[논문]Half-fan 모드를 이용한 방사선치료환자 위치교정을 위한 디지털영상 합성영상기술에 관한 예비연구

박천주; 박성호; 김진성; 한영이; 주상규; 신은혁; 신정석; 박희철; 안용찬

Half-fan 모드를 이용한 방사선치료환자 위치교정을 위한 디지털영상 합성영상기술에 관한 예비연구
Digital Tomosynthesis for Patient Alignment System Using Half-fan Mode CBCT Projection Images 원문보기

의학물리 = Korean journal of medical physics, v.21 no.4, 2010년, pp.360 - 366

박천주 (삼성서울병원 방사선종양학과) , 박성호 (서울아산병원 방사선종양학과) , 김진성 (삼성서울병원 방사선종양학과) , 한영이 (삼성서울병원 방사선종양학과) , 주상규 (삼성서울병원 방사선종양학과) , 신은혁 (삼성서울병원 방사선종양학과) , 신정석 (삼성서울병원 방사선종양학과) , 박희철 (삼성서울병원 방사선종양학과) , 안용찬 (삼성서울병원 방사선종양학과)

초록
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최근 정밀한 암 치료를 위해 방사선 치료기술이 강도변도 방사선치료, 영상유도 방사선치료 등의 눈부신 발전을 이루어 왔다. 2000년 이후로는 치료실에서 환자의 실제 치료위치를 정확히 파악하여 정밀한 치료를 가능하게 하는 영상 유도방사선 치료기술이 사용되고 있으며 가장 중요한 기술 중 하나가 방사선 치료 전에 다양한 방법의 의료 영상을 이용하여 환자의 치료 위치를 보정하는 것으로 가장 최근의 기술로는 선형가속기에 장착된 2차원 평면검출기를 이용한 콘빔CT (Cone Beam CT: CBCT)가 사용되고 있다. 본 연구에서는 기존의 CBCT의 "half fan" 조건에서 획득된 projection영상을 이용하여 360도 회전한 모든 영상이 아닌 제한된 각도에서 획득한 투사영상을 이용하여 환자의 해부학적 정보를 볼 수 있는 디지털 영상합성영상(Digital Tomosynthesis) 기술을 구현하였고 실제 위치교정을 위해 촬영된 환자 데이터를 이용하여 방사선 치료 환자 위치 교정을 위한 효용성을 검증하였다. 그 결과 동일 단층상에서의 해부학적 정보 표현에서 CBCT 영상과 비교하였을 때 유사성을 보였고 선량적인 측면에서 우월성을 나타냈다. 이러한 DTS의 장점을 극대화 하고 최적화가 이루어진다면 방사선 치료 위치 보정용으로 CBCT를 대체 할 수 있는 기술이 될 수 있을 것이라 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

To generate on-board digital tomosynthesis (DTS) for three-dimensionalimage-guided radiation therapy (IGRT) as an alternative to conventional portal imaging or on-board cone-beam computed tomography (CBCT), two clinical cases (liver and bladder) were selected to illustrate the capabilities of on-board DTS for IGRT. DTS images were generated from subsets of CBCT projection data (45, 162 projections) using half-fan mode scanning with a Feldkamp-type reconstruction algorithm. Digital tomosynthesis slices appeared similar to coincident CBCT planes and yielded substantially more anatomic information. Improved bony and soft-tissue visibility in DTS images is likely to improve target localization compared with radiographic verification techniques and might allow for daily localization of a soft-tissue target. Digital tomosynthesis might allow targeting of the treatment volume on the basis of daily localization.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

DTS의 포괄적 성능을 검증하기 위해 본 기관에서는 분할적 방사선 시술이 진행중인 간암과 방광암 환자의 CBCT 영상을 획득하였고 해당하는 CBCT의 투사 영상 데이터를 추출하여 DTS 영상 재구성을 시도 하였다. 현재 방사선치료 환자의 위치 보정용 DTS의 용도로 촬영할 수 있도록 설계되어있는 장비가 구성되지 않은 관계로 CBCT용으로 획득한 투사 영상 데이터를 제한된 각도에 따라 필요한 투사영상을 사용하여 DTS 영상 재구성의 데이터로 정렬하였다.
본 연구는 영상의학에서 사용되었던 디지털 영상합성법 (DTS)이라는 영상기술을 기존의 CBCT를 통한 영상유도 방사선치료 기술의 하나의 대안으로 제시해본 기본 예비연구였으며 환자가 받는 피폭 선량과 영상 스캔 시간이 줄어드는 장점이 있으며 유사한 영상을 보이는 DTS의 가능성을 검증해 보았다. 앞으로의 정량적인 영상 분석과 비교 연구를 통해 영상유도 방사선 치료 기술의 새로운 영상 도구로 사용될 수 있을 것으로 예상된다.
본 연구에서는 “half fan” 조건에서 기존의 CBCT와 다른 제한된 각도에서 획득한 투시영상을 이용하여 환자의 해부학적 정보를 볼 수 있는 방사선 치료 환자 위치 교정을 위한 디지털 영상합성영상(Digital Tomosynthesis) 기술 개발을 하였고 그 효용성을 검증하였다.
본 연구에서는 영상의학 분야에서 사용되고 있는 DTS 기술을 환자의 OBI를 이용한 CBCT의 “Half Fan” 모드 투사 영상 데이터를 이용하여 위치 보정 영상으로 재구성해 보았으며 영상 유도 방사선치료 환자의 위치 보정용 영상으로의 효용성을 검증해 보았다.

가설 설정

3. Schematic view of (a) full-fan and (b) half-fan mode cone-beam computed tomography scans.

제안 방법

선택된 환자의 투시영상은 a-Si X-ray 평면 검출기와 Varian 21EX Clinac에 X-ray 선원이 부착된 OBI CBCT 시스템(Varian Medical Systems, Inc. Palo Alto, CA)을 이용하여 획득하였다.
검출기의 크기가 환자의 해부학적 크기를 다 포함하지 못하는 관계로 “Half Fan”모드를 이용하여 영상을 촬영 하였으며 환자의 피폭선량을 최소화하고 또한 선원의 세기를 균등하게 하기 위해 선원 앞에는 알루미늄으로 구성된 “bow-tie” 필터를 부착하여 영상을 획득하였다.
본 연구에서는 “half fan” 조건에서 기존의 CBCT와 다른 제한된 각도에서 획득한 투시영상을 이용하여 환자의 해부학적 정보를 볼 수 있는 방사선 치료 환자 위치 교정을 위한 디지털 영상합성영상(Digital Tomosynthesis) 기술 개발을 하였고 그 효용성을 검증하였다. 기존의 연구에서는 half fan에서의 촬영된 부위의 영상을 재구성하여 영상을 붙이는 방식으로 재구성하였으나, 본 연구에서는 해당하는 각도의 영상들을 재정렬하여 재구성하는 방식으로 DTS 영상을 획득하였다.
1a은 CBCT 촬영 뒤 나오는 투시영상의 압축된 데이터 구조이다. 압축된 파일의 압축 파일을 Raw Data로 변환하기 위해 먼저 영상에 Image Header를 불러들인 후 영상의 크기를 확인한다. Raw 데이터를 열기 위해 다른 정보는 필요 없으므로 Image Header에 나와있는 타 정보들은 참조 하지 않는다.
재구성 조건은 x (LR), y (AP) 그리고 z (CC)축을 기준으로 512×64×512로 재구성 하였으며 해상도는 영상의 픽셀당 1.0 mm (LR)×2.5 mm (AP)×1.0 mm (CC)로 설정하였다.
하지만 방사선치료에 사용되는 위치 보정용 DTS 경우 OBI에 부착된 검출기의 크기가 환자의 몸 크기보다 작으므로 본 연구에서는 “Half Fan” CBCT 재구성 원리를 응용하여 DTS에 적용하였다.
DTS의 포괄적 성능을 검증하기 위해 본 기관에서는 분할적 방사선 시술이 진행중인 간암과 방광암 환자의 CBCT 영상을 획득하였고 해당하는 CBCT의 투사 영상 데이터를 추출하여 DTS 영상 재구성을 시도 하였다. 현재 방사선치료 환자의 위치 보정용 DTS의 용도로 촬영할 수 있도록 설계되어있는 장비가 구성되지 않은 관계로 CBCT용으로 획득한 투사 영상 데이터를 제한된 각도에 따라 필요한 투사영상을 사용하여 DTS 영상 재구성의 데이터로 정렬하였다. 투사영상 데이터는 CBCT장비의 영상재구성 컴퓨터에 저장이 되어 있으며 촬영시 사용되었던 갠트리 회전 시작각도, 종료각도, 관전압 등의 여러가지 인자들도 함께 파일로 기록이 되어 있다.

대상 데이터

검출기와 선원은 촬영조건에 따라 360도에서 364도까지 회전을 하였으며 약 650장에서 670장까지 투시영상을 획득하였고 재구성 단면적 이 50×50 cm이 되도록 촬영하였다.
본 연구에서의 영상촬영 조건은 촬영 부위에 따라 환자의 피폭선량을 고려하여 각각 투시영상 당 110∼120 kVp, 20∼80 mA의 X-선원을 이용하였고 검출기의 영상획득 프레임 별 속도는 대략 20∼25 ms이었다.
영상장치는 치료 장치에 직교형태로 위치하고 있고 같은 회전 축을 사용하며 X-ray 평면 검출기는 가로로 1,024 그리고 세로로 768개의 0.388×0.388 mm 크기의 픽셀들로 구성되어 있다.

이론/모형

마찬가지로 시상 단층 또한 시상 단층과 평행되는 검출기를 위치를 기준으로 두정 단층과 동일한 방식으로 영상을 정렬해야 한다. 재구성 방법은 기존 CBCT 재구성 방식에서 응용된 Modified FDK 알고리즘으로 사용하였으며, 임의의 높이 z에서의 단면에 대한 검출기 평면에서의 정보 f(x,y/z)는 FDK 방식인 다음의 식으로부터 구할 수 있다(Fig. 2c).¹²⁾

성능/효과

초기에는 2차원 직교 Kilo-Voltage (KV) 영상이 환자 치료 보정에 널리 이용되어 왔다.^1,2) 2차원 직교 KV 영상의 경우, 환자 영상의 획득이 빠르고 용이하다는 장점을 가지고 있지만, 환자의 해부학적 정보가 충분히 고려되지 않으므로 위치 보정에 있어 상당한 오차를 수반할 수 있다.^3-5) 위 문제점을 극복하기 위하여 최근 On Board Imager (OBI)를 이용한 콘빔 CT (CBCT)가 도입 되었고 이를 통하여 3차원 영상 유도 기술이 환자 위치 보정에 이용되기 시작하였으며 결과적으로 기존의 방법보다 더욱 정밀한 환자 위치보정이 가능하게 되었다.
^1,2) 2차원 직교 KV 영상의 경우, 환자 영상의 획득이 빠르고 용이하다는 장점을 가지고 있지만, 환자의 해부학적 정보가 충분히 고려되지 않으므로 위치 보정에 있어 상당한 오차를 수반할 수 있다.^3-5) 위 문제점을 극복하기 위하여 최근 On Board Imager (OBI)를 이용한 콘빔 CT (CBCT)가 도입 되었고 이를 통하여 3차원 영상 유도 기술이 환자 위치 보정에 이용되기 시작하였으며 결과적으로 기존의 방법보다 더욱 정밀한 환자 위치보정이 가능하게 되었다. 또한 이를 바탕으로 기존 Kilovolage CBCT 영상과 비교하여 영상의 artifact를 줄일 수 있는 장점을 가진 mega voltage CBCT (MV-CBCT)에 대한 연구들이 진행되고 있다.
DTS 재구성 결과 CBCT 재구성에 이용된 투시영상의 약 6분의 1영상밖에(162장) 사용 됐음에도 불구하고 환자의 해부학적 정보가 CBCT 재구성 결과와 유사성을 보였다. 따라서 환자 위치 교정을 수행 시 환자의 선량적인 측면에서 CBCT기술에 비해 우월하다는 것을 알 수 있었다.
하지만 방사선치료에 사용되는 위치 보정용 DTS 경우 OBI에 부착된 검출기의 크기가 환자의 몸 크기보다 작으므로 본 연구에서는 “Half Fan” CBCT 재구성 원리를 응용하여 DTS에 적용하였다. FOV가 큰 경우에 대해서 평면 검출기가 14.8 cm 이동하여 결과적으로 45 cm의 직경을 가진 FOV를 촬영할 수 있다. Fig.
4은 간암 환자 두정 부위의 CBCT (a) 및 DTS (c) 그리고 시상 부위의 CBCT (b) 및 DTS (d) 재구성 결과를 나타낸 영상이다. 그림에서도 알 수 있듯이 DTS 결과 영상에서 비록 CBCT 재구성에 이용된 투시영상의 약 6분의 1영상밖에 (162장) 사용 됐음에도 불구하고 환자의 해부학적 정보가 CBCT 재구성 결과와 유사성을 보이고 있음을 알 수 있다. 또한 영상의 대조도는 CBCT보다 DTS가 우수한 것을 확인할 수 있으며 특히 시상부위의 영상(Fig.
4d)에서는 뼈조직의 경계선이 DTS에서 명확히 나타나는 것을 확인할 수 있다. 따라서 뼈의 위치를 이용하여 환자의 치료위치를 교정함에 있어서 CBCT보다 DTS가 용이할 수 있음을 알 수 있다.
DTS 재구성 결과 CBCT 재구성에 이용된 투시영상의 약 6분의 1영상밖에(162장) 사용 됐음에도 불구하고 환자의 해부학적 정보가 CBCT 재구성 결과와 유사성을 보였다. 따라서 환자 위치 교정을 수행 시 환자의 선량적인 측면에서 CBCT기술에 비해 우월하다는 것을 알 수 있었다. 한편 DTS 영상 재구성에서 사용되는 투사영상의 장수와 스캔 각도에 대해서는 현재 비교 연구가 진행중이며 재구성된 영상의 질을 평가하는 파라미터를 통하여 환자의 피폭 선량 및 영상의 질을 고려한 최적의 스캔 조건을 찾는 연구도 진행되어야 한다.
5c). 또한 시상영상에서도 DTS영상에서 연조직에 대한 정보를 확인할 수 있어서 CBCT와 비교하여 환자 위치 교정 영상으로 사용할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
그림에서도 알 수 있듯이 DTS 결과 영상에서 비록 CBCT 재구성에 이용된 투시영상의 약 6분의 1영상밖에 (162장) 사용 됐음에도 불구하고 환자의 해부학적 정보가 CBCT 재구성 결과와 유사성을 보이고 있음을 알 수 있다. 또한 영상의 대조도는 CBCT보다 DTS가 우수한 것을 확인할 수 있으며 특히 시상부위의 영상(Fig. 4d)에서는 뼈조직의 경계선이 DTS에서 명확히 나타나는 것을 확인할 수 있다. 따라서 뼈의 위치를 이용하여 환자의 치료위치를 교정함에 있어서 CBCT보다 DTS가 용이할 수 있음을 알 수 있다.
또한 방광암 환자의 영상에서 확인할 수 있는 것처럼 DTS 영상은 CBCT 영상에 비하여 연조직을 영상화하는 기술이 뛰어나다. 이는 CBCT 알고리즘과 DTS 알고리즘의 근본적인 차이로 인해서 발생하게 되는데, 특히 연조직이 인체의 심부에 존재할 수록 이러한 현상이 더 명확히 나타나는 것을 확인할 수 있다. CBCT 영상은 인체를 360도 회전하여 획득한 투사영상을 이용하여 Axial 영상을 재구성하는 것이 목적이므로 두상, 시상 영상에서의 영상의 resolution이 투사영상의 resolution보다 떨어지게 된다.

후속연구

이러한 장점을 살려서 적은 각도를 호흡주기의 보다 짧은 주기로 반복 촬영하는 하드웨어를 설계하면 GPU를 이용한 초고속 재구성 소프트웨어와 더불어 실시간 3차원적 영상이 가능할 수 있을 것으로 예상할 수 있으며, 이를 통한 정밀한 tracking이 가능할 수도 있을 것이라 생각한다. 또한 이러한 DTS의 단점을 보완하고 장점을 극대화 한다면 머지 않은 미래에 환자 치료 위치 보정용으로 CBCT를 대체할 수 있을 것이라 기대한다.
5b에서와 같이 다른 단층의 정보들이 보고자 하는 단층에 섞이는 현상이 존재하기 때문에 이를 보정해줄 수 있는 알고리즘에 대한 연구와 개선방안들이 필요하고 환자의 투시 단면적에 따른 X-선 촬영조건 설정에 대한 조사 및 연구가 필요하다. 또한 이렇게 만들어진 DTS 영상과 기존 치료 계획용 CT영상과의 비교를 통한 정확한 환자의 위치를 파악하는 연구가 필요할 것으로 예상된다.
최근 이를 보완하여 DTS영상을 좀 더 빠르고 기하학적인 제약이 없는 상태에서 획득하는 방사선치료기의 새로운 개념이 소개되었다. 아직 많은 연구가 되어있지는 않지만, 이러한 하드웨어가 갖추어지게 되면 점차 DTS영상이 방사선치료 분야에 있어서 다양하고 중요한 역활을 할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구는 영상의학에서 사용되었던 디지털 영상합성법 (DTS)이라는 영상기술을 기존의 CBCT를 통한 영상유도 방사선치료 기술의 하나의 대안으로 제시해본 기본 예비연구였으며 환자가 받는 피폭 선량과 영상 스캔 시간이 줄어드는 장점이 있으며 유사한 영상을 보이는 DTS의 가능성을 검증해 보았다. 앞으로의 정량적인 영상 분석과 비교 연구를 통해 영상유도 방사선 치료 기술의 새로운 영상 도구로 사용될 수 있을 것으로 예상된다.
DTS의 가장 큰 장점 중 하나는 적은 각도에서 환자의 해부학적 단층정보를 볼 수 있는 것에 있다. 이러한 장점을 살려서 적은 각도를 호흡주기의 보다 짧은 주기로 반복 촬영하는 하드웨어를 설계하면 GPU를 이용한 초고속 재구성 소프트웨어와 더불어 실시간 3차원적 영상이 가능할 수 있을 것으로 예상할 수 있으며, 이를 통한 정밀한 tracking이 가능할 수도 있을 것이라 생각한다. 또한 이러한 DTS의 단점을 보완하고 장점을 극대화 한다면 머지 않은 미래에 환자 치료 위치 보정용으로 CBCT를 대체할 수 있을 것이라 기대한다.
하지만 DTS의 경우 Fig. 5b에서와 같이 다른 단층의 정보들이 보고자 하는 단층에 섞이는 현상이 존재하기 때문에 이를 보정해줄 수 있는 알고리즘에 대한 연구와 개선방안들이 필요하고 환자의 투시 단면적에 따른 X-선 촬영조건 설정에 대한 조사 및 연구가 필요하다. 또한 이렇게 만들어진 DTS 영상과 기존 치료 계획용 CT영상과의 비교를 통한 정확한 환자의 위치를 파악하는 연구가 필요할 것으로 예상된다.
따라서 환자 위치 교정을 수행 시 환자의 선량적인 측면에서 CBCT기술에 비해 우월하다는 것을 알 수 있었다. 한편 DTS 영상 재구성에서 사용되는 투사영상의 장수와 스캔 각도에 대해서는 현재 비교 연구가 진행중이며 재구성된 영상의 질을 평가하는 파라미터를 통하여 환자의 피폭 선량 및 영상의 질을 고려한 최적의 스캔 조건을 찾는 연구도 진행되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	On Board Imager (OBI)를 이용한 콘빔 CT 도입으로 무엇이 시작됐나?	1,2) 2차원 직교 KV 영상의 경우, 환자 영상의 획득이 빠르고 용이하다는 장점을 가지고 있지만, 환자의 해부학적 정보가 충분히 고려되지 않으므로 위치 보정에 있어 상당한 오차를 수반할 수 있다.3-5) 위 문제점을 극복하기 위하여 최근 On Board Imager (OBI)를 이용한 콘빔 CT (CBCT)가 도입 되었고 이를 통하여 3차원 영상 유도 기술이 환자 위치 보정에 이용되기 시작하였으며 결과적으로 기존의 방법보다 더욱 정밀한 환자 위치보정이 가능하게 되었다. 또한 이를 바탕으로 기존 Kilovolage CBCT 영상과 비교하여 영상의 artifact를 줄일 수 있는 장점을 가진 mega voltage CBCT (MV-CBCT)에 대한 연구들이 진행되고 있다.
	영상 유도 방사선 치료기술의 가장 기본적인 과정은?	영상 유도 방사선 치료기술의 여러 가지 방법 중 가장 기본적인 과정은 방사선 치료 전에 환자의 영상을 이용하여 환자의 위치를 보정하는 것이다. 암 주변조직에 인가하는 선량을 최소화 하는 동시에 암세포에 인가되는 선량을 극대화 하려면 방사선 치료 계획시 사용한 환자의 영상을 이용하여 치료계획과 동일한 환자의 위치로 교정하는 정밀한 환자 위치 교정시스템이 필요하다.
	영상 유도 방사선 치료의 도입은 방사선 치료기술 발전에 어떤 기여를 했나?	최근 정밀한 암 치료를 위한 방사선 치료기술의 발전이 다양한 분야에서 빠른 속도로 이루어 지고 있다. 현재의 방사선 치료 기술은 높은 선량을 암 세포 영역에 집중적으로 조사되는 것을 가능하게 만들었으며 주변 정상조직에는 최소한의 선량이 분포되도록 하고 있다. 이에 가장 큰 기여를 한 기술 중 하나가 바로 영상 유도 방사선 치료(Image Guided Radiation Therapy)의 도입이다.

참고문헌 (11)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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