방사선치료시실시간자동환자위치보정시스템개발 The development of real time automatic patient position correction system during the radiation therapy

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소민 계
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1 연구분야 ( 코드 ) G0405 과제번호 과제성격 ( 기초, 응용, 개발 ) 개발실용화대상여부실용화 연구과제명 과제책임자 세부과제 ( 국문 ) 방사선치료시실시간자동환자위치보정시스템개발 지원일반연구과제프로그램공개가능여부공개 ( 공개, 비공개 ) ( 영문 ) The development of real time automatic patient position correction 구분 system during the radiation therapy 소속양성자치료센터직위의학물리직 성명신동호전공의학물리 세부과제명 방사선치료시실시간자동환자위치보정 시스템개발 세부과제책임자 성명 소속 ( 직위 ) 전공 신동호 의학물리직의학물리 총연구기간 2011 년 2 월 ~ 2013 년 12 월 ( 총 2 년 11 개월 ) 참여연구원수 ( 단위 : 명, MY) 연구기간및 연구비 ( 단위 : 천원 ) 구분연구기간계 국립암센터 계 ~ 년 11 개월 165,000 제 1 차 ~ 개월 40,000 제 2 차 ~ 년 60,000 제 3 차 ~ 년 65,000 참여기업명칭전화 FAX 기업부담금소계현금현물 기관고유연구사업관리규칙에따라본연구개발사업을성실히수행하였으며아래와같이최종보 고서를제출합니다 년 10 월 30 일 과제책임자신동호 ( 서명 )

2 방사선치료시실시간자동환자위치보정시스템개발 The development of real time automatic patient position correction system during the radiation therapy

3 연구목표 < 최종목표 > 방사선치료시환자의움직임에대한실시간자동위치보정시스템개발. < 당해연도목표 > 2차원중량형환자위치보정시스템구축 연구내용및방법

4 연구개발에따른기대성과 실시간방사선치료위치보정 국문 호흡 영상분석 색인어 영문 real-time radiotherapy gating pattern-matching motion

5 The development of real time automatic patient position correction system during the radiation therapy real-time radiotherapy gating pattern-matching motion Dong Ho Shin

11 또한 NI crio-9024의 상태는 이더넷을 통해 TCP/IP Hub를 통해 PC의 monitoring program으 로 정보를 전달하여 사용자가 현 시스템의 상태를 확인 할 수 있도록 하였음. 그림 7. moving table의 하드웨어 연결 및 구성도 또한 그림8과 같이 기존의 커다란 PXI system에서 구동 되던 motion 제어관련 명령을 작은 embedded방식의 NI compact RIO system을 사용하여 table내로 삽입함으로써 크기와 무게를 줄였음. 그림 8. PC기반의 motion control 방식에서 소형의 빠른 연산속도가 가능한 embedded방식의 crio motion제어 시스템 그림9는 step motor를 실제로 구동시키는 일을 하는 motor driver로 각각의 motor마다 하나의 driver를 사용하던 방식에서 하나의 PCB기판의 형태를 한 3축 제어 방식을 사용하여 공간의 효 율성과 편리성을 증가시켰음. 또한 복잡한 결선으로 인한 오류와 위험요소를 제거함으로써 보다 정확도를 높일 수 있었음

그림 9. 각각의 motor를 구동하기 위해 사용된 큰 크기의 motor driver를 1개의 PCB 기반의 소형 motor driver로 수정. moving table은 1mm 이하의 분해능으로 움직임이 가능함. 1.4.

2차원 평면 (x-y)과 z-축 방향, 각각의 color CCD 카메라 영상에서 오는 신호 전달 과 그 신호 를 바탕으로 한 위치확인 및 보정 과정으로 이루어짐. 그림 10. 3차원 위치보정 알고리듬 개념도.

12 그림 9. 각각의 motor를 구동하기 위해 사용된 큰 크기의 motor driver를 1개의 PCB 기반의 소형 motor driver로 수정. moving table은 1mm 이하의 분해능으로 움직임이 가능함 CCD 영상기반 환자위치보정 시스템 설계 3차원 CCD 영상 기반 환자 위치보정은 기본적으로 그림10과 같이 위치보정 알고리듬을 2차원 평면과 z-축 방향에 독립적으로 적용하도록 구현하였음. 2차원 평면 (x-y)과 z-축 방향, 각각의 color CCD 카메라 영상에서 오는 신호 전달 과 그 신호 를 바탕으로 한 위치확인 및 보정 과정으로 이루어짐. 그림 10. 3차원 위치보정 알고리듬 개념도. 영상분석 알고리즘은 기존의 normalized cross-correlation method 를 활용하였음. Normalized cross-correlation method 를 각각의 카메라 영상에 독립적으로 적용하였고 고성 능 컴퓨터에서 병렬 처리하였음. PoE (Power over Ethernet; IEEE 802.3af protocol) 기반의 컬러 CCD 카메라 (그림 11; BASLER, aca gc, GigE, 1296x966, 30fps, Color, Tripod Adapter Plate, Basler ace

1.5. 3차원 프로토타입 환자 보정 시스템 하드웨어 설계 기존의 2차원 위치보정 시스템 위에 z-축 스테이지를 구축하여 기존 시스템의 활용도를 높임. 그림 13은 z-축 스테이지의 제작된 실물로 step motor 를 사용하여 원점을 기준으로 z-측 방향 으로 ±7.0 cm 까지 이동이 가능함. 그림 13. z-축 스테이지 (기존 2차원 위치보정 시 스템 위에 확장).

14 1.5. 3차원 프로토타입 환자 보정 시스템 하드웨어 설계 기존의 2차원 위치보정 시스템 위에 z-축 스테이지를 구축하여 기존 시스템의 활용도를 높임. 그림 13은 z-축 스테이지의 제작된 실물로 step motor 를 사용하여 원점을 기준으로 z-측 방향 으로 ±7.0 cm 까지 이동이 가능함. 그림 13. z-축 스테이지 (기존 2차원 위치보정 시 스템 위에 확장). 제작한 z-축 스테이지는 1.0mm 이하의 분해능으로 이동이 가능하며, 최대 50 kg 하중까지 견딜 수 있도록 설계되었음. motion 제어 관련 명령은 기존의 NI compact RIO system 을 활용하였고, 1차년도 에서 적용 한 하나의 PCB 기판형태로 3축 제어 방식을 사용, 공간의 효율성과 편리성을 유지하였음.(그림 14) 그림 14. (좌측) 소형의 빠른 연산 속도가 가능한 NI Compact RIO system (우측) 1개의 PCB 기반의 소형 motor driver. 2대의 PoE 기반의 Gigabit Ethernet 컬러 CCD 카메라를 사용하여 x-y 평면과 z축의 영상정보 를 얻도록 시스템을 구축하였음

16 F ü ü ü ü ü ü

그림 25 실제 Control box (좌측) Control box 내부 모습 Motion control box는 NI

Motion control box는 티타늄 합금을 기반으로 튼튼하고 내부 모듈의 배열을 정형화시켜 안 정적인 motion 제어가

또한 복잡한 결선으로 인한 오류와 위험요소를 제거함으로써 보다 정확도를 높임.

20 그림 25 실제 Control box (좌측) Control box 내부 모습 Motion control box는 NI compact RIO와 Giga PoE switch, 전원 그리고 motor driver 등 으로 구성됨. Motion control box는 티타늄 합금을 기반으로 튼튼하고 내부 모듈의 배열을 정형화시켜 안 정적인 motion 제어가 가능해졌으며 기존 시스템보다 훨씬 compact해짐. 또한 복잡한 결선으로 인한 오류와 위험요소를 제거함으로써 보다 정확도를 높임. Motion control box에 삽입된 motor driver는 2축 모터를 구동시킬 수 있으며 custom IC와 표면 실장화에 의해 회로가 구성되어 있어 소형이며 경량이다.(그림 26) 그림 26 Motor driver 실제 모습 (좌측) motor driver의 모식도 (우측) 또한 마이크로 스텝 구동으로 최고 분해능은 250분할(기본 스텝 각이 0.72 )이며 저속회전 및 초정밀 제어가 가능함. 기존 시스템에는 없던 Autonics encoder와 Whirlpool limit switch가 사용됨.(그림 27 )

작성요령

작성요령 지원연구분야 ( 코드 ) I-4 과제번호 1310740-1 모험프로그램공개가능여부과제성격 ( 기초, 응용, 개발 ) 응용실용화대상여부실용화비공개 ( 공개, 비공개 ) ( 국문 )IVIM (3차원화소내비간섭성운동영상 ) 을위한소프트웨어개발과유 연구과제명 과제책임자 세부과제 방암으로의임상적용을위한예비연구 ( 영문 )Development of software for