이 논문은 2012년 3월 28일 접수하여 2012년 8월 10일 채택되었음.
책임저자：이상록, 고려대학교 안암병원 방사선종양학과 Tel: 02)920-5509, Fax: 02)927-1419
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전자포탈영상을 이용한 기하학적 정도관리 실시간 분석 프로그램의 개발
고려대학교 안암병원 방사선종양학과
이상록ㆍ정경용ㆍ장민선ㆍ이병구ㆍ권영호
목 적: 필름평가방법을 대신하여 전자포탈영상을 이용한 기하학적 정도관리 실시간 분석 프로그램을 개발하고자 한다.
대상 및 방법: 전자포탈영상장치(Electronic Portal Image Device, EPID)가 선형가속기(CL-iX, Varian, USA)의 하부에 고정된 구 조 때문에 발생되는 문제를 해결한 후 Eclipse treatment planning system (Version 8.1, Varian, USA)으로 기하학적 정도관리 항 목을 생성하였다. 치료실의 4DTC (Version 10.2, Varian, USA)에서 전자포탈영상(single exposure before plan)을 생성하고 항목 별로 빔을 조사하였다. Off-line review에서 전자포탈영상을 획득하고 이를 자체 개발한 기하학적 정도관리 실시간 분석 프로 그램으로 평가하였다. 평가 방법으로 치료 중 오차(Intra-fraction error)는 모든 절차를 같은 날에 동일 조건으로 5회 연속 실시 하여 분석하였고 치료 간 오차(Inter-fraction error)의 확인을 위해 모든 절차를 동일 조건에서 10일간 실시한 후 Iso-alignTM quality control device를 이용한 필름평가방법과 비교하였다. 측정 및 분석 시간은 장치의 셋업에서 데이터 획득까지의 시간과 이후 분석완료까지 소요된 시간으로 구분하여 측정한 후 사용자와 수행과정의 편의성도 비교하였다.
결 과: 빛-방사선조사면 일치, 콜리메이터 회전축, 환자테이블 회전축, 갠트리 회전축 항목에서 각각 평균 0.1, 0.2, 0.3, 0.2 mm의 치료 중 오차 값을 확인하였다. 10일간의 연속된 정도관리를 통해 치료 간 오차를 확인한 결과 항목별로 각각 평균 1.7, 1.4, 0.7, 1.1 mm의 오차 값을 얻었다. 그리고 측정 시간은 필름평가방법과 전자포탈영상을 이용한 방법에서 각각 평균 36분, 15분이 걸렸고 분석 시간은 평균 30분, 22분이 소요되었다.
결 론: 전자포탈영상을 이용하여 기하학적 정도관리를 실시할 경우 정도관리 도구로서 유용함을 알 수 있었다. 필름 미사용 에 따른 비용 절감의 이점뿐만 아니라 측정 및 분석 시간도 줄일 수 있어 사용자 편의성이 커지고 필름 현상 과정 등의 생략 으로 수행과정도 개선할 수 있었다. 또 자체 개발한 기하학적 정도관리 실시간 분석 프로그램으로 평가가 완료된 영상은 데 이터화가 가능하여 자료의 보관이 용이해진다.
핵심용어: 기하학적 정도관리 실시간 분석 프로그램, 전자포탈영상
서 론
방사선 치료 시 치료 장치의 정도관리(Quality control)는 정확한 처방선량(Prescribed dose)의 전달을 위해 필수적이다.
방사선치료 장치의 오작동, 잘못 측정된 방사선량 등에 의한 장비의 오류 등은 한국 원자력 안전기술원(KINS)의 관리 감 독을 받아 안전성에 대한 정기 감사를 받고 있다. 또한 자체 적으로 방사선 안전관리규정을 제정해 일, 주, 월, 년 단위로 정도관리를 시행하고 있다.
선형가속기의 정도관리에 사용되는 장비들 중 전자포탈영 상장치(Electronic Portal Imaging Device, EPID)에서 획득한 영상은 환자의 자세확인 뿐만 아니라 평탄도(flatness), 대칭 도(symmetry), 치료 중심점 일치도(Cross-hair centering), 다
엽 콜리메이터 검증(MLC position tests), 빛-방사선조사면 일 치(Light-radiation field coincidence) 등의 성능평가에도 널리 사용되고 있다.1-3) 최근에는 3차원 입체조형치료(3D confor- mal radiation therapy)나 세기변조방사선치료(Intensity Modu- lated Radiation Therapy, IMRT)의 발달로 최적화된 치료계 획을 세울 수 있게 되었고 이를 전자포탈영상으로 검증할 수 있는 Portal dosimetry에 대한 연구도 활발하게 진행되고 있 다.4,5)
전자포탈영상을 이용한 기하학적 정도관리에서 장치의 제 약문제가 해결되고 사용자 편의 방식의 소프트웨어가 구비 되어 있다면 기존의 필름평가방법을 대체할 수 있고, 분석 시간 단축 및 데이터 보관 등을 효과적으로 시행할 수 있 다.6,7)
본 연구에서는 전자포탈영상 획득을 위해 장치의 제약문 제를 해결하고 선형가속기의 기하학적 정도관리 항목 분석 과 임상응용의 유용성을 평가할 수 있는 프로그램을 개발하
Fig. 2. Procedure for electronic portal imaging acquisition. (A) Eclipse plan, (B)
4DTC, (C) Electronic portal imaging capture in off-line review program.Fig. 1. Methods for electronic portal
imaging acquisition. (A) Port film graticule, (B) Iso-alignTM quality control device, (C) Winston-Luts test tool.고, 성능을 평가하고자 하였다.
대상 및 방법
1. 기하학적 정도관리 실시간 분석 프로그램 1) 전자포탈영상의 획득
전자포탈영상장치(PortalVision, aS1000 model, Varian, USA) 가 선형가속기(Clinac-iX, Varian, USA) 하부에 고정되어 있 는 구조 때문에 기하학적 정도관리 항목 중 환자테이블과 갠 트리 회전축의 영상 획득에 제약이 있다. 전자포탈영상 획득 을 위해 환자테이블 회전축 확인은 필름평가방법에 쓰이는
Iso-alignTM quality control device (Med-Tec, USA)를 사용하 였고, 갠트리 회전축 확인은 정위적 방사선수술(Stereotactic Radiation Surgery, SRS)의 정도관리에 사용되는 Winston- Luts test tool (BrainLAB, Germany)을 사용하였다. 빛-방사 선조사면 일치와 콜리메이터 회전축 확인에는 분석의 용이 함을 위해 전자포탈영상장치용 Portal film graticule을 이용 하였다(Fig. 1).
Eclipse treatment planning system (Version 8.1, Varian, USA) 으로 기하학적 정도관리 항목을 설정하고 치료조정실의 4DTC (Version 10.2, Varian, USA)에서 Add Portal Image의 7가지 항목 중 Single exposure before (plan)을 선택하여 항목별로
Fig. 4. Electronic portal imaging of
collimator rotation axis.Fig. 3. Electronic portal imaging of
light-radiation field coincidence.빔(beam)을 조사하였다. SED (Source EPID Distance)는 일반 적으로 환자치료 시 위치검증에 사용되는 거리인 140 cm (P3 mode)으로 고정하였다. Off-line review에서는 기하학적 정도관리 분석 프로그램에 적용시키기 위한 전자포탈영상을 어떠한 조건의 변화 없이 그대로 획득하여 영상이 왜곡되지 않도록 하였고, 중첩된 영상이 이루는 교점을 분석할 수 있 도록 Digital Graticule 아이콘을 활성화시켰다(Fig. 2).
2) 분석 항목
(1) 빛-방사선조사면 일치:
Eclipse plan에서 설정된 순서 대로 방사선조사면의 크기를 각각 5×5, 10×10, 15×15, 20×20 cm2로 한다. 이 때 콜리메이터와 갠트리 각도 모두 0o로 하고 Port film graticule을 삽입할 때는 방사선조사면 내 의 치료 중심선(Cross-hair line)과의 일치여부도 반드시 확인 한다(Fig. 3).
(2) 콜리메이터 회전축:
빛-방사선조사면 일치 평가 후 치Fig. 6. Electronic portal imaging of
gantry rotation axis.Fig. 5. Electronic portal imaging of
couch rotation axis.료실에 들어가지 않고 연이어 방사선조사면의 크기를 0.5×
20 cm2로 하고 콜리메이터 각도는 0o, 45o, 90o, 135o로 조정 한다(Fig. 4).
(3) 환자테이블 회전축:
Iso-alignTM quality control device 를 이용한 필름평가방법과 같은 조건으로 셋업(set-up) 후 방 사선조사면의 크기를 30×30 cm2로 하고 환자테이블 회전 각도는 0o, 45o, 90o, 315o로 한다. 정량적 평가를 위한 기준선 은 Off-line review의 Measure Distance 아이콘을 이용한다(Fig. 5).
(4) 갠트리 회전축:
Winston-Luts test tool을 정위적 방사 선수술의 정도관리와 같은 조건으로 셋업 후 방사선조사면 의 크기를 3×3 cm2로 하고 갠트리 각도는 0o, 30o, 60o, 120o 로 한다(Fig. 6). 갠트리 회전 시 전자포탈영상장치의 처짐 (sagging)이 나타나므로 SED가 140 cm인지 확인한 후에 빔 (beam)을 조사해야 한다.Fig. 7. Geometrical quality control real-time analysis tool.
Fig. 8. Application of geometrical
quality control real-time analysis tool. (A) Light-radiation field coin- cidence, (B) Collimator rotation axis, (C) Couch rotation axis, (D) Gantry rotation axis.2. 평가 방법
치료 중 오차(Intra-fraction error)는 모든 절차를 같은 날 에 동일 조건으로 5회 연속 실시하여 평가하였고 치료 간 오 차(Inter-fraction error)의 확인을 위해 모든 절차를 동일 조 건에서 10일간 실시한 후 Iso-alignTM quality control device를 이용한 필름평가방법과 비교하였다.
측정 및 분석 시간의 비교를 위해 장치의 셋업에서 빔 조 사가 완료될 때까지 소요된 시간을 1단계로, 필름의 현상 또 는 전자포탈영상의 획득에서 최종분석이 완료될 때까지의 시간을 2단계로 각각 구분하여 측정한 후 사용자와 수행과정 의 편의성도 비교하였다.
결 과
1. 기하학적 정도관리 실시간 분석 프로그램의 구성 및 기능
이미지 분석 알고리즘인 MATHLAB (Version 6.1, Math- Works, USA) 프로그램을 이용하여 기하학적 정도관리 실시 간 분석 프로그램을 자체 개발하였다(Fig. 7).
Open image files에서 Image 1, Image 2, Image 3, Image 4 버튼을 클릭하여 항목별로 전자포탈영상을 입력 후 Combine images의 해당 버튼을 누르면 각각의 영상이 하나로 중첩된 영상을 획득할 수 있으며 Remove images에서는 영상의 삭제 도 가능하다. 중첩된 전자포탈영상은 이미지 파일로 저장 후 분석이 가능해진다(Fig. 8).
2. 항목 분석 결과 1) 치료 중 오차
기하학적 정도관리 항목별로 중첩 영상과 확대 영상을 비 교하면서 평균값 중심으로 계산한 결과 빛-방사선조사면 일 치, 콜리메이터 회전축, 환자테이블 회전축, 갠트리 회전축 항목에서 각각 평균 0.1, 0.2, 0.3, 0.2 mm의 치료 중 오차 값 을 확인하였다.
2) 치료 간 오차
10일간의 연속된 정도관리를 통해 치료 간 오차를 확인한 결과 빛-방사선조사면 일치, 콜리메이터 회전축, 환자테이블 회전축, 갠트리 회전축 항목에서 각각 평균 1.7, 1.4, 0.7, 1.1
Fig. 9. Reproducibility of electronic portal imaging quality control. (A) Light-radiation field coincidence, (B) Collimator rotation axis,
(C) Couch rotation axis, (D) Gantry rotation axis.mm의 오차 값을 확인하였다(Fig. 9).
3) 측정 및 분석 시간
1단계 측정 시간은 Iso-alignTM quality control device를 이 용한 필름평가방법의 경우 장치를 셋업 후 필름을 삽입하여 각각의 정도관리 항목 당 50 MU의 빔 조사가 완료될 때까지 평균 36분, 전자포탈영상을 이용한 방법에서는 평균 15분이 소요되었다.
2단계 분석 시간은 필름평가방법의 경우 자동현상기로 현 상작업 후 View box에서 분석완료까지 평균 30분, 전자포탈 영상을 이용한 방법에서는 Off-line review에서 포탈영상 획 득 후 기하학적 정도관리 실시간 분석 프로그램에 적용하여 최종분석까지 평균 22분이 소요되었다.
고안 및 결론
최근에는 전자포탈영상 전용 정도관리 팬텀 및 분석 프로 그램이 상업화되어 기하학적, 선량학적 검증에 널리 사용되 고 있다. 그러나 기하학적 정도관리 항목의 제한, 분석에 소
요되는 시간 및 추가 비용 등의 제한점이 있음을 알 수 있었
다.8-10) 그래서 기존의 정도관리 도구들과 자체 개발한 실시
간 분석 프로그램을 이용하여 기하학적 정도관리를 수행하 였다.
전자포탈영상을 이용하여 기하학적 정도관리를 실시했을 때 기존의 필름평가방법과 비교한 결과 빛-방사선조사면 일 치, 콜리메이터 회전축, 환자테이블 회전축, 갠트리 회전축 항목에서 각각 평균 0.1, 0.2, 0.3, 0.2 mm의 치료 중 오차 값 을 확인하였으며 치료 간 오차는 각각 평균 1.7, 1.4, 0.7, 1.1 mm의 오차 값을 얻었다. 이 값은 미국의학물리학회 등에서 권고하는 최대 허용 오차 범위인 2 mm 이내로서 전자포탈 영상이 정도관리 도구로서 유용함을 알 수 있었다.
필름 미사용에 따른 비용 절감의 이점뿐만 아니라 소요 시 간도 줄일 수 있어 사용자 편의성이 커지고 필름 현상 과정 등의 생략으로 수행과정도 개선할 수 있었다. 필름을 사용할 경우 세부 항목별로 훨씬 더 많은 선량이 요구되고 Iso- alignTM quality control device의 셋업과 필름 현상 시간이 추 가로 소요되기 때문에 전자포탈영상으로 대체하여 정도관리
를 실시하면 측정 및 분석시간을 30분 정도 줄일 수 있다. 또 자체 개발한 기하학적 정도관리 실시간 분석 프로그램으로 평가가 완료된 영상은 데이터화가 가능하여 자료의 보관이 용이해진다.
본 연구에서 개발한 프로그램을 사용하기 위해서는 기본 적으로 전자포탈영상장치에 대한 QC/QA가 선행되어야 한 다. 기존에는 전용 조절기(Backup Motion Controls, BMC)를 이용하여 작동 불능이나 위치 이동의 실패 및 획득한 이미지 의 질(quality)이 떨어지는 경우에만 교정(calibration)을 실시 하였다. 발생할 수 있는 문제를 차단하기 위해서 매월 업체 (HDX corporation)에서 선형가속기의 정기보수정비를 실시 하는 날에 월별 보수정비 항목에 전자포탈영상장치의 교정 항목도 추가하여 정확성을 유지하였다.
참고문헌
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Abstract
Development of Geometrical Quality Control Real-time Analysis Program using an Electronic Portal Imaging
Sang Rok Lee, Kyung Yong Jung, Min Sun Jang, Byung Gu Lee, Young Ho Kwon Department of Radiation Oncology, Korea University Anam Hospital, Seoul, Korea
Purpose:
To develop a geometrical quality control real-time analysis program using an electronic portal imaging to replace film evaluation method.Materials and Methods:
A geometrical quality control item was established with the Eclipse treatment planning system (Version 8.1, Varian, USA) after the Electronic Portal Imaging Device (EPID) took care of the problems occurring from the fixed substructure of the linear accelerator (CL-iX, Varian, USA). Electronic portal image (single exposure before plan) was created at the treatment room’s 4DTC (Version 10.2, Varian, USA) and a beam was irradiated in accordance with each item. The gaining the entire electronic portal imaging at the Off-line review and was evaluated by a self-developed geometrical quality control real-time analysis program. As for evaluation me- thods, the intra-fraction error was analyzed by executing 5 times in a row under identical conditions and procedures on the same day, and in order to confirm the infer-fraction error, it was executed for 10 days under identical conditions of all procedures and was compared with the film evaluation method using an Iso-alignTM quality control device. Measurement and analysis time was measured by sorting the time into from the device setup to data achievement and the time amount after the time until the completion of analysis and the convenience of the users and execution processes were compared.Results:
The intra-fraction error values for each average 0.1, 0.2, 0.3, 0.2 mm at light-radiation field coincidence, collimator rotation axis, couch rotation axis and gantry rotation axis. By checking the infer-fraction error through 10 days of continuous quality control, the error values obtained were average 1.7, 1.4, 0.7, 1.1 mm for each item.Also, the measurement times were average 36 minutes, 15 minutes for the film evaluation method and electronic portal imaging system, and the analysis times were average 30 minutes, 22 minutes.
