본 연구의 목적은 직 간접 변환방식 검출기를 사용한 디지털 유방 X선 촬영시스템의 영상 화질을 비교하고 평가함에 있다. 영상의 정량적인 분해능을 나타내는 변조전달함수(MTF), 노이즈 특성을 나타내는 정규화된 잡음력 스펙트럼(NNPS), 그리고 신호 대 잡음비 성능을 나타내는 양자검출효율(DQE)인자를 이용하여 영상 화질평가를 하였다. DQE는 IEC 62220-1-2 규약에 따라 edge팬텀을 사용한 MTF 도출을 이용하여 계산되었다. 대조도 대 노이즈비(CNR) 측정은 한국의료영상품질관리원에서 제시한 가이드라인에 따라 측정되었다. 직접 변환방식 검출기가 간접 변환방식 검출기에 비해 공간주파수별로 MTF와 DQE 값이 높은 것으로 측정되었다. 동일한 평균유선선량(AGD)일 때 직접 변환방식의 검출기는 더 높은 CNR값을 보였다. 공간주파수별로 높은 DQE 값을 갖는 직접 변환방식 검출기는 디지털 유방 X선 촬영시스템에 있어서 향상된 영상 화질과 적은 환자선량을 제공할 것이다.
본 연구의 목적은 직 간접 변환방식 검출기를 사용한 디지털 유방 X선 촬영시스템의 영상 화질을 비교하고 평가함에 있다. 영상의 정량적인 분해능을 나타내는 변조전달함수(MTF), 노이즈 특성을 나타내는 정규화된 잡음력 스펙트럼(NNPS), 그리고 신호 대 잡음비 성능을 나타내는 양자검출효율(DQE)인자를 이용하여 영상 화질평가를 하였다. DQE는 IEC 62220-1-2 규약에 따라 edge 팬텀을 사용한 MTF 도출을 이용하여 계산되었다. 대조도 대 노이즈비(CNR) 측정은 한국의료영상품질관리원에서 제시한 가이드라인에 따라 측정되었다. 직접 변환방식 검출기가 간접 변환방식 검출기에 비해 공간주파수별로 MTF와 DQE 값이 높은 것으로 측정되었다. 동일한 평균유선선량(AGD)일 때 직접 변환방식의 검출기는 더 높은 CNR값을 보였다. 공간주파수별로 높은 DQE 값을 갖는 직접 변환방식 검출기는 디지털 유방 X선 촬영시스템에 있어서 향상된 영상 화질과 적은 환자선량을 제공할 것이다.
The purpose of this study is to comprehensively compare and evaluate the characteristics of image quality for digital mammography systems which use a direct and indirect conversion detector. Three key metrics of image quality were evaluated for the direct and indirect conversion detector, the modula...
The purpose of this study is to comprehensively compare and evaluate the characteristics of image quality for digital mammography systems which use a direct and indirect conversion detector. Three key metrics of image quality were evaluated for the direct and indirect conversion detector, the modulation transfer function (MTF), normalized noise power spectrum (NNPS), and detective quantum efficiency (DQE), which describe the resolution, noise, and signal to noise performance, respectively. DQE was calculated by using a edge phantom for MTF determination according to IEC 62220-1-2 regulation. The contrast to noise ratio (CNR) was evaluated according to guidelines offered by the Korean Institute for Accreditation of Medical Image (KIAMI). As a result, the higher MTF and DQE was measured with direct conversion detector compared to indirect conversion detector all over spatial frequency. When the average glandular dose (AGD) was the same, direct conversion detector showed higher CNR value. The direct conversion detector which has higher DQE value all over spatial frequency would provide the potential benefits for both improved image quality and lower patient dose in digital mammography system.
The purpose of this study is to comprehensively compare and evaluate the characteristics of image quality for digital mammography systems which use a direct and indirect conversion detector. Three key metrics of image quality were evaluated for the direct and indirect conversion detector, the modulation transfer function (MTF), normalized noise power spectrum (NNPS), and detective quantum efficiency (DQE), which describe the resolution, noise, and signal to noise performance, respectively. DQE was calculated by using a edge phantom for MTF determination according to IEC 62220-1-2 regulation. The contrast to noise ratio (CNR) was evaluated according to guidelines offered by the Korean Institute for Accreditation of Medical Image (KIAMI). As a result, the higher MTF and DQE was measured with direct conversion detector compared to indirect conversion detector all over spatial frequency. When the average glandular dose (AGD) was the same, direct conversion detector showed higher CNR value. The direct conversion detector which has higher DQE value all over spatial frequency would provide the potential benefits for both improved image quality and lower patient dose in digital mammography system.
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문제 정의
본 연구에서는 임상에서 사용되고 있는 디지털 유방 X선촬영 시스템의 직접ㆍ간접변환방식의 검출기의 화질을 비교해보고자 한다. 화질 평가를 위해 영상 시스템의 전체적인 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR) 성능을 정량적인 수치로 나타내는 양자효율검출(Detective Quantum Efficiency, DQE)이 사용되었다.
가설 설정
MTF에서 LFD는 검출기내에서 발생한 산란된 X-ray 또는 빛의 산란에 의하여 획득된 edge spread function (ESF)의 tail부분에서의 신호변이(variation)에 의해 생성된다.2) 또한 불균일한 X-ray 빔에 의해서도 영향을 받는다. B시스템은 나이키스트 주파수가 5.
제안 방법
2) 직선성(linearity) 평가 및 반가층(half value layer, HVL): 디지털 유방 X선 촬영시스템의 직선성 및 반가층 평가를 위하여 압박판과 그리드를 제거하였다. 직선성을 평가하기 위하여 28kVp의 관전압에서 가장 낮은 관전류부터 한단계씩 증가시켜가며 화소값이 포화(Saturation)될 때까지 영상을 획득하였다.
HVL측정을 위하여, Al 감약체(순도 99%)의 두께를 증가시켜가며 측정하였다. 후방산란의 영향을 피하기 위해 유방 지지대로부터 위로 100mm 떨어진 곳에 이온 쳄버(Radcal 9095, Radcal, Crop.
본 연구에서는 MTF 도출을 위해 edge 방법을 이용되었다. 검출기의 pixel pitch보다 더 미세한 샘플링 간격(effective sampling distance)을 갖는 composite ESF(edge spread function)를 획득하기 위하여 edge 팬텀은 픽셀 matrix와 3o를 두고 위치시켰다. 샘플링 개수 n 그리고 유효 샘플링 간격 Δx는 각각 1/tanθ, pixel size/n으로 구할 수 있다.
정확히 중심을 맞추기 위하여 9×9cm2의 조사야를 선택하여 조사야 내에 ACR 팬텀을 위치시킨 후 다시 조사야를 최대화시킨다.
2) 직선성(linearity) 평가 및 반가층(half value layer, HVL): 디지털 유방 X선 촬영시스템의 직선성 및 반가층 평가를 위하여 압박판과 그리드를 제거하였다. 직선성을 평가하기 위하여 28kVp의 관전압에서 가장 낮은 관전류부터 한단계씩 증가시켜가며 화소값이 포화(Saturation)될 때까지 영상을 획득하였다. Fig.
대상 데이터
NNPS 측정을 위해 검출기 위에 아무것도 없는 상태로 조사한 white 영상을 4장 획득하였다.
9) CNR평가를 위해 44mm 두께의(압박된 유방 42mm와 흡사) ACR 팬텀(Accreditation Phantom, CIRS, Virginia, USA)이 사용되었으며, 동일한 선량으로 조사되었다. 시스템 A, B (Table 1)의 각기 다른 그리드(Grid)에 의한 영향을 제거하기 위해 영상획득 시 그리드와 압박판은 조사야에서 제거하였다.
획득된 white 영상은 영상의 흉벽쪽에 5×5cm2 크기의 ROI를 설정하였다.
데이터처리
ROI는 9개의 sub_ROI로 분할한후 overlapping시켰다. 9개의 sub_ROI는 원점을 기준으로 같은 거리에 있는 수치들을 평균함으로써 NPS의 신뢰도를 높였다.
Fig. 2과 같이 획득된 영상의 흉벽쪽에 10×10cm2의 region of interest(ROI)를 설정하여 평균 화소값을 획득하였다.
이론/모형
디지털 유방 X선촬영 시스템의 DQE 평가를 위해 IEC 62220-1-2 규약 중 RQA-M-4를 사용하였다.8) 본 연구에서는 DQE를 계산하기 위해 자체 개발한 DQE calculator를 사용하였다. DQE calculator는 MTF, NNPS 그리고 DQE 계산을 모두 포함하고 있으며, Matlab compiler를 사용하여 작성된 독립형 응용프로그램이다.
CNR 평가는 한국의료영상품질관리원에서 제시한 가이드라인에 따라 측정되었다.9) CNR평가를 위해 44mm 두께의(압박된 유방 42mm와 흡사) ACR 팬텀(Accreditation Phantom, CIRS, Virginia, USA)이 사용되었으며, 동일한 선량으로 조사되었다.
여기서 G는 gain factor, q는 photon fluence 그리고 X는 조사선량을 말한다. 디지털 유방 X선촬영 시스템의 DQE 평가를 위해 IEC 62220-1-2 규약 중 RQA-M-4를 사용하였다.8) 본 연구에서는 DQE를 계산하기 위해 자체 개발한 DQE calculator를 사용하였다.
MTF는 line spread function(LSF)의 Fourier Transfrom을 통해 획득된다. 본 연구에서는 MTF 도출을 위해 edge 방법을 이용되었다. 검출기의 pixel pitch보다 더 미세한 샘플링 간격(effective sampling distance)을 갖는 composite ESF(edge spread function)를 획득하기 위하여 edge 팬텀은 픽셀 matrix와 3o를 두고 위치시켰다.
본 연구에서는 임상에서 사용되고 있는 디지털 유방 X선촬영 시스템의 직접ㆍ간접변환방식의 검출기의 화질을 비교해보고자 한다. 화질 평가를 위해 영상 시스템의 전체적인 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio, SNR) 성능을 정량적인 수치로 나타내는 양자효율검출(Detective Quantum Efficiency, DQE)이 사용되었다. DQE는 변조전달함수(Modulation Transfer Function, MTF)와 정규화된 잡음력 스펙트럼(Normalized Noise Power Spectrum, NNPS)의 특성이 복합적으로 함축되어 있는 총괄적 영상 화질 평가인자로 공간주파수함수로 표현된다.
성능/효과
3) DQE 분석: DQE는 photon fluence, 영상시스템의 영상처리 능력의 지표를 나타내는 MTF, 영상 시스템의 잡음 포함 정도를 나타내는 NNPS를 모두 고려함으로써, 영상 시스템의 정량적인 평가를 할 수 있다.3,4)
직접변환방식 검출기가 사용된 B시스템의 경우 높은 DQE 효율을 보였다. A, B시스템 모두 공간주파수가 증가할수록 DQE 값이 떨어지는 것을 확인하였다.
8). 고해상도를 갖는 직접변환방식 검출기의 DQE 효율이 간접변환방식 검출기에 비해 높게 측정되었다. 본 연구에 사용된 두 시스템에 동일한 선량으로 조사 후 CNR 분석한 결과 직접변환방식 검출기가 더 높은 CNR 값을 보였다.
4는 본 연구에 사용된 디지털 유방 X선 촬영시스템의 직선성을 보여준다. 두 시스템 모두 선형시스템의 일반적인 특성을 보였다. A시스템의 Mo/Rh과 Rh/Rh 조합의 경우 유사한 기울기로 측정되었다.
고해상도를 갖는 직접변환방식 검출기의 DQE 효율이 간접변환방식 검출기에 비해 높게 측정되었다. 본 연구에 사용된 두 시스템에 동일한 선량으로 조사 후 CNR 분석한 결과 직접변환방식 검출기가 더 높은 CNR 값을 보였다. 높은 DQE 효율을 갖는 검출기의 경우 동일한 선량으로 조사 시 더 나은 화질의 영상을 획득할 수 있다.
후속연구
이처럼 적은 방사선량으로 양질의 영상을 획득하기 위해 지속적으로 영상 검출기에 대한 개발이 이루어져야 할 것이며, 최적의 의료 서비스를 제공하기 위하여 개발된 검출 기에 다양한 응용분야에 대한 검증도 함께 이루어져야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
디지털 유방 X선 촬영시스템의 검출센서는 무엇이 있는가?
디지털 유방 X선 촬영시스템의 검출센서로는 주로 전하 결합소자(Charged-Coupled Device) 카메라, 영상 수용체로써 비정질 셀레늄(Amorphous Selenium)광전도체 또는 비정질 실리콘(Amorphus Silicon)을 사용하는 TFT (Thin Film Transistor)방식의 평판형 검출기(Flat-Panel Detector)가 있다.1) 일반적으로 Solid state 기반의 평판형 검출기술이 각광을 받고 있으며, X선 변환방식에 따라 직접방식(direct)과 간접방식(indirect)으로 나뉜다.
Solid state 기반의 평판형 검출기술 중 직접변환방식 검출기는 어떤 물질을 사용하는가?
1) 일반적으로 Solid state 기반의 평판형 검출기술이 각광을 받고 있으며, X선 변환방식에 따라 직접방식(direct)과 간접방식(indirect)으로 나뉜다.2-4) 직접변환방식 검출기는 비정질 셀레늄과 같은 광전도성 물질이 사용된다. 이 층에서는 X선 에너지를 전기적 전하로 직접 변화시켜 전기장에 의한 capacitor에 수집된다(Fig.
Solid state 기반의 평판형 검출기술은 어떻게 나뉘는가?
디지털 유방 X선 촬영시스템의 검출센서로는 주로 전하 결합소자(Charged-Coupled Device) 카메라, 영상 수용체로써 비정질 셀레늄(Amorphous Selenium)광전도체 또는 비정질 실리콘(Amorphus Silicon)을 사용하는 TFT (Thin Film Transistor)방식의 평판형 검출기(Flat-Panel Detector)가 있다.1) 일반적으로 Solid state 기반의 평판형 검출기술이 각광을 받고 있으며, X선 변환방식에 따라 직접방식(direct)과 간접방식(indirect)으로 나뉜다.2-4) 직접변환방식 검출기는 비정질 셀레늄과 같은 광전도성 물질이 사용된다.
참고문헌 (10)
Robert S. Saunders Jr, Samei E, Jonathan L. Jesneck, Joseph Y. Lo: Physical characterization of a prototype selenium-based full field digital mammography detector. Med Phys 32:588-599 (2005)
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Ioannis Sechopoulos, Carl J. D'Orsi: Glandular radiation dose in tomosynthesis of the breast using tungsten targets. J Appl Clin Med Phys 9:161-171 (2008)
Samei E, Ranger NT, Dobbins JT III, Ying Chen: Intercomparison of methods for image quality characterization I. modulation transfer function. Med Phys 33: 1454-1465 (2006)
Dobbins JT III, Samei E, Ranger NT, Ying Chen: Intercomparison of methods for image quality characterization II. Noise power spectrum. Med Phys 33: 1466-1475 (2006)
Intrernational Electrotechnical Commission: Medical electrical equipment-Characteristics of digital x-ray imaging devices-Part 1-2: Determination of the detective quantum efficiency-mammography detectors (IEC 62220-1-2, Geneva, Switzerland, 2005)
팬텀영상검사기준: 한국의료영상품질관리원. (2007)
ACR Standards Res. 21: American college of radiology (1998)
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