양성자 치료를 위해서는 Snout이 부착된 받침대(gantry)를 사용하는데 빔의 형태를 만들기 위해 환자 종양의 크기와 거리에 맞게 황동 차폐체(aperture)가 많이 사용된다. 또한 빔의 거리를 보정하기 위해 PMMA를 이용한 거리 보상체도 사용된다. 이렇게 황동으로 만들어진 차폐체의 경우 가공하는데 많은 시간이 소요되며 비용 발생이 높다. 또한 치료 사용되었던 차폐체의 방사선 노출에 따라 재사용이 어렵다. 이러한 단점을 보안하기 위해 황동 차폐체 대신 X-선 치료에서 사용되는 수동형 다엽 콜리메이터 시스템을 도입하였다. 수동형 다업 콜리메이터는 여러 개의 황동판을 조립하여 차폐체를 제작하는 방식이다. 본 연구는 제작된 수동형 다엽 콜리메이터의 방사화 실험 및 필름을 이용해 선량측정을 진행하였다. 다엽 콜리메이터를 투과한 2차 발생 선량 1% 이하였으며, 여러 번의 230 MeV의 빔에서도 방사화가 2시간 이내에서 감소하였다. 이렇게 개발된 수동형 다엽 콜리메이터를 임상에 적용하여 일반 차폐체와 수동형 다엽 콜리메이터를 감마지표 분석을 했을 시 99.74%의 높은 일치도가 측정되었다. 또한, 일반 황동 차폐체에 비해 수동형 다엽 콜리메이터를 제작하는데 소요되는 비용과 시간을 1/10 이상 단축시킬 수 있다. 개발된 수동형 다엽 콜리메이터는 성공적으로 양성자 환자치료에 사용하고 있다.
양성자 치료를 위해서는 Snout이 부착된 받침대(gantry)를 사용하는데 빔의 형태를 만들기 위해 환자 종양의 크기와 거리에 맞게 황동 차폐체(aperture)가 많이 사용된다. 또한 빔의 거리를 보정하기 위해 PMMA를 이용한 거리 보상체도 사용된다. 이렇게 황동으로 만들어진 차폐체의 경우 가공하는데 많은 시간이 소요되며 비용 발생이 높다. 또한 치료 사용되었던 차폐체의 방사선 노출에 따라 재사용이 어렵다. 이러한 단점을 보안하기 위해 황동 차폐체 대신 X-선 치료에서 사용되는 수동형 다엽 콜리메이터 시스템을 도입하였다. 수동형 다업 콜리메이터는 여러 개의 황동판을 조립하여 차폐체를 제작하는 방식이다. 본 연구는 제작된 수동형 다엽 콜리메이터의 방사화 실험 및 필름을 이용해 선량측정을 진행하였다. 다엽 콜리메이터를 투과한 2차 발생 선량 1% 이하였으며, 여러 번의 230 MeV의 빔에서도 방사화가 2시간 이내에서 감소하였다. 이렇게 개발된 수동형 다엽 콜리메이터를 임상에 적용하여 일반 차폐체와 수동형 다엽 콜리메이터를 감마지표 분석을 했을 시 99.74%의 높은 일치도가 측정되었다. 또한, 일반 황동 차폐체에 비해 수동형 다엽 콜리메이터를 제작하는데 소요되는 비용과 시간을 1/10 이상 단축시킬 수 있다. 개발된 수동형 다엽 콜리메이터는 성공적으로 양성자 환자치료에 사용하고 있다.
Multi-leaf collimator (MLC) systems are frequently used to deliver photon-based radiation, and allow conformal shaping of treatment beams. Many proton beam centers currently make use of aperture and snout systems, which involve use of a snout to shape and focus the proton beam, a brass aperture to m...
Multi-leaf collimator (MLC) systems are frequently used to deliver photon-based radiation, and allow conformal shaping of treatment beams. Many proton beam centers currently make use of aperture and snout systems, which involve use of a snout to shape and focus the proton beam, a brass aperture to modify field shape, and an acrylic compensator to modulate depth. However, it needs a lot of time and cost of preparing treatment, therefore, we developed the manual MLC for solving this problem. This study was carried out with the intent of designing an MLC system as an alternative to an aperture block system. Radio-activation and dose due to primary proton beam leakage and the presence of secondary neutrons were taken into account during these iterations. Analytical calculations were used to study the effects of leaf material on activation. We have fabricated tray model for adoption with a wobbling snout ($30{\times}40cm^2$) system which used uniform scanning beam. We designed the manual MLC and tray and can reduce the cost and time for treatment. After leakage test of new tray, we upgrade the tray with brass and made the safety tool. First, we have tested the radio-activation with usually brass and new brass for new manual MLC. It shows similar behavior and decay trend. In addition, we have measured the leakage test of a gantry with new tray and MLC tray, while we exposed the high energy with full modulation process on film dosimetry. The radiation leakage is less than 1%. From these results, we have developed the design of the tray and upgrade for safety. Through the radio-activation behavior, we figure out the proton beam leakage level of safety, where there detects the secondary particle, including neutron. After developing new design of the tray, it will be able to reduce the time and cost of proton treatment. Finally, we have applied in clinic test with original brass aperture and manual MLC and calculated the gamma index, 99.74% between them.
Multi-leaf collimator (MLC) systems are frequently used to deliver photon-based radiation, and allow conformal shaping of treatment beams. Many proton beam centers currently make use of aperture and snout systems, which involve use of a snout to shape and focus the proton beam, a brass aperture to modify field shape, and an acrylic compensator to modulate depth. However, it needs a lot of time and cost of preparing treatment, therefore, we developed the manual MLC for solving this problem. This study was carried out with the intent of designing an MLC system as an alternative to an aperture block system. Radio-activation and dose due to primary proton beam leakage and the presence of secondary neutrons were taken into account during these iterations. Analytical calculations were used to study the effects of leaf material on activation. We have fabricated tray model for adoption with a wobbling snout ($30{\times}40cm^2$) system which used uniform scanning beam. We designed the manual MLC and tray and can reduce the cost and time for treatment. After leakage test of new tray, we upgrade the tray with brass and made the safety tool. First, we have tested the radio-activation with usually brass and new brass for new manual MLC. It shows similar behavior and decay trend. In addition, we have measured the leakage test of a gantry with new tray and MLC tray, while we exposed the high energy with full modulation process on film dosimetry. The radiation leakage is less than 1%. From these results, we have developed the design of the tray and upgrade for safety. Through the radio-activation behavior, we figure out the proton beam leakage level of safety, where there detects the secondary particle, including neutron. After developing new design of the tray, it will be able to reduce the time and cost of proton treatment. Finally, we have applied in clinic test with original brass aperture and manual MLC and calculated the gamma index, 99.74% between them.
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문제 정의
3,4) 이와 같이 양성자 치료에서도 차폐체는 환자의 치료 빔 조사야의 모양을 만들어 주고, 거리보상체의 경우 빔의 조사야 경계에서의 반음영(penumbra) 및 종양의 깊이를 정확하게 보정해 주는 역할을 하기 때문에 치료에 중요한 부분을 차지하고 있다.5) 특히 차폐체의 경우 제작하는 시간이 많이 소요되고, 비용이 많이 소요되기 때문에 이를 개선하기 위해 선형 가속기에서 사용되는 다엽 콜리메이터를 양성자치료기기에 응용하고자 본 연구를 시작했다. 환자 치료용 차폐체를 제작하는데 빔 조사면 당 1시간 이상의 시간이 소요되며, 환자 치료 조사면(field)의 크기에 따라 소요 시간은 갑절로 늘어난다.
제안 방법
2(b)는 Fig. 2(a)에서 제작한 수동형 멀티 콜리메이터가 탈부착이 가능하도록 Wobbling snout에 어탭터를 함께 설치하여 현재 시스템에서도 수동형 다엽 콜리메이터를 사용할 수 있도록 고안했다. 사용되는 황동판의 두께는 주로 5 mm 기본 단위로 제공하고 계획표적체적의 크기에 맞춰 다양하게 적용하기 위해 1∼4 mm를 추가 제작하였다.
3(b)). 1달 동안 10회 이상의 230 MeV 에너지, 27.52 g/cm2 (SOBP 9 g/cm2)의 양성자 빔을 5 Gy 조사한 후에 방사능의 변화를 측정하였다. 2015년 4월, 5월, 6월에 각각 측정한 결과가 거의 비슷한 성향을 갖는 것으로 보아 같은 황동판을 사용하여 여러 환자에게 맞춤 다엽 콜리메이터를 제작하였을 때의 방사화 누적이 생기지 않았음을 확인할 수 있었다.
Fig. 4의 경우 다엽 황동판으로 이루어진 수동형 콜리메이터의 황동판 사이의 균일성과 누설 선량을 측정하기 위해 양성자 빔을 직접 조사하여 필름선량측정을 실시하였다. Fig.
5는 우리가 제작한 수동형 다엽 콜리메이터가 현재 치료에 사용되고 있는 차폐체와 같은 역할을 수행할 수 있을지 판단하기 위해 치료 계획 시스템을 적용 비교한 결과이다. Varian의 Eclipse (V.10.0)를 사용하여 5 mm 다엽 콜리메이터 모양을 치료 계획자가 빔 조사야 형태를 그리고 선량 계산을 수행하였다. Fig.
대략 20분 이후부터는 거의 방사선의 양이 검출되지 않았다. 같은 조건에서 분석한 황동은 모두 구리와 주석의 합금이지만 그 합성된 비율이 조금 다르기 때문에 차이점을 검증하기 위해 시간에 따른 방사능 비교를 진행하였다. 원래 치료에 사용되었던 차폐체는 구리는 57.
4(c), 4(d), 4(g), 4(h)). 그러나 위 결과와 같이 황동판으로 차폐된 부분은 황동판이 있는 부분과 거의 비슷한 선상에 있으며 그 굴곡의 차이가 1% 이하이기 때문에 우리가 제작한 다엽 콜리메이터의 차폐가 임상에서의 범위 내에 있는지 확인하였다(Table 1). Fig.
기본적으로 5 mm 두께의 황동판을 사용 했을 때, 다음의 두 가지 문제점이 발생하여 이를 보안하기 위해 1∼4 mm 황동판을 추가로 적용하였다.
또한 수동형 다엽 콜리메이터에 사용하려는 황동의 변화 정도를 측정하기 위해 매일 치료 선량과 동등한 양성자 빔을 조사한 후 1달의 시간 차이를 두고 시간에 따라 차폐체의 선량이 얼마나 변화하는지 측정하였다(Fig. 3(b)).
본 연구는 이러한 단점을 극복하기 위해 별도의 정도 관리 과정의 필요성을 인지하고 치료 전, 빔의 누설 여부도 확인하는 과정을 임상 적용에 포함하였다.
4(e))에 필름을 위치하여 누설 선량을 측정하였다. 스캔은 epson positive mode, 45 byte로 진행했고, red channel로 분석을 했다. 차폐력을 확인하기 위해 현재 양성자 빔의 이중 산란 방식(double scattering mode)에서 사용할 수 있는 가장 긴 깊이(range)인 27.
위 실험 방법을 통하여 Table 2와 같은 특성을 만족하는 수동형 다엽 콜리메이터를 개발하였다. Fig.
9) 앞으로의 경제적인 측면을 보안하기 위해 IBA 사의 다엽 콜리메이터를 구입하는 것도 하나의 방법일 수 도 있지만, 다엽 콜리메이터를 새로 바꾸기 위해서는 양성자 치료기의 중단 일정이 6개월 이상이며, 받침대(gantry)를 새로 설치 하는데 발생하는 비용 또한 상당하다. 이러한 부분을 보안하기 위해 국립암센터는 일본 쓰쿠바대학(Tsukuba Univ.)에서 자체 개발하여 2001년부터 사용하고 있는 수동형 다엽 콜리메이터를 벤치마킹 하여 본 연구를 진행하였다.10)
스캔은 epson positive mode, 45 byte로 진행했고, red channel로 분석을 했다. 차폐력을 확인하기 위해 현재 양성자 빔의 이중 산란 방식(double scattering mode)에서 사용할 수 있는 가장 긴 깊이(range)인 27.5 g/cm2 (SOBP 20.75 g/cm2)를 30 Gy를 조사하여 측정하였다. Fig.
5 cm3이다. 측정은 환자의 치료계획 조건으로 10.75 g/cm2(SOBP 6.59 g/cm2) 조사되었으며, 필름의 위치는 SOBP부분의 중간에 해당되는 7.3 cm 깊이에서 측정하였다. Fig.
대상 데이터
또한 이차 입자 발생이 다른 차폐력이 좋은 원자번호가 높은 다른 재료에 비해 낮기 때문에 황동 차폐체를 사용하였다.11,12) 보통의 황동 차폐체에 사용되는 황동은 가공성을 높이기 위해 납 성분이 조금 포함되어 있는데 이번 연구에서 사용되는 황동 차폐체의 경우 납 성분이 현재 사용되고 있는 황동 차폐체(납 3.21%)에 비해 더 낮은 비율로 포함 되어 있는 황동판(납 0.69%)을 사용하였다.
Fig. 1은 현재 국립암센터에서 양성자 치료에서 사용하고 있는 Snout과 황동 차폐체(aperture)이다. 황동의 경우 가공성이 좋고, 빔 차폐력이 우수하여 양성자 치료에 많이 사용되고 있다.
4의 경우 다엽 황동판으로 이루어진 수동형 콜리메이터의 황동판 사이의 균일성과 누설 선량을 측정하기 위해 양성자 빔을 직접 조사하여 필름선량측정을 실시하였다. Fig. 4는 수동형 다엽 콜리메이터의 양성자 빔에 대한 차폐 및 빔의 누설 정도를 측정하기 위해 물등가두께(waterequivalent thickness)가 1.02인 고체물팬텀과 Gafchromatic EBT3 필름을 사용하였다.16,17) 필름을 각각 양성자 빔이 들어가는 입사 부분(Fig.
6은 필름을 일반 황동 차폐체와 수동형 다엽 콜리메이터로 제작한 차폐체에 각각 같은 조건으로 환자에게 직접 사용한 양성자 빔을 측정한 결과이다. 간암 환자로 각각 차폐체 여백(margin)을 5 mm로 주었으며, 총 계획 맨눈종양체적(PGTV)는 42.5 cm3이다. 측정은 환자의 치료계획 조건으로 10.
황동의 경우 가공성이 좋고, 빔 차폐력이 우수하여 양성자 치료에 많이 사용되고 있다. 또한 이차 입자 발생이 다른 차폐력이 좋은 원자번호가 높은 다른 재료에 비해 낮기 때문에 황동 차폐체를 사용하였다.11,12) 보통의 황동 차폐체에 사용되는 황동은 가공성을 높이기 위해 납 성분이 조금 포함되어 있는데 이번 연구에서 사용되는 황동 차폐체의 경우 납 성분이 현재 사용되고 있는 황동 차폐체(납 3.
사용되는 황동판의 두께는 주로 5 mm 기본 단위로 제공하고 계획표적체적의 크기에 맞춰 다양하게 적용하기 위해 1∼4 mm를 추가 제작하였다.
같은 조건에서 분석한 황동은 모두 구리와 주석의 합금이지만 그 합성된 비율이 조금 다르기 때문에 차이점을 검증하기 위해 시간에 따른 방사능 비교를 진행하였다. 원래 치료에 사용되었던 차폐체는 구리는 57.3%, 주석은 38.8% (납 3.21%)이고, 수동형 다엽 콜리메이터에 사용되는 황동판은 견고성을 높이기 위해 납의 함량이 0.69%인 구리 59.3%, 주석 37.1%의 합금을 사용하였다. 위 그래프의 결과를 보았을 때 수동형 다엽 콜리메이터에 사용되는 황동(Cu 60%-Zn 37%)과 현재 사용중인 황동(Cu 57%-Zn 39%)의 재질 면에서 조금 차이가 나지만 거의 동일하게 측정되었다.
성능/효과
1) 양성자 치료의 경우 치료 계획부터 치료 시기까지 소요시간 및 발생비용이 다른 선형 가속기에 비해 매우 크다. 양성자 치료 시 환자와 빔이 입사되는 노즐 간의 간격(air gap)이 중요하다.
52 g/cm2 (SOBP 9 g/cm2)의 양성자 빔을 5 Gy 조사한 후에 방사능의 변화를 측정하였다. 2015년 4월, 5월, 6월에 각각 측정한 결과가 거의 비슷한 성향을 갖는 것으로 보아 같은 황동판을 사용하여 여러 환자에게 맞춤 다엽 콜리메이터를 제작하였을 때의 방사화 누적이 생기지 않았음을 확인할 수 있었다.
개발된 수동형 다엽 콜리메이터는 기존의 snout을 이용하고, 한번 구비하면 반영구적으로 사용 가능한 장점을 가졌다. 황동판 조립 시간이 단축됨에 따라 치료 준비 시간도 축소되고, 버려지는 일반 차폐체 양이 줄어 들어 환경적인 측면에서도 이득이다.
3(a)의 경우 사용하고 있는 황동 차폐체에 양성자 빔을 조사 한 후, 시간에 따라 측정되는 방사능을 비교 실험한 결과이다. 알루미늄은 황동에 비해 양성자 빔에 의한 방사화 된 방사능이 매우 적게 측정되었으며 방사능이 매우 급격하게 감소되었다. 대략 20분 이후부터는 거의 방사선의 양이 검출되지 않았다.
1%의 합금을 사용하였다. 위 그래프의 결과를 보았을 때 수동형 다엽 콜리메이터에 사용되는 황동(Cu 60%-Zn 37%)과 현재 사용중인 황동(Cu 57%-Zn 39%)의 재질 면에서 조금 차이가 나지만 거의 동일하게 측정되었다. 모두 1시간에서 2시간이 지나면 자연 방사선 수준으로 떨어진다.
5(a)는 원래 사용하던 황동 차폐체이고, 5(b)는 수동형 다엽 콜리메이터를 치료계획 시스템에서 본 그림이다. 이를 분석한 결과 치료계획 시스템 상의 수동형 다엽콜리메이터와 황동 차폐체의 계획표적체적의 DVH 값은 임상적으로 의미 있는 차이가 없었다. 다른 중요 장기들의 선량 분포도 큰 차이가 없었다(Fig.
2). 프로그램을 이용하여 3 mm, 3%로 감마지표(gamma index)를 분석하면 99.74%로 수동형 다엽콜리메이터와 일반 황동 차폐체가 거의 차이가 없었다.
후속연구
본 연구를 통해 재사용이 가능한 수동형 다엽 콜리메이터를 성공적으로 개발하였고, 임상에 적용할 수 있는 제품까지 제작하여 치료에 적용하고 있다. 개발된 제품은 동일한 IBA 치료기에도 적용이 가능할 뿐만 아니라 개발 과정은 타사의 양성자 치료기 콜리메이터 개발에도 참고가 될 수 있을 것이다.
5 cm를 사용하고 있다. 또한 이 차폐체는 환자의 치료 계획에 의한 조사면의 수 및 치료 깊이에 맞춰 제작된다. 국립암센터에서는 평균적으로 한 환자당 3개의 조사면을 사용하고 있다.
본 연구를 통해 재사용이 가능한 수동형 다엽 콜리메이터를 성공적으로 개발하였고, 임상에 적용할 수 있는 제품까지 제작하여 치료에 적용하고 있다. 개발된 제품은 동일한 IBA 치료기에도 적용이 가능할 뿐만 아니라 개발 과정은 타사의 양성자 치료기 콜리메이터 개발에도 참고가 될 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
펜실베니아 암 전문 병원에서 공동연구한 다엽 콜리메이터를 현재 사용하지 않는 이유는 무엇인가?
양성자 치료에서 다엽 콜리메이터를 자동으로 사용하는 장치는 현재 국립암센터의 양성자 치료 기기를 제작한 IBA 와 Varian, 그리고 펜실베니아 대학 암 전문 병원에서 공동연구로 양성자 치료용으로 제작하여, 펜실베니아 암 전문 병원에서 한동안 사용하기도 하였다.6-8) 하지만 현재는 잦은 고장, PBS 치료 시 조사면 사이즈 문제로 사용하지 않고 제거하였다.9) 앞으로의 경제적인 측면을 보안하기 위해 IBA 사의 다엽 콜리메이터를 구입하는 것도 하나의 방법일 수 도 있지만, 다엽 콜리메이터를 새로 바꾸기 위해서는 양성자 치료기의 중단 일정이 6개월 이상이며, 받침대(gantry)를 새로 설치 하는데 발생하는 비용 또한 상당하다.
양성자 치료과정에서 중요한 요인은 무엇인가?
1) 양성자 치료의 경우 치료 계획부터 치료 시기까지 소요시간 및 발생비용이 다른 선형 가속기에 비해 매우 크다. 양성자 치료 시 환자와 빔이 입사되는 노즐 간의 간격 (air gap)이 중요하다. 국립암센터에서는 양성자 빔의 경우 환자와의 거리가 조정되는 가변형 snout과 황동 차폐체 (aperture)과 거리 보상체를 사용하여 환자의 치료계획체적에 맞게 치료를 진행한다.
양성자 치료에서 차폐체는 어떤 역할을 하는가?
2) 선형 가속기에서 다엽 콜리메이 터는 종양의 모양과 크기에 따라 다양하게 방사선 조사형을 구사하여 차폐하는 장치로 각도와 방향에 따라 최적의 조건으로 치료에 사용된다.3,4) 이와 같이 양성자 치료에서도 차폐체는 환자의 치료 빔 조사야의 모양을 만들어 주고, 거리보상체의 경우 빔의 조사야 경계에서의 반음영(penumbra) 및 종양의 깊이를 정확하게 보정해 주는 역할을 하기 때문에 치료에 중요한 부분을 차지하고 있다.5) 특히 차폐체의 경우 제작하는 시간이 많이 소요되고, 비용이 많이 소요되기 때문에 이를 개선하기 위해 선형 가속기에서 사용되는 다엽 콜리메이터를 양성자치료기기에 응용하고자 본 연구를 시작했다.
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