디지털 방사선장치에서 구리 부가필터의 유용성 평가에 관한 융복합 연구 A Convergence Study on Evaluation of Usefulness of Copper Additional Filter in the Digital Radiography System원문보기
본 연구는 저에너지 방사선을 제거하기 위해 사용되는 구리 여과판의 디지털 방사선 장비에서 유용성을 분석하고자 선량, 화질평가의 융복합 연구를 실시하였다. 실험기간은 2015년 4월부터 6월까지 이었다. 관전압과 관전류 변화에 따른 구리 여과판 사용 전, 0.1, 0.2, 0.3 mm 의 선량을 평가하였다. 화질평가는 PSNR, MAE, MSE, CNR, SNR 정성적 평가로는 국가암검진 흉부 평가표의 해상, 대조도 평가 7문항을 이용하였다. 흡수선량은 16-88 % 정도 여과판 사용 전에 비해 측정치 낮아졌고, 관전압이 높아짐에 따라 격차가 작아짐을 알 수 있었다. PSNR은 30 dB이상으로 모두 의미 있는 수치였고, CNR, SNR은 여과판 미사용 시 우수했으나 정성적 평가에서는 항목마다 통계적 유의성이 달랐다. 0.1 mm 여과판에서는 폐혈관 관찰 부위에서 측정치가 높고, 0.3 mm도 밀도가 높고 공기가 많은 부위를 제외하고 통계적으로 유의하지 않았다. 구리 여과판은 좋은 선질과 디지털촬영 장비의 장점인 보정 능력 이용하여 더 적은 선량으로 화질을 향상 시킬 수 있다.
본 연구는 저에너지 방사선을 제거하기 위해 사용되는 구리 여과판의 디지털 방사선 장비에서 유용성을 분석하고자 선량, 화질평가의 융복합 연구를 실시하였다. 실험기간은 2015년 4월부터 6월까지 이었다. 관전압과 관전류 변화에 따른 구리 여과판 사용 전, 0.1, 0.2, 0.3 mm 의 선량을 평가하였다. 화질평가는 PSNR, MAE, MSE, CNR, SNR 정성적 평가로는 국가암검진 흉부 평가표의 해상, 대조도 평가 7문항을 이용하였다. 흡수선량은 16-88 % 정도 여과판 사용 전에 비해 측정치 낮아졌고, 관전압이 높아짐에 따라 격차가 작아짐을 알 수 있었다. PSNR은 30 dB이상으로 모두 의미 있는 수치였고, CNR, SNR은 여과판 미사용 시 우수했으나 정성적 평가에서는 항목마다 통계적 유의성이 달랐다. 0.1 mm 여과판에서는 폐혈관 관찰 부위에서 측정치가 높고, 0.3 mm도 밀도가 높고 공기가 많은 부위를 제외하고 통계적으로 유의하지 않았다. 구리 여과판은 좋은 선질과 디지털촬영 장비의 장점인 보정 능력 이용하여 더 적은 선량으로 화질을 향상 시킬 수 있다.
This convergence study analyzed the effectiveness of digital radiography system of copper(Cu) filter in the added filtration for the removal of lower energy radiation through dose and image evaluation. We were analyzed from April to June 2015 result of the examination. Cu filter was applied to each ...
This convergence study analyzed the effectiveness of digital radiography system of copper(Cu) filter in the added filtration for the removal of lower energy radiation through dose and image evaluation. We were analyzed from April to June 2015 result of the examination. Cu filter was applied to each non, 0.1, 0.2, 0.3 mm according to change of kV and mAs and doses were evaluated. Image quality was evaluated by PSNR, MAE, MSE, CNR, SNR and qualitative analysis was performed by seven items for resolution and contrast from chest x-ray criteria of national cancer checkup. The absorbed doses with Cu were lowered by 16-88 % than non-filter but the gaps decreased as kV increased. PSNR were over 30 dB and all significant and CNR and SNR were superior with non-filter but in the qualitative analysis, there were different statistical significant according to each item. The score of 0.1 mm filter was high at pulmonary blood vessel observation and in the 0.3 mm Cu, there were no statistical signigicant except high density and full of air portion. Cu filter can improve image quality with lower radiation dose using better radiation quality and correction power at digital radiography system.
This convergence study analyzed the effectiveness of digital radiography system of copper(Cu) filter in the added filtration for the removal of lower energy radiation through dose and image evaluation. We were analyzed from April to June 2015 result of the examination. Cu filter was applied to each non, 0.1, 0.2, 0.3 mm according to change of kV and mAs and doses were evaluated. Image quality was evaluated by PSNR, MAE, MSE, CNR, SNR and qualitative analysis was performed by seven items for resolution and contrast from chest x-ray criteria of national cancer checkup. The absorbed doses with Cu were lowered by 16-88 % than non-filter but the gaps decreased as kV increased. PSNR were over 30 dB and all significant and CNR and SNR were superior with non-filter but in the qualitative analysis, there were different statistical significant according to each item. The score of 0.1 mm filter was high at pulmonary blood vessel observation and in the 0.3 mm Cu, there were no statistical signigicant except high density and full of air portion. Cu filter can improve image quality with lower radiation dose using better radiation quality and correction power at digital radiography system.
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문제 정의
filter를 사용 전, 후의 PSNR값을 비교함으로써 같은 영상의 질이 유지되는지를 프로그램을 통하여 정량적 결과를 알아보고자 하였다.
이에 본 연구에서는 DR 환경에서 아날로그 방식보다 향상된 넓은 노출지수와 우수한 검출능력을 이용하여서, 구리(Cu) 부가 filter의 사용을 통하여 같은 화질 유지하며 피폭선량 경감을 통하여 환자 안전을 도모하고자 하였다.
제안 방법
filter 사용전과 후 두께와 조건별 감소율을 알아보아서 올바른 사용을 돕고자 흡수선량을 알아보았다.
CNR, SNR을 측정함으로써 화질평가를 객관화 하여 filter 사용 전, 후의 화질차이를 분석하였다. CNR(contrast to noise ratio)는 Pelvis(골반) 팬텀을 이용하여 촬영 조건은 AEC를 사용하여 얻어진 77 kV에 12.
filter를 사용 전, 후의 PSNR값을 비교함으로써 같은 영상의 질이 유지되는지를 프로그램을 통하여 정량적 결과를 알아보고자 하였다. Chest(흉부) 팬텀을 이용하여 filter 사용 전 기준 영상을 촬영하고, 각각의 필터를 장착한 실험영상을 촬영한다. 촬영 조건은 AEC(auto exposure control)를 사용하여 얻어진 125 kV에 4 mAs 를 고정하고 SID는 180 cm, 12:1격자를 사용하였다.
filter 사용전과 후 두께와 조건별 감소율을 알아보아서 올바른 사용을 돕고자 흡수선량을 알아보았다. Non, 0.1, 0.2, 0.3 mmCu filter 사용에 따른 선량계의 흡수선량을 측정하였다. 관전압은 50, 70, 90, 120 kV, 관전류는 5, 10, 20 mAs, S-value 200, 150 cm SID(source-to-image receptor distance), 10 x 10 cm collimation size로 설정하여, 각각의 부가필터를 실시하였다.
5 mAs를 고정하고 SID는 110 cm, 10:1격자를 사용하였다. Right iliac wing, femur head, sacrum을 Image J 프로그램을 이용하여 0.3 X 0.3 cm2의 ROI(region of image)를 설정하였다. ROI의 pixel 신호 강도의 표준편차를 측정한 후, ROI를 제외한 Background의 신호강도 평균값과 표준편차를 구하여 수식에 의하여 계산한다.
평가항목은 총 7가지 항목으로 구성 하였다[Table 2]. filter를 사용하지 않을 때와 0.1, 0.2, 0.3 mmCu를 비교하였다. 자료처리는 5회 이하 이므로 비모수적 통계 방법인 Wilcoxon signed ranks test를 시행하였다.
또한 정성적 평가 에서 국가 암검진 임상평가표를 이용하여 더 객관화 된 결과값을 얻을 수 있었다. filter연구 시 더 객관화 된 결과값을 얻기 위한 새로운 실험 방법의 모델을 제시하였다.
이때 후방산란에 의한 산란선 영향을 최소화하기 위해서 detector와 선량계의 거리를 50cm 간격을 두었다. 각 두께별로 10회 반복 측정하여 평균을 계산하여 신뢰도를 높였다.
3 mmCu filter 사용에 따른 선량계의 흡수선량을 측정하였다. 관전압은 50, 70, 90, 120 kV, 관전류는 5, 10, 20 mAs, S-value 200, 150 cm SID(source-to-image receptor distance), 10 x 10 cm collimation size로 설정하여, 각각의 부가필터를 실시하였다. 이때 후방산란에 의한 산란선 영향을 최소화하기 위해서 detector와 선량계의 거리를 50cm 간격을 두었다.
모든 통계의 유의수준은 5%로 하였다. 또한 filter 사용에 따른 선량 감소율을 알아보기 위하여 filter 사용 전을 100 %로 하여 각각의 두께별 백분 율로 구하여 보았다.
관전압은 50, 70, 90, 120 kV, 관전류는 5, 10, 20 mAs, S-value 200, 150 cm SID(source-to-image receptor distance), 10 x 10 cm collimation size로 설정하여, 각각의 부가필터를 실시하였다. 이때 후방산란에 의한 산란선 영향을 최소화하기 위해서 detector와 선량계의 거리를 50cm 간격을 두었다. 각 두께별로 10회 반복 측정하여 평균을 계산하여 신뢰도를 높였다.
인체모형의 phantom을 사용하여 임상에서 육안으로 판독하는 방법과 동일하게 적용하여 정성적 평가를 통하여 화질 분석을 실시하였다. Chest phantom에 120 kV에서 AEC mode 사용하여 EI 200값을 설정 후 조사하여 얻은 4 mAs값을 이용하였다.
평가항목은 평가표에서 투과 상태, 해상도 및 대조도 평가 문항을 이용하였다. 평가항목은 총 7가지 항목으로 구성 하였다[Table 2]. filter를 사용하지 않을 때와 0.
대상 데이터
CNR, SNR을 측정함으로써 화질평가를 객관화 하여 filter 사용 전, 후의 화질차이를 분석하였다. CNR(contrast to noise ratio)는 Pelvis(골반) 팬텀을 이용하여 촬영 조건은 AEC를 사용하여 얻어진 77 kV에 12.5 mAs를 고정하고 SID는 110 cm, 10:1격자를 사용하였다. Right iliac wing, femur head, sacrum을 Image J 프로그램을 이용하여 0.
5 mAs를 고정하고 SID는 110 cm, 10:1 격자를 사용하였다. Frontal bone, Right orbit, mandible 을 위의 조건과 동일하게 영상을 획득하였다.
ROI의 pixel 신호 강도의 표준편차를 측정한 후, ROI를 제외한 Background의 신호강도 평균값과 표준편차를 구하여 수식에 의하여 계산한다. 또한 Skull 팬텀을 이용하여 조건은 AEC를 사용하여 얻어진 77 kV에 12.5 mAs를 고정하고 SID는 110 cm, 10:1 격자를 사용하였다. Frontal bone, Right orbit, mandible 을 위의 조건과 동일하게 영상을 획득하였다.
본 연구에서는 장비는 Philips digital diagnost value amorphous silicon flat panel detector Pixium 4600를 이용하였다[Table 1].
Chest(흉부) 팬텀을 이용하여 filter 사용 전 기준 영상을 촬영하고, 각각의 필터를 장착한 실험영상을 촬영한다. 촬영 조건은 AEC(auto exposure control)를 사용하여 얻어진 125 kV에 4 mAs 를 고정하고 SID는 180 cm, 12:1격자를 사용하였다. 이렇게 얻어진 영상을 Image J(National Institutes of Health Bethesda, MD, USA)를 이용하여 SNR(signal noise ratio), PSNR(peak signal to noise ratio), RMSE(root mean square error), MAE(mean absolute error)비교 분석하였다[Fig.
데이터처리
3 cm2의 ROI(region of image)를 설정하였다. ROI의 pixel 신호 강도의 표준편차를 측정한 후, ROI를 제외한 Background의 신호강도 평균값과 표준편차를 구하여 수식에 의하여 계산한다. 또한 Skull 팬텀을 이용하여 조건은 AEC를 사용하여 얻어진 77 kV에 12.
SNR은 CNR 측정과 동일하게 Image J 프로그램을 이용하여 ROI의 신호강도의 평균과 표준편차를 측정한 후, ROI를 제외한 Background의 신호강도 평균과 표준편차를 구하여 수식을 이용하여 계산하였다[Fig 7]. 각 인자 별로 5회 반복 측정하였고, 자료처리는 5회 이하 이므로 비모수적 통계 방법인 Kruskal-Wallis test를 시행하였다.
각 인자 별로 5회 반복 측정하였고, 자료처리는 5회 이하 이므로 비모수적 통계 방법인 Kruskal-Wallis test를 시행하였다.
촬영 조건은 AEC(auto exposure control)를 사용하여 얻어진 125 kV에 4 mAs 를 고정하고 SID는 180 cm, 12:1격자를 사용하였다. 이렇게 얻어진 영상을 Image J(National Institutes of Health Bethesda, MD, USA)를 이용하여 SNR(signal noise ratio), PSNR(peak signal to noise ratio), RMSE(root mean square error), MAE(mean absolute error)비교 분석하였다[Fig. 6].
3 mmCu를 비교하였다. 자료처리는 5회 이하 이므로 비모수적 통계 방법인 Wilcoxon signed ranks test를 시행하였다.
자료처리는 SPSS(Statistical Package for Social Science vs.18)를 이용하여 Komogorov-Smimov 적합도 검정을 하여 정규분포를 하는 것을 확인한 후 기술통계량 평균을 표시하였고, 유의성검정은 One-way ANOVA 검정법을 이용하였다. 모든 통계의 유의수준은 5%로 하였다.
이론/모형
Chest phantom에 120 kV에서 AEC mode 사용하여 EI 200값을 설정 후 조사하여 얻은 4 mAs값을 이용하였다. 10년 이상의 5명의 방사선사가 흉부 X선 검사 임상영상평가표(국가암검진 임상평가 표)를 기준으로 하여 5점 리커트 척도를 이용하였다. 평가항목은 평가표에서 투과 상태, 해상도 및 대조도 평가 문항을 이용하였다.
선량계는 Unfors Xi(Unfors Instruments AB, Billdal, Sweden) 모델을 이용하였다[Fig. 5].
10년 이상의 5명의 방사선사가 흉부 X선 검사 임상영상평가표(국가암검진 임상평가 표)를 기준으로 하여 5점 리커트 척도를 이용하였다. 평가항목은 평가표에서 투과 상태, 해상도 및 대조도 평가 문항을 이용하였다. 평가항목은 총 7가지 항목으로 구성 하였다[Table 2].
성능/효과
영상의 화질은 인간의 육안적으로 보고 판단하는 것이기 때문에, 굳이 PSNR이 높다고 좋은 영상이라 말하기는 어렵다[14]. 0.1 - 0.3 mm에서 각각의 PSNR은 45.547, 39.82, 36.57이며 RMSE는 43.54, 83.69, 121.55로 필터의 두께가 증가하면, PSNR은 낮아지고 RMSE은 증가되었다. 모든 두께의 PSNR이 30 dB이상이므로 PSNR에서는 차이가 없었다.
0.1 mmCu에서는 filter 사용 전 보다 측정치가 높게 나왔는데 이는 저선량 영역의 제거를 통한 화질 향상에 영향이 있다고 사료되며, 특히 혈관을 관찰 하는 항목 1, 2, 3에서 측정치가 더 높게 나오고 통계적으로도 p<0.05로 나타난 것은 실효에너지 값의 상승에 따른 투과도의 향상으로 보인다.
0.2, 0.3 mm와의 비교에 서는 전체적으로 측정치가 낮아지고, 흉추의 disk 공간관찰과 기관과 기관지 관찰에서 p<0.05로 통계적의 유의성이 있었다.
기존의 filter연구를 살펴보면 환자 표면입사선량에 감소에 효과에 대한 부분들의 연구들이었다[12, 14]. 그러나본 연구는 에너지와 두께별 선량 감소 정도를 측정함으로써 실제 임상에서 filter 사용 시 촬영 조건 설정에 용이 하게 하였고, PSNR 측정을 통하여 프로그램을 통한 영상의 질을 확인하였으며, SNR, CNR의 측정범위를 다양화 하여 정확한 결과값을 유도하였다. 또한 정성적 평가 에서 국가 암검진 임상평가표를 이용하여 더 객관화 된 결과값을 얻을 수 있었다.
넷째, 정성적 평가에서는 모든 부분에서 통계적으로 유의하지는 않았으나 혈관 관찰 항목은 0.1 mmCu가 우수하였으며, 0.3 mmCu에서도 밀도가 높고 공기 함유가 높은 부위를 제외하고는 통계적으로 유의 하지 않았다.
그러나본 연구는 에너지와 두께별 선량 감소 정도를 측정함으로써 실제 임상에서 filter 사용 시 촬영 조건 설정에 용이 하게 하였고, PSNR 측정을 통하여 프로그램을 통한 영상의 질을 확인하였으며, SNR, CNR의 측정범위를 다양화 하여 정확한 결과값을 유도하였다. 또한 정성적 평가 에서 국가 암검진 임상평가표를 이용하여 더 객관화 된 결과값을 얻을 수 있었다. filter연구 시 더 객관화 된 결과값을 얻기 위한 새로운 실험 방법의 모델을 제시하였다.
CNR, SNR실험에는 Frontal bone, Mandible, Orbit 모두에서 filter 사용 전 측정치가 더 컸으며, 이는 Pelvis에 서도 Iliac wing, Femur head, Sacrum관찰부위에서는 마찬가지였다. 부위에 따라 filter의 두께 변화에 따른 감소 정도가 달라지는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 부위별로 filter 사용에 대한 고려가 필요하다고 사료된다.
셋째, CNR, SNR의 측정치는 부위마다 차이가 있었고 두께 변화에 따른 광자량 차이에 통계적으로 유의 하였다.
이는 부위별로 filter 사용에 대한 고려가 필요하다고 사료된다. 실험 결과를 보면 두께 두꺼워짐에 따라 선량이 작아짐에 따라 전체적으로 두께 차이에 따른 각 관심영역의 값이 통계적으로 유의 한 것을 알 수 있었다. 그러나 이는 판독자의 판독은 육안으로 이루어짐으로 정성적 평가와 같이 이루어져야 하므로 절대적인 값이라고는 할 수 없다.
이와 같은 결과는 디지털 방사선 장치에서 filter 사용이 선량 감소에 비해 화질에 저하가 적었으며, 효과적인 사용을 위해 검사부위와 filter 두께 찾는다며 화질을 유지하면서 환자피폭선량을 감소시켜, 국민 보건향상에 앞장설 수 있는 적절한 방법이라고 사료된다.
첫째, 선량의 감약 정도는 두께별로 조사조건별로 차이가 있었으며 16 ~ 88% 차이가 있었으나, 관전압이 높아지면 mAs와 관계없이 두께별로 일정하게 되었다.
후속연구
DR 시스템은 검출기의 선량률에 의존한다[12]. 그러나 SNR이 높더라도 다른 조직과 조직을 구분할 수 있는 CNR이 충분히 높지 않다면, 우수한 화질의 영상을 획득하는데 실패할 것이다. 즉, 본래부터 원시 데이터나 측정된 신호 값들 사이의 차가 존재하지 않는다면 각 물체의 조직 간의 대조도가 형성되지 않고, 대조도를 증강시키는 방법 또한 어렵기 때문이다[13].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
진단용 X-선에서 Filter의 두께가 증가하면 전체적인 선량률의 감소를 보상하기 위해 선량을 증가시켜야 하는 이유는 무엇인가?
이러한 filter의 두께를 증가시켜 가면 spectrum의 형태는 고 에너지 쪽으로 치우쳐 원하는 데로 형태에 접근 하지만, 그것에 수반되는 전체적인 선량률의 감소를 피할 수 없다[2]. Filter는 환자선량을 어느 정도 감소할 수 있으나, 일정 에너지 영역의 광자만 흡수하는 것이 아니라 모든 광자의 에너지를 흡수하기 때문에, 이 손실을 보상하기 위하여 선량을 증가시켜야 한다. Filter의 두께는 어느 이상이 되면 선질의 개선은 그 이상 바랄 수 없게 되고 선량률의 감소만 생기는 결과가 된다[3].
진단용 X-선에서 Filter는 어떤 역할을 하는가?
진단용 X-선의 평균에너지는 최대에너지의 50~30 % 정도로서 대부분 저 에너지 영역에 속한다. Filter는 여러 파장이 혼합된 연속 스펙트럼의 X선 중에서 진단과 치료에 쓸모가 없고, 피부선량만 늘리는 저 에너지 X선을 제거 하는 역할을 하며 전체적인 평균에너지를 증가시켜 환자의 피폭을 줄여주고 화질을 개선시켜주는 역할을 한다 [1].
기존 Conventional radiography system이 얇은 부가필터를 사용하거나 관전압을 기존보다 감소시킬 수밖에 없어, 선량을 충분히 감소시키지 못하는 한계가 있는 이유는 무엇인가?
그러나 기존 Conventional radiography system는 얇은 부가필터를 사용하거나, 관전압을 기존보다 감소시킬 수밖에 없어, 선량을 충분히 감소시키지 못하는 한계가 있다[4]. 이는 X선질 경화에 의한 영상의 대조도가 감소되는 현상이 나타나기 때문이다. 그러나 Flat panel detector system의 개발과 발전을 통하여, 기존의 장비에 비하여 넓은 관용도(latitude)와 높은 대조도(contrast resolution)의 특성이 제공되므로, 영상화질의 저하 없이 환자 선량을 감소시킬 수 있게 되었다.
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