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문제 정의
- DTS에서 팬텀 사이즈 그룹별로 진행한 이번 실험은 실제 다양한 환자 체형이 존재하는 임상적 환경을 반영하고 두 종류의 감도에 따른 실험을 통해 범국가적으로 적용 가능성을 고려할 수 있도록 하여 추가적인 관련 임상연구 와 환자선량 저감화에 도움을 줄 수 있는 의미 있는 연구이다.
- 본 연구는 DTS시 환자 체형에 따른 구리필터의 적용 및 Auto Exposure Control(AEC)의 감도 변화에 의한 선량감소 효과와 폐 결절 검출능력을 평가하여 선량 최적화 조건을 평가하고자 한다.
제안 방법
- 각 팬텀 사이즈에 따른 구리 필터에 의한 선량감소 효과를 유효선량(Effective dose)을 통해 비교하였다. 영상에 대한 정량평가는 인공결절 HU +100, HU -630 두 그룹으로 나누어 CNR과 SNR에 대해 각각 Mann- Whitney U test를 시행하여 분석하였다.
- 관심영역의 화소(pixel) 신호 강도의 평균값(Mean)과 표준편차(Standard deviation)를 각각 측정한 후 다음과 같은 식(1)과 식(2)을 사용하여 대조도 대 잡음비(Contrast-to-noise ratio, CNR)와 신호 대 잡음비(Signal-to-noise ratio, SNR)를 계산하였다. 각 영상에 대한 평균 및 표준 편차값은 오차범위를 최소한으로 줄이기 위해 3명의 측정자에 의해 측정되었다.
- 디지털 흉부단층합성 검사(DTS)는 CsI/a-Si 평판형 검출기가 장착된 GE사의 Volume RAD(GE healthcare, Chalfont St Giles, UK)장비를 사용하였으며, 본 장비는 X선관이 -17.5 °에서 17.5 °까지 수직 방향으로 회전하여 고정된 디텍터를 향해 약 11초 간 60회 연속 촬영하게 된다.
- 디지털 흉부단층합성검사(DTS)에서 팬텀 사이즈 및 감도(Speed)를 변화시켜 각 조건에서 0.3 mm Cu필터의 사용 유무에 따른 유효선량을 비교 분석하였다. 유효선량 평가를 위해 장비에서 측정된 단위면적당 흡수선량 (Dose Area Product, DAP)을 Monte Carlo software (PCXMC, version 2.
- 영상의 정량적 평가를 위하여 검사조건 변화에 따라 얻은 재구성된 모든 팬텀 영상에서 각각의 인공결절이 뚜렷하게 잘 보이는 관상면 영상을 Image J 프로그램을 이용하여 분석하였고, Fig. 2에서와 같이 인공 결절(ROI1)과 그 주변부위(ROI2)를 관심영역(region of interest)으로 설정하였다.
- 영상의 정성적 분석을 위하여 영상의학과 전문의 1명, 10년 이상 경력의 방사선사 2명이 팬텀 사이즈에 따른 세 그룹에서의 감도변화와 0.3 mm 구리 필터 유무에 따라 얻은 각각의 영상에서 인공결절의 검출 수를 평가하였다. 평가에 필요한 시간은 제한 없이 독립적으로 시행되었고 회상 치우침(recall bias)을 피하기 위해 하루 간격을 두고 평가하였다.
- 영상의 화질평가를 위해서 CNR과 SNR 측정을 통한 정량 평가를 시행하였고, 3명의 평가자의 인공결절 검출수를 통한 검출 민감도로 정성평가를 시행하였다. 본 연구에는 몇 가지 제한점이 존재한다.
- [13] 또한 AEC 모드를 사용하는 디지털 영상 검사에서 감도 설정과 환자의 체형은 피폭선량과 화질에 큰 영향을 미치는 매우 중요한 요소이며, 적정 감도 기준은 국가마다 권고하는 설정 값에 차이가 있다. 이와 같은 배경으로 본 연구에서는 팬텀사이즈와 감도변화에 따른 0.3 mm Cu필터의 유효선량 감소효과를 알아보기 위해 단위면적당 흡수선량 (Dose Area Product, DAP)을 Monte Carlo software (PCXMC, version 2.0; STUK, Helsinki, Finland)에 적용하여 비교, 평가하였다.
- 노출조건은 dose ratio 1:10, 관전압 120 kVp, SID 180 cm에서 촬영하였다. 팬텀 사이즈로 분류한 세 그룹에서 그룹별 감도(Speed)설정은 이온챔버에서의 입사선량이 5 uGy와 2.5 uGy를 의미하는 speed 200과 speed 400, 필터조건은 필터를 사용하지 않았을 때와 0.3 mm 구리 필터를 사용하였을 때로 번갈아 가며 각각 3회씩 반복 촬영하였다.
- 3 mm 구리 필터 유무에 따라 얻은 각각의 영상에서 인공결절의 검출 수를 평가하였다. 평가에 필요한 시간은 제한 없이 독립적으로 시행되었고 회상 치우침(recall bias)을 피하기 위해 하루 간격을 두고 평가하였다.
- 1과 같다. 환자 사이즈에 따라 나누어진 세 그룹(small, average size and oversize)간의 선량 및 화질평가를 위해 small size에는 Lungman phantom이 단독으로 사용되었으며 Average size에는 한 개의 polymethyl methacrylate(PMMA)를 Oversize는 두 개의 PMMA를 Lungman phantom 후방에 밀착하여 위치시켰다.
대상 데이터
- 관심영역의 화소(pixel) 신호 강도의 평균값(Mean)과 표준편차(Standard deviation)를 각각 측정한 후 다음과 같은 식(1)과 식(2)을 사용하여 대조도 대 잡음비(Contrast-to-noise ratio, CNR)와 신호 대 잡음비(Signal-to-noise ratio, SNR)를 계산하였다. 각 영상에 대한 평균 및 표준 편차값은 오차범위를 최소한으로 줄이기 위해 3명의 측정자에 의해 측정되었다.
- 인공 폐 결절은 밀도HU +100(지름 5 mm, 8 mm, 10 mm, 12 mm), HU -630(지름 5 mm, 8 mm, 10 mm, 12 mm) 각각 4개씩 총 8개를 사용하였으며 위치는 Fig. 1과 같다. 환자 사이즈에 따라 나누어진 세 그룹(small, average size and oversize)간의 선량 및 화질평가를 위해 small size에는 Lungman phantom이 단독으로 사용되었으며 Average size에는 한 개의 polymethyl methacrylate(PMMA)를 Oversize는 두 개의 PMMA를 Lungman phantom 후방에 밀착하여 위치시켰다.
- 인체팬텀은 Lungman phantom (Kyoto Kagaku, Japan)을 사용하였으며, 인공 폐 결절 인체팬텀 폐 영역에 삽입하였다.
- 5 °까지 수직 방향으로 회전하여 고정된 디텍터를 향해 약 11초 간 60회 연속 촬영하게 된다. 획득된 로우 데이터는 재구성처리 되어 5 mm 간격으로 약 40장의 흉부 관상면 영상을 획득한다. 노출조건은 dose ratio 1:10, 관전압 120 kVp, SID 180 cm에서 촬영하였다.
데이터처리
- 0; STUK, Helsinki, Finland)를 이용하여 계산하였다. DTS 시 각각의 투사 각도에 따른 선량 합산값은 PCXMC2.0에서 팬텀 후방 수직입사조건의 선량값으로 입력하여 계산하였다.
- 각 팬텀 사이즈에 따른 구리 필터에 의한 선량감소 효과를 유효선량(Effective dose)을 통해 비교하였다. 영상에 대한 정량평가는 인공결절 HU +100, HU -630 두 그룹으로 나누어 CNR과 SNR에 대해 각각 Mann- Whitney U test를 시행하여 분석하였다. 정성평가는 각 팬텀 사이즈에서 구리 필터 사용 여부에 따라 인공결절의 수와 민감도를 McNemar test 시행하여 분석하였다.
- 3 mm Cu필터의 사용 유무에 따른 유효선량을 비교 분석하였다. 유효선량 평가를 위해 장비에서 측정된 단위면적당 흡수선량 (Dose Area Product, DAP)을 Monte Carlo software (PCXMC, version 2.0; STUK, Helsinki, Finland)를 이용하여 계산하였다. DTS 시 각각의 투사 각도에 따른 선량 합산값은 PCXMC2.
- 영상에 대한 정량평가는 인공결절 HU +100, HU -630 두 그룹으로 나누어 CNR과 SNR에 대해 각각 Mann- Whitney U test를 시행하여 분석하였다. 정성평가는 각 팬텀 사이즈에서 구리 필터 사용 여부에 따라 인공결절의 수와 민감도를 McNemar test 시행하여 분석하였다. 모든 분석은 통계 프로그램(SPSS, version 22, SPSS Inc.
성능/효과
- 3 mm Cu filter일 때 88%, Non-filter일 때 88%였고 speed 400조건에서는 각각 83%, 88%로 두 조건에서 관찰자 간 검출 민감도는 통계적으로 유의한차이가 없었다. Average size일 때 speed 200조건에서 검출 민감도는 각각 83%, 83%였고 speed 400조건에서는 각각 83%, 79%로 두 조건에서 관찰자 간 검출 민감도는 통계적으로 유의한 차이가 없었다. Large size일 때 speed 200조건에서 검출 민감도는 각각 83%, 83%였고 speed 400조건에서는 각각 79%, 79%로 두 조건에서 관찰자 간 검출 민감도는 통계적으로 유의한 차이가 없었다.
- Small size일 때 speed 200조건에서 부가필터를 적용 하였을 때의 유효선량은 적용하지 않았을 때의 비해 39 uSv, speed 400 조건에서는 33 uSv 감소하였다. Average size일 때 speed 200조건에서 필터 적용 시 70 uSv, speed 400조건에서는 33 uSv 감소하였고, Large size일 때 speed 200조건에서 필터 적용 시 133 uSv, speed 400조건에서는 48 uSv 감소하였다.
- DTS에 부가필터를 적용한 본 연구 결과에서는 전체 그룹에서 0.3 mm Cu필터를 적용하였을 때 최소 35% 이상의 유효선량 감소효과를 얻을 수 있었다. 또한 Small, Average, Large size 전체 그룹에서 0.
- DTS에서 0.3 mmCu필터의 사용은 0.5 mm이상의 폐 결절 검출에서 진단적 가치를 유지하면서 환자 피폭선량 감소효과를 기대할 수 있었다.
- Average size일 때 speed 200조건에서 검출 민감도는 각각 83%, 83%였고 speed 400조건에서는 각각 83%, 79%로 두 조건에서 관찰자 간 검출 민감도는 통계적으로 유의한 차이가 없었다. Large size일 때 speed 200조건에서 검출 민감도는 각각 83%, 83%였고 speed 400조건에서는 각각 79%, 79%로 두 조건에서 관찰자 간 검출 민감도는 통계적으로 유의한 차이가 없었다.
- Small size일 때 speed 200조건에서 부가필터 유무에 따른 CNR은 0.3 mm Cu filter일 때 1.21±0.05, Non-filter일 때 1.24±0.05, SNR은 0.3 mm Cu filter일 때 7.46±0.18, Non-filter일 때 7.50±0.18였고, speed 400조건에서 CNR은 각각 1.40±0.13, 1.39±0.12, SNR은 각각 10.52±0.82, 17.48±0.97로 모든 그룹에서 통계적으로 유의한 차이가 없었다.
- 팬텀 크기, speed, 부가필터 유무에 따른 총 8개의 인공 폐 결절(HU+100, HU-630)의 검출 민감도는 Table 4와 같다. Small size일 때 speed 200조건에서 부가필터 유무에 따른 폐 결절 검출 민감도는 0.3 mm Cu filter일 때 88%, Non-filter일 때 88%였고 speed 400조건에서는 각각 83%, 88%로 두 조건에서 관찰자 간 검출 민감도는 통계적으로 유의한차이가 없었다. Average size일 때 speed 200조건에서 검출 민감도는 각각 83%, 83%였고 speed 400조건에서는 각각 83%, 79%로 두 조건에서 관찰자 간 검출 민감도는 통계적으로 유의한 차이가 없었다.
- 3 mm Cu필터를 적용하였을 때 최소 35% 이상의 유효선량 감소효과를 얻을 수 있었다. 또한 Small, Average, Large size 전체 그룹에서 0.3mm Cu필터에 의한 그룹별 유효선량 감소율(%)은 유사하지만 팬텀 사이즈가 커짐에 따라 유효선량(uSv) 감소 정도는 두드러지게 증가하였다.
- 또한 실험에서 Large size 그룹의 경우 유효선량 감소 정도가 두드러진 점으로 보아 실제 체형이 큰 환자의 경우 0.3 mm Cu필터 사용은 더 높은 유효 선량 감소 효과를 기대 할 수 있다.
- 설정한 6가지의 모든 조건에서 부가필터를 적용하였을 때 유효선량이 감소하였다. Small size일 때 speed 200조건에서 부가필터를 적용 하였을 때의 유효선량은 적용하지 않았을 때의 비해 39 uSv, speed 400 조건에서는 33 uSv 감소하였다.
- 정량적 화질 평가에서는 0.3 mmCu필터 사용 시 CNR은 소폭 감소하였으며 반면 SNR은 소폭 증가하나 CNR과 SNR 모두 통계적으로 유의한 차이는 없었다. 또한 정성적 화질평가에서도 3명의 평가자에 의한 결절 검출 민감도는 정량평가와 마찬가지로 팬텀 사이즈별 전체 그룹에서 통계적으로 유의한 차이가 없었다.
후속연구
- 첫번째로 인체팬텀을 사용함으로써 폐 혈관과 심장 등에 의한 구조물 겹침이 단순하여 실제 임상환경의 다양한 병변 및 해부학적 구조물의 겹침을 반영하기에는 한계가 있다. 두 번째로 정성적 화질평가를 위해 두 종류의 밀도(HU+100, HU_630)와 네 가지 크기(5, 8, 10, 12 mm)의 인공 폐 결절을 사용하였고 결절 검출에 대한 평가만 진행함으로써 임상 환경의 더 다양한 병리학적 진단을 반영하는 데에는 한계가 있었다.
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