A Study of the Registration of Simulator Images and Portal Images Using Landmarks in Radiation Treatment

랜드마크 (Landmark)를 이용한 방사선 치료 X선 시뮬레이터 영상과 포탈영상의 비교법 연구

The goal of radiation treatment is to deliver a prescribed radiation dose to the target volume accurately while minimizing dose to normal tissues. Due to inaccurate placement of field and shielding block and patient's movement, there could be displacement errors between the planed and treatment regions. In order to verify the location of radiation treatment, we in this study developed the registration algorithm of the x-ray simulator images and portal images and quantified the inaccuracy in terms of shift, scale and rotation. The algorithm for registration of pairs of radiation fields consists of the alignment of pairs of radiation images by points matching and field displacement analysis by field boundary matching. In the first step, paired surface landmarks are matched to calculate the transformation parameters (scale, rotation and shift) using the corresponding line pairs which are created by connecting two landmarks of each image. In the next step, portal field boundary is extracted and then the two field boundaries are matched by the $\rho$-$\theta$ technique. Applying the phantom portal images, detection errors were calculated to be less than 2mm in translation, 1$^{\circ}$ in rotation and 1% in scale. In conclusion, we quantitatively analyzed the displacement error of x-ray simulator images and portal images. The present results could contribute to the study of the radiation treatment verification.

방사선 치료목표는 정해진 방사선량을 병변부위에 정확하게 조사시키고 주위 정상조직에는 방사선이 조사되지 알도록 하는 것이다. 이때에 조사야 배치, 차폐체 배치의 부정확성, 환자의 움직임 등으로 병변부위와 치료부위 사이에서 변위오차가 발생할 수 있다. 본 연구에서는 방사선 치료 위치의 확인을 위한 방법으로서 랜드마크를 이용하여 포탈영상과 x선 시뮬레이터 영상을 비교하는 알고리즘을 개발하여 방사선 치료 시 발생하는 부정확도를 이동, 스케일, 회전 정도로 나타내어 정량적으로 확인하였다. 등록 알고리즘은 랜드마크 정합 후 필드 경계 정합에 의해 두 영상의 변위오차를 분석하는 순서로 구현된다. 우선 각 영상의 두개의 랜드마크를 이은 대응선분들을 이용하여 변환변수 (이동, 스케일, 회전)를 구하여 랜드마크를 정합하였다. 다음으로 포탈영상의 필드경계를 추출한 후 $\rho$-$\theta$ technique을 적용하여 두 필드의 변위오차를 계산하였다. 팬톰 포탈영상에 적용하여 이동에서 2mm 이내, 회전에서 1$^{\circ}$ 이내, 스케일에서 1% 이내의 오차를 보였다. 본 연구의 결과를 통하여 방사선 치료 시 시뮬레이터 영상과 포탈영상을 정량적으로 분석함으로서, 환자 치료의 정확도 확인 연구에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.