Evaluation of Real-time Measurement Liver Tumor's Movement and System's Accuracy of Radiosurgery using a Robot CyberKnife

Purpose: This study aimed to quantitatively measure the movement of tumors in real-time and evaluate the treatment accuracy, during the treatment of a liver tumor patient, who underwent radiosurgery with a Synchrony Respiratory motion tracking system of a robot CyberKnife. Materials and Methods: The study subjects included 24 liver tumor patients who underwent CyberKnife treatment, which included 64 times of treatment with the Synchrony Respiratory motion tracking system ($Synchrony^{TM}$). The treatment involved inserting 4 to 6 acupuncture needles into the vicinity of the liver tumor in all the patients using ultrasonography as a guide. A treatment plan was set up using the CT images for treatment planning uses. The position of the acupuncture needle was identified for every treatment time by Digitally Reconstructed Radiography (DRR) prepared at the time of treatment planning and X-ray images photographed in real-time. Subsequent results were stored through a Motion Tracking System (MTS) using the Mtsmain.log treatment file. In this way, movement of the tumor was measured. Besides, the accuracy of radiosurgery using CyberKnife was evaluated by the correlation errors between the real-time positions of the acupuncture needles and the predicted coordinates. Results: The maximum and the average translational movement of the liver tumor were measured 23.5 mm and $13.9{\pm}5.5\;mm$, respectively from the superior to the inferior direction, 3.9 mm and $1.9{\pm}0.9mm$, respectively from left to right, and 8.3 mm and $4.9{\pm}1.9\;mm$, respectively from the anterior to the posterior direction. The maximum and the average rotational movement of the liver tumor were measured to be $3.3^{\circ}$ and $2.6{\pm}1.3^{\circ}$, respectively for X (Left-Right) axis rotation, $4.8^{\circ}$ and $2.3{\pm}1.0^{\circ}$, respectively for Y (Crania-Caudal) axis rotation, $3.9^{\circ}$ and $2.8{\pm}1.1^{\circ}$, respectively for Z (Anterior-Posterior) axis rotation. In addition, the average correlation error, which represents the treatment's accuracy was $1.1{\pm}0.7\;mm$. Conclusion: In this study real-time movement of a liver tumor during the radiosurgery could be verified quantitatively and the accuracy of the radiosurgery with the Synchrony Respiratory motion tracking system of robot could be evaluated. On this basis, the decision of treatment volume in radiosurgery or conventional radiotherapy and useful information on the movement of liver tumor are supposed to be provided.

로봇사이버나이프를 이용한 간 종양의 실시간 움직임 측정과 방사선수술 시 호흡추적장치의 정확성 평가

목 적: 본 연구에서는 로봇 사이버나이프의 호흡추적장치($Synchrony^{TM}$ Respiratory motion tracking system)을 이용하여 방사선수술을 시행한 간 종양환자를 대상으로 치료 중 실시간 종양의 움직임을 정량적으로 측정하고 방사선 수술시 호흡추적장치의 정확성을 평가하고자 한다. 대상 및 방법: 사이버나이프 치료를 시행한 간 종양 환자 24명을 대상으로 호흡추적 장치를 이용하여 총 64회의 시술을 시행하였다. 모든 환자에서 초음파를 이용하여 간 종양 근처에 $4{\sim}6$개의 금침을 삽입하였고 치료계획용 컴퓨터 단층촬영 영상을 이용하여 치료계획을 세웠다. 매 치료 시 금침의 위치는 치료계획 시 만들어진 디지털 재구성 방사선 영상(Digitally Reconstructed Radiography; DRR)과 실시간으로 촬영되어진 방사선영상(X-ray image)으로 확인하고, 이 결과를 MTS (Motion Tracking System)을 통해 Mtsmain.log 치료파일 형식으로 저장하여 종양의 움직임을 측정하였다 또한 사이버나이프를 이용한 방사선 수술 시 호흡추적장치의 정확성은 실시간 금침의 위치와 미리 예측된 좌표 사이의 상관관계 오차(Correlation Error)로 평가하였다. 결 과: 간 종양의 직선형태 움직임은 SI (Superior-Inferior)방향으로 최대 23.5 mm, 평균 $13.9{\pm}5.5\;mm$, LR (Left-Right)방향으로 최대 3.9 mm, 평균 $1.9{\pm}0.9\;mm$, AP (Anterior-Posterior)방향으로 최대 8.3 mm, 평균 $4.9{\pm}1.9\;mm$였으며 간 종양의 회전 운동 정도는 X (Left-Right)축 회전은 최대 $3.3^{\circ}$, 평균 $2.6{\pm}1.3^{\circ}$, Y (Cranio-Caudal)축회전은 최대 $4.8^{\circ}$, 평균 $2.3{\pm}1.0^{\circ}$, Z (Anterior-Posterior)축 회전은 최대 $3.9^{\circ}$, 평균 $2.8{\pm}1.1^{\circ}$로 측정되었다. 또한 치료의 정확성을 평가하는 상관관계 오차는 평균 $1.1{\pm}0.7\;mm$였다. 결 론: 본 연구에서 방사선 수술 중 간 종양의 실시간 움직임을 정량적으로 확인할 수 있었고 로봇 사이버나이프의 호흡추적 장치를 이용한 방사선 수술의 정확성을 평가할 수 있었다 이를 토대로 간 종양의 방사선 수술이나 일반적인 방사선치료에 있어서 치료용적의 결정과 움직임에 대한 유용한 정보를 제공할 것이라 생각된다.