[논문]영상유도 방사선 치료 시 CBCT에서 방사선 방호최적화를 위한 영상평가

최민호; 김경완; 이동연

doi:10.7742/jksr.2023.17.3.305

영상유도 방사선 치료 시 CBCT에서 방사선 방호최적화를 위한 영상평가
Image Evaluation for Optimization of Radiological Protection in CBCT during Image-Guided Radiation Therapy 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.17 no.3, 2023년, pp.305 - 314

최민호 (부산대학교병원 방사선종양학과) , 김경완 (인제대학교 해운대백병원 영상의학실) , 이동연 (동의대학교 방사선학과)

초록
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의료기술의 발전과 방사선 치료 장비의 발전으로 세기변조방사선치료와 같은 고 정밀 방사선치료의 빈도수가 증가하였다. 정밀하고 복잡한 치료계획에서 방사선 치료 시 영상유도방사선치료는 필수가 되었다. 특히 선형가속기에 진단용 영상장비의 도입으로 CBCT스캔이 가능해졌으며 이는 3차원 이미지를 통해 환자의 자세를 검·교정할 수 있게 되었다. 보다 정밀한 환자 자세의 재현이 가능해졌지만, 영상획득과정에서 환자에게 전달되는 피폭선량은 무시할 수 없다. 방사선 치료분야에서 방사선 방호최적화는 필요하며 피폭저감화를 위한 노력은 필요하다. 하지만 3차원 CBCT영상 획득 시 피폭저감화를 위해 촬영조건을 변경하여 촬영할 경우 환자의 위치정렬을 할 수 없을 정도의 화질이나 인공물이 발생해서는 안 된다. 본 연구에서Rando phantom을 활용해 각 촬영조건별 영상을 스캔하고 평가하였다. 100 kV, 80 mA, 25 ms, F1 filter 180° 조건에서 가장 높은 SNR이 나타났다. 관전압, 관전류가 높아질수록 Noise가 감소했으며 보우타이필터는 높은 관전류에서 최적의 효과를 나타냈다. 실제 스캔된 이미지를 토대로 환자위치정렬이 모든 촬영조건에서 가능했으며 가장 낮은 SNR을 나타낸 70 kV, 10 mA, 20 ms, F0 filter 180° 조건에서 충분히 환자자세정렬을 위한 영상유도방사선치료는 가능함을 확인하였다. 본 연구에서 촬영조건에 따른 영상평가를 실시하였으며 피폭 저감화를 위해 낮은 관전압과 관전류, 작은 회전각 스캔이 선량 저감화에 효과적일 것으로 보인다. 이를 토대로 CBCT촬영 시 환자의 피폭선량을 가능한 낮게 해야 할 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

With the development of medical technology and radiation treatment equipment, the frequency of high-precision radiation therapy such as intensity modulation radiation therapy has increased. Image-guided radiation therapy has become essential for radiation therapy in precise and complex treatment plans. In particular, with the introduction of imaging equipment for diagnosis in a linear accelerator, CBCT scanning became possible, which made it possible to calibrate and correct the patient's posture through 3D images. Although more precise reproduction of the patient's posture has become possible, the exposure dose delivered to the patient during the image acquisition process cannot be ignored. Radiation optimization is necessary in the field of radiation therapy, and efforts to reduce exposure are necessary. However, when acquiring 3D CBCT images by changing the imaging conditions to reduce exposure, there should be no image quality or artefacts that would make it impossible to align the patient's position. In this study, Rando phantom was used to scan and evaluate images for each shooting condition. The highest SNR was obtained at 100 kV 80 mA 25 ms F1 filter 180°. As the tube voltage and tube current increased, the noise decreased, and the bowtie filter showed the optimal effect at high tube current. Based on the actual scanned images, it was confirmed that patient alignment was possible under all imaging conditions, and that image-guided radiation therapy for patient alignment was possible under the condition of 70 kV 10 mA 20 ms F0 filter 180°, which showed the lowest SNR. In this study, image evaluation was conducted according to the imaging conditions, and low tube voltage, tube current, and small rotation angle scan are expected to be effective in reducing radiation exposure. Based on this, the patient's exposure dose should be kept as low as possible during CBCT imaging.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Black Piranha.
그림 Fig. 2. Scanning the Rando phantom.
표 Table. 1 Announcement of standards for Half Value Layer by the Korea Food and Drug Administration^[9]
표 Table 2. Tube current fixed tube voltage change condition
표 Table 3. Tube voltage fixed tube current change condition
그림 Fig. 3. ROI to measure Noise and Signal.
그림 Fig. 4. Noise change according to tube voltage change (F0 filter).
표 Table 4. Half-value layer for each tube voltage according to the filter
그림 Fig. 5. Noise change according to tube voltage change (F1 filter).
그림 Fig. 6. Signal change according to tube voltage change (F0 filter).
그림 Fig. 7. Signal change according to tube voltage change (F1 filter).
그림 Fig. 8. Noise change according to tube current change.
그림 Fig. 9. Signal change according to tube current change.
그림 Fig. 10. SNR change according to tube voltage change (F0 filter).
그림 Fig. 11. SNR change according to tube voltage change (F1 filter).
그림 Fig. 12. SNR change according to tube current change.
그림 Fig. 13. Highest SNR shooting conditions.
그림 Fig. 14. Lowest SNR shooting conditions.

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 의료 방사선이라 할지라도 방사선 방호 관점에서 방호최적화는 필수 사항에 해당한다. 따라서 본 연구에서 방사선 치료에 대한 방사선 방호최적화 방안을 적용하기 위한 선행 연구에 해당하며, 피폭 감소를 위한 촬영 조건 변화 시 영상 확인에 문제 여부를 파악하기 위해 영상평가를 진행하였다. 그 결과 촬영 조건 변화에 따라 수치적인 차이는 있었지만, 환자의 위치 확인 및 검ㆍ교정에 큰 영향을 주지 않는 것으로 판단된다.
본 연구는 방사선 치료에서 활용하고 있는 CBCT영상에 대하여 정량적인 평가를 진행하여 방호최적화 방안 적용 여부를 파악하고자 하였다. 연구 진행에 전체적인 흐름은 먼저 CBCT장비에서 발생하는 선원에 대한 신뢰도 평가 후 인체모형팬텀(Rando phantom)을 대상으로 CBCT영상을 획득하고, MATLAB을 이용해 영상평가를 실시하였다.
이에 본 연구에서는 CBCT방호최적화를 위한 선량평가에 앞서 CBCT촬영조건에 따른 영상을 정량적으로 평가하여 선량저감화 방안에 대한 적용 여부를 판단하고자 한다.

제안 방법

Elekta 사의 Versa HD 선형가속기를 활용하여 CBCT영상평가를 진행하였다.
관전압을 100 kV로 고정하고 관전류를 변화시키며 180° 회전스캔으로 F0, F1 필터별 영상평가를 진행하였다.
CBCT는 연속 X선을 사용하여 영상을 획득한다. 따라서 CBCT의 관전압 에너지를 정의하기 위해 반가층을 측정하였다. 반가층이란 방사선이 매질을 통과할 때 방사선의 세기가 반으로 줄어드는 두께로 정의된다.
방사선 치료 분야에서 방사선 방호최적화를 위한 영상평가를 진행하였다. 복잡하고 정밀한 치료 계획에 따라 환자는 주기적으로 CBCT촬영을 하고 있다.
본 연구는 방사선 치료에서 활용하고 있는 CBCT영상에 대하여 정량적인 평가를 진행하여 방호최적화 방안 적용 여부를 파악하고자 하였다. 연구 진행에 전체적인 흐름은 먼저 CBCT장비에서 발생하는 선원에 대한 신뢰도 평가 후 인체모형팬텀(Rando phantom)을 대상으로 CBCT영상을 획득하고, MATLAB을 이용해 영상평가를 실시하였다.

대상 데이터

CBCT는 연속 X선을 사용하여 영상을 획득한다. 따라서 CBCT의 관전압 에너지를 정의하기 위해 반가층을 측정하였다.
CBCT촬영에 사용한 장비는 선형가속기(Elekta Versa HD, Sweden)에 부착되어있는 XVI(X-ray Volumetric Imager)를 사용하였다. XVI선원의 선질측정에 사용한 장비는 Black Piranha(X-ray QA, Multi function meter, Sweden)를 사용하였다.
본 연구에서는 Black Piranha를 사용해 SSD 100 cm에서 반가층을 측정하였다. Black Piranha는 방사선원에서 조사된 방사선의 반가층을 알루미늄당량으로 곧바로 연결된 컴퓨터의 소프트웨어에 표현해 주는 장비로 X선 품질관리에 쓰이는 측정기이다.

데이터처리

이 때, 각 밀도에 따라 영상의 흑백 정도가 정해지는데 이를 수치화하여 사용하는 단위는 HU(Hounsfield Unit)이다. Noise 및 Signal은 HU 단위로 측정되었으며, 이 값을 통해 SNR을 계산하여 영상을 평가하였다. SNR은 Eq.

이론/모형

XVI선원의 선질측정에 사용한 장비는 Black Piranha(X-ray QA, Multi function meter, Sweden)를 사용하였다. 영상평가를 위해 인체모형팬텀(Rando phantom, USA)을 사용하여 CBCT영상을 획득하였으며, 영상 분석을 위해 사용한 프로그램은 MATLAB(Mathworks, USA)이다.

성능/효과

하지만, 환자의 위치 확인 및 검ㆍ교정이 가능한 CBCT영상이라면 스캔 회전각을 작게 하고, 저관전압, 저관전류를 활용하여 영상을 획득하는 것이 피폭을 최소화 할 수 있는 방법으로 사료된다. 또한, 방사선작업종사자 스스로가 CBCT촬영 시 환자 피폭선량을 인지하고 가능한 피폭을 낮게 유지할 수 있도록 노력하는 것이 의료 방사선 방호최적화에서 가장 중요한 부분일 것으로 사료된다.
종합적으로 관전압, 관전류가 높아질수록 Noise의 감소로 SNR은 높게 나타났다. 보우타이필터는 관전류가 높은 조건에서 효과적으로 나타났으며 반바퀴 스캔에서도 CBCT영상구현이 가능했다. 수치적인 차이는 있었으나, 가장 높은 SNR과 낮은 SNR영상인 Fig.
식약청 기준규격고시에 따라 70 kV에서 1.5 mmAl, 100 kV에서 2.7 mmAl, 120 kV에서 3.2 mmAl를 초과한 알루미늄당량이 측정되어 선질 평가에서 적합한 것으로 판단된다.
전체 결과에 대한 영상을 보면, 촬영 조건이 100 kV, 80 mA, 25 ms, F1 filter, 180°에서 SNR이 가장 좋은 수치를 보였으며, 촬영 조건이 70 kV, 10 mA, 20 ms, F0 filter, 180°에서 가장 낮은 수치로 나타났다
종합적으로 관전압, 관전류가 높아질수록 Noise의 감소로 SNR은 높게 나타났다. 보우타이필터는 관전류가 높은 조건에서 효과적으로 나타났으며 반바퀴 스캔에서도 CBCT영상구현이 가능했다.

후속연구

방사선치료에서 CBCT영상 획득의 목적은 질병의 진단 목적이 아닌 치료 전 환자의 치료부위의 위치 확인 및 검ㆍ교정의 목적으로 사용된다. 본 연구에서는 진단영역의 영상평가로 사용되는 지표로 SNR을 활용해 영상평가를 진행하였으며 방사선 치료분야의 영상평가지표가 존재하지 않다는 점에 한계점이 존재한다. 또한 두경부를 제외한 다른 부위에서 차이가 나타날 수 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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