자기 공명 영상을 이용한 양전자 방출 단층 촬영의 부분 용적 효과 보정 및 임상적용

Abstract

[한글]

양전자방출단층촬영장치(Positron Emission Tomography, PET)는 인체나 실험 동물 생체 내에서 일어나는 생화학적, 생리학적 과정을 정량 분석할 수 있는 장점으로 인해 핵의학에서 중요한 역할을 하고 있다. 그러나 지속적인 핵의학 기기의 발전에도 불구하고 PET은 여전히 분해능이 낮다는 단점을 안고 있다. 이러한 단점으로 인해 PET스캔 이후의 영상에서 나타나는 결과는 실제 가지고 있었던 방사능 농도보다 낮게 나오며, 측정된 방사능 농도의 정도가 물체의 크기에 따라 줄어드는 현상이 일어난다. 이를 부분 용적효과라 하며, 실제 이러한 현상을 보정하기 위해 많은 노력이 이루어져 왔다. 이 연구에서는 먼저 호프만 팬텀을 대상으로 MR 영상을 이용해 부분용적효과를 보정하고 또한 보정과정 중 하나인 convolution 과정에서 여러 단계의 FWHM(full width at half maximum)값을 대입해보고 이에 대한 결과를 관찰한 뒤 실제 정상인 환자의 PET 영상을 같은 방법으로 보정하여 임상적용 가능성을 시험해 보고자 하였다. 먼저 호프만 팬텀의 MR 영상과 PET영상을 정합한 뒤, MR영상에서 회백질과 백질 부위를 추출하여 이진 영상을 만들었다. 이 각각의 이진 영상을 이용하여 4, 8, 12, 16mm의 다양한 FWHM의 해상도 값으로 convolution과정을 거친 뒤 회백질 부위와 백질 부위를 다시 결합한다. 이 후 이 영상들을 MR 영상과 정합된 PET영상에서 나누고, 이를 다시 뇌 전체 영역을 나타내는 이진 영상과 곱하여 해부학적으로 정확한 뇌 영역을 갖도록 하였다. 분석 방법으로는 MR 영상에서 회백질과 백질 부위에 관심영역을 얻은 뒤, 이를 보정 이전의 영상과 4, 8, 12 ,16mm의 FWHM으로 각각 보정된 영상들에 적용하여 관심 영역내 평균 픽셀 값을 얻고 이를 이용하여 회백질과 백질 간의 평균 픽셀 값 비율을 구한 뒤 실제 백질과 회백질간의 글루코즈(Glucose) 흡수비율인 1:3에 근접하는 정도를 알아보았다. 또한 이 방법들을 이용하여 정상인의 PET영상을 보정하여 보았다. 호프만 팬텀의 실험결과 백질과 회백질 간의 보정 후 비율이 보정 이전의 비율에 비해 증가하였으며, 각각의 FWHM으로 보정된 영상들간에서도 비율의 차이가 나타났다. 정상인의 경우 역시 보정 이전에 비해 보정 이 후 백질과 회백질간의 비율이 증가하는 경향을 나타내었으나 각각의 FWHM 경우 나타난 회백질과 백질 간의 비율의 증가는 호프만 팬텀실험에 비해 약간 더 낮게 나타났다. 실험결과 호프만 팬텀의 보정 이 후 백질과 회백질간의 비율은 1:3에 근접하였으며, 임상적용의 경우 보정 이 후 비율은 호프만 팬텀의 실험결과에 미치지는 못하지만 적절한 보정효과를 나타냈다. 또한 각각의 FWHM값으로 보정된 결과에서 나타난 비율의 증가폭 결과를 통해 4mm에서 16mm의 FWHM 적용에 따른 부분용적효과의 보정 정도를 알 수 있었으며, 실제 임상적용의 가능성을 제시하였다.

[영문]

Positron emission tomography(PET) permits investigation of physiological and biochemical processes in vivo. The accuracy of quantitation of PET data is affected by its finite spatial resolution, which causes significant underestimation of the true isotope concentration in small structures. This phenomena is called partial volume effect. In this study, we have developed a method for partial volume correction using Hoffman phantom PET and MR data and applied various FWHM(full width at half maximum) levels for partial volume correction. We have also applied this method to PET image of normal control and tested for the possibility of clinical application. For the partial volume correction, 18F-PET Hoffman phantom images were co-registered to MR slices of the same phantom. The gray matter and white matter region of 16th MR slice were then segmented to be binary images. Each of these binary images was convolved by 4, 8, 12, 16mm FWHM levels with the three-dimensional gaussian point-spread function. And the convolved images of gray matter and white matter were merged corresponding to the same level of FWHM. The original PET image was then divided by the convolved binary images in pixel-by-pixel basis resulting in larger PET image volume in size. These enlarged partial volume corrected PET images were multiplied by binary image to exclude extracortical region. The evaluation of partial volume corrected PET images were performed by region of interests (ROI) analysis applying ROIs, which were drawn on gray matter region and white matter region of the original MR image slice. Using the mean pixel values of ROIs, We calculated the ratio of white matter to gray matter. We have also applied this method to PET image of normal control. From the ROI analysis, the ratio of corrected images was increased more than that of uncorrected images. The ratios of PET images corrected by each FWHM levels have varied from 1:2.02 to 1:2.53. In case of normal control, the ratio of corrected images was increased more than that of uncorrected image similar to the results of Hoffman phantom data. However the ratios increasement of corrected PET images have varied from 1:1.31 to 1:1.73 which was lower than those of corrected Hoffman phantom PET images. The ratios between white matter and gray matter of corrected Hoffman phantom image was near 1:3. But the ratios of corrected normal control images were lower than those of Hoffman phantom images, the result showed proper correction. In conclusion, the method developed for partial volume correction in PET data may be able to apply for clinical application, although further study may be required for optimal correction.