XGBoost 기계학습을 통한 이중에너지 X선 흡수계측법 기반 3차원 골밀도 분포 예측시스템 구축

서지인 이화여자대학교 대학원 2024 국내석사

The purpose of the study is to develop a machine learning model that predicts the three-dimensional (3D) bone mineral density (BMD) distribution of the proximal femur using a single dual-energy X-ray absorptiometry (DXA) image. Osteoporosis is a common disease characterized by a reduction in bone mass and the degradation of bone microarchitecture, resulting in bone fragility. It increases the fracture risk in the elder population, which mostly require surgical intervention. The spine or hip fractures often lead to severe disability or mortality, thus emphasizing the necessity of timely diagnosis. The measurement of bone mineral density is a key factor in the diagnosis of osteoporosis and other skeletal pathologies. The most commonly used techniques are dual-energy X-ray absorptiometry(DXA) and quantitative computed tomography(QCT). DXA is the standard method of measuring bone mineral density and evaluating individuals at risk of osteoporosis. It uses X-rays with two different energy levels, and is preferred because of its low radiation exposure. However, it uses projection image of bone for diagnosis, which cannot fully capture the volumetric structure of bone. On the other hand, QCT measures bone mineral density distribution based on general CT scans, which enables it to reflect the structural characteristics of bone in the measurement. However, it has relatively high radiation exposure and requires additional contrast agent and phantom as a density standard for the scan. In this study, two machine learning models based on the ensemble extreme gradient boosting predictor were developed to predict the 3D bone density distribution using the pixel coordinates and brightness information from DXA images. The datasets of the models included the information of registered point clouds that were generated from the medical images. The first model was designed to predict the depth (z-coordinate) and the pixel intensity which implies the material density, achieving mean absolute percentage errors (MAPE) of 21.8% and 14.4%, respectively. The second model was constructed to predict the mean, nonzero minimum, maximum value of intensity, and count of nodes below an intensity threshold along the same two-dimensional coordinate direction, attaining MAPE values of 34.2%, 16.0%, 17.1%, and 15.1%, respectively. It was found that univariate regression models performed better than multivariate regression models, and the model performance converged to a certain level during the XGBoost model improvement process using hyperparameter tuning. This study demonstrates the possibility of extracting the information of 3D bone density distribution from a single DXA image to a certain extent. Moreover, the actual diagnosis images were used as datasets to show the potential feasibility of models in clinical fields. This could possibly extend the DXA scan method by allowing the incorporation of geometrical information of bones into osteoporosis diagnosis while maintaining the time and cost efficiency. 본 연구의 목적은 단일 DXA 이미지를 사용하여 근위 대퇴골의 3차원적 골밀도 분포를 예측할 수 있는 머신러닝 모델을 구축하는 것이다. 골다공증은 골조직의 감소, 미세구조의 손상 등 뼈의 양적 및 질적 변화로 인하여 뼈의 강도가 감소하는 질환을 말한다. 이는 고령층에 발생하는 골절의 주요 요인 중 하나로, 대다수의 경우에서 수술적 처치를 요구하며 척추나 고관절 골절 시 심각한 장애나 사망으로 이어질 확률이 높다. 이로 인하여 발생하는 사회적·의학적 비용이 증가함에 따라 골다공증의 조기 진단에 대한 중요성이 강조되고 있다. 골밀도 측정은 골다공증을 포함한 골격계 질환 진단의 핵심 요소로, 가장 대표적인 방법에는 이중에너지 X-선 흡수계측법(DXA)과 정량적 전산화단층촬영(QCT)이 있다. DXA는 골다공증 진단의 표준 검사법이자 가장 널리 사용되고 있는 골밀도 측정법으로, 서로 다른 에너지 레벨을 가진 X-선 두 종류를 인체에 투과시켜 밀도를 측정한다. 단순 방사선 검사와 마찬가지로 방사선 노출량이 적고 비교적 간편하게 골밀도를 측정할 수 있다. 하지만 2차원 투영 이미지를 토대로 측정하기 때문에 3차원 골조직의 구조적 특성을 반영하지 못한다. QCT는 통상적인 CT 기기로 촬영을 진행하므로 골조직의 입체 구조를 반영하여 정확한 골밀도를 측정할 수 있다는 장점이 있으나, 방사선 노출량이 많고 검사 진행 시 조영제와 밀도 측정을 위한 표준블록이 추가로 필요하다는 단점이 있다. 두 가지 측정 방식의 장점을 모두 활용할 수 있는 연구가 활발히 진행되고 있으나, 다각도에서 촬영된 DXA 이미지의 필요성이나 영상기기마다 데이터 세트의 구성 인원이 다르다는 점이 꾸준히 단점으로 지적되고 있다. 이에 본 연구에서는 단일 DXA 이미지를 구성하는 픽셀의 평면좌표 정보와 각 좌표에 해당하는 밝기 정보를 이용하여 골밀도 분포를 3차원적으로 예측할 수 있는 머신러닝 모델을 구축하였다. 이때 각 이미지를 기반으로 생성한 포인트 클라우드를 활용함으로써 계산 비용을 낮추고자 하였다. 예측 모델의 경우 입체 형상 내에서 DXA 이미지와 가장 유사한 층을 예측하는 모델과 동일 좌표 선상에 존재하는 여러 포인트의 깊이 좌표에 따른 정보의 분포를 예측할 수 있는 모델을 각각 생성하였다. 머신러닝 모델을 생성하기에 앞서 DXA와 CT 검사에서 수집한 이미지에 대하여 정합 작업을 적용하였다. 이는 두 이미지가 표현된 좌표계를 정렬하기 위함으로, 이 과정을 통하여 서로 다른 영상기기로 촬영된 이미지에서 각각 얻을 수 있는 정보를 확장하고 두 데이터 간의 연관성을 파악하기 용이하게 하고자 하였다. 정합이 끝난 후 각 이미지를 기반으로 생성된 포인트 클라우드에서 각 포인트의 좌표 정보와 밝기 정보를 추출하여 예측 모델의 데이터 세트로 활용하였다. 첫 번째 모델은 픽셀의 깊이 정보를 나타내는 z축 좌표와 해당 위치에서 물질의 밀도 정보가 반영된 픽셀의 밝기를 예측하는 모델로, 예측 결과 각각 평균 절대비 오차 MAPE(Mean Absolute Percentage Error) = 21.8%, 14.4%의 성능을 보였다. 이러한 예측 결과는 DXA 이미지에서 파악되는 밀도 정보와 CT 이미지의 밀도 정보가 유의미한 연관성이 있다는 것을 보여준다. 두 번째 모델은 동일 선상에 위치하여 평면에서는 한 점으로 표시되는 여러 픽셀의 밝기 분포에 관하여 파악할 수 있도록 밝기의 평균치, 0이 아닌 최솟값, 최댓값, 특정 밝기 미만인 픽셀의 개수를 예측하도록 하였다. 해당 모델의 예측 결과 MAPE=34.2%, 16.0%, 17.1%, 15.1%로 나타났다. 두 모델 모두 종속 변수 간의 상관관계가 유의하지 않다고 가정하는 단변량 회귀를 적용했을 경우 다변량 회귀를 적용했을 때보다 전반적으로 낮은 오차율을 보이는 것을 확인하였다. 또한, XGBoost 모델 개선 과정에서 모델의 성능이 특정 수치로 수렴하는 양상을 보였다. 본 연구에서 구축한 모델의 예측 결과는 단일 DXA 이미지에서 뼈의 3차원적 밀도에 관한 정보를 일정 수준까지 추출할 수 있음을 보여준다. 이때 데이터 세트를 구성하는 인원을 통일하여 오차 관련 요인을 최소화하고 예측 모델의 신뢰도를 높이고자 하였다. 또한, 실제 진단용 이미지를 데이터 세트로 사용함으로써 본 모델의 임상에서의 활용 가능성을 보여주었다. 이러한 모델의 생성 과정 및 예측 성능 테스트 결과를 토대로 하여 기존 DXA 검사법의 시간 및 비용 측면의 효율성을 유지하면서도 뼈의 형상을 골다공증 진단에 반영할 수 있도록 검사법을 확장된 활용 가능성을 제시하였다.

중장년층의 비만도 측정에서 체질량지수, 이중에너지흡수계측법, 생체전기저항분석법의 상호비교

안혜란 전남대학교 대학원 2008 국내석사

배경 : 체질량지수(Body Mass Index, BMI)는 체격에 의한 비만진단 기준으로 가장 널리 사용되는 비만지표로서 일반적으로 체지방률을 잘 반영하는 것으로 알려져 있으며 성별, 연령과 관계없이 사용되고 있으나 인종, 지역, 성별의 영향을 받는다는 한계점을 가진다. 체지방에 의한 비만진단 기준으로 체지방을 간접 측정하는 방법 중 하나인 이중에너지흡수계측법(Dual Energy X-ray Absorptiometry, DXA)은 검사의 정확성이 높아 최근 체지방 분석의 기준으로 많이 사용되고 있으나 고가의 비용이 필요하고 측정시간이 오래 걸려 역학연구에서는 실제적으로 사용이 어려운 문제점을 가지고 있다. 반면 생체전기저항분석법(Bioelectrical Impedance Analysis, BIA)은 단시간에 쉽게 체지방량을 측정할 수 있는 체성분 분석법으로 경제적이고 운반이 용이하여 현재 임상 및 공중 보건분야에서 널리 사용하고 있다. 본 연구에서는 지역사회 인구를 대상으로 DXA와 BIA를 사용하여 체지방률을 동시에 측정하고, BMI, DXA, BIA의 관계를 살펴보고자 하였다. 연구방법 : 연구 대상자는 2007년 5월부터 7월까지 광주시 1개 보건소에서 만성 질환 건강검진을 받은 50세 이상 성인 남녀 총 1,681명(남성 568명, 여성 1,113명)을 대상으로 하였다. 신장과 체중을 측정하여 BMI를 계산하였고 체성분 분석은 이중에너지흡수계측법(DXA)과 생체전기저항분석법(BIA)으로 시행하였으며, 각 비만진단 기준에 따른 비만관련 심혈관질환 위험인자의 분포를 파악하였다. 모든 분석은 성별에 따라 연령을 층화하여 50대, 60대 70대 이상의 연령군으로 나누어 분석하였으며, BMI, DXA, BIA의 회귀분석을 시행하고 BMI를 기준으로 DXA와 BIA에 의한 비만도 측정의 일치도를 구하였으며, BMI의 비만진단 기준에 해당되는 DXA와 BIA의 체지방률을 알아보기 위하여 ROC 분석을 시행하였다. 특히 BIA의 경우 DXA와 체지방 측정치간의 차이를 보기 위해 BIA와 DXA의 비로 BIA-DXA Index(BDI)를 구하여 성별에 따라 연령 및 BMI와의 관계를 분석하였다. 연구결과 : BMI에 의한 비만도가 증가함에 따라 남녀 모두 심혈관질환 위험요인 유병률이 유의하게 증가하였고 특히 남성에서 더 높게 나타났다. DXA와 BIA에 의한 비만도와 심혈관질환 위험요인과의 관계는 여성보다는 남성에서 보다 유의한 증가를 보였다. BMI와 DXA로 측정된 체지방률간의 관계는 남녀 각각 r=0.710, r=0.761이었으며 DXA 및 BIA로 측정된 체지방률간의 관계는 남녀 각각 r=0.862, r=0.883으로 나타나 BMI, DXA, BIA는 상호간에 모두 높은 상관관계를 보였으나 비만도 판정에서 큰 차이를 보였으며 BMI를 기준으로 하여 체지방률이 DXA는 과소 측정되고 BIA는 과대 측정되었다. BDI는 연령이 증가할수록, BMI가 낮을수록 더 크게 나타났고 특히 70대 이상의 남성에서 74.45%로 가장 크게 나타났다. 결론 : BMI에 따른 비만도와 심혈관계질환 위험요인의 관계는 유의한 연관성이 있었다. BMI, DXA, BIA에 의한 비만도 판정은 서로 간에 큰 차이를 보였고, 특히 70세 이상의 BMI가 낮은 노년층에서 BDI가 높게 나타나 체지방률 측정에 의한 비만도 판정은 신뢰도가 낮았다. 향후 연령, 성별 등 각종 요인을 감안한 보다 정확한 비만도 판정기준이 제시되어야 할 것으로 생각된다. Background : Body mass index (BMI) is the method commonly used to diagnose obesity. Dual-energy x-ray absorptiometry (DXA) represents one of the latest technologies for high-precision body composition estimation while Bioelectrical impedance analysis (BIA) is widely used in body fat content assessment because this method is suitable for field studies. The objective of this study was to examined the relationships between obesity indices and obesity-related cardiovascular risk factors and to evaluated the relative validity and accuracy of the BMI, DXA and BIA for obesity in Korean elderly people. Methods : The study subjects were 1,681 residents (568 male and 1,113 female) of Dong-gu, Gwang-ju aged between 50-90yrs. BMI, DXA and BIA were measured for each subjects. The cut-off values for obesity were 25 for BMI in both sex, 25%(male) and 30%(female) body fat for DXA and BIA. The difference of DXA and BIA was measured by the excess ratio of BIA to DXA (BIA-DXA Index, BDI). Results : The relationships between obesity indices and cardiovascular risk factors were positive in both sex, especially in male. Although the BMI, DXA and BIA showed the linear correlation among the indices in both sex, the determination of obesity was greatly varied by the methods of measurement. While DXA was underestimated percentage of body fat, BIA was overestimated it compared with BMI. The difference between percentage of body fat by DXA and BIA was greater in older male(≥70yrs) with lower BMI. Conclusions : This study suggests that DXA and BIA were showed significant discrepancy in obesity determination. Further evaluation of obesity determination process would be recommended especially in the aged people.

Efficacy of Dual Energy X-ray Absorptiometry to Evaluate Biomechanical Properties : 척추의 생역학적 특성평가의 이중에너지 X선 흡수계측법(DXA)의 효율성: 정량적 컴퓨터단층촬영(QCT)과의 비교

서성화 경북대학교 대학원 2013 국내박사

골밀도는 골다공증과 같은 골대사 질환의 진단, 골절의 예방, 그리고 치료 성과를 판단하는데 가장 중요한 지표이다. 골밀도 검사방법 중 이중에너지 방사선 흡수계측법(dual energy X-ray absorptiometry; DXA)은 사용이 간편하고 반복 측정 시 재현성이 높아서 골다공증 등의 환자에서 초기 진단뿐만 아니라 약물 치료에 대한 반응을 평가하는 데도 적합하다. 그러나삼차원분석방법의정량적컴퓨터단층촬영(quantitative computed tomography; QCT)와는 달리 DXA는 이차원적 분석방법으로 뼈의 기하학적 구조와 피질골과 해면골의 세분화된 분석이 제한되었다. 본 연구는 DXA와 QCT로 측정된 골밀도와 압박골절유도기기를 통해 압박골절을 유발하는 최소 역학 값과의 상관관계를 비교·분석하여 DXA와 QCT의 골절 예측 능력을 평가하였다. 골대사 질환이 없는 1인 남성 사체의 10개의 흉·요추(T8-L5)를 넓이의 반으로 종단한 후, 실험군(탈무기질화군)과 대조군(비탈무기질화군)으로 각각 10개의 시편을 제작하였다. 실험군은 다양한 정도의 골다공증을 재현하기 위하여 10분 단위로 각각의 시편을 최소 10분에서 최대 100분까지 염산에 담구어서 인위적인 탈무기질화를 진행하였다. 모든 시편은 탈무기질화 전·후에 DXA와 QCT를 이용하여 골밀도 측정으로 시간에 따른 골밀도 차이를 구하였다. 탈무기질화 과정을 마친 실험군은 압박골절유도기기를 사용하여 대조군과의 생역학적 특성(탄성계수와 항복응력) 차이를 비교하였다. 피어슨 상관관계 분석을 통하여, 탈회시간에 따른 DXA와 QCT(반척추체, 해면골)로 측정한 골밀도는 각각 통계학적으로 유의한 상관관계(γ=0.87, 0.78)를 가졌다. 척추체의 압박골절 실험에서도 DXA로 측정한 골밀도와 QCT(반척추체, 해면골)로 측정한 골밀도는 각각 탄성계수와 항복응력과의 강한 상관관계를 나타내었다. DXA 골밀도와의 관계에서, 탄성계수(γ =0.88)와 항복응력(γ =0.84)의 유의한 상관관계를 나타내었고, QCT 골밀도(반척추체, 해면골)에서도 탄성계수(γ =0.81, 0.68)와 항복응력(γ =0.87, 0,84)과 유의한 결과를 보였다. 본 실험연구를 통하여 DXA와 QCT를 사용하여 측정된 골밀도 값은 모두 골절저항능력과 강한 상관관계를 보였고 DXA와 QCT 모두 골절위험도를 예측할 수 있는 측정방법으로 평가되었다. 시편 수가 많지 않은 제약에도 불구하고 통계학적으로 유의한 결과가 도출되었으며, 결론적으로 DXA는 QCT와 대등한 골절 예측능력을 보여주었고 골밀도의 감소정도보다 실제의 골강도의 감소는 훨씬 컸음을 확인할 수 있었다.

피검자의 체 두께 변화가 골밀도 재현성에 미치는 영향과 정밀도 구현을 위한 방법에 관한 연구

서경 高麗大學校 醫用科學大學院 2014 국내석사

골밀도(BMD: bone mineral density)는 골다공증 진단 뿐 아니라 골절의 위험도를 판단하고 치료의 효과를 파악하는데 매우 중요한 진단 자료이다. 1987년 국내에 이중에너지 X선 흡수측정법(DXA)이 도입된 이후 우수한 정확도와 정밀도, 짧은 검사시간, 적은 환자 피폭선량 등의 장점 때문에 현재 가장 널리 이용되고 있는 골밀도 측정법이다. 하지만, 피검자, 검사자 또는 골밀도측정기에 의해서 정확오차가 발생할 수 있다. 그래서 저자는 피검자의 체두께 변화에 따른 BMD측정치의 변화 요소와 정도를 분석하고 Beam형식이 서로 다른 동일 회사의 제품 간에는 어떠한 차이가 있는지를 알아보기 위하여 형식이 서로 다른 DXA기종을 이용하여 본 실험을 실시 하였고 그 결과는 다음과 같았다. 1. 체 두께 중 배쪽 두께의 변화에 의해 BMD 측정치는 변화하므로 추적 검사 시 재고해야 할 요소이다 2. 체 두께 중 등쪽 두께의 변화에 의한 촬영 부위의 면적 변화는 미미하였으나 phantom에 의한 실험이므로 BMD 측정치의 변화 요인이 아니다라고 단정할 수 없다. 3. 골무기질량(BMC)이 일정하더라도 BMD 측정치는 체질구성비의 변화에 영향을 받으며 기종 간, Beam형식 간에도 차이가 생기므로 주의해야 할 요소이다. 4. 기종마다 특성과 자료선정기준이 달라서 BMD 측정치 차이가 생기므로 주의해야 하며 표준점검제도 도입으로 측정기의 신뢰도를 정기적으로 조사해야 한다. 5. 검사 시 피검자의 체두께 변화의 영향을 최소화 하기 위해 초기 검사 때 체 두께를 기록하고 관리해서 추적검사 때마다 체두께가 처음 검사 때와 동일하게 되도록 하여 측정하는 것이 좋다. 그러므로, 추적 검사를 위한 재검사 시 처음 첫 검사 때와 체두께를 최대한 같게 하여 측정하는 것이 재현성에 좋으며, 많은 종류의 서로 다른 DXA기종의 정밀도를 점검할 수 있는 표준 팬텀의 개발과 표준화된 정확도 검사기준을 통해 국내에서 사용되고 있는 골밀도측정기의 유효성을 전반적으로 점검해 봐야 된다고 생각한다. Bone mineral density (BMD), which is used for determining the diagnosis of osteoporosis, the risk of osteoporotic fractures and the effectiveness of the treatment is a very important diagnostic data. Since the introduction of Dual energy X-ray absorptiometry in 1987 in Korea, DEXA is used the most widely because of the advantages of superior accuracy, increased precision, short scanning time and reduced radiation dose. However accuracy errors can be occurred by several factors such as patient, operator and equipment. So to access the extent of accuracy the experiment was carried out using the DXA model to analyze the elements and the changes of BMD measurements according to the body thickness variation if there is any difference between the different beam types of the same company’s product. And the results were following: 1.The BMD value measurement is changed by the body thickness variation of ventral area. So the body thickness is a very important element on follow-up check. 2.The BMD value measurement is hardly changed by the body thickness variation of dorsal area. But I cannot confirm that is not a factor of BMD variation because this experiment carried out by the Lumbar phantom. 3.The value of BMD measurements is affected by the different company’s device and the different beam type. So the different model of DXA is a careful factor. 4.Because the characteristics and properties of each model are different, it should note that the value of BMD measurements can be changed. So the reliability of the instrument should be investigated by standard checks on a regular basis. 5.In order to minimize the effects of the body thickness variation, the manager of equipment should records and manages the body thickness at the first BMD measurements of patient. And on every follow-up check, the same condition is recommended Therefore, if it is measured as same thickness as first, on every follow-up check, the reproducibility becomes good. To check the accuracy of many different types of DXA, it is developed the standard phantom and the standard testing. And then the effectiveness of DXA be used in domestic should be checked.

DXA를 이용한 요추 팬텀 측정 시 스캔시간과 BMD 측정값의 상관도 평가

김하늘 忠南大學校 大學院 2021 국내석사

Study subjects were 772 adult males of 30 years and over, who underwent health package check-up at the health promotion center of a university hospital in The purpose of this study was to look for the DXA protocol that would allow patients radiation exposure as possible and provide accurate diagnosis in osteoporosis diagnosis using DXA. Using DXA's scanning time protocols Express, Fast array, Array, and High definition, measurements were repeated 30 times each, and the results of the experiment were as follows:1. The general characteristics of the lumbar phantom are L1 to –1.05, L2 to –0.64, L3 to –0.9, L4 to –0.27, and the BMD measurements are from L1 to 0.006322, L2 to 0.007620, L3 to 0.007446, L4 to 0.0105592. The measurements were tested for statistical significance through RM-ANOVA, and both T-score and BMD measurements rejected spherical assumptions to adopt a Greenhouse-geisser test. The mean difference between phantom measurements and scan times was statistically significant.3. For the average comparison of the measured values, the average values were compared using Tukey post-analysis of centralized distribution analysis, but only one decimal point was utilized for bone density measurement, and a statistically significant difference was shown depending on the T-score rather than the BMD measurement, but the average difference was meaningless for actual clinical use. As a result of this research, it was found that the phantom measurement value could not be represented in Express mode, and that the phantom measurement value matched the phantom measurement value most in Fast array mode, and that the array mode had excellent reproducibility. In this regard, Fast array mode is recommended as a protocol that reduces exposure as much as possible and provides accurate bone density measurements. Study subjects were 772 adult males of 30 years and over, who underwent health package check-up at the health promotion center of a university hospital in The purpose of this study was to look for the DXA protocol that would allow patients radiation exposure as possible and provide accurate diagnosis in osteoporosis diagnosis using DXA. Using DXA's scanning time protocols Express, Fast array, Array, and High definition, measurements were repeated 30 times each, and the results of the experiment were as follows:1. The general characteristics of the lumbar phantom are L1 to –1.05, L2 to –0.64, L3 to –0.9, L4 to –0.27, and the BMD measurements are from L1 to 0.006322, L2 to 0.007620, L3 to 0.007446, L4 to 0.0105592. The measurements were tested for statistical significance through RM-ANOVA, and both T-score and BMD measurements rejected spherical assumptions to adopt a Greenhouse-geisser test. The mean difference between phantom measurements and scan times was statistically significant.3. For the average comparison of the measured values, the average values were compared using Tukey post-analysis of centralized distribution analysis, but only one decimal point was utilized for bone density measurement, and a statistically significant difference was shown depending on the T-score rather than the BMD measurement, but the average difference was meaningless for actual clinical use. As a result of this research, it was found that the phantom measurement value could not be represented in Express mode, and that the phantom measurement value matched the phantom measurement value most in Fast array mode, and that the array mode had excellent reproducibility. In this regard, Fast array mode is recommended as a protocol that reduces exposure as much as possible and provides accurate bone density measurements.

엑스선골밀도측정기의 품질관리 항목의 제안

이인주 고려대학교 대학원 2017 국내석사

Dual Energy X-ray Bone densitometry has been widely used for measuring bone density. The most important part of DXA quality control is to maintain accuracy and reproducibility, but the quality control methods such as evaluation item and inspection interval are depended on the manufacturers and brands. These differences can influence measuring for accuracy and reproducibility, therefore it makes quality control of DXA device difficult. In this study, We have developed guideline for efficient quality control of DXA. We also suggested user-friendly method of cross-calibration for domestic DXA device. We anticipate that this guideline help medical institution and manufacture manage DXA device effectively.

이중에너지 X선 흡수법을 이용한 골밀도측정기의 성능평가 방법

전병용 아주대학교 IT융합대학원 2018 국내석사

본 논문에서는 객관성 있는 팬텀 2종을 선정하여 BMD (Bone Mineral Density)의 제조사별, 설치환경별 재현성과 정확도를 측정하고 통계적인 분석을 통해 DXA 골밀도측정기의 성능평가 시험항목을 제안한다. 의료기술의 발전으로 노령인구도 증가하고 있다. 자연스럽게 골다공증에 관한 관심이 증가하고 있으며, 측정방법에도 다양한 기술이 활용된다. 일반적으로 DXA (Dual energy X-ray Absorptiometry), QCT (Quantitative Computed Tomography), QUS (Quantitative Ultrasound) 방식들이 있으며, DXA 방식은 가장 널리 활용된다. 국내에서 DXA 방식을 활용한 골밀도측정기의 허가 시험은 해외와 거의 동일한 규격을 적용하여 진행한다. 다만, 일본과 한국에서는 성능평가 시험을 제시하도록 되어있다. 그 중 일본의 경우 JIS규격(Japanese Industrial Standards)을 제시하여 규격에 맞는 팬텀으로 성능시험을 진행하지만 국내의 경우 성능에 대한 가이드라인이 정해져 있지 않아 제조/수입업체에서 제시한 시험 기준으로 시험을 진행한다. 이렇게 되면 제조사마다 기준이 다르게 되어 많은 문제를 야기하기 때문에 본 논문을 통해 적용 가능한 시험항목을 제안한다. In this paper, two objective phantoms were selected to measure the reproducibility and accuracy of BMD (Bone Mineral Density) according to the manufacturer and installation environment,and proposed a performance evaluation test item of DXA by statistical analysis. As the aging population becomes more interested in osteoporosis, a variety of techniques are used in measurement methods. Generally, there are DXA, QCT, and QUS methods, and the DXA method is currently the most widely used. The approval test of bone densitometer using DXA method in Korea is carried out by applying almost the same standard as overseas. However, in Japan and South Korea, it is recommended that the performance tests be presented. In Japan, the JIS standard is presented and the performance test is conducted with the phantom conforming to the standard. However, since the guidelines for performance are not established in Korea, the test is being conducted with the test standard suggested by the manufacturer / importer. This causes many problems because the standards vary from the manufacturer.

Development of Multi-Channel DXA Detector for Cone Beam Data Acquisition

이세은 서강대학교 일반대학원 2025 국내석사

Linear-type fan beam detectors have been commonly used in dual-energy X-ray absorptiometry (DXA), which requires long scan time and high radiation exposure when imaging a large area. These problems could be resolved by employing array-type cone beam detectors that could provide a wide field-of-view with a single exposure. The purpose of this study was to develop an array-type multi-channel cone beam DXA detector. The detector was composed of LYSO coupled with a SiPM. Diode-based SCD readout was used to reduce the 256 signals of SiPMs to 32. Diode-based time-over- threshold (ToT) was used to measure the time and energy information. A 32-ch tapped delay-line TDC was implemented in FPGA to measure the rising edge and the width of the ToT output. Energy resolutions were acquired using Am-241 and Co-57 point sources. The 256 energy spectra were also acquired using X-ray generator. The count variations of the low- and high- energy regions were measured to evaluate the uniformity and stability of the detector. The energy resolutions were 25.4% and 21.3% at 60 keV and 122 keV, respectively. Two energy peaks in low- and high-energy regions were clearly discriminated in the 256 energy spectra. Average count variations of the low and high energy regions were 0.6% and 1.3%, respectively. These results indicated that the proposed cone beam DXA detector had sufficient energy resolution, uniformity and stability to discriminate low-energy X- rays and could be useful for cone beam DXA detector. 선형형 팬빔 검출기는 이중에너지 X선 흡수계측법(DXA)에서 일반적으로 사용되고 있으나, 넓은 영역을 촬영할 경우 긴 촬영 시간과 높은 방사선 노출이라는 문제가 있다. 이 문제는 한번에 넓은 범위를 촬영할 수 있는 배열형 콘빔 검출기를 사용함으로써 해결할 수 있다. 본 연구의 목적은 배열형 다채널 콘빔 DXA 검출기를 개발하는 것이다. 검출기는 LYSO와 SiPM을 결합하여 구성되었다. SiPM의 256개 신호를 32개로 줄이기 위해 다이오드를 대칭 구조로 배열하여 전하를 분배하는 방식을 사용하였으며, 시간 및 에너지 정보를 측정하기 위해 다이오드 기반의 ToT(Time-over-Threshold) 방식을 적용하였다. ToT 출력 신호가 검출기에 도달한 시간과 신호의 너비를 측정하기 위해 FPGA에 32채널 tapped delayline TDC(Time-to-Digital Converter)를 구현하였다. Am-241 및 Co-57 점선원을 사용하여 에너지분해능을 측정하였으며, X선 발생기를 사용하여 256채널 에너지 스펙트럼을 획득하였다. 검출기의 균일성과 안정성을 평가하기 위해 저에너지 및 고에너지 영역의 카운트 변동성을 측정하였다. 에너지 해상도는 60 keV와 122 keV에서 각각 25.4%와 21.3%였다. 256채널 에너지 스펙트럼에서 저에너지와 고에너지 영역의 두 에너지 피크가 명확히 구분되었다. 저에너지와 고에너지 영역의 평균 카운트 변동성은 각각 0.6%와 1.3%로 나타났다. 이러한 결과는 제안된 콘빔 DXA 검출기가 저에너지 X선을 구분하기에 충분한 에너지 분해능, 균일성 및 안정성을 가지고 있으며, 콘빔 DXA 검출기로 유용하게 사용할 수 있음을 나타낸다.

DXA 골밀도 검사시 차폐 기구에 따른 공 간선량률 평가

주재인 김천대학교 일반대학원 2024 국내석사

본 연구는 DXA 장비를 이용한 골밀도 검사 시 발생하는 산란선으로 인해 검사 이외의 부위에 피폭되는 것을 차폐하여 환자의 피폭을 경감시키는 방법을 알아보기 위한 연구이다. 현대의학의 발전과 과학이 진보함에 따라 의료 방사선을 사용하는 검사와 횟수는 날로 증가하고 있다. 그중 골밀도 검사는 인구의 고령화로 골다공증 환자가 증가하면서 검사 건수도 증가하고 있다. 골밀도 검사를 시행하는 검사 부위는 환자에게 있어서 꼭 필요한 검사로 환자의 피폭은 불가피하다. 하지만, 환자의 검사 부위를 제외한 주변 장기들의 피폭선량 경감은 매우 중요한 사항이다. 이에 골밀도 검사 시 전용 차폐 기구를 자체 개발하여 환자의 피폭선량을 경감시키는 방안을 모색하였다. 실험에 사용된 DXA 장비는 Bone-Pro를 사용하였고, 선량계는 Thermo scientific를 사용하였다. 실험 대상으로는 인체 팬텀을 테이블에 올려놓고, 실제 환자에게 적용되는 방법과 동일하게 검사를 시행하였다. 실험은 각도별, 거리별로 각 지점마다 차폐 기구 사용 전 · 후로 각 5회씩 측정하여 평균값, 표준편차를 측정하고 감소율을 계산하였다. 실험 결과, 차폐 기구 사용 전 · 후 감소율은 최저 71.05%, 최고 95.82%라는 감소율을 나타내었다. 따라서 차폐 기구를 통해서 환자의 검사 부위를 제외한 나머지 주변 장기의 피폭선량을 저감화시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통하여 골밀도 검사를 시행할 때 차폐 기구를 사용함으로써 환자 피폭선량의 감소 결과는 방어의 최적화를 이루는 역할을 할 것이며, 의료 피폭 저감화라는 ICRP 103에서 권고한 대책에도 적절하다고 생각된다. The research is a study to find out how to reduce patient exposure by shielding exposure to areas other than the test due to scattering lines generated during bone density tests using DXA equipment. As modern medicine develops and science advances, the number of examinations using medical radiation is increasing day by day. Among them, the number of bone density tests is increasing as the number of osteoporosis patients increases due to the aging population. The area where the bone density test is performed is an essential test for patients, and exposure of the patient is unavoidable. However, it is very important to reduce the exposure dose of peripheral organs other than the patient's examination area. Therefore, we are trying to find a way to reduce the patient's exposure dose by developing our own bone density shielding device. Bone-Pro was used as the DXA device used in the experiment, and Thermo scientific was used as the dosimeter. As an experimental subject, a human phantom was placed on the table, and the examination was performed in the same way as applied to actual patients. The experiment was measured 5 times before and after using the shielding device at each point by angle and distance, and the average value, standard deviation, and reduction rate were calculated. As a result of the experiment, the reduction rate before and after using the shielding device showed a reduction rate of a minimum of 71.05% and a maximum of 95.82%. Therefore, it was confirmed that the exposure dose to the remaining surrounding organs except for the patient's test site could be reduced through the shielding device. Through this research, it is considered that the result of reducing the patient's exposure dose by using a shielding device when conducting a bone density test will play a role in optimizing protection and conform to the alternatives for reducing medical exposure recommended in ICRP 103.

DXA 골밀도 측정시 산란선에 의한 생식선의 피폭선량과 저감화

정동락 대구가톨릭대학교 대학원 2016 국내석사

Purpose The purpose of the thesis is to measure the precise exposure dose caused by scattering radiation of the adjacent organ ovary and testis when measuring bone mineral density of lumbar spine and proximal femur using dual energy X-ray absorptiometry and to minimize the exposure with Pb shield. By verifying the availability of Pb shield, in addition, it recommends radiologists who carry out bone mineral density to use Pb shield. Meterials and Method The experiment is performed by filling the water fully after materializing an ovary inside a mannequin. Lumbar spine and proximal femur are measured attaching TLD on the location of the ovary and testis. 18 tests have been made. Among them, 10 tests are done without Pb shield, and 8 tests with Pb shield on the genital gland. Results Exposure dose caused by scattering radiation is measured on 10 among 140 TLD used in all experiments. Furthermore, the ones with exposure dose are the 10 TLDs in the ovaries without Pb shield, but with Pb shield any exposure dose is not measured at all. Conclusion When taking bone mineral density using dual energy X-ray absorptiometry, exposure dose caused by scattering radiation is measured in the adjacent ovary and testis. The exposure dose is detected in the ovary without Pb shield, but not in the testis. It is seen as a result of the characteristic of scattering radiation taking effect randomly. In addition, the experiment shows that the Pb shield is useful since with Pb shield there is no exposure dose. Key words: Bone Mineral Density, Osteoporosis, Scattering Radiation