X선 스펙트럼 모델을 이용한 DR 화소값과 디텍터 흡수에너지의 관계에 대한 정량적 분석 Quantitative Analysis of Digital Radiography Pixel Values to absorbed Energy of Detector based on the X-Ray Energy Spectrum Model원문보기
현재 평판 디텍터를 이용한 디지털 방사선 촬영기술은 방사선 진단 기술 분야에 있어서 매우 중요하고 유용하게 사용되고 있다. 비정질 실리콘광센서를 사용하는 디지털 방사선 촬영기에는 흡수되는 방사선 에너지를 가시광선으로 변환하는 신틸레이터로 보통 CsI(TI)를 사용한다. 신틸레이터에서 만들어진 가시광선은 이차원 평면으로 구성된 비정실 실리콘 광 다이오드에서 전기적 신호로 전환된다. 좋은 질의 영상을 얻기 위해서는 디지털 방사선 촬영기(Digital Radiography, DR) 디텍터의 방사선에 대한 세부적인 특성 연구가 필수적이다. 이러한 이유로 조사선량과 디지털 방사선 촬영기의 신호의 관계에 대해서 많은 연구가 이루어졌지만 현재까지의 연구에서는 고정된 관전압의 조건에서 두 변수의 관계에 대한 연구가 이루어졌다. 이에 본 연구에서는 X선 스펙트럼 모델인 SPEC-78을 사용하여 조사선량 대신 디텍터에 흡수되는 에너지와 디지털 방사선 촬영기의 신호와의 관계를 규명하였다. SPEC-78의 주요 입력변수인 X-ray 튜브의 고유 필터 값을 구하기 위해 조사선량을 측정하여 계산한 조사선량과 비교하였다. 물질에 흡수되는 X-ray의 에너지를 계산하는 알고리즘을 상정하여 디텍터에 흡수되는 에너지를 계산하고 다양한 조건에서 실제 X선 영상의 화소값을 획득하였다. 두변수의 관계를 이용해 특성곡선을 얻었으며 이 결과를 검증하기 위해서 물과 알루미늄으로 제작된 팬텀을 이용하였다. 다양한 조건에서 팬텀 영상의 화소값을 측정하였고 특성곡선과 비교하였다 이러한 과정으로 진행된 연구의 결과로 디텍터에 흡수되는 에너지와 디지털 방사선 촬영기의 신호는 거의 선형적임을 알 수 있었다. 또한 팬텀을 이용한 실험에서도 산란된 광자의 영향으로 유발된 약간의 오차에도 불구하고 측정되어진 화소값은 특성곡선과 잘 일치하였다 본 연구를 통해 규명되어진 두 변수의 관계는 예상과 거의 일치하였지만 산란선에 대한 부분은 흡수에너지 계산 알고리즘에서 빠져있어 더 연구가 되어야 할 부분이다. 본 연구를 통해 얻어진 자료들은 디지털 방사선 촬영기의 전처리 과정에 있어서 중요한 정보를 제공할 수 있을 것이라 생각된다.
현재 평판 디텍터를 이용한 디지털 방사선 촬영기술은 방사선 진단 기술 분야에 있어서 매우 중요하고 유용하게 사용되고 있다. 비정질 실리콘 광센서를 사용하는 디지털 방사선 촬영기에는 흡수되는 방사선 에너지를 가시광선으로 변환하는 신틸레이터로 보통 CsI(TI)를 사용한다. 신틸레이터에서 만들어진 가시광선은 이차원 평면으로 구성된 비정실 실리콘 광 다이오드에서 전기적 신호로 전환된다. 좋은 질의 영상을 얻기 위해서는 디지털 방사선 촬영기(Digital Radiography, DR) 디텍터의 방사선에 대한 세부적인 특성 연구가 필수적이다. 이러한 이유로 조사선량과 디지털 방사선 촬영기의 신호의 관계에 대해서 많은 연구가 이루어졌지만 현재까지의 연구에서는 고정된 관전압의 조건에서 두 변수의 관계에 대한 연구가 이루어졌다. 이에 본 연구에서는 X선 스펙트럼 모델인 SPEC-78을 사용하여 조사선량 대신 디텍터에 흡수되는 에너지와 디지털 방사선 촬영기의 신호와의 관계를 규명하였다. SPEC-78의 주요 입력변수인 X-ray 튜브의 고유 필터 값을 구하기 위해 조사선량을 측정하여 계산한 조사선량과 비교하였다. 물질에 흡수되는 X-ray의 에너지를 계산하는 알고리즘을 상정하여 디텍터에 흡수되는 에너지를 계산하고 다양한 조건에서 실제 X선 영상의 화소값을 획득하였다. 두변수의 관계를 이용해 특성곡선을 얻었으며 이 결과를 검증하기 위해서 물과 알루미늄으로 제작된 팬텀을 이용하였다. 다양한 조건에서 팬텀 영상의 화소값을 측정하였고 특성곡선과 비교하였다 이러한 과정으로 진행된 연구의 결과로 디텍터에 흡수되는 에너지와 디지털 방사선 촬영기의 신호는 거의 선형적임을 알 수 있었다. 또한 팬텀을 이용한 실험에서도 산란된 광자의 영향으로 유발된 약간의 오차에도 불구하고 측정되어진 화소값은 특성곡선과 잘 일치하였다 본 연구를 통해 규명되어진 두 변수의 관계는 예상과 거의 일치하였지만 산란선에 대한 부분은 흡수에너지 계산 알고리즘에서 빠져있어 더 연구가 되어야 할 부분이다. 본 연구를 통해 얻어진 자료들은 디지털 방사선 촬영기의 전처리 과정에 있어서 중요한 정보를 제공할 수 있을 것이라 생각된다.
Flat panel based digital radiography (DR) systems have recently become useful and important in the field of diagnostic radiology. For DRs with amorphous silicon photosensors, CsI(TI) is normally used as the scintillator, which produces visible light corresponding to the absorbed radiation energy. Th...
Flat panel based digital radiography (DR) systems have recently become useful and important in the field of diagnostic radiology. For DRs with amorphous silicon photosensors, CsI(TI) is normally used as the scintillator, which produces visible light corresponding to the absorbed radiation energy. The visible light photons are converted into electric signal in the amorphous silicon photodiodes which constitute a two dimensional array. In order to produce good quality images, detailed behaviors of DR detectors to radiation must be studied. The relationship between air exposure and the DR outputs has been investigated in many studies. But this relationship was investigated under the condition of the fixed tube voltage. In this study, we investigated the relationship between the DR outputs and X-ray in terms of the absorbed energy in the detector rather than the air exposure using SPEC-l8, an X-ray energy spectrum model. Measured exposure was compared with calculated exposure for obtaining the inherent filtration that is a important input variable of SPEC-l8. The absorbed energy in the detector was calculated using algorithm of calculating the absorbed energy in the material and pixel values of real images under various conditions was obtained. The characteristic curve was obtained using the relationship of two parameter and the results were verified using phantoms made of water and aluminum. The pixel values of the phantom image were estimated and compared with the characteristic curve under various conditions. It was found that the relationship between the DR outputs and the absorbed energy in the detector was almost linear. In a experiment using the phantoms, the estimated pixel values agreed with the characteristic curve, although the effect of scattered photons introduced some errors. However, effect of a scattered X-ray must be studied because it was not included in the calculation algorithm. The result of this study can provide useful information about a pre-processing of digital radiography.
Flat panel based digital radiography (DR) systems have recently become useful and important in the field of diagnostic radiology. For DRs with amorphous silicon photosensors, CsI(TI) is normally used as the scintillator, which produces visible light corresponding to the absorbed radiation energy. The visible light photons are converted into electric signal in the amorphous silicon photodiodes which constitute a two dimensional array. In order to produce good quality images, detailed behaviors of DR detectors to radiation must be studied. The relationship between air exposure and the DR outputs has been investigated in many studies. But this relationship was investigated under the condition of the fixed tube voltage. In this study, we investigated the relationship between the DR outputs and X-ray in terms of the absorbed energy in the detector rather than the air exposure using SPEC-l8, an X-ray energy spectrum model. Measured exposure was compared with calculated exposure for obtaining the inherent filtration that is a important input variable of SPEC-l8. The absorbed energy in the detector was calculated using algorithm of calculating the absorbed energy in the material and pixel values of real images under various conditions was obtained. The characteristic curve was obtained using the relationship of two parameter and the results were verified using phantoms made of water and aluminum. The pixel values of the phantom image were estimated and compared with the characteristic curve under various conditions. It was found that the relationship between the DR outputs and the absorbed energy in the detector was almost linear. In a experiment using the phantoms, the estimated pixel values agreed with the characteristic curve, although the effect of scattered photons introduced some errors. However, effect of a scattered X-ray must be studied because it was not included in the calculation algorithm. The result of this study can provide useful information about a pre-processing of digital radiography.
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문제 정의
고정되지 않은 관전압에서 다른 화소값을 얻을 수 있는지에 대해 조사하였다. 같은 조사선량이라도 높은 관전압에서 큰 화소값을 보이는 것을 Fig.
본 연구에서는 디텍터에 흡수되는 에너지와 화소값과의 관계를 간단한 식을 이용하여 정량적으로 알아보고자 하였다. 이를 위해 X-ray 스펙트럼 모델의 입력 자료를 얻기 위해 조사선량을 측정한 실험을 수행하였으며 간단한 식을 통한 흡수에너지 계산, 팬텀을 이용한 실험으로 그 관계를 검증하였다.
등의 여러가지 이유로 사용된다. 본 연구에서는 알루미늄 필터의 두께를 조절하여 획득한 조사선량과 Spec-78을 이용하여 계산한 조사선량을 비교하여 고유 여과량을 구하고자 한다. 이는 흡수에너지를 계산하기 위해 Spec-78에서 생성한 X-ray 스펙트럼의 정확한 입력 변수를 얻고자 함이다.
본 연구에서는 조사선량 대신 디텍터가 실제 흡수하는 에너지를 계산하여 디텍터에 흡수된 에너지와 화소값과의 관계를 정량적으로 분석하고자 하였다. X-ray generator에서 만들어진 X-ray는 단일 에너지가 아닌 스펙트럼 형태의 에너지를 가지기 때문에 디텍터에 흡수된 에너지를 계산하기 위해 X-ray 스펙트럼을 재현할 수 있는 X-ray 빔 모델인 Spec-78을 사용하였다.
본 연구에서는 알루미늄 필터의 두께를 조절하여 획득한 조사선량과 Spec-78을 이용하여 계산한 조사선량을 비교하여 고유 여과량을 구하고자 한다. 이는 흡수에너지를 계산하기 위해 Spec-78에서 생성한 X-ray 스펙트럼의 정확한 입력 변수를 얻고자 함이다.
제안 방법
14 mR의 조사선량을 획득하였다. SPEC-78에 알루미늄 0.95 mm, 1.00 mm, 1.05 mm, 1.10 mm의 두께를 입력하여 만든 스펙트럼을 이용하여 70 kVp, 3 mAs에서의 조사선량을 예측하였으며 그 결과를 Fig. 4에서 볼 수 있다. 고유 여과량에 해당하는 알루미늄의 두께는 Fig.
흡수에너지 계산에 사용된 X-ray 스펙트럼은 각각의 팬텀의 두께와 물질 구성을 SPEC-78에 입력하여 만들었다. X-ray 스펙트럼을 사용하여 흡수에너지를 계산하였으며 팬텀 영상의 화소값은 flat field 영상의 결과를 이용하여 예측하였다. 팬텀 영상은 다양한 촬영 조건에서 획득했으며 그 촬영조건을 Table 1에 요약하였다.
97 J/C를 가지며 #(E)는 National Institute of Standards and Technology (NIST, US A) 에서 자료를 획득하였다. 다양한 알루미늄 filtration 두께를 식 (2)에 적용하여 얻은 조사선량을 그래프에 표시하고 실제 실험에서 획득된 조사 선량과 비교하여 고유 여과량을 구하였다.
하지만 환자의 영상의 경우 산란선을 반드시 고려하여야 한다. 본 연구에서 광자의 산란된 지점에서의 에너지 전달만을 고려하였으며 디텍터 개개의 화소에 대한 산란된 광자의 효과는 계산하지 않았다. 따라서 대상이 되는 물체를 촬영하거나 대조도가 필요한 영상의 경우 특성곡선을 이용하여 화소값의 분포를 확인하는 것은 매우 어려운 일이다.
X-ray generator에서 만들어진 X-ray는 단일 에너지가 아닌 스펙트럼 형태의 에너지를 가지기 때문에 디텍터에 흡수된 에너지를 계산하기 위해 X-ray 스펙트럼을 재현할 수 있는 X-ray 빔 모델인 Spec-78을 사용하였다. 이 과정을 통해 만들어진 특성 곡선은 알루미늄과 물로 만들어진 팬텀의 영상을 이용하여 검증하였다.
이를 위해 X-ray 스펙트럼 모델의 입력 자료를 얻기 위해 조사선량을 측정한 실험을 수행하였으며 간단한 식을 통한 흡수에너지 계산, 팬텀을 이용한 실험으로 그 관계를 검증하였다.
조사선량을 측정하기 위해 사용한 electrometer는 Radcal (CA, USA)에서 생산된 2026C 모델이며 같은 회사에서 만들어진 20X6-60 모델의 60 cm3 체적을 가지는 이온함을 electrometer에 연결하였다. electrometer는 X-ray 타겟 전방 180 cm에 설치하였으며, 70 kVp, 3 mAs의 조건에서 10번을 반복하여 조사선량을 측정하였다.
측정한 화소값과 흡수에너지의 관계를 검증하기 위해서 팬텀을 이용한 실험을 수행하였다. 팬텀은 Fig.
디텍터에 입사하는 X-ray 에너지와 화소값과의 관계를 확인하기 위해 다양한 조건에서 flat field 영상을 획득하였다. 화소값은 60 kVp에서 120 kVp까지 10 kVp 단위로 디텍터가 포화상태가 될 때까지 mAs를 증가시키면서 측정하였다. 평균 화소값은 하나의 이미지당 100×100개의 픽셀을 평균하여 계산하였다.
대상 데이터
CsI(Tl) 섬광체는 가시광선의 산란을 막아 해상도를 높여주는 바늘형 구조로 이루어져 있다. X-ray 튜브는 Eureka (IL, USA)사에서 제조된 Rad-13 모델로 타겟 물질은 텅스텐이고 anode anglee 16°이다. 그리드는 사용하지 않았으며 타겟과 디텍터의 거리(SID)는 180 cm이다.
고유 여과량을 확인하기 위한 조사선량 실험에서는 70 kVp, 3 mAs의 노출 조건에서 12.14 mR의 조사선량을 획득하였다. SPEC-78에 알루미늄 0.
신호로 바뀐다. 디텍터에 입사하는 X-ray 에너지와 화소값과의 관계를 확인하기 위해 다양한 조건에서 flat field 영상을 획득하였다. 화소값은 60 kVp에서 120 kVp까지 10 kVp 단위로 디텍터가 포화상태가 될 때까지 mAs를 증가시키면서 측정하였다.
본 연구에서 사용한 디텍터는 a-Si : H 광센서와 CsI(Tl) 섬광체를 사용한 flat panel detector로 픽셀 크기 143 μm, 3121×3121 픽셀 매트릭스 구조의 43×43cm2 크기의 Tri- xell (Moirans, France)에서 제조된 Pixium 4600 모델이다. CsI(Tl) 섬광체는 가시광선의 산란을 막아 해상도를 높여주는 바늘형 구조로 이루어져 있다.
산란선은 홉수에너지 계산에서 제외되었기 때문에 산란선을 제거하기 위해 디텍터 가운데 전면에 중앙에 5 mm의 지름의 구멍을 가지는 10 mm 두께의 납판을 부착하였다. 산란선 효과를 최소화하기 위해서 팬텀은 X-ray source 전방 100 mm에 위치하였다. 흡수에너지 계산에 사용된 X-ray 스펙트럼은 각각의 팬텀의 두께와 물질 구성을 SPEC-78에 입력하여 만들었다.
1에서 보여지는 구조대로 알루미늄과 물로 제작되었다. 알루미늄 팬텀의 두께는 10 mm, 15 mm, 21 mm이고 물의 두께는 71 mm, 106 mm, 130 mm이다. 산란선은 홉수에너지 계산에서 제외되었기 때문에 산란선을 제거하기 위해 디텍터 가운데 전면에 중앙에 5 mm의 지름의 구멍을 가지는 10 mm 두께의 납판을 부착하였다.
컴퓨터 프로그램을 사용하였다. 이 프로그램의 입력 변수는 세 가지의 타겟 물질, 30 kVp에서 150 kVp 까지의 관전압, anode angle, 전압 기복율 그리고 스펙트럼을 감쇠시키는 물질 등이다. 다양한 입력 변수의 조합에 따라 X-ray 타겟 전방 750 nun에서의 단위 mAs당, 단위 mm2당 X-ray 광자의 수를 출력 자료로 보여주며, 또한 스펙트럼을 분석하여 평균 광자 에너지, air kerma, 그리고 1st HVL도 획득할 수 있다.
X-ray 스펙트럼을 사용하여 흡수에너지를 계산하였으며 팬텀 영상의 화소값은 flat field 영상의 결과를 이용하여 예측하였다. 팬텀 영상은 다양한 촬영 조건에서 획득했으며 그 촬영조건을 Table 1에 요약하였다. 납판 구멍 안의 23×23 픽셀들의 화소값을 평균하여 실제 팬텀 영상의 평균 화소값을 구하였으며 예측된 화소값과 비교하였다.
이용한 실험을 수행하였다. 팬텀은 Fig. 1에서 보여지는 구조대로 알루미늄과 물로 제작되었다. 알루미늄 팬텀의 두께는 10 mm, 15 mm, 21 mm이고 물의 두께는 71 mm, 106 mm, 130 mm이다.
데이터처리
팬텀 영상은 다양한 촬영 조건에서 획득했으며 그 촬영조건을 Table 1에 요약하였다. 납판 구멍 안의 23×23 픽셀들의 화소값을 평균하여 실제 팬텀 영상의 평균 화소값을 구하였으며 예측된 화소값과 비교하였다.
화소값은 60 kVp에서 120 kVp까지 10 kVp 단위로 디텍터가 포화상태가 될 때까지 mAs를 증가시키면서 측정하였다. 평균 화소값은 하나의 이미지당 100×100개의 픽셀을 평균하여 계산하였다.
이론/모형
정량적으로 분석하고자 하였다. X-ray generator에서 만들어진 X-ray는 단일 에너지가 아닌 스펙트럼 형태의 에너지를 가지기 때문에 디텍터에 흡수된 에너지를 계산하기 위해 X-ray 스펙트럼을 재현할 수 있는 X-ray 빔 모델인 Spec-78을 사용하였다. 이 과정을 통해 만들어진 특성 곡선은 알루미늄과 물로 만들어진 팬텀의 영상을 이용하여 검증하였다.
디텍터에 흡수되는 X-ray의 에너지를 계산하기 위해 사용한 X-ray 스펙트럼 자료는 Institute of Physics and Engineering in Medicine (IPEM, United Kingdom) 에서 만든 SPEC-78 컴퓨터 프로그램을 사용하였다. 이 프로그램의 입력 변수는 세 가지의 타겟 물질, 30 kVp에서 150 kVp 까지의 관전압, anode angle, 전압 기복율 그리고 스펙트럼을 감쇠시키는 물질 등이다.
성능/효과
6에 나타내었다. flat field 실험의 결과보다 약간 높은 값을 보였지만 예측된 값과 잘 일치하였다. 예측된 값보다 약간 높은 값을 나타낸 것은 완전하게 제거되지 않은 팬텀에서 생성된 산란선이 실제 디텍터에 흡수되어 전기신호를 만들어내었기 때문이다.
결론적으로 본 연구에서 제시한 흡수에너지 계산 방법은 매우 만족스러웠다. 더 확장된 영역에서 이 방법을 적용하기 위해서는 산란선과 그리드의 영향을 반드시 고려해야 할 것이다.
팬텀 실험에서는 계산된 흡수에너지가 같음에도 불구하고 산란선의 영향으로 팬텀이 있을 때의 화소값이 없을 때의 화소값보다 약간 컸다.
후속연구
간단한 식에 의해 화소값을 계산하였기 때문에 계산 시간이 매우 짧았으며 이러한 관점에서 DR 시스템에서 수행 할 수 있는 Monte Carlo 모의실험을 어느 정도 대체할 수 있으리라 생각된다. 또한 본 연구에서 도출된 결과는 DR 시스템의 전처리 과정에서 유용한 자료로써 사용할 수 있을 것이다.
만족스러웠다. 더 확장된 영역에서 이 방법을 적용하기 위해서는 산란선과 그리드의 영향을 반드시 고려해야 할 것이다. 이것은 Klein-Nishina formula의 적용과 그리드의 특성 분석 등을 통해 가능할 것이라고 생각한다.
생각된다. 또한 본 연구에서 도출된 결과는 DR 시스템의 전처리 과정에서 유용한 자료로써 사용할 수 있을 것이다. 하지만 환자의 영상의 경우 산란선을 반드시 고려하여야 한다.
따라서 대상이 되는 물체를 촬영하거나 대조도가 필요한 영상의 경우 특성곡선을 이용하여 화소값의 분포를 확인하는 것은 매우 어려운 일이다. 또한 산란선 제거를 위해 사용하는 그리드의 효과도 연구해야 할 과제이다.
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