[논문 리뷰] Quantitative investigation of low-dose PET imaging and post-reconstruction smoothing

Behnoush Sanaei, Reza Faghihi외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 18.

Medical Imaging Techniques and Applications인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 50명의 두부 및 목 부위 암 환자에서 뇌 영상의 감소된 18F-FDG PET/CT 복사선 선량(기준선의 1%–10%)과 재구성 후 가우시안 필터링이 영상 품질과 SUV 정확도에 미치는 영향을 정량적으로 평가한다. 연구 결과, 저선량 영상은 루트 평균 제곱 오차(RMSE)와 SUVmax 편향을 크게 증가시키지만, 가우시안 필터링은 SUVmax 편향을 효과적으로 감소시키면서 SUVmean 편향을 증가시키므로, 저선량 프로토콜에서 두 지표를 신중히 고려해야 한다는 점을 밝혀냈다.

ABSTRACT

In this study, 18F-FDG PET/CT brain scans of 50 patients with head and neck malignant lesions were employed to systematically assess the relationship between the amount of injected dose (10%, 8%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, and 1% of standard dose) and the image quality through measuring standard image quality metrics (peak-signal-to-noise-ration (PSNR), structural similarity index (SSIM), root mean square error (RMSE), and standard uptake value (SUV) bias) for the whole head region as well as within the malignant lesions, considering the standard-dose PET images as reference. Furthermore, we evaluated the impact of post-reconstruction Gaussian filtering on the PET images in order to reduce noise and improve the signal-to-noise ratio at different low-dose levels. Significant degradation of PET image quality and tumor detectability was observed with a decrease in the injected dose by more than 5%, leading to a remarkable increase in RMSE from 0.173 SUV (at 5%) to 1.454 SUV (at 1%). The quantitative investigation of the malignant lesions demonstrated that SUVmax bias greatly increased in low-dose PET images (in particular at 1%, 2%, 3% levels) before applying the post-reconstruction filter, while applying the Gaussian filter on low-dose PET images led to a significant reduction in SUVmax bias. The SUVmean bias within the malignant lesions was negligible (less than 1%) in low-dose PET images; however, this bias increased significantly after applying the post-reconstruction filter. In conclusion, it is strongly recommended that the SUVmax bias and SUVmean bias in low-dose PET images should be considered prior to and following the application of the post-reconstruction Guassain filter, respectively.

연구 동기 및 목표

• 감소된 18F-FDG PET/CT 선량(1%–10%)이 뇌 영상의 영상 품질과 SUV 정확도에 미치는 정량적 영향을 평가하기 위해.
• 재구성 후 가우시안 필터링이 저선량 PET 영상의 노이즈 감소와 SUV 편향에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 진단 정확도를 유지하면서 방사선 노출을 최소화할 수 있는 최적의 선량 및 필터링 전략을 규명하기 위해.
• 저선량 영상과 표준선량 기준 영상 간 영상 품질 지표(PSNR, SSIM, RMSE)와 SUV 편향을 비교하기 위해.

제안 방법

• 기준선의 1%에서 10%까지 체계적으로 감소된 투여 선량을 가진 50명의 환자 18F-FDG PET/CT 뇌 영상에 대한 후향적 분석을 수행하였다.
• 표준선량 영상은 PSNR, SSIM, RMSE 및 SUV 편향 지표를 사용하여 정량적 비교의 기준으로 사용되었다.
• 저선량 영상에 재구성 후 가우시안 필터링을 적용하여 노이즈 감소 및 SUV 정확도에 미치는 영향을 평가하였다.
• 악성 병변 내부 및 전반적인 두부 영역에서 SUVmax 및 SUVmean 편향을 정량화하였다.
• 각 선량 수준과 필터링 조건에 대해 영상 품질 지표를 계산하여 열화 또는 향상 여부를 평가하였다.
• 선량 수준 간 및 필터링 유무에 따른 지표 간 통계적 비교를 통해 임계 기준을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 18F-FDG 투여 선량을 100%에서 1%로 감소시킬 경우, 뇌 PET/CT 영상에서 PSNR, SSIM, RMSE와 같은 영상 품질 지표는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 재구성 후 가우시안 필터링은 저선량 PET 영상에서 노이즈를 얼마나 감소시키고 신호 대 노이즈 비율을 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 가우시안 필터링 이전과 이후에 저선량 수준에서 악성 병변 내 SUVmax 편향은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 재구성 후 필터링은 악성 병변 내 SUVmean 편향을 유의미하게 변화시키는가? 만약 그렇다면, 어느 방향으로 변화하는가?
• RQ5 저선량 PET 프로토콜에서 영상 품질 열화 및 SUV 편향이 임상적으로 우려스러운 수준에 이르는 선량 수준은 어느 정도인가?

주요 결과

• RMSE는 5% 선량 시 0.173 SUV에서 1% 선량 시 1.454 SUV로 증가하여 매우 낮은 선량에서 영상 품질 열화가 뚜렷하게 나타남.
• 특히 1%, 2%, 3% 선량에서 필터링 이전에 저선량 영상에서 SUVmax 편향이 크게 증가하여 종양 침윤도가 과소 평가됨.
• 재구성 후 가우시안 필터링은 저선량 영상에서 SUVmax 편향을 유의미하게 감소시켜 SUV 정확도를 향상시킴.
• 필터링 없이 저선량 영상에서는 SUVmean 편향이 1% 이하로 유지되었지만, 필터링 이후에 유의미하게 증가하여 평균 침윤도가 과대 평가됨.
• 저선량 영상과 가우시안 필터링의 조합은 진단적 오해를 피하기 위해 SUVmax 및 SUVmean 편향을 동시에 신중히 평가할 필요가 있음.
• 영상 품질 지표(PSNR, SSIM)는 선량 감소에 따라 열화되었으며, 특히 기준선의 5% 이하에서 가장 뚜렷한 감소가 관찰됨.