[의학] 3D + ?? = 4D ! 영화관만? No, MRI도 4D 가 있다!
안녕하세요? @radiologist입니다.
오늘은 4D MRI에 대해 말씀드리려고 합니다. 3D는 무엇인가요? 바로 우리가 사는 기하학적 공간입니다.
그러면, 4D는 무엇인가요? 3D에 차원을 하나 더한 것이지요. 가장 흔하게 접한 4D는 영화관 일겁니다. 움직이는 의자에, 냄새, 그리고 얼굴에 쏴주는 물까지. 호불호가 많이 갈리는 4D 영화관으로 알고 있습니다.
4D cinema, 저는 한 번 가고 다시는 안갑니다...
그런데, MRI에도 4D가 있습니다. 어떤 차원을 더할까요? 답은 바로
‘시간’
입니다.
일반적인 영상의학 검사는 고정된 시간에 인체를 스캔하여 얻는 정적인 영상입니다. 그런데 여기에 시간을 더하면? ‘움직이는’ 영상이 됩니다. ‘시간에 따른 움직임=속도’인 점을 감안하면, 속도를 영상화 할 수 있습니다. MRI에 시간, 즉 속도를 접목시킨, 4D flow MRI가 오늘의 주제입니다. 1983년 Moran이 처음 보여준 이래로 많은 연구들이 진행되었고, 장비의 발달과 더불어 서서히 임상적 적용 가능성을 보이고 있습니다. 특히 신경혈관계통을 중점으로 소개를 드리겠습니다.
원리
간단히 말씀드리면 고정된 위치의 스핀(수소 원자)는 순방향/역방향 gradient를 주어도 변화가 상쇄되지만, 움직이는 스핀은 계속 공명 주파수가 바뀌고 있고, 2개의 gradient를 주면 위상 변화가 생깁니다. 이 위상 변화가 속도와 비례하기 때문에 위상 변화를 영상화 시키면 속도를 영상화 시킬 수 있습니다. 이를 여러 이미지 재구성과 분석을 통해 판독이 가능하게 만들게 됩니다.
속도 정보만 얻으면, 얻을 수 있는 정보가 무궁무진하다.
적용-죽상경화
죽상경화는 혈관에 plaque(죽상반)가 생기고 혈관을 좁게 혹은 막히게 하는 병입니다. 막히게 되면 뇌경색을 유발하고 심하면 사망에 이르게 하지요. 이를 막기 위해서는 증상이 나타나기 전에 진단하여 치료를 하면 됩니다. 그런데 혈관의 특성에 따라 죽상경화의 가능성이 다릅니다. 혈류 흐름이나 혈관 벽 모양에 따라 죽상경화의 가능성이 다릅니다. 혈관 벽 영상(T1 Black blood)과 4D flow MRI를 통해 단순히 좁아진 것뿐 아니라 영향을 줄 수 있는 혈류 모양 및 혈관 벽을 평가할 수 있습니다.
C와 D는 속도 영상인데, 노랑/빨강이 속도가 빠릅니다.
베르누이 정리에 의해, 좁은 곳은 속도가 빠릅니다.
D는 혈류를 영상화한 것입니다.
적용-뇌동맥류
뇌동맥류란 뇌동맥에서 혈관이 부푸는 병변을 말합니다. 이런 뇌동맥류는 터질 수 있고, 터진다면 뇌출혈로 위험해 질 수 있습니다. 뇌동맥류의 혈류 역학(hemodynamics)은 뇌동맥의 형성, 변화, 파열에 영항을 미칩니다. 4D flow MRI를 통해 뇌동맥류의 혈류 역학을 알아낼 수 있습니다. 뇌동맥류로의 진입, 동맥류내 혈류 흐름, 동맥류 벽과 혈류와의 관계를 보는 것이 중요합니다. 혈관벽 영상과 함께 분석하면 뇌동맥류의 평가에 큰 도움을 줄 수 있습니다. 혈류 역학 분석과 다른 요소(혈관 건강에 영향을 주는, 흡연이나 고혈압, 가족력 등)들을 종합하여 동맥류의 변화나 파열을 예상 할 수 있습니다.
D와 E에서, 뇌동맥류 내에서 혈류가 소용돌이 칩니다.
적용-혈관 기형
혈관 기형은 속도가 빠르고 복잡한 구조를 가져 평가하기에 많은 어려움이 있습니다. 혈관 기형을 분류하는 시스템(Spetzler-Martin grading, 실제 많이 사용)에는 크기와 위치, 유출 동맥을 사용하여 위험도를 평가합니다. 이를 위해서는 보통 DSA(직접 혈관에 조영제를 주사하여 투시 영상을 획득)라는 침습적인 검사를 해야 합니다. 그런데 4D flow MRI를 사용한다면 시술을 피할 수 있고 또 추가적인 정보들(속도, 혈류량, 벽에 가해지는 응력, 압력차 및 혈류 모양 등)을 얻을 수 있습니다. 기본적으로 촬영하는 혈관 영상과 같이 분석한다면 혈관 기형에 대한 종합적인 평가가 가능해집니다.
빨강은 혈관 기형으로 들어가는 동맥, 하양은 나오는 정맥.
혈관 기형이 어떻게 연결 되어 있는지 알 수 있다.
적용-기타
모든 혈류의 속도 및 흐름을 영상화 시킬 수 있으므로, 다양한 질병에서 적용 할 수 있습니다. 경막정맥동(dural sinus)의 혈전에 의한 막힘이나 두개내 고혈압을 평가 할 수 있습니다. 또한 알츠하이머 치매가 동맥 박동이나 혈관 운동 저하와 관련 있다는 연구가 있어, 이를 4D flow MRI로 확인 하였다는 연구들도 있습니다.
두개내 고혈압 환자. 경막정맥동이 좁아진 것이 원인으로 추정된다.
아래 영상에서 근위부 정맥동의 압력이 올라가있다.
마무리
소개 드린 내용들은 주로 연구용이 많으며 4D flow MRI의 가능성을 보여주는 내용들입니다. 아직 4D flow MRI를 일상적으로 사용하지 않고, 대개는 연구용 혹은 제한적으로 사용하는 편입니다. 그러나 보편화 되고 기존의 MRI 이미지들과 같이 판독 한다면 혈관 질환의 평가와 치료 방법에 많은 도움을 줄 수 있으리라 생각합니다.
Reference
Patrick Turski et al. Neurovascular 4DFlow MRI (Phase Contrast MRA): emerging clinical applications. Neurovascular Imaging (2016) 2:8. [Open access, Creative Commons Attribution 4.0 International License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), CC-BY.]
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혈류의 속도 및 흐름 파악할 수 있기에, 확실히 시뮬레이션 연구를 할 때에도 validation 관점에서 상당히 유용할 것 같습니다. 추후에 공학적 관점에서 한번 다루어봐도 재미있을 것 같습니다ㅎㅎ
흥미롭고 또한 앞으로 응용가능성이 높은 주제 올려주셔서 감사합니다. :)
네 연구용으로도 flow 평가에 유용할 수 있을 것 같습니다. 공학적인 내용은 혹 틀린게 없나 걱정 되네요. 관련 주제 포스팅 해주신다면 잘 보겠습니다 ^^ 감사합니다.
우와 신기하네요.. 매우 전문적인 블로그 생소하지만
재밌습니다 팔로우하고 갑니다 ^.^
반갑습니다^^ 쉽게 읽혀지고 재밌는글을 쓰고 싶은데 생각 만큼 잘 안되네요 ㅎㅎ 앞으로도 노력하겠습니다. 팔로우 하겠습니다!
영상으로 보게 되면서 혈류의 흐름을 보아 병을 진단하는데 사용할 수 있군요
어서 빨리 보편화가 되면 좋겠습니다ㅎㅎ
넵. 이것 말고도 다른응용도 많이 연구되고 있습니다. 실제 적용이 많이 된다면 보조적으로 많은 도움이 될 것 같아요.
간단한 원리와 그에 대한 적용만 탁탁탁 알려주셔서 너무 쉽게 이해됬습니다. 그런데 4D flow MRI 굉장히 비쌀 것같습니다. 선생님....
사실 저런 기능을 넣으려면, 소프트웨어가 필요합니다. 그런데.. 그 소프트웨어가 몇천만원씩 해서...
거의 메이저급 대학병원 아니면 실제 보기는 힘들지요 ㅠㅠ
안녕하세요? 항상 유익한 정보 감사드립니다. 혹시 Functional MRI (fMRI) 랑 비슷한 개념인가요?
fMRI와는 다른 개념입니다. fMRI는 뇌가 활성화 될때 혈류가 증가되는데, 이는 산소의 공급이 느는 것입니다. 산소가 늘면 deoxyhemoglobin의 농도가 감소하는데, 이러면 T2*신호가 증가합니다. 이 신호를 재구성하면 fMRI가 됩니다 ㅎㅎ
간단히 말하면 뇌 특정 부 위 활성화->산소 증가->특정 신호 증가->이미지화의 원리입니다 ^^
이렇게 쉽게 설명해주시다니.. 감사합니다 ^^
언제쯤 임상에서 쓰이기 시작할까요? 재밌네요.^^
아마 대학병원에서는 세팅만 하면 할 수 있을 것 같습니다~ 논문도 많이 나오고 있고.. 이미 서서히 적용되고 있지 않나 싶어요.