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민영 삼
5 years ago
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1 영상기반방사선치료기기를위한 QA 팬텀시작품개발 * 가톨릭대학교의과대학의공학교실, 가톨릭대학교강남성모병원방사선종양학과, 가톨릭대학교성빈센트병원방사선종양학과, 국립암센터방사선종양학과 장지나 * ㆍ오승종 * ㆍ정원균 * ㆍ장홍석 ㆍ김회남 ㆍ강대규 ㆍ이두현 ㆍ서태석 * 본연구에서는영상기반방사선치료기기의영상 QA를위한필요한추가적인요소를포함시킨 QA 팬텀시제품을개발하였다. 개발된팬텀은크게영상질평가부분과정합정확도평가부분의두가지로이루어져있다. 영상질평가를위해 CT number 선형성과공간해상도평가가가능하게설계되었고, 정합정확도평가를위하여간단한이동및회전조절이가능하게설계되었다. 제작된팬텀의영상은일반 CT와 Tomotherapy의 MVCT에서획득되었고, 두영상모두해상도평가기준을충족하였다. 이팬텀은일간영상 QA를위한간단하고, 효율적이며, 그리고영상정합평가의새로운개념을제시했다는데에큰의의가있다. 중심단어 : QA 팬텀, 영상기반방사선치료장치, 영상질, 정합정확도 서 최근 on-board imager (OBI) 를결합한 Varian EX 선형가속기 (Varian Medical Systems, Palo Alto, CA, USA) 또는 Tomotherapy (Tomotherapy, Madison, WI, USA) 같은영상기반방사선치료기기시스템이영상유도방사선치료에사용되고있다. 1-3) 치료전획득하는 OBI의 kilovoltage conebeam CT (kv-cbct) 영상과 Tomotherapy의 megavoltage CT (MVCT) 영상은환자의치료준비과정에서발생할수있는부정확성을현저하게줄일수있다는장점을가지고있으며, 국내도입이점차늘고있는추세이다. OBI의 kv-cbct 는선형가속기에부착된 kilovoltage의 x-ray 소스와평판검출기로영상획득이가능하고, Tomotherapy의 MVCT는 megavoltage의치료빔과 xenon 검출기로영상획득이가능하다. 이영상기반방사선치료기기는치료기기와진단기기가결합된복잡한구조이므로기기특성을유지시킬수있는총체적인 QA 프로그램을필요로한다. 이논문은과학기술부원자력연구기반확충사업 (M B ) 과원자력기술개발사업 (M M ) 의지원으로수행되었음. 이논문은 2008 년 4 월 17 일접수하여 2008 년 6 월 12 일채택되었음. 책임저자 : 서태석, ( ) 서울특별시서초구반포동 505 가톨릭대학교의과대학의공학교실 Tel: 02) , Fax: 02) suhsanta@catholic.ac.kr 론 OBI가부착된 Varian EX는기본적으로치료기기이므로, 일반선형가속기 QA 프로토콜인 TG-40 4) 을따르고있으며, cone-beam 영상의 QA를위해서는영상 QA 팬텀을따로구입하기도하지만진단 CT용 QA 팬텀을이용하기도한다. Tomotherapy는치료원리가일반선형가속기와는다르므로선량검증을위한원형아크릴팬텀 (Tomotherapy Cheese phantom) 이기본적으로사용되고있고, 이팬텀내부에밀도바삽입이가능한공간이들어있어부수적으로영상의 QA를수행하고있다. 그러나이러한영상기반방사선치료기장비들은일반선형가속기시스템과다르므로, 이기기들에대한 QA 프로그램은추가적인요소를포함하고있어야한다. 본연구에서는영상기반방사선치료기기의영상 QA를위한새로운개념의 QA 팬텀시작품을제작하였다. 새롭게개발된팬텀은영상질평가와정합정확도확인을목적으로제작되었다. 예비적인연구로서본논문에서는팬텀재질과제작정확도평가는수행되지않았다. 대상및방법 1. 영상질평가최근적응방사선치료를위해 kv-cbct와 MVCT에기반한선량계산정확성에관련된연구가수행되고있다. 5,6) 이런연구추세에맞추어영상기반방사선치료기기의 QA 팬텀은 CT의영상평가부분을포함하고있어야한다. 본팬텀은영상질평가를위해 CT number의선형성과공간

Fig. 1. The diagrams and photographs of the QA phantom prototype. (a) Frontal view; (b) sectional view.

또한, CT 기기는같은선량에따른공간해상도와잡음이상충적인관계에있으므로 CT 기기가적절한공간해상도와잡음를가지는지확인할필요가있다.

팬텀에삽입된해상도플러그의 hole 지름은 0.4 mm에서 1.9 mm까지 16개의 hole로구성되며, hole 지름은 0.1 mm씩증가한다.

2 Fig. 1. The diagrams and photographs of the QA phantom prototype. (a) Frontal view; (b) sectional view. 해상도측정을위한구조가포함되어있다. CT number 선형성평가는팬텀내삽입된밀도바의밀도가감쇄계수에따른 Hounsfield Unit (HU) 혹은 CT number를정확하게표현하는가를평가한다. 또한, CT 기기는같은선량에따른공간해상도와잡음이상충적인관계에있으므로 CT 기기가적절한공간해상도와잡음를가지는지확인할필요가있다. CT 영상내에서인지가능한작은물체의측정은해상도를측정하는기준이되지만, 이것은해상도뿐아니라대조도와잡음의함수와상관이있으므로 8) 본팬텀에서는공간해상도측정을위한해상도플러그를제작하였다. 팬텀에삽입된해상도플러그의 hole 지름은 0.4 mm에서 1.9 mm까지 16개의 hole로구성되며, hole 지름은 0.1 mm씩증가한다. 제작된 QA 팬텀은길이 120 mm에지름이 200 mm의아크릴로 8개의밀도바 (bar) 와해상도플러그가삽입되어있다. 8개의밀도바는일반적인플라스틱으로제작되었고, 그재질은 polyethylene (0.94 g/cm 3 ), polypropylene (0.95 Fig. 2. The photograph of the QA phantom supporter

장지나외 7 인 : 영상기반방사선치료기기를위한 QA 팬텀시작품개발 g/cm 3 ), nylon scrap (1.14 g/cm 3 ), PMMA (1.16 g/cm 3 ), polycarbonate (1.21 g/cm 3 ), polyvinylchloride (1.38 g/cm 3 ), Teflon (2.16 g/cm 3 ) 이다. Fig.

개발된팬텀은정합정확도평가를위한구조인팬텀지지대 (Fig. 2) 와팬텀과지지대사이를고정시키는 piece가포함되어있다. Fig. 3a는팬텀, 지지대및 piece의결합도식 을보여주고있다. 기울기가있는지지대의구조로인해팬텀과 piece를이동함으로써 x, y, z 방향의이동을구현할수있으며, 각이진 piece를사용하면회전의구현도가능하다. Fig. 3b는각이진 piece의구조를보여주고있다.

3 장지나외 7 인 : 영상기반방사선치료기기를위한 QA 팬텀시작품개발 g/cm 3 ), nylon scrap (1.14 g/cm 3 ), PMMA (1.16 g/cm 3 ), polycarbonate (1.21 g/cm 3 ), polyvinylchloride (1.38 g/cm 3 ), Teflon (2.16 g/cm 3 ) 이다. Fig. 1은제작된팬텀시작품의앞면및단면도식도와사진을보여주고있다. 2. 정합정확도평가치료전획득한 kv-cbct나 MVCT의영상은치료계획시의일반 CT 영상과비교된다. 영상기반방사선치료기기의수동혹은자동정합시스템은두영상 (planning CT 와 kv-cbct 또는 planning CT와 MVCT) 의위치를비교하여환자치료위치를조정한다. 개발된팬텀은정합정확도평가를위한구조인팬텀지지대 (Fig. 2) 와팬텀과지지대사이를고정시키는 piece가포함되어있다. Fig. 3a는팬텀, 지지대및 piece의결합도식 을보여주고있다. 기울기가있는지지대의구조로인해팬텀과 piece를이동함으로써 x, y, z 방향의이동을구현할수있으며, 각이진 piece를사용하면회전의구현도가능하다. Fig. 3b는각이진 piece의구조를보여주고있다. Fig. 3c는제작된팬텀과각이진 piece의결합모습을보여주고있으며, 이각은 CT 영상상에서 x 축으로 만큼의회전을보여주고있다. 이지지대와 piece의구조로인해지정된위치로의팬텀의이동과회전조절이가능하다. 지정된위치로이동및회전되어진팬텀은영상기반방사선치료기기의정합시스템과비교하여검증하게된다. 이동및회전조작을수행하는 piece와팬텀지지대의기계적인제작오차가검증되지않았기때문에, mm 단위이하를고려하는정합프로그램을평가할경우정확성에문제가있다고사료되어본연구에서정합정확도평가는수행되지않 Fig. 3. Diagram of the phantom, piece, and supporter (a) Assembly diagram of the phantom and supporter; (b) demonstration of angled piece; (c) composition view of the phantom and angled piece. Fig. 4. Phantom images from (a) conventional CT; (b) MVCT of a Tomotherapy unit

았다. 결과및고찰 Fig. 4는제작된팬텀의 CT 영상으로일반 CT와 Tomotherapy의 MVCT에서획득되었다. Fig. 5는일반 CT 영상에서의밀도바의프로파일을보여주고있고, Table 1은팬텀에삽입된 8개의밀도바의 CT number를보여준다. Fig. 6은확대된해상도플러그를보여주고있다.

Yoo 등 10) 은 OBI의 kv-cbct 시 스템을위한전반적인안전성, 기하학적그리고영상질에관련된 QA 프로그램을기술하였고 Fenwick 등 9) 은갠트리회전일치성, 환자테이블이동, 가속기펄싱등일반선형가속기와는다른 Tomotherapy를위한 QA 지침서를서술하였다.

4 았다. 결과및고찰 Fig. 4는제작된팬텀의 CT 영상으로일반 CT와 Tomotherapy의 MVCT에서획득되었다. Fig. 5는일반 CT 영상에서의밀도바의프로파일을보여주고있고, Table 1은팬텀에삽입된 8개의밀도바의 CT number를보여준다. Fig. 6은확대된해상도플러그를보여주고있다. Fenwick 등 9) 은 MVCT 해상도평가에서 5 holes/9.5 mm를제안하고있고, 그림에서보듯이두 CT 영상에서 1.0 mm의 hole이깨끗하게보여지고있다. 최근각각장비의특성에맞는독립적인 QA 지침에관련된연구가수행되고있다. Yoo 등 10) 은 OBI의 kv-cbct 시 스템을위한전반적인안전성, 기하학적그리고영상질에관련된 QA 프로그램을기술하였고 Fenwick 등 9) 은갠트리회전일치성, 환자테이블이동, 가속기펄싱등일반선형가속기와는다른 Tomotherapy를위한 QA 지침서를서술하였다. 영상기반방사선치료기기가우리나라에점차많이도입되고있기때문에, 각각의병원환경에맞는 QA 프로토콜과도구를개발해야할필요가있다. 이를위해영상질과정합정확도평가를목적으로 QA 팬텀을개발하였고, 이기술은다양한 QA 도구를개발하는데기반기술이될수있을것으로사료된다. 결론본연구에서는영상기반방사선치료기기를위한 QA 팬텀시작품을개발하였다. 제작된팬텀은일간영상 QA 를위한간단하고효율적인팬텀이며, 영상정합평가라는새로운개념을제시했다는데에큰의미가있었다. 향후팬텀의정확도와일관성평가를위한연구가추진될것이다. Table 1. CT numbers of the density bars. Material Mean CT number Fig. 5. Density bar profiles from a conventional CT image. PMMA 113.3±15.4 Polyvinylchloride 258.4±11.2 Polyoxymethylene 813.6±22.4 Polycarbonate 122.1±16.1 Teflon 840.7±24.3 Nylon Scrap 99.5±11.3 Polyethylene 103.6±14.7 Polypropylene 66±9.5 Fig. 6. Resolution plug from (a) conventional CT; (b) MVCT of the Tomotherapy unit

5 장지나외 7 인 : 영상기반방사선치료기기를위한 QA 팬텀시작품개발 참고문헌 1. Jaffray D, Siewerdsen J, Wong J, Martinez A: Flat-panel cone-beam computed tomography for image-guided radiation therapy. Int J Radiat Oncol Biol Phys 53: (2002) 2. Hawkins M, Brock K, Eccles C, Moseley D, Jaffray D, Dawson L: Assessment of residual error in liver position using kv cone-beam computed tomography for liver cancer high-precision radiation therapy. Int J Radiat Oncol Biol Phys 66: (2006) 3. Thilmann C: Correction of patient positioning errors based on in-line cone beam CTs: clinical implementation and first experiences. Radiat Oncol 1:16 (2006) 4. Kutcher GJ, Coia L, Gillin M, et al: Comprehensive QA for radiation oncology: report of AAPM Radiation Therapy Committee Task Group 40. Med Phys 21: (1994) 5.Yang Y, Schreibmann E, Li T, Wang C, Xing L: Evaluation of on-board kv cone beam CT (CBCT)-based dose calculation. Phys Med Biol 52: (2007) 6. Morin O, Chen J, Aubin M, et al: Dose calculation using megavoltage cone-beam CT. Int J Radiat Oncol Biol Phys 67: (2007) 7. Nosil J, Pearce K, Stein RA: Linearity and contrast scale control in computed tomography. Med Phys 16: (1989) 8. P.F. Judy et al. AAPM Report No. 1: Phantoms for Performance Evaluation of CT Scanners. American Institute of Physics (1977) 9. Fenwick JD, Tome WA, Jaradat HA, et al: Quality assurance of a helical tomotherapy machine. Phys Med Biol 49: (2004) 10. Yoo S, Kim G, Hammoud R, et al: A quality assurance program for the on-board imager R. Med Phys 33: (2006) Development of QA Phantom Prototype for Imaged Based Radiation Treatment System Jina Chang*, Seoung Jong Oh*, Won-Kyun Jung*, Hong-Suk Jang, Hoi-Nam Kim, Dae-Gyu Kang, Doo-Hyun Lee, Tae-Suk Suh* *Department of Biomedical Engineering, The Catholic University of Korea, Department of Radiation Oncology, Kangnam St. Mary s Hospital, The Catholic University of Korea, Department of Radiation Oncology, St. Vincent s Hospital, The Catholic University of Korea, Department of Radiation Oncology, National Cancer Center, Seoul, Korea In this study, we developed the protopype of QA phantom for image QA including an additional component for image based radiation treatment system. The new phantom considered two main parts: Image quality and fusion accuracy. Image quality part included for daily CT number linearity and spatial resolution, and fusion accuracy part designed to simulate a simple translation-rotation setting. The CT scans of the phantom obtained from conventional CT, MVCT of Tomotherapy unit, and both image sets were satisfied the recommendation of spatial resolution. This phantom was simple and efficient for daily imaging QA, and it is important to provide a new concept of verification of image registration. Key Words: QA phantom, Image based radiation treatment system, Imaging quality, Fusion accuracy

(

317 318 319 320 1 3 5 5 5 5 2 321 : 1.,,,,, 06 2. X-ray beam penetration (density) (contrast) 03 3. patch coating, precipitation, flaking 03 4. centering 03 5. Esophagus, cardia, fundus, body, angle, antrum,