Ⅰ. 서 론
최근 핵의학 의료영상 획득 장치로 PET(positron emission tomography)/MR(magnetic resonance)과 같은 하이브리 드 스캐너(hybrid scanner)가 대중화되고 있다[1,2]. PET 장치를 이용해 인체의 기능학적 정보를 획득할 수 있으 며, MR 장치를 활용해 우수한 연부조직에 대한 정보를 획득할 수 있는 장점이 있다[3]. 또한, PET/CT(computed tomography)와 비교했을 때, 방사선 피폭도 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 처음으로 출시된 PET/MR은 3.0T의 자 장하에 PET 시그널의 왜곡이 발생하기 때문에 갠트리를 분리하여 PET과 MR을 촬영하였다[4]. 분리된 갠트리 시 스템으로 환자에 대한 기능학적 정보와 연부조직 및 해부 학적 정보의 획득은 가능했으나, 환자의 움직임으로 인해 정확한 PET과 MR 영상의 정합(registration)의 한계가 발 생하였고, PET과 MR을 설치할 공간에 대한 부담도 발생했 다. 최근에는 PET과 MR을 하나의 갠트리로 구성된 통합 (integrated) PET/MR이 개발되어 임상에서 사용되고 있다[5]. MR 자장으로부터 왜곡의 원인인 PET 디텍터의 광전자증배 관(phtomultiplier tube)을 APD(avalanch photo diode) 소자로 교체함으로써 해결하였다[6,7].
또한, 디지털 의료영상은 가우시안 노이즈 같은 영상의 질 을 방해하는 요소가 필수적으로 포함되어 있다[8]. 많은 연 구팀은 이와 같은 영상의 노이즈를 감소 및 제거하기 위한 연구를 진행하고 있다[9-11]. 기존 노이즈 감소 필터로 중간 값 필터, 위너필터가 많이 사용되고 있고, 중간값 필터는 마 스크의 크기를 설정한 후 노이즈 영상의 마스크 크기의 중간 위치의 픽셀값을 중간값으로 대체하여 적용하는 방법이다 [12]. 또한, 위너필터는 영상의 포함된 노이즈를 확률적으로 접근하는 방식이며, 주파수 도메인에서 노이즈의 신호만을 분류하여 제거하는 방식을 적용하고 있다. 뿐만 아니라, 영 상의 blurring 효과가 생기면서 병변 검출의 특이성을 저하 시킬 수 있는 제한점이 있다[13]. 하지만, 기존의 사용되는 필터들은 영상의 윤곽부분에 대한 대조도 및 선예도가 감소 하는 결과가 발생하게 되고, 영상의 질을 저하시키는 원인으 로 작용하고 있다. 최근, 이와 같은 제한점을 보완하고자 영 상의 윤곽부분에 대한 질을 보존하면서 영상의 포함된 노이 즈를 감소시키는데 효과적인 변형된 중간값 위너 필터를 적 용해 의료영상의 질을 향상시키는 연구가 발표되고 있다 [14]. X선 기반 의료영상에서는 변형된 중간값 위너필터가 적용된 연구결과가 발표되고 있지만 핵의학 의료영상 특히, 기능학적 정보와 인체 연부조직 정보를 함께 획득할 수 있 고 점차 사용 및 활용 빈도의 증가추세인 PET/MR 영상에 대한 적용 유무에 대한 연구는 미미한 시점이다.
따라서, 본 연구의 목적은 PET/MR 영상으로 MATLAB 프로그램을 이용하여 가우시안 노이즈를 적용하고, 노이즈 가 포함된 PET/MR 영상에 적용변형된 중간값 위너필터를 3×3, 5×5, 7×7 마스크 크기를 설정하고, 기존의 적용되고 있는 위너필터를 적용한 영상의 질과 비교평가 함으로써 변 형된 중간값 위너필터의 유용성을 증명하고자 한다.
Ⅱ. 대상 및 방법
1. 실험대상
본 실험은 PET과 MR 데이터를 동시 획득 가능한 통합형 (integrated) PET/MR (Siemens, mMR)을 사용하였다. 3.0T 자장으로 RF coil과 경사자장 사이에 PET의 디텍터가 위치해 있으며, 8×8 LSO 섬광물질, 3×3 APD, 56개 블록 으로 구성되어 있다. PET의 감쇠보정을 위하여 3D Dixon MR 펄스시퀀스를 적용하여 감쇠보정 PET 영상을 획득하였 다. Jaszczak 팬텀은 6개의 구(지름: 9.5, 12.7, 15.9, 19.1, 25.4, 31.8 mm)가 팬텀내에 삽입되어 있으며, 방사성동위 원소는 18F 솔루션을 주입하였다. 또한, 팬텀 주입 액체는 물 대신 NaCl+NiSO4 물질을 주입하였다. 팬텀에서의 배경 방사능과 구의 방사능 비율이 1:8로 유지하고, 10분 동안 데 이터를 획득하였다. 영상의 재구성획득 방법은 OSEM (ordered subset expectation maximization) 알고리즘 기 반으로 iteration 2회, subset 10회로 재구성하였다.
2. 변형된 중간값 위너 필터
중간값 필터와 위너필터는 노이즈 감소 효과를 위해 적용 하고 있는 필터다. 위너필터의 식을 fw , 변형된 중간값 위 너필터 fmmwf로 정의하고 아래와 같이 나타내었다.
fw (x, y )와 fmmwf는 각각 위너필터를 적용한 결과 픽 셀값, 변형된 중간값 위너필터를 적용한 결과 픽셀값을 의 미한다. μ와 는 설정한 마스크 크기의 평균값과 중간값을 각각 나타내고, σ2 과 ν2 은 영상의 포함된 가우시안 노이즈 의 분산값과 설정한 마스크 크기안에 포함된 노이즈 분산값 을 각각 의미한다. p (x, y ) 는 (x, y ) 픽셀 위치에 따른 픽셀 값을 나타낸다. 이번 연구에서 노이즈 영상에 적용된 마스 크의 크기는 3×3, 5×5, 7×7로 설정하였다.
3. 정량적 분석
획득된 영상을 정량적으로 분석하기 위해 CNR(contrast to noise ratio), COV(coefficient of variation)의 정량적 분석인자를 사용하였다. CNR, COV의 식은 다음과 같이 나 타낼 수 있다. Fig. 1에 정략적 분석을 위하여 설정한 관심 영역을 나타내었다.
MA 와 σA 는 설정한 구의 관심영역에 대한 평균값과 표 준편차를 의미한다. MB 와 σB 는 영상의 background 관심 영역의 평균값과 표준편차를 의미한다.
Ⅲ. 결 과
1. 변형된 중간값 위너필터를 적용한 팬텀 영상
Fig. 2(a)는 PET/MR 영상에 가우시안 노이즈를 적용시 킨 PET 영상이다. Fig. 2(b)는 노이즈가 포함된 PET 영상 의 중간값 필터를 적용하였고, Fig. 2(c)는 변형된 중간값 위너필터를 마스크 크기 3×3을 적용하여 처리한 영상이다. 또한, Fig 2(d)와 (e)는 5×5, 7×7의 마스크 크기를 각각 적 용시켜 변형된 중간값 위너필터를 적용한 영상을 나타냈다.
2. 변형된 중간값 위너필터 적용에 따른 CNR과 COV 분석
Fig. 3(a)는 6개의 구중 가장 지름이 큰 31.8 mm 구에 대 한 CNR 결과다. 노이즈 영상, 중간값 필터 적용 영상, 3×3 마스크 크기 변형된 중간값 위너필터, 5×5 마스크 크기 변 형된 중간값 위너필터, 7×7 마스크 크기 변형된 중간값 위 너필터 순으로 CNR은 2.67, 2.78, 3.27, 3.98, 5.16이다. Fig 3(b)는 6개의 구중 가장 지름이 큰 31.8 mm 구에 대한 COV 결과로써, 0.34, 0.16, 0.12, 0.05, 0.04의 결과를 나 타냈다.
Ⅳ. 고 찰
핵의학 영상은 적은 광자수의 계측으로 영상의 질이 X선 영상과 비교했을 때 저하되기 때문에 다양한 알고리즘을 적 용시켜 영상의 질을 보완하고 있다. 많은 알고리즘 중 영상 의 노이즈를 감소시키는 변형된 중간값 위너필터가 최근 적 용되고 있고, 이번 연구에서 PET/MR 영상을 이용해 변형 된 중간값 위너필터의 유용성을 증명하고자 한다. 결과를 바탕으로, 노이즈 영상대비 CNR 결과는 7×7 변형된 중간 값 위너필터의 적용 영상이 약 2.3배, 5×5 변형된 중간값 위너필터의 적용 영상이 약 1.8배, 3×3 변형된 중간값 위너 필터의 적용 영상이 약 1.4배, 중간값 필터 적용영상이 1.2 배 증가하였고, COV 결과는 각각 7.7배, 6.2배, 2.6배, 1.9 배 감소하였다. 결론적으로 변형된 중간값 위너필터의 핵의 학 영상의 적용은 효과적임을 확인할 수 있었다. Park et al.은 몬테카를로 시뮬레이션을 활용해 변형된 중간값 위너 필터의 유용성을 확인하였다. 기존의 노이즈 감소효과를 위 해 사용된 중간값 필터, 위너 필터와의 비교평가에서 7×7 변형된 중간값 위너필터의 영상의 질이 가장 우수함을 평가 하였다[15]. 본 연구의 연구 결과를 기반으로 추후 연구에 서 임상에서 많이 사용되고 있는 SPECT(single photon emission computed tomography) 에서의 변형된 중간값 위너필터를 적용하여 효율성을 입증하여 핵의학 영상에서 의 본 필터의 유용성을 확인하고자 한다.
Ⅴ. 결 론
PET/MR과 같은 하이브리드 스캐너가 최근 개발되고 임 상에 출시됨에 따라 팬텀 실험을 통해 정도관리 및 영상의 질 평가가 중요하다[16-17]. 핵의학에서 영상 평가를 위하 여 사용되는 다양한 팬텀 중 Jaszczak PET 팬텀을 이용해 PET/MR 영상의 질을 평가하였다. 연구결과를 기반으로, 변형된 중간값 위너필터를 적용한 PET/MR 영상은 노이즈 영상과 비교했을 때, CNR 결과는 약 33.2% 증가하였고, COV 결과는 약 79.3% 감소하였다. 또한, 디지털 포함에 필 수적으로 포함된 노이즈를 감소시킬 수 있는 변형된 중간값 위너필터를 적용해 획득한 영상 기반으로 PET/MR 영상의 질을 분석함으로써 변형된 중간값 위너필터의 효과를 증명 하였다. 뿐만 아니라, 기존의 사용되고 있는 중간값 필터와 성능을 비교함으로써 새로운 영상의 노이즈 제거 알고리즘 을 개발 및 제공함으로써 핵의학 영상의 질 향상에 도움이 될 것이라 사료된다.
