서 론

최근에 관류 자기공명 상(Perfusion MRI, pMRI)은 암 혹

은 뇌졸증 환자들에게 많이 적용되고 있다(1, 2). 특히 관류현

상을 이용한 생리적 기전 연구 등의 기초 과학 분야에서도 많이

이용되고 있다. 기술적인 측면을 보면 어떤 방법은 거의 많은

부분이 개발되어 사용되고 있고, 어떤 방법은 아직도 많은 개발

이 요구된다. 인체에 적용되는 관류현상은 혈액이 모세혈관을

통하여 세포의 실질(parenchyma)로 전달되는 것을 의미한다.

관류 자기공명 상은 크게 두 가지 방법으로 분류할 수 있다.

하나는 인체의 정맥을 통한 조 제를 투여하여 얻는 외인성

(exogenous) 관류 자기공명 상 방법이고 가장 보편적인 방법

이다. 조 제의 흐름을 시간 변화에 따라 추적하면서 일정 인체

부위에서 계속하여 상을 얻는 방법이다. 현재 외인성 관류 자

기공명 상 방법은 환자의 진단에 많이 이용되고 있다. 다른 하

나는 인체 내의 혈액만을 이용하는 내인성(endogenous) 관류

자기공명 상 방법이다. 내인성 관류 자기공명 상법은 라디오

주파수(radiofrequency, RF) 펄스를 이용하여 동맥혈

(arterial blood)의 종축자화(longitudinal magnetization)

를 변화시켜 얻는 방법으로 혈액의 T1 이완(relaxation) 시간

이 상의 질을 좌우하게 된다. 내인성 관류 자기공명 상법은

임상 연구에 주로 응용되고 있다. 따라서 본 논문의 목적은 관

류 자기공명 상법의 이해를 돕기 위하여 외인성 및 내인성 관

류 자기공명 상법에 한 원리와 기술적인 면을 기술하는데 있

다.

본 론

1. 외인성 관류 자기공명 상

외인성 관류 자기공명 상법은 상을 찍는 방법에 따라

상 신호가 조 제 때문에 밝게 나타나거나 혹은 어둡게 나타난

다. 조 제에 의하여 T1 이완시간의 감소에 따라 T1 강조 상

을 이용할 경우에 신호증가가 나타난다. 또 다른 경우는 조 제

때문에 T2 혹은 T2* 이완시간의 감소에 따른 신호 감소 효과가

나타날 수 있다. 따라서 외인성 관류 자기공명 상법에는 T1

- 91-

관류자기공명 상의원리및기술

장건호1∙김호성2∙김선미1∙류창우1

관류 자기공명 상은 크게 외인성과 내인성 조 제를 사용하는 방법으로 나눌 수 있고, 외인성

조 제를 사용하는 방법으로는 DSC 와 DCE 방법이 있으며, 내인성 조 제를 사용하는 방법으

로는 ASL 이 있다. 이들 관류 자기공명 상 방법들은 환자의 상태와 나타내고자 하는 상인자

에 따라 선별적으로 최적화되어 사용되어야 한다. 그 예로 급성 뇌졸중 환자의 경우 매우 빠른

상획득이 최우선적인 인자이므로 DSC 가 주로 이용되고 있고, 뇌종양 환자의 경우 여러 물리

적 인자를 고려한 DSC 혹은 DCE 스캔이 필요하다. 또한 소아나 가임여성 및 신장병질환이 있

는 경우는 ASL 을 이용되고 있다. 관류 자기공명 상 기술은 방사성 물질을 전혀 사용하지 않아

약물효과의 평가와 기타 치료 효과를 이해하는데 많은 응용이 있을 것으로 생각된다.

한자기공명의과학회지 15:91-101(2011)1경희 학교 의과 학 강동경희 학교병원 상의학과2울산 학교 의과 학 서울아산병원 상의학과*본 연구는 보건복지가족부 보건의료연구개발사업의 지원에 의하여 이루어진 것임(A092125).접 수 : 2011년 4월 5일, 수 정 : 2011년 6월 29일, 채 택 : 2011년 6월 30일통신저자 : 장건호, (134-727) 서울특별시 강동구 상일동149, 강동경희 학교병원 상의학과

Tel. (02) 440-6187 Fax. (02) 440-6932 E-mail: ghjahng@gmail.com

감소(신호 증가)를 이용하는 방법과 T2 감소(신호 감소)를 이

용하는 방법의 두 가지 상방법으로 분리를 할 수 있다. 조

제 주입 후 신호의 증가를 이용한 T1 강조 상을 이용한 방법

은 DCE(Dynamic Contrast-Enhanced 또는 bolus

passage) 방법(1, 3) 이라고 부른다. 조 제 주입 후 신호의

감소를 이용한 T2 혹은 T2* 강조 상을 이용한 방법은 덩어리

추 적 방 법 (bolus tracking) 혹 은 DSC (Dynamic

Susceptibility-weighted Contrast-enhanced) 방법(1, 3)

이라고 부른다. 이들 방법에 해서는 아래에서 자세하게 다루

기로 한다.

관류 자기공명 상을 얻기 위해서 주로 사용되는 조 제는 가

도리늄 (Gadolinium) 계통의 조 제를 사용한다. 이 조 제는

일반적으로 임상에 사용되고 있는 조 제 중 하나이다. 따라서

외인성 방법을 이용한 관류 상을 얻기 위해서는 보통 일반적으

로 사용되는 조 제를 사용하게 된다. 가도리늄 조 제의 효과를

몇 가지 살펴보면 아래와 같다. 첫째, 이 조 제는 물과 혼합되면

T1 이완 값 (T1 relaxation)을 짧게 하여 T1 강조 상에서 신

호 증가를 유발한다. 둘째, 이 조 제는 T2 이완 값(T2

relaxation)을 감소하고, T2 강조 상이나 T2* 강조 상에서

신호를 감소시킨다. 그러나 T1 감소 효과 및 T2 감소 효과는 가

도리늄이 있는 곳 (혈관내)과 그 주위(혈관외)에서 발생하게 된

다. 따라서 모세혈관 외부에서도 자화감수율(magnetic

susceptibility) 효과를 잘 관찰 할 수 있어 혈관 내 효과와 더불

어 그 주변에서도 가도리늄의 효과를 관찰 할 수 있다. 또한 자화

감수율 효과는 가도리늄이 없는 정맥혈액에서도 관찰할 수 있다.

하지만 내부 자화감수율(intrinsic magnetic susceptibility)

효과의 근본이 되는 혈색소(hemoglobin)의 양은 매우 적어 그

변화가 눈으로 띌 정도로 많지 못하다(< 1~3%)(4). 따라서 자

화감수율 효과를 매우 높게 하기 위해서 외부에서 상자성

(paramagnetic)물질을 주입하여 자화감수율을 유발시킬 수 있

는 조 제가 필요하고, 주로 사용하는 것이 바로 가도리늄이다.

가도리늄을 사용할 경우 신호의 변화를 약 20% 이상 높일 수 있

다. 이것이 바로 관류 상에 조 제를 사용하는 표적인 이유

이다. 따라서 이 방법은 조 제를 사용하지 않는 내인성 관류 자

기공명 상 방법에 비하여 그 민감도가 매우 높아 현재 임상에

표적으로 사용된다. 가도리늄 외에 사용하는 다른 조 제는 디

스프로지움(Dysprosium-paramagnetic agents), 일반적 가

도리늄 조 제와 달리 거 분자로 만들어진 가도리늄 과 결합된

알부민(Gd bounded-albumin), 초상자성 나노입자인 철 산화

물 (예:Ferumoxides) 입자 및 미세기포(microbubble) 등이

있다.

조 제 주입에 따른 관류 상에서 여러 인자들을 획득하기

위해서는 2 구획(two-compartment)으로 나누어진 약물동력

학 모형(pharmaco-kinetic model)을 이용하게 된다. 그림1

은 뇌 병변 발생에 따른 조 제가 혈관내(compartment I)와

혈관외 세포외공간(compartment II) 역을 이동하는 원리를

보여주는 2구획 약물동력학 모형을 보여주고 있다. Vp 와 Ve는

혈장(plasma)과 혈관외 세포외공간 역의 체적을 나타낸다.

Ktran는 혈관내 역에서 혈관외 세포외 공간 역으로 이동되

는 조 제의 분율을 나타내며, 반면에 Kep는 혈관외 세포외 공

간 역에서 혈관내 역으로 역류되는 조 제의 분율을 나타낸

다. 각 파라미터에 한 설명은 본 논문의 뒤 부분의 부록에 나

타나 있다.

1) 신호감소를 이용한 관류 자기공명 상

조 제 주입 후 상 신호의 감소를 이용한 관류 자기공명

상법을 위에서 언급한 바와 같이 DSC 방법 혹은 T2* 강조 법

혹은 Bolus Tracking 방법이라고 명명되고 있다. GD-DTPA

를 환자 팔의 전주와(Antecubital) 정맥혈에 주입하고, 심장을

경유하여 상을 얻고자하는 역의 자화감수율이 증가하며,

T2* 신호가 감소하게 된다. 이 감소를 시간에 따른 T2* 이완률

상수 (relaxivity constant) 변화 (ΔR2*)로 나타내게 된다

(5). 이 방법을 이용하면 혈류(flow) 상을 효과적으로 얻을

수 있다(6). 이 방법을 이용한 관류 상을 얻기 위하여 에코플

래너 상(echo-planar imaging, EPI) 시퀀스를 주로 이용하

게 되고, 약 20개의 절편(slice)을 얻는데 소요되는 시간이 약

1.5-2초 정도로 매우 빠르다.

정량적인 혈류(flow)를 얻기 위해서는 시간의 변화에 따른 관

심 역으로 공급되는 동맥에서 주입되는 조 제 농도의 변화를

알아야 하는데 이를 동맥주입함수 (arterial input function,

AIF) 이라고 부른다(7). 미세혈관계(Microvasculature)에서

의 혈류를 얻기 위해서는 경사자장에코 (gradient-echo,

T2*W) 보다는 스핀에코 (spin-echo, T2W) 시퀀스가 선호되

고 있다. 그러나 스핀에코를 이용할 경우는 AIF를 얻기가 힘들

어 정량적인 분석을 위해서는 경사자장에코가 선호된다. 부분

의 혈류 계산 모델에서는 조 제의 농도와 ΔR2*의 변화가 선

형관계를 가지고 있다는 가정을 이용하는데 실제로는 비선형적

장건호외

- 92-

그림1. 뇌 병변 발생에 따른 조 제가 혈관내(compart-

ment I)와 혈관외 세포외공간(compartment II) 역을

이동하는 원리를 보여주는 2구획 약물동력학 모형

(quadratic relation) 관계를 갖는다. 또한 조 제의 자화감수

율에 따른 혈관 내 국소 자기장이 변화하여 선형적인 위상

(Phase) 변화를 유발하기 때문에 이 위상 변화에 기초를 둔 조

제의 변화를 이용한 혈류 계산 방법이 개발되고 있다(8). 그

림 2는 여러 복셀(voxel)에서 조 제 주입시 신호 획득에 따른

신호 감소의 변화를 보여주고 있다. 상 획득 시에 처음 9개의

상은 조 제 주입 전에 획득한 것이며 10번째 상 획득 시

에 조 제를 주입하 고, 총 56번의 뇌 전체에 한 상을 얻

었다.

혈류값 (flow)을 얻기 위하여 AIF 값이 필요하다. 그러나 현

재 사용되는 경사자장에코 상에서는 복셀 크기가 커서 국소체

적효과(partial volume effect)의 문제가 발생하고 있다. 예를

들어 동맥(artery) 혈관이 주자장(main magnetic field)에

평행 하다고 가정하면 동맥혈관 내부의 신호만이 변화하게 되며

국소체적효과에 의한 복셀 내의 총 신호는 혈액(blood)과 주위

조직(tissue)의 합으로 나타난다 (5, 9). 따라서 국소체적효과

를 어렵지만 수정할 수가 있다. 하지만 동맥혈관이 주 자장과

평행을 이루지 않을 경우는 조 제로 인해 혈관 이외의 조직도

신호가 변화하게 된다 (10). 이 경우 AIF를 중 뇌동맥

(middle cerebral artery, MCA)나 국소 AIF 알고리즘

(local AIF algorithms) 을 사용할 경우에 복셀 내의 신호는

혈관의 직경, 혈관에 한 복셀의 위치, 주자장에 한 혈관의

각도 및 복셀의 위치에 따라 변화하여 국소체적효과를 보정하기

가 매우 힘들다. 최근에는 국소 AIF 방법이 개발되고 있는데

이 경우는 한 개의 AIF가 아닌 각 절편마다 여러개의 복셀에

한 AIF 값을 이용한다 (11). 또 다른 방법으로 ICA(in-

dependent component analysis) 방법을 이용한 국소 AIF

를 얻는 방법이 소개되었다 (11).

주입된 조 제는 혈관내(intravascular) 와 혈관외-세포외

(extravascular-extracellular space, EES) 공간에만 향을

주고, 큰 혈관과 작은 혈관 사이에 헤마토크릿(Hematocrit) 양

의 차이가 존재하여 이를 보정해야 하나 각각의 환자에 해 측

정하기가 불편하여 일정상수로 처리하고 있다. 조 제가 시간

경과에 따른 분산(Dispersion) 효과(12) 때문에 혈류 값의 오

차가 발생하고 있으나 국소 AIF 방법에 의하여 수정되고 있다

(11, 13). 최적의 조 제 효과를 얻기 위해서는 초당 4 혹은 5

ml 로 조 제를 주입하고 약 20 gauge의 정맥주사요법을 이용

하는 것이 좋다. 얻어진 신호로부터 정량적인 혈류 값을 얻기

위해서는 디콘볼루션(deconvolution) 방법을 사용하는데 표

적인 방법이 특이값분해 (singular value decomposition,

SVD) (14) 방법으로 낮은 신호 잡음비(signal-to-noise

ratio, SNR) 와 residue function에 해 독립적이기 때문에

사용이 편리하나 조 제의 특정 역에 도달하는 시간

(delay)(12)에 의존도가 커서 여러 다른 방법이 최근에 개발되

고 있다 (15-17). 현재 널리 사용되는 디콘볼루션 방법으로는

개선된 SVD(modified SVD), Fourier 방법 및 maximum-

likelihood expectation maximization (MLEM) 방법 등이

있다 (18). 상을 얻는 부위 전체에 한 것이 아니고 특정

역 (Region-of-interest, ROI)만을 정의하여 분석 시에는 각

각의 복셀에 하여 원하는 관류 관련 인자를 구하고 그 ROI에

한 평균하는 방법과 ROI의 신호를 먼저 평균하고 관류 관련

인자를 구하는 방법이 사용되고 있다.

현재 관심은 종양 환자에서 혈관 내에서 혈관외로 조 제가

빠져나가는 정도를 나타내는 투자율(permeability) 상에 있

다. 일반적으로 DSC 방법을 이용한 투자율 상은 쉽지 않기

때문에 그 것을 체할 수 있는 방법이 소개되고 있다. 그 표

관류자기공명 상의원리및기술

- 93-

그림 2. 여러 복셀에서 조 제 주입

시 신호 획득에 따른 신호 감소. 상

획득시 처음 9개의 상은 조 제 주

입 전에 획득한 것이며, 10번째 상

획득시에조 제를주입하 고, 총 56번의 뇌 전체에 한 상을 얻었다

(TR=1.8 s, TE=35 ms).

적인 방법이 조 제 주입 후 감소되었던 신호가 얼마만큼 회복

되는 가 (percent signal recovery, PSR)를 평가하는 방법이

소개되었다(19). 이 PSR 방법을 이용한 악성 신경교종

(malignant glioma)과 전이암(metastasis)을 구별하는 것인

데 사용한 결과 전이암의 경우 PSR값이 모세혈관(capillary)

에서의 가도리늄 조용제의 누수 때문에 감소된다고 보고하 다

(19, 20). 신경교종의 등급(glioma grading)을 위해서는 혈류

량(flow volume)값이 일반적으로 사용되어 혈류량이 클수록

높은 등급의 종양이 된다고 보고하 다. 하지만 희소돌기아교세

포종 또는 핍지교종 (oligodendroglioma)의 경우는 등급에 관

계없이 맥관질(vascularity)이 증가해서 혈류량을 이용할 수

없다. 따라서 혈류량을 이용한 등급 결정시에는 원섬유성 별세

포종(fibrillary astrocytoma)의 경우만을 이용하는 것이 좋

다. 종양의 등급을 위한 또 하나의 방법으로 아래의 DCE 방법

에서 소개될 Ktrans 상을 이용하고 있다. 그림3은 신경교종

(glioblastoma, 3a)와 핍지교종 (oligodendroglioma, 3b) 에

서 DSC 관류 방법을 이용하여 얻은 혈류량 상을 보여주고

있다.

2) 신호증가를 이용한 관류 자기공명 상

가도리늄 조 제의 주입으로 조 제는 혈장(blood plasma)

역으로 들어온 후 인체의 물 성분들과 빠른 시간 내에 평형상

태(steady-state)를 유지하며 신장(Kidney)를 통하여 제거되

거나 혈관외-세포외 역 (EES, ve)으로 흘러 들어오게 된다.

이 조 제는 조직의 T1 값을 감소시켜 T1 강조 상에서 신호

강도를 증가시키는 역할을 한다. 조 제의 양에 따른 T1 감소

는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

R1(t)=R10+r1C(t) [1]

여기서 R1은 조 제 주입후의 이완률(relaxation rate,

1/T1)이며 R10은 조 제 주입전의 R1, r1은 조 제의 단위농

도당 이완률의 증가(Relaxivity)이며, C(t)은 조직내 조 제의

시간에 따른 농도이다. 이 조 제는 정상세포에서는 뇌혈관장벽

(blood brain barrier, BBB)을 통과하지 못하지만, 종양

(tumor)이나 다발성 경화증(multiple sclerosis, MS) 등의

질환에서는 혈관외-세포외 역으로 들어가게 된다. 따라서 이

들 환자에서는 기존에 얻었던 혈류량과 평균전이상수(MTT) 혹

은 혈류(flow) 외에 최근 들어 다른 생리학적인 인자들에 관심

을 갖게 되었는데, 그 인자는 혈관내시세포의 포면 투자율

(Permeability surface area product of the endothelium,

장건호외

- 94-

a

b

그 림 3. 신 경 교 종 (glioblastoma, 3a)와 핍 지 교 종

(Oligodendroglioma, 3b) 에서 DSC 관류 방법을 이용하여 얻

은 혈류량 상. 조 제 주입후 T1 강조 상(CE T1WI), 컴퓨

터단층촬 (CT), T2 강조 상(T2WI), 혈류량(CBV)

PS) 및 혈관외-세포외 역의 체적(EES ve) 이다 (21). 시간

에 따른 조직내 조 제 농도 Cp 와 이들 인자들간에 관계는 아

래의 식으로 표현할 수 있다.

=CBF∙ρ(1-Hct) Cp - Ct /

νe[2]

여기서 CBF는 혈류(ml/g/min)를, ρ는 조직의 도(g/ml),

Cp는 동맥 혈액 프라즈마 내의 조 제 농도(mM), ve는 총

EES 체적 (ml)이다. 따라서 투자율이 매우 높은 상황 (PS >>

CBF)에서는 Ktran = CBF∙ρ∙(1-Hct)이 되고, 투자율이 낮

은 경우 (PS << CBF) 에는 Ktran = PS∙ρ이 된다. 마지막으

로 상수률과 Ktran과의 관계는 Kep = Ktran /νe로 표현할 수 있

다.

하지만 이들 인자를 일일이 측정하기가 싶지 않아서 상수률

(constant rate) kep (=PS/ve)을 신 사용하기도 한다. 그

림 4은 DCE 방법을 이용한 관류 자기공명 상에서 나타나는

조 제 주입후의 시간 경과에 한 신호의 변화를 보여주고 있

다. 처음 2개 까지는 조 제를 주입하지 않은 상태로 신호를 얻

은 것이며, 3번째 상획득부터 조 제를 주입하여 신호가 계속

증가되는 것을 보여주고 있다. DCE 방법을 이용할 경우는 3차

원 고속 경사자장에코(3D Fast gradient-echo) T1 강조 시

퀀스를 사용하게 되고, TR 및 TE가 짧은 상태로 촬 을 하게

된다(TR < 7 msec, TE < 1.5 msec, flip angle≤30。) (22).

뇌혈관장벽(BBB)이 손상되면 조 제가 혈관 내에게 혈관

밖으로 빠져나가는 일이 발생하게 된다. 이 경우 정확한 혈류

값을 얻는데 문제가 발생하게 된다. 따라서 이 누수(leakage)

현상을 최소화 시키는 작업이 필요한데 보통 지연된 상 획득

시간과 고농도의 조 제 주입(약 3배)으로 최소화 할 수 있다.

종양의 경우 조 제의 흡착이 투자율에 의한 효과가 아닌 단순

히 혈류(flow) 현상만을 반 할 수 있다. 따라서 혈류와 투자율

의 감별을 위하여 교환상수 (transfer constant) Ktrans 값을

혈관내시세포의 포면 투자율 (PS)의 용으로 사용하기도 한다

(23, 24). 그 용 조건은 다발성 경화증과 같은 제한된 투자율

의 경우(flow>>PS)에는 Ktrans 값이 PS 값과 같다는 조건을

사용하고(Ktrans=PS), 종양과 같은 제한된 혈류의 경우

(flow<<PS)에는 Ktrans 값이 flow 값과 같다는 조건을

(Ktrans=flow) 사용한다. 급성 다발성 경화증(Acute MS) 병

변 역에서는 Ktrans 값이 약 0.050/min 정도이고 ve 값은 약

21% 정도인 것으로 밝혀졌으며, 만성 다발성 경화증

(Chronic MS) 병변 역에서는 Ktrans 값이 약 0.013/min로

감소되고 ve 값은 약 49% 정도로 증가되는 것으로 밝혀졌다.

또한, 현재 유방 및 전립선 암에서도 Ktrans 상을 얻는 연구가

진행 중에 있다 (25). 하지만 T1 강조 DCE MRI을 이용해서

혈류 값을 구하기 위해서는 낮은 PS (flow>>PS) 및 적당량의

혈장체적(blood plasma volume, vp) 조건을 만족해야 한다.

현재 T1 강조 DCE 방법이 직면하고 있는 문제는 첫째 얼마

나 정확하게 AIF을 측정할 수 있는가, 둘째 조 제가 얼마나

균일하게 조직 내에 분포되는가 (tissue homogeneity), 셋째

상의 공간 회상도 (spatial resolution)및 시간 회상도

(temporal resolution)를 향상 시키는 문제와, 넷째 혈류

(flow) 및 투자율 (permeability)을 혈관신생(angiogenesis)

dCt

dt

관류자기공명 상의원리및기술

- 95-

그림 4. DCE 방법을 이용한 관류 자기공명 상에서 나타

나는 조 제 주입후의 시간 경과에 한 신호의 변화. 처음

2개 까지는 조 제를 주입하지 않은 상태로 신호를 얻은 것

이며, 3번째 상획득부터 조 제를 주입하여 신호가 계속

증가되는 것을 보여주고 있다. 관심 역은 그림5에 표시하

으며 위의 선은 병변에서 아래선은 정상 유방조직에서 얻

은것이다.

그림 5. DCE 방법을이용하여촬 한유방암환자에서얻은혈류량 상. 숫자가의미하는것은 상의스캔번호이며, Subt는 11번째 상에서 2번째 상을뺀것이고, InitS는“initial slope”을 AUC는“area under curve”를의미한다.

와 관련시켜 어떻게 해석하고, 마지막으로 Ktrans 및 ve를 임상

에서 손쉽게 얻을 수 있는 소프트웨어를 만드는 것이다. 앞으로

기 되는 분야는 Ktrans을 보다 쉽게 얻기 위하여 새로운 형태

의 조 제가 만들어 질 것으로 예상된다 (23, 26). 그림 5는

DCE 방법을 이용하여 촬 한 유방암 환자에서 얻은 혈류량

상을 보여주고 있다. 숫자가 의미하는 것은 상의 스캔 번호이

며, Subt는 11번째 상에서 2번째 상을 뺀 것이고, InitS는

조 제가 관심 역으로 얼마나 빨리 들어오는가를 보여주는

“initial slope” 상을 AUC는 조 제가 총 들어온 량을 의미

하는“area under curve”이다.

2. 내인성 관류 자기공명 상

동맥스핀라벨링(arterial spin labeling, ASL) 관류 자기공

명 상(27)을 얻기 위하여 일반적으로 두 번의 상을 촬 하

게 되는데, 첫 번째 상에서는 혈액에 특정 라디오 주파스 펄

스를 가하지 않고 상을 얻고 (Control or Reference), 두

번째 상에서는 혈액을 자화시킨 후에 상을 얻어 (Labeled

or Tagged) 두 상의 차가 관류 값에 비례해서 나타나게 된

다. 백질 혹은 회백질 등의 세포 신호(static tissue)의 기여도

를 최소한도로 줄이고 혈액의 라벨링(blood labeling) 효과를

최 한도로 높이기 위해서 최근까지 아래에 요약한 여러 ASL

방법이 개발되고 있다. 세포 신호의 기여로 관류량의 계산에 오

차가 발생하는데 그 주된 이유 중의 하나가 자화전이

(magnetization transfer, MT) 효과에 의한 것이다. 라벨링

하는 동안에 주워지는 라디오 펄스에 의하여 상을 촬 하고자

하는 역의 뇌세포 신호를 작지만 변화 시킬 수 있는 자화전이

현상이 발생하게 된다. 반면에 라벨링을 하지 않을 경우에는 이

런 자화전이 현상이 일어나지 않는다. 따라서 자화전이가 발생

된 상과 그렇지 않은 상의 차이에서 관류 관련 현상 외에

자화전이 효과가 함께 나타나게 된다. 이 것을 최소화 시키기

위하여 그 동안 많은 방법들이 제안되고 있다.

부분의 ASL 방법을 이용한 관류 값을 얻기 위해서는 단 하

나의 라벨링 시간을 이용하여 상을 얻게 된다. 여러 개의 라

벨링 시간을 이용하지 못하는 이유는 ASL 방법에 의하여 얻어

장건호외

- 96-

그림 6. 동맥스핀라벨링 (ASL) 관류 자기공명 상법을 이

용하여 얻은 시간 경과에 따른 신호 값. 십자표시는 실제 획

득한 신호 값이며, 점선은 자유롭게 수소 원자가 혈관내에

서혈관외로이동하는경우(free diffusible)와실선은이동에

제한이있는경우(PS limited)을보여주고있다.

그림 7. 3테슬라 MRI에서 PASL 방법을 이용하여 얻는 정상인의 뇌에서의 라벨링한 후에 얻은 EPI 상과 각 절편에서의

CBF 상. 뇌의회백질에는백질에비하여높은 CBF를보여주고있다.

지는 두 상의 차(Perfusion-weighted imaging, PWI)

상에서 SNR이 너무 낮아 약 40번에서 60번 가량을 반복하여

상을 얻게 된다. 따라서 이 경우 보통 검사 시간이 4분에서 5

분 정도가 소비된다. 또한 이 경우에는 라벨링 시간에 한 최

적화가 필수적으로 이루어져야 한다. 최근에는 Look-Locker

상기법을 이용한 여러 라벨링 시간에 한 상을 약 5분 정

도에 얻을 수 있어 DSC 혹은 DCE 방법에서와 같이 시간 경과

에 따른 라벨링 신호의 전체적인 변화를 얻을 수 있다. 그림 6

은 ASL 관류 자기공명 상법을 이용하여 얻은 시간 경과에 따

른 신호 값을 보여주고 있다. 십자표시는 실제 획득한 신호 값

이며, 점선은 자유롭게 수소 원자가 혈관내에서 혈관외로 이동

하는 경우(free diffusible)와 실선은 이동에 제한이 있는 경우

(PS limited)을 보여주고 있다. 따라서 이 방법을 이용할 경우

DSC와 DCE 방법에서와 같이 ASL 방법에서도 혈류와 혈류량

그리고 여러 시간관련 인자들을 획득할 수 있다.

ASL 방법에는 크게 3 가지로 구분이 된다. 첫째는 아주 짧은

시간 동안만 라벨링 펄스를 주는 순간 동맥스핀라벨링 (pulsed

ASL, PASL) (28-33)과 라벨링 펄스를 계속적으로 가하는 연

속 동맥스핀라벨링 (continuous ASL, CASL) (34-36) 및 혈

액의 일정속도 이상이 되는 경우만을 라벨링하는 속도선택 동맥

스핀라벨링 (velocity selective ASL, VSASL) (37, 38) 방

법이 있다. 순간 동맥스핀라벨링 (PASL) 방법은 약 15 ms의

짧은 시간 동안 혈액을 라벨링하기 때문에 일반적으로 사용되고

있는 MRI 장비에서 제공되는 라디오 펄스와 경사자기장을 이

용하여 라벨링이 가능하며 간편한 것이 특징이다. 여기에 속한

방법으로는 FAIR(30), PICORE(32), EPISTAR(39),

SMRAT(40), UNFAIR(41, 42), BASE(43), EST(44),

TITL(29), DIPLOMA(45) 및 IDOL(46) 등이 있다. 반면에

연속 동맥스핀라벨링 (CASL) 방법은 약 1초 혹은 2초의 긴 시

간 동안 혈류 속도에 따른 반전 펄스(flow driven adiabatic

inversion)(35)를 이용하여 혈액을 라벨링하는 방법으로 일반

적으로 MRI 사용되는 라디오펄스와 경사자장으로는 사용하기

힘들고 특별한 하드웨어의 지원이 필요하고 PASL 방법에 비하

여 어려움이 있지만 SNR이 높은 것이 장점이다 (47). 또한 최

근에 pseudo-CASL이 개발되고 있으며 (48, 49), 이 방법에

서는 기존의 CASL에서 사용되는 연속적인 라디오펄스

(continuous RF irradiation)를 가하는 것과 다르게 분리된

연속적인 라디오 (discrete RF) 펄스로 이용하여 혈액을 라벨

링하고 있다. 또한 기존 CASL에서 사용되는 특수 연속경사자

장(continuous gradient) 부분을 분리된 연속적인 경사자장

(discrete gradient) 으로 처하 다. 이로 인해 RF 펄스의

공명 역이 증가하여 MT 효과를 약 20% 줄었으며 SNR을 높

이고 특별 하드웨어 없이 일반 장비에서도 사용 가능하다. 그림

7은 3테슬라 MRI에서 PASL 방법을 이용하여 얻는 정상인의

뇌에서의 라벨링한 후에 얻은 EPI 상과 각 절편에서의 CBF

상을 보여주고 있다.

뇌 졸증 환자와 같은 뇌혈관 질환 환자의 경우 라벨링된 혈액

이 상획득 역으로 흐르는 시간이 각각 다르며 혈액의 T1

값보다 시간이 길게 될 수 있다. 이런 경우에 속도선택

ASL(VSASL) 방법을 사용하게 되는데 그 원리는 혈액의 최저

속도를 기준으로 (cutoff velocity Vc) 그 이상의 혈류에 해

서만 라벨링하는 방법이다. 이 경우 특정 위치에 하여 라벨링

을 하는 것이 아니고 일정시간 TI 후에 피의 속도가 Vc 이하인

것만을 (decelerated blood only) 라벨링하는 방법이다. 이

방법을 이용하면 정맥혈액의 가속 효과 때문에 정맥혈액의 기여

도를 줄일 수 있다. 또한, 최근에 ASL 방법을 이용한 혈관 역

(vascular territory) 상을 얻는 방법이 개발되고 있는데,

이 방법은 뇌혈관 질환 환자에서 협착성혈관(stenotic vessel)

들이 여러 개 있을 경우 경동맥 내막절제술(carotid endarter-

ectomy), 스텐트 삽입술(stenting), 혹은 우회술(bypass) 등

의 중재시술을 수행할 경우에 유용하게 사용될 수 있다. 혈관

역 상법(Vascular territory imaging, VTI)은 PASL 방법

을 이용하여 일부 급양동맥(feeding artery) 만을 라벨링하는

방법이다 (50-52).

이렇게 다양한 라벨링 방법과 함께 이 방법을 이용한 상을

얻는 시권스 또한 많이 개발되었다. 주로 에코플래인 상을 이

용한 것이 부분이나 상의 질을 향상시키기 위하여 다른 시

퀀스들도 이용되고 있다. 예를 들면 SEEPAGE(53) 시퀀스,

STAR-HASTE 시퀀스(54), PULSAR(55) 시퀀스, IDOL-

Turbo FLASH(46), QUASAR(56), FAIREST(57), ITS-

FAIR(58), FAIRER(59-60), QUIPSS(32), QUIPSS

II(33), Q2TIPS(61), ASSIST(62) 이다. ASL 상방법을

이용하는 경우는 일반적으로 얻을 수 있는 CBF 값 외에 추가

적으로 전혀 다른 인자를 얻을 수 있다. 라벨링을 하지 않고 얻

어지는 상은 일반적으로 사용되는 뇌기능 상 BOLD(blood

oxygenation-level dependent) 기법과 거의 동일한 상태에서

얻는 것이며, 라벨링하여 얻어지는 것은 후에 CBF 값을 얻게

된다. 따라서 BOLD 뇌 기능 상과 CBF 상을 함께 얻을

수 있으며, 이를 이용하여 산소 사(oxygen metabolism,

CMRO2)을 얻을 수 있다 (63, 64).

결 론

최근 들어 관류 자기공명 상 기술들이 많이 진보되어 현재

각종 임상 연구에 이용되고 있다. 실제 관류 자기공명 상을 환

자에서 얻기 위해서는 최적의 프로토콜을 이용하여 병을 이해하

는데 가장 적합한 인자들을 얻는 것이 중요하다. 현재 관류 자

기공명 상을 얻는 방법에는 세가지로 분류할 수 있으며, DCE

나 DSC 방법은 뇌졸증 상이나 뇌종양 환자에 주로 사용되어

병의 종류와 등급의 정확성을 이해하는데 기여하고 있다. ASL

방법은 퇴행성뇌질환 등의 임상연구에 많이 사용되고 있지만,

아직 실제 임상적용이 많이 이루어지지 않고 있다. 앞으로 관류

자기공명 상 기술은 방사성 물질을 전혀 사용하지 않아 소아

혹은 가임여성의 뇌 관류 상 획득에 유의하게 사용될 것으로

관류자기공명 상의원리및기술

- 97-

예상하며 약물효과의 평가와 기타 치료 효과를 이해하는데 많은

응용이 있을 것으로 생각된다.

Appendix

관류 자기공명 상과 관련된 약어는 아래와 같다.

DCE: Dynamic Contrast Enhanced (bolus passage)

DSC: Dynamic Susceptibility Contrast (bolus

tracking)

PS: Permeability surface area product of the

endothelium

R1: Spin-lattice or longitudinal relaxation rate

(1/T1)

R2: Spin-spin or transverse relaxation rate (1/T2)

EES: Extravascular Extracellular Space

CBV: Cerebral Blood Volume (ml blood/100gm

tissue)

CBF: Cerebral Blood Flow (ml blood/100gm

tissue/min)

ve: Fractional volume of the EES, 0<ve<1

VSASL: Velocity selective ASL

VTI: Vascular territory imaging

AIF: Arterial Input Function(동맥주입함수)

T1W: T1-weighted

BBB: Blood Brain Barrier

vp: Blood plasma volume

T2*W: T2*-weighted(T2* 강조)

MTT: Mean Transit Time (min)(평균전이상수)

kep: Constant rate(상수률), PS/ve

Ktrans: Transfer constant(전이상수)

ASL: Arterial spin labeling(동맥혈 스핀 라벨링)

PASL: Pulsed (순간라벨링) ASL

CASL: Continuous(연속라벨링) ASL

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관류자기공명 상의원리및기술

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Address reprint requests to : Geon-Ho Jahng, Ph.D., Department of Radiology, Kyung Hee University Hospital-Gangdong, School of Medicine, Kyung Hee University, 149 Sangil-dong, Gangdong-gu, Seoul 134-727, Korea.Tel. 82-2-440-6187 Fax. 82-2-440-6932 E-mail: ghjahng@gmail.com

Principles and Technical Aspects of Perfusion Magnetic Resonance Imaging

Geon-Ho Jahng1, Ho-Sung Kim2, Sun Mi Kim1, Chang-Woo Ryu1

1Department of Radiology, Kyung Hee University Hospital-Gangdong, School of Medicine, Kyung Hee University, Seoul, South Korea

2Department of Radiology, Asan Medical Center, School of Medicine, Ulsan University, Seoul, South Korea

Perfusion magnetic resonance imaging (pMRI) is a special technique for evaluation of blood flow.Exogenous pMRI methods which are dynamic susceptibility contrast (DSC) and dynamic contrast-en-hanced (DCE) use an intravenous bolus injection of paramagnetic contrast agent. In contrast, an endoge-nous pMRM method which is arterial spin labeling (ASL) use diffusible blood in body. In order to scanpMRI in human, technical optimizations are very important according to disease conditions. For exam-ples, DSC is popularly used in patients with acute stroke due to its short scan time, while DSC or DCEprovides the various perfusion indices for patients with tumor. ASL is useful for children, women whoare expected to be pregnant, and in patients with kidney diseases which are problematic in nephrogenicsystemic fibrosis (NSF). Perfusion MRI does not require any injection of radioisotopes. We expect that de-mand for perfusion MRI will be higher in evaluating drug efficacy and other treatment effects.

Index words : Perfusion MRIPrincipleTechnical aspectDSCDCEASL

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