CBCT 영상에서 금속 인공물 감약을 위한 엣지 보존 평탄화 필터가 적용된 새로운 알고리즘 고안

Abstract

CT (Computed Tomography) image including the metal materials such as tooth supplements, surgical clips can be caused metal artifact, and degrade image quality. In severe cases, it may lead to misdiagnosis. In this study, we have developed a new MAR (Metal Artifact Reduction) algorithm, using MATLAB program (Mathworks, version R2012a). The proposed algorithm consists of 6 steps: image reconstruction from projection data, metal segmentation, forward projection, interpolation, applied edge preserving smoothing filter, and the new image reconstruction. For evaluation of the proposed algorithm, we have implemented in both numerical simulation data and a Rando phantom. In numerical simulation data, four metal regions were added into the Shepp Logan phantom for the metal artifact effect. The projection data of the metal inserted Rando phantom were obtained using a prototype CBCT scanner, manufactured by this laboratory research group. After adopting these data, the proposed algorithm was performed and compared with original image (without correction) and corrected image based on, linear interpolation. Both visual evaluations as well as quantitative evaluation are done. Compared with metal artifact image and linear interpolation method, both results of simulated and experimental phantom demonstrated that the proposed algorithm was able to improve the metal artifact reduction. In conclusion, the evaluation illustrates the proposed algorithm outperform the interpolation based MAR algorithm. If optimization and stability evaluation added to the proposed algorithm, it will be expected that the developed algorithm is a very effective tool at eliminating metal artifacts effectively even in commercial CTs.;의료 영상은 1896년 뢴트겐에 의해 X선이 발견된 이래로 진단 및 치료의 목적으로 사용되어왔다. 일반 X선 검사는 조직의 감약 차이가 크지 않거나 조직이 겹쳐져 나타나는 부분의 해부학적 위치 및 상호 관계를 파악하는데 한계성을 지니는 단점이 있다. 이러한 한계성을 극복하고자 여러 각도에서 투과한 X선을 검출하여 감약치를 측정하고, 이를 컴퓨터를 이용해 재구성하는 CT가 개발되었고, CT 장비의 발전 및 의료 기술의 발전을 거듭해 오면서 현재까지도 CT는 의료 현장에서 중요한 진단 및 치료 장비중 하나로 사용되고 있다. 그러나 X선이 갖는 물리적 특성과 CT 스캐너의 결함, 영상을 재구성하는 과정 등으로 인해 최종적으로 획득하는 영상에는 인공물(아티팩트, artifact)과 같이 실제 해부학적 구조물이 아닌 구조물이 나타나기도 한다. 특히 치아 보철물이나 외과용 수술기구와 같이 체내에 위치한 금속 물질로 인해 발생하는 금속 인공물은 금속의 모양과 밀도에 따라 발생하는 형태도 다양할 뿐 아니라 발생 원인도 매우 복잡하다. 금속 인공물이 발생하면서 영상의 질이 저하되고 왜곡이 발생하게 된다. 이는 정확한 진단을 방해하고, 심한 경우 오진에 이르게 하기도 하므로 이를 효율적으로 개선할 수 있는 금속 인공물 감약(Metal artifact reduction, MAR) 알고리즘에 대한 연구가 최근까지도 활발하게 진행되고 있다. 본 연구에서는 MATLAB 프로그램을 사용하여 엣지 보존 평탄화 필터를 적용한 금속 인공물 감약 알고리즘을 설계하였다. 수치적으로 제작된 시뮬레이션 데이터로써 Shepp Logan 팬텀을 이용하여 금속 인공물을 구현하고 본 알고리즘을 적용하였다. 실험 데이터로써 본 연구실에서 기존에 제작한 연구용 CBCT (Prototype Cone-Beam CT)를 이용해 RANDO 팬텀의 프로젝션 데이터를 획득하고 함께 알고리즘에 적용하였다. 금속 인공물이 나타난 이미지와 선형 보간법 (Linear interpolation), 본 알고리즘을 각각 적용해 획득한 이미지로 인공물이 개선된 정도를 단순 비교하고, 수치적 평가로써 ROI (Region of Interest)를 설정해 픽셀 값의 평균과 표준평가를 계산해 함께 비교하였다. 의료진 평가로는 이대목동병원 치과진료부 치과의료진 5인으로부터 의료진 평가 설문을 시행하였다. Shepp Logan 수치 팬텀 데이터를 이용한 결과, 본 알고리즘을 적용한 후 단순 이미지 비교만으로 인공물의 개선을 확인했을 뿐 아니라, 수치적인 평가를 통해서도 금속인공물이 효율적으로 개선된 것을 확인하였다. 실험을 통해 획득한 RANDO 팬텀 데이터를 적용한 결과, 악궁 안쪽에 나타난 인공물과 선형 보간을 거치면서 발생된 새로운 인공물 모두 선형 보간법만 시행한 결과보다 부드럽게 개선된 것을 확인하였다. RANDO 팬텀을 적용한 결과에서, Shepp Logan 팬텀을 적용한 결과보다 수치적으로 원래의 이미지에 가까워지는 정도는 비교적 낮다고 보여지는데, 이는 RANDO 팬텀 데이터를 획득한 CBCT 지오메트리 특성에 의한 영향이 존재한 것으로 추측된다. 치과의료진 5인의 평가를 대상으로 한 의료진 평가 설문에서는 단순 이미지 비교로써 5인 모두 선형보간을 적용한 이미지와 본 알고리즘을 적용한 이미지 중에서는 본 알고리즘을 적용한 이미지가 보다 원본 이미지에 가깝게 금속 인공물이 개선되었다고 응답하였다. 선형보간법을 적용한 이미지와 본 알고리즘을 적용한 이미지를 각각 1점에서 5점까지 점수화 한 결과는 선형 보간법이 평균 2.0점, 본 알고리즘은 평균 3.2점을 나타냈다. 본 알고리즘의 금속 인공물 개선 효율을 보다 높이면서 상업용 장비에서도 활용할 수 있도록 최적화 과정, 안정성 평가 등의 추가 연구가 이루어진다면 본 알고리즘은 금속 인공물을 개선하는데 보다 효율적으로 사용될 것으로 기대된다.