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문제 정의
- 본 연구에서는 호흡연동방사선치료 시 호흡을 안정적이며 규칙적으로 유지하도록 교육/연습하는 호흡연습장치를 자체 제작하여, 자유롭게 호흡하는 ‘자유호흡법(free-breathing)', ‘자유호흡' 시 시뮬레이션 된 표준 호흡주기를 모니터를 보고 따라함으로써 일정한 호흡주기를 만드는 ‘신호모니터-호흡법(guided-breathing)' 및 호흡연습 후 시뮬레이션 신호 없이 호흡하는 ‘연습 후 호흡법(postguided-breathing)' 등 3가지 방법을 통하여 호흡을 측정하고 각각의 호흡법에 대한 호흡주기와 호흡크기 및 호흡패턴의 변화를 정량적으로 분석하였다. 이를 통하여 본 연구에서 개발한 호흡연습장치 및 프로그램의 유용성 및 적용 대상별 맞춤형 호흡연습의 효과를 평가하고자 하였다.
- 2,12∼15) 또한, 호흡은 감정적, 육체적 상황이나 각각의 시점에 따라 상호 연관되어 변화하고 매우 다른 패턴을 보이게 된다. 환자의 호흡을 모델화하고 반복된 연습을 통하여 습관화한 후 치료계획을 실시하고 매 분할조사 시마다 미리 정해진 패턴으로 호흡을 유도하고 관찰할 경우에만 호흡연동 방사선치료는 소기의 목적을 이룰 수 있을 것이다(Fig. 9). 이를 위해서 본 연구에서 제시한 호흡연습 프로그램 및 시스템이 유용한 시스템이 될 수 있을 것이다.
제안 방법
- 두 번째 단계로는 시뮬레이션 된 유도호흡신호를 연습 없이 모니터하며 호흡하는 ‘신호모니터-호흡'을 2분간 시행하였다.
- 이 프로그램은 개개인의 호흡 특성을 구성해내기 위해서 호흡유도 막대의 움직임을 프로그래밍 할 때 유도하고자 하는 호흡의 크기(진폭)와 호흡주기를 조절할 수 있도록 하였으며, 호흡연습 시 실시간으로 받은 호흡신호를 파란색의 막대로 나타내어 피드백하게 하였다. 또한 개개인에게 편한 호흡패턴으로 연습시키기 위하기 위해, 최초 측정 시 얻어진 자유호흡의 신호를 파일로 읽어 들여 그 패턴(wave form)을 반복적으로 보여주는 기능을 추가하였다. 최대 호기 또는 흡기 상태에서 전산화 단층촬영을 할 수 있도록 호흡을 잠시 멈출 수도 있도록 하는 프로그램도 추가하였다.
- 한 호흡 주기 내 최대전압 부분과 최소전압 부분의 차를 호흡크기(amplitude)로 정하여, 호흡크기의 평균값과 호흡주기 간 호흡크기 변화의 표준편차 값을 측정하고 호흡크기의 변화를 분석하였다. 또한 호흡패턴을 측정하기 위해서 각각의 호흡주기 내 호흡함수의 면적과 함께 각 호흡주기 면적의 RMS (root mean square) 값을 계산하여 호흡패턴을 직ㆍ간접적으로 정량화하였다.
- 본 연구에서 제작한 호흡 모니터 시스템은 몸에 부착하여 호흡신호를 측정하는 벨트 시스템(TSD-201, Biopac, Goleta, US)과 측정된 호흡신호를 증폭시키는 증폭기(MP-100 system, Biopac, Goleta, US), 컴퓨터에 증폭된 신호를 보내주는 인터페이스(UIMI 100C, Biopac, Goleta, US)로 구성되어 있다.
- 본 연구에서는 호흡연동방사선치료 시 호흡을 안정적이며 규칙적으로 유지하도록 교육/연습하는 호흡연습장치를 자체 제작하여, 자유롭게 호흡하는 ‘자유호흡법(free-breathing)', ‘자유호흡' 시 시뮬레이션 된 표준 호흡주기를 모니터를 보고 따라함으로써 일정한 호흡주기를 만드는 ‘신호모니터-호흡법(guided-breathing)' 및 호흡연습 후 시뮬레이션 신호 없이 호흡하는 ‘연습 후 호흡법(postguided-breathing)' 등 3가지 방법을 통하여 호흡을 측정하고 각각의 호흡법에 대한 호흡주기와 호흡크기 및 호흡패턴의 변화를 정량적으로 분석하였다.
- 세 번째 단계로는 호흡 시뮬레이션 신호를 모니터 하면서 2분간 연습을 시행한 후 2분 뒤 시뮬레이션 신호 없이 실험 대상자가 자율적으로 호흡을 하도록 하는 ‘연습 후 호흡'을 2분간 측정하였다.
- 사용자 인터페이스에서 빨간색의 시뮬레이션 막대가 움직이면서 호흡을 유도하게 된다. 이 프로그램은 개개인의 호흡 특성을 구성해내기 위해서 호흡유도 막대의 움직임을 프로그래밍 할 때 유도하고자 하는 호흡의 크기(진폭)와 호흡주기를 조절할 수 있도록 하였으며, 호흡연습 시 실시간으로 받은 호흡신호를 파란색의 막대로 나타내어 피드백하게 하였다. 또한 개개인에게 편한 호흡패턴으로 연습시키기 위하기 위해, 최초 측정 시 얻어진 자유호흡의 신호를 파일로 읽어 들여 그 패턴(wave form)을 반복적으로 보여주는 기능을 추가하였다.
- 4에서와 같이 실험 대상자에게서 얻어진 호흡신호의 호흡주기별 PTP (peak-to-peak)와 이의 표준편차(standard deviation)를 측정하여 호흡주기의 변화 정도를 알아보았다. 한 호흡 주기 내 최대전압 부분과 최소전압 부분의 차를 호흡크기(amplitude)로 정하여, 호흡크기의 평균값과 호흡주기 간 호흡크기 변화의 표준편차 값을 측정하고 호흡크기의 변화를 분석하였다. 또한 호흡패턴을 측정하기 위해서 각각의 호흡주기 내 호흡함수의 면적과 함께 각 호흡주기 면적의 RMS (root mean square) 값을 계산하여 호흡패턴을 직ㆍ간접적으로 정량화하였다.
- 호흡 연습 없이 자유롭게 호흡하는 ‘자유호흡'을 2분간 측정하였으며 자유호흡을 바탕으로 실험 대상자에 적합한 주기와 호흡량을 결정하였고, 여기서 결정된 표준 호흡주기와 호흡량을 규칙적으로 유도하도록 호흡 시뮬레이션 신호를 만들었다.
- 호흡연습을 통한 호흡교정의 결과를 분석하기 위해, Fig. 4에서와 같이 실험 대상자에게서 얻어진 호흡신호의 호흡주기별 PTP (peak-to-peak)와 이의 표준편차(standard deviation)를 측정하여 호흡주기의 변화 정도를 알아보았다. 한 호흡 주기 내 최대전압 부분과 최소전압 부분의 차를 호흡크기(amplitude)로 정하여, 호흡크기의 평균값과 호흡주기 간 호흡크기 변화의 표준편차 값을 측정하고 호흡크기의 변화를 분석하였다.
대상 데이터
- 5. Mean values of periods of peak-to-peak of the respiration signal for three different breathing method for 11 subjects. The mean periods are normalized to that of free breathing (A) and their standard deviations (B).
- 본 연구에서 개발/제작한 호흡연습장치를 사용 시 호흡의 교정 정도를 알아보기 위해 20대에서 50대 사이의 자원자 9명과 호흡에 의해 움직임이 다른 부위보다 상대적으로 큰 간암 환자 2명을 대상으로 실험을 실시하였다.
성능/효과
- 본 연구에서 제작하여 적용한 호흡연습장치는 실험 대상자에 대하여, 호흡주기의 규칙성과 호흡량을 일정하게 유지시키는데 효용성이 있는 것으로 평가되었다.
- 1) 그러나, 호흡에 의한 위치 변화가 큰 복부 또는 흉부의 방사선치료 시 발생하는 종양 및 주변장기의 움직임은 방사선량분포에 영향을 주어 표적흡수선량은 낮아지고 주변정상장기에는 고 선량이 주어지는 현상을 야기하기도 한다.2)
- 14) 본 연구에서도 주기의 표준편차가 40% 정도 향상되었고, 호흡량의 표준편차는 20% 정도 향상되었다. 호흡량의 변화가 종양이나 정상 조직의 위치 변화에 직접적 관계가 있는 것은 아니지만 많은 영향을 주기 때문에 환자에게 전산화단층촬영이나 치료 전에 호흡연습을 충분히 시키고 전산화단층촬영이나 치료 시에 호흡을 규칙적으로 유도하는 것은 방사선치료의 정확성과 호흡연동방사선치료의 시간적 효율성을 높이는데 매우 효과적일 것으로 생각된다.
- 이로 인하여 의도한 방사선치료의 효과를 얻기 어려울 수 있다.3) 장기나 종양의 움직임은 환자의 심장박동, 내부의 생리적인 장기의 불규칙한 움직임, 그리고 호흡 등에 의해 발생할 수 있다. 그 중에서 흉부 및 복부부위의 움직임은 주로 환자의 호흡에 의해서 발생하게 되는데, 이로 인한 영향을 줄이고 효 과적인 치료를 하기 위해 많은 연구가 수행되고 있다.
- 그러나 각각의 실험 대상자에서 호흡주기 간 호흡량의 변화 폭을 보여주는 표준편차는 평균적으로 감소하여(자유호흡 1.317 vs 신호모니터-호흡 1.068), ‘자유호흡'보다 호흡크기를 일정하게 유지시키는 효과가 있음을 확인하였다.
- 호흡 시 호흡량을 측정하는 호흡크기는 ‘신호모니터-호흡'의 경우 모든 실험 대상자에서 ‘자유호흡' 시 보다 평균적으로 감소하였으며(1.0 vs 0.966, range 0.698∼1.120) 최대 30%의 감소를 보였다(Fig. 6A).
- 호흡연습 후 호흡 시뮬레이션 신호 없이 자율적으로 호흡하는 ‘연습 후 호흡'의 결과는 PTP의 크기가 자유호흡 대비 평균적으로 증가하였으며(평균 1.007, range：0.844∼1.501) 최대 50%까지의 증가가 관찰되었다.
- 호흡연습의 효과의 지속성을 알아보기 위하여 측정한 ‘연습 후 호흡'은 호흡주기와 호흡크기의 편차 값이 ‘자유 호흡'에 비하여 역시 감소하여, 일정한 호흡 운동을 유지하는 측면에서 연습의 효과가 지속성이 있는 것으로 평가되었다.
- 호흡연습장치를 적용한 본 연구의 결과 1명의 실험 대상자에서 호흡주기의 표준편차가 ‘자유호흡'법에 비해 증가하였고, 3명의 실험 대상자에서 호흡크기의 표준편차가 ‘자유호흡'법에 비해 증가하였음은 모든 환자에서 방사선치료의 정확성과 호흡 연동방사선치료의 시간적 효율성을 증가시킬 수는 없음을 나타낸다.
- 호흡으로 인한 내부 장기의 움직임과 밀접한 연관이 있는 호흡크기(호흡량)는 호흡의 주기보다는 유도의 효과가 상대적으로 적어서 호흡량이 평균 3% 정도의 감소를 보였으며, 개인별 편차가 심한 것을 알 수 있었다. 그러나 각각의 실험 대상자에서 호흡주기 간 호흡량의 변화 폭을 보여주는 표준편차는 평균적으로 감소하여(자유호흡 1.
- 호흡주기를 보여주는 PTP 값은 ‘신호모니터-호흡'의 경우 모든 실험 대상자에서 ‘자유호흡'의 평균 주기와 같게 유도되었음을 확인하였다(Fig. 5A).
- 호흡패턴을 알아보기 위한 각각의 호흡주기 내 호흡함수의 면적과 면적의 RMS값은 ‘자유호흡'과 비교하여 ‘연습 후 호흡'에서 감소하는 것으로 나타났다.
- 환자의 ‘자유호흡'에서 결정한 각 실험 대상자의 호흡패턴으로 호흡 운동을 유도함으로써 개개인에게 편안한 주기로 호흡을 유도할 수 있었으며, 2분간의 측정시간 중 호흡주기의 표준편차가 ‘자유호흡' 시에 비하여 현저히 감소함으로서(자유호흡 0.568 vs 신호모니터-호흡 0.344) 호흡 주기가 규칙적으로 유도되는 것을 증명하였다.
후속연구
- 또한 본 연구의 호흡연습장치를 사용한 데이터 측정과정은 사차원 방사선치료법을 적용할 수 있는 적정 환자 군을 선택하는데 유용할 것으로 판단된다. 호흡연습장치를 적용한 본 연구의 결과 1명의 실험 대상자에서 호흡주기의 표준편차가 ‘자유호흡'법에 비해 증가하였고, 3명의 실험 대상자에서 호흡크기의 표준편차가 ‘자유호흡'법에 비해 증가하였음은 모든 환자에서 방사선치료의 정확성과 호흡 연동방사선치료의 시간적 효율성을 증가시킬 수는 없음을 나타낸다.
- 9). 이를 위해서 본 연구에서 제시한 호흡연습 프로그램 및 시스템이 유용한 시스템이 될 수 있을 것이다.
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