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      표면유도방사선치료 시 광학표면영상을 활용한 머리 회전교정장치의 유용성 = Usefulness of a Head Rotational Correction Device Utilizing Optical Surface Imaging in Surface Guided Radiation Therapy

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      https://www.riss.kr/link?id=T16926567

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      국문 초록 (Abstract) kakao i 다국어 번역

      본 연구의 목적은 토모테라피 수행 시 위치설정(set–up) 오차를 최소화하고, 오차 교정 과정의 시간과 횟수를 단축하여 효율적인 방사선치료가 가능하게 하기 위함이다. 본 연구를 위해 광학표면영상(optical surface imaging: OSI)에서 제공하는 위치설정 오차 정보를 이용해 피치(Pitch)와 요(Yaw) 위치설정 오차를 교정하는 회전교정장치(rotational correction device: RCD)를 자체 제작했다. 메가볼트 전산화단층촬영(mega–voltage computed tomography: MVCT)과 OSI의 위치설정 오차 값 일치성 검증은 QUASAR 팬텀을 무작위로 조정하며 각 시스템의 오차를 측정하였다. MVCT와 RCD 시스템의 위치설정 오차에 대해 교정의 정확성과 시간 유용성 분석을 위해 머리 모형 팬텀을 사용하여 오차가 ±1 mm 및 ±0.5° 미만이 될 때까지 교정하고, MVCT 교정횟수, 최종 오차 값, 위치설정에 필요한 평균 소요시간을 측정하였다. 선량 검증은 총 3개의 임상표적체적(clinical target volume: CTV)를 설정하고 선량부피그림표(dose–volume histogram: DVH)를 이용하여 D99% (radiation doses received by 99% volume of the CTV)의 차이를 분석했다. 본 연구의 결과로 첫 번째, MVCT와 OSI의 오차 값 일치성 평가에서 ∆MVCT-OSI 값은 축(X, Y, Z) 방향에서 각각 0.37 ± 0.28 mm, -0.44 ± 0.28 mm, 0.64 ± 0.16 mm이며, 회전 방향(Roll, Pitch, Yaw)은 - 0.19 ± 0.03°, 0.31 ± 0.15°, 0.17 ± 0.05°였다(p>0.05). 두 번째, MVCT와 RCD 시스템의 유용성 분석을 실험에서 MVCT 평균 촬영횟수는 각각 3.6회와 1.3회였다. MVCT와 RCD 시스템에서 얻은 최종 결과 값에 대한 축 방향에 대한 벡터 값(MAGtrans)은 각각 0.84 ± 0.28 mm, 0.65 ± 0.25 mm로 통계적 차이는 없었다(p>0.05). 회전 방향에 대한 벡터 값(MAGrot)은 MVCT와 RCD 시스템에서 각각 평균 0.49 ± 0.14°와 0.24 ± 0.16°로 통계적으로 유의미한 차이가 있었다(p=0.001). MVCT와 RCD 시스템의 위치설정에 소요된 시간은 각각 평균 19분 37초와 7분 48초였다(p<0.001). 마지막으로 선량 검증에서 Yaw 위치설정 오차(3°)를 적용한 경우, CTV1, CTV2 및 CTV3의 D99%는 기준 치료계획 대비 각각 0.12%, 3.88%, 3.44%로 감소했다. RCD로 위치설정을 교정한 경우, CTV1, CTV2의 D99%는 각각 0.44%, 0.56%로 감소했고, CTV3의 선량분포는 기준 치료계획과 동일했다. 본 연구는 토모테라피에서 Pitch와 Yaw방향의 위치설정 오차를 교정하는 RCD를 개발함으로써 IGRT에 소요되는 시간과 횟수를 줄이는 효율적인 방안을 제시하였다. 특히 머리부위의 다중표적 종양의 치료 시 회전 방향 위치설정 오차에 대한 정확도를 향상할 수 있었다. 본 연구는 환자의 위치와 자세의 정확도가 중요한 방사선치료에 있어서 정밀한 치료를 제공하는데 기여할 것이다.
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      본 연구의 목적은 토모테라피 수행 시 위치설정(set–up) 오차를 최소화하고, 오차 교정 과정의 시간과 횟수를 단축하여 효율적인 방사선치료가 가능하게 하기 위함이다. 본 연구를 위해 광학...

      본 연구의 목적은 토모테라피 수행 시 위치설정(set–up) 오차를 최소화하고, 오차 교정 과정의 시간과 횟수를 단축하여 효율적인 방사선치료가 가능하게 하기 위함이다. 본 연구를 위해 광학표면영상(optical surface imaging: OSI)에서 제공하는 위치설정 오차 정보를 이용해 피치(Pitch)와 요(Yaw) 위치설정 오차를 교정하는 회전교정장치(rotational correction device: RCD)를 자체 제작했다. 메가볼트 전산화단층촬영(mega–voltage computed tomography: MVCT)과 OSI의 위치설정 오차 값 일치성 검증은 QUASAR 팬텀을 무작위로 조정하며 각 시스템의 오차를 측정하였다. MVCT와 RCD 시스템의 위치설정 오차에 대해 교정의 정확성과 시간 유용성 분석을 위해 머리 모형 팬텀을 사용하여 오차가 ±1 mm 및 ±0.5° 미만이 될 때까지 교정하고, MVCT 교정횟수, 최종 오차 값, 위치설정에 필요한 평균 소요시간을 측정하였다. 선량 검증은 총 3개의 임상표적체적(clinical target volume: CTV)를 설정하고 선량부피그림표(dose–volume histogram: DVH)를 이용하여 D99% (radiation doses received by 99% volume of the CTV)의 차이를 분석했다. 본 연구의 결과로 첫 번째, MVCT와 OSI의 오차 값 일치성 평가에서 ∆MVCT-OSI 값은 축(X, Y, Z) 방향에서 각각 0.37 ± 0.28 mm, -0.44 ± 0.28 mm, 0.64 ± 0.16 mm이며, 회전 방향(Roll, Pitch, Yaw)은 - 0.19 ± 0.03°, 0.31 ± 0.15°, 0.17 ± 0.05°였다(p>0.05). 두 번째, MVCT와 RCD 시스템의 유용성 분석을 실험에서 MVCT 평균 촬영횟수는 각각 3.6회와 1.3회였다. MVCT와 RCD 시스템에서 얻은 최종 결과 값에 대한 축 방향에 대한 벡터 값(MAGtrans)은 각각 0.84 ± 0.28 mm, 0.65 ± 0.25 mm로 통계적 차이는 없었다(p>0.05). 회전 방향에 대한 벡터 값(MAGrot)은 MVCT와 RCD 시스템에서 각각 평균 0.49 ± 0.14°와 0.24 ± 0.16°로 통계적으로 유의미한 차이가 있었다(p=0.001). MVCT와 RCD 시스템의 위치설정에 소요된 시간은 각각 평균 19분 37초와 7분 48초였다(p<0.001). 마지막으로 선량 검증에서 Yaw 위치설정 오차(3°)를 적용한 경우, CTV1, CTV2 및 CTV3의 D99%는 기준 치료계획 대비 각각 0.12%, 3.88%, 3.44%로 감소했다. RCD로 위치설정을 교정한 경우, CTV1, CTV2의 D99%는 각각 0.44%, 0.56%로 감소했고, CTV3의 선량분포는 기준 치료계획과 동일했다. 본 연구는 토모테라피에서 Pitch와 Yaw방향의 위치설정 오차를 교정하는 RCD를 개발함으로써 IGRT에 소요되는 시간과 횟수를 줄이는 효율적인 방안을 제시하였다. 특히 머리부위의 다중표적 종양의 치료 시 회전 방향 위치설정 오차에 대한 정확도를 향상할 수 있었다. 본 연구는 환자의 위치와 자세의 정확도가 중요한 방사선치료에 있어서 정밀한 치료를 제공하는데 기여할 것이다.

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      목차 (Table of Contents)

      • 국 문 초 록 - ⅰ
      • 목차 - ⅲ
      • List of tables - ⅴ
      • List of figures - ⅵ
      • Ⅰ. 서 론 - 1
      • 국 문 초 록 - ⅰ
      • 목차 - ⅲ
      • List of tables - ⅴ
      • List of figures - ⅵ
      • Ⅰ. 서 론 - 1
      • Ⅱ. 이론적 배경 - 6
      • 1. 표면유도방사선치료 - 6
      • 2. 토모테라피의 메가볼트 전산화단층촬영 - 8
      • 3. 축 방향과 회전 방향의 오차 교정 - 9
      • Ⅲ. 대상 및 방법 - 11
      • 1. 회전교정장치 - 11
      • 2. MVCT와 OSI 오차 값 일치성 - 13
      • 3. MVCT와 RCD 시스템 유용성 - 15
      • 1) 치료계획 설계 - 15
      • 2) 위치설정 교정 및 시간 유용성 - 17
      • 4. 치료계획 설계 및 평가 - 22
      • Ⅲ. 결 과 - 24
      • 1. MVCT와 OSI 오차 값 일치성 - 24
      • 2. MVCT와 RCD 시스템 유용성 - 26
      • 1) 위치설정 교정 유용성 - 26
      • 2) 위치설정 시간 유용성 - 30
      • 3. 치료계획 검증 - 33
      • Ⅳ. 고 찰 - 38
      • Ⅴ. 결 론 - 49
      • 참고문헌 - 51
      • ABSTRACT - 60
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      참고문헌 (Reference)

      1. Innovations in Image–Guided Radiotherapy, Verellen D, Linthout N, Ridder M De, Storme G., Soete G, Tournel K, 7(12):949–60, , 2007

      2. Compare to evaluate the image dose of MVCT and CBCT, Song KW, Ahn JH, Hong ML, Yoon BR, 26(1):83–9, , 2014

      3. Recent advanced in Surface Guided Radiation Therapy, Freislederer P, Sauer TO, Öllers M, Bert C,, Swinnen A, Kügele M, 15(1):187, , 2020

      4. Patient Dose from Megavoltage Computed Tomography Imaging, Kupelian PA, Cox A, Langen KM, Ruchala KJ, Meeks SL, Shah AP, 70(5):1579–87, , 2008

      5. Neurocognitive Effects Following Cranial Irradiation for Brain Metastases, Pinkham MB, Dawson BD, Wall GK, Whitfield GA., Sanghera P, 27(11):630–9, , 2015

      6. Analysis of Couch Sag Using Image Processing of MVCT Images in Tomotherapy, Kim WT, Park D, Kim YH, Kim DHet al, Park HR, Ki YK, 26(2):106–11, , 2015

      7. Tomotherapy: A new concept for the delivery of dynamic conformal radiotherapy, Deasy JO, Yang J, Reckwerdt P, Mackie TR, Swerdloff S, Holmes T, 20(6):1709–19, , 1993

      8. Surface guided radiotherapy (SGRT) improves breast cancer patient setup accuracy, Nørring Bekke S, Alkner S, Kügele M, Mahmood F,, Mannerberg A, Berg L, 20(9):61–8, , 2019

      9. Time Dependence of Intrafraction Patient Motion Assessed by Repeat Stereoscopic Imaging, Nuyttens JJ, Levendag PC, Hoogeman MS, Heijmen BJM, 70(2):609–18, , 2008

      10. Minimal mask immobilization with optical surface guidance for head and neck radiotherapy, Maquilan G, Schwartz DL, Jiang S, Zhao B, 19(1):17–24, , 2018

      1. Innovations in Image–Guided Radiotherapy, Verellen D, Linthout N, Ridder M De, Storme G., Soete G, Tournel K, 7(12):949–60, , 2007

      2. Compare to evaluate the image dose of MVCT and CBCT, Song KW, Ahn JH, Hong ML, Yoon BR, 26(1):83–9, , 2014

      3. Recent advanced in Surface Guided Radiation Therapy, Freislederer P, Sauer TO, Öllers M, Bert C,, Swinnen A, Kügele M, 15(1):187, , 2020

      4. Patient Dose from Megavoltage Computed Tomography Imaging, Kupelian PA, Cox A, Langen KM, Ruchala KJ, Meeks SL, Shah AP, 70(5):1579–87, , 2008

      5. Neurocognitive Effects Following Cranial Irradiation for Brain Metastases, Pinkham MB, Dawson BD, Wall GK, Whitfield GA., Sanghera P, 27(11):630–9, , 2015

      6. Analysis of Couch Sag Using Image Processing of MVCT Images in Tomotherapy, Kim WT, Park D, Kim YH, Kim DHet al, Park HR, Ki YK, 26(2):106–11, , 2015

      7. Tomotherapy: A new concept for the delivery of dynamic conformal radiotherapy, Deasy JO, Yang J, Reckwerdt P, Mackie TR, Swerdloff S, Holmes T, 20(6):1709–19, , 1993

      8. Surface guided radiotherapy (SGRT) improves breast cancer patient setup accuracy, Nørring Bekke S, Alkner S, Kügele M, Mahmood F,, Mannerberg A, Berg L, 20(9):61–8, , 2019

      9. Time Dependence of Intrafraction Patient Motion Assessed by Repeat Stereoscopic Imaging, Nuyttens JJ, Levendag PC, Hoogeman MS, Heijmen BJM, 70(2):609–18, , 2008

      10. Minimal mask immobilization with optical surface guidance for head and neck radiotherapy, Maquilan G, Schwartz DL, Jiang S, Zhao B, 19(1):17–24, , 2018

      11. TH–A–9A–11: Single–Isocenter Multiple–Target SRS: Risk of Compromised Coverage, Chanyavanich V, Switchenko J, Dhabaan A., Betzel G, Roper J, 41(6Part32):545–545, , 2014

      12. Single–Isocenter Multiple–Target Stereotactic Radiosurgery: Risk of Compromised Coverage, Chanyavanich V, Roper J, Betzel G, Dhabaan A., Switchenko J, 93(3):540–6, , 2015

      13. Assessment of patient setup errors in IGRT in combination with a six degrees of freedom couch, Schmidhalter D, Pica A, Schmuecking M, Born EJ, Aebersold DM,, Malthaner M, 24(2):112–22, , 2014

      14. Extra Dose Measurement of Differential Slice Thickness of MVCT Image with Helical Tomotherapy, Kang SM, Lee BK, 7(2):145–9, , 2013

      15. The effect of setup uncertainty on normal tissue sparing with IMRT for head–and–neckcancer, Wu Q, Mohan R, Lauve AD, Manning MA, Cardinale RM, Kavanagh BD, 51(5):1400–9, , 2001

      16. Commissioning of optical surface imaging systems for cranial frameless stereotactic radiosurgery, Li X,, Huang S, Li T, Vijayan S, Zhang L, Song Y, 22(5):182–90, , 2021

      17. Clinical Evaluation of a Robotic 6–degree of Freedom Treatment Couch for Frameless Radiosurgery, Verellen D, Heuninckx K, Gevaert T, Tournel K, Depuydt T, Engels B, 83(1):467–74, , 2012

      18. Evaluation of setup and intrafraction motion for surface guided whole‐breast cancer radiotherapy, Damkjær S, Saini A, Hattel SH, Thomsen JB, Wahlstedt IH, Andersen PA, 20(6):39, , 2019

      19. Image Guided Radiation Therapy (IGRT) Technologies for Radiation Therapy Localization and Delivery, Agazaryan N, Popple R, De Los Santos J, Bissonnette JP, Bucci MK, Bayouth JE, 87(1):33–45, , 2013

      20. Dosimetric consequences of rotational errors in radiation therapy of pediatric brain tumor patients, Pegram A, Merchant TE, Beltran C, 102(2):206–9, , 2012

      21. Quantifying the impact of optical surface guidance in the treatment of cancers of the head and neck, Wei W, Sehgal V, Ioannides PJ, Daroui P., 21(6):73–82, , 2020

      22. Dosimetric consequences of translational and rotational errors in frameless image guided radiosurgery, Flentje M., Sweeney RA, Roesch J, Guckenberger M, Baier K, 7(1):1–8, , 2012

      23. Accuracy of surface–guided patient setup for conventional radiotherapy of brain and nasopharynx cancer, Cervino Arriba LI, Aristophanous M, Lee SK, Huang S, Zhang L, Ballangrud AM, 22(5):48–57, , 2021

      24. Evaluation of the RUBY modular QA phantom for planar and non–coplanar VMAT and stereotactic radiations, Kretschmer J, Poppinga D, Poppe B, Brodbek L, Meyners J, Looe HK, 21(10):69–79, , 2020

      25. Accuracy evaluation of the optical surface monitoring system on EDGE linear accelerator in a phantom study, Mancosu P, Tomatis S, Stravato A, Cozzi L, Scorsetti M., Fogliata A, 41(2):173–9, , 2016

      26. Radiotherapy–Compatible Robotic System for Multi–Landmark Positioning in Head and Neck Cancer Treatments, Kim S, Kim YS, Yeo WH, Wang S, Ostyn M, 9(1):1–9, , 2019

      27. Role of radiotherapy in the management of brain metastases of NSCLC –Decision criteria in clinical routine, Glatzer M, Troost EGC, Faivre–Finn C, De Ruysscher D, Van Houtte P, Widder J, 154:269–73, , 2021

      28. Dosimetric Effects of Rotational Setup Error in Volumetric Modulated Arc Radiotherapy on Brain Tumor Patients, Cho JH, Park HK, Kim S., 16(2):171–8, , 2019

      29. Optical Surface Scanning for Patient Positioning in Radiation Therapy: A Prospective Analysis of 1902 Fractions, Reiner M,, Freislederer P, Schönecker S, Carl G, Pazos M, Reitz D, 17, , 2018

      30. Quality assurance for nonradiographic radiotherapy localization and positioning systems: Report of Task Group 147, Lehmann J, Jani SK, Sethi A, Santanam L, Willoughby T, Bencomo JA, 39(4):1728–47, , 2012

      31. Frameless immobilization system with roll correction for stereotactic radiosurgery of intracranial brain metastases, Park SY, Jang NY, Choi N, 62(6):1015–21, , 2021

      32. Brain Linac–Based Radiation Therapy Test Drive of New Immobilization Solution and Surface Guided Radiation Therapy, Surgo A, Bonaparte I, Gregucci F, Ciliberti MP, Carbonara R, Caliandro M, 11(12):1351, , 2021

      33. Optical surface guidance for submillimeter monitoring of patient position during frameless stereotactic radiotherapy, Covington EL, Wu X, Riley K, Fiveash JB, Willey CD, Brezovich I, 20(6):91–8, , 2019

      34. The utility of Megavoltage Computed Tomography Images from a Helical Tomotherapy System for Setup Verification Purposes, Mackie TR, Turek M, Ruchala K, KapatoesJ, Jaradat H, Forrest LJ, 60(5):1639–44, , 2004

      35. Development of a Rotational Set–up Correction Device for Stereotactic Head Radiation Therapy: A Performance Evaluation, Hara N, Sajiki O, Isobe A, Usui K, Ogawa K,, Muroi T, 20(6):206–12, , 2019

      36. Six degrees of freedom CBCT–based positioning for intracranial targets treated with frameless stereotactic radiosurgery, Dhabaan A, Siddiqi A, Schreibmann E, Fox T, Elder E, Ogunleye T,, 13(6):215–25, , 2012

      37. The potential of an optical surface tracking system in non–coplanar single isocenter treatments of multiple brain metastases, Swinnen ACC, Loon Ong C, Öllers MC, Verhaegen F., 21(6):63–72, , 2020

      38. Surface–guided tomotherapy improves positioning and reduces treatment time: A retrospective analysis of 16835 treatment fractions, Ceberg C, Bäck S, Engström PE, Ceberg S, Haraldsson A, Engelholm S, 21(8):139–48, , 2020

      39. Fast intra–fractional image–guidance with 6D positioning correction reduces delivery uncertainty for stereotactic radiosurgery and radiotherapy, Af Rosenschold PM, Tarnavski N, Engelholm SA, 4(1):15–20, , 2016

      40. Dosimetric impact of rotational errors on the quality of VMAT–SRS for multiple brain metastases: Comparison between single–and two–isocenter treatment planning techniques, Pappas EP, Logothetis A, Koutsouveli E, Prentou G, Pantelis E, Papagiannis P,, 21(3):32–44, , 2020

      41. Use of surface–guided radiation therapy in combination with IGRT for setup and intrafraction motion monitoring during stereotactic body radiation therapy treatments of the lung and abdomen, Bright M, Hampton CJ, Robinson M, Moeller BJ, Heinzerling JH, Ruiz J,, 21(5):48–55, , 2020

      42. Inter–and intrafraction patient positioning uncertainties for intracranial radiotherapy: A study of four frameless, thermoplastic mask–based immobilization strategies using daily cone–beam CT., Kut C, Ford E, Christian M, Sanguineti G, Tryggestad E, Le Y, 80(1):281–90, , 2011

      43. Robotic real–time translational and rotational head motion correction during frameless stereotactic radiosurgery: Robotic real–time translational and rotational head motion correction during frameless stereotactic radiosurgery, Liu X, Grelewicz Z, Belcher AH, Wiersma RD, 42(6Part1):2757–63, , 2015

      44. Evaluation of the Accuracy of a 3D Surface Imaging System for Patient Setup in Head and Neck Cancer Radiotherapy Are Pitch and Roll Compensations Required in All Pathologies? aData Analysis of 2945 fractions. British Journal of Radiology. 2015;88(1055)., Reggiori G, Wu Q, Paganini L, Palumbo V, Gopan O, Gaudino A, Mancosu P, LobefaloF, 84(2):547–52. 6, , 2012

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