KR20150119695A - 방사선 치료시 자연호흡법을 이용한 환자 호흡동조 시스템 및 이에 의한 방사선 조사방법 - Google Patents

방사선 치료시 자연호흡법을 이용한 환자 호흡동조 시스템 및 이에 의한 방사선 조사방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 방사선 치료시 자연호흡법을 이용한 환자 호흡동조 시스템 및 이에 의한 방사선 조사방법에 관한 것으로서, 환자의 호흡에 따라 변화하는 치료대상의 위치에 맞추어 방사선을 조사하도록 한 호흡동조 시스템에 있어서, 환자의 호흡량을 측정할 수 있도록 하는 호흡마스크; 환자의 치료대상 부위 주변의 신체 외부 삼각점에 각각 부착되는 외부 마커; 환자의 치료대상 부위를 촬영하여 영상화하는 영상진단장치; 및 상기 컴퓨터 단층 촬영장비(CT)와 각 외부 마커로 측정한 호흡량에 따른 치료대상의 위치변화를 삼각위치추정법과 이중 다항방정식을 통해 위치좌표로 산출하고, 실시간으로 변화하는 상기 위치좌표를 방사선 치료기에 전송하도록 프로그램된 컴퓨터 프로그램;을 포함하여, 상기 호흡동조 시스템에 의해 방사선을 조사하도록 한 것이며, 환자의 교육훈련에 따른 호흡법이 아닌 자연적인 호흡을 이용한 호흡동조 시스템을 통하여 호흡에 따른 치료대상인 장기의 움직임을 실시간으로 추적하여 전체 방사선 치료 성적의 정확성 및 안정성을 더욱 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

방사선 치료시 자연호흡법을 이용한 환자 호흡동조 시스템 및 이에 의한 방사선 조사방법{System for patient respiratory gated using natural breathing and irradiation thereby}
본 발명은 방사선 치료시 자연호흡법을 이용한 환자 호흡동조 시스템 및 이에 의한 방사선 조사방법에 관한 것으로서, 상세히는 호흡마스크를 착용한 환자의 호흡의 세기와 양에 따라 위치가 변화하는 치료대상의 위치를 환자 외부의 삼각점에 배치한 각 외부 마커와 영상진단장치로 측정하고 촬영하며, 측정된 치료대상의 위치변화의 궤적을 삼각위치추정법과 이중 다항방정식을 이용하여 위치좌표로 산출한 후 이를 통해 방사선을 조사하도록 한 방사선 치료시 자연호흡법을 이용한 환자 호흡동조 시스템 및 이에 의한 방사선 조사방법에 관한 것이다.
최신 방사선 치료 동향은 타깃이 되는 종양과 같은 치료대상의 정확한 위치 확인을 위하여 영상 유도 방사선 치료(Image guided radiation therapy : IGRT)와 호흡 동조 방사선 치료(Respiratory gated radiation therapy : RGRT) 기법을 사용한다. 상기 영상 유도 방사선 치료(IGRT)는 방사선 치료를 할 때마다 직전에 컴퓨터 단층 촬영장치(CT) 등을 이용하여 환자의 종양과 같은 치료대상 부위의 영상을 획득한 후 치료 계획을 수립할 때, 획득한 영상과 비교하여 방사선 조사의 위치를 재조정함으로써 치료의 정확성을 확보하는 방법이다. 그리고 호흡 동조 방사선 치료(RGRT)는 실시간 위치측정(real-time position management : RPM) 시스템을 이용하여 환자의 호흡주기에 따라 흉부 및 복부에 있는 종양과 같은 치료대상의 위치를 추적하고, 추적되는 위치의 움직임에 따라 방사선이 조사되도록 하는 방법이다.
이러한 종양과 같은 치료대상 위치의 추적 방법은 크게 두 가지로 나뉘는데, 첫 번째는 내부 표식자(fiducial marker, gold marker)를 타깃에 심어 위치를 추적하는 방법이다. 이는 정확한 타깃의 이동 변위를 확인할 수 있는 장점이 있지만 침습적이고 치료 후에 타깃을 제거해야 하는 번거로움이 있다. 두 번째는 외부 표식자(external marker)를 이용하여 위치를 추적하는 방법이다. 이는 비 침습적이고 표적 위치 추정(target localization)의 정확성이 크게 확보되고 있는 추세이다. 그러나 종래에는 외부 표식자를 하나만 설치하고 있어 위치 추적의 정확성이 떨어진다고 하는 문제가 있다.
종래의 선행기술문헌 중 특허문헌 1의 한국등록특허 제10-0943180호를 참조하면, 교육 훈련을 이용하여 생체 신호를 안정되게 하고 이완 효과(Relaxation Response)를 제공하여 바이오 피드백을 실시한다. 상기와 같은 기법들은 환자의 호흡에 따른 움직임 보정을 하기 위하여 첨단 장비들이 사용되고 있지만 그에 따른 비용과 환자마다 시행하는 교육 훈련은 불확실한 실정에 있다. 또한, 호흡이 힘든 환자는 안정성이 떨어져 치료시간이 늘어나는 문제점이 있다. 특히 최신 방사선 기법은 치료기간이 짧은 대신 한 번에 고선량을 전달하기 때문에 환자의 움직임, 다시 말해 호흡량에 대한 고려는 필수 불가결이다.
한국등록특허 제10-0943180호 일본공개특허 특표2013-540554
본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 종래 바이오 피드백의 불확실성을 해결하기 위하여, 방사선 치료시 환자의 자연스러운 호흡을 유지하면서 그 호흡의 흡기 및 배기량, 즉 호흡량을 실시간으로 수집 및 처리하여 타깃이 되는 종양과 같은 치료대상의 위치를 추적하도록, 환자가 착용하는 호흡마스크, 이 호흡마스크를 통해 전달되는 호흡의 세기와 양에 따른 치료대상의 위치변화를 측정하고 촬영하는 3곳의 외부 마커와 영상진단장치 및, 측정된 치료대상의 위치변화에 따른 궤적을 추적하여 벡터화하고, 이를 삼각위치추정법과 이중 다항방정식을 이용하여 위치좌표로 산출한 후 방사선 치료기에 전송하도록 한 컴퓨터 프로그램을 포함하는 방사선 치료시 자연호흡법을 이용한 환자 호흡동조 시스템을 제공함에 있다.
다른 목적은 상기 방사선 치료시 자연호흡법을 이용한 환자 호흡동조 시스템에 의한 방사선 조사방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 방사선 치료시 자연호흡법을 이용한 환자 호흡동조 시스템은, 환자의 호흡에 따라 변화하는 치료대상의 위치에 맞추어 방사선을 조사하도록 한 호흡동조 시스템에 있어서, 환자의 호흡량을 측정할 수 있도록 하는 호흡마스크; 환자의 치료대상 부위 주변의 신체 외부 삼각점에 각각 부착되는 외부 마커; 환자의 치료대상 부위를 촬영하여 영상화하는 영상진단장치; 및 상기 영상진단장치와 각 외부 마커로 측정한 호흡량에 따른 치료대상의 위치변화를 삼각위치추정법과 이중 다항방정식을 통해 위치좌표로 산출하고, 실시간으로 변화하는 상기 위치좌표를 방사선 치료기에 전송하도록 프로그램된 컴퓨터 프로그램;을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.
또 상기 영상진단장치는 컴퓨터 단층 촬영장비(CT)나 투시촬영장치(Fluoroscopy) 또는 자기공명영상장치(MR)인 것이 바람직하다.
또 환자의 호흡에 따라 변화하는 치료대상의 위치에 맞추어 방사선을 조사하도록 한 호흡동조 시스템에 의한 방사선 조사방법에 있어서, 환자의 비강과 구강에 호흡량을 전달하는 호흡마스크를 착용하는 단계; 환자의 치료대상 부위 주변의 신체 외부 삼각점에 외부 마커를 각각 부착하는 단계; 상기 호흡마스크로부터 전달되는 환자의 호흡량으로 호흡의 세기와 양의 신호에 따른 치료대상의 위치를 컴퓨터 단층 촬영장비(CT)에 의해 실시간으로 영상화하는 단계; 상기 외부 마커에 의해 영상화된 치료대상의 위치변화를 측정하는 단계; 상기 치료대상의 위치변화를 삼각위치추정법과 이중 다항방정식을 이용하여 위치좌표로 산출하는 단계; 및 위치가 변화되는 치료대상에 따라 방사선을 조사하도록 상기 위치좌표를 방사선 치료기에 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.
또 상기 삼각위치추정법은 각 외부 마커의 삼각점 위치를 기준으로 변화하는 치료대상의 위치를 XY 좌표 상에서 추정하는 것이고, 상기 이중 다항방정식은 삼각위치추정법에 의해 추정된 치료대상의 위치변화에 따른 궤적을 추적한 후 그것의 벡터값으로 방정식을 만들어 위치좌표를 산출하는 것임을 다른 특징으로 하고 있다.
또 상기 호흡의 세기와 양의 신호의 수집은, data acquisition(DAQ)를 이용하여 압력 따위의 물리적 현상을 측정하는 단계; 영상진단장치에서는 상기 물리적 현상을 측정하는 단계에서 수집된 신호를 field programmable gate array(FPGA)를 이용하여 입력된 신호 값을 패턴화하는 단계; 및 상기 신호 값을 패턴화하는 단계에서 움직임에 따른 신호 값을 패턴화한 정보를 바탕으로 방사선의 on/off time을 조정할 수 있는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 방사선 치료시 자연호흡법을 이용한 환자 호흡동조 시스템 및 이에 의한 방사선 조사방법에 의하면, 환자의 교육훈련에 따른 호흡법이 아닌 자연적인 호흡을 이용한 호흡동조 시스템을 통하여 호흡에 따른 치료대상인 장기의 움직임을 실시간으로 추적하여 전체 방사선 치료 성적의 정확성 및 안정성을 더욱 높일 수 있는 효과가 있다.
더욱이 환자의 외부 3곳에 배치한 각 외부 마커를 통한 치료대상의 위치측정과, 삼각위치추정법 및 이중 다항방정식을 통해 치료대상의 위치변화를 구하고 이에 따라 방사선을 조사함으로써, 환자의 호흡에 따라 실시간으로 변화하는 치료대상의 더욱 정확한 위치에 방사선을 조사할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 방사선 치료시 자연호흡법을 이용한 환자 호흡동조 시스템을 구성하는 호흡마스크의 착용상태를 보여주는 개념도
도 2는 본 발명에 따른 방사선 치료시 자연호흡법을 이용한 환자 호흡동조 시스템을 구성하는 각 외부 마커의 배치형태를 보여주는 개념도
도 3은 본 발명에 따른 방사선 치료시 자연호흡법을 이용한 환자 호흡동조 시스템을 이용하여 호흡량에 따른 치료대상의 위치변화를 보여주는 개념도
이하, 본 발명에 따른 방사선 치료시 자연호흡법을 이용한 환자 호흡동조 시스템 및 이에 의한 방사선 조사방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 방사선 치료시 자연호흡법을 이용한 환자 호흡동조 시스템을 구성하는 호흡마스크의 착용상태를 보여주는 개념도이고, 도 2는 본 발명에 따른 방사선 치료시 자연호흡법을 이용한 환자 호흡동조 시스템을 구성하는 각 외부 마커의 배치형태를 보여주는 개념도를 도시한 것이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 방사선 치료시 자연호흡법을 이용한 환자 호흡동조 시스템은 호흡마스크(1), 영상진단장치, 3개의 외부 마커(2) 및 이러한 구성들을 통해 위치가 변화하는 치료대상의 위치좌표를 산출하는 컴퓨터 프로그램을 기본 구성으로 하고 있다.
상기 호흡마스크(1)는 방사선을 조사하게 되는 치료대상의 환자(3) 본인의 비강과 구강에 착용하는 것으로, 방사선 치료시 환자(3)의 흡기량 및 배기량, 즉 호흡량을 안내하여 전달할 수 있도록 하는 역할을 하게 된다.
도시하지 않았지만 컴퓨터를 포함하는 상기 영상진단장치는 상기 호흡마스크(1)를 통해 전달되는 호흡의 세기와 양의 신호를 실시간으로 영상화하도록 촬영을 한다. 이러한 영상진단장치의 구체적인 예로는 컴퓨터 단층 촬영장비(CT)나 투시촬영장치(Fluoroscopy) 또는 자기공명영상장치(MR) 등이 있다.
상기 3개의 외부 마커(2)는 환자(1)의 치료대상(1a) 부위의 주변 신체 외부의 3곳, 예컨대 도면에서 보면 개략적으로 배와 양 옆구리 3곳의 삼각점에 위치하도록 부착하여, 상기 호흡량에 따른 치료대상의 위치변화를 XY 좌표 상에서 측정하게 된다.
상기 컴퓨터 프로그램은 영상진단장치의 컴퓨터에 내장되는 프로그램으로 상기 영상진단장치에 의해 환자(1)의 치료대상(1a)을 촬영하여 영상화하고, 촬영된 치료대상의 영상을 가지고 3개의 외부 마커(2)에 의해 변화하는 치료대상(1a)의 위치를 측정하여 이를 위치좌표로 산출하는 삼각위치추정법과 이중 다항방정식의 프로그램을 구동하게 된다. 상기 이중 다항방정식의 예로는 일차 및 이차방정식, 로그, 지수 등을 들 수 있다.
다음은 이와 같은 구성되는 방사선 치료시 자연호흡법을 이용한 환자 호흡동조 시스템에 의한 방사선 조사방법을 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명에 따른 방사선 치료시 자연호흡법을 이용한 환자 호흡동조 시스템을 이용하여 호흡량에 따른 치료대상의 위치변화를 보여주는 개념도를 도시한 것이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 첫 번째로 호흡마스크(2)를 환자의 비강과 구강에 위치하도록 착용하고, 자연호흡을 할 때마다 호흡의 세기와 양의 신호를 상기 영상진단장치를 이용하여 실시간으로 영상화하여 처리한다.
다음에 영상화 단계에서 환자(1)의 촬영된 치료대상(1a) 부위의 영상을 가지고 방사선 조사의 타깃이 되는 변화하는 상기 치료대상(1a)의 위치를 3곳의 외부 마커(3)를 기준으로 측정한다.
다음에 컴퓨터 프로그램에 의해 타깃이 되는 변화하는 치료대상(1a)이 위치하는 좌표들의 궤적을 삼각위치추정법에 의해 추적하고, 그것의 벡터값으로 이중 다항방정식에 의해 실시간 궤도 방정식을 만든다. 예컨대 3개의 외부 마커(3)에 의해 XY 좌표 상에서 변화하는 치료대상의 위치가 측정되고 이를 연결하여 궤적으로 그리게 되며, 이 궤적을 이용하여 이중 다항방정식에 의해 예컨대 y=ax, y=ax+bx, y=ax+bx+c, y=ax², y=ax²+bx, y=ax²+bx+c 중의 하나와 같은 방정식을 구하게 된다. 따라서 이러한 방정식을 통해 호흡량의 변수에 따른 치료대상의 위치변화를 수식화하여 위치좌표로 산출한다. 이때, 호흡량의 신호 수집은 data acquisition(DAQ)를 이용하여 압력 따위의 물리적 현상을 측정하는 단계(a), 컴퓨터에서는 상기 (a)의 단계에서 수집된 신호를 field programmable gate array(FPGA)를 이용하여 입력된 신호 값을 패턴화하는 단계(b), 상기 (b)의 단계에서 움직임에 따른 신호 값을 패턴화한 정보를 바탕으로 방사선의 on/off time을 조정할 수 있는 단계(c)를 포함하는 것으로 한다. 이중 다항방정식의 예로써 상기 일차 및 이차방정식 외에도 상기한 바와 같은 로그나 지수로 표현할 수도 있다.
다음에, 실제 환자(1)의 치료대상(1a)의 방사선 치료시 자연호흡량에 따른 상기 치료대상(1a)의 실시간 변화되는 위치를 추적하여 나타내는 상기한 위치좌표를 방사선 치료기에 전송하여, 상기 방사선 치료기는 변화하는 위치좌표에 따라 정확한 위치의 치료대상(1a)에 맞추어 방사선을 조사하도록 한다.
이러한 본 발명의 다른 특징으로 종래의 방법인 호흡 페이즈(phase) 데이터를 받아 이동하는 타깃인 되는 치료대상의 영역 안에서 방사선 빔의 on/off를 제어하는 방법과는 달리, 본 발명의 호흡동조 시스템에서는 삼각위치추정법과 이중 다항방정식을 이용하여 호흡량뿐만 아니라 변형률을 이용하여 더욱 정교하게 타깃이 되는 치료대상의 움직임을 확보할 수 있다. 또한 본 발명의 호흡동조 시스템으로 환자로부터 얻은 위치좌표의 데이터를 실제 임상 치료에 적용하기 위한 호흡 패턴 포트폴리오를 만들고 환자의 규칙/불규칙한 호흡 패턴에 무관하게 흡기 및 배기량으로 치료대상(종양)의 위치좌표를 라이브러리 형태로 불러와서 방사선 치료기기에 실시간으로 입력시킨다. 위치좌표를 입력받은 방사선 치료기기는 정해진 좌표대로 상기한 영상 유도 방사선 치료(IGRT)와 호흡 동조 방사선 치료(RGRT)를 시작하게 되는데, 이는 환자의 호흡패턴 분류에 따라 결정하게 되며 단순한 호흡 패턴일수록 IGRT에 가까운 치료 시스템을 선택하도록 한다.
이상과 같이 본 발명에 따른 방사선 치료시 자연호흡법을 이용한 환자 호흡동조 시스템 및 이에 의한 방사선 조사방법에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.
1 : 환자 1a : 치료대상
2 : 호흡마스크 3 : 외부 마커

Claims (5)

  1. 환자의 호흡에 따라 변화하는 치료대상의 위치에 맞추어 방사선을 조사하도록 한 호흡동조 시스템에 있어서,
    환자의 호흡량을 측정할 수 있도록 하는 호흡마스크;
    환자의 치료대상 부위 주변의 신체 외부 삼각점에 각각 부착되는 외부 마커;
    환자의 치료대상 부위를 촬영하여 영상화하는 영상진단장치; 및
    상기 영상진단장치와 각 외부 마커로 측정한 호흡량에 따른 치료대상의 위치변화를 삼각위치추정법과 이중 다항방정식을 통해 위치좌표로 산출하고, 실시간으로 변화하는 상기 위치좌표를 방사선 치료기에 전송하도록 프로그램된 컴퓨터 프로그램;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 치료시 자연호흡법을 이용한 환자 호흡동조 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 영상진단장치는 컴퓨터 단층 촬영장비(CT)나 투시촬영장치(Fluoroscopy) 또는 자기공명영상장치(MR)인 것을 특징으로 하는 방사선 치료시 자연호흡법을 이용한 환자 호흡동조 시스템.영상진단장치로 ,
  3. 환자의 호흡에 따라 변화하는 치료대상의 위치에 맞추어 방사선을 조사하도록 한 호흡동조 시스템에 의한 방사선 조사방법에 있어서,
    환자의 비강과 구강에 호흡량을 전달하는 호흡마스크를 착용하는 단계;
    환자의 치료대상 부위 주변의 신체 외부 삼각점에 외부 마커를 각각 부착하는 단계;
    상기 호흡마스크로부터 전달되는 환자의 호흡량으로 호흡의 세기와 양의 신호에 따른 치료대상의 위치를 컴퓨터 단층 촬영장비(CT)에 의해 실시간으로 영상화하는 단계;
    상기 외부 마커에 의해 영상화된 치료대상의 위치변화를 측정하는 단계;
    상기 치료대상의 위치변화를 삼각위치추정법과 이중 다항방정식을 이용하여 위치좌표로 산출하는 단계; 및
    위치가 변화되는 치료대상에 따라 방사선을 조사하도록 상기 위치좌표를 방사선 치료기에 전송하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 호흡동조 시스템에 의한 방사선 조사방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 삼각위치추정법은 각 외부 마커의 삼각점 위치를 기준으로 변화하는 치료대상의 위치를 XY 좌표 상에서 추정하는 것이고, 상기 이중 다항방정식은 삼각위치추정법에 의해 추정된 치료대상의 위치변화에 따른 궤적을 추적한 후 그것의 벡터값으로 방정식을 만들어 위치좌표를 산출하는 것임을 특징으로 하는 호흡동조 시스템에 의한 방사선 조사방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 호흡의 세기와 양의 신호의 수집은,
    data acquisition(DAQ)를 이용하여 압력 따위의 물리적 현상을 측정하는 단계;
    영상진단장치에서는 상기 물리적 현상을 측정하는 단계에서 수집된 신호를 field programmable gate array(FPGA)를 이용하여 입력된 신호 값을 패턴화하는 단계; 및
    상기 신호 값을 패턴화하는 단계에서 움직임에 따른 신호 값을 패턴화한 정보를 바탕으로 방사선의 on/off time을 조정할 수 있는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 호흡동조 시스템에 의한 방사선 조사방법.
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