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문제 정의
- 본원에서는 최근 도입된 Truebeam STx로 전립선암의 VMAT을 시행하고 있는데, IMRT와는 PTV주변의 정상조직 선량분포에서 확연한 차이를 보였다. 이에 본 연구에서는 직장풍선을 삽입한 전립선암환자의 수술 후 방사선 치료 시회전수를 달리한 VMAT과 IMRT계획을 수립하여 target coverage와 정상장기의 선량분포를 평가하고, PTV주변 정상조직선량과 치료 효율성에 대하여 알아보고자 한다.
제안 방법
- IMRT계획에서 선량률은 600 MU/min으로 설정하였고, 갠트리는 7조사야로 0°, 50°, 100°, 140°, 220°, 260°, 310°를 사용하여 수립하였다.
- VMAT계획에서 선량률은 600 MU/min으로 설정하였고, 갠트리는 1 Full Arc와 2 Full Arc의 계획을 각각 수립하였으며, tongue and groove 효과와 누설선량을 고려하여 시계방향과 반시계방향 회전에서 collimator 각도를 각각 15∼30° 회전하였다.
- 치료계획의 선량전달 정확도를 평가하기 위해 전자영상 유도장치(electronic portal imaging device, EPID)를 이용하여 portal dosimetry를 진행하였다. gamma distance to agreement는 2 mm, 2%로 적용한 분석의 area gamma 값이 1.0 미만인 pass rate를 비교하였다.
- 환자 움직임과 set up오차를 고려하여 임상표적용적(clinical target volume, CTV) 으로부터 10 mm margin을 주었고 posterior 방향으로는 7 mm margin을 주어 PTV를 생성하였다. 또한 PTV에 인접한 주요장기의 선량평가를 위하여 직장, 방광의 윤곽을 나타내었다.
- )를 비교하였다. 또한 중간선량의 퍼짐 정도를 알아보기 위해 PTV체적과 처방선량의 50%가 조사되는 체적의 비인 R50% (R50%: V50% / VPTV)를 산출하였다. OAR 평가에서는 직장 체적의 25%가 받는 선량인 D25% 와 방광의 평균선량을 비교하였다.
- 본원에서 근치적 목적으로 수술 후 방사선치료를 받은 전립선암 환자 10명을 대상으로 하였다. 모의치료과정에서 환자는 바로 누운 자세로 handgrip ring을 이용하여 양손을 가슴에 모으고 편안한 자세를 유지하도록 하였다. CT촬영 1시간 전에 300 cc 물을 마셔 방광을 채우고, 직장풍선(rectal balloon)을 삽입하여 70 cc의 공기를 주입시켰다.
- 선량처방은 총 33회에 걸쳐 일일선량을 200 cGy씩 PTV에 총선량이 6600 cGy가 되도록 하였다. 선량용적최적화 (dose volume optimization) 과정은 PTV에 균일하게 처방선량이 분포함과 동시에 주변정상조직의 선량을 줄이고 결정장기에는 허용선량을 만족하도록 선량용적제한(dose volume constraint, DVC) 값을 설정한 후 시행하였으며, VMAT계획과 IMRT계획에서 동일하게 적용시켰다.
- 선량처방은 총 33회에 걸쳐 일일선량을 200 cGy씩 PTV에 총선량이 6600 cGy가 되도록 하였다. 선량용적최적화 (dose volume optimization) 과정은 PTV에 균일하게 처방선량이 분포함과 동시에 주변정상조직의 선량을 줄이고 결정장기에는 허용선량을 만족하도록 선량용적제한(dose volume constraint, DVC) 값을 설정한 후 시행하였으며, VMAT계획과 IMRT계획에서 동일하게 적용시켰다.
- 수립된 3가지 치료계획의 평가를 위하여 선량 용적 히스토그람(dose volume histogram, DVH)에서 PTV의 평균선량(Dmean)과 최대선량(Dmax)을 산출하여 coverage를 확인하고 PTV체적과 처방선량의 95%가 조사되는 체적의 비인 conformity index(CI: V95% / VPTV)와 PTV체적의 95%와 5%에 조사되는 선량의 비인 homogeneity index(HI: D5% / D95%)를 비교하였다. 또한 중간선량의 퍼짐 정도를 알아보기 위해 PTV체적과 처방선량의 50%가 조사되는 체적의 비인 R50% (R50%: V50% / VPTV)를 산출하였다.
- 반면 치료효과를 높이기 위해서는 처방선량을 증가시켜야 하는데,4) 3차원 입체조형치료에서는 처방선량을 증가시키면 종양선량과 주변 정상조직의 선량이 함께 증가하기 때문에 총 선량을 늘리는데 한계가 있다. 이를 보완하기 위해 다엽콜리메이터(multi leaf collimator, MLC)를 이용하는 세기변조방사선치료(intensity modulated radiation therapy, IMRT)가 발달하였고, 표적용적(target volume)에 고 선량을 집중시키면서 정상 조직의 손상을 최소화 할 수 있게 되었다.5,6) 하지만 IMRT는 3차원 입체조형치료에 비해 monitor unit(MU)이 많이 늘어나고 치료시간이 길어지는데,7) 이는 환자가 치료 중에 움직일 확률이 증가하여 결과적으로 치료효과에 영향을 미칠 수가 있다.
- 치료계획의 선량전달 정확도를 평가하기 위해 전자영상 유도장치(electronic portal imaging device, EPID)를 이용하여 portal dosimetry를 진행하였다. gamma distance to agreement는 2 mm, 2%로 적용한 분석의 area gamma 값이 1.
- 치료의 효율성을 비교하기 위해 치료시간과 total monitor unit(MU)값을 평가하였는데, 치료시간(treatment time)은 환자의 Set-up이 모두 끝났다는 가정 하에 QA모드에서 진행되었고, Truebeam STx의 automation 기능을 사용하여 beam ON 부터 beam OFF 까지의 시간을 측정하였다. 2 Full Arc의 경우 시계방향과 반시계방향 회전 사이의 collimator 회전 시간이 포함되었고 IMRT계획의 경우 각 조사야 사이의 gantry 회전시간이 포함되었다.
- 환자 움직임과 set up오차를 고려하여 임상표적용적(clinical target volume, CTV) 으로부터 10 mm margin을 주었고 posterior 방향으로는 7 mm margin을 주어 PTV를 생성하였다. 또한 PTV에 인접한 주요장기의 선량평가를 위하여 직장, 방광의 윤곽을 나타내었다.
대상 데이터
- 본원에서 근치적 목적으로 수술 후 방사선치료를 받은 전립선암 환자 10명을 대상으로 하였다. 모의치료과정에서 환자는 바로 누운 자세로 handgrip ring을 이용하여 양손을 가슴에 모으고 편안한 자세를 유지하도록 하였다.
- 치료계획 시 빔 데이터는 Truebeam STx (Varian Medical system, Palo Alto, CA)의 10 MV 에너지 광자선을 사용하였다. VMAT계획에서 선량률은 600 MU/min으로 설정하였고, 갠트리는 1 Full Arc와 2 Full Arc의 계획을 각각 수립하였으며, tongue and groove 효과와 누설선량을 고려하여 시계방향과 반시계방향 회전에서 collimator 각도를 각각 15∼30° 회전하였다.
데이터처리
- 평가항목별 결과는 환자 10명의 평균값으로 비교분석하였다. 수집한 Data의 통계분석은 ANOVA검정을 하여 유의 수준을 0.05로 설정하였고 통계프로그램인 SPSS 20.0 (SPSS for Windows. Ver . 20.0; SPSS Inc. Chicago, IL, USA)를 사용하였다.
- 평가항목별 결과는 환자 10명의 평균값으로 비교분석하였다. 수집한 Data의 통계분석은 ANOVA검정을 하여 유의 수준을 0.
이론/모형
- 치료계획을 위해 Eclipse(Version 11.0, Varian, Palo Alto USA) 시스템을 사용하였으며 선량계산 과정에서 anisotropic analytical algorithm (AAA, Version 11.0)을 적용하였다.
성능/효과
- 실제로 VMAT과 IMRT의 조사시간을 비교한다른 연구에서는 21EX로 1A-VMAT과 7F-IMRT를 비교하여 각각 91초, 292초로 약 3배의 차이를 보여주었다.18) total MU에서도 IMRT가 VMAT 보다 약 280 MU 높은 결과가 나타났다.
- 본 연구에서 수립된 치료계획을 비교한 결과 PTV coverage의 차이는 3% 이내였고, HI와 CI에서도 VMAT과 IMRT 사이의 큰 차이는 나타나지 않았다.(figure 2) 하지만 PTV 주변 정상조직의 선량퍼짐정도를 나타낸 R50%에서는 2A-VMAT이 가장 낮았고 모든 환자에서 7FIMRT의 R50%가 가장 높게 나타났다.(figure 3) 이는 VMAT의 360도 회전조사와 달리 IMRT는 제한된 방향에서 beam이 조사되기 때문에 국소적인 정상조직에 선량이 집중된 결과 50% 등선량곡선이 상대적으로 넓게 분포된 것으로 볼 수 있다.
- (figure 2) 하지만 PTV 주변 정상조직의 선량퍼짐정도를 나타낸 R50%에서는 2A-VMAT이 가장 낮았고 모든 환자에서 7FIMRT의 R50%가 가장 높게 나타났다.(figure 3) 이는 VMAT의 360도 회전조사와 달리 IMRT는 제한된 방향에서 beam이 조사되기 때문에 국소적인 정상조직에 선량이 집중된 결과 50% 등선량곡선이 상대적으로 넓게 분포된 것으로 볼 수 있다.
- 7 cGy였다. CI의 평균값은 1A-VMAT과 2A-VMAT이 각각 1.036, 1.035로 비슷했지만 7F-IMRT에서 1.230으로 가장 높았다. 그리고 HI는 VMAT에서 서로 비슷했고, 7F-IMRT는 VMAT보다 조금 낮았다.
- DVH를 비교한 결과 각 치료계획의 PTV 평균선량은 큰 차이를 보이지 않았다. PTV 최대선량은 1A-VMAT, 2AVMAT, 7F-IMRT에서 각각 7176.
- DVH를 비교한 결과 각 치료계획의 PTV 평균선량은 큰 차이를 보이지 않았다. PTV 최대선량은 1A-VMAT, 2AVMAT, 7F-IMRT에서 각각 7176.4 cGy, 7147.0 cGy, 6929.7 cGy였다. CI의 평균값은 1A-VMAT과 2A-VMAT이 각각 1.
- 그리고 HI는 VMAT에서 서로 비슷했고, 7F-IMRT는 VMAT보다 조금 낮았다. R50%는 2A-VMAT에서 3.054로 가장 낮았고 1A-VMAT에서 3.083, 7F-IMRT에서 3.991로 가장 높은 결과를 보였다. (table 1)
- 결론적으로 직장풍선을 삽입한 전립선암 환자의 수술 후 방사선치료 시 치료기법에 따른 PTV coverage의 차이는 크지 않았지만 1A, 2A-VMAT이 7F-IMRT에 비해 정상조직과 직장선량을 낮추는데 효과적이었다. VMAT중에서는 R50%와 MU값이 2A-VMAT에서 다소 낮았지만 조사시간이 짧은 1A-VMAT이 치료에 더 효율적이며 환자의 치료 중 움직임 또한 줄일 수 있을 것으로 사료된다.
- portal dosimetry 검증결과 1A-VMAT, 2A-VMAT, 7FIMRT에서 gamma pass rate(2 mm, 2%)은 각각 99.6%, 99.9%, 99.5%로 모든 치료계획에서 99.5% 이상이었다.(table 2)
- 5초로 1A-VMAT이 가장 짧았다. total MU는 2A-VMAT이 479.7 MU로 가장 적었고 7F-IMRT가 757.9 MU로 가장 많았으며, 1A-VMAT는 494.7 MU였다. (table 2)
- 결론적으로 직장풍선을 삽입한 전립선암 환자의 수술 후 방사선치료 시 치료기법에 따른 PTV coverage의 차이는 크지 않았지만 1A, 2A-VMAT이 7F-IMRT에 비해 정상조직과 직장선량을 낮추는데 효과적이었다. VMAT중에서는 R50%와 MU값이 2A-VMAT에서 다소 낮았지만 조사시간이 짧은 1A-VMAT이 치료에 더 효율적이며 환자의 치료 중 움직임 또한 줄일 수 있을 것으로 사료된다.
- 전립선암 환자의 방사선 치료계획을 수립하는데 있어서 치료기법의 선택은 결정장기 및 주변 정상조직의 선량에 영향을 미친다. 본 연구에서 수립된 치료계획을 비교한 결과 PTV coverage의 차이는 3% 이내였고, HI와 CI에서도 VMAT과 IMRT 사이의 큰 차이는 나타나지 않았다.(figure 2) 하지만 PTV 주변 정상조직의 선량퍼짐정도를 나타낸 R50%에서는 2A-VMAT이 가장 낮았고 모든 환자에서 7FIMRT의 R50%가 가장 높게 나타났다.
- 본 연구에서 조사시간의 평균은 1A-VMAT 65.2초, 2AVMAT 133.1초, 7F-IMRT 145.5초로 1A가 다른 두 치료계획에 비해 확연히 짧은 것으로 나타났다.(figure 5) 하지만 이는 Truebeam STx의 automation기능을 적용한 결과로 만약 automation기능이 없는 장비로 비교한다면 그 차이는 더 커질 것이다.
- 본원에서는 최근 도입된 Truebeam STx로 전립선암의 VMAT을 시행하고 있는데, IMRT와는 PTV주변의 정상조직 선량분포에서 확연한 차이를 보였다. 이에 본 연구에서는 직장풍선을 삽입한 전립선암환자의 수술 후 방사선 치료 시회전수를 달리한 VMAT과 IMRT계획을 수립하여 target coverage와 정상장기의 선량분포를 평가하고, PTV주변 정상조직선량과 치료 효율성에 대하여 알아보고자 한다.
- 13-15) 하지만 위 연구들은 모두 직장풍선을 삽입하지 않은 환자들을 대상으로 진행된 연구 결과이며, 직장풍선의 삽입은 두 치료기법간의 직장선량차이에 영향을 줄 수 있다. 실제로 직장풍선을 삽입한 본 연구에서는 직장의 D25%가 VMAT에 비해 7F-IMRT에서 약 7% 더 높았다.(figure 4) 이는 직장풍선에 의해 CTV와 직장 앞쪽 벽의 경계면이 오목해졌기 때문에 제한된 beam 각도를 사용하는 IMRT에서 상대적으로 D25%가 더 높게 나타난 것으로 보여진다.
- 조사시간은 1A-VMAT, 2A-VMAT, 7F-IMRT가 각각 65.2초, 133.1초 145.5초로 1A-VMAT이 가장 짧았다. total MU는 2A-VMAT이 479.
- 치료계획에 따른 직장의 D25% 비교 결과, 1A-VMAT은 5383.4 cGy로 2A-VMAT의 5427.0 cGy 보다 0.8% 감소하였고 7F-IMRT의 경우 5800.0 cGy로 2A-VMAT 기준 6.9% 증가하였으며 방광의 평균선량은 모든 치료계획에서 비슷하였다. (table 1)
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