듀얼 에너지 CT의 가상 단색 영상을 이용한 영상 교정 팬텀과 금속 인공음영에 관한 연구 Study on the calibration phantom and metal artifacts using virtual monochromatic images from dual energy CT원문보기
목 적: 이중선원 듀얼에너지 CT(DS-DECT)의 가상 단색 영상을 이용해서 영상의 질 향상과 선량학적 영향에 대한 방사선치료계획 이용의 유용성을 평가하고자 한다. 대상 및 방법: DS-DECT를 이용하여 듀얼에너지(80/Sn 140 kVp)와 싱글에너지(120 kVp) 영상을 획득하였다. 영상 교정 팬텀 실험을 위해서 40-140 keV 범위로 단색 영상을 재구성했다. 선량 측정용 고체물등가팬텀 연구에서는 64, 69, 88, 105 keV 단색 영상을 선택했다. 스테인리스 스틸을 포함한 고체물등가팬텀에 $10{\times}10cm^2$ 조사야, SSD 100 cm, 10 MV 광자선, 100 MU 조사선량, 단일빔으로 치료계획을 수립하였다. 방사선량측면도 자료는 중심축에 위치한 4개의 지점에서 구했다. 싱글에너지 CT에서 획득한 다색 영상을 기준영상으로 하고, 가상 단색 영상의 선량학적 결과를 분석하였다. 결 과: 낮은 단색 에너지 수치에서 평균 감약이 증가했다. 7개의 물질 중에서 Teflon이 에너지 의존성이 가장 컸고, 10 keV 수치 상승으로 CT number가 평균 2.48 % 감소했다. 저밀도 공기에서는 단색 에너지에 대한 에너지 의존성이 없었다. Polystyrene, Acrylic은 70 keV 이상에서 안정한 CT number를 나타내었다. CT-ED 변환 곡선은 80 keV 단색 영상과 120 kVp 다색 영상이 비슷하였다. 단색 영상의 에너지가 증가할수록 금속의 식별 능력이 향상되었다. 줄무늬 인공음영은 105 keV 단색 영상에서 높은 감소를 보였지만, 여전히 남아 있었다. 다색 영상과 비교하여 각 영상에 따른 방사선치료계획의 선량학적 차이는 ${\pm}0.7%$ 미만이었다. 결 론: 듀얼에너지 영상의 획득은 싱글에너지에 비해 피폭선량을 감소시킬 수 있고, 가상 단색 영상은 CT number 보정에 유용하였다. 향상된 영상의 질은 인체의 기하구조 묘사와 전자 밀도 분포 형성에 도움이 될 것으로 사료된다.
목 적: 이중선원 듀얼에너지 CT(DS-DECT)의 가상 단색 영상을 이용해서 영상의 질 향상과 선량학적 영향에 대한 방사선치료계획 이용의 유용성을 평가하고자 한다. 대상 및 방법: DS-DECT를 이용하여 듀얼에너지(80/Sn 140 kVp)와 싱글에너지(120 kVp) 영상을 획득하였다. 영상 교정 팬텀 실험을 위해서 40-140 keV 범위로 단색 영상을 재구성했다. 선량 측정용 고체물등가팬텀 연구에서는 64, 69, 88, 105 keV 단색 영상을 선택했다. 스테인리스 스틸을 포함한 고체물등가팬텀에 $10{\times}10cm^2$ 조사야, SSD 100 cm, 10 MV 광자선, 100 MU 조사선량, 단일빔으로 치료계획을 수립하였다. 방사선량측면도 자료는 중심축에 위치한 4개의 지점에서 구했다. 싱글에너지 CT에서 획득한 다색 영상을 기준영상으로 하고, 가상 단색 영상의 선량학적 결과를 분석하였다. 결 과: 낮은 단색 에너지 수치에서 평균 감약이 증가했다. 7개의 물질 중에서 Teflon이 에너지 의존성이 가장 컸고, 10 keV 수치 상승으로 CT number가 평균 2.48 % 감소했다. 저밀도 공기에서는 단색 에너지에 대한 에너지 의존성이 없었다. Polystyrene, Acrylic은 70 keV 이상에서 안정한 CT number를 나타내었다. CT-ED 변환 곡선은 80 keV 단색 영상과 120 kVp 다색 영상이 비슷하였다. 단색 영상의 에너지가 증가할수록 금속의 식별 능력이 향상되었다. 줄무늬 인공음영은 105 keV 단색 영상에서 높은 감소를 보였지만, 여전히 남아 있었다. 다색 영상과 비교하여 각 영상에 따른 방사선치료계획의 선량학적 차이는 ${\pm}0.7%$ 미만이었다. 결 론: 듀얼에너지 영상의 획득은 싱글에너지에 비해 피폭선량을 감소시킬 수 있고, 가상 단색 영상은 CT number 보정에 유용하였다. 향상된 영상의 질은 인체의 기하구조 묘사와 전자 밀도 분포 형성에 도움이 될 것으로 사료된다.
Purpose: To evaluate the image quality improvement and dosimetric effects on virtual monochromatic images of a Dual Source-Dual Energy CT(DS-DECT) for radiotherapy planning. Materials and Methods: Dual energy(80/Sn 140 kVp) and single energy(120 kVp) scans were obtained with dual source CT scanner. ...
Purpose: To evaluate the image quality improvement and dosimetric effects on virtual monochromatic images of a Dual Source-Dual Energy CT(DS-DECT) for radiotherapy planning. Materials and Methods: Dual energy(80/Sn 140 kVp) and single energy(120 kVp) scans were obtained with dual source CT scanner. Virtual monochromatic images were reconstructed at 40-140 keV for the catphan phantom study. The solid water-equivalent phantom for dosimetry performs an analytical calculation, which is implemented in TPS, of a 10 MV, $10{\times}10cm^2$ photon beam incident into the solid phantom with the existence of stainless steel. The dose profiles along the central axis at depths were discussed. The dosimetric consequences in computed treatment plans were evaluated based on polychromatic images at 120 kVp. Results: The magnitude of differences was large at lower monochromatic energy levels. The measurements at over 70 keV shows stable HU for polystyrene, acrylic. For CT to ED conversion curve, the shape of the curve at 120 kVp was close to that at 80 keV. 105 keV virtual monochromatic images were more successful than other energies at reducing streak artifacts, which some residual artifacts remained in the corrected image. The dose-calculation variations in radiotherapy treatment planning do not exceed ${\pm}0.7%$. Conclusion: Radiation doses with dual energy CT imaging can be lower than those with single energy CT imaging. The virtual monochromatic images were useful for the revision of CT number, which can be improved for target coverage and electron densities distribution.
Purpose: To evaluate the image quality improvement and dosimetric effects on virtual monochromatic images of a Dual Source-Dual Energy CT(DS-DECT) for radiotherapy planning. Materials and Methods: Dual energy(80/Sn 140 kVp) and single energy(120 kVp) scans were obtained with dual source CT scanner. Virtual monochromatic images were reconstructed at 40-140 keV for the catphan phantom study. The solid water-equivalent phantom for dosimetry performs an analytical calculation, which is implemented in TPS, of a 10 MV, $10{\times}10cm^2$ photon beam incident into the solid phantom with the existence of stainless steel. The dose profiles along the central axis at depths were discussed. The dosimetric consequences in computed treatment plans were evaluated based on polychromatic images at 120 kVp. Results: The magnitude of differences was large at lower monochromatic energy levels. The measurements at over 70 keV shows stable HU for polystyrene, acrylic. For CT to ED conversion curve, the shape of the curve at 120 kVp was close to that at 80 keV. 105 keV virtual monochromatic images were more successful than other energies at reducing streak artifacts, which some residual artifacts remained in the corrected image. The dose-calculation variations in radiotherapy treatment planning do not exceed ${\pm}0.7%$. Conclusion: Radiation doses with dual energy CT imaging can be lower than those with single energy CT imaging. The virtual monochromatic images were useful for the revision of CT number, which can be improved for target coverage and electron densities distribution.
하지만 실제로는 합성된 단색 영상은 에너지에 따라서 불완전한 보정이 이루어지기 때문에 인공음영을 포함한다.(2) 이에 본 연구에서는 이중선원 듀얼에너지(Dual Source-Dual Energy) CT에서 획득한 가상 단색 영상을 이용하여 방사선치료계획에서 그 유용성을 확인하고자 한다. Catphan 팬텀을 활용해서 에너지별 CT number와 CT-ED(Electron Density) 변환 곡선을 확인했다.
제안 방법
Catphan 팬텀을 활용해서 에너지별 CT number와 CT-ED(Electron Density) 변환 곡선을 확인했다. 그리고 금속 물질이 포함된 선량 측정용 고체물등가팬텀에서는 관심 영역 CT값을 확인하고, 전산화 치료계획을 사용하여 에너지에 따른 선량변화를 분석하였다.
본 연구에서는 가상 단색 영상을 이용하여 영상 교정 팬텀과 선량 측정용 고체물등가팬텀 실험을 진행하였다. 영상 교정 팬텀 실험에서 방사선 치료를 위한 가상 단색 영상의 적절한 임상 에너지 범위는 70 keV 이상이었다.
대상 데이터
실험에 사용한 선량 측정용 고체물등가팬텀은 백색 폴리스틸렌(RW3, PTW, Germany)이다. 표면으로부터 2 cm 아래에 가로, 세로 1 cm 두께, 길이 35 cm의 stainless steel(SUS Type 316L) 금속 사각봉을 삽입했다(Fig.
영상 교정 팬텀으로 Catphan 504 팬텀(The Phantom Laboratory, USA)을 사용했다. 조직 대체 물질을 사용하며 원통형 모양으로 내부 지름이 15 cm이고 4개의 modules로 구성되어 있다.
영상 교정 팬텀을 위한 실험으로 single energy CT을 사용하여 임상 영상 평가의 기준이 되는 120 kVp 다색 영상을 획득했다. 가상 단색 영상은 40 keV에서 140 keV의 범위로 하였으며, 간격은 10 keV로 설정하였다.
이론/모형
(2) 이에 본 연구에서는 이중선원 듀얼에너지(Dual Source-Dual Energy) CT에서 획득한 가상 단색 영상을 이용하여 방사선치료계획에서 그 유용성을 확인하고자 한다. Catphan 팬텀을 활용해서 에너지별 CT number와 CT-ED(Electron Density) 변환 곡선을 확인했다. 그리고 금속 물질이 포함된 선량 측정용 고체물등가팬텀에서는 관심 영역 CT값을 확인하고, 전산화 치료계획을 사용하여 에너지에 따른 선량변화를 분석하였다.
성능/효과
CTED 곡선은 140 keV 에서 선형관계를 나타냈다. 그리고 금속이 함유된 고체물등가팬텀 실험에서는 에너지가 증가할수록 선속 경화 인공음영이 감소하였고, 방사선치료계획의 선량학적 차이는 ±0.7 % 미만으로써 차이가 적었다. 듀얼 에너지 영상의 획득은 싱글에너지에 비해 피폭선량을 감소시킬 수 있으며, 재구성된 가상 단색 영상은 CT number의 정확성을 향상시켰다.
7 % 미만으로써 차이가 적었다. 듀얼 에너지 영상의 획득은 싱글에너지에 비해 피폭선량을 감소시킬 수 있으며, 재구성된 가상 단색 영상은 CT number의 정확성을 향상시켰다. 향상된 영상의 질은 방사선치료계획 중에 인체의 기하구조 묘사와 전자 밀도 분포에 도움이 되리라 생각한다.
반대로, 컴프턴효과는 광자 에너지가 증가하면서 우세해지며, 원자번호와는 관계가 없게 된다. 연조직 등가물질(<200HU)은 에너지 의존도가 크지 않았고, 70 keV 이상에서 안정한 CT number를 나타냈다. 일반적으로 CT number는 방사선 치료 영역, 즉 컴프턴효과 영역에서는 흡수선량의 변수인 전자밀도와 선형을 이루지 못한다.
후속연구
향상된 영상의 질은 방사선치료계획 중에 인체의 기하구조 묘사와 전자 밀도 분포에 도움이 되리라 생각한다. 또한 치료 계획 최적화와 검증에 있어서 이득이 있으며, 금속 인공음영의 감소는 치료계획의 시간을 절약할 수 있을 것이다. 현재 방사선종양학과에서는 CT 영상의 재구성에 의해 얻어진 특수한 영상기법들을 활용하여 보다 정량적인 치료계획을 실시하고 있다.
현재 방사선종양학과에서는 CT 영상의 재구성에 의해 얻어진 특수한 영상기법들을 활용하여 보다 정량적인 치료계획을 실시하고 있다. 본 실험을 통해 방사선 치료 과정 중에 가상 단색 영상의 임상 적용이 가능하리라 사료된다.
듀얼 에너지 영상의 획득은 싱글에너지에 비해 피폭선량을 감소시킬 수 있으며, 재구성된 가상 단색 영상은 CT number의 정확성을 향상시켰다. 향상된 영상의 질은 방사선치료계획 중에 인체의 기하구조 묘사와 전자 밀도 분포에 도움이 되리라 생각한다. 또한 치료 계획 최적화와 검증에 있어서 이득이 있으며, 금속 인공음영의 감소는 치료계획의 시간을 절약할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
방사선치료계획에서 컴퓨터 단층촬영의 사용이 가져온 변화는?
치료 표적을 향상시키고 정상 조직에 불필요한 방사선을 피하기 위해서 초기의 치료 계획 단계가 중요하다. 방사선치료계획에서 컴퓨터 단층촬영(Computed Tomography, CT)의 사용은 기하학적 체적 정의와 선량 계산의 정확성을 향상시켰다. 일부 방사선치료는 2D 치료 계획을 이용하지만, 대부분의 치료는 CT scan을 이용한 정교한 3D 치료 계획으로부터 이득을 얻는다.
DECT의 특징은 무엇인가?
현재는 기술의 진보로 임상에서 사용되고 있고, 기본 원칙은 서로 다른 전압을 사용한 에너지 설정이다. DECT는 다른 분자 요소들로 되어 있는 물질들을 구별할 수가 있으며, 결과적으로 감약에 기반한 영상을 물질 특성 영상으로 이행할 수 있다.(1) 재구성하여 가상의 단색 영상 자료를 획득할 수 있다.
가상 단색 영상의 사용으로 얻을 수 있는 장점은 무엇인가?
가상 단색 영상은 추가적인 방사선량 없이 사용할 수가 있다. 이는 환자가 받는 방사선량을 최소화하는데 도움을 줄 수 있다. 방사선 노출과 관련해서 이중선원에 기반한 듀얼에너지 CT는 같은 부위의 일반적인 CT보다 높은 환자 선량을 요구하지는 않는다.
참고문헌 (10)
Fornaro J, Lescka S, Hibbeln D, et al.: Dual- and multi-energy CT: approach to functional imaging. Insights Imaging 2011; 2:149-159
The Phantom Laboratory, Salem, NY, Catphan(R) 504Manual, 2013
Fabian Bamberg, Alexander Dierks, Konstantin Nikolaou, et al.: Metal artifact reduction by dual energy computed tomography using monoenergetic extrapolation. Eur Radiol 2011; 21:1424-1429
Zhou C, Zhao YE, Luo S, et al.: Monoenergetic imaging of dual-energy CT reduces artifacts from implanted metal orthopedic devices in patients with factures. Acad Radiol 2011; Oct;18(10):1252-7
Kilby W, Sage J, Rabett V.: Tolerance levels for quality assurance of electron density values generated from CT in radiotherapy treatment planning. Phys Med Biol 2002; 47:1485-92
Ravinder Nath, Peter J. Biggs, Frank J.Bova, et al.: AAPM Code of Practice for Radiotherapy Accelerators. report of AAPM radiation therapy task group 45. Medical Physics 1994; July: Vol. 21
Orthopedic Devices [Hip, Knee, Other Joint Reconstruction] Market, Global, 2014-2021, USD Constant Millions, Global Data
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