격자 기반의 이중에너지 CBCT 연구

Abstract

Since the first computed tomography (CT) was developed in the 1970s, the CT image quality has improved significantly over the past 40 years through the reduction of scan time, the improvement of X-ray tube output, and the development of reconstruction method. The most recently developed CT system is CBCT (Cone Beam Computed Tomography) system, which consists of cone beam type X-ray source and multiple detector arrays, can acquire a large number of images in a short time. In addition, studies of the dual-energy CT with possibility of excellent material differentiation in the human body are being actively carried out. Current dual-energy CT techniques include dual source CT, rapid kV switching method, dual-layer detectors, and photon counting detectors. However, existing commercialized dual energy CT techniques have disadvantages such as relatively high exposure dose and high cost. To solve the limitations of conventional commercialized dual energy CT, This study proposes a grid-based new dual energy CBCT technology capable of acquiring images of two regions with high and low energy by adding a grid to existing CBCT equipment. In this study, To confirm the technical feasibility of a new grid-based dual energy CBCT, grid-like projection images was implemented, by applying grid-like mask without constructing a grid, those are low-energy CBCT projection images not passing through a copper filter and high-energy CBCT projection images passed through a copper filter using beam hardening effect. An interpolation method was used to estimate the vacant region of the grid-like projection image using the adjacent values, and reconstructed using the FDK algorithm. For the reconstructed images, image evaluation such as signal-to-noise ratio (SNR), peak signal-to-noise ratio (PSNR), root mean square error (RMSE), and mean absolute error (MAE) were performed (Table 3). As a result, since the difference between the original image and the image obtained by applying the interpolation method is very small, The image obtained by applying the interpolation method with the grid is almost the same level as the image obtained without applying the grid. In order to utilize the new medical imaging modality such as X-ray or CT for clinical use, it is essential to consider not only the image quality but also the exposure dose. Therefore, the GATE (vGATE 7.2, OpenGATE collaboration, International) Monte Carlo simulation has been performed to implement the grid-based dual energy CBCT, and compared with the dose of conventional dual energy CT. As a result, it was found that the dose of the grid-based dual energy CBCT system was reduced by 39% compared to the dose of the single energy CT system, and it was found the dose of the grid-based dual energy CBCT system was reduced by 20% compared to the dose of the dual scan at 80 kVp and 140 kVp (Table 4). Therefore, the grid-based dual energy CBCT technology proposed in this study can effectively improve the disadvantage that the conventional dual energy CT system has a relatively high exposure dose. Since the most important advantage of the dual energy CBCT is that it has the possibility of material classification in the human body [22-23], the material classification algorithm was designed using Matlab to evaluate the possibility of iodine classification of the new grid-based dual energy CBCT technology. As a result, Iodine mainly used for angiography was clearly distinguished from other substances (Figure 17). therefore, if the material classification algorithm apply to the reconstruction algorithm in the future, it will be possible to improve the quality of diagnosis by effectively discriminating only the substance to be observed in the clinic. The results of this study are meaningful as the basic data for image evaluation, dose assessment, and the evaluation of material classification which are essential in the process of developing a grid-based new dual energy CBCT technique. It is thought that it can be used to construct evaluation method of developing new medical imaging modality.;1970 년대 최초의 전산화단층촬영술(Computed Tomography, CT) 이 개발된 이후 과거 40년 동안 스캔시간 감소 및 X선 튜브 출력 향상, 재구성 기법의 발달을 통해 CT 영상 품질이 뚜렷하게 향상되었다. 가장 최근에 개발된 CT 방식은 다수의 검출기 배열과 콘빔 형태의 X선으로 구성되어 짧은 시간동안 많은 수의 영상을 획득할 수 있는 CBCT(Cone Beam Computed Tomography) 장비이다. 인체 내 물질을 분별할 수 있고 금속 인공물 감소 등의 장점이 있는 이중에너지 CT에 관한 연구가 활발히 수행되고 있으며 현재 상용화된 이중에너지 CT에는 이중선원 CT(Dual Source CT), 고속 관전압 스위칭 기법(Rapid kV switching), 이중 검출기(Dual-layer detector), 광자 계수 검출기(Photon counting detector) 등이 있다. 그러나 기존의 상용화된 이중에너지 CT 기법의 경우 상대적으로 높은 피폭선량과 고비용 등의 단점이 존재한다. 이러한 이중에너지 CT 장비의 한계점을 해결하기 위해 기존의 CBCT 장비에 격자만 추가함으로써 한 번의 스캔으로 고에너지와 저에너지 두 가지 에너지 영역의 영상을 획득할 수 있는 격자 기반의 새로운 이중에너지 CBCT 기술을 제안하고자 한다. 격자 기반의 새로운 이중에너지 CBCT 기술 개발의 가능성을 확인하기 위해 선속경화효과를 이용하여 구리 필터를 적용하여 획득한 고에너지 투영영상과 구리 필터를 적용하지 않고 획득한 저에너지 투영영상에 Matlab(2011b, The MathWorks Inc, USA)을 이용하여 격자 형태의 마스크를 적용함으로써 격자를 제작하지 않고도 격자 형태의 투영영상을 구현하였다. 격자 형태의 투영영상의 비워진 부분을 주변 값을 이용하여 값을 추측하는 보간법을 적용하였고, FDK(Feldkamp, Davis, Kress) 알고리즘을 이용하여 재구성하였다. 재구성한 단면영상에 대해 신호 대 잡음비(SNR), 최대 신호 대 잡음비(PSNR), 평균 제곱근 오차(RMSE), 평균 절대 오차(MAE) 등의 영상평가를 수행하였다. 격자 형태의 영상을 보간법을 적용한 영상과 원본 영상 간의 차이가 매우 적은 것을 확인하였으므로 <표 3>, 격자를 적용하여 보간법을 시행한 영상은 격자를 적용하지 않고 획득한 영상과 거의 동일한 수준의 영상 품질을 가진다고 볼 수 있다. 새로운 의료 영상 장비를 임상에 적용하기 위해서는 영상의 품질 뿐만 아니라 환자의 피폭선량에 대한 고려가 필수적이므로 GATE(vGATE 7.2, OpenGATE collaboration, International) 몬테칼로 전산모사를 통해 격자 기반의 이중에너지 CBCT를 구현하여 피폭선량을 계산하였고 기존 상용화된 이중에너지 CT의 선량과 비교하였다. 격자 기반의 이중 에너지 CBCT 시스템의 선량은 단일 에너지 CT 시스템의 선량 대비 39%으로 감소함을 알 수 있었고, 80kVp와 140kVp 관전압에서 이중 스캔을 통해 피폭되는 선량 대비 20%으로 감소한 것을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에서 제안한 격자 기반의 이중에너지 CBCT 기술은 기존 이중 에너지 CT 시스템의 상대적으로 피폭선량이 높다는 단점을 효과적으로 개선할 수 있다. 이중에너지 CBCT의 가장 주요한 장점은 인체 내 물질 분별력이 우수하다는 것이므로 [26-27], 격자 기반의 새로운 이중에너지 CBCT 장비의 물질분별력을 평가하기 위해 Matlab을 이용하여 물질분별 알고리즘을 설계하였다. 혈관 조영 등에 주로 사용되는 요오드의 물질 분별력을 평가한 결과, 다른 물질에 비해 요오드가 명확히 구분됨을 알 수 있었다 (그림 17). 추후 재구성 알고리즘에 물질 분별 알고리즘을 적용하여 다양한 물질에 대한 추가적인 연구를 수행한다면 임상에서 관찰하고자 하는 물질만 효과적으로 분별함으로써 진단의 질을 높일 수 있을 것으로 생각된다. 본 연구의 결과는 격자를 이용한 새로운 이중에너지 CBCT 장비를 개발하는 과정에서 필수적으로 선행되어야 할 영상평가, 선량평가 그리고 물질 분별력 평가의 기초 자료로써 의미가 있으며 추후 새로운 의료 영상 장비를 개발함에 있어 개발한 기술의 평가 방법을 구축하는데 활용 가능할 것으로 생각된다.