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문제 정의
- 본 연구는 진단과 치료에 영향을 미치지 않는 일상 진료 하에 시행된 연구로 폐암호흡 동조 방사선 치료를 시행하는 환자의 CT 계획 전 시행하는 호흡 훈련 시, RPM 신호와 횡격막 영상을 비교, 분석하여 호흡 훈련의 유용성을 평가하였다.
- 본원에서는 폐암 방사선 치료 환자 중 호흡 동조 방사선치료를 시행 하는 환자들에게 규칙적이고 안정적인 호흡을 유도하기 위해 CT 계획 전 호흡훈련을 하고 있다. 호흡 훈련은 총 3단계로 시행하였으며,[Fig4,5] 1단계는 3분 동안 안정적인 자유 호흡 상태에서의 호흡 패턴을 관찰하였고, RPM 시스템으로 환자 개인의 평균 호흡 속도를 확인 하였다.
제안 방법
- 호흡 훈련은 총 3단계로 시행하였으며,[Fig4,5] 1단계는 3분 동안 안정적인 자유 호흡 상태에서의 호흡 패턴을 관찰하였고, RPM 시스템으로 환자 개인의 평균 호흡 속도를 확인 하였다. 2단계는 1단계에서 확인된 환자 개인의 호흡 속도를 일정하게 유지하며 규칙적으로 호흡 할 수 있도록 하기 위해 가이드 호흡 프로그램을 환자 호흡속도에 맞춘 후 실시간으로 보여주고 간단한 설명 후 따라 하도록 유도하였다. 2단계에서 환자가 가이드 호흡 프로그램을 따라하는 것에 익숙해진 후, 3단계에서는 환자의 호흡 진폭이 규칙적으로 바뀌도록 훈련을 하고 자유 호흡 또는 2단계 보다는 호흡의 진폭이 같거나 얕아지도록 유도하면서 호흡 훈련을 반복 시행하였다.
- RPM 신호는 호흡 훈련 단계별로 흡기와 호기시의 최대값과 최소값을 구해 호흡으로 인해 움직이는 최대 범위를 확인 하였고, 흡기와 호기의 평균값 차이로 진폭을 구해 훈련 단계별로 확인하였다. 또한 흡기시와 호기시 각각의 표준편차를 구해 환자의 호흡이 규칙적으로 유지되는지 확인 하였다.
- X선 영상에서의 횡격막 레벨은 단계별 각각의 영상에서 횡격막 기준선 측정점과 임의의 측정점을 설정하여 흡기 및 호기 때 각각 설정한 측정점 간 거리를 측정해 두미방향의 움직임 변화 정도를 기록 하였다.[Fig7]
- 2016년 4월부터 8월까지 호흡 동조 폐암 방사선 치료를 받는 환자 중 정보 제공에 동의한 환자 11명을 대상으로 하였다. [Table1] 환자 복부의 표면 움직임과 투시 영상을 이용한 횡격막의 움직임으로 호흡 신호를 획득하였다. 환자의 복부 움직임은 카메라에 장착된 LED광원에서 방출된 적외선을 환자의 검상돌기와 배꼽 사이에 위치시킨 표식자(IRmarker)의 두 점에서 반사시키고 이 때 반사되는 CCD 카메라[Fig2]를 이용하여 표식자의 위치를 실시간 측정함으로써 환자의 호흡 주기를 측정하는 RPM(Real-time Position ManagementTM,Varian Medical Systems,Inc.
- 각 환자의 RPM 신호를 기반으로 해서 호흡주기(Peak to peak)값과 호흡 크기(Amplitude)의 변화값인 표준편차를 구하여 각 단계별로 변화량이 얼마나 되는지 확인 하였다.
- RPM 신호는 호흡 훈련 단계별로 흡기와 호기시의 최대값과 최소값을 구해 호흡으로 인해 움직이는 최대 범위를 확인 하였고, 흡기와 호기의 평균값 차이로 진폭을 구해 훈련 단계별로 확인하였다. 또한 흡기시와 호기시 각각의 표준편차를 구해 환자의 호흡이 규칙적으로 유지되는지 확인 하였다.RPM 신호의 최대값, 최소값, 평균값의 분포는 Fig8과 같다.
- 본 연구에서는 환자의 자유호흡 상태에서의 평균 호흡주기를 파악한 후 본원에서 자체 개발한 시각적으로 따라 할 수 있는 호흡 연습 프로그램을 이용하여(이하 가이드 호흡) 해당 호흡주기의 가이드 호흡 화면[Fig1]을 보여주고 따라 하도록 하였으며, 호흡이 규칙적이고 진폭이 자유 호흡 때 보다 작거나 같도록 유도하기 위해 환자에게 개별적인 호흡 훈련을 시행하였다. 호흡훈련을 시행할 때 마다 환자의 호흡 정도를 확인하기 위하여 투시 영상에서의 횡격막 움직임을 획득하였고, 동시에 RPM 시스템을 이용하여 환자 호흡 신호를 획득하였다.
- 호흡훈련을 시행할 때 마다 환자의 호흡 정도를 확인하기 위하여 투시 영상에서의 횡격막 움직임을 획득하였고, 동시에 RPM 시스템을 이용하여 환자 호흡 신호를 획득하였다. 위에서 획득한 투시 영상에서의 횡격막 움직임과 RPM 시스템에서의 호흡 신호를 분석하여 폐암 호흡 동조 방사선 치료 환자에게 있어 호흡훈련의 유용성을 평가하였다. 본 연구는 전향연구로 삼성서울병원 임상시험 윤리 위원회의 승인(IRB.
- 2단계에서 환자가 가이드 호흡 프로그램을 따라하는 것에 익숙해진 후, 3단계에서는 환자의 호흡 진폭이 규칙적으로 바뀌도록 훈련을 하고 자유 호흡 또는 2단계 보다는 호흡의 진폭이 같거나 얕아지도록 유도하면서 호흡 훈련을 반복 시행하였다. 위의 모든 단계에서 단계별로 환자 호흡의 RPM 신호를 기록하고 동시에 다른 장기에 비해 호흡에 따른 움직임이 상대적으로 크고 육안으로 식별이 분명한 횡격막 X선 영상에서두미 방향으로 폐 움직임의 변화과정을 기록 하였다. RPM으로 호흡신호 획득 시, 적외선 마커 블록은 환자의 검상돌기와 배꼽 사이에 위치시켰다.
- , Austine, USA)을 사용하여 본원에서 자체 개발한 프로그램14)을 사용하였다. 이 프로그램은 RPM 으로 획득한 호흡신호 자료를 대상으로 시간에 대한 미분값을 구하고 각 시간 위치에서의 미분계수의 변화량으로 변곡점을 구한 다음, 그 변곡점의 미분계수의 변화가 양에서 음으로 변하는지, 음에서 양으로 변하는지를 알아 그 변곡점의 최고점(peak)또는 최저점(valley) 여부를 구분하였다. 이렇게 구한 여러 개의 변곡점의 X, Y값(즉, 시간과 호흡신호 함수의 기울기)을 구하여 각 호흡행정의 주기와 움직임의 크기를 구하고, 일정시간대별로 호흡주기와 호흡크기, 호흡주기와 크기의 최대값, 최소값, 평균값 및 표준편차를 자동적으로 나타내도록 프로그램을 구성하였다.
- 이 프로그램은 RPM 으로 획득한 호흡신호 자료를 대상으로 시간에 대한 미분값을 구하고 각 시간 위치에서의 미분계수의 변화량으로 변곡점을 구한 다음, 그 변곡점의 미분계수의 변화가 양에서 음으로 변하는지, 음에서 양으로 변하는지를 알아 그 변곡점의 최고점(peak)또는 최저점(valley) 여부를 구분하였다. 이렇게 구한 여러 개의 변곡점의 X, Y값(즉, 시간과 호흡신호 함수의 기울기)을 구하여 각 호흡행정의 주기와 움직임의 크기를 구하고, 일정시간대별로 호흡주기와 호흡크기, 호흡주기와 크기의 최대값, 최소값, 평균값 및 표준편차를 자동적으로 나타내도록 프로그램을 구성하였다. [Fig6]
- 본원에서는 폐암 방사선 치료 환자 중 호흡 동조 방사선치료를 시행 하는 환자들에게 규칙적이고 안정적인 호흡을 유도하기 위해 CT 계획 전 호흡훈련을 하고 있다. 호흡 훈련은 총 3단계로 시행하였으며,[Fig4,5] 1단계는 3분 동안 안정적인 자유 호흡 상태에서의 호흡 패턴을 관찰하였고, RPM 시스템으로 환자 개인의 평균 호흡 속도를 확인 하였다. 2단계는 1단계에서 확인된 환자 개인의 호흡 속도를 일정하게 유지하며 규칙적으로 호흡 할 수 있도록 하기 위해 가이드 호흡 프로그램을 환자 호흡속도에 맞춘 후 실시간으로 보여주고 간단한 설명 후 따라 하도록 유도하였다.
- 본 연구에서는 환자의 자유호흡 상태에서의 평균 호흡주기를 파악한 후 본원에서 자체 개발한 시각적으로 따라 할 수 있는 호흡 연습 프로그램을 이용하여(이하 가이드 호흡) 해당 호흡주기의 가이드 호흡 화면[Fig1]을 보여주고 따라 하도록 하였으며, 호흡이 규칙적이고 진폭이 자유 호흡 때 보다 작거나 같도록 유도하기 위해 환자에게 개별적인 호흡 훈련을 시행하였다. 호흡훈련을 시행할 때 마다 환자의 호흡 정도를 확인하기 위하여 투시 영상에서의 횡격막 움직임을 획득하였고, 동시에 RPM 시스템을 이용하여 환자 호흡 신호를 획득하였다. 위에서 획득한 투시 영상에서의 횡격막 움직임과 RPM 시스템에서의 호흡 신호를 분석하여 폐암 호흡 동조 방사선 치료 환자에게 있어 호흡훈련의 유용성을 평가하였다.
- [Table1] 환자 복부의 표면 움직임과 투시 영상을 이용한 횡격막의 움직임으로 호흡 신호를 획득하였다. 환자의 복부 움직임은 카메라에 장착된 LED광원에서 방출된 적외선을 환자의 검상돌기와 배꼽 사이에 위치시킨 표식자(IRmarker)의 두 점에서 반사시키고 이 때 반사되는 CCD 카메라[Fig2]를 이용하여 표식자의 위치를 실시간 측정함으로써 환자의 호흡 주기를 측정하는 RPM(Real-time Position ManagementTM,Varian Medical Systems,Inc., Palo Alto, CA, USA) 시스템(Varian, Palo Alto, USA)을 사용하였고 횡격막 움직임 영상은 Acuity VARIAN system [Fig3]의 투시 모드(초당 4장, 1회에 20장)로 획득하였다. RPM 호흡 분석 프로그램은 Labview2010(National Instrument Inc.
- 횡격막 레벨은 RPM 신호 획득 과정에서 실제 환자의 횡격막 움직임이 일치하는지 여부를 확인하기 위한 보조적 확인 자료로써 사용하였다. 환자의 호흡 단계별로 흡기와 호기의 횡격막 레벨 차이값을 분석해 호흡훈련을 하는 동안 실제로 횡격막이 얼마나 움직였는지 진폭을 확인하였고 1단계를 100% 기준으로 하여 각 단계의 진폭 차이를 상대분포 백분율(%)로 변환하였고 결과는 Table3에 나타내었다. 1단계 대비 3단계에서 호흡 진폭은 9명(81.
- 횡격막 레벨은 RPM 신호 획득 과정에서 실제 환자의 횡격막 움직임이 일치하는지 여부를 확인하기 위한 보조적 확인 자료로써 사용하였다. 환자의 호흡 단계별로 흡기와 호기의 횡격막 레벨 차이값을 분석해 호흡훈련을 하는 동안 실제로 횡격막이 얼마나 움직였는지 진폭을 확인하였고 1단계를 100% 기준으로 하여 각 단계의 진폭 차이를 상대분포 백분율(%)로 변환하였고 결과는 Table3에 나타내었다.
대상 데이터
- 2016년 4월부터 8월까지 호흡 동조 폐암 방사선 치료를 받는 환자 중 정보 제공에 동의한 환자 11명을 대상으로 하였다. [Table1] 환자 복부의 표면 움직임과 투시 영상을 이용한 횡격막의 움직임으로 호흡 신호를 획득하였다.
이론/모형
- , Palo Alto, CA, USA) 시스템(Varian, Palo Alto, USA)을 사용하였고 횡격막 움직임 영상은 Acuity VARIAN system [Fig3]의 투시 모드(초당 4장, 1회에 20장)로 획득하였다. RPM 호흡 분석 프로그램은 Labview2010(National Instrument Inc., Austine, USA)을 이용해 본원에서 자체 개발한 프로그램을 사용하였다.14)
- RPM에서 획득한 호흡 신호 분석은 Labview2010(National Instrument Inc., Austine, USA)을 사용하여 본원에서 자체 개발한 프로그램14)을 사용하였다. 이 프로그램은 RPM 으로 획득한 호흡신호 자료를 대상으로 시간에 대한 미분값을 구하고 각 시간 위치에서의 미분계수의 변화량으로 변곡점을 구한 다음, 그 변곡점의 미분계수의 변화가 양에서 음으로 변하는지, 음에서 양으로 변하는지를 알아 그 변곡점의 최고점(peak)또는 최저점(valley) 여부를 구분하였다.
성능/효과
- 6% 감소로 규칙적으로 변화하였다. 2명(18.2%, 11명)의 환자에서는 표준편차만 평균 36.5% 감소하여 규칙적으로는 변화 하였고, 반면 또 다른 4명(36.4%, 11명)의 환자에서는 호흡의 진폭만 평균 13.1% 감소하였다. 그러나 모든 환자들에게서 2단계 대비 3단계의 RPM 신호는 평균 52.
- 1단계를 100% 기준으로 하여 각 단계의 평균값과 표준편차의 상대분포 백분율(%)로 변환하였고 결과는Table2 에 나타내었다. 4명(36.4%, 11명)의 환자에게서 1단계보다 3단계에서 호흡의 진폭이 평균 18.1% 감소하였고 표준편차 또한 27.6% 감소로 규칙적으로 변화하였다. 2명(18.
- 1% 감소하였다. 그러나 모든 환자들에게서 2단계 대비 3단계의 RPM 신호는 평균 52.6% 감소하였다.
- 에서는 수일동안 관찰한 결과 오디오 가이드의 경우에 호흡의 주기는 규칙적으로 변화하였지만 진폭의 크기는 불규칙하게 변화하였고 반대로 시각적 피드백 훈련의 경우에는 진폭이 규칙적으로 유지가 되었고 주기는 불규칙하게 변화 하였다고 보고하였다. 본 연구에서도 위의 결과와 유사하게 호흡 훈련을 거듭할수록 환자 호흡의 진폭이 얕아지고 규칙적으로 변화한 경우와 호흡이 규칙적으로는 변화 하였으나 진폭이 커졌던 경우, 호흡의 진폭은 얕아졌지만 호흡이 불규칙적으로 바뀌는 경우가 관찰되는 환자 특이적인 양상을 보였다. 연구에 참여한 환자의 연령대가 고령으로 훈련을 받아들이는 이해도가 환자마다 다른 경향이 있었고, 호흡 기능이 좋지 않은 폐암 환자의 특성과 호흡 훈련 시행 시 긴장하고 의식적인 부분이 많이 차지했기 때문에 이와 같은 결과가 초래 된 것으로 예측한다.
- 1번 환자와 2번 환자의 호흡 단계별 RPM 신호는 Fig9 에 나타내었으며, 이 환자들은 자유호흡 단계인 1단계에서 매우 불규칙적인 호흡을 보였고 가이드 호흡 초기 단계인 2단계에서 바로 규칙적인 호흡으로 바뀌었다. 최종 호흡단계인 3단계에서는 호흡의 규칙성을 유지하면서 2단계에서보다는 진폭이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
- 3% 증가하였다. 횡격막 진폭 또한 RPM 신호와 마찬가지로 모든 환자들에게서 2단계보다 3단계의 진폭이 평균 42.1% 감소하였다.
후속연구
- 연구에 참여한 환자의 연령대가 고령으로 훈련을 받아들이는 이해도가 환자마다 다른 경향이 있었고, 호흡 기능이 좋지 않은 폐암 환자의 특성과 호흡 훈련 시행 시 긴장하고 의식적인 부분이 많이 차지했기 때문에 이와 같은 결과가 초래 된 것으로 예측한다. 그러나 본 연구에서는 모든 환자들에게서 호흡 패턴이 개선되는 것을 확인할 수 있었으므로 위와 같은 방법으로 호흡 훈련을 시행하면 호흡 동조 방사선치료에서 최적화된 호흡 주기를 유도할 수 있을 것으로 판단된다. 나아가 모의 호흡 훈련을 치료 전 시행해 불규칙적인 호흡에 의한 환자의 호흡을 제어함으로써 폐의 움직임을 예측 가능 하게 해주는 효과를 기대할 수 있고 궁극적으로는 방사선 치료의 체계적 오류를 최소화해 보다 정확한 치료를 기대할 수 있을 것이다.
- 그러나 본 연구에서는 모든 환자들에게서 호흡 패턴이 개선되는 것을 확인할 수 있었으므로 위와 같은 방법으로 호흡 훈련을 시행하면 호흡 동조 방사선치료에서 최적화된 호흡 주기를 유도할 수 있을 것으로 판단된다. 나아가 모의 호흡 훈련을 치료 전 시행해 불규칙적인 호흡에 의한 환자의 호흡을 제어함으로써 폐의 움직임을 예측 가능 하게 해주는 효과를 기대할 수 있고 궁극적으로는 방사선 치료의 체계적 오류를 최소화해 보다 정확한 치료를 기대할 수 있을 것이다. 결과적으로는 호흡 훈련이 유용하고 할 수 있겠다.
- 본 연구는 치료 전 호흡 훈련을 시행한 자료를 바탕으로 분석한 연구로 제한되어 있으며 수일에 걸쳐서 환자 호흡을 관찰했을 때 환자의 적응력이 증가해 종양 이동 범위가 줄어들었다고 보고 한 Masaoka Y의 연구16)와 같이 추후 실제 CT 계획과 치료 시 획득한 자료를 가지고 검증하는 것도 필요할 것으로 사료된다. 또한 연구에 포함된 환자의 수가 적어서 통계적인 신뢰성을 높이기 위한 표본 수의 증대도 필요하다.
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