대 한 방사 선 의 학회 지 1995; 33( 1) : 1-6

1.5 Tesla 자기공명장치를 이용한 대뇌 피잘 활성화의기능적 영상1

김재형 · 장선애 · 하층건2 • 김은상3 • 김형진 • 정성훈

목 적:최근 MR을 이용한 대뇌 피질의 활성화 영상은 대부분 2-T 이상의 고자잘 MR이나 echo

planar 영상기법을 이용한 것들이다. 본 연구에서는 널리 사용되는 1.5-T MR을 이용하여 대뇌 피질의

활성화 영상을 얻었으며 이를 보고하고자 한다.

대상 및 방법 :5명의 정상인을 대상으로 gradient 에코 영상기법 (TR/ TE/ flip angle : 80/60/ 400 , 64 X

128 matrix)을 이용하여 대뇌 피질의 휴식 상태와 활성 상태에서 반복적으로 일련으1 MR 영상을 얻었

다.10예에서 손가락 운동을 이용하여 운동 피질의 활성화를 유도하였고 1예에서 깜박이는 불빛으로

시각을 자극하여 시각 피질의 활성화를 유도하였다. 활성화 영상은 활성 상태 영상의 합에서 휴식 상

태 영상의 합을 감산하여 얻었으며 휴식 상태와 활성 상태에서 MR 신호강도의 변화를 분석하였다.

결 과 모든 예에서 운동 피질과 시각 피질에서 활성화 영상을 얻었다. 휴식 상태와 활성 상태 간의

신호강도의 변화는 운동 피질이 6.5 - 14.6%(평균 10.5%)01 었으며 시각 피질은 4.2%01 었다.

결 론 : 널리 보급되어 있는 1.5-T MR을이용하여 대뇌 피질의 활성화를영상으로표현할수있으며

’앞으로 신경 의학의 기초 및 임상 분야에서 그 전망이 기대된다.

서 론

뇌 (brain)는 부위별로 고유한 기능을 지니고 있으며 어

떠한 기능을 수행하기 위하여 특정부위의 뇌 신경활동이

항진되면 이와 함께 그 부위의 국소적 뇌혈류 및 대사가 증

가하는 것으로 알려져 있다. 이러한 생리적 현상을 이용하

여 뇌 피질에 국소적 신경 활성화를 유도한 후 그 기능의

위치를해부학적 영상으로표현하고자하는연구들이 진행

되 어 왔으며 양전자 방출 단층촬영솔 (positron emission

tomography ; PET)이 이에 큰 역활을 담당하여 왔다 (1 -3). 최근 자기공명 (magnetic resonance ; MR) 영상의 기

술적 발전과함께 이러한뇌 펴질 활성의 영상화가 MR을

통하여 시도되기 시작하였으며 이는 PET에 비하여 공간

및 시간 분해능이 우수하며 인체내에 동위원소나 조영제

등의 주입이 불필요하다는장점이 있다 (4 - 9). 그러나 MR

을 이용한 많은 연구들이 아직까지 널리 보급되어 있지 않

1경상대학교 의과대학 방사선과학교실 2경상대학교 의과대학 신경과학교실 3경상대학교 의과대학 신경외과학교실 이 논문은 1995년도 경상대학교병원 임상연구비(공동과제)의 일부 보조로 이루어졌음

이 논문은 1 995년 5월 18일 접수하여 1995년 7월 20일에 채택되었음

은 echo -planar 영상기법이나 2 tesla 이상의 고자장 MR

을 이용하고 있으며 (4- 7) 임상적으로 널리 사용되는 일반

적 인 1.5 tesla MR을 이 용하여 시 행한 연구는 많지 않다

(8 -9 ).

본 저자들은 현재 널리 사용되는 1.5 tesla MR에서

gradient -echo 영상기법을 이용하여 대뇌의 운동 피질

(motor cortex) 및 시 각 피 질 (visual cortex) 의 위 치 를 영

상으로 표현하고자 한다.

대상및방법

5명의 정상인 (나이 : 27-29세)을 대상으로 하였고 1.5-T Simens 63SP-4000 (Simens AG, Medical Group, Er ­

langen, Germany) MR과 standard head coil을 사용하였

다. 피컴자의 머리 움직임을 감소시키기 위하여 immobi­

lizing agent를 사용하여 피검자의 턱과 목 부위를 고정하

였다.

운동 피질의 활성화를 유도하기 위하여 손가락을 움직

이도록 하였으며 좌측 피질을 활성화시킬 때는 우측 손가

락을， 우측 피질을 활성화시킬 때는 좌측 손가락을 움직이

었다 (좌-우 각 5예씩 총 10예에서 운동 피질의 활성화를

유도하였다) . 먼저 T1-강조영상 (TR/TE: 450/14, 200

x 256 matrix, 5mm section thickness, 20cm FOV)으로

- 1 -

대 한방사선의 학회 지 1995: 33( 1) : 1- 6

a b

횡단 스캔을 하여 (Fig. 1a) 얻어진 영상으로 부터 원하는

해부학적 구조물이 가장 잘 보이는 단변의 위치를 결정하

였다. 이어서 fast low-angle shot (FLASH) 기법 (TR/

TE / flip angle : 80/60/400 , 64 x 128 matrix, 5 mm sec­

tion thickness, 20cm FOV, scan time : 8sec /image)을

이용하여 휴식 상태 (손가락을 움직이지 않는 상태)와 활

성 상태 (손가락을 움직이는 상태)를 번갈아 가며 각각의

상태에서 5개씩 총 207~ 의 연속적인 영상을 얻였다.

1명에서는 시각 피질을 활성화시키기 위하여 광섬유

(optic fiber)로 제작한 안경을 사용하여 7Hz로 깜박이는

불빛으로 시각을 자극하였다. 먼저 시상면으로 T1 -강조영

상을 얻은 후 이 영 상으로 부터 calcarine fissure를 포함하

는 비스듬한 횡단면을 선택하여 (Fig.1b) 다시 T1-강조영

상을 5mm 두께로 얻였다. 이어서 운동 피질의 경우와 통

일한 방법으로 FLASH 기법으로 휴식 상태 및 활성 상태

에서 일련의 영상을 얻었다.

얻어진 모든 영상들을 workstation으로 전송한 후 분석

하였다. 휴식 상태와 활성 상태에서 얻은 5개씩의 일련의

FLASH 영상으로 부터 첫번째 영상을 제외한 나머지 4개

의 영상들을 분석 대상으로 하였다. 첫번째 영상은 자화

(magnetization)의 안정 상태 (steady state) 에 도탈하기

전의 영상으로 간주하여 제외하였다. 따라서 8개의 활성

상태 영상의 항(sum)으로 부터 8개의 휴식 상태 영상의

함을 감산함으로써 활성화 영상을 얻었다.

모든 영상들을 다시 personal computer로 전송한 후 휴

식 상태와 활성 상태 사이의 신호강도 변화를 분석하였으

며 이를 위해 활성화 영상에서 원하는 영역 (즉， 신호강도

가 변화한 영역)을 지정해 주연 일련의 FLASH 영상에서

통일 부위의 신호강도를 자동적으로 일괄 측정할 수 있는

프로그램을 개발하여 사용하였다. 휴식 상태와 활성 상태

사이의 신호강도의 변화 정도를 다음 수식을 이용하여 계

산하였다.

Fig . 1. Coronal (a) and sagittal (b) T1 weighted scout images showing imaging plane 01 cortex activation. The li nes indi­cate the orientation 01 the planes selected lor the motor cortex (a) and visual cortex (b) activation , respectively

활동상태의 평균 신호강도 휴식상태의 평균 신호강도 x 100(%)

휴식상태의 평균신호강도

마지막으로 활성화 영상을 색상 처리 (8-bit color -gray

scale transparency)하여 같은 위치의 T1 -강조영상에 중

첩시켰다.

결 과

전 예(운동 피질 10예， 시각 피질 1예)에서 활성 상태 영

상의 함에서 휴식 상태 영상의 합을 감산함으로써 적절한

활성화 영상을 얻었으며 이 활성화 영상은 휴식 상태에 비

하여 활성 상태에서 신호강도가증가한부분만을나타내었

다.

활성화 영상을 색상 처리하여 T1 -강조영상에 중첩시킴

으로써 신호강도가변화한부위의 정확한해부학적 위치를

알 수 있었다. 손가락 운동으로 인한 신호강도의 변화는 운

동 피질 주위에서 나타났으며 (Fig. 2) 시각 자극으로 인한

변화는 calcarine fissure 주위의 시각 피질에서 나타났다

(Fig.3).

활성화 영상에서 신호강도가 변화한 영 역을 ROI( re ­

gion of interest)로 지정해 줌으로써 휴식 상태와 활성 상

태 사이의 신호강도 변화를 분석하였다. 전 예에서 신호강

도는 휴식 상태에 비하여 활성 상태에서 증가하였으며

(Fig. 4) 운동 피질 10예에서 6.5-14.6%(평균 10.5%) , 시

각 피질 1예에셔 4.2% 증가하였다.

고 찰

최근 MR의 기술적 발전에 힘입어 뇌 기능의 위치를 해

부학적으로 표현하는 즉， MR을 이용한 뇌 피질 활성화의

기능적 영상이 시도되기 시작하였다 (4 -9) . MR을 이용한 뇌 펴질 활성화의 기능적 영상은 PET에 비하여 공간 및

-2-

김재형 외 ‘ 1.5 Tesla 자기공명장치를 이용한 대뇌 피질 활성화의 기능적 영상

a b

d e

시간 분해능이 우수할 뿐만 아니라 조영제나 동위원소 등

의 주입없이 인체내 생리적 변화를 MR 신호로바꿔 줌￡

로써 반복적인 검사를 연속하여 시행할 수 있는 장점이 있

다. 특히 본 연구에서는 그동안 MR의 기능척 영상에 주로

이용되어 온 echo -planar 영상기법이나 2 tesla 이상 고자

장 MR의 도움없이 임상적으로 널리 이용되는 일반적인 1.

5 tesla MR을 이용하여 뇌 피질의 활성화 영상을 얻였다

는데에 의미가있다.

활성화 영상에서 MR 신호강도의 증가는 일차척으로 뇌 피질의 국소적 혈류증가에 기인하며 크게 다음두가지 원

리로 설명되고 있다. 첫번째는 inflow 효과로써 혈류 증가

에 따른 불포화 수소원자 (unsaturated proton)의 유입

증가이다. 즉 이는 이차원 MR 혈관조영술의 원리와 비슷 하며 1.5 tesla 이 하의 MR에 서 gradient - echo 기 법 을 사

용할 때 이 효과가 크게 작용한다고 알려져 있다 (1 0). 두‘

- 3

c

Fig. 2. Motor cortex activation study

a. Anatomic relerence image. This T1-

weighted image shows the anatomy 01

imaging plane selected lor motor cortex

activation

b, d. Activation images 01 the right linger

(b) and the left linger (d) movement

These images were obtained by subtra­

cting the sum 01 the rest images Irom the

sum 01 the task images

c, e. Superimposition 01 b and d on a, re­

spectively. Bright signals are noted just

posterior to the motor cortex on the left

(c) and right side (e)

번째는 blood oxygenation level-dependent (BOLD) 효 과이다 (5, 11) . 혈류 증가에 따른 혈중 산소 유입량의 증가

는 활성화된 뇌 조직이 실제로 필요로 하는 산소량보다 많

기 때문에 결국 모세혈관 및 정맥내의 oxyhemoglobin은

증가하고 상대적 으로 deoxyhemoglobin은 감소하게 된다

(2). 이 deoxyhemoglobin은 상자성 (paramagnetic) 물질

로써 이의 감소는 신호강도의 증가를 초래하게 된다. 따라

서 이러한 BOLD 효과는 gradient -echo 영상기법에서

MR의 자장 세기가 클수록 강하게 나타난다 (7). 그러나 inflow 및 BOLD 효과가 서로 어떤 관계 를 가지 면서 신호 강도에 영향을 미치는 지는 아직 정확히 규명되지 않았다.

MR을 이용한 뇌 피질의 활성화 영상에는 몇가지 문제

점이 있다. 우선 적절한 시간내에 여러 단면을 통시에 스캔

할 수 있는 multi - section 기법이 용이하지 않다는 점이다

(1 2). 현재 이용 가능한 영상기법으로 multi - section을 시

대한방사선의학회지 1995 : 33( 1): 1- 6

a b c Fig . 3. Visual cortex activation study

a. Anatomic relerence image. This oblique T1 -weighted image shows the anatomy 01 imaging plane selected lor visual cortex ac­tivation.

b. Activation image 01 the photic stimulation. Note bright signals in areas 01 visual cortices 01 both occipital lobes

c. Superimposition 01 b on a

235

응 220

일 。，

c:

얻 205 。i

(f)

190

175

rest task

Fig. 4 . Signal intensity curve

rest

Period task

Signal intensity data were obtained Irom an irregular ROI in­

cluding the bright signal in Fig. 2b. Cyclic change 01 signal in­

tensity, matched with the rest and task phases, is noted.

행한다면 repetition time을 늘이거나 echo time을 단축시

켜야 하므로 결국 총 검사시간이 길어지거나 휴식 상태와

활성 상태 사이에 신호강도의 변화가적어지게 된다.따라

서 현재의 single section 기법으로는 뇌의 여러 단면을 동

시에 스캔할 수 없기 때문에 필요에 따라서는 뇌 기능의 정

확한 해부학적 위치를 알기 위하여 인접한 다른 단변에서

다시 스캔하여야 하는 단점이 었다. 두번째로 증가한 신호

가 모세혈관보다 굵은 정맥에서 기인할 수 있으므로 뇌 피

질의 정확한 위치 설정에 오차가 생길 수 있다는 점이다

(13, 14). 그러나 이러한 신호를 낼 수 있는 정맥은 활성화

된 뇌 피질에 아주근접해 있기 때문에 위치 설정에 큰오

차를 초래 하지 않으며 invasi ve cortical mapping의 결과

와도 일치한다는 보고가 있다 (15, 16). 세번째는 머리의 움직임이다. 활성화 영상은 감산 기법에 의하여 얻어지므

로 검사 중 미세한 머리의 움직임도 검사에 영향을 줄 수

있다. 본 연구에서는 이러한 움직임을 최소화시키기 위하

여 전 예에서 immobilizing agent를 사용함으로써 이전에

비하여 머리의 움직임을 현저히 감소시킬 수 있었다. 이러

한 머리 움직임은 머리 주위를 따라 고리 모양의 artifact

를 나타내므로 원하는 신호와 구별하기는 힘들지 않다.

이들 문제점중 multi - section 시행의 어려움이나 움직

임 에 의 한 artifact는 앞으로 echo -planar 기 법 과 같은 초

고속 영상기법이 실용화되면 어느 정도 해결될 수 있을 것

이다. 증가된 MR 신호가 굵은 정맥에서도 기언할 수 있다

는 점에 대해서는 더 강한 자장의 MR에서 spin -echo 영

상기법을 사용하면 작은 정맥이나 모세혈관 쪽의 신호를

더 잘 반영한다고 하나 (17, 18) 고자장 MR의 접근성과

spin -echo 기법의 낮은신호강도때문에 어려움이 있다.

앞으로 MR의 기술적 발전과 함께 뇌 피질 각 부위의 활

성화를 용이하게 유도할 수 있는 각종 자극 방법 및 도구

가 개발되면 보다 많은 뇌 가능을 영상화할 수 있을 것이

다. 아직까지 임상적용은 초보 단계에 있으나 앞으로 신경

의학의 기초 분야와 임상적으로는 뇌병변의 수술 전 계획

을 세우거나 손상된 뇌 기능의 회복 과정을 밝히는 데에

큰역할이 기대된다.

4-

김재형 오I : 1.5 Tesla 자기공명장치를 이용한 대뇌 피질 활성화의 기능적 영상

감사의글:

본 연구를 위한 컴퓨터 프로그램 개발에 도움을 주신 전

자공학과의 신태민 교수께 감사한다.

*~ τ1 C그 -‘-

C그 ~

‘- 헌

1. Phelps ME, Mazziotta JC. Positron emission tomography : hu­

man brain lunction and biochemistry. Science 1985 ; 228 : 799-

809

2. Fox PT, Raichle ME. Focal physiological uncoupling 01 cer­

ebral blood Ilow and oxidative metabolism during somato­

sensory stimulation in human su이 ects. Proc Natl Acad Sci

USA 1986 ; 83: 1140-1144

3. Raichle ME. Circulatory and metabolic correlates of brain

function in normal humans. In : The nervous system : higher

lunctions 01 the brain. Plum F, ed. 8ethesda , Md : American

Physiological Society , 1987; 643-674

4. 8elliveau JW, Kennedy DN, McKinstry RC , et a l. Functional

mapping 01 the human visual cortex by magnetic resonance

imaging. Science 1991 ; 254 :716-719

5. Ogawa S, Tank DW, Menon R, et al. Intrinsic signal changes

accompanying sensory stimulation: lunctional brain mapping

with magnetic resonance imaging. Proc Natl Sci USA 1992 ;

89: 5951-5955

6. Frahm J, Merboldt K , Hanicke W. Functional MRI 01 human

brain activation at high spatial resolution. Magn Reson Med

1993; 29: 139-144

7. Turner R, Jezzard P‘ Wen H, et al. Functional mapping 01 the

human visual cortex at 4 and 1.5 tesla using deoxygenation

contrast EPI. Magn Reson Med 1993; 29 : 277 -279

8. Connelly A, Jackson GD, Frackowiak RSJ , 8elliveau JW,

Vargha-Khadem F, Gadian DG‘ Functional mapping 01 ac­

tivated human primary cortex with a clinical MR imaging sys­

tem. Radiology 1993 ; 188 : 125-130

9. Thompson RM , Jack CR , 8utts K, et al. Imaging 01 cerebral

activation al" 1.5 T: optimizing a technique lor conventional

hardware. Radiology 1994 ; 190 : 873-877

10. Duyn JH , Moonen CTW, van Yperen GH , de 80er RW, Luyten

PR. Inllow versus deoxyhemoglobin ellects in 80LD lunc­

tional MRI using gradient echoes at 1.5 T. NMR Biomed 1994

; 7 :83-88

11 . Ogawa S, Lee T-M , Nayak AS , Glynn P. Oxygenation-sensi ­

tive contrast in magnetic resonance image 01 rodent brain at

high magnetic lield. Magn Reson Med 1990 ;14:68-78

12. Mattay VS , Weinberger DR , 8arios FA, et al. 8rain mapping

with lunctional MR imaging: comparison 01 gradient-echo­

based exogenous and endogenous contrast techniques. Radi­

ology 1995; 194 : 687-691

13. Menon RS, Ogawa S, Tank DW, Ugurbil K. 4 tesla gradient

recalled echo characteristics 01 photic stimulation-induced

signal changes in the human primary visual cortex. Magn

Reson Med 1993 ; 30 : 380-386

14. Lai S, Hopkins AL, Haacke EM , et al. Identification 01 vascu­

lar structures as a major source of signal contrast in high

resolution 2D and 3D functional activation imaging 01 the

mortor cortex at 1.5 T: preliminary results. Magn Reson Med

1993 ; 30 : 387 -392

15. Jack CR , Thompson RM , 8utts RK , et al. Sensory motor cor­

tex ‘ correlation 01 presurgical mapping with lunctional MR

imaging and invasive cortical mapping. Radiology 1994 ;190

85-92

16. Yousry TA, Schmid UD , Jassoy AG, et a l. Topography 01 the

cortical motor hand area ‘ prospective study with lunctional

MR imaging and direct motor mapping at surgery. Radiology

1995 ; 195: 23-29

17. Ogawa S, Menon RS, Tank DW, et a l. Functional brain map­

ping by blood oxygenation level-dependent contrast magnetic

resonance imaging. Biophys J 1993 ; 64 : 803-812

18. Weisskoff RM , 80xerman JL, Zvo CS, Rosen 8R. Endogenous

susceptibility contrast: principles 01 relationship between bl­

。od oxygenation and MR signal change. Presented at the

Functional MRI of the Brain Workshop , Arlington, VA , June

17-19, 1993

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대한 방 사 선 의 학회 지 1995 : 33( 1) ‘ 1- 6

Journal of the Korean Radiological Society 1995 : 33( 1) : 1- 6

Functional Imaging o f Cerebral Cortex Act ivation with a 1.5-T MR Imag ing System'

Jae Hyoung Kim, M.D. , Sun Ae Chang , M.D., Choong K un Ha , M.D. 2,

Eun Sang Kim, M.D. 3 , Hyung Jin Kim, M.D. , Sung Hoon Chung , M.D.

1 Department of Radiology, Gyeongsang National University, College of Medicine

2 Department of Neurology, Gyeongsang National University , College of Medicine

3 Department of Neurosurgery , Gyeongsang National University, College of Medicine

Purpose: Most of recent MR imagings of cerebral cortex activation have been performed by using high field

magnet above 2-T or echo-planar imaging technique. We report our experience on imaging of cerebral cortex

activation with a widely available standard 1.5-T MR

Materials and Methods: Series of gradient-echo images (TR/TE/flip angle : 80/60/40。’ 64 X 128 matrix) were

acqu ired alternatively during the periods of rest and task in five normal volunteers. Finger movement (n = 10 ; 5

right, 5 left) and flashing photic stimulation (n=1) were used as a motor task and a visual task to activate the

motor cortex and visual cortex , respectively. Activation images were obtained by subtracting sum of rest

images from that of task images. Changes of signal intensity were analyzed over the periods of rest and task

Results: Activation images were obtained in all cases. Changes of signal intensity between rest and task

periods were 6.5-14.6 %(mean , 10.5%) in the motor cortex and 4.2% in the visual cortex.

Conclusion: Functional imaging of cerebral cortex activation could be performed with a widely available

1.5-T MR. Widespread applications of this technique to basic and clinical neuroscience are expected

Index Words: Brain , blood flow

Brain , function

Brain , MR

Magnetic resonance (MR), vascular stud ies

Address reprint requests to : Jae H young K im, M .D., Depar tment of Radiology Gyeongsang Nati onal Universi ty Hospi tal # 92, Chilam-Dong, Chinju, 660-702, Korea Tel. 82-591-50-8211 Fax.82-591-758- 1568

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