Fluoroscopic 영상에 적응 노출을 통해 X - 선 선량 감소

본 실험에서는 스캐닝 빔 디지털 X선 시스템을 사용하여, 기존의 방식처럼 균일하게 노출하는 대신 물체의 불투과도에 따라 국소적으로 노출을 조정함으로써 선량을 절감하는 방법을 보여줍니다. 첫 번째 단계는 1차 참조 영상을 획득하고 적응형 노출 알고리즘 시스템의 파라미터를 설정하는 것입니다. 그러면 컴퓨터가 더 낮은 선량 요구 사항이 적용된 새로운 스캔 맵을 출력하고, 이를 시스템에 로드하여 균형 잡힌 영상을 획득할 수 있습니다.

면적선량(Dose area product) 측정 결과, 적응형 노출을 통해 30% 범위의 선량 절감 효과가 나타남을 확인했습니다. 본 연구진은 역기하학적 X선 투시 촬영을 가능하게 하는 스캐닝 빔 디지털 X선(scanning beam Digital x-ray) 또는 SPDX 시스템이라 불리는 영상 시스템을 개발하고 있습니다. 기존 영상 시스템과 역기하학적 영상 시스템의 주요 차이점은 단일 초점 X선 튜브를 사용하여 넓은 시야의 검출기에 투영하지 않는다는 점입니다. 본 연구의 X선 소스는 수천 개의 초점으로 구성되며, 각 초점은 단일 영상 프레임을 획득하기 위해 소형 광자 계수 검출기(photon counting detector) 위에 코팅되어 있습니다.

각 검출기 영상이 객체 역상의 작은 부분만을 포착하도록 하여 수천 장의 검출기 영상을 획득합니다. 기하학적 이미징을 통해 영상 내 산란을 크게 줄일 수 있으며, 이를 통해 훨씬 낮은 선량으로 영상을 획득할 수 있습니다.

이는 산란이 환자의 크기에 비례하여 증가하므로, 특히 체격이 큰 환자에게 유리합니다. 소아 환자의 경우, 산란 감소로 인한 선량 절감 효과는 훨씬 적습니다. 하지만 역기하학적 구조(inverse geometry)를 통해 소아 환자에게도 도움이 되는 선량 절감 전략을 구현할 수 있습니다.

역기하학(Inverse geometry)은 우리가 적응형 노출(adaptive exposure)이라고 부르는 기술을 가능하게 합니다. 수천 장의 검출기 영상을 획득함에 따라, 노출되는 영역의 밀도에 따라 실시간으로 노출을 조절할 수 있으므로, 방사선 투과성 영역에서는 노출을 줄이고 더 불투과성인 영역에서는 노출을 유지할 수 있습니다. 따라서 전체 영상에서 균일한 영상 품질을 얻을 수 있으며, 기존 시스템에서 과다 노출되었던 영역의 선량을 줄일 수 있습니다.

방사선 선량을 모니터링하기 위해 선량면적곱(dose area product) 측정기를 콜리메이터 앞에 배치합니다. 일반적으로 환자 또는 팬텀을 콜리메이터에 비교적 가깝게 위치시키며, 영상 촬영 영역의 중심을 콜리메이터로부터 약 40 centimeters 거리에 둡니다. 그다음, 시스템 작동 모드를 선택합니다.

일반적인 설정은 시야 범위(field of view) 7인치, 프레임 속도 15 fps입니다. X선 소스의 피크 전압은 80 peak kV로, 소스 전력은 17 kW로 설정합니다. 그런 다음 SBDX 시스템을 켜고 이미지 획득을 시작합니다.

이미지 획득 과정 동안, 전자 빔은 래스터 방식으로 모든 초점 지점 위치를 순차적으로 스캔합니다. 각 초점 지점에서 전자 빔이 투과 타겟에 충돌하여 x-선을 생성합니다. 생성된 x-선 광자는 집속 콜리메이터를 통과하여 검출기를 조사합니다.

따라서 이미지 볼륨의 아주 작은 부분만 투영됩니다. 조명 단계에서 검출기는 검출기 이미지를 획득하며, 이는 시스템 메모리에 직접 저장됩니다. 각 초점 스폿에 대해 최대 8 µs의 조명이 필요합니다.

하지만 타겟의 열적 제한으로 인해, 최대 연속 노출 시간은 1 µs이며 획득 과정은 1 µs씩 8단계로 나누어 진행됩니다. 결과적으로 약 60 ms 동안 총 40,000장 이상의 검출기 이미지가 영상 획득 종료 시점에 기록됩니다.

선량 면적 곱(dose area product) 측정기의 측정값을 반드시 기록하십시오. SBDX는 본질적으로 토모신테시스(tomosynthesis) 시스템으로, 각 소스 초점에서 서로 다른 각도로 객체에 빛을 조사하므로 콜리메이터와 검출기 사이에 위치한 영상 볼륨 내의 모든 평면을 재구성할 수 있습니다. 먼저 영상을 설정하는 것부터 시작하십시오.

구성 매개변수. 재구성할 평면의 수와 위치를 선택하십시오. 다음으로, 이미지 재구성 알고리즘을 실행하십시오.

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

구조물은 검출기와의 거리에 따라 초점이 맞거나 벗어납니다. 평면 선택 알고리즘은 모든 평면에서 초점이 맞는 구조물을 선택하며, 이 정보를 통해 초점이 맞은 구조물만 보여주는 합성 이미지를 생성할 수 있습니다. 이 2D 이미지는 기존 시스템에서 얻은 이미지와 동일합니다.

하지만 평면 선택 알고리즘은 모든 구조물이 콜리메이터(collimator)에 대해 어느 위치에 있는지를 결정했습니다. 이를 통해 3D 애니메이션으로 재생할 수 있으며, 저장된 이미지를 적응형 노출 시뮬레이터에 로드하고 각 초점 스폿(focal spot)에 대해 알고리즘을 실행합니다. 그러면 이미지 내의 광자 수가 결정됩니다.

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

업데이트된 작동 모드 파일을 SBDX 시스템에 로드한 후, 리스캔 맵(re-scan map)에 따라 초점 위치에서 X선 빔이 켜지거나 꺼지게 하여 전체 조사 횟수를 줄인 상태에서 이미지를 획득합니다. 이후 새 데이터에 이미지 재구성 알고리즘을 실행하여 균일화된 이미지를 재구성합니다. 이때 반드시 면적선량계(dose area product meter)로 선량 면적 곱 수치를 기록하십시오. 리스캔 마스크를 사용한 균일화된 이미지에서 30%의 선량 절감 효과가 나타났습니다. 예비 결과에 따르면 이미지 품질은 동등하며, 균일화된 이미지가 균일화되지 않은 이미지보다 시각적으로 더 우수한 것으로 나타났습니다.

우리는 선량과 투시 절차를 줄이기 위한 기술로 적응형 노출(adaptive exposure)을 연구하고 있습니다. 초기 결과에 따르면 동일한 영상 품질에서 최소 30%의 선량 절감이 가능함을 확인하였습니다. 현재 적응형 노출을 실시간 기능으로 구현하는 과정에 있습니다.

이미지 획득 과정에서 본 알고리즘이 자동으로 임계값 설정(thresholding)을 수행합니다. 따라서 여기에서 보여주는 많은 단계들은 사용자에게 보이지 않을 것입니다. 현재 결과는 고무적이며, 저희는 본 기술을 더욱 깊이 연구하기를 기대하고 있습니다.

특히, 임상 시험을 통해 우리 영상의 진단 가치가 기존 영상과 동등하거나 그 이상임을 입증해야 합니다.