제 30회 한국의학물리학회 춘계학술대회가 4월 15～16일 경기대학교 호연관에서 개최됐다. 이번 학회의 주제는 4-diemsional imaging & treatment 로 영상추적치료법 (Image Guided Radiation Therapy)과 함께 가장 최신의 진단 및 방사선 치료방법이 소개됐다. 또한 진단영역에서는 Cardiac MDCT와 Repiratory-Gated PET/CT imaging에 대한 강의가 있었고, 방사선치료분야에서는 4차원 영상및 치료계획에 대한 강의와 임상에서 고정밀 방사선 치료를 위한 고려사항에 대해서도 발표됐다.
치료율 높이고 부작용 최소화해야
방사선 치료 최신 경향
최신 방사선치료경향은 방사선 치료율을 높이는 동시에 치료로 인한 부작용을 최소화하는 것이다. 이를 위해 치료의 목표로 삼는 종양에는 더 많은 방사선량을 주며 동시에 주위의 정상조직에 투여되는 방사선은 최소화시키려 하고 있다.
정확한 목표종양 치료중요
이러한 목적을 가능하게 하는 치료법으로 3차원 입체조형치료(3D conformal radiation therapy)와 세기 변조 방사선 치료법 (IMRT: Intensity Modulated Radiation Therapy)등이 개발되었다.
MRT는 기존의 방사선 치료법과는 차별하여, 환자에게 투여되는 방사선의 조사면(radiation field)내부를 세분화하고 세분화된 각각의 단위 (subfield)에서의 방사선 강도를 다르게 함으로써, 치료 목표로 하는 종양을 잘 감싸는 방사선 흡수분포를 가능하게 한다. 동시에 근접한 정상조직이나 위험장기 (critical organ)에 투여 선량을 급격하게 낮추는 것이다.
따라서 그 특성상 방사선흡수 분포는 목포종양과 주위의 정상 조직사이에서 급격한 변화, 즉 수mm의 거리에 따라 높은 흡수에서 낮은 흡수로 급격하게 변하는 양상을 띄게 된다.
이러한 특성으로 인해 다음의 두 가지가 기존의 치료법에서 보다 더욱 중요성을 갖게된다.
장기 움직임이 해부영상 오류 유발
첫 번째는 보다 정확하게 목표종양을 정의하는 것이 필요하고, 두번째는 계획한 대로 정확하게 매번 치료를 시행하는 것이다.
이 두 가지를 실현하는데 걸림돌이 되는 원인중의 하나는 인체 내부의 일부 장기는 정지해 있지 않고 시간에 따라 움직인다는 것이다.
이러한 움직임은 진단을 목적으로 획득되는 해부영상에 오류나 부정확성을 유발하며, 치료목적으로 획득하는 영상에서 종양이나 위험 장기 형태의 왜곡을 유발한다.
또한, 종양의 움직임의 범위를 치료체적으로 포함하여 치료를 하므로 목표종양을 포함하는 치료범위가 넓어지게 된다.
따라서 이러한 장기의 움직임이 유발하는 형태의 왜곡이나 부정확성을 최소화하여 영상을 획득하거나 또는 치료하는 최신의 기술을 4 dimensional imaging & treatment라고 했다.
여기서 4 dimension은 3차원 공간에 더하여 시간을 제 4번째의 차원으로 포함하는 개념이다.
한편 이번 심포지엄은 진단영역에서는 연세의대 영상의학과 최병욱 교수가 4-dimesional Imaging: Clinical Importance라는 주제로 Cardiac MDCT에 대해, 삼성서울병원 우상근 박사가 호흡을 고려한 PET/CT imaging 방법에 대한 Repiratory-Gated PET/CT imaging에 대해 강연했다.
방사선 치료분야에서는 한림의대 조병철 교수가 호흡을 고려한 치료법인 4차원 영상 및 치료계획에 대해 강연했으며, 한림의대 박희철 교수는 호흡을 고려한 고정밀 방사선 치료를 위한 임상적 고려에 대해 논의했다.
PET영상보정법 진단 정확도 높혀
같은 호흡주기에서 CT와 PET영상 일치시켜야
CT PET 위치동기화 필요
최근의 방사선 치료는 CT나 MRI와 같이 대상환자의 해부학적 정보뿐만 아니라 기능적인 정보를 이용하기 위해 PET/CT의 사용이 활성화되고 있다.
이러한 PET/CT는 기능적 정보를 주는 PET 촬영시에 해부학적 정보를 주는 CT를 같이 획득하여 더욱 정확한 진단을 가능하게 한다.
그러나 CT와 PET은 순차적으로 그 영상이 획득되기 때문에, 움직이는 대상의 영상정보의 정확성을 높이기 위해서는 CT와 PET 영상에서 정확하게 같은 위치를 동기화 시키는 방법이 필요하다.
이렇게 촬영대상의 움직임을 보정하여 PET영상을 획득하는 방법에 대해 삼성서울병원 우상근 박사는 Respiratory-Gated PET/CT imaging이라는 주제로 강연했다.
움직이는 데이터 확보 후오류 줄여야
4D-PET/CT 에서 PET영상은 시간정보를 기록하는 리트모스나 게이트 모드로 영상을 획득하고, CT영상은 cine나 게이트 모드로 영상을 획득한다.
영상획득시 대상의 움직임은 광학식 검출 시스템 또는 변위 측정 센서를 사용하여 움직임의 데이터를 확보한다.
광학식 검출기는 움직임을 카메라로 검출하는 방식으로 POLARIS (Northern Digital, Inc.m Waterloo, CANADA)와 RPM (Real-time position management) 시스템 ( Varian Medical System, Palo Alto, USA), VICON 움직임 카메라 등이 사용된다.
카메라 등의 시스템으로 획득한 호흡주기와 bin에 대한 정보를 PET 촬영전에 미리 설정한 후 PET 촬영시 움직임 데이터를 분석한다.
그 후 정해진 위상에서 트리거 신호를 생성하여, PET 영상에서 서로 같은 호흡위상의 영상데이터를 모으는 전향적인 방법을 상용한다 [그림1].
[그림1] 호흡운동주기에 따른 위상의 세분화
CT 촬영시에도 같은 원리로 게이트하여 영상을 구분하거나 또는 cine모드로 촬영하여 동일한 호흡위상에서의 CT영상들을 모은다.
그 후 같은 호흡주기에서의 CT영상과 PET영상을 일치시킴으로서 움직임에 의한 오류를 최소화한 PET 영상의 획득이 가능하며, 이는 영상의 희미해지는 효과(blurring)을 감소시켜 영상진단의 정확도를 향상시킬 것으로 기대된다 [그림2].
[그림2] (a) 게이트모드로 수행하지 않은 PET/CT 영상 (b) 4D-PET/CT 영상 (우상근박사 강의록) 
폐암환자 호흡주기 유지 어려워
고정밀 방사선치료의 임상적용
앞에서 논의한 많은 방법들은 움직임을 최소화하여 가능한 정밀한 영상데이터를 획득하고, 이를 이용해 치료를 수행하는 방법에 대해 살펴보았다면, 한림대의대 박희철 교수는 호흡을 고려한 고정밀 방사선 치료를 시행할 때 고려해야 할 임상적인 사항에 대하여 개관하였다.
현재 개발된 호흡주기 관찰법의 각각의 장단점을 비교하였으며, 실질적으로 호흡보정치료를 받을 환자의 선택에 있어서의 문제점을 논의했다.
폐기능 나쁜 환자에 제한 많아
호흡보정 치료로 가장 많은 혜택을 받을 수 있는 폐암환자의 경우, 많은 경우에 있어서 폐기능이 나쁘고 자연스럽게 일정한 호흡주기를 유지하기 힘들며, 호흡주가를 유지하는 경우에도 타이달 체적의 변화 폭이 큰 문제점이 있다.
이러한 환자에 대해 인공적으로 호흡주기를 일정하게 유지하려하면, 많은 경우 환자가 감내하지 못하는 제한점이 있다.
따라서, 폐기능이 나쁜 환자 중에는 아주 제한적인 환자 군에만 성공할 가능성이 있음을 지적했다.
또한, 환자들의 생소한 치료과정에 대한 긴장은 평소와는 다른 호흡운동을 유발할 수 있으며 이는 실제 치료시에는 전혀 다른 호흡이 될 수 있다.
따라서 모의 치료 및 영상획득에서 습관화된 호흡을 갖도록 충분한 연습과정을 갖는 것이 필수적이라고 강조했다. 또한 3차원 입체조형․세기변조 방사선 치료 등과 같이 시행된다.
기존치료에 비해 매우 복잡해지고 치료시간이 증가하므로 분할의 방사선 조사법보다는 소분할 조사법( hypofractionation)을 함께 적용할 필요성이 고려된다.
또한 호흡을 고려한 방사선치료를 위한 표적체적의 설정 시, 기존의 방법에 비해 침습예상범위나 환자 자세의 재현성과 때로는 조사된 빔의 반음영의 변화가 있을 수 있으므로 표적체적을 정의할 때 이에 대한 다양한 고려가 필요하다.
박 교수는 현재 시점에서 호흡을 고려한 방사선 치료는 시험적인 방법이며, 연구단계에서 다양한 가능성이 제시되고 또한 상용화된 제품 등이 있지만, 통상적인 방사선 치료에 이러한 방법을 도입하기에는 세심한 주의가 요망된다고 지적했다[그림].
[그림] 4 차원 치료계획 결정과 시행의 흐름도의 제시(박희철교수 강의록 중에서) 
연구논문 분야에서도 호흡을 고려한 방사선 치료를 위한 구동팬텀에서의 선량평가와 4D CT를 사용한 영상획득법 등의 4D 영상획득과 치료에 관한 연구논문들이 발표되었다.
보다 정밀한 영상의 획득과 치료를 위한 다양한 연구가 국내외 적으로 진행되고 있으며, 국내의 일부 의료기관에서도 4D 방사선 치료를 도입하여 시행되기 시작했음으로 임상적용에 따른 보다 다양한 연구가 진행될 것으로 전망된다.
4D MDCT 심장기능 평가 가능해
실제환자적용에 한계 있어
연세의대 최병욱 교수는 기존의 정적인 영상을 넘어서 3차원 공간정보에 시간에 의한 동적인 정보를 함께 보여주는 영상을 4D 영상으로 정의하고, 그 대표적인 예로 MDCT (multidetector CT)를 이용한 심장영상에 대해 소개했다. 심장에서의 4D영상의 정의는 일련의 연속적인 영상에서, 정적영상과 심장의 주기영상으로 발전했다.
MDCT 촬영시 방사선 피폭 감소 노력해야
최근에는 3D 영상을 동영상으로 만들어 심장의 공간적인 정보를 심장의 주기에 따른 일련의 시간적 정보와 움직임의 관계를 보여주는 것으로 발전했고, 이러한 4D 정보는 해부학적, 기능적 영상정보를 보여주는데 사용된다.
영상획득은 현재 ECG-gating방법이 있으며, 후향적 동조화를 이용해 gated reconstruction algorithm을 사용해 영상을 시간에 따라 재구성하게 된다.
심장의 영상을 정확하게 얻기 위해 공간상의 체적소의 크기가 3개의 방향으로 모두 같아야 하며 (isovoxel), 최근의 64-detector CT의 개발로 약 0.33~0.4mm 크기의 isovoxel이 실현 되어 작은 해부학적 구조의 정확한 촬영이 가능하게 되었다.
또한 움직이는 심장을 왜곡 없이 촬영하기 위해서는 영상획득의 시간적 해상도가 약 60 msec여야 한다. 그러나 이 조건을 만족시키는 MDCT는 아직 개발되지 않고 있어서, cardiac MDCT 촬영 시 심장의 박동수를 줄이는 방법을 사용하며. 이 방법은 고화질의 영상 획득을 위한 시간 고해상도를 가능하게 한다.
MDCT의 사용은 환자에게 일반 CT보다는 약 3배정도 큰 방사선 피폭을 야기하므로, cardiac MDCT의 이점뿐만 아니라 이에 수반되는 방사선 피폭감소를 위한 노력도 병행되어야 할 것이라고 지적했다.
주기 없는 CT개발 기대
임상적용에서 MDCT로 얻어진 4D 데이터 영상의 적절한 평가를 가능하게 하는 4D viewer의 성능으로 빠른 영상의 재구성 능력과, 정지 회전, 심장주기 선택, 자동 reformat, MPR (multiplaner reformation), MIP (Maximun Intensity projection), 자유로운 단면영상으로의 전환 기능이 필요하다.
이를 통해 혈관조형술처럼 가장 최적화된 심장주기에 관상동맥, 관상동, 심장정맥을 관찰 할 수 있게된다[그림].
[그림] Multiphase Images. 수축기(systole)영상에서 관상동맥이 좁아지고 이완기(diastole)에서 다시 정상화 되는 myocardinal brodging을 관찰 할 수있다. (최병욱교수 강의록에서) 
이러한 4D 심장영상의 의학적 의미로는 4D MDCT로 심장의 기능을 평가할 수 있으며, 조영증가 관상동맥 촬영을 통해 관상동맥 평가를 동시에 할 수 있다. 심기능의 평가는 심장초음파에 비해 매우 정확하며 재현성이 높다.
또한, 심근관류영상, 관상동예비력 (coronary perfusion reserver)검사, 심근생존력 평가 등이 시도되고 있으나 환자의 방사선 피폭량과 타 검사에 비교한 정확성 등을 고려해보면 실제 환자적용에는 한계가 있는 것으로 평가했다.
그러나 4D MDCT를 사용하는 경험이 쌓이면 심근허혈, 심근경색, 부정맥 등을 평가 할 수 있을 것이며 현재 개발되고 있는 256 detector MDCT와 flat-panel CT는 주기가 없거나 불규칙하게 움직이는 대상에 대한 다 주기 영상자료를 얻게 해 줄 것으로 전망했다.
규칙적 호흡 4차원영상 정확성 높여
호흡추적 방사선 치료 방사선양 감소시켜
현재 방사선 치료 분야에서는 4D-PET/CT와 유사한 원리로 움직임을 보정하여 CT 영상을 획득하고, 이에 맞추어 치료를 하는 4-dimensional treatment가 시행되고 있다.
이에 대해 한림의대 조병철 교수는 호흡을 고려한 치료법인 4차원 영상 및 치료계획의 강연을 통해 4차원 방사선 치료에서 영상획득과정과 그를 이용한 치료계획과정이 어떻게 수행될 수 있는가 설명하고, 향후 발전방향에 대하여 논의했다.
3차원과 비슷한 양으로 치료가능
현재 개발된 4D CT는 촬영과 동시에 호흡주기 정보를 동시에 얻어, 약 10개정도로 세분화된 호흡위상에 따라 CT영상세트를 획득하고 이를 방사선 치료계획에 사용한다.
실제적으로 10개 세트의 CT 데이터에서 치료의 표적이나 관심장기를 표시하기 위해서는 이과정의 자동화가 필요하며, 이를 위해서는 deformable image registration방법이 하나의 해결책으로 제시되었다.
이 방법은 호흡주기의 특정 위상에서 3D CT 영상을 다른 호흡위상에서의 CT영상과의 공간상의 변위를 구해준다.
이렇게 각 호흡위상간의 공간적 변위를 알게 되면 다중 호흡영상에서 종양 및 장기의 외곽선, 치료계획 그리고 선량평가의 과정이 자동화 될 수 있으며, 일반 3차원 치료와 비슷한 업무량으로 4차원 치료계획을 수행할 수 있다.
규칙적인 호흡운동 필요
치료를 위한 방사선 빔 설정단계에서 치료시에 호흡추적 방사선치료 또는 모든 호흡주기에서 선정하여 결합한 치료목표 치료를 결정하게 된다.
전자의 경우에는 전 호흡주기 중 선택한 구간에서의 영상정보를 근거로 목표종양과 관심장기, 그리고 그에 따르는 조사면을 결정하게 된다.
치료시에도 같은 호흡구간에서만 방사선을 조사하게 된다. 이러한 호흡추적 방사선 치료로 같은 방사선 양을 목표종양에 전달하면서 주위의 정상장기에는 전달되는 방사선양을 감소시킬 수 있다 [그림].
[그림] 호흡 비보정시(가는 실선) 와 호흡주기 중 50%구간에 대해서만 호흡추적 방사선 치료시(점선) 관심장기에서의 방사선량-부피 관계도 (Dose Volume Histogram) (조병철교수 강의록 중에서) 
그러나 제한점으로 정확한 4D CT영상획득과 치료를 위해서는 규칙적인 호흡운동이 요구되는 것으로 나타났다.
앞으로 4D CT를 사용한 치료계획과정에 대한 많은 연구와 발전 필요성 그리고 정확한 호흡운동의 보정을 고려한 4차원 치료계획이 가능해 질 때 정상조직 손상률을 고려하여 처방선량의 변화도 필요함이 제기되었다.