정위적 방사선 수술에서의 이상표적모델과 경험적 지식을 활용한 수술계획 최적화 방법 개발

Development of Ideal Model Based Optimization Procedure with Heuristic Knowledge

정위적 방사선수술(stereotactic radiosurgery, SRS)은 정위적 기구를 이용해 환자를 고정시킨 후 한번에 고선량의 방사선을 병변에 조사하는 방사선 치료법이다. 일반적인 방사선 치료와 달리 단 한번의 조사로 고선량의 방사선이 환자에게 주어지므로 정확한 수술계획의 수립이 필요하다. 현재, 수술계획은 사람이 직접 시행착오를 거듭하며 수립되고 있다. 이로 인해 계획의 재연성과 신뢰성에 문제가 재기되고 있으며, 이를 해결하고자 컴퓨터를 활용한 수술계획 최적화 방법들이 제안되어 왔다. 그러나 기존의 방법들은 최종적인 수출계획을 얻을 때까지 많은 시간이 필요하고 사용되는 수학적 알고리듬의 한계로 국소적 최적해를 최종해로 산출해 낼 위험성을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 이상표적모델을 활용한 정위적 방사선수술계획 최적화 방법을 연구하였다. 병소의 다양한 모양을 근사시킬 이상표적모델을 구형과 원통형, 원뿔형, 타원체의 4종류 가정하였다. 회전중심점(isocenter)을 여러 개 사용하여 이상표적모델을 50％ 등선량 내에 포함시키고, 이 조건을 만족하는 경우의 회전중심점의 위치, 콜리메이터 크기를 데이터베이스화 하였다. 병소가 주어질 경우 기하학적 비교를 통해 병소의 모양을 가장 잘 나타낼 수 있는 이상표적모델, 또는 이상표적모델의 조합을 결정한 후 병소를 근사화하는 과정을 개발하였다. 이후 각 이상표적모델에 대해 데이터베이스에 구축되어 있는 최적변수들을 찾아 회전중심점을 배치시키고 실제 병소에 맞게 최종적인 수정을 통해 최적화 과정을 마치도록 하였다. 이 과정을 가상 표적에 대해 수행한 결과 뛰어난 결과를 보이진 않았으나 회전중심점에 대한 간단한 변화만으로 만족할 만한 결과를 나타내었다. 이는 직접적인 수술에 사용될 수는 없을지라도 수술계획을 함에 있어 최적화 과정의 시작점(Starting Point)으로 받아들이기에 만족할 만한 결과이다.

Stereotactic radiosurgery (SRS) is a technique that delivers a high dose to a target legion and a low dose to a critical organ through only one or a few irradiations. For this purpose, many mathematical methods for optimization have been proposed. There are some limitations to using these methods: the long calculation time and difficulty in finding a unique solution due to different tumor shapes. In this study, many clinical target shapes were examined to find a typical pattern of tumor shapes from which some possible ideal geometrical shapes, such as spheres, cylinders, cones or a combination, are assumed to approximate real tumor shapes. Using the arrangement of multiple isocenters, optimum variables, such as isocenter positions or collimator size, were determined. A database was formed from these results. The optimization procedure consisted of the following steps: Any shape of tumor was first assumed to an ideal model through a geometry comparison algorithm, then optimum variables for ideal geometry chosen from the predetermined database, followed by a final adjustment of the optimum parameters using the real tumor shape. Although the result of applying the database to other patients was not superior to the result of optimization in each case, it can be acceptable as a plan starling point.