1. 서 론
최근 CT장비의 기계적인 발전과 영상 소프트웨어의 개발에 힘입어 나선식 CT의 이용도가 날로 증가되고 있다. 특히 이를 이용한 3차원 입체영상의 재구성은 명확한 해부학적 구조의 이 해, 수술 접근방법의 결정 및 보다 정확한 진단을 내리는데 많
은 기여를 하고 있으며, 비침습적인 방법으로 과거의 침습적인 검사를 대치할 수 있게 되었다(1, 2).
그러나 3차원 영상구성기법에는 정확도를 평가하는 많은 요 소들이 있어 이들간의 상호관계를 정확히 규명하지 않고는 특 정 목적에 맞는 3차원 영상을 획득하기란 쉽지 않은 실정이다.
현재까지 보편적으로 사용하고 있는 3차원 영상구성기법에는 Shaded surface display(SSD)와 Maximum intensity
나선식 전산화단층촬영을 이용한 뇌기저부 혈관모형의 3차원 영상 재구성에 필요한 적정요소
최 병 길
가톨릭대학교 의과대학 방사선과학교실
Optimal Parameters for 3-D Reconstruction Imaging in Vascular Phantom of Skull Base using Spiral CT Scan
Byung Gil Choi
Dept. of Radiology, Kangnam St. mary’s Hospital College of medicine, The Catholic University of Korea
= Abstract =
The purpose is which a set of CT parameters for 3-D reconstruction imaging yielded to be accurate in evaluating the skull base vascular phantom.
Three acrylic vascular phantoms containing diluted contrast materials were constructed. Spiral CT scans were performed using combination between 0.8, 1.0, 1.2, 1.4 in pitches and 0, 5, 10, 15 degree in gantry angles as the slice thickness and reconstruction interval were 1mm and 0.5mm, respectively.
The 3-D reconstruction methods were maximum intensity projection and shaded surface display.
Each group was analyzed by three reviewers at the three times in the standpoint of characteristics, s- moothness of margin, longitudinal and axial resolution. Using intra- and interobserver reliability analy- ses and analysis of variance(ANOVA), the best set of CT parameters for 3-D reconstruction was eval- uated.
Intra- and interobserver reliability analyses were well correlated. The maximum intensity projection images were rated as statistically superior to shaded surface display. In the groups appling 15 degree tilted gantry, the counts of scans and reconstruction times were smaller than other groups. The best choice was a set of 1.0 in pitch and 15 degree in gantry angle for maximum intensity projection and shaded surface display reconstruction images. And the group using 1.4 in pitch and 0 degree in gantry angle was the lowest quality.
Key words: CT, MIP, SSD
projection(MIP)라는 두 가지 기법이 있는데 이들 영상을 획득 하는데는 절편두께, 테이블 이동거리 및 재구성 간격이라는 요 소가 필요하며, 피검자의 자세와 이를 보정하기 위한 겐트리 각 도 역시 중요한 요소들이다.
과거 여러 연구에서 절편두께, 테이블 이동거리, 재구성 간격, 그리고 피검자의 자세에 대한 적정조합은 일부 알려진 바 있으 나(3-6), 겐트리 각도와의 관계는 보고된 바가 없다.
이에 본 연구의 목적은 뇌기저부 혈관에 대해서 나선식 CT(Somatom plus 4, Siemens, Erlangen, Germany)를 이용한 3차원 CT영상재구성시 정확한 3차원 영상을 획득하기 위하여 영상재구성에 관여하는 겐트리 각도와 피치에 대한 적정요소의 조합을 알아보고자 하였다.
2. 대상 및 방법 2. 1. 혈관모형 제작
혈관모형 제작에는 외경이 5mm, 내경이 3mm인 아크릴관을
이용하였으며, 3차원 영상구성상의 정확한 분별력을 평가하고 자 동맥류(aneurysm), 혈관협착(stenosis), 혈관꼬임(kinking) 의 세가지 형태로 제작하였다. 각각은 모두 알코올램프로 아크 릴관의 일부분을 녹여 부풀리거나, 장력을 가하여 원하는 형태 를 만든 후 차가운 물에 넣어 고정시켜 제작된 모양을 그대로 유지하도록 하였다. 그리고 조영증강된 실제 혈관을 모방하기 위해서 관내에 희석된 조영제를 주입하였다. 이때 조영제와 생 리식염수를 1:10에서 10배씩 희석율을 증가시켜 본 결과 1:50 으로 희석된 조영제의 CT 수치가 350±24 HU(Houns-field unit)로 실제 조영증강된 혈관의 것과 같은 정도였다. 그러므로 1:50으로 희석된 조영제를 이용하였다. 외부의 두개골을 모방 하기 위해서 아크릴판을 이용한 반구를 제작하였고, 그 반구 내 에는 뇌실질 대신에 생리식염수를 채워 넣었다. 이렇게 제작된 반구 내에 먼저 제작한 혈관모형을 종축으로 X-선속과 15˚의 각도로 고정시켜서 위치, 방향, 각도를 환자가 바로 누운 상태에 서 뇌기저부와 비슷하게 하였다(Fig. 1).
A
C
B
Fig. 1. The vascular phantoms mimicking aneurysm (A), stenosis (B), and kinking (C) are seen within hemispherical box. They are fixed by adhesive rubber to the bottom and angled to 15 degree. The vascular phantoms contain diluted contrast material. The hemispherical box contains saline.
2. 2. 3차원 영상구성에 관여하는 요소들의 조합
이론적으로 절편두께와 재구성 간격이 얇을수록 3차원 재구 성영상의 질적인 향상을 보이게 되는 것은 알려져 있다(4). 이 에 절편두께는 기계적으로 허용되는 최소값인 1 mm로, 재구성 간격은 0.5mm로 고정시킨 후 피치(pitch)와 겐트리 각도를 조 합하였다. 이때 피치는 나선식 CT검사시 기본적인 이론을 뒷받 침하는 요소로서, 테이블 이동거리를 절편두께로 나눈 값을 의 미한다(7). 본 연구에서는 절편두께를 1 mm로 고정시켰으므로 테이블 이동거리를 변화시키면 피치도 역시 따라서 변화하게 된 다. 테이블 이동거리는 각각 0.8, 1.0, 1.2, 및 1.4 mm로 하였으 므로 이들에 대한 각각의 피치는 0.8, 1.0, 1.2, 1.4 이었다. 피 치를 0.8 이하로 적용할 경우 원하는 만큼의 범위를 촬영할 수 없었는데 이는 CT 장비의 한계로 0.8이하의 적용은 혈관모형 의 크기에는 적당하지 못하여 실제 적용이 불가능하였다. 그리 고 본 연구의 핵심인 겐트리 각도는 각 피치에 대해서 0°, 5°, 10°, 15°로 변화시키면서 원시 영상자료를 얻었다. 겐트리 각도 는 최대 30°까지 적용될 수 있지만 뇌기저부 혈관모형이 X-선 속과 이루는 각도가 15°이므로 그 이상을 적용할 경우에는 10°, 5°,0°를 거꾸로 적용하는 것과 같은 결과를 보이게 되며, 실제 로 15°이상을 적용할 경우 CT테이블 하방의 받침대가 촬영범 위에 포함되게 되므로 영상의 획득이 불가능하여 15°까지의 겐 트리 각도를 적용하였다. 피치와 겐트리 각도를 조합하여 모두 16개의 원시 영상자료군을 획득하였으며, 각 원시 영상자료군 에 대해서 MIP와 SSD 3차원 영상재구성 기법을 이용하여 전 체 실험군을 총 32개로 하였다(Table 1).
2. 3. 나선식 CT를 이용한 원시 영상자료 획득
표. 1 에서 언급한 바와 같이 16개의 조합으로 나선식 CT촬 영을 혈관모형에 대해서 시행하였으며, 정확한 외연을 얻기 위 해서 주위의 빈 공간 촬영(air-scan)을 포함시켰다. 이때 획득 한 2차원 영상의 매트릭스 수는 512×512로 단일화하였는데, 이는 3차원 영상구성 프로그램의 매트릭스 수와 일치하도록 하 여 재구성상의 왜곡을 방지하기 위함이었다. 또한 피검체의 방 사선조사선량과 관련이 있는 스캔수를 함께 측정하였다.
2. 4. 3차원 영상구성 프로그램
(ISG Allegro, Toronto, Canada)을 이용한 재구성
가능한 한 영상구성자간의 오차가 최소화 되도록 방사선과전 문의 1명이 작업에 관여하였다. 또한 영상구성자의 편견을 줄이
고, 영상재구성 시간측정의 객관성을 위해서 일정한 CT 수치를 기준으로 이루어지는 반자동 재구성 방법을 채택하였다. 동맥 류, 혈관협착, 그리고 혈관꼬임에 대해서 각각 MIP와 SSD기법 으로 영상재구성을 하였으며, 3가지 혈관모형에 대해서 6가지 방향(전후면, 후전면, 좌측면, 우측면, 상하면, 하상면)으로 투영 되는 영상을 광자기디스크에 저장하였다. 동시에 각 군마다 3차 원 영상구성 시간을 측정하였다.
2. 5. 3차원 재구성영상 분석
방사선과전문의 3명이 최종 3차원 재구성영상을 분석하였다.
즉, 동맥류, 혈관협착, 혈관꼬임 3가지의 모형에 대해서 각각 최 하 1점에서 최고 5점까지 5단계로 나누어 평점 하였으며, 이때 이용된 판단근거로는 1) 모형 특성의 반영도, 2) 모형 외연의 완만성 정도, 3) 종축 해상력, 및 4) 횡축 해상력으로 하였다(8).
또한 공정성을 기하기 위해서 이중 맹검법을 이용하였으며, 각 각의 실험군에 대해서 동일한 방법으로 영상분석을 3회 실시하 였다. 먼저 분석자간, 분석자내의 오차측정을 위해서 분석자간 또는 분석자내 신뢰도 분석법(interobserver or intraobserver reliability analysis)을 이용하였다. 또한 군마다 유의성 검정을 위해서 ANOVA 분석법을 채택하였으며, 각 군마다 평점된 점 수를 합산하여 실험군간의 순위를 결정하였다. 유의한 차이가 없거나 합산순위가 동등한 경우에는 영상구성시간과 스캔수가 적은 경우를 우월군으로 선정하였다. 통계학적 분석은 SPSS 7.0 (SPSS Inc., Chicago, U.S.A.)을 이용하였다.
3. 결 과
분석자간 신뢰도 분석에서 신뢰도 계수(α)는 0.9290이였으
Table 1. Grouping depending on table movement (mm) and gantry angle (degree)
Table
movement 0.8mm 1.0mm 1.2mm 1.4mm (pitch) (0.8) (1.0) (1.2) (1.4) Gantry angle
00˚ 1-M 5-M 9-M 13-M
1-S 5-S 9-S 13-S
05˚ 2-M 6-M 10-M 14-M
2-S 6-S 10-S 14-S
10˚ 3-M 7-M 11-M 15-M
3-S 7-S 11-S 15-S
15˚ 4-M 8-M 12-M 16-M
4-S 8-S 12-S 16-S
-M : maximum intensity projection method -S : shaded surface display method
며, 분석자내 신뢰도 계수는 각 관찰자 별로 0.9548, 0.9580, 0.9440의 값을 보여 평균 94.6% 의 높은 신뢰도를 보였다. 이 는 각 분석자간, 분석자내의 분석방법이 일관적이며, 유의한 차 이가 없이 진행되었음을 알 수 있는 지표이다.
MIP를 이용하여 영상을 재구성한 군(16개)의 평균과 표준편 차는 4.4138±0.6103이였으며, SSD를 이용한 군(16개)은 3.7066±0.6267로 전반적으로 MIP를 이용한 군들이 우세한 결 과를 보였고, 통계적으로도 유의한 차를 보였다 (p = 0.000).
총 16개 원시 영상자료군의 스캔수는 겐트리의 각도가 0°, 5°, 10°, 및 15°로 증가함에 따라 각각 17±1, 15±1, 13±1, 및 11
±1개로 점차 감소하는 추세를 보였다. 이는 혈관모형이 겐트리 와 이루는 각도가 평행에 가까울수록 적은 스캔수로도 전체 모 형을 포함할 수 있기 때문이다(Fig. 2). 그리고 각 군의 3차원 영상구성시간 역시 겐트리 각도가 증가함에 따라서 점차 감소 하는 경향을 보였는데 이는 스캔수가 감소함으로 컴퓨터를 이 용한 재구성 연산시간이 단축되기 때문이다. 그러므로 재구성영 상의 질적 수준에 통계적 유의성이 없는 군간에는 겐트리의 각 도가 큰 군 즉 스캔수가 적은 군을 우월군으로 선정하였다. 이 는 스캔수가 적을수록 환자에게 영향을 미칠 수 있는 방사선조 사선량이 적기 때문이다. 전반적으로 MIP를 이용한 재구성시간 에 비하여 SSD를 이용한 재구성 시간이 큰 경향을 보였다 (p=0.0000).
MIP와 SSD기법을 이용한 재구성 영상을 총점과 평균에 따 라 평가한 순위는 표 2 와 같았으며, 총점과 평균이 같은 경우 는 겐트리 각도가 큰 군을 상위 순위에 배열시켰다. 그러나 이 러한 두 경우에 있어서는 모두 1 위에서 8 위까지 통계학적으
로 유의한 차를 보이지 않았으며(p = 1.0000), 8 위와 9 위 사 이에서 처음으로 유의한 차를 보였다(p=0.0000). 그러므로 통 계학적인 관점에서 볼 때 1 위에서 8 위까지는 모두 같은 등급 으로 평가된다고 할 수 있다. 이에 따라 우선적으로 겐트리 각 도가 큰 군을, 그리고 재구성 시간이 적은 군을 우월군으로 채 택하게 되었다. 그 결과 MIP와 SSD기법을 이용한 군 모두에서 겐트리 각도가 15°, 피치가 1.0 인 제 8 군을 가장 우월한 군으 로 결정하였고, 겐트리 각도가 0°, 피치가 1.4 인 제 13 군을 최 하위군으로 결정하였다.
동맥류, 혈관협착, 혈관꼬임의 세가지 모형 각각에 대해서도
Table 2. Ranking, sum, and mean±SD of MIP and SSD groups Ranking of Sum Mean±SD Ranking of Sum Mean±SD
MIP groups SSD groups
1M 538 4.9815±0.1354 1S 452 4.1852±0.3903 7M 537 4.9722±0.1651 2S 449 4.1574±0.3659 3M 536 4.9630±0.1897 3S 444 4.1111±0.3157 8M 535 4.9537±0.2111 5S 440 4.0741±0.2631 4M 535 4.9537±0.2111 7S 438 4.0556±0.2301 5M 535 4.9537±0.2111 4S 437 4.0463±0.2111 6M 534 4.9444±0.2301 6S 437 4.0463±0.2111 2M1 533 4.9352±0.2473 8S3 436 4.0370±0.1897 11M1 428 3.9630±0.1897 11S3 393 3.6389±0.4826 10M 428 3.9630±0.1897 9S 386 3.5741±0.4968 12M 427 3.9537±0.2111 12S 384 3.5556±0.4992 9M2 427 3.9537±0.2111 10S4 383 3.5463±0.5002 14M2 413 3.8241±0.3825 14S4 345 3.1944±0.6184 15M 411 3.8056±0.3976 13S 333 3.0833±0.6431 16M 406 3.7593±0.4295 15S 326 3.0185±0.6969 13M 404 3.7407±0.4403 16S 322 2.9815±0.7102
1: p = 0.0000, 2: p = 0.0370, 3: p = 0.0000, 4: p = 0.0000, others: p > 0.05
A B C D
Fig. 2. Counts of scan by gantry angle. The numbers in empty boxes are counts of scan. The vascular phantom (P) is angled to 15 degree.
The gantry angles are (A) 0, (B) 5, (C) 10, and (D) 15 degree. The count of scans is serially decreased. When the gantry angle is 15 degree, count of scans is smallest than others.
같은 방법으로 분석을 하였으나, 전체를 평가한 결과와 차이를 보이지 않았다. 그러므로 이들 모형 각각의 특성에 따른 차이는 재구성 영상의 질적인 차이에 영향을 주지 않았다.
전반적으로 피치가 1.0 을 넘어서는 제 8 군과 제 9 군 사이 에서 영상의 질적인 저하가 통계학적으로 유의한 차를 보였고 (p=0.0000), 1.2를 넘어서는 제 12 군과 제 13 군 사이에서도 그 차이가 있었다(MIP 이용한 경우; p = 0.0370, SSD를 이용 한 경우; p = 0.0000) (Fig. 3).
4. 고 찰
나선식 CT는 기존의 고식적인 CT에 비해서 신속히 영상을 얻을 수 있으므로 환자의 호흡에 의해서 생기는 허상을 감소시 킬 수 있고, 조영제의 일시주사(bolus injection)로 적정한 시기
에 영상획득이 가능하다(9). 또한 원시 영상자료를 획득한 후에 는 언제든지 원하는 절편두께로 재구성이 가능하므로 기존의 CT처럼 다시 영상을 획득하기 위해 환자의 방사선피폭선량을 가중시키는 것을 피할 수 있다(7). 그리고 관련 소프트웨어의 발전으로 3차원 입체영상을 구현할 수가 있어 여러 가지 정보 를 추가적으로 얻을 수 있다(8, 10-15). 최근에는 특히 SSD기 법을 변형시킨 가상 내시경영상을 구현할 수 있으므로 많이 이 용하리라고 예상된다(15). 그러나 나선식 CT를 이용한 여러 가 지 영상의 재구성은 많은 요소들에 의해서 정확도와 영상의 질 적 수준이 좌우되는 경향이 있다. 특히 가음성 또는 가양성 영 상의 재구성 우려가 있으므로 정확한 요소를 적절히 조합하는 것이 무엇보다도 중요하다(1, 16).
이에 뇌기저부 혈관의 원시 영상자료를 이용한 3차원 입체영 상재구성에 가급적 가음성과 가양성적 요소를 배제하고자 본 연
A B
C D
Fig. 3.(A) 3D reconstruction images of vascular phantoms using MIP (gantry angle = 15 degree, pitch = 1.0) show sharply defined margins.
(B) Images using MIP (gantry angle = 0 degree, pitch = 1.4) show poorly defined margins with definite stair-step artifacts. (C) Images using SSD (gantry angle = 15 degree, pitch = 1.0) show rough margines but superior to MIP images in three dimensions. (D) Images using SSD (gantry angle = 0 degree, pitch = 1.0) show somewhat stair-step artifacts. More remarkable differences are noted in MIP images than SSD.
구를 시작하였으며, 이중에서도 겐트리의 각도에 중점을 두기로 했는데 이는 겐트리 각도가 클수록 즉, 뇌기저부 혈관의 배열과 평행에 가까울수록 환자의 방사선피폭선량과 직접적인 관련이 있는 스캔수가 적어지기 때문이다(Fig. 2). 그리고 뇌기저부 골 조직을 조영증강된 혈관과 정확히 구분하기 위해서 특히 두개 내 내경동맥과 주위의 골조직을 따로 분리하고자 할 때 앙와위 에서 환자의 경부를 과굴곡시켜야 하지만 환자의 상태에 따라 서 경부 과굴곡 자세가 불가능한 경우가 있다. 이러한 경우 골 조직이 내경동맥 부위에 겹쳐서 내경동맥을 정확히 평가하기 힘 들다. 더욱이 의식이 불분명한 환자에 있어서 그러한 촬영자세 는 촬영중 호흡곤란을 야기할 가능성이 높기 때문에 환자의 자 세보다는 겐트리 각도를 조절하는 것이 보다 합리적이다. 기존 의 CT로는 겐트리의 각도를 조절하게 되면 나선식 CT촬영이 불가능하였으나, 현재의 CT장비로는 겐트리 각도를 조절하더 라도 나선식 CT촬영방식을 적용할 수 있으므로 이에 대한 적정 요소를 찾고자 하였다.
현재 CT 혈관조영술(CT angiography)을 임상적으로 적용하
는데 있어서는 MIP와 SSD기법 모두가 응용되고 있다(1). 본 연 구에서는 MIP를 이용한 경우가 보다 우수한 영상을 재구성 할 수 있다는 결과가 있었지만 MIP기법만으로 병변을 발견, 평가 하는 것보다는 SSD기법을 병합하여 상호 보완하는 것이 현명 하다고 생각한다. 그 이유는 MIP에 비해서 SSD는 입체적인 상 관관계를 평가하는데 유리하기 때문이다. 저자들의 임상경험에 의하면 작은 병변의 경우는 MIP가 우세한 반면 병변이 비교적 크거나 주위와의 상관관계가 중요시되는 경우는 SSD기법이 상 당한 도움을 주었다. Fig. 4에서 보는 바와 같이 전교통동맥의 동맥류를 평가하는데 있어서 MIP 이용 영상에 비해서 SSD를 이용한 경우에 좀 더 명확하게 목 부분을 평가할 수 있었다. 물 론 MIP 영상에서도 어느 정도 파악할 수는 있었지만 SSD 영상 을 참고로 할 경우 보다 명확한 상관관계를 알 수 있었던 증례 이다. 그러나 더욱 미세한 혈관의 분포는 역시 MIP 영상이 훨 씬 우세했고, SSD 영상에 있어서는 작고 미세한 혈관이 무시되 는 경향이 있어서 곳곳에 단절 현상이 보였다. 두 기법 모두 이 미 얻어진 원시 영상자료를 기초로 재구성되므로 환자에게 또
A
B
Fig. 4.(A) CT angiography using MIP (gantry angle = 15 degree, pitch = 1.0) shows a aneurysm (arrowhead) arising from anterior communicating artery and the neck of aneurysm (arrow). (B) CT an- giography using SSD shows well defined aneurysm (arrowhead) with sharply de- marcated neck portion (arrow). SSD image is superior to MIP in three dimensions but inferior in the detail of demonstration of the vessels.
다른 방사선 피폭을 가하지 않는다는 관점에서 본다면 반드시 두가지 기법을 병합하는 것을 임상적 응용에 추천하는 바이다.
그리고 MIP 영상을 이용하는 경우에는 SSD의 경우에 비해 서 영상구성 요소에 보다 더 민감하게 반응하는 것으로 사료된 다. 그림 3 에서 보는 바와 같이 가장 우월한 군과 최하위군간 에 영상의 질적 차이가 분명했으며 최하위군의 경우 계단모양 의 허상이 두드러졌다. 반면 SSD를 이용한 군에서도 계단모양 의 허상을 나타내는 경향이 있었지만 MIP 군에 비해서 적은 정 도였다. 이러한 사실은 MIP가 SSD에 비해 우수한 영상 재구성 이 가능한 만큼 보다 더 적절한 구성요소를 사용해야 한다는 것 을 예시해 주는 일례이다.
겐트리 각도를 15˚까지 증가하더라도 영상의 질적인 저하는 통계학적으로 유의하지 않았으며, 오히려 이와는 무관하게 피치 가 커질수록 영상의 질적인 저하가 있음이 증명되었다. 이는 뇌 기저부 CT 혈관촬영술을 임상적으로 적용하는데 있어서 과거 와 같이 환자의 경부를 과굴곡 시키는 자세를 유지할 필요가 없 음은 물론이고 스캔수의 감소로 인한 환자의 방사선피폭선량 감 소, 기계수명의 연장, 그리고 차후 영상 재구성시간을 줄일 수 있음을 직접적으로 증명한 결과이다. 특히 피치가 1.0 이하를 유 지하는 경우는 겐트리 각도가 15˚까지는 아무런 문제가 없었 으며, 오히려 X-선 피폭선량의 관점에서 볼 때 뇌기저부와 겐 트리 각도가 평행을 유지하는 한 각도를 증가하는 것이 유리하 다. 이는 뇌기저부뿐만 아니라 기타 다른 부위에도 그대로 적용 될 수 있으며, 적절히 활용한다면 환자의 방사선피폭선량 감소, 장비의 수명연장을 도모할 수 있을 것으로 사료된다.
결론적으로 뇌기저부 CT혈관조영술을 시행할 경우에는 피치 를 1.0, 겐트리 각도를 15°로 하는 것이 양질의 3차원 영상구성 에 필요한 적정요소로 사료된다.
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