초록
목적: 수용체 결합능 정량화를 위해서는 방사성추적자의 동태를 충분히 관찰하기 위해서 보통 뇌 PET 영상을 60-120분 정도 얻어야 한다. 이처럼 장기간 PET 영상을 얻게 되는 경우 보통 피험자의 수의적/불수의적 움직임을 피할 수 없고 이러한 피험자의 머리 움직임은 재구성된 PET 영상의 공간해상도를 저하시키고 측정된 방사능 농도의 정확성을 떨어뜨리는 요인이 된다. 이 연구에서는 동적 영상 정보만을 이용하여 피험자의 머리 움직임을 보정할 수 있는 방법을 개발하고 이를 피험자의 움직임이 불가항력적인 뇌활성화 도파민 D2 수용체 영상에 적용하여 움직임 보정이 리간드 결합능 및 외부 자극에 의한 도파민 유리(release) 정량화에 미치는 영향을 평가하였다. 대상 및 방법: 4명의 정상인 자원자에서 비디오 게임에 의한 도파민 유리를 평가하기 위한 실험으로 순간+연속 주입법을 이용하여 얻은 $[^{11}C]raclopride$ PET 영상을 이용하였으며 실제로 도파민 유리를 계산하기 위해서 필요한 프레임들만을 선별해서 영상 정합 기법을 적용하였다. 즉, $[^{11}C]raclopride$을 투여한 후 선조체에서의 리간드의 특이적 결합이 항정상태(steady state)에 최초로 도달하는 과제 수행 전 (30-50 분) 영역과, 비디오 게임 과제에 의해 도파민이 유리된 후 다시 항정상태에 도달하는 70-90분, 비디오 게임을 멈춘 후 다시 항정상태에 도달하는 110-120 분 데이터에만 움직임 보정 기법을 적용하는 방식이다. 각 항정상태 구간은 보통 2-4개의 프레임으로 구성되므로 먼저 이들 프레임들간의 영상정합을 수행(intra-condition registration)하여 평균 영상을 만들고 이들 평균 영상들을 정합하여 최종적으로 움직임 보정(inter-condition registration)을 하였다. 게임 수행 전후의 도파민유리를 평가하기 위하여 머리 움직임 보정 전후의 게임 과제 수행 전후의 결합능 백분율 변화를 구하였으며 각 조건에 대한 결합능 파라미터 영상을 구하고 움직임 보정 전후의 결합능 영상의 화소별 차이를 SPM2를 이용한 t-test(쌍체 검정)로 알아보았다. 결과: 움직임 보정 전후의 영상을 비교하였을 때, 움직임 보정 전 영상에서, 게임 수행시 영상이 게임을 위한 스크린 위치에 따른 시야 변동으로 게임 수행전 영상에 비하여 앞쪽 아래로 기울어져 있음을 알 수 있었으며 이러한 경향은 대상 피험자 모두에서 관찰되었다. 보정 전 영상으로부터 측정된 비디오 게임에 의한 도파민 유리는 putamen에서 29%, caudate head에서 57%, ventral striatum에서 17% 였으나, 보정 후 영상으로부터 구한 도파민 유리는 이들 영역에서 각각 3.9%, 14,1%, 0.6%로 움직임 보정을 하지 않은 경우 선조체 모든 구소물에서 결합능 감소, 즉 게임에 의한 도파민 유리가 과대평가됨을 알 수 있다. SPM 분석결과에서도 움직임을 보정하지 않은 영상을 이용한 경우, 선조체 구조물에서의 결합능 감소와 움직임에 의한 영상강도 저하가 복합적으로 영향을 주어 결합능 차이가 매우 유의하게 평가되었으나 움직임 보정 후 영상을 이용하여 비교한 경우, 결합능 변화가 선조체 영역에서 국한되어 나타나며 그 유의성이 움직임 보정 전에 비하여 낮음을 알 수 있었다. 결론: 뇌활성화 과제 수행시에 동반되는 피험자의 머리 움직임에 의하여 도파민 유리가 과대평가되었으며 이는 이 연구에서 제안한 영상정합을 이용한 움직임 보정기법에 의해서 개선되었다.
Purpose: Neuroreceptor PET studies require 60-120 minutes to complete and head motion of the subject during the PET scan increases the uncertainty in measured activity. In this study, we investigated the effects of the data-driven head mutton correction on the evaluation of endogenous dopamine release (DAR) in the striatum during the motor task which might have caused significant head motion artifact. Materials and Methods: $[^{11}C]raclopride$ PET scans on 4 normal volunteers acquired with bolus plus constant infusion protocol were retrospectively analyzed. Following the 50 min resting period, the participants played a video game with a monetary reward for 40 min. Dynamic frames acquired during the equilibrium condition (pre-task: 30-50 min, task: 70-90 min, post-task: 110-120 min) were realigned to the first frame in pre-task condition. Intra-condition registrations between the frames were performed, and average image for each condition was created and registered to the pre-task image (inter-condition registration). Pre-task PET image was then co-registered to own MRI of each participant and transformation parameters were reapplied to the others. Volumes of interest (VOI) for dorsal putamen (PU) and caudate (CA), ventral striatum (VS), and cerebellum were defined on the MRI. Binding potential (BP) was measured and DAR was calculated as the percent change of BP during and after the task. SPM analyses on the BP parametric images were also performed to explore the regional difference in the effects of head motion on BP and DAR estimation. Results: Changes in position and orientation of the striatum during the PET scans were observed before the head motion correction. BP values at pre-task condition were not changed significantly after the intra-condition registration. However, the BP values during and after the task and DAR were significantly changed after the correction. SPM analysis also showed that the extent and significance of the BP differences were significantly changed by the head motion correction and such changes were prominent in periphery of the striatum. Conclusion: The results suggest that misalignment of MRI-based VOI and the striatum in PET images and incorrect DAR estimation due to the head motion during the PET activation study were significant, but could be remedied by the data-driven head motion correction.
