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

Journal of Radiological Science and Technology Vol.44 No.1 pp.39-46
DOI : https://doi.org/10.17946/JRST.2021.44.1.39

Evaluation for the Usefulness of Copper Filters according to Mode Change in Digital Radiography System

Jae-Kyeom Kim¹⁾, Jeong-Koo Kim²⁾

¹⁾Department of Nuclear Medicine, The Catholic University of Korea, Incheon St. Mary’s Hospital
²⁾Department of Radiological Science, Hanseo University

Corresponding author: Jeong-Koo Kim, Department of Radiological Science, Hanseo University, 46, Hanseo1-ro, Haemi-myun, Seosan-si, Chungcheongnam-do, 31962, Republic of Korea / Tel: +82-41-660-1055 / E-mail: jkkim@hanseo.ac.kr

Received 12/01/2021 Review 15/02/2021 Accepted 21/02/2021

Abstract

This study confirmed the usefulness of the copper filter according to the mode change by comparing and analyzing the energy change according to the application of the copper filter and the change in effective dose and image quality according to the distance to the subject in the DR(Digital Radiography) system. The average energy increased when the copper filter was applied and the reduction rate by 50% of mAs was increased as the thickness of the copper filter increased according to the application of the 10 kVp rule in AEC mode. The effective dose decreased as the thickness increased when the copper filter was applied in AEC(Automatic Exposure Control) mode and manual mode according to the application of the 10 kVp rule, and the decrease rate decreased with increasing 10 kVp increments. As a result of analyzing the dicom images for AEC mode and manual mode with Image J. the PSNR(Peak Signal to Noise Ratio) values were approximate values of less than 30 dB for each mode and for each copper filter thickness. When the copper filter was applied, the average energy increased, so when the 10 kVp rule was applied, the mAs for each mode could be reduced, and the effective dose could also be reduced. However, as the distance and tube voltage increased, the reduction rate of mAs decreased, and the quality of the image was found to decrease when the copper filter was applied, but there was no difference in quality of the image when the copper filter thickness increased.

Key Words : Digital Radiography(DR) system , Automatic Exposure Control(AEC) , Copper filter , Effective dose , mAs

DR 시스템에서 모드 변화에 따른 구리필터의 유용성 평가

김 재겸¹⁾, 김 정구²⁾

¹⁾가톨릭대학교 인천성모병원 핵의학팀
²⁾한서대학교 방사선학과

초록

키워드 : 디지털 방사선촬영 시스템 , 자동노출제어 , 구리필터 , 유효선량 , 관전류

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Funding:

Ⅰ. 서 론

1993년 의료용 디지털 영상 및 통신 표준(Digital Imaging and Communications in Medicine; DICOM)이 제정됨에 따라 국내 의료영상 검사장비는 디지털화되어 영상획득 및 후처리가 용이하고 영상 화질을 오래 보존할 수 있으며, 저 장과 전송이 자유로워졌다. 하지만 국제방사선방어위원회 (International Commission on Radiological Protection; ICRP)에서 2003년 발간된 ICRP Publication 93에 따르면 디지털 기술은 영상의학 업무를 발전시켰을 뿐만 아니라 방 사선을 남용할 위험 또한 내포하고 있다고 경고하고 있다. 현재 영상의학 장비의 발전은 임상에 큰 기여를 하고 있으 나 이에 따른 방사선에 의한 의료피폭 환경도 변화하고 있 어, 환자에 대한 피폭 관리 개선을 위하여 국내 실정에 맞는 의료피폭 저감 목표치를 설정하여 환자들이 안심하고 일반 촬영 검사를 받을 수 있도록 선진화된 의료피폭 저감화 개 선대책이 필요하다.

국내 의료기관에서 방사선을 사용하는 영상의학적 검사 는 행위에 대한 정당성을 확보하여 의료에 사용하고 ICRP 에서 권고하는 ALARA(As Low As Reasonably Achievable) 에 따라 최적의 영상을 얻으면서 환자가 받는 방사선 피폭 을 최소화하도록 권고하고 있다[1]. 현재 의료기술의 발전과 건강증진에 대한 관심 증가로 인하여 국내 영상의학적 검사 중 일반촬영은 매년 7∼9% 정도 증가하고 있으나 영상의학 검사 건수가 증가할수록 방사선량 또한 증가함에 따라 환자 피폭선량 관리에 대한 다양한 연구가 진행되었다[2-5].

현재 디지털 방사선촬영(Digital Radiography; DR) 시 스템에서 디지털 영상의 향상 및 환자 피폭 저감을 위하여 부가 필터가 적용된 DR 시스템을 사용하고 있다. 필터는 여 러 파장의 에너지로 구성된 다색 방사선을 여과 물질에 통 과시켜 저 에너지의 광자가 환자에 도달하기 전에 미리 흡 수하여 환자의 피폭선량을 감소시키고, X선의 평균 에너지 를 증가시켜 주는 작용을 하여 피폭선량에 영향을 미치는 인자이다[6]. 이러한 부가 필터 중 구리필터를 적용한 DR 시스템의 디지털 영상의 향상 및 선량 저감에 관한 다양한 많은 연구가 진행되었다[7-9]. 또한, 검사자에 의한 관전 압, 관전류, 자동노출제어(Automatic Exposure Control; AEC) 등의 검사 설정 변화에 따른 환자 피폭에 대응하기 위 한 검사자의 노력 또한 중요하다[10-13].

따라서 본 연구에서는 DR 시스템에서 구리필터의 다양한 적용에 따른 X선 에너지 변화와 AEC 모드(mode) 및 메뉴 얼 모드에서 피사체와의 거리에 따른 유효선량 및 영상의 화질 변화를 비교 분석하여 모드 변화에 따른 구리필터의 유용성을 확인하여 DR 시스템에 있어 영상 화질의 최적화 와 환자 피폭 저감화를 위한 참고자료를 제공하고자 한다.

Ⅱ. 대상 및 방법

1. 연구 장비

본 연구에서 사용한 DR 시스템(XGEO GC80, Samsung, Korea)은 장치의 성능 객관성을 위해 진단용 방사선 발생장 치의 안전관리에 따른 성능 검사에서 적합 판정을 받은 장 치를 사용하였으며, ICRP Pub. 23에 따라 제작된 솔리드 아크릴 팬텀(SP33, IBA, Germany)을 DR 시스템의 AEC 모드와 메뉴얼 모드의 선량과 영상 평가에 이용하였다 (Table 1), (Fig. 1).

X선의 에너지 스펙트럼을 모사하기 위하여 의학물리 및 공학연구소(The Institute of Physics and Engineering in Medicine)에서 제공하는 에너지 스펙트럼 프로그램인 SRS-78 을 이용하였으며, X선 검사 시 환자가 받는 인체 내 장기별 선량을 이론적으로 계산하기 위하여 몬테카를로 프로그램인 PCXMC(PC-based Monte Carlo program)를 이용하였다. 영상평가는 NIH(National Institutes of Health)에서 제공 하는 Image J(ver. 1.42q) 디지털 영상분석프로그램을 이용 하였다.

2. 분석방법

에너지 스팩트럼을 측정하기 위하여 SRS-78 프로그램을 이용하였으며, 타겟물질은 텅스텐으로 설정하였고, 에너지 스팩트럼 시뮬레이션에 사용된 관전압은 DR 시스템에서 복 부 검사 시 자주 사용하는 70 kVp, 80 kVp, 90 kVp, 100 kVp로 각각 설정하였으며, 구리필터의 두께는 필터 비적용, 0.1 ㎜, 0.2 ㎜, 0.3 ㎜로 설정하여 에너지 스펙트럼을 시뮬 레이션 하였다(Fig. 2).

실험조건으로 10 kVp rule을 적용하기 위해 관전압 70 kVp, 80 kVp, 90 kVp, 100 kVp에 mAs를 50%씩 감소시키 려 하였으나, 메뉴얼 모드에서 관전류를 400 mA로 고정하 고, 10 kVp씩 증가 시 mAs가 50%씩 감소가 되지 않는 부분 에 대해서는 근사값으로 설정하였다(Table 2).

RANDO phantom(ART-200X, Fluke biomedical, USA) 의 복부를 기준으로 아크릴 팬텀 두께를 30 ㎝로 하였으며, DR 시스템에서 구리필터를 필터 비적용, 0.1 mm, 0.2 mm, 0.3 mm의 두께로 변화시켰다. SID는 110 cm, 200 cm로 구분하였으며, AEC 모드에서 관전압 70 kVp에서 10 kVp 씩 증가시켜 100 kVp까지 5회 조사 후 평균 mAs 변화량을 측정하였다. 유효선량을 측정하기 위해 몬테카를로 프로그 램인 PCXMC를 이용하여 모드 별로 거리 및 필터 두께에 따 라 관전압, 관전류를 설정하고 시뮬레이션하여 유효선량을 측정하였다(Fig. 3).

DR 시스템에서 구리필터의 변화에 따른 영상을 분석하기 위하여 SID 110 cm, 200 cm로 구분하여 구리 필터를 필터 비적용, 0.1 mm, 0.2 mm, 0.3 mm의 두께로 변화하였으 며, AEC 모드와 메뉴얼 모드에서 획득한 디지털 영상을 Image J를 이용하여 관접압 변화에 따라 필터 비적용 영상 대비 0.1 mm, 0.2 mm, 0.3 mm 두께의 구리필터에 대한 영상의 PSNR(Peak Signal to Noise Ratio)을 분석하였다 (Fig. 4).

Ⅲ. 결 과

1. 에너지 스펙트럼

관전압과 구리필터의 두께 변화에 따른 DR 시스템의 에 너지 스펙트럼을 관측한 결과, 에너지 변화는 관전압 70 kVp에서 필터 비적용인 경우 X선 에너지는 40.5 keV이었 으며, 구리필터의 두께가 0.1 mm인 경우 44.5 keV, 0.2 mm인 경우 47.0 keV, 0.3 mm인 경우 48.8 keV로 나타났 으며, 구리필터의 두께가 0.1 mm씩 증가할 때마다 평균 3.60 keV 증가하였다. 관전압 80 kVp에서는 비적용 필터 인 경우 X선 에너지는 44.3 keV이었으며, 구리필터의 두께 가 0.1 mm인 경우에 48.6 keV, 0.2 mm인 경우에 51.3 keV, 0.3 mm인 경우는 53.3 keV로 나타났으며, 구리필터 의 두께가 0.1 mm씩 증가할 때마다 평균 3.89 keV 증가하 였다. 관전압 90 kVp에서는 필터 비적용인 경우 X선 에너 지는 47.8 keV이었으며, 구리필터의 두께가 0.1 mm인 경 우에 52.2 keV, 0.2 mm인 경우에 55.0 keV, 0.3 mm인 경 우는 57.1 keV로 나타났으며, 구리필터의 두께가 0.1 mm 씩 증가할 때마다 평균 4.02 keV 증가하였다. 100 kVp에서 는 필터 비적용인 경우 X선 에너지는 50.8 keV이었으며, 구리필터의 두께가 0.1 mm인 경우에 55.3 keV, 0.2 mm인 경우에 58.2 keV, 0.3 mm인 경우는 60.4 keV로 나타났으 며, 구리필터의 두께가 0.1 mm씩 증가할 때마다 평균 4.15 keV 증가하였다(Fig. 5).

2. 유효선량

1) mAs 측정

SID 110 cm에서 mAs의 변화를 확인한 결과, 관전압 70 kVp에서 구리필터 적용을 0.1 mm씩 0.3 mm까지 증가할 경우에 mAs가 25%, 30%, 31%로 증가하였으며, 관전압 80 kVp에서는 mAs가 25%, 20%, 21%로 각각 증가하였다. 관 전압 90 kVp에서는 18%, 18%, 23% 증가하였으며, 100 kVp 에서는 17%, 16%, 14%가 증가하였다.

SID 200 cm에서 mAs의 변화는 관전압 70 kVp에서 구 리필터 적용을 0.1 mm씩 0.3 mm까지 증가 시 mAs가 34%, 33%, 28% 증가하였으며, 80 kVp에서 29%, 25%, 22% 증가하였다. 관전압 90 kVp에서는 mAs가 21%, 22%, 18% 증가하였으며, 100 kVp에서 17%, 21%, 18% 증가하였 다(Table 3).

2) AEC 모드

AEC 모드에서 구리필터의 적용에 따른 유효선량을 확 인한 결과, SID 110 cm에서 유효선량의 변화는 관전압 70 kVp에서 구리필터 적용을 0.1 mm씩 0.3 mm까지 증가할 경우에 유효선량의 변화는 18%, 9%, 5%로 각각 감소하였으 며, 관전압 80 kVp에서는 14%, 11%, 6%로 감소하였다. 관 전압 90 kVp에서는 11%, 6%, 7% 감소하였으며, 100 kVp 에서 7%, 7%, 8%가 감소하였다. SID 200 cm에서 유효선량 의 변화는 관전압 70 kVp에서 구리필터 적용을 0.1 mm씩 0.3 mm까지 증가 시에 유효선량은 각각 11%, 6%, 7% 감소 하였으며, 관전압 80 kVp에서 0.1mm에서 13%, 0.3mm에 서 8% 감소하였지만 0.2mm에서는 감소하지 않았다. 관전 압 90 kVp에서는 8%, 8%, 9% 감소하였으며, 100 kVp에서 0.1mm에서 9%, 0.3mm에서 20% 감소하였지만 0.2mm에 서는 감소하지 않았다(Fig. 6).

3) 매뉴얼 모드

매뉴얼 모드에서 구리필터의 적용에 따른 유효선량을 확 인한 결과, SID 110 cm에서 유효선량의 변화는 관전압 70 kVp에서 구리필터 적용을 0.1 mm씩 0.3 mm까지 증가할 경우에 유효선량의 변화는 36%, 28%, 23%로 각각 감소하였 으며, 관전압 80 kVp에서는 32%, 27%, 18%로 감소하였다. 관전압 90 kVp에서는 28%, 23%, 20% 감소하였으며, 100 kVp에서 20%, 25%, 11%가 감소하였다. SID 200 cm에서 유효선량의 변화는 관전압 70 kVp에서 구리필터 적용을 0.1 mm씩 0.3 mm까지 증가 시에 유효선량은 각각 33%, 33%, 25% 감소하였으며, 관전압 80 kVp에서 33%, 20%, 25% 감 소하였다. 관전압 90 kVp에서는 23%, 30%, 14% 감소하였 으며, 100 kVp에서 18%, 22%, 14% 감소하였다(Fig. 7).

3. 영상분석

AEC 모드에서 구리필터의 적용에 따른 PSNR의 변화를 확인한 결과, SID 110 cm에서 PSNR의 변화는 구리필터 적 용을 0.1 mm씩 0.3 mm까지 증가하여 획득한 영상과 비교 할 경우에 관전압 70 kVp에서 29.64 dB, 28.96 dB, 28.98 dB로 나타났으며, 관전압 80 kVp에서는 29.49 dB, 28.86 dB, 25.94 dB로 나타났다. 관전압 90 kVp에서는 29.22 dB, 29.31 dB, 29.35 dB로 나타났으며, 100 kVp에서 29.11 dB, 29.12 dB, 28.76 dB로 나타났다. SID 200 cm에서 관 전압 70 kVp에서 구리필터 적용을 0.1 mm씩 0.3 mm까지 증가하여 획득한 영상과 비교할 경우에 PSNR의 변화는 26.24 dB, 26.66 dB, 26.11 dB로 나타났으며, 관전압 80 kVp에서 25.51 dB, 26.03 dB, 26.34 dB로 각각 나타났다. 관전압 90 kVp에서는 25.91 dB, 26.26 dB, 26.21 dB로 나 타났으며, 100 kVp에서 26.71 dB, 26.16 dB, 26.92 dB로 나타났다(Table 4).

메뉴얼 모드에서 구리필터의 적용에 따른 PSNR의 변화 를 확인한 결과, SID 110 cm에서 PSNR의 변화는 구리필터 적용을 0.1 mm씩 0.3 mm까지 증가하여 획득한 영상과 비교 할 경우에 관전압 70 kVp에서 27.14 dB, 26.67 dB, 25.64 dB로 나타났으며, 관전압 80 kVp에서는 27.76 dB, 27.76 dB, 26.63 dB로 나타났다. 관전압 90 kVp에서는 29.14 dB, 28.69 dB, 28.04 dB로 나타났으며, 100 kVp에서 28.64 dB, 28.33 dB, 27.91 dB로 나타났다. SID 200 cm에 서 관전압 70 kVp에서 구리필터 적용을 0.1 mm씩 0.3 mm 까지 증가하여 획득한 영상과 비교할 경우에 PSNR의 변화 는 24.34 dB, 22.76 dB, 22.37 dB로 나타났으며, 관전압 80 kVp에서 25.20 dB, 24.77 dB, 23.84 dB로 각각 나타났 다. 관전압 90 kVp에서는 25.93 dB, 25.54 dB, 25.09 dB 로 나타났으며, 100 kVp에서 26.79 dB, 26.58 dB, 26.20 dB로 나타났다(Table 5).

Ⅳ. 고 찰

본 연구는 디지털 의료영상 시스템에서 AEC 모드와 매뉴 얼 모드의 변화에 있어 구리필터 적용에 따른 에너지 변화 와 피사체의 거리에 따른 mAs와 유효선량 및 영상의 PSNR 을 통하여 구리필터의 유용성을 확인하였다. DR 시스템의 AEC 모드에서 10 kVp rule에 의해 mAs는 50% 감소로 선 택하여야 하나, mAs를 설정할 수 없는 경우 가장 가까운 mAs를 선택하여 측정하였다.

구리필터 적용 시 평균 에너지는 증가하였으며, 관전압이 10 kVp씩 증가할 경우에 평균에너지의 증가율도 증가하였 다. 구리필터를 사용하여 AEC 모드에서 10 kVp rule을 적 용함 따라 mAs는 평균 51.9%, 43.6%, 39.2%씩 감소하였 다. 이는 구리필터 사용 시 관전압이 10 kVp씩 증가할 때마 다 평균에너지의 증가율이 증가하기 때문에 mAs의 감소율 이 줄어드는 것으로 사료된다.

유효선량은 10 kVp rule 적용에 따라 AEC 모드 조건으 로 PCXMC 프로그램을 이용하여 시뮬레이션한 결과, 10 kVp rule 적용에 따라 SID 110 cm에서 평균 19.5%, 14.6%, 14.2%씩 감소하였고, SID 200 cm에서 평균 15.8%, 13.3%, 15.3%씩 감소하였다. 구리필터 적용 시 0.1 mm씩 증가할 때마다 SID 110 cm에서 평균 12.3%, 8.2%, 6.3%씩 감소하 였으며, SID 200 cm에서 평균 10.3%, 3.6%, 10.9%씩 감소 하였다. 매뉴얼 모드에서는 10 kVp rule 적용에 따른 SID 110 cm에서 평균 15.9%, 12.9%, 8.6%씩 감소하였으며, SID 200 cm에서 평균 8.3%, 6.5%, 6.3%씩 감소하였다. 구 리필터 적용 시 0.1 mm씩 증가할 때마다 SID 110 cm에서 평균 28.8%, 25.6%, 18.1%씩 감소하였으며, SID 180cm에 서 평균 27.0%, 26.4%, 19.6%씩 감소하였다. 이는 mAs가 유효선량에 영향을 미치기 때문에 AEC 모드와 매뉴얼 모드 를 비교할 경우 관전압의 변화에 따라 구리필터를 적용할 경우 유사하게 감소하는 경향을 보였다. 선행연구에 의하면 AEC 모드와 비교할 때 매뉴얼 모드에서 10 kVp rule 적용 시 mAs는 더 감소한다고 하였으나[11], 본 연구에서는 mAs 가 50%씩 감소가 안되는 부분에 대하여 근사값으로 설정한 제한점이 때문에 AEC 모드와 매뉴얼 모드에서 유사한 값이 나온 것으로 사료된다.

영상분석은 DR 시스템에서 아크릴 팬텀을 이용하여 각 모드별 조건으로 얻은 디지털 영상을 Image J로 분석한 결 과, PSNR은 AEC 모드에서 10 kVp rule 적용에 따라 SID 110 cm에서 0.38 dB, 0.38 dB, 0.07 dB, 0.21 dB의 편차로 30 dB 이하로 나타났으며, SID 200 cm에서 0.29 dB, 0.42 dB, 0.19 dB, 0.39 dB의 편차로 30 dB 이하로 나타났다. 매뉴얼 모드에서는 10 kVp rule 적용에 따라 SID 110 cm에 서 0.77 dB, 0.61 dB, 0.55 dB, 0.37 dB의 편차로 30 dB 이하로 나타났으며, SID 200 cm에서 1.05 dB, 0.70 dB, 0.42 dB, 0.30 dB의 편차로 30 dB 이하로 나타났다. 선행 연구에 따르면 PSNR이 30 dB 이상일 경우 사람의 눈으로 는 영상의 품질 차이는 구분하기 어렵다고 하였다[14]. 또 한, 10 kVp rule에 의해 관전압이 증가함에 따라 영상의 품 질이 저하되는 현상은 AEC 모드와 매뉴얼 모드 모두에서 관찰되었지만 유의한 통계적 차이는 발견되지 않는다고 하 였으며, 구리필터를 적용한 영상의 PSNR은 모드의 형태 및 구리필터 두께에 따라 30 dB 이하로 모두 근사한 값이 나왔 다[12]. DR 시스템은 기존 필름 시스템보다 영상획득 및 품 질 향상과 환자 피폭선량 감소의 기대와 달리 불필요한 환 자의 피폭 증가를 가져오곤 한다[15]. 따라서 DR 시스템에 서 환자 피폭을 감소하기 위한 부가 인자의 설정을 활용하 는 검사자의 노력이 필요할 것으로 여겨진다.

Ⅴ. 결 론

본 연구는 DR 시스템의 AEC 모드 및 매뉴얼 모드에 따른 구리필터의 유용성을 확인하였다. DR 시스템에서 구리필터 의 적용은 10 kVp rule 적용 시 각 모드 모두 mAs를 줄일 수 있어 DR 시스템을 이용한 방사선 검사에서 유효선량을 줄일 수 있었다. 그러나 DR 영상의 품질은 각 모드별로 구 리필터의 적용 시 영상의 품질이 낮아짐을 확인하였으나, 선행연구의 결과와 유사하게 구리필터 두께의 증가에는 품 질의 차이는 나타나지 않았다.

DR 시스템에서 환자 피폭을 감소하기 위하여 피폭선량에 영향이 되는 부가 인자의 설정을 활용하는 검사자의 노력이 필요하며, 환자의 피폭선량을 줄이고 양질의 영상을 얻기 위하여 적절한 구리필터 적용이 필요할 것으로 사료된다.

Figure

Fig. 1.

Acryl phantom used for effective dose and image evaluation in DR system

Fig. 2.

SRS-78 simulation program for measuring energy spectrum

Fig. 3.

Measurement of mAs and effective dose according to the change of copper filter in DR system

Fig. 4.

PSNR measurement of image according to change of copper filter in DR system

Fig. 5.

The result of energy spectrum according to change of copper filter in DR system

Fig. 6.

Results of effective dose according to the change of copper filter in AEC mode

Fig. 7.

Results of effective dose according to the change of copper filter in manual mode

Table

Table 1.

The characteristic of detector and tube in DR system

Table 2.

The mAs value according to tube voltage change in AEC mode and manual mode (unit: mAs)

Table 3.

Results of mAs according to the change of copper filter in AEC mode (unit: mAs)

Table 4.

Results of PSNR according to the change of copper filter in AEC mode (unit: dB)

Table 5.

Results of PSNR according to the change of copper filter in manual mode (unit: dB)

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