(72) 발명자 염연수 충북청주시흥덕구 1 순환로 1013 번길 10, 101 동 1305 호 ( 분평동, 우성 1 차아파트 ) 김영수 서울동작구대방동 7 길 5, 201 호 ( 대방동, 골드빌라 ) 김성훈 서울용산구이촌로 58 길 19, ( 이촌동 ) 정종휘 경기부천

Size: px

Start display at page:

Download "(72) 발명자 염연수 충북청주시흥덕구 1 순환로 1013 번길 10, 101 동 1305 호 ( 분평동, 우성 1 차아파트 ) 김영수 서울동작구대방동 7 길 5, 201 호 ( 대방동, 골드빌라 ) 김성훈 서울용산구이촌로 58 길 19, ( 이촌동 ) 정종휘 경기부천"

효영 나
5 years ago
Views:

1 (19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) (45) 공고일자 2014년11월13일 (11) 등록번호 (24) 등록일자 2014년10월31일 (51) 국제특허분류 (Int. Cl.) A61N 5/00 ( ) A61B 6/00 ( ) G01T 1/00 ( ) (21) 출원번호 (22) 출원일자 2013 년 08 월 06 일 심사청구일자 (30) 우선권주장 2013 년 08 월 06 일 년 06 월 25 일대한민국 (KR) (56) 선행기술조사문헌 호흡동조방사선치료용팬텀의제작및유용성평가, 대한방사선치료학회지,v.22 no.2, 2010 년, 이양훈외 2 명, pp 방사선치료를위한 CT 검사시 3DCT 와 4DCT 에대한피폭선량고찰, 방사선기술과학, v.34 no.4,2011 년, 박령황외 7 명, pp KR A (73) 특허권자 한양대학교산학협력단 서울성동구왕십리로 222, 내 ( 행당동, 한양대학교 ) (72) 발명자 김찬형 서울도봉구도봉로 180 나길 20, 101 동 707 호 ( 도봉동, 양우내안애아파트 ) 한민철 서울서초구신반포로 137, 9 동 209 호 ( 반포동, 경남아파트 ) ( 뒷면에계속 ) (74) 대리인 송인호, 민영준, 최관락 JP A 전체청구항수 : 총 10 항 심사관 : 유창용 (54) 발명의명칭사면체팬텀기반방사선량계산방법및장치 (57) 요약 본발명은사면체팬텀기반방사선량계산방법및장치를개시한다. 본발명에따른방법은 (a) 복셀펜텀으로부터변환된폴리곤팬텀을사면체화알고리즘을이용하여사면체팬텀으로변환하는단계 ; (b) 4DCT 로부터얻어지는가변벡터장 (Deformable Vector Field) 을내삽법에기초하여상기사면체팬텀에적용하는단계 ; 및 (c) 상기사면체팬텀을구성하는각사면체의각면을복수의가상셀로구획하고, 상기구획된가상셀 (Dose Cell) 별로미세선량을계산하는단계를포함할수있다. 대표도 - 도 1-1 -

2 (72) 발명자 염연수 충북청주시흥덕구 1 순환로 1013 번길 10, 101 동 1305 호 ( 분평동, 우성 1 차아파트 ) 김영수 서울동작구대방동 7 길 5, 201 호 ( 대방동, 골드빌라 ) 김성훈 서울용산구이촌로 58 길 19, ( 이촌동 ) 정종휘 경기부천시소사구경인옛로 108 번길 15, 3 동 306 호 ( 괴안동, 조공아파트 ) - 2 -

3 특허청구의범위청구항 1 (a) 복셀펜텀으로부터변환된폴리곤팬텀을사면체화알고리즘을이용하여사면체팬텀으로변환하는단계 ; (b) 4DCT로부터얻어지는가변벡터장 (Deformable Vector Field) 을내삽법에기초하여상기사면체팬텀에적용하는단계 ; 및 (c) 상기사면체팬텀을구성하는각사면체의각면을복수의가상셀로구획하고, 상기구획된가상셀 (Dose Cell) 별로미세선량을계산하는단계를포함하는사면체팬텀기반방사선량계산방법. 청구항 2 제1항에있어서, 상기 (a) 단계는폴리곤모델을이루는 3차원공간을사면체화하는 TETGEN 라이브러리를이용하여상기폴리곤팬텀을상기사면체팬텀으로변환하는사면체팬텀기반방사선량계산방법. 청구항 3 제2항에있어서, 상기 (a) 단계는사면체를구성하는점좌표들, 상기점좌표들간의관계및상기사면체의지오메트리에따른매질정보를구분하여저장하는사면체팬텀기반방사선량계산방법. 청구항 4 제1항에있어서, 상기가변벡터장은가변영상일치법 (deformable image registration, DIR) 을이용하여위상이다른두 CT영상을정합한결과인사면체팬텀기반방사선량계산방법. 청구항 5 제4항에있어서, 상기 (a) 단계는, 특정위상의 CT영상에대한사면체팬텀을생성하는단계를포함하며, 상기 (b) 단계는상기가변벡터장을이용하여상기생성된사면체팬텀을변형하는단계를포함하는사면체팬텀기반방사선량계산방법. 청구항 6 제4항에있어서, 상기가상셀은복수의인덱스로표현되는고유의주소값을갖는사면체팬텀기반방사선량계산방법. 청구항 7 제4항에있어서, 상기가상셀은사면체의한면을 2개의변을기준으로 N개로구획된결과인사면체팬텀기반방사선량계산방법. 청구항 8 제1항에있어서, 상기 (c) 단계는몬테카를로방사선수송해석전산코드를이용하여상기구획된가상셀 (Dose Cell) 별로미세선량을계산하는사면체팬텀기반방사선량계산방법

4 청구항 9 제1항내지제8항중어느한항에따른방법을수행하는프로그램이기록된컴퓨터판독가능한기록매체. 청구항 10 특정위상의 CT영상에대한사면체팬텀을생성하는사면체팬텀생성부 ; 가변벡터장 (Deformable Vector Field) 을내삽법에기초하여상기생성된사면체팬텀을변형하는사면체팬텀변형부 ; 상기사면체팬텀을구성하는각사면체의각면을복수의가상셀로구획하고, 상기구획된가상셀 (Dose Cell) 에대한고유주소정보를저장하는가상셀정보저장부 ; 및상기가상셀별로미세선량을계산하는미세선량계산부를포함하는사면체팬텀기반방사선량계산장치. 명세서 [0001] 기술분야 본발명은사면체팬텀기반방사선량계산방법및장치에관한것으로서, 보다상세하게는사면체팬텀을기 반으로환자를위한최적의방사선량을결정할수있는방법및장치에관한것이다. [0002] [0003] [0004] [0005] [0006] 배경기술치료목적의방사선량계산 ( 이하, ' 선량계산 ' 이라함 ) 과관련하여현재는환자의 CT 영상을이용하여복셀팬텀 (Voxel Phantom) 을생성하고이렇게생성된복셀팬텀과몬테카를로방사선수송해석전산코드를이용하여환자에게주어지는방사선량의분포를계산하는방법이사용되고있다. 이러한종래의선량계산방법은고정된모양의복셀팬텀을사용하기때문에환자장기의움직임을있는사실적으로반영하여선량을정밀하게계산하는것이불가능하다는단점이있다. 환자장기의움직임을고려하여선량을정밀하게계산할필요성이있는경우는먼저환자의 4DCT를이용하여시간변화에따라모양이다른여러개의복셀팬텀을제작한후이것들에대하여각각선량을수행하고이렇게계산된선량값들을합하는방식을사용하고있다. 하지만, 이러한종래의방법에는크게두가지의문제점이존재한다. 첫째로는, 4DCT의자료를기반으로하여여러개의복셀팬텀을제작하고이렇게제작된팬텀들을이용하여선량계산을각각따로수행하고마지막으로그결과를합쳐선량계산을수행함으로써전체적으로계산방법이매우복잡하며시간이많이소요된다는단점이있다. 둘째로는환자장기의경우는시간에따라연속적으로움직이는반면선량계산은몇개의복셀팬텀만을사용하여수행하기때문에계산되는선량의정확도가크게떨어진다는단점이있다. 발명의내용 [0007] 해결하려는과제 상기한종래기술의문제점을해결하기위해, 계산의복잡도가경감되면서정확도는높일수있는사면체팬텀 기반방사선량계산방법및장치를제안하고자한다. [0008] [0009] 과제의해결수단상기한기술적과제를해결하기위해, 본발명의바람직한일실시예에따르면, (a) 복셀펜텀으로부터변환된폴리곤팬텀을사면체화알고리즘을이용하여사면체팬텀으로변환하는단계 ; (b) 4DCT로부터얻어지는가변벡터장 (Deformable Vector Field) 을내삽법에기초하여상기사면체팬텀에적용하는단계 ; 및 (c) 상기사면체팬텀을구성하는각사면체의각면을복수의가상셀로구획하고, 상기구획된가상셀 (Dose Cell) 별로미세선량을계산하는단계를포함하는사면체팬텀기반방사선량계산방법이제공된다. 상기 (a) 단계는폴리곤모델을이루는 3차원공간을사면체화하는 TETGEN 라이브러리를이용하여상기폴리곤 - 4 -

5 팬텀을상기사면체팬텀으로변환할수있다. [0010] [0011] [0012] [0013] [0014] [0015] [0016] [0017] 상기 (a) 단계는사면체를구성하는점좌표들, 상기점좌표들간의관계및상기사면체의지오메트리에따른매질정보를구분하여저장할수있다. 상기가변벡터장은가변영상일치법 (deformable image registration, DIR) 을이용하여위상이다른두 CT영상을정합한결과일수있다. 상기 (a) 단계는, 특정위상의 CT영상에대한사면체팬텀을생성하는단계를포함하며, 상기 (b) 단계는상기가변벡터장을이용하여상기생성된사면체팬텀을변형하는단계를포함할수있다. 상기가상셀은복수의인덱스로표현되는고유의주소값을가질수있다. 상기가상셀은사면체의한면을 2개의변을기준으로 N개로구획된결과일수있다. 상기 (c) 단계는몬테카를로방사선수송해석전산코드를이용하여상기구획된가상셀 (Dose Cell) 별로미세선량을계산할수있다. 본발명의다른측면에따르면, 상기한방법을수행하는프로그램이기록된컴퓨터판독가능한기록매체가제공된다. 본발명의또다른측면에따르면, 특정위상의 CT영상에대한사면체팬텀을생성하는사면체팬텀생성부 ; 가변벡터장 (Deformable Vector Field) 을내삽법에기초하여상기생성된사면체팬텀을변형하는사면체팬텀변형부 ; 상기사면체팬텀을구성하는각사면체의각면을복수의가상셀로구획하고, 상기구획된가상셀 (Dose Cell) 에대한고유주소정보를저장하는가상셀정보저장부 ; 및상기가상셀별로미세선량을계산하는미세선량계산부를포함하는사면체팬텀기반방사선량계산장치가제공된다. [0018] 발명의효과 본발명에따르면환자에게주어지는방사선량의분포를종래의방법보다훨씬빠르고정밀하게계산할수있어 치료계획의정확도를높이고결과적으로암완치율을높일수있는효과가있다. [0019] 도면의간단한설명 도 1 은본발명의일실시예에따른사면체팬텀기반선량계산방법을개략적으로도시한순서도. 도 2는본발명에서제안하는복셀팬텀을폴리곤팬텀으로변환하는과정을도시한도면. 도 3은복셀팬텀의대장을폴리곤팬텀으로변환하는과정을도시한도면. 도 4는폴리곤팬텀의소장모델의제작과정을도시한도면. 도 5는폴리곤팬텀을사면체팬텀으로변환하는전체과정의흐름도. 도 6의 (a) 와 (b) 는각각최대흡기 CT영상과최대호기 CT영상을나타낸도면이고, (c) 와 (d) 는 DIR 적용전과후의영상차이를각각명도의밝기로나타낸도면. 도 7의 (a) 와 (b) 는 DVF 적용전과후사면체폐모델의동일관상면상에서의단면을각각을나타낸도면이고, (c) 와 (d) 는 DVF 적용전과후사면체폐모델의동일횡단면상에서의단면을각각나타낸도면. 도 8은사면체내부의미세선량을계산하기위한가상의셀 (Dose Cell) 의 2차원평면에서구현하였을경우를도시한도면. 도 9는사면체면의특정가상셀 (s=2, t=2) 에선량이가해진경우해당가상셀에서의미세선량을나타낸도면. 도 10은본발명에따른가상셀의도입으로사면체변화비율만큼가상셀의동일성이유지되는상태를나타낸도면. 도 11은본발명에따른가상셀이 3차원사면체에적용된상태를도시한도면. 도 12는본발명에따른사면체팬텀기반방사선량계산장치의블록도

6 [0020] [0021] 발명을실시하기위한구체적인내용본발명은다양한변경을가할수있고여러가지실시예를가질수있는바, 특정실시예들을도면에예시하고상세하게설명하고자한다. 그러나, 이는본발명을특정한실시형태에대해한정하려는것이아니며, 본발명의사상및기술범위에포함되는모든변경, 균등물내지대체물을포함하는것으로이해되어야한다. 각도면을설명하면서유사한참조부호를유사한구성요소에대해사용하였다. 이하, 본발명의바람직한실시예를첨부한도면들을참조하여상세히설명하기로한다. 본발명을설명함에있어전체적인이해를용이하게하기위하여도면번호에상관없이동일한수단에대해서는동일한참조번호를사용하기로한다. [0022] [0023] [0024] [0025] [0026] [0027] [0028] [0029] [0030] 기존복셀팬텀의한계를극복하기위해본발명에서는기존복셀팬텀대신에변형이자유로운사면체기반으로인체전산팬텀 ( 인체전산모델 ) 을제작하여사용한다. 또한, 이렇게제작되는사면체팬텀을환자장기의움직임과동일하게연속적으로움직이기위하여 4DCT 영상에대하여가변영상일치법 (Deformable Image Registration) 을시행하여생성되는가변벡터장 (Deformable Vector Field) 을사용한다. 마지막으로, 몬테카를로선량계산 ( 몬테카를로방사선수송해석전산코드 ) 을위해소요되는시간은거의증가시키지않으면서선량의분포는더욱세밀하게결정하기위하여사면체팬텀을다시여러개의가상의셀 (Dose Cell) 로나누어계산한다. 도 1은본발명의일실시예에따른사면체팬텀기반선량계산방법을개적으로도시한순서도이다. 이하, 각단계는통상의컴퓨팅장치에서수행될수있다. 도 1을참조하면, 기존의복셀팬텀을폴리곤팬텀으로변환한후 ( 단계 100), 폴리콘팬텀을사면체팬텀으로변환한다 ( 단계 102). 복셀팬텀을폴리곤팬텀으로변환하는과정에서모든장기의특징은복셀팬텀의장기와동일하게제작함이바람직하며, 이변환과정시폴리곤팬텀은기존의복셀팬텀의복셀의크기의한계로인해표현이불가능하였던얇고복잡한장기 (Small intestine, Oral mucosa 등 ) 를포함하여형성될수있다. 단계 102에서, 폴리곤팬텀을사면체팬텀으로변환시 TETGEN Library를사용하게된다. 이때모든폴리곤점이사면체로만이루어지도록옵션을주어야하며, 또한외형적으로사면체변환이불가능할경우폴리곤면위의임의의점을임의로생성할수있지만, 추후에속도측면에서이득을얻기위해서는추가되는임의의점을최소화하는것이바람직하다. 본발명에따르면, 상기한과정을통해변환된사면체팬텀을 4DCT 영상에맞추어전산모사수행과정내에서실시간으로움직이게하기위한알고리즘을제공한다 ( 단계 104). 단계 104에서, 4DCT 가변영상일치법 (Deformable Image Registration) 을사용하게된다. 이때각사면체가움직여야할지점은가변영상일치법에의해생성된가변벡터장 (Deformable Vector Field) 을이용하여계산되고, 움직임이전의사면체팬텀과제안된알고리즘에의해변환된사면체팬텀사이의움직임을표현하기위해서는그둘을내삽법 (Interpolation) 하여계산할수있다. 한편, 단계 106에서, 사면체팬텀의미세범위의선량을계산하는알고리즘을이용하여선량을평가할수있다. 본발명에따른미세선량계산알고리즘은사면체의각면을가상셀 (Dose Cell) 로구획하고, 사면체면전체가아니라개별가상셀에서의선량을계산한다. 이를이용하면크기가큰사면체를물리적으로세분화하는것과같은결과를얻으면서도물리적으로나눈것이아니기때문에속도측면에서는큰이득을볼수있다. [0031] [0032] [0033] 이하에서는복셀팬텀을폴리곤팬텀으로, 폴리곤팬텀을사면체팬텀으로변환하는과정을상세하게설명한다. 도 2는본발명에서제안하는복셀팬텀을폴리곤팬텀으로변환하는과정을도시한도면이다. 먼저, ICRP(International Commission on Radiological Protection, 국제방사선방호위원회 ) 에서제시하는성인남성표준팬텀 ( 복셀팬텀 ) 을 3D-DOCTORTM 프로그램에입력하고, Surface Rendering 기능을이용하여초기폴리곤모델로변환한다

7 [0034] [0035] [0036] [0037] [0038] [0039] [0040] [0041] [0042] [0043] [0044] [0045] [0046] [0047] [0048] [0049] 이하에서, 최종적으로변환된모델이팬텀으로정의된다. 변환된초기폴리곤모델은다소표면이거칠고, 완전한폐곡면으로이루어져있지않기때문에이를직접이용한몬테카를로선량계산이불가능할뿐만아니라, 추후사면체팬텀으로의변환도불가능하다. 따라서초기폴리곤모델을표면이매끄럽고사실적이며, 완벽한폐곡면을갖는폴리곤모델로수정하기위한작업이필요하다. 이를위해, Technology Inc., Korea) 이제공하는여러폴리곤모델링기능들을이용하였다. Subdivide 기능을이용하여폴리곤수를증가시키고, Smooth 기능을이용하여초기폴리곤모델의면을부드럽게만들었다. 폴리곤모델이갖는결함이나구멍과같은문제점은 Find Detect 기능을이용하여발견하였으며, 발견된각각의문제점들은 Healing Wizard 및 Fill Holes 기능을이용하여해결하였다. 문제점이해결된모델을 Decimate 기능을이용하여폴리곤면의수를최소화하였고, 마지막으로 Offset 기능을이용하여장기의무게를원본무게에맞추는작업을수행하였다. 폐, 위, 간과같이간단한모양으로이루어져있는대부분의장기들은앞에서설명한폴리곤팬텀변환기술을이용하여충분히변환이가능하였지만, 대장, 소장등과같은복잡한모양의장기들은폴리곤팬텀으로의변환이거의불가능하였다. 따라서이러한복잡한모양의장기들을변환하기위해추가적인폴리곤팬텀변환기술들을개발하였다. 도 3은 ICRP 성인남성표준팬텀의대장을폴리곤팬텀으로변환하는과정을보여준다. 먼저, 복셀모델로부터변환한초기폴리곤모델을 프로그램에입력하고, 대장의경로에따른윤곽선 (contour) 을생성하였다. 다음으로 Loft 기능을이용하여생성한윤곽선을너브스면으로변환하고, Mesh 기능을이용하여변환한너브스면을다시폴리곤면으로변환하였다. 마지막으로, 변환한폴리곤모델을 Offset 기능을이용하여대장의무게를표준무게에맞추었다. 본발명에서는다양한사면체화프로그램들중 TETGEN Library ( 을이용하여사면체변환기술을개발하였다. TETGEN은 *.Stl 또는 *.Ply 파일형식으로저장된 3차원폴리곤모델데이터를읽어 Delaunary triangulation 알고리즘을통해폴리곤모델을이루는 3차원공간을사면체화하는프로그램이다. 변환된사면체팬텀의정보는사면체를구성하는점좌표와그들의관계 (connectivity) 가 node file(*.node) 과 element file(*.ele) 로나누어각각저장된다. 본발명에서제안한사면체팬텀변환과정의자세한내용은다음과같다. 먼저, 폴리곤모델을 *.Ply 파일형식으로저장한후 TETGEN을실행하여초기사면체모델로변환한다. 이때, TETGEN 프로그램에서사용한옵션은 -pyy을사용한다. p 옵션은변환된사면체모델이원본폴리곤모델의외형을그대로유지하도록하며, YY 옵션은사면체변환시원본폴리곤모델의좌표를그대로이용하게함으로써사면체수를최소화하게한다. 하지만이렇게변환된사면체모델은지오메트리의구분이없기때문에지오메트리에따른각사면체의매질정보 (ID number) 를결정하는작업이필요하다. 이를위해본발명에서는 TETGEN의결과파일인 node file(*.node) 및 element file(*.ele) 과함께생성되는 Surface mesh file(*.smesh) 을사용하여매질정보 (ID number) 를입력하는방법을사용하였다. Surface mesh file은원본폴리곤모델의 node list, facet list, hole list, region list를담고있는데, *.Ply 파일을사용하여생성되는최초의 surface mesh 파일에는 region list가비어있다. 예를들어, 폐공간에대한사면체팬텀변환인경우, region list에폐공간내임의의좌표와함께해당 ID number를입력한뒤, 이 surface mesh 파일을 TETGEN 코드의인풋파일로사용하여재실행하면매질정보를포함하는사면체메쉬를획득할수있다. 따라서 surface mesh 파일의 region list에폴리곤모델을구성하는모든폐공간내임의의좌표및해당 ID number를기록하고, region list가추가된 surface mesh 파일을인풋파일로사용하여 -payy 옵션과함께사면체모델을다시재생성함으로써사면체모델을최종완성할수있다. 여기서 A 옵션은사면체모델의 region list가있음을알려주는옵션이다. 도 5는폴리곤팬텀을사면체팬텀으로변환하는전체과정의흐름도이다

8 [0050] [0051] [0052] [0053] [0054] [0055] [0056] [0057] [0058] [0059] [0060] [0061] [0062] 본발명에서는사면체모델및 Geant4 코드를이용하여몬테카를로선량계산을수행하기위해사면체모델 Geant4 코드입력방법을개발하였다. Geant4 코드는지오메트리구성을위해크게 Solid, Logical volume, Physical volume 이렇게 3가지개념이사용되며, 이러한개념들은각각 G4VSolid, G4LogicalVolume, G4VPhysicalVolume 클래스에해당되며, V가들어가있는클래스의경우주로이들로부터상속된클래스들이사용된다. 먼저 Solid는지오메트리의모양을결정하는역할을하며, 본발명에서는사면체모델을입력하기위하여 G4VSolid로부터상속된 G4Tet 클래스를사용하였다. G4Tet 클래스는사면체를구성하는 4개의점좌표를입력변수로사용하는데, TETGEN 코드의아웃풋파일인 node file(*.node) 및 element file(*.ele) 을이용하여 4개의점좌표를입력하였다. Logical volume은앞서정의된 Solid와매질정보를매개변수로입력받는데, element file에포함되어있는 region ID를이용하여사면체각각의매질을입력하였다. Physical volume의종류는크게 5가지이며, 종류에따라 Geant4 코드에서입자수송의핵심알고리즘인 Navigation이결정된다. 본발명은사면체팬텀변환을위해 G4Placement 클래스를사용하였으며, 이를사용하면기본적인 Normal Navigation이적용된다. Geant4 코드는입자가특정지오메트리를빠져나왔을때같은레벨에속한주변의다른지오메트리를인식하는과정에서판단시간을최소화하기위해 Smart voxel grid 개념이사용된다. 이때, G4LogicalVolume 클래스의 SetSmartless 함수를사용하면 Smart voxel grid의크기를결정할수있으며, 사용자가설정하지않을경우자동으로 default 값인 2.0이설정된다. 이값을낮출수록계산속도는빨라지나, runtime전에 initialization하는시간은오래걸리며많은메모리를차지하게된다. 하지만이값을계속낮추다보면계산속도가일정해지는특성을보인다. 본발명에서는이러한특성을고려하여 Smart voxel grid의크기를 0.5를사용하기로결정하였다. 흉부암환자에대한방사선치료시호흡운동은종양및주변장기에대한정확한선량분포계산을어렵게하는주된요인이다. 따라서정확한선량분포를계산하기위해서는호흡에의한장기들의움직임을고려하는선량계산방법이필요하다. 이를위해, 본발명에서제안하는 4D 사면체전산팬텀개발방법의기본아이디어는가변벡터장 (Deformable Vector Field, DVF) 을이용하여사면체팬텀 ( 전산팬텀 ) 을움직이도록하는것이다. DVF는가변영상일치법 (deformable image registration, DIR) 을이용하여위상이다른두 CT영상을정합한결과물로써정합을위해변형된 CT영상의복셀이이동한방향및크기를나타내는벡터들의모임이다. 따라서특정위상의 CT영상에대한사면체팬텀을제작하고, DVF를이용하여제작된사면체팬텀을변형시키면원리적으로호흡에따른장기의연속적인움직임을정밀하게사실적으로모사할수있는 4D 사면체전산팬텀을개발할수있다. 본발명에서는제안한개발방법의실현가능성을확인하기위해 4D 사면체폐모델을개발하였다. 이를위해 4DCT의위상별 CT영상중최대흡기에대한 CT영상의폐를사면체팬텀으로변환하였으며, DIR을이용하여최대흡기에대한 CT영상을최대호기에대한 CT영상에맞게변형시켜 DVF를획득하였다. 본발명에서는 MATLAB 기반으로개발된 DIRART 프로그램을이용하여 DIR을수행하였으며, 사용한 DIR 알고리즘은 DIRART 프로그램에서제공하는여러 DIR 알고리즘중디폴트 (default) 인 Horn-Schunck (HS) optical flow이다. 도 6의 (a) 와 (b) 는각각최대흡기 CT영상과최대호기 CT영상을보여주고있으며, (c) 와 (d) 는 DIR 적용전과후의영상차이를각각명도의밝기로보여주고있다 ( 명도가낮을수록차이가심함을나타냄 ). 도 6에서보는바와같이 DIR을적용한두영상의차이는변형전두영상의차이보다확연히감소함을가시적으로확인할수있으며, 결과적으로 DIR을수행하여획득한 DVF는두영상의차이를잘반영하고있음을확인할수있다. 도 7의 (a) 와 (b) 는 DVF 적용전과후사면체폐모델의동일관상면상에서의단면을각각보여주고있다. 비교결과, 폐내부의사면체변형과함께폐의단면적이감소함을확인할수있으며, 특히폐의아랫부분이위쪽으로변형되었음을확인할수있다. 또한, 도 7의 (c) 와 (d) 는 DVF 적용전과후사면체폐모델의동일횡단면상에서의단면을각각보여주며, 비교결과도 6의 (a) 와 (b) 에서의 CT영상과거의동일하게폐의단면적이감소함을확인할수있다. 따라서개발된 4D 사면체폐모델이외형과내부모두 DVF를따라사실적으로변형됨을고려할때, 본발명에서제안한방법을이용하면 4D 사면체전산팬텀개발은충분히가능하다. 한편, 상기한바와같은사면체팬텀을기반으로미세선량계산을위한방법이제공된다. 보다상세하게, 본발명에따르면, 하나의사면체를복수의가상셀 (Dose Cell) 로구획하고, 몬테카를로방사선 - 8 -

9 수송해석전산코드를이용하여복수의가상셀 (Dose Cell) 에대한미세선량계산을수행한다. [0063] [0064] 도 8 은사면체내부의미세선량을계산하기위한가상의셀 (Dose Cell) 의 2 차원평면에서구현하였을경우를 도시한것이다. 도 8 은사면체의하나의면에해당되는부분을가상셀로구획한경우를도시한것으로서, 도 8 에도시된바와 같이, 사면체의한면은두개의변 (, ) 을기준으로 N 개로구획되며, 각각의가상셀은인덱스 (s,u) 로표현되는고유의주소값을가진다. [0065] [0066] [0067] [0068] 이처럼가상셀을구획하지않은경우에는사면체의한면전체에대한선량계산만수행되나, 가상셀을구획하는경우에는도 9에도시된바와같이, 사면체면의특정가상셀 (s=2, t=2) 에선량이가해진경우해당가상셀에서의미세선량을계산할수있다. 이와같은가상셀을이용한미세선량계산은물리적으로구분한것이라사면체를가상으로구획하는경우, 지오메트리경계면을통과할때마다계산과정이반복되지않으므로계산의복잡도는증가하지않게된다. 한편, 본발명에따르면, 4DCT 가변영상일치법 (Deformable Image Registration) 을이용하여환자의움직임을고려하는경우도 10에도시된바와같이, 환자의움직임에의해사면체의위치및형상이변화하더라도사면체의변화비율만큼사면체한변의 N개만큼가상셀의구획이이루어지기때문에가상셀의동일성은유지된다. 도 8 내지도 10에서는 2차원평면을나타낸것으로서두개의인덱스를이용하여가상셀의주소값을설정하는 것을도시하였으나, 도 11 과같이 3 차원으로가상셀이구획되는경우에는세개의변 (,, ) 이 N 개로구획되기때문에하나의인덱스 (u) 가더추가된다. [0069] [0070] [0071] [0072] [0073] [0074] [0075] [0076] [0077] [0078] 본발명에따르면, 상기한과정을통해환자의치료지점에대한사면체팬텀의미세지점에대한선량이계산되며, 계산결과에따른방사선치료가수행되기때문에표적지점에대한정확한치료가이루어질수있다. 도 12는본발명에따른사면체팬텀기반방사선량계산장치의블록도이다. 도 12에도시된바와같이, 본발명에따른장치는사면체팬텀생성부 (1200), 사면체팬텀변형부 (1202), 가상셀정보저장부 (1204) 및미세선량계산부 (1206) 를포함할수있다. 사면체팬텀생성부 (1200) 는특정위상의 CT 영상에대한사면체팬텀을생성한다. 전술한바와같이, 본발명에따른사면체팬텀은환자의복셀팬텀으로부터변환된폴리곤팬텀을사면체화알고리즘을이용하여변환하여얻어질수있다. 환자의호흡에따라장기의움직임을반영할수있도록, 사면체팬텀변형부 (1202) 는가변벡터장 (DVF) 를이용하여상기에서생성된사면체팬텀을변환시킨다. 가상셀정보저장부 (1204) 는미세선량의계산복잡도를낮추기위해, 각사면체를복수의가상셀로구획하고, 가상셀의고유주소정보를저장한다. 여기서, 가상셀은사면체의한면을 2개의변을기준으로 N 개로구획된다. 미세선량계산부 (1206) 는복수의가상셀별로미세선량을계산하며, 계산된미세선량은가상셀정보저장부 (1204) 에저장된다. 여기서, 미세선량계산부 (1206) 는몬테카를로방사선수송해석전산코드를이용하여상기구획된가상셀 (Dose Cell) 별로미세선량을계산한다. 본발명의실시예들은다양한컴퓨터수단을통하여수행될수있는프로그램명령형태로구현되어컴퓨터판독가능매체에기록될수있다. 상기컴퓨터판독가능매체는프로그램명령, 데이터파일, 데이터구조등을단독으로또는조합하여포함할수있다. 상기매체에기록되는프로그램명령은본발명을위하여특별히 - 9 -

10 설계되고구성된것들이거나컴퓨터소프트웨어당업자에게공지되어사용가능한것일수도있다. 컴퓨터판독가능기록매체의예에는하드디스크, 플로피디스크및자기테이프와같은자기매체 (magnetic media), CD-ROM, DVD와같은광기록매체 (optical media), 플롭티컬디스크 (floptical disk) 와같은자기-광매체 (magneto-optical), 및롬 (ROM), 램 (RAM), 플래시메모리등과같은프로그램명령의예에는컴파일러에의해만들어지는것과같은기계어코드뿐만아니라인터프리터등을사용해서컴퓨터에의해서실행될수있는고급언어코드를포함한다. 상기된하드웨어장치는본발명의일실시예들의동작을수행하기위해적어도하나의소프트웨어모듈로서작동하도록구성될수있으며, 그역도마찬가지이다. [0079] [0080] 상기에서설명한본발명의일실시예에따른사면체를이용한인체전산팬텀구현및이를이용한방사선선량계산방법은의료목적의핵의학및방사선치료시에적용될수있다. 특히, 환자치료전에사용하는 4DCT 등의영상과접목하여실시간으로환자의방사선치료보조장치로도적용될수있다. 상기한본발명의바람직한실시예는예시의목적을위해개시된것이고, 본발명에대해통상의지식을가진당업자라면본발명의사상과범위안에서다양한수정, 변경, 부가가가능할것이며, 이러한수정, 변경및부가는하기의특허청구범위에속하는것으로보아야할것이다. 도면 도면 1 도면

11 도면 3 도면

12 도면

13 도면 6 도면

14 도면 8 도면

15 도면 10 도면 11 도면

특허청구의범위청구항 1 복수의영상검출부로부터출력되는영상의히스토그램 (histogram) 을계산하는단계 ; 상기복수의영상검출부로부터출력되는영상을히스토그램평활화 (histogram equalization) 하는단계 ; 상기복수의영상검출부중하나의영상검출부를선택하는단계 ; 및

특허청구의범위청구항 1 복수의영상검출부로부터출력되는영상의히스토그램 (histogram) 을계산하는단계 ; 상기복수의영상검출부로부터출력되는영상을히스토그램평활화 (histogram equalization) 하는단계 ; 상기복수의영상검출부중하나의영상검출부를선택하는단계 ; 및 (19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) (45) 공고일자 2014년12월18일 (11) 등록번호 10-1473415 (24) 등록일자 2014년12월10일 (51) 국제특허분류 (Int. Cl.) G06T 5/40 (2006.01) H04N 5/217 (2011.01) (21) 출원번호 10-2012-0156871 (22) 출원일자 2012