[논문]GATE 시뮬레이션을 사용한 알루미늄 부가필터 두께에 따른 Digital Radiography의 영상 화질 비교 평가

오민주; 홍주완; 이영진

doi:10.7742/jksr.2019.13.1.81

[국내논문] GATE 시뮬레이션을 사용한 알루미늄 부가필터 두께에 따른 Digital Radiography의 영상 화질 비교 평가
Comparison Evaluation of Image Quality with Different Thickness of Aluminum added Filter using GATE Simulation in Digital Radiography 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.13 no.1, 2019년, pp.81 - 86

오민주 (가천대학교 방사선학과) , 홍주완 (을지대학교 방사선학과) , 이영진 (가천대학교 방사선학과)

초록
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X-선 영상에서 필터를 통한 여과의 역할은 영상 형성에 유용한 광자를 이용해 환자의 피폭량을 낮춤과 동시에 영상의 대조도를 높이는 것이다. 영상을 형성하는 데 있어서 저에너지 X-선은 환자 조직의 최초 몇 cm 부위에서 흡수되고 고에너지 부분만을 통과하여 형성되므로, 방사선 여과는 여과물질을 삽입하여 저에너지 X-선을 여과물질로 하여금 흡수시켜 환자의 피폭량을 낮추고 영상의 질을 높인다. 본 연구의 목적은 시뮬레이션을 통해 이상적인 환경에서 부가 필터가 방사선 영상 촬영 시 영상의 화질에 미치는 영향을 확인하고, 실제 방사선 영상을 촬영할 경우와 비교하는 것이다. 이를 위해 시뮬레이션 프로그램인 Geant4 Application for Tomographic Emission (GATE)를 이용해 Polymethylmethacrylate (PMMA) Phantom의 실제 크기, 모양과 재질을 모사하고 부가 필터의 사용유무 및 필터의 두께에 따른 촬영 조건을 설정하여 시뮬레이션 결과 영상을 얻어냈다. 또한, Digital Radiography (DR)장비로 실제 PMMA Phantom을 필터가 없는 경우와 필터가 있을 때 그 두께를 변화시키며 촬영했다. 시뮬레이션의 결과 영상과 실제 실험을 통해 얻은 영상을 각각 Image J 프로그램을 이용해 Contrast-to-noise ratio (CNR) 평가를 실행한 뒤, 시뮬레이션 결과 영상과 최종적으로 도출된 두 영상의 변화 추이를 비교 측정했다. 실험 결과 DR장비와 시뮬레이션 영상 모두 CNR이 감소하는 추세를 보였으며, 이는 결국 영상에서의 대조도 감소로 인해 나타난 결과였다. 이론적으로 관전압 (kVp)이 증가하면 대조도가 감소하고, 이를 통해보았을 때 필터는 저에너지부의 X-선을 흡수하면서 전체적인 선량을 감소시키지만, X-선의 평균에너지를 증가시키는 역할을 한다는 것을 알아볼 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In X-ray image, the role of filtration through the filter is to reduce the exposure of the patient by using photon which is useful in formation of the image, and at the same time, enhance the contrast of the image. During interaction between photon and object, low energy X-rays are absorbed from the site of a few cm of the first patient's tissue, and high energy X-rays are the one which form the image. Therefore, the radiation filter absorbs low energy X-ray in order to lower the exposure of the patient and improve the quality of the image. The purpose of this study is to compare the effect on the image quality by differences of added filter through simulation image and actual radiation image. For that purpose, we used Geant4 Application for Tomographic Emission (GATE) as a tool for Monte Carlo simulation. We set actual size, shape and material of Polymethylmethacrylate (PMMA) Phantom on GATE and differentiated the parameter of added filter. Also, we took image of PMMA phantom with same parameter of added filter by digital radiography (DR). Than we performed contrast-to-noise ratio (CNR) evaluation on both simulation image and actual DR image by Image J. Finally, we observed the effect on image quality due to different thickness of added filter, and compared two images' CNR evaluation's transitions of change. The result of this experiment showed decreasing in the progress of CNR on both DR and simulation image. It is ultimately caused by decreasing in contrast on image. In theory, contrast decrease with kVp increased. Given that condition, this study found out that filter makes not only decreasing total dose by absorbing low energy of X-ray, but also increasing average energy of X-ray.

Keyword

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Basic diagram of inherent filter and added filter of X-ray tube.
그림 Fig. 2. Schematic illustration of simulation process in GATE program.
그림 Fig. 3. Photo of real PMMA phantom and its geometric diagram.
그림 Fig. 4. Screen of derived energy spectrum using SRS-78 program.
그림 Fig. 5. Acquired phantom images with respect to added filter thickness in (a) simulation and (b) real experimental conditions.
그림 Fig. 6. Result for CNR with respect to added filter thickness using GATE simulation.
그림 Fig. 7. Result for CNR with respect to added filter thickness in real experiment.

AI 본문요약
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문제 정의

기존에 필터들을 사용하여 CNR을 분석한 연구결과들은 많이 있으나, 시뮬레이션과 실제 실험을 비교해서 평가한 결과는 많지 않은 실정이다. 따라서, 본 연구의 목적은 필터의 한 종류인 부가 필터의 유무와 두께 차이가 영상에 미치는 영향을 이상적인 상태인 시뮬레이션의 영상과 실제 영상에서 비교해 보는 것이다. 이를 위해 먼저 필터를 사용하지 않는 경우와 사용할 경우 두께에 따른 영상을 시뮬레이션을 통해 얻어낸다.

가설 설정

이 광자의 개수를 GATE 시뮬레이션에 적용하여 시뮬레이션을 구성했다. 이 때 SRS-78에서의 Source to detector distance (SDD) 설정은 750mm이고, 실제 촬영 시에는 1000mm 이므로 스펙트럼 값에 거리 역 자승 법칙을 적용 또한 SRS-78의 기준 AMS 값은 1 mAs 이고 실제 촬영 시 10 mAs 이므로 선량이 10배 증가한 것으로 가정하여 전체 광자 개수에 10을 곱한 값을 적용했다.

제안 방법

시뮬레이션 상의 선원은 점선원이고 실제 DR 장비의 선원은 1 mm의 지름을 갖는 선원이므로, 각 선원에서 디텍터까지의 비율을 고려하여 서초점으로부터 디텍터까지의 거리를 1,000 mm로 미리 설정한 뒤 비례법칙을 통해 정확한 선원으로부터 디텍터까지의 거리를 설정하였다. 또한, DR 장비의 디텍터와 시뮬레이션 상의 디텍터는 크기와 두께가 다르기 때문에 시뮬레이션 상에서 팬텀으로부터의 거리를 설정할 때 실제 DR 장비의 디텍터 두께를 고려하여 결정하였다.
SDD 1,000 mm, 과전압 70 kVp, 관전류 200 mA, 10 mAs의 촬영 조건으로 PMMA phantom을 디텍터에 최대한 밀착시켜 촬영하였다. 이 때 Al 필터의 두께에 따른 영상 화질의 변화를 관찰하기 위해 필터의 두께를 0.5, 1.0, 3.0, 5.0, 10.0 mm로 교체시키며 각 두께별 1회 촬영하였다.
결론적으로 이번 연구를 통해 알 수 있던 것으로는 부가필터를 사용하는 방법으로 영상의 질을 높일 수 있는지에 대해 촬영 실험과 시뮬레이션을 통해 확인해 보았고, 부가필터의 유무와 두께의 차이에 따른 시뮬레이션과 실제 촬영 영상의 CNR 값들의 변화추이를 비교했다. 또한 실험 결과를 분석하면서 시뮬레이션과 실제 촬영 영상에서 모두 Al 필터의 두께가 증가할수록 CNR 값은 감소한다는 것을 확인할 수 있었다.

대상 데이터

기기 및 장치를 모델링하기 위하여 직경 2.5 cm, 높이 3cm의 알루미늄 (Al) 기둥 2개로 구성되어있는 PMMA 팬텀을 설계하였다. 이어서 부가필터인 Al 물질을 0.

데이터처리

이를 위해 먼저 필터를 사용하지 않는 경우와 사용할 경우 두께에 따른 영상을 시뮬레이션을 통해 얻어낸다. 또한 같은 조건 하에 실제 Digital Radiography (DR) 장비를 이용한 실험을 진행하여 그 결과를 시뮬레이션 영상과 실제 영상의 Contrast-to -Noise ratio (CNR) 평가결과의 추세의 차이를 통해 비교한다. CNR 평가란 영상의 노이즈의 비율로 영상의 화질을 평가하는 인자 중 하나다.
선원 설정에 있어서 먼저 SRS-78을 이용해 X-선의 광자 수를 Al 필터의 두께에 따라 스펙트럼 값을 구했다. 이 광자의 개수를 GATE 시뮬레이션에 적용하여 시뮬레이션을 구성했다.
측정된 데이터 통계분석은 R(R Foundation forstatistical computing, Vienna, Austria, ver 3.5.1)을 이용하여 백분율과 스피어먼 상관분석을 진행하고, 유의수준은 p<0.05로 하였다.

이론/모형

본 연구는 GATE (Geant4 Application forTomographic Emission) 시뮬레이션 툴을 사용하였다. GATE란 X-선 System의 전원부, 검출부, 팬텀을 코드화 하여 컴퓨터에 입력한 뒤, 실제처럼 모사하여 컴퓨터 상에서 가상으로 영상을 얻어내는 프로그램이다.
X-선의 입력 에너지 스펙트럼은 SRS-78 프로그램을 사용하였다. SRS-78 프로그램이란 선원과 감약 물질을 설정하여 입력함으로써 그에 따른 X-선 에너지 스펙트럼을 구할 수 있는 프로그램이다.

성능/효과

6과 7은 획득한 영상으로 분석한 시뮬레이션과 실제실험 각각의 CNR 결과이다. 결과적으로 시뮬레이션에서는 부가필터를 사용하지 않았을 경우, 그리고 실제실험에서는 부가필터를 0.5 mm를 사용하였을 경우 가장 높은 CNR 값을 나타내었다. 또한, 전반적으로 부가필터 두께가 증가할수록 CNR은 감소하는 경향을 나타내었다.
5 mm를 사용하였을 경우 가장 높은 CNR 값을 나타내었다. 또한, 전반적으로 부가필터 두께가 증가할수록 CNR은 감소하는 경향을 나타내었다.
본 연구에서 CNR 결과는 Al 필터의 두께가 증가함에 따라 감소하는 추세를 보인다는 것이 시뮬레이션 영상과 실제 DR 영상을 통해 나타났다. 이러한 결과가 나타나는 이유는 다음과 같다.
특히나, CNR 결과를 정량적으로 분석해본 결과 시뮬레이션에서는 필터를 사용하지 않았을 경우 0.5 mm의 Al 필터를 사용하였을 때 보다 1.03배 높은 값을 보여주었다. 또한, 필터를 사용하였을 경우에 10 mm보다 0.
35배 향상됨을 확인할 수 있었다. 실제실험에서는 CNR 결과가 0.5 mm의 Al 필터를 사용하였을 때 필터를 사용하지 않은 경우에 비하여 1.22배 향상됨을 확인할 수 있었고, 10 mm에 비해서는 0.5 mm에서 2.59배 향상됨을 증명하였다. GATE 시뮬레이션 결과 부가필터가 없을 때 기준으로 부가필터 두께가 증가함에 따라 CNR값은 2.
59배 향상됨을 증명하였다. GATE 시뮬레이션 결과 부가필터가 없을 때 기준으로 부가필터 두께가 증가함에 따라 CNR값은 2.89, 7.1, 56.33, 57.65, 58.74% 감소하였다. 실제 실험 결과 CNR값은 부가필터 두께 0.
74% 감소하였다. 실제 실험 결과 CNR값은 부가필터 두께 0.5 mm에서 21.83%가 증가하였지만, 이후 39.45, 44.69, 48.16, 52.91%로 감소하였다.
또한, GATE 시뮬레이션과 실제 실험 CNR 결괏값에 대한 스피어먼 상관관계는 p = 0.017로 부가필터 두께에 따라 CNR값이 감소하는 상관관계가 있었으며, 상관계수는 0.94로 강한 양의 상관관계를 나타냈다.
DR 장비를 이용한 CNR 값의 결과를 Fig. 6 을통해 추이를 확인해보면 전체적으로는 감소하는 추이를 보였지만 0.5 mm의 필터를 사용했을 때는CNR 값이 조금 증가하는 것을 볼 수 있었다.
결론적으로 이번 연구를 통해 알 수 있던 것으로는 부가필터를 사용하는 방법으로 영상의 질을 높일 수 있는지에 대해 촬영 실험과 시뮬레이션을 통해 확인해 보았고, 부가필터의 유무와 두께의 차이에 따른 시뮬레이션과 실제 촬영 영상의 CNR 값들의 변화추이를 비교했다. 또한 실험 결과를 분석하면서 시뮬레이션과 실제 촬영 영상에서 모두 Al 필터의 두께가 증가할수록 CNR 값은 감소한다는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

이러한 오차를 없애기 위해서는 총 다섯 번 정도의 추가적인 실험을 통해 나온 결괏값의 평균을 내는 방향으로 진행하면 이와 같은 오차를 줄이거나 시정할 수 있을 것이라고 사료된다.

참고문헌 (8)

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상세보기
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C. H. Baek, D. H. Kim, Y. G. Lee, Y. Lee, "Validation Study for Image Performance of I-131 Using GATE Simulation Program," Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers. Vol. 55, No. 5, pp. 133-137, 2017
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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