[논문]호흡연동방사선치료시 폐암과 간암환자의 병소 움직임 크기에 따른 선량분포 차이 분석

김영국; 임상욱; 최지훈; 마선영; 정태식; 노태익

doi:10.14316/pmp.2014.25.4.242

호흡연동방사선치료시 폐암과 간암환자의 병소 움직임 크기에 따른 선량분포 차이 분석
Discrepancies between Calculated and Delivered Dose Distributions of Respiratory Gated IMRT Fields according to the Target Motion Ranges for Lung and Liver Cancer Patients 원문보기

Progress in Medical Physics = 의학물리, v.25 no.4, 2014년, pp.242 - 247

김영국 (고신대학교 의과대학 방사선종양학교실) , 임상욱 (고신대학교 의과대학 방사선종양학교실) , 최지훈 (고신대학교 의과대학 방사선종양학교실) , 마선영 (고신대학교 의과대학 방사선종양학교실) , 정태식 (고신대학교 의과대학 방사선종양학교실) , 노태익 (동아대학교 물리학과)

초록
AI-Helper

호흡연동방사선치료(respiratory-gated radiation therapy)법을 적용한 세기조절방사선치료(intensity-modulated radiation therapy, IMRT) 시 환자의 호흡에 의한 장기 움직임 크기에 따른 계산된 선량분포와 측정된 선량분포의 차이를 분석하고자 한다. 치료를 완료한 폐암과 간암 환자 4명을 선택하였다. 한 환자당 5개의 조사면 총 20개의 조사면을 갠트리 각도를 모두 $0^{\circ}$로 변경하여 치료계획시스템(Eclipse Ver. 8.1, Varian Medical Systems, Inc., USA)으로 다시 계산하였다. 치료계획과 동일한 조건으로 각 IMRT 조사면을 2차원 이온전리함배열(MatriXX, IBA Dosimetry, Germany)을 자체 제작한 호흡모 플랫폼(respiratory simulating platform)위에 놓고 0, 1.0, 2.0, 및 3.0 cm 씩 호흡 움직임을 모사하여 일반적으로 치료에 사용되는 연동창 범위인 30~70% 위상을 선택하여 호흡연동방사선치료법으로 조사하여 선량분포를 측하였다. 계산된 선량분포와 측정된 선량분포의 2차원적 비교를 위해 소프트웨어(Omni-pro I'mRT, IBA Dosimetry, Germany)를 이용하여 3 mm/3%의 기준으로 감마 지표(gamma index)로 비교하였다. 움직임이 없을 때 감마 지표의 합격률이 평균 98.63% 였으며, 움직임을 1.0, 2.0, 3.0 cm으로 모사할 경우 합격률이 각각 평균 98.59%, 97.82%, 95.84%로 낮아졌다. 따라서 실제 환자에 대해 호흡연동방사선치료법을 적용한 세기조절방사선치료 시 병소의 움직임이 2 cm가 넘을 경우 ITV (internal target volume) 여유분을 크게 설정하거나 연동창을 좁게 선택하여야한다.

Abstract ▼ AI-Helper

To see the discrepancies between the calculated and the delivered dose distribution of IMRT fields for respiratory-induced moving target according to the motion ranges. Four IMRT plans in which there are five fields, for lung and liver patients were selected. The gantry angles were set to $0^{\circ}$ for every field and recalculated using TPS (Eclipse Ver 8.1, Varian Medical Systems, Inc., USA). The ion-chamber array detector (MatriXX, IBA Dosimetry, Germany) was placed on the respiratory simulating platform and made it to move with ranges of 1, 2, and 3 cm, respectively. The IMRT fields were delivered to the detector with 30~70% gating windows. The comparison was performed by gamma index with tolerance of 3 mm and 3%. The average pass rate was 98.63% when there's no motion. When 1.0, 2.0, 3.0 cm motion ranges were simulated, the average pass rate were 98.59%, 97.82%, and 95.84%, respectively. Therefore, ITV margin should be increased or gating windows should be decreased for targets with large motion ranges.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 호흡운동에 따른 IMRT의 계산된 선량분포와 실제 전달된 선량분포의 차이를 분석하기 위해 치료를 완료한 폐암환자 2명과 간암환자 2명의 IMRT 치료계획 을 선택하였다. 한 환자당 조사면(field)은 5개씩 이었으며 치료계획시스템(Eclipse 8.
본 연구의 목적은 호흡연동방사선치료법을 적용한 IMRT 시 환자의 호흡에 따른 장기운동에 따른 선량분포의 차이를 감마지표로 분석하여 장기운동에 따른 최적의 연동창 (gating window)의 범위와 ITV (internal target volume) 여유분(margin)을 알아보고자 한다.

제안 방법

각 조사면의 실제 전달 선량을 측정하기 위해 2차원이 온전리함 배열(I’mRT MatriXX, IBA Dosimetry, Germany)을 호흡모사 플랫폼 위에 위치시켰다.
3 cm3 의 고체팬텀(Virtual water^®, Civco Medical Solutions, Orange City, IA, USA)을 2차원 이온전리함 배열 위에 위치시켰다. 그리고 선원표면간거리(source-to-surface distance, SSD)를 100 cm로 설치하여 최대선량 깊이(Dmax)에 서 움직이는 표적의 이차원적 선량분포를 측정할 수 있도록 하였다. 치료용선형가속기(Clinac iX, Varian Medical Systems, Inc.
플랫폼 위에는 고체팬텀과 필름 또는 2차원선량 계 등을 올려놓아 움직이는 병소의 2차원적 선량분포를 측정할 수 있도록 고안하였다. 본 실험에서는 환자의 횡경막 움직인 거리를 분석하여 가능성 있는 횡경막의 3가지 움직임을 모사시켰고 주기는 환자의 평균호흡주기를 사용하였다.
실제 환자의 호흡운동을 모사하기 위하여 호흡연동방사 선치료법을 적용하여 IMRT를 완료한 폐암환자 25명과 간암 환자 23명의 사차원컴퓨터단층촬영(four-dimensional computed tomography, 4DCT) 영상을 후향적(retrospective)으로 분석하였고 모든 환자의 평균 호흡주기 및 호흡에 의한 횡경막의 움직임을 4DCT 영상으로 측정하였다. 4DCT는 RPM (Real-time Position Management^TM, Varian Medical Systems, Inc.
자체 제작한 호흡운동모사 플랫폼의 움직임은 각각 1.0, 2.0, 3.0 cm으로 사인파 형태의 1차원 왕복운동을 하였다. 주기는 환자의 평균호흡주기인 3.
0 cm으로 사인파 형태의 1차원 왕복운동을 하였다. 주기는 환자의 평균호흡주기인 3.2초로 호흡운동을 모사하였다. 이 플랫폼은 고체팬텀과 이온함배열 등을 올려놓고 움직일 수 있도록 고안하였기 때문에 호흡연동방사선치료 등의 이차원 선량분포 분석이 가능하였다.
치료용선형가속기(Clinac iX, Varian Medical Systems, Inc., Palo Alto, CA, USA)에서 각각의 치료 계획과 동일하게 6 MV의 광자선, 400 MU/min 선량율을 사용하였고, 호흡연동방사선치료시 본원에서 선택하는 최대 연동창 크기인 30∼70%의 연동창(gating windows)으로 호흡연동방 사선치료법을 적용하여 움직임이 0, 1, 2, 및 3 cm의 경우 각각 방사선을 조사하였다.
환자의 다양한 호흡운동 패턴을 모사하기위해 자체 제 작한 호흡모사 플랫폼은 전동기의 회전운동을 크랭크축 (crankshaft)을 통해 직선왕복운동하도록 설계하여 다양한 진폭과 회전속도로 사인파(sinusoidal)형태로 움직이도록 고안하였다. 플랫폼 위에는 고체팬텀과 필름 또는 2차원선량 계 등을 올려놓아 움직이는 병소의 2차원적 선량분포를 측정할 수 있도록 고안하였다. 본 실험에서는 환자의 횡경막 움직인 거리를 분석하여 가능성 있는 횡경막의 3가지 움직임을 모사시켰고 주기는 환자의 평균호흡주기를 사용하였다.
한 환자당 조사면(field)은 5개씩 이었으며 치료계획시스템(Eclipse 8.1, Varian Medical Systems, Inc., Palo Alto, CA, USA)에서 가상의 팬텀을 만들어 각각의 갠 트리(gantry)를 수직방향(0º)으로 변경하여 재계산된 선량분포를 얻었다.
, Palo Alto, CA, USA) 시스템과 연동하여 4DCT 영상을 획득하였다. 호흡에 의한 장기의 움직임은 비교적 분석이 용이하고 움직임이 두드러진 횡격막을 기준으로^27,28) 두미축(craniocaudal) 방향으로 분석하여 환자들의 평균 호흡패턴을 자체 제작한 호흡운동모사 플랫폼(respiration simulating platform) 운동에 적용하였다.
2차원 이온전리함배열로 획득한 각각의 조사면의 선량 분포는 계산된 선량분포와 비교하기 위해 Omni-Pro IMRT (IBA Dosimetry, Germany) 프로그램의 감마지표(gamma index) 분석을 사용하여 계산된 선량분포와 비교 분석하였다. 호흡연동 진폭에 의한 각 조사문의 합격률은 감마지표 3 mm/3% 수준으로 설정하여 합격률을 계산하였고, 0.0 cm, 1.0 cm, 2.0 cm 및 3.0 cm 의 크기로 움직이는 표적에 대한 합격률을 비교하였다.
환자의 다양한 호흡운동 패턴을 모사하기위해 자체 제 작한 호흡모사 플랫폼은 전동기의 회전운동을 크랭크축 (crankshaft)을 통해 직선왕복운동하도록 설계하여 다양한 진폭과 회전속도로 사인파(sinusoidal)형태로 움직이도록 고안하였다. 플랫폼 위에는 고체팬텀과 필름 또는 2차원선량 계 등을 올려놓아 움직이는 병소의 2차원적 선량분포를 측정할 수 있도록 고안하였다.

대상 데이터

실제 환자의 호흡운동을 모사하기 위하여 호흡연동방사 선치료법을 적용하여 IMRT를 완료한 폐암환자 25명과 간암 환자 23명의 사차원컴퓨터단층촬영(four-dimensional computed tomography, 4DCT) 영상을 후향적(retrospective)으로 분석하였고 모든 환자의 평균 호흡주기 및 호흡에 의한 횡경막의 움직임을 4DCT 영상으로 측정하였다. 4DCT는 RPM (Real-time Position Management^TM, Varian Medical Systems, Inc., Palo Alto, CA, USA) 시스템과 연동하여 4DCT 영상을 획득하였다. 호흡에 의한 장기의 움직임은 비교적 분석이 용이하고 움직임이 두드러진 횡격막을 기준으로^27,28) 두미축(craniocaudal) 방향으로 분석하여 환자들의 평균 호흡패턴을 자체 제작한 호흡운동모사 플랫폼(respiration simulating platform) 운동에 적용하였다.

데이터처리

2차원 이온전리함배열로 획득한 각각의 조사면의 선량 분포는 계산된 선량분포와 비교하기 위해 Omni-Pro IMRT (IBA Dosimetry, Germany) 프로그램의 감마지표(gamma index) 분석을 사용하여 계산된 선량분포와 비교 분석하였다. 호흡연동 진폭에 의한 각 조사문의 합격률은 감마지표 3 mm/3% 수준으로 설정하여 합격률을 계산하였고, 0.

성능/효과

우측으로 갈수록 움직 임을 크게 모사한 것인데 불합격 영역이 많아짐을 볼 수 있다. 5번 조사면의 경우 움직임을 모사하지 않았을 경우 합격률이 99.66%였고 2 cm으로 움직임을 모사할 경우도 98.31% 였으나 3 cm으로 움직임을 모사할 경우 94.88%로 합격률이 급격히 떨어짐을 알 수 있다.
Table 1은 호흡모사 플랫폼에 적용하기위해 48명의 폐암 과 간암 환자의 4차원 컴퓨터단층영상에서 횡격막의 두미 축 방향의 움직임 크기와 평균 호흡주기를 측정한 결과를 보여준다. 모든 환자의 평균 호흡주기는 3.6 s, 횡격막의 평균 움직임 크기는 1.3 cm으로 측정되었다.
63%이고, 총 20개 조사면 중 17개의 조사면이 97% 이상의 합격률을 보였다. 움직임이 없을 때 감마 지표 의 평균 합격률이 98.63%였으며, 움직임을 1.0, 2.0, 3.0 cm 으로 모사할 경우 평균 합격률이 각각 98.59%, 97.82%, 95.84%으로 낮아졌다.
환자 C를 제외하고는 움직임의 크기가 2 cm 이하일 경우 합격률이 98% 이상으로 호흡연동방사선치 료법이 효과적이었음을 알 수 있다. 움직임이 없을 때 평균 합격률은 98.63%이고, 총 20개 조사면 중 17개의 조사면이 97% 이상의 합격률을 보였다. 움직임이 없을 때 감마 지표 의 평균 합격률이 98.
호흡연동방사선치료 시 30∼70%의 연동창에서 움직임 크기가 커질수록 합격률이 낮아지는 것을 알 수 있었다.
환 자 C의 경우 3, 4, 5번 조사면은 다른 조사면에 비하여 크 기가 커서 정지상태에서도 합격률이 94∼96% 정도로 낮았으나 움직임이 커질수록 합격률은 85% 정도까지 낮아짐을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	4차원방사선치료방법에 대한 치료가 활발해진 배경은?	IMRT는 표적부피와 정상조직 사이에 선량분포의 높은 선량 감소율을 형성하여 정상조직의 피해를 최소화 하므로 11) 뇌, 두경부, 폐, 복부 및 골반 부위 등 다양한 부위에 적 용되고 있으며, 12,13) 특히, 두경부와 전립선암 등의 골반 부 위에 적용 시 다른 치료법에 비해 방사선에 의한 부작용을 효과적으로 줄일 수 있어 치료효과가 높다는 연구결과가 있다. 14-21) 반면, 폐 또는 복부 등 호흡에 의해 움직임이 큰 장기에 IMRT를 적용 시, 국제방사선단위측정위원회(International Commission on Radiological Unit and Measurement, ICRU) 보고서에 따라 내부표적부피(internal target volume, ITV)를 충분히 고려하여 치료용표적부피(planning target volume, PTV)를 결정할 경우 정상조직에 필요이상의 방사 선이 피폭되어 정상조직손상확률(normal tissue complication probability, NTCP)이 증가할 수 있고, 환자의 호흡 패턴, 주기 및 종양의 움직임 크기 등을 고려하지 않을 경우 종양 억제확률(tumor control probability, TCP)이 낮아질 수 있다. 22,23) 따라서 환자 내부 장기 움직임을 고려한 호흡연동 방사선치료(respiratory-gated radiation therapy), 호흡조절방사 선치료(active breathing control radiation therapy), 및 동적병 소추적방사선치료(dynamic tumor tracking radiation therapy) 와 같이 호흡을 고려한 4차원방사선치료방법에 대한 치료가 활발히 이루어지고 있다.
	세기조절방사선치료란?	표적부피(target volume)에 균일한 선량을 전달하고, 정상 조직에는 최소한 선량을 전달하는 세기조절방사선치료(intensity-modulated radiation therapy, IMRT)는 표적부피와 정상조직 사이에 선량분포의 높은 선량 경사율을 형성하여 정상조직의 피해를 최소화 하므로 치료 전 계획된 선량분 포와 치료 시 전달되는 선량분포를 확인하는 정도관리 (quality assurance, QA) 작업이 매우 중요하다. 1,2) 현재 많은 기관에서 이온전리함, 2차원 이온전리함 배열, 전자포탈영 상장치(electrical portal imaging device, EPID) 및 필름 등을 이용하여 선량 차이(dose difference), 감마 지표(gamma index) 및 ROC (receiver operating characteristic) 곡선 등의 분석을 시행하고 있다.
	IMRT의 장점은?	IMRT는 표적부피와 정상조직 사이에 선량분포의 높은 선량 감소율을 형성하여 정상조직의 피해를 최소화 하므로 11) 뇌, 두경부, 폐, 복부 및 골반 부위 등 다양한 부위에 적 용되고 있으며, 12,13) 특히, 두경부와 전립선암 등의 골반 부 위에 적용 시 다른 치료법에 비해 방사선에 의한 부작용을 효과적으로 줄일 수 있어 치료효과가 높다는 연구결과가 있다. 14-21) 반면, 폐 또는 복부 등 호흡에 의해 움직임이 큰 장기에 IMRT를 적용 시, 국제방사선단위측정위원회(International Commission on Radiological Unit and Measurement, ICRU) 보고서에 따라 내부표적부피(internal target volume, ITV)를 충분히 고려하여 치료용표적부피(planning target volume, PTV)를 결정할 경우 정상조직에 필요이상의 방사 선이 피폭되어 정상조직손상확률(normal tissue complication probability, NTCP)이 증가할 수 있고, 환자의 호흡 패턴, 주기 및 종양의 움직임 크기 등을 고려하지 않을 경우 종양 억제확률(tumor control probability, TCP)이 낮아질 수 있다.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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