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WO2018004052A1 - 환자의 기하학적 관계를 이용한 호흡 연동 방사선 치료에서의 플래닝 페이즈 최적화 방법 - Google Patents

환자의 기하학적 관계를 이용한 호흡 연동 방사선 치료에서의 플래닝 페이즈 최적화 방법 Download PDF

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WO2018004052A1
WO2018004052A1 PCT/KR2016/007874 KR2016007874W WO2018004052A1 WO 2018004052 A1 WO2018004052 A1 WO 2018004052A1 KR 2016007874 W KR2016007874 W KR 2016007874W WO 2018004052 A1 WO2018004052 A1 WO 2018004052A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
radiation
tumor
patient
degree
organ
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2016/007874
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English (en)
French (fr)
Inventor
강성희
김시용
김태호
김동수
신동석
조민석
김경현
노유윤
서태석
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Industry Academic Cooperation Foundation of Catholic University of Korea
Original Assignee
Industry Academic Cooperation Foundation of Catholic University of Korea
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Industry Academic Cooperation Foundation of Catholic University of Korea filed Critical Industry Academic Cooperation Foundation of Catholic University of Korea
Publication of WO2018004052A1 publication Critical patent/WO2018004052A1/ko
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Ceased legal-status Critical Current

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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N5/1048—Monitoring, verifying, controlling systems and methods
    • A61N5/1064—Monitoring, verifying, controlling systems and methods for adjusting radiation treatment in response to monitoring
    • A61N5/1068—Gating the beam as a function of a physiological signal
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor or mobility of a limb
    • A61B5/113—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor or mobility of a limb occurring during breathing
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/54—Control of apparatus or devices for radiation diagnosis
    • A61B6/541—Control of apparatus or devices for radiation diagnosis involving acquisition triggered by a physiological signal
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy
    • A61N5/1048—Monitoring, verifying, controlling systems and methods
    • A61N5/1049—Monitoring, verifying, controlling systems and methods for verifying the position of the patient with respect to the radiation beam

Definitions

  • the present invention relates to a method for finding an optimal irradiation time point by finding a time when radiation is irradiated to general tissues in the respiration of a patient.
  • the present invention defines the three-dimensional geometrical relationship between the surrounding tissue and the target volume using the biological characteristics and the overlap volume histogram of the radiation of general tissues such as the esophagus and the spine where tumors do not occur, and then, into the general tissues in the patient's respiration cycle. It relates to a method of obtaining the point of time when the radiation is least irradiated.
  • Radiation therapy is a method of clinical medicine that treats patients with very short-wavelength, high-energy radiation, and is one of the three major cancer treatments along with surgery and chemotherapy. It usually treats malignant tumors called cancer, but it also treats benign tumors and some benign diseases.
  • Radiation therapy can be divided into external radiation therapy and brachytherapy, depending on the location of the irradiator.
  • External radiation therapy is a treatment method for irradiating radiation by using various equipments outside the body, and may be classified into photo-ray therapy, electron beam therapy, and particle beam therapy (neutron therapy, proton therapy, etc.) according to the type of radiation used. Accordingly, various radiation generating devices can be used, but the most widely used radiation generating device is a linear accelerator.
  • Proximity treatment is a method of irradiating radiation to a limited area by placing a radiation generating device or isotope in the body or surface, and it can be divided into intraluminal treatment, intraluminal treatment, tissue treatment, and contact treatment according to the space or method to be inserted. have.
  • the simulation and treatment planning process is necessary before full-scale radiation therapy begins.
  • CT for radiotherapy planning is often performed. Determine the exact location and proper posture to receive treatment and mark areas of the body to be treated. If necessary, a device to fix the movement of the patient or a shielding device may be manufactured to prevent radiation from being irradiated to a normal part. Afterwards, it may be necessary to prepare meals or control urination / dungary conditions to maintain the same posture and body parts as planned during the treatment planning phase.
  • the patient is taken to a room for radiation therapy, lying on a bed with a treatment machine, posing, and being treated. Treatment is usually assessed on the first or second day of treatment and on a periodic basis.
  • the time taken depends on the method of treatment. Conventional radiation therapy takes about 10 minutes once, but in the case of intensity controlled radiation therapy, image guided radiation therapy, etc., it may take about 30 minutes. It may take more than a few hours when there is a need to maintain a low dose rate due to a large dose of radiation or a wide range of treatment, such as stereotactic or systemic radiation therapy.
  • the schedule is determined according to the type of disease, stage, and the general condition of the patient, and is usually received five times a week for five to eight weeks. However, in the case of stereotactic radiotherapy, treatment is performed 1 to 5 times unlike other treatment methods.
  • the treatment area may vary depending on the degree of urination, so that drinking and urination may be adjusted according to the treatment time.
  • the present invention defines the three-dimensional geometrical relationship between the surrounding tissue and the target volume using the biological characteristics and the overlap volume histogram of the radiation of general tissues such as the esophagus and the spine where tumors do not occur, and then, into the general tissues in the patient's respiration cycle. It is an object of the present invention to provide a user with a method of obtaining the point of time when the radiation is least irradiated.
  • At least one first organ of a plurality of organs within a predetermined distance from the tumor A first step of determining the irradiation timing of the radiation using a radiation sensitivity of and a degree of geometric overlap between the first organ and the tumor; And a second step of irradiating the radiation to the tumor at the irradiation timing.
  • the radiation sensitivity and the degree of geometric overlap may vary according to breathing of the patient.
  • the irradiation timing may be a point in time where the degree of geometric overlap with the radiation sensitivity is minimal.
  • the irradiation timing is in the following equation It may be determined as the time point when the minimum.
  • i is an identification symbol for each of the first institutions
  • I is the total number of the first institutions
  • the respiratory period of the patient in one cycle may be divided by a constant N, and the time point at which the degree of geometric overlap with the radiation sensitivity is minimal among the time points from 1 / N to N / N may be determined as the irradiation timing.
  • the plurality of organs may include the esophagus, the heart and the spinal cord.
  • the step 0.5 of the plan for irradiating the tumor of the patient further comprises; wherein the step 0.5, end- is the point at which the patient exhales the most end- It may be performed using at least one image of the tumor at exhalation or end-inhalation, at which point the patient inhales most.
  • the radiation can be irradiated at a point when the degree of geometric overlap with the radiation sensitivity is minimal.
  • the device for irradiating the tumor of the patient (tumor) of another aspect of the present invention for achieving the above technical problem, at least one agent within a predetermined distance from the tumor of the plurality of organs (organic)
  • a radiation irradiator for irradiating the radiation to the tumor at the irradiation timing may vary according to breathing of the patient.
  • control unit may determine, as the irradiation timing, a point in time where the degree of geometric overlap with the radiation sensitivity is minimum.
  • control unit in the following equation The time at which the minimum becomes can be determined as the irradiation timing.
  • i is an identification symbol for each of the first institutions
  • I is the total number of the first institutions
  • the controller may classify the respiratory period of the patient in one cycle into a constant N, and determine, as the irradiation timing, a time point at which the degree of geometric overlapping with the radiation sensitivity is minimum among time points 1 / N to N / N. have.
  • the plurality of organs may include the esophagus, the heart and the spinal cord.
  • a plan for radiating the tumor of the patient is established through the control unit, and when end-exhalation is the point at which the patient exhales the most or end-inhalation is the point at which the patient inhales the most.
  • the plan can be formulated using at least one image of the tumor of.
  • the control unit may control the radiation irradiator to irradiate the radiation at a time when the degree of geometric overlap with the radiation sensitivity is minimum based on the established plan.
  • the present invention can provide a user with a method of finding the optimal irradiation time point by finding the time when radiation is irradiated to the general tissues in the breath of the patient.
  • the present invention defines the three-dimensional geometrical relationship between the surrounding tissue and the target volume using the biological characteristics and the overlap volume histogram of the radiation of general tissues such as the esophagus and the spine where tumors do not occur, and then, into the general tissues in the patient's respiration cycle.
  • the user can be provided with a way to find out when the radiation is least irradiated.
  • the radiation treatment plan is considered in consideration of the radiation sensitivity of the general tissue as well as the dose to the general tissue during the radiation treatment, thereby enabling safe radiation treatment.
  • 1 is a view for explaining the operation of CT imaging and reconstruction.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a general CT system 100.
  • 3A and 3B illustrate specific examples of geometric relationships of the esophagus, spinal cord, and heart in the planning target volume in relation to the present invention.
  • FIG. 4 is a view for explaining the degree of overlapping the normal tissue (normal tissue) in relation to the tumor (tumor).
  • FIG. 5 illustrates the results of a Dose Volume Histogram (DVH) evaluation between a phase (10%) when inhaling the breath and a phase (50%) when inhaling the most breath in relation to the present invention.
  • DVDH Dose Volume Histogram
  • FIG. 7 illustrates an example of a table summarizing mean doses of normal tissues in relation to the present invention.
  • FIG. 8 illustrates an example of a table comparing maximum doses in a plurality of cases in connection with the present invention.
  • FIG. 9 shows an example of a table comparing average and maximum doses in a plurality of cases in connection with the present invention.
  • 10A to 10J illustrate a comparison of a dose volume histogram (DVH) between a low value and a high value for each case in relation to the present invention.
  • DVDH dose volume histogram
  • 11A to 11J illustrate specific examples of Pearson Correlation coefficients according to sensitivity analysis (SPSS) for each case in relation to the present invention.
  • SPSS sensitivity analysis
  • FIG. 12 is a table showing the normal tissue complication probability (NTCP) separated for each case and organized according to the present invention.
  • FIG. 13 summarizes the summary of the possibility of normal tissue complications of FIG. 12 in a table.
  • FIG. 14 summarizes the summary of mean dose reduction in a table in connection with the present invention.
  • the medical imaging apparatus is a device for acquiring an internal structure of an object as an image.
  • the medical image processing apparatus is a non-invasive inspection apparatus, which photographs and processes structural details, internal tissues, and fluid flow in the body and shows them to the user.
  • a user such as a doctor may diagnose a health state and a disease of a patient by using the medical image output from the medical image processing apparatus.
  • a device for photographing an object by radiating a patient is typically a computed tomography (CT) device.
  • CT computed tomography
  • Computed tomography (CT) device of the medical image processing apparatus may provide a cross-sectional image of the object, and the internal structure of the object (for example, organs such as kidneys, lungs, etc.) do not overlap as compared to a general x-ray device.
  • CT image the medical image acquired by the computed tomography apparatus is called a CT image.
  • CT data of an object is performed by using a computed tomography apparatus to obtain raw data.
  • the CT image is reconstructed using the obtained ru data.
  • the data may be a sinogram that is a projection data or a collection of projection data obtained by projecting radiation onto an object.
  • an image reconstruction operation must be performed using a sinogram obtained by CT imaging.
  • 1 is a view for explaining the operation of CT imaging and reconstruction.
  • FIG. 1A is a diagram for describing a CT imaging operation of a computed tomography apparatus that acquires data by moving at predetermined angular intervals.
  • 1B is a diagram for describing a sinogram and a reconstructed CT image obtained by CT imaging.
  • the computed tomography apparatus generates an X-ray and irradiates the object to an X-ray, and detects the X-ray passing through the object by an X-ray detector (not shown).
  • the X-ray detector generates ru data corresponding to the detected X-rays.
  • the X-ray generator 20 included in the CT apparatus irradiates an X-ray to the object 25.
  • the X-ray generating unit 20 rotates around the object and acquires a plurality of rub data 30, 31, and 32 corresponding to the rotated angle.
  • the first ruler data 30 is obtained by detecting the X-ray applied to the object at the P1 position
  • the second ruler data 31 is obtained by detecting the ray applied to the object at the P2 position.
  • the X-ray applied to the object is detected at the P3 position to obtain the third rudata P3.
  • the data may be projection data.
  • the plurality of ruble data 31, 31, and 32 are obtained by moving the X-ray generator 20 at predetermined angular intervals.
  • One sinogram 40 can be obtained.
  • the sinogram 40 is back-projected to restore the CT image 50.
  • the reconstructed CT image 50 is forward-projected to obtain a simulated sinogram, and the simulated sinogram and CT images are obtained.
  • an error existing in the reconstructed CT image 50 may be corrected.
  • the CT system may provide a cross-sectional image of the object, an internal structure of the object (for example, an organ such as a kidney and a lung) may be overlapped with each other, compared to a general X-ray imaging apparatus.
  • an internal structure of the object for example, an organ such as a kidney and a lung
  • the CT system may provide a relatively accurate cross-sectional image of an object by acquiring and processing image data having a thickness of 2 mm or less tens or hundreds per second.
  • image reconstruction techniques include the following techniques.
  • SSD Shade surface display
  • VR volume rendering
  • Virtual endoscopy A technique that allows endoscopic observation in three-dimensional images reconstructed by the VR or SSD technique.
  • MPR multi planar reformation
  • VOI voxel of interest
  • Computed tomography (CT) system 100 can be described with reference to the accompanying FIG.
  • CT system 100 may include various types of devices.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of a general CT system 100.
  • the CT system 100 may include a gantry 102, a table 105, an X-ray generator 106, and an X-ray detector 108.
  • the gantry 102 may include an X-ray generator 106 and an X-ray detector 108.
  • the object 10 may be located on the table 105.
  • the table 105 may move in a predetermined direction (eg, at least one of up, down, left, and right) during the CT imaging process.
  • a predetermined direction eg, at least one of up, down, left, and right
  • the table 105 may be tilted or rotated by a predetermined angle in a predetermined direction.
  • the gantry 102 may also be inclined by a predetermined angle in a predetermined direction.
  • an object of the present invention is to provide a user with a method of finding an optimal irradiation time point by finding a time when radiation is irradiated to the general tissues in the patient's breath.
  • the present invention defines the three-dimensional geometrical relationship between the surrounding tissue and the target volume using the biological characteristics and the overlap volume histogram of the radiation of general tissues such as the esophagus and the spine where tumors do not occur, and then, into the general tissues in the patient's respiration cycle. It is an object of the present invention to provide a user with a method of obtaining the point of time when the radiation is least irradiated.
  • CT imaging is performed on the assumption that the patient is fixed.
  • the patient is difficult to remain stationary at all times, and breathing occurs little by little, which eventually leads to blur in the CT image.
  • the present invention basically uses a radiation method in consideration of the patient's breathing.
  • the image is reconstructed using only the image of the end-inhalation.
  • reconstruct the image using only the image at the end-exhalation For example, assuming that the time when the patient inhales the most breath is called end-inhalation, and the time when the patient exhales the most is called end-exhalation, the image is reconstructed using only the image of the end-inhalation. Or reconstruct the image using only the image at the end-exhalation.
  • the doses of the OAR can be different for each phase because they can be different.
  • the planning target volume is difficult to irradiate the radiation only to the target area, which may mean a plan for the minimum area capable of irradiating the radiation including the target.
  • a result value (Cost Value) is obtained for each phase by using radiation sensitivity and geometric overlap of each tissue (organ, organ), and the irradiation is performed at the moment (or phase) of which the result value is the smallest.
  • OVH overlap Volume Histogram
  • Tolerance dose is the value obtained by subtracting the radiation sensitivity from TD50 (Tolerance Dose). In other words, the Tolerance dose can be seen as indicating 50% probability of necrosis when receiving radiation.
  • OAR organ at risk
  • TD biological factors
  • Patient data and image acquisition may require 4DCT image data of lung cancer patients with tumors located relatively near the esophagus, heart, and spinal cord.
  • target volumes and normal tissue volumes are determined by ICRU 62. Determined according to definitions, contouring can be performed in all phases for all patients.
  • the same beam energy, the number of beams, the beam directions, and the use of wedges may be equally applied.
  • peripheral OARs and particles such as esophagus, heart, and spinal cord can be traced using overlap volume histograms in the Lung cancer case for the planning phase optimization process for each patient.
  • Three dimensional geometric relationships of a planning target volume (PTV) may be defined.
  • the biological index can be included in the process to properly reflect the biological characteristics of the relatively radiation-sensitive OAR in the score.
  • a result value (Cost Value) is obtained for each phase by using the radiation sensitivity and geometric overlap of each tissue (organ, organ), and the radiation is irradiated at the moment (or phase) having the smallest result value.
  • Such a result value (Cost Value) according to the present invention can be calculated by the following equation (1).
  • Equation 1 Means OAR (organ at risk) for the organs around the targeting tumor.
  • Means the degree of overlap of the tumor (tumor) and the surrounding organs (organ), the case of 1 may be the worst timing at the time of irradiation.
  • r is a value that the user specifies the degree of overlap of the tumor (tumor) and the surrounding organs (organ), for example, the user can specify the r value to 1mm or 2mm.
  • the r value becomes a constant determined by the user's specification.
  • Is a value that indicates the degree of necrosis with a 50% chance of receiving radiation.
  • it may mean a radiation acceptance standard allowed for each organ.
  • Equation 1 i means a situation when each organ (organ).
  • the optimum effect may be generated by irradiating radiation at a point when the cost value is minimized.
  • 3A and 3B illustrate specific examples of geometric relationships of the esophagus, spinal cord, and heart in the planning target volume in relation to the present invention.
  • FIG. 4 is a view for explaining the degree of overlapping the normal tissue (normal tissue) in relation to the tumor (tumor).
  • Figure 4 shows the OVH of the heart (heart), (b) shows the OVH of the esophagus (Esophagus), (c) shows the OVH of the spinal cord (spinal cord).
  • Dose Volume Histogram (DVH) evaluation was performed between the phase (10%) when inhaling the most breath and the phase (50%) when inhaling the most breath using Equation 1, and FIG. In relation to this, the results of the Dose Volume Histogram (DVH) evaluation are shown between the phase of inhaling breath (10%) and the phase of inhaling breath (50%).
  • FIG. 7 illustrates an example of a table in which mean doses of normal tissues are summarized in relation to the present invention.
  • FIG. 8 shows an example of a table comparing maximum doses in a plurality of cases in connection with the present invention.
  • FIG. 9 illustrates an example of a table comparing average and maximum doses in a plurality of cases in connection with the present invention.
  • FIGS. 10A to 10J illustrate a comparison of the Dose Volume Histogram (DVH) between a low value and a high value for each case in relation to the present invention.
  • 10A to 10J show the results of each case in the DVH (Dose Volume Histogram) between the phase of inhaling the breath (10%) and the phase of inhaling the breath (50%). .
  • 11A to 11J illustrate specific examples of Pearson Correlation coefficients according to sensitivity analysis (SPSS) for each case in relation to the present invention.
  • SPSS sensitivity analysis
  • FIG. 11A shows the Pearson Correlation coefficient between the organ and the dose that contributed most to score formation in Case 1 in the Esophagus.
  • FIG. 11B shows the Pearson Correlation coefficient between the organ and dose that contributed most to score formation in case of heart 2 in case of heart.
  • FIG. 11C shows the Pearson Correlation coefficient between the organ and dose most contributing to score formation in case 3 of heart.
  • FIG. 11D shows the Pearson Correlation coefficient between the organ and dose most contributing to score formation in Case 4 in the Esophagus.
  • FIG. 11E shows the Pearson Correlation coefficient between the organ and dose most contributing to score formation in case of heart 5 in heart.
  • FIG. 11F shows the Pearson Correlation coefficient between the organ and dose that contributed most to score formation in Case 6 in the Esophagus.
  • FIG. 11G illustrates a Pearson Correlation coefficient between the organ and the dose most contributing to the score formation in case of spinal cord (case 7).
  • FIG. 11H shows the Pearson Correlation coefficient between the organ and dose most contributing to score formation in case of heart 8 in case of heart.
  • FIG. 11I shows the Pearson Correlation coefficient between the organ and the dose that contributed most to the score formation in case of case 9 in the heart.
  • FIG. 11J illustrates a Pearson Correlation coefficient between the organ and the dose most contributing to score formation in case 10 of the spinal cord.
  • FIG. 12 illustrates a normal tissue complication probability (NTCP) according to the present invention.
  • FIG. 13 summarizes the summary contents of the normal tissue complications of FIG. 12 in a table.
  • p value of Cord may also be significant when Wilcoxon code rank verification is performed.
  • FIG. 14 summarizes the summary of mean dose reduction in a table in connection with the present invention.
  • the present invention defines a three-dimensional geometrical relationship between the surrounding tissue and the target volume using the biological characteristics and the overlap volume histogram of the normal tissues such as the esophagus and the spine where the tumor has not occurred, thereby radiating the general tissues in the patient's respiratory cycle. This is how to find the least investigated time.
  • a result value (Cost Value) is obtained for each phase by using radiation sensitivity and geometric overlap of each tissue (organ, organ), and the radiation is irradiated at the moment (or phase) having the smallest result value.
  • the present invention can provide a user with a method of finding the optimal irradiation time point by finding the time when radiation is irradiated to the general tissues in the breath of the patient.
  • the present invention defines the three-dimensional geometrical relationship between the surrounding tissue and the target volume using the biological characteristics and the overlap volume histogram of the radiation of general tissues such as the esophagus and the spine where tumors do not occur, and then, into the general tissues in the patient's respiration cycle.
  • the user can be provided with a way to find out when the radiation is least irradiated.
  • the radiation treatment plan is considered in consideration of the radiation sensitivity of the general tissue as well as the dose to the general tissue during the radiation treatment, thereby enabling safe radiation treatment.

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Abstract

본 발명은 환자의 호흡에서 일반 조직에 방사선이 가장 덜 조사되는 시점을 찾아내 최적화된 방사선 조사시점을 구하는 방법에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 종양이 발생하지 않은 식도, 척추 등 일반 조직의 방사선에 대한 생물학적 특성과 Overlap Volume Histogram을 이용하여 주변 조직과 표적체적의 3차원 기하학적 관계를 정의함으로써 환자의 호흡 주기 중에서 일반조직에 방사선이 가장 적게 조사되는 시점을 구하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 양상인 환자의 종양(tumor)에 방사선을 조사하는 방법에 있어서, 복수의 기관(organ) 중 상기 종양으로부터 미리 설정된 거리 이내에 있는 적어도 하나의 제 1 기관의 방사선 민감도와 상기 제 1 기관과 상기 종양간의 기하학적 겹치는 정도를 이용하여 상기 방사선의 조사 타이밍을 결정하는 제 1 단계; 및 상기 조사 타이밍에 상기 방사선을 상기 종양으로 조사하는 제 2 단계;를 포함하되, 상기 방사선 민감도 및 기하학적 겹치는 정도는 상기 환자의 호흡에 따라 변화될 수 있다.

Description

환자의 기하학적 관계를 이용한 호흡 연동 방사선 치료에서의 플래닝 페이즈 최적화 방법
본 발명은 환자의 호흡에서 일반 조직에 방사선이 가장 덜 조사되는 시점을 찾아내 최적화된 방사선 조사시점을 구하는 방법에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 종양이 발생하지 않은 식도, 척추 등 일반 조직의 방사선에 대한 생물학적 특성과 Overlap Volume Histogram을 이용하여 주변 조직과 표적체적의 3차원 기하학적 관계를 정의함으로써 환자의 호흡 주기 중에서 일반조직에 방사선이 가장 적게 조사되는 시점을 구하는 방법에 관한 것이다.
방사선 치료란, 파장이 매우 짧고 높은 에너지를 가지는 방사선을 이용하여 환자를 치료하는 임상의학의 한 방법으로, 수술, 항암 화학 요법과 더불어 3대 암 치료 중 하나이다. 주로 암이라고 불리는 악성 종양을 치료하지만, 양성 종양이나 일부 양성 질환도 치료한다.
방사선 치료는 방사선 조사기의 위치에 따라서 외부 방사선 치료와 근접 치료로 나눌 수 있다.
외부 방사선 치료는 몸 외부에서 각종 장비를 이용하여 방사선을 조사하는 치료 방법으로 사용하는 방사선의 종류에 따라 광자선 치료, 전자선 치료, 입자선 치료(중성자 치료, 양성자 치료 등)로 구분하기도 한다. 이에 따라서 다양한 방사선 발생 장치가 사용될 수 있지만, 가장 널리 사용되는 방사선 발생 장치는 선형가속기이다.
근접 치료는 방사선 발생 장치나 동위원소를 몸 안이나 표면에 위치시켜서 방사선을 한정된 부위에 조사하는 방법으로, 삽입되는 공간이나 방법에 따라서 강내 치료, 관내 치료, 조직 내 치료, 접촉 치료 등으로 구분할 수 있다.
본격적인 방사선 치료가 시작되기 전에는 모의 치료와 치료 계획 과정이 필요하다. 이를 위해 방사선 치료 계획용 CT를 시행하는 경우가 많다. 치료를 받을 정확한 위치와 적절한 자세를 결정하고, 치료를 받을 신체 부위에 표시를 한다. 필요 시에는 환자의 움직임을 고정해주는 장치나 정상인 부위에 방사선이 조사되는 것을 막기 위해 차폐보호 기구를 제작하기도 한다. 이후에 여러 차례 시술을 받을 때는 치료 계획 단계에서 정한 자세와 신체 부위 등의 상태를 동일하게 유지하기 위해 식사 여부나 배뇨/배변 상태를 조절하는 준비가 필요할 수도 있다.
환자는 방사선 치료를 시행하는 방으로 이동하고, 치료 기계가 설치된 침대에 누워 자세를 잡은 뒤 치료를 받게 된다. 계획한 대로 정확하게 치료가 되고 있는지 대개 치료 첫 날이나 둘째 날, 그리고 주기적으로 치료확인 촬영을 시행하여 평가한다.
치료 방법에 따라서 소요되는 시간은 차이가 많다. 통상적인 방사선 치료의 경우 1회 10여 분 정도가 소요되지만, 세기 조절 방사선 치료, 영상 유도 방사선 치료 등의 경우에는 30분가량의 시간이 소요되기도 한다. 정위 방사선 치료나 전신 방사선 치료의 경우처럼 조사되는 방사선량이 많거나 치료 범위가 넓어 낮은 선량률을 유지할 필요가 있는 경우에는 수 시간 이상이 소요되기도 한다.
병의 종류, 병기, 환자의 전신상태 등에 따라 일정이 정해지는데, 일반적으로 주 5회, 5~8주에 걸쳐서 받게 된다. 다만, 정위 방사선 치료의 경우에는 다른 치료 방법과 달리 1~5회에 걸쳐 치료를 시행한다.
대부분의 방사선 치료는 수 주에 걸쳐서 시행되며, 필요에 따라서는 치료 부위를 몸에 표시하는데, 이 표시를 유지하는 것이 필요하다. 아울러 치료 동안에는 치료하는 자세를 유지하는 것이 중요하다. 호흡 동조 치료의 경우에는 계획한 호흡 주기에 맞추어 호흡을 유지하는 것이 치료가 계획단계에서 시행했던 그대로 재현되는데 꼭 필요하다.
치료 부위나 병행 치료 방법에 따라서는 식사 종류나 방법, 배뇨 습관 등의 조절이 필요한 경우도 있다. 구강을 포함한 두경부나 소화기관을 치료하는 경우는 자극이 너무 심한 음식을 섭취할 경우 점막 손상이 심화될 우려가 있어 조심하는 것이 좋다. 항암화학요법과 병행하는 경우에는 면역력이 저하될 수 있으므로, 물과 음식을 익혀 먹는 것이 좋다. 전립선 치료 등의 경우 배뇨 정도에 따라서 치료 부위가 달라질 수 있어 치료 시기에 맞춰 음용과 배뇨를 조절하는 경우도 있다.
종래의 방사선 치료 계획 시에는 종양 주변의 일반 조직에 방사선이 조사되는 양을 고려하기는 하였지만 호흡에 따라 그 변화를 고려하지 않았고, 환자의 호흡에 따라 일반조직이 움직이는 정도 및 이에 따른 방사선을 받는 선량이 고려되지 않았다. 따라서 방사선이 조사되지 않아야 하는 일반조직이 파괴는 문제가 발생하였으므로, 이에 대한 해결방안이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 환자의 호흡에서 일반 조직에 방사선이 가장 덜 조사되는 시점을 찾아내 최적화된 방사선 조사시점을 구하는 방법을 사용자에게 제공하는 것에 목적이 있다.
구체적으로 본 발명은 종양이 발생하지 않은 식도, 척추 등 일반 조직의 방사선에 대한 생물학적 특성과 Overlap Volume Histogram을 이용하여 주변 조직과 표적체적의 3차원 기하학적 관계를 정의함으로써 환자의 호흡 주기 중에서 일반조직에 방사선이 가장 적게 조사되는 시점을 구하는 방법을 사용자에게 제공하는 것에 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상인 환자의 종양(tumor)에 방사선을 조사하는 방법에 있어서, 복수의 기관(organ) 중 상기 종양으로부터 미리 설정된 거리 이내에 있는 적어도 하나의 제 1 기관의 방사선 민감도와 상기 제 1 기관과 상기 종양간의 기하학적 겹치는 정도를 이용하여 상기 방사선의 조사 타이밍을 결정하는 제 1 단계; 및 상기 조사 타이밍에 상기 방사선을 상기 종양으로 조사하는 제 2 단계;를 포함하되, 상기 방사선 민감도 및 기하학적 겹치는 정도는 상기 환자의 호흡에 따라 변화될 수 있다.
또한, 상기 조사 타이밍은, 상기 방사선 민감도와 기하학적 겹치는 정도가 최소인 시점일 수 있다.
또한, 상기 조사 타이밍은 하기의 수학식에서
Figure PCTKR2016007874-appb-I000001
가 최소가 되는 시점으로 결정될 수 있다.
수학식
Figure PCTKR2016007874-appb-I000002
상기 수학식에서 i는 상기 제 1 기관 각각을 지칭하는 식별기호이고, I는 상기 제 1 기관의 총 개수이며,
Figure PCTKR2016007874-appb-I000003
는 상기 i인 기관과 상기 종양간의 기하학적 겹치는 정도를 나타내고,
Figure PCTKR2016007874-appb-I000004
는 상기 환자가 호흡하는 시점에서의 상기 i인 기관의 방사선 민감도를 나타낸다.
또한, 한 주기의 상기 환자의 호흡 기간을 상수인 N으로 구분하고, 1/N 부터 N/N의 시점 중 상기 방사선 민감도와 기하학적 겹치는 정도가 최소인 시점이 상기 조사 타이밍으로 결정될 수 있다.
또한, 상기 복수의 기관은 식도(Esophagus), 심장(heart) 및 척수(spinal cord)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 단계 이전에, 상기 환자의 종양에 방사선을 조사하기 위한 계획을 수립하는 제 0.5 단계;를 더 포함하고, 상기 제 0.5 단계는, 상기 환자가 숨을 가장 많이 내쉬는 시점인 end-exhalation 또는 상기 환자가 숨을 가장 많이 들이쉬는 시점인 end-inhalation 때의 상기 종양에 대한 적어도 하나의 이미지를 이용하여 수행될 수 있다.
또한, 상기 제0.5 단계에서 수립한 계획을 기초로, 상기 방사선 민감도와 기하학적 겹치는 정도가 최소인 시점에 상기 방사선이 조사될 수 있다.
한편, 상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상인 환자의 종양(tumor)에 방사선을 조사하는 장치에 있어서, 복수의 기관(organ) 중 상기 종양으로부터 미리 설정된 거리 이내에 있는 적어도 하나의 제 1 기관의 방사선 민감도와 상기 제 1 기관과 상기 종양간의 기하학적 겹치는 정도를 이용하여 상기 방사선의 조사 타이밍을 결정하는 제어부; 및 상기 조사 타이밍에 상기 방사선을 상기 종양으로 조사하는 방사선 조사부;를 포함하고, 상기 방사선 민감도 및 기하학적 겹치는 정도는 상기 환자의 호흡에 따라 변화될 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 방사선 민감도와 기하학적 겹치는 정도가 최소인 시점을 상기 조사 타이밍으로 결정할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 하기의 수학식에서
Figure PCTKR2016007874-appb-I000005
가 최소가 되는 시점을 상기 상기 조사 타이밍으로 결정될 수 있다.
수학식
Figure PCTKR2016007874-appb-I000006
상기 수학식에서 i는 상기 제 1 기관 각각을 지칭하는 식별기호이고, I는 상기 제 1 기관의 총 개수이며,
Figure PCTKR2016007874-appb-I000007
는 상기 i인 기관과 상기 종양간의 기하학적 겹치는 정도를 나타내고,
Figure PCTKR2016007874-appb-I000008
는 상기 환자가 호흡하는 시점에서의 상기 i인 기관의 방사선 민감도를 나타낸다.
또한, 상기 제어부는, 한 주기의 상기 환자의 호흡 기간을 상수인 N으로 구분하고, 1/N 부터 N/N의 시점 중 상기 방사선 민감도와 기하학적 겹치는 정도가 최소인 시점을 상기 조사 타이밍으로 결정할 수 있다.
또한, 상기 복수의 기관은 식도(Esophagus), 심장(heart) 및 척수(spinal cord)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부를 통해 상기 환자의 종양에 방사선을 조사하기 위한 계획을 수립되고, 상기 환자가 숨을 가장 많이 내쉬는 시점인 end-exhalation 또는 상기 환자가 숨을 가장 많이 들이쉬는 시점인 end-inhalation 때의 상기 종양에 대한 적어도 하나의 이미지를 이용하여 상기 계획이 수립될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 수립한 계획을 기초로, 상기 방사선 민감도와 기하학적 겹치는 정도가 최소인 시점에 방사선 조사부가 상기 방사선을 조사하도록 제어할 수 있다.
본 발명은 환자의 호흡에서 일반 조직에 방사선이 가장 덜 조사되는 시점을 찾아내 최적화된 방사선 조사시점을 구하는 방법을 사용자에게 제공할 수 있다.
구체적으로 본 발명은 종양이 발생하지 않은 식도, 척추 등 일반 조직의 방사선에 대한 생물학적 특성과 Overlap Volume Histogram을 이용하여 주변 조직과 표적체적의 3차원 기하학적 관계를 정의함으로써 환자의 호흡 주기 중에서 일반조직에 방사선이 가장 적게 조사되는 시점을 구하는 방법을 사용자에게 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면 방사선 치료시 일반조직에 대한 선량뿐만 아니라, 일반조직의 방사선에 대한 민감도까지 고려하여 방사선 치료 계획을 세우므로 안전한 방사선 치료가 가능하다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 CT 영상 촬영 및 복원 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일반적인 CT 시스템(100)의 개략도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명과 관련하여, 플래닝 타겟 볼륨(Planning Target Volume)에서 식도(Esophagus), 척수(spinal cord), 심장(heart)의 기하학적 관계의 구체적인 일례를 도시한 것이다.
도 4는 종양(tumor) 관련하여 정상조직(normal tissue)의 가하학적으로 오버랩 된 정도를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명과 관련하여, 숨을 가장 많이 들이마신 경우의 페이즈(10%)와 숨을 가장 많이 내뱉은 경우의 페이즈(50%) 간의 DVH(Dose Volume Histogram) 평가 결과를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명과 관련하여, 각 페이즈에서의 최적화된 수치의 구체적인 일례를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명과 관련하여, 정상조직(normal tissue)의 평균선량(mean dose)를 정리한 테이블의 일례를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명과 관련하여, 복수의 케이스에서의 최대 선량을 비교한 테이블의 일례를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명과 관련하여, 복수의 케이스에서의 평균 및 최대 선량을 비교한 테이블의 일례를 도시한 것이다.
도 10a 내지 도 10j는 본 발명과 관련하여, 각 케이스별로 낮은 수치와 높은 수치 간의 DVH (Dose Volume Histogram) 비교를 도시한 것이다.
도 11a 내지 도 11j는 본 발명과 관련하여, 각 케이스별로 민감도 분석(SPSS)에 따른 피어슨 상관계수(Pearson Correlation coefficient)의 구체적인 일례를 도시한 것이다.
도 12는 본 발명과 관련하여, 정상조직 합병증 가능성(Normal tissue complication probability, NTCP)을 각 케이스별로 분리하여 테이블로 정리한 것이다.
도 13은 도 12의 정상조직 합병증 가능성의 요약 내용을 테이블로 정리한 것이다.
도 14는 본 발명과 관련하여, 평균선량(mean dose) 감소의 요약 내용을 테이블로 정리한 것이다.
도 15는 본 발명과 관련하여, 최대 선량(Max dose) 요약 내용을 테이블로 정리한 것이다.
의료 영상 장치는 대상체의 내부 구조를 영상으로 획득하기 위한 장비이다.
의료 영상 처리 장치는 비침습 검사 장치로서, 신체 내의 구조적 세부사항, 내부 조직 및 유체의 흐름 등을 촬영 및 처리하여 사용자에게 보여준다.
의사 등의 사용자는 의료 영상 처리 장치에서 출력되는 의료 영상을 이용하여 환자의 건강 상태 및 질병을 진단할 수 있다.
환자에게 방사선을 조사하여 대상체를 촬영하기 위한 장치로는 대표적으로 컴퓨터 단층 촬영(CT: Computed Tomography) 장치가 있다.
의료 영상 처리 장치 중 컴퓨터 단층 촬영(CT) 장치는 대상체에 대한 단면 영상을 제공할 수 있고, 일반적인 엑스레이 장치에 비하여 대상체의 내부 구조(예컨대, 신장, 폐 등의 장기 등)가 겹치지 않게 표현할 수 있다는 장점이 있어서, 질병의 정밀한 진단을 위하여 널리 이용된다. 이하에서는 컴퓨터 단층 촬영 장치에 의해서 획득된 의료 영상을 CT 영상이라 한다.
CT 영상을 획득하는데 있어서, 컴퓨터 단층 촬영 장치를 이용하여 대상체에 대한 CT 촬영을 수행하여, 러 데이터(raw data)를 획득한다. 그리고, 획득된 러 데이터를 이용하여 CT 영상을 복원(reconstruction)하게 된다. 여기서, 러 데이터는 방사선을 대상체로 조사(projection)하여 획득된 프로젝션 데이터 또는 프로젝션 데이터의 집합인 사이노그램(sinogram)이 될 수 있다.
예를 들어, CT 영상을 획득하기 위해서는 CT 촬영으로 획득된 사이노그램을 이용하여 영상 재구성의 동작을 수행하여야 한다.
도 1은 CT 영상 촬영 및 복원 동작을 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로, 도 1의 (a)는 소정 각도 간격으로 이동하며 러 데이터를 획득하는 컴퓨터 단층 촬영 장치의 CT 촬영 동작을 설명하기 위한 도면이다. 그리고, 도 1의 (b)는 CT 촬영에 의해서 획득된 사이노그램 및 복원 CT 영상을 설명하기 위한 도면이다.
컴퓨터 단층 촬영 장치는 엑스레이(X-ray)를 생성하여 대상체로 조사하고, 대상체를 통과한 엑스레이를 엑스레이 검출부(detector)(미도시)에서 감지한다. 그리고 엑스레이 검출부(미도시)는 감지된 엑스레이에 대응되는 러 데이터를 생성한다.
구체적으로, 도 1의 (a)를 참조하면, 컴퓨터 단층 촬영 장치에 포함되는 엑스레이 생성부(20)는 대상체(25)로 엑스레이를 조사한다. 컴퓨터 단층 촬영 장치가 CT 촬영을 하는데 있어서, 엑스레이 생성부(20)는 대상체를 중심으로 회전하며, 회전된 각도에 대응되는 복수개의 러 데이터(30, 31, 32)를 획득한다. 구체적으로, P1 위치에서 대상체로 인가된 엑스레이를 감지하여 제1 러 데이터(30)를 획득하고, P2 위치에서 대상체로 인가된 스레이를 감지하여 제2 러 데이터(31)를 획득한다. 그리고, P3 위치에서 대상체로 인가된 엑스레이를 감지하여 제3 러데이터(P3)를 획득한다. 여기서, 러 데이터는 프로젝션 데이터(projection data)가 될 수 있다.
도 1의 (b)를 참조하면, 도 1의 (a)에서 설명한 바와 같이 엑스레이 생성부(20)를 소정의 각도 간격마다 이동시켜가며 획득된 복수개의 러 데이터(31, 31, 32)를 조합하여 하나의 사이노그램(sinogram)(40)을 획득할 수 있다.
그리고, 사이노그램(40)을 역 투영(back-projection)하여 CT 영상(50)을 복원한다.
복원된 CT 영상(50)에 오류가 있는 경우, 복원된 CT 영상(50)을 순방향 투영(forward-projection)하여 시뮬레이션된 사이노그램을 획득하고, 시뮬레이션된 사이노그램과 CT 촬영에 의해서 획득된 사이노그램(40)간의 오차를 보상하여, 복원된 CT 영상(50)에 존재하는 오류를 정정할 수 있다.
CT 시스템은 대상체에 대하여 단면 영상을 제공할 수 있으므로, 일반적인 X-ray 촬영 기기에 비하여 대상체의 내부 구조(예컨대, 신장, 폐 등의 장기 등)가 겹치지 않게 표현할 수 있다는 장점이 있다.
CT 시스템은, 예를 들어, 2mm 두께 이하의 영상데이터를 초당 수십, 수백 회 획득하여 가공함으로써 대상체에 대하여 비교적 정확한 단면 영상을 제공할 수 있다. 종래에는 대상체의 가로 단면만으로 표현된다는 문제점이 있었지만, 다음과 같은 여러 가지 영상 재구성 기법의 등장에 의하여 극복되었다. 3차원 재구성 영상기법들로는 다음과 같은 기법들이 있다.
- SSD(Shade surface display): 초기 3차원 영상기법으로 일정 HU값을 가지는 복셀들만 나타내도록 하는 기법.
- MIP(maximum intensity projection)/MinIP(minimum intensity projection): 영상을 구성하는 복셀 중에서 가장 높은 또는 낮은 HU값을 가지는 것들만 나타내는 3D 기법.
- VR(volume rendering): 영상을 구성하는 복셀들을 관심영역별로 색 및 투과도를 조절할 수 있는 기법.
- 가상내시경(Virtual endoscopy): VR 또는 SSD 기법으로 재구성한 3차원 영상에서 내시경적 관찰이 가능한 기법.
- MPR(multi planar reformation): 다른 단면 영상으로 재구성하는 영상 기법. 사용자가 원하는 방향으로의 자유자제의 재구성이 가능하다.
- Editing: VR에서 관심부위를 보다 쉽게 관찰하도록 주변 복셀들을 정리하는 여러 가지 기법.
- VOI(voxel of interest): 선택 영역만을 VR로 표현하는 기법.
본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층촬영(CT) 시스템(100)은 첨부된 도 2를 참조하여 설명될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 CT 시스템(100)은 다양한 형태의 장치들을 포함할 수 있다.
도 2는 일반적인 CT 시스템(100)의 개략도이다.
도 2를 참조하면, CT 시스템(100)은 갠트리(102), 테이블(105), X-ray 생성부(106) 및 X-ray 검출부(108)를 포함할 수 있다.
갠트리(102)는 X-ray 생성부(106) 및 X-ray 검출부(108)를 포함할 수 있다.
대상체(10)는 테이블(105) 상에 위치될 수 있다.
테이블(105)은 CT 촬영 과정에서 소정의 방향(예컨대, 상, 하, 좌, 우 중 적어도 한 방향)으로 이동할 수 있다.
또한, 테이블(105)은 소정의 방향으로 소정의 각도만큼 기울어질 수 있거나(tilting) 또는 회전(rotating)될 수 있다.
또한, 갠트리(102)도 소정의 방향으로 소정의 각도만큼 기울어질 수 있다.
다만, 종래의 CT 촬영 등의 방사선 치료 계획 시에는 종양 주변의 일반 조직에 방사선이 조사되는 양을 고려하기는 하였지만 호흡에 따라 그 변화를 고려하지 않았고, 환자의 호흡에 따라 일반조직이 움직이는 정도 및 이에 따른 방사선을 받는 선량이 고려되지 않았다.
따라서 방사선이 조사되지 않아야 하는 일반조직이 파괴는 문제가 발생하였다.
따라서 본 발명에서는 이러한 문제점을 해소하기 위해, 환자의 호흡에서 일반 조직에 방사선이 가장 덜 조사되는 시점을 찾아내 최적화된 방사선 조사시점을 구하는 방법을 사용자에게 제공하는 것에 목적이 있다.
구체적으로 본 발명은 종양이 발생하지 않은 식도, 척추 등 일반 조직의 방사선에 대한 생물학적 특성과 Overlap Volume Histogram을 이용하여 주변 조직과 표적체적의 3차원 기하학적 관계를 정의함으로써 환자의 호흡 주기 중에서 일반조직에 방사선이 가장 적게 조사되는 시점을 구하는 방법을 사용자에게 제공하는 것에 목적이 있다.
보통 CT 영상을 촬영하는 경우에는 환자가 고정된 것을 전제로 하여 진행된다.
그러나 환자는 예상과 달리 항상 고정되어 있기 어렵고, 호흡을 하며 조금씩 움직임이 발생하게 되고, 결국 이러한 움직임은 CT 영상에 있어 블러(Blur)을 유도하게 된다.
따라서 본 발명에서는 기본적으로 환자의 호흡을 고려한 방사선 조사 방식을 이용한다.
즉, 환자의 호흡을 기초로 특정 위치에 있을 때의 이미지만을 이용하여 영상을 재구성하고, 이를 통해 환자의 치료 계획 등을 수립하는 것이 가능하다.
*예를 들어, 환자가 숨을 가장 많이 들여 마시는 시점을 end-inhalation 이라고 하고, 환자가 숨을 가장 많이 내쉬는 시점을 end-exhalation이라고 가정하였을 때, end-inhalation 때의 이미지만을 이용하여 영상을 재구성하거나 end-exhalation 때의 이미지만을 이용하여 영상을 재구성하는 것이 가능하다.
또한, 환자의 호흡을 고려하여 영상의 재구성에 있어 주기를 정하여 적용하는 것도 가능하다.
즉, 환자가 숨을 내뱉고 들이쉬는 동작을 평균적으로 X 시간 동안 하는 경우, 이를 N개의 구간으로 나누고, 나누어진 구간에서의 영상만을 모아 영상을 재구성하는 것도 가능하다.
본 발명에서는 전술한 특정 위치에서의 영상 재구성 및 구간을 나누어 각 구간마다의 영상을 재구성하는 구성을 기초로 환자의 호흡에서 일반 조직에 방사선이 가장 덜 조사되는 시점을 찾아내 최적화된 방사선 조사시점을 구하는 방법을 제안하고자 한다.
종양(tumor)과 OAR(organ at risk)의 기하학적 관계(geometric relationship)를 치료에 적절히 고려하는 것은 매우 중요하고, 각 페이즈(phase)마다 종양(tumor)과 OAR의 기하학적 관계(geometric relationship)는 호흡에 의해 다르게 나타날 수 있기 때문에 각 phase마다 OAR의 받는 선량은 다를 수 있다.
따라서 본 명세서에서는 호흡을 고려한 방사선 치료 시 선량 측정 이득(dosimetric benefit)을 얻기 위한 최적의 phase를 찾기 위하여, 각 phase에서 OAR과 입자 추적 플래닝 타겟 볼륨(Planning Target Volume, PTV)의 기하학적 관계(geometric relationship)를 정량적으로 나타낼 수 있는 요소(factor)를 이용하여 치료 계획에 반영할 수 있는 방법을 제안하고자 한다.
여기서 플래닝 타겟 볼륨(Planning Target Volume, PTV)은 방사선을 타겟의 영역만을 대상으로 조사하는 것은 어려운바, 타겟을 포함하여 방사선을 조사할 수 있는 최소한의 영역에 대한 계획을 의미할 수 있다.
구체적으로 본 발명에서는 각 조직(기관, organ)의 방사선 민감도와 기하학적인 중첩도를 이용하여 페이즈마다 결과값(Cost Value)을 구하고, 해당 결과값이 가장 작은 순간(또는 페이즈)에 방사선을 조사하는 방법, 장치, 방사선 조사 계획방법을 제안하고자 한다.
본 명세서에서 OVH(Overlap Volume Histogram)은 기하학적으로 오버랩 된 정도를 나타낸다. 즉, OVH는 종양(tumor)을 중심으로 등방향으로 오버랩되는 정도를 의미한다.
허용설량(Tolerance dose)은 TD50(Tolerance Dose)로부터 방사선 민감도를 뺀 값을 말한다. 즉, Tolerance dose는 방사선을 얼마만큼 받았을 때 50% 확률로 괴사하는지를 나타내는 것으로 볼 수 있다.
또한, OAR(organ at risk)은 노말 티슈(normal tissue)에 관한 것으로, 각 조직(노말 티슈) 마다 방사선 민감도가 다르고, 이러한 민감도를 고려하여야 한다.기하학적 팩터(OVH)와 생물학적(biological) 팩터(TD)를 조합하여 어떠한 페이즈에서 방사선을 조사하는 것이 좋은지 여부를 판단할 수 있고, 결국 이는 노말 티슈에 방사선의 영향이 최소가 되는 시점이 될 것이다.
환자 데이터 및 이미지 획득(Patient data and image acquisition)을 위해, 비교적 식도(Esophagus), 심장(heart), 척수(spinal cord) 근처에 tumor가 위치한 lung cancer 환자의 4DCT image data 필요할 수 있다.
또한, 윤곽묘사(Contour delineation) 및 치료계획(treatment planning) 수립을 위해, Target volume과 normal tissue volumes(예를 들어, 식도(Esophagus), 심장(heart), 척수(spinal cord))는 ICRU 62의 정의(definitions)에 따라서 결정되었으며, 윤곽묘사(contouring는 모든 환자에 대해 모든 phase에서 수행될 수 있다.
또한, 각 환자의 phase마다 treatment planning을 일관되게 수행하기 위하여 같은 beam energy, beam 개수, beam directions, and wedge 사용유무 등을 동일하게 적용할 수 있다.
또한, 환자별로 치료 계획 페이즈의 최적화(Planning phase optimization process)를 위해, Lung cancer case에서 Overlap volume histogram을 이용하여 식도(Esophagus), 심장(heart), 척수(spinal cord)와 같은 주변 OAR과 입자 추적 플래닝 타겟 볼륨(Planning Target Volume, PTV)의 3차원 기하학적 관계(three dimensional geometric relationship)를 정의할 수 있다.
또한, 상대적으로 방사선에 민감한(sensitive) OAR의 biological 특성을 점수에 적절히 반영하기 위하여 biological index를 process에 포함시킬 수 있다.
결국, 본 발명에서는 각 조직(기관, organ)의 방사선 민감도와 기하학적인 중첩도를 이용하여 페이즈마다 결과값(Cost Value)을 구하고, 해당 결과값이 가장 작은 순간(또는 페이즈)에 방사선을 조사하는 방법, 장치, 방사선 조사 계획방법을 제안한다.
이러한 본 발명에 따른 결과값(Cost Value)은 다음의 수학식 1에 의해 산출될 수 있다.
Figure PCTKR2016007874-appb-M000001
상기 수학식 1에서
Figure PCTKR2016007874-appb-I000009
은 타겟팅하는 종양(tumor) 주변의 기관(organ)에 대한 OAR(organ at risk)를 의미한다.
즉,
Figure PCTKR2016007874-appb-I000010
은 종양(tumor)과 주변의 기관(organ)이 겹쳐지는 정도를 의미하고, 1인 경우가 방사선 조사하는 시점으로 가장 안 좋은 타이밍일 수 있다.
여기서 r은 종양(tumor)과 주변의 기관(organ)이 겹쳐지는 정도를 사용자가 지정하는 값으로써, 예를 들어, 사용자는 r값을 1mm 또는 2mm 등으로 지정할 수 있다.
즉, r 값은 사용자의 지정에 따라 결정되는 상수가 된다.
따라서
Figure PCTKR2016007874-appb-I000011
는 사용자가 정한 상수 r 값 이상으로 종양(tumor)과 주변의 기관(organ)이 겹쳐지는 정도를 나타낸다고 할 수 있다.
또한,
Figure PCTKR2016007874-appb-I000012
는 방사선을 얼마만큼 받았을 때 50%의 확률로 괴사하는지 정도를 나타내는 값이다.
즉, 각 기관(organ) 별로 허용되는 방사선 조사 허용 기준을 의미할 수 있다.
또한, 상기 수학식 1에서 i는 각 기관(organ)일 때의 상황을 의미한다.
예를 들어, i가 1인 경우에는 식도(Esophagus)에서의
Figure PCTKR2016007874-appb-I000013
또는
Figure PCTKR2016007874-appb-I000014
의 값을 의미하고, i가 2인 경우에는 심장(heart)에서의
Figure PCTKR2016007874-appb-I000015
또는
Figure PCTKR2016007874-appb-I000016
의 값을 의미하며, i가 3인 경우에는 척수(spinal cord)에서의
Figure PCTKR2016007874-appb-I000017
또는
Figure PCTKR2016007874-appb-I000018
의 값을 의미할 수 있다.
결국, 상기 결과값(Cost Value)이 최소가 되는 시점에 방사선을 조사하는 것이 최적의 효과가 발생될 수 있다.
이러한 planning phase optimization 방법을 통해 제안한 phase에서 더 나은 dosimetric effect를 확인 할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명과 관련하여, 플래닝 타겟 볼륨(Planning Target Volume)에서 식도(Esophagus), 척수(spinal cord), 심장(heart)의 기하학적 관계의 구체적인 일례를 도시한 것이다.
도 4는 종양(tumor) 관련하여 정상조직(normal tissue)의 가하학적으로 오버랩 된 정도를 설명하기 위한 도면이다.
도 4의 (a)는 심장(heart)의 OVH를 나타낸 것이고, (b)는 식도(Esophagus)의 OVH를 나타낸 것이며, (c)는 척수(spinal cord)의 OVH를 도시한 것이다.
상기 수학식 1을 이용하여 숨을 가장 많이 들이마신 경우의 페이즈(10%)와 숨을 가장 많이 내뱉은 경우의 페이즈(50%) 간의 DVH(Dose Volume Histogram) 평가를 하였고, 도 5는 본 발명과 관련하여, 숨을 가장 많이 들이마신 경우의 페이즈(10%)와 숨을 가장 많이 내뱉은 경우의 페이즈(50%) 간의 DVH(Dose Volume Histogram) 평가 결과를 도시한 것이다.
또한, 도 6은 본 발명과 관련하여, 각 페이즈에서의 최적화된 수치의 구체적인 일례를 도시한 것이다.
또한, 도 7은 본 발명과 관련하여, 정상조직(normal tissue)의 평균선량(mean dose)를 정리한 테이블의 일례를 도시한 것이다.
또한, 도 8은 본 발명과 관련하여, 복수의 케이스에서의 최대 선량을 비교한 테이블의 일례를 도시한 것이다.
또한, 도 9는 본 발명과 관련하여, 복수의 케이스에서의 평균 및 최대 선량을 비교한 테이블의 일례를 도시한 것이다.
또한, 도 10a 내지 도 10j는 본 발명과 관련하여, 각 케이스별로 낮은 수치와 높은 수치 간의 DVH (Dose Volume Histogram) 비교를 도시한 것이다.
도 10a 내지 도 10j에서는 숨을 가장 많이 들이마신 경우의 페이즈(10%)와 숨을 가장 많이 내뱉은 경우의 페이즈(50%) 간의 DVH(Dose Volume Histogram)에서읭 각 케이스별 결과값을 도시하고 있다.
한편, 도 11a 내지 도 11j는 본 발명과 관련하여, 각 케이스별로 민감도 분석(SPSS)에 따른 피어슨 상관계수(Pearson Correlation coefficient)의 구체적인 일례를 도시한 것이다.
도 11a는 식도(Esophagus)에서, 케이스 1인 경우 점수 형성에 가장 기여한 기관과 dose 간의 피어슨 상관계수(Pearson Correlation coefficient)를 나타낸 것이다.
*도 11b는 심장(heart)에서, 케이스 2인 경우 점수 형성에 가장 기여한 기관과 dose 간의 피어슨 상관계수(Pearson Correlation coefficient)를 나타낸 것이다.
도 11c는 심장(heart) 에서, 케이스 3인 경우 점수 형성에 가장 기여한 기관과 dose 간의 피어슨 상관계수(Pearson Correlation coefficient)를 나타낸 것이다.
도 11d는 식도(Esophagus) 에서, 케이스 4인 경우 점수 형성에 가장 기여한 기관과 dose 간의 피어슨 상관계수(Pearson Correlation coefficient)를 나타낸 것이다.
도 11e는 심장(heart) 에서, 케이스 5인 경우 점수 형성에 가장 기여한 기관과 dose 간의 피어슨 상관계수(Pearson Correlation coefficient)를 나타낸 것이다.
도 11f는 식도(Esophagus) 에서, 케이스 6인 경우 점수 형성에 가장 기여한 기관과 dose 간의 피어슨 상관계수(Pearson Correlation coefficient)를 나타낸 것이다.
도 11g는 척수(spinal cord) 에서, 케이스 7인 경우 점수 형성에 가장 기여한 기관과 dose 간의 피어슨 상관계수(Pearson Correlation coefficient)를 나타낸 것이다.
도 11h는 심장(heart) 에서, 케이스 8인 경우 점수 형성에 가장 기여한 기관과 dose 간의 피어슨 상관계수(Pearson Correlation coefficient)를 나타낸 것이다.
도 11i는 심장(heart) 에서, 케이스 9인 경우 점수 형성에 가장 기여한 기관과 dose 간의 피어슨 상관계수(Pearson Correlation coefficient)를 나타낸 것이다.
도 11j는 척수(spinal cord) 에서, 케이스 10인 경우 점수 형성에 가장 기여한 기관과 dose 간의 피어슨 상관계수(Pearson Correlation coefficient)를 나타낸 것이다.
또한, 도 12는 본 발명과 관련하여, 정상조직 합병증 가능성(Normal tissue complication probability, NTCP)을 각 케이스별로 분리하여 테이블로 정리한 것이다.
또한, 도 13은 도 12의 정상조직 합병증 가능성의 요약 내용을 테이블로 정리한 것이다.
도 13을 참조하면, Wilcoxon 부호순위 검증을 수행하면 Cord의 p value 역시 유의성이 있다고 볼 수 있다.
도 14는 본 발명과 관련하여, 평균선량(mean dose) 감소의 요약 내용을 테이블로 정리한 것이다.
도 14는 paired t-test에 의한 p-Values를 나타낸 것으로 볼 수 있다.
도 15는 본 발명과 관련하여, 최대 선량(Max dose) 요약 내용을 테이블로 정리한 것이다.
결국 본 발명은 종양이 발생하지 않은 식도, 척추 등 일반 조직의 방사선에 대한 생물학적 특성과 Overlap Volume Histogram을 이용하여 주변 조직과 표적체적의 3차원 기하학적 관계를 정의함으로써 환자의 호흡 주기 중에서 일반조직에 방사선이 가장 적게 조사되는 시점을 구하는 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명에서는 각 조직(기관, organ)의 방사선 민감도와 기하학적인 중첩도를 이용하여 페이즈마다 결과값(Cost Value)을 구하고, 해당 결과값이 가장 작은 순간(또는 페이즈)에 방사선을 조사하는 방법, 장치, 방사선 조사 계획방법을 제안한다.
본 발명은 환자의 호흡에서 일반 조직에 방사선이 가장 덜 조사되는 시점을 찾아내 최적화된 방사선 조사시점을 구하는 방법을 사용자에게 제공할 수 있다.
구체적으로 본 발명은 종양이 발생하지 않은 식도, 척추 등 일반 조직의 방사선에 대한 생물학적 특성과 Overlap Volume Histogram을 이용하여 주변 조직과 표적체적의 3차원 기하학적 관계를 정의함으로써 환자의 호흡 주기 중에서 일반조직에 방사선이 가장 적게 조사되는 시점을 구하는 방법을 사용자에게 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면 방사선 치료시 일반조직에 대한 선량뿐만 아니라, 일반조직의 방사선에 대한 민감도까지 고려하여 방사선 치료 계획을 세우므로 안전한 방사선 치료가 가능하다.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.

Claims (14)

  1. 환자의 종양(tumor)에 방사선을 조사하는 방법에 있어서,
    복수의 기관(organ) 중 상기 종양으로부터 미리 설정된 거리 이내에 있는 적어도 하나의 제 1 기관의 방사선 민감도와 상기 제 1 기관과 상기 종양간의 기하학적 겹치는 정도를 이용하여 상기 방사선의 조사 타이밍을 결정하는 제 1 단계; 및
    상기 조사 타이밍에 상기 방사선을 상기 종양으로 조사하는 제 2 단계;를 포함하되,
    상기 방사선 민감도 및 기하학적 겹치는 정도는 상기 환자의 호흡에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 방사선 조사 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 조사 타이밍은, 상기 방사선 민감도와 기하학적 겹치는 정도가 최소인 시점인 것을 특징으로 하는 방사선 조사 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 조사 타이밍은 하기의 수학식에서
    Figure PCTKR2016007874-appb-I000019
    가 최소가 되는 시점으로 결정되는 것을 특징으로 하는 방사선 조사 방법.
    수학식
    Figure PCTKR2016007874-appb-I000020
    상기 수학식에서 i는 상기 제 1 기관 각각을 지칭하는 식별기호이고, I는 상기 제 1 기관의 총 개수이며,
    Figure PCTKR2016007874-appb-I000021
    는 상기 i인 기관과 상기 종양간의 기하학적 겹치는 정도를 나타내고,
    Figure PCTKR2016007874-appb-I000022
    는 상기 환자가 호흡하는 시점에서의 상기 i인 기관의 방사선 민감도를 나타낸다.
  4. 제 1항에 있어서,
    한 주기의 상기 환자의 호흡 기간을 상수인 N으로 구분하고,
    1/N 부터 N/N의 시점 중 상기 방사선 민감도와 기하학적 겹치는 정도가 최소인 시점이 상기 조사 타이밍으로 결정되는 것을 특징으로 하는 방사선 조사 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 기관은 식도(Esophagus), 심장(heart) 및 척수(spinal cord)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 조사 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 단계 이전에,
    상기 환자의 종양에 방사선을 조사하기 위한 계획을 수립하는 제 0.5 단계;를 더 포함하고,
    상기 제 0.5 단계는,
    상기 환자가 숨을 가장 많이 내쉬는 시점인 end-exhalation 또는 상기 환자가 숨을 가장 많이 들이쉬는 시점인 end-inhalation 때의 상기 종양에 대한 적어도 하나의 이미지를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 방사선 조사 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제0.5 단계에서 수립한 계획을 기초로, 상기 방사선 민감도와 기하학적 겹치는 정도가 최소인 시점에 상기 방사선이 조사되는 것을 특징으로 하는 방사선 조사 방법.
  8. 환자의 종양(tumor)에 방사선을 조사하는 장치에 있어서,
    복수의 기관(organ) 중 상기 종양으로부터 미리 설정된 거리 이내에 있는 적어도 하나의 제 1 기관의 방사선 민감도와 상기 제 1 기관과 상기 종양간의 기하학적 겹치는 정도를 이용하여 상기 방사선의 조사 타이밍을 결정하는 제어부; 및
    상기 조사 타이밍에 상기 방사선을 상기 종양으로 조사하는 방사선 조사부;를 포함하고,
    상기 방사선 민감도 및 기하학적 겹치는 정도는 상기 환자의 호흡에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 방사선 조사 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 방사선 민감도와 기하학적 겹치는 정도가 최소인 시점을 상기 조사 타이밍으로 결정하는 것을 특징으로 하는 방사선 조사 장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 제어부는 하기의 수학식에서
    Figure PCTKR2016007874-appb-I000023
    가 최소가 되는 시점을 상기 상기 조사 타이밍으로 결정되는 것을 특징으로 하는 방사선 조사 장치.
    수학식
    Figure PCTKR2016007874-appb-I000024
    상기 수학식에서 i는 상기 제 1 기관 각각을 지칭하는 식별기호이고, I는 상기 제 1 기관의 총 개수이며,
    Figure PCTKR2016007874-appb-I000025
    는 상기 i인 기관과 상기 종양간의 기하학적 겹치는 정도를 나타내고,
    Figure PCTKR2016007874-appb-I000026
    는 상기 환자가 호흡하는 시점에서의 상기 i인 기관의 방사선 민감도를 나타낸다.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    한 주기의 상기 환자의 호흡 기간을 상수인 N으로 구분하고,
    1/N 부터 N/N의 시점 중 상기 방사선 민감도와 기하학적 겹치는 정도가 최소인 시점을 상기 조사 타이밍으로 결정하는 것을 특징으로 하는 방사선 조사 장치.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 복수의 기관은 식도(Esophagus), 심장(heart) 및 척수(spinal cord)를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사선 조사 장치.
  13. 제 8항에 있어서,
    상기 제어부를 통해 상기 환자의 종양에 방사선을 조사하기 위한 계획을 수립되고,
    상기 환자가 숨을 가장 많이 내쉬는 시점인 end-exhalation 또는 상기 환자가 숨을 가장 많이 들이쉬는 시점인 end-inhalation 때의 상기 종양에 대한 적어도 하나의 이미지를 이용하여 상기 계획이 수립되는 것을 특징으로 하는 방사선 조사 장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 수립한 계획을 기초로, 상기 방사선 민감도와 기하학적 겹치는 정도가 최소인 시점에 방사선 조사부가 상기 방사선을 조사하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 방사선 조사 장치.
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