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7.0T MRI 와 HRRT-PET 퓨전영상 시스템은 분자 또는 유전자 영상(PET)을 초고분해능의 해부학적 이미지로 구체화한다. 고급 퓨전영상 시스템을 사용하여, 아직 밝혀지지 않은 뇌의 영역을 탐구하고자 한다.
World's First HRRT-7.0T MRI Fusion System for Molecular Imaging
Fig. 1. Diagram and photograph of the newly installed HRRT-PET and 7.0T MRI fusion system-truly the first PET-MRI fusion system in the world (2005)
분자 영상과 고해상도 영상을 결합시키려는 시도는 오랜 기간 이뤄져 왔다.
양전자방출 단층촬영(PET)과 자기공명영상(MRI)은 임상 분야는 물론 신경과학 연구 분야에서 가장 널리 사용되는 영상 장비들이다. 이들 영상은 수많은 뇌 질환과 수수께끼에 대한 실마리를 제공하기 시작했지만, 공간해상력과 SNR(신호 대 잡음 비율)과 같은 물리적인 성능은 아직 신경과학자들의 요구를 충족시키기에 너무나 부족하다.
현재 최첨단 기술을 사용한 PET와 MRI에는 각각 고해상 연구 단층촬영기(HRRT)-PET와 7.0T-MRI가 있다.
HRRT는 전통적으로 사용돼온 포도당 대사 측정은 물론, 기존 스캐너의 5-6 mm FWHM 해상도에 비해 2.5mm FWHM으로 낮춘 해상도로 수용체배위자 상호작용도 측정할 수 있다.
7.0T MRI는 0.2mm FWHM까지 정밀한 해상도로 생체내 인간의 다양한 뇌 구조를 영상화시킬 수 있다.
이렇게 눈부신 발전에도 불구하고, 분자 영상은 여전히 요구되는 뇌의 해부학적 정확도를 제공하지 못하고 있으며, 또 한편으로 MRI는 인간 뇌의 분자 및 화학적 서명을 영상화하는 능력이 부족하다. 따라서 PET와 MRI 등 이들 2개 종류를, 보다 명확하게 말하자면 이들의 한계를 극복하기 위해 HRRT-PET 와 7.0T-MRI 등 2개의 최첨단 장비를 결합시키는 것이 바람직하다. 셔틀시스템은 분명 PET와 MRI 등 2개 시스템의 영상 좌표를 물리적으로 맞추는데 사용되는 중요한 부분이다.
셔틀시스템은 레일웨이 시스템, 셔틀 시스템, 요람 등 4개 부품으로 이뤄져 있다. 셔틀 시스템의 모든 부품은 자성이 없는 부품과 7.0T 자력의 고자기장을 견뎌낼 수 있는 물질로 만들어져야 한다는 점을 주의해야 한다. 레일웨이는 수송침대 운반을 위해 HRRT-PET로부터 7.0T MRI까지 연결돼 있어야 한다.
First PET-MRI fusion imaging - Metabolic activities in the hippocampus
Fig. 2. Experimentally obtained PET-MRI image of a human subject showing the details of the hippocampus and localized metabolic activity-this the first of its kind submillimeter details of the hippocampus and local metabolic activity is achieved with NRI's PET-MRI fusion system.
인간 시험대상이 조정된 PET-MRI 신형 시스템으로 스캔 되었다.
MRI영상이 30분 동안 포착되는 사이 7.0T MRI에서 FDG섭취가 실행됐다. 시험 대상은 MRI 스캐닝을 끝낸 뒤 셔틀시스템을 이용해 HRRT PET스캐너로 옮겨져 30분 동안 PET영상이 실시됐다. 스캔된 FDG PET 영상은 T1-강조 영상의 회색질과 공간적으로 잘 조화됐다.
Advanced PET-MRI Fusion Algorithm
Fig. 3. PET-MRI fusion algorithm used for the PET-MRI system at the Neuroscience Research Institute.
PET 영상의 내재 해상도는 주로 섬광검출기 또는 결정 크기에 의해 결정되며 대략 검출기 넓이의 절반 정도 된다.
실제 측정된 해상도는 원본의 크기, 양전자 이동 거리, 인접검출기로의 통과 영향, 그리고 소멸 광자의 비대응 직선성 등 기타 영상 흐림 요인으로 인해 내재 해상도보다 뒤떨어진다.
PET 시스템은 공간적으로 변하지 않는 시스템으로 가정될 수 있으며, 시스템의 흐림 현상은 점확산함수(PSF)로 정의될 수 있다. 시스템의 정확한 PSF가 적절하게 측정되고 나면, 이 PSF는 디콘볼루션으로 주로 알려진 영상 복원 작업에 사용된다.
PET 영상 복원 작업은 신경 화학 및 분자 정보에서 추출된 다양한 변수뿐 아니라 MRI로부터 얻을 수 있는 영상 해상도 정보를 사용해 실행될 수 있다. 예를 들어 세포의 포도당 활용이 CFS 또는 백색질 지역보다는 회색질 지역에서 발생하는 것으로 잘 알려져 있다.
PET-MRI에서 분엽 회색질은 영상 혼합의 기본으로 사용되며, 이것은 PET의 흐린 분자 영상 데이터를 “구속”으로 명명된 절차에 따라 MRI의 회색질 경계로 구속되는 것이다. 다시 말해서, MRI로부터의 분엽 회색질 영상이 기하학적으로 같이 지정된 위치의 PET 영상에 투사되며, 그 다음으로 분사 영상 데이터를 MRI의 제대로 정의된 형상 데이터에 "구속" 시킨다. 실제 영상 처리 관점에서 볼 때, 이것은 PET의 해상도를 강화하기 위해 MRI 데이터에서 얻어진 가우스 점확산함수(PSF)로 측정된 PET 부비강조영상의 디컨볼루션에 상응하는 것이다.
참고문헌
- Zang-Hee Cho, Young-Don Son, Hang-Keun Kim, Kyoung-Nam Kim, Se-Hong Oh, Jae-Yong Han, In-Ki Hong, Young-Bo Kim. A hybrid PET-MRI: An integrated molecular-genetic imaging system with HRRT-PET and 7.0-T MRI. International Journal of Imaging Systems and Technology. 17(4):252-265 (2007)

- Z. H. Cho, Y. D. Son, H. K. Kim, K. N. Kim, S. H. Oh, J. Y. Han, I. K. Hong, and Y. B. Kim, “A fusion PET-MRI system with a high-resolution research tomograph-PET and ultra-high field 7.0 T-MRI for the molecular-genetic imaging of the brain,” Proteomics. 8(6),1302-1323 (2008).
관심연구분야
- PET-MRI 퓨전영상 시스템 개발
- PET-MRI 퓨전영상 알고리즘 개발
- PET-MRI 퓨전영상 시스템의 응용
- 동작 추적 시스템의 개발
초고자장 강도의 7T MRA를 이용한 뇌의 미세혈관 영상화는 침습적인 시술 없이 인간 생체 연구를 가능하게 하여, 뇌졸중(중풍) 초기 단계 연구와 같은 미세 혈관 이상 연구에 중요한 역할을 하게 될 것으로 기대된다.
뇌졸중 & 미세혈관 연구
그림1. (A) LSA의 해부학적 스케치, (B) DSA로 촬영한 영상, (C) 7.0T 과 (D) 1.5T MRI 스캐너로 촬영한 MRA 영상.
7T MRI는 초고장을 이용해 인체조직의 T1을 증가 시키고 T2를 감소시킴으로 높은 혈관 대 세포의 대조도를 높일 수 있어 혈관조영술 기법에서 다양한 활용이 기대된다. 천공동맥 [Lenticulostriate Artery, LSA] 의 7T MRA 영상이 기존의 침습적 혈관 조영술인 컴퓨터 조영 엑스레이 촬영법 [Digital Subtraction Angiography, DSA] 로 촬영된 영상보다 우수한지 소뇌AVM의 병력 (2008년 Stroke; 2009년 MRM) 이 있는 젊은 환자를 통해 조사했다.
그 결과 7T MRA 영상이 LSA 패턴을 보다 선명하고 분명하게 그려내고 있는 것을 확인했다. 또한 일반 임상 장비인 1.5T MRA로 촬영된 LSA도 7T MRA영상과는 비교가 되지 않았다 (그림 1. 참조).
그림2. 시각자극 동안 시각피질을 공급하는 뇌혈관계의 변화.
7T MRI가 제공하는 혈류영상은 충분한 해상도와 신호대잡음비(SNR)을 제공해 외부 자극 동안 신경활동과 연관된 미세한 혈관의 직접적인 혈관 반응을 관찰 할 수 있다.
이 같은 기능혈류영상(fMRA)는 특히 신경활동 동안 혈관계 메커니즘 연구에 있어서 잠재적인 기술이 될 것이다 (2008년, Neuroimage). 화살표는 표적 혈관을 가리키며, 자극이 주어진 동안 후두엽에 혈액을 공급하는 혈관이 최대 변화를 보이는 것을 확인 할 수 있다 (그림 2. 참조).
fMRA - A new high Resolution fMRI?
그림3. 시각자극 동안 시각피질에서의 신호의 변화를 fMRA 와 fMRI를 통해서 관찰한 결과.
기능적 자기공명영상 (fMRI)는 뇌기능 연구에 잘 활용되고 있는 기법이다.
신호의 기전은 혈류와 산소의 대사 등 복잡한 요소들에 의해 야기되기 때문에 실제적인 뇌기능 연구에 제한적이기도 하다. 반면 fMRA는 뇌기능이 활성화되는 중에 이들의 혈류역학을 직접적으로 조사할 수 있기 때문에 외부 자극에 따른 개별 혈관의 변화를 직접 측정함으로써 생체 내 뇌기능을 검사할 수 있다.
시각자극 동안 혈과 변화 조사를 위해 영상영역이 선택되고 간단한 블록도안이 사용됐으며, 그리고는 시각 자극 동안 혈관변화를 관찰해 기능혈류영상(fMRA)과 비교했다 (그림 3. 참조).
참고문헌
- Cho, Z.H., Kang, C.K., Han, J.Y., Kim, S.H., Kim, K.N., Hong, S.M., Park, C.W., Kim, Y.B., 2008. Observation of the Lenticulostriate Arteries in the Human Brain in-vivo using 7.0T MR Angiography. Stroke 39, 1604-1606.

- Cho, Z.H., Kang, C.K., Han, J.Y., Kim, S.H., Park, C.A., Kim, K.N., Hong, S.M., Park, C.W., Kim, Y.B., 2008. Functional MR angiography with 7.0 T Is direct observation of arterial response during neural activity possible? Neuroimage 42, 70-75.

- Kang, C.K., Park, C.W., Han, J.Y., Kim, S.H., Park, C.A., Kim, K.N., Hong, S.M., Kim, Y.B., Lee, K., Cho, Z.H., 2009. “Imaging and Analysis of Lenticulostriate Arteries using 7.0 Tesla Magnetic Resonance Angiography”. Magn. Reson. Med. 61:1:136-144..
관심연구분야
- 초고자장 7T MR 혈관조영술
- 미소 혈관계
- 소혈관 질환
- 기능 MRA
- 기능 정맥 조영술
- 뇌 기능
- 혈류 역락
파킨슨병 - 7.0T 뇌 영상을 사용한 직접적인 시각화
파킨슨병(PD)은 대표적인 신경변성 장애로써 흑색질(SN)에서 도파민(DA) 신경세포의 손실 진행에 의해 발생한다.
따라서 SN은 PD1)의 진단을 위해 우리가 잠재적으로 들여다보게 되는 가장 의심스러운 부위이다. SN에 있어서 상당량의 철 이온이 침전된다. T2* 또는 감수성 가중은 철 침전의 심대한 영향을 받으며, 이에 따라 SN과 같은 핵은 밝은 배경에 짙은 구조로 잘 나타난다. 자기 감수성 효과는 정자기장의 강도와 선형으로 증가한다. 낮은 정자장의 T2*-가중 영상은 철 침전 지역에 그다지 민감하지 않다. 7.0T에 정자장을 증가시키는 것은 SNR과 대조에 유의한 증가를 가져다 주며, 이에 따라 감수성 차이에 더 민감하고 더 높은 해상도와 더 높은 대조의 영상을 획득할 수 있게 한다. 7.0T에서는 SN의 선명한 모양과 경계선 사진을 만드는 것이 가능하다.

사용된 자석은 7.0T 연구 원형 MRI 스캐너(지멘스의 매그네톰 7T)이다. 모든 영상은 2D T2*가중 경사 에코 연쇄를 사용해 획득한 것이다. 대조군은 40세에서 65세 사이의 8명의 시험대상으로 구성됐다. 이 파킨슨병 그룹은 45세에서 65세 사이의 5명의 환자(Hoehn&Yahr 1단계)와 54세에서 65세 사이의 5명의 진행 환자(Hoehn&Yahr, 3단계)로 구성됐다.
정상 관리(그림 1.(관리))의 경우, SN과 CP의 경계선이 스무드해 보였으며, 특히 배쪽으로 뒤쪽에서 앞쪽(황색 선)으로 펼쳐진 깨끗한 “ARC”모양이었다. SN과 CC사이에 옆과 앞쪽으로 깨끗하고 스무드한 활은 그림 1에서와 같이 PD에서 완전히 없어졌다. SN과 CP사이의 활 경계선이 PD(황색 선)에서 톱니 모양으로 변형됨에 따라 이 변형된 “활”모양 경계는 PD 환자들의 상징과도 같은 것이다. 그 이유는 SN(SNc와 SNr 모두)의 DA신경 손실이 SN의 모양을 바꾸기 때문이다.
그림2. - 7.0T T2*가중 영상으로 획득한 정상관리 및 PD환자의 전형적인 선택 가로면 영상. SN과 CP 사이 경계선이 황색 선으로 나타나있다.
뿐만 아니라, 위상영상은 정상관리 및 PD환자들의 SN과 CP사이의 경계를 선명하게 보여준다.
그림 2는 위의 3개 사례의 위상영상이다.
그림3. - 7.0T T2*가중 영상으로 획득한 정상관리 및 PD환자의 위상 영상.
심부뇌 자극(DBS)에서의 직접 수술
그림4. 그림은 시상밑핵과 흑질을 보여주고 있는데 이 두가지는 파킨승 병에서 가장 광범위하게 공략되는 두 가지 핵이다.
시상밑핵과 흑질은 일반적인 MRI에서는 보이지 않고 그림 (A)에서처럼 사체 이미지와 같은 추가 정보를 필요로 한다. 통상적인 저 시야 이미지는 (B)에서처럼 잘 보이지 않고 (C)에서는 7.0T 이미지를 보여 주고 있다.
그림에서 보듯이 7.0T STN과 SN은 해상도가 뚜렷하므로 DBS에서 사용될 수 있는 잠재성을 가지고 있다. 주석; STN, 시상밑핵; SN, 흑질; GPi, 내부 담창구; GPe, 외부 담창구; Pu, 피각; Cl, 전장
심부뇌 자극은 파킨슨 병이나 다른 원인을 알 수 없는 통증을 유발하는 증상들 같은 많은 신경 변성 질환을 치료하는데 가장 훌륭하고 새로 떠오르는 치료 기술 중 하나이다. 이 방법은 가역 치료법일 뿐 아니라 필요에 따라 단절과 지속을 조절할 수 있는 선택도 할 수 있다.

이 치료가 질환을 더 영구적으로 개선시킨다는 사례적 증거들도 있다. 또, 심부뇌 자극법의 기본 기작들을 밝혀 내는 연구 노력들이 행해짐에 따라서 이 방법이 발전하면서 더 나은 치료법을 개발할 수 있는 길도 열릴 것이다. 심부뇌 자극법과 연관된 가장 어렵고 해결되지 않는 문제는 원하는 목표 핵이나 조직들에 정확하게 전극을 조준하는 것과 전극을 작동하면서 그 위치를 잘 파악해 가는 것이다. 1.5T나 3.0T같은 현재의 저 시야 MRI기술은 시상 밑핵이나 그 주위를 둘러싸고 있는 부위(예를 들어 외섬유막이나 불확 정구역 같은)등의 원하는 부위를 명확히 보여줄 만큼 충분히 높은 해상도를 가지고 있지 않다. 7.0T와 같은 초 고시야 MRI가 등장하면서 시상밑핵과 같은 목표 핵을 직접 보여줄 수 있는 대비 뿐 아니라 해상도와 민감도에 있어서도 눈에 띄는 향상을 보여 주었다.(Cho 이외.) 이러한 직접적인 시각화나 목표 핵에 전극을 직접 조준하는 것은 작동을 전체적으로 용이하게 할 뿐 아니라 심부뇌 자극 치료 후의 관리를 비롯한 치료 결과를 향상시키게 될 것이다.

이와 유사한 치료법이나 감마 나이프 같은 뇌 수술은 일단 정확한 뇌 지도가 만들어지면 특히 목표 암 조직이나 핵이 방사선에 민감한 주요 요소들이 있는 세밀한 부위에 위치한 경우에 직접 조준하는 것을 동일하게 도와줄 것으로 전망하고 있다. 시상밑핵과 흑질 같은 치료학적으로 중요한 기관들이 위치한 중뇌 부분을 분명하게 보여 주는 T2* 강조 영상을 사용하여 7.0T MRI로 얻어진 초기 이미지의 결과들을 보여줄 것이다.
참고문헌
- Zang-Hee Cho, Young-Bo Kim, Jae-Yong Han, Hoon-Ki Min, Kyoung-Nan Kim, Sang-Han Choi, Eugene Veklerov, Larry A. Shepp. New Brain Atlas-Mapping the Human Brain In Vivo with 7.0T MRI and Comparison with Postmortem Histology: Will These Images Change Modern Medicine? International Journal of Imaging Systems and Technology 18,2-8 (2008).

- Zang-Hee Cho, Hoon-Ki Min, Se-Hong Oh, Jae-Yong Han, Chan-Woong Park, Je-Geun Chi, Young-Bo Kim, Sun-Ha Paek, Andres M. Lozano, Kendall H. Lee. Direct Visualization of Deep Brain Stimulation Targets in Parkinson's Disease with the Use of 7.0 Tesla Magnetic Resonance Imaging. Journal of Neurosugery [In Process] (2010)
연구관심분야
- 7T MRI에서의 고 해상도 DTI
- 흑질의 3차원 모델링과 구조 분석
- DTI의 확률적 방법에 대한 연구 및 임상에의 응용
초고자장 7.0T MRI는 해마 용적측정에 활용된다. 해마의 윤곽을 그려내는 새로운 방법이 설명돼 왔으며, “머리와 몸”과 “몸과 꼬리” 사이의 경계가 정의됐다.
정확한 용적 측정법 및 3-D영상의 7.0T로 획득한 선명한 대조는 해마와 관련된 질환의 정확한 진단에 도움이 될 수 있다.
Fig. 1. An example of Alzheimer's patient (at the right). This set of hippocampal images is the typical representative case of Alzheimer's (at the right) and normal contral (at the left).
기존에 시도됐던 1.5T 또는 3.0T MRI로 획득했던 영상들은 해상도가 제한적이었기 때문에 작은 용적 변화와 기초 내에서 발생하는 변화를 관찰하는 것은 무척 어려웠다.
정확한 용적 측정법 및 3D T2* 영상의 7.0T로 획득한 선명한 대조는 질병의 정확한 진단뿐 아니라 기초적인 과학연구에도 도움이 될 것이다.
Fig. 2.
확대된 1.5T 관상영상과 비교했을 때, 해마의 분명치 않은 경계는 주변 구조로부터 선명하게 구별됐으며, 해마의 미분화된 구조는 고해상도와 SNR로 인해 드러났다.
Fig. 3.
Fig. 4.
해마의 곡률 및 해부학적 구조가 7.0T로 획득된 관상영상과 시상영상에서 선명하게 나타났으며, 이로 인해 저자장 MRI를 통해서는 볼 수 없던 단면들을 관찰할 수 있게 됐다. UHF 7.0T MRI의 3D 경사에코를 사용해 획득된 (a), (b) T2* 가중 관상 및 시상 영상은 다양한 기초를 각각의 단면에서 확인될 수 있게 함에 따라 알츠하이머병, 우울증, 정신분열병과 같은 신경변성 질환이 존재하는 해마의 축소된 용적을 소부위에서 규명할 수 있게 했다.

해마의 고해상 및 높은 대조 영상의 도움으로 미세한 변화도 탐지할 수 있게 됐다. 이것은 해마 위축증의 초기단계에서 해마의 미세한 부분으로부터 시작되며, 이로 인해 상용으로 사용할 수 있는 MR 시스템으로는 축소된 변화를 발견하기 매우 어렵다.
7.0T와 같은 초고자장 MRI를 사용한 고해상도 및 높은 대조의 비침습 생체내 인간 뇌 영상은 통계학적 분석 방법에서부터 알츠하이머병과 같은 수많은 신경계 질환의 조기 진단에 이르기까지 분명 의학영상 세계를 바꿔놓을 것이다.
참고문헌
- Zang-Hee Cho, Young-Bo Kim, Jae-Yong Han, Hoon-Ki Min, Kyoung-Nam Kim, Sang-Han Choi, Eugene Veklerov, Larry A. Shepp. “New Brain Atlas-Mapping the Human Brain In Vivo with 7.0T MRI and Comparison with Postmortem Histology : Will These Images Change Modern Medicine ? ” International Journal of Imaging Systems and Technology Vol.18,2-8 (2008).

- Zang-Hee Cho, Jae-Yong Han, Seok-Il Hwang, Dae-shik Kim, Kyoung-Nam Kim, Nam-Beom Kim, Seog-Ju Kim, Je-Geun Chi, Chan-Woong Park, Young-Bo Kim. Quantitative analysis of the hippocampus using images obtained from 7.0T MRI. Neuroimage 49(3):2134-40 (2010).
연구관심분야
- 해마
- 용적측정
- 신경계 질환
- 7.0T MRI
NRI에서의 인지 신경과학은 MRI 장비를 이용한 fMRI(functional magnetic resonance imaging)기법을 기반으로 한다.
fMRI(기능적 자기 공명 영상) 기법은 1992년 세이지 오가와 박사를 포함한 의과학자들에 의해 개발되었고, 이후 뇌 기능 영상화 분야에서 주된 방법론으로 각광받기 시작하였다.
(Activation areas in the brain as a result of various stimuli - building or face)
1. 영상 스캐닝
일반적으로 fMRI 영상에서 얻어지는 신호를 BOLD(blood oxygen level dependent) 신호라고 한다.
fMRI 신호는 혈중 OxyHb(산소헤모글로빈)의 양에 의해 결정되는데 fMRI 기법을 이용한 인지 신경과학은 뇌 활동 정도와 혈중 OxyHb 양의 상관관계를 기반으로 한다.
즉, 어떤 과제나 자극에 의해 특정 뇌 영역의 fMRI 신호가 높게 나타난다면 그 영역과 과제는 서로 관련이 있다고 알려져 있다.
2. 데이터 분석
A. 영상 데이터 분석에 사용되는 보편적인 장비를 SPM과 브레인보이저(brainvoyager)이며, 이것은 뇌의 활성 부위만을 나타낸다.
측정된 fMRI 데이터에서 뇌 활성화 특성을 파악하기 위해서 다양한 프로그램이 사용되고 있다. NRI에서는 SPM(Statistical Prameter Mapping) 이나 Brainvoyager 프로그램을 이용하여 뇌 활성화 영역이나 뇌 활성화 신호의 특성을 관찰하고 있다.

모든 fMRI 신호 처리 프로그램의 작동은 크게 두가지 단계로 나눠져 있다.
첫번째 단계에서는 데이터의 전처리 이며 영상의 움직임 보정을 위한 영상 재정렬 작업과 데이터의 일반화를 위한 공간 정상화 작업, 그리고 영상의 신호특성 향상을 위한 영상 스무딩 작업 등으로 나눠져 있다.
두번째 단계에서는 첫번째 단계에서의 전처리 작업을 마친 데이터와 실험 내용을 바탕으로 활성화 특성을 통계추론하는 단계이며 이 단계에서는 다양한 통계기법이 동원된다.
그림1. 시각 자극에 의한 레티노토피(Retinotopy) 영상 결과
그림2. 안면 부위의 팽창 영상 분석 / 인지 구축
3. 초 고자장 7.0T MRI에 적용된 새로운 방법
7.0T MRI를 사용하여 fMRI 실험을 행한 후 그 결과를 일반 3.0T MRI 를 기반으로 한 스캐닝 결과와 비교해 보았다.
fMRI실험은 시각 실험 중 하나이며, 피험자에게 얼굴과 풍경 영상을 보여 주고 난 다음 그에 따른 뇌 활성화 영역의 차이를 관찰 하였다. 실험 분석 결과를 바탕으로 방추상회의 얼굴인식 영역 (FFA)와 해마옆이랑 건물인식 영역(PPA)의 두 가지 뇌의 특정 부위에 초점을 맞추었다.
3T의 결과와 7T의 결과 모두 활성화 영역은 유사하였으나 BOLD신호의 크기는 7T가 3T에서보다 훨씬 높은 신호대비를 보여 주었다.
그림3. 실험자극과 그에 따른 뇌 활성화 영역을 보여 주고 있으며 얼굴의 자극에 따른 FFA영역 활성화 특성을 보여 주고 있다. 그림4. 실험자극과 그에 따른 뇌 활성화 영역을 보여 주고 있으며 풍경 자극에 따른 PPA영역의 활성화 특성을 보여 주고 있다.
그림5. 그림 3과 4에서의 FFA영역에서의 3.0T와 7,0T의 BOLD 신호 강도를 비교한 그림이다. 그림6. 그림 3과 4에서의 PPA영역에서의 3.0T와 7,0T의 BOLD 신호 강도를 비교한 그림이다. 그림에서 보는 바와 같이 7.0T의 강도는 3.0T보다 더 크게 나타나며 이것은 자기장이 높을수록 fMRI 신호의 대비 특성도 향상됨을 간접적으로 보여주고 있다.
참고문헌
- Ogawa S, Tank DW, Menon R, Ellermann JM, Kim SG, Merkle H, Ugurbil K. Intrinsic signal changes accompanying sensory stimulation: functional brain mapping with magnetic resonance imaging. Proc Natl Acad Sci USA 1992;89:5951-5.

- Yoon, H.W., Chung, J.Y., Oh, J-H., Min, H-K., Kim, D-J., Cheon, Y., Joe, K.H., Kim, Y.B., Cho, Z.H. (2009) Differential activation of face memory encoding tasks in alcohol-dependent patients compared to healthy persons: an fMRI study, Neuroscience Letters, 450; 311-316

- Chung, J.Y., Yoon, H.W., Kim, Y.B., Park, H.W., Cho, Z.H. (2009) Susceptibility Compensated fMRI Study Using a Tailored RF Echo Planar Imaging Sequence, Journal of Magnetic Resonance Imaging, ;29(1):221-228.
관심연구분야
- 고차원 시각 체계와 반사회적 행동에 대한 연구
- 음악과 뇌에 관한 연구
- 모토 피질과 뇌 기능에 관한 연구
- 언어에 관련된 뇌기능에 관한 연구
그림1. 멀티모드 분자생물학적 영상 연구. 7.0T MRI를 통해 동물 모델의 해부학적 영상을 얻을 수 있으며 마이크로PET을 이용해 뇌의 전반적인 에너지 소비나 다양한 신경전달물질 수용체를 영상화 할 수 있다. 또한 WINCS를 이용하여 여러 신경전달물질들을 직접 측정 할 수 있다.
동물 모델에서의 뇌기능 연구를 위한 다양한 영상기기
(1) 마이크로PET 영상
그림2. [F-18]FDG: 뇌에서의 포도당 대사 영상
그림3. [C-11]Raclopride: 도파민 D2 수용체 영상
그림4. 마이크로PET/CT 혼합 영상
(2) 마이크로MRI 영상
그림5. 7.0T MRI 영상
미국 메이오 클리닉과의 공동 연구: 무선 신경전달물질 순간농도 시스템(WINCS, Wireless Instantaneous Neurotransmitter Concentration System)과 전기화학 (고정 전위 전류측정과 고속스캔 순환 전압전류법; Fixed Potential Amperometry and Fast-Scan Cyclic Voltammetry)
최근 특정 중추신경의 활성을 조절함으로써 뇌심부 자극법(DBS, deep brain stimulation)과 뇌운동피질 자극술(motor cortex stimulation)의 임상적 효과에 도움을 줄 수 있다는 가설을 뒷받침하는 새로운 증거들이 제시되고 있다.
뇌의 목표부위의 신경 화학적 결과를 실시간으로 관찰하는 것은 새로운 신경전달물질의 규명과 기전의 이해, 전기자극을 위한 전극의 위치 결정 등에 도움을 줌으로써 뇌수술의 발전에 기여 할 수 있을 것이다.
FDA의 의학 전기 장비 안전 기준에 따라 고안된 무선 신경전달물질 순간농도 시스템(WINCS)은 폴리아크릴로나이트릴에 기본한(T-650) 탄소섬유 미세전극에 순환 전압을 걸어주고 전류변화를 측정함으로써 생체 내에서 전기 자극에 의해 일어나는 아데노신과 도파민과 같은 신경전달물질의 순간적인 농도 변화를 동시에 관찰 할 수 있다.
실제로 우레탄으로 마취된 쥐의 배쪽 피개부(ventral tegmental area)와 흑질(substantia nigra)을 고주파로 자극했을 때 등쪽 미상 피각(dorsomedial caudate putamen)에서 아데노신과 도파민의 방출되는 것을 WINCS를 통해 볼 수 있다. 아데노신은 +1.0V와 +1.5V에서 최고 산화 전류를 나타내며 도파민의 경우에는 +0.6V에서 산화되고 -0.2V에서 환원되는 특징을 가지고 있다.
WINCS는 신경전달물질마다 고유의 산화·환원 패턴으로 인해 나타나는 전류 변화를 1초에 10번 이상 스캔함과 동시에 그 농도를 측정함으로써 뇌에서의 순간적인 신경전달 물질의 방출과 감소를 즉석에서 관찰할 수 있으며 이는 뇌심부 자극법 등의 임상적 응용에 큰 역할을 할 수 있을 것이다.
참고문헌
- Neural responses of rats in the forced swimming test: [F-18]FDG micro PET study. Jang DP, Lee SH, Lee SY, Park CW, Cho ZH, Kim YB. Behav Brain Res. 2009 Apr 24. [Epub ahead of print]

- Effects of fluoxetine on the rat brain in the forced swimming test: a [F-18]FDG micro-PET imaging study. Jang DP, Lee SH, Park CW, Lee SY, Kim YB, Cho ZH. Neurosci Lett. 2009 Feb 13;451(1):60-4.

- Neural responses in rat brain during acute immobilization stress: a [F-18]FDG micro PET imaging study. Sung KK, Jang DP, Lee S, Kim M, Lee SY, Kim YB, Park CW, Cho ZH. Neuroimage. 2009 Feb 1;44(3):1074-80.

- Evolution of Deep Brain Stimulation: Human Electrometer and Smart Devices Supporting the Next Generation of Therapy. Kendall H. Lee, Charles D. Blaha, Paul A. Garris, Pedram Mohseni, April E. Horne, Kevin E. Bennet, Filippo Agnesi, Jonathan M. Bledsoe, Deranda B. Lester, Chris Kimble, Hoon-Ki Min, Young-Bo Kim, Zang-Hee Cho. Neuromodulation 12:2,77-170
연구관심분야
- 분자 영상
- 기능적 뇌영상
- 파킨슨병
- 통증 기전
- 신경기능조절
- 신경전달물질
고주파 코일은 B1 MRI의 주요 구성요소로써 자기장을 형성하고 스핀 완화 신호를 받아들인다.
NRI에 있어서 우리의 역할은 고주파 코일의 모양과 고해상도 영상의 상호작용을 개발하고 최적화하는 것이다.
1. 위상 정렬 코일
위상 배열 코일은 체적 코일에 비해 높은 SNR을 제공하고, 평행 영상기법을 가능하기 때문에 많은 용도로 사용된다.
이 수신전용 코일은 자기공명신호를 동시에 수신하는 각각의 독립적인 표면 코일들의 배열로 이루어진다. 이러한 코일의 구성은 체적 코일보다 우수한 감도를 갖는다. 인접한 코일들 사이의 간섭은 코일배치를 최적화하여 최소화하였다.
또한 저 입력 전치증폭기와 코일 사이에 1/4 파장의 전송선로를 배치해서 표면 코일 사이의 간섭을 더욱 줄일 수 있다.
그림1. 8-채널. 배열 코일
그림2. 12-채널 배열 코일
그림3. 8-채널 및 12-채널 배열 코일의 S-I방향을 따라 균일성의 비교
그림4. 16-채널 배열 코일
그림5. 32-채널 배열 코일
TR 스위치 & 전력 분배기
TR 스위치와 전력분배기는 코일을 MRI시스템에 연결하는 주요 구성요소이다.
그림6. TR switch and power divider used for the multichannel TR/Rx coil 멀티채널 TR/Rx 코일의 전원 분리를 위한 TR 스위치
그림7. Multichannel Tx/Rx coil using Passive Divider Network: 8-channel and 16-channel Passive Divider Network를 이용한 멀티채널 Tx/Rx 코일: 8채널과 16채널
관심연구분야
- 다중 채널 Tx/Rx 코일
- 다중 채널 위상정렬코일
- T/R 전환
- 전력 분배기
사이클로트론 시설
기계와 장비 목록은 아래와 같음 :
1. 11 MeV CTI-SIEMENS 이중 빔 사이클로트론 (이중 빔으로 2시간 후의 7 Ci)
2. 분배/미니/연구 핫셀
3. FDG 완전 자동 합성 모듈 (Explora FDG4, SIEMENS)
4. HPLC 정체를 포함한 F-18/C-11 다목적 방사성의약품 합성 시스템
5. C-11 MeI 합성 모듈 (Explora MeI, SIEMENS)

방사성의약품의 품질관리를 위한 다수의 장비
(HPLC, GC, radio-TLC, etc.)
그림1. 11 MeV 사이클로트론(왼쪽)과 FDG 자동 합성기(오른쪽)
방사성 동위원소
방사핵은 들뜬 에너지를 가지는 불안정한 핵으로 된 원자이다.
이 들뜬 에너지는 핵 안에서 새로 생성된 방사선 입자 또는 원자내 전자에 부여될 수 있는 것이다. 이 과정에서 방사성동위원소는 방사능 붕괴를 거치고 감마선 그리고/또는 아원자 입자를 방사한다.
이 입자들은 이온화 방사선을 이룬다. 방사핵은 자연적으로 발생할 수 있지만 인공적으로 생산될 수도 있다.
방사핵은 우리에게 음식, 물, 건강을 제공하는 기술력에 있어 중요한 역할을 담당한다. 또한, 분자 영상이 주목 받고 있는 전임상, 임상 연구에 매우 유용한 도구로써 사용되고 있다.
방사성 의약품 (또는 방사성추적자)
방사성의약품은 단반감기 방사성동위원소(18F, 11C, 99mTc, 123I)로 표지된, 주로 생물학적으로 활성화된 물질(예: 효소기질, 수용체 리간드, 나노입자 등)로 정의된다.
아래의 4개의 대표적인 방사성의약품은 현재 통상적으로 NRI의 전임상시험과 임상시험에 사용된다.

- [18F]FDG
가장 보편적인 방사성의약품으로써는 혈장 체내 포도당 이용률을 반영하기 때문에 다양한 영상진단과 기초 연구에 사용돼 왔다.
- [18F]FDDNP
이것은 알츠하이머병 영상에 유용한 방사성추적자 중 하나이며, 체내 노인성반점 농도와 AD의 섬유농축제에 나타난다.
- [11C]PIB
가장 널리 사용되는 아밀로이드의 PET 추적자는 알츠하이머형 치매의 뇌에 적재한다.
- [11C]Raclopride
이 추적자는 생체내 뇌의 도파민 수용체 점유를 측정하는데 사용될 수 있으며, 이것은 신경과학자들이 다양한 생체내 뇌질환과 정신의약품 효과를 연구하는데 도움을 준다.
그림2. 다목적 연구 모듈 시스템 (왼쪽), 이 시스템의 상세도 (가운데와 오른쪽)
그림3. 제어회로 상세도
연구결과
1. 임상전 연구와 임상 연구를 위한 방사성의약품 제공.
2. 18F와 11C 표지 화합물을 위한 방사성추적자 합성 시스템 개발
3. 대단위 방사성추적자 생산을 위한 새로운 합성 방법 개발
4. 알츠하이머병 영상을 위한 새로운 방사성추적자 개발
관심연구분야
- 아데노신 수용체 특이적 영상 프로브 개발
- 차세대 알츠하이머병 영상 추적자 개발
- 대단위 방사성의약품 생산을 위한 고효율 방사능표지 모듈 개발