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문제 정의
- [8] 따라서 CT수 대 물리적 밀도 교정에 영향을 미칠 수 있는 CT 스캐닝 매개변수들에 관한 CT수 대 물리적 밀도 변환의 의존성을 실험을 통하여 분석하는 것이 이 연구의 목적이다.
- CT 몸통 전자밀도팬텀을 사용한 CT 스캔은 CT수 대 물리적 밀도 변환이 관전압(kVp), 관전류량(mAs), 슬라이스 두께, 영상재구성 필터, FOV(field of view) 등의 CT 스캐닝 매개변수에 의해 영향을 받는지 분석하기 위하여 스캔을 하였다. 그리고 CT 머리 전자밀도팬텀과 CT 몸통 전자밀도팬텀의 횡단면적((cross-sectional area) 크기의 차이에 따른 CT수 대 물리적 밀도 변환의 영향을 알아보기 위하여 스캔을 하였다. 또한, CBCT 몸통 전자밀도팬텀과 CT 몸통 전자밀도팬텀의 용적의 차이에 따른 CT수 대 물리적 밀도 변환의 영향을 알아보기 위하여 아래와 같이 스캔을 하였다.
- 그리고 CT 머리 전자밀도팬텀과 CT 몸통 전자밀도팬텀의 횡단면적((cross-sectional area) 크기의 차이에 따른 CT수 대 물리적 밀도 변환의 영향을 알아보기 위하여 스캔을 하였다. 또한, CBCT 몸통 전자밀도팬텀과 CT 몸통 전자밀도팬텀의 용적의 차이에 따른 CT수 대 물리적 밀도 변환의 영향을 알아보기 위하여 아래와 같이 스캔을 하였다.
제안 방법
- CT 몸통 전자밀도팬텀을 사용한 CT 스캔은 CT수 대 물리적 밀도 변환이 관전압(kVp), 관전류량(mAs), 슬라이스 두께, 영상재구성 필터, FOV(field of view) 등의 CT 스캐닝 매개변수에 의해 영향을 받는지 분석하기 위하여 스캔을 하였다. 그리고 CT 머리 전자밀도팬텀과 CT 몸통 전자밀도팬텀의 횡단면적((cross-sectional area) 크기의 차이에 따른 CT수 대 물리적 밀도 변환의 영향을 알아보기 위하여 스캔을 하였다.
- CT 스캔 후에 전자밀도팬텀의 CT 영상을 네트워크로 다운로드한 후 베리안 이클립스 치료계획시스템으로 전송하였다. 전송받은 치료계획시스템에서 CT영상을 불러낸 후 각각의 플러그 중심부위에 1.
- 따라서 본 연구는 방사선치료 CT 스캐너에 의해 획득된 전자밀도팬텀의 CT 영상으로부터 CT수 대 물리적 밀도 변환에 관한 CT 스캐닝 매개변수인 관전압, 관전류량, 슬라이스 두께, 영상재구성 필터, 시야(FOV, field of view), 팬텀의 횡단면적 크기 그리고 팬텀의 용적 크기의 의존성에 대하여 실험으로 분석한다.
- CT 스캐너로부터 CT 영상을 획득하기 위한 과정은 아래와 같이 진행된다. 먼저 CT 스캔을 수행하기 전에 전자밀도팬텀은 CT 스캐너의 바깥 레이저가 팬텀의 중심을 통과하도록 설치한 후, CT 스캐너 내부 레이저가 팬텀의 중심에 일치하도록 스캐닝 테이블을 이동시켜 배치하였다. 이 때 CT 스캐너는 이 위치를 원점으로 설정한다.
- 방사선치료 CT 스캐너에 의해 획득된 CT 및 CBCT 전자밀도팬텀의 CT영상으로부터 CT수 대물리적 밀도 변환에 관한 CT 스캐닝 매개변수인 관전압, 관전류량, 슬라이스 두께, 영상재구성 필터, 시야, 팬텀의 횡단면적 크기 그리고 팬텀의 용적 크기의 의존성에 대하여 실험으로 분석하였다.
- 스캐닝 매개변수로서 120 kVp, 250 mAs, matrix 512×512, collimation 16×1.5, 필터 Sharp(C), 슬라이스 두께 3㎜를 동일하게 입력한 후 시야는 350, 500, 600 ㎜로 각각 다르게 설정하면서 각각의 시야에 대하여 3번을 스캔을 하였다.
- 스캐닝 매개변수로서 120 kVp, 250 mAs, 시야 500 ㎜, matrix 512×512, 슬라이스 두께 3 ㎜, collimation 16×1.5, 필터 Sharp(C)를 입력한 후 각각의 팬텀에 대하여 3번 스캔을 하였다.
- 스캐닝 매개변수로서 120 kVp, 250 mAs, 시야 500㎜, matrix 512×512, collimation 16×1.5, 필터 Sharp(C)를 동일하게 입력한 후 슬라이스 두께는 2, 3, 5㎜로 각각 다르게 설정하면서 각각의 슬라이스 두께에 대하여 3번을 스캔을 하였다.
- 스캐닝 매개변수로서 120 kVp, 250 mAs, 시야 500㎜, matrix 512×512, 슬라이스 두께 3 ㎜, collimation 16×1.5, 필터 Sharp(C)를 동일하게 입력한 후 각각의 팬텀에 대하여 3번 스캔을 하였다.
- 스캐닝 매개변수로서 120 kVp, 250 mAs, 시야 500㎜, matrix 512×512, 슬라이스 두께 3㎜, collimation 16×1.5를 동일하게 입력한 후 필터는 Y-Sharp(YA), Y-Detail(YB), Smooth(A), Standard(B), Sharp(C), Detail(D), Lung Enhanced(L)을 각각 다르게 설정하면서 각각의 필터에 대하여 3번을 스캔을 하였다.
- 스캐닝 매개변수로서 120 kVp, 시야 500㎜, matrix 512×512, 슬라이스 두께 3㎜, collimation 16×1.5, 필터 Sharp(C)를 동일하게 입력한 후 관전류량은 100, 250, 400 mAs로 각각 다르게 설정하면서 각각의 관전류량에 대하여 3번을 스캔을 하였다.
- 스캐닝 매개변수로서 250 mAs, 시야 500 ㎜, matrix 512×512, 슬라이스 두께 3 ㎜, collimation 16×1.5, 필터 Sharp(C)를 동일하게 입력한 후 관전압은 90, 120, 140 kVp로 각각 다르게 설정하면서 각각의 관전압에 대하여 3번을 스캔을 하였다.
- 전송받은 치료계획시스템에서 CT영상을 불러낸 후 각각의 플러그 중심부위에 1.5 ㎠의 관심영역을 설정하여 CT수를 측정하였다.
대상 데이터
- CBCT 전자밀도팬텀의 구성은 콘빔(cone beam) kV 및 MV CT 영상 시스템을 위해 특별히 설계된 CIRS Model 062M 전자밀도팬텀의 확장판(extended version)으로서 너비(width) 330㎜, 높이(height) 270 ㎜, 두께 250㎜로 설계되어 있으며, Fig. 3에서 보여준다.
- 실험에는 CT 스캐너(Philips Medical System, Brilliance CT Big Bore, OH, USA, 2015), CT 전자밀도팬텀[11] (Electron density phantom, CIRS Model 062M, CIRS Tissue Simulation & Phantom Technology, Norfolk, Virginia, USA), CBCT 전자밀도팬텀 [11] (CBCT Electron density phantom, CIRS Model 062MA, CIRS Tissue Simulation & Phantom Technology, Norfolk, Virginia, USA) 그리고 베리안 이클립스 치료계획시스템(Varian Eclipse treatment planning system, Varian, Andover, MA)을 사용하였다.
- 이 때 CT 스캐너는 이 위치를 원점으로 설정한다. 이후 CT 스캔을 수행하기 위해서, CT 스캐너에 CT 스캐닝 매개변수를 입력한 후 CT 스캔을 시행함으로써 영상이 획득된다.
데이터처리
- 측정값은 각각의 스캔에서 한 번 측정한 후 스캔 항목별로 평균값과 표준편차를 산출하였다.
이론/모형
- CT 스캐너의 영상재구성은 여과 후 역투사법 (filtered back projection)을 사용한다. CT 스캐너로부터 CT 영상을 획득하기 위한 과정은 아래와 같이 진행된다.
- [5-6] CT 영상의 각 복셀의 CT수를 물리적 밀도로 변환하여 인체 내 불균질한 조직으로 수정된다. [7,8] 이 수정된 각 복셀의 물리적 밀도는 선량계산 알고리즘에 이용된다. 따라서 인체 내 조직 불균질성을 보정하기 위해서 방사선치료계획시스템에 CT수 대 물리적 밀도 교정의 데이터 파일을 만들어서 사용하여야 한다.
- 치료계획시스템의 선량계산 알고리즘에 따라 CT수 대 상대적 전자밀도 또는 CT수 대 물리적 밀도 변환으로 교정을 행할 수 있다. 본 실험에 사용된 치료계획시스템의 알고리즘은 CT수 대 물리적 밀도 변환을 사용한다. 실험으로부터 CT수는 관전압과 팬텀의 횡단면적 크기에 의존하였다.
성능/효과
- 또한 전자밀도팬텀의 횡단면적 크기에 의한 CT수는 물리적 밀도 1이상의 범위에서 횡단면적 크기가 몸통보다 머리 부위로 작아짐으로서 최대 15%로 증가하였다.
- 5는 관전류량에 따른 CT수 대 물리적 밀도 변환 곡선들을 나타낸다. CT수는 관전류량 비의존성에 기인하여 관전류량별 CT수는 거의 일치하였다.
- [1] 방사선치료계획시스템에서 선량계산의 정확성은 CT수 대 물리적 밀도 교정의 정확성에 의존한다. [8] 따라서 CT수 대 물리적 밀도 교정에 영향을 미칠 수 있는 CT 스캐닝 매개변수들에 관한 CT수 대 물리적 밀도 변환의 의존성을 실험을 통하여 분석하는 것이 이 연구의 목적이다.
- CT스캐너의 X선 빔의 에너지는 저에너지이고, 물질과 상호작용에 의한 X선 빔의 흡수는 주로 광전효과와 콤프턴산란이다.[6] 콤프턴산란은 낮은 유효원자번호 물질(폐, 지방, 유방, 물 등)과 X선 빔의 상호작용에 의해 발생되어 CT수와 물리적 밀도 변환 관계가 선형 및 관전압에 비의존성을 나타내었다. 반면에, 광전흡수는 높은 유효원자번호 물질(근육, 간, 해면뼈, 조밀뼈)과 낮은 에너지 X선 빔의 상호작용에서 많이 발생하며, 물리적 밀도가 1보다 큰 물질과 낮은 관전압에서 X선 빔의 흡수가 증가되어 더 큰 CT수를 나타내었다.
- 물리적 밀도 1이하의 범위에서 관전압 비의존성에 기인하여 CT수는 거의 일치하였다. 그리고 물리적 밀도 1이상의 범위에서 관전압 의존성에 기인하여 CT수는 관전압이 감소할수록 증가하였다. 120 kVp의 CT수에 대한 관전압별 CT수의 상대오차(relative error)는 90 kVp에서 최대 +27%, 140 kVp에서 최대 –12%를 얻었다.
- 관전압의 변화로 얻은 CT영상으로부터 CT수는 조직등가물질의 물리적 밀도의 함수로서 증가하였다. 물리적 밀도 1이하의 범위에서 관전압의 변화에 의한 CT수는 거의 일치하였고, 물리적 밀도 1이상의 범위에서 관전압의 변화에 의한 CT수는 관전압이 낮을수록 증가하였다. 이 현상은 조직등가물질과 X선 빔과의 상호작용에 기인한다.
- 그러나 물리적 밀도 1이상의 범위에서 팬텀의 횡단면적 크기에 의존하여 작은 횡단면적을 갖는 CT 머리 전자밀도팬텀에서 CT수가 증가였다. 여기서 CT 몸통 전자밀도팬텀의 CT 수에 대한 CT 머리 전자밀도팬텀의 CT수에 관한 상대오차는 최대 +15%로 나타났다.
- 팬텀 횡단면적 크기의 증가와 함께 CT수는 조직 등가물질의 물리적 밀도와 유효원자번호의 함수로서 감소하였다. 이것은 횡단면적이 작은 팬텀보다큰 팬텀에 입사하여 투과하는 X선 빔의 강도가 세면서 유효에너지가 높기 때문에 높은 유효원자물 질에서 광전흡수가 낮게 일어나 CT수가 감소한 것으로 분석되었다.
후속연구
- 실험으로부터 CT수는 관전압과 팬텀의 횡단면적 크기에 의존하였다. 관전압 및팬텀 횡단면적의 크기 의존성을 최소화하기 위해서, CT수 대 물리적 밀도 교정 시에 방사선치료 CT스캐너의 몸통(복부) 및 머리 환자를 위한 스캐닝 프로토콜에서 사용하는 전형적인 관전압을 선택하여야 하고, 몸통 전자밀도팬텀과 머리 전자밀 도팬텀을 각각 사용하여야 될 것으로 사료된다.
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