Implementation and Evaluation of Optimal Dose Control for Portable Detectors with SiPM

SiPM을 통한 휴대용 검출기의 최적 선량 제어에 대한 구현 및 평가

Abstract

The purpose of this paper is to present and evaluate the performance of a method for controlling the dose for optimal image acquisition while minimizing patient exposure by applying a small-sized Photomultiplier(SiPM) sensor inside a portable detector. Portable detectors have the advantage of being able to quickly access the patient's location for rapid diagnosis, but this mobility comes with the challenge of dose control. This paper presents a method to identify the dose that can have the DQE and optimal image quality of the detector through image evaluation based on IEC62220-1-1, an international standard for X-ray imaging devices, and to identify the optimal dose by matching the ADU of the image and the output of the SiPM Sensor. The Skull AP image was acquired by implementing the detector manufacturer's reference dose. The optimal dose was 342.8 µGy, and the optimal controlled dose was 148.3 µGy, which is 57 % of the manufacturer's reference dose. The Chest AP image was 81.9 µGy and the optimal controlled dose was 27.9 µGy, which is a high dose reduction effect of 66 %. In addition, the two images were analyzed by five radiologists and found to have no clinically significant difference in anatomical delineation.

본 논문에서는 소형 크기인 SiPM Sensor를 휴대용 검출기 내부에 적용하여 환자 피폭을 최소화하면서도 최적의 이미지 획득을 위한 선량을 제어하기 위한 방법을 제시하고 이에 대한 성능을 평가하는 것을 목적으로 한다. 휴대용 검출기는 환자의 위치에 빠르게 접근하여 신속한 진단을 가능하게 하는 장점이 있지만 이러한 이동성은 선량 관리의 어려움을 동반한다. X-ray imaging devices 국제 표준인 IEC62220-1-1 기준의 이미지 평가를 통해 검출기의 DQE와 최적 화질을 갖을 수 있는 선량을 확인하고 영상의 ADU와 SiPM Sensor의 출력을 매칭 하여 최적 선량을 확인하는 방법을 제시하였다. 검출기 제조사 기준 선량과 최적 선량 구현으로 획득된 Skull AP 이미지는 제조사 기준 342.8 µGy, 최적 제어 선량은 148.3 µGy로 조사되어 제조사 기준 선량 대비 57 %, Chest AP는 제조사 기준 81.9 µGy, 제어된 최적 선량은 27.9 µGy로 66 %의 높은 선량 감소 효과가 확인되었다. 또한 촬영된 두 영상은 방사선사 5명의 분석을 통해 해부학적 구조물을 판별하기에 임상적으로 유의미한 차이가 없는 것으로 확인되었다.

Ⅰ. INTRODUCTION

휴대용 X-ray 검출기는 이동성이 뛰어나며 현장에서의 신속한 검사 및 진단이 필요한 다양한 상황에서 핵심적인 장비이다^[1]. 휴대용 X-ray 검출기는 소형화 및 경량화된 디자인으로 인해 환자의 위치에 빠르게 접근하여 실시간 이미지를 획득함으로써 의사들은 신속하게 진단을 수행할 수 있다. 이는 응급 상황에서 빠른 진단이 필요한 의료 현장이나 구조물 검사가 필요한 산업 현장에서 특히 중요하다. 또한, 무선 통신 기술의 발전으로 인해 실시간으로 데이터를 전송하고 공유할 수 있어 의사 결정의 신속성을 향상시킨다. 적재적소에 응급 의학적 진단을 전달해 줄 수 있는 이동형 응급 의료 시스템에 포함된다^[2].

비교적 작은 크기의 휴대용 검출기는 이동 사용의 장점이 있지만 반대로 차폐의 어려움과 Ionization Chamber 크기로 인하여 Automatic Exposure Control(AEC) 기능을 내장하지 못해 선량 관리의 어려움을 동반한다^[3,4]. 피폭과 선량 관리는 환자와 종사자의 안전 관리에 중요한 영향을 미친다^[5]. 특히 기존의 Film type의 Receptor를 사용하던 아날로그 방식에서 Digital Radiography (DR) 방식으로 하드웨어 장비가 변화하면서 품질의 저하 없이 영상 조정이 가능한 편의성으로 인하여 환자에게 과도한 선량을 사용하는 결과를 초래할 수 있고 사용자가 선량 및 영상 품질 관리를 소홀히 하게 된 것으로 조사되었다^[6]. 이에 따라 환자에게 미치는 유효 선량을 최소화하는 동시에 최상의 진단이 가능한 고품질 이미지를 제공하기 위한 연구가 계속되고 있다^[7][8].

따라서 본 논문에서는 환자 피폭을 최소화하면서도 최적의 이미지 획득을 위한 선량을 제어하기 위한 방안으로 소형 Size인 SiPM Sensor를 휴대용 검출기 내부에 적용하여 최적 선량을 측정하는 방법을 제시하고 이에 대한 성능을 평가하고자 한다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

휴대용 검출기 구조에 따라 흡수되는 선량이 다르기 때문에 실험에 사용되는 검출기에 대해 선량에 따른 영상 특성과 SiPM의 Signal 특성을 분석하여 최적 영상 품질을 가질 수 있는 최소 Analog-to-Digital Unit (ADU)를 분석한다. 영상의 전체적인 품질을 표시하는 Detective Quantum Efficiency (DQE)를 만족하는 최소 ADU를 산출하여 SiPM을 통해 해당 ADU의 Dose를 검출 가능한지를 시험한다.

1. 실험 환경

실험 환경은 Fig. 1과 같으며 시험에 사용된 X-ray System은 SU-3000 모델로 Toshiba 사의 E7252X Tube를 사용하고 있다. 선량계는 Glass Dosimeter 방식의 Piranha 657 제품으로 RTI Electronic 사의 제품을 사용했다. Piranha 657은 오차범위가 ± 5 % 이내이며 본체의 Internal Sensor와 촬영 Image의 영향을 최소화하기 위한 소형 크기인 External Sensor로 구성되어 있다. 실험 진행은 internal Sensor를 사용해 진행했다.

Fig. 1. Radiation Test Environment.

2. 선량에 따른 SiPM 특성 시험

관전압과 관전류가 높을수록 X선 광자의 평균 에너지가 높아짐으로 X-ray 선량에 따른 SiPM의 출력 상관관계를 확인하였다^[9]. 2.5 mAs(관전류 mA × 노출시간 s), 5 mAs, 10 mAs 조건으로 관전압을 50 kVp ~ 150 kVp로 변경하며 SiPM의 Signal Level을 측정하였다. Fig. 2는 SiPM을 통한 출력 Signal을 측정 결과로 관전류보다 관전압에 Signal 변화가 제곱근 형태로 더 크다는 시험 결과가 확인되었다. 다만 Scintillator와 Panel을 투과하며 발생한 선량 감쇠, Scintillator, SiPM 반응 특성 등의 추가적인 고려 요소가 있는 것으로 판단된다.

Fig. 2. SiPM output variation with dose.

3. 이미지 최적 선량 산출

시험에 사용하는 검출기의 최적 이미지에 대한 기준을 잡기 위해 시험에 사용된 검출기의 Signal-to-Noise Ratio (SNR), Noise Power Spectrum (NPS), Modulation Transfer Function (MTF) 분석을 진행하여 총체적인 영상의 품질의 척도로 사용되는 DQE를 산출했다. 영상 분석을 위한 프로그램은 X-ray imaging devices 국제 표준인 IEC62220-1-1의 기준에 따라 평가하였다^[10].

3.1. SNR 분석

SNR 측정은 선량별 Air 이미지를 촬영하고 획득된 이미지의 ADU 값을 통해 산출한다. Fig. 3-(a)는 선량계를 배치한 Air 촬영 Image로 측정 영역에 대한 ADU 값에 대한 산출 사항이며 Fig. 3-(b)는 선량계의 출력 그래프로 RQA5 X-ray beam quality 고정에 mAs를 변경하면서 선량계로 측정된 Dose와 영상 ADU를 Eq. (1)에 대입하여 산출한다^[11]. 수식의 Sigal과 Noise는 Fig. 3-(a)의 Average(ave), Deviation(dev) 값이다.

Fig. 3. SNR measurement according to IEC62220-1-1.

SNR = 20log(Sigal/Noise)       (1)

선량에 따라 측정한 SNR은 Fig. 4. 와 같다. SNR이 클수록 신호 대비 노이즈가 적은 영상을 얻는 것으로 흡수 선량이 높을수록 상승하지만 일정 수준 이상이 되면 동일하게 유지된다.

Fig. 4. SNR Value Graph.

3.2. NPS 분석

NPS는 SNR 계산에 사용된 500 × 500 영역의 Flat field images(Gain offset 보정)를 통해 이산 푸리에 변환으로 산출이 가능하다. 2D 영상에서는 동일한 크기의 잡음이라도 대상체의 크기가 작은 경우에는 그 영향이 크며, 시각적으로 구별하기라 어렵게 된다. 따라서, 잡음 역시 공간해상도와 함께 결합된 지표를 통해 측정 평가되어야 한다^[12],[13]. Fig. 5는 검출기의 NPS를 측정한 것으로 각 주파수별 노이즈 분포를 확인할 수 있다.

Fig. 5. NPS Value Graph.

3.3. MTF 분석

MTF는 Edge phantom을 사용한 하여 명암대조도와 공간분해능을 동시에 표현할 수 있는 인자이다^[14]. 측정 결과 Fig. 6의 결과처럼 오차 범위는 ± 2% 수준으로 일반적인 검출기 성능 편차 수준이며 62 % MTF를 확인했다. 일반적인 검출기 해상도 사양을 1 lp/mm를 기준으로 나타낸다.

Fig. 6. MTF Value Graph.

3.4. DQE 분석

선량이 2.07 µGy 이상이면 검출기 영상 품질 지표인 DQE 성능이 68 %인 최대치에 도달하는 것을 Fig. 7을 통해 확인할 수 있다. 2.07 µGy 보다 높은 선량인 3.19 ~ 11.86 µGy로 촬영하더라도 DQE 수준은 동등 수준으로 나타나며 더 향상되지 않는다. 따라서 실제 임상 촬영 시 인체를 투과하여 검출기에 입사되는 선량이 2.07 µGy 수준이 된다면 해당 이미지 품질은 검출기가 표현할 수 있는 가장 우수한 이미지라고 판단할 수 있다.

Fig. 7. DQE Value Graph.

4. SiPM 선량 선량 산출

검출기의 DQE 분석을 통해 최적 선량이 확인되었기 때문에 각 선량에서의 이미지 ADU 와 SiPM의 Signal을 측정하여 Eq. (2)와 같은 수치를 산출했다. v와 s는 SiPM의 mV와 ms이다. 해당 수식의 오차는 ±4% 수준임을 확인했다. Fig. 8은 Image와 수식을 통해 산출된 ADU 의 비교 그래프이다.

Table. 1. Analysis of SiPM Characteristics According to Sensor

Fig. 8. Graph of Image measurements vs. SiPM calculations.

ADU = (v³ × ((s + 1) × 2) × 11 + 15       (2)

5. 최적 선량 구현 방법

5.1. Hardware 구성

Hardware는 Fig. 9의 회로로 구성되어 있다. Controller 역할의 MCU와 검출부, 외부 연결부로 구성된다. 검출부는 SiPM Sensor와 Automatic Exposure Detection(AED) 기능을 위한 증폭기, 비교기, Set/Reset Flip-Flop으로 구성, Automatic Exposure Control(AEC) 기능을 위한 ADC 부분으로 구성된다. 외부 X-ray System과 연결을 위한 Photo Diode 구성을 통해 제어하게 구성된다. Set/Reset Flip-Flop은 저선량에서의 Trigger 신호 손실을 방지하고 감지를 위한 MCU의 Load를 줄이기 위한 역할이다.

Fig. 9. Hardware Schematic.

5.2. 연결 구성

최적 선량 제어를 위한 SiPM Controller와 X-ray System 연결은 Fig. 10과 같이 구성되어 있다. 해당 X-ray System은 AEC mode 기능이 탑재되어 있지만 System의 변수를 배제하기 위해 Manual mode로 SiPM Controller를 Hand Switch Connector 부에 연결하여 X-ray 조사를 System 간섭 없이 컨트롤 하게 구성하였다.

Fig. 10. Connection Block Diagram.

Ⅲ. RESULT AND DISCUSSION

X-ray System을 Manual mode로 설정하고 Skull AP 촬영 시 가장 어두운 부분인 코 부분, Chest AP에서는 척추 부분을 최소 ADU 검출을 위한 SiPM 위치에 놓고 시험을 진행했다. SiPM를 통해 산출된 값을 ADU 기준 650에서 Generator 조사를 멈추도록 Controller를 통하여 제어하였다. Skull AP 촬영시 검출기 제조사 기준 75 kVp 20 mAs로 선량 측정 시 평균 342.8 µGy를 사용 조건으로 제시하고 있다. 해당 기준의 선량과 최적 선량으로 제어된 선량의 영상을 획득하고 차이를 확인하였다. Fig. 11-(a)는 제조사 기준으로 촬영한 이미지에 대한 후 처리 이미지이고, Fig. 11-(b)는 SiPM Controller를 통해 촬영된 후처리 이미지이다. Fig. 11. (c) ~ (d)는 SiPM 영역의 ADU를 표시한 raw 영상이다. 제어된 최적 선량은 75 kVp 8.87 mAs로 선량 측정시 148.3 µGy 임을 확인하였다.

Fig. 11. Skull AP Image.

X-ray System을 Manual mode로 설정하고 Skull AP 촬영 시 가장 어두운 부분인 코 부분, Chest AP에서는 척추 부분을 최소 ADU 검출을 위한 SiPM 위치에 놓고 시험을 진행했다. SiPM를 통해 산출된 값을 ADU 기준 650에서 Generator 조사를 멈추도록 Controller를 통하여 제어하였다.

해당 영상을 비교 분석한 방사선사들의 정성적인 평가를 종합하면 ‘임상에서 안와골절 또는 접형 골절 진단 시 촬영조건이 중요한데 두 영상 모두 안와하연과 접형골이 잘 나와 있으며 기준 영상과 대조군 영상의 경우 골절 진단에 판독 오류를 주는 정도의 유의미한 차이는 없어 보인다.’이다.

Fig. 12는 Chest AP에 대한 비교 이미지이다. Fig. 12-(a)는 검출기 제조사 기준 120 kVp 2 mAs로 선량 측정 시 81.9 µGy, Fig. 12-(b) SiPM을 통해 최적 선량으로 제어된 이미지로 120 kVp 0.67 mAs로 촬영되었으며 선량 측정 시 27.9 µGy 임을 확인하였다.

Fig. 12. Chest AP orbital rim and sphenoidal bone raw image

해당 이미지에 대한 방사선사들의 정성적인 평가를 종합하면 ‘두 영상 모두 폐문(hilum)부위 기관지 표현이 적당하며, 종격부 폐혈관과 종격부를 투영해서 보이는 척추가 잘 보임으로 종양음영을 판별하는데 문제가 없어 보임으로 유의미한 차이가 없어 보인다.’이다.

Ⅳ. CONCLUSION

기존 연구를 통해 선량에 따라 SiPM의 signal level 및 지속시간이 변화되는 특성을 파악했다^[15]. 이를 바탕으로 본 논문에서는 단순히 저선량 구현만이 아닌 포터블 X-선 검출기에 내장 가능한 SiPM Sensor를 사용하여 최적의 영상과 선량을 제어할 수 있는 방법을 제시하고 시험을 진행하였다.

X-ray imaging devices 국제 표준인 IEC62220-1-1의 기준에 이미지를 평가하였다. 제조사 기준 선량과 최적 선량으로 획득된 Skull AP 이미지는 방사선사 5명을 통해 두 영상은 해부학적 구조물을 판별하기에 임상적으로 유의미한 차이가 없는 것으로 확인되었다. 또한 Skull AP는 제조사 기준 342.8 µGy, 최적 제어 선량은 148.3 µGy로 조사되어 제조사 기준 선량 대비 57 %, Chest AP는 제조사 기준 81.9 µGy, 제어된 최적 선량은 27.9 µGy로 66 %의 높은 선량 감소 효과가 확인되었다. 다만 최저 선량으로 최적의 이미지 획득을 위해서는 선량 감지 영역의 위치가 중요하기 때문에 일반적인 Automatic Exposure Controller(AEC) 제품의 경우 3 ~ 5 개 정도의 감지 영역을 사용하고 있다. SiPM은 소형의 장점으로 휴대용 검출기에 내장이 가능하지만 반대로 작은 영역을 감지하기 때문에 AEC 제품 대비 Sensor 수량을 늘려 다양한 포인트를 감지해야 할 것으로 보인다. 이를 적용하여 Multi Point에 대한 ADU Level 분석을 통해 born과 tissue를 구분하여 촬영 부위를 판단하고, 최적 영상 Level을 자동 조정하는 기능의 연구가 가능할 것으로 보인다.