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문제 정의
- 이와 같은 배경하에, 본 연구에서는 임상에서 흉부 진단에 선량 감소를 위해 사용하고 있는 저선량 프로토콜과 표준선량 프로토콜의 노출 조건에서 선량을 측정하고, 객관적으로 평가한 화질 결과를 비교함으로서 민감도를 고려한 적정한 선량 감소가 이루어지고 있는지에 대해 알아 보았다.
제안 방법
- 관심 영역내의 잡음은 CT number의 표준 편차(HU, standard deviation)로 정의하였다. 두 프로토콜로 얻은 영상을 2개의 판독용 모니터(5M)에 각각 나타낸 후 표준선량 프로토콜 영상에서 먼저 위치를 확인 및 측정하였고, 이어서 저선량 프로토콜 영상을 측정하였다. SNR과 CNR은 관련 문헌을 참고[6]로 다음과 같은 공식으로 계산하였다: SNR=상행대동맥(또는 가시아래근) CT number/back-ground noise.
- 2-mm thickness)로 촬영(BrillianceTM CT 16slice, PHILIPS, Netherand)한 61명의 조영제를 사용하지 않은 영상(non-contrast image)에서 기관 분기부 위치(level of carina bifurcation)의 종격동 영상(mediastinal image)을 본 연구를 위해 사용 하였다. 본 연구에서는 자체연구과제 수행으로 얻은 영상(기관연구윤리심의위원회에서 승인과 대상자로부터 검사 동의서 받았음)을 후향적으로 분석하였다.
- 영상 획득과 동일한 장치와 노출 조건에서 한국의료영상품질관리원 가이드라인을 참조[15] 하여, 선량과 화질 평가용 팬텀을 sequence 모드에서 자동 노출을 사용하지 않고 스캔하였다. 선량 측정은 CT 장치 테이블 위에 직경 16 cm의 두부 아크릴 팬텀(10S5-3CT, RADCAL, USA)을 올려 놓고 겐트리 중심부에서 10cm 길이의 연필형 이온 챔버(ion-chamber, 3 cc)를 선량 측정계(Unfors MultO-Meter, RADCAL, USA)에 연결한 후, 중심부와 가장 자리 구멍(총 5군데)에 번갈아 위치시킨 후 3회 반복 측정하였다. 화질 평가를 위해서는 선량 측정과 같은 방법으로 워터 팬텀(AAPM CT Performance Phantom, 76-410-4130, USA)을 스캔하여 얻은 영상의 4군데를 동일한 면적(1062.
- 저선량 프로토콜과 표준선량 프로토콜로 얻은 영상의 상행대동맥(ascending aorta)과 가시아래근(inpraspinatus muscle)에서 CT number (HU, hounsfield unit)와 잡음(noise)을 측정하였고(Fig. 1), 신호대잡음비(signal-tonoise ratio. SNR)와 대조도잡음비(contrast-to-noise ratio. CNR)를 구하기 위해서 back-ground 잡음을 측정(영상 앞쪽 1 cm 위치 공기 중)하였다. 측정에서 관심 영역(region of interest)은 모두 100~110 ㎠ 범위 였고, 3회 측정하여 평균값을 구하였다.
- 선량 측정은 CT 장치 테이블 위에 직경 16 cm의 두부 아크릴 팬텀(10S5-3CT, RADCAL, USA)을 올려 놓고 겐트리 중심부에서 10cm 길이의 연필형 이온 챔버(ion-chamber, 3 cc)를 선량 측정계(Unfors MultO-Meter, RADCAL, USA)에 연결한 후, 중심부와 가장 자리 구멍(총 5군데)에 번갈아 위치시킨 후 3회 반복 측정하였다. 화질 평가를 위해서는 선량 측정과 같은 방법으로 워터 팬텀(AAPM CT Performance Phantom, 76-410-4130, USA)을 스캔하여 얻은 영상의 4군데를 동일한 면적(1062.1 ㎟)으로 하여 3회 반복하여 CT number와 잡음을 측정하였다.
대상 데이터
- 1. Non-contrast mediastinal images of low-dose (A, 120 kVp, 30 mAs, 2-mm thickness) and standard-dose protocol (B, 120 kVp, 180 mAs, 1.2-mm thickness) on a subject with 66-year-old man (Body mass index=29.1 kg/m2). CT number and noise were measured each at infraspinatus muscle (*) and ascending aorta (†).
- 임상에서 사용하는 흉부 저선량 프로토콜(120 kVp, 30 mAs, 2-mm thickness)과 표준선량 프로토콜(120 kVp, 180 mAs, 1.2-mm thickness)로 촬영(BrillianceTM CT 16slice, PHILIPS, Netherand)한 61명의 조영제를 사용하지 않은 영상(non-contrast image)에서 기관 분기부 위치(level of carina bifurcation)의 종격동 영상(mediastinal image)을 본 연구를 위해 사용 하였다. 본 연구에서는 자체연구과제 수행으로 얻은 영상(기관연구윤리심의위원회에서 승인과 대상자로부터 검사 동의서 받았음)을 후향적으로 분석하였다.
데이터처리
- Noise was defined as standard deviation of CT number. Statistical analysis was performed by Mann-Whitney U test.
- Noise was defiened as standard deviation of CT number. Statistical analysis was performed by Paired t-test. AA= Ascending aorta.
- Noise was defiened as standard deviation of CT number. Statistical analysis was performed by Student t-test. HU=Hounsfield units, SNR= signal-to-noise ratio, CNR=contrast-to-noise ratio.
- 팬텀을 이용한 두 프로토콜 간에 선량, CT number 및 잡음 비교는 Mann-Whitney U test 를 실시하여 통계적인 유의성을 검정하였다. 두 프로토콜로 얻은 모든 연구대상자 각각 영상에서 측정한 CT number 및 잡음으로부터 SNR 과 CNR을 구하였고, 평균을 Pared t-test로 비교하였다. 연구 대상자의 비만지수 그룹 간에 CT number 및 잡음, SNR 과 CNR 비교는 Student t-test로 분석하였고, 비만지수에 대한 상행대동맥의 잡음 및 SNR, CNR의 관련성은 Pearson 상관분석을 실시하였다.
- 두 프로토콜로 얻은 모든 연구대상자 각각 영상에서 측정한 CT number 및 잡음으로부터 SNR 과 CNR을 구하였고, 평균을 Pared t-test로 비교하였다. 연구 대상자의 비만지수 그룹 간에 CT number 및 잡음, SNR 과 CNR 비교는 Student t-test로 분석하였고, 비만지수에 대한 상행대동맥의 잡음 및 SNR, CNR의 관련성은 Pearson 상관분석을 실시하였다. 모든 통계분석은 SPSS (version 19.
- CNR)를 구하기 위해서 back-ground 잡음을 측정(영상 앞쪽 1 cm 위치 공기 중)하였다. 측정에서 관심 영역(region of interest)은 모두 100~110 ㎠ 범위 였고, 3회 측정하여 평균값을 구하였다. 관심 영역내의 잡음은 CT number의 표준 편차(HU, standard deviation)로 정의하였다.
- 팬텀을 이용한 두 프로토콜 간에 선량, CT number 및 잡음 비교는 Mann-Whitney U test 를 실시하여 통계적인 유의성을 검정하였다. 두 프로토콜로 얻은 모든 연구대상자 각각 영상에서 측정한 CT number 및 잡음으로부터 SNR 과 CNR을 구하였고, 평균을 Pared t-test로 비교하였다.
성능/효과
- CT number and noise were measured each at infraspinatus muscle (*) and ascending aorta (†). (A) Signal-to-noise ratio (SNR) at ascending aorta and contrast-to-noise ratio (CNR) were 1.80, 0.04, respectively. (B) SNR at ascending aorta and CNR were 3.
- 두 영상에서 CT number는 유의한 차이를 보이지 않았다. 두 영상 모두 비만지수가 25 이상 그룹이 25 미만 그룹 보다 잡음이 통계적으로 유의하게 높았고, SNR과 CNR은 유의하게 낮았다. 비만지수 두 그룹 간에 잡음의 차이는 저선량 프로토콜 영상이 표준선량 프로토콜 영상 보다 컸다.
- 상행대동맥과 가시아래근에서의 SNR은 저선량 프로토콜 영상 보다 표준선량 프로토콜 영상이 유의하게 높았고, CNR도 표준선량 프로토콜 영상이 유의하게 높았다(Fig 1). 두 영상 모두 상행대동맥 보다 가시아래근에서 높은 SNR을 보였다.
- 우리 연구는 저선량 프로토콜과 표준선량 프로토콜 모두 관전류가 일정한 프로토콜을 사용하여 비만지수에 대한 잡음, SNR과 CNR이 유의한 상관성을 보였는데, 비만지수에 따른 화질의 영향을 피하고 일정한 영상 위해서는 자동 노출을 사용할 필요가 있었다. 또한, 비만지수가 낮아질수록 두 영상 간에 잡음 차이가 줄어 들면서 SNR은 더 커지는 결과를 보임으로서 비만지수가 낮아질수록 선량이 화질에 미치는 영향이 크게 작용했다.
- 두 영상 모두 비만지수가 25 이상 그룹이 25 미만 그룹 보다 잡음이 통계적으로 유의하게 높았고, SNR과 CNR은 유의하게 낮았다. 비만지수 두 그룹 간에 잡음의 차이는 저선량 프로토콜 영상이 표준선량 프로토콜 영상 보다 컸다. 또한, 두 그룹 간에 SNR은 표준선량 프로토콜 영상에서 크게 나타났지만, CNR은 비슷한 차이를 보였다.
- 잡음은 비만지수가 증가할 수록 두 영상 간에 상관성 차이가 컸지만, SNR은 비만지수가 증가할 수록 두 영상 간에 차이가 적어졌다. 비만지수에 대한 잡음과 CNR의 상관성은 저선량 프로토콜 영상이 표준선량 프로토콜 영상 보다 더 크게 나타났지만 SNR은 표준선량 프로토콜 영상에서 더 큰 것으로 나타났다.
- 상행대동맥과 가시아래근에서 잡음은 저선량 프로토콜 영상이 표준선량 프로토콜 영상 보다 유의하게 높았고, 두 영상 모두 상행대동맥 보다는 가시아래근에서 높은 잡음을 보였다(Table 1). 저선량 프로토콜 영상과 표준선량 프로토콜 영상의 잡음 차이는 상행대동맥과 가시아래근에서 비슷하였다.
- 저선량 프로토콜 영상과 표준선량 프로토콜 영상의 잡음 차이는 상행대동맥과 가시아래근에서 비슷하였다. 상행대동맥과 가시아래근에서의 SNR은 저선량 프로토콜 영상 보다 표준선량 프로토콜 영상이 유의하게 높았고, CNR도 표준선량 프로토콜 영상이 유의하게 높았다(Fig 1). 두 영상 모두 상행대동맥 보다 가시아래근에서 높은 SNR을 보였다.
- 연구 대상자의 비만지수에 대한 상행대동맥에서 측정한 잡음과 SNR과 CNR의 상관 관계를 분석한 결과(Fig 2), 저선량 프로토콜 영상과 표준선량 프로토콜 영상에서 비만지수가 증가함에 따라 잡음도 증가하는 의미 있는 양의 관련성을 보였지만, SNR과 CNR은 두 영상 모두에서 비만지수가 증가함에 따라 감소하는 유의한 음의 관련성을 보였다. 잡음은 비만지수가 증가할 수록 두 영상 간에 상관성 차이가 컸지만, SNR은 비만지수가 증가할 수록 두 영상 간에 차이가 적어졌다.
- 우리 연구는 저선량 프로토콜과 표준선량 프로토콜 모두 관전류가 일정한 프로토콜을 사용하여 비만지수에 대한 잡음, SNR과 CNR이 유의한 상관성을 보였는데, 비만지수에 따른 화질의 영향을 피하고 일정한 영상 위해서는 자동 노출을 사용할 필요가 있었다. 또한, 비만지수가 낮아질수록 두 영상 간에 잡음 차이가 줄어 들면서 SNR은 더 커지는 결과를 보임으로서 비만지수가 낮아질수록 선량이 화질에 미치는 영향이 크게 작용했다.
- 흉부 CT영상에서 객관적인 화질 평가를 위해 CT number나 잡음은 기관 분기부 위치의 상행 또는 하행대동맥에서 주로 측정되는데[11-13,17], 이러한 이유는 다른 부위에 비해 측정 부위가 넓으면서 혈액으로만 구성되어 있어 비교적 균일한 측정 결과를 얻을 수 있기 때문이다. 우리 연구에서도 저선량 프로토콜과 표준선량 프로토콜에서 기관 분기부 위치의 상행대동맥과 가시아래근에서 동일한 면적으로 CT number와 잡음을 측정한 후 SNR 과 CNR을 구하였고, 연구 대상자의 영상에서 저선량 프로토콜 영상이 표준선량 프로토콜 영상 보다 높은 잡음을 보인 결과는 팬텀 영상의 결과와도 일치하였다.
- 연구 대상자의 비만지수에 대한 상행대동맥에서 측정한 잡음과 SNR과 CNR의 상관 관계를 분석한 결과(Fig 2), 저선량 프로토콜 영상과 표준선량 프로토콜 영상에서 비만지수가 증가함에 따라 잡음도 증가하는 의미 있는 양의 관련성을 보였지만, SNR과 CNR은 두 영상 모두에서 비만지수가 증가함에 따라 감소하는 유의한 음의 관련성을 보였다. 잡음은 비만지수가 증가할 수록 두 영상 간에 상관성 차이가 컸지만, SNR은 비만지수가 증가할 수록 두 영상 간에 차이가 적어졌다. 비만지수에 대한 잡음과 CNR의 상관성은 저선량 프로토콜 영상이 표준선량 프로토콜 영상 보다 더 크게 나타났지만 SNR은 표준선량 프로토콜 영상에서 더 큰 것으로 나타났다.
- 저선량 프로토콜과 표준선량 프로토콜의 노출 조건에서 팬텀을 이용한 선량과 화질 평가에 관련된 CT number와 잡음을 비교한 결과(Table 3)에서 선량은 저선량 프로토콜이 표준선량 프로토콜 보다 유의하게 낮았지만(0.35 mGy vs. 1.95 mGy, p=0.008), 잡음은 오히려 저선량 프로토콜 영상에서 유의하게 높은 결과를 보였다(p=0.029).
- 흉부 CT촬영에서 높은 방사선 노출로 인한 환자의 위해성을 감소 시킬 목적으로 시행하는 저선량 프로토콜과 표준선량 프로토콜 간의 선량과 화질을 비교한 본 연구 결과에서 저선량 프로토콜의 선량이 유의하게 낮았지만, 잡음 증가로 객관적인 화질 평가 결과는 표준선량 프로토콜 영상 보다 유의하게 낮았다. 따라서, 질병 진단의 민감도를 고려한 국제방사선방호위원회(International Commission on Radiological Protection, ICRP)에서 제시한 정당화(justification)와 최적화(optimization)에 근거[2]하여 현재 임상에서 사용하는 저선량 프로토콜의 노출 선량은 상향 조정할 필요가 있다.
후속연구
- 따라서, 질병 진단의 민감도를 고려한 국제방사선방호위원회(International Commission on Radiological Protection, ICRP)에서 제시한 정당화(justification)와 최적화(optimization)에 근거[2]하여 현재 임상에서 사용하는 저선량 프로토콜의 노출 선량은 상향 조정할 필요가 있다. 또한, 선량과 화질을 고려한 최적의 노출 선량 선정을 위해서는 단계적인 노출 선량을 설정한 전향적인 팬텀 연구가 필요하다.
- 본 연구는 두 프로토콜 간에 선량 차이에 따른 영상의 화질 차이를 비교하고자 하였지만 후향적으로 설계된 연구로 영상의 두께 차이가 화질에 미친 영향을 배제할 수 없었다. 즉 영상의 두께가 증가할수록 잡음이 감소하여 더 높은 SNR과 CNR을 얻을 수 있기 때문에 동일한 두께의 영상을 비교 했다면 저선량 프로토콜 영상과 표준선량 프로토콜 영상 간에는 더 큰 차이를 보였을 것이다.
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