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문제 정의
- 하지만 2차원 정합과 3차원 정합 사이에서 발생하는 오차가 불규칙한 호흡에 의한 변화 때문인지 fiducial marker에서 발생하는 인공물에 의한 영향 때문인지를 확실히 구분하기에는 어려움이 있어 본 논문에서는 상 하위 방향(superior-inferior)으로 규칙적으로 움직이는 팬텀을 자체 제작하여 불규칙한 호흡 으로 인한 fiducial marker의 정합 지점의 변화요인을 제거하고 fiducial marker에서 발생하는 artifact에 의한 영향만을 평가 하였다. 또한 fiducial marker에서 발생하는 artifact가 슬라이스 두께(slice thickness)의 변화에 따라 2차원 정합과 3차원 정합 사이에 미치는 영향을 평가하고 그 오차의 정도를 최소화 할 수 있는 방안을 제시 하고자 한다. 13-15)
제안 방법
- 0 mm)를 삽입 후 fiducial marker를 기준으로 하여 영상 유도를 시행하고 셋업에 의한 오차를 보정하여 치료를 시행한다. 3,4) 종양 움직임을 정확하게 획득하기 위하여 전산화 단층촬영 모의 치료(CT simulation)시 환자를 4차원 전산화 단층 촬영 모의 치료(Four-Dimensional CT simulation)하여 환자의 호흡을 분석하고 호흡에 의한 종양의 움직임이 큰 환자의 경우는 호흡 연동 방사선 치료(Respiratory Gating Radiation Therapy, RGRT)를 시행한다. 5-7) Fiducial marker를 이용한 영상 유도 방법으로는 온 보드 영상 장치(On Board Imager system, OBI)를 이용한 2차원 정합(2D-2D matching) (Fig.
- 0)을 이용하여 각 슬라이스별로 횡단면(transverse plane)에서 윤곽을 그렸으며 그려진 윤곽을 시상면(sagittal plane)에서 전자 거리계(digital measure distance)를 이용하여 측정하였으며 OBI의 CBCT로획득한 fiducial marker의 영상은 OBI workstation에서 전자 거리계를 이용하여 측정하였다. CT scan의 조건은 120 kVp, 80 mA, scan type은 axial mode, reconstruction algorithm은 standard mode를 선택하여 실험하였다. OBI의 CBCT scan조건은 125 kVp, 80 mA, 13 ms로 하였으며, CBCT mode는 pelvis mode를 선택 하였고 diameter는 PA-axis 45 cm, LR-axis 45 cm, reconstruction volume 512×512, acquisition mode는 half fan mode로 설정하였고, half fan bow tie filter 를 적용하였다.
- 4)을 제작하고, 움직이는 팬텀 위에 올려놓아 호흡에 따라 움직이는 간(Liver)에 삽입된 fiducial marker의움직임을 재현 하였다. Fiducial marker의 움직임을 반영하기 위하여 호흡 연동 시스템(Real-time Position Management system, RPM, Varian, USA) (Fig. 5)을 이용하여 움직이는 fiducial marker의 영상을 4D CT에서 획득 하였다. Fiducial marker의 크기측정은 CT simulator로 획득한 영상은 Eclipse planning system (Varian, USA, version 8.
- 5)을 이용하여 움직이는 fiducial marker의 영상을 4D CT에서 획득 하였다. Fiducial marker의 크기측정은 CT simulator로 획득한 영상은 Eclipse planning system (Varian, USA, version 8.0)을 이용하여 각 슬라이스별로 횡단면(transverse plane)에서 윤곽을 그렸으며 그려진 윤곽을 시상면(sagittal plane)에서 전자 거리계(digital measure distance)를 이용하여 측정하였으며 OBI의 CBCT로획득한 fiducial marker의 영상은 OBI workstation에서 전자 거리계를 이용하여 측정하였다. CT scan의 조건은 120 kVp, 80 mA, scan type은 axial mode, reconstruction algorithm은 standard mode를 선택하여 실험하였다.
- OBI의 CBCT scan조건은 125 kVp, 80 mA, 13 ms로 하였으며, CBCT mode는 pelvis mode를 선택 하였고 diameter는 PA-axis 45 cm, LR-axis 45 cm, reconstruction volume 512×512, acquisition mode는 half fan mode로 설정하였고, half fan bow tie filter 를 적용하였다.
- 1,2) 최근 정상조직의 장해를 증가시키는 여지를 줄이려는 노력은 계속되어 왔으며 PTV 설정 시 Inter-fraction margin과 Intra-fraction margin을 최소 화함으로써, 국소적인 부분에 많은 선량을 전달할 수 있는 SBRT를 좀 더 넓은 범위에 적용할 수 있게 되었다. 간(Liver)에 SBRT를 시행할 때 종양조직과 정상조직의 경계가 불분명하고, 움직임이 있어 종양 부위를 직접 확인하여 치료하 기에는 어려움이 있기 때문에 종양의 근접한 부위에 3개의 fiducial marker (gold seed, 길이 3.0 mm, 지름 1.0 mm)를 삽입 후 fiducial marker를 기준으로 하여 영상 유도를 시행하고 셋업에 의한 오차를 보정하여 치료를 시행한다. 3,4) 종양 움직임을 정확하게 획득하기 위하여 전산화 단층촬영 모의 치료(CT simulation)시 환자를 4차원 전산화 단층 촬영 모의 치료(Four-Dimensional CT simulation)하여 환자의 호흡을 분석하고 호흡에 의한 종양의 움직임이 큰 환자의 경우는 호흡 연동 방사선 치료(Respiratory Gating Radiation Therapy, RGRT)를 시행한다.
- 둘째, Fiducial marker의 움직임을 모두 반영하기 위하여 세로방향(longitudinal)으로 40.0 mm의 거리로 왕복하여 움직이는 팬텀 위에 fiducial marker를 위치하고 CT simulator 의 slice thickness를 1.25 mm, 2.50 mm, 5.00 mm로 변화시켜 가며 4D CT로 영상을 획득 하고, Eclipse planning system의전자 거리계를 이용하여 Maximum Intensity Projection (MIP) Image의 총 궤적의 길이를 측정(Fig. 8)하였다. 또한 OBI system의 CBCT 기능을 이용하여 움직이는 fiducial marker를 slice distance를 1.
- 8)하였다. 또한 OBI system의 CBCT 기능을 이용하여 움직이는 fiducial marker를 slice distance를 1.00 mm, 2.50 mm, 5.00 mm로 변화시켜 가며 scan하고 OBI workstation의 전자 거리계를 이용 하여 측정(Fig. 9)하였다.
- 6)하였다. 또한 OBI의 CBCT 기능을 이용하여 fiducial marker를 scan 하였으며 슬라이스 거리 (slice distance)를 1.00 mm, 2.50 mm, 5.00 mm, 10.00 mm로 변화시켜가며 고정된 fiducial marker에서 발생하는 artifact 의 크기를 전자 거리계를 이용하여 측정(Fig. 7)하였다.
- 환자의 호흡은 흡기(inhalation) 때보다 호기(exhalation) 때가 더욱 일정하고 안정적 이기 때문에 영상 유도는 숨을 가장 내쉬었을 때의 지점인 4D CT 위상(phase)의 50% 위상지점이 되며 호흡의 호기 시에는 횡경막(diaphragm)이 상위 방향(superior)으로 올라가기 때문에 영상 정합지점은 fiducial marker가 머리 방향으로 가장 높이 올라가는 지점이 된다. 또한 OBI의 형광투시 (fluoroscopy) 기능을 이용하여 환자의 호흡을 관찰하며 호흡을 가장 내쉬었을 때의 fiducial marker의 영상을 얻어 DRR 영상의 50% 위상의 fiducial marker 윤곽(contour)과 정합 한다. 3차원 정합 방법은 CT simulation시 획득한 CT 영상의 fiducial marker 영상과 치료 전 OBI를 이용하여 획득한 콘빔 전산화 단층촬영 영상(Cone Beam CT, CBCT)을 정합하는 방법이다.
- 세 번째 실험은 두 번째 실험인 fiducial marker의 측정된 궤적의 길이 차이가 영상 유도를 실행 할 때 오차를 발생 시킬 수 있기 때문에 움직이는 팬텀을 이용하여 호흡에 의하여 움직이는 장기인 간을 재현 하였고, 치료 임상에 적용하는 방법과 동일한 조건으로 2차원 정합과 3차원 정합을 실행하 였다. Fiducial marker에서 발생하는 artifact의 영향으로 궤적의 길이가 fiducial marker의 이동 거리 보다 증가되어 나타 나기 때문에 영상 유도 시행 할 때 couch의 좌표이동 값이 발생하였으며, 치료 시 오차가 발생 할 수 있었다.
- 셋째, 간암에 대한 SBRT 치료 시 영상 유도가 이루어지는 지점인 50% 위상지점에서 2차원 정합을 시행한 후 3차원 정합을 시행하고 2차원 정합과 3차원 정합 사이에서 발생하는 couch의 이동 값을 측정하였다. 2차원 정합방법은 CT simulation시 획득한 디지털 재구성 방사선영상(Digitally Reconstructed Radiography, DRR)을 참조 영상으로 하고 치료 전 OBI를 이용하여 획득한 앞뒤(anterior-posterior)방향과 좌우 (Rt.
- OBI의 CBCT scan조건은 125 kVp, 80 mA, 13 ms로 하였으며, CBCT mode는 pelvis mode를 선택 하였고 diameter는 PA-axis 45 cm, LR-axis 45 cm, reconstruction volume 512×512, acquisition mode는 half fan mode로 설정하였고, half fan bow tie filter 를 적용하였다. 실험은 고정된 fiducial marker의 artifact 크기 측정, 움직이는 fiducial marker의 움직인 궤적의 길이 측정과 2차원 정합과 3차원 정합 사이의 오차 측정 세 가지 방법으로 하였다.
- 영상 유도 시스템(On-Board Imager system, OBI, VARIAN, USA, Version 1.3)이 장착된 의료용 선형 가속기(CLINAC iX, VARIAN, USA) (Fig. 3)와 전산화 단층 촬영 모의 치료기(LightSpeed RT 16 CT scanner, General Electric, USA) (Fig. 4)를 사용하였다. 불규칙한 호흡에 의한 50% 위상지점의 변화에 의한 오차의 영향을 제거하기 위하여 자체 제작한 움직 이는 팬텀(390 RPM, 길이 40 mm) (Fig.
- 첫째, 고정된 fiducial marker를 CT simulator의 slice thickness를 1.25 mm, 2.50 mm, 5.00 mm, 10.0 mm로 변화시켜가며 주사(Scan)하였고, 전자 거리계를 이용하여 fiducial marker의 크기를 측정(Fig. 6)하였다. 또한 OBI의 CBCT 기능을 이용하여 fiducial marker를 scan 하였으며 슬라이스 거리 (slice distance)를 1.
- 정합 지점은 2차원 정합과 마찬가지로 숨을 가장 내쉬었을 때인 fiducial marker 궤적의 가장 높은 부분이 된다. 팬텀은 일정한 이동거리를 가지고 움직이기 때문에 영상 정합 지점의 불규칙한 변화를 제거한 fiducial marker에서 생기는 artifact가 slice thickness의 변화에 따라 영상 정합에 미치는 영향을 평가 하였다. 16,17)
- 오차의 원인으로는 2차원 정합 후 3차원 정합을 하는 과정에서의 환자 호흡이 변하여 호기의 정도가 달라져 호흡에 따른 위상의 50% 위상지점 즉, fiducial marker의 가장 높은 지점의 위치가 변한 경우와 금속물질인 fiducial marker에서 발생하는 인공물(artifact)에 의한 영향을 생각할 수 있다. 하지만 2차원 정합과 3차원 정합 사이에서 발생하는 오차가 불규칙한 호흡에 의한 변화 때문인지 fiducial marker에서 발생하는 인공물에 의한 영향 때문인지를 확실히 구분하기에는 어려움이 있어 본 논문에서는 상 하위 방향(superior-inferior)으로 규칙적으로 움직이는 팬텀을 자체 제작하여 불규칙한 호흡 으로 인한 fiducial marker의 정합 지점의 변화요인을 제거하고 fiducial marker에서 발생하는 artifact에 의한 영향만을 평가 하였다. 또한 fiducial marker에서 발생하는 artifact가 슬라이스 두께(slice thickness)의 변화에 따라 2차원 정합과 3차원 정합 사이에 미치는 영향을 평가하고 그 오차의 정도를 최소화 할 수 있는 방안을 제시 하고자 한다.
대상 데이터
- 4)를 사용하였다. 불규칙한 호흡에 의한 50% 위상지점의 변화에 의한 오차의 영향을 제거하기 위하여 자체 제작한 움직 이는 팬텀(390 RPM, 길이 40 mm) (Fig. 4)을 사용 하였다. 또한 조직 등가물질(bolus) 속에 2개의 fiducial marker를 삽입한 팬텀(Fig.
성능/효과
- 환자의 계획용 표적 체적(Planning Target Volume, PTV) 을 직접적으로 확인하기가 어려운 경우가 많기 때문에 뼈의 구조를 기준으로 환자 셋업 확인과 보정이 이루어져 왔으며, 움직임이 있는 장기의 경우 뼈를 기준으로 하여 장기의 움직 임이 PTV안에 모두 포함될 수 있도록 임상 표적 체적(Clinical Target Volume, CTV)으로부터 충분한 여지(Margin)를 두고 치료를 시행해 왔다. 1,2) 최근 정상조직의 장해를 증가시키는 여지를 줄이려는 노력은 계속되어 왔으며 PTV 설정 시 Inter-fraction margin과 Intra-fraction margin을 최소 화함으로써, 국소적인 부분에 많은 선량을 전달할 수 있는 SBRT를 좀 더 넓은 범위에 적용할 수 있게 되었다. 간(Liver)에 SBRT를 시행할 때 종양조직과 정상조직의 경계가 불분명하고, 움직임이 있어 종양 부위를 직접 확인하여 치료하 기에는 어려움이 있기 때문에 종양의 근접한 부위에 3개의 fiducial marker (gold seed, 길이 3.
- 간에 SBRT를 적용하는 경우 치료 분할 횟수를 줄이고 한번 치료시 고 선량을 조사하기 때문에 치료 시 발생하는 오차는 환자에게 매우 큰 영향을 줄 수 있다. CT simulation 시 slice thickness를 5.00 mm로 설정하고 전산화 치료 계획을 세운후 치료를 할 경우 영상유도 방사선 치료 시 8.00 mm라는큰 치료 오차를 발생 시킬 수도 있었다. 영상유도 방사선 치료의 경우 Inter-fraction margin과 Intra-fraction margin을 최소화 하여 치료하기 때문에 영상 유도 시 발생하는 오차로 인하여 PTV가 치료범위 밖으로 벗어나는 심각한 오류를 범할 수도 있다.
- 고정된 fiducial marker의 경우 CT simulation시와 CBCT 모두 silce thickness를 증가시킴에 따라 fiducial marker의 크기는 실제크기 보다 매우 큰 폭으로 증가 되었으며, CT simulation시 보다 CBCT 에서의 증가율이 더욱 높게 나타났다.
- 두 번째 실험인 Fiducial marker의 움직인 궤적의 길이를 측정한 결과, slice thickness의 증가에 따라 궤적의 길이는 움직인 거리보다 증가 하였다. CT simulation과 CBCT에서 측정된 fiducial marker의 궤적의 길이는 치료 시 표적의 움직 임을 표현 할 수 있기 때문에 가장 이상적인 결과는 CT simulation과 CBCT에서 획득한 fiducial marker의 궤적의 길이가 동일해야 한다.
- 둘째, 팬텀에 의하여 움직이는 fiducial marker 궤적의 길이 측정 결과 CT simulator의 slice thickness를 각각 1.25, 2.50, 5.00 mm로 변화시켰을 때 40.00 mm의 거리로 움직인 fiducial marker의 총 궤적의 길이는 42.00, 43.10, 46.50 mm (Table 3)로 측정 되었으며 CBCT slice distance를 1.00, 2.50, 5.00 mm로 변화 시켜 가며 측정한 길이는 43.40, 46.00, 49.30 mm (Table 4)로 측정되었다.
- 영상유도 방사선 치료의 경우 Inter-fraction margin과 Intra-fraction margin을 최소화 하여 치료하기 때문에 영상 유도 시 발생하는 오차로 인하여 PTV가 치료범위 밖으로 벗어나는 심각한 오류를 범할 수도 있다. 본 실험을 통하여 이러한 오차는 slice thickness를 2.50 mm로 설정하여 2.00 mm이내로 줄일 수 있으며 1.00 mm로 설정 하였을 경우는 1.00 mm이내로 줄일 수 있었다.
- Slice thickness를 작게 설정 하는 것은 CT simulation 시 소요 시간 증가와 OBI의 재구성 소요 시간 증가 그리고 의사가 각 장기의 윤곽을 설정하는데 소요되는 시간이 증가하는 등의 단점이 있다. 본 실험을 통해 확인한 결과 fiducial marker를 이용한 영상유도 방사선 치료 시 fiducial marker에서 발생하는 artifact의 영향으로 인하여 치료오차가 발생 할 수 있음을 확인 하였으며, 이 오차는 slice thickness를 작게 설정하는 방법으로 최소화 할 수 있었다. Fiducial marker를 이용하여 움직이는 장기에 영상 유도 방사선 치료를 시행 할 경우 fiducial marker에서 발생하는 artifact를 고려하여 slice thickness를 2.
- 셋째, 팬텀에 의하여 움직이는 fiducial marker를 OBI를 사용하여 50% 위상지점에서 각각 2차원 정합과 3차원 정합의 방법으로 영상 유도를 시행한 결과 2차원 정합과 3차원 정합 사이의 couch의 좌표이동 값은 OBI의 slice distance를 각각 1.00, 2.50, 5.00 mm로 변화 하였을 때 1.00, 2.00, 8.00 mm (Table 5)로 좌표 이동이 발생 하였다.
- 첫 번째 실험인 고정된 fiducial marker의 크기를 측정한 결과 금속 물질로 이루어진 fiducial marker는 slice thickness가 증가함에 따라 artifact의 증가로 3.00 mm 크기가 실제 크기보다 크게 측정 되었다. 설정한 slice thickness의 보간법 (interpolation)에 의한 영상 재구성(reconstruction)과정에서 나타나는 현상으로 artifact는 slice thickness가 증가 하면서 함께 증가 하였다.
- 첫째, 고정된 fiducial marker의 artifact 크기 측정 결과 CT simulator의 slice thickness를 각각 1.25, 2.50, 5,00, 100 mm로변화 시켰을 때 3.00 mm 크기의 fiducial marker는 4.90, 8.10, 12.90, 19.70 mm (Table 1)로 silce thickness를 증가함에 따라 artifact의 크기도 증가 되었다. OBI의 CBCT는 slice distance를 1.
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