GATE 시뮬레이션을이용한 I-131 영상의산란및격벽통과보정방법연구 * 연세대학교보건과학대학방사선학과, 보건과학연구소, 가톨릭대학교인천성모병원 정지영 * ㆍ김희중 * ㆍ유아람 * ㆍ조효민 * ㆍ이창래 * ㆍ박혜숙 * I-131은갑상선에주로집적되어갑상선의기능을평가하는데활용됨은물론높은에너지의베타선을방출함으로써암의치료에도널리사용되고있는방사선핵종이다. 그러나 I-131은다양한에너지의감마선을방출함으로써핵의학영상의정량화가어렵다. 특히고에너지영역의감마선에의한격벽투과 (septal penetration) 와산란선은핵의학진단영상에악영향을미치게된다. 본연구에서는격벽투과가영상에미치는영향과 I-131의산란보정방법을몬테카를로시뮬레이션을활용하여알아보고자하였다. 본실험을위하여임상에서사용되고있는범용성고에너지조준기를장착한핵의학영상기기인 FORTE 시스템 (Philips, Netherlands) 에대해모사하였다. 격벽투과가영상에미치는영향을알아보기위하여고에너지조준기의격벽을두가지종류로모사하여보았다. 한종류는실제로사용하고있는납으로격벽을모사하였으며, 다른한종류는높은에너지의감마선이투과할수없는밀도와원자번호가아주높은임의의물질로구성하여모사하였다. 각각의조준기를통해물팬텀안의 I-131 선선원의영상을획득한결과납격벽에서획득한선선원의반치폭 (Full Width at Half with Maximum, FWHM) 과십치폭 (Full width at Tenth with Maximum, FWTM) 은각각 41.2 mm, 206.5 mm였으며, 높은에너지의감마선이투과할수없는임의의물질로만든격벽의조준기에서는반치폭과십치폭이각각 27.3 mm, 47.6 mm로측정되었다. 이는고에너지의감마선에의한격벽투과가핵의학영상의선예도를나쁘게한다는것을알수있다. 또한 I-131을이용한핵의학영상의산란보정을위하여물팬텀속의점선원을모사하고영상을획득하였다. 산란보정방법으로는삼중광봉우리창 (Triple Energy Window method, TEW) 을이용하여획득영상내의산란선을유추하는방법을사용하였다. 그러나이러한방법은중심에너지창의범위에따라유추된산란선의양에영향이있으므로더정확한산란선유추를위해확장된삼중광봉우리창 (Extended Triple energy Window method, ETEW) 을적용, 기존의방법과비교하였다. 실험결과시뮬레이션의데이터분류를통한산란선으로만획득된점선원영상과 TEW와 ETEW 방법을통해유추된산란선영상결과, ETEW 방법으로산란선을유추한방법이기존의 TEW 방법보다더정확함을알수가있었다. 본연구는시뮬레이션을통한 I-131의특성을평가함으로써 I-131을이용한동위원소치료및 GATE 프로그램연구의기초자료로활용될수있을것으로기대된다. 중심단어 : I-131, GATE, 격벽투과, TEW, ETEW 서 핵의학진단영상은해부학적정보를얻는 X선진단영상과는달리핵종이집적된장기의기능을확인할수있는장점이있다. 특히 I-131은갑상선의기능진단뿐만아니라 이논문연구는 2009 학년도연세대학교학술연구비의지원에의하여이루어진것임. 이논문은 2009 년 4 월 27 일접수하여 2009 년 6 월 2 일채택되었음. 책임저자 : 김희중, (220-710) 강원도원주시흥업면매지리 234 번지연세대학교보건과학대학방사선학과 Tel: 033)760-2475, Fax: 033)760-2815 E-mail: hjk1@yonsei.ac.kr 론 높은에너지의베타선을방출하여종양조직을괴사시켜암치료의목적으로널리사용되어지고있는방사선핵종이다. 1,2) 그러나 I-131은단일에너지의 Tc-99m 등의핵종들과달리다양한에너지를 (80 kev: 2.6%, 284 kev: 6.1%, 364 kev: 82%, 623 kev: 7.2%, 723 kev: 1.8%) 방출함으로써영상의정량화가어렵고, 고에너지영역의감마선으로인한격벽투과 (septal penetration) 와산란선이영상의선예도및대조도를떨어뜨리는것으로알려져있다. 3-5) 격벽투과란고에너지영역의감마선이조준기의격벽을투과하여영상정보에불필요한감마선이크리스탈으로입사되는현상을말한다. 6) 본연구에서는몬테카를로기법을바탕으로한시뮬레이션인 Geant4 Application for Tomographic Emission - 72 -
(GATE) 프로그램을이용하여임상에서사용중인감마카메라시스템을구현하여보고 I-131의격벽투과의영향을확인하였다. 또한산란보정방법연구를위하여 GATE를활용하여물팬텀내 I-131 핵종을모사하였다. Dewaraja 4) 와 Ichihara 등 7) 은산란보정방법중삼중광봉우리창보정방법 (Triple Energy Window method, TEW) 이 I-131과같이다양한에너지봉우리를가진핵종의산란보정을위한산란선유추에유용하다고하였다. 그러나 TEW는주에너지창의변화에도고정된부가에너지창을활용함으로써산란선이과대또는과소평가될수있다고알려져있다. 8) 본연구에서는 TEW방법을개선하여주에너지창의변화에따라부가에너지창도비례하여변화를주어산란보정의효과를높였다고알려진확장된삼중광봉우리창보정방법 (Extended Triple energy Window method, ETEW) 을이용하여산란선을유추한후두방법을비교하였다. 8) 사양과 GATE를통해모사한격벽의사양을나타낸것이고, Fig. 1은본연구를위해사용된 FORTE 시스템의감마카메라모식도와 GATE를이용해 FORTE 시스템을모사한것이다. 1. 격벽투과 I-131의경우 364 kev의감마선뿐만아니라전체방출에너지의 7.2% 는 623 kev, 1.8% 는 723 kev의고에너지를방출하는핵종이다. 따라서저, 중에너지를방출하는핵종과는달리격벽투과의영향이매우크다고알려져있다. 3) 본연구에서는 GATE 프로그램을활용하여실제사용중인 FORTE 시스템의감마카메라와 FORTE 시스템과모든조건이같지만, 격벽의구성물질을임의로원자번호가밀도가매우높은물질로구성하여격벽투과가없는경우로모사하여실제 I-131을이용한영상에서격벽투과의영향을 재료및방법본연구에서는임상에서사용되고있는범용성고에너지조준기 (High Energy General Purpose, HEGP) 가장착된핵의학영상기기인 FORTE 시스템 (Philips, Netherlands) 에대해 GATE를활용해모사하였다. HEGP의경우고에너지감마선의투과를방지하기위하여저에너지조준기에비해격벽의두께가두껍고높이가높은특징이있다. Table 1은본연구에사용된 FORTE 시스템의에너지별실제격벽의 Table 1. Specification of septal of FORTE system and using GATE simulation. Reference Experiments Collimator HEGP MEGP LEGP HEGP MEGP LEGP Septa (cm) 0.1727 0.1143 0.018 0.173 0.114 0.018 Radius (cm) 0.1905 0.1475 0.07 0.191 0.148 0.07 Length (cm) 6 4.8 2.47 6 4.8 2.47 #Holes 7,000 12,900 86,400 6,953 12,719 87,665 Fig. 1. Illustrated gamma camera head (a) and simulated gamma camera system using GATE (b). - 73 -
정지영외 5 인 :GATE 시뮬레이션을이용한 I-131 영상의산란및격벽통과보정방법연구 알아보았다. 본실험을위하여지름 10 cm, 높이 10 cm의물팬텀안에반지름 0.0001 cm, 높이 10 cm의선선원 3.7 MBq을모사하여선원과감마카메라의거리를 20 cm으로하여 2분간영상을획득하였다. 2. TEW와 ETEW TEW는영상획득을위해이용하는중심에너지창에포함 된산란선을중심에너지창주변의부가에너지창을설정하여유추해내는방법이다. Fig. 2(a) 와식 (1) 을보면 W m 을중심에너지창의너비, 부가에너지창의넓이를각각 W s 라하여중심에너지창의산란선 C s 를사다리꼴의넓이고추정해낸것을알수있다. ETEW는중심에너지창과부가에너지창사이의거리를계산하여좀더정확한산란선추정을하는것으로써식 (1) 을부가에지창과중심에너지창의거 Fig. 2. Schematic diagrams of triple energy window setting. C left and C right are images of sub window. W s is width of sub window. W m is distance between C lerf and C right. W 1 and W 2 are distance between sub windows and main window. TEW method requires abutted scatter energy window settings at both sides of the main energy window (a). ETEW method does not necessarily require abutted window settings at both sides of the main energy window (b). Table 2. Set-up for main (20%) and sub windows corresponding to correction methods. TEW ETEW1 ETEW2 Main window (20%) Sub (high) window (25 kev) Sub (low) window (19 kev) Sub (high) window (10 kev) Sub (low) window (10 kev) 327.6 400.4 400.4 425.4 308.6 327.6 400.4 410.4 317.6 327.6 327.6 400.4 403.9 428.9 305.1 324.1 403.9 412.9 314.1 324.1 327.6 400.4 407.4 432.4 301.6 320.6 407.4 417.4 310.6 320.6 Table 3. Set-up for main (15%) and sub windows corresponding to correction methods. TEW ETEW1 ETEW2 Main window (15%) Sub (high) window (25 kev) Sub (low) Window (19 kev) Sub (high) window (10 kev) Sub (low) window (10 kev) 336.7 391.3 391.3 416.3 317.7 336.7 391.3 401.3 326.7 336.7 336.7 391.3 403.9 428.9 305.1 324.1 403.9 412.9 314.1 324.1 336.7 391.3 407.4 432.4 301.6 320.6 407.4 417.4 310.6 320.6-74 -
Table 4. Set-up for main (10%) and sub windows corresponding to correction methods. TEW ETEW1 ETEW2 Main window (10%) Sub (high) window (25 kev) Sub (low) Window (19 kev) Sub (high) window (10 kev) Sub (low) window (10 kev) 345.8 382.2 382.2 407.2 326.8 345.8 335.8 345.8 382.2 392.2 345.8 382.2 403.9 428.9 305.1 324.1 403.9 412.9 314.1 324.1 345.8 382.2 407.4 432.4 301.6 320.6 407.4 417.4 310.6 320.6 Table 5. Ratio to total and scatter counter in lead and absolutely absorbed material collimator. Total (counter) scatter (counter) Ratio (%) (Scatter/total 100) Lead collimator 231,477 200,932 86.8 Absolutely absorbed material collimator 55,648 40,125 72.1 Fig. 3. Energy spectrum were acquired by experiment (a) and Monte Carlo simulation (b). 리까지고려한식 (2) 로변형할수있다. 본실험은일차선 (primary gamma ray) 과산란선 (scatter gamma ray) 을구분하여영상을구성할수있는시뮬레이션의장점을활용하였다. 정해진에너지창내의산란선을 TEW와 ETEW 방법으 Fig. 4. The line source images in lead collimator (a) and absolutely absorbed collimator (b) and LSF (c). 로계산하여획득한영상과정해진에너지창내의산란선만으로구성된영상을비교하여어떠한방법이산란선유추 - 75 -
정지영외 5 인 :GATE 시뮬레이션을이용한 I-131 영상의산란및격벽통과보정방법연구 Fig. 5. Calculated scatter image to set-up for main energy windows. 에유용한지알아보았다. Fig. 2는 TEW와 ETEW를활용하기위한설정된에너지창의모습이다. 식 1, 2는 TEW와 ETEW 각각산란선추정을위한식을나타낸다. 또한 Table 2 4는본시뮬레이션에서사용된 TEW와 ETEW의중심에너지창과부가에너지창의범위를나타낸것이다. Dewaraja 등 (1988) 이 TEW방법을활용하기위해선택했던부가에너지창인고에너지영역 19 kev, 저에너지영역을 25 kev 선택한것을 ETEW1이라하였다. 3) 또한부가에너지창설정차이에산란선추정의차이를알아보기위하여고에너지영역과저에너지영역부가에너지창모두 10 kev 로선택한것을 ETEW2라고하였다. 추가적으로중심에너지창설정의차이에따른산란선추정의변화를확인하기위하여 TEW, ETEW1 및 ETEW2의방법을 10%, 15%, 20% 로중심에너지창을설정하여영상을획득하였다. 본실험을위하여지름 10 cm, 높이 10 cm의물팬텀안에총 3.7 Mbq의반지름 1 cm의구선원을 1:2의방사능농도의비 로구성하여감마카메라와선원과의거리를 20 cm으로모사하였다. (1) (2) 결과 1. Energy spectrum 실험을통해획득한 I-131의에너지스펙트럼 (Fig. 3a) 과 GATE 시뮬레이션을통해획득한 I-131의스펙트럼 (Fig. 3b) 모두 180 kev와 364 kev 영역근처에서에너지봉우리값을나타내는유사함을확인하였다. 또한 (b) 를보면검출된전체감마선중에산란선의비율이매우높음을확인할수 - 76 -
Fig. 6. Estimated profiles of scatter only component for 20% main energy window and low energy sub-window 19 kev, and high energy sud-window 25 kev (a), and both sub high and low energy windows are 10 kev (b), 15% main energy window and low energy sub-window 19 kev, and high energy sud-window 25 kev (c), and both sub high and low energy windows are 10 kev (d), 10% main energy window and low energy sub-window 19 kev, and high energy sud-window 25 kev (e), and both sub high and low energy windows are 10 kev (f). 있었다. 또한임의의밀도가높은물질로구성한격벽에서획득한스펙트럼이산란선의함유율이적음을확인할수있었다. Table 5는납으로구성된격벽과임의의밀도가높 은물질로구성된격벽에서의일차선과산란선의비율을보여준다. - 77 -
정지영외 5 인 :GATE 시뮬레이션을이용한 I-131 영상의산란및격벽통과보정방법연구 2. 격벽투과 GATE를통해모사한물팬텀안의 I-131 선선원의영상과그것을통해선퍼짐영상 (Line Spread Function, LSF) 을획득하였다 (Fig. 4). (a) 는실제사용중인감마카메라와같은납으로구성된격벽을이용해획득된영상이고, (b) 는밀도가매우높은임의물질을이용하여구성한격벽을이용하여획득한영상이다. (c) 는그두영상을통해획득한두영상의선퍼짐영상이다. (a) 의경우반치폭 (Full Width Half at with Maximum, FWHM) 과십치폭 (Full width Tenth at with Maximum, FWTM) 은각각 41.2 mm, 206.5 mm였으며, 높은에너지의감마선이투과할수없는임의의물질로만든격벽의조준기 (b) 에서는반치폭과십치폭이각각 27.3 mm, 47.6 mm가측정되었다. 3. TEW와 ETEW GATE를통해물팬텀과그중심의방사능의농도 1:2 인구선원을모사하여획득한데이터를이용하여중심에너지창의폭에따른 TEW와 ETEW의산란선추정영상을획득하였다 (Fig. 5). True는산란선과일차선을구분하여영상을구성할수있는시뮬레이션의특징을이용하여정해진중심창내의산란선만을이용하여구성된영상이다. ETEW의방법이 TEW의방법을통해획득된영상보다산란선만으로이루어진영상에더유사함을알수있었다. 산란선으로이루어진영상 (Fig. 5) 를통해프로파일을획득하였다 (Fig. 6). 산란선만으로만들어진영상의프로파일과의유사성을보았을때 ETEW1과 ETEW2의프로파일이더유사하며봉우리에서도근접함을알수있다. 그러나 TEW의경우 ETEW1과 ETEW2의비해봉우리지점및전체적으로더높은계수를보이고있어산란선에대해과대평가되었음을알수있다. 결론납으로모사된격벽을통해획득한스펙트럼보다임의의밀도가높은물질로구성된격벽을통해획득한스펙트럼이 364 kev의에너지봉우리가다른에너지봉우리에비하여뚜렷하였고산란선함유율이더적었다 (Fig. 3b, Table 5). 이것은현재사용되고있는납격벽의경우높은에너지의감마선이격벽을투과하여크리스탈에검출되는격벽투과가영상에악영향을주는것을의미한다. 여기서높은에너지의감마선은일차선과높은에너지의산란선모두를 포함한다. 격벽투과에더큰영향을미치는것은높은에너지의일차감마선이다. Fig. 3(b) 와 Fig. 4(c) 에서볼수있듯이산란선의계수도줄지만이와함께일차선의계수또한감소되었다. 그러나관심영역 (364 kev) 외의높은에너지에서의일차선의계수가감소하여전체적인영상의해상도가향상되는것으로나타났다. 또한 Fig. 4(c) 역시격벽투과가영상에악영향을미치는것을보여주는예로일반납격벽을이용하여획득한선선원의 FWHM과 FWTM 모두증가한것을볼수있다. 이것은격벽투과가영상의선예도에악영향을미치는것을의미한다. 특히산란선의경우영상의경계부분에더큰영향을미치므로 FWTM을통한비교가더욱뚜렷한선예도저하를보여주었다. 부가에너지창의선택에대해 ETEW1과 ETEW2의차이는크지않은것으로나타났다 (Fig. 6). 그러나산란선만으로이루어진영상과 TEW 방법으로산란선을유추한프로파일을보면 ETEW의방법이산란선만으로이루어진영상의프로파일과더유사한것을확인할수있었으며, TEW 방법은다소산란선이과대평가된것을확인할수있었다. 이는 TEW 방법은중심에너지창의변화에따라부가에너지창의위치가변화하여사다리꼴넓이를구하는공식에서그높이가변화하기때문이다. 그러나 ETEW 방법은고정된부가에너지창에중심에너지창의변화에따른높이변화를공식에적용시켜산란선추정을더정확하게할수있었다. 본논문의결과는 I-131의특성평가와 GATE 시뮬레이션을통한산란보정연구에대한기초자료로서사용될수있을것으로사료된다. 참고문헌 1. Kneth R. Pollard, Thomas K. Lewellen, Mitchell S. Kaplan, et al: Energy-based scatter corrections for scintillation camera image of iodine-131. J Nucl Med 37:2030-2037 (1996) 2. Eugene Mah, Ken M. Spicer: Comparison for medium- and high-energy coliimators for 131I-tositumomab dosimetery. J Nuvl Med Technol 35:148-153 (2007) 3. Yuni K. Dewara, Michael Ljungberg, Kenneth F. Koral: Characterization of scatter and penetration using monte carlo simulation in 131I imaging. J Nucl Med 37:123-130 (2000) 4. Yuno Dewaraja, Jia Li, Kenneth Koral: Quantitative I-131 SPECT with triple energy window compton scatter correction, IEEE transactions on nuclear science. 45:3109-3114 (1998) 5. Eran Rault, Stefaan Vandenberghe, Roel Van Holen, et al: Comparison of iamge quality of different iodine isotopes (I-123, I-124, and I-131). Cancer Biotherapy & Radiopharmaceuticals 22:423-430 (2007) - 78 -
6.Yuni K. Dewaraja, Michael Ljungberg, Kenneth F. Koral: Characterization of scatter and penetration using Monte carlo simulation in 131I. J NucI Med 41:123-130 (2000) 7. Ichihara T, Ogawa K, Montomura N, Kudo A, et al: Compton scatter compensation using the triple-energy window method for single- and dual-isotope SPECT, J Nuel Med 34: 2216-2221 (1993) 8. Bong JK, Kim HJ, Son HK, et al: Improve scatter correction for SPECT images: a monte carlo simulation study. Koran J Nucl Med 39:163-173 (2005) 9. Damien Autret, Abdelkader Biter, Ludovic Ferrer, et al: Monte carlo modeling of gamma cameras for I-131 imaging in targeted radiotherapy. Cancer biotherapy and Radiopharmaceuticals 20:77-84 (2005) Investigation of Scatter and Septal Penetration in I-131 Imaging Using GATE Simulation Ji-Young Jung*, Hee-Joung Kim*, A-Ram Yu*, Hyo-Min Cho*, Chang-Lae Lee*, Hye-Suk Park* *Department of Radiological Science, College of Health Science and Research Institute of Health Science, Yonsei University, Wonju, The Catholic University of Korea, Incheon St. Mary's Hospital, Incheon, Korea Scatter correction for I-131 plays a very important role to improve image quality and quantitation. I-131 has multiple and higher energy gamma-ray emissions. Image quality and quantitative accuracy in I-131 imaging are degraded by object scatter as well as scatter and septal penetration in the collimator. The purpose of this study was to estimate scatter and septal penetration and investigate two scatter correction methods using Monte Carlo simulation. The gamma camera system simulated in this study was a FORTE system (Phillips, Nederland) with high energy, general-purpose, parallel hole collimator. We simulated for two types of high energy collimators. One is composed of lead, and the other is composed of artificially high Z number and high density. We simulated energy spectrum using a point source in air. We estimated both full width at half maximum (FWHM) and full width at tenth maximum (FWTM) using line spread function (LSF) in cylindrical water phantom. We applied two scatter correction methods, triple energy window scatter correction (TEW) and extended triple energy window scatter correction (ETEW). The TEW method is a pixel-by pixel based correction which is easy to implement clinically. The ETEW is a modification of the TEW which corrects for scatter by using abutted scatter rejection window, which can overestimate or the underestimate scatter. The both FWHM and FWTM were estimated as 41.2 mm and 206.5 mm for lead collimator, respectively. The FWHM and FWTM were estimated as 27.3 mm and 45.6 mm for artificially high Z and high density collimator, respectively. ETEW showed that the estimation of scatter components was close to the true scatter components. In conclusion, correction for septal penetration and scatter is important to improve image quality and quantitative accuracy in I-131 imaging. The ETEW method in scatter correction appeared to be useful in I-131 imaging. Key Words: I-131, GATE, Septal penetration, TEW, ETEW - 79 -