목적: 호흡동기치료, 호흡조절 방사선치료 등 호흡에 관련된 치료법의 연구를 위해 열전쌍마스크(Respiration Monitoring Mask: ReMM)를 이용한 호흡모사팬톰을 개발하였다. 대상 및 방법: 호흡신호에 따라 실시간으로 움직이는 호흡모사팬톰을 제작하였다. 열전쌍으로 환자의 호흡을 측정하고, 측정된 호흡 신호와 장기의 움직임을 비교 분석하여 팬톰의 성능을 평가하였다. 환자의 호흡 측정에는 본 원에서 개발한 ReMM을 사용하였으며, 호흡모사팬톰의 운동은 $RPM^{(R)}$(Real-time Position Management, Varian, USA)으로 측정하였다. 횡격막 부위의 장기 운동을 확인하기 위하여 X-선 투시기를 사용하였다. 결과: X-선 투시영상과 $RPM^{(R)}$으로 관찰한 장기의 움직임을 ReMM으로 측정한 호흡 신호와 비교했을 경우, 각각 표준편차 9.68% 및 8.53% 이내에서 일치하였다. 호흡 신호에 따른 팬톰 운동의 오차는 호흡진폭에 대하여 표준편차 8.52%이내에서 일치하였다. 결론: ReMM은 환자가 호흡을 하는데 불편함이 없었고, 열전쌍에서 발생되는 호흡 신호를 이용한 호흡모사 팬톰은 장기의 운동을 실시간으로 잘 모사하였다. 호흡모사전통은 호흡동기치료 등 다양한 치료법의 평가에 응용할 수 있을 것으로 기대한다.
목적: 호흡동기치료, 호흡조절 방사선치료 등 호흡에 관련된 치료법의 연구를 위해 열전쌍마스크(Respiration Monitoring Mask: ReMM)를 이용한 호흡모사팬톰을 개발하였다. 대상 및 방법: 호흡신호에 따라 실시간으로 움직이는 호흡모사팬톰을 제작하였다. 열전쌍으로 환자의 호흡을 측정하고, 측정된 호흡 신호와 장기의 움직임을 비교 분석하여 팬톰의 성능을 평가하였다. 환자의 호흡 측정에는 본 원에서 개발한 ReMM을 사용하였으며, 호흡모사팬톰의 운동은 $RPM^{(R)}$(Real-time Position Management, Varian, USA)으로 측정하였다. 횡격막 부위의 장기 운동을 확인하기 위하여 X-선 투시기를 사용하였다. 결과: X-선 투시영상과 $RPM^{(R)}$으로 관찰한 장기의 움직임을 ReMM으로 측정한 호흡 신호와 비교했을 경우, 각각 표준편차 9.68% 및 8.53% 이내에서 일치하였다. 호흡 신호에 따른 팬톰 운동의 오차는 호흡진폭에 대하여 표준편차 8.52%이내에서 일치하였다. 결론: ReMM은 환자가 호흡을 하는데 불편함이 없었고, 열전쌍에서 발생되는 호흡 신호를 이용한 호흡모사 팬톰은 장기의 운동을 실시간으로 잘 모사하였다. 호흡모사전통은 호흡동기치료 등 다양한 치료법의 평가에 응용할 수 있을 것으로 기대한다.
Purpose: To develop the respiration simulating phantom with thermocouple for evaluating 4D radiotherapy such as gated radiotherapy breathing control radiotherapy and dynamic tumor tracking radiotherapy. Materials and Methods: The respiration monitoring mask(ReMM) with thermocouple was developed to m...
Purpose: To develop the respiration simulating phantom with thermocouple for evaluating 4D radiotherapy such as gated radiotherapy breathing control radiotherapy and dynamic tumor tracking radiotherapy. Materials and Methods: The respiration monitoring mask(ReMM) with thermocouple was developed to monitor the patient's irregular respiration. The signal from ReMM controls the simulating phantom as organ motion of patients in real-time. The organ and the phantom motion were compared with its respiratory curves to evaluate the simulating phantom. ReMM was used to measure patients' respiration, and the movement of simulating phantom was measured by using $RPM^{(R)}$. The fluoroscope was used to monitor the patient's diaphragm motion. relative to the organ motion, respectively. The standard deviation of discrepancy between the respiratory curve and the organ motion was 8.52% of motion range. Conclusion: Patients felt comfortable with ReMM. The relationship between the signal from ReMM and the organ motion shows strong correlation. The phantom simulates the organ motion in real-time according to the respiratory signal from the ReMM. It is expected that the simulating phantom with ReMM could be used to verify the 4D radiotherapy.
Purpose: To develop the respiration simulating phantom with thermocouple for evaluating 4D radiotherapy such as gated radiotherapy breathing control radiotherapy and dynamic tumor tracking radiotherapy. Materials and Methods: The respiration monitoring mask(ReMM) with thermocouple was developed to monitor the patient's irregular respiration. The signal from ReMM controls the simulating phantom as organ motion of patients in real-time. The organ and the phantom motion were compared with its respiratory curves to evaluate the simulating phantom. ReMM was used to measure patients' respiration, and the movement of simulating phantom was measured by using $RPM^{(R)}$. The fluoroscope was used to monitor the patient's diaphragm motion. relative to the organ motion, respectively. The standard deviation of discrepancy between the respiratory curve and the organ motion was 8.52% of motion range. Conclusion: Patients felt comfortable with ReMM. The relationship between the signal from ReMM and the organ motion shows strong correlation. The phantom simulates the organ motion in real-time according to the respiratory signal from the ReMM. It is expected that the simulating phantom with ReMM could be used to verify the 4D radiotherapy.
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문제 정의
15~26) 이러한 치료법의 개발 및 평가를 위해서는 호흡에 의한 장기 움직임의 정량적 측정이 필수적이다27,28) 환자를 직접 평가하기는 어렵기 때문에 치료 전 움직이는 팬톰을 이용한 모의평가가 필수적으로 요구되고 있으나 기존의 팬톰은 환자의 호흡 정보와 관계없이 규칙적으로 움직이므로 실제의 호흡 운동을 실시간으로 반영하지 못하였다. 본 연구에서 는 호흡동기 방사선치 료와 병 소추적 방사선치료의 정량적 평가를 위하여 실시간으로 개별 환자의 불규칙적인 호흡에 의한 장기의 움직임을 모사할 수 있는 호흡모사 팬톰을 열전 쌍마스크(Respiration Monitoring Mask with ther mocouple: ReMM)를 이용하여 개발하였으며 ReMM의 신호와 호흡모사팬톰의 운동과 장기운동의 상관관계를 분석하였다.
가설 설정
(A) Comparison of respiratory curves measured by the respiration monitoring mask and the phantom motion measure by RPM® for case 3. (B) The relationship between the respiration and the phantom motion shows strong correlation.
제안 방법
(C)는 (B)의 출력된 디지털신호에 따라 움직이는 팬톰을 RPM®으로 측정한 곡선이다. (A)와 (C) 의곡선을 최대진폭에 일반화시켜 각각의 환자마다 곡선의 일치성을 비교하여 분석하였다. Fig.
열전쌍으로 측정한 호흡신호는 프로그램에서 100 Hz의 표본화로 분석하였다. 3명의 폐암환자를 대상으로 호흡에 따른 열전쌍의 온도변화 측정과 X-선 투시검사(fluoroscopy)를 동시에 시행하였다. 호흡에 의한 장기의 움직 임의 크기와 형태는 환자마다 다르고 위치마다 다르기 때문에 환자의 호흡을 열전쌍으로 측정하는 동시에 관심 부위를 X-선 투시기 (Acuity, Varian, USA)를 이용하여 30 Hz의 표본화로 투시영상을 획득하고 관심 횡격막의 움직임을 정량적으로 측정하였다.
Program developed to measure the respiration and control the phantom: Control panel is on the left side of the window. The program is designed to control the simulating phantom and to be used for gated radiation therapy. When the signals from the thermocouple is transferred to the computer, the program generates the digital signal to control the servo motor in the phantom in real-time.
도출된 함수를 이용하여 열전쌍의 온도변화를 장기의 움직인 거리로 환산해 주어 온도변화와 움직임을 직접 비교할 수 있었다. 또한 RPM® (Real time Position Management, Varian, USA)을 이용하여 호흡모사팬톰의 움직임을 측정하여 호흡모사팬톰의 정확성을 평가하였다. 호흡에 의한 열전쌍의 신호와.
2). 열전쌍으로 측정한 호흡신호는 프로그램에서 100 Hz의 표본화로 분석하였다. 3명의 폐암환자를 대상으로 호흡에 따른 열전쌍의 온도변화 측정과 X-선 투시검사(fluoroscopy)를 동시에 시행하였다.
호흡에 의한 열전쌍의 신호와.장기 움직임의 상관관계를 분석하였고, 분석된 장기의 움직임을 호흡모팬톰이 모사하도록 프로그램하였다.
호흡모사팬톰의 성능을 평가하기 위해 ReMM 으로 측정한 호흡신호와 팬톰의 운동을 비교하였고, 호흡에 의한 온도 변화폭과 장기운동 진폭의 함수관계를 각각의 환자마다 최소자승법을 이용하여 도출하였다. 팬 톰의 운동을 호흡에 따른 장기의 운동과 일치하도록 이 함수를 구동 프로그램에 적용하였다. 이때 장기운동의 크기는 투시 영상에서 확인하였다.
횡격막의 움직임은 종축 방향(craniocaudal direc-tion)의 1차원적 움직임만을 고려하였다. 팬톰이 장기의 운동을 정확히 모사하기 위해서는 호흡을 측정하는 ReMM이장기의 움직임을 잘 반영하여야 하므로, ReMM에서 얻은 호흡 신호와 X-선 투시기에서 얻은 장기의 움직임을 비교분석하였다. 호흡모사팬톰의 성능을 평가하기 위해 ReMM 으로 측정한 호흡신호와 팬톰의 운동을 비교하였고, 호흡에 의한 온도 변화폭과 장기운동 진폭의 함수관계를 각각의 환자마다 최소자승법을 이용하여 도출하였다.
팬톰이 장기의 운동을 정확히 모사하기 위해서는 호흡을 측정하는 ReMM이장기의 움직임을 잘 반영하여야 하므로, ReMM에서 얻은 호흡 신호와 X-선 투시기에서 얻은 장기의 움직임을 비교분석하였다. 호흡모사팬톰의 성능을 평가하기 위해 ReMM 으로 측정한 호흡신호와 팬톰의 운동을 비교하였고, 호흡에 의한 온도 변화폭과 장기운동 진폭의 함수관계를 각각의 환자마다 최소자승법을 이용하여 도출하였다. 팬 톰의 운동을 호흡에 따른 장기의 운동과 일치하도록 이 함수를 구동 프로그램에 적용하였다.
3명의 폐암환자를 대상으로 호흡에 따른 열전쌍의 온도변화 측정과 X-선 투시검사(fluoroscopy)를 동시에 시행하였다. 호흡에 의한 장기의 움직 임의 크기와 형태는 환자마다 다르고 위치마다 다르기 때문에 환자의 호흡을 열전쌍으로 측정하는 동시에 관심 부위를 X-선 투시기 (Acuity, Varian, USA)를 이용하여 30 Hz의 표본화로 투시영상을 획득하고 관심 횡격막의 움직임을 정량적으로 측정하였다. 횡격막의 움직임은 종축 방향(craniocaudal direc-tion)의 1차원적 움직임만을 고려하였다.
*) 마스크의 역할은 무 호흡 시 외부 온도에 의하여 마스크 내부 온도가 변하는 것을 방지해주어 호흡에 의한 온도 변화만을 측정하도록 하는 것이다. 호흡의 들숨과 날숨에 의한 온도 차에 의해 열전쌍에서 발생되는 전압신호는 전치증폭기 (AD597, Analog Device, USA)에서 증폭되고, 증폭된 신호는 데이터수집보드(DAQ 6024E, National Instruments, USA)로 전달되어 컴퓨터에서 환자의 호흡 신호를 분석한다. 동시에 컴퓨터에서는 팬톰을 동작시키기 위한 디지털신호가 서보모터 (servo motor, Mabuchi, Japan) 제어회로에 전달된다(Fig.
환자의 호흡을 정량적으로 측정하기 위하여 Fig. 1과 같이 열전쌍(thermocouple, k-type)을 마스크(N-7000, 우리텍, 한국) 내부에 장착한 ReMM을 고안하였다. 열전쌍은 시간에 따른 호흡량의 변화를 실시간으로 측정하기에 충분히 반응시간이 짧고 다루기가 쉬우며 비용이 저렴하다는 장점이 있다.
호흡에 의한 장기의 움직 임의 크기와 형태는 환자마다 다르고 위치마다 다르기 때문에 환자의 호흡을 열전쌍으로 측정하는 동시에 관심 부위를 X-선 투시기 (Acuity, Varian, USA)를 이용하여 30 Hz의 표본화로 투시영상을 획득하고 관심 횡격막의 움직임을 정량적으로 측정하였다. 횡격막의 움직임은 종축 방향(craniocaudal direc-tion)의 1차원적 움직임만을 고려하였다. 팬톰이 장기의 운동을 정확히 모사하기 위해서는 호흡을 측정하는 ReMM이장기의 움직임을 잘 반영하여야 하므로, ReMM에서 얻은 호흡 신호와 X-선 투시기에서 얻은 장기의 움직임을 비교분석하였다.
이론/모형
팬톰에 설치된 서보모터는 호흡 신호에 따라 장기의 움직임을 정량적으로 모사할 수 있도록 고안되었다. 호흡신호를 획득하고 호흡모사팬톰을 구동시 키기 위한 소프트웨어는 Labview 7.0 (National Instru ments, USA)를 사용하여 구현하였다(Fig. 2). 열전쌍으로 측정한 호흡신호는 프로그램에서 100 Hz의 표본화로 분석하였다.
성능/효과
4B의 함수관계에 있음을 보이고 있었다. X-선 투시영상과 RPM®으로 관찰한 장기의 움직임은 ReMM으로 측정한 호흡신호와 비교하여 각각 표준편차 9.68% 및 8.53%로 일치하였다. 호흡신호에 따른 팬 톰 운동의 오차는 호흡진폭에 대하여 표준편차 8.
이때 장기운동의 크기는 투시 영상에서 확인하였다. 도출된 함수를 이용하여 열전쌍의 온도변화를 장기의 움직인 거리로 환산해 주어 온도변화와 움직임을 직접 비교할 수 있었다. 또한 RPM® (Real time Position Management, Varian, USA)을 이용하여 호흡모사팬톰의 움직임을 측정하여 호흡모사팬톰의 정확성을 평가하였다.
그러나 RPM®을 이용하여 장기의 움직임을 예측하고자 한다면 RPM® 표적(target)을 항상 같은 위치에 놓아야 재현성을 확보할 수 있다. 본 연구에서 사용한 열전쌍은 0.1 초 이하의 짧은 반응시간과 좋은 재현성을 가지고 있어 4D 방사선치료를 위한 호흡측정에 유용하다고 판단된다. 폐활량계는 폐 속의 공기 양을 측정하기 위하여 호흡의 완전배기 시 공기의 양이 자동적으로 보정이 되기 때문에 수초간 호흡의 변화가 없다가 호흡의 변화가 감지되는 순간 현재의 공기량을 0 L로 보정한다.
열전쌍에서 출력되는 신호에 따라 호흡모사팬톰은 실시간으로 횡격막의 움직임을 잘 모사하였다. 본 연구에서 호흡모사팬톰의 움직임은 등속 1차원 운동으로만 한정되었으나 급격한 호흡변화 시에도 10% 이내의 오차로 호흡신호와 호흡모사팬톰의 움직 임이 일치함을 보였다. 추후 호흡모사팬톰의 구동부를 개선한다면 호흡의 완만함과 급격함을 3차원적으로 정확히 모사하여 오차를 크게 줄일 수 있을 것으로 생각된다.
따라서 폐활량계를 이용하면 환자의 호흡이 불규칙할 경우, 장기위치에 대한 왜곡된 정보를 제공한다. 이러한 기존 폐활량계의 문제와 코를 막고 입으로만 호흡을 하는데 있어서 불편함29~35)을 보완한 ReMM을 사용하여 환자가 코와 입으로 자유롭게 호흡을 할 수 있었으며 불규칙한 호흡 시에도 호흡량을 정량적으로 측정할 수 있었다. 열전쌍에서 출력되는 신호에 따라 호흡모사팬톰은 실시간으로 횡격막의 움직임을 잘 모사하였다.
후속연구
추후 호흡모사팬톰의 구동부를 개선한다면 호흡의 완만함과 급격함을 3차원적으로 정확히 모사하여 오차를 크게 줄일 수 있을 것으로 생각된다. ReMM을이 용한 호흡모사팬톰은 호흡동기 방사선치 료와 병 소추적 방사선치료를 시행하기 위한 치료평가와 연구에 이용될 수 있을 것으로 기대한다.
본 연구에서 호흡모사팬톰의 움직임은 등속 1차원 운동으로만 한정되었으나 급격한 호흡변화 시에도 10% 이내의 오차로 호흡신호와 호흡모사팬톰의 움직 임이 일치함을 보였다. 추후 호흡모사팬톰의 구동부를 개선한다면 호흡의 완만함과 급격함을 3차원적으로 정확히 모사하여 오차를 크게 줄일 수 있을 것으로 생각된다. ReMM을이 용한 호흡모사팬톰은 호흡동기 방사선치 료와 병 소추적 방사선치료를 시행하기 위한 치료평가와 연구에 이용될 수 있을 것으로 기대한다.
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