[X-ray, CT] Scatter factors & grid (anti-scatter grid, collimator)

Scatter

Scatter는 compton scatter 현상으로 인하여 X-ray가 물질에 부딪혔을 때, 경로가 바뀌는 것을 의미합니다.

위 그림과 같이 X-ray는 직진성을 유지한 채 detector에 도달한 primary photon들과

물체에 부딪혀 경로가 바뀐 채 detector에 도달한 scattered photon이 모두 합쳐져서 이미징되게 됩니다.

 

따라서 scatter는 X-ray 이미지를 뿌옇게 만들고 contrast를 줄이는 작용을 하기 때문에 이를 억제하는 것은 대단히 중요합니다.

scatter를 더욱 심하게 만드는 physics factor들은 무엇이 있으며 이를 억제하기 위해 사용되는 방식으로 무엇이 사용되는지 정리하였습니다.

 

** 이 게시글은 How Radiology works 글을 주로 번역/정리한 글입니다.

 

Physics factors causing scatter

scatter를 유발/조절할 수 있는 phsics factor들은 다음과 같습니다.

1. X-ray의 퍼짐 정도 (collimation)
2. 물체의 두께 (thickness)
3. X-ray tube의 전압 (kVp)
4. 물체와 detector간의 거리 (air gap)

 

Collimation

X-ray가 tube로부터 발생하여 detector로 갈 때, X-ray가 퍼져나갑니다.

이 때, X-ray가 퍼지는 정도가 커서 범위(그림에서의 노란색 영역)가 넓다면 scatter가 더욱 많이 발생하게 됩니다.

 

Thickness of object

X-ray로 projection 시키고자 하는 object의 두께(thickness)가 두껍다면 X-ray가 object를 지나면서 더욱 많이 scatter 되게 됩니다.

따라서 두꺼운 부분보다 얇은 부분에서 scatter가 적게 발생하고, image quality가 좋습니다.

 

Voltage (kVp)

높은 전압을 사용하면 X-ray의 energy가 커지고, 물체를 더욱 잘 통과(penetration)하게 됩니다.

따라서 contrast가 작아지는 효과를 냅니다.

뿐만 아니라, compton scatter 현상을 더 잘 야기시키면서 scatter역시 커집니다.

 

photoelectric interaction은 X-ray 광자가 모두 흡수되거나 경로가 바뀌지 않는 경우이며,

compton scatter은 경로가 바뀌는 경우입니다.

(자세한 사항은 이전 게시글을 참고해주시기 바랍니다.)

 

따라서 가능한 낮은 전압을 사용하여 이미징 하는것이 contrast, scatter 두 관점에서 이미지 퀄리티를 높일 수 있습니다.

 

Air gap

물체와 detector간의 거리(=air gap)가 멀면 scatter된 photon이 detector를 벗어난 영역으로 튀어버릴 확률이 높아집니다.

따라서, air gap이 클 수록 scatter가 적게 발생합니다.

 

위 내용들을 정리하자면 아래와 같습니다.

 

X-ray의 범위가 좁을수록 (collimator), 이미징하는 물체가 얇을수록 (thickness),
전압이 낮을수록 (kVp), 이미징하는 물체와 detector간의 거리가 짧을수록 (air gap) scatter가 적게 발생하며

X-ray의 범위가 넓을수록, 이미징하는 물체가 두꺼울수록,
전압이 높을수록, 이미징하는 물체와 detector간의 거리가 길수록 scatter가 많이 발생합니다.

 

 

Anti-scatter mechanisms

위와 같은 여러가지 요소로 발생하는 scatter는 이미지의 quality를 떨어뜨리므로 이를 방지하고자 하는 장치들이 아래와 같이 있습니다.

 

1. Collimator
2. Anti-scatter grids

 

Collimator

위에서 collimation가 scatter의 원인 중 하나임을 살펴보았었는데

X-ray가 퍼져나가는 정도를 조절하기 위하여 collimator가 X-ray tube앞쪽과 물체사이에 주로 위치하게 됩니다.

Collimator를 통해 불필요한 radiation dose가 환자에게 가는 것을 방지할 수 있으며

scatter를 줄일 수 있습니다.

 

Anti-scatter grid

격자무늬 구조체인 grid를 사용하여 scatter를 줄일 수 있습니다.

아래 그림과 같이 물체와 detector사이에 위치시킴으로써 scatter되어 방향이 틀어진 photon이 detector에 도달하는 것을 방지합니다.

 

Red: scatter photon, Black: primary photon

또한, Grid는 grid ratio를 통해 scatter양을 조절하고자 합니다.

 

Grid의 막대 부분을 grid plate 혹은 grid septa라고 하는데,

grid septa의 높이(h)와 grid septa간의 간격(D)간의 비(h:D or h/D)를 의미합니다.

Grid ratio는 주로 4:1 ~ 12:1이 사용되며 CT의 경우 유방조영술(mammography)의 grid ratio가 chest CT보다 작은 5:1 정도를 사용한다고 합니다.

 

하지만 grid를 사용하면 primary photon 개수 역시도 감소되는 효과가 있어서 detector에 도달하는 X-ray의 intensity들이 작아지게 됩니다.

따라서 intensity를 유지하기 위해 X-ray의 tube 전류 (mA)를 높여주게 되는데

사용하는 grid에 따라 얼만큼의 mA를 높일지 measure한 것을 Bucky factor라고 합니다.

(즉, grid에 의해 줄어드는 photon을 measure한 것과 유사합니다.)

 

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References

https://howradiologyworks.com/scatter-in-x-ray-imaging/

https://www.radiologycafe.com/frcr-physics-notes/ct-imaging/ct-equipment/