Improved Image Quality and Radiation Dose Reduction in Liver Dynamic CT Scan with the Protocol Change

Journal of Radiological Science and Technology, 38(2), 107-114 eISSN 2384-1168 ISSN 2288-3509 http://dx.doi.org/10.17946/JRST.2015.38.2.04

<원저>

Liver CT 검사에서 프로토콜 변화에 따른 선량 감소와 영상의 질 개선에 관한 연구

- Improved Image Quality and Radiation Dose Reduction in Liver Dynamic CT Scan with the Protocol Change -

대구가톨릭대학교 방사선학과 조유진･조평곤

― 국문초록 ―

간 역동적 CT(Liver Dynamic Computed Tomography; LDCT) 검사에서 일반적으로 사용하는 프로토콜과 관전 압을 낮게 설정한 후 프로토콜을 변화시켰을 때 방사선량과 영상의 질을 비교하여 영상의 질을 유지하면서 방사선 량을 감소시킬 수 있는 방안을 알아보고자 하였다.

LDCT를 시행한 환자 중 신체질량지수(body mass index; BMI)가 18.5~24인 환자 40명을 대상으로 일반적인 복 부 CT 검사 프로토콜을 적용한 A그룹 20명(관전압: 120 kVp, SAFIRE strength1)과 관전압을 낮게 설정한 B그룹 20명(관전압: 100 kVp, SAFIRE strength 0~5 적용)이었다. 영상의 질 평가는 동맥기의 간 실질 조직, 대동맥, 상장 간막동맥, 복강동맥, 내장지방 그리고 백그라운드에 관심영역(region of interest; ROI)을 설정해 잡음(noise), 신호 대 잡음비(signal to noise ratio; SNR), 대조도 대 잡음비(contrast to noise ratio; CNR), CT number를 측정 비교 하였다. 또한 정성적 평가는 경험이 풍부한 영상의학과 전문의 2명이 0~3점까지로 평가하였다. 방사선량은 총 DLP(dose length product)와 유효선량, CTDIvol(volume computed tomography dose index)을 비교하였다.

관전압 100 kVp에서 SAFIRE가 높을수록 잡음은 감소하고, CT number는 증가하였다. 따라서 SNR과 CNR은 SAFIRE 단계가 높을수록 증가하였다. 관전압 120 kVp와 비교하여 잡음, SNR, CNR이 SAFIRE strength 2, 3에서 가장 유사하였다. 정성적 평가는 SAFIRE strength 2가 가장 많았고 관전압이 100 kVp일 때 영상의 질이 더 좋다 고 평가한 경우는 SAFIRE 1이었다. 방사선량은 120 kVp에 비해 100 kVp에서 21.69% 감소하였다.

BMI가 비교적 높지 않은 LDCT 검사의 경우 공장에서 출고될 당시에 관전압이 높게 설정되어 있어 불필요한 방사선피폭이 우려되고 있는 현실을 고려하면, 본 연구 결과에 따라 관전압을 낮게 설정하고 SAFIRE strength를 2 로 조정하면 영상의 질 저하 없이 방사선량도 감소시킬 수 있을 것으로 사료된다.

중심 단어 : 간 역동적 CT, SAFIRE, 신체질량지수, 영상의 질, 방사선량

*본 연구는 2014학년도 대구가톨릭대학교 연구비 지원에 의한 것임.

교신저자: 조평곤 (712-702) 경북 경산시 하양읍 하양로 13-13

대구가톨릭대학교 방사선학과. Tel: 053-850-2523 / E-mail: jjjpkcho@cu.ac.kr

접수일(2015년 04월 20일), 1차 심사일(2015년 05월 11일), 2차 심사일(2015년 05월 27일), 확정일(2015년 06월 11일)

Ⅰ. 서 론

방사선 영상진단 분야에서 컴퓨터 단층촬영(computed tomography; CT)은 인체 장기의 해부학적 구조를 정확하 게 나타낼 수 있는 검사이다. 또한, 장기의 상태나 기능을 영상화하여 진단 목적에 따라 다양한 방법으로 우수한 화질 의 영상을 나타낼 수 있어 보다 정확한 진단에 도움이 되기 때문에 진단 및 치료계획영역에서 많이 사용하고 있다^1-3). 그러나 충분한 영상 정보와 고화질의 영상을 얻을 수 있다 는 이면에 환자가 받는 방사선 피폭은 간과되고 있는 것이 사실이다⁴⁾.

피폭 선량을 줄일 수 있는 새로운 검출기의 개발과 영상 정보를 보다 신속하게 처리 할 수 있는 소프트웨어의 개발로 3D 영상의 재구성도 가능하게 되어 보다 많은 영상정보를 얻을 수 있게 되었다⁵⁾. 그러나 정확한 진단을 위해 CT검사를 통한 영상 정보량을 많이 얻기 위해서는 슬라이드 두께를 얇 게 하면서 스캔 범위를 넓게 잡아야 한다. 하지만, 그렇게 되면 결과적으로 방사선 피폭량이 증가하게 된다. 슬라이스 두께와 스캔 범위 외에도 방사선량에 영향을 미치는 요소로는 관전압과 관전류, pitch, tube rotation time, detector configuration, beam collimation, 조사시간, 슬라이드 수, 슬라이드 사이의 간격 등이 있다⁵⁾. 최근 출고되는 CT는 선량을 줄이기 위해 자동 관전류 기법(automatic exposure control;

AEC)을 사용한다. AEC는 Topogram을 통해 환자의 윤곽과 장기의 방사선 투과도를 고려해 영상의 질은 유지하면서 최적 의 관전류를 조사해 방사선량을 최소화 하는 것이다⁶⁾. 그러나 선량이 관전압에 비례하고 관전류의 제곱에 따라 변화하기 때문에⁷⁾ 선량 감소 효과는 관전류 보다 관전압을 줄일 때 방사 선 피폭 감소 효과가 더 크다. 복부 CT는 120 kVp의 고관전압 촬영을 한다. 고관전압 검사가 검출기에 도달하는 출력이 좋 아 노이즈가 적고, 대조도 분해능을 향상시킨다. 하지만 X선 흡수차를 감소시켜 공간 분해능을 감소시키는 효과를 나타내 기도 한다. 또한 고관전압의 투과력이 환자의 표면선량은 감 소시키지만, 전체적인 방사선 피폭선량은 증가시키게 된다⁸⁾. 방사선량을 줄이면 노이즈가 증가하여 전체적으로 진단하기 에 좋지 않은 영상을 만든다⁹⁾. 이러한 현상을 보완하기 위하 여 장비사별로, 노이즈를 감소시켜 영상의 질을 높일 수 있는 반복 재구성 기법인 IR (iterative reconstruction) 기법이 도

입되었다^6,10). Siemens사에서는 raw-data를 이미지화 한 후

에 노이즈를 보정하는 기존의 IRIS (iterative reconstruction in image space) 기법을 사용하였다. 최근 이미지화하기 전 단계인 raw-data space에서 Artifact를 보정한 후 이미지화 한 후에 노이즈를 감소시켜 영상의 질을 향상시키는 SAFIRE

(sinogram affirmed iterative reconstruction, Siemens, Germany) 기법이 도입되었다⁶⁾(Figure 1).

이에 본 연구는 간 역동적 CT (liver dynamic computed tomography; LDCT) 검사에서 관전압을 줄이고 SAFIRE를 단계적으로 적용시켜, 방사선 피폭을 줄이면서 영상의 질을 개선시키고자 관전압 100에서의 적정한 SAFIRE 단계를 찾 고자 한다.

raw-data

space image-data space

artifact removal

image noise removal

Figure 1 SAFIRE (sinogram affirmed iterative reconstruction)

Ⅱ. 대상 및 방법

1. 기간 및 대상

2014년 2~12월까지 간 역동적 CT (liver dynamic computed tomography; LDCT) 검사를 시행한 환자의 이미지를 대상으 로 하였다. 신체질량지수(Body Mass Index; BMI)가 18.5~

24인 환자 40명을 그룹 A와 B로 나누어 관전압만 변화시켜 실험하였다.

체질량지수  신장^

체중 ··· (1)

2. 사용기기

본 연구에 사용한 장비는 128-channal MDCT (multi detector CT, MDCT; Somatom Definition AS+, Siemens, Germany)를 사용하였고, 영상 재구성은 SAFIRE (Sinogram affirmed Iterative Reconstruction, Siemens, Germany) 를 적용하였다.

3. 검사방법

실험 대상 집단은 일반적으로 많이 적용되고 있는 관전압 120, SAFIRE strength 1을 적용한 A그룹과, 관전압 100으

로 설정하고 SAFIRE strength 0~5를 적용한 B그룹으로 나누었고 영상 평가는 A그룹을 기준으로 하였다. 이때 검사 부위에 대한 스캔은 Care dose 4D (dimension, D)를 사용 하였고, 촬영매개 변수는 Reference mAs 170, Beam Collimation 128×0.6 mm, Matrix size 512×512, Pitch 1.0, tube rotation time 0.5 sec, Slice thickness 3mm, Increment 3.0 mm, Algorithm I40f medium, Window Abdomen으로 하였다.

4. 영상 평가 1) 정량적 평가

두 그룹 각각의 동맥기 영상에서 간실질 조직(2.24 cm²), 대동맥(2.24 cm²), 복강동맥(0.21 cm²), 상장간막동맥(0.21 cm²), 내장지방(1.45 cm²), 백그라운드(10.14 cm²)에 관심 영역(Region of Interest; ROI)을 설정해 잡음(noise), CT number, 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio; SNR), 대 조도 대 잡음비(Contrast to Noise Ratio; CNR)를 측정 비

교하였다(Figure 2). (괄호안은 관심영역). SNR, CNR은 아 래의 식을 이용하여 산출하였다.

   ··· (2)

      (3)

2) 정성적 평가

정성적 평가는 15년 이상 판독 경력을 가진 영상의학과 전 문의 2명이 블라인드 테스트를 하였다. 관전압 120, SFIRE strength 2를 적용시킨 기존영상과 비교하여, 우수(3점), 보통(2점), 나쁨(1점), 아주 나쁨(0점)으로 평가하였다.

5. 선량 평가

검사 후 모니터에 나타나는 전체 DLP(dose length product) 와 동맥기의 CTDIvol(Volume Computed Tomography

Hepatic parenchymal, Back ground, Aorta Celiac trunk Superior mesenteric artery Figure 2 (a) ROI in the group A

Hepatic parenchymal, Back ground, Aorta Celiac trunk Superior mesenteric artery Figure 2 (b) ROI in the group B

Dose Index; CTDIvol)을 비교하였다(Figure 3). 그리고 전 체 DLP를 이용해 유효선량(effective dose)을 계산하였다.

유효선량은 DLP에 변환계수 0.015를 곱하였다 (Table 1)¹¹⁾.

Figure 3 Total DLP and CTDIvol of patient protocol

 

_

··· (4)

DLP=CTDIvol×scan length ··· (5)

Effective dose=DLP×conversion factor ··· (6)

Table 1 Conversion factor of Effective dose Anatomic Region conversion factor

Head 0.0021

Head & neck 0.0031

Neck 0.0059

Chest 0.014

Abdomen 0.015

Pelvis 0.015

Trunck 0.015

Ⅲ. 결 과

1. 영상의 질 비교 1) 정량적 평가 (1) Noise

그룹 B인 경우 SAFIRE strength가 올라감에 따라 노이 즈가 감소하였다. 그룹 A와 비교하여 대동맥, 간실질, 내장 지방, 백그라운드의 경우 strength 2와, 복강동맥, 상장간 막동맥의 경우 strength 3에서 노이즈 값이 비슷하였다. 전 체적으로 노이즈는 그룹 A와 B에서 SAFIRE strength 2와 3 사이 값과 유사하였다(Table 2).

(2) CT number

그룹 B일 때 그룹 A와 비교하여 증가하였다. Table 3에서 보 는 바와 같이 대동맥 26%, 복강동맥 22%, 상장간막동맥 21%로 증가하였다. 간실질 조직과 내장지방, 백그라운드는 표준편차 가 2미만으로 CT number의 변화가 거의 없었다(Table 3).

(3) SNR (signal to noise ratio)

그룹 B의 경우 SAFIRE strength가 올라갈수록 증가하였다.

Table 4에서 보는 바와 같이 대동맥, 복강동맥, 상장간막동맥 에서 가장 높았고, 간실질과 내장지방, 백그라운드 순으로 낮게 나타났다. 그룹 A와 비교하였을 때 대동맥 SAFIRE strength 0, 복강동맥과 상장간막동맥 strength 1, 간실질과 내장지방, 백그라운드 strength 2의 값과 가장 유사하였다(Table 4).

(4) CNR (contrast to noise ratio)

그룹 B의 경우 SAFIRE strength가 올라갈수록 증가하였

Noise Aorta Liver

parenchymal Back

ground Celiac

trunk SMA intra

abdominal fat

그룹 A 22.1 11.8 6.5 30.2 35.0 13.0

그룹 B-SA 0 27.0

(4.9) 15.7

(3.9) 8.8

(2.3) 39.7

(9.5) 44.5

(9.5) 17.1

(4.1)

그룹 B-SA 1 24.0

(1.9) 13.9

(2.1) 7.9

(1.4) 35.9

(5.7) 41.0

(6.0) 15.4

(2.4)

그룹 B-SA 2 21.1

(1.0) 12.3

(0.5) 6.9

(0.4) 34.0

(3.8) 37.8

(2.8) 13.7

(0.7)

그룹 B-SA 3 18.8

(3.3) 10.7

(1.1) 6.0

(0.5) 31.4

(1.2) 35.5

(0.5) 12.1

(0.9)

그룹 B-SA 4 16.3

(5.8) 9.2

(2.6) 5.0

(1.5) 27.9

(2.3) 32.5

(2.5) 10.5

(2.5)

그룹 B-SA 5 13.8

(8.3) 7.6

(4.2) 4.0

(2.5) 24.0

(6.2) 29.0

(6.0) 8.9

(4.1) Table 2 Noise per group per ROI (괄호안은 그룹 A와의 차이)

다. Table 5에서 보는 바와 같이 관전압이 높을 경우 대동맥 SAFIRE strength 0, 복강동맥 strength 1, 상장간막동맥, 간실질, 백그라운드 strength 2의 값과 가장 유사하였고, 내장지방은 0이었다. 이와 같은 결과를 바탕으로 그룹 B에

서 가장 우수한 영상은 노이즈가 낮고 SNR, CNR이 높은 SAFIRE strength 5 영상이었다. 그러나 IR 기법의 단계를 높게 적용할수록 영상의 왜곡이 심하기 때문에¹²⁾ 전문가의 평가가 필요하다(Table 5).

CNR Aorta Liver

parenchymal Back ground Celiac

trunk SMA intra

abdominal fat

그룹 A 19.9 15.4 -142.3 14.1 13.1 0.0

그룹 B-SA 0 19.5

(0.4) 12.2

(3.2) -105.3

(37.0) 12.2

(1.9) 11.1

(2.0) 0.0

그룹 B-SA 1 21.9

(2.0) 13.7

(1.7) -117.6

(24.7) 13.7

(0.4) 12.1

(1.0) 0.0

그룹 B-SA 2 25.0

(5.1) 15.6

(0.2) -134.5

(7.8) 14.7

(0.6) 13.2

(0.1) 0.0

그룹 B-SA 3 28.4

(8.5) 18.0

(2.6) -155.6

(13.3) 16.3

(2.2) 14.4

(1.3) 0.0

그룹 B-SA 4 32.6

(12.7) 20.8

(5.4) -186.5

(44.2) 18.6

(4.5) 15.9

(2.8) 0.0

그룹 B-SA 5 39.1

(19.2) 25.3

(9.9) -232.2

(89.9) 22.5

(8.4) 18.8

(5.6) 0.0

Table 5 CNR (contrast to noise ratio) per group per ROI (괄호안은 그룹 A와의 차이)

SNR Aorta Liver

parenchymal Back ground Celiac

trunk SMA intra

abdominal fat

그룹 A 15.1 6.7 -158.1 10.5 9.9 -7.9

그룹 B-SA 0 15.4

(0.3) 5.2

(1.5) -117.6

(40.5) 9.4

(1.1) 8.6

(1.3) -6.4

(1.5)

그룹 B-SA 1 17.2

(2.1) 5.9

(0.8) -131.3

(26.8) 10.6

(0.1) 9.4

(0.5) -7.1

(0.8)

그룹 B-SA 2 19.7

(4.6) 6.7

(0.0) -150.3

(7.8) 11.4

(0.9) 10.3

(0.4) -8.0

(0.1)

그룹 B-SA 3 22.4

(7.3) 7.8

(1.1) -173.8

(15.7) 12.6

(2.1) 11.2

(1.3) -9.1

(1.2)

그룹 B-SA 4 25.7

(10.6) 9.0

(2.3) -208.3

(50.2) 14.4

(3.9) 12.4

(2.5) -10.4

(2.5)

그룹 B-SA 5 30.8

(15.7) 10.9

(4.2) -259.4

(101.3) 17.4

(6.9) 14.6

(4.7) -12.4

(4.5) Table 4 SNR (signal to noise ratio) per group per ROI (괄호안은 그룹 A와의 차이)

CT number Aorta

(29.7)

Liver parenchymal

(0.9)

Back ground (0.2)

Celiac trunk (26.1)

SMA (25.4)

intra abdominal fat

(1.9)

그룹 A 313.2 75.7 -998.6 295.0 301.6 -99.9

그룹 B-SA 0 395.6 78.0 -998.9 360.6 366.0 -105.4

그룹 B-SA 1 396.4 78.3 -998.7 366.9 369.1 -105.5

그룹 B-SA 2 397.7 78.2 -998.5 368.4 371.9 -105.5

그룹 B-SA 3 398.5 78.5 -998.5 369.1 374.0 -105.5

그룹 B-SA 4 399.0 78.6 -998.3 372.6 376.6 -105.0

그룹 B-SA 5 399.8 78.5 -998.1 373.9 380.5 -105.3

Table 3 CT number per group per ROI (괄호안은 표준편차)

2) 정성적 평가

정성적 평가는 SAFIRE strength 2를 적용한 영상이 93점 으로 가장 높았다. 보통이라는 의견이 가장 많았고, 나쁨은 나오지 않았다. SAFIRE strength 1 평가 자료는 우수하다는 의견이 14로 많았지만, 나쁘다는 의견도 9였다(Figure 4).

2. 선량 비교

그룹 B에서 전체 DLP와 유효선량은 21.7%, CTDIvol은 18% 감소하였다 (Figure 5).

0 5 10 15 20 25 30 35

SA0

SA1

SA2

SA3

SA4

SA5

0점 1점 2점 3점

0 24 48 72 96 120

SA0 SA1 SA2 SA3 SA4 SA5

Total score

Figure 4 Qualitative evaluation (a) Score of SAFIRE step, (b) Total score of SAFIRE step

0 1 2 3 4 5 6 7 8 CTDIvol

5.5

6.7 120 kVp

100 kVp

0 1000 2000

Total DLP

1003.3 1281.2

120 kVp 100 kVp

0 5 10 15 20 25 Effective dose

15

19.2 120 kVp

100 kVp

Figure 5 Dose comparison (a) CTDIvol, (b) Total DLP, (c) Effective dose

Ⅳ. 고 찰

일반적으로 관전압을 120으로 촬영하던 LDCT 검사를 100 으로 줄이고, SAFIRE를 적용해 영상의 질 변화 없이 방사선 량을 감소시킬 수 있는 방법을 알아보고자 하였다. National council on Radiation protection and Measurements의 보 고에 의하면 1980년대 초 의료용 방사선 피폭은 미국 국민 1인당 0.53 mSv에서 2006년 3.0 mSv로 5배 이상 증가하 였다¹³⁾. 건강보험 심사 평가원에 따르면 복부 CT검사의 횟 수가 2009년 6,592 건에서 2013년 10,657 건으로 60% 이 상 증가하였다. 간세포 암은 우리나라에서 생기는 원발성 악성 간 종양 중 빈도수가 가장 높다¹⁴⁾. 그 외 간 혈관종, 농 양, 전이암, 석회화, 출혈 등 다양한 병변이 있다. 이들은 조 영증강의 양상에 따라 진단을 하기 때문에 동맥기(atery phase), 문맥기(portal phase), 이완기(delay phase)의 multi phase scan을 한다. 특히, 간암, 만성 간질환이나 간 염 보균자 등의 환자들은 6개월이나 1년에 한 번씩 주기적 (a)

(b)

(a)

(b)

(c)

으로 CT검사를 하게 된다. 따라서 이들이 CT 검사로부터 받는 방사선량을 무시 할 수 없다. 이러한 추적검사를 하는 만성 간질환, 조기위암, 자궁암 환자들을 대상으로 방사선 량을 줄이려는 연구가 시도되었다. 조영 증강 전 스캔을 하 지 않고, 관전압을 낮추고, 영상 잡음 지수를 높여 방사선량 을 줄였다. 그러나 영상잡음이 악화되고, SNR 및 CNR이 유의하게 악화된 결과를 보였다¹⁵⁾. 또한 BMI에 따라 관전압 을 줄여 방사선 피폭을 줄이고자 한 연구에서는 선량은 줄 어든 것을 확인 할 수 있었다. 하지만 노이즈가 증가하고 SNR이 감소하였다. 영상의 질 평가에서도 관전압을 줄였을 때 더 낮은 점수를 받았다¹⁶⁾.

본 연구의 경우 노이즈 감소와 SNR, CNR의 증가로 영상 의 질 변화 없이, 방사선량도 20% 이상 감소시킬 수 있었 다. 그러나 연구의 제한점은 BMI가 높지 않은 환자를 대상 으로 관전압을 고정하고 관전류는 AEC기법을 적용하여 LDCT 검사를 진행하였기 때문에 향후 BMI가 높은 환자에 대한 추가적인 연구가 진행되어야 할 것으로 판단된다.

Ⅴ. 결 론

그룹 B에서 SAFIRE strength 2를 적용하면, 방사선량은 20% 이상 감소하면서, 기존의 그룹 A를 적용시킨 영상과 유사한 영상을 얻을 수 있었다.

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∙Abstract

Improved Image Quality and Radiation Dose Reduction in Liver Dynamic CT Scan with the Protocol Change

Yu-Jin Cho･Pyong-Kon Cho

Radiological Science, Catholic University of Daegu

The purpose is reducing radiation dose while maintaining of image quality in liver dynamic CT(LDCT) scan, by protocols generally used and the tube voltage set at a low level protocol compared to the radia- tion dose and image quality.

The target is body mass index, 18.5~24 patients out of 40 patients who underwent the ACT(abdominal CT). Group A(tube voltage : 120kVp, SAFIRE strength 1) of 20 people among 40 people, to apply the general abdominal CT scan protocol, group B(tube voltage : 100kVp, apply SAFIRE strength 0~5) was 20 people, set a lower tube voltage. Image quality evaluation was setting a region of interest(ROI) in the liv- er parenchyma, aorta, superior mesenteric artery (SMA), celiac trunk, visceral fat of arterial phase. In the ROI were compared by measuring the noise, signal to noise ratio(SNR), contrast to noise ratio(CNR), CT number. In addition, qualitative assessments to evaluate two people in the rich professional experience in Radiology by 0-3 points. We compared the total radiation dose, dose length product(DLP) and effective dose, volume computed tomography dose index(CTDIvol).

The higher SAFIRE in the tube voltage 100 kVp, noise is reduced, CT number was increased. Thus, SNR and CNR was increased higher the SAFIRE step. Compared with the tube voltage 120kVp, noise, SNR, CNR was most similar in SAFIRE strength 2 and 3. Qualitative assessment SAFIRE strength 2 is the most common SAFIRE strength 2 the most common qualitative assessment, if the tube voltage of 100kVp when the quality of the images better evaluated was SAFIRE strength 1. Dose was reduced from 21.69%, in 100kVp than 120kVp.

In the case of a relatively high BMI is not LDCT scan, When it is shipped from the factory tube volt- age is set higher, unnecessary radiation exposure when considering the reality that is concerned, when ac- cording to the results of this study, set a lower tube voltage and adjust the SAFIRE strength to 1 or 2, the radiation without compromising image quality amount also is thought to be able to be reduced.

Key Words : Liver dynamic computed tomography, SAFIRE, body mass index, image quality, radiation dose