[X-ray] Dual Energy X-ray란? (DXA)

Dual Energy X-ray (DXA)란?

Dual Energy X-ray 일명 DXA는 단어 그대로 2개의 각기 다른 에너지 준위를 갖는 X-ray images를 통해 soft-tissue only image 혹은 bone only image를 얻어내는 기법이다.

 

간단히 설명하면, Low energy를 갖는 X-ray beam을 통해 얻은 image, A와

High energy를 갖는 X-ray beam을 통해 얻은 image, B는 차이를 갖는다.

이러한 A와 B를 빼주게 되면 X-ray image에서 soft-tissue만 남기거나 bone만 남길 수 있다.

Left : Soft-tissue only image / Right : Bone-only image

 

Dual Energy X-ray 원리

X-ray imaging의 원리는 X-ray tube로부터 나온 광자(photon)가 이미징하고자 하는 물체에 부딪히고 통과하는 과정에서 물체 구성요소에 따라 광자의 감쇠(attenuation)정도가 달라진다.

 

이처럼 X-ray beam의 energy가 물체를 통과하면서 감쇠하는 정도를 측정한 값을 Attenuation coefficient 이라고 한다.

 

즉, 사람의 신체를 이미징하고자 하는 물체라고 생각해본다면,

몸에 존재하는 뼈(Bone), 연조직(Soft-tissue)등의 구성요소마다 다른 Attenuation coefficient값을 갖는다.

 

흔히 생각해보면 Bone이 Soft-tissue보다 단단하므로 photon이 더 많이 감쇠할 것이라고 예상할 수 있고,

실제로도 Bone의 Attenuation coefficient값이 Soft-tissue보다 크다. (즉, 감쇠가 많이 된다)

 

출처 : ResearchGate

 

그러나 같은 물체라 하더라도 X-ray tube에서 나온 photon의 에너지(=X-ray beam energy)에 따라 감쇠정도가 달라진다.

(대부분의 경우 Low energy beam에서의 attenuation coefficient가 High energy beam에서보다 현저히 높다.

즉, Beam energy가 클 수록 감쇠정도가 작다.)

 

따라서 같은 신체부위여도 energy 크기에 따라서 attenuation 정도가 달라지게 되고, image에도 차이가 발생한다.

이렇게 발생한 차이를 통해 우리는 특정 신체부위만(Bone or Soft-tissue 등)을 imaging할 수 있다.

 

아래 그림에서 high energy의 attenuation coefficient가 더 감소한다는 것과, 물체마다 다른 값을 가짐을 확인할 수 있다.

 

좀 더 이해하기 쉽게 예를 보도록 하면,

Soft-tissue와 Bone이 Low와 High energy beam에서 각각 다음 사진과 같은 attenuation coefficient를 갖는다고 하자.

만약 우리가 뼈가 없어진 Soft-tissue only image를 얻고 싶다면 어떤 방정식을 풀면 될까?

첫번째 이미지(low)에서 두번째 이미지(high)에 2를 곱한 값을 빼면 Tissue에 대한 값만 남게된다!

남은 Tissue의 값이 -1(=3 - 2*2)이므로 -1을 곱해줘서 1로 만들어주면 Tissue만 남은 이미지가 될 것이다.

(이 때 곱해준 -1을 Scaling factor라고 한다. 물론, 1로 만들지 않고 더욱 이미지가 선명한 값으로 만들어도 된다.)

 

아래 사진은 반대로 Bone만을 남기기 위한 과정에 대한 사진이다.

즉, 우리는 각기 다른 energy를 통해 얻은 2장의 image를 빼고(Subtraction) 상수배(Scaling)해줌으로서

특정 물체만 남은 X-ray image를 얻을 수 있는 것이다.

 

Dual Energy X-ray 기법

Dual Energy X-ray를 찍는 방식은 2가지가 있다.

 

    1. Phosphorus plate를 사용하는 방식

    2. Flat-panel detector를 사용하는 방식

 

1. Phosphorus plate

한 번의 X-ray beam으로부터 동시에 2장의 Energy가 다른 image를 얻는 방식이다.

한 번 쏘는데 어떻게 동시에 2장을 얻지?! 라고 생각이 든다면 다음 사진을 보면 이해가 될 것이다.

즉, 2장의 X-ray detector 사이에 filter를 넣어줌으로서, 첫 번째 detector에는 기존의 X-ray beam이 그대로 오게되고,

두 번째 detector에는 기존의 beam이 Copper filter를 통과하며 energy가 줄어든 beam이 오게 된다.

따라서 첫 번째로부터는 high-level image를, 두 번째로부터는 low-level image를 얻는 것이다.

 

이러한 방식은 단일 X-ray로부터 2장을 동시에 얻기 때문에 motion artifact가 발생하지 않는다는 장점이 있으나,

Copper filter를 통해 벌어지는 energy차이가 크지 않기 때문에 최종적으로 얻어진 image의 SNR이 낮다는 단점이 있다.

한 마디로 퀄리티가 높지 않다는 것이다.

 

2. Flat-panel detector

이 방식이 일반적으로 2장의 image를 얻어야 한다고 하면 생각할 수 있는 방식이다.

그냥 각기 다른 energy를 갖는 X-ray beam을 두 번 쏘는것이다.

즉, 위 사진과 같이 60kVp의 beam을 쏴서 low energy image를 얻은 이후에

다시 120kVp를 쏴서 high energy image를 얻는 것이다.

 

장단점은 Phosphorus plate와 반대이다.

장점은 퀄리티가 좋다는 것이고 (high SNR)

단점은 2번의 image를 찍는 사이에 X-ray를 찍는 사람이 움직일 수 있으므로 motion artifact가 생긴다.

(안 움직였다고 생각하더라도 Chest X-ray인 경우 호흡을 하기 때문에 작든 크든 생길 수 밖에 없다.)

 

추가로 DXA를 찍을 수 있는 X-ray hardware는 위 사진들과 같이 일반적인 X-ray와 다르기 때문에 DXA를 찍을 수 있는 병원은 흔치 않다.

 

사실, Attenuation coefficient는 Linear attenuation coefficient와 Mass attenuation coefficient가 있다.
이 글을 이해하는데에는 두 가지 중 무엇을 사용하는지는 큰 상관은 없으나
Attenuation coefficient를 좀 더 자세히 알고 싶다면 다음 글을 참고하길 바란다.

 

References

www.upstate.edu/radiology/education/rsna/radiography/dual.php

slideplayer.com/slide/2543329/