I.

3차원 자기공명혈관 영상획득을 위한 AngioSURF 개발

Development of AngioSURF in images acquisition 3D MR Angiography

Byung-Rae Park, Ph.D., Yong-Wong Shin, Ph.D., Choon-Bo Shim, Ph.D., Hee-Woo Lee*

Dept. of Radiological Science, Dept. of Hospital Management, School of Computer Information Engineering, Catholic University of Pusan 609-757, brpark@cup.ac.kr                                                                              * Dept. of Biomedical Engineering, Graduate School of Inje University

Abstract: To evaluate the quantitative analysis and clinical usefulness of MR angiography of ascending, descending aorta, abdominal aorta and lower extremity arteries acquired simultaneously by using a Torso phased-array coil and AngioSURF (Systen for Unlimited  Rolling Field-of-view) implement. This study is based on 3 volunteers and 21 patients  suspicious of the arterial diseases. The mean SNR of arterial system was 27.3□4.9 and mean artery to soft tissue CNR was 25.8□3.5 (p<0.05). In comparison with DSA, the sensitivity and the specificity of the 3D MRA were 92.8% and 95.2%. Whole-body 3D MR angiography using the AngioSURF implement is very helpful to acquire in images of the arteries at very short time.

Key Words: 3-Dimension, MR angiography, Magnetic resonance imaging

서 론

인체혈관의 동·정맥을 영상화하는 데에는 초음파영상, 전산화단층영상, 디지털감산혈관영상 (digital subtraction angiography, DSA), 자기공명혈관영상(magnetic resonance angiography, MRA)등 다양한 의료영상획득 방법이 사용되고 있다. 동맥경화증으로 인한 복부 및 하지동맥의 폐쇄성 질환등을 진단시 병변부위의 정확한 위치, 협착정도, 분지 및 말단부 혈류상태의 관찰목적으로 혈관조영술을 시행하고 있다[1]. 동맥경화성 혈관 협착이나 동맥폐쇄, 하지 말초동맥질환이 의심되는 경우 초음파 컬러도플러를 이용한 영상관찰은 시술자의 지식과 능력에 따라 정확한 영상판독에 있어서는 다소 차이가 있을 수 있으며[2,3]. 디지털감산혈관 투시조영상은 장시간에 걸쳐 방사선 조사하에 시행하여야하는 어려움이 있으며, 침습적인 시술로써 환자에게 감염등의 우려가 있다. 현재 임상에서는 상자성 조영제를 이용해 혈액의 T1이완을 증가시켜 혈액의 신호강도를 증가시키는 기법으로 3차원 MRA영상을 얻고 있다. 영상획득시 코일등 기구의 제한으로 인하여 영상획득범위가 신동맥 기시부인 원위 복부대동맥부터 아래로 발등까지 혈관상을 제한적으로 얻고 있으며, 검사시간 또한 10여분의 긴 검사시간이 소요되고 있다. 따라서 본 연구에서는 매우 짧은 스캔시간 동안에 더욱더 넓은 영상을 획득하고자 한다.

영상획득 범위를 상행·하행대동맥, 복부 및 하지동맥을 동시에 획득하고자 Torso phased-array coil과 자체 연구 개발하여 제작한 AngioSURF (System for Unlimited Rolling Field-of- view)기구를 사용하였다. 획득한 넓은 범위의 혈관영상에 있어서 임상적 유용성을 알아보고자 영상분석을 정량적으로 하였다.

정량적 영상분석으로 상·하행대동맥, 복부, 장골, 대퇴 및 전경골동맥에서 각각 신호대잡음비(signal to noise ratio, SNR)와 대조대잡음비(contrast to noise ratio, CNR)를 구하였다. 또한 21명의 환자중 3D MRA와 DSA를 모두 시행한 10명의 환자에서는 혈관협착과 동맥폐쇄에 대한 민감도(sensiti vity)와 특이도(specificity)를 비교 관찰하고자 하였다.

II. 대상 및 방법

1. 실험대상

자체 제작한 AngioSURF 기구를 사전 실험하기 위해서 정상인 지원자 3명을 대상으로 MRA을 시행하였고, 그리고 동맥경화성등 혈관질환이 의심되어 MRA와 DSA조영술을 각각 의뢰한 환자 21명을 대상으로 하였다. 피검자의 연령분포는 정상인을 포함하여 26∼82세이며, 남자 17명, 여자 7명이었다. 그리고 환자 21명중 3D MRA와 DSA를 모두 시행한 사람은 10명이었다.

2. 영상획득 방법

영상획득은 1.5Tesla 초전도형으로써 경사자장 세기(gradient strength) 40mT/m, slew rate 200mT/m/ms인 자기공명영상 기기 (Magnetom Sonata, Siemens, Erlangen ,Germany)를 이용하였다. 스캔 전 기구준비 사항으로는 환자 테이블에 기본적으로 설치되어있는 쿠션 스폰지를 들어내고, 7쌍의 로울러가 있는 받침대를 장착하고, 로울러위에 자체에서 제작한 길이 240cm의 AngioSURF 받침대 기구를 얻는다. AngioSURF위에 피검자는 supine자세에서 양팔은 머리위로 올린 상태에 다리는 테이블의 근위부인 magnet bohr 쪽으로 향하게 한다. 무릎이하의 동맥혈관들이 대퇴동맥 높이와 평행하도록 하기 위하여 양무릎과 발목아래에는 적당한 높이의 쿠션으로 전체 하지의 높이와 수평을 이루도록 받쳐주었다. 피검자의 앞가슴 상부에 Torso phased-array coil를 얻고, 이는 안면 턱이 모두 덮일 정도의 위치에 두어 총경동맥 (common carotid artery)과 대동맥궁 (aortic arch)이 포함되도록 하였다.

영상획득 범위는 총경동맥부터 발등동맥까지를 설정하였으며, 전신을 40cm씩 5등분으로 나누어 설정하되 각 등분간에는 4cm를 중첩하여 실제적으로 총 176∼180cm의 유용한 영상을 획득하고자 하였다. 환자 테이블은 검사자가 손으로 잡고 매 등분마다 검사시간에 맞추어 잡아당기도록 하였다. 혈관의 적절한 영상획득 범위를 조절하기 위하여 위상차 대조(phase contrast) 기법으로 횡단면과 시상면상의 scout영상을 얻었다.

본 연구에서 영상획득시 펄스 시퀀스는 3차원 경사에코기법인 3D FLASH (fast low angle shot) 시퀀스로 TR/TE: 2.0/0.9ms, flip angle: 250, FOV: 40□40cm, 60∼80 partitions, matrix 512□210을 적용하여 관상 면상으로 조영제 주입 전과 주입 후에 각각 5등분의 영상을 얻었다. 영상획득 시간은 한 등분당 12초가 소요되어 60초가 소요되었고, 각 등분간 테이블의 이동시간을 위하여 3초의 지연 시간을 두어 12초가 소요되었다. 그러므로 전신 5등분 전체의 영상획득 시간은 72초가 소요되었다. 먼저 조영제 주입 전에 3D FLASH 시퀀스로 전신 5등분 전체의 영상을 얻어놓고, 환자의 움직임 없이 동일한 시퀀스로 조영제 주입 후 영상을 얻고자 하였다.

영상획득 시작시기의 결정은 대동맥 혈류의 속도를 감안하여 MR fluoroscopy의 2D turbo FLASH 시퀀스, care bolus기법을 적용하여 초당 1ml씩 2초간 조영제 자동주입기(auto injector)로 주입한 후, 상·하행대동맥의 최대조영증강시점을 미리 알아보고, 이를 토대로 스캔시작 시간을 설정하였다.

조영제 주입 후 영상도 동일한 조건 3D FLASH 시퀀스를 적용하여, 조영제는 0.3mmol/kg의 Gd-BOPTA (Bracco)를 1 phase에서는 1.5ml/sec, 2 phase 이후에는 0.7ml/sec로 주입 한후, 즉시 생리식염수 30ml를 자동주입기를 이용하여 상완의 주와 정맥에 주입하였다. 획득한 영상은 조영제 주입 후 영상에서 주입전 영상을 각각 감산(subtraction)처리하여 최대강도기법 (maximum intensity projection, MIP)을 이용한 혈관조영상을 얻었다.

Fig. 1. The AngioSURF-system can be installed on top of the original table of a MR scanner.

3. 영상분석

지원자 정상인 3명과 혈관질환이 의심되어 MRA을 의뢰한 환자 21명 모두의 영상에서 동맥과 주변 연부조직, 배경잡음 (standard deviation of background noise, NSD)의 관심부위를 설정 후 신호강도 (signal intensity, SI)를 측정하였다. 영상획득 기법상 각각 얻어진 5등분의 영상에서 영역별로 상·하행대동맥, 복부대동맥, 장골동맥, 대퇴동맥 및 전경골동맥으로 해부학적 혈관구조가 나누어져 보인다.

영상의 정량적 분석을 위해 각 등분 영상에서 위, 가운데, 아랫부분, 즉 3부분으로 나누어 가장 신호가 강한 부위에서 각각 신호강도를 측정하고 이들의 평균치로 신호대잡음비(SNR)와 대조대잡음비(CNR)를 구하였다. 각 동맥의 신호강도 측정시 폐쇄나 심한 협착부위로 신호강도가 약하게 보이는 영역은 제외하였으며, 하지동맥에서 좌·우측 하지의 구분은 없이 측정하였다. 배경잡음의 측정은 허상의 영향이 적은 주파수 방향에서 측정면적을 가장 넓게 일정하게 하여 측정하였다.

영상분석에서 SNR = 동맥 SI / NSD,  CNR = (동맥 SI - 주변 연부조직 SI) / NSD 의 수식을 적용하였다.

정성적 분석은 DSA조영상과 MRA영상을 판독할 수 있는 방사선과 전문의와 디지털감산혈관조영실과 MRI실에서 모두 근무경력이 있는 방사선사 2명이 영상을 각각 분석하였다. DSA와 MRA영상에서 혈관이 좁아진 정도를 관찰하여 좁아진 곳이 없으면 정상(normal), 병변이 병변 바로 후방의 정상부위보다 직경이 50%까지 좁아져 있으면 좁아짐    (narrowing), 50%이상 좁아져 있으면 협착(stenosis)으로, 그리고 혈관이 막힘이 확실할 때는 폐색(occlusion), 근위부의 협착이나 폐색으로 인하여 보이지 않아 평가가 불가능 할 때를 보이지 않음(no visualization)으로 각각 평가를 내렸다. DSA 영상의 평가도를 기준으로 하고 DSA와 MRA영상의 평가도를 서로 비교하여 동맥의 협착 및 폐쇄에 대한 MRA 영상의 민감도와 특이도를 구하였다.

III. 결 과

상·하행대동맥, 복부, 장골, 대퇴 및 전경골동맥의 5등분 총 176cm의 동맥상을 획득하는데 72sec가 소요되었다. 기존의 하지혈관전용코일과 체부코일을 결합하여 얻은 영상보다 더 빠른 시간내에 더 넓은 영상을 획득할 수 있었다.

정량적 분석에 대한 결과는 동맥의 5등분중 대퇴동맥의 신호대잡음비가 38.7□6.2로 가장 높았고 복부대동맥이 21.7□4.1로 가장 낮았다. 동맥의 평균 신호대잡음비는 27.3□4.9로 주변 연부조직의 평균 신호대잡음비 1.84□0.2보다 훨씬 높게 나타났다. 이로 인해 동맥과 주변 연부조직의 대조대잡음비도 평균 25.8□3.5로 우수하였고, 대퇴동맥에서 35.7□1.3으로 가장 높았으며 복부대동맥이 20.2□3.1로 낮게 나타났다.

MRA와 DSA 조영술을 1주일 이내에 같이 시행한 10명의 환자에서는 총 203개의 동맥분절중 DSA상 103개의 동맥분절에서 병변이 관찰되었고, MRA영상에서는 90개 분절에서 병변이 관찰되었다. 병변의 종류는 대동맥류, 복부대동맥 협착, 신동맥 폐쇄, 장골동맥 협착, 대퇴 및 하지동맥들의 폐쇄등이 다양하게 관찰되었다.

Fig. 2. AngioSURF-based 3D whole body normal MR angiogram consisting of five 3D data set collect over 72 seconds(a). Invasive catheter angiogram(b) and whole body MR angiogram(c) in a 54-year-old mail patient with peripheral vascular disease.

DSA영상에서 정상은 103개, 50%이하의 좁아짐은 50개, 50%이상의 협착은 25개, 폐쇄는 25개, 보이지 않음은 3개로 평가되었다. MRA 영상에서 정상은 119개, 50%이하의 좁아짐은 45개, 50%이상의 협착은 21개, 폐쇄는 20개, 보이지 않음은 4개로 평가되었다. 동맥폐쇄에 대한 MRA 영상의 민감도는 92.8%, 특이도는 95.2%를 보였고 동맥폐쇄를 포함한 50%이상 혈관협착에 대한 민감도는 90.2%, 특이도는 93.1%를 보였다. 부위별로는 상·하행대동맥을 포함한 총장골동맥이상의 동맥에서의 50%이상 혈관협착에 대한 민감도는 91.2%, 특이도는 94.3%를 보였고, 대퇴동맥을 포함한 무릎이상의 동맥에서의 50%이상 혈관협착에 민감도는 95.6%, 특이도는 98.4%로 우수하게 보였다. 무릎이하의 전경골, 후경골, 비골동맥 3개의 혈관에서는 민감도가 70.1%, 특이도는 85.2%로 다소 낮게 관측되어 부위별 차이가 있음을 알 수 있었다.

IV. 고 찰

전리 방사선을 이용한 DSA 조영술은 말초동맥질환의 평가에 표준 선별검사(screening test)로서 널리 이용되고 진단의 기준이 되어왔으나 침습적이고 검사시간이 많이 걸리며 입원등에 의한 불편한 점이 있다. 또한 출혈, 동맥손상, 혈전, 조영제 부작용등의 합병증의 빈도가 2∼5%정도 보고되고 있으며 조영제의 신독성으로 신기능이 떨어진 환자에서는 제한적이고 많은 경우에서 무릎 하부의 동맥을 보는데 어려움이 있음을 보고하였다[4,5]. 비침습적인 방법으로 도플러 초음파가 말초동맥의 평가에 이용되기도 하였으나 이는 검사자의 숙련도에 의존하고, 혈관의 전장을 보는데 어려움이 있을 수 있으며 측부혈관의 평가나 장골동맥과 같은 심부에 있는 혈관의 평가에 어려움이 있다. 이러한 초음파 검사의 제한점으로 인해 MR기법을 이용하여 말초혈관을 영상화 하고자 하는 노력을 기울여왔으며[6] 최근 조영제를 이용한 3차원 조영증강 MRA 조영술이 사지혈관을 포함한 여러 부위의 혈관의 평가에 널리 이용되고 있으며, 이는 혈류에 상관없이 상자성 조영제를 이용해 혈액의 T1이완을 증가시켜 혈류의 신호강도를 증가시켜 신호대잡음비가 증가되고, 영상획득시간이 짧게 걸린다. 또한 스핀 포화도가 TOF기법보다 적으며 와류에 의한 신호소실이 적고, 역류하는 혈관을 볼 수 있으며 계단모양 인공물이 없는 기법으로 주입한 조영제가 관심영역의 혈관을 최초로 지날 때 신속한 경사자장을 이용하여 영상화하는 기법이다.

현재 국내 임상에서 MRA영상의 발전된 방법으로써 최신 장비에서 사용하는 기법이므로 가급적이면 모든 영상관찰 조건을 동일시하여 비교하고자 노력하였다. MR경사자장 세기(30mT/m)에서 영상획득을 위한 총 검사시간은 평균 15분(□5분)이 소요되었고, 하부복부대동맥을 포함한 하지동맥의 평균 SNR은 26.5□11.6이었고, 동맥과 주변 연부조직사이의 평균 CNR은 24.6□11.2였다. DSA조영술을 진단기준으로 삼았을 때, MRA영상의 동맥폐쇄에 대한 민감도와 특이도는 각각 96%, 98.8%이었고, 50%이상의 혈관협착 및 폐쇄에 대한 민감도와 특이도는 각각 82.2%, 92.9%로 보고하였다[7].

AngioSURF 기구를 이용한 본 저자들의 연구결과와 비교 해보면 5등분 총 176cm의 동맥상을 획득하는데

72sec가

Table 1. Signal to noise ratio and artery to soft tissue contrast to noise ratio in 24 cases. (p<0.05)

	ADA	AA	CIA	FA	TA	Mean
SNR(vessel)	22.4□5.3	21.7□4.1	27.3□7.1	38.7□6.2	26.4□2.1	27.3□4.9
SNR(soft tissue)	1.6□0.1	1.5□0.2	1.4□0.4	2.3□0.3	2.4□0.2	1.84□0.2
CNR	21.3□1.2	20.2□3.1	26.4□6.1	35.7□1.3	25.5□6.2	25.8□3.5

Table 2. Comparison of detectability for stenoocclusive lesions between DSA and MRA

DSA	MRA
	Normal	Narrowing	Stenosis	Occulusion	No visualization
Normal	99	2	2	0	0
Narrowing	9	38	2	1	0
Stenosis	5	2	16	1	1
Occlusion	5	2	1	17	0
No visualization	1	1	0	1	3

소요되었으므로, 기존의 하지혈관 전용코일과 체부코일을 결합하여 얻은 영상보다 더 빠른 시간내에 더 넓은 혈관영상을 획득할 수 있음을 알 수 있었다. 특히 상·하행대동맥과 일부 총경동맥을 함께 영상에 나타낼 수 있었다. 그리고 상·하행대동맥, 복부, 장골, 대퇴 및 전경골동맥의 평균 SNR은 27.3□4.9 이었고, 동맥과 연부조직간의 CNR은 25.8□3.5 로 나타나 기존 방법보다 우수함을 알 수 있었다.

검사방법에 있어 스캔중 한번의 조영제 주입 후 테이블을 근위부에서 원위부로 이동시키며 연속적으로 스캔하므로 기존의 다구역 기법에 비하여 적은량의 조영제와 영상획득시간이 더 빠른 장점이 있다. 이에 반하여 타 연구에서 많이 이용되었던 다구역 기법은 각각의 구역에 대해 개별적으로 조영제를 주입하므로서 많은 량의 조영제 주입과 재순환되는 조영제로 인해 주변 연부조직이나 정맥의 신호증가를 일으켜 동맥의 대조도의 감소를 가져오기도 한다. 이와같이 동일기종의 1.5T MR장비라 하더라도 경사자장 세기(40mT/m)의 차이, 코일의 선택, 검사기법의 다양성 등에 따라 영상 관찰면에서는 다소 차이가 있음을 알 수 있었다. 그러므로 방사선사의 신중한 검사기법 적용과 환자질환에 적합한 응용기술이 요구된다 하겠다.

V. 결 론

AngioSURF 기구를 이용한 전신 3D MR Angiography는 한번의 조영제 주입으로 72초의 매우 짧은 시간내에 상·하행대동맥, 복부 및 하지동맥의 총 176cm의 매우 넓은 혈관영상을 획득 할 수 있었다. 이 기법은 기존의 하지혈관전용코일과 체부

코일을 결합하여 얻은 영상보다 더 빠른 시간내에 복부 및 사지동맥질환의 진단에 우수한 영상으로 관찰되어 더욱더 연구 개발하면 기존 침습적인 DSA조영술을 대체할 수 있을 것으로 여겨진다.

참고문헌

1. Kadir S, Diagnostic angiography. Philadelphia, Pa: Saunders, 1986;pp.254-307

2. Wasser MN, Magnetic resonance angiography of peripheral vascular disease. J Comput Assist Tomography, 1999;Vol. 23, pp.129-133

3. Katsamouris AN, Giannoukas AD, Tsetis D. Can ultrasound replace arteriography in the management of chronic arterial occlusive disease of the lower limb. Eur J Vasc Endovasc Surg, 2001;Vol. 21, pp.155-159

4. Waugh JR, Sacharias N. Arteriographic compli  cations in the DSA, Radiology, 1992;Vol. 182,    pp.243-246, 1992.

5. Qwen RS, Carpenter JP, Baum RA. Magnetic resonance imaging of angiographically occult runoff vessels in peripheral arterial occlusive disease. N Engl J Med, 1992;326,pp.1577-1581

6. McCauley TR, Monib A, Dickey KW. Peripheral vascular oclusive disease:accuracy and reliability of time-of-glight MR angiography. Radiology, 1994;Vol. 192, pp.351-357

7. Young Kon Kim, Usefulness of three- dimensional contrast enhanced MR angiography in the evaluation of pelvic and lower extremity arteries, J Korean Radiol Soc. 2002; 47, pp.573-581