의료 목적의 연속변형 4D 인체 팬텀 제작 연구

Abstract

The computational human phantom plays an important role to calculate the dose distribution in the individual patient in radiation therapy. In order to accurately calculate the patient-specific dose distribution, the phantom must include not only the anatomy information of the patient, but also the patient's information on organ movement. Recently, several 4-dimensional (4D) phantoms have been developed based on accurate modeling techniques and organ motion data; however, they cannot be used in the dose calculation in radiation therapy because these phantoms are not directly constructed from the image data of the patient who is undergoing radiation therapy. Until now, time-dependent voxel phantoms with limited temporal resolutions (i.e., < 10 phases per respiratory cycle) have been used to calculate the dose distribution in the individual patient, but these phantoms suffer from the limitation that the patient's continuous movement is not fully represented due to the discrete phases of the phantom. In the present study, we developed two methods for constructing continuously-deforming 4D computational human phantoms ("4D voxel phantom" and "4D tetrahedral-mesh (TM) phantom), which include the capability not only to accurately model the patient-specific anatomy, but also to represent the continuous movement of the organs in the patient with a high-temporal resolution of phases realized by interpolation of the deformation vector fields (DVFs) from the original 10 phases in the patient's 4D CT data. During particle transport simulation, the dose or deposited energy is directly registered to the reference phase image on-the-fly (i.e. right after each particle step) using DVFs for dose registration. To validate the construction methods developed in the present study, a 4D voxel phantom and a 4D TM phantom each with 100 phases were produced from the original 10-phase images of the 4D CT data of a real patient, and then the constructed phantoms were evaluated with point- and dose-tracking analyses for the 4D voxel phantom and density comparison for the 4D TM phantom. Subsequently, 4D Monte Carlo dose calculation was performed for each phantom, and the calculated dose distributions were compared with that of the conventional 10-phase-based simulation approach. In addition, the computation efficiency of these phantoms was also evaluated to see if these methods can be used in a clinical situation. The results of the present study showed that for stationary proton-beam irradiation, the produced 4D phantoms can provide cumulative-dose distributions very close to those of the conventional approach. In addition, the analysis results of the present study showed that the 4D phantoms can represent not only patient's anatomy information but also its continuous organ movement. For computation efficiency, the 4D voxel phantom showed that the simulation time does not significantly increase even if the number of phases in the 4D voxel phantom is significantly increased for more realistic representation of the continuous respiratory motion; however, in 4D TM phantom, due to the relatively high cost of the ray-tracing algorithm in a tetrahedral-mesh geometry in the simulation code, the results showed that the computation time is was ~28 times slower than that of the conventional approach. We believe the problem of the computation speed for the TM phantom will be addressed in the future by developing a dedicated navigation class in Monte Carlo codes which is optimized for the tetrahedral-mesh geometry.; 인체전산팬텀 (computational human phantom)은 방사선 치료에서 선량분포 계산 시 중요한 역할을 담당하고 있다. 환자가 받는 정확한 선량 분포를 계산하기 위해서는, 인체전산팬텀은 반드시 환자의 해부학적 정보뿐만 아니라, 그 환자의 장기 움직임까지도 반드시 포함되어야 한다. 최근, 여러 4차원 전산팬텀들이 정밀한 모델링 기술과 움직임 데이터를 기반으로 개발된 바 있지만, 이는 치료받는 환자의 영상데이타를 기반으로 제작된 것이 아니기 때문에 방사선 치료분야에서 특정 환자가 받는 선량분포를 계산하는 목적으로 사용하기에는 다소 어려움이 있다. 지금까지, 환자의 제한적인 위상(주로 10개 미만의 위상) 영상을 기반으로 하는 시간 종속 복셀팬텀을 이용하여 환자가 받는 선량분포를 계산하고 있지만, 이 역시도 환자의 연속적인 장기 움직임을 제한적인 위상영상만을 이용하여 표현한다는 한계를 가지고 있다. 본 연구에서는 정확한 선량계산을 위해 환자의 해부학적 요소뿐만 아니라 그 환자의 연속적인 움직임까지 반영할 수 있는 새로운 형태의 두 연속변형 4D 전산팬텀 제작방법, 이른바 "4D 복셀 팬텀"과 "4D 사면체 팬텀"의 제작 방법을 개발하였다. 두 팬텀의 제작방법은 특정 환자의 4D CT로부터 지오메트리를 제작하기 때문에 환자 개인의 해부학적 요소를 그대로 반영할 수 있으며, 앞서 사용된 4D CT로부터 획득할 수 있는 가변벡터장(deformation vector fields, DVFs)기반의 고시간분해능 위상영상을 포함하기에 환자의 연속적인 장기 움직임 또한 표현할 수 있다. 전산모사 입자 수송 시에는, 팬텀 내에서 발생하는 선량(혹은 축적 에너지)은 정합(registration)을 위한 가변벡터장을 통해 즉각적으로 기준 위상(reference phase)으로 정합이 가능하다. 개발된 팬텀제작방법을 평가하기 위하여, 본 연구에서는 각각 100개의 위상을 가지는 4D 복셀 그리고 4D 사면체 팬텀들을 실제 환자의 4D CT 데이터를 이용하여 제작하였으며, 4D 복셀 팬텀을 위한 위치 및 선량 추적분석방법, 그리고 4D 사면체 팬텀을 위한 밀도 비교분석방법을 통해 각각의 팬텀들이 평가되었다. 이후, 각각의 팬텀들을 이용하여 4D 전산모사를 수행하였으며, 이를 통해 획득한 선량분포를 기존의 10개의 위상을 기반으로 하는 전산모사방법의 결과와 비교하였다. 추가적으로, 각 팬텀의 컴퓨터 효율을 측정하여 실제 임상에서의 활용가능성을 평가하였다. 본 연구에서, 정적인 양성자 빔 조사 시 제작된 4D 팬텀들은 기존의 방법에 의한 결과와 비교하였을 때 매우 유사한 누적선량분포를 보였으며, 각각의 분석방법을 통해 개발된 팬텀이 환자의 해부학적 정보뿐만 아니라 장기의 연속적인 움직임을 가짐을 확인하였다. 컴퓨터 효율 측면에서, 4D 복셀 팬텀은 인체의 연속적인 움직임을 표현하기 위해 위상의 수를 많이 사용하였음에도 불구하고 기존의 10개의 위상영상에 의한 계산속도와 큰 차이가 없음을 확인할 수 있었다. 반면, 4D 사면체 팬텀은 몬테칼로 코드 내에서의 사면체 광선 추적 알고리즘(ray-tracing algorithm)의 비용적 문제로 인하여 기존의 방법에 비해 약 28배 느린 것을 확인하였다. 이러한 속도 문제는 향후 복셀 전용 내비게이터와 같은 사면체 전용 내비게이터에 의한 사면체 지오메트리의 최적화가 진행된다면 자연스럽게 해결될 것으로 기대한다.