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- 애라 순
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1 기술논문 광자극발광선량계 (OLSDs) 를이용한직장암방사선치료환자의피부선량측정 임인철 *, 유윤식 *, 이재승, * 동의대학교방사선학과, 선린의료원방사선종양학과, 순천향대학교물리학과 2011 년 5 월 17 일접수 / 2011 년 6 월 5 일 1 차수정 / 2011 년 6 월 7 일채택 본연구는최근생체내선량측정에서유용성을재평가받고있는광자극발광선량계 (optically stimulated luminescence dosimeters. OSLDs) 와다이오드검출기를병행하여직장암방사선치료환자의피부선량을측정하고치료계획시스템에서계산선량과측정선량을비교하여 OSL 선량계의임상적유용성을평가하고자하였다. 각 OSL 선량계의고유한교정상수를측정하고 10 명의직장암환자를대상으로 3 부위를설정하여측정하였다. 기준흡수선량 100 cgy 에대하여 OSL 선량계의교정상수는 6 MV X- 선의경우 1.17, 10 MV X- 선의경우 1.28 이었다. 또한직장암환자들의피부선량은측정부위별로치료계획시스템에서계산선량과비교하여다이오드검출기는 1.16 ~ 2.83% 의선량증가를보였고 OSL 선량계는 1.36 ~ 2.17% 의선량증가를보였다. 특히피부면의굴곡이심한회음부 (perineum) 에서계산된선량과전달선량간차이가증가되었으며다이오드검출기보다 OSL 선량계가측정값의변화가상대적으로작았다. 따라서 OSL 선량계는기존에사용하던이온함및다이오드검출기를대신하여방사선량학적오차의검증및생체내선량측정에서임상적으로적용이가능하였으며직장암환자의굴곡이심한회음부주변의선량평가에대한연구가계속되어야할것으로판단된다. 중심어 : 생체내선량측정, 다이오드검출기, 광자극발광선량계, 선량검증 1. 서론 1) 직장암방사선치료는일반적으로 180 cgy 이상의일일처방선량 (prescription dose) 을 25 회에서 30 회반복조사하고있으며시간의경과에따라대부분항문주위에경도내지는중증도의방사선피부염 (radiation dermatitis) 을유발한다 [1]. 현재종양및인접장기의흡수선량평가는치료계획시스템 (treatment planning system, TPS) 에의해계산모델에따라계산하고있으나신체의굴곡이있는부위에서균일한선량분포가나타나지않거나피부선량의정확성이제대로평가되지않아계산한선량과전달선량이다르게나타날수있다 [2-3]. 따라서계산한선량과전달선량사이의검증을위하여수준높은정도관리가필요하며일반적으로치료전팬텀을이용한측정을실시하거나필요시마다추가로생체내선량측정 (in vivo dosimety) 을이용하고있다 [4]. 생체내선량측정은검출기를환자의체내에침습적으로삽입하거나피부면위에위치시켜측정하는방법으로방사선치료중실시간으로방사선량측정이가능하기때문에방사선량학적오차및치료장비의비정상적인작동을 책임저자 : 이재승, jslee0313@gmail.com 경북포항시북구대신동 74-1, 선린의료원방사선종양학과 검출할수있는직접적인방사선치료선량검증방법이다. 임상적으로이용가능한생체내선량측정검출기는필름 [5], 다이오드검출기 [6,7], MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor) 검출기 [8], PN 접합형검출기 (PN-junction type diodes)[5,6], 열자극발광 (thermo-luminescence, TL) 선량계 [5], 광자극발광 (optically stimulated luminescence, OSL) 선량계 [9] 등이측정조건에따라다양하게사용되고있으며많은연구자들에의해그특성과장ㆍ단점이보고되었다. 여기서다이오드검출기등의반도체검출기는간단한교정절차와실시간측정이가능하다는장점을가지고있는반면선량률, 조사면크기, 온도, 선원 - 표면간거리 (source-to-surface distance, SSD) 등의의존성때문에복잡한방사선치료선량검증에는각교정상수를고려해야한다 [6,7]. 또한 TL 선량계는다른검출기에비하여소형이고취급이용이하기때문에신체내부에침습적으로삽입하거나피부면측정에주로이용되었으나열적인자극에의한시료의손상과재판독이어렵고재현성및감도가저하되는단점이있다 [5]. OSL 선량계는 Lewandowski 등 [10] 이 Al 2 O 3 :C 에펄스형 OSL 을적용시키면서활발한임상적연구가진행되었고 Botter-Jensen 등 [11] 은 OSL 선량계의상품화와적외선레이저다이오드, 청색발광다 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.36 NO.2 JUNE
2 이오드등을이용한 OSL 판독기를개발하였다. 그리고최근 Jursinic 등 [12-15] 의연구를통하여 OSL 선량계가자극광원으로서고휘도 LED 를이용하게되면서 TL 선량계가가지고있는단점을극복하고방사선량측정을목적으로그이용도가점차증가되고있으며가까운미래에는현재사용되고있는 TL 선량계나 MOSFET 과같은검출기를대체할가능성이높다. 따라서본연구는최근생체내선량측정에서유용성을재평가받고있는 OSL 선량계와다이오드검출기를병행하여직장암방사선치료환자의굴곡이있는부위에서피부선량을측정하고 TPS 에서계산된선량과전달선량을비교하고자하였다. 또한 OSL 선량계를이용한생체내선량측정방법의임상적유용성을평가하고자하였다. 2. 대상및방법 2.1 OSL 선량계의특성 (Characteristic of OSLDs) Fig. 1 은열자극 (TL) 과광자극 (OSL) 에의한발광과정을기술하기위하여널리인정되고있는물리적인단일트랩재결합 (one trap one recombination center model, OTOR) 모델을보여준다. 이모델은하나의트랩과하나의재결합준위를순환하는전자의이동방정식으로정의하였다 [12]. 방사선등외부의에너지공급에의해가전자대 (valence band) 의전자가트랩준위로여기한다. 이상태는외부의자극이없으면상당히오랜동안지속되는준안정상태 (meta-stable state) 에있게되지만외부에서가해지는적절한자극에의해트랩의전자들을전도대 (conduction band) 로여기시키고이전자들은다시금지대 (forbidden band) 에존재하는물질의결함에의해유도된재결합준위와결합함으로빛을방출한다. 여기서열자극에의한발광을 TL 이라하고광자극에의한발광을 OSL 이라한다. 이때방출되는광량을측정하면방사선량을평가할수있으며또한입사광의조건을다르게하여결정의상태도분석할수있다. Fig. 1. A schematic diagram of the energy levels of a crystalline material that sustains thermo-luminescence or optically stimulated luminescence. OSL 선량계시스템은판독기 (Microstar reader, LANDAUER, USA) 와 Al 2O 3:C 소자가내장된 mm 3 규격의플라스틱패킷 (Nano DOT, LANDAUER Inc., USA) 으로구성되어있었다 (Fig. 2). 판독기는 300 cgy 를초과하는고선량영역에서비선형성교정 (non-linearity calibration) 및정확한측정을위한멀티교정이용이하도록설정되어있었으며소자별판독부터선량계산까지과정을도식화할수있어사용자편의성을최대한고려하였다. 또한재판독, 누적선량의평가및다양한단위변환이가능하며구성이간편하고 220 V 가동전압을사용하기때문에휴대성과이동성이간편하였다. OSL 선량계에사용된 Al 2 O 3 :C 소자의유효원자번호 (Z eff ) 는 10.2 로조직의유효원자번호 7.2 와유사하며 [16] 판독기의고유한 LED 광원으로부터 540 nm 의광자극을가할때방출되는빛의파장은 420 nm 이었다. 이영역에서측정할수있는에너지범위는 5 kev 에서 20 MeV 까지로비교적넓은선량영역의측정이가능하였고 ±2% 미만의감도변화를가지고있었으며 1.6% 이내의에너지특성을가지고있었다. 또한측정후보고된흡수선량은최소 10 cgy 에서최대 1500 cgy 까지이고 1 회선량 300 cgy 이하에서흡수선량에대한선형성 (linearity) 을가지고있었으며그이상에서는선량에대한비선형성 (non-linearity) 을교정할수있도록되어있었다 [12-14]. Fig. 2. The InLight OSL dosimetry system. The MicroStar reader is a compact, lightweight, portable reader. OSLDs are plastic discs infused with crystals of Al 2O 3:C and little build-up in device itself. 2.2 OSL 선량계의교정 (Calibration of OSLDs) 본연구에서사용된의료용선형가속기 (ONCOR Impression, Siemens, Germany) 는선원 - 축간거리 (sourceto-axis distance, SAD) 100 cm, 조사면의크기가 cm 2 일때 X- 선에너지에따른기준점깊이에서 1 모니터단위 (monitor unit, MU) 당 1 cgy 의흡수선량이전달되도록교정되어있다 [17]. 각에너지에대한물에서기준점깊이는 6 MV 와 10 MV X- 선에대하여각각 1.5 cm 및 2.5 cm 이다. Fig. 3 은 OSL 선량계의교정을위한기하학적구조를보여준다. OSL 선량계의교정을위해플라스틱패킷을고체팬텀 (RW3 slab, PTW, Germany) 내기준점깊이에 87 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.36 NO.2 JUNE 2011
3 위치시키고의료용선형가속기에서출력되는 6, 10 MV X- 선을대상으로조사면크기를 cm 2 로하여 100 MU 를조사하였다. 이때 OSL 선량계의교정상수는흡수선량 100 cgy 당판독기로부터얻은선량의비로정의하였고각 OSL 선량계의고유번호에따른교정상수를입력하였다. 또한입력한교정상수를재확인하기위하여 TPS 에서사용한깊이선량백분율 (percent depth dose, PDD) 과고체팬텀내기준점깊이와표면에서 20 cm 깊이까지 5 cm 단위로 OSL 선량계를이용하여측정하고교정상수를보정한최대선량에대한측정깊이선량의비로정의한깊이선량백분율을비교하였다. Jursinic[13] 과 Reft[14] 는조사후 OSL 소자는 8 분이내에판독할것을권고하고있기때문에측정의정확성을위하여조사후 5 분이내에판독기에삽입하여측정하였다. 온도, 에너지, 선량률의존성 [12,13,15] 과판독시간에따른신호감쇠효과 [10, 12], 흡수선량에대한 OSL 선형성및비선형성 [13, 17-20] 등의측정은많은연구에서논의되었기때문에본연구에서는제외하였다. 정은각환자당 1 회시행하였으며 OSL 선량계와다이오드검출기에서측정된전달선량과방사선치료계획에서계산된선량을비교하였다. 여기서사용된다이오드검출기 (TM 60008, PTW, Germany) 와전위계 (UNIDOS, PTW, Germany) 는 2 차표준교정기관에서불확정도가 ±1% 미만으로교정되었다. 실험에사용된방사선원은 6 MV X- 선과 10 MV X- 선으로하였다. Fig. 4. Location of dose measurements points where the optically stimulated luminescence dosimeters (OSLDs) and diode detectors were attached: 1 3 cm from the isocenter of the top, 2 the isocenter, 3 3 cm from the isocenter of the bottom. Skin dose distribution in the measuring point is shown at right. 3. 결과 Fig. 3. Geometry for OSLDs calibration. Thickness of solid water slabs depends on energy; 1.0 cm for 6 MV X-ray, 2.0 cm for 10 MV X-ray, respectively. 2.3 직장암환자의피부선량측정본연구는방사선치료를받는 10 명의직장암환자들을대상으로하였다. 위치결정은엎드린자세에서전산화단층촬영모의치료 (computed tomography simulation) 를시행한후방사선치료계획 (OncetraMasterPlan, Nucletron, Nederland) 을수립하였다. 각환자들의조사야내에서중심점 (Fig. 4 의 2) 과시상면 (sagittal plan) 을기준으로중심점으로부터위, 아래방향으로 3 cm 떨어진점 (Fig. 4 의 1 과 3) 으로설정하였으며설정된각 3 부위의측정점은 Fig. 4 에자세하게기술하였다. 각환자들의 PTV(planning target volume) 에일일 1 회치료시 180 cgy 의흡수선량이도달되도록 3 문에서 5 문조사를시행하였다. 각환자들에대한별도의기록지에 OSL 선량계의고유번호및환자의정보와측정위치를입력하였다. TPS 에서 3 부위의계산된피부선량을기록하고방사선치료가시작된다음날은 OSL 선량계를측정하였으며그다음날부터다이오드검출기를측정하여기록하였다. 측 3.1 SLD 선량계의교정기준점깊이에서 100 cgy 의흡수선량이도달되도록선량을전달하였을때 30 개의고유한 OSL 선량계의교정결과를 Table 1 에나타내었다. 교정결과기준점깊이에서 OSL 선량계에 100 MU 를조사하였을때판독선량은평균적으로주어진교정선량에대하여 6 MV X- 선의경우 cgy, 10 MV X- 선의경우 cgy 로증가된선량을지시하였으며교정상수는 1.17 과 1.28 이었다. OSL 선량계의평균표준편차는각각 ±0.63%, ±0.89% 이었다. 특히각 OSL 선량계는주어진교정선량보다증가되었으며 6 MV X- 선보다 10 MV X- 선에서다소증가되는경향을보였다. Fig. 5 는입력한교정상수를재확인하기위하여 TPS 에서사용한깊이선량백분율과 OSL 선량계로측정한깊이선량백분율을보여준다. 6 MV X- 선의경우 TPS 에서사용한깊이선량백분율과 OSL 선량계의교정상수를보정하였을때깊이선량백분율은평균적으로표면선량 (0 cm 깊이 ) 에서 TPS 는 47.9%, OSL 선량계는 48.23% 로 0.68% 의차이를보였으며기준점깊이에서 0.41% 이었다. 또한 5, 10, 15, 20 cm 깊이에서각각 0.73%, 1.05%, 1.16%, 1.38% 로깊이가증가함에따라계산된선량과전달선량간차이를보였으나최대 1.72% 미만이었고피부선량측정을위한 OSL 선량계의교정상수의보정이 TPS 의선량분포와유사함을알수있었다. JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.36 NO.2 JUNE
4 Table. 1. Calibration Factors of the Optically Stimulated Luminescence Dosimeters (OSLDs) Used in This Study. Energy (MV) Min Max Madian Average STD * (%) Calibration factor(avg.) ± ± *, the standard deviation Fig. 5. Comparison of the percent depth dose (PDD) in RW3 solid dry phantom for the optically stimulated luminescence dosimeters (OSLDs) and the treatment planning system (TPS) in water. The TPS beam data were acquired by ionization chamber (0.125 cm 3 ). 3.2 직장암환자의피부선량측정방사선치료를받는 10 명의직장암환자들을대상으로조사범위내에서중심점과위, 아래방향으로 3 cm 떨어진점을설정하여피부선량을측정하였다. Fig. 4 의 1 위치는굴곡이없는피부면이었으며 2 와 3 의위치는피부면의굴곡이있는피부면으로그중 3 의위치가굴곡이심한피부면으로직장암환자의회음부 (perineum) 주변선량을의미한다. Table 2 는 TPS 에서계산된선량과 OSL 선량계및다이오드검출기로측정한전달선량간비교를보여준다. 환자들의피부선량을각측정부위별로 1, 2, 3 의평균선량은 TPS 를이용한선량계산에서 41.84, 44.37, cgy 이었다. 계산된선량에대하여측정결과다이오드검출기는 1.16%, 1.37%, 2.83% 선량의증가를보였고 OSL 선량계는 1.36%, 1.25%, 2.17% 선량의증가를보였다. 피부면의굴곡이없거나작은경우다이오드검출기와 OSL 선량계의측정값은매우근소한차이를보였으나 피부면의굴곡이심한경우다이오드검출기에비하여 OSL 선량계가상대적으로적은선량변화를보였다. 이결과는측정값의분포에서도알수있듯이선량의변화가심한 3 의위치에서 10 명의환자에대한표준편차가 2.35% 인다이오드검출기에비하여상대적으로 1.63% 인 OSL 선량계가각측정값의분포변화가작다는것을알수있었다. Fig. 6 은각환자의측정부위별 TPS 에서계산된선량과 OSL 선량계와다이오드검출기로측정한전달선량을비교한결과를보여준다. 계산된선량에대하여전달선량은전체적으로증가되는경향을보였으며측정부위별로피부면의굴곡이없거나또는굴곡이심하지않은부위에서계산된선량과두선량계로측정한전달선량간차이는크지않았고피부면의굴곡이심한부위에서계산된선량보다전달선량간차이가증가되는것을알수있었다. Table. 2. Comparison of Skin Dose Measurement Using the Optically Stimulated Luminescence Dosimeters (OSLDs) and Diode Detectors with the Planned Dose from the Treatment Planning System (TPS). Measurement point (No.) Planned dose OSLDs Measured dose Diodes 3cm from the top (1) ± 0.63% ± 0.64% ± 0.62% Isocenter (2) ± 1.45% ± 1.83% ± 1.64% 3cm from the bottom (3) ± 1.51% ± 1.63% ± 2.35% 89 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.36 NO.2 JUNE 2011
5 Fig. 6. Comparison of surface dose measurement using optically stimulated luminescence dosimeters (OSLDs) and diodes: (a) 3 cm from the isocenter of the top, (b) the isocenter, (c) 3 cm from the isocenter of the bottom. 4. 고찰및결론 일반적으로피부선량측정은 TPS 에서얻은동일한조사조건을검출기가삽입가능한팬톰에모사하여점선량을측정하는치료계획검증방법 [21] 과방사선치료계획에서최대선량깊이의선량을이용하여환산하는방법을주로사용하였다 [22]. 그러나적절한알고리즘의선택과복잡한수학적인계산을시행해야하는한계가있고환자의체형과팬텀의불일치, 선량계의적절성등에따라한정적으로사용되어왔다. 최근생체내선량측정이보급되면서다른선량계에비하여소형이고취급이용이한 TL 선량계를주로이용하였으나열적자극에의한시료의손상과재현성및감도의저하되는단점이있다 [9]. TL 선량계가가지고있는단점을극복하고자극광원으로고휘도 LED 를이용하는 OSL 선량계가보급되면서방사선량측정을목적으로이용이점차증가되고있다 [9,12]. 따라서본연구는 OSL 선량계의임상적용을위하여 10 명의직장암환자들을대상으로 TPS 에서계산된선량과 OSL 선량계및다이오드검출기로측정한전달선량을비교하고자하였다. 각 OSL 선량계를방사선치료선량측정에적용하기위하여고유한교정상수를구하였고교정상수의신뢰성을검증하기위하여깊이선량백분율과비교하였다. 교정상수는 6 MV X- 선의경우 1.17, 10 MV X- 선의경우 1.28 이었고표준편차는 ±1% 미만으로 X- 선에너지에따른의존성을보였다. Hu 등은 [20] 방사선치료영역에서 OSL 선량계의에너지의존성을 1% 미만으로보고하고있어본연구결과와일치하였다. 또한깊이선량백분율을이용한교정상수의신뢰성검증은피부 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.36 NO.2 JUNE
6 면에서 5 cm 깊이에서 1% 미만이었고그이상에서는깊이가증가할수록차이는증가하였으나최대 1.72% 로임상적으로신뢰성검증이가능하였다 (Fig. 5). 향후심부선량검증을목적으로 OSL 선량계를이용할경우교정점깊이 (calibration depth) 에서교정할때모든깊이에서교정상수는 1% 미만일것으로판단되었다. 직장암환자들을대상으로 3 부위의측정부위에서계산된선량과전달선량을비교한결과피부면의굴곡이없는부위와굴곡이적은부위에서 OSL 선량계와다이오드검출기로측정한전달선량은 TPS 로계산된선량과비교하여증가되는경향을보였으나 1.5% 미만으로매우유사하였다. 그러나굴곡이심한부위에서계산된선량보다 OSL 선량계는 2.17%, 다이오드검출기는 2.83% 의선량증가를보였으며각환자들의측정값변화를계산한표준편차에서는 OSL 선량계가각측정값의변화가상대적으로작았다 (Table 2, Fig. 6). Kim 등은 [1, 23] 직장암방사선치료환자의대부분은항문주위에경도내지는중증도의방사선피부염을유발한다고보고하고있어본연구에서굴곡이심한회음부주변선량이증가되는결과와일치하였다. 또한 Fenwick 등은 [24,25] TPS 에서계산된선량은측정한선량보다증가된다고보고하였는데이는다이오드검출기와 OSL 선량계로측정한전달선량이계산된선량보다증가되는결과와일치하였다. 따라서본연구를통하여 OSL 선량계를피부선량측정에서임상적으로유용하게사용할수있을것으로판단되었으며기존에사용하던이온함 (ionization chamber) 및다이오드검출기를대신하여치료계획검증을병용한다면세기조절방사선치료등과같은복잡한방사선치료시방사선량학적오차및방사선치료장비의이상작동여부를동시에확인할수있는생체내선량측정시스템으로유용할것으로생각된다. 더불어연구대상인직장암환자의경우굴곡이심한회음부주변선량이방사선치료계획에서계산된선량보다증가됨을알수있었다. 참고문헌 1. Kim JS, Kim JS, Cho MJ, Yoon WH, Song KS. Comparison of the efficacy of oral capecitabine versus bolus 5-FU in preoperative radiotherapy of locally advanced rectal cancer. J. Korean Med. Sci. 2006;21(1): Budgell GJ, Perrin BA, Mott JH, Fairfoul J, Mackay RI. Quantitative analysis of patient-specific dosimetric IMRT verification. Phys. Med. Biol. 2005;50(1): Tung CJ, Yu PC, Chiu MC, Yeh CY, Lee CC, Chao TC. Midline dose verification with diode in vive dosimetry for external photon therapy of head and neck and pelvis cancers during initial large-field treatments. Med. Dosim. 2010;35(4): Higgins PD, Alaei P, Gerbi BJ, Dusenbery KE. In vivo diode dosimetry for routine quality assurance in IMRT. Med. Phys. 2003;30(12): Attix FH. Introduction to Radiological Physics and Radiation Dosimetry. New York; Wiley, 1986: Essers M, Mijheer BJ. In vivo dosimety during external photon beam radiotherapy. Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 1999;43(2): Best S, Ralston A, McKenzie D, Suchowerska N. Effect of scatter material on diode detector performance for in vivo disimetry. Phys. Med. Biol. 2008;53(1): Ding GX, Coffey CW. Dosimetric evaluation of the OneDoseTM MOSFET for measuring kilovoltage imaging dose from image-guided radiotherapy procedures. Med. Phys. 2010;37(9): Botter-Jensen L, Duller GAT. A new system for measuring optically stimulated luminescence from quartz samples. Nucl. Tracks Radiat. Meas. 1992;20(4): Lewandowski AC, Marke BG, McKeever SW. Analytical description of thermally stimulated luminescence and conductivity without the quasiequilibrium approximation. Phys. Rev. B. Condens. Matter. 1994;49(12): Botter-Jensen L, Duller GAT, Murray AS, Banerjee D, Blue light emitting diodes for optical stimulation of quartz and aluminium oxide in retrosptective dosimetry and dating. Radiat. Prot. Dosimetry 1999;84(2): Jursinic PA. Characterization of optically stimulated luminescent dosimeters, OSLDs, for clinical dosimetric measurements. Med. Phys. 2007;34(12): Viamonte A, da Rosa LA, Buckey LA, Cherpak A, Cygler JE. Radiotherapy dosimetry using a commercial OSL system. Med. Phys. 2008;35(4): Reft CS. The energy dependence and dose response of a commercial optically stimulated luminescent detector for kilovoltage photon, megavoltage photon, and electron, proton, and carbon beams. Med. Phys. 2009;36(5): Mobit P, Agyingi E, Sanison G. Gomparison of the energy-response factor of LiF and Al 2 O 3 :C in radiotherapy beams. Radiat. Prot. Dosimetry 2006; 119(1-4): Aznar MC, Medin J, Hemdal B, Thilander KA, Botter-Jensen L, Mattsson S. A Monte Carlo study of the energy dependence of Al 2 O 3 :C crystals for real-time in vivo dosimetry in mammography. Radiat. Prot. Dosimetry 2005;114(1-3): IAEA. Absorbed dose determination in external 91 JOURNAL OF RADIATION PROTECTION, VOL.36 NO.2 JUNE 2011
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