CMOS 영상센서 기반 디지털 X-선 영상시스템의 구현 및 영상특성 평가에 관한 연구

Abstract

[한글]본 연구에서는 디지털 X-선 영상시스템의 최적화 설계 및 영상특성을 사전에 평가하기 위하여 몬테카를로 방법을 이용한 영상모의실험용 코드를 비쥬얼 C++ 프로그래밍 언어를 사용하여 개발하였으며, 또한 CMOS 영상센서(픽셀크기: 48x48 mm2, Radicon사)와 Gd2O2S(Tb) 섬광체(두께: 43.2μm, KODAK(Min-R)) 기반의 디지털 X-선 영상시스템을 구현하였다. 관전압 60kVp, 관전류 1mA, 조사시간 1초의 촬영조건에서 모의실험영상과 실험영상을 획득한 후 영상평가의 객관적 지표인 SNR(signal-to-noise ratio), MTF(modulation transfer function), NPS(noise power spectrum), DQE(detective quantum efficiency)를 계산하여 그 화질을 비교 평가하였다. 모의실험을 통하여 획득된 X-선 영상의 특성은 낮은 조사선량에서 높은 신호대잡음비를 보였으며 10% MTF에서 약 9.5 lp/mm로 측정되었다. NPS와 DQE 특성은 공간주파수가 증가할수록 점진적으로 감소하였으며, 또한 X-선 조사선량이 증가할수록 NPS는 감소한 반면 DQE는 증가하였다. 이 때 DQE(0) 값은 1.0, 3.0, 5.0mR 조사선량에서 각각 약 0.8, 0.85, 0.9으로 계산되었다. 구현된 디지털 X-선 영상시스템은 X-선 조사선량에 대해 선형적인 응답을 나타내었으며, 이 때 획득된 영상의 특성은 X-선 조사선량이 증가할수록 신호대잡음비가 증가하다가 70mR에서 포화되었으며, 10% MTF에서 약 6.0 lp/mm로 측정되었다. 또한 NPS와 DQE 특성은 공간주파수와 X-선 조사선량에 대해 모의실험 결과와 비슷한 결과를 나타내었으며, 이 때 DQE(0) 값은 10mR, 26mR, 47mR의 실험조건에서 각각 약 0.28 0.59, 0.70로 측정되었다. / 본 연구에서 제작된 몬테카를로 모의실험 코드를 이용하여 다양한 디지털 X-선 영상시스템에 대해 여러 설계변수들에 대한 성능을 예측함으로써 영상시스템의 최적설계에 활용될 수 있으며, 저가의 CMOS 영상센서 기반의 디지털 X-선 영상시스템을 구현하고 획득된 영상의 특성 평가를 통하여 시스템의 물리적 특성 및 영상 특성을 파악할 수 있었다.

[영문]In this study, we developed a Monte Carlo image simulation code written with visual C++ programming language to evaluate image qualities of the designed digital radiography system based on CMOS image sensor and Gd2O2S(Tb) scintillator. Under test conditions of 60 kVp tube voltage, 1 mA tube current, 1 second exposure time, and Gd2O2S(Tb) scintillator (Min-R, thickness: 43.2 μm, KODAK, USA), we obtained X-ray images both from the simulation code and from experiments, and evaluated their image qualities through the SNR (signal-to-noise ratio), MTF (modulation- transfer function), NPS (noise-power spectrum), and DQE (detective quantum efficiency). For the given test conditions, the simulated X-ray images showed a good response with X-ray exposure and about 9.5 lp/mm measured at 10% MTF, and NPS and DQE decreased gradually with spatial frequency. In addition, NPS decreased with X-ray exposure, but DQE increased; DQE(0) value was calculated as about 0.80, 0.85, 0.90 for X-ray exposures of 1.0, 3.0, and 5.0 mR, respectively. For experimental images, the SNR increased with X-ray exposure and was saturated over 70 mR. The spatial frequency was measured as about 6.0 lp/mm at 10% MTF, and the DQE(0) value about 0.28, 0.59, 0.70 for X-ray exposures of 10, 26, and 47 mR, respectively. / The image simulation code developed in the study can be applied for a variety of digital X-ray imaging systems, and will be used for the design optimization of an X-ray imaging system by estimating its performance on various design parameters.