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Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery 1997;40(9): 1293-1298. |
| Olfactory Functional MRI Using Echo Planar Imaging Methods. |
| Chong Nahm Kim, Ji Ae Lee, Moon Hee Chang, Seoung Yong Chung, Eun Chul Chung |
1Department of Otolaryngology, College of Medicine, Ewha Womans University, Seoul, Korea.
2Department of Radiology, College of Medicine, Kangbuk Samsung Hospital, Seoul, Korea. |
| Echo Planar Imaging기법을 이용한 후각의 기능적 자기공명 영상 |
| 김종남1 · 이지애1 · 장문희1 · 정승용1 · 정은철2 |
| 이화여자대학교 의과대학 이비인후과학교실1;강북삼성병원 방사선과학교실2; |
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| ABSTRACT |
BACKGROUND:
Various olfactory tests have already been proposed in order to clinically assess the olfactory function, for example, UPSIT, T & T olfactometer, CCCRC test, GITU, IV olfaction test. At recent, electro-olfactogram(EOG), olfactorhinometry, olfactory evoked potential, contingent negative variation was tried as the objective olfactory test.
OBJECTIVES:
We use the functional imaging of MRI which affords the potential for exploring regional pathophysiologic change in living brain as an olfactory function test.
MATERIALS AND METHODS:
Functional MRI scans of the brain were performed on 5 healthy subjects and 3 patients with olfactory dysfunction. 2 of the patients were diagnosed Parkinson's disease and the other one had basal skull fracture. Then, all subjects were performed CCCRC test.
RESULT: 6 of 8 subjects showed significant region of activation in olfactory bulb and tract. Additional region of activation were also observed in amygdala and parahippocampus. Average activation ratio was 3.42+/-2.37%.
CONCLUSION:
These studies indicate that functional MRI have many limitations but it may be used to evaluate olfactory dysfunction and predict prognosis. |
| Keywords:
Olfaction testㆍFunctional MRI |
서론
후각은 사람에서는 그 중요성이 상대적으로 떨어지나, 쾌적감의 인지, 식욕에 관계되며 미각성 후각 기능을 가지고 있고 위험한 환경(유독가스, 화재) 등에 대한 방어기전 역할을 담당하고 있다. 후각장애는 이비인후과 영역에서 흔한 증상 중의 하나이며 미국의 경우 전체 인구의 89%가 후각장애를 경험했고 전 인구의 7%정도인 약1600만명이 후각장애를 호소하고 있다는 보고가 있으나1) 우리나라에서는 아직까지 통계적 보고는 없다.
후각기능의 검사는 1800년대부터 다양한 방법이 시도되었으나 어느 한가지만으로는 완벽하지 못한 상태이며 주로 검지역치와 인지정도를 측정하고 있는데 UPSIT2), T & T olfactometer를 이용한 검지 및 인지역치검사, CCCRC test3), 정맥성 후각검사 등이 시행되고 있다. 특히 객관적인 검사법으로는 electro-olfactogram(EOG)4)5), olfactorhinometry, 후각유발검사6), contingent negative variation6) 등이 일부 시도되고 있을 뿐이었다. 국내에서는 T & T 후각검사7)8), 부탄올을 이용한 후각역치검사9)10)와 정맥성 후각검사 7)를 시행하여 보고된 바가 있으나 객관적 후각검사에 관해서는 보고된 바가 없다.
본 연구에서는 감각 자극을 받을 때 뇌에서 일어나는 생리적 변화를 이용하여 영상화하는 방법인 기능적 자기공명영상(functional MRI)을 이용하여 이를 객관적인 후각검사의 한 방법으로 시도하고자 하였다.
대상 및 방법
1. 대상
이화여자대학교 의과대학부속 동대문병원 이비인후과에서 진료한 자각적 후각장애가 없는 건강한 성인 5명을 정상 대조군으로 하였으며 연령은 28세에서 38세까지로 남자가 1명, 여자가 4명이었다. 환자군은 신경외과에서 진료한 주관적 후각장애를 호소하는 뇌기저부 골절환자 1명, 신경과에서 진료한 Parkinson’s disease 환자 2명을 대상으로 하였으며 연령은 32세에서 52세, 남자가 2명, 여자가 1명이었다.
2. 검사방법
1) 기능적 자기공명영상
기능적 영상은 대뇌의 횡단면으로 시행하였다. 횡단면 기능적 영상의 경우 정확한 영상단면의 위치를 결정하기 위하여 먼저 대뇌의 횡단면 T1-강조 영상을 얻은 후(TR/TE：450/16, 256×256 matrix, 10mm section thickness, 22cm field of view) 이를 해부학적 영상(anatomic image)으로 사용하였다. 이어서 동일한 단면에서 echo planar imaging(EPI) 영상기법을 이용하여 휴식상태(후각자극을 주지 않은 상태, rest cycle)와 활성상태(후각자극을 준 상태, activation cycle)를 번갈아 가며 각각의 상태에서 20개씩 총 80개의 연속적인 영상을 얻었다. 이때 EPI 영상기법의 조건은 128×128matrix, 10mm section thickness, 22cm field of view로 하였다. 후각 자극은 60cc의 0.146%의 부탄올용액이 들어 있는 250cc 폴리에틸렌 용기를 쥐어짜고(squeezing) 공기를 들이마시는 방법으로 하였으며 자극은 45초간 지속하였다. 이미 알려져 있는 소프트웨어11)를 이용하여 휴식상태 및 활성상태의 MR 영상에서 수학적 계산에 의하여 감산(subtraction)영상을 얻은 후 다시 이로부터 student t-test를 이용한 방법으로 noise을 제거하고, 또한 감산 영상에서 관심영역(region of interest,ROI)을 마우스로 지정하면 일련의 MR영상으로부터 동일 부위의 신호강도를 일괄 측정하여 줌으로써 휴식상태와 활성상태 사이의 신호강도 변화를 정량적인 자료로 제시하여 주게 된다. 마지막 단계로 시각적 효과를 높이기 위하여 noise가 제거된 활성화 신호를 색상처리하여 동일 부위에서 얻은 T1강조 해부학적 영상에 중첩시킴으로써 최종적인 기능적 영상을 얻었다.
얻어진 모든 기능적 영상에서 활성화 신호의 해부학적 위치를 이미 알려져 있는 후각피질 위치와 비교하였다. 휴식상태 및 활성상태간의 활성화 신호의 강도변화는 아래의 수식으로 percentage change of signal intensity(PCSI)를 계산하였다.
PCSI(%)＝활동상태의 평균 신호강도-휴식상태의 평균 신호강도/휴식상태의 평균 신호강도 × 100
분석내용은 활성화 영상신호가 발생하는 영역, 후각피질에서의 신호강도 상승여부, 신호강도 상승율(%), 신호강도의 순환적 변화여부를 평가하였다.
2) 후각역치검사
검사 대상자 모두에게 후각의 기능적 자기공명영상을 실시한 후 그 다음날에 후각역치검사를 시행하였다. 검사법은 Connecticut Chemosensory Clinical Research Center(CCCRC)3)에서 개발된 방법으로 n-butyl alcohol(1-butanol)을 사용하여 검사하였다.
250cc 폴리에틸렌 용기에 60cc 부탄올 희석액이 들어있는 검사용기와 같은 용기에 60cc의 탈이온수만이 들어 있는 control 용기를 피검자에게 주어 한쪽 코를 막고 다른쪽 코에 용기를 선택하여 쥐어짜고(squeezing) 공기를 들이마신 후 냄새가 나는 용기를 둘중 하나를 선택하게 하였다.
최고 농도의 검사용액을 4%, 0번으로 하고 이보다 낮은 농도는 3배씩 희석하여, 1은 1.33%, 2는 0.44%와 같이하여 0∼10번까지 4%∼6.7×10 -5%의 농도가 되게 하였다.
후각 순응을 피하기 위해 저농도인 희석농도에서부터 고농도 쪽으로 검사를 하였고 편견을 없애기 위해 control과 butanol 용기중 반드시 하나를 선택하게 하였다. 잘못 선택한 경우 한단계 위의 용액이 든 용기와 control 용기로 다시 시행하였다. 연속으로 4번 부탄올 용기를 맞추었을 때의 희석정도를 후각 역치로 산정하였다.
결과
1) 기능적 자기공명 영상
5명의 정상 대조군과 3명의 환자에서 기능적 영상을 얻었다. 총 8명중 6명(정상인 4명, 환자 2명)에서 후구 및 후신경로에서의 활성화 신호를 얻을 수 있었다. Amygdala 및 parahippocampus에서 활성화 신호를 보인 경우는 4명(정상인 3명과 Parkinsons disease 환자 1명)에서 있었으며 정상인 1명에서는 frontal lobe에서의 활성화 신호도 볼 수 있었다. 1명의 정상 대조군 및 1명의 Parkinson’s disease 환자에서는 활성화 신호를 볼 수 없었다.
신호강도는 마우스를 이용하여 활성화 신호가 나타난 영역을 관심영역으로 지정하여 측정하였다. 후각 연관 피질에서 활성화 신호가 나타난 부위의 신호강도는 휴식상태에 비하여 활성상태에서 주기적으로 증가하였으며 이 활성화 신호의 평균 PCSI는 3.42±2.37%로 의미있게 증가하였다.
2) 후각역치검사
정상 대조군에서의 후각역치검사의 평균은 우측 7.8, 좌측 7.5였으며 뇌기저부 골절 환자는 우측 0, 좌측 5로 나타났고 Parkinsonism 환자에서는 우측 5, 좌측 7의 소견을 보였다(Table 1).
3) 비교
대체로 증상과 후각역치검사의 결과가 일치하였으나, 정상인 1명은 정상보다 낮은 후각 역치를 보였으며(5, 6), 환자중 1명은 비교적 정상의 후각역치(6, 7)를 보였다(Table 1).
기능적 영상에서도 정상인중 비교적 낮은 후각역치를 보였던 사람에 있어서는 활성화 신호가 나타나지 않았으며, 환자군에서 비교적 정상 후각역치를 보였던 1명에서는 후구, 후신경로 및 amygdala, parahyppocampus 부위에서의 활성화 신호를 볼 수 있었다. 따라서, 대체로 후각 역치검사와 일치하는 소견을 보였다.
고찰
기능적 영상은 수의운동을 수행하거나, 감각자극을 받으면 생기는 뇌의 생리적 변화를 시각적으로 나타낸 것이라고 할 수 있다. 이런 기능적 영상을 얻는 방법으로 이전까지 양전자 방출 단층 촬영(PET)을 이용하였으나 최근에는 MRI를 이용한 연구가 주로 진행되고 있다.12)13)14)
MRI를 이용한 기능적 영상은 PET에 비하여 영상의 공간 분해능이 뛰어나며, 인체내에 방사성 동위원소나 조영제의 사용이 불필요하여 간편하며 부작용이 적고, 반복적 검사가 가능하다는데 이점이 있다.14)15)16) 또한 MRI가 세계적으로 보급되어 있는 점을 고려하면 MRI를 이용한 기능적 영상이 의학의 여러 분야에 광범위하게 적용될 수 있을 것으로 생각된다.
MRI를 이용한 기능적 영상의 생리학적 원리는 BO-LD(blood oxygenation level dependent)효과와18) 유입(inflow)효과로17) 설명할 수 있으며 이는 뇌의 신경활동 항진시 동반되는 국소적 혈류 증가에 바탕을 두고 있다. BOLD효과는 Ogawa등18)이 처음 보고한 것으로서 뇌피질의 활성화에 동반된 뇌혈류의 국소적 증가에 의해 활성화된 뇌피질의 혈관내에서 데옥시헤모글로빈의 농도가 감소하는 것을 그 원리로 한다. 데옥시헤모글로빈은 국소자장의 비균질화를 초래하여 신호강도를 감소시키는 상자성 물질이므로 이 물질의 감소는 곧 MRI에서 신호강도의 증가를 가져온다. 유입효과는 뇌피질의 활성화에 따른 뇌혈류의 증가와 함께 혈류가 느린 정맥계의 혈류속도도 함께 증가하며 결국 영상단면으로 유입되는 정맥혈 내 불포화 양자의 양이 증가한다는 데에 근거를 두고 있다.11)
후각자극은 후구의 유수섬유인 유수후삭(myelinated olfactory tract)을 통하여 하뇌량(subcallosum)과 해마회전(hippocampal gyri)에 도달한다. 그리고, 외후각대(lateral olfactory stria)를 경과하여 이상와(pyriform fossa)와 해마(hyppocampus)에 들어가게 된다. 따라서, 후각자극을 주고 기능적 영상을 얻는다면, 위에 언급한 연관부위에서의 활성화 부위가 나타나리라고 예측할 수 있다. 그러나, 지금까지 후각자극에 대해 기능적 영상을 얻는 시도는 거의 이루어지지 않았으며 후각자극시 PET에 의해 활성화 신호를 얻었던 예와 자기공명영상을 이용한 기능적 영상이 일부 보고19)20)된 바 있으나, 국내에서는 아직 시도된 일이 없는 상태이다.
본 연구에서도 이미 예측했던 것과 비슷한 결과를 얻을 수 있었으며, 후각역치검사상 정상 후각기능을 보인 군에서는 대체로 연관부위에서의 활성화 신호가 나타났으며, 이 신호를 연속된 시간상으로 분석했을 때 활성상태 즉, 후각자극시 휴식상태에 비하여 의미있게 증가되어 있는 활성화 신호를 볼 수 있었다(Fig. 1). 환자군 중 후각 역치검사에서 낮은 수치를 보였던 예에서는 활성화 신호가 적게 나타나거나, 나타났더라도 시간분석상 후각자극시 의미있게 증가되는 소견을 보이지 않아(Fig. 2) 후각의 기능적 자기공명영상과 후각역치검사는 대체로 일치하는 결과를 보이고 있다.
그러나, 후각의 기능적 자기공명 영상은 여러가지 한계점을 가지고 있다. 후각기능의 개인적 편차가 심하며, 후각부위 자체가 뇌기저부에 위치하므로 magnetic susceptibility에 의한 data의 소실20)이 있을 수 있고, 후각자극의 재료를 어떤 것을 선택하느냐에 따라서도 결과의 변화가 있을 수 있다. 또한 후각장애가 있는 경우 그 원인이 말초성인지 중추성인지의 판별은 어렵다. 이러한 약점을 극복하기 위해서는 피검자가 움직임이 없어야 하며 안정된 상태로 협조적이어야하고 결과의 신뢰도를 높이기 위해서는 검사대상의 수를 늘리고, 여러 날에 걸쳐 동일한 검사를 시행하여 반복성을 확인해야 하며, 움직임에 의한 오차를 최소화할 수 있는 algorithm을 개발하고, 촬영한 data를 realtime으로 분석되고 보여질 수 있는 software의 개발이 필요하다고 하겠다. 하지만, data의 축적 및 software의 개발 등을 통해 후각에 있어서 기능적 자기 공명영상을 하나의 객관적 후각검사로 이용할 수 있으리라고 생각되며, 말초성 후각장애를 이학적 검사 및 방사선학적 검사를 이용해 제외시킨다면 중추성 후각장애를 진단하고 앞으로의 예후를 결정하는데 효과적으로 사용할 수 있을 것으로 사료된다.
결론
저자들은 정상 대조군과 주관적 후각장애를 호소하는 환자군을 대상으로 후각의 기능적 자기공명영상을 시행하여 이 결과를 부탄올을 이용한 후각 역치검사의 결과와 비교한 결과, 대체로 후각 역치검사와 기능적 영상의 결과는 일치하는 소견을 보였다. 따라서, 아직까지 기능적 자기공명 영상에 여러 한계점은 있으나 앞으로 더 많은 연구와 개발을 통해 중추성 후각 장애의 진단 및 예후결정에 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 생각된다.
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