Fluoroscopic 영상에 적응 노출을 통해 X - 선 선량 감소

본 실험에서는 스캐닝 빔 디지털 X선 시스템을 사용하여, 기존의 균일한 노출 방식 대신 객체의 불투명도에 따라 국소적으로 노출을 조정함으로써 방사선량을 절감하는 방법을 보여줍니다. 첫 번째 단계는 1차 참조 영상을 획득하고 적응형 노출 알고리즘 시스템의 매개변수를 정의하는 것입니다. 그러면 컴퓨터가 더 낮은 선량이 요구되는 새로운 스캔 맵을 출력하고, 이를 시스템에 로드하여 평탄화된 영상을 획득할 수 있습니다.

선량 면적 곱(Dose area product) 측정 결과, 적응형 노출을 통해 30% 범위의 선량 절감 효과가 나타나는 것으로 확인되었습니다. 본 연구진은 역기하학적 엑스레이 투시 촬영을 가능하게 하는 스캐닝 빔 디지털 엑스레이(scanning beam Digital x-ray) 또는 SPDX 시스템이라 불리는 영상 시스템을 개발하고 있습니다. 기존 영상 시스템과 역기하학적 영상 시스템의 주요 차이점은, 단일 초점 엑스레이 튜브를 사용하여 넓은 시야의 검출기에 투영하는 방식을 사용하지 않는다는 점입니다. 본 연구의 엑스레이 소스는 수천 개의 초점 지점으로 구성되어 있으며, 각 초점은 소형 광자 계수 검출기에 코팅되어 단일 영상 프레임을 획득합니다.

우리는 수천 장의 검출기 이미지를 획득하며, 각 검출기 이미지는 대상 역상의 아주 작은 부분만을 관찰합니다. 기하학적 이미징은 이미지 내의 산란을 크게 감소시킵니다. 이를 통해 훨씬 낮은 선량으로 이러한 이미지들을 획득할 수 있습니다.

특히 산란선은 환자의 크기에 비례하여 증가하므로, 이는 체격이 큰 환자에게 더욱 유리합니다. 소아 환자의 경우 산란선 감소로 인한 선량 절감 효과는 훨씬 적습니다. 하지만 역기하학적 구조를 통해 소아 환자에게도 도움이 되는 선량 절감 전략을 구현할 수 있습니다.

역기하학(Inverse geometry)을 통해 적응형 노출(adaptive exposure)이라 명명한 기술이 가능해집니다. 수천 장의 검출기 영상을 획득하는 동안 노출되는 영역의 밀도에 따라 실시간으로 노출을 조절할 수 있으므로, 방사선 투과성 영역의 노출은 줄이고 불투과성 영역의 노출은 유지할 수 있습니다. 따라서 전체 영상에서 균일한 영상 품질을 구현할 수 있으며, 기존 시스템에서 과노출되었던 영역의 선량을 줄일 수 있습니다.

방사선량을 모니터링하기 위해 콜리메이터 앞에 선량 면적 곱 측정기를 배치합니다. 일반적으로 환자 또는 팬텀을 콜리메이터에 비교적 가깝게 위치시키며, 영상 촬영 부위의 중심이 콜리메이터로부터 약 40 centimeters 거리에 있도록 합니다. 그다음, 시스템 작동 모드를 선택합니다.

일반적인 설정은 시야각 7인치, 프레임 속도 초당 15프레임입니다. X선 소스의 피크 전압은 80 peak kV로, 소스 전력은 17 kW로 설정합니다. 그런 다음 SBDX 시스템을 켜고 이미지 획득을 시작합니다.

이미지 획득 과정에서 전자 빔은 래스터 방식으로 모든 초점 지점 위치를 순차적으로 스캔합니다. 각 초점 지점에서 전자 빔이 투과 타겟에 충돌하여 X선을 생성합니다. 결과적으로 생성된 X선 광자는 집속 콜리메이터를 통과하여 검출기를 조사합니다.

따라서 이미징 볼륨의 아주 작은 부분만 투영됩니다. 조사 중에 검출기는 검출기 이미지를 획득하며, 이는 시스템 메모리에 직접 저장됩니다. 각 초점 스폿에 대해 최대 8 µs의 조사가 필요합니다.

하지만 타겟의 열적 제한으로 인해 최대 연속 노출 시간은 1 µs이며, 데이터 수집은 1 µs씩 8회로 나누어 진행됩니다. 결과적으로 약 60 ms 동안 총 40,000장 이상의 검출기 이미지가 이미지 수집 종료 시점에 기록됩니다.

선량 면적 곱 미터(dose area product meter)의 측정값을 반드시 기록하십시오. SBDX는 본질적으로 토모신테시스(tomosynthesis) 시스템으로, 각 소스 초점 점(focal spot)에서 서로 다른 각도로 객체에 빛을 조사하므로 콜레이터와 검출기 사이에 위치한 영상 볼륨 내의 모든 평면을 재구성할 수 있습니다. 먼저 영상을 설정하는 것부터 시작하십시오.

구성 매개변수. 재구성할 평면의 수와 위치를 선택하십시오. 그런 다음 이미지 재구성 알고리즘을 실행하십시오.

알고리즘은 먼저 각 재구성 평면에 맞게 검출기 이미지를 스케일링하고, 둘째로 초점 위치에 따라 이미지를 이동시킨 후 재구성 데이터에 추가함으로써 각 검출기 이미지를 처리합니다. 그다음, 후처리 필터링을 통해 이동 및 추가 작업으로 인해 생성된 패턴을 제거합니다. 일반적으로 0.5 millimeters 간격의 32개 평면이 재구성된 이미지 스택으로 재구성됩니다.

검출기와의 거리에 따라 구조물들의 초점이 맞거나 벗어납니다. 평면 선택 알고리즘은 모든 평면에서 초점이 맞는 구조물을 선택하며, 이 정보를 통해 초점이 맞는 구조물만 보여주는 합성 영상을 형성할 수 있습니다. 이 2D 영상은 기존 시스템에서 얻은 영상과 동일합니다.

그러나 평면 선택 알고리즘은 모든 구조물이 콜리메이터에 대해 어느 위치에 있는지를 결정했습니다. 이를 통해 3D 애니메이션으로 재생할 수 있으며, 저장된 이미지를 적응형 노출 시뮬레이터에 로드하고 각 초점 지점에 대해 알고리즘을 실행합니다. 그러면 이미지 내의 광자 수가 결정됩니다.

그 다음, 목표 광자 수에 도달하거나 8회의 재스캔이 모두 추가될 때까지 이미지를 누적합니다. 적응형 노출 시뮬레이터의 출력물은 각 초점 스폿 위치가 몇 번 조사되었는지를 상세히 나타내는 재스캔 맵입니다. 이 맵은 SBDX 시스템을 구동하는 데 사용되는 작동 모드 파일에 병합됩니다.

업데이트된 작동 모드 파일을 SBDX 시스템에 로드한 후, 이전의 이미지 획득 방식과 달리 이제는 재스캔 맵에 따라 초점 위치에서 엑스선 빔이 켜지거나 꺼져 전체 조사 횟수를 줄이게 됩니다. 새 데이터에 대해 이미지 재구성 알고리즘을 실행하여 균일화된 이미지를 재구성하십시오. 이때 반드시 선량 면적 곱 측정기로 선량 측정값을 기록하십시오. 재스캔 마스크를 사용한 균일화된 이미지에서는 선량 면적 곱 측정 결과 30%의 선량 절감 효과가 입증되었습니다. 예비 결과에 따르면 이미지 품질은 동등하며, 균일화된 이미지가 균일화되지 않은 이미지보다 시각적으로 더 우수한 것으로 나타났습니다.

우리는 방사선량과 투시 절차를 줄이기 위한 기술로 적응형 노출(adaptive exposure)을 연구하고 있습니다. 초기 결과에 따르면, 동일한 영상 품질에서 최소 30%의 선량 절감이 가능하다는 것이 확인되었습니다. 현재 우리는 적응형 노출을 실시간 기능으로 구현하는 과정을 진행 중입니다.

이미지 획득 과정에서 당사의 알고리즘이 자동으로 임계값 설정(thresholding)을 수행합니다. 따라서 여기에 제시된 단계 중 상당수는 사용자에게 보이지 않게 처리됩니다. 현재 결과는 고무적이며, 당사는 이 기술을 더욱 심도 있게 연구할 계획입니다.

특히, 임상 시험을 통해 우리가 얻은 영상의 진단적 가치가 기존 영상과 동등하거나 그보다 더 우수하다는 것을 입증해야 합니다.