ConeBeam Computed Tomography (CBCT) 영상을 기반으로 한 선량계산에서는 Fanbeam Computed Tomography (FBCT)와 비교하여 산란에 의한 영향이 크고 그 양상이 다양하게 나타나 오차의 주요한 요인으로 작용하는 것으로 알려져 있다. 본 논문에서는 골반 방사선 치료에서 산란이 CBCT 기반으로 한 선량계산에 미치는 영향을 평가하여 오차를 최소화 할 수 있는 조건에 대하여 연구하였다. 다양한 산란조건에서의 CBCT 영상 취득을 위하여 전자밀도 교정용 팬텀에 크기가 각기 다른 산란물질을 추가하여 "산란부족", "산란과다", 그리고 "산란충분"의 3가지 조건을 정하였다. 산란조건에서 취득된 CBCT 영상에서 팬텀 중심부와 주변부의 위치에 따른 CT number값의 차이와 분포를 분석하여 균질도를 평가하였으며 FBCT 영상 기반의 선량 분포를 기준으로 하여 다양한 산란조건에서의 전자밀도 교정관계를 적용하였을 때 팬텀 및 전립선암 환자 5명의 CBCT 영상에서 계산된 선량분포의 감마합격률 및 상대적 오차를 구하였다. 팬텀 CBCT 영상에 대한 CT number들의 히스토그램에서의 분포에서 물 등가 물질에 해당하는 피크의 폭(FWHM)은 산란부족(685 HU)이나 산란과다(264 HU)보다 산란충분(146 HU)의 조건에서 가장 작게 나타나 균질도가 제일 좋은 것으로 평가되었고 팬텀의 중심부와 주변부에서 동일 성분에 대한 CT number의 차이 역시 같은 결과를 나타내었다. 또한 팬텀의 CBCT 영상을 취득할 때와 동일한 산란조건에서의 교정조건을 적용한 경우 선량계산이 가장 정확하였으며 산란충분의 교정곡선 조건을 적용하였을 때 5명의 전립선암환자(평균 등가지름 27.2 cm)의 CBCT 영상 기반의 선량분포는 FBCT의 경우와 대비하여 1%/3 mm의 감마지표에서 감마합격률 98% 이상을 나타내었다. 이때 FBCT 선량에 대한 CBCT 선량오차는 처방선량 대비 2% 이하(평균 0.2%, -1.3%~1.6%)로 평가되었다. CBCT 골반 촬영을 할 때 일반적인 성인 골반의 원통 등가지름(ECD, Equivalent Cylindrical Diameter)의 산란조건에서 동일 성분에 대한 HU 값이 가장 균질하게 나타나 골반 촬영모드가 최적화되었음을 확인하였으며 일반적인 골반부위와 ECD가 유사한 산란조건, 즉 산란충분조건에서 취득된 전자밀도 교정관계를 적용하여 골반 CBCT 기반에서 선량을 계산하였을 때 최적의 선량 정확성을 확보할 수 있었다.
ConeBeam Computed Tomography (CBCT) 영상을 기반으로 한 선량계산에서는 Fanbeam Computed Tomography (FBCT)와 비교하여 산란에 의한 영향이 크고 그 양상이 다양하게 나타나 오차의 주요한 요인으로 작용하는 것으로 알려져 있다. 본 논문에서는 골반 방사선 치료에서 산란이 CBCT 기반으로 한 선량계산에 미치는 영향을 평가하여 오차를 최소화 할 수 있는 조건에 대하여 연구하였다. 다양한 산란조건에서의 CBCT 영상 취득을 위하여 전자밀도 교정용 팬텀에 크기가 각기 다른 산란물질을 추가하여 "산란부족", "산란과다", 그리고 "산란충분"의 3가지 조건을 정하였다. 산란조건에서 취득된 CBCT 영상에서 팬텀 중심부와 주변부의 위치에 따른 CT number값의 차이와 분포를 분석하여 균질도를 평가하였으며 FBCT 영상 기반의 선량 분포를 기준으로 하여 다양한 산란조건에서의 전자밀도 교정관계를 적용하였을 때 팬텀 및 전립선암 환자 5명의 CBCT 영상에서 계산된 선량분포의 감마합격률 및 상대적 오차를 구하였다. 팬텀 CBCT 영상에 대한 CT number들의 히스토그램에서의 분포에서 물 등가 물질에 해당하는 피크의 폭(FWHM)은 산란부족(685 HU)이나 산란과다(264 HU)보다 산란충분(146 HU)의 조건에서 가장 작게 나타나 균질도가 제일 좋은 것으로 평가되었고 팬텀의 중심부와 주변부에서 동일 성분에 대한 CT number의 차이 역시 같은 결과를 나타내었다. 또한 팬텀의 CBCT 영상을 취득할 때와 동일한 산란조건에서의 교정조건을 적용한 경우 선량계산이 가장 정확하였으며 산란충분의 교정곡선 조건을 적용하였을 때 5명의 전립선암환자(평균 등가지름 27.2 cm)의 CBCT 영상 기반의 선량분포는 FBCT의 경우와 대비하여 1%/3 mm의 감마지표에서 감마합격률 98% 이상을 나타내었다. 이때 FBCT 선량에 대한 CBCT 선량오차는 처방선량 대비 2% 이하(평균 0.2%, -1.3%~1.6%)로 평가되었다. CBCT 골반 촬영을 할 때 일반적인 성인 골반의 원통 등가지름(ECD, Equivalent Cylindrical Diameter)의 산란조건에서 동일 성분에 대한 HU 값이 가장 균질하게 나타나 골반 촬영모드가 최적화되었음을 확인하였으며 일반적인 골반부위와 ECD가 유사한 산란조건, 즉 산란충분조건에서 취득된 전자밀도 교정관계를 적용하여 골반 CBCT 기반에서 선량을 계산하였을 때 최적의 선량 정확성을 확보할 수 있었다.
The accuracy and uniformity of CT numbers are the main causes of radiation dose calculation error. Especially, for the dose calculation based on kV-Cone Beam Computed Tomography (CBCT) image, the scatter affecting the CT number is known to be quite different by the object sizes, densities, exposure ...
The accuracy and uniformity of CT numbers are the main causes of radiation dose calculation error. Especially, for the dose calculation based on kV-Cone Beam Computed Tomography (CBCT) image, the scatter affecting the CT number is known to be quite different by the object sizes, densities, exposure conditions, and so on. In this study, the scatter impact on the CBCT based dose calculation was evaluated to provide the optimal condition minimizing the error. The CBCT images was acquired under three scatter conditions ("Under-scatter", "Over-scatter", and "Full-scatter") by adjusting amount of scatter materials around a electron density phantom (CIRS062, Tissue Simulation Technology, Norfolk, VA, USA). The CT number uniformities of CBCT images for water-equivalent materials of the phantom were assessed, and the location dependency, either "inner" or "outer" parts of the phantom, was also evaluated. The electron density correction curves were derived from CBCT images of the electron density phantom in each scatter condition. The electron density correction curves were applied to calculate the CBCT based doses, which were compared with the dose based on Fan Beam Computed Tomography (FBCT). Also, 5 prostate IMRT cases were enrolled to assess the accuracy of dose based on CBCT images using gamma index analysis and relative dose differences. As the CT number histogram of phantom CBCT images for water equivalent materials was fitted with a gaussian function, the FHWM (146 HU) for "Full-scatter" condition was the smallest among the FHWM for the three conditions (685 HU for "under scatter" and 264 HU for "over scatter"). Also, the variance of CT numbers was the smallest for the same ingredients located in the center and periphery of the phantom in the "Full-scatter" condition. The dose distributions calculated with FBCT and CBCT images compared in a gamma index evaluation of 1%/3 mm criteria and in the dose difference. With the electron density correction acquired in the same scatter condition, the CBCT based dose calculations tended to be the most accurate. In 5 prostate cases in which the mean equivalent diameter was 27.2 cm, the averaged gamma pass rate was 98% and the dose difference confirmed to be less than 2% (average 0.2%, ranged from -1.3% to 1.6%) with the electron density correction of the "Full-scatter" condition. The accuracy of CBCT based dose calculation could be confirmed that closely related to the CT number uniformity and to the similarity of the scatter conditions for the electron density correction curve and CBCT image. In pelvic cases, the most accurate dose calculation was achievable in the application of the electron density curves of the "Full-scatter" condition.
The accuracy and uniformity of CT numbers are the main causes of radiation dose calculation error. Especially, for the dose calculation based on kV-Cone Beam Computed Tomography (CBCT) image, the scatter affecting the CT number is known to be quite different by the object sizes, densities, exposure conditions, and so on. In this study, the scatter impact on the CBCT based dose calculation was evaluated to provide the optimal condition minimizing the error. The CBCT images was acquired under three scatter conditions ("Under-scatter", "Over-scatter", and "Full-scatter") by adjusting amount of scatter materials around a electron density phantom (CIRS062, Tissue Simulation Technology, Norfolk, VA, USA). The CT number uniformities of CBCT images for water-equivalent materials of the phantom were assessed, and the location dependency, either "inner" or "outer" parts of the phantom, was also evaluated. The electron density correction curves were derived from CBCT images of the electron density phantom in each scatter condition. The electron density correction curves were applied to calculate the CBCT based doses, which were compared with the dose based on Fan Beam Computed Tomography (FBCT). Also, 5 prostate IMRT cases were enrolled to assess the accuracy of dose based on CBCT images using gamma index analysis and relative dose differences. As the CT number histogram of phantom CBCT images for water equivalent materials was fitted with a gaussian function, the FHWM (146 HU) for "Full-scatter" condition was the smallest among the FHWM for the three conditions (685 HU for "under scatter" and 264 HU for "over scatter"). Also, the variance of CT numbers was the smallest for the same ingredients located in the center and periphery of the phantom in the "Full-scatter" condition. The dose distributions calculated with FBCT and CBCT images compared in a gamma index evaluation of 1%/3 mm criteria and in the dose difference. With the electron density correction acquired in the same scatter condition, the CBCT based dose calculations tended to be the most accurate. In 5 prostate cases in which the mean equivalent diameter was 27.2 cm, the averaged gamma pass rate was 98% and the dose difference confirmed to be less than 2% (average 0.2%, ranged from -1.3% to 1.6%) with the electron density correction of the "Full-scatter" condition. The accuracy of CBCT based dose calculation could be confirmed that closely related to the CT number uniformity and to the similarity of the scatter conditions for the electron density correction curve and CBCT image. In pelvic cases, the most accurate dose calculation was achievable in the application of the electron density curves of the "Full-scatter" condition.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
0 (Varian, USA)을 사용하였으며, 광자선에 대한 선량계산 알고리즘은 Analytical Anisotropic Algorithm (AAA)를 사용하였다.13) 골반 크기에 의한 영향을 평가하기 위하여 여러 환자의 골반 CBCT 영상들에 대해 하나의 보정관계를 적용하였을 때 선량계산의 정확성에 대하여 확인하고자 하였다. 산란조건들에서 취득된 전자밀도 교정 팬텀의 CBCT 영상과 전자밀도 교정곡선을 조합한 9가지의 시나리오에 대하여 같은 3차원 방사선치료계획을 적용하여 FBCT 영상 기반의 선량 계산과 비교 평가하였다.
다만, Masahiro 등12)에 의한 연구에서 피사체 크기에 따른 2차 산란선이 CBCT 영상의 질에 미치는 영향에 대하여 피사체를 원통 형태로 단순화하여 수식적으로 계산한 결과를 발표한 바가 있다. 본 연구에서는 조사 체적의 크기에 따른 산란에 의한 영향이 가장 클 것으로 예상되는 골반부위에 대하여 서로 다른 산란조건에서 취득된 CIRS062 팬텀의 CBCT 영상과 전자밀도 교정곡선(Hounsfield unit to electron density calibration curve)을 이용하여 영상에서의 CT number에 대한 균질성과 선량 계산의 정확성에 산란이 미치는 영향을 분석하였고 실제 골반 방사선치료에서 취득된 CBCT 영상을 이용하여 이를 확인하고자 하였다.
1에서 보이는 바와 같이 전자밀도가 동일한 각 쌍의 봉들을 중심부(Inner)와 주변부(Outer)에 서로 대칭이 되도록 배치하였다. 산란 정도의 기준은 실제 임상에서 환자들의 골반 CBCT 영상을 취득할 때 빔이 조사된 부피의 평균으로 하고자 하였다. 대부분 환자의 골반 부위의 일반적인 단면적과 전자밀도 교정팬텀의 단면적은 거의 일치하여 Superior-inferior 방향의 ConeBeam 조사 범위에 전자밀도 교정 팬텀의 단면적을 가지는 원통형으로 산란물질을 채운 경우를 산란충분 조건으로 정하였고, 이를 기준으로 산란선의 기여 정도가 다른 조건을 얻기 위하여 Fig.
당연한 결과로 영상과 동일한 산란조건의 전자밀도 교정곡선을 적용하였을 때 가장 높은 합격률을 나타내었다. 하지만 모든 환자에 대하여 동일한 산란조건을 맞추어 전자밀도 교정을 하는 것은 불가능하기 때문에 환자들의 다양한 산란조건에 안정적인 선량계산을 위한 조건을 구하기 위하여 특정 전자밀도 교정을 적용한 여러 산란조건의 CBCT영상에서의 선량계산 결과를 비교하여 확인하고자 하였다. 산란부족조건에서의 교정곡선을 적용하여 각각의 CBCT 영상들을 기반으로 선량을 계산하였을 때 감마합격률은 산란부족에서 취득한 영상에 대하여 1%/3 mm 기준에서의 감마합격률 95% 이상을 나타내었고 다른 영상에 대하여 90∼95%를 나타내었다.
제안 방법
치료계획용 FBCT와 CBCT 사이의 해부학적 불일치에 따른 영향을 최소화하기 위해서 MIM 프로그램(MIMVista Corp, Cleveland, Ohio)을 이용하여 FBCT 영상을 기준으로 변환영상정합을 한 CBCT 영상 기반으로 선량계산을 하여 치료 선량과 비교, 평가하였다.14) 선량의 차이는 동일한 치료계획으로 CBCT에서 해당 전자밀도 교정 조건으로 계산된 선량과 FBCT에서 계산된 선량의 차이를 처방선량에 대한 백분율을 구하여 처방선량 대비 10% 이상인 볼륨에 대하여 평균을 취하여 구하였다.
선량계산에 필요한 전자밀도 교정관계는 FBCT 및 각 산란조건에서의 CBCT 영상에서 팬텀의 중심부와 주변부에 대하여 따로 구하였다. FBCT에 대한 교정관계를 기준으로 각 산란조건에서의 CBCT의 경우와 비교할 때에는 중심부와 주변부의 교정 값의 평균으로 평가하였고 이를 선량 계산에 적용하였다.
선량분포 비교에서 OmniPro I’mRT (IBA Dosimetry, Germany) 프로그램이 사용되었으며, 감마합격률과 처방선량 대비 상대오차를 확인하였다. 감마지표로 3% 미만의 선량 차이에 대하여 더 분별력 있게 확인하기 위하여 일반적으로 사용하는 3%/3 mm가 아닌 1%/3 mm의 기준이 적용되었다.
갠트리 각도는 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 335°로 하여 17개의 전자밀도봉이 빔 조사야 안에 모두 위치하도록 방향을 설정하였다.
산란 정도의 기준은 실제 임상에서 환자들의 골반 CBCT 영상을 취득할 때 빔이 조사된 부피의 평균으로 하고자 하였다. 대부분 환자의 골반 부위의 일반적인 단면적과 전자밀도 교정팬텀의 단면적은 거의 일치하여 Superior-inferior 방향의 ConeBeam 조사 범위에 전자밀도 교정 팬텀의 단면적을 가지는 원통형으로 산란물질을 채운 경우를 산란충분 조건으로 정하였고, 이를 기준으로 산란선의 기여 정도가 다른 조건을 얻기 위하여 Fig. 2에 나타난 바와 같이 팬텀, 물, 스티로폼을 이용하여 산란부족, 산란과다의 산란 조건을 구성하였다. 테이블 위에 팬텀만을 두고 CBCT 영상을 획득하는 방법을 “산란부족(Under Scatter)” (Fig.
3가지 산란조건에 따라 획득한 CBCT 영상들의 각 픽셀 HU 값에 대한 히스토그램에서 가장 많은 부피를 차지하는 물 등가 영역에 대한 피크(Peak)를 Gaussian함수로 Fitting하여 FBCT와 비교하여 평가하였다. 또한 팬텀 중심부(In)와 주변부(Out)의 위치에 따른 동일 성분에 대한 HU 값의 차이에 대하여 전자밀도 교정 관계식을 구하여 비교하였다. 선량계산에 필요한 전자밀도 교정관계는 FBCT 및 각 산란조건에서의 CBCT 영상에서 팬텀의 중심부와 주변부에 대하여 따로 구하였다.
CIRS062 팬텀은 장경 330 mm, 단경 270 mm, 두께 50 mm의 물 등가 체부 팬텀에 서로 다른 8가지 전자밀도를 가지며, 동일 전자밀도에 한 쌍씩 그리고 가운데 물 등가물질을 넣을 수 있도록 총 17개의 전자 밀도봉들을 삽입할 수 있도록 되어 있다. 본 연구에서는 Fig. 1에서 보이는 바와 같이 전자밀도가 동일한 각 쌍의 봉들을 중심부(Inner)와 주변부(Outer)에 서로 대칭이 되도록 배치하였다. 산란 정도의 기준은 실제 임상에서 환자들의 골반 CBCT 영상을 취득할 때 빔이 조사된 부피의 평균으로 하고자 하였다.
산란조건들에서 취득된 전자밀도 교정 팬텀의 CBCT 영상과 전자밀도 교정곡선을 조합한 9가지의 시나리오에 대하여 같은 3차원 방사선치료계획을 적용하여 FBCT 영상 기반의 선량 계산과 비교 평가하였다. 빔 에너지는 모두 15 MV 광자선을 이용하였고 8문 조사영역(Field)에 각각 100 MU를 조사하였다. 갠트리 각도는 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270°, 335°로 하여 17개의 전자밀도봉이 빔 조사야 안에 모두 위치하도록 방향을 설정하였다.
13) 골반 크기에 의한 영향을 평가하기 위하여 여러 환자의 골반 CBCT 영상들에 대해 하나의 보정관계를 적용하였을 때 선량계산의 정확성에 대하여 확인하고자 하였다. 산란조건들에서 취득된 전자밀도 교정 팬텀의 CBCT 영상과 전자밀도 교정곡선을 조합한 9가지의 시나리오에 대하여 같은 3차원 방사선치료계획을 적용하여 FBCT 영상 기반의 선량 계산과 비교 평가하였다. 빔 에너지는 모두 15 MV 광자선을 이용하였고 8문 조사영역(Field)에 각각 100 MU를 조사하였다.
또한 팬텀 중심부(In)와 주변부(Out)의 위치에 따른 동일 성분에 대한 HU 값의 차이에 대하여 전자밀도 교정 관계식을 구하여 비교하였다. 선량계산에 필요한 전자밀도 교정관계는 FBCT 및 각 산란조건에서의 CBCT 영상에서 팬텀의 중심부와 주변부에 대하여 따로 구하였다. FBCT에 대한 교정관계를 기준으로 각 산란조건에서의 CBCT의 경우와 비교할 때에는 중심부와 주변부의 교정 값의 평균으로 평가하였고 이를 선량 계산에 적용하였다.
선량분포 비교에서 OmniPro I’mRT (IBA Dosimetry, Germany) 프로그램이 사용되었으며, 감마합격률과 처방선량 대비 상대오차를 확인하였다.
Intensity Modulated Radiation Therapy (IMRT)를 받은 5명의 전립선암 환자의 첫 분할 치료에서 획득된 CBCT 영상을 이용하였다. 치료계획용 FBCT와 CBCT 사이의 해부학적 불일치에 따른 영향을 최소화하기 위해서 MIM 프로그램(MIMVista Corp, Cleveland, Ohio)을 이용하여 FBCT 영상을 기준으로 변환영상정합을 한 CBCT 영상 기반으로 선량계산을 하여 치료 선량과 비교, 평가하였다.14) 선량의 차이는 동일한 치료계획으로 CBCT에서 해당 전자밀도 교정 조건으로 계산된 선량과 FBCT에서 계산된 선량의 차이를 처방선량에 대한 백분율을 구하여 처방선량 대비 10% 이상인 볼륨에 대하여 평균을 취하여 구하였다.
테이블 위에 팬텀만을 두고 CBCT 영상을 획득하는 방법을 “산란부족(Under Scatter)” (Fig. 2a), 아크릴 사각물통(W38×H38×T30.5 cm) 내에 팬텀을 두고 물을 채우는 방법을 “산란과다(Over Scatter)” (Fig. 2b), 그리고 스티로폼을 이용하여 원통형태의 물통(27(W)×33(H)×25 cm(D))을 만들어서 팬텀을 두는 방법을 “산란충분(Full Scatter)”(Fig. 2c)로 정의하였다.
대상 데이터
Table 2. Average gamma indices and percentage dose differences between the FBCT and CBCT dose distributions based on different HU-ED calibrations for all the 5 patients.
FBCT 영상은 16 slice CT스캐너(Lightspeed RT16, GE healthcare, USA)장비를 이용하여 영상을 획득하였고, CBCT 영상은 TrilogyTM 치료용 선형가속기(Varian Medical Systems, Palo Alto, CA)에 장착된 OBI 장비(version 1.5)를 사용하여 영상을 획득하였다. 임상에서 골반 영상 취득을 할 때 사용되는 방식과 같이 FBCT에서는 120 kV, 250 mAs, 2.
Intensity Modulated Radiation Therapy (IMRT)를 받은 5명의 전립선암 환자의 첫 분할 치료에서 획득된 CBCT 영상을 이용하였다. 치료계획용 FBCT와 CBCT 사이의 해부학적 불일치에 따른 영향을 최소화하기 위해서 MIM 프로그램(MIMVista Corp, Cleveland, Ohio)을 이용하여 FBCT 영상을 기준으로 변환영상정합을 한 CBCT 영상 기반으로 선량계산을 하여 치료 선량과 비교, 평가하였다.
데이터처리
3가지 산란조건에 따라 획득한 CBCT 영상들의 각 픽셀 HU 값에 대한 히스토그램에서 가장 많은 부피를 차지하는 물 등가 영역에 대한 피크(Peak)를 Gaussian함수로 Fitting하여 FBCT와 비교하여 평가하였다. 또한 팬텀 중심부(In)와 주변부(Out)의 위치에 따른 동일 성분에 대한 HU 값의 차이에 대하여 전자밀도 교정 관계식을 구하여 비교하였다.
이론/모형
치료계획시스템으로는 Eclipse Ver. 10.0 (Varian, USA)을 사용하였으며, 광자선에 대한 선량계산 알고리즘은 Analytical Anisotropic Algorithm (AAA)를 사용하였다.13) 골반 크기에 의한 영향을 평가하기 위하여 여러 환자의 골반 CBCT 영상들에 대해 하나의 보정관계를 적용하였을 때 선량계산의 정확성에 대하여 확인하고자 하였다.
성능/효과
Table 2에서는 전립선암 환자 5명을 대상으로 환자의 치료 중에 획득한 CBCT 영상에 각각 산란조건에 따른 3개의 교정곡선(부족, 과다, 충분)을 적용하여 선량계산을 한 후 선량 차이를 FBCT 기반의 치료계획 선량과 비교한 결과를 나타내고 있다. 5명 모든 환자에서 산란부족의 전자밀도 교정을 적용했을 때에 선량 차이는 평균 2.80% (0.15~6.31%)로 크게 나타났으며 산란충분에서 평균 0.22% (1.30~1.62%)로 가장 오차가 작음을 확인하였다. Fig.
산란부족에서 취득한 영상의 경우 팬텀의 중심부와 주변부에서 동일한 성분에 대한 HU 값의 차이가 가장 크게 나타났고 HU에 대한 히스토그램에서도 연조직 부분을 중심으로 조직 간에 구분이 어려웠다. CBCT 영상의 HU 값에 대한 균질도의 평가에서는 골반 영상의 취득 조건 중에는 산란 충분에서 가장 좋았다.
산란부족에서는 가운데의 치료 부위을 중심으로 3% 이상의 선량차이를 보이는 부분이 넓게 분포함을 보여주는 것에 반하여 산란과다와 산란충분조건의 전자밀도 교정에 의한 선량분포의 오차는 3% 미만이었으며 가운데 치료 목표부근에 대한 선량 오차는 산란충분조건에서 가장 작게 나타났다. Fig. 6에서는 5명의 환자 모두에 대하여 FBCT에서 계산된 선량 값을 기준으로 각각의 전자 교정관계식에 적용할 때의 CBCT 기반의 선량 계산 오차를 히스토그램으로 나타내었을 때 산란충분이 골반환자의 CBCT 영상을 기반으로 한 선량계산에서 가장 최적화된 전자밀도 교정을 위한 조건임을 확인할 수 있었다.
3은 산란의 영향이 거의 없는 FBCT 영상과 3가지 산란조건에서 획득한 CBCT 영상 및 해당 HU 히스토그램을 나타내고 있다. 각 산란조건에서의 ECD은 17.7 cm (산란부족), 37.8 cm (산란과다), 31 cm (산란충분)으로 산란에 따른 영상의 영향을 충분히 확인할 수 있었다.
골반 부위 CBCT 영상을 기반으로 선량계산을 할 때에는 실제 팬텀의 지름보다는 산란체의 등가지름을 기준으로 환자의 경우와 비슷한 산란 조건에서 획득한 전자밀도 교정곡선을 적용하여 선량 계산을 하여야 정확한 선량계산을 할 수 있을 것으로 사료되었다.
반면 산란충분 및 산란과다의 조건, 즉 등가지름에 맞추어 전자밀도 팬텀에 부가적인 산란체를 더하여 취득된 전자 밀도교정 관계를 적용하였을 때 보다 정확한 선량계산이 됨을 확인하였다. 다만, 팬텀 연구에서의 결과에 의하면 산란 충분 및 과다의 조건에서 취득한 전자밀도 교정 관계를 적용할 때 ECD가 작은 환자, 즉 소아 혹은 심하게 마른 환자같이 산란부족과 비슷한 조건의 영상을 기반으로 한 선량계산에서는 오차가 더 크게 날 수 있음을 알 수 있었다.
각 산란조건에서 취득된 3개의 CBCT 영상과 3개의 전자밀도 교정곡선으로 조합된 9가지의 경우에 대하여 선량계산을 수행한 후 FBCT를 기준으로 감마지표(1%/3 mm)에 대한 감마합격률을 비교한 결과를 Table 1에서 보여주고 있다. 당연한 결과로 영상과 동일한 산란조건의 전자밀도 교정곡선을 적용하였을 때 가장 높은 합격률을 나타내었다. 하지만 모든 환자에 대하여 동일한 산란조건을 맞추어 전자밀도 교정을 하는 것은 불가능하기 때문에 환자들의 다양한 산란조건에 안정적인 선량계산을 위한 조건을 구하기 위하여 특정 전자밀도 교정을 적용한 여러 산란조건의 CBCT영상에서의 선량계산 결과를 비교하여 확인하고자 하였다.
물 등가물질에 해당하는 피크를 Gaussian 함수로 Fitting하여 구한 Full Width at Half Maximum (FWHM)을 비교하였을 때 산란부족에서 685±297, 산란과다에서 264±125, 산란충분에서는 146±57의 값을 나타내어 산란충분에서 물 등가 물질에 대한 가장 균일한 HU를 나타내었다.
크기가 비슷한 전자밀도 팬텀만을 사용한 산란부족의 조건에서 취득된 전자밀도 교정관계를 적용한 CBCT 기반의 선량계산에서는 실제 환자의 경우에 대한 적용에서 가장 나쁜 선량 계산의 정확성을 보였다. 반면 산란충분 및 산란과다의 조건, 즉 등가지름에 맞추어 전자밀도 팬텀에 부가적인 산란체를 더하여 취득된 전자 밀도교정 관계를 적용하였을 때 보다 정확한 선량계산이 됨을 확인하였다. 다만, 팬텀 연구에서의 결과에 의하면 산란 충분 및 과다의 조건에서 취득한 전자밀도 교정 관계를 적용할 때 ECD가 작은 환자, 즉 소아 혹은 심하게 마른 환자같이 산란부족과 비슷한 조건의 영상을 기반으로 한 선량계산에서는 오차가 더 크게 날 수 있음을 알 수 있었다.
하지만 Cone Beam 조사야 내에서 피사체의 부피는 일반 전립선암환자와 비교할 때에는 많은 차이가 있었다. 산란부족, 과다, 충분의 조건들에 대한 Cone Beam 조사야 내의 유효부피를 등가지름으로 확인하였을 때 각각 17.7 cm, 37.8 cm, 31.0 cm을 나타냈으며 5명의 전립선암 환자의 평균 등가지름 27.2 cm은 산란 충분의 조건에서 가장 환자의 등가지름과 비슷하였다. 산란부족에서 취득한 영상의 경우 팬텀의 중심부와 주변부에서 동일한 성분에 대한 HU 값의 차이가 가장 크게 나타났고 HU에 대한 히스토그램에서도 연조직 부분을 중심으로 조직 간에 구분이 어려웠다.
5에서는 환자 1명에 대하여 여러 전자밀도 교정에 따른 선량오차 분포를 나타내었다. 산란부족에서는 가운데의 치료 부위을 중심으로 3% 이상의 선량차이를 보이는 부분이 넓게 분포함을 보여주는 것에 반하여 산란과다와 산란충분조건의 전자밀도 교정에 의한 선량분포의 오차는 3% 미만이었으며 가운데 치료 목표부근에 대한 선량 오차는 산란충분조건에서 가장 작게 나타났다. Fig.
산란부족조건에서의 교정곡선을 적용하여 각각의 CBCT 영상들을 기반으로 선량을 계산하였을 때 감마합격률은 산란부족에서 취득한 영상에 대하여 1%/3 mm 기준에서의 감마합격률 95% 이상을 나타내었고 다른 영상에 대하여 90∼95%를 나타내었다.
산란조건에 따른 CBCT 영상에서 팬텀 중심부와 주변부에 대한 HU 차이의 절대값 (ΔHU)은 물 등가 영역을 기준으로 산란부족에서 176 HU, 산란과다에서 106 HU, 산란충분에서 90 HU 결과를 보여 HU 히스토그램에서의 결과와 마찬가지로 산란충분 조건에서 가장 적음을 확인할 수 있었다.
그러나 산란부족과 산란과다 조건의 CBCT 영상에서는 조밀한 뼈만이 구분이 가능하였고 주변 물질에서의 산란에 대한 영향으로 FBCT에 비하여 낮은 HU 값을 나타내었다. 취득된 CBCT영상들 중에서 산란충분조건의 CBCT영상이 FBCT의 경우와 가장 근접한 히스토그램을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 물 등가물질에 해당하는 피크를 Gaussian 함수로 Fitting하여 구한 Full Width at Half Maximum (FWHM)을 비교하였을 때 산란부족에서 685±297, 산란과다에서 264±125, 산란충분에서는 146±57의 값을 나타내어 산란충분에서 물 등가 물질에 대한 가장 균일한 HU를 나타내었다.
크기가 비슷한 전자밀도 팬텀만을 사용한 산란부족의 조건에서 취득된 전자밀도 교정관계를 적용한 CBCT 기반의 선량계산에서는 실제 환자의 경우에 대한 적용에서 가장 나쁜 선량 계산의 정확성을 보였다. 반면 산란충분 및 산란과다의 조건, 즉 등가지름에 맞추어 전자밀도 팬텀에 부가적인 산란체를 더하여 취득된 전자 밀도교정 관계를 적용하였을 때 보다 정확한 선량계산이 됨을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 연구의 산란충분 조건은?
산란 정도의 기준은 실제 임상에서 환자들의 골반 CBCT 영상을 취득할 때 빔이 조사된 부피의 평균으로 하고자 하였다. 대부분 환자의 골반 부위의 일반적인 단면적과 전자밀도 교정팬텀의 단면적은 거의 일치하여 Superior-inferior 방향의 ConeBeam 조사 범위에 전자밀도 교정 팬텀의 단면적을 가지는 원통형으로 산란물질을 채운 경우를 산란충분 조건으로 정하였고, 이를 기준으로 산란선의 기여 정도가 다른 조건을 얻기 위하여 Fig. 2에 나타난 바와 같이 팬텀, 물, 스티로폼을 이용하여 산란부족, 산란과다의 산란 조건을 구성하였다.
본 연구에서 FBCT 영상은 어떤 장비를 이용했나?
FBCT 영상은 16 slice CT스캐너(Lightspeed RT16, GE healthcare, USA)장비를 이용하여 영상을 획득하였고, CBCT 영상은 TrilogyTM 치료용 선형가속기(Varian Medical Systems, Palo Alto, CA)에 장착된 OBI 장비(version 1.5)를 사용하여 영상을 획득하였다.
방사선 치료 중에 얻은 영상을 이용하여 치료 결과를 분석하고자 하는 연구의 예는?
근래의 방사선치료에서는 치료 위치의 정확성을 향상시키기 위하여 여러 종류의 영상을 취득하는 영상유도방사선치료가 보편화되고 있으며 방사선 치료 중에 얻은 영상을 이용하여 치료 결과를 분석하고자 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.1-4) 그 하나의 예로 선형가속기의 kV-Cone-Beam Computed Tomography (CBCT)를 이용하여 치료 후 환자에 대한 선량계산 및 검증, 더 나아가서는 적응방사선치료에 대한 활용으로 연구되고 있다.5,6) 하지만, Cone형태의 Beam은 피사체에서 산란하여 영상에 영향을 줌으로 FBCT을 기반으로 하는 일반적인 선량 계산에 비하여 선량 계산의 정확성이 떨어지는 문제를 가지고 있으며 이를 해결하고자 하는 많은 연구가 보고되고 있다.7-9)
참고문헌 (15)
Xing L, et al: Overview of image-guided radiation therapy. Med Dosim 31(2):91-112 (2006)
Hector CL, Webb S, Evans PM, et al: The dosimetric consequences of inter-fractional patient movement on conventional and intensity-modulated breast radiotherapy treatments. Radiother Oncol 54(1):57-64 (2000)
Coolens C, et al: The susceptibility of IMRT dose distributions to intrafraction organ motion: an investigation into smoothing filters derived from four dimensional computed tomography data. Med Phys 33(8):2809-2818 (2006)
Hugo GD, Agazaryan N, Solberg TD, et al: The effects of tumor motion on planning and delivery of respiratory-gated IMRT. Med Phys 30(6):1052-1066 (2003)
Siewerdsen JH, Jaffray DA, et al: Cone-beam computed tomography with a flat-panel imager: magnitude and effects of x-ray scatter. Medical physics 28(2):220-231 (2001)
Lee L, Le QT, Xing L, et al: Retrospective IMRT dose reconstruction based on cone-beam CT and MLC log-file. Int J Radiat Oncol Biol Phys 70(2):634-344 (2008)
Rong Y, et al: Dose calculation on kV cone beam CT images: an investigation of the Hu-density conversion stability and dose accuracy using the site-specific calibration. Med Dosim 35(3): 195-207 (2010)
Calvo Ortega JF, et al: A dosimetric evaluation of the Eclipse AAA algorithm and Millennium 120 MLC for cranial intensity- modulated radiosurgery. Med Dosim (2013)
Lu W, et al: Deformable registration of the planning image (kVCT) and the daily images (MVCT) for adaptive radiation therapy. Phys Med Biol 51(17):4357-4374 (2006)
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.