Dosimetric Evaluation of a Small Intraoral X-ray Tube for Dental Imaging

Radiation exposure from medical diagnostic imaging procedures to patients is one of the most significant interests in diagnostic x-ray system. A miniature x-ray intraoral tube was developed for the first time in the world which can be inserted into the mouth for imaging. Dose evaluation should be carried out in order to utilize such an imaging device for clinical use. In this study, dose evaluation of the new x-ray unit was performed by 1) using a custom made in vivo Pig phantom, 2) determining exposure condition for the clinical use, and 3) measuring patient dose of the new system. On the basis of DRLs (Diagnostic Reference Level) recommended by KDFA (Korea Food & Drug Administration), the ESD (Entrance Skin Dose) and DAP (Dose Area Product) measurements for the new x-ray imaging device were designed and measured. The maximum voltage and current of the x-ray tubes used in this study were 55 kVp, and 300 mA. The active area of the detector was $72{\times}72mm$ with pixel size of $48{\mu}m$. To obtain the operating condition of the new system, pig jaw phantom images showing major tooth-associated tissues, such as clown, pulp cavity were acquired at 1 frame/sec. Changing the beam currents 20 to $80{\mu}A$, x-ray images of 50 frames were obtained for one beam current with optimum x-ray exposure setting. Pig jaw phantom images were acquired from two commercial x-ray imaging units and compared to the new x-ray device: CS 2100, Carestream Dental LLC and EXARO, HIOSSEN, Inc. Their exposure conditions were 60 kV, 7 mA, and 60 kV, 2 mA, respectively. Comparing the new x-ray device and conventional x-ray imaging units, images of the new x-ray device around teeth and their neighboring tissues turn out to be better in spite of its small x-ray field size. ESD of the new x-ray device was measured 1.369 mGy on the beam condition for the best image quality, 0.051 mAs, which is much less than DRLs recommended by IAEA (International Atomic Energy Agency) and KDFA, both. Its dose distribution in the x-ray field size was observed to be uniform with standard deviation of 5~10 %. DAP of the new x-ray device was $82.4mGy*cm^2$ less than DRL established by KDFA even though its x-ray field size was small. This study shows that the new x-ray imaging device offers better in image quality and lower radiation dose compared to the conventional intraoral units. In additions, methods and know-how for studies in x-ray features could be accumulated from this work.

치과용 초소형 X-선 튜브의 선량평가

의료용 x선 촬영 장치에 있어서 환자에게 피폭되는 선량이 가장 중요한 관심사 중의 하나이다. 본 연구팀에서는 전 세계 최초로 입안에 삽입이 가능한 초소형 x-선 영상 장치가 개발되었는데 이러한 영상장치를 임상에서 사용하기 위해서는 피폭 선량의 평가가 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 신개념 치과용 영상장치의 선량을 평가하기 위하여 1) 돼지 턱뼈 팬텀을 직접 제작하여 영상의 질을 평가 하였고, 2) 실제 임상에서 사용가능한 촬영 조건을 결정하였으며, 3) 결정된 촬영 조건에서의 선량을 평가 하였다. 한국 식약처에서 제시하는 치근단 촬영에 대한 환자 선량 권고량(DRLs) 기준에 근거하여 새 개발 장비의 입사표면선량(ESD)와 면적선량(DAP) 측정 방법을 고안하고 각각의 선량 값을 측정하였다. 관전압이 45~55 kV, 관전류가 300 mA 까지 사용 가능한 xoft 사의 초소형 x선 튜브를 사용하였다. 사용된 검출기는 active area가 $72{\times}72mm$ 이고 픽셀 사이즈는 $48{\mu}m$ 이다. 제작된 돼지턱뼈 팬텀은 1 frame/sec의 조건하에 영상을 획득 하였으며, 촬영 조건 최적화를 위하여 관전류를 $20{\sim}80{\mu}A$로 변화시키면서 50 frame씩 영상을 획득하였다. 또한, 상용화 치과용 영상시스템(모델명: CS 2100, 제조사: Carestream Dental LLC 및 모델명: EXARO, 제조사: HIOSSEN)을 이용하여 돼지턱뼈 팬텀의 비교영상 평가를 시행하였다. CS 2100는 60 kV, 7 mA (노출시간:0.125 s)로 하였으며, EXARO는 60 kV, 2 mA로 설정하였다. 선량 평가는 광자극 형광 선량계를 이용하여 입사표면선량을 측정하였으며, 팬텀은 PMMA 재질의 제작된 원통형 팬텀을 이용하였다. 선량계는 팬텀 표면상의 조사야 내부에 2개 및 소스와의 5 cm 거리상에 1개를 위치하여 측정하였다. 빔 조사 조건은 51, 101, 141, $196{\mu}As$로 설정하였다. 면적선량은 소스와 검출기간의 거리가 5 cm 위치에 배치하여 측정하였으며, 이 때 촬영조건은, 관전류 41, 99, 144, 207, $276{\mu}As$의 조건하에서 측정하였다. 임상에서 적용 가능한 관전압과 관전류는 X-선 세기 8000~9000인 지점에서의 관전류 값인 0.051 mAs 이다. 상용화 장비와 영상비교를 한 결과, 개발 장비의 조사야가 훨씬 작음에도 불구하고 치아 및 치아 주위 조직의 영상이 더 우수함을 확인하였다. 또한, 영상 최적화 조사조건인 $51{\mu}As$에서 입사표면선량(ESD)은 식약처 및 IAEA의 권고치보다 훨씬 낮은 1.369 mGy 이다. 조사야 내부의 선량 분포는 표준편차 5~10% 내외로 균일성이 우수 하였다. 측정된 면적선량(DAP)은 $82.4mGy*cm^2$으로 상용화 장비보다 조사야가 훨씬 작음에도 불구하고 식약처의 권고치보다 낮은 값을 보였다. 이러한 연구를 통해서 새 개발 장비의 영상의 우수성과 기존 장비 대비 방사선량에 대한 저감 효과를 확인 할 수 있었으며 치과 장비 개발에 있어서 X선 특성 연구에 대한 기술과 노하우를 축적할 수 있었다.