[논문]감마나이프 시상하핵파괴술에서 목표물 위치측정을 위한 렉셀 감마플랜 능력의 조사

허병익

doi:10.7742/jksr.2019.13.7.901

초록
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이 연구의 목적은 기능성 질환의 감마나이프 시상하핵파괴술(또는 담창구파괴술, 시상파괴술)에서 렉셀 감마플랜의 표적 위치측정의 능력을 평가하는 것이다. 렉셀 감마플랜의 위치 설정의 정확성을 평가하기 위해 본원에서 뇌심부 자극술 수술을 받은 10명의 환자에 대해 렉셀 감마플랜(또는 렉셀 써지플랜)과 저자의 알고리즘에 의해 계산된 표적 좌표들의 차이 Δr가 평가 되었다. Δr는 0.0244663 mm에서 0.107961 mm까지 범위의 값을 가졌다. Δr의 평균은 0.054398 mm이었다. 또한 정위 공간과 뇌지도 공간 두 좌표계 사이의 위치 관계를 결정하기 위하여 좌표변환 행렬을 매스매티카(Mathematica)의 의사역행렬 또는 특이값 분해를 사용하여 계산하였다. 정교한 정위틀 장착에도 불구하고 요(yaw)는 -3.44739 도에서 1.82243 도, 피치(pitch)는 -4.57212 도에서 0.692063 도, 롤(roll)은 -6.38239 도에서 7.21426 도까지의 정렬 불량(misalignment)이 나타났다. 결론적으로, 사내 알고리즘을 사용하여 감마나이프 플랫폼에서 렉셀 감마플랜(또는 렉셀 써지플랜)의 위치 설정에 대한 정확도를 확인함으로써 뇌심부 자극술에 금기 사항이 있는 개인이나 노인과 같이 종래 수술에 고위험으로 간주되는 환자에 대한 난치성 운동이상 질환의 대체 치료법으로 안전과 효능을 가진 감마나이프 시상하핵파괴술(또는 담창구파괴술, 시상파괴술)이 추천된다. 향후 기능성 질환의 표적 위치측정을 위해 제안된 알고리즘은 여러 감마나이프 센터의 운동이상 질환 치료에 기여할 것이라 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The aim of this study is to evaluate the ability of target localizations of Leksell GammaPlan(LGP) in Gamma Knife Subthalamotomy(or Pallidotomy, Thalamotomy) of functional diseases. To evaluate the accuracy of LGP's location settings, the difference Δr of the target coordinates calculated by ...

The aim of this study is to evaluate the ability of target localizations of Leksell GammaPlan(LGP) in Gamma Knife Subthalamotomy(or Pallidotomy, Thalamotomy) of functional diseases. To evaluate the accuracy of LGP's location settings, the difference Δr of the target coordinates calculated by LGP (or LSP) and author's algorithm was reviewed for 10 patients who underwent Deep Brain Stimulation(DBS) surgery. Δr ranged from 0.0244663 mm to 0.107961 mm. The average of Δr was 0.054398 mm. Transformation matrix between stereotactic space and brain atlas space was calculated using PseudoInverse or Singular Value Decomposition of Mathematica to determine the positional relationship between two coordinate systems. Despite the precise frame positioning, the misalignment of yaw from -3.44739 degree to 1.82243 degree, pitch from -4.57212 degree to 0.692063 degree, and rolls from -6.38239 degree to 7.21426 degree appeared. In conclusion, a simple in-house algorithm was used to test the accuracy for location settings of LGP(or LSP) in Gamma Knife platform and the possibility for Gamma Knife Subthalamotomy. The functional diseases can be treated with Gamma Knife Radiosurgery with safety and efficacy. In the future, the proposed algorithm for target localizations' QA will be a great contributor to movement disorders' treatment of several Gamma Knife Centers.

주제어

표/그림 (7)

표 Table 1. Summary of DBS in PNUH
그림 Fig. 1. AC-PC Line.
그림 Fig. 2. Functional target localization.
그림 Fig. 3. Functional Target Formulas.
그림 Fig. 4. Any 3-D rotation expressed as a sequence of yaw, pitch, and roll rotations.
표 Table 2. Summary for the rotational misalignments between two coordinate systems in DBS patients
표 Table 3. Comparison of target localizations using author’s algorithm and LGP(or LSP)

AI 본문요약
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문제 정의

정확한 정위틀의 장착이 현실적으로 힘들고 영상으로부터 직접적인 위치측정의 부정확성이 존재해서 통상 오랜 연구 기반 하의 Schaltenbrand와 Bailey 뇌지도의 전교련, 후교련, 정중선 기준점을 바탕으로 하는 기준 좌표계에 기반하여 간접적으로 표적의 위치 좌표를 설정한다. 본 연구는 Table 1에 보인 바와 같이 전체 감마나이프 방사선수술의 5%에 불과한 기능성 질환 감마나이프 파괴술의 정밀도에 대한 정도 관리(Quality Assurance: QA) 차원에서 본원에서 2010년부터 2019년 까지 뇌심부 자극술로 시상하핵, 담창구와 시상부에 표적 설정하여 치료받은 10명의 환자를 대상으로 치료계획시스템 렉셀 감마플랜(Leksell GammaPlan: LGP)의 표적 위치측정 기능 정확성을 확인하기 위하여 저자의 알고리즘으로 계산한 표적 좌표와 렉셀 감마플랜(또는 렉셀 써지플랜)이 제시한 표적 좌표를 비교 분석하였다.

제안 방법

Fig. 1과 같이 전후교련선을 설정하기 위해서 전교련점 AC와 후교련점 PC를 축상영상(MRI axial image)에서 지정하고, 정중선 기준점 MR을 관상영상과 축상영상에서 지정한다.
Table 2에 보인 바와 같이 정위틀 좌표계와 뇌지도 좌표계 사이의 정렬 불량에도 불구하고 저자가 제안한 알고리즘을 사용해서 감마나이프 플랫폼에서 렉셀 감마플랜(또는 렉셀 써지플랜)의 위치 설정에 대한 정확도를 직접 확인하여 치료계획 시스템에 대한 신뢰성을 확보하였다. 그래서 향후 기능성 질환의 표적 위치측정을 위한 저자의 알고리즘은 여러 감마나이프 센터의 운동이상 질환 치료에 기여할 것이라 사료된다.
두 좌표계의 좌표변환 행렬 R, T를 구하기 위해서 두 좌표계에서의 네 해부학적 랜드마크들 전후 교련점과 표적 좌표들 X_S, X_A를 이용하였고, 두 좌표계에서의 임의의 점은 구한 R, T를 통합한 동차좌표(homogeneous coordinate)로 표현된 4x4 행렬 관계로 부터 아래와 같이 구할 수 있다. 본원에서 DBS로 치료한 환자 1에 대한 정위틀 좌표계와 뇌지도 좌표계의 위치 관계를 예를 들면 아래 (6)식과 같이 구해진다.
본원에서 2010년부터 2019년 까지 뇌심부 자극술 치료를 받은 10명의 환자에 대하여 감마나이프 파괴술의 수술적 접근 가능성을 보기 위해 렉셀 감마플랜에 내재된 기능성 질환의 표적 위치측정 기능의 정확성을 저자의 알고리즘과 비교 분석하였다. Table 3에 나타낸 결과와 같이 렉셀 감마플랜(또는 렉셀 써지플랜)과 저자의 알고리즘으로 계산한 표적 좌표들의 차이 ∆r는 0.
운동이상 질환에 대한 뇌심부 자극술 및 감마나이프 파괴술의 정밀한 표적 위치 결정은 치료계획시스템 렉셀 써지플랜(Leksell SurgiPlan: LSP)과 렉셀 감마플랜의 기본적인 치료계획용 도구들 즉 전후교련선의 정의 Fig. 1과 기능적 표적 공식(Functional Target Formulas) Fig. 2, Fig. 3과 같은 기능을 이용하여 오랜 연구를 통해 알려진 운동이상 질환에 대한 표적 위치를 해부학적 기준점들 전교련, 후교련, 정중선 기준점(MR)에 기초한 좌표계를 이용해서 구한다.
전후교련선의 정의를 바탕으로 기능적 질환의 표적 위치를 Fig. 2와 기능적 표적 공식 Fig. 3의 도구를 이용하여 해당 기능성 질환을 야기하는 위치를 설정하여 구한다. 진전의 경우 예를 들면 통상 표적 위치는 후교련점에서 앞으로 6~8 mm 또는 후교련에서 전후교련선의 25 %, 측면으로 11~13 mm, 전후교련선 위로 2~4 mm 이다.

성능/효과

정교한 정위틀 장착에도 불구하고 요(yaw)는 –3.44739 도에서 1.82243 도, 피치(pitch)는 –4.57212 도에서 0.692063 도, 롤(roll)은 –6.38239 도에서 7.21426 도 까지의 정렬 불량(misalignment)이 나타났다.

후속연구

기능성 질환 파킨슨병에 대한 오랜 연구와 의료 장비와 영상 시스템 MRI의 기술 향상으로 좀 더 정교한 표적 위치측정이 가능해졌으나 한정된 극소수의 임상 경험이 뇌심부 자극술의 대체 치료로서의 감마나이프 시상하핵파괴술의 잠재성을 아직 분명하게 하지 못하고 있다. 감마나이프 시상파괴술이 항응고요법을 받거나 전신 합병증을 가진 환자 및 고령의 환자와 같이 종래의 수술들 즉 고주파 파괴술과 뇌심부 자극술에 대해 고위험을 지닌 환자에 대해 안전하고 효과적인 대안 치료법인 거와 마찬가지로 임상 경험 결과들이 거의 없는 감마나이프 시 상하핵파괴술도 신경과 전문의와 운동이상 질환 팀과의 협력 하에 충분한 임상 경험이 확대되기를 기대한다.
Table 2에 보인 바와 같이 정위틀 좌표계와 뇌지도 좌표계 사이의 정렬 불량에도 불구하고 저자가 제안한 알고리즘을 사용해서 감마나이프 플랫폼에서 렉셀 감마플랜(또는 렉셀 써지플랜)의 위치 설정에 대한 정확도를 직접 확인하여 치료계획 시스템에 대한 신뢰성을 확보하였다. 그래서 향후 기능성 질환의 표적 위치측정을 위한 저자의 알고리즘은 여러 감마나이프 센터의 운동이상 질환 치료에 기여할 것이라 사료된다.

참고문헌 (5)

A. L. Benabid, J. P. Chirossel, C. Mercier, A. Louveau, J. G. Passagia, S. Henry, J. de Rougemont, C. Vrousos, "Removable, adjustable and reusable implants for stereotactic interstitial radiosurgery of brain tumors," Applied neurophysiology, Vol. 50, pp. 278-280, 1987.

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G. Schaltenbrand, P. Bailey, "Introduction to Stereotaxis with an atlas of the human brain, Thieme, Stuttgart," 1959.
C. Ohye, T. Shibazaki, S. Sato, "Gamma Knife thalamotomy for movement disorders: evaluation of the thalamic lesion and clinical results," Journal of Neurosurgery, Vol. 102, pp. 234-240, 2005.

상세보기
L. V. Laitinen, A. T. Bergenheim, M. I. Hariz, "Leksell's posteroventral pallidotomy in the treatment of Parkinson's disease," Journal of Neurosurgery, Vol. 76, pp. 53-61, 1992.

상세보기
M. F. Keep, L. Mastrofrancesco, D. Erdman, B. Murphy, L. S. Ashby, "Gamma Knife subthalamotomy for Parkinson disease: the subthalamic nucleus as a new radiosurgical target. Case report," Journal of Neurosurgery, Vol. 97, No. 5, pp. 592-599, 2002.

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