반복재구성 알고리즘을 이용한 MDCT 검사에서 화질 향상 및 선량 감소에 관한 연구 The study of radiation dose reduction and image quality improvement by using iterative reconstruction algorithm in MDCT원문보기
목적 : 최근 전산화단층촬영(computed tomography; CT)은 기술적으로 급속히 발전되어 검사건수가 증가함으로써 의료 방사선 노출에 관한 위험도가 매우 높아졌다. 이에 CT 제조사들은 피폭선량을 감소하기 위하여 자동노출조정장치(auto exposure control; AEC), 노이즈 감소 필터, 저선량 ...
목적 : 최근 전산화단층촬영(computed tomography; CT)은 기술적으로 급속히 발전되어 검사건수가 증가함으로써 의료 방사선 노출에 관한 위험도가 매우 높아졌다. 이에 CT 제조사들은 피폭선량을 감소하기 위하여 자동노출조정장치(auto exposure control; AEC), 노이즈 감소 필터, 저선량 프로토콜 등 다양한 방법들이 개발하여 상용화하고 있다. 또한 영상을 재구성하는 방법 중에 반복 재구성 (iterative reconstruction, IR)원리에 근거하여 노이즈를 줄이고 영상의 화질을 향상시키는 기법들이 개발되었는데 적응적 통계식 반복 재구성법(adaptive statistical iterative reconstruction; ASiR)과 기초공간 반복 재구성법(Sinogram affirmed iterative reconstruction; SAFIRE), 선량감소 반복 재구성법(adaptive iterative Dose Reduction; ADIR), IDOSE4 그리고 모델식 기반 반복 재구성법(model-based iterative reconstruction; MBIR) 등이 있다.
본 논문의 목적은 필터 역투영법(Filtered back projection; FBP)과 반복재구성 기법인 ASIR, SAFIRE, IDOSE4, ADIR, MBIR을 적용한 영상을 비교 분석하고 복부 CT검사에서 IR 알고리즘을 적용하여 화질향상과 선량감소 효과를 파악하는데 있다.
재료 및 방법 : 팬텀 실험에 사용된 CT 장비는 IR 기법을 적용할 수 있는 G사의 Discovery 750 HD와 P사의 Brilliance iCT, S사의 Definition Flash, 그리고 T사의 Aquilion ONE을 이용하였다.
CT 장비의 출력선량이 직선성을 반영하는지 평가하기 위하여 직경 16 cm head와 32 cm body PMMA phantom에 Unfors Xi 전리조를 삽입하여 측정한 CTDIvol과 장비에서 표시되는 CTDIvol을 선행적으로 비교 평가하였다.
FBP와 IR 알고리즘을 적용한 Catphan phantomⓇ 600의 영상을 획득하고 CT Auto QA Lite v3.1.01을 이용하여 직선성, 균일도, 저대조도 분해능, 고대조도 분해능, 잡음(noise) 등을 정량적으로 측정하였다.
임상 실험은 G사의 Discovery 750 HD를 이용하여 abdomen pre- & post-contrast CT를 검사한 148명의 환자를 대상으로 필터보정 역투영법(filtered back projection; FBP), ASiR 20, 30, 40, 50%와 MBIR 영상을 획득한 후, ADW 4.6에서 제공하는 compare tool을 사용하여 장기별 신호 대 잡음비(signal to noise ratio; SNR)과 대조도 대 잡음비(contrast to noise ratio; CNR) 및 잡음을 정량적으로 평가하였고, 진단의 정확성, 전체적인 노이즈, 선예도, 인공물 등 4가지 항목을 정성적으로 평가하였다. 환자는 체질량지수(body mass index; BMI) 18.5 이하, 18,5 - 22.9, 23 이상 3그룹과 잡음비(noise index; NI)는 선량 60% 감소(20.25), 30% 감소(15.25), 기준선량(13.25) 3단계로 구분하였다.
통계분석은 PASW Statistics 18. Release 18.0.0을 이용하였다.
결과 및 결론 : PMMA 팬텀으로 mAs 증가에 따른 CT장비의 CTDIvol의 변화를 측정한 결과, R2이 0.999로 선형적으로 반영되어 출력선량이 일정하게 유지됨을 확인하였다.
Catphan 팬텀 실험에서 4개사 장비의 대조도 척도(contrast scale; CS)는 0.994-1.057 범위로 나왔으며 알고리즘과 선량의 증가에 따라 직선성의 변화가 없었다. 균일도의 경우 CT number가 QA 합격기준 5 - 18 HU 이내였고 중앙부와 주변부의 차이는 2 HU 이내였다. 하지만 G사의 MBIR은 FBP와 ASiR 알고리즘과 비교하여 CT number가 2.54 ± 0.24의 차이로 낮아졌다. 고대조도 분해능은 통계적 IR 재구성 알고리즘은 FBP와 유의한 차이가 없었으나 MBIR은 1.52배 향상되었다. 그리고 통계적 IR 재구성 알고리즘의 수준이 증가하거나 선량이 높을수록 잡음이 감소하여 작은 조직의 차이를 더 구분할 수 있는 농도가 선형적으로 낮아지고 저대조도 분해능이 1.1 - 1.9배 향상되었다. 특히 MBIR 알고리즘은 CTDIvol 15 이하에서 선량이 낮을수록 FBP에 비교하여 MBIR의 저대조도 분해능이 높게 측정되었다.
임상실험 결과, BMI 구분에 따라 장기의 SNR과 CNR이 BMI 18.5 이하의 집단에서 가장 높은 평균값을 보이며 BMI가 낮을수록 SNR과 CNR이 높게 측정되었다(p<0.05). 또한 선량증감 구분에 따라 NI 13.25 집단에서 가장 높은 평균값을 보이며 NI가 낮을수록 SNR과 CNR이 높게 측정되었다(p<0.05). 그리고 알고리즘의 구분에 따라 MBIR알고리즘을 적용한 집단이 가장 높은 평균값을 보이며 FBP알고리즘이 가장 낮았다. 또한 ASiR의 단계가 높을수록 SNR과 CNR이 높게 측정되었다(p<0.05).
NI 13.25(FBP)그룹과 선량을 30%, 60% 감소하고 ASiR를 적용한 그룹간 간, 비장, 대동맥의 SNR과 CNR을 대응표본 T검정으로 평가한 결과, IR 수준이 증가할수록 유의한 차이가 있었으며 ASiR 20, 30은 모두 유의한 차이가 없었다(p<0.05). MBIR을 적용한 그룹은 SNR과 CNR이 모두 높게 나왔고 유의한 차이가 있었다(p>0.05). 정성적 평가에서 IR 알고리즘은 잡음을 감소하고 인공물을 억제시켰다. 특히 BMIR은 60%의 낮은 선량에서도 뛰어난 잡음감소를 보였으며 선예도와 진단의 정확성은 FBP와 ASiR 알고리즘에 비하여 1.5 - 2배 향상되었다.
결론적으로 IR 알고리즘은 조영 증강 전 후의 영상에서 선량을 감소하면서 화질은 향상시킬 수 있는 유용한 재구성방법임이 입증되었다. 특히 MBIR은 저선량 구간에서 영상의 선예도를 더욱 향상시키고 잡음은 감소시켜 매우 유용한 재구성기법이었다. 그리고 통계적 IR 알고리즘의 최적화를 위하여 BMI나 선량에 따라 적절한 수준을 적용하여 사용해야 한다.
목적 : 최근 전산화단층촬영(computed tomography; CT)은 기술적으로 급속히 발전되어 검사건수가 증가함으로써 의료 방사선 노출에 관한 위험도가 매우 높아졌다. 이에 CT 제조사들은 피폭선량을 감소하기 위하여 자동노출조정장치(auto exposure control; AEC), 노이즈 감소 필터, 저선량 프로토콜 등 다양한 방법들이 개발하여 상용화하고 있다. 또한 영상을 재구성하는 방법 중에 반복 재구성 (iterative reconstruction, IR)원리에 근거하여 노이즈를 줄이고 영상의 화질을 향상시키는 기법들이 개발되었는데 적응적 통계식 반복 재구성법(adaptive statistical iterative reconstruction; ASiR)과 기초공간 반복 재구성법(Sinogram affirmed iterative reconstruction; SAFIRE), 선량감소 반복 재구성법(adaptive iterative Dose Reduction; ADIR), IDOSE4 그리고 모델식 기반 반복 재구성법(model-based iterative reconstruction; MBIR) 등이 있다.
본 논문의 목적은 필터 역투영법(Filtered back projection; FBP)과 반복재구성 기법인 ASIR, SAFIRE, IDOSE4, ADIR, MBIR을 적용한 영상을 비교 분석하고 복부 CT검사에서 IR 알고리즘을 적용하여 화질향상과 선량감소 효과를 파악하는데 있다.
재료 및 방법 : 팬텀 실험에 사용된 CT 장비는 IR 기법을 적용할 수 있는 G사의 Discovery 750 HD와 P사의 Brilliance iCT, S사의 Definition Flash, 그리고 T사의 Aquilion ONE을 이용하였다.
CT 장비의 출력선량이 직선성을 반영하는지 평가하기 위하여 직경 16 cm head와 32 cm body PMMA phantom에 Unfors Xi 전리조를 삽입하여 측정한 CTDIvol과 장비에서 표시되는 CTDIvol을 선행적으로 비교 평가하였다.
FBP와 IR 알고리즘을 적용한 Catphan phantomⓇ 600의 영상을 획득하고 CT Auto QA Lite v3.1.01을 이용하여 직선성, 균일도, 저대조도 분해능, 고대조도 분해능, 잡음(noise) 등을 정량적으로 측정하였다.
임상 실험은 G사의 Discovery 750 HD를 이용하여 abdomen pre- & post-contrast CT를 검사한 148명의 환자를 대상으로 필터보정 역투영법(filtered back projection; FBP), ASiR 20, 30, 40, 50%와 MBIR 영상을 획득한 후, ADW 4.6에서 제공하는 compare tool을 사용하여 장기별 신호 대 잡음비(signal to noise ratio; SNR)과 대조도 대 잡음비(contrast to noise ratio; CNR) 및 잡음을 정량적으로 평가하였고, 진단의 정확성, 전체적인 노이즈, 선예도, 인공물 등 4가지 항목을 정성적으로 평가하였다. 환자는 체질량지수(body mass index; BMI) 18.5 이하, 18,5 - 22.9, 23 이상 3그룹과 잡음비(noise index; NI)는 선량 60% 감소(20.25), 30% 감소(15.25), 기준선량(13.25) 3단계로 구분하였다.
통계분석은 PASW Statistics 18. Release 18.0.0을 이용하였다.
결과 및 결론 : PMMA 팬텀으로 mAs 증가에 따른 CT장비의 CTDIvol의 변화를 측정한 결과, R2이 0.999로 선형적으로 반영되어 출력선량이 일정하게 유지됨을 확인하였다.
Catphan 팬텀 실험에서 4개사 장비의 대조도 척도(contrast scale; CS)는 0.994-1.057 범위로 나왔으며 알고리즘과 선량의 증가에 따라 직선성의 변화가 없었다. 균일도의 경우 CT number가 QA 합격기준 5 - 18 HU 이내였고 중앙부와 주변부의 차이는 2 HU 이내였다. 하지만 G사의 MBIR은 FBP와 ASiR 알고리즘과 비교하여 CT number가 2.54 ± 0.24의 차이로 낮아졌다. 고대조도 분해능은 통계적 IR 재구성 알고리즘은 FBP와 유의한 차이가 없었으나 MBIR은 1.52배 향상되었다. 그리고 통계적 IR 재구성 알고리즘의 수준이 증가하거나 선량이 높을수록 잡음이 감소하여 작은 조직의 차이를 더 구분할 수 있는 농도가 선형적으로 낮아지고 저대조도 분해능이 1.1 - 1.9배 향상되었다. 특히 MBIR 알고리즘은 CTDIvol 15 이하에서 선량이 낮을수록 FBP에 비교하여 MBIR의 저대조도 분해능이 높게 측정되었다.
임상실험 결과, BMI 구분에 따라 장기의 SNR과 CNR이 BMI 18.5 이하의 집단에서 가장 높은 평균값을 보이며 BMI가 낮을수록 SNR과 CNR이 높게 측정되었다(p<0.05). 또한 선량증감 구분에 따라 NI 13.25 집단에서 가장 높은 평균값을 보이며 NI가 낮을수록 SNR과 CNR이 높게 측정되었다(p<0.05). 그리고 알고리즘의 구분에 따라 MBIR알고리즘을 적용한 집단이 가장 높은 평균값을 보이며 FBP알고리즘이 가장 낮았다. 또한 ASiR의 단계가 높을수록 SNR과 CNR이 높게 측정되었다(p<0.05).
NI 13.25(FBP)그룹과 선량을 30%, 60% 감소하고 ASiR를 적용한 그룹간 간, 비장, 대동맥의 SNR과 CNR을 대응표본 T검정으로 평가한 결과, IR 수준이 증가할수록 유의한 차이가 있었으며 ASiR 20, 30은 모두 유의한 차이가 없었다(p<0.05). MBIR을 적용한 그룹은 SNR과 CNR이 모두 높게 나왔고 유의한 차이가 있었다(p>0.05). 정성적 평가에서 IR 알고리즘은 잡음을 감소하고 인공물을 억제시켰다. 특히 BMIR은 60%의 낮은 선량에서도 뛰어난 잡음감소를 보였으며 선예도와 진단의 정확성은 FBP와 ASiR 알고리즘에 비하여 1.5 - 2배 향상되었다.
결론적으로 IR 알고리즘은 조영 증강 전 후의 영상에서 선량을 감소하면서 화질은 향상시킬 수 있는 유용한 재구성방법임이 입증되었다. 특히 MBIR은 저선량 구간에서 영상의 선예도를 더욱 향상시키고 잡음은 감소시켜 매우 유용한 재구성기법이었다. 그리고 통계적 IR 알고리즘의 최적화를 위하여 BMI나 선량에 따라 적절한 수준을 적용하여 사용해야 한다.
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