영상유도 방사선치료장치(IGRT)를 이용한 흉·복부 종양의 움직임과 외부호흡과의 상관관계 분석 Analysis of Correlation Coefficient Between Movements of Thoracoabdominal Tumors and External Respiration Using Image Guided Radiotherapy(IGRT)원문보기
본 연구는 자유로운 호흡 상태에서 사이버나이프 영상유도 방사선 치료장치(IGRT)를 이용하여 흉 복부 종양의 움직임과 외부호흡과의 상관관계 측정하여 분석하였다. 대상은 방사선 치료를 시행한 폐종양(n=10), 간종양(n=10), 췌장암(n=10) 환자 총 30명으로, 종양추적시스템(MTS)의 로그 데이터를 변환하여 분석하였다. 자유로운 호흡 중에서 폐종양과 외부호흡의 Peason 상관관계는 두미 방향 0.646(p<0.05), 좌우 방향 0.365(p<0.088), 전후 방향 0.196(p<0.115)로 나타났다. 간종양의 상관관계는 두미 방향 0.841(p<0.000), 좌우 방향 0.346 (p<0.179), 전후 방향 0.691(p<0.001)로 나타났다. 췌장 종양의 상관관계는 두미 방향 0.683(p<0.000), 좌우 방향에서는 0.397(p<0.006), 전후 방향 0.268(p<0.127)로 나타났다. 영상유도장치를 이용한 흉 복부 종양의 움직임 측정 결과는 정확한 치료 체적의 결정에 유용하게 적용할 수 있을 것이다. 또한 외부 호흡과 내부 종양 움직임의 상관관계를 분석을 통하여 다양한 방사선 치료 기술에서 종양의 움직임을 보상해 줄 수 있는 중요한 정보를 제공할 것이다.
본 연구는 자유로운 호흡 상태에서 사이버나이프 영상유도 방사선 치료장치(IGRT)를 이용하여 흉 복부 종양의 움직임과 외부호흡과의 상관관계 측정하여 분석하였다. 대상은 방사선 치료를 시행한 폐종양(n=10), 간종양(n=10), 췌장암(n=10) 환자 총 30명으로, 종양추적시스템(MTS)의 로그 데이터를 변환하여 분석하였다. 자유로운 호흡 중에서 폐종양과 외부호흡의 Peason 상관관계는 두미 방향 0.646(p<0.05), 좌우 방향 0.365(p<0.088), 전후 방향 0.196(p<0.115)로 나타났다. 간종양의 상관관계는 두미 방향 0.841(p<0.000), 좌우 방향 0.346 (p<0.179), 전후 방향 0.691(p<0.001)로 나타났다. 췌장 종양의 상관관계는 두미 방향 0.683(p<0.000), 좌우 방향에서는 0.397(p<0.006), 전후 방향 0.268(p<0.127)로 나타났다. 영상유도장치를 이용한 흉 복부 종양의 움직임 측정 결과는 정확한 치료 체적의 결정에 유용하게 적용할 수 있을 것이다. 또한 외부 호흡과 내부 종양 움직임의 상관관계를 분석을 통하여 다양한 방사선 치료 기술에서 종양의 움직임을 보상해 줄 수 있는 중요한 정보를 제공할 것이다.
This study measured and analyzed the correlation coefficient between movements of thoracoabdominal tumors and external respiration in a free-breathing state, using cyberknife image guided radiotherapy(IGRT). This study subjects included a total of 30 patients with lung tumors(n=10), liver tumors(n=1...
This study measured and analyzed the correlation coefficient between movements of thoracoabdominal tumors and external respiration in a free-breathing state, using cyberknife image guided radiotherapy(IGRT). This study subjects included a total of 30 patients with lung tumors(n=10), liver tumors(n=10) and pancreatic tumor(n=10) who underwent radiotherapy, and the movements of tumors were analyzed using converted log data of the tumor motion tracking system(MTS). In a free-breathing state, In relation to Peason's correlation coefficient between external respiration and lung tumors in the entire treatment process, the correlation coefficient was 0.646(p<0.05) in the cranio-caudal direction, 0.365(p<0.088) in the left and right direction and 0.196(p<0.115) in the antero-posterior direction. The correlation coefficient of liver tumors was 0.841(p<0.000) in the cranio-caudal direction, 0.346 (p<0.179) in the left and right direction and 0.691(p<0.001) in the antero-posterior direction. The correlation coefficient of Pancreatic tumors was 0.683(p<0.000) in the cranio-caudal direction, 0.397(p<0.006) in the left and right direction and 0.268(p<0.127) in the antero-posterior direction. In conclusion, the measurement findings of thoracoabdominal tumor movement using IGRT would be helpful in determining an accurate target volume. Moreover, the analysis of correlation between external respiration and movements of internal tumors would provide important information to correct movements of tumors for diverse radiotherapy techniques.
This study measured and analyzed the correlation coefficient between movements of thoracoabdominal tumors and external respiration in a free-breathing state, using cyberknife image guided radiotherapy(IGRT). This study subjects included a total of 30 patients with lung tumors(n=10), liver tumors(n=10) and pancreatic tumor(n=10) who underwent radiotherapy, and the movements of tumors were analyzed using converted log data of the tumor motion tracking system(MTS). In a free-breathing state, In relation to Peason's correlation coefficient between external respiration and lung tumors in the entire treatment process, the correlation coefficient was 0.646(p<0.05) in the cranio-caudal direction, 0.365(p<0.088) in the left and right direction and 0.196(p<0.115) in the antero-posterior direction. The correlation coefficient of liver tumors was 0.841(p<0.000) in the cranio-caudal direction, 0.346 (p<0.179) in the left and right direction and 0.691(p<0.001) in the antero-posterior direction. The correlation coefficient of Pancreatic tumors was 0.683(p<0.000) in the cranio-caudal direction, 0.397(p<0.006) in the left and right direction and 0.268(p<0.127) in the antero-posterior direction. In conclusion, the measurement findings of thoracoabdominal tumor movement using IGRT would be helpful in determining an accurate target volume. Moreover, the analysis of correlation between external respiration and movements of internal tumors would provide important information to correct movements of tumors for diverse radiotherapy techniques.
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문제 정의
방사선 치료의 목적은 정상조직의 방사선 장해를 최소화함과 동시에 종양 부위에 정확한 선량을 집중 조사 하여 국소 종양 제어율(local tumor control rate)을 극대화 하는 것이다.
본 연구는 자유로운 호흡(free breathing) 상태에서 영상유도 방사선치료장치(IGRT)를 이용하여 흉·복부 종양의 움직임과 외부호흡과의 상관관계 분석을 통하여 정확한 방사선 치료 체적의 결정과 호흡에 따라 움직이는 장기에서 발생한 종양의 다양한 방사선 치료 계획에 도움을 주고자 한다.
제안 방법
대상은 폐종양 환자 10명, 간종양 환자 10명, 췌장암 환자 10명으로 종양 움직임 추적장치(motion tracking system, MTS)를 통해 얻어진 로그 데이터를 변환하여 측정하였다.
본 연구는 영상유도 방사선치료장치 (IGRT)를 이용하여 자유로운 호흡 하에 흉·복부 종양의 움직임을 측정하였으며 종양의 직선 움직임과 외부 호흡과 내부종양의 상관관계를 분석하였다.
본 연구에서 사용된 Peason 상관관계 분석은 두 변수 모두가 연속 변수일 때 상관의 정도를 분석하기 위해 사용되며 공분산(covariance)을 각 변수의 표준편차(standard deviation)로 나누어 준 값을 의미(-1≤ γ ≤1)한다.
싱크로니 호흡 추적장치는 흉부나 복부에 부착시킨 3개의 발광 다이오드(light emitting diode, LED) 신호를 전하결합소자(charge coupled divice, CCD) 카메라로 측정하여 외부 호흡의 패턴을 측정하고, 움직임 추적 장치(motion tracking system, MTS) 컴퓨터에 저장한다.
1). 자유로운 호흡 상태에서의 종양 위치 좌표를 영상유도 장치의 움직임 추적 시스템(MTS) 의 Mtsmain.log 파일을 엑셀로 변환하여 측정하였다. 또한 자유로운 호흡 상태에서 종양의 움직임과 외부 호흡과의 상관관계 분석을 위하여 외부 마커(LED marker)와 내부 종양(fiducial marker)의 시간에 따른 움직임 좌표를 측정하여 SPSS version 18.
자유로운 호흡(free breathing)상태에서 영상유도 방사선치료 장치(IGRT)를 이용하여 흉·복부 종양의 움직임과 외부 호흡과의 상관관계를 평가하였다.
4 mm/pixel 인 아모퍼스 실리콘 검출기(amorphous silicon detector)로 실시간 얻어진 영상을 통하여 환자의 움직임과 종양 좌표를 측정하게 된다. 측정된 영상은 치료 계획용 컴퓨터 단층촬영(CT)으로 얻어진 디지털 재구성 방사선 영상(digital reconstructed radiography, DRR)과 비교하여 좌표인식 컴퓨터(target locating system computer, TLS PC)에서 종양의 좌표를 계산한다.
싱크로니 호흡 추적장치는 흉부나 복부에 부착시킨 3개의 발광 다이오드(light emitting diode, LED) 신호를 전하결합소자(charge coupled divice, CCD) 카메라로 측정하여 외부 호흡의 패턴을 측정하고, 움직임 추적 장치(motion tracking system, MTS) 컴퓨터에 저장한다. 측정된 외부 호흡 패턴과 영상유도 장치(Target Locating System, TLS)인 대각선 X선 영상을 이용하여 측정된 종양좌표(내부 마커)를 일치시켜주고 상관관계를 계산한다.
흉·복부 종양의 움직임을 측정하기 위해 사이버나이프 영상유도장치(accuray Inc, sunnyvale, CA)와 외부 호흡과 종양의 상관관계 분석을 위해 싱크로니 (synchronyTM) 호흡 추적장치를 이용하여 분석하였다[Fig. 1].
대상 데이터
본 연구는 사이버나이프 방사선 치료를 받은 30명의 흉·복부 환자의 데이터를 수집하여 분석하였다.
2 Gy였다. 전 치료기간동안 빔의 수는 106 ～ 258개로 평균 228.6개 빔을 조사하여 치료를 시행하였다. 치료시간 (treatment time)은 38 ～ 87분으로 평균 74.
데이터처리
Table 3. Analysis of correlation coefficient between 3D movements of liver tumors and external respiration using IGRT.
Table 2. Analysis of correlation coefficient between 3D movements of lung tumors and external respiration using IGRT.
Peason 상관관계 분석에서 X축 변수로 외부마커 (LED, 호흡)의 3차원 좌표에 대한 스칼라(scalar, rM) 값을, Y축 변수로 두미방향(superior-inferior), 좌우방향(left-right), 전후방향(anterior-posterior)의 내부마커(내부 종양, XT)의 움직임을 이변량 상관관계 분석 (bivariate correlation coefficient)으로 실시하였다[Fig 3].
log 파일을 엑셀로 변환하여 측정하였다. 또한 자유로운 호흡 상태에서 종양의 움직임과 외부 호흡과의 상관관계 분석을 위하여 외부 마커(LED marker)와 내부 종양(fiducial marker)의 시간에 따른 움직임 좌표를 측정하여 SPSS version 18.0 통계 프로그램을 이용하여 상관관계를 분석하였다.
성능/효과
간종양 환자의 경우 영상유도 방사선치료장치(IGRT)를 이용하여 자유로운 호흡 하에 종양의 움직임 좌표를 측정한 결과 두미 방향으로 18.55 ± 4.47 mm, 좌우방향 4.20 ± 0.90 mm, 전후방향 5.39 ± 1.17 mm의 움직임을 보였다.
또한 외부 호흡과 인체 내부 종양의 3차원적 관계를 분석한 Peason 상관관계를 측정한 결과 두미 방향에서는 흉·복부에 위치한 대부분의 종양이 강한 선형성을 가지고 있으나 좌우 방향과 전후 방향에서는 비교적 약한 상관관계를 이루는 것을 알 수 있었다.
5(2～11) mm로 보고 하였으며, Suramo[14]등은 호흡으로 인한 복부장기들은 두미(superior-inferior) 방향 움직임이 췌장의 경우 얕은 호흡에서 20 mm, 깊은 호흡에서 43 mm, 간의 경우 얕은 호흡에서 25 mm, 깊은 호흡에서 55 mm, 콩팥의 경우 얕은 호흡에서 19 mm, 깊은 호흡의 경우 40 mm의 움직임을 보인다고 하였다. 이는 본 연구에서 종양의 두미방향 움직임을 측정한 결과 폐종양 16.23 mm, 간종양 18.55 mm, 췌장암의 경우 15.30 mm로 얕은 호흡에서의 측정 결과와 비교적 일치하는 것으로 나타났다. 또한 외부 호흡과 인체 내부 종양의 3차원적 관계를 분석한 Peason 상관관계를 측정한 결과 두미 방향에서는 흉·복부에 위치한 대부분의 종양이 강한 선형성을 가지고 있으나 좌우 방향과 전후 방향에서는 비교적 약한 상관관계를 이루는 것을 알 수 있었다.
7세였다. 적용 환자의 종양의 평균 체적(tumor volume)은 10.2 ～1185.5 cc로 평균 109.3 cc이었으며, 방사선 치료를 위한 총 선량(total dose)은 27 ～ 60 Gy로 평균 42.2 Gy였다. 전 치료기간동안 빔의 수는 106 ～ 258개로 평균 228.
전 치료과정 중 외부호흡과 내부 장기의 Peason 상관 관계 계수를 분석한 결과 두미 방향에서는 0.646(p<0.05)으로 선형관계를 이루어 통계적으로 유의한 차이를 보였으며, 좌우 방향에서는 0.365(p<0.088), 전후 방향에서는 0.196(p<0.115)으로 선형관계가 낮은 것으로 나타났다[Table 2].
전 치료과정 중 외부호흡과 내부 장기의 Peason 상관 관계 계수를 분석한 결과 두미 방향에서는 0.683(p<0.000)으로 선형관계를 이루어 통계적으로 유의한 차이를 보였으며, 좌우 방향에서는 0.397(p<0.006), 전후 방향에서는 0.268(p<0.127)로 측정되었다[Table 4].
전 치료과정 중 외부호흡과 내부 장기의 Peason 상관 관계 계수를 분석한 결과 두미 방향에서는 0.841(p<0.000)으로 높은 선형관계를 이루어 통계적으로 유의한 차이를 보였으며, 좌우 방향에서는 0.346(p<0.179)로 선형관계가 낮았으며, 전후 방향에서는 0.691(p<0.001)로 선형 관계가 유의하게 높은 것으로 측정되었다[Table 3].
췌장암 환자의 경우 영상유도 방사선치료장치 (IGRT)를 이용하여 자유로운 호흡 하에 종양의 움직임 좌표를 측정한 결과 두미 방향으로 15.30 ± 3.36 mm, 좌우방향 7.05 ± 1.49 mm, 전후방향 7.40 ± 3.26 mm의 움직임을 보였다.
폐종양 환자 10명을 대상으로 영상유도 방사선치료 장치(IGRT)를 이용하여 자유로운 호흡 하에 종양의 움직임 좌표를 측정한 결과 두미 방향으로 16.23 ± 3.84 mm, 좌우방향 5.44 ± 1.19 mm, 전후방향 6.09 ± 1.28 mm의 움직임을 보였다.
후속연구
다만 본 연구에서 흉·복부 종양의 움직임이 호흡에 따른 영향만을 고려하였으며, 장기나 종양의 움직임은 환자의 연령이나 상태, 종양의 위치, 진행정도 따라 그 패턴이 다르게 나타날수 있으며 각각의 변수에 대한 후속 연구가 필요한 것으로 생각된다.
영상유도장치를 이용한 흉·복부 종양의 움직임 측정 결과는 정확한 치료 체적(target volume)의 결정으로 방사선 치료 중 정상조직의 장해를 최소화 시키고 장기의 움직임을 고려한 치료계획을 위한 표적체적 (PTV) 결정에 유용하게 적용할 수 있을 것이다. 또한 외부 호흡과 내부 종양 움직임의 상관관계를 분석을 통하여 호흡 조절 방사선 치료나 동적 종양 추적 방사선치료에서 종양의 움직임을 보상해 줄 수 있는 중요한 정보를 제공할 것이라 사료된다. 다만 본 연구에서 흉·복부 종양의 움직임이 호흡에 따른 영향만을 고려하였으며, 장기나 종양의 움직임은 환자의 연령이나 상태, 종양의 위치, 진행정도 따라 그 패턴이 다르게 나타날 수 있으며 각각의 변수에 대한 후속 연구가 필요한 것으로 생각된다.
영상유도장치를 이용한 흉·복부 종양의 움직임 측정 결과는 정확한 치료 체적(target volume)의 결정으로 방사선 치료 중 정상조직의 장해를 최소화 시키고 장기의 움직임을 고려한 치료계획을 위한 표적체적 (PTV) 결정에 유용하게 적용할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
호흡에 따라 움직이는 흉·복부의 장기들 치료계획 시 치료의 성패에 결정적 영향을 주는 요인은 무엇인가?
이러한 최첨단 장비와 기술에도 불구하고 기계적 오차, 환자의 정렬(set up) 오차, 환자의 호흡 및 장기의 움직임에 의한 오차, 종양의 범위나 체적에 대한 불확실성에 의해 치료 선량 전달의 정확성의 낮아지는 원인이 된다. 특히 호흡에 따라 움직이는 흉·복부의 장기들은 치료계획 시 종양의 용적 결정은 치료의 성패에 결정적 영향을 줄 수 있다. 국제 방사선단위 측정위원회보고서 62 (international commission on radiation units and measurement, ICRU Report 62)에서는 육안적 종양체적(gross tumor volume, GTV), 임상적 표적 체적 (clinical target volume, CTV)과 더불어 치료계획을 위한 표적 체적(planning target volume, PTV)을 internal margin(IM)과 setup margin(SM)을 고려하여 환자 자세 및 재현성과 호흡으로 인한 움직임 영역을 충분히 포함하여 치료 부위가 방사선 조사 영역을 벗어나지 않도록 권고하고 있다[2].
자유로운 호흡 상태에서 사이버나이프 영상유도 방사선 치료장치(IGRT)를 이용하여 흉 복부 종양의 움직임과 외부호흡과의 상관관계 측정하여 분석한 결과는 어떠한가?
대상은 방사선 치료를 시행한 폐종양(n=10), 간종양(n=10), 췌장암(n=10) 환자 총 30명으로, 종양추적시스템(MTS)의 로그 데이터를 변환하여 분석하였다. 자유로운 호흡 중에서 폐종양과 외부호흡의 Peason 상관관계는 두미 방향 0.646(p<0.05), 좌우 방향 0.365(p<0.088), 전후 방향 0.196(p<0.115)로 나타났다. 간종양의 상관관계는 두미 방향 0.841(p<0.000), 좌우 방향 0.346 (p<0.179), 전후 방향 0.691(p<0.001)로 나타났다. 췌장 종양의 상관관계는 두미 방향 0.683(p<0.000), 좌우 방향에서는 0.397(p<0.006), 전후 방향 0.268(p<0.127)로 나타났다. 영상유도장치를 이용한 흉 복부 종양의 움직임 측정 결과는 정확한 치료 체적의 결정에 유용하게 적용할 수 있을 것이다.
방사선 치료의 목적은 무엇인가?
방사선 치료의 목적은 정상조직의 방사선 장해를 최소화함과 동시에 종양 부위에 정확한 선량을 집중 조사 하여 국소 종양 제어율(local tumor control rate)을 극대화 하는 것이다.
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