[X-ray] X-ray 기초_5. X-ray 이미징 (X-ray imaging, filtration, beam hardening, scatter correction, gridding)

이번 게시글에서는 X-ray 이미징 과정을 전체적으로 살펴보고,

이미징 과정에서 어떤 issue가 발생하고, 이를 어떻게 해결하는지에 대해서 알아보겠습니다.

 

우선, X-ray는 다음과 같은 장점들을 갖기 때문에, 몸 내부의 병의 여부를 진단하기 위해 널리 사용되고 있습니다.

1. X-ray는 매우 짧은 scan time을 갖습니다. (약 0.1 sec)

2. X-ray는 비용이 저렴하고, 피폭량이 적습니다. (chest X-ray: 약 30mR. 이는 연간 자연적으로 받는 방사능의 1/10 크기)

 

병원에서 X-ray로 환자를 촬영한다고 가정하고, X-ray image가 어떻게 생성되는지 과정을 살펴보면 다음과 같습니다.

 

1. X-ray tube 혹은 X-ray source에서 X-ray를 생성합니다.

2. 생성된 X-ray가 환자를 통과합니다.

3. 환자를 통과한 X-ray가 detector 혹은 receptor에 닿아 image를 만듭니다.

 

이러한 과정에서 X-ray가 환자를 통과한다는 것은 저희가 흔히 알고있듯이 방사능에 노출되는 것입니다.

따라서 환자에게 이미징에 있어서 불필요한 X-ray가 통과하지 않도록 하는것이 중요한데, 이것이 바로 filtration입니다.

또한, 앞서서 살펴본것처럼 scatter(산란)은 이미징에 있어서 반드시 해결해주어야하는 문제인데, 어떻게 해결하는지 (scatter correction)에 대해서도 살펴보겠습니다.

Filtration

X-ray photon들은 각각 다른 energy를 갖는다고 하였습니다.

그렇다면 가장 큰 energy를 갖는 photon의 energy는 무엇일까요?

바로 X-ray tube에 걸어준 전압(kVp) 만큼의 energy입니다.

 

그렇다면, 반대로 낮은 energy를 갖는 photon들도 있을텐데,

이런 photon은 환자의 몸을 통과하지 못하고 모두 흡수되어 버립니다.

 

즉, energy가 낮은 X-ray photon들은 이미징에는 도움이 하나도 안되고,

환자에게만 피폭되기 때문에 오히려 독이 됩니다.

 

따라서 이런 low-energy X-ray photon을 없애주는 것이 중요한데, 이를 filtration이라고 합니다.

 

Filtration을 하는 방식은 3가지가 있습니다.

 

1. X-ray tube의 anode 자체에서 low-energy photon을 흡수해버리기.

2. Glass housing으로 만든 X-ray tube와 dielectric oil을 사용하여 low-energy photon 흡수하기.

3. X-ray tube 밖에 금속(주로 알루미늄과 구리)을 두어 low-energy photon을 attenuation 시키기.

 

위의 방식 중 1,2번은 X-ray tube 내부에서 처리하는 방식이기 때문에 inherent filtering 방식이라고 합니다.

 

X-ray tube에서 나온 X-ray photon의 그래프는 위의 그래프①과 같습니다.

그리고 위에서 설명한 filtration 과정들을 거친 X-ray photon은 그래프 ②, ③과 같이 변하게 됩니다.

이 때, 낮은 energy의 photon이 비교적 높은 energy의 photon보다 물체를 통과할 때

더욱 많이 흡수되는것을 확인할 수 있는데, 이러한 현상을 beam hardening이라고 합니다.

 

* Beam restriction이란?

Beam filtration과 비슷한 원리로 원하는 부위에만 X-ray photon이 도달하도록 제한하는 것을 beam restriction이라고 합니다.

 

 

Scatter correction

X-ray photon이 object를 통과할 때 랜덤하게 발생하는 scatter로 인하여

scattered photon이 detector에 추가적으로 도달하게 됩니다.

이는 이미지에 일종의 random 'fog'를 발생시키고, contrast를 줄이는 주요 원인입니다.

Nuclear medicine의 경우, mono-energetic radiation X-ray source를 사용하므로

Scatter되지 않고 도달한 X-ray (primary X-ray)와 scattered X-ray를 energy의 크기로 구분할 수 있지만

(Scattered X-ray energy < primary X-ray energy)

상용되는 X-ray의 X-ray source는 polyenergetic으로, 위와 같이 구분하기가 쉽지 않습니다.

 

따라서 grid 사용, airgap 조절과 같은 방식들로 scattered X-ray를 처리합니다.

 

Grids

Grid는 간단히, X-ray가 일직선으로 가도록 아래 그림과 같은 물질을 object와 detector 사이에 두는 것입니다.

창살과 같이 생긴 구조로 인하여 object를 지나면서 scatter 된 photon들

즉, linear하게 가지 않는 photon이 detector에 도달하는 것을 막는 것입니다.

 

 

Grid의 height와 창살간격(width)을 grid ratio라고 하는데 6:1 ~ 16:1값이 일반적이지만,

mammography X-ray의 경우 2:1로 낮을수도 있습니다.

H: height, D: width

 

그렇다면 grid ratio는 높을수록 좋은것아닌가? 하고 생각할수있습니다.

하지만, grid ratio가 너무 높으면 primary X-ray 마저도 detector에 도달하는데 방해를 할 수 있습니다.

이를 해결하려면 X-ray tube의 전류를 높여서 더 많은 photon을 내보내야 할테고,

환자는 더 많이 피폭될 수 밖에 없습니다.

 

이러한 이슈때문에 grid conversion factor(GCF)라는 값을 통해 X-ray tube의 전류를 조절합니다.

(GCF = mAs with the grid / mAs without the grid)

GCF는 통상적으로 3~8의 범위안에서 조절합니다.

 

Grid는 통상적으로 60kVp이상의 X-ray tube voltage를 사용할 때,

Object가 10cm 이상의 thickness를 가질 때 사용합니다.

(에너지가 너무 낮거나 물체가 얇으면 scattered photon이 모두 흡수되어 detector에 영향을 주지 않기 때문입니다)

 

Grid에 의하여 detector에 grid 그림자가 남을 수 있으므로 Potter-Bucky diaphragm을 이용하여 사용하기도 합니다.

 

* Potter-Bucky diaphragm

Grid를 X-ray 촬영동안 2-3cm정도 움직여줌으로써, grid그림자를 blur하게 만들어서 없애는 방식

 

Airgaps

촬영하는 object와 detector의 간격을 airgap이라고 합니다.

이 airgap을 좁게 조절한다면, scattered된 photon이 원래의 경로로부터 벗어나는 정도가 줄어들 것입니다.

 

그러나 airgap을 작게 하면, X-ray focal spot size effect에 의하여 blur정도가 심해지며 sharpness가 떨어질 수 있습니다.

 

* X-ray focal spot size effect란?

X-ray tube에서 X-ray가 나오는 지점을 focal spot이라고 하는데,

이 focal spot이 아주 작은 점이 아닌 면적을 가짐으로써 발생하는 effect입니다.

아래 그림과 같이 large focal spot을 가질수록 blur가 심해집니다.

 

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References

Jerry L. Prince, Jonathan M.Links 『Medical imaging signals and systems』, Pearson (2006)

 

Daniel, O., Ogbanje, G., & Jonah, S. A. (2013). X-Rays and scattering from filters used in diagnostic radiology. International Journal of Scientific and Research Publications, 3(7), 1-11.

 

Danyk, A. Y., & Sudakov, O. O. (2020). Optimized estimation of scattered radiation for X-ray image improvement: Realistic simulation. Radioelectronics and Communications Systems, 63(8), 387-397.

 

Lee, S., & Chung, W. (2019). Quantitative analysis of effects of the grid specifications on the quality of digital radiography images. Australasian physical & engineering sciences in medicine, 42(2), 553-561.

 

Gorham, S., & Brennan, P. C. (2010). Impact of focal spot size on radiologic image quality: a visual grading analysis. Radiography, 16(4), 304-313.