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

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

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.

국문 초록 (Abstract)

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.