[논문]방사선 조사선량의 최소화를 위한 생성적 적대 신경망을 활용한 복부 엑스선 영상 최적화 연구

김상우; 임재동

doi:10.7742/jksr.2023.17.2.191

방사선 조사선량의 최소화를 위한 생성적 적대 신경망을 활용한 복부 엑스선 영상 최적화 연구
Optimization of Abdominal X-ray Images using Generative Adversarial Network to Realize Minimized Radiation Dose 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.17 no.2, 2023년, pp.191 - 199

김상우 (대원대학교 방사선과) , 임재동 (대원대학교 방사선과)

초록
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본 연구는 높은 관전압과 낮은 관전류로 인한 복부 영상 노이즈 발생을 BSRGAN (Deep Bline Image Super-Resolution Generative Adversarial)기법으로 보정하고, 최소화된 방사선량을 가진 촬영 조건을 제시하는 것을 목표로 하였다. 먼저 각 촬영 조건에 따른 입사표면 선량(entrance surface doses, ESD)을 측정하였고, 해당 촬영 조건들의 복부 영상을 획득한 후 그 획득한 모든 복부 영상들은 BSRGAN 기법을 통해 재구성하였다. 영상 분석방법으로는 복부의 기준 촬영 조건인 80 kVp, 320 mA의 영상과 비교 분석하였고, 그 방법으로는 평균제곱오차(mean squared error, MSE), 최대 신호 대 잡음비(peak signal-to-noise ratio, PSNR), 그리고 구조적 유사도 지수 측정(structural similarity index measure, SSIM)을 사용하였다. 또한, BSRGAN 기법으로 재구성된 복부 영상효과를 검증하기 위해 절편 신호강도 분석은 실행되었다. MSE가 가장 낮은 조사조건은 90 kVp, 125 mA와 100 kVp, 100 mA (약 0.285)이었고, PSNR은 37.694와 SSIM은 0.999로 나타났다. 그 촬영 조건들은 ESD를 약 52 ~ 53%를 감소시켰다. 게다가, 최적화된 조건들의 신호 강도의 변화는 기준 복부 영상보다 오히려 감소하였다. 이 결과는 방사선량을 크게 줄임과 동시에 기준 복부 영상과 유사한 영상을 획득할 수 있음을 의미하며, 이는 방사선방호의 원리인 ALARA 개념을 충분히 반영할 수 있음을 시사한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study aimed to propose minimized radiation doses with an optimized abdomen x-ray image, which realizes a Deep Blind Image Super-Resolution Generative adversarial network (BSRGAN) technique. Entrance surface doses (ESD) measured were collected by changing exposure conditions. In the identical exposures, abdominal images were acquired and were processed with the BSRGAN. The images reconstructed by the BSRGAN were compared to a reference image with 80 kVp and 320 mA, which was evaluated by mean squared error (MSE), peak signal-to-noise ratio (PSNR), and structural similarity index measure (SSIM). In addition, signal profile analysis was employed to validate the effect of the images reconstructed by the BSRGAN. The exposure conditions with the lowest MSE (about 0.285) were shown in 90 kVp, 125 mA and 100 kVp, 100 mA, which decreased the ESD in about 52 to 53% reduction), exhibiting PSNR = 37.694 and SSIM = 0.999. The signal intensity variations in the optimized conditions rather decreased than that of the reference image. This means that the optimized exposure conditions would obtain reasonable image quality with a substantial decrease of the radiation dose, indicating it could sufficiently reflect the concept of As Low As Reasonably Achievable (ALARA) as the principle of radiation protection.

주제어

표/그림 (5)

표 Table 1. Quantitative measurement of entrance surface doses by each exposure condition.
그림 Fig. 1. Imaging analysis reconstructed by BSRGAN.
그림 Fig. 2. Exposure reduction according to each radiation dose.
그림 Fig. 3. Signal analysis with intensity profiles. The signal intensity is measured in two regions where it is the liver (a) and kidney (b).
표 Table 2. Quantitative imaging analysis with the BSRGAN reconstruction of abdominal images

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 BSRGAN기법을 활용하여 방사선량을 최소화함에 따라 합당한 복부 영상과 최적화된 촬영 조건을 제시하고자 하였다. 가장 낮은 표면선량을 보인 조사조건들은 90 kVp, 125 mA와 100 kVp, 100 mA (약 52 ~ 53%)이었다.
본 연구는 방사선 조사선량을 최적화하기 위한 BSRGAN 기법을 활용한 복부 영상획득을 통해 가장 합리적인 촬영 조건들을 제시하고자 하였다. 90 kVp, 120 mA와 100 kVp, 100 mA는 가장 낮은 입사표면 선량이 관찰되었으며, 그 조건들로 재구성한 복부 영상은 기준 복부 영상과 상당히 유사할 뿐만 아니라 오히려 신호 크기의 적은 변동이 관찰되었다.
본 연구는 진단용 방사선 발생장치의 조사선량 최소화를 위한 최적화된 복부 영상을 획득하고자 하였다. 먼저 관전압과 관전류의 변화에 따른 각각의 표면선량은 일반적으로 관전압의 증가와 관전류가 감소할수록 그 수치는 Table 1과 같이 감소하였다.

제안 방법

먼저 관전압과 관전류의 변화에 따른 각각의 표면선량은 일반적으로 관전압의 증가와 관전류가 감소할수록 그 수치는 Table 1과 같이 감소하였다. 복부 영상촬영 시 가장 최적화된 촬영 조건 범위를 찾기 위해, 먼저 BSRGAN 기법을 활용한 복부 영상들은 80 kVp, 320 mA의 복부 영상과 비교하여 MSE가 작은 순서부터 촬영 조건들을 그룹화하여 정렬하였다.
추가적으로 BSRGAN 기법을 활용한 재구성한 고해상도 복부 영상은 그 효율성을 검증하기 위해 절편신호 프로파일 분석으로 실행하였고, 그 위치는 총 2부분 (간, 콩팥)에서 신호의 크기를 확인하였다. 최적의 방사선 촬영조건 (90 kVp, 120 mA와 100 kVp, 100 mA)들의 신호 크기는 80 kVp, 320 mA의 기준 복부 영상과 동일한 신호 크기가 나타났으며, 흥미롭게도 신호 크기의 변동은 Fig.

성능/효과

가장 낮은 표면선량을 보인 조사조건들은 90 kVp, 125 mA와 100 kVp, 100 mA (약 52 ~ 53%)이었다. 이 최적화된 조사조건들의 BSRGAN 재구성 영상들은 기준 복부 영상(80 kVp, 320 mA)과 상당히 유사할 뿐만 아니라 절편의 신호 크기도 비슷하게 관찰되었고, 오히려 신호 크기의 변동은 기준 복부 영상에 비해 감소하였다. 이러한 결과들은 방사선 조사선량의 감소에 따른 기준 복부 영상과 동일한 영상을 획득할 수 있다는 것을 의미하며, 이는 방사선방어 원칙인 ALARA 개념을 충분히 반영하고 인체의 피폭선량을 상당히 감소시킬 수 있을 것이다.
90 kVp, 120 mA와 100 kVp, 100 mA는 가장 낮은 입사표면 선량이 관찰되었으며, 그 조건들로 재구성한 복부 영상은 기준 복부 영상과 상당히 유사할 뿐만 아니라 오히려 신호 크기의 적은 변동이 관찰되었다. 이는 BSRGAN 기법을 적용한 방사선 조사선량 최소화는 가장 작은 인체 피폭선량으로 합리적인 영상을 획득함으로써, ALARA 방어원칙을 수호 및 보장할 수 있을 것으로 사료된다.
이 최적화된 조사조건들의 BSRGAN 재구성 영상들은 기준 복부 영상(80 kVp, 320 mA)과 상당히 유사할 뿐만 아니라 절편의 신호 크기도 비슷하게 관찰되었고, 오히려 신호 크기의 변동은 기준 복부 영상에 비해 감소하였다. 이러한 결과들은 방사선 조사선량의 감소에 따른 기준 복부 영상과 동일한 영상을 획득할 수 있다는 것을 의미하며, 이는 방사선방어 원칙인 ALARA 개념을 충분히 반영하고 인체의 피폭선량을 상당히 감소시킬 수 있을 것이다.
추가적으로 BSRGAN 기법을 활용한 재구성한 고해상도 복부 영상은 그 효율성을 검증하기 위해 절편신호 프로파일 분석으로 실행하였고, 그 위치는 총 2부분 (간, 콩팥)에서 신호의 크기를 확인하였다. 최적의 방사선 촬영조건 (90 kVp, 120 mA와 100 kVp, 100 mA)들의 신호 크기는 80 kVp, 320 mA의 기준 복부 영상과 동일한 신호 크기가 나타났으며, 흥미롭게도 신호 크기의 변동은 Fig. 3과 같이 오히려 작게 관찰되었다.

후속연구

추가적으로, BSRGAN 기법을 진단방사선 영역에 적용하는 것은 AEC와 비교하여 그 효율성이 충분히 입증되어야 한다. 게다가, 본 연구는 CR에 국한된 방식으로 DR 영상을 통한 그 유용성도 검증되어야 한다. 마지막으로 향후 체내 연구를 통한 BSRGAN 기법을 적용한 인체 피폭선량 감소의 최적화된 촬영 파라미터 검증이 필요하다.
게다가, 본 연구는 CR에 국한된 방식으로 DR 영상을 통한 그 유용성도 검증되어야 한다. 마지막으로 향후 체내 연구를 통한 BSRGAN 기법을 적용한 인체 피폭선량 감소의 최적화된 촬영 파라미터 검증이 필요하다.
향후 추가적인 연구들은 조사선량의 수동 조절을 통한 더욱 최적화된 피폭선량 기준을 알아보기 위해 심부 피폭선량 측정을 기준으로 연구되어야 한다. 이러한 결과들은 인체 장기들의 피폭선량을 평준화할 수 있다.

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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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