정위방사선수술시 소조사면에서의 불균질 물질에 따른 보정 계수를 구하고, 치료계획 시스템의 선량계산 값과 실제 조사된 선량값을 비교, 분석하여 불균질 물질 보정에 의한 선량계산의 정확성을 평가한다. 본 실험을 위하여 12가지 종류의 불균질 물질과 필름 및 이온 전리함을 장착할 수 있는 팬톰(Inhomogeneity Correction Phantom, ICP)을 제작하였다. 각각의 불균질 물질의 전자밀도값을 치료계획 시스템에 입력하여 치료계획을 수립하고, 선량분포와 임의의 위치에서의 절대선량 측정을 위해 EBT 필름과 0.125 cc 이온전리함을 이용하였으며 불균질 물질 보정 계수 적용과 비적용에 따른 치료계획의 차이와 필름에 조사된 선량값 및 이온 전리함의 절대 선량값의 차이를 분석하였다. 불균질 물질 보정 계수의 적용과 비적용시 각각의 치료계획과 측정값을 비교, 분석한 결과 평균 1.63%, 10.05%이었고, 각 경우의 측정값을 비교한 결과 평균 10.09%이었다. 또한, 임의의 위치에서의 절대선량값을 비교한 결과 불균질 물질 보정 계수의 비적용시에는 평균 2.90%, 적용시에는 평균 0.43%의 차이를 보였다. 본 실험 결과 직경 1 cm의 목표점에 방사선을 조사하였을 때 불균질 물질 보정 계수 적용 전의 선량분포 및 임의의 위치에서의 절대 선량이 적용시보다 큰 차이를 나타냈으며, 본 실험에서 사용된 소조사면의 치료계획시스템은 불균질 물질 보정이 정확하게 수행되는 것을 확인하였다. 결론적으로 1% 이하의 정확도를 가지고 시행하는 소조사면에서의 정위방사선수술의 경우 불균질 물질에 대한 보정이 일반적인 조사면에서의 적용 보다 더 정확하게 수립이 되어야 한다.
정위방사선수술시 소조사면에서의 불균질 물질에 따른 보정 계수를 구하고, 치료계획 시스템의 선량계산 값과 실제 조사된 선량값을 비교, 분석하여 불균질 물질 보정에 의한 선량계산의 정확성을 평가한다. 본 실험을 위하여 12가지 종류의 불균질 물질과 필름 및 이온 전리함을 장착할 수 있는 팬톰(Inhomogeneity Correction Phantom, ICP)을 제작하였다. 각각의 불균질 물질의 전자밀도값을 치료계획 시스템에 입력하여 치료계획을 수립하고, 선량분포와 임의의 위치에서의 절대선량 측정을 위해 EBT 필름과 0.125 cc 이온전리함을 이용하였으며 불균질 물질 보정 계수 적용과 비적용에 따른 치료계획의 차이와 필름에 조사된 선량값 및 이온 전리함의 절대 선량값의 차이를 분석하였다. 불균질 물질 보정 계수의 적용과 비적용시 각각의 치료계획과 측정값을 비교, 분석한 결과 평균 1.63%, 10.05%이었고, 각 경우의 측정값을 비교한 결과 평균 10.09%이었다. 또한, 임의의 위치에서의 절대선량값을 비교한 결과 불균질 물질 보정 계수의 비적용시에는 평균 2.90%, 적용시에는 평균 0.43%의 차이를 보였다. 본 실험 결과 직경 1 cm의 목표점에 방사선을 조사하였을 때 불균질 물질 보정 계수 적용 전의 선량분포 및 임의의 위치에서의 절대 선량이 적용시보다 큰 차이를 나타냈으며, 본 실험에서 사용된 소조사면의 치료계획시스템은 불균질 물질 보정이 정확하게 수행되는 것을 확인하였다. 결론적으로 1% 이하의 정확도를 가지고 시행하는 소조사면에서의 정위방사선수술의 경우 불균질 물질에 대한 보정이 일반적인 조사면에서의 적용 보다 더 정확하게 수립이 되어야 한다.
In this study, we estimated inhomogeneity correction factor in small field. And, we evaluated accuracy of treatment planning and measurement data which applied inhomogeneity correction factor or not. We developed the Inhomogeneity Correction Phantom (ICP) for insertion of inhomogeneity materials. Th...
In this study, we estimated inhomogeneity correction factor in small field. And, we evaluated accuracy of treatment planning and measurement data which applied inhomogeneity correction factor or not. We developed the Inhomogeneity Correction Phantom (ICP) for insertion of inhomogeneity materials. The inhomogeneity materials were 12 types in each different electron density. This phantom is able to adapt the EBT film and 0.125 cc ion chamber for measurement of dose distribution and point dose. We evaluated comparison of planning and measurement data using ICP. When we applied to inhomogeneity correction factor or not, the average difference was 1.63% and 10.05% in each plan and film measurement data. And, the average difference of dose distribution was 10.09% in each measurement film. And the average difference of point dose was 0.43% and 2.09% in each plan and measurement data. In conclusion, if we did not apply the inhomogeneity correction factor in small field, it shows more great difference in measurement data. The planning system using this study shows good result for correction of inhomogeneity materials. In radiosurgery using small field, we should be correct the inhomogeneity correction factor, more exactly.
In this study, we estimated inhomogeneity correction factor in small field. And, we evaluated accuracy of treatment planning and measurement data which applied inhomogeneity correction factor or not. We developed the Inhomogeneity Correction Phantom (ICP) for insertion of inhomogeneity materials. The inhomogeneity materials were 12 types in each different electron density. This phantom is able to adapt the EBT film and 0.125 cc ion chamber for measurement of dose distribution and point dose. We evaluated comparison of planning and measurement data using ICP. When we applied to inhomogeneity correction factor or not, the average difference was 1.63% and 10.05% in each plan and film measurement data. And, the average difference of dose distribution was 10.09% in each measurement film. And the average difference of point dose was 0.43% and 2.09% in each plan and measurement data. In conclusion, if we did not apply the inhomogeneity correction factor in small field, it shows more great difference in measurement data. The planning system using this study shows good result for correction of inhomogeneity materials. In radiosurgery using small field, we should be correct the inhomogeneity correction factor, more exactly.
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문제 정의
하지만 소조사면에서의 선량 계산 평가는 여러 가지 어려움으로 쉽게 평가되지 못하였다.2-7) 본 연구에서는 현재 많이 사용되고 있는 정위방사선 수술 장비 중 대표적인 사이버나이프의 선량계산에서 불균질 물질을 포함한 선량계산의 정확성을 평가하였다. 사이버나이프와 같은 정위방사선수술 장비는 일반방사선치료 장비보다 한 번에 많은 선량을 소조사면에 집적하여 조사를 하므로 선량계산의 정확성의 매우 중요하다.
따라서 본 연구에서는 사이버나이프와 같이 소조사면을 사용하는 정위방사선수술 장비에서 불균질 물질을 포함한 선량계산의 정확도를 평가하고자 하였다.
제안 방법
14,18) 영상유도장치에 사용되는 두 개의 X-선 선원과 두 개의 비결정질의 실리콘 검출기(Amorphous silicon detector)를 이용하여 목표점의 위치를 파악한 후 실시간으로 추적한다.
그리고, 절대선량값을 분석하기 위하여 불균질 물질 보정 계산이 시행된 치료계획과 불균질 물질 보정 계산이 시행되지 않은 치료계획의 이온전리함 위치의 선량값과 실제 이온전리함에 측정된 선량값을 서로 비교한 것을 실험 E라 하였다.
본 실험의 팬톰은 17×13×13 cm3 크기의 아크릴을 이용하였으며, 네가지 불균질 물질을 장착할 수 있도록 제작하였다. 또한, 선량측정을 위하여 필름과 이온전리함을 장착할 수 있도록 하였다. 불균질 물질에 따른 선량을 확인하기 위하여 본 실험에 사용된 불균질 물질의 종류는 총 12가지이며(Fig.
마찬가지로 불균질 물질 보정 계산을 시행한 치료계획에서의 측방선량분포와 실제 조사된 필름의 측방선량분포를 비교한 실험을 실험 C라 하였고, 불균질 물질 보정 계산을 시행하지 않은 치료계획에서 조사된 필름에서의 측방선량 분포와 불균질 물질 보정 계산이 시행된 치료계획에서 조사된 필름에서의 측방선량분포를 비교, 분석한 것을 실험 D라 하였다.
치료계획에 앞서 12가지 불균질 물질의 전자밀도에 따른 CT값을 치료계획 시스템에 입력하여 불균질 물질 보정 계산이 이루어지도록 하였다(Table 1). 방사선치료계획은 네 구성의 CT영상에 대해 불균질 물질 보정 계산을 한 치료계획과, 불균질 물질 보정 계산을 하지 않은 치료계획의 총 8가지의 치료계획을 수립하였으며, 표적에 500 cGy의 선량이 전달되도록 하였다.
또한, 선량측정을 위하여 필름과 이온전리함을 장착할 수 있도록 하였다. 불균질 물질에 따른 선량을 확인하기 위하여 본 실험에 사용된 불균질 물질의 종류는 총 12가지이며(Fig. 1b), 불균질 물질 4개를 1조로 하여 네 가지 구성을 하였고, 각각의 구성을 삽입된 불균질 물질의 밀도에 따라 ICP-1에서 ICP-4로 표기 하였다. 각각의 구성 및 불균질 물질의 종류와 각 물질별 밀도 및 전자 밀도, CT값 및 물질의 보정 계수는 Table 1과 같다.
소조사면에서의 불균질 물질 보정을 평가하기 위해 불균질 물질을 삽입할 수 있는 팬톰(Inhomogeneity Correction Phantom, ICP)을 제작 하였다(Fig. 1a). 본 실험의 팬톰은 17×13×13 cm3 크기의 아크릴을 이용하였으며, 네가지 불균질 물질을 장착할 수 있도록 제작하였다.
사이버나이프와 같은 정위방사선수술 장비는 1% 이하의 정확도를 가진다. 일반방사선치료 장비보다 한 번에 많은 선량을 소조사면에 집적하여 조사를 하게 된다. 소조사면에 고 선량을 집적할 때 선량계산의 정확성이 매우 중요하다.
정위방사선수술에서의 소조사면에 대한 불균질 물질 보정에 의한 선량 평가는 하나의 물질로 구성된 치료계획 및 측정된 선량을 기준으로 비교 분석하였다. 치료계획에서 필름이 장착된 면의 등선량 곡선과 필름의 등선량 곡선을 서로 비교하였으며(Fig.
측방선량분포의 비교 대상으로는 각각의 ICP에 대해 불균질 물질 보정 계산을 시행한 치료계획과 불균질 물질 보정 계산을 시행하지 않은 치료계획의 동일한 지점에서의 측방선량분포(profile)를 서로 비교한 실험을 실험 A라 하였으며, 각각의 ICP에 대해 불균질 물질 보정 계산을 시행하지 않은 치료계획에서의 측방선량분포와 실제 조사된 필름에서의 동일한 지점의 측방선량분포를 비교, 분석한 실험을 실험 B라 하였다.
2b). 치료계획에 앞서 12가지 불균질 물질의 전자밀도에 따른 CT값을 치료계획 시스템에 입력하여 불균질 물질 보정 계산이 이루어지도록 하였다(Table 1). 방사선치료계획은 네 구성의 CT영상에 대해 불균질 물질 보정 계산을 한 치료계획과, 불균질 물질 보정 계산을 하지 않은 치료계획의 총 8가지의 치료계획을 수립하였으며, 표적에 500 cGy의 선량이 전달되도록 하였다.
정위방사선수술에서의 소조사면에 대한 불균질 물질 보정에 의한 선량 평가는 하나의 물질로 구성된 치료계획 및 측정된 선량을 기준으로 비교 분석하였다. 치료계획에서 필름이 장착된 면의 등선량 곡선과 필름의 등선량 곡선을 서로 비교하였으며(Fig. 4), 이 등선량 곡선에서 최고 선량점을 기준으로 가로축의 측방선량분포(profile)를 비교, 분석하였다(Fig. 5).
125 cc 원통형 전리함(Type 31011, PTW-Freiburg, Germany)이며 MAX-4000 전위계(Standard Imaging, USA)를 사용하였다. 필름의 흑화도 분석을 위하여 Epson Expression V700 Photo 스케너(Epson, USA)를 사용하였다.
획득한 영상을 사이버나이프용 치료계획 시스템(MultiplanTM, Accuray, USA)에 입력하여 역방향 치료계획을 하였다(Fig. 2b). 치료계획에 앞서 12가지 불균질 물질의 전자밀도에 따른 CT값을 치료계획 시스템에 입력하여 불균질 물질 보정 계산이 이루어지도록 하였다(Table 1).
대상 데이터
네 가지 구성의 불균질 물질 보정 팬톰의 방사선치료계획을 위해 전산화 단층 촬영 영상장치(CT, SOMATOMTM, SIEMENS, Germany)로부터 서로 다른 CT 영상을 획득하였다(Fig. 2a). 전산화 단층 촬영 영상은 1 mm 간격의 두께로 300장을 얻었고, 이때 관심영역은 27.
본 실험의 팬톰은 17×13×13 cm3 크기의 아크릴을 이용하였으며, 네가지 불균질 물질을 장착할 수 있도록 제작하였다.
불균질 물질 보정에 의한 선량 평가를 위하여 필름 및 이온전리함을 사용하였으며, 사용된 필름은 가프크로믹 EBT 필름(International Specialty Products, NJ, USA)이며 본 장비의 특성에 따른 흑화도는 Table 2와 같으며 선량에 따른 흑화도 곡선은 Fig. 3과 같다.
사용된 이온전리함은 0.125 cc 원통형 전리함(Type 31011, PTW-Freiburg, Germany)이며 MAX-4000 전위계(Standard Imaging, USA)를 사용하였다. 필름의 흑화도 분석을 위하여 Epson Expression V700 Photo 스케너(Epson, USA)를 사용하였다.
2a). 전산화 단층 촬영 영상은 1 mm 간격의 두께로 300장을 얻었고, 이때 관심영역은 27.5 cm, 화소크기는 0.43 mm이었다.
이론/모형
13,18) 사이버나이프를 사용한 정위방사선수술은 약 100개의 node와 각 node당 12방향을 사용하여 약 1,200개의 빔을 이용하고 각 목표점의 모양과 크기 및 위치 등에 따라 최적화하여 결정한다. 사이버나이프는 하나의 축교점(isocenter)을 가지고 치료하는 기존의 선형가속기를 이용한 정위방사선수술과는 달리 축교점이 없는(non-isocentric) 방법을 이용하여 방사선을 조사한다.14,18) 영상유도장치에 사용되는 두 개의 X-선 선원과 두 개의 비결정질의 실리콘 검출기(Amorphous silicon detector)를 이용하여 목표점의 위치를 파악한 후 실시간으로 추적한다.
정위방사선수술 장비 중 소조사면을 사용하는 사이버나이프 시스템에서는 Raytracing 알고리즘을 기초로 한 Superposition 알고리즘을 사용한다.14,15,18) Superposition 알고리즘이 큰 조사면의 3차원 선량계산에서 기존 알고리즘보다 정확한 선량계산이 이루어진다고 보고되고 있다.
성능/효과
2-7) 불균질 물질 보정 계산은 다양한 밀도의 물질을 통과하는 방사선의 특성의 이해와 컴퓨터 계산 능력이 바탕이 되어 발전하였다.1) 고전 모델의 선량계산 알고리즘은 측방전자평형이 존재하는 큰 조사면에서 유효하였고, 조직 밀도만 고려하였기 때문에 간단하였다.2-5) 일반방사선치료는 역사적으로 측방전자평형이 이루어지는 큰 조사면(＞5×5 cm2)에서 수행되었다.
정위방사선수술 장비인 사이버나이프는 본 실험 결과에서 확인 할 수 있는 것과 같이 불균질 물질 보정을 시행하지 않은 치료계획과 방사선 조사 후 필름의 차이는 밀도차가 큰 물질에서는 10% 이상의 차이를 보였으며, 이온전리함을 사용한 정대선량 평가에서도 4% 이상의 차이를 보였다. 그렇지만, 불균질 물질 보정을 시행한 치료계획과 방사선 조사 후 필름의 차이는 2% 정도의 차이를 보였고, 절대 선량의 평가에서 1% 미만의 차이를 보였으며 불균질 물질 보정 계산이 정확히 이루어지고 있는 것을 확인 할 수 있었다.
동일한 선량을 조사하였을 때 불균질 물질을 통과한 선량은 불균질 물질의 밀도 및 전자밀도가 증가할수록 CT값은 증가하였고, 이와는 반대로 측정되는 선량값은 반비례하게 감소하였다(Fig. 6).
또한, 불균질 물질 보정 계산을 시행하지 않은 경우 치료계획에서의 필름이 위치한 면의 측방선량분포와 실제 조사된 필름에서의 등선량 곡선의 차이는 ICP-1에서 3.48%, ICP-2에서 13.21%, ICP-3에서 6.75%, ICP-4에서 16.74%의 차이를 보였다(Table 3-B). 가장 차이가 큰 ICP-2와 ICP-4의 측방선량분포의 차이는 Fig.
또한, 불균질 물질 보정 계산을 시행하지 않은 치료계획에서의 이온전리함의 선량값과 실제 측정된 선량값은 ICP-1에서 0.88%, ICP-2에서 4.81%, ICP-3에서 2.17%, ICP-4에서 3.76%의 차이를 보였으며, 불균질 물질 보정 계산을 시행한 치료계획에서의 이온전리함의 선량값과 측정된 선량값은 ICP-1에서 0.46%, ICP-2에서 0.64%, ICP-3에서 0.23%, ICP-4에서 0.39%의 차이를 보였다(Table 3-E).
본 연구에서 직경 1 cm의 목표점에 방사선을 조사하였을 때 각각의 불균질 물질을 투과하는 빔은 보정 전의 선량분포 및 점선량과 확연한 차이를 나타냈으며 1% 이하의 정확도를 가지고 시행하는 정위방사선수술의 경우 보정 전 치료계획의 데이터는 실제 측정된 데이터와 큰 차이를 나타내므로 소조사면의 정위방사선수술에서는 반드시 불균질 물질에 대한 보정이 정확하게 수립이 되어야 함을 확인하였다.
본 연구의 결과 중 방사선이 조사된 후의 필름에서 볼 수 있는 것과 같이 밀도차가 큰 ICP-2와 ICP-4의 경우 10% 이상, 최고 20%의 차이를 보였으며, 밀도차가 작은 ICP-1과 ICP-3 또한 2% 이상의 차이를 나타내는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서, 폐나 뼈와 같이 불균질 물질을 포함하는 환자의 정위방사선수술시 불균질 물질 보정 계산은 반드시 이루어져야 한다.
불균질 물질 보정 계산을 시행하지 않은 치료계획으로 조사된 필름에서의 측방선량분포와 불균질 물질 보정 계산을 시행한 치료계획으로 조사한 필름에서의 측방선량분포의 차이는 ICP-1에서 6.52%, ICP-2에서 10.63%, ICP-3에서 2.23%, ICP-4에서 20.96%의 차이를 보였다(Table 3-D). 가장 차이가 큰 ICP-2와 ICP-4의 측방선량분포는 Fig.
불균질 물질 보정 계산을 시행한 경우 치료계획에서의 필름이 위치한 면의 측방선량분포와 실제 조사된 필름에서의 측방선량분포의 차이는 ICP-1에서 0.97%, ICP-2에서 2.24%, ICP-3에서 1.57%, ICP-4에서 1.75%의 차이를 보였다(Table 3-C). ICP-1에서 ICP-4까지의 측방선량 분포는 Fig.
불균질 물질 보정 계산을 시행한 치료계획과 불균질 물질 보정 계산을 시행하지 않은 치료계획의 동일한 면에서의 측방선량분포는 아크릴만으로 구성된 ICP-1에서는 0.99% 만큼의 차이만 보였지만, 저밀도 물질로 구성된 ICP-2에서는 1.77%, 중밀도 물질로 구성된 ICP-3에서는 0.72%, 그리고 고밀도 물질로 구성된 ICP-4에서는 1.17%의 차이를 보였다(Table 3-A).
정위방사선수술 장비인 사이버나이프는 본 실험 결과에서 확인 할 수 있는 것과 같이 불균질 물질 보정을 시행하지 않은 치료계획과 방사선 조사 후 필름의 차이는 밀도차가 큰 물질에서는 10% 이상의 차이를 보였으며, 이온전리함을 사용한 정대선량 평가에서도 4% 이상의 차이를 보였다. 그렇지만, 불균질 물질 보정을 시행한 치료계획과 방사선 조사 후 필름의 차이는 2% 정도의 차이를 보였고, 절대 선량의 평가에서 1% 미만의 차이를 보였으며 불균질 물질 보정 계산이 정확히 이루어지고 있는 것을 확인 할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
영상유도장치의 영상 유도 방법은 어떤 것이 있는가?
14,18)영상유도장치에 사용되는 두 개의 X-선 선원과 두 개의 비결정질의 실리콘 검출기(Amorphous silicon detector)를 이용하여 목표점의 위치를 파악한 후 실시간으로 추적한다. 영상유도방법으로는 두개골의 위치를 추적(Skull Tracking)하는 방법과 몸속에 삽입된 금속표식자의 위치를 추적(Fiducial Tracking)하는 방법, 척추의 위치와 모양을 추적(Xsight Spine Tracking)하는 방법, 그리고 폐의 병변의 위치와 모양을 추적(Xsight Lung Tracking)하는 방법 등이 있다. 사이버나이프의 조준기는 직경 5 mm에서 60 mm까지의 총 12개로 구성되어 있다.
정위방사선수술의 목적은?
감마나이프나 선형가속기를 사용하는 정위방사선수술의 목적은 병소 부위에 정확하게 최대한의 방사선량을 조사하면서 주위 정상조직에는 방사선 손상을 최소화하는 것이다.1,2) 불균질 물질을 포함한 물질에서 불균질 물질 보정 계산의 중요성은 이미 많은 연구자들에 의해 보고되었다.
정위방사선수술은 어떤 기기를 사용하는가?
감마나이프나 선형가속기를 사용하는 정위방사선수술의 목적은 병소 부위에 정확하게 최대한의 방사선량을 조사하면서 주위 정상조직에는 방사선 손상을 최소화하는 것이다.1,2) 불균질 물질을 포함한 물질에서 불균질 물질 보정 계산의 중요성은 이미 많은 연구자들에 의해 보고되었다.
참고문헌 (18)
AAPM Report 85: Tissue Inhomogeneity Correction for Megavoltage Photon Beams. Medical Physics Publishing, Madison, WI (2004)
Batho H: Lung corrections in coblat-60 therapy. J Can Assoc Radiol 15:79-83 (1964)
Sontag M, Cunningham J: Corrections to absorbed dose calculations for tissue inhomogeneities. Med Phys 4:431-436 (1977)
Cheng CW, Das IJ: Comparison of beam characteristics in intensity modulated radiation therapy (IMRT) and those under normal treatment condition. Med Phys 29:226-230 (2002)
Kuo JS, Yu C, Petrovich Z, et al: The CyberKnife stereotactic radiosurgery system: description, installation, and an initial evaluation of use and functionality. Neurosurgery 52:1235-1239 (2003)
Murphy MJ, Cox RS: The accuracy of dose localization for an image-guided frameless radiosurgery system. Med Phys 23:2043-2049 (1996)
Maniere EC, Olender D, Kilby W, et al: Robotic whole body stereotactic radiosurgery: clinical advantages of the CyberKnife ${\circledR}$ integrated system. Int J Med Robotics Computer Assisted Surgery 1:28-39 (2006)
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