Medical Image acquisition methods

이전 포스팅: Introduction to MEDIA

이전 포스팅에서는 Medical Image Analysis 시리즈에서 다룰 내용을 정리했습니다.
이번 포스팅에서는 Medical Image 측정에 사용되는 여러 장비들의 원리를 간단히 정리해봅니다.

PACS

의료영상 측정 장비 설명에 앞서, 먼저 PACS를 소개해봅시다.

Picture Archiving and Communication System (PACS)는 병원에서 사용하는 의료 정보를 위한 데이터 공유 시스템입니다.

X-ray, CT 등의 측정을 하고 서버에 저장한 뒤 End-user (의사)의 쿼리에 반응하여 데이터를 제공합니다.

DICOM

이 때 사용되는 데이터 포맷 중 하나가 바로 Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM)입니다. DICOM은 북미 방사선 학회 (Radiological Society of North America, RSNA)에서 의료영상에 대한 공식 표준으로 정한 데이터 포맷입니다.

DICOM 이미지 (*.dcm) 안에는 의료영상뿐 아니라 몇 가지 간단한 의료 기록들 및 영상에 대한 헤더 정보 (dimension, voxel spaciong, origin 등)도 함께 저장됩니다.

DICOM은 헤더와 영상 정보가 한 파일에 합쳐진 데이터 포맷입니다. 다른 의료 영상 데이터 포맷들은 *.hdr/*.img (헤더/영상), *.mhd/*.raw (헤더/영상), *.nii/*.nii.gz(헤더+영상, 2D/3D) 등이 있습니다.

Visualization

DICOM 이미지를 시각화하는 툴은 여러가지가 있는데, ITK-SNAP, 3D Slicer, ImageJ 등이 사용된다고 합니다. Pathology 연구에는 QuPath도 사용된다고 합니다.

예시를 보면, axial, saggital, coronal view로 3D 이미지를 2D로 볼 수 있으며, 사용자가 여러 장의 이미지에 마킹을 하게 되면 3D로 표현해주는 기능도 있습니다.

Medical Imaging methods

Medical Image는 다양한 장비로 측정됩니다. 아래와 같이 Endoscopy, Microscopy 부터 X-ray, CT, PET, MRI까지 다양한 측정 장비가 존재합니다.

• Endoscopy (내시경)
• Microscopy
• X-ray
• Computed Tomography (CT)
• Positron Emission Tomography (PET)
• Magnetic Resonance Imaging (MRI)
• Ultrasound
• Optimal Coherence Tomography (OCT)

Common mechanism

이 장비들의 센싱 방식은 대부분 비슷합니다. 바로 빛을 센싱하는 것입니다.

빛을 쏘면, 물체는 빛을 반사시킵니다. 그리고 CMOS나 CCD와 같은 센서로 이 빛을 전기신호로 변환할 수 있습니다. 전기신호의 값을 이용해 색과 명암 등을 구별합니다.

하지만 색, 명암 등에 사용되는 가시광선의 파장대는 매우 적은 비율을 차지합니다. 의료영상에서는 주로 가시광선보다 파장대가 작은 (즉 에너지가 큰) Ultra-violet, X-ray, \(\gamma\)-ray 를 사용합니다.

그 이유는 파장대가 큰 Radio waves나 Infrared light의 경우, 인체를 통과하지 못합니다. 따라서 무언가를 센싱할 수 없는 반면, 파장대가 짧은 light들은 인체를 통과하여 그 뒤에서 빛을 센싱할 수 있습니다.

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한 가지 주의할 점은, 에너지가 크기 때문에 인체에 주는 해로운 영향도 크다는 점입니다 (방사선 노출).

Endoscopy

내시경입니다.

앞의 설명과 마찬가지로 빛을 쏘는 부분과 반사되는 빛을 탐지하는 센서 부분이 있습니다.

Microscopy

현미경은 두 개의 렌즈로 이루어져서, 상에 맺히는 물체를 확대시킵니다. 병리학 (pathology) 에서 많이 사용되며, 최근에는 디지털 현미경도 도입되는 추세라고 합니다.

X-ray

앞서 설명한 바와 같이 X-ray는 파장이 작아, 인체를 통과합니다.

이 때, 공기를 지나는 X-ray와 뼈를 지나는 X-ray는 투과되는 정도가 다르기 때문에, 인체 뒤에서 detector로 X-ray를 센싱할 때, intensity의 차이가 생기게 됩니다. 이를 전기신호로 변환해준 뒤 이미지화시키면, 결과적으로 뼈 부분은 밝게, 공기 부분은 어둡게 표현된 의료영상을 얻을 수 있습니다.

CT

CT (Compted Tomography)는 X-ray를 여러 장 쌓아 3D화 시킨 것이라고 생각하면 됩니다. 말 그대로 여러 방향에서 X-ray를 찍은 뒤, 이를 쌓아 입체화시킵니다.

결과적으로는 이런 3D 이미지를 얻게됩니다.

예를 들어 1D로 흰 물체를 센싱한다고 할 때, 여러 방향의 센싱값을 합침으로써 원래 이미지를 잘 형상화할 수 있게 됩니다. 하지만, 많은 X-ray에 노출되다보니 인체에 더욱 더 유해하겠죠. 그래서 적은 X-ray 촬영횟수로 높은 퀄리티의 CT영상을 reconstruction 하는 것이 이슈 중 하나라고 합니다.

PET

X-ray와 CT는 방사선을 인체에 투과시켜 뒤에 있는 detector로 센싱했습니다. Positron Emission Tomography (PET)는 이와 반대로, 인체에 방사선 물질을 주입하고, 인체에서 새어 나오는 방사선을 측정합니다.

주로 반감기가 짧은, 포도당과 유사한 방사선 물질을 투여하는데, 이 물질의 특징은 포도당 대사 (metabolic function)가 활발한 곳에서 양전자 (positron)를 방출**합니다. 양전자들은 신체 내 전자와 만나 소멸하면서 \(\gamma\)-ray를 발생시키고, \(\gamma\)-ray는 체외로 양방향으로 방출됩니다. 이를 모든 외부 방향에서 detect 한 뒤, CT처럼 이미지를 쌓아 3D화시킵니다.

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암세포가 있는 곳에서 포도당 대사가 비정상적으로 많이 발생하는 경향이 있기 때문에, 주로 암 조기 진단에 활용됩니다.

PET는 결과 이미지를 보다시피, spatial resolution이 그리 좋지는 않습니다.

MRI

MRI는 앞서 살펴본 X-ray, CT, MRI와 다르게 방사선을 이용하지 않고, 수소 원자의 공명 현상을 이용합니다.

몸 안에는 무수히 많은 수소 원자가 random한 방향으로 놓여 (?)있습니다.

강한 magnetic field (1.5T, 3T, 7T …)가 가해지면, 수소원자핵들은 자기장에 의해 정렬합니다. 그리고 세차운동을 하며 빙글빙글 돌게 됩니다.

이 떄 세차운동의 속도를 계산하여 적합한 RF pulse를 가해주게 되면, 공명현상이 일어납니다.

즉, 자기장만을 가했을 때는, 정렬된 수소원자들이 다 같은 방향 (z축)을 가리키고 있지만, 공명현상이 함께 일어나게 되면, 일부 수소원자핵은 에너지를 갖게 됩니다. 이에 따라 다른 방향 (y축)의 자기장을 띄게 되고, 이들이 모이게 되면 결과적으로 총 자기장 방향이 바뀌게 됩니다. 주로 눕는다고 표현합니다.

이 때, RF pulse를 끊게 되면, RF pulse에 의해 생겼던 수소원자핵의 에너지가 사라지기 때문에, 누워있던 자기장 방향이 원래대로 돌아옵니다.

이 때 돌아오는 속도를 측정하여, 원래 자기장 방향 (z축)의 신호가 일정 수준 돌아왔을 때 측정된 이미지를 T1-weighted, 누웠던 자기장 방향 (y축)의 신호가 일정 수준으로 떨어졌을 때 측정된 이미지를 T2-weighted 이미지라고 합니다.

MRI는 또한 coil의 신호가 변화하는 속도가 다르기 때문에, tissue간의 contrast가 가능합니다. 이에 따라 soft tissue의 측정에 유리하다고 합니다.

MRI의 작동 원리입니다. RF pulse를 쏘는 Radio Frequency coils과 자기장을 만드는 Magnet을 확인할 수 있습니다. 추가적으로 Gradient coils 라는 게 있습니다. Gradient coils이 없다면 몸의 모든 부분이 같은 값을 나타낼 것입니다. 이렇게되면 원하는 부위의 MRI 영상을 얻을 수 없습니다.

이는 몸의 각 부분 (머리/가슴/배/다리 등…)마다 다른 자기장을 가해주는 코일입니다.

예를 들어 머리에는 0.1T를, 가슴에는 0.01T를, 다리에는 0.001T를 가해주면, 수소원자핵의 세차운동 속도가 달라집니다. 결과적으로 이미지에 영향을 주기 때문에, 특정 영역만 측정이 가능토록 하는 장치입니다.

Pros and Cons

지금까지 의료영상 측정에 사용되는 장비들의 원리를 간단히 정리해보았습니다.

마지막으로 CT, PET, MRI의 장단점을 정리하고 마무리합니다.

• CT는 짧은 측정 시간이 장점이며, 상대적으로 저렴합니다. 다만, 방사선에 노출되며 (혈관 등 특정 목적 측정 시) 조영제를 투여하게 되는데, 조영제 배출이 잘 안되는 환자에게는 치명적일 수 있습니다.

• PET는 신진대사활동을 측정할 수 있어, 암세포의 조기진단에 유리합니다. 다만 CT와 마찬가지로 X-ray에 노출되며, 방사선물질을 투여하기 위한 cyclotron 장비가 비쌉니다.

• MRI는 방사선 걱정이 없고, soft tissue의 측정에 용이합니다. 다만 긴 측정 시간과, 자기장에 의한 큰 소음이 발생하며, 가격이 비싼 편입니다.

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