Change of PET Image According to CT Exposure Conditions

CT 촬영 조건에 따른 PET 영상의 변화

Abstract

PET-CT improves performance and reduces the time by combining PET and CT of spatial resolution, and uses CT scan for attenuation correction. This study analyzed PET image evaluation. The condition of the tube voltage and current of CT will be changed using. Uniformity phantom and resolution phantom were injected with 37 MBq $^{18}F$ (fluorine ; 511 keV, half life - 109.7 min), respectively. PET-CT (Biograph, siemens, US) was used to perform emission scan (30 min) and penetration scan. And then the collected image data were reconstructed in OSEM-3D. The same ROI was set on the image data with a analyzer (Vinci 2.54, Germany) and profile was used to analyze and compare spatial resolution and image quality through FWHM and SI. Analyzing profile with pre-defined ROI in each phantom, PET image was not influenced by the change of tube voltage or exposure dose. However, CT image was influenced by tube voltage, but not by exposure dose. When tube voltage was fixed and exposure dose changed, exposure dose changed too, increasing dose value. When exposure dose was fixed at 150 mA and tube voltage was varied, the result was 10.56, 24.6 and 35.61 mGy in each variables (in resolution phantom). In this study, attenuation image showed no significant difference when exposure dose was changed. However, when exposure dose increased, the amount of dose that patient absorbed increased too, which indicates that CT exposure dose should be decreased to minimum to lower the exposure dose that patient absorbs. Therefore future study needs to discuss the conditions that could minimize exposure dose that gets absorbed by patient during PET-CT scan.

다양한 촬영 조건의 CT 감쇠 지도가 PET 영상에 영향을 미치는지 알아보기 위하여 다양한 kVp와 mA조건에서 Uniformity phantom 영상의 신호 강도(SI; Signal Intensity)와 표준 섭취율 계수(SUV; Standardized Uptake Value)를 측정하고, CTDI (Computed Tomography Dose Index)를 통해 각 조건에 따른 피폭선량을 측정하였다. 또한 동일한 조건에서 Resolution phantom의 반치폭(FWHM; Full Width at Half Maximum)을 측정하여 CT의 kVp와 mA에 따른 PET 영상의 화질 변화에 대하여 정량적으로 알아보고자 하였다. 연구 결과, CT의 촬영 조건은 PET 영상에는 영향을 주지 않는 것으로 나타났으나, CT의 촬영 조건이 감소하게 되면 방사선 피폭이 감소하게 되지만 영상에 영향을 미치게 되므로 향후 진단이 가능한 CT 화질을 유지하면서 방사선 피폭을 최소화할 수 있는 양전자 방출 단층 촬영(PET/CT; Positron Emission Tomography / Computed Tomography)의 촬영 조건에 대한 연구가 지속적으로 되어야 할 것이다.

Ⅰ. INTRODUCTION

양전자 방출 촬영 (PET; Positron Emission Tomography)은 생체에서 비침습적으로 전신의 조직의 포도당 대사를 정량적으로 측정할 수 있으며,[1] 질병에 대한 특이도가 높아 인체와 종양에서의 정확한 방사능 농도를 측정할 수 있다.[2,3] 이러한 장점으로 최근 암 선별검사로서 유용하다고 보고되고 있으며, 암의 발견을 위한 건강검진에 널리 사용되고 있다.[3,4] 그러나, PET 단일 검사만을 가지고 진단하기에는 공간 분해능이 떨어져 병소의 경계가 명확하지 않고, 주변 장기와의 정확한 해부학적 위치를 판단하기 어려워 임상에서의 활용이 제한되는 단점을 가지고 있다.[5,6]

이러한 단점을 극복하고 검사의 정확도를 높이기 위해 해부학적 정보를 표현할 수 있는 전산화 단층 촬영 기기 (CT; Computed Tomography)를 PET과 연동하여 기능 영상과 해부학적 정보를 담고 있는 진단 영상을 융합한 영상을 제공하여 줌으로써 기존의 단일 PET이 가지고 있는 해상도 측면의 물리적인 문제점을 개선할 수 있는 양전자 방출 단층 촬영 (PET CT; Positron Emission Tomography / Computed Tomography)가 개발되어 현재 사용되고 있다.[7,8]

PET CT는 CT의 정보를 PET의 감쇠 지도로 이용하여 PET에서 얻을 수 있는 정량적 정보와 CT의 해부학적 정보를 합성하기 때문에 PET 검사보다 진단적 가치가 높다.[9-11] 하지만 PET 영상의 감쇠 보정을 위해 68Ge, 137Cs 등의 방사성동위원소를 사용하는 것보다 CT를 이용하는 것은 환자가 보다 많은 방사선 피폭을 받게 되는 결과를 초래하였다.[12] 그러나 현재 PET CT는 암과 심장, 뇌질환 등을 가지고 있는 환자는 건강보험의 적용으로 인하여 경제적 부담이 감소하여 검사가 증가하고 있으므로 검사 시 환자의 방사선 피폭선량을 최소화하는 방안을 마련해야 할 것이다.

이에 본 연구에서는 다양한 CT 촬영 조건에 따른 PET 영상의 화질 변화에 대하여 정량적으로 알아보고자 하였다. 이에 Uniformity phantom을 이용하여 각 조건에 따른 PET 영상의 표준 섭취 계수 (SUV; Standardized Uptake Value)를 측정하였으며, CT 영상의 신호 강도 (SI; Signal Intensity)와 CTDI (Computed Tomography Dose Index)를 통하여 각 조건에 따른 피폭선량을 측정하였다. 또한 Resolution phantom을 이용하여 반치폭 (FWHM; Full Width at Half Maximum)을 측정하였다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

1. 연구 장비

Biograph 6 PET CT scanner (Siemens Medical Solution, Knoxville, Tennessee, USA)를 사용하였으며 Resolution phantom과 Uniformity phantom을 사용하였으며 Fig. 1에 나타내었다.

2. 연구 방법

2.1 영상 획득 방법 및 조건

Resolution phantom과 Uniformity phantom에 18F를 37 MBq를 주입하고, Table 1과 같은 조건으로 CT scan이 완료된 후 PET scan을 30 분간 시행하였으며, 촬영된 모든 영상은 DICOM 영상으로 저장하였다.

피폭선량을 확인하기 위하여 CT 장비의 선량 보고 (Dose Report)에서 나타나는 CTDI를 이용하였으며, 얻어진 PET 영상은 OSEM - 3D 방식으로 Iteration 8번, Subset 16으로 영상을 재구성하였다.

2.2 영상평가

Vinci (version 2.54, Max - Plank - Institute for Neurological Research Cologne)를 이용하여 CT와 PET으로 Resolution phantom을 Scan 한 영상에서 Fig. 2와 같이 5 ㎜ Hole에 Profile을 지정하여 반치폭을 측정하고, SI와 SUV를 알아보기 위하여 CT와 PET Scan 한 Water phantom 영상의 중앙에 관심 영역 (ROI; Region Of Interest)을 70 %로 설정하여 신호 강도를 측정하였다.

Fig. 1. PET - CT & Phantom.

Table 1. Scan parameters

Fig. 2. PET & CT Image Measurement.

3. 통계 분석

통계 분석 방법으로 SPSS (version 24.0, Statistical Package for the Social Sciences, IBM Co, Chicago, USA)를 이용하여 PET의 SUV와 CT의 SI의 변화에 대한 데이터를 정규성 검정을 시행한 결과 정규분포가 성립하지 않아 비모수적 상관관계 분석방법인 스피어만 상관분석(Spearman correlation)을 사용하여 상관관계를 확인하였다. 또한 기술 통계를 통하여 PET과 CT의 FWMH 변화와 CT의 kVp와 mA에 따른 CTDI를 정리하였다. 신뢰구간을 95 %로 정하여 p - value가 0.05 미만인 경우를 통계적으로 유의성이 있는 것으로 판정하였다.

Ⅲ. RESULT

1. SI와 SUV의 변화

Table. 2와 같이 CT 영상에서의 SI는 평균 3.80920 ± 0.46045으로 측정되어 kVp와 mA에 따라 변화되었다. 또한 PET 영상에서 SUV는 평균 1.08232 ± 0.00524로 측정되어 kVp와 mA에 따라 변화되지 않는 것으로 나타났다. 또한 Table. 3과 같이 상관분석 결과 PET의 SUV 측정값은 CT의 신호 강도에 따라 변화되지 않는 것으로 나타났다.

2. FWMH 변화

Table. 4와 Fig. 3과 같이 kVp과 mA에 따른 FWMH은 PET에서는 평균 5.6906 ± 0.00236로 측정되어 차이가 나타나지 않았으나, CT에서는 평균 5.7756 ± 0.14861으로 측정되어 CT의 kVp와 mA에 따라 변화되는 것으로 나타났다.

3. CTDI_vol 변화

Table. 5와 Fig. 4와 같이 kVp를 80, 110, 130으로 고정하고 mA를 150에서 400 mA까지 50씩 변화를 주었을 때의 피폭선량은 10.56 mGy에서 94.4 mGy까지 증가하여 나타났으며 mA를 150으로 고정하고 kVp를 80, 110, 130으로 변화시켰을 때 10.56, 24.6, 35.61 mGy으로 나타났다.

Table 2. SI and SUV according to kVp and mA

Table 3. Spearman Correlation Analysis results

Table 4. FWMH according to kVp and mA

Table 5. CT dose according to kVp and mA

Fig. 3. Image Profile according to kVp and mA

Fig 4. CT dose graph according to kVp and mA

Ⅵ. DISCUSSION

PET은 방사성의약품을 이용하여 인체 내의 생리 화학적인 대사과정을 정량화하여 병변의 유무와 SUV를 측정할 수 있지만 이에 비해 공간 분해능이 좋지 않아 병소의 정확한 위치를 파악하기에 취약했다. 이러한 문제를 보완하기 위하여 PET에서는 137Cs이나 68Ge과 같은 방사성동위원소를 이용하여 감쇠 보정을 시행하였으나, 10 분 이상의 검사시간이 소요되어 검사시간이 오래 걸리는 단점을 가지고 있었다. 그러나 PET CT는 CT의 감쇠 보정을 통하여 빠른 시간에 PET의 생리 화학적 대사기능 정보와 CT의 해부학적 정보를 융합하는 것이 가능하여 전체 검사시간이 단축되는 장점을 가지고 있지만, 반면에 환자의 방사선 피폭선량은 높아지는 단점을 가지게 되어 CT 촬영 조건은 최소한도로 제한되어야 한다.[13] 그러나 kVp와 mA가 높아질수록 CT 영상의 질은 좋아지게 되어 임상에서는 높은 선량을 이용하여 검사를 시행하게 되고 이는 심부선량이 높아지는 결과로 이어지게 된다.[14]

본 연구결과 PET 영상의 SUV는 CT 촬영 조건에 영향을 미치지 않았다. 선행연구에서 CT의 촬영 조건 따른 유의한 SUV의 차이는 나타나지 않았으며, 이에 따라 PET 영상의 감쇠 보정에 있어서 큰 영향을 미치지 않는다고 보고하였다.[15] 그러나 CT의 촬영 조건이 감소하게 되면 환자의 방사선 피폭이 감소하게 되지만 PET CT에서는 병소의 정확한 위치를 파악하기 위해서 CT를 이용하기 때문에 향후

진단이 가능한 CT 화질을 유지하면서 방사선 피폭을 최소화할 수 있는 PET CT의 촬영 조건에 대한 연구가 지속적으로 되어야할 것이다.

또한 환자는 연부 조직, 뼈, 수분 등의 물질로 구성되며 복잡한 구조로 이루어져 있으나 팬텀은 아크릴과 물의 단순한 구조로 이루어져 있어 실제 환자의 감쇠 지도를 반영하지 못한 점과 피폭선량이 장비에서 제공하는 Dose report의 이용으로 인하여 실제 측정값이 아니었다는 점에 대해 연구의 한계점을 지녔다. 향후 반복 재구성 기법 (IR; Iterative Reconstructionl) 등의 최신 CT 소프트웨어를 적용한 PET CT에서의 영상의 변화에 대한 연구가 필요할 것으로 생각되며 이러한 연구를 통하여 환자의 방사선 피폭선량을 감소시키려는 노력이 필요할 것으로 사료된다.

Ⅴ. CONCLUSION

PET CT에서 CT 촬영 조건을 최소화하여 PET을 촬영하여도 영상에는 문제가 없는 것으로 나타났다. 따라서 향후 연구에서는 본 연구에서 나타난 결과를 바탕으로 환자에게 노출되는 피폭선량을 최소화하는 조건에 대한 지속적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.