A Novel Marker-Based Registration Method for Simultaneous Preclinical PET/MR with a Non- Stationary PET Detector

기술 요약: 비정상 상태(Non-stationary) PET 검출기를 이용한 동시 전임상 PET/MR을 위한 새로운 마커 기반 등록 방법

문제 제기
본 연구는 PET 검출기가 MR 스캐너에 사후 장착되어 비정상 상태(non-stationary)인 환경에서, 동시에 획득된 전임상 PET 및 MR 이미지를 등록하는 과제를 다룹다. 구체적으로, 저자들은 동물 크래들 위치 결정 시스템에 부착된 소형 비정상 상태 PET 검출기(RatCAP)를 활용하였다. 이 설정은 표준 등록에 세 가지 주요 장애물을 제시한다:

1. 위치 불안정성: 검출기의 물리적 위치가 MR 자석의 아이소센터(isocenter)를 기준으로 크래들의 매 실험적 재배치(알려진 축 방향 위치 오차 포함) 시마다 변하므로, 단 한 번의 캘리브레이션 팬텀을 사용하는 것이 불가능하다.
2. 공간적 제약: PET 검출기 내부의 무선 주파수(RF) 코일 내경이 너무 좁아, 실험 대상체와 함께 이중 모달리티 피듀셜 마커(fiducial markers)를 수용할 수 없다.
3. 해부학적 대조도 부족: 많은 전임상 응용 분야에서 PET와 MR 모달리티 간의 상호 해부학적 대조도가 부족하기 때문에, 순수하게 영상 강도 기반의 등록에만 의존하는 것은 불충분할 수 있다.

방법론
저자들은 고정된 기하학적 참조점을 사용하여 PET 영상 공간과 MR 영상 공간을 분리하는, 완전히 자동화된 마커 기반 등록 파이프라인을 제안한다. 이 방법은 크래들의 플라스틱 구성 요소를 영상화할 수 있는 제로 에코 타임(Zero-Echo-Time, ZTE) MRI 시퀀스에 의존한다. 워크플로우는 세 가지 특정 아핀 변환(affine transformations)으로 구성된다:

1. 보편적 캘리브레이션 ($T_{P \to Cradle}$): 일회성 캘리브레이션을 통해 PET 영상 좌표계와 크래들 좌표계 사이의 정적 관계를 설정한다. 이는 이중 모달리티 팬텀( $^{18}$F-FDG가 채워진 중첩된 시린지)과 크래들의 노즈 콘 트랙(Nose-Cone Track, NCT)을 동시에 촬영함으로써 달성된다. NCT는 ZTE-MRI에서 관찰 가능한 재질인 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)으로 제작된 감산형 "노크(nocks)"(기하학적 마커)로 수정되었다. PET와 ZTE 영상은 상호 정보량(Mutual Information) 지표를 사용하는 Advanced Normalization Tools(ANTs)를 사용하여 등록된다.
2. 실험별 캘리브레이션 ($T_{Lab \to Cradle}$): 각 실험마다 실험실 공간(자석 아이소센터) 내 크래들의 위치가 결정된다. 짧은 ZTE 스캔(~2.5분)을 통해 대상체와 NCT 마커를 모두 캡처한다. 이 스캔은 NCT 마커만을 포함하는 사전 획득된 "NCT0" 스캔에 강체 등록(rigidly registered)되어, 실험실 공간에 대한 크래들의 현재 위치를 결정한다.
3. 시퀀스별 변환 ($T_{MRI \to Lab}$): MR 영상 헤더에서 직접 유도된 이 변환은 특정 MRI 시퀀스의 인덱스된 복셀을 물리적 실험실 공간으로 매핑한다.

최종적인 PET-to-MRI 등록은 다음의 변환들을 합성하여 이루어진다: $x_{MRI} = T_{MRI \to Lab}^{-1} \cdot T_{Lab \to Cradle}^{-1} \cdot T_{P \to Cradle} \cdot x_{PET}$.

주요 기여

• 새로운 하드웨어 통합: ZTE-MRI에서 관찰 가능한 감산형 기하학적 마커가 포함된 수정된 노즈 콘 트랙을 3D 프린팅하여 설계함으로써, 공간을 많이 차지하는 이중 모달리티 피듀셜이 필요 없는 설계를 구현하였다.
• 자동화된 워크플로우: 수동 개입, 해부학적 특징 매칭, 또는 매 대상체마다 반복되는 이중 모달리티 캘리브레이션 팬텀이 필요하지 않은 완전히 자동화된 등록 파이프라인을 제공한다.
• 서브 픽셀 정밀도: 검출기가 실험 사이에 이동하더라도 검출기와 크래들 마커 사이의 기하학적 관계가 고정되어 있다면 정확한 등록이 가능하다는 것을 입증하였다.

결과
본 방법은 체계적인 팬텀 실험을 통해 검증되었다:

• 등록 정확도: 크래들 마커(NCT)를 실험실 공간에 등록하는 과정에서 x축 $\pm 0.03$ mm, y축 $\pm 0.06$ mm, z축 $\pm 0.06$ mm의 공간 오차를 달성하였다.
• 코레지스트레이션 성능: 9가지 다른 크래들 위치(평행 이동 및 회전 포함)에서 팬텀의 PET 및 MR 영상을 전체 파이프라인에 적용했을 때, 결과적인 코레지스트레이션 오차는 PET 복셀 크기 미만이었다.
• 정량적 지표: 공통된 FLASH MRI 공간으로 매핑된 등록된 PET 영상들의 복셀 단위 표준 편차는 (강도 정규화 기준, 95 백분위수) 평균 2.6%였으며, 국소 최댓값은 5.4%였다.
• 효율성: 필요한 ZTE 캘리브레이션 스캔은 약 2.5분이 소요되어, 표준 프로토콜의 프리스캔(prescan)으로서 실행 가능하다.

의의 및 주장
본 논문은 비정상 상태의 사후 장착된 전임상 환경에서, 동시에 획득된 PET 및 MR 스캔의 자동 코레지스트레이션을 위해 ZTE 스캔의 영상 기반 등록을 사용한 첫 번째 사례를 제시한다고 주장한다. 저자들은 이 접근 방식이 공간이 제한적인 PET/MR 시스템을 위한 실용적이고 비용 효율적인 솔루션을 제공한다고 강조한다.

연구에서는 검증이 통제된 조건 하의 팬텀에서 완전히 수행되었음을 겸허히 언급한다. 저자들은 대상체의 움직임이나 호흡과 같은 요소가 등록 단계에 영향을 미치는 생체 동물(living animals)에서의 견고성을 평가하기 위해 향후 연구가 필요함을 인정한다. 결론에서 본 방법은 이러한 특정 제약 환경에서 서브 픽셀 정밀도를 달성하기 위한 "실용적인 방법"이라고 명시하고 있다.