Evaluation of Image Quality for Scattered X-rays using in Digital Radiography

디지털방사선영상에서 산란선의 영상특성 평가

Abstract

Flat-panel detector (FPD) used in digital radiographic imaging systems was used to perform a quantitative power spectrum evaluation as a result of the thickness change of polymethyl methacrylate (PMMA), a tissue equivalent. As the PMMA thickness increases with the resolution-chart phantom image, the effect of the scattering line increases, indicating that the modulation characteristics decrease, and the image is bright. The results show that the noise of the image increases, and noise-power spectral images are obtained by Fourier transform to confirm by spatial frequency. Thus, it can be verified that the PMMA thickness and noise are proportional through the result of evaluating the change of resolution characteristics and representing the 2D noise-power spectrum as one-dimensional values by evaluating the change of scattering line with MTF as the PMMA thickness increases in the image.

본 연구에서는 디지털방사선영상 시스템에 사용되는 평판형 검출기(flat-panel detector, FPD)를 이용하여 조직 등가 물질인 폴리메틸메타아크릴레이트(Polymethyl Methacrylate, PMMA)의 두께 변화에 따라 발생되는 산란선이 영상품질의 영향으로서 해상력 평가의 변조전달함수(modulation-transfer function, MTF)와 잡음력 스펙트럼(noise-power spectrum, NPS)으로 정량적인 영상 평가를 위한 연구를 수행하였다. 해상력-차트 팬텀 영상으로 PMMA 두께가 증가할수록 산란선의 영향이 커져 변조특성이 저하 되는 것을 알 수 있고 영상이 밝다. 결과는 영상의 잡음이 많아진다는 것을 알 수 있는데 공간주파수 별로 확인하기 위해 푸리에 변환으로 잡음력 스펙트럼 영상을 얻었다. 그러므로 영상에서 피사체로서 PMMA 두께 증가에 따라 산란선의 변화를 MTF로 평가하여 해상도 특성변화와 2차원 잡음력 스펙트럼을 1차원 값으로 나타낸 결과를 통해 PMMA 두께와 잡음은 비례하는 것을 확인할 수 있다.

Ⅰ. INTRODUCTION

일반적인 디지털방사선영상(digital radiography, DR) 시스템은 크게 X선 발생부, 피사체, 그리고 이미징 시스템으로 나누어진다. X선 발생부에서는주로 표적 또는 부가 필터에서 X선이 산란되며, 주로 피사체에서 산란된 X선이 검출기와 광전흡수반응을 하여 디지털방사선영상 성능에 영향을 미 친다. 또한, 검출기의 변환유형에 따라 X선의 산란이 추가되기도 한다. 산란선을 포함한 다양한 X선반응으로 재구성된 방사선영상의 특성을 위해서는 산란선의 제어로 신호의 해상도와 잡음 성능을 향상시킬 수 있으나 적절치 못한 산란선 조절은 오히려 신호의 저감과 함께 잡음 성분을 증가시킬 수 있다^[1].

산란선은 피사체와 X선 상호작용의 반응으로 발생하는 근원적인 현상이다^[2-4]. 디지털방사선영상은일차선(산란되지 않은 X선 또는 primary x-ray)및이차선(산란선 또는 secondary x-ray)에 의한 감쇠정보의 합으로 영상화된다. 이는 관전압, 관전류, 조사야, 피사체 등의 인자에 의해 다양한 특성을 가진다^[2]. 여러 연구에서 산란선은 피사체의 두께에 지배적인 영향을 확인한 바 있다^[5]. 따라서, 산란선의 특성을 파악하는 것은 환자의 피폭선량 및영상품질의 평가에서 매우 중요한 요소로 작용한 다^[6,7].

의료 분야에서 사용되는 X선 에너지 영역에서 주된 상호작용을 광전효과와 산란 효과로 본다면 특성 X선은 광전효과에 산출물로 발생하지만, X선에너지의 의존성으로 다양한 각도로 산란되므로 산란 효과의 범주에 포함될 것이다. 따라서, 특성X선이 발생할 수 있는 다양한 의료 장비의 응용시스템에서는 중요한 관심 사항이다. 결국, 산란선이 X선 영상 신호에 전반을 차지하므로 산란선 제거 기법(anti-scatter grid, 또는 software grid)을 적용할 때 1차선이 함께 제거된다. 이때, 신호의 저감을 가져와 신호 대 잡음 비(signal-to-noise ratio, SNR) 측면에서 성능이 저하되게 된다. 따라서 해상도를 향상시키기 위해 신호 대 잡음 비(SNR)를 저하시키는 trade-off가 발생하게 된다. 산란선이 X선 영향에 중요한 역할을 나타내며, 산란선의 범주를 어떻게 정의하고, 제어하는지에 영향을 받기 때문에 이에 대한 평가가 필요하다.

본 연구는 디지털방사선영상 시스템의 평판형 검출기(flat-panel detector, FPD)를 이용하여 조직 등가 물질로서 폴리메틸메타아크릴레이트(polymethyl methacrylate, PMMA)의 두께를 변화에 따라 PMMA 에서 발생되는 산란선이 미치는 영향을 해상력 평 가인자, 변조전달함수(modulation-transfer function, MTF)와 잡음력 스펙트럼(noise-power spectrum, NPS)을 계산하여 영상품질의 정량적인 평가를 하고자 한다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

1. 실험재료 및 실험절차

본 연구를 진행하기 위해 Fig. 1과 같이 실험 및절차를 설계하였다. 실험장비 진단용 X선 발생 장치는 REX-650R(LISTEM, Korea)이며, 검출기는 Gd₂O₂S:Tb 섬광체 기반의 간접변환방식 검출기, Xmaru 1717 SGC(Rayence, Korea)를 사용하였다. 또한, 인체 두께에 따른 산란선 영향을 평가하기 위하여 조직 등가 물질로서 PMMA를 팬텀으로 사용하였다^[8].

Fig. 1. Geometry to investigate the effect of scattered x-ray on PMMA thickness increase.

실험 방법으로서 절차는 다음과 같다. 구리 0.2 mm와 알루미늄 1 mm를 저에너지 X선을 제거하기 위해 X선관 앞에 부착하였으며 조직 등가 물질의 PMMA 두께별 산란선의 영향 인자로서 0 - 90 mm 의 두께 변화를 사용하였다. 그리고 디지털 방사선의 검출기 각각의 픽셀이 가지는 특성, X선 소스에서 필연적으로 발생하는 양극의 경사 효과와 콘빔형태 때문에 발생하는 검출기 위치별 영상 신호의 변화로부터 영상 신호를 균일하게 하려고 gain-offset correction (GOC)이라는 영상 전처리 과정이 수행되었으며^[9,10] 이를 위해 X선이 조사되지 않은 상태에서 획득한 다크 영상과 피사체 없이 X선이 조사된 화이트 영상을 각각 5장씩 획득하여 두께의 증가에 따른 검출기 신호와 잡음, MTF, NPS를 측정 및 평가하였다.

실험조건은 관전압 120 kVp, 관전류 250 mA, 조사시간 0.02 sec로 실험하였다. 일반적인 흉부 X선 일반촬영으로서 거리는 SDD(source-to-detector distance)는 1800 mm, SOD(source-to-object distance)는 1,750 mm, ODD(object-to-detector distance)는 50 mm로 설정하였다.

2. MTF 측정

변조전달함수(MTF)는 영상의 신호 성분으로서 영상품질의 해상력 및 선예도를 평가하는 지표로써 사용되며, X선 영상시스템의 공간주파수에 대한 검출기의 전달함수를 의미한다^[11,12]. 이러한 영상품질의 평가로 MTF를 측정하기 위해 IEC-61267 표준에서 제시하는 텅스텐, 납 물질의 에지-나이프팬텀을 사용하다. 본 연구에서는 팬텀을 2 - 3˚ 기울기를 설정하여 검출기 표면에 부착하였다. 획득한 영상을 바탕으로 MTF를 측정하기 위해 에지 부분을 관심 영역(region of interest, ROI)으로 지정한 후, Eq. (1)과 같이 경계확산함수(edge-spread function, ESF), 선확산함수(line-spread function, LSF)를 산출하였다. 이때, LSF의 폭이 넓어지는 것은 X선의 퍼 짐, 즉 산란선의 양이 많아지는 것을 의미한다. 산출된 ESF, LSF(즉, )를 Eq. (1)과 같이 푸리에 변환(Fourier transform, FT)하여 MTF 결과를 도출하였다^[13].

       (1)

이러한 과정에서 ESF는 일정한 모양과 매끄러운 형태를 띠어야 하고 차이나는 에지의 각도나 장비의 재현성과 직선성에 의해 ESF는 변화될 수 있다. 조직등가물질의 PMMA 두께별로 획득된 MTF에서 PMMA 두께 증가에 따라 산란선은 멀리 퍼지고, 산란선의 양이 증가하는 특성을 보이기 때문에 고정된 ROI를 벗어나는 산란선은 low- frequency drop (LFD)으로 작용한다. 이러한 LFD를 바로잡은 MTF 수식은 아래 Eq. (2)와 같이 정의된다^[14]. LFD는 PMMA에 의해 발생된 산란선이 MTF 상에서 drop 으로 나타나게 된다. 즉, 넓게 퍼지는 산란선이 전반적인 주파수 전체에 영향을 미쳐 MTF 전체가 저하되게 되고, 제로-주파수에서 MTF가 1임을 고려할 때, LFD를 계산할 수 있다. 주파수 전체에 영향을 미치므로 영상 전체에 영향을 미친다고 확대해석할 수 있다.

       (2)

3. NPS 측정

신호에서 산란선의 변화에 따른 잡음 성분을 분석하기 위해 잡음력 스펙트럼(NPS)을 측정하였으며 산출에 사용된 식은 아래 Eq. (3)과 같다[15].

       (3)

위의 Eq. (3)에서 는 잡음력 스펙트럼 계산을 위해 획득한 영상의 ROI의 평균값을 뺀 제로-평균 영상이다.

Ⅲ. RESULT

실험결과로서 PMMA 두께 증가에 따라 변화하는 검출기의 신호와 잡음을 Table 1과 Fig. 2로 나 타냈다. Table 1의 Relative noise는 상대적이란 말을 포함하고 있다. 엑스선 영상은 선량에 대한 정보를 포함하고 있으므로 선량에 따른 픽셀 값이 다르게 되는 것이다. 따라서, 잡음을 픽셀 값 혹은 선량으로 normalization 함으로써 신호에 대한 성능을 배제한 잡음을 분석하기 위함이다.

Table 1. Indirect conversion X-ray detector image signal for noise and relative noise

Fig. 2. X-ray image signal acquired from indirect-conversion type x-ray detector on increasing and relative noise for detector of PMMA thickness for an 120 kVp spectrum.

Fig. 2는 영상의 표준편차 값을 보여준다. PMMA 두께 증가가 영상의 편차를 얼마나 만드는가와 Number of images, 즉 영상 장 수 가 영상의 편차에 미치는 영향인데 이는 노이즈에 가깝다. 그리고 검출기의 신호에는 PMMA에서 산란된 X선이 검출기에서 검출된 신호와 X선과 물질과의 반응 없이 신호가 된 두 신호가 포함되어 있다.

조직등가물질의 PMMA 두께 증가에 따라PMMA를 투과하는 X선이 감소하는 것을 알 수 있 고, 특정 영역의 신호, 잡음으로 신호 대 잡음 비(SNR)를 얻을 수 있다. PMMA를 통해 발생한 산란선으로 잡음 성분이 더해지고 PMMA 두께 증가가잡음을 증가하게 된다. 그리고 Fig. 3과 같은 해상력-차트 팬텀 영상에서 여러 가지의 lp/mm을 보기위해 추출된 프로파일이 Fig. 4와 같다. 산란선의 영향이 PMMA 두께가 증가할수록 커지므로 프로파일 상 변조특성이 저하되는 것을 알 수 있다.

Fig. 3. The x-ray image obtained using the resolution chart phantom.

Fig. 4. The profile of x-ray image extracted from the resolution chart phantom.

Fig. 5는 MTF 계산을 위해 해당 디지털방사선영상 시스템으로부터 획득한 에지-나이프 팬텀 영상이며 PMMA 두께는 우측으로 진행될수록 증가한 영상을 의미한다.

Fig. 5. X-ray image of edge-knife phantom according to PMMA thickness.

조직등가물질의 PMMA 두께가 증가할수록 흡수되는 X선 광자가 많을 뿐만 아니라 X선 산란의 증가로 검출기에 산란되지 않은 일차 X선이 검출기와 반응할 위치의 신호가 감소하여 영상이 어둡게나타나는 결과다.

다음은 조직등가물질의 PMMA의 두께 변화에 따른 산란선의 영향으로 인한 ESF의 변화의 결과로 두께가 증가할수록 산란선의 영향을 많이 받는다는 것을 알 수 있다.

따라서 PMMA 두께가 0 mm일 경우 산란선의 양이 최소임을 알 수 있었고, 이를 통해 LSF를 푸리에 변환하여 MTF 값을 Fig. 6과 Table 2처럼 분석 하였다.

Fig. 6. As a result of confirming the increase of scattered rays caused by increasing the thickness of the MTF result, ESF result, LSF result, PMMA thinckness according to the change in the thickness.

Table 2. PMMA thickness variation and MTF

Fig. 6-(a)는 Fig. 5에서 추출한 프로파일이다. 에지 기준으로 왼쪽은 엑스선에 투과되지 않은 다크 영역, 오른쪽은 엑스선이 공기중에 조사되는 화이트 영역이다. Fig. 6-(b)는 LSF로 Fig. 6-(a)를 미분한 값이다. MTF를 구하기 위한 과정이며 선 색깔을 보면 검정, 빨강, 파랑으로 갈수록 PMMA가 증가하는 것인데, 점점 값이 커지는 것을 볼 수 있다. 이는 산란선이 많아져 엑스선이 널리 퍼진다고 볼 수 있다. Fig. 6-(c)는 Eq. (1)을 사용한 MTF를 보여주고 Fig. 6-(d)는 Eq. (2)를 사용하여 LFD에 대한 영향을 뺀 MTF를 나타낸다. ESF의 수치를 획득하여 PMMA의 두께 변화에 따른 MTF 값의 변화를 나타낸 결과로 이는 분석 가능한 ROI를 설정하여 FPD의 MTF 데이터를 얻어 분석하였다. MTF 결과는 공간주파수의 함수로써 입력 함수에 대한 출력함수의 비율로 나타남으로 정규화된 MTF 값이 1일 때 가장 이상적인 값을 의미하며 산란인자로 인해 MTF 값에 오차가 발생한다. 산란인자는 영상시스템의 개선에 이바지하고 대조도에 영향을 미치는 인자의 정량적 평가이다. 이를 통해 PMMA 두께가 증가할수록 산란선의 양이 증가하여 MTF 값이 낮아지는 결과를 도출하였다.

다음은 조직등가물질의 PMMA 두께 증가에 따라 얻은 잡음 영상으로 제로-평균 영상과 같다. 두께가 증가할수록 영상이 밝으며 이는 영상의 잡음이 많아진다는 것을 Fig. 7과 같이 알 수 있다. 이것을 공간주파수 별로 확인하기 위해 푸리에 변환하여 잡음력 스펙트럼 영상을 얻었다.

Fig. 7. Comparison of zero-mean noise images and NPS images obtained from PMMA thickness.

중심은 주파수 값이 (0,0)이며 중심에서 멀어질수록 공간주파수가 증가하는 것을 나타낸다. 조직등가물질의 PMMA 두께가 증가할수록 산란선이 많아짐에 따라 잡음이 증가하는 것을 확인할 수 있으며 밝아질수록 높은 값을 의미한다. 결과는 2차원 잡음력 스펙트럼을 방사형에 대해 1차원 값으로 나타낸 결과로 PMMA 두께와 잡음은 비례하는 것을 Fig. 8과 Table 3을 통해 확인할 수 있다.

Fig. 8. Normalized NPS for various PMMA thickness.

Table 3. PMMA thickness variation and NPS

Ⅳ. DISCUSSION

본 연구에서는 산란선 변화에 따른 디지털방사선에서 영상 품질의 평가로서 MTF의 특성과 잡음분석에 관한 연구를 수행함으로써 정량적인 값을 나타냈다. X선 촬영실 내 공간선량의 분포와 거리역자승 법칙과의 관련성^[13]에 의하면 피사체의 두께가 두꺼울수록 산란선 발생량이 증가하게 되어영상 화질 감소가 초래될 수 있다고 하였으며, 이는 본 연구 실험결과와 같음을 알 수 있다^[15]. 그리고 흉부 팬텀에 국한된 선행연구와 비교하여 다양한 피사체의 두께를 실험하였으며, 영상의 해상도에 끼치는 영향을 정성적, 정량적으로 평가하기 위해 산란선의 측정을 통한 MTF를 산출하였다. 이를바탕으로 잡음력 스펙트럼을 구하여 조직등가물질의 PMMA 두께와 잡음은 비례하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 실험결과에서는 육안적인 평가를 시행하여 실제 영상의 변화를 확인할 수 있었으며, 조직등가물질의 PMMA의 두께가 증가할수록 산란선이 증가하여 영상 품질에 좋지 않은 영향을 미친다는 결과를 얻었다.

본 연구의 한계점으로는 산란선 측정 시 120 kVp의 관전압만을 이용해 측정하였기 때문에 다양한 인자의 촬영조건 (kVp, mAs)에서의 결과를 얻지 못하였고 조사야의 넓이 변화, ODD 변화 등에 관한 연구가 진행되지 못해 향후 추가적인 실험이 필요할 것으로 생각한다. 그리고 산란선을 추가로 줄이기 위해 air-gap 효과를 적용해 볼 수 있다. 장비에서의 산란선 저감 방법에 대해 그리드의 사용보다는 air gap의 사용이 효과적이라는 결과를 토대로 선량 최적화를 연구하였다^[16]. air-gap 효과를 적용하기 위해 ODD를 증가시키면 산란선이 검출기에 들어가는 양이 감소하는 경향을 나타낸다. 산란선이 제거된 영상을 획득할 수 있으면 고품질의 영상을 얻을 수 있으며, 향후 이러한 영상을 바탕으로 환자 개개인의 치료 및 진단에 우수한 영상을 제공할 수 있을 것으로 생각한다.

Ⅴ. CONCLUSION

본 연구에서는 조직등가물질의 PMMA 두께 증가에 따라 발생하는 산란선의 변화를 디지털방사선에서 영상 품질의 평가로서 공간주파수에 대한 MTF로 평가함으로써 디지털방사선영상시스템의 해상도 특성변화를 관찰할 수 있었고 또한, MTF에서 산란선의 양을 산란인자로서 정량화하여 PMMA 두께 증가가 MTF의 low-frequency를 떨어트리는 효과가 있음을 밝혔다. 또한, 2차원 잡음력 스펙트럼을 방사형 방향에 대해 1차원 값으로 나타낸 결과를 통해 PMMA 두께와 잡음은 비례하는 것을 확인할 수 있었다. 향후, 에지-나이프 팬텀의 위치는 검출기 표면으로, 나아가 조직등가물질의 PMMA 표면 앞에 위치시켜 산란선의 양을 조사하는 연구가 필요하며, 산란선이 거리 증가에 따라 감소하는 air-gap 에 관한 추가적인 연구까지 수행된다면 산란선의 다양한 특성을 관찰할 수 있을 것으로 판단된다.