영상 유도 전임상 연구를 위한 소동물 조사기 시스템의 방법론적 구현

요약

본 프로토콜은 영상 유도 전임상 방사선 연구를 위한 두 가지 소동물 조사기 시스템의 방법론적 구현을 설명합니다. 재현 가능하고 임상적으로 유의미한 소동물 실험을 지원하기 위해 시스템 구성, 영상 워크플로우, 치료 계획 절차 및 방사선 조사 전달 시 고려 사항을 기술합니다.

초록

전임상 방사선 생물학 연구는 서로 다른 방사선 조사 특성이 생물학적 반응에 어떠한 영향을 미치는지 이해를 높이고, 다양한 표적 부위에 걸쳐 치료 전략을 최적화하는 데 필수적입니다. 이러한 연구의 정밀도, 재현성 및 중개적 관련성은 임상 방사선 치료 워크플로우를 정확하게 모델링하는 영상 유도 소동물 조사 플랫폼의 적절한 구현에 달려 있습니다. 본 논문은 고정밀 소동물 조사에 널리 사용되는 두 가지 영상 유도 전임상 방사선 치료 시스템의 실제 작동법을 설명합니다. 두 플랫폼 모두 영상 유도를 통한 컨포멀 방사선 조사를 제공하도록 설계되었으나, X선 튜브 사양, SAD(source-to-axis distance), 빔 콜리메이션, 차폐 메커니즘, 기계적 기하 구조 및 치료 계획 소프트웨어를 포함한 주요 공학적 특징에서 차이가 있습니다. 이러한 차이는 시스템 설정, 조사 워크플로우 및 치료 전달에 영향을 미칩니다. 본 프로토콜은 두 플랫폼의 방법론적 고려 사항과 작동 절차를 개괄함으로써, 연구자가 중개적 관련성이 있는 전임상 방사선 실험을 설계, 구현 및 재현하는 데 실질적인 지침을 제공합니다.

서론

암은 전 세계 주요 사망 원인 중 하나입니다¹. 방사선 치료, 수술 및 화학 요법은 암의 주요 치료법입니다². 모든 암 환자의 약 절반이 치료를 위해 방사선 요법이 필요한 것으로 추정됩니다³. 일반적으로 치료 방법의 안전성, 생물학적 기전 및 치료 효능을 평가하기 위해 설계된 동물 모델 기반의 전임상 연구는 새로운 치료 전략의 최종적인 임상 적용을 위한 임상 시험 개발의 토대가 됩니다. 영상 유도 소동물 조사기는 임상 방사선 조사 및 치료 계획에 근접하도록 의도된 기하학적 구조와 워크플로우를 통해 종양 및 위험 장기(OARs)에 대한 정밀한 국소 조사를 가능하게 하므로 전임상 방사선 치료에서 필수적인 도구가 되었습니다^4,5,6. 최근의 리뷰 논문에 따르면⁷, 소동물 영상 유도 방사선 치료에 관한 논문 수는 2007~2010년 연간 10편 미만에서 2020년에는 거의 80편으로 증가했습니다. 물리학 및 생물학 관련 논문들은 선량 측정 및 치료 계획부터 종양 및 정상 조직 반응에 이르는 주제를 다룹니다⁷. 이 프로토콜의 전반적인 목표는 널리 사용되는 두 가지 소동물 조사 플랫폼을 비교하기 위한 물리적 근거 기반의 프레임워크를 제공하여, 재현 가능하고 임상적으로 유의미한 전임상 방사선 연구를 지원하는 정보에 입각한 플랫폼 선택을 돕는 것입니다. 시스템 1은 Small Animal Radiation Research Platform (SARRP)이며, 시스템 2는 Precision Small-Animal Radiation Therapy (SmART+) 플랫폼입니다. 이러한 시스템을 사용하는 이유는 방사선 생물학 연구에서 재현 가능한 타겟팅, 컴퓨터 단층촬영(CT) 기반의 위치 결정^8,9, 그리고 우수한 계획 정밀도를 제공하는 빔 성형의 수요가 증가하고 있으며, 동시에 저분할 조사, 부분 체적 조사 및 장기 보존 전략과 같이 임상적으로 유의미한 패러다임을 가능하게 하기 때문입니다. 방사선 치료에서는 치료 타겟과 OARs에 조사되는 선량 사이의 정밀한 균형을 유지해야 하며, 이를 위해서는 관련된 방사선 생물학적 기전에 대한 포괄적인 이해가 필요합니다^10,11. 방사선에 대한 암 조직 및 건강한 조직의 반응에 대한 이해를 지속적으로 향상시키기 위해서는, 전임상 연구에 소동물 조사기를 사용할 때 선량 전달의 높은 정확도, 재현성 및 정밀도가 필수적입니다.

두 시스템 모두 최대 225 kVp의 킬로볼트 X선 빔으로 작동하지만, 설정 방식( 그림 1 참조)에 핵심적인 차이가 있어 특정 실험에서는 특별한 고려가 필요할 수 있습니다. 시스템 1은 소스-축 간 거리(SAD)가 35 cm이며 스테이지 중심의 콘빔 CT 방식을 사용하므로, 스캔하는 동안 대상체가 회전해야 합니다. 시스템 2는 SAD가 30 cm로 더 짧으며 갠트리 기반의 전달 시스템을 사용하므로, 스캔을 위해 빔이 대상체 주위를 회전해야 합니다. 현재까지 시스템 1은 마우스와 랫트의 조사에 사용되었으며, 시스템 2(이전 버전 포함)는 마우스, 랫트 및 카나리아의 조사에 사용되었습니다^12,13,14. 이 시스템들에서 전체 영상 촬영, 치료 계획 수립 및 치료 전달 프로토콜은 피험체당 약 30분이 소요됩니다. 하지만 따르는 프로토콜에 따라 워크플로우가 단축될 수 있습니다. 예를 들어, 일부 프로토콜에서는 한 배치 내의 모든 동물에 대해 하나의 일반적인 계획을 사용하는 것을 허용하며, 이 경우 치료 계획 단계를 생략하여 전체 실험 시간을 단축할 수 있습니다. 조사기 간의 차이가 선량률, 필드 정의, 기하학적 여유 공간 및 워크플로우 제약에 어떤 영향을 미치는지 이해하면 기술적 및 실험적 요구 사항에 가장 적합한 시스템을 선택하는 기초가 됩니다. 시스템 1과 시스템 2의 주요 물리적 및 운영 사양 요약은 표 1에 제공되어 있습니다.

소동물 조사(irradiation)를 포함하는 전형적인 연구의 전체 워크플로우 요약이 제시되어 있습니다(그림 2 참조). 본 프로토콜은 영상 유도 전임상 방사선 연구를 위한 System 1 및 System 2의 방법론적 구현을 설명합니다. 또한, 재현 가능하고 임상적으로 유의미한 소동물 실험을 지원하기 위한 시스템 구성, 영상 워크플로우, 치료 계획 절차 및 조사 전달 고려 사항에 대해 기술합니다.

프로토콜

모든 동물 실험은 기관동물실험윤리위원회(IACUC)의 승인을 받아 수행되었습니다. 사용된 시약과 장비는 재료 표에 나열되어 있습니다.

1 시스템 1

1. 워밍업 (17.5–72분)
   참고: 설치 및 시운전 중에 기관의 방사선 안전 관리자(RSO)는 캐비닛 외부의 방사선 누설이 1시간당 선량 및 1주일당 선량 임계값 미만인지 확인하기 위해 방사선 조사를 수행해야 합니다. 시스템을 켜기 전에 사용자는 기관 RSO가 제공한 방사선 안전 지침을 따라야 합니다.
   1. 모듈 프로세서(MP1) 키를 0(9시) 위치에 둡니다. System 1 장비에서 녹색 시작(start) 버튼을 누릅니다. 캐비닛 조명과 레이저 노브를 켭니다. MP1 키를 대기(standby, 12시) 위치로 돌립니다.
   2. MP1 데이터로그 컨트롤러에는 장치의 마지막 사용 시점에 따라 810(17.5분) 또는 811(72분)이 표시될 수 있습니다. 워밍업 프로그램이 표시되지 않으면 Set을 선택하고 810을 입력합니다. Enter를 누릅니다.
   3. 0.15 mm 구리 필터(그림 3 참조)를 갠트리 헤드의 필터 슬롯에 삽입합니다. 0.5 mm 콜리메이터를 홀더에 삽입하고 나사를 조여 고정합니다.
   4. MP1 키를 고에너지(high energy, 3시) 위치로 돌립니다. 녹색 X-ray On 버튼을 선택하여 워밍업을 시작합니다.
2. 홈ing 시퀀스 및 검출기 교정 (5분)
   1. Software 1을 엽니다(표 1 참조).
   2. 로터리 스테이지 조정을 요청하는 팝업 창이 나타납니다. Ok를 누르고 스테이지가 원점으로 이동할 때까지 기다립니다.
   3. Software 1에서 “Motors Enabled” 상자가 체크되어 있는지 확인합니다.
   4. “Homing Complete” 메시지가 표시될 때까지 기다립니다.
   5. Imaging 및 Robotics Control 항목의 Gantry demand 상자에 90 을 입력하고 Move를 누릅니다.
   6. System 1 캐비닛 도어를 엽니다. CT 윈도우 커버를 위로 밀고 CT 유닛을 잠길 때까지 앞으로 당깁니다. 모든 카우치(couch)가 플랫폼에서 제거되었는지 확인합니다. 콜리메이터와 홀더를 갠트리 헤드에서 밀어서 제거합니다. 영상 촬영을 위해 1 mm 알루미늄 필터를 삽입합니다.
   7. Software 1의 Technique Presets에서 Mouse CT Imaging을 선택하고 Apply를 누릅니다.
   8. 툴바에서 Detector 및 Detector calibration을 선택하여 교정을 시작합니다.
3. 마우스 대상 콘빔 CT(CBCT) 영상 촬영 (마취 포함 10분)
   1. 승인된 연구 프로토콜에 명시된 대로 마우스를 인클로저에 넣고 마취시킵니다.
   2. 캐비닛 도어를 엽니다. 카우치를 플랫폼 위에 놓고 나사를 조여 고정합니다. 설치된 설치된 설치된 설치된 설치된 설치된 설치된 rodents bed를 카우치 위에 놓고 테이프로 고정합니다. 이소플루란 튜브를 bed 머리 부분에 연결하고 가스를 켭니다.
   3. 실험 프로토콜에 따라 마우스를 복와위(prone) 또는로 앙와위(supine) 자세로 bed 위에 놓습니다.
   4. Software 1의 Imaging and Robotics Control에서 책임 연구자와 연구 항목의 폴더를 선택합니다. CBCT Acquisition을 선택합니다.
   5. 스캔 이름을 지정합니다. 원하는 재구성 프로토콜, 2D 투영 횟수(기본값 360), 카우치 속도(기본값 1.5 deg/s)를 선택합니다. OK를 선택합니다. 소프트웨어 화면의 웹캠을 통해 충돌이 없는지 확인합니다. 충돌이 임박한 것으로 보이면 Stop을 눌러 갠트리를 정지시킵니다.
4. 치료 (10분)
   1. 영상 촬영이 완료되면 Software 2 창을 닫습니다. Software 3을 엽니다. Experiment에서 책임 연구자 폴더를 선택합니다. Scan에서 마우스 번호를 선택하고 Load Reconstruction을 누릅니다.
   2. CBCT가 3개의 패널로 로드됩니다. Adjust Window를 누릅니다. 마우스 왼쪽 버튼을 클릭한 상태로 이미지 위에서 왼쪽 아래로 드래그하여 CT의 윈도우를 조정합니다.
   3. 밀도가 조정되면 마우스 오른쪽 버튼을 사용해 아래로 드래그하여 이미지를 확대합니다. 스크롤 버튼을 누르고 드래그하여 팬(pan)합니다. 이미지 품질을 평가하여 타겟 근처에 아티팩트가 없는지, 타겟이 주변 OAR과 구별되는지 확인합니다. 만족스러우면 Register를 누릅니다.
   4. 기존 계획을 사용하는 경우 Select Reference Plan에서 계획을 찾아 로드한 다음 Create를 누릅니다. 새 계획을 생성하는 경우 Select Reference Plan 필드를 None으로 둡니다.
   5. Define Contours를 선택합니다. Segmentation Thresholds에서 공기, 폐, 지방, 조직 및 뼈에 대한 세그멘테이션 임계값을 조정합니다. Edit Contours에서 관심 대상 각 장기에 대해 Add를 선택하고 Paint 도구를 사용하여 장기의 외곽선을 그립니다. 브러시 직경을 원하는 대로 조정합니다. 장기는 슬라이스별로 컨투어링한 후 보간하거나 스피어 브러시 도구를 사용하여 컨투어링할 수 있습니다.
   6. Treatment Planning을 선택합니다. 기존 계획을 사용하는 경우 각 아이소센터(isocenter)를 타겟 장기의 중심으 로 밀고 세 가지 뷰 모두에서 조정합니다. 새 계획을 생성하는 경우 Targets에서 원하는 각 아이소센터에 대해 녹색 플러스(+) 기호를 누르고 아이소센터를 타겟으로 이동합니다.
   7. 각 타겟에 대해 Dose 필드를 더블 클릭하여 선량을 설정합니다. Beams에서 정적 빔을 추가하려면 B가 있는 녹색 플러스(+) 기호를, 아크(arc)를 추가하려면 A가 있는 녹색 플러스(+) 기호를 누릅니다. 각 빔에 대해 빔 가중치, 콜리메이터 및 갠트리 각도를 설정합니다. 다른 아이소센터에 빔을 추가하려면 Targets에서 해당 isocenter 를 선택하여 보라색으로 강조 표시한 다음 빔을 추가합니다.
   8. Dose에서 원하는 Dose Engine(Superposition Convolution 또는 Monte Carlo)을 선택합니다. Compute Dose를 선택합니다.
   9. Verify를 선택합니다. Compute Isodoses 및 Compute DVH를 선택합니다. 계획과
      ​DVH가 타겟과 OAR에 원하는 선량을 전달하는지 확인합니다(그림 4 참조).
   10. 캐비닛 도어를 엽니다. 알루미늄 필터를 제거하고 구리 필터를 삽입합니다. 콜리메이터를 홀더에 삽입하고 유닛을 갠트리 헤드로 다시 밉니다. CT 윈도우 커버를 아래로 당기고 잠길 때까지 뒤로 밉니다.
   11. Execute 및 Execute Beam을 선택합니다.
   12. Software 1에서 타겟 카우치 및 갠트리 위치가 표시되는 팝업 창이 나타납니다. 충돌을 방지하기 위해 카우치 회전이 0인지 확인하고 OK를 누릅니다. 또 다른 창에 콜리메이터 크기와 필터 유형이 표시됩니다. OK를 누르면 빔이 자동으로 시작됩니다.
   13. Software 1의 웹캠을 통해 충돌이 없는지 확인합니다.
   14. 빔이 여러 개인 경우, 이전 빔의 조사가 완료되면 Execute Beam을 선택하고 단계 1.4.11을 반복합니다.
   15. 캐비닛 도어를 열고 현재 마우스를 bed에서 제거하여 케이지로 돌려보냅니다.
   16. 다음 동물로 진행하려면 단계 1.3 및 1.4를 반복합니다.
5. 치료 후 처리 (3분)
   1. 마지막 동물의 치료가 끝나면 Imaging and Robotics Control 패널에서 갠트리 각도를 90°로 설정하고 다른 모든 모션 필드를 0으로 설정합니다. Move를 선택합니다. 이동이 완료되면 System 1 소프트웨어를 닫습니다. 플랫폼을 원점으로 복귀시키라는 메시지가 나타나면 Yes를 선택합니다.
   2. 캐비닛에서 bed, 콜리메이터 및 필터를 제거합니다. CT 윈도우 커버가 닫혀 있고 보관 위치로 밀려 있는지 확인합니다.
   3. MP1 키를 다시 0(9시) 위치로 돌립니다. System 1의 빨간색 Stop 버튼을 누릅니다.

2 시스템 2

1. 웜업 (35분)
   1. 설치 및 시운전 중에 기관의 방사선 안전 책임자(RSO)는 캐비닛 외부의 방사선 누설이 1시간당 선량 및 1주일당 선량 임계값 미만인지 확인하기 위해 방사선 조사를 수행해야 합니다. 시스템을 켜기 전에 사용자는 기관의 RSO가 제공한 방사선 안전 지침을 따라야 합니다.
   2. 캐비닛 도어를 열고 플랫폼 위에 카우치가 없는지, 갠트리 헤드에 콜리메이터가 고정되어 있지 않은지 확인하십시오.
   3. System 2 장비에서 시스템 전원과 조명 및 레이저 키를 켭니다.
   4. 콘솔 전원 키를 켭니다.
   5. 갠트리 헤드에서 필터 슬롯의 래치를 열고 0.3 mm 구리 또는 2 mm 알루미늄 필터가 딸깍 소리가 날 때까지 삽입합니다 (그림 3 참조).
   6. Software 4와 Webcam을 엽니다.
   7. 기본 X-선(20분)과 마이크로포커스 X-선(15분) 모두에 대해 X-Ray, Not treatment, Begin warmup을 선택합니다.
2. 마우스 Cone-Beam CT 영상 촬영 (마취 포함 10분)
   1. 승인된 연구 프로토콜에 명시된 대로 마우스가 마취될 수 있도록 인클로저에 넣습니다.
   2. 캐비닛 도어를 엽니다. 2 mm 알루미늄 필터가 삽입되어 있지 않다면 필터 슬롯에 삽입하십시오.
   3. 퀵 릴리스 핀을 누르고 핀을 플랫폼 중앙의 구멍에 맞춰 카우치를 플랫폼에 고정합니다.
   4. 테이프로 베드를 카우치 위에 고정합니다. 테이프로 이소플루란 튜브를 베드 헤드 부분에 고정하고 가스를 켭니다.
   5. 실험 프로토콜에 따라 마우스를 엎드린 자세(prone) 또는 바로 누운 자세(supine)로 베드 위에 놓습니다.
   6. Software 5를 엽니다. Radiation delivery 카테고리에서 수동 또는 치료 프로토콜을 사용하여 CT targeting을 선택합니다.
   7. 동물 선택 페이지에서 주 책임 연구자 및 연구 폴더를 선택하고 동물에 대한 새 파일을 생성합니다. Next를 클릭합니다.
   8. Animal setup에서 Next를 클릭합니다. Scout type의 경우 Skip을 클릭합니다.
   9. 표적 조직 유형에 따라 Preset selection을 선택하고 Next를 클릭합니다. (연조직의 경우 기본값은 40 kV 2mA 60 s입니다).
   10. 계획된 빔 품질에 적합한 필터가 삽입되었는지 확인하고 표시된 필터 상태가 녹색인지 확인합니다.
   11. Start를 선택하여 CT 스캔을 시작합니다. 셔터가 자동으로 열리고 닫힙니다.
   12. Webcam을 사용하여 갠트리가 360° 회전할 때 카우치나 동물과 충돌하지 않는지 확인합니다. 충돌이 임박한 것으로 보이면 콘솔의 빨간색 비상 정지 버튼을 누르면 갠트리가 멈춥니다.
   13. CT 스캔이 완료되면 Next를 클릭합니다. 획득한 CT 스캔 영상이 관상면, 시상면, 횡단면의 3개 패널로 나타납니다. 각 패널에서 획득한 슬라이스를 확대하고 스크롤하여 필요에 따라 조정합니다.
   14. 마우스를 사용하여 십자선을 표적 등중심점(isocenter)으로 드래그합니다. Move Stage를 선택합니다. 필요한 경우 Scan Again을 선택하여 표적 위치를 확인합니다. Next를 클릭합니다.
   15. Export 페이지에서 Go를 클릭하여 DICOM 파일을 내보냅니다.
   16. 새 치료 계획을 생성하는 경우 단계 4로 진행하십시오. 기존 계획이나 수동 계획을 사용하는 경우 단계 5로 진행하십시오.
3. 정밀 치료 계획 수립 (10분)
   1. Software 6를 엽니다. DICOM 파일이 포함된 폴더를 선택하고 Import Selected Data를 선택합니다.
   2. DICOM이 로드되면 CT2MD 탭을 클릭합니다.
   3. 설치류 조직이 보일 때까지 밀도 바를 슬라이드합니다.
   4. Contouring 탭을 클릭합니다. 윤곽선을 추가하려면 Add를 선택합니다. 윤곽선 이름을 지정하고 Type 드롭다운 메뉴에서 유형을 지정합니다.
   5. 원하는 도구(브러시 또는 라인)를 선택하고 Automatic을 선택합니다. 원하는 장기를 브러시로 칠하거나 외곽선을 그립니다. 스크롤바를 사용하여 프레임을 이동하며 장기의 외곽선을 계속 그립니다. 더 많은 프레임의 외곽선을 그리면 보간(interpolation) 정확도를 높일 수 있습니다. 장기의 마지막 프레임 외곽선을 다 그리면 Interpolate를 선택합니다.
   6. 프레임을 다시 이동하며 보간을 통해 장기 외곽선이 예상대로 그려졌는지 확인하고, 벗어난 프레임이 있다면 수정합니다.
   7. Planning 탭을 클릭합니다. Add를 클릭하여 계획에 등중심점을 추가합니다. 관상면 및 횡단면에서 이 등중심점을 원하는 표적에 맞추고 등중심점에 예상되는 선량(Gy)을 입력합니다.
   8. 빔을 추가하려면 Beams 아래의 Add를 선택합니다. 정적(static)과 동적(dynamic) 중에서 선택하고 원하는 대로 각도를 조정합니다. 필요한 경우 카우치 각도를 선택합니다. 계획 파라미터에 따라 콜리메이터를 선택합니다.
   9. Calculation 아래에서 Start Calculations를 선택합니다. histories/area 값을 높이면 알고리즘 정확도가 향상됩니다. 추가적인 몬테카를로 파라미터를 원하는 대로 조정할 수 있으나, 이는 본 프로토콜의 범위를 벗어납니다. 완료되면 화면에 Volume Slice가 표시됩니다. 탭을 선택하여 선량-부피 히스토그램(DVH)과 선량-부피 지표(DVM)를 확인합니다 (그림 5 참조).
   10. 필요한 경우 수정을 위해 Planning으로 돌아갑니다.
   11. Evaluation 아래에서 빔 조사 시간, 등중심점 선량, DVH 및 DVM을 확인합니다.
   12. Export data를 선택합니다. 파일 이름을 지정하고 Export to file을 선택하여 .ini 파일을 생성합니다.
4. 치료 (10분)
   1. 캐비닛 도어를 열고 2 mm 알루미늄 필터를 제거한 후, 실험 프로토콜에 따라 0.3 mm 구리 필터와 콜리메이터를 삽입합니다.
   2. System 2 Program으로 돌아갑니다.
   3. 수동 프로토콜의 경우 치료 생성 화면에서 spot size(small 또는 large), 필터(0.3 mm Cu), 원하는 전압(kVp), 전류(mA) 및 치료 시간(s)을 선택합니다. 콜리메이터의 크기와 모양(원형, 정사각형, 직사각형 또는 전동식)을 선택합니다. 갠트리 각도를 선택합니다. 원하는 경우 평행 대향 빔(parallel opposed beam)을 추가합니다.
   4. 치료 프로토콜의 경우 Protocol Selection 탭에서 Load Protocol을 클릭하고 단계 4에서 생성한 .ini 파일을 선택합니다. Show protocol details 상자를 선택하여 계획 이름과 파라미터를 확인합니다. Next를 클릭합니다.
   5. Start Treatment를 선택하고 Start Beam을 선택합니다. 빔이 여러 개인 경우, 이전 빔 조사가 완료되면 Start Beam을 선택하여 다음 빔을 시작합니다. Webcam을 통해 충돌이 없는지 확인하십시오.
   6. 캐비닛 도어를 열고 베드에서 현재 마우스를 제거하여 케이지로 돌려보냅니다.
   7. 다음 동물로 진행하려면 단계 2.2~2.4를 반복하십시오.
5. 치료 후 조치 (3분)
   1. 마지막 동물까지 치료가 완료되면 플랫폼에서 베드와 카우치를 제거합니다. 갠트리에서 필터와 콜리메이터를 제거합니다.
   2. Software 4를 사용하여 갠트리를 다시 0°로, 플랫폼 위치를 (0 mm, 0 mm, 0 mm)로 이동시킵니다. 캐비닛 도어를 닫습니다. Software 5를 종료합니다.
   3. 콘솔 전원 키를 끕니다. System 2 장비에서 조명 및 레이저 키를 끄고, 시스템 전원을 off 위치로 돌립니다.

결과

System 1 X-선 튜브는 10 × 10 mm² 조사야와 33 cm 소스-표면 거리(SSD) 조건의 물 등가 두께 재질 팬텀 내 1 cm 깊이에서 2.6 Gy/min의 선량률로 20–225 kVp를 생성할 수 있습니다. 빔의 반가층(HVL)은 220 kVp에서 0.73 mm Cu, 60 kVp에서 2.15 mm Al입니다¹⁵. 콜리메이션을 위해 System 1은 반그림자를 줄이기 위한 여러 개의 황동 스테이지를 활용합니다. 전류가 생성되고 안정화되는 동안 출력 부위를 차단하기 위해 두 개의 슬라이딩 황동 블록이 사용됩니다. 조사를 위해서는 교체 가능한 콜리메이션 노즐이 사용됩니다. 필터는 0.15 mm 구리와 1 mm 알루미늄입니다.

일반적으로 처리되는 대상으로는 마우스와 랫트가 있으며, 처리 부위에는 심장, 간, 옆구리, 폐, 췌장, 다리, 뇌 및 십이지장이 포함됩니다^16,17. 이전의 투여량은 고정 빔과 아크 빔 타입을 혼합하여 1~6개의 빔을 사용하여 0.2–60 Gy 범위였습니다. 마우스의 전뇌에 2 Gy를 처방하는 치료 계획의 예가 나와 있습니다(그림 4 참조). 해당 치료 계획은 10 × 10 mm² 콜리메이터와 0°의 갠트리 각도에서 1개의 빔을 사용합니다. 상부 척수는 OAR로 수동 윤곽 설정되었으며, DVH는 OAR의 약 20%가 0.5 Gy를 받는 것을 보여줍니다.

System 1 캐비닛 도어에는 시각화를 위한 납 동등 창이 포함되어 있습니다. System 1의 선원-축간 거리(SAD)는 35 cm이며, 선원-검출기 간 거리(SDD)는 53 cm입니다. CBCT 영상 촬영 중에 System 1의 카우치는 360° 회전합니다. 이를 통해 약 0.2 mm¹⁸의 위치 정확도를 가진 CBCT 영상을 생성합니다. 치료 후 System 1은 빔의 수, 카우치 및 갠트리 위치, SSD, 빔 가중치, 빔 조사 시간을 포함한 빔 구성을 보고하는 로그 파일을 생성합니다(그림 6 참조). 또한 등중심 좌표, 처방 선량, 계획 식별자 및 컨투어 이름과 세그멘테이션 임계값과 같은 관련 계획 메타데이터를 기록합니다.

System 2 X선 튜브는 10 × 10 mm² 조사야와 29 cm SSD 조건에서, 물 등가 두께 물질 팬텀의 1 cm 깊이에서 2.7 Gy/min의 선량률로 10–225 kVp를 생성할 수 있습니다. 빔 HVL은 225 kVp에서 0.95 mm Cu, 100 kVp에서 2.8 mm Al입니다. 콜리메이션을 위해, System 2는 X선 튜브에 부착된 모듈형 콜리메이터와 필터 마운트로 구성됩니다. 콜리메이터에는 황동과 납으로 구성된 콘과 함께 반영(penumbra)을 줄이기 위한 2차 트리머가 포함되어 있습니다. 콜리메이터에서 축까지의 간격은 7 cm입니다. 필터는 0.3 mm 구리와 2 mm 알루미늄입니다.

일반적으로 처리 대상이 되는 동물은 마우스와 랫드이며, 처리 부위로는 머리와 목¹⁹, 심장, 옆구리, 뇌, 췌장, 신장 및 타액선 등이 포함됩니다. 이전의 선량 범위는 1~2개의 빔과 정적 빔 및 아크 빔의 혼합 유형을 사용하여 2~60 Gy였습니다. 마우스의 전뇌에 2 Gy를 처방하는 치료 계획의 예시가 제시되어 있습니다(그림 5 참조). 이 치료 계획은 10 × 10 mm² 콜리메이터와 함께 90° 및 270°의 갠트리 각도에서 2개의 빔을 사용합니다. 상부 척수는 OAR로 수동 윤곽 처리되었으며, DVH를 통해 OAR의 약 20%가 0.5 Gy를 받는 것을 확인할 수 있습니다.

System 2의 SAD는 30 cm이며, SDD는 62 cm입니다. System 2의 경우, 갠트리와 CT 윈도우가 카우치를 중심으로 360° 회전합니다. 제조사에 따르면 이를 통해 0.2 mm의 정합 정확도를 가진 CBCT 영상을 생성합니다. 치료 후, System 2는 빔의 수, 빔 가중치, 빔 조사 시간, 갠트리 각도 및 회전 방향, 빔 에너지(kVp), 관전류(mA), 스폿 크기, 테이블 위치, 필터 재질/두께를 포함한 조사 파라미터를 보고하는 로그 파일을 생성합니다. 또한 여기에는 방사선 종류와 계획 메타데이터가 포함됩니다.

그림 1: 시스템 1과 시스템 2의 시스템 구성. 패널 (A–C)는 시스템 1을, 패널 (D–F)는 시스템 2를 보여준다. (A,D) 치수(높이, 너비, 깊이)가 표시된 각 플랫폼의 외관. (B,E) 카우치 회전(B) 및 갠트리 회전(E)을 포함한 영상 촬영 중의 내부 구성. 시스템 1(B)에는 마취된 마우스가, 시스템 2(E)에는 마우스 팬텀이 표시되어 있다. (C,F) 치료 전달 중의 내부 구성으로, 각 시스템에 콜리메이션 하드웨어가 설치된 치료 설정이 강조되어 있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 플로우차트는 전처치 활동, 장비 의존적 절차 및 후처치 평가로 그룹화된 전체 실험 워크플로우를 요약하여 보여준다. 화살표는 워크플로우의 절차적 순서를 나타낸다. 여기를 클릭하여 이 그림의 더 큰 버전을 확인하십시오.

그림 3: 치료 설정에 사용된 재료. 패널 (A–C)는 System 1 구성 요소를, 패널 (D–F)는 System 2 구성 요소를 보여준다. (A,D) 다양한 크기와 모양의 콜리메이터 세트. (B,E) 영상 촬영 및 치료 위치 설정에 사용되는 동물 지지 카우치/침대. (C,F) Al 및 Cu 필터. 여기를 클릭하여 이 그림의 더 큰 버전을 확인하십시오.

그림 4: 시스템 1 계획 평가 뷰. (A) 전뇌 치료 계획의 선량-체적 히스토그램(DVH). 표적(녹색 선)은 전뇌이며, OAR(황색 선)은 상부 척수이다. (B) 영상 데이터 세트에 중첩된 계산된 선량 분포의 축상(횡단) 뷰. (C) 계산된 선량 분포의 시상 뷰. (D) 계산된 선량 분포의 관상 뷰. 뇌는 녹색으로 윤곽선이 그려져 있으며, 빔 경계는 보라색으로 표시되어 있다(B–D). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: 시스템 2 계획 평가 뷰. (A) 전뇌 치료 계획에 대한 선량-체적 히스토그램 (DVH). 타겟(빨간색 선)은 뇌이며, OAR(흰색 선)은 상부 척수이다. (B) 수직 × 외측 평면의 축상 선량 뷰. (C) 수직 × 종측 평면의 시상 선량 뷰. (D) 외측 × 종측 평면의 관상 선량 뷰. 빔 궤적은 파란색으로 표시되어 있다 (B–D). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 6: 시스템 2 및 시스템 1의 치료 로그 파일. (A) 유사한 치료 및 빔 전달 정보를 보고하는 시스템 1 로그 파일. (B) 치료 파라미터를 기록한 시스템 2 로그 파일. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

표 1: 시스템 1 및 시스템 2 시스템의 주요 물리적 및 운영 사양 요약.이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

토론

방사선 치료 분야는 빠르게 발전하고 있으며, 수많은 임상 시험이 진행 중이지만, 원하는 최종 목표를 만들어내는 방사선 생물학적 메커니즘을 이해하기 위해서는 재현 가능하고 정확한 전임상 실험이 매우 중요합니다. 고정 선원이나 전신 조사를 이용한 소동물 조사 방법은 원치 않는 독성을 유발할 수 있습니다²⁰. 영상 유도 소동물 조사기의 등장은 재현 가능한 타겟팅을 가능하게 하고 OARs에 전달되는 선량을 낮춰줍니다. 이는 환자 치료와 유사한 매개변수를 시뮬레이션하며, 치료 요법의 완료 및 원하는 종점 도달 전의 동물 독성 및 사망 위험을 크게 낮추어 생물학적 메커니즘을 탐구할 수 있게 합니다. 기초 및 전임상 연구에서 소동물 모델의 사용은 임상 적용 전의 필수적인 연구 모델이 되었습니다. 좁은 시야각과 검출기 크기 덕분에, 소동물 조사기 시스템은 치료용 선형 가속기와 대등하거나 그보다 우수한 sub-mm 수준의 공간 정확도를 달성할 수 있습니다²¹. 또한, 종양 클리닉의 방사선 치료 장비는 업무 시간 동안 환자 치료 전용으로 예약되어 있어 전임상 동물 연구에 사용할 수 있는 시간이 제한적입니다. 이러한 상황에서 소동물 조사기는 연구자들에게 임상 워크플로우를 방해하지 않고 방사선 생물학적 연구를 수행할 수 있는 전용 플랫폼을 제공합니다.

System 1과 System 2 모두 높은 정밀도와 sub-mm 정확도로 영상 유도 소동물 조사를 가능하게 합니다²². 두 시스템의 전반적인 워크플로우에는 유사점이 있으나, CBCT에 사용되는 획득 기술, 빔 품질 및 선량률과 같은 부분에서 결정적인 차이가 있습니다.

두 시스템 모두에서 계획 수립 전 영상 촬영은 Al 필터를 사용하고 빔 콜리메이션 하드웨어 없이 수행되는 반면, 치료 빔 조사는 Cu 필터를 사용하고 전용 빔 셰이핑 하드웨어를 통해 수행됩니다. 따라서 각 작업에 맞는 올바른 빔 콜리메이션 하드웨어와 필터가 사용되었는지 확인하도록 주의해야 합니다. 시스템 2의 필터에는 소프트웨어와 통신하여 어떤 필터가 장착되어 있는지 표시하는 내장 센서가 탑재되어 있습니다. 이러한 기능은 시스템 1에는 없으며, 잘못된 필터가 삽입된 경우 조사 과정을 차단하는 인터락 장치도 없습니다.

치료 계획 수립을 위해 System 1 소프트웨어는 이전 계획을 템플릿으로 활용하고 새로 획득한 CT 스캔을 기반으로 새로운 빔 조사 시간을 계산하는 기능을 갖추고 있습니다. System 2에는 이 기능이 없으므로 매 스캔마다 새로운 계획을 세우거나 이전 계획의 파라미터를 사용해야 하며, 이에 따라 정확성과 처리량 사이의 균형을 맞추는 과정이 필요합니다. 두 장비 모두 가장 불확실성이 큰 단계 중 하나는 수동 컨투어링(manual contouring)이며, 목표 부위에 대한 선량의 공간적 정확성을 보장하기 위해 주의 깊게 수행해야 합니다. 치료 계획 선량 계산은 장비의 일관성을 전제로 하므로, 두 장비 모두 출력 일관성을 평가하기 위해 정기적인 품질 보증(QA) 절차를 수행해야 합니다. 출력이 허용 오차 범위를 초과하여 편차를 보일 경우, 제조사에 연락하여 필요에 따라 재교정을 받아야 합니다. 품질 보증은 제조사  및 기관의  권고 사항에 따라 수행됩니다.

각 동물에 대해 필요한 수동 단계에는 영상 촬영과 치료 사이에 알루미늄 및 구리 필터를 교체하는 것, 콜리메이터를 추가하거나 교체하는 것, 동물의 위치를 맞추는 것, 조사, 그리고 동물을 꺼내는 것이 포함됩니다. 현재로서는 앞서 언급한 단계들을 수행하기 위해 두 시스템 중 어느 곳에서도 자동화 도구를 사용했다는 보고가 없습니다. 시스템 1의 경우, 영상 촬영과 치료 사이에 CBCT 패널을 열거나 닫고 이동시켜야 합니다. 앞서 언급했듯이, 프로토콜에서 더 넓은 정확도 허용 오차를 허용한다면, 효율성을 위해 특정 단계를 생략할 수 있습니다. 이전의 치료 계획이나 일반적인 치료 계획을 사용하는 경우, 치료 계획 수립 단계는 생략될 수 있습니다. 두 장비 모두 한 명의 작업자로 충분합니다. 하지만 추가 인원이 있으면 워크플로우 효율성을 높일 수 있습니다. 예를 들어, 한 명의 사용자는 장비 제어와 필터 및 콜리메이터 교체에 집중하고, 다른 사용자는 마취 상태를 모니터링하며 피험 동물을 교체할 수 있습니다.

두 장비 모두에서 발생할 수 있는 잠재적인 문제는 갠트리와 카우치의 충돌 가능성인데, 충돌이 발생하면 아이소센터 정렬에 영향을 미쳐 재커미셔닝이 필요하기 때문입니다. 이 때문에 두 장비 모두에는 갠트리가 움직일 때마다 모니터링해야 하는 카메라가 장착되어 있습니다. 사용자가 갠트리와 카우치의 충돌 가능성이 있다고 판단하는 경우, 조작자는 제어 소프트웨어의 X-ray off 버튼을 즉시 눌러야 합니다. 시스템이 응답하지 않거나 조작자 또는 피험자에게 위험이 있는 경우, 조작자는 물리적인 빨간색 비상 정지 버튼을 눌러야 합니다. 이렇게 하면 시스템의 모든 전원이 차단됩니다. 그 후 사용자는 버튼을 리셋하고 시스템을 재시작해야 합니다. 피험자가 부분적으로 조사되었으므로, 조작자는 책임 연구자와 상의하여 피험자를 위한 최선의 조치 방안을 결정해야 합니다.

또 다른 잠재적인 문제는 잘못된 필터나 콜리메이터가 삽입되어 조사가 잘못되는 경우입니다. 이상적으로는 각 피험자를 조사하기 전에 설정을 확인하여 이를 방지해야 하지만, 필터와 콜리메이터의 부착이 수동 단계이며 영상 촬영과 치료 사이에 이루어져야 하므로 잘못된 조사가 발생할 가능성이 있습니다. 이러한 경우 피험자 번호를 기록하여 모니터링을 위해 책임 연구자에게 보고해야 합니다. 마지막으로 흔히 발생하는 문제는 치료 계획 단계에서 OAR이 너무 높은 선량을 받는 것입니다. 임상 계획과 마찬가지로, 서로 다른 각도에서 추가 빔을 추가하거나 다이내믹 계획으로 전환하는 등 빔 파라미터를 수정해야 합니다. 카우치 위의 피험자 위치 또한 조정될 수 있습니다.

두 시스템 모두 유사한 CBCT 영상 해상도를 갖추고 있으며, 본 프로토콜에서는 다루지 않은 micro-CT, 투시 촬영 및 생물 발광 영상 촬영 기능을 제공합니다. 시스템 1은 정형 및 비평면 조사가 가능한 특수 콜리메이션 시스템인 전동 가변 콜리메이터를 갖추고 있는 반면, 시스템 2는 회전 가능한 직사각형 조사야를 생성하는 자동 조절 콜리메이터를 갖추고 있습니다. 치료 계획의 경우, 시스템 1은 Software 3, SmART-XPS 또는 micro-Raystation과 함께 사용할 수 있으며, 시스템 2는 Software 6 또는 micro-Raystation과 호환됩니다.

여기에서 설명하는 프로토콜은 공간적으로 균일한 조사면과 일반적인 선량률을 갖춘 소동물 조사 시스템을 이용한 체계적인 방사선 생물학 연구에 적합합니다. 본 프로토콜은 두 장비가 해당 연구용으로 설계되지 않았기 때문에 공간 분할 방사선 치료(SFRT) 및 초고선량률(UHDR) RT는 다루지 않았습니다²³. System 1 공급 업체는 전용 전임상 FLASH 연구 플랫폼을 개발했으며, UHDR 연구를 위한 시스템 검증 작업을 진행 중입니다²⁴. System 2 공급 업체 또한 일반 및 UHDR 조사가 가능한 새로운 캐비닛 시스템을 개발했습니다. 일부 연구자들은 SFRT를 위한 새로운 콜리메이터를 제작하고 SSD를 변경하여 선량률을 높이는 연구를 수행했습니다^25,26,27. 현재 시스템의 향후 활용 방안으로는 SSD를 감소시켰을 때의 최대 선량률 성능 평가와 동일한 치료 계획을 사용한 두 장비 간의 선량 측정 비교 등이 포함됩니다. 또한 토끼와 같은 다른 소동물 모델에서의 물리적 시스템 제약 사항을 평가하는 추가 연구가 진행될 수 있습니다.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
MuriPlan v3.0.0	소프트웨어 3	Xstrahl	MuriPlan
MuriSlice v3.2.6	소프트웨어 2	Xstrahl	MuriSlice
PilotXRadConsole v1.30.3.5	소프트웨어 4	Precision X-Ray	PilotXRadConsole
SARRP Control Software v4.3.1	소프트웨어 1	Xstrahl	SARRP CS
소동물 방사선 연구 플랫폼	시스템 1	Xstrahl	SARRP
소동물 방사선 치료 시스템	시스템 2	Precision X-Ray	SmART+
SmART+ v1.30.3.5	소프트웨어 5	Precision X-Ray	SmART+
SmART-Advanced Treatment Planning v24.1.3.240826	소프트웨어 6	Precision X-Ray	SmART-ATP