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문제 정의
- 또한 본 논문에서는 방사선 치료에 있어서 평가해야 할 사항 중에서 2차원적인 선량분포만을 검증할 수 있는 방법과 결과를 제시하였다. 절대적인 선량을 비교할 수 있도록 이온챔버의 정확한 위치 선정과 반복적인 실험 분석을 통해 호흡동조 방사선치료에 있어서 정확한 선량을 검증할 수 있는 방법에 관한 연구가 필요하며 이를 위한 연구들이 현재 진행 중이다.
- 본 논문에서는 호흡동조 방사선치료를 실시하기에 앞서 환자의 호흡 신호를 이용하여 정도관리를 할 수 있는 방법을 제시하였다. 이를 위해서 현재로는 실제 치료시 저장된 환자의 호흡신호 파일을 이용하여 환자의 호흡신호를 재현하도록 하였으며, 호흡신호에 맞춰 움직임을 보일 수 있는 동적 팬텀을 제작하여 구동하였다.
제안 방법
- 1) 팬텀이 움직이지 않는 정지상태로 있는 경우(Static), 2) 환자의 호흡신호를 주어 움직이게 하되 호흡동조 방사선치료를 적용하지 않는 경우(Non-Gating), 3) 환자의 호흡신호를 주고 40∼60%의 호흡주기를 이용하여 호흡동조 방사선치료를 적용한 경우(Gating) 그리고 마지막으로 4) 환자의 호흡 중에서 불규칙한 부분을 이용하여 호흡동조 방사선치료를 적용한 경우(Irregular Gating)에 대하여 각각 필름을 이용하여 비교분석을 수행하였다. 각각의 경우에 대하여 Kodak EDR2 필름을 사용하여 방사선을 조사하였고, 치료계획했던 3문 조사를 모두 조사한 뒤에 분석하였다.
- Fig. 2에서 확인할 수 있는 것처럼 Fig. 1에서 획득된 환자의 호흡신호를 바탕으로 환자의 움직임을 동일하게 모사할 수 있는 팬텀을 제작하였다. 팬텀의 구성은 굉장히 간단하게 만들어져 있으며 플라스틱 팬텀이 올려진 판을 모터 (Samsung Servo Drive, Model: CSDJ-10BX2)를 사용하여 한 방향으로 움직일 수 있도록 설계하였고, 최대 하중은 120 kg이며, 움직임은 10−6 m 단위까지의 조절이 가능하다.
- 1) 팬텀이 움직이지 않는 정지상태로 있는 경우(Static), 2) 환자의 호흡신호를 주어 움직이게 하되 호흡동조 방사선치료를 적용하지 않는 경우(Non-Gating), 3) 환자의 호흡신호를 주고 40∼60%의 호흡주기를 이용하여 호흡동조 방사선치료를 적용한 경우(Gating) 그리고 마지막으로 4) 환자의 호흡 중에서 불규칙한 부분을 이용하여 호흡동조 방사선치료를 적용한 경우(Irregular Gating)에 대하여 각각 필름을 이용하여 비교분석을 수행하였다. 각각의 경우에 대하여 Kodak EDR2 필름을 사용하여 방사선을 조사하였고, 치료계획했던 3문 조사를 모두 조사한 뒤에 분석하였다.
- 이를 위해서 현재로는 실제 치료시 저장된 환자의 호흡신호 파일을 이용하여 환자의 호흡신호를 재현하도록 하였으며, 호흡신호에 맞춰 움직임을 보일 수 있는 동적 팬텀을 제작하여 구동하였다. 또한 본 기관에서 제작한 프로그램을 통하여 다양한 호흡신호를 실험할 수 있도록 하였으며, 이러한 실험을 바탕으로 환자의 치료계획이 정확히 조사되는지에 대한 정도관리 방법을 수립하였다. 특히 환자의 호흡신호 중에서 실제 불규칙적인 호흡을 모사하여 실제 방사선치료의 2차원 선량 분포 결과를 분석할 수 있는 연구는 보고된 적이 없으며 이를 통해 실제적인 정도관리 절차를 마련할 수 있는 토대를 마련하였다.
- 또한 환자를 시뮬레이터에서 fluoroscopy로 확인한 결과 호흡에 의해 움직인 종양의 변위는 2 cm으로 측정이 되었다. 또한 환자의 호흡 신호의 크기는 1로 확인이 되어 scaling factor (2 cm)을 적용하여 환자의 호흡 신호를 이용하여 호흡 모사 팬텀의 변위가 2 cm이 되도록 설정하였다. 모사팬텀은 LabVIEW Software을 이용하여 주어진 환자의 호흡 신호에 따라 동일한 파형을 가지는 1차원적인 움직임을 보일 수 있다.
- 본 연구에서는 호흡연동방사선치료 시 호흡을 안정적이며 규칙적으로 유도했던 실제 환자의 호흡 신호를 바탕으로 환자의 움직임을 동일하게 모사한 팬텀을 이용하고 호흡연동방사선치료의 2차원 선량분포를 필름을 사용하여 정량적으로 분석함을 통하여 새로운 환자 정도관리 방법을 제안하였다.
- 본 논문에서는 호흡동조 방사선치료를 실시하기에 앞서 환자의 호흡 신호를 이용하여 정도관리를 할 수 있는 방법을 제시하였다. 이를 위해서 현재로는 실제 치료시 저장된 환자의 호흡신호 파일을 이용하여 환자의 호흡신호를 재현하도록 하였으며, 호흡신호에 맞춰 움직임을 보일 수 있는 동적 팬텀을 제작하여 구동하였다. 또한 본 기관에서 제작한 프로그램을 통하여 다양한 호흡신호를 실험할 수 있도록 하였으며, 이러한 실험을 바탕으로 환자의 치료계획이 정확히 조사되는지에 대한 정도관리 방법을 수립하였다.
- 환자에게 계획된 선량이 2차원 평면에서 제대로 분포되는가를 검증하기 위해서 모사팬텀에는 plastic water phantom을 장착할 수 있으며 phantom 사이에 Kodak EDR2 필름을 고정할 수 있도록 하였다. 이를 이용하여 기존의 강도조절 방사선치료 시 환자 정도관리를 위해 사용하였던 기존의 2차원 선량 분포 방법들을 이용하여 선량의 적정성을 평가할 수 있도록 하였다.
- 현재 치료계획 시스템에서 4차원 호흡동조 방사선치료를 정확히 계산할 수 없는 관계로 조사된 필름의 선량을 비교 분석할 때에는 일반적인 정도관리에서 사용되는 방사선 치료계획에서 나오는 2차원 평면의 선량 계산결과와 비교하는 분석을 시행하였다. 즉, 팬텀이 움직이지 않는 정지 상태에서 방사선을 조사한 경우(Static)와 다른 조건(NonGating, Gating, Irregular Gating)에서의 방사선 조사한 경우 모두 방사선치료계획 시스템에서 계산된 2차원 분포와 비교 분석함으로 호흡동조치료의 적정성을 평가하였다. 2차원 선량 분포는 FilmQA 소프트웨어(3cognition LLC (Division of ISP), Wayne, NJ)를 사용하였으며 3%, 3 mm의 임계값을 가지는 gamma index를 이용해서 평가를 수행하였다.
- 환자 호흡 주기의 40, 50, 60%의 CT에서 보여지는 CTV를 모두 그렸고, 최종적인 호흡동조 방사선치료를 위해서 호흡주기 40∼60%의 CTV를 모두 합쳐서 ITV로 정의하였다. 총 3개의 방향에서 10 MV의 광자선을 조사하였으며 ITV의 center에 450 cGy가 조사되도록 계획을 수립하였으며 자세한 치료계획에 대한 정보는 Fig. 3과 Table 1에 표시되어 있다.
- 팬텀의 구성은 굉장히 간단하게 만들어져 있으며 플라스틱 팬텀이 올려진 판을 모터 (Samsung Servo Drive, Model: CSDJ-10BX2)를 사용하여 한 방향으로 움직일 수 있도록 설계하였고, 최대 하중은 120 kg이며, 움직임은 10−6 m 단위까지의 조절이 가능하다.
- 현재 치료계획 시스템에서 4차원 호흡동조 방사선치료를 정확히 계산할 수 없는 관계로 조사된 필름의 선량을 비교 분석할 때에는 일반적인 정도관리에서 사용되는 방사선 치료계획에서 나오는 2차원 평면의 선량 계산결과와 비교하는 분석을 시행하였다. 즉, 팬텀이 움직이지 않는 정지 상태에서 방사선을 조사한 경우(Static)와 다른 조건(NonGating, Gating, Irregular Gating)에서의 방사선 조사한 경우 모두 방사선치료계획 시스템에서 계산된 2차원 분포와 비교 분석함으로 호흡동조치료의 적정성을 평가하였다.
- 호흡주기의 분석을 통해 환자 호흡주기의 40∼60% 구간을 사용하여 방사선을 조사하기로 하였으며 실제 치료 시에 기록된 환자의 실제 호흡 신호(vxp file)를 LabVIEW 7.0 (National Instruments, Austin, U.S.A)을 기반으로 작성한 본 기관의 소프트웨어를 이용하여 가상의 치료 시 환자의 움직임을 정확히 동일하게 모사할 수 있도록 하였다.
- 환자 호흡 주기의 40, 50, 60%의 CT에서 보여지는 CTV를 모두 그렸고, 최종적인 호흡동조 방사선치료를 위해서 호흡주기 40∼60%의 CTV를 모두 합쳐서 ITV로 정의하였다.
- 5 sec, 호흡크기는 2 cm으로 측정되었다. 환자는 자유호흡을 하였으며 Fig. 1a에서 보이는 것처럼 4차원 CT를 사용하여 환자의 종양조직을 포함하는 치료계획용 CT를 획득하였다. 호흡주기의 분석을 통해 환자 호흡주기의 40∼60% 구간을 사용하여 방사선을 조사하기로 하였으며 실제 치료 시에 기록된 환자의 실제 호흡 신호(vxp file)를 LabVIEW 7.
- 모사팬텀은 LabVIEW Software을 이용하여 주어진 환자의 호흡 신호에 따라 동일한 파형을 가지는 1차원적인 움직임을 보일 수 있다. 환자에게 계획된 선량이 2차원 평면에서 제대로 분포되는가를 검증하기 위해서 모사팬텀에는 plastic water phantom을 장착할 수 있으며 phantom 사이에 Kodak EDR2 필름을 고정할 수 있도록 하였다. 이를 이용하여 기존의 강도조절 방사선치료 시 환자 정도관리를 위해 사용하였던 기존의 2차원 선량 분포 방법들을 이용하여 선량의 적정성을 평가할 수 있도록 하였다.
- 환자의 0∼90%의 호흡주기에 해당하는 모든 CT를 치료 계획 시스템(Pinnacle)으로 전송하여 환자의 종양을 정의하였다.
- 환자의 하나의 치료계획을 가지고 총 4번의 방사선조사 실험을 하였다. 1) 팬텀이 움직이지 않는 정지상태로 있는 경우(Static), 2) 환자의 호흡신호를 주어 움직이게 하되 호흡동조 방사선치료를 적용하지 않는 경우(Non-Gating), 3) 환자의 호흡신호를 주고 40∼60%의 호흡주기를 이용하여 호흡동조 방사선치료를 적용한 경우(Gating) 그리고 마지막으로 4) 환자의 호흡 중에서 불규칙한 부분을 이용하여 호흡동조 방사선치료를 적용한 경우(Irregular Gating)에 대하여 각각 필름을 이용하여 비교분석을 수행하였다.
- 팬텀의 구성은 굉장히 간단하게 만들어져 있으며 플라스틱 팬텀이 올려진 판을 모터 (Samsung Servo Drive, Model: CSDJ-10BX2)를 사용하여 한 방향으로 움직일 수 있도록 설계하였고, 최대 하중은 120 kg이며, 움직임은 10−6 m 단위까지의 조절이 가능하다. 환자의 호흡 신호는 총 10분 정도의 시간 동안 획득하였고, 실제 본 연구의 정도관리에 사용된 샘플링 시간은 버퍼 용량의 제한으로 3분 동안 샘플링 하였으며, 샘플링 된 호흡 신호는 보정하지 않고 환자의 호흡 신호 그대로의 데이터를 사용하였다. 또한 환자를 시뮬레이터에서 fluoroscopy로 확인한 결과 호흡에 의해 움직인 종양의 변위는 2 cm으로 측정이 되었다.
대상 데이터
- 본 연구에 적용된 환자는 호흡연습 실험을 통하여 호흡 주기는 평균 4.5 sec, 호흡크기는 2 cm으로 측정되었다. 환자는 자유호흡을 하였으며 Fig.
- 이러한 호흡동조 방사선치료의 정도관리를 위해서는 환자의 호흡신호를 모사하는 동적팬텀은 필수적으로 필요할 것으로 생각하며, 동시에 절대선량과 2차원적인 선량분포를 확인할 수 있는 시스템이 동시에 갖추어져야 한다. 현재로는 동적팬텀위에 기존에 방사선치료 정도관리를 위해 사용하던 플라스틱 워터 팬텀을 장착하여 사용하였다. 이를 보완하여 현재 세기 조절 방사선치료 정도관리에 많이 사용되고 있는 2차원 검출기등과의 조합으로 더욱 정확하고, 효율적인 정도관리 시스템을 구현할 수 있을 것이라 예상된다.
데이터처리
- 즉, 팬텀이 움직이지 않는 정지 상태에서 방사선을 조사한 경우(Static)와 다른 조건(NonGating, Gating, Irregular Gating)에서의 방사선 조사한 경우 모두 방사선치료계획 시스템에서 계산된 2차원 분포와 비교 분석함으로 호흡동조치료의 적정성을 평가하였다. 2차원 선량 분포는 FilmQA 소프트웨어(3cognition LLC (Division of ISP), Wayne, NJ)를 사용하였으며 3%, 3 mm의 임계값을 가지는 gamma index를 이용해서 평가를 수행하였다.8)
성능/효과
- 6에 나타나 있다. 3%, 3 mm의 조건을 임계값으로 정한 Gamma index 1을 넘지 않는 pixel이 82.88%로 정량적으로 두 개의 선량분포가 일치하지 않는 것을 확인할 수 있다. 특히 움직임이 많은 양 끝단과 선량이 높게 분포되는 영역에서 불일치 결과를 보이는데, 이는 호흡 모사 팬텀의 움직임 방향이 그림의 좌우로 움직이면서 생기는 현상으로 보인다.
- 3) 지난 십 수년간 영상기술의 발전으로 환자의 정확한 종양조직과 정상조직을 구별 및 파악하여 집중적으로 조사하는 기술이 가능하게 되었으며 최근에 국내에 도입되어 치료하고 있는 4차원 호흡연동방사선치료는 호흡으로 발생하는 종양 및 정상장기의 움직임을 적극적으로 치료에 반영하여 주변 정상장기에 고 선량의 방사선 투여를 줄일 수 있는 치료법이다.1,2,7,12,13) 호흡을 고려한 방사선치료 기법은 크게 환자의 호흡을 의도적으로 조절하는 방법, 안정된 일정한 주기에만 빔을 조사하는 방법과 능동적으로 표적의 움직임을 추적하여 치료하는 방법으로 나눌 수 있다.
- Fig. 5에서 확인할 수 있는 것처럼 호흡동조 방사선치료를 하지 않고 팬텀이 움직이지 않는 상태에서는 현상된 필름에서 MLC의 모서리 부분까지 정확하게 나타나는 것을 확인할 수 있으며 방사선치료계획 장비에서 나온 선량 분포와 비교 분석하였을 때, Gamma index (3%, 3 mm) 99.32%로 매우 일치하는 결과를 보였다.
- 7에서 확인하였다. 또한 환자의 불규칙한 호흡이 있는 부분에서도 4.04%로 증가되는 것을 통해 불규칙한 호흡에서도 호흡동조치료의 효용성을 평가할 수 있는 것으로 나타났다.8)
- 최신 방사선 치료기법인 호흡 동조 방사선치료 방법에 대한 환자 특성 정도관리 방법을 제안하였으며, 환자의 실제 호흡신호를 이용하여 방사선조사를 하였을 때 치료계획과의 2차원 선량 분포 비교를 통해 호흡 동조 방사선치료의 적정성을 평가할 수 있는 기반을 마련하였다. 이번 연구 결과를 통해 호흡 동조 방사선치료의 임상적인 효과와 명확한 정도관리의 기준 수립을 위한 전향적인 연구가 필요하다고 생각된다.
- 특히 결과를 살펴보면 환자의 호흡 신호를 이용하여 팬텀은 움직이는 상황에서 호흡동조치료를 하지 않는 결과를 살펴보면 2차원 선량분포의 gamma index가 1을 넘는 영역이 17.12%로 나타나는 것을 통해 호흡으로 인해 움직임이 있는 종양 조직에 대해서 호흡동조치료의 필요성을 확인할 수 있으며, 이러한 호흡동조치료를 통해서 gamma index가 1이 넘는 영역이 1.48%로 감소되는 것을 Fig. 7에서 확인하였다. 또한 환자의 불규칙한 호흡이 있는 부분에서도 4.
후속연구
- 또한 EPID 등을 사용해서 호흡 동조 방사선치료를 하는 환자의 정도관리를 시행하는 연구들도 수행되었지만, 실제 환자의 호흡신호에 따른 움직임을 모사할 수 없다는 단점이 존재한다.16) 따라서 이러한 새로운 호흡관련 방사선 치료법을 수행하기에 앞서 정밀한 환자 맞춤형 선량 정도관리 시스템이 필요하며 이러한 과정을 통하여 치료 계획된 선량이 특정 환자의 호흡주기에 따라 어떻게 분포되는지에 대한 정확한 검증이 필요하다.
- 이러한 점을 고려하여 현재 환자의 전체 선량이 증가함에도 불구하고 보다 정확한 종양 조직의 정의를 위하여 4D-CT를 여러 번에 걸쳐서 찍은 후, 그 결과를 종합하여 최종적인 종양 체적을 결정하는 연구가 활발히 진행이 되고 있다.17) 본 연구 역시 이러한 연구를 병행하여 보다 임상적으로 정확한 방사선 치료를 수행할 예정이다.
- 그러나 이러한 호흡동조 방사선치료를 할 경우 정확한 선량의 분포를 확인할 수 있는 정도관리에 관한 연구가 반드시 수반되어야 한다. 이러한 목적으로 팬텀을 이용한 몇 연구들이 수행되었으나 특정 환자에게 조사되는 방사선의 분포를 환자의 호흡신호를 사용하여 원래의 치료 계획된 분포와 검증하는 과정은 보고된 적이 없다.
- 5,9,11) 기존의 X선과 전자선과는 다르게 양성자나 중이온 방사선치료에 있어서는 방사선의 분포가 더욱 급격히 변하기 때문에 환자 호흡이나 움직임에 의한 효과가 훨씬 중요한 영향을 미친다. 따라서 본 논문에서 제시한 환자의 호흡 연동 방사선 치료 정도관리 시스템은 기존의 X선 뿐만 아니라 차세대 방사선치료에 있어서도 더욱 중요성이 커질 것으로 예상된다.
- 이를 보완하여 현재 세기 조절 방사선치료 정도관리에 많이 사용되고 있는 2차원 검출기등과의 조합으로 더욱 정확하고, 효율적인 정도관리 시스템을 구현할 수 있을 것이라 예상된다. 또한 실험을 위하여 제작된 기관 내 팬텀이므로 이를 보완하여 설치 및 사용이 용이할 수 있는 동적팬텀의 제작이 필요할 것으로 예상된다.
- 본 논문에서 개발된 정도관리 방법을 위해서는 모사 팬텀으로 모사된 환자의 호흡이 정확히 재현되는지에 대한 분석이 필요하다. 따라서 환자의 호흡 신호를 그대로 모사해서 다시 RPM 을 가지고 측정한 신호와 환자의 호흡신호를 비교 분석한 결과를 Fig.
- 본 연구는 한 명의 환자에 대하여 정도관리를 수행하여 정량적인 정도관리의 기준을 세울 수는 없지만, 새로운 정도관리 방법의 기준을 수립할 수 있는 기본적인 연구로 생각할 수 있으며, 데이터를 추가함과 동시에 본 기관의 고유한 정도관리 기준을 세워나갈 예정이다.
- 현재로는 동적팬텀위에 기존에 방사선치료 정도관리를 위해 사용하던 플라스틱 워터 팬텀을 장착하여 사용하였다. 이를 보완하여 현재 세기 조절 방사선치료 정도관리에 많이 사용되고 있는 2차원 검출기등과의 조합으로 더욱 정확하고, 효율적인 정도관리 시스템을 구현할 수 있을 것이라 예상된다. 또한 실험을 위하여 제작된 기관 내 팬텀이므로 이를 보완하여 설치 및 사용이 용이할 수 있는 동적팬텀의 제작이 필요할 것으로 예상된다.
- 최신 방사선 치료기법인 호흡 동조 방사선치료 방법에 대한 환자 특성 정도관리 방법을 제안하였으며, 환자의 실제 호흡신호를 이용하여 방사선조사를 하였을 때 치료계획과의 2차원 선량 분포 비교를 통해 호흡 동조 방사선치료의 적정성을 평가할 수 있는 기반을 마련하였다. 이번 연구 결과를 통해 호흡 동조 방사선치료의 임상적인 효과와 명확한 정도관리의 기준 수립을 위한 전향적인 연구가 필요하다고 생각된다.
- 현재는 종양조직의 움직임만을 고려하고 있지만, 방사선이 조사되는 영역에 존재하는 정상조직 혹은 critical organ에 대한 정밀한 계산이 이루어지지 않으므로 환자가 실제로 받게 되는 선량의 정확한 평가가 이루어지고 있지 않다. 호흡 동조 방사선치료를 고려할 때에는 장기의 움직임으로 인해 오히려 중요 장기에 계획된 선량보다 높은 선량이 조사될 수 있는 가능성이 존재하기 때문에 차후에는 종양조직에 대한 정도관리 뿐 아니라 critical organ에 대한 정도관리도 부가적으로 이루어져야 할 것으로 예상된다. 물론 정도관리의 시간, 효율성을 고려할 때 너무 많은 일이 될 수도 있겠지만 그만큼 불확실성이 존재하는 방사선 치료 방법이므로 정밀하고 정확한 정도관리가 필요할 것으로 생각된다.
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