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하늘 아
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 13, No. 11 pp , 정상뇌혈류영상에서재구성알고리즘적용에따른섭취율차이 : 통계적파라미터지도를사용한분석 이효영 1, 김윤진 2*, 신성규 3 1 부산대학교병원핵의학과, 2 부산대학교병원가정의학과, 3 동아의료원영상의학과 The changes of cerebral blood flow by brain imaging algorithm in the Normal Brains : Analysis by Statistical Parametric Mapping Hyo-Yeong Lee 1, Yun-Jin Kim 2* and Sung-Gyu Sin 3 1 Department of Nuclear Medicine, Pusan National University Hospital 2 Department of Family Medicine, Pusan National University Hospital 3 Department of Radiology, Dong-A University Medical Center 요약뇌영상분석알고리즘적용에따른뇌혈류의변화를관찰하기위해정상성인 13명 ( 평균연령 39세 ) 을대상으로뇌혈류단광자단층촬영 (Single Photon Emission Computed Tomography, SPECT) 을시행하였다. 획득된영상을여과후역투영법 (Filtered Back Projection, FBP) 과반복적방법 (Ordered Subset Expectation Maximization, OSEM) 으로영상을재구성하여통계학적파라미터뇌지도법으로비교하여방사성의약품의뇌분포양상을확인하였으며, 혈류의변화는크러스트 (Cluster) 로표현시켰다. 이에대한결과로는여과후역투영법이반복적방법보다섭취가증가된부위는우측전두엽, 대뇌회전하부, 외핵, 좌측대뇌변엽과대상이랑이며, 섭취가감소된부위는좌측전두엽, 중간전두이랑, 하측전두이랑, 중심전이랑, 하측전두이랑, 중심전이랑이었다. 이는영상재구성시적용되는알고리즘에따라뇌혈류분포가다르게나타난것을크러스트 (Cluster) 로표현시켰고, 명확한시각적표시가가능하도록뇌확룔지도로보여주는데의의가있다. Abstract Single Photon Emission Computed tomography(spect) was performed on 13 healthy adults (average age: 39) to investigate the changes of cerebral blood flow according to brain imaging analysis algorithm. The acquired images were filtered and reconstructed through Filtered Back Projection (FBP) and Ordered Subset Expectation Maximization (OSEM). The brain distribution data of radiopharmaceuticals were compared using Statistical Parametric Mapping (SPM), and the changes of blood flow was expressed in Cluster. As a result, uptake rate was increased in Sub-gyral, Sub-Lobar, Extra-Nuclear, Limbic lobe and Cingulate Gyrus, while uptake rate was decreased in Middle frontal gyrus, Inferior Frontal Gyrus and Precentral Gyrus. The discriminable SPM was shown according to cerebral blood flows in Cluster by the reconstruction algorithm. Key Words : SPECT, Brain, Algorithm, SPM 1. 서론 뇌혈관질환은한국인에서암에이어두번째사망원인이며, 2010년도통계청의사망원인통계연보에의하 면인구 10만명당사망자수 53.2명으로 2000년의 73.1명에비해 19.9명이감소된것으로조사되었다 [1]. 이는의학의발전과보건환경의개선에따란각종질환으로인한사망등이줄어들었기때문이다. 특히, 남녀모두뇌혈관 * Corresponding Author : Yun-Jin Kim Tel : whiteshirt@naver.com 접수일 12 년 08 월 17 일수정일 (1 차 12 년 09 월 11 일, 2 차 12 년 09 월 14 일 ) 게재확정일 12 년 11 월 08 일 5311

2 한국산학기술학회논문지제 13 권제 11 호, 2012 질환으로인한사망이줄어들었기때문이다. 뇌혈관질환의일반적인영상진단검사법으로는컴퓨터단층촬영 (Computerized tomography, CT) 과자기공명영상 (Magnetic resorence image MRI), 단광자단층촬영 (Single photon emission computerized tomography, SPECT) 으로구분된다. 이중 SPECT는환자의증상발현직후부터비교적높은예민도 (61-75%) 와특이도 (88-98%) 로혈류의변화를반영할수있으며혈류결손부위의크기와정도가환자의임상결과를반영하며혈류감소정도에따라치료후예후예측도가능한것으로보고된다 [2]. SPECT검사는 CT, MRI에서의병변이나혈관촬영에서보다많은혈류의결손을나타낸다. 이러한현상은이환된혈관분지에의해혈관공급을받는부위의혈관감소이외에도뇌혈관수축과무관한일차적뇌대사저하및이에따른혈류감소, 해리현상에의한이차부위의혈류및대사저하, 혈관촬영에서잘볼수없는작은혈관의혈류감소등에의한다 [3]. SPECT로획득된뇌기능영상은 CT나 MRI등의해부학적영상에비하여해상도가떨어져영상처리가더필요한부분이다. 이렇게획득된뇌기능영상은전문의가아니고는판독이쉽지가않아일반사람들에게많은정보를제공하지못하는제한점이있었다. 또한, 기능영상을판독할때도사람에따라다르게판독할수있어경험이많은전문의가아니면진단의정확도가떨어지는단점이있다. 따라서뇌기능영상은정량분석을통하여방사성의약품의섭취정도를수치화하여객관적인정보를제공할수있는방법들이개발되었는데, 이중반정량적으로분석하는통계적파라미터지도 (Statistical Parametric Mapping, SPM) 방법이개발되었다. 이방법은모든뇌기능영상을표준뇌지도에정규화한후에정상인과진단대상인과의방사성의약품섭취정도를통계적으로비교하여의미있게차이가있는부분을추출하는방법이다 [4,5]. 처음에는뇌활성화를통하여의미있게차이가있는부분을찾고자개발되었지만오늘날뇌기능영상을분석하는데일반적으로사용되고있다. 뇌관류 SPECT는혈류의변화를잘반영해야하기때문에사용되는방사성의약품은뇌의해부학적구조와기능과의관계, 그리고정신병태생리에따라섭취되고영상화되어져야한다. 하지만, SPECT를통해획득된정보는시각적인혈류분포로나타내기위해영상재구성처리과정을거치게되는데이때사용되는것이영상재구성알고리즘 (Imaging reconstruction algorithm) 이다. 이러한영상재구성알고리즘은물리적현상및과정을통계학적차원에서모델링하는방법이각각달라알고리즘별특성을가진다 [6]. 이에본연구는뇌관류 SPECT에서획득되어진데이터는영상분석에적용되는재구성알고리즘 (FBP, OSEM) 에따라뇌혈류분포의변화가있을것으로생각되어뇌확률지도를가지고영상분석을해보고자한다. 2. 연구대상및방법 2.1 연구대상 뇌혈관질환, 고혈압, 당뇨등의임상적질환이없고신경 정신학적으로정상을판정받은지원자중성인 13명 ( 남자 4명, 여자 9명, 평균연령 39±4세 ) 을대상으로하였으며, 본연구는부산대학교병원윤리위원회규정에따라시행하였다. 2.2 영상획득및분석정상인에서 99m Tc-Ethylcysteine dimer(ecd) (Neurolite, DuPont Pharma, USA) 를사용하여뇌혈류 SPECT를시행하였다. 촬영용검사대에누운상태에서상지정맥에카데터를삽입하고약 10분간안정을취했다. 99m Tc-ECD(740MBq) 을주사하고 5분뒤에고해상력조준기가장착된이중헤드회전형감마카메라 (Vertex-EPIC, Philips ADAC, USA) 를이용하여영상을획득하였다. 각영상의재구성을위해컴퓨터에수록된자료를가지고 Butterworth여과기 (order:5, cutoff frequency:0.22) 를사용하여여과후역투사법으로황단면상을구하였다. 2.3 영상획득및분석감마카메라에서획득한 DICOM형태의파일을 MRIcro( 를이용해 SPM2 소프트웨어 (Statistical Parametric Mapping. The Wellcome Department of Cognitive Neurology. University College London, UK) 에서분석이가능한파일형식 (analyzer file format) 으로변환했다. MATLAB version 2010a(Mathworks, Inc.,MA, USA) 를기반으로동일환자의뇌관류변화를 SPM을이용하여분석하였다. 모든영상들에대해 SPM이제공하는뇌 SPECT표준판을기준으로공간정규화과정을거친뒤, 16mm의반치폭 (Full width at half maximum, FWHM) 을갖는가우시안커널 (Gaussian kernel) 로중첩적분하여편평화를하였다. FBP 와 OSEM의영상재구성알고리즘을적용하고얻어진영상을비교하여각영상에서국소뇌관류가증가한뇌영역과감소한뇌영역을찾았다. 뇌관류의변동에전체혈 5312

3 정상뇌혈류영상에서재구성알고리즘적용에따른섭취율차이 : 통계적파라미터지도를사용한분석 류값이독립변인으로영향을미친다고보고비례계수 (proportional scaling : 50) 방법으로전체뇌관류의간섭을보정하였다. 각화소의방사능계수는뇌피질전체관류, 각군에따른특정효과, 그리고오차의선형결합으로이루어진다는일반선형모델 (general linear model) 을가정하여선형회귀분석하고오차효과를최소화하는변수의가중치행렬 (β) 을찾았다. 두알고리즘을적용하여나타난영상간의국소계수차이에대하여 t-test를시행하고용이한해석을위해 t값들을표준정규분포로변환하여 Z 값으로나타내었다. t-test 결과국소계수차이에의한유의수준이특정기준이상인 3차원화소 (voxel) 들을유의한것으로평가되었다. 유의한화소들의위치는 Talairach(Talairach and Tournoux, 1988) 좌표계를이용하여표시하였다. 모든자료는원도우용 SPSS 소프트웨어 (version 12.0, SPSS Inc. Chicago, llinois, USA) 를이용하였고 FBP와 OSEM의알고리즘간의뇌혈류분포의차이는 paired t-test를이용하였다. 모든통계적검정에서 p값은 0.05미만인경우를유의하다고평가하였다. 3. 결과 정상인에서 FBP과 OSEM의영상은유의수준의변화에따른영상재구성알고리즘변화에대한뇌혈류량의분석결과는크러서터의크기, 좌표에해당하는뇌의해부학적명칭과 Brodmann Area(BA), Z-value, P-value로 나타내었다. 1) FBP와 OSEM의비교시뇌혈류량이증가된영역에서 P value의 threshold를 0.05(p<0.05), voxel의 extent threshold 수는 0(extent threshold;ke=0 voxel) 으로맞추어섭취의증가와감소량의변화가모두표현되도록하였다. 뇌혈류의섭취가증가된부위는다음과같다. FBP에비해 OSEM의뇌혈류가증가한부위는우측대뇌전두엽의대뇌회전하부 (Sub-gyral), 뇌부엽 (Sub-lobar), 외핵 (Extra-Nuclear), 변엽 (Limbic lobe), 대상이랑 (Cingulate Gyrus) 에서 16211voxels(kE=16211;BA24) 로가장의미있는섭취의증가가나타났으며, 좌측대뇌소엽 (Sub-lobe) 과외핵 (Extra-Nuclear) 에서 1197vexels(kE=1197), 좌측전두엽과대뇌회전하부 (Sub-gyral), 좌측대뇌변엽 (Limbic lobe), 해마옆이랑 (Parahippocampal Gyrus), 측두엽대뇌회전하부 (Sub-gyral) 에서 997voxels(kE=997), 좌측소뇌후엽과소뇌편도 (Cerebellar Tonsil) 에서 34voxels(kE=34), 좌측변엽 (Limbic lobe) 과전방대상 (Anterior Cingulate) 에서 18voxel(kE=18;BA32), 좌측대뇌두정엽 (Parietal Lobe), 각이랑 (Angular Gyrus) 에서 9voxels(kE = 9), 우측대뇌부엽 (Sub-lobar) 섬엽 (Insula lobe) 에서 1voxel(kE=1) 로증가하였다.(Table1, Fig.1). 2) FBP와 OSEM의비교시뇌혈류가감소된영역에서 P value의 threshold를 0.05(p<0.05), voxel의 extent threshold 수는 0(extent threshold ; ke = 0 voxel) 으로맞추어섭취의증가와감소량의변화가모두표현되도록하였다. 뇌혈류의섭취가감소된부위는다음과같다. [ 표 1] 뇌에서섭취가증가된부위 (FBP 과 OSEM 비교 ) [Table 1] Increased uptake in the brain regions( Comparison FBP and OSEM) Number of voxel Brain regions includes in cluster Side Coordinate (x y z) Peak Z value P value (uncorrected) Brodmann Area(BA) Cerebrum, Frontal Lobe, Sub-Gyral RT 28,-26, Cerebrum, Sub-lobar, Extra-Nuclear RT 18,14, Cerebrum, Limbic Lobe,Cingulate Gyrus LT -4,2, Cerebrum, Sub-lobar, Extra-Nuclear LT -20,10, Cerebrum, Frontal Lobe, Sub-Gyral LT -32,-26, Cerebrum, Limbic Lobe, Parahippocampal Gyrus LT -28,-11, Cerebrum, Temporal Lobe, Sub-Gyral LT -32,-22, Cerebellum, Posterior Lobe, Cerebellar Tonsil LT -26,-42, Cerebrum, Parietal Lobe, Angular Gyrus LT -36,-64, Cerebrum, Limbic Lobe, Anterior Cingulate LT -2,43, Cerebrum, Occipital Lobe, Sub-Gyral LT -42,-64, Cerebrum, Sub-lobar, Insula RT 42,-6, Side(LT/RT)=left or right hemisphere ; (x. y, z) = Talairach coordinates in mm ke = cluster in voxels ; BA = Brodmann area 5313

regions includes in cluster Side Coordinate (x y z) Peak Z value P value (uncorrected) Brodmann Area(BA) 4667 Cerebrum, Frontal Lobe, Middle Frontal Gyrus LT -26,41,-5 2.44 0.

4 한국산학기술학회논문지제 13 권제 11 호, 2012 [ 그림 1] 뇌에서섭취가증가된부위 (FBP 과 OSEM 비교 ) [Fig. 1] Increased uptake in the brain regions(comparison FBP and OSEM) [ 표 2] 뇌에서섭취가감소된부위 (FBP 과 OSEM 비교 ) [Table 2] Decreased uptake in the brain regions(comparison FBP and OSEM) Number of voxel Brain regions includes in cluster Side Coordinate (x y z) Peak Z value P value (uncorrected) Brodmann Area(BA) 4667 Cerebrum, Frontal Lobe, Middle Frontal Gyrus LT -26,41, Cerebrum, Frontal Lobe, Inferior Frontal Gyrus LT -53,27, Cerebrum, Frontal Lobe, Precentral Gyrus LT -55,1, Cerebrum, Limbic Lobe, Anterior Cingulate RT 18, Cerebellum, Anterior Lobe, Culmen LT -40,-38, Cerebrum, Temporal Lobe, Middle Temporal Gyrus LT -36,-42, Cerebrum, Temporal Lobe, Sub-Gyral RT 38,-3, Cerebrum, Temporal Lobe, Sub-Gyral LT -36,-1, Cerebrum, Sub-lobar, Extra-Nuclear RT 2,-40, Side(LT/RT)=left or right hemisphere ; (x. y, z) = Talairach coordinates in mm ke = cluster in voxels ; BA = Brodmann area [ 그림 2] 뇌에서섭취가감소된부위 (FBP 과 OSEM 비교 ) [Fig. 2] Decreased uptake in the brain regions(comparison FBP and OSEM) 5314

5 정상뇌혈류영상에서재구성알고리즘적용에따른섭취율차이 : 통계적파라미터지도를사용한분석 FBP에비해 OSEM의뇌혈류이감소한부위는좌측전두엽, 중간전두이랑 (Middle Frontal Gyrus), 하측전두이랑 (Inferior Frontal Gyrus), 중심전이랑 (Precentral Gyrus) 에서 4667voxels(kE=4667; BA47,6) 로가장의미있는감소를보였고, 우측대뇌변엽 (Limbic lobe), 전대상이랑 (Anterior Cingulate Gyrus) 에서 140voxels(kE=140) 과우측대뇌전엽 (Frontal lobe), 대뇌정상 (Cerebrum Culmen), 측두엽 (Temporal lobe), 중간측두이랑 (Middle temporal Gyrus) 에서 77voxels(kE=77), 좌, 우측측두대뇌회전하부 (Sub-Gyrus) 에서 53voxels(kE=53), 우측대뇌부엽 (Sub-lobe), 외핵 (Extra-Nuclear) 에서 8voxels(kE=8) 이감소하였다. (Table2, Figure. 2). 4. 고찰 FBP과 OSEM를가지고재구성된영상을관찰하여보면 OSEM방법은높은계수율범위에서낮은계수율의영상획득을이용하는고해상력시스템에서여과후투사방법보다더정확성을제공한다. 또한, FBP와 OSEM를가지고재구성된영상을관찰하여보면저계수율로영상획득된경우 OSEM 알고리즘으로영상처리하면 FBP보다노이즈증폭이없음을볼수있었다 [7]. OSEM의장점은데이터획득에수반되는물리적요소들과계수에수반되는노이즈특성등을고려할수있는것이고단점은재구성하는시간이많이걸리고몇번을반복한후재구성을끝내야하는지에대한이론정립이어렵다는것이다. Lai k. Leong, Randall L. 등은 SPECT에서요구되는 FBP와 OSEM알고리즘간의균일성의차이는포착하기어려운정도로미묘하며, 시각적으로분별하기는어렵다. 하지만, OSEM에서 Iteration의조절을통하여노이즈나 Ring artifact를감소시킬수있다고한다 [8]. Flavio Nobili등은팬텀스터디에서영상을분석하여판독하는데는영향을미치지는않지만뇌의심부구조를묘사하는공간해상력 (spatioal resolution) 은 OSEM이 FBP 보다향상됨을보고하였다 [9]. Walter Koch등은 123 I-FP-CIT SPECT의임상연구에서영상재구성알고리즘인 OSEM을일반적영상재구성처리에사용도록권고하였다. 미상핵 (Caudate nucleus) 와피각 (Putamen) 의묘사를 FBP보다 OSEM에서더나은영상을제공하였다 [10]. Jack L등은통계적파라미터에의한뇌지도작성법 (SPM) 은뇌질환에대한통계학적분석을위한방법의하나로많이이용되고있으며, 통계적파라미터에의한 분석으로한집단에대한다른집단을비교한경우국소적으로나타나는특이변화부위는비정상적으로유의성이있는것으로판단하고있다 [11]. 이연구는정상인의동일한뇌에서얻은횡단면상을가지고 FBP와 OSEM의재구성알고리즘을사용하여뇌혈류량의차이를비교하였다. 이비교에서유의한섭취가보이는영역은통계의작은변화가허용되어작은활성화되는것을볼수있었다. FBP와 OSEM로재구성된이미지에서 SPM의결과는 OSEM으로재구성하였을때가 Z-score가높았다.(Z>2.0) 정상인의뇌 SPECT에서통계학적으로섭취의증가가높은영역은우측대뇌전두엽의대뇌회전하부 (Sub-gyral), 뇌부엽 (Sub-lobar), 외핵 (Extra-Nuclear), 변엽 (Limbic lobe), 대상이랑 (Cingulate Gyrus) 에서 16211voxels(kE=16211 ; BA24) 로가장의미있는섭취의증가가나타났고, 통계학적으로섭취의감소가보인영역은좌측전두엽, 중간전두이랑 (Middle Frontal Gyrus), 하측전두이랑 (Inferior Frontal Gyrus), 중심전이랑 (Precentral Gyrus) 에서 4667voxels(kE = 4667 ; BA47,6) 로가장의미있는감소를보였다. 이러한결과는영상재구성알고리즘의특성상뇌의각부위에서방출되는방사능의강도와검출된방사능을처리하는과정에서발생되는것으로생각할수있다. 먼저, 방출되는방사능의강도차이는영상프로세싱과정에서감쇄보정을하여보상시켜준다. 검출된방사능으로영상을재구성할때사용되어지는재구성알고리즘이나, 필터에의해낮은계수율부분과높은계수율부분의차이에서발생되어짐을알수있었다. 이전의뇌연구에서는 FBP와 OSEM의알고리즘을정량화시켜영상을연구하였으나, 본논문에서는 FBP와 OSEM의영상재구성알고리즘적용으로뇌혈류가증가되는부위와감소되는부위의변화를 voxel(cluster) 로표현시켰고, 명확한시각적표시가가능하도록뇌확률지도로보여주는데의의가있었다. 5. 결론 정상성인의동일한뇌에서얻어진뇌혈류 SPECT 영상을가지고 FBP알고리즘과 OSEM알고리즘을각각적용하여비교한결과뇌혈류가증가되는부위와감소되는부위가다르게나타남을알수있었다. 따라서뇌영상분석작업자는영상작업시동일한영상재구성알고리즘을적용하여핵의학판독의와임상의에게올바른영상을제공하여야할것이다. 5315

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( )kju145.hwp 시각적성자극에의한대뇌활성의국지화 를이용한 분석 Location of Brain Electrical Source Activation according to Visually Stimulated Sexual Arousal: A Cross Spectral Analysis using Low Resolution Brain Electromagnetic Tomography