Defining the Tumour and Gross Tumor Volume using PET/CT : Simulation using Moving Phantom

양전자단층촬영장치에서 호흡의 영향에 따른 종양의 변화 분석

Abstract

Involuntary movement of internal organs by respiration is a factor that greatly affects the results of radiotherapy and diagnosis. In this study, a moving phantom was fabricated to simulate the movement of an organ or a tumor according to respiration, and ¹⁸F-FDG PET/CT scan images were acquired under various respiratory simulating conditions to analyze the movement range of the tumor movement by respiration, the level of artifacts according to the size of the tumor and the maximum standardized uptake value (SUVmax). Based on Windows CE 6.0 as the operating system, using electric actuator, electric actuator positioning driver, and programmable logic controller (PLC), the position and speed control module was operated normally at a moving distance of 0-5 cm and 10, 15, and 20 reciprocations. For sphere diameters of 10, 13, 17, 22, 28, and 37 mm at a delay time of 100 minutes, 80.4%, 99.5%, 107.9%, 113.1%, 128.0%, and 124.8%, respectively were measured. When the moving distance was the same, the difference according to the respiratory rate was insignificant. When the number of breaths is 20 and the moving distance is 1 cm, 2 cm, 3 cm, and 5 cm, as the moving distance increased at the sphere diameters of 10, 13, 17, 22, 28, and 37 mm, the ability to distinguish images from smaller spheres deteriorated. When the moving distance is 5 cm compared to the still image, the maximum values of the standard intake coefficient were 18.0%, 23.7%, 29.3%, 38.4%, 49.0%, and 67.4% for sphere diameters of 10, 13, 17, 22, 28, and 37 mm, respectively.

호흡에 의한 체내 장기의 불수의적 움직임은 방사선 치료 및 진단의 결과에 큰 영향을 주는 요소이다. 본 논문에서는 호흡에 따른 장기 또는 종양의 움직임을 모사하기 위한 움직임 팬텀을 제작하고 다양한 호흡모사 조건에서 ¹⁸F-FDG PET 스캔 영상을 획득하여 호흡에 따른 종양의 움직임 범위와 종양의 크기에 따른 인공물의 수준 및 표준섭취계수 최대값(maximum standardized uptake value, SUVmax)를 분석하였다. 운영체계로 윈도우 CE(Windows CE) 6.0 기반으로 전동액추에이터, 전동액추에이터 포지셔닝 드라이버, PLC(Programmable Logic Controller)을 이용한 위치 및 속도 조절 모듈은 이동거리 0-5 cm와 왕복이동 10회, 15회, 20회에서 정상적으로 동작하였다. 지연시간 100분에서 구의 지름 10, 13, 17, 22, 28, 37mm일 때 각각 80.4, 99.5, 107.9, 113.1, 128.0, 124.8%로 측정되었다. 이동거리가 같을 때 호흡수에 따른 차이는 미미하였다. 호흡수를 20회 하고 이동거리를 1 cm, 2 cm, 3 cm, 5 cm일 때 구의 지름이 10, 13, 17, 22, 28, 37 mm에서 이동거리가 길어질수록 구의 크기가 작은 것 부터영상의 구분 능력이 저하되었다. 정지영상에 비하여 이동거리를 5 cm로 하였을 때, 표준섭취계수의 최대값은 구의 지름이 10, 13, 17, 22, 28, 37 mm에서 각각 18.0%, 23.7%, 29.3%, 38.4%, 49.0%, 67.4%이었다.

Ⅰ. INTRODUCTION

방사선 치료 및 진단 영역에 있어서 호흡에 의한 체내 장기의 불수의적 움직임은 관리 및 예측의 대상으로서 중요하게 인식되어 왔다^[1-4].

실제로 복부 장기인 간의 경우, 호흡에 의한 위치의 차이가 최대 5.5 cm까지 발생할 수 있으며, 정상 호흡이나 인위적인 호흡정지 동안에도 각각 2.5 cm, 0.9 cm까지 움직일 수 있다고 보고되고 있다^[5].

이는 방사선 영상진단장치의 영상 데이터 간의 불일치나 세기조절 방사선치료(intensity modulated radiation therapy, IMRT) 등 고정밀 방사선치료의 계획 단계에서 표적 장기의 왜곡 설정을 초래한다^[6].

이에 대해, 국제 방사선 단위 측정 위원회(International Commission on Radiation Units and Measurements; ICRU) 는 방사선 치료 계획 수립 시, 계획용 표적 체적을 결정하는데 있어서, 임상표적부피에 해당 장기의 움직임에 대한 개념인 내부여백을 고려한 내부 표적 체적을 고려할 것을 권고하고 있다^[7]. 하지만 과도한 내부여백을 적용할 경우, 오히려 정상조직의 손상 가능성이 커지기 때문에 표적 체적에 대한 특정 부분의 고선량 조사(dose sculpting)구현 기법들이 고안되고 있다^{[8, 9]}. 그 중 호흡 연동 기법은 가장 대표적인 특정 부분의 고선량 조사 기법이며, 이미 많은 분야에서 폭넓게 활용되고 있다.

호흡연동기법은 크게 세 가지 정도로 나뉜다. 첫 번째는 폐활량계를 호흡 모니터링과 환자의 조절 호흡을 통한 호흡정지 방법^[10]이며, 적외선 CCD 카메라를 이용한 방법으로, 흡기와 호기 시에 복부의 미세한 온도변화를 열전쌍으로 감지하여 호흡에 대한 트리거 신호를 생성한 후 동기화시키는 방법 ^[11], 세 번째는 4D-CT와 같이 CT 스캔 후 호흡 모니터링 신호와 CT 스캔 시간을 후향적으로 동기화시키는 방법^[12]이다. 전자의 두 가지 방법은 전향적이며, 나머지 하나는 후향적인 호흡 연동 기법이라고 말할 수 있다. 여러 호흡 연동 기법들의 궁극적인 목표가 표적 장기에 대한 최적의 체적과 선량치를 고정밀방사선치료에 적용하고자 하는 데에 있다는 점을 감안했을 때, 호흡으로 인한 인공물의 발생 수준을 정성, 정량적으로 파악하는 것은 차후에 여러 기법들의 검증을 위해서도 매우 중요하다. 이와 관련된 선행연구들의 경우, 4D-CT를 이용한 일부 연구^[13]를 제외하고는 팬텀을 이용한 모의실험 연구가 주류를 이루지만 Fumiaki의 견해와 같이 정지 상태 모의실험의 결과를 임상에 적용하기에는 부적합하다^[14]. 따라서 입체적인 팬텀 실험, 예컨대 호흡 작용을 모사할 수 있는 움직임 팬텀을 이용한 모의실험 연구의 가치는 상대적으로 높을 것으로 기대된다.

본 논문에서는 호흡에 따른 장기 또는 종양의 움직임을 모사하기 위한 움직임 팬텀을 제작하고 다양한 호흡모사 조건에서 ¹⁸F-FDG PET 스캔 영상을 획득하는 실험을 시행하여 호흡에 따른 종양의 움직임범위와 종양의 크기에 따른 인공물의 수준 및 표준섭취 계수 최대값 (standard uptake value, SUV_max)를분석하여 상호관계를 파악하고자 하였다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

1. 위치 및 속도 조절 모듈 및 팬텀

위치와 속도를 조절할 전동액추에이터는 LX Series의 한 모델인 LXSH₂BD-50S-M9N₂ (SMC, Tokyo, Japan)를 사용하였다. 액추에이터 사양으로 형상은 슬라이드 테이블 타입, 가이드 종류는 직동가이드, 모터의 종류는 2상 스텝핑 모터, 이송 나사의 종류는 볼나사 등으로 구성되어 있다.

전동액추에이터 포지셔닝 드라이버로 사용한 LC6C-220AD (SMC, Tokyo, Japan)는 펄스제어 기능이 내장되어 있고, 위치 정보는 최대 28점까지 설정 가능하고, 포인트 이동은 PLC로 제어 가능하고 전동액추에이터 2상 스테핑 모터와 호환 기능이 있다.

PLC(Programmable Logic Controller) 동작 처리 순서를 지시하는 프로그램을 제어 장치 안에 기억하여, 그 프로그램에 따라 처리 동작을 하는 프로그램 내장형 제어 및 감시 장치이다^[15].

PLC 모듈은 산업현장에서 많이 사용되고 있으며, 프로그램이 비교적 간단하여 접근하기 쉽고, 모듈화 되어 있어서 낮은 가격과 비교적 신뢰성이 높고, 속도를 1/1000초까지 제어 가능하다. Fig. 1은 위치 및 속도 조절 모듈의 모식도이다.

Fig. 1. The schematic of position and speed control module.

위치 및 속도 조절 모듈에 장착하는 팬텀은 National Electrical Manufacturers Association (NEMA) IEC Body Phantom에 들어있는 지름이 10, 13, 17, 22, 28, 37 mm인 구(sphere)를 분해하여 제작한 거치대에 Fig. 2와 같이 장착하여 팬텀의 열소(hot spots)로 이용하였다.

Fig. 2. A body phantom consists of six spheres with 10, 13, 17, 22, 28 and 37 mm sizes.

2. 데이터 획득 PET/CT

PET/CT 장비는 GE Discovery STE(GE Healthcare, Milwaukee, WI, USA)을 사용하였고. GE Discovery STE의 신틸레이터 타입은 비스무트 게르마네이트 (Bismuth germanate, BGO)이었다. 증류수 700 cc에 ¹⁸F-FDG 37 MBq를 주입하고 교반기를 이용하여 혼합해주었다. 제작한 시료를 팬텀의 구에 용액을 주입한다. CT의 영상획득 조건은 관전압 120 kVp, 관전류 30 mA, PET의 영상획득 조건은 1 bed, 2 min으로 복부촬영에 준하여 설정하였다. 호흡은 분당 10회, 15회, 20회, 호흡에 따른 움직이는 거리는 0~5 cm로 하였다.

3. PET/CT SUVmax

PET/CT SUV는 체내에 주입된 방사성핵종이 전신에 고르게 분포되어 있다는 가정 하에 종양의 방사능 섭취량과 평균섭취량의 차이를 측정하기 위한 반 정량적 지표이다^[16]. SUV는 다음과 같은 방정식으로 나타낸다.

\(S U V=\frac{\text { 표적 } 1 g \text { 당 집적된 방사능 }(B q)}{\text { 주입한 총 방사능/ 대상 무게 }(g)}\)       (1)

SUVmax는 PET/CT 표준섭취계수의 최댓값을 의미한다.

4. 영상분석

PET/CT 영상 분석을 위하여 ImageJ 및 Origin 6.0 를 이용하였다.

Ⅲ. RESULT

1. 위치 및 속도 조절 모듈

Fig. 3은 상대적으로 촬영시간이 긴 PET에서 영상획득 시 실제 환자는 호흡으로 인한 내부 장기의 움직임을 모사하기 위한 모듈의 외관이다. LCD에서 이동 거리 및 속도 조절이 가능하고 전원, 안전장치, 시작, 정지 버튼은 별도로 두어 조작이 쉽게 하도록 하였다.

Fig. 3. Position and speed control module.

위치 및 속도 조절을 위한 운영체계로 윈도우 CE(Windows CE) 6.0 기반으로 Fig. 4와 같은 기능이 있고 세부 내용은 아래와 같다.

Fig. 4. LCD that can input respiration rate and movement degree according to respiration.

① MONITORING SCREEN: 터치 시 장치의 MOVING 보정 상수값 입력화면으로 전환, ② NOW TEST TIME: 현재까지의 움직인 시간, ③ NOW POS’(단위, mm): 현재의 위치, ④ NOW COUNT (단위, 회): 현재까지의 왕복 횟수, ⑤ ST POS’(단위, mm): 왕복 시에 시작하는 위치 (0~50), ⑥ END POS’(단위, 회): 왕복 시에 끝나는 위치 (0~50), ⑦ SPEED(단위, 회/min): 분당 왕복하는 회수 setting(0~20), ⑧ COUNTER(단위, 회): 왕복할 회수 setting(0~20000 회), ⑨ JOG MOVE: MANUAL 모드에서 JOG를 움직일 수 있음, ⑩ ERROR CODE: 에러 발생 시 해당 코드 표시, ⑪ RESET: HOME END RESET, HOME POS’: 멈춰있는 JOG를 POS’ 0mm로 돌아오게 함, ⑫ MANUAL: 수동으로 JOG를 움직이게 함, ⑬ AUTO: 설정 치로 JOG를 움직이게 함, ⑭ START: MOVING 시작. AUTO 상태에서만 가능, ⑮ STOP: MOVING 정지

2. 구(spheres) 및 지연시간에 따른 예측치와 측정치 차이

¹⁸F-FDG 시료의 측정시간 지연에 따른 비방사능은 0분 44.9 kBq/ml, 55분 32.3 kBq/ml, 100분 21.4 kBq/ml, 164분 12.0 kBq/ml, 254분 5.3 kBq/ml으로예측되었다. 지연시간 초기에서는 예측치보다 실제 측정값이 낮게 측정되고 지연시간 100분이 지나면 예측치보다 실제측정값이 높게 측정되는 것으로 Fig. 5와 같이 나타났다. 임상에서 주사 후 기다리는 시간과 검사에 필요한 시간을 고려한 100분에서 구의 지름 10, 13, 17, 22, 28, 37mm일 때 각각 17.2, 21.3, 23.1, 24.2, 27.4, 26.7 kBq/ml이었다. 구의 지름 10, 13, 17, 22, 28, 37mm일 때 각각 80.4, 99.5, 107.9, 113.1, 128.0, 124.8%로 측정되어 보정이 필요한 것으로 여겨졌다.

Fig. 5. Difference between expected and measured activity by spheres and delay time.

3. 호흡수에 따른 영상

Fig. 6의 영상은 이동거리를 1 cm로 하고 호흡수를 0회, 10회, 15회, 20회로 가정하여 조건을 설정하였을 때 구의 지름이 10, 13, 17, 22, 28, 37 mm 각각에 대한 구분이 가능하였고 유사한 영상의 결과를 보였다. 이동거리가 같을 때 호흡수에 따른 차이는 미미하였다.

Fig. 6. Images when the movement distance is 1 cm and the respiratory rate is 0, 10, 15, or 20 breaths per minute.

4. 이동거리에 따른 영상

Fig. 7의 영상은 호흡수를 20회 하고 이동거리를 1 cm, 2 cm, 3 cm, 5 cm로 가정하여 조건을 설정하였을 때 구의 지름이 10, 13, 17, 22, 28, 37 mm의 영상이다.

Fig. 7. Images when the respiratory rate is 20 breaths per minute and the movement distance is 1 cm, 2 cm, 3 cm and 5 cm.

Fig. 7의 영상은 이동거리가 길어질수록 구의 크기가 작은 것부터 영상의 구분 능력이 저하되었고 구의 최소 크기인 10 mm 구분능력은 1 cm에서 3 cm로 이동거리가 길어질수록 저하되고 5 cm에서는 유관으로는 구분이 어려웠다.

Fig. 8의 X축은 팬텀의 구가 이동한 거리를 Y축은 표준섭취계수의 최대값이다. 구의 크기가 같을 때 정지영상에 비하여 1 cm, 2 cm, 3 cm, 5 cm로이동거리가 커질수록 표준섭취계수의 최대값이 적게 나타났다. 정지영상에 비하여 이동거리를 5 cm 로 하였을 때, 표준섭취계수의 최대값은 구의 지름이 10, 13, 17, 22, 28, 37 mm에서 각각 18.0%, 23.7%, 29.3%, 38.4%, 49.0%, 67.4%이었다.

Fig. 8. Degradation of SUVmax according to spheres and moving distance.

이동거리 3 cm이고 구의 크기가 37 mm을 기준으로 10, 13, 17, 22, 28 mm에서 표준섭취계수의 최대값은 각각 24.1%, 36.1%, 48.2%, 65.1%, 88.0%이었다. 구의 크기가 작을 때 표준섭취계수의 최대값저하가 크게 나타났다.

Fig. 9의 X축은 영상의 크기를 Y축은 픽셀의 농도값이다. 정지영상에 비하여 이동거리가 클수록 크기가 확대되지만 방사능 집적 정도를 나타내는농도값은 적게 나타났다. 구의 지름이 37 mm에서정지영상 대비 1 cm에서 5 cm 이동할 때 정지영상과 1 cm은 유사한 크기를 가지지만 5 cm은 약 2배 크게 나타났고 중심부의 농도값은 반 정도로 감소되었다. 그리고 윤곽선도 희미해지는 것을 관찰할 수 있었다.

Fig. 9. Difference in pixel value according to movement distance when the size of the sphere is 37mm.

Ⅳ. DISCUSSION

호흡에 의한 체내 장기의 불수의적 움직임은 방사선 치료 및 진단의 결과에 큰 영향을 주는 요소이다. 양전자방출단층촬영장치의 영상분석 및 임상에서 표준섭취계수의 정량화 및 기기 특성 및 품질에 대한 연구 결과가 있다^[16]. IMRT 방사선 치료용 호흡 동조 팬텀을 자체 제작하여 환자 움직임을 반영한 치료계획 및 방사선량 측정하여 치료 시 기대되는 방사선량의 정량적인 분석하였다. 동조와 비동조시 선량 및 조사야 오차가 각각 약 2%, 16% 로 나타나 방사선 치료 시 호흡동조의 필요성을 보여주고 있다^[17]. Varian사의 RPM system을 사용하여 환자의 호흡에 의한 인공물을 평가한 결과 인공물이 발생한 whole body PET scan(WBS)을 통해 얻은 영상 대비 CTAC Shift 보정방법을 통해 얻은 영상의 경우 12~56% 변화율을 보여 제한적인 환경에서 임상적이 가능함을 보였다^[18]. 호흡 게이트 PET 과 4D-CT를 이용하여 호흡으로 인한 인공물의 평가한 논문에서 물체의 크기는 2.5배로 증가하고 최대 uptake 수치는 50%까지 감소하는 하는 것과 유사한 결과를 보였다^[19]. 구체는 CT와 nongate PET에서 동작 중인 PET image quality phantom(NEMA)에서 타원형으로 나타나고, 방사능농도의 감소가 있었으나 게이트 처리된 2D 및 3D PET에서 정량화 정도가 향상되었다^[20].

Ⅴ. CONCLUSION

본 논문에서는 호흡에 따른 장기 또는 종양의 움직임을 모사하기 위한 움직임 팬텀을 제작하고 다양한 호흡모사 조건에서 ¹⁸F-FDG PET 스캔 영상을 획득하여 호흡에 따른 종양의 움직임 범위와 종양의 크기에 따른 인공물의 수준 및 표준섭취계수 최대값 (maximum standardized uptake value, SUV_max)를분석하였다. 운영체계로 윈도우 CE(Windows CE) 6.0 기반으로 전동액추에이터, 전동액추에이터 포지셔닝 드라이버, PLC(Programmable Logic Controller)을 이용한 위치 및 속도 조절 모듈은 이동 거리 0-5 cm와 왕복이동 10회, 15회, 20회에서 정상적으로 동작하였다. 이동거리가 같을 때 호흡수에 따른 차이는 미미하였다. 같은 호흡수에서 이동 거리가 길어질수록 구의 크기가 작은 것부터 영상의 구분 능력이 저하되었다. 이동거리를 0에서 5 cm로 하였을 때 이동거리가 커질수록 질수록 표준섭취 계수의 최대값도 작아졌다. 이동거리 3 cm이고 구의 크기가 작을 때 표준섭취계수의 최대값 저하가 크게 나타났다. 이러한 결과를 표준섭취 계수보정 및 후향적인 연동기법에 적용한다면 보다 정확한 진단에 도움이 될 것으로 여겨진다.