Echo Planar Imaging (EPI) sequence is widely used for various applications which require very fast imaging time such as functional magnetic resonance imaging (fMRI), diffusion-weighted imaging (DWI) and cardiac imaging. In spite of its fast imaging capability, EPI has its limitations in application areas due to two major artifacts of Nyquist ghost artifact and geometric distortion. In order to correct the Nyquist artifact and the geometric distortion, several methods including linear and nonlinear correction methods were developed. Since distortions of the individual echo signal are not considered in the linear correction methods, the ghosts are not properly suppressed especially in high-field MRI, and thus the nonlinear methods are preferred instead. In the nonlinear methods, however, phase errors at certain pixels along the readout (RO) gradient direction may cause streak artifacts. This thesis analyzes the streak artifacts in the gradient-echo (GRE)-EPI images corrected with nonlinear methods, and proposes an artifact correction method that can correct the Nyquist ghost artifact and geometric distortion without causing the streak artifacts in the GRE-EPI. The experimental results confirm that the correction method based on a spin-echo (SE)-EPI reference scan eliminates the N/2 ghost artifact and the streak artifact, even in the presence of moderate field inhomogeneities. In addition, the proposed method corrects the geometric distortion and shows a superior quality improvement compared to Buonocore's method and Heid’s method.
This thesis includes a practical application of the proposed correction method to the simultaneous fMRI and electroencephalography (EEG) measurement for investigating voluntary and inhibited eye blinking.
초고속 자기 공명 영상기법인 Echo Planar Imaging (EPI)은 뇌기능 자기공명 영상기법 (fMRI), 백질 섬유조직의 위치와 방향을 알아보는 DTI (Diffusion Tensor Imaging) 영상기법, 심장 기능 측정 영상기법, DWI (Diffusion Weighted Image) 영상기법, PWI (Perfusion Weighted Image)등에 사용된다. EPI 영상기법은 Echo 신호를 얻는 방법에 따라 Spin Echo와 Gradient Echo 두 가지 형태를 가진다. 일반적으로 Gradient Echo 형태의 EPI 영상기법은 fMRI, Cardiac 영상을 획득하는데 사용되고, Spin Echo 형태의 EPI 영상기법은 DTI 영상, DWI 영상, PWI 영상 등을 획득하는데 사용된다. EPI 영상기법은 초고속으로 신호를 획득하기 위한 목적으로 인하여 Hardware의 한계치까지 사용되어야 하는 특성을 가진다. 또한, Single-Shot으로 신호를 획득하기 때문에 주자장의 균일성, 자화율의 변화, 화학적 전이 등에 아주 민감한 성질도 가지고 있다. 이러한 한계와 성질 때문에 여러 가지 인공물 (Nyquist Ghost, Geometric Distortion)들이 최종 재구성된 영상에서 발생하는 현상이 나타난다.
초고속 EPI 영상기법에 내재되어 있는 인공물들을 제거하는 보정방법에는 크게 선형 위상 보정방법과 비선형 위상 보정방법으로 분류 할 수 있다. 선형 위상 보정방법에는 Heid가 제안한 기준 정보를 이용하기 위하여 부수적으로 획득한 Navigator Echo 신호를 이용하여 위상을 구한 이후, 이를 바탕으로 구해진 위상을 기본으로 획득한 신호에 보정하는 방법과, Buonocore가 제안한 우수 (짝수, Even)와 기수 (홀수, Odd)의 신호를 각각 도출하여 영상을 재구성한 이후, 이들의 2차원 위상 영상을 만들어 한 줄을 선택하고 이를 이용하여 전체 신호에 적용하여 보정하는 방법이 있으며, 이 두 가지가 가장 널리 사용된다. 비선형 위상 보정방법은 위상 경사자장을 제거한 EPI 영상기법으로 획득된 부수적인 기준 정보 신호의 위상을 가지고 위상 경사자장을 인가하는 EPI 영상기법으로 획득한 신호의 하나하나의 표본화점을 보정하는 방법이다. 이러한 비선형 위상 보정방법은 선형 위상 보정방법에 비하여 다수의 정보를 가지고 있기 때문에 초고속 EPI 영상기법에서 발생되는 인공물들을 더욱 효과적으로 제거 할 수 있는 특성이 있다. 하지만, 비선형 위상 보정방법을 적용하였을 경우 Gradient Echo 형태의 EPI 영상기법에서는 임의의 단면에서 획득된 여러 Echo 신호가 주자장의 균일성, 자화율의 변화에 의해 각각의 Echo 신호의 위상 분산 (Dephase) 되는 정도가 다르게 된다. 이러한 Echo 신호의 위상 분산으로 인하여 Streak Artifact가 발생된다. 즉, Streak Artifact는 비선형 위상 보정방법으로 Gradient Echo 형태의 EPI 영상을 재구성 하였을 경우에만 발생되고, 획득한 모든 단면에서 발생되는 것이 아니라 임의의 단면에서만 발생된다. 그 뿐만 아니라, 주자장의 균일도의 차이에 따라 단면에서의 Streak Artifact가 발생되는 위치도 달라지게 된다. 그러므로, 이러한 Streak Artifact를 제거하기 위해서 Echo 신호의 위상 분산을 막아주는 방법을 사용하는 것이 적합하다. 야기되는 Echo 신호의 위상분산을 막기 위해서 위상 경사자장을 제거한 Spin Echo 형태의 EPI 영상기법으로 기준 정보 신호를 부수적으로 획득한 다음, 위상 경사자장을 인가한 Gradient Echo 형태의 EPI 영상기법으로 획득한 신호에 미리 구해 놓은 Spin Echo 형태의 EPI 영상기법으로 획득된 부수적인 기준 정보 신호의 위상을 적용하여 보정하면 된다. 위상 경사자장을 제거한 Spin Echo 형태의 EPI 영상기법을 사용할 수 있다는 당위성을 증명하기 위해 상수 (Constant) 의 위상을 더해 주어 최종 재구성된 영상에서 변화가 없음을 보이는 것도 중요하다. 이러한 상수를 부가하는 위상 보정 방법은 비선형 위상 보정 방법을 사용하는 모든 다른 영상기법에도 적용될 수 있음도 역시 보였다. Gradient Echo 형태의 EPI 영상기법으로 비선형 위상 보정방법을 사용할 경우 발생되는 Streak Artifact의 원인을 분석하고, 규명함으로써 이를 보정하는 방법을 제시하였다. 본 보정방법은 Streak Artifact 이외에도 Nyquist Ghost와 Geometric Distortion 인공물도 동시에 제거함으로써 획득된 모든 단면 영상들이 안정적으로 재구성할 수 있다. 이러한 보정방법을 fMRI 응용 연구에 적용한 사례를 보였다. fMRI와 EEG의 연동 실험을 통한 응용연구에 작용하여 본 보정방법의 유용성을 검증하였다.
