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치의학석사학위논문 새로개발된 파노라마방사선영상팬텀을이용한 상층및해상도평가 Evaluation of the image layer and the resolution using newly developed panoramic radiographic phantom 2018 년 8 월 서울대학교대학원 치의과학과영상치의학전공 염한결
새로개발된 파노라마방사선영상팬텀을이용한 상층및해상도평가 지도교수이삼선 이논문을치의학석사학위논문으로제출함 2018 년 4 월 서울대학교대학원 치의과학과영상치의학전공 염한결 염한결의치의학석사학위논문을인준함 2018 년 6 월 위원장 ( 인 ) 부위원장 ( 인 ) 위원 ( 인 )
국문초록 새로개발된 파노라마방사선영상팬텀을이용한 상층및해상도평가 염한결 서울대학교대학원치의과학과영상치의학전공 ( 지도교수이삼선 ) 1. 목적 파노라마방사선장비의상층과해상도를평가할수있는두종류의파 노라마방사선영상팬텀을제시하고, 이를파노라마방사선장비에적용하여 얻어진영상을통해장비의상층및해상도를평가하고자한다.
2. 방법 두종류의파노라마방사선영상팬텀으로메탈볼을이용한파노라마팬텀과가로납선쌍을이용한가로해상도계단팬텀을제작하였고, 팬텀영상을획득하여영상평가를시행하였다. 메탈볼을이용한파노라마방사선영상팬텀의아치모양외형은한국성인남성의평균하악치열궁형태를참고하여결정된중심선을기준으로제작하였다. 2 mm 직경의메탈볼을중심간직선 4 mm 의근원심간격으로팬텀의중심선을따라배열하였고, 각볼의협설측으로 22 개의볼을 2 mm 간격으로추가배열하였다. 한번의촬영으로모든메탈볼의상이중첩되지않는파노라마영상을획득하기위하여, 볼은측면에서보았을때대각선의형태로배열하였다. 제작된팬텀을파노라마팬텀으로명명하였다. 영상에서볼왜곡률은볼상의수직및수평길이차이의비율로정의하였으며, MATLAB program 의 Ellipse detection method 를사용하여측정및분석하였다. 볼왜곡률의다양한임계치를설정하여각임계치별상층의형태및경계를획득하였다. 각위치에서영상의볼왜곡률과가로납선쌍을이용한해상도값을비교하기위하여전치, 소구치, 대구치, 하악과두부위에고정되어한번의영상획득으로폭 48 mm 에해당하는영역의가로납선쌍의영상을얻을수있는계단형태의가로해상도계단팬텀과팬텀거치대를제작
하였다. 각 1.88, 2.32, 2.58, 3.19 lp/mm 의가로납선쌍을협설측 4 mm 간격으로위치시켰고, 얻어진영상은 2 명의영상치의학과전문의에 의해판독되었다. 3. 결과 50% 의볼왜곡률임계치를적용하였을때메탈볼영상이나타나는대부분의영역이상층경계의내부에포함되었다. 5% 의볼왜곡률임계치를적용하였을때에는상층이팬텀의중심선을따라좁은폭으로형성되었으나, 하악과두부위에서는중심선의설측에치우친형태로관찰되었다. 가로해상도계단팬텀의경우 1.88, 2.32, 2.58 lp/mm 의가로납선쌍은전치, 소구치, 대구치, 하악과두부위의 48 mm 폭에서모두판독이가능하였다. 3.19 lp/mm 를이용하여획득된영상에서전치, 소구치, 대구치부위에서판독가능한가로납선쌍이위치한협설측폭은각 18.8, 9.6, 12.8 mm 이었고, 하악과두부위에서는모든협설측폭에서판독이불가능하였다. 3.19 lp/mm 의가로납선쌍이판독가능한영역은악궁의설측에치우친형태로관찰이되었고해당영역에서볼변형률은최소 15% 부터인식되지않는부분까지다양하게존재하였다.
4. 결론 파노라마팬텀을이용하여파노라마방사선장비에의해촬영되는모든 근원심영역에대하여상층의평가가가능하였다. 이때넓은협설측폭 (46 mm) 에대하여 2 mm 간격으로정확한상층평가가가능하였다. 가로해상도계단팬텀에서전치부에가장높은해상도를보이는부위는한국성인남성하악치열궁을기준으로관찰하고자하는악골의중심에서설측으로벗어난부위에존재하고있었다. 파노라마방사선장비의특수성을고려하였을때납선쌍을이용한해상도평가에는한계가존재하여파노라마팬텀의볼경계를이용한해상도평가가권장된다. ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 주요어 : 파노라마방사선장비, 상층, 팬텀 학번 : 2016-28672
목차 I. 서론... 1 II. 연구재료및방법... 8 III. 연구결과... 24 IV. 고찰... 37 V. 결론... 42 VI. 참고문헌... 43 Abstract (English)... 45
I. 서론 1. 연구의개요 파노라마방사선촬영술은구강악안면영역의골과치아의구조를한장 의영상으로보여주는단층촬영술의일종이다. 1 촬영술식이간단하고 무치악, 개구장애환자등의촬영도용이하다는장점뿐만아니라, 비교적적은 x선노출로전반적인구강악안면영역의진단정보를준다는장점이있어치의학영상진단영역에서보편적으로사용되고있는촬영법이다. 파노라마방사선장비의원리는단층촬영의원리와스캐닝의원리가혼 합된것으로, 피사체의삼차원구조중입체적인곡면형태의상층 ( 초점 층 ) 에위치된구조만이펼쳐진형태의이차원영상으로선명하게획득되 어진단적가치를갖게된다는차별화되는특징을가지고있다. 2 이때 곡면형태의상층은파노라마방사선장비의 x 선원이움직이는각도, 회전 중심과필름의거리, x 선원의폭등다양한요소의영향을받는다. 3 이러 한파노라마방사선장비의특성으로인해피사체의관찰하고자하는부위가상층에정확하게위치되지못하면진단적가치가적은영상이획득되게된다. 따라서파노라마방사선장비의정확한상층형태와위치를아는것은적절한영상의획득에매우중요하다. 현재파노라마방사선장비의평가는장비의특수성을충분히고려한형 1
태로이루어지지않고있다. 2000년 International Electrotechnical commission(iec) 에서발행한 Acceptance tests-imaging performance of dental X-ray equipment 에서는 1.6 lp/mm-3.0 lp/mm 의사선납선쌍을포함하는팬텀을이용한파노라마방사선장비 의평가방법을제시하고있다. 4 이때파노라마방사선장비의최소해상 도는 2.5 lp/mm 이라는기준을제시하고있지만, 팬텀의위치에대한정확한기준이제시되어있지않아악궁의전후방, 협설측에서의위치를고려한정확한평가가이루어지지않고있다. 우리나라에서는보건복지부의 진단용방사선발생장치의안전관리에관한규칙 ( 보건복지부령제528호 ) 5 에따라모든진단용방사선장비의안전관리가시행되고있다. 치과진단용엑스선발생장치에대해서는외장누설전류시험, 조사선량의재현성시험, 관전압시험, 관전류시험등이시행되고있으나, 상층에대한평가를비롯한장비의팬텀평가는포함되어있지않다. 따라서파노라마방사선장비의상층의위치와그형태에대해측정하고측정된상층영역이실제촬영대상자의평균적인악골위치와일치하는지에대한평가가필요하며이를위한파노라마방사선영상팬텀의개발과평가방법의정립이필요하다. 2
2. 국내외연구동향 파노라마방사선장비의상층의위치와그형태는획득된영상에서평가할수있다. 여러국외선행논문에서파노라마방사선장비의상층을평가하였고, 그평가방법과기준은다양했다. 1972년도 Dimensions of the Focal Trough in Panoramic Radiography 6 와 1975년도 A study of the focal troughs of three panoramic dental x-ray machines. Part I. The area of sharpness. 7 의논문에서는악궁모양지지대에핀을꽂은후영상을획득하였고, 얻어진영상에서판독자가주관적으로선예도를점수화하여상층의경계를결정하였다. 1982년도 A study of the zone of sharpness of three panoramic x-ray machines and the effect of screen speed on the sharpness zone. 1 의논문에서는처음으로납선쌍을이용한파노라마방사선장비의상층측정법을제시하였다. 악궁모양지지대의총 8개부위에서협설측 1.5 mm 간격으로납선쌍의위치를변경하며영상을획득하였고 1.7 lp/mm 의판독가능여부를기준으로상층의경계를결정하였다. 1985년도 Effect of border sharpness on the size and position of the focal trough of panoramic x-ray machines. 2 에서는악궁형태의지지대에서메탈볼을 10도씩, 그리고 1 mm씩이동시키면서가장동그란형태의볼로영상이얻어지는위치를 Image central plane 으로결정하는상층평가법을제시하였다. 다양한논문에서제시된여러가지상층평가방법과그기준에대해 Table 1. 에정리하였다. 3
Table 1. Several articles about the image layer assessment Year Article title Journal title 1972 Dimensions of the Focal Trough in Panoramic Radiography 6 1975 A study of the focal troughs of three panoramic dental machines. Part I. x-ray The area of sharpness. 7 1975 A study of the focal of three panoramic dental machines. Part II. troughs x-ray Image Dimensions. 8 1982 A study of the zone of sharpness of three panoramic x- ray machines and the effect of screen speed on the sharpness The Journal of the American Dental Association Oral Surgery, Oral Medicine, Oral Pathology Oral Surgery, Oral Medicine, Oral Pathology Oral Surgery, Oral Medicine, Oral Pathology Method of the image layer assessment Sharpness of the obtained pin image Positioning pins with 3 mm interval. Interpretation by two investors determined the sharpest point as a image layer. Sharpness of the obtained pin image Positioning 396 pins at specific area. Interpretation and sum of the score by four investors determined the high score area as a image layer. Distortion rate of the obtained pin image Positioning 396 pins at specific area. The horizontal and vertical lengths of the pin were measured with a Boley gauge to obtain a magnification percentage range. Resolution (1.7 lp/mm) Positioning 1.7 lp/mm resolution phantom at 8 points. Changing the position with 1.5 mm buccolingual interval. Interpretation by the agreement of four investors determined the image layer. 4
zone. 1 1985 Effect of border sharpness on the size and position of the trough of focal panoramic x-ray machines. 2 1985 The central plane of the image layer determined experimentally in various rotational panoramic x-ray machines. 9 1987 Comparison of focal trough dimensions and form by resolution measurements in panoramic radiography. 10 1989 The focal trough of the Autopan panoramic dental x-ray machine. 3 Oral Surgery, Oral Medicine, Oral Pathology Oral Surgery, Oral Medicine, Oral Pathology The Journal of the American Dental Association Oral Surgery, Oral Medicine, Oral Pathology Resolution (1.2, 1.7, 2.0, 2.4, 2.9 lp/mm) Positioning several lp/mm resolution phantoms at 8 points. Changing the position with 1.5 mm buccolingual interval. Interpretation by the agreement of four investors determined the image layer. Distortion rate of the obtained ball image Positioning metal balls with 10 degree interval, and 1 mm buccolingual interval. The image layer was determined as the area where the most rounded image is obtained Resolution (1.7 lp/mm) Positioning 1.7 lp/mm resolution phantom at 8 points. Changing the position with 1.5 mm buccolingual interval. Interpretation was done and the readable area was defined as a image layer. Resolution (1.7 lp/mm) Positioning 1.7 lp/mm resolution phantom at 8 points. Changing the position with 1.5 mm buccolingual interval. Interpretation was done and the readable area was defined as a image layer. 5
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파노라마방사선장비의상층평가필요성이대두됨에따라, 현재파노라마방사선장비의상층을평가하기위한 TO PAN (Leeds Test Objects, North Yorkshire, United Kingdom) 이라는팬텀이시판되고있다. 이는약 25 mm 의영역에대해 5 mm 간격으로만평가가가능할뿐만아니라, 전치, 소구치, 대구치, 하악과두의네부위에대해서만평가가가능하다. 또한얻어진영상에서볼의경계나장단축설정과정에서술자의개입이필요하기때문에평가결과간에오차가발생가능하다는한계가있다. 국내에서도파노라마방사선장비의차별화되는특성에맞는정도관리의 필요성이대두됨에따라다양한연구가진행되어왔다. 최 11 등의논문 에서한국성인남성표준악궁모양의거치대와납선쌍형태의해상도팬텀을이용한파노라마영상의화질의평가가능성을제시하였다. 신 12 등의논문에서는악궁형태의팬텀거치대와해상도와대조도를동시에평가할수있는팬텀을제작하여악궁의영역별화질평가가능성을제시하였다. 하지만파노라마방사선장비의상층의형태나크기에대한평가법및그기준에대한연구는진행되고있지않은실정이다. 7
3. 목적 이에본연구는파노라마방사선장비의상층과해당부위의해상도를평가할수있는두종류의파노라마방사선영상팬텀을제시하고, 이를실제파노라마방사선장비에적용하여얻어진영상을통해장비의상층및해상도를평가하고자한다. 8
II. 연구재료및방법 본논문에서는두종류파노라마방사선영상팬텀을제작하였다. 촘촘하게메탈볼이식립된파노라마팬텀과넓은협설폭에대하여계단형태로가로납선쌍을위치시킨가로해상도계단팬텀을제작하였고팬텀의영상을획득및평가하였다. 1. 파노라마팬텀을이용한상층평가 (1) 파노라마팬텀의제작 첫번째로메탈볼의왜곡된정도를이용하여상층을평가하는팬텀을제작하였다. 이를위해한국성인남성의평균하악치열궁형태및하악과두의위치를재현하는중심선 (center line) 을결정하고이를기준으로협설방향으로메탈볼을식립하였다. 가. 한국성인남성평균하악치열궁및하악과두데이터의결정 한국성인남성의평균하악치열궁형태의결정을위하여 2 개의논 문 13,14, 하악과두의위치의결정을위하여추가적인 6 개의논문 15,16,17,18,19,20 을참고하였다. 최 11, 신 12 등의선행논문에사용된한국성인남성표준하악치열궁 데이터는 1996 년도대한치과교정학회지에발표된 한국인정상교합자 의하악치열궁형태에관한연구 13 의데이터이다. 본연구에서는그 9
이후더많은성인남성 (n=296) 을대상으로분석된 2004 년 Tooth size and arch parameters of normal occlusion in a large Korean sample 14 논문의데이터를우선순위로선정하였고, 이는개선된한국 인의영양상태와삶의방식의변화등에의하여선행논문과 4 개의계 측항목 ( 견치간폭경, 제 1 대구치간폭경, 제 2 대구치간폭경, 제 2 대구치 고경 ) 에서차이를보였다. 언급된두논문에서는사용한측정법이달라일부계측항목은후속연구에서는측정되지않았기때문에동일한계측항목에대한데이터는 2004년도논문을선택하였고, 2004년도논문에서측정되지않은계측항목은 1996년도논문의데이터를사용하여최대한많은계측항목을이용하여악궁형태를도출하였다. 두논문을통해얻어진데이터를대응시켜기준점이될수있는위치를 (x,y) 로표시하였다. 이때하악중절치절단면중심의위치를 (0,0) 으로정하여악궁의깊이 ( 고경 ) 에대한데이터를 x축에, 악궁의폭 ( 폭경 ) 에대한데이터를 y축에표시하였다. 악궁의폭의경우정준선을기준으로양측이대칭이라고가정하여제시된폭값에 1/2을곱하여수치화하였다. 얻어진최종값은하방 Table 2. 와같다. 굵게처리된문자는 2004년논문에서얻어진값이고, 기울림처리된문자는 1996년논문의값이다. 10
Table 2. Selected reference tooth position parameters ( mm ) Position x( mm ) y( mm ) #31-#41 midpoint 0.0 0.0 #43 center 5.3 14.1 #44 cusp 18.3 #45 cusp 21.3 #46(MB * cusp) 23.7 24.1 #47(MB * cusp) 33.8 27.1 #47(DB * cusp) 39.0 * MB: mesiobuccal, DB: distobuccal 대응하는 x 또는 y 값이없는기준점의경우에는 2004년논문의각치아의크기값을이용하여값을도출하였다. 예를들어 44번치아의 x 값의경우, 43번치아의 (5.3,14.1) 과 44번치아의 (x,18.3) 사이의거리가 ( 하악 3번, 4번치아크기의합 ) * 1/2 이라는가정으로점과점사이의거리를계산하는이차방정식을통해 x 값을도출할수있었다. 해당방식으로완성한최종악궁기준점은다음 Table 3. 과같다. 11
Table 3. Final reference tooth position parameters ( mm ) Position x( mm ) y( mm ) #31-#41 midpoint 0.0 0.0 #43 center 5.3 14.1 #44 cusp 11.1 18.3 #45 cusp 18.0 21.3 #46(MB * cusp) 23.7 24.1 #47(MB * cusp) 33.8 27.1 #47(DB * cusp) 39.0 28.0 * MB: mesiobuccal, DB: distobuccal 12
악궁과하악과두와의상관관계는최 11, 신 12 등의선행논문에서사용된 수치를참고하였다. 1996 년대한치과교정학회에서발간한 한국성인 정상교합자의측모두부규격방사선사진계측연구결과보고서 15 와 1984 년안형규에의해발표된 두부 X 선규격계측사진에의한하악두 의관찰 16 에의해계측된수치를사용하되, 두부규격방사선촬영술의 확대율을 10% 로결정하고 17,18, 이를보정한값을사용하였다. 시상면 상거리를유도하는과정에서사용된측정값은다음과같다. * 표시된 값들은영상에서의계측치로, 확대율보정을적용하기전의수치이다. (1) Porion location: 44.7 mm* 16 (2) Maxillary 1 st molar to PTV: 19.0 mm* 16 (3) Distance between porion and condylar head (posterior surface): 7 mm* 19 (4) Condylar antero-posterior dimension: 7.89 mm 20 (5) Molar relation: 1.6 mm* 16 (6) Cant of Occlusal plane: 7.74 16 (7) Depth of lower first molar: 23.7 mm 13 (8) Tooth size of lower first molar: 11.11 mm 14 해당수치로계산된하악중절치에서하악과두중심에이르는시상면 상거리인 81.22 mm 와과두간거리평균값 108.20 mm 의 1/2 값인 54.10 mm 가각각하악과두위치의 x, y 값으로사용되었다. 13
선행논문들은악골의특정위치에만팬텀을거치시키는형태였기때문에기준점이외의악골의위치정보가필요하지않았으나, 본연구에서는연속된악궁내다양한부위에서의상층을평가하기위하여각기준점을연결하는연속된식이필요했다. Microsoft excel 을이용하여각기준점을연결하도록유도된수식은다음과같다.(Eq.1) y = 3025.74 + 6160.734(. (. ). +. (. ). ) (Eq.1) 이수식의그래프를통해얻어진연속적인선을중심선 (center line) 으로정의하였다.(Fig.1.) 이중심선을통하여각기준점사이메탈볼들의정확한위치를결정하였을뿐만아니라, 추가적인협설측메탈볼을위치시키기위하여각볼에서의협설측수직선을구할때에도해당그래프의접선에수직한기울기를도출하여정확한수직선을결정하였다. 14
Fig. 1. Graph of the adjusted formula 중심선에서중심간직선 4 mm 간격으로직경 2 mm 의메탈볼을식 립하였다. 후방경계는한국정상골격구조환자의우측하악과두평균 전후방폭경인 7.89 mm, 평균내외측폭경인 19.62 mm 20 를고려하여 하악과두중심위치에서후방으로 5 개의추가볼을위치시켰다. 각볼을기준으로중심선의접선에수직인방향을유지하며중심간 2 mm 간격으로협측으로 11개, 설측으로 11개, 총 22개의추가볼을위치시켰다. 이때각볼의수평면에서의높이는 2.5 mm 씩간격을주어, 결론적으로식립된볼들은측면에서보았을때사선형태를갖게된다. 이렇게볼이위치되었을때한장의파노라마영상촬영으로모든볼의상을겹치지않고얻을수있었다. 좌우측악궁에위치한메탈볼의상호작용으로인한허상의영향을최 15
소화하기위하여메탈볼은우측악궁위치에만식립하되, 전치부위는 허상을형성하지않는선에서최대한좌측악궁위치까지연장하였다. 볼을위치시키는과정에서악궁의형태로인해협측으로는발산하는형태로, 설측으로는수렴하는형태로볼이식립되게되며이때볼과볼사이간격이일정하지않게된다. 일부볼사이간격이너무넓거나겹칠정도로너무좁은문제를해결하기위하여, 인접볼과의중심간직선간격이 8 mm 이상인경우두볼사이중점에추가볼을식립하였고, 인접볼과의중심간직선간격이 3 mm 이하인경우에는정중선에서원심측에있는하나의볼을생략하였다. 최종으로완성된도안은 Fig. 2. 와같다. 16
a. b. Fig. 2. Final designs of the Panorama phantom (a. axial view / b. lateral view) 이렇게결정되고제작된파노라마방사선영상팬텀을파노라마팬텀 (Panorama phantom) 으로명명하였다. ( 특허출원 10-2017- 0184233) 17
(2) 파노라마팬텀영상획득 파노라마팬텀의유효성검토를위하여서울대학교치과병원에서사용 중인 OP-100 (Instrumentarium Dental, Tuusula, Finland) 파노라마 방사선장비 (CR type) 에서촬영을시행하였다. 촬영은성인남성촬영프로토콜을따라 73 kvp, 10 ma, 17.6 seconds 로하였다. 팬텀을정확하게위치시키기위하여수평계를이용하였고, 중심선의전치부중심을파노라마장비의 incisive notch에일치시켰다.(fig.3.) 볼이식립된아크릴레진에의한 x선의감쇄를고려하여골및연조직감쇄는재현하지않았다. 촬영간오차를최소화하기위하여동일한프로토콜로총 3 회촬영이 진행되었다.(Fig.4.) 18
Fig. 3. Positioning of the Panorama phantom Fig. 4. The obtained panoramic image of the Panorama phantom 19
(3) 파노라마팬텀영상평가 얻어진파노라마팬텀영상을분석하기위하여 MATLAB programs으로소프트웨어를제작하였다. 획득된영상의경계를명확하게강조하기위하여 noise reduction filter 가적용된후 universal threshold 를적용한 ellipse detection 을시행하여영상에서원형또는타원형으로얻어진볼의경계를획득하였다. 이경계를이용하여볼의가로축과세로축의길이를구하고이두길이간차이의비율을볼의변형정도를나타내는지수인볼변형률 (ball distortion rate) 로정의하였다. (Eq.2) Ball distortion rate = 1 h 100 (%) (Eq.2) 이때볼변형률의임계치 (threshold) 를 5% 에서 50% 까지 5% 간격으로나누어총열단계로각상층의형태를결정하였다. 예를들어볼변형률임계치 50% 를적용한경우, 50% 이하의볼변형률을보이는모든볼이상층에포함되게된다. 각볼변형률임계치를만족시키는볼의상을빨간색으로, 만족시키지못하는볼의상을파란색으로표시하였다. 가장외측에있는빨간색볼을연결하여해당임계치에서의상층경계를결정하되, 가장외측볼의정의는제작공정, 영상의획득, 분석등과정에서의오차를고려하여임계치를만족시키지못하는연속된 2개이상의파란색볼이나오기직전의빨간색볼로하였다. 20
2. 가로해상도계단팬텀을이용한해상도평가 (1) 가로해상도계단팬텀의제작 촬영간오차를줄이고검사의편의성을위하여팬텀거치대의각부위에고정되어한번의촬영으로폭 48 mm 영역의가로납선쌍영상이획득가능한팬텀을제작하였다. 이를위하여협설측으로 4 mm 간격, 13 계단으로총 48 mm 의협설폭에대해평가가가능한계단모양의 가로해상도계단팬텀 (horizontal resolution phantom) 을제작하였 다. 기존의최 11, 신 12 등의선행연구결과와파노라마방사선장비의평가 를위해 1.6 lp/mm-3.0 lp/mm 의납선쌍을이용한팬텀을채택했던 IEC 기준 4 을고려하여 1.88, 2.32, 2.58, 3.19 lp/mm 총 4가지납선쌍을결정하고, 한종류의납선쌍을 13개의계단형태로위치시킨가로해상도계단팬텀을제작하여총 4개의팬텀을제작하였다. 악궁모양의팬텀거치대에위치시킨후영상을획득하는과정에서반대측에존재하는팬텀거치대에의한허상이나팬텀자체지지부의실상에의해최하방계단의납선쌍의영상이겹칠수있는한계를극복하기위하여가로해상도계단팬텀하방에 20 mm 의여유공간을주었다. 최종적으로제작된 4가지가로해상도계단팬텀은 Fig.5. 와같다. 21
Fig. 5. Four types of the horizontal resolution phantom (1.88, 2.32, 2.58, 3.19 lp/mm) (2) 팬텀거치대수정 제작된가로해상도계단팬텀을위치시키기위하여, 전치, 소구치, 대구치, 하악과두위치에해당팬텀을유지시킬수있는홈이형성된팬텀거치대를제작하였다. 파노라마팬텀에서결정된한국성인남성평균하악치열궁및하악과두데이터를이용하여, 각각전치, 소구치 (44번, 45 번교두데이터의중점 ), 대구치 (46번치아의근심협측교두, 47번치아의원심협측교두데이터의중점 ), 하악과두위치에가로 8 mm, 세로 10 mm, 깊이 5 mm 의홈을형성하되, 전치의경우순측경사된전치부의치축을보상하기위하여하악전치의절단면을기준으로한값보다 5 mm 후방을기준으로홈을형성하였다. 홈의각도는악궁의형태를고려하여전치는정중선과일치하는시상 면방향으로제작하였고, 소구치와대구치는각각 43 번교두 -46 번근 22
심협측교두를잇는선, 46번근심협측교두-47번원심협측교두를잇는선에수직으로제작하였다. 하악과두의경우과두의수평각을 0도로고려하고관상면방향으로제작하였다. 제작된팬텀거치대는 Fig.6. 과같다. Fig. 6. Phantom stand (3) 가로해상도계단팬텀영상획득 해당팬텀의유효성검토를위하여서울대학교치과병원에서사용중 인 OP-100 (Instrumentarium Dental, Tuusula, Finland) 파노라마방 사선장비 (CR type) 에서촬영을시행하였다. 촬영은성인남성촬영프 로토콜을따라 73 kvp, 10 ma, 17.6 seconds 로하였다. 팬텀을정확하 23
게위치시키기위하여수평계를이용하였고, 중심선의전치부중심을파 노라마장비의 incisive notch 에일치시켰다. 가로해상도계단팬텀의경우, International Electrotechnical Commission(IEC) 의방사선영상화질평가시권고사항에따라 x 선소 스에 0.8 mm 의구리판으로두개골에의한감쇄를재현하였다. 4 연조 직에의한감쇄는팬텀전방에 6 mm 의알루미늄판을부착하여야하 나, 전체팬텀을균일하게감쌀수없어이로인한왜곡을최소화하고자 구리판과겹쳐 x 선소스에위치시켰다. 촬영간오차를최소화하기위하여동일한프로토콜로동일부위가각 3회촬영되었다. 서로영향을받지않는두부위 ( 전치 + 하악과두, 소구치 + 대구치 ) 에두종류의서로다른가로해상도계단팬텀을위치시켜총 24회촬영이시행되었다. Fig. 7. The obtained panoramic image of the horizontal resolution phantom 24
(4) 가로해상도계단팬텀영상평가 가로해상도계단팬텀의경우 20년이상의경력을가진영상치의학과전문의 2인에의해판독되었다. 총 24장의영상이무작위로배열된후두명의판독자의동의하에판독가능한가장위, 아래계단이결정되었고이를통해해당위치에서해당납선쌍이판독가능한폭을결정할수있다. 오차를최소화하기위하여 2주후다시무작위로재배열된영상이같은방식으로판독되었다. 한부위에서한가로해상도계단팬텀영상이 3 회획득되었고, 각영상에대해 2회씩판독됨으로서총 6회의판독결과가얻어졌다. 6회의결과를평균한것으로결과값을결정하였다. 25
III. 연구결과 얻어진파노라마팬텀영상에서볼왜곡률임계치를 5% 에서 50% 까지 5% 간격, 10단계로결정하였을때의각상층의형태는다음 Fig.8. 과같다. 각볼변형률의임계치를만족시키는볼을빨간색으로, 만족시키지못하는볼을파란색으로표시하였다. a. 50% distortion rate 26
b. 45% distortion rate c. 40% distortion rate 27
d. 35% distortion rate e. 30% distortion rate 28
f. 25% distortion rate g. 20% distortion rate 29
h. 15% distortion rate i. 10% distortion rate 30
j. 5% distortion rate Fig. 8. Ball distortion rates of the obtained images of metal balls. The satisfied balls were displayed as red balls. Several image layer boundaries were obtained by applying various distortion rate threshold, from 50% to 5% with 5% decrement: a~j 볼변형률임계치가작아질수록조건을만족시키는볼의개수가적어지고상층의폭이좁아지는것을볼수있었다. 특히 5% 의볼변형률임계치에서조건을만족시키는볼은총 700개볼중 8% 에해당하는 56 개로, 거의선형에가까운형태로관찰되었다. 이때하악과두부위와그후방에서상층이다소하방으로치우치는것을볼수있었는데, 이는파노라마팬텀의상방에서보았을때상층이내측으로치우치는것을의미한다. 31
가로해상도계단팬텀의영상에서두판독자의동의하에판독가능한가장위, 아래계단이결정되었다. 전치, 소구치, 대구치, 하악과두각각의위치에서각가로해상도계단팬텀의판독가능한계단의평균개수는 Table 4., 이때판독가능한가로납선쌍이위치한협설폭은 Table 5. 와같다. 32
Table 4. The number of readable steps of the horizontal resolution phantom (The lower step is marked as 1 ) Resolution 1.88 2.32 2.58 3.19 Position lp/mm lp/mm lp/mm lp/mm Incisor 1~13 steps 1~13 steps 1~13 steps 1~5.7 steps Premolar 1~13 steps 1~13 steps 1~13 steps 1~3.4 steps Molar 1~13 steps 1~13 steps 1~13 steps 1~4.2 steps TMJ 1~13 steps 1~13 steps 1~13 steps 0 step Table 5. The width of readable steps of the horizontal resolution Resolution 1.88 2.32 2.58 3.19 Position lp/mm lp/mm lp/mm lp/mm Incisor 48 mm 48 mm 48 mm 18.8 mm Premolar 48 mm 48 mm 48 mm 9.6 mm Molar 48 mm 48 mm 48 mm 12.8 mm TMJ 48 mm 48 mm 48 mm 0 mm phantom ( mm ) 33
1.88 lp/mm 가로해상도팬텀에서 2.58 lp/mm 가로해상도팬텀까지는촬영한모든영역에서판독이가능하였다. 3.19 lp/mm 가로해상도팬텀의경우전치에서는 18.8 mm, 소구치에서는 9.6 mm, 대구치에서는 12.8 mm 의폭에서판독이가능하였고하악과두부위에서는판독이불가하였다. 전치, 소구치, 대구치에서 3.19 lp/mm 가판독이가능한영역은 Fig.9. 의파란색부분과같이설측에치우친형태로관찰되었다. Fig. 9. Readable horizontal resolution phantom (Green + Blue : 1.88~2.58 lp/mm, Blue : 3.19 lp/mm) 34
파노라마팬텀과가로해상도계단팬텀으로얻은결과의비교를위하여각계단위치에서판독가능한가장큰가로납선쌍값과, 해당위치에서의볼변형률을대응시켰다. 상방도면을기준으로가로해상도계단팬텀의각계단이위치한부위에서가장넓은영역으로겹치는파노라마팬텀의메탈볼을대응되는메탈볼로결정하였다. 해당메탈볼상이빨간색영역에들어오는볼변형률임계치중가장낮은값에대하여해당볼의볼변형률로결정하였다. 가로해상도계단팬텀의각계단에서의판독가능한가장큰납선쌍값과해당위치에서파노라마팬텀의볼변형률값은 Table 6. 과같다. 35
Table Position (Step) Incisor Premolar Molar TMJ Horizontal Panorama resolution phantom(%) phantom(lp/mm) Panorama phantom Horizontal resolution phantom Panorama phantom Horizontal resolution phantom Panorama phantom Horizontal resolution phantom 1 x 3.19 x 3.19 x 3.19 10 2.58 2 x 3.19 x 3.19 50< 3.19 15 2.58 3 50< 3.19 50< 3.19 30 3.19 10 2.58 4 45 3.19 30 2.58 25 3.19 5 2.58 5 30 3.19 30 2.58 20 2.58 10 2.58 6 15 3.19 10 2.58 10 2.58 5 2.58 7 5 2.58 10 2.58 5 2.58 15 2.58 8 30 2.58 15 2.58 15 2.58 20 2.58 9 30 2.58 20 2.58 15 2.58 25 2.58 10 30 2.58 30 2.58 30 2.58 25 2.58 11 45 2.58 35 2.58 30 2.58 25 2.58 12 45 2.58 35 2.58 35 2.58 25 2.58 6. Comp arison of the ball distor tion rates and horizo ntal 13 x 2.58 x 2.58 x 2.58 35 2.58 36
resolution values 37
전치부분에대하여대응되는두평가의결과를비교해보면, 1~6 번째계단에서가로해상도계단팬텀의 3.19 lp/mm 가판독이가능하지만해당영역에서볼변형률은 15% 부터인식이되지않는부분까지다양하게존재하였다. 실제로 1~3 번째계단의 ball 은인식이되지않거나되더라도 50% 의볼변형률을넘어서는큰볼변형률을보여주었다. 가장작은볼변형률 (5%) 을보이는볼이위치한부위의해상도는모 두 2.58 lp/mm 였다. 38
IV. 고찰 연구에서상층평가의목적으로제작된파노라마팬텀과해상도평가의목적으로제작된가로해상도계단팬텀의경우, 다른개념으로상층과연관될수있다. 파노라마팬텀은피사체가상층에서벗어난경우그크기나형태의왜곡이생긴다는개념 8,9 을이용하여상층을측정및평가할수있고, 가로해상도계단팬텀의경우상층에위치한피사체에서얻어지는영상이상층에서벗어난피사체보다선명하다는개념 1,2,3,6,7,10 과연관되어파노라마팬텀으로얻어진상층영역에대해추가적으로평가할수있다. 파노라마팬텀에서는메탈볼을위치시키는중심선을결정하기위해한국성인남성의평균하악치열궁및하악과두의데이터를사용하였다. 하악과두의데이터는최 11, 신 12 등의선행논문에서사용된수치를참고 하여두부규격방사선영상에서측정한값에확대율 10% 를보정하여사용하였다. 이때보정을시행한과두간거리의데이터 (108.20 mm) 는최근논문에서 CBCT를이용하여측정한한국남성 Angle classification class 1 환자의과두간거리인 108.3 mm 와거의일치하는수치이다. 21 파노라마팬텀의중심선의형태는각나라나인종의특성을고려하여다양하게변화될수있고이논문과동일한방식으로의평가를하기위해서는팬텀이수정되어야한다는한계를생각할수있다. 하지만해당파노라마팬텀은넓은협설측폭에대하여전후방, 내외측으로연속에가까 39
운정도로빽빽하게볼이위치하게설계되었기때문에, 인종별로다양한악궁및하악과두수치를이용하여새로운중심선 (center line) 을결정하고이때의새로운중심선과일치도가높은메탈볼들의위치를결정하여평가하고자하는특정악골형태가반영된파노라마방사선장비의상층평가를시행할수있다. 파노라마팬텀의경우협설측으로 46 mm 의폭에 2 mm 간격으로메탈볼을심고해당볼이영상에서얼마나그원래의형태와크기를유지하는지에대해평가하였다. 이때 50% 의볼변형률임계치에서는 46 mm 의대부분의폭이상층영역에해당하는것을볼수있다. 볼변형률임계치를줄일수록, 상층내부에포함되는폭은점점줄어드는것을볼수있었고, 평균적인악골의협설두께인 10 mm 를모든영역에서포함할수있는최소의볼변형률임계치는 15% 였다. 5% 볼변형률로얻어진경계를기준으로협설측으로멀어질수록볼변형률이커지는양상이관찰된다. 이는파노라마팬텀이파노라마방사선장비의특성을잘반영하여정확한상층평가를가능하게함을보여준다. 가로해상도계단팬텀의경우계단형태로변형된가로납선쌍을원하는부위에위치시킴으로써한번의촬영으로서로다른협설부위에위치된 13개의납선쌍의영상을얻을수있었고이를판독함으로서 48 mm 폭내에서의가로해상도값을측정할수있었다. 가로해상도계단팬텀을촬영하여얻은영상을판독하였을때, 1.88, 40
2.32 그리고 2.58 lp/mm 는모든영역의 48 mm 의폭에서모두판독 이가능하다는결과가나왔다. 이는선행연구에서 1.7 lp/mm 의가로해 상도팬텀으로판독을하였을때에도 5.5 mm ~ 23 mm 정도의폭에서만 판독이가능했던결과와비교하였을때 1,2,3,10 월등하게좋은결과값을 보여준다. 파노라마방사선장비의성능이점차개선됨에따라각위치에서의납선쌍을통해평가한해상도또한개선된것으로생각된다. 파노라마영상은회전하는 x선원에의하여상층에해당하는부위의단층영상이획득된다는특성으로인해세로납선쌍을사용하는경우, 곡선의중심부에는오직하나의세로선만이접선이되고나머지세로선의해상도는중심부를벗어나게되므로실제원하는부위의해상도값을얻을수없다. 반면에, 가로납선쌍을사용하는경우수평축소, 확대왜곡에의해실제해상도와다른결과를보일수있다는한계가있다. 실제로볼타입의파노라마팬텀으로결정한상층의형태보다가로해상도계단팬텀의 3.19 lp/mm 값으로결정한상층이더설측에치우친형태로관찰되는데, 실제설측에서의해상도가더좋을가능성외에다른요소들에대해충분히고려하여야한다. 상의수직적인확대또는축소, 수직적번짐등가로납선쌍판독에영향을미칠수있는수직적변형요소의기여가적어가로납선쌍이명확하게읽혔지만상의수평적인확대또는축소, 수평적번짐등의수평적변형요소는이보다훨씬크게작용하였으나결과에영향을미치지못한것으로생각된다. 이는파노라마장비의특수성으로인해납선쌍을통한상층또는해상도평가가적 41
절치않을수있다는주장을가능하게한다. 2000년 IEC의 Acceptance tests-imaging performance of dental X-ray equipment 4 에서는사선납선쌍을포함하는팬텀을제시하고있다. 이때얻어진사선납선쌍영상의판독가능여부는납선의상하로분리된부위에의해결정되게되어결론적으로는가로납선쌍을통한파노라마방사선장비의평가일것이고, 가로납선쌍을통한파노라마방사선장비평가의한계와동일한문제점을가질것으로생각된다. 이연구에서의결과를고려하였을때, 파노라마방사선장비는악궁의다양한위치에따른위치별정도관리가이루어져야할뿐만아니라, 같은위치에서도다양한협설측위치에대하여구분하여평가를할필요가있다. 현재납선쌍을이용한팬텀은다양한진단용방사선장비의해상도를평가하는데사용되고있지만, 파노라마방사선장비는연속하여움직이는 x선원과상수용기사이에서물체의상이형성된다는점에서일반적인진단용방사선장비와큰차이를갖는다. 한쌍의납선영상을얻을때에도짧지만연속적인 x선원과상수용기의위치변화가존재하기때문에, 얻어진납선쌍영상을판독하여결정한값이해당위치의해상도를대신할수있는값이될수없다. 따라서해상도의경우에도파노라마팬텀을이용하여얻어진영상에서각위치에서의볼경계의 Modulation Transfer Function (MTF) 값으로대체해야할필요성이있다. 이연구의의의는파노라마방사선장비의상층평가를가능하게하는구체적인파노라바방사선영상팬텀을제시하였다는것이다. 실제제작된 42
파노라마팬텀을이용하여평가한파노라마방사선장비의상층은악골의곡면중심을따라측정되었다. 또한, 하악과두부위의상층은하악과두부위를내측으로다소벗어났음을알수있었다. 팬텀을이용하여부위별로구체적인상층의위치와폭의평가가가능해짐에따라, 환자에게최적화된상층을가질수있게파노라마방사선장비를재조정할수있게되었다. 앞으로는제작된파노라마팬텀을이용하여임상적인진단과연관된상층경계에서의볼변형률을객관적인수치로제시하는연구가필요하겠고볼의경계에서의 MTF를이용하여파노라마방사선장비의특성이적절하게고려된해상도측정법을제시할수있다. 또한팬텀내에빽빽하게식립된볼간의관계를이용하여파노라마방사선장비의회전중심, 촬영시입사되는 x선원의각도와악궁형태와의관계등에대한추가적인연구가가능하다. 43
V. 결론 새로만들어진파노라마팬텀을이용하여파노라마방사선장비에의해촬영되는모든근원심영역에대하여상층의평가가가능하였다. 이때넓은협설측폭 (46 mm) 에대하여 2 mm 간격으로상층평가가가능하였다. 가로해상도계단팬텀에서전치부에가장높은해상도를보이는부위는한국성인남성평균하악치열궁을기준으로설측으로벗어난부위에존재하고있었다. 파노라마방사선장비의특수성을고려하였을때납선쌍을이용한해상도평가에는한계가존재하여파노라마팬텀의볼경계를이용한해상도평가가권장된다. 44
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ABSTRACT Evaluation of the image layer and the resolution using newly developed panoramic radiographic phantom Han-gyeol Yeom, DDS Department of Oral and Maxillofacial Radiology, Graduate School, Seoul National University (Directed by Prof. Sam-Sun Lee, DDS, MSD, PhD) Purpose The purpose of this study is to propose two types of the panoramic radiographic phantom that can evaluate the image layer and the resolution of panoramic radiography. Material and Methods Panorama phantom using metal balls and horizontal resolution phantom using horizontal lead wire pairs were proposed to evaluate the image layer and the resolution of panoramic radiography. 47
The arch shape of Panorama phantom was derived from the average data of lower dental arch of the Korean adult male. The metal balls with 2 mm diameter were placed following the center line of the phantom with 4 mm mesiodistal interval. And additional metal balls were further placed following 22 arch shapes in a direction parallel to the center line with 2 mm buccolingual intervals. The height of each ball in the horizontal plane was spaced by 2.5 mm, and consequently, the placed balls were oblique when viewed from the side. When the ball was positioned in this way, a single panoramic image could be obtained without overlapping the images of all the balls. The distortion rate of the ball in the acquired image was measured by calculating the difference between vertical and horizontal length with MATLAB program using ellipse detection method. Several image layer boundaries were obtained by applying various distortion rate thresholds. The horizontal resolution phantom and a phantom stand were made to evaluate the resolution of panoramic radiography. Horizontal lead wire pairs of 1.88, 2.32, 2.58, and 3.19 lp/mm were placed in a staircase with 4 mm buccolingual intervals with a total width of 48 mm. The obtained images were read by two oral and maxillofacial radiologists. Results In the case of the Panorama phantom, almost all areas bearing the metal balls were defined as a image layer with 50% distortion rate threshold. When 5% distortion threshold was applied, the image layer formed with narrow buccolingual width along the general outline of the arch shaped center line. But it was medially located 48
in the TMJ region. In the case of the horizontal resolution phantom, the horizontal lead wire pairs of 1.88, 2.32, and 2.58 lp/mm were readable in 48 mm widths of all evaluated regions. With 3.19 lp/mm, the widths of readable area were 18.8, 9.6, and 12.8 mm, respectively, in the incisor, premolar, and molar regions. The readable area with 3.19 lp/mm was lingually located and the ball distortion rates at same area were varied from 15% to the unrecognized ones. Conclusion The Panorama phantom could be used to evaluate the image layer of panoramic radiography. It could evaluate all mesiodistal areas with a large buccolingual width (46 mm). Considering the specificity of the panoramic radiography, there is a limitation on the evaluation of the resolution using the lead wire pairs, so it is recommended to evaluate the resolution using the ball boundary of the Panorama phantom. --------------------------------------------------------------------------------------------------- Keywords: Radiographic phantom, Panoramic radiography 49