로봇사이버나이프를 이용한 간 종양의 실시간 움직임 측정과 방사선수술 시 호흡추적장치의 정확성 평가 Evaluation of Real-time Measurement Liver Tumor's Movement and $Synchrony^{TM}$ System's Accuracy of Radiosurgery using a Robot CyberKnife원문보기
목 적: 본 연구에서는 로봇 사이버나이프의 호흡추적장치($Synchrony^{TM}$ Respiratory motion tracking system)을 이용하여 방사선수술을 시행한 간 종양환자를 대상으로 치료 중 실시간 종양의 움직임을 정량적으로 측정하고 방사선 수술시 호흡추적장치의 정확성을 평가하고자 한다. 대상 및 방법: 사이버나이프 치료를 시행한 간 종양 환자 24명을 대상으로 호흡추적 장치를 이용하여 총 64회의 시술을 시행하였다. 모든 환자에서 초음파를 이용하여 간 종양 근처에 $4{\sim}6$개의 금침을 삽입하였고 치료계획용 컴퓨터 단층촬영 영상을 이용하여 치료계획을 세웠다. 매 치료 시 금침의 위치는 치료계획 시 만들어진 디지털 재구성 방사선 영상(Digitally Reconstructed Radiography; DRR)과 실시간으로 촬영되어진 방사선영상(X-ray image)으로 확인하고, 이 결과를 MTS (Motion Tracking System)을 통해 Mtsmain.log 치료파일 형식으로 저장하여 종양의 움직임을 측정하였다 또한 사이버나이프를 이용한 방사선 수술 시 호흡추적장치의 정확성은 실시간 금침의 위치와 미리 예측된 좌표 사이의 상관관계 오차(Correlation Error)로 평가하였다. 결 과: 간 종양의 직선형태 움직임은 SI (Superior-Inferior)방향으로 최대 23.5 mm, 평균 $13.9{\pm}5.5\;mm$, LR (Left-Right)방향으로 최대 3.9 mm, 평균 $1.9{\pm}0.9\;mm$, AP (Anterior-Posterior)방향으로 최대 8.3 mm, 평균 $4.9{\pm}1.9\;mm$였으며 간 종양의 회전 운동 정도는 X (Left-Right)축 회전은 최대 $3.3^{\circ}$, 평균 $2.6{\pm}1.3^{\circ}$, Y (Cranio-Caudal)축회전은 최대 $4.8^{\circ}$, 평균 $2.3{\pm}1.0^{\circ}$, Z (Anterior-Posterior)축 회전은 최대 $3.9^{\circ}$, 평균 $2.8{\pm}1.1^{\circ}$로 측정되었다. 또한 치료의 정확성을 평가하는 상관관계 오차는 평균 $1.1{\pm}0.7\;mm$였다. 결 론: 본 연구에서 방사선 수술 중 간 종양의 실시간 움직임을 정량적으로 확인할 수 있었고 로봇 사이버나이프의 호흡추적 장치를 이용한 방사선 수술의 정확성을 평가할 수 있었다 이를 토대로 간 종양의 방사선 수술이나 일반적인 방사선치료에 있어서 치료용적의 결정과 움직임에 대한 유용한 정보를 제공할 것이라 생각된다.
목 적: 본 연구에서는 로봇 사이버나이프의 호흡추적장치($Synchrony^{TM}$ Respiratory motion tracking system)을 이용하여 방사선수술을 시행한 간 종양환자를 대상으로 치료 중 실시간 종양의 움직임을 정량적으로 측정하고 방사선 수술시 호흡추적장치의 정확성을 평가하고자 한다. 대상 및 방법: 사이버나이프 치료를 시행한 간 종양 환자 24명을 대상으로 호흡추적 장치를 이용하여 총 64회의 시술을 시행하였다. 모든 환자에서 초음파를 이용하여 간 종양 근처에 $4{\sim}6$개의 금침을 삽입하였고 치료계획용 컴퓨터 단층촬영 영상을 이용하여 치료계획을 세웠다. 매 치료 시 금침의 위치는 치료계획 시 만들어진 디지털 재구성 방사선 영상(Digitally Reconstructed Radiography; DRR)과 실시간으로 촬영되어진 방사선영상(X-ray image)으로 확인하고, 이 결과를 MTS (Motion Tracking System)을 통해 Mtsmain.log 치료파일 형식으로 저장하여 종양의 움직임을 측정하였다 또한 사이버나이프를 이용한 방사선 수술 시 호흡추적장치의 정확성은 실시간 금침의 위치와 미리 예측된 좌표 사이의 상관관계 오차(Correlation Error)로 평가하였다. 결 과: 간 종양의 직선형태 움직임은 SI (Superior-Inferior)방향으로 최대 23.5 mm, 평균 $13.9{\pm}5.5\;mm$, LR (Left-Right)방향으로 최대 3.9 mm, 평균 $1.9{\pm}0.9\;mm$, AP (Anterior-Posterior)방향으로 최대 8.3 mm, 평균 $4.9{\pm}1.9\;mm$였으며 간 종양의 회전 운동 정도는 X (Left-Right)축 회전은 최대 $3.3^{\circ}$, 평균 $2.6{\pm}1.3^{\circ}$, Y (Cranio-Caudal)축회전은 최대 $4.8^{\circ}$, 평균 $2.3{\pm}1.0^{\circ}$, Z (Anterior-Posterior)축 회전은 최대 $3.9^{\circ}$, 평균 $2.8{\pm}1.1^{\circ}$로 측정되었다. 또한 치료의 정확성을 평가하는 상관관계 오차는 평균 $1.1{\pm}0.7\;mm$였다. 결 론: 본 연구에서 방사선 수술 중 간 종양의 실시간 움직임을 정량적으로 확인할 수 있었고 로봇 사이버나이프의 호흡추적 장치를 이용한 방사선 수술의 정확성을 평가할 수 있었다 이를 토대로 간 종양의 방사선 수술이나 일반적인 방사선치료에 있어서 치료용적의 결정과 움직임에 대한 유용한 정보를 제공할 것이라 생각된다.
Purpose: This study aimed to quantitatively measure the movement of tumors in real-time and evaluate the treatment accuracy, during the treatment of a liver tumor patient, who underwent radiosurgery with a Synchrony Respiratory motion tracking system of a robot CyberKnife. Materials and Methods: The...
Purpose: This study aimed to quantitatively measure the movement of tumors in real-time and evaluate the treatment accuracy, during the treatment of a liver tumor patient, who underwent radiosurgery with a Synchrony Respiratory motion tracking system of a robot CyberKnife. Materials and Methods: The study subjects included 24 liver tumor patients who underwent CyberKnife treatment, which included 64 times of treatment with the Synchrony Respiratory motion tracking system ($Synchrony^{TM}$). The treatment involved inserting 4 to 6 acupuncture needles into the vicinity of the liver tumor in all the patients using ultrasonography as a guide. A treatment plan was set up using the CT images for treatment planning uses. The position of the acupuncture needle was identified for every treatment time by Digitally Reconstructed Radiography (DRR) prepared at the time of treatment planning and X-ray images photographed in real-time. Subsequent results were stored through a Motion Tracking System (MTS) using the Mtsmain.log treatment file. In this way, movement of the tumor was measured. Besides, the accuracy of radiosurgery using CyberKnife was evaluated by the correlation errors between the real-time positions of the acupuncture needles and the predicted coordinates. Results: The maximum and the average translational movement of the liver tumor were measured 23.5 mm and $13.9{\pm}5.5\;mm$, respectively from the superior to the inferior direction, 3.9 mm and $1.9{\pm}0.9mm$, respectively from left to right, and 8.3 mm and $4.9{\pm}1.9\;mm$, respectively from the anterior to the posterior direction. The maximum and the average rotational movement of the liver tumor were measured to be $3.3^{\circ}$ and $2.6{\pm}1.3^{\circ}$, respectively for X (Left-Right) axis rotation, $4.8^{\circ}$ and $2.3{\pm}1.0^{\circ}$, respectively for Y (Crania-Caudal) axis rotation, $3.9^{\circ}$ and $2.8{\pm}1.1^{\circ}$, respectively for Z (Anterior-Posterior) axis rotation. In addition, the average correlation error, which represents the treatment's accuracy was $1.1{\pm}0.7\;mm$. Conclusion: In this study real-time movement of a liver tumor during the radiosurgery could be verified quantitatively and the accuracy of the radiosurgery with the Synchrony Respiratory motion tracking system of robot could be evaluated. On this basis, the decision of treatment volume in radiosurgery or conventional radiotherapy and useful information on the movement of liver tumor are supposed to be provided.
Purpose: This study aimed to quantitatively measure the movement of tumors in real-time and evaluate the treatment accuracy, during the treatment of a liver tumor patient, who underwent radiosurgery with a Synchrony Respiratory motion tracking system of a robot CyberKnife. Materials and Methods: The study subjects included 24 liver tumor patients who underwent CyberKnife treatment, which included 64 times of treatment with the Synchrony Respiratory motion tracking system ($Synchrony^{TM}$). The treatment involved inserting 4 to 6 acupuncture needles into the vicinity of the liver tumor in all the patients using ultrasonography as a guide. A treatment plan was set up using the CT images for treatment planning uses. The position of the acupuncture needle was identified for every treatment time by Digitally Reconstructed Radiography (DRR) prepared at the time of treatment planning and X-ray images photographed in real-time. Subsequent results were stored through a Motion Tracking System (MTS) using the Mtsmain.log treatment file. In this way, movement of the tumor was measured. Besides, the accuracy of radiosurgery using CyberKnife was evaluated by the correlation errors between the real-time positions of the acupuncture needles and the predicted coordinates. Results: The maximum and the average translational movement of the liver tumor were measured 23.5 mm and $13.9{\pm}5.5\;mm$, respectively from the superior to the inferior direction, 3.9 mm and $1.9{\pm}0.9mm$, respectively from left to right, and 8.3 mm and $4.9{\pm}1.9\;mm$, respectively from the anterior to the posterior direction. The maximum and the average rotational movement of the liver tumor were measured to be $3.3^{\circ}$ and $2.6{\pm}1.3^{\circ}$, respectively for X (Left-Right) axis rotation, $4.8^{\circ}$ and $2.3{\pm}1.0^{\circ}$, respectively for Y (Crania-Caudal) axis rotation, $3.9^{\circ}$ and $2.8{\pm}1.1^{\circ}$, respectively for Z (Anterior-Posterior) axis rotation. In addition, the average correlation error, which represents the treatment's accuracy was $1.1{\pm}0.7\;mm$. Conclusion: In this study real-time movement of a liver tumor during the radiosurgery could be verified quantitatively and the accuracy of the radiosurgery with the Synchrony Respiratory motion tracking system of robot could be evaluated. On this basis, the decision of treatment volume in radiosurgery or conventional radiotherapy and useful information on the movement of liver tumor are supposed to be provided.
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문제 정의
본 연구는 사이버나이프를 이용하여 간 종양의 움직임을 보다 정량적으로 측정하여 방사선수술에 있어 치료계획범위 결정에 도움을 주고 간 종양 방사선 수술에 이용되 는 사이버 나이프 호흡추적 장치의 정확성을 평가하고자 한다.
본 연구에서는 사이버나이프의 호흡추적 장치(Synchrony114) 를 이용하여 간 종양의 움직임과 방사선 수술 시 호흡추장치의 정확성을 분석하였다. 간 움직임에 대해서 Shimizu 등 은 누운 상태의 환자가 정상 호흡 하에 MRI로 간 종양을촬영한 결과 평균적으로 SI (Superior-Inferior)방향으로 21 mm, LR (Left-Right) 방향으로 9 nun, AP (Anterior-Posterior)방향으로 8 mm의 이동이 있었다고 보고하였으며, Weiss 등 은 호흡상태에 따라 간의 위치가 12-75 nun까지 움직인다고 보고 하였다.
유의 있게 크게 나타난다고 보고하였다. 본 연구에서는 이런 여러가지 요인에 따른 분석을 시행하지는 않았으나 향후 유의 있는 요소를 분석하고 평가해 보고자 한다.
제안 방법
측정하였다. 간 종양의 사이버나이프 수술을 한 환자들은 총 선량은 24~52 Gy로 3~4회 분할하였으며 각각의 환자들의 방사선 수술 시 평균 방사선 빔 수는 242개로 조사를 실시 하였다(Fig. 1). 본 연구에서는 63회의 치료 결과로 움직임과 수술의 정확성을 분석하였다.
간 종양의 움직임을 정량적으로 평가하기 위해서 매번 방사선 빔을 조사할 때 마다 방사선 영상을 획득하여 금침좌표를 계산하고 MTS (Motion Tracking System)을 통해 얻어진 Mtsmalog파일을 분석하였다. 종양의 위치를 SI (Superior- Inferior)방향, LR (Left-Right)방향, AP (Anterior-Posterior)방향의 직선방향 및 X (Left-Right) 축, Y (Cranio-Caudal) 축, Z (Anterior-Posterior)축 회전 움직 임을 측정하였고, 이 결과값을 이용하여 각각의 평균 움직임과 벡터 값을 측정하였다.
벡터의 길이로 정의할 수 있으며, 3개의 방향 SI (Superior-Inferior), LR (Left-Right), AP (Anterior-Posterior) 변위차를 나타낸다. 본 연구에서 각각의 간 종양 방사선 수술 시 전 치료시간 중 상관관계 오차 값 또한 Mts main.log파일로 측정되어 분석하였다.
1). 본 연구에서는 63회의 치료 결과로 움직임과 수술의 정확성을 분석하였다.
5 mm 절편두께(Slice thickness)로 260~300개영상 획득하였다. 사이버나이프 수술의 치료계획은 Multiplane을 이용하여 컴퓨터 재구성 방사선영상을 만들었다. 실시간 방사선영상은 치료실 천장에 45°, 315° 방향으로 서로 직교하는 일반 방사선 발생장치를 이용하여 영상을 획득하였다.
사이버나이프 수술의 치료계획은 Multiplane을 이용하여 컴퓨터 재구성 방사선영상을 만들었다. 실시간 방사선영상은 치료실 천장에 45°, 315° 방향으로 서로 직교하는 일반 방사선 발생장치를 이용하여 영상을 획득하였다.
Mtsmalog파일을 분석하였다. 종양의 위치를 SI (Superior- Inferior)방향, LR (Left-Right)방향, AP (Anterior-Posterior)방향의 직선방향 및 X (Left-Right) 축, Y (Cranio-Caudal) 축, Z (Anterior-Posterior)축 회전 움직 임을 측정하였고, 이 결과값을 이용하여 각각의 평균 움직임과 벡터 값을 측정하였다.
2) 금침간의 거리는 20 mm, 종양과의 거리는최소 65 mm이하가 되도록 하여 3개 이상의 금침간 삼각형의 각도는 15° 이상이 되도록 권고하고 있다. 치료계획을위한 컴퓨터 단층촬영은 금침이 조직에 고정되도록 1주일후에 촬영하였다.
치료용적은 평균 278 cc였으며, 분할 횟수는 3~4회로나누어 방사선 시술을 시행하였다(Table 1).
호흡에 따른 종양의 실시간 추적 (Tmcldng)은 CyberKnife Robotic Radiosurgery System의 호흡추적 장치를 이용하여 분석하였으며 실시간으로 역동적 빔 (Dynmically Beam)을 종양에 조사할 수 있다.
호흡추적 장치는 3개의 발광다이오드(light emitting diodes;LED)에서 나오는 신호를 연속적인 호흡운동을 주기에 따라 외부호흡 패턴을 인식하고, 내부 장기의 움직임은 호흡의 패턴에 따른 금침의 위치를 직교하는 방사선 영상을 이용하여 측정하였다. 로봇은 호흡에 따른 금침의 위치를 미리 예측하여 직선운동으로 종양을 실시간(Real time)으로추적 치료하는 방식이다(Fig.
대상 데이터
2007년 7월부터 12월까지 6개월 동안 간 종양으로 사이버 나이프를 실시한 24명의 환자를 대상으로 간 종양의 움직임을 측정하였다. 간 종양의 사이버나이프 수술을 한 환자들은 총 선량은 24~52 Gy로 3~4회 분할하였으며 각각의 환자들의 방사선 수술 시 평균 방사선 빔 수는 242개로 조사를 실시 하였다(Fig.
3). 치료계획을 위한 컴퓨터 단층 촬영은 본원의 필립스 16채널 컴퓨터 단층촬영 장치를이용하여 1.5 mm 절편두께(Slice thickness)로 260~300개영상 획득하였다. 사이버나이프 수술의 치료계획은 Multiplane을 이용하여 컴퓨터 재구성 방사선영상을 만들었다.
데이터처리
간 종양의 움직임은 각 환자의 분할 조사된 총 치료시간동안의 좌표를 분석하여 움직임의 최대범위와 평균, 표준편차로 분석하였다. 간 종양은 SI (Superior-Inferior) 방향으로 최대범위가 23.
사이버나이프를 이용한 간 종양의 방사선 수술 시 호흡추적장치의 정확성을 상관관계오차(Correlation error)로 평가하였는데, 측정값은 평균 Ll±0.7 mm로 정밀한 방사선치료가 시행되었음을 알 수 있었다(Table 4).
치료를 시행하게 된다. 이때 예측된 공간적 좌표와실제 내부에 삽입된 금침 좌표의 오차 정도를 상관관계오차 (Correlation error)라고 하며 간 종양에서 방사선 수술 시호흡추적 장치 의 정 확성 은 상관관계오차로 평 가하였다.
성능/효과
좌표를 분석하여 움직임의 최대범위와 평균, 표준편차로 분석하였다. 간 종양은 SI (Superior-Inferior) 방향으로 최대범위가 23.5 mm, 평균 13.9±5.5 mm, LR (Left-Right) 방향으로 최대범위 3, 9 mm, 평균 1.9±0.9 mm, AP (Anterior-Posterior)방향으로 최대범위 8.3 mm, 평균 4.9±1.9mm 움직임을 알 수 있었다. 직선운동의 치료보정을 위한 벡터 값은 최대범위 15.
6 mm값을 나타냈다(Table 2). 간 종양의 움직임을 정량적으로 분석하기 위해 본 연구에서는 종양의 회전 정도를 측정하였고, 그결과는 X (Left-Right)축 회전은 최대범위 3.3°, 평균 2.6+ 1.3°, Y (Cranio-Caudal)축 회전은 최대범위 4.8°, 평균 2.3±1.0°, Z (Anterior-Posterior)축 회전은 최대범위 3.9°, 평균 2.8±1.1°로 측정되었다(Table 3).
로봇 사이버나이프의 호흡추적 장치를 이용한 방사선수술 시 평균오차가 비교적 적어 간 종양의 방사선 치료직용 시 그 유용성을 평가할 수 있었다. 이를 토대로 방선 수술이나 일반적인 방사선치료에 있어 치료용적의 결정에 매우 유용한 정보를 제공할 것이라 생각된다.
간 움직임에 대해서 Shimizu 등 은 누운 상태의 환자가 정상 호흡 하에 MRI로 간 종양을촬영한 결과 평균적으로 SI (Superior-Inferior)방향으로 21 mm, LR (Left-Right) 방향으로 9 nun, AP (Anterior-Posterior)방향으로 8 mm의 이동이 있었다고 보고하였으며, Weiss 등 은 호흡상태에 따라 간의 위치가 12-75 nun까지 움직인다고 보고 하였다. 본 연구에서 간 종양의 직선 움직임eSI (Superior-Inferior)방향으로 평균 13.9±5.5 mm, LR (Left- Right)방향으로 평균 1.9±0.9 mm, AP (Anterior-Posterior)방향으로 평균 4.9+1.9 mm 으로 기존에 보고한 종양의 움직임과 약간의 차이를 보였으며 회전운동은 X (Left- Right) 축 회전은 평균 2.6+1.3°, Y (Cranio-Caudal)축 회전은 평균 2.3±1.0°, Z (AnteHor-Pgterior)축 회전은 평균 2.8±1.1°임을확인할 수 있었다. 종양의 직선적 움직임에 대해서 여러논문에서 분석하였지만 회전운동까지 측정한 보고는 거의없었다.
본 연구에서 사이버 나이프 호흡추적 장치 (synchrony™ respiratory motion tracking system)를 이용하여 간 종양의 움직임을 안정된 호흡 하에 영상유도장치를 통해 실시간으로 위치를 측정할 수 있었으며 간 종양의 직선운동뿐만 아니라 종양의 회전운동까지도 정량적으로 확인할 수 있었다. 로봇 사이버나이프의 호흡추적 장치를 이용한 방사선수술 시 평균오차가 비교적 적어 간 종양의 방사선 치료직용 시 그 유용성을 평가할 수 있었다.
보통은 이 오차 값을 최대 5 mm 이내로 허용하고 있으며, 대부분이 2 mm 내로 유지되도록 치료하고 있다. 실제로 치료한 환자에서 이 값을 측정한 결과 평균 1.1 ±0.7 mm로 치료의 정확성을 확인할 수 있었다. 따라서 사이버나이프 방사선수술은 치료계획 용적을 줄여서 정상 간을 보호하면서 방사선량을 높일 수 있는 방법으로 유용할 것으로 생각된다.
종양의 직선적 움직임에 대해서 여러논문에서 분석하였지만 회전운동까지 측정한 보고는 거의없었다. 이 연구에서는 회전 운동을 정량적으로 평가함으로써 간 종양의 다양한 움직임을 명확히 알 수 있었다. 그러나 아직까지 호흡추적 장치 (SyncMonyTM)를 이용하여 종양의 호흡에 따른 회전이나 변형까지 보정하기는 어려운것이 현실이다.
후속연구
로봇 사이버나이프의 호흡추적 장치를 이용한 방사선수술 시 평균오차가 비교적 적어 간 종양의 방사선 치료직용 시 그 유용성을 평가할 수 있었다. 이를 토대로 방선 수술이나 일반적인 방사선치료에 있어 치료용적의 결정에 매우 유용한 정보를 제공할 것이라 생각된다.
참고문헌 (16)
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