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문제 정의
- 본 연구는 공학용 프로그램인 Matlab을 이용하여 Intensity 기반의 영상 정합 방법을 이용하여 Proton therapy 시 기존 치료방법에서의 DIPS와 DRR간 Setup 오차 범위를 확인하여 치료의 정확성을 입증하고 치료 정확도를 높이는 방법을 개발하여 환자 치료 시 적용이 가능한지 입증해 보았다.
- Proton therapy는 양성자선 고유의 특성상 정확한 Setup이 무엇보다 중요하다. 현재 Proton therapy Set up 방법인 DIPS program으로 Rand mark를 마킹하여 환자 자세 및 치료 부위 위치 변화를 확인함에 있어서 기존 Set up 방법의 정확성을 입증하고 보다 정확한 양성자 치료를 하고자 이번 연구를 진행하였다.
제안 방법
- DIPS와 DRR 영상의 Registration을 진행하기 위해 Matlab(R2018a, 64bit, MathWorks)을 기반으로 하여 In-house code로 개발하였다.
- DIPS와 DRR을 매칭하고자 하는 영역은 대조도 조절이 가능하게 하였으며 ROI(Region of Interest)를 직접 지정하였다. Matlab Program의 similarity transformation matrix 식(1)를 이용하여 Registration을 진행 후 Isocenter와 벗어난 정도를 계산하여 DIPS와 DRR의 비교를 진행하였다.
- Registration 방법에 대한 Validation을 위해 Test image를 시계방향은 플러스, 반시계방향은 마이너스를 기준으로 하여 0.5°, -0.5°, 1°, -1°, 10°, -10°씩 Angle값을 이동하여 회전시킨 Image와 기존 Image를 Registration code를 통해 영상정합을 하였다(Fig. 3).
- 그리고 왼쪽방향을 마이너스, 오른쪽 방향을 플러스로 하여 x, y 값을 각각 1, -1 cm, 10, -10 cm씩 임의로 Image를 이동시켜 위와 같은 방법으로 영상정합을 해서 Registration code의 유용성을 평가하였다.
- 본 연구의 대상 13명 중 4명을 대상으로 하여 DIPS Set up 초기 Image를 Registration code로 DRR과 매칭하여 Test image 뿐만 아니라 Anatomy image도 영상정합이 정확히 이루어지는 지를 평가했다. DIPS program에서 Iso-center와의 환자 초기 Set up 오차 값과 Matlab의 Registration code에서의 오차값을 비교하였다.
- 양성자 치료시 매일 환자 Set up 후 마지막으로 촬영한 DIPS image와 DRR을 비교하여 Iso-center와의 오차값을 얻어 DIPS system을 이용한 기존치료의 정확성을 평가하였다. 위의 실험과 마찬가지로 DIPS image와 DRR 간의 차이 값은 x, y, z, Rotation, Pitch를 각각 얻어 평균값 및 절대값으로 계산하였다(Fig.
대상 데이터
- 본 논문의 환자 case는 뇌종양, 두경부암 환자들로만 진행되었다. Registration code는 Intensity 기반으로 한 영상정합이 이루어지는데 경부, 복부 등의 DIPS image와 DRR에서 나타나는 Organ intensity 차이에 의해 영상정합에서 큰 오차가 나타나는 한계점이 나타났는데 이는 Registration Code 및 Matlab program 자체의 업그레이드 및 추가적인 연구가 필요하다고 사료된다.
- 본 연구에서는 2018년 국립암센터 양성자치료센터에서 Proton Therapy System (Proteus-235, IBA particle Therapy)을 통해 치료를 받은 뇌종양, 두경부 암 환자 13명을 대상으로 하였으며 치료 날짜별 7∼11일 동안 동일한 환자 Set-up 영상을 가지고 분석을 시행했다.
데이터처리
- DIPS program에서 Iso-center와의 환자 초기 Set up 오차 값과 Matlab의 Registration code에서의 오차값을 비교하였다.
- 양성자 치료시 매일 환자 Set up 후 마지막으로 촬영한 DIPS image와 DRR을 비교하여 Iso-center와의 오차값을 얻어 DIPS system을 이용한 기존치료의 정확성을 평가하였다. 위의 실험과 마찬가지로 DIPS image와 DRR 간의 차이 값은 x, y, z, Rotation, Pitch를 각각 얻어 평균값 및 절대값으로 계산하였다(Fig. 4, 5, 6).
- DIPS program에서 Iso-center와의 환자 초기 Set up 오차 값과 Matlab의 Registration code에서의 오차값을 비교하였다. 치료기간 중 10회에 기록된 영상을 평가하였으며, DRR과 DIPS 영상은 영상 분해능을 같게 하기 위하여 Image resolution을 512 x 512 pixel로 조정하였고, DIPS와 DRR 간의 차이 값은 x, y, z, Rotation, Pitch를 각각 얻어 평균값 및 절대값으로 계산하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 2018년 국립암센터 양성자치료센터에서 Proton Therapy System (Proteus-235, IBA particle Therapy)을 통해 치료를 받은 뇌종양, 두경부 암 환자 13명을 대상으로 하였으며 치료 날짜별 7∼11일 동안 동일한 환자 Set-up 영상을 가지고 분석을 시행했다. 치료 고정기구로는 Q-fix, 자체 제작한 FSRT Tool을 사용하였으며 영상분석에 필요한 DIPS Program System(Version 2.4.3, IBA, Belgium)와 환자의 치료 계획을 위해 Eclipse Proton Planning System(Version 13.7, Varian, USA)을 사용하였다(Fig. 1).
성능/효과
- Test image와 환자들의 DIPS Set up 초기 Image의 DIPS와 DRR을 영상정합한 결과 DIPS program에서 나타낸 방향 및 이동 수치 값이 나타남에 따라 Matlab 기반의 In-house Registration code는 Proton therapy에서 Set up으로써의 유용성이 있음을 알 수 있었다.
- 그리고 환자의 DIPS Set up 최종 image를 Matlab Registration code를 통해 평가하였을 때 Iso-center의 Set up 오차 값이 평균 0.12 cm으로 현재 본원에서의 PTV margin tolerance가 0.2 cm인 점을 감안하면 기존에 시행하고 있는 DIPS Program을 통하여 정확한 Set up 및 치료를 하고 있다고 볼 수 있다.
- 본 논문의 대상 중 환자 4명의 DIPS Set up 초기 Image와 DRR을 비교하였을 때 x방향의 Iso-center와 최소 차이 값은 0.05, 최대 0.069, 평균 0.056 cm으로 나타났으며 y방향은 최소 0.016, 최대 0.065, 평균 0.044 cm의 차이 값을 보였으며, z방향은 최소 0.025, 최대 0.072, 평균 0.053 cm의 차이를 보였다.
- 환자 13명을 대상으로 최종적으로 Set up을 마친 후 촬영한 DIPS와 DRR를 Matlab code로 매칭한 결과 x방향의 Isocenter와 최소 차이 값은 0.019, 최대 0.141, 평균 0.062 cm으로 나타났으며 y방향은 최소 0.041, 최대 0.15, 평균 0.085 cm 차이 값을 보였으며, z방향은 최소 0.035, 최대 0.13, 평균 0.074 cm으로 환자 13명의 DIPS와 DRR간의 평균 Set up distance 차이는 0.12 cm 이내의 오차를 보였다. Angle의 경우에는 Rotation의 set up 오차값은 최소 0.
후속연구
- 본 논문의 환자 case는 뇌종양, 두경부암 환자들로만 진행되었다. Registration code는 Intensity 기반으로 한 영상정합이 이루어지는데 경부, 복부 등의 DIPS image와 DRR에서 나타나는 Organ intensity 차이에 의해 영상정합에서 큰 오차가 나타나는 한계점이 나타났는데 이는 Registration Code 및 Matlab program 자체의 업그레이드 및 추가적인 연구가 필요하다고 사료된다. 이번 연구를 통해 개발한 프로그램을 통하여 Proton Therapy Set up 과정을 기존 과정에서 보다 시간 및 노력을 줄이며 좀 더 정확한 치료가 가능할 것으로 평가된다.
- 기존 DIPS program을 통한 Set up 방법은 특정 위치 또는 Iso-center를 우선 순위로 하여 Set up을 하지만 Matlab을 통한 자동화 Set up 적용 시 특정 중요도 없이 Image 전체를 평가하고 정합하기 때문에 정확성이 더 뛰어나게 된다. 그리고 환자 체중 감소, 종양의 크기 변화, 해부학적 변화 등에 있어서 좀 더 정확한 임상적 정보를 제공해 줄 것이다.
- 본 연구에 사용한 Matlab code는 DICOM image와 PNG 형식의 DIPS image를 통한 영상 정합을 하는 점을 감안하면 의료 장비 기술의 발달에 따른 CBCT 등의 영상 디지털 시스템에는 구현하지는 못하는 한계점이 있지만 Linac의 EPID 등의 Image guided device에도 사용할 수 있을 것으로 사료된다.
- Registration code는 Intensity 기반으로 한 영상정합이 이루어지는데 경부, 복부 등의 DIPS image와 DRR에서 나타나는 Organ intensity 차이에 의해 영상정합에서 큰 오차가 나타나는 한계점이 나타났는데 이는 Registration Code 및 Matlab program 자체의 업그레이드 및 추가적인 연구가 필요하다고 사료된다. 이번 연구를 통해 개발한 프로그램을 통하여 Proton Therapy Set up 과정을 기존 과정에서 보다 시간 및 노력을 줄이며 좀 더 정확한 치료가 가능할 것으로 평가된다.
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