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Computer Assisted EPID Analysis of Breast Intrafractional and Interfractional Positioning Error
Sohn Jason W.,Mansur David B.,Monroe James I.,Drzymala Robert E.,Jin Ho-Sang,Suh Tae-Suk,Dempsey James F.,Klein Eric E. Korean Society of Medical Physics 2006 의학물리 Vol.17 No.1
유방암 환자의 방사선치료에 있어 치료도중(intrafractional) 및 분할 치료 간(intefractional)에 발생되는 오차를 측정하는 자동분석소프트웨어를 개발하였다. 오차 분석 결과는 3차원 입체조형 방사선치료를 임상에 적용하기에 앞서 적절한 치료계획용적(Planning Target Volume, PTV)을 설정하는 데 있어 매우 중요하다. 본 연구에서는 전자포탈영상장치(Electrical Portal imaging Device, EPID)로써 Portal Vision LC250 액체 충전형 이온화 검출기를 사용하였다(fast frame-averaging 모드, 초당 1.4 프레임, 256X256 픽셀). 12명의 환자에 대해 최소 7일 이상씩 영상을 획득하였다. 매 치료마다 평균 8 내지 9개의 영상을 각 빔에 대해 얻었다(분당 400 MU 선량률). 총 2,931 (720 측정을 포함하는)개의 영상을 정량적으로 분석할 수 있는 자동화 영상 분석 소프트웨어를 개발하였다. 이를 통해 호흡으로 인해 발생하는 치료도중 오차와 분할 치료간 발생하는 분할치료오차의 표준편차($\sigma$)들을 계산하였다. 신뢰 구간 95%로 임상표적체적(Clinical Target Volume, CTV)을 포함할 수 있는 PTV 마진은 $2\;(1.96\;{\sigma})$으로 계산되었다. 주로 호흡으로 인해 유발되는 치료도중오차를 보상하기 위해 필요한 PTV 마진은 2 mm에서 4 mm이었다. 반면에 분할 치료간 오차를 보상하기위해 필요한 PTV 마진은 7 mm에서 31 mm이었다. 12명의 환자에 대한 전체 평균오차는 17 mm이었다. 분할치료 간 오차는 호흡에 의해 유발되는 치료도중 오차에 비해 2배에서 15배까지 더 크게 나타났다. 유방암 치료에 있어 3차원 입체정형조사나 세기조절방사선치료(Intensity Modulated Radiation Therapy, IMRT)를 적용하기에 앞서 반드시 셋업 오차의 크기를 측정하여 PTV에 적절히 반영되어야 한다. 유방에 대한 3차원 입체정형조사나 세기조절방사선치료를 위해 반드시 필요한 것은 아니지만, 큰 PTV 마진을 줄여주기 위해서는 영상유도방사선치료(Image Guided Radiation Therapy, IGRT)가 매우 유용하게 이용될 수 있다. 전자포탈영상장치 들은 본 보고서에서 기술한 바와 같은 자동분석소프트웨어를 반드시 포함하여야 한다. 이를 통해 수많은 EPID 영상들을 자동화 처리하고 오차분석을 시행함으로써 각 병원의 임상적용 방법 및 환경에 따라 상이하게 나타날 수 있는 오차의 크기를 감안한 적절한 PTV마진을 구하는데 도움을 얻을 수 있다. 이러한 장치들은 또한 최소의 노력으로 환자 치료를 관찰할 수 있는 귀중한 정보를 제공해 준다. Automated analysis software was developed to measure the magnitude of the intrafractional and interfractional errors during breast radiation treatments. Error analysis results are important for determining suitable planning target volumes (PTV) prior to Implementing breast-conserving 3-D conformal radiation treatment (CRT). The electrical portal imaging device (EPID) used for this study was a Portal Vision LC250 liquid-filled ionization detector (fast frame-averaging mode, 1.4 frames per second, 256X256 pixels). Twelve patients were imaged for a minimum of 7 treatment days. During each treatment day, an average of 8 to 9 images per field were acquired (dose rate of 400 MU/minute). We developed automated image analysis software to quantitatively analyze 2,931 images (encompassing 720 measurements). Standard deviations ($\sigma$) of intrafractional (breathing motion) and intefractional (setup uncertainty) errors were calculated. The PTV margin to include the clinical target volume (CTV) with 95% confidence level was calculated as $2\;(1.96\;{\sigma})$. To compensate for intra-fractional error (mainly due to breathing motion) the required PTV margin ranged from 2 mm to 4 mm. However, PTV margins compensating for intefractional error ranged from 7 mm to 31 mm. The total average error observed for 12 patients was 17 mm. The intefractional setup error ranged from 2 to 15 times larger than intrafractional errors associated with breathing motion. Prior to 3-D conformal radiation treatment or IMRT breast treatment, the magnitude of setup errors must be measured and properly incorporated into the PTV. To reduce large PTVs for breast IMRT or 3-D CRT, an image-guided system would be extremely valuable, if not required. EPID systems should incorporate automated analysis software as described in this report to process and take advantage of the large numbers of EPID images available for error analysis which will help Individual clinics arrive at an appropriate PTV for their practice. Such systems can also provide valuable patient monitoring information with minimal effort.
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