MRI의 정의 16편 (MR Angiography 3)

 

4-4-2 PC (Phase Contrast) 기법

PC방법은 스핀이 자장경사를 이동할 때 생기는 위상이동(phase shift) 현상을 이용하는 방법이다. 

영상획득(aquisition)방법에 따라 2D 혹은 3D PC가 있다. 이 영상법에서는 통상 유체에 대해

양극성(positive polarity)과 음극성(negative polarity)을 갖는 서로 다른 경사(gradient)를 적용하는 두 개의 영상을 얻고, 각각에서 유발된 양성위상이동(positive phaseshift)과 음성위상이동(negative phase shift)의 혈류영상을 서로 감산(subtraction)하여 혈류에 의한 신호는 증폭시키고 정지조직으로부터의 신호는 

감소시키게 된다. 이 방법에서는 혈류속도의 분포에 따라 위상 부호화 경사(phase encoding gradient)의

크기를 조정하여 줌으로써 위상이동이 ±180°이상이 되었을 때 유발되는 aliasing현상을 방지하여 주어야

한다. 혈류속도 부호화(velocity encoding, VENC)가 특징인데 조절된 최대속도 이하의 혈류가 aliasing 없이 영상에 나타난다. 즉 지정된 VENC이상의 혈류는 저 신호강도로 보인다. 

또한 3D PC방법에서 혈류를 3방향으로 다 부호화(encoding)하여주기 위해서는 최소 4번의 영상을 

얻어야 하므로 영상시간이 길어지는 단점이 있다. 그러나 PC방법을 선택하는 이유는 첫째는 우수한 baekground를 제거함으로써 저속 혈류 혈관들의 검출에 이용할 수 있고, 

둘째는 혈관 고유의 velocity-phase와 연관되어 영상화된 vessle들의 유동력에 관한 정보를 제공할 수 있다. 반면 TOF기법은 종축자화(longitudinal magnetization)에 의한 차이 원리를 두고 있으며, PC기법은 횡축자화(transverse magnetization)에 의한 차이에 원리를 두고 있다.

4-4-2-1 2D PC MRA 방법

영상획득시간이 짧아 3D PC를 하기 전에 적절한 VENC를 찾을 수 있도록 가능하게 하여 시간이 

많이 걸리는 3D PC를 적절하게 할 수 있는 장점이 있다. 제한적인 부위에서 속도 부호화(encoding)를 

바꾸어 가면서 검사를 할 수 있으며 여러 번의 acquisition을 averaging 하여 허상 없는 영상을 

얻을 수 있다. 

2D PCA는 TE/TR/flip angle/Venc = 8.7/33/20/30,
slice(slab) thickness = 20～70mm, FOV = 20cm, matrix = 256 ×192,
NEX= 8 등의 parameters로 scan을 하게 되며 Nex를 늘일수록 pulsatile
artifact는 감소된다. 간 문맥, 뇌척수류 검사와 위치 또는 VENC 등을 알 수 있는 목적으로 유용하다. 

Cine PCA는 2D PCA의 일종으로 cardiacgating후 다양한 cardiac cycle에서 2D PC영상을 얻고

 cine-loop mode로 보여주는 방식으로 장점으로는 혈류 흐름을 역동적으로 잘 관찰할 수 있다는 것이다. 

촬영 후의 영상처리는 거의 쓰이지 않으며 촬영 후 바로 혈관 촬영상이 관찰될 수 있기 때문에 검사를 하고 있는 동안에 이상 소견부위를 확인할 수 있는 장점이 있으며 촬영시간도 보통 2～6분으로 먼저

전체상을 파악할 수 있고 심박동기와 결부시켜 박동류의 동태적 관찰에 적합하다. 

그러나 다양한 재 투사영상이 불가능하고 voxel크기가 클수록 intervoxel dephasing이 증가한다는 

단점이 있다.

4-4-2-2 3D PC MRA 방법

경사자장 내에서 이동하는 혈류는 그 속도에 비례하는 위상이동(phase shift)을 가지게 되는데 이 위상변화(phase change)를 이용하여 영상을 만드는 기법이 PCA이다. 같은 크기와 정반대극성을 가지는 bipolar gradient를 Gx, Gy, Gz에 모두 걸어주면(flow encoding) 정지된 조직은 상쇄되어 없어지나 혈류는 velocity에 비례하는 위상이동이 생기게 된다.
이러한 위상의 shift정도를 이용하여 영상화하며 moving proton의 위상이 동이 클수록 즉, 속도가 빠를수록 밝은 신호강도를 나타낸다. 이때 bipolar gradient의 진폭(amplitude)과 지속시간(duration)을 조절함으로써 혈류속도의 sensitivity를 변화시킬 수 있다. 이렇게 얻어진 정보(data)를 유속 부호화(flow encoding)

하기 전의 영상으로 감산(subtraction) 해주면 moving proton에 의한 영상(flow image)이 얻어지게 되어 혈관영상이 가능하다. 이러한 감산으로 background 신호는 소실되고 혈류신호는 두 배로 커지게 된다.

자장의 불 균질에 의해 background 위상이동에 차이가 있을 수 있으나 감산하면 같이 소실되므로 

무방하다. 

이와 같이 background 소거가 완벽하므로 다른 MRA 기법에서 단점으로 작용하는 짧은 T1 이완시간을 가지는구 조 물 이 나 enhancedstructure의 영 향 이 거 의 없다.
3D PC 영상에 영향을 미치는 요인은

1) 혈류 방향, 2) 속도 encoding, 3) phase dispersion, 4) saturation effect 등이 있다.
만일 어느 혈관이 최대속도 이하로 부호화(encoding) 되었다면, 부호화된 이상의 혈류는 저속의 혈류처럼 aliasing 되어 나타나게 되어 저 신호강도로 보인다. 대체로 한 혈관에서 최대속도를 보이는 부위는 

laminarflow의 중심부이므로 혈관의 중심부가 저 신호 강도로 나타나게 된다. 

매우 낮게 속도 부호화를 하면 (20cm/sec) 빠른 혈류는 aliasing 되어 흐리게 보이고, 속도가 느린 말초 혈관이 상대적으로 고 신호 강도를 보이게 된다. 이와 같이 PC 방법으로 혈류속도의 정량적 평가가 가능하여 

검사하고자 하는 부위, 혈관질환의 종류 (혈관내부에 저속 혈류가 있을 수 있는 aneurysm 혹은 AVM의 

저속 venous component 등)에 따라 속도 부호화를 조절하여 검사할 수 있다는 장점이 있다. 한편 PCA는 느린 혈류의 검사에 유용하며 혈류 자체의 정량화(quantification)가 가능하다. mask image와 x, y, z 방향의 flow image를 받아야 하므로 TOF 기법보다 대략 4배 이상의 검사시간이 필요하다는 단점이 있다. 더구나 x, y, z 방향으로 bipolar gradient를 주기 전에 각각의 mask image를 얻는 경우에 는 6배 이상의 시간이 필요하다. 또한 난류(turbulence)에 매우 민감하고 검사대상 혈류의 최고 velocity를 예측하여 입력하여야 하는 단점도 있다. PCA의 pulse sequence는 bipolar flow encoding gradient와 standard gradient recalled echo(GRE)이며 TE는 bipolar gradient를 추가해야 하므로 TOF MRA때 보다 

약간 길어져서 8.3 msec정도이다.

감산하여 재구성함으로 혈관을 뚜렷하게 나타내어야 하는데 포화효과에 덜 민감하므로 TR은 TOF 보다

 짧게 사용할 수가 있어 30 msec 정도이다. flip angle은 20～30°이며 Nex는 1～2회이다. PCA를 하기 위해서는 velocity encoding(VENC)이라는 변수를 입력해야 하는데 이것은 검사대상 혈류에 최대로 근접한 velocity (cm/sec)이다.

이것은 velocity 범위를 지정하여 검사함으로써 최대의 신호를 얻기 위함이다. 

즉 얻고자 하는 혈관의 혈류가 VENC와 일치할 때 SNR 이 최고인 영상을 얻을 수 있다. 

이러한 VENC는 bipolar gradient의 범위로 결정하게 되는데 180°까지 phase shift 시킬 flow velocity를 결정하는 것과 

같다. 즉 실제의 velocity가 VENC보다 큰 경우 180°이상의 phase shift를 가지게 되고

이것은 반대방향의 느린 velocity flow로 인식된다 (velocity aliasing orphase wrap). 

예를 들어 VENC를 30cm/sec로 설정했지만 실제 혈류속도가 40cm/sec인 경우 이 혈류는 phase image(flow image)상 -10cm/sec의 속도로 나타난다

(Aliased Velocity = VENC - Actual Velocity).
그러나 대체로 중심 혈류가 빠른 velocity를 가지므로 가장자리 느린 혈류에 의해서 혈관의 margin은 

잘 구분되다. 

VENC를 작게 줄수록 느린 혈류에 더 민감한 영상이 얻어지므로 정맥(venous flow), 

난류(turbulent orvortex flow), 또는 가는 가지 혈관의 검사에 유용하고 크게 할수록
moving spin의 위상이동 작아져 빠른 혈류 외에는 background와 구분이 잘 어렵다. 한 절편에서 동시에 서로 다른 VENC를 설정할 수도 있다.
PCA 질을 향상하기 위한 방법으로서 조영 증강(contrast enhanced) PCA를 이용할 수도 있는 데 이는 

포화효과를 최소화하여 SNR을 높이기 위함이다. 이때 조영제의 농도와 신호강도는 비례하게 되는데 

0.5 mmol/kg이상의 농도에서는 T2 이완시간의 shortening(T2* 효과) 이 와서 

신호강도는 오히려 감소되게 된다.

따라서 0.3 mmol/kg 정도의 농도가 적당하다고 하며 이때, 신호강도는 100%가 증가된다.

이 와 같이 혈류의 속도와 방향을 정량적으로 검사할 수 있다는 것이 PCA의 가장 큰 장점이 라고 하겠다. 

반대로 두 번 영상을 얻어 subtraction 영상을 얻는 방법이므로 두 배 가까운 시간이 걸리는 단점이 있고 

많은 시간이 걸리는 검사일수록 움직임에 따른 영상의 질 저하가 있을 수 있다.