Digital Radiography System에서 X선 광자 검출 방식에 따른 선량 및 화질 특성에 관한 연구 A Study on Dose and Image Quality according to X-ray Photon Detection Method in Digital Radiography System원문보기
본 연구의 목적은 Direct DR(Digital Radiography), Indirect DR, I.I(Image Intensifier) DR에서 X선 광자 검출 방식에 따른 선량측정 및 획득된 영상을 정량적이고 객관적인 측정을 통해 DR System을 비교 평가 하는 것이다. Rando phantom을 사용하여 입사표면선량을 측정하였으며, 측정된 입사표면선량 값을 통해 PCXMC 프로그램을 사용하여 유효선량과 방사선 조사로 인한 위험을 평가하였다. 21cm 아크릴 phantom을 사용하여 SNR(Signal to Noise Ratio), NPS(Noise Power Spectrum), CNR(Contrast to Noise Ratio)을 측정하였으며, 측정값은 통계학적 분석기법을 사용하여 유의성을 평가하였다. 입사표면선량, 주요장기선량, 유효선량 모두 direct DR이 가장 낮게 측정되었으며, direct DR 선량을 기준으로 I.I type DR은 약 1.3배, indirect DR은 약 2.4배 높은 선량 비율로 측정되었다. 방사선량에 따른 위험도 역시 동일한 비율로 측정되었다. SNR 측정 결과 direct DR측정값을 기준으로 I.I DR은 약 7.25배, indirect DR이 약 1.48배 낮은 비율로 측정되었다. CNR 측정 결과 direct DR 측정값을 기준으로 I.I DR은 약 1.16배 높고, indirect DR이 약 0.87배 낮은 비율로 측정되었다. 따라서 a-selenium 검출소자를 사용하여 X선 광자를 검출하는 방식인 direct DR은 적은 선량으로 우수한 화질의 영상을 구현함으로써 선량에 민감한 소아나 생식선이 포함된 검사 등에 유용할 것으로 사료된다. 또한 많은 진단 정보를 위한 영상 평가가 요구되는 경우에는 indirect DR이 유용할 것으로 판단된다.
본 연구의 목적은 Direct DR(Digital Radiography), Indirect DR, I.I(Image Intensifier) DR에서 X선 광자 검출 방식에 따른 선량측정 및 획득된 영상을 정량적이고 객관적인 측정을 통해 DR System을 비교 평가 하는 것이다. Rando phantom을 사용하여 입사표면선량을 측정하였으며, 측정된 입사표면선량 값을 통해 PCXMC 프로그램을 사용하여 유효선량과 방사선 조사로 인한 위험을 평가하였다. 21cm 아크릴 phantom을 사용하여 SNR(Signal to Noise Ratio), NPS(Noise Power Spectrum), CNR(Contrast to Noise Ratio)을 측정하였으며, 측정값은 통계학적 분석기법을 사용하여 유의성을 평가하였다. 입사표면선량, 주요장기선량, 유효선량 모두 direct DR이 가장 낮게 측정되었으며, direct DR 선량을 기준으로 I.I type DR은 약 1.3배, indirect DR은 약 2.4배 높은 선량 비율로 측정되었다. 방사선량에 따른 위험도 역시 동일한 비율로 측정되었다. SNR 측정 결과 direct DR측정값을 기준으로 I.I DR은 약 7.25배, indirect DR이 약 1.48배 낮은 비율로 측정되었다. CNR 측정 결과 direct DR 측정값을 기준으로 I.I DR은 약 1.16배 높고, indirect DR이 약 0.87배 낮은 비율로 측정되었다. 따라서 a-selenium 검출소자를 사용하여 X선 광자를 검출하는 방식인 direct DR은 적은 선량으로 우수한 화질의 영상을 구현함으로써 선량에 민감한 소아나 생식선이 포함된 검사 등에 유용할 것으로 사료된다. 또한 많은 진단 정보를 위한 영상 평가가 요구되는 경우에는 indirect DR이 유용할 것으로 판단된다.
The purpose is a comparative evaluation in the DR System according to the dosimetry and image quality of the quantitative and objective via Direct digital radiography, Indirect digital radiography, Image intensifier (Charge Coupled Device type) digital radiography. The experimental method used rando...
The purpose is a comparative evaluation in the DR System according to the dosimetry and image quality of the quantitative and objective via Direct digital radiography, Indirect digital radiography, Image intensifier (Charge Coupled Device type) digital radiography. The experimental method used rando phantom and measured the entrance surface dose. And through using the measured entrance surface dose and then using the PCXMC program were evaluated risk due to irradiation and the effective dose. SNR and NPS and CNR were measured and analyzed by using 21cm acryl phantom. Significance of measured value was evaluated by statistics method. Entrance surface dose, major organ dose, effective dose all of them were measured the lowest rated in direct DR when it is on the basis of direct DR dose, high-dose ratio were measured in I.I DR approximately 1.3 times, indirect DR approximately 2.4 times. Risk in accordance with radiation also was measured same as dose ratio. On the conclusion that SNR measurement result based on direct DR SNR measurements, low-SNR ratio were measured in I.I DR approximately 7.25 times, indirect DR approximately 1.48 times. On the conclusion that CNR measurement result based on direct DR CNR measurements, high-dose ratio were measured in I.I type DR approximately 1.16 tims and low-dose ratio were measured in indirect DR approximately 0.87 times. Therefore Direct DR system using a-selenium sensing element to detect x-ray photon is thought effectively at the examination such as infant to sensitive irradiation and the genital gland. Because quality image is built by low dose. Also when it is necessary that image test requiring many diagnosis information, indirect DR system is thought effectively.
The purpose is a comparative evaluation in the DR System according to the dosimetry and image quality of the quantitative and objective via Direct digital radiography, Indirect digital radiography, Image intensifier (Charge Coupled Device type) digital radiography. The experimental method used rando phantom and measured the entrance surface dose. And through using the measured entrance surface dose and then using the PCXMC program were evaluated risk due to irradiation and the effective dose. SNR and NPS and CNR were measured and analyzed by using 21cm acryl phantom. Significance of measured value was evaluated by statistics method. Entrance surface dose, major organ dose, effective dose all of them were measured the lowest rated in direct DR when it is on the basis of direct DR dose, high-dose ratio were measured in I.I DR approximately 1.3 times, indirect DR approximately 2.4 times. Risk in accordance with radiation also was measured same as dose ratio. On the conclusion that SNR measurement result based on direct DR SNR measurements, low-SNR ratio were measured in I.I DR approximately 7.25 times, indirect DR approximately 1.48 times. On the conclusion that CNR measurement result based on direct DR CNR measurements, high-dose ratio were measured in I.I type DR approximately 1.16 tims and low-dose ratio were measured in indirect DR approximately 0.87 times. Therefore Direct DR system using a-selenium sensing element to detect x-ray photon is thought effectively at the examination such as infant to sensitive irradiation and the genital gland. Because quality image is built by low dose. Also when it is necessary that image test requiring many diagnosis information, indirect DR system is thought effectively.
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문제 정의
따라서 본 연구의 목적은 검출 방식에 따른 각 장비의 특성을 고려하여 효율적으로 검사에 부합함으로써 최적화 된 진단 영상 정보를 제공하고 환자의 피폭 선량을 감소하는데 있다.
본 연구는 X선 광자 검출 방식이 다른 direct DR system, indirect DR system, I.I DR system 각 각 X선 조사에 따른 선량을 측정, 비교하고 각 획득 영상을 정량적이고 객관적인 화질 분석을 통해 DR System의 특성을 비교 평가 하고자 한다.
I DR system으로 구분 할 수 있다. 본 연구는 이러한 DR system의 영상 특성과 선량을 비교 평가하고 진단에서의 유용성에 대해 평가하고자 하였다.
제안 방법
21cm 아크릴 phantom으로 direct DR, indirect DR, I.I DR에서 설정 된 조건으로 촬영 후 image J program을 통해 각 각의 NPS 변화 값을 비교, 분석하였다.
Rando phantom의 복부 부위에 70kV선질 32mAs 조건으로 5회 반복 촬영하여 Xi unfors function meter (Unfors, Sweden)를 통해 각 X선 광자 검출 효율에 따른 평균 입사표면선량 (Entrance Surface Dose : ESD)을 획득하였고, 획득한 입사표면선량을 전산모사 프로그램인 PCXMC 2.0 (Stuk, Finland)를 적용하여 Stomach, Liver, Small bawell, Pancreas, Lung, Spleen 여섯 개의 주요 장기 선량(Organ dose)과 유효선량(Effective dose)을 측정, 비교 분석하였다. 입사표면선량, 장기선량, 유효선량 측정값은 일원분산분석을 이용하여 통계검정을 실시하였다.
Filteration은 고유 필터와 부가 필터를 합하여 1mm Al filter로 설정하였다. 양극 타겟 각도가 12도로 설정하였고, 각 각의 장비는 같은 제조 회사의 장비로써 방사선검출 방식만 다르고 다른 조건은 동일한 구성으로 오차를 최소화 하였다.
촬영 조건으로는 70kV, 32mAs 복부촬영조건으로 설정하였으며 FFD는 110cm, field size는 direct DR과 indirect DR은 17 x 17 inch로 I.I DR은 16 x 16 inch로 장비에서 제공하는 최대 조사야를 설정하였다. Filteration은 고유 필터와 부가 필터를 합하여 1mm Al filter로 설정하였다.
대상 데이터
Direct DR 장비로는 Sonialvision sarfire Ⅱ(Shimaszu, Japan)와 a-selenium flat-panel detector(Shimaszu, Japan), indirect DR 장비로는 Innovision–SH (Shimaszu, Japan)와 a-silicon flat-panel detector (Samsung, Korea), I.I DR 장비로는 Sonialvision 100 (Shimaszu, Japan)와 CCD camera (Shimaszu, Japan)를 사용 하였다.
선량 측정용 phantom으로는 인체 모형 Rando phantom (Model ART-200-5, Fluke Biomedical, WA, USA)을 사용하였고, 화질 측정을 위해 자체 제작된 복부 두께의 21cm 아크릴 phantom을 사용하였다. Rando phantom은 뼈, 폐, 기도 그리고 조직 등가 물질의 4가지 성분으로 이루어져 있는 인체와 동일 구조로 구성되어 있다.
데이터처리
21cm 아크릴 phantom으로 direct DR, indirect DR,I.I DR에서 설정 된 조건으로 촬영 후 12시, 3시, 6시, 9시, center의 5지점에서 특정 ROI(Region Of Interest)에 대하여 Image J program (version 1.43u, National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA)으로 히스토그램 분석을 통해 각 각의 signal, noise, SNR의 평균으로 비교, 분석하였고, 일원분산분석 기법을 이용하여 통계 검정을 실시하였다.
21cm 아크릴 phantom으로 direct DR, indirect DR,I.I DR에서 설정 된 조건으로 촬영 후 12시, 3시, 6시, 9시, center의 5지점에서 특정 ROI에 대하여 Image J program으로 히스토그램 분석을 통해 각 각의 noise, CNR의 평균으로 비교, 분석하였고, 일원분산분석 기법을 이용하여 통계 검정을 실시하였다.
방사선량에 의한 위험 추정치는 다양한 방법으로 평가될 수 있지만, PCXMC는 3가지 방법의 위험 평가 추정 데이터인 REID (Risk of Exposure-Induced Death), LLE(Loss of Life Expectancy), LLE/REID(Loss of Life Expectancy per Radiation Induced Fatal Cancer)를 제공하고 있다. PCXMC 2.0 프로그램에서 제공하는 데이터를 통해 검출 방식에 따른 위험도를 비교하였다.[8～9]
0 (Stuk, Finland)를 적용하여 Stomach, Liver, Small bawell, Pancreas, Lung, Spleen 여섯 개의 주요 장기 선량(Organ dose)과 유효선량(Effective dose)을 측정, 비교 분석하였다. 입사표면선량, 장기선량, 유효선량 측정값은 일원분산분석을 이용하여 통계검정을 실시하였다.
성능/효과
Amorphous selenium 물질의 광자 검출 방식을 사용하는 direct DR system은 적은 선량으로 우수한 화질을 영상을 구현함으로써 선량에 민감한 소아나 생식선이 포함된 검사 등에 유용할 것으로 판단되어지며, 영상을 통해 많은 진단 정보가 요구되는 영상 평가가 필요한 경우에는 amorphous silicon 물질의 광자 검출 방식을 사용하는 indirect DR system이 유용할 것으로 판단된다.
CNR 측정 결과는 indirect DR이 I.I DR에 비해 약 1.02배, direct DR에 비해 약 1.15배 높은 값으로 측정되어 indirect DR에서 대조도가 가장 높은 것으로 평가되었다. 그러나 측정값에 대한 통계 분석 결과 95% 신뢰수준에서 유의한 차이가 없는 것으로 분석되어 각 검출방식에 따른 대조도의 차이는 크지 않은 것으로 평가되었다.
PCXMC 시뮬레이션에 따른 stomach, spleen, pancreas, liver, small intestine, lung의 6개 장기의 평균 흡수선량은 direct DR이 1.68mGy로 가장 낮게 측정되었고, I.I DR은 2.17mGy, indirect DR은 4.04mGy의 값으로 측정되었다. 통계 분석 결과 (P=0.
SNR 측정 결과 indirect DR이 가장 높은 값으로 측정되었으며, direct DR에 비해 약 1.48배, I.I DR에 비해 약 7.25배 우수한 SNR 값을 나타냈고, NPS 측정 값은 indirect DR이 주파수 변화에 따른 noise의 변화가 가장 적고, 다른 검출 방식에 비해 낮은 NPS 값으로 측정되었다. 또한 NPS 측정 결과 저주파 영역에서 고주파 영역으로 공간 주파수가 증가함에 따라 지수 함수적으로 감소하는 특징을 보였다.
74의 값으로 측정되었다. Signal과 noise 측정 결과 indirect DR이 가장 높게 평가되었다.
15배 높은 값으로 측정되어 indirect DR에서 대조도가 가장 높은 것으로 평가되었다. 그러나 측정값에 대한 통계 분석 결과 95% 신뢰수준에서 유의한 차이가 없는 것으로 분석되어 각 검출방식에 따른 대조도의 차이는 크지 않은 것으로 평가되었다.
동일한 조건으로 조사하여 선량을 비교한 결과 입사표면선량, 유효선량, 복부 촬영 시 주요 장기의 평균흡수선량 모두 direct DR이 가장 낮게 측정되었으며, I.I DR은 약 1.3배 높은 선량, indirect DR은 약 2.4배 높은 선량으로 측정되었다. 이에 따라 방사선 조사에 따른 암 발생의 위험도 동일한 비율로 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
Indirect DR은 X선 에너지를 빛으로 전환함으로써 높은 전기적 신호로의 변환효율을 갖는다. 따라서 상대적으로 직접 방식에 비해 높은 수준의 signal에 대한 noise의 특성이 우수한 결과를 실험을 통하여 확인할 수 있었다.[11]
39의 값으로 측정되었다. 따라서 주변 잡음에 대한 관심영역의 대조도는 I.I DR이 가장 높은 것으로 평가되었다. 그러나 측정값에 대한 통계 분석 결과 P=0.
또한 ICRP 103 기준의 유효선량 평가는 direct DR이 0.136mSv로 가장 낮게 측정되었고, I.I type DR은 0.175mSv, indirect DR은 0.33mSv의 값으로 측정되었다. 표 1에서 통계 분석 결과 P<0.
25배 우수한 SNR 값을 나타냈고, NPS 측정 값은 indirect DR이 주파수 변화에 따른 noise의 변화가 가장 적고, 다른 검출 방식에 비해 낮은 NPS 값으로 측정되었다. 또한 NPS 측정 결과 저주파 영역에서 고주파 영역으로 공간 주파수가 증가함에 따라 지수 함수적으로 감소하는 특징을 보였다. Indirect DR은 X선 에너지를 빛으로 전환함으로써 높은 전기적 신호로의 변환효율을 갖는다.
I DR이 direct, indirect DR에 비하여 주파수에 따른 noise의 편차가 크게 측정되었다. 또한 약 0.2 lp/mm 부근에서 모두 noise가 급격히 증가하는 현상이 나타났다. Indirect DR이 공간주파수(spatial frequency) 변화에 따라 noise의 변동이 가장 낮은 것으로 측정되었다.
본 연구 결과 a-selenium 검출 방식의 direct DR 은적은 선량으로 높은 수준의 화질로 평가되었다. 따라서 선량에 민감한 소아의 검사나 생식선이 포함되는 검사의 경우 direct DR을 사용함으로써 피폭을 감소하면서우수한 영상 정보를 제공할 수 있을 것으로 생각된다.
011%의 값으로 추정되었다. 여러 종류의 암에 대한 평균 REID는 direct DR이 0.000652%로 가장 낮게 추정되었고, I.I DR은 0.000841%, indirect DR은 0.001569%의 값으로 추정되었다. 또한 LLE는 direct DR이 7.
4배 높은 선량으로 측정되었다. 이에 따라 방사선 조사에 따른 암 발생의 위험도 동일한 비율로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 입사 X선 에너지가 직접 전기적 전하로 변환되어 손실이 거의 없는 직접 방식에 비해, 간접방식은 형광체 소자가 광자를 빛으로 전환하고 빛을 전하로 변환하여 검출하는 과정에서 직접 방식에 비해 더 많은 광자량을 필요로 하게 되고 그에 따라 선량이 증가하기 때문인 것으로 판단된다.
입사표면선량은 direct DR이 0.82mGy로 가장 낮게 측정되었고, I.I DR은 1.06mGy, indirect DR은 1.97mGy의 값으로 측정되었다. 통계 분석 결과 P<0.
04mGy의 값으로 측정되었다. 통계 분석 결과 (P=0.028) 각 검출방식에 따라 평균 흡수선량은 유의한 차이가 있는 것으로 평가되었다.
통계 분석 결과 P<0.001로 각검출 방식에 따라 입사표면선량은 유의한 차이가 있는 것으로 평가되었다.
통계 분석 결과 P값이 모두 0.05 미만으로 분석되어 각 검출 방식에 따라 signal, noise, SNR 측정값은 유의한 차이가 있다.
표 2에서 REID는 direct DR이 0.00456%로 가장 낮게 추정되었고, I.I DR은 0.00589%, indirect DR은 0.011%의 값으로 추정되었다. 여러 종류의 암에 대한 평균 REID는 direct DR이 0.
표 3에서 noise에 대한 signal의 저항력을 나타내는 SNR 결과 indirect DR이 31.9±7.27로 가장 높게 측정되었으며, direct DR은 21.6±19.29, I.I DR은 4.4±15.74의 값으로 측정되었다.
표 4에서 contrast를 나타내는 CNR 결과 I.I DR이 0.96±0.10로 가장 높게 측정되었으며, direct DR은 0.83± 0.04, indirect DR은 0.72± 0.39의 값으로 측정되었다.
후속연구
I DR은 투시조영검사 전용 장비이고 indirect DR은 일반촬영 검사전용 장비라는 차이를 가지고 있으므로 이에 대한 변수를 배제할 수 없다. 따라서 향후 DR system의 특성을 정확하고, 객관적으로 평가할 수 있는 대표적인 평가방법인 MTF, DQE측정과 더불어 주관적 평가 등의 연구를 통해 다양한 응용 분야에 대한 검증을 함으로써 방사선 진단 영역의 적용이 가능할 것으로 사료된다.
따라서 선량에 민감한 소아의 검사나 생식선이 포함되는 검사의 경우 direct DR을 사용함으로써 피폭을 감소하면서우수한 영상 정보를 제공할 수 있을 것으로 생각된다. 또한 환자의 검사부위, 또는 병변 부위에서 세심한 판독 정보 및 많은 영상 정보가 필요한 경우에는 높은 X선 광자 검출 효율로써 많은 신호 정보를 포함할 수 있는 indirect DR을 사용하는 것이 유용할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
DR system은 어떻게 구분되는가?
DR system은 X선 광자 검출하는 방식에 따라 direct DR, indirect DR, I.I(Image Intensifier)에 CCD(Charge Coupled Device) camera를 부착하여 검출하는 방식의I.I DR로 구분된다. Direct DR 은 X선 광자를 amorphous selenium photoconductor에서 직접 전기적신호로 변환하여 검출되는 방식이며, indirect DR은 X선 광자를 빛으로 변환 후 amorphous silicon photodiode에 가시광의 기록과 전하의 변환 과정을 거치는 방식이다.
DR system 중 I.I DR은 어떤 원리로 검출하는 방식인가?
Direct DR 은 X선 광자를 amorphous selenium photoconductor에서 직접 전기적신호로 변환하여 검출되는 방식이며, indirect DR은 X선 광자를 빛으로 변환 후 amorphous silicon photodiode에 가시광의 기록과 전하의 변환 과정을 거치는 방식이다. I.I DR은 X선 광자를 image intensifier의 입력 형광면에서 빛으로 변환, 증폭 후 CCD에 의해 전하의 변환 과정 후 capacitor에 의해 수집 검출되는 방식이다.[2, 6]
DR의 발달은 무엇을 가능하게 하였나?
DR(Digital Radiography)의 발달은 의료 영상 정보기록의 정밀성, 디스플레이의 유연성, 다른 통신 네트워크를 통한 영상의 전송 등을 가능하게 하게하여 영상데이터의 효용성을 증가시켰다.[1] DR 영상은 빛에 민감한 작은 입자 즉 픽셀에 의해 형성되며 넓은 동적 범위(wide dynamic range)의 특징으로서 방사선 노출량을 감소하면서 우수한 화질의 영상을 제공하게 된다.
참고문헌 (11)
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