보안과제( ), 일반과제( o ) 2010-0017587 원자력연구기반확충사업 I-124 PET 영상최적화를위한물리적특성파라메터개발 Development of physical characteristic parameter for optimization of I-124 PET image 한국원자력의학원 한국연구재단
제출문 교육과학기술부장관귀하 이보고서를 " I-124 PET 영상최적화를위한물리적특성파라메터개발 에관한연구 " 과제의보고서로제출합니다. 2011. 03. 02 주관연구기관명 : 한국원자력의학원주관연구책임자 : 김진수연구원 : 유아람, 이영섭 " : 임일한, 안광일 - 1 -
보고서요약서 과제고유번호 2010-0017587 해당단계 연구기간 2009.4.1-2011.3.31 단계구분 1 단계 /1 단계 중사업명 원자력연구기반확충사업 연구사업명 세부사업명미래기초연구및인력기반확충 ( 핵심기초연구 ) 연구과제명 연구책임자 대과제명 세부과제명 김진수 해당사항없음 I-124 PET 영상최적화를위한 물리적특성파라메터개발 정부 : 해당단계총 : 1 명 100,000 천원해당단계참여내부 : 0.5 명기업 : 0 천원연구비연구원수외부 : 0.5 명계 : 100,000 천원 정부 : 총연구기간 총 : 1 명 100,000 천원 참여 내부 : 0.5 명 총연구비 기업 : 0 천원 연구원수 외부 : 0.5 명 계 : 100,000 천원 연구기관명및 소속부서명 한국원자력의학원참여기업명해당사항없음 국제공동연구 상대국명 : 해당사항없음 상대국연구기관명 : 해당사항없음 위탁연구연구기관명 : 해당사항없음연구책임자 : 해당사항없음요약 ( 연구결과를중심으로개조식 500자이내 ) 보고서면수 63 I-124영상의품질향상을위하여에너지창최적화, 영상재구성파라메터를고려하여야함. 에너지창최적화를위하여영상균일도, 회복계수, 흘러넘침효과등을고려하여 I-124 PET 영상의최적화를수행할수있으며, 위의조건을고려할때최적의에너지창은산란보정을할때 350~550 kev, 산란보정을하지않을때 350~650 kev임 ( 연구결과는분 - 2 -
자영상분야 ( 영상의학, 핵의학관련잡지 104개저널중 1위 ) 인 Journal of Nuclear Medicine에투고하여 peer reviewer로부터창의적이고우수한연구라는 comment를받았음. 현재심사중임. 획득한 I-124 PET 영상을재구성할때에는아래의파라메터를이용할때최적의영상을구현할수있음. 이때최적의영상이라함은병소검출율, 영상균일도등측면을고려한것임. 즉, I-124 PET 데이터를얻었을때아래의파라메터에기반하여영상을재구성할것을제안함. 픽셀크기 : 0.796 mm x 0.796 mm 이하공간정규화 : I-124 이용 ( 통상적으로사용하는 Ge-68이아님 ) 영상재구성방법 ( 공간균일도, 회복계수, 흘러넘침효과고려 ) : Fore이용하여데이터를재배열한후 FBP 혹은 OSEM2D 이용영상재구성 I-124 PET 최적화연구결과는상용화된전임상 PET 및임상 PET 영상획득시적용가능함. 색인어 ( 각 5 개이상 ) 한글양전자방출단층촬영, 최적화, I-124 영어 Positron Emission Tomography, Optimization, I-124-3 -
요약문 Ⅰ. 제목 I-124 PET 영상최적화를위한물리적특성파라메터개발 Ⅱ. 연구개발의목적및필요성 최근급증하는방사면역치료평가및방사성의약품개발에서 I-124 PET의수요와필요성이증대되고있으나 I-124 고유의물리적특성때문에 PET 영상의품질과정량적정확도가저하된다. 이연구에서는 I-124 PET 영상최적화를위한물리적특성파라메터개발을목표로한다. I-124 PET 최적화를위한영상획득물리적특성파라메터개발 ( 전산모사연구 ) (1차년도) I-124 PET 최적화를위한영상획득물리적특성파라메터개발및검증 ( 실험 ) (2차년도) Ⅲ. 연구개발의내용및범위구분년도연구개발목표연구개발내용연구범위자료수집 I-124 PET I-124 PET 전산모사를및모델정최적화를위한위한시스템구축과평가립물리적특성 1차년도 2009 PET 파라메터개발모델정립파라메터개발 - 전산모사영상평가검증연구 ( 최적화된파라메터이용 ) 2 차년도 2010 I-124 PET 최적화를위한물리적특성파라메터개발및검증 - 실험 전산모사에서획득한 I-124 PET 최적화파라메터검증실험최적화파라메터이용 I-124 PET 획득 자료수집및검증검증 - 4 -
Ⅳ. 연구개발결과 I-124영상의품질향상을위하여에너지창최적화, 영상재구성파라메터를고려하여야함. 에너지창최적화를위하여영상균일도, 회복계수, 흘러넘침효과등을고려하여 I-124 PET 영상의최적화를수행할수있으며, 위의조건을고려할때최적의에너지창은산란보정을할때 350~550 kev, 산란보정을하지않을때 350~650 kev임 ( 연구결과는분자영상분야 ( 영상의학, 핵의학관련잡지 104개저널중 1위 ) 인 Journal of Nuclear Medicine에투고하여 peer reviewer로부터창의적이고우수한연구라는 comment를받았음. 현재심사중임. 획득한 I-124 PET 영상을재구성할때에는아래의파라메터를이용할때최적의영상을구현할수있음. 이때최적의영상이라함은병소검출율, 영상균일도등측면을고려한것임. 즉, I-124 PET 데이터를얻었을때아래의파라메터에기반하여영상을재구성할것을제안함. 픽셀크기 : 0.796 mm x 0.796 mm 이하공간정규화 : I-124 이용 ( 통상적으로사용하는 Ge-68이아님 ) 영상재구성방법 ( 공간균일도, 회복계수, 흘러넘침효과고려 ) : Fore이용하여데이터를재배열한후 FBP 혹은 OSEM2D 이용영상재구성 ( 연구결과는현재논문투고 ) Ⅴ. 연구개발결과의활용계획 I-124 PET 최적화연구결과는상용화된전임상 PET 및임상 PET 영상획득시적용가능함. - 5 -
SUMMARY ( 영문요약문 ) Purpose Development of physical characteristic parameter for optimization of I-124 PET image Development of acquisition parameter for I-124 PET optimization: Monte Carlo simulation (1st year) Development of acquisition parameter for I-124 PET optimization: Experiment (2nd year) Contents 1st year Development of Monte Carlo simulation system for I-124 PET Development of PET acquisition parameter for I-124 PET optimization : Assessment of system sensitivity and NECR Measurement of NECR and sensitivity at the various coincidence window Calculation of NECR considering dirty coincidence, intrinsic activity, and higher gamma energy Assessment of image contrast using optimized PET parameter. 2nd year Experiment for I-124 PET optimization & comparison the result between simulation and experiment I-124 PET acquisition using optimized PET acquisition parameter & assessment of image contrast Expected Contribution I-124 PET optimization technique would be useful for clinical and preclinical PET acquisition. Developed optimized technique will provide the information for optimization of Y-86 and Br-76 PET which has similar characteristics I-124 PET optimization technique will provide the information for radiotherapy in cancer patients. In addition this technique will provide the information for internal dosimetry in cancer patients - 6 -
CONTENTS ( 영문목차 ) 제 1 장. Introduction ------------ 9 제 2 장. Current status of research ------------ 14 제 3 장. Methods and results ------------ 20 제 4 장. Goal attaintment ------------ 47 제 5 장. Applicable planning ------------ 49 제 6 장. Abroad scientific and information ------------ 50 제 7 장. References ------------ 52-7 -
목차 제 1 장. 연구개발과제의개요 ------------ 9 제 2 장. 국내외기술개발현황 ------------ 14 제 3 장. 연구개발수행내용및결과 ------------ 20 제 4 장. 목표달성도및관련분야에의기여도 ------------ 47 제 5 장. 연구개발결과의활용계획 ------------ 49 제 6 장. 연구개발과정에서수집한해외과학기술정보 ------------ 50 제 7 장. 참고문헌 ------------ 52-8 -
제 1 장. 연구개발과제의개요 제 1 절. 연구개발의목적 1. 최종목표및내용 최종목표내용비고 I-124 PET 영상최적화를위한물리적특성파라메터개발 - 전산모사 I-124 영상획득최적화를 (1차년도) 위한물리적특성파라메터 I-124 PET 영상최적화를개발위한물리적특성파라메터개발및검증 - 실험 (2차년도) 2. 연차별연구개발목표및내용구분년도연구개발목표연구개발내용연구범위연구비자료수집 I-124 PET I-124 PET 전산모사를위한및모델정 20,000 최적화를위한시스템구축과평가립물리적특성 1차년도 2009 PET 파라메터개발모델정립 15,000 파라메터개발 - 전산모사영상평가검증 15,000 연구 ( 최적화된파라메터이용 ) 2 차년도 2010 I-124 PET 최적화를위한물리적특성파라메터개발및검증 - 실험 전산모사에서획득한 I-124 PET 최적화파라메터검증실험최적화파라메터이용 I-124 PET 획득 자료수집및검증 25,000 검증 25,000-9 -
제 2 절. 문제의핵심및개요 1. I-124의유용성 I-124는반감기가길어약역학평가에유용하고소동물의항체, 세포고사, 저산소증등의영상에활용가능하다. I-124 IVDU PET mouse 영상 ( 한국원자력의학원김광일박사 ) 최근 PET을이용한방사선면역치료평가 (Immuno PET) 이활발하다. 이는진단및치료에사용하는 monoclonal antibody (mabs) 를 PET을이용하여생체추적하고정량평가하는것이다. I-124는 Immuno PET에사용되는대표적인핵종이다. 최근영상장비의개발과진단능향상으로인하여갑상선암환자의진단율이급증하였다. 갑상선암환자치료에 I-131 동위원소를사용하는데 I-124 PET 영상은갑상선암환자에게 I-131 동위원소치료를할때최대투여선량을결정하기위한내부선량평가자료를제공한다. 외국의경우 I-124 PET 영상으로환자맞춤 I-131 투여량을결정하는데우리나라의경우이에대한경험및연구가전무하다. 본원에서는국내최초로갑상선암환자를대상으로 I-124 PET 영상을얻은경험이있으나이에대한체계적인연구가진행된것은아니다. 2. I-124의문제점 이러한많은장점과다양한용도에도불구하고핵종의특성상영상의질이낮고공간분해능이떨어진다. 아래그림은 I-124 PET과 FDG PET영상을비교한그림이다. I-124의핵종특성은아래 (Box 1) 에정리하였다. - 10 -
FDG와 I-124의 PET 영상비교. 같은개체에서획득한영상임에도불구하고 I-124의 23% 에불과한양전자붕괴율, 60% 이상의고에너지감마선등으로인하여영상의질저하를관찰할수있다 ( 한국원자력의학원김광일박사 ). 임상및전임상에서 I-124의높은활용도와연구수요를감안할때 I-124 PET의영상최적화를위한물리적특성파라메터를연구하고적용하는것이필요하며, 이를활용하면임상및전임상에서양질의데이터를확보하여환자치료및연구성과향상에도움을줄수있을것이다. 이연구에서는 I-124의특성을평가하고 I-124 영상최적화를위한물리적특성파라메터를개발하고자한다. 최적화된물리적특성파라메터를이용하여 PET 영상을얻으면 I-124 PET 영상획득시영상획득시간에대한자료를제공할수있을것으로기대하며궁극적으로 I-124 PET 영상의대조도향상을목표로한다. - 11 -
(Box 1) I-124 의핵종특성 I-124 의붕괴율특성 I-124는양전자방출을통해발생하는감마선의비율이낮으며 (23%), 양전자의에너지가크고 ( 평균 819 kev) 비정거리가길고, 고에너지의감마선 (602, 722, 1691 kev) 이방출된다. F-18 보다비정거리가길면공간분해능의저하가초래된다. 즉통상적으로사용하는 F-18-FDG PET 영상보다공간분해능의저하가예상되며이에대한특성분석이필요하다. 낮은양전자붕괴율 (Branching ratio) 위의그림에서볼수있듯이 I-124의양전자붕괴율은 23% 에불과하다. 이는 F-18의 97% 에비하여 1/4 수준에불과하다. 이는 PET에서검출하는 511 kev의감마선이 F-18핵종에비하여 1/4 수준으로감소하는것을의미하며이는결국시스템의민감도감소를초래한다. 높은에너지감마선고에너지감마선이존재한다 (602 kev (60%), 722 kev (10%), 1691 kev (11%). 고에너지의감마선은 PET 영상에서랜덤계수와같이작용하여 PET 대조도를저하시키는요인이된다. 아래표는 I-124와 F-18의반감기, 평균비정에너지, 감마선의에너지를비교한도표이다. I-124 F-18 반감기 4.18 일 109.74 분최대양전자 1,500 635 에너지 (kev) 511 (23%) 에너지크기 602 (60%) 511 (97%) (kev) 722 (10%) 1,691 (11%) - 12 -
제 3 절. 연구개발의필요성 1. 경제적중요성 I-124의생산은텔레늄 (Te) 표적물질에핵반응을일으키는방법을사용한다. I-124의원료물질인텔레늄 (Te) 표적물질은 1g에 1000만원에상당하는고가의물질이다. 원료물질의원가이외에 50 MeV 원형가속기 ( 아래그림 ) 를운영해야하고방사성핵종생산및분배에최소 4명의인력이투입되어야한다. 방사성핵종생산에소요되는원가는상당하지만, 국내에서 I-124의영상특성에관한연구는전무하여이에대한연구가시급하다. I-124 생산에사용되는 50 MeV 원형가속기 MC-50. ( 한국원자력의학원에설치 1985, 1) 국내최대에너지의양성자빔인출 의학, 핵물리및재료과학분야에서의응용 핵반응에서의산란단면적측정 BNCT 와 Neutron Radiography 2. 산업적중요성 기존에가장널리사용되는방사성동위원소 FDG의경우반감기가 109분으로, 포도당에합성된방사성동위원소를체내에주사후 2시간이내에양전자단층촬영 (PET) 을마쳐야해주로암진단에사용되어왔다. 하지만진단용방사성동위원소요오드 (I-124) 는반감기가 4.2일로비교적길어체내분포가느린항체나, 펩타이드, 수용체등의장시간정량평가에효과적으로활용할수있어생체내약역학을연구하는데유리하다. I-124의핵종특성및영상특성에관한연구는 I-124에대한활용도를높일수있는측면에서필요성과중요성이크고, 약동학, 체내선량평가등의기초자료가될것이다. 본기관 ( 한국원자력의학원 ) 은 I-124를생산, 공급하는역할을하고있는정부출연연구소로서서울대학교, 경북대학교등 I-124를이용하여임상및전임상연구를수행하는여러기관과함께함께공동연구를수행하고있다. I-124는반감기가 4.2일로 FDG에비해길기때문에원형가속기가설치되어있는않는병원혹은연구기관에서도 I-124를활용하여연구를할수있으며, 근래이에대한수요가급증하고있다. - 13 -
제 2 장. 국내외기술개발현황제 1 절. 국내외관련분야기술개발현황 1. 국외벨기에 ELIS/MEDISIP Stefaan Vandenberghe 교수팀 I-124와 Y-86의각핵종별특성을분석하였다. 영상특성평가는이루어지지않았다. (Nuclear Medicine Communications). I-124 의공간분해능이가장 좋지않을것을알수있다. I-124 와 F-18 의민감도를비 교하였다. F-18 에비하여민 감도가 1/4 에불과하다. - 14 -
I-124의참계수, 산란계수를분석하였고 NECR을계산하였다. 최적의에너지창을설정하였다. 네덜란드 VU 대학 Hu해 WAM de Jong 교수팀 I-131의치료를위한 I-124 PET 영상획득조건에대한연구를수행하였음. I-131과 I-124 를동시에투여하였을때 PET 에너지창의변화에따라 NECR이달라지는것을실험하였다. 실험결과 460~562 kev의에너지창에서가장높은 NECR 을얻을수있었음. 이는 460~562 kev에서 I-124 PET을얻을때영상의질이가장좋음을의미함. 독일 Essen 대학교 Walter Jentzen 교수팀 분화된갑상선암의방사선옥소치료를위한최적화된 I-124 PET 선량평 - 15 -
가프로토콜을확립함. 이연구는흡수선량평가에대한내용으로서 I-124 의고에너지방사선에대한영향평가와이와관련한에너지창최적화등에대한내용은없다 (Journal of Nuclear Medicine, 2008) 최적화된프로토콜을방사선옥소치료전 I-124 PET을시행하고 24시간, 96시간째 PET 영상을이용해흡수선량평가를시행함. 네덜란드 Groningen 대학교 Phan HT 교수연구팀 I-124 PET는 I-131 진단스캔에서보이지않는경추전이가관찰된다. 그러나 I-131을고용량을주고치료시시행하는스캔에서는이전이병소는관찰된다. 따라서진단력에따라순서대로나열하면, I-131 치료스캔 = I-124 PET > I-131 진단스캔순이됨을보여준다 (Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2008). 이연구역시 I-131 과 I-124 의진단성능에관련된연구로서 I-124 영상획득최적화에대한언급은없다. - 16 -
미국 MSKCC Sgouros 교수연구팀 I-124 PET을이용하여 I-131의체내흡수선량평가를하였다. 본연구진이궁극적으로목표점으로삼고있는연구팀이다. 2. 국내 I-124 에대한연구사례전무함. 3. 조사연구개발사례에대한평가 벨기에 ELIS/MEDISIP Stefaan Vandenberghe 교수팀, 네덜란드 VU 대학 Hugo WAM de Jong 교수팀에서 I-124의물리적특성을평가하고이를이용하여 I-124의최적화에관한연구를수행하였다. 하지만벨기에연구그룹은연구결과가전산모사이며이의실제적적용에관한예를찾아볼수없다. 또한네덜란드그룹은 I-124와 I-131의특성분석과함께 NECR 평가를시행하였다. 하지만 NECR 평가를위한에너지창에대한보다심도있는연구가필요할것으로생각되며, 임상및전임상에서이에관한평가가필요할것으로생각한다. - 17 -
본연구에서는 I-124의핵종특성평가를수행함에있어전산모사와실험을통하여 1차적으로다양한실험조건하에서연구를수행한다음그결과를기반으로실험을수행하여전산모사결과를검증하는한편연구결과의임상및전임상연구수행의적용가능성을모색한다. 제 2 절. 기술사항검토분석 1. 국내 외기술수준비교표 I-124 PET 최적화를위한 PET 파라메터평가 ( 전산모사 ) I-124 PET 최적화를위한 PET 파라메터평가 ( 실험 ) 국내북미유럽일본 중상상중 상상중중 2. 기술수준의분석평가국외 I-124 PET 최적화를위한 PET 성능평가 ( 전산모사기술 ) : 전산모사기술은 GATE를개발한유럽 open GATE collaboration에서원천기술을보유하고있다. I-124 PET 최적화를위한 PET 성능평가 ( 실험기술 ) : I-124 PET 최적화를위한 PET 성능평가기술은미국워싱턴대학의 Tai YC 교수, 네덜란드 Radboud University Nijmegen Medical Centre의 Visser EP 등이보유하고있다. 국내 PET 및소동물전용 PET 성능평가기술은한국원자력의학원김진수박사, 서울대학교이재성교수등이보유하고있다. 3. 기존공정방법, 기술의사례를조사하여다음사항에걸쳐평가분석함가. 기술적인평가 : 해당사항없음나. 경제적인평가 : 해당사항없음다. 산업기술에미치는파급효과분석 : 해당사항없음 4. 주요관련기술의검토 - 18 -
본연구개발로개발된기술은임상과전임상에응용할기술로서한국원 자력의학원은 I-124 생산기술과임상적용가능한인프라를구축하고있 다. - 19 -
제 3 장. 연구개발수행내용및결과 제 1 절. 1 차년도연구개발수행내용및결과 목표 : I-124 PET 최적화를위한물리적특성파라메터개발 - 전산모사연구 1. 전임상연구 GATE 시뮬레이션을활용하여지멘스 Inveon PET과 micropet R4 스캐너의전산모사코드를개발하였음. Inveon PET 과 micropet R4의사양은아래와같음 Inveon R4 Crystal material LSO LSO Crystal size (mm3) 1.5x1.5x10 2.1x2.1x10 Crystal pitch (mm) 1.59 2.45 Crystal array 20 x 20 8 x 8 No. of detector blocks 64 92 Total No. of crystals 25,600 6,144 No. of rings 80 36 Ring diameter (cm) 16.1 15 Axial FOV (cm) 12.7 78 Transaxial FOV (cm) 10 10 Solid angle/4π 0.62 0.46 NEMA NU 4-2008 기준에서제시하고있는랫팬텀 ( 지름 5 cm, 길이 15 cm) 과마우스팬텀 ( 지름 2.5 cm, 길이 7 cm) 을전산모사하였음. Inveon PET 전산모사결과 ( 랫팬텀, 마우스팬텀 ) micropet R4 PET 전산모사결과 ( 랫 팬텀, 마우스팬텀 ) - 20 -
Inveon PET에서 I-124와 F-18선원으로불응시간손실이 1% 이하의낮은방사선농도 (1 MBq) 에서민감도 (Sensitivity) 와산란분획 (Scatter fraction) 을측정하였고결과를아래표에나타내었음. 민감도 (%) 산란분획 (%) 에너지창 (kev) 124 I 18 F 124 I 18 F 마우스랫마우스랫 250~550 1.7 7.3 15 32 15 36 250~650 2.0 10.8 14 32 15 32 350~550 0.9 7.1 9 22 13 27 350~650 2.1 7.9 18 20 10 24 Inveon PET 과 micropet R4 시스템에서전체동시계수중 511 kev 이외 의고에너지감마선으로인한동시계수의비율인 dirty coincidence fraction 을계산하였음. Energy window (kev) Dirty coincidence fraction (%) Inveon R4 250~550 32 33 250~650 37 34 350~550 35 38 350~650 35 34 I-124 PET 영상품질을최적화하기위하여잡음등가계수율 (NECR) 을측정 하는데시뮬레이션에서 I-124 방사선원을 1~150 MBq 까지 10 MBq 단위로 증가시키며획득하고아래식으로잡음등가계수율을계산하였음. 잡음등가계수율 가 ) T: 참계수, S: 산란계수, R: 랜덤계수, D: 511 kev 이외의고에너지감마 선계수율, 나 ) f : FOV 에서팬텀의단면이차지하는비율 Inveon PET 과 micropet R4 에서잡음등가계수율측정결과 - 21 -
Inveon PET 의잡음등가계수율, mouse( 좌 ), rat( 우 ) 팬텀 micropet R4 의잡음등가계수율, mouse( 좌 ), rat( 우 ) 팬텀 잡음등가계수율을고려한최적화된에너지창은 mouse 팬텀에서 250~650, rat 팬텀에서 350~550 kev이고, Inveon PET에서 micropet R4보다 10배높았음. 잡음등가계수율은 I-124 PET 데이터획득에서유용한평가인자로잡음등가계수율을고려한적합한에너지창의선정이중요한데따라서이를고려하여 I-124 PET은동일조건의 F-18 FDG PET보다영상획득시간의증가가필요함. 아래그림은 I-124 와 F-18 의영상품질평가를위한팬텀획득영상임. 이연구에서전산모사를통하여획득한 PET 최적화영상파라메터를이용하여 에너지창 250~550, 250~650, 250~750, 350~550, 350~650, 350~750 kev - 22 -
의 6가지서로다른조건에서 20 분동안영상을획득한다음감쇠, 산란보정을적용한후흘러넘침비율을계산하였음. 아래그림은 NEMA NU4-2008의소동물영상품질평가를위한팬텀의모식도임. 이팬텀을사용하여 I-124에서방출하는단일감마선으로인한영상품질저하를평가하였음. 평가의척도는각각물과공기로채워진냉구의흘러넘침효과를지표로사용하였음 흘러넘침비율은아래의식으로계산하였음 % 100* STD ( lineprofil e 2 STD RC= + Meanlineprofil e ) STD ( Mean background background 아래표는각에너지창에대한흘러넘침효과에대한값을나타낸것으로 250~550 kev에너지창에서가장작은흘러넘침효과가있음을확인하였음. 이는결국단일감마선에의한영상품질저하가가장적음을반영하는결과임. 따라서 I-124 PET 영상획득시 250~550 kev의에너지창이영상품질측면에서최적의에너지창임을확인할수있었음. 아래표에서 SOR_a와 SOR_w는각각공기와물영역에서흘러넘침효과를반영한계수이며, SOR_a_no와 SOR_w_no는감쇠, 산란보정전의값을나타냄. 통상적으로획득하는에너지창 350~650 kev에비하여흘러넘침계수가 1/20 가량줄어든것을확인할수있음. % SD of SOR ) 2 SOR_a SOR_w SOR_a_no SOR_w_no 250-550 206.48 120.47 51.38 86.75 250-650 567.35 146.44 49.96 76.41 250-750 5201.99 235.25 52.77 88.90 350-550 276.84 143.05 56.64 104.67 350-650 7613.01 437.27 61.67 138.41 350-750 1494.25 842.40 60.81 842.40-23 -
2. 임상연구 Siemens ECAT HR+ 스캐너에서 I-124 PET 영상획득최적화조건을구하기위하여몬테카를로전산모사 (Geant4 Application for Tomographic Emission, GATE) 를수행하였음. Siemens ECAT HR + 스캐너의전산모사및모사한스캐너의스펙 I-124 와 F-18 점선원 (1 mm 2 ) 을만든후 NEMA NU2-2007 방법에따라데이 터를획득한후공간분해능을측정하였음. 6 개의위치에서공간분해능측정 뇌 PET 영상에서의 I-124와 F-18의공간분해능은횡단면중심에서 1 cm 벗어난지점에서축방향과횡축방향의분해능은 4.67, 4.46 그리고 4.97, 4.82 mm이며 10 cm 벗어난지점에서의축방향의방사형, 접선방향, 횡축방향의분해능은 6.72, 6.17, 4.65, 4.22 그리고 7.14, 6.09 mm 이었음. 선원의감쇠, 산란을무시할수있는얇은선선원을만든후양전자탈출을최소화할수있는 1 ~ 5개의알루미늄관을씌워감쇠매질의두께가증가함에따른계수변화를측정하여민감도를측정하였음. 민감도는 2D에서 0.02, 0.09%, 3D에서 0.17, 0.50% 이었음 NEMA 민감도팬텀 Siemens ECAT HR+ 스캐너에서 I-124 PET 영상획득을전산모사하였음. - 24 -
I-124 PET 영상획득최적화조건을찾기위하여 6종류의다양한에너지창 ( 저에너지창 : 250, 350, 450 kev, 고에너지창 : 550, 650 kev) 에서잡음등가계수율 (NECR) 과민감도를측정하였으며, I-124 PET의경우고에너지감마선에발생한동시계수 (Dirty coincidence) 의영향이있으므로, 전체동시계수에서이의영향을평가하였음. 잡음등가계수율측정을위하여 NEMA NU-2 산란팬텀 ( 직경 = 10 cm, 길이 = 70 cm) 을모사하였음. 선원의방사능은 116 MBq이며이는 10 mci / 70kg과동등한방사선량이고, 잡음등가계수율은위의전임상연구부분에서와같은식으로계산하였음 NEMA Scatter phantom 및 NECR 과민감도의획득조건 몬테카를로전산모사를통하여 Siemens ECAT HR+ 스캐너에서 I-124 PET 영상획득을할때적절한에너지창은 250 ~ 650 kev이었음. 이에너지창에서획득한동시계수중에고에너지감마선에서발생한동시계수는약 50% 이었으며, 이때민감도는 0.9%, NECR은 25 kcps이었음. (a) (b) (a) I-124와 F-18의다양한에너지창에서의민감도, (b) I-124의다양한에너지창에서의 NECR 영상품질측정은 IEC 팬텀을사용하였으며직경이 10, 14, 17, 22, 27, 37 mm인 6개원형의구안에방사선원을주입하였고, 배후방사능과의비율은 4:1이었다. 2D와 3D모드에서영상을획득하였음. 대조도비율, 영상에서측정한선원과배후방사능의비율, 배후방사능의변이성을측정하였음. 추가적 - 25 -
으로뇌 PET ( 화소크기 :0.51 x 0.51 mm2) 과전신 PET ( 화소크기 : 3.96 x 3.96 mm2) 모드결과를비교하였음. NEMA IEC 팬텀 I-124의 2D 전신용 PET의대조도비율은 10, 14, 17, 22, 28, 37 mm의구에서 13, 23, 54, 62, 80, 96% 이었으며, F-18은 2, 16, 24, 59, 72, 83% 이었음. 선원과배후방사능의비율은 I-124의경우 1.86, 2.24, 2.55, 3.17, 3.53, 3.82, F-18의경우 1.06, 1.48, 1.72, 2.77, 3.18이었음. 배후방사능의변이성은 I-124에서약 31%, F-18에서 15% 로나타났음. 6개의다양한구크기의관심영역을이용하여분석하였을때공간분해능이좋은뇌 PET 의대조도가전신 PET의대조도보다좋았으며, 배후방사능의변이성은 2D에비하여 3D가좋았음. (a) (b) (c) (d) I-124 와 F-18 을이용한 IEC 팬텀의뇌 PET 영상 (a) I-124 2D (b) I-124 3D (c) F-18 2D (d) F-18 3D Siemens HR+ 스캐너에서측정한 I-124의특성을 F-18과비교하여비정거리가긴 I-124의공간분해능이 F-18에비하여 20% 저하된것을확인하였고, 대조도비율, 배후방사능의변이성등영상품질측면에서 I-124와 F-18 의차이는없으나잡음등가계수율을고려하여스캔시간을결정해야하며이에대한추가적인연구가필요함. - 26 -
제 2 절. (2 차년도 ) 연구개발수행내용및결과 목표 : I-124 PET 최적화를위한물리적특성파라메터개발및검증 - 실험 1. 전임상연구가. 에너지창최적화연구 NEMA NU4-2008 방법을따라소동물전용 PET인지멘스사에서제작한 Inveon PET을이용하여다양한에너지창 (250~550, 250~650, 250~750, 350~550, 350~650, 350~750 kev) 에서 I-124의공간분해능, 민감도, Image quality를측정한후 F-18과비교하였음 공간분해능실험 공간분해능 (spatial resolution) 은재구성된영상면에나타나는인접한두점을구별하여검출해낼수있는시스템의능력으로작은기관까지영상으로나타내야하는소동물용장비에서는특히중요함. 공간분해능을측정하기위해내경 1.1 mm, 두께 0.2 mm의가는유리관에크기 1 mm 3 의점선원을이용하였음. 에너지창 350-625 kev, 동시계수창 3.432 ns에서 5분동안획득하였음. 처음엔스캐너의횡축, 종축시야의중심에점선원을위치시킨다음스캐너의중심에서반경 (radial) 방향으로선원을움직이면서데이터를획득하였는데 5 mm 까지는 1 mm 간격으로, 이후부터방향시야의끝까지는 5 mm 간격으로 Y축으로선원의위치를옮겨가며획득하였음. Axial FOV의 1/4 만큼점선원을이동한후위와같은방법으로획득하였음. I-124의경우추가적으로긴비정거리영향을보기위하여조직등가물질인 bolus( 두께 : 1 cm) 로점선원을둘러싸고영상을획득하였음. 획득한사이노그램을램프필터를적용하여여과후역투사방법 (Filtered back projection: FBP) 으로영상을재구성하였음. 이때각화소의크기는 0.258 0.258 mm 2 임. 재구성한영상에서최대값을갖는화소를중심으로접선방향 (tangential direction, x축방향 ), 반경방향 (radial direction, y축방향 ), 축방향 (axial direction, z축방향 ) 의프로파일 (profile) 을구하였음. 최대값을갖는화소를인접한두화소의값과포물선정합 (parabolic fitting) 하여최고점을결정한다음최고점의 1/2 되는부분의값을선형보간법을통해계산한후전체반값두께 (full width at half maximum: FWHM) 과체적공간분해능 (Volumetric resolution) 을구하였음. 아래그림은점선원의위치와공간분해능분석에대한모식도임. - 27 -
공간분해능측정결과 FOV의중심에서 1 mm offset된위치에서반경, 접선, 축방향에서각각 2.21, 1.85, 2.76 mm(i-124) 1.85, 1.70, 2.25 mm(f-18) 임. 체적공간분해능은 11.04 mm 3 (I-124), 7.11 mm 3 (F-18) 임. (a) I-124 의공간분해능 (b) F-18 의공간분해능 - 28 -
(c) I-124, F-14의체적공간분해능 ( :bolus를사용하였을때 ) 공간분해능은픽셀크기, 영상재구성방법, 핵종의비정거리에영향을받음. I-124의경우 F-18보다공간분해능이저하되었는데이것은 I-124의긴비정거리때문이고이런경향은조직등가물질을사용하여방출되는양전자를충분히차폐하여감마선방출효과를구현하였을때공간분해능저하가더뚜렷하게나타남. 중심에서 10 mm offset된위치에서 I-124(bolus) 의체적공간분해능은 F-18보다 40% 저하되었음. 민감도 민감도 (sensitivity) 는선원으로부터초당검출기에서검출되는참계수값의 비율임. 검출한참계수값 / 방사선원의세기 이며참계수값은초당계수값인 count per second(cps) 로표현할수있고, 방사선원의세기를 1 초당붕괴되 는방사선원의양인 disintegration per second (dps) 로표현할수있어백분 율로표시할수있음. 민감도를측정하기위해선선원 ( 길이 12.7 cm) 을만들어 FOV 의중심에위 치를맞추고축방향시야길이와동일한길이 (12.7 cm), 두께 2 mm 알루 미늄관을 1 개에서 5 개까지차례로씌우며 5 분동안측정하였음. 감쇠매질의 두께가증가함에따른계수변화를측정하여매질이없을때의동시계수율 을구하였음. 이때감쇠매질의두께뿐아니라자연붕괴에의한감쇠도함께 발생하기때문에계산을통해이를보정해주었음. 또한선원없이 1 시간동 안측정하여자연방사능, LSO 섬광결정에의한내인성방사능 (intrinsic activity) 을보정해주었음. 이후회기분석과외삽을하여감쇠매질이없는이 상적인상태의절대민감도를구하였음. Energy window (kev) 124 I (%) 18 F (%) 250~550 2.65 8.70 250~650 3.49 9.36 250~750 3.84 9.83 350~550 1.57 6.44-29 -
350~650 2.04 6.54 350~750 2.26 6.61 민감도는에너지창이가장넓은 250~750 kev 에서 3.84%(I-124), 9.83%(F-18) 임. I-124 는 F-18 보다민감도가 33% 정도감소하였음. 이는 두핵종의 branching ratio(i-124: 23%, F-18: 97%) 의차이때문임. 영상품질 영상품질 (Image quality) 을측정하기위하여 NEMA NU4 image quality phantom을사용하였음. 100 μci의방사능을주입하고 6가지에너지창에서 20분동안 PET 데이터를획득하였음. 획득한데이터는 ramp filter를적용한 FBP 방법으로재구성하였고산란보정을적용한것과적용하지않은영상을얻었음. NEMA NU4 image quality phantom 의 PET 영상 (A,B: I-124, C,D: F-18) 영상품질평가 (Image quality) 를위하여균일도 (uniformity), 회복계수 (Recovery Coefficient, RC), 흘러넘침비율 (Spillover Ratio, SOR) 을구하였음. 균일도를구하기위하여균일한영역에실제팬텀크기의 75% 크기의관심영역을그려표준편차 (%SD) 를측정하였음. 회복계수를구하기위하여지름 1~5 mm의 5개원형막대에관심영역을그려균일한영역과의계수비율을측정하였음. 흘러넘침비율을측정하기위하여각각공기와물이채워진방사능이없는영역에관심영역을그려방사능이있는균일한영역과의계수비율을측정하였다. 각각의영상품질평가파라메터는 F-18 PET 영상과비 - 30 -
교하였음. RC 와 SOR 의 SD 를아래의식으로계산하였음. 2 2 SD lineprofile SD uniformregion % SDRC = 100 + Mean lineprofile Mean uniformregion 균일도 전체적으로 I-124의균일도는 F-18보다약두배 (5.3 percentage point) 저하되었음. I-124의가장좋은 uniformity는 250~650 kev에서 12.0%, 가장나쁜 uniformity는 350~650 kev에서 13.3% 임. F-18의경우 5.8%(250~750 kev), 7.8%(350~750 kev) 임. 최대값과최소값의차이는 1.3 percentage point(i-124), 2 percentage point(f-18) 임. 이것은 I-124가 F-18보다검출된 count statistics에한계가있기때문임. Scatter correction(sc) 을적용하였을때균일도는약간저하되었는데이러한경향은 I-124에서떠뚜렷하게나타남. I-124에서 SC에의한 uniformity 의저하는 0.58(350~550 kev), 0.96(350~650 kev), 1.13(350~750 kev) percentage point임. 이것은에너지창이넓을수록 single γ-photon의 flux 가증가하기때문임. 전체동시계수중에서 single γ-photon의비율 (dirty coincidence fraction) 은 2.8%(350~550 kev), 31.5%(350~650 kev), 44.2%(350~750 kev) 임. Single γ-photon을방출하는 I-124에서 SC를적용할경우넓은에너지창에서는 overcorrection됨. 회복계수 (Recovery Coefficient) 350~650 kev에서 RC는 0.27, 0.41, 0.54, 0.74(I-124; 2~5 mm rods), 0.17, 0.48, 0.73, 0.86, 0.94(F-18; 1~5 mm rods) 임. I-124에서는 1 mm rod가보이지않음. 전체적으로 I-124는 F-18보다 0.3정도 RC가낮음. RC 값이작다는것은 I-124 PET 영상에서작은 region의발견능력이 - 31 -
적음을의미함. RC 는공간분해능의영향을받기때문에에너지창의변화나산란보정의 여부에따라차이를나타내지않음. RC 의 SD 는에너지창이넓을수록증가하는데이런경향은 I-124 에서더뚜 렷하게나타남. 흘러넘침비율 (Spillover Ratio) uniformity는 PET count statistics에영향을받고 RC는에너지창에따라변화가없음. 따라서 SOR을측정함으로써고에너지감마선의영향과산란보정의정확도를평가할수있음. SOR의평가가최적의에너지창을결정하는중요인자가됨. 전체적으로 I-124의 SOR이 F-18보다높음. 두핵종의 SOR 의차이는 air 보다 water에서더큼. SOR이산란선의영향을받는데 water에서 scatter photon이많이때문임. I-124의 SOR은 350~650 kev에서가장낮음 (air: 5.6%, water: 10.2%). I-124에서 SC를적용했을때 SOR이 5.0 percentage point(air), 7.4-32 -
percentage point(water) 감소했음. F-18에서 SC를적용했을때 SOR이 1.0 percentage point(air), 2.5 percentage point(water) 감소했음. I-124에서 SOR을분석할때 single γ-photon의영향을고려해야함. 350~650keV 보다 350~750 kev의 SOR이더큰데이는 350~750 kev에서 722 kev의 single γ-photon이포함되기때문임. SC의적용여부에따른 SOR 값의차이는에너지창이넓을수록 (550,650,750keV) 증가한다. 특히 350~750 kev의 air에서는음수값을보임. I-124에서 SC를적용하면 SOR이감소하지만 350~650, 350~750 kev 에서는 overcorrection되기때문에적절하지않다. 350~550 kev에서 350~650 kev나 350~750 kev 보다 SOR이큼. 이는 SOR이 single γ-photon과 total coincidence의비율인데 350~550 kev에서 ingle γ-photon이적은반면 total coincidence도넓은에너지창에비해확연히감소하기때문임 아래표와그래프에서 SOR과 SOR의 SD값을나타냄. - 33 -
AC * Water Air 124 I 18 F 124 I 18 F Energy windows SOR(%) %SD SOR(%) %SD SOR(%) %SD SOR(%) %SD 250~550 13.29 65.81 3.69 174.84 8.28 110.26 4.45 134.92 250~650 14.49 61.09 3.18 187.14 6.96 123.20 4.72 110.22 250~750 13.16 67.99 2.82 155.25 5.73 150.69 5.05 94.87 350~550 11.63 82.09 0.75 668.35 6.80 139.58 3.52 165.40 350~650 10.25 97.30 1.82 294.46 5.58 171.20 3.41 152.37 350~750 10.34 94.82 1.21 488.68 5.69 166.32 3.24 178.66 * AC: attenuation correction SOR: spill over ratio %SD: percent standard deviation AC & SC* 124 I Water 18 F 124 I Air 18 F Energy windows SOR(%) %SD SOR(%) %SD SOR(%) %SD SOR(%) %SD 250~550 7.64 120.47 1.15 565.53 4.71 206.48 2.956 204.93 250~650 6.43 146.44 0.45 1329.42 1.63 567.35 3.137 167.18 250~750 4.09 235.25 0.43 1032.49-0.18 5201.99 3.765 128.43 350~550 6.98 143.05-1.46 347.51 3.60 276.84 2.244 262.43 350~650 2.45 437.27-0.60 908.27 0.14 7613.01 1.869 281.28 350~750 1.27 842.40-1.23 487.81-0.69 1494.25 1.689 345.74 * SC: scatter correction SOR: spill over ratio %SD: percent standard deviation SC을적용할때고에너지창 level이 650,750 kev에서는 overcorrection 되므로적합하지않음. 250~550 kev 보다 350~550 kev에서 SOR이더낮음. 따라서 I-124 PET 영상획득시 SC을적용하지않을때는 350~650 kev 가안정적이고 SC을적용할때는 350~550 kev 가적합함. - 34 -
나. I-124 PET 영상픽셀크기와필터의영향연구 I-124 의데이터를픽셀크기를변화시키며영상재구성하여공간분해능 Spatial resolution (FWHM) 을구하였음. 아래표에서각각의픽셀크기와분해능측정결과를 나타냄. 픽셀크기가작을수록분해능이증가하는것을볼수있음. NEMA 에서는공간분해능의 1/5 보다작은 pixel size 를사용하라고권고함. Slice thickness 는모두 0.776 mm 로동일하기때문에 axial resolution 은차이가 없음. Image matrix 32 32 64 64 128 128 128 128 (zoom=3) Pixel size (mm 2 ) 3.11 3.11 1.55 1.55 0.78 0.78 0.26 0.26 Radial (mm) 3.19 1.88 1.71 1.75 Tangential (mm) 3.12 1.76 1.49 1.49 Axial (mm) 2.82 2.82 2.82 2.82 Volumetric (mm 3 ) 28.06 9.34 7.17 7.32 위의공간분해능연구에서획득한데이터를 filter를변화시키며영상재구성하여 spatial resolution을구하였음. 분해능은 OSEM 방법으로재구성한영상이가장좋았음. FBP 재구성에서 filter 종류에따라서는 parzen filter를사용하였을때가장나쁘고 ramp filter가좋았음. MAP 방법에서는 smoothing factor(β) 가작을수록분해능이증가하였으나 β=0.005 이하에서는큰차이가없음. non: radial FWHM, *: tangential FWHM, : axial FWHM - 35 -
다. 정규화보정효과연구 PET 데이터의정량분석을위하여검출기의비균일적효율을보정해주는정규화보정은필수적인과정이다. 물리적특성이다른 I-124 PET 데이터의경우정규화보정을위하여어떤데이터를사용하여야하는지결정하기위하여 I-124와통상적으로사용하는 Ge-68으로정규화사이노그램을획득한다음재구성된영상의영상품질을평가하였다. NEMA NU4 Image quality 팬텀을사용하여위에서얻은방법으로 emission 데이터를획득하였음. ( 에너지창 : 350~650 kev, source: I-124 (37 MBq)) Normalization data를얻기위하여 I-124와 Ge-68 실린더형선원 ( 약 250 μ Ci) 으로각각 40, 10시간동안 PET 데이터를획득한후정규화보정사이노그램을생성하였음. Emission 데이터를재구성할때 I-124와 Ge-68의정규화보정사이노그램을각각적용하였음. 추가적으로정규화보정을수행하지않았을때영상도획득하였음. 반경방향균일도 (radial uniformity), 축방향균일도 (axial uniformity), 체적균일도 (volume uniformity), 회복계수 (Recovery Coefficient, RC) 등 4가지파라메터로영상품질을평가하였음. 반경방향균일도측정을위하여지름 5 mm 크기의원형의관심영역을그려계수를측정한다음크기를 5 mm씩증가시켜총 5개의관심영역을그렸음. - 36 -
축방향균일도측정을위하여팬텀크기의 75% 크기의관심영역을 14 개의 서로다른횡단면에그려계수를측정하였음. 체적균일도측정을위하여팬텀체적의 75% 크기의관심영역을그려균일 도를측정하였음. RC 측정을위하여 NEMA NU4 영상품질측정방법에따라크기가 1~5 mm 인 5 개의원형실린더의회복계수를구하였음. I-124 PET 영상에서 radial, axial, volume uniformity 모두 Ge-68을이용하여정규화보정하였을때좋았음그러나 I-124를사용하여정규화보정할때와비교하여유의미한차이는없었음 (p>0.05). 하지만 RC는 I-124로정규화보정하였을때유의미하게증가하였음 (p<0.05). 물리적특성이다른 I-124의경우 I-124를이용하여정규화보정을하는것이영상의분해능 - 37 -
(detectability) 측면에서좋음. Radial uniformity I-124 Ge-68 Axial uniformity No normalization Radial uniformity * 0.165 0.161 0.287 Axial uniformity * 0.175 0.174 0.272 Volume uniformity 13.522 12.904 32.412 Recovery coefficient ф: 2 mm 0.274 0.272 0.305 ф: 3 mm 0.421 0.416 0.441 ф: 4 mm 0.550 0.544 0.551 ф: 5 mm 0.750 0.737 0.640 *Average value of annuli and planes 라. 영상재구성방법비교 NEMA NU4 영상품질팬텀을사용하여위에서얻은방법으로 emission 데이터를획득하였음. ( 에너지창 : 350~550, 350~650 kev, source: I-124, F-18 (37 MBq)) 다양한방법의영상재구성방법을이용하여영상을재구성하였음. 영상품질평가 (Image quality) 를위하여위에서사용한방법으로균일도 (uniformity), 회복계수 (Recovery Coefficient, RC), 흘러넘침비율 (Spillover Ratio, SOR) 을구하였음. Uniformity 350~550, 350~650 kev에서 SC의적용여부에상관없이 I-124영상의균일도는 FBP(parzen filter) 방법을사용하였을때좋고 OSEM2D를적용할때나빴음. MAP 영상재구성방법에서는 β가작아질수록균일도가나빠지는데 β=0.00005(without SC), β=0.005(with SC) 에서 saturation 됨. 3DRP(hanning filter) 와 MAP(β=0.5&1.5) 에서는 I-124와 F-18간의균일도차이가거의없음. 이는 over-smoothing에의한것으로 I-124 영상재구성에적합하지않음. - 38 -
350~650 kev 에서 I-124 의균일도 350~550 kev 에서 I-124 의균일도 350~650 kev에서 F-18의균일도 (with SC) 회복계수 (Recovery Coefficient) I-124의 RC는에너지창이나 SC의적용여부에관계없이 OSEM2D 에서가장좋고 FBP(butterworth filter) 에서나빴음. SC의적용여부에따른 RC 값의차이는 0.041(350~650 kev),0.018(350~550 kev) 임. MAP 영상재구성방법에서 β가감소할수록 RC가증가하지만 β=0.00005에서더이상증가하지않음. F-18의 RC는 OSEM2D, MAP에서 overestimation 되었음. 에너지창 350~550 kev, 350~650 kev 두가지에너지영역에서회복계수를측정함. - 39 -
ф of rod (mm) With SC Without SC 2 3 4 5 2 3 4 5 3DRP_hann 0.158 0.306 0.444 0.579 0.201 0.333 0.463 0.593 3DRP_none 0.253 0.400 0.504 0.668 0.288 0.421 0.522 0.676 FORE_FBP_butterworth 0.161 0.289 0.412 0.574 0.206 0.325 0.439 0.587 FORE_FBP_hamm 0.178 0.334 0.488 0.655 0.220 0.365 0.507 0.661 FORE_FBP_hann 0.170 0.327 0.486 0.647 0.213 0.358 0.505 0.654 FORE_FBP_parzen 0.139 0.284 0.441 0.599 0.185 0.319 0.464 0.610 FORE_FBP_ramp 0.270 0.417 0.543 0.743 0.303 0.444 0.558 0.741 FORE_FBP_shepp 0.246 0.397 0.525 0.722 0.281 0.424 0.542 0.721 FORE_OSEM2D 0.312 0.552 0.817 0.876 0.334 0.525 0.701 0.841 MAP_0.0000005 0.136 0.401 0.574 0.727 0.360 0.480 0.665 0.737 MAP_0.000005 0.136 0.401 0.574 0.727 0.360 0.480 0.664 0.737 MAP_0.00005 0.136 0.401 0.574 0.727 0.360 0.479 0.664 0.736 MAP_0.005 0.136 0.396 0.569 0.722 0.327 0.459 0.607 0.722 MAP_0.05 0.129 0.361 0.536 0.694 0.233 0.392 0.545 0.694 MAP_0.5 0.092 0.255 0.418 0.588 0.171 0.301 0.449 0.608 MAP_1.5 0.064 0.194 0.328 0.480 0.138 0.243 0.381 0.524 350~650 kev 에서 I-124 의 RC ф of rod (mm) With SC Without SC 2 3 4 5 2 3 4 5 3DRP_hann 0.156 0.300 0.453 0.595 0.179 0.317 0.463 0.600 3DRP_none 0.217 0.398 0.517 0.655 0.241 0.412 0.525 0.656 FORE_FBP_butterworth 0.150 0.311 0.427 0.542 0.176 0.328 0.441 0.550 FORE_FBP_hamm 0.176 0.362 0.491 0.623 0.201 0.377 0.500 0.626 FORE_FBP_hann 0.173 0.355 0.484 0.618 0.199 0.370 0.495 0.621 FORE_FBP_parzen 0.147 0.302 0.442 0.576 0.174 0.319 0.455 0.582 FORE_FBP_ramp 0.235 0.442 0.561 0.681 0.254 0.452 0.569 0.680 FORE_FBP_shepp 0.216 0.426 0.547 0.668 0.236 0.437 0.555 0.668 FORE_OSEM2D 0.442 0.550 0.648 0.776 0.394 0.538 0.635 0.735 MAP_0.0000005 0.257 0.480 0.601 0.689 0.281 0.484 0.664 0.812 MAP_0.000005 0.257 0.480 0.601 0.689 0.281 0.484 0.664 0.812 MAP_0.00005 0.257 0.480 0.600 0.689 0.281 0.483 0.663 0.811 MAP_0.005 0.252 0.466 0.592 0.682 0.264 0.459 0.623 0.720 MAP_0.05 0.230 0.403 0.545 0.671 0.234 0.403 0.552 0.672 MAP_0.5 0.158 0.291 0.447 0.591 0.178 0.304 0.458 0.596 MAP_1.5 0.116 0.229 0.360 0.488 0.143 0.247 0.386 0.511 350~550 kev 에서 I-124 의 RC - 40 -
ф of rod (mm) 1 2 3 4 5 3DRP_hann 0.199 0.480 0.740 0.854 0.918 3DRP_none 0.224 0.531 0.772 0.877 0.935 FORE_FBP_butterworth 0.121 0.347 0.545 0.679 0.785 FORE_FBP_hamm 0.132 0.407 0.666 0.821 0.927 FORE_FBP_hann 0.128 0.393 0.657 0.817 0.924 FORE_FBP_parzen 0.099 0.310 0.552 0.735 0.871 FORE_FBP_ramp 0.199 0.563 0.770 0.883 0.968 FORE_FBP_shepp 0.183 0.528 0.755 0.875 0.961 FORE_OSEM2D 0.378 0.747 0.953 1.020 1.101 MAP_0.0000005 0.301 1.041 1.315 1.133 1.161 MAP_0.000005 0.301 1.041 1.315 1.133 1.161 MAP_0.00005 0.300 1.039 1.315 1.132 1.160 MAP_0.005 0.290 0.934 1.253 1.131 1.141 MAP_0.05 0.222 0.658 1.069 1.153 1.105 MAP_0.5 0.122 0.387 0.725 0.989 1.149 MAP_1.5 0.085 0.278 0.539 0.807 1.025 350~650 kev에서 F-18의 RC 흘러넘침효과 350~550, 350~650 kev에서 SC적용여부에상관없이가장낮은 SOR은 FBP(shepp filter: air, ramp filter: water) 에서나타남. 하지만 shrpp filter 와 ramp filter에서차이는거의없었음. 하지만에너지창최적화연구의 SOR 평가부분에서언급하였듯이 SC를적용하면 350~650 kev에서 single γ -photon의 overcorrection 영향이나타남. MAP 영상재구성방법에서는 SC 을적용하지않을때 β가작아질수록 SOR이감소하고 β=0.05에서 saturation됨. Air에서 MAP재구성방법에 SC을적용하면적용하지않을때보다 SOR이증가하고 β값에따른변화가뚜렷하게보이지않음. 350~650 kev 에서 I-124 의 SOR(air) 350~650 kev 에서 I-124 의 SOR(water) - 41 -
350~550 kev 에서 I-124 의 SOR(air) 350~550 kev 에서 I-124 의 SOR(water) 350~650 kev 에서 F-18 의 SOR 재구성된 NEMA NU4 image quality 팬텀영상 (A)FBP with ramp filter, (B)MAP(β=1.5), (C)OSEM2D - 42 -
최종정리 I-124영상의품질향상을위하여에너지창최적화, 영상재구성파라메터를고려하여야함. 에너지창최적화를위하여영상균일도, 회복계수, 흘러넘침효과등을고려하여 I-124 PET 영상의최적화를수행할수있으며, 위의조건을고려할때최적의에너지창은산란보정을할때 350~550 kev, 산란보정을하지않을때 350~650 kev임 ( 연구결과는분자영상분야 ( 영상의학, 핵의학관련잡지 104개저널중 1위 ) 인 Journal of Nuclear Medicine에투고하여 peer reviewer로부터창의적이고우수한연구라는 comment를받았음. 현재심사중임. 획득한 I-124 PET 영상을재구성할때에는아래의파라메터를이용할때최적의영상을구현할수있음. 이때최적의영상이라함은병소검출율, 영상균일도등측면을고려한것임. 즉, I-124 PET 데이터를얻었을때아래의파라메터에기반하여영상을재구성할것을제안함. 픽셀크기 : 0.796 mm x 0.796 mm 이하공간정규화 : I-124 이용 ( 통상적으로사용하는 Ge-68이아님 ) 영상재구성방법 ( 공간균일도, 회복계수, 흘러넘침효과고려 ) : Fore이용하여데이터를재배열한후 FBP 혹은 OSEM2D 이용영상재구성 ( 연구결과는현재논문투고 ) 위의조건에의거하여 I-124 PET 데이터를얻고영상재구성을수행함. 에너지창 : 350~650 kev 영상크기 : 128 x 128 화소크기 : 0.796 mm x 0.796 mm 영상재구성 :FBP - 43 -
Uniformity RC SOR (%) (%SD) 1 mm 2 mm 3 mm 4 mm 5 mm air water 5.93 0.12 0.25 0.38 0.52 0.65 4.29 12.47 2. 임상연구흘러넘침효과 임상용스캐너인 Siemens ECAT HR+ 스캐너에서 I-124의단일감마에의한영향을연구하기위하여흘러넘침비율 (Spill over ratio) 을평가한후 F-18과비교하였음. 아래팬텀을사용하여 I-124에서방출하는단일감마선으로인한영상품질저하를평가하였음. 평가의척도는각각물과공기로채워진냉구의흘러넘침효과를지표로사용하였음. - 44 -
흘러넘침비율을측정하기위한 Utah 팬텀 흘러넘침측정은 Utah 팬텀을사용하였으며두개의냉구안에각각물과공기를주입하였고, 배후방사능의방사선량은 5.3 kbq/cc 와 21.2 kbq/cc였음. 추가적으로뇌 PET ( 화소크기 : 0.51 x 0.51 mm 2 ) 과전신 PET ( 화소크기 : 3.96 x 3.96 mm 2 ) 모드결과를비교하였음. I-124가방출하는다양한에너지중약 60% 를차지하는 602 kev의영향과단일감마에너지에따른영향을알아보기위하여에너지범위를기존 HR+ 스캐너의기본범위인 350 ~ 650 kev에서 350 ~ 550 kev 변화시켜서흘러넘침비율을평가하였음. 아래그림은 I-124와 F-18의흘러넘침비율평가를위한팬텀획득영상임. Siemens ECAT HR+ PET 스캐너로촬영한 Utah 팬텀 I-124 2D, 3D 뇌 PET 의흘러넘침비율은공기와물에서각각 64.22%, - 45 -
34.02% 그리고 51.62%, 40.18% 이었으며, F-18은 61.38%, 20.63%, 그리고 48.46%, 27.18% 이었음. 전신 PET의흘러넘침비율은 62.11%, 25.96%, 그리고 47.35%, 38.95% 였으며, F-18은 60.53%, 24.01%, 그리고 43.58, 26.41% 이었음. I-124 350~550 kev 에너지범위에서의 2D, 3D 뇌 PET의흘러넘침비율은공기와물에서각각 63.77, 34.79, 그리고 58.34, 45.79% 이었으며, 전신용 PET의흘러넘침비율은 61.96, 31.12, 그리고 57.02, 45.65% 이었음. I-124의흘러넘침비율이 F-18보다공기에서는약 4%, 물에서는약 40% 정도높게측정되었음. I-124는에너지특성상높은단일감마에너지를방출하기때문에흘러넘침비율이높게나타남. 그로인하여영상의질이저하되는결과를가져옴. 흘러넘침효과를고려하였을때에너지창 350~650 kev이최적의에너지창임. 이연구는현재한국원자력의학원에설치된 Siemens ECAT HR+ 스캐너에서수행하였으며, 이스캐너는에너지창변경이가능한장점이있어 I-124 최적화연구가가능하였음. 아래영상은한국원자력의학원에서획득한 I-124 PET 영상임. I-124 PET 은 I-131을이용한치료용량결정시유용함. 선량평가와 I-131 투여량결정을위한 I-124 PET 영상 ( 국내최초 ) - 46 -
제 4 장. 목표달성도및관련분야에의기여도제 1 절. 목표달성도 번호 세부연구목표 달성내용 달성도 (%) 1 I-124 PET 전산모사시스템 I-124 PET 전산모사를구축 ( 국제학술회의, IEEE 위한시스템구축과평가 SCINT 2009, IEEE MIC 2009 (1차년도) 등발표 2편, 총 2편발표 ) 100% I-124 PET 영상획득물리적특성파라메터개발 ( 국제 2 I-124 PET 영상획득물리적특성파라메터개발 (1차년도) 학술회의 SNM 2010, EANM 2010 등발표 2회, 국내학술회의대한핵의학회 2편, 총 4편발표 ) 100% 3 최적화파라메터이용영상 100% 영상평가 ( 최적화된평가 ( 한국의학물리학회 ( 목표 : 파라메터이용 ) (1차년도) 2010년비 SCI 1편 ) 최우수논문상수상 ) 4 전산모사에서획득한 I-124 전산모사에서획득한 I-124 PET 최적화물리적특성 PET 최적화물리적특성파라메터검증실험파라메터검증실험완료 (2차년도) 100% 최적화된물리적특성 5 최적화된물리적특성파라메터이용 I-124 PET 획득및평가 (2차년도) 파라메터이용 I-124 PET 획득및평가 (SCI 논문 2편게재, 1편심사중, 2편투고중 ) 400% ( 목표 : SCI 1편 ) - 47 -
제 2 절. 관련분야에의기여도 이연구에서는 I-124 PET 영상최적화를위하여영상획득및영상재구성단계에서다양한영상파라메터를기반으로최적의 PET 데이터획득창및영상재구성방법을결정하였으며, 전임상및임상 PET 연구결과를제시하였음. 연구실적은한국의학물리학회지에게재되어 2010년최우수논문상을수상하였고, SCI 2 편게재, SCI 3편 (1편심사중, 2편투고중 ) 을작성하였음. 심사중인논문은분자영상분야 ( 영상의학, 핵의학관련잡지 104개저널중 1 위 ) 인 Journal of Nuclear Medicine에투고하여 peer reviewer로부터창의적이고우수한연구라는 comment를받았으며, 영상재구성에관한연구결과및임상 PET 연구결과도현재 SCI 논문투고중임. 연구결과인에너지창최적화는현재상용화된 PET 스캐너에서적용가능한 보편적으로수행할수있는범용성과연구기획의참신한독창성으로해당저 널의 peer reviewer 로부터호평을받았음. 연구결과가논문으로출판되면관련연구를하는연구자들에게 I-124 PET 영상의 reference 가될수있을것임. - 48 -
제 5 장. 연구개발결과의활용계획 제 1 절. 타연구에의응용 I-124 PET은 I-131과항체를활용한방사면역치료를수행하기전혹은후의영상선량평가및투여선량예측에유용함. 이연구결과에서도출한영상획득방법을기반으로 I-131 투여선량결정및 I-124 영상선량평가에관한추가연구를수행하면임상에서당장활용한연구결과를도출할수있을것으로판단함. 현재는 F-18 계열의방사성동위원소를대부분사용하고있으나향후, F-18 이외 I-124와같은 Br-76, Ga-68 과같은 single gamma가방출되는핵종의사용이증가할것으로예상되므로, 이연구에서수행한연구방법론을사용하여향후개발예정인핵종의영상최적화연구를수행하는것이필요함. - 49 -
제 6 장. 연구개발과정에서수집한해외과학기술정보 최근영상표준화에대한시도가활발함. 미국 ACRIN (American college of radiology imaging network) 에서는 6개과학위원회와 4개과학지원위원회를구성하여 PET 영상프로토콜을표준화하고전국 PET 스캐너의정도관리를수행하고있음. 한편 2010년미국핵의학회에서는 FDG PET protocol worldwide summit을개최하여 FDG PET을촬영할때발생하는제반문제에대한가이드라인을마련하였음. FDG PET 이외다른핵종에대하여동일한가이드라인의제시가필요한상황이어서이연구에서수행한 I-124 PET 영상최적화방법은향후세계 PET 영상프로토콜표준화에서도좋은선례를남기는연구결과가될것으로예측함. 더욱이이회의에서제시한아래그림과같이 FDG이외다른핵종을사용하여세포고사및저산소증에대한연구가활발할것으로예상하는데, 이에 I-124에대한연구도증가할것으로예상함. 특히 I-124는전통적으로수행하는 I-131을이용한핵의학치료영역에서영상선량평가및 I-131 투여 - 50 -
량결정에중요한역할을할것으로예측하므로더욱수요증가를기대할수 있음. - 51 -
제 6 장. 참고문헌 1. Bruehlmeier M, Roelcke U, Schubiger PA, Ametamey SM. Assessment of hypoxia and perfusion in human brain tumors using PET with F-18-fluoromisonidazole. J Nucl Med. 2004;45:1851-1859. 2. Castellani M, Colombo A, Giordano R, et al. The Role of PET with N-13 Ammonia and F-18 FDG in the assessment of myocardial perfusion and metabolism in patients with recent AMI and intracoronary stem cell injection. J Nucl Med. 2010 (epub). 3. Jentzen W, Weise R, Kupferschlager J, et al. I-124 PET dosimetry in differentiated thyroid cancer: recovery coefficient in 2D and 3D modes for PET/CT systems. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2008;35:611-623. 4. Jentzen W, Hobbs RF, Stahl A, Knust J, Sgouros G, Bockisch A. Pre-therapeutic I-124 PET/CT dosimetry confirms low average absorbed doses per administered I-131 activity to the salivary glands in radioiodine therapy of differentiated thyroid cancer. Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2010;37:884-895. 5. Lee DS, Paeng JC. Molecular nuclear cardiac imaging. Korean J Nuc Med. 2004;38:175-179. 6. Vandenberghe S. Three-dimensional positron emission tomography imaging with 124I and 86Y. Nucl Med Commun. 2006;27:237-245. 7. Disselhorst JA, Brom M, Laverman P, et al. Image-quality assessment for several positron emitters using the NEMA NU 4-2008 standards in the Siemens Inveon small-animal PET scanner. J Nucl Med. 2010;51:610-617. 8. Surti S, Scheuermann R, Karp J. Correction technique for cascade gammas in I-124 imaging on a fully-3d, time-of-flight PET scanner. IEEE Trans Nucl Sci. 2009;56:653-660. 9. Lubberink M, van Schie A, de Jong HW, van Dongen GA, Teule GJ. Acquisition settings for PET of I-124 administered simultaneously with - 52 -
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연구성과 ( 연구마루입력성과 ) 사업명핵심기초연구책임자김진수주관기관한국원자력의학원 과제번호 2009-0078289 과제명 I-124 PET 영상최적화를위한물리적특성파라메터개발 전문학술지논문게재 과학기술 / 학술적연구성과 ( 단위 : 건 ) 초청강연실적 학술대회논문발표 지식재산권 국내논문국외논문출원등록국내국제 SCI 비SCI SCI 비SCI 국내국외국내국외 수상실적 저역서 출판실적 0 1 2 0 0 9 6 0 0 0 0 2 0 0 보고서 인력양성및연구시설 ( 단위 : 명, 건 ) 학위배출국내외연수지원장기단기산학강좌연구기자재박사석사국내국외국내국외 0 0 0 0 0 0 0 0 국내과학자해외파견 국제협력 ( 단위 : 명, 건 ) 과학자교류국제협력기반학술회의개최 외국과학자국내유치 MOU 체결국제공동연구국제사업참여국내국제 0 0 0 0 0 0 0 산업지원및연구성과활용 ( 단위 : 건 ) 기술확산 연구성과활용 ( 사업화및후속연구과제등 ) 기술이전 기술지도 기술평가 후속연구추진 사업화추진중 사업화완료 0 0 0 0 0 0-55 -
전문학술지논문게재성과정보 과제번호게재연월논문제목총저자명출처학술지명권 ( 호 ) 학술지구분 SCI여부 IF 국제공동연구논문여부 기여도 2009-007 8289 2010.06 Kim,JinSuLe e,jaesungp ark,min-hyu nkim,kyeon Feasibility of gminoh,seu Template-Guided ng-hacheo A t t e n u a t i o n SCI n,gijeongs Correction in Cat ong,inchan Brain PET Imaging Moon,DaeH yukchung,j une-keylee,dongsoo MOLECULAR I M A G I N G A N D BIOLOGY 12(3) 국외 SCI 등재 2.467(j cr2009) 아니오 30% 2009-007 8289 2010.10 Cross-modal and c o m p e n s a t o r y plasticity in adult deafened cats: A longitudinal PET study Park,Min-Hy unlee,hyo- JeongKim,Ji nsulee,jae SCI SungLee,Do ngsoooh,s eung-ha B R A I N RESEARCH 1354 국외 SCI 등재 2.463(j cr2009) 아니오 20% 2009-007 8289 2010.06 유아람 ; 김진 P e r f o r m a n c e 수 ; 김경민 ; 이 measurement of 영섭 ; 김종국 ; 직접입한국의학물리 Siemens inveon PET 우상근 ; 박지력학회지 scanner for small 애 ; 김희중 ; 천 animal imaging 기정 21(2) 국내 SCI 미등재 아니오 70% - 56 -
학술대회논문발표성과정보 과제번호발표년월학술대회명저자논문제목학술대회구분개최국 2009-0078289 201006 미국핵의학회 김진수, 김경민, 유아람, 우상근, 이원호, 김종국, 박지애, 천기정 Attenuation and scatter correction for rat brain PET: Change of glucose uptake in FDG 국제학술대회 PET and binding potential in FP-CIT PET 미국 2009-0078289 201006 미국핵의학회 2009-0078289 201006 미국핵의학회 2009-0078289 201006 미국핵의학회 2009-0078289 201006 미국핵의학회 2009-0078289 201006 유럽핵의학회 김진수, 김경민, 유아람, 우상근, 이원호, 김종국, 박지애, 천기정 이영섭, 김진수, 김경민, 우상근, 이원호, 김종국, 박지애, 김희중, 천기정 유아람, 김진수, 김경민, 우상근, 이원호, 김종국, 박지애, 김희중, 천기정 유아람, 김진수, 김경민, 우상근, 이원호, 김종국, 박지애, 김희중, 천기정 이영섭, 김진수, 김경민, 유아람, 우상근, 이원호, 김종국, 박지애, 김희중, 천기정 M e t h o d o l o g i c a l considerations for PET imaging of rat brain using small animal 국제학술대회 scanner: Comparison between pre and post emission transmission Assessment of 3D PET reconstruction with system matrix using point source 국제학술대회 measurement on Siemens Biograph True point PET/CT C o m p a r a t i v e p e r f o r m a n c e measurement of 124I and 18F PET on Siemens Inveon PET 국제학술대회 using NEMA NU4-2008: Towar d optimal parameters in 124I PET C o m p a r a t i v e p e r f o r m a n c e measurement of 124I and 18F PET on Siemens Inveon PET 국제학술대회 using NEMA NU4-2008: Towar d optimal parameters in 124I PET C o m p a r a t i v e measurement of I-124 and F-18 on Siemens 국제학술대회 ECAT HR+ PET Scanner 미국미국미국미국오스트리아 2009-0078289 201010 대한핵의학회 Kim JS, Kim Image derived input 국내학술대회대한민국 - 57 -
KM, Kim JG, Park JA, Woo SK, Choi CB, function based FDG Kim HY, Lee kinetic analysis for dog WH, Yoo AR, myocardium Lee YS, Kim BI, Choi CW, Lim SM - 58 -
학술대회논문발표성과정보 과제번호발표년월학술대회명저자논문제목학술대회구분개최국 2009-0078289 201010 한국원자력학회 Yu AR, Kim JS, An GI, Woo SK, An image quality Kim JG, Park approach for optimizing JA, Cheon GJ, 124I PET imaging on 국내학술대회 Kim BI, Choi Siemens Inveon PET CW, Lim SM, Scanner Kim HJ, Kim KM 대한민국 수상실적성과정보 과제번호수상연월수상명 성명 수상자 소속기관 시상기관시상국가수상사유 2009-0078289 201010 학술진흥상김진수한국원자력의학원대한핵의학회대한민국우수논문 2009-0078289 201010 우수논문상유아람한국원자력의학원 사단법인한국대한민국우수논문의학물리학회 - 59 -