획기적 발전 기대되는 영상의학
영상 이용한 진단과 치료, 시술 시도

지난해 한국의학물리학회 제 29회 추계학술 대회와 제 30회 대한의용생체 공학회의 공동추계학술대회가 연세대학교에서 개최됐다. 두 학회의 공동 개최는 2006년 세계 의학물리 및 의용생체공학 학술대회(World Congress 2006)의 서울 개최를 앞두고 공동운영의 경험을 쌓아 성공적인 학회를 치루기 위해 시도됐다.

최근 의료계에서는 진단과 치료에서 환자의 해부학적인 정보와 함께 기능적 정보까지도 영상으로 재현됨으로써 환자의 영상정보가 보다 적극적으로 의료의 진단, 치료 및 시술에 이용되는 획기적인 발전이 이루어지고 있다.

이번 추계학회에서는 이러한 발전을‘image guided medicine’ 이라고 명명하고 그에 대한 주제로 symposium과 tutorial 그리고 연구논문 발표로 이루어졌다.

다영상정보사용하는 IGRT

방사선 치료 분야에서의 영상정보를 이용한 치료의 발전 또한 급속하게 이루어지고 있다.

영상정보는 과거에서부터 방사선치료에 계속 사용되어오고 있으나, 최근의 영상추적방사선 치료(IGRT: Image Guided Radia tion Therapy)는 종양조직에 충분한 선량을 전달하며 동시에 주위의 정상조직에 피해를 최소화하려는 방사선 치료의 목적을 보다 더 잘 달성하기 위하여 다양한 영상정보를 사용하려는 노력으로 정의된다.

IGRT는 3차원 입체조형치료나 제기변조 방사선 치료(IMRT: Intensity Modulated Radiation Therapy)등과 같이 방사선을 치료부위에 보다 정확하게 조사하는 치료법의 발전과 함께 그 필요성과 효용성이 증가되고 있다.

방사선 치료에서 IGRT의 시도는 다음의 4가지의 가정을 기본으로 한다.

1) IGRT는 치료표적의 보다 정확한 결정을 가능하게 하며, 방사선생물학적인 인자를 고려한 선량증가를 가능하게 하여, 국소제어율을 높일 것이다.

2) IGRT는 정상조직의 방사선으로 인한 독성을 줄일 것이다.

3) IGRT를 사용하여 수집되고 저장된 치료계획 및 도시메트리 정보는 추후 임상 관찰 결과와 비교할 수 있는 자료가 된다.

4) 새로운 진단 영상은 근치목적의 방사선치료를 위한 환자의 결정, 치료의 시행, 그리고 치료 결과의 평가를 향상시킬 것이다.

울산대학교 의과대학 방사선 종양학과의 이병용 교수는 위의 가정 하에 임상에서 적용되거나 또는 개발되고있는 IGRT에 대해 ‘Clinical Physics Aspect of Image Guide Radiation Therapy’의 제목으로 강연했다.

다매체영상 이용한 치료표적 결정

방사선 치료는 X-ray나 전자선을 사용하는 외부방사선 치료와 동위원소를 사용하는 근접방사선 치료가 시행되고 있으며, 치료의 전 과정에서 영상정보를 사용하는 단계는 1) 치료표적의 결정 과 2) 치료기에서 방사선 치료실시 단계로 구분할 수 있다.

치료표적의 결정에는 일반적으로 사용되는 CT, MR 영상 외에도 MRSI (Magnetic Resonance Spectroscopic Imaging), PET ( Positron Emission Tomography), SPECT ( Single-Photon Emission Computed Tomography) 등 다매체 영상을 사용하는 것이다.

CT, MRI, US등 형태적 정보를 제공하는 영상매체에 생물학적인 정보를 주는 영상을 추가로 사용하면 종양과 전이 등의 선별도를 높일 수 있다.

또한 치료표적의 물리적인 부피를 결정하는 것에서 한 걸음 더 나아가서 치료하고자 하는 치료표적 내에서도 종양조직의 활동도, 방사선에 대한 감수성 정도 등을 대사영상정보를 사용하여 단계 짖고 선량을 차등적으로 조사하는 방법이 추구되고있다.

표적뿐만이 아니라 주위의 정상장기 내에서도 기능의 중요도 (FI: functional Importance)를 설정하고 허용 방사선량을 차등화 하여 3차원 입체조형 치료나 IMRT로 방사선을 조사함으로써 장기기능 보존 효과를 높이는 것이다.[그림1]

[그림1] PET/MRI 융합: MR영상(왼쪽)과 F-18 FDG PET의 영상을 융합하여 종양의 범위를 결정하는 사례 (서태석 교수의 강의록에서)
 

2개이상 영상등록 알고리즘

실질적으로 치료계획에서 다매체 영상을 사용하기 위해서는 정확한 영상융합 (image fusion)이 이루어져야 한다.

다매체 영상의 영상융합법은 가톨릭대학교 서태석 교수의 ‘image guided target delineation with multi-modality image fusion’의 특강에서 논의됐다.

치료계획을 위해서 2개 이상의 영상을 등록하는 알고리즘으로는 1)점을 사용하는 방법으로 융합할 영상 내에서 외부 마커 또는 인체내에 삽입된 표지자 등을 선별한다.

그리고 제2의 영상에서 동일한 점(point)의 3차원적인 위치를 인식하고 서로 대응되는 점들의 위치차이가 최소가 되도록 영상등록 하는 법이다 2) 면을 사용하는 방법으로는 각 영상에서 면(surface)을 구성하는 윤곽선을 추출하고, 이에 대응되는 윤곽선간의 거리가 최소가 되도록 하는 방법이다.

Head & Hat 알고리즘은 기준이 되는 영상에서 면을 구성하는 윤곽선들을 각 영상 slice 별로 모으고 3차원적인 면으로 구성한 다음 (head), 제 2의 정합대상이 되는 영상에서도 같은 과정을 수행하여 3차원 적인 면을 구성한 후(hat), head 와 hat을 일치시키는 Head& Hat 알고리즘이 사용된다.

이렇게 면의 정보를 사용하는 Heat&Hat 알고리즘은 Chamfer matching 방법으로 정합이 완성되는데, 기준영상의 distance map을 구성하고, 이진화 시킨 윤곽영상과 distance map을 곱한 결과의 합이 최소가 되도록 하여 영상을 정합하는 방법이다
3) voxel 정보를 사용하는 방법은 외부 마커에 의존하지 않고 voxel 자체의 intensity의 유사성을 분석하여 두 개의 영상을 접합시키는 방법이다.

이 voxel 정보를 사용하는 방법은 면을 사용하는 방법에 비하여 우수하며, mutual information 방법으로 영상정합이 완성된다. 또한 영상정합의 정확성을 평하는 방법과 자료들이 소개되었다.

정확성 위한 영상정보 이용

치료기에서 방사선 치료 시 적용되는 IGRT에 관하여 이병용 교수의 특강과 본인의 ‘Image Guided Target Tracking and Treatment Delivery’강의에서는 현재 개발되어 사용되고있는 방법들과 효용성 그리고 개발이 진행중인 방법들에 대한 논의가 있었다.

방사선 치료의 불확실성을 주는 요인은 매 치료시 치료기에 위치하는 환자 위치의 불확실성(inter-fractional position variation)과 치료중 환자나 내부 장기의 움직임으로 인한 intra-fractional position variation의 요인이 있다.

이러한 불확실성을 보상하기 위하여 치료대상이 되는 목표에 유격을 두어 치료목표의 부피를 정하는 것이 전통적인 방법이다. IGRT는 기본적으로 치료부위의 정확한 확인과 전달을 위하여 영상정보를 이용한다.

위치불확실성 해소가 중요

Inter-factional position variation을 최소화하기 위한 방법으로 현재 개발되어 임상에 적용되고 있거나 적용단계에 있는 방법은 다음과 같다.

2차원으로 projected 영상을 이용하여 환자의 치료기에서의 위치를 치료시작 전 실시간으로 조정할 수 있게 하는 megavolatage 의 X-ray를 사용하는 EPID (electronic portal imaging device)에서 영상의 질을 높인 kVp의 X-ray를 사용하는 EPID가 선형가속기( Linear Accelerator) 와 Cyber Knife등에서 사용되고 있다.

영상개선 요구되는 Cone beam CT

3차원의 해부학적 영상을 치료기의 환자의 위치확인에 사용하는 cone beam CT는 선형가속기에 kVp의 X-선원을 추가로 설치하거나 혹은 치료에 사용되는 megavol tage X-ray를 사용하여 치료기상에서 직접 CT image를 획득한다.

진단 CT에서 사용되는 부챗살 형태 의 Fan beam이 아닌 넓은 cone beam을 사용하여 영상 획득의 시간을 단축하고 영상획득장치의 회전의 종축상에서의 공간분해능이 향상되었으나 산란선량의 증가로 인하여 전반적인 영상의 질이 Fan beam CT 보다는 떨어져 이를 개선하는 연구가 계속 진행 중이다.

방사선량 줄이는 것이 관건

Megavoltage의 X-ray를 사용하는 경우에는 CT 획득으로 인해 환자가 추가로 받는 방사선량이 많아서 (~30cGy/회) 이를 줄이기 위한 연구가 진행되고 있다.

이 방법은 치료당일의 target과 주위의 정상장기의 형태와 위치를  3차원적으로 확인하게 하게 하며, 진단이나 치료계획시와 치료시의 인체조건이 다를 수 있다는 문제를 해결해줄 수 있다.

또한 초음파를 사용하여 치료장기의 위치를 확인하여 치료계획시의 위치와 비교하고 일치시켜 치료를 시행하는 방법도 복부 장기 및 전립선암 치료에 사용되고 있다.[그림2]

[그림2] TomoTherapy 장비에서 MV CT를 이용하여 환자의 위치를 확인하는 과정. 회색: 기준 CT 영상, 노란색: 현재의 환자의 CT 영상
 

3차원 인식가능한 RTRT 시스템

치료 중 목표장기의 움직임으로 인해 야기되는 Intra-fractional position variation를 보정하기 위한 방법으로는 현재 목표종양이 예정된 위치에 있을 때만 방사선을 조사하는 방법들이 사용되고있다.

이를 위하여 목표종양의 위치를 금속표지자를 치료부위에 삽입하고, 그 위치를 X-ray 영상을 통해 추적해가며, 표지자가 예정된 위치에 올 때만 방사선을 조사하는 RTRT (Real-time tumor-tracking radiotherapy)시스템이 개발되어 폐암, 전립선암, 간암 등의 치료에 적용되고 있다.

이 시스템은 추가로 설치된 kVp의 X-ray 영상장치를 통하여 표지자의 위치를 3차원적으로 인식하고 위치 보정이 가능한 방법이다.

또 다른 방법으로 개발된 것은 목표종양의 움직임이 많은 경우에 호흡으로 인함에 착안하여 호흡주기를 모니터링하여 종양의 위치를 인식하는 방법이다.

이 방법은 Gated-CT와 결합하여 효과적으로 쓰일 수 있다. Gated CT는 CT 영상 획득 시 호흡주기의 자료와 영상이 얻어지는 기하학적인 위치를 동시에 기록하여 정해진 호흡의 위상에 대응되는 영상만 재구성하는 방법이다.

따라서 전체 호흡주기 중 정해진 위상에서 영상을 얻고 같은 호흡의 위상에서만 치료를 하는 방법으로, 호흡주기와 종양의 움직임의 주기가 동기화 되어있다는 가정을 전제로 한다.

4차원 치료계획영상 연구중

RTRT나 Gated therapy가 가지고 있는 제한점들 즉 다량의 low-energy X-ray dose나 긴 치료시간, 종양의 움직임과 호흡주기의 일치성 등의 문제를 극복하기 위하여 다양한 방법들이 연구되고있다.

환자의 호흡을 제어하며, 종양의 움직임을 조사해 따라가며 치료하는 방법이 연구되고 있다.

한편으로는 종양의 움직임을 Gated CT를 사용하여 각 시간 또는 호흡 위상에 따른 종양 및 주위 장기의 움직임영상을 치료계획에서 사용하여 시간에 따른 방사선 선량분포를 예측하여 치료계획을 세우는 4차원 치료계획(4-dimensional treatment planning)에 대한 연구가 진행중이다.

모델링 수식 실제 구동한 phantom 연구

연구논문 발표 분야에서도 방사선 치료중의 내부장기의 움직임을 보정하는 방법에 대한 다양한 연구 결과들이 발표되었다.

간의 움직임을 수학적인 식으로 모델링한 수식을 실제로 구동시키는 것이 가능케하는 phantom을 제작한 연구.

열전쌍을 이용하여 호흡의 들숨과 날숨의 온도차를 측정하고 온도와 장기의 움직임 상태에 관한 연관성을 측정하였으며, 또한 열전쌍의 온도 변화를 매개로 한 장기 움직임을 묘사하는 phantom의 기능에 대한 연구가 발표되었다.

또한 장기의 움직임을 외부 체음표면에 반사되어오는 초음파를 측정하여 측정하려는 시도가 발표됐다.

Gated CT를 사용하여 치료계획을 세우고 gated  RT 시행 시에는 폐암환자에서 PTV의 체적을 27.4% 감소시킬 수 있으며, 주위 정상 폐의 방사선량 또한 처방선량의 50~70%를 받는 정상세포의 부피를 약 20% 감소시킬 수 있음을 보고했다.

움직이는 내부장기에 gated therapy를 시행할 때 시간에 따른 임계값 (time gating threshold)의 설정이 미치는 영향에 관한 연구발표에서 날숨의 최저점에서부터 1초간을 gating 영역으로 정하는 것이 우수한 설량분포를 얻을 수 있음도 발표됐다.

다양한 연구 진행중

또한 방사선 치료시 환자에게 자신의 호흡상태를 visual signal로 보여줌으로써, 규칙적인 호흡제어에 도움을 줄 수 있다는 visual signal for apeture manuver에 대한 연구발표가 있었으며, 자유 호흡시에 비하여 장기의 움직임의 정도를 60%가지 감소시킴을 보고했다.

신경외과에서 뇌 정위 수술에서의 영상의 역할에 대하여 한양대학교 신경외과학 교실 김영수 교수는‘Present and Future of Image Guided Surgery’강연에서 영상을 이용한 정위 유도술의 현재의 발전 상태에 대한 소개가 있었고, 그 외에도 영상을 이용한 robot surgery에 대한  tutorial 이 있었다.

영상을 이용한 진단과 치료, 시술은 아직 미완성이다. 지금까지 개발된 다양한 방법의 효과적인 임상이용에 대한 연구가 수반되어야 하며, 현재 개발된 많은 방법이 지닌 제한점들을 보완하고 극복하는 수많은 연구들이 진행되고 있다.

<도움말 : 삼성서울 방사선종양학과 한영이 교수>