2D 어레이 다이오드 검출기를 이용하여 전립선과 두경부 IMRT 환자(전립선 2사례, 두경부 2사례)를 대상으로 선량계산 격자 크기(calculation grid size)에 따른 계산선량 정확성(dose calculation accuracy)을 평가했으며, 그 결과를 바탕으로 2D 어레이 다이오드가 IMRT 계산선량과 조사선량 검증에 적합한지 여부를 확인했다. 치료계획장치(treatment planning system, TPS)에서 제공되는 4종류의 격자 크기(1.25 mm, 2.5 mm, 5 mm, 10 mm) 별로 계산된 선량과 2D 어레이 다이오드 검출기를 이용하여 얻어진 측정선량을 감마 분석방법을 이용, 비교하는 방식으로 실험을 진행하였으며, 선량분포의 변화 범위에 따른 정확성 변화 또한 확인했다. 3 mm/3%의 평가기준(acceptance criteria)을 적용한 감마 분석방법에서는 10 mm를 제외한 격자 크기 별 평균 통과율(passrate)에 뚜렷한 차이를 확인할 수 없었으나, 평가기준을 3 mm/3%, 2mm/2%, 1 mm/1%로 세밀하게 적용하였을 경우, 1.25 mm를 제외한 격자크기의 통과율이 각각 5%와 20%, 31.53% 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 격자 크기에 따른 선량계산시간은 1.25, 2.5, 5, 10 mm 격자 크기에서 각각 11.5, 4.77, 2.95, 1.5 min 소비됐으며 격자 크기가 2배 증가할수록 선량계산시간은 약 1/2로 감소되는 결과를 확인할 수 있었다. 또한 저경사도영역(low gradient area)과 고경사도영역(high gradient area)을 구분하여 격자 크기영향을 평가하였으며, 격자 크기가 계산선량 정확성에 미치는 효과는 low gradient area보다 high gradient area에서 더 크게 작용한다는 결과를 확인했다. 본 연구의 결과를 종합해 봤을 때 2.5 mm의 격자 크기로 선량계산을 수행하는 것이 계산선량 정확성과 계산시간 면에서 적절한 것으로 여겨지며, high gradient area에 있어서는 가능한 세밀한 격자크기(1.25 mm)를 적용할 것이 권장된다. 또한 이상의 결과가 기존 연구의 이론 및 필름을 이용한 측정과 동일함을 고려해 봤을 때 2D 어레이 다이오드 검출기가 IMRT 계산선량과 조사선량 검증에 적합함을 확인할 수 있었다.
2D 어레이 다이오드 검출기를 이용하여 전립선과 두경부 IMRT 환자(전립선 2사례, 두경부 2사례)를 대상으로 선량계산 격자 크기(calculation grid size)에 따른 계산선량 정확성(dose calculation accuracy)을 평가했으며, 그 결과를 바탕으로 2D 어레이 다이오드가 IMRT 계산선량과 조사선량 검증에 적합한지 여부를 확인했다. 치료계획장치(treatment planning system, TPS)에서 제공되는 4종류의 격자 크기(1.25 mm, 2.5 mm, 5 mm, 10 mm) 별로 계산된 선량과 2D 어레이 다이오드 검출기를 이용하여 얻어진 측정선량을 감마 분석방법을 이용, 비교하는 방식으로 실험을 진행하였으며, 선량분포의 변화 범위에 따른 정확성 변화 또한 확인했다. 3 mm/3%의 평가기준(acceptance criteria)을 적용한 감마 분석방법에서는 10 mm를 제외한 격자 크기 별 평균 통과율(pass rate)에 뚜렷한 차이를 확인할 수 없었으나, 평가기준을 3 mm/3%, 2mm/2%, 1 mm/1%로 세밀하게 적용하였을 경우, 1.25 mm를 제외한 격자크기의 통과율이 각각 5%와 20%, 31.53% 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 격자 크기에 따른 선량계산시간은 1.25, 2.5, 5, 10 mm 격자 크기에서 각각 11.5, 4.77, 2.95, 1.5 min 소비됐으며 격자 크기가 2배 증가할수록 선량계산시간은 약 1/2로 감소되는 결과를 확인할 수 있었다. 또한 저경사도영역(low gradient area)과 고경사도영역(high gradient area)을 구분하여 격자 크기영향을 평가하였으며, 격자 크기가 계산선량 정확성에 미치는 효과는 low gradient area보다 high gradient area에서 더 크게 작용한다는 결과를 확인했다. 본 연구의 결과를 종합해 봤을 때 2.5 mm의 격자 크기로 선량계산을 수행하는 것이 계산선량 정확성과 계산시간 면에서 적절한 것으로 여겨지며, high gradient area에 있어서는 가능한 세밀한 격자크기(1.25 mm)를 적용할 것이 권장된다. 또한 이상의 결과가 기존 연구의 이론 및 필름을 이용한 측정과 동일함을 고려해 봤을 때 2D 어레이 다이오드 검출기가 IMRT 계산선량과 조사선량 검증에 적합함을 확인할 수 있었다.
In this study, we evaluated the effect of grid size on dose calculation accuracy using 2 head & neck and 2 prostate IMRT cases and based on this study's findings, we also evaluated the efficiency of a 2D diode array detector for IMRT quality assurance. Dose distributions of four IMRT plan data were ...
In this study, we evaluated the effect of grid size on dose calculation accuracy using 2 head & neck and 2 prostate IMRT cases and based on this study's findings, we also evaluated the efficiency of a 2D diode array detector for IMRT quality assurance. Dose distributions of four IMRT plan data were calculated at four calculation grid sizes (1.25, 2.5, 5, and 10 mm) and the calculated dose distributions were compared with measured dose distributions using 2D diode array detector. Although there was no obvious difference in pass rate of gamma analysis with 3 mm/3% acceptance criteria for the others except 10 mm grid size, we found that the pass rates of 2.5, 5 and 10 mm grid size were decreased 5%, 20% and 31.53% respectively according to the application of the fine acceptance criteria, 3 mm/3%, 2 mm/2% and 1 mm/1%. The calculation time were about 11.5 min, 4.77 min, 2.95 min, and 11.5 min at 1.25, 2.5, 5, and 10 mm, respectively and as the grid size increased to double, the calculation time decreased about one-half. The grid size effect was observed more clearly in the high gradient area than the low gradient area. In conclusion, 2.5 mm grid size is considered acceptable for most IMRT plans but at least in the high gradient area, 1.25 mm grid size is required to accurately predict the dose distribution. These results are exactly same as the precious studies' results and theory. So we confirmed that 2D array diode detector was suitable for the IMRT QA.
In this study, we evaluated the effect of grid size on dose calculation accuracy using 2 head & neck and 2 prostate IMRT cases and based on this study's findings, we also evaluated the efficiency of a 2D diode array detector for IMRT quality assurance. Dose distributions of four IMRT plan data were calculated at four calculation grid sizes (1.25, 2.5, 5, and 10 mm) and the calculated dose distributions were compared with measured dose distributions using 2D diode array detector. Although there was no obvious difference in pass rate of gamma analysis with 3 mm/3% acceptance criteria for the others except 10 mm grid size, we found that the pass rates of 2.5, 5 and 10 mm grid size were decreased 5%, 20% and 31.53% respectively according to the application of the fine acceptance criteria, 3 mm/3%, 2 mm/2% and 1 mm/1%. The calculation time were about 11.5 min, 4.77 min, 2.95 min, and 11.5 min at 1.25, 2.5, 5, and 10 mm, respectively and as the grid size increased to double, the calculation time decreased about one-half. The grid size effect was observed more clearly in the high gradient area than the low gradient area. In conclusion, 2.5 mm grid size is considered acceptable for most IMRT plans but at least in the high gradient area, 1.25 mm grid size is required to accurately predict the dose distribution. These results are exactly same as the precious studies' results and theory. So we confirmed that 2D array diode detector was suitable for the IMRT QA.
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문제 정의
또한 본 연구에서는 전립선 환자의 치료계획을 대상으로 low gradient area와 high gradient area를 구분하여 계산선량 격자크기가 선량계산의 정확성에 미치는 영향을 평가했다. 상대선량이 0∼5% mm−1인 영역을 low gradient area로 설정하고 그 이상으로 변화되는 영역을 high gradient area로 설정했다.
의 연구와는 달리 앞선 연구의 이론적 배경을 기초로 보다 임상적인 대상에 이론을 적용시킴으로써, 실제 방사선 치료에서 선량계산 격자크기가 계산선량 정확성에 미치는 영향을 평가해 보았다. 또한 본 연구의 결과를 바탕으로 최근 사용상의 편의성으로 인해 그 이용이 증가되고 있는 2D 어레이 다이오드 검출기가 IMRT 계산선량과 조사선량 검증에 적합한지 여부를 확인하고자 했다.
본 연구는 새로운 알고리즘 개발 및 팬텀을 이용한 이론 검증에 주된 목적을 두었던 Chung 등6)의 연구와는 달리 앞선 연구의 이론적 배경을 기초로 보다 임상적인 대상에 이론을 적용시킴으로써, 실제 방사선 치료에서 선량계산 격자크기가 계산선량 정확성에 미치는 영향을 평가해 보았다. 또한 본 연구의 결과를 바탕으로 최근 사용상의 편의성으로 인해 그 이용이 증가되고 있는 2D 어레이 다이오드 검출기가 IMRT 계산선량과 조사선량 검증에 적합한지 여부를 확인하고자 했다.
제안 방법
상대선량이 0∼5% mm−1인 영역을 low gradient area로 설정하고 그 이상으로 변화되는 영역을 high gradient area로 설정했다. 격자크기 별로 계산된 선량과 측정선량을 3 mm/3%의 기준을 적용하여 gamma 평가하였으며, 각 영역별(high gradient area, low gradient area)로 fail 된 포인트의 비율을 비교했다.
본 연구에서는 간편한 측정을 위해 전체 치료 조사면을 연속 조사하여 측정 후 총 선량을 계산하여 비교하였다. 그러나 이러한 방법은 각 조사면에서 발생한 오차가 조사면의 중첩에 의해 상쇄 혹은 과장될 수 있기 때문에 이 문제를 해결하기 위한 추가 실험이 필요할 것으로 생각된다.
상대선량이 0∼5% mm−1인 영역을 low gradient area로 설정하고 그 이상으로 변화되는 영역을 high gradient area로 설정했다.
10, Varian Medical Systems, Palo Alto, CA, USA)를 사용하였다. 선량계산 시 적용된 알고리즘은 Anisotropic Analytical Algorithm (AAA)이며, 두경부 IMRT 2사례와 전립선 IMRT 2사례를 대상으로 적용했다.
정량적 평가를 위해 전립선과 두경부 IMRT 치료계획을 이용하여, 4종류의 격자크기로 선량을 계산한 후, 각각의 격자크기에서 계산된 선량분포를 2D 어레이 다이오드 검출기를 이용하여 얻어진 측정선량과 비교하였다.
측정선량을 얻기 위해 2D array diode detector (The Map-Check 1175 2D array, Sun Nuclear, Melbourne, FL, USA)를 사용하였다. MapCheck은 22×22 cm의 평판 구조로 이루어져 있으며 그 내부에는 총 445개의 N-type diode가 배열되어 있다.
대상 데이터
두경부 환자의 경우 6 MV의 빔 에너지로 총 8개의 빔(165º, 125º, 80º, 35º, 195º, 235º, 280º, 325º)이 사용되었다.
전립선 환자의 경우 15 MV의 에너지로 총 7개의 빔(140º, 70º, 50º, 220º, 260º, 310º, 0º)이 사용되었고, Inferior-Superior에서 최대 7.1 cm, Lateral에서 최대 8 cm, Anterior-Posterior에서 최대 5.2 cm의 target 크기를 가지며, PTV는 130 cc이다.
이론/모형
계산선량과 측정선량 사이의 선량분포도 비교를 위해 MapCheck에서 제공되는 소프트웨어를 이용하여 감마 분석 방법8-10)을 수행했다. 감마 분석방법은 선량 차이(dose difference)와 물리적 거리(physical distance) 두 요소 모두를 평가하는 방법이며 계산선량과 측정선량 사이의 차이가 사용자에 의해 정해진 평가기준을 만족하는지 여부를 평가하는 방법이다.
방사선조사를 위해서 21EX 선형가속기(Varian Medical Systems, Palo Alto, CA, USA)를 이용하였고, 선량계산을 위한 TPS는 Eclipse(Version 7.3.10, Varian Medical Systems, Palo Alto, CA, USA)를 사용하였다. 선량계산 시 적용된 알고리즘은 Anisotropic Analytical Algorithm (AAA)이며, 두경부 IMRT 2사례와 전립선 IMRT 2사례를 대상으로 적용했다.
측정선량과 계산선량 사이의 정밀한 비교를 위해 감도 및 에너지 보정, 그 외 기하학적 조건의 재현성 등은 User’s Guide, MapCheck (version 3.2)를 참고하였다.
성능/효과
IMRT 치료계획 4사례의(전립선 2사례, 두경부 2사례) 각 격자 크기별 통과율(pass rate)의 표준편차 값은 1.25 mm에서 98.45±0.81%로 가장 높았으며, 2.5 mm, 5 mm, 10 mm에서 각각 98.48±0.78%, 98.00±1.15%, 94.45±0.58%의 값을 가졌다.
Table 3은 전립선 환자의 치료계획을 대상으로 선량분포가 변화하는 범위에 따라 격자크기가 계산선량 정확성에 미치는 영향을 평가한 결과이다. Low gradient area와 high gradient area 모두에서 격자 크기가 증가할수록 fail 되는 포인트의 비율은 증가하였다. 하지만 증가폭은 high gradient area에서 더 크게 나타났으며 특히 격자 크기가 커질수록 그 경향성은 두드러졌다.
5 mm의 격자 크기에 비해 약 2배 이상 소비되었다. 격자크기가 증가할수록 계산선량 정확성은 다소 감소하는 결과를 확인할 수 있었지만 뚜렷한 경향성을 찾을 수는 없었다. 이는 계산에 적용된 격자 크기보다 큰 평가기준을 적용하여, 격자크기의 영향을 확인할 충분한 분해능을 갖지 못하기 때문이다.
Table 2는 두경부와 전립선 사례에서 평가기준을 달리할 때 선량계산 격자크기 별 통과율의 변화를 나타낸 결과이다. 격자크기가 커질수록 통과율이 감소하는 경향(grid size effect)은 세밀한 평가기준을 적용할수록 명확히 확인되었다.
이는 계산에 적용된 격자 크기보다 큰 평가기준을 적용하여, 격자크기의 영향을 확인할 충분한 분해능을 갖지 못하기 때문이다. 따라서 격자크기에 따른 효과 확인을 위해 좀 더 작은 평가기준의 적용이 필요했으며, Table 2에서 확인할 수 있듯이 격자크기를 작게 적용할수록 계산선량 정확성이 향상되는 결과가 나타났다. 이는 기존의 Chung 등6)의 연구와 동일한 결과이며, 이상의 결과를 종합해 봤을 때 IMRT 치료계획에 있어서 2.
본 연구를 통해 작은 선량계산 격자 크기를 적용할수록 계산선량 정확성은 향상된다는 사실을 확인할 수 있었다. 또한 계산선량 정확성과 선량계산시간의 결과를 종합해 봤을 때 2.5 mm의 격자 크기로 선량계산을 수행하는 것이 적절한 것으로 여겨진다. 다만 high gradient area 또는 SRS와 같이 매우 작은 조사면(field)을 이용하는 방사선치료의 경우에는 최대한 작은 격자 크기를 적용하는 것이 권장된다.
다만 high gradient area 또는 SRS와 같이 매우 작은 조사면(field)을 이용하는 방사선치료의 경우에는 최대한 작은 격자 크기를 적용하는 것이 권장된다. 본 연구를 통해 얻어진 결과는 기존연구의 이론 및 필름을 이용한 측정과 동일함을 확인할 수 있으며, 이상의 결론을 종합해 볼 때 2D 어레이 다이오드 검출기가 IMRT 계산선량과 조사선량 검증에 적합함을 확인할 수 있다.
본 연구를 통해 작은 선량계산 격자 크기를 적용할수록 계산선량 정확성은 향상된다는 사실을 확인할 수 있었다. 또한 계산선량 정확성과 선량계산시간의 결과를 종합해 봤을 때 2.
본 연구의 결과는 계산선량 정확성 평가에 영향을 미칠 수 있는 장비의 방사선 전달, 선량측정(dosimetry) 등 잠재된 에러의 영향을 고려하기에는 적용사례가 너무 적었으며 계산선량의 정확성 평가에 있어 필수적인 알고리즘에 대한 분석이 결여되어 있다는 점에서 IMRT 계산선량 자체의 정확성 평가로 확대하기에는 다소 부족함이 있다. 하지만 이론 검증에 주된 목적을 두었던 기존 연구와는 달리 실제 IMRT 환자의 치료계획에 이론을 적용시켰으며 그 외 대부분의 연구조건을 실제 임상환경과 동일하게 적용시킴으로써 최대한 임상적 유용성을 얻기 위해 노력했다.
따라서 격자크기에 따른 효과 확인을 위해 좀 더 작은 평가기준의 적용이 필요했으며, Table 2에서 확인할 수 있듯이 격자크기를 작게 적용할수록 계산선량 정확성이 향상되는 결과가 나타났다. 이는 기존의 Chung 등6)의 연구와 동일한 결과이며, 이상의 결과를 종합해 봤을 때 IMRT 치료계획에 있어서 2.5 mm의 격자크기로 선량계산을 수행하는 것이 적절한 것으로 여겨진다. 그러나 선량변화가 급격한 부분(high gradient area) 또는 매우 작은 field를 사용하는 SRS 같은 경우는 최대한 작은 격자 크기를 적용할 것이 권장된다.
58%의 값을 가졌다. 전립선과 두경부 두 케이스 모두 1.25 mm와 2.5 mm 사이의 계산선량 정확성 차이는 나타나지 않았으며, 격자 크기가 2배 증가할수록 선량계산시간은 약 1/2로 감소되는 결과를 확인할 수 있었다.
두경부 환자의 경우 6 MV의 빔 에너지로 총 8개의 빔(165º, 125º, 80º, 35º, 195º, 235º, 280º, 325º)이 사용되었다. 치료계획상의 표적(target) 크기는 Inferior-Superior에서 최대 19.2 cm, Lateral에서 최대 11.3 cm, Anterior-Posterior에서 최대 8.3 cm이었으며 PTV (PTV1＋PTV2＋PTV3)는 약 514 cc이다.
707 cm) 이하의 영역에서는 측정점 사이의 보간에 기초한다는 점에서 계산선량과 비교대상이 되는 기준선량으로서 신뢰할 수 있는지 여부를 확신할 수 없었다. 하지만 본 연구의 결과가 기존 연구의 이론 및 필름을 이용한 측정결과와 일치함을 고려해 봤을 때 2D 어레이 다이오드 검출기가 IMRT 계산선량과 조사선량 검증에 타당함을 확인할 수 있었다.
후속연구
그러나 이러한 방법은 각 조사면에서 발생한 오차가 조사면의 중첩에 의해 상쇄 혹은 과장될 수 있기 때문에 이 문제를 해결하기 위한 추가 실험이 필요할 것으로 생각된다.13) 또한 추후의 연구에서는 적용사례를 높여 잠재적인 에러의 영향을 고려한 연구를 진행할 계획이며 적용된 알고리즘에 따른 변화 또한 분석할 계획이다.
본 연구에서는 간편한 측정을 위해 전체 치료 조사면을 연속 조사하여 측정 후 총 선량을 계산하여 비교하였다. 그러나 이러한 방법은 각 조사면에서 발생한 오차가 조사면의 중첩에 의해 상쇄 혹은 과장될 수 있기 때문에 이 문제를 해결하기 위한 추가 실험이 필요할 것으로 생각된다.13) 또한 추후의 연구에서는 적용사례를 높여 잠재적인 에러의 영향을 고려한 연구를 진행할 계획이며 적용된 알고리즘에 따른 변화 또한 분석할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
TPS 연구초기에는 어떤 연구가 주된 연구였나?
TPS 연구초기에는 선량계산점 사이의 보간이 계산선량 정확성에 미치는 영향을 줄이기 위한 새로운 알고리즘 개발 및 이론적 검증이 주된 연구의 대상이었고 결과적으로 많은 발전 또한 이루어져 왔다.5) 하지만 모든 선량계산점에서 선량계산이 수행되지 않는 한, 보간에 의해 발생되는 선량오차를 완전히 제거하는 것은 불가능하며 이로 인해 현재의 발전된 치료계획시스템상에서도 여전히 선량계산 격자크기에 관한 논의가 진행되고 있다.
선량계산 격자크기를 작게 적용할수록 발생하는 문제는 무엇이며 어떻게 크기를 결정하고 있는가?
이론적으로는 선량계산 격자크기를 작게 적용할수록 보간에 의하여 발생되는 선량계산 오차의 크기를 줄일 수 있다. 하지만 격자크기를 작게 적용할수록 선량계산시 소요되는 시간은 반대로 늘어나기 때문에 현실상 무한히 작은 선량계산 격자크기를 적용할 수는 없으며, 실제 임상에서는 계산된 선량의 정확성과 선량계산시간 사이의 적절한 타협을 통해 격자크기를 결정하고 있다. 그러나 이는 어디까지나 사용자의 주관과 경험에 의한 결정이며 격자크기의 적용에 있어서 적절한 기준이 될 수는 없다.
치료계획장치의 역할은 무엇인가?
치료계획장치(treatment planning system, TPS)의 역할 중 하나는 실제 방사선을 조사하기 전에 환자에게 주어질 방사선량을 계산하여 방사선치료의 효과를 극대화시키며, 부작용을 최소화시키는데 있다. 이러한 역할 수행을 위해서는 정확한 방사선량 계산이 필수적이며, 이를 위한 연구가 진행되어 왔다.
참고문헌 (13)
Niemierko A, Goitein M: The use of variable grid spacing to accelerate dose calculations. Med Phys 16:357-366 (1989)
Andrzej N, Michael G: The influence of the size of the grid used for dose calculation on the accuracy of dose estimation. Med Phy 16:239-247 (1989)
Dempsey JF, Romeijn HE, Jonathan GL, et al: A Fourier analysis of the dose grid resolution required for accurate IMRT fluence map optimization. Med Phys 32:380-388 (2005)
Tom D, Ann VE, Dominique PH, et al: A quantitative evaluation of IMRT dose distributions: refinement and clinical assessment of the gamma evaluation. Radiother Oncol 62:309-319 (2002)
Paul AJ, Ben EN: A 2-D diode array and analysis software for verification of intensity modulated radiation therapy delivery. Med Phys 30:870-879 (2003)
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