Cone-beam CT의 산란선 제거를 위한 Dual Scanning Mode 촬영 기법을 이용한 Beam Stop Array 시스템 개발 ;Development of Beam Stop Array System with Dual Scanning Mode for Scatter Reduction of Cone-beam CT

Abstract

Cone-beam CT (CBCT) is regarded as a major imaging technique in image-guided radiotherapy (IGRT) because it has low imaging dose, the compact size, and economical efficiency. However, CBCT images contain a large amount of scattered x-rays, which is the major cause of low image quality. Beam stop array (BSA) is widely used to estimate the scatter distribution of CBCT experimentally. Linear BSA which is the most generally used type of BSA produces the penumbra region at the edge of the grid on the projection image. Penumbra region can be the cause of inaccurate scatter estimation and loss of image data. In this study, two types of BSA have been designed and developed, a linear BSA (l-BSA) which is simple rectangular type and a curved BSA (c-BSA) to avoid the penumbra effect. Monte Carlo simulation was performed to determine thickness and material of beam stop arrays. Particle tracking technique of MCNP5 was used to analyze the accuracy of the scatter distribution acquired by beam stop arrays. The improvement of the image quality was analyzed by in-house phantom and simple type CT phantom and humanoid phantom. And how the curved beam stop array approves the penumbra effect was also analyzed in large field-of-view. The additional dose by a dual scan was analyzed by Monte Carlo simulation and experiment. The accuracies of scatter estimation were 83.4% for c-BSA and 90.4% for l-BSA, respectively. The c-BSA compensated penumbra effect effectively while l-BSA made severe penumbra region in partial projection image in the large field-of-view. Contrasts were improved by scatter correction as 24.8% (air-PMMA), 55.8% (Teflon-PMMA), and 81.7% (water-PMMA) for c-BSA and 11.1% (air-PMMA), 44.1% (Teflon-PMMA), and 82.2% (water-PMMA) for l-BSA, respectively. After noise suppression, contrast-to-noise ratios were improved as 2.7-4.1 times for c-BSA, 3.5-5.3 times for l-BSA. Uniformities were also improved up to 10 times for c-BSA and 12 times for l-BSA. The quality of humanoid phantom image was also improved after scatter correction. Consequently, the c-BSA can improve the image quality of cone-beam CT and compensate penumbra effect without the additional dose of radiation.;방사선 치료 시 영상의 질은 매우 중요한 문제로 부각되고 있다. 반복되는 방사선 치료 시 영상 획득을 위해 주로 사용되고 있는 cone-beam CT (CBCT)는 fan-beam CT (FBCT)에 비해 환자 선량이 낮고 크기가 작다는 장점이 있다. 하지만 대면적 검출기에 입사하는 다량의 산란선은 CBCT의 영상의 질 저하에 가장 큰 원인으로 작용하고 그에 따라 원리적으로 영상의 질에 한계를 가진다. 이러한 한계를 극복하고자 CBCT의 산란선을 억제하기 위한 연구는 전 세계적으로 활발히 진행되고 있다. Beam stop array (BSA)는 실험적으로 산란선 분포를 평가하는 방법으로, 정확성과 실용성으로 많이 연구되어지고 있다. 이 때 일반적으로 사용하는 선형(linear type)의 BSA는 영상에서 반음영 (penumbra) 영역을 만드는 원인으로 작용하여 영상의 손실을 가져온다. 본 연구에서는 이를 해결할 수 있는 새로운 형태의 곡선형 BSA (c-BSA)와 기존의 선형 BSA (l-BSA)를 설계 및 개발하고 성능평가를 수행하였다. 몬테칼로 전산모사를 이용하여 BSA의 설계 최적화를 수행하고, 제작한 BSA를 실험용으로 기제작한 CBCT에 부착하였다. 제작한 BSA를 이용하여 산란선 분포를 획득하고 projection 영상에서 보정한 후 재구성하여 영상의 향상 정도를 평가하였다. 실험으로 획득한 산란선 분포의 정확성 평가 결과, c-BSA와 l-BSA에서 각각 83.4%, 90.4%의 정확성을 보였다. Field-of-view가 넓은 경우에도 c-BSA가 영상에서 penumbra effect를 효과적으로 보정하는 것을 알 수 있었다. 산란선 보정에 의한 영상의 질 향상을 평가한 결과, 물질 간 대조도 (contrast)는 c-BSA에 의해 24.8% (air-PMMA), 55.8% (Teflon-PMMA), 81.7% (water-PMMA), l-BSA에 의해 11.1% (air-PMMA), 44.1% (Teflon-PMMA), 82.2% (water-PMMA) 향상됨을 확인하였다. 하지만 영상의 잡음(noise)은 산란선 보정 후에 증가하였고, median filter를 사용하여 잡음을 감소시켰다. 그 결과, CNR은 c-BSA에서 2.7-4.1배, l-BSA에서 3.5-5.3배 향상되었고, 균일도 (uniformity)도 c-BSA에서 최대 10배, l-BSA에서 최대 12배 향상되었다. 산란선 보정 후 인체등가 팬텀의 영상도 선명도가 향상됨을 정성적으로 확인하였다. 본 연구의 결과, c-BSA는 환자에게 추가 선량 없이 penumbra effect를 효과적으로 개선하며 영상의 질을 향상시키는 것을 확인하였다.