2008. 8. 1. 14:29ㆍJames/Papers
제목: 자기공명영상장치에서 BODY COIL 의 성능 평가
저자: 남궁 호, 민 관홍, 김 동성, 박 홍전
소속: 서울대학교병원, 진단방사선과
구연자: 남궁 호
I 목적 : MR 장비는 그 구성이 매우 복잡하고 세밀하여, 내 외부적 요인, 시간의 흐름, He 감소 등 여러환경에 의해 성능이 민감하게 변화될수 있으며, 그 변화가 영상의 질(Image Quality)에 영향을 초래할 수 있다. 이에 MR 장비의 성능을 효율적으로 관리 (QA), 운용, 유지하기 위하여 장비 자체 S/W 를 이용, 장비의 기능적 상태를 파악, 분석 하였으며, 또한, 장비의 성능 평가 방법을 소개 하고자 하였다.
II 대상및방법 : 1994년 11월부터 1995년 2월까지 1.5T Magnetom SP-4000 (Siemens, Germany) 와 1.0T Impact (Siemens, Germany)의 Body Coil을 대상으로 하였으며, 3∼4 일 간격으로 1) Transmitter (Voltage), 2) Receive Gain (dB), 3) Scale Factor 와 X.Y.Z 세 방향 각각의 4) SNR, 5) Inhomogeneity, 6) T2-Artifact 를 측정 하였다. 또한, 두 장비 모두에서 Helium Level 을 매일 측정하였다.
III 결과 : 1.5T, 1.0T 두 장비에서 미세하지만 1) Transmitter 값이 감소하는 변화를 보이다가 정기점검 (PM) 일 이후 다시 정상치를 회복했고, 2) Receive Gain, 3) Scale Factor 는 주목 할 만한 변동은 없었다. 4) SNR 과 5) Inhomogeneity 도 장비 설치시의 기준치 범위를 크게 벗어나지는 않았지만 약간의 변동은 있었다. 6) T2-Artifact 는 1.5T 에서는 기준치를 벗어나지 않았고, 1.0T 에서 Y 방향으로 기준치를 벗어나는 경우가 있었으나 , X. Z 방향은 정상치를 보였다. 모든 성능에 간접적으로 영향을 미치는 Helium Level 은 1.0T 장비에서 5∼6 일에 1 % 씩 감소되며, 1.5T 장비 에서는 3∼4 일에 1 % 씩 감소치를 보였다.
IV 결론 : MR 성능 평가에는 여러방법이 있고, 그 system 의 사용환경에 알맞는 평가방법을 설정, 정기적으로 평가 해야한다. 이번 실험에서는 MR 장비의 기본 S/W 를 이용, 사용자에 의한 성능 평가를 해 보았다. 자료 수집 기간이 짧아, 시각적으로 MR 영상에 영향을 미칠 정도의 변화는 없었지만, MR QA 측면과 MR 성능의 적은 변화에 큰 영향을 받는 MR Spectro-scopy, EPI, MR Micro study, MR Functional study 의 임상응용에 그 기준값을 제공 한다는 점에서 지속적으로 각 system 에서 개발, 평가, 연구 되어야 한다.
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자기공명영상장치에서 Body coil의 성능평가
서울대학교병원 진단방사선과
남궁호, 유병기, 김동성, 박홍전
서 론
자기공명영상장치는 영상을 구성하기 위한 장치의 환경이 매우 복잡하고 세밀하여 내∙외부적인 요인, 시간의 흐름, 헬륨의 감소등 여러 가지 환경에 의해 성능이 민감하게 변화될 수 있으며, 그 변화가 영상의 질(Image quality)에 영향을 야기 시킬 수 있기에 원칙적으로는 매일 MR 장비의 성능 평가가 이루어져야 한다. 그러나 여러 가지 여건 즉, S/W의 미제공, MRI QA에 대한 무지등과 Service 기술진 혹은 MR 물리학자에 의한 성능평가가 이루어지지 못할 경우, 대부분 한 달에 한 번 정도의 정기 점검만으로 이루어지게 된다. 이럴 경우 MR영상 유지 및 장비의 수명에 영향을 미칠 수 있는 단기적 변화는 감지하기가 어려워질 수가 있다. 이에 MR 장비를 효율적으로 운용, 유지하기 위하여 MR 사용자가 내장되어 있는 장비의 soft ware를 이용, 장비의 기능적 상태를 파악, 분석하였다. 이는 Q.A program 즉, 영상 system 수행능력과 기능성 평가 S/W를 이용한 평가를 통해 장비의 기능적 상태를 파악하고 대처할 수 있다면 자기공명영상 장치에서 얻어진 영상이 보다 좋은 조건하에서 그 영상의 함정(이상 대조도, artifact, 저신호등)을 피할 수 있음과 동시에 높은 영상의 질로 환자들의 병변 진단에 도움을 줄 수 있을 것으로 사료된다.
MRI에서 사용하는 coil은 head coil, surface coil, spine array coil등 여러종류가 있으나 body coil은 Magnet bore에 이동할 수 없도록 장착되어 있고, 넓은 영역의 homogeneity가 요구되어지며, RF pulse를 transmitter와 receive할 수 있어 다양한 검사부위에 사용하고 있다. 그래서 Body coil을 선택하여 이번 실험을 시작하게 되었다.
위의 측정결과를 자세히 살펴보면, 먼저 SN_DIP program에서 SRM(Standard Reference Measurement)의 Transmitter 값은 조금씩 증가하다가 -정기 점검일(Prevent Maintenance : PM) 이후 다시- 낮아지는 변화를 보였으며, Receive Gain과 Scale Factor는 유의할 만한 변동은 없었다. Signal to Noise Ratio와 Inhomogeneity도 제조회사의 장비 기준치를 크게 벗어난 경우는 없었으나, 기준치내에서 미세한 변동을 보였으며, 특히, 1.5T에서 X방향으로 기준치 26을 벗어나 25.3로 낮아진 경우도 있었다. CalcAr program에서 1st echo artifacts는 1.5T와 1.0T 양쪽 모두에서 주목할 만한 변화는 없었으나, 2nd echo artifacts는 1.0T에서 Y방향으로, 1.5T에서 Z방향으로, 기준치를 초과하는 경우가 자주 있었다.
장비의 균일도 유지 특히 Spectroscopy에 영향을 초래하는 Helium의 boil-off의 정도는 1.0T에서 5-6일에 1%, 1.5T에서 3-4일 1%씩 감소하였다.
고찰 및 결론
MR system 제조회사에서 제공되어 현재 MR service 기술진에 의해 사용되고 있는 Q.A(Quality Assurance) program은 1달에 한 번 정기 점검일에 정해진 여러 항목을 측정하게 된다. 이중 MR system 사용자인 방사선사가 손쉽게 간단히 측정 가능한 항목이면서 그 영상에 영향을 크게 미칠 수 있는 SRM(Standard Reference Measurement)과 SNR, Inhomogeneity 그리고 T2 determination과 artifact는 이번 논제를 위해 약 3개월에 걸쳐 측정하였다.
이번 실험에 측정된 항목을 간단히 살펴보면, 먼저, SN_DIP program scan시 측정되어질 수 있는 것으로 사용한 coil의 Signal to Noise Ratio (SNR)와 얻어진 영상의 균일성(Inhomogeneity, Uniformity)과 직경(Diameter), 그리고 SRM(Standard Reference Measurement)을 얻을 수 있었다. SN 값은 system performance의 상태를 민감하게 나타내는 것으로 이는 영상화 조건과 상태에 따라 크게 좌우되기 때문에 매번 측정시 항상 동일한 조건을 유지하여야 하며, 균일성(Inhomogeneity, Uniformity)은 특정균일 물질로 채워진 phantom이 영상으로 나타날 때의 편차로 결국 coil내의 inhomogeneity를 알 수 있게 된다. 또한 SRM(Standard Reference Measurement)은 매 회 측정시의 Transmitter adjustment 값과 total receiver gain 그리고 image scale factor 값의 변화를 확인할 수 있다.
CalcAr program은 두 개의 echo time(dual echo) pulse sequence로 scan하여 이 두 개의 영상에서 phase encoding 방향으로의 "Smearing" artifacts를 계산하는 것으로 경사자계의 직선성(linearity)과 안정성(stability), RF amplifier의 안정성(stability)의 변화에 의한 영향을 알 수 있게된다.
이번 실험의 결과를 살펴보면, 첫 번째로 그림2에서 보듯이 SRM에서 transmitter adjustment 값이 증가하다가 정기 점검일 이후 다시 감소된 변화를 보이는 것은 필요한 signal을 얻기 위해 더 많은 양의 RF를 초과 공급하는 원인에 의해서 그 값이 증가하게 되며, 정기 점검시 coil tunning, eddy current compensation, global shimming등의 일련의 과정에 의해 그 값이 안정하게 감소되는 것으로 이해할 수 있었다. 반면 receive gain과 scale factor는 주목 할 만한 변화는 없었다.
그림 2. 1.0T와 1.5T의 Transmitter Adjustment Graphy
두 번째, SN_DIP program에서 SNR과 inhomogeneity의 결과도 그림3에서 보듯이, 1.0T에서의 변화는 있었지만 제조회사의 장비 기준치 값을 벗어나지는 않았다. 이는 일반적인 MR영상에 영향을 미칠만한 변화가 아니므로 영상의 질(image quality)의 저하를 초래하지는 않았다. 그러나 1.5T에서 12월 17일의 SNR값은 X방향으로 기준치를 조금 낮게 벗어나고 있어 system performance에 문제가 있음을 나타내고 있다.
그림 3. 1.0T와 1.5T의 SNR Graphy.
세 번째, CalcAr program에서 artifacts를 보게되면, 먼저 1st echo의 artifacts는 대부분 기준치를 초과하지 않게 나타났다. 이것은 이론적으로 1st echo는 echo time이 비교적 짧아 dephasing 후, rephasing이 효과적으로 이루어지게 되며, 2nd echo는 1st echo에 비해 echo time이 길어 그만큼 rephasing이 효과적으로 이루어지지 않는다. 이 때문에 제조회사의 artifacts 기준 값도 1st echo는 
2% 이며, 2nd echo는 
3%이다. 그러나 결과에서 보듯이 2nd echo의 artifacts가 1.0T에서 Z, Y 방향으로 기준치인 3%를 초과하는 경우가 있었으며, 심지어 Y 방향에서 6.66%까지 나타나 기준치의 200% 이상을 초과하게 나타났고, 1.5T에서는 Z방향으로 기준치를 벗어나는 경우가 있었다. 이는 초과되는 값을 보인 방향으로 blurring과 multiple ghosts가 많이 나타나며, 이에 해당된 경사자계의 직선성(linearity)과 안정성(stability), RF amplifier의 안정성(stability)에 문제가 있음을 시사하므로, 적절한 조치를 필요함을 의미하게 된다.
그림 4. 1.0T와 1.5T의 Artifacts Graphy.
마지막으로 Helium의 boil-off의 정도는 자석의 안정도 유지보다는 LHe이 감소 되면서 Eddy current effect변화에 의한 단면 영상두께, 공간 선명도등의 정확성을 유지해야하는 Spectroscopy, EPI에 가장 민감한 항목으로 자석의 Shimming상태의 변화를 의미한다. 앞의 결과에서 나타났듯이 1.5T가 1.0T에 비해 boil-off가 더 빠르게 진행되었다. 이는 3년 늦게 설치된 1.0T의 Magnet가 최신 기술개발로 인하여 경제적인 것을 알 수 있었다.
그림 5. 1.5T의 Helium의 boil-off Graphy.
대상 및 방법
1994년 11월에서 1995년 2월까지 3개월간, 5-7일 간격으로 1.5T Magnetom 63 SP-4000(Version: 2.7A, Siemens, Germany)과 1.0T Magnetom Impact(Version: VB21A, Siemens, Germany)의 body coil을 대상으로 하였다.
실험방법은 기기 제조회사에서 제공된 Phantom을 1.5T Magnetom 63 SP-4000과 1.0T Magnetom Impact 양쪽 모두에 타원의 실린더형 body coil용 phantom (1000g H2O, 1.25g NiSO4
46H2O)안에 원형의 head coil용 phantom (1000g H2O, 5g NaCl, 3g MnCl
4H2O)을 넣고 실험을 하였으며, scan 조건은, 양쪽 system 모두에서 SN과 inhomogeneity를 평가하기 위하여 SN_DIP program (TR=300, TE=10, Flip angle=60deg. Thk=3, FOV=300, Matrix=256*256, AC=1, Inline adjust)으로 하였고, T2 determination과 artifacts를 평가하기 위해 CalcAr program (Calculation Artifact ; TR=600, TE=35/105, Thk=10, FOV=500, Matrix=256*256, AC=1, inline adjust)으로 하고, scan orientation은 각 Z, Y, X방향으로의 평가를 위해 Axial, Sagittal, Coronal을 scan 하였다.
위의 측정방법으로 얻어진 결과인 1) Standard Reference Measurement ; SRM (Transmitter voltage, Receive gain, Scale factor)과 2) Z, Y, X축의 Signal to Noise Ratio(SNR,SN), Inhomogenety, 3) Artifact 1st, 2nd 그리고 4) Helium의 감소량을 분석하였다.
그림 1. Phantom
결 과
Magnetom SP-4000과 Magnetom Impact의 Body coil의 SN/Inhomogeneity, T2 Determination/Artifact를 아래의 표와 같은 측정치를 구하였다.
표 1. 1.5T Magnetom 63 SP-4000에서의 측정치.
표 2, 1.0T Magnetom Impact에서의 측정치.
결론적으로, MR성능의 평가에는 제조 회사별, S/W별로 여러 방법이 있고 그 system의 사용환경에 알맞은 평가방법을 설정, 정기적으로 평가하여야 한다. 매일 check하는 방법이 가장 좋겠으나 여건상 할 수 없는 경우, 일주일 단위로 하는 것이 무방하다 하겠다. 특히 정기 점검일과 Helium refill 이 후에는 반드시 측정하여야 한다. 그리고 Helium과 Nitrogen level은 매일 기록하여 감소치를 숙지하고 있다면 급격한 변화 시에 장비의 이상 여부를 감지할 수 있을 것이다. 이번 실험에서는 MR장비의 기본 S/W를 이용, 사용자에 의한 성능 평가를 하였다. 자료 수집기간이 짧아 시각적으로 MR영상에 영향을 미칠 정도의 변화는 없었지만 MR QA측면과 MR성능의 미세한 변화에도 큰 영향을 주는 Spectroscopy나 진보된 최신기법 사용 즉, EPI, MR Micro study, MR Functional, Perfusion, Diffusion study등의 임상응용에 정확성, 안정성등을 미리 대처함과 동시에 그 기준 값을 제공한다는 점에서 지속적으로 각 system에서 개발, 평가, 연구 되어야 한다.
참고문헌
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3. W.A. Edelstein, P.A. Bottomly and L.M. Pfeifer, Med. Phy 11, 180, (1984)
4. K. Sekihara, S. Matsui and H. . Kohno, J.Phys E: Sci Instrum, 18, 224, (1985)