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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 의료용선형가속기(21ix. Varian, USA) 15 MV X선을 이용한 골반부(자궁경부암)에 방사선치료를 함에 있어 세기조절방사선치료와 3차원입체조형치료에서 발생되는 광중성자의 선량을 비교 평가하고자 한다.
- 과거의 방사선치료는 암을 제어하는데 주목적을 두고 시행했다면 현재는 어떤 방법으로 정상조직을 효율적으로 보호하면서 암을 제어할 것인지에 초점을 두고 있으며, 그 일환으로 고에너지 장비들의 개발과 로봇치료기, 토모치료기, 양성자치료기 등의 특수한 치료기 들이 개발은 물론, 3차원입체조형치료, 세기조절방사선치료, 영상유도방사선치료, 호흡동조방사선치료 등의 특수치료법들도 개발되어 암 치료에 많은 도움을 주고 있다. 특히 세기조절방사선치료는 방사선치료의 효율적인 면에서 우수한 것은 분명하지만 MU가 상대적으로 증가하게 되고, 광중성자 발생에 직접적인 영향을 주는 다엽콜리메타를 기반으로 하기 때문에 광중성자의 양도 많을 것으로 사료되어 3차원입체조형치료 시 발생되는 광중성자의 양과 세기조절방사선치료 시 발생되는 광중성자의 양을 비교평가 하고자 했다. 먼저 치료계획에 있어서 종양에 1.
제안 방법
- 3차원입체조형치료에 있어서는 4문의 조사야(180°, 270°, 0°, 그리고 90°)를 사용하였고, 표적 체적에 선량을 균일하게 하고 주요 정상 조직의 장기견딤선량을 유지하기 위해 약간의 빔 가중(beam weighting)을 사용하여 치료계획을 수립하였다.
- 누적선량체적히스토그람(cumulative dose-volume histogram, DVH)를 사용하여 PTV와 손상위험장기에 대하여 선량인자를 분석하였다. PTV에 사용된 선량인자는 V97%(처방선량의 97 % 이상을 받는 PTV의 부피 백분율)와 V95%, homogeneity index (HI), conformity index (CI)를 사용하였다. CI와 HI 지수의 정의는 다음과 같다.
- 광중성자 계측에는 CR-39, Bubble Dosimeter, TLD등이 전통적으로 널리 사용이 되고 있으나 본 연구에 사용된 광자극 발광선량계(Optically Stimulated Luminescence Dosimeter; OSLD)를 사용하였으며 측정원리는 방사선에 노출된 크리스탈에 트랩 된 위치로부터 형광중심까지 전하를 이동시키기 위하여 특정파장을 가진 빛을 가하고 여기에 반응하여 나오는 또 다른 빛을 카운트하는 원리이고 형광의 양은 방사선량과 광자극의 양에 비례해서 증가한다.
- 광중성자 계측을 위해 인체팬텀을 치료실에 셋업 후 조사야 중심을 기준으로 거리 25 cm(복부), 37 cm(흉부), 53 cm(경부), 71 cm(미간)의 체표면 위치에 광중성자 계측을 위한 광자극 발광선량계를 각각 위치하였고 치료계획을 기반으로 정해진 각도에서 방사선을 조사하였다. 실험은 3차원입체조형치료, 세기조절방사선치료 각각 5회씩 반복하였다.
- 누적선량체적히스토그람(cumulative dose-volume histogram, DVH)를 사용하여 PTV와 손상위험장기에 대하여 선량인자를 분석하였다. PTV에 사용된 선량인자는 V97%(처방선량의 97 % 이상을 받는 PTV의 부피 백분율)와 V95%, homogeneity index (HI), conformity index (CI)를 사용하였다.
- 두 방사선치료계획에서 선량 정규화(normalization)는 처방선량(prescription dose)에 최소 PTV의 95 % 이상을 포함하도록 하였다. 치료계획에 사용된 에너지는 15 MV 광자선을 이용하였다(Fig.
- 손상위험장기의 경우에는 대퇴골두(femoral head)는 V40 (40 Gy 이상을 받는 손상위험장기의 부피 백분율), V30, V20, Dmean을 사용하였고, 직장과 방광은 V45, V40, V30, Dmean 등을 사용하여 분석하였다. 또한 총 모니터단위(MU) 역시 비교 분석하였다.
- 본 연구를 위해 Rando 팬텀을 셋업 후 전산화단층촬영 모의치료(Computed Tomography Simulation)를 통해 5㎜ 두께로 영상을 획득하였다. 획득된 영상은 치료계획시스템(Eclipse ver.
- 세기조절방사선치료는 7문의 조사야를 사용하였고, 각 조사 각도는 210°, 260°, 310°, 0°, 50°, 100°, 그리고 150°로 하였다.
- 광중성자 계측을 위해 인체팬텀을 치료실에 셋업 후 조사야 중심을 기준으로 거리 25 cm(복부), 37 cm(흉부), 53 cm(경부), 71 cm(미간)의 체표면 위치에 광중성자 계측을 위한 광자극 발광선량계를 각각 위치하였고 치료계획을 기반으로 정해진 각도에서 방사선을 조사하였다. 실험은 3차원입체조형치료, 세기조절방사선치료 각각 5회씩 반복하였다. 수집된 광중성자의 평가에는 Landauer ZPA 710 Auto200을 이용하였다(Fig.
- 치료계획용 시스템의 sliding조사기법을 이용하여 표적 체적에는 최대한의 선량을 균일하게 조사하면서 주요 정상 조직에 들어가는 선량을 최소화하도록 역방향치료계획(inverse treatment planning)을 실시하였다. 주요 정상 조직에 대한 선량은 문헌에서 정의한 장기견딤선량(organ tolerance dose)15,16) 이하의 선량을 유지하도록 치료계획을 수립하였다.
- 세기조절방사선치료는 7문의 조사야를 사용하였고, 각 조사 각도는 210°, 260°, 310°, 0°, 50°, 100°, 그리고 150°로 하였다. 치료계획용 시스템의 sliding조사기법을 이용하여 표적 체적에는 최대한의 선량을 균일하게 조사하면서 주요 정상 조직에 들어가는 선량을 최소화하도록 역방향치료계획(inverse treatment planning)을 실시하였다. 주요 정상 조직에 대한 선량은 문헌에서 정의한 장기견딤선량(organ tolerance dose)15,16) 이하의 선량을 유지하도록 치료계획을 수립하였다.
- 한 명의 방사선종양학과 전문의에 의해 육안적 종양체적(Gross Tumor Volume, GTV), 임상표적체적(Clinical Target Volume, CTV)와 계획용 표적체적(Planning Target Volume, PTV), 그리고 인접 주요 장기의 윤곽을 그렸다. 치료선량은 PTV에 180 cGy씩 25회로 총 4,500 cGy로 처방하였다.
- 6, Varian, USA)에서 치료계획을 위해 사용되었다. 한 명의 방사선종양학과 전문의에 의해 육안적 종양체적(Gross Tumor Volume, GTV), 임상표적체적(Clinical Target Volume, CTV)와 계획용 표적체적(Planning Target Volume, PTV), 그리고 인접 주요 장기의 윤곽을 그렸다. 치료선량은 PTV에 180 cGy씩 25회로 총 4,500 cGy로 처방하였다.
대상 데이터
- 는 처방선량의 등선량에 대한 부피, TV는 표적 체적(PTV의 부피)를 의미한다. 손상위험장기의 경우에는 대퇴골두(femoral head)는 V40 (40 Gy 이상을 받는 손상위험장기의 부피 백분율), V30, V20, Dmean을 사용하였고, 직장과 방광은 V45, V40, V30, Dmean 등을 사용하여 분석하였다. 또한 총 모니터단위(MU) 역시 비교 분석하였다.
- 실험은 3차원입체조형치료, 세기조절방사선치료 각각 5회씩 반복하였다. 수집된 광중성자의 평가에는 Landauer ZPA 710 Auto200을 이용하였다(Fig. 3).
- 두 방사선치료계획에서 선량 정규화(normalization)는 처방선량(prescription dose)에 최소 PTV의 95 % 이상을 포함하도록 하였다. 치료계획에 사용된 에너지는 15 MV 광자선을 이용하였다(Fig. 1).
성능/효과
- 3차원입체조형치료에서 발생된 광중성자의 평균 선량은 복부에서 0.54 mSv, 흉부에서 0.48 mSv, 경부에서 0.4 mSv, 그리고 미간에서는 0.27 mSv로 수집되었고 네 부위 모두 ±0.1 % 의 편차를 보였다.
- 3차원입체조형치료와 세기조절방사선치료 시 광중성자의 발생 차는 IMRT가 3DCRT에 비해 복부에서 9 배, 흉부에서 8.6 배, 경부에서 8.8 배, 그리고 미간에서 14 배로 최소 8.5 배에서 최대 14 배로 많이 발생함을 확인할 수 있었다. 또한 3DCRT와 IMRT 모두 조사야 중심에서 거리가 멀어질수록 광중성자의 발생량도 비례적으로 감소함을 확인할 수 있었다(Fig.
- PTV에서 세기조절방사선치료에 대한 V100%, V97%, 그리고 V95%는 각각 94.5 %, 99.1 %, 그리고 99.8 %이였고, 삼차원입체조형방사선치료는 각각 94.4 %, 99.9 %, 그리고 100.0 %이였다(Table 1).
- 두 치료 방법의 치료계획은 PTV에 대해서는 비슷하거나 선량 coverage 면에서 세기조절방사선치료가 더 좋은 결과를 보였다. 주요 장기에 들어가는 선량에서 세기조절방사선치료가 특히 직장, 방광, 그리고 좌우 대퇴골부에 들어가는 고 선량을 상당히 줄 일 수 있었다.
- 5 배에서 최대 14 배로 많이 발생함을 확인할 수 있었다. 또한 3DCRT와 IMRT 모두 조사야 중심에서 거리가 멀어질수록 광중성자의 발생량도 비례적으로 감소함을 확인할 수 있었다(Fig. 5).
- 5 배에서 최대 14 배로 많이 발생함을 확인할 수 있었다. 또한 두 경우 모두 조사야 중심에서 멀어질수록 광중성자의 양도 비례적으로 감소함을 확인할 수 있었다. 이는 세기조절방사선치료 계획의 알고리즘에 따른 MU증가와 더불어 광중성자 발생 요인으로 작용하는 동적콜리메타의 영향으로 생각된다2).
- 또한 재현성 ±0.0150, 선형성 5 Sv까지 1±0.1에 모두 분포하며 0.1 mSv~1 SV까지 1±0.06으로 우수함을 보여준다.
- 특히 세기조절방사선치료는 방사선치료의 효율적인 면에서 우수한 것은 분명하지만 MU가 상대적으로 증가하게 되고, 광중성자 발생에 직접적인 영향을 주는 다엽콜리메타를 기반으로 하기 때문에 광중성자의 양도 많을 것으로 사료되어 3차원입체조형치료 시 발생되는 광중성자의 양과 세기조절방사선치료 시 발생되는 광중성자의 양을 비교평가 하고자 했다. 먼저 치료계획에 있어서 종양에 1.8 Gy 처방 결과 3차원입체조형치료의 경우 201 MU, 세기조절방사선치료에 있어서는 1,801 MU 로 약 9배가량 많음을 알 수 있다. 조사 결과 3차원입체조형치료 시 방생된 광중성자의 양은 복부 0.
- 본 연구에서 평가하고자 했던 세기조절방사선치료와 3차원입체조형치료에서 발생된 광중성자의 차는 세기조절방사선치료가 3차원입체조형치료에 비해 복부에서 9 배, 흉부에서 8.6 배, 경부에서 8.8 배, 그리고 미간에서 14 배로 최소 8.5 배에서 최대 14 배로 많이 발생함을 확인할 수 있었다. 또한 두 경우 모두 조사야 중심에서 멀어질수록 광중성자의 양도 비례적으로 감소함을 확인할 수 있었다.
- 0 % 선량 감소 효과를 보였다. 세기조절방사선치료 계획에서 표적 체적에 대한 최적의 선량분포 획득과 주요 장기에 대한 선량 감소가 있는 반면에, 총 치료를 위해 사용된 MU는 약 9 배 정도 많은 결과를 보였다.
- 세기조절방사선치료에서 발생된 광중성자의 평균 선량은 복부에서 4.85 mSv, 흉부 4.14 mSv, 경부3.80 mSv, 미간에서 3.79 mSv로 수집되었고, 편차는 복부에서 ±0.08 mSv, 흉부 ±0.06 mSv, 경부 ±0.02 mSv, 미간에서 ±0.02 mSv의 편차를 보였다(Table2), (Table3).
- 2011년을 기준으로 방사선치료 장비의 국내가동 기종으로는 선형가속기 134기, 토모치료기 15기, 사이버나이프8기, 양성자치료기 1기 순으로 선형가속기가 주를 이루고 있다1). 이러한 의료용 선형가속기는 2011년을 기준으로 과거 10년 전에 비해 두 배로 증가하기에 이르렀고, 최근 10년간 암 발생률로 보면 매년 남, 여 평균 10만 명당 3.3 %씩 증가하고 있는 추세이며, 통계청 자료에 의하면 남, 여 평균수명을 80세로 가정했을 경우 평균수명까지 생존 시 암 발생확률은 34 %로 3명 중 1명꼴인 셈이다. 통계적으로 보아 암 환자는 해가 거듭할수록 증가할 것이며, 암 치료를 위해 사용되는 선형가속기의 보급도 날로 증가할 것으로 예측이 된다.
- 8 Gy 처방 결과 3차원입체조형치료의 경우 201 MU, 세기조절방사선치료에 있어서는 1,801 MU 로 약 9배가량 많음을 알 수 있다. 조사 결과 3차원입체조형치료 시 방생된 광중성자의 양은 복부 0.54 mSv, 흉부 0.48 mSv, 경부 0.43 mSv,그리고 미간의 위치에서 0.27 mSv로 나타났으며, 세기조절방사선치료에서는 복부 4.85 mSv, 흉부 4.14 mSv, 경부 3.81 mSv, 그리고 미간의 위치에서 3.79 mSv로 나타났다.
- 주요 장기에 들어가는 선량에서 세기조절방사선치료가 특히 직장, 방광, 그리고 좌우 대퇴골부에 들어가는 고 선량을 상당히 줄 일 수 있었다. 좌우 대퇴골부에 들어가는 평균 선량은 세기조절방사선치료가 3차원 입체조형방사선치료 보다 선량 감소는 있었지만 그 차이가 크지 않았으며, 반면에 직장과 방광에 들어가는 평균선량은 평균 14.0 % 선량 감소 효과를 보였다. 세기조절방사선치료 계획에서 표적 체적에 대한 최적의 선량분포 획득과 주요 장기에 대한 선량 감소가 있는 반면에, 총 치료를 위해 사용된 MU는 약 9 배 정도 많은 결과를 보였다.
- 좌우 대퇴골부의 경우에서도 평가된 선량인자 모두 세기조절방사선치료에서 선량 감소 효과를 보였다. 평균 선량에서 두 치료 방법에 대한 큰 차이는 없었지만, 특히 좌측과 우측의 대퇴골부의 V40Gy에서 세기조절방사선치료가 각각 61.
- 두 치료 방법의 치료계획은 PTV에 대해서는 비슷하거나 선량 coverage 면에서 세기조절방사선치료가 더 좋은 결과를 보였다. 주요 장기에 들어가는 선량에서 세기조절방사선치료가 특히 직장, 방광, 그리고 좌우 대퇴골부에 들어가는 고 선량을 상당히 줄 일 수 있었다. 좌우 대퇴골부에 들어가는 평균 선량은 세기조절방사선치료가 3차원 입체조형방사선치료 보다 선량 감소는 있었지만 그 차이가 크지 않았으며, 반면에 직장과 방광에 들어가는 평균선량은 평균 14.
- 직장과 방광에 대하여 평가된 모든 선량인자에서 세기조절방사선치료가 3차원입체조형방사선치료보다 선량 감소 효과가 있었다(Fig. 4).
- 직장과 방광에 들어가는 평균 선량(Dmean)에서 세기조절방사선치료가 3차원입체조형방사선치료보다 각각 13.0 %와 15.0 %의 선량 감소를 보였고, 직장과 방광의 V45 Gy에서 각각 최대 24.9 %와 37.6 %의 선량 감소를 보였다.
- 3 %씩 증가하고 있는 추세이며, 통계청 자료에 의하면 남, 여 평균수명을 80세로 가정했을 경우 평균수명까지 생존 시 암 발생확률은 34 %로 3명 중 1명꼴인 셈이다. 통계적으로 보아 암 환자는 해가 거듭할수록 증가할 것이며, 암 치료를 위해 사용되는 선형가속기의 보급도 날로 증가할 것으로 예측이 된다.
- 좌우 대퇴골부의 경우에서도 평가된 선량인자 모두 세기조절방사선치료에서 선량 감소 효과를 보였다. 평균 선량에서 두 치료 방법에 대한 큰 차이는 없었지만, 특히 좌측과 우측의 대퇴골부의 V40Gy에서 세기조절방사선치료가 각각 61.8 %와 82.6 %의 상당한 선량 감소를 보였고, 저 선량이라 할 수 있는 V20Gy에서도 각각 21.5 %와 27.7 %의 선량 감소를 보였다.
후속연구
- 결론적으로 의료용 선형가속기의 물리적인 특성상 광중성자의 발생을 원천적으로 차단하기는 어렵겠지만 조사야 외에 불필요하게 영향을 받는 정상조직에 대해서는 적절하게 보호할 수 있는 방안이 모색 되어야 하겠고, 보다 적극적인 연구와 지속적인 관심이 필요하겠다. 나아가서는 각 조직에 흡수되는 광중성자의 양과 그에 따른 생물학적 영향에 대한 평가가 이루어져야 할 것이며, 방사선치료를 받는 환자에 대한 별도의 안전관리 지침과 기준 마련을 통한 암 환자의 삶의 질이 향상될 수 있기를 기대해 본다.
- 결론적으로 의료용 선형가속기의 물리적인 특성상 광중성자의 발생을 원천적으로 차단하기는 어렵겠지만 조사야 외에 불필요하게 영향을 받는 정상조직에 대해서는 적절하게 보호할 수 있는 방안이 모색 되어야 하겠고, 보다 적극적인 연구와 지속적인 관심이 필요하겠다. 나아가서는 각 조직에 흡수되는 광중성자의 양과 그에 따른 생물학적 영향에 대한 평가가 이루어져야 할 것이며, 방사선치료를 받는 환자에 대한 별도의 안전관리 지침과 기준 마련을 통한 암 환자의 삶의 질이 향상될 수 있기를 기대해 본다.
- 종양제어에 필요한 선량은 크게 각 부위별로 진전도 및 여러 가지 인자에 따라 달라지겠지만 기본적으로 자궁암에 있어서는 하루 종양선량을 180 cGy, 총 선량은 약 6,000 cGy를 조사한다. 본 연구에서는 180 cGy 1회 조사로 인해 수집된 광중성자의 양으로 극히 미량일 수 있겠지만 약 30회의 전 치료기간에 조사되는 총 선량으로 본다면 결코 무시할만한 선량은 아닐 것이다. 발암 위험률과 피부방사선 선량과의 관계는 현재 명확하지 않으나 일반적으로 암을 발생시키려면 급성조사로 10 Gy 이상의 선량이 필요하며, 전구 증상인 방사선피부염이 심할수록 그 확률이 높아지게 된다17).
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