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문제 정의
- 따라서 본 논고에서는 듀얼 에너지를 이용하여 목 부위와 복부 CT검사 시 MAR 알고리즘을 적용한 다색 에너지 파형 CT영상과 적용하지 않은 영상을 비교·분석해보고, 복부영상에서 신체조직(혈관, 정상, 병변조직)의 특성 구분 능력과 임상적 유용성을 알아보고자 한다.
- 그 이유로는 실제로 인체에 적용되는 금속 이식물질의 다양한 특성 (스텐트나 클립류 - 주 성분이 티타늄, 치아에 사용되는 금속 - 은, 티타늄, 금 등 합금 성분)과 인체에 삽입된 위치, 적용된 검사 프로토콜(X-선원 에너지 크기)에 따라서 X-선원이 투과하는 감약 계수가 달라질 수 있어서 자칫 환자를 대상으로 한 결과와 다른 양상으로 나타날 가능성이 있어서 배제하였다. 또한 MAR 알고리즘을 적용함에 따른 영상 질(quality) 평가의 기준으로 삼고자 함이다.
- 이와 같은 금속 인공물 발생은 주로 다색 에너지 파형 (단색 에너지 파형 X선원) 방식의 CT 장비에서 주로 발생하고 있다. 이를 극복하기 위한 방법으로 본 논고에서는 듀얼에너지 선원 CT 장비에서 MAR(Metal Artifact Reduction) 알고리즘을 이용한 금속 인공물 발생 감약 정도와 CT영상 평가를 해보고자 한다.
- 이제부터는 MAR 알고리즘 기법 외에 듀얼 에너지를 이용한 몇 가지 응용 사례를 소개하고자 한다.
제안 방법
- MAR 알고리즘을 적용한 영상에서의 에너지는 70 keV로 하여 알고리즘을 적용하지 않은 영상과 비교하였다. 그 이유로는 단색 에너지 파형 영상 (120 kVp)의 평균 에너지가 70 keV와 근사치 하기 때문이다.
- MAR알고리즘 사용에 따른 영상 평가는 사람 모양 흉부 팬텀과 사람 대상 모두 MAR를 적용한 것과 적용하지 않은 CT영상 중 금속인공물이 발생한 부위에 동일한 크기의 ROI(region of interest)를 설정하고 HU과 노이즈의 변화를 평가하였다. 금속인공물에 대한 영상 평가도 금속 인공물이 발생 특성에 따라서 영상 정보가 소실된(black hole artifact) 부위와 X선원 산란선으로 줄무늬 인공물(white streak artifact)부위로 나누어 ROI를 설정하여 평가 하였다.
- 환자를 대상으로 한 모든 CT검사는 똑바로 누운 자세에서, 복부 CT의 경우에는 갠트리(Gantry)에 다리먼저 그리고 목 부위에서는 머리가 먼저 들어가는 방향으로 실시하였다. 각 검사는 조영제 (요오드 성분)를 주입하기 전과 후 두 번 검사를 하였다. 본 논고에서 사용한 750HD 장비의 듀얼 에너지 CT는 시야범위(FOV), 간격 그리고 검사 범위를 제외한 대부분의 파라미터가 미리 설정되어 있는 방식이어서 저자는 Table 1의 프로토콜을 선택하여 시행하였다.
- 금속 인공물의 정성적 평가는 영상의학과 의사 2명과 CT영상실에서 5년 이상 근무한 방사선사 5명을 대상으로 영상의 노이즈(noise), 병소 구분능력(accuracy), 연부 조직 분해능(spatial resolution) 그리고 인공물 발생(artifact) 정도에 대해서 평을 하였다.
- 금속인공물에 대한 영상 평가도 금속 인공물이 발생 특성에 따라서 영상 정보가 소실된(black hole artifact) 부위와 X선원 산란선으로 줄무늬 인공물(white streak artifact)부위로 나누어 ROI를 설정하여 평가 하였다. 금속인공물 발생 강도에 따라서도 가장 심하게 발생한 부위, 그로부터 4개 단면영상을 이동 한 후의 영상(중간 정도의 인공물) 그리고 또 4개 단면영상을 이동 한 후의 영상(최소 발생 인공물) 3가지로 분류하여 영상을 평가 하였다.
- MAR알고리즘 사용에 따른 영상 평가는 사람 모양 흉부 팬텀과 사람 대상 모두 MAR를 적용한 것과 적용하지 않은 CT영상 중 금속인공물이 발생한 부위에 동일한 크기의 ROI(region of interest)를 설정하고 HU과 노이즈의 변화를 평가하였다. 금속인공물에 대한 영상 평가도 금속 인공물이 발생 특성에 따라서 영상 정보가 소실된(black hole artifact) 부위와 X선원 산란선으로 줄무늬 인공물(white streak artifact)부위로 나누어 ROI를 설정하여 평가 하였다. 금속인공물 발생 강도에 따라서도 가장 심하게 발생한 부위, 그로부터 4개 단면영상을 이동 한 후의 영상(중간 정도의 인공물) 그리고 또 4개 단면영상을 이동 한 후의 영상(최소 발생 인공물) 3가지로 분류하여 영상을 평가 하였다.
- 듀얼 에너지 CT를 이용하여 동일한 환자의 동일한 단면 영상에서 keV 변화에 따른 단색파 에너지 영상들(Figure 3)을 나열해 보았다.
- 각 검사는 조영제 (요오드 성분)를 주입하기 전과 후 두 번 검사를 하였다. 본 논고에서 사용한 750HD 장비의 듀얼 에너지 CT는 시야범위(FOV), 간격 그리고 검사 범위를 제외한 대부분의 파라미터가 미리 설정되어 있는 방식이어서 저자는 Table 1의 프로토콜을 선택하여 시행하였다. 재구성 모드는 MAR 알고리즘 적용 유·무를 떠나서 모두 플러스 모드(신호 대 노이즈 비를 향상 시키는 모드)를 적용하였다.
- 물론 CT 영상에서 금속 인공물 발생은 금속의 특성과 밀도차이, 인체에 삽입된 위치, X-선원 에너지 사용 방식 그리고 본 논고의 비교·평가에서 ROI 설정을 어느 부위로 하느냐에 따라서 HU 과 노이즈 값은 분명 많은 차이를 보일 것이다. 이와 같은 변수가 시험 결과에 미치지 않도록 하기위해서 동일 환자에서 MAR 알고리즘 재구성 옵션을 적용하여 위치 변화 없이 한번의 X-선 노출로 검사를 시행하였다.
- 팬텀을 대상으로 하여 MAR 알고리즘을 적용한 CT검사는 복부 검사 프로토콜을 적용하여 시행하였다. CT검사 시행도 금속물질을 올려놓지 않은 상태로 시행하였다.
- 환자를 대상으로 한 모든 CT검사는 똑바로 누운 자세에서, 복부 CT의 경우에는 갠트리(Gantry)에 다리먼저 그리고 목 부위에서는 머리가 먼저 들어가는 방향으로 실시하였다. 각 검사는 조영제 (요오드 성분)를 주입하기 전과 후 두 번 검사를 하였다.
대상 데이터
- CT장비는 두 개의 에너지 (80 kVp와 140 kVp)로 빠르게 교차하며 X선원을 조사하는 특성을 가진 Discovery CT750 HD(GE Healthcare, Wisconsin, USA)이고, 영상 분석 장비로는 AW 4.5 Volume Share 4(GE Healthcare)를 사용하였다.
- 본 연구는 2011년 1월 3일부터 2월 26일까지 국립암센터를 방문하여 목 부위와 복부 CT 검사를 목적으로 한 환자 중 금속이 삽입되어 있는 25명을 대상으로 MAR 알고리즘을 적용하여 시행하였다.
- 사용한 팬텀은 Victoreen社의 조직 등가물질로 구성된 사람 모형 흉부 팬텀(Model: 76-683-3000, 22.6 kg)이다.
데이터처리
- MAR 알고리즘 적용 유·무에 따른 영상의 정량적 평가는 spss statistics (ver 17) 프로그램을 이용하였고 MAR 알고리즘 적용 이외에 다른 변수들은 동일하게 적용하여 CT검사를 시행 하였으므로 paired sample t-test를 이용하여 통계적 유용성을 평가하였다.
이론/모형
- 재구성 모드는 MAR 알고리즘 적용 유·무를 떠나서 모두 플러스 모드(신호 대 노이즈 비를 향상 시키는 모드)를 적용하였다.
성능/효과
- MAR 알고리즘을 적용하였기 때문에 다색파 에너지(a) 영상에서보다 단색파 에너지 영상에서 검은색 인공물이 생기지 않아 완전한 형태의 척추영상을 볼 수가 있다. 물체를 투과한 모든 스펙트럼의 에너지를 영상화한 다색파 에너지(a)에서 단색파 스펙트럼의 에너지만을 영상화한 영상들(b)~(f) 보다 금속으로 인한 검은색 인공물의 발생 정도가 크게 나타남을 알 수 있다.
- 금속물질이 삽입된 부위에서의 MAR 알고리즘 사용 유·무에 따른 검은색(Table 2)과 줄무늬 인공물 (Table 4) 부위의 HU 차이에 따른 p값이 각각 0.01과 0.04로 나타나서 통계적으로도 유용성 있는 차이를 보였다.
- 즉, 금속물질 부위에서 나타나는 선속 경화현상을 외삽처리 하는 방식으로 금속 인공물 발생을 억제 가능하다. 따라서 기존 방식인 Filtered back projection만을 이용하여 영상을 만든 경우에서는 금속으로 인한 인공물 발생이 그대로 투영 되었지만 후 처리로 MAR알고리즘을 더하여 적용한 영상에서는 비교적 금속 인공물 발생 억제되는 결과를 보였다.
- 또한 듀얼 에너지 X 선원사용으로 단색 에너지 파형의 영상 획득이 가능하기 때문에 판독의는 적정 에너지 수준을 조정하여 금속 인공물 제거 효과는 물론 영상의 대조도와 노이즈 수준을 변화시켜 영상 판독의 효율성 제고(提高)[7,11]를 할 수 있고 소모적인 추가 검사를 줄임으로서 경제적 비용 절감과 독성 노출(핵의학과 영상 검사 : 방사선 노출, MRI : 고 자기장 노출)을 줄여주는 효과가 있다[7].
- 48로 사용한 쪽에서 다소 낮은 수치를 보였고 팬텀 내부의 노이즈 비교에서도 알고리즘을 적용한 쪽에서도 마찬가지 결과를 보였다. 또한 영상의 질적인 면에서도 맹검 시험에 참여한 사람들의 판단에 따르면 대체적으로 조직의 공간 분해능이 더 좋다는 결과가 많았다.
- 사람을 대상으로 한 영상 평가 결과로는 Figure 2의 맨 오른쪽 열에 위치한 (인체 내 금속이 삽입되어 있어서 금속 인공물이 가장 심하게 발생한 영상) 영상에서 육안으로 보았을 때 MAR를 적용한 두 번째 행 영상이 적용하지 않은 첫 번째 행 영상보다 금속 인공물이나 줄무늬 인공물 발생이 훨씬 적게 나타났음을 알 수 있다. 줄무늬 인공물이 발생한 부위에서 정량적 결과를 보면 MAR 알고리즘을 적용한 영상에서 HU 이 191.
- 이번에는 영상의 정성적 평가를 종합하면 금속 인공물이 발생한 부위에서의 인공물 감약 효과는 탁월하였고 영상의 흐림 발생 또한 감소하였으며 전체 CT 영상의 공간 분해능이 향상되어 병소 확인 능력이 향상되었다는 (accuracy) 평이 많았다[6,7,9]. 하지만 줄무늬 인공물이 곳곳에 남아 있는 것은 단점 이었다.
- 04로 나타나서 통계적으로도 유용성 있는 차이를 보였다. 이에 반해 금속물질로부터 거리가 떨어져 있어서 인공물 발생이 낮은 영상에서 노이즈 차이에 따른 검은색 (Table 3)과 줄무늬 인공물 (Table 5)부위에서는 오히려 MAR 알고리즘을 사용함으로서 노이즈가 더 발생하였고 p값 또한 각각 0.05와 0.04를 보여서 통계적 유용성을 만족하였다.
- 사람을 대상으로 한 영상 평가 결과로는 Figure 2의 맨 오른쪽 열에 위치한 (인체 내 금속이 삽입되어 있어서 금속 인공물이 가장 심하게 발생한 영상) 영상에서 육안으로 보았을 때 MAR를 적용한 두 번째 행 영상이 적용하지 않은 첫 번째 행 영상보다 금속 인공물이나 줄무늬 인공물 발생이 훨씬 적게 나타났음을 알 수 있다. 줄무늬 인공물이 발생한 부위에서 정량적 결과를 보면 MAR 알고리즘을 적용한 영상에서 HU 이 191.36 노이즈가 29.6을 보였고 MAR 알고리즘을 적용하지 않은 영상의 HU, 노이즈가 434, 83 이라는 수치를 보여 큰 대조를 보이고 있다. 하지만 금속의 영향으로부터 멀어진 영상을 보면 MAR 알고리즘을 적용하였을 때에는 HU와 노이즈가 조금씩 감소하여 변화의 폭이 적은 모습을 보인 반면에 MAR 알고리즘을 적용하지 않은 영상에서는 HU와 노이즈가 급감하는 모습을 Figure 2의 맨 좌측 열 영상에서는 오히려 알고리즘을 적용하지 않음으로서 영상의 질이 더 좋은 것으로 나타났다.
- 팬텀 대상 결과(Figure 1)는 MAR알고리즘을 적용하지 않은 영상에서 배경의 HU이 -990이었고 MAR알고리즘을 사용한 것에서는 -995를 보여서(공기 표준 HU값 -1,000) 큰 차이를 보이지는 않았다. 노이즈에 대한 비교도 알고리즘을 사용하지 않은 영상의 HU이 5.
- 6을 보였고 MAR 알고리즘을 적용하지 않은 영상의 HU, 노이즈가 434, 83 이라는 수치를 보여 큰 대조를 보이고 있다. 하지만 금속의 영향으로부터 멀어진 영상을 보면 MAR 알고리즘을 적용하였을 때에는 HU와 노이즈가 조금씩 감소하여 변화의 폭이 적은 모습을 보인 반면에 MAR 알고리즘을 적용하지 않은 영상에서는 HU와 노이즈가 급감하는 모습을 Figure 2의 맨 좌측 열 영상에서는 오히려 알고리즘을 적용하지 않음으로서 영상의 질이 더 좋은 것으로 나타났다.
후속연구
- 이상과 같은 여러 듀얼 에너지 응용기법들을 적절히 사용하게 된다면 보완적인 추가적 검사(채혈, 초음파, MRI, 핵의학과 검사 등)를 줄일 수 있을 것으로 판단된다[11].
- 한편 미국의 NCRP(National Council on Radiation protection & Measurements) report No 160에 따르면 2006년 미국인이 의료용 방사선 기기로부터 노출된 방사선량이 1980년 초반의 7배 정도 된다고 말하고 있으며 원인이 되는 피폭량 비율에서도 주변 환경(37%) 다음으로 CT에 의한 원인이 두 번째를 차지하고 있다. 이처럼 정당화된 의료용 방사선 피폭을 경감하기 위해서는 직접적인 선량 감소법 마련이외에도 한번의 CT검사에서 환자에 대한 해부학적 영상 정보를 충분히 제공 해줌으로서 소모적인 추가검사 (반복적인 X선원 노출) 횟수를 줄일 수 있을 것으로 사료된다.
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