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문제 정의
- 최근 방사선치료 분야에서는 방사선수술(Radiosurgery), 세기변조방사선치료(Intensity modulation radiotherapy), 세기변조방사선수술(Intensity modulation radiosurgery), 감마나이프(GammaKnife), 사이버나이프(CyberKnife) 및 토모테라피(TomoTherapy) 같은 3차원 입체 방사선치료가 시행되고 있다. 이러한 치료들은 치료하고자 하는 병소에는 충분한 방사선량을 조사하여 치료효과를 높이며 동시에 정상조직에 대한 조사량을 극소화하여 최대한 보호하는데 그 목적이 있다. 따라서 치료하고자 하는 부위에 대한 정확한 선량의 전달과 정상 조직에 대한 선량의 평가는 매우 중요하다.
제안 방법
- Pappas 등은 5 mm의 소조사면의 출력인자를 겔 선량계를 이용하여 측정한 결과 기존 선량계의 유효체적의 크기로 인한 불확실성을 줄일 수 있다고 제안하였다.4) Pantelis 등은 겔을 이용하여 측정된 사이버나이프의 빔데이터를 기존의 선량계와 비교하였으며, 이온전리함, 다이오드 검출기 및 Gafchromic EBT 필름으로 출력인자 및 프로파일을 측정하였다.5) 본 연구에서는 사이버나이프에서 겔선량계를 이용한 선량 측정을 시행하고 이를 분석하여 소조사면에서의 3차원적 선량 측정에 대한 유용성을 평가하였다.
- 4) Pantelis 등은 겔을 이용하여 측정된 사이버나이프의 빔데이터를 기존의 선량계와 비교하였으며, 이온전리함, 다이오드 검출기 및 Gafchromic EBT 필름으로 출력인자 및 프로파일을 측정하였다.5) 본 연구에서는 사이버나이프에서 겔선량계를 이용한 선량 측정을 시행하고 이를 분석하여 소조사면에서의 3차원적 선량 측정에 대한 유용성을 평가하였다.
- 이번 연구는 소조사면의 3차원적 선량 측정에 대한 초기 실험 단계로 겔을 이용한 상대적인 선량분포만을 측정하였다. 겔 선량계 제작에 사용된 겔은 Gelatin, methacrylic acid(MAA), hydroquinone (HQ), tetrakis hydroxymethyl phosphonium chloride (THPC)로 구성되어 있다.
- 타겟은 눈사람(snow man) 모양으로 설정하여 위 타원형의 최대 지름이 10 mm, 아래 타원형의 최대 지름이 30 mm, 높이 30 mm로 하여 설계하였다. 타겟에서 등선량곡선(isodose line)이 100%가 되는 지점에 600 cGy가 조사되도록 치료계획을 수립하였다(Fig. 2). 수립된 치료계획대로 겔 선량계가 삽입된 두경부 팬텀에 사이버나이프시스템을 이용하여 방사선을 조사하였다(Fig.
- 2). 수립된 치료계획대로 겔 선량계가 삽입된 두경부 팬텀에 사이버나이프시스템을 이용하여 방사선을 조사하였다(Fig. 3). 조사된 겔 선량계는 자기공명영상장치(MRI)실에서 24시간 정도 보관 후, 실내 온도와 겔 내부 온도가 평형상태가 되었을 때 영상을 획득하였다.
- 자기공명영상장치에서 획득한 겔 영상을 MATLAB을 이용하여 재구성(reconstruction)하여 3차원 공간적 선량 분포를 확인하였다. 재구성된 겔 영상의 선량분포를 치료계획의 선량분포와 비교 분석하였다. 각 영상에서의 선량 분포는 600 cGy를 100%로 하여 정규화(normalization)하였다.
- 자기공명영상을 이용하여 재구성된 겔 선량계의 선량분포를 치료계획에서의 선량분포와 비교분석하였다(Fig. 6). 각각의 프로파일은 Fig.
- 겔 선량계의 자기공명영상을 축상, 시상 및 관상 그리고 대각선 방향으로 MATLAB을 이용하여 영상으로 재구성하여 3차원적인 선량 분포도를 획득하였다(Fig. 7).
- 두경부 팬텀을 제작하여 겔을 이용한 3차원적인 선량을 측정하여 세기조절방사선치료, 방사선수술 등과 같은 소조사면을 이용한 방사선치료 영역에서 겔의 정도관리 도구로써의 유용성을 평가하였다. 본 연구에서의 결과를 보면 소 조사면의 방사선수술 빔의 선량계측에서 중합체 겔 팬텀과 자기공명영상을 이용하여 3차원으로 선량을 측정할 수 있을 뿐만 아니라 겔 선량계가 조직 등가물질인 장점이 있으며 유효 체적 및 위치의 불확실성에 대한 문제를 해결하는데 도움이 되는 것으로 판단된다.
- 자기공명영상장치의 영상획득 조건은 반복 시간(Repetition time, TR) 3000 msec, 에코 타임(time echo, TE) 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 msec, 매트릭스 320×320 mm2 , 슬라이스 두께 1 mm, 간격(gap) 0.5 mm, 신호가산평균(number of excitation, NEX)은 2로 하여 총 40개의 영상을 획득하였다.
- 소조사면에서의 3차원적 선량측정을 위하여 사이버나이프(Accuray, Inc., Sunnyvale, CA) 시스템을 이용하여 6 MV 광자선의 소조사면에 대한 실험을 하였다. 3차원 체적을 갖는 타겟을 치료계획하기 위해 조사되지 않은 겔 선량계가 삽입된 두경부 팬텀을 전산화단층촬영장치(computed tomography, CT, SOMATOM Sensation, SIEMENS)를 이용하여 슬라이스 두께 1.
- 5 mm로 하여 영상을 획득하였다. 치료계획을 위한 겔 팬텀의 전산화단층촬영은 사이버나이프의 두경부 환자 치료를 위해 사용하는 전산화단층촬영 프로토콜을 사용하여 영상을 획득하였다. 획득되어진 전산화단층촬영 영상은 사이버나이프 치료계획 시스템으로 전송하였다.
- 두경부 팬텀 내 삽입된 겔 선량계를 이용하여 소조사면에서의 3차원적 선량측정을 하였다. 자기공명영상장치에서 획득한 겔 영상을 MATLAB을 이용하여 재구성(reconstruction)하여 3차원 공간적 선량 분포를 확인하였다.
- 두경부 팬텀 내 삽입된 겔 선량계를 이용하여 소조사면에서의 3차원적 선량측정을 하였다. 자기공명영상장치에서 획득한 겔 영상을 MATLAB을 이용하여 재구성(reconstruction)하여 3차원 공간적 선량 분포를 확인하였다. 재구성된 겔 영상의 선량분포를 치료계획의 선량분포와 비교 분석하였다.
- 재구성된 겔 영상의 선량분포를 치료계획의 선량분포와 비교 분석하였다. 각 영상에서의 선량 분포는 600 cGy를 100%로 하여 정규화(normalization)하였다.
대상 데이터
- 두경부 팬텀은 아크릴 재질로 제작하였다. 팬텀 내에 선량평가에 사용되는 대표적인 선량계인 이온 전리함, Gafchromic EBT 필름 그리고 겔 선량계를 동일한 조사 조건에서 공용으로 사용할 수 있어서 조사된 방사선의 절대 선량과 상대선량의 3차원적 분포를 한 번에 파악할 수 있는 것이 특징이다(Fig.
- 이번 연구는 소조사면의 3차원적 선량 측정에 대한 초기 실험 단계로 겔을 이용한 상대적인 선량분포만을 측정하였다. 겔 선량계 제작에 사용된 겔은 Gelatin, methacrylic acid(MAA), hydroquinone (HQ), tetrakis hydroxymethyl phosphonium chloride (THPC)로 구성되어 있다. 합성된 겔은 원통형 겔 팬텀에 넣어 선량계를 제작하였다.
- 타겟은 눈사람(snow man) 모양으로 설정하여 위 타원형의 최대 지름이 10 mm, 아래 타원형의 최대 지름이 30 mm, 높이 30 mm로 하여 설계하였다. 타겟에서 등선량곡선(isodose line)이 100%가 되는 지점에 600 cGy가 조사되도록 치료계획을 수립하였다(Fig.
- 3). 조사된 겔 선량계는 자기공명영상장치(MRI)실에서 24시간 정도 보관 후, 실내 온도와 겔 내부 온도가 평형상태가 되었을 때 영상을 획득하였다. 이는 중합체 겔은 자기공명영상장치실의 온도에 따라 횡이완 시간(T2 time)이 영향을 받는 것으로 알려져 있기 때문이다.
- 본 연구에서는 3.0T 자기공명영상장치(MAGNETOM Trio a Tim, 3T, SIEMENS)를 이용하여 영상을 획득하였다(Fig. 4). 자기공명영상장치의 영상획득 조건은 반복 시간(Repetition time, TR) 3000 msec, 에코 타임(time echo, TE) 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 msec, 매트릭스 320×320 mm2 , 슬라이스 두께 1 mm, 간격(gap) 0.
- , Sunnyvale, CA) 시스템을 이용하여 6 MV 광자선의 소조사면에 대한 실험을 하였다. 3차원 체적을 갖는 타겟을 치료계획하기 위해 조사되지 않은 겔 선량계가 삽입된 두경부 팬텀을 전산화단층촬영장치(computed tomography, CT, SOMATOM Sensation, SIEMENS)를 이용하여 슬라이스 두께 1.5 mm로 하여 영상을 획득하였다. 치료계획을 위한 겔 팬텀의 전산화단층촬영은 사이버나이프의 두경부 환자 치료를 위해 사용하는 전산화단층촬영 프로토콜을 사용하여 영상을 획득하였다.
- 5 mm, 신호가산평균(number of excitation, NEX)은 2로 하여 총 40개의 영상을 획득하였다. 그리고 코일은 두부 코일(head coil)을 사용하였다. 자기공명영상장치에서 획득한 각각의 영상은 MATLAB (MATLABTM, 7.
데이터처리
- 그리고 코일은 두부 코일(head coil)을 사용하였다. 자기공명영상장치에서 획득한 각각의 영상은 MATLAB (MATLABTM, 7.11.0.584 (R2010b), The Math Works, Inc., USA)을 이용하여 분석하였고, 얻어진 결과는 치료계획에서의 선량분포와 비교하였다.
성능/효과
- 6) 일반적인 선량계는 연속적이고 3차원적으로 분포된 선량 측정을 팬텀 내에서 임의의 방향과 누적되는 선량으로 측정할 수 없다.7)
- 자기공명영상을 재구성하여 측정된 겔의 축상의 등선량 곡선 중 80%의 등선량곡선의 두께는 치료계획에서 계산된 것보다 0.76 mm 정도 더 넓게 측정되었다(Table 1). 70%에서의 등선량곡선의 두께의 차이는 1.
- 29 mm의 차이를 보였다. 시상의 등선량곡선의 두께를 비교하여 보았을 때 역시 겔에서 측정된 등선량곡선이 치료계획에서 계산된 등선량 곡선보다 80%에서는 0.83 mm의 차이를 보였고 40%에서는 1.35 mm의 차이를 보였다. 관상의 등선량곡선 역시 고선량 영역인 80%에서는 0.
- 전체적으로 치료계획에서 계산된 등선량곡선보다 겔로 측정한 등선량곡선이 고선량 영역에서 저선량 영역으로 이동될수록 등선량곡선의 두께가 더 크게 나타나는 현상을 보이고 있다. 이는 본 실험에서 사용한 겔이 상용화 된 겔이 아니라 연구실에서 자체 제작한 정상산소 중합체 겔을 사용한 것으로 사전중합반응을 억제할 목적으로 겔에 첨가한 HQ의 영향 때문에 저선량 영역에서 등선량곡선의 두께가 더 크게 나타난 것으로 판단된다.
- 축상, 시상 및 관상의 치료계획에서의 프로파일과 재구성된 겔 선량계의 프로파일을 비교해 보았을 때 거의 일치하는 것을 확인하였다. 그러나 겔과 치료계획의 프로파일을 비교해보면 전반적으로 겔의 프로파일이 치료계획의 프로파일보다 다소 넓게 퍼져있으나 30% 이하의 저선량 영역에서는 치료계획의 프로파일이 더 높은 선량값을 보이고 있음을 확인하였다.
- 축상, 시상 및 관상의 치료계획에서의 프로파일과 재구성된 겔 선량계의 프로파일을 비교해 보았을 때 거의 일치하는 것을 확인하였다. 그러나 겔과 치료계획의 프로파일을 비교해보면 전반적으로 겔의 프로파일이 치료계획의 프로파일보다 다소 넓게 퍼져있으나 30% 이하의 저선량 영역에서는 치료계획의 프로파일이 더 높은 선량값을 보이고 있음을 확인하였다. 치료계획의 선량 분포와 겔을 이용하여 측정한 선량 분포를 비교했을 때 저선량 영역에서 차이를 보였지만 고선량을 조사하는 방사선수술과 같은 방사선 치료 분야에서 관심 영역인 고선량 영역에서는 거의 일치함을 보여주었다.
- 그러나 겔과 치료계획의 프로파일을 비교해보면 전반적으로 겔의 프로파일이 치료계획의 프로파일보다 다소 넓게 퍼져있으나 30% 이하의 저선량 영역에서는 치료계획의 프로파일이 더 높은 선량값을 보이고 있음을 확인하였다. 치료계획의 선량 분포와 겔을 이용하여 측정한 선량 분포를 비교했을 때 저선량 영역에서 차이를 보였지만 고선량을 조사하는 방사선수술과 같은 방사선 치료 분야에서 관심 영역인 고선량 영역에서는 거의 일치함을 보여주었다.
- MATLAB을 이용하여 재구성된 축상(axial), 시상(sagittal) 및 관상(coronal)의 겔 영상을 비교한 결과 치료계획에서의 등가선량선보다 측정된 겔에서의 등선량곡선이 넓게 나타났다. 고선량 영역에서 보다 저선량 영역에서 등선량곡선이 더 넓게 퍼지는 경향을 보였다(Fig.
후속연구
- 두경부 팬텀을 제작하여 겔을 이용한 3차원적인 선량을 측정하여 세기조절방사선치료, 방사선수술 등과 같은 소조사면을 이용한 방사선치료 영역에서 겔의 정도관리 도구로써의 유용성을 평가하였다. 본 연구에서의 결과를 보면 소 조사면의 방사선수술 빔의 선량계측에서 중합체 겔 팬텀과 자기공명영상을 이용하여 3차원으로 선량을 측정할 수 있을 뿐만 아니라 겔 선량계가 조직 등가물질인 장점이 있으며 유효 체적 및 위치의 불확실성에 대한 문제를 해결하는데 도움이 되는 것으로 판단된다.
- 앞으로 겔 선량계의 3차원적 선량측정 방법의 확립을 위하여 이온전리함과 Gafchromic EBT 필름을 겔 선량계와 동일한 조건에서 측정하여 방사선의 절대선량과 상대선량 분포의 비교가 이루어진 연구가 병행하여 수행되어야 할 것으로 생각한다. 또한 치료계획 장비에서의 감마인덱스 분석의 어려움이 있어 이를 이용한 비교가 수행되지 못하였는데 향후 진행되는 연구에서는 감마분석방법을 사용하여 3차원적 선량분포를 분석할 있도록 방법을 고안하여 연구를 진행할 예정이다.
- 앞으로 겔 선량계의 3차원적 선량측정 방법의 확립을 위하여 이온전리함과 Gafchromic EBT 필름을 겔 선량계와 동일한 조건에서 측정하여 방사선의 절대선량과 상대선량 분포의 비교가 이루어진 연구가 병행하여 수행되어야 할 것으로 생각한다. 또한 치료계획 장비에서의 감마인덱스 분석의 어려움이 있어 이를 이용한 비교가 수행되지 못하였는데 향후 진행되는 연구에서는 감마분석방법을 사용하여 3차원적 선량분포를 분석할 있도록 방법을 고안하여 연구를 진행할 예정이다.
- 아직은 초기 실험 단계로 보완하고 해결해야 할 문제점들이 해결될 수 있다면 겔 선량계가 갖는 장점으로 인하여 방사선수술, 세기변조방사선치료, 세기변조방사선수술과 같은 소조사면을 사용하는 최신 방사선치료에서 방사선치료 계획 결과와 3차원적인 입체로 비교 가능한 정도관리 및 선량계측법으로 임상에서 유용하게 사용할 수 있을 것으로 기대된다.
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