Patient Setup Aid with Wireless CCTV System in Radiation Therapy

$\underline{Purpose}$: To develop a wireless CCTV system in semi-beam's eye view (BEV) to monitor daily patient setup in radiation therapy. $\underline{Materials\;and\;Methods}$: In order to get patient images in semi-BEV, CCTV cameras are installed in a custom-made acrylic applicator below the treatment head of a linear accelerator. The images from the cameras are transmitted via radio frequency signal (${\sim}2.4\;GHz$ and 10 mW RF output). An expected problem with this system is radio frequency interference, which is solved utilizing RF shielding with Cu foils and median filtering software. The images are analyzed by our custom-made software. In the software, three anatomical landmarks in the patient surface are indicated by a user, then automatically the 3 dimensional structures are obtained and registered by utilizing a localization procedure consisting mainly of stereo matching algorithm and Gauss-Newton optimization. This algorithm is applied to phantom images to investigate the setup accuracy. Respiratory gating system is also researched with real-time image processing. A line-laser marker projected on a patient's surface is extracted by binary image processing and the breath pattern is calculated and displayed in real-time. $\underline{Results}$: More than 80% of the camera noises from the linear accelerator are eliminated by wrapping the camera with copper foils. The accuracy of the localization procedure is found to be on the order of $1.5{\pm}0.7\;mm$ with a point phantom and sub-millimeters and degrees with a custom-made head/neck phantom. With line-laser marker, real-time respiratory monitoring is possible in the delay time of ${\sim}0.17\;sec$. $\underline{Conclusion}$: The wireless CCTV camera system is the novel tool which can monitor daily patient setups. The feasibility of respiratory gating system with the wireless CCTV is hopeful.

무선 CCTV 시스템을 이용한 환자 고정 보조기술의 개발

목 적: 본 연구에서는 선형가속기 갠트리 헤드에 부착된 무선 CCTV 카메라를 이용한 영상처리를 통하여 환자 고정과 치료에 있어서의 정확성과 재현성 향상 방안을 개발하고자 하였다. 대상 및 방법: 선형가속기의 유사-빔 방향상(semi-beams eye view, semi-BEV)을 얻기 위하여 무선 CCTV 모듈을 자체 제작된 아크릴 어플리케이터를 이용하여 갠트리 헤드에 부착하였다. CCTV 카메라의 영상은 2.4 GHz의 고주파를 통해 치료실 벽면의 수신기로 전송된다. 선형가속기 작동 시 발생하는 무선 주파수에 의한 간섭현상(RF interference)과 누설 방사선으로 영상에 잡음이 발생하는데, 구리 호일로 카메라를 차폐하고 미디안 필터링과 같은 영상처리 기법을 이용하여 이러한 잡음을 최소화할 수 있었다. 스테레오 정합 기법과 Gauss-Newton 최적화 방법론을 기반으로 자체 제작된 소프트웨어를 통해, 환자의 고정 상태를 나타내는 3차원적 위치, 이동, 회전 정도를 정량적으로 평가하였다. 시스템의 정확도를 평가하기 위하여 팬톰 실험을 수행하였다. 또, 환자 호흡에 대한 실시간 영상분석을 통해 호흡 동기 시스템(respiratory gating system)을 구현하기 위한 방법론을 개발하였다. 결 과: 구리 호일 차폐와 영상처리를 통해 잡음을 80% 이상 줄일 수 있었다. 3차원 위치정보의 오차는 팬톰 실험을 통해 $1.5{\pm}0.7\;mm$로 나타났고, 이동 및 회전량에 대한 오차는 각각, 1 mm, $1^{\circ}$ 미만으로 나타났다. 환자 호흡에 따른 호흡 동기 시스템을 구현한 결과, 0.2초의 오차 범위 내에서 실시간 모니터링이 가능한 것으로 나타났다. 결 론: 선형가속기에 부착된 CCTV를 이용한 환자 고정 보조기술은 기존의 높은 비용을 필요로 하는 타 IGRT 기법에 비하여 설치와 이용이 간편하다. 시스템이 선형가속기와 근접해 있기 때문에 야기되는 문제점은 본 연구에서 제시된 방법을 통해 해결될 수 있었다. 시스템의 정확도를 평가해 볼 때, 임상적으로 적용이 가능할 것으로 판단된다.