3D 광학 스캐너를 이용한 인체모형 팬텀 표면 데이터 획득 및 X-ray 에너지의 몬테카를로 시뮬레이션(MCs)을 이용한 팬텀 선량 평가와 영상구현

신준봉(Jun-Bong Shin),이도희(Do-Heui Lee),윤경준(Kyoung-Jun Yoon),박민재(Min-Jae Park),고영문(Young-Moon Go),김성우(Sung-Woo Kim),홍승모(Seung-Mo Hong),이현철(Hyun-Cheol Lee),이의섭(Ui-Seob Lee),노선영(Seon-Yeong No),강석윤(Seok-Yoon 대한영상의학기술학회 2021 대한영상의학기술학회 논문지 Vol.2021 No.-

목 적:본 연구의 목적은 기존 컴퓨터단층촬영(Computed tomography, 이하 CT) 스캔 방법 대신 3D 광학 스캐너 (3D optical scanner)를 이용하여 인체모형 팬텀의 표면 데이터를 획득하고 기존 CT 스캔 표면 데이터와 3D 광학 스캔 표면 데이터 차이를 비교 분석하는 것이며, 3D 광학 스캔 표면 데이터를 몬테카를로 시뮬레이션(Monte Carlo Simulation, MCs)에 적용하여 일반 촬영 에너지조건으로 팬텀 선량 평가와 영상 구현을 연구하는 것입니다. 연구방법: 일반촬영의 선량 평가를 위해 환자 표면 데이터를 얻을 때 3D 광학 스캐너를 활용할 것을 제안합니다. 우리는 3D 광학 스캐너(Go!SCAN SPARKTM, CREAFORM) 사용하여 기존 CT 스캔 방법을 대신해 인체모형 팬텀의 표면 데이터를 얻었습니다. 3D 스캔 표면 데이터를 정렬하고 편집하기 위해 Meshlab 프로그램을 이용하였으며, 3D slicer 프로그램을 이용하여 CT 스캔 표면 데이터와 3D 스캔 표면 데이터 차이를 정량적으로 비교분석 하였습니다. 또한 3D 스캔 표면 데이터 분석 프로그램(VXelements, CREAFORM)을 사용하여 인체 모형 팬텀의 재현성을 평가 하였습니다. SpekCalc 프로그램을 이용하여 X-ray beam 에너지 스펙트럼을 계산하고 Geant4 기반의 MCs인 TOPAS를 이용하여 X-ray Beam을 모델링 하였습니다. 인체모형 팬텀을 MCs에 적용 하여 일반촬영 에너지 조건으로 팬텀 선량을 평가하고 Phase space data 통해 영상을 구현을 연구 하였습니다. 결 과:3D slicer를 이용한 CT 스캔 표면 데이터와 3D 광학 스캔 표면 데이터의 정량적 비교 분석에서 Hounsdroff distance는 Average 2.45 mm, Dice coefficient는 0.97로 나타나 CT 스캔 표면 데이터와 3D 스캔 표면 데이터가 거의 일치하는 것을 확인할 수 있었습니다. 또한 인체모형 팬텀 재현성 평가에서 인체모형 팬텀의 AP position, RAO position, LAO position 기준으로 팔이 있는 팬텀의 error distribution은 2 mm 오차 범위에서 평균 89.78%가, 4 mm 오차 범위에서 96.05%가 일치하는 것으로 나타났으며, 팔을 제외한 경우 error distribution은 2 mm 오차 범위에서 평균 96.48%가, 4 mm 오차 범위에서 99.45%가 일치하는 것으로 나타나 3D 광학 스캐너의 표면 데이터 재현성이 우수한 것으로 나타났습니다. 인체모형 팬텀을 이용한 3D 스캔 표면 데이터를 MCs에 적용하여 전신일반촬영 에너지 조건으로 팬텀선량 평가가 가능하며, Phase space data 통해 영상을 구현할 수 있다는 것을 확인 하였습니다. 결 론:본 연구에서 3D 광학 스캐너를 사용한 인체모형 팬텀 데이터 획득은 기존 CT scan 방식보다 간편하고 방사선 노출 없이 다양한 위치와 균일한 표면 구조의 정보를 정밀하게 얻을 수 있으며 MCs을 이용한 선량계산이 가능하며, Phase space data 통해 영상을 구현이 가능함에 따라 앞으로 일반촬영 분야의 활용과 선량평가에 매우 유용할 것으로 생각 됩니다. Purpose:The purpose of this work is to acquire surface data of anthropromophic phantom using 3D optical scanner instead of conventional computed tomography (CT) scanning methods and to compare the differences between existing CT scan surface data and 3D optical scan surface data. also it is to apply 3D optical scan surface data to Monte Carlo simulations (MCs) to study whether phantom dose evaluation and image implementation are possible under general shooting energy conditions. Targets and Methods:We suggest utilizing a 3D optical scanner when obtaining patient surface data for dose evaluation of normal photography. We obtained surface data of anthropromophic phantom instead of conventional CT scanning methods using 3D optical scanners (Go!SCAN SPARKTM, CREAFORM). The Meshlab program was used to sort and edit 3D scan surface data, and the CT scan surface data and 3D scan surface data differences were quantitatively compared using the 3D slicer program. The reproducibility of the dummy phantom was also evaluated using the 3D Scan Surface Data Analysis Program (VXelements, CREAFORM). Using the SpekCalc program, the X-ray beam energy spectrum was calculated and the X-ray beam was modeled using TOPAS, a Geant4-based MCs. We applied the anthropromophic phantom to MCs evaluate the phantom dose in X-ray energy conditions and study whether the image can be implemented through phase space data. Result:Quantitative comparative analysis of CT scan surface data and 3D optical scan surface data using 3D slicer showed that Hounsdroff distance was Average 2.45 mm and Dice coefficient was 0.97, indicating a close match between CT scan surface data and 3D scan surface data. In addition, the anthropromophic phantom reproducibility assessment shows that the error distribution of the phantom with arms by AP position, RAO position, and LAO position of the anthropromophic phantom averaged 89.78% in the 2 mm error range and 96.05% in the 4 mm error range. MCs using anthropromophic phantom confirmed that 3D scan surface data can be applied to Monte Carlo simulation to evaluate phantom dose under X-ray energy conditions through phase space data. Conclusion:In this study, anthropromophic phan tom data acquisition using 3D optical scanners is simpler than conventional CT scan methods, provides precise information of various locations and uniform surface structures without radiation exposure, enables dosing using MCs, and enables image implementation through phase space data.

Phantom을 이용한 X-ray Tube 각도에 따른 Stitching method 영상의 왜곡률에 관한 연구

신준봉(Jun-Bong Shin),김승옥(Seung-ok Kim),김승래(Seung-Rae Kim) 대한영상의학기술학회 2017 대한영상의학기술학회 논문지 Vol.2017 No.1

목 적:대퇴골의 전장(The Full-legth examination of the femur)이나 하지(Lower extrenity) 검사 시 조사야의 넓이(FOV : Feild of view)나 검출기의 크기(Detecter size)의 한계로 인하여 최근 임상에서 Stitching method를 이용한 검사를 많이 하고 있다. 하지만 매번 검사자마다 X-ray Tube 각도가 다르게 주고 검사하기 때문에 Flat Phantom을 이용하여 X-ray Tube 각도에 따른 Stitching method 영상의 왜곡률이 얼마나 되는지 알아보고자 하였다. 대상 및 방법:Samsung XGEO GC80 디지털 X-ray 장비와 Flat Phantom (H 40 cm×V 116 cm×D2.3 cm 크기로 격자형 납이 삽입 된 아크릴)을 이용하여 조건을 60kVp, 10 mAs (20 mA, 500 msec), Collimator size는 17×17 cm,, AEC (Auto exposure control)은 off, Patient size은 Medium, Focal Spot은 Large, SID를 110 cm로 고정하고 검사테이블에서 Tube 각도를 0°를 기준으로 12°, 14°, 16°, 18°, 20°, 22°, 25°로 Top/Butom 세팅 후 검사 Tube 각도(Exam Tube Angle)를 5°, 6°, 8°, 9°, 13°, 15°, 16° 변화시키면서 5번 반복 측정하였다. 왜곡률 측정은 Single Method로 촬영된 Flat Phantom의 격자형 납의 안쪽 크기(가로, 세로) 9군데와 검사 Exam Tube Angle가 5°, 6°, 8°, 9°, 13°, 15°, 16° 변화해 가며 촬영된 Flat Phantom의 격자형 납의 안쪽 크기(가로, 세로) 9군데 영상의 차이를 INFINITT PACS를 이용하여 정량적으로 비교 분석하였다. 또한 촬영된 Flat Phantom 영상의 왜곡정도를 영상의학과 전문의 1명과 방사선사 2명이 5점에서 1점까지 5단계로 나누어 정성적으로 비교 분석하였으며, 통계프로그램 SPSS 22.0.0.0 버전을 사용하였다. 결 과:정량적 평가 결과, Exam Tube Angle 5°와 16°에서 Flat Phantom 격자형 납의 안쪽 세로길이 측정값 (Vertical length value)이 각각 43.26±0.57 mm와 42.67±0.39 mm로, Exam Flat Phantom 격자형 납의 안쪽 가로길이 측정값(Width length value)이 각각 43.30±0.85 mm와 43.07±0.78 mm로, Flat Phantom 격자형 납의 안쪽 넓이 측정값(Area value)이각각 1873.30±5.19 mm와 1837.90±19.09 mm로 나왔다. 그 결과 Exam Tube Angle 5°에서 Flat Phantom 영상의 왜곡률이 가장 적게 나타났으며, 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p<0.05). 정성적 평가 결과, 모든 Exam Tube Angle (5°, 6°, 8°, 9°, 13°, 15°, 16°)의 Flat Phantom 영상의 왜곡률 관찰에서 Exam Tube Angle 5 °와 Exam Tube Angle 16°의 점수가 각각 5.00±0.00, 3.85±0.29로 나타났으며, Tube Angle 5 °에서 가장 높은 점수를 얻어 영상의 왜곡정도가 가장 적은 것으로 평가되었다. 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p<0.05). 결 론:X-ray Tube 각도에 따른 Flat Phantom 영상의 왜곡률 비교 분석에서 Tube 각도 5°에서 Flat Phantom 영상의 왜곡률이 가장 적게 나타났으므로, 임상에서 디지털 X-ray Stitching method를 이용한 대퇴골의 전장(The Full-legth examination of the femur)이나 하지(Lower extrenity) 검사 시 가능한 Tube 각도를 최소로 유지하여 검사하는 것이 영상의 왜곡률을 줄일 수 있어 보다 정확한 검사가 가능하다고 할 수 있다. Purpose:Due to limitations on the field of view (FOV) or detecter size during the examination of the full-length of the femur or the lower extremities, examinations using the stitching method have been used in clinical studies recently. However, we intend to determine the distortion factor of the images of the stitching method depending on the angle of the x-ray tube by using the Flat Phantom because the examination is conducted by using different angles of the x-ray tube by each radiology technologists. Materials and Methods:By using Samsung XGEO GC80 digital x-ray device and Flat Phantom (acrylic sized H40 cm×V116 cm×D2.3 cm and inserted with grid patterned lead), and setting the condition as 60 kVp, 10 mAs (20 mA, 500 msec), collimator size of 17×17 cm, AEC (auto exposure control) as off, patient size of medium, focal spot as large, fixing the SID at 110 cm, and on the examination table, the angles of the tube are set top and bottom at 12°, 14°, 16°, 18°, 20°, 22° and 25°, with 0° as the base, and was measured 5 times repeatedly by changing the Exam Tube Angle by 5°, 6°, 8°, 9°, 13°, 15° and 16°. The measurement of the distortion factor was quantitatively and comparatively analyzed using Infinite PACS by comparing the image differences between 9 inside sizes (width, vertical) of the grid patterned lead of the Flat Phantom filmed using a single method and the 9 inside sizes (width, vertical) of the grid patterned lead of the Flat Phantom filmed by changing the Exam Tube Angle by 5°, 6°, 8°, 9°, 13°, 15° and 16°. Moreover, the distortion degree of the filmed Flat Phantom images were qualitatively analyzed by classifying into 5 steps, from 5 points to 1 point, by 1 radiologist and 2 radiology technologists, and statistical program SPSS 22.0.0.0 version was used. Result:The quantitative evaluation results showed the Vertical length value of the inside of the grid patterned lead of the Flat Phantom from Exam Tube Angle 5° and 16° to be 43.26±0.57 mm and 42.67±0.39 mm, the Width length value of the inside of the grid patterned led of the Flat Phantom to be 43.30±0.85 mm and 43.07±0.78 mm, and the Area value of the inside of the grid patterned led of the Flat Phantom to be 1873.30±5.19 mm and 1837.90±19.09 mm. The distortion factor of the Flat Phantom image was the lowest at the tube angle of 5°, and there was a statistically significant difference (p<0.05). The qualitative evaluation results showed the score on 5.00±0.00 and 3.85±0.29 the observation of the Flat Phantom image at the tube angle of 5° and 16° upon observation of distortion factor of the Flat Phantom image at all Exam Tube Angle (5°, 6°, 8°, 9°, 13°, 15° and 16°). The least deviation of the image was assessed because the highest score was obtained from the tube angle of 5°. It was evaluated to have a statistically significant difference (p<0.05). Conclusion:The comparative analysis of the distortion factor of the images of Flat Phantom depending on the angle of x-ray tube showed the lowest distortion factor of the image of Flat Phantom at 5° angle of the tube. Therefore, a more accurate examination is possible by lowering the distortion factor of the images when examining by maintaining the angle of the tube at the minimum during the examination of the full-length examination of the femur or lower extremities using the digital x-ray stitching method in clinical studies.