A Study for Effects of Image Quality due to Scatter Ray produced by Increasing of Tube Voltage

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"J. Korean Soc. Radiol., Vol. 11, No. 7, December 2017"

Ji-Koon Park,¹ Je-Hoon Jun,² Sung-Woo Yang,² Kyo-Tae Kim,³ Il-Hong Choi,¹Sang-Sik Kang^1,*

1Institute of Radiation Fusion Technology, International University of Korea

2Department of Radiological Science, International University of Korea

3Department of Biomedical Engineering, Inje University

Received: November 29, 2017. Revised: December 26, 2017. Accepted: December 31, 2017

ABSTRACT

In diagnostic medical imaging, it is essential to reduce the scattered radiation for the high medical image quality and low patient dose. Therefore, in this study, the influence of the scattered radiation on medical images was analyzed as the tube voltage increases.

For this purpose, ANSI chest phantom was used to measure the scattering ratio, and the scattering effect on the image quality was investigated by RMS evaluation, RSD and NPS analysis. It was found that the scattering ratio with increasing x-ray tube voltage gradually increased to 48.8% at 73 kV tube voltage and to 80.1% at 93 kV tube voltage.

As a result of RMS analysis for evaluating the image quality, RMS value according to increase of tube voltage was increased, resulting in low image quality. Also, the NPS value at 2.5 lp/mm spatial frequency was increased by 20% when the tube voltage was increased by 93 kV compared to the tube voltage of 73 kV.

From this study, it can be seen that the scattering radiation have a significant effect on the image quality according to the increase of x-ray tube voltage. The results of this study can be used as basic data for the improvement of medical imaging quality.

Keywords: Scattering Ray, Tube voltage, ANSI chest phantom, RMS, RSD, NPS

Ⅰ. INTRODUCTION

현대의학에 있어서 방사선은 인간의 질병 진단 과 치료 및 연구에 활용되어 질병으로부터 신체를 보호하고 의학을 발전시키는데 중요한 역할을 하 고 있으며 그에 따라 질병의 발견, 진단 및 치료를 목적으로 시행하는 방사선 촬영건수가 과거에 비 해 현저히 증가하는 추세이다.^[1-2] 그러나 방사선은 인류에게 항상 이익을 주는 것만은 아니기에 최근 영상 의학 분야에서는 의료피폭 관리 즉 최소한의 방사선으로 환자의 피폭선량을 줄이면서 진단정보 를 최대화하는 방안에 관해 지속적인 관심을 가지

고 있다^.[3-4] 하지만 여전히 엑스선 촬영실 내부에서

는 진단영상의 질을 저하시킴과 동시에 환자의 피 폭선량 증가에 기여하는 산란선이 존재하고 있으 며 산란선량은 관전압, 조사시간, 조사야 A 크기, 피사체의 물리적 성질, 피사체 주변 물체 등에 영 향을 받는 것으로 알려져 있다.^[5]

이에 본 연구에서는 관전압 변화에 따른 산란 선 량 증감에 대한 정량적 분석과 산란 선량 변화가 영상 화질에 미치는 영향의 정도를 RMS(Root Mean Square), RSD(Relative Standard Deviation) 그 리고 NPS(Noise Power Spectrum) 분석을 통하여 고 찰하고자 하였다.

* Corresponding Author: Sangsik Kang E-mail: [email protected] Tel: +82-55-751-8302 https://doi.org/10.7742/jksr.2017.11.7.663

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Ⅱ. MATERIAL AND METHODS 본 연구에서는 흉부 조직등가물질로 제작한 ANSI (미국표준협회; American National Standards Institute) Chest Phantom을 사용하여 피사체를 Fig. 1과 같이 구현 하였다. ANSI chest phantom은 크기가 동일한 Acrylic phantom(30.5 × 30.5 × 2.54 cm³, USA) 4개와 척추 및 갈비뼈 재현을 목적으로 두께가 상이한 Aluminum sheet(30.5 × 30.5 × 0.1cm³, 30.5 × 30.5 × 0.2 cm³) 2개, 흉부 폐야 재현을 위한 5.08 cm의 Air gap을 이용하여 인간의 흉부를 구현하였다.^[6]

Fig. 1. Schematic diagram of ANSI chest phantom.

또, 식품의약품안전청이 간행한 ‘일반 영상의학검사 의 환자선량 권고량 가이드 라인’과 관전압 15% 법칙 (관전압 15% 증가하면 영상의 농도는 약 두 배가 되며 인간의 눈으로 농도차를 인지하기 위해서는 농도를 30% 이상 변화시켜야 하므로 관전압을 약 5% 정도 변 화시켜야 한다.)을 참고하여 73 kV, 79 kV, 85 kV, 93 kV 총 네 단계로 설정하였으며 관전압 이 외의 조사조 건은 조사야 크기 38 × 41 cm², 관전류량 10.0 mAs로 고정하여 진행하였다.

1. Scattering Fraction to Total Dose(산란선율) 산란선율 측정을 위해 진단용 X선 발생장치 (Radiography, POSKOM Co., Korea)와 산란선 발생 을 목적으로 한 ANSI chest phantom, 진단용 X선 센서(XR-Sensor, IBA Co., Germany)를 Fig. 2와 같이 구현하였으며, 이때 선원과 XR-sensor 간의 거리는 100 cm로 설정하였다.

(a) Total Dose (b) Scattering Dose Fig. 2. Schematic diagram for measurement of

scattering fraction to total dose.

주 선속 선량과 산란선량을 모두 포함하는 총 선량 (Total dose)을 측정하기위해 Fig. 2의 (a)와 같이 구현하 였다. 산란선량 측정은 Fig. 2. (b)와 같이 진단에너지 영역에서 약 99.9% 이상 차폐 가능하다고 알려진 3 mmPb 디스크를 ANSI chest phantom 상단에 위치시켜 주 선속을 차폐하고 팬텀에서 발생한 산란선량만을 측 정하였다. 측정한 두 선량 값인 총 선량과 산란선량을 바탕으로 아래 수식을 이용하여 산란선 비율(Scattering fraction to total dose)을 도출하였다.^[5]

산란선 비율  __ ×   (1)

위 수식에서 Dsct은 ANSI chest phantom 상단에 3 mmPb를 위치시켜 산란선량 만을 측정한 값이고 Dt은 주 선속 선량과 산란선량을 모두 포함하는 총 선량 값 을 의미한다.

2. RMS, RSD Analysis

RMS, RSD 분석을 위한 관전압 변화에 따른 X선 영 상 획득을 위하여 Fig. 3의 평판형 검출기(FLAATZ 560, DR Tech, Co., Korea)를 사용하였다. 측정 시 사용 한 검출기는 198 μm의 픽셀 간격을 가지며 2,560 × 3,072 개의 2차원 픽셀 배열로서 구성되어있다. 영 상획득 모식도는 Fig. 4와 같이 구현하였다. 관전압 별 영상은 식품의약품안전청 간행물 중 흉부 AP 촬영의 관전압 통계치의 1사분위 값인 73 kV를 기 준으로 영상의 농도변화를 인지할 수 있는 +5% 변

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화로 79 kV, 85 kV, 93 kV 관전압으로 획득하였다.

Fig. 3. Flat panel detector(FLAATZ 560).

Fig. 4. Schematic diagram for X-ray image acquisition.

RMS, RSD 분석을 위해 관전압을 변화시켜가며 각 관전압 별로 획득한 영상의 관심영역(ROI; Region of Interest)은 검출기 중심을 기준으로 512 × 512 영역으로 설정하였다. 설정된 관심영역을 바탕으로 Octave S/W(Octave Ver. 4.0.2, Free Software Foundation Inc, USA)를 이용하여 산란선량 증감이 영상에 미치는 영 향 정도를 고찰하기 위해 관전압 각 단계의 영상을 획득하여 분석 및 통계처리 하였다. 이 때 RMS와 RSD 는 아래 수식을 통해 도출하였다. RMS 도출 식에서 Xi는 ROI의 pixel value를 의미하고 Xave는 ROI의 평균 pixel value를 의미한다.

  ^^^{ }^^^^{ }^ ⁽²⁾

    _ (3)

3. NPS Analysis

NPS 분석 역시 Fig. 4와 같이 영상 획득 모식도 를 구현하였으며, 관전압 별 1 장의 영상을 획득하 여 진행하였다. 이때 NPS는 아래 수식을 통해 도출 하였다.

_ _ 

Lim

→ ∞·__

 _{  }^

〈 

  ^



  



_ _ _ _exp __ __



^

〉

⁽⁴⁾

NPS 도출 식에서 I 는 선형 데이터를 의미하며, S는 설정한 ROI 영역의 평균값을 의미한다. 또 Nx 와 Ny는 x, y축의 pixel 수를 의미하며, △x 와 △y 는 x, y축에 서의 pixel pitch를, M은 ROI 영역의 개수를 의미한다.

본 연구에서 I는 ROI 중심 100 × 100 영역에 해당하는 신호값의 평균을 이용하였고, S는 설정한 ROI 영역 (ROI 중심 512 × 512 영역)의 평균값을 이용하였다. x, y축의 pixel 수는 각 512 개이며 pixel pitch는 198 μm이 다. 또, 1 개의 ROI로 NPS를 도출하였기에 M 값은 1로 설정하여 분석을 진행하였다.

Ⅲ. RESULT

1. Scattering Fraction to Total Dose(산란선율) 각 관전압에 따른 산란선량 측정 결과는 Fig. 5.

에 나타나듯이 관전압이 증가할수록 산란선율 또 한 증가하였으며, 총 선량에 대한 산란선 비율은 관전압이 증가함에 따라 48.8%, 49.3%, 49.5%, 50.1% 로 증가하는 것을 확인할 수 있다.

Tube Voltage [ kV ]

70 75 80 85 90 95

Scattering Fraction to Total Dose [ % ]

46 48 50 52

Fig. 5. Scattering fraction to total dose.

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2. RMS, RSD Analysis

Fig. 6는 관전압 증가에 따른 RMS와 NPS 분석을 위해 획득한 각 관전압 별 영상의 ROI 영역에 대한 영상이다.

(a) 73 kV (b) 79 kV

(c) 85 kV (d) 93 kV

Fig. 6. ROI images acquired by different tube voltage.

획득한 영상을 통하여 실제 관전압 증가에 따라 ROI 영역에서의 영상 농도가 변화하는 것을 확인하였다. 또 한 Fig. 6 (d)에서 확인할 수 있듯이, 93 kV 관전압 조건에서 획득한 영상의 ROI 영역은 관전압 과조 사로 인해 포화된 농도를 가지는 것으로 나타났다.

RMS 분석 결과, Fig. 7에 나타나듯이 85 kV 조건에 서 가장 높은 값이 나타났으며 관전압이 증가할수 록 RMS 값이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 하지 만 93 kV와 100 kV 관전압 조건에서 도출된 RMS 값을 바탕으로, ROI 농도가 포화된 상태에서 관전 압이 증가하게 되면 RMS 값은 점차 낮아지는 것을 확인할 수 있으며 본 연구에 있어 무의미한 데이터 로 판단된다.

70 75 80 85 90 95 100 105

Average of Pixel Value

0 20000 40000 60000 80000

Root Mean Square

0 1000 2000 3000 4000 Average R M S

Fig. 7. Average of pixel value(Left) and RMS value(Right).

하지만 Fig. 8에 나타나듯이 관전압이 증가함에 따라 검출기 내에 입사되는 입사선량 또한 증가하는 것을 확 인할 수 있다. 의료영상에서의 산란선 영향은 확률적 발생이지만 영상 전체에서 균일하게 분포한다. 이에 관 전압 증가에 따른 산란선 영향으로 인해 실제 검출기에 입사되는 선량이 증가하므로, 입사 선량을 고려한 상대 표준편차로서 산란선의 영향을 평가하는 것이 바람직 하다. 일반적으로 RSD는 ROI 영역 내의 각 픽셀 값에 대한 RMS 값의 비로써 값이 클수록 평균값에 대한 표 준편차가 상대적으로 크다는 것을 의미한다.^[6]

70 75 80 85 90 95

Entrance Dose [ uGy ]

20 40 60 80 100 120 140

Fig. 8. Entrance dose of detector as a function of tube voltage.

RSD 분석결과,

Fig. 9에서 나타나듯이 관전압이 증가 함에 따라 RSD 값이 점차 감소하지만, 비슷한 값 을 가지는 것으로 나타났다. 관전압 93 kV 이상에 서는 ROI 영역의 픽셀 값이 포화된 결과로 나타나 무의미한 데이터로 판단된다.

70 75 80 85 90 95

Relative Standard Deviation

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

Fig. 9. Relative standard deviation as a function of Tube voltage.

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3. NPS Analysis

식(4)를 통해 도출된 NPS 값은 신호 값을 제외시 킨 노이즈 성분만을 의미한다. 도출된 NPS를 바탕 으로 분석을 진행한 결과, Fig. 10.에서 확인할 수 있듯이 관전압 증가에 따라 노이즈 성분이 증가하 는 것으로 나타났다. 사용한 검출기의 물리적 화소 크기는 198 μm로 최대 공간주파수는 약 2.5 lp/mm 이며, 공간주파수 2.5 lp/mm에서의 NPS 결과는, 관 전압 73 kV에 비해 93 kV에서 약 20% 정도의 영상 잡음이 증가하는 것으로 평가되었다. 또한 측정한 관전압에서의 공간주파수 증가에 따라 노이즈 분 포는 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 10. Noise power spectrum as a function of spatial resolution and tube voltage.

Ⅳ. DISCUSSION

본 연구에서는 관전압 변화에 따른 산란선량의 증감이 영상에 미치는 영향을 RMS, RSD 그리고 NPS분석을 통해 관찰하였다. 관전압이 증가함에 따라 발생하는 산란선 비율은 48.8%, 49.3%, 49.5%, 50.1%로 증가하였다. 민정환 등의 실험 결과와 비 교 시, 동일 관전압 범위 내에서 산란선량의 증가 정도는 유사하게 나타났다.^[7] 하지만 산란선 비율 의 경우, 민정환 등의 실험에서 약 30% 정도 높게 나타났다. 이러한 차이는 민정환 등의 논문에서는 산란선량 측정 시 획득한 영상의 주 선속 영역을 제외한 나머지 전 영역에서 산란선을 평가하였으 나, 본 연구에서는 주 선속 영역으로 입사한 산란 선에 의한 영상 화질을 평가하기 위한 목적으로 주

선속을 차폐한 후, 주 선속 영역으로 입사되는 산 란선에 의한 영향만을 평가하였으므로 다소 차이 가 나타난 것으로 판단된다. 그 결과 관전압 증가 에 따른 RMS 값은 점차 증가하였지만 선량 값을 고려한 RSD 분석 결과, 관전압 증가에 따라 RSD 값은 점차 감소하는 것을 나타났으나, 큰 차이는 없음을 확인하였다. 이러한 결과는 관전압이 증가 함에 따라 산란선량은 증가하지만 실제 의료영상 에서의 산란선에 의한 신호대 잡음비의 변화가 미 약할 것으로 판단된다. 아울러 NPS 분석 결과를 바 탕으로, 관전압이 증가할수록 산란선량에 의한 영 상 잡음은 증가하는 것으로 나타났다. 또, 공간주파 수 증가에 따라 산란선에 의한 노이즈 분포가 낮아 지는 일반적인 결과와 유사한 결과를 도출할 수 있 었다.

Ⅴ. CONCLUSION

현대의학에 있어 방사선의 이용이 점차 증가함 에 따라 환자 피폭 선량 저감화 및 산란선에 의한 화질 영향 연구가 끊임없이 이루어지고 있다. 이러 한 산란선의 발생은 환자의 피폭 선량 증가에 기여 하며, 의료영상의 진단적 가치를 저하시키므로 지 속적인 관리가 필요하다. 이에 본 연구에서 수행한 관전압 증가에 따른 산란선의 화질 영향을 산란선 발생 비율, RMS 평가 및 NPS 분석을 통해 평가하 였다. 본 연구에서의 결과는 환자 피폭 선량 저감 과 의료 영상 품질 개선을 목적으로 한 연구의 기 초 자료로서 활용 가능할 것으로 사료된다.

Acknowledgement

본 연구는 한국국제대학교 연구기금(2017)과 한국 연구재단 중견연구자지원 사업(과제번호 2017R1A2 B4009249)의 지원을 받아 수행되었습니다.

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관전압 증가에 기인한 산란선 발생의 화질 영향 연구

박지군,¹ 전제훈,²양승우,² 김교태,³ 최일홍,¹ 강상식^1,*

1한국국제대학교 방사선융합기술연구소

2한국국제대학교 방사선학과

3인제대학교 의용공학과

요 약

진단목적의 방사선 의료 영상의 활용의 증가에 따라 환자의 피폭 선량 증가와 의료영상의 진단적 가치 저하에 기여하는 산란선의 관리 및 저감을 위한 연구는 필수적이라 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 관전 압 증가에 따른 산란선의 증감이 영상 화질에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 ANSI 흉부 팬텀을 이 용하여, 관전압 변화에 따른 산란선 발생 비율을 측정하고, 산란선의 발생에 따른 화질 영향을 RMS(Root Mean Square) 입상성 평가, RSD(Relative Standard Deviation) 및 NPS(Noise Power Spectrum) 분석을 통해 고 찰하였다.

관전압 증가에 따른 산란선 발생비율은 73 kV 관전압에서 48.8%, 93 kV 관전압 인가시 80.1%로 점차 증 가하는 것으로 확인되었다. 관전압 증가에 따른 산란선 증가의 화질 영향을 분석하기 위한 RMS 분석 결 과, 관전압 증가에 따른 RMS 값이 증가하는 것으로 나타나 영상의 입상성이 떨어지는 결과로 도출되었다.

공간주파수 2.5 lp/mm에서의 NPS 값 또한 관전압 73 kV 인가에 비해 93kV 관전압 증가시 20% 정도 영상 의 잡음이 증가하는 것으로 나타났다.

본 연구를 통하여 관전압 변화에 따른 산란선 발생이 화질에 미치는 영향을 확인할 수 있었으며, 이러한 연구 결과는 의료영상 품질 개선을 위한 연구의 기초 자료로서 활용 가능할 것으로 판단된다.

중심단어: 산란선, 관전압, ANSI흉부팬텀, RMS, RSD, NPS