[이론] fMRI
fMRI의 원리와 방법
1. Introduction
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혈액 속에 있는 적혈구에는 헤모글로빈(hemoglobin)이 있으며 이를 통해 산소(oxygen)가 우리 몸의 여러 기관으로 전달된다.
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헤모글로빈에 산소가 결합되어 있는 oxygenated hemoglobin(oxyHb)은 자기적으로 반자성(diamagnetic)의 성질을 가지며
반대로 산소가 결합되지 않은 deoxygenated hemoglobin(deoxyHb)은 상자성(paramagnetic)의 성질을 가지게 된다. -
deoyHb의 상자성 성질에 의해 local magnetic field를 생성하게 되고, 이에 따라 주변부에는 dephasing 현상이 발생하게 되어 영상에 영향을 주게 된다.
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이러한 원리를 이용하여 뇌의 활동을 실시간으로 촬영하는 MR영상 기법을 fMRI(functional magnetic resonance imaging)이라 한다.
2. Blood flow of our brain
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혈액 속에 있는 적혈구에는 헤모글로빈(hemoglobin)이 있으며 이를 통해 산소(oxygen)가 우리 몸의 여러 기관으로 전달된다.
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뇌의 특정 영역의 활동이 늘어나게 되면 산소 소모량이 커지게 되며, 해당 영역에는 $CO_{2}$의 양과 deoxyHb의 비율이 높아지게 된다.
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2~6초 정도의 시간이 지나면 해당 영역에 대한 혈액의 양(cerebral blood flow, CBF)이 크게 증가하면서 oxyHb의 비율이 높아지게 된다.
3. EPI (Echo Planar Imaging)
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임상에서 해부학적(anatomy) 영상을 촬영하는 경우 병변의 진단을 위해 높은 공간해상도(spatial resolution)가 요구된다. 이에 따라 촬영 시간이 긴 편이며
뇌 영상을 기준으로 할때 T1강조영상을 기준으로 하나의 볼륨을 얻는데 대략 4분의 시간이 소요된다 (물론, 시퀀스에 따라 달라질 수 있다.). -
뇌의 활동을 실시간으로 보기 위해서는 빠르게 촬영해야 한다. 즉, 높은 시간해상도(time resolution)가 요구되며 하나의 볼륨을 얻는데 대략 2초 정도 소요된다.
이때 영상의 공간해상도는 해부학적 영상에 비해 매우 떨어지지만 (예: 256x256 vs 64x64), oxyHb와 deoxyHb에 따른 영역별 활동을 보는데에는 크게 지장이 없다. -
하지만 susceptibility artifact에 매우 민감하다는 단점이 있다.
4. Task based fMRI
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MR촬영을 하는 동안 피험자가 특정 과제를 수행하도록 하거나, 시각이나 청각과 같은 자극을 주게 된다.
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분석자는 촬영시에 여러 형태의 자극이나 과제를 설계하고 각 종류별로 뇌의 활동이 어떻게 차이가 나는지 분석할 수 있다. (예: 오른손을 움직이는 경우와 왼손을 움직이는 경우를 비교)
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또는, 실험군과 대조군을 두고 두 그룹이 뇌의 활동에 있어서 차이가 있는지 분석해볼 수도 있다. (예: 같은 과제에 대해 대조군과 우울증 환자의 뇌활동 비교)
5. Resting State fMRI
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Task based fMRI와는 달리 MR촬영을 하는 동안 피험자는 어떠한 과제도 수행하지 않으며 자극 역시 주어지지 않는다.
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분석자는 피험자 뇌의 spontaneous한 활동을 촬영하게 되며, 이를 이용하여 영역간의 연결성(connectivity) 등을 확인할 수 있다.
6. fMRI 분석 프로그램
References
Radiopaedia - BOLD imaging