며, TF=5와 비교하였을 때는 TF=3과 TF=4의 P값이 0.05보다 낮은 .013으로 Susceptibility Artifact Reduction에 차이가 유의미하게 나타났다. 즉, TF=5에서 Susceptibility Artifact Reduction이 가장 유의미하게 나타나는 것으로 관찰되었다. 

 

Table 6. Comparison of SEMAC with Turbo factor change.

 

Ⅳ. DISCUSSION

자화율 인공물은 인체 내 서로 다른 자화율을 갖는 인접한 두 조직의 경계면에서 자장의 국소적인 변형이 발생되어 형성되는 인공물이다.[20] 자화 감수성이 서로 다른 두 조직의 경계면은 각 물질의 자화율 차이에 의해 자장이 불균일해지고, 불균일한 자장으로 인해 자화율 인공물이 발생하며 이러한 자화율 인공물은 영상의 소실이나 왜곡을 일으킨다.[21] 이러한 현상은 자화 감수성 차이가 큰 물질 즉, 물과 공기, 공기와 지방, 물과 지방 등의 경계면에서 더욱 현저하게 나타나 다른 병리학적인 상태로 보이게 하여 병변의 오진을 초래한다.[22]

본 연구는 금속보조물 삽입 환자의 MRI 영상에서 발생하는 왜곡을 줄이기 위해 SEMAC Protocol 기법을 적용했을 시 금속 이식물에 대한 신호 꺼짐 현상이 감소함으로써 Susceptibility Artifact Reduction이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. SEMAC factor가 6일 때, Turbo factor를 5이상으로 설정하면 Echo Trains Per Slice의 값이 변하여 정확한 비교를 할 수가 없다. 따라서 이번 실험에서는 이 값이 고정된 상태에서 비교하기 위해 TF를 3, 4, 5로만 변화를 주어 인공물의 면적 변화를 관찰하고자 하였다. 

또한 SEMAC Protocol 기법을 적용했을 때 SNR, CNR등의 신호 측정에 대한 논문은 많이 제시되어 있으므로 본 연구는 인공물의 면적 감소에 대한 부분을 중점으로 하여 평가하였다.

TF가 변화함에 따라 금속에 의한 artifact 면적이 변화함을 관찰 할 수 있었고, TF가 증가함에 따라 진단 가치 높은 영상을 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 그러나 과도한 TF 설정은 SNR과 이미지 불균일성을 발생시키고 Blurring 효과가 눈에 띄게 증가하여, 진단적 영상을 얻기에는 어려운 단점을 갖는다.[23] 따라서 SEMAC을 이용한 검사 시 적절한 TF 설정이 필요함을 시사한다.

본 연구에서 제한점이 있다면, 첫 번째로 인공물 면적 측정 시 실험자마다 다를 수 있기 때문에 오차가 발생할 수 있다는 점이다. 두 번째로는 한 종류의 나사로만 실험을 진행했다는 점이다. 이는 임상에서 금속 임플란트의 길이, 종류에 따라 달라지는 Susceptibility Artifact Reduction의 변화를 예상할 수 없다. 따라서 실험자 수를 늘려 면적 측정 오차를 줄여야 하고 임상에서 사용되는 금속 임플란트의 종류와 크기의 다양성을 주어 artifact가 어떤 양상으로 나타나는지에 대한 후속연구가 필요할 것으로 사료 된다.

 

Ⅴ. CONCLUSION

본 연구에서는 자기공명영상에서 발생하는 자화율 인공물을 줄이는데 SEMAC Protocol 기법의 유용성을 확인하고 SEMAC factor 6에서 Turbo factor가 3→4→5로 증가 할수록 검사 시간이 감소했다. 또한 Susceptibility Artifact Reduction이 증가하여 주변 조직에서 발생하는 금속에 의한 신호 꺼짐 현상이 줄어드는 것을 확인 할 수 있었다. SEMAC factor와 함께 TF를 적절하게 조절한다면 검사 시간을 감소시키고, Susceptibility artifact를 최대한 줄여주어 금속성 이식물 환자에게 도움이 되는 Protocol이 될 것이라 사료된다.