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문제 정의
- 따라서 본 연구는 토모테라피를 이용한 3차원 입체조형 방사선치료의 Helical mode와 direct mode 간 선량 분포의 차이를 분석하고자 하였으며 기존의 라이낙을 이용한 3차원 입체조형 치료계획과 비교함으로써 치료목적에 따른 임상 적용방향을 제시하고자 하는데 목적이 있다.
- 본 연구는 토모테라피를 이용한 3차원 입체 조형 치료의 임상적 적용 분석을 위해 본원에서 시행된 총 8개의 적용 사례를 Helical mode와 direct mode에 따라 주 치료 목적 및 보조적 치료 목적으로써 각각 평가하여 적용방향을 알아보고자 선량 평가를 실시하였다. 그 결과 선형가속기와 기하학적 차이와 조사기법에 따른 차이에 기인하여 임상적으로 유용한 선량분포를 얻을 수 있었고, 정상조직 선량을 상대적으로 크게 감소시키는 것을 볼 수 있었다.
제안 방법
- 과선량 영역에 대한 평가를 위해 유방 환자에서 선형가속기의 wedged tangential fields technique과 field in field technique를 이용한 치료계획과 비교하였다. 각각의 mode별로 표적 체적의 D99%(체적의 99%에 해당하는 선량)와 D95%, V105%(처방선량 105%가 나타나는 체적), V110% 및 심장과 폐의 V10을 설정하였다.
- 5, low compensation으로 설정하고 2개의 조사면으로 계획하였다. 뇌척수조사 환자의 경우는 방사선 치료 조사면 제한에 따른 영향을 선형가속기를 이용한 치료계획과 비교하였다. 선형가속기를 이용한 치료계획은 half beam technique으로 차폐물을 이용한 좌우측 조사면과 선속 퍼짐을 맞추기 위해 콜리메이터를 회전시킨 척수 조사면으로 구성하였다.
- 선형가속기를 이용한 치료계획은 half beam technique으로 차폐물을 이용한 좌우측 조사면과 선속 퍼짐을 맞추기 위해 콜리메이터를 회전시킨 척수 조사면으로 구성하였다. 또한 각 mode에 따른 정상조직선량 영향을 분석하기 위해서 두개 정상기관의 우안, 좌안, 우측 내이, 좌측 내이를 지정하였다.
- 모든 환자는 치료부위의 재현성을 높이기 위하여 바로 누운 자세로 적절한 고정기구를 이용하여 치료부위를 지지한 후 모의 치료 조준용 CT-simulator(SOMATOM Sensation Open 16 MDCT, Siemens AG, Germany)를 이용하여 축방향 영상(axial image)를 획득하였다. 획득된 CT영상은 네트워크(Digital Image Communication in medicine, DICOM) 연결을 통해 치료계획 시스템으로 전송하였다.
- 선형가속기를 이용한 3차원 입체조형 방사선 치료 계획은 RTP(Pinnacle ver. 9.4, Philips)를 이용하였고, 토모테라피를 이용한 3차원 입체조형 방사선 치료 계획은 토모 치료 계획 시스템(Tomotherapy Planning Station 4.0.2.4)을 이용하여 치료 계획을 수립하였다. 치료기법에 따라 구분하여 육종, 뇌척수 조사, 유방 치료환자는 direct mode로 치료하였고 뇌, 췌장, 척추 전이, 상대정맥 증후군, 식도 치료환자는 Helical mode로 치료하였다 (Table 1).
- 췌장 환자의 경우에서 선형가속기와 dosimetric block 사용 유무에 따른 Helical mode 치료계획과 비교하였다. 선형가속기를 이용한 치료계획은 1개의 isocenter에 5개의 치료 조사면으로 구성하였고, 선량 체적 히스토그램를 통해 비교하였다.
- 뇌척수조사 환자의 경우는 방사선 치료 조사면 제한에 따른 영향을 선형가속기를 이용한 치료계획과 비교하였다. 선형가속기를 이용한 치료계획은 half beam technique으로 차폐물을 이용한 좌우측 조사면과 선속 퍼짐을 맞추기 위해 콜리메이터를 회전시킨 척수 조사면으로 구성하였다. 또한 각 mode에 따른 정상조직선량 영향을 분석하기 위해서 두개 정상기관의 우안, 좌안, 우측 내이, 좌측 내이를 지정하였다.
- 표적에 대한 선량을 증가시키기 위해 척추 전이 환자를 대상으로 선형가속기를 이용한 치료계획과 Helical mode 를 이용한 치료계획과 비교하였다. 선형가속기를 이용한 치료계획은 조사야의 제한으로 인해 2개의 isocenter에 6개의 치료 조사면으로 구성하였고, direct mode는 3개의 치료 조사면으로 구성하였다. 이때 각각의 mode에 따른 정상조직이 받는 선량을 분석하기 위해 신장, 폐(V10%, V20%)로 지정하였다.
- 상대정맥 증후군 환자의 경우 기존에 방사선치료 경험이 있는 환자로써 동일부위에 방사선치료를 위해 통상적인 1차 선형가속기를 이용한 2개의 전후 치료 조사면으로 치료 후 2차 치료기법으로 적용하였다. 식도 환자의 경우는 선형가속기를 통해 1, 2차 처방선량으로 치료 한 후 추가조사를 위해 3차 치료기법으로 적용하였다.
- 연구의 대상은 치료목적에 따른 다양한 적용방향을 알아보고자 본원에서 육종, 뇌척수조사, 유방, 뇌, 췌장, 척추 전이, 상대정맥 증후군, 식도 환자에 토모테라피를 이용한 3차원 입체조형 방사선치료로 치료받는 환자 8명을 대상으로 하였으며 토모테라피 내 3가지 3차원입체 조형 치료 기법간에 선량 분포의 차이를 분석하였고 조사면 내과선량 영역의 범위를 비교하기 이해 토모테라피 (Tomotherapy Hi-Art system, Accuray Inc, USA)와 선형가속기(synergy platform, Elekta, UK)를 이용한 치료 계획을 비교하였다.
- 방사선 치료 조사면 길이 제한에 따른 영향을 보기 위해 육종 환자와 뇌척수조사 환자를 대상으로 하였다. 육종 환자의 경우 좌측 대퇴부 주변 부위에 방사선 치료 조사면 제한 유무를 확인하기 위해 사용된 설정 값은 조사야 폭 5 cm, pitch값 0.5, low compensation으로 설정하고 2개의 조사면으로 계획하였다. 뇌척수조사 환자의 경우는 방사선 치료 조사면 제한에 따른 영향을 선형가속기를 이용한 치료계획과 비교하였다.
- 선형가속기를 이용한 치료계획은 조사야의 제한으로 인해 2개의 isocenter에 6개의 치료 조사면으로 구성하였고, direct mode는 3개의 치료 조사면으로 구성하였다. 이때 각각의 mode에 따른 정상조직이 받는 선량을 분석하기 위해 신장, 폐(V10%, V20%)로 지정하였다.
- 불규칙한 형태의 표적을 따라 선량분포를 조형시키면서 정상조직이 받는 선량을 확인하기 위해서 뇌 환자와 췌장 환자를 대상으로 하였다. 이때 뇌 환자의 경우 좌측 두개 저 부분의 치료에서 인접부분의 손상위험장기를 우측 이하선, 좌측 이하선, 우측 달팽이관, 좌측 달팽이관, 척수, 뇌간, 인두로 지정하였다. 췌장 환자의 경우에서 선형가속기와 dosimetric block 사용 유무에 따른 Helical mode 치료계획과 비교하였다.
- 이때 뇌 환자의 경우 좌측 두개 저 부분의 치료에서 인접부분의 손상위험장기를 우측 이하선, 좌측 이하선, 우측 달팽이관, 좌측 달팽이관, 척수, 뇌간, 인두로 지정하였다. 췌장 환자의 경우에서 선형가속기와 dosimetric block 사용 유무에 따른 Helical mode 치료계획과 비교하였다. 선형가속기를 이용한 치료계획은 1개의 isocenter에 5개의 치료 조사면으로 구성하였고, 선량 체적 히스토그램를 통해 비교하였다.
- 4)을 이용하여 치료 계획을 수립하였다. 치료기법에 따라 구분하여 육종, 뇌척수 조사, 유방 치료환자는 direct mode로 치료하였고 뇌, 췌장, 척추 전이, 상대정맥 증후군, 식도 치료환자는 Helical mode로 치료하였다 (Table 1).
- 표적에 대한 선량을 증가시키기 위해 척추 전이 환자를 대상으로 선형가속기를 이용한 치료계획과 Helical mode 를 이용한 치료계획과 비교하였다. 선형가속기를 이용한 치료계획은 조사야의 제한으로 인해 2개의 isocenter에 6개의 치료 조사면으로 구성하였고, direct mode는 3개의 치료 조사면으로 구성하였다.
- 모든 환자는 치료부위의 재현성을 높이기 위하여 바로 누운 자세로 적절한 고정기구를 이용하여 치료부위를 지지한 후 모의 치료 조준용 CT-simulator(SOMATOM Sensation Open 16 MDCT, Siemens AG, Germany)를 이용하여 축방향 영상(axial image)를 획득하였다. 획득된 CT영상은 네트워크(Digital Image Communication in medicine, DICOM) 연결을 통해 치료계획 시스템으로 전송하였다.
대상 데이터
- 방사선 치료 조사면 길이 제한에 따른 영향을 보기 위해 육종 환자와 뇌척수조사 환자를 대상으로 하였다. 육종 환자의 경우 좌측 대퇴부 주변 부위에 방사선 치료 조사면 제한 유무를 확인하기 위해 사용된 설정 값은 조사야 폭 5 cm, pitch값 0.
- 보조적인 치료목적으로 사용되는 경우 평가를 위해 상대정맥 증후군 환자와 식도 환자를 대상으로 하였다. 상대정맥 증후군 환자의 경우 기존에 방사선치료 경험이 있는 환자로써 동일부위에 방사선치료를 위해 통상적인 1차 선형가속기를 이용한 2개의 전후 치료 조사면으로 치료 후 2차 치료기법으로 적용하였다.
- 불규칙한 형태의 표적을 따라 선량분포를 조형시키면서 정상조직이 받는 선량을 확인하기 위해서 뇌 환자와 췌장 환자를 대상으로 하였다. 이때 뇌 환자의 경우 좌측 두개 저 부분의 치료에서 인접부분의 손상위험장기를 우측 이하선, 좌측 이하선, 우측 달팽이관, 좌측 달팽이관, 척수, 뇌간, 인두로 지정하였다.
데이터처리
- 과선량 영역에 대한 평가를 위해 유방 환자에서 선형가속기의 wedged tangential fields technique과 field in field technique를 이용한 치료계획과 비교하였다. 각각의 mode별로 표적 체적의 D99%(체적의 99%에 해당하는 선량)와 D95%, V105%(처방선량 105%가 나타나는 체적), V110% 및 심장과 폐의 V10을 설정하였다.
성능/효과
- 세번째로 GTV와 CTV에 처방선량 보다 더 많은 적산선량을 줄 수 있었다. Helical mode는 어떤 gantry 각도에도 방사선을 조사가 가능하므로 척추 전이 환자에서 보인 바와 같이 GTV 및 CTV에 조사선량을 증가 시킬 수 있었다. 하지만 Helical mode에서는 저 선량영역의 증가도 볼 수 있었는데 뇌척수 조사 환자의 경우 폐의 저 선량 체적이 증가되었고, 척추 전이 환자의 경우에도 폐의 V10%, V20%이 25.
- 본 연구는 토모테라피를 이용한 3차원 입체 조형 치료의 임상적 적용 분석을 위해 본원에서 시행된 총 8개의 적용 사례를 Helical mode와 direct mode에 따라 주 치료 목적 및 보조적 치료 목적으로써 각각 평가하여 적용방향을 알아보고자 선량 평가를 실시하였다. 그 결과 선형가속기와 기하학적 차이와 조사기법에 따른 차이에 기인하여 임상적으로 유용한 선량분포를 얻을 수 있었고, 정상조직 선량을 상대적으로 크게 감소시키는 것을 볼 수 있었다.
- 뇌 환자에서 처방선량을 30 Gy로 설정한 후 정상 기관의 평균선량을 보면 우측 이하선과 좌측 이하선은 5.9 Gy 와 10.61 Gy, 우측 달팽이관과 좌측 달팽이관은 23.24 Gy 와 5.51 Gy, 척수 18.03 Gy, 뇌간 14.64 Gy, 인두 17.61 Gy를 보여준다(Table 4). 췌장 환자에서 Helical mode를 이용할 경우 선량 체적 히스토그램 상에서 보면 십이지장의 선량은 모든 치료기법에서 큰 차이를 보이지 않았고, 신장의 선량은 dosimetric block을 사용한 Helical mode 에서 효과적으로 감소되었지만 척수선량은 dosimetric block 사용하지 않은 Helical mode에서 더 낮게 나타났다 (Figure 2).
- 두 번째로 손상위험장기의 선량을 크게 줄일 수 있었다. 뇌척수 조사 환자의 경우 선형가속기를 이용하는 경우 보다 Helical mode에서 우안과 좌안의 경우 36.7%와 50.4%, 우측 내이와 좌측 내이의 경우 19.1%와 14.4%의 선량 감소를 보였다. 특히 dosimetric block을 이용한 Helical mode에서는 손상위험장기의 선량을 감소 시킬 수 있었는데, 뇌 환자의 경우에서는 척수에 대한 선량을 18 Gy까지 줄일 수 있었고, 척추 전이 환자의 경우 신장에 대한 선량을 5.
- 8%를 보였지만 direct mode에서 효과적으로 줄일 수 있었다. 두 번째로 손상위험장기의 선량을 크게 줄일 수 있었다. 뇌척수 조사 환자의 경우 선형가속기를 이용하는 경우 보다 Helical mode에서 우안과 좌안의 경우 36.
- 상대정맥 증후군 환자는 7 Gy의 방사선치료 경험이 있어 선형가속기를 이용하여 1차 32.5 Gy 치료 후 2차적으로 Helical mode로 18 Gy를 조사하여 총 50.5 Gy를 동일부위에 조사하면서 dosimetric block 사용으로 척수에 대한 선량을 38 Gy 이하로 감소시키는 것을 보여준다 (Figure 3). 식도 환자에서 선형가속기를 이용하여 1차와 2차에서 30.
- 토모테라피를 이용한 3차원 입체조형 방사선 치료는 다른 치료기법 간의 상호보완적인 효과를 고려하여 보조적인 목적으로 쓰인 경우에서도 적용될 수 있었다. 상대정맥 증후군 환자는 동일부위에 방사선 치료 경험이 있었지만 선량제한을 통해 총 처방선량 50.5 Gy 중 척수 선량을 37Gy로 줄일 수 있었고, 식도 환자는 1, 2차에 걸쳐 선형가속기를 이용한 치료를 받은 후 추가조사 목적으로 사용되어 총 처방선량 63 Gy에서 척수선량을 45 Gy이하로 줄이고 폐의 V20%을 20%이하로 줄일 수 있었다.
- 선형가속기를 이용한 뇌척수 조사 환자의 경우 표재성 연부조직에서 과선량 영역을 볼 수 있었고, 유방 환자의 경우 불규칙한 모양으로 인해 wedge tangential fields technique과 field in field technique에서 처방선량의 105%를 초과하는 과선량 영역이 34.6±9.3%, 16.5±14.8%를 보였지만 direct mode에서 효과적으로 줄일 수 있었다.
- 2 Gy까지 감소시킬 수 있었다. 세번째로 GTV와 CTV에 처방선량 보다 더 많은 적산선량을 줄 수 있었다. Helical mode는 어떤 gantry 각도에도 방사선을 조사가 가능하므로 척추 전이 환자에서 보인 바와 같이 GTV 및 CTV에 조사선량을 증가 시킬 수 있었다.
- 5 Gy를 동일부위에 조사하면서 dosimetric block 사용으로 척수에 대한 선량을 38 Gy 이하로 감소시키는 것을 보여준다 (Figure 3). 식도 환자에서 선형가속기를 이용하여 1차와 2차에서 30.6 Gy와 14.4 Gy 치료 후 추가조사를 위해 Helical mode로 3차에서 18 Gy를 조사하여 총 63 Gy를 조사하면서 척수에 대한 선량을 45 Gy, 폐의 V 20을 20%이하로 감소시키는 것을 보여준다(Figure 4).
- 앞선 결과를 종합하면 Helical mode는 방사선 조사 방향 및 조사야 수가 치료계획 질에 영향을 미치지 않는 점에서 매우 정교한 치료 계획을 가능하게 하고, 다엽 콜리 메이터를 이용한 dosimetric block을 설정함으로써 특정 부분에 입사되거나 나오는 방사선 조사를 제한하여 보호할 수 있음으로써 해부학적으로 복잡한 모양의 정상 기관에 대한 선량을 낮출 수 있다. 또한 표적 체적에 대한 conformity가 향상되는 것을 보여주지만 표적 주변의 저선량 영역이 발생되는 점과 gantry 회전이 증가하면서 치료시간이 길어지는 부분을 고려해야 한다.
- 또한 뇌척수 조사 환자에서도 통상적인 선형가속기는 조사야 제한으로 인해 junction effect를 보여주는 반면, Helical과 direct mode의 경우 junction effect가 보이지 않는다. 주변 장기의 평균선량은 우안과 좌안의 경우 선형가속기를 이용한 치료에서 15.46 Gy와 18.56 Gy, direct mode에서 15.95 Gy와 17.36 Gy, Helical mode에서 9.78 Gy와 9.2 Gy로 조사되었고, 우측 내이와 좌측 내이의 경우 선형가속기를 이용한 치료에서 31.47 Gy와 31.32 Gy, direct mode에서 30.85 Gy와 30.01 Gy, Helical mode에서 25.46 Gy와 26.81 Gy를 보여준다(Table 2).
- 61 Gy를 보여준다(Table 4). 췌장 환자에서 Helical mode를 이용할 경우 선량 체적 히스토그램 상에서 보면 십이지장의 선량은 모든 치료기법에서 큰 차이를 보이지 않았고, 신장의 선량은 dosimetric block을 사용한 Helical mode 에서 효과적으로 감소되었지만 척수선량은 dosimetric block 사용하지 않은 Helical mode에서 더 낮게 나타났다 (Figure 2).
- 토모테라피의 치료기법에 따른 선량분포의 이점을 보면 첫 번째로 과선량 영역의 체적을 줄일 수 있었다. 선형가속기를 이용한 뇌척수 조사 환자의 경우 표재성 연부조직에서 과선량 영역을 볼 수 있었고, 유방 환자의 경우 불규칙한 모양으로 인해 wedge tangential fields technique과 field in field technique에서 처방선량의 105%를 초과하는 과선량 영역이 34.
- 4%의 선량 감소를 보였다. 특히 dosimetric block을 이용한 Helical mode에서는 손상위험장기의 선량을 감소 시킬 수 있었는데, 뇌 환자의 경우에서는 척수에 대한 선량을 18 Gy까지 줄일 수 있었고, 척추 전이 환자의 경우 신장에 대한 선량을 5.2 Gy까지 감소시킬 수 있었다. 세번째로 GTV와 CTV에 처방선량 보다 더 많은 적산선량을 줄 수 있었다.
- 2 Gy를 보여준다. 폐의 V 10과 V 20을 보면 통상적인 선형가속기를 이용한 치료에서 11.2%와 2.5%, direct mode에서 10.0%와 2.4%, Helical mode에서 25.1%와 2.6%를 보여준다(Table 5).
- 하지만 direct mode의 경우 조사 방향을 제한함으로써 Helical mode에 비해 gantry 회전이 줄어들면서 치료시간을 줄일 수 있어 동일 시간에 더 많은 환자 치료가 가능하게 한다. 표적 주변의 저 선량 영역도 감소시킬 수 있었고 표적 체적에 대한 선량 불균등일도는 향상되지만 해부학적으로 복잡한 구조의 기관에서는 Helical mode가 더 효과적인 것을 알 수 있다.
- Helical mode는 어떤 gantry 각도에도 방사선을 조사가 가능하므로 척추 전이 환자에서 보인 바와 같이 GTV 및 CTV에 조사선량을 증가 시킬 수 있었다. 하지만 Helical mode에서는 저 선량영역의 증가도 볼 수 있었는데 뇌척수 조사 환자의 경우 폐의 저 선량 체적이 증가되었고, 척추 전이 환자의 경우에도 폐의 V10%, V20%이 25.1%, 2.6%를 나타내 다른 치료기법에 비해 비교적 높은 값을 보여준다.
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