Ⅰ. 서 론

흉부 방사선검사 영상(chest radiography; CXR)은 폐 실질에서 발생한 질환 및 심장크기(cardiac size; CS), 심장 의 형태학적, 기능적 이상 그리고 종격종양, 대동맥류, 좌심 부전 등의 질환 기본적인 질환 확인을 위해 매우 중요하게 이용되고 있는 대표적인 영상의학과적 검사이다[1,2]. 이 검 사는 낮은 선량과 적은 비용, 간단한 검사방법으로 복잡한 흉부 내의 구조물을 2차원 평면 영상으로 나타낼 수 있다는 장점이 있다[3,4]. 일반적으로 CXR은 선 자세에서 환자의 등에서 가슴 방향으로 X선을 조사하는 흉부 후·전방향 검 사(chest posteroanterior projection; chest PA)를 말하 지만, 선 자세가 어려운 환자의 경우 앉은 자세 또는 바로누 운 자세에서 흉부 전·후방향검사(chest anteroposterior projection; chest AP)를 시행하게 된다[5-7].

흉부는 각기 다른 밀도의 장기들이 흉곽이라는 공간에 있 기 때문에 각 장기들의 윤곽과 질환의 정확한 묘사를 위해 서는 매우 관용도가 높은 영상이 요구된다. 이를 위해 chest PA 검사 시에는 높은 관전압으로 사용하고 있고, 산란선으 로 인한 선예도 감소를 줄이기 위해 물리적 격자(grid)도 사 용된다. 고관전압의 사용은 X선 선질을 경하게 하여 혈관이 나 병변 부위의 대조도 저하가 있어도 늑골 등의 장해 음영 을 흐리게 하여 시각적으로 폐문리나 병변을 보기 쉽게 하 기 위해서이다[8]. 또한, 노출 시간의 단축과 종격동, 횡격 막 하부의 관용도를 넓혀 진단영역 확대와 피폭선량 감소, X선관의 부하가 경감되는 장점이 있다[9]. 하지만, chest AP는 위와 같은 장점이 적용되기에는 검사의 특성상 한계 가 있다. chest AP는 선 자세가 어려운 경우 진행하는 검사 의 특성상 일반적으로 침대 누운 상태 및 휠체어에 앉은 자 세에서 검사가 진행되므로 물리적 격자 사용에 어려움이 있 으며, 물리적 격자를 사용한 경우에도 X선관의 중심선과 격 자 중심의 불일치 및 집속거리 불일치 등으로 발생하는 Cut-off 현상으로 인한 화질 저하가 발생할 수 있다[10]. 그래서 최근 개발된 장비에서는 물리적 격자로 인해 발생되 는 화질 저하 최소화를 위해 산란선 보정을 통해 선예도를 향상시키는 산란선 후처리 소프트웨어(Simgrid)가 개발되 어 임상에 적용되고 있다[10,11]. 이처럼 장비 및 소프트웨 어의 발전에도 불구하고, 조사조건이 기존의 필름/스크린 시스템(film-screen system; F/S system)과 유사하게 이용 되거나, 디지털 방사선검사 환경(digital radiography system; DR system)에 적합한 조사조건 기준 설정 없이 사용하고 있어, 환자의 피폭선량 증가의 원인이 되고 있 다[12].

이에 본 연구에서는 디지털 방사선 검사장비에서 chest AP 검사 시 고관전압과 산란선 후처리 소프트웨어의 동시 적용이 화질과 환자 선량에 미치는 영향을 알아보고, 임상 적으로 유용한 새로운 chest AP 검사 조건에 대한 정보를 제공하고자 한다.

Ⅱ. 대상 및 방법

1. 연구 대상

본 연구에서는 Whole Body Phantom PBU-50(PH-2, KYOTO KAGAKU, JAPAN)중 흉부 부분(chest part of phantom; phantom)만을 대상으로 하였으며, X선 발생장 치는 GC 85A(Samsung electronics, KOREA), 선량 측정 은 Unfos Xi(RaySafe, SWEDEN)를 사용하였다.

2. 연구 방법

1) 실험 방법

Phantom은 영상수용체(detector)에 바로 누운자세로 위치시키고, phantom의 흉골 위 흉추 6번(6^th thoracic spine; T6)위치에 선량계를 가로로 위치시켰다. 조사조건은 저관전압(70 kVp, 400 ㎃, 3.2 ㎃s)와 고관전압(100 kVp, 400 ㎃, 1.2 ㎃s)로 구분하여 조사하였다. 중심 X선 입사점 은 T6 지점을 향해 수직 입사하였고, 조사야 크기는 가로 14 inch × 세로 17 inch, 초점-영상수용체 간 거리(source to image receptor distance; SID)는 110 ㎝로 동일하게 적용 하였다[Fig. 1(a)]. 영상획득은 저관전압과 고관전압 조건에 서 Simgrid 적용 유·무의 상태에서 각각 30회의 영상을 획 득하였다.

2) 선량 측정 방법

선량측정은 면적선량(dose area product; DAP)와 입사 표면선량(entrance surface dose; ESD)를 측정하였는데, DAP는 장비에서 표시하는 값을 이용하였고, ESD는 반도체 선량계에서 지시하는 값을 기록하였다.

3) 화질 분석 방법

각 조건에서 획득한 영상은 Simgrid를 적용한 영상과 적 용하지 않은 영상으로 구분하여 비교 분석하였다.

화질분석은 Image J(Ver.1.46r, National Institutes of Health, USA)를 이용하여, 신호 대 잡음비(signal to noise ratio; SNR)와 대조도 대 잡음비(contrast to noise ratio; CNR)를 분석하였다.

SNR, CNR 측정을 위한 관심영역(region of interest; ROI)는 8 ㎜ × 8 ㎜ 크기로 총 3곳(기도, 폐야, 늑골)에서 측정하였으며, SNR과 CNR은 식(1), (2)와 같은 방법으로 계산하였다.

4) 자료분석방법

본 연구에서 수집된 자료는 정규성검정 후 평균값을 비교 분석하였다.

각 조건에서 DAP와 ESD의 평균비교분석은 독립표본 t 검정(independent t-test)를 이용하였다.

SNR과 CNR은 ROI 측정 부위에서 조사조건 별 Simgrid 적용 유·무에 따른 평균값은 일원배치분산분석(one-way ANOVA)을 이용하여 비교하였으며, 사후검정은 Duncan을 적용하였다.

통계프로그램은 SPSS(version 22.0, SPSS, Chicago, IL, USA)를 사용하였고, 유의수준(α)은 0.05, 유의확률(p) 은 0.05이하는 유의한 것으로 설정하였다.

Ⅲ. 결 과

1. 관전압 변화에 따른 선량 비교

저관전압과 고관전압에서의 ESD와 DAP의 평균비교 결 과, ESD는 저관전압에서 93.04±0.45 μ㏉, 고관전압에서 는 94.25±1.51 μ㏉이었으며, DAP의 경우에 저관전압에서 0.97±0.04 μ㏉, 고관전압에서는 0.93±0.01 μ㏉로 나타 났다. ESD와 DAP의 평균값은 통계적으로 유의한 것으로 나타났다(p<0.01), (Table 1).

2. 관전압변화에 따른 화질비교

1) 관전압 변화에 따른 SNR 비교 결과

기도와 폐야, 늑골위치에서 SNR의 비교결과, 저관전압에서 Simgrid를 사용하지 않은 경우의 SNR값은 48.59±0.75 ㏈, 37.67±0.53 ㏈, 13.61±0.06 ㏈이었으며, Simgrid를 적용한 경우에는 33.08±0.49 ㏈, 28.26±0.43 ㏈, 12.22±0.05 ㏈로 나타났다.

고관전압에서 Simgrid를 적용하지 않은 경우의 기도와 폐 야, 늑골에서 SNR 값은 56.41±1.27 ㏈, 40.90±0.56 ㏈, 14.43±0.10 ㏈이었고, Simgrid를 적용하였을 때의 SNR은 39.50±0.80 ㏈, 33.52±0.44 ㏈, 13.02±0.08 ㏈이었다.

각 위치에서 관전압과 Simgrid 적용 유·무에 따른 SNR 의 평균값의 차이는 통계적으로 유의한 차이를 보였으며 (p<0.05), 사후검정에서도 각 그룹이 독립적인 것으로 나타 났다(Table 2), (Fig. 2).

2) 관전압 변화에 따른 CNR 비교 결과

기도 위치에서 Simgrid 적용 유·무에 따른 CNR의 평균 값은 저관전압의 경우에 46.70±0.42 ㏈와 43.70±0.58 ㏈ 이었으며, 고관전압에서는 55.16±0.87 ㏈과 48.50±0.74 ㏈로 나타났다. 폐야에서는 저관전압의 경우에 53.27±0.75 ㏈와 39.97±0.61 ㏈, 고관전압의 경우는 57.84±0.80 ㏈ 과 47.40±0.63 ㏈이었다. 늑골에서는 저관전압의 경우에 19.26±0.08 ㏈과 17.28±0.08 ㏈, 고관전압의 경우는 20.41±0.14 ㏈과 18.41±0.12 ㏈로 나타났다.

각 위치에서 관전압과 Simgrid 적용 유·무에 따른 CNR 의 평균값의 차이는 통계적으로 유의한 차이를 보였으며 (p<0.05), 사후검정에서도 각 그룹이 독립적인 것으로 나타 났다(Table 3), (Fig. 2).

Ⅳ. 고 찰

DR system의 넓은 dynamic range는 과하거나 부족한 X 선 조사 조건에서도 적절한 영상으로 구현할 수 있다는 장점 이 있다. DR system의 또 다른 장점은 영상 정보의 다양한 디지털 후처리가 가능성일 것이다. 이와 같은 장점은 흉부 영상분야에서 매우 유용하게 이용되고 있다. 실례로 뼈 억제 (bone suppression)소프트웨어의 개발 및 적용은 늑골과 쇄 골 같이 흉부 영상에서 나타나는 뼈를 효과적으로 제거하면 서 원본 영상보다 잡음(noise)는 감소시키고, 선명도는 증가 된 영상을 획득할 수 있게 되었다[13,14]. 또한, 산란선 보정 후처리 기능은 제조사마다 기술력의 차이는 있으나, 대부분 의 DR system에서는 보편적인 기술이 되어가고 있다. 이처 럼 방사선 검사장비와 영상처리 기술의 발전에도 불구하고, 임상에서는 F/S system에서 적용하던 검사 방식과 X선 조사 조건을 DR system에서 동일하게 사용하고 있는 경우가 있 다. 본 연구자들이 수도권 종합(대학)병원 5곳에 전화조사를 통해 본 연구 주제인 chest AP 검사 시 조사조건에 대해 문의 한 결과 F/S system을 사용할 때와 동일한 조사조건을 DR system에 적용하고 있는 것을 알 수 있었다. 2012년 식품의 약품안전처 자료에서도 chest AP 검사 시 평균적인 조사조 건은 87.93 ㎸p, 10.03 ㎃s, SID 105 ㎝, ESD는 1.29 m㏉로 조사되었다[4,15]. DR system에서 적절한 조건이 아닌 F/S system에서 사용하던 검사 조건 및 방식을 그대로 적용하는 것은 환자에게 불필요한 선량을 부과하는 결과를 초래하게 된다. 실제로 Han 등은 DR system에서 chest PA 검사 시 적절한 관전압, 관전류, 부과여과 필터를 사용 시 유효선량을 최대 77%까지 감소시킬 수 있다고 주장하였다[9].

본 연구 결과에서 나타난 Simgrid 사용 유·무에 따른 대 조도의 향상과 SNR와 CNR의 감소라는 결과는 전통적인 필 터링에 기반한 영상의 대조도와 노이즈의 관계로 설명하기 는 다소 어려움이 존재한다. 특히, 이번 연구에서 Simgrid 사용 유·무에 따른 SNR과 CNR의 변화가 다른 부위보다 lung filed에서 크게 나타났는데, 이러한 결과로 유추해 볼 때 lung filed에서 주로 발생하는 작은 폐결절(lung nodule) 관찰에 유용할 것으로 생각된다.

본 연구의 결과, 저관전압과 고관전압 조건에서 ESD의 평 균값은 93.04 μ㏉와 94.25 μ㏉로 고관전압 조건이 약간 높게 나타났으나, 이 선량 수치는 임상적으로 유용한 차이는 없을 것으로 생각된다. 하지만 식품의약품안전처의 조사 자료 보 다는 두 조건 모두 낮은 선량으로 나타났다. DR system에서 chest PA 최적 조사조건에 관한 선행연구에서는 120 ㎸p, 1.5 ㎃s가 영상 화질은 우수하면서 환자 피폭은 최소화할 수 있는 조건으로 제시하면서, 동일 관전류에서 관전압을 증가 시켰을 경우 화질이 감소한다고 주장하였다. 본 연구 및 선행 연구의 결과로 보았을 때 고관전압을 사용하면서 관전류를 낮게 사용하는 고관전압 조사조건을 사용하는 것은 chest AP 를 검사하는 대부분의 환자들이 정상적인 검사 협조가 어렵다 는 점을 고려해 보았을 때 움직임 및 호흡에 의한 영상의 아티 팩트 최소화를 위해 좋은 방법으로 생각된다.

X선 조사 조건 차이에 따른 화질을 비교한 결과, SNR, CNR 값 모두 고관전압 조건에서 저관전압 조건보다 높은 수치로 나타났는데, 이는 관전압 증가로 인해 detector에 도달한 신호 의 증가 때문으로 생각된다. 그리고 Simgrid를 적용했을 때 두 조건 모두에서 SNR과 CNR 감소하는 결과가 나타났다. 이는 일반적인 영상 필터링과는 다르게, 인공지능 영상처리에 기반한 Simgrid기법이 X선의 산란선을 비선형적 인공지능 알고리즘에 의해서 처리되어지기 때문에 나타나는 현상이라 유추된다. 이같은 결과는 박 등[10]연구 결과 중 SNR에 대한 결과값과 다소 다른 결과로 나타났는데 이는 복잡한 Simgrid 의 알고리즘에 의한 현상으로 파악된다. 다만, Simgrid를 적용했을 경우 영상의 대조도는 증가한다는 점은 같은 결과로 나타났다.

본 연구 결과에서 나타난 Simgrid 사용 유·무에 따른 대 조도의 향상과 SNR와 CNR의 감소라는 결과는 전통적인 필 터링에 기반한 영상의 대조도와 노이즈의 관계로 설명하기 는 다소 어려움이 존재한다. 특히, 이번 연구에서 Simgrid 사용 유·무에 따른 SNR과 CNR의 변화가 다른 부위보다 lung filed에서 크게 나타났는데, 이러한 결과로 유추해 볼 때 lung filed에서 주로 발생하는 작은 폐결절(lung nodule) 관찰에 유용할 것으로 생각된다.

본 연구에서 적용된 Simgrid는 X선 검사 시 발생하는 산 란선 영상과 원본 영상을 다수 인공지능 알고리즘에 기반한 학습을 진행하여, 산란선의 제거에 큰 특징을 가지는 것으 로, 처리과정이 선형적(linear)특성을 가지는 전통적 영상 처리 기법과는 다른 특징을 가진다. 이는 향후 지속적으로 선보일 AI기반 영상처리 알고리즘들은 과거 전통적인 영상 화질에 대한 고정관념을 혁신하는 역할을 하게될 수 있음을 암시한다. 또한, 영상의 화질에 대한 다양한 평가 기법들이 향후 인공지능의 발전으로 인하여 다양하게 발전 및 변형되 어질 것이라는 유추할 수 있다.

본 연구를 통해 DR system에서 chest AP 검사 시 관전 압의 조건을 사용하는 것이 유사한 환자 선량으로 양질의 영상을 구현할 수 있음을 알 수 있었고, Simgrid의 장점에 대해 다시 한번 고찰할 수 있었다. 다만, 인체모형 팬텀을 대상으로 하여 실험하였기 때문에 실제 환자에게 적용 시 화질과 선량에 대한 추후 연구가 필요할 것으로 사료된다.

Ⅴ. 결 론

본 연구는 DR system에서 chest AP 검사 시 고관전압과 산란선 후처리 소프트웨어 적용에 따른 화질과 환자 선량에 미치는 영향을 비교분석 한 결과는 다음과 같다.

Chest AP 검사 시 저관전압에 비해 고관전압에서 ESD는 1.3% 증가하였으나 DAP는 4.1% 감소하였으며, SNR와 CNR은 저관전압 보다 고관전압에서 높게 나타났다. 특히 기도 영역의 경우, Simgrid 사용 시 SNR은 19.4%, CNR은 10% 증가하였고, Simgrid 미사용 시 SNR은 16%, CNR은 18.1% 증가하는 결과가 나타났다.

Chest AP 검사 시 고관전압 조건 적용이 정보량 높은 영 상 구현에 도움이 될 것으로 사료되며, 산란선 후처리 기능 을 사용할 수 있다면 함께 사용하는 것이 화질 향상에 도움 이 될 것으로 생각된다.