[논문 리뷰] The geometric calibration of cone-beam imaging and delivery systems in radiation therapy

E. Matsinos, Wolfgang Kaissl|ArXiv.org|2006. 07. 04.

Advanced Radiotherapy Techniques참고 문헌 7인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 경량이며 쉽게 제작할 수 있는 바늘 펌프를 사용하여 원추형 영상 및 방사선 치료 시스템을 위한 강건한 서브픽셀 기하 캘리브레이션 방법을 제시한다. 십 개의 기하학적 및 기계적 파라미터를 모델링하고 한 번의 완전한 스캔에 대해 강건한 최적화 기법을 적용함으로써, 이 방법은 서브픽셀 수준에서 일관되고 재현 가능한 캘리브레이션을 달성하며, 시계방향과 반시계방향 회전 모드 간의 체계적인 차이를 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 원추형 영상 및 방사선 치료 시스템을 위한 실용적이고 정확한 기하 캘리브레이션 방법을 개발하기 위해.
• 회전하는 영상 및 치료 장치에서 비강성 운동, 도움, 오차 정렬 등의 기계적 비이상성을 다루기 위해.
• 정확히 영상 시스템과 치료 시스템 기하학을 연결함으로써 매일의 영상 유도 방사선 치료를 가능하게 하기 위해.
• 반복 가능한 캘리브레이션 데이터 수집을 통해 장기적인 기계적 안정성 모니터링을 지원하기 위해.
• 반시계방향과 시계방향 회전 모드 간의 성능 차이를 체계적으로 식별하고 정량화하기 위해.

제안 방법

• 십 개의 수평으로 나란히 배열된 동일한 간격의 금속성 바늘을 가진 경량 바늘 펌프를 사용하여 캘리브레이션 데이터를 생성한다.
• 바늘 펌프는 치료용 침대에 장착되고, 등장점 중심을 중심으로 완전한 원형 궤도를 따라 스캔된다.
• 획득된 영상에서 바늘 영상의 끝점들을 식별하여 실험적 데이터 포인트를 구성한다.
• 십 개의 자유도 파라미터를 가진 기하 모델이 시스템의 공간 기하학 및 기계적 비이상성을 기술하며, 이는 원천-등장점 거리 및 검출기 방향을 포함한다.
• 정확도 향상을 위해 식 (7)과 (8)을 통해 횡방향 잔차에 대한 경험적 모델을 도입한다.
• 강건한 최적화 기법을 통해 단일 완전 스캔에서 잔차를 최소화함으로써 모델 파라미터를 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 경량이며 쉽게 제작 가능한 펌프가 원추형 영상 시스템에서 두꺼운 캘리브레이션 펌프를 대체할 수 있는가?
• RQ2 바늘 기반 펌프를 사용하여 단일 스캔에서 회전 영상 시스템의 기하학적 및 기계적 파라미터를 얼마나 정확하게 추출할 수 있는가?
• RQ3 임상 영상 시스템에서 반시계방향과 시계방향 회전 모드 간의 기하학적 성능에 체계적인 차이가 있는가?
• RQ4 이미지 투영에서 잔차 오차를 얼마나 잘 모델링하고 줄일 수 있는가를 통해 서브픽셀 정확도를 달성할 수 있는가?
• RQ5 이 캘리브레이션 방법이 방사선 치료 시스템의 장기적인 기계적 안정성 모니터링을 신뢰성 있게 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 캘리브레이션 방법은 서브픽셀 정확도를 달성하였으며, 두 시스템 모두 종방향에서 설명되지 않은 변동성은 108 μm 이하, 횡방향에서 75 μm 이하였다.
• 횡방향 잔차를 경험적으로 모델링함으로써 시계방향 스캔에서 설명되지 않은 변동성의 제곱근 평균 제곱 오차(rms)가 181 μm 에서 75 μm 으로 감소하였다.
• 반시계방향과 시계방향 스캔 간에 뚜렷한 차이가 관찰되어 비대칭적인 기계적 거동이 있음을 시사하였으며, 이는 문헌에서 이전에 보고되지 않은 효과였다.
• 이 방법은 두 대의 Varian Medical Systems 장치에서 각각 다섯 번의 반시계방향 및 다섯 번의 시계방향 스캔에 대해 일관되고 재현 가능한 결과를 도출하였다.
• OBI 시스템은 원천과 검출기 양쪽에 중력 영향을 보정하는 온라인 보정을 적용한 반면, AS 시스템은 검출기만 보정하여 성능 차이에 영향을 주었다.
• 모델 파라미터는 합리적이고 안정적이었으며, 파라미터 상관관계를 줄이기 위해 원천-등장점 거리는 명목상 값으로 고정되었다.