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문제 정의
- 이 논문에서는 국제표준 규약에 따라 디지털 X-선 영상 검출기의 특성을 평가하는 과정을 기술하며, 저자들이 개발한 검출기에 대해 측정된 특성자료들을 제시한다.
- 이 연구에서는 저자들이 개발한 직접방식 디지털 X-선 영상 검출기에 대해 국제표준으로 권고된 측정방법에 따라 특성을 평가하였다. 이 검출기는 이 연구에서 수행된 측정 결과를 바탕으로 미국 FDA에 의해 국내 최초로 직접방식 검출기로서 승인을 득한 바 있다.
- 저자들은 비정질 셀레늄을 감응물질로 사용하는 평판형 X-선 영상 검출기를 개발하였고, 이에 대해 국제 표준의 측정규약에 따라 특성평가를 수행하였으며 이 자료를 바탕으로 국내최초로 FDA의 승인을 획득하였다.
제안 방법
- 공기 커마는 이온챔버 장치로 측정할 수 있으며, 이 연구에서는 TRIAD TnT X-ray field kit (모델명: 10500AMT, 제조사: Fluke Biomedical, 조제지: Everett, WA, USA)를 사용하였다. 공기 커마 대 100×100 화소의 출력 값의 평균을 그래프로 그리고, 이 그래프에서 선형영역의 기울기를 구함으로써 특성곡선의 이득을 구하였다.
- 기존의 자사 제품과 차별화되는 점은 DQE 향상을 위하여 화소 크기를 139 ㎛에서 168 ㎛로 변경하였고 검출부위 영역을 기존의 14×17 inch에서 17×17 inch로 변경하였다. 또한 Back Light Unit을 냉음극형광램프에서 발광다이오드 배열로 변경함으로써 인버터를 사용하지 않게 됨으로써 소비전력을 저감시켰고 냉음극형광램프의 턴온 시간이 불완전한 부분을 개선하였다.
- 다음으로 검출기에 X-선을 조사하고 각각의 조사에 대해서 검출기 표면에서의 공기 커마(Air kerma)값을 측정한다. 공기 커마는 이온챔버 장치로 측정할 수 있으며, 이 연구에서는 TRIAD TnT X-ray field kit (모델명: 10500AMT, 제조사: Fluke Biomedical, 조제지: Everett, WA, USA)를 사용하였다.
- 측정에 사용된 검출기의 규격과 동작원리를 설명하고, 응답특성(response characteristic)과 MTF, NPS, 그리고 DQE의 측정방법과 결과들을 제시하며, 종래의 검출기들과의 특성 차이를 고찰한다.
- 특성함수를 구하기 위해 촬영한 영상 중에서 선형 구간에 있는 영상들을 이용하여 잡음전력 스펙트럼을 계산하였으며 결과는 Fig. 6과 같다. 전 주파수 대역에서 매우 균일한 잡음특성을 나타냄을 알 수 있다.
대상 데이터
- MTF 측정을 위하여 2 mm두께의 텅스텐 에지 팬텀을 제작하였다. 이 팬텀의 측정에 사용되는 모서리는 잘 연마되어야 한다.
- 14×17인치 크기의 수광면을 2,048×2,560의 화소 배열로 대응하게 되어있으며, 화소 간격은 168 um이며 83%의 fill factor를 가지는 정방형 화소면으로 구성되어 있다. X-선을 직접 전기신호로 변환하기 위하여 비정질 셀레늄층과 비정질 실리콘 박막 트랜지스터 배열을 갖도록 제작되었다.
- 입사 조사량이 10 mR이상인 구간에서는 비선형적인 응답을 나타내었는데, 이는 제작된 검출기의 적층 구조에 기인한다. 사용된 검출기는 하층부터 각각의 화소로 이루어지는 박막 트랜지스터 배열, 셀레늄 층, 절연체층, 전극의 적층 구조를 가지고 있다. X-선이 조사될 때에 전자와 정공 쌍들이 셀레늄 층에서 의해 형성되며, 전계에 의하여 정공은 화소 전극에 축적되고 전자는 셀레늄 층과 절연체 층의 계면에 축적된다.
- 이 연구에 사용된 검출기는 일반 X-선 촬영을 목적으로 개발된 것으로서, 검출기의 개요도는 Fig. 1에, 그리고 검출기의 치수들은 Table 1에 각각 나타내었다. 14×17인치 크기의 수광면을 2,048×2,560의 화소 배열로 대응하게 되어있으며, 화소 간격은 168 um이며 83%의 fill factor를 가지는 정방형 화소면으로 구성되어 있다.
이론/모형
- DQE 측정은 IEC에 의해 제정된 국제규약2)을 따라 수행되었다. 촬영조건은 RQA5조건을 사용하였으며, 다음과 같은 점들에 유의하여 측정이 수행되었다.
- 다음으로 검출기에 X-선을 조사하고 각각의 조사에 대해서 검출기 표면에서의 공기 커마(Air kerma)값을 측정한다. 공기 커마는 이온챔버 장치로 측정할 수 있으며, 이 연구에서는 TRIAD TnT X-ray field kit (모델명: 10500AMT, 제조사: Fluke Biomedical, 조제지: Everett, WA, USA)를 사용하였다. 공기 커마 대 100×100 화소의 출력 값의 평균을 그래프로 그리고, 이 그래프에서 선형영역의 기울기를 구함으로써 특성곡선의 이득을 구하였다.
성능/효과
- 1 mm가 되도록 70에서 80 kVp사이에서 조정한다.3) 결과적으로 이 연구에서는 76 kVp을 사용하였다. 각각의 X-선 시스템들은 사용하는 X-선관이나 X-선 발생장치 등에 의해 변동량이 있으므로 다른 시스템의 DQE를 비교할 때에 반드시 반가층을 통해 얻어진 표준 스펙트럼을 사용하도록 되어있다.
- a) 어떤 시험용 팬텀 없이 영상은 획득되어야 하며 촬영 조건은 특성곡선 촬영 시에 사용된 표준 조건을 사용한다. b) 각각의 측정영상에 대하여 2차원의 2차 다항식을 이용하여 경향성 제거를 수행한다.
- 결론적으로 이 연구에서는 국내에서 개발된 직접방식의 디지털 X-선 검출기에 대해 국제규격에 따라 영상특성 평가를 수행했으며, 그 결과 얻어진 수치들을 통하여 기존 제품들과의 객관적인 비교와 우월점, 그리고 향후 개선방향 등을 도출할 수 있었다. 이 논문에서 제시된 방법과 결과들은 향후 유사 연구를 수행함에 있어 참조로서 활용될 수 있을 것이다.
- 기존의 일반 촬영용으로 개발된 직접/간접방식 DR, CR, 그리고 Film/Screen 등과 DQE 결과를 참고문헌에 나와 있는 그래프와 비교해 보면 측정 방식에 차이가 있으나 CR과 Screen/film 방식의 DQE (0)가 각각 25%, 20%인 것과 비교할 때 상당히 높은 수치를 가짐을 알 수 있었다. 해외 타사의 직접방식 제품과 비교할 때에도 비교제품의 DQE(0)가 32% 정도인 것에 비해 이 연구에 사용된 검출기가 높은 값을 나타내었다.
- 97 lp/mm에서 여러 수준의 X-선 조사량에 대한 DQE측정값들을 그래프로 보여준다. 두 주파수 모두에서 입사 에너지량이 0.5 mR 이상이 되면 DQE가 거의 일정한 수준을 유지함을 알 수 있다.
- 기존의 자사 제품과 차별화되는 점은 DQE 향상을 위하여 화소 크기를 139 ㎛에서 168 ㎛로 변경하였고 검출부위 영역을 기존의 14×17 inch에서 17×17 inch로 변경하였다. 또한 Back Light Unit을 냉음극형광램프에서 발광다이오드 배열로 변경함으로써 인버터를 사용하지 않게 됨으로써 소비전력을 저감시켰고 냉음극형광램프의 턴온 시간이 불완전한 부분을 개선하였다. 또한 고전압발생장치에 사용하는 스위치를 릴레이에서 반도체 스위치로 변경하여 고전압 턴오프 동작의 불완전함을 개선하여 전반적으로 시스템 동작이 안정화되었다.
- 또한 Back Light Unit을 냉음극형광램프에서 발광다이오드 배열로 변경함으로써 인버터를 사용하지 않게 됨으로써 소비전력을 저감시켰고 냉음극형광램프의 턴온 시간이 불완전한 부분을 개선하였다. 또한 고전압발생장치에 사용하는 스위치를 릴레이에서 반도체 스위치로 변경하여 고전압 턴오프 동작의 불완전함을 개선하여 전반적으로 시스템 동작이 안정화되었다.
- 또한 양자 제한된 특성을 평가한 결과, 0.023 mR 이하에서만 제한된 특성을 보여 일반촬영용도로서 적합성을 확인할 수 있었다.
- 영상특성평가 결과, 개발된 검출기의 DQE 값은 최고 40%의 수치를 가졌으며, Nyquist 공간주파수에서도 25%의 높은 수준을 유지함을 알 수 있었다.
- 특히 DQE 측정은 특성함수의 선형 영역에서만 유효하다. 이 시스템에서는 선형영역이 약 0.03 mR에서 10 mR의 영역임을 알 수 있었으며, 이 구간에서 1297.1 Digits/mR의 기울기를 구할 수 있었다. 입사 조사량이 10 mR이상인 구간에서는 비선형적인 응답을 나타내었는데, 이는 제작된 검출기의 적층 구조에 기인한다.
- 해외 타사의 직접방식 제품과 비교할 때에도 비교제품의 DQE(0)가 32% 정도인 것에 비해 이 연구에 사용된 검출기가 높은 값을 나타내었다. 일부 간접방식 DR 제품의 DQE(0)가 60%를 상회하는 경우도 있으나 고주파영역에서는 낮은 MTF로 인하여 급격히 떨어지는 형태를 보이고 있고 제안된 제품의 DQE와 값이 역전되는 경우도 있음을 알 수 있었다.7,8) Fig.
- 기존의 일반 촬영용으로 개발된 직접/간접방식 DR, CR, 그리고 Film/Screen 등과 DQE 결과를 참고문헌에 나와 있는 그래프와 비교해 보면 측정 방식에 차이가 있으나 CR과 Screen/film 방식의 DQE (0)가 각각 25%, 20%인 것과 비교할 때 상당히 높은 수치를 가짐을 알 수 있었다. 해외 타사의 직접방식 제품과 비교할 때에도 비교제품의 DQE(0)가 32% 정도인 것에 비해 이 연구에 사용된 검출기가 높은 값을 나타내었다. 일부 간접방식 DR 제품의 DQE(0)가 60%를 상회하는 경우도 있으나 고주파영역에서는 낮은 MTF로 인하여 급격히 떨어지는 형태를 보이고 있고 제안된 제품의 DQE와 값이 역전되는 경우도 있음을 알 수 있었다.
후속연구
- TFT의 데이터배선 용량 저감과 오프전류 저감, fill factor 향상과 광도전층의 감도 향상 암전류 감소와 전하 증폭기에 BiCMOS 공정채용으로 잡음감소를 꾀하고, 필터 채용 등을 통하여 한층 잡음 저감화가 이루어질 수 있다. 더불어 구동신호나 구동방식의 최적화, 게인 보정과 같은 영상 전처리 개선을 통하여 신호 대 노이즈 특성을 개선하는 방법 등이 가능할 것이다.
- 이 검출기는 이 연구에서 수행된 측정 결과를 바탕으로 미국 FDA에 의해 국내 최초로 직접방식 검출기로서 승인을 득한 바 있다. 이 논문에서 기술된 방법들과 결과들은 미국 FDA에 의해 검토되고 인정된 내용들이어서, 향후 국내 개발된 제품들에 대해 국제규격에 따른 영상특성 평가를 수행할 경우 참조로 활용될 수 있을 것이다.
- 결론적으로 이 연구에서는 국내에서 개발된 직접방식의 디지털 X-선 검출기에 대해 국제규격에 따라 영상특성 평가를 수행했으며, 그 결과 얻어진 수치들을 통하여 기존 제품들과의 객관적인 비교와 우월점, 그리고 향후 개선방향 등을 도출할 수 있었다. 이 논문에서 제시된 방법과 결과들은 향후 유사 연구를 수행함에 있어 참조로서 활용될 수 있을 것이다.
- 향후에는 DQE를 향상시키기 위해서는 검출기의 중요한 부품인 TFT 기판, 광도전층 물질, 전하 증폭기에서의 전반적인 노이즈를 저감시키는 것이 필요하다. TFT의 데이터배선 용량 저감과 오프전류 저감, fill factor 향상과 광도전층의 감도 향상 암전류 감소와 전하 증폭기에 BiCMOS 공정채용으로 잡음감소를 꾀하고, 필터 채용 등을 통하여 한층 잡음 저감화가 이루어질 수 있다.
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