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문제 정의
- 본 연구의 목적은 물리적 특성이 다른 18F, 68Ga 두 방사성핵종에 대하여 phantom 실험을 통한 PET 영상의 Contrast recovery, Background variability, SNR, CNR, 방사능 농도의 Recovery coefficient, FWHM, FWTM을 비교 평가하여 68Ga 방사성 핵종을 이용한 PET 검사 시 적정한 영상 획득시간을 알아보고자 하였다.
- 본 연구의 목적은 물리적 특성이 다른 두 동위원소의 phantom 실험을 통한 PET영상을 비교 평가하여 PET검사시 68Ga 방사성 핵종의 적정한 영상 획득시간을 알아보고자 하였다.
제안 방법
- Ga 동위원소가 채워진 phantom에서도 동일한 조건으로 1분, 2분, 3분, 4분,5분 영상을 획득하였다. CT영상은 관전압 120 kVp, 관전류 50 mA, 0.5 s/rotation, Pitch factor 0.8을 이용하여 CT영상을 획득하였다.
- Flangeless Esser PET phantom 영상에서는 3개의 물질로 구성된 Bone, Water, Air 물질로 이루어진 cylinder에서 Contrast recovery (Cold) (Eqs. 2)를 측정하였으며,phantom의 rod 영역의 PET 영상을 5명의 방사선사를 대상으로 Blind test를 시행하여 육안으로 공간해상력을 평가하였다.
- Flangeless Esser PET phantom에는 18F, 68Ga 방사성 동위원소를 방사능 농도가 50 kBq/ml이 되도록 각각 phantom에 주입하였다(Fig. 2).
- NEMA standard NU 2-2012 기준에 따라 IEC body phantom 영상에서 Contrast recovery (Hot) (Eqs. 1),Background variability (Eqs. 3), SNR(Signal to noiseratio) (Eqs. 4), CNR(Contrast to noise ratio) (Eqs. 5)을 측정하여 영상의 대조도를 평가하였으며, Amide 프로그램에서 IEC body phantom의 크기가 가장 작은 10 ㎜ sphere에 profile line을 수직, 수평하게 그린 후 Gaussianfitting하여 FWHM, FWTM(Full width tenth maximum)을 측정하여 해상력을 평가하였다[6-10].
- NEMA(National Electrical Manufactures Association) IEC(International Electechnical Commission) body phantom에 FDG PET and PET/CT: EANM guidelines의 phantom을 이용한 영상 평가 방법을 기준으로 10 ㎜, 13 ㎜, 17 ㎜,22 ㎜, 28 ㎜, 37 ㎜ 6개의 sphere와 background에 방사능의 비율이 10:1이 되도록 18F, 68Ga 방사성 동위원소를 희석하여 phantom의 sphere와 background에 각각 20kBq/ml, 2 kBq/ml 방사능 농도가 되도록 주입하였다[5],(Fig. 1).
- Phantom의 PET영상은 Matrix size 200×200, Voxelsize 4.07×4.07×3.00, Slice thickness 3 ㎜로 OSEM3D+T OF+PSF (iteration, 2; subset, 21), Gaussian filterFWHM(Full width half maximum) 5 ㎜를 적용하여 PET영상을 동일하게 재구성 하였으며, CT영상을 이용하여 PET영상 재구성 시 감쇠보정과 산란보정을 하였다.
- SIEMENS Biograph mCT64 PET/CT (Siemens medicalsystem, Germany) 기기를 이용하였으며, IEC body phantom과 Flangeless Esser PET phantom의 PET영상 획득을 위해 18F-FDG 검사에 이용되는 본원의 임상 프로토콜을 적용하여 phantom을 FOV(Field of view) 중앙에 위치시킨 후 18F 동위원소가 채워진 팬텀에서는 axial FOV(Fieldof view; 216 ㎜) 1분 영상을 획득하였으며, 68Ga 동위원소가 채워진 phantom에서도 동일한 조건으로 1분, 2분, 3분, 4분,5분 영상을 획득하였다. CT영상은 관전압 120 kVp, 관전류 50 mA, 0.
- 그리고 6개의 sphere에 실제 투여한 방사능의 농도(20kBq/ml)와 VOI를 설정하여 측정된 최대 방사능 농도를 비교하여 Recovery coefficient (Eqs. 6) 값을 산출한 후 두 동위원소의 부분용적 효과에 대하여 비교 평가 하였다[11].
- via (Siemens medicalsystem, Germany) 프로그램과 Freeware Amide 프로그램을 이용하였다. 두 방사성 핵종 phantom의 PET영상과 CT영상을 융합한 후 CT영상에서 phantom의 sphere와 cylinder 및 background 영역에 ROI(Region of interest)를 설정하여 PET영상의 pixel 당 counts 값을 측정하였으며, sphere에 VOI(Volume of interest)를 설정하여 최대 방사능 농도 값을 측정하였다(Fig. 3).
이론/모형
- PET 영상의 분석 방법은 Syngo.via (Siemens medicalsystem, Germany) 프로그램과 Freeware Amide 프로그램을 이용하였다. 두 방사성 핵종 phantom의 PET영상과 CT영상을 융합한 후 CT영상에서 phantom의 sphere와 cylinder 및 background 영역에 ROI(Region of interest)를 설정하여 PET영상의 pixel 당 counts 값을 측정하였으며, sphere에 VOI(Volume of interest)를 설정하여 최대 방사능 농도 값을 측정하였다(Fig.
성능/효과
- 68Ga의 영상 획득 시간이 증가 할수록 17 mm 이하의 sphere에서 SNR은 감소하였으며, 22 ㎜ 이상의 sphere에서 SNR은 증가하였다(Table 3).
- 18F 방사성 핵종과 68Ga 방사성 핵종에 대하여 phantom을 이용한 PET영상을 비교 평가 한 결과 18F PET영상이68Ga PET영상보다 대조도와 해상력이 우수하였다.
- Background variability 평가 결과는 IEC body phantom 6개의 sphere에서 18F phantom 1분 영상은 3.12 에서 11.53 68Ga phantom 1분 영상에서는 3.48 에서 11.20 값을 나타내어두 방사성핵종의 1분 영상에서는 비슷한 Background variability값을 보였다.
- Bone 물질에 대해서는 두 방사성핵종의 Contrast recovery값은 비슷한 결과를 보였으나 Water, Air 물질로 채워진 cylinder에서는 68Ga 영상이 18F 영상보다 낮은 대조도 값을 보여 Bone 물질보다는 Water, Air 물질에서 대조도의 차이가 크게 나타났다.
- CNR 평가 결과, 68Ga 1～5분 영상의 13 ㎜ 이하의 sphere에서 18F 1분 영상보다 낮은 CNR을 보였으며, 22 ㎜ 이상의 sphere에서 68Ga의 영상획득 시간이 증가할수록 CNR은 18F 1분 영상과 차이가 감소하였다(Table 3).
- Flangeless Esser PET phantom의 Bone, Water, Air 물질로 채워진 cylinder의 Contrast recovery (Cold) 결과는 18F 영상에서 각각 81.21%, 77.46%, 75.02% 68Ga phantom영상에서 81.33%, 74.73%, 71.13%의 값을 보였다.
- IEC body phantom 10 ㎜ sphere의 18F, 68Ga의 1분 영상에서 FWHM / FWTM 값은 각각 9.19 ㎜ / 16.76 ㎜, 10.96 ㎜ / 19.97 ㎜ 값을 보였으며, 18F 1분 영상에서FWHM, FWTM 값은 68Ga 1～5분 영상보다 낮게 측정되어 영상획득 시간에 관계없이 18F의 1분 영상의 해상력이 우수하였다(Table 4).
- IEC body phantom을 이용한 Contrast recovery (Hot)평가결과 1분 획득한 18F phantom영상에서 6개 sphere의 Contrast recovery 값은 68Ga의 1분, 2분, 3분, 4분, 5분 획득한 phantom 영상 보다 높은 Contrast recovery 값을 보였다(Table 2), (Fig. 4).
- PET 영상의 부분용적 효과로 인하여 sphere 크기에 따라 신호와 대조도 잡음의 차이가 나타났지만 68Ga의 영상 획득시간이 증가할수록 영상의 신호는 증가하고, 잡음은 감소하여 SNR과 CNR은 향상된 결과를 보였다.
- 또한 두 방사성핵종의 영상을 비교 평가한 결과를 바탕으로 18F 영상과 정량적, 정성적으로 유사한 영상을 구현하기 위한 68Ga 영상의 적정한 영상 획득시간 알 수 있었다.
- 즉 두 동위원소의 물리적 특성의 차이가 PET 영상에서 대조도와 해상력 차이의 요인이 되었다. 방출되는 양전자수율은 PET 영상의 감도에 영향을 끼치며, 방출되는 양전자 에너지에 의한 비정의 길이는 양전자가 방출되는 위치와 전자와 만나 소멸복사선이 발생되는 위치에 차이가 생겨 PET 영상의 해상력에 영향을 미치게 되고 영상의 해상력은 대조도에도 영향을 미치는 사실을 알 수 있었다[7,15]. 또한 두 방사성핵종의 영상을 비교 평가한 결과를 바탕으로 18F 영상과 정량적, 정성적으로 유사한 영상을 구현하기 위한 68Ga 영상의 적정한 영상 획득시간 알 수 있었다.
- 부분용적 효과를 평가하기 위한 Recovery coefficient 결과 68Ga의 1～5분 영상에서 Recovery coefficient 값은 18F 1분 영상 보다 모두 낮게 측정되었다(Fig. 7).
- 실제 sphere와 background 방사능 비율과 재구성한 영상에서 측정한 계수의 비율을 대조도로 나타냄으로서 18F PET영상이 68Ga PET 영상보다 대조도가 높게 평가 되었다.
- 부분용적 효과는 PET의 분해능에 비해 작은 구조물에서 발생하며, 영상의 감도와 해상력에 영향을 받게 된다. 실험결과 18F 영상에 비해 68Ga 영상에서 부분용적 효과의 영향이 크게 나타났다.
- 이 연구의 실험 결과에서도 동일한 영상획득 조건에서 18F 방사성핵종의 PET 영상이 68Ga 방사성 핵종의 PET 영상보다 대조도와 해상력을 평가하는 항목에서 우수하였다.
- 이러한 68Ga 방사성 핵종의 물리적인 특성을 고려하여 이 연구 결과에서 68Ga 방사성핵종의 3분 이상 획득한 영상은 18F 방사성 핵종의 1분 획득한 PET 영상과 정량적, 정성적으로 비슷한 영상을 구현할 수 있었다.
- F 방사성 핵종과 비교하여 양전자방출 수율이 낮고, 방출되는 양전자의 에너지가 높아 물질속에서 비정이 길다. 즉 물리적인 특성의 차이가 PET 영상의 대조도와 해상력에 영향을 미치는 사실을 알 수 있었다. 이러한 68Ga 방사성 핵종의 물리적인 특성을 고려하여 이 연구 결과에서 68Ga 방사성핵종의 3분 이상 획득한 영상은 18F 방사성 핵종의 1분 획득한 PET 영상과 정량적, 정성적으로 비슷한 영상을 구현할 수 있었다.
후속연구
- 그리고 68Ga PET영상의 질을 향상시키기 위하여 영상획득 시간뿐만 아니라 68Ga 방사성 핵종은 붕괴과정에서 3.4%의 고 에너지 단일 감마선을 방출하게 되는데 물질과 상호작용하여 산란선이 발생되어 PET 검출기에 검출될 수 있으며, 상호작용하는 물질 성분에 따라 비정의 차이를 보여 영상 재구성 시 산란선 보정 에도 영향을 줄 수 있으므로 다양한 인자에 관한 추가연구도 필요할 것으로 사료된다.
- 이번 연구를 통하여 68Ga 방사성 핵종을 이용한 PET영상획득 시 적정한 시간을 평가함으로서 임상영상과 연구에 기초적인 자료로 제공되어 질수 있다고 생각된다. 그리고 68Ga PET영상의 질을 향상시키기 위하여 영상획득 시간뿐만 아니라 68Ga 방사성 핵종은 붕괴과정에서 3.
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