Analysis on the Positional Accuracy of the Non-orthogonal Two-pair kV Imaging Systems for Real-time Tumor Tracking Using XCAT

In this study, we aim to design the architecture of the kV imaging system for tumor tracking in the dual-head gantry system and analyze its accuracy by simulations. We established mathematical formulas and algorithms to track the tumor position with the two-pair kV imaging systems when they are in the non-orthogonal positions. The algorithms have been designed in the homogeneous coordinate framework and the position of the source and the detector coordinates are used to estimate the tumor position. 4D XCAT (4D extended cardiac-torso) software was used in the simulation to identify the influence of the angle between the two-pair kV imaging systems and the resolution of the detectors to the accuracy in the position estimation. A metal marker fiducial has been inserted in a numerical human phantom of XCAT and the kV projections were acquired at various angles and resolutions using CT projection software of the XCAT. As a result, a positional accuracy of less than about 1mm was achieved when the resolution of the detector is higher than 1.5 mm/pixel and the angle between the kV imaging systems is approximately between $90^{\circ}$ and $50^{\circ}$. When the resolution is lower than 1.5 mm/pixel, the positional errors were higher than 1mm and the error fluctuation by the angles was greater. The resolution of the detector was critical in the positional accuracy for the tumor tracking and determines the range for the acceptable angle range between the kV imaging systems. Also, we found that the positional accuracy analysis method using XCAT developed in this study is highly useful and will be a invaluable tool for further refined design of the kV imaging systems for tumor tracking systems.

XCAT를 이용한 실시간 종양 위치 추적을 위한 비직교 스테레오 엑스선 영상시스템에서의 위치 추정 정확도 분석에 관한 연구

본 연구에서는 두 개의 치료빔 가속기가 사용되는 구조에서 종양 위치 추적을 하는 두 쌍의 kV 영상시스템의 기하학적 설계 및 종양 위치 추적 정확도 분석을 목표로 하고 있다. 특히, 병변의 위치추적을 위한 수식 및 알고리즘을 수립하였고, 두 쌍의 kV 영상 시스템이 비직교 위치에 놓일 때 검출기 해상도가 종양 위치 추적 오차에 미치는 영향에 대해서 모의실험으로 분석하여 보았다. 병변의 위치추적을 위한 수식 및 알고리즘을 수립하기 위해서 각 엑스선원, 검출기 등의 절대좌표는 동차방정식을 이용하여 설정하였으며, 삼차원 상의 두 직선의 방정식을 통하여 병변의 절대위치를 찾아내도록 하였다. XCAT 프로그램을 이용한 모의실험을 통해서 영상 검출기의 해상도가 미치는 영향을 두 개의 kV 영상시스템의 각도에 따라서 분석하여보았다. XCAT 소프트웨어를 이용하여서 팬텀에 병변 추적을 위한 금속 기점 마커를 삽입하였고, CT projection 프로그램을 이용하여 각 kV 영상시스템의 각도별, 검출기의 해상도별 영상을 획득할 수 있다. 모의실험 결과, 두 kV영상시스템의 각도가 $90^{\circ}$에서 $50^{\circ}$까지는 검출기 해상도가 1.5 mm/pixel보다 고해상도 일 때 약 1 mm 이하의 위치 오차를 보였다. 하지만, 검출기의 해상도가 1.5 mm/pixel 이상으로 나빠질수록 오차가 약 1 mm 이상으로 나타날 뿐만 아니라 각도에 따른 오차의 변동이 컸다. 검출기의 해상도가 개선될 수록 그 각도별 오차의 변동이 줄어들고, $90^{\circ}$에서 가장 적은 오차가 발생 하는 것을 볼 수 있었다. 충분한 해상도의 검출기가 사용된다면 듀얼헤드 겐트리 시스템과 같이 공간적으로 제한된 방사선 치료기기에 두 개의 kV 영상시스템을 예각으로 설치하여도 된다는 결론을 도출할 수 있었다. 본 연구에서 개발한 모의실험 방법론은 병변의 위치, 검출기의 특성, kV 영상 시스템의 기하학적 배치에 따른 종양추적 위치 추적시스템의 정확도를 분석하는 도구로서 유용하게 사용될 수 있을 것이다.