Quantification of Myocardial Blood flow using Dynamic N-13 Ammonia PET and factor Analysis

N-13 암모니아 PET 동적영상과 인자분석을 이용한 심근 혈류량 정량화

Purpose: We evaluated the feasibility of extracting pure left ventricular blood pool and myocardial time-activity curves (TACs) and of generating factor images from human dynamic N-13 ammonia PET using factor analysis. The myocardial blood flow (MBF) estimates obtained with factor analysis were compared with those obtained with the user drawn region-of-interest (ROI) method. Materials and Methods: Stress and rest N-13 ammonia cardiac PET imaging was acquired for 23 min in 5 patients with coronary artery disease using GE Advance tomograph. Factor analysis generated physiological TACs and factor images using the normalized TACs from each dixel. Four steps were involved in this algorithm: (a) data preprocessing; (b) principal component analysis; (c) oblique rotation with positivity constraints; (d) factor image computation. Area under curves and MBF estimated using the two compartment N-13 ammonia model were used to validate the accuracy of the factor analysis generated physiological TACs. The MBF estimated by factor analysis was compared to the values estimated by using the ROI method. Results: MBF values obtained by factor analysis were linearly correlated with MBF obtained by the ROI method (slope = 0.84, r = 0.91), Left ventricular blood pool TACs obtained by the two methods agreed well (Area under curve ratio: 1.02 ($0{\sim}1min$), 0.98 ($0{\sim}2min$), 0.86 ($1{\sim}2min$)). Conclusion: The results of this study demonstrates that MBF can be measured accurately and noninvasively with dynamic N-13 ammonia PET imaging and factor analysis. This method is simple and accurate, and can measure MBF without blood sampling, ROI definition or spillover correction.

목적: N-13 암모니아 PET 동적영상에 포함된 순수 한 혈액풀 입력함수와 심근 조직함수를 추출하며 각 조직 인자영상을 생성하는 인자분석 방법을 개발하고자 하였다. 또한 인자분석 방법으로 추출된 입력함수와 조직함수를 사용하여 혈류량을 측정하여 구현한 인자분석 방법의 정확도와 유용성을 고찰하였다. 대상 및 방법: 다섯 명의 관상동맥질환 환자에 20 mCi N-13 암모니아를 안정상태와 부하상태에서 주사한 후, 23분간 26프레임의 PET 동적영상을 얻었다. 인자분석을 수행하기 위해 첫째, N-13 암모니아 PET 동적영상을 3차원 행렬화 한 후, 부분영상을 추출하여 딕셀을 생성, 규격화하였다. 두 번째 주 대각성분분석 단계에서는 공분산행렬을 계산하여 인자부하량을 구하며, 세 번째 단계에서는 인자부하량이 양의 구속조건을 만족할 때까지 인자함수를 사갈 회전시켰다. 네 번째 단계에서는 인자영상과 시간-방사능 곡선을 추출하였다. 인자분석 방법의 효율성과 정확성을 검증하고자 인자분석과 관심영역설정 방법으로 구한 혈액풀 입력함수의 곡선 아래 면적을 비교하고, 두 가지 방법으로 구한 입력함수와 조직함수를 이용하여 심근 혈류량을 측정하여 선형 회귀분석하였다. 결과: 관심영역 설정 방법과 개발된 인자분석 방법을 이용하여 구한 혈액풀 입력함수의 $0{\sim}1$분 사이의 평균 곡선 아래 면적 비는 1.02, $0{\sim}2$분 사이는 0.98, $1{\sim}2$분 사이는 0.86이었다. 또한 인자분석과 관심영역 설정 방법으로 얻은 입력함수와 관심영역 설정 방법으로 얻은 조직함수로 구한 심근 혈류량의 선형 회귀곡선 기울기는 0.91, 상관계수는 0.82로 서로 잘 일치하였다. 결론: N-13 암모니아 PET 동적영상을 인자분석 하는 방법을 구현하여 각 조직 인자영상과 이에 대응하는 시간-방사능 곡선을 추출하였으며, 인자분석과 관심영역 설정 방법으로 얻은 혈액풀 입력함수가 서로 잘 일치됨을 검증하였다. 또한, 인자분석 방법과 관심영역 설정방법으로 얻은 시간-방사능 곡선으로 구한 심근 혈류량 값들이 서로 좋은 상관관계를 나타내는 것으로 관찰되어 인자분석 방법으로 추출된 혈액풀 입력함수와 심근 조직함수가 순수한 생리적 함수들과 잘 일치된다고 판단할 수 있었다. 그러므로 N-13 암모니아 PET과 인자분석 방법을 이용하면 혈액 채취, 관심영역 설정, 흘러넘침 보정없이 심근 혈류량을 비침습적으로 간단하고 정확하게 정량화 할 수 있다.