IMRT, 양성자 치료와 같이 방사선 치료 기술이 발전할수록 치료 시 환자의 위치를 확인하고 그 정확성을 평가하는 기술의 중요성이 강조되고 있다. 현재 국립암센터 양성자치료센터에 설치되어 있는 양성자 치료기의 단순 X-선 영상시스템을 이용하여 콘빔 CT (cone-beam CT) 3차원 영상을 획득, 영상유도 방사선 치료의 가능성을 확인하고자 하였다. 양성자 치료기에 설치되어있는 X-선 영상시스템(SDD: 2,108 mm, SOD: 1,511 mm, Varian a277 x-ray tube & Varian Paxscan 4030: a-Si＋DRZ screen)을 이용하여 양성자 갠트리를 $2^{\circ}$씩 회전시켜가면서 기하학적인 오차 측정을 위한 팬톰과 인체 팬톰 (Humanoid phantom, Rando, CA, USA)의 투사영상을 획득하였다. 현재 시스템적으로 연속적인 회전과 영상획득이 지원되지 않아서 영상획득 후 갠트리를 회전하는 방법으로 투사영상을 획득하였다. 기하학적 오차측정을 위한 팬텀과 두경부 팬텀에 대해서 $360^{\circ}$를 회전하며 180장의 투사영상($2,304{\times}3,200$, 14 bit with 127${\mu}m$pixelpitch)을 관전압 85 kVp, 관전류 80 mA, 조사시간 0.5 s의 조건으로 촬영하였다. 콘빔 CT 영상재구성을 위해 Ram-Lak filter를 적용한 Feldkamp cone-beam 알고리즘을 사용하였으며, 획득한 180장의 투사영상을 사용하여 $0.4{\times}0.4{\times}0.4mm^3$의 voxel size를 가진 $512{\times}512{\times}512$ CT영상을 재구성하였다. 기하학적인 오차 측정방법을 통해 X-선 선원, 검출기와 갠트리의 기하학적 정보를 측정하였다. 측정된 결과에 의하면 검출기가 $0.25^{\circ}$ 회전된 오차를 보이는 것을 발견하였다. 기하학적 교정으로 재구성된 콘빔 CT 영상을 multi-planar view (axial, sagittal and coronal view) 및 3차원 영상으로 재구성하여 비교 평가 하였다. 현재 양성자치료기에 설치되어있는 단순 X-선 영상 시스템에서 기하학적 오차 측정을 위한 볼 팬텀을 이용하여 시스템의 오차를 측정하였다. 측정한 오차를 바탕으로 기하학적 교정을 통해서 두경부 및 복부 팬텀에 대한 3차원 영상인 콘빔 CT 영상들을 재구성하였다. 추후 연속적인 회전을 통한 영상획득이 가능하게 된다면, 보다 정확하고 신속한 영상재구성이 가능 하며 콘빔 CT가 영상유도 양성자 치료에 매우 유용할 것으로 사려된다.
IMRT, 양성자 치료와 같이 방사선 치료 기술이 발전할수록 치료 시 환자의 위치를 확인하고 그 정확성을 평가하는 기술의 중요성이 강조되고 있다. 현재 국립암센터 양성자치료센터에 설치되어 있는 양성자 치료기의 단순 X-선 영상시스템을 이용하여 콘빔 CT (cone-beam CT) 3차원 영상을 획득, 영상유도 방사선 치료의 가능성을 확인하고자 하였다. 양성자 치료기에 설치되어있는 X-선 영상시스템(SDD: 2,108 mm, SOD: 1,511 mm, Varian a277 x-ray tube & Varian Paxscan 4030: a-Si＋DRZ screen)을 이용하여 양성자 갠트리를 $2^{\circ}$씩 회전시켜가면서 기하학적인 오차 측정을 위한 팬톰과 인체 팬톰 (Humanoid phantom, Rando, CA, USA)의 투사영상을 획득하였다. 현재 시스템적으로 연속적인 회전과 영상획득이 지원되지 않아서 영상획득 후 갠트리를 회전하는 방법으로 투사영상을 획득하였다. 기하학적 오차측정을 위한 팬텀과 두경부 팬텀에 대해서 $360^{\circ}$를 회전하며 180장의 투사영상($2,304{\times}3,200$, 14 bit with 127${\mu}m$ pixel pitch)을 관전압 85 kVp, 관전류 80 mA, 조사시간 0.5 s의 조건으로 촬영하였다. 콘빔 CT 영상재구성을 위해 Ram-Lak filter를 적용한 Feldkamp cone-beam 알고리즘을 사용하였으며, 획득한 180장의 투사영상을 사용하여 $0.4{\times}0.4{\times}0.4mm^3$의 voxel size를 가진 $512{\times}512{\times}512$ CT영상을 재구성하였다. 기하학적인 오차 측정방법을 통해 X-선 선원, 검출기와 갠트리의 기하학적 정보를 측정하였다. 측정된 결과에 의하면 검출기가 $0.25^{\circ}$ 회전된 오차를 보이는 것을 발견하였다. 기하학적 교정으로 재구성된 콘빔 CT 영상을 multi-planar view (axial, sagittal and coronal view) 및 3차원 영상으로 재구성하여 비교 평가 하였다. 현재 양성자치료기에 설치되어있는 단순 X-선 영상 시스템에서 기하학적 오차 측정을 위한 볼 팬텀을 이용하여 시스템의 오차를 측정하였다. 측정한 오차를 바탕으로 기하학적 교정을 통해서 두경부 및 복부 팬텀에 대한 3차원 영상인 콘빔 CT 영상들을 재구성하였다. 추후 연속적인 회전을 통한 영상획득이 가능하게 된다면, 보다 정확하고 신속한 영상재구성이 가능 하며 콘빔 CT가 영상유도 양성자 치료에 매우 유용할 것으로 사려된다.
According to improved radiation therapy technology such as IMRT and proton therapy, the accuracy of patient alignment system is more emphasized and IGRT is dominated research field in radiation oncology. We proposed to study the feasibility of cone-beam CT system using simple x-ray imaging systems f...
According to improved radiation therapy technology such as IMRT and proton therapy, the accuracy of patient alignment system is more emphasized and IGRT is dominated research field in radiation oncology. We proposed to study the feasibility of cone-beam CT system using simple x-ray imaging systems for image guided proton therapy at National Cancer Center. 180 projection views ($2,304{\times}3,200$, 14 bit with 127 ${\mu}m$ pixel pitch) for the geometrical calibration phantom and humanoid phantoms (skull, abdomen) were acquired with $2^{\circ}$ step angle using x-ray imaging system of proton therapy gantry room ($360^{\circ}$ for 1 rotation). The geometrical calibration was performed for misalignments between the x-ray source and the flat-panel detector, such as distances and slanted angle using available algorithm. With the geometrically calibrated projection view, Feldkamp cone-beam algorithm using Ram-Lak filter was implemented for CBCT reconstruction images for skull and abdomen phantom. The distance from x-ray source to the gantry isocenter, the distance from the flat panel to the isocenter were calculated as 1,517.5 mm, 591.12 mm and the rotated angle of flat panel detector around x-ray beam axis was considered as $0.25^{\circ}$. It was observed that the blurring artifacts, originated from the rotation of the detector, in the reconstructed toomographs were significantly reduced after the geometrical calibration. The demonstrated CBCT images for the skull and abdomen phantoms are very promising. We performed the geometrical calibration of the large gantry rotation system with simple x-ray imaging devices for CBCT reconstruction. The CBCT system for proton therapy will be used as a main patient alignment system for image guided proton therapy.
According to improved radiation therapy technology such as IMRT and proton therapy, the accuracy of patient alignment system is more emphasized and IGRT is dominated research field in radiation oncology. We proposed to study the feasibility of cone-beam CT system using simple x-ray imaging systems for image guided proton therapy at National Cancer Center. 180 projection views ($2,304{\times}3,200$, 14 bit with 127 ${\mu}m$ pixel pitch) for the geometrical calibration phantom and humanoid phantoms (skull, abdomen) were acquired with $2^{\circ}$ step angle using x-ray imaging system of proton therapy gantry room ($360^{\circ}$ for 1 rotation). The geometrical calibration was performed for misalignments between the x-ray source and the flat-panel detector, such as distances and slanted angle using available algorithm. With the geometrically calibrated projection view, Feldkamp cone-beam algorithm using Ram-Lak filter was implemented for CBCT reconstruction images for skull and abdomen phantom. The distance from x-ray source to the gantry isocenter, the distance from the flat panel to the isocenter were calculated as 1,517.5 mm, 591.12 mm and the rotated angle of flat panel detector around x-ray beam axis was considered as $0.25^{\circ}$. It was observed that the blurring artifacts, originated from the rotation of the detector, in the reconstructed toomographs were significantly reduced after the geometrical calibration. The demonstrated CBCT images for the skull and abdomen phantoms are very promising. We performed the geometrical calibration of the large gantry rotation system with simple x-ray imaging devices for CBCT reconstruction. The CBCT system for proton therapy will be used as a main patient alignment system for image guided proton therapy.
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문제 정의
갠트리의 정지상태 및 회전시 X-선원과 검출기 사이에 기하학적 오차가 발생한다면 콘빔 CT 영상 재구성에 영향을 주어서 정확한 영상을 획득하기가 어렵게 된다. 본 논문에서는 콘빔 CT 영상을 획득하기 위해 양성자치료기의 기하학적인 구조를 평가하였고, 이러한 결과를 이용하여 보정하기 전후의 영상을 비교 분석하였다.
본 연구에서는 양성자치료기에 부착되어있는 2D x-ray 영상 시스템을 이용하여 콘빔 CT 영상을 이용한 영상유도 양성자치료 시스템의 가능성에 대한 예비 연구를 수행하였다. 정확한 콘빔 CT 영상 재구성을 위해 기하학적인 오차의측정 및 보정을 고려하였다.
본 연구에서는 전신팬텀을 사용하여 두경부와 복부에 대한 콘빔 CT 영상을 재구성하였으며 이를 통하여 본 콘빔 CT 시스템의 성능을 평가하였다. 두경부 인체팬텀의 촬영 조건은 관전압 85 kVp, 관전류 40 mAs이며, 복부팬텀은 90 kVp, 80 mAs로 수행하였다.
본 연구에서는 콘빔 CT 영상획득을 위한 회전 갠트리 시스템의 기하학적인 교정의 필요성의 여부를 조사하기 위해 선행연구에 사용되었던 방법을 사용하였다.17,18) 선형가속기와 접목된 콘빔 CT에 대한 알고리즘이었으며 Fig.
또한 본 연구는 양성자치료기에 설치되어있는 두 대의 X 선 영상 시스템 중에서 1개의 시스템만을 사용해서 영상을 재구성 하였다. 이와 직교하는 위치에 부착되어있는 또 하나의 x선 영상시스템을 함께 교정하여 영상을 재구성한다면보다 시간이 단축될 것이라고 생각되며 이를 위한 연구를 수행 중에 있다.
제안 방법
17,18) 선형가속기와 접목된 콘빔 CT에 대한 알고리즘이었으며 Fig. 4에서 보이는 볼 팬텀을 이용하여 360° 방향에서 투사영상을 모두 획득하여 평가하였다.
결론적으로 양성자치료기의 설치되어 있는 x선 영상시스템을 이용하여 갠트리의 기하학적 오차 정도를 측정하고 보정하였고, 360°의 회전을 통해 획득한 투사영상들을 이용하여 콘빔 CT 영상을 재구성하였다. 이는 영상유도 양성자치료의 기초적인 연구로 앞으로 다양한 연구를 통해 보다 정확하고 정밀한 양성자치료의 효과를 가져올 것으로 예상된다.
또한 본 연구는 양성자치료기에 설치되어있는 두 대의 X 선 영상 시스템 중에서 1개의 시스템만을 사용해서 영상을 재구성 하였다. 이와 직교하는 위치에 부착되어있는 또 하나의 x선 영상시스템을 함께 교정하여 영상을 재구성한다면보다 시간이 단축될 것이라고 생각되며 이를 위한 연구를 수행 중에 있다.
팬텀을 중심축에 배치한 후 360도 회전하면서 획득한 투사영상에서의 각 납볼의 좌표를 자동으로 측정하여 각 투사영상이 촬영된 갠트리의 회전각도와 좌표의 궤도를 추적하여 갠트리의 회전의 정도를 분석한다. 본 교정과정은 회전 각도를 소수점 두째 자리까지 정확히 측정하여 정밀한 교정을 할 수 있도록 하였다.
이를 위하여 추후 하드웨어의 설계와 관련 연구에 대하여 제작사와 협의할 계획이다. 본 연구에서는 콘빔 CT의 가능성을 평가하는 측면에서 연속적 회전에 의한 이미지 획득 대신에 2도 간격 영상을 얻고 이를 이용하여 콘빔 CT 영상을 구현하였다.
4에서 보이는 볼 팬텀을 이용하여 360° 방향에서 투사영상을 모두 획득하여 평가하였다. 아크릴로 제작된 팬텀은 위 아래 등 간격으로 직경 4.7 mm의 12개의 납볼이 위치하고 있으며, 이 팬텀의 투사영상으로부터 검출기에서의 납볼의 위치 정보를 파악하여 검출기와 X-선원과의 거리 및 회전시 생기는 기하학적인 오차들을 평가하였다. 동일한 30도의 간격을 가진 납볼이 하나의 평면을 구성하며, 상하로 두개의 층을 구성하고 있다.
본 연구에서는 양성자치료기에 부착되어있는 2D x-ray 영상 시스템을 이용하여 콘빔 CT 영상을 이용한 영상유도 양성자치료 시스템의 가능성에 대한 예비 연구를 수행하였다. 정확한 콘빔 CT 영상 재구성을 위해 기하학적인 오차의측정 및 보정을 고려하였다. 2000년 이후에 환자 치료 시에 정확한 위치의 교정을 위해 선형가속기에 콘빔 CT를 부착한 시스템들이 상용화되어 치료를 수행해왔으며, 현재까지 영상유도 방사선치료의 가장 진보된 형태로 인정을 받고 있다.
총 세 방향으로의 경사를 평가하였는데 첫 번째로 갠트리의 축 방향으로 검출기가 틀어진 정도를 roll 로 정의하였는데 촬영된 갠트리의 각도에 따라서 최대 −1.3° 틀어진 경사도를 보였고 대부분은 ±1° 이내의 값을 가졌다.
동일한 30도의 간격을 가진 납볼이 하나의 평면을 구성하며, 상하로 두개의 층을 구성하고 있다. 팬텀을 중심축에 배치한 후 360도 회전하면서 획득한 투사영상에서의 각 납볼의 좌표를 자동으로 측정하여 각 투사영상이 촬영된 갠트리의 회전각도와 좌표의 궤도를 추적하여 갠트리의 회전의 정도를 분석한다. 본 교정과정은 회전 각도를 소수점 두째 자리까지 정확히 측정하여 정밀한 교정을 할 수 있도록 하였다.
대상 데이터
360°를 2°간격으로 180장의 투사영상을 획득하였으며, 소요시간은 총 2시간이었다.
연속적인 x선원의 조사가 현재 불가능하며, 또한 대면적 평판형 검출기 역시 초당 1 프레임밖에 촬영할 수 없기 때문에 콘빔 CT 영상을 획득하는데 시간적인 어려움이 존재한다. 실제적으로 본 연구를 수행하기 위해 180장의 투사영상을 획득하는데 120분의 시간이 소요되었으며 현 시스템의 x선원의 냉각 시스템이 구축되어있지 않아 과열의 문제가 발생하기도 하였다. 따라서 현재의 x선원의 위치에 동영상 촬영이 가능한 x선원과 초당 15 프레임 이상의 동영상을 촬영할 수 있는 2차원 검출기를 부착한다면 빠른 시간 안에 콘빔 CT 영상을 획득할 수 있을 것이라 생각된다.
이론/모형
이러한 공간에 의존적인 요소를 보정하기 위해 SOD2/SOP2 를 곱한다. 본 연구에서는 고주파 통과 필터로 가장 흔히 사용되는 Ram-Lak 필터를 사용하였으며15) 영상재구성은 Microsoft 사의 visual C＋＋2008을 이용해서 코딩하였다.
본 연구에서는 원추형 x-ray을 이용해 얻은 투사영상으로부터 단층을 재구성 할 수 있는 대표적인 방법인 다음의 Feldkamp 알고리즘을 적용하였다.14-16)
성능/효과
거대한 갠트리에서 빠른 회전속도로 콘빔 CT 영상을 획득하는 것이 쉽지 않았으며 또한 영상 재구성 결과를 비교 평가하는 연구가 이루어진 적이 없다. 그러나 본 연구를 통하여 현재 시스템의 구조적인 오차를 소프트웨어적으로 보정하여 콘빔 CT 영상을 얻을 수 있음을 보였다. 또한 오히려 갠트리의 크기가 크면 클수록 x-ray 선원에서 검출기까지의 거리가 멀어지게 되는데, 이는 평행 X-ray선원을 재구성하는 것과 유사한 결과를 나타내기 때문에 콘빔 CT의 단점을 줄이는데 긍정적인 효과를 보일 것으로 생각된다.
그러나 본 연구를 통하여 현재 시스템의 구조적인 오차를 소프트웨어적으로 보정하여 콘빔 CT 영상을 얻을 수 있음을 보였다. 또한 오히려 갠트리의 크기가 크면 클수록 x-ray 선원에서 검출기까지의 거리가 멀어지게 되는데, 이는 평행 X-ray선원을 재구성하는 것과 유사한 결과를 나타내기 때문에 콘빔 CT의 단점을 줄이는데 긍정적인 효과를 보일 것으로 생각된다.
또한 팬텀에 있는 납볼의 궤도를 추적하였을 때도 동일하게 원의 모양으로 나타나며 갠트리의 중심에서 검출기까지의 거리는 591.12 mm (±12 mm)로 평가되었다.
이외의 경우는 3° 이내의 회전에 대해서는 재구성 과정에서 최고 1픽셀 정도의 차이도 생기지 않으므로 콘빔 영상 재구성에 큰 영향을 주지 않는다. 본 연구는 이러한 기하학적인 오차들을 소프트웨어 접근방식으로 해결하였고 만족할 만한 결과를 보였다.
후속연구
실제적으로 본 연구를 수행하기 위해 180장의 투사영상을 획득하는데 120분의 시간이 소요되었으며 현 시스템의 x선원의 냉각 시스템이 구축되어있지 않아 과열의 문제가 발생하기도 하였다. 따라서 현재의 x선원의 위치에 동영상 촬영이 가능한 x선원과 초당 15 프레임 이상의 동영상을 촬영할 수 있는 2차원 검출기를 부착한다면 빠른 시간 안에 콘빔 CT 영상을 획득할 수 있을 것이라 생각된다. 또한 초당 30 프레임 정도의 촬영이 가능하다면 4D CT의 구축도 가능할 것으로 보인다.
하지만 선형가속기와 토모치료기(Tomo therapy machine)에서 사용되는 콘빔 CT나 MVCT (mega voltage computed tomography)를 이용한 환자 위치의 교정시스템보다는 그 정확성이 낮으며, 특히 인체조직과 같은 연 조직에 대한 정확한 영상의 획득이 어렵다. 따라서 현재의 영상시스템으로 획득한 콘빔 CT의 단층영상으로 가능성을 확인하고, 추후 양성자치료기에서도 단순한 2차원적인 비교가 아닌 3차원적인 환자의 위치를 교정할 수 있는 콘빔 CT 시스템을 갖춘다면 양성자치료의 정확도와 효율이 극대화될 것으로 예상된다. 현재의 2D x-ray 영상시스템에서 콘빔 CT를 구현하기 위해서는 가장 먼저 360° 회전하는 갠트리에 장착된 X-선원과 대면적 평판형 검출기의 위치와 회전 시에 발생하게 되는 기하학적인 오류들을 평가하는 것이 필요하다.
이는 환자의 호흡 및 움직임등에 의한 흐려짐을 줄일 수 있고, 보다 빠른 시간 내에 환자 위치보정을 수행할 수 있을 것이다. 본 연구를 통해 큰 갠트리 시스템에 대한 기하학적인 교정을 수행한 결과를 이용하여 콘빔 CT 영상을 재구성하였는데 이를 바탕으로 디지털 영상합성법 영상 기법의 알고리즘을 적용하여 영상을 획득할 연구를 수행 중이다.
결론적으로 양성자치료기의 설치되어 있는 x선 영상시스템을 이용하여 갠트리의 기하학적 오차 정도를 측정하고 보정하였고, 360°의 회전을 통해 획득한 투사영상들을 이용하여 콘빔 CT 영상을 재구성하였다. 이는 영상유도 양성자치료의 기초적인 연구로 앞으로 다양한 연구를 통해 보다 정확하고 정밀한 양성자치료의 효과를 가져올 것으로 예상된다.
일반적으로 콘빔 CT영상을 재구성하기 위해서는 갠트리가 360°를 회전하면서 영상을 연속적으로 획득할 수 있어야 한다. 이를 위하여 추후 하드웨어의 설계와 관련 연구에 대하여 제작사와 협의할 계획이다. 본 연구에서는 콘빔 CT의 가능성을 평가하는 측면에서 연속적 회전에 의한 이미지 획득 대신에 2도 간격 영상을 얻고 이를 이용하여 콘빔 CT 영상을 구현하였다.
6,7) 따라서 환자의 위치변화나 치료부위의 위치 변화를 정량화 할 수 있는 의료영상 분석 시스템은 양성자 치료에 있어서는 필수 불가결한 요소라고 할 수 있다. 정량적으로 측정된 치료위치에서 환자를 정확히 움직임 없이 고정할 수 있는 장치가 추가로 필요하며 환자의 치료부위나 치료 방법에 따라 특별한 고정기구의 사용이 불가피하며 더 나아가 실제 환자의 움직임을 고려한 호흡 동조치료 방법에 대해 전세계적으로 연구가 활발이 진행 중이다.8-12)
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
양성자빔 치료란?
양성자빔 치료는 인체 내에서 흡수선량 분포가 브래그 피크 이후에는 현격히 떨어지는 양성자빔의 특성을 이용한 치료이다. 브래그 피크를 종양의 위치로 치료 계획을 세움으로써 정상세포 혹은 정상장기의 방사선 피폭을 최소화하여 치료할 수 있다.
브래그 피크의 장점은?
브래그 피크를 종양의 위치로 치료 계획을 세움으로써 정상세포 혹은 정상장기의 방사선 피폭을 최소화하여 치료할 수 있다. 이는 기존의 X선과 전자선과는 달리 종양 주변 정상조직에 미치는 거의 영향을 주지 않으면서 치료할 수 있게 되며, 특히 방사선에 예민한 조직 주위에 생긴 암을 치료할 수 있는 새로운 치료 방법으로 알려져 있다.1-5) 이러한 장점 때문에 정상조직과 치료부위가 가깝게 인접하여 기존의 방사선 치료가 용이하지 않은 부위의 치료, 즉 안구종양 등과 같은 곳의 치료에서 그 탁월성이 인정되고 있다.
양성자치료의 단점은?
현재 안구 종양은 안구의 적출 없이 모든 치료가 양성자로 이루어지고 있으며 환자의 생존율도 높은 것으로 보고되고 있으며 대부분의 고형암에 대해서도 양성자의 치료가 널리 이용되고 있다. 하지만 이러한 양성자치료의 특징은 위에서 언급한 장점과 더불어 치료시 환자의 위치 변화에 매우 민감하다는 단점이 있다. 또한 양성자빔의 매우 급격한 흡수선량분포 곡선을 이용하기 때문에 조금이라도 환자의 위치가 치료계획과 틀리게 되면 암 조직에 계획한 선량을 줄 수 없으며 오히려 정상조직에 필요이상의 선량을 전달할 수 있기 때문에 환자의 위치 교정은 그 만큼 치료결과에 큰 영향을 미칠 수 있어 치료 전 환자의 위치를 확인 하는 것이 중요한 과정으로 인식되고 있다.
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