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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 기존에 자체 개발하여 사용해왔던 압박기구를 보다 사용이 편리하고 효과적이도록 개선하였다. 그리고 영상유도 방사선치료에 있어서 호흡에 의한 선량분포 특성의 변화를 파악하여 정상조직에 가해지는 선량을 최소화하고, 종양에는 방사선 조사 영역을 줄이면서 동시에 최대한의 선량을 투여할 수 있는 치료 방법론을 모색하여 치료 효과를 높이고자 한다.
- 본 연구를 통해 기 개발된 호흡운동 감소기구를 개선하여 장기의 움직임을 최소화할 수 있는 사용이 편리하고 효과적인 복부압박기구를 개발하였다. 기구를 착용한 상태에서 환자의 자유 호흡을 유도하여 치료의 편리함을 추구함과 동시에, 종양의 위치 변화가 평균 44.
- 이에 본 연구에서는 기존에 자체 개발하여 사용해왔던 압박기구를 보다 사용이 편리하고 효과적이도록 개선하였다. 그리고 영상유도 방사선치료에 있어서 호흡에 의한 선량분포 특성의 변화를 파악하여 정상조직에 가해지는 선량을 최소화하고, 종양에는 방사선 조사 영역을 줄이면서 동시에 최대한의 선량을 투여할 수 있는 치료 방법론을 모색하여 치료 효과를 높이고자 한다.
제안 방법
- 3차원적인 종양의 움직임은 제작한 2축의 직교좌표 로봇(Cartesian Robot-2Axis, FARA RCM4H, Samsung Mechatronics, Korea)을 통해 재현하였다(Fig. 3). 이 로봇은 로봇 컨트롤러(Series Robot controller Plus SRCP, Samsung Mechatronics, Korea)로 구동하였고 로봇 컨트롤러와 티치 팬던트를 사용하여 호흡 재현의 위상과 이동 거리, 구동 속도를 프로그래밍하여 입력하였다.
- 2,3) 종양의 움직임을 제한하기 위해 시행되는 방법으로는 ABC (Active Breathing Coordination), 복부 압박(Abdominal Compression, AC), 역동적 추적 치료(Dynamic tracking), 호흡동조 방사선치료(Gating) 등이 있다.4) 본원에서도 폐암, 간암 등 호흡에 의해 종양의 움직임이 발생되는 경우에 있어 호흡동조 방사선치료를 시행하고 있으나, 치료가 비교적 어렵고 치료시간이 길다는 단점으로 인해 일부 환자에 있어서 자체적으로 개발한 복부 압박기구를 사용하여 치료하였다. 자체 개발한 복부 압박기구를 사용하였을 경우 호흡에 따른 장기의 움직임은 횡격막의 경우 20.
- 이 때 조사조건은 6 MV 광자선으로, 조사면 크기는 8×8 cm2, 갠트리 회전 각도는 120∼270도, 240∼90도로 2번 시행, 콜리메이터 각도는 45도로 설정하였고, 종양에 총 10 Gy의 선량이 전달되도록 하였다. 방사선 조사 후 EBT2 필름의 영상 분석을 위해 Epson 1680 pro 스캐너를 이용하여 필름을 스캔하였고, Verisoft (Ver.3.0, PTW, Germany), Image J (Ver. 1.41o, Wayne, USA) 등의 영상 분석 프로그램과 Photoshop 7.0 영상 처리 프로그램으로 선량 분포 변화를 평가하였다. 이 때 고정 상태의 팬텀에서 획득한 필름 이미지의 최대 흑화도를 100%로 간주하고 사용하지 않은 필름의 흑화도 평균값을 0%로 하였다.
- 아울러 호흡에 의한 선량왜곡과 저선량영역의 발생 정도를 평가하기 위해 호흡을 재현한 상황 하에서 방사선량을 평가하였다. 방사선 조사에는 영상유도 시스템이 장착된 의료용 선형가속기(21-iX, VARIAN, USA)가 사용되었고, 방사선 검출기로 사용할 EBT2 필름(Gafchromic, ISP, USA)이 장착 가능한 폴리에틸렌 팬텀을 제작하였다(Fig. 2). 팬텀은 각각 2.
- 방사선 치료 계획 프로그램인 Eclipse 8.5를 이용하여 전산화 촬영한 팬텀 영상에 영상 분석이 용이하도록 5 cm의 원형 종양을 그리고 입체세기조절회전방사선치료(Volumetric Modulated Arc Therapy, VMAT) 기법을 통해 2개의 Arc를 사용한 치료 계획을 수립하였다. 이 때 조사조건은 6 MV 광자선으로, 조사면 크기는 8×8 cm2, 갠트리 회전 각도는 120∼270도, 240∼90도로 2번 시행, 콜리메이터 각도는 45도로 설정하였고, 종양에 총 10 Gy의 선량이 전달되도록 하였다.
- 방사선 치료를 위해 전산화 단층촬영을 시행한 8명의 폐암 환자의 종양 움직임을 종양이 위치한 부위에 따라 좌우, 전후, 두미측 방향에서 분석하였다. 종양은 좌우, 전후, 두미측 방향에 따라 각각 1∼7 mm, 1∼10 mm, 2∼25 mm로 평균 3.
- 1). 벨크로 벨트로 제작된 움직임 감소기구를 환자에게 장착시키고 환자의 체위 상하에 진공쿠션을 놓아 체위를 고정한 후, 최대한 호흡을 내쉬게 하여 벨트로 환자의 횡격막 주위를 묶는 방법을 사용하였다.
- 0 mm 절편 간격을 주어 영상을 얻었으며, 이 때 호흡에 의한 최대 종양의 위치 변화를 측정하기 위하여 들숨(inhalation)과 날숨(exhalation) 상태에서 고속(spiral) 전산화 단층촬영을 통해 2단계 영상을 얻었다. 보다 정확한 분석을 위해 척추에 삽입한 금침을 이용하여 기준 좌표를 중심으로 종양의 움직임을 3차원적으로 정량 분석하였다. 아울러 호흡에 의한 선량왜곡과 저선량영역의 발생 정도를 평가하기 위해 호흡을 재현한 상황 하에서 방사선량을 평가하였다.
- 본 실험에서 개발 된 호흡운동 감소기구를 실제 치료에서 효율적으로 적용하기 위해, 체부 정위방사선치료 시 종양의 움직임을 확인하기 쉬운 8명의 폐암 환자를 대상으로 복부 압박을 시행하여 종양의 움직임을 분석하였다. 치료 준비 과정이 간단하고 사용하기 편리한 호흡운동 감소기구 개발하였다(Fig.
- 보다 정확한 분석을 위해 척추에 삽입한 금침을 이용하여 기준 좌표를 중심으로 종양의 움직임을 3차원적으로 정량 분석하였다. 아울러 호흡에 의한 선량왜곡과 저선량영역의 발생 정도를 평가하기 위해 호흡을 재현한 상황 하에서 방사선량을 평가하였다. 방사선 조사에는 영상유도 시스템이 장착된 의료용 선형가속기(21-iX, VARIAN, USA)가 사용되었고, 방사선 검출기로 사용할 EBT2 필름(Gafchromic, ISP, USA)이 장착 가능한 폴리에틸렌 팬텀을 제작하였다(Fig.
- 이 때 조사조건은 6 MV 광자선으로, 조사면 크기는 8×8 cm2, 갠트리 회전 각도는 120∼270도, 240∼90도로 2번 시행, 콜리메이터 각도는 45도로 설정하였고, 종양에 총 10 Gy의 선량이 전달되도록 하였다.
- 3). 이 로봇은 로봇 컨트롤러(Series Robot controller Plus SRCP, Samsung Mechatronics, Korea)로 구동하였고 로봇 컨트롤러와 티치 팬던트를 사용하여 호흡 재현의 위상과 이동 거리, 구동 속도를 프로그래밍하여 입력하였다. 이를 통해 20단계의 속도 제어가 가능하고 ±0.
- 전산화 단층 촬영장치(Emotion, Siemens, Germany)를 이용해 2.0 mm 절편 간격을 주어 영상을 얻었으며, 이 때 호흡에 의한 최대 종양의 위치 변화를 측정하기 위하여 들숨(inhalation)과 날숨(exhalation) 상태에서 고속(spiral) 전산화 단층촬영을 통해 2단계 영상을 얻었다. 보다 정확한 분석을 위해 척추에 삽입한 금침을 이용하여 기준 좌표를 중심으로 종양의 움직임을 3차원적으로 정량 분석하였다.
- 종양의 움직임은 전산화단층촬영 분석의 결과를 토대로 좌우, 전후, 두미 방향으로 각각 5, 10, 20 mm 움직이도록 재현하였다. 전후와 두미 방향은 2축의 직교좌표 로봇으로 직접 구현하였고, 치료 축을 기준으로 팬텀과 로봇을 반시계 방향으로 14도의 각도를 주어 좌우로 5 mm의 변위를 갖도록 하였다. 호흡 주기에 따른 선량분포의 변화를 보기 위해, 호흡을 재현한 방사선 조사는 이전 결과를 통해 압박 시 횡격막의 호흡 주기와 같은 3초와 주기를 1.
- 구성된 로봇의 제원은 전고가 68 cm, 전장이 71 cm로 치료 테이블 위에 놓을 시 치료 장비와의 충돌 가능성이 있어 치료실 바닥면에 위치시켰다. 종양의 움직임은 전산화단층촬영 분석의 결과를 토대로 좌우, 전후, 두미 방향으로 각각 5, 10, 20 mm 움직이도록 재현하였다. 전후와 두미 방향은 2축의 직교좌표 로봇으로 직접 구현하였고, 치료 축을 기준으로 팬텀과 로봇을 반시계 방향으로 14도의 각도를 주어 좌우로 5 mm의 변위를 갖도록 하였다.
- 본 실험에서 개발 된 호흡운동 감소기구를 실제 치료에서 효율적으로 적용하기 위해, 체부 정위방사선치료 시 종양의 움직임을 확인하기 쉬운 8명의 폐암 환자를 대상으로 복부 압박을 시행하여 종양의 움직임을 분석하였다. 치료 준비 과정이 간단하고 사용하기 편리한 호흡운동 감소기구 개발하였다(Fig. 1). 벨크로 벨트로 제작된 움직임 감소기구를 환자에게 장착시키고 환자의 체위 상하에 진공쿠션을 놓아 체위를 고정한 후, 최대한 호흡을 내쉬게 하여 벨트로 환자의 횡격막 주위를 묶는 방법을 사용하였다.
- 5×5 inch의 직육면체 4개를 조합하여 5×5×5 inch의 크기의 정육면체로 제작하였으며, 폴리에틸렌 재질의 볼트와 너트로서로 고정하였다. 팬텀 속에는 필름을 서로 교차시켜 두 장의 필름으로 3차원 좌표의 선량 분포를 평가하였다.
- 팬텀은 각각 2.5×2.5×5 inch의 직육면체 4개를 조합하여 5×5×5 inch의 크기의 정육면체로 제작하였으며, 폴리에틸렌 재질의 볼트와 너트로서로 고정하였다.
- 전후와 두미 방향은 2축의 직교좌표 로봇으로 직접 구현하였고, 치료 축을 기준으로 팬텀과 로봇을 반시계 방향으로 14도의 각도를 주어 좌우로 5 mm의 변위를 갖도록 하였다. 호흡 주기에 따른 선량분포의 변화를 보기 위해, 호흡을 재현한 방사선 조사는 이전 결과를 통해 압박 시 횡격막의 호흡 주기와 같은 3초와 주기를 1.5배 증가시킨 4.5초로 2회 실시하였다. 호흡의 재현은 실제 호흡과 유사하도록 3초 주기 운동에서는 흡기 시 0.
- 5초로 2회 실시하였다. 호흡의 재현은 실제 호흡과 유사하도록 3초 주기 운동에서는 흡기 시 0.1초, 호기 시 0.3초의 지연 시간을 두었고, 4.5초 주기 운동에서 각각 0.15초, 0.45초의 지연 시간을 두었다(Fig. 4).
성능/효과
- 1) 정밀한 방사선 치료를 위해서는 병소 부위의 정확한 위치 파악과 함께 호흡에 의한 종양 움직임을 최소화하는 것이 필수적이다.2,3) 종양의 움직임을 제한하기 위해 시행되는 방법으로는 ABC (Active Breathing Coordination), 복부 압박(Abdominal Compression, AC), 역동적 추적 치료(Dynamic tracking), 호흡동조 방사선치료(Gating) 등이 있다.
- 9% 감소하여 CTV-PTV 마진이 크게 줄어드는 이전의 결과를 재확인하였다. 8명의 폐암 환자의 종양의 위치변화를 추적한 결과, 환자의 호흡에 따른 종양의 움직임은 좌우, 전후, 두미측 방향에 따라 평균적으로 각각 3.2 mm, 4.3 mm, 13.0 mm의 위치변화를 나타내는 것을 확인하였다. 이를 기준으로 직교좌표 로봇을 이용하여 실제 환자의 호흡과 유사한 주기로 팬텀을 구동한 후, 필름을 이용한 3차원 선량 분포 결과, 실제 치료계획보다 낮은 선량을 나타낸 영역을 측정한 결과 두미측 방향으로 각각 8.
- 본 연구를 통해 기 개발된 호흡운동 감소기구를 개선하여 장기의 움직임을 최소화할 수 있는 사용이 편리하고 효과적인 복부압박기구를 개발하였다. 기구를 착용한 상태에서 환자의 자유 호흡을 유도하여 치료의 편리함을 추구함과 동시에, 종양의 위치 변화가 평균 44.9% 감소하여 CTV-PTV 마진이 크게 줄어드는 이전의 결과를 재확인하였다. 8명의 폐암 환자의 종양의 위치변화를 추적한 결과, 환자의 호흡에 따른 종양의 움직임은 좌우, 전후, 두미측 방향에 따라 평균적으로 각각 3.
- 9%의 결과를 얻었다. 따라서 상대적으로 많은 선량을 받는 후미측은 저선량 영향을 많이 받게 되며 이로 인해 선량 왜곡이 가장 크게 발생함을 알 수 있었다. 이 결과를 통해 환자의 호흡과 유사한 양상의 장기 움직임에서 실제 치료에서와 마찬가지로 후미측 방향의 저선량 영역이 이동하는 것을 확인할 수 있었다.
- 5초 주기운동 상태에서 방사선 조사를 시행한 후 등선량 곡선을 비교한 것으로, 호흡주기에 따른 선량 왜곡의 변화는 크지 않았다. 또한 2차원적 선량 분포 파일을 분석한 결과 하방에서 저선량 면적이 보다 큰 것을 확인할 수 있었다(Fig. 6).
- 즉 콜리메이터가 움직일 때 조사면 또한 동시에 움직이기 때문에 발생하는 현상이다. 본 연구에서는 다엽콜리메이터의 역동적인 움직임이 거의 없었기 때문에 interplay 효과보다는 일반 방사선 치료에서 나타나는 선량 blurring 효과만 나타난 것을 확인할 수 있었다. 이는 기존 연구에서 사용했던 비정형적인 모양의 종양 대신에 보다 정확하고 쉬운 정량적 선량 분석을 위해 구 형태의 가상 종양모양을 이용하였기 때문이라 생각된다.
- 따라서 상대적으로 많은 선량을 받는 후미측은 저선량 영향을 많이 받게 되며 이로 인해 선량 왜곡이 가장 크게 발생함을 알 수 있었다. 이 결과를 통해 환자의 호흡과 유사한 양상의 장기 움직임에서 실제 치료에서와 마찬가지로 후미측 방향의 저선량 영역이 이동하는 것을 확인할 수 있었다. 좌우, 전후, 두미측에서 3초와 4.
- 0 mm의 위치변화를 나타내는 것을 확인하였다. 이를 기준으로 직교좌표 로봇을 이용하여 실제 환자의 호흡과 유사한 주기로 팬텀을 구동한 후, 필름을 이용한 3차원 선량 분포 결과, 실제 치료계획보다 낮은 선량을 나타낸 영역을 측정한 결과 두미측 방향으로 각각 8.0%, 16.8%, 좌우측 방향으로 각각 8.1%와 10.9%의 결과를 얻었다. 따라서 상대적으로 많은 선량을 받는 후미측은 저선량 영향을 많이 받게 되며 이로 인해 선량 왜곡이 가장 크게 발생함을 알 수 있었다.
- 팬텀과 직교좌표 로봇을 이용한 호흡에 의한 선량 분포 특성 변화의 결과는 다음과 3초 주기로 운동하는 팬텀의 경우 두미측으로 나누어 분석한 저선량영역은 각각 같다. 전체 면적의 9.27%와 15.97%로 전체 종양의 25.24%가 계획된 선량보다 낮게 조사되었으며, 좌우측에서는 각각 7.10%와 9.91%가 저선량영역이 되었다. 또한 팬텀이 4.
- 종양은 좌우, 전후, 두미측 방향에 따라 각각 1∼7 mm, 1∼10 mm, 2∼25 mm로 평균 3.2 mm, 4.3 mm, 13.0 mm의 움직임을 나타냈으며, 개인적인 차이는 있으나, 우하엽에 위치한 종양이 두미방향으로 가장 많이 움직이며 우상엽이 가장 적은 움직임을 보이는 것을 확인할 수 있었다(Table 1).
- 이 결과를 통해 환자의 호흡과 유사한 양상의 장기 움직임에서 실제 치료에서와 마찬가지로 후미측 방향의 저선량 영역이 이동하는 것을 확인할 수 있었다. 좌우, 전후, 두미측에서 3초와 4.5초 주기운동 상태에서의 등선량 곡선(isodose curve)과 선량 프로파일을 비교한 결과, 호흡 주기에 따른 선량 왜곡의 큰 변화는 관찰할 수 없었고, 선량 프로파일을 통해 호흡에 의한 두미측으로 이동을 확인함으로써 후미측의 저선량영역이 증가함을 확인 할 수 있었다.
후속연구
- 이는 기존 연구에서 사용했던 비정형적인 모양의 종양 대신에 보다 정확하고 쉬운 정량적 선량 분석을 위해 구 형태의 가상 종양모양을 이용하였기 때문이라 생각된다. 개발된 기구를 이용한 체부 정위방사선치료 시 평균 6 mm 정도의 CTV-PTV 마진을 사용하면 호흡에 따른 저선량 영역 현상을 극복할 수 있을 것으로 판단되며, 호흡 주기에 의한 저선량영역은 추가 연구가 필요할 것으로 보인다.
- 이로써, 개발된 호흡운동감소기구는 환자의 자유 호흡을 유도하고, 불규칙한 환자 호흡에 따른 장기의 움직임을 최소화하여 보다 높은 치료효과를 예상할 수 있으리라 생각되며, 차후에 체부 정위방사선치료에 있어서 Gating 방법과 병행할 수 있는, 임상 적용이 용이한 효과적인 보조기구로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
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