KR20010089335A - 방사선 치료의 생리적 게이팅을 위한 방법 및 장치 - Google Patents

방사선 치료의 생리적 게이팅을 위한 방법 및 장치 Download PDF

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스탠리 맨스필드
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Abstract

방사선 치료를 위한 생리적 게이팅용 방법 및 시스템이 개시되었다. 본 발명의 특징에 따라서 환자 몸의 정상적인 생리적 이동을 측정하기 위한 광학 또는 비디오 시스템의 사용을 포함한다. 이미지 데이타는 목표물로의 방사선의 전달에 영향을 주는 환자의 자발적 또는 비자발적 이동을 정량화하기 위해 사용된다. 게이팅 신호는 이동 주기에서 검출된 소정의 문턱 사건의 발생시에 방사선의 전달을 중지시키기 위해 사용된다.

Description

방사선 치료의 생리적 게이팅을 위한 방법 및 장치{METHOD AND SYSTEM FOR PHYSIOLOGICAL GATING OF RADIATION THERAPHY}
방사선 치료는, 암의 종양과 같은 인체의 어떤 부분을 선택적으로 높은 도우즈(dose)의 방사선에 노출시키는 의료 과정을 뜻한다. 방사선 치료의 취지는 생체 조직에 방사선을 방사하여 타깃(target)이 되는 유해한 조직이 파괴되도록 하는 데에 있다. 어떤 유형의 방사선 치료에서는, 조사 영역(irradiation volume)이 종양 또는 타깃이 되는 조직 영역의 크기와 형태에 의해 제한되어 건강한 조직에 방사선으로 인한 손상을 입히는 것을 방지할 수 있다. 예를 들면, 컨포멀 치료(conformal therapy)는 치료 영역을 타깃이 되는 종양에 보다 가깝도록 맞추어 형성함으로써 도우즈 분포를 최적화하는데에 종종 이용되는 방사선 치료 기술이다.
정상적인 생리적 움직임은 종래의 방사선 치료와 컨포멀 치료의 임상 계획과 시행에 있어서 제한을 가한다. 호흡이나 심장 박동과 같은 정상적인 생리적 움직임은 방사선 조사를 받는 종양이나 조직의 위치 이동을 일으킬 수 있다. 방사선 빔의 치료 영역이 정확한 종양 디멘젼에 따라 맞추어진 형태가 되었다면, 치료 동안에 그 종양이 움직였을 때 방사선 빔이 타깃이 되는 종양 조직을 완전히 커버할 수 있을 정도의 충분한 크기 또는 형태를 갖지 않게 될 수 있다.
이런 문제를 해결하기 위해서 방사선 빔의 크기 및/또는 형태는 목표 조직이 충분히 조사받는 상태를 유지하기 위하여 "이동 허용폭"(즉, 목표 종양의 임의의 방향으로의 예측된 이동 거리)에 의해 확장될 수 있다. 이런 접근법의 단점은 이 증가된 방사 영역으로 인해 확장된 체적의 영역 내에 위치한 다른 건강한 조직에도 방사선이 가해진다는 것이다. 환언하면 치료 동안의 이동은 방사선 장이 넓은 크기로 가해지는 것을 필요로 하는데, 이는 타깃이 되는 치료 영역을 둘러싸고 있고 수용할만한 정도를 넘어서는 큰 범위의 정상 조직에 부정적 영향을 끼치게 된다.
이러한 문제에 대한 한 가지 방법은 환자의 신체의 움직임과 동시에 일어나는 게이팅 신호에 의해 치료 동안의 방사선 빔을 생리적 게이팅하는 것이다. 이러한 접근 방법에서는, 검사 대상인 환자의 생리적 이동에 관한 환자의 생리적 상태를 측정하기 위한 기구가 이용된다. 예를 들어, 호흡은 환자 신체의 폐종양의 위치 이동을 일으키는 것으로 알려져 있다. 방사선 치료가 폐종양에 행해지는 경우, 온도 센서, 스트레인 게이지(strain gauge), 또는 프리모텍트로그래프(preumotactrograph)가 환자의 호흡 사이클을 측정하기 위해 환자에게 부착될 수 있다. 방사선 빔이 폐종양의 과도한 움직임에 대응하는 호흡 신호에서의 특정 시기 동안 중지될 수 있도록, 이 방사선 빔은 측정된 호흡 시기 내의 소정의 문턱값(threshold point)들에 기초하여 게이트될 수 있다.
생리적 게이팅을 실행하는 공지 방법은 환자와 접촉하는 식으로 또는 환자위에 압박을 주며 장착되는 식으로 배치되는 특수 장치를 요구한다. 예를 들어, 호흡 주기와 동기화된 생리적 게이팅을 활용한 공지의 접근법은 환자의 몸에 부착된 스트레인 게이지 또는 스피로미터(spirimeter)와 같은 환자 접촉식 장치를 요구한다. 심장 박동 주기에 동기화된 공지의 게이팅 방법은 환자의 몸에 접속된 전기카디오그래프(eletrocardiograph)를 요구한다. 환자의 몸에 접촉하여 또는 압박을 주며 장착되는 장치를 요구하는 것은 어떤 상황에서는 문제를 일으킬 수 있다. 예를 들어, 스피로미터는 호흡동안 환자의 기도를 통과하는 공기량을 측정하기 위해 환자 위에 장착된 뉴모타코그래프(pneumotachograph) 장치이다. 스피로미터를 사용할 때에 느끼는 불편함은 환자의 호흡 주기를 측정하는 장치의 유용성을 제한시킬 수 있는데, 특히 게이팅 과정이 연장된 시간동안 장치를 사용할 것을 요구할 때 더 그러하다. 더나아가, 다수의 이런 장치들은 어떤 한정된 영역 내에서 또는 어떤 환자의 몸 구성에 대해서는 이런 장치들의 활용성을 떨어뜨리는 지겹고 복잡한 배선과 접속부들을 갖고 있다. 다른 단점은 그 이동이 측정되는 각각의 몸체 부분에 대해서 특수한 장비가 요구된다는 점이다. 이는 그 이동이 측정되어야 하는 다수의 몸체 부분에 대해 다수의 장비들을 사용해야 할 뿐만이 아니라, 어떤 경우에는 검사를 받는 특정 몸체 부분에 대해 그 이동을 감지해 주는 관련 특수 장비가 없을 수 있다.
따라서, 관련 기술의 이런 문제들을 해결하는 시스템 및 장치가 필요하다. 환자의 몸 위에 또는 그 내에 외부적으로든 압박식으로든지 간에 장착되는 장치 또는 프로브를 요구하지 않는 생리적 게이팅용 방법 및 시스템이 필요하다. 또한,방사선 치료의 생리적 게이팅을 위한 계획을 정확하고 체계적으로 허용해 줄 수 있는 방법 및 시스템이 필요하다.
<발명의 요약>
본 발명은 방사선 치료의 생리적 게이팅 용의 향상된 방법 및 시스템을 제공한다. 본 발명의 한 특징에 따라서, 환자 몸의 정상적인 생리적 이동을 측정하기 위해 이미지 데이타를 발생시키는 광학적, 또는 비디오 촬상 시스템의 사용을 포함한다. 광학적 및 비디오 촬상 시스템은 환자 몸의 이동을 측정하는 비압박식 방법을 제공한다. 본 이미지 데이타는 목표 밸브(valve)로의 방사선의 전달에 영향을 주는 환자의 자발적 또는 비자발적 이동을 정량화하기 위해 사용된다. 게이팅 신호가 이동 주기에서 검출된 어떤 문턱 사건이 있을 때에 방사선의 전달을 중지시키기 위해 발생될 수 있다.
본 발명의 이런 특징과 다른 특징, 목적, 및 이점들은 아래의 상세한 설명, 도면 및 청구범위에서 기술된다.
부수 도면은 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 이해를 위해 제공되어 본 발명의 원리를 설명하여 준다.
<도면의 간단한 설명>
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 생리적 게이팅용 시스템의 구성을 도시한 도면.
도 2는 호흡 이동 신호 차트의 한 예를 도시한 도면.
도 3은 이동 신호 차트와 게이팅 신호 차트를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에서 실행된 처리를 도시한 흐름도.
도5a는 본 발명의 실시에에 따른 게이팅 시뮬레이션을 실행하는 시스템의 구성을 도시한 도면.
도5b는 게이팅 시뮬레이션용 사용자 인터페이스의 실시예를 도시한 도면.
도6a는 본 발명에서 쓰일 수 있는 카메라 실시예의 측면도.
도6b는 도6a의 카메라의 정면도.
도7a는 본 발명의 실시예에 따른 레트로 반사형 마커를 도시한 도면.
도7b는 도7a의 레트로 반사형 마커의 단면도.
도8은 레트로 반사형 마커 제조용 장치를 도시한 도면.
도9 는 마커 블럭의 실시예를 도시한 도면.
도10은 대안 마커 블럭을 도시한 도면.
본 발명은 의료 방법 및 시스템에 관한 것이다. 더 특정하게는, 본 발명은 특히 방사선 치료의 생리적 게이팅을 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 방사선 치료의 생리적 게이팅 시스템(100)의 구성 요소들을 도시하였다. 시스템(100)은 치료 테이블(104) 상에 있는 환자(106)에게 방사선 빔을 지향하도록 위치 배치된 (종래의 선형 액셀러레이터와 같은) 방사선 빔 소스(102)를 포함한다. 스위치(116)는 방사선 빔 소스(102)에 조작 가능하게 결합된다. 이 스위치(116)를 조작하여 환자(106)로의 방사선 빔의 조사를 정지시킬 수 있다. 본 실시예에서, 스위치(116)는 방사선 빔 소스(102)의 기계적 및 전기적 구조의 일부이다. 다른 방법으로, 스위치(116)는 방사선 빔 소스(102)의 제어 일렉트로닉스와 접속된 외부 장치를 포함한다.
비디오 카메라(108)와 같은, 광학 또는 비디오 이미지 장치는 적어도 환자(106)의 일부분이 카메라의 시야 내에 있도록 조준된다. 카메라(108)는 측정하고자 하는 특정 생리적 활동과 관련된 이동에 대하여 환자(106)을 모니터한다. 예를 들어, 환자의 호흡이 모니터되는 경우에는 카메라(108)가 환자의 흉부의 이동을 모니터하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 카메라(108)는 그 축이 환자(106)의 세로축에 대해 약 45도를 이루도록 배치된다. 3-5mm 의 흉부 이동이 획득될 수 있는 호흡 활동의 측정을 위해서는, 비디오 이미지 시야가 환자 흉부의 약 20cm ×20cm 의 면적을 볼 수 있도록 설정되는 것이 바람직하다. 단지 예시를 위해, 도 1에는 단일 카메라(108)가 도시된다. 그러나, 본 발명에서 이용되는 다수의 카메라(108)는 이 개수를 초과할 수 있고, 본 발명에서 사용되는 정확한 개수는 목적하는 특정 애플리케이션에 의존하게 된다.
일 실시예에서, (바람직한 실시예에서 적외선 소스들인) 하나 이상의 일루미네이션 소스(illumination source)들은 치료 테이블(104) 상의 환자(106)에게 빛을 투사한다. 발생된 빛은 환자의 신체상의 하나 이상의 랜드마크(landmark)로부터 반사된다. 환자(106)를 향하고 있는 카메라(108)는 이 랜드마크들로부터 반사된 빛을 포착하여 검출한다. 이 랜드마크들은 검사할 생리적 활동에 따라 선택된다. 예를 들어, 호흡 측정을 위해서는 환자의 흉부 상의 하나 이상의 위치로부터 랜드마크가 선택될 수 있다.
카메라(108)의 출력 신호들은 비디오 이미지들을 수신하는 능력을 갖춘 컴퓨터(110)나 다른 형태의 프로세싱 유닛으로 전송된다. 특정 실시예에 따르면, 컴퓨터(110)는 Microsoft Windows NT 를 실행하는 Intel Pentium 계열 프로세서를 포함하고, 이 시스템에서 사용되는 각각의 비디오 소스 용의 개별 채널을 갖는 비디오 프레임 그래버 카드(video frame grabber card)를 포함할 수 있다. 카메라(108)에 의해 기록된 이미지는 처리를 위해 컴퓨터(110)로 송신된다. 카메라(108)가 아날로그 출력을 생성하면, 프레임 그래버는 컴퓨터(110)로 처리하기 전에 카메라 신호들을 디지털 신호로 변환한다. 컴퓨터(110)에 의해 수신된 비디오 신호들에 기초하여, 제어 신호들이 컴퓨터(110)로부터 전송되어 스위치(116)를 조작할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 하나 이상의 피동적인 마커들(114)이 환자의 움직임을 검출할 부분에 배치된다. 각각의 마커들(114)은 바람직하게는 가시 파장 영역 또는 비가시 파장 영역에서 광을 반사할 수 있는 반사성 또는 레트로 반사성(retro-refletive) 재료를 포함한다. 일루미네이션 소스와 카메라(108)가 동일한 장소에 배치되는 경우, 마커(114)는 조사 소스의 방향으로 대부분의 광을 반사시키는 레트로 반사성 재료를 포함하는 것이 바람직하다. 대안으로, 각각의 마커들(114)은 자신의 광원을 포함한다. 마커(114)는 카메라(108)에 의해 촬상되는 환자의 신체 상의 물리적 랜드마크들 대신에 또는 이와 함께 사용되어 환자의 움직임을 검출할 수 있도록 한다. 이들 마커들(114)은 카메라(108)에 의해 발생된 비디오 이미지들을 통해 용이하게 검출 및 검색될 수 있기 때문에 바람직하게는 신체의 랜드마크 대신에 사용될 수 있다. 적절한 마커들(114)의 반사 또는 레트로 반사 성질로 인하여, 마커들(114)은 특히 카메라(108)와 일루미네이션 소스가 같은 위치에 있을 때, 본래 카메라(108)와 같은 광 검출 장치의 비디오 이미지에서, 보다 큰 콘트라스트를제공한다.
환자의 움직임을 검색하기 위해 비디오 또는 광학계 시스템을 이용하면 몇가지 장점을 얻을 수 있다. 첫번째로, 비디오 또는 광학계 시스템은 어느 환자에 대해 여러번 사용할 때 측정 결과들을 반복 사용할 수 있도록 하는 신뢰성있는 매커니즘을 제공한다. 두번째로, 본 발명의 방법은 압박적이지 않고, 마커들이 사용되는 경우에도 환자에게 어떠한 케이블 연결 또는 접속도 행할 필요가 없다. 더우기, 마커들의 이용이 비실용적인 경우에도 여전히 마커의 이용없이 선택된 신체의 랜드마크에 맞추어 생리적 활동의 측정을 수행함으로써 시스템을 활용할 수 있다. 마지막으로, 본 방법은 외부의 해부학적 신체 움직임의 절대 측정치에 기초하므로 보다 정확하다.
마커(114)를 트랙킹할 때 생기는 비효율은 마커가 비디오 프레임 상의 임의의 위치에 나타난다는 것이고, 비디오 프레임의 모든 이미지 소자들은 마커(114)의 위치를 결정하기 위해 검사되어야 한다. 따라서, 본 실시예에서, 마커(114)에 대한 위치의 초기 결정은 비디오 프레임 내의 모든 이미지 소자들의 검사를 수반한다. 비디오 프레임이 640 x 480 이미지 소자를 포함한다면, 모든 307200(640*480)개의 이미지 소자는 마커(114)의 위치를 찾기 위해 초기에 검사된다.
마커(114)의 실시간 트랙킹에 있어서, 실시간으로 마커(114)의 위치를 결정하기 위해 모든 비디오 프레임에 대한 모든 이미지 소자를 검사하는 것은 시스템 자원의 상당한 양을 소비할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 비디오 프레임 내에서 이미 식별된 마커(114) 위치의 예측에 기초하여 배치되고, 본원에서는 "트랙킹 게이트(tracking gate)"로 지칭하는 비디오 프레임의 한 작은 영역을 처리함으로써 마커(114)의 실시간 트랙킹이 촉진될 수 있다. 이전의 비디오 프레임에 규정된 마커(114)의 미리 결정된 위치는 동일한 마커에 대해 실시간 초기 검색 범위를 규정하는데 사용된다. 트랙킹 게이트는 마커(114)의 이전 위치에 중심이 있는 비디오 프레임의 비교적 소규모 부분이다. 트랙킹 게이트는 마커(114)의 새로운 위치를 포함하지 않는 경우에만 확장된다. 예로서, 특정 마커의 이전에 결정된 위치가 비디오 프레임 내의 이미지 소자(50, 50)일 경우의 상황을 생각해 보자. 트랙킹 게이트가 비디오 프레임의 50 × 50 영역에 제한된다면, 본 예에 대한 트랙킹 게이트는 (25, 50), (75, 50), (50, 25) 및 (50, 75)인 좌표에 의해 정의된 영역 내에서 경계지워진 이미지 소자들을 포함한다. 비디오 프레임의 다른 부분은 마커(106)가 상기 트랙킹 게이트 내에서 발견되지 않을 경우에만 검색된다.
카메라(108)로부터 컴퓨터(110)로 전송된 비디오 이미지 신호들은 환자 신체상의 마커(114) 및/또는 랜드마크 구조의 이동을 나타내는 이동 신호를 생성하고 및 추적하는데 사용된다. 도 2는 주어진 측정 기간동안 마커(114)의 이동에 대한 정보를 포함하는 호흡 이동에 관한 이동 신호 챠트(200)의 한 예를 도시한다. 수평축은 시간축을 나타내고 수직축은 마커(114)의 상대적인 위치 또는 이동을 나타낸다.
방사선 치료의 생리적 게이팅의 중요한 점은 방사선을 조사하기 위한 "치료 간격(treatment interval)"의 경계선의 결정이다. 게이팅 목적을 위하여, 치료 간격의 경계선들을 결정하기 위해 이동 신호의 진폭 범위에서 문턱 위치(thresholdpoint)들이 정의될 수 있다. 치료 간격의 경계선 밖으로의 환자의 이동은 방사선의 목표가 되는 종양 또는 조직에 대해 수용하기 어려운 레벨의 이동을 일으킬 것이 예상되는 이동에 해당한다. 본 실시예에 따르면, 치료 간격은 임상 목표 영역의 이동이 최소화되는 생리적 싸이클 부분에 대응한다. 치료 간격의 경계선을 결정하기 위한 다른 인자들은 목표 영역의 최소 이동과 관련된 이동 신호 부분을 식별하는 것 또는 병든 기관으로부터 목표 영역이 크게 분리되는 것과 관계된 이동 신호 부분을 식별하는 것을 포함한다. 따라서, 조사 빔 패턴은 환자의 이동을 고려하여가능한 최소의 마진을 갖고 형성될 수 있다.
이동 신호가 지정된 치료 간격 내에 있을 경우에만 환자에게 방사선이 조사된다. 도 3을 참조하면, 신호 범위(302)에 의해 표시되고, 이동 신호 챠트(200)에 도시된 이동 데이터 상에서 규정된 치료 간격의 예가 도시되었다. 도 3의 예에서, 0.8(상한선(304)으로 도시됨)의 값을 초과하거나 0.0(하한선(306)으로 도시됨)의 값 아래로 이동하는, 측정된 신체 위치의 임의의 이동은 치료 간격의 경계선 밖에 위치한다.
이동 신호 챠트(200)와 정렬된 게이팅 신호 챠트(300)의 한 예가 도 3에 도시된다. 치료 간격 신호 범위(302) 밖에 있는 임의의 이동 신호는 환자에게 방사선이 가해지는 것을 중지하는 "빔 꺼짐(beam hold)" 게이팅 신호 문턱값(310)을 낳는다. 치료 간격 신호 범위(302) 내에 있는 임의의 이동 신호는 환자에게 방사선 조사를 허용하는 "빔 켜짐(beam on)" 게이팅 신호 문턱값(312)을 낳는다. 실시예에서, 이동 신호 챠트(200)에 도시된 정보를 나타내는 디지털 신호는 컴퓨터(100)에 의해 처리되고 치료 간격 신호 범위(302)의 문턱 레벨과 비교되어, 게이팅 신호 문턱값(310, 312)을 발생시킨다. 선택적으로는, 아날로그 이동 신호를 비교기로 공급하여 치료 간격 신호 범위(302)에 대응하는 아날로그 문턱값 신호와 비교되게 함으로써 게이팅 신호 문턱값(310, 312)이 얻어질 수 있다. 임의의 경우에서, 게이팅 신호 문턱값(310, 312)은 컴퓨터(110)에 의해 생성되고, 조사 빔 소스(102)(도 1)의 동작을 제어하여 조사 빔을 환자(106)에게 조사하거나 조사하는 것을 중지하도록 제어하는 스위치(116)로 가해진다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 실행된 처리 과정의 플로우챠트이다. 제1 처리 과정은 카메라(402)에 의해 검출될 이동 신호의 범위에 관해서 치료 간격에 대한 경계선을 정의하는 것이다. 상술한 바와 같이, 치료 간격의 경계선 바깥에 위치하는 임의의 이동은 조사의 목표가 되는 종양이나 조직의 수용 불가능한 이동 레벨을 초래할 것으로 예상된다. 환자(404)의 생리적 이동을 측정하기 위해 비디오 카메라와 같은 광학 또는 비디오 이미지 시스템이 사용되고, 광학 또는 비디오 이미징 시스템의 출력은 처리되어 측정된 이동 신호와 치료 간격(406)의 문턱 경계선을 비교한다.
이동 신호가 치료 간격을 벗어났을 경우에, "빔 꺼짐(beam off)" 게이팅 신호 문턱값은 조사 빔 소스(408)에 조작 가능하게 연결되는 스위치에 가해진다. 조사 빔 소스가 현재 환자(410)에게 조사될 경우, 스위치 설정은 조사 소스(411)를 유지 또는 중지하도록 조작된다. 그 후, 프로세스는 처리 과정(406)으로 되돌아 간다.
이동 신호가 치료 간격의 경계선 내에 있을 경우, "빔 켜짐(beam on)" 게이팅 신호 문턱값이 생성되고(412) 조사 빔 소스에 조작가능하게 연결되는 스위치에 가해진다. 조사 빔 소스가 현재 환자(413)에게 가해지지 않을 경우, 스위치 설정은 조사 빔 소스를 켜거나 또는 환자(414)에게 조사하도록 조작된다. 그 후, 프로세스는 처리 과정(406)으로 되돌아 간다.
한 실시예에 따르면, 환자의 정상적인 생리적 이동에서 상당한 이탈이 검출될 경우 조사 빔 소스는 중지된다. 상기 이탈은 환자의 기침 또는 갑작스런 이동에 의한 것일 수 있다. 목표로 된 조직의 위치 및/또는 방위는 이동 신호의 진폭 범위가 상기 이탈 동안에 치료 간격의 경계선 내에 존재한다 하더라도 상기 이탈의 결과로서 수용되지 않을 정도로 이동될 수 있다. 따라서, 상기 이탈량의 검출은 방사선 치료를 게이트하는 데에 적당한 시간 주기를 정의하는 데에 도움이 된다. 환자의 정상적인 생리적 이동으로부터의 이탈량을 검출하는 처리는 동시 계류중인 미국특허번호 제[아직 배정되지 않음](바리안 문서 번호 98-34, 대리인 문서 번호 236/222)호이고 본원과 동시에 출원된 문서에 개시되었는데, 그 전체 내용이 참조목록에 올라 있다.
방사선 치료의 계획 기간 동안 치료 간격의 최적 경계값을 결정하기 위해 게이팅 시뮬레이션이 실행될 수 있다. 도5a는 게이팅 시뮬레이션을 실행하는 데에 채용될 수 있는 시스템(500)을 도시하였다.
도1에 도시된 시스템(100)과 마찬가지로, 시스템(500)은 치료 테이블(104) 상의 환자에게로 지향되는 카메라(108)를 포함한다. 카메라(108)의 출력 신호는처리용 컴퓨터(110)로 보내진다. 시스템(500)은 환자 몸 안의 내부 구조 이미지를 발생시킬 수 있는 이미징 시스템을 포함한다. 본 실시예에서, 시스템(500)은 x 선소스 (502) 및 형광 투시형(fluoroscopic) x 선 검출 장치(504)를 구비한 디지탈 형광 투시형 이미징 시스템을 포함한다. 귀결되는 형광 비디오는 형광 디스플레이 디바이스(506) 상에 디스플레이될 수 있다. 또한, 형광 투시형 x선 검출 장치(504)로부터의 출력 신호는 컴퓨터(110)에게 전달될 수 있다.
게이팅 시뮬레이션 동안 환자 몸 위에서의 하나 또는 그이상의 랜드마크 또는 마커(114)의 이동은 카메라(108)를 사용하여 광학적으로 측정된다. 랜드마크 또는 마커(114)의 검출된 이동은 도2를 참조하여 설명된 처리에 따른 이동신호의 발생으로 귀결된다. 이동 데이타가 수집되고 있을 때에 형광 비디오 시스템은 방사의 목표물인 종양 또는 조직의 이미지 데이타를 발생시킨다. 실시예에서 형광 투시형 이미징 시스템의 위치 기하는 치료을 위해 방사선 빔을 가할 때에 사용될 방사선 빔 소스의 투사 기하에 상응하도록 구성된다. 이는 목표물 형태의 정확한 시뮬레이션이 실제의 치료 동안 이루어지도록 한다.
도5b는 형광 이미지 및 이동 이미지의 기록된 데이타를 나타내기 위한 사용자 인터페이스(510)의 실시예이다. 사용자 인터페이스(510)의 한 영역은 측정된 이동 신호의 차트(512)를 디스플레이한다. 사용자 인터페이스(510)의 또다른 영역은 형광 비디오(514)를 디스플레이한다. 치료의 계획 기간 동안 목표물 종양 또는 조직의 형광 비디오(514)는 이동 신호의 디스플레이와 동기화되어 디스플레이될 수 있다. 양 데이타 세트의 동시 디스플레이는 이 이동 신호의 특정 부분 동안에 종양 또는 목표물 조직의 이동 범위에 기초하여 치료 간격의 적절한 경계를 결정하는 가시적 방법을 허용해 준다.
게이팅 시뮬레이션은 "게이트된 플레이백(gated playback)" 을 실행함으로써 구현될 수 있다. 게이트된 플레이백은 치료 간격에 대해 시뮬레이트된 문턱 경계를 설정하는 것과 관계된다. 게이트된 플레이백 동안에 사용자 인터페이스는 이동 신호가 시뮬레이트된 치료 간격의 경계 내에 있을 때에 형광 이미지를 디스플레이하는 것에만 맞추어 구성된다. 형광 비디오는 이동 신호가 시뮬레이트된 치료 간격을 벗어났다면 턴오프되거나 고정된다. 게이팅 문턱값은 동적으로 조정될 수 있는 한편, 형광 비디오와 이동 신호는 사용자 인터페이스에서 디스플레이된다. 플레이백/조정 과정은 의사가 치료 윈도우의 게이팅 문턱값에 만족할 때까지 실행될 수 있다. 디스플레이 레이트는 동적으로 조정될 수 있어서 형광 비디오의 가시적 플레이백을 가속하거나 늦춘다.
본 실시예에서, 가시 디스플레이 경계는 형광 비디오(514)의 관심 영역의 주변에 형성될 수 있다. 예를 들어, 상자 같은 디스플레이 경계가 형광 비디오 (514)에 도시된 종양 주변에 그려질 수 있다. 대안으로 종양의 형태와 일반적으로 정합되는 디스플레이 경계가 종양 주변에 그려질 수 있다. 가시 디스플레이 경계는 가해지는 방사 빔의 형태를 시뮬레이트하는 데에 사용될 수 있다. 플레이 백 동안 이동 신호의 특정 위치에서 가시 디스플레이 경계에 대한 종양의 이동은 치료 간격의 적절한 경계를 결정하는 것을 돕는다.
기록된 형광 이미지는 정상적인 생리적 이동으로부터 귀결되는 종양 이동량의 디지탈 분석 및 정량화를 이루어 준다. 각각의 이미지 프레임에 대하여 종양 또는 목표가 된 조직에 상응하는 이미지 데이타가 강조되거나 컴퓨터(110)에 의해 다른 식으로 선택될 수 있다. 이 이미지 데이타에 기초하여 계산이 수행되어 정상적인 생리적 이동 중에서의 종양 또는 조직의 이동을 분석하게 된다.
실시예에 따라서 이 계산은 이미지 프레임의 디지탈 감산에 의해 실행된다. 디지탈 감산을 이용할 때, 한 이동 주기의 제 1 시간 포인트에 해당하는 제 1 이미지 프레임이 선택된다. 이동 주기의 제 2 시간 포인트에 해당하는 제 2 이미지 프레임이 선택된다. 종양 또는 목표가 되는 조직에 상응하는 이미지 프레임의 영역 상에서 그 차이를 획득하기 위해 디지탈 감산이 제 1 및 제 2 이미지 프레임의 이미지 성분들 사이에서 실행된다. 실시예에서 그 차이의 세기는 감산 결과의 픽셀 값의 표준 편차를 사용하여 계산된다. 감산 영역 상의 분산 영역이 분석되어 이동 주기의 제 1 및 제 2 시간 포인트 사이의 종양 또는 조직이 경험하는 위치 이동량을 결정한다. 이 계산은 이동 주기 내에서의 여러 단계에서 종양 또는 목표물 조직 이동을 정확하게 정량화하기 위하여 전 기록 주기에 걸쳐서 실행될 수 있다.
종양 또는 목표물 조직의 정량화된 이동량은 치료 간격에 대한 게이팅 문턱값의 정확한 결정을 허용해 준다. 예를 들어, 의사가 어떤 문턱 이동 마진을 초과하지 않는 이동 주기를 포함하는 치료 간격을 원한다면, 정량화된 이동 데이타가 분석되어 소망하는 이동 마진을 획득하는 치료 간격의 정확한 경계를 결정한다. 대안으로는 미리 설정된 이동 마진 문턱값이 컴퓨터(110) 내로 프로그램될 수 있다. 미리 설정된 이동 마진에 기초하여 시스템은 이동 데이타의 분석을 행하여 미리 설정된 이동 마진을 획득키 위한 처리 간격의 최적의 게이팅 문턱값을 결정한다. 이 게이팅 문턱값은 상응하는 환자에 대해서 디폴트 또는 제안된 치료 간격으로서 지정될 수 있다.
인증이 실행되어 치료 간격의 게이팅 문턱 설정을 유효화할 수 있다. 이는 세분화된 치료의 수행 동안에 특히 유용하다. 이는 계획 기간 동안에 채용된 게이팅 시뮬레이션을 반복함으로써 제 2 시뮬레이션 과정으로서 이루어진다. 대안으로, 게이트된 인증 이미징은 방사선 소스로서 환자에 대해 스케쥴된 치료 세션 동안에 실행될 수 있다. 게이트된 전자적 포털 이미지는 세분화된 방사선 치료의 시행 동안에 획득될 수 있다. 이를 이루기 위해 게이팅 시스템은 원래의 레퍼런스 이미지에 시각적으로 또는 자동적으로 비교될 수 있는 노출 시퀀스 또는 단일 노출을 일으킨다. 이 인증은 치료 스케쥴 동안에 임상적으로 적합하다고 여겨지는 임의의 시점에 반복될 수 있다.
도 6a 및 6b는 본 발명에서 사용될 수 있는 카메라(108)의 실시예를 도시하였다, 카메라(108)는 하나 이상의 광전자 캐소드 및 하나 이상의 CCD 장치를 구비한 전하 결합 장치(CCD) 카메라이다. CCD 장치는 국부 영역에 전하를 저장할 수 있고, 적절한 제어 신호에 따라서 판독 포인트에 전하를 전달할 수 있는 반도체 장치이다. 이미지가 되기 위한 광경(scene)으로부터의 광자(light photons)는 광전자 캐소드 상에 초점이 맞추어지고, 전자는 카메라에 수신된 빛의 강도에 비례해서 방출된다. 전자는 CCD 장치 내에 위치한 전하 버킷(bucket)에서 잡힌다. 전하 버킷 내에 잡힌 전자의 분포는 카메라에 수신된 이미지를 나타낸다. CCD는 이들 전자를 아날로그-디지털 변환기에 전달한다. 아날로그-디지털 변환기의 출력은 컴퓨터(410)에 보내져서, 비디오 영상을 프로세스하고, 레트로 반사형 마커(406)들의 위치를 계산한다. 본 발명의 한 실시예에 따르면, 카메라(108)는 RS-170 출력과 640×480 화소 해상도를 갖는 모노크롬 CCD 카메라이다. 대안으로, 카메라(408)는 CCIR 출력과 756×567 화소 해상도를 갖는 CCD 카메라를 포함할 수 있다.
본 발명의 특정 실시예에서, 적외선 조명기(602)("IR 조명기")는 카메라(108)와 함께 배치된다. IR 조명기(602)는 카메라(108)와 동일한 방향으로 향하는 하나 이상의 적외선 빔을 생성한다. IR 조명기(602)는 카메라 몸체(608)의 렌즈(606) 주위를 둘러싸는 표면을 포함한다. IR 조명기(602)의 표면은 적외선을 생성하기 위한 다수의 개별 LED 소자(604)를 내장한다. LED 소자(604)는 나선형 패턴으로 IR 조명기(602) 상에 배열된다. 카메라(108)의 일부분이 될 수 있는 적외선 필터는 적외선에 대한 카메라의 감도를 증가시키기 위해 제거되거나 또는 디스에이블한다.
한 실시예에 따르면, 한 세션 중의 환자의 디지털 비디오 레코딩은 카메라(108)를 통해 이뤄질 수 있다. 환자의 움직임을 추적하는데 사용된 상기 카메라(108)는 환자의 참조용 비디오 영상을 기록하는데 사용될 수 있다. 일상적인 환경 조건에서의 환자의 광 영상 시퀀스는 마커(114)의 측정된 이동 신호와 동기하여 얻어질 수 있다.
도 7a 및 7b는 본 발명에서 이용될 수 있는 레트로 반사형 마커(700)의 한 실시예를 도시한 것이다. 레트로 반사형 마커(700)는 광을 반사시키기 위한 융기된 반사면(702)을 포함한다. 상승된 반사면(702)은 광원의 입력 각에 상관없이 광이 반사될 수 있도록 반구형으로 이루어진다. 평탄면(704)은 융기된 반사면(702)을 둘러싼다. 평탄면(704)의 하부측은 장착 영역을 제공하여 레트로 반사형 마커(700)를 환자 몸의 특정 위치에 부착시킨다. 한 실시예에 따르면, 레트로 반사형 마커(700)는 3M사에서 시판하는 레트로 반사형 재료 3M#7610WS로 구성된다. 한 실시예에서, 마커(700)는 직경이 약 0.5 cm이고, 융기된 반사면(702)의 가장 높은 지점의 높이가 약 0.1 cm이다.
도 8은 레트로 반사형 마커(700)를 제조하기 위해 사용될 수 있는 장치(802)를 도시한 것이다. 장치(802)는 탄성 링(806)이 부착되어 있는 베이스부(804)를 포함한다. 탄성 링(806)은 벌지(bulge)가 중심에서 튀어나와 있는 하부 몰드 부분(808)에 부착된다. 제어 레버(810)는 상부 부분(812)이 지지 로드(814)를 따라 이동하도록 동작될 수 있다. 상부 부분(812)은 스프링이 달린 상부 몰드 부분(814)을 포함한다. 상부 몰드 부분(814)은 하부측에 반구형 캐비티가 형성된다. 동작 시에, 레트로 반사형 재료의 일부분은 하부 몰드 부분(808) 상에 배치된다. 제어 레버(810)는 베이스부(804)쪽으로 상부 부분(812)이 이동하도록 동작된다. 레트로 반사형 재료는 하부 몰드 부분(808)과 상부 몰드 부분(814) 사이에서 압축되어 모양이 만들어진다. 상부 몰드 부분(814)은 레트로 반사형 재료의 상부 외형을 반구형으로 형성한다.
대체 실시예에서, 마커(114)는 표면 상에 하나 이상의 기준 위치를 갖는 마커 블럭을 포함한다. 마커 블럭 상의 각 기준 위치에는 카메라(108)와 같은 광학이미징 장치에 의해 검출할 수 있는 레트로 반사형 또는 반사 재료가 포함되는 것이 바람직하다.
도 9 는 표면 상에 위치한 레트로 반사형 소자(1102)로 구성된 다수의 기준위치를 갖는 원통형의 마커 블럭(1100)의 한 실시예를 나타낸 것이다. 마커 블럭(1100)은 (예를 들어, 스티로폼으로) 강체 블럭으로서 형성될 수 있다. 이러한 형태로 이루어진 블럭은 여러번 여러 환자들에게 재사용될 수 있다. 레트로 반사형 소자(1102)는 도 7a 및 7b의 레트로 반사형 마커(114)를 구성하는데 사용된 것과 동일한 재료로 형성될 수 있다. 마커 블럭은 환자에 의한 통상의 호흡과 간섭을 일으키지 않을 만큼 경량인 재료로 형성되는 것이 바람직하다.
카메라 또는 다른 광학 이미징 장치가 마커 블럭의 위치 설정을 정확하게 나타내는 영상을 관측하여 발생시킬 수 있도록 사이즈, 스페이싱, 및 기준 위치의 위치 설정을 이루는 한, 마커 블럭은 임의의 모양 또는 사이즈로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도 10은 표면에 부착된 다수의 레트로 반사형 소자(1002)로 구성된 반구형의 대체 마커 블럭(1000)을 나타낸 것이다.
마커 블럭은 특정 몸 부분에 맞는 모양으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 몸의 특정 위치에 잘 맞는 몰드 또는 캐스트가 마커 블럭으로서 사용될 수 있다. 몸의 어떤 부위에 맞게 모양이 만들어진 마커 블럭은 환자의 특정 위치에서 마커 블럭의 반복가능한 배치를 용이하게 한다. 대안적으로, 마커 블럭은 환자의 몸에 부착된 소정의 설치물에 꼭 맞게 형성될 수 있다. 예를 들어, 마커 블럭은 안경에 부착될 수 있게 하는 톱니 모양 및 홈 내에 형성될 수 있다. 또 다른 실시예에서,설치물에는 반사 또는 레트로 반사형 마커를 갖고 있는 통합 마커 블럭(들)이 형성된다.
마커 블럭의 대체 실시예는 마커 블럭의 표면 상에 하나의 기준 위치/반사 소자만을 포함한다. 이러한 실시예의 마커 블럭은 레트로 반사형 마커(406) 대신에 사용되어 환자 몸의 특정 위치를 광학 이미징 장치로 검출한다.
앞의 설명에서 본 발명은 특정 실시예에 대하여 기술되었다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고서 여러 변형 및 변화가 이뤄질 수 있다는 것이 명백하다. 예를 들어, 컴퓨터(110)에 의해 실행되는 작용은 본 발명의 범위 내에 있는 하드웨어와 소프트웨어의 임의의 조합에 의해 실행될 수 있고, 컴퓨터의 특정 정의를 포함하는 특정 실시예에만 제한되는 것은 아니다. 따라서, 명세서 및 도면은 제한적 의미가 아니고 예시적 의미로 서술된 것으로 간주되어야 한다.

Claims (26)

  1. 방사선을 가하는 시스템에 있어서,
    방사선 소스,
    상기 방사선 소스에 조작 가능하도록 결합된 스위치,
    이미지 데이타를 포함하는 출력 신호를 구비한 광학 이미징 장치,
    광학 이미징 장치에 의해 검출된 이동과 관련된 이동 정보를 포함하는 이미지 데이타, 및
    이동 정보에 의해 표시된 특정 레벨의 이동 결과로 인하여 액츄에이트되는 상기 스위치를 포함하는 방사선 조사 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 마커를 더 포함하고, 이동 정보는 마커의 이동에 관계되는 방사선 조사 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 마커는 레트로 반사성 재료를 포함하는 방사선 조사 시스템.
  4. 제 2항에 있어서,
    마커는 하나 또는 그 이상의 반사성 재료를 구비한 마커 블럭을 포함하는 방사선 조사 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 광학 이미징 장치는 비디오 카메라이고, 이미지 데이타는 비디오 데이타를 포함하는 방사선 조사 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 광학 이미징 장치는 CCD 카메라를 포함하는 방사선 조사 시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 적외선 광원은 광학 이미징 장치와 같이 배치되어 있는 방사선 조사 시스템.
  8. 제 1항에 있어서, 치료 간격은 이동 정보에 기초하여 규정된 방사선 조사 시스템.
  9. 제 8항에 있어서, 치료 간격의 경계는 방사선의 목표가 되는 조직의 이동 레벨이 수용 불가능한 이동 레벨로 귀결되도록 예측되는 이동에 상응하도록 규정되는 방사선 조사 시스템.
  10. 제 8항에 있어서, 게이팅 신호는 이동 정보와 치료 간격의 비교에 기초하여 스위치에 가해지는 방사선 조사 시스템.
  11. 제 1항에 있어서, 스위치를 조작 가능하게 액츄에이트시킬 수 있는 이동 정보에 의해 표시된 특정 레벨의 이동은 방사선의 목표가 되는 조직의 이동 레벨이 수용 불가능한 레벨로 귀결되도록 예측되는 이동에 상응하는 방사선 조사 시스템.
  12. 제 1항에 있어서, 스위치를 조작 가능하게 액츄에이트시킬 수 있는 이동 정보에 의해 표시된 특정 레벨의 이동은 방사선의 축소된 목표 영역 내로 귀결되도록 예측되는 이동에 상응하는 방사선 조사 시스템.
  13. 제 1항에 있어서, 스위치를 조작 가능하게 액츄에이트시킬 수 있는 이동 정보에 의해 표시된 특정 레벨의 이동은 병든 기관으로부터 방사 영역이 최대한으로 분리되는 결과를 낳도록 예측되는 이동에 상응하는 방사선 조사 시스템.
  14. 방사선 치료의 치료 간격을 결정하기 위한 방법에 있어서,
    방사선의 목표물이 되는 조직을 대표하는 이미지 데이타를 기록하는 단계,
    생리적 이동을 대표하는 이동 데이타를 발생시키는 단계, 및
    이미지 데이타를 이동 데이타와 동기로 디스플레이하는 단계
    를 포함하는 방사선 치료 간격 결정 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    시뮬레이트된 치료 간격을 선택하는 단계, 및
    이동 데이타가 시뮬레이트된 치료 간격 내에 있을 때에만 이미지 데이타를 디스플레이하는 단계
    를 더 포함하는 방사선 치료 간격 결정 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 이미지 데이타는 이동 데이타가 시뮬레이트된 치료 간격을 벗어났을 때 고정되는 방사선 치료 간격 결정 방법.
  17. 제 15항에 있어서, 서로 다른 양의 이미지 데이타를 보기 위해 시뮬레이트된 치료 간격을 조정하는 단계를 더 포함하는 방사선 치료 간격 결정 방법.
  18. 제 14항에 있어서, 생리적 이동 동안에 목표가 된 조직의 이동량을 정량화하기 위해 이미지 데이타를 분석하는 단계를 더 포함하는 방사선 치료 간격 결정 방법.
  19. 제 14항에 있어서, 이미지 데이타의 영역 주위에 디스플레이 경계를 형성하는 단계를 더 포함하는 방사선 치료 간격 결정 방법.
  20. 방사선 치료의 치료 간격을 결정하기 위한 시스템에 있어서,
    환자 몸의 내부 영역을 대표하는 이미지 데이타가 발생되는 이미징 시스템,
    환자 몸의 정상적인 생리적 이동과 관계된 이동 정보를 포함하는 출력 신호를 구비한 장비, 및
    이동 정보의 디스플레이와 동기화된 이미지 데이타의 디스플레이를 포함하는 사용자 인터페이스를 포함하는 시스템.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 이미징 시스템은 형광 투시형 이미징 시스템을 포함하는 시스템.
  22. 제 20항에 있어서, 상기 장비는 정상적인 생리적 이동을 검출하도록 구성된 하나 또는 그 이상의 카메라를 포함하는 시스템.
  23. 제 20항에 있어서, 시뮬레이트된 치료 간격은 이동 정보 상에서 규정되고, 이미지 데이타는 시뮬레이트된 치료 간격 동안에 디스플레이되는 시스템.
  24. 제 23항에 있어서, 시뮬레이트된 치료 간격은 동적으로 조정가능한 시스템.
  25. 제 20항에 있어서, 디지탈 분석 신호를 더 포함하고, 상기 디지탈 분석 신호는 이미지 데이타에 도시된 내부 구조의 이동을 정량화하기 위한 디지탈 분석의 결과를 포함하는 시스템.
  26. 제 25항에 있어서, 디지탈 분석 신호는 이미지 프레임의 디지탈 감산으로 발생되는 시스템.
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