[논문]조직 등가물질 두께 증가에 따른 디지털 엑스선 영상의 해상도 분석에 관한 연구

김준우

doi:10.7742/jksr.2021.15.2.173

초록
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디지털 래디오그라피 시스템에서 발생하는 산란선은 신호의 증가를 가져오는 장점도 있지만 피사체를 투과한 엑스선 영상의 해상도 저하, 노이즈 증가로 궁극적인 검출능이 감소된다. 공간주파수 도메인에서 해상도를 평가하기 위한 변조전달함수(modulation-transfer function, MTF)에서 간접적으로 산란선을 측정하는 방법은 제로-주파수에 해당하는 변조전달함수 값이 강하되는 정도로 간주할 수 있다. 본 연구는 환자 조직 등가물질로 폴리메틸메타아크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA)를 사용하였으며 다양한 두께에 대한 변조전달함수를 획득하여 산란선이 해상도에 미치는 영향을 정량화하였다. PMMA 두께 증가에 따라 엑스선 영상 신호는 35 ~ 83%까지 감소되는 것이 관찰되었고, 이는 PMMA에 엑스선이 흡수 혹은 산란되는 양상으로 판단되며 이러한 결과는 변조전달함수를 저하시키는 것과 동시에 산란선 비율을 증가시키는 결과로 나타났다. PMMA에 의한 변조전달함수 저하를 보정하기 위한 방법은 간접변환방식 검출기에서 발생되는 빛 퍼짐 경향까지 절단하여 변조전달함수 값의 상승을 가져왔다. 보다 합리적인 방법으로 경계확산함수(edge-spread function, ESF) 혹은 선확산함수(line-spread function, LSF)에서의 피팅, 제로 값으로 채우는 처리 등이 이루어져야 할 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Scattered x-ray generated by digital radiography systems also have the advantage of increasing signals, but ultimately detectability is reduced by decreasing resolution and increasing noise of x-ray images transmitted objects. An indirect method of measuring scattered x-ray in a modulation-transfer ...

Scattered x-ray generated by digital radiography systems also have the advantage of increasing signals, but ultimately detectability is reduced by decreasing resolution and increasing noise of x-ray images transmitted objects. An indirect method of measuring scattered x-ray in a modulation-transfer function (MTF) for evaluating resolution in a spatial-frequency domain can be considered as a drop in the MTF value corresponding to zero-frequency. In this study, polymethyl methacrylate (PMMA) was used as a patient tissue equivalent, and MTFs were obtained for various thicknesses to quantify the effect of scattered x-ray on resolution. X-ray image signals were observed to decrease by 35 ~ 83% with PMMA thickness increasing, which is determined by the absorption or scattering of x-rays in PMMA, resulting in reduced MTF and increased scatter fraction. The method to compensate for MTF degradation by PMMA resulted in the MTF inflation without considering the optical spreading generated by the indirect-conversion type detector. Data fitting or zero-padding are needed to compensate for MTF more reasonably on edge-spread function or line-spread function.

주제어

표/그림 (4)

표 Table 1. Specifications of the large-area flat-panel x-ray detector in this study. The values are supplied by the manufacture.
그림 Fig. 1. Signal analysis as PMMA thickness increases.
그림 Fig. 2. Comparison of edge-knife phantom images obtained from the PMMA thickness with the same 120 kVp, 5 mAs condition. All the gray intensities are display in μ±3σ. (a) 0 mmPMMA, (b) 40 mmPMMA, (c) 90 mmPMMA.
그림 Fig. 3. Effects of the scatter x-ray on the resolution as functions of PMMA thickness increase.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 디지털 래디오그라피 시스템에 일반적으로 사용되는 대면적 평판형 검출기(large-area flat-panel x-ray detector, FPD)를 이용하여 환자 조직 등가물질로 가정하고 있는 폴리메틸메타아크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA)의 두께를 증가시키면서 PMMA에서 산란되는 엑스선이 디지털 엑스선 영상에 미치는 영향을 공간주파수에 따른 해상도 평가인자, 변조전달함수를 이용하여 정량적인 분석을 하고자 한다.

가설 설정

디지털 래디오그라피를 위한 엑스선 검출기가 선형적이고, 위치별로 값이 불변하다는 가정 하에 영상의 해상도를 평가하기 위한 관심영역(region of interest, ROI)은 영상의 중심영역을 기준으로 국한되어 분석된다.

제안 방법

본 연구는 PMMA를 환자의 조직 등가물질로 설정하고, 다양한 두께 증가로 발생하는 산란선이 엑스선 영상의 해상도에 미치는 영향을 공간 및 공간주파수 도메인에서 정량적으로 분석하였다. 공간도메인의 해상력-차트 프로파일 분석은 PMMA 두께 증가에 변조특성을 저하시키는 양상을 보였으며 이러한 결과는 공간주파수 도메인에서도 확인할 수 있었다.

대상 데이터

환자 조직 등가물질로 PMMA가 사용되었고, 두께는 0 ~ 90 mm까지로 설정하였다. PMMA로부터 발생되는 산란선이 해상도에 미치는 영향을 분석하기 위한 해상도 팬텀으로는 해상력-차트 팬텀, 에지-나이프 팬텀이 사용되었으며, 여기서 해상력 차트 팬텀은 0.1 ~ 4.86 line-pair/mm (lp/mm)까지의 해상도 특성을 관할할 수 있다.
환자 조직 등가물질로 PMMA가 사용되었고, 두께는 0 ~ 90 mm까지로 설정하였다. PMMA로부터 발생되는 산란선이 해상도에 미치는 영향을 분석하기 위한 해상도 팬텀으로는 해상력-차트 팬텀, 에지-나이프 팬텀이 사용되었으며, 여기서 해상력 차트 팬텀은 0.

성능/효과

따라서 변조전달함수를 Eq. (3)과 같이 보정하는 방법보다 관심영역 크기를 다르게 하는 방법이 있을 수 있고, 또 다른 방법은 경계확산함수가 절단된 만큼 경계확산함수를 잘 설명하는 식으로 피팅 또는 절단된 영역을 제로 값으로 채워 넣어 절단효과를 줄임으로써 변조전달함수를 보정하는 것이 옳은 접근방법이라 판단된다. 또한, 위의 과정은 선확산함수에서 수행해도 무관 하다.
2는 에지-나이프 팬텀영상이다. PMMA 두께가 증가할수록 화살표 부근의 신호가 감소됨을 확인할 수 있다. 이러한 특징은 PMMA와 반응 없이 검출기로 입사되어 신호로 기여할 엑스선이 PMMA에 흡수된 결과이기도 하고, PMMA에서 산란된 엑스선이 멀리 퍼져서 신호 감소가 보이는 이유이기도 하다.
본 연구는 PMMA를 환자의 조직 등가물질로 설정하고, 다양한 두께 증가로 발생하는 산란선이 엑스선 영상의 해상도에 미치는 영향을 공간 및 공간주파수 도메인에서 정량적으로 분석하였다. 공간도메인의 해상력-차트 프로파일 분석은 PMMA 두께 증가에 변조특성을 저하시키는 양상을 보였으며 이러한 결과는 공간주파수 도메인에서도 확인할 수 있었다. 제로-주파수의 변조전달함수에서 저주파수 강하가 관찰될 뿐만 아니라 전반적인 공간 주파수에서의 변조전달함수 저하가 발생되었는데 디지털 래디오그라피 시스템의 해상도뿐만 아니라 노이즈까지 추가 고려한다면 산란선 연구에 참고할 만한 문헌이 될 것이다.

후속연구

제로-주파수에서 변조전달함수의 저-주파수 강하가 관찰되는 것은 경계확산함수와 선확산함수를 계산하기 위한 제한된 관심영역 크기 때문이다. 반대로, PMMA 두께가 증가할 때, 필요한 관심영역 크기가 각각 다르다는 의미인데, 산란선 변조전달 함수를 계산하기 위한 적절한 관심영역 크기에 대한 연구가 필요하다. 따라서 변조전달함수를 Eq.
공간도메인의 해상력-차트 프로파일 분석은 PMMA 두께 증가에 변조특성을 저하시키는 양상을 보였으며 이러한 결과는 공간주파수 도메인에서도 확인할 수 있었다. 제로-주파수의 변조전달함수에서 저주파수 강하가 관찰될 뿐만 아니라 전반적인 공간 주파수에서의 변조전달함수 저하가 발생되었는데 디지털 래디오그라피 시스템의 해상도뿐만 아니라 노이즈까지 추가 고려한다면 산란선 연구에 참고할 만한 문헌이 될 것이다.
86 lp/mm의 공간주파수 범위를 가지고 있다. 해당하는 lp/mm를 공간 도메인의 다양한 크기로 환산하여 팬텀을 제작하거나 인체모사 흉부 팬텀 내부에 그러한 크기별 물질을 삽입하여 산란선 실험을 수행한다면 더욱 향상된 연구결과를 도출할 것이라 판단된다.
산란선은 크게 산란-방지 그리드의 사용 또는 에어-갭으로 저감효과를 볼 수 있으며 유방촬영술 어플리케이션에서 이러한 연구가 활발히 진행되고 있다. 향후, 흉부 래디오그라피 시스템에서보다 산란선의 양을 정량적으로 측정할 수 있는 방법이 필요하고, 산란선을 저감하기 위한 산란-방지 그리드 사용과 관련하여 물질, 크기를 고려할 수 있는 몬테칼로 시뮬레이션 연구도 필요하다. 현재는 에어-갭 적용 시 최적 확대율을 설명할 수 있는 연구를 진행 중에 있다.

참고문헌 (12)

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