Ⅰ.서 론

2016년 미국 암 학회(American Cancer Society; ASC) 에서 보고한 자료에 따르면 유방암은 여성의 암 발생률 1위 를 기록하고 있다[Fig. 1], [1]. 유방암의 발병률은 계속해서 증가하고 있지만 발병률 대비 완치율이 상대적으로 높기 때 문에 유방암의 조기 검진이 중요하게 대두되고 있다. 유방 암의 검진에는 유방촬영술이 대표적이다. 그렇지만 일반적 인 유방촬영술은 병변에 대한 악성 또는 양성 여부의 구분 이 불가능하기 때문에 진단의 정확도를 저하시킨다. 기존의 이중에너지 유방촬영은 두 번의 X선 조사를 통해 대상 물질 을 배경 물질로부터 분리하여 나타낼 수 있지만 피사체의 방사선 피폭선량을 증가시킬 뿐만 아니라 에너지 정보의 간 섭현상에 의해 물질 분리의 정확도를 감소시키며, 이는 진 단율의 감소로 이어진다[2]. 이중에너지 정보를 이용한 일 반적인 영상 감산법의 경우 시행 방법이 간단하지만 감약 정도의 차이가 작은 물질에 대해서 물질분리 영상 화질을 저하시키는 단점이 있다[3]. 따라서 병변의 악성 또는 양성 여부의 정확한 확인을 위해 조직검사와 같은 추가적인 검사 가 필요하다.

광자계수검출기는 일반적인 X선 검출기와는 달리 입사되 는 광자의 에너지를 구별할 수 있으며, cadmium zinc telluride (CZT), cadmium telluride (CdTe)와 같이 원자 번호가 높은 물질을 기반으로 하기 때문에 일반적인 검출기 보다 X선 검출효율이 높다. 또한 문턱값 설정으로 한번의 X 선 조사만으로 에너지 간섭현상이 없는 다중에너지 정보를 획득할 수 있다. 따라서 유방과 같이 방사선에 대해 생물학 적 위해도가 높은 조직에 대하여 광자계수검출기 기반 이중 에너지 스펙트럼 X선 영상화 방법 적용 시 피폭선량을 감소 시킬 뿐만 아니라 영상의 화질을 향상시킬 수 있기 때문에 유방촬영 및 이중에너지 기법 구현을 위한 광자계수검출기 의 연구가 활발히 이루어지고 있다[4-8].

본 연구에서는 광자계수검출기 기반 이중에너지 스펙트 럼 유방촬영에서 물질의 감약 차이를 기반으로 하는 가중함 수를 영상 감산법에 적용하여 물질분리의 정확도를 향상시 키고자 하였다. 또한 본 연구에서 제안하는 방법을 일반적 인 유방촬영에서 구별하기 어려운 악성종양과 양성종양을 대상으로 시행하였고, 이를 통해 추가적인 검사 없이 진단 의 정확도를 높이고자 하였다.

Ⅱ.대상 및 방법

1.가중함수 적용 이중에너지 영상 감산법

일반적인 이중에너지 영상 감산법은 물질의 감약 계수에 의한 X선 강도 차이를 이용한 것으로, 식 1과 같이 표현할 수 있다[9].

여기서 I_L, I_H 은 각각 물질을 투과한 저에너지 및 고에너 지 X-선 강도이며, I_S는 감산된 X-선 강도이다. 일반적인 이중에너지 영상 감산법을 이용하여 획득한 영상의 경우 감 약 차이가 작은 물질에 대해서는 분리효과가 미미하고 특정 물질에 대한 감산 영상을 획득하기 어려운 단점이 있다. 따 라서 본 연구에서는 물질분리의 정확도를 향상시키고, 특정 물질에 대한 감산 영상 획득을 가능하게 하는 가중 함수를 계산하였다. 가중 함수를 적용한 이중에너지 영상 감산법은 식 2와 같이 나타낼 수 있다.

여기서 W_L와 W_H은 각각 물질을 투과한 저에너지 및 고에너지 X선 강도에 대한 가중함수이며, I S W 는 가중 감산 된 X선 강도이다.

[Fig. 2]와 같은 조건에서 3가지 서로 다른 물질을 투과 한 X선 강도, I E 1 , I E 2 , I E 3 은 식 3, 4, 5와 같이 각각 나타낼 수 있다[10].

여기서 μ E 1 , μ E 2 및 μ E 3 은 에너지 E에 대한 각 물질의 선 감약계수를 나타내고, t¹, t² 및 t³는 각 물질의 두께를 나 타낸다. 세 가지 물질 중 배경물질을 포함한 두 가지 물질에 대해 감산된 X선의 강도가 동일하다면 나머지 물질을 통과 한 감산된 X선 강도의 대조도는 상대적으로 증가한다. 특정 물질의 대조도를 향상시키기 위한 영상 감산법의 조건은 식 2를 이용하여 아래와 같이 나타낼 수 있다.

식 6에 식 3과 4를 대입하여 가중함수에 대해 정리하면 아래와 같다.

따라서 식 7을 만족시키는 가중 함수를 계산함으로써 특 정 물질에 대한 대조도를 상대적으로 향상시킬 수 있고, 감 약 차이가 작은 물질에 대해서 물질분리의 정확도를 향상시 킬 수 있다.

2.Monte Carlo simulation

본 연구에서는 Geant4 Application for Tomographic Emission (GATE) version 6.0을 이용하여 광자계수검출기 기반 유방촬영 시스템을 모사하였다[11]. 초점-검출기간거 리는(FDD) 650 mm으로 설정하였다. 검출기는 eⅤaluator -3500(eⅤ p roducts, U SA)을 모델로 하였고 , cadmium zinc telluride(CZT) 물질로 구성되어 있으며, 128×0.5 mm²의 크기, 3 mm의 두께, 0.5×0.5 mm²의 픽셀 크기를 갖는다. 본 연구에서는 제안된 이중에너지 가중 영상 감산 법의 가능성을 평가하기 위해 검출기 자체의 펄스중첩과 전 하공유는 고려하지 않았다. 팬텀은 50% 유선조직과 50% 지 방질로 구성된 지름 100 mm, 두께 40 mm의 유방조직을 반 원형태로 모사하였으며, 내부에 악성종양과 양성종양을 지 름 15mm, 두께 5 mm의 크기로 포함시켰다[Fig. 3]. 유방 의 악성종양은 대부분 미세석회화물질인 수산화인회석 (Ca₅(OH)(PO₄)₃)으로 이루어져있고, 양성종양은 대부분 칼 슘 침전물인 옥살산칼슘(CaC₂O₄)으로 이루어져 있기 때문 에 두 종양의 밀도는 각 성분의 밀도인 3.15 g/cm³ 및 2.11 g/cm³로 설정하였다[12,13].

3.영상획득조건 및 정량적 평가

본 연구에서는 연속 에너지 X선 스펙트럼을 모사하기 위 해 SRS-78 프로그램을 이용하였다[14]. 텅스텐 양극, 관전 압 44 kⅤp, 관전류량 700 μAs 및 8 mm 알루미늄 부가필터 를 사용하여 0.5 keⅤ 단위로 0-44 keⅤ 범위의 X선 스펙트 럼을 모사하였고[Fig. 4], 전체 X선 스펙트럼을 이용하여 일반적인 유방영상을 획득하였다. 광자계수기반 이중에너 지 유방영상을 획득하기 위하여 두 개의 에너지 창을 설정 하였다. 이중에너지 영상화 기법은 물질의 선감약계수 차이 를 최대화 하여 분리 정확도를 향상시키는 방법이다[15]. 따 라서 본 연구에서는 X선 에너지에 따른 악성종양과 양성종 양의 선감약계수 차이를 기반으로 에너지 창을 설정하였고, 선감약계수의 차이가 가장 큰 영역을 저에너지영역으로, 선 감약계수의 차이가 가장 작은 영역을 고에너지 영역으로 설 정하였다. 또한 전기적 잡음을 최소화하기 위해 저에너지 창의 최소에너지 문턱값을 20 keⅤ로 설정하였으며[16], 저 에너지 창 및 고에너지 창에서 입자광자수의 차이를 최소화 하기 위해 저에너지 창의 에너지범위는 20-24 keⅤ, 고에너 지 창의 에너지범위는 40-44 keⅤ로 설정하였다[Fig. 5]. 저에너지 창과 고에너지 창에서의 입자 광자 수는 각각 약 2 × 10⁷ Bq 및 1 × 10⁸ Bq으로 이중에너지 기법에 사용된 에너지 범위의 입사 광자 수는 전체 스펙트럼 광자수의 0.13%이다. 본 연구에서 영상획득을 위해 사용한 조건을 <Table 1>에 정리하였다. 식 7을 통해 획득한 가중 함수를 식 2에 대입하여 영상을 획득하였으며, 일반적인 이중에너 지 영상 감산법과의 비교를 위해 식 1을 통하여 영상을 획득 하였다.

일반적인 유방촬영법, 이중에너지 영상 감산법 및 이중에 너지 가중 영상 감산법의 물질 분리 정도를 평가하기 위해 각 영역별로 5개의 5 × 5 mm²의 관심영역을 설정하여 대조 도, 대조도 대 잡음비, 잡음 및 각 영역의 95% 신뢰구간을 측정하였다. 배경물질인 유방조직에 대해 목적 물질인 악성 종양과, 목적 외 물질인 양성종양의 대조도와 대조도 대 잡 음비를 측정하였으며, 대조도 및 대조도 대 잡음비는 각각 다음 식 8, 식 9와 같이 계산할 수 있다[17,18].

S_BKG 및 σ_BKG는 각각 유선조직 신호의 평균값과 표준 편차값을 나타내며, S_ROI 및 σ_ROI는 악성종양 또는 양성종 양 신호의 평균값과 표준편차를 나타낸다. 두 물질 사이에 서의 상대적인 대조도 및 대조도 대 잡음비의 차이가 클수 록 물질분리의 정확도가 향상되었다는 것을 의미한다. 각 평가에 대한 95% 신뢰구간은 다음 식 10과 같이 계산할 수 있다[19].(식 10)

X와 σ는 관심영역의 평균 및 표준편차이며, n은 표본 의 개수로 본 연구에서는 관심영역의 개수인 5개를 의미한 다. 95% 신뢰구간은 신뢰구간 내에 값이 존재할 확률이 95%라는 것으로, 신뢰구간이 좁을수록 각 관심영역 측정값 사이의 오차가 작다는 것을 의미하며 측정값의 신뢰성이 증 가한다는 것을 의미한다.

Ⅲ.결 과

1.가중함수를 이용한 영상 차감법의 확인

[Fig. 6]은 각각 저에너지, 고에너지 영상 및 일반적인 유 방촬영법, 일반적인 이중에너지 영상 감산법, 이중에너지 가중 영상 감산법을 이용하여 획득한 영상을 보여준다. [Fig 6]의 (c)의 경우 전체 스펙트럼으로 획득한 영상이며, (d)의 경우 식 1에 의해 단순히 (b)에서 (a)을 차감한 영상을 의미 하며, (e)의 경우 (a)과 (b)의 유방조직 및 양성종양의 영상 농도값을 통해 식 7을 만족하는 가중함수를 구한 후, 가중함 수를 적용하여 식 2에 의해 차감된 영상을 의미한다. 본 연 구에서 가중함수를 적용하여 식 7을 다시 표현하면 식 11과 같다. 또한 식 11을 통해 저에너지와 고에너지에서의 가중 함수는 각각 5.237 및 1로 설정하였다. [Fig. 6]의 (c)와 (d) 는 악성종양과 양성종양의 대조도 차이가 비슷하여 상호간 의 구분이 어려운 것을 확인할 수 있다. 반면 [Fig. 6] (e)의 경우 양성종양의 신호가 배경물질의 신호와 유사한 결과를 확인할 수 있고, 그 결과, 상대적으로 악성종양의 신호가 강 조된 것을 확인할 수 있다.

2.데이터 분석 결과

[Fig. 7]은 일반적인 유방촬영법, 이중에너지 영상 감산 법, 이중에너지 가중 영상 감산법을 이용하여 획득한 영상 의 대조도, 잡음, 대조도 대 잡음비의 측정 및 신뢰구간의 결과를 보여준다. 본 연구에서 제안하는 이중에너지 가중 영상 감산법을 시행하였을 경우 악성종양의 대조도는 일반 적인 유방촬영과 이중에너지 영상 감산법에 비해 각각 0.98, 1.06 배로 목적물질의 대조도는 크게 변동이 없는 것 을 볼 수 있다. 또한 일반적인 유방촬영과 이중에너지 영상 감산법의 양성종양 대비 악성종양의 대조도는 각각 1.44 및 1.88 배로 두 종양의 대조도 차이가 크지 않아 영상만으로 두 종양을 특성을 확인하기에는 한계점이 있는 데에 반해 이중에너지 가중 영상 감산법의 양성종양 대비 악성종양 대 조도의 경우 13.54 배로 기존의 방법들에 비해 양성종양에 대한 악성종양의 상대적인 대조도가 크게 향상된 것을 확인 할 수 있다. 반면 이중에너지 영상 감산법 및 가중 영상 감 산법을 시행하였을 때 영상 잡음이 증가하는 결과를 확인하 였다. 일반적인 유방촬영법, 이중에너지 영상 감산법, 이중 에너지 가중 영상 감산법에 대한 평균 잡음은 각각 약 0.1, 0.5 및 0.7로 측정되었다. 대조도 대 잡음비의 경우 일반적 인 유방촬영, 이중에너지 영상 감산법, 이중에너지 가중 영 상 감산법으로 갈수록 악성종양의 대조도 대 잡음비는 감소 하고 있지만 양성종양대비 악성종양의 상대적인 대조도 대 잡음비는 대조도의 추세와 비슷하게 일반적인 유방촬영과 이중에너지 영상 감산법의 양성종양 대비 악성종양의 대조 도 대 잡음비가 각각 1.43 및 1.90 배를 보이고 있는 데에 반해 이중에너지 가중 영상 감산법의 양성종양 대비 악성종 양의 대조도 대 잡음비는 12.74 배로 상대적인 대조도 대 잡 음비 역시 큰 폭으로 증가한 것을 볼 수 있다. 대조도에서 95% 신뢰구간은 이중에너지 영상 감산법이 일반적인 유방 촬영보다 넓은 신뢰구간을 보이고 있지만 평균 0.02 의 신 뢰구간으로 비교적 유의한 결과를 보이고 있는 반면 가중 영상 감산법의 경우 악성종양과 양성종양에서 각각 0.17 및 0.05 의 넓어진 신뢰구간을 보이고 있다. 또한 잡음의 95% 신뢰구간은 잡음의 증가 추이와 마찬가지로 전 영역에서 가 중 영상 감산법으로 갈수록 신뢰구간이 넓어지는 것을 볼 수 있으며 일반적인 유방촬영법, 이중에너지 영상 감산법, 이중에너지 가중 영상 감산법에 대한 평균 신뢰구간은 각각 약 0.06, 0.26 및 0.34이다. 각 영역에서 대조도 대 잡음비 의 95% 신뢰구간은 평균 2 로 비슷한 신뢰구간을 보이고 있 다.

Ⅳ.고 찰

본 연구에서는 광자계수검출기를 사용하여 이중에너지 스펙트럼 유방촬영을 위한 가중 영상 감산법을 제안하였다. 또한 일반적인 유방촬영법과 이중에너지 영상 감산법과의 비교를 위해 물질분리의 정확성을 평가하였다. 광자계수검 출기를 이용하여 단 한번의 X선 조사를 통해 이중에너지 유 방촬영술이 가능하다는 결과를 확인하였고, X선 조사횟수 감소로 기존의 일반적인 이중에너지 유방촬영술에 비해 선 량을 감소시킬 수 있음을 간접적으로 확인할 수 있다[6]. 일 반적인 유방촬영 및 기존의 이중에너지 감산법을 적용한 영 상에서는 낮은 대조도 차이로 인해 목적 물질과 목적 외 물 질의 구별이 어려우며, 악성 또는 양성 여부와 같은 병변의 특성을 육안으로 확인하기 어렵다[3]. 그에 반해 본 연구에 서 제안한 가중함수 적용 이중에너지 감산법 영상에서는 가 중을 통한 감산에 의해 목적 외 물질의 신호가 배경 물질의 신호와 유사해지면서 목적 물질의 상대적 대조도가 향상된 결과를 확인할 수 있다. 정량적 분석 결과 일반적인 유방촬 영법, 이중에너지 영상 감산법, 이중에너지 가중 영상 감산 법을 적용한 영상에서 목적 물질의 대조도는 큰 변함이 없 는 반면 이중에너지 영상 감산법 및 가중 영상 감산법에서 목적 외 물질의 대조도가 감소하였다. 특히 이중에너지 가 중 영상 감산법에서 그 감소 정도가 상대적으로 크기 때문 에 본 연구에서 제안한 방법 시행 시 물질 분리의 정확도를 향상시킬 수 있다. 본 연구에서는 서로 다른 에너지별 영상 을 조합하여 물질 분리 효과를 획득하는 것에 중점을 두고 있기 때문에 각 에너지별 영상 화질의 정량적 평가는 생략 하였다. 하지만 [Fig. 6]을 통해 각 에너지별 영상의 대조도 및 잡음을 간접적으로 확인할 수 있으며 기존 연구 결과를 통해 에너지 영역에 따른 영상 화질의 변화를 예상할 수 있 다[20].

일반적인 유방촬영법에 비해 이중에너지 영상 감산법 및 가중 영상 감산법에서 잡음이 증가한 결과를 확인할 수 있 는데 이는 감산 과정에서 유발된 통계적 잡음 증가의 결과 이며, 감산된 영상은 원본영상에 비해 광자의 수가 감소하 게 되며 잡음의 증가로 이어지기 때문이다. 가중 영상 감산 법의 경우 가중함수만큼 더 감산이 되기 때문에 일반적인 이중에너지 영상 감산법보다 잡음이 증가하게 된다. 영상 잡음의 경우 중간값 필터, 가우시안 필터, 저역통과 필터와 같은 노이즈 스무딩 필터를 포함한 후처리 기법 적용을 통 해 감소시킬 수 있다. 그렇지만 필터를 사용할 경우 영상의 잡음은 감소하지만 영상의 공간분해능은 떨어진다는 단점 이 있다. 대조도 대 잡음비는 잡음을 고려한 값이기 때문에 일반적인 유방촬영, 이중에너지 영상 감산법 및 가중 영상 감산법으로 갈수록 값이 감소하고 있는 것을 볼 수 있다. 그 렇지만 잡음을 고려한 값임에도 불구하고 대조도의 결과와 마찬가지로 이중에너지 가중 영상 감산법에서 두 종양의 상 대적인 대조도 대 잡음비가 크게 향상된 것을 볼 수 있다. 이와 같은 결과는 유방에서 발생하는 악성종양에 대한 진단 정확도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 종양의 분포상태 및 추가검사 빈도의 감소를 가능하게 할 수 있다. 신뢰구간 의 경우 각 관심영역 측정값 사이의 오차가 작다는 것 즉 표 준편차가 작다는 것을 의미하며, 본 연구에서 대조도와 잡 음의 신뢰구간 결과 일반적인 유방촬영, 이중에너지 영상 감산법 및 가중 영상 감산법으로 갈수록 신뢰구간이 넓어지 는 것을 볼 수 있는데 이는 잡음 증가의 원인과 같이 감산과 정에서 유발된 수학적 오차의 증가 결과이며 광자수를 높여 서 표준편차를 감소시키거나, 모집단 수 즉 관심영역의 수 를 증가시키면 신뢰구간을 좁힐 수 있다.

수산화인회석의 검출을 위해 Ⅴ Koukou et al.[9]가 제시 한 기존의 이중에너지 가중 영상 감산법의 경우 가중함수를 임의로 결정하며, 0부터 1사이의 가중값을 적용하기 때문에 물질분리의 최적화를 위한 가중함수의 결정에 한계점이 있 으며, 이중에너지 가중 영상 감산법에서 선량에 따른 수산 화인회석의 두께별 대조도 대 잡음비 결과로부터 계산된 상 대적인 대조도 대 잡음비의 경우 평균 6.11 의 값을 보이며 본 연구에서 제시하는 이중에너지 가중 영상 감산법의 상대 적인 대조도 대 잡음비인 12.74 보다 낮은 결과값을 보이는 것을 볼 수 있다. 따라서 본 연구에서 제시하는 이중에너지 가중 영상 감산법의 경우 영상 농도값을 기반으로 가중함수 를 직접 추출하여 적용하기 때문에 가중함수를 임의로 적용 하는 기존의 이중에너지 가중 영상 감산법보다 물질분리의 정도가 향상된 것을 알 수 있다.

본 연구에서는 이중에너지 가중 영상 감산법의 실현성을 확인하기 위해 광자계수검출기의 단점인 펄스중첩과 전하 공유는 고려하지 않았다. 펄스중첩과 전하공유는 검출기에 서 측정되는 X선 에너지 스펙트럼의 정확도를 감소시키기 때문에 본 연구 결과에 대조도 감소와 같은 영향을 미칠 수 있을 것이다. 또한 펄스중첩과 전하공유를 감안하여 목적 물질의 대조도가 감소하더라도 이중에너지 가중 영상 감산 법에서 목적 외 물질의 대조도는 여전히 0에 가깝기 때문에 두 종양의 상대적인 대조도는 일반적인 유방촬영법이나 일 반적인 이중에너지 영상 감산법에 비해 향상된 수치를 보여 줄 것이라고 예상된다. 하지만 이 두 현상은 분석적 모델 및 pixel binning을 통해 보정 가능하며, 추후 연구에 적용하 여 본 연구에서 제안한 방법의 신뢰성을 더욱 향상시킬 것 이다[21]. 그렇지만 본 연구의 경우 팬텀을 이용한 시뮬레이 션 결과이기 때문에 실제 임상에서 적용 시 결과 값의 양상 이 다르게 나타날 수 있으며, 이중에너지 가중 영상 감산법 의 경우 가중함수를 구하기 위해 직접 영상에서의 농도값을 구해야 한다는 한계점이 있다. 또한 고밀도 유방조직의 경 우 종양의 대조도 저하로 판독 민감도가 저하되기 때문에 다양한 밀도 및 구성을 갖는 유방조직에 대하여 이중에너지 가중 영상 감산법을 적용할 필요성이 있다고 사료된다.

Ⅴ.결 론

유방암 발생의 증가 추세 및 유방조직의 방사선 고민감도 를 고려하였을 때 유방촬영을 통한 병변의 조기검진과 피폭 선량 감소는 모두 중요하다. 본 연구에서는 유방팬텀을 이 용하여 이중에너지 스펙트럼 유방촬영 시 악성종양에 대한 진단 정확도 향상 및 선량 감소를 위해 광자계수검출기 기 반 이중에너지 가중 영상 감산법을 제안하였다. 연구 결과 목적 외 물질의 대조도 감소로 인해 목적 물질의 상대적 대 조도 및 대조도 대 잡음비가 증가되었으며, 물질 분리의 정 확도 역시 향상되었다. 또한 한번의 X선 조사를 통해 이중 에너지 영상을 구현함으로써 피폭선량 역시 감소시킬 수 있 다. 따라서 본 연구에서 제안하는 방법은 악성종양과 같은 목적 물질에 대한 영상을 간접적으로 획득할 수 있는 방법 이며, 유방촬영술에 적용 시 일반적인 유방촬영영상과 일반 적인 이중에너지 감산 영상에서는 구분할 수 없는 악성종양 과 양성종양을 구분함으로써 물질분리의 정확도를 향상시 킬 수 있는 방법이다. 또한 두 종양의 구분을 통해 일반적인 유방촬영에서 종양의 특성을 알기 위해 시행되는 조직검사 와 같은 추가검사의 빈도를 줄일 수 있다는 데에 의의가 있 다. 가중함수를 이용한 이중에너지 영상 차감법은 광자계수 검출기 기반 유방촬영법 개발을 위한 기초자료로 활용될 수 있으며, 유방암의 조기검진 및 여성 보건 증진에 기여할 수 있을 것이다.