T1, T2, and complex permittivities of hydrogels, paramagnetic salt solutions, and oils at 0.35, 1.5, and 3 Tesla

기술 요약: 0.35, 1.5, 및 3 Tesla에서 하이드로젤, 상자성 염 용액, 그리고 오일의 T1, T2 및 복소 유전율

문제 정의
자기공명영상(MRI) 품질 보증(QA)은 시스템 성능을 검증하기 위해 팬텀에 크게 의존한다. 상용 팬텀이 존재하지만, 예산이 한정된 시설에서는 비용 부담이 클 수 있으므로 직접 제작한 대안을 사용해야 할 필요가 있다. 효과적인 팬텀을 설계하려면 임상 라모어 주파수에서의 재료 이완 시간($T_1$, $T_2$)과 복소 유전율(유전 강도 및 전기 전도도)에 대한 정밀한 지식이 필요하다. 그러나 기존 문헌은 1.5 T 및 3 T 임상 시스템의 광범위한 도입보다 앞선 시기의 데이터를 다루거나, 신흥 자기장 세기인 0.35 T(MRI 유도 방사선 치료에 사용됨) 및 7 T(고자기장)에 대한 데이터가 부족한 경우가 많다. 또한, 자기장 세기가 증가함에 따라 이완 시간이 항상 증가할 것이라는 가정(예: $T_1$은 항상 상승함)이 모든 팬텀 구성 성분에 대해 성립하지 않을 수 있다. 본 연구는 일반적인 팬텀 재료에 대한 포괄적인 다중 자기장 세기 데이터의 공백을 메우고자 한다.

연구 방법론
저자들은 하이드로젤, 상자성 전해질, 오일의 세 가지 범주에 대한 $T_1$, $T_2$ 및 복소 유전율을 측정하였다. 측정은 21°C에서 0.35 T (ViewRay MRIdian), 1.5 T (Philips Ingenia), 3 T (Siemens mMR)의 세 가지 자기장 세기에서 수행되었다.

• 이완 측정: $T_1$은 가변적 반전 시간(inversion times)을 사용하는 반전 회복(IR) 에코 평면 영상(EPI) 시퀀스를 사용하여 결정되었다. $T_2$는 Carr–Purcell–Meiboom–Gill (CPMG) 다중 스핀 에코 시퀀스를 사용하여 측정되었다. 데이터는 이완율($R_1$, $R_2$)과 완화도($r_1$, $r_2$)를 추출하기 위해 3-파라미터 비선형 모델에 피팅되었다.
• 유전율 측정: 복소 유전율은 임피던스 분석기에 연결된 동축 유전체 프로브를 사용하여 측정되었다 (14 MHz ~ 1 GHz). 정적 유전 상수($\varepsilon_s$)와 정적 전기 전도도($\sigma_s$)는 Cole-Cole 완화 모델에 데이터를 피팅하여 도출되었다. DC 전도도는 독립적으로 별도 측정되었다.
• 테스트된 재료:
  • 하이드로젤: Miller's LB agar, gelatin, polyethylene glycol (PEG), polyvinyl alcohol (PVA), polyvinylpyrrolidone (PVP), sodium alginate, sodium polyacrylate, 그리고 xanthan gum.
  • 상자성 전해질: 황산구리($CuSO_4$), 염화니켈($NiCl_2$), 질산망간($Mn(NO_3)_2$)의 수용액.
  • 오일: 카놀라, 피마자(castor), 그리고 씨드(grapeseed) 오일.
• 데이터 처리: $T_1$ 값은 0.55 T를 위해 보간되었고, 7 T를 위해 멱법칙 모델($T_1(B_0) = A \cdot B_0^C$)을 사용하여 외삽되었다. 완화도 및 유전율에 대한 선형 피팅은 농도에 따라 생성되었다.

주요 결과
본 연구는 다양한 농도와 자기장 세기에 걸친 $T_1$, $T_2$, 유전율에 관한 광범한 데이터셋(표 3–15)을 생성하였다.

• 자기장 세기 의존성: $T_1$이 자기장 세기에 따라 증가한다는 일반적인 가정과 달리, 본 연구에서는 $NiCl_2$의 $T_1$이 자기장 증가에 따라 상승하지 않음을 관찰하였다. 또한, PEG, PVA, sodium polyacrylate, 그리고 $Mn(NO_3)_2$의 경우 자기장 세기가 증가함에 따라 $T_2$가 감소한 반면, $CuSO_4$의 경우 $T_2$가 증가하였다.
• 완화도(Relaxivities):
  • $T_1$ 완화도($r_1$)는 PEG와 PVP에서 일정하게 유지되었으나, $NiCl_2$에서는 상승하였다.
  • $T_2$ 완화도($r_2$)는 일반적으로 자기장 세기에 따라 일정하거나 상승하였으나, $CuSO_4$에서는 감소하였다.
  • $Mn(NO_3)_2$는 테스트된 모든 상자성 샘플 중 가장 높은 완화도를 나타냈다.
• 하이드로젤 성능:
  • 까다로운 재료: Sodium polyacrylate, PVP, 그리고 PEG 하이드로젤은 균질하게 제조하기 어려운 것으로 나타났으며, 이는 이완율의 높은 분산을 초래했다. PEG와 PVP의 전도도는 농도에 따라 상승하지 않았다.
  • 실행 가능한 후보: Sodium alginate, Miller's LB agar, 그리고 xanthan gum은 팬텀 생성에 좋은 특성을 보여주었으나, 생물학적 성장에 취약하다.
  • 유전 특성: 대부분의 하이드로젤과 상자성 용액은 물과 유사하게 높은 정적 유전 상수($\varepsilon_s \approx 70$)를 유지하였다. PVP는 예외였으며, $\varepsilon_s$를 40 미만으로 낮출 수 있었다.
• 오일: 테스트된 세 가지 오일(카놀라, 피마자, 씨드 오일) 모두 낮은 정적 유전 상수($\varepsilon_s < 10$)와 낮은 전도도를 나타내어, 유전 아티팩트가 우려되는 고자기장 응용 분야에 적합하다.
• 전도도: 정적 전기 전도도는 Miller's LB agar, gelatin, PVA, sodium alginate, sodium polyacrylate, xanthan gum, 그리고 상자성 염에서 농도에 따라 일반적으로 상승하였다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구를 농도와 자기장 세기(0.35 T ~ 7 T) 모두에 대한 팬텀 재료의 변화를 다루는 독특한 자원으로 규정한다. 이 연구는 $T_1$이 자기장 세기에 따라 보편적으로 상승하지 않는다는 점을 명시하며 기존의 가설에 도전한다. 또한 완화도 거동은 재료에 따라 달라짐을 강조한다.

본 논문은 다음과 같은 팬텀 제작에 대한 실질적인 권장 사항으로 결론을 맺는다:

1. 재료 선택: 하이드로젤 기반 팬텀에는 sodium algina, Miller's LB agar, xanthan gum을 권장하며, 저유전, 고자기장 응용 분야에는 오일을 권장한다.
2. 안전성 및 안정성: 상자성 전해질은 높은 완화도를 제공하고 항균 특성이 있지만, 저자들은 그 독성($Mn^{2+}$의 신경 독성, $Cu^{2+}$ 및 $Ni^{2+}$의 발암성)과 부식성에 대해 주의를 준다. 수명 측면에서는 합성 폴리머가 유기물보다 선호되지만, 하이드로젤은 일반적으로 오일이나 전해질에 비해 수명이 짧다(< 3개월).
3. 한계점: 본 연구는 단일 성분(오일) 또는 이중 성분(물 + 겔/전해질) 재료로 제한된다. 저자들은 일부 하이드로젤의 불균질성이 일관된 팬텀을 생성하는 데 여전히 과제로 남아 있다고 언급하였다.

종합적으로, 이 논문은 광범한 임상 및 연구용 자기장 세기 범위에서 품질 보증을 위한 MRI 팬텀을 설계하는 연구자들에게 기초적인 데이터셋을 제공한다.