CT 템플릿을 이용한 Brain PET 감쇠보정

Abstract

PET(양전자 단층촬영, Positron Emission Tomography)은 양전자를 방출하는 방사성 동위원소를 지표한 의약품을 주입하여 체내의 대사 상태를 3차원으로 얻는 영상법이다. 질환에 대한 특이성을 보이는 방사성 의약품을 이용하므로 병의 진단에 도움을 주고 대사 상태에 대한 정량적인 정보를 제공한다. 예를 들어 주변 조직에 비해 포도당 대사가 항진되는 암이나 악성 종양, 염증성 질환인 경우와 도파민 분비의 감소가 나타나는 알츠하이머병, 파킨슨병과 같은 신경퇴행성 질환 등의 진단에 유용하다. 하지만 PET 영상은 공간적·시간적 해상도가 타 영상기기에 비해 매우 낮기 때문에 해부학적 위치에 대한 정확한 판단이 어렵다 [1]. 또한 PET 스캐너를 통해 방사성 물질의 체내 분포를 획득할 때, 감마선이 체내에서 불균일하게 흡수되는 감쇠현상이 일어난다. 따라서 PET 스캐너에서 획득한 데이터에 오차와 변이 요소가 존재하므로 이를 보정하는 과정이 필요하다. CT 영상을 이용하여 PET의 감쇠현상을 보정하면 PET 영상의 신뢰도 향상과 함께 진단의 정확도를 높일 수 있다. 기존에는 외부 감마선원을 이용하여 획득한 투과스캔을 PET 영상의 감쇠보정에 사용하였는데, 이를 CT 영상으로 대체함으로써 영상의 정량적인 정확도를 높이고 영상 획득 시간을 단축할 수 있게 되었다 [2]. 뿐만 아니라 고해상도의 해부학적 영상인 CT 위에 PET 정보를 함께 봄으로써 진단의 용이성도 확보하였다 [1]. CT 영상을 통해 PET의 한계를 보완할 수 있기 때문에 현재 병원에서 널리 사용 중인 PET 장비의 90% 이상은 독립된 PET이 아닌 PET/CT 융합영상진단 장치이다 [3]. 따라서 PET 검진에서 CT 촬영은 함께 수반되는 과정으로, CT와 PET을 연속으로 촬영한다. 이처럼 진단을 위한 의료용 방사선의 이용은 늘고 있지만 동시에 환자의 방사선 피폭에 대한 우려도 증가하고 있기 때문에, CT에 의한 피폭선량을 줄이기 위한 연구도 꾸준히 계속되고 있다 [4]. 본 연구에서는 PET/CT 장비에서 PET 보정을 위해 수반되는 CT 촬영을 생략하고 제작한 CT 템플릿을 대신 사용함으로써, CT에 의한 방사선 피폭을 줄이고자 한다. 본 논문에서는 100명의 환자 두경부 CT 영상을 수집하여 CT 템플릿을 제작하였다. 템플릿 제작 방법으로는 기존의‘평균값(mean intensity)’,‘평균형태(mean shape)’를 구하는 제작 방식과‘임의의 개체’를 선정하여 사용하였으며, 본 논문에서 제안한 ‘평균값 평균형태(mean intensity mean shape)’방식을 포함하여 총 4가지 방법으로 실험하였다. 제작한 템플릿이 환자의 PET 영상에 정합하도록 affine 변형시킨 후 이를 PET 감쇠보정에 이용하였다. 결과 비교를 위해 템플릿이 아닌 환자 본인의 CT 데이터를 이용한 PET 감쇠보정 결과를 얻고 이것을 정답(ground truth)으로 삼았다. 템플릿을 이용한 PET 감쇠보정과 정답의 오차를 다음 세 가지 단계에서 측정하였다. CT 영상을 PET의 에너지 레벨에 맞게 스케일링한 -map영상 단계와, -map을 forward projection시켜 얻는 감쇠보정계수(attenuation coefficient factor; ACF) 단계, 그리고 마지막으로 보정된 PET의 projection data를 영상으로 재구성(reconstruction)한 단계에서 비교 분석하였다. 본 논문에서는 CT 템플릿을 이용한 PET 감쇠보정의 결과를 측정하고, 비교를 통해 결과의 의미와 원인을 생각해 보았으며 본 연구를 통해 나아가야 할 향후 연구 주제에 대해 제시하였다.;PET images are widely used for diagnosis and treatment of cancer, or for the assessment of progress of treatment. However, due to attenuation during PET imaging, its raw output image has intensity reduction such as loss of photon counts in the area of intense activity. For this reason, it is now very common to perform attenuation correction for PET images using a CT scan taken at the same time. With CT-based attenuation correction (CTAC), sensitivity and quantification in PET image becomes better and quantitative measurement for diagnosis becomes possible. The major drawback of PET/CT scan is that it requires repeated CT scans on patients during treatment sequence, which naturally results in large radiation exposure to patients. Therefore, concerns have been raised regarding the increased use of CT in medicine. To overcome this concern, this research proposes using a standard CT template for attenuation correction which can be utilized instead of additional CT scans. In this paper, 100 patient's CT images are used to generate a standard CT template. Each CT image is aligned and affine transformed to be matched to a reference CT image (pivot). Then, average all the affine transformation parameters and voxel intensities to construct a CT template. The generated template was evaluated by comparing its attenuation coefficient map (-map), attenuation correction factor (ACF), and corrected PET image to the result obtained from patient CT. The evaluation showed that our template works within 7% of error compared to the attenuation corrected PET using the same patient CT.