Ⅰ. 서 론

부비동은 자연공의 폐쇄, 알레르기, 면역 결핍, 섬모운동 이상, 점액분비 이상, 세균감염 등의 원인에 의해 부비동염이 발생하게 된다. 전체 인구의 7-10%에서 발생하는 흔한 질환 으로써 소아부터 장년층까지 유병 연령이 폭넓은 특징이 있 다. 부비동염은 부비동 내의 점막비후와 염증성 액체를 확인 해야 진단할 수 있다. 이를 확인하기 위한 영상의학 검사로는 단순엑스선검사, 전산화단층영상(Computed Tomography; CT), 자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging; MRI) 검사 등이 있다. CT와 MRI는 검사비용이 높지만 진단적 정확 성이 높아 중증환자들에게 주로 시행된다. 반면에 단순엑스 선검사는 검사 과정이 간단하고 검사 시간이 짧으며 비용이 적게 든다는 장점이 있어 초기 진단 영상 검사로 널리 사용된 다[1]. 그러나 부비동 엑스선검사 시 방사선 민감도가 높은 안구가 엑스선에 노출될 수 있어 주의가 필요하다.

최적화의 원칙 ALARA(As Low As Reasonably Achievable) 에 따라 영상 품질을 합리적으로 달성할 수 있는 선에서 가 능한 낮게 선량을 유지하여야 한다[2,3]. 2007년에 발행된 국제 방사선 방호 위원회(International Commission on Radiological Protection; ICRP) 개정안에서는 방사선 피 폭에 의한 위해를 최소화하기 위해 안구에 대한 역치선량을 하향 조정하기도 하였다[4]. 부비동염을 진단하기 위해서는 정상적으로 보여야 할 공기음영과 두꺼워진 점막의 음영과 염증성 액체에 의한 공기 액면(air-fluid level)을 관찰할 수 있어야 한다[1]. 따라서 무조건적으로 선량을 감소시킨다 면 정확한 진단 영상 획득이 어려워 검사 자체가 무의미해 진다. 기존 필름의 아날로그 시스템과 달리 디지털 시스템 환경에서는 넓은 관용도로 인해 적은 선량으로도 영상을 획 득할 수 있게 되었다[5-7]. 그럼에도 불구하고 수동 엑스선 (X-ray) 조사조건 설정 방식은 도즈 크리프(Dose Creep) 현상을 유발하여 환자에게 불필요한 선량이 노출될 수 있다 [8]. 2015년 식약처에서는 검사표준 촬영기법에서 부비동 검사의 수동 조사조건을 제시하기도 하였다. 반면에 자동노 출제어(Automatic Exposure Control; AEC) 장치는 설정 된 엑스선 조사선량이 노출되도록 하여 도즈 크리프 현상을 예방하고 선량 저감화 효과를 보이기도 한다[9-11]. 선행연 구에서는 AEC의 이온 챔버들과 부가 필터 간의 조합으로 영상품질의 저하 없이 21%의 입사표면선량을 감소시켰다고 보고하였다[12]. 그러나 이들의 선행연구는 흉부, 복부, 골 반 검사에 한정적이라는 한계점이 있다.

따라서 본 연구에서는 부비동 엑스선검사 시 부비동염 진 단에 필요한 점막 및 염증성 액체와 같은 미세한 감쇠치를 묘출시키기 위해 AEC의 조절인자들을 최적화하고 조사선 량 저감화 효과를 알아보고자 하였다.

Ⅱ. 대상 및 방법

1. 실험설계

본 연구에서는 Fig. 1과 같이 1단계에서는 물리적 팬텀으 로 관전압, 민감도(Sensitivity), 농도(Density)의 조절인자 별로 영상을 획득하고 조사된 관전류량(mAs)과 정량 및 정 성적 영상품질 평가로 AEC 조절인자를 최적화하였다. 2단 계에서는 도출된 최적의 조절인자로 임상 영상을 획득하였 고, 이들의 재검사율을 분석하고 이전 수동 조사조건의 관 전류량과 조사선량을 비교하여 선량 저감화 효과를 평가하 였다.

2. 실험 장비

본 실험은 총 필터가 2.5 mmAl인 엑스선관과 간접방식의 디지털 검출기가 일체형인 디지털 방사선발생장치(Digital Diagnost 3.1 Ver, Philips, Netherlands)를 사용하였다. 디지털 검출기는 간접방식의 Amorphous Silicon을 사용하 였고, 크기는 43×43 cm2이다. 디지털 검출기 내에는 지름 이 7.5 cm인 원형 이온챔버 3개가 내장되어 있고 검출기 전 면에는 이동형 그리드(40 lines/cm)가 설치되어있다. 부비동 의 영상을 획득하기 위하여 머리 팬텀(Whole body phantom PBU-50 head & stand, KYOTO KAGAKU, Japan)을 사 용하였다.

3. 엑스선 조사 조건

엑스선관과 디지털 검출기의 거리는 Fig. 2와 같이 110 cm로 고정하였고 인체 머리 팬텀을 검출기 앞에 위치시켰 다. 부비동 엑스선검사법 중 가장 일반적인 Waters 법을 구 현하기 위해 팬텀의 MML(mento-mandibular line)을 디 텍터와 수직이 되도록 조절하고 비극점(acanthion)에 수직 입사하였다.

조사야는 전두동과 상악동을 모두 포함시키기 위해 16×16 cm² 크기로 설정하였다. AEC의 3개 이온 챔버 중 중 앙에 위치한 한 개의 이온 챔버만을 활성화하였으며 이동형 그리드와 소초점를 사용하였다. AEC의 조절인자는 관전압 6단계(70 kVp, 81 kVp, 90 kVp, 102 kVp, 110 kVp, 117 kVp)에서 민감도 3단계(S200, S400, S800)와 농도 3단계 (D-2.5, D0, D2.5)를 설정하고 이들을 교차하여 총 54가지 의 영상을 획득하였다. 최종 획득된 영상들은 국제의료영상 표준안(Digital Imaging and Communications in Medicine; DICOM) 파일로 저장하여 사용하였다.

4. 관전류량(mAs) 측정

1단계 물리적 팬텀 영상의 선량은 관전압과 AEC 조절인 자인 감도와 농도를 교차한 경우의 수 54가지의 조합에 대 해 자동 노출된 mAs 값을 측정하였다. mAs 값은 장비의 디 스플레이에 표시된 지시치를 사용하였고, 각 조합 별로 재 현성을 확보하기 위하여 3번씩 반복 측정한 평균값을 구하 였다.

5. 영상평가

영상평가는 정량적 평가와 정성적 평가를 시행하였다. 정 량적 평가는 미국 국립 건강 보건원(National Institutes of Health; NIH)에서 만들어 제공하고 있는 JAVA 기반의 영 상 처리 및 분석 프로그램인 Image J를 사용하여 신호 대 잡음비(Signal to noise; SNR)와 최대 신호 대 잡음비(Peak signal to noise; PSNR)을 측정하였다. SNR과 PSNR은 식 (1), (2)와 같이 동일한 크기의 영상(n_x, n_y)에서 참조영상 r(x, y)과 측정영상 t(x, y)을 비교하여 도출하였다. 이때 참 조영상은 현재 C병원에서 사용하고 있는 수동 조사조건(81 kVp, 32 mAs)으로 획득한 영상으로 선정하였다.

정성적 평가는 영상의학과 판독의 4명이 리커트 5점 척도 로 평가하였다. 질문 항목은 Table 1과 같이 4개의 문항으 로 나누어 진행하였다. 영상은 임의의 순서로 배열하여 문 항의 의도를 알지 못하게 하였고 도출된 점수를 평균화하였 다. 본 연구에서는 평가자들이 5점 만점 중 4점 이상인 영상 을 진단적 가치가 있는 대상군의 영상으로 인정하였고 이들 의 최적의 조절인자를 도출하였다.

6. 최적화 조건 임상 적용

1단계 팬텀 실험에서 선정된 부비동 엑스선검사의 최적화 AEC 조건을 2단계 임상 엑스선검사에 적용하였다. 적용 기 간은 2020년 10월 21일부터 11월 27일까지 시행했으며 이 때 검사 대상자는 179명이었으며 재검사 건수를 조사하였 다. 그 중 우리는 선량 감소 효과를 평가하기 위해 동일 방 사선발생장치로 부비동 엑스선검사를 실시한 적이 있는 내 원객 93명(남성 35명, 여성 58명, 평균나이 57.7±16.0세) 을 선정하여 영상을 평가하였다. 관전류량은 의료영상저장 전송시스템(Picture Archiving and Communication System, PACS)의 전용 뷰어에서 DICOM의 Header를 분석하여 mAs 값을 후향적으로 산출하여 비교하였다. 또한 조사선량(mR) 은 아래 식(3)과 같이 간접 선량 계산법을 이용하였다[13].

이때 a는 필터 두께에 따른 x축의 상수(0.1347), b는 필 터 두께에 따른 y축의 상수(3.6177)이며, 이들은 관전압과 필터 두께에 의존하기 때문에 선행연구에서 도출한 상수를 이용하였다. k_tp는 온도와 기압의 보정 값이며 1로 계산하였 다. AEC 전후의 관전류량과 조사선량 데이터는 정규성을 만족하여 집단 간의 비교는 대응 T-test로 검정하였고, p값이 0.05 미만일 때 유의한 차이가 있다고 판정하였다.

Ⅲ. 결 과

1. 팬텀 노출 선량

1단계 팬텀을 대상으로 영상을 획득한 총 54가지 조합의 노출선량은 Table 2와 같이 측정되었다. 동일 민감도에서 농도 설정값이 커질수록 관전류량이 증가하였지만 그 증가 폭은 관전압이 높아질수록 작아졌다. 70 kVp, 민감도 S200, 농도 D–2.5의 조합에서는 28.1 mAs가 보였지만 농 도를 D2.5로 변경한 값에서는 92.1 mAs로 조사되어 64 mAs 증가하였다. 그러나 관전압을 117 kVp로 높인 경우 민 감도 S200, 농도 D–2.5의 조합에서는 1.5 mAs가 보였지만 농도를 D2.5로 변경한 값에서는 4.0 mAs로 조사되어 3.5 mAs로 작게 증가하였다. 반면 동일 농도에서 민감도 설정 값은 커질수록 관전류량이 감소하였지만, 그 감소 폭은 관 전압이 높아질수록 작아졌다. 70 kVp, 농도 D–2.5, 민감도 S200의 조합에서는 28.1 mAs가 보였지만 민감도를 S800 으로 변경한 값에서는 7.1 mAs로 감소하였다. 관전압을 117 kVp으로 높인 경우, 농도 D–2.5, 민감도 S200의 조합에서 는 4.9 mAs가 보였지만 민감도를 S200로 변경한 값에서는 1.5 mAs로 조사되어 3.4 mAs로 소폭 감소하였다.

2. 팬텀 영상의 정량적 평가

팬텀 선량 평가와 동일한 총 54가지 조합의 SNR, PSNR 측정 값은 Table 3, 4와 같다. SNR 측정 결과값은 관전압이 90～100 kVp에서 최대값이 보이다가 감소하는 추세를 나 타내고 있었다. 농도는 민감도 변화에 큰 변화가 없었고 농 도 설정값 변화에도 큰 차이가 없었으나 관전압과 동일하게 90～100 kVp에서 최대값을 보이며 감소하고 있었다. 본 실 험에서는 70 kVp, 민감도 S200, 농도 D0의 조합에서 18.61 dB로 가장 낮게 나타났고, 관전압 90 kVp, 민감도 S800, 농도 2.5의 조합에서 26.02 dB로 가장 높게 나타났다. PSNR 측정 결과값도 SNR과 동일한 패턴을 보이었으며 관전압 70 kVp, 민감도 S200, 농도 0의 조합에서 24.24 dB 로 가장 낮게 나타났고, 관전압 90 kVp, 민감도 S800, 농도 2.5의 조합에서 31.65 dB로 가장 높게 측정되었다.

3. 팬텀 영상의 정성적 평가

영상의학과 전문의 4명을 대상으로 실시한 리커트 5점 척 도의 정성적 평가 결과는 최저 점수는 2.75점, 최고 점수는 4.75점을 획득하였다. 그 중 Fig. 3과 같이 5점 만점 중 4점 이상을 획득한 대상군은 총 16가지였다. 최대 관전류량은 70 kVp, S200, D2.5의 조합에서 92.1 mAs가 자동 조사되 었다. 최소 관전류량은 90 kVp, S800, D2.5의 조합에서 최 소 7.8 mAs가 자동 조사되었지만 SNR이 26.02 dB, PSNR 이 31.65 dB로 우수한 정량적 영상품질 값을 보였다. 기존 수동 조사조건인 81 kVp, 32 mAs로 획득한 팬텀 영상은 4.5점을 획득하였고, SNR이 22.94 dB, PSNR이 28.57 dB 로 나타났다. 따라서 AEC에 의한 관전류량은 수동 조사조 건보다 287.8% 과노출되거나 75.6% 미노출되었다.

4. 최적화 조건 임상 적용

1단계에서 최종 도출된 AEC 최적 인자인 90 kVp, S800, D2.5의 조합으로 임상에 적용한 대상 환자는 179명이었으 며 이 중 재검사률은 0%이었다. 이들에게 자동 조사된 관전 류량을 비교한 결과, Fig. 4(a)와 같이 평균 4.65 mAs가 자 동 조사되었으며, 기존의 수동 조사된 관전류량 32 mAs에 비하여 86.9% 감소하였다. 수동 조사조건인 81 kVp, 32 mAs와 AEC에서 조사된 90 kVp 4.65 mAs를 간접 선량 계 산법으로 조사선량을 산출한 결과, Fig. 4(b)와 같이 수동 조사조건에서는 192.9 mR, AEC 조사조건에서는 32.7 mR 으로 83.1% 감소하였다. 이들은 대응 T-test 통계분석 결 과, 모두 p=.001로 유의한 차이를 보였다. Fig. 5는 기존 수 동 조사조건과 AEC 조사조건에서 획득한 동일인의 부비동 엑스선 영상의 사례이다. 해당 환자의 상악동에서 관찰되는 저류낭종(retention cyst)의 경계면(화살표 표시)이 Fig. 5(a)보다 Fig. 5(b)에서 선명하게 육안적으로 확인할 수 있 었다.

Ⅳ. 고 찰

본 연구에서는 부비동 엑스선검사에서 조사선량을 저감 화하기 위해 AEC 기술을 사용하였다. 이를 위해 두개부 인 체 팬텀을 사용하여 AEC 조절인자를 최적화하고 임상 엑스 선검사에 적용하여 선량 감소 효과를 확인하였다. AEC 조 절인자의 최적화를 위해서는 이온 챔버의 채광창과 피사체 의 지배역이 일치해야 하고, 엑스선의 일차선이 지배역 밖 으로 노출되어 이온 챔버에 영향을 주는 것을 방지하기 위 해 콜리메이션을 조절해야 한다[14]. 이러한 이유로 본 연구 에서는 부비동 엑스선검사를 대상으로 하였다. 조사야가 두 개부를 벗어나지 않도록 채광창 내에 부비동 구조물을 온전 히 위치시켰고 중앙에 위치한 이온 챔버 1개만을 활성화하 여 흡수된 엑스선에 의해 적절한 농도가 생성되도록 하였다 [15]. 관전압은 높아질수록 mAs는 감소하는 경향을 보였는 데 고관전압일수록 엑스선의 투과력이 높아져 이온 챔버에 도달하는 엑스선량이 많아 적정 농도에 빠르게 도달하기 때 문이다[16]. 본 연구에서는 관전압이 증가할수록 SNR과 PSNR이 증가하는 추세를 보이다가 90～100 kVp 이후에서 다시 감소하였다. 과도한 관전압이 영상 농도를 반전시키는 솔라리제이션(Solarization) 효과를 유발시키는 것으로 판 단된다. 민감도와 농도는 관전압이 증가할수록 관전류량은 감소하였지만, 민감도는 동일 농도 내에서는 조절 수치를 높일수록 관전류량은 감소하였다. 반면 농도는 동일 민감도 내에서는 조절 수치를 높일수록 관전류량은 증가하여 민감 도와 농도는 서로 반비례 관계를 보였다. 이는 선행연구와 일치하는 결과로서 AEC가 정상적으로 동작하고 있음을 확 인하였다[17].

영상품질의 정량적 평가에서는 SNR은 5 dB 이하이고, PSNR 값은 30 dB 이상일 경우 두 영상 차이를 눈으로 구분 할 수 없다고 보고되었다[18]. 그러나 본 연구의 영상평가 결과 각 관전압에서 저감도이고 고농도일수록 SNR과 PSNR이 높게 측정이 되었다. 영상의학과 판독의들이 평가 한 4점 이상의 영상을 기준으로 측정된 관전류량의 범위는 기존 수동 조사조건 32 mAs에 비해 75.6% 감소한 7.8 mAs 에서 287.8% 증가한 92.1 mAs까지 넓은 동적범위가 확인 되었다. 이는 디지털 방사선영상이 가지고 있는 넓은 관용 도 때문이라고 판단된다. 따라서 AEC는 조절인자의 설정에 따라 선량 차이가 크게 나타나므로 최적화에 실패한다면 오 히려 엑스선에 과노출될 수 있음을 보여주고 있다.

본 연구는 최종 임상 부비동 엑스선검사에서 영상의 질을 유지하면서 적정 선량을 노출 시킬 수 있는 AEC 최적화 조 건을 도출하고자 하였기 때문에 1단계의 최적화된 조사조건 을 임상 환경에 적용하였다. 그 결과, 재검사율은 0%로 모 든 검사가 성공적으로 판독을 마칠 수 있었으며, 이는 영상 품질에는 문제 없음을 반증하는 것이다. 특히, 기존 수동 조 사조건보다 조사 관전류량이 32 mAs에서 4.65 mAs로 낮 아져 86.9% 감소하였다. 반면 관전압이 81 kVp에서 90 kVp로 상향 조정되었지만 고관전압 조사로 인해 부비동의 염증성 부가조직의 대조도분해능이 향상되었다.

본 연구에서는 선량계 자체가 엑스선에 투영되어 자동노 출에 영향을 줄 수 있기 때문에 AEC의 조사선량을 간접 선 량 계산법으로 측정하였다. 그 결과, 조사선량이 83.1% 감 소하였다. 이러한 결과는 선행연구보다 4배 이상 감소시킨 진보적인 결과이다. 기존의 부비동 엑스선검사는 전통적으 로 수동 조사조건을 사용했지만 본 연구에서는 디지털 방사 선영상의 특성을 기반한 AEC 기술을 적용하여 큰 폭의 선량 감소 효과를 최초로 입증했다는데 연구의 큰 의미가 있다.

병원 특성에 따라 판독의가 요구하는 영상 품질의 차이가 있을 수 있다. 따라서 본 연구의 방법과 같이 판독의들의 영 상품질 요구 수준을 사전에 파악하고 AEC 인자들을 최적화 한다면 최소한의 선량으로 최상의 진단적 가치가 있는 영상 을 획득할 수 있으리라 기대한다.

본 연구는 일개 제조사의 장비 한 대만으로 실험을 진행 한 한계점이 있다. 이는 방사선 발생장치와 검출기의 성능 에 따른 선량 차이가 날 수 있다는 선행연구가 있어 추후 여 러 제조사에 따른 장비를 대상으로 확장 실험하여 최적의 영상품질과 엑스선 조사조건을 구축해야 할 것으로 판단된 다[19,20].

Ⅴ. 결 론

본 연구에서는 부비동 디지털 엑스선검사에 진단적 가치 가 있는 영상품질을 유지하면서 환자의 피폭선량을 저감화 하기 위해 AEC 조절인자를 최적화하여 아래와 같은 결론을 도출하였다.

첫째, 부비동 디지털 엑스선검사 시 AEC 조절인자는 90 kVp, S800, D2.5의 조합으로 최적화되었다.

둘째, 디지털방사선영상에서 AEC 조절인자의 최적화는 부비동 엑스선검사 시 83.1%의 조사선량 감소 효과를 보였 으며 엑스선 저감화 기술로 활용될 수 있다.

셋째, AEC 조절인자의 잘못된 선택은 환자에게 수동 조 사조건보다 약 3배 정도의 방사선 과노출을 초래할 수 있기 때문에 AEC의 활용은 전문적인 지식과 많은 경험 및 훈련 이 요구된다.