영상유도 양성자치료를 위한 콘빔 CT 재구성 알고리즘: 기하학적 보정방법에 관한 연구
*국립암센터 양성자치료센터, †부산대학교 기계공학부, ‡Princess Margaret Hospital, Toronto, Canada,
§이화여자대학교 의과대학 목동병원 방사선종양학과 김진성*ㆍ조민국†ㆍ조영빈‡ㆍ윤한빈†ㆍ김호경†ㆍ윤명근*
신동호*ㆍ이세병*ㆍ이레나§ㆍ박성용*ㆍ조관호*
IMRT, 양성자 치료와 같이 방사선 치료 기술이 발전할수록 치료 시 환자의 위치를 확인하고 그 정확성을 평가하는 기술 의 중요성이 강조되고 있다. 현재 국립암센터 양성자치료센터에 설치되어 있는 양성자 치료기의 단순 X-선 영상시스템 을 이용하여 콘빔 CT (cone-beam CT) 3차원 영상을 획득, 영상유도 방사선 치료의 가능성을 확인하고자 하였다. 양성자 치료기에 설치되어있는 X-선 영상시스템(SDD: 2,108 mm, SOD: 1,511 mm, Varian a277 x-ray tube & Varian Paxscan 4030: a-Si＋DRZ screen)을 이용하여 양성자 갠트리를 2°씩 회전시켜가면서 기하학적인 오차 측정을 위한 팬톰과 인체 팬톰 (Humanoid phantom, Rando, CA, USA)의 투사영상을 획득하였다. 현재 시스템적으로 연속적인 회전과 영상획득이 지원되지 않아서 영상획득 후 갠트리를 회전하는 방법으로 투사영상을 획득하였다. 기하학적 오차측정을 위한 팬텀과 두경부 팬텀에 대해서 360°를 회전하며 180장의 투사영상(2,304×3,200, 14 bit with 127μm pixel pitch)을 관전압 85 kVp, 관전류 80 mA, 조사시간 0.5 s의 조건으로 촬영하였다. 콘빔 CT 영상재구성을 위해 Ram-Lak filter를 적용한 Feldkamp cone-beam 알고리즘을 사용하였으며, 획득한 180장의 투사영상을 사용하여 0.4×0.4×0.4 mm3의 voxel size를 가진 512×512×512 CT영상을 재구성하였다. 기하학적인 오차 측정방법을 통해 X-선 선원, 검출기와 갠트리의 기하학적 정보 를 측정하였다. 측정된 결과에 의하면 검출기가 0.25° 회전된 오차를 보이는 것을 발견하였다. 기하학적 교정으로 재구성 된 콘빔 CT 영상을 multi-planar view (axial, sagittal and coronal view) 및 3차원 영상으로 재구성하여 비교 평가 하였다.
현재 양성자치료기에 설치되어있는 단순 X-선 영상 시스템에서 기하학적 오차 측정을 위한 볼 팬텀을 이용하여 시스템 의 오차를 측정하였다. 측정한 오차를 바탕으로 기하학적 교정을 통해서 두경부 및 복부 팬텀에 대한 3차원 영상인 콘빔 CT 영상들을 재구성하였다. 추후 연속적인 회전을 통한 영상획득이 가능하게 된다면, 보다 정확하고 신속한 영상재구성 이 가능 하며 콘빔 CT가 영상유도 양성자 치료에 매우 유용할 것으로 사려된다.
중심단어: 양성자치료, 콘빔 CT, 기하학적 오차교정, 영상유도 방사선치료
본 연구는 2008년도 국림암센터 기관고유연구사업(NCC-0810210)으 로 이루어진 것임.
이 논문은 2008년 11월 3일 접수하여 2008년 11월 28일 채택되었음.
책임저자：박성용, (410-789) 경기도 고양시 일산동구 111 정발산로 국립암센터 양성자치료센터
Tel: 031)920-1728, Fax: 031)920-0149 E-mail: [email protected]
김호경, (609-735) 부산시 금정구 장전2동 산30 부산대학교 기계공학부
Tel: 051)510-3511, Fax: 051)518-4613 E-mail: [email protected]
서 론
양성자빔 치료는 인체 내에서 흡수선량 분포가 브래그
피크 이후에는 현격히 떨어지는 양성자빔의 특성을 이용한 치료이다. 브래그 피크를 종양의 위치로 치료 계획을 세움 으로써 정상세포 혹은 정상장기의 방사선 피폭을 최소화하 여 치료할 수 있다. 이는 기존의 X선과 전자선과는 달리 종양 주변 정상조직에 미치는 거의 영향을 주지 않으면서 치료할 수 있게 되며, 특히 방사선에 예민한 조직 주위에 생긴 암을 치료할 수 있는 새로운 치료 방법으로 알려져 있다.1-5) 이러한 장점 때문에 정상조직과 치료부위가 가깝 게 인접하여 기존의 방사선 치료가 용이하지 않은 부위의 치료, 즉 안구종양 등과 같은 곳의 치료에서 그 탁월성이 인정되고 있다. 현재 안구 종양은 안구의 적출 없이 모든 치료가 양성자로 이루어지고 있으며 환자의 생존율도 높은 것으로 보고되고 있으며 대부분의 고형암에 대해서도 양성
Fig. 1. 2D orthogonal x-ray ima- ging system for patient position alignment using proton therapy system. (a) a drawing and (b) a photograph of x-ray imaging sys- tem attatched gantry system for proton therapy.
자의 치료가 널리 이용되고 있다. 하지만 이러한 양성자치 료의 특징은 위에서 언급한 장점과 더불어 치료시 환자의 위치 변화에 매우 민감하다는 단점이 있다. 또한 양성자빔 의 매우 급격한 흡수선량분포 곡선을 이용하기 때문에 조 금이라도 환자의 위치가 치료계획과 틀리게 되면 암 조직 에 계획한 선량을 줄 수 없으며 오히려 정상조직에 필요이 상의 선량을 전달할 수 있기 때문에 환자의 위치 교정은 그 만큼 치료결과에 큰 영향을 미칠 수 있어 치료 전 환자 의 위치를 확인 하는 것이 중요한 과정으로 인식되고 있 다.6,7) 따라서 환자의 위치변화나 치료부위의 위치 변화를 정량화 할 수 있는 의료영상 분석 시스템은 양성자 치료에 있어서는 필수 불가결한 요소라고 할 수 있다. 정량적으로 측정된 치료위치에서 환자를 정확히 움직임 없이 고정할 수 있는 장치가 추가로 필요하며 환자의 치료부위나 치료 방법에 따라 특별한 고정기구의 사용이 불가피하며 더 나 아가 실제 환자의 움직임을 고려한 호흡 동조치료 방법에 대해 전세계적으로 연구가 활발이 진행 중이다.8-12)
현재 양성자치료의 경우 환자의 자세 확인 및 교정은 치 료계획 시에 CT 영상으로부터 얻어지는 DRR (Digitally Reconstructed Radiography) 영상과 치료단계에서 수직방향 으로 2대의 x-ray 영상시스템에서 얻어지는 영상과 수동 비 교를 통하여 이루어지고 있다. 몇 그룹의 연구결과를3,13) 통 해 이러한 교정 방법들의 정확성을 높이고 재현성을 확보 하는 자동 교정 알고리즘들이 개발되어 비교적 높은 정확 도를 보이고 있다. 하지만 선형가속기와 토모치료기(Tomo therapy machine)에서 사용되는 콘빔 CT나 MVCT (mega voltage computed tomography)를 이용한 환자 위치의 교정시 스템보다는 그 정확성이 낮으며, 특히 인체조직과 같은 연 조직에 대한 정확한 영상의 획득이 어렵다. 따라서 현재의
영상시스템으로 획득한 콘빔 CT의 단층영상으로 가능성을 확인하고, 추후 양성자치료기에서도 단순한 2차원적인 비 교가 아닌 3차원적인 환자의 위치를 교정할 수 있는 콘빔 CT 시스템을 갖춘다면 양성자치료의 정확도와 효율이 극 대화될 것으로 예상된다. 현재의 2D x-ray 영상시스템에서 콘빔 CT를 구현하기 위해서는 가장 먼저 360° 회전하는 갠 트리에 장착된 X-선원과 대면적 평판형 검출기의 위치와 회전 시에 발생하게 되는 기하학적인 오류들을 평가하는 것이 필요하다. 갠트리의 정지상태 및 회전시 X-선원과 검 출기 사이에 기하학적 오차가 발생한다면 콘빔 CT 영상 재 구성에 영향을 주어서 정확한 영상을 획득하기가 어렵게 된다. 본 논문에서는 콘빔 CT 영상을 획득하기 위해 양성 자치료기의 기하학적인 구조를 평가하였고, 이러한 결과를 이용하여 보정하기 전후의 영상을 비교 분석하였다.
대상 및 방법
1. 양성자치료기의 X-ray 시스템 및 인체 팬텀 영상획득 Fig. 1은 현재 국립암센터 양성자치료시스템에 설치되어 있는 x-ray 선원과 대면적 평판형 검출기의 모습을 보여주 고 있으며, 이에 대한 간단한 정보는 Table 1에 나타내었다.
두 대의 X-ray 선원은 90°를 이루어 설치되어 있는데, 하나 는 양성자빔이 나오는 노즐 내에 존재하고 다른 하나는 회 전 갠트리에 부착되어 있다. 검출기는 투사영상을 촬영할 시에 갠트리 내벽에서 바깥으로 돌출되며, 두 x-ray 선원과 각각 정면으로 바라보고 있다. 이로부터 직교하는 두 투사 영상을 통해서 환자의 정확한 자세 및 위치를 교정하는 시 스템이 갖추어져 있다. 현재의 선원과 검출기는 연속 촬영 이 불가능하며 한번 촬영 시 간단한 2차원 영상만 획득할
Table 1. Specifications of x-ray source and large area flat-panel detector.
x-ray source Varian A277 X-ray tube
flat-panel detector flat panels PAXSCAN 4030R Tube voltage
Tube current Target Focal spot size Target angle Inherent filter
40−150 [kVp]
1−500 [mAs]
W 0.6−1.0 [mm]
7 [degree]
0.7 [mmAl @ 75kVp]
Type Pixel pitch Array # of amp.
AD conversion Frame rate
a-Si＋DRZ screen 127 [mm]
2,304×3,200 18 (128 pixels)
14 [bits]
1 [fps]
System information Source-to-detector distance
Source-to-object distance
2,108.62 [mm]
1,517.50 [mm] Fig. 2. 2D projection image of humanoid phantom for conebeam CT reconstruction. (a) skull phantom, (b) abdomen phantom. For each phantom 180 images were acquired with angle step (2°) using manual gantry rotation.
Fig. 3. A sketch depicting the image reconstruction performed during the image acquisition.
수 있다. 일반적으로 콘빔 CT영상을 재구성하기 위해서는 갠트리가 360°를 회전하면서 영상을 연속적으로 획득할 수 있어야 한다. 이를 위하여 추후 하드웨어의 설계와 관련 연 구에 대하여 제작사와 협의할 계획이다. 본 연구에서는 콘 빔 CT의 가능성을 평가하는 측면에서 연속적 회전에 의한 이미지 획득 대신에 2도 간격 영상을 얻고 이를 이용하여 콘빔 CT 영상을 구현하였다.
본 연구에서는 전신팬텀을 사용하여 두경부와 복부에 대한 콘빔 CT 영상을 재구성하였으며 이를 통하여 본 콘 빔 CT 시스템의 성능을 평가하였다. 두경부 인체팬텀의 촬 영 조건은 관전압 85 kVp, 관전류 40 mAs이며, 복부팬텀은 90 kVp, 80 mAs로 수행하였다. 360°를 2°간격으로 180장의 투사영상을 획득하였으며, 소요시간은 총 2시간이었다.
현재의 양성자치료기 내의 환자위치보정을 위한 시스템 은 검출기와 x-ray 선원간의 거리를 조절할 수 없으며, 검 출기의 방향이 환자가 눕는 방향으로 고정이 되어있어 half 스캔이 불가능하기 때문에 좁은 FOV (Field of View)를 갖 는다. 획득한 두경부팬텀, 복부팬텀의 투사영상을 Fig. 2에 나타내었다.
2. 콘빔 CT 재구성 알고리즘
본 연구에서는 원추형 x-ray을 이용해 얻은 투사영상으 로부터 단층을 재구성 할 수 있는 대표적인 방법인 다음의 Feldkamp 알고리즘을 적용하였다.14-16)
∫ ⎢⎢⎣⎡ + + ⎥⎥⎦⎤∗
= 2π θ θ
0 2 2 2 2
2
) ( SOD
) SOD , SPD ( SOD 2 ) 1 , ,
( htd
t s t
s P z
y x
f (1)
여기서,
f(x,y,z) 재구성하고자하는 피검사체
) , ( ts
Pθ θ만큼 회전하였을 때 획득한 투사영상; s 및 t는 투사영상에서의 좌표
SOD X선원과 회전 중심축까지의 거리(Source to Object Distance)
SPD 투사영상에서 샘플링하고자 하는 임의의 pixel과 X선원 사이의 거리(Source to Pixel Distance) h(t) 투사 및 backprojection 과정에서 발생하는 시스템
응답 특성을 상쇄시키기 위해 사용되는 고주파 통과 필터
Feldkamp 알고리즘은 기본적인 부채꼴(fan)형 X선 빔에 대한 고전적인 FBP (Filtered BackProjection) 단층영상재구 성 개념을 종축 방향으로 확장한 것이다. 식 (1)의 적분연
Fig. 4. Calibration phantom con- sists of 24 balls located in two circular patterns in a cylindrical plastic phantom. In each circular pattern, 12 steel balls are spaced evenly over 360 degree. This phantom was originally used in the reference paper.17) (b) an image among 180 projections.
산은 backprojection 과정을 의미하며, h(t)는 필터, 그리고 기호 “*”는 컨벌류션 연산을 의미한다. Fig. 3에서 보인 바 와 같이 종축 방향으로 기울어진 빔을 x-y 평면에 대해 평 행한 빔으로 모사하기 위해 가중치 SOD SOD2+s2+t2를 투사영상에 곱한다. 피검사체는 부피를 가지고 있는 입체 이며, 따라서 피검사체의 임의의 각 좌표점은 서로 다른 확 대율을 가지고 검출기에 투사영상으로 맺히게 된다. 이러 한 공간에 의존적인 요소를 보정하기 위해 SOD2 SOP2를 곱 한다. 본 연구에서는 고주파 통과 필터로 가장 흔히 사용되 는 Ram-Lak 필터를 사용하였으며15) 영상재구성은 Microsoft 사의 visual C＋＋2008을 이용해서 코딩하였다.
3. 기하학적인 구조 평가(Geometrical calibration) 본 연구에서는 콘빔 CT 영상획득을 위한 회전 갠트리 시스템의 기하학적인 교정의 필요성의 여부를 조사하기 위 해 선행연구에 사용되었던 방법을 사용하였다.17,18) 선형가 속기와 접목된 콘빔 CT에 대한 알고리즘이었으며 Fig. 4에 서 보이는 볼 팬텀을 이용하여 360° 방향에서 투사영상을 모두 획득하여 평가하였다. 아크릴로 제작된 팬텀은 위 아 래 등 간격으로 직경 4.7 mm의 12개의 납볼이 위치하고 있 으며, 이 팬텀의 투사영상으로부터 검출기에서의 납볼의 위치 정보를 파악하여 검출기와 X-선원과의 거리 및 회전 시 생기는 기하학적인 오차들을 평가하였다. 동일한 30도 의 간격을 가진 납볼이 하나의 평면을 구성하며, 상하로 두 개의 층을 구성하고 있다. 팬텀을 중심축에 배치한 후 360
도 회전하면서 획득한 투사영상에서의 각 납볼의 좌표를 자동으로 측정하여 각 투사영상이 촬영된 갠트리의 회전각 도와 좌표의 궤도를 추적하여 갠트리의 회전의 정도를 분 석한다. 본 교정과정은 회전 각도를 소수점 두째 자리까지 정확히 측정하여 정밀한 교정을 할 수 있도록 하였다.
결 과
1. 양성자치료기의 기하학적인 구조 평가
선행연구에서 적용한 방법을 통해 획득한 양성자치료기 회전 갠트리 시스템에서의 X 선원과 검출기의 움직임에 대한 결과가 Fig. 5에 나타내었다. Fig. 5의 오른쪽 위 그래 프에서 보인 바와 같이 X 선원이 갠트리 회전할 때 그리는 궤도가 정확하게 원으로 나타나고 있으며 x선원에서 갠트 리 중심까지의 거리는 1517.5 mm인 것으로 평가되었다. 또 한 팬텀에 있는 납볼의 궤도를 추적하였을 때도 동일하게 원의 모양으로 나타나며 갠트리의 중심에서 검출기까지의 거리는 591.12 mm (±12 mm)로 평가되었다. 한편 Fig. 5의 왼쪽 아래 및 오른쪽 그래프에서 알 수 있듯이 갠트리의 회전 시 선원과 검출기가 회전하는 축과 직교하는 방향으 로의 움직임은 0.5 mm 이내에 들어오는 것으로 평가되어 콘빔 CT 영상을 재구성하는 알고리즘을 적용하기에 무리 가 없는 것으로 판명되었다.
한편 검출기가 갠트리에 부착되어있는데 이 검출기가 부착될 때의 기계적인 경사도를 평가한 결과를 Fig. 6에 나
Fig. 5. Trajectory of source and detector. The excursion is well within 0.5mm. Source to isocenter distance seems 1517.5mm and detector to isocenter distance seems 591.12mm with variation of 12mm or less. Trajectories of the source and detector in the rotating coordinate system fixed in the turntable are shown. Note that the smaller scale is used for the Z axis (a) and (b). If the rotation of the turntable is perfect, the x-ray source and the detector look moving around the Z axis. The maximum excursion to the Z axis was found to be 0.5 mm as shown in (c) and (d).
타내었다. 총 세 방향으로의 경사를 평가하였는데 첫 번째 로 갠트리의 축 방향으로 검출기가 틀어진 정도를 roll 로 정의하였는데 촬영된 갠트리의 각도에 따라서 최대 −1.3° 틀 어진 경사도를 보였고 대부분은 ±1° 이내의 값을 가졌다.
한편 검출기의 장축 방향으로의 경사를 pitch로 정의하였으 며 이 값은 ±1° 이내의 값을 보였다. 그러나 x선원의 빔 방 향을 기준으로 회전된 정도를 평가하는 각도를 yaw로 정의 하였을 때 이 값은 0.25°의 값으로 일정하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이 값은 검출기로 영상을 찍었을 때 실제
나오는 영상이 0.25° 회전된 영상이라는 것을 의미하며 콘 빔 CT 재구성에 있어서 이렇게 회전된 영상은 잘못된 조 합의 투사정보가 중첩되어 재구성된 영상의 질을 떨어뜨리 게 된다. 한편 갠트리의 각도에 따라 불규칙하게 변화하는 pitch, roll은 콘빔 CT에 영향을 거의 미치지 않기 때문에 기하학적인 교정을 수행하지 않았다.
이러한 기하학적인 갠트리 시스템의 오차를 교정하지 않았을 때 콘빔 CT를 재구성한 영상과 교정 후의 영상을 Fig. 7에서 확인할 수 있다. 검출기의 0.25° 회전에 대한 오
Fig. 6. Detector angles during gantry rotation are shown in (a).
Although roll and pitch are usually varying much, it does not affect CT reconstruction quality with less than 1.0 degrees angle variation. Yaw angle, however, affects a lot on image quality and 0.25 degree is not completely negligible. (b) Illustration of detec- tor tilt (ø and θ) and rotation (η) angles applied on the virtual detector coordinate system i to produce the real detector coordi- nate system, which results after rotation by η.
Fig. 7. Geometric calibration re- sults. (a) Axial CBCT slice of spatial resolution checker block of AAPM CT phantom before geometric calibration, (b) (a) slice image after geometric calibration.
(c) axial CBCT image of pelvic bone in humanoid phantom be- fore calibration, (d) (c) image after calibration.
차를 교정하지 않고 재구성한 영상에서는 데이터의 중첩효 과에 의한 흐림현상(blurring artifact)이 발생하여 공간분해 능 측정용 패턴을 제대로 인실할 수 없음을 Fig. 7a에서 확 인할 수 있다. 이에 반하여 검출기의 회전 정도 및 오차를
보정한 경우에는 선명한 공간분해능 측정용 패턴을 확인할 수 있다(Fig. 7b). 실제 환자의 인체구조와 유사한 팬텀에 대한 재구성영상에 대해서도 이러한 기하학적인 교정의 효 과를 확인할 수 있는데, 교정하기 전에는 복부팬텀의 뼈의
Fig. 8. (a) Axial, (b) coronal, (c) sagittal, (d) oblique sagittal, (e) oblique coronal, (f) volumetric rendering illustrating CBCT image quality over the (20×20×20 cm3) volumetric field of view of skull phantom.
흐려짐이 심해 형상을 제대로 확인하기 어렵지만 (Fig. 7c) 교정 후에는 선명한 단층영상을 얻을 수 있었다 (Fig. 7d).
2. 콘빔 CT 재구성 결과
두경부 팬텀과 복부팬텀의 투사영상을 통해 콘빔 재구 성을 한 결과는 Fig. 8과 Fig. 9에 나타내었다. 각 그림에서 (a), (b), (c)는 axial, coronal, sagittal 영상 슬라이스를 나타내 고 있으며 (d)와 (e)는 임의의 각도를 선택해서 재구성한 경 사진 영상(oblique view)를 나타내고 있다. 3차원의 볼륨 랜 더링된 영상은 (f)에 나타내었다. 영상의 재구성 시간은 512×512×512의 영상으로 재구성했을 때 2분여의 시간이 소요 되었으며 이 때 사용한 컴퓨터의 사양은 3.0 GHz IntelTM quad core CPU, 4G RAM이다.
고찰 및 결론
본 연구에서는 양성자치료기에 부착되어있는 2D x-ray 영상 시스템을 이용하여 콘빔 CT 영상을 이용한 영상유도 양성자치료 시스템의 가능성에 대한 예비 연구를 수행하였 다. 정확한 콘빔 CT 영상 재구성을 위해 기하학적인 오차 의측정 및 보정을 고려하였다. 2000년 이후에 환자 치료 시 에 정확한 위치의 교정을 위해 선형가속기에 콘빔 CT를 부착한 시스템들이 상용화되어 치료를 수행해왔으며, 현재 까지 영상유도 방사선치료의 가장 진보된 형태로 인정을 받고 있다. 이런 콘빔 CT 영상 시스템이 아직까지 양성자 치료와 접목되지 못했는데, 그 이유는 다음과 같다. 양성자 치료기는 가속기에서 나오는 양성자를 가속하고 양성자빔 을 환자에게 이송하기 위한 다양한 전자석들이 사용된다.
이런 시스템의 특성상 회전 갠트리의 전체적인 크기가 기 존 선형가속기보다 2배 이상 크며 실제 국립암센터에 설치
Fig. 9. (a) Axial, (b) Coronal, (c) sagittal, (d) oblique sagittal, (e) oblique coronal, (f) volumetric rendering illustrating CBCT image quality over the (20×20×20 cm3) volumetric field of view of abdomen phantom.
된 갠트리는 건물 3층 높이를 차지하고 있다. 거대한 갠트 리에서 빠른 회전속도로 콘빔 CT 영상을 획득하는 것이 쉽지 않았으며 또한 영상 재구성 결과를 비교 평가하는 연 구가 이루어진 적이 없다. 그러나 본 연구를 통하여 현재 시스템의 구조적인 오차를 소프트웨어적으로 보정하여 콘 빔 CT 영상을 얻을 수 있음을 보였다. 또한 오히려 갠트리 의 크기가 크면 클 수록 x-ray 선원에서 검출기까지의 거리 가 멀어지게 되는데, 이는 평행 X-ray선원을 재구성하는 것 과 유사한 결과를 나타내기 때문에 콘빔 CT의 단점을 줄 이는데 긍정적인 효과를 보일 것으로 생각된다.
정확하고 정밀한 단층영상 획득을 위해서는 하드웨어적 으로 극소의 가공오차와 정렬이 요구된다. 이런 요구사항 을 만족하는데 있어서 하드웨어적인 접근방법은 한계가 존 재하며 엑스선원과 검출기의 위치 정보가 부정확하면, 잘 못된 투사영상들의 조합을 참조하게 되고 최종적으로 단층 영상의 질을 저하시킨다. 따라서 기하학적으로 엑스선원의 위치, 회전 중심축의 위치, 영상검출기의 위치를 고려해야
한다. 엑스선원에서 고려해야 할 사항은 영상검출기와 회 전 중심축까지의 거리정보이며 이 두 변수에 의해서 시스 템의 확대율이 정의되기 때문에 정확한 교정이 필요하다.
회전 중심축에서는 엑스선원의 방향으로 기울어진 것을 제 외한 나머지 방향에 대한 기울임은 영상검출기에 종속적이 기 때문에 고려하지 않아도 된다. 마지막으로 영상검출기 에서 고려해야 할 기하학적인 형태는 3차원 좌표계에서 각 축방향의 기울임이다. 이 중 가장 중요한 요인은 엑스선원 방향 축에 대한 회전이다. 이외의 경우는 3° 이내의 회전에 대해서는 재구성 과정에서 최고 1픽셀 정도의 차이도 생기 지 않으므로 콘빔 영상 재구성에 큰 영향을 주지 않는다.
본 연구는 이러한 기하학적인 오차들을 소프트웨어 접근방 식으로 해결하였고 만족할 만한 결과를 보였다.
현재 알고리즘의 구축은 완성되었으며, 그래픽 메모리를 이용한 영상 재구성 속도의 가속화 연구를 진행하고 있다.
콘빔 CT를 이용한 영상유도 양성자치료의 효율성을 높이 기 위해서는 설치되어있는 x-ray 영상시스템의 문제를 보
완해야 한다. 연속적인 x선원의 조사가 현재 불가능하며, 또한 대면적 평판형 검출기 역시 초당 1 프레임밖에 촬영 할 수 없기 때문에 콘빔 CT 영상을 획득하는데 시간적인 어려움이 존재한다. 실제적으로 본 연구를 수행하기 위해 180장의 투사영상을 획득하는데 120분의 시간이 소요되었 으며 현 시스템의 x선원의 냉각 시스템이 구축되어있지 않 아 과열의 문제가 발생하기도 하였다. 따라서 현재의 x선 원의 위치에 동영상 촬영이 가능한 x선원과 초당 15 프레 임 이상의 동영상을 촬영할 수 있는 2차원 검출기를 부착한 다면 빠른 시간 안에 콘빔 CT 영상을 획득할 수 있을 것이라 생각된다. 또한 초당 30 프레임 정도의 촬영이 가능하다면 4D CT의 구축도 가능할 것으로 보인다.
또한 본 연구는 양성자치료기에 설치되어있는 두 대의 X 선 영상 시스템 중에서 1개의 시스템만을 사용해서 영상을 재구성 하였다. 이와 직교하는 위치에 부착되어있는 또 하나 의 x선 영상시스템을 함께 교정하여 영상을 재구성한다면 보다 시간이 단축될 것이라고 생각되며 이를 위한 연구를 수 행 중에 있다.
콘빔 CT 영상의 가장 중요한 요소 중에 하나인 재구성 시 간에 관한 문제도 현재 512×512×512의 영상을 재구성하는데 2분의 시간이 소요되고 있다. 하지만 실제 선형가속기의 콘 빔 CT 영상을 획득할 때에는 512×512×64정도의 영상을 획 득하고 있는 것을 고려하여 같은 이미지 슬라이스를 재구성 하면 영상재구성과정이 1분 이내에 완성될 수 있을 것으로 예상되며 또한 그래픽처리장치(GPU: Graphic processing unit) 을 사용하여 영상처리의 속도를 가속화하는 연구를 수행 중 에 있어서 현재보다 10배정도 빨라질 것으로 예상하고 있다.
한편 외국에서는 콘빔 CT 영상과 함께 디지털 영상합성법 (Digital Tomosynthesis)이라는 영상기법이 많이 연구되고 있
다.9-24) 디지털 영상합성법의 장점은 콘빔 CT 처럼 360°에서
측정한 영상을 사용한 재구성 방법이 아니라, 제한된 각도에 서 보다 적은 투사영상으로 콘빔 CT와 유사한 단층영상을 재구성하는 알고리즘이다. 이는 환자의 호흡 및 움직임등에 의한 흐려짐을 줄일 수 있고, 보다 빠른 시간 내에 환자 위치 보정을 수행할 수 있을 것이다. 본 연구를 통해 큰 갠트리 시 스템에 대한 기하학적인 교정을 수행한 결과를 이용하여 콘 빔 CT 영상을 재구성하였는데 이를 바탕으로 디지털 영상합 성법 영상 기법의 알고리즘을 적용하여 영상을 획득할 연구 를 수행 중이다.
결론적으로 양성자치료기의 설치되어 있는 x선 영상시스 템을 이용하여 갠트리의 기하학적 오차 정도를 측정하고 보 정하였고, 360°의 회전을 통해 획득한 투사영상들을 이용하
여 콘빔 CT 영상을 재구성하였다. 이는 영상유도 양성자치 료의 기초적인 연구로 앞으로 다양한 연구를 통해 보다 정확 하고 정밀한 양성자치료의 효과를 가져올 것으로 예상된다.
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*Proton Therapy Center, National Cancer Center, Goyang, School of Mechanical Engineering, †Pusan National University, Busan, ‡Princess Margaret Hospital, Toronto, Canada, Department of Radiation
Oncology, Mokdong Hospital, §Ewha Womans University School of Medicine, Korea
According to improved radiation therapy technology such as IMRT and proton therapy, the accuracy of patient alignment system is more emphasized and IGRT is dominated research field in radiation oncology. We proposed to study the feasibility of cone-beam CT system using simple x-ray imaging systems for image guided proton therapy at National Cancer Center. 180 projection views (2,304×3,200, 14 bit with 127 μm pixel pitch) for the geometrical calibration phantom and humanoid phantoms (skull, abdomen) were acquired with 2° step angle using x-ray imaging system of proton therapy gantry room (360° for 1 rotation). The geometrical calibration was performed for misalignments between the x-ray source and the flat-panel detector, such as distances and slanted angle using available algorithm. With the geometrically calibrated projection view, Feldkamp cone-beam algorithm using Ram-Lak filter was implemented for CBCT reconstruction images for skull and abdomen phantom. The distance from x-ray source to the gantry isocenter, the distance from the flat panel to the isocenter were calculated as 1,517.5 mm, 591.12 mm and the rotated angle of flat panel detector around x-ray beam axis was considered as 0.25°. It was observed that the blurring artifacts, originated from the rotation of the detector, in the reconstructed toomographs were significantly reduced after the geometrical calibration. The demonstrated CBCT images for the skull and abdomen phantoms are very promising. We performed the geometrical calibration of the large gantry rotation system with simple x-ray imaging devices for CBCT reconstruction. The CBCT system for proton therapy will be used as a main patient alignment system for image guided proton therapy.
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