[논문]진단용 X-선 촬영시 부가 필터 및 노출의 변화에 따른 피폭선량 및 영상 화질 비교 연구

최남길; 성호진; 전주섭; 김윤현; 성동욱

doi:10.14407/jrp.2012.37.1.025

진단용 X-선 촬영시 부가 필터 및 노출의 변화에 따른 피폭선량 및 영상 화질 비교 연구
A Comparative Study of Image Quality and Radiation Dose according to Variable Added Filter and Radiation Exposure in Diagnostic X-Ray Radiography 원문보기

방사선방어학회지 = Radiation protection : the journal of the Korean association for radiation protection, v.37 no.1, 2012년, pp.25 - 34

최남길 (동신대학교 방사선학과) , 성호진 (전남대학교병원 영상의학과) , 전주섭 (전남대학교병원 영상의학과) , 김윤현 (전남대학교병원 영상의학과) , 성동욱 (경희대학교 의과대학 영상의학교실)

초록
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본 연구는 진단용 X-선 촬영에서 부가필터 두께에 따라 피폭 선량 및 의료영상저장전송시스템에 저장된 영상을 비교 평가하여 환자에게 가장 적은 방사선 피폭을 주면서 진단에 적절한 영상을 얻을 수 있는 촬영 조건을 알아보고자 하였다. 그 결과 면적선량($mGy{\cdot}cm^2$)과 입사표면선량($mGy$)은 1 mmAl+0.2 mmCu의 부가필터에서 가장 낮은 피폭 선량값을, 그리고 0 mmAl (No Filter)에서 가장 높은 피폭 선량 값을 보였다. 그러나 의료영상저장전송시스템으로 전송된 영상을 수치 해석 소프트웨어(MATLAB)로 구현한 히스토그램 결과 영상의 질에는 크게 영향을 미치지 않았다. 따라서 진단용 X-선 촬영 장치를 이용한 영상의학적 검사에서 영상의 질에 영향을 미치지 않고 피폭선량을 경감할 수 있는 최적의 부가필터를 사용함으로서 환자의 피폭 선량을 예측하고 검사 조건을 조절하는 데 있어 유용하게 이용될 수 있을 것으로 판단되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

To know which parameters were acceptable for achieving lowest radiation exposure to the patients and highest image quality at the diagnostic X-ray radiography, we measured the patient radiation dose and image quality in transmitted PACS (Picture Archiving and Communication System) at variable combinations of the added filters. As a result, the Dose Area Product (DAP: $mGy{\cdot}cm^2$) and Entrance Surface Doses (ESDs: $mGy$) was lowest at 1 mmAl + 0.2 mmCu and highest at 0 mmAl. The histogram of the image quality by transmitted PACS was not significantly different at variable combinations of exposure parameters on the MATLAB. In conclusion, this study can be helpful for expecting radiation dose-exposure and control exposure parameters for the diagnostic X-ray radiography.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 진단용 X-선 장치의 부가필터 및 관전압과 관전류량을 변화에 따른 촬영 부위에 대한 피폭선량 및 의료영상저장전송시스템(Picture Archiving and Communication System, PACS)에 저장된 영상의 질에 대하여 평가해보고자 한다.

가설 설정

보건 복지가족부령 제 349호에 의하면 진단용 X-선 장비의 백분율 평균오차 값 식(1) 평가 하에 관전압 백분율 평균 오차는 설정치에 대하여 ±10%이내, 관전류는 ±15%이내, 그리고 관전류량은 변압기장치인 경우 ±15% 이내이어야 한다[9]. NERO^TM mAx의 유효 관전압은 75%, 감도는 low, 측정 지연시간은 ＋10 ms로 정하였다. 유효 관전압은 NERO^TM mAx 디텍터에 측정된 관전압 평균값에 설정된 % kVp 이상의 peak만을 포함하였다.
둘째, 방사선 피폭의 조건이 관전압과 관전류량을 기준 값에서 상, 하한 값 5 mAs 변화시켜 조사함으로써 더 자세하고 다양한 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다. 셋째, 병원마다 다양한 종류의 촬영기기를 사용하고 실제 환자를 촬영할 때에 환자의 체격 등에 따른 변수가 작용하기 때문에 여기서 제시된 부가필터, 관전압과 관전류에 따른 방사선 피폭선량의 수치를 절대적인 결과로 여길 수는 없을 것이다. 그러나 본 결과를 토대로 진단용 X-선 발생장치에 대한 검사 조건에 맞는 촬영으로 피폭선량에 대해서 경감할 수 있을 것이다.

제안 방법

NEROTM mAx의 이온 챔버를 테이블 위에 놓고 FDD(Focus-Detect Distance)를 100 cm로 조정하여 측정기의 검출부위에 X-선 중심을 맞추고 조사야를 14×14 ㎠ 조정하였다.
NERO^TM mAx의 이온 챔버를 테이블 위에 놓고 FDD(Focus-Detect Distance)를 100 cm로 조정하여 측정기의 검출부위에 X-선 중심을 맞추고 조사야를 14×14 ㎠ 조정하였다. 그리고 촬영 조건은 관전압 77 kVp, 관전류량 40 mAs (조사시간 103 msec, 관전류 388 mA)로 조사하여 측정하였다. 보건 복지가족부령 제 349호에 의하면 진단용 X-선 장비의 백분율 평균오차 값 식(1) 평가 하에 관전압 백분율 평균 오차는 설정치에 대하여 ±10%이내, 관전류는 ±15%이내, 그리고 관전류량은 변압기장치인 경우 ±15% 이내이어야 한다[9].
낮은 관전압(25 keV~125 keV)에 대한 에너지를 보상하기 위해 두께 0.75 ㎜, Sn 필터를 부착한 유리선량계(GD-352M, Asahi Glass, Japan)를 가지고 열처리(Annealing) 과정을 거친 후 반복하여 사용하였다[8].
2 mAs로 후전 방향으로 세워서 촬영 측정하였다. 다른 검사부위는 FDD를 근거리 100 ㎝에 위치하고 관전압 74 kVp 관전류량 20 mAs, 관전압 70 kVp 관전류량 25 mAs, 관전압 77 kVp 관전류량 40 mAs로 고정하여 전후 방향으로 눕혀서 조사하였다. 또한 부가필터 두께를 변화시키며 촬영하고자 하는 표면부위에 3개의 유리 소자를 부착하여 5회에 걸쳐 방사선 피폭을 측정하였다(Fig.
다른 검사부위는 FDD를 근거리 100 ㎝에 위치하고 관전압 74 kVp 관전류량 20 mAs, 관전압 70 kVp 관전류량 25 mAs, 관전압 77 kVp 관전류량 40 mAs로 고정하여 전후 방향으로 눕혀서 조사하였다. 또한 부가필터 두께를 변화시키며 촬영하고자 하는 표면부위에 3개의 유리 소자를 부착하여 5회에 걸쳐 방사선 피폭을 측정하였다(Fig. 1).
선질 변화로 인한 피폭선량 알기 위해 고유필터 2.5 ㎜ Al에서 부가필터 1 ㎜Al+0.2㎜Cu, 1 ㎜Al+0.1 ㎜Cu, 2 ㎜ Al, 0 ㎜Al의 두께 조절이 가능한 진단용 X-선 장비를 가지고 연구하였다.
전체적으로 높은 명암 대조도을 갖는 히스토그램은 모든 화소 값 범위에 고르게 분포된다. 이에 본 연구에서 영상의 분석방법은 가우시안 분포를 보이는 영역에서 가장 많은 빈도수를 나타내는 농도 값인 최빈수를 기준으로 분석하였다.
5 ㎝ 두께별로 쌓여진 팬텀이다. 인체 연부 조직, 뼈, 폐등 등가 물질로 구성되어진 팬텀을 흉부, 복부 표면 부위에 유리 소자를 부착하여 방사선 피폭 표면을 측정하였다.
임상과 동일한 방법으로 Rando Man Phantom을 흉부와 같은 넓은 관용도를 보기 위하여 FDD를 원거리 180㎝에 위치하고 관전압 117 kVp, 관전류량 3.2 mAs로 후전 방향으로 세워서 촬영 측정하였다. 다른 검사부위는 FDD를 근거리 100 ㎝에 위치하고 관전압 74 kVp 관전류량 20 mAs, 관전압 70 kVp 관전류량 25 mAs, 관전압 77 kVp 관전류량 40 mAs로 고정하여 전후 방향으로 눕혀서 조사하였다.
진단용 X-선 장치(Bucky Diagnost TH, Philips, Netherlands)의 영상 재현성과 직선성에 대한 적합성 여부를 알아보기 위해 Multi function meter NERO^TM mAx(Victoreen Model 8000, Moedling, Austria)를 사용하여 관전압, 관전류 및 조사시간에 대해 평가하였다. NERO^TM mAx의 이온 챔버를 테이블 위에 놓고 FDD(Focus-Detect Distance)를 100 cm로 조정하여 측정기의 검출부위에 X-선 중심을 맞추고 조사야를 14×14 ㎠ 조정하였다.
촬영 조건에 따른 영상으로 의료영상저장전송시스템 (PACS)에 의료영상표준(Digital Imaging and Communications in Medicine: Dicom) 3.0 파일로 저장된 영상을 윈도우용 수치 해석 및 프로그래밍 환경을 제공하는 소프트웨어(MATLAB 7.1, Mathworks Inc., USA)를 사용하여 DICOM 3.0 파일을 256×256 JPEG 영상 파일 형식으로 변환하여 히스토그램을 통하여 분석하였다.
환자 테이블에 위치한 Rando Man Phantom을 흉부는 등척추뼈 6번, 복부 및 허리 척추뼈는 허리척추뼈 4번, 허리척추뼈 측면 4번에 유리 소자를 부착 한 후 각 촬영 조건하에 피폭 선량 측정 시 기준이 되는 면적선량(Dose Area Product: DAP)은 PD-8100 (toreck Co, Japan)을 이용하여 측정하였고, 입사표면선량(Entrance Surface Doses: ESDs)은 유리 선량계로 판독하였다.

성능/효과

임상에서 사용하고 있는 진단용 X-선 장치 부가필터를 가지고 피부 입사선량과 화질에 대해 분석한 결과에서 부가 필터 두께 차이에 따라 면적선량과 입사표면선량에 큰 차이를 보였다. 또한 관전압보다 관전류에서 영향이 더 있었으며, 알루미늄을 이용한 단일 여과판보다 알루미늄과 구리를 함께 사용한 복합 여과판이 더 큰 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 그러나 의료영상저장전송시스템으로 전송된 영상을 정량분석 한 결과 농도값에 따른 빈도수에서 값의 차이가 있었지만 히스토그램에 따른 분포 곡선 차이는 크게 없었다.
이미지 대조도와 선예도에 영향을 주는 관전압에 비하여 X선량을 결정하는 관전류가 면적선량 및 입사표면선량 값에 더 큰 영향을 미쳤다. 또한 알루미늄만을 이용한 단일 여과판보다 알루미늄과 구리를 이용한 복합 여과판을 이용하는 방법이 입사표면선량이 감소하는 결과 값을 보였다.
이는 기존의 필름대신에 휘진성 형광체인 영상판을 사용한 CR (Computed Radiography)은 디지털화 된 신호를 Image Reader에 내장되어 있는 자동감도 조정에 의해 균일하고 영상을 제공하기 때문이다. 또한 흉부영상 히스토그램은 가우시안 분포가 우측으로 편중되고 최빈수가 230인 반면(Fig 8), 복부 영상은 거의 완전한 가우시안 분포를 보이고 최빈수가 130~160으로 나타났으며 전체적으로 명암 값이 고르게 분포하였다(Fig 9). 허리척추뼈 정면영상은 좌측으로 편중된 분포를 보이고 최빈수가 70으로 어두운 영상을 보였으며(Fig 10), 허리척추뼈 측면영상에서는 최빈수가 50~100이고 좌측으로 편중되었을 뿐만 아니라 명암값 빈도수가 가장 적게 나타났다(Fig 11).
본 실험 결과 면적선량과 입사표면선량은 사용한 부가 필터의 두께에 비례하여 감소하였으며 1 ㎜Al+0.2 ㎜Cu에서 최소를 보였고 0 ㎜Al (Non filter)에서 최대로 나타났다(Table 1, Figure 3). 이미지 대조도와 선예도에 영향을 주는 관전압에 비하여 X선량을 결정하는 관전류가 면적선량 및 입사표면선량 값에 더 큰 영향을 미쳤다.
이 이유는 X-선에 과다 노출되어 전반적으로 짙은 영상을 보이는 경우에는 모든 영상이 전산화 되어 있기 때문에 농도를 조절하여 쉽게 적절한 영상으로 만들어 볼 수 있으나, 방사선 노출량이 적어 전반적으로 옅은 영상을 얻게 되면 농도를 조절하여도 적절한 영상을 만들기 어렵기 때문이다. 본 연구를 통해서도 필터에 따라 같은 조건을 촬영할 경우 방사선 피폭 선량 차이와 화소의 빈도수가 차이가 나타났지만 영상의 히스토그램의 가우시안 분포 곡선 차이는 거의 없다는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 같은 검사라 하더라도 방사선촬영장비의 조건에 따라, 기기의 노후 정도에 따라, 외부 전력의 불안정성 그리고 촬영자에 의한 기술적 방법에 따라 환자에게 주는 피폭선량은 매우 다르게 나타난다.
99m Gy, 면적선량에서는 가슴 후전(Chest PA) 110 mGy ∙ cm², 복부(Abdomen) 2160 mGy ∙ cm², 허리척추뼈 전후 촬영(L-spine AP) 1330 mGy∙ cm², 허리척추뼈 측면 촬영(L-spine lat) 2140 mGy ∙ cm²로 영상 촬영시 피폭선량 평균치를 제시함으로서 피폭선량 경감에 노력을 기울이고 있다[10]. 본 연구에서는 피폭선량이 흉부 촬영을 제외한 영국의 권고량에 비해 모두 낮았다. 그러나 촬영조건을 제한하여 연구하였기 때문에 기준치로 정하여 비교하기는 어렵지만 부가필터에 따른 선량 참고 치에 유용할 것이다.
의료영상저장전송시스템에 DICOM 3.0파일로 저장된 영상(Fig 3-6)을 MATLAB을 이용하여 히스토그램으로 분석한 결과 부가필터에 의한 영상의 연관성은 크게 없었다(Table 2). 그러나 노출 조건을 통하여 영상을 비교해 본 결과 최고값에서 큰 차이를 보였지만, 평균값에서는 차이가 나지 않았다.
2 ㎜Cu에서 최소를 보였고 0 ㎜Al (Non filter)에서 최대로 나타났다(Table 1, Figure 3). 이미지 대조도와 선예도에 영향을 주는 관전압에 비하여 X선량을 결정하는 관전류가 면적선량 및 입사표면선량 값에 더 큰 영향을 미쳤다. 또한 알루미늄만을 이용한 단일 여과판보다 알루미늄과 구리를 이용한 복합 여과판을 이용하는 방법이 입사표면선량이 감소하는 결과 값을 보였다.
피사체 대조도와 사진농도를 좌우하고 환자의 피폭선량 경감에 중요한 역할을 하는 관전압과 촬영시간과 함께 X선량을 좌우하는 관전류에 대한 진단용 X-선 장비 측정결과 77.3 kVp, 유효 평균값 76.9 kVp, Peak는 78.1 kVp, 평균 조사시간은 103.4 ms였으며, 조사선량 및 조사선량률은 161.3 mR, 104.0 R․min^-1이었다. 관전압 PAE는 –0.
또한 흉부영상 히스토그램은 가우시안 분포가 우측으로 편중되고 최빈수가 230인 반면(Fig 8), 복부 영상은 거의 완전한 가우시안 분포를 보이고 최빈수가 130~160으로 나타났으며 전체적으로 명암 값이 고르게 분포하였다(Fig 9). 허리척추뼈 정면영상은 좌측으로 편중된 분포를 보이고 최빈수가 70으로 어두운 영상을 보였으며(Fig 10), 허리척추뼈 측면영상에서는 최빈수가 50~100이고 좌측으로 편중되었을 뿐만 아니라 명암값 빈도수가 가장 적게 나타났다(Fig 11).

후속연구

셋째, 병원마다 다양한 종류의 촬영기기를 사용하고 실제 환자를 촬영할 때에 환자의 체격 등에 따른 변수가 작용하기 때문에 여기서 제시된 부가필터, 관전압과 관전류에 따른 방사선 피폭선량의 수치를 절대적인 결과로 여길 수는 없을 것이다. 그러나 본 결과를 토대로 진단용 X-선 발생장치에 대한 검사 조건에 맞는 촬영으로 피폭선량에 대해서 경감할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 피폭선량이 흉부 촬영을 제외한 영국의 권고량에 비해 모두 낮았다. 그러나 촬영조건을 제한하여 연구하였기 때문에 기준치로 정하여 비교하기는 어렵지만 부가필터에 따른 선량 참고 치에 유용할 것이다. 진단용 X-선 촬영의 방사선 피폭을 줄이기 위한 방법으로 조사야 제한, 고관전압 촬영, 고유필터, 부가필터, 차폐 등 여러 방법으로 아날로그 및 디지털 X-선 촬영에서 있어왔으며 방사선을 이용한 다른 검사에서도 계속 되어 왔다.
첫째, 부가필터의 조건을 4가지로 국한하여 좀 더 세분화하지 못한 점이 있다. 둘째, 방사선 피폭의 조건이 관전압과 관전류량을 기준 값에서 상, 하한 값 5 mAs 변화시켜 조사함으로써 더 자세하고 다양한 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다. 셋째, 병원마다 다양한 종류의 촬영기기를 사용하고 실제 환자를 촬영할 때에 환자의 체격 등에 따른 변수가 작용하기 때문에 여기서 제시된 부가필터, 관전압과 관전류에 따른 방사선 피폭선량의 수치를 절대적인 결과로 여길 수는 없을 것이다.
그러나 의료영상저장전송시스템으로 전송된 영상을 정량분석 한 결과 농도값에 따른 빈도수에서 값의 차이가 있었지만 히스토그램에 따른 분포 곡선 차이는 크게 없었다. 이러한 결과는 진단용 X-선 촬영시 임상적으로 사용한 부가필터 두께로 촬영 조건에 따른 선량 및 영상에 대한 영향을 알 수 있으며 피폭 선량을 감소시킬 수 있는 방안에 기여할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	영국방사선방호위원회에서 제안한 피폭 선량 권고량은 얼마인가?	현재 영국방사선방호위원회에서는 5년 주기로 환자 검사정보 정보(환자의 연령, 체중, 성별, 관전압, 필터, 조사조건 등)와 일반방사선촬영, 중재적 시술을 포함한 투시방사선 촬영 등 피폭선량(입사표면선량, 면적선량, 투시촬영장치 사용시간) 분포도를 수집하여 피폭 선량 권고량을 다음과 같이 제안하고 있다. 일반 방사선 촬영의 경우, 참고 기준치 값이 입사표면선량는 흉부후전(Chest PA) 0.13 mGy, 복부(Abdomen) 3.54 mGy, 허리척추뼈 전후 촬영(L-spine AP) 4.15 mGy, 허리척추뼈 측면 촬영(L-spine lat) 8.99mGy, 면적선량에서는 가슴 후전(Chest PA) 110 mGy∙ cm2, 복부(Abdomen) 2160 mGy∙ cm2, 허리척추뼈 전후 촬영(L-spine AP) 1330 mGy∙ cm2, 허리척추뼈 측면 촬영(L-spine lat) 2140 mGy∙ cm2로 영상 촬영시 피폭선량 평균치를 제시함으로서 피폭선량 경감에 노력을 기울이고 있다[10]. 본 연구에서는 피폭선량이 흉부 촬영을 제외한 영국의 권고량에 비해 모두 낮았다.
	진단용 X-선 에너지 범위에서 주로 사용하는 여과 판은 무엇인가?	X-선관과 관용기 자체에 의한 고유여과, X-선 속내에 금속판을 삽입하는 부과 여과 그리고 피사체에 의한 여과로 크게 X-선이 필름에 도달하는 과정에서 3개의 흡수 체로 여과된다. 진단용 X-선 에너지 범위는 저에너지의 여과 효율이 좋은 알루미늄(K 흡수단: 9.0 killo-electron volt, keV) 단일 여과 판을 가장 많이 사용하고 있다. 그러나 고 에너지 여과 효율이 높은 구리(K 흡수단: 1.
	화질과 피폭선량을 결정하는 중요 인자는 무엇인가?	방사선 피폭선량이 X-선 촬영에 비하여 많은 컴퓨터 단층촬영이나 유방촬영술에 대해서 피폭선량을 줄이기 위한 촬영 조건에 대해 연구가 계속 되어 왔다[1-4]. 그러나 이중에서 병원의 외래 및 입원 환자에게 가장 기본적으로 시행되는 X선 촬영의 검사 빈도가 높아짐에 따라, 화질과 피폭선량을 결정하는 중요 인자인 고유필터, 부가필터, 관전압, 관전류 및 조사 시간 연구 또한 Kroft LJ등에 의해 활발히 이루어지고 있다[5,6]. 타겟(target)에서 발생된 X-선은 관용기를 나와 공기 중을 투과하여 여러 부분에서 여과된다.

참고문헌 (13)

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Gonzales RC, Woods RE and Eddins SL. Digital image processing using MATLAB. Prentice-Hall. 2003.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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