MR-based Partial Volume Correction Using Hoffman Brain Phantom Data and Clinical Application

자기공명영상을 이용한 양전자방출단층촬영의 부분용적효과 보정 및 임상적용

PET (positron emission tomography) permits the investigation of physiological and biochemical processes in vivo. The accuracy of quantifying PET data is affected by its finite spatial resolution, which causes partial volume effects. In this study, we developed a method for partial volume correction using Hoffman phantom PET and MR data, and applied various FWHM (full width at half maximum) levels. We also applied this method to PET images of normal controls and tested for the possibility of clinical application. $^{18}$ F-PET Hoffman phantom images were co-registered to MR slices. The gray matter and white matter regions were then segmented into binary images. Each binary image was convolved by 4, 8, 12, 16 mm FWHM levels. These convolved images of gray and white matter were merged corresponding to the same level of FWHM. The original PET images were then divided by the convolved binary images voxel-by-voxel. These corrected PET images were multiplied by binary images. The corrected PET images were evaluated by analyzing regions of interests, which were drawn on the gray and white matter regions of the original MR image slices. We calculated the ratio of white to gray matter. We also applied this method to the PET images of normal controls. On analyzing the corrected PET images of Hoffman phantom, the ratios of the corrected images increased more than that of the uncorrected images. With the normal controls, the ratio of the corrected images increased more than that of the uncorrected images. The ratio increase of the corrected PET images was lower than that of the corrected phantom PET images. In conclusion, the method developed for partial volume correction in PET data may be clinically applied, although further study may be required for optimal correction.

양전자방출단층촬영장치는 인체나 실험 동물 생체 내에서 일어나는 생화학적, 생리학적 과정을 정량 분석할 수 있는 장점으로 인해 핵의학에서 중요한 역할을 하고 있다. 그러나 지속적인 핵의학기기의 발전에도 불구하고 PET은 여전히 분해능이 낮다는 단점이 있으며, 이로인해 부분용적효과가 발생한다. 본 연구에서는 호프만 팬텀 PET영상을 대상으로 MR 영상을 이용해 부분용적효과를 보정한 뒤 복원된 픽셀값이 백질과 회백질간의 글루코즈 흡수비율인 1:3에 근접하는 정도를 알아보고 실제 정상인 환자의 PET 영상을 같은 방법으로 보정하여 임상적용의 가능성을 알아보았다. 먼저 호프만 팬텀의 MR 영상과 PET영상을 registration한 뒤, MR영상을 이용해 백질과 회백질 부위를 추출하여 binary image를 만들었다. 각각의 binary image를 4, 8, 12, 16 mm의 다양한 FWHM 해상도 값으로 convolution과정을 거친 뒤 회백질 부위와 백질 부위를 다시 결합하여 MR 영상과 registration된 PET영상에서 나누고, 이를 다시 뇌 전체 영역을 나타내는 binary image와 곱하여 해부학적으로 정확한 뇌 영역을 갖도록 하였다. 분석방법으로는 MR 영상에서 회백질과 백질 부위에 관심영역을 얻은 뒤, 이를 보정 이전의 영상과 4, 8, 12, 16 mm의 FWHM으로 각각 보정된 영상들에 적용하여 관심 영역내 평균 픽셀 값을 얻고 이를 이용하여 회백질과 백질 간의 평균 픽셀 값 비율을 구하였다. 또한 같은 방법으로 정상인의 PET영상을 보정하였다. 호프만 팬텀의 실험결과, 회백질과 백질 간의 보정 후 비율이 보정 이전의 비율에 비해 증가하였으며, 각각의 FWHM 조건에서도 비율 차이를 나타내었다. 정상인의 경우 역시 보정 이전에 비해 보정 이후 백질과 회백질간의 비율이 증가하는 경향을 나타내었으나, 각각의 FWHM 경우 나타난 회백질과 백질 간의 비율의 증가는 호프만 팬텀실험에 비해 약간 더 낮게 나타났다. 실험을 통해 보정 이후 호프만 팬텀의 경우 실제 백질과 회백질간의 비율인 1:3의 비율에 근접하였으며, 임상적용의 경우 보정 이 후 그 비율이 호프만 팬텀의 실험결과에 미치지는 못하지만 적절한 보정효과를 나타냈다. 또한 각각의 FWHM 값으로 보정된 결과에서 나타난 비율의 증가폭 결과를 통해 4 mm에서 16 m의 FWHM 적용에 따른 부분용적효과의 보정 정도를 알 수 있었으며, 실제 임상적용의 가능성을 제시하였다.