A Study on the Usefulness of Copper Filter in Single X-ray Whole Spine Lateral using 3D Printer

단일조사 whole spine Lateral 검사에서 3D 프린터로 제작한 구리 필터 유용성 연구

Abstract

The WSS lateral examination is important for diagnosing spinal disorders. Recently, long-length detectors for large-area diagnose have been popularized to effectively reduce the exposure dose and examination time. It can be applied very efficiently to examinations of patients with high risk of falls, children, and adolescents. However, since the image is acquired through a single irradiation, the volume of cervical vertebra is relatively smaller than the lumbar due to the geometrical anatomy of the spine. Therefore, this study intends to fabricate an additional filter using 3D printing technology and copper filament to obtain uniform image quality in the WSS lateral examination and to analyze the results. 3D printing technology is able to easily print a desired shape, so it is widely used in the entire industrial field, and recently, a copper filament has been developed to confirm the possibility as an additional filter. In the WSS lateral examination, CNR and SNR were excellently measured when the additional filter was applied, confirming the possibility of using the additional filter.

WSS 측면 검사는 척추의 질환을 진단하기 위해 매우 중요한 검사이다. 최근 대면적의 Long Length Detector가 보급되고 있어 피폭선량과 검사 시간을 효율적으로 줄일 수 있으며, 낙상 고위험군 환자 및 소아, 청소년기 환자의 검사에 매우 효율적으로 적용할 수 있다. 하지만 1회 조사로 영상을 얻기 때문에 기하학적인 척추의 해부학적 구조상 허리뼈 보다 목뼈 부근이 상대적으로 체적이 적어 목뼈 부위의 영상 품질은 진단 가치가 매우 하락한다는 단점이 있다. 이에 본 연구는 WSS 측면 검사에서 균일한 영상품질을 얻기 위해 3D 프린팅 기술과 구리 필라멘트를 이용하여 부가 필터를 제작하고 결과를 분석하고자 한다. 3D 프린팅 기술은 원하는 모양을 손쉽게 출력할 수 있는 장점이 있어 산업 분야 전반에 광범위하게 사용되고 있으며, 최근 구리 소재의 필라멘트가 개발되어 부가 필터로서의 가능성을 확인하였다. WSS 측면 검사에서 부가 필터 적용시 CNR과 SNR이 우수하게 측정되어 부가필터의 사용 가능성을 확인 하였다.

Ⅰ. INTRODUCTION

인체의 중심이 되는 척추는 위쪽으로 머리를 받치며 아래쪽으로 골반과 연결되어 체중을 하지로 연결해준다. 또한 척추는 체간의 기둥 역할을 하고 체간과 골반 사이의 생리적 운동에 관여하는 생역학 기능을 하며 크게 경추(목뼈), 흉추(등뼈), 요추(허리뼈)로 구분할 수 있다^[1]. 이러한 척추에 관한 질병 중 척추측만증은 척추 만곡이 측면방향으로 진행됨과 동시에 회전변형이 동반된 것으로 근골격계가 급성장하는 청소년시기에 주로 발생되며, 영구적인 기형을 가져올 수도 있다^[2-4]. 보건의료 빅데이터 개방 시스템에 의하면 2015년부터 5년간 1회 3매의 전척추 검사를 한 환자는 7, 894명에서 21, 898명으로 연도별 상승 추이로 통계되어 최근 척추측만증에 대한 관심이 증대되면서 치료가 활발히 진행되고 있고, 척추측만증의 치료 방향과 시기를 결정하는 요인으로 연령, 성별, 성숙도, 만곡의 모양 및 크기 등이 있으나, 이 중 만곡의 크기가 가장 중요하며 단순 척추 촬영에 의해서 정확한 측정이 가능하다^[5]. 척추측만증 검사가 가능한 전척추검사(Whole Spine Scanography; WSS)는 전신에 X선을 조사하는 검사이며, 환자는 척추측만증을 치료하는 과정에서 수차례에 걸쳐 WSS를 검사하게 되는데, 치료 경과에 따라 3년간 척추측만증의 진단과 치료를 하는 과정에서 순차적으로 22회의 방사선 검사가 이루어지기도 한다^[6-8]. 또한 WSS는 주로 길이가 긴 장골 계측이나 하지 정렬 계측 또는 척추측만증이 의심될 때 사용하는 촬영법인 scanogram을 사용하는데, 한 장의 X선 필름에 담을 수 없는 영상정보를 여러 장의 사진으로 나누어 촬영하고 하나로 합성 시켜 관찰하는 검사방법을 말하며 이러한 scanogram 촬영법은은 치료기간 동안 잦은 검사인 WSS검사에서 환자의 과도한 방사선피폭을 초래한다^{[9, 10]}. 최근 whole spine 검사 전용 검출기가 많이 보급되고 있으며 이는 1회 X선 조사로 whole spine의 전체적인 영상을 얻을 수 있어 검사 시간이 빠를 뿐만 아니라 선량을 낮출 수 있게 되지만, 상대적으로 인체 두께가 얇은 C-spine의 진단 영역에 영향을 받게 된다. 단일 조사로 전 척추 측면 검사에서 부위에 따라 달라지는 선량 흡수, 그로 인한 영상 화질의 차이에 관해 해결방안을 모색하기 위한 일환으로 3D 프린터를 이용하여 구리를 사용한 부가필터와 인체 팬텀으로 실험을 진행하고자 한다^[11]. 구리는 알루미늄에 비해 약 25배 정도의 흡수를 가져 좀 더 간편하게 여과를 사용할 수 있을 것으로 사료된다^[12]. 이 구리 필터로 인체 팬텀의 척추 중 상대적으로 두께가 얇은 부위일수록 구리 부가필터의 두께를 증가 시켜 화질 개선을 할 수 있을 것으로 보인다. 따라서 본 논문은 구리 부가필터와 Long Length Detector를 이용하여 WWS Lateral 검사 시 발생하는 불균형한 화질을 향상시키는데 그 목적을 두고 있다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

연구를 위해 CAD(Fusion 360, Autodesk, USA) 프로그램을 이용하여 부가 필터를 설계하였다. 필터 설계는 산업통상자원부 국가기술표준원 인체표준정보에서 제공하는 3차원 인체 형상을 바탕으로 목 뼈와 허리뼈의 두께를 감안하여 필터를 설계하였다. 총 길이가 10 cm이며 넓이는 4 cm이고 영상 품질이 낮아지는 목 부위를 보상하는 필터의 높이는 Filter A의 경우 1 cm, B의 경우 1.5 cm으로 출력하였다. 또한 SID 300 cm 거리에서 중심선 정렬 및 검출기 크기를 고려하여 제작하였다. 설계 후 STL 확장자로 변환한 후 슬라이싱 프로그램(Cura 4.7.1, Uitimakrer, Netherlands)을 이용하여 생성한 G-code를 FFF 방식 3D 프린터(Ultimaker S3, Uitimakrer, Netherlands)로 전송하고 구리 필라멘트(copper, colorfabb, Netherlands)를 사용하여 부가 필터를 제작하였다. 3D 프린팅을 위한 출력 설정은 Table 1과 같다.

Fig. 1. Used material and Equipment in experiment.

Table 1. Settieng value of 3D printer

제작된 필터를 척추를 한 번에 검사가 가능한 진단용방사선발생장치(INNOVISION, DKmedical solution, Korea)와 전척추조사를 위한 430×1290 mm 크기의 검출기(FXRD-1751S, VIEWORKS, Korea)를 사용하여 인체의 조직 밀도와 유사한 Rando phantom으로 실험을 진행하였다. 실험을 위해 사용된 장비는 Fig. 2와 같다. Fig. 2 (a)는 실험의 정확성을 위한 인체의 각 평균 두께를 구상하여 만들어진 인체 팬텀이며, Fig. 2 (b)는 실험을 위해 조사야 앞에 제작된 부가 필터를 고정하였다.

Fig. 2. Installed for use in experiments.

C-spine의 위치에 맞춰 filter가 없을 때와 filter-A, filter-B를 고정하고 실험을 진행하였다. X선 조사를 위해 SID 300 cm을 고정하고 100, 120 kVp와 60, 80 mAs의 촬영 조건으로 X선을 조사하고 X선 영상을 획득하였다. 획득한 X선 영상을 Image J 프로그램을 통해 ROI를 일치시키고 SNR과 CNR을 측정 및 분석하여 조건 필터 유무가 영상의 질에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 측정을 위해 WSS Lateral Image에서 215x215 Pixel (Pixel Size 140µm)의 region of interest(ROI)을 C-Spine Vertebral body을 선정하여, 화소(pixel) 신호강도의 평균값과 표준편차의 평가점으로 정하였다. CNR, SNR 측정을 위해 Soft tissue 부위(ROI 1), Background 부위(ROI 2)를 215x215 Pixel(Pixel Size 140µm)로 ROI을 선정하여, 백그라운드 신호강도의 평균값과 표준편차로 정하고 noise의 정량적인 평가 방법인 대조도 잡음비(Contrast to Noise Ratio, 이하 CNR)과 신호 대 잡음비(Signal Noise Ratio, 이하 SNR)를 측정하였다. CNR과 SNR을 비교함으로써 보다 진단적 가치가 높은 영상을 제시하고자 한다.

Fig. 3. ROI setup in WSS lateral image.

CNR은 ROI의 화소(pixel) 신호 강도의 평균값과 표준편차를 측정한 후, ROI를 제외한 백그라운드의 신호강도 평균값과 표준편차를 구하여 다음과 같은 식(1)을 이용해 측정하였다.

\(CNR=\mid\frac{BackgroundSIAvg - ROISIAvg}{\sqrt{BacgroundSD2+ROISD2}}\mid\)       (1)

SNR은 ROI의 신호강도의 평균과 표준편차를 측정한 후, ROI를 제외한 백그라운드의 신호강도 평균과 표준편차를 구하여 다음과 같은 식(2)를 사용해^[8] 측정하였다.

SNR =(BackgroundSIAvg - ROISIAvg)/ROISD      (2)

측정된 결과를 이용하여 통계 프로그램 SPSS(V.22.0, SPSS, IL, USA)를 이용하여 정규성 분포를 검증하고, 반복측정분산분석(Repeated ANOVA)을 실행하였다. 이때 p-value가 0.05 이하일 때 통계적으로 유의한 차이가 있는 것으로 판단하였다.

Ⅲ. RESULT

Long Length Detector를 이용한 각각 구리필터의 사용 유무에 따른 화질 평가는 Fig. 4와 같으며 그로 인한 평균, 표준편차를 측정하였으며, 식 (1)과 (2)의 공식으로 계산한 CNR, SNR의 결과는 Table 2와 같다.

Fig. 4. Completed Filter using 3D printer.

Table 2. CNR and SNR result

1. SNR 측정 결과

부가 필터를 쓰지 않은 경우 SNR은 ROI 1에서 100 kVP 40 mAs일 때 21.55, 60 mAs일 때 23.04로 측정되었다. 120 kVP 40 mAs일 때 23.36, 60 mas일 때 30.24로 측정되었다. ROI 2에서 SNR은 100 kVP 40 mAs일 때 1938.34, 60 mAs일 때 890.14로 측정되었다. 120 kVP 40 mAs일 때 1378.28, 60 mAs일 때 533.20으로 측정되었다.

구리 필라멘트로 제작한 부가 필터 A타입을 적용한 경우 SNR은 ROI 1에서 100 kVP 40 mas일 때 20.71, 60 mas일 때 23.04로 측정되었다. 120 kVP 40 mas일 때 24.87, 60 mas일 때 20.62로 측정되었다. ROI 2에서 SNR은 100 kVP 40 mas일 때 5748.19, 60 mas일 때 3887.63으로 측정되었다. 120 kVP 40 mas일 때 5854.18, 60 mas일 때 1520.12로 측정되었다

부가 필터 B타입을 적용한 경우 SNR은 ROI 1에서 100 kVP 40 mAs일 때 27.38, 60 mAs 일 때26.41로 측정되었다. 120 kVP 40 mAs일 때 35.58, 60 mAs일 때 32.06로 측정되었다. ROI 2에서 SNR은 100 kVP 40 mAs일 때 5695.51, 60 mAs일 때 7218.40로 측정되었다. 120 kVP 40 mAs일 때 6013.76, 60 mAs일 때 6348.49로 측정되었다.

측정된 SNR을 이용하여 통계적 검증 결과 필터를 사용하지 않았을 때와 필터 A타입을 적용한 경우 통계적으로 유의한 차이가 없는 것으로 검증되었고(p>0.05), 필터 B타입을 적용한 경우 통계적으로 유의한 차이가 있는 것으로 검증되었다(p<0.05). 또한 필터 A와 B의 결과를 통계적으로 검증한 결과 의한 차이가 있는 것으로 검증되었다(p<0.05).

2. CNR 측정 결과

부가 필터를 쓰지 않은 경우 CNR은 ROI 1에서 100 kVP 40 mAs일 때 6.83, 60 mAs일 때 5.81로 측정되었다. 120 kVP 40 mAs일 때 5.93, 60 mAs일 때 6.66로 측정되었다. CNR은 ROI 2에서 CNR은 100 kVP 40 mAs일 때 59.93, 60 mAs일 때 41.50로 측정되었다. 120 kVP 40 mAs일 때 50.86, 60 mAs일 때 32.24으로 측정되었다.

구리 필라멘트로 제작한 부가 필터 A타입을 적용한 경우 CNR은 ROI 1에서 100 kVP 40 mAs일 때 5.68, 60 mAs일 때 5.90로 측정되었다. 120 kVP 40 mAs일 때 6.16, 60 mAs일 때 5.63로 측정되었다. ROI 2에서 CNR은 100 kVP 40 mAs일 때 101.35, 60 mAs일 때 82.08으로 측정되었다. 120 kVP 40 mAs일 때 99.58, 60 mAs일 때 53.09로 측정되었다. 부가 필터 B타입을 적용한 경우 CNR은 ROI 1에서 100 kVP 40 mAs일 때 5.33, 60 mAs일 때 5.27로 측정되었다. 120 kVP 40 mAs일 때 6.53, 60 mAs일 때 6.19로 측정되었다. ROI 2에서 CNR은 100 kVP 40 mAs일 때 54.26, 60 mAs일 때 75.49로 측정되었다. 120 kVP 40 mAs일 때 64.78, 60 mAs일 때 77.46로 측정되었다.

측정된 SNR을 이용하여 통계적 검증 결과 필터를 사용하지 않았을 때와 필터 A타입을 적용한 경우 통계적으로 유의한 차이가 없는 것으로 검증되었고(p>0.05), 필터 B타입을 적용한 경우 통계적으로 유의한 차이가 있는 것으로 검증되었다(p<0.05). 또한 필터 A와 B의 결과를 통계적으로 검증한 결과 의한 차이가 있는 것으로 검증되었다(p<0.05).

Ⅳ. DISCUSSION

척추측만증 등 척추 질환 환자는 꾸준히 늘어나고 있어, WWS 검사는 척추질환에 대한 진단에 매우 중요한 요소이다^[5]. 대한척추외과에서도 하나의 영상에 척추가 모두 나타나야 하며, 성장기 소아나, 청소년은 방사선 감수성이 높기 때문에 검사 횟수를 줄여야 한다고 발표하였다^[13]. 과거에는 카세트 2~3장을 위치시키고 여러 번의 X선 조사를 통해 영상을 획득하였다면, 컴퓨터 및 기술의 발전으로 X선 조사 스위치를 누르고 있으면, X선 튜브와 검출기 자동으로 움직이며 X선을 3번 조사하고 얻어진 디지털 영상을 자동으로 합성하는 기술을 이용하고 있다. 이 기술은 이전 기술에 비해 오차 발생율을 줄이며, 환자의 상태를 정확하게 파악할 수 있는 장점은 있지만, 여전히 선량의 문제는 극복하지 못하였다. 최근 이러한 단점을 보완한 검출기 3개를 연결한 크기의 대면적의 Long Length Detector가 개발되어 척추 전체 영상을 분할 없이 획득할 수 있는 시스템이 보급화되고 있다. 사전 선행연구에서 Long Length Detector를 이용한 WWS 검사나 하지 Longbone 검사에 대한 다양한 연구 결과들이 나타나고 있다. Jang의 연구에 따르면 Long Length Detector를 이용한 WWS 검사에서 1회 조사 경우 3회 분할 조사보다 산란선을 50% 이상 줄일 수 있다고 보고되었으며, Kim의 발표자료에 따르면 3번 분할 조사의 평균 검사 시간이 12.01초로 측정되었지만 Long Length Detector를 이용한 1회 조사 시 평균 1.01초로 측정되었다고 발표되었다^{[14, 15]}. 이는 낙상 고위험군 환자도 빠르게 검사할 수 있으며 재검사로 인한 시간과 방사선 피폭도 줄일 수 있을 것으로 사료 된다. 하지만 Long Length Detector는 1회 조사로 척추 전체의 영상을 얻기 때문에 SID가 230 ~ 300 cm로 해야 하므로 조사 선량을 높여야 하며, 기하학적인 해부학적 구조의 차이로 X선 감쇄로 인해 균일한 영상을 획득할 수 없어 목뼈 부위가 상대적으로 영상 품질이 저하되는 단점이 있다. 이에 본 연구는 이러한 단점을 보완하기 위해 3D 프린팅 기술과 구리 필라멘트를 이용하여 물리적인 부가팬텀 결과 필터를 사용했을 때, 필터 A타입은 보상부위를 대체할 필터의 두께가 1.5 cm로 선량이 흡수가 많이 되어 효과가 뛰어나지는 않았고 통계적으로 유의하지 않다고 검증되었지만(p>0.05), 필터 B타입일 때 고 관전압 영역에서 CNR, SNR 값이 목뼈와 연부조직의 ROI 2곳에서 필터를 사용하지 않았을 때 보다 우수하게 측정되었고 통계적으로 유의한 차이를 검증하였다(p<0.05). 즉, 임상에서 WSS Lateral 검사를 위한 X선 조사 조건 영역에서 유효한 값을 확인하였다. 이러한 부가 필터는 앞으로 WWS 검사 시 매우 유용할 것으로 판단된다. 하지만 환자의 체형에 따라 필터의 크기를 물리적으로 바꿔줘야 하며, 필터의 두꺼운 부분과 C-spine 부위를 일치시켜야 하므로, 방사선사의 검사 준비시간이 길어질 수 있고, 검사 능력이 필요시 될 수 있다. 또한 부가필터로 사용된 구리 필라멘트 역시 3D 프린터로 출력이 잘 되기 위해서 구리와 PLA(Polyacid Lactid)가 섞인 물질로, 밀도가 상대적으로 낮은 것을 고려해야 하며, 필라멘트 제조회사별로 구리의 밀도가 다를 수 있다는 것을 고려해야 할 것으로 사료된다. 이 연구의 제한점으로는 WWS Lateral 검사에만 적용을 해본 것으로 추가 연구를 통해 WWS AP 검사 및 하지 Longbone 검사에 적용하여 단일조사 Long Length Detector의 단점을 보완해야 할 것이다.

Ⅴ. CONCLUSION

본 연구에서 3D 프린터로 제작된 구리 부가필터가 대면적의 Long Length Detector를 이용한 단일 조사 Whole spine lateral 검사에서 진단적 가치가 우수하며 CNR, SNR이 높게 측정되어 유용한 것으로 검증되었다. 결과적으로 Long Length Detector를 이용한 WSS lateral 검사는 검사시간, 피폭선량을 단축시킬 수 있으며, 영상 또한 우수한 새로운 방안이 될 수 있음을 확인 하였다.