[논문]방사선치료의 Geant4 전산모사를 위한 DICOM 변환 프로그램 개발

강정구; 이동준

doi:10.14316/pmp.2013.24.4.259

초록
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방사선치료의 선량계산을 위해 Geant4 기반의 전산모사를 실행할 때 필요한 응용 프로그램을 개발 하였다. DICOM의 헤더 부분을 분석하여 각종 파라메터를 구하였다. 특히 배포 판에서의 문제점을 모두 해결하기 위해 클래스를 새로 정의하였다. 따라서 국내에 설치된 대부분의 DICOM 파일을 변환 할 수 있게 되었다. 픽셀 데이터의 변환 값을 확인하는 프로그램을 개발하여 정확성을 비교 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The DICOM converter program of the Geant4 Monte Carlo simulation code for the application of radiotherapy was developed. We analysis the header part of the DICOM file and find various parameters, such as matrix size, pixel size, stored data bits, high bit, and padding values. Especially we evaluate ...

The DICOM converter program of the Geant4 Monte Carlo simulation code for the application of radiotherapy was developed. We analysis the header part of the DICOM file and find various parameters, such as matrix size, pixel size, stored data bits, high bit, and padding values. Especially we evaluate every pixel value of the DICOM files. To conform the exact convert of the pixel values, we developed the verify program. As a result, the DICOM formats generated from difference CT vendors can be converted and verified for Genat4 calculations.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

하지만 DICOM 파일을 변환하는 과정에서 여러 가지 문제점으로 인하여 이를 이용한 전산모사의 실행에 어려움으로 작용하고 있는 상태이다. 이에 본 연구에서는 DICOM 파일의 변환에서 일어나는 문제점을 해결하여 Geant4를 이용하는 전산모사에서 DICOM 파일을 원활하게 이용할 수 있도록 하였다. 실제로 국내 각 병원에서 도입된 다양한 장비에서 얻어진 DICOM 파일의 파일 형식에 관계없이 모두 변환을 할 수 있는 방법을 모색 하였다.
이를 실제로 실행해보면 정확한 픽셀 위치를 찾지 못할 뿐만 아니라 템플레이트(Template)로 제공된 바이트 교환 루틴에서 교환 후 아스키(ASCII) 값으로의 변환이 제대로 일어나지 않았다. 본 연구에서는 이들에 대한 처리 알고리즘을 개발하여 정확한 변환이 일어나도록 처리 하였다. 특히 픽셀 값의 정확성 담보를 위하여 각각의 픽셀 값을 일일이 확인하였다.
본 연구에서는 기존에 행했던 변환 과정에서의 시행착오를 방지하기 위하여 실제 픽셀 값과 읽어 들인 픽셀 값 그리고 변환된 밀도 값을 확인하는 프로그램을 제작 하였다. 실제로 한 슬라이스의 픽셀 값을 일일이 수작업으로 확인을 한 결과 엄청난 시간이 소요됨에 따라 프로그램으로 오류를 확인 하도록 처리 하였다.
하지만 DICOM 파일의 밀도 변환 문제와 이 밀도 값에서 물질을 할당하는 문제 때문에 많은 어려움을 느껴왔다. 본 연구에서는 정위적 방사선 수술의 전산모사를 시도하던 중 DICOM 파일의 변환이 시급함을 깨닫고 이에 대한 변환을 시도 하였다.
특히 Geant4의 배포 판에 포함된 변환 알고리즘의 구현 역시 실제 환경에서는 실행이 되지 않고 있다. 이에 본 저자들은 배포 판에서 제공된 알고리즘을 더욱 발전시켜 국내에서 사용하고 있는 대부분 CT의 DICOM 영상을 변환할 수 있도록 개발 하였다. 물론 밀도에서 물질을 할당하는 방식의 알고리즘은 향후 개선의 여지가 많이 있지만 현재로써는 최선의 해결책이라 생각 한다.
본 연구에서는 Geant4를 이용한 전산모사에서 가장 중요한 인체의 기하학적 구조를 생성하기 위한 CT의 DICOM 파일의 변환에 대해 연구 하였다. 특히 국내에서 널리 이용하고 있는 모든 CT 영상을 변환 시킬 수 있도록 알고리즘을 개선하였다.

제안 방법

6) 여기에 실제 파일의 변환시 문제가 되었던 부분을 수정 하고 추가하였다. 먼저 가장 큰 문제점은 헤더 파인 부분을 전혀 인식할 수 없는 문제였다.
CT 스캔을 실행 할 때 FOV(Field of View)의 설정에 따라 데이터 영역이 직사각형인 경우 DICOM 파일로 저장 하면서 정사각형 형태로 만들기 위해 패딩값을 추가하여 규격화하기도 한다. 이들에 대한 처리에서는 패딩 값을 추가 여부를 헤더에서 검출한 다음 패딩 값을 찾아 이 값을 제거하도록 처리 하였다. 이러한 처리를 하지 않으면 실제 변환시 제대로 변환이 이루어지지 않거나 잘못된 밀도로 변환이 이루어진다.
픽셀 값에서 밀도로의 변환은 HU값을 −2,000에서 ＋2,000까지 12개 구간으로 구분하여 이에 해당하는 밀도 값을 표로 주어지고 이를 이용해 선형으로 계산하여 구하였다.
본 연구에서는 이들에 대한 처리 알고리즘을 개발하여 정확한 변환이 일어나도록 처리 하였다. 특히 픽셀 값의 정확성 담보를 위하여 각각의 픽셀 값을 일일이 확인하였다.
본 연구에서는 기존에 행했던 변환 과정에서의 시행착오를 방지하기 위하여 실제 픽셀 값과 읽어 들인 픽셀 값 그리고 변환된 밀도 값을 확인하는 프로그램을 제작 하였다. 실제로 한 슬라이스의 픽셀 값을 일일이 수작업으로 확인을 한 결과 엄청난 시간이 소요됨에 따라 프로그램으로 오류를 확인 하도록 처리 하였다. 수작업으로 확인한 작업은 결국 확인 프로그램의 검증 역할을 한 것이다.
프로그램은 델파이로 코딩을 하였으며 각 픽셀 값을 비교하여 디스플레이 할 수 있도록 하였으며 DICOM 파일의 변환으로 Geant4에서 사용 할 수 있도록 만들어진 중간 파일을 읽어 들여 DICOM 영상을 표시 할 수 있도록 하였다. 단순히 픽셀 값을 확인하기 위한 프로그램이기 때문에 메뉴에는 변환된 중간 파일을 선택할 수 있도록 하였고 주 화면의 이미지 표시 부분에는 각 압축률 별로 나타내는 버튼을 배치 시켰다.
본 연구에서는 Geant4를 이용한 전산모사에서 가장 중요한 인체의 기하학적 구조를 생성하기 위한 CT의 DICOM 파일의 변환에 대해 연구 하였다. 특히 국내에서 널리 이용하고 있는 모든 CT 영상을 변환 시킬 수 있도록 알고리즘을 개선하였다. 또한 실제 파일 변환의 모든 단계에서 정확하게 변환되는지 검증을 거쳐 확인을 하였다.
특히 국내에서 널리 이용하고 있는 모든 CT 영상을 변환 시킬 수 있도록 알고리즘을 개선하였다. 또한 실제 파일 변환의 모든 단계에서 정확하게 변환되는지 검증을 거쳐 확인을 하였다. 더욱이 각각의 픽셀 값의 변환의 경우 2바이트의 픽셀 값이 정확히 교환이 일어나는지를 확인 하였으며 이에 따른 밀도 변환의 정확성이 검증을 거치게 되었다.
또한 실제 파일 변환의 모든 단계에서 정확하게 변환되는지 검증을 거쳐 확인을 하였다. 더욱이 각각의 픽셀 값의 변환의 경우 2바이트의 픽셀 값이 정확히 교환이 일어나는지를 확인 하였으며 이에 따른 밀도 변환의 정확성이 검증을 거치게 되었다. 따라서 이 변환을 이용하면 정위적 방사선 수술, 세기조절 방사선 치료, 3차원 입체 조형치료 등 모든 방사선 치료 분야에서의 전산모사를 수행할 때 인체에 대한 기하학적 구조를 생성하기 위한 기본 자료로써 널리 사용 되리라 생각된다.

대상 데이터

이 부분의 수치 값을 취하여 밀도로 변환하도록 하였다. 각 픽셀의 HU값을 밀도로 변환하기 위해서는 교정 곡선을 구해야 하는데 이를 위해 Catphan 503(The Phantom Laboratory, USA) 팬텀을 사용 하였다.
픽셀 값에서 밀도로의 변환은 HU값을 −2,000에서 ＋2,000까지 12개 구간으로 구분하여 이에 해당하는 밀도 값을 표로 주어지고 이를 이용해 선형으로 계산하여 구하였다. 이 표는 위에서 설명한 Catphan 503을 사용 하였다. 이 교정곡선에 대해서는 각각의 CT에 대해서 구해야 하며 향후 좀 더 자세한 논의가 필요 할 걸로 생각 된다.
픽셀 값은 전산모사에서 사용할 압축률을 이용해 평균값을 구하였다. 압축률이 1인 경우는 각각의 픽셀 값을 그대로 사용하고 압축률이 2이면 옆으로 2개 픽셀과 바로 아래의 2개 픽셀, 총 4개 픽셀 값의 평균을 구해 사용 하였다.

데이터처리

Table 1에 이번에 사용한 값을 보였다. 픽셀 값은 전산모사에서 사용할 압축률을 이용해 평균값을 구하였다. 압축률이 1인 경우는 각각의 픽셀 값을 그대로 사용하고 압축률이 2이면 옆으로 2개 픽셀과 바로 아래의 2개 픽셀, 총 4개 픽셀 값의 평균을 구해 사용 하였다.

이론/모형

DICOM 파일에서 헤더 정보를 획득하는 방법은 기본적으로 Geant4 배포 판의 예제에서 제공한 알고리즘을 그대로 사용 하였다.⁶⁾ 여기에 실제 파일의 변환시 문제가 되었던 부분을 수정 하고 추가하였다.
본 연구에서는 밀도에서 인체 내 물질을 할당할 때 밀도 별로 10개로 나누면 실제 선량계산에 크게 무리가 없을 것이라는 ICRU Report 46을 인용하였다.⁷⁾ 물론 여러 가지 다른 구성 성분이라도 같은 밀도를 갖을 수 있다.

성능/효과

5) DICOM 영상을 이용하면 인체의 해부학적 구조를 정확히 묘사할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 실제 DICOM 파일에서는 각 화소의 픽셀 값에서 이에 해당하는 HU(Hounsfield Unit)이 얻을 수 있는 유일한 정보이다.
국내에 설치된 CT는 모두 기본적인 리틀 엔디언(little endian)이 적용되는 기종이어서 빅 엔디언(big endian)에 대한 처리는 생략 하였다. 하지만 Philips 사 CT의 DICOM 파일을 처리하면서 엔디언(endian)의 설정이 바뀌어야 2바이트를 되돌린 후 함께 포함해서 4바이트의 길이를 읽어야 정확한 값을 읽을 수 있는 경우도 있음을 확인 하였다. 이러한 현상은 진단용 CT에서 발생 하였으며 치료용 CT-Sim 에서는 정상적으로 읽을 수 있었다.
DICOM 파일 중에는 아주 예외적인 경우로 데이터 부분이 압축되어 있는 DICOM 파일 형식이 있다. 이러한 파일은 확인 결과 JPEG 압축 알고리즘을 사용하였으며 데이터의 크기를 대략 절반 정도로 줄일 수 있었다. 이러한 파일은 주로 개인 병원의 DICOM 파일에서 발견할 수 있었다.

후속연구

실제로 국내 각 병원에서 도입된 다양한 장비에서 얻어진 DICOM 파일의 파일 형식에 관계없이 모두 변환을 할 수 있는 방법을 모색 하였다. 이를 이용하면 정확한 인체 구조를 구현할 수 있어 다양한 부위의 모든 전산모사에 활용이 가능 하리라 생각된다.
이 표는 위에서 설명한 Catphan 503을 사용 하였다. 이 교정곡선에 대해서는 각각의 CT에 대해서 구해야 하며 향후 좀 더 자세한 논의가 필요 할 걸로 생각 된다.
화면 오른쪽에는 읽어 들인 데이터 값을 표시 하도록 배치하였다. 향후 이 프로그램은 전산모사 후 얻어진 선량 값을 이용하여 DICOM 영상에 등선량 곡선을 표시하도록 처리할 계획이다.
더욱이 각각의 픽셀 값의 변환의 경우 2바이트의 픽셀 값이 정확히 교환이 일어나는지를 확인 하였으며 이에 따른 밀도 변환의 정확성이 검증을 거치게 되었다. 따라서 이 변환을 이용하면 정위적 방사선 수술, 세기조절 방사선 치료, 3차원 입체 조형치료 등 모든 방사선 치료 분야에서의 전산모사를 수행할 때 인체에 대한 기하학적 구조를 생성하기 위한 기본 자료로써 널리 사용 되리라 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DICOM의 헤더 부분을 분석하여 무엇을 얻었는가?	방사선치료의 선량계산을 위해 Geant4 기반의 전산모사를 실행할 때 필요한 응용 프로그램을 개발 하였다. DICOM의 헤더 부분을 분석하여 각종 파라메터를 구하였다. 특히 배포 판에서의 문제점을 모두 해결하기 위해 클래스를 새로 정의하였다.
	DICOM 파일에서 헤더 정보를 획득하는 방법으로 사용한 알고리즘은?	DICOM 파일에서 헤더 정보를 획득하는 방법은 기본적으로 Geant4 배포 판의 예제에서 제공한 알고리즘을 그대로 사용 하였다.6) 여기에 실제 파일의 변환시 문제가 되었던 부분을 수정 하고 추가하였다.
	DICOM파일의 변환 3단계를 설명하시오.	DICOM파일의 변환은 3단계로 이루어진다. 먼저 DICOM 파일의 헤더 부분을 변환하는 과정에서 화면에 표시해준다. 이 과정에서 실행 시 어느 정도 정상적으로 변환이 일어남을 추측 할 수 있다. 다음으로는 모든 픽셀의 값을 읽어 들인 후 주어진 압축률에 따라 밀도를 계산한 후 밀도값에 해당하는 물질을 할당한 후 이 물질의 인덱스 값을 중간 파일에 저장 한다. 이때 밀도 계산은 주어진 교정곡선을 이용하여 선형으로 계산한다. 다음은 각 픽셀의 실제 계산된 밀도 값을 Geant4에서 사용 하는 중간 파일에 저장한다. 이 중간 파일의 확장자는 g4dcm이며 일반 텍스트 파일의 형태로 저장된다.

참고문헌 (8)

Joh YG, Kim HD, Kim BY, et al: Calculation of energy spectra for electron beam of medical linear accelerator using GEANT4. Korean Journal of Medical Physics 22(2):85-91 (2011)

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Park SH, Jung WG, Rah JE, Park S, Suh TS: Evaluation of the secondary particle effect in inhomogeneous media for proton therapy using Geant4 based MC simulation . Journal of Medical Physics 21(4):311-322 (2010)
Kimura A, Tanaka S, Aso T, et al: DICOM interface and visulization tool for Geant4-based dose calculation. Nuclear Science Symposium Conference Record 2005 IEEE Volume 2:981-984 (2005)
Agostinelli S, Allison J, Amako K, et al: Geant4 developments and applications. IEEE Transactions on Nuclear Science 53(1):270-278 (2006)

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Kim BY, Kim HD, Kim SJ, Oh SA, Kang JK, Kim SK: Study on the 6MV photon beam characteristics and analysis method from medical linear accelerators using Geant4 medical Linac2 example. Journal of Medical Physics 22(2):79-84 (2011)
GEANT4 Collaboration Version Geant4 9.6.0: Geant4 user's guide for application developers. CERN (2013)
ICRU Report 46: Photon, Electron, Proton and Neutron Interaction data for Body Tissues. International Commission on Radiation Units and Measurement, bethesda, MD (1992)
Agostinelli S, Allison J, Amako K, et al: Geant4 - a simulation toolkit. Nuclear Instruments and Methods A 506(3):250-303 (2003)

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