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문제 정의
- 본 연구는 두경부암 IMRT 계획 시 6 MV 에너지를 사용한 치료계획과 표적체적까지 상대적으로 투과 거리가 긴 후사방향의 일부 조사면에 15 MV 에너지를 사용한 것을 비교하여 치료계획의 질에 미치는 영향을 알아보았다. PTV coverage의 차이는 ±0.
- 이에 본 연구에서는 주로 저에너지 광자선만 사용하는 두경부암 IMRT 치료계획에서 상대적으로 표적체적까지 투과 거리가 긴 일부 후사방향 조사면에 부분적으로 고에너지 광자선을 사용 하였을 때 치료계획의 질에 미치는 영향을 알아보고자 한다.
제안 방법
- 모의치료계획 과정에서 환자의 자세는 바로 누워 턱을 최대한 위쪽으로 들어 올리고, IMRT device (med-tec Type-S Overlay, Orange city, Iowa)와 thermoplastic mask를 사용하여 고정하였다. CT image는 환자에게 조영제를 주입 한 후 3 mm 두께로 영상을 획득하고, 치료계획시스템(radiation therapy planning system, RTPS)은 Eclipse (Version 7.1, Varian, Palo Alto, USA)를 사용하였다. 치료계획을 위해 RTOG (radiation therapy oncology group) 가이드라인에 따라 육안적종양체적(gross tumor volume, GTV), 임상표적체적1 (clinical target volume, CTV1), 임상표적체적2 (clinical target volume, CTV2)를 설정하였다.
- 치료계획을 위해 RTOG (radiation therapy oncology group) 가이드라인에 따라 육안적종양체적(gross tumor volume, GTV), 임상표적체적1 (clinical target volume, CTV1), 임상표적체적2 (clinical target volume, CTV2)를 설정하였다. 각 체적에서 환자 움직임과 set up 시 오차를 고려해 모든 방향으로 4 mm의 margin을 더하여 3개의 계획표적체적(planning target volume, PTV)을 생성하였다. 그리고 뇌간, 척수, 시신경, 시신경교차, 이하선 등 표적체적과 인접한 주요 OAR의 윤곽을 나타내었다.
- 그리고 Leaf motion calculation에서 beam delivery 방식은 “sliding window”를 사용하였고 “fixed jaws”를 적용하였다.
- 본원에서 근치적 목적으로 세기변조방사선치료를 시행 받은 10명(nasopharyngeal carcinoma 5, tonsilar carcinoma 5)의 환자를 대상으로 하였다. 모의치료계획 과정에서 환자의 자세는 바로 누워 턱을 최대한 위쪽으로 들어 올리고, IMRT device (med-tec Type-S Overlay, Orange city, Iowa)와 thermoplastic mask를 사용하여 고정하였다. CT image는 환자에게 조영제를 주입 한 후 3 mm 두께로 영상을 획득하고, 치료계획시스템(radiation therapy planning system, RTPS)은 Eclipse (Version 7.
- 치료계획 시 빔 데이터는 Varian 21EX (Varian Medical system, Palo Alto, CA)의 6 MV와 15 MV 에너지 광자선을 사용하였고, 선량률을 400 MU/min으로 하고 조사면은 8개로 35º, 80º, 125º, 165º, 195º, 235º, 280º, 325º의 갠트리 각도를 사용하였다. 선량처방은 총 30회에 걸쳐 일일선량을 GTV에 2.25 Gy, CTV1에 1.8 Gy, CTV2에 1.65 Gy씩 총선량 67.5 Gy, 54 Gy, 49.5 Gy로 하는 동시차등조사(simultaneous integrated boost, SIB) 기법을 이용하였다. 선량체적최적화(dose volume optimization) 과정은 PTV에 균일하게 처방선량이 분포하면서 동시에 주변정상조직의 선량을 줄이고 결정장기에는 허용선량을 만족하도록 선량체적 제한(dose volume constraint) 값을 설정 후 시행하였다.
- 5 Gy로 하는 동시차등조사(simultaneous integrated boost, SIB) 기법을 이용하였다. 선량체적최적화(dose volume optimization) 과정은 PTV에 균일하게 처방선량이 분포하면서 동시에 주변정상조직의 선량을 줄이고 결정장기에는 허용선량을 만족하도록 선량체적 제한(dose volume constraint) 값을 설정 후 시행하였다. 그리고 Leaf motion calculation에서 beam delivery 방식은 “sliding window”를 사용하였고 “fixed jaws”를 적용하였다.
- 수립된 두 치료계획의 평가를 위하여 선량 체적 히스토그람(dose volume histogram, DVH)에서 PTV의 평균선량과 최대선량을 산출하여 coverage, 그리고 PTV 체적과 처방선량의 95%가 조사되는 체적의 비인 conformity index (CI: V95%/VPTV)와 PTV의 95%와 5%의 체적에 조사되는 최소 선량의 비인 homogeneity index (HI: D5%/D95%)를 비교하였다. OAR에서는 양측 이하선의 평균선량(Dmean)과 이하선의 50% 체적에 조사되는 선량(D50%), 그리고 뇌척수의 최대선량(Dmax)과 1% 체적에 조사 되는 선량(D1%)을 비교하였다.
- 이와 같은 조건에서 환자마다 8개 조사면으로 6 MV 에너지를 사용한 치료계획(low energy plan, LEP)과 상대적으로 투과 깊이가 깊은 후사방향의 LPO-165º, RPO-195º의 두 조사면에서 15 MV 에너지를 사용한 치료계획(partially used high energy plan, PHEP)을 각각 수립하였고(Fig. 1), plan normalization 값은 동일하게 설정하였다.
- 1, Varian, Palo Alto, USA)를 사용하였다. 치료계획을 위해 RTOG (radiation therapy oncology group) 가이드라인에 따라 육안적종양체적(gross tumor volume, GTV), 임상표적체적1 (clinical target volume, CTV1), 임상표적체적2 (clinical target volume, CTV2)를 설정하였다. 각 체적에서 환자 움직임과 set up 시 오차를 고려해 모든 방향으로 4 mm의 margin을 더하여 3개의 계획표적체적(planning target volume, PTV)을 생성하였다.
- OAR에서는 양측 이하선의 평균선량(Dmean)과 이하선의 50% 체적에 조사되는 선량(D50%), 그리고 뇌척수의 최대선량(Dmax)과 1% 체적에 조사 되는 선량(D1%)을 비교하였다. 표적체적 주변정상조직의 흡수선량을 나타내는 용적선량(integral dose, ID)을 구하였고, 특히 후경부 피부에서부터 계획표적체적 사이 정상조직의 선량평가를 위해 Fig. 2에서 보는 바와 같이 계획표적체적과 일정한 거리를 두고 posterior-normal tissue volume (P-NTV)을 설정하여 Dmean과 V20Gy, V25Gy의 값을 비교하였다. 추가로 total monitor unit(MU)값을 비교하였으며 각 평가항목별 값은 환자 10명의 평균값으로 나타내어 비교분석 하였다.
대상 데이터
- 본원에서 근치적 목적으로 세기변조방사선치료를 시행 받은 10명(nasopharyngeal carcinoma 5, tonsilar carcinoma 5)의 환자를 대상으로 하였다. 모의치료계획 과정에서 환자의 자세는 바로 누워 턱을 최대한 위쪽으로 들어 올리고, IMRT device (med-tec Type-S Overlay, Orange city, Iowa)와 thermoplastic mask를 사용하여 고정하였다.
- 치료계획 시 빔 데이터는 Varian 21EX (Varian Medical system, Palo Alto, CA)의 6 MV와 15 MV 에너지 광자선을 사용하였고, 선량률을 400 MU/min으로 하고 조사면은 8개로 35º, 80º, 125º, 165º, 195º, 235º, 280º, 325º의 갠트리 각도를 사용하였다.
데이터처리
- 2에서 보는 바와 같이 계획표적체적과 일정한 거리를 두고 posterior-normal tissue volume (P-NTV)을 설정하여 Dmean과 V20Gy, V25Gy의 값을 비교하였다. 추가로 total monitor unit(MU)값을 비교하였으며 각 평가항목별 값은 환자 10명의 평균값으로 나타내어 비교분석 하였다.
성능/효과
- 저에너지 광자선(≤6 MV)은 투과력(penetrating power)이 낮아 주로 피부표면에서 가까운 거리에 있는 종양 치료에 이용 되고 고에너지 광자선(＞6 MV)은 높은 투과력과 피부보호효과(skin sparing effect)에 이점이 있어 심부에 위치한 종양 치료에 적합하다.4) 또한 저에너지 광자선은 반음영이 작아 치료표적과 밀접하게 선량분포를 만들 수 있고 주위 결정장기의 선량을 줄일 수 있으며,5) 고에너지 광자선은 심부에 위치한 치료표적에 균등한 선량 분포를 얻을 수 있지만 이차전자의 측방 산란 거리가 증가하기 때문에 빔 경계(beam boundary)가 확산 될 수 있고6) 10 MV 에너지 이상에서 조사헤드와 상호작용에 의한 광중성자선이 발생되는 문제도 있다.7) 전립선암의 경우 3DCRT에서 주로 고에너지 광자선이 적용되었는데, IMRT에서는 저에너지 광자선으로 충분한 수의 조사면(field)을 사용한다면 표적체적의 coverage, homogeneity, conformity와 결정장기(organ at risk, OAR)의 보호 효과 면에서 고에너지 광자선 사용과 동등한 치료계획을 수립 할 수 있다는 보고가 있다.
- DVH를 비교한 결과 각 PTV에서 Dmean, Dmax의 변화는 ±0.3% 이내의 차이로 거의 동일한 coverage를 보였고, 두 치료계획에서 conformity index의 평균값은 PTV67.5에서는 변화가 없었지만, PTV54와 PTV49.5에서 0.01의 미미한 차이를 보였다(Table 1).
- LEP과 PHEP의 평균 Total MU값은 각각 1,490 MU, 1,463 MU로 나타났고 PHEP에서 27 MU 감소하였다. PHEP에서 Total MU가 LEP를 기준으로 1.
- 1% 감소하는 경향을 보였다(Table 4). P-NTV의 변화를 비교한 결과 Dmean과 V20Gy, V25Gy은 LEP에서 22.47 Gy와 70.84%, 40.72%로 나타났고, PHEP에서는 22.13 Gy와 69.04%, 37.80%로 나타났으며 결과적으로 PHEP에서 각각 1.6%, 1.8%, 2.9% 감소하였다(Table 5, Fig. 5).
- LEP과 PHEP의 평균 Total MU값은 각각 1,490 MU, 1,463 MU로 나타났고 PHEP에서 27 MU 감소하였다. PHEP에서 Total MU가 LEP를 기준으로 1.8% 감소하는 경향을 보였다(Table 6).
- PTV coverage의 차이는 ±0.3% 이내였고 CI가 0.01로 미미한 차이를 보였지만 HI는 전체적으로 변화 없이 동일하게 나타났다(Table 1).
- 결론적으로 두경부암 IMRT에서 6 MV 에너지를 사용한 치료계획보다 후사방향의 2개 조사면에 부분적으로 15 MV 에너지를 사용한 치료계획에서 PTV의 coverage, CI, HI의큰 변화 없이 일부 OAR과 정상조직의 선량, 그리고 총 MU 를 감소시키는 효과가 있었다. 이런 효과가 환자에게 임상적으로 얼마나 이로운지는 명확하지 않지만, 두경부암 IMRT 계획 시 부분적으로 고에너지 광자선을 사용하는 것은 치료 계획의 전반적인 질을 개선하는데 유용 할 것으로 본다.
- 본 연구에서는 8개의 조사면 중 후사방향 두 곳에서만 15 MV 에너지를 적용하였기에 앞서 언급한 문제의 발생확률은 6 MV 에너지만 사용했을 때와 큰 차이가 없을 것으로 생각된다. 그리고 10 MV 에너지를 사용하였다면 두 에너지의 이점은 얻으면서 문제의 발생확률은 줄일 수 있을 것이라 사료된다.
- 01의 미미한 차이를 보였다(Table 1). 그리고 homogeneity index는 변화 없이 전체적으로 동일하게 나타났으며 Fig. 4에서 보는 바와 같이 PTV54에 대한 환자별 CI, HI 결과에서도 두 치료계획 사이의 차이는 크지 않았다.
- 5에서 나타났으며 이는 처방선량이 다른 인접한 PTV 사이에 steep dose gradient 영역이 위치하고 있기 때문인 것으로 보인다. 뇌척수의 Dmax와 D1%는 부분적으로 15 MV 에너지를 사용한 치료계획에서 각각 0.3%, 0.4% 낮게 나타났고, 이하 선의 Dmean과 D50%의 변화 역시 각각 0.6%, 0.7%로 소폭 감소하는 것으로 나타났는데 이는 고에너지 광자선의 선량분포와 build up 특성에 의한 것으로 생각된다. 용적선량은 P-NTV 선량과 밀접한 관계가 있는데, 후사방향 조사면에 부분적으로 15 MV 에너지를 사용한 치료계획에서 P-NTV 평균선량이 약 2% 감소하였고 결과적으로 용적선량 또한 1.
- 양측 이하선의 Dmean, D50%는 LEP에서 28.20 Gy, 23.65 Gy이었고, PHEP에서 28.03 Gy, 23.48 Gy로 나타났으며 이는 LEP를 기준으로 PHEP에서 각각 0.6%, 0.7%의 선량변화를 보였다(Table 2). 그리고 뇌척수의 Dmax, D1%는 PHEP에서 각각 0.
- 용적선량은 LEP에서 148,880 Gy-cc, PHEP에서 147,310 Gy-cc로 나타났고 PHEP에서 1.1% 감소하는 경향을 보였다(Table 4). P-NTV의 변화를 비교한 결과 Dmean과 V20Gy, V25Gy은 LEP에서 22.
- 7%로 소폭 감소하는 것으로 나타났는데 이는 고에너지 광자선의 선량분포와 build up 특성에 의한 것으로 생각된다. 용적선량은 P-NTV 선량과 밀접한 관계가 있는데, 후사방향 조사면에 부분적으로 15 MV 에너지를 사용한 치료계획에서 P-NTV 평균선량이 약 2% 감소하였고 결과적으로 용적선량 또한 1.1% 감소하는 효과를 보였다. 이는 고에너지 광자선이 저에너지에 비해 체내에서 감쇠되는 유량이 상대적으로 적은 물리적 특성에 기인한 것으로 판단된다.
- 8% 감소하였지만, 10명 중 2명의 환자에서 소폭 증가한 결과에 대해 더 많은 환자의 데이터를 이용한 추가적인 연구가 필요하다고 생각된다. 이와 같이 두경부암 IMRT에서 고에너지를 부분적으로 사용하면 저에너지만 사용하였을 때 보다 OAR의 선량과 용적선량을 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있었다. 하지만 Hall15)의 연구에 따르면 전립선암 IMRT에서 고에너지를 사용하였을 때 광중성 자선의 발생과 정상조직의 이차암 발생 확률은 저에너지를 사용하였을 때 보다 높아진다는 보고가 있다.
후속연구
- 이는 고에너지 광자선이 저에너지에 비해 체내에서 감쇠되는 유량이 상대적으로 적은 물리적 특성에 기인한 것으로 판단된다.5) Total MU는 부분적으로 15 MV 에너지를 사용한 치료계획에서 6 MV 에너지를 사용한 치료계획 보다 평균 1.8% 감소하였지만, 10명 중 2명의 환자에서 소폭 증가한 결과에 대해 더 많은 환자의 데이터를 이용한 추가적인 연구가 필요하다고 생각된다. 이와 같이 두경부암 IMRT에서 고에너지를 부분적으로 사용하면 저에너지만 사용하였을 때 보다 OAR의 선량과 용적선량을 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있었다.
- 결론적으로 두경부암 IMRT에서 6 MV 에너지를 사용한 치료계획보다 후사방향의 2개 조사면에 부분적으로 15 MV 에너지를 사용한 치료계획에서 PTV의 coverage, CI, HI의큰 변화 없이 일부 OAR과 정상조직의 선량, 그리고 총 MU 를 감소시키는 효과가 있었다. 이런 효과가 환자에게 임상적으로 얼마나 이로운지는 명확하지 않지만, 두경부암 IMRT 계획 시 부분적으로 고에너지 광자선을 사용하는 것은 치료 계획의 전반적인 질을 개선하는데 유용 할 것으로 본다.
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