CBCT에서 영상 재구성 인자를 이용한 금속 아티팩트의 감소 연구 = Reduction of metal artifact using image reconstruction factor in cone beam computed tomography

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

It is the ultimate goal of radiation treatment to maximize treatment effects with ultra-precise dose of radiation to the tumor while protecting normal organs. To achieve the goal, significant progress has been made in radiation treatment from 3D Conformal Radiation therapy(3D CRT) to Intensity Modulated Radiation Therapy(IMRT).
Since the early 1990’s, many researches and studies in Image Guided Radiation Therapy(IGRT) have carried on. IGRT is the latest radiation treatment which uses guided imaging to optimize treatment. Before treatment, multiple images are acquired from imaging devices synchronized with LINAC and guided imaging is conducted to coordinate them with the actual planned images. IGRT elevates treatment effects ultimately through minimizing the errors which are created from internal organ motion and patient setup. Now, extensive researches are underway in radiation therapy imaging because it is able to contribute to the treatment as well as the diagnosis of disease. In general, IGRT is the process of 2 and 3 dimensional imaging. 2D image-guided uses 2D images(anterior and lateral) acquired from X-ray fluoroscopy and 3D image-guided uses 3D images acquired from Computed Tomography. On Board Imager(OBI) system for image-guided is able to provide computed tomography using kilo-voltage cone beam. It is installed in LINAC.
CBCT creates metal artifacts if there are metal materials in an image acquisition range. In general, metal materials do not exist in human bodies. However, when image-guided methods are operated for internal organs which show low contrasts with tissues around them, metal markers are inserted in the treatment site or around it. The markers of treatment reference could appear as artifacts in CBCT and could have impact on the radiation treatment.
This research is to suggest a practical method using reconstruction factors that is able to minimize the influences of metal artifacts on CBCT.
The related reconstruction factors are Scan slice distance, reconstruction volume, reconstruction filter and Acquisition mode. I made a phantom inserted metal materials for this research. The images were acquired with standard conditions from the phantom, then optimum image conditions were planned with related all other reconstruction related factors.
As the research result, the most important factor is scan slice distance for reducing artifacts and measuring metal materials accurately. If scan slice distance was the smallest, the effect of metal artifacts appeared to be the least. The use of a sharp reconstruction filter reduced errors.
There are various image reconstruction methods and they are applied according to the use of images. The research is mainly focused on the influence of metal artifacts, however, for the general evaluation of images further research and development in image reconstruction must be proceeded continuously in the future.

국문 초록 (Abstract)

정상조직을 보호하고 종양에 최대선량을 부여하여 치료효과를 극대화 시키는 것은 방사선 치료의 궁극적인 목적이다. 이 목적을 달성하기 위해 3차원 입체 조형 치료(3 Dimension Conformal Radiation therapy, 3D CRT)부터 세기 변조 방사선 치료(Intensity Modulated Radiation Therapy, IMRT)에 이르기까지 방사선 치료는 많은 발전을 해왔다. 1990년대 초부터 영상 유도 방사선 치료(Image Guided Radiation Therapy, IGRT)에 대한 많은 연구가 진행되었다. IGRT는 방사선 치료 직전에 방사선 치료기와 동기화되어 있는 영상장치로부터 환자의 영상을 획득한 후, 방사선 치료계획영상과 일치할 수 있도록 영상유도를 실시하고 치료를 이행하는 최신의 방사선 치료법이다. 영상유도를 시행함으로써 내부장기의 움직임과 환자 위치잡이에서 발생하는 오차를 가능한 최소화하여 궁극적으로 치료효과를 높일 수 있다. 영상이 질병의 진단뿐 아니라 방사선 치료에 직접 영향을 끼칠 수 있게 되어 방사선 치료 영상에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 일반적으로 영상유도(Image Guide)는 2차원 영상과 3차원 영상을 이용하여 실시한다. 2차원 영상유도는 X-ray 투시(fluoroscopy) 기능을 이용하여 환자의 전면(anterior)과 측면(lateral)영상을 획득하여 실시하고, 3차원 영상유도는 전산화 단층촬영(Computed Tomography)을 이용하여 실시한다. 영상 유도를 위한 미국 VARIAN사의 On Board Imager(OBI) 시스템은 방사선 치료기기인 의료용 선형가속 장치에 설치되어 kV 콘빔(kilo voltage cone beam)을 이용한 단층촬영이 가능하다. 이러한 콘빔단층촬영(Cone-Beam Computed Tomography, CBCT)은 영상 획득 범위 내에 금속물질이 존재하면 아티팩트(Artifact)를 발생시킨다.
일반적으로 체내에는 금속물질이 존재하지 않지만 주변 조직과 낮은 대조도를 나타내는 내부장기의 영상유도를 실시할 때는 치료 부위 및 그 주변에 금속물질을 표지자(標識子,marker)로 삽입하는데 이러한 치료의 기준이 되는 금속 표지자는 CBCT에서 아티팩트로 나타날 수 있으며 치료에 영향을 준다. 따라서 본 연구는 CBCT에서 금속물질에 관한 아티팩트를 분석하고 관련된 여러 인자들을 이용하여 그 영향을 최소화할 수 있는 실용적인 방법을 제안하고자 한다.
CBCT의 영상 재구성에 관계된 대표적인 인자는 Scan slice distance, reconstruction volume, reconstruction filter 및 Acquisition mode등이 있다.
본 연구를 위하여 금속물질이 삽입된 모형을 제작하였다. 제작된 모형에 대하여 영상 획득 기준조건을 적용시켜 영상을 얻고, 얻은 영상을 관련된 여러 인자들을 각각 적용하면서 최적의 영상 조건의 조합을 설계하였다.
본 연구 결과, 금속물질의 정확한 계측 및 아티팩트를 감소하기 위한 가장 중요한 인자는 Scan slice distance이다. Scan slice distance를 가능한 작게 해야 금속에 의한 영향이 가장 적게 나타났다. 또한 reconstruction filter는 sharp filter를 사용하는 것이 적은 오차를 나타내었다.
영상 재구성에 대한 방법은 매우 다양하며 영상의 용도에 따라 적절하게 사용된다. 본 연구에서는 가장 영향이 큰 금속물질의 아티팩트에 중점을 두었지만, 그 외 전반적인 영상의 평가를 위한 영상 재구성의 개발 및 연구는 앞으로 계속 이루어져야 한다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 영상 재구성 (Image reconstruction) 10
• 제 3 장 대상 및 제원 14
• 1) 의료용 선형가속기 (CL – iX) 14
• 2) On board Imager (OBI) 14
• (1) Bow – tie filter와 영상 획득 용적 14
• (2) 영상용 X-선 발생기(Kilo-Voltage Source, KVS) 19
• (3) 영상용 X-선 검출기(Kilo-Voltage Detector, KVD) 19
• (4) CBCT(Cone-Beam Computed Tomography) mode 19
• (5) Reconstruction Filter 19
• 제 4 장 실험방법 22
• 1) 모형(Phantom) 제작 22
• 2) 모형 위치 잡이(Phantom setup) 25
• 3) 영상 유도 25
• 4) 영상 획득 조건 25
• 5) 영상 획득 조건의 변경 26
• 제 5 장 실험 결과 31
• 제 6 장 토의 및 결론 40
• Abstract 42
• 참고문헌 44