[논문]두경부 토모테라피 치료 시 CT scan range에 따른 치료계획의 정확성 평가

권동열; 김진만; 채문기; 박태양; 서성국; 김종식

두경부 토모테라피 치료 시 CT scan range에 따른 치료계획의 정확성 평가
Accuracy evaluation of treatment plan according to CT scan range in Head and Neck Tomotherapy 원문보기

대한방사선치료학회지 = The Journal of Korean Society for Radiation Therapy, v.31 no.2, 2019년, pp.13 - 24

권동열 (삼성서울병원 방사선종양학과) , 김진만 (삼성서울병원 방사선종양학과) , 채문기 (삼성서울병원 방사선종양학과) , 박태양 (삼성서울병원 방사선종양학과) , 서성국 (삼성서울병원 방사선종양학과) , 김종식 (삼성서울병원 방사선종양학과)

초록
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목 적: 두경부 토모테라피 치료 시 다양한 이유로 CT scan range가 부족한 상황이 발생한다. CT scan range는 정확한 선량 계산에 영향을 주기 때문에 Re-CT Simulation이 좋지만 환자의 피폭선량 증가와 불편함, 치료일정 변경 등 문제점을 갖는다. 이에 본 저자는 기존 CT scan range에서 Plan setup parameter 변화를 통해 Re-CT Simulation 없이 정확한 치료계획에 필요한 최소한의 CT scan range를 평가해보고자 한다. 대상 및 방법: CT simulator(Discovery CT590 RT, GE, USA)와 In House Head & Neck Phantom을 이용하였고, Target의 끝단에서 0.25~3.0cm까지 0.25cm씩 증가시켜 CT scan range 별 이미지를 획득하였다. Target과 정상 장기를 Head & Neck Phantom에 등록하고 ACCURAY Precision^® 이용하여 치료계획을 설계하였다. 처방 선량은 Daily 2.2Gy, 27 Fxs, Total Dose 59.4Gy, Target은 처방 선량의 95~107%, 정상 장기는 SMC Protocol에 맞춰 치료계획을 설계하였다. 동일한 치료계획 조건에서 Field Width(FW)와 Jaw 모드를 고려한 5가지 방법(Fixed-1cm, Fixed-2.5cm, Fixed-5cm, Dynamic-2.5cm Dynamic-5cm)과 2가지 Pitch(0.43, 0.287)의 Plan Setup parameter로 치료계획을 설계하였다. 각 치료계획에 대한 선량 전달의 정확성은 EBT3 film과 RIT(Complete Version 6.7, RIT, USA)를 이용하여 분석하였다. 결 과: Target의 처방 선량과 정상 장기의 견딤선량(Tolerance dose)을 만족한 치료계획(SMC Protocol)은 Fixed-1cm은 0.25cm 이상, Fixed-2.5cm는 0.75cm 이상, Dynamic-2.5cm는 1cm 이상, Fixed-5cm과 Dynamic-5cm인 경우는 1.75cm 이상의 Scan range가 있어야 정확한 치료계획을 할 수 있었다. 선량 전달의 정확성은 RIT로 분석한 결과 SMC Protocol을 만족한 치료계획에서 3% 미만의 오차였다. 결 론: 두경부 토모테라피 치료 시 CT scan range가 부족한 경우 Plan Setup Parameter 중 Field Width(FW)를 조절하여 정확한 치료계획을 설계할 수 있었다. 이에 본 저자가 추천한 Plan Setup Parameter를 CT scan range에 따라 적용하고 Re-CT 여부를 판단한다면 업무의 효율성 및 환자의 피폭선량을 감소시킬 수 있을 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: CT scan range is insufficient for various reasons in head and neck Tomotherapy®. To solve that problem, Re-CT simulation is good because CT scan range affects accurate dose calculations, but there are problems such as increased exposure dose, inconvenience, and a change in treatment schedule. We would like to evaluate the minimum CT scan range required by changing the plan setup parameter of the existing CT scan range. Materials and methods: CT Simulator(Discovery CT590 RT, GE, USA) and In House Head & Neck Phantom are used, CT image was acquired by increasing the image range from 0.25cm to 3.0cm at the end of the target. The target and normal organs were registered in the Head & Neck Phantom and the treatment plan was designed using ACCURAY Precision®. Prescription doses are Daily 2.2Gy, 27 Fxs, Total Dose 59.4Gy. Target is designed to 95%~107% of prescription dose and normal organ dose is designed according to SMC Protocol. Under the same treatment plan conditions, Treatment plans were designed by using five methods(Fixed-1cm, Fixed-2.5cm, Fixed-5cm, Dynamic-2.5cm Dynamic-5cm) and two pitches(0.43, 0.287). The accuracy of dose delivery for each treatment plan was analyzed by using EBT3 film and RIT(Complete Version 6.7, RIT, USA). Results: The accurate treatment plan that satisfying the prescribed dose of Target and the tolerance dose in normal organs(SMC Protocol) require scan range of at least 0.25cm for Fixed-1cm, 0.75cm for Fixed-2.5cm, 1cm for Dynamic-2.5cm, and 1.75cm for Fixed-5cm and Dynamic-5cm. As a result of AnalysisAnalysis by RIT. The accuracy of dose delivery was less than 3% error in the treatment plan that satisfied the SMC Protocol. Conclusion: In case of insufficient CT scan range in head and neck Tomotherapy®, It was possible to make an accurate treatment plan by adjusting the FW among the setup parameter. If the parameter recommended by this author is applied according to CT scan range and is decide whether to re-CT or not, the efficiency of the task and the exposure dose of the patient are reduced.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 최신 토모치료기인 Radixact ® 와 치료계획 장비 Precision ® 을 이용하여 Helical 토모테라피 치료 시 Plan setup parameter(FW, Jaw mode, Pitch)에 따라 치료계획에 필요한 CT scan range를 분석한 첫 논문 이다.
이에 본 저자는 토모테라피 치료계획 시 기존 CT range 에서 Plan setup parameter인 ^(8-11) Field Width(1 cm, 2.5 cm, 5 cm) 크기 변화, Dynamic Jaw 사용(Fixed, Dynamic) 유무 및 Pitch 값(0.430, 0.287) 변화를 통해 Re-CT Simulation없이 정확한 치료계획에 필요한 최소한의 CT scan range를 알아보고 DQA(Delivery Quality Assurance)를 통해 정확성을 검증하고자 한다.

제안 방법

5 cm을 DQA(Delivery Quality Assurance) 하였다.⁽¹¹⁾표준(Standard)을 평가를 위해 Phantom 의 전체를 scan한 Full CT Plan에 대한 DQA를 먼저 진행하였다.
ACCURAY의 Precision ® Treatment Planning System에 가상의 Hypopharynx(HPX)를 대상으로 이미지를 등록하고 CTV(Clinical Target Volume)를 윤곽작업 (Delineation) 후 3mm margin을 더하여 PTV(Planning Target Volume)인 Target(A)을 만들었고 정상 장기는 In House Head and Neck Phantom의 원형 홀에 인체의 해부학 위치를 고려해 위치시켰다.
Absolute 측정은 Exradin A1SL thimble ionization chamber(Standard imaging, Madison, WI, USA)와 본원에서 자체 제작한 In House Head & Neck Phantom(SMC: Absolute)을 이용하여 Tomo Electrometer(Standard imaging, Middleton, WI, USA) 로 Absolute 값을 얻었다(Fig. 4b).
CT simulator(Discovery CT590 RT, GE, USA)를 이용하여 Scan 조건 120 kv, 250 mA, Scan type은 Helical full, Rotation time은 0.8 sec, Detector rows는 8, Slice thickness는 2.5mm 간격으로 In House Head & Neck phantom(SMC)을 CT scan하였다.
Full CT Plan 대비 Range 별(0 cm, 0.25 cm, 0.5 cm, 0.75 cm, 1 cm, 1.25 cm, 1.5 cm) CT Plan의 선량 전달의 정확성을 평가하였다. In House Head & Neck Phantom(SMC: Relative)에 Coronal 방향으로 EBT3 film을 삽입하여 Delivery 후 디지털 평판 스캐너(Expression 10000XL, EPSON, USA)를 이용하여 RIT 프로그램에 입력하였다.
RIT를 이용하여 Full CT Plan의 EBT3 Film를 DQA 한 결과 본원 기준인 3 %/3 mm에서 95 %(Gamma pass) 이상을 만족했다. Full CT Plan의 EBT3 Film을 표준 (Standard) Reference로 선정하였고, 각 Range별 CT Plan의 EBT3 Film와 비교를 통해 Fig. 5의 (1) Vertical Profile 위치, (2) Horizontal Profile(end of PTV) 위치, (3) Horizontal Profile(50 % Isodose)에서 Mean Difference(MD)와 Stardard Deviation(SD)을 비교했다. Table 8에서 볼 수 있듯이 CT scan range가 0.
HI(Homogeneity Index)는 처방선량에 대한 최대선량을 나타냈고(Table 3), CI(Conformity Index)는 처방선량이 받은 종양 볼륨에 대한 처방선량이 받은 총 조직의 볼륨을 나타냈다(Table 4).⁽¹⁵⁾HI 및 CI 값은 1에 가까울수록 이상적이며 SMC Protocol 기준으로 1.1 이하를 만족해야 Pass Plan으로 평가하였다.
In House Head & Neck Phantom(SMC: Relative)에 Coronal 방향으로 EBT3 film을 삽입하여 Delivery 후 디지털 평판 스캐너(Expression 10000XL, EPSON, USA)를 이용하여 RIT 프로그램에 입력하였다.
Kissick가 제안한 magic number(0.86/n, n; integer)를 이용하여 두 개의 Pitch 0.430과 Pitch 0.287을 적용하여 SMC Protocol(Table 2)을 만족하는 CT scan range 를 조사하였다. Table 5와 Table 6을 보면 두 Pitch의 모든 부분에서 차이가 없었고 치료계획에 필요한 최소한의 CT scan range도 같았다.
86/n, n; integer) 값을 적용했다.⁽¹²⁾Parameter를 변경하며 반복 실험을 하여 총 110개의 치료계획을 얻었고 SMC Protocol 만족 여부를 조사하였다(Table 2).
RIT를 이용하여 두 EBT film을 Fusion하여 동일 위치에 놓고 Fig. 5와 같이 (1) Vertical Profile 위치, (2) Horizontal Profile(end of PTV) 위치, (3) Horizontal Profile(50 % Isodose) 위치에서 MD(Mean Difference) 와 SD(Standard Deviation)을 비교하였다.
Relative 측정은 Gafchromic TM EBT3 radiochromic film(Ashland Advanced Materials, Bridgewater, NJ, USA)을 In House Head & Neck Phantom(SMC: Relative)에 Coronal 방향으로 삽입하여 DQA를 진행하였으며 선량 농도 분석 시스템인 RIT(Complete Version 6.7, RIT, USA)로 분석하여 Relative 값을 얻었다(Fig. 4c).
동일한 Target(PTV)과 정상 장기를 이용하여 동일 하중 계수(Important & Penalty), 일정 조건(Pitch 0.430, MF 2.4)에서 반복(Iteration 200회)하여 Table 1의 Plan setup parameter(FW & Dynamic Jaw)를 적용한 Plan(55 개)의 치료시간(sec)을 조사하였다(Table 7).
5 cm, Fixed-5 cm)의 크기를 다르게 적용했다. 두 번째, Fixed 1 cm의 효과(edge effect) 를 알아보고자 Dynamic Jaw(Dynamic-2.5 cm Dynamic-5 cm)를 적용했다. 세 번째, Kissick 등이 제안한 magic number인 Pitch(0.
두경부 SMC Protocol은 Emami paper와 QUANTEC (Quantitative Analysis of Normal Tissue Effects in the Clinic) paper를 참고하여 제작되었다(Table 2).^(13-14)SMC Protocol 기준을 만족하는 치료계획(Pass Plan) 을 설정해보면 Target의 Min dose가 D95 % Isodose 인 56.
본 연구를 통해 두경부 환자의 최신 토모치료기인 RADIXACT^® 치료 시 치료계획을 만족(Pass plan)하는 CT scan range 획득했다. FW를 작게 할수록 Target 끝 단 (End of PTV)에서의 CT scan range 줄일 수 있었다.
본 저자는 Re-CT Simulation의 불편함 없애기 위해 Plan setup parameter(FW, Jaw mode, Pitch)를 조절하였다. FW(Field Width)는 송주영 등⁽⁸⁾연구결과를 보면 50 % 선량지점이 FW가 1 cm일 때와 비교하여 FW 2.
최적의 치료계획은 kvCT를 통해 얻은 Axial 이미지에 종양(Target)과 정상 장기(organ at risk, OAR)를 정확한 위치에 3차원적 체적(Volume)을 고려하여 윤곽작업(Delineation)을 해야 한다. 이때 Target 및 정상 장기의 Dose constraint은 DVH(Dose Volume Histogram)를 이용하여 평가한다.⁽⁴⁾ 이때 적절한 CT scan range는 정확한 선량계산 위하여 매우 중요하다.
이에 본 저자는 환자의 피폭선량을 줄이기 위해 ReCT Simulation 대신 기존 CT를 이용하여 Scan range별 Plan setup parameter(FW & Jaw)를 적용할 것을 추천 하여 Table 9를 통해 정리하였다.
5 cm³ )를 hole 크기에 맞추어 동일하게 그렸다. 처방 선량은 Daily Dose 2.2Gy, 27 Fxs, Total Dose 59.4Gy로 설정하고 Target(A)은 처방 선량의 95~107 %, 정상 장기는 Both Parotid(B) Mean 26Gy 미만, Spinal cord(C) Max 45Gy 이하로 설정한 후 동일한 하중 계수 및 Iteration(200회)을 적용하여 치료계획(SMC Protocol) 을 설계하였다(Table 2).
CT scan range(11종류)별 Plan setup parameter 는 Table 1과 같이 적용했다. 첫 번째, Field Width(FW:Fixed-1 cm, Fixed-2.5 cm, Fixed-5 cm)의 크기를 다르게 적용했다. 두 번째, Fixed 1 cm의 효과(edge effect) 를 알아보고자 Dynamic Jaw(Dynamic-2.
치료계획에 대한 선량 전달의 정확성 평가를 위해 Dynamic 모드와 사용 빈도가 높은 FW 2.5 cm를 조합한 Dynamic-2.5 cm을 DQA(Delivery Quality Assurance) 하였다.⁽¹¹⁾표준(Standard)을 평가를 위해 Phantom 의 전체를 scan한 Full CT Plan에 대한 DQA를 먼저 진행하였다.

대상 데이터

5mm 간격으로 In House Head & Neck phantom(SMC)을 CT scan하였다. Target(Planning Target Volume, PTV) 기준 Full range 및 Target의 끝단(End of PTV)인 Isocenter(Fig. 2a)에서 0~3.0cm까지 일정하게 증가(Fig. 2b)시키며 CT scan range별 이미지 (0 cm, 0.25 cm, 0.5 cm, 0.75cm, 1 cm, 1.25cm, 1.5cm, 1.75 cm, 2 cm, 3cm)를 총 11종류 획득하였다(Table 1).

데이터처리

Fig. 5의 Profile 위치 (1), (2), (3)에서 비교를 통해 얻은 MD(Mean Difference)와 SD(Standard Deviation)는 Rex Version 1.0(Rexsoft, Seoul, KOREA)을 사용하여 통계 분석하였다. 이는 Excel 기반에 통계 분석 소프트웨어인 R Version 3.

이론/모형

1을 사용하는 Rexsoft에서 개발된 통계 분석 프로그램이다. 본 저자는 r을 추정하여 두 변수의 상관성에 대해 알아보는 상관분석기법(r: 상관계수)을 이용하였다.
5 cm Dynamic-5 cm)를 적용했다. 세 번째, Kissick 등이 제안한 magic number인 Pitch(0.430, 0.287: 0.86/n, n; integer) 값을 적용했다.⁽¹²⁾Parameter를 변경하며 반복 실험을 하여 총 110개의 치료계획을 얻었고 SMC Protocol 만족 여부를 조사하였다(Table 2).

성능/효과

Full CT range의 DQA결과는 Absolute Dose(AD) 는 Difference 2.3 %이고 Relative Dose(RD) 3 %/3 mm DTA(Distance to agreement)에서 Gamma pass rate 98 % 이상으로 본원의 기준(AD: 3 % 이하, RD: 95 % 이상)을 모두 만족하였다.
RIT를 이용하여 Full CT Plan의 EBT3 Film를 DQA 한 결과 본원 기준인 3 %/3 mm에서 95 %(Gamma pass) 이상을 만족했다. Full CT Plan의 EBT3 Film을 표준 (Standard) Reference로 선정하였고, 각 Range별 CT Plan의 EBT3 Film와 비교를 통해 Fig.
5의 (1) Vertical Profile 위치, (2) Horizontal Profile(end of PTV) 위치, (3) Horizontal Profile(50 % Isodose)에서 Mean Difference(MD)와 Stardard Deviation(SD)을 비교했다. Table 8에서 볼 수 있듯이 CT scan range가 0.75 cm보다 클 때 3 % 미만의 Stardard Deviation(SD)를 가지며 pvalue도 0.01 이하였고 두 변수의 r(상관계수)값이 0.96 이상으로 매우 강한 상관관계를 가졌다(Table 8). CT scan range가 1 cm보다 클 때 Stardard Deviation(SD) 뿐만 아니라 Mean Difference(MD)값도 3 % 미만이었다.
특히 Low Dose의 선량부분(50 % Isodose)에서 CT range(1 cm)가잘 맞는 것은 의미 있는 결과였다. 또한 모든 치료계획의 Stardard Deviation(SD)은 p-value 0.01 이하로 선량 전달의 정확성을 분석한 결과 값과 SMC Protocol의 만족하는 치료계획 결과 값이 잘 부합되었다.
본 연구에서도 5개의 모드(Field Width & Jaw)에 대해 동일한 하중 계수 (Important & Penalty)와 Iteration을 적용한 두경부 치료계획(55개)에 대한 치료시간을 분석한 결과 Dynamic Jaw 사용 시 FW 2.5 cm일 때 7 % 증가하였고, FW 5 cm 19 % 증가하였다(Table 7).
선량 전달의 정확성을 분석한 결과 CT scan range가 길어지면 정확도도 높아지는 선형관계(Linear Relationship)를 가졌으며 SMC Protocol을 만족한 치료계획인 CT scan range 1 cm 이상에서 DQA(Full CT DQA vs. Range 별 CT)값을 비교 시 3 % 미만 오차로 정확성이 높았다.
5 cm일 때 7 % 증가하였고, FW 5 cm 19 % 증가하였다(Table 7). 이에 통해 Dynamic Jaw 사용 시 CT range를 줄일 수 없을 뿐 아니라 치료시간이 증가할 수 있음을 알 수 있다.
통계 분석에 이용한 Rex Version 1.0(Rexsoft, Seoul, KOREA)은 통계 분석 소프트웨어인 R Version 3.6.1 을 Excel 기반으로 사용하도록 개발되어 손쉽게 통계 분석이 할 수 있었다(Table 8). Fig.
CT scan range가 1 cm보다 클 때 Stardard Deviation(SD) 뿐만 아니라 Mean Difference(MD)값도 3 % 미만이었다. 특히 (3) Horizontal Profile(50 % Isodose) 부분의 p-value 는 0.03으로 낮아 의미있는 결과를 얻었으며 r(상관계수)값도 0.82로 강한 상관관계 값을 얻었다(Table 8).

후속연구

KwonRecommend Table은 의사에게 Re-CT 여부를 빠르게 판단하고 Target을 다시 그리는 업무(Delineation) 를 줄일 수 있게 해주며 선량설계사는 Re-Plan 없는 올바른 FW를 선택 가능하게 한다. 마지막으로 환자에게는 Re-CT로 인한 피폭 선량 감소와 불편함과 줄일 수 있어 치료 시 많은 유용성을 제공할 것으로 사료된다.
96 cm로 줄일 수 있어 양 끝 단에 edge효과를 보여준다고 밝힌 바 있다. 본 저자는 FW 2.5 cm과 FW 5 cm에 Dynamic Jaw(edge)를 적용하면 Penumbra 영역이 Fixed-1 cm처럼 줄어 짧은 CT range로 SMC Protocol(Table 2)을 만족할 것이라 기대했다.⁽¹⁰⁾하지만 Dynamic Jaw를 사용하여도 CT range 을 줄일 수 없었으며 오히려 Dynamic-2.
정원석 등⁽¹⁸⁾은 움직임이 큰 장기의 토모테라피 치료 시 FW가 작을수록 계산된 선량과 측정된 선량 간 오차가 커진다고 언급했고, 특히 움직임이 많은 폐암, 간암, 복부 암의 경우는 주의해야 한다. 셋째, 본 논문을 통해 두경부 Target의 하단 끝에 대한 실험 및 결과를 얻었지만 움직이는 부위 및 Target 상단의 CT range 필요여부도 검증이 필요하다. 이는 후속 논문에서 좀 더 자세히 진행할 예정이다.
이 논문의 제한점으로는 첫째, 치료계획의 정확성 (DQA) 평가 시 사용빈도가 높은 Dynamic 2.5 cm만을 대상으로 하여 다른 FW와 Jaw 모드에 대한 추가적 검증이 필요하다. ⁽¹¹⁾둘째, 호흡의 영향이 있는 상 복부 치료 시 FW 선택에 주의를 해야 한다.
셋째, 본 논문을 통해 두경부 Target의 하단 끝에 대한 실험 및 결과를 얻었지만 움직이는 부위 및 Target 상단의 CT range 필요여부도 검증이 필요하다. 이는 후속 논문에서 좀 더 자세히 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	RA-DIXACT® Treatment Delivery System(X9, Accuray, Sunnyvale, CA, USA)의 장점은?	고정밀 방사선 치료를 대표하는 토모치료기인 RA-DIXACT® Treatment Delivery System(X9, Accuray, Sunnyvale, CA, USA)는 원형 회전 갠트리를 사용하여 빔 조사의 자유도를 높임으로써 정교한 선량 전달이 가능하고 부채꼴 빔(fan beam)을 빗면 조사(tangential beam)함으로써 두경부(head and neck) 방사선 치료에 유용하다. 또한 최신 토모치료기인 RADIXACT®는 선량률(1000 MU/min)까지 향상되어 두경부 치료 시 다양한 모양의 종양을 세기조절방사선치료(intensity modulated radiation therapy, IMRT) 모드로 빠르게 치료할 수 있다.
	고정밀 방사선치료(high-precision radiotherapy)이란?	현대의 방사선 치료는 컴퓨터 단층촬영(kilovoltage-computed tomography, kvCT)을통해 얻은 영상을 바탕으로 정상 장기를 최대한 보호하면서 종양 조직에 정밀하게 방사선을 조사할 수 있는 고정밀 방사선치료(high-precision radiotherapy)가 가능하다.
	방사선 암 치료의 가장 중요한 부분인 최적의 치료계획은 어떻게 됩니까?	8배 높다고 한다.(19-20) 특히, 저에너지 X선은 이차암 발생위험(secondary cancer risk)을 증가시킨다는 연구(5,20)도 발표되고 있어 CT 촬영 시 주의를 요구하며 적절한 mA 및 사용 횟수 최소화가 필요하다.(7)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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