Image Quality Improvement through Energy Spectrum Change for X-ray

엑스선 에너지스펙트럼 변경을 통한 영상 화질 향상에 관한 연구

Abstract

When continuous X-ray are used when acquiring and X-ray image, even the same material may not be accurately represented in the image according to the thickness due to various X-ray energies. To solve this problem, the X-ray energy spectrum was changed to improve the image quality. Using SPEKTR v3.0, an X-ray energy spectrum with an additional filter added and a general X-ray energy spectrum using only a unique filter were obtained. Simulation was performed using the obtained X-ray energy spectrum as a radiation source for Geant4 Application for Tomographic Emission (GATE). Using GATE data, an X-ray image with an additional filter and an image reconstructed from and X-ray image without an additional filter were compared and analyzed through a mono energy image of 74 keV. In the case of using the X-ray energy spectrum without using an additional filter, the amount of X-rays transmitted according to the thickness of the same material is different from the amount that decreases according to the thickness of the material. Similar results were obtained as the amount decreased with the material thickness. In other words, a similar result was obtained when the reduced dose was used with a mono energy. When an X-ray image is obtained by changing an X-ray energy spectrum using an additional filter, a more accurate result of transmission of X-rays may be obtained. In radiological examination, it was confirmed that the appropriate use of the additional filter has a great effect on improving the image quality.

엑스선 영상을 획득하는 경우에 연속 엑스선을 사용할 경우, 다양한 엑스선 에너지로 인해 같은 물질이라도 두께에 따라 영상에서 정확하게 표현되지 않을 수 있다. 이를 해결하기 위해 엑스선 에너지스펙트럼을 변경하여 영상의 질을 향상 시킬 수 있도록 하였다. SPEKTR v3.0을 사용하여 부가 필터를 추가한 엑스선 에너지스펙트럼과 고유 필터만을 사용한 일반 엑스선 에너지스펙트럼을 획득하였다. 획득한 엑스선 에너지스펙트럼을 Geant4 Application for Tomographic Emission(GATE)의 방사선원으로 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. GATE 데이터를 사용하여 부가 필터가 사용된 엑스선 영상과 부가 필터를 사용하지 않은 엑스선 영상을 재구성한 영상을 74 keV의 단일 에너지 영상을 통해서 비교 분석하였다. 부가 필터를 사용하지 않은 엑스선 에너지스펙트럼을 사용한 경우 같은 물질이라도 두께에 따라 투과한 엑스선의 양이 물질 두께에 따라 감소되는 양과는 상이한 양상을 보인 반면, 부가 필터를 사용한 경우 두께에 따라 투과된 엑스선의 양이 물질 두께에 따라 감소되는 양과 유사한 결과가 나왔다. 즉, 감소되는 선량이 단일 에너지를 사용했을 때와 비슷한 결과가 나왔다. 부가 필터를 사용하여 엑스선 에너지스펙트럼을 변경하여 엑스선 영상을 획득할 경우 엑스선의 투과에 대한 보다 정확한 결과의 값을 획득할 수 있다. 영상의학검사에서 부가 필터의 적절한 사용이 영상의 질을 높이는데 크게 작용한다는 것을 확인하였다.

Ⅰ. INTRODUCTION

현대 의학에서 X-ray의 사용은 환자의 질병 진단과 예방에 중요한 역할을 하고 있다^[1]. 국내 의료에서 영상의학검사는 2007년 1억 6천만 건, 2008년 1억 8천만 건, 2009년 1억 9천만 건, 2010년 2억 1천만 건, 2011년에는 2억 2천만 건으로 검사 건수가 점점 증가하는 것을 볼 수 있다. 특히 우리나라의 2011년 2억 2천만 건의 검사 건수 중 일반 X-ray 검사의 비중은 78%로 그 빈도가 가장 높다^[2]. 기본적으로 시행되는 일반 X-ray 검사의 빈도가 높아지면서, 영상의 품질과 환자의 피폭 선량에 영향을 주는 인자의 연구도 활발히 이루어지고 있다^[3,4].

진단용 X-ray가 환자를 통과하면 낮은 에너지는 피부조직 몇 cm 안에서 흡수되고, 높은 에너지만 투과되어 영상이 만들어지게 된다. 엑스선의 유효에너지를 증가시키기 위해 부가 필터를 사용하는 것이 관전압을 높이는 것보다 피폭선량 감소와 영상의 질에 영향을 미친다^[5]. 부가 필터를 사용하면 낮은 에너지 영역을 제거하여 환자의 피폭선량을 감소시킬 수 있고, 높은 에너지 영역을 제거하고 영상의 대조를 증가시킬 수 있는 장점이 있으며, 진단용 X-ray에 적합한 에너지스펙트럼을 생성하게된다^[6,7].

진단용으로 사용되는 연속 X-ray는 각 에너지에 따라 물질에서 다양한 선감약계수를 가진다. 또한, 같은 물질이라도 그 상태에 따라서 다른 선감약계수를 가질 수 있다^[8]. 하지만 우리 몸에서 뼈를 제외한 다른 조직의 물리적 특성은 비슷하므로 조직마다 선감약계수의 차이가 크지 않고, 영상의 질을 저하시킨다. 동일한 물질이더라도 연속에너지일 경우 물질의 두께에 따라 선감약계수가 달라져 투과되는 양이 단일 에너지일 때와는 다르게 나타나며, 이는 영상의 왜곡으로 나타난다. 이를 해결하기 위해 고에너지 영역과 저에너지 영역이 분리되도록 부가 필터를 혼합하여 사용하였으며, 이는 단일에너지를 사용하는 것과 유사한 형태로 밀도가 높은 물질에서는 고에너지 영역에 의해 물질의 두께에 따른 왜곡을 최소화하고, 밀도가 낮은 물질에서는 저에너지 영역으로 왜곡을 최소화하고자 하였다. 이를 위해 X-ray 에너지스펙트럼 생성이 가능한 프로그램을 사용하여 부가 필터의 조합을 최적화하여 에너지 스펙트럼을 생성시켰으며, 이를 Geant4 Application for Tomographic Emission(GATE)에 적용하여 영상의 질을 향상시키는 연구를 수행하였다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

1. X-ray 에너지스펙트럼 획득

Fig. 1의 SPEKTR v3.0 프로그램은 다양한 종류의 부가 필터 사용과 매개 변수를 이용하여 X-ray광자의 수를 통해 에너지스펙트럼의 획득이 가능한 프로그램이다^[9]. 에너지스펙트럼을 그래프 형식으로 나타낼 수 있으며, 관전류와 관전압을 필요한 조건에 맞게 설정하는 것이 가능하며, 에너지스펙트럼과 관련된 광자의 평균 에너지, 반가층 등의 기본 사항을 계산할 수 있고 표적 물질과 같은 물리적 인자를 원하는 조건으로 설정하여 사용할 수 있다.

Fig. 1. SPEKTR v3.0 of performing X-ray simulation. Various additional filters can be applied, and an energy spectrum of X-ray changed according to the applied additional filters can be obtained.

본 실험에서는 SPEKTR v3.0 프로그램을 이용해서 부가 필터가 없는 경우의 에너지스펙트럼과 부가 필터가 있는 경우의 에너지스펙트럼을 획득하였다. 부가 필터가 없는 에너지스펙트럼은 알루미늄 2.5 mm의 고유 여과에 의해 생성되는 에너지스펙트럼의 데이터를 획득하였다. 부가 필터가 있는 경우의 에너지스펙트럼은 부가 필터의 재질을 텅스텐(W) 0.07 mm와 바륨(Ba) 0.5 mm를 혼합으로 사용하여 생성되는 에너지스펙트럼의 데이터를 획득하였다. 텅스텐(W)과 바륨(Ba)의 혼합 물질을 사용하여 에너지스펙트럼을 고에너지 영역과 저에너지 영역의 두 영역으로 분리되도록 하였다. 관전압과 관전류는 식품의약품안전처에서 2012년에 조사한 영상의학검사(일반촬영)에서의 표준 촬영기법 가이드라인에서 권고하는 검사별 통계에서 두부 정면 촬영 평균 조건 74 kVp와 24 mAs를 사용하였다^[10]. 선원과 검출기(Source to detector distance: SSD)의 거리는 100 cm이고 SPEKTR v3.0 프로그램의 기준 mAs 는 1 mAs 이다.

2. GATE 시뮬레이션을 통한 선감약계수 측정

Geant4 Application for Emission Tomography(GATE)는 의료 영상장비의 몬테카를로 시뮬레이션을 하기 위해서 개발된 응용 프로그램이다^[11]. Geant4와는 달리 코드의 복잡함을 보완하여 빠르고 쉽게 작성할 수 있다. X-ray 발생 시스템을 코드화해서 컴퓨터에 입력하여, 실제와 같은 상황으로 전산 모사하여 컴퓨터상에서 영상을 획득하는 프로그램이다. 방사선이 입사될 때 발생하는 물리적 현상의 시뮬레이션이 가능하며 검출기의 회전이 가능하여 각 위치에서 영상의 정보를 획득할 수 있는 시뮬레이션도 가능하다^[12-14]. 본 연구에서는 선감약계수의 측정을 위해 Fig. 2와 같이 GATE를 사용하여 시뮬레이션을 구성하였다. SPEKTR v3.0에서 획득한 에너지스펙트럼을 통해 팬텀을 이용하여, 부가 필터를 사용하지 않았을 때와 사용하였을 때의 선감약계수를 측정하였고, 결과를 비교하기 위해 단일 에너지의 X-ray 선원의 선감약계수를 측정하였다. X-ray 선원은 팬텀의 크기를 고려하여 지름 32 cm의 콘빔 형태로 발생시켰으며, 선원과 검출기 사이의 거리는 100 cm으로 설정하였다. 선원과 검출기 사이에 알루미늄(Al), 머리뼈(skull), 뇌실질(brain) 재질의 팬텀을 위치시켰다. 팬텀의 크기는 16 cm × 16 cm의 크기로, 1∼8 cm의 범위로 1 cm 간격으로 구성하여 각각 두께에 따른 선감약계수의 변화를 측정하였다. 이를 통해 획득한 엑스선의 양을 Eq. (1)에 대입하여 선감약계수를 계산하였다.

Fig. 2. GATE simulation for measuring the linear attenuation coefficient.

\(I=I_{0} e^{-\mu x}\)       (1)

여기서 I는 투과 후 강도, I0는 최초 강도, e는 자연대수의 밑수, x는 팬텀의 두께(cm), µ는 선감약 계수이다.

3. GATE 시뮬레이션을 통한 영상평가

SPEKTR v3.0 프로그램을 통해 얻은 에너지스펙트럼으로 GATE 시뮬레이션에 적용해서 시뮬레이션을 구성하여 그 결과의 값으로 영상화하여 영상의 질을 평가하였다. X-ray 선원은 생성한 팬텀의 크기를 고려하여 지름 32 cm의 콘빔 형태로 발생시켰으며, 선원과 검출기 사이의 거리는 100 cm으로 설정하였다. 선원과 검출기 사이에 알루미늄(Al), 머리뼈(skull), 뇌실질(brain) 재질의 팬텀을 위치시켰다. 팬텀의 크기는 16 cm × 16 cm의 크기로, 쐐기 형태로 구성하여 1∼16 cm의 범위로 두께를 설정하였다. 선원은 SPEKTR v3.0 프로그램을 통해 얻은 에너지스펙트럼 데이터로 첫 번째는 부가 필터가 없을 때 획득한 에너지스펙트럼을 선원으로 사용하였고, 두 번째는 부가 필터로 텅스텐(W) 0.07 mm와 바륨(Ba) 0.5 mm를 통해 획득한 에너지 스펙트럼을 선원으로 사용하였으며, 마지막으로 단일 에너지의 엑스선을 모사하기 위해 74 keV의 단일 에너지를 선원으로 사용하였다. 부가 필터의 유⋅무와 단일 에너지의 엑스선을 조사하여 팬텀을 투과한 엑스선의 양을 측정하였으며, 이를 영상화하여 그 영상으로 질을 평가하였다.

Ⅲ. RESULT

1 엑스선 에너지스펙트럼 획득

SPECKTR v3.0을 이용하여 관전압 74 kVp를 사용하여 부가 필터의 사용 유⋅무에 따른 엑스선 에너지스펙트럼을 획득한 결과는 다음과 같다. 부가 필터가 없는 경우 Fig. 3과 같이 전체적으로 저에너지에서 고에너지까지의 넓은 에너지 범위를 지니고 있으며, 34 keV에서 최대 빈도수를 나타냈다. 이러한 일정하지 않고 넓은 범위를 지닌 엑스선들은 물질의 종류가 다르거나, 또는 두께가 달라짐에 따라 영상의 차이가 발생한다.

Fig. 3. X-ray energy spectrum without additional filter applied.

텅스텐(W) 0.07 mm와 바륨(Ba) 0.5 mm를 사용하여 부가 필터를 적용한 엑스선의 획득 결과는 Fig. 4와 같다. 부가 필터가 있는 경우 저에너지 영역과 고에너지 영역이 분리되어 두 개의 피크로 나타났다. 저에너지 영역의 최대 빈도를 나타내는 에너지는 34 keV로 부가 필터를 사용하지 않은 에너지스펙트럼의 최대 빈도와 동일하였으며, 고에너지 영역의 최대 에너지는 61 keV였다.

Fig. 4. X-ray energy spectrum in the case of using an additional filter

2. GATE 시뮬레이션을 통한 선감약계수 획득

알루미늄 팬텀을 통해 실험한 결과로 선감약계수를 구한 결과는 단일 에너지에서 선감약계수의 변동 폭이 가장 작았다. 각각 선감약계수 값의 평균과 표준편차는 단일 에너지에서 0.5550±0.0143/cm이고부가 필터를 사용한 경우는 0.6351±0.0364/cm, 부가 필터를 사용하지 않은 경우는 0.9334±0.1770/cm로 획득되었다.

머리뼈 팬텀을 통해 실험한 결과로 선감약계수를 구한 결과는 부가 필터를 사용하지 않은 선감약계수의 변동 폭이 가장 컸다. 각각 선감약계수의 평균과 표준편차는 단일 에너지에서 0.3651±0.0158/cm 부가 필터를 사용한 경우는 0.4135±0.0295/cm, 부가 필터를 사용하지 않은 경우는 0.6501±0.1213/cm로 획득되었다.

뇌실질 팬텀을 통해 실험한 결과로 선감약계수를 구한 결과는 부가 필터를 사용한 선감약계수가 변동 폭이 가장 작았다. 각각 선감약계수의 평균과 표준편차는 부가 필터를 사용한 경우에서 0.1413±0.0093/cm, 단일 에너지에서 0.2071±0.0163/cm, 부가 필터를 사용하지 않은 경우 0.2112±0.0193/cm로 획득되었다.

Fig. 5((a) 알루미늄 팬텀, (b) 머리뼈 팬텀, (c) 뇌실질 팬텀)는 각각 팬텀의 두께에 따른 선감약계수 측정 결과를 선형의 추세선을 추가하여 그래프로 표현했다. 추세선 직선의 방정식에서 기울기의 값이 작을수록 선감약계수가 일정함을 의미한다. 단일 에너지에서 가장 작은 기울기의 값을 보였으며, 부가 필터를 사용한 경우가 단일 에너지 다음으로 작은 기울기의 값으로 나타났고, 부가 필터를 사용하지 않았을 경우 가장 큰 기울기 값을 나타내었다. 부가 필터를 사용하여 획득한 결과가 사용하지 않은 결과에 비해 선감약계수가 일정함을 확인할 수 있다.

Fig. 5. Simulated results of linear attenuation coefficient according to phantom thickness.

3. GATE 시뮬레이션을 통한 영상평가

SPEKTR v3.0 프로그램을 통해 획득한 X-ray 에너지스펙트럼을 방사선원으로 GATE 시뮬레이션에 적용하여 물질별 쐐기 팬텀을 사용하여 영상을 획득하였다. 동일한 물질에서 두께가 달라짐에 따라 영상의 변화를 확인하기 위해 쐐기 팬텀을 사용하였으며, 획득한 영상에서 중심 부분의 프로파일을 통해 영상의 변화를 확인하였다.

Fig. 6((a) 알루미늄 팬텀, (b) 머리뼈 팬텀, (c) 뇌실질 팬텀)은 각각 팬텀을 사용하여 단일 에너지 및 필터의 사용 유⋅무에 따른 X-ray 에너지스펙트럼을 통해 획득한 영상이다. 두께가 얇은 부분은 X-ray의 투과량이 많아 더 밝게 나타났으며, 두꺼운 부분일수록 엑스선의 투과량이 적어 어둡게 나타났다. 이러한 두께에 따른 영상의 변화를 확인하기 위해 영상 중심의 프로파일을 획득하였으며, 이를 Fig. 7((a) 알루미늄 팬텀, (b) 머리뼈 팬텀, (c) 뇌실질 팬텀)에 그래프로 나타내었다. 영상 중심의 선량 값이며, 최댓값을 기준으로 정규화하였다. 그래프를 보면 단일 에너지와 비교하여 부가 필터를 사용한 경우의 프로파일 값이 필터를 사용하지 않은 경우에 비해 유사한 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6. Imaging the wedge phantom of multiple materials using continuous X-rays, X-rays with additional filters, and X-rays of mono energy.

Fig. 7. Profile of an image acquired using a wedge phantom.

Ⅳ. DISCUSSION

본 연구에서는 진단용 엑스선의 에너지를 변경하여 영상의 품질을 향상시키고 저에너지 영역을 제거하고자 하였다. SPEKTR v3.0을 이용해서 부가 필터로 텅스텐(W) 0.07 mm와 바륨(Ba) 0.5 mm를 사용하여 에너지스펙트럼을 획득하였다. 저에너지 영역과 고에너지 영역으로 분리된 엑스선 에너지 스펙트럼을 획득하였다. 저에너지 영역의 최대 빈도 엑스선 에너지는 34 keV로, 74 kV의 관전압을 사용하여 획득하는 최대 빈도와 동일하였으며, 고에너지 영역의 최대 빈도 61 keV로 획득하였다. 획득한 엑스선 에너지스펙트럼을 GATE 시뮬레이션의 선원으로 사용하였다. 알루미늄, 머리뼈, 뇌실질 재질의 팬텀을 통해 부가 필터를 사용한 경우, 부가 필터를 사용하지 않은 경우, 74 keV의 단일 에너지의 엑스선일 경우의 선감약계수를 측정하였으며, 각각 물질에 대한 영상을 획득하여 평가하였다.

선감약계수의 결과는 알루미늄, 머리뼈, 뇌실질 세 가지 팬텀 모두에서 부가 필터를 사용하였을 경우 단일 에너지의 선감약계수와 유사하게 나타났다. 이는 부가 필터를 사용하였을 경우 단일 에너지와 유사하게 엑스선이 물질을 투과 후 감쇠되는 양이 물질의 두께에 따라 일정하게 감소된다는 것을 나타낸다.

마지막으로 영상평가는 두께에 따른 영상의 변화를 확인하기 위해 영상 중심의 프로파일을 획득하였으며, 그래프로 나타내었다. 각각 영상 중심의 선량 값이며, 최댓값을 기준으로 정규화하였다. 필터를 사용한 경우의 프로파일 값이 필터를 사용하지 않은 경우에 비해 단일 에너지와 유사한 것을 확인할 수 있다. 이는 두께에 따른 엑스선의 투과량이 필터를 사용한 경우 단일 에너지와 유사하게 투과량이 두께에 따라 일정하다는 것을 보여주는 결과로 영상의 변화가 왜곡 없이 일정하게 나타나는 것을 의미한다.

시뮬레이션을 사용하여 엑스선 질에 대한 에너지스펙트럼 분석에서는 Behrman RH.의 연구 결과에서 부가 필터의 사용은 엑스선 에너지스펙트럼의 저에너지 영역을 제거하여 평균 에너지를 증가시키고, 엑스선 질을 경화시켜 투과력을 증가시킨다는 결과를 나타내었다^[15]. 선행 실험에서 보듯이 필터의 사용은 엑스선 질 향상에 영향을 준다는 것을 알 수 있다. 부가 필터를 적절하게 사용할 경우, 엑스선의 에너지스펙트럼을 변화시킬 수 있으며, 이는 영상의 질을 향상시키는데 이용할 수 있었다. 향후 도출된 결과를 바탕으로 실험에 적용하여 다양한 연구를 수행하고자 한다.

Ⅴ. CONCLUSION

의료용으로 사용되는 엑스선 촬영 장비에서 방출되는 엑스선은 연속 엑스선으로 저에너지부터 고에너지까지 다양한 에너지를 가진다. 연속 엑스선을 사용하여 영상을 획득하는 경우 다양한 엑스선 에너지로 인해 다양한 선감약계수를 가지므로 같은 물질일지라도 그 물질의 두께에 따라 엑스선이 투과되는 양이 상이하므로 획득하는 영상에서 정확하게 표현되지 않을 수 있다.

본 연구는 이를 해결하기 위해 SPEKTR v3.0을 사용하여 부가 필터를 추가한 에너지스펙트럼과 부가 필터를 추가하지 않은 에너지스펙트럼을 획득하였고, 획득된 X-ray 에너지스펙트럼을 GATE의 X-ray 선원으로 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 획득한 GATE 데이터를 사용하여 재구성한 영상을 74 keV의 단일 에너지 영상과 비교 분석하였다. 그 결과 부가 필터를 사용하였을 때의 선흡수계수 결과가 단일 에너지를 사용했을 때와 비슷한 결과의 값이 나왔고 영상평가에서도 부가 필터의 사용이 영상의 질을 높이는데 작용한다는 것을 알 수 있었다. 향후 도출된 결과를 바탕으로 일반촬영 장비뿐만 아니라 선감약계수의 분포로 영상화를 수행하는 컴퓨터단층촬영기기에 적용할 경우 보다 정확한 인체의 선감약계수 분포를 획득할 수 있을 것으로 판단된다.