디지털유방촬영기에서 자동모드를 설정해서 검사를 할 경우 환자가 받는 평균유선선량(average grandular dose)를 줄일 수 있는 방법을 제시하고자 최적의 노출 파라미터를 찾고 노이즈 감소 알고리즘을 적용하여 화질을 개선하고자 한다. 실험을 위하여 Nuclear Associates Model 18-222 의 팬텀을 사용 하였으며, 입사선량(enterance dose)과 평균 유선선량을 측정하였다. 다음 노이즈(noise) 제거 알고리즘을 적용하였고, 적용 전 후에 대해서 Signal, Noise, SNR, FOM을 측정하고 비교 평가 하였다. 실험결과 첫째, 노이즈 제거 전 Mo/Mo 23kvp에서 SNR이 가장 높았고, 평균유선 선량은 W/Rh 35kvp 에서 가장 낮았다. FOM 결과 W/Rh의 28kVp를 사용하는 것이 가장 좋은 것으로 나타났다. 노이즈 제거 알고리즘 적용 후 SNR은 Mo/Mo 23kvp에서 SNR 가장 높았고, FOM의 결과 W/Rh의 28kVp를 사용 하는것이 가장 좋은 것으로 나타났다. 이때 동일한 평균유선선량을 갖는 조건에서 노이즈 값은 4.36에서 1.74로 감소되었으며, SNR 값은 4.6에서 11.6으로 향상되었다. 제안하는 노이즈 제거 처리를 적용하면 영상에서 중요한 정보를 유지하면서 노이즈를 감소시킬 수 있고, 최적의 노이즈 처리와 최적의 검사조건을 선택함으로써 유방 검사 시 발생하는 방사선 피폭을 줄일 수 있을 것이다.
디지털유방촬영기에서 자동모드를 설정해서 검사를 할 경우 환자가 받는 평균유선선량(average grandular dose)를 줄일 수 있는 방법을 제시하고자 최적의 노출 파라미터를 찾고 노이즈 감소 알고리즘을 적용하여 화질을 개선하고자 한다. 실험을 위하여 Nuclear Associates Model 18-222 의 팬텀을 사용 하였으며, 입사선량(enterance dose)과 평균 유선선량을 측정하였다. 다음 노이즈(noise) 제거 알고리즘을 적용하였고, 적용 전 후에 대해서 Signal, Noise, SNR, FOM을 측정하고 비교 평가 하였다. 실험결과 첫째, 노이즈 제거 전 Mo/Mo 23kvp에서 SNR이 가장 높았고, 평균유선 선량은 W/Rh 35kvp 에서 가장 낮았다. FOM 결과 W/Rh의 28kVp를 사용하는 것이 가장 좋은 것으로 나타났다. 노이즈 제거 알고리즘 적용 후 SNR은 Mo/Mo 23kvp에서 SNR 가장 높았고, FOM의 결과 W/Rh의 28kVp를 사용 하는것이 가장 좋은 것으로 나타났다. 이때 동일한 평균유선선량을 갖는 조건에서 노이즈 값은 4.36에서 1.74로 감소되었으며, SNR 값은 4.6에서 11.6으로 향상되었다. 제안하는 노이즈 제거 처리를 적용하면 영상에서 중요한 정보를 유지하면서 노이즈를 감소시킬 수 있고, 최적의 노이즈 처리와 최적의 검사조건을 선택함으로써 유방 검사 시 발생하는 방사선 피폭을 줄일 수 있을 것이다.
The optimum exposure parameters are found when examined using the automatic mode in FFDM. improve the image quality by applying denoising algorithm and propose methods to reduce AGD(Average Grandular Dose) a patient can receive. For the experiment, Nuclear Associates Model 18-222 phantom was the use...
The optimum exposure parameters are found when examined using the automatic mode in FFDM. improve the image quality by applying denoising algorithm and propose methods to reduce AGD(Average Grandular Dose) a patient can receive. For the experiment, Nuclear Associates Model 18-222 phantom was the used, and the entrance dose and AGD were measured. And then, Signal, Noise, SNR and FOM(Figure of Merit) were measured, compared and analyzed image denoising before and after. As the experiment result, first, SNR was the highest at Mo/Mo 23kVp and W/Rh 35kvp was the lowest for the average glandular dose. It showed to use 28kVp of W/Rh to be the best through the result of FOM. SNR was the highest at Mo/Mo 23kVp(image denoising), and it showed to W/Rh and 28kVp to be the best in the FOM result which AGD was considered at the same time. By the image denoising, it is possible to reduce noise while maintain important information in the image.
The optimum exposure parameters are found when examined using the automatic mode in FFDM. improve the image quality by applying denoising algorithm and propose methods to reduce AGD(Average Grandular Dose) a patient can receive. For the experiment, Nuclear Associates Model 18-222 phantom was the used, and the entrance dose and AGD were measured. And then, Signal, Noise, SNR and FOM(Figure of Merit) were measured, compared and analyzed image denoising before and after. As the experiment result, first, SNR was the highest at Mo/Mo 23kVp and W/Rh 35kvp was the lowest for the average glandular dose. It showed to use 28kVp of W/Rh to be the best through the result of FOM. SNR was the highest at Mo/Mo 23kVp(image denoising), and it showed to W/Rh and 28kVp to be the best in the FOM result which AGD was considered at the same time. By the image denoising, it is possible to reduce noise while maintain important information in the image.
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문제 정의
의료영상의 특성상 입력되는 영상이 동일한 특성을 가질 수 밖에 없다는 점을 감안하였으나 본 실험에 적용된 역치값은 계산적으로 최적의 값이라고 할 수는 없다. 따라서 향후 연구에서는 기존의 역치값 적용 결과에 대한 평가를 해보고 자동으로 최적의 역치값을 찾는 방법을 제안하여 결과를 비교하고자 한다. 또한 다양한 두께의 팬텀과 여러 회사에서 제작한 장비에 대한 결과를 함께 제시 할 것이다.
디지털유방촬영기의 수동 모드(manual exposure mode)와 자동모드(auto exposure mode)에서 필터/타깃, 관전압 선택의 최적의 파라미터를 시용하지 않는다면 환자의 피폭은 증가 할 것이다. 본 연구에서는 자동노출 방식을 대상으로 화질과 선량을 모두 유지할 수 있는 방법을 제안하고자 한다. 자동노출상태에서 선량 감소를 위한 관전압, 필터/타깃의 최적의 조합을 살펴본다.
따라서 다양한 팬텀 두께에 대한 실험이 요구된다. 웨이블릿이 노이즈 제거를 통한 화질이 향상된 영상을 얻을 수 있을지에 대한 연구에 중점을 두었다. 향후 다양한 유방실질과 지방과 두께가 다른 여러 팬텀에 대한 결과를 통해서 실제 알고리즘을 적용했을 시 다양한 유방 검사 대상자에 대한 선량감소 정도를 알 수 있을 것으로 사료된다.
노이즈제거를 위한 실험과정은 각 노출 파라미터로부터 얻어진 영상에 대해여 웨이블렛 알고리즘을 적용하여 화질을 개선시키는 과정을 가진다. 이에 대해서 본 연구에서는 첫째, 최적의 파라미터 조합을 알아보고, 둘째, 저선량을 사용해서 얻어진 저화질의 영상을 대상으로 노이즈 제거 알고리즘을 적용해서 화질의 개선을 시도하고자 한다.
본 연구에서는 자동노출 방식을 대상으로 화질과 선량을 모두 유지할 수 있는 방법을 제안하고자 한다. 자동노출상태에서 선량 감소를 위한 관전압, 필터/타깃의 최적의 조합을 살펴본다. 다음 저 선량의 영상에 대해서 노이즈 제거 기법을 적용하여 화질개선을 시도하고, 고 선량에서 얻은 영상보다 우수한 화질의 영상을 제공해서 환자가 받는 평균유선선량을 줄이고자 한다.
가설 설정
phantom images (a) ROI for image evaluation from phantom images. (b) Phantom image obtain from 23kVp/(Mo/Mo) exposure condition. (c) Phantom image obtain from 23kVp/(Mo/Mo) exposure condition (denoised image
제안 방법
디지털유방촬영기를 사용해서 팬텀을 대상으로 23kVp에서 35kVp까지 차례로 영상을 획득하였다. Mo/Mo, W/Rh, Mo/Rh의 3종류의 필터/타깃 조합에 대해서 차례대로 영상을 획득하였으며, 동시에 시스템에서 제시되는 입사선량 (Enterence Skin Dose) 와 평균유선선량 값을 기록하였다.
일반적으로 step wedge ROI 1영역과 배경정보를 가진 ROI 2영역의 차를 구하여 signal의 값을 구한다. 그러나 Heel effect와 같은 현상을 보정하기 위하여 ROI 3, ROI 4와 같은 영역을 추가하여 계산하였다[7]. Noise 값은 ROI 5의 픽셀 값의 표준편차 값을 이용하였다.
Donoho[8] 등은 통계적으로 최적의 특성을 보인다. 노이즈 레벨 추정에서 서브 밴드 분해 대역(subband decomposition band)의 고주파 성분을 포함한 노드로부터 표준편차를 추정하였다. 조현숙[6]등은 근사정보와 상세 정보로 대역을 분할한 뒤 각 상세정보와 부 대역에서 중앙편차를 계산하였고, 각 결과값의 평균을 임계값으로 사용하였다.
노이즈 제거 처리를 하지 않은 단계에서 획득된 영상을 대상으로 SNR, Noise, AGD, FOM(figure of merit)을 알아보았다. 23kv Mo/Mo에서 신호강도가 가장 높게 나타났고, 관전압이 증가함에 신호강도는 감소하는 경향을 보이고 있다.
최근 대표적으로 사용되고 있는 디지털유방촬영시스템에서 자동노출모드를 사용할 경우 환자의 유방 두께에 따라서 자동으로 관전류 값이 설정되고 관전압과 타깃/필터 조합은 선택적으로 사용하게 되어있다. 노출조건 설정 시 최적의 조합을 알아보았고, 최소한의 평균유선선량을 위해서 노이즈 제거 알고리즘을 제안하고 화질을 평가하였다. 본 연구에서는 웨이블렛을 제안하였으며, 적용전과 후에 대해서 각각 결과를 얻었다.
이산 웨이블렛 계산에서는 푸리에 급수 전개와 같이 웨이블렛 급수의 전개는 연속적인 변수의 함수를 계수의 열로 사상한다. 다음 상세 계수의 한계를 제한하기 위하여 상세계수에 임계값(threshold)을 선택하고 적용하였다. 적용되는 임계화 함수는 식 (3)(4)와 같다[6].
자동노출상태에서 선량 감소를 위한 관전압, 필터/타깃의 최적의 조합을 살펴본다. 다음 저 선량의 영상에 대해서 노이즈 제거 기법을 적용하여 화질개선을 시도하고, 고 선량에서 얻은 영상보다 우수한 화질의 영상을 제공해서 환자가 받는 평균유선선량을 줄이고자 한다. 팬텀(phantom) 영상으로부터 Noise, Contrast, SNR, FOM(Figure of Merit)을 측정하여 영상의 질을 평가하고, 제안하는 노이즈 제거(denoising) 방법을 통해서 영상의 화질을 향상시키고 평균 유선선량을 감소시키고자 하였다.
따라서[6][8][9]의 연구처럼 자동으로 최적의 역치값을 찾는 방법은 중요하다. 디지털유방촬영술에서 웨이블렛을 이용한 노이즈 제거 방법에서 최적의 역치값을 찾기 위한 선행연구로서 본 연구에서는 실험적으로 안정성을 보이는 임의의 역치값을 찾아서 문제에 적용하였다. [Table 3.
2cm 압박두께) 이하로 규정하고 있다[2]. 또한 국제기본안전기준(Basic Safety Standard, BBS) No. 115를 마련하여 CC(촬영 시 격자 없이 1mGy, 격자사용 시 3mGy로 권고하였다. 우리나라의 CC(Cranial Caudal)촬영 시 환자가 받는 선량을 1.
노출조건 설정 시 최적의 조합을 알아보았고, 최소한의 평균유선선량을 위해서 노이즈 제거 알고리즘을 제안하고 화질을 평가하였다. 본 연구에서는 웨이블렛을 제안하였으며, 적용전과 후에 대해서 각각 결과를 얻었다.
웨이블렛을 적용하여 Noise 가 제거된 획득된 영상을 대상으로 SNR, Noise, AGD, FOM을 알아보았다. 알고리즘 처리 후 Noise 강도는 전체적으로 크게 줄어들었으며, Mo/Mo의 23kvp에서 가장 나타났다.
다음 저 선량의 영상에 대해서 노이즈 제거 기법을 적용하여 화질개선을 시도하고, 고 선량에서 얻은 영상보다 우수한 화질의 영상을 제공해서 환자가 받는 평균유선선량을 줄이고자 한다. 팬텀(phantom) 영상으로부터 Noise, Contrast, SNR, FOM(Figure of Merit)을 측정하여 영상의 질을 평가하고, 제안하는 노이즈 제거(denoising) 방법을 통해서 영상의 화질을 향상시키고 평균 유선선량을 감소시키고자 하였다.
획득된 영상으로부터 평균신호강도를 구하기 위해서 관심 영역(region of interest)을 설정하였고 모두 90×90의 픽셀(pixel)을 설정하였다.
대상 데이터
팬텀의 두께는 4,5cm이고 구성은 50% 지방과 50% 유방실질로 되어있다. 디지털유방촬영기를 사용해서 팬텀을 대상으로 23kVp에서 35kVp까지 차례로 영상을 획득하였다. Mo/Mo, W/Rh, Mo/Rh의 3종류의 필터/타깃 조합에 대해서 차례대로 영상을 획득하였으며, 동시에 시스템에서 제시되는 입사선량 (Enterence Skin Dose) 와 평균유선선량 값을 기록하였다.
2cm보다 작은 것으로 보고된다고 하였다[1]. 본 연구에서는 두께 4.5cm인 팬텀을 사용해서 실험하였다. 따라서 다양한 팬텀 두께에 대한 실험이 요구된다.
실험을 위하여 FFDM Awavb30b (Siemens, Germany)의 디지털 유방촬영기를 사용하였다. 팬텀은 Nuclear Assocoation Model 18 (CIRS, USA)을 사용하였다.
실험을 위하여 FFDM Awavb30b (Siemens, Germany)의 디지털 유방촬영기를 사용하였다. 팬텀은 Nuclear Assocoation Model 18 (CIRS, USA)을 사용하였다. 팬텀의 두께는 4,5cm이고 구성은 50% 지방과 50% 유방실질로 되어있다.
이론/모형
SNR은 신호강도(signal power)와 노이즈 강도(noise power)의 비로서 계산된다. SNR과 평균유선선량의 결과를 동시에 만족시키기 위해서, Williams[7]가 제안하였던 FOM(figure of merit)를 사용하였다. FOM은 평균유선 선량을 최소화 하면서 SNR이 최대가 되는 조건을 찾기 위한 지표로서 결과 값이 클수록 좋다.
성능/효과
7 (a)의 경우 픽셀 강도가 낮아 step간 구분이 어려운 반면에 Fig. 7 (c)의 SNR이 가장 높은 23kvp에서는 동일한 베이스 라인에 대한 픽셀 강도가 가장 높고 step간 구분이 명확하였다. 최종 판정 지표인 FOM에서 W/Rh의 28kvp에서 가장 높게 나타났다.
노이즈 제거 처리를 하지 않은 단계에서 획득된 영상을 대상으로 SNR, Noise, AGD, FOM(figure of merit)을 알아보았다. 23kv Mo/Mo에서 신호강도가 가장 높게 나타났고, 관전압이 증가함에 신호강도는 감소하는 경향을 보이고 있다. W/Rh와 Mo/Rh에서도 23kVp에서 신호 강도가 가장 높았으며, 필터/타깃 조합간의 결과분포는 유사한 결과를 나타냈다.
FOM을 통해서 얻은 최적의 노출조건은 알고리즘 적용전과 동일했으며, 노이즈 값은 4.36에서 1.74로 감소되었다. SNR 값은 4.
77mGy로 가장 높게 나타났다. W/Rh의 35kvp에서 AGD가 낮게 나타났으며 KVP가 증가하면서 평균유선선량은 낮아지는 결과를 보인다. W/Rh가 Mo/Mo, Mo/Rh 보다 모든 kvp 영역에 대해서 낮은 결과를 보인다.
77로 가장 낮게 나타났다. W/Rh의 35kvp에서 Noise 값이 4.68로 가장 높게 나타났고 필터/타깃 조합에 따른 최대 24%의 Noise 증가가 있었다. [Fig.
웨이블렛을 적용하여 Noise 가 제거된 획득된 영상을 대상으로 SNR, Noise, AGD, FOM을 알아보았다. 알고리즘 처리 후 Noise 강도는 전체적으로 크게 줄어들었으며, Mo/Mo의 23kvp에서 가장 나타났다. 23kvp를 기준으로 Mo/Mo Mo/Rh W/Rh 순으로 노이즈가 작게 나타났다.
] 에서는 W/Rh 의 모든 kVP에 대해서 역치값을 설정하고 noise 값과 SNR값을 나타내었다. 역치값이 증가할수록 noise는 감소하고 SNR은 증가하였다. 이때 역치값 20에서 변환가 없는 것으로 간주하여 웨이블렛의 역치값으로 설정하였다.
7 (c)의 SNR이 가장 높은 23kvp에서는 동일한 베이스 라인에 대한 픽셀 강도가 가장 높고 step간 구분이 명확하였다. 최종 판정 지표인 FOM에서 W/Rh의 28kvp에서 가장 높게 나타났다.[표 2]
평균유선선량이 가장 최소인 W/Rh의 35kVp(SNR:3.88, ADG: 1.15)의 영상에 대해서 제안하는 알고리즘을 적용할 경우 적용전의 가장 우수한 SNR을 보였던 Mo/Mo의 23kVp (SNR 6.22, ADG: 2.77)결과 보다 뛰어난 화질을(SNR 9.26, ADG:1.15) 얻을 수 있었고, 평균 유선선량이 75.81% 감소되어 나타났다.
후속연구
따라서 향후 연구에서는 기존의 역치값 적용 결과에 대한 평가를 해보고 자동으로 최적의 역치값을 찾는 방법을 제안하여 결과를 비교하고자 한다. 또한 다양한 두께의 팬텀과 여러 회사에서 제작한 장비에 대한 결과를 함께 제시 할 것이다.
웨이블릿이 노이즈 제거를 통한 화질이 향상된 영상을 얻을 수 있을지에 대한 연구에 중점을 두었다. 향후 다양한 유방실질과 지방과 두께가 다른 여러 팬텀에 대한 결과를 통해서 실제 알고리즘을 적용했을 시 다양한 유방 검사 대상자에 대한 선량감소 정도를 알 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
필름-스크린을 쓰는 고식적 유방영상시스템의 한계는?
필름-스크린을 쓰는 고식적 유방영상시스템은 검출기의 제한적 특성과 시스템의 구조적 제약으로 영상을 향상 시키는 데에는 한계가 있다. 디지털 유방 엑스선 시스템은 필름을 통해서 제공되는 고식적 방식의 영상보다 화질이 우수하며, 영상처리 기법을 통해서 다양한 농도 범위를 제공 할 수 있다.
디지털 유방촬영술의 장점은?
디지털 유방촬영술은 SNR(signal-to-noise ratio)이 우수하며, 치밀유방의 평가와 미세 석회화 발견에 우수한 것으로 알려졌다. 또한 유방암에 의한 사망률을 감소시킬 수 있고, 만져지지 않는 유방암을 조기에 발견할 수 있다. 이러한 유방촬영술은 병변과 유선 조직 사이 엑스선의 흡수 차가 작고 미세한 석회화를 표현하는데 우수하다[1].
디지털 유방촬영시스템의 노출조건 중 자동 노출기법의 특징은?
최근의 디지털 유방촬영시스템은 노출조건 설정 시 수동 또는 자동 노출 기법 중 선택적으로 사용할 수 있다. 자동노출기법은 유방의 두께에 따라 자동으로 관전류(mAs)를 계산해서 적용 할 수 있고, 관전압(kVp) 과 필터/타깃(filter/target) 재질의 조합을 선택적으로 사용할 수 있다. 관전류를 높이면 피폭이 증가하고, 선량 감소를 목적으로 관전류를 낮추면 노이즈의 증가로 미세석회화의 검출이 어려운 문제가 따른다.
S. Obenauer, K. P. Hermann and E Grabbe, "Dose reduction in full-field digital mammography: an anthropomorphic breast phantom study", Br J Radiol, Vol.76, No. 907, pp.478-82, 2003
M. B. Williams, P. Raghunathan, M. J. More, J. A. Seibert, A. Kwa, J. Y. Lo, E. Samei, N. T.Ranger, and L. L. Fajardo, L.L. "Optimization of e엑스posure parameters in full field digital mammography. Med Phys", Vol. 35, pp.2414-2423, 2008.
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