Ⅰ. 서 론

최근 국민의 건강증진과 삶의 질 향상에 대한 관심이 높 아지고 있다[1]. 신경림 외 1명 연구에 따르면 73.8 %의 건 강 관련 정보 관심도가 나타났으며, 건강정보 출처가 있을 경우에는 99.6 %로 매우 높게 나타났다[2]. 진료에만 국한 되었던 과거와는 달리 보험의 필요에 의한 검진, 생활수준 의 향상이나 건강 관심 증대로 인한 개인 검사 영역이 증가 되는 추세에 있다[3]. 엑스선 검사는 가장 기본적으로 시행 되며 검사 빈도가 높아지고 있으며 고유 필터, 조사시간, 관 전류, 관전압 등 영상품질과 피폭선량을 결정하는 중요인자 에 대한 연구를 통해 피폭선량을 줄이고자 한다[1].

인체를 구성하고 있는 신체 부위 중 하지는 넙다리뼈, 무 릎뼈, 종아리를 형성하는 정강뼈, 종아리뼈, 발뼈 및 그것들 을 연결하는 엉덩관절, 발목관절 및 발가락 관절로 구성되 어 있다. 몸무게를 지탱해 주며, 체중을 전달하는 역할을 한 다. 또한, 근육의 붙는 곳을 제공하며, 발목관절을 안정시키 는 데도 중요한 역할을 한다[4]. 이러한 기능을 하는 하지는 방사선학적 검사 방법으로 Orthoroentgeno graphy, Slit scanography 그리고 Spot scanography가 있다. 임상에서 는 주로 이들의 변형된 방법인 스캐노그램(Scanogram)이 이용되고 있다[5].

스캐노그램이란 한 장의 엑스선 필름에 담을 수 없는 영 상에 대한 정보를 여러 장의 사진으로 나누어 검사한 후 하 나로 합성시켜 관찰하는 검사 방법을 말한다. 이는 주로 하 지 정렬 계측 또는 장골 계측이나 척추측만증이 의심될 때 사용한다[6]. 그러나 검출기에 한 번에 들어가지 않는 장골 검사는 DR(Digital Radiography) System의 발전으로 영 상을 합성하는 3 spot DR 방식을 제공하고 있다[6].

DR 방식에서는 기존 필름 스크린 시스템에서는 발생하지 않았던 상, 하 영상의 재구성 시 겹친 부분에서 오차의 발생 이 나타날 수 있다. 이는 영상 재구성 방법이 해부학적 구조 를 장비가 인식하여 합성하는 것이 아니라 기존의 디지털 영상 처리 중 이미지 스티치(Image stitch) 기능을 적용한 것이기 때문이다[7]. 또한, 스캐노그램은 장시간 동안 서서 검사하기 때문에 소아 환자나 낙상 위험이 큰 노인 환자에 게 적용하기 어렵다. 실제로 환자 중에서 65세 이상의 노인 이 대부분 입원 중 낙상하는 것으로 보고되며, 노인 환자 1,000명당 0.6에서 3.6명이 낙상을 경험한다고 보고되었 다[6].

기존 검사 방식은 엑스선 튜브를 수평으로 고정하고 목적 부위를 조사야 안에 모두 포함한 상태로 3개의 필름 혹은 영 상판을 합친 카세트를 홀더에 장착해 1회 조사하는 방식이 다. 하지만 골반 부위의 경우 높은 영상품질을 요구하기 때 문에 고에너지 엑스선을 이용하게 되면서, 발목 등 얇은 부 위의 경우 엑스선이 기존보다 많이 투과하게 되어 영상을 진단하기에는 적합하지 않다.

이를 해결하기 위해 실효 에너지를 올리는 부가 필터를 시용하는 것이 효과적이다[3]. 부가 필터는 고유 필터에서 제거되지 못한 저에너지 광자를 흡수하기 위해 엑스선속의 경로에 삽입한 필터에서 일어나는 여과를 말한다[8]. 때문 에, 영상의 품질에 기여하기보다는 피폭선량에 기여하는 저 에너지 광자를 흡수하여 피폭선량을 감소시키는 역할을 한 다. 고관전압 검사 시 두꺼운 필터를 이용하면 평균 에너지 가 상승해 영상의 대조도와 피폭선량을 줄일 수 있는 장점 이 있다[9]. 흉부 디지털 엑스선과 같은 고관전압 검사에서 는 0.1~0.3 mm 정도의 구리 필터를 사용하며[10]. 머리부 전후방향검사, 유방검사에서 구리와 알루미늄의 복합 필터 가 이용되고 있다[11].

하지만, 엑스선관에서 발생한 연속 에너지의 엑스선은 부 가 필터를 통과하며 엑스선 빔 경화현상으로 인해 평균 에 너지가 증가하게 된다. 이로 인해 피사체 내에는 전방 산란 선량이 증가하게 되며 영상품질에 영향을 미치고 있다[12]. 또한, 검사를 할 때 영상품질 개선을 위해 사용하는 필터는 고가에 형성되며 제작 과정이 매우 복잡하여 임상에서의 사 용량은 감소하고 있는 추세이다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 3D 프린팅 기술을 사용 할 수 있다. 3D 프린팅 기술은 적층 가공 방식을 이용하여 3D 형태의 입체물을 제조하는 것이다. 3D 프린팅 기술은 4 차 산업 혁명의 대표기술로, 디지털 데이터를 언제 어디서 든 원하는 모형으로 가공하여 적층하는 방식으로 출력할 수 있다[13]. 3D 프린팅 기술은 기존의 필터 제작 방식보다 출 력 성능을 향상할 수 있으며 제작 시간과 비용을 절약할 수 있다. 또한, 사용되는 재료의 종류가 지속적으로 늘어나고 있는 추세이다[14].

이에 본 연구는 장골 검출기(long length detector)를 이 용하여 장골검사를 할 때 발생하는 불균형한 영상 품질을 개선하기 위해 3D 프린팅 기술을 이용하여 구리필터를 직접 제작하였다. 고에너지 여과효율이 높은 구리 필터(K 흡수단 : 8 keV)를 부가 필터로 사용한다면 동일 농도에 필요한 선 량은 증가하지만 불필요한 저 산란에너지를 제거할 수 있어 투과력이 높아지며 평균 에너지가 높아지기 때문에 피폭선 량을 감소시킬 수 있다[3]. 또한, 알루미늄 재질의 필터에 비해 약 25배 정도의 저에너지 엑스선을 흡수하여 평균 에 너지를 증가시켜 환자의 피폭선량을 줄여줄 수 있으며[15]. 최종적으로 필터를 사용하였을 때의 영상품질 개선과 피폭 선량 저감을 증명하기 위해 필터 여부에 따른 두 개의 영상 을 정량적으로 평가하여 그 차이를 알아보고자 한다.

Ⅱ. 대상 및 방법

필터 설계는 CAD (Solidworks software, DASSAULT, USA) 프로그램을 이용하여 산업통상자원부 국가기술표준 원 인체 표준 정보에서 제공하는 3차원 인체 형상을 바탕으 로 골반과 발목 등 전체적인 하지 부위 두께를 감안하여 Fig. 1(a)과 같이 제작하였다. 제작된 필터의 형태는 Fig. 2(a)와 같으며, 필터를 검출기에 부착한 모습은 Fig. 2(b)와 같다. 설계한 필터의 정보를 3D 프린터로 전송한 후 구리 필라멘트(copper, colorfabb, Netherlands)를 이용하여 각 각의 필터를 제작하였다. 3D 프린팅을 위한 출력 설정은 Table 1과 같다. 또한, 장골 검사할 때 제작된 필터를 부착 할 수 있는 아크릴판 또한 Fig. 1(d)와 같이 설계하였으며 콜리메이터에 맞춰 제작하였다.

제작된 필터를 하지를 한 번에 검사할 수 있는 장골 검출 기(FXRD-1751S, VIEWORKS, Korea)와 인체의 조직밀도 와 유사한 란도 팬텀(Whole Body Phantom, PBU-60, KYOTO KAGAKU, Japan)을 가지고 실험을 진행하였다. 실험을 위해 사용된 팬텀은 Fig. 3과 같다. Fig. 3은 인체의 조직밀도와 가장 유사하며 인체 각 부위의 평균 두께를 고 려하여 만들어진 팬텀을 사용하였다. 아크릴판에 제작된 필 터를 고정하였으며 필터의 사용 유·무에 따라 각각 나눠서 수동 촬영조건으로 전후방향자세와 측방향자세로 실험을 진행하였다. 필터 유무에 따른 전체적인 하지 영상품질의 변화는 Fig. 2(c)를 통해 알 수 있으며, 부위에 따른 영상품 질의 변화는 Fig. 4를 통해 알 수 있다.

골반의 위치에 맞춰 필터를 고정한 후, 필터의 사용 유· 무에 따라 구분해 실험을 진행하였다. 엑스선 조사를 위해 70, 80, 90 kVp와 40, 63, 80, 100 mAs의 검사 조건으로 엑스선을 조사하고 엑스선 영상을 획득하였다. 획득한 엑스 선 영상을 Image J 프로그램을 통해 관심영역(Region Of Interest; ROI)를 일치시키고 신호 대 잡음비(signal to noise ratio; SNR)와 대조도 대 잡음비(contrast to noise ratio)를 측정 및 분석하여 필터 유무가 영상의 질에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 측정을 위해 전후방향, 측방향 영상에서 5 × 5 화소(pixel)의 ROI을 골반, 무릎, 발목 부위 에서 선정하여, 화소 신호강도의 평균값과 표준편차의 평가점 으로 선정하였다. CNR, SNR 측정을 위해 뼈 부위(ROI 1), 연부조직 부위(ROI 2), 백그라운드 부위를 5 × 5 화소크기 (pixel size)로 ROI를 선정하여, 노이즈(noise)의 정량적인 평가 방법인 SNR, CNR을 측정 및 분석하여 진단적 가치가 높은 영상을 제시하였다. ROI의 위치는 Fig. 5와 같이 선정 하였다. Fig. 5의 (a)의 경우 골반의 ROI 1, ROI 2, 백그라 운드를 선정하였으며, 동일한 조건으로 Fig. 5의 (b)의 무 릎, Fig. 5의 (c)의 발목과 같이 선정하였다.

CNR은 ROI의 화소(pixel) 신호 강도의 표준편차와 평균 값을 측정한 후 다음과 같은 식(1)을 이용해 측정하였다. α 는 ROI 1의 평균 화소 값, β는 ROI 2의 평균 화소 값, δ는 백그라운드의 표준편차를 의미한다.

SNR은 ROI와 백그라운드 신호강도의 평균과 표준편차를 측정한 후, 다음과 같은 식(2)을 사용해 측정하였다. μ_BG 와 μ_S 는 화소의 평균, σ_S 는 화소의 표준편차를 의미한다.

Ⅲ. 결 과

장골 검출기(long length detector)를 이용한 구리필터 의 영상품질 평가는 골반의 경우 Fig. 4(a), 무릎의 경우 Fig. 4(b), 발목의 경우 Fig. 4(c)와 같으며, 그로 인한 평 균, 표준편차를 측정하였으며, 팬텀을 각각 전후 방향과 측 방향으로 위치시켜 식 (1)과 (2)의 공식으로 계산한 CNR, SNR의 결과는 Table 2, 3과 같다. 이에 대한 변화는 Fig. 6을 통해 차이를 확인할 수 있다.

1. SNR 측정 결과

부가 필터를 쓰지 않았을 때 SNR은 전후방향자세의 경우 70 kVp, 40 mAs일 때 골반, 무릎, 발목 순으로 963.53, 642.56, 1,269.48로 측정되었다(Table 2). 측방향자세의 경 우 80 kVp, 63 mAs일 때 동일한 순으로 1,106.38, 650.44, 206.65로 측정되었다(Table 3).

부가 필터를 사용했을 때 SNR은 전후방향자세의 경우 90 kVp, 80 mAs일 때 골반, 무릎, 발목 순으로 961.24, 1,235.94, 1,496.29로 측정되었다(Table 2). 측방향자세의 경우 90 kVp, 100 mAs일 때 동일한 순으로 1,189.32, 1,013.17, 993.50로 측정되었다(Table 3).

2. CNR 측정 결과

부가 필터를 쓰지 않았을 때 CNR은 전후방향자세의 경우 70 kVp, 40 mAs일 때 골반, 무릎, 발목 순으로 75.84, 23.58, 82.82로 측정되었다(Table 2). 측방향자세의 경우 80 kVp, 63 mAs일 때 동일한 순으로 14.34, 97.61, 23.68 로 측정되었다(Table 3).

부가 필터를 사용했을 때 CNR은 전후방향자세의 경우 90 kVp, 80 mAs일 때 골반, 무릎, 발목 순으로 719.89, 102.81, 593.84로 측정되었다(Table 2). 측방향자세의 경 우 90 kVp, 100 mAs일 때 동일한 순으로 70.43, 444.24, 136.11로 측정되었다(Table 3).

Ⅳ. 고 찰

장골검사에 사용되는 방법인 스캐노그램은 1회 조사로 엑 스선 필름에 담을 수 없는 영상정보를 분할조사로 나누어 검사한다. 획득된 영상은 골반, 무릎, 발목 등의 관찰 정도 가 명확해야 한다. 이때 검사 부위에는 하지의 뼈 부위뿐만 아니라 방사선 감수성이 높은 중요장기 부위가 방사선에 무 방비하게 노출되어 있다[16].

이러한 단점을 보완하고자 본 연구는 평판형디지털검출 기 3개를 이어붙여 1회의 엑스선 조사로 많은 영역의 정보 를 획득할 수 있는 장골 검출기를 사용하였다[6]. 선행연구 에 따르면 장골 검출기를 사용함으로써 분할조사가 필요 없 어진 만큼 조사시간은 짧게 줄일 수 있고 전체 검사시간이 절반 이하로 떨어졌다고 보고되었으며, 1회 조사로 모든 영 상을 획득하기 때문에 산란선 또한 약 50% 가까이 줄일 수 있었다. 또한, 동일한 목적 부위의 조사야 일지라도 영상 재 구성을 위한 중복된 부위의 방사선 조사가 없어 환자가 받 는 피폭선량 또한 줄어들 것으로 사료된다[6]. 하지만, 장골 검출기는 1회의 조사로 장골 전체의 영상을 얻기 때문에 조 사선량을 높여야 하며, 기하학적인 해부학적 구조의 차이로 엑스선 감쇄로 인해 상대적으로 얇은 발목뼈 부위의 경우 영상을 진단하기에는 적합하지 않은 단점이 있다. 이 점을 보완하고자 3D 프린팅 기술을 이용하여 구리 부가 필터를 제작하였다. 부가 필터는 저에너지 광자를 흡수하여 피폭선 량(환자선량)을 감소시키는 역할을 한다. 또한, 구리는 동일 농도에 필요한 선량은 증가하지만 불필요한 저 산란 에너지 를 제거할 수 있어 투과력도 좋아질 뿐만 아니라 평균 에너 지가 높아지기 때문에 부가 필터의 재료로 적합하다.

연구 결과, 부가 필터를 쓰지 않았을 때 전후방향자세의 경우 70 kVp, 40 mAs, 측방향자세의 경우 80 kVp, 63 mAs로 부가필터를 사용했을 때 전후방향자세의 경우 90 kVp, 80 mAs, 측방향자세의 경우 90 kVp, 100 mAs 조건 으로 엑스선을 조사하였다. 이에 앞서 말한 장골 검출기의 단점을 보완할 수 있는 3D 프린팅 기술과 구리 필라멘트를 이용한 부가 필터는 앞으로 장골 검사의 새로운 방안이 될 수 있을 것으로 사료된다.

하지만 이번 연구의 한계는 다음과 같다. 첫째, 임상에서 검사 시 고려되는 환자의 체형, 몸무게 등에 의한 변수가 적 용되지 않았기 때문에 여기서 제시된 부가 필터의 조합이 표준적인 결과물로 제시되기 어려운 한계점이 있다[17]. 둘 째, 임상에서 환자를 검사할 때에 환자의 체격 등에 따른 변 수가 작용하고 다양한 종류의 검사기기를 사용하기 때문에 본 연구에 제시된 부가 필터, 관전압과 관전류에 따른 피폭 선량의 수치를 절대적인 결과로 단정지을 수 없다[18]. 셋 째, 구리 필라멘트의 출력이 잘 되기 위해서는 구리의 밀도 고려가 필요하며 제조회사별로 밀도가 다를 수 있다는 것 또한 주의해야 한다[19]. 넷째, 부가 필터의 조건을 1가지로 국한하여 세분화하지 못한 점이 있다[18].

Ⅴ. 결 론

본 연구에서 장골 검출기를 이용한 전후방향, 측방향 장 골 검사에서 부가 필터를 사용했을 때가 사용하지 않았을 때 보다 진단적 가치가 우수하며 골반, 무릎, 발목에서의 CNR, SNR이 필터가 없을 때보다 높게 측정되어 영상 판독 에 유용한 것으로 확인하였다. 결과적으로 장골 검출기를 이용한 장골 검사는 검사시간을 단축시킬 수 있으며, 영상 의 영상품질이 우수하여 이후 장골 검사를 시행할 때 진단 적 가치가 높은 영상을 만들어 낼 수 있음을 확인하였다.