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문제 정의
- 따라서, 본 연구는 전립선암에 있어 pain-IMPT 적용 시 발생할 수 있는 전립선암의 유효비정의 변화와 환자 자세의 재현성을 고려한 robust 방법을 적용한 경우와 적용하지 않은 경우에 대하여 광자선 IMRT와 선량분포 특성을 비교 분석하고자 한다.
제안 방법
- 2011년 1월부터 2012년 5월까지 광자선 IMRT를 받은 5명의 전립선암 환자를 대상으로 하여 광자선 IMRT (7문, step & shoot), plain-IMPT (2문, 4문, 7문), robust-IMPT (양성자의 유효비정과 환자 자세의 재현성 오차 적용, 2문, 4문, 7문) 계획을 실시하였다.
- Plain-IMPT는 유효비정의 오차와 환자의 자세 재현성 오차를 적용한 것과 적용하지 않은 방법으로 두 번 계산하였다. 오차 적용을 위하여, 유효비정의 오차는 ±5%로 가정하였고,6) 환자 자세 재현성의 오차는 35회 CBCT를 통하여 자세 확인을 한, 환자 10명을 대상으로 환자중심 선축을 기준에서 기록된 이동값으로, 좌우(LR), 앞뒤(AP), 상하(CC)축으로 움직인 값의 평균을 각각 구한 뒤, 3차원 벡터 값으로 환산한 값을 적용하였다.
- 육안적종양체적(gross tumor volume, GTV)은 컴퓨터 단층영상에서 관찰되는 전립선으로 하였고 이를 곧 임상표적체적(clinical target volume, CTV)으로 계획하였다. 계획용표적체적(planning target volume, PTV)은 두부와 체부 방향으로 8 mm, 앞뒤(AP), 좌우(LR) 방향으로 5 mm 여유를 두고 설정하였다.
- 방사선 치료 계획을 위해 환자는 앙와위 자세로 자유 호흡시 치료계획용 컴퓨터 단층촬영을 시행하였다. 환자의 직장에 100 cm3의 공기를 채운 풍선을 삽입한 후, 2.
- 0 Gy씩 주 5회로 7주 동안 35회 조사하였으며 총 선량은 70 Gy였다. 선량 계산을 위한 제한 조건은 RTOG 가이드라인 기준 하였고,6) 정상 장기는 직장 벽, 방광 및 대퇴골 두부, 음경 관 등의 선량을 제한하였다. 직장 벽은 최대선량이 74 Gy 이하가 되게 하였고, V70가 7% 미만, 10 cc 이하가 되도록 하였고, V50가 20% 미만, V25가 50% 미만, V12가 90% 미만이 되도록 제한하였다.
- 선량계산 시스템은 Raystation (version 2.4.15.6-not for clinic use, USA) 이용하였고, 95º, 265º 총 2개의 빔, 95º, 45º, 315º, 265º 총 4개의 빔, 260º, 290º, 320º, 0º, 35º, 65º, 100º의 총 7개의 빔을 이용한 IMPT 계획을 수립하였다.
- 오차 적용을 위하여, 유효비정의 오차는 ±5%로 가정하였고,6) 환자 자세 재현성의 오차는 35회 CBCT를 통하여 자세 확인을 한, 환자 10명을 대상으로 환자중심 선축을 기준에서 기록된 이동값으로, 좌우(LR), 앞뒤(AP), 상하(CC)축으로 움직인 값의 평균을 각각 구한 뒤, 3차원 벡터 값으로 환산한 값을 적용하였다.
- 5 mm 두께로 영상을 획득하였다. 육안적종양체적(gross tumor volume, GTV)은 컴퓨터 단층영상에서 관찰되는 전립선으로 하였고 이를 곧 임상표적체적(clinical target volume, CTV)으로 계획하였다. 계획용표적체적(planning target volume, PTV)은 두부와 체부 방향으로 8 mm, 앞뒤(AP), 좌우(LR) 방향으로 5 mm 여유를 두고 설정하였다.
- 오차 적용을 위하여, 유효비정의 오차는 ±5%로 가정하였고,6) 환자 자세 재현성의 오차는 35회 CBCT를 통하여 자세 확인을 한, 환자 10명을 대상으로 환자중심 선축을 기준에서 기록된 이동값으로, 좌우(LR), 앞뒤(AP), 상하(CC)축으로 움직인 값의 평균을 각각 구한 뒤, 3차원 벡터 값으로 환산한 값을 적용하였다. 이 때, 계산된 값은 랜덤 오차만을 고려한 것이고, 시스템 오차값은 좌우(LR), 앞뒤(AP), 상하(CC)로 각각 0.05 cm으로, 합산하여 적용하였다. 선량계산 시스템은 Raystation (version 2.
- 일일처방선량은 2.0 Gy씩 주 5회로 7주 동안 35회 조사하였으며 총 선량은 70 Gy였다. 선량 계산을 위한 제한 조건은 RTOG 가이드라인 기준 하였고,6) 정상 장기는 직장 벽, 방광 및 대퇴골 두부, 음경 관 등의 선량을 제한하였다.
대상 데이터
- 방사선 치료 계획을 위해 환자는 앙와위 자세로 자유 호흡시 치료계획용 컴퓨터 단층촬영을 시행하였다. 환자의 직장에 100 cm3의 공기를 채운 풍선을 삽입한 후, 2.5 mm 두께로 영상을 획득하였다. 육안적종양체적(gross tumor volume, GTV)은 컴퓨터 단층영상에서 관찰되는 전립선으로 하였고 이를 곧 임상표적체적(clinical target volume, CTV)으로 계획하였다.
이론/모형
- 비교 분석을 위한 광자선 IMRT계획은 본원의 Pinnacle (version 9.2, Philips, Palo Alto, USA) 시스템을 사용하였으며, Novalis Tx (Varian, USA) 광자선 에너지 10 MV를 이용하여 260º, 290º, 320º, 0º, 35º, 65º, 100º의 총 7개의 빔을 사용하였고, Adaptive Convolution 알고리즘을 사용하여 계산하였다.
- 6-not for clinic use, USA) 이용하였고, 95º, 265º 총 2개의 빔, 95º, 45º, 315º, 265º 총 4개의 빔, 260º, 290º, 320º, 0º, 35º, 65º, 100º의 총 7개의 빔을 이용한 IMPT 계획을 수립하였다. 오차를 고려하지 않은 계산은 Pencil Beam 알고리즘을 적용하였고, 오차를 적용한 계산은 Monte Carlo를 사용하였다.
성능/효과
- V70은 광자선 IMRT가 가장 낮았으며, 나머지 V50, V12에 대하여는 plain-IMPT가 가장 낮았다. 2문 robust-IMPT는 2문 plain-IMPT와 비교하여 V70의 선량이 28% 가량 낮았으며, 4문에서는 23%, 7문에서는 11% 가량 선량이 낮아짐을 보였다. 그러나 V12에서는 반대로, robust- IMPT가 plain-IMPT와 비교하여 2문에서 0.
- 5) 또한 폐암이나 간암과 같은 경우, 치료 중 움직임은 치료계획 시와 달리 종양의 위치가 변화할 수 있으며 이는 세기조절양성자치료의 치료계획 시 선량과 실제 전달된 치료선량이 큰 차이를 보이는 게 된다.
- 9) 이에 본 연구에서는 전립선암에 있어 plain- IMPT가 광자선 IMRT보다 어떠한 선량학적 특성을 보이는 지 비교 해 봄과 동시에 plain-IMPT에서 유효 비정과 환자 자세 오차를 적용한 robust-IMPT로 재계산하여 광자선 IMRT와 비교하였다. 그 결과, plain-IMPT는 광자선 IMRT와 비교하여 표적 및 정상장기 대부분에서 우수한 선량 분포를 보였다. 또한, robust-IMPT는 plain-IMPT와 비교하여 표적에 비해 주변 정상장기의 선량 변동이 크게 관찰 되었는데, 특히, 가스 풍선으로 채워 진 직장 벽에서는 robust-IMPT를 적용한 결과, 그 값의 증가나 감소율이 높았다.
- 따라서, 유효 비정과 환자 자세 재현성의 오차를 감안하더라도 robust-IMPT는 광자선 IMRT보다 우수한 선량 분포를 보였으며, 그것은 2문 robust-IMPT로도 충분히 만족함을 보였다.
- 그 결과, plain-IMPT는 광자선 IMRT와 비교하여 표적 및 정상장기 대부분에서 우수한 선량 분포를 보였다. 또한, robust-IMPT는 plain-IMPT와 비교하여 표적에 비해 주변 정상장기의 선량 변동이 크게 관찰 되었는데, 특히, 가스 풍선으로 채워 진 직장 벽에서는 robust-IMPT를 적용한 결과, 그 값의 증가나 감소율이 높았다. 이는 plain- IMPT에서 robust-IMPT를 감한 선량 차이를 보여주는 Fig.
- 방광의 경우, 광자선 IMRT보다 plain-IMPT와 robust-IMPT에서 V60과 V35의 선량이 낮았으며, plain-IMPT와 robust-IMPT를 비교하였을 때, V60에서 robust-IMPT가 1∼9.8%정도 낮아짐을 보였고, V35에서는 이와 반대로 높아짐을 보였다.
- 8%정도 낮아짐을 보였고, V35에서는 이와 반대로 높아짐을 보였다. 음경 관에서의 V40의 선량은 plain-IMPT와 robust-IMPT가 광자선 IMRT와 비교하여 볼 때 문 수에 따라 높거나 낮았으며, 대퇴골 두부의 선량은 모든 치료 방법이 선량 제한치 v40이 10%를 넘지 않았고, 선량분석를 위하여 최대선량으로 비교 해 본 결과, 2문 plain-IMPT가 광자선 IMRT 및 4문, 7문 plain-IMPT보다 대퇴골 두부의 최대 선량이 가장 높았다.
- 선량 조형지수(CI)는 PTV의 부피에 대한 100% 선량분포의 부피를 나타내는 값으로 치료계획의 정당성을 나타내는 기준이 되는 지표이다. 이 지표를 적용한 결과, 광자선 IMRT시 1.05, plain-IMPT 평균 1.01, robust-IMPT 평균 1.004였으며, PTV 내 선량의 균등도를 나타내는 균일 지수 Homogeneity index (HI)는 광자선 IMRT에서 1.03, plain-IMPT 평균 1.00, robust-IMPT 평균 1.031로 나타났다(Table 2). 직장 벽의 경우, 직장에 풍선을 100 cc 가량 채운 뒤, 직장 벽에 한하여 측정한 결과, 평균 37.
- 4에서 자세히 확인할 수 있으며, 거의 대향 2문으로 plain- IMPT를 적용한 경우, 표적과 가스 풍선의 경계 부위, 대퇴골 두부 등에서 분명한 선량 차이가 발생함을 알 수 있었다. 이로서 양성자선의 방향이 유효 비정에 영향을 주는 밀도차가 큰 부분을 지날 때 선량의 변동이 생기는 것을 알 수 있었고, 양성자선의 수가 증가 할수록 이러한 효과가 감소하는 것을 알 수 있었다. 그러나 이와 반면에 표적의 선량 분포는 robust-IMPT 적용 시 plain-IMPT에 비하여 그 변화량은 최대선량 및 최소선량이 3% 이내로 정상 장기에 비하여 크지 않았다.
- 전립선암의 광자선 IMRT (7문 step & shoot) 및 plain-IMPT (2문, 4문, 7문), 유효 비정의 오차 ±5%와 환자 자세 재현성오차 0.5 cm을 적용한 robust-IMPT (2문, 4문, 7문)에 따른 선량분석결과로(Fig. 2, 3), 전체 5명의 환자 PTV의 평균 부피는 86.54 cc로, 광자선 IMRT 및 plain-IMPT, robust-IMPT의 PTV의 최대선량은 각각 76.75 Gy (109.6%), 평균 71.92 Gy (102.7%), 평균 72.09 Gy (103%)였으며, 최소선량은 68.21 Gy (97.4%), 평균 68.89 Gy (98.42%), 평균 68.13 Gy (98.13%)이였다.
후속연구
- 5 cm으로 적용 하였지만, 유효 비정 및 움직임의 오차 값이 이보다 더 증가한다면, 실제 계획 시 선량과 치료 시 선량 차가 더 크게 발생할 수도 있을 것이다. 따라서, 정확한 유효 비정 오차값 계산과 환자 자세 재현성의 오차를 줄이는 노력을 동반한 robust-IMPT 계산이 동반되어야만 보다 정확한 IMPT를 적용할 수 있을 것으로 사료된다.
- 또한, 본 연구에서는 유효 비정의 오차를 ±5%, 환자 자세의 재현성 오차를 0.5 cm으로 적용 하였지만, 유효 비정 및 움직임의 오차 값이 이보다 더 증가한다면, 실제 계획 시 선량과 치료 시 선량 차가 더 크게 발생할 수도 있을 것이다.
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