소아 CT에서 신체크기 특이적 선량추정의 자동화

서 론

방사선 피폭의 생물학적 영향은 크게 결정적 효과(deter-

ministic effects)와 확률적 효과(stochastic effects) 로 나눌 수 있다. 특정 부위마다 정해진 역치(threshold)가 있어 이를 초과하면 효과가 나타나는 결정적 효과는 국소적 방사선의 피 폭이 100 mSv를 초과할 때 간주되는데, CT에서의 방사선 피 폭은 대개 27 mSv 이하이므로 결정적 효과에 의한 방사선 손 상은 일어나기 어렵다. 방사선 피폭의 확률적 효과를 확인하기 위해 진행된 일본의 원폭 생존자들의 장기 추적검사에 기초한 근래의 연구에 의하면, 45세 환자에서 시행한 전신 CT (12

소아 CT에서 신체크기 특이적 선량추정의 자동화

전민수¹∙허창룡¹∙천정은²∙김종효^{1, 3, 4}

1서울대학교 의과대학 협동과정 방사선응용생명과학전공, ²서울대학교 어린이병원 영상의학과

3서울대학교 의과대학 영상의학교실, ⁴서울대학교 융합과학기술대학원 융합과학부 방사선융합의생명전공

Automated Evaluation of Size-Specific Dose Estimates in Pediatric CT

1Interdisciplinary Program in Radiation Applied Life Science, Seoul National University College of Medicine,

2Department of Radiology, Seoul National University Children Hospital, Seoul, Korea

3Department of Radiology, Seoul National University Hospital, Seoul, Korea

4Program in Biomedical Radiation Sciences, Department of Transdisciplinary Stdudies, Graduate School of Convergence Science and Technology, Seoul National University, Suwon, Korea

= Abstract =

This paper presents a method for automated calculation of Size-specific dose estimates (SSDE) which is the dose levels taking the patients’ organ size into consideration in pediatric CT examina- tions. The conventional CT dose index (CTDI) and dose length product (DLP) appearing on dose re- ports which are provided by CT manufacturer are the estimate values based on the 16cm or 32 cm poly-methyl methacrylate (PMMA) phantoms for brain and body examinations, respectively. However, there are discrepancies between from those values and the real doses exposed to each patient as the sizes of patient body are different from that of those phantoms. We have developed an automated method for calculating the body size of each patient by applying an image segmentation technique to the image data of CT exam, and extracting reported dose values from the dose report image by apply- ing an optical character recognition technique, and thereby obtaining SSDE values for each patient.

We applied the developed technique to CT exams of 175 pediatric patients and confirmed its success- ful operation.

Key words: Computed Tomography, Chest CT, Brain CT, Pediatric CT, Effective Dose, Size-Specific Dose Estimates

통신저자: 김종효, (110-744) 서울특별시 종로구 대학로 101 서울대학교병원 영상의학과

Tel: 02-2072-3677, Fax: 02-747-1762 E-mail: kimjhyo@snu.ac.kr

mSv)의 추정 평생 암 사망률 위험도는 0.08%로 보고되었다 [1].

1990년부터 1999년까지 시행된 미국의 연구에 의하면 CT 검사에 의한 방사선 피폭이 전체 영상의학검사에 의한 방사선 피폭의 67%를 차지하는 것으로 나타났고 [2], 2000년 이후 다중검출기 CT (MDCT)의 사용이 보편화되면서 CT촬영이 급증한 것을 고려하면, CT 방사선량 관리는 더욱 더 중요해졌 음을 알 수 있다.

CT 촬영은 일반 방사선 검사와 달리 방사선 조사가 360도 회전을 하며 이루어지고, 검사의 부위나 목적에 따라 연속적인 영상 사이에 간격이 있거나 중첩이 있을 수 있다. 이러한 특징 을 반영할 수 있는 방사선량의 지표로 CT dose index (CTDI)와 dose length product (DLP)가 있으며, 주요 CT 제조사들에서는 CT 촬영시 CTDI와 DLP 지표를 선량보고서 (dose report)에 기록하여 제공한다 [4, 7, 11].

현재 CT촬영 시 기기에서 제공하는 선량보고서(dose report)는 두부의 경우 16 cm, 몸통의 경우 32 cm poly- methyl methacrylate (PMMA) phantom을 기준으로 CTDI_vol과 DLP값을 제공하나, 이는 상기 팬텀을 사용하여 측 정된 선량 수치로서 체형에 따라 달라지는 환자 개별적인 선량 값은 제공하지 못한다 [5, 10].

이러한 문제점을 해소하기 위하여, 최근 AAPM 보고서 204 번에서는 신체크기 특이적 선량추정치(size-specific dose estimates, SSDE)의 개념을 도입하여 환자의 신체크기를 고 려한 선량을 예측하는 방법을 제시하였다 [3]. 이 보고서에서 는 신체크기가 달라짐에 따라 실제 부위에서의 선량을 간편하 게 구할 수 있도록 크기에 따른 변환표를 제공하고 있으며, 소 아환자의 나이별 평균 변환표의 제작과 활용이 가능함을 제시 한 바 있다. 이와 같은 국제적 노력에 따라, 향후에는 환자의 CT 피폭선량을 추정함에 있어서 기존의 CTDI_vol과 DLP 이외 에 SSDE와 같은 환자 맞춤형 선량추정 방법이 사용될 가능성 이 있다. 그런데, SSDE의 적용을 위해서는 검사부위의 신체 크기를 환자 별로 얻어내야 하는 것이 필요조건이므로 효율적 인 SSDE의 계산을 위해서는 CT 촬영 영상으로부터 자동적으 로 환자크기를 계산하며 이를 기반으로 선량보고서의 수치를 변환해내는 기술이 요구된다.

저자들은 PACS에 저장된 대용량의 영상정보로부터 한국인 의 체형분포를 알아내고, 이를 바탕으로 보다 선량-효율적인 영상검사가 이루어지도록 하는 기술개발에 관심을 가져왔으 며, 그 첫 단계 작업으로서 한국의 소아환자들에게서 신체크기 특이적인 선량 추정값이 기존의 팬텀기반 선량추정치에 비해 어떤 차이를 보이는 지를 알고자 하였고, 이를 위해 CT 영상

데이터로부터 검사부위의 크기를 얻으며, 선량보고서 영상으 로부터 선량수치를 얻음으로써 신체크기 특이적인 선량추정치 를 자동으로 얻어내는 도구를 개발하였기에 이 논문을 통해 그 성능을 보고한다.

대상 및 방법

본 연구에서는 2010년 2월부터 2012년 2월까지 서울대학교 어린이 병원 영상의학과에서 0세부터 9세까지의 소아 환자 175명 (흉부: 97명, 뇌: 78명)에 대하여 16열 다열검출기 CT (Siemens Sensation 16)로 촬영된 영상데이터를 사용하였 다.

이 연구에서 개발된 방법의 흐름은 그림 1 에 보인 바와 같 다.

그림 1에서CTDI³²_vol는 32 cm PMMA 팬텀을 기준으로 추 정된 CT dose index를 나타내며, f^32X_size는 검사부위 크기를 얻 어낸 후 CT dose index에 곱함으로써 부위크기 특이적인 선 량추정치를 얻을 수 있게 하는 변환계수를 나타낸다. 이와 마 찬가지로, CTDI¹⁶_vol는 16 cm PMMA 팬텀을 기준으로 추정된 CT dose index를 나타내고, f^16X_size는 검사부위 크기를 얻어낸 후 CT dose index에 곱함으로써 신체크기 특이적인 선량추정 치를 얻을 수 있게 하는 변환계수를 나타낸다. 통상적으로 32 cm PMMA 팬텀은 성인 몸통부위의 CT dose index 추정에 사용되며, 16 cm PMMA 팬텀은 성인 두부와 소아환자의 CT dose index 추정에 활용되나, 소아 환자의 몸통부위는 경우에 따라 32 cm PMMA 팬텀을 사용하기도 한다,

먼저 획득한 환자의 영상에서 검사부위와 검사 프로토콜의

그림 1. 제안된 부위크기 특이적 선량추정 방법의 흐름도.

정보를 바탕으로 씨앗 점을 추정하며, 여기에 영역성장법을 적 용하여 CT 검사 테이블로부터 분리된 신체영역을 추출하였다.

다음으로, 분할한 신체영역과 동일한 면적을 가지는 가상 원의 유효직경을 계산하였다. 한편, 선량 보고서 영상에 대해 광학 문자인식(OCR) 기법을 이용하여 관전압 (kVp), 관전류 (mAs), 참조준위 (reference dose), CTDI, DLP 등의 수치 들을 추출하였다.

이후, 특정 직경에서의 선량변환계수 (f_size)는 120 kVp 관 전압으로 얻은 두부검사의 경우 AAPM 보고서 204번에 명시 된 값을 사용하였고, 80 kVp 관전압으로 얻은 흉부검사의 경 우 AAPM 보고서 204번에 제시된 2가지의 부위크기(10 cm, 15 cm)에서의 선량변환계수를 실수범위에서 적용 가능하도록 1차 지수모델 곡선맞춤 (curve fitting) 이 가능하도록 계산하 였으며, 왼쪽 흐름도에서 얻은 유효직경을 곡선 맞춤 식에 대 입하여 선량변환계수 (f_size)를 구하고 부위에 따른 CTDI값과 곱하여 SSDE를 계산하였다.

1. 환부영역의 추출과 유효직경 계산

그림 2는 흉부 CT 영상에 대해 영역성장 분할방법을 이용하 여 검사부위의 신체영역을 추출한 결과의 예이다. 초기 씨앗 점은 3차원 환자영상의 중앙부위로 설정하였고, 영역성장을 중지시키는 문턱값을 신체 연부조직 중 비교적 낮은 감쇠도를 갖는 지방조직의 최저 CT 값(-120 HU)으로 설정하여 환의와 CT 테이블을 제외한 신체영역을 효과적으로 분할할 수 있었 다.

분할된 결과에는 그림 2의 우편 그림에서 보이는 바와 같이 폐 영역등과 같이 공기비중이 큰 부위에 결함이 생긴다. 이를 보완하기 위해 결함 충진(hole filling) 기법을 적용함으로써

그림 3(좌)와 같이 신체내부가 채워진 이진영상을 얻었다. 이 렇게 얻은 이진영상을 타원으로 가정하여 전후방향(anterior- posterior direction) 및 측방향(lateral direction)거리의 곱 으로서 영역의 면적을 계산하고, 이 면적과 동일한 크기를 갖 는 원의 직경으로서 식 (1)과 같이 유효 직경을 계산하였다.

D_effective= AP×LAT (1)

2. 광학문자인식을 이용한 문자추출

광학문자인식 (Optical Character Recognition, OCR)은 입력된 영상에서 데이터의 내용을 분석하여 글자 영역의 문자 들을 수정, 편집이 가능한 텍스트(Text)의 형태로 변환하여 주 는 기술 말한다[9]. 이 연구에서는 사전에 얻어진 선량보고서 영상들로부터 영문자와 숫자 글씨 패턴을 등록한 후, 최소의 편차를 가지는 패턴을 찾아내는 방법을 이용하여 문자를 인식 하도록 하였다.

그림 4는 이 연구에 활용된 선량보고서 영상의 예이다.

그림 3. 결함 충진 적용된 결과(좌)와 이로부터 유효 직경을 구하는 과 정(우)을 예시한 그림.

그림 2. 흉부CT영상을 영역성장법으로 분할한 결과의 예.

3. 선량변환계수 및 SSDE 계산

환자별 검사부위 크기를 얻은 후에 SSDE를 계산하기 위해 서는 해당 검사부위 크기에 따른 선량변환계수를 구하여야 한 다. AAPM 보고서 204번에는 120 kVp 관 전압에서 32 cm와 16 cm PMMA 팬텀 기준의 CTDI에 대해서는 다양한 검사부 위 크기에 대해 선량변환계수가 나와있으나, 이 외의 관 전압 에 대해서는 연속적인 크기에 대한 선량변환계수가 나와있지 않고 32 cm PMMA 팬텀 기준의 CTDI에 대해 단지 2가지의 부위크기(10 cm, 15 cm)에서의 선량변환계수만 제시되어 있 다. 다른 관 전압에서의 연속적인 선량변환계수를 구하는 방 법의 하나로서 80, 100, 140 kVp 등 여러 조건에서 얻은 데이 터를 모두 사용하여 얻은 하나의 맞춤 곡선을 제시하고는 있지 만, 본 연구에서와 같이 80 kVp 단일 관전압을 사용한 소아 흉부검사에서 선량변환계수로 사용하는 데는 적절하지 않은 것으로 판단하였다.

따라서 본 연구에서는 120 kVp를 사용한 두부 검사의 경우 AAPM 보고서 204번에 제시된 연속적 선량변환계수를 사용 하였고, 80 kVp를 사용한 두부 검사의 경우 AAPM 보고서

204번에 있는 2가지 부위크기의 선량변환계수를 1차 지수모델 로 곡선 맞춤한 후, 이 모델로부터 연속적인 부위크기에 대한 선량변환계수를 얻어 개별 환자의 SSDE를 구하는데 사용하 였다.

SSDE = f_size×CTDI_vol (2)

즉, 식 (2)를 이용하여 검사별로 각각의 관전압과 유효 직경 에 맞는 선량변환계수 (f_size)를 광학문자인식을 통해 얻은 CTDI_vol값에 곱하여 환자의 SSDE를 구하였다.

결 과 1. 선량보고서의 문자추출

표 1은 본 연구대상의 CT 검사에서 선량보고서 영상으로부 터 광학문자인식기법을 적용하여 추출한 문자 및 수치 정보의 예를 나타낸다. 관전압 (kVp), 관전류 (mAs), 참조 준위 (reference dose), CT dose index (CTDI), dose length product (DLP) 값을 편집 가능한 텍스트 형태로 추출할 수 있었다.

표 1에서 참조 준위가 공란으로 되어 있는 경우는 자동 피폭 량 조절 기능을 사용하지 않고 방사선사가 직접 입력한 관전류 값을 모든 촬영범위에 적용한 예이다.

본 연구에서는 175예 모두에서 광학문자인식 기술로 해당 문자를 정확히 추출할 수 있었다.

2. 연령별 검사부위 유효직경

본 연구에서 구현한 부위크기 계산방법은 175예 모두에서 신체부위를 성공적으로 분할하였고, 유효직경을 계산해 내었

그림 5. 소아 두부검사에서 사용한 변환계수(실선)과, 흉부검사에서 사 용한 변환계수(점선)의 곡선. 실선 곡선은AAPM 보고서204번에 제시 된 연속 변환계수에서 얻었으며, 점선 곡선은2가지 크기에 대해 제시된 변환계수를 저자들이 지수모델로 곡선맞춤한 모델이다.

표 1. 광학문자인식기법으로 선량보고서 영상에서 추출한 선량수치의 예시

kVp mAs Ref CTDI DLP

80 51 100 1.33 39

80 54 100 1.42 42

80 90 2.34 56

80 80 2.08 58

80 65 1.69 47

80 65 1.69 42

80 70 1.82 44

80 68 150 1.78 38

80 35 80 0.91 26

그림 4. 이 연구에 사용된 선량보고서 영상의 예.

다. 그림 6은 흉부 97례, 두부 78례의 소아 CT에서 연령별 유 효직경을 나타낸 그래프이다.

한국 소아 흉부의 평균 유효직경은 0~1세에서 13.27±2.01 cm, 1~5세에서 17.44±1.42 cm, 5~9세에서 19.38±1.16 cm으로 나타났으며, 두부의 평균 유효직경은 0~1세에서 15.15±1.75 cm, 1~5세에서 16.98±0.87 cm, 5~9세에서 17.93±0.69 cm으로 나타났다. 그림 6에 나타난 것처럼, 흉부 와 두부의 경우 모두 나이가 증가함에 따라 유효직경도 증가하 는 것을 볼 수 있다.

3. 기존방식의 선량과 SSDE 의 비교

본 연구에서 개발된 광학문자인식기법으로 기존방식의 선량 추정치를 얻을 수 있었고, 부위크기를 바탕으로 SSDE를 계산 하여 서로를 비교할 수 있었다. 그림 7 (a)는 78례의 관전압 120kVp로 촬영된 두부 검사데이터에서 CTDI_vol과 SSDE를 비교하여 나타내고, (b)는 97례의 관전압 80 kVp로 촬영된 흉부 검사데이터에서 CTDI_vol과 SSDE를 비교하여 나타낸다.

한국 0~9세 소아 두부의 평균 유효직경은 17.02±1.31 cm

로 두부의 CTDI_vol을 측정하기 위해 사용하는 16 cm PMMA 팬텀보다 큰 유효직경을 나타내며 선량변환계수의 평균은 0.97로 나타났다.

또한 두부의 CTDI_vol은 0~1세에서 24.39±4.78 mGy, 1~5세에서 28.87±1.18 mGy, 5~9세에서 30.89±0.94 mGy로 나타나며, SSDE는 0~1세에서 28.14±0.98 mGy, 1~5세에서 28.04±1.13 mGy, 5~9세에서 28.92±0.82 mGy로 나타나 두부의 경우 SSDE는 CTDI_vol보다 평균 0.98 배의 수치를 나타냈다.

반면, 소아 흉부의 평균 유효직경은 17.52±2.31 cm로 흉부 의 CTDI_vol을 측정하기 위해 사용하는 32 cm PMMA 팬텀보 다 낮은 직경을 가지며 선량변환계수는 2.2로 나타났다.

흉부의 CTDI_vol은 0~1세에서 0.92±0.39 mGy, 1~5세에 서 1.46±0.51 mGy, 5~9세에서 1.89±0.55 mGy로 나타나 며, SSDE는 0~1세에서 2.55±1.09 mGy, 1~5세에서 3.24

±1.08 mGy, 5~9세에서 3.69±1.06 mGy로 나타나 흉부의 경우 SSDE는 CTDI_vol보다 평균 2.16배 높은 수치를 나타냈 다.

그림 7(a)에서 두부 선량의 기준 PMMA 팬텀보다 직경인

a b

그림 6. 본 연구 대상군의 두부 및 흉부 소아CT에서 연령별 평균 유효직경의 분포도.

a b

그림 7. 소아 두부, 흉부 촬영에서CTDI_vol과SSDE의 분포.

(a) 관전압120 kVp로 얻어진 두부의 기존방식 및SSDE 기반 선량추정치의 비교 (b) 관전압80 kVp로 얻어진 흉부의 기존방식 및SSDE 기반 선량추정치의 비교

16 cm보다 큰 유효직경을 가지는 환자는 빨간색으로 표시된 SSDE가 파란색으로 표시된 CTDI_vol보다 작은 값을 가지나, 이보다 작은 유효직경을 가지는 환자는 빨간색으로 표시된 SSDE가 CTDI_vol보다 높은 값을 가지는 것을 알 수 있다.

그림 7(b)에서 환자의 유효직경은 흉부 선량의 기준 PMMA Phantom 직경인 32 cm보다 모두 작으므로, 빨간색 으로 표시된 SSDE가 파란색으로 표시된 CTDI_vol보다 높은 값을 가지는 것을 알 수 있다.

고찰 및 결론

본 논문에서 개발한 자동화된 SSDE 추정기법은 연구대상 의 모든 례에서 성공적으로 선량정보와 환자 별 부위크기를 얻 어낼 수 있었으며, 따라서 기존방식으로 얻은 CTDI_vol과 부위 크기가 고려된 SSDE를 모두 얻어 비교할 수 있었다. 각각의 촬영에서 부위크기를 고려한 SSDE는 고정된 크기의 팬텀에 따라 정해진 CTDI_vol에 비해 두부의 경우 0.98배, 흉부의 경우 2.16배의 값을 가지는 것을 확인하였다.

이 결과를 통해 소아의 흉부 CT검사에서는 현재 선량보고서 에서 제공되는 선량 값에 비해 훨씬 높은 피폭선량을 받고 있 음을 알 수 있었고, 이는 소아 흉부 CT검사에서 보다 엄격한 피폭선량 최적화 활동이 진행될 필요가 있음을 시사한다.

현재의 환자선량 권고량(Diagnostic Reference Level, DRL)은 임상적으로 진단의 질에 영향을 미치지 않는 적정한 수준의 선량을 최소한으로 하기 위하여 전 국가적 단위나 지역 단위로 환자선량을 조사하여 평가한 결과 환자선량 분포 중에 서 제3 사분위 값 (third quartile)을 기준하여 설정하도록 하 고 있다[5]. 따라서 다양한 검사부위와 검사 프로토콜에 대해 권고량이 수립되기 위해서는 대규모 환자검사로부터 효율적인 선량정보의 추출과 전송이 가능해야 한다.

American College of Radiology (ACR)에서는 Dose Index Registry (DIR)라는 시스템을 보급하여 의료기관별로 검사별 피폭 선량을 국가적, 국제적 수준과 비교 가능하도록 하였으며, Harvard Massachusetts General Hospital (MGH)에서는 환자의 몸무게와 CT 기기의 종류에 따라 선량 을 자동적으로 기록하는 시스템을 개발하여 환자의 피폭선량 을 모니터링하며 관리하고자 하는 등, 기존의 환자선량 권고량 을 넘어서서 보다 세분화되고 관리가 용이한 단위로 피폭선량 정보를 수집하고, 이에 따라 적정선량을 제시할 수 있는 표준 화 노력들이 가속화되고 있다[12]. 이에 더하여 고정된 크기의 팬텀에 따라 추정하는 기존 방식의 피폭선량을 보완하여 국가 적, 인종적 신체크기를 고려한 실질적 피폭선량을 새로운 선량

추정의 표준으로 제정하고자 하는 움직임도 있다.

본 연구는 이러한 환경변화에 대응하여, 한국인의 신체크기 분포 데이터를 축적하고, 이에 기반한 국가적 환자 실질 피폭 선량을 수집하며, 보다 세분화되고 효과적인 환자선량 권고안 을 마련하여 현장에 적용하고자 하는 노력의 일환으로 시작되 었다. 이 연구에서 사용한 환자의 표본은 서울대학교 어린이 병원 175명 환자로써 개발된 방법의 성능을 검증하기에는 충 분한 규모가 아니다. 따라서 향후 여러 병원에서의 다양한 환 자의 대규모 표본을 사용하여 성능을 평가하는 것이 필요하다.

더 나아가 다양한 검사부위에서의 적용성을 확인함과 동시에 한국인 소아 및 성인에서 신체크기의 분포 데이터를 확립하고, 이에 따른 SSDE의 데이터베이스를 구축하는 작업이 추진되 어야 하겠다.

사 사

이 연구는 2012년도 교육과학기술부의 재원으로 첨단의료 기 기 사 업 본 부 - 신 기 술 융 합 형 성 장 동 력 사 업 ( 과 제 번 호 2012K001498)의 지원을 받았기에 감사를 표합니다.

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대한의학영상정보학회지 2012;18:39-45

=초 록=

본 연구에서는 소아 CT에서 촬영부위의 신체크기를 고려한 선량추정치를 구하는 자동화된 방법을 제안한다.

CT 촬영 시 장비에서 제공하는 선량보고서에는 두부 16 cm, 몸통 32 cm의 poly-methyl methacrylate (PM- MA) 팬텀을 기준으로 추정한 CT dose index(CTDI)와 촬영구간 거리를 곱한 dose length product (DLP)등 이 포함되나, 이는 실제 촬영되는 환자의 체형과 같지 않으므로 실제 환자가 받는 선량과는 차이가 있다. 이 연구 에서는 소아환자의 CT 영상에 영상처리기법을 적용하여 환자의 촬영 부위를 분할하여 신체크기를 측정하고, 장 비에서 제공되는 선량보고서 (dose report)의 수치를 광학문자인식기법으로 추출하여 이용함으로써 환자의 신 체크기 특이적 선량 추정치(size-specific dose estimate)를 구하는 자동화 시스템을 개발하였으며, 175명의 소아환자 검사에 대해 적용한 결과 오류 없이 작동함을 확인하였다.