KR102391082B1 - 단일광자단층촬영(spect) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 방법 및 그 시스템 - Google Patents

단일광자단층촬영(spect) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 방법 및 그 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 방법 및 그 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 정량적으로 뇌혈관 반응성을 측정하기 위한 SPECT 영상 처리 알고리즘에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 방법은, 프로세서가 다이아목스(Diamox) 영상 데이터에서 베이스(Base) 영상 데이터에 의한 영향을 제거하는 방사선 붕괴 보정에 대한 오퍼레이션을 수행하는 단계; 상기 프로세서가 신체의 특정 영역을 기준으로 영상 강도를 정규화(Intensity Normalization)하는 오퍼레이션을 수행하는 단계; 상기 프로세서가 베이스(Base) 영상 데이터와 다이아목스(Diamox) 영상 데이터의 차이에 기초하여 혈관 반응성을 계산하는 오퍼레이션을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 방법 및 그 시스템{THE METHOD FOR MEASURING VASCULAR REACTIVITY BASED ON SINGLE PHOTON EMISSION COMPUTED TOMOGRAPHY(SPECT) IMAGE AND THE SYSTEM THEREOF}
본 발명은 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 방법 및 그 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로 정량적으로 뇌혈관 반응성을 측정하기 위한 SPECT 영상 처리 알고리즘에 관한 것이다.
뇌혈관 반응성(Cerebrovascular Reactivity; 이하 CVR이라 지칭함)은 뇌혈관의 확장 능력을 의미하는데, 이는 허혈성 뇌졸중(Ischemic Stroke)에서 혈류 변화를 평가하는 중요한 지표이다.
CVR은 뇌졸중, 고혈압, 당뇨와 같은 질환과 높은 관련성을 지니고 있어 다른 여러 질환의 평가 및 진단에 도움을 줄 수 있을 뿐 아니라, 뇌혈관 노화의 지표로 사용될 수 있다.
CVR이 양의 값을 가진다는 것은 혈관이 폐쇄되지 않고 생존해 있기 때문에 환자의 예후가 좋은 것을 의미하고, 환자가 다시 뇌졸중이 발생할 확률이 적다는 의미를 가진다.
이러한 CVR을 살펴보기 위해서는 1-Day Protocol로 얻은 두 가지 단일광자단층촬영(Single Photon Emission Computed Tomography; 이하 SPECT이라 지칭함) 영상이 필요하다. 첫 번째 영상은 일반 상태에서 촬영한 베이스(Base) 영상이고, 두번째 영상은 Base 영상 촬영 후 혈관 확장제인 아세타졸아마이드(Acetazolamide; 이하 ACZ라 지칭함, 브랜드명 다이아목스(Diamox)로 판매됨)를 환자에게 주입한 뒤 SPECT 촬영한 다이아목스(Diamox) 영상이다. 하나의 영상을 촬영하는데 15분의 시간이 소요되며, 각 영상을 촬영하기 5분 전에 혈관 조영제(99mTC-HMPAO)가 투입된다.
일반적으로 의료 영상을 처리하는 방식은 다음과 같다.
먼저 하루에 두 개의 영상을 얻는 경우 피험자의 머리 움직임(head motion)으로 인한 영상 왜곡이 일어날 수 있는데, 이를 보정하기 위한 영상 재편성(Realignment) 과정을 진행한다. 두 번째로, 피험자들은 서로 다른 크기의 뇌 영상을 갖기 때문에 이를 동일한 크기로 만드는 공간 정규화(Spatial Normalization) 과정을 거친다. 마지막으로, 영상 데이터는 각 복셀(Voxel) 마다 값을 가지게 되는데 통계적 추론을 위해 영상 데이터의 오차 분포를 정규분포에 가까워지도록 하는 영상 평활화(Smoothing) 과정을 진행한다.
하지만, 혈관 확장제(ACZ)를 환자에게 주입하여 획득한 SPECT 영상은 위의 3 가지 과정만으로는 한계가 있다. 먼저 Base 촬영 전 환자에게 주입한 혈관 조영제(20mCi)가 잔류하여 Diamox 영상에 영향을 주기 때문에, Diamox 영상이 순수한 Diamox 영상이 아니라는 문제점이 있다.
그리고 CVR을 측정하기 위해서는 뇌 혈류량의 증감 정도가 필요한데, 혈관 조영제가 뇌 혈류량 증감에 영향을 끼쳐 CVR 측정에 방해가 되는 문제점도 있다.
이러한 SPECT 영상 자체의 문제뿐만 아니라, 영상 판독에도 한계점이 있다. 현재 임상적으로 사용되고 있는 CVR 평가 방법은 육안분석으로, 판독자가 Base 영상과 Diamox 영상을 보고 문제가 있다고 생각되는 부분을 정성적으로 찾는 방식이다. 하지만 이러한 방식은 평가에 있어서 정의된 기준이 없기 때문에 평가자마다 차이가 발생하고, 정량적이지 못하다는 단점이 있다.
(KR) 공개특허 제 10-2010-0133996 호 (KR) 등록 특허 제10-0963844 호 (KR) 공개특허 제10-2020-0004120 호
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 혈관 확장제인 ACZ를 환자에게 주입한 뒤 촬영한 SPECT 영상에서 뇌혈관 반응성을 정량적으로 평가하는 방법을 제시하고자 한다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 방법은, 프로세서가 영상 데이터를 재편성(Realignment)하는 오퍼레이션을 수행하는 단계(a);
상기 프로세서가 서로 다른 피험자들로부터 획득한 복수의 영상 데이터들에 대하여 공간 정규화(Spatial Normalization)하는 오퍼레이션을 수행하는 단계(b);
상기 프로세서가 다이아목스(Diamox) 영상 데이터에서 베이스(Base) 영상 데이터에 의한 영향을 제거하는 방사선 붕괴 보정에 대한 오퍼레이션을 수행하는 단계(c);
상기 프로세서가 상기 영상 데이터의 오차 분포가 정규 분포에 가까워지도록 영상 평활화(Smoothing)하는 오퍼레이션을 수행하는 단계(d);
상기 프로세서가 베이스(Base) 영상 데이터와 다이아목스(Diamox) 영상 데이터의 차이에 기초하여 혈관 반응성을 계산하는 오퍼레이션을 수행하는 단계(e)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 방법은, 상기 방사선 붕괴 보정에 대한 오퍼레이션을 수행하는 단계(c)와 상기 영상 평활화(Smoothing)하는 오퍼레이션을 수행하는 단계(d) 사이에, 상기 프로세서가 신체의 특정 영역을 기준으로 영상 강도를 정규화(Intensity Normalization)하는 오퍼레이션을 수행하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 방법은, 상기 방사선 붕괴 보정에 대한 오퍼레이션을 수행하는 단계(c)가 하기 수학식 1을 기초로 수행될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112020036302774-pat00001
(여기서, λ=0.693/반감기, t는 시간을 의미함)
본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 방법은 상기 영상 강도를 정규화(Intensity Normalization)하는 오퍼레이션을 수행하는 단계에서, 영상은 뇌 영역으로부터 획득되고, 상기 신체의 특정 영역은 소뇌 영역인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 방법은 상기 영상 강도를 정규화(Intensity Normalization)하는 오퍼레이션을 수행하는 단계가 소뇌 영역의 데이터로부터 획득한 제1 신호 강도 값을 뇌 전체 영역의 데이터로부터 획득한 신호 강도 값에 나누는 오퍼레이션을 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 방법은 상기 혈관 반응성을 계산하는 오퍼레이션을 수행하는 단계(e)가, 하기 수학식 2를 기초로 수행하는 것을 특징으로 하는 할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020036302774-pat00002
(여기서, CVR은 혈관 반응성, CBFDiamox는 Diamox 상태의 뇌 혈류량, CBFBase는 Base 상태의 뇌 혈류량을 의미함)
본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 방법에서 혈관 반응성을 계산하는 오퍼레이션을 수행하는 단계(e)는,
상기 프로세서가 각 복셀(Voxel)에 대하여 혈관 반응성을 계산하는 단계; 및
상기 프로세서가 상기 계산한 혈관 반응성을 기 설정된 관심영역(ROI) 별로 평균함으로써 혈관 반응성 맵을 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 방법에서 상기 혈관 반응성을 계산하는 오퍼레이션을 수행하는 단계(e)는,
상기 프로세서가 다이아목스(Diamox) 상태의 영상 데이터 및 베이스(Base) 상태의 영상 데이터를 각각 기 설정된 관심영역(ROI) 별로 평균하는 단계; 및
상기 프로세서가 각각의 관심영역(ROI) 별로 혈관 반응성을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 프로그램은 기록 매체에 저장된 명령어에 의해 프로세서에 의해 실행되며, 상기 프로세서는,
영상 데이터를 재편성(Realignment)하는 오퍼레이션(a);
서로 다른 피험자들로부터 획득한 복수의 영상 데이터들에 대하여 공간 정규화(Spatial Normalization)하는 오퍼레이션(b);
다이아목스(Diamox) 영상 데이터에서 베이스(Base) 영상 데이터에 의한 영향을 제거하는 방사선 붕괴 보정에 대한 오퍼레이션(c);
상기 영상 데이터의 오차 분포가 정규 분포에 가까워지도록 영상 평활화(Smoothing)하는 오퍼레이션(d);
베이스(Base) 영상 데이터와 다이아목스(Diamox) 영상 데이터의 차이에 기초하여 혈관 반응성을 계산하는 오퍼레이션(e)를 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 시스템은 회전식 링, 감마 카메라, 제어부를 포함하고, 상기 회전식 링이 영상화될 해부학적 구조를 중심으로 회전함에 따라 상기 감마 카메라가 상기 해부학적 구조를 스캔하여 상기 제어부가 상기 해부학적 구조에 대한 영상 데이터를 획득하며,
상기 제어부는, 다이아목스(Diamox) 영상 데이터에서 베이스(Base) 영상 데이터에 의한 영향을 제거하는 방사선 붕괴 보정에 대한 오퍼레이션을 수행하고,
베이스(Base) 영상 데이터와 다이아목스(Diamox) 영상 데이터의 차이에 기초하여 혈관 반응성을 계산하는 오퍼레이션을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 방법은 혈관 조영제(20mCi)가 잔류하여 Diamox 영상에 주는 영향을 제거하여 영상 왜곡이 없는 순수한 Diamox 영상을 획득할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 방법은 혈관 조영제가 뇌 혈류량 증감에 영향을 끼쳐 CVR 측정에 방해하는 문제점을 해결할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 방법은 뇌혈관 반응성에 대한 정량화 지표를 제공하기 때문에 전문의가 객관적으로 관련 질환을 진단하는데 도움을 줄 수 있다. 즉 본 발명은 전문의의 숙련도에 따라 진단 오차를 줄일 수 있고, 객관적인 뇌혈관 노화 지표를 제공할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혈관 반응성 측정 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 방사선 붕괴 보정에 대한 순서도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따라 방사선 붕괴 보정 전 Diamox 영상이고, 도 3b는 방사선 붕괴 보정 후 Diamox 영상을 나타낸다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따라 Base영상 혹은 Diamox 영상에 대한 영상 강도 정규화 과정을 나타낸다. 도 4a 및 도 4c는 각각 Base 영상과 Diamox 영상의 소뇌 영역의 복셀들을 평균하는 과정을 나타내고, 도 4b 및 도 4d는 각각 Base 영상과 Diamox 영상의 전체 복셀에 대하여 상기 평균한 값을 나눈 과정을 나타낸다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따라 영상 강도 정규화 과정의 전/후를 나타내는 SPECT 영상을 나타낸다. 도 5a는 영상 강도 정규화 전 Base 영상을 나타내고, 도 5b는 영상 강도 정규화 후 Base 영상을 나타내고, 도 5c는 영상 강도 정규화 전 Diamox 영상을 나타내고, 도 5d는 영상 강도 정규화 후 Diamox 영상을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌혈관 반응성 맵을 도출하는 방법을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 뇌혈관 반응성 맵을 도출하는 방법을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 AAL 템플릿에 겹친 SPECT 영상을 나타내는 것으로 (a)는 Base 영상, (b) 는 Diamox 영상, (c)는 뇌혈관 반응성 맵(CVR Map)을 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 뇌혈관 반응성 측정 방법을 이용하여 뇌졸중을 진단하는 경우 그 효과를 나타내는 평가지표를 나타낸다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, "제 1"및 "제 2"라는 용어는 본 명세서에서 구별 목적으로만 사용되며, 어떠한 방식으로도 서열 또는 우선 순위를 나타내거나 예상하는 것을 의미하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
명세서 전체에서 영상은 SPECT 영상을 의미하고, Base 영상은 환자에게 혈관 확장제인 아세타졸아마이드(ACZ)를 주입하기 전 일반 상태에서 촬영한 영상을 지칭하고, Diamox 영상은 환자에게 ACZ를 주입한 후 SPECT 촬영한 영상을 지칭한다. 또한, 혈관 확장제를 ACZ 에 한정하지 아니한다.
그리고 CVR은 혈관 반응성을 지칭하는 것으로, 본 명세서는 뇌혈관 반응성(Cerebrovascular Reactivity, CVR)을 일 실시예로 하여 설명하고 있으나, 본 발명에 따른 혈관 반응성 측정 방법이 뇌혈관에 한정되는 것은 아니다.
그리고 명세서 전체에서 ROI는 관심 영역(Region of Interest)을 의미하는 것으로 MNI(Montreal Neurological Institute)에서 제공하는 뇌 전체를 116개의 영역으로 정의한 AAA 템플릿(Automated Anatomical Labelling Template)을 기준으로 정의된다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혈관 반응성 측정 방법의 순서도이다.
도 1을 참조하면, SPECT 시스템을 통해 Base 영상(S20)과 Diamox 영상(S22)이 획득되면, Base 영상(S20)과 Diamox 영상(S22) 각각에 대해, 프로세서는 영상 데이터를 재편성(Realignment)하는 오퍼레이션을 수행할 수 있다(S200). 영상 데이터의 재편성(Realignment)은 피험자의 움직임으로 인한 영상 왜곡을 보정할 수 있다.
그리고 상기 프로세서는 서로 다른 피험자들로부터 획득한 복수의 영상 데이터들에 대하여 공간 정규화(Spatial Normalization)하는 오퍼레이션을 수행할 수 있다(S202). 피험자들은 서로 다른 크기의 뇌 영상을 갖기 때문에 복수의 영상 데이터들은 동일한 크기의 뇌 영상 데이터로 공간 정규화 과정을 거친다.
그리고 상기 프로세서는 다이아목스(Diamox) 영상 데이터에서 베이스(Base) 영상 데이터에 의한 영향을 제거하는 방사선 붕괴 보정에 대한 오퍼레이션을 수행할 수 있다(S204). 방사선 붕괴 보정에 대해서는 도 2를 참조하여 자세히 후술한다.
그리고 상기 프로세서는 신체의 특정 영역을 기준으로 영상 강도를 정규화(Intensity Normalization)하는 오퍼레이션을 수행할 수 있다(S206). 영상 강도 정규화 과정은 도 4a, 도 4b, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 자세히 후술한다.
그리고 상기 프로세서는 상기 영상 데이터의 각 복셀(Voxel) 값의 오차 분포가 정규 분포에 가까워지도록 영상 평활화(Smoothing)하는 오퍼레이션을 수행할 수 있다(S208).
상기 프로세서가 베이스(Base) 영상 데이터와 다이아목스(Diamox) 영상 데이터의 차이에 기초하여 뇌혈관 반응성(CVR)을 계산하는 오퍼레이션을 수행할 수 있다(S210).
상기 프로세서가 뇌혈관 반응성(CVR) 계산을 계산하는 오퍼레이션(S210)은 복셀(Voxel)에 기초하여 뇌혈관 반응성(CVR)을 계산하는 과정(S212, S214)과 기 설정된 관심영역(ROI) 별로 뇌혈관 반응성(CVR)을 계산하는 과정(S220)으로 나뉠 수 있다.
복셀(Voxel)에 기초하여 뇌혈관 반응성(CVR)을 계산하는 과정은 상기 프로세서가 각 복셀(Voxel)에 대하여 뇌혈관 반응성을 계산하는 단계(S212); 및 상기 프로세서가 상기 계산한 뇌혈관 반응성을 기 설정된 관심영역(ROI) 별로 평균함으로써 뇌혈관 반응성 맵을 출력하는 단계(S214)를 포함할 수 있다.
뇌혈관 반응성(CVR) 계산 과정에 대해서는 도 6 및 도 7을 참조하여 후술한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 방사선 붕괴 보정에 대한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 방사선 붕괴 보정에 대한 오퍼레이션(S204)은 공간 정규화(Spatial Normalization) 단계(S202) 다음에 진행되는 것을 특징으로 한다.
Base 영상을 획득할 때 투입한 혈관 조영제가 Diamox 영상에 잔류하여 Diamox 영상의 민감도가 떨어지는 문제를 해결하기 위해서, 본 발명은 하기 수학식 1을 이용하여 방사선 붕괴 보정을 수행한다.
[수학식 1]
Figure 112020036302774-pat00003
(여기서, λ=0.693/반감기, t는 시간을 의미함)
먼저 Diamox 영상 획득 시점에 남아 있는 Base 영상 신호의 양을 측정한다(S304). 그리고 측정한 Base 영상을 Diamox 영상에서 감산함으로써(S314), 순수한 Diamox 영상을 획득할 수 있다(S324).
본 발명은 감마 카운터(Gamma Counter)를 저장하지 않고 SPECT 영상만 얻는 경우를 대상으로 하기 때문에, 방사선 붕괴 보정에 대한 오퍼레이션(S204)은 영상 재편성(Realignment)(S200) 및 공간 정규화(Spatial Normalization) 단계(S202) 다음에 진행되는 것을 특징으로 한다. 영상 재편성 및 공간 정규화 과정을 먼저 하지 않는다면 Base 영상과 Diamox 영상 간의 왜곡으로 방사선 붕괴 보정이 제대로 되지 않을 수 있다. 따라서, 본 발명의 방사선 붕괴 보정 이전에, 영상 재편성 및 공간 정규화 과정을 선행하여야 한다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따라 방사선 붕괴 보정 전 Diamox 영상이고, 도 3b는 방사선 붕괴 보정 후 Diamox 영상을 나타낸다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면, 방사선 붕괴 보정을 거치면 방사선 붕괴 보정 전(도 3a)보다 전반적으로 뇌 영역의 신호 강도가 낮아졌음을 확인 할 수 있다(도 3b). 즉, 방사선 붕괴 후의 영상 내 뇌 영역은 방사선 붕괴 보정 전보다 차가운 계열 색으로 변한 것을 보면, 방사선 붕괴 보정은 Base 영상에서 투입한 혈관 조영제에 의한 뇌혈관 확장 효과를 Diamox 영상에서 제거할 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따라 Base 영상 또는 Diamox영상에 대한 영상 강도 정규화 과정을 나타낸다. 도 4a 및 도 4c는 각각 Base 영상과 Diamox 영상의 소뇌 영역의 복셀들을 평균하는 과정을 나타내고, 도 4b 및 도 4d는 각각 Base 영상과 Diamox 영상의 전체 복셀에 대하여 상기 평균한 값을 나눈 과정을 나타낸다.
도 4도 4도 4도 4도 4a, 도 4b, 도 4c, 도 4d에서 도시된 영상 강도 정규화(Intensity Normalization) 과정은 혈관 조영제가 뇌 혈류량 증감에 영향을 끼치는 문제를 해결할 수 있다.
영상 강도 정규화(Intensity Normalization)는 뇌 영상에서 기준(Reference) 영역의 복셀들을 평균하고, 이 평균값으로 영상 전체의 복셀들을 나누어주는 과정을 지칭한다. 따라서, 복셀 값들을 보정하는 작업인 영상 평활화(Smoothing) 과정을 거치지 않은 복셀값 일수록 효과적인 영상 강도 정규화(Intensity Normalization)가 수행될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 강도 정규화 과정은 영상 평활화(Smoothing) 이전에 수행되는 것을 특징으로 한다.
도 4a 내지 도 4d를 참조하면, 본 발명에서 기준(Reference) 영역은 소뇌(50a, 50c)인 것을 실시예로 하며, 상기 소뇌(50a, 50c) 영역의 복셀들의 신호를 평균한다(X).
그리고 도 4b 및 도 4d와 같이, 단위 복셀(50b, 50d)에 대하여 상기 평균한 값 X를 나누고, 이 작업을 영상에 포함된 전체 복셀에 대하여 수행함으로써, 영상 강도 정규화를 수행할 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 일 실시예에 따라 영상 강도 정규화 과정의 전/후를 나타내는 SPECT 영상을 나타낸다. 도 5a는 영상 강도 정규화 전 Base 영상을 나타내고, 도 5b는 영상 강도 정규화 후 Base 영상을 나타내고, 도 5c는 영상 강도 정규화 전 Diamox 영상을 나타내고, 도 5d는 영상 강도 정규화 후 Diamox 영상을 나타낸다.
즉, 도 5b에 도시된 영상은 도 5a에 도시된 영상에서 투여된 방사성 의약품에 의해 증감하는 국소 뇌 혈류량을 보정한 영상이고, 도 5d에 도시된 영상은 도 5c에 도시된 영상에서 투여된 방사성 의약품에 의해 증감하는 국소 뇌 혈류량을 보정한 영상이다.
영상 강도 정규화 전에는 도 5a 및 도 5c에 도시된 바와 같이 뇌 영역별 수치가 Base 영상과 Diamox 영상 간에 큰 차이가 있었으나, 영상 강도 정규화 후에는 도 5b 및 도 5d에 도시된 바와 같이 뇌 영역별 수치가 Base 영상과 Diamox 영상 간에 일정하게 정규화된 것을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌혈관 반응성 맵을 도출하는 방법을 나타내고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 뇌혈관 반응성 맵을 도출하는 방법을 나타낸다.
도 6 및 도 7에 따른 본 발명의 실시예에 따른 뇌혈관 반응성 맵을 도출하는 방법은 베이스(Base) 영상 데이터(80, 90)와 다이아목스(Diamox) 영상 데이터(82, 92)의 차이에 기초하여 하기 수학식 2를 통해 혈관 반응성(CVR)을 계산할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020036302774-pat00004
여기서, CVR은 뇌혈관 반응성, CBFDiamox는 Diamox 상태의 뇌 혈류량(Cerebral Blood Flow, CBF), CBFBase는 Base 상태의 뇌 혈류량을 의미한다.
이 때, CBFDiamox와 CBFBase는 도 6에 도시된 바와 같이 관심영역(Region of Interest, ROI) 별로 먼저 뇌 혈류량(CBF)을 평균하여 산출되고(84), 상기 각각의 ROI 별로 산출된 CBFDiamox와 CBFBase를 상기 수학식 2에 적용하여 뇌혈관 반응성(Cerebrovascular Reactivity, CVR)이 계산될 수 있다(86). 그리고 본 발명은 ROI별로 정의된 AAL 템플릿(Automated Anatomical Labelling Template)에 겹쳐 뇌혈관 반응성 맵(CVR Map)을 출력할 수 있다(89).
도 6에 도시된 ROI별로 CVR 맵을 산출하는 방법은 관심영역(Region of Interest, ROI) 별로 먼저 뇌 혈류량(CBF)을 평균하여 산출하기 때문에 각 관심영역(ROI)는 평균값 하나만 갖는다(88).
한편, 본 발명은 뇌혈관 반응성을 맵 형태로 출력하기 때문에 가시성을 높일 수 있다.
그리고 본 발명에서 관심영역(ROI)은 몬트리올 신경 연구소 (Montreal Neurological Institute, MNI)에서 제공하는 뇌 전체를 116개의 영역으로 뇌의 실질을 일정하게 구획한 AAL 템플릿을 사용하였다.
도 7에 도시된 복셀 별로 CVR 맵을 산출하는 방법은 베이스 복셀(90)의 뇌 혈류량(CBF)과 다이아목스 복셀(92)의 뇌 혈류량(CBF)을 [수학식 2]에 적용하여 각각의 복셀에 대하여 뇌혈관 반응성을 계산한다(94). 그리고 본 발명은 상기 계산한 뇌혈관 반응성(CVR)을 기 설정된 116개의 관심영역(ROI) 별로 평균(96)한 다음, ROI별로 정의된 AAL 템플릿(Automated Anatomical Labelling Template)에 겹쳐 뇌혈관 반응성 맵(CVR Map)을 출력할 수 있다(99).
도 7에 도시된 복셀 별로 CVR 맵을 산출하는 방법은 각 관심영역(ROI)에서 평균 및 표준 편차가 있다(98).
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 AAL 템플릿에 겹친 SPECT 영상을 나타내는 것으로 (a)는 Base 영상, (b) 는 Diamox 영상, (c)는 뇌혈관 반응성 맵(CVR Map)을 나타낸다.
도 8의 (c)에 도시된 바와 같이 본 발명에 따라 출력된 뇌혈관 반응성 맵(CVR Map)을 참조하면, 사용자는 ROI 위치 별로 뇌혈관 반응성을 쉽게 파악할 수 있다.
예컨대, CVR이 정상인 부분은 양의 값을 가지며 CVR map에서 붉은색 계열의 색으로 표현되고, CVR이 정상이 아닌 부분은 음의 값을 가지며 CVR map에서 푸른색 계열의 색으로 표현된다.
도 9는 본 발명에 따른 뇌혈관 반응성 측정 방법을 이용하여 뇌졸중을 진단하는 경우 그 효과를 나타내는 평가지표를 나타낸다.
도 9는 본 발명에 따른 뇌혈관 반응성(CVR) 측정을 사용한 경우와 사용하지 않은 경우에 대한 임상 평가를 나타내는 표이다.
도 9에 따른 의사의 후속 임상 평가는 심각도(Severity) 등급에 따라 총 병변 수를 보여 주는데, 본 발명에 따른 CVR 맵을 사용하지 않는 경우(1차 진단), 모든 환자의 병변이 170 개이고, 본 발명에 따른 CVR 맵을 사용하는 경우(2차 진단), 병변은 165 개의 진단되었다. 종합적으로, 2 차 진단에서 2 등급(경증) 병변의 수는 1 차 진단에 비해 감소되었으며, 3 등급 (중등도)의 병변 수는 증가했다.
심각도와 진단의 연관성을 확인하기 위해 카이 제곱 테스트(Chi-square test)를 수행하였는데, 2 차 진단 (7.56 % 차이)에서 등급 2와 등급 3 사이의 P 값의 유의 차가 1차 진단보다 (3.05 % 차이) 컸다. 즉, 심각도에 따라 병변 수에 유의미한 차이가 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따라 CVR 맵을 사용하는 경우 등급 2와 등급 3 사이의 차이를 보다 정확히 구별할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (23)

  1. 프로세서가 영상 데이터를 재편성(Realignment)하는 오퍼레이션을 수행하는 단계(a);
    상기 프로세서가 서로 다른 피험자들로부터 획득한 복수의 영상 데이터들에 대하여 공간 정규화(Spatial Normalization)하는 오퍼레이션을 수행하는 단계(b);
    상기 프로세서가 다이아목스(Diamox) 영상 데이터에서 베이스(Base) 영상 데이터에 의한 영향을 제거하는 방사선 붕괴 보정에 대한 오퍼레이션을 수행하는 단계(c);
    상기 프로세서가 신체의 특정 영역을 기준으로 영상 강도를 정규화(Intensity Normalization)하는 오퍼레이션을 수행하는 단계 (d);
    상기 프로세서가 상기 영상 데이터의 오차 분포가 정규 분포에 가까워지도록 영상 평활화(Smoothing)하는 오퍼레이션을 수행하는 단계(e);
    상기 프로세서가 베이스(Base) 영상 데이터와 다이아목스(Diamox) 영상 데이터의 차이에 기초하여 혈관 반응성을 계산하는 오퍼레이션을 수행하는 단계(f);를 포함하고,
    상기 방사선 붕괴 보정에 대한 오퍼레이션을 수행하는 단계(c)는,
    하기 수학식 1을 기초로 수행하는 것을 특징으로 하는 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 방법.
    [수학식1]
    Figure 112021147391181-pat00029

    (여기서, λ=0.693/반감기, t는 시간을 의미함)
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 영상 강도를 정규화(Intensity Normalization)하는 오퍼레이션을 수행하는 단계 (d)에서,
    영상은 뇌 영역으로부터 획득되고, 상기 신체의 특정 영역은 소뇌 영역인 것을 특징으로 하는 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 영상 강도를 정규화(Intensity Normalization)하는 오퍼레이션을 수행하는 단계 (d)는,
    소뇌 영역의 데이터로부터 획득한 제1 신호 강도 값을 뇌 전체 영역의 데이터로부터 획득한 신호 강도 값에 나누는 오퍼레이션을 수행하는 것을 특징으로 하는 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 혈관 반응성을 계산하는 오퍼레이션을 수행하는 단계(f)는,
    하기 수학식 2를 기초로 수행하는 것을 특징으로 하는 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 방법.
    [수학식 2]
    Figure 112021147391181-pat00006

    (여기서, CVR은 혈관 반응성, CBFDiamox는 Diamox 상태의 혈류량, CBFBase는 Base 상태의 혈류량을 의미함)
  7. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    상기 혈관 반응성을 계산하는 오퍼레이션을 수행하는 단계(f)는,
    상기 프로세서가 각 복셀(Voxel)에 대하여 혈관 반응성을 계산하는 단계; 및
    상기 프로세서가 상기 계산한 혈관 반응성을 기 설정된 관심영역(ROI) 별로 평균함으로써 혈관 반응성 맵을 출력하는 단계를 포함하는 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 방법.
  8. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    상기 혈관 반응성을 계산하는 오퍼레이션을 수행하는 단계(f)는,
    상기 프로세서가 다이아목스(Diamox) 상태의 영상 데이터 및 베이스(Base) 상태의 영상 데이터를 각각 기 설정된 관심영역(ROI) 별로 평균하는 단계; 및
    상기 프로세서가 각각의 관심영역(ROI) 별로 혈관 반응성을 계산하는 단계를 포함하는 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 방법.
  9. 컴퓨터로 판독가능한 기록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램에 있어서,
    상기 컴퓨터 프로그램은 상기 기록 매체에 저장된 명령어에 의해 프로세서에 의해 실행되며,
    상기 프로세서는,
    영상 데이터를 재편성(Realignment)하는 오퍼레이션(a);
    서로 다른 피험자들로부터 획득한 복수의 영상 데이터들에 대하여 공간 정규화(Spatial Normalization)하는 오퍼레이션(b);
    다이아목스(Diamox) 영상 데이터에서 베이스(Base) 영상 데이터에 의한 영향을 제거하는 방사선 붕괴 보정에 대한 오퍼레이션(c);
    신체의 특정 영역을 기준으로 영상 강도를 정규화(Intensity Normalization)하는 오퍼레이션 (d);
    상기 영상 데이터의 오차 분포가 정규 분포에 가까워지도록 영상 평활화(Smoothing)하는 오퍼레이션(e);
    베이스(Base) 영상 데이터와 다이아목스(Diamox) 영상 데이터의 차이에 기초하여 혈관 반응성을 계산하는 오퍼레이션(f)를 수행하고,
    상기 방사선 붕괴 보정에 대한 오퍼레이션(c)은,
    하기 수학식 1을 기초로 수행하는 것을 특징으로 하는 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 프로그램.
    [수학식1]
    Figure 112021147391181-pat00030

    (여기서, λ=0.693/반감기, t는 시간을 의미함)
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제9항에 있어서,
    상기 영상 강도를 정규화(Intensity Normalization)하는 오퍼레이션 (d)에서,
    영상은 뇌 영역으로부터 획득되고, 상기 신체의 특정 영역은 소뇌 영역인 것을 특징으로 하는 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 프로그램.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 영상 강도를 정규화(Intensity Normalization)하는 오퍼레이션 (d)은,
    소뇌 영역의 데이터로부터 획득한 제1 신호 강도 값을 뇌 전체 영역의 데이터로부터 획득한 신호 강도 값에 나누는 오퍼레이션을 특징으로 하는 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 프로그램.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 혈관 반응성을 계산하는 오퍼레이션(f)은,
    하기 수학식 2를 기초로 수행하는 것을 특징으로 하는 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 프로그램.
    [수학식 2]
    Figure 112021147391181-pat00008

    (여기서, CVR은 혈관 반응성, CBFDiamox는 Diamox 상태의 혈류량, CBFBase는 Base 상태의 혈류량을 의미함)
  15. 제9항 또는 제14항에 있어서,
    상기 혈관 반응성을 계산하는 오퍼레이션(f)은,
    각 복셀(Voxel)에 대하여 혈관 반응성을 계산하는 오퍼레이션; 및
    상기 계산한 혈관 반응성을 기 설정된 관심영역(ROI) 별로 평균함으로써 혈관 반응성 맵을 출력하는 오퍼레이션을 포함하는 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 프로그램.
  16. 제9항 또는 제14항에 있어서,
    상기 혈관 반응성을 계산하는 오퍼레이션(f)은,
    다이아목스(Diamox) 상태의 영상 데이터 및 베이스(Base) 상태의 영상 데이터를 각각 기 설정된 관심영역(ROI) 별로 평균하는 오퍼레이션; 및
    상기 프로세서가 각각의 관심영역(ROI) 별로 혈관 반응성을 계산하는 오퍼레이션을 포함하는 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 프로그램.
  17. 회전식 링, 감마 카메라, 제어부를 포함하는 단일광자단층촬영(SPECT) 시스템에 있어서,
    상기 회전식 링이 영상화될 해부학적 구조를 중심으로 회전함에 따라 상기 감마 카메라가 상기 해부학적 구조를 스캔하여 상기 제어부가 상기 해부학적 구조에 대한 영상 데이터를 획득하며,
    상기 제어부는,
    다이아목스(Diamox) 영상 데이터에서 베이스(Base) 영상 데이터에 의한 영향을 제거하는 방사선 붕괴 보정에 대한 오퍼레이션을 수행하고,
    상기 방사선 붕괴 보정에 대한 오퍼레이션 이후, 신체의 특정 영역을 기준으로 영상 강도를 정규화(Intensity Normalization)하는 오퍼레이션을 수행하고,
    베이스(Base) 영상 데이터와 다이아목스(Diamox) 영상 데이터의 차이에 기초하여 혈관 반응성을 계산하는 오퍼레이션을 수행하고,
    상기 제어부의 상기 방사선 붕괴 보정에 대한 오퍼레이션은,
    하기 수학식 1을 기초로 수행하는 것을 특징으로 하는 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 시스템.
    [수학식 1]
    Figure 112021147391181-pat00031

    (여기서, λ=0.693/반감기, t는 시간을 의미함)
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 제17항에 있어서,
    상기 제어부의 상기 영상 강도를 정규화(Intensity Normalization)하는 오퍼레이션은,
    영상은 뇌 영역으로부터 획득되고, 상기 신체의 특정 영역은 소뇌 영역인 것을 특징으로 하는 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 시스템.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 제어부의 상기 영상 강도를 정규화(Intensity Normalization)하는 오퍼레이션은,
    소뇌 영역의 데이터로부터 획득한 제1 신호 강도 값을 뇌 전체 영역의 데이터로부터 획득한 신호 강도 값에 나누는 것을 특징으로 하는 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 시스템.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 제어부의 상기 혈관 반응성을 계산하는 오퍼레이션은,
    하기 수학식 2를 기초로 수행하는 것을 특징으로 하는 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 시스템.
    [수학식 2]
    Figure 112020036302774-pat00010

    (여기서, CVR은 혈관 반응성, CBFDiamox는 Diamox 상태의 혈류량, CBFBase는 Base 상태의 혈류량을 의미함)
  23. 제17항 또는 제22항에 있어서,
    상기 제어부의 상기 혈관 반응성을 계산하는 오퍼레이션은,
    상기 제어부가 각 복셀(Voxel)에 대하여 혈관 반응성을 계산하는 오퍼레이션; 상기 제어부가 상기 계산한 혈관 반응성을 기 설정된 관심영역(ROI) 별로 평균함으로써 혈관 반응성 맵을 출력하는 오퍼레이션을 포함하거나,
    상기 제어부가 다이아목스(Diamox) 상태의 영상 데이터 및 베이스(Base) 상태의 영상 데이터를 각각 기 설정된 관심영역(ROI) 별로 평균하는 오퍼레이션; 및
    상기 제어부가 각각의 관심영역(ROI) 별로 혈관 반응성을 계산하는 오퍼레이션을 포함하는 단일광자단층촬영(SPECT) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 시스템.
KR1020200042469A 2020-04-08 2020-04-08 단일광자단층촬영(spect) 영상에 기초한 혈관 반응성 측정 방법 및 그 시스템 KR102391082B1 (ko)

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