파이썬 활용 다이콤 헤더 분석을 기반한 디지털 엑스선 검사의 선량 저감화 및 노출지수 최적화 프로토콜 개발 = Development of a Protocol for Dose Reduction and Exposure Index Optimization in Digital Radiographic Examinations Based on DICOM Header Analysis Using Python

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aimed to develop a protocol for optimizing the Exposure Index(EI) and reducing the dose of digital radiographic examinations using DICOMheader analysis in Python. The study was conducted using digital X-ray equipment at the Air Force Aerospace Medical Center in Cheongju from February 16, 2024, to May 29, 2024. Data on EI, Dose Area Product (DAP), and Entrance Surface Dose (ESD) were extracted from Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) header information. Using Python, frequency analysis, mean, and standard deviation of these parameters were calculated. The collected data were compared with the DAP and ESD values for each of the 19 radiographic examinations presented in the 2023
Diagnostic Reference Level (DRL) guidelines of the Korea Centers for Disease Control and Prevention. Radiographic examinations exceeding the DRL level in Korea, as well as the commonly performed Chest PA
examination, were selected for dose reduction. The dose reduction protocol was divided into a manual method and an AEC method. In the manual method, the tube current was reduced by 50% stepwise from the initial investigation conditions, and a radiologist evaluated the image quality after each step. In the AEC method, images were acquired for each AEC setting, and the setting that minimized the dose while maintaining diagnostic value was selected. Based on the optimized X-ray exposure conditions and EI, the
clinical application period was from September 1, 2024, to October 31, 2024. As a result, a total of eight radiographic examinations were identified. The minimum dose exposure conditions were as follows: Chest PA (120 kVp, density -3, sensitivity High), C-spine AP (100 kVp, density 0, sensitivity Low), C-spine Lat. (120 kVp, density 0, sensitivity Low), Shoulder AP (70 kVp, density -5, sensitivity High), Hand PA (55 kVp, 2.5 mAs), Elbow AP (60 kVp, 2.5 mAs), Ankle AP (60 kVp, 3.2 mAs), and Knee AP (60 kVp, 6.3 mAs). The mean optimized EI values were: Chest PA 1,980.5 ± 375.3, C-spine AP 391.6 ± 60.1, C-spine Lat 341.6 ± 70.8, Shoulder AP 1,237.6 ± 191.8, Hand PA 768.9 ± 225.5, Elbow AP 1,057.2 ± 275.9, Knee AP 1,126.5 ± 303.6, and Ankle AP 344.1 ± 194.6. The dose reduction rates for DAP and ESD were: Chest PA 48.4%/42.9%, C-spine AP 75.1%/71.4%, C-spine Lat. 76.4%/73.4%, Shoulder AP 61.6%/56.8%, Hand PA 69.2%/60.9%, Elbow AP 74.4%/65.5%, Knee AP 51.8%/49.3%, and Ankle AP 35.0%/29.3%, with a total
mean reduction of 61.5%/56.2%. This protocol developed in this study provides a method to optimize X-ray exposure conditions and EI in clinical practice, with a confirmed dose reduction effect .

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 파이썬으로 다이콤 헤더 분석을 이용하여 디지털 엑스선 검사의 선량 저감화 및 노출지수 (Exposure Index, EI) 최적화 프로토콜을 개발하였다. 연구대상 및 방법으로 청주 소재 공군 항공우주의료원 디지털 엑스선 장비에서 2024년 2월 16일부터 5월 29일까지 획득한 디지털의료영상표준 (Digital Imaging and Communications in Medicine, DICOM) 헤더 (Header) 정보에서 노출지수와 면적선량 (Dose Area Product, DAP), 입사표면선량 (Entrance Surface Dose, ESD)을 수집하여, 파이썬 코딩으로 빈도분석 및 평균, 표준편차를 추출하였다. 수집된 데이터를 2023년 질병관리청 진단참고수준 (Diagnosis Reference Level, DRL) 가이드라인에 제시된 19가지 검사별 입사표면선량과 면적선량 값을 비교하여 해당 노출지수를 도출하고 현 수준을 분석하였다. 이 중 한국 DRL 수준에 미달하는 검사 항목과 검사 빈도가 높은 Chest PA 검사를 선량 저감화 대상으로 선정하였다. 본 연구에서는 수동 방식과 자동노출제어 (Automatic Exposure Control, AEC) 방식을 나누어 선량 저감화 프로토콜을 개발하였다. 수동 방식은 초기 조사 조건보다 관전류를 50%씩 단계적으로 하향시키며 매번 영상품질은 영상의학과 전문의의 평가를 받았다. AEC 방식은 AEC의 조절 인자별로 영상을 획득한 후, 진단적 가치가 있는 영상 중에서 선량을 최소한으로 노출시킨 조절 인자로 최적화하였다. 도출된 최적 노출 조건과 노출지수를 기반으로 임상에 적용한 기간은 2024년 9월 1일부터 10월 31일이었다. 그 결과, 총 8개의 검사항목이 도출되었으며, 최소 선량에서의 노출 조건은 다음과 같았다. Chest PA는 120 kVp, 농도 -3, 감도 High, C-spine AP는 100 kVp, 농도 0, 감도 Low, C-spine Lat.은 120 kVp 농도 0, 감도 Low, Shoulder AP는 70 kVp, 농도 –5, 감도 High, 수동 검사 Hand PA는 55 kVp, 2.5 mAs, Elbow AP는 60 kVp, 2.5 mAs, Ankle AP는 60 kVp, 3.2 mAs, Knee AP는 60 kVp, 6.3 mAs이었다. 최적화된 노출지수의 평균은 다음과 같았다. Chest PA 1,980.5±375.3, C-spine AP 391.6±60.1, C-spine Lat 341.6±70.8, Shoulder AP 1,237.6±191.8, Hand PA 768.9±225.5, Elbow AP 1,057.2±275.9, Knee AP 1,126.5±303.6, Ankle AP 344.1±194.6이었다. DAP 및 ESD의 선량 감소율은 다음과 같았다. Chest PA 48.4%/42.9%, C-spine AP 75.1%/71.4%, C-spine Lat. 76.4%/73.4%, Shoulder AP 61.6%/56.8%, Hand PA 69.2%/60.9%, Elbow AP 74.4%/65.5%, Knee AP 51.8%/49.3%, Ankle AP 35.0%/29.3%이었으며 평균 61.5%/56.2%였다. 본 연구에서 개발된 프로토콜은 임상에서 엑스선 노출 조건과 노출지수의 범위를 최적화할 수 있는 방안을 제시하였으며, 선량 저감화 효과를 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제1절 연구배경 1
• 1. 연구 필요성 1
• 2. 이론 배경 3
• 가. 노출지수 3
• 나. 진단참고수준 5
• 다. 의료영상저장전송시스템과 디지털의료영상표준 7
• 라. 파이썬 9
• 마. 자동노출제어 장치 10
• 제2절 연구 설계 및 목적 11
• 1. 연구 설계 11
• 2. 연구 목적 12
• 제2장 재료 및 방법 13
• 제1절 재료 13
• 1. 일반 엑스선 발생장치 13
• 2. 선량 관련 DICOM 헤더 정보 13
• 제2절 실험방법 14
• 1. 선량 저감화 임상 프로토콜 수립 14
• 2. 한국 DRL 근거 기반 현 노출지수 범위 수준 파악 16
• 가. 대상 및 기간 16
• 나. 일반촬영 DRL 수준 17
• 다. 파이썬을 이용한 다이콤 헤더 분석 코드 설계 18
• 라. 본원 선량 빈도분석 및 현 노출지수 범위 도출 20
• 마. DAP 기준 선량저감화 대상 선정 21
• 바. ESD 기준 선량저감화 대상 선정 23
• 3. 본원 AEC 초기 조절 인자 설정 및 최적화 25
• 가. Chest PA 최적화 27
• 나. C-spine AP/Lat. 최적화 28
• 다. Shoulder AP 최적화 29
• 4. 본원 수동 초기 설정 및 최적화 30
• 가. Hand AP 최적화 31
• 나. Elbow AP 최적화 32
• 다. Knee AP 최적화 33
• 라. Ankle AP 최적화 34
• 5. 영상평가 35
• 6. 통계분석 37
• 제3장 결과 38
• 1. 검사 별 빈도분석 및 기술통계 38
• 2. 선량 조절 인자에 따른 정성적 영상품질 평가 40
• 가. 정성적 영상품질 평가에 따른 AEC 선량 조절 인자 최적화 40
• 나. 정성적 영상품질 평가에 따른 수동 선량 조절 인자 최적화 42
• 3. AEC 최적화 선량 저감화 비교 결과 43
• 4. 수동 최적화 선량 저감화 비교 결과 45
• 5. 선량 저감화율 47
• 가. DAP의 선량 저감화율 47
• 나. ESD의 선량 저감화율 48
• 다. EI 최적화 범위 49
• 제4장 고찰 51
• 제5장 결론 56
• 참 고 문 헌 57
• Abstract 68
• 부록 71