[논문]감마지표 분석을 통한 호흡연동방사선치료의 정량적 평가

마선영; 최지훈; 정태식; 임상욱

doi:10.14316/pmp.2013.24.3.198

초록
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일반적으로 호흡연동방사선치료(gated radiation therapy)의 평가를 위해 호흡에 의한 장기의 움직임을 모사하는 움직이는 팬텀(moving phantom)을 사용한다. 표적(target)은 모든 방향으로 움직이기 때문에 모든 방향의 움직임을 고려하여야 한다. 본 연구에서는 감마지표(gamma index) 분석을 통한 호흡연동방사선치료의 평가방법을 제시하고 움직임영역(motion range)에 따른 적절한 연동창(gating window)의 크기를 알아보고자 한다. 두미축(craniocaudal) 방향으로 움직임을 모사하는 팬텀을 제작하였다. 이 팬텀은 움직이는 받침대(moving platform), 2차원 이온전리함배열(I'm MatriXX, IBA Dosimetry, Germany), 및 고체물팬텀(solid water phantom)으로 이루어졌다. 6 MV 에너지의 광자선을 $4{\times}4cm^2$의 조사면(field size)으로 호흡연동방사선치료 시스템을 이용하여 팬텀을 각각 1, 2, 3, 4, 및 5 cm 만큼 움직이도록 하고 방사선을 조사하였다. 연동창은 각각 40~60%, 30~70%, 및 0~90%으로 설정하였다. 2차원 이온전리함배열은 각 시나리오에 따라 선량분포를 획득하였고 $4{\times}4cm^2$ 조사면으로 정지한 상태에서 조사한 선량분포와 비교하였다. 허용범위를 3%/3 mm로 설정하고 감마지표를 계산하였다. 연동창(gating window)의 크기가 클수록 합격률(pass rate)는 낮아졌고, 운동영역(motion range)이 커질수록 합격률은 낮아졌다. 호흡연동방사선치료를 시행하지 않고 운동영역이 2 cm의 병소를 치료할 경우 합격률은 96% 이하로 현저히 떨어졌다. 그러나 호흡연동방사선치료를 시행하면 합격률은 99% 이상으로 올릴 수 있었다. 운동영역이 4 cm 이상일 경우 호흡연동방사선치료를 하더라도 연동창을 30~70%로 선택할 경우 합격률이 97%를 넘지 못하였다. 그러나 연동창을 40~60%를 선택할 경우 합격률은 99% 이상이었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Generally, to evaluate gated radiation therapy, moving phantoms are used to simulate organ motion. Since the target moves in every direction, we need to take into account motion in each direction. This study proposes methods to evaluate gated radiation therapy using gamma index analysis and to visua...

Generally, to evaluate gated radiation therapy, moving phantoms are used to simulate organ motion. Since the target moves in every direction, we need to take into account motion in each direction. This study proposes methods to evaluate gated radiation therapy using gamma index analysis and to visualize adequate gating window sizes according to motion ranges. The moving phantom was fabricated to simulate motion in the craniocaudal direction. This phantom consisted of a moving platform, the I'm MatriXX, and solid water phantoms. A 6 MV photon filed with a field size of $4{\times}4cm^2$ was delivered to the phantom using the gating system, while the phantom moved in the 1-, 2-, 3-, 4-, and 5-cm motion ranges. The gating windows were set at 40~60%, 30~40%, and 0~90%, respectively. The I'm MatriXX acquired the dose distributions for each scenario and the dose distributions were compared with a $4{\times}4cm^2$ static filed. The tolerance of the gamma index was set at 3%/3 mm. The greater the gating window, the lower the pass rate, and the greater the motion range, the lower the pass rate in this study. In case treatment without gated radiation therapy for the target with motion of 2 cm, the pass rate was less than 96%. But it was greater than 99% when gated radiation therapy was used. However gated radiation therapy was used for the target with motion greater than 4 cm, the pass rate could not be greater than 97% when gating window was set as 30~70%. But when the gating window set as 40~60%, the pass rate was greater than 99%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 감마지표 평가를 통하여 호흡동기방사선치료의 정량적평가 방법을 제시하고, 움직임영역에 따른 적절한 연동창(gating window) 크기를 알아보고자 한다.

제안 방법

선원에서 팬텀표면까지의 거리 100 cm에서 6 MV 광자선 4×4 cm2 정사각형 조사면을 400 MU/min의 선량율로 100 MU를 호흡위상 50%에 해당하는 팬텀의 위치를 기준으로 삼았으며, 팬톰을 각각 1 cm, 2 cm, 3 cm, 4 cm, 및 5 cm 씩 움직이도록 하고 방사선치료를 시행하였다.
연동창을 40∼60%, 30∼70%, 및 0∼90% 이렇게 3가지 시나리오로 호흡연동방사선 치료(gated radiotherapy)를 시행하였다.
움직이는 받침대는 기어 모터(gear motor)의 회전운동을 크랭크축을 거처 직선왕복운동을 하도록 설계하였다. 운동영역은 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 및 5.0 cm 중 하나를 선택할 수 있도록 설계하였으며, 호흡주기는 환자의 평균호흡주기인 3.6초로 고정하였다.
움직이는 받침대 위에는 2차원 이온전리함을 올려놓고 그 위에 1.3 cm의 고체물팬텀(solid water phantom)을 올려놓아 2차원 이온전리함의 유효측정깊이(active layer) 0.3 cm 와 고체물팬텀의 두께 1.3 cm으로 6 MV 광자선의 최대선량깊이 1.6 cm가 되도록 하였다(Fig. 1). 선원에서 팬텀표면까지의 거리 100 cm에서 6 MV 광자선 4×4 cm² 정사각형 조사면을 400 MU/min의 선량율로 100 MU를 호흡위상 50%에 해당하는 팬텀의 위치를 기준으로 삼았으며, 팬톰을 각각 1 cm, 2 cm, 3 cm, 4 cm, 및 5 cm 씩 움직이도록 하고 방사선치료를 시행하였다.
3 cm 두께 고체물팬텀(solid water phantom), 움직이는 받침대(moving platform)로 구성되어있다. 움직이는 받침대는 기어 모터(gear motor)의 회전운동을 크랭크축을 거처 직선왕복운동을 하도록 설계하였다. 운동영역은 1.
환자의 호흡운동을 모사하기 위하여 움직이는 팬톰(moving phantom)을 제작하였다. 움직임은 호흡에 의한장기의 움직임이 가장 큰 두미축(craniocaudal)으로만 모사하도록 하였다. 움직이는 팬톰은 2차원 이온전리함배열(I’mRT MatriXX, IBA Dosimetry, Germany)과 1.
팬텀이 멈추어있을 때를 기준으로 하여 각각의 호흡연동방사선치료를 OmniPro I’mRT (IBA Dosimetry, Germany) 프로그램에서 비교하였다.
환자의 호흡운동을 모사하기 위하여 움직이는 팬톰(moving phantom)을 제작하였다. 움직임은 호흡에 의한장기의 움직임이 가장 큰 두미축(craniocaudal)으로만 모사하도록 하였다.

대상 데이터

, USA)을 이용하였다. 방사선 조사시 2차원 이온전리함은 초당 10 프레임으로 데이터를 수집하였다. 팬텀이 멈추어있을 때를 기준으로 하여 각각의 호흡연동방사선치료를 OmniPro I’mRT (IBA Dosimetry, Germany) 프로그램에서 비교하였다.
움직이는 팬톰은 2차원 이온전리함배열(I’mRT MatriXX, IBA Dosimetry, Germany)과 1.3 cm 두께 고체물팬텀(solid water phantom), 움직이는 받침대(moving platform)로 구성되어있다.

데이터처리

팬텀이 멈추어있을 때를 기준으로 하여 각각의 호흡연동방사선치료를 OmniPro I’mRT (IBA Dosimetry, Germany) 프로그램에서 비교하였다. 두 선량분포의 비교는 감마지표(gamma index)로 하였는데 3%/3 mm를 기준으로 합격률(pass rate)을 계산하였다.

이론/모형

연동창을 40∼60%, 30∼70%, 및 0∼90% 이렇게 3가지 시나리오로 호흡연동방사선 치료(gated radiotherapy)를 시행하였다. 호흡연동방사선치료는 영상기반추적시스템(real-time position management,Varian Medical Systems, Inc., USA)을 이용하였다. 방사선 조사시 2차원 이온전리함은 초당 10 프레임으로 데이터를 수집하였다.

성능/효과

따라서 운동영역이 4 cm 이상일 경우 호흡연동방사선치료시 연동창을 40∼60%로 선택하는 것이 효과적으로 나타났다.
호흡연동방사선치료를 시행함으로써 늘어나는 치료 시간은 연동창 40∼60%의 경우 호흡연동방사선치료를 시행하지 않을 경우보다 운동영역에 관계없이 약 5배가 늘어났고, 30∼70%의 경우 약 2.5배가 늘어났다(Fig. 4).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적으로 호흡연동방사선치료의 평가를 위해 무엇을 사용하는가?	일반적으로 호흡연동방사선치료(gated radiation therapy)의 평가를 위해 호흡에 의한 장기의 움직임을 모사하는 움직이는 팬텀(moving phantom)을 사용한다. 표적(target)은 모든 방향으로 움직이기 때문에 모든 방향의 움직임을 고려하여야 한다.
	호흡연동방사선치료기볍이 많이 이용되고 있는 이유는?	그리고 계획용표적체적(PTV, planning target volume)을 결정하는데 내부표적체적을 포함하여 움직임을 충분히 고려하도록 권고하고 있다.6) 그러나 호흡에 따라 운동하는 표적을 치료하기 위해 충분한 여백을 주게 되면 정상조직이 필요이상으로 피폭되어 정상조직손상확률(NTCP, normal tissue complication probability)이 증가할 수 있다. 따라서 호흡연동방사선치료(respiration gated radiation therapy)기법7,8) 등이 많이 이용되고 있다.
	폐의 호흡에 따른 움직임영역은최대 몇 cm인가?	폐의 경우 호흡에 따른 움직임영역(motion range)은 최대 5.5 cm이며, 흉부뿐 아니라 복부에 위치한 췌장이나 신장과 같은 장기들도 호흡에 따라서 4 cm 이상 움직일 수 있다고 보고하고 있다.5) 따라서 방사선치료시 종양표적에 장기의 움직임에 대한 추가적 여유분(margin)을 주고 치료계획을 세운다.

참고문헌 (12)

Allen AM, Siracuse KM, Hayman JA: Evalution of the influence of breathing on the movement and modeling of lungtumors. Int J Radiat Oncol Biol Phys 58(4):1251-1257 (2004)

상세보기
Lim S, Park S, Ahn S, et al: Guiding curve based on the normal breathing as monitored by thermocouple for regular breathing. Med Phys 34(11):4514-4518 (2007)

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Arugr T, Ltami J, Aruga M: Target volume definition for upper abdominal irradiation using CT scans obtained during inhale and exhale phases. Int J Radiat Oncol Biol Phys 48(2):465-469 (2000)

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Gagne IM, Robinson DM: The impact of tumor motion upon CT image interrity and target delineation. Med Phys 31(12):3378-3392 (2004)

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Suramo I, Paivansalo M, Myllyla V: Cranio-caudal movements of the liver, pancreas and kidneys in respiration. Acta Radio Diagn (Stockh) 25(2):129-131 (1984)
ICRU Report 62: Prescribing, Recording, and Reporting Photon Beam Therapy (Supplement to ICRU Report 50), International Commission on Radiation Units and Measurements, Bethesda. (1999)
Kubo HD, Hil BC: Respiration gated radiotherapy treatment: a technical study. Phys Med Biol 41(1):83-91 (1996)

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Ramsey CR, Scaperoth D, Arwood D, Oliver AL: Clinical efficacy of respiratory gated conformal radiation therapy. Med Dos 24(2):115-119 (1999)

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임상욱: 동적 병소추적 방사선치료를 위한 호흡연동시스템에 관한 연구. 경기도, 경기대학교 박사학위논문 (2008)
성지원, 윤명근, 정원규, 배선현, 신동오, 김동욱: RapidArc를 이용한 호흡연동 회전세기조절방사선치료 할 때 전달선량의 정확성 평가. 의학물리 24(2):127-132 (2013)
임상욱, 안승도, 박성호 등: 열전쌍 마스크를 이용한 호흡모사팬텀 연구. 대한방사선종양학회지 23(4):217-222 (2005)

원문보기 상세보기
Seppenwoodle Y, Shirato H, Kitamura K, et al: Precise and real-time measurement of 3D tumor motion in lung due to breathing and heartbeat measured during radiotherapy. Int J Radiat Oncol Biol Phys 53(4):822-834 (2002)

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