Impact of physical factors for attenuation correction in quantitative positron emission tomography images

손혜경 Graduate School, Yonsei University 2005 국내박사

Positron emission tomography is a unique and an analytical nuclear medicine imaging technology that uses positron-labeled compounds to visualize and measure many biological processes in living subjects. PET imaging provides a way of obtaining information non-invasively, while maintaining superior sensitivity in diagnosis, prognosis, and staging, as well as monitoring the effects of treatment. To improve the diagnostic accuracy of PET images, attenuation correction must be done by measuring attenuation factors. This is accomplished using a transmission source such as 68Ge or 137Cs, because the attenuation of photons is the most important factor in preventing the degradation of the PET image quality. Combined positron emission tomographycomputerized tomography (PETCT) scanners have been recently introduced, and it allows for both functional and anatomical images to be inherently co-registered. It is also possible to use the CT scan for attenuation correction. Recent studies show that metallic materials and contrast agents can produce inappropriate FDG uptake in conventional and the CT-based attenuation correction, which can cause misinterpretation of PET images. The purpose of this dissertation was to study the impact of metallic materials and contrast agents in PET and PETCT images. Simulation and experiments were done to study the severity of artifacts from aluminum and titanium when there is motion between emission and transmission scans. A variety of factors were evaluated, including size and density of the metallic materials, transmission and emission noise levels, image resolution, amount of shift, and transmission and emission processing. Simulation and experiments were done to study the effects of contrast agents. A variety of factors were estimated, including non-uniform enhancement of contrast agent, concentration and distribution size of contrast agent, noise level, image resolution, reconstruction algorithm, hypo-attenuation of contrast agent, and different time phases for contrast agent. The combination of motion between transmission and emission scans and small dense structures produced artifacts on attenuation-corrected PET images. The severity of the effects depends on a variety of factors, including the size and density of metallic materials, the transmission and emission noise levels, the amount of shift, and the transmission and emission processing. Contrast agents introduced artifacts and degraded image quality on the attenuation-corrected PET images. The severity of these effects depends on a variety of factors, including the concentration and distribution size of contrast agent, the noise levels, the image resolution, and the reconstruction algorithm. The non-uniform enhancement of contrast agent in transmission map produced inappropriate hyper-uptake on the attenuation-corrected emission images. Hypo-attenuation of contrast agent in tumors can degrade the tumor intensity on the attenuation-corrected emission images and degradation of the tumor intensity is influenced by different time phases. Our simulation and experimental results indicated that the impact of metallic materials and contrast agents should be considered with a full understanding of their potential problems in clinical PET and PETCT images. 양전자방출단층촬영 (PET)은 인체 내에서의 생물학적 과정을 양전자를 방출하는 방사성의약품을 이용하여 가시화하고 정량화할 수 있는 독특한 핵의학 영상 기법이다. PET은 비침습적으로 질병의 진단, 예후판정, 병변의 시기결정, 치료효과의 모니터링 등을 가능하게 하는 장점을 가지고 있다. 이러한 PET 영상의 정확도를 개선하기 위해서는 감쇠보정이 반드시 이루어져야 하며, 이는 68Ge 또는 137Cs 등을 이용한 투과 스캔을 통해 수행할 수 있다. 양전자방출단층촬영전산화단층촬영 (PETCT)은 근래에 들어 급속도로 보급되고 있는 최첨단 핵의학 영상 기기로서, 하드웨어적으로 기능적 영상과 해부학적 영상의 융합을 가능하게 한다. PETCT 시스템의 CT 투과 영상 또한 감쇠 보정을 위해 사용할 수 있다. 그러나 최근 들어 금속성 물질 또는 조영제와 같은 물리적 인자가 감쇠 보정한 PET 또는 PETCT 영상에서 인공산물을 발생시킬 수 있다는 연구 결과들이 보고 되고 있다. 본 연구의 목적은 감쇠 보정한 PET 영상에서 금속성 물질과 조영제가 영상에 미치는 영향을 연구하고자 하는 것이었다. 방출 스캔과 투과 스캔 간에 움직임이 있을 경우 알루미늄과 티타늄으로 인해 발생하는 인공산물의 영향을 평가하기 위해 모의 실험과 팬텀 실험을 수행하였다. 이 때 금속성 물질의 크기와 밀도, 투과 스캔과 방출 스캔의 잡음 정도, 해상도, 움직임 정도, 투과 영상과 방출 영상의 처리 등의 다양한 인자들에 대하여 평가하였다. 조영제에 의한 영향을 평가하기 위해 모의 실험과 팬텀 실험을 수행하였다. 이 때 조영제의 비 균일 분포, 잡음 정도, 해상도, 투과 영상과 방출 영상의 처리, 조영제의 저 감쇠, 시간 별 조영제의 분포 차이 등의 다양한 인자들에 대하여 평가하였다. 투과 스캔과 방출 스캔 간의 움직임과 밀도가 높은 금속성 물질과의 조합은 감쇠 보정된 PET 영상에서 인공 산물을 발생시킴을 확인할 수 있었다. 금속성 물질에 의한 인공산물의 발생은 방출 스캔과 투과 스캔 간의 움직임 정도, 금속성 물질의 크기 및 밀도, 방출 영상과 투과 영상의 잡음 정도, 그리고 방출 영상과 투과 영상의 처리 방법 등 다양한 인자들에 의존함을 알 수 있었다. 조영제의 분포가 CT 영상에 잔존할 경우 이를 이용한 PET 영상의 감쇠 보정이 인공산물을 생성할 수 있고, 방출 영상의 질에 영향을 미침을 알 수 있었다. 이러한 조영제의 영향은 조영제의 밀도와 분포된 크기, 영상의 잡음 정도, 영상의 해상도, 그리고 재구성 알고리듬 등 다양한 인자들에 의존하는 것으로 나타났다. 투과 영상에서의 조영제의 비 균일 분포가 감쇠 보정한 방출 영상에서 인공 산물을 생성함을 확인할 수 있었다. 종양에서의 조영제의 저 감쇠가 감쇠 보정한 방출 영상에서 종양의 세기를 감소 시키는 것으로 나타났고, 이것은 시간 차에 따른 조영제의 분포 정도에 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 금속성 물질과 조영제에 관한 본 연구의 결과로부터 이러한 물리적 인자들로 인해 발생할 수 있는 PET 또는 PETCT 영상에서의 잠재적 문제에 대한 충분한 이해와 이에 대한 고려가 반드시 있어야 할 것으로 사료된다.

Facile Synthesis and X-ray Attenuation Properties of Hydrophilic Polymer-coated Ultrasmall PbO, CeO2, and Pt Nanoparticles as CT Contrast Agents : CT 조영제로 수용성 고분자가 코팅된 초소형 PbO, CeO2, Pt 나노입자의 간편한 합성과 X-선 감쇠특성

Abdullah Khamis Ali Al Saidi 경북대학교 대학원 2024 국내박사

CT는 임상에서 진단방법으로 널리 사용되고 있다. CT 민감도를 증가시키기 위해 분자성 요오드화합물이 주사용 조영제로 보통 사용되고 있다. 그러나, 요오드 조영제는 빨리 신장배출이 되어 혈관에서 회전하는 시간이 짧다. 빠른 신장배출로 인해 긴 혈관회전이 필수적인 사용에서는 요오드 조영제의 쓰임새는 제한적이다. 나아가서, 요오드의 낮은 X-선 감쇠력는 고에너지 X-선을 사용하는 임상용 CT에 최적은 아니어서, 많은 양이 투여되어 부작용을 일으킬수 있다. 이와 같은 단점들을 극복하기 위하여, 금속기반 금속 기반 나노입자 CT 조영제가 개발되고 있다. 금속기반 나노입자 조영제를 사용하면 혈관회전시간이 길고, 적은 투여량 때문에 부작용을 줄일 수 있어, 전반적으로 CT의 효율성과 안전성을 증가시킬 수 있다. X-선 감쇠는 원자번호에 비례하여 증가한다. 따라서, 금소기반 나노입자는 요오드 CT 조영제보다 큰 X-선 감쇠계수를 가진 고밀도의 중금속으로 되어 있어 CT 영상에서 높은 조영효과를 제공할 수 있다. 이 학위논문에서는 다양한 수용성 생체적합 고분자로 코팅된 초소형 나노입자 [즉, PbO, CeO2, Pt (Pb, Ce, Pt의 원자번호는 각각 82, 57, 78)]가 합성되었다. 3 종류의 고분자, 즉, PAA, PAAMA, PMVEMA가 코팅리간드로 사용되었다. 합성된 나노입자는 고분해투과현미경, X-선 회절, Fourier 변환 적외선흡수분광, 열분석, 동적 빛 산란, 세포활성분석, 형광분광, X-선 CT을 사용하여 분석되었다. 합성된 고분자가 코팅된 나노입자는 콜로이드 안정성이 뛰어났다 (즉, 합성 후 1.5년 이상 침전이 일어나지 않았음). 나노입자 직경은 거의 균일하였고, 평균직경은 거의 2 nm이었고, 세포독성은 매우 낮았다. 동일한 원자농도 및 수밀도에서, 나노입자의 X-선 감쇄는 상업용 Ultravist보다 높았다. X-선 조영제로써 PbO 및 CeO2 나노입자들의 잠재성은 샘플용액을 쥐 꼬리에 정맥주사 및 복막주사 후에 여러기관에서 조영증대를 관찰하여 생체내 입증하였다. 나아가, PbO 나노입자는 암부위에 직접 주사한 후 암부위에서 조영증대효과를 관찰하여, 암 이미징의 적용가능성도 알수있었다. 추가로, CeO2 나노입자는 과산화수소를 제거하는 항산화 효과도 보여주었는데, 이는 CeO2 나노입자가 방사선보호용 또는 진단/치료용 X-선 조영제로의 잠재성을 입증해 준다. Computed tomography (CT) is extensively employed as a diagnostic tool in clinical practice. To enhance the sensitivity of CT, molecular iodinated compounds are commonly used as injectable contrast agents. However, iodinated contrast agents are rapidly excreted through the kidneys, resulting in short circulation times. The swift renal clearance limits their use in applications that necessitate prolonged circulation. Furthermore, iodine's low X-ray attenuation is suboptimal for clinical CT, which utilizes high-energy X-rays, and thus high dosages are used, which could generate side-effects. To overcome these limitations, metal-based nanoparticle CT contrast agents have been developed. The metal-based nanoparticle agents offer increased circulation times and reduced adverse effects owing to low dosages, thus improving the overall efficacy and safety of CT. X-ray attenuation is proportional to atomic number. Therefore, metal-based nanoparticles can provide high contrast effects in CT images because they are made of a high density of heavy metal atoms with higher X-ray attenuation coefficients than iodinated CT contrast agents. In this thesis, various hydrophilic and biocompatible polymer-coated ultrasmall nanoparticles [i.e., PbO, CeO2, or Pt (atomic number = 82, 57, and 78 for Pb, Ce, and Pt, respectively)] were synthesized. Three kinds of polymers, namely poly(acrylic acid) (PAA), poly(acrylic acid-co-maleic acid) (PAAMA), and poly(methyl vinyl ether-alt-maleic acid) (PMVEMA), were used as surface-coating polymers. The synthesized nanoparticles were characterized using high-resolution transmission electron microscopy, X-ray diffraction, Fourier transform infrared absorption spectroscopy, thermogravimetric analysis, dynamic light scattering, cell viability assay, photoluminescence spectroscopy, and X-ray CT. The synthesized polymer-coated nanoparticles were colloidally stable (i.e., no precipitation after synthesis for > 1.5 years). They were nearly monodispersed in particle diameters, with average particle diameters of ̴ 2 nm, exhibiting very low cellular cytotoxicity. Based on the identical atomic concentration and number density, the X-ray attenuation of these nanoparticles was greater than that of the commercial contrast agent “Ultravist”. The potential of PbO and CeO2 nanoparticles as X-ray contrast agents was proved in vivo by observing contrast enhancements in organs after intravenous tail (IV) and intraperitoneal (IP) injections of sample solutions in mice. Furthermore, PbO nanoparticles demonstrated tumor-imaging ability through contrast enhancements at the tumor after intratumoral (IT) injection in tumor-model mice. In addition, CeO2 nanoparticles exhibited an antioxidant effect for the removal of hydrogen peroxide (H2O2), which demonstrated the potential as radioprotective or theragnostic X-ray contrast agents.

Seismological Constraints on the Upper Mantle Structure in Northeast Asia and Implications for Mantle Dynamics and Intraplate Volcanism

송정훈 서울대학교 대학원 2021 국내박사

Volcanism and plate subduction are manifestations of vigorous mantle convection, and are important research subjects for understanding the thermodynamic state of the Earth's interior. Seismic waves propagating through the mantle reflect the physical properties of the mantle, providing detailed information on its thermal and compositional structure. Here we use various seismic methods to investigate the detailed upper mantle structure in northeast Asia where there are active intraplate volcanoes and ongoing plate subduction. Based on our results, we discuss the evolution of the upper mantle and mechanism of intraplate volcanism. Specifically, we apply teleseismic body-wave traveltime tomography to image the volcanic structure beneath Jeju Volcanic Island (Chapter 1), lithosphere and asthenosphere structures beneath the Korean Peninsula (Chapter 2), the stagnant Pacific slab and mantle transition zone structures (Chapter 3), and shallow asthenosphere structures beneath Quaternary volcanoes (Chapter 4). We measure relative arrival time residuals of the teleseismic P and S waves in high precision based on waveform similarity, and invert the datasets for constructing three-dimensional velocity structures using an iterative nonlinear tomography inversion technique. In Chapter 1, we use a unique dataset collected from the deployment of temporary broadband stations in Jeju Island and find out magmatic structures associated with a complex volcanic system that show evidence of a strong interaction between the continental lithosphere and ascending magmas. In Chapter 2, we image the detailed upper mantle structures beneath the Archean-Proterozoic massifs in the Korean Peninsula, which suggest the possible presence of a long-lasting lithospheric root that has experienced heterogeneous modification and reactivation at a craton margin in northeast Asia. In chapter 3, we image high-resolution deeper upper mantle structures including the mantle transition zone in northeast Asia by using the datasets of dense seismic arrays in the Korean Peninsula and southwest Japan. We find segmented stagnant Pacific slabs with a pronounced gap beneath the Korean Peninsula that was not revealed by previous studies due to limited resolution in this region. We detect and model wavefield variations of teleseismic body waves caused by the deeper upper mantle heterogeneities using 3-D waveform simulation. In the last chapter, we constrain thermal and compositional properties of the upper mantle based on quantitative assessment of high-resolution upper mantle seismic velocity models using thermodynamic calculations, mineralogical modeling, and seismic attenuation. We find evidence for shallow upper mantle melting zones focused beneath major Quaternary volcanoes and suggest an important role of shallow decompressional melting in developing and sustaining localized, long-lived intraplate volcanoes. Throughout all chapters, we have general implications for the origin, evolution, and relationships between the imaged upper mantle structures in the context of geology, tectonics, and geodynamics. 화산 활동과 판구조 운동(예, 판의 섭입)은 지구 내부의 활발한 맨틀 대류를 입증하며, 지구 내부 열역학적 상태를 이해하는데 중요한 연구 대상이다. 지진파는 지각과 맨틀을 통과하면서 이들의 물리적인 상태를 반영하며, 이를 분석하여 지구 내부의 열적 및 성분적 특성에 대해 연구할 수 있다. 본 논문에서는 다양한 지진학적 방법을 활용하여 판 내 화산활동과 판의 섭입이 활발히 일어나고 있는 동북 아시아 상부 맨틀 구조를 연구한다. 구체적으로, 원거리 지진 주시 토모그래피를 사용하여 판 내 화산으로 알려진 제주도 하부 암석권 및 연약권의 구조(제 1장), 한반도 하부의 암석권 및 연약권 구조(제 2장), 동북아시아 지역의 상부 맨틀 전이대와 정체된 슬랩(제 3장), 한반도 주변 제 4기 화산체 하부의 얕은 연약권(제 4장)의 3차원 구조를 영상화하고 분석한다. 연구 자료로 원거리 지진의 실체파 신호(P, S파)를 이용하여 연구 지역에 조밀하게 설치된 지진계 간의 파형 유사성을 기반한 방법으로 정밀하게 측정된 상대 주시 잔차를 사용하며, 해당 잔차를 최소화할 수 있는 최적의 3차원 속도 구조 모델을 비선형 반복 역산 방법을 통해 구한다. 제 1장에서는, 서울대학교 지진학 연구실에서 제주도에 약 2년간 설치한 임시 지진 관측망 자료를 사용하였으며, 제주도 하부 상승하는 마그마와 대륙 암석권 간의 상호작용으로 발달한 복잡한 형태의 마그마 시스템을 영상화 하였다. 제 2장에서는 한반도의 시생대 및 원생대 대륙암권 하부의 상부 맨틀을 영상화하며, 그 결과 동북 아시아 대륙 연변부에서 불균질한 수정 및 재활성화를 겪은 오래되고 두꺼운 암석권 구조를 확인하였다. 제 3장에서는 한반도와 일본 남서부의 관측망 자료를 사용하여 한반도를 포함한 동북아시아 하부의 깊은 상부 맨틀 구조를 영상화 하였다. 그 결과 유라시아판 하부에 정체된 태평양 슬랩의 불균질한 분포를 확인하였고, 기존 연구에서 해상도 한계로 보이지 않았던 한반도 하부의 슬랩 간극의 존재를 새롭게 밝혀낸다. 또한 한반도에 기록된 원거리 지진의 S파를 분석하여 슬랩 간극에 의한 파면 왜곡을 관측하였고 이를 3차원 파형 시뮬레이션을 통해 모사하였다. 마지막으로 제 4장에서는 기존에 얻어진 고해상도 속도 구조 모델을 바탕으로 동북 아시아 상부 맨틀의 열적 및 성분적 특성을 열역학적 계산 및 지진파 감쇠 특성을 고려하여 정량적으로 추정한다. 그 결과 한반도 주변 제 4기 화산 지역(예, 울릉도, 독도, 백두산, 제주도, 한탄강 유역)의 국지적이고 지속적인 마그마 발달에 기여하였을 것으로 생각되는 집중된 얕은 연약권 맨틀의 부분 용융을 확인하였다. 전 장을 통틀어, 상부 맨틀 구조들의 기원, 진화, 그리고 상호 관계에 대해 지질학적, 지구조적, 그리고 지구동역학적인 관점에서 해석하고 논의한다.

Attenuation Correction in Positron Emission Tomography Using Simultaneous Activity and Attenuation Reconstruction and Deep Neural Network

황동휘 서울대학교 대학원 2022 국내박사

Attenuation correction (AC) is essential for yielding quantitative and qualitative accurate functional information in positron emission tomography (PET). In clinical PET/CT, CT image is converted to attenuation map of 511 keV photon, and used in attenuation correction. However, CT-based PET AC has a fundamental limitation in its quantitative accuracy, because position mismatches between PET and CT scans lead to artifacts. AC in PET/MRI has difficulty in estimating accurate bone structures, and also suffers from position mismatches between PET and MR scans. Simultaneous reconstruction of activity and attenuation reconstruction is a potential alternative method for PET AC. With the recent advancement of time-of-flight (TOF) technology, the simultaneous reconstruction algorithm allows estimating attenuation maps using only emission data. Because no anatomical images are necessary for the AC if the simultaneous reconstruction works properly, it is a potentially significant approach to overcoming the above-mentioned limitations of PET AC in PET/CT and PET/MRI. However, because of the limited timing resolution of current clinical PET scanners, the MLAA suffers from several problems, including the crosstalk artifacts (between activity and attenuation maps), slow convergence speed, and noisy attenuation maps. Another limitation of AC when using simultaneous reconstruction is the chicken-egg dilemma of the scatter estimation. In this thesis, a deep learning-based PET attenuation map generation method that combines simultaneous reconstruction and convolution neural networks (CNNs) is proposed to improve the accuracy of PET AC and the feasibility of proposed method was validate. Combination of non-attenuation-corrected (NAC) PET and CNNs is also proposed to estimate with scatter distribution. To fully utilize emission data, an investigation of input combinations for CNNs was also conducted. In addition, this PET attenuation map generation method was applied to alleviating the respiratory motion, which causes degradation of PET image quality. The proposed method was effectively mitigated noise and cross-talk artifacts in the attenuation map of simultaneous reconstruction in both brain and whole-body PET studies. The proposed method has the advantage that the output attenuation maps are free from the influence of PET and CT mismatches as the inputs of CNNs were derived from emission data and therefore CT scan is unnecessary. NAC PET was useful for estimating the scatter distribution, which is required for applying simultaneous reconstruction. Also, AC performance with different combinations of CNN inputs was evaluated and compared. With the proposed method, attenuation maps corresponding to each respiratory phase could be generated from gated PET. These phase-matched attenuation maps enabled motion estimation among respiratory phases as well as the phase-matched PET attenuation correction. Consequently, motion-free PET images could be generated, showing better lesion detectability and mitigated respiratory motion artifacts. In conclusion, the PET attenuation map generation method developed in this thesis yielded high-quality attenuation maps, which enables accurate PET AC. This method has the potential to supplement and/or replace the conventional AC methods in PET/CT, PET/MRI, and even stand-alone PET. 체내에 주입한 방사성의약품의 분포를 알기 위해 실시하는 양전자방출단층촬영 (PET)에서 정량적 및 정성적으로 정확한 정보를 얻기 위해서는 감쇠보정이 필수적이다. PET/CT에서는 CT영상을 511keV 광자의 감쇠영상으로 변환하여 감쇠보정을 실시한다. 그러나 CT영상 기반의 감쇠보정은 양전자방출단층촬영 영상과 CT영상 간의 위치 불일치 오류로 인한 아티팩트가 발생하여 정확도에 한계가 있다. PET/MRI에서는 MR 영상을 이용하여 감쇠보정이 가능하나, MR 영상에서 정확한 뼈의 구조를 얻기 어려우며, PET/CT에서와 마찬가지로 양전자방출단층촬영 영상과 MR 영상 간의 위치 불일치 오류 역시 한계로 지적된다. 감쇠보정을 위한 다른 방법은 동시영상재구성 기법을 이용하는 것이다. 비정 시차 정보를 이용하는 동시영상재구성 기법을 사용하면 방출 영상만 이용하여 감쇠영상을 추정 가능하다. 이 과정에서 해부학적 정보가 필요하지 않기 때문에, PET/CT와 PET/MRI에서 지적되었던 위치 불일치 오류를 극복 가능하다. 하지만, 현재 사용되는 양전자방출단층촬영 장비들의 비정 시차 성능이 충분하지 못해, 높은 잡음 레벨을 갖고 혼선 아티팩트가 나타나는 불완전한 감쇠영상이 산출된다. 본 논문에서는 양전자방출단층촬영 감쇠보정의 정확도를 향상시키고자 동시영상재구성 기법에 합성곱 신경망을 결합하여 딥러닝 기반의 감쇠보정을 제안하고, 이의 타당성을 검증하였다. 동시영상재구성 기법에서 한 가지 제한점은 감쇠영상과 산란 추정의 얽힘 현상이다. 이를 해결하고자 비감쇠보정 영상과 합성곱 신경망을 결합하여 산란 분포를 추정하는 것을 제안하였다. 또한, 합성곱 신경망에 가장 적합한 입력 조합에 대한 평가를 진행하였다. 추가적으로, 양전자방출단층촬영 영상의 품질을 저하시키는 호흡 운동의 영향을 완화하는데 제안된 감쇠보정을 적용해보았다. 제안된 감쇠보정은 뇌 및 전신 양전자방출단층촬영 연구 모두에서 동시영상재구성 기법의 감쇠영상의 노이즈와 혼선 아티팩트를 효과적으로 완화하였다. 방출 영상만이 합성곱 신경망의 입력으로 사용되기 때문에, 출력된 감쇠영상은 양전자방출단층촬영 영상과 CT 영상 간의 위치 불일치 오류의 영향을 받지 않는다는 장점을 갖는다. 비감쇠보정 영상은 동시영상재구성 기법에 필요한 산란 분포를 추정하는데 유용함이 검증되었다. 또한 합성곱 신경망 입력의 서로 다른 조합에 대한 감쇠 보정 성능을 평가 및 비교하였다. 해당 감쇠보정을 적용하여 각 호흡 단계에 대응되는 감쇠영상을 생성하였다. 이러한 위상 일치 감쇠영상은 호흡 단계간의 모션 추정 및 위상 일치 감쇠보정을 가능케했다. 결과적으로, 움직임이 없는 양전자방출단층촬영 영상을 획득할 수 있었으며, 병변 검출성능이 향상되고 및 호흡 운동으로 인한 아티팩트는 완화되었다. 결론적으로, 본 논문에서 개발한 방법은 정확한 감쇠보정을 가능하게 하는 고품질의 감쇠영상을 산출하였다. 이 감쇠보정은 PET/CT, PET/MRI는 물론, 독립형 PET에서 기존 감쇠보정을 보완 및 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

Seismic attenuation structure beneath Nazca Plate subduction zone in southern Peru

장효인 서울대학교 대학원 2018 국내석사

The subduction geometry of the Nazca plate changes from flat to normal in southern Peru, and cessation of volcanism is observed in the flat slab region. The subduction of Nazca ridge is previously assumed to be responsible for the flat slab development in Peru. We use seismic data from PeruSE, PULSE and CAUGHT which can sample a slab-dip transition zone between the flat to normal-dip slab to estimate seismic attenuation in terms of quality factors, Qp and Qs using P and S phases, respectively. We measure t*, which is integrated attenuation through the seismic raypath between the regional earthquakes and stations. The measured t* are inverted using the least squares method to construct the 3-D attenuation model. Our Q models from the inversion recover features that can be closely associated with subduction dynamics, slab morphology, and geological features in southern Peru. First, relatively high attenuation is observed in the continental curst continuously from NW to SE in our study domain. Very low Qp and Qs are shown below the volcanic arc and the Eastern Cordilera, which may be related to the presence of melt. Second, high attenuation features in the vicinity of the subducting plate are identified beneath the volcanic arc, and might be related to the slab dehydration. Also, low attenuation anomaly in the mantle wedge is imaged in the south below a latitude of 18°S, and can be interpreted as the delaminated crustal root. Third, low attenuation in the subducting Nazca plate is imaged throughout the region between the flat and slab-dip transition zone. In particular, shallow-depth high-attenuation anomaly close to the coastal line may be a feature related to hydration of the Nazca ridge.

Seismic Attenuation and Earthquake Stress Drop in the Tonga and Pampean Flat-Slab Subduction Zones

Zhang, Yurong Riley Michigan State University ProQuest Dissertations & 2026 해외박사(DDOD)

Quantitative Measurement and Estimation of Radiation Dose in CT and PET : CT와 PET 검사에서 방사선량의 정량적 측정 및 추정

Lee, Chang-Lae 연세대학교 보건과학대학원 2016 국내박사

The computed tomography (CT) and positron emission tomography (PET) scans are state-of-the-art medical radiological techniques used to accurately detect early-stage cancer. Although they have undergone much technological advancement, CT and PET still impart the highest radiation dose among the existing medical radiological techniques. Therefore, a more accurate method of dose measurement is needed. The radiation dose of CT is generally represented by the CTDI. CTDI, however, does not accurately predict the actual patient doses for different human body sizes because it relies on a cylinder-shaped head (diameter: 16 cm) and body (diameter: 32 cm) phantom. The first purpose of this study was to eliminate the drawbacks of the conventional CTDI and to provide more accurate radiation dose information. Therefore, CTDI was measured in an actual CT scanner, and different CTDI values were computed as a function of various CTDI phantom sizes, using GATE simulation. Moreover, a new method of computing the appropriate dose value corresponding to the actual patient size was proposed, using the attenuation value of a projection radiograph before the CT scan. Additionally, the radiation dose in each organ of a mouse was computed through the simulation. In addition to CT, extensive research has been conducted on the newly developed PET radiotracers. It is essential to research on the responses and characteristics of a tracer before and after using it on a human body. The second purpose of this study, to determine the characteristics of the biodistribution and dosimetry of newly developed PET radiopharmaceuticals, were obtained using the radiopharmaceutical 124I-metaiodobenzylguanidine (124I-MIBG) during the preclinical study. The final effective dose was computed using the OLINDA/EXM v.1.1 program, by injecting a mouse with 124I-MIBG, obtaining images for different time pointers, and calculating the percentage of injected activity (% IA) for each organ. In addition, in the animal xenograft model of neuroblastoma, 124I-MIBG microPET/CT was used to estimate the radiation dose of 131I-MIBG. A comparison between the simulated results and the physical measurements of CTDI showed an 8.3% difference for the head and a 4.1% difference for the body for various energies, and a 4.7% difference for the head and a 5.1% difference for the body for different positions. A comparison between the computed diameter using the attenuation information of the projection radiograph from a patient and the reconstructed axial images showed that 2% accuracy was maintained. The results of the simulations for the brain and liver doses and the physical measurements showed a 5.1% difference using a thermoluminescent dosimeter (TLD), and the absorbed dose values for 37 brain tissue samples were calculated. The difference between the measured and simulated doses depended on the uncertainties in the X-ray tube effect, bowtie filter design, collimation design, beam quality, system geometry effect, etc. The newly developed tracer 124I-MIBG showed a high uptake for the lung, heart, liver, kidney, bladder, and thyroid, and the dose uptake of each organ was computed. In addition, the dose of 131I-MIBG was predictable from the tumor dosimetry before the neuroblastoma treatment, and was found to be within the 1.23-7.19 MBq range. This paper proposes a new method of accurately computing the radiation dose of CT based on the patient sizes therein. This method computes and provides the exact patient dose before the CT scan and can therefore be effectively used for imaging and dose control. In addition, it can be used to determine the characteristics of the biodistribution and dosimetry of newly developed PET radiopharmaceuticals, which will be used as essential data before applying the radiopharmaceuticals to humans. 전산화단층촬영장치 및 양전자방출단층촬영장치 (CT and PET)는 현재까지 알려진 영상 진단 방법 중 가장 초기에 그리고 가장 정확하게 암을 찾아내는 최첨단 의료방사선 진단기기로서 많은 기술적 진보를 그쳐 왔지만 여전히 가장 많은 방사선량을 나타내는 진단기기 중 하나이다. 그렇기 때문에 좀 더 정확한 방사선 선량(radiation dose) 측정 방법이 필요하다. CT의 방사선량은 CT 방사선지표 (CTDI)로 표현되어 왔다. 하지만 실린더형 지름 16 cm의 두부팬텀 (head phantom)과 32 cm의 몸통팬텀 (body phantom)만을 이용하기 때문에 다양한 인체 사이즈에 따른 환자의 방사선량을 대변하기에는 제한적이다. 본 연구의 첫번째 목적은 기존의 CTDI의 단점을 보완하고 더 정확한 방사선량 정보를 제공하기 위함에 있다. 따라서 실제 CT 장치에서 스캔 파라미터에 따라 CTDI를 측정하였고 GATE 시뮬레이션을 통해 다양한 CTDI 팬텀 사이즈에 따른 CTDI 값을 도출했다. 또한 CT 스캔 전 투영영상 (projection radiograph)의 감약(attenuation) 정보를 이용하여 실제 환자의 사이즈에 맞는 선량값을 산출하기 위한 새로운 방법을 제시하였다. 추가적으로 마우스의 각 장기(organ) 의 흡수선량을 시뮬레이션을 통해 도출하였다. CT뿐만 아니라 새로이 개발되는 PET 추적자(radiotracer)는 활발한 연구가 진행되고 있고 인체에 적용 전/후로 추적자에 대한 반응 및 특성 연구는 필수적이다. 따라서 본 연구의 두번째 목적은 임상실험에 앞서 동물실험에서 새로이 개발된 방사성의약품 (124I-metaiodobenzylguanidine)을 적용하여 생체 내 분포(biodistribution) 및 방사선측정(dosimetry)에 관한 새로운 결 과를 도출하는 것이다. 마우스에 124I-MIBG를 주입 후 시간포인터에 따른 영상을 획득하여 각 장기의 주입된 방사선 비율 (percent of injected activity, %IA)을 계산하여 OLINDA 1.1|EXM 프로그램을 이용하여 최종 유효선량을 산출하였고 추가적으로 신경아세포종 (neuroblastoma)의 마우스 모델(animal xenograft model) 에서 124I-MIBG microPET/CT를 이용하여 131I-MIBG 에 대한 방사선량을 추정하였다. CTDI에 대한 시뮬레이션으로 도출한 값과 실제 측정한 값을 비교한 결과 다양한 에너지에서 8.3% (head), 4.1% (body)의 차이와 서로 다른 위치에서 4.7% (head), 5.1% (body)의 차이를 보였다. 실제 환자의 투영 감약 정보를 이용한 환자의 사이즈 계산에서는 재구성된 단층영상 (axial image)과 비교한 결과 2% 이내의 차이를 보였다. 열루미네센스선량계 (thermoluminesence dosimeter, TLD)를 이용한 뇌 (brain)와 간 (liver)의 흡수선량에 대해 시뮬레이션 결과와 실측한 값을 비교했을 때 5.1% 차이를 보였으며, 37가지 뇌조직 (brain tissues)에 대한 흡수선량 값을 도출하였다. 시스템의 엑스선 발생장치 효과 (x-ray tube effect), 나비형 필터 (bowtie filter) 또는 콜리메이션의 디자인, 선질 (beam quality), 시스템의 기하학적 효과 (system geometry effect) 등의 불확도 (uncertainty)에 의해 시뮬레이션 값과 측정한 선량값의 차이는 발생할 수 있다. 새로이 개발된 방사성의약품 124I-MIBG는 주로 폐, 간, 심장, 신장, 방광, 갑상선에 높은 집적을 보였으며 각 장기의 방사선량을 산출하였다. 또한 131I-MIBG를 신경아세포종 치료 전 종양의 방사선량 평가를 통해 선량을 미리 예측할 수 있었고 그 결과 종양의 방사선량은 1.23 - 7.19 MBq이었다. 본 연구는 환자 방사선 피폭이 많은 방사선 진단기기인 CT와 PET에서, 환자 사이즈에 따라 CT의 방사선량을 정확하게 계산해 내는 새로운 방법을 제시 하였다. 이러한 방법은 CT 스캔 전 방사선량을 정확히 예측할 수 있기 때문에 불필요한 환자선량을 막을 수 있고 최소한의 선량으로 최적화된 화질로 개선하는데 아주 유용하게 이용될 것이다. 또한 새로이 개발된 방사성의약품의 생체 내 분포 특성과 방사선량을 산출하므로 인체에 적용하기 전 필수정보로 이용될 것이다.

이중에너지단층촬영을 이용한 요로결석 분석과 임상적 의의: 예비 실험적 검사와의 비교

윤은주 조선대학교 대학원 2016 국내석사

Objective : The aims of this study are to predict compositions of renal stones with dual energy CT and to compare with pathologic results of preliminary experimental study. Methods : Seventeen patients (male:female = 11:6, mean age = 64.7 years) among 256 patients treated for suspicious urinary stones were included in this study. Non-enhanced multidector CT (Aquilion one, Toshiba medical systems corporation, Japan) with dual energy were taken in all patients before operation. Attenuations of detected stones were measured on images taken from low energy (80 kVp) and high energy (135 kVp) by workstation. Uric acid and non-uric acid stones were categorized depneding on attenuation value using the result of in vitro phantom model. Extracted stones were analyzed by using spectroscopy (Fourier Transform Infrared Spectrometry, FT-IR) and the compositions of stones confirmed pathologically were compared with those of dual energy CT scans. Results : Stones with attenuation ratios below 1.1 were predicted to be uric acid stones and those more than 1.1 were predicted to be non-uric acid stones based on result of preliminary experimental study. Extracted stones were analyzed as 7 uric acid stones and 10 non-uric acid stones. Each averages of attenuation ratios in uric acid stone and non-uric acid stone was 0.91 and 1.29, respectively. Compositions of all stones extracted surgically showed same results from those of CT scans with dual energy (sensitivity 100%). It was difficult to make differential diagnoses from various kinds of non-uric acid stones. Conclusion : Dual energy CT scans is a promising and useful imaging modality to predict compositions of renal stones.

Development of Functional Optical Coherence Tomography for Structural and Microangiography Assessment of Heart and Skin

Xie, Zhiying University of Washington ProQuest Dissertations & 2025 해외박사(DDOD)

This thesis explores the potential of developing functional Optical Coherence Tomography (OCT) in structural and microangiographic applications for heart and skin tissues. OCT, as a noninvasive imaging technique, has revolutionized fields such as ophthalmology, cardiology, and dermatology by offering high-resolution visualization of biological structures and microvasculature. However, its capacity to capture physiological characterization, both qualitative and quantitatively, remains limited. This research seeks to bridge the gap by advancing functional OCT techniques to provide novel insights into tissue and vascular behavior in complex vascularized areas like coronary microcirculation and skin. In Chapter 1, the thesis introduces OCT principles and their clinical significance for noninvasive imaging. Chapter 2 delves into advanced OCT techniques for assessing microvascular networks and tissue composition. Methods such as Optical Microangiography (OMAG) and OCT velocimetry are presented to demonstrate OCT’s ability to visualize capillary morphology and blood flow without contrast agents and to characterize hemodynamic properties and microvascular health quantitatively. Additionally, OCT structural imaging technique, such as calibrated optical attenuation coefficient (OAC), is presented to differentiate tissue compositions in distinct skin layers based on scattering properties. In Chapter 3, OCT Angiography (OCTA) is applied to assess microvascular damage in infarcted hearts, uncovering structural and functional changes post-myocardial infarction (MI), such as capillary loss, vessel enlargement, and altered blood flow— insights for understanding coronary network remodeling. Chapter 4 investigates OCTA’s ability to detect depth-resolved distinct blood flow signals and pulse patterns across different skin layers, which offers potential applications in non-invasive cardiovascular monitoring. Chapter 5 explores OCT’s dermatological applications in monitoring skin aging, UV-induced changes, and light-tissue interactive behaviors. It demonstrates OCT’s ability to detect subclinical changes—such as vessel dilation, epidermal thickening, and structural organization differences—before clinically visible signs appear, supporting early intervention.

감쇠 재료의 초음파 평가에 대한 이론 및 실험적 고찰

김정남 부산대학교 2023 국내박사

본 연구에서는 검사 환경에서 발생하는 외부적인 감쇠 요인과 재료에서 발생하는 내부적인 감쇠 요인을 고려하여 검사 대상의 건전성 평가를 연구하였고, 재료의 점탄성을 고려하여 유도초음파 토모그래피의 형상을 정밀하게 개선하는 연구를 수행하였다. 대부분의 유도초음파를 활용한 연구들은 공기 중에서 실험을 진행해 왔지만, 물속이라는 특수한 환경에서는 물에 의한 감쇠를 고려해야 하며, 재료의 감쇠 특성을 확인 후 측정 거리에 대한 타당성 또한 확보되어야 한다. 또한, 기존 선형 탄성 영역에서 진행한 연구의 경우, 재료의 점탄성을 고려하지 않아 정확한 유도초음파의 모드 선정에 영향을 줄 수 있다. 각종 환경이나 재료에 따라 유도초음파의 전파 특성이 달라진다. 따라서 유도초음파 비파괴 검사 시, 각종 환경에 맞춰 실험 조건 또한 달라져야 한다. 본 연구에서는 환경 조건이나 재료의 감쇠로 인해 검사하기 힘든 대상을 선정하였다. 물의 환경 속에서 에너지가 누출되어 발생될 수 있는 감쇠를 고려하여 선박용 코팅 재료의 접합 여부와 협소 공간에 있어 사람이 직접적인 검사가 힘든 튜브의 결함 여부에 대해 비파괴 검사를 진행하였다. 더 나아가 이러한 거시적 결함들에 의한 사고를 미연에 방지하기 위해 재료의 점탄성에 의한 감쇠를 고려하여 비선형 기법으로 조기진단을 수행하였다. 마지막으로 이러한 검사 결과를 사람들이 객관적으로 보다 더 쉽게 검사 결과를 관리할 수 있게 점탄성이 높은 재질에 대해 토모그래피 해상도를 개선하였다. 여러 감쇠 요인을 고려함으로써 감쇠로 인해 검사가 힘든 대상들의 검사 방법과 검사 결과 개선 방안을 제시하였고, 객관적이며 정량적이고 정밀하게 재료의 수명 진단을 하는 것을 목표로 하였다.