Functional Brain Mapping Using $H_2^{15}O$ Positron Emission Tomography ( I ): Statistical Parametric Mapping Method

$H_2^{15}O$ 양전자단층촬영술을 이용한 뇌기능 지도 작성(I): 통계적 파라메터 지도작성법

Purpose: We investigated the statistical methods to compose the functional brain map of human working memory and the principal factors that have an effect on the methods for localization. Materials and Methods: Repeated PET scans with successive four tasks, which consist of one control and three different activation tasks, were performed on six right-handed normal volunteers for 2 minutes after bolus injections of 925 MBq $H_2^{15}O$ at the intervals of 30 minutes. Image data were analyzed using SPM96 (Statistical Parametric Mapping) implemented with Matlab (Mathworks Inc., U.S.A.). Images from the same subject were spatially registered and were normalized using linear and nonlinear transformation methods. Significant difference between control and each activation state was estimated at every voxel based on the general linear model. Differences of global counts were removed using analysis of covariance (ANCOVA) with global activity as covariate. Using the mean and variance for each condition which was adjusted using ANCOVA, t-statistics was performed on every voxel To interpret the results more easily, t-values were transformed to the standard Gaussian distribution (Z-score). Results: All the subjects carried out the activation and control tests successfully. Average rate of correct answers was 95%. The numbers of activated blobs were 4 for verbal memory I, 9 for verbal memory II, 9 for visual memory, and 6 for conjunctive activation of these three tasks. The verbal working memory activates predominantly left-sided structures, and the visual memory activates the right hemisphere. Conclusion: We conclude that rCBF PET imaging and statistical parametric mapping method were useful in the localization of the brain regions for verbal and visual working memory.

목적: $H_2^{15}O$ 양전자단층촬영으로 작업기억을 조사할 때 뇌기능을 국소화한 뇌기능지도를 만들기 위해 동원되는 통계적 가정과 추론의 여러 방법을 해석하고 뇌활성화와 관련된 뇌기능 국소화 방법에 영향을 미치는 요소를 조사하였다. 대상 및 방법: 정상인 6명에 대하여 각각 대조과제, 언어성 작업기억 활성화과제 2종류, 시각적 작업기억 활성화과제 1종류를 수행시키며 뇌혈류 $H_2^{15}O$ PET 촬영을 시행하였다. SPM96 소프트웨어를 이용하여 각 영상과 표준지도의 뇌피질 경계가 일치 되도록 부분 선형적으로 변형하였으며 선형화한 비선형적 변형 방법으로 사람에 따라 나타나는 뇌피질 및 내부 구조의 미세한 차이를 제거하였다. 공간정규회된 영상들을 16mm의 FWHM을 갖는 가우시안 커널로 중첩적분하여 편평화하였다. 각 화소의 방사능 계수는 뇌피질전체 뇌혈류, 활성화에 의한 특정 효과, 여러 교란변수의 영향과 오차의 선형 결합으로 이루어진다는 일반선형모델을 가정하고 공분산분석 방법으로 전체 뇌혈류 차이를 제거하였다. 각 화소의 방사능 계수가 자극과 뇌활성화 작업에 상관없을 경우 평탄한 무작위 가우스장의 행동을 따른다고 가정하고 특정화소의 계수차이가 이 무작위장의 정상적인 교란 이상인지 검정하였다. 화소별 t 값을 Z 값으로 바꾸어 표현하고 가설검정 결과에 따라 화소, 덩어리, 화소 또는 덩어리의 차이가 얼마나 유의한지 제시하였다. 결합분석을 하여 여러 과제를 수행할 때 동시에 화소의 계수가 증가하는 곳을 찾았다. 각 화소의 Z 값을 3차원으로 렌더링한 표준지도와 투명유리뇌에 투사하여 활성화된 부위를 알아볼 수 있게 하였다. 결과: 피검자 모두 성공적으로 검사를 마쳤으며 대조 과제와 기억 과제를 수행하는 동안 피험자는 평균 95%를 맞췄다. 활성화된 덩어리의 개수는 언어성 기억과제 I에서 4개, 언어성 기억과제 II에서 9개, 시각적 기억과제에서 9개, 결합분석에서 6개였다. 언어성 기억과제에서는 주로 왼쪽 뇌가, 시각적 기억과제에서는 오른쪽 뇌가 활성화되었다. 결론: $H_2^{15}O$ 양전자 단층촬영술과 통계적 파라메터 지도작성법이 언어성 및 시각적 작업기억과 관련되어 활성화된 지 영역을 찾는데 유용하였다.