고선량률 근접치료는 저선량률 근접치료와 비교하여 짧은 시간에 많은 선량이 조사되며, 치료를 위한 최적화가 물리적 요인, 방사선 파라미터, 최적화 알고리즘 같은 여러 복잡한 요인들과 연관되어 있으므로 정확한 선량 전달을 위해서는 정확한 검증 과정을 필요로 한다. 본 연구에서는 앞선 연구에서 제작하였던 선량 검증용 팬톰의 단점을 보완하고 CT나 MRI 시스템에서도 이용할 수 있는 구조를 추가시켜 고선량률 근접 치료의 위치 및 선량 검증을 위한 새로운 자궁경부암용 팬톰을 개발하였다. 또한, 개발된 팬톰을 이용하여 고선량률 근접치료에서의 기존의 필름에 기반한 orthogonal 방법의 위치 확인에 대한 점증을 수행하였다. 위치 확인에 대한 철증은 CT 시스템에서의 좌표를 비교, 분석함으로써 수행되었다. 제작된 팬톰은 자궁경부암 환자를 대상으로 환자의 해부학적 구조를 모사하여 제작하였기 때문에 방광과 직장을 모사한 구와 원기둥의 구조물을 포함하고 있으며, C-arm과 CT 영상을 정확하게 획득하기 위한 localizer를 포함하고 있다. 또한, C-arm 및 CT 좌표 비교 수행을 위하여 알고리즘에 기반한 재구성 프로그램을 직접 IDL 5.5를 이용, window 환경에서 개발하였다. 좌표 비교를 수행한 결과, CT의 좌표가 정확한 좌표라고 가정했을 때 필름에 기반한 방법은 모든 점에서 1.0 mm 이내에서 일치함을 확인할 수 있었다. 본 연구를 바탕으로 우리는 현재 사용하고 있는 Plato (Nucletron, Netherlands) 근접치료 기기의 위치 확인 알고리즘에 대한 검증을 자체적으로 수행할 수 있었다. 이번 연구에서 새롭게 제작된 팬톰과 소프트웨어는 근접치료의 Qual Assurance (OA) 분야에서 효율적이고 강력한 QA 도구로 자리 잡을 수 있을 것으로 기대된다.
고선량률 근접치료는 저선량률 근접치료와 비교하여 짧은 시간에 많은 선량이 조사되며, 치료를 위한 최적화가 물리적 요인, 방사선 파라미터, 최적화 알고리즘 같은 여러 복잡한 요인들과 연관되어 있으므로 정확한 선량 전달을 위해서는 정확한 검증 과정을 필요로 한다. 본 연구에서는 앞선 연구에서 제작하였던 선량 검증용 팬톰의 단점을 보완하고 CT나 MRI 시스템에서도 이용할 수 있는 구조를 추가시켜 고선량률 근접 치료의 위치 및 선량 검증을 위한 새로운 자궁경부암용 팬톰을 개발하였다. 또한, 개발된 팬톰을 이용하여 고선량률 근접치료에서의 기존의 필름에 기반한 orthogonal 방법의 위치 확인에 대한 점증을 수행하였다. 위치 확인에 대한 철증은 CT 시스템에서의 좌표를 비교, 분석함으로써 수행되었다. 제작된 팬톰은 자궁경부암 환자를 대상으로 환자의 해부학적 구조를 모사하여 제작하였기 때문에 방광과 직장을 모사한 구와 원기둥의 구조물을 포함하고 있으며, C-arm과 CT 영상을 정확하게 획득하기 위한 localizer를 포함하고 있다. 또한, C-arm 및 CT 좌표 비교 수행을 위하여 알고리즘에 기반한 재구성 프로그램을 직접 IDL 5.5를 이용, window 환경에서 개발하였다. 좌표 비교를 수행한 결과, CT의 좌표가 정확한 좌표라고 가정했을 때 필름에 기반한 방법은 모든 점에서 1.0 mm 이내에서 일치함을 확인할 수 있었다. 본 연구를 바탕으로 우리는 현재 사용하고 있는 Plato (Nucletron, Netherlands) 근접치료 기기의 위치 확인 알고리즘에 대한 검증을 자체적으로 수행할 수 있었다. 이번 연구에서 새롭게 제작된 팬톰과 소프트웨어는 근접치료의 Qual Assurance (OA) 분야에서 효율적이고 강력한 QA 도구로 자리 잡을 수 있을 것으로 기대된다.
HDR brachytherapy administers a large dose of radiation in a short time compare with LDR, and its optimization for treatment is related to several complex factors, such as physical, radiation and optimization algorithms, so there is a need for these to be verified for accurate dose delivery. In our ...
HDR brachytherapy administers a large dose of radiation in a short time compare with LDR, and its optimization for treatment is related to several complex factors, such as physical, radiation and optimization algorithms, so there is a need for these to be verified for accurate dose delivery. In our approach, a previous study concerning the phantom for dose verification has been modified, and a new pelvic phantom fabricated for the purpose of localization, including a structure enabling the use of a CT or MRI system. In addition, a comparison study was performed to verify an orthogonal method that is commonly used for brachytherapy localization by comparing target coordinates from a CT system. Since the developed phantom was designed to simulate the clinical setups of cervix cancer, it included an air-filled bladder and a rectum structure shaped sphere and cylinder An N-shaped localizer was used to obtain precision coordinates from both CT and films. Moreover, the IDL 5.5 software program for Windows was used to perform coordinates analysis based on an orthogonal algorithm. The film results showed differences within 1.0 mm of the selected target points compare with the CT coordinates. For these results, a Plato planning system (Nucletron, Netherlands) could be independently verified using this phantom and software. Furthermore, the new phantom and software will be efficient and powerful qualify assurance (QA) tools in the field of brachytherapy QA.
HDR brachytherapy administers a large dose of radiation in a short time compare with LDR, and its optimization for treatment is related to several complex factors, such as physical, radiation and optimization algorithms, so there is a need for these to be verified for accurate dose delivery. In our approach, a previous study concerning the phantom for dose verification has been modified, and a new pelvic phantom fabricated for the purpose of localization, including a structure enabling the use of a CT or MRI system. In addition, a comparison study was performed to verify an orthogonal method that is commonly used for brachytherapy localization by comparing target coordinates from a CT system. Since the developed phantom was designed to simulate the clinical setups of cervix cancer, it included an air-filled bladder and a rectum structure shaped sphere and cylinder An N-shaped localizer was used to obtain precision coordinates from both CT and films. Moreover, the IDL 5.5 software program for Windows was used to perform coordinates analysis based on an orthogonal algorithm. The film results showed differences within 1.0 mm of the selected target points compare with the CT coordinates. For these results, a Plato planning system (Nucletron, Netherlands) could be independently verified using this phantom and software. Furthermore, the new phantom and software will be efficient and powerful qualify assurance (QA) tools in the field of brachytherapy QA.
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문제 정의
새로운 팬톰을 개발하였다. 개발된 팬톰을 이용하여 고선량률 근접치료에서의 기존의 필름에 기반한 orthogonal 방법의 위치 확인에 대한 검증을 수행하고자 한다. 위치 확인에 대한 검증은 CT 시스템에서의 좌표를 비교, 분석함으로써 수행하였다.
그 대표적인 요인이 필름에서 치료 계획 컴퓨터로 좌표를 옮길 때 발생하는 digitization error와 환자의 호흡 같은 움직임이다. 본 연구에서는 알고리즘 자체에 대한 평가를 수행하기 위하여 움직이지 않는 팬톰을 바탕으로 digitization error를 최소화하기 위해 필름을 거치지 않고 직접 digital 영상을 획득하여 연구를 수행하였다. 그러나 실제 치료 시와 동일하게 환자의 움직임을 고려하여 어떤 과정에서 좌표의 오차가 많이 발생하는지에 대한 연구를 수행해보는 것도 임상적으로 큰 의미가 있을 것으로 생각한다.
본 연구에서는 이전의 연구에서 지적되었던 팬톰의 단점을 보완하고 CT나 MRI 시스템에서도 이용할 수 있는 구조를 추가시켜 고선량률 근접 치료의 위치 및 선량 검증을 위한 새로운 팬톰을 개발하였다. 개발된 팬톰을 이용하여 고선량률 근접치료에서의 기존의 필름에 기반한 orthogonal 방법의 위치 확인에 대한 검증을 수행하고자 한다.
이런 단면 영상을 이용한 연구는 최근까지 계속되고 있고 이런 경향은 영상 기기와 컴퓨터 발전에 힘입어 더욱 발전될 것으로 예상된다. 우리는 CT와 MRI에서도 사용 가능한 다목적 팬톰을 개발하여 CT 영상을 응용한 연구를 수행하였다. 이러한 단면 영상을 이용한 연구는 근접 치료 분야에서 더욱 응용될 것이고 우리는 이 연구를 바탕으로 근접 치료 분야에서 단면 영상을 이용한 연구를 계속 발전시켜 나가려고 한다.
우리는 CT와 MRI에서도 사용 가능한 다목적 팬톰을 개발하여 CT 영상을 응용한 연구를 수행하였다. 이러한 단면 영상을 이용한 연구는 근접 치료 분야에서 더욱 응용될 것이고 우리는 이 연구를 바탕으로 근접 치료 분야에서 단면 영상을 이용한 연구를 계속 발전시켜 나가려고 한다.
제안 방법
이 applicator 홀더는 HDR applicator의 고정을 위해 제작된 것으로 4개의 아크릴 판의 홈에 applicator가 삽입되게 제작되었기 때문에 CT영상을 획득할 때 applicator가 삽입되지 않더라도 홀더의 홈으로 인해 applicator가 삽입된 것과 동일한 영상을 얻을 수 있다. Applicator가 삽입되지 않으므로 금속 물체가 야기 시키는 artifact에 관한 문제를 효과적으로 제거할 수 있으며 이로 인해 정확한 위치측정이 가능하도록 제작하였다. 또한, 제작된 팬톰 외부에 localizer를 포함하는 외부 case를 만들어 MR 영상을 획득 시에는 case 내부에 물을 채워 MR 영상도 위치 검증에 응용될 수 있도록 제작하였다.
5를 이용, window 환경에서 개발하였다. 개발된 팬톰은 자체적인 localizer을 가지고 있기 때문에 제작된 재구성프로그램은 C-arm에서 뿐만이 아니라 일반적인 X-ray 장비에서도 응용 가능하도록 semi-orthogonal 방법을 기반으로 개발하였다.3)
3(b)) 좌표의 부정확성을 유발한 것으로 생각된다. 단면 영상이란 CT의 특성으로 z 좌표의 정확성을 신뢰하는 데에 무리가 있어 타겟의 z 좌표는 실제 좌표와 비교를 수행하였다(Table 3). Z 좌표의 경우, 2 mm의 CT 슬라이스 두께를 사용한 본 실험에서는 필름에 기반을 둔 orthogonal 방법이 실제 팬톰의 좌표와 더욱 일치함을 확인할 수 있었다.
Applicator가 삽입되지 않으므로 금속 물체가 야기 시키는 artifact에 관한 문제를 효과적으로 제거할 수 있으며 이로 인해 정확한 위치측정이 가능하도록 제작하였다. 또한, 제작된 팬톰 외부에 localizer를 포함하는 외부 case를 만들어 MR 영상을 획득 시에는 case 내부에 물을 채워 MR 영상도 위치 검증에 응용될 수 있도록 제작하였다.
사용하는 일반적인 재구성 방법이다. 본 연구에서 위치검증을 위하여 알고리즘에 기반한 재구성 프로그램을 직접IDL 5.5를 이용, window 환경에서 개발하였다. 개발된 팬톰은 자체적인 localizer을 가지고 있기 때문에 제작된 재구성프로그램은 C-arm에서 뿐만이 아니라 일반적인 X-ray 장비에서도 응용 가능하도록 semi-orthogonal 방법을 기반으로 개발하였다.
앞선 연구에서 제작하였던 applicator 홀더와 TLD 홀더는 본 팬톰에도 응용되어 반복적인 실험에도 정량적인 선량 분석이 가능하도록 제작하였다.2) 그러나 본 위치 검증을 위한 본 연구에서는 이 applicator 홀더를 다른 목적으로 사용하였다.
우리는 CT 좌표 체계의 재 정의와 타겟의 z-축 계산을 자동적으로 수행하기 위해 IDL 5.5를 이용하여 프로그램을 개발하였다. Fig.
개발된 팬톰을 이용하여 고선량률 근접치료에서의 기존의 필름에 기반한 orthogonal 방법의 위치 확인에 대한 검증을 수행하고자 한다. 위치 확인에 대한 검증은 CT 시스템에서의 좌표를 비교, 분석함으로써 수행하였다.
제작된 팬톰은 일반적으로 근접치료가 주로 수행되는 자궁경부암 환자를 대상으로 환자의 해부학적 구조를 모사하여 제작하였다. 팬톰은 크게 두 부분으로 구성된다.
비교를 통해 좌표의 검증을 수행하였다. 좌표의 검증은 OS 점과 방광의 벽 그리고, A 점(A point 1)과 A 점에서 1 cm 씩 떨어진 두 점(A point 2, A point 3)에 대해서 수행하였다. X-axis의 좌표는 수평의(horizontal) 좌표이며 y-axis 는 세로의(longitudinal) 좌표, z-axis는 수직의(vertical) 좌표로 정의하였다.
필름에 기반한 orthogonal 재구성 좌표와 보정된 CT의 좌표의 비교를 통해 좌표의 검증을 수행하였다. 좌표의 검증은 OS 점과 방광의 벽 그리고, A 점(A point 1)과 A 점에서 1 cm 씩 떨어진 두 점(A point 2, A point 3)에 대해서 수행하였다.
대상 데이터
1). 제작된 localizer는 지름 5 nun의 아크릴 관으로 제작하였으며 CT의 단면 영상에서 z축의 좌표를 알아내기 위해 N 모형의 localizer 4개로 구성되어 있다. 이 localizer는 C-arm에 이용될 때 스테인리스 스틸로 제작된 1 cm의 나사 16개와 결합되어 localizer의 각 면당 4개의 localizer marker를 형성하여 필름에 기반한 localization 수행을 가능하게 한다(Fig.
팬톰은 크게 두 부분으로 구성된다. 첫 번째 구조는 아크릴 관으로 구성된 localizer 부분이고 두 번째 구조는 아크릴과 물로 구성된 팬톰 부분이다(Fig. 1). 제작된 localizer는 지름 5 nun의 아크릴 관으로 제작하였으며 CT의 단면 영상에서 z축의 좌표를 알아내기 위해 N 모형의 localizer 4개로 구성되어 있다.
이론/모형
4. The relation between α and β is derived by the "in variance of cross-ratio" method.
우리는 제작된 팬톰의 N 모형의 localizer와 localizer에 결합된 나사(X-ray 촬영 시 localizer marker를 형성)를 기준으로 두 좌표 체계를 일치시켰다. 또한, CT 영상에서의 타겟의 z-축의 계산을 위해 N 모형 localizer 방정식을 이용하였다.4) 식은 아래와 같다.
성능/효과
1) 고선량률 근접치료에서 야기되는 문제들을 사전에 방지하기 위해서는 정기적으로 치료 계획 컴퓨터의 선량 계산 값과 팬톰에서 직접 측정한 값의 비교를 통해 검증을 해야 한다. 우리는 앞선 연구에서 고선량률 근접 치료 검증을 위한 팬톰을 자체 개발하여 TLD(Thermolumine-scent dosimeters)를 이용한 절대 선량의 검증을 성공적으로 수행한 바 있으나 개발되었던 팬톰은 인체구조를 유사하게 모사하지 못하였고 위치 검증을 위한 구조가 미미하여 정확한 위치 검증을 수행하는 데에는 한계가 있었다.
단면 영상이란 CT의 특성으로 z 좌표의 정확성을 신뢰하는 데에 무리가 있어 타겟의 z 좌표는 실제 좌표와 비교를 수행하였다(Table 3). Z 좌표의 경우, 2 mm의 CT 슬라이스 두께를 사용한 본 실험에서는 필름에 기반을 둔 orthogonal 방법이 실제 팬톰의 좌표와 더욱 일치함을 확인할 수 있었다.
본 연구를 통해 직접 개발된 팬톰과 소프트웨어를 이용하여 현재 사용하고 있는 Plato (Nucletron, Netherlands) 근접치료 기기의 위치 확인 알고리즘에 대한 검증을 자체적으로 수행할 수 있었다. 앞선 논문에서 제작하였던 선량 검증용 팬톰과 함께 이번 연구에서 새롭게 제작된 QA(quality assurance) 도구들은 간단한 방법으로 쉽게 근접 치료의 신뢰성을 검증할 수 있어 근접치료의 QA 분야에서 강력한 QA 도구로 자리 잡을 수 있을 것이다.
3는 angio X-ray (Toshiba)를 이용하여 획득한 팬톰의 AP, LAT 영상이다. 획득된 AP 영상에는 2개의 사각형 localizer를 형성하는 8개의 marker를 확인할 수 있고, LAT 필름에도 2개의 사각형 localizer를 형성하는 8개의 marker를 확인할 수 있다(Fig. 3). Fig.
후속연구
또한 본 연구를 바탕으로 개발된 프로그램을 응용하면 CT의 좌표를 film의 좌표로, film의 좌표를 CT로 옮기는 좌표 변환이 가능할 것이다. 그러면, 실제 환자에 맞는 localizer를 제작하여 정확한 계산을 통하여 film에서 확인이 어려운 장기의 구조나 위치 등의 정보를 CT의 영상에 얻어올 수 있어 근접치료 계획 시 큰 도움을 줄 수 있으리라 기대된다.
앞선 논문에서 제작하였던 선량 검증용 팬톰과 함께 이번 연구에서 새롭게 제작된 QA(quality assurance) 도구들은 간단한 방법으로 쉽게 근접 치료의 신뢰성을 검증할 수 있어 근접치료의 QA 분야에서 강력한 QA 도구로 자리 잡을 수 있을 것이다. 또한 본 연구를 바탕으로 개발된 프로그램을 응용하면 CT의 좌표를 film의 좌표로, film의 좌표를 CT로 옮기는 좌표 변환이 가능할 것이다. 그러면, 실제 환자에 맞는 localizer를 제작하여 정확한 계산을 통하여 film에서 확인이 어려운 장기의 구조나 위치 등의 정보를 CT의 영상에 얻어올 수 있어 근접치료 계획 시 큰 도움을 줄 수 있으리라 기대된다.
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