[논문 리뷰] Posture-Dependent Human 3He Lung Imaging in an Open Access MRI System: Initial Results

Leo L. Tsai, R. W. Mair외 4명|ArXiv.org|2007. 07. 23.

Atomic and Subatomic Physics Research참고 문헌 56인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 수평자세와 우울자세에서의 고체화된 3He MRI를 이용한 인간 폐에서 자세에 따른 통기성 변화를 조사한다. 개방형 MRI 시스템을 활용하여 수평자세와 우울자세 모두에서 영상 촬영이 가능하며, 初기 결과는 4 mm 해상도의 2차원 및 1.5 cm 슬라이스 두께의 3차원 폐 영상 촬영이 가능함을 보여주며, 자세에 따른 통기성 변화를 관찰할 수 있었고, 이는 중력이 폐 기능 이질성에 미치는 영향을 시사한다.

ABSTRACT

The human lung and its functions are extremely sensitive to orientation and posture, and debate continues as to the role of gravity and the surrounding anatomy in determining lung function and heterogeneity of perfusion and ventilation. However, study of these effects is difficult. The conventional high-field magnets used for most hyperpolarized 3He MRI of the human lung, and most other common radiological imaging modalities including PET and CT, restrict subjects to lying horizontally, minimizing most gravitational effects. In this paper, we briefly review the motivation for posture-dependent studies of human lung function, and present initial imaging results of human lungs in the supine and vertical body orientations using inhaled hyperpolarized 3He gas and an open-access MRI instrument. The open geometry of this MRI system features a "walk-in" capability that permits subjects to be imaged in vertical and horizontal positions, and potentially allows for complete rotation of the orientation of the imaging subject in a two-dimensional plane. Initial results include two-dimensional lung images acquired with ~ 4 mm in-plane resolution and three-dimensional images with ~ 1.5 cm slice thickness. Effects of posture variation are observed.

연구 동기 및 목표

• 고체화된 3He MRI를 이용하여 신체 자세가 폐 통기성 및 순환기 이질성에 미치는 영향을 조사한다.
• 기존의 고자기장 MRI 시스템이 수평자세에 국한되는 제약을 극복한다.
• 개방형 MRI 시스템을 이용한 인간의 자세에 따른 폐 영상 촬영 가능성을 평가한다.
• 비침습적 영상 기법을 이용해 중력과 해부학적 제약이 국소 폐 기능에 미치는 영향을 평가한다.
• 고체화된 3He 기체를 이용한 우울자세 및 수평자세 폐 영상 촬영을 위한 初기 영상 촬영 프로토콜을 수립한다.

제안 방법

• 수평자세와 수직자세에서의 영상 촬영이 가능한 '워크인' 설계의 개방형 MRI 시스템을 사용하였다.
• 인간 피험자에게 고체화된 3He 기체를 통기시켜 폐의 기능적 영상 촬영을 수행하였다.
• 약 4 mm 해상도의 2차원 폐 영상과 약 1.5 cm 슬라이스 두께의 3차원 영상을 확보하였다.
• 수평자세와 우울자세에서의 통기 분포를 비교하기 위해 양자세에서 영상 촬영을 수행하였다.
• 폐 간질에서 3He 기체 신호를 탐지하기 위해 최적화된 표준 MRI 시퀀스를 사용하였다.
• 빠른 2차원 영상 촬영을 위해 단일 스타트 EPI 시퀀스를, 부피 영상 확보를 위해 3차원 기울기-에코 시퀀스를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수평자세와 우울자세에서 3He MRI로 측정한 인간 폐의 국소 통기 분포에 신체 자세가 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 수평자세와 우울자세에서 중력은 폐의 통기성 이질성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 개방형 MRI 시스템이 비수평자세에서 고해상도 3He 폐 영상 촬영을 신뢰성 있게 수행할 수 있는가?
• RQ4 자세에 따른 3He 폐 영상 촬영에서 기술적 및 생리학적 과제는 무엇인가?
• RQ5 해부학적 제약과 중력은 폐의 다양한 영역에서 통기 패턴을 어떻게 변화시키는가?

주요 결과

• 개방형 MRI 시스템은 우울자세 및 수평자세에서 약 4 mm 해상도의 2차원 고체화된 3He 폐 영상 촬영을 성공적으로 수행하였다.
• 슬라이스 두께 약 1.5 cm의 3차원 3He 폐 영상 촬영이 가능하여 부피 영상 평가가 가능하였다.
• 자세에 따른 통기 분포 변화가 시각적으로 관찰되어 중력의 영향으로 인한 통기성 이질성의 영향을 확인할 수 있었다.
• 시스템의 개방형 설계 덕분에 수직 및 수평 자세에서 안정적인 영상 촬영이 가능하여 향후 자세 영향 연구에 기여할 수 있었다.
• 초기 결과는 개방형 MRI를 이용한 다수의 신체 자세에서의 기능적 폐 영상 촬영 가능성을 입증하였다.
• 이 연구는 비침습적 고해상도 3He MRI를 이용한 중력 의존 폐 기능 연구에 대한 기초를 마련하였다.