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문제 정의
- 본 논문에서는 3D OSEM 알고리즘(Flash3D, Siemens Medical Solutions, Erlangen, Germany)을 적용한 영상에서 iteration 횟수와 subset 개수 증가가 영상에 미치는 영향을 Jaszczak 팬텀(Deluxe ECT data spectrum Corporation, Chapel Hill, USA) 실험을 통해 알아보고 또한 실제 환자데이터 분석을 통해 팬텀 실험의 결과가 실제 환자 데이터 분석과 일치한 지 확인해 보았다.
- 본 실험을 통해 3D beam modeling을 적용한 OSEM 재구성 법으로 영상 재구성 시 Iteration 횟수와 Subset 개수의 변화가 영상에 미치는 영향을 평가해 보았다. 실험의 중요한 발견점으로 3D OSEM 재구성 법 영상에서도 기존의 1D와 2D OSEM 재구성 법과 같이 Iteration 횟수와 Subset 개수 증가에 따라 향상하는 영상 대조도와 공간 해상력의 선형적 관계를 확인할 수 있었다.
제안 방법
- 8 mm Cold sphere 사이에 Line ROI를 설정하여 FWHM을 산출하였다. Brain SPECT 데이터는 White matter 부근에 Line ROI를 설정하여 FWHM을 산출하였다. 팬텀 실험 결과와 Brain SPECT 데이터 모두 Syngo MI application software의 Series FWHM Proc workflow를 이용하여 산출하였다.
- 팬텀 실험 영상에서 S는 재구성된 Cold Sphere 슬라이스에서 Cold Sphere에 ROI를 설정하고 이의 평균 픽셀 값을 나타낸다. B는 배후방사능으로 팬텀 영상의 균등한 카운트 값을 보이는 영역에 ROI를 설정하여 구하였다.
- 변이계수는 Jaszczak 팬텀과 Brain SPECT 영상에서 육안으로 판단 시 구조물의 윤곽이 명확한 횡축 단층 슬라이스로부터 얻어졌고 이 후 영상 분석은 모두 같은 슬라이스에서 이루어졌다. 변이계수 공식에서 σ는 평균 픽셀 값의 표준편차를 나타내고 Μ은 평균 픽셀 값을 나타낸다.
- 재구성 알고리즘은 3D beam modeling과 선택적 감쇠 보정을 이용한 Flash 3D법을 사용하였다. 영상의 재구성은 Subset 2, 4, 8, 16, 32개의 범위와 Iteration 1, 4, 8, 12, 24, 48회의 범위 내에서 재구성하였다. Linear attenuation coefficient는 0.
- 팬텀 실험 영상에서 공간 해상력 평가를 위해 재구성된 Cold Sphere 슬라이스에서 25.4 mm와 31.8 mm Cold sphere 사이에 Line ROI를 설정하여 FWHM을 산출하였다. Brain SPECT 데이터는 White matter 부근에 Line ROI를 설정하여 FWHM을 산출하였다.
대상 데이터
- Brain SPECT 영상은 99mTc-ECD 740 MBq을 투여한 환자 5 명을 대상으로 저 에너지 고해상력(low-energy high-resolution, LEHR) 콜리메이터를 장착한 이중 헤드 감마카메라(Symbia T2, Siemens Medical Systems, Inc, USA)를 사용하여 획득하였다. 영상 획득 파라미터는 128 X 128 matrix, Zoom factor 1.
- 본 실험에서 얻어진 Jaszczak 팬텀 데이터는 National Electrical Manufacturers Association (NEMA) 가이드 라인의 SPECT 영상의 정도 관리 방법을 참고로 분석하였다. 영상의 분석은 다음의 공식에 따라 이루어졌다.
- Tc-ECD 740 MBq을 투여한 환자 5 명을 대상으로 저 에너지 고해상력(low-energy high-resolution, LEHR) 콜리메이터를 장착한 이중 헤드 감마카메라(Symbia T2, Siemens Medical Systems, Inc, USA)를 사용하여 획득하였다. 영상 획득 파라미터는 128 X 128 matrix, Zoom factor 1.0, Step and shoot 방식으로 Projection 당 20초로 총 64 Projection의 영상을 얻었다. 에너지 창 설정은 140 KeV를 중심으로 ±15 %로 하였다.
- 영상획득 파라미터는 128 X 128 matrix, Zoom factor 1.0, Step and shoot 방식으로 투사영상 당 10초, 20초, 30초로 총 128 Projection의 영상을 얻었다.
- 팬텀 삽입물은 6개의 고체 Sphere(직경: 9.5, 12.7, 15.9. 19.1, 25.4, 31.8 mm)와 cold rod 삽입물(직경: 4.8, 6.4, 7.9, 9.5, 11.1, 12.7 mm), capillary line sources(내경: < 1 mm)로 구성되어 있다(Fig. 1).
- 팬텀 영상은 LEHR 콜리메이터를 장착한 이중 헤드 감마 카메라(Symbia T2, Siemens Medical Systems, Inc, USA)를 사용하여 획득하였다. 영상획득 파라미터는 128 X 128 matrix, Zoom factor 1.
- 환자 데이터는 2010년 8월부터 2010년 9월까지 서울아산병원 핵의학과를 내원한 Brain SPECT 환자 5명을 대상으로 영상을 획득하였다. 팬텀 영상은 SPECT 영상에서 대조도와 공간해상력을 평가하기 위해 99mTc(500 MBq)과 물을 혼합한 Jaszczak 팬텀을 이용하여 획득하였다. 팬텀 삽입물은 6개의 고체 Sphere(직경: 9.
- 환자 데이터는 2010년 8월부터 2010년 9월까지 서울아산병원 핵의학과를 내원한 Brain SPECT 환자 5명을 대상으로 영상을 획득하였다. 팬텀 영상은 SPECT 영상에서 대조도와 공간해상력을 평가하기 위해 99mTc(500 MBq)과 물을 혼합한 Jaszczak 팬텀을 이용하여 획득하였다.
- 획득된 영상은 Brain SPECT 영상과 팬텀 영상 모두 Syngo MI applications 2008A (Siemens medical systems, Inc, USA)를 이용하여 분석하였다. 재구성 알고리즘은 3D beam modeling과 선택적 감쇠 보정을 이용한 Flash 3D법을 사용하였다.
데이터처리
- Brain SPECT 데이터는 White matter 부근에 Line ROI를 설정하여 FWHM을 산출하였다. 팬텀 실험 결과와 Brain SPECT 데이터 모두 Syngo MI application software의 Series FWHM Proc workflow를 이용하여 산출하였다.
이론/모형
- 영상의 재구성은 Subset 2, 4, 8, 16, 32개의 범위와 Iteration 1, 4, 8, 12, 24, 48회의 범위 내에서 재구성하였다. Linear attenuation coefficient는 0.15 cm-1에 고정하였고, Gaussian 3D post reconstruction filter가 사용되었다.
- 획득된 영상은 Brain SPECT 영상과 팬텀 영상 모두 Syngo MI applications 2008A (Siemens medical systems, Inc, USA)를 이용하여 분석하였다. 재구성 알고리즘은 3D beam modeling과 선택적 감쇠 보정을 이용한 Flash 3D법을 사용하였다. 영상의 재구성은 Subset 2, 4, 8, 16, 32개의 범위와 Iteration 1, 4, 8, 12, 24, 48회의 범위 내에서 재구성하였다.
성능/효과
- 다음은 iteration 횟수 증가와 subset 개수 증가에 따른 공간 해상력의 변화를 나타낸 그래프이다(Fig 8, 9). 공간 해상력은 FWHM으로 비교하였으며 두 파라미터의 증가에 따라 팬텀 실험과 Brain SPECT 데이터 모두에서 향상됨을 나타내고 있다. Jaszczak 팬텀 실험 결과에서 Projection 당 스캔 시간 차이로 인한 공간 해상력의 선형적 관계에는 큰 변화가 없었다.
- 5는 Jaszczak 팬텀 실험과 Brain SPECT 환자 데이터를 분석한 그래프로 iteration 횟수와 subset 개수 증가에 따른 영상 대조도의 변화를 나타내고 있다. 그래프에서 나타나듯이 같은 개수의 subset에서 iteration과 영상 대조도 사이에 선형적 관계가 나타남을 확인할 수 있었다. Jaszczak 팬텀 실험 결과에서 Projection 당 스캔 시간 차이로 인한 영상 대조도의 선형적 관계에는 큰 변화가 없었다.
- 영상 대조도와 변이계수, FWHM을 이용하여 실험결과를 비교해 본 결과 Subset 2, 4, 8, 16, 32 개의 범위와 Iteration 1, 4, 8, 12, 24, 48 회의 범위 내의 재구성된 영상에서 Iteration 횟수와 Subset 개수 증가에 따른 포화(Saturation) 효과는 일어나지 않았다. 실험에 적용한 Iteration 횟수와 Subset 개수는 현재 본원에서 영상 재구성 시 적용 가능한 범위로 그 수가 증가함에 따라 영상 잡음의 증가 뿐 만 영상 재구성 시간 또한 증가하여 일정 범위 이상에서는 영상 재구성 시간이 지나치게 오래 소요되어 실제 임상에서는 제한된 경우에만 적용이 가능할 것으로 사료된다. 실험을 진행하면서 한계점으로는 영상의 평가가 지나치게 컴퓨터를 이용한 정량평가에만 국한되어 관찰자를 통한 육안 평가가 없었다는 점이다.
- 본 실험을 통해 3D beam modeling을 적용한 OSEM 재구성 법으로 영상 재구성 시 Iteration 횟수와 Subset 개수의 변화가 영상에 미치는 영향을 평가해 보았다. 실험의 중요한 발견점으로 3D OSEM 재구성 법 영상에서도 기존의 1D와 2D OSEM 재구성 법과 같이 Iteration 횟수와 Subset 개수 증가에 따라 향상하는 영상 대조도와 공간 해상력의 선형적 관계를 확인할 수 있었다. 하지만 주의해야 할 점으로 본 실험의 결과는 제한된 조건에서 한정된 실험 수를 바탕으로 얻어진 것으로, 실제 임상에서는 실험에 사용되었던 Jaszczak 팬텀보다 구조적으로 복잡한 대상과 다양한 변수들이 존재가능하기 때문에 본 실험의 결과를 성급히 일반화하기에는 무리가 있다.
- 7은 iteration 횟수와 subset 개수 증가에 따른 변이계수의 변화를 나타낸 그래프이다. 영상 대조도를 비교한 그래프와 마찬가지로 같은 개수의 subset에서 iteration과 변이계수 사이에 선형적 관계가 나타남을 확인할 수 있었다. 이러한 선형적 관계는 Jaszczak 팬텀 실험과 Brain SPECT 데이터 분석 결과 모두에서 확인할 수 있었다.
- 영상 대조도와 변이계수, FWHM을 이용하여 실험결과를 비교해 본 결과 Subset 2, 4, 8, 16, 32 개의 범위와 Iteration 1, 4, 8, 12, 24, 48 회의 범위 내의 재구성된 영상에서 Iteration 횟수와 Subset 개수 증가에 따른 포화(Saturation) 효과는 일어나지 않았다.
후속연구
- 하지만 주의해야 할 점으로 본 실험의 결과는 제한된 조건에서 한정된 실험 수를 바탕으로 얻어진 것으로, 실제 임상에서는 실험에 사용되었던 Jaszczak 팬텀보다 구조적으로 복잡한 대상과 다양한 변수들이 존재가능하기 때문에 본 실험의 결과를 성급히 일반화하기에는 무리가 있다. 그럼에도 불구하고 차후 실험들을 통해 본 실험에서의 한계점 등을 좀 더 보완하여 3D OSEM과 같은 새로운 영상 재구성 법에 대해 좀 더 연구할 필요성이 있다고 사료된다.
- 실험에 적용한 Iteration 횟수와 Subset 개수는 현재 본원에서 영상 재구성 시 적용 가능한 범위로 그 수가 증가함에 따라 영상 잡음의 증가 뿐 만 영상 재구성 시간 또한 증가하여 일정 범위 이상에서는 영상 재구성 시간이 지나치게 오래 소요되어 실제 임상에서는 제한된 경우에만 적용이 가능할 것으로 사료된다. 실험을 진행하면서 한계점으로는 영상의 평가가 지나치게 컴퓨터를 이용한 정량평가에만 국한되어 관찰자를 통한 육안 평가가 없었다는 점이다. 또한 실험에 사용한 Jaszczak 팬텀이 인체의 미묘한 변화를 모두 표현하는 데 어려움이 있었고, 제한된 수의 실험과 조건으로만 결과가 도출되었다는 점 또한 부족한 부분이었다.
- 실험의 중요한 발견점으로 3D OSEM 재구성 법 영상에서도 기존의 1D와 2D OSEM 재구성 법과 같이 Iteration 횟수와 Subset 개수 증가에 따라 향상하는 영상 대조도와 공간 해상력의 선형적 관계를 확인할 수 있었다. 하지만 주의해야 할 점으로 본 실험의 결과는 제한된 조건에서 한정된 실험 수를 바탕으로 얻어진 것으로, 실제 임상에서는 실험에 사용되었던 Jaszczak 팬텀보다 구조적으로 복잡한 대상과 다양한 변수들이 존재가능하기 때문에 본 실험의 결과를 성급히 일반화하기에는 무리가 있다. 그럼에도 불구하고 차후 실험들을 통해 본 실험에서의 한계점 등을 좀 더 보완하여 3D OSEM과 같은 새로운 영상 재구성 법에 대해 좀 더 연구할 필요성이 있다고 사료된다.
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