[논문]DR(Digital Radiography)에서 관전압 및 자동노출제어장치의 감도 변화에 따른 검출기의 동적 범위 성능평가 방법연구 -Dynamic Step Wedge와 히스토그램 평가를 중심으로

황준호; 최지안; 김현수; 이경배

doi:10.5392/jkca.2019.19.04.368

DR(Digital Radiography)에서 관전압 및 자동노출제어장치의 감도 변화에 따른 검출기의 동적 범위 성능평가 방법연구 -Dynamic Step Wedge와 히스토그램 평가를 중심으로
A Study on the Dynamic Range Performance Evaluation Method of Detector with Variation of Tube Voltage and Automatic Exposure Control (AEC) in Digital Radiography (DR) -Focused on the Dynamic Step Wedge and Histogram Evaluation 원문보기

한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, v.19 no.4, 2019년, pp.368 - 380

황준호 (경희대학교병원 영상의학과) , 최지안 (경희대학교병원 영상의학과) , 김현수 (신구대학교 방사선과) , 이경배 (경희대학교병원 영상의학과)

초록
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본 연구는 자동노출제어장치 사용 시 관전압과 감도 변화에 따른 dynamic step wedge와 히스토그램의 동적 범위 분석을 통해 검출기의 성능을 평가하는 방법을 제안하고자 하였다. 실험방법은 관전압 60, 70, 81, 90 kVp 별로 검출기 감도 S200, S400, S800, S1000에 해당하는 선질, 입사표면선량, 관전류량, 동적범위를 측정하여 검출기의 성능을 평가하고자 하였다. 그 결과 선질은 모두 합격 기준에 부합하였고, 입사표면선량과 관전류량은 감도가 높게 설정될수록 단계적으로 감소하였다. Dynamic step wedge는 관전압이 높아질수록 관찰 가능한 동적 범위도 함께 증가하였고, 또한 히스토그램은 관전압과 감도가 높게 설정될수록 양자화 이격 현상과 히스토그램 양단의 정보량이 상실되는 언더플로우와 오버플로우가 나타났다. 결론적으로 검출기가 성능 저하로 인하여 자동노출제어장치 사용 시 관전압과 감도 변화에 따른 동적 범위를 제대로 구현해내지 못한다는 것을 알 수 있었고, 검출기 성능평가 시 dynamic step wedge와 히스토그램을 통한 평가가 유용하다는 점을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study proposes a method to evaluate the performance of a detector by analyzing the dynamic step wedge and histogram according to the change of the tube voltage and sensitivity when using the Automatic Exposure Control (AEC). The performance of a detector was evaluated by measuring X-ray quality, Entrance Surface Dose (ESD), tube current, dynamic range corresponding to detector sensitivities of S200, S400, S800, S1000 per tube voltage of 60, 70, 81, 90 kVp. As a results, all of the qualities satisfied the acceptance criteria, and the Entrance Surface Dose and tube current were decreased stage by stage as sensitivity was set higher. In the dynamic step wedge, the observable dynamic range has also increased as tube voltage became higher. The histogram showed the quantization separation phenomena as the tube voltage was set higher. The higher the sensitivity, the more the underflow and overflow occurred in which the amount of information on both ends of the histogram was lost. In conclusion, the deterioration in the performance of the detector was found to be insufficient to realize the change of the tube voltage and sensitivity when using the Automatic Exposure Control, and it is useful to use dynamic step wedge and histogram in evaluating detector performance evaluation.

주제어

표/그림 (12)

그림 그림 1. Primus A phantom
그림 그림 2. 다목적 선량계 MagicMax Universal과 Unfors Raysafe ThinX
표 표 1. 방사선 발생장치와 관련된 특성
표 표 2. 방사선 발생장치의 검사조건
표 표 3. Philips DIGITAL DIAGNOST VR(A)의 백분율 평균 오차와 반가층
표 표 4. Philips DIGITAL DIAGNOST VR(B)의 백분율 평균 오차와 반가층
표 표 5. Philips DIGITAL DIAGNOST VR(A)의 입사표면선량의 평균과 표준편차
표 표 6. Philips DIGITAL DIAGNOST VR(B)의 입사표면선량의 평균과 표준편차
표 표 7. Philips DIGITAL DIAGNOST VR(A)와 Philips DIGITAL DIAGNOST VR(B)의 관전류량
표 표 8. Philips DIGITAL DIAGNOST VR(A)와 Philips DIGITAL DIAGNOST VR(B)의 동적 범위의 정성적 평가
그림 그림 3. Philips DIGITAL DIAGNOST VR(A)와 Philips DIGITAL DIAGNOST VR(B)의 dynamic step wedge 영상
그림 그림 4. 관전압 및 감도 변화에 따른 히스토그램

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 다양한 형태의 검출기로 실험하지 못했다는 점에서 한계점을 가진다. 그럼에도 관전압과 감도 변화에 따른 동적 범위를 dynamic step wedge와 히스토그램의 분석을 통해 저하된 검출기의 성능을 평가하는 정성적 및 정량적 방법을 제시했다는 점에서 본 연구는 큰 의의가 있다.
국제전기기술위원회(International Electrotechnical Commission, IEC)는 RQA 3, RQA 5, RQA 7, RQA 9의 선질 기준을 제시하고 있으며, 4가지 선질 기준을 모두 적용하기 부득이한 경우 RQA 5의 선질을 이용하도록 권고하고 있다[24][27]. 본 연구는 임상에서 주로 사용하는 관전압 범위인 60, 70, 81, 90 kVp의 동적 범위 평가를 통한 접근을 목적으로 하였기 때문에 IEC에서 제시하는 선질 기준을 따르는 것은 무리가 있었다. 이에 MagicMax의 auto calibration 기능을 이용하여 선질의 재현성을 확보하여 실험을 진행하였다.
이에 본 연구는 자동노출제어장치 사용 시 검출기가 관전압과 감도 변화에 따른 동적 범위를 제대로 나타내는지를 연구하고, 검출기의 성능평가 방법을 제안하고자 하였다.

제안 방법

방사선 발생장치는 A 대학병원의 Philips DIGITAL DIAGNOST VR 2대를 사용하였다. Philips DIGITAL DIAGNOST VR(A)는 감도가 S200, S400, S800, Philips DIGITAL DIAGNOST VR(B)는 S200, S400, S800, S1000까지 설정 가능하였으며 각 방사선 발생장치의 설정 가능한 감도까지 실험을 진행하였다. 검출기는 Trixell로 간접 검출 방식을 사용하며 Pixel Size는 143 μm, bit processing은 14 bits이다[표1].
검출기는 Trixell로 간접 검출 방식을 사용하며 Pixel Size는 143 μm, bit processing은 14 bits이다[표1].
관전압 및 감도 변화에 따른 자동노출제어장치의 정확성은 30번 조사하여 얻은 입사표면선량(Entrance Surface Dose, ESD)의 평균과 표준편차와 관전류량으로 평가하였다. 관전압을 60, 70, 81, 90 kVp로 변화시켜 감도 S200, S400, S800, S1000에 해당하는 입사표면선량과 관전류량을 측정하였다.
관전압 변화에 따른 감도 별 동적 범위의 정성적 평가는 30번 조사하여 얻은 Primus A 팬텀의 dynamic step wedge 영상을 통해 이뤄졌다. 관전압을 60, 70, 81, 90 kVp로 변화시켜 감도 S200, S400, S800, S1000에 해당하는 dynamic step wedge 영상을 얻어낸 후 3인 이상이 120 cm 거리에서 판독용 모니터를 통해 육안적으로 구분 가능한 dynamic step wedge를 평균과 표준편차로 수치화하였다.
관전압 변화에 따른 감도 별 선질 평가는 30번씩 측정하여 얻은 백분율 평균 오차(Percentage Average Error, PAE)와 반가층(Half Value Layer, HVL)으로 평가하였다. 관전압을 60, 70, 81, 90 kVp로 변화시켜 감도 S200, S400, S800, S1000에 해당하는 백분율 평균 오차와 반가층을 측정하였고, 이때 검출기 중앙에 팬텀을 배열한 후 팬텀 좌하방에 MagicMax, 오른쪽에는 Unfors를 위치시켜 선질을 평가하였다.
관전압 변화에 따른 감도 별 동적 범위의 정성적 평가는 30번 조사하여 얻은 Primus A 팬텀의 dynamic step wedge 영상을 통해 이뤄졌다. 관전압을 60, 70, 81, 90 kVp로 변화시켜 감도 S200, S400, S800, S1000에 해당하는 dynamic step wedge 영상을 얻어낸 후 3인 이상이 120 cm 거리에서 판독용 모니터를 통해 육안적으로 구분 가능한 dynamic step wedge를 평균과 표준편차로 수치화하였다.
관전압 변화에 따른 감도 별 선질 평가는 30번씩 측정하여 얻은 백분율 평균 오차(Percentage Average Error, PAE)와 반가층(Half Value Layer, HVL)으로 평가하였다. 관전압을 60, 70, 81, 90 kVp로 변화시켜 감도 S200, S400, S800, S1000에 해당하는 백분율 평균 오차와 반가층을 측정하였고, 이때 검출기 중앙에 팬텀을 배열한 후 팬텀 좌하방에 MagicMax, 오른쪽에는 Unfors를 위치시켜 선질을 평가하였다.
관전압 및 감도 변화에 따른 자동노출제어장치의 정확성은 30번 조사하여 얻은 입사표면선량(Entrance Surface Dose, ESD)의 평균과 표준편차와 관전류량으로 평가하였다. 관전압을 60, 70, 81, 90 kVp로 변화시켜 감도 S200, S400, S800, S1000에 해당하는 입사표면선량과 관전류량을 측정하였다. 이때 입사표면선량의 평균과 표준편차는 IBM SPSS version 23 program (IBM Co.
관전압 변화에 따른 감도 별 동적 범위의 정량적 평가는 30번 조사하여 얻은 Image J의 히스토그램 분석을 통해 이뤄졌다. 관전압을 60, 70, 81, 90 kVp로 변화시켜 감도 S200, S400, S800, S1000에 해당하는 히스토그램을 얻어낸 후 Image J의 대수적 연산 분석 기능을 사용하여 각각의 관전압 변화에 따른 감도 별 히스토그램을 평균화하였다.
본 실험은 관전압, 반가층, 입사표면선량, 총 여과의 여부 등 고려할 변수가 많았기 때문에 하나의 선량계를 사용하는 경우에는 데이터의 신뢰성에 문제를 줄 수 있었다. 따라서 팬텀의 왼쪽에는 MagicMax를, 오른쪽에는 Unfors를 두어 결과 값의 산출하였다. 선질의 재현성의 경우에는 다소 다른 관점의 접근이 필요했다.
또한 실험에 영향을 줄 수 있는 변수의 통제를 위해 SID (Source Image Distance)는 100 cm, Field Size는 43 × 43, 이온 챔버는 좌상단, 중앙, 우상단, 총 여과는 5.1 mmAl, 관전류는 200 mA로 고정하였다[표 2].
실험은 2018년 12월 1일부터 10일까지 10차례에 걸쳐 30회씩 진행하였다. 방사선 발생장치는 A 대학병원의 Philips DIGITAL DIAGNOST VR 2대를 사용하였다.
본 연구는 임상에서 주로 사용하는 관전압 범위인 60, 70, 81, 90 kVp의 동적 범위 평가를 통한 접근을 목적으로 하였기 때문에 IEC에서 제시하는 선질 기준을 따르는 것은 무리가 있었다. 이에 MagicMax의 auto calibration 기능을 이용하여 선질의 재현성을 확보하여 실험을 진행하였다.

대상 데이터

실험은 2018년 12월 1일부터 10일까지 10차례에 걸쳐 30회씩 진행하였다. 방사선 발생장치는 A 대학병원의 Philips DIGITAL DIAGNOST VR 2대를 사용하였다. Philips DIGITAL DIAGNOST VR(A)는 감도가 S200, S400, S800, Philips DIGITAL DIAGNOST VR(B)는 S200, S400, S800, S1000까지 설정 가능하였으며 각 방사선 발생장치의 설정 가능한 감도까지 실험을 진행하였다.
실험에 이용한 영상은 PACS (Picture Archiving and Communication System) 상의 DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) 파일을 no compression으로 내려받은 것을 사용했고, 동적 범위는 Primus A 팬텀의 dynamic step wedge와 버전 1.51의 Image J를 통해 분석한 히스토그램을 통해 평가하였다. 이때 관심 영역(Region of Interest, ROI)은 전체 영역 중 팬텀이 위치한 중심부에 30 × 30 cm²으로 설정하였다.
팬텀은 일반촬영 및 투시의 다목적 정도 관리에 사용하는 Primus A (IBA Dosimetry, Germany)를 사용하였다[그림 1].

데이터처리

관전압 변화에 따른 감도 별 동적 범위의 정량적 평가는 30번 조사하여 얻은 Image J의 히스토그램 분석을 통해 이뤄졌다. 관전압을 60, 70, 81, 90 kVp로 변화시켜 감도 S200, S400, S800, S1000에 해당하는 히스토그램을 얻어낸 후 Image J의 대수적 연산 분석 기능을 사용하여 각각의 관전압 변화에 따른 감도 별 히스토그램을 평균화하였다.
또한 데이터의 평균은 paired t-test를 한 결과 p<0.05로 통계적으로 유의한 차이가 있었다[표 5].
또한 데이터의 평균은 paired t-test를 한 결과 p<0.05로 통계적으로 유의한 차이가 있었다[표 6].
이때 입사표면선량의 평균과 표준편차는 IBM SPSS version 23 program (IBM Co., USA)을 사용해서 paired t-test를 통해 p<0.05로 통계적 유의성을 분석하였다.

성능/효과

관전류량을 평가한 결과는 Philips DIGITAL DIAGNOST VR(A)가 60 kVp일 때 S200은 55.3 mAs, S400은 28.5 mAs, S800은 12.9 mAs, 70 kVp일 때 S200은 15 mAs, S400은 7.7 mAs, S800은 3.52 mAs, 81 kVp일 때 S200은 5.1 mAs, S400은 2.6 mAs, S800은 1.3 mAs, 90 kVp일 때 S200은 2.7 mAs, S400은 1.45 mAs, S800은 0.77 mAs 이였다. Philips DIGITAL DIAGNOST VR(B)는 60 kVp일 때 S200은 59.
동적 범위의 정성적 평가를 시행한 결과는 관전압과 감도의 증가에 따라 육안적으로 관찰 가능한 차이점이 나타났다. 우선 dynamic step wedge의 경우 관전압의 증가에 비례하여 관찰 가능한 동적 범위도 단계적으로 증가하였는데, 이는 관전압이 증가할수록 투과력 또한 함께 증가하여 관찰 가능한 동적 범위의 증가에 영향을 미치는 관전압의 특성이 전형적으로 반영됐음을 보여주는 결과이다[7][10].
따라서 Philips DIGITAL DIAGNOST VR(A)의 경우에는 장비가 최대 설정 가능한 S800까지 실험을 진행하였다. 또한 모든 실험은 신뢰성에 문제를 줄만큼의 차이는 발생하지 않았지만 Philips DIGITAL DIAGNOST VR(A)가 Philips DIGITAL DIAGNOST VR(B)보다 안정성과 결과 값이 떨어지는 양상을 보였고, Unfors는 81 kVp의 S400부터 90 kVp의 S1000까지 백분율 평균 오차, 반가층,입사표면선량의 결과를 읽어내지 못하는 경우가 발생하였다. 이는 Philips DIGITAL DIAGNOST VR(A)가 Philips DIGITAL DIAGNOST VR(B)보다 노후화돼서 출력이 불안정하기 때문이며, 선량계의 경우에는 Unfors가 MagicMax보다 최소 선량(률), 조사 시간 등을 재현하는 성능이 한계를 가져서 비롯된 결과이다[29].
본 실험은 관전압, 반가층, 입사표면선량, 총 여과의 여부 등 고려할 변수가 많았기 때문에 하나의 선량계를 사용하는 경우에는 데이터의 신뢰성에 문제를 줄 수 있었다. 따라서 팬텀의 왼쪽에는 MagicMax를, 오른쪽에는 Unfors를 두어 결과 값의 산출하였다.
선질을 평가한 결과 Philips DIGITAL DIAGNOSTVR(A)의 백분율 평균 오차와 반가층은 60 kVp일 때 MagicMax와 Unfors 차례로 S200은 1.5%, 3.0 mmAl, 1.8%, 3.0 mmAl, S400은 1.4%, 3.0 mmAl, 1.7%, 3.0 mmAl, S800은 1.2%, 3.0 mmAl, 1.5%, 3.0 mmAl, 70 kVp의 S200은 1.3%, 3.6 mmAl, 1.7%, 3.5 mmAl, S400은 0.9%, 3.5 mmAl, 1.5%, 3.4 mmAl, S800은 0.7%, 3.5 mmAl, 1.3%, 3.4 mmAl, 81 kVp의 S200은 – 2.5%, 4.2 mmAl, - 1.8%, 4.1 mmAl, S400은 – 2.0%, 4.2 mmAl, Unfors는 low signal, S800은 – 1.8%, 4.2 mmAl, Unfors는 low signal, 90 kVp는 Unfors는 모든 감도가 low signal, MagicMax는 S200은 – 2.2%, 4.9 mmAl, S400은 - 1.1%, 4.9 mmAl, S800은 0.5%, 4.9 mmAl 이였다[표 3].
자동노출제어장치 설정 시 관전압 및 감도 변화에 따른 입사표면선량과 관전류량을 평가한 결과는 모든 관전압과 감도에서 입사표면선량과 관전류량이 일정하게 나타났고, 관전압과 감도 증가에 따라 단계적으로 감소하였다. 이는 검출기가 자동노출제어장치의 감도 변화를 정확하게 인식한다는 것을 나타내며 검출기는 자동 노출제어장치의 감도 변화를 정확하게 구현한다는 것을 의미한다[10][13-15][24].
히스토그램은 X선에 의해 형성된 정보량을 유한한 픽셀 값으로 표현한다는 점에서 검출기의 동적 범위를 나타낸다고 볼 수 있다[12][14][18]. 전체적으로 검출기는 영상의 동적 범위를 유니모달 히스토그램(Unimodal histogram)과 바이모달 히스토그램(Bimodal histogram)으로 재현하였으며, 검출기의 동적 범위보다 X선의 동적 범위가 커서 히스토그램의 낮은 부분과 높은 부분의 끝이 잘려나가 정보량을 회복할 수 없는 현상인 언더플로우(Underflow)와 오버플로우(Overflow)가 나타났다. 특히 언더플로우와 오버플로우에 의한 히스토그램 양단의 정보량 손실은 모든 관전압에서 공통적으로 발생하였으며, 비교적 고감도인 S800과 S1000에서 더욱 두드러졌다.
특히 언더플로우와 오버플로우에 의한 히스토그램 양단의 정보량 손실은 모든 관전압에서 공통적으로 발생하였으며, 비교적 고감도인 S800과 S1000에서 더욱 두드러졌다. 즉 전체적으로 검출기는 성능 저하로 인해 관전압에 의한 X선의 동적 범위를 제대로 구현해내지 못했을 뿐만 아니라 감도가 증가하는 경우에는 언더플로우와 오버플로우에 의해 양단의 정보량의 손실도 더욱 커진다는 것을 알 수 있었다. 또한 관전압이 증가하는 경우에는 모든 감도에서 픽셀의 양자화 이격과 양자 잡음을 의미하는 포스테리제이션(Posterization)과 폴스 컨투어링(False contouring) 현상이 나타나서 히스토그램의 피크치 부분의 연결이 자연스럽지 못하고 층을 형성하듯이 보이는 형상을 동반하였다.
자동 노출제어장치 사용 시 관전압 및 감도 별 선질을 평가한 결과는 모두 보건복지부령 제338호에 따른 합격 기준에 부합 하였다. 특히 관전압과 감도가 증가했을 때에도 백분율 평균 오차는 모든 관전압과 감도에서 큰 차이 없이 일관성 있는 값을 유지하였고 반가층 또한 최소 기준인 2.3 mmAl 이상의 값을 나타냈다. 이는 실험에 사용한 방사선 발생장치들이 정도 관리가 잘 이뤄졌음을 시사함과 동시에 선질은 관전압과 감도 변화에 큰 영향을 받지 않고 안정됨을 유지한다는 것을 의미한다.

후속연구

본 연구는 다양한 형태의 검출기로 실험하지 못했다는 점에서 한계점을 가진다. 그럼에도 관전압과 감도 변화에 따른 동적 범위를 dynamic step wedge와 히스토그램의 분석을 통해 저하된 검출기의 성능을 평가하는 정성적 및 정량적 방법을 제시했다는 점에서 본 연구는 큰 의의가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	X선 조사부와 X선 검출부 양쪽 성능이 모두 잘 관리돼야 하는 이유는?	AAPM은 X선 조사부에는 관전압, 관전류, 반가층(Half Value Layer, HVL), X선 검출부는 검출 양자 효율(Detective Quantum Efficiency, DQE), 검출기 감도 등의 항목을 언급하며 각 부분에서 모두 정도 관리가 이루어져야 함을 강조하고 있다. X선 영상은 조사부와 검출부가 유기적으로 연결되고 작용하여 만들어지기 때문에 두 항목 모두 성능을 유지하도록 관리돼야 영상의 최적화가 가능하기 때문이다[10-12]. 특히 디지털 방사선 시스템은 고식적 방법들과 비교했을 때 다양한 파라미터를 조합시켜 검사가 이뤄지므로 이러한 경향은 더욱 두드러진다[9].
	디지털 방사선 시스템의 exposure 횟수가 장비 성능에 미치는 영향은	그러나 디지털 방사선 시스템 역시 방사선 발생장치이므로 exposure 횟수가 늘어날수록 장비의 수명이 줄어들며 이는 장비의 성능 저하로 이어지게 된다[6][7]. 방사선 발생장치의 성능 저하는 영상 화질에 큰 영향을 미치기 때문에 장비의 성능을 관리하고 평가하는 것은 중요하게 논의돼야 한다[7].
	디지털 방사선 시스템의 장점은?	X선 검사는 디지털 방사선 시스템(Digital Radiography, DR)의 도입 이래로 직접변환방식(Direct Digital Radiography)과 간접변환방식(Indirect Digital Radiography)을 사용하여 임상에 적용되고 있다[1-3]. 직접 및 간접 디지털 방사선 시스템의 도입은 기존의 방식인 필름, 컴퓨터 방사선 검사 시스템(Computed Radiography, CR)과 비교했을 때 동적 범위(Dynamic Range)의 증가, 빠른 영상처리, 신호의 효율적인 변환 등 다양한 부분에 강점을 보이면서 기존의 방식을 대체하고 있다[4][5].

저자의 다른 논문 :

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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