[Medical] 의료 이미지 기술의 이해 : X-Ray, CT, MRI, Ultrasound, e tc...

 

의료 AI 연구에 있어서 환자의 데이터는 필수적인 요소입니다. 

특히, 진단 이미징은 의료 데이터 과학에서 중요한 데이터 소스 중 하나로,

 다양한 이미징 기술을 통해 얻을 수 있습니다. 

 

여기서는 X-Ray, CT, MRI, Ultrasound 등 주요 의료 이미징 기술들을 소개하고, 

각 기술이 어떤 원리로 작동하는지 살펴보겠습니다.

또한 기타 몇가지 의료 이미징 기술들도 소개해드리려 합니다.

 

X-Ray

X-Ray는 전자를 물체에 충돌시켜 생성되는 X선을 사용하여 이미지를 생성합니다.

뼈나 기타 조직처럼 X선을 다르게 흡수하는 구조를 시각화하여ㅡ

주로 골절이나 폐 질환과 같은 진단에 사용됩니다.

 

Projection Image의 종류이며, 여기서 Projection Image란 신체 내의 파라미터를 2D로 표현하는 방법입니다.

 

특성

1.  X-Ray는 다양한 재료를 투과할 수 있으나, 납판과 같은 무거운 금속은 투과하지 못합니다.

2. 전기장에 의해 반사, 굴절 등이 되지 않습니다.

3. 필름을 검게 하여 사진 이미지를 생성합니다.

 

이미지 생성

1. X-Ray 이미지는 대상물의 X선 흡수율에 따라 달라집니다. 밀도가 높을수록 X선을 더 많이 흡수하여 이미지가 밝게 나타납니다.

2. 대부분 2차원이며, 촬영 각도에 따라 다른 이미지가 생성됩니다. 

 

주요 사용 분야

1. Mammography : 유방암 진단을 위해 사용되며, 초기 암 증상 포착 가능

2. 결핵 진단 : 폐의 결핵 감염 여부 확인 가능

3. 골절 및 뼈 질환 진단 : 골절, 치유 과정 및 기타 뼈 관련 질환 평가

 

 

CT

X-Ray 기술의 발전은 2D 이미징에서 벗어나 복잡한 내부 구조를 3D로 시각화하는 능력까지 확장되었습니다.

이러한 3D X-Ray 이미징 기술을 CT(Computing Tomography)라고 부르는데, 원리와 이점에 대해 살펴보겠습니다.

 

CT를 생성하기 위해 X-Ray 장치는 환자 주변을 돌면서 다양한 각도에서 연속적으로 촬영을 합니다.

이렇게 촬영된 2D 이미지는 Backprojection이라는 기법을 통해 계산되어, 

내부 구조를 세밀하게 파악할 수 있게 합니다.

이 과정에서 각 방향의 값을 합쳐 정규화된 3D 이미지를 생성합니다. 

 

이미지 표현과 전처리

X-Ray를 통해 획득된 이미지는 Hounsfield Unit으로 표현됩니다. 이는 물의 X-Ray 흡수율을 기준으로 하여, -1000 (공기)에서 +4000 (밀도 높은 물질)까지의 범위를 가집니다.

Window Width와 Window Level을 조절하여 그레이스케일 범위를 0에서 255 사이로 변경하여 사용자가 특정 조직 또는 구조를 더욱 명확하게 볼 수 있도록 합니다.밀도가 높은 물질을 시각화하고자 할 때는 Window Level을 높게 설정합니다.

 

주요 사용 분야

1. 응급의학

2. 종양학

3. 심장학

4. 정형외과

5. 치과

 

MRI

MRI는 강력한 자기장과 라디오파를 사용하여 몸의 부드러운 조직을 상세하게 이미지화합니다. 

자기장이 수소 원자의 스핀을 정렬시키고, 

이후 라디오파가 이 스핀을 방해하여 받은 신호를 분석함으로써 이미지를 생성합니다. 

뇌, 척추, 관절 질환 진단에 주로 사용됩니다.

 

MRI 원리

원자핵은 양성자 + 중성자로 구성되어 있습니다.

양성자는 자기적 성질을 가지고 있어서 우리가 조작할 수 있는데, 양성자의 개수가 홀수개이면 Spin이라는 운동을 합니다.

 

이제 이 전자들에 Static Magnetic Filed라는 B0 자기장, 즉 MRI 내부의 강한 자기장을 쏴주면

양성자들이 일정한 방향으로 정렬됩니다.

 

 

이미지 생성을 위해 B0자기장의 방향에서 벗어나게 만드는데 사용하는 RF Filed를 가해주면,

전자들이 Spin이라는 운동을 하게 되는데,

이 신호를 껐다 켰다 할때 RF 자기장에 의해 자극을 받고 나서 B0자기장의 방향으로 다시 정렬될 때 발생하는 

신호를 측정하여 이미지를 생성합니다.

 

스핀들이 B0 자기장 방향으로 복귀하는 속도는 T1 (longitudinal relaxation time)과 T2 (transverse relaxation time)라고 하는 두 가지 감쇠 상수에 의해 결정됩니다. T1은 핵 스핀이 B0 자기장과 평행해질 때까지 걸리는 시간을 나타내며, T2는 스핀들이 서로 비평행해질 때까지의 시간을 나타냅니다. 이 두 값은 조직의 종류에 따라 다르기 때문에, MRI에서 다양한 조직을 구별할 수 있는 대조를 제공합니다.

 

신호는 공간적으로 인코딩되어야 하므로, 이미지의 각 픽셀에 해당하는 신호를 정확하게 위치시킬 수 있습니다. 이를 위해 그래디언트 자기장이 사용됩니다. 그래디언트 자기장은 B0 자기장에 작은 변화를 주어 다른 위치에서 핵의 공명 주파수를 약간씩 다르게 만듭니다. 이를 통해 MRI 장비는 신호가 몸의 어느 부분에서 왔는지를 정확히 알 수 있습니다.

 

MRI는 이러한 고도의 물리적 및 수학적 과정을 통해 인체의 내부 구조를 세밀하게 시각화할 수 있으며, 이는 의학적 진단에 있어 매우 강력한 도구입니다. MRI 기술은 계속해서 발전하고 있으며, 더욱 세밀하고 정확한 진단을 가능하게 하는 새로운 기법들이 개발되고 있습니다.

 

지금까지 MR에 대해서 알아봤는데, 이 MR이라는 것을 이미지로 만드려면 위치를 아는 것이 중요합니다. 위치를 알기 위해서 HF의 주파수와 양성자의 여기성이라는 개념이 사용됩니다.

또한 MRI에서는 이미지를 생성할 몸의 특정 부위를 정확히 구분하기 위해 Gradient 자기장을 사용합니다. B0 자기장에 z방향의 선형 gradient 자기장을 중첩시켜 z방향으로 자기장의 강도가 선형적으로 증가하게 합니다.

자기장의 강도가 변화에 따라 z방향에서의 위치에 따라 양성자의 회전 주파수가 달라짐. 이 회전 주파수에 해당하는 주파수 범위를 가진 HF필드를 적용하며, 여기서 HF는 해당 슬라이스 내의 양성자만을 excitation시켜 공명 신호를 생성합니다.

이 과정을 통해 MRI는 인체의 특정 부위만을 이미징할 수 있습니다. 여기서 데이터를 얻은 후에 백프로젝션에 의해 영상을 재구성할 수 있습니다.

BOLD Image

 

혈액은 헤모글로빈을 통해 뇌에 산소를 운반합니다. 이때 산소를 가진 헤모글로빈은 다른 조직들처럼 반자성체이며, 산소가 없는 헤모글로빈은 자기장에 왜곡을 일으켜 신호 변화를 일으킵니다. 산소를 가진 헤모글로빈도 자기장에 왜곡을 일으킬 수는 있지만 아주 미미해서 MRI 스캔중에는 영향은 없다고 합니다. 무튼 이렇게 왜곡된 신호들을 시각화하는 기술을 BOLD(Blood Oxygen Level Dependency) Imaging이라고 부릅니다.

이러한 원리로 fMRI라는 것을 사용해서 실시간으로 뇌의 어느 부분이 활성화중인 것인지 시각화할 수 있는 BOLD Image를 얻을 수 있습니다.

 

Perfusion Image

 

Perfusion Imaging은 혈류 투과 영상이라고 하는데, 조직을 통과하는 혈액의 양과 속도를 시각화하는 의료 영상 기법입니다. 특히 뇌, 유방, 심장 등의 조직에서의 혈액 공급을 평가합니다.

적색일수록 혈류가 풍부한 곳을 의미하며, 파란색일수록 낮은 혈류량을 의미합니다.

Perfusion Imaging에서는 이러한 색상을 사용해서 상대적인 혈류량, 혈류속도, 평균통과시간 등의 매개변수를 시각화합니다.

 

Diffusion Image

 

 

 

다음으로 Diffusion Image는 분자의 확산을 측정하여 조직의 미세 부분을 시각화하는 방법입니다.

주로 뇌와 같은 부드러운 조직의 구조를 분석하는 데 사용되며, 뇌 섬유의 경로, 뇌 손상의 범위 및 위치 등을 평가하는 데 유용합니다.

즉 분자가 시간이 지남에 따라 원래 위치에서 확산하는 것을 시각화하는 것입니다.

이런 원리로 DTI라는 영상을 만드는데, 확산 텐서라는 것을 이용하여 분자의 이방성 확산을 측정합니다.

여기서 이방성이라는 것은 특정 방향으로의 확산이 제한되는 성질을 말합니다.

 

 

확산텐서(D)의 값은 뇌 조직의 종류에 따라도 달라집니다.

일반적으로 뇌척수액이라고 불리는 CSF는 보시는바처럼 가장 많은 자유 확산이 일어나며, WM, GM 순으로 분자가 덜 자유롭습니다.

백질의 경우에는 보시는바와 같이 길고 정렬된 구조여서 한 방향으로의 이방성 확산이 큽니다. GM의 경우에는 뭔가 막아져있긴하지만, 덜 규칙저깅여서 확산의 자유성이 WM에 비해 큽니다. 따라서 확산 텐서는 CSF, GM, WM의 순으로 큽니다.

확산 텐서가 작다면, 물리적 장애물에 의해 확산이 방해되는 것으로 신경섬유가 잘 발달되는 것으로 구조적으로 건강함을 나타낼 수 있습니다. 반면에 확산 텐서가 크다면, 조직이 손상되어 특정 질병 상태일 수 있음을 나타낼 수 있습니다.

 

Ultrasound Image

초음파 영상은 사람의 몸 내부를 시각적으로 표현하기 위해 소리 파동을 활용하는 도구입니다.

실시간으로 이미지를 제공할 수 있다는 장점이 있습니다.

따라서 검사 대상 장기의 움직임을 보여줄 수 있습니다.

하지만, 초음파는 앞에 있는 장기는 이미징하는 데 사용될 수 있지만, 뼈나 다른 장기에 가려진 장기들은 음파의 반사되어 돌아오는 성질 때문에 영상화 할 수 없다는 단점이 있습니다.

 

초음파에는 두가지 방법이 있는데,

A Scan은 단일 방향으로의 초음파를 사용하여 조직의 깊이와 반사 신호의 강도를 측정합니다.

주로 길이나 위치를 찾는 등의 1차원 데이터를 측정하는 방법입니다.

B Scan은 여러개의 A 스캔 데이터를 이용하여 2차원 이미지를 생성합니다.

이 방법으로 장기 위치, 크기 등을 평가할 수 있습니다.

 

Nuclear Image

다음으로 Nuclear Imaging입니다. Radioactive tracer라는 것을 사용해서 인체 내부의 다양한 기능을 시각화하는 방법입니다.

Nuclear Imaging의 주요 순서는 이와 같습니다.

주요 기법은 아래와 같습니다.

Scintigraphy는 방사성 트레이서가 분포하는 방식을 2차원 이미지로 나타내어, 특정 장기의 기능이나 병변을 평가하는데 사용됩니다.

SPECT는 트레이서로 3D 물질 분포를 재구성하는 기법입니다. 여러 각도에서 트레이서의 방출을 측정하여 입체 영상을 만들어 냅니다.

PET는 양전자를 방출하는 다른 종류의 트레이서 물질을 사용합니다. 양전자와 전자의 소멸 방사선이 측정되어 재구성됩니다. 주로 암 세포와 같이 대사 활동이 높은 세포를 감지하는데 많이 사용됩니다.