Impact of physical factors for attenuation correction in quantitative positron emission tomography images

Abstract

[한글]

양전자방출단층촬영 (PET)은 인체 내에서의 생물학적 과정을 양전자를 방출하는 방사성의약품을 이용하여 가시화하고 정량화할 수 있는 독특한 핵의학 영상 기법이다. PET은 비침습적으로 질병의 진단, 예후판정, 병변의 시기결정, 치료효과의 모니터링 등을 가능하게 하는 장점을 가지고 있다. 이러한 PET 영상의 정확도를 개선하기 위해서는 감쇠보정이 반드시 이루어져야 하며, 이는 68Ge 또는 137Cs 등을 이용한 투과 스캔을 통해 수행할 수 있다. 양전자방출단층촬영/전산화단층촬영 (PET/CT)은 근래에 들어 급속도로 보급되고 있는 최첨단 핵의학 영상 기기로서, 하드웨어적으로 기능적 영상과 해부학적 영상의 융합을 가능하게 한다. PET/CT 시스템의 CT 투과 영상 또한 감쇠 보정을 위해 사용할 수 있다. 그러나 최근 들어 금속성 물질 또는 조영제와 같은 물리적 인자가 감쇠 보정한 PET 또는 PET/CT 영상에서 인공산물을 발생시킬 수 있다는 연구 결과들이 보고 되고 있다. 본 연구의 목적은 감쇠 보정한 PET 영상에서 금속성 물질과 조영제가 영상에 미치는 영향을 연구하고자 하는 것이었다. 방출 스캔과 투과 스캔 간에 움직임이 있을 경우 알루미늄과 티타늄으로 인해 발생하는 인공산물의 영향을 평가하기 위해 모의 실험과 팬텀 실험을 수행하였다. 이 때 금속성 물질의 크기와 밀도, 투과 스캔과 방출 스캔의 잡음 정도, 해상도, 움직임 정도, 투과 영상과 방출 영상의 처리 등의 다양한 인자들에 대하여 평가하였다. 조영제에 의한 영향을 평가하기 위해 모의 실험과 팬텀 실험을 수행하였다. 이 때 조영제의 비 균일 분포, 잡음 정도, 해상도, 투과 영상과 방출 영상의 처리, 조영제의 저 감쇠, 시간 별 조영제의 분포 차이 등의 다양한 인자들에 대하여 평가하였다. 투과 스캔과 방출 스캔 간의 움직임과 밀도가 높은 금속성 물질과의 조합은 감쇠 보정된 PET 영상에서 인공 산물을 발생시킴을 확인할 수 있었다. 금속성 물질에 의한 인공산물의 발생은 방출 스캔과 투과 스캔 간의 움직임 정도, 금속성 물질의 크기 및 밀도, 방출 영상과 투과 영상의 잡음 정도, 그리고 방출 영상과 투과 영상의 처리 방법 등 다양한 인자들에 의존함을 알 수 있었다. 조영제의 분포가 CT 영상에 잔존할 경우 이를 이용한 PET 영상의 감쇠 보정이 인공산물을 생성할 수 있고, 방출 영상의 질에 영향을 미침을 알 수 있었다. 이러한 조영제의 영향은 조영제의 밀도와 분포된 크기, 영상의 잡음 정도, 영상의 해상도, 그리고 재구성 알고리듬 등 다양한 인자들에 의존하는 것으로 나타났다. 투과 영상에서의 조영제의 비 균일 분포가 감쇠 보정한 방출 영상에서 인공 산물을 생성함을 확인할 수 있었다. 종양에서의 조영제의 저 감쇠가 감쇠 보정한 방출 영상에서 종양의 세기를 감소 시키는 것으로 나타났고, 이것은 시간 차에 따른 조영제의 분포 정도에 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 금속성 물질과 조영제에 관한 본 연구의 결과로부터 이러한 물리적 인자들로 인해 발생할 수 있는 PET 또는 PET/CT 영상에서의 잠재적 문제에 대한 충분한 이해와 이에 대한 고려가 반드시 있어야 할 것으로 사료된다.

[영문]Positron emission tomography is a unique and an analytical nuclear medicine imaging technology that uses positron-labeled compounds to visualize and measure many biological processes in living subjects. PET imaging provides a way of obtaining information non-invasively, while maintaining superior sensitivity in diagnosis, prognosis, and staging, as well as monitoring the effects of treatment. To improve the diagnostic accuracy of PET images, attenuation correction must be done by measuring attenuation factors. This is accomplished using a transmission source such as 68Ge or 137Cs, because the attenuation of photons is the most important factor in preventing the degradation of the PET image quality. Combined positron emission tomography/computerized tomography (PET/CT) scanners have been recently introduced, and it allows for both functional and anatomical images to be inherently co-registered. It is also possible to use the CT scan for attenuation correction. Recent studies show that metallic materials and contrast agents can produce inappropriate FDG uptake in conventional and the CT-based attenuation correction, which can cause misinterpretation of PET images. The purpose of this dissertation was to study the impact of metallic materials and contrast agents in PET and PET/CT images. Simulation and experiments were done to study the severity of artifacts from aluminum and titanium when there is motion between emission and transmission scans. A variety of factors were evaluated, including size and density of the metallic materials, transmission and emission noise levels, image resolution, amount of shift, and transmission and emission processing. Simulation and experiments were done to study the effects of contrast agents. A variety of factors were estimated, including non-uniform enhancement of contrast agent, concentration and distribution size of contrast agent, noise level, image resolution, reconstruction algorithm, hypo-attenuation of contrast agent, and different time phases for contrast agent. The combination of motion between transmission and emission scans and small dense structures produced artifacts on attenuation-corrected PET images. The severity of the effects depends on a variety of factors, including the size and density of metallic materials, the transmission and emission noise levels, the amount of shift, and the transmission and emission processing. Contrast agents introduced artifacts and degraded image quality on the attenuation-corrected PET images. The severity of these effects depends on a variety of factors, including the concentration and distribution size of contrast agent, the noise levels, the image resolution, and the reconstruction algorithm. The non-uniform enhancement of contrast agent in transmission map produced inappropriate hyper-uptake on the attenuation-corrected emission images. Hypo-attenuation of contrast agent in tumors can degrade the tumor intensity on the attenuation-corrected emission images and degradation of the tumor intensity is influenced by different time phases. Our simulation and experimental results indicated that the impact of metallic materials and contrast agents should be considered with a full understanding of their potential problems in clinical PET and PET/CT images.