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문제 정의
- 본 연구에서는 호흡 동조 구동 팬톰을 이용하여 호흡패턴, 호흡주기 그리고 표적 진폭의 변화에 따른 4DCT와 Slow-CT 영상에서의 내부표적체적의 변화를 확인하기 위해서 획득한 영상에 표적을 묘사하여 ITV 길이 및 체적에 대하여 비교, 분석하였다. 이론적인 ITV 체적과의 비교에서 4DCT 영상이 Slow-CT 영상에 비해 표적을 잘 표현하였지만 호흡주기, 진폭 그리고 호흡패턴에 따라 차이를 보임을 확인하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 Lightspeed 16-Slice CT (GE Medical Systems, Milwaukee, WI)를 이용하여 4DCT와 Slow-CT 영상을 획득하였으며 두 촬영법 모두 호흡패턴, 호흡주기, 표적 진폭에 따라 3회씩 반복 촬영하였다. 4DCT 영상은 RPM 호흡 동조 시스템을 이용하여 호흡신호를 획득한 후, 이를 기반으로 Advantage 4D software v1.4 (GE, WC, USA)를 이용 하여 0%부터 90%까지 10개의 위상으로 나누어 영상을 재구성 하였다(Fig. 1). 4DCT 촬영은 연속적 주사방법(cine mode)을 사용하였으며 연속 간격(cine interval)을 호흡주기의 1/10, 지속 시간은 호흡주기에 회전 시간 1초를 합산하여 설정하였다.
- 1). 4DCT 촬영은 연속적 주사방법(cine mode)을 사용하였으며 연속 간격(cine interval)을 호흡주기의 1/10, 지속 시간은 호흡주기에 회전 시간 1초를 합산하여 설정하였다.
- 주사시간은 호흡주기와 같거나 길게 설정할 경우 표적의 재현성이 비슷하기 때문에 호흡 주기와 동일하게 설정하였다.7) 관전압과 관전류, 절편 두께는 4DCT와 Slow-CT 모두 140 kVp, 55 mA, 2.5 mm로 적용 하였다. 내부표적체적(ITV) 길이와 체적은 Eclipse 치료계획 시스템(Varian Medical Systems, Palo, CA, USA)을 이용하여 영상에 나타난 표적을 각 절편마다 윤곽 묘사하여 측정하였다.
- 본 연구에서는 본원과 타 병원에 내원한 238명 환자들의 호흡 신호를 Varian사의 RPM 호흡 동조 시스템을 이용하여 획득하였다. RPM 파일의 호흡 신호를 그대로 모사할 수 있는 Modus사의 호흡 동조 모션 프로그램(Modus Medical devices)에 환자들의 RPM 파일을 적용하여 호흡 신호의 패턴을 분석하였다.
- 5 mm로 적용 하였다. 내부표적체적(ITV) 길이와 체적은 Eclipse 치료계획 시스템(Varian Medical Systems, Palo, CA, USA)을 이용하여 영상에 나타난 표적을 각 절편마다 윤곽 묘사하여 측정하였다. 4DCT의 경우는 최대세기투영법(MIP) 영상을 생성하여 윤곽 묘사하였다.
- 8) 게다가 환자의 호흡패턴, 호흡주기 및 표적 진폭이 달라지면 Slow-CT에서 표현되는 종양의 체적이 4DCT와 비교하였을 때 더 큰 차이를 보일 수 있지만 아직 까지 이런 연구가 보고 되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 환자의 호흡패턴 및 호흡주기, 표적 진폭에 따른 Slow-CT의 영상 차이를 4DCT와 비교하여 분석하였다.
- 본 연구에서는 Lightspeed 16-Slice CT (GE Medical Systems, Milwaukee, WI)를 이용하여 4DCT와 Slow-CT 영상을 획득하였으며 두 촬영법 모두 호흡패턴, 호흡주기, 표적 진폭에 따라 3회씩 반복 촬영하였다. 4DCT 영상은 RPM 호흡 동조 시스템을 이용하여 호흡신호를 획득한 후, 이를 기반으로 Advantage 4D software v1.
- 1). 본 연구에서는 호흡 동조 모션 프로그램을 이용하여 호흡패턴을 제작하였으며 1, 2, 3, 4초의 호흡주기 및 상, 하 방향에 대한 진폭의 크기를 1, 2, 3 cm로 적용하여 CT를 촬영하였다.
- 본 연구에서는 환자의 호흡 신호를 분석하여 5가지의 호흡패턴으로 분류하고, 이 호흡패턴들을 이용하여 호흡주기 및 표적 진폭에 따른 Slow-CT 영상에서의 ITV 길이와 체적을 4DCT와 비교하였다. 4DCT와 Slow-CT의 ITV 길이 및 체적을 이론값과 비교하였을 때, Slow-CT보다 4DCT의 재현성이 평균적으로 약 22% (±0.
- 분류한 5가지의 호흡패턴 중에 A-D패턴은 Clements 등의 연구에서 제시된 호흡패턴을 바탕으로 분류하였으며 9) E패턴은 가장 많은 환자들이 가지는 호흡패턴이기 때문에 추가 분류하였다. 분류된 호흡 패턴에 대한 호흡 신호는 호흡 동조 모션 프로그램으로 제작하였다(Fig. 4).
- 각 호흡패턴에 대한 특성은 호기와 흡기의 주기가 같은 사인형 패턴(Pattern A), 호기가 흡기보다 긴 패턴(Pattern B), 호기가 흡기보다 짧은 패턴(Pattern C), 최대 호기에서 호흡이 유지되는 패턴(Pattern D) 그리고 처음 흡기에서 숨을 급격하게 흡입하다가 중간에 완만하게 흡입하는 패턴(Pattern E)이다. 분류한 5가지의 호흡패턴 중에 A-D패턴은 Clements 등의 연구에서 제시된 호흡패턴을 바탕으로 분류하였으며 9) E패턴은 가장 많은 환자들이 가지는 호흡패턴이기 때문에 추가 분류하였다. 분류된 호흡 패턴에 대한 호흡 신호는 호흡 동조 모션 프로그램으로 제작하였다(Fig.
- 4DCT의 경우는 최대세기투영법(MIP) 영상을 생성하여 윤곽 묘사하였다. 표적의 윤곽은 윈도우 레벨 및 폭 (window level/width)에 따라 표적의 표현 정도가 매우 상이 하므로 일정한 윈도우 레벨 및 폭을 지정하기 위해서 움직이지 않는 표적을 4DCT와 Slow-CT 촬영하여 표적의 지름이 3 cm가 되는 값으로 설정하였으며 모든 영상에 대하여 동일하게 적용하였다. 이때 윈도우 레벨 및 폭은 180/－500이였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 본원과 타 병원에 내원한 238명 환자들의 호흡 신호를 Varian사의 RPM 호흡 동조 시스템을 이용하여 획득하였다. RPM 파일의 호흡 신호를 그대로 모사할 수 있는 Modus사의 호흡 동조 모션 프로그램(Modus Medical devices)에 환자들의 RPM 파일을 적용하여 호흡 신호의 패턴을 분석하였다.
이론/모형
- Slow-CT 촬영은 일반적 주사방법인 횡단면 주사방법 (axial mode)을 사용하였다. 주사시간은 호흡주기와 같거나 길게 설정할 경우 표적의 재현성이 비슷하기 때문에 호흡 주기와 동일하게 설정하였다.
- 본 연구에서 다양한 호흡패턴에 따른 표적의 움직임을 모사하기 위해서 QUASARTM 호흡 동조 구동 팬톰(Modus Medical Devices Inc., London, ON, Canada)을 사용하였다. QUASARTM 팬톰은 아크릴 재질의 타원형 팬톰 및 구동 모터, 지름 3 cm의 표적이 삽입되어 있는 원통형 삽입물로 구성되며 호흡패턴에 따라 표적 움직임을 모사 할 수 있다.
성능/효과
- 4DCT에 대한 Slow-CT의 ITV 길이와 체적의 차이는 모든 패턴에 대하여 호흡주기가 길어질수록, 진폭이 커질수록 증가함을 확인하였다(Table 2). ITV 길이와 체적의 차이는 호흡주기가 1초이고, 진폭이 1 cm인 경우 각각 1%, 6% 이내 이었으며, 호흡주기가 4초이고 진폭이 3 cm 일 때 각각 15%, 30% 이상의 차이를 보였다.
- 4DCT와 Slow-CT의 ITV 길이 및 체적을 이론값과 비교하였을 때, Slow-CT보다 4DCT의 재현성이 평균적으로 약 22% (±0.82) 높게 나타났다.
- 특히, 호흡주기가 긴 4초에 경우 모든 표적 진폭에서 95% 이상의 재현성을 보였다. B, C, D 패턴간의 호흡주기 및 표적 진폭에 따른 ITV 체적의 차이는 크지 않았으며 호흡주기가 3, 4초 일 때 이론값에 대한 ITV 길이 재현성은 85% 이상인 반면에 ITV 체적은 모든 호흡패턴이 90% 이상의 재현성을 갖았다. E패턴은 모든 경우에 다른 네 패턴에 비해 재현성이 가장 낮았고 호흡주기 3, 4초에서는 표적 진폭이 1 cm인 경우를 제외한 모든 경우에 90% 이하의 재현성을 보였다.
- 5에서 보는 바와 같이 호흡패턴이 A, 진폭이 1 cm 일 때 이론값과 차이가 가장 적었으며 1, 2, 3, 4초의 경우 각각 10, 7, 7, 2%의 차이를 보였다. B, C, D 패턴들은 호흡주기 및 표적 진폭에 따른 각 패턴간의 ITV 길이의 차이가 크지 않았으며 특히, E 패턴은 모든 경우에서 다른 패턴들에 비해 더 많은 차이를 보였다. ITV 길이는 대체로 호흡주기가 길어질수록 진폭이 작을수록 이론값에 가까운 값을 보였으나 호흡주기가 3, 4초의 경우 ITV 길이의 차이는 각각 3%, 2%로 영향이 적음을 확인하였다.
- 61%로 가장 재현성이 좋았다. E패턴은 4DCT와 Slow-CT에서 모든 패턴에 비해 재현성이 가장 떨어졌으며 Slow-CT에서는 호흡주기가 1초, 진폭이 1 cm 일 때 ITV 길이와 체적이 이론값과 비교하여 각각 79.50, 71.81%로 가장 좋은 재현성을 보였다. B, C, D 패턴은 4DCT와 마찬가지로 각 패턴간의 ITV 길이와 체적에 대한 재현성은 호흡주기와 표적 진폭에 따라 차이가 크지 않았다.
- B, C, D 패턴간의 호흡주기 및 표적 진폭에 따른 ITV 체적의 차이는 크지 않았으며 호흡주기가 3, 4초 일 때 이론값에 대한 ITV 길이 재현성은 85% 이상인 반면에 ITV 체적은 모든 호흡패턴이 90% 이상의 재현성을 갖았다. E패턴은 모든 경우에 다른 네 패턴에 비해 재현성이 가장 낮았고 호흡주기 3, 4초에서는 표적 진폭이 1 cm인 경우를 제외한 모든 경우에 90% 이하의 재현성을 보였다. 호흡주기 1초, 표적 진폭이 3 cm 일 때 65.
- B, C, D 패턴들은 호흡주기 및 표적 진폭에 따른 각 패턴간의 ITV 길이의 차이가 크지 않았으며 특히, E 패턴은 모든 경우에서 다른 패턴들에 비해 더 많은 차이를 보였다. ITV 길이는 대체로 호흡주기가 길어질수록 진폭이 작을수록 이론값에 가까운 값을 보였으나 호흡주기가 3, 4초의 경우 ITV 길이의 차이는 각각 3%, 2%로 영향이 적음을 확인하였다.
- Slow-CT도 4DCT와 마찬가지로 모든 호흡패턴에 대하여 표적 진폭이 짧을수록 ITV 길이 및 체적과 이론값의 차이가 작아졌지만 호흡주기의 경우에는 1초에서 재현성이 가장 좋았으며 2∼4초간의 차이는 매우 근소했다(Fig. 6).
- 4DCT와 Slow-CT는 모두 같은 호흡주기에서 진폭이 작아질수록 ITV 길이와 체적 모두 재현성이 향상되는 경향을 보였는데, 이는 동일한 호흡 진폭에서 호흡주기가 길어짐에 따라 표적의 이동속도가 감소하기 때문이며, 동일한 표적 진폭에서 호흡주기가 길어짐에 따라 4DCT에서 ITV 길이와 체적이 이론값에 근접한 값을 보이는 것도 또한 같은 이유에서이다. 그러나 Slow-CT의 경우 4DCT와는 달리 동일한 표적 진폭에서 호흡 주기의 변화는 재현성에 영향을 주지 않았는데, 이를 통해 Slow-CT 촬영 시 주사시간을 호흡주기에 동일하게 설정하면, 호흡주기에 상관없이 ITV 길이와 체적이 비슷한 값을 갖게 됨을 확인하였다.
- 45 cm로 상, 하 방향에 대하여 전혀 다른 차이를 보였다. 그러므로 4DCT에 대하여 Slow-CT에 여유를 정의할 때, 표적의 움직임을 고려하여 A, B, C패턴에서는 최대 흡기와 호기에 동일한 비율로 여유를 설정하고 E 패턴은 최대 흡기에 비해 호기에 2배 정도 여유를 더 고려해야 하며 D패턴은 최대 흡기에만 여유를 설정해도 될 것으로 판단된다.
- 이론적인 ITV 체적과의 비교에서 4DCT 영상이 Slow-CT 영상에 비해 표적을 잘 표현하였지만 호흡주기, 진폭 그리고 호흡패턴에 따라 차이를 보임을 확인하였다. 또한 4DCT와 Slow-CT 영상 비교한 결과, 호흡패턴에 따라 상, 하 방향의 차이가 달라짐을 보였다. 그러므로 Slow-CT 영상에 표적의 움직임을 고려한 여유를 설정할 때, 패턴별로 상, 하 방향에 다른 여유가 고려되어야 한다고 판단된다.
- 4DCT와 Slow-CT에서 측정한 ITV 길이와 체적은 모두 식(1), (2)으로 구한 이론값보다 적게 나타났다. 먼저, 4DCT 의 호흡주기에 따른 ITV 길이의 변화는 Fig. 5에서 보는 바와 같이 호흡패턴이 A, 진폭이 1 cm 일 때 이론값과 차이가 가장 적었으며 1, 2, 3, 4초의 경우 각각 10, 7, 7, 2%의 차이를 보였다. B, C, D 패턴들은 호흡주기 및 표적 진폭에 따른 각 패턴간의 ITV 길이의 차이가 크지 않았으며 특히, E 패턴은 모든 경우에서 다른 패턴들에 비해 더 많은 차이를 보였다.
- 본원과 타 병원에 내원한 환자들의 호흡 신호 데이터를 분석하여 총 5가지 호흡패턴으로 분류한 결과, E패턴의 호흡 특성을 지닌 환자가 42.02% (100명)로 가장 많았으며 A 패턴의 경우에는 26.89% (64명), C패턴은 19.75% (47명), D 패턴은 10.5% (25명), B패턴의 경우에는 0.84% (2명)로 가장 적었다(Fig. 3). 각 호흡패턴에 대한 특성은 호기와 흡기의 주기가 같은 사인형 패턴(Pattern A), 호기가 흡기보다 긴 패턴(Pattern B), 호기가 흡기보다 짧은 패턴(Pattern C), 최대 호기에서 호흡이 유지되는 패턴(Pattern D) 그리고 처음 흡기에서 숨을 급격하게 흡입하다가 중간에 완만하게 흡입하는 패턴(Pattern E)이다.
- 윈도우 레벨 및 폭의 경우 본 연구에서는 180/－500를 설정하여 표적을 묘사하였는데 Fig. 8에서 보는 바와 같이 설정을 변경하면 표적이 더 많이 표현됨을 알 수 있다. Dalah 등의 연구에서는 다양한 지름의 표적이 있는 팬톰을 촬영 하여 －191과 －542의 윈도우 레벨에서 표적의 지름을 측정한 결과, 각 윈도우 레벨에서 나타난 지름 차이가 최대 2mm 의 차이를 보임을 보고한 바 있다.
- 본 연구에서는 호흡 동조 구동 팬톰을 이용하여 호흡패턴, 호흡주기 그리고 표적 진폭의 변화에 따른 4DCT와 Slow-CT 영상에서의 내부표적체적의 변화를 확인하기 위해서 획득한 영상에 표적을 묘사하여 ITV 길이 및 체적에 대하여 비교, 분석하였다. 이론적인 ITV 체적과의 비교에서 4DCT 영상이 Slow-CT 영상에 비해 표적을 잘 표현하였지만 호흡주기, 진폭 그리고 호흡패턴에 따라 차이를 보임을 확인하였다. 또한 4DCT와 Slow-CT 영상 비교한 결과, 호흡패턴에 따라 상, 하 방향의 차이가 달라짐을 보였다.
- E패턴은 모든 경우에 다른 네 패턴에 비해 재현성이 가장 낮았고 호흡주기 3, 4초에서는 표적 진폭이 1 cm인 경우를 제외한 모든 경우에 90% 이하의 재현성을 보였다. 호흡주기 1초, 표적 진폭이 3 cm 일 때 65.94%의 재현성으로 이론값과의 차이가 가장 컸으며 다른 호흡패턴에 비해 낮은 재현성을 보였다(Fig. 5).
- 6). 호흡패턴의 경우 A패턴이 ITV 길이와 체적 모두 다른 패턴에 비해 이론값과의 차이가 가장 작았으며 호흡주기 1초, 표적 진폭 1 cm일 때 ITV 길이와 체적이 각각 89.50, 80.61%로 가장 재현성이 좋았다. E패턴은 4DCT와 Slow-CT에서 모든 패턴에 비해 재현성이 가장 떨어졌으며 Slow-CT에서는 호흡주기가 1초, 진폭이 1 cm 일 때 ITV 길이와 체적이 이론값과 비교하여 각각 79.
후속연구
- 그러므로 Slow-CT 영상에 표적의 움직임을 고려한 여유를 설정할 때, 패턴별로 상, 하 방향에 다른 여유가 고려되어야 한다고 판단된다. 향후 환자의 호흡 신호를 바탕으로 CT 영상을 분석할 때 본 연구에서 수행한 데이터가 유용하게 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
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