Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society Vol. 12, No. 10 pp. 4578-4589, 2011 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2011.12.10.4578 노영섭 1, 여세연 2, 이재준 3, 손석원 4* 1 서울벤처정보대학원대학교유시티 융합기술경영전공, 2 메디퓨처 ( 주 ) QM 팀, 3 메디퓨처 ( 주 ) 연구소영상기술, 4 호서대학교벤처전문대학원 Implementation of a Full Field Digital Mammography Young-Sup Roh 1*, Se-Yeon Yeo 2, Jae-Jun Lee 3 and Surgwon Sohn 4* 1 Department of u-city and Convergence Technologies, Seoul University of Venture and Information, 2 Quality Control Team, Medi-Future, Inc., 3 Image Technology of R&D Center, Medi-Future, Inc., 4 Graduate School of Venture, Hoseo University 요약최근디지털유방촬영술분야에서영상의획득장치, 표시장치, 저장장치는각각별도의분야로발전하고있다. 영상획득장치는유방을통과한 X-선을흡수포착하여영상으로저장하는장치인데, 이를이용하여촬영된영상은여러가지의영상처리기술을이용하여진단이가능하기때문에조기에병변을발견할수있다. 본논문에서는지금까지의디지털유방촬영술의기술에대하여알아보고구현된디지털유방X-선촬영기의성능을분석한다. Abstract The technologies of image acquisition, display, and storage of the breast have been developed in their specialized fields in recent years. The image acquisition system is a device that absorbs and stores images after examining breast tissue using X-ray. Due to the specificity and sensitivity of imaging, the early detection of breast cancer is feasible. In this paper, the current technologies for digital mammography are reviewed, and we propose a digital mammography and evaluate the performance of the implemented system. Key Words : Full Field Digital Mammography, Digital Mammography, Mammogram, X-ray, Breast cancer 1. 서론 유방X-선촬영술은유방초음파와자기공명영상기술의발전에도불구하고다양한영상처리기술을적용하여고해상도의영상으로유방암의주요요소인미세석회화를발견하는데있어가장우수하여여성의유방암을조기발견하는데중요한검사기술로사용되고있다. 그러나현재많이사용되고있는스크린-필름유방X-선촬영술은필름이영상의획득과저장매개물로사용되는데, 필름은별도의보관장소를필요로하며영상을원격지로보내는데있어시간과노력이필요하게된다. 반면근자에들어보급되기시작하고있는디지털유방X-선촬영술은영상의획득, 영상의표시, 및영상의처리를분리하여각 각별도의장치에서행함으로써스크린-필름유방X-선촬영술의한계를극복하게되었다. 이러한디지털유방X- 선촬영술의장점은영상획득장치에서획득된영상을영상저장장치에보관하고언제든지영상표시장치에표시할수있고, 영상표시장치에영상을표시할때적절한영상처리를함으로써병변을쉽게판단할수있도록할수있으며, 저장된영상이디지털정보이므로인터넷등을통하여영상을원격으로보낼수있어원격진료가가능하고, 촬영후영상을즉시확인할수있기때문에수술전위치결정술에적용이가능하며, 스크린-필름유방X-선촬영술과비교하여적은양의 X-선을사용하고도향상된품질의영상을얻을수있다는것이다. 이중에서가장큰장점으로볼수있는것은표 1에서볼수있듯이영상처 * 교신저자 : 손석원 (sohn@hoseo.edu) 접수일 11년 07월 04일 수정일 (1차 11년 09월 22일, 2차 11년 10월 04일 ) 게재확정일 11년 10월 06일 4578
리기술을이용하여영상의가독성을향상시킬수있고, 특정부위를강조및확대하여볼수있다는것이다 [1]. 디지털유방촬영기의개발에서핵심기술은압박된유방에조사되는 X-선의양을효율적으로제어하여불필요한 X-선조사를막고가장큰명암과대조도를갖도록제어하는것과, 유방을통과한방사선을디지털정보로바꾸는영상획득장치와, 획득된영상을영상처리기술을이용하여적절히가공하는영상처리기술로나눌수있다. 디지털유방X-선촬영기는영상획득장치로디지털검출기를사용하게되는데, 이러한디지털검출기는간접방식디지털검출기와직접방식디지털검출기로구분된다. 간접방식의디지털검출기의동작원리는스크린-필름과비슷한것으로, 촬영하고자하는유방을통과한 X-선이검출기내에있는형광물질을자극하여빛을발생시키는데, 이빛은사방으로퍼져산란되고, 그빛중일부가디지털검출기에전달되어전기적인신호로변환되게된다. 따라서간접방식의디지털검출기는형광물질에서발생된빛이사방으로퍼져인접영역에잡음으로작용하게되므로영상의선예도를떨어지게하고, DQE (Detective Quantum Efficiency) 가낮게된다. 반면직접방식의디지털검출기는유방을통과한 X-선을비정질-셀레니움 (Amorphous-Selenium) 이라는물질을통하여직접전기적인신호로변환하므로간접방식에서와같이형광물질에서발생된빛이인접영역에잡음으로작용하지않으므로효율이높아 X-선양을줄일수있을뿐만아니라높은 DQE를얻을수있게된다. 유방촬영기에쓰이는검출기의성능은공간분해능을표현하는 MTF와신호대잡음비, 대조도및노출효율의성능을표현하는 DQE로측정된다. 검출기들의 MTF 성능은직접방식의디지털변환기가가장우수하며, 그다음으로스크린필름이, 그리고간접방식의디지털검출기가가장낮은성능을보여준다. 또한 DQE 성능은 MTF 와같이직접방식의디지털검출기가가장우수하고, 간접방식의디지털검출기가그다음으로우수하며, 스크린 -필름검출기가가장성능이낮다 [2-3]. 본논문에서는전역디지털유방X-선촬영기 (FFDM, Full Field Digital Mammography) 에있어핵심기술로사용되고있는요소기술들을살펴보고, 아직까지국내에서개발되지않은디지털유방X-선촬영기를구현해보고자한다. 구현하고자하는디지털유방X-선촬영기는직접방식의디지털검출기와디지털제어가가능한고전압발생기, 텅스텐애노우드 (anode) 를사용하는 X-선관, 전체시스템을관장하고영상처리알고리즘의구동을위한컴퓨터, 각부분을제어하기위한제어용컴퓨터들을사용하고, 유방을압박하기위한압박장치와그리드를제어하 기위한그리드시스템, 상하승강장치, C-ARM의회전장치, 촬영된영상의가독성을높이기위한영상처리알고리즘등을개발하여시스템을통합하고, 그성능을측정하여국내에판매되고있는제품들과비교하여그성능을평가해보겠다. [ 표 1] 스크린 - 필름과디지털유방촬영술의비교 [4] [Table 1] Comparison of screen-film and digital mammography systems[4] 구분 공간해상도 (line pair/mm) 스크린 - 필름유방촬영술 디지털유방촬영술 15-20 5-12 대조도 제한적 조절가능 피부가시성 제한적 우수 동적영역 좋음 우수 민감도 높음 낮음 영상저장및전송 CAD(Computer-Aided Detection) 유방이식에대한검사 니들 (needle) 에대한안내 가능, 디지털로변환하면가능, 디지털로변환하면 제한적 좋음, 필름프로세싱을하면 2. 유방 X- 선촬영기 2.1 스크린 - 필름유방 X- 선촬영기 가능 가능 우수 우수 스크린-필름유방X-선촬영기는그림 1와같은구조로고전압을 X-선발생기에공급하기위한고전압발생기, 고전압을받아 X-선을발생시키는 X-선방전관 (tube) 과회전자 (rotor), 촬영각도를결정할수있도록방전관의회전을제어하는회전자 (Gantry), 여성의유방을압박하기위한유방압박장치, 산란된 X-선을제거하여주는산란선제거용그리드 (grid), X-선을기록하기위한필름을담고있는필름카세트, 그리고전체유방촬영기를제어하는제어장치로구성되어있다. 방전관에서발생된 X-선은유방압박장치를지나유방을통과하게되는데유방을통과하면서 X-선이산란을일으키게된다. 이산란된 X-선은필름에맺힌 X-선의상을흐리게만드는주요원인으로작용하게된다. 따라서그리드를사용하여산란된 X-선을제거하고산란되지않은 X-선만필름에도달할수있도록해주어야한다. 4579
한국산학기술학회논문지제 12 권제 10 호, 2011 유방X-선촬영기를제어하는제어장치는고전압발생기의출력전압과전류를제어하고, 또한산란선을제거하는그리드를제어한다. 따라서디지털유방X-선촬영기에서한장의영상을촬영하면 10MB ~ 30MB의데이터를영상획득용컴퓨터에전송하여야한다. High voltage generator High voltage generator Tube & Rotor (X-ray generator) Rotator Tube & Rotor (X-ray generator) Rotator Trigger Presser Grid Film cassette Trigger Presser Grid Digital Detector Acquisition workstation Image processor & DICOM interface [ 그림 1] 스크린 - 필름유방 X- 선촬영기의개념도 [Fig. 1] Conceptual diagram of screen-film mammography system 2.2 디지털유방 X- 선촬영기 디지털유방X-선촬영기는개념적으로기존의스크린- 필름유방X-선촬영기에서사용되던영상획득용필름을디지털신호로검출할수있는디지털검출기로바꾼것이다. 즉그림 2와같이필름카세트가있던자리에디지털검출기를배치하고, 이디지털검출기를구동하기위한전원공급기와제어회로, 영상을컴퓨터로전송하여주는영상전송장치, 검출기로부터획득된영상을화면에보여주고외부저장장치로전송시켜주는컴퓨터, 그리고전체유방X-선촬영기를제어해주는제어장치를추가하여디지털유방X-선촬영기를구성하게된다. 일반적으로디지털검출기의크기는 18 x 24 cm 또는 24 x 32cm의것을많이사용하는데우리나라에서는 18 x 24cm의것을선호한다. 표 2에서볼수있듯이디지털검출기의영상은 (2000~4000) x ( 3000~6000) 의화소를갖으며각화소당약 10~14비트의데이터을사용한다. User interface [ 그림 2] 디지털유방 X- 선촬영기의개념도 [Fig. 2] Conceptual diagram of digital mam mography system 또한 X-선을발생하기위한고전압발생기와산란된 X-선을제거하기위한그리드, 그리고디지털검출기는정확히동기가맞도록제어해야좋은영상을얻을수있으며, 촬영시 X-선의양도세밀하게제어하여야불필요한 X-선의피폭을막을수있다. 유방X-선촬영기에서디지털검출기의장점은다음과같다 [2].. 적은양의 X-선노출. 영상의품질향상. 컴퓨터를이용한진단. 컴퓨터를이용한영상데이터의관리. 토모신세시스 (tomosynthesis) 와같은 3차원영상기술의적용. 4580
3. 유방 X- 선촬영기의요소기술 3.1 X- 선검출기 3.1.1 스크린 - 필름검출기 보통의스크린-필름검출기의필름은그림 3과같은구조로되어있다. 유방을통과한 X-선은맨위에있는필름을통과하여가돌리움 (Gd2O2S, gadolinium oxysulfide) 에흡수되며빛을낸다. 이빛은사방으로퍼지게되는데퍼진빛중에서필름에닿는빛이필름을감광시킨다. 필름의두께는가돌리움층의두께에따라좌우되는데, 가돌리움층의두께가두꺼워지면 X-선에의해산란되는빛의양이증가하게되므로필름에도달하는빛이많아져빨리감광되나, 그림 3의확산함수특성에서와같이확산되는많은빛은인접한위치에도도달하게되므로영상이흐려지게된다. 반면필름의두께가얇아지면흡수되는 X-선에의해발광되는빛의양이적어지게되어감광되는속도가늦어지게되나, 발광되는빛의양이작아좁은영역에영향을미치므로선명한영상을얻을수있다. 따라서필름의두께에따라감광속도와해상도는서로상반관계를가지므로사용목적에따라최적화된두께의필름을사용하여야한다. 또한가돌리움층에흡수되는 X-선의분포는투과된쪽에서멀어질수록급격히감소하게되는특성을갖는다. 따라서 X-선의감광용필름은가돌리움층의표면에배치되어야한다. X-선의감광에사용되는스크린-필름은아직까지많이사용되고있지만, 스크린-필름이 X-선의양에따른감도가선형적이지않고, 필름을이루는알갱이가균일하지않으며, 후처리에시간이필요하고, 필름을보관할장소가필요하다는점이단점이다. 약 80um X-ray Line spread functions X-ray 빛 X-ray 필름 가돌리움 (Gd 2 O 2 S) [ 그림 3] 스크린필름의구조와확산함수 [Fig. 3] Structure and line spread function of scre en-film 3.1.2 간접변환디지털검출기 간접방식의디지털검출기는초기에주로사용되었으 며그림 4와같은구조로이루어져있는데 X-선을디지털신호로검출하는과정이두단계를거쳐이루어지기때문에간접방식이라고한다. 첫번째단계에서는 CsI(Tl) (Cesium iodide doped with thallium) 에서 X-선에너지를흡수하여빛으로변환한다음, 두번째단계에서빛을 TFT (Thin Film Transistor) 유리기판을이용하여전기적인신호로변환한다. 또한스크린-필름검출기와마찬가지로 X-선의흡수에의하여방사되는빛의양을검출하기때문에획득된영상의품질은스크린-필름검출기와유사한특징을갖는다. 즉그림 4에서보면알수있듯이인쇄된 CsI(Tl) 의두께가두꺼워지면 X-선에의한빛이더많이퍼지므로빛의양에따라 TFT 화소에더많은전기신호를공급하여빠르게신호가검출되는데반하여, 넓게퍼지는빛은인접한화소에서도검출되기때문에선예도가떨어지게된다. 따라서스크린-필름검출기와같이인쇄된 CsI(Tl) 의두께에따라간접방식의디지털검출기의성능이다르게된다. 통상적인 CsI(Tl) 의두께는 150 ~ 250 um의범위를갖는다. 150~250um X-ray Line spread functions X-ray 빛 인쇄된 CsI(Tl) 화소 [ 그림 4] 간접변환디지털검출기의구조및확산함수 [Fig. 4] Structure and line spread function of indirect conversion digital detector 3.1.3 직접변환디지털검출기직접변환디지털검출기는간접변환디지털검출기가갖는빛의퍼짐에의한해상도의저하를막을수있는기술로, 목적물을지나입사되는 X-선에의하여비결정셀레니움 (a-se) 에서직접전기적인신호를만들어검출한다. 즉 X-선에의하여발생되는전자 / 정공의쌍은인가된전계에의하여화소를검출하는전극으로직선운동을하기때문에인접한화소에영향을미치지않는다. 그림 5에서보면알수있듯이확산함수 (line spread function) 도스크린-필름검출기와간접방식의디지털검출기와같이완만한경사를갖지않고날카로운직선의특성을갖는다. 또한중간매개체를사용하지않기때문에목적 4581
한국산학기술학회논문지제 12 권제 10 호, 2011 물을지나검출기에입사되는 X-선이전기신호로변환되는효율도 95 퍼센트정도로가장좋다 [2]. 직접변환디지털검출기의비결정셀레니움의두께는약 250um 정도된다. 약 250um X-ray Line spread functions X-ray 전자 / 정공의쌍셀레니움 화소 [ 그림 5] 직접변환디지털검출기의구조및확산함수 [Fig. 5] Structure and line spread function of direct conversion digital detector 3.1.4 광자계수형디지털검출기광자계수형디지털검출기는그림 6에서보면목적물을지나검출기에입사되는 X-선의광자에따라오른쪽출력측에나타나는펄스를계수하는것이다. [ 표 2] 디지털검출기들의주요규격 [Table 2] Basic parameters of digital detectors Manufacturer GE Medical systems Fischer Medical Imaging Fuji Medical Systems Lorad/ Hologic Medi- Future Pixel size (um) Matrix (x1000) Bit depth 100 1.9x2.3 14 Technology CsI / Amorphous silicon 50 4.0x5.6 12 CsI and CCD 50 4.7x6.0 3.2 고전압발생기 10 (log) 70 3.0x4.0 14 85 2.8x3.6 13 Photostimulable phosphor Amorphous selenium Amorphous selenium 고전압발생기는 X-선관에서 X-선을발생시킬수있도록에너지를공급하여주는역할을하는것으로그안정성이가장중요하다. 특히 X-선관에서발생되는 X-선의안정도는고전압발생기의안정성과직결되기때문이다. 또한 X-선관에서발생되는 X-선의양은 X-선관의필라멘트온도와가해진에너지에따라 X-선의양이달라지므로고전압발생기의에너지를제어함으로써 X-선의양을제어해야한다. [ 그림 6] 광자계수형디지털검출기의구조 [Fig. 6] Structure of photon counting digital detector 이상에서 X-선검출기로사용되는기술들의특징을간단히살펴보았다. 표 2에현재사용되고있는디지털유방촬영기의대표적인특성들을정리하였다. 표 2에서보면검출기의공간해상도를결정하는화소의크기는 50 ~ 100 um정도의크기를갖는것을알수있는데, 이는유방촬영술에서검출하고자하는미세석회화조직의크기가보통 100 um에서 200 um 정도의크기를갖기때문이다. 즉검출기는최소한 100 ~ 200 um의크기를갖는미세석회화조직을구분할수있어야한다. 3.3 X- 선관 고전압발생기에서발생된고전압은 X-선관에인가되어에너지가 X-선으로변환되게된다. 통상유방의촬영에는 22kVp ~ 39kVp의범위의전압과 10 ~100mA의전류를사용하여 1 ~ 630mAs의에너지를 X-선관에인가하게된다. 이렇게인가된에너지는필라멘트에서전자로방출되고회전하는몰리브덴등의목표물에부딪혀 X-선이발생되게된다. 유방X-선촬영기에서사용되는 X-선관은필라멘트의크기에따라 X-선의초점크기가결정되는데작은초점 (0.1mm) 은확대촬영에사용하고큰초점 (0.3mm) 은일반유방촬영에사용된다. [ 그림 7] X- 선관의구조 [Fig. 7] Structure of X-ray tube 4582
3.4 그리드 (grid) 유방을통과한 X-선은직진하는 X-선과콤프톤효과 (Compton Effect) 로발생되는산란된 X-선으로구성되는데, 직진하는 X-선은유방실질을그대로표현하고있지만산란된 X-선은획득되는영상에안개 (Fog) 효과를발생시켜품질을떨어뜨리데된다. 따라서산란된 X-선을제거하여야하는데이때사용되는것이그리드이다. 그리드는 X-선을통과시키는물질과 X-선을흡수하는물질로격자를형성시켜만든다. 그림 2에서보면알겠지만그리드는유방과영상을검출하는검출기사이에배치되는데격자로이루어진그리드를움직이지않는상태로영상을획득하면그리드에있는 X-선을흡수하는격자가그대로영상에나타나게된다. 따라서그리드는 X-선이발생되고검출기에서영상을획득할때적절하게움직여주어야그리드에의한영상의간섭을없앨수있으며, 산란된 X-선을제거할수있다 [5]. 3.5 유방X-선촬영기유방X-선촬영기는성인여성의유방에존재할수있는섬유선종, 미세석회, 종양등의유무를파악하기위하여사용되는 X-선진단기기이다. 일반촬영용 X-선기기에사용되는방사선은 40~150kVp의에너지를갖는 X-선으로투과율이높다. 반면신체중유방부위는밀도가낮기때문에투과가잘되지않는낮은에너지대역 (28kVp) 의 X-선을사용해야영상의대조도를표현할수있다. 그리고뼈를촬영하는가슴X-선촬영기에서의 1회촬영에대한피폭량은 0.02mGy이나유방X-선촬영기에서의피폭량은 4.5cm로압박하였을경우약 1.2mGy로가슴촬영에비하여 60배정도높은양이다 [6]. 통상유방X-선촬영은양쪽가슴에대하여상하위촬영 (CC, Cranio-caudal), 내외사위촬영 (MLO, Mediolateral oblique) 를촬영하여총 4장의영상을얻어검진하게된다. 4. 디지털유방X-선촬영기의개발 4.1 구현된유방X-선촬영기의구성구현된디지털유방X-선촬영기의모습은그림 8과그림 9와같이 X-선촬영이이루어지는유방X-선촬영기본체, 본체의제어와촬영된영상을획득하고보여주는영상획득장치, 및 X-선발생시전력을공급해주는고전압발생기로이루어져있다. 본체에는고전압발생기에서공급되는 X-선발생용전원을공급받아 X-선을발생하는 X-선관및회전자, X- 선의조사영역을제한해주는콜리메이터 (collimator), 유방을압박해주는압박장치, 산란된 X-선을제거해주는그리드장치, X-선을영상정보로바꾸어주는디지털검출기, 그리고 C-ARM과회전장치가있다. 물론본체에는이러한장치들에전원을공급해주는전원공급장치와제어용컴퓨터가내장되게된다. 영상획득장치에는전체시스템의전원을제어하는전원제어장치, 전체시스템의동기를맞추어주는제어용컴퓨터, 그리고영상의획득과표시및사용자인터페이스 (user interface) 가있다. 영상의획득과표시장치에서는디지털검출기에서검출된영상신호를받아서적절한영상처리를거쳐진단에가장이상적인영상을만들어표시장치에표시하고, DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine) 규격에맞도록여러가지처리를한후영상저장장치에전송하도록되어있다. 고전압발생기는영상획득장치의제어를받아서 X-선관에서필요한고전압의에너지를발생시켜 X-선관에공급해주는장치이다. [ 그림 8] 구현된디지털유방 X- 선촬영기 [Fig. 8] Implemented digital mammography 4.2 구현된촬영기의구현 구현된디지털유방X-선촬영기의구성은그림 9와같다. 디지털유방X-선촬영기내부에는곳곳에컴퓨터가내장되어있으며, 각각의컴퓨터는독립된판단능력을갖도록설계되어, 제어하고있는장치들을효율적으로제어하도록되어있다. 또한디지털검출기를제어하는독립된컴퓨터를내장시켜디지털검출기의성능을최대화시켰다. 또한고전압발생기, X-선관과회전자, 유방압박장치, 그리드, 디지털검출기, 그리고영상획득용컴퓨터는서로동기를맞추어동작될수있도록구성하였다. 4583
한국산학기술학회논문지제 12 권제 10 호, 2011 Tube & Rotor (X-ray generator) High voltage generator C-ARM Rotator 4.2.2 그리드 (grid) 시스템유방에서산란된 X-선을제어하기위한그리드시스템은격자로구성되어있기때문에 X-선의방출과동기를맞추어그리드간격 (pitch) 대비충분히움직여주어야영상에그리드의격막 (septum) 이나오는것을막을수있다. 본연구에서는그리드의제어에제어용컴퓨터를배치하여그리드의이동에대한제어와전체시스템에서의동기를맞출수있도록하였다. Presser Grid Digital Detector Image sender Image grabber DICOMM sender Power supply Controllers Power supply Acquisition workstation Image processor User interface Controller [ 그림 9] 구현된디지털유방 X- 선촬영기의구성도 [Fig. 9] Block diagram of implemented digital mam og raphy 4.2.1 고전압발생기고전압발생기의경우기존시스템에서는관전압 (kvp) 과관전류 (ma) 를설정하고촬영하지만시간 (s) 는설정하지않았다. 따라서필요한 X-선의양을검출하기위하여 X-선누적검출기를사용하고, X-선누적검출기의출력을이용하여 X-선을차단하였다. 하지만본연구에서는고전압발생기를관전압 (kvp) 과관전류 (ma), 시간 (s) 를설정할수있도록설계하여제어의유연성을갖도록하였다. 고전압발생기의이러한개선은전체시스템에서자동노출제어 (Automatic Exposure Control) 시스템을적용할수있게해주었다. Trigger 4.2.3 압박부디지털유방X-선촬영기에서압박부는유방을촬영해야하는여성들에게있어직접접촉하는부분이다. 이압박부는 MQSA (Mammography Quality Standards Act and Program) 의규정에의거하여유방을최대 20kG의압력까지누를수있도록설계되어야한다. 압박부의압박력과영상의단위면적당정보량과는반비례관계에있기때문에판독의들은가능하면유방을많이누르려고하게되는데, 이때환자들은참기힘든고통에시달리게된다. 따라서압박부의설계에는환자의고통을경감시킬수있도록설계되어야한다. 본연구에서는압박부에독립적인제어부를구성하고여성의고통을최소화할수있도록압박속도를제어할수있는알고리즘을탑재하였다. 20kG의압력으로유방을누를경우환자의고통을완전히피할수있도록할수는없겠지만똑같은통증에서도환자가고통을덜느낄수있도록하는연구는지속적으로이루어져야한다. 4.2.4 자동노출제어 (AEC) 구현된디지털유방X-선촬영기는촬영방식에있어수동촬영과반자동촬영, 자동촬영을지원한다. 수동촬영의경우관전압 (kvp) 과관전류 (ma), 노출시간 (s) 을촬영자가직접결정하는방식이다. 반면에자동노출제어 (AEC) 를지원하는자동촬영은촬영에필요한 3가지요소를촬영하는중간에자동으로결정하여 X-선을방출시켜야한다. 이를위하여본연구에서는촬영이시작되면아주적은양의 X-선으로압박된유방을촬영하여투과된 X- 선의양과유방의밀도를측정하고, 압박부에서압박된유방의두께정보를얻어최종 X-선의양을결정하도록하였다. 4.2.5 영상전송시스템디지털검출기에서검출된영상은약 1000만 (2816 x 3584) 개의화소를갖고, 각화소마다 13 비트의데이터를갖는다. 따라서촬영된영상은데이터는약 1.31억비트가된다. 이영상데이터는촬영과동시에 X-선을검출한 4584
TFT에서양자화되어만들어지게된다. 양자화된영상은전송로를거쳐영상처리가가능한컴퓨터로전송되고, 전송된영상은디지털검출기의특성을적용하는보정후, 영상의가독성을높이기위한영상처리를하게된다. 그런데, 방사선사는다음촬영을하기위하여현재촬영된영상이정상인지를판단하여야하기때문에, 디지털유방X-선촬영기에서는영상획득후가능한짧은시간안에최종영상을방사선사에게보여줄수있어야한다. 따라서 X-선영상을획득하는디지털검출기와영상처리를위한컴퓨터시스템간의데이터전송을신속하고도오류없이전송되어야한다. 만약전송에오류가생긴다면해당영상은진단의정확성을기하기위하여버려져야한다. 본연구에서는고속의영상전송을위하여차동신호를이용하여오류를최소화하였다. 4.2.6 PACS 클라이언트구현된디지털유방X-선촬영기는영상을획득하는장치로의료용영상과그정보를전송하기위한 DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine) 을지원해야하고, PACS (Picture Archiving and Communication System) 에접속하여영상을전송하여촬영된영상이보관되도록하여야한다. 이를위하여 PACS 클라이언트 (client) 를구현하였다. 4.2.7 영상처리기술구현된디지털유방X-선촬영기는디지털검출기에서검출한디지털영상을영상처리를통하여가독성을높이고있다. 그림 10은본논문에서사용한영상처리기법의흐름도이다. 먼저디지털검출기에서획득된영상을받으면영상의밝기값의분포에따라유방의실질과배경을구분하고, 영상의공간주파수별밝기를분리한다. 분리된영상에대하여각각영상처리를통하여영상의동적영역 (Dynamic Range) 을조정하고, 선예도와대조도등이향상될수있도록강화한후, 각각의영상을다시한장의영상으로합쳐최종영상을만들어내도록구성하였다. 4.2.8 사용자접속 (user interface) 프로그램구현된디지털유방X-선촬영기는사용자접속프로그램을통하여촬영을진행하는사용자인방사선사가사용하게된다. 사용자접속프로그램은사용자의요구를받아유방X-선촬영기를제어해야하며, 촬영된영상을환자목록에따라분류및 PACS에전송하여저장되도록하여야한다. 본연구의유방X-선촬영기의사용자접속프로그램을위하여몇차례방사선사들을통한설문을진행하여사용자편리성을높였다. 5. 성능평가 5.1 선형성 (Linearity) 디지털검출기응답의선형성은영상에적용되는일반적인이득과오프셋 (offset) 을보정할때이상적인선형성과의차이가영상의잡음으로작용하게되므로중요하다. 그림 11은본연구에서사용한디지털X-선유방촬영기의선형성을측정하는방법을보여주고있다. 이방법은 DQE의측정에도사용된다. Focal spot 4cm PMMA 65 cm +/- 2cm Digital Detector [ 그림 10] 구현된디지털유방 X- 선촬영기의영상처리흐름도 [Fig. 10] Flow chart of implemented digital mammog raphy [ 그림 11] 디지털유방X-선촬영기의성능측정방법의구성 [Fig. 11] Geometry used to characterize the mammography system 4585
한국산학기술학회논문지제 12 권제 10 호, 2011 선형성의측정에는텅스텐 (W) 에노우드 (anode) 을사용한 X-선관에 28kVp의관전압과로듐 (Rh) 필터 (filter) 를사용하여관전류 (mas) 를변화시켜측정하였으며, 그결과는그림 12에서볼수있듯이 0 ~ 45(mR) 구간에서선형임을알수있다. Digital number Digital detector response 1200 1000 800 600 400 5.3 DQE (Detective Quantum Efficiency) 영상을획득하는시스템의성능은입력되는 X-선의 SNR (Signal to Noise Ratio) 과출력되는영상의 SNR의비를제곱근을취한것으로정의되는데이를 DQE라고한다 [7]. 그림 14은본연구의 DQE 특성과기존제품의 DQE 특성을보여주고있다 [9]. 본연구의 DQE 측정은 28kVp 의관전압에 138uGy의흡수선량으로텅스텐 (W) 에노우드와로듐 (Rh) 필터를사용하였다. 반면에기존제품은 28kVp의관전압을사용하고로듐 (Rh) 에노우드에로듐 (Rh) 필터를사용한결과이다. 그림 14에서보면본연구의측정에서사용한 X-선의흡수선량이인용된기존제품의흡수선량보다 13uGy가많지만, 본연구의 DQE가인용된기존제품의 DQE보다다소우월함을보여주고있다. 200 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Exposure (mr) 0.7 0.6 DQE characteristic 138uGy, Medi-Future Brestige [ 그림 12] 구현된디지털유방 X- 선촬영기의선형응답성 (28kVp, W/Rh). [Fig. 12] Linearity response of implemented digital mam mgraphy(28kvp, W/Rh). Detective Quantum Efficiency 0.5 0.4 0.3 0.2 5.2 MTF (Modulation Transfer Function) 본연구의제품에서사용한디지털 X-선검출기의화소크기 (pixel size) 는 85umm이므로나이퀘스트주파수 (Nyquest frequency) 는 5.88 lp/mm이다 [8]. 그림 13는본연구의 MTF와기존제품의 MTF 곡선을보여주고있다 [9]. 기존제품은간접방식의디지털검출기를사용한시스템이기때문에직접방식의디지털검출기를사용한본연구보다 MTF 성능이낮다. 0.1 0 0 1 2 3 4 5 6 Frequency (lp/mm) [ 그림 14] 구현된디지털유방X-선촬영기와기존제품의 DQE 특성비교 [9]. [Fig. 14] The comparison of DQE response between im plemented digital mamm ography and conve ntional mammo gra phy[9]. 1 0.9 0.8 MTF characteristic Medi-Future, Brestige 검출기의신호 선의양 변조전달함수 잡음전력 0.7 MTF 0.6 0.5 5.4 ACR 팬텀 (RMI 156) 을이용한성능측정 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0 1 2 3 4 5 6 Spatial frequency, lp/mm [ 그림 13] 구현된디지털유방 X- 선촬영기와기존제품의 MTF 특성비교 [9]. [Fig. 13] The comparison of MTF characteristic betw een implemented digital mammography and conv ent ional mammography[9]. [ 그림 15] 미국방사선의학회의 ACR 팬텀 RMI 156 [Fig. 15] ACR phantom RMI 156 of the American College of Radiology 4586
[ 그림 16] 촬영된 ACR 팬텀영상 ( 왼쪽부터본연구, 디지털유방 X- 선촬영기 1, 디지털유방 X- 선촬영기 2) [Fig. 16] Images of the ACR phantom, from left to right, proposed study, digital mammography system 1, digital mammography system 2) 유방촬영장치의영상품질은일반적으로미국방사선의학회 (ACR, the American College of Radiology) 의팬텀 (phantom) 인 RMI 156을사용하여평가한다. ACR 팬텀은그림 15과같이만들어져있으며 4.2cm 두께로, 50% 의실질과 50% 의지방질로구성된유방과같은밀도로구성되어있다. 팬텀내부에는유방X-선촬영기의성능을파악할수있도록 6가지의섬유 (fiber) 와, 5가지의작은알갱이집단 (speck), 5가지의종괴 (mass) 가있다. 미국방사선의학회의규정에따르면 28kVp, 85mAs의에너지와 X-선관의애노우드와필터가 Mo/Mo의조합으로촬영된영상에서섬유, 작은알갱이집단, 그리고종괴가최소한각각 3개, 3개, 4개가보여야한다. ACR 팬텀영상의비교는구현된디지털유방X-선촬영기와현재병원에서사용중인디지털유방X-선촬영기를비교하였다. 먼저구현된디지털유방X-선촬영기는그림 16에서볼수있듯이 ( 섬유-알갱이-종괴 ) 가 (6-4-5) 개를구분할수있어, 병원에서사용중인디지털유방X- 선촬영기1의 (6-4-5) 과같은결과를보였고, 디지털유방 X-선촬영기2의 (5-3-4) 보다는훨씬좋은성능을보였다. [ 그림 17] 구현된디지털유방 X- 선촬영기로획득되고영상처리된영상 [Fig. 17] mammogram of implemented digital mam m og raphy [ 그림 18] 병원에서사용중인디지털유방 X- 선촬영기 1 의영상 [Fig. 18] Mammogram of digital mamm og raphy system 1 5.5 영상의비교그림 17에구현된디지털유방X-선촬영기에서획득되고영상처리를통하여대조도와선예도가강화된최종영상을보였다. 그림 18는병원에서사용중인디지털유방 X-선촬영기1의최종영상이고, 그림 19은병원에서사용중인디지털유방X-선촬영기2의최종영상이다. 그림 17, 그림 18, 및그림 19에서볼수있듯이구현된디지털유방X-선촬영기의최종영상이타사영상에비하여우수함을알수있다. 의료영상은의료전용모니터를사용하여판독및검증하여야한다. 참고로그림 17, 그림 18, 및그림 19의영상은동일인을대상으로촬영한영상이다. [ 그림 19] 병원에서사용중인디지털유방 X- 선촬영기 2 의영상 [Fig. 19] Mammogram of digital mam m ography system 2 4587
한국산학기술학회논문지제 12 권제 10 호, 2011 6. 결론 본연구에서는전역디지털유방X-선촬영기 (FFDM, Full Field Digital Mammography) 의구현에필요한기술들에대하여살펴보고, 구현된디지털유방X-선촬영기의성능을측정하였다. 측정결과에서볼수있듯이구현된디지털유방X-선촬영기는디지털검출기의응답특성은 0 에서 45mR 구간에서선형성을보여주었으며, MTF는 5lp/mm에서 0.52, DQE는 5lp/mm에서 0.22를보였다. 그리고 ACR 팬텀촬영에서외산유방X-선촬영기에대하여대등하거나나은성능을보였다. References [1] Pisano ED, Yaffe MJ, Kuzmiak CM. Digital mammography, pp15-26, Lippincott Williams & Willkins, Oct. 2003. [2] Andrew P. Smith, "Fundamentals of Digital Mammography: Physics, Technology and Practical Considerations," Radiol Manage, vol. 25(5), pp18-24,26-31, Sep. 2003. [3] Etta D. Pisano, Martin J. Yaffe, Digital Mamm ography, Radiology, vol. 234, pp353-362, Feb. 2005. [4] Nariya Cho, Joo Hee Cha, Woo Kyung Moon, Digital Mammography, The journal of the Korean society of radiology, vol.52, pp225-231, 2005. [5] Paul S. Rezentes, Adelaide de Almeida, Gary T. Barnes, Mammography Grid Performance, Radiology, vol. 210, pp227-232, Jan. 1999 [6] Y. H. Chu, E. J. Lee, K. S. Lee, D. Y. Ha, " Analysis of the average glandular dose on the Digital mammography AOP mode," Internal conference on the Korean Radiological Techn ologists Association, pp66-67, Apr. 2009. [7] IEC, "IEC 62220-1-2, Medical electrical equipment - Characteristics of digital X-ray imaging devices, Part 1-2: Determination of the detective quantum efficiency - Detectors used in mammography," IEC, Jun. 2007. [8] ANRAD Corporation, Medi-Future SMAM det ector specification," 2007. [9] Rafael G-M, Rafael L, Rafael A, "Study of DQE dependence with beam quality on GE Essential mammography flat panel," Journal of applied clinical medical physics, vol.12 no.1, pp207-217, 2011. 노영섭 (Young-Sup Roh) [ 종신회원 ] 1988 년 2 월 : 인하대학교전자공학과 ( 공학사 ) 1996 년 8 월 : 한국과학기술원정보및통신공학과 ( 공학석사 ) 2005 년 2 월 : 고려대학교전기, 전자, 전파공학과 ( 공학박사 ) 1987 년 11 월 ~ 1998 년 2 월 : LG 전자미디어통신연구소선임연구원 1998 년 3 월 ~ 2001 년 2 월 : 청강문화산업대학교이동통신과교수 2001 년 3 월 ~ 2005 년 2 월 : 주식회사싸이버뱅크연구개발부문상무이사 2005 년 3 월 ~ 현재 : 서울벤처정보대학원대학교유시티. 융합기술경영전공 < 관심분야 > 임베디드시스템, 모바일컴퓨팅, 이동통신, IT 융합기술 여세연 (Se-Yeon Yeo) [ 정회원 ] < 관심분야 > 광학, 방사선 2001 년 2 월 : 안동대학교물리학과 2004 년 2 월 : 한양대학교자연과학대학원물리학과 ( 한국학박사 ) 2004 년 1 월 ~ 2007 년 6 월 : ( 주 ) ADT 의료기사업부부설연구소연구원 2007 년 7 월 ~ 현재 : 메디퓨처 ( 주 ) QM 팀팀장 이재준 (Jae-Jun Lee) [ 정회원 ] < 관심분야 > 의료영상, 영상처리 2005 년 8 월 : 숭실대학교일반대학원정보통신학과 ( 정보통신학석사 ) 2005 년 8 월 ~ 2007 년 12 월 : 에이디티 ( 주 ) 주임연구원 2008 년 1 월 ~ 현재 : 메디퓨처 ( 주 ) 선임연구원 4588
손석원 (Surgwon Sohn) [ 정회원 ] 1985 년 2 월 : 인하대학교전자공학과 ( 공학사 ) 2007 년 8 월 : 인하대학교대학원컴퓨터정보공학과 ( 공학박사 ) 1987 년 3 월 ~ 1992 년 12 월 : 한국원자력연구소선임연구원 1999 년 9 월 ~ 현재 : 호서대학교벤처전문대학원교수 < 관심분야 > 무선센서네트워크, 모바일컴퓨팅, 인공지능 4589