Optimization of Image Quality according to Sensitivity and Tube Voltage in Chest Digital Tomosynthesis

541

"J. Korean Soc. Radiol., Vol. 12, No. 4, August 2018"

Optimization of Image Quality according to Sensitivity and Tube Voltage in Chest Digital Tomosynthesis

Sang-Hyun Kim

Department of Radiology, Seoul National University Hospital

Received: July 05, 2018. Revised: August 25, 2018. Accepted: August 31, 2018

ABSTRACT

To evaluate the effect of dose and image quality for Chest Digital Tomosynthesis(CDT) using sensitivity and tube voltage(kV). CDT images of the phantom were acquired varying sensitivity 200, 320, 400 according to set tube voltage of 125 kV and 135 kV. The dose and Dose Area Product(DAP) according to change of sensitivity and kV were evaluated and Image quality was evaluated by PSNR, CNR, SNR using Image J. Dose were lowered 14~23% less than sensitivity 200, 125 kV and DAP were lowered 13~26% less than sensitivity 200, 125 kV. PSNR were over 27 dB, which were significant value and CNR, SNR were better as sensitivity value was lower. But there were different statistical significant to each item. CNR and SNR were not statistically significant at sensitivity 320, 135 kV(P>0.05). CDT can improve image quality with lower radiation dose using better than quality and correction power at digital radiography system.

Keywords: Chest Digital Tomosynthesis, Sensitivity, Tube voltage, Image quality, Dose

Ⅰ . INTRODUCTION

최근 폐암의 발생빈도는 전 세계적으로 증가하는 추세에 있으며, 한국인 남성에서는 위암 다음으로, 여성에서 최근 증가하여 5번째로 높은 빈도로 발생 하고 있다.

폐암은 우리나라에서도 사망률이 가장 높은 암종으로서 2014년 우리나라에서만 17,000여 명이 폐암으로 사망하여 전체 암으로 인한 사망 중 28%에 달했다. 미국과 우리나라의 폐암의 5년 생 존율은 20% 수준으로 췌장암 다음으로 가장 낮으며, 30년 동안 폐암의 5년 생존율은 불과 6% 증가하여 다른 암종에 비해 현저히 낮은 수준이다.

흉부 단순검사(Chest X-ray Radiography, CXR)는 폐암의 검사를 위한 기본 기술이며, 편의성과 낮은 방사선량의 이점은 있지만 인체의 다양한 조직이 2 차원 평면으로 중첩되어 깊이정보가 부족하고 폐 암의 위치에 따라 확대로 인한 기하학적 왜곡이 발

생한다. 이에 비해 전산화단층촬영(computed tomography, CT)은 폐암 검진에 큰 장점을 가지고 있으나 높은 선량과 비용의 단점을 가지고 있다.

이런 CT의 단점을 보완하고자 대안으로 흉부 디지털 단층영 상합성(chest digital tomosynthesis, CDT)시스템이 있 다.

CDT는 제한적 각도에서의 3차원 단면영상을 구 성하며 간단한 기구적 구조로 특히 일반 X선 영상 에 비해 우수한 해상도와 조직의 중첩으로 진단이 어려운 폐 결절 및 조기 암 검출에 효과적인 단면영 상을 제공하며, ICRP 60 보고서에서 유효선량은 CT에 비해 낮아 환자 피폭선량을 감소시킬 수 있다.

하지만 영상촬영 시 자동노출장치(auto exposure control, AEC)를 사용하기 때문에 설정되어 있는 감도 (sensitivity)와 관전압(kV)을 환자 마다 다르게 적용 하여 검사 하지 않고 있다. 평균 성인 남성 기준 CDT시 유효 선량은 120 μSv ~ 200 μSv, CXR 후전, 측방향 검사 시 17 μSv, 39 μSv이다.

CDT 유효선

* Corresponding Author: Sang-Hyun Kim E-mail: [email protected] Tel: +82-31-870-3417

https://doi.org/10.7742/jksr.2018.12.4.541

량은 CXR 후전, 측방향 검사를 함께 시행 시 보다 약 3~4배, CXR 후전 방향 촬영 단독 시행 시 보다는 10배 높은 선량임을 알 수 있다. 이러한 DTS는 비 교적 최신 기술로 이와 관련된 선량 최적화 및 감소에 관한 연구가 아직 많지 않은 실정이다.

이에 본 논 문에서는 CDT 촬영 시감도와 관전압의 변화에 따 른 선량, 면적선량(DAP)의 차이를 측정하고, 정량적 평가 방법인 최대신호 대 잡음비(peak signal to noise ratio, PSNR), 대조도 대 잡음비(contrast to noise ratio, CNR), 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)를 측정하여 최소 피폭선량으로 최적의 화질을 구현 할 수 있는 촬영조건을 알아보는데 그 목적이 있다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

1. 영상획득

사용된 흉부팬텀은 RS-111(The Phantom Laboratory, Salem, NY, USA)로 175 cm, 74 kg 남성 규격이다.

검사 장비로는 CsI/a-Si 평판형 검출기가 장착된 GE사의 Volume RAD(GE healthcare, Chalfont St Giles, UK)장비를 사용하였으며, 본 장비는 X선관이 -17.5°에서 17.5°까지 수직 방향으로 회전하여 고정 된 검출기를 향해 약 11초 간 60회 연속 촬영하게 된다. 획득된 데이터는 재구성처리 되어 5 mm 간 격으로 약 40장의 흉부 관상면 영상을 획득한다.

노출조건은 dose ratio 1:10, 0.2 mm 구리필터, 거리는 180 cm에서 Fig. 1과 같이 촬영하였다. 관전압은 125 kV, 135 kV 각 설정에 따라 sensitivity 200, 320, 400으로 변화하여 각각 3회씩 반복 촬영하였다.

2. 영상평가

영상을 DICOM(digital imaging and communication in medicine) 형식의 파일로 획득한 후 현재 사용되 는 조건인 제조사에 권장 조사조건 sensitivity 200, 관전압 125 kV을 기준으로 Image J(National Institutes of Health)를 이용하여 최대신호 대 잡음비(peak signal to noise ratio, PSNR)를 측정하고, 획득영상의 중간에 해당하는 21번째 영상을 기준으로 Fig. 2에 서와 같이 왼쪽, 오른쪽, 중간 관심영역을 설정하여 10회 반복 측정 후 다음과 같은 식(1)과 식(2)을 사 용하여, 대조도 대 잡음비(contrast to noise ratio,

CNR), 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)를 계산하였다.

Fig. 1. Phantom position and image acquisition of volume RAD.

Fig. 2. Regions of interest to measure the CNR and SNR.

3. 선량평가

총선량 측정을 위해 선량계는 Unfors Xi(Unfors

Instrument AB, Billda, Sweden) 모델을 이용하였으며,

면적선량을 측정하기 위해 Monte Carlo software

(PCXMC version 2.0, STUK, Helsinki, Fin1and)를 이용

하여 계산하였다. CDT 시 각각의 투사 각도에 따른

선량 합산값은 PCXMC에서 팬텀 후방 수직입사조

건의 선량값으로 입력하여 계산하였다. sensitivity

200에 125 kV를 기준으로 하여 총선량과 면적선량의

증가를 백분율로 환산하여 선량의 감소폭을 알아

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보았다.

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(1)

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(2)

SI ROI

= Mean Value of ROI

(Lung, Mediastinum) SI ROI

= Mean Value of ROI

(soft tissue)

SD RoI

= Standard deviation of ROI

(Lung, Mediastinum) SD RoI

= Standard deviation of ROI

(soft tissue)

4. 통계 분석

통계 프로그램은 SPSS(ver 18.0 for IBM)를 사용 하여 정규성분포 검사를 실시하였으며, 기술통계량을 구하였고 유의성검정은 PSNR은 일원배치분석(ANOVA) 이용하였으며, SNR과 CNR은 sensitivity 200에 125 kV를 기준으로 하여 비모수검정인 Wilcoxon signed- rank test를 수행하였다. 모든 통계의 유의 수준은 95%로 하였다.

Ⅲ. RESULT

1. 영상평가

PSNR 값은 기준값 sensitivity 200, 125 kV에 대하여 Table 1과 같이 모두 27 dB 이상으로 측정되었으며, 그중에서도 sensitivity 200, 135 kV가 30.10±2.65로 가장 높게 나왔으며 각 조건별 PSNR은 서로 통계 적으로 유의한 차이가 있었다.

Table 1. Measured PSNR results

sensitivity kV PSNR(dB) F p-value

200

125 ∞

27.363 0.000 135 30.10±2.65

320

125 27.53±2.45 135 28.24±2.12

400

125 27.19±2.12 135 28.08±2.05

CNR 값은 Table 2와 같이 sensitivity가 증가하면

서 감소하였으며, 같은 sensitivity에서 kV가 클수록 CNR 값이 증가하는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 결과는 측정부위 3부분에서 동일하게 나타났다.

Table 2. Measured CNR results mean and SD

sensitivity

(kV) RT ROI

mean±SD

LT ROI mean±SD

Medium ROI mean±SD 200

(125) 9.67±0.41 15.45±0.21 3.16±0.18

200

(135) 10.25±0.80 16.47±0.19 3.40±0.15 320

(125) 9.56±0.21 14.82±0.19 3.05±0.03

320

(135) 10.17±0.76 15.50±0.31 3.08±0.03 400

(125) 9.16±0.42 14.56±0.17 2.74±0.03

400

(135) 9.23±0.38 15.12±0.03 2.78±0.05

SNR 값은 Table 3과 같이 sensitivity가 증가하면서 감소하였으며, 같은 sensitivity에서 kV가 클수록 SNR 값이 증가하는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 결과는 측정부위 3부분에서 동일하게 나타났다.

Table 3. Measured SNR results mean and SD

sensitivity

kV RT ROI

mean±SD

LT ROI mean±SD

Medium ROI mean±SD 200

125 20.56±0.09 24.14±0.63 3.88±0.07

200

135 21.59±0.08 25.46±0.13 4.44±0.04

320

125 20.27±0.10 23.45±0.77 3.83±0.38

320

135 20.42±0.35 23.79±0.15 3.85±0.08

400

125 19.82±0.40 22.19±0.15 3.52±0.04

400

135 19.87±0.17 22.41±0.14 3.53±0.03

기준 값인 sensitivity 200, 125kV와 각 조건의

CNR을 비교한 통계적 유의성은 Table 4와 같이 오

른쪽(RT)에서는 sensitivity 320, 125 kV이 왼쪽(LT)

에서는 sensitivity 320, 135 kV이 중앙(medium)에서 는 sensitivity 320, 135 kV 만이 통계적으로 유의하 지 않았다.

Table 4. Statistics of CNR

sensitivity (kV)

RT ROI p-value

LT ROI p-value

Medium ROI p-value 200(125)-

200(135) 0.022 0.005 0.036

200(125)-

320(125) 0.859 0.005 0.046

200(125)-

320(135) 0.022 0.798 0.513

200(125)-

400(125) 0.019 0.005 0.005

200(125)-

400(135) 0.012 0.028 0.005

기준 값인 sensitivity 200, 125kV와 각 조건의 SNR을 비교한 통계적 유의성은 Table 5와 같이 오 른쪽(RT)에서는 sensitivity 320, 135 kV이 왼쪽(LT) 에서는 sensitivity 320에 125, 135 kV가 중앙(medium) 에서는 sensitivity 320, 135 kV 만이 통계적으로 유 의하지 않았다.

Table 5. Statistics of SNR

sensitivity (kV)

RT ROI p-value

LT ROI p-value

Medium ROI p-value 200(125)-

200(135) 0.005 0.005 0.005

200(125)-

320(125) 0.005 0.073 0.032

200(125)-

320(135) 0.202 0.073 0.358

200(125)-

400(125) 0.007 0.005 0.005

200(125)-

400(135) 0.005 0.005 0.005

2. 선량평가

선량 값은 Table 6과 같이 sensitivity가 증가함에 따라 감소하였고 같은 sensitivity에서 kV가 증가하 면 선량 값은 증가하였다. sensitivity 200, 125 kV의

1.57 mGy 기준으로 sensitivity 200, 135 kV 가 1.79 mGy로 14%의 선량이 증가했으며, sensitivity 400 125 kV가 1.21 mGy로 23% 가장 큰 감소 비율을 보 였다. DAP는 sensitivity 200, 125 kV의 18.03 dGycm

기준으로 sensitivity 200, 135 kV가 20.31 mGy로 13%의 선량이 증가했으며, sensitivity 400 125 kV가 13.49 dGycm

로 26% 가장 큰 감소 비율을 보였다.

Table 6. Result of total does and DAP

sensit

ivity kV Total

dose(mGY)

reduce ratio

DAP (dGycm

)

reduce ratio

200

125 1.57 - 18.03 -

135 1.79 14%

up 20.31 13%

up

320

125 1.23 22%

down 14.07 22%

down

135 1.37 13%

down 15.57 14%

down

400

125 1.21 23%

down 13.49 26%

down

135 1.25 21%

down 13.61 25%

down

Ⅳ. DISCUSSION

PSNR은 영상평가 및 화질 측정 시 많이 사용되고

있는 객관적인 측정방법으로 원본영상과 각종 압축

방법을 이용한 영상과의 화질의 손실의 차이를 평가

할 때 많이 사용된다. 11 dB 이상이 되면 유산한

영상을 보기는 하지만 30 dB을 기준으로 그 이하의

수치는 상대적으로 화질이 떨어지며, PSNR이 높다고

좋은 영상이라고 말하기는 어렵고 손실이 적어 원

본의 영상과 정보량이 줄어들지 않는 것을 의미한

다.

PSNR 값은 기준 값 sensitivity 200, 125 kV에

모두 27 dB 이상으로 측정되었으며, 그중에서도

sensitivity 200, 135 kV가 가장 높게 나왔으며 각 조

건별 PSNR은 서로 통계적으로 유의한 차이가 있었

다. 이는 AEC의 사용으로 영상화질을 일정하게 유

지하고 노출조건을 적정하게 유지하고, 디지털 방

사선 촬영장비에서 넓은 동적범위에 대해 적정한

노출이 이루어지는 장점은 sensitivity 설정을 통하여

검출기가 인식하는 방사선량이 변화하므로 적정한

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화질을 나타낼 수 있었다.

CNR, SNR은 sensitivity가 증가하면서 감소하였으며, 같은 sensitivity에서 kV가 클수록 값이 증가하는 규 칙성이 있음을 알 수 있었다. 또한 기준 값 sensitivity 200, 125 kV와 각 조건의 비교한 통계적 유의성은 오른쪽(RT)에서는 sensitivity 320, 135 kV이 왼쪽(LT)에서는 sensitivity 320, 135 kV이 중앙 (medium)에서는 sensitivity 320, 135 kV 만이 공통적 으로 통계적으로 유의하지 않았다. sensitivity가 커 짐에 따라 선량감소가 예상되며 이는 화질의 저하가 예상되었으나, 대체적으로 sensitivity 320, 135 kV가 CNR, SNR 값이 sensitivity 200, 125 kV와 귀무가설을 따라 영상의 차이는 통계적으로 차이가 없었다. 이는 디지털 방사선에서는 넓은 노출지수로 인하여 환 자선량의 차이가 발생하며, 적정노출 조건 보다 아래, 위에 조건이 노출되더라도 판독이 가능한 화질을 나타낼 수 있다.

이에 적정 촬영조건 설정 시 정 성적 평가인 육안적 평가도 중요하겠지만, CNR, SNR 등의 정량적 평가를 통하여 조건을 설정해야 한다.

선량과 DAP는 sensitivity가 증가함에 따라 감소 하였고 같은 sensitivity에서 kV가 증가하면 선량은 증가하였다. 선량은 sensitivity 200, 125 kV의 1.57 mGy 기준으로 14~23% 감소, DAP는 200, 125 kV의 18.03 dGycm

기준으로 13~26% 감소했다. 선행 연 구에서 살펴보면 디지털 흉부 X-선 촬영 시 피폭선 량을 기준치의 65~68%를 줄여도 병변을 발견하는데 의미 있는 차이가 없다는 결과 있듯이

, CDT에서도 환자두께와 검사부위에 맞는 다양한 연구가 이루 어져야 한다.

위에 결과에 알 수 있듯이 화질의 저하 없이 피 폭선량 감소 조건을 찾을 수 있었다. 기존 장비 설치 시 제조사에서 제공하는 촬영 조건을 육안적 화질 평가로 인하여 사용하고 있었으나, 연구를 통하여 PSNR, SNR, CNR 등 정량적 평가의 저하 없이 선 량은 13%, DAP는 14% 감소된 sensitivity 320, 135 kV의 조사조건을 찾을 수 있었다.

Ⅴ. CONCLUSION

CDT 촬영 시 감도와 관전압의 변화에 따른 선

량, 면적선량의 차이를 확인하였으며, 정량적 평가 방법인 PSNR, CNR, SNR이 달라지는 것을 확인하 였다. 또한 검사 조건 설정 시 선량과 영상의 정량적 결과를 같이 평가해야 최적에 검사 조건을 찾을 수 있음을 알 수 있었다. 본 논문은 기존 CDT의 선량 최적화 및 감소에 관한 연구가 아직 많지 않은 실 정에서 최적화 검사 조건을 제시하여, 선량과 화질 관리에 더 객관적인 자료로 이용될 수 있는 임상에 유용한 연구이다.

Acknowledgement

본 논문은 2018년도 신한대학교 학술연구비 지 원으로 연구되었음.

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디지털 흉부단층합성검사에서 감도와 관전압 변화에 따른 영상 최적화

김상현 신한대학교 방사선학과

요 약

흉부 디지털 단층합성(chest digital tomosynthesis, CDT) 검사 시 관전압 및 감도(sensitivity) 변화에 의한 선량감소 효과와 정량적 평가로 선량 최적화 조건을 평가하고자 한다. 관전압 125 kV, 135 kV 설정에 따른 sensitivity 200, 320, 400 변화하여 팬텀의 CDT 영상을 획득하였다. 감도와 관전압 변화 따른 선량과 면적선 량(DAP)을 평가하였다. 화질평가는 최대신호 대 잡음비(PSNR), 대조도 대 잡음비(CNR), 신호 대 잡음비(S NR)를 image J를 이용하여 분석하였다. 선량은 14~23%, 면적선량은 13~26% 정도 sensitivity 200, 125 kV에 비해 측정치가 낮아졌고, sensitivity 가 높아짐에 따라 감소율 커짐을 알 수 있었다. PSNR은 27dB 이상으로 모두 의미 있는 수치였고, CNR, SNR은 sensitivity가 낮을수록 우수했으나, 항목마다 통계의 유의성은 달랐 다. CNR과 SNR 모두 sensitivity 320, 135 kV가 sensitivity 200, 125 kV와 통계적으로 유의하지 않았다(p>0.0 5). CDT는 감도, 관전압과 디지털 촬영의 장비의 장점인 보정능력을 이용하여 더 작은 선량으로 화질을 유 지 시킬 수 있다.

중심단어: 흉부 디지털 단층합성, 감도, 관전압, 화질, 선량