Ⅰ. 서 론
SPECT영상의 획득 과정에서 발생되는 감마선의 산란유 형은 1차선(primary)의 산란(valid event), 검출기 내부에 서 발생되는 컴프턴 산란(detector scatter event), 피사체 내부에서 발생되는 컴프턴 산란(object scatter event), 격 자투과(septal penetration)산란 총 4가지이며, 이중 1차선 을 제외한 나머지는 모두 산란선으로 분류된다[1]. 일반적으 로 핵의학 영상에서 획득된 결과영상의 총 계수는 1차선의 계수와 산란계수의 합과 같다(Fig. 1)[2]. 1차선의 계수에 변동이 없을 때 산란계수로부터의 영향은 방사능의 과소 또 는 과대평가로 계수오차를 발생시키는 것뿐만 아니라, 나아 가 잘못된 위치정보, 영상품질의 저하 및 왜곡을 가져오는 주요한 인자 중 하나이다. 따라서 정확한 영상을 획득하기 위하여 반드시 보정되어야 하는 부분이며, 이미 다양한 산 란보정(scatter correction, SC)방법들이 고안되어 정확성 비교와 임상적용 유용성에 관한 평가가 활발히 이루어져 왔 다[3-13].
고안된 산란보정 방법들 중 보조 에너지창(sub-energy window)의 설정을 통하여 획득한 산란계수를 주 에너지창 (main energy window)을 통해 획득된 총 계수에서 감산하 는 에너지창 기반 산란보정 방법(energy window based scatter correction, EWSC)이 가장 대표적이며, 그 밖에 다수의 신경회로망의 설정으로 얻어진 데이터를 몬테카를 로 시뮬레이션하여 보정하는 시뮬레이션 기반 산란보정 방 법, 마지막으로 SPECT/CT의 보급과 함께 CT로부터 얻은 감약 데이터를 이용하여 보정하는 CT 기반 산란보정 방법 (CT based scatter correction, CTSC)등이 있다.
각 방법들에 관한 Changizi[3] 등의 연구에서는 EWSC방 법을 적용하였을 때, 정량적 SPECT영상의 정확한 평가와 품질개선이 가능하며, 비교적 쉽게 임상에서의 적용이 가능 하다 보고되었다[3-5]. 또한 Dewaraja[6] 외의 여러 연구문 헌들에서는 몬테카를로 기반의 시뮬레이션 산란보정 방법이 EWSC보다 정량적 정확성이 우수하다 보고되었다[6-8]. 하 지만 시뮬레이션 기반의 산란보정은 현재 임상에서 사용되 는 장비상의 한계와 시뮬레이션 작업 등의 불편함으로 인해 임상에서의 적용은 쉽지 않으며, CTSC 방법은 아직 정확성 에 관한 연구가 활발히 이루어지지 않은 실정이다.
따라서 본 연구에서는 임상에서 비교적 쉽게 사용이 가능 한 EWSC방법의 정확성을 바탕으로 최근 SPECT/CT의 보 급이 늘면서 많은 사용이 기대되는 CTSC방법의 정확성을 확인해 보고자 하였다.
Ⅱ. 대상 및 방법
1. 실험재료 및 대상
1) 팬텀(phantom) 재원
팬텀내부 열소(hot region)의 체적을 최소화하기 위하여 구(sphere)형태보다는 막대(rod)형태로 설정이 가능한 SPECT Phantom acc. IEC 61675-2(International Electrotechnical Commission, triple line insert phantom)(PTW, Freiburg im Breisgau, Germany)를 사용했다(Fig. 2). 팬텀의 외경 은 200 ㎜이며 내부에는 직경 7 ㎜의 아크릴 관이 3개 있다. 각 관에는 외경 5 ㎜, 내경 2 ㎜의 막대형 열소를 삽입 할 수 있고, 기타 점(point) 또는 선(line)형 선원을 삽입할 수 있다. 실험은 막대형 열소에 99mTc선원을 이용하여 방사능 74 MBq(2.0 mCi)를 설정하였다.
2) 장비 및 영상획득
SPECT/CT장비는 BrightView XCT(Philips Healthcare, Cleveland, USA)를 이용하였으며, SPECT 영상획득 조건 은 matrix size는 64 x 64, 투사영상당 30 초씩 5.6 〬 간격 으로 총 64 frames를 획득하였다. CT 영상획득 조건은 관 전압 120 kV, 관전류는 20 mA이며, CT 촬영 방식은 3 segments localization fast mode를 사용하고 재구성 알고 리즘은 standard를 사용하였다.
2. 실험방법
1) 팬텀실험
Triple line insert phantom의 내부에 열소를 설정하고 감쇠와 산란선 발생이 거의 없는 공기를 내부에 채워 기준 영상을 획득하였다. 이어서 감쇠 및 산란계수의 발생이 상 대적으로 많아지도록 유도하기 위하여 팬텀 내부를 물로 채 워 영상을 획득하였다(Fig. 3). 획득된 두 영상을 통하여 총 계수, 산란계수, 1차선의 계수를 측정하고, 산란보정 적용 에 따른 산란계수의 변화를 알아보고자 하였다.
2) SPECT 영상 재구성 및 보정방법
산란보정 방법은 비산란보정(non scatter correction, NSC), 에너지창 기반 산란보정(EWSC), CT 기반 산란보 정(CTSC) 크게 3가지로 분류하여 적용시켰으며, 세부적 으로 EWSC의 경우 가장 대표적인 방법인 DPW(dual photo-peak window), DEW(dual-energy window), TEW (triple-energy window) 보정방법을 사용하였다. 그 밖 에 재구성 방법 및 기타 CT 기반의 감쇠보정(attenuation correction, AC)과 붕괴보정(decay correction, DC)방법을 공통 적용시켜 산란보정 방법 이외의 변경인자를 고정시켜 각각의 산란보정 방법의 적용에 따른 정량적 정확성만을 비 교 평가하고자 하였다.
3. EWSC 세부설정
실험에 사용된 99mTc선원에 맞게 주 에너지창을 140 keV ± 10%로 1개 설정하고, EWSC 적용을 위한 보조 에너지창 을 DPW 2개, DEW 1개, TEW2.5% 2개, TEW5% 2개, TEW10% 2개 추가 설정하고 총 10개의 에너지창을 통해 SPECT 영상을 동시 획득하였다(Fig. 4). 각 방법별 보조 에 너지창 설정방법과 산란계수 산출방법은 EWSC 관련 대표 문헌들을 참조해[9-13], 다음과 같이 적용하였다.
1) DPW
DPW방법은 주 에너지창의 내부를 2등분하여 lower와 upper 2개의 보조 에너지창을 설정한 후 다음과 같은 식 (Eq. 1)을 이용하여 산란계수 Cscatter를 산출하였다.
Cmain은 주 에너지창을 통해 획득된 총 계수를 의미하며, STR은 DPW방법 사용 시 특정 선원의 에너지 스펙트럼에서 총 계수 중의 산란계수의 비(ratio)를 의미하며, STR값의 산출 식(Eq. 2)은 다음과 같다.
이 때 Clower는 보조 에너지창 DPW10%(L)의 계수이고, Cupper는 보조 에너지창 DPW10%(U)의 계수이다(Fig. 4). ɑ 값은 Clower와 Cupper의 계수 비로써, Pretorius[10]의 연구 에 의하면 99mTc선원을 사용하였을 때의 ɑ 값은 2.64이며, 본 연구의 DPW방법에도 같은 값을 적용하였다. 각 보조 에 너지창의 에너지 설정 범위는 DPW10%(L) 133.33 keV ± 5.0%, DPW10%(U) 146.66 keV ± 5.0%이다.
2) DEW
DEW방법은 주 에너지창의 좌측 저에너지 영역에 주 에 너지창과 같은 넓이(±10%)의 보조에너지 창을 설정한 후 다음과 같은 식(Eq. 3)을 이용하여 산란계수 Cscatter를 산출 하였다.
이 때 ks는 DEW방법 사용 시 특정 선원의 에너지 스펙트 럼에서 보조 에너지창의 총 계수와 주 에너지창 내부에 존 재하는 산란계수와의 비를 의미한다. Jaszczak[11]의 연구 에 의하면 99mTc선원을 사용하였을 때의 k 값은 0.5이며, 그 밖의 다양한 관련 문헌들에서도 k 값으로 0.5를 가장 많이 적용하여 연구가 진행해 이루어져 온 것을 고려해 본 연구 의 DEW방법에도 같은 값을 이용하였다. Cs는 보조 에너지 창 DEW20%(Fig. 4)의 계수이며, 에너지 설정 범위는 114.54 keV ± 10.0%이다.
3) TEW
TEW방법은 Ichihara T.[12,13]의 연구를 참조하여 주 에너지창의 좌측 저에너지 영역과 우측 고에너지 영역에 각 각 보조 에너지창 1개씩 추가하여 총 3개의 에너지창을 설 정한 후 다음과 같은 식(Eq. 4)을 이용하여 산란계수 Cscatter 를 산출하였다.
TEW방법은 보조 에너지창의 넓이(%)를 다양하게 변화 시켜 적용할 수 있으며, 넓이에 따른 산란보정의 정확성에 차이가 발생하기 때문에 본 연구에서는 각각 2.5%, 5%, 10%로 나누어 넓이를 설정하고, 총 3가지 TEW방법을 적용 하였다.
TEW2.5%방법에서 Clow와 Wlow는 각각 보조 에너지창 TEW2.5%(L)의 계수와 에너지 설정 범위 2.5%를 의미하며, Chigh와 Whigh는 각각 보조 에너지창 TEW2.5%(H)의 계수와 에너지 설정 범위 2.5%를 의미한다(Fig. 4). 각 보조 에너 지창의 에너지 설정 세부 범위는 TEW2.5%(L) 124.40 keV ± 1.25%, TEW2.5%(H) 156.0 keV ± 1.25%이다. 주 에너 지창의 에너지 설정 범위 Wmain은 20%로 세부 설정 범위 140.0 keV ± 10%이다.
TEW5%방법에서 Clow와 Wlow는 각각 보조 에너지창 TEW5%(L)의 계수와 에너지 설정 범위 5%를 의미하며, Chigh와 Whigh는 각각 보조 에너지창 TEW5%(H)의 계수와 에너지 설정 범위 5%를 의미한다(Fig. 4). 각 보조 에너지 창의 에너지 설정 세부 범위는 TWE5%(L)는 122.92 keV ± 2.5%, TWE5%(H)는 157.95 keV ± 2.5%이다.
TEW10%방법에서 Clow와 Wlow는 각각 보조 에너지창 TEW10%(L)의 계수와 에너지 설정 범위 10%를 의미하며, Chigh와 Whigh는 각각 보조 에너지창 TEW10%(H)의 계수와 에너지 설정 범위 10%를 의미한다(Fig. 4). 각 보조 에너지 창의 에너지 설정 세부 범위는 TEW10%(L) 133.33 keV ± 5.0%, TEW10%(H)는 162.2 keV ± 5.0%이다.
주 에너지창을 통해 획득된 총 계수에서 각 산란보정 방 법별 산출된 산란계수를 감산시켜 보정된 계수를 획득하고, 최종영상을 재구성한다(Fig. 5). 산란보정을 적용한 최종영 상은 이론적으로 총 계수 중 산란계수가 제거된 1차선의 계 수만으로 구성된 영상을 기대할 수 있으나, 측정을 통하여 남아 있는 잔존 산란계수의 유·무를 확인하였고, 최종적으 로 잔존 산란계수의 존재가 확인되었을 때 그에 따른 정량 적 오차 산출을 통하여 정확성을 평가하였다.
4. 계수측정
각 산란보정 방법(NSC, EWSC, CTSC)으로 보정된 후의 모든 최종영상을 대상으로 CT영상을 융합시켜 팬텀 내부의 산란영역을 육안으로 확인하였고, 팬텀 내부에서 열소 이외 의 산란영역에 profile을 설정하여 산란계수의 유·무를 확 인하였다. 확인된 팬텀의 계수측정 범위 내에서 1차선의 계 수뿐 아니라 최대한 많은 산란계수를 포함시키기 위하여 최 대범위의 관심영역을 설정하였다. 정량적으로 정확한 측정 이 가능하도록 하기 위하여, 설정된 ROI를 총 10개 slice에 걸쳐 반복 설정하고, 체적을 만들어 관심체적을 형성시킨 후 총 계수를 측정하였다(Fig. 6). 또한 같은 크기의 VOI를 기준영상에도 적용해 측정하였으며, 최종적으로 기준영상 에 산란보정을 적용한 물팬텀 영상 7개를 포함하여 총 8개 영상에 대하여 30회씩 반복측정 하였다.
5. 분석 : 정확성 비교
VOI를 통하여 측정된 기준영상 즉, 산란선의 영향을 거 의 받지 않은 공기팬텀의 총 계수는 실험에 사용된 선원으 로부터 획득되는 1차선의 총 계수이며, 공기팬텀의 총 계수 와 각각의 산란보정 방법이 적용된 물팬텀 총 계수와의 오 차를 다음과 같은 식(Eq. 5)을 이용하여 산출하였다.
이 때 Tscatter는 산란보정 방법이 적용된 후 VOI 내에서 측 정되는 잔존 산란계수로써 공기와 물팬텀 간의 오차값을 의 미한다. Twater는 산란보정 후의 물팬텀 VOI의 총 계수이며, Tair는 공기팬텀의 VOI안 총 계수 측정값을 의미한다. 산출 된 결과 값을 바탕으로 총 계수 중 잔존 산란계수의 백분율인 %SF(percent scatter fraction)[14]와, 산란보정 적용에 따 른 오차의 제곱 평균값으로 측정치의 불일치성을 확인할 수 있는 %NMSE(percent normalized mean-square error)를 다음과 같은 식(Eq. 6, 7)을 이용하여 산출하였다[6,15].
%SF(%Scatter Fraction)
%NMSE(%Normalized Mean Square Error)
or
Ⅲ. 결 과
1. SPECT 영상 재구성 및 보정방법에 따른 계수측정 결과
실험결과 공기를 채운 팬텀의 총 계수대비 물을 채운 팬 텀의 총 계수는 증가되었다. 물을 채운 팬텀에 산란보정을 적용시키지 않은 NSC영상의 총 계수 대비 각 산란보정 방 법을 적용영상들의 총 계수는 모두 감소되었고, 산란보정 방법을 적용한 모든 영상의 정량적 계수오차 또한 NSC보다 감소되었다(Table 1).
2. 산란보정 방법 적용에 따른 정확성 비교
각 산란보정 방법의 적용 이후 총 계수(100%)중 남아있는 잔존 산란계수의 비율인 %SF는 보정을 하지 않았을 때 (NSC) 37.44%, DPW 27.41%, DEW 21.84%, TEW(10%) 19.60%, TEW(5%) 17.02%, TEW(2.5%) 14.68%, CTSC 5.57%로 전체 산란보정 방법 중 CTSC 적용 시 %SF가 가장 낮았다. EWSC 방법 중에서는 TEW의 %SF가 가장 낮았으 며, 특히 TEW는 사용된 보조 에너지창의 넓이(%)가 좁을수 록 %SF가 감소하였다(Table 2, Fig. 7).
각 산란보정 방법의 적용에 따른 보정 정확성을 기준영상 과 물팬텀 영상 간 오차의 제곱근 비율로 표현한 %NMSE는 보정을 하지 않았을 때(NSC) 35.80%, DPW 14.28%, DEW 7.81%, TEW(10%) 5.94%, TEW(5%) 4.21%, TEW(2.5%) 2.96%, CTSC 0.35%로 전체 산란보정 방법 중 CTSC 적용 시 %NMSE가 가장 낮았다. EWSC 방법 중에서는 TEW의 %NMSE가 가장 낮았으며, 특히 TEW는 사용된 보조 에너지 창의 넓이(%)가 좁을수록 %NMSE가 감소하였다(Table 2, Fig. 8).
Ⅳ. 고 찰
정량적 SPECT를 위해서는 감쇠, 산란 등에 대한 물리적 인 요소의 보정이 필수적이다. 특히 광자의 산란에 의해 발 생된 산란계수는 획득된 총 계수의 과소 또는 과대평가의 요인이 되며, 나아가 대조도 저하와 같은 영상품질 변화를 초래하므로 정확한 영상획득을 위하여 적절한 산란보정 방 법을 적용해주는 것이 중요하다. 다양한 연구 등을 통하여 여러 산란보정 방법이 고안되어져 왔고[9-13], 최근엔 SPECT/CT의 보급과 함께 CT를 이용한 비교적 빠르고 정확 한 감쇠보정(AC)을 적용한 후에 적절한 EWSC를 병용해주 는 복합적 방법에 대한 정량적 정확성 평가가 시도되고 있 다[4 ,5]. 그러나 기존의 산란보정 방법들 중 비교적 쉽게 적용이 가능한 EWSC도 CTSC만큼 신속한 적용은 어렵기 때문에 업무상 효율성은 CTSC가 가장 우수하다고 볼 수 있 지만, 그에 대한 정량적 정확성에 관한 연구는 아직 미비한 상황이다. 실제 임상에도 SPECT/CT의 보급이 늘면서 CT 를 이용한 다양한 기능들이 활용되고 있지만 CTSC의 경우 적극적인 적용이 어려워 주로 해부학적 위치정보를 제공하 는 융합영상과 감쇠보정에만 많이 사용되고 있다. 따라서 본 연구에서는 CTSC의 정확성을 보다 구체적으로 비교평가 해보고 나아가 실제 임상에서 적극적으로 사용이 가능할지 에 대한 가능성을 알아보고자 하였다.
Triple line insert phantom을 이용하여, 열소를 제외한 산란선 발생 공간을 최대한 넓게 확보하여, 산란선의 발생 을 유도하였고, 내부 산란물질은 감쇠와 산란이 거의 발생 되지 않는 공기를 기준으로 감쇠계수가 약 1000배정도 높은 물을 사용하여 산란계수 발생에 따른 정량적 계수변화를 측 정할 수 있도록 설정하였다. 이때 공기는 산란보정 방법 적 용에 따른 평가대상이 아니라 평가의 기준을 만들기 위한 물질이며, 본 실험에서는 매질간의 변화보다는 산란보정 방 법의 차이만을 비교하기 위하여 물 이외의 다른 산란물질은 고려하지 않고 통일하였다. 또한 팬텀실험의 특성상 내부를 실험재료(산란물질)로 채우기 수월해야 하고, 금속이거나 고체의 물질보다는 물이 비교적 사용이 수월하고, 공기와의 감쇠계수도 충분한 차이가 있기 때문에 우선 적용하였다.
공기는 감쇠계수가 0에 가깝기 때문에 산란계수의 발생 이 거의 없다는 가정하에 산란계수의 영향을 받지 않은 1차 선의 계수만 획득된 상태인 기준영상으로 설정하였으며, 상 대적으로 산란계수가 많이 발생하게 될 물에서의 총 계수를 측정하여 계수오차를 구하고 오차범위에 따른 각 산란보정 방법 간의 정확성을 비교할 수 있도록 %SF, %NMSE를 산 출하였다. 정확성 비교를 위하여 사용된 산란보정 방법은 대표적인 EWSC 방법인 DPW, DEW, TEW 3가지를 적용했 고, SPECT/CT에 적용된 CT 기반의 산란보정까지 총 4가지 를 사용하여 비교하였다. 각 산란보정 방법 적용에 따라 산 란보정 적용 후에 제거되고 남아있는 잔존 산란계수의 비율 을 표현한 %SF는 CTSC에서 5.6%로 가장 낮았으며, 산란보 정 적용 후 남아있는 잔존 산란계수에 의한 정량적 불일치 를 표현한 %NMSE 역시 CTSC가 0.35%로 가장 낮아 비교 적 정확한 보정이 가능하였다.
산란보정을 통하여 획득된 영상은 총 계수가 전반적으로 감소되는데 이는 불필요하게 증가되었던 산란계수에 의한 영향이 산란계수의 적절한 제거를 통해 감소되어 나타나는 결과로 예측할 수 있다. 실제로 1차선의 계수는 불변이기 때 문에 영상 본연의 유효계수는 제거되지 않고 유지되며, 총 계수는 줄었다 하더라도 영상의 잡음으로 작용되는 산란계 수만의 감소이기 때문에 영상품질을 좌우하는 정량적 지표 인 SNR(signal to noise ratio)또는 CNR(contrast to noise ratio)은 오히려 향상되어 정량적 정확성뿐만 아니라 영상품질의 향상까지 확보할 수 있을 것으로 사료된다. 특 히 다양한 산란보정 방법 중 CTSC의 경우 기존의 방법들과 비교하여 산란계수의 제거능력과, 오차변동이 가장 적은 정 확한 영상보정을 가능하게 해줌으로써 임상에서 상대적으 로 신속하고 쉽게 적용이 가능하고, 정량적 정확성과 영상 품질 향상까지 가능한 산란보정 방법이 될 수 있을 것으로 사료된다.
그러나 본 실험에서는 발생하지 않았지만 어떤 특별한 조 건으로 인하여 1차선의 계수까지 감소되는 과보정이 일어날 경우(음의 오차값을 갖는 경우)에는 정량적 정확성이 높다 하더라도(%NMSE는 오차의 제곱을 사용하기 때문에 양수, 음수의 구분 없이 기준에 가까운 절대값을 갖는 오차가 정 확성이 높은 것으로 분석됨) SNR 또는 CNR은 낮아져 영상 품질은 반대로 떨어질 수 있는 것을 고려해야 한다.
따라서 모든 조건에서 정량적 정확성이 높을수록 영상품 질이 향상될 것으로 예측할 수 없기 때문에 추후 다양한 조 건의 산란보정을 적용해 정확성뿐만 아니라 영상품질까지 동시에 평가되는 연구가 필요할 것으로 사료된다.
Ⅴ. 결 론
SPECT/CT영상에서 실험에 사용된 각 산란보정 방법 (EWSC, CTSC)의 적용은 총 계수에 더해진 산란계수를 제 거해줌으로써 산란계수의 영향으로 발생된 정량적 계수오 차를 개선시킬 수 있었으며, 모든 산란보정 방법에 있어 공 통적으로 %SF가 낮을수록 %NMSE도 낮아지는 것을 확인하 였다. 연구에 사용된 방법들 중 EWSC보다는 CTSC에서, EWSC중에서는 TEW가, TEW중에서는 보조 에너지창의 넓 이(%)가 좁을수록 개선효과가 더 컸으며, 특히 CTSC의 경 우 가장 낮은 %NMSE(=0.35%)를 보여 정량적으로 기준영 상에 가장 근접된 정확한 영상획득이 가능하였다.
