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네이처 바이오테크놀로지(2023)이 기사 인용

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이온화 방사선 음향 영상(iRAI)을 사용하면 방사선 치료 중 방사선과 조직의 상호 작용을 온라인으로 모니터링하여 암 치료에 대한 실시간 적응형 피드백을 제공할 수 있습니다. 우리는 복잡한 임상 방사선 치료에서 3차원(3D) 방사선량 분포를 매핑할 수 있는 iRAI 체적 이미징 시스템을 설명합니다. 이 방법은 2차원 매트릭스 어레이 변환기와 일치하는 다중 채널 프리앰프 보드를 사용합니다. 시간적 3D 선량 축적 이미징의 타당성은 조직 모방 팬텀에서 처음 검증되었습니다. 다음으로, 반정량적 iRAI 상대 선량 측정이 토끼 모델의 생체 내에서 검증되었습니다. 마지막으로 간 전이 환자에게 전달된 3D 방사선량의 실시간 시각화가 임상 선형 가속기를 사용하여 달성되었습니다. 이러한 연구는 iRAI가 치료 중 3D 방사선량 축적을 모니터링하고 정량화하여 실시간 적응형 치료를 사용하여 방사선 치료 효능을 잠재적으로 향상시킬 수 있는 가능성을 보여줍니다.

방사선 요법(RT)은 암 환자의 결과를 개선하고 관련 증상을 완화시키는 것으로 나타났습니다1. 성공적인 RT는 주변 정상 조직을 보호하면서 종양에 의도된 충분한 방사선량을 전달하는 데 달려 있습니다2. 원하는 치료 비율, 즉 독성을 최소화하면서 종양 제어를 최대화하려면 계획된 방사선량이 정확하게 전달되어야 합니다3,4.

RT의 효율성을 향상시키기 위해 지난 수십 년 동안 고급 이미지 유도 전달 기술이 제안 및 개발되었습니다5,6. 강도 변조 RT 및 체적 변조 아크 RT와 같은 기술은 3차원(3D) 컨포멀 RT7,8과 관련된 제한 사항 중 일부를 상쇄할 수 있습니다. 그러나 움직이는 병변을 표적으로 삼는 것은 여전히 ​​어려운 일입니다. 여러 연구에서는 계획된 RT와 전달된 RT 사이의 불일치와 종양 제어에 미치는 영향을 강조했습니다9. 이러한 차이는 설정 오류, 장기 운동, 해부학적 변형10,11으로 인해 악화되며10,11, 이는 치료 과정에서 표적 또는 인접한 정상 조직에 전달되는 의도된 선량을 크게 변경할 수 있습니다12,13,14. 현재 계획 목표 용적(PTV)을 생성하는 일반적인 관행은 설정 불확실성과 장기 변형15을 허용하기 위해 공간적 여유를 두고 임상 대상 용적을 확장하는 것입니다. 더욱이, 많은 질병에서 선량 증가는 인접한 정상 조직의 방사선 민감성에 의해 제한됩니다16,17. 간암 환자의 경우, 이전 연구에서 장기 운동 여유를 줄이면 유효 치료량을 최대 5%까지 줄일 수 있어(합병증 위험도 4.5% 감소) 방사선량을 늘릴 수 있는 것으로 나타났습니다. 6-8 Gy로 인해 종양 제어가 약 6-7% 향상되었습니다(참조 18).

표적 및 정상 조직 운동의 문제를 완화하려면 종양 위치를 모니터링하고 치료 중 전달된 선량을 매핑할 수 있는 기술이 필요합니다. Fiducials19 또는 폐활량 측정을 사용한 능동 호흡 정지와 같은 동작 대체 장치가 때때로 호흡 게이팅20에 사용됩니다. 또한 전자 포털 영상 장치23,24, 킬로볼트 형광투시 영상 및 킬로볼트 또는 메가볼트 콘빔 컴퓨터 단층촬영(CT)(CBCT) 영상을 비롯한 여러 온보드 영상 유도 RT(IGRT)21,22 기술이 사용되었습니다. 그러나 이러한 기술 중 어느 것도 3D 선량 증착에 대한 실시간 정보를 제공할 수 없습니다. 미묘한 오류 원인과 사용자 간 가변성에 취약한 초음파 이미징25 및 표면 카메라 기반 시스템과 같은 보다 안전한 비이온화 기술도 연구되었습니다. 실시간 영상으로 조직 식별을 보다 잘 해결하기 위해 CT 선형 가속기(LINAC), 자기 공명 영상(MRI) LINAC 및 양전자 방출 단층 촬영(LINAC)과 같은 통합 기술이 임상 용도로 도입되었지만26 CT, MRI 또는 양전자 방출 단층촬영은 X선 방사선 빔의 위치나 정상 조직이나 표적의 선량 침착을 모니터링할 수 없습니다. 현재 전달된 선량 피드백 모니터링을 통한 영상 안내는 본질적으로 제한되어 있습니다27. 반면, 임상선량 측정을 위한 다양한 장치(예: 다이오드, 열/광 자극 선량계, 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터, 플라스틱 신틸레이터, 전자 포털 영상 장치, 젤 및 필름)가 있습니다. 그러나 이러한 장치는 대부분 환자 외부 표면의 점 측정으로 제한되며 부피 측정이 아니고 실시간이 아니며 일부는 선량률 또는 에너지 의존적입니다28. 차세대 검출기는 생체 내에서 사용할 수 있지만 필요한 자세한 해부학적 정보를 제공하지 않습니다29,30,31. 따라서 피드백 지침을 위해 RT 동안 체적, 실시간, 생체 내 선량 전달 모니터링이 가능한 보다 효과적인 영상 기술에 대한 임상적 요구가 오랫동안 지속되어 왔습니다.