Evaluation of Clinical Application Model of Optimized Parameter through Analysis of Stability of Radiation Output and Image Quality when Exposure Time Change of Digital Radiography (DR)

디지털 방사선 시스템(DR)의 조사시간 변화 시 방사선 출력과 영상 화질의 안정성 분석을 통한 최적화된 파라미터의 임상 적용 모델 평가

Abstract

The purpose of this study is to propose a method to optimize the performance of Digital Radiography (DR) by analyzing the effect of exposure time change on the stability of radiation output and image quality. The experimental method was used to change the exposure time to 50 msec, 100 msec, 200 msec, and 400 msec so that the Percentage Average Error (PAE), Time-to-Radiation Dose Curve, Signal to Noise Ratio (SNR), Contrast to Noise Ratio (CNR) and theses analysis were performed to evaluate the normal operation of parameters, radiation output and image quality. As a result, all the parameters used in the experiment showed the Percentage Average Error in the normal range, and the shorter the exposure time, the stability of radiation output and image quality decrease. In conclusion, it was found that the performance of Digital Radiography can be optimized when stable radiation output and image quality are applied by applying 100 msec ~ 200 msec exposure time.

본 연구는 조사시간 변화가 방사선 출력과 영상 화질의 안정성에 미치는 영향을 분석하여 디지털 방사선 시스템의 성능을 최적화하는 방법을 제시하고자 하였다. 실험방법은 조사시간을 50 msec, 100 msec, 200 msec, 400msec로 변화시켜 복부와 골반부에 사용된 파라미터들의 백분율 평균오차(PAE; Percentage Average Error), 시간-방사선량 곡선, 신호 대 잡음비(SNR; Signal to Noise Ratio), 대조도 대 잡음비(CNR; Contrast to Noise Ratio), 분석하여 파라미터의 정상 작동 여부, 방사선 출력, 영상 화질을 평가하였다. 그 결과 실험에 사용된 파라미터들은 모두 정상 범위의 백분율 평균 오차를 보였고, 조사시간은 짧게 적용할수록 디지털 방사선 시스템의 방사선 출력과 영상 화질의 안정성이 저하하였다. 결론적으로 100 msec ~ 200 msec의 조사시간을 적용하여 방사선 출력과 영상 화질을 안정적으로 유지했을 때 디지털 방사선 시스템의 성능을 최적화할 수 있음을 알 수 있었다.

Ⅰ. INTRODUCTION

현대의학에서 방사선을 이용한 검사는 질병의 진단과 치료에 크게 기여하고 있다.^[1] 대표적으로 일반 X선 검사, 컴퓨터 단층촬영(CT; Computed Tomography), 인터벤션 등이 있다.^[1-3] 이때 X선을 이용한 방사선 검사는 그 특성상 방사선 피폭을 수반하는데, 방사선 피폭 때문에 발생할 수 있는 장해보다 진단과 치료에 더 큰 이득이 수반된다면 방사선 검사는 필수적인 것으로 인식되어 그 정당성을 인정받는다.^[4,5]

이와 같은 의료방사선 사용은 국내의 방사선 검사 건수를 증가시켰는데, 2019년 질병관리본부에서 발간한 간행물에 따르면 X선을 이용한 검사 건수는 2007년 1억 6000만 건에서 2017년 2억 9586만건으로 약 85%의 증가율을 보였다.^[6,7] 특히 일반 X선 검사는 다양한 부위에 적용 가능하며 손쉽게 영상을 획득할 수 있다는 점에서 전체 방사선 검사건수의 약 79%를 차지한다고 보고된다.^[6]

방사선 안전관리 측면에서 방사선 검사 건수의 증가는 방사선 발생장치의 노후화를 초래한다.^[8] X선 영상을 형성할 때 필수적으로 고려해야 할 사항은 방사선 출력을 안정화하여 일정 수준 이상의 영상 화질을 보장해야 한다는 것인데, 장비의 노후화는 불안정한 방사선 출력 때문에 영상 화질을 저하시키는 요인으로 작용한다.^[8,9] 이에 국제방사선방호위원회(ICRP; International Commission on Radiological Protection), 미국의학물리학회(AAPM; The American Association of Physicists in Medicine)등 다양한 기관은 방사선 발생장치의 방사선 출력과 영상 화질 평가의 중요성을 언급한 권고안을 발표하고 있다.^[9-11] 최근 그 특성이 활발하게 연구되고 있는 디지털 방사선 시스템(DR; Digital Radiography)은 다양한 파라미터를 조합시켜 영상을 획득하고 X선 조사부의 관전압, 관전류, 조사시간의 선택 범위가 넓어졌기 때문에 이러한 경향이 뚜렷하게 나타난다.^[10,11]

국내에서도 국제적인 동향을 반영하여 디지털 방사선 시스템의 성능을 평가하는 시도가 이뤄지고 있다.^[12-15] 주로 방사선 출력을 안정적으로 유지 및 최적화하기 위한 알고리즘을 적용하거나, 파라미터 조합에 따른 영상 화질을 객관적으로 수치화하는 식이다.^[12,15] 문제는 이러한 방식을 적용하여도 영상 화질이 저하되는 경우이다.^[10,14] 기존의 방식으로 얻어낸 수치가 방사선 출력의 안정성 자체를 의미하지는 않기 때문에, 영상 화질의 저하가 발생한다면 그 원인이 방사선 출력의 변동 때문인지 혹은 다른 요인이 반영된 결과인지를 객관적으로 규명할 수 없게 된다.^[9-11] 즉 파라미터 조합과 범위를 폭넓게 적용했을 때 방사선 출력과 영상 화질의 인과 관계를 파악하는 연구는 사실상 부족한 실정이다.

이에 본 연구는 조사부 파라미터 중 조사시간의 변화에 따른 방사선 출력과 영상 화질의 안정적 유지 여부를 평가하여 디지털 방사선 시스템의 성능을 최적화하는 방법론을 제시하고자 한다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

1. 조사대상과 실험기기

실험은 2020년 2월 10일부터 20일까지 10차례에 걸쳐 20회 진행하였다. Fig. 1은 실험에 사용한 디지털 방사선 시스템으로 Philips 사의 모델명 DIGITAL DIAGNOST VR이다.

Fig. 1. The Digital Radiography used in the experimental is Philips DIGITAL DIAGNOST VR.

디지털 방사선 시스템과 관련된 파라미터 사항은 Table 1과 같다. 관전압과 관전류량은 복부는 81 kVp, 20 mAs, 골반부는 76 kVp에 30 mAs이였고, 관전류량은 고정한 채 조사시간을 50 msec, 100 msec, 200 msec, 400 msec로 변화하여 복부와 골반부에 적용하였다. 이때 관전류는 조사시간의 변화에 대응하여 자동적으로 설정됐으며 50 msec에서 400 msec의 순으로 복부의 관전류는 400 mA, 200 mA, 100 mA, 50 mA, 골반부는 600 mA, 300 mA, 150 mA, 75 mA 이였다. 검출 방식은 간접 검출 형태(FPD; Flat Panel Detector)의 Trixell 검출기이고, Pixel size는 143 μm, Bit processing은 14 bits이다.

Table 1. It is specification of Digital Radiography.

Fig. 2는 실험에 사용한 란도 팬텀(Alderson research laboratories, USA)이며, 실험 부위는 복부와 골반부로 설정하였다.

Fig. 2. Rando phantom is composed of humanequivalents.

또한 부가적인 파라미터에 의해 일어날 수 있는 오차를 최소화하기 위해, 몇 가지 사항을 Table 2처럼 공통적으로 적용하였다. 노출 방식은 수동 노출, Field size는 43 × 43 cm², SID (Source Image to Distance) 100 cm, 격자 비 8:1, 총 여과 당량은 5.0 mmAl 이다.

Table 2. The additional parameters were applied equally.

Fig. 3은 실험에 사용한 다목적 반도체 선량계 MagicMax Universal (IBA Dosimetry, Germany)로 장비의 성능과 방사선 출력을 평가하였다.

Fig. 3. The MagicMax Universal was used toanalyze the stability of X-ray quality and radiationoutput.

영상 화질의 분석은 Image J Version 1.52a(National Institutes of Health, USA)를 사용하여 각각의 조사시간에 해당하는 복부와 골반부의 신호 대 잡음비(SNR; Signal to Noise Ratio)와 대조도 대 잡음비(CNR; Contrast to Noise Ratio)를 평균과 표준편차로 나타냈다.

2. 실험방법

2.1 디지털 방사선 시스템의 정도 관리

실험에 이용한 파라미터의 정확한 작동 여부를 확인하기 위해서 장비의 정도 관리를 시행하였다. 각각의 파라미터 당 X선을 30회씩 조사하여 관전압 76 kVp, 81 kVp, 조사시간 50 msec, 100 msec, 200 msec 400 msec에 해당하는 백분율 평균오차(PAE; Percentage Average Error)를 산출하였다.

2.2 방사선 출력의 안정성 평가

파라미터 조합과 변화에 따른 방사선 출력의 안정성은 MagicMax Universal 자체에 탑재된 시간-방사선량 곡선 산출 기능을 이용하였다. 시간-방사선량 곡선을 얻기 위한 팬텀과 선량계의 배열은 복부는 팬텀의 24번, 골반부는 팬텀의 30번 정중앙에 Magic Max Universal을 Fig. 4처럼 위치시켰다. 그 후 조사시간을 50 msec, 100 msec, 200 msec, 400 msec로 변화시켜 X선을 30회씩 조사하였고, 각각의 조사시간에 해당하는 시간-방사선량 곡선을 얻어냈다.

Fig. 4. Phantom and dosimeter were centered to obtainTime-to-Radiation Dose Curves.

2.3 영상 화질 분석

화질 분석에는 조사시간 당 X선을 30번씩 노출하여 얻은 DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) 표준의 no compression 영상을 이용하였다. 신호 대 잡음비와 대조도 대 잡음비를 수치화하기 위한 식은 Eq. (1)과 Eq. (2)와 같다.

\(신호 \ 대 \ 잡음비 = \frac{mean\ value\ of\ ROI}{SD\ of\ BG}\)       (1)

* mean value of ROI : 관심 영역의 신호량 평균

* SD of BG : 백그라운드 표준편차

\(대조도 \ 대 \ 잡음비 = \mid\frac{(BG SI_{avg} - ROI SI_{avg})}{SD\ of\ BG}\mid\)        (2)

＊BG SIavg : 백그라운드 신호강도 평균

＊ROI SIavg : 관심 영역 신호강도 평균

관심 영역(ROI; Region of Interest)은 0.5 × 0.5 cm²으로 영상의 오른쪽과 왼쪽 중앙에, 백그라운드 표준편차는 왼쪽 상단에 Fig. 5처럼 설정하였다. 이때 Pixel number는 35 × 35 이였다.

Fig. 5. It shows that set up of the ROI for Signal to Noise Ratio and Contrast to Noise Ratio analysis.

영상 화질의 신뢰도는 SPSS version 23 (IBM Co., USA) 프로그램으로 통계적인 유의성 검증을 통해 이뤄졌다. ANOVA 검정 및 사후 검정을 통해 조사시간의 변화가 영상 화질에 미치는 영향을 분석하였다. 이때 통계값은 95%의 신뢰구간에서 p<0.05인 경우 통계적으로 유의한 것으로 판단하였다.

Ⅲ. RESULT

1. 디지털 방사선 시스템의 정도 관리

MagicMax Universal로 관전압, 조사시간의 백분율 평균오차를 측정한 결과는 Table 3처럼 나타났다. 관전압은 일정 수치를 유지하였고, 조사시간은 지시치를 낮게 설정할수록 실제 평균치의 차이가 커졌다.

Table 3. It is the result of the Percentage Average Error.

*PAE = {(Set value – Average value) / Set value} × 100%

2. 방사선 출력의 안정성 평가

복부와 골반부의 조사시간 변화에 따른 시간-방사선량 곡선은 Fig. 6과 같다. X축은 조사시간, Y축은 출력량이며, 주황색과 초록색은 각각 관전압 및 방사선 출력량을 의미한다. 조사시간이 높게 조합될수록 곡선 시작과 끝부분의 그래프 기울기가 급해졌고 선량의 분포도가 넓어지는 형상을 보였다.

Fig. 6. These picture shows that Time-to-Radiation Dose Curve according to exposure time change in abdomen and pelvis.

3. 영상 화질 분석

복부와 골반부의 조사시간 변화에 따른 신호 대 잡음비와 대조도 대 잡음비는 Table  4와 같다. 조사시간이 높게 조합될수록 신호 대 잡음비와 대조도 대 잡음비는 증가하였다.

Table 4. The Signal to Noise Ratio and Contrast to Noise Ratio were analyzed and evaluated.

*Statistical analysis using ANOVA and Post-Hoc test (Duncan)

Ⅳ. DISCUSSION

X선 조사부의 관전압, 관전류, 조사시간은 X선 영상 형성에 관여하는 기본적인 파라미터이다.^[9] 관전압은 X선질, 관전류와 조사시간은 X선량을 조절하여 방사선 출력과 영상 화질에 직접적인 영향을 미친다.^[10] 따라서 다양한 권고안은 조사부 파라미터의 성능을 평가해서 방사선 출력과 영상 화질을 관리하는 방법을 제시하고 있다.^[9-11] 그 중 관전압은 X선의 에너지와 투과력을 결정하여 X선과 검출기의 상호작용 확률을 증가시키기 때문에 방사선 출력과 영상 화질을 개선할 때 우선순위로 조절하는 변수로 여겨진다.^[16]

국제기관의 권고안은 관전압을 방사선 출력에 영향을 미치는 중요한 파라미터로 인식하면서도, 방사선 출력 자체를 규정하는 요소는 아니라는 견해를 보인다. 방사선 출력과 영상 화질에 영향을 주는 일차적인 파라미터는 관전류와 조사시간의 조합으로 생성되는 X선량이며, 관전압이 방사선출력에 미치는 영향은 관전류와 조사시간이 조합됐을 때 부가적으로 작용하는 현상으로 보기 때문이다.^[5,11] 아무리 X선질과 투과력을 최적화해도 X선량에 따라 변화하는 방사선 출력의 변동을 제어하지 못한다면 영상 화질은 저하할 수 있다. 이러한 점에 착안해서 본 연구는 조사시간이 방사선 출력과 영상 화질에 미치는 영향을 알아보고, 디지털 방사선 시스템의 성능을 개선하는 방법을 알아보고자 하였다.

먼저 파라미터의 변화에 따라 방사선 출력과 영상 화질의 변화를 뚜렷하게 관찰할 수 있는 실험부위를 선정할 필요가 있었다. 인체 조직은 각각의 두께와 밀도가 다른 물질로 구성되어 있고 경우에 따라선 자체적인 움직임을 동반하기도 한다. 따라서 인체 조직의 영상화는 각각의 조직 특성을 반영한 파라미터를 설정하여 이뤄지고 있다.^[17-19] 복부와 골반부는 다른 조직들과 비교했을 때 두께와 밀도가 상대적으로 높고 영상 형성 범위 내에 움직임이 많은 장기가 포함돼있다는 특징을 가진다.^[17,18]이 경우에는 두께, 밀도, 움직임이 영상 화질에 미치는 악영향을 최소화하기 위해 단시간에 많은 부하량을 적용하는 것을 허용하고 있다.^[17,18] 이는 복부와 골반부는 파라미터 설정에 따라 방사선 출력과 영상 화질이 크게 저하할 수 있다는 점을 의미한다. 따라서 파라미터 설정에 따라 방사선 출력과 영상 화질 변화의 관찰이 유리한 복부와 골반부를 실험 부위로 선정하였다.

또한 방사선 출력과 영상 화질을 분석하기에 앞서 실험에 사용된 파라미터들의 정상 작동 여부를 파악하기 위해 장비의 정도 관리를 선행하였다. 정도 관리를 선행한 결과, 각 파라미터는 모두 진단용 방사선 발생장치의 안전관리에 관한 규칙에서 명시된 관전압은 ± 10%, 조사시간은 지시치가 0.01초 이상일 때 평균치가 ± 10% 이내의 정상 범위로 나타남에 따라 안정적으로 작동함을 확인할 수 있었다.^[8] 다만 조사시간은 디지털 방사선 시스템의 노후화에 따른 장비의 성능 저하가 반영돼서, 모든 범위에서 평균치가 지시치 보다 낮은 값을 보였다. 이러한 현상은 상대적으로 낮은 100 msec 이하의 낮은 조사시간에서 더욱 심화됐다.

이를 토대로 조사시간이 방사선 출력에 미치는 영향을 평가하였다. 기존의 연구들은 조사시간이 방사선 출력에 미치는 영향을 구체적인 수치를 통해 입증하고자 했는데, 문제는 조사시간을 일정하게 유지했음에도 출력량 자체를 일정하게 유지할 수 없어 발생하는 확률적인 변화이다.^[12,18-20] 구체적인 수치는 방사선 출력을 객관적으로 표현한다는 점에서 강점을 보이나, 불연속적인 확률적 변화에 따른 경향성은 파악할 수 없다. 구체적인 수치는 장비의 사용량, 정도 관리 상태 등에 따라 차이가 발생할 수 있기 때문이다.^[8] 이에 본 실험에서는 조사시간 변화에 따른 방사선 출력의 구체적인 수치 변화보다는, 조사시간이 방사선 출력에 미치는 경향성을 그래프로 분석하여 기존의 연구들과의 차별성을 확보하고자 했다.

방사선 출력의 안정성은 MagicMax Universal의 시간-방사선량 곡선 분석 기능을 이용하였다. 시간- 방사선량 곡선의 신뢰성 확보는 MagicMax Universal 자체의 automatic calibration 기능을 이용하였다. 시간-방사선량 곡선을 분석한 결과, 복부와골반부 모두 상대적으로 조사시간이 짧을 때 시간-방사선량 곡선의 그래프 시작과 끝부분의 기울기가 완만하면서 선량분포가 중앙으로 집중되는 형태를 보였다. 반대로 조사시간이 높아진 경우에는 그래프의 시작과 끝부분의 기울기가 급해지면서 선량의 분포가 그래프 전체에 넓게 분포하는 형태를 보였다. 기울기는 방사선량을 만들어내는데 필요한 상승시간(Rising time)을 의미하는데, 그래프의 기울기가 급하다는 것은 상승시간이 짧아 방사선출력을 고르게 분포시키면서 허용 부하를 안정적으로 유지할 수 있다는 점을 의미한다.^[16,20-24] 그런데 너무 짧은 조사시간의 사용은 상승시간이 제대로 형성되지 않아서 방사선 출력의 안정성을 저하시키는 원인으로 작용하였다.

특이사항은 상대적으로 높은 조사시간에서는 방사선 출력의 불안정성이 두드러지지 않았다는 것이다. 영상정보학에 따르면 같은 관전류량이라도 너무 짧은 조사시간과 많은 관전류 혹은 너무 긴 조사시간과 작은 관전류의 조합에서는 상반법칙 불궤 현상이 발생하여 방사선 출력의 저하가 나타날 수 있음을 이야기한다.^[10,23] 시간-방사선량 곡선을 통해 봤을 때, 실험에 사용한 디지털 방사선 시스템은 조사시간이 100 msec 이상일 때 조사시간에 상관없이 상승시간을 안정적으로 형성하는 특징을 보였다. 즉 높은 조사시간에서는 상반법칙 불궤 현상이 일어나지 않아서 안정적인 방사선 출력을 보였는데, 그 이유는 실험에 사용한 디지털 방사선시스템의 자체적인 성능이 100 msec 이상의 조사시간에서 구간에 상관없이 방사선 출력을 안정적으로 유지하는 특징을 가졌기 때문이다. ^[20,21]

마찬가지로 영상 화질도 방사선 출력의 안전성이 반영된 결과를 보였다. 복부와 골반부의 신호 대 잡음비와 대조도 대 잡음비는 모두 상대적으로 조사시간이 짧을 때 낮은 값을 보였으며, 조사시간이 증가에 비례하여 높아졌다. 이는 시간-방사선량 곡선의 분석 결과를 통해 볼 때, 조사시간이 높아질수록 방사선 출력이 안정적으로 유지돼서 영상화질이 개선됐기 때문이다.^[16,19,22] 본 실험의 결과를 종합하자면, 조사시간에 따른 시간-방사선량 곡선과 영상 화질 실험은 기존의 분석들과 마찬가지로 사용한 장비와 파라미터 조합에 따라 일정한 변화를 보이며 신뢰할만한 타당성을 확보할 수 있었다.^[14,24,25] 다만 큰 차이를 보이지 않았으나, 너무 높은 조사시간에서는 영상 화질의 증가 폭이 감소하면서 검사 조건과의 무조건적인 비례성을 상실하였다. 그 이유는 시스템의 성능지수에 따른 결과로 볼 수 있다. 시스템은 자체적으로 일정한 성능지수를 가지고 있는데, 장비가 표현할 수 있는 범위 이상의 조건에서는 시스템 자체의 한계 때문에 재현 능력의 포화 현상이 발생한다.^[9-11] 신호 대 잡음비와 대조도 대 잡음비가 높은 조사시간에서 소폭 증가한 이유는 시스템의 재현 능력이 포화에 다다른 결과이다. 즉 무조건적인 검사 조건의 증가가 영상 화질을 보장하는 것은 아니라는 것 역시 알 수 있었다.^[9,24-26]

Ⅴ. CONCLUSION

본 연구는 다양한 디지털 방사선 시스템으로 실험하지 못했다는 제한점을 가진다. 그럼에도 불구하고 시간-방사선량 곡선, 신호 대 잡음비, 대조도 대 잡음비를 분석하여 조사시간의 변화가 방사선 출력과 영상 화질에 미치는 영향을 객관적으로 평가했다는 점은 큰 의미를 지닌다. 복부와 골반부 검사 시 조사시간을 너무 짧게 적용하면 방사선 출력과 영상 화질이 저하되고, 너무 높은 조사시간에서는 영상 화질이 포화가 된다. 따라서 방사선 출력과 영상 화질을 모두 보장하기 위해서, 100 msec ~ 200 msec 정도의 조사시간을 사용하여 검사에 적용하는 방법을 제안한다.