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1 Original Article PROGRESS in MEDICAL PHYSICS Vol. 26, No. 3, September, Dosimetric Evaluation of a Small Intraoral X-ray Tube for Dental Imaging Yunseo Ji*, YeonWoo Kim, Rena Lee *Department of Medical Science, Ewha Womans University, Seoul, Daewon Foreign Language High School, Seoul, Department of Radiation Oncology, School of Medicine, Ewha Womans University, Seoul, Korea 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 mm with pixel size of 48 μm. 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 μa, 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 mgy on the beam condition for the best image quality, 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 82.4 mgy*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. Key Words: Miniature X-ray tube, Intraoral x-ray imaging unit, Dose measurement, ESD (Dose Area Product), DAP (Dose Area Product) This work was supported by the Nuclear Power Core Technology Development Program of the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning (KETEP), granted financial resource from the Ministry of Trade, Industry & Energy, Republic of Korea (No ). This work was supported by the Nuclear Safety Research Program through the Korea Radiation Safety Foundation (KORSAFe) and the Nuclear Safety and Security Commission (NSSC), Republic of Korea (Grant No ). Received 15 September 2015, Revised 20 September 2015, Accepted 21 September 2015 Correspondence: Rena Lee Tel: , Fax: cc This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 서론치과영상진단분야에서는 X-선이발견된같은해에 Otto Walkhoff에의해최초로치과용 X-선영상이획득되었다. 1) 이후진단목적에따라구강내 X-선영상장비 (intraoral x-ray), 2) 3차원영상촬영이가능한치과용파노라마 3) 와 CBCT (cone beam computed tomography) 4) 등의새로운치과영상장비가지속적으로개발되었다. 이러한방사선장비들은촬영목적과방식이서로다르기때문에방사선피폭의형태나양

2 PROGRESS in MEDICAL PHYSICS Vol. 26, No. 3, September, 2015 Fig. 1. Miniature x ray tube (Xoft, inc) without cooling (left) and with cooling (right). 이다르고방사선피폭평가기준과방법도달라진다. 5) 그렇기때문에새로운방사선영상장비가개발되었을경우에는그것에맞는선량측정방법과기준이확립되어야하고이에따른장비의선량평가가이루어져야한다. 최근, 본연구팀은미국 Xoft사에서근접치료용으로개발한 Axxent 튜브 ( 직경 : 3 mm, 관전압 : 최대 55 kv, 관전류 : 최대 300 ua) 를 6) 이용하여구강내초소형 X-선영상시스템을개발하였다 (Fig. 1). 개발된신개념초소형 X-선장비는 Fig. 2에서보듯이, X-선원인 X-선튜브가구강내에삽입되고영상센서가외부에위치하는방식으로기존의구내 X-선영상획득방식과전혀다른촬영시스템구조를가지고있다. 7,8) 본제품은이처럼영상센서대신초소형의 X-선튜브가구강내에위치하고있기때문에촬영시환자의고통이해소되고, X-선원의방향이구강밖으로향함으로써불필요한피폭선량감소가가능하다. 개발된장비의성능을평가하고제품화하기위해서는개발시스템선량평가가수행되어야한다. 방사선영상장비에대한선량평가는 X-선원의빔질 (beam quality) 과영상장비의특성에따라선량측정방법이달라진다. kvp의범위의 2차원영상의경우에는피부표면에서최대선량이발생되므로일반적으로입사피부선량 (ESD, Entrance Surface Dose) 이선량평가의표준으로사용되고있다. 9) 특히, 개발장비의경우는 55 kvp 이하의상대적으로낮은관전압을사용하고 X-선이신체내부조직으로조사되지않고밖으로향하기때문에안면피부조직에대한 ESD측정이필요하다. 또한, 2차원평면영상장비의특성상넓은영역으로조사되기때문에조사영역을포함해서선량계산을하는면적선량 (DAP, Dose Area Product) 또한중요한선량평가지표이다. 본연구에서는개발된신개념의치과방사선영상장비의선량평가와검증을위해서 IAEA의선량측정법에근거하여 10) ESD와 DAP 선량을측정하기위하여다음과같이연 Fig. 2. Comparison of two x-ray acquisition methods: typical settings for conventional intraoral x-ray unit (Left). Totally different settings for the new conceptual intraoral x-ray unit (Right). 구를진행하였다. 1) 돼지턱뼈팬텀을직접제작하고이를이용하여신개념의치과용진단장비의영상의질을평가하며, 2) 실제임상에서사용가능한촬영조건을산출하고, 3) 결정된촬영조건에서의선량측정방법을제시하고이에대한선량평가를한다. 선량평가는, 현재, 개발된장비의촬영시스템과동일한구강내영상장비가존재하지않기때문에 IAEA 구내치근단촬영환자피폭선량권고치인 7 mgy 11) 과국내식품의약품안전처보고에따른치과 X-선검사의환자권고선량 (DRL, Dose Reference Level) 3.1 mgy (PED), 87.4mGy를기준으로 12,13) 개발장비의환자에대한위해성을평가할것이다. 1. 신개념 X- 선영상시스템 재료및방법 본연구에서영상획득및선량측정을위해사용된 X선발생장치는이화여자대학교의공학연구팀에서개발한신개념 X선영상시스템이다. 전체적인구성은일반적인 X선영상장치의구성과마찬가지로크게 X선발생부와 X선영상장치로나뉜다. X선발생장치는고전압장치와 X선관으로구성되며, 본연구개발영상시스템의핵심요소인 X선

3 Yunseo Ji, et al Dosimetric Evaluation of a Small Intraoral X-ray Tube for Dental Imaging Fig. 3. The custom-made program developed for the control of tube voltage, beam current, and filament current. Fig. 4. Specification of the detector used in this study for the intensity measurements and image acquisition. Fig. 5. The set-up for ESD measurements in an x-ray shielding jig: OSLDs are placed on the surface of the cylindrical phantom. The miniature x-ray tube is located 5 cm away from the OSLDs. Fig. 6. The set-up for DAP measurements in an x-ray shielding jig: a DAP meter is placed from the miniature x-ray tube. 과, 이트륨(Yittrium)으로 구성되어 있다. X선 전자 가속장치 인 고속 고전압 발생부는 Axxent S700 X-선 튜브 전용 고전 tube는 Xoft사의 초소형 X선 튜브로 근접 치료용으로 진단 압 용과는 물리적인 특성이 다르다. Axxent S700 (Xoft, USA)로 Kilovolts, USA)와 고전압 전원장치를 제어하기 위해 개발한 써 직경 2.3 mm, 길이 1.5 mm (Fig. 1)로 타겟 물질은 텅스텐 제어보드로 구성되어 있다. X선 빔 조사와 조정을 위해 X선 전원장치인 LOT#13241 S/N (Applied

4 PROGRESS in MEDICAL PHYSICS Vol. 26, No. 3, September, 2015 제어는본연구팀에서 Visual C version으로제작한제어용소프트웨어를사용하였으며 (Fig. 3) 영상획득을위해사용된검출기는 Xmaru 0707 (Rayance, Korea) 이다 (Fig. 4). Fig. 5과 Fig. 6에서보여주듯이 ESD 측정을위해서는 OSLD 와실린더팬텀을사용하였고, DAP 측정을위해서는 DAP 측정장비를이용하였다. 2. 영상측정용팬텀제작선량을측정하기이전에임상에서사용되는촬영조건을결정하기위하여영상품질평가를위한팬텀을제작하였다. 팬텀은치주과에서실습용으로주로사용되는돼지턱뼈와동일한팬텀을제작하였다. 이를통해서실제치아의해부학적구조인치관 (crown), 치근 (root), 치수강 (pilp cavity), 치조골 (alveolar bone) 을확인하였다. 돼지턱뼈는상악과하악으로연결되어있는데영상촬영에용이하게촬영하고자상악과하악을사면으로절단하고, 하악의두께를약 2 cm으로절단했으며, 치아가 4 5개정도보이도록제작하였다 (Fig. 7). 3. 돼지턱뼈팬텀을이용한영상획득 돼지턱뼈팬텀을이용하여관전압변화에따른영상을획득한뒤, 영상의품질을확인해보았다. 관전압을 50 kv, 55 kv에서각각관전류 40 ua, 50 ua에서영상을획득하여비교하였다. 빔의제어를위해관전류를 ua로변화시켜가면서 1 frame/sec로 50 frame씩영상을받았다. 획득한영상은각각의프레임별에따른 X-선 Intensity를확인하여각각에해당하는영역의프레임영상을추출하였다. 기존의구내 X-선영상시스템에서의영상비교를위해구내 X-선발생장치 ( 모델명 : CS 2100, 제조회사 : Carestream Dental LLC, USA) 와휴대용 X-선촬영장치 ( 모델명 : Fig. 8. X-ray image of pig mandibular molars with intensitiy profile across the image at 50 kvp, mas. Fig. 7. Pig jaw phantom for the evaluation of image quality

5 Yunseo Ji, et al:dosimetric Evaluation of a Small Intraoral X-ray Tube for Dental Imaging EXARO, 제조사 : HIOSSEN) 에서촬영한돼지턱뼈팬텀영상과비교해보았다. 돼지턱뼈팬텀과영상센서간의거리때문에생길수있는영상의확대를방지하기위해서돼지턱뼈팬텀은검출기에최대한붙여서촬영하였고, X- 선빔이확산되지않고최대한평행하게입사할수있도록 X-선관구를돼지턱뼈팬텀과영상센서에직각으로조준하여촬영하였다. CS 2100 구강 X-선발생장치에대해서는 RVG 센서를이용하였고휴대용 X-선촬영기인 EXARO 경우는같은회사의 HIOSSEN 1.5 센서를사용하여돼지턱뼈팬텀을촬영하였다 (Fig. 8). X-선조사조건은, CS 2100 경우, 관전압 60 kv, 관전류 7 ma, 그리고노출시간 s으로조정하였으며 EXPRO는관전압 60 kv, 관전류 2 ma 0.2 s로세팅하였다. 디지털 X-선영상품질에대한주요지표인선예도 (sharpness), 대조도 (contrast), 공간분해능 (resolution) 등의특성평가는 MTF (Modulation Transfer Function) 와같은물리적계산에의해서이루어진다. 그러나본연구는주목적은신개념의치과용 X-선영상장치에서발생하는선량계산방법과그것에대한측정이고영상품질에대한평가는선량측정을위한개발장비의영상품질의최적화조건을산출하고그조건범위내에서선량분포를조사하는보조적역할을하는것이기때문에실험자의육안을통한감성평가만을실 시하여영상품질에대한실험을단순화하고선량평가에연구의중점을두었다. 4. 선량측정신개념구강내 X선장치에의한입사피부선량 (ESD) 측정을위하여광자극형광선량계 (OSLD, Optically Stimulated Luminescence Dosimeter) 를 14) 사용하였으며면적선량 (DAP) 측정은 DAP meter를사용하였다. IEC 에의하면 X- 선장치에서피폭량을측정하기위한 radiation meter의불정확도가 5% 미만이어야하기때문에교정기간 1년내의선량계를사용하였다. ESD 측정을위한 geometry setup은신개념구강내 X-선장치의치아촬영방식을고려하여 Fig. 5에서설명되어있는것처럼 OSLD를 X-선튜브소스원과동일선상의팬텀표면에설치하였으며선량계와소스원과의거리는실제장비의 SSD (Source to Skin Distance) 촬영조건인 5 cm로설정하였다. OSLD가놓일팬텀은 AAPM (American Association of Physicists in Medicine) 보고서 No.31 두경부선량검증팬텀사이즈를참고하여직경 160 mm, 그리고높이 150 mm 의원통모형으로 PMMA (Polymethyl methacrylate) 재질로제작하였다. 빔조사조건은개발장치의영상품질평가를위해서사용했던설정값을훨씬넘어 200 μas까지설정하고 Fig. 9. X-ray images of the pig mandibular phantom obtained from (a) new system at 50 kv, 40 ua, (b) new system at 55 kv, 30uA, (c) commercial system at 60 kv, 7 ma (CS2100, &RVG digital sensor, Carestream Dental, LLC.) and (d) commercial system at 60 kv, 2 ma (EXARO&EZ digital sensor, Osstem,Inc.)

6 PROGRESS in MEDICAL PHYSICS Vol. 26, No. 3, September, , 101, 141, 그리고 196 μas, 4번의다른조건에서측정하여개발장비에서사용되는조사세팅범위를최대한크게하여선량값을구하였다. 이를통해서개발장비의조사세팅조건에따른선량분포를보고자하였다. 그리고측정이끝난후약 8분후판독기를통해서 ESD 값을기록하였다. DAP 측정은, ESD 측정과마찬가지로, 실험환경은신개념구강내 X-선진단장치의조사조건에맞추어서 Fig. 6에서보이는것처럼선행연구에서제작된평탄화필터와콜리메이터를장착한 X-선소스원과 DAP meter를 SSD가 5 cm 되도록배치하였다. DAP meter는 IBA사의 KERMA X- plus TinO 제품으로 0.01 μgym 2 의 DAP 분해능을가지고있으며 Active area는 mm 2 이다. 조사조건은영상품질평가를위해서사용되었던설정값을훨씬넘어 ESD 측정에서보다큰 300 uas 가까이설정하고 41, 99, 144, 207, 그리고 276 μas, 5번의다른조건에서선량을측정하여보다넒은조사세팅범위에서선량분포를측정할수있도록하였다. 2. 선량평가 Table 1은두경부팬텀표면중앙 ( 콜리메이터중앙과초점을연장한선 ) 에 nanodot OSLD선량계를이용하여측정한 ESD 값을보여준다. Fig. 10은관전류와 ESD의관계를두경부팬텀중앙지점에서획득한선량을샘플링값으로지정하여직선보간법을사용하여표현해주었다. 관전류가증가함에따라 ESD가선형적으로증가함을보인다. Table 2 는개발된장비의 DAP를 SSD 5 cm 지점에서관전류를변화시키면서측정한선량으로개발장비에서의 DAP는 ESD 와마찬가지로관전류의증가와함께같이상승하는것을확인할수있었다 (Fig. 11). DAP 값은일반적인작동모드인관전류범위의 (40 80 μas) 최대값보다도약 3.5배가큰관전류 (278 μas) 에서 82.4 mgy cm 2 이다. 개발장비의경우영상품질이가장좋은때의조사조건이관전압 50 kvp, 관전류 50 ua, 그리고조사시간 <1 sec으로총관전류가 <50 uas 이고, 이는기존장비 (CS 2100: 관 결 과 1. 영상품질평가영상품질은정량적보다는정성적평가를하였다. 기존의장비와개발된장비의영상을획득하여치과임상의로부터평가를받았다. Fig. 8은관전류가 mas 에서의돼지턱뼈영상과검출기에서의각화소값을보여준다. 그림에서보여주듯이 X-선세기가 ( 상대적 X-선강도 ) 지점에서영상이획득되었으며, 촬영된돼지턱뼈영상은 Fig. 9a-b에보여주듯이관전압이 50 kvp, 관전류가 40 ua 근방에서설정되었을때가장좋은화질을획득됨을확인할수있었다. Fig. 10. ESD of the developed intraoral x-ray device as a function of beam current. Table 1. ESD (Entrance Surface Dose) values measured with OSLD (Optically Stimulated Luminescence Dosimeter) nanodot on the phantom as a function of beam current. OSLD nanodot chip ID Position ESD Beam Current (μas) ESD (mgy) DN Q center DN N center DN Y center DN P center Table 2. DAP (Dose Area Product) values measured using DAP meter as a function of beam current. DAP Beam Current (μas) DAP (mgy cm 2 )

7 Yunseo Ji, et al:dosimetric Evaluation of a Small Intraoral X-ray Tube for Dental Imaging Fig. 11. DAP of the developed intraoral x-ray system as a function of beam current. 전압 60 kv, 관전류 7 ma, 그리고조사시간 s, 총관전류 875 uas, EXPRO: 관전압 60 kv, 관전류 2 ma, 조사시간 0.2 s, 총관전류 400 uas) 보다도총관전류가약 10배이상낮기때문에결과적으로낮은 ESD와 DAP값이측정되었다. 의약처에서제정한국내성인하악대구치구내치근단방사선사진의 DRL인 3.1 mgy (ESD) 보다낮은값이며, 영상품질이가장좋았던작동모드인 51 μas 관전류에서는 ESD가 mgy으로 IAEA 기준보다는약 5배, 국내식품의약처기준으로는약 2.2배이상의저감효과가있음을확인하였다. 본연구에서획득된영상은이미지보정을하지않은경우이므로이미지보정기능이추가된다면임상에서사용하기에우수한영상품질임을예측할수있다. 또한, 본연구에서는진단방사선장비의환자에대한선량위해도판단근거가되는 DRL이장비선량측정을위해서권고하는 ESD와 DAP를측정하여개발장비가 IAEA와한국식약처가제시하는구내치근단촬영환자피폭선량권고치보다도모두낮은값을보여줌을밝혔다. 영상획득방법을고려할때 X-선의조사가구강밖으로향하고있기때문에신체내부의장기나조직에대한유효선량측정에서는 ESD와 DAP 측정결과보다더많은선량감소효과가있을것이라고예측되며, 이를증명하기위해서본연구팀은, 현재, 두경부 voxel phantom을설계하고두경부주요신체조직의유효선량측정에대한연구를진행중에있다. 고찰및결론본연구에서는이화여자대학교연구팀에서개발한신개념치과용촬영장치의임상적적용의가능성을확인하기위해치과용 X-선영상장치의선량을측정하였다. 돼지턱뼈를이용하여실제임상에서영상품질을기존의 X-선영상장치에서획득한영상과비교평가를통해서영상품질을확인함과동시에그조건에서의촬영조건을산출하고결정된촬영조건에서의선량을측정하였다. 기존의구내 X-선촬영시스템에서획득한영상을비교해볼때보다훨씬적은관전압과조사량에도불구하고기존치과영상시스템과비교했을때 (12.(c)-(d), 사기질, 상아질, 치수강부분이확연히구별할수있음을확인하였다. 개발영상장비에서획득한영상은영상보정이실시되지않은것으로, 영상보정적용될경우상대적으로낮은선량에도더좋은화질의영상을제공할수있을것으로분석된다. 신개념강내형 X-선진단장치에서일반적으로사용되는관전류범위 (40 80 μas) 보다도 2배이상큰 196 μas 관전류에서도 ESD가 mgy로이는국외 IAEA 구내치근단촬영환자피폭선량권고치인 7 mgy보다낮고식품 References 1. Riaud X: First dental radiograph (1896). Dent Hist 59(2): (2014) 2. Altug HA, Ozkan A: Diagnostic imaging in Oral and Maxillofacial Pathology. Medical Imaging, Eribdy OF, InTech (2011), pp Mihailova Hr, Nikolov Vl, Slavkov Sv: Diagnostic imaging of dentigerous cysts of the mandible. Journal of IMAB 2:8-10 (2008) 4. Tyndall DA, Rathore S: Cone-Beam CT diagnostic applications: caries, periodontal bone assessment, and endodontic applications. Dent Clin North Am 52: (2008) 5. AAPM Report No. 31: Standardized methods for measuring diagnostic x-ray exposures. the American Association of Physicists in Medicine, New York (1990) 6. Rivard MJ, Davis SD, DeWerd LA, et al: Calculated and measured brachytherapy dosimetry parameters in water for the Xoft Axxent X-ray Source: an electronic brachytherapy source. Med Phys 33: (2006) 7. Cho S, Kim D, Baek K, et al: Introduction of dental x-ray imaging with new concept - intra Oral x-ray Tube. J Inst Electron Eng Korea 48, No.4: (2011) 8. Cho S, Rena L: The Characteristic of Temperature and Dose Distribution of intra oral X-ray Tube. J Inst Electron Eng Korea 50(5): (2013) 9. Cho BC, Huh HD, Kim JS, et al: Guideline for Imaging

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