이론적 모델을 이용한 4DCT에서의 Motion Artifact 분석 = A Theoretical Model for the Analysis of Residual Motion Artifacts in 4D CT Scans

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 호흡에 의한 표적의 움직임 모사가 가능한 팬톰을 이용, 나선형 4DCT 영상에서 발생되는 위상 내 모션 아티팩트(residual motion artifact)의 경향을 분석했으며, 그 특성 및 원인 분석을 위한 이론적 모델을 제시하였다. 표적의 움직임은 SI 방향의 1차원 사인파형을 적용하였으며, 주기는 4s로 고정, 진폭은 10, 20, 30 mm로 변화를 주었다. 표적의 움직임과 동조를 이루는 호흡신호를 얻은 후 이를 기반으로 최대흡기(Inhale peak, 0%)로부터 10% 위상간격(phase bin)으로 재분류하여 총 10개의 4DCT 영상을 재구성하였다. 각각의 진폭(10, 20, 30 mm)별로 획득된 총 30 사례의 영상은 RTP 시스템(CorePLAN, SC&J)에서 분석을 수행하였으며, 경계설정 시 오류를 줄이기 위해 contour window를 고정 값으로 설정한 후 SI 방향의 표적 지름변화를 측정하여 왜곡 정도를 평가 하였다. 각 위상 별 표적의 지름 변화를 측정한 결과 일정한 변화 경향을 확인할 수 있었다. 3 사례(10, 20, 30 mm) 모두 50% 위상(phase) 영상에서 비교적 작은 지름 변화가 관찰 되었는데 10 mm 진폭에서는 정지 영상 대비 변화가 없었고, 20 mm 진폭에서는 0.1 cm (5%)의 변화, 30 mm 진폭에서는 0.1 cm (5%) 변화를 확인할 수 있었다. 반면 30% 위상(phase) 또는 80% 위상 영상에서는 다른 위상 영상에 비해 표적 지름의 변화가 비교적 크게 나타남을 확인할 수 있었다. 10 mm 진폭에서는 정지 영상대비 최대 0.2 cm (10%) 지름 변화가 나타났고 20 mm 진폭에서는 최대 0.7 cm (35%)의 변화, 30 mm 진폭에서는 최대 0.9 cm (45%)의 지름 변화가 나타났다. 이상의 실측결과를 이론모델의 시뮬레이션 결과와 비교해 봤을 때 변화의 양적인 측면에서는 다소 차이가 발생되었지만 변화의 경향성을 확인하는 측면에서는 의미 있는 결과를 얻을 수 있었다. 본 연구의 결과를 통해 규칙적인 1차원 표적 움직임(sine motion)이 적용된 나선형 4DCT 영상에서도 위상 내 움직임에 의한 표적 지름변화가 발생될 수 있음을 확인했고 각 위상(phase)에서의 영상왜곡 정도가 위상 내 움직임의 속도에 비례함을 증명할 수 있었다. 또한 이상의 실측 결과를 이론모델에 적용하여 분석함으로써 위상 내 모션 아티팩트(residual motion artifact)의 발생원인 및 경향성 분석에 직관적 이해를 도울 수 있었고 이론모델에 기초한 분석 프로그램을 개발하여 특정 CT 파라미터(parameter) 상에서 영상왜곡을 줄이기 위한 최적의 위상(phase) 선택에 도움을 줄 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, we quantify the residual motion artifact in 4D-CT scan using the dynamic lung phantom which could simulate respiratory target motion and suggest a simple one-dimension theoretical model to explain and characterize the source of motion artifacts in 4DCT scanning. We set-up regular 1D sine motion and adjusted three level of amplitude (10, 20, 30 mm) with fixed period (4s). The 4DCT scans are acquired in helical mode and phase information provided by the belt type respiratory monitoring system. The images were sorted into ten phase bins ranging from 0% to 90%. The reconstructed images were subsequently imported into the Treatment Planning System (CorePLAN, SC&J) for target delineation using a fixed contour window and dimensions of the three targets are measured along the direction of motion. Target dimension of each phase image have same changing trend. The error is minimum at 50% phase in all case (10, 20, 30 mm) and we found that ${\Delta}S$ (target dimension change) of 10, 20 and 30 mm amplitude were 0 (0%), 0.1 (5%), 0.1 (5%) cm respectively compare to the static image of target diameter (2 cm). while the error is maximum at 30% and 80% phase ${\Delta}S$ of 10, 20 and 30 mm amplitude were 0.2 (10%), 0.7 (35%), 0.9 (45%) cm respectively. Based on these result, we try to analysis the residual motion artifact in 4D-CT scan using a simple one-dimension theoretical model and also we developed a simulation program. Our results explain the effect of residual motion on each phase target displacement and also shown that residual motion artifact was affected that the target velocity at each phase. In this study, we focus on provides a more intuitive understanding about the residual motion artifact and try to explain the relationship motion parameters of the scanner, treatment couch and tumor. In conclusion, our results could help to decide the appropriate reconstruction phase and CT parameters which reduce the residual motion artifact in 4DCT.

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