전립선암의 방사선 치료시 3차원 초음파의 부피 측정 정확성과 CT-3D US 영상융합 알고리듬 개발

Abstract

In radiotherapy for prostate cancer, volume measurement of a prostate is used to evaluate the treatment outcome of radiotherapy. Moreover, the volume of a bladder plays a role of determining the side effect in the bladder and the variation of the bladder volume displaces the nearby prostate so that the treatment outcome of radiotherapy is affected. External beam radiotherapy (EBRT) is one type of commonly used option for treatment of prostate cancer among surgery and brachytherapy. In the treatment planning of an EBRT, in order to compensate the limitation of computed tomography (CT) scans, CT-MR fusion images are used for accurate target positioning. It is very important to maintain the target position as same as the planning position during EBRT for accurate dose delivery. Therefore, monitoring of the target position is necessary in each fraction of EBRT. In this study, volume measurement of phantoms and human bladders was conducted using three dimensional ultrasound (3D US) to evaluate the accuracy of the volume measurement on 3D US. In addition, the feasibility of the replacement of CT-MR fusion images to CT-3D US in radiotherapy treatment planning is studied. Phantoms and five prostate cancer patients were used to measure the accuracy of volume measurement using 3D US, CT, and MR scans. And a CT-3D US and MR-3D US image fusion software was developed to acquire three dimensional fusion image. Volume measurement using 3D US shows 2.8 ± 1.5% error, 4.4 ± 3.0% for CT, and 3.1 ± 2.0% for MR. It means that volume measurement using 3D US devices has the similar accuracy level to that of CT and MR. The volume measurement accuracy ratio of 3D US and MR (MR/US) is measured to be 1.06 ± 0.05 in bladder volume measurement. Three dimensional image fusion of CT-3D US and MR-3D US was performed using bladder images of patients and phantom images and the image fusion quality has been evaluated. In conclusion, 3D US could be used in volume measurement of human bladders and prostates. And CT-3D US image fusion could be used in monitoring of target position in each fraction of EBRT. Moreover, the feasibility of the replacement of CT-MR image fusion to CT-3D US in radiotherapy treatment planning was verified.;전립선의 방사선치료에서, 전립선의 부피 측정은 방사선 치료 후 치료 성적을 평가할 때 사용되고, 방광의 부피는 방사선 치료 후 방광에 발생하는 부작용을 판단하는데 사용된다. 최근 전립선암의 외부방사선치료(External Beam Radiation Therapy, EBRT) 방법으로 세기조절방사선치료(Intensity Modulated Radiation Therapy, IMRT)를 사용하고 있으며, 세기조절방사선치료에 있어 치료율과 부작용에 영향을 미치는 가장 중요한 요소 중 하나가 환자의 치료자세 반복성의 정확도이다. 이러한 정확도를 높이기 위한 방법으로 방광을 채우거나 직장에 풍선을 삽입하는 방법 등이 사용되고 있다. 이와 더불어 방사선 치료시 환자의 자세를 확인 할 수 있는 초음파 장비의 사용이 기대되고 있다. 그러나 아직까지 2차원 초음파 장비의 사용이 일반적이며 2차원 초음파는 CT와의 영상융합에도 어려움이 있고, 부피 측정도 정확하지 않다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 치료시 마다 환자의 자세를 3차원 초음파(Three-dimensional Ultrasound, 3D US)를 사용하여 확인함 으로써 치료자세 반복성의 정확도를 높일 수 있도록 다음과 같은 연구를 수행하였다. 3차원 초음파를 사용하여 팬텀 및 환자의 방광 부피를 측정 하고, 그 정확성을 평가하였다. 또한 치료 계획에 사용되는 CT-MR 융합영상을 대체하여 CT-3D US 융합영상을 사용할 수 있는 가능성을 확인 하였다. 부피 측정 정확성의 평가를 위해 본 연구에서 제작한 초음파 팬텀들과 6명의 전립선암으로 치료를 받고 있는 환자들을 대상으로 연구를 진행하였다. 3D US, CT, MR장비를 사용하여, 팬텀 및 환자의 영상을 얻어 부피를 측정 하였다. 그리고 ITK (Insight Toolkit) 라이브러리를 사용하여 CT-3D US, MR-3D US 영상융합 소프트웨어를 개발하였다. 부피 측정 결과, 3차원 초음파의 경우 2.8 ± 1.5%, CT의 경우 4.4 ± 3.0%, MR의 경우 3.1 ± 2.0%의 오차를 보였으며, 이를 통해 3차원 초음파 장비의 부피 측정은, 현재 부피 측정에 사용되고 있는 CT, MR 과는 비슷한 정확성을 가진다는 결과를 얻었다. 또한 환자의 방광 부피 측정의 경우, 3차원 초음파와 MR의 부피 측정값의 비율(MR/US)이 1.06으로, 3차원 초음파는 MR과 6%의 부피 측정 오차를 가진다. CT-3D US, MR-3D US 영상융합 소프트웨어를 개발 하고, 팬텀과 환자의 방광 영상을 사용하여 융합 영상을 얻었다. 결론적으로, 3차원 초음파를 방광 및 전립선의 부피 측정에 사용 할 경우 다른 영상 획득 장비와 비교할 때 정확하게 부피를 측정 할 수 있음을 입증하였다. 또한 CT-3D US 및 MR-3D US 영상융합 소프트웨어를 사용하면 치료계획시 획득한 치료계획용 CT 또는 MR 영상과, 치료시 자세를 확인하기 위해 획득한 초음파 영상간의 융합이 가능하므로 환자 자세의 변화가 생길 경우 보정이 가능하다.