[論文レビュー] The geometric calibration of cone-beam imaging and delivery systems in radiation therapy

E. Matsinos, Wolfgang Kaissl|ArXiv.org|Jul 4, 2006

Advanced Radiotherapy Techniques参考文献 7被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、軽量で製造が容易なニードル暗黒体を用いて、コーンビーム画像診断および放射線治療システムのロバストでサブピクセルレベルの幾何的キャリブレーション手法を提示する。1回のフルスキャンにわたるロバスト最適化手法を用い、10個の幾何的および機械的パラメータをモデル化することで、ピクセル以下の高精度で一貫性があり再現性のあるキャリブレーションが達成され、反時計回りと時計回りの回転モードにおける体系的な差異が明らかになった。

ABSTRACT

We propose a method to achieve the geometric calibration of cone-beam imaging and delivery systems in radiation therapy; our approach applies to devices where an X-ray source and a flat-panel detector, facing each other, move in circular orbits around the irradiated object. In order to extract the parameters of the geometry from the data, we use a light needle phantom which is easy to manufacture. A model with ten free parameters (spatial lengths and distortion angles) has been put forth to describe the geometry and the mechanical imperfections of the units being calibrated; a few additional parameters are introduced to account for residual effects (small effects which lie beyond our model). The values of the model parameters are determined from one complete scan of the needle phantom via a robust optimisation scheme. The application of this method to two sets of five counterclockwise (ccw) and five clockwise (cw) scans yielded consistent and reproducible results. A number of differences have been observed between the ccw and cw scans, suggesting a dissimilar behaviour of the devices calibrated in the two rotation modes. The description of the geometry of the devices was achieved at the sub-pixel level.

研究の動機と目的

• コーンビーム画像診断および放射線治療システムの実用的で高精度な幾何的キャリブレーション手法の開発を目的とする。
• 回転する画像診断および治療装置における非剛体運動、たわみ、ずれなどの機械的非理想性に対処することを目的とする。
• 画像と治療装置の幾何的関係を正確に結びつけることで、毎日の画像誘導放射線治療を可能にすることを目的とする。
• 繰り返し可能なキャリブレーションデータ収集を通じて、長期的な機械的安定性のモニタリングを支援することを目的とする。
• 反時計回りと時計回りの回転モード間における性能の体系的差異を特定および定量することを目的とする。

提案手法

• 5本の平行で等間隔に配置された金属ニードルを有する軽量ニードル暗黒体を用いてキャリブレーションデータを生成する。
• ニードル暗黒体を治療用ベッドに取り付け、等中心点を中心にフル円形軌道でスキャンする。
• 得られた画像内でのニードル像の端点を特定し、実験的データポイントを形成する。
• 10個の自由パラメータを有する幾何的モデルが、システムの空間的幾何と機械的不具合（光源-等中心距離、検出器の向きなど）を記述する。
• 式 (7) および (8) を用いて、横方向の残差に対する経験的モデルを導入し、適合精度を向上させる。
• ロバスト最適化手法により、1回の完全スキャンから残差を最小化する形でモデルパラメータを抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 軽量で製造が容易な暗黒体は、ボリュームが大きく取り回しが難しい従来のキャリブレーション暗黒体に代わって、コーンビーム画像診断システムで使用可能だろうか？
• RQ2 ニードルベースの暗黒体を用いて1回のスキャンから、回転する画像診断システムの幾何的および機械的パラメータをどの程度高精度に抽出できるか？
• RQ3 臨床的画像診断システムにおいて、反時計回りと時計回りの回転モードの間に幾何的性能に体系的差異が存在するか？
• RQ4 画像投影における残差誤差をどの程度モデル化し、低減することでサブピクセルレベルの精度を達成できるか？
• RQ5 このキャリブレーション手法は、放射線治療システムの長期的な機械的安定性モニタリングを信頼性高く支援できるか？

主な発見

• キャリブレーション手法はサブピクセルレベルの精度を達成し、両システムにおいて縦方向の説明されないばらつきが108 μm未塔、横方向で75 μm未塔であった。
• 横方向の説明されないばらつきのルート・マンス・スクエア（rms）は、時計回りスキャンにおいて横方向の残差を経験的にモデル化することで、181 μmから75 μmに低下した。
• 反時計回りと時計回りのスキャン間に顕著な差異が観察され、非対称な機械的挙動が示され、これは文献において以前に報告されていなかった現象であった。
• 本手法は、2台のVarian Medical Systems機器で実施された5回の反時計回りおよび5回の時計回りスキャンにおいて、一貫性があり再現性のある結果をもたらした。
• OBIシステムは、光源および検出器の両方について重力効果のオンライン補正を実施していたが、ASシステムは検出器のみに補正を施しており、これが性能差に影響していた。
• モデルパラメータは妥当で安定しており、パrameter相関を低減するために、光源-等中心距離は名目値に固定された。