고차 불균일 자장 보정을 적용한 정량적 자화율 맵핑

양영중(Young-Joong Yang),백현만(Hyeon-Man Baek),안창범(Chang-Beom Ahn) 대한전기학회 2016 대한전기학회 학술대회 논문집 Vol.2016 No.7

알렌 마우스 브레인 아틀라스를 이용한 반자동 신경섬유지도 분석 : 여기수와 신호대잡음비간의 DTI 획득 비교

임상진(Sang-Jin Im),백현만(Hyeon-Man Baek) 한국방사선학회 2020 한국방사선학회 논문지 Vol.14 No.2

자기공명영상(Magnetic Resonance Image)을 이용한 구조적 연구 방법에서 뇌 구조 세분화 방법은 최근 빠르게 발전하여 구조 이미지의 자동 분할을 위한 유능한 방법론이 되었다. 특히 아틀라스 정보를 이미지에 등록해 피사체의 이미지로 전달하는 분할(Segmentation) 방법은 아틀라스(Atlas)의 정확도에 편향되기 때문에 높은 정확도를 갖고 있는 아틀라스가 필요하게 된다. 알렌 마우스 뇌 아틀라스(Allen Mouse Brain Atlas)는 마우스의 아틀라스 중에서 높은 정확도를 갖고 있어 다양한 분야에서 사용되고 있으며, 신경섬유지도(Tractography)에 필수적인 마우스 뇌구조의 정확한 좌표와 분할 정보를 제공할 수 있다. 또한 기능적 연구 방법인 뇌의 백질 경로를 재구성하는 확산텐서영상(Diffusion Tensor Image)에 대한 확률론적 신경섬유지도를 사용하여 포괄적인 뉴런 네트워크를 매핑 하였다. 인간의 뇌 연구 결과와 마우스의 뇌 연구 결과는 비교분석 할 수 있어 인간에게 적용하기 어려운 실험들을 질환이 모델링된 마우스를 통해 결과를 얻어 임상적으로 이용이 가능하기 때문에 마우스 실험의 중요성이 올라가고 있다. 하지만 마우스를 이용한 연구에서 인간과 마우스의 뇌 크기 차이로 인한 문제가 있어 동등한 영상의 질을 달성하려면 다양한 조건이 필요하게 되며, 그중 대표적으로 충분히 긴 스캔시간이 필요하게 된다. 충분히 긴 스캔시간을 확보하기 위해 본 연구에서는 마우스의 뇌를 샘플화시켜 Ex-vivo 실험이 진행되었으며, 마우스 커넥톰(Connectome) 매핑에 대한 참조를 제공하기 위해 이 연구는 아틀라스 정규화 도구인 ANTx와 확산 텐서 영상을 분석할 도구인 FSL을 사용하여 마우스 뇌의 반자동 분할 및 신경섬유지도 분석 파이프라인을 제시하여 다양한 마우스 모델에 적용하고자 했다. 또한, 신경섬유지도 분석을 위해 획득하는 확산텐서영상의 유용한 신호대 잡음비를 결정하기 위해 다양한 여기수의 영상을 획득해 비교분석하였다. Advancements in segmentation methodology has made automatic segmentation of brain structures using structural images accurate and consistent. One method of automatic segmentation, which involves registering atlas information from template space to subject space, requires a high quality atlas with accurate boundaries for consistent segmentation. The Allen Mouse Brain Atlas, which has been widely accepted as a high quality reference of the mouse brain, has been used in various segmentations and can provide accurate coordinates and boundaries of mouse brain structures for tractography. Through probabilistic tractography, diffusion tensor images can be used to map comprehensive neuronal network of white matter pathways of the brain. Comparisons between neural networks of mouse and human brains showed that various clinical tests on mouse models were able to simulate disease pathology of human brains, increasing the importance of clinical mouse brain studies. However, differences between brain size of human and mouse brain has made it difficult to achieve the necessary image quality for analysis and the conditions for sufficient image quality such as a long scan time makes using live samples unrealistic. In order to secure a mouse brain image with a sufficient scan time, an Ex-vivo experiment of a mouse brain was conducted for this study. Using FSL, a tool for analyzing tensor images, we proposed a semi-automated segmentation and tractography analysis pipeline of the mouse brain and applied it to various mouse models. Also, in order to determine the useful signal-to-noise ratio of the diffusion tensor image acquired for the tractography analysis, images with various excitation numbers were compared.

Analytical Methods for the Analysis of Structural Connectivity in the Mouse Brain

임상진(Sang-Jin Im),백현만(Hyeon-Man Baek) 한국방사선학회 2021 한국방사선학회 논문지 Vol.15 No.4

자기공명영상(MRI)은 뇌의 구조적 및 기능적 연구에서 핵심 기술로 필요성이 증가하고 있다. Tractography 분석을 이용하는 뇌지도(Connectome)는 MRI를 통해 뇌의 구조적 연결성을 확인하고 연결성의 변동성을 이용해 질병 병리학에 대한 이해를 높이는 방법으로 인간을 대상으로 활발한 연구가 진행되고 있다. 하지만 마우스 같은 작은 동물의 경우 분석 방법의 표준화가 부족하고 영상에 대한 정확한 전처리 전략 및 아틀라스 기반 신경 정보학에 대한 과학적 합의가 없다. 또한, 인간의 뇌에 비해 마우스의 뇌는 매우 작기 때문에 높은 해상도를 갖는 영상을 획득하는 것에도 어려움이 있다. 연구에서는 구조적 영상과 확산 텐서 영상을 이용해 구조 영역 세분화를 포함한 구조적 연결성 분석을 가능하게 하고 마우스 뇌 데이터를 처리하는 Allen Mouse Brain Atlas 기반 영상 데이터 분석 파이프라인을 제시한다. 각 분석 방법은 마우스 뇌 영상 데이터의 분석을 가능하게 하고 이미 인간 영상데이터로 검증된 소프트웨어를 이용해 신뢰성을 가질 수 있게 하였다. 또한, 연구에서 제시되는 파이프라인은 복잡한 분석 과정과 다양한 기능들 중 마우스 Tractography에 필요한 기능들을 정리하여 사용자가 효율적으로 데이터 처리를 하는데 최적화되었다. Magnetic resonance imaging (MRI) is a key technology that has been seeing increasing use in studying the structural and functional innerworkings of the brain. Analyzing the variability of brain connectome through tractography analysis has been used to increase our understanding of disease pathology in humans. However, there lacks standardization of analysis methods for small animals such as mice, and lacks scientific consensus in regard to accurate preprocessing strategies and atlas-based neuroinformatics for images. In addition, it is difficult to acquire high resolution images for mice due to how significantly smaller a mouse brain is compared to that of humans. In this study, we present an Allen Mouse Brain Atlas-based image data analysis pipeline for structural connectivity analysis involving structural region segmentation using mouse brain structural images and diffusion tensor images. Each analysis method enabled the analysis of mouse brain image data using reliable software that has already been verified with human and mouse image data. In addition, the pipeline presented in this study is optimized for users to efficiently process data by organizing functions necessary for mouse tractography among complex analysis processes and various functions.

생체 내 양성자 자기공명분광법을 이용한 지방간 쥐에서 간 지질 변화

김주연(Joo-Yeon Kim),백현만(Hyeon-Man Baek) 한국방사선학회 2018 한국방사선학회 논문지 Vol.12 No.5

비알코올성 지방간 질환은 만성 간질환의 가장 흔한 원인이다. 이 연구의 목적은 비알코올성 지방간 질환 동물모델을 확립하고 생체 내 짧은 양성자 자기공명분광법을 이용하여 비침습적으로 간의 대사물질과 지질의 변화를 정량 분석하고자 하였다. 각 실험은 고지방식 먹이를 먹고 나서 0주를 기준선으로 하고, 2, 4, 6, 8주에 쥐의 간 실질 조직으로부터 측정되었다. 0주를 기준선으로 하고 2주와 비교했을 때 0.9, 1.3, 2.3, 2.8 및 5.3 ppm 에서 유의미하게 증가하였다(p<0.01). 따라서 양성자 자기공명분광법은 고지방식 먹이를 먹고 2주 후부터 다양한 쥐의 간 지질 변화를 검출하고 특성화하는데 유용할 것이다. Non-alcoholic fatty liver disease is the most common cause of chronic liver diseases. This study was to characterize early hepatic lipid changes in fatty liver rat model by in vivo short-echo time(TE) 1 H-MRS(Proton -Magnetic Resonance Spectroscopy). Each the examinations were measured from liver parenchyma in rats at 0, 2, 4, 6, 8 weeks followed by high fat diet, respectively. Significant increase in lipid signals. 0.9, 1.3, 2.3, 2.8, and 5.3 ppm was found in animals with 2 weeks(p<0.01). Therefore, 1 H-MRS is useful in detecting and characterizing various hepatic lipid alterations as early as 2 weeks for the start high fat diet.

Improvement of High Permittivity Pads for Areas with Generally Low Signal Sensitivity at 7T MRI

김용태(Yong Tae Kim),백현만(Hyeon-Man Baek) 한국방사선학회 2022 한국방사선학회 논문지 Vol.16 No.6

고유전 재료를 사용한 패드는 임상 MRI 연구에서 RF 펄스의 필드 감도와 균질성을 국부적으로 개선하기 위해 다양한 응용 분야에서 사용되었다. 본 연구에서는 실제 임상 영상의 적용과 관련된 실질적인 문제를 고려하여 패드를 개선하는 것을 목표로 하였다. 감쇠된 B1 필드 강도를 증가시키기 위한 고유전율 패드를 제작하고 7T MRI에서 테스트했다. Sim4Life 시뮬레이션 및 실험 결과는 B1 근거리장에서 더 강하고 상대적으로 균일함을 보여준다. 민감도가 낮은 영역으로 알려진 전체 소뇌의 영상 품질을 향상시키기 위해 패드의 기계적 변화를 줄이는 가이드를 만들었다. 또한 착용감을 향상시키기 위해 패드를 상하로 나누어 디자인하였다. 안면 패드는 비강 내 비갑개와 같은 부위에서 전반적인 신호 증가 효과를 보였다. 전두엽, 눈 등의 영역에서 신호 증가가 예상됐지만 효과가 미미하거나 영상 프로토콜에서 효과를 보기 어려웠다. 결론적으로, 본 논문은 그 효과를 유지하면서 개선된 비강 신호를 갖는 소뇌 최적화 패드를 보여주었다. Pads with high dielectric materials have been used in a variety of applications to locally improve the field sensitivity and homogeneity of RF pulses in clinical MRI studies. In this study, we aimed to improve such pads in consideration of the practical problems associated with the application of actual clinical images. A high permittivity pad to increase the attenuated B1 field strength was fabricated and tested in 7T MRI. Sim4Life simulation and experimental results show stronger and relatively uniform B1 near field. In order to improve the image quality in the whole cerebellum, known as a region with low sensitivity, a guide was made to reduce the mechanical change of the pad. In order to improve the wearing comfort, the pad was designed by dividing it into upper and lower parts. The facial pad showed an overall signal increase effect in areas such as the turbinate in the nasal cavity. Signal increase was expected in areas such as the frontal lobe and eyes, but the effect was either insignificant or it was difficult to see the effect in the imaging protocol. In conclusion, this paper showed a cerebellar-optimized pad with an improved nasal signal while maintaining its effectiveness.

쥐 해마에서 글루타메이트의 시간에 따른 변화가 급성 스트레스 연구에 미치는 영향 : 자기공명분광학을 이용한 연구

연제형(Jehyeong Yeon),윤창수(Chang-Soo Yun),황윤호(Yoonho Hwang),백현만(Hyeon-Man Baek),김동윤(DongYoun Kim),한봉수(Bong Soo Han) 대한전자공학회 2021 대한전자공학회 학술대회 Vol.2021 No.6

It was reported that rodents were significantly influenced by stress from experimental procedure and by isoflurane anesthesia. Therefore, in MRS experiments in the hippocampus of normal mice, the concentrations of Glu and tCho were observed to decrease over time. Glu is a potential stress biomarker and its concentration increases with stress. The purpose of this study is to investigate the effect of the time delay that may occur during 1H-MRS experiments on acute stress studies by comparing the control group and the stress group. 20 C57BL/6N male mice were grouped into the control group and the stress group. The stress group mice were exposed to acute constrain stress, and 1H-MRS data were obtained from the left hippocampus, and the difference in the concentration of metabolites due to stress was compared. We found that the statistical significance of the difference in Glu concentration between the two groups changed if there was a difference of about 17 minutes in the data collection time between the two groups. In conclusion, the results of this study suggest that it is necessary to avoid the difference in the timing of data collection between the control and experimental groups in stress studies.

Exploring the Thalamus of the Human Brain using Tractography Analysis at 3Tesla MRI

임상진(Sang-Jin Im),김주연(Joo-Yeon Kim),백현만(Hyeon-Man Baek) 한국방사선학회 2021 한국방사선학회 논문지 Vol.15 No.4

시상은 신경 기능 조절에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 뇌의 중앙에 위치한 시상은 수면, 각성, 감정 조절에 관여하며, 다발성 경화증, 본태성 떨림, 파킨슨병과 같은 신경퇴행성 질환과 관련이 있는 것으로 보고되고 있다. 또한, 시상의 철 침전물이 나이가 들면서 우울 증상을 유발할 수 있다는 보고가 있다. 연구 간에 차이가 있지만, 시상과 감정 조절, 처리 등의 신경 기능이 밀접한 관계가 있어 시상 영역이 신경 장애에 분명한 영향을 미친다고 추론할 수 있다. Tractography 분석을 통해 각 피질하 영역의 세부 영역 간의 연결성을 매트릭스 형태로 조사하여 강한 연결성과 약한 반구간 연결성을 보였다. 60세 이상 그룹에서 시상의 WM 연결성이 두 그룹보다 약한 것으로 나타났다. 두 그룹을 비교한 결과 젊은 그룹(10-39세 및 40-59세)가 60세 이상` 그룹보다 연결 강도가 높았고 각 반구에서 3개의 연결 경로에서 통계적으로 유의한 차이가 발견되었다. 노화로 인한 시상 관련 연결 강도의 감소는 불안 및 우울증과 같은 정서적 및 신경학적 장애에 영향을 미칠 수 있으며 네트워크 측정은 임상 조건 전반에 걸쳐 인지 장애를 평가하는 데 도움이 될 수 있음을 보여주었다. Thalamus is known to play an important role in the regulation of nerve function. Thalamus, located in the center of the brain, is involved in sleep, arousal, and emotional regulation, and has been reported to be associated with multiple sclerosis, essential tremors, and neurodegenerative diseases such as Parkinson s disease. In addition, it has been reported that iron deposits in the thalamus can cause depressive symptoms with age. Although there are discrepancies between studies, it can be deduced that the thalamus region has a clear effect on neurological disorders due to a strong relationship between the thalamus and neurological functions such as emotional control and processing. Through tractography analysis, the connectivity between the detailed areas of each subcortical region was investigated in the form of a matrix, showing strong connectivity and weak interhemispheric connectivity. In the 59> group, the WM connectivity of thalamus was found to be weaker than those of the two groups. Comparisons between the two groups showed that the young groups (10-39 and 40-59) had higher connection intensity than the 59> group and that statistically significant differences in 3 connection pathways were found in each hemisphere. A decrease in thalamus-related connection strength in aging has shown that it can affect emotional and neurological disorders such as anxiety and depression, and network measurements can help assess cognitive impairment across clinical conditions.

MRI Enhancement using Perovskite Material for B1 Field Control at 7T

김용태(Yong-Tae Kim),김주연(Joo-Yeon Kim),백현만(Hyeon-Man Baek) 한국방사선학회 2021 한국방사선학회 논문지 Vol.15 No.4

인체 내 전자기장의 공간 분포는 고 유전율 재료를 사용하여 비교적 간단하게 조정할 수 있다. 이 방법은 다른 방법에 비해 보완적인 성격이 강하지만 특정 응용 분야에서 강력한 유전체 시밍용 도구로 활용될 수 있다. 기하학적으로 자유로운 형상으로 제조 가능하며 시스템의 어떠한 변경 없이 목적에 따라 제작된 패드를 적용할 수 있다. 특히 초 고자장(ultrahigh magnetic field UHF) MRI에서 높은 작동 주파수로 인해 낮은 감도 (low sensitivity)를 갖는 송신 (B1+) 및 수신 (B1-) 필드의 강도를 높이는 데 사용되는 임상목적의 고 유전율 패드는 잠재적 가치가 상당히 클 뿐만 아니라 그 효과가 클 것으로 예상되는 UHF MRI에 적용된 연구가 적기 때문에 이 연구에서는 티탄산 칼슘의 현탁액으로 제조된 고 유전율 패드를 실험실에서 직접 개발하였으며 UHF 7T 자기공명영상 MRI의 다양한 프로토콜에서 임상적으로 유용한 영상의 신호증가를 확인하였다. The spatial distribution of electromagnetic fields in the human body can be adjusted by using high dielectric materials. This method has a complementary compared to other methods. However, it can be used as a powerful dielectric shimming tool in certain applications. It can be manufactured in a geometrically free shape and a pad manufactured according to the purpose can be applied without any change of the system. Especially in ultrahigh magnetic field (UHF) MRI, the clinical high dielectric pad used to increase the intensity of the transmit (B1+) and receive (B1-) fields, which has low sensitivity due to the high operating frequency, has great potential. In addition, there are few studies applied to UHF MRI. Therefore, in this study, a high dielectric material pad made of calcium titanate suspension was developed in the laboratory. And the signal increase of clinically useful images was confirmed in various protocols of UHF 7T MRI.