A Study of the Metal Artifact Reduction using Dual Energy CT : Clinical Applications of Dual Energy and MAR Algorithm

Dual Energy CT를 이용한 금속물질 인공물 감소방법 : Dual Energy와 MAR알고리즘의 임상적 응용

Abstract

Metal material inserted into the body have a large difference in density from human tissues or bones around the Metal during CT scans.. Therefore, the Metal material inserted into the body produces Artifact. Metal Artifact, which occurs around Metals, can degrade the quality of CT images, causing confusion when medical team diagnose lesions. Through this experiment, we confirm that the occurrence of Artifacts decrease by using Dual energy CT and MAR algorithm in Single source Dual energy CT. We also want to present basic data on clinical application methods by comparing and analyzing the characteristics of images obtained by each method. Using GE 750HD CT, artificial implants were scanned using general method and Dual energy. Then we apply the MAR algorithm to each image obtained. And all previously acquired images were compared and analyzed the characteristics of the examination, such as image quality evaluation and dose evaluation. Images with MAR algorithm and Dual Energy confirmed a decrease in Metal Artifact. Images with MAR algorithm have reduced Metal Artifact, but have the disadvantage of distorting the details of artificial joint implants. On the other hand images teseted with Dual Energy have the advantage of being able to implement details than those applied with MAR algorithms, it takes longer to reconstruct the image and the exposure dose was about four times higher than those applied with MAR algorithm. In order to locate Metals, such as the post-operative follow-up period, it is useful to apply MAR algorithm to obtain images. And it is more useful to examine with Dual Energy when micro lesion identification, such as cardiac examination, and surgical planning or when tests are performed in diagnostic way.

전산화단층촬영 검사 시 인체 내에 삽입되어 있는 금속물질은 금속주위에 있는 인체조직이나 뼈와 큰 밀도차이가 있어 인공물을 발생시킨다. 이 실험을 통해 Single source Dual energy CT에서 Dual energy검사 및 MAR 알고리즘의 특성을 비교분석하여 임상적으로 적용방법에 대한 기초자료를 제시하려 한다. MAR 알고리즘을 적용하거나 Dual Energy를 이용하여 검사하였을 때 금속 인공물이 감소하였는데 MAR알고리즘을 적용한 영상은 세부적인 부분을 왜곡시키는 단점이 있다. Dual Energy로 검사한 영상은 MAR알고리즘을 적용한 영상보다 세부적인 부분까지 구현해 낼 수 있다는 장점이 있으나 재구성에 소요되는 시간이 길며 피폭선량이 MAR알고리즘을 적용한 영상보다 약 4배 가량 높았다. 수술 후 Follow up 및 금속물질의 위치를 파악하기 위해서는 MAR알고리즘을 적용하여 영상을 획득하는 것이 검사적 측면에서 유용하며 미세 병변 확인 및 수술계획을 세우거나 진단적인 측면에서 검사를 시행하였을 때는 Dual Energy로 검사하는 것이 더 유용하다.

Ⅰ. INTRODUCTION

전산화단층촬영(Computed Tomography, CT) 영상은 일반 X선 영상과 달리 신체의 단층면을 나타낼 수 있는 영상장치이다. 일반 X선 촬영과 비교하여 구조물이 겹쳐지는 것이 적으며 구조물 및 병변을 보다 정확하게 진단 할 수 있어 정확성을 요구하는 검사에서 많이 이용되고 있다. 이는 인체의 다양한 각도에서 X선을 투과시키고 얻은 감약값을 검출기를 이용하여 측정한 후에 재구성하여 단면 영상을 얻는 방식이다. CT 영상은 X선이 물질을 투과하여 영상화가 될 때 CT number값의 계수로 나타나게 되는데, 인체 내의 감약계수가 인체와 크게 차이 나는 금속물질이나 뼈가 존재하면 금속인공물이 발생한다. 최근 여러 금속재질의 물질을 사용하는 정형외과적 수술의 건 수가 많아짐에 따라서 금속에 의한 인공물들을 흔하게 볼 수 있다. CT 영상에서 정확한 진단을 하기 위해서 CT값의 정확도, 노이즈, 인공물에 대한 영상의 화질 관리 등은 매우 중요하다. 환자의 몸에 삽입되어 있는 고밀도 물질에 의해 발생하는 인공물은 CT 영상의 질을 저하시키고 진단의 정확도를 방해하는 장해음영을 나타낸다. 금속물질 주변에 발생하는 인공물은 CT 영상의 질을 저하시켜 의료진이 병변을 진단할 때 혼란을 야기한다. 체내에 삽입된 금속물질로 인해 발생한 금속 인공물을 줄이기 위한 방법으로 기존에는 관 전압을 높이거나 슬라이스 두께를 줄이는 간단한 방식들이 임상에서 사용되었지만 이러한 방식은 화질 개선에 한계가 존재하며 환자의 피폭선량이 증가한다는 단점이 있었다. 이렇게 금속물질이 삽입된 피사체의 CT 영상의 질을 향상시키기 위하여 기기의 소프트웨어적 방법인 MAR(Metal Artifact reduction)알고리즘을 사용하면 피폭선량 증가 없이 인공물을 현저하게 감소시킬 수 있다. MAR 알고리즘이란 선원에서 발생한 X선이 물질을 통과하여 감약된 데이터의 raw data인 Sinogram을 획득하고 영상을 재구성 한 후에 원래의 Sinogram 에서 금속물 질의 Sinogram을 분리하여 반복적으로 재구성하여 금속인공물이 발생한 영상으로부터 인공물이감소된 영상을 얻는 방법이다. 또한 Single Energy(SE)로 검사한영상보다 더 정밀한 영상의 정보를 제공할 수 있는 Dual Energy(DE)를 이용하여 검사를 할 경우 금속인공물이 감소한다는 연구들이 있다. Dual energy 란 서로 다른 X선원이 물질을 투과하고 감약된 에너지를 선택적으로 재구성하여 에너지 파형에 따른 단일 에너지 파형의 CT 영상을 획득하는 방법이다. 따라서 본 연구에서는 의료용으로 사용되는 금속물질을 이용해 전산화단층촬영 촬영시 발생하는 금속인공물을 줄이는 방법으로 Dual energy와 MAR 알고리즘을 적용하여 영상을 획득하고, 영상에 나타난 CT값을 이용하여 정량적으로 비교 분석함으로서 Dual Energy검사와 MAR 알고리즘의 특성 비교분석 및 임상적 응용 방법에 대한 기초자료를 제시하려 한다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

1. 실험 재료

1.1 연구재료

현재 임상에서 실제 사용하고 있는 티타늄 합금의 정형외과 Screw를 조직등가물질인 Bolus로 감싸서 검사를 하여 인공물이 잘 발생하도록 하였다.

1.2 사용장비

본 연구를 진행하기 위해 Fig. 3 과 같이 GE 750HD CT (GE Healthcare, Milwaukee) 장비를 사용하였으며, 임상에서 사용하고 있는 수술용 금속물질을 Single energy Scan, Dual Energy Scan을 하였고, 재구성 방법으로 GE장비의 MAR 알고리즘을 적용하여 영상을 획득하였다. 검사 후 획득한 영상들을 영상평가 및 선량 평가를 하였다.

Fig. 1. Titanium Screw (AO Foundation).

Fig. 2. Bolus(Tissue-Equivalent Material).

Fig. 3. Discovery 750HD CT(GE Healthcare, Milwaukee).

2. 연구 방법

2.1 피폭선량평가

본 연구의 실험은 Scout 촬영 후에 검사조건을 Table 1과 같이 설정하고 각 프로토콜마다 10회씩 검사하였다. MAR알고리즘을 적용한 영상은 소프트웨어적 재구성 방법이기 때문에 피폭선량에 영향을 주지 않는다. 따라서 피폭선량을 비교하기 위해서 Single Energy를 이용한 CT 영상과 Dual Energy를 이용한 영상의 DLP값을 이용하여 피폭선량을 비교 및 평가 하였다. ICRP 135에서는 과도한 환자의 피폭선량을 초래하는 절차를 확인하기 위해진단참고 준위를 CT에서는 CTDIvol(Volume Computed Tomography Dose Index), DLP (Dose - Length Product)값을 지표로 이용하는 것을 권고하고 있다.

Table 1. Scan Parameter

2.2 영상 평가

영상평가는 각 Single Energy와 Dual Energy 얻은 영상 그리고 MAR를 적용하여 얻은 영상을 정량적 평가와 정성적 평가로 나누어서 시행하였다. 정량적 평가는 SPSS 18 프로그램을 이용하여 ANOVA(Analysis of variance) Test를 실시하였으며 95% 신뢰수준에서 P value가 0.05보다 작은 경우 유의하다고 결정하였다.

Fig. 4. Dose reports of Single energy and Dual energy.

Fig. 5. Images of each protocol.

1) 정량적 평가

정량적 평가는 각 Single Energy와 Dual Energy 그리고 MAR를 적용하여 얻은 영상에서 금속 물질 부위와 인접부위에 각각 ROI (35.23mm²)를 설정하였고 설정된 ROI의 CT Number를 구하였다. 노이즈는 픽셀의 CT Number의 분산된 형태로서 표준편차 (Standard deviation, SD)를 나타내므로 ROI의 표준편차를 측정해서 노이즈를 측정하였다. 각 ROI 영역에서 산출된 CT Number와 표준편차로 다음의 Eq. (1)을 이용하여 SNR을 측정하였다.

\(S N R=\frac{\text { Object Signal Intensity }}{S D(\text { noise })}\)       (1)

Fig. 6 . Measurement of CT value in ROIs (Screw, Peripheral part, Bolus, Background noise).

2) 정성적 평가

정성적 평가는 각 Single Energy와 Dual Energy 그리고 MAR를 적용한 방법으로 얻은 영상을 바탕으로 영상의학과 전문의 1명, 임상경력 10년 이상의 CT전문 방사선사 5명이 5점 척도로 점수를 매겨 영상의 질을 평가하였다. 각 프로토콜별로 얻어진 영상을 영상 왜곡정도(Image Distortion), 금속 인공물(Metal Artifact) 발생정도를 매우양호(5점), 양호(4점), 보통(3점), 불량(2점), 매우 불량(1점)으로 구분하고 각 영상에서 획득한 점수를 평균화하여비교분석하였다.

Ⅲ. RESULT

1. 피폭선량평가

본 연구의 실험은 각 프로토콜마다 10회씩 검사하였다. Single Energy를 이용한 CT 영상과 Dual Energy를 이용한 CT 영상의 DLP값의 평균을 비교한 결과, Single Energy 영상의 DLP 평균값은 107.24 mGy × cm이고 Dual Energy 영상의 DLP 평균값은 436.81 mGy × cm으로 Dual Energy로 검사를 하였을 때 Single Energy로 검사하였을 때에 비해 약 4배정도 선량이 증가하였다.

Table 2. Comparison of DLP in each protocol

2. 영상평가

2.1 정량적 평가

Single energy (SE)로 얻은 영상과 Dual energy (DE) 로 검사하여 얻은 영상 그리고 각 검사들에 MAR를 적용하여 획득한 CT 영상에 ROI를 설정하고 SNR을계산한 결과 각각의 SNR 평균값은 SE는 1.78, SE(MAR)는 2.20, DE는 2.73, DE(MAR)는 2.31로 나타났으며 결과값은 통계적으로 유의하다. (P<0.05). Single Energy로 얻은영상에서 표준편차 (Standard deviation)가 가장 높게 나왔으며 DE, SE (MAR), DE (MAR) 순 으로 표준편차가 적게 나타났다. 표준편차(노이즈)가 가장 큰 Single Energy에서 얻은 영상에서 금속인공물이 가장 많이 나타났다고 평가되며, Dual Energy로 검사하고 MAR를 적용한 영상에서 금속인공물의 감소가 가장 많이 일어났지만, 금속물질의 신호 손실 역시 가장 많이 일어나 Dual Energy영상보다 SNR이 더 낮게 측정되었다. 통계분석결과 ANOVA검정에서는 유의한 결과가 나타났지만 사후검정으로 Duncan test를 시행한 결과 결과값은 유의하지 않았다.

Table 3. Comparison of SNR in each Protocol

2.2 정성적 평가

본 연구에 대한 정성적 평가는 영상의학과 전문의 1명과 CT 전문방사선사 5명이 측정을 하였다. Single energy로 얻은 영상과 Dual energy 로 얻은 영상 그리고 각 검사들에 MAR를 적용하여 얻은 CT 영상을 5점 척도로 영상의 질을 평가한 결과, 각각의 영상왜곡(Image Distortion, ID) 점수의 평균값은 SE가 2.5, SE (MAR)는 2.7, DE는 4.3 그리고 DE (MAR)는 1.2로 나타났다.

Dual energy로 검사한 영상이 가장 금속 물질의 왜곡이 일어나지 않았고, Dual Energy로 검사하여 MAR알고리즘을 적용한 영상이 금속물질의 왜곡이 가장 심하게 나타났다고 평가되었다. 인공물발생정도는 SE는 1.6, SE (MAR)는 3.5, DE는 3.2, DE(MAR) 영상은 4.2로 나타났다.

이는 Single Energy로 검사한 영상에서 인공 물이 가장 많이 발생하였으며, Dual Energy로 검사하여 MAR알고리즘을 적용한 영상이 가장 인공물의 감소가 나타났다고 평가되었다. 전체적으로 Dual energy로 검사한 영상이 영상의 왜곡이 가장 적었으며 금속인공물 감소효과가 있으면서 물체의 미세한 부분까지 잘 표현되었다고 할수 있다.

Table 4. Qualitative evaluation in each Protocol.

Ⅳ. DISCUSSION

본 논문에서는 금속인공물을 감소시키기 위해 소프트웨어적 방법인 MAR알고리즘을 이용하여 획득한 영상과 Dual energy로 검사하여 획득한 영상으로부터 피폭선량을 비교하고 각 영상의 특성을비교분석하여 Dual energy검사와 MAR 알고리즘의 유용성을 평가해보았다. 금속인공물을 감소시키기 위해 서 기존에 임상에서 사용되는 촬영조건을 변화시키는 방법이 아닌 소프트웨어적 방법인 MAR 알고리즘과 Dual energy를 이용하여 검사하였을 때 피폭선량과 영상의 질에 대해 분석하고 비교하였다. MAR 알고리즘을 사용하였을 때 환자의 피폭선량은 변함이 없었으며, 금속인공물의 발생 정도가 감소하였으나 영상이 왜곡되는 경향이 나타났다. Dual energy로 검사를 하였을 때는 금속 인공물이 감소하고 MAR알고리즘을 사용했을 때와 비교 하여금 속물 질의 미세한 부분까지 구현되어 영상의 왜곡은 적었으나 영상 재구성에 소요되는 시간이 길며 피폭선량이 약 4배 가량 높았다. CT 영상기기의 발달로 인해 MAR와 같은 소프트웨어적 재구성법이 발달되고 이에 감소율에 대한 연구들이 진행되고 있지만, 이의 특성을 분석하여 임상적으로 응용할 수 있는 기초 연구들은 미흡한 실정이다. MAR 알고리즘은 소프트웨어적 재구성방법으로서 금속 인공물을 감소시키는 보정방법이라 직접적으로 선량에 영향을 미치지 않는다. 반면 Dual energy 검사 방법은 일반적으로 하나의 X선 에너지로 촬영하는 CT검사와 달리 한번에 두 개의 X선 에너지를 이용하여 더 자세한 영상을 획득하는 방법으로 일반적으로 하나의 X선으로 검사한 방법보다 선량이 증가한다. 본연구의 제한점은 한가지의 금속과 고정된 촬영조건으로 실험을 하였으며 환자의 부위마다 매개변수가 다르기 때문에 추후 인체에 대한 전반적인 매개변수적용에 대한 연구들이 필요하며 현재 상용화된 Dual energy 방식은 3가지로 구동되고 있는데 본 연구에서 적용된 단일 선원 Dual energy CT 뿐만 아니라 이중 선원에서의 Dual energy CT 등 구동방식에 대한 추가적인 연구도 필요하다.

V. CONCLUSION

MAR알고리즘과 Dual energy를 이용한 각 검사 방법의 특징을 임상적으로 적용하여, 수술 후 Follow up 및 금속물질의 위치를 파악하기 위해서는 MAR 알고리즘을 적용하여 검사를 하고, 수술 계획을 세울 때나, 심장 검사와 같이 미세 병변을 진단하거나 확인 할 때는 Dual Energy로 검사를 하는 것이 더 유용하다.