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ISSN : 2288-3509(Print)
ISSN : 2384-1168(Online)

Journal of Radiological Science and Technology Vol.42 No.4 pp.291-299
DOI : https://doi.org/10.17946/JRST.2019.42.4.291

Evaluation of Image Receptor Characteristics in Computed Radiography System Using Exposure Index in International Electrotechnical Commission (Ⅰ)

Park Hyemin¹⁾, Yoon Yongsu²⁾, Roh Younghoon³⁾, Kim Sungjun¹⁾, Na Chanyoung¹⁾, Han Taeho¹⁾, Kim Jungsu⁴⁾, Jeong hoiwoun⁵⁾, Kim Jungmin¹⁾

¹⁾Department of Health and Safety Convergence Science, Korea University
²⁾Department of Health Sciences, Faculty of Medical Sciences, Kyushu University
³⁾Integrated Medical Technology Team, Department of Research and Development, Medical Device Development Center, Osong Medical Innovation Foundation
⁴⁾Department of Radiologic Technology, Daegu Health College
⁵⁾Department of Radiological Science, Baekseok Culture University

Corresponding author: Yong-su Yoon, Department of Health Sciences, Faculty of Medical Sciences, Kyushu University, 3-1-1, Maidashi, Higashi-ku, Fukuoka City, 812-8582 Japan / Tel: +81-92-642-6729 / E-mail: yoonys@med.kyushu-u.ac.jp

Received 24/06/2019 Review 19/08/2019 Accepted 27/08/2019

Abstract

The International Electrotechnical Commission (IEC) has regulated the definition and requirements of the exposure index (EI). In this study, we calculated the EI of several image receptors in digital radiography system of two different manufacturers according to the method as per IEC, and evaluated the relationship with incident air kerma. To calculate t he E I, w e obtained the characteristics curve of e ach i mage receptor b y increasing t he i ncident air kerma at R QA 3, 5, 7 and 9, respectively. As a result, there was no significant difference in the EI values between different image receptors of the same manufacturer, but EI values of different manufacturer was different despite the same air kerma was incident. Therefore, understanding the characteristics of the digital radiography systems is important in order to use EI as a tool for measuring and managing the radiation dose.

Key Words : Characteristics Curve , Computed Radiography System , Digital Radiography System , Exposure Index , Image Receptor

IEC 규정 노출지수를 활용한 디지털 방사선 영상시스템에서의 영상 수용체간 특성평가 (Ⅰ)

박 혜민¹⁾, 윤 용수²⁾, 노 영훈³⁾, 김 성준¹⁾, 나 찬영¹⁾, 한 태호¹⁾, 김 정수⁴⁾, 정 회원⁵⁾, 김 정민¹⁾

¹⁾고려대학교 보건안전융합과학과
²⁾규슈대학교 의학연구원 보건학부문
³⁾오송첨단의료기기개발지원센터 제품개발부 바이오융합팀
⁴⁾대구보건대학교 방사선과
⁵⁾백석문화대학교 방사선과

초록

키워드 : 특성곡선 , 컴퓨터 방사선 영상시스템 , 디지털 방사선 영상시스템 , 노출지수 , 영상 수용체

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Cited-By

Funding:

Ⅰ. 서 론

현대의학에서 방사선은 진단과 치료에 중요한 역할을 하 고 있다[1-3]. 1990년대 중반부터 필름-스크린과 같은 아 날로그 방사선 영상시스템에서 디지털 방사선 영상시스템 (Digital radiography system, DR system)으로 대체되었 다. DR 시스템은 동적 범위(Dynamic range)가 넓은 특징 이 있으며, 후처리 기능을 이용하여 영상을 획득한 후 화질 을 조정할 수 있다는 장점이 있다. 즉, 영상 수용체(Image receptor)에 입사된 선량이 과소 또는 과다하게 노출되었을 때에도 일정한 대조도의 영상을 제공하는 것이 가능해졌다. 그러므로 현재의 DR 시스템은 환자선량을 증가시킬 수 있 는 가능성과 감소시킬 수 있는 가능성을 모두 가지고 있다 [1-2,4]. 일반적으로 과소노출은 노이즈가 증가함에 따른 화질의 저하로 인해 알아차리기 쉬운 반면, 과다노출은 영 상을 확인하는 것만으로는 알기 어렵기 때문에 환자 피폭선 량을 증가시키는 결과를 초래할 수 있다[5]. 선행연구에 따 르면, 아날로그 시스템보다 DR 시스템에서 평균 입사표면 선량이 약 55.25% 높다는 보고가 있으며[2], 임상에서 진단 을 위한 방사선 촬영은 과소노출로 인한 재촬영을 피하기 위해 높은 선량으로 수행되는 경향이 있다[4,6].

따라서, 국제전기기술위원회(International Electrotechnical Commission; IEC)에서는 진단을 위해 환자에게 X선을 조 사하는 동안, X선 장치는 환자에 조사되는 방사선량을 표시 하도록 권고하였다[7]. 이에 선행 연구에서는 면적선량계를 사용하여 방사선량을 측정하거나, 수치적인 선량 결정법과 전산모사를 사용하는 등의 다양한 방법을 통해 방사선량을 측정, 표시하는 방법이 제안되었다[8-11].

한편, DR 시스템은 영상 수용체에 입사된 선량과 관련된 노출지표(exposure indicator)를 제공한다. 그러나 제조사의 고유 노출지표는 제조사마다 이를 산출하는 방법이 상이하기 때문에 노출지표와 선량과의 관계가 비례, 반비례, 대수 등 으로 다양하여 사용자가 노출지표를 이용하여 방사선량을 평가하는데 어려움이 있어왔다[6,12-14]. 따라서 IEC에서 는 2008년에 IEC 62494-1: Medical electrical equipment – Exposure index of digital X-ray imaging systems – Part 1: Definitions and requirements for general radiography를 제정하여 다양한 DR 시스템에서 동일한 기 준으로 영상 수용체에 입사된 방사선량을 비교, 관리하기 위한 노출지수(Exposure Index; EI)를 정의하였고 그에 따 른 요구사항을 규정하였다. IEC 규격에 따르면, EI는 영상 수용체에 입사된 방사선량이 사용자가 설정한 목표로 하는 화질을 획득할 수 있는지의 여부를 평가하기 위한 참고값으 로 권고된다[15]. 실제 임상 현장에서는 동일한 시설 내에서 도 다양한 제조사의 DR 시스템이 사용되고 있으며, 동일 제 조사의 시스템에서도 각기 다른 크기와 특성을 가진 영상 수용체가 사용되고 있는 것이 현실이다. 따라서 본 연구에 서는 IEC에서 권고한 EI를 사용하기 위한 각기 다른 제조사 간 및 다양한 사이즈의 영상 수용체간의 특성을 검토하여, EI의 환자 선량 관리를 위한 도구로서의 유용성을 검토하고 자 한다. 이에, 본 연구에서는 IEC에서 규정하는 방법에 따라 DR 시스템의 종류 중 하나인 Computed Radiography(CR) system의 여러 영상 수용체의 EI를 직접 구함으로서, 각기 다른 제조사, 사이즈의 영상 수용체간 입사방사선량과 EI의 관계를 확인하는 것을 목적으로 한다.

Ⅱ. 대상 및 방법

1. 실험장치

실험에 사용된 CR은 서로 다른 두 제조사(K사, F사)의 장치를 사용하였으며, 각 제조사의 10×12인치와 14×17인 치 영상 수용체를 각각 2개씩, 총 8개를 사용하였다. 모든 실험에 방사선 발생장치(GXR-40 system, DRGEM Corporation, Gwangmyeong-si, Korea)를 사용하고, 반 도체선량계(RaySafe Xi, Unfors RaySafe AB, Billdal, Sweden, Calibration: July 7th, 2018)로 영상 수용체의 입사공기커마를 측정하였다.

2. 실험방법

1) IEC 62494-1의 EI 정의

IEC에서는 식(1)과 같이 EI를 정의한다.

E I = C_{0} \times g (V)

(1)

C₀는 100 μGy^-1의 상수, g(V)는 장치 고유의 역교정함수 이며, V는 관심값(Value of Interest, VOI)이다. 즉, g(V) 는 V에 대한 함수의 역함수로 구할 수 있다. EI는 영상 수용 체의 지정된 작동범위에 대하여 교정되어야 한다. 교정조건 은 IEC 61267: Medical diagnositc X-ray equipment – Radiation conditions for use in the determination of characteristics 에 규정된 RQA 5 선질이 권고되며, 피사체 가 없는 자유대기상태에서 수상기 공기커마가 측정되어야 한다. 또한 VOI는 균일하게 노출된 유효수상영역의 중심 10%에서의 평균값, 중심값, 최빈값 등으로 설정되어야 한다 [15-16].

2) IEC 62494-1에 따른 EI의 계산

본 연구에서는 IEC에 따른 방법으로 EI를 구하기 위하여 RQA 3, 5, 7 및 9의 4가지 선질 조건에서 실험을 진행하였 다. X선관과 영상 수용체 사이의 거리(Source to Image receptor Distance, SID)는 150 cm, 조사야는 영상 수용체의 사이즈인(25.2 cm × 30.3 cm와 35.4 cm × 43.0 cm)로 고 정하여 피사체 없이 각 선질 조건에서 영상 수용체에 입사되 는 공기커마를 측정하였다. 이 때, 영상 수용체로 인한 후방 산란의 영향을 피하기 위하여 선량계의 위치는 SID의 중간인 X선관으로부터 75 cm 지점에서 측정하였다[Fig. 1], [15].

IEC 61267 기준에 따른 RQA 3, 5, 7 및 9의 선질을 조사 하기 위하여, 본 연구에서는 관전압을 각 선질 순서대로 51 kV(부가필터: 10 mmAl, 반가층: 3.78 mmAl), 72 kV(21 mmAl, 6.85 mmAl), 90 kV(30 mmAl, 9.22 mmAl) 그리 고 120 kV(40 mmAl, 11.68 mmAl)으로 설정하였다[16]. 관전류는 200 mA로 고정하고, 조사시간을 10에서 250 msec(2-50 mAs)로 증가시켜가며, 영상 수용체에 입사되 는 공기커마를 3번씩 측정하여 평균값을 사용하였으며, 동 일한 조건 하에서 영상을 획득하였다.

이후, 각 영상 수용체 마다 획득한 영상의 픽셀 값 및 측 정된 공기커마 값을 통해 특성곡선을 그리고, 획득된 특성 곡선의 추세식을 식(2)와 같이 구하였다.

V = aK + b

(2)

여기서, V는 식(1)에서의 V로서, 획득된 영상의 중간 10%에 대한 평균 픽셀 값이고, K는 영상 수용체의 입사 공 기커마의 로그 값이다. 또한, a는 특성곡선의 기울기이며, b는 절편이다. 특성곡선의 추세식을 통해 EI를 계산하기 위 하여 V의 역함수인 g(V)를 구하였다. 이는 식(2)를 다음의 식(3)과 같이 정리하여 계산하였다.

K = 10^{(\frac{V - b}{a})}

(3)

식(3)에 의해 구해진 K값은 V에 대한 역함수 g(V) 값이므 로, 식(1)에 따라 상수 C₀(100 μGy^-1)를 곱하여 EI를 구하였 다[15, 17]. 모든 선질 조건에서 모든 영상 수용체에 대하여 동일한 방법을 적용하여 EI를 계산하였다.

3) 제조사간, 영상 수용체간 EI 평가

서로 다른 제조사간 및 동일 제조사의 서로 다른 4개의 영상 수용체간에 EI값의 변동을 평가하기 위해 계산된 EI값 에 대한 변동계수(Coefficient of variance; CV)를 산출하 였다. CV란 크기가 다른 평균과 표준편차를 가진 데이터에 대한 판단의 기준점이 되는 것으로, 식(4)와 같이 표준편차 를 평균값으로 나눈 백분율로 구할 수 있다[18-19].

CV = \frac{SD}{mean EI} \times 100 (%)

(4)

여기서, mean EI는 동일 제조사의 4개의 영상 수용체의 계산된 EI값의 평균값이며, SD는 해당 평균값의 표준편차 이다. 일반적으로 CV가 10% 미만은 우수함, 10% 이상 20% 미만은 양호함, 20% 이상 30% 미만은 타당함 그리고 30% 이상은 나쁨으로 평가된다[18-19].

Ⅲ. 결 과

영상 수용체에 입사된 공기커마는 조사야 크기에 따라 큰 차이를 보이지 않았으므로 측정된 공기커마 값의 평균값을 이용하여 특성곡선 및 EI를 계산하였다.

모든 선질 조건에서 각 제조회사의 영상 수용체에 대해 계산된 EI값과 제조사별 평균 EI값 및 CV를 표에 나타내었 다[Table 1-4]. 모든 선질 조건에 대한 K사와 F사의 각각 4개의 영상 수용체의 입사된 공기커마와 EI의 관계를 그래 프로 나타내었으며, 서로 다른 제조사의 동일 사이즈 영상 수용체간 입사된 공기커마와 EI의 관계도 그래프로 나타내 었다[Fig. 2-4]. Table 2, 3, Fig. 3

IEC 62494-1에서 규정하는 교정선질인 RQA 5 선질에 서, K사의 4개 영상 수용체에 대한 CV는 최소 0.10%-최대 1.66%이고, F사는 최소 0.29%-최대 6.97%이다[Table 2]. RQA 3 선질에 대해서는 K사는 0.12%-1.26%이었으며, F 사는 0.19%-2.74%로 나타났다[Table 1]. RQA 7 선질에 대 해서는 K사는 0.49%-2.21%, F사는 0.19%-5.29% 로 나타 났다[Table 3]. 그리고 RQA 9 선질에 대해서는 K사는 0.08%-1.51%이었으며, F사는 0.26%-5.29%로 나타났다 [Table 4].

Ⅳ. 고 찰

본 연구에서는 두 개 제조사의 CR장치를 이용하여, 각각 4개씩 총 8개의 영상 수용체에 대한 EI를 IEC에서 규정하는 방법에 의해 산출하고, 이들 간의 차이를 확인하였다. 각 제 조사별로 4개의 영상 수용체에 대한 EI값의 평균과 CV를 구한 결과를 통해 각 영상 수용체 간의 차이를 비교하였다.

IEC에서 규정하는 교정선질인 RQA 5 선질에서 K사의 최 대 CV는 1.66%이고, F사는 6.97%로 나타났다. RQA 3 선 질의 경우에는 K사는 1.26%, F사는 2.74%였으며, RQA 7 선질에서는 K사는 2.21%, F사는 5.29%이었다. 그리고 RQA 9 선질에서 K사는 1.51%, F사는 5.29%로 나타났다. 최대 CV로 비교했을 때, K사보다 F사의 CV가 RQA 5에서 는 4.2배, RQA 3, 7 그리고 9에서는 각각 2.2배, 2.4배, 3.5배 높게 나타났으며, 평균 3.1배정도 F사의 CV가 K사보 다 높았다. 즉, K사의 4개의 영상 수용체보다 F사의 4개의 영상 수용체간 EI값이 더 높은 차이를 나타내고 있는데, 이 는 F사의 영상 수용체의 노후화로 인한 현상으로 보여진다. 그러나 일반적으로 적용되는 CV의 기준을 적용하였을 때, 모든 선질 조건에서 두 제조사 모두 우수함의 기준인 10% 이내[18-19]의 CV값을 나타내고 있으므로, 동일 제조사의 서로 다른 영상 수용체간에는 차이가 없다고 볼 수 있다.

동일한 선질 조건에서 영상 수용체에 입사되는 공기커마 의 증가에 따라 영상 수용체간의 CV가 일정하지 않게 나타 났다. 이는 EI를 산출하는 과정에서 직접 각 영상 수용체의 특성곡선을 구하고 구해진 곡선의 추세식을 계산에 이용했 기 때문인 것으로 생각된다. 즉, 해당 영상 수용체의 제조사 에서 제공하는 정확한 특성곡선을 알 수 있었다면 더 정확 한 EI값의 산출이 가능하기 때문에 입사 공기커마가 증가하 여도 각 영상 수용체간의 CV는 일정할 것이다.

동일 제조사의 영상 수용체에서는 사이즈가 다름에도 불 구하고 4개의 영상 수용체에서 거의 동일한 EI값을 나타냈 으나[Fig.2, 3], 서로 다른 제조사에서는 같은 방법을 적용 하여 구하였을지라도 동일한 사이즈의 영상 수용체 간에도 EI값에 차이가 발생했다[Fig 4]. 이는 특성곡선을 구하는 과정에서 확인한 결과, 영상 수용체의 제조과정 및 입사 선 량 대비 픽셀값이 포화되는 지점 등의 차이에서 기인한 것 이라고 생각된다. K사의 경우 공기커마가 증가함에 따라 픽 셀값도 직선적으로 증가하는 경향을 나타낸 반면, F사의 경 우 공기커마와 픽셀값은 비례관계를 나타내었으나 공기커 마가 높은 영역에서는 픽셀값이 포화되는 경향을 나타냈다. 이러한 차이가 EI값의 계산과정에 반영되었기 때문에 두 제 조사간에 차이를 보인 것으로 생각된다.

선질에 따른 EI의 변화에 대해서는 선질이 높아짐에 따라 동일 관전류-시간곱(mAs) 조건이라 할지라도 더 높아진 관 전압에 의해 입사되는 선량이 증가하기 때문에 EI값이 증가 함을 확인할 수 있었다.

본 연구의 제한점 및 추후 연구 대상으로는 DR 시스템 중 CR 장비의 영상 수용체만을 대상으로 했기 때문에 최근 널 리 보급되고 있는 Flat panel detector와 같은 장비의 EI는 검토하지 못한 점을 들 수 있다. 또한 IEC에서 규정하는 EI 의 산출방식은 정해진 선질에서 피사체가 없는 조건이기 때 문에, 실제 환자의 다양한 신체 부위를 촬영하는 임상 현장 에서는 적용되기 어려운 점이 있으므로 추후 임상 영상에서 의 EI에 관한 검토가 이루어져야 한다. 그러나 본 연구는 IEC에서 규정하는 방법을 통해 EI를 직접 계산하여 구함으 로써, 영상 수용체간, 제조사간의 차이를 비교하였다. 그 결 과, 입사방사선량을 측정, 관리 목적으로 IEC에서 규정한 EI를 사용하기 위해서는, 실제 사용하고자 하는 DR 시스템 및 영상 수용체의 특성 파악이 선행되어야 한다는 것을 확 인한데에 그 의의가 있다.

Ⅴ. 결 론

IEC에서 규정하는 방법에 따라 EI를 구한 결과, 입사 선량 이 증가함에 따라 동일 제조사의 서로 다른 영상 수용체간 EI 값의 변동계수는 모든 선질 범위에서 K사는 0.08-2.21%, F사는 0.19-6.97%로 나타났다. 두 제조사 모두 동일 제조 사의 서로 다른 영상 수용체간 EI값에는 큰 차이를 나타내 지 않았으나, 서로 다른 제조사에 대해서는 동일한 입사 선 량에도 다른 EI값을 나타냈다. 전반적으로 모든 선질 조건 에서 K사는 입사 공기커마가 증가함에 따라 EI값도 직선적 으로 증가하는 경향을 보였으나, F사의 경우 고선량 영역에 서 입사 공기커마와 EI는 직선의 관계를 나타내지 않았으 며, 특히 경선질의 높은 입사 공기커마 영역에서 EI값이 포 화되는 경향을 보였다. 이와 같이 IEC에서 규정한 방법을 적용하여 구한 EI일지라도 제조사마다 차이가 있으므로 환 자 방사선량을 측정, 관리하기 위한 도구로 사용하기 위해 서는 해당 디지털 방사선 장치의 특성을 사전에 파악하는 것이 중요하다.

Acknowledgement

이 논문은 2016년 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(NRF- 2016R1A5A1921651).

Figure

Fig. 1.

Geometry for computing the exposure index

a) Measuring incident air kerma b) Acquiring homogeneously irradiated image

Fig. 2.

EI of the different image receptors for manufacturer K (a) RQA3 (b) RQA5 (c) RQA7 (d) RQA9

Fig. 3.

EI of the different image receptors for manufacturer F (a) RQA3 (b) RQA5 (c) RQA7 (d) RQA9

Fig. 4.

EI of the different manufacturers (a) RQA3 (b) RQA5 (c) RQA7 (d) RQA9

Table

Table 1.

Value of manually calculated exposure index for RQA 3

Table 2.

Value of manually calculated exposure index for RQA 5

Table 3.

Value of manually calculated exposure index for RQA 7

Table 4.

Value of manually calculated exposure index for RQA 9

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