Ⅰ.서 론

디지털 방사선(digital radiography; DR) 시스템은 Computed Radiography (CR)과 picture archiving and communication system (PACS)의 개발로 빠르게 발전되 게 되어왔으며[1], 국내 의료기관 중 80%이상에서 이러한 디지털 방사선 시스템이 사용되고 있다[2].

CR은 1983년 처음 상용화되어 DR 시스템 중에서 가장 먼저 개발이 되었다[1]. CR은 photo stimulated phospor (PSP)를 Image plate (IP)로 사용하는 장치이다. IP에 피사체를 투과한 X선이 조사되면 잠상(latent image)이 형성되게 된다. IP에 형성된 잠상은 레이저 스캔을 통하여 디지털 신호로 변화 후 영상으로 획득되어진다. 하지만 CR은 필름-증감지 방사선검 사에 비하여 낮은 양자 검출효율로 인하여 필름 시스템보다 낮은 영상의 질을 나타내는 문제점을 가지고 있다[3].

전하결합소자(charged coupled device; CCD) DR 시스 템은 영상수용체(Image receptor; IR)로 CCD를 사용하는 장치이며, 1990년대 초에 개발되었다. 43×43 cm²에 이르 는 Filed of view (FOV)를 2.5×2.5 cm² 혹은 4.0×4.0 cm² 의 작은 CCD에 영상을 모아 표현하기 때문에 광학렌즈를 사용하게 되고, 이로 인하여 빛의 손실이 불가피하게 발생 되지만 설치와 경제적 이유로 널리 사용되고 있다[4].

평판형검출기(flat panel detector; FPD)를 이용한 DR 시스템은 1990년대 중반에 개발되었다. FPD는 크게 두 가 지로 나누어진다. 그 첫 번째가 직접방식(direct type) FPD 로 X선에 반응하는 광전도체에 Se이 덮여있는 Thin film transistor (TFT)를 사용하여 X선 신호를 전기신호로 바꾸 어 주는 장치로 높은 해상도를 나타낸다[5]. 두 번째는 간접 방식(indirect type) FPD로 CsI(Tl)같은 형광체를 TFT위에 덮은 것으로 X선 신호를 빛 신호로 바꾸어 디지털 신호를 획득하는 방식이며 높은 에너지 흡수로 기인해서 높은 양자 검출효율을 나타낸다[6-9].

이와 같이 DR 시스템은 서로 다른 세 가지 유형이 가장 널리 사용되고 있다. 그렇지만 이러한 DR 시스템 장치를 서로 비교할 수 있는 데이터가 많지 않다. 이에 본 저자들은 국제전자 기술위원회(International Electrotechnical Commission; IEC)에서 제시한 IEC 62220-1의 평가 방법을 이용하여 DR 시스템 장비의 영상 품질을 분석하고자 본 실험을 실시하였다. 각 장비마다의 동일한 실험을 실시하여 영상 특성을 비교, 분석하여 최적의 검사가 이루어 질 수 있도록 자료를 제공하는 것이 본 연구를 실시한 목적이다.

Ⅱ.실험 도구 및 방법

1.실험도구

본 실험에 사용된 방사선 발생장치는 인버터 방식의 방사선 발생장치(AccuRay-650, DK Medical System, Korea)를 사 용하였다. 영상수용체(Image Receptor, IR)는 CCD(Galaxy 900, Medien Interantional, Korea), CR(Elite CR 850, Creastream, USA) FPD(AeroDR, Konica Minolta, Japan) 의 3 종류를 사용하였다.

CCD는 형광체로 Gd₂O₂S:Tb를 사용하였고, pixel의 크기 는 0.142 mm이며, 영상의 크기는 43×43 cm² (2,932×2,940) 이다. CR은 Image Plate에 BaFX:Eu²⁺를 사용하였으며, pixel의 크기는 0.168mm이고, 영상의 크기는 35×43 cm² (2,048×2,500)이다. FPD는 형광체로 CsI:Tl를 사용하였고, pixel의 크기는 0.175 mm이며, 영상의 크기는 35×43 cm² (1,994×2,430)이다. 3개 DR 시스템은 모두 출력이 16bit (2byte)이고, 출력의 범위는 0~4,095(12bit)이다<Table 1>.

RQA5 선질을 맞추기 위해 알루미늄(aluminium, Al) 부 가 필터 1 mm(100×100×1 mm³) 21개를 사용하였고, MTF 측정을 위해 텅스텐(tungsten, W) Edge Device (100×100 ×1 mm³)를 사용하였다. 선량측정을 위해 전리조형 선량계 (Ionization chamber 50cc, Capintec, USA)를 사용하였 다. 영상분석을 위해서는 Matlab 7.0 (Mathwork, USA)와 Excel 2010 (Microsoft, USA)을 사용하였다.

2.실험방법

1)실험 배치

X선관과 IR과의 거리는 150 cm를 유지하였다. X선관 앞 쪽에 부가 필터 21 mmAl을 설치하고, 관전압을 조절(74 kVp)하여 HVL이 7.1mm가 되도록 하였다<Table 2>[10]. X선관으로부터 1 m 떨어진 거리에 선량계를 위치하여 놓고 실험을 시행하면서 지속적으로 선량을 측정하였다. 조사된 선량은 최저 0.8 μ㏉부터 최고 130 μ㏉까지이며, 3가지 DR 시스템에 모두 동일한 실험 방법을 적용하였다.

2)해상력 측정

Edge device를 IR중앙에 위치시키고, 정중선과 2~3°이내 의 범위에서 각도를 주어 영상을 획득하였다[11-13]. 획득된 Edge Spread Function (ESF) 영상을 Edge 각도에 따라 재투영 (식1) 한 후, 이를 미분하여 Line Spread Function (LSF)을 구하였다(식2). 그 다음 이를 푸리에변환을 실시하여 해상력 (modulation transfer function; MTF)을 구하였다(식3).

3)잡음 측정

잡음(wiener spectrum; WS) 측정을 위해 획득 된 영상 중 전체의 중심부 80% 영역에 ROI를 설정하였다. ROI는 256×256 의 크기로 128 pixel이 중복이 되게 설정하였다. 전체 ROI는 100개 이상이 data를 확보한 다음 (식4)의 식을 적용하여 WS를 구하였다[10,14].

4)양자검출효율 측정

양자검출효율(detective quantum efficiency; DQE)은 측정된 MTF와 WS을 이용하여 다음의 식을 이용하여 구할 수 있다[10].식(5)

Ⅲ.결 과

1.신호응답 특성

조사선량과 출력 신호값과의 관계를 나타낸 것이다. 획득 된 전체 영상의 중심부 80%에 해당되는 부분의 신호값을 분 석하였다. X선 발생장치 출력의 제한으로 최저 0.8 μ㏉부터 최고 130 μ㏉까지 범위에서 검사를 실시하였다.

CCD는 입력 X선량과 출력값이 직선적으로 비례하는 경 향을 나타내었으며, CR과 FPD는 입력 X선량의 대수적(log) 변화에 직선적으로 비례하는 출력을 나타내었다. CCD, CR, FPD 모든 장비에서 조사선량과 출력 신호값은 높은 상관관 계를 나타내었다(R²>0.998). CCD는 120 μ㏉이상에서는 출 력 신호값이 포화되어(4,095) 선량의 증가되어도 출력 신호 값이 변하지 않았다[Fig. 1].

2.해상력

CR과 FPD의 MTF는 명확한 차이가 발생하지는 않았지 만, CCD의 경우는 다른 두 장비와 뚜렷이 구분되는 특징을 나타내었다[Fig. 2].

MTF 값이 0.8의 경우에 공간주파수(Spatial Frequency) 는 CCD는 0.25 cycles/mm, CR은 0.54 cycles/mm, FPD 는 0.60 cycles/mm이다. MTF 값이 0.5의 경우에 공간주파 수는 CCD는 0.74 cycles/mm, CR은 1.30 cycles/mm, FPD 는 1.23 cycles/mm이다. MTF 값이 0.2의 경우에 공간주파 수는 CCD는 1.54 cycles/mm, CR은 2.45 cycles/mm, FPD 는 2.45 cycles/mm이다. MTF 값이 0.1의 경우에 공간주파 수는 CCD는 2.10 cycles/mm이고, CR은 3.80 cycles/mm, FPD는 3.80 cycles/mm이다<Table 3>.

CCD의 pixel 크기는 본 실험에 사용된 DR 시스템 중에서 가장 작다<Table 4>. 하지만 MTF를 비교하여 보면 CCD의 MTF가 가장 낮고, CR과 FPD는 거의 유사한 MTF를 나타 내고 있다[Fig. 2]. Pixel의 크기를 고려한 해상력을 비교하 여 보면 CCD의 경우 3.52mm 이어여만 한다. 하지만 이때 의 MTF은 0.04로 매우 낮은 값을 나타내고 있다. CR과 FPD의 해상력은 각각 2.98과 2.86으로 이때의 MTF는 동일 하게 0.15를 나타내고 있다.

3.잡음

CCD, CR, FPD의 WS을 측정하였다. 각각의 영상 장치마 다 입사선량이 각각 4.4 μ㏉(0.5 mR), 8.7 μ㏉(1 mR), 22.6 μ㏉(2.6 mR)일 때의 값을 측정하여 비교하였다[Fig. 3].

CCD의 WS은 10^-4~10^-5의 범위의 값을 가지고 있으며 공 간주파수가 증가할수록 점차 작아졌다. 선량이 증가됨에 따 라 WS이 점차 감소하였지만 뚜렷이 구분될 수 있는 큰 차이 가 발생되지는 않았다.

CR의 WS은 선량 변화에 따라 명확히 구분될 수 있는 값 의 차이를 나타내었다. 입사 선량이 4.4 μ㏉일 때 10^-5내외 의 값을 가지며 8.7 μ㏉일 때는 10^-5~10^-6의 범위의 값을 나 타내고 22.6 μ㏉일 때는 10^-6내외의 값을 가지고, 공간주파 수가 증가할수록 그 값이 작게 나타났다.

FPD의 WS은 10^-5~10^-6의 범위의 값을 나타내고 입사 선 량이 증가됨에 따라 그 값이 점차 감소하였다. 공간주파수 가 증가할수록 WS은 점차 그 값이 작게 나타났다.

선량에 변화에 따라 WS의 변화의 폭은 장비별로 다소 차이 가 발생하였다. CR의 WS이 가장 튼 차이를 나타내어 10^-5~ 10^-6 범위의 값을 나타내었다. 그에 비해 CCD는 10^-4내외의 높은 값을 FPD는 10^-6 내외의 낮은 값을 타나내었다[Fig. 3]. 선량의 증가할수록 CR의 잡음이 점차 감소하지만 CCD, FPD 는 일정하다. 하지만, CCD는 높은 잡음 상태에서 변화가 적고 FPD는 낮은 상태에서 변화가 적었다. 즉 조사 조건이 증가하 면 CCD는 높은 잡음을 유지하고, CR은 잡음이 점차 감소하 며, FPD는 낮은 잡음을 유지하는 것을 알 수 있다.

동일한 선량(8.7 μ㏉)으로 디지털 방사선 시스템의 WS을 비교하니 CCD, CR, FPD의 순서로 점차 WS이 낮아지는 것 을 확인할 수 있었다[Fig. 4]. CCD의 WS은 CR와 FPD의 WS과 비교하였을 때 10배 이상의 큰 값을 나타내고 있다.

4.양자검출효율

각각의 DR 시스템마다 입사선량이 각각 4.4 μ㏉, 8.7 μ㏉, 22.6 μ㏉일 때의 값을 측정하여 비교하였다[Fig. 5].

CCD의 DQE은 0.02 이하의 분포를 나타내고 있으며 공 간주파수가 증가할수록 점차 작아졌다. 선량이 증가함에 따 라 DQE은 점차 감소하였다. 4.4 μ㏉일 때는 대부분의 공간 주파수에서 0.02이하의 값을 가진다. 8.7 μ㏉일 때는 4.4 μ ㏉ 때보다 낮거나 비슷한 값을 유지하였다. 22.6 μ㏉일 때 는 DQE은 더욱 낮아져 0.002 ~0.003 값의 분포를 나타내 었다.

CR의 DQE은 0.4 이하의 분포를 나타내고 있으며 공간주 파수가 증가할수록 점차 작아졌다. 선량의 변화에 따라 값 의 변화가 크게 발생하지 않는 것으로 나타났다.

선량 변화에 대해 DQE 값의 변화는 CCD의 경우는 0.02이 하의 값을 나타내고 선량 증가에 따라 점차 낮아지는 경향이 관찰되었고, CR은 선량 변화에 대해 상대적으로 적은 영향을 받으며 0.1~0.4 이내의 값의 분포를 나타내었다[Fig. 5]. FPD는 선량이 증가함에 따라 DQE가 감소하지만 평균적으로 CCD와 CR보다 높은 DQE를 나타내고 있다.

FPD의 DQE은 입사선량 4.4 μ㏉일 때 최고값이 1에 근 접하는 등 매우 높은 검출효율을 나타내었다. 선량 변화에 영향을 크게 받으며 입사선량 8.7μ㏉의 경우 0.7이하의 값 의 분포를 가지고 22.6 μ㏉의 경우 최고값이 0.4이하의 값 의 분포를 갖고 있다. 공간주파수가 증가할수록 DQE는 작 아졌다.

동일 선량(8.7 μ㏉)에서 DQE를 비교하여 보면 FPD가 가 장 높은 값을 나타내고 CR이 다소 낮으며 CCD는 매우 낮은 값을 나타내는 것을 알 수 있다[Fig. 6].

VI.고 찰

각 영상장비마다 영상획득의 특성이 서로 다르기에 신호 응답특성은 장비마다 다르게 나타난다. CCD의 경우 입력된 선량에 비례해서 신호가 형성된다. 하지만 CR과 FPD의 경 우는 입력된 선량의 대수치(log)에 비례한 신호를 출력하게 된다[Fig. 1]. CR과 FPD는 dynamic range의 범위도 크게 차이가 발생하지 않기에 유사한 검사조건을 적용하더라도 영상의 품질에 큰 영향이 발생하지는 않게 될 것이다. 하지 만 CCD의 경우는 입력된 선량에 비례한 출력 특성으로 인 하여 CR, FPD와는 다른 영상 특성을 나타낼 수 있다. 그렇 기에 CCD를 사용한다면 별도의 검사조건을 선정하여 검사 를 진행하여야만 될 것이다.

CCD는 X선의 입력으로 인하여 형광체(Phosphor)에 생 긴 영상을 거울로 반사한 다음 렌즈로 축소하여 CCD 카메 라로 사진을 촬영한 것이다[4]. 이로 인하여 형광체와 CCD 카메라 사이에 공간이 존재하고 그 공간을 빛이 전파됨에 따라 빛의 번짐과 빛의 소실이 불가피하게 발생하게 된다. 이러한 구조적 특징으로 인하여 CCD DR 시스템의 경우 Pixel size는 0.142 mm이지만 MTF는 pixel size가 0.168 과 0.175인 다른 디지털 방사선 시스템 장비보다 낮게 나타 나는 것으로 판단된다. WS 또한 이와 유사한 경향을 나타내 어 이런 높은 잡음으로 인하여 DQE도 0.02이내의 낮은 효 율을 나타내고 있다[Fig. 4, Fig. 6].

CR과 FPD의 해상력특성(MTF)을 보면 FPD가 pixel의 크기가 더 큼에도 MTF에서는 그 차이를 구별 할 수 없다. CR의 경우 IPlate에 영상이 형성된 뒤 이를 다시 scan 하여 영상을 획득하게 된다[1]. 그렇지만 FPD는 그러한 중간과정 이 없이 형광체에서 발생된 빛이 바로 TFT를 통해 전기 신 호화 된다. 이러한 장비의 구조적 특징으로 인하여 FPD가 pixel의 크기는 더 크나 MTF에서는 차이가 많이 발생하지 않는 것으로 판단된다. 이러한 경향은 WS에도 적용이 되어 FPD의 경우 선량 변화에 따른 WS의 변화가 작으나 CR은 그 변화가 크다[Fig 3]. 동일 선량(8.7 μ㏉)에서는 FPD의 WS이 CR 보다 더 낮은 값으로 나타났다[Fig. 4].

WS과 DQE를 비교할 때 4.4 μ㏉, 8.7 μ㏉, 22.6 μ㏉의 선량을 각각 비교하였다[Fig. 4, Fig. 6]. 이것은 CR을 기 준으로 경우에 따라 재검사가 요구되는 약간 낮은 선량(4.4 μ㏉), 적정 선량(8.7 μ㏉), 경우에 따라 재검사가 요구되는 약간 높은 선량(22.6 μ㏉)을 선정하여 비교한 것이다[15].

CCD는 높은 WS과 낮은 DQE로 DR 시스템 중 가장 낮은 영상 품질을 나타내고 있으며, FPD는 낮은 WS과 높은 DQE로 가장 높은 영상 품질을 나타낸다. CR의 WS과 DQE 는 각각 CCD와 FPD의 중간에 해당되는 영상 품질을 나타 내었다. 이는 동일 선량을 가지고 WS과 DQE를 비교하여 보면 명확히 나타난다[Fig, 4, Fig. 6]. 이러한 디지털 방사 선 시스템의 특성은 선질 변화에 따른 영상 특성 분석에 대 한 연구에서도 유사한 결과가 나타난 것을 확인할 수 있었 다[16].

위 내용을 종합해 보면 임상에서 사용하는 의료장비에 대 한 의료영상장비 특성을 이해하고 장비마다의 특성을 정량 평가해서 확인할 수 있다면 환자와 검사자간의 서로의 신뢰 가 높아질 것으로 사료된다[17-20].

Ⅴ.결 론

본 실험을 통하여 의료 영상 장비마다 특성을 가지고 있 음이 분명해졌다. 이러한 의료영상장비의 특성을 바로 알고 그 특성에 맞게 사용을 하는 것이 좋은 것이다. 아무 검증 없이 장비를 사용한다면 이는 환자와 검사자 모두에게 나쁜 영향을 주게 된다. 장비의 특성을 바로 알고 적정한 방법과 목적으로 사용하는 지혜가 필요할 것으로 사료된다.