목적 : 호흡주기에 따른 위치변동 감지센서를 이용하여 종양의 위치가 일정워치에 있을 때만 방사선을 치료하는 호흡 동기치료기구를 제작하고 일정한 호흡주기 상태에서 수행된 CT simulation과 3차원 입체조형치료계획에 따라 방사선을 치료하는 시스템을 개발하고자 하였다. 호흡유무에 따른 종양의 치료 마진(margin)을 측정하고 계획용표적체적(planning target volume:PTV)의 크기에 따른 선량체적표(dose volume histogram:DVH)와 종양억제확률(tumor control probability:NTCP), 건강조직손상확률(normal tissue complication probability:NTCP) 및 선량 통계자료를 통하여 치료성과를 평가하고 선량증강 범위를 예측하고자 하였다. 대상 및 방법 : 종양이 비교적 작고 전이가 없는(T1N0M0) 5명의 폐암환자를 선택하여 X-선 조준장치를 이용하여 횡격막의 이동거리를 측정하는 방법으로 내부장기의 운동을 평가하였다. 호흡동기치료기구는 끌어당김 센서가 부착된 허리띠 모양으로 구성되었으며 이를 흉곽 또는 복부에 부착하여 호흡주기에 의한 흉곽의 크기변동에 따라 센서의 회로가 개폐되고 이것을 선형가속기의 조종간에 연결하는 간단한 기구로서 감도와 재현성이 높았다. 호흡을 배기한 후 일시적 호흡이 정지된 상태에서 Spiral-CT (PQ-5000)로 3차원 영상을 획득하고 Virtual CT-simulator (AcQ-SIM)에 의하여 종양의 위치와 주위 장기들을 확인 도시하였으며 3차원 치료계획장치(Pinnacle, ADAC Co.)를 이용하여 3차원 입체조형치료를 계획하였다. 치료계획의 평가는 호흡동기치료기구의 사용유무에 따른 PTV의 크기에 따라 최적 선량분포를 구사하였으며 각각의 DVH, TCP, NTCP 및 선량통계자료를 도출 비교 검토하였다. 결과 : X-선 simulation에서 폐암환자의 횡격막 이동은 약 1 cm에서 2.5 cm로서 평균 1.5 cm로 측정되었고 자유호흡시 PTV는 CTV (clinical target volume)에 약 2 cm 마진을 주었으며 호흡동기치료기구를 사용하였을 때는 0.5 cm 마진이 적당한 것으로 측정되었다. 종양의 PTV는 연장 마진의 거의 자승비로 증가하였으며 TCP의 값은 마진 범위 $(0.5\~2.0\;cm)$에 관계없이 거의 일정하였고 NTCP의 값은 마진 크기에 따라 평균 $65\%$로 급속히 증가하였다. 결론 : 호흡주기에 따른 위치변동 감지센서를 이용한 호흡동기치료기구는 종양의 위치가 일정할 때만 방사선이 조사되는 간단하고 정확한 장치로서 3차원 입체조형치료 및 강도변조방사선치료에서 매우 유용한 장치임을 확인할 수 있었다. 또한 호흡조절 방사선입체조형치료방법의 기술과 시술절차를 확립시키고 정량적인 선량평가를 위하여 DVH, TCP, NTCP 등의 정량분석과 종양의 투여 선량 증가량(dose escalation)을 예측하는 기초자료를 제공할 수 있었다.
목적 : 호흡주기에 따른 위치변동 감지센서를 이용하여 종양의 위치가 일정워치에 있을 때만 방사선을 치료하는 호흡 동기치료기구를 제작하고 일정한 호흡주기 상태에서 수행된 CT simulation과 3차원 입체조형치료계획에 따라 방사선을 치료하는 시스템을 개발하고자 하였다. 호흡유무에 따른 종양의 치료 마진(margin)을 측정하고 계획용표적체적(planning target volume:PTV)의 크기에 따른 선량체적표(dose volume histogram:DVH)와 종양억제확률(tumor control probability:NTCP), 건강조직손상확률(normal tissue complication probability:NTCP) 및 선량 통계자료를 통하여 치료성과를 평가하고 선량증강 범위를 예측하고자 하였다. 대상 및 방법 : 종양이 비교적 작고 전이가 없는(T1N0M0) 5명의 폐암환자를 선택하여 X-선 조준장치를 이용하여 횡격막의 이동거리를 측정하는 방법으로 내부장기의 운동을 평가하였다. 호흡동기치료기구는 끌어당김 센서가 부착된 허리띠 모양으로 구성되었으며 이를 흉곽 또는 복부에 부착하여 호흡주기에 의한 흉곽의 크기변동에 따라 센서의 회로가 개폐되고 이것을 선형가속기의 조종간에 연결하는 간단한 기구로서 감도와 재현성이 높았다. 호흡을 배기한 후 일시적 호흡이 정지된 상태에서 Spiral-CT (PQ-5000)로 3차원 영상을 획득하고 Virtual CT-simulator (AcQ-SIM)에 의하여 종양의 위치와 주위 장기들을 확인 도시하였으며 3차원 치료계획장치(Pinnacle, ADAC Co.)를 이용하여 3차원 입체조형치료를 계획하였다. 치료계획의 평가는 호흡동기치료기구의 사용유무에 따른 PTV의 크기에 따라 최적 선량분포를 구사하였으며 각각의 DVH, TCP, NTCP 및 선량통계자료를 도출 비교 검토하였다. 결과 : X-선 simulation에서 폐암환자의 횡격막 이동은 약 1 cm에서 2.5 cm로서 평균 1.5 cm로 측정되었고 자유호흡시 PTV는 CTV (clinical target volume)에 약 2 cm 마진을 주었으며 호흡동기치료기구를 사용하였을 때는 0.5 cm 마진이 적당한 것으로 측정되었다. 종양의 PTV는 연장 마진의 거의 자승비로 증가하였으며 TCP의 값은 마진 범위 $(0.5\~2.0\;cm)$에 관계없이 거의 일정하였고 NTCP의 값은 마진 크기에 따라 평균 $65\%$로 급속히 증가하였다. 결론 : 호흡주기에 따른 위치변동 감지센서를 이용한 호흡동기치료기구는 종양의 위치가 일정할 때만 방사선이 조사되는 간단하고 정확한 장치로서 3차원 입체조형치료 및 강도변조방사선치료에서 매우 유용한 장치임을 확인할 수 있었다. 또한 호흡조절 방사선입체조형치료방법의 기술과 시술절차를 확립시키고 정량적인 선량평가를 위하여 DVH, TCP, NTCP 등의 정량분석과 종양의 투여 선량 증가량(dose escalation)을 예측하는 기초자료를 제공할 수 있었다.
Purpose : 3D conformal radiotherapy, the optimum dose delivered to the tumor and provided the risk of normal tissue unless marginal miss, was restricted by organ motion. For tumors in the thorax and abdomen, the planning target volume (PTV) is decided including the margin for movement of tumor volum...
Purpose : 3D conformal radiotherapy, the optimum dose delivered to the tumor and provided the risk of normal tissue unless marginal miss, was restricted by organ motion. For tumors in the thorax and abdomen, the planning target volume (PTV) is decided including the margin for movement of tumor volumes during treatment due to patients breathing. We designed the respiratory gating radiotherapy device (RGRD) for using during CT simulation, dose planning and beam delivery at identical breathing period conditions. Using RGRD, reducing the treatment margin for organ (thorax or abdomen) motion due to breathing and improve dose distribution for 3D conformal radiotherapy. Materials and Methods : The internal organ motion data for lung cancer patients were obtained by examining the diaphragm in the supine position to find the position dependency. We made a respiratory gating radiotherapy device (RGRD) that is composed of a strip band, drug sensor, micro switch, and a connected on-off switch in a LINAC control box. During same breathing period by RGRD, spiral CT scan, virtual simulation, and 3D dose planing for lung cancer patients were peformed, without an extended PTV margin for free breathing, and then the dose was delivered at the same positions. We calculated effective volumes and normal tissue complication probabilities (NTCP) using dose volume histograms for normal lung, and analyzed changes in doses associated with selected NTCP levels and tumor control probabilities (TCP) at these new dose levels. The effects of 3D conformal radiotherapy by RGRD were evaluated with DVH (Dose Volume Histogram), TCP, NTCP and dose statistics. Results : The average movement of a diaphragm was 1.5 cm in the supine position when patients breathed freely. Depending on the location of the tumor, the magnitude of the PTV margin needs to be extended from 1 cm to 3 cm, which can greatly increase normal tissue irradiation, and hence, results in increase of the normal tissue complications probabiliy. Simple and precise RGRD is very easy to setup on patients and is sensitive to length variation (+2 mm), it also delivers on-off information to patients and the LINAC machine. We evaluated the treatment plans of patients who had received conformal partial organ lung irradiation for the treatment of thorax malignancies. Using RGRD, the PTV margin by free breathing can be reduced about 2 cm for moving organs by breathing. TCP values are almost the same values $(4\~5\%\;increased)$ for lung cancer regardless of increasing the PTV margin to 2.0 cm but NTCP values are rapidly increased $(50\~70\%\;increased)$ for upon extending PTV margins by 2.0 cm. Conclusion : Internal organ motion due to breathing can be reduced effectively using our simple RGRD. This method can be used in clinical treatments to reduce organ motion induced margin, thereby reducing normal tissue irradiation. Using treatment planning software, the dose to normal tissues was analyzed by comparing dose statistics with and without RGRD. Potential benefits of radiotherapy derived from reduction or elimination of planning target volume (PTV) margins associated with patient breathing through the evaluation of the lung cancer patients treated with 3D conformal radiotherapy.
Purpose : 3D conformal radiotherapy, the optimum dose delivered to the tumor and provided the risk of normal tissue unless marginal miss, was restricted by organ motion. For tumors in the thorax and abdomen, the planning target volume (PTV) is decided including the margin for movement of tumor volumes during treatment due to patients breathing. We designed the respiratory gating radiotherapy device (RGRD) for using during CT simulation, dose planning and beam delivery at identical breathing period conditions. Using RGRD, reducing the treatment margin for organ (thorax or abdomen) motion due to breathing and improve dose distribution for 3D conformal radiotherapy. Materials and Methods : The internal organ motion data for lung cancer patients were obtained by examining the diaphragm in the supine position to find the position dependency. We made a respiratory gating radiotherapy device (RGRD) that is composed of a strip band, drug sensor, micro switch, and a connected on-off switch in a LINAC control box. During same breathing period by RGRD, spiral CT scan, virtual simulation, and 3D dose planing for lung cancer patients were peformed, without an extended PTV margin for free breathing, and then the dose was delivered at the same positions. We calculated effective volumes and normal tissue complication probabilities (NTCP) using dose volume histograms for normal lung, and analyzed changes in doses associated with selected NTCP levels and tumor control probabilities (TCP) at these new dose levels. The effects of 3D conformal radiotherapy by RGRD were evaluated with DVH (Dose Volume Histogram), TCP, NTCP and dose statistics. Results : The average movement of a diaphragm was 1.5 cm in the supine position when patients breathed freely. Depending on the location of the tumor, the magnitude of the PTV margin needs to be extended from 1 cm to 3 cm, which can greatly increase normal tissue irradiation, and hence, results in increase of the normal tissue complications probabiliy. Simple and precise RGRD is very easy to setup on patients and is sensitive to length variation (+2 mm), it also delivers on-off information to patients and the LINAC machine. We evaluated the treatment plans of patients who had received conformal partial organ lung irradiation for the treatment of thorax malignancies. Using RGRD, the PTV margin by free breathing can be reduced about 2 cm for moving organs by breathing. TCP values are almost the same values $(4\~5\%\;increased)$ for lung cancer regardless of increasing the PTV margin to 2.0 cm but NTCP values are rapidly increased $(50\~70\%\;increased)$ for upon extending PTV margins by 2.0 cm. Conclusion : Internal organ motion due to breathing can be reduced effectively using our simple RGRD. This method can be used in clinical treatments to reduce organ motion induced margin, thereby reducing normal tissue irradiation. Using treatment planning software, the dose to normal tissues was analyzed by comparing dose statistics with and without RGRD. Potential benefits of radiotherapy derived from reduction or elimination of planning target volume (PTV) margins associated with patient breathing through the evaluation of the lung cancer patients treated with 3D conformal radiotherapy.
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문제 정의
것은 고도의 기술을 요구하고 있다. 본 연구에서는 호흡운동이 정지된 상태에서만 치료계획을 하고 방사선을 조사하기 때문에 정밀한 이동측정은 필요 없으며 다만 자유 호흡 시 최대 변위 상태에서 선량계획을 비교 분석하기 위하여 장기의 변위 차이가 제일 큰 상하{Inferior & superior) 이동거리를 측정하였다. 환자를 X-선 조준장치(x-simulator)인 Ximatron (Varian, 미국)의 침대 위에 앙와위 자세에서 고정시키고 제작된 호흡동기형 밴드센서를 부착한 후 연속 투시 촬영 장치(cine fluoroscope)로 구별이 쉬운 횡격막을 중심으로 연속 촬영하였고 영상분석장치QGmavision, Varian, 미국)에 의하여 횡격막의 위치변동을 측정하였으며 내부장기의 운동은횡경막의 이동거리에 준하여 평가하였다.
본 연구에서는 호흡이 잠시 중지 될 때만 방사선이 조사되어 내부장기의 움직임에 의한 오류를 방지하고 환자 호흡에 의한 PTV를 최소화 할 수 있는 방법을 모색하여 최적의 방사선치료를 시도하고자 하였다. 폐암환자 5명을 대상으로 하여 모의치료(X-선 simulation)시에 횡경막의 이동거리를 확인하는 방법으로 내부 장기의 운동을 조사하였다.
선택하였다. 환자는 처음부터 호흡동기방사선치료를 목적으로 일정한. 호흡주기에서 X-선 조준촬영과 3차원 조형 치료를 위한 CT-simulation을 실시하였으며 호흡으로 인한 장기의 움직임을 관찰하고 체적변화에 따른 방사선의 분포를 측정 비교하였다
제안 방법
Spiral CT에서 획득한 입체영상 소자들은 진단목적에 알맞도록 재구성하거나 virtual CT-simulator (AcQ-SIM, Marconi, USA)로 전송되고 전송된 영상 자료(data)는 임의의 방향으로 영상을 재구성 (digitally reconstructed radiograph: DRR)시켜 중심점를 확인하고 종양의 모양과 주위 장기를 도시하며 방사선 조사 방향과 조사면의 크기를 컴퓨터 모니터상에서 가상 실질(virtual로 반복 조$(simulation)하여 최적 치료계획조건을 도출하였다.
계획용표적체적 (PTV)는 CTV에 0.5 cm의 마진을 포함하는 체적으로 결정하고 3차원 선량계획장치(3D-treatment planning system)에 의하여 선량분포를 계산하였으며(Fig. 10), 자유호홉으로 인한 변위를 CTV에 각각 L0, 1.5, 2.0 cm 증가시킨 PTV에 대하여도 선량분포를 계산하여 비교하였다.
모의 치료계획을 실시하였다. 대부분이 앞 뒤 및 옆면의 3문 조사방법을 택하였으며, 조사면은 7 cmX8 cm이고 선량은 60 Gy로 환자상태에 따라 선량을 부여하였다.
상당한 변화를 가진다. 따라서 방사선에 의한 종양의 치유율은 각 종양조직에 대한 선량-생존 곡선과 종양의 크기 및 체적효과에 의하여 평가하여야 하며 이를 확률값으로 산출하여 종양의 치료 효과를 예측 및 평가한다. D
저자는 호흡주기에 따른 장기의 움직임을 최소로 하고 종양이 같은 위치와 크기에서 즉 호흡주기의 동기 상태에서 Simulation을 시행하여 최적화된 치료계획을 수립한 후 동일한 호흡주기 조건하에서 방사선조사를 할 수 있는 호흡 동기 방사선 치료기구를 고안, 제작하였다.
치료계획 징.치 (AcQ-Plan, Marconi, USA과 Pinnacle TPS, ADAC, USA)로 전송되어 최적한 방사선분포가 되도록 즉, 주위 건강조직을 보호하면서 종양 모양대로 집중조사 할 수 있는 최적 입체방사선분포가 될 때까지 방사선의 에너지와 선량의 크기, 조사면의 모양에 따른 다엽콜리메이터의 위치, 병소의 관찰방향, 방사선의 조사방향(beam's eye view:BEV) 과조사 횟수 등을 결합하여 최대 치료효과가 예상되는 치료 선량 계획을 확립하였다
치료계획의 평가는 호흡동기 치료기구의 사용유무에 따른 PTV의 크기에 따라 최적 선량분포를 구사하였으며, 각각의 입체 선량체적표(DVH)와 종양억제확률(TCP), 건강조직손상확률(NTCP) 및 선량통계자료를 도출 비교하였다.
치료계획의 평가는 호흡동기 치료기구의 사용유무에 따른 PTV의 크기에 따라 최적 선량분포를 구사하였으며, 각각의선량체적표(DVH)와 종양억 제확률QCP), 건강조직 손상확률 (NTCP) 및 선량통계자료를 도출 비교하였으며 선량증강 효과(dose escalation)를 예측하여 암환자들의 호흡동기방사선입체조형치료를 원활히 수행할 수 있도록 모든 기초자료를 확보하였다.
폐암 환자를 상대로 인체 윤곽과 폐의 크기 및 종양의 모양을 표시하고 이를 3차원치료계획장치 (3D-RTP, Pinnacle) 에입력시켜 모의 치료계획을 실시하였다. 대부분이 앞 뒤 및 옆면의 3문 조사방법을 택하였으며, 조사면은 7 cmX8 cm이고 선량은 60 Gy로 환자상태에 따라 선량을 부여하였다.
시도하고자 하였다. 폐암환자 5명을 대상으로 하여 모의치료(X-선 simulation)시에 횡경막의 이동거리를 확인하는 방법으로 내부 장기의 운동을 조사하였다.
호흡동기 방사선 입체조형치료를 계획하기 위하여 폐암 환자에 호흡동기기구를 장치하고 배기 상태에서 호흡이 일시 정지되는 동안에 CT-scam을 실시하고 CT-simulator에서 3차원 영상으로 재구성하며 해부학적 영상단면을 보면서 종양의 임상표적체적(CTV)을 묘사한다(Fig. 9).
호흡동기 방사선치 료를 시 행함으로서 자유호흡(fEe respiration)시 보다 계획용표적체적(PTV)의 치료 마진(margin)을 1~ 2 cm씩 줄일 수 있어 치료성과를 높이고 이것으로 인한 방사선 치료성과를 통계적으로 평가 하였다.
때만 방사선이 조사되도록 제작하였다. 호흡동기방사선 치료기구를 다엽콜리메이터(multi-leaf collimator: MLC)가 장착된 고성능 방사선 치료장치에 적용하였으며 다기능 3차원 치료계획용 컴퓨터를 이용하여 종양 모양대로 종양 위치에 따라 방사선을 집중조사 시킬 수 있는 호흡동기방사선입체 조형치료 방법 (respiration gated conformal radiotherapy: RG-CRT)을 개발하였다.
호흡동기방사선치료방법에 대한 치료효과를 예측하기 위하여 내부장기의 움직임이 거의 없는 정지상태와 호흡을 배려한 마진으로 PTV를 설정하고 각 조직에 해당하는 건강조직손상확률과 종양치 유확률 등을 호흡동기 방사선치료 유무에 따른 확률적 계산으로 치료효과를 평가하였다.
호흡으로 인한 종양과 내부장기의 위치변동을 최소화하기 위해서 벨트를 사용하여 호흡주기에 따른 위치변동 감지 센서를 제작하고 종양의 위치가 일정할 때만 방사선이 조사되는 호흡동기방사선치료기구(RGRD)를 고안 제작하였으며, 이는 간편한 벨트(belt)형 장구로서 setup이 쉽고 호흡에 의한 복부 변위에 민감(<2 mm)하며 장기의 부동상태를 환자와 방사선 발생 장치에 정확히 전달할 수 있었다.
환자는 처음부터 호흡동기방사선치료를 목적으로 일정한. 호흡주기에서 X-선 조준촬영과 3차원 조형 치료를 위한 CT-simulation을 실시하였으며 호흡으로 인한 장기의 움직임을 관찰하고 체적변화에 따른 방사선의 분포를 측정 비교하였다
본 연구에서는 호흡운동이 정지된 상태에서만 치료계획을 하고 방사선을 조사하기 때문에 정밀한 이동측정은 필요 없으며 다만 자유 호흡 시 최대 변위 상태에서 선량계획을 비교 분석하기 위하여 장기의 변위 차이가 제일 큰 상하{Inferior & superior) 이동거리를 측정하였다. 환자를 X-선 조준장치(x-simulator)인 Ximatron (Varian, 미국)의 침대 위에 앙와위 자세에서 고정시키고 제작된 호흡동기형 밴드센서를 부착한 후 연속 투시 촬영 장치(cine fluoroscope)로 구별이 쉬운 횡격막을 중심으로 연속 촬영하였고 영상분석장치QGmavision, Varian, 미국)에 의하여 횡격막의 위치변동을 측정하였으며 내부장기의 운동은횡경막의 이동거리에 준하여 평가하였다.
환자를 spiral-CT 침대 위에 치료시의 자세와 똑같이 고정시키고 제작된 호흡동기형 밴드센서를 부착한 후 레이저 빔에 의한 중심점(isocenter)과 변위가 적은 뼈부위에 납알과 매직펜으로 표시(land marking)를 하고 호흡이 정지되는 동안 고속 주사를 실시하며 조사면이 클 경우 전신을 3~5단으로 나누어 같은 호흡위치에서 주사하여 합성하였다.
환자의 호흡주기는 Fig. 4와 같이 약 3~5초이며 배기 상태가 흡입시간보다 1~1.5배 길기 때문에 배기 상태에서 의식적으로 호흡을 약간 조절할 수 있으며 환자로 하여금 Beam on 상태의 파이럿 램프가 켜지면 고의적으로 같은 위치가 지속 되도록 호흡을 약간 길게 멈추도록 하였다.
대상 데이터
me 선량 생존곡선의 기울기 즉, 선량민감도에 해당하는 상수이며, n값은 체적인자{volume factor)이다. 인체의 장기에 대한 n과 이의 값은 인체의 임상적 자료(Emami's data)에 근거하여 Burman 등이 제시한 값들을 사용하였다.
호흡에 의한 종양의 위치가 가장 많이 변하는 흉곽 부위의 폐종양을 상대로 연구하였으며 움직일 수 있는 팬텀을 대신하여 Table 1과 같이 종양이 비교적 작고 전이가 없는 (TiNoMo) 폐암환자들로서 종양의 위치가 서로 다른 5명의 환자를 선택하였다. 환자는 처음부터 호흡동기방사선치료를 목적으로 일정한.
이론/모형
정상조직손상확률(NTCP)은 조직의 손상률을 선량과 체적의 함수로서 시그모이드형 (sigmoidal shape)의 반응곡선으로 평가하며 이는 수학의 오차함수(error function) 형식으로 수식화하여 계산하였다.
성능/효과
본 연구에 이용한 3차원 치료계획장치는 방사선과 물질의 상호작용을 근거로 하는 이론식과 실측에 의한 상수를 결합시킨 실험수식(Monte Carlo, convolution, differential pencil beam)을 사용함으로써 입체방사선량분포를 정확하고 신속하게 계산할 수 있었다.
호흡동기 방사선치료기구를 사용함으로서 호흡 변동을 고려한 종양페, 간) 치료계획표적(PTV)의 마진을 약 2 cm까지축소시킬 수 있어 조직손상확률(NTCP) 감소와 선량 증강 효과를 기대할 수 있으며 장기의 부동은 종양모양에 맞춘 입체 조형 치료의 정확한 조준이 보장되고 선량강도를 세분화한강도변조 방사선조형치 료(intensity modulated confonnal radiation therapy: IM-CRT)에도 치료효과를 향상시킬 수 있었다.
호흡에 의한 폐조직의 변위는 상하운동이 가장 크고 이는 호흡에 의한 횡경막의 운동으로 결정할 수 있으며 X-선 연속 투시촬영장치(cinefluorography)에서 횡경막의 상하이동은 1.4 cm에서 L6 cm로 평균 1.5 cm로 측정되었으며 상복부에서 (upper abdominal region) 그 움직임이 매우 크게 나타났다.
후속연구
또한 3차원 방사선입체조형치료를 위한 공간 개념과 조직에 대한 방사선 에너지의 입체적 전환 과정을 수학적 식으로 유도하며 컴퓨터 프로그램을 개발하고 입체도형에 대한그래픽 등 전산 소프트웨어(S/W)의 개발로 영상, 도형 등 입체적인 암의 발생 부위의 진단과 수학적인 입체선량계획 등 암의 진단, 치료에 상당한 도움을 주어 암 퇴치에 크게 공헌할 것으로 생각된다.
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