KR100750279B1 - 치료시 호흡 및 환자 움직임을 보상하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 정위 x선 장치에 의해 이미지화되는 타겟 기관(151)에 부착되는 내부 마커에 관한 것이다. 타겟 기관(151) 상의 내부 마커(152)는 진단 x선 빔과 유사하게 서로에 대해 소정의 각도로 놓인, 제1 x선 소스(160)과 제2 x선 소스(162)에 의해 이미지화된다. x선 소스는 내부 마커(152) 근처의 타겟 기관(151)을 관통하는 제1, 및 제2 진단 x선 빔(164, 166)을 발생할 수 있고, 이들 빔은 제1, 제2 x선 수신기(168, 170)에 의해 각각 수신되며, 이들 수신기는 x선 빔을 받아, 수신된 x선에 대응하는 전기신호를 발생한다. 정위 x선 장치는 발생된 이미지를 분석함으로써 내부 마커(152)의 정밀한 위치가 결정되게 한다.

타겟 기관, x선 소스, x선 수신기

Description

치료시 호흡 및 환자 움직임을 보상하기 위한 장치 및 방법{Apparatus and method for compensating for respiratory and patient motion during treatment}

본 발명은 일반적으로 외과치료의 정확성 및 효능을 향상시키는 장치에 관한 것으로, 특히 치료할 타겟영역을 배치하고 치료 중에 호흡 및 그 외의 환자 움직임에 기인한 타겟영역의 움직임을 추적하는 것에 관한 것이다.

각종의 상이한 치료기들은 타겟 영역을 치료하기 위해서 타겟 영역의 움직임을 정확하게 추적할 수 있다. 예를 들면, 방사치료 및 방사선 외과치료에서, 종양 내 세포를 죽이는 이온화 방사 빔에 의해 종양이 파괴될 수 있다. 문제는 특히 환자의 호흡운동에 의해 치료 중에 종양이 움직일 수 있다는 것이다. 이러한 호흡운동은 환자의 내부 호흡운동의 크기 및 방향을 종래의 이미지화 장치로는 볼 수 없기 때문에 외부 센서를 사용해서 추적하기는 어렵다. 환자의 호흡 및 그 외의 움직임은 종양에 방사선을 집중시키기가 더 어렵다는 것을 의미하고 이것은 치료가 덜 효과적이고 건강한 조직(tissue)이 불필요하게 손상을 받을 수도 있음을 의미한다.

종양에 방사선 투여량이 적합하게 분배되게 하기 위해서, 통상적으로 방사 빔을 치료중에 이동시킨다. 종래의 시스템에 있어서, 빔은 공간 내 원형의 호들(circular arcs)을 따라 이동된다. 목적은 가능한 한 주위의 건강한 조직을 보호하면서 종양에만 매우 강한 방사선을 투여하는 것이다. 이러한 방사선 외과치료 기술이 뇌종양에는 매우 성공적으로 적용되었다 할지라도, 머리 혹은 목 영역 외의 종양으로 이러한 기술을 확장하는 것은 어려운 상태에 있다. 이러한 어려움의 주된 이유는 정확하게 타겟에 국한시키는 문제였다(즉, 타겟의 움직임의 정확한 추적). 특히, 호흡운동 및 그 외 기관 및 환자의 움직임 때문에 타겟 종양을 높은 정밀도로 추적하기가 어렵고 따라서 주위의 건강한 조직을 보호하면서 종양에 높은 방사선 투여를 제공하는 목적을 달성하기가 어렵다. 더구나, 종래의 시스템은 공간 내 원형의 호를 따라 방사 빔을 이동시킬 수 있을 뿐이므로, 불규칙한 호흡운동은 방사 빔에 의해 추적되는 원형의 호의 축방향을 따라 일어나지 않아 이러한 불규칙한 호흡운동을 쉽게 추종할 수 없다.

또다른 방사선 외과치료 기술은 에들러(Adler)의 미국특허 제5,207,223호에 개시된 방사 빔을 타겟으로 하는 6 자유도를 갖는 기계 로봇식 장치를 사용한다. 로봇식 장치는 타겟 영역으로 지향된 치료 빔을 적용하기 위해 방사선 치료 빔이 정확한 위치에 놓이게 한다. 신경외과 네비게이션 방법이 미국특허 5,769,861에 개시되어 있다. 이 방법은 뇌종양과 같은 고정된 타겟을 찾는 것에 관한 것인데, 그러나 피부 표면에 관하여, 호흡에 기인한 이를테면 폐와 같은 타겟 기관의 움직임을 추적하거나, 외부에서 볼 수 있는 움직임에 관하여 내부 복부 기관의 움직임을 추적하는 것에 대해선 다루지 않고 있다. 이미지화 시스템에 의해 검출될 수 있게 신체 내에 이식될 수 있는 인식마크(fiducial)가 공개되어 있으며, 여기서 인식마크 임플란트(fiducial implant)가 뼈나 신체기관 내에 이식된다. 이러한 인식마크 임플란트로 신체의 내부구조를 분석할 수 있지만, 그러나 호흡 사이클 동안 움직이는 타겟 기관의 움직임에 대한 보상을 하려는 시도는 없다. 이에 따라, 방사선 치료에서 호흡 및 그 외 환자의 움직임을 보상하는 장치 및 방법을 제공하는 것이 바람직하며 이 목적을 위해서 이것이 본 발명이 지향하는 것이다.

본 발명에 따라서, 이를테면 내부 기관과 같은 움직이는 타겟 영역의 위치 및 움직임을 정확하게 추적하기 위해서 타겟 영역에 둔 내부 마커와 하나 이상의 외부 센서를 조합한 환자의 호흡 및 그 외의 움직임을 보상하는 장치 및 방법이 제공된다. 특히, x선에 의해 주기적으로 결정되는 내부 마커의 위치는 외부 센서의 위치와 조합될 수 있다. 내부 마커는 이를테면 x선과 같은 투시 기술(invasive technology)이 내부 마커를 이미지화하는데 필요로 되기 때문에 단지 주기적으로만 이미지화 될 수 있다. 외부 마커일 수 있는, 외부의 연속적인 혹은 실시간 센서는 치료 중 외부의 움직임을 결정한다. 이에 따라, 타겟 기관의 위치는 내부 마커를 주기적으로 이미지화할 때 내부 마커의 위치에 의해 정밀하게 결정될 수 있고 내부 마커를 이미지화 되지 않는 동안 외부 센서에 기초하여 결정될 수 있다. 외부센서에 대한 내부 마커의 위치 및 움직임은 내부 마커의 위치, 따라서 타겟 기관이 외부 센서의 위치에 의해 정확하게 결정될 수 있도록 된다. 이에 따라, 타겟 기관의 위치는 수행되는 의료조치 동안 정확하게 결정될 수 있다.

내부 마커는 환자의 몸 내부의 마커를 이미지화할 수 있게 하는 x선, 핵자기 공명, 초음파 및 그 외 기술을 포함하는 많은 상이한 이미지화 기술을 사용하여 이미지화될 수 있다. 대안으로, 3차원 초음파 이미지가 독립된 피두셜들 대신에 내부 타겟영역의 위치를 정하는 데 사용될 수 있다. 외부 센서의 위치는 적외선 이미지화, 가시 이미지화, 자기 국부화, 호흡의 측정, 및 외부 마커를 이미지화하는 임의의 다른 유형의 기술을 포함하여 많은 상이한 기술을 사용해서 결정될 수도 있다. 외부 센서를 사용하는 것 외에(즉, 외부 피두셜은 사용되지 않을 수도 있음), 내부 피두셜에 상관되는 신체 표면을 시각적으로 이미지화할 수 있다.

이에 따라, 본 발명에 따라, 측정하면서 내부 타겟영역에 치료를 수행하며 경우에 따라서는 환자의 호흡 및 그 외의 움직임을 보상하는 장치가 제공된다. 장치는 내부 타겟영역에 관한 위치 데이터를 주기적으로 발생하는 제1 이미지화 장치 및 환자의 몸에 부착된 하나 이상의 외부 마커에 관한 위치 데이터를 연속적으로 발생하는 제2 이미지화 장치를 포함한다. 장치는 내부 타겟영역의 위치와 외부 마커 혹은 센서 판독 사이의 교신을 발생하기 위해서 내부 타겟영역 및 외부 센서 판독/측정에 관한 위치 데이터를 수신하는 프로세서, 및 외부 마커 혹은 센서 판독의 위치 데이터에 의거하여 환자의 타겟영역의 위치를 향하여 치료를 실행하는 치료장치를 더 포함한다. 치료 중에 환자의 움직임을 보상하는 장치는 환자의 움직임을 보상하는 방법과 더불어 개시된다.

도 1은 종래의 방사선 치료장치를 도시한 도면.

도 2는 방사선 치료장치를 보다 상세하게 도시한 도면.

도 3은 방사선 치료장치를 보다 상세하게 도시한 도면.

도 4는 방사선 치료장치를 도시한 블록도.

도 5는 타겟 기관이 움직임에 따라서 이동하는 타겟 기관 상에 내부 마커를 도시한 도면.

도 6은 x선 장치로 이미지화되는 타겟 기관에 부착된 하나 이상의 내부 마커를 도시한 도면.

도 7a 내지 도 7d는 본 발명에 다른 내부 마커의 이미지화를 도시한 도면.

도 8은 본 발명에 따른 타겟영역의 움직임을 추적하기 위해서 외부 마커와 조합하여 내부 마커를 도시한 도면.

도 9a 내지 도 9d는 본 발명에 따른 안전 시임 감소를 도시한 도면.

도 10은 방사선 외과치료 장치에서 호흡 및 그 외의 움직임을 보상하는 방법을 도시한 흐름도.

도 11은 본 발명에 따라 내부 및 외부 마커를 상관시키는 방법을 도시한 흐름도.

본 발명은 특히 방사선 치료 중에 호흡 및 그 외의 환자의 움직임을 보상하는 장치 및 방법에 적용할 수 있으며 이러한 맥락에서 본 발명을 기술한다. 그러나, 본 발명에 따른 장치 및 방법은 이를테면 생체검사침(biopsy needle)의 위치설정, 절제(ablative), 초음파 혹은 그 외 포커싱 에너지 치료, 혹은 레이저 빔 치료를 위해 레이저 빔 위치설정 등 다른 유형의 의료기기로 이를테면 다른 유형의 의료과정에 보다 큰 유용성이 있음을 알 것이다.

도 1 내지 4는 입체 정위(stereotaxic) 방사선 치료장치(10)의 예를 도시한 도면이다. 방사선 치료장치(10)는 이를테면 마이크로프로세서인 데이터 프로세서(12), 및 환자(14)의 3차원 이미지를 저장할 수 있는 디스크 혹은 테이프 드라이브(13)(도 4에 도시되었음)를 포함할 수 있다. 데이터 프로세서에 아직 상기 3차원 이미지가 없다면, 상기 3차원 이미지를 외과 시술 중에 생성된 이미지들과 3차원 이미지와 비교하기 위해, 상기 3차원 이미지는 데이터 프로세서에 로딩될 수 있다. 3차원 이미지는 이를테면 컴퓨터 이용 단층 촬영법(computer aided tomography : CAT) 스캔 혹은 자기 공명 영상장치(MR)와 같은 여러 가지 종래의 기술로 생성될 수 있다. 방사선 치료장치(10)는 또한 빔 장치(20)를 포함할 수 있는데, 이 장치는 작동할 때 타겟 영역(18)(도 2에 도시되었음)을 향해 조준된 외과 이온화 빔을 방사한다. 조준된 외과 이온화 빔은 타겟 영역이 괴저성(necrotic)으로 될 정도로 충분한 강도를 가질 수 있다. 이온화 방사선 혹은 이를테면 선형 가속기 및 바람직하게는 x선 선형 가속기와 같은 중입자 빔(heavy particle beam)을 발생하는 다양한 상이한 빔 장치가 사용될 수도 있다. 이러한 x선 빔 장치는 상업적으로 이용가능하다. 빔 장치는 케이블(22)에 의해 빔 장치(20)에 연결된 제어 콘솔(24)에 있는 스위치(23)를 조작함으로써 조작자에 의해 작동될 수 있다.

방사선 치료장치(10)는 제1 진단 빔(26) 및 제2 진단 빔(28)이 3차원 이미지로 미리 이미지화된 영역을 통과하기 위한 장치를 또한 포함할 수 있다. 진단 빔들은 서로에 대해 0이 아닌 소정의 각도, 이를테면 도 2에 도시한 바와 같이 직교하여 놓여있을 수 있다. 진단 빔들은 각각 제1 x선 발생기(30)와 제2 x선 발생기(32)에 의해 발생될 수 있다. 제1 및 제2 이미지 수신기(34, 36)는, 진단 이미지가 3차원 이미지와 비교될 수 있도록, 마이크로프로세서(12)(도 4에 도시한 바와 같은)로 공급되는 진단 빔들로부터 이미지를 생성하기 위하여, 진단 빔들(26, 28)을 수신한다.

방사선 치료 장치(10)는 이온화 빔이 타겟 영역(18)에 계속해서 포커싱되도록 빔 장치(20)와 환자(14)의 상대적 위치를 조정하는 장치를 또한 포함할 수 있다. 도 1에 도시한 방사선 치료 장치에서, 빔 장치 및 환자의 위치는 갠트리(gantry)(40) 및 경사진 상부(44)를 갖는 움직일 수 있는 조작 테이블(38)에 의해 6 자유도로 변경될 수 있다. 환자에 대한 빔 장치의 위치는, 도 3에 도시한 바와 같은 6개의 운동축을 갖는 프로세서로 제어될 수 있는 로봇팔 기구(46)를 사용함으로써 이루어질 수 있다. 로봇팔 기구는 위, 아래, 환자의 몸을 따라 세로방향으로 또는 가로방향을 포함하여 환자의 몸에 대해 자유롭게 빔 장치가 이동될 수 있도록 한다.

도 4는, 전술한 바와 같은 마이크로프로세서(12), 테이프 드라이브(13), 빔 장치(20), 로봇팔(46) 혹은 갠트리(40), x선 카메라(30, 32, 34, 36), 조작자 제어 콘솔(24)을 포함하는 방사선 치료 장치(10)의 블록도이다. 또한, 장치(10)는 빔 장치가 우발적으로 작동되지 않게 하는 안전 인터록(interlock : 50)을 포함할 수 있다. 장치(10)는 치료과정을 추적하고 치료를 제어하기 위한 조작자 디스플레이(48)를 또한 포함할 수 있다. 방사선 외과 치료 장치의 보다 상세한 것은 참고로 본원에 포함되며 이 출원인이 소유하는 미국특허 제5,207,223호에서 알 수 있다.

방사선 치료 혹은 방사선 외과 치료에서 빔이 조사될 영역을 정확하게 목표로 정하기 위해서는, 고정밀도로 치료 중에 타겟이 어디에 있는지 판단하는 것이 필요하다. 방사선 외과 치료 장치는 뇌가 단단한 두개골에 대해 고정되어 있기 때문에 이상적으로는 뇌 혹은 머리의 종양의 치료에 사용될 수 있다. 방사선 외과치료 장치는 이온화 빔이 주변의 건강한 조직이 아닌 타겟 영역에 가해지게 하는 것을 보장하기 쉬운 다른 고정된 타겟 영역에 사용될 수도 있다. 그러나, 타겟이 횡경막에 인접하다면, 타겟은 환자의 호흡 때문에 치료 중에 움직일 것이다. 폐 및 그 외의 기관은 치료 중에 환자가 호흡할 때 혹은 움직일 때마다 움직일 것이다. 따라서, 방사선 치료를 포함하여 여러 상이한 치료 중에, 움직이는 타겟 영역을 추종하는 장치 및 방법을 제공하는 것이 바람직하다. 장치는 환자의 다른 움직임에 기인한 타겟 영역의 움직임 뿐만 아니라 환자의 호흡에 의해 야기된 타겟 영역의 움직임을 보상할 수 있다.

본 발명에 따라서, 내부기관과 같은 내부에서 움직이는 타겟 영역의 위치를 결정하기 위해서, 후술하는 바와 같이 외부 및 내부 마커들(랜드마크들)이 사용될 수 있고, 일련의 이미지들에 기초하여 외부 마커와 내부 마커의 상대적인 움직임의 모델은 치료 전에 결정된다. 치료 중에, x선과 같은 침입 장치(invasive device)를 사용하여 내부 마커가 주기적으로 이미지화될 때를 제외하고, 내부 랜드마크가 놓인 곳에 관해 거의 정보를 입수할 수 없다. 그러나, 외부 마커의 위치 혹은 가슴 및/또는 복부의 비디오 이미지는 고정밀도 및 고속으로 결정될 수 있다. 유사하게, 외부 센서는 실시간으로, 즉 매우 고속으로 측정 데이터를 제공할 수 있다. 따라서, 내부 및 외부 마커의 상대적 움직임에 대한 수술 전의 모델을 참조하여 내부(정확한) 마커의 위치를 추론함으로써, 외부 랜드마크들의 위치는 치료 중에 실시간으로 사용될 수 있다. 검증을 위해서, 내부 마커들의 위치는 치료 중에 주기적으로 결정될 수 있다. 본 발명에 따른 호흡 및 그 외 환자의 움직임을 보상하는 장치는 기술될 것이다.

도 5는 환자의 몸(150) 내의 타겟 기관(151)에 위치한 본 발명에 따른 한 세트의 내부 마커(152)를 도시한 도면이다. 움직이는 타겟 기관(151)은 환자가 움직일 때 혹은 환자가 숨을 들이마시거나 내쉴 때 움직일 수 있는 폐 혹은 간과 같은 횡경막 근처의 기관일 수 있다. 본 발명에 따라서, 이온화 방사선과 같은 치료가 건강한 주변의 조직이 아닌 타겟 기관에 적용되도록, 타겟 기관의 움직임을 추적할 수 있는 것이 바람직하다. 타겟 기관(151)의 움직임을 추적하기 위해서, 하나 또는 그 이상의 내부 마커(152)가 타겟 기관(151) 상의 여러 위치에 부착될 수 있다. 그러면, 타겟 기관이 움직일 때, 내부 마커도 화살표(154)로 나타낸 바와 같이 움직인다. 내부 마커의 움직임으로부터, 타겟 기관의 위치를 정확하게 결정하는 것이 가능하다. 바람직한 실시예에서, 타겟 기관의 상이한 영역들의 움직임을 측정하기 위해서 하나 이상의 내부 마커가 사용될 수 있고, 내부 마커들은 신체의 외부에서 볼 수는 없어도 바람직하게는 정위 x선 화상 진찰이 될 수 있으나 초음파일 수도 있는 이미지화 기술을 사용하여 내부 마커를 볼 수 있도록, 내부 마커들은 금(gold)으로 만들어질 수 있다.

도 6은 정위 x선 장치에 의해 이미지화되는 타겟 기관(151)에 부착된 하나 이상의 내부 마커(152)를 도시한 도면이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 타겟 기관(151) 상의 내부 마커(152)는 도 1 내지 도 3에 도시한 진단 x선 빔과 유사하게 서로에 관하여 어떤 소정의 각도로 놓인 제1 x선 소스(160)와 제2 x선 소스(162)에 의해 이미지화될 수 있다. x선 소스는 내부 마커(152) 근처의 타겟 기관(151)을 통과하고, x선 빔을 받아 수신된 x선에 대응하는 전기신호를 발생하는 제1 및 제2 x선 수신기(168, 170) 각각에 의해 수신되는 제1 및 제2 진단 x선 빔(164, 166)을 발생할 수 있다. 정위 x선 장치는 생성된 이미지를 분석함으로써 내부 마커(152)의 정확한 위치가 결정될 수 있도록 한다.

도 7a-도 7d는 본 발명에 따른 내부 마커(152)들을 포함하는 타겟 기관의 x선 이미지의 예들을 도시한 도면이다. 도 7a 및 도 7c는 개선되지 않은 내부 마커들(152)과 컴퓨터로 개선된 내부 마커들(152)의 동일한 x선 이미지를 각각 도시한 것이다. 마찬가지로, 도 7b 및 7d는 개선되지 않은 내부 마커들과 컴퓨터로 개선된 내부 마커들의 동일한 x선 이미지를 각각 도시한 것이다. 따라서, 정위 x선 이미지화는, 내부 마커의 정확한 위치가 결정되도록 한다. 문제는, 정위 x선 장치를 사용하여, 내부 마커 위치들은 치료 중에 오직 미리 정해진 간격에서 결정될 수 있다는 것이다. 특히, 내부 마커의 이미지화 사이의 간격은, 환자가 방사선에 노출되는 것을 제한하기 위해 위해서, 그리고 x선 진단 이미지화가 동안 치료 빔이 부여될 수 없기 때문에 필요하다. 그러나, 환자의 호흡 및 다른 움직임을 정확하게 보상하기 위해서, 타겟 기관의 정확한 위치를 주기적으로 결정하는 것은 충분하지 않다. 따라서, 하나 또는 그 이상의 외부 마커들은, 도 8을 참조하여 기술될 바와 같이, 본 발명에 따른 타겟 기관 근처의 환자의 피부에 위치될 수 있다. 외부 마커들에 대한 대안으로서, 가슴 및/또는 복부의 움직임의 비디오 이미지를 관찰함으로써, 현재의 호흡 상태가 측정될 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 환자의 피부에 부착된 하나 또는 그 이상의 외부 마커들과 협력하는 내부 마커들(152)을 갖는 환자의 몸 내의 타겟 기관(151)을 도시한 도면이다. 환자의 피부에 부착된 하나 또는 그 이상의 외부 마커들(180)은 복부 혹은 가슴의 벽의 움직임(182)이 결정되도록 한다. 환자가 호흡하는 예에서, 그 외부 마커는 환자가 숨을 들이마시고 내쉴 때 외부 움직임을 추적할 수 있다. 외부 마커(180)는 적외선 혹은 가시광선과 같은 많은 광학적 방법으로 자동적으로 추적될 수 있고, 외부 마커의 위치는 초 당 60회 이상 결정될 수 있다. 외부 마커들은 환자의 허리 주위에 맞는 속옷(vest) 또는 구부러질 수 있는 링, 또는 벨트에 부착될 수도 있다.

그러나, 오직 외부 마커들만이 환자의 움직임을 보상하는데 사용된다면, 외부 마커가 크게 움직이는 동안 타겟 기관이 소량 움직이고 또는 그 반대의 경우가 있기 때문에 외부 마커들은 타겟 기관의 내부 움직임을 정확하게 반영할 수 없다. 외부 마커들은 환자의 움직임을 보상하기 위해 충분히 정밀하지 않다. 따라서, 타겟 기관의 움직임을 정확하게 추적하기 위해서는 내부 마커와 외부 마커의 조합이 필요하다. 따라서, 타겟 기관의 움직임을 정확하게 추적을 위해서, 내부 마커들의 주기적인 x선 이미지화는 외부 마커들의 지속적인 광학적 추적에 동기된다. 내부 들과 외부 마커들의 움직임을 동기화하기 위해서는, 도 10을 참조하여 후술될 것이며 치료 과정 초기에 발생할 수 있는 내부 마커와 외부 마커 위치 사이의 관계를 결정하는 것이 필요하다.

타겟 기관의 어떤 움직임이 검출되었을 때, 전술한 방사선 외과 치료 장치와 같은 치료 시스템은 많은 다른 방식들로 움직임을 보상할 수 있다. 예를 들면, 치료 시스템은 환자에 대해 빔 장치(20)와 같은 치료 장치를 움직일 수 있거나, 반대로 환자를 움직일 수 있다. 치료 시스템은 처리장치의 특성을 변경시키기 위해서 주형 장치(shaping device) 또는 조준 장치(collimating device)를 치료장치의 경로로 이동시킬 수도 있다. 치료 시스템은 타겟 기관이 치료 경로 내에 있을 때 처리 장치를 오직 작동할 수 있도록 하거나, 타겟 기관이 치료 경로 내에 없을 때는 치료 장치를 차단할 수도 있다. 이제, 본 발명에 따른 움직임 보상 장치의 잇점을 예시하여 기술될 것이다.

도 9a - 도 9d는 본 발명에 따른 움직임 보상 장치의 한 잇점을 도시한 도면이다. 특히, 도 9a는 안전 라인(safety seam)이 없는 치료 부위(200)를 도시한 것이다. 특히, 건강한 조직이 손상되지 않도록 치료될 타겟 영역의 위치를 정확하게 알고 있다면 치료 부위에는 안전 라인이 없을 수도 있다. 이를테면 호흡 및 그 외 환자 움직임으로 인한 타겟 기관의 움직임 때문에 타겟 영역의 위치를 정확하게 결정될 수 없다면, 치료 부위(200)는 도 9b에 도시한 바와 같은 안전 라인(202)을 필요로 한다. 안전 라인으로 인한 문제는, 필요 방사선 투여량이 타겟의 직경에 따라 매우 급속히 증가한다는 것이다. 예를 들면, 구형(spherical)의 타겟의 경우, 타겟의 직경과 필요한 방사선 투여량 간의 비는 세제곱(cubic)이 된다. 전형적인 방사선 외과 치료 장치용 안전 라인(202)은 도 9c에 도시된다. 도 9d는 본 발명에 따른 움직임 보상장치 및 방법에 의해 가능한, 훨씬 줄어든 안전 라인(202)을 도시한 것이다. 안전 라인이 두 배로 감소로 인해 방사선 투여량은 8배 감소하게 된다. 따라서, 타겟 기관 혹은 종양에 대한 투여량은 두 배로 될 수 있는 반면 건강한 조직에 대한 원하지 않는 투여량은 4 배로 감소될 수 있다. 특히 불길한 예후(grim prognosis)를 가진 매우 다양한 암 환자의 경우, 전형적인 방사선 외과 치료 장치와 조합하여 움직임 보상 장치는 치료 효능을 크게 향상시킬 수 있다. 이제, 본 발명에 따른 치료 중에 움직임 보상을 위한 방법을 기술할 것이다.

도 10은 이를테면 방사선 외과치료 장치를 이용하여 치료 중에 환자의 호흡 및 그 외의 움직임을 보상하는 방법(210)을 도시한 흐름도이다. 방법에서 첫 번째 몇몇의 단계는 환자의 실제 치료 전에 수행될 수 있다. 특히, 외과의사는 단계 212에서 짧은 외과수술 동안에 타겟 기관 근처에 혹은 기관 내에 한 세트의 마커를 부착시키고, 이어서 치료 바로 전에, 외과의사는 단계(214)에서 타겟 기관 근처의 환자의 가슴 혹은 복부의 벽에 한 세트의 외부 마커를 부착할 수 있다. 다음에, 방사선 외과치료 장치의 프로세서는 환자의 치료 시작 바로 전에 단계(216)에서 내부마커와 외부 마커의 위치를 상관시킨다. 내부 마커를 외부 마커와 상관시키는 방법은 도 11을 참조하여 이하에서 기술된다. 내부 및 외부 마커의 위치들이 일단 상관이 되었으면, 환자의 치료가 시작될 수 있다. 방법의 다음 단계는 환자의 치료 동안에 일어난다.

먼저, 장치는, 내부 마커들이 이미지화된 마지막 시간 이후부터 경과된 총 시간이 미리 정해진 시간(초)인지를, 결정한다. 미리 정해진 시간(초)은 바람직하게 2 초 내지 10 초 사이, 보다 바람직하게 10초이다. 총 경과된 시간이 미리 결정된 시간(초)이면, 치료 빔은 작동되지 않고 내부 마커들은 정위 x선 화상 진찰과 같은 것을 사용하여 이미지화된다. 다음에, 총 경과된 시간은 제로로 리셋되고 상기 방법은 단계(218)로 되돌아 간다. 따라서, 본 발명에 따라, 내부 마커들은 매 미리 정해진 시간(초) 마다 이미지화된다. 단계(218)로 돌아가서, 총 경과된 시간이 미리 정해진 시간(초)과 같지 않으면, 단계(226)에서 치료 빔이 작동되는 동안 단계 224에서 선택적으로 외부 마커들이 추적된다. 위치 데이터가 초 당 60회로 방사선 외과 치료 장치의 프로세서에 제공되도록, 외부 마커들은 추적될 수 있다. 이어서 프로세서는 외부 마커의 위치를 내부 마커와 상관시키고, 타겟 기관의 위치 변화에 대한 위치 데이터를 생성한다. 따라서, 내부 마커들의 주기적 이미지화 사이에, 외부 마커의 위치는 타겟의 위치를 추적하는데 사용된다.

타겟 기관의 어떤 움직임이 검출되었을 때, 이를테면 전술한 방사선 외과치료 장치와 같은 치료 시스템은 많은 다른 방법으로 움직임을 보상할 수 있다. 예를 들면, 치료 시스템은 환자에 대해 이를테면 빔 장치(20)인 치료장치를, 또는 그 반대의 경우로, 이동시킬 수 있다. 치료 시스템은 처리장치의 특성을 변경시키기 위해서 정형 혹은 시준장치를 치료장치의 경로로 이동시킬 수도 있다. 치료 시스템은 타겟 기관이 치료경로 내에 있을 때 처리장치를 작동하고 혹은 타겟 기관이 치료 경로 내에 없을 때는 치료장치를 차단할 수도 있다. 본 발명에 따라 내부마커의 위치와 외부마커의 위치를 상관시키는 방법을 기술한다.

도 11은 본 발명에 따라 내부 및 외부 마커의 위치들을 상관시키는 방법(230)을 도시한 흐름도이다. 방법의 몇몇 단계는 실제 치료 중에 몇몇 단계가 일어나는 동안 수술전 과정 중에 일어난다. 특히, 단계(232)에서, 일련의 시간 순서 이미지들은 내부 및 외부 마커에 대응하는 복수의 점(point)들이 수술전 단계 동안 발생되도록 호흡 사이클 동안 내부 및 외부 마커 모두에 대해 발생된다. 외부 마커 및 내부 마커에 대응하는 복수의 점을 각각 점 클라우드(cloud)라 한다. 다음에, 방사선 외과치료 장치 내 프로세서는 내부 마커에 대해 발생된 점들에 곡선을 맞출 수 있고 단계(234)에서 외부 마커에 의해 발생된 점에는 별도의 곡선을 맞출 수 있다. 이들 곡선들은 외부 및 외부 마커의 위치들이 서로 상관이 되게 한다.

실제 치료 동안, 시스템은 특정 시간에 이를테면 적외선 이미지화과 같은 기술에 의해 외부 마커의 위치 x를 생성하고, 그 위치 x는 단계(236)에서 외부 마커 위치들에 대해 사전에 생성된 곡선에 맞추어 진다. 다음에, 단계(238)에서, 위치 x에 대응하는 내부 마커 곡선 상의 일 점의 위치 y는 보간법(interpolation)으로서 알려진 처리인 두 곡선의 비교에 의해 결정된다. 이 과정은 각각의 마커마다 수행될 수 있다. 이러한 방법을 사용하여, 외부 마커의 위치는 실제로 내부 기관을 이미지화 하지 않고 타겟 기관의 움직임양을 정확하게 시스템이 결정할 수 있게 하는 내부 마커의 위치에 상관될 수 있다. 내부마커와 외부마커의 위치들의 상관을 수행하는 또다른 방법은 점 클라우드를 계산한 후에 내부마커와 외부마커 간 교신을 수립하기 위해 보간 혹은 그 외 알려진 수학적인 보간 방법을 수행하도록 훈련되는 신경망을 사용하는 것이다.

본 발명에 따른 호흡 및 그 외의 환자 움직임을 보상하는 방법의 4 가지 상이한 실시예를 기술한다. 이들 모든 실시예에서, 호흡 및 횡경막 운동(diaphragmatic excursion)은 복부를 감거나 복부를 압박함으로써 제한시키거나 최소화시킬 수 있다. 제1 실시예에서, 하나 이상의 소형의 금속 마커(랜드마커라도 함)는 치료 전에 타겟 기관에 부착된다. 예를 들면 소형의 금속 비드(bead)일 수 있는 아마도 구별되는 모양 혹은 크기의 3 개 혹은 4 개의 금속 마커가 있을 수 있다. 이들 내부 마커의 정확한 위치는 타겟 사이트의 스테레오 이미지를 획득하는 2 대의 x선 카메라에 의해 결정된다. 환자의 피부 표면에 부착되는 하나 이상의 적외선 프로브가 있을 수도 있다. 적외선 프로브는 매우 정확하고 고속의 위치 판독을 제공하는데, 그러나 이들은 환자의 몸의 표면만을 보여준다. 이 실시예에서, 내부 마커의 내부 이미지와 외부 마커의 외부 이미지(즉, x선 이미지 및 적외선 이미지)가 결합된다. 특히, 치료 전에, 이들 양상(즉, x선 및 적외선)에 의한 일련의 이미지가 기록되고, 혹은 적어도 이들 양상에 의한 이미지들이 동시에 획득됨으로써 이미지 획득 시간은 대략 0.01초 이상으로 변하지는 않게 된다. 이에 따라, 외부 및 내부 랜드마크의 수술전 일련의 이미지는 각각의 이미지가 타임-스탬프(time-stamp)를 갖는 경우에 획득된다. 이들 일련의 이미지는 전술한 바와 같이 내부 랜드마크와 외부 랜드마크 사이의 상대적 움직임의 모델을 결정한다.

실제 수술 동안, 너무 많은 방사선에 환자의 노출에 관한 우려와 x선 이미지화가 행해지고 있을 때 치료 빔이 동작할 수 없다는 사실에 기인하여 한 번 이상 매 소정의 초 시간마다 x선 이미지를 얻기는 어렵다. 그러므로 x선 이미지 형성만으로는 너무 느려 고정밀도로 호흡 움직임을 추종할 수는 없을 것이다. 그러므로, 적외선 시스템이 보게 되는 피부 표면위의 외부 랜드마크를 수술중에 한정시키는데 사용되고, 이 경우 내부 및 외부 마커의 상대적 움직임을 사전에 계산한 모델을 연속적으로 참조한다. 이에 따라, 내부 랜드마크(금 비드)의 정확한 위치를 어떠한 x선 이미지도 얻지 못하는 시점에서 예측할 수 있게 된다. 본 방법의 제2 실시예를 기술한다.

본 발명에 따른 방법의 제2 실시예에서, 타겟 기관에 부착된 어떠한 내부 랜드마크도 사용되지 않는다. 대신, 적외선 추적시스템과 조합하여 수술전 일련의 이미지를 얻기 위해서 초음파 카메라가 사용된다. 이 실시예에서 적외선 시스템은 이 수술전 단계 동안 조작자(사람)에 의해 이동되어야 하는 외부 랜드마크의 위치와 (이동할 수 있는) 초음파 카메라의 위치를 정한다. 수술전 단계 동안, 초음파 이미지는 타겟을 찾기 위해서 수동으로 혹은 반자동으로 분석될 수 있다. 치료 중에, 외부 랜드마크(적외선 프로브)는 당사자가 수립한 움직임 모델이 외부 마커의 위치로부터 내부 타겟 기관의 위치를 결정할 수 있게 하기 때문에 타겟 기관의 움직임을 보상하는 데 사용된다. 본 발명의 제3 실시예를 기술한다.

제3 실시예는 초음파 카메라 대신 공기를 측정하는 장치가 사용되는 것을 제외하고 제2 실시예와 매우 유사하다. 장치는 공기흐름의 방향 및 용량을 기록하는 마우스피스일 수 있고 이들 측정치를 내부 인식마크의 위치 혹은 내부 기관의 위치를 검출하기 위한 임의의 다른 기구와 상관시킨다. 이 실시예에서, 이를테면 완전히 내쉴 때 혹은 완전히 들이마실 때 혹은 어떤 중간 호흡에서 이를테면 폐와 같은 타겟 기관의 기준위치는 치료 전에 이미지화된 상태에 현재의 호흡상태를 상관시키는 데 사용될 수 있고 따라서 타겟 기관의 움직임 및 위치가 치료 중에 결정될 수 있고 치료 장치의 위치가 타겟 기관의 결정된 움직임에 근거하여 움직일 수 있다. 본 발명의 제4 실시예를 기술한다.

본 발명의 제4 실시예에서는 약간 다른 기술이 사용된다. 특히, 대부분의 방사선 치료 중에, 환자는 깨어있고 의식이 있기 때문에 외부 마커의 실시간 추적에 의해 관찰된 움직임이 환자의 몸의 호흡 외의 다른 작은 움직임이 아닌 사실상의 호흡에 기인한 것인지 판정하기가 어렵다. 이러한 신체의 다른 움직임은 예를 들면 재채기 혹은 다른 갑작스런 움직임에 의해 야기될 수 있다. 이들 다른 움직임을 검출하고 정확하게 추적하기 위해서, 전술한 초음파 카메라 외에 한 쌍의 x선 카메라가 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 초음파 카메라는 타겟 움직임과 전술한 외부 랜드마크의 움직임 간 상관을 결정하기 위해서 수술 전에만 사용된다. 이에 따라, 일련의 수술전 이미지가 환자의 피부 표면의 움직임과 타겟 기관 간 관계를 결정하기 위해 획득된다. 치료 중에, x선 카메라는 x선 이미지에서 어떤 랜드마크를 자동으로 찾는 공지의 컴퓨터 방법에 의거하여 환자의 갑작스런 움직임을 결정하는데 사용될 수 있다. 이들 x선 이미지는 환자의 갑작스런 움직임을 결정하기 위해 수술전 토모그래픽 이미지(CT 혹은 MR 이미지)에 비교될 수 있다.

전술한 바는 발명의 특정의 실시예에 관련한 것이지만, 이 실시예의 변경이 범위가 첨부한 청구범위로 정해진 본 발명의 원리 및 정신으로부터 일탈하지 않고 행해질 수 있음을 이 기술에 숙련된 자들이 알 것이다.

Claims (42)

1. 치료 중 환자의 호흡 및 그 외의 움직임을 보상하는 장치에 있어서,

   상기 환자의 몸에 대한 내부의 타겟 영역에 관한 위치 데이터를 주기적으로 생성하는 제1 검출장치;

   상기 환자의 몸에 대한 외부의 하나 또는 그 이상의 센서들에 관한 위치 데이터를 지속적으로 생성하는 제2 검출장치; 및

   상기 환자의 움직임을 보상하기 위하여 상기 외부 센서들로부터 얻어진 상기 위치 데이터에 기초하여 상기 치료가 상기 환자의 상기 타겟 영역의 위치로 향하도록, 상기 내부 타겟 영역과 상기 외부 센서들의 위치 사이의 대응 관계(correspondence)를 생성하기 위해서, 상기 내부 타겟 영역에 관한 주기적인 위치 데이터와 상기 외부 센서로부터의 지속적인 위치 데이터를 수신하는 프로세서;를 포함하는, 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 검출장치는 환자 몸 내의 내부 타겟영역에 적응적으로 부착된 하나 또는 그 이상의 마커와 환자 몸 내의 마커를 이미지화하는 이미지화 장치를 포함하는, 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 이미지화 장치는 정위(sterotaxic) x선 장치를 포함하는, 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 하나 또는 그 이상의 마커는 상기 내부 타겟영역에 적응적으로 부착된 금속 비드(bead)를 포함하는, 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 검출장치는 치료 전에 상기 내부 타겟영역을 이미지화하기 위한 초음파 장치를 포함하는, 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 제1 검출장치는 치료 중에 환자의 움직임을 검출하기 위한 이미지화 장치;를 더 포함하는, 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 이미지화 장치는 정위(sterotaxic) x선 장치를 포함하는, 장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 제2 검출장치는 상기 환자의 몸에 적응적으로 부착된 하나 또는 그 이상의 적외선 마커들과 상기 적외선 마커들을 이미지화하는 적외선 이미지화 장치를 포함하는, 장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 제2 검출장치는 가시(visible) 이미지화 장치를 포함하는, 장치.
10. 제1항에 있어서, 상기 제2 검출장치는 환자의 호흡을 측정하는 유량계(flow meter)를 포함하는, 장치.
11. 제10항에 있어서, 상기 제2 검출장치는 호흡 움직임을 제한하기 위해 상기 환자의 복부를 압박하기 위한 수단;을 더 포함하는, 장치.
12. 제1항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 내부 타겟영역의 주기적인 위치 데이터를 상기 외부 마커들의 위치 데이터와 상관시키는 수단을 더 포함하는, 장치.
13. 제1항에 있어서, 상기 치료는 방사선 치료를 포함하는, 장치.
14. 제1항에 있어서, 상기 치료는 생체검사침(biopsy needle)을 포함하는, 장치.
15. 제1항에 있어서, 상기 치료는 레이저 빔 치료를 포함하는, 장치.
16. 제1항에 있어서, 상기 치료는 절제 작업(ablation) 및 초음파 중 하나를 포함하는 포커싱 에너지 치료를 포함하는, 장치.
17. 제1항에 있어서, 상기 외부 마커는 장치에 부착된 하나 또는 그 이상의 외부 마커를 이용하여 사용자의 허리 주위를 감는 상기 장치를 포함하고, 상기 장치는 벨트, 링 및 속옷(vest)을 포함하는, 장치.
18. 제1항에 있어서, 상기 타겟 영역의 위치 변화에 반응하여, 상기 치료를 변경(altering)하는 수단;을 더 포함하는, 장치.
19. 제18항에 있어서,

    상기 변경수단(the altering means)은 상기 환자에 대한 상기 치료를 이동시키는 수단인, 장치.
20. 제18항에 있어서, 상기 변경수단은 치료 특성을 변화(changing)시키는 수단을 포함하는, 장치.
21. 제20항에 있어서, 상기 변화수단(the changing means)은 치료 빔을 시준시키는 수단을 포함하는, 장치.
22. 제20항에 있어서, 상기 변화수단은 미리 결정된 시간에 치료 빔을 차단하는 수단을 포함하는, 장치.
23. 치료 중 환자의 호흡 및 그 외의 움직임을 보상하는 방법에 있어서,

    상기 환자의 몸에 대한 내부의 타겟 영역에 관한 위치 데이터를 주기적으로 생성하는 단계;

    하나 또는 그 이상의 외부 센서들을 사용하여 상기 환자의 몸의 외부 움직임에 관한 위치 데이터를 연속적으로 생성하는 단계; 및

    상기 환자의 움직임을 보상하기 위하여 상기 외부 센서들로부터 얻어진 위치 데이터에 기초하여 상기 환자의 상기 내부 타겟 영역의 위치를 향하여 치료를 실행되도록, 상기 내부 타겟 영역과 상기 외부 센서의 위치 사이의 대응 관계(correspondence)를 생성하는 단계;를 포함하는, 방법.
24. 제23항에 있어서, 상기 위치 데이터를 주기적으로 생성하는 단계는 상기 환자의 몸 내의 상기 내부 타겟 영역에 적응적으로 부착된 하나 또는 그 이상의 마커를 부착하는 단계와, 상기 환자의 몸 내의 상기 마커들을 이미지화하는 단계;를 포함하는, 방법.
25. 제24항에 있어서, 상기 이미지화하는 단계는, 상기 환자의 정위(streotaxic) x선 이미지를 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
26. 제23항에 있어서,

    상기 주기적인 위치 데이터 생성 단계는, 치료 전에 초음파 장치로 상기 내부 타겟영역을 이미지화하는 단계를 포함하는, 방법.
27. 제26항에 있어서, 상기 치료에 앞서 상기 위치 데이터의 생성하는 단계는, 상기 치료 중에 상기 환자의 움직임을 검출하는 단계를 더 포함하는, 방법.
28. 제23항에 있어서, 상기 외부 마커의 위치의 생성 단계는, 상기 환자에 적응적으로 부착된 하나 또는 그 이상의 적외선 마커를 부착하는 단계와, 적외선 이미지화 장치로 상기 적외선 마커를 이미지화하는 단계를 포함하는, 방법.
29. 제23항에 있어서, 호흡 움직임을 감소시키기 위하여 상기 환자를 묶는 단계를 더 포함하며, 상기 외부 센서는 호흡을 측정하는 유량계를 포함하는, 방법.
30. 제23항에 있어서, 상기 대응 관계 생성 단계는, 상기 내부 타겟 영역의 상기 주기적인 위치 데이터를 상기 외부 센서의 위치 데이터에 상관시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
31. 제23항에 있어서, 상기 치료는 방사선 치료를 포함하는, 방법.
32. 제23항에 있어서, 상기 치료는 생체검사침(biopsy needle)을 포함하는, 방법.
33. 제23항에 있어서, 상기 치료는 레이저 빔 치료를 포함하는, 방법.
34. 제23항에 있어서, 상기 치료는 절제작업(ablation) 및 초음파 중 하나를 포함하는 포커싱 에너지 치료를 포함하는, 방법.
35. 제23항에 있어서, 상기 외부 마커를 부착하는 단계는, 장치에 부착된 하나 또는 그 이상의 외부 마커를 갖는 상기 장치를 환자에 적응적으로 부착하는 단계를 포함하며, 상기 장치는 벨트, 링 및 속옷들을 포함하는, 방법.
36. 제23항에 있어서, 상기 타겟영역의 상기 위치 변화에 반응하여 상기 치료를 변경하는 단계를 더 포함하는, 방법.
37. 제36항에 있어서, 상기 변경 단계는, 상기 환자에 대해 상기 치료를 이동시키는 단계를 포함하는, 방법.
38. 제36항에 있어서, 상기 변경 단계는 상기 치료 특성을 변화시키는 단계를 포함하는, 방법.
39. 제38항에 있어서, 상기 변화 단계는 치료 빔을 시준시키는 단계를 포함하는, 방법.
40. 제38항에 있어서, 상기 변화 단계는 미리 결정된 시간에 치료 빔을 차단하는 단계를 포함하는, 방법.
41. 환자의 호흡 및 그 외의 움직임을 보상하면서 내부 타겟영역에 치료를 수행하는 장치에 있어서,

    상기 환자의 몸에 대한 내부의 타겟 영역에 관한 위치 데이터를 주기적으로 발생하는 제1 이미지화 장치;

    상기 환자의 몸에 부착된 하나 이상의 외부 센서에 관한 위치 데이터를 연속적으로 발생하는 제2 이미지화 장치;

    상기 환자의 움직임을 보상하기 위하여 상기 내부 타겟 영역의 위치와 상기 외부 센서 데이터 사이의 대응 관계(correspondence)를 생성하기 위해서, 상기 내부 타겟 영역 및 상기 외부 센서들에 관한 위치 데이터를 수신하는 프로세서; 및

    상기 외부 센서들의 데이터에 기초하여 상기 환자의 상기 내부 타겟 영역의 위치를 향해 상기 치료를 행하는 치료장치;를 포함하는 장치.
42. 치료 중 환자의 호흡 및 그 외의 움직임을 보상하는 장치에 있어서,

    상기 환자의 몸에 대한 내부의 타겟 영역에 관한 위치 데이터를 주기적으로 생성하는 제1 검출장치;

    제1 이미지화 장치가 작동되지 않았을 때 상기 환자의 몸의 외부 움직임을 나태는 하나 또는 그 이상의 외부 마커에 관한 위치 데이터를 연속적으로 생성하는 제2 검출장치; 및

    상기 환자의 움직임을 보상하기 위하여 상기 제1 이미지화 장치가 작동되지 않았을 때 치료될 상기 내부 타겟 영역의 위치를 결정하는 프로세서로서, 상기 위치는 상기 내부 타겟영역의 미리 결정된 위치에 대응하는 외부 마커에 대해 생성된 위치에 기초하여 결정되는 상기 프로세서;를 포함하는 장치.

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