자기공명분광영상 분석 프로그램 개발

Abstract

Introduction: Proton magnetic spectroscopy (1H-MRS) can provide biochemical information on in vivo brain metabolite concentrations. 1H-MRS acquires magnetic resonance signal either from one voxel (single voxel spectroscopy) or from multiple voxels (multi-voxel spectroscopy). Magnetic resonance spectroscopic imaging (MRSI), a multi-voxel spectroscopy method, can provide comprehensive information on alteration of brain metabolites from whole-brain-wise voxel data, although it requires a computerized tool to analyze large-scale voxel data. The existing MRS analysis software tends to focus on pre-processing and quantitation of spectra, but they generally do not provide features developed for the interpretation and processing of large-scale MRSI voxel data. In the current study, an in-house MRSI analysis software that can efficiently process large-scale voxel data was developed and tested using MRSI data from patients with post-traumatic stress disorder (PTSD). Method: Demographic and clinical information as well as magnetic resonance imaging (MRI) and MRSI data were collected from 10 patients with PTSD and 12 age- and sex-matched healthy control (HC) participants. After using LCModel (Linear Combination of Model) for pre-processing and fitting of the MRSI spectra, the in-house software was used to perform the following steps: (1) to create an MRSI slab image to visualize the region of interest, (2) to create an MRSI slab mask image that includes only valid voxels through voxel quality check, and (3) to calculate the average chemical concentration of each metabolite in consideration of partial volume effect. Results: A series of two-tailed independent-samples t-tests were performed to compare the average chemical concentrations between the PTSD and HC groups. The myo-inositol concentration was higher in PTSD than in HC. However, the difference was not significant in the linear regression model which took into account the effect of the number of MRSI voxels included in the analysis. Pearson correlations between the PTSD symptom severity and average chemical concentrations were not significant. However, a third-order polynomial correlation was found between the current CAPS-5 total score and choline concentration. Conclusion: The MRSI analysis software developed in this study has the following advantages: (1) it provides a platform-independent execution environment, as it is written by C++ and Qt framework; (2) it does not require additional system configurations; (3) it provides a supplement to the existing MRS analysis software by providing MRSI slab image visualization and basic statistical tools. Although the clinical implication of the results in the current study did not clearly explained, the in-house software did prove its ability to efficiently analyze large-scale, whole-brain-wise voxel data. With further implementation of visualization and statistical tools, this MRSI analysis software may become a much more useful tool for MRSI data analysis.;서론: 수소자기공명분광법(proton magnetic resonance spectroscopy, 1H-MRS)은 체내 대사물질의 농도에 대한 생화학적 정보를 제공하는 기술로, 단일 복셀(단위용적기법) 또는 동시에 여러 개의 복셀(다용적기법)에서 자기공명신호를 획득할 수 있다. 자기공명분광영상법(magnetic resonance spectroscopic imaging, MRSI)은 다용적기법에 속하는 기술로, 대뇌 전체(whole brain)에서 신호를 획득하여 뇌 대사물질 변이에 대한 포괄적인 정보를 획득할 수 있다는 장점이 있으나 방대한 양의 데이터를 분석하기 위해서는 전산화 도구가 필수적이다. 현재 사용되고 있는 MRS 분석 소프트웨어는 스펙트럼의 전처리와 정량 분석 기능 위주이며, 획득한 다량의 복셀 정보를 이해하고 처리하는 기능은 미흡하다. 따라서 본 연구는 후자에 중점을 둔 MRSI 분석 프로그램을 개발하고 외상후스트레스장애군을 대상으로 획득한 데이터를 이용하여 소프트웨어의 효용성을 확인하고자 하였다. 방법: 외상후스트레스장애군 10명과 성별과 연령을 매칭한 정상대조군 12명을 대상으로 인구학적 정보, 임상적 평가, 뇌 자기공명영상 및 자기공명분광영상을 획득하였다. LCModel(Linear Combination of Model)을 이용하여 MRSI 스펙트라의 전처리와 정량 분석을 진행한 후, 인하우스 분석 프로그램을 이용하여 (1) MRSI 슬랩(slab) 영상을 획득하여 관심영역을 확인하고 (2) 복셀품질확인(voxel quality check)을 통해 유용한 정보를 가지고 있는 복셀만을 포함하는 마스크 영상을 생성하고 (3) 부분용적효과(partial volume effect)을 고려하여 각 대사물질의 평균 화학적 농도를 계산하였다. 결과: 독립표본 t-검정으로 대사물질의 평균 화학적 농도를 군간 비교한 결과, 마이오이노시톨(myo-Inositol) 농도가 외상후스트레스장애군에서 정상대조군보다 높았다. 그러나 분석에 포함된 복셀 수의 효과를 고려한 선형회귀분석에서는 군간 차이가 통계적으로 유의하지 않았다. 또한, 외상후스트레스장애 증상 심각도와 대사물질 농도 간의 피어슨 상관계수를 계산한 결과, 유의한 선형상관관계는 보이지 않았다. 그러나 현재 CAPS-5(Clinician-Administered PTSD Scale-5) 총점과 콜린(choline) 농도 간에는 3차다항선형관계가 있는 것으로 나타났다. 결론: 본 연구에서 개발한 MRSI 분석 프로그램은 (1) C++과 Qt 프레임워크 기반으로 개발하여 플랫폼 독립적인 실행 환경을 가지고 (2) 사용에 앞서 별도의 시스템 설정이 필요 없으며 (3) 슬랩 영상 시각화 및 기초적인 통계 도구를 제공하여 기존 소프트웨어의 기능을 보완한다는 장점을 가진다. 본 연구결과의 임상적 의미는 명확하게 설명되지 않으나, 개발한 분석 프로그램을 이용하여 대뇌 전체에서 획득한 다량의 데이터를 효율적으로 분석할 수 있었다. 추후 시각화 및 통계 도구 추가 등 보완이 이루어진다면 보다 유용한 MRSI 분석 도구로 사용될 수 있을 것이다.