암 연구를 위한 임상전 멀티모달 이미징

"스펙트럼 CT 및 형광 기술의 장점을 통합하여 해부학적 정보와 기능적 이미지를 결합할 수 있습니다. NI 제품이 없었다면 이러한 멀티모달 이미징 시스템을 개발할 수 없었을 겁니다. "

- Dr. Seung-Oh Jin, Korea Electrotechnology Research Institute

과제:

암 치료 연구를 위해 개발되고 있는 새로운 임상전 이미징 장비 및 기술로는 멀티모달 시스템 통합, 광자 계수 감지기, 고정밀 간트리 제어, 이미지 융합, 데이터 통신 등이 있습니다.

솔루션:

LabVIEW 및 NI 소프트웨어를 활용하면 멀티모달 이미징 시스템의 개발 및 테스트 기간을 6개월에서 2개월로 단축할 수 있습니다.

필자:

Dr. Seung-Oh Jin - Korea Electrotechnology Research Institute
Dr. Ki-Young Shin - Korea Electrotechnology Research Institute
Dr. Young-Min Bae - Korea Electrotechnology Research Institute
Dr. Dong-Goo Kang - Korea Electrotechnology Research Institute
Jeong-Seok Lee - Korea Electrotechnology Research Institute

 

소개

한국전기연구원 (KERI)은 한국의 정부 투자 연구 기관이자 전기 에너지 개발을 위한 특수 연구 센터입니다. 기관의 주요 업무는 전기 에너지 개발, 재생 가능 에너지, 전기 부품 개발과 가전제품 테스트, 인증 서비스 제공 등입니다. KERI는 지난 20년간 X-ray, MRI, CT, 초음파 등의 하이테크 의료 이미지 진단 시스템을 연구해왔습니다.

 

 

 

기존 X-ray를 커버하고, CT 이미지를 위한 고정밀 간트리를 제어하고, 다양한 디스플레이 장비를 결합하고 통합 시스템을 제거하는 문제를 해결하려면 스펙트럼 CT 이미지와 몸의 형광 이미지를 모두 촬영할 수 있는 멀티모달 시스템을 개발해야 했습니다. 해당 어플리케이션에는 X-ray 튜브, 스펙트럼 CT를 위한 광자 계수 감지기(PCD), 광원의 구성 요소와 연동되는 7개의 모터가 사용되었습니다. 구성요소에는 다양한 통신 방식(이더넷, USB, RS232, 디지털 I/O)이 필요하며, 어플리케이션 시스템을 성공적으로 개발하려면 모터 및 데이터 통신을 원활하게 제어해야 합니다.

 

하드웨어 어플리케이션의 외관

그림 1은 최종 하드웨어 시스템을 나타냅니다. 시스템 크기는 95 cm x 99 cm x 175 cm입니다. 3개의 전면 LED는 광학 카메라, X-ray, 전원 상태를 나타냅니다. 비상 상황을 위한 빨간색 차단 스위치도 장착되어 있습니다. 시스템 전면의 돌출부는 슬라이딩 도어를 나타냅니다. 내부에는 실험용 동물을 위한 베드가 있으며 모터 제어를 통해 동물을 안쪽으로 자동으로 들여보낼 수 있습니다. 슬라이딩 도어에는 개방/폐쇄 모니터링 센서가 부착되어 있기 때문에 도어가 완전히 닫히면 형광 및 X-ray 이미지만 얻을 수 있습니다.

 

그림 2는 디바이스 내부의 주요 구성 요소를 나타냅니다. 1층에는 모터 제어를 위한 전기 회로, 감지기 냉각기, 온도 모니터링을 위한 열 센서가 있습니다. 2층에는 CT 촬영을 위한 회전 간트리, X-ray 튜브, X-ray 감지기, 개체 이송 베드 (카우치), 간트리 진동을 모니터링하는 가속 센서가 있습니다. 3층에는 형광 이미지 촬영을 위한 카메라, 조명 장비 및 가장 중요한 디바이스(PXle-1073, PXI-7352, PXI-7334, PXIe-6363)가 있습니다.

 

디바이스의 2층은 X-ray 선에 노출되지 않도록 3 mm 두께의 납으로 덮었습니다. X-ray 튜브의 최대 출력은 80 kV, 0.7 mA지만 최대 출력에서 X-ray를 조사했을 때 자연 조건에서 0.1 uSv/hr의 누출이 발생했습니다. IEC 61010-1 표준은 5 uSv/hr 이내이며 상용 디바이스의 노출 수준인 1 uSv/hr와 비교했을 때 1/10로 측정되었습니다.  

 

 

 

그림 3은 제어 시스템의 블록다이어그램을 나타냅니다. PXIe-1073은 PC와 연결되며 PXI-7352, PXI-7334, PXIe-6363 디바이스에 장착할 수 있습니다. PXI-7352와 PXI-7334 디바이스는 모션 제어 디바이스로서 CT 간트리의 회전 모터를 제어하는 데 중요한 역할을 합니다. 간트리 해상도는 0.5도입니다. 0.01도의 정확도를 만족하도록 설계되었습니다. 간트리 회전 각도는 0.0025도 단위의 측정이 가능하도록 제품에 부착된 하이테크 인코더로 조절합니다. PXI-7334 디바이스는 4개의 메인 액추에이터를 조절합니다. 줌 스테이지 모터는 X-ray 튜브와 개체 간 거리를 조정하여 확대 이미지를 촬영하고, 베드 스테이지 모터는 개체를 이동하고, 리드 게이트 모터는 2층과 3층 사이에서 X-ray를 차단하고, 밸런스 로드 모터는 회전 간트리의 무게 중심을 조절합니다. PXIe-6363은 인터록 센서 데이터, 열 센서 데이터, 가속 데이터를 수집하며 디지털 I/O 포트를 통해 전면 LED를 제어합니다. 인터록 센서는 슬라이딩 도어의 개폐 상태와 디바이스의 좌우 도어를 모니터링합니다. 열 센서는 2개의 센서를 통해 1층과 3층의 온도를 측정합니다. 가속 센서는 회전 스테이지의 진동을 감지합니다. 광자 계수 감지기(PCD)의 나머지 부품은 X-ray 튜브, 냉각기, 카메라, 광원입니다. PCD는 X-ray 이미지와 스펙트럼 CT 이미지를 위한 핵심 감지기로서 이더넷 통신 프로토콜을 사용합니다. 냉각기와 광원은 RS232 프로토콜을 통해 통신합니다. 카메라는 USB 3.0 프로토콜을 통해 PC와 통신합니다. UI는 PC에서 LabVIEW 소프트웨어를 사용해 개발했습니다.

 

 

 

LabVIEW UI

그림 4는 당사에서 개발한 멀티윈도우 UI를 나타냅니다. 각 창은 움직임, X-ray 튜브, 감지기, 카메라, 냉각기를 제어할 수 있으며 수집 창에서는 이미지 양식을 선택하여 형광 이미지, X-ray 이미지, 스펙트럼 CT 이미지도 수집할 수 있습니다. 이미지 처리 창에는 쥐의 전신 이미지를 위한 스티칭 기능과 형광/X-ray 이미지의 2D 공동 등록 기능이 있습니다.

 

 

 

모형을 사용한 형광 이미지 검증

동물 실험을 실시하기 전에 먼저 쥐 모형을 사용해 디바이스의 이동(모터 제어, 이미지 수집 등)을 확인했습니다. 실험에서는 Perkin Elmer 모형을 사용했습니다.

 

광원에서 다양한 파장의 빛을 쥐에게 비추었습니다. 카메라에서는 렌즈 전면의 필터 휠을 통해 원하는 파장의 이미지를 수집할 수 있었습니다. 그림 6은 440nm, 540nm, 640nm, 720nm의 결과를 나타냅니다. 640nm 이미지는 형광 물질을 주입해 더 밝습니다.

 

 

 

임상전 동물 연구

임상전 동물 연구를 위해 실험동물운영위원회(Institutional Animal Care and Use Committee)의 승인을 받았습니다. 피부에 인간 종양 세포를 주입한 털 없는 쥐(Balb/c nu/nu)를 사용해 형광, X-ray, CT 이미지를 수집했습니다. 몸통의 형광 이미지를 촬영하기 위해 쥐의 꼬리 정맥에 형광 추적 종양 세포에 반응하는 항암제를 주사했습니다. 털 없는 쥐에게 먼저 마취 호흡을 시킨 다음, 복강 내 마취제를 사용해 10분간 마취 상태를 유지했습니다.

 

몸통 형광 이미지 측정 결과가 가슴 종양 세포 영역에 밝게 표시되었습니다(그림 8, 연구 1 참조). 또한 항암제의 형광 물질 양에 따라 종양 세포 이미지 주변의 명암 대비가 바뀌었습니다.

 

 

X-Ray 이미지 및 스티칭 결과

PCD의 감지 영역이 6 cm x 3 cm였기 때문에 쥐의 전신 이미지(꼬리 제외 10 cm)를 얻으려면 5개 이상의 이미지가 필요했습니다. 또한 여러 장의 이미지를 하나의 이미지로 결합해야 했습니다. 스티칭 결과를 개선하기 위해 6개의 이미지를 수집해 하나의 이미지로 연결했습니다. 그림 9는 UI 프로그램의 스티칭 창을 나타냅니다. 여기에서 볼 수 있듯이 6개의 스티칭 이미지를 수집한 뒤 처리 버튼을 누르면 결과 이미지를 얻을 수 있습니다.

 

형광 및 X-Ray 이미지의 공동 등록

형광 물질의 기능적 정보와 X-ray의 해부학적 정보를 동시에 수집하려면 공동 등록 기능을 사용해야 합니다. 그림 10은 어플리케이션의 뛰어난 공동 등록 방식을 통해 형광 및 X-Ray를 공동 등록한 결과를 나타냅니다.

 

 

CT 토모그래피 결과

이미지를 수집하기 위해 360도 원시 데이터를 1도 간격으로 수집했습니다. CT 이미지 재구성 알고리즘은 LabVIEW에 포함되어 있지 않습니다. UI에 있는 360개의 이미지는 별도의 이미지 처리 코드를 통해 CT 이미지로 재구성할 수 있습니다. 또한 본 어플리케이션은 3D CT 이미지를 표시하도록 구현되지 않았기 때문에 원하는 단면의 2D 이미지만 볼 수 있습니다. 그림 11은 쥐 골반의 CT 이미지를 재구성한 것입니다. 그림 11은 베드(초승달 모양), 쥐의 연조직(회색 영역)과 경조직(흰색 부분)을 나타냅니다. 이것은 사전 처리를 거치지 않은 원본 이미지입니다.

 

스펙트럼 CT 이미지

스펙트럼 CT는 일반 CT와 달리 원하는 에너지 파장의 이미지를 추출할 수 있습니다. 그림 12 (A)처럼 3가지 재료로 만들어진 모형을 사용해 개체의 확실한 CT 이미지를 수집할 수 있습니다. 그림 12 (B)는 일반 CT를 나타냅니다. 그림 12 (C)는 스펙트럼 CT 기능을 통해 수집된 선명한 아이오딘 이미지를 나타냅니다. 그림 12 (D)는 황산구리(CuSO4)의 이미지입니다.

 

 

이 어플리케이션의 장점

일반 CT 이미지는 흰색 또는 어두운 이미지를 통해 제한된 정보만 나타냅니다. 기존의 CT 이미지에서는 연조직 또는 경조직 이미지를 분리하여 볼 수 없었습니다. 그러나 스펙트럼 CT 기법을 사용하면 연조직 또는 경조직 이미지를 분리하여 볼 수 있을 뿐만 아니라 조영제 유무에 관계 없이 이미지를 재구성할 수 있습니다. 스펙트럼 CT는 임상적으로 의미 있는 정보를 제공할 수 있으며 이러한 이미지는 일반 CT 이미지에서 관찰할 수 없습니다.

 

스펙트럼 CT 및 형광 기술의 장점을 통합하여 해부학적 정보와 기능적 이미지를 결합할 수 있습니다. NI 제품(모터 컨트롤러, DAQ 디바이스, 컨트롤 섀시)이 아니었다면 멀티모달 이미징 시스템을 개발할 수 없었을 겁니다. PXIe-1073 디바이스는 특히 PC와 디바이스를 연결하기 편리해 어플리케이션 개발의 수많은 어려움을 미연에 방지해 주었습니다. 당사는 OS 또는 임베디드 시스템이 없는 단순한 구조가 필요했습니다. 이 어플리케이션은 신약 개발, 의료 형광 개발, 새로운 진단/치료 기술 개발을 위한 기초 시스템으로 활용할 수 있습니다. 기존의 CT 및 형광 이미징 시스템에서는 볼 수 없는 새로운 진단 이미지 정보를 제공할 수 있습니다.

 

스펙트럼 CT와 신체 형광 이미징 시스템을 통합한 세계적 수준의 디바이스입니다. 시스템 설계, 멀티모달 시스템 개발, 시스템 확인, 임상전 동물 연구를 포함한 전체 프로세스를 8개월 만에 모두 마쳤습니다. LabVIEW 소프트웨어를 포함한 NI 제품이 없었다면 8개월 안에 끝낼 수 없었을 겁니다.

 

결론

NI 제품(LabVIEW 소프트웨어, NI 모터 컨트롤러, DAQ 디바이스, 통합 섀시)은 모달리티 이미지 - 스펙트럼 CT 및 신체 형광 이미징을 개발하고 통합하는 데 중요한 역할을 수행했습니다. 검증된 NI 플랫폼은 LabVIEW 프로그램 개발팀과 하드웨어 팀 간의 협력을 촉진했습니다.

 

향후에는 어플리케이션의 소프트웨어 모듈(3D 스펙트럼 CT 재구성 알고리즘, 볼륨 렌더링, 사용자 친화적 UI)을 개선하기 위한 연구를 수행하려 합니다. 제약 회사 및 약학 대학과 협력하여 지속적으로 암 치료를 위한 신약 또는 신소재 개발을 계획할 것입니다. 가까운 미래에는 암 치료를 위한 신약을 발견할 수 있을 것으로 예상하며 본 어플리케이션을 통해 신약의 효과를 가시화할 것입니다.

 

필자 정보:

Dr. Seung-Oh Jin
Korea Electrotechnology Research Institute
Tel: +82 31 8040 4152
sojin@keri.re.kr

그림 1. 어플리케이션 프로토타입
그림 2. 주요 부품의 위치
그림 3. 제어 시스템의 블록다이어그램
그림 4. 멀티윈도우 사용자 인터페이스
그림 5. 시스템 검증을 위한 쥐 모형
그림 6. 다양한 파장의 형광 이미지
그림 7. 임상전 동물 연구
그림 8. 임상전 동물 연구 결과
그림 9. 이미지 스티칭
그림 10. 공동 등록 결과
그림 11. CT 이미지
그림 12. 스펙트럼 CT를 사용한 재질 분해