Analysis of Acquisition Parameters That Caused Artifacts in Four-dimensional (4D) CT Images of Targets Undergoing Regular Motion

The aim of this study was to clarify the impacts of acquisition parameters on artifacts in four-dimensional computed tomography (4D CT) images, such as the partial volume effect (PVE), partial projection effect (PPE), and mis-matching of initial motion phases between adjacent beds (MMimph) in cine mode scanning. A thoracic phantom and two cylindrical phantoms (2 cm diameter and heights of 0.5 cm for No.1 and 10 cm for No.2) were scanned using 4D CT. For the thoracic phantom, acquisition was started automatically in the first scan with 5 sec and 8 sec of gantry rotation, thereby allowing a different phase at the initial projection of each bed. In the second scan, the initial projection at each bed was manually synchronized with the inhalation phase to minimize the MMimph. The third scan was intentionally un-synchronized with the inhalation phase. In the cylindrical phantom scan, one bed (2 cm) and three beds (6 cm) were used for 2 and 6 sec motion periods. Measured target volume to true volume ratios (MsTrueV) were computed. The relationships among MMimph, MsTrueV, and velocity were investigated. In the thoracic phantom, shorter gantry rotation provided more precise volume and was highly correlated with velocity when MMimph was minimal. MMimph reduced the correlation. For moving cylinder No. 1, MsTrueV was correlated with velocity, but the larger MMimph for 2 sec of motion removed the correlation. The volume of No. 2 was similar to the static volume due to the small PVE, PPE, and MMimph. Smaller target velocity and faster gantry rotation resulted in a more accurate volume description. The MMimph was the main parameter weakening the correlation between MsTrueV and velocity. Without reducing the MMimph, controlling target velocity and gantry rotation will not guarantee accurate image presentation given current 4D CT technology.

표적이 규칙적으로 움직일 때 생기는 4DCT 영상의 모션 아티팩트(Motion Artifact) 관련된 원인분석

본 연구는 표적이 규칙적으로 움직일 때 생기는 4DCT 영상의 모션 아티팩트(motion artifact) 관련된 원인들인 partial volume effect (PVE), partial projection effect (PPE), 각각의 프레임의 시작점 사이에 불일치(MMimph)의 원인들은 조사 및 분석을 목적으로 했다. 본 기관에서 제작된 흉부팬텀과 아크릴의 두개의 원기둥팬텀(반지름: 2 cm, 길이: 0.5 cm/ 반지름: 2 cm, 길이: 10 cm)이 규칙적인 움직이는 동안 CT을 이용하여 4D 영상을 획득했다. 촬영은 자동시작과 각각의 프레임의 시작점을 일치시키기 위해 매뉴얼로 두 가지 방법으로 시작하였다. 첫번째 실험에서는 CT 캔트리 rotation time은 5초와 8초가 이용되었다. 각 프레임은 다른 위상으로 시작되었다. 두번째 실험에서는 각 프레임에서 같은 위상으로 시작되게 하기 위해 매뉴얼로 시작했다. 세번째 실험에서는 원기둥팬텀을 2초와 6초를 주기로 움직였다. 각각의 4DCT의 영상에서 표적의 부피를 구했다. 영상으로부터 구한 표적의 부피와 표적의 실제 부피와 비교를 통해 관계를 분석했다. 흉부팬텀 실험에서는 CT의 갠트리 속도가 팬텀의 움직임보다 빠를수록 PVE와 PPE의 영향이 적어짐에 따라 영상에서 얻은 표적부피는 실제에 근접했다. 각각의 프레임의 시작점이 일치할수록 움직임의 속도와 표적의 부피와 상관관계가 높았다. 원기둥팬텀에서는 흉부팬텀의 경우와 같이 갠트리 속도가 팬텀의 움직임보다 빠를수록 영상으로부터 구한 표적부피는 실제 표적부피에 근접했다. 특히 한 slice의 두께가 2.5 mm을 고려 할 때 axial방향의 PVE, PPE, 각각의 프레임의 시작점이 일치가 되는 상태를 시뮬레이션한 길이 10 cm의 원기둥팬텀 실험에서는 영상에서 얻은 표적부피는 표적이 정지되었을 때 영상에서 얻은 부피와 거의 일치했다. 팬텀이 느리게 움직일수록, CT 갠트리의 rotation 시간이 짧을수록 영상에서 얻은 표적부피는 실제 부피에 근접했다. CT 촬영 시 각각의 프레임의 시작점이 같을수록 표적의 속도와 영상에서 의한 표적의 부피는 상관관계가 높게 나타났다. CT 갠트리의 rotation 속도를 팬텀의 움직임보다 빠르게 하고, CT 촬영시 각의 프레임의 시작점을 일치시킬수록 실제의 팬텀부피에 근접하리라고 예상된다.