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문제 정의
- 본 연구는 치료 전 CBCT 영상을 후향적으로 분석하여 치료기간중에 관찰되는 골반내 장기의 변화를 관찰하는 연구이다. 각 분할치료별 방광과 직장의 체적변화에 따른 전립선의 위치 및 모양변화를 파악하여, 이들 변화가 표적체적선량분포에 미치는 영향을 파악하고자 한다.
- 본 연구는 치료 전 CBCT 영상을 후향적으로 분석하여 치료기간중에 관찰되는 골반내 장기의 변화를 관찰하는 연구이다. 각 분할치료별 방광과 직장의 체적변화에 따른 전립선의 위치 및 모양변화를 파악하여, 이들 변화가 표적체적선량분포에 미치는 영향을 파악하고자 한다.
- 그러나, 모든 병원에서 CBCT 장비를 이용한 IGRT를 시행할 수 있는 것은 아니다. 본연구에서는 골반내장기들의 일간변화를 파악하기 위해, 수집된 CBCT 자료를 골격구조를 기반으로 재배열하였다. 이는 EPID 혹은 OBI 장비만을 이용하여 조사영역맞춤을 시행하는 상황으로 가정할 수 있다.
- 본연구에서는 골반내장기의 체적 변화량에 따른 전립선의 위치 변화를 확인하기 위하여 후향적으로 골격구조기반의 조사영역맞춤을 시행하였다. 실제 치료시에는 전립선을 기준으로 연조직기반의 조사영역맞춤을 시행하므로, 전립선에 계획한 선량을 정밀하게 조사할 수 있다.
제안 방법
- 1,2) 따라서, 골반부위, 특히 전립선암방사선치료의 정확도를 높이기 위해 electronic portal imaging device (EPID)나 on-board imager (OBI) 등의 장비와 digitally reconstructed radiograph (DRR)를 이용하여 환자의 위치를 확인한다. 그러나, 이러한 방법은 골반골격구조(pelvic bony anatomy)를 기반으로 한 위치 맞춤(position registration)으로 그 정확도가 높지 않은 것으로 보고되고 있으며, 이를 보완하기 위해 금표식자(gold fiducial marker)를 이용하여 전립선의 위치 맞춤을 시행할 것을 권고하고 있다.
- 2014년에서 2016년 사이에 본원 전립선암 protocol에 따라 방사선치료를 시행한 환자 중 6명의 자료를 무작위로 추출하여 후향적 분석을 실시하였다. 치료의 일관성을 높이기 위해 직장을 최대한 비우고, 방광 체적의 75% 이상을 채울 수 있도록 환자교육 및 훈련을 시행한 후 설계용 전산화 단층촬영(planning computed tomography; pCT)을 실시하였다.
- 모든 분할치료에서 치료전 CBCT를 이용한 IGRT기법이 사용되었다. CBCT와 pCT 간 영상등록(image registration)을 통해 조사영역맞춤(field matching)을 시행하였는데, 1차적으로 골격구조를 기반으로 영상등록을 실시한 후 전립선주변연조직을 중심으로 2차 영상등록을 실시하여 환자의 치료위치를 확정하였다.
- 설정된 윤곽을 통해 CBCT에서의 각 장기의 체적, 즉 전립선체적(pVCBCT), 방광체적(bVCBCT), 그리고직장체적(rVCBCT)을 산출하였다. pCT 영상에서도 CBCT와 동일한 기준으로 전립선체적(pVpCT), 방광체적(bVpCT), 그리고 직장체적(rVpCT)을 산출하였다.
- 12) DSC는 두 윤곽의 겹침체적(overlapping volume)과 평균체적(average volume)의 비로 정의되며, 동일한 체적의 두 윤곽이 정확히 겹쳐질 때 100%, 그리고 서로 완전히 독립적일때 0%로 나타난다. pCT와 CBCT 영상자료를 골격구조를 기준으로 조사영역 맞춤하여 pVpCT와 pVCBCT를 비교 하였으며, 이때 전립선의 변화는 아래식과 같이 DSC로 표현된다.
- 골반내장기들의 위치변화를 측정하기 위하여 획득한 모든 CBCT 영상에 대해 골격구조기반의 조사영역맞춤(field matching)을 재실시하였다. 각 CBCT 영상을 이용하여 전립선, 방광, 그리고 직장의 윤곽을 설정(contouring)하였다. 연구목적에 따라 직장의 상부경계는 대퇴골두(femoral head)의 상부로, 하부경계는 폐쇄공(obturator foramen)의 최하단으로 설정하였다.
- 0, Varian, Palo Alto, CA, USA)을 이용하여 후향적으로 시행하였다. 골반내장기들의 위치변화를 측정하기 위하여 획득한 모든 CBCT 영상에 대해 골격구조기반의 조사영역맞춤(field matching)을 재실시하였다. 각 CBCT 영상을 이용하여 전립선, 방광, 그리고 직장의 윤곽을 설정(contouring)하였다.
- 대상환자들의 영상자료분석 및 윤곽설정은 Eclipse treatment planning system (ver. 10.0, Varian, Palo Alto, CA, USA)을 이용하여 후향적으로 시행하였다. 골반내장기들의 위치변화를 측정하기 위하여 획득한 모든 CBCT 영상에 대해 골격구조기반의 조사영역맞춤(field matching)을 재실시하였다.
- 본연구에서 CBCT 영상을 이용하여 전립선암의 분할 방사선치료 중 나타나는 골반 내장기들의 체적변화와 그에 따른 전립선의 변화를 분석하였다. 주변 장기들의 체적변화가 클수록 전립선의 위치, 모양, 그리고 크기 변화량이 커지는 것으로 관찰되었지만, 방광과 직장의 체적을 일정하게 유지하는 것이 치료의 정확도를 보장하는 것은 아닌 것으로 나타났다.
- 본원에서는 모든치료에서 치료전 CBCT를 이용하여 조사영역맞춤을 실시하여 IMRT를 시행하고 있다. 그러나, 모든 병원에서 CBCT 장비를 이용한 IGRT를 시행할 수 있는 것은 아니다.
- 268). 설계 당시에 비해 방광체적의 증감에 따라 층화분석(stratified analysis)을 실시하였다. 분할치료시 Plan CT보다 CBCT에서의 방광체적이 증가한 경우에서 체적 변화량의 증가에 따라 DSC 값의 감소가 관찰되며, 통계적으로 유의한 음의 상관관계를 관찰할 수 있었고(Fig.
- 032). 설계 당시에 비해 직장체적의 증감에 따라 층화분석(stratified analysis)을 실시하였다. 분할치료시 Plan CT보다 CBCT에서의 직장의 체적이 감소한 경우, 상관성을 찾을 수 없었으나(Fig.
- 연구목적에 따라 직장의 상부경계는 대퇴골두(femoral head)의 상부로, 하부경계는 폐쇄공(obturator foramen)의 최하단으로 설정하였다. 설정된 윤곽을 통해 CBCT에서의 각 장기의 체적, 즉 전립선체적(pVCBCT), 방광체적(bVCBCT), 그리고직장체적(rVCBCT)을 산출하였다. pCT 영상에서도 CBCT와 동일한 기준으로 전립선체적(pVpCT), 방광체적(bVpCT), 그리고 직장체적(rVpCT)을 산출하였다.
- 2 cm3 인구체가 5 mm (PTV margin) 위치이동을 했다고 가정할 때 DSC는 82%로 계산된다. 장기의 움직임과 영역맞춤의 오차를 고려하여 표적장기인 전립선에 5 mm 여분을 추가하여 PTV를 설정하였기 때문에, 전립선의 DSC가 82% 이하일 때 전립선이 조사영역을 벗어난것으로 간주하였다. 총 176회의 CBCT 영상 중 15.
- 전립선의 DSC를 이용하여 방광 및 직장의 체적변화에 따른 전립선의 변화를 관찰하였다. 설계용 CT 당시보다 체적이 줄어든 경우 변화의 경향성을 볼 수 없었으나, 체적이 늘어난 경우 방광과 직장 모두에서 체적변화에 따라 전립선의 위치가 연관성을 가지고 변화됨을 관찰할 수 있었다(Fig.
- 2014년에서 2016년 사이에 본원 전립선암 protocol에 따라 방사선치료를 시행한 환자 중 6명의 자료를 무작위로 추출하여 후향적 분석을 실시하였다. 치료의 일관성을 높이기 위해 직장을 최대한 비우고, 방광 체적의 75% 이상을 채울 수 있도록 환자교육 및 훈련을 시행한 후 설계용 전산화 단층촬영(planning computed tomography; pCT)을 실시하였다. 임상표적체적(clinical target volume; CTV)은 전립선과 근위부정낭을 포함하고, 여기에 전방향으로 5 mm의 여분을 더하여 계획용표적체적(planning target volume; PTV)을 생성하였다.
대상 데이터
- 전립선암환자 6명은 모두 총 30회의 방사선 치료를 완료하였으며, 총 180개의 치료 전 CBCT 영상을 획득하였다. 이중 직장내공기로 인한 잔상(image artifact)으로 윤곽 설정이 불가능한 4개의 CBCT를 제외한 176개의 자료를 이용하여 연구를 진행하였다.
- 전립선암환자 6명은 모두 총 30회의 방사선 치료를 완료하였으며, 총 180개의 치료 전 CBCT 영상을 획득하였다. 이중 직장내공기로 인한 잔상(image artifact)으로 윤곽 설정이 불가능한 4개의 CBCT를 제외한 176개의 자료를 이용하여 연구를 진행하였다.
데이터처리
- 장기들의 체적변화량은 장기별 Student’s t-test를 이용하였으며, 상관분석은 Pearson’s correlation coefficient를 사용하였다. 모든 통계분석은 dBSTAT version 5 (dBSTAT Software, Seoul, Korea)를 이용하였으며, 양측 p-value가 0.05미만일 때 통계적으로 유의한 것으로 간주하였다.
- 분할치료별 전립선의 위치변화(motion), 모양변형(deformation), 그리고 크기변화(size variation)를 종합적으로 분석하기 위해 Dice similarity coefficient (DSC)를 이용하였다.12) DSC는 두 윤곽의 겹침체적(overlapping volume)과 평균체적(average volume)의 비로 정의되며, 동일한 체적의 두 윤곽이 정확히 겹쳐질 때 100%, 그리고 서로 완전히 독립적일때 0%로 나타난다.
- 장기들의 체적변화량은 장기별 Student’s t-test를 이용하였으며, 상관분석은 Pearson’s correlation coefficient를 사용하였다.
- 전립선은 연조직장기로서 위치변화(motion), 모양변형(deformation), 그리고 크기변화(size variation) 등이 쉽게 관찰되며, 골반내장기의 체적뿐만아니라 주변근육의 긴장도, 다리의 위치, 그리고 식사량의 변화 등 다양한 요인에 기인하여 변화하게 된다. 전립선 변화의 다양한 요인중에 한요소로서 방광 및 직장의 체적변화에 따른 영향을 알아보기 위하여 구간 별 DSC 값의 최대값을 이용하여 상관분석을 실시하였다(Fig. 5). 이 결과는 다른 다양한 요인의 영향을 배제할 경우, 골반내장기의 체적 변화량에 따른 최대 정확도로 해석될 수 있으며, 매우 높은 경향성을 나타내었다.
이론/모형
- 5 Gy)이었다. 모든 분할치료에서 치료전 CBCT를 이용한 IGRT기법이 사용되었다. CBCT와 pCT 간 영상등록(image registration)을 통해 조사영역맞춤(field matching)을 시행하였는데, 1차적으로 골격구조를 기반으로 영상등록을 실시한 후 전립선주변연조직을 중심으로 2차 영상등록을 실시하여 환자의 치료위치를 확정하였다.
성능/효과
- 12) DSC는 두 윤곽의 겹침체적(overlapping volume)과 평균체적(average volume)의 비로 정의되며, 동일한 체적의 두 윤곽이 정확히 겹쳐질 때 100%, 그리고 서로 완전히 독립적일때 0%로 나타난다. pCT와 CBCT 영상자료를 골격구조를 기준으로 조사영역 맞춤하여 pVpCT와 pVCBCT를 비교 하였으며, 이때 전립선의 변화는 아래식과 같이 DSC로 표현된다.
- 환자별 분할치료별 변화가 다양하게 관찰되고 있으나, 시간에 따른 경향성은 관찰할 수 없었다. 5번환자에서 총치료기간동안 통계적으로 유의한 방광 체적의 감소를 관찰할 수 있었고, 나머지 환자에서는 계획된 방광체적을 잘 유지한 것으로 나타났다(Fig. 2, A). 직장체적에서는 설계시 체적에 비해 통계적으로 유의한 변화가 나타나지 않았다(Fig.
- 이는 EPID 혹은 OBI 장비만을 이용하여 조사영역맞춤을 시행하는 상황으로 가정할 수 있다. DSC를 이용한 본연구에서 골격구조기반의 위치 맞춤 시약 15%에서 5 mm 이상의 움직임 오차가 발생하는 것으로 관측되었다(Fig. 3, 4; 점선 = 82% DSC, 5 mm 위치변화). 따라서, 연조직 기반의 조사영역맞춤을 시행하지 않을 경우, 통상적으로 사용 되고 있는 5 mm 전립선여유(margin)에 대한 충분한 고찰이 필요할 것으로 사료된다.
- 골격구조기반의 조사영역맞춤(field matching)을 시행하여 계산한 전립선의 DSC는 평균 89.9% (65% ~ 100%)로 환자별로 다양한 분포양상이 관측되었다(Fig. 2, C). 본 연구에서 평균 전립선의 평균체적은 37.
- 15,19) 그러나, 방광과 직장의 체적을 총 치료기간동안 지속적으로 동일하게 유지하는 것은 매우 어렵다. 본연구에서 6명의 전립선환자를 대상으로 방광과 직장 체적의 변화를 관찰한 결과, 체적유지의 어려움을 관찰할 수 있었으며, 치료기간에 따른 경향성은 나타나지 않았다(Fig. 1).
- 설계 당시에 비해 방광체적의 증감에 따라 층화분석(stratified analysis)을 실시하였다. 분할치료시 Plan CT보다 CBCT에서의 방광체적이 증가한 경우에서 체적 변화량의 증가에 따라 DSC 값의 감소가 관찰되며, 통계적으로 유의한 음의 상관관계를 관찰할 수 있었고(Fig. 3, C,r=-0.230, p=0.049) 이는 치료의 정확도가 감소함을 파악할 수 있었다.
- 설계 당시에 비해 직장체적의 증감에 따라 층화분석(stratified analysis)을 실시하였다. 분할치료시 Plan CT보다 CBCT에서의 직장의 체적이 감소한 경우, 상관성을 찾을 수 없었으나(Fig. 4, B,r=-0.052, p=0.640), 반대의 경우, 즉 Plan CT보다 CBCT에서의 직장의 체적이 증가한 경우에서 체적변화량의 증가에 따라 DSC 값의 감소가 관찰되는 강한 상관관계를 나타내었고(Fig. 4, C,r=-0.240, p=0.020) 이또한 치료의 정확도가 감소함을 파악할 수 있었다.
- 전립선의 DSC를 이용하여 방광 및 직장의 체적변화에 따른 전립선의 변화를 관찰하였다. 설계용 CT 당시보다 체적이 줄어든 경우 변화의 경향성을 볼 수 없었으나, 체적이 늘어난 경우 방광과 직장 모두에서 체적변화에 따라 전립선의 위치가 연관성을 가지고 변화됨을 관찰할 수 있었다(Fig. 3,4). 그러나, Figure 3과 4에서 보듯이 체적의 변화량이 거의 0에 가까운 경우에 DSC값이 70% ~ 100%까지 넓게 분포하는 것을 볼 수 있다.
- 설계용 CT를 기준으로 한 방광의 체적변화에 따른 DSC의 변화를 상관분석을 통해 분석한 결과, DSC와 방광의 체적 변화와의 관련성을 찾을 수 없었다(Fig. 3, A, r=-0.084, p=0.268).
- 5). 이 결과는 다른 다양한 요인의 영향을 배제할 경우, 골반내장기의 체적 변화량에 따른 최대 정확도로 해석될 수 있으며, 매우 높은 경향성을 나타내었다. 직장의 경우, 다른요인이 배제되더라도 체적 변화량이 약 35 cm3을 초과하면 통계적으로 5 mm 이상의 위치 변화나 모양 변화가 나타남을 의미한다(Fig.
- 전립선의 체적은 설계용 CT에서 평균 37.2 cm3로 측정되었으며, 모든 환자에서 약 ±5% 이내의 크기 변화를 나타내었다(Table. 1).
- 본연구에서 CBCT 영상을 이용하여 전립선암의 분할 방사선치료 중 나타나는 골반 내장기들의 체적변화와 그에 따른 전립선의 변화를 분석하였다. 주변 장기들의 체적변화가 클수록 전립선의 위치, 모양, 그리고 크기 변화량이 커지는 것으로 관찰되었지만, 방광과 직장의 체적을 일정하게 유지하는 것이 치료의 정확도를 보장하는 것은 아닌 것으로 나타났다. 따라서 전립선암의 방사선치료 시 CBCT를 이용한 연조직기반의 조사영역맞춤이 중요하며, 직장풍선(rectal balloon) 등을 이용한 체적관리가 치료 정확도를 유지하는데 역할을 할 것으로 사료된다.
- 장기의 움직임과 영역맞춤의 오차를 고려하여 표적장기인 전립선에 5 mm 여분을 추가하여 PTV를 설정하였기 때문에, 전립선의 DSC가 82% 이하일 때 전립선이 조사영역을 벗어난것으로 간주하였다. 총 176회의 CBCT 영상 중 15.3%인 27회에서 82% 미만의 DSC 값이 관찰되었다.
후속연구
- 주변 장기들의 체적변화가 클수록 전립선의 위치, 모양, 그리고 크기 변화량이 커지는 것으로 관찰되었지만, 방광과 직장의 체적을 일정하게 유지하는 것이 치료의 정확도를 보장하는 것은 아닌 것으로 나타났다. 따라서 전립선암의 방사선치료 시 CBCT를 이용한 연조직기반의 조사영역맞춤이 중요하며, 직장풍선(rectal balloon) 등을 이용한 체적관리가 치료 정확도를 유지하는데 역할을 할 것으로 사료된다.
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