PROGRESS in MEDICAL PHYSICS Vol. 24, No. 2, June, 2013 Evaluation of the Accuracy for Respiratory-gated RapidArc Jiwon Sung*, Myonggeun Yoon*, Weon Kuu Chung, Sun Hyun Bae, Dong Oh Shin, Dong Wook Kim *Department of Bio-convergence Engineering, Korea University College of Health Science, Department of Radiation Oncology, Kyung Hee University Hospital at Gandong, Kyung Hee University Medical Center, Seoul, Korea The position of the internal organs can change continually and periodically inside the body due to the respiration. To reduce the respiration induced uncertainty of dose localization, one can use a respiratory gated radiotherapy where a radiation beam is exposed during the specific time of period. The main disadvantage of this method is that it usually requests a long treatment time, the massive effort during the treatment and the limitation of the patient selection. In this sense, the combination of the real-time position management (RPM) system and the volumetric intensity modulated radiotherapy (RapidArc) is promising since it provides a short treatment time compared with the conventional respiratory gated treatments. In this study, we evaluated the accuracy of the respiratory gated RapidArc treatment. Total sic patient cases were used for this study and each case was planned by RapidArc technique using varian ECLIPSE v8.6 planning machine. For the Quality Assurance (QA), a MatriXX detector and I mrt software were used. The results show that more than 97% of area gives the gamma value less than one with 3% dose and 3 mm distance to agreement condition, which indicates the measured dose is well matched with the treatment plan s dose distribution for the gated RapidArc treatment cases. Key Words: Gated RapidArc, RPM system, Respiratory gated radiotherapy, Treatment planning system, Dose distribution 서 암환자는 1999년부터 2010년까지매년 3.5% 씩증가해왔으며국내에서성인이평균나이 (81세) 까지생존한다고가정할때, 암발병률은 36.4% 에이를수있다고보고되었다. 1,2) 현재, 암치료기술은수술, 항암화학요법, 방사선치료, 조혈모세포이식, 면역요법등으로발전해왔으며특히방사선치료의경우는방사선의특징인투과성과암세포에대한세포의치사효과와더불어일반적인수술이가지는수술과정상의위험성이없고입원하지않고외래로치료할수있는장점이있어기타암치료법대비치료비율이증가하는추세이다. 하지만폐ㆍ간등, 흉ㆍ복부에위치한내부장기는호흡 이논문은 2012 년도한국연구재단기초연구사업일반연구자지원사업 (NRF-2012R1A1A2003174) 과지식경제부전력산업연구개발사업 (57311-12) 의지원을받아수행되었음. 이논문은 2013 년 5 월 6 일접수하여 2013 년 6 월 11 일채택되었음. 책임저자 : 김동욱, (134-727) 서울시강동구상일동 149 번지강동경희대학교병원방사선종양학과 Tel: 02)440-7390, Fax: 02)440-7393 E-mail: joocheck@gmail.com 론 에따라위치가변화하므로치료계획용표적체적 (planning target volume, PTV) 결정시장기의움직임을고려하여 PTV 영역을확장하게되는데, 이는방사선치료시종양에인접한정상조직이받는선량이증가하게부작용을발생시킨다. 3) 따라서, 호흡에의한종양의움직임이줄수있는선량을전달의불확도와주변정상장기에대한추가적인선량전달에따른부작용연구가보고되어왔으며 4) 이와더불어, 환자내부장기의움직임에의한선량조사의불확도를감소시키기위해표적이정해진범위내에있을때만방사선을조사하는호흡연동방사선치료 (respiratory gated radiation therapy), 호흡을강제로제어하여원하는호흡운동을만들어치료하는호흡조절방사선치료 (breathing control radiation therapy), 표적의위치를실시간으로파악하여추적치료하는동적병소추적방사선치료 (dynamic tumor tracking radiation therapy) 와같은호흡운동을고려한 4차원방사선치료방법에대한관심이고조되고있다. 5) 호흡연동방사선치료는환자배위에놓은적외선-반사상자를이용하여호흡주기를모니터하여표적움직임이적은범위를설정하고, 그범위내에있을때만 3차원입체조형방사선치료 (3 dimension conformity radiotherapy, 3DCRT) 나 - 127 -
Jiwon Sung, et al:evaluation of the Accuracy for Respiratory-gated RapidArc 세기조절방사선치료 (intensity modulated radiotherapy, IMRT) 의방법으로치료하는기술이다. 호흡을고려한다른치료법에비해작은넓이에조사되기때문에불필요한선량을줄일수있는장점이있지만전체호흡주기에서특정범위만방사선을조사하기때문에환자치료시간이증대됨에따라치료실의업무부하가증가되고환자의자세불확정성또한증가할수있는단점을가지고있으며, 환자의호흡이불규칙한경우적용이어렵다는단점이있다. 6) 최근에는회전세기조절방사선치료 (volumetric arc modulated therapy) 를 RPM system와결합하여호흡연동회전세기조절방사선치료 (respiratory gated RapidArc) 가가능한선형가속기들이소개되었는데이러한방식을적용한선형가속기들은회전세기조절방사선치료의빔선량분포의정확성은 3차원입체조형방사선치료나세기조절방사선치료등의치료법과비슷하면서도치료시간은다른치료법에비해짧게걸린다는장점을가진다. 7) 이에, 본연구는 respiratory gated RapidArc의선량분포정확도를검증하여임상적용의적절성을평가하고자한다. 재료및방법 1. 치료계획본연구는총 6개케이스의환자데이터를이용하여수행되었다. 우선, 흉ㆍ복부에위치한종양은환자호흡에따라위치가변화하므로 4차원컴퓨터단층촬영장치 (4 dimensional computed tomography, 4DCT, BigBore, Philips, USA) 를이용하여호흡주기에따른종양의위치, 상태변화그리고주변정상장기들의상대적인위치정보를수집하였으며 8) 획득한 CT사진을바탕으로치료계획장치 (Treatment Planning System, Eclipse, ver. 8.6, Palo Alto, USA) 를통하여환자의치료계획을세우고 Anisotropic Analytical Algorithm (AAA 알고리즘 ) 을통해선량계산하였다. 치료빔조사범위는한주기위상을 100% 로기준으로했을때 30 60% 로지정했으며각환자에따른치료계획정보는 Table 1에서술하였다. 2. 방사선치료기및 RPM 호흡연동시스템방사선치료기는선형가속장치 (Varian Clinac ix, USA) 를사용하였다. 120개의 leaf을이용하여세기조절방사선치료를하는다엽제한기 (multileaf collimator) 을갖추고있으며광자선에너지는 6, 10 MV 두가지가능하며최대선량율은 600 MU/min, 최대 monitor unit (MU) 는 9,999 MU까지가능하다. RPM system (Varian Medical Systems, Palo Alto, USA) 은호흡에따라움직이는범위가큰종양을진단및치료할때환자의호흡운동을모니터상으로실시간확인하는시스템이다. 적외선반사점이있는외부표지자를환자호흡에따라움직일수있도록환자의흉ㆍ복부중간에놓고치료실및 CT실에설치되어있는적외선카메라를통해호흡운동을실시간감지한다. 외부물체의움직임으로호흡운동을감지하는비침습적방법으로, 금속표시자삽입방법보다는편리하여임상적으로비교적접근하기쉬운시스템이며 RPM연동 CT촬영을통해호흡주기에따른종양의위치를확인한후종양의움직임이가장적은위상및주기를선택하여그범위에서만주기적으로방사선치료가행하는치료계획을수립한다. 9) RPM 시스템과연동된방사선치료에는위상기반연동 (Phase-based gating) 와진폭기반연동 (Amplitude-based gating) Table 1. Information of the patient radiotherapy plan (1 arc=360 o, 2 arc=720 o ). Case Treatment site Gantry angle Collimater angle Energy (MV) Field size (cm 2 ) Fraction size A Abdomen 1 arc 45.0 o 6 7.9 7.9 250 B Liver 2 arc 1 arc: 45 o 2 arc: 15 o 6 21.2 25.4 300 C Liver 2 arc 1 arc: 46 o 2 arc: 315 o 6 19.1 20.1 400 D Liver 2 arc 1 arc: 46 o 2 arc: 315 o 6 17.3 20.1 400 E Liver 2 arc 1 arc: 45 o 2 arc: 315 o 6 14.8 14.8 400 F Liver 2 arc 1 arc: 45 o 2 arc: 315 o 6 5.7 5.7 400-128 -
PROGRESS in MEDICAL PHYSICS Vol. 24, No. 2, June, 2013 의두가지방식이있다. 위상기반연동방식은환자의호흡운동중같은위상일때만방사선을조사하는방식이며진폭기반연동방식은환자의호흡중위상과상관없이적외선상자의절대적위치가같을때마다방사선을조사하는방식이다. 진폭기반연동방식은호흡신호의전체적위치가호흡도중에변했을때다시추적하여재설정하기때문에방사선치료를멈췄다가다시시작하는반면위상기반연동방식은호흡신호위상만고려하기때문에치료도중의재설정은필요하지않는다. 10) 본연구에서는 RPM respiratory gating 시스템의위상기반연동방식을토대로수행하였다. 최근 Varian사 (Varian Medical Systems Inc. Palo Alto, CA, USA) 에서는회전세기조절방사선치료기법의일종인 Rapidarc치료중에 RPM을이용한호흡연동 gating이가능한옵션을제시하고있으면본연구는 Varian사의 ix 치료기를이용한 RPM 연동 Rapidarc 치료를기반으로수행되었다. 3. 측정및분석치료선량정확도를평가하기위해 6개치료계획에대하여호흡동조기반환자정도관리 (Quality Assurance, QA) 를실시하였다. 환자의복부상하운동을구현하기위해 5.5 s의주기, 1.3 cm 진폭으로운동하는일차원운동팬텀 (1 dimension motion phantom) 를 MatriXX 앞에놓고적외선반사상자를그위에올려놓아 RPM system (Varian Medical Systems, Palo Alto, USA) 을통해운동신호를획득하였다. 또한치료선량을측정하기위해 MatriXX (IBA Dosimetry, Germany) 검출기를이용하였다. MatriXX 측정기를빌드업 (build-up) 시키기위해 30 30 5 cm 3 의물등가고체팬텀을환자테이블에놓고그다음 MatriXX, 같은크기의물등가고체팬텀순으로그위에올려놓는다. 운동팬텀신호를 RPM 시스템으로획득하여위상이 30 60% 일때주기적으로방사선을조사하였다 (Fig. 1), MatriXX측정기를통해획득한선량분포는정량적인분석을위해상용화된선량분석용프로그램 (IʼmRT, IBA, Germany) 으로 2차원선량분포도로나타내어 ECLISPE 선량계산값과비교분석하였다. MatriXX 측정기는 IMRT, IGRT (image guided radiotherapy), arc therapy의정도관리하기위해최적화된정사각형구조 (24 24 cm 2 ) 의 2차원이온함배열의선량측정기이다. 내부에는 1,020개의직경 4.5 mm, 높이 5 mm의이온함이 32 32 간격으로정렬되어있으며 20 msec/sample의속도로측정되며 0.42 Gy/nC의민감도, 측정점간거리 7.62 mm의공간해상도를가진다. 또한 MatriXX 측정기의방사선입사각에따른측정편차를보정해주기위하여각도확인센서 (Gantry angle sensor) 를갠트리 (Gantry) 에부착하여각도에따른편차를보정하였다. 11) MatriXX 측정기로측정된선량은 I mrt (IBA Dosimetry, Germany) 프로그램을통해치료계획시스템에서계산된선량과비교-분석되었다. 본연구에서는감마지표 (Gamma Index) 값인 DD (Dose Difference), DTA (Distance to agreement) 를계산하여히스토그램과 2차원선량분포도를이용하여분석하였다. 12) 결과호흡연동회전세기조절방사선치료의선량분포의정확도를평가하기위해치료계획을통해계산된선량값과실제치료빔을조사하여검출된선량값을 2차원선량지도 (2 dimension dose map) 를통하여비교하였으며, 3 mm이내의 DTA와 3% 이내의 DD에대해 0에서 1사이의감마지 Fig. 1. Quality Assurance (QA) by using the MatriXX detector. - 129 -
Jiwon Sung, et al:evaluation of the Accuracy for Respiratory-gated RapidArc Fig. 2. (a) Radiation Therapy Planning (RTP) result using by ECLIPSE, (b) Dose distribution of same patient radiation therapy plan when it is projected into MatriXX detector. Fig. 3. (a) 2 dimensional dose distribution of the measurement by MatriXX, (b) dose comparison of x-axis profile between measurement and RTP plan, (c) 2 dimensional dose distribution of the RTP plan by ECLIPSE, (d) gamma distribution for same sample. - 130 -
PROGRESS in MEDICAL PHYSICS Vol. 24, No. 2, June, 2013 표값을가지는면적을전체면적과의비율을통해정량적으로확인하였다. Fig. 2a는환자의 CT 데이터를바탕으로 ECLIPES v8.6으로치료계획하여종양과종양주변기관에흡수된선량크기를색차이로나타낸사진이며 Fig. 2b는환자정도관리하기위해기존의치료계획을바탕으로재계획된것을나타낸사진이다. 측정할때와같은배열로물등가고체팬텀사이에 MatriXX 측정기를놓고촬영한 CT 데이터를바탕으로치료계획하였다. Fig. 3는 I mrt 분석프로그램을통해치료계획된선량값과실제로조사하여측정된선량분포및이를비교한그래프들이다. Fig. 3의 (a) 는실제측정된 2차원선량분포그래프, (c) 는치료계획된 2차원선량분포그래프이며 (b) 는 y축방향에서선량측정값과계산값을비교한그래프이고 (d) 는 (a) 와 (c) 에대한 Gamma index 그래프이다. (a), (c) 의선량지도형태는비슷하지만크기의차이가있음을알수있지만 (a) 그래프의범위가 x, y축으로 12.0 + 12.0 cm이고 (c) 그래프는 x, y축으로 10.0 +10.0 cm임을고려해볼때두개의선량지도의크기와형태는비슷하다는것을정성적으로확인할수있다. (c) 를통해 y축에서의두가지의선량값의일치정도를정성적으로확인할수있었으며 (d) 는계산값과측정값을비교하여 3 mm의델타거리와 3% 델타거리이내이면 0 1의 Gamma 값으로계산되어파란색계통의색으로나타내고 1 이상의 Gamma 값으로계산되면적색계통의색으로나타내어전체적인선량분포의정확도를정성적으로평가할수있다. 감마계산으로산출된전체 2차원선량면적에대해환자정도관리의기준값인 3 mm의델타거리와 3% 델타거리이내인면적의비율로나타낼때 A, B, C, D, E, F 순으로각각 98.3, 99.8, 97.8, 98.6, 99.3, 98.4% 의결과를보여주어평균 98.7% 의일치율를확인하였다. 고찰및결론기존의호흡연동방사선치료법은호흡으로인해발생되는불필요한피폭선량을줄이는장점이있는동시에환자치료시간이증가하며그에따라치료실의업무부하가증가되는단점이있다. 회전세기조절방사선치료는 3차원입체조형방사선치료, 세기조절방사선치료등에비해치료시간이단축된다는것을고려해볼때, 호흡연동회전세기조절방사선치료는호흡연동치료의단점인긴치료시간과업무부하증가를보완하는치료법이다. 하지만일반적으로사 용되는 3차원입체조형방사선치료에비해임상적용경험이적고다엽콜리메이터 (Multileaf collimater, MLC) 의위치변화및갠트리 (Gantry) 회전이복합적으로변화한다는점을고려해볼때호흡연동회전세기조절치료의정확성에대한검증이필요하다. 본연구는호흡연동회전세기조절방사선치료의치료선량의정확도를검증하여임상적용의적절성을확인하고자하였다. 치료선량의정확도는치료계획된선량값과실제조사된선량값을 2차원선량분포지도로비교하였으며감마계산을통해 6개의회전치료선량모두오차율 3% 이내로일반적인세기조절방사선치료의환자정도관리수준을만족함을발견하였다. 기존의연구결과와비교해볼때, 0에서 1사이의감마지표값을가지는면적의비율이최소 93%, 최대 100% 으로보고됨에따라본연구결과와비슷함을확인하였다. 13,14) 본연구는고형의팬텀를사용하여치료기의조사선량관관련한호흡연동회전세기조절방사선치료정확도를평가한것으로, 실제환자는본연구에사용한균질한고체팬텀에비해다양한물리적, 화학적특성을지닌기관및세포가복잡하게구성되어있으며보다유동적이므로호흡연동치료과정에서환자자체가줄수있는불확도에대한연구는포함되어있지않으며추후, 환자신체와호흡운동의보다세밀한모사가가능한팬텀을이용하여호흡동조치료의전체적인인불확도측정이필요할것으로사료된다. 참고문헌 1. 국가암정보센터 : 암발생률추세분석. http://www.cancer.go.kr 2. 국가암정보센터 : 성별 10 대암조발생률. 2010. http://www.cancer. go.kr 3. Webb S: Motion effects in (intensity modulated) radiation therapy: a review. Phys Med Biol 51(13):R403-R425 (2006) 4. Ju SG, Hong C, Huh W, et al: Development of an offline based internal organ motion verification system during treatment using sequential cine EPID images. Korean J Med Phys 23(2):91-98 (2012) 5. 임상욱 : 동적병소추적방사선치료를위한호흡연동시스템에관한연구. 경기도, 경기대학교박사학위논문 (2008) 6. Ono T, Takegawa H, Ageishi T, et al: Respiratory monitoring with an acceleration sensor. Phys Med Biol 56(19):6279-6289 (2011) 7. Popescu CC, Olivotto IA, Beckham WA, et al: Volumetric modulated arc therapy improves dosimetry and reduces treatment time compared to conventional intensity-modulated radiotherapy for locoregional radiotherapy of left-sided breast cancer - 131 -
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