Development of Artificial Pulmonary Nodule for Evaluation of Motion on Diagnostic Imaging and Radiotherapy

Previous studies about effect of respiratory motion on diagnostic imaging and radiation therapy have been performed by monitoring external motions but these can not reflect internal organ motion well. The aim of this study was to develope the artificial pulmonary nodule able to perform non-invasive implantation to dogs in the thorax and to evaluate applicability of the model to respiratory motion studies on PET image acquisition and radiation delivery by phantom studies. Artificial pulmonary nodule was developed on the basis of 8 Fr disposable gastric feeding tube. Four anesthetized dogs underwent implantation of the models via trachea and implanted locations of the models were confirmed by fluoroscopic images. Artificial pulmonary nodule models for PET injected $^{18}F$-FDG and mounted on the respiratory motion phantom. PET images of those acquired under static, 10-rpm- and 15-rpm-longitudinal round motion status. Artificial pulmonary nodule models for radiation delivery inserted glass dosemeter and mounted on the respiratory motion phantom. Radiation delivery was performed at 1 Gy under static, 10-rpm- and 15-rpm-longitudinal round motion status. Fluoroscpic images showed that all models implanted in the proximal caudal bronchiole and location of models changed as respiratory cycle. Artificial pulmonary nodule model showed motion artifact as respiratory motion on PET images. SNR of respiratory gated images was 7.21. which was decreased when compared with that of reference images 10.15. However, counts of respiratory images on profiles showed similar pattern with those of reference images when compared with those of static images, and it is assured that reconstruction of images using by respiratory gating improved image quality. Delivery dose to glass dosemeter inserted in the models were same under static and 10-rpm-longitudinal motion status with 0.91 Gy, but dose delivered under 15-rpm-longitudinal motion status was decreased with 0.90 Gy. Mild decrease of delivered radiation dose confirmed by electrometer. The model implanted in the proximal caudal bronchiole with high feasibility and reflected pulmonary internal motion on fluoroscopic images. Motion artifact could show on PET images and respiratory motion resulted in mild blurring during radiation delivery. So, the artificial pulmonary nodule model will be useful tools for study about evaluation of motion on diagnostic imaging and radiation therapy using laboratory animals.

움직임 기반 진단 및 치료 평가를 위한 인공폐결절 개발

진단 및 치료분야에서 호흡 움직임이 미치는 영향에 대한 연구는 외부 움직임을 관찰하여 실시되었으나, 이러한 외부 움직임은 내부 장기의 실제 움직임을 반영하지 못한다. 이에 본 연구에서는 개의 흉부 내 비침습적 이식이 가능한 인공 폐결절을 제작하여 동물실험에 대한 적용가능성을 확인하고 PET 영상 획득 및 방사선조사 시 움직임의 영향을 평가하고자하였다. 인공폐결절은 8 Fr 일회용 위장용 영양공급튜브를 개조하여 제작하였다. 제작된 결절모델은 마취된 개 4마리에 기관을 경유하여 기관지에 삽입한 뒤 방사선투시장치를 이용하여 위치를 확인하였다. PET 촬영용 인공폐결절은 내강에 $^{18}F$-FDG를 주입한 뒤 호흡운동 모사체에 장착하여 정지 상태, 10 rpm과 15 rpm의 종축 왕복운동간 PET 촬영을 실시하였다. 방사선조사용 인공폐결절은 유리선량계를 이식한 뒤 PET 촬영 시와 동일한 호흡운동 모사체에 장착하여 정지 상태, 10 rpm과 15 rpm의 종축 왕복운동간 1 Gy 선량을 조사하였다. 인공폐결절은 방사선투시장치 영상에서 실험동물의 후엽 근위부 세기관지에 이식되며 호흡에 따라 결절의 위치가 변화함을 확인하였다. PET 영상에서의 인공폐결절은 모사된 호흡 움직임에 따라 움직임에 의한 인공산물을 나타내었으며, 호흡동조게이트 시 SNR은 7.21로 기준영상의 SNR 10.15에 비해 감소하였으나 프로파일상 게이트영상의 영상계수는 정적영상에 비해 기준영상과 유사하여 PET 영상의 질을 개선함을 확인하였다. 방사선조사 실험간 인공폐결절 내 삽입된 유리선량계에 조사된 조사선량은 정지 상태와 10 rpm의 종축 왕복운동에서 0.91 Gy로 차이를 보이지 않았으나, 15 rpm의 종축 왕복운동에서 0.90 Gy로 오차범위 내 감소를 나타내었으며, 이온 전리함을 통한 조사선량 검출에서도 근소한 감소를 나타내었다. 본 실험에서 제작된 인공폐결절은 실험동물의 후엽 근위부 세기관지에 높은 재현성을 보이며 방사선투시 영상에서 폐의 내부 움직임을 반영하였다. PET 영상 내 움직임에 의한 인공산물이 관찰되며, 방사선 조사연구에서는 호흡운동이 미약한 영상 흐림을 일으킴을 확인하였다. 따라서 본 인공폐결절은 진단 및 치료분야에서 실험동물을 이용한 움직임 기반 진단 및 치료 평가에 유용한 도구로 사용될 것으로 기대된다.