책임저자: 황세하, 서울대학교병원 방사선종양학과 서울시 종로구 대학로 101 Tel: 02)2072-4955 E-mail: [email protected]
전립선암 방사선치료 시 회피 영역을 적용한
혼합 에너지 VMAT 치료 계획의 평가
서울대학교병원 방사선종양학과 황세하·나경수·이제희 목 적: 전립선 방사선 치료 시 회피 영역을 지정한 혼합 에너지(Mixed Energy Partial Arc, MEPA) VMAT 치 료 계획의 선량평가를 통해 임상 적용 가능성을 평가한다. 대상 및 방법: 전립선암 환자 9명을 대상으로 치료 장비 True Beam Stx(Varian Medical System, USA), 치 료 계획시스템(Eclipse, Varian Medical System, USA)을 이용하여 치료 계획용적(PTV)에 2.5 Gy, 30회로 총 선량 70 Gy를 처방하여, 회피 영역을 지정한 혼합 에너지 치료 계획과 6 MV 1 ARC, 6 MV, 10 MV 그리고 15 MV 2 ARC 치료 계획과 비교 분석하였다. 혼합 에너지 치료 계획은 첫 번째 ARC에서 갠트리 각도 180°∼ 230°, 310°∼50°은 6 MV로 지정하고 230°∼310°, 50°∼130°는 회피 영역으로 지정하였고 두 번째 ARC에서 갠트리 각도 130°∼50°, 310°∼230°는 에너지 15MV로 설정 후 50°∼310°는 회피 영역으로 지정하였다. 2가 지 치료 계획을 각각 최적화 및 선량 계산 후 Sum plan을 생성하였다. 각각의 치료 계획은 선량체적히스토그 램(Dose Volume Histogram, DVH)을 이용하여 PTV의 최대선량, 평균선량, D2 %, 처방 선량 지수(Conformity Index, CI), 선량 균질 지수(Homogeneity Index, HI) 및 손상위험장기(Organ at Risk, OAR)의 선량을 분석 하였다. 또한 monitor unit(MU)와 치료시간(beam on time)을 분석하였다. 결 과: MEPA 치료 계획은 PTV에서 최대선량, 평균선량, D2 %값은 75.86±0.47, 71.95±0.51, 73.92±0.45 로 6 MV 1 ARC 계획보다 낮은 값(전체 p < 0.0005)을 보였고 6 MV, 10 MV, 15 MV 2 ARC 치료 계획과의 비 교에서 최대선량은 평균 차이 각각 0.24 %, 0.39 %, 0.60 %(p < 0.450, 0.321, 0.139), D2 % 값 0.42 %, 0.49 %, 0.59 %(p < 0.073, 0.087, 0.033)로 높게 분석되었다. 평균선량은 10 MV 2 ARC 치료 계획보다 0.09 %(p < 0.615) 낮았지만 6 MV 2 ARC와 15 MV 2 ARC와의 비 교에서 각각 0.27 %, 0.12 %(p < 0.184, 0.521) 높게 나타났다. HI는 0.064±0.006로 가장 낮은 값으로 분석 (p < 0.005) 되어 가장 좋은 균질도를 보이며 CI는 MEPA에서 1.12±0.038, 6 MV 1 ARC, 6 MV, 10 MV, 15 MV 2 ARC 각각 1.12±0.036, 1.11±0.024, 1.11±0.030, 1.12±0.027로 모든 치료 계획에서 유사한 값으로 분석되 었다.직장 선량은 MEPA가 모든 선량 분석 파라미터에서 낮은 값으로 분석되었다. 특히 V70 Gy, V50 Gy, V30 Gy, V20 Gy은
3.40, 16.79, 37.86, 48.09으로 직장에 조사되는 저 선량 영역의 체적을 의미 있는 만큼 줄일 수 있었다. 방광 선량은 V30 Gy, V20 Gy이 다른 치료 계획에 비해 낮은 값을 보였다. 하지만 양측 대퇴골두 비교에서 MEPA는 평
균선량 9.69±2.93, 9.88±2.5로 비교된 치료 계획에 비해 2.8 Gy~3.28 Gy 높은 값을 보였다. 평균 MU값은 MEPA가 6 MV 1 ARC보다 19.53 %, 10 MV 2 ARC에 비해 5.7 % 감소하였다. 결 론: 저에너지 X선(6 MV)과 고에너지 X선(15 MV)을 사용 한 MEPA는 각각 에너지의 장점을 취해 비교한 치 료 계획보다 개선된 HI와 동등한 CI값으로 분석되어 만족할 만한 PTV coverage를 보였으며 방광과 직장을 보호하는데 효과적이라고 생각된다. ▶ 핵심용어: 혼합 에너지 VMAT, 전립선 방사선치료, 치료 계획
서 론
2017년 암 등록 통계에 따르면 국내 전립선암의 발생자 수는 12,797명으로 남성 암환자의 10.5 %이며 4번째로 많 이 발생하는 암이다.(1) 전립선암의 치료 방법으로는 적극적 관찰요법, 근치적 수술, 방사선치료, 호르몬치료, 항암화학 요법 등이 있다. 방사선 치료는 수술과 동등한 치료효과를 나타내면서 장기적인 성기능장애 그리고 비뇨기계 관련 부 작용을 줄일 수 있어서 초기 암의 경우 수술 대신 선택하 는 경우가 있다.(2) 방사선 치료 기법 중 세기변조방사선치료(Intensity Modulated Radiation Therapy, IMRT)는 3차원 방사선 치료보다 정상조직을 보호하며 종양에는 더 많은 선량을 조사할 수 있는 이점 때문에 전립선암의 방사선 치료에 보 편적으로 사용되어 왔다. 하지만 최근에는 갠트리의 회전 과 동시에 회전 속도, MLC 이동 및 속도, 선량률을 다양 하게 변화시키며 방사선을 조사하는 용적변조방사선치료 (Volumertic Modulated Arc Therapy, VMAT)가 IMRT 에 비해 개선된 선량분포와 짧은 치료시간으로 인하여 전 립선암 방사선 치료의 표준 치료법으로 널리 사용되고 있 다. 특히 VMAT는 IMRT보다 치료 시간을 최대 55 % 감소 시켜 치료 중 움직임에 따른 오차를 최소화 할 수 있으며, Monitor Unit(MU)을 감소시켜 누설선량과 산란선량을 줄일 수 있기 때문에 2차 암 발생 위험도 낮출 수 있다.(3-8) 또한 영상유도 방사선 치료를 임상에 적용한 후 처방선 량을 증가시키면서 표적에 보다 정확한 선량을 전달하고 정상조직은 보호할 수 있게 되었다.IMRT와 VMAT은 최적화과정이 필요한데 Couch 각도 와 에너지 변화에 따른 최적화 기능은 현재까지 상용화된 치료 계획 장치에서 지원이 되지 않는 문제점이 있다. 이러 한 파라미터의 선택은 종양의 위치와 치료 계획사의 경험 에 따라 결정이 되는데 깊은 부위에 위치한 종양 치료 시 에너지에 따른 장단점을 충분히 고려하여 에너지 선택을 하여야 한다. 예를 들면, 저에너지(6∼10 MV) X선은 좁은 반 음영으로 인해 PTV 체적에 근접한 선량분포를 얻을 수 있는 장점이 있지만 깊은 곳에 위치한 종양 치료 시 피부선 량이 증가하고, MU 증가로 인하여 치료시간이 증가될 수 있다. 반면에 고에너지 X선은 전방산란의 증가로 피부선량 을 줄일 수 있고 MU 감소로 치료시간 또한 줄일 수 있다. 하지만 중성자 발생으로 인한 불필요한 피폭의 문제가 생 긴다. 다양한 연구에서 전립선암 VMAT 치료 계획 시 고에너 지(10 MV 이상)를 이용한 치료 계획이 단일 저에너지(6∼ 10 MV) 치료 계획보다 Target에 효과적인 선량 전달이 가 능하고 중요 정상조직의 선량을 줄일 수 있다고 발표되었 다.(9-12) 최근에 발표된 연구에서 Shadab 등은 6 MV와 15 MV를 혼합한 단일 Arc 치료 계획이 6 MV 단일 Arc 치료 계획보 다 전반적인 치료 계획의 질이 증가되면서 인접 정상조직의 선량까지 감소시킬 수 있다고 보고하였다.(13) 하지만 치료 계획 장치 기능의 제한 때문에 수동으로 2개의 치료 계획 을 생성하여 합치는 방식의 최적화 과정을 거치는 문제점 이 발견되었고 치료과정에서 에너지가 바뀔 때마다 Mode up을 새로 해야 하기 때문에 치료시간이 증가된다는 문제 점이 있다. 따라서 이번 연구에서는 이러한 문제점들을 해결하는 동시에 고에너지와 저에너지 X선의 장점을 모두 취한 혼합 에너지와 Avoidance sector를 적용한 VMAT 치료 계획 의 유용성을 평가하고자 한다.
대상 및 방법
1. 환자 선택 전립선암으로 2017년 1월부터 12월까지 방사선 치료를 받은 저위험군 환자 9명을 선택하여 후향성 연구를 진행하 Table 1. Summary of planning measurements Sample size 9 Age(yr) 76.22±6.8 Height(cm) 164.7±3.9 Weight(kg) 67.20±10.7 PTV volume(cc) 51.68±19.68 Rectum volume(cc) 62.22±22.28 Bladder volume(cc) 89.21±41.02 Right femur volume(cc) 147.36±12.29였다. 연구에 포함된 환자의 PTV, 직장, 방광, 양쪽 대퇴골 두 체적과 환자 체형정보는 Table 1에 요약하였다.
2. CT simulation과 Contouring
CT simulation은 Brilliant Big Bore CT(Philips Medical, USA)를 이용하여 환자는 촬영 30분전 배뇨 후 물 500 mml를 마시고 앙와위 자세로 영상을 획득 하였다. 영상획득 조건은 관전압 120 kVp, 관전류량 200 mAs, 단 면두께 1.5 mm이다.
획득된 영상은 Eclipse TPS(Ver.13.7, Varian Medical System, USA)로 전송하여 전립선, 대퇴골두, 방광, 직장은 RTOG protocol을 참고로 윤곽그리기 하였으며 전립선을 CTV로 PTV는 CTV에 모든 방향 5 mm 확장하였다.(13) 3. 치료 계획 및 최적화 총선량 70 Gy로 일선량 2.5 Gy 30회 처방하였고 모든 치 료 계획은 PTV 체적의 95 %가 처방선량을 포함하도록 계 획하였으며 107 % 이상의 선량은 2 % 이내로 제한하였다. 선량제한은 QUANTEC(Quantitative Analysis of Nor-mal Tissue Effects in the Clinic) 권고사항을 참고로 하 였고 각 장기별 선량-체적 한도는 Table 2에 요약하였다. 1) 치료 계획 혼합 에너지 VMAT 치료 계획의 유용성을 평가하기 Table 2. Dose-Volume restriction for OAR Rectum V68 < 15 %, V63 < 20 %, V58 < 25 %, V55 < 35 %, V45 < 50 % Bladder V73 < 15 %, V68 < 25 %, V63 < 35 %, V58 < 50 % Femoral heads V45 < 5 % a) b) c) d) Fig. 1. a,b,c) Diagram of gantry setting for MEPA, d) 6,10,15MV plans
위하여 Eclipse system version 13.7(Varian Medical System, USA)을 이용하여 총 5개(6 MV 1 ARC, 6 MV, 10 MV, 15 MV 2 ARC, MEPA)의 치료 계획을 수립하였다.
2) Gantry 및 Collimator setting
회피 영역을 지정한 혼합 에너지 VMAT(Mixed-Ener-gy Partial Arc, MEPA) 치료 계획에서 겐트리 각도는 첫 번째 ARC에서 181°~179°를 사용하였고 230°~310° 그리 고 50°~130°는 Avoidance sector 지정을 하였다. 두 번째 ARC는 130°~230°를 사용하였고 50°~310°는 Avoidance sector 지정을 하였다. MEPA를 제외한 4가지 계획은 Full ARC로 치료 계획을 수립하였다. 콜리메이터 각도는 정상조직을 보호하는데 유리한 조건 인 30°, 330°(시계방향, 시계반대방향)로 고정하였다.(14) 또 한 치료 중심점은 PTV의 중심에 위치하도록 설정하였다 (Fig. 1). 3) 최적화(Optimization Parameters) MEPA를 제외한 치료 계획은 Table 3의 파라미터를 적 용하여 최적화를 하였으며 MEPA는 다음 과정을 거쳐서 계획했다(Fig. 2). 1) 6MV full ARC를 겐트리 각도 181°~179°로 생성하고 최적화 파라미터는 Table 4, a)와 같이 입력하였다. 최적 화 과정에서 Avoidance Sector를 지정하였고 6 MV 부분 ARC의 처방선량은 총선량의 1/2인 35 Gy로 하였다. Table 3. Dose volume constraints and priority factors set in RapidArcTM treatment planning software for optimization of 6MV, 10MV, 15MV plans.
Structure Vol(%) Dose(cGy) Priority factor
PTV 0 7210 250 2 7070 250 98 7000 250 100 6950 250 Bladder 15 7300 150 25 6800 150 35 6300 150 50 5800 150 Rectum 15 6800 150 20 6300 150 25 5800 150 35 5500 150 50 4500 150 Rt Femur 5 4500 150 Lt Femur 5 4500 150 Fig. 2. Flow charts illustrating the steps taken in gener-ating mixed energy partial arcs plans. Table 4. Dose volume constraints and priority factors set in RapidArcTM treatment planning software for optimization of MEPA.
a) Dose volume constraints and priority factors for 6MV partial ARC
Structure Vol(%) Dose(cGy) Priority factor
PTV 0 3605 250 2 3535 250 98 3500 250 100 3450 250 Bladder 15 3650 150 25 3400 150 35 3150 150 50 2900 150 Rectum 15 3400 150 20 3150 150 25 2900 150 35 2750 150 50 2250 150 Rt Femur 5 2250 150 Lt Femur 5 2250 150
2) 15MV ARC는 겐트리 각도 130°~230°로 생성한 후 최적화 파라미터는 Table 4, b)와 같이 입력하였다. 6 MV Arc와 같은 방법으로 Avoidance Sector 지정을 하고 처 방선량은 총 선량의 1/2인 35 Gy로 하였다. 마지막으로 Eclipse 시스템은 혼합 에너지 최적화가 지원되지 않기 때 문에 6 MV 부분 ARC 치료 계획을 Base plan으로 지정하 였다. 3) 전후 방향이 조사된 6 MV 부분 ARC와 측면방향 15 MV 부분 ARC 치료 계획은 최적화 후 각각 선량 계산을 하였고 두 개의 치료 계획을 합하여 MEPA 치료 계획을 수 립하였다. 모든 치료 계획에서 정상조직 고 선량 영역을 제한하 기 위하여 NTO(Normal Tissue Objective)을 priority 100, falloff value 0.05 cm-1 그리고 NTO distance, start dose, end dose 는 각각 1 cm, 105 %, 60 %로 지정하였다.
4. Dosimetric parameters.
치료 계획 평가를 위해 선량체적히스토그램(Dose Vol-ume Histogram, DVH)을 생성하였다.
선량계산 알고리즘은 PRO3(Progressive Resolution) 을 사용하고 2.5 mm calculation grid로 계산하였다.
PTV coverage는 conformity Index를 계산하여 평가 하였으며 아래의 식과 같다[식 1]. CI = V95 % --- [식 1] VPTV V95 %: 처방선량의 95 %가 조사되는 체적 VPTV: PTV의 체적 또한, 평균선량, 최대선량, D2 %를 기록하였고 Homoge-neity Index 평가를 하였다[식 2]. HI = D2 % - D98 % --- [식 2] D50 % Dn %: Target 용적 n %의선량 정상조직 평가를 위하여 방광과 직장은 평균선량, 최대 선량, V70 Gy, V50 Gy, V30 Gy 그리고 V20 Gy를 분석하였고 대퇴 골두는 평균선량과 최대선량을 분석하였다. 마지막으로 각 치료 계획 사이의 평균 차이를 분석하기 위하여 Average difference를 계산하였다[식 3]. DQMV avg (x)= 1 n
∑
i=1 (QMV)i-(MEPA)i ×100] ---[식 3] n (QMV)i Q: 에너지 x: 선량평가 파라미터 n: 총 환자 수 5. Statistical analysis통계분석을 위하여 two-tailed paired-sample t-test 를 하였고 분석은 IBM SPSS Statistics 25버전을 사용하 였다. 결과 값 P < 0.05는 통계적으로 유의한 것을 의미하며 t-test 전 모든 데이터는 Shapiro-Wilk test를 수행하여
정규성 검증을 하였다.(15-16)
b) Dose volume constraints and priority factors for 15MV partial ARC
Structure Vol(%) Dose(cGy) Priority factor
PTV 0 7210 250 2 7070 250 98 7000 250 100 6950 250 Bladder 15 7300 150 25 6800 150 35 6300 150 50 5800 150 Rectum 15 6800 150 20 6300 150 25 5800 150 35 5500 150 50 4500 150 Rt Femur 5 4500 150 Lt Femur 5 4500 150
Table 5. The dosimetric parameters for 6,10,15MV and MEPA plans. The data are averaged over the 9 patients.
Structure Dosimetric
Parameter MEPA 6MV 1ARC 6MV 2ARC 10MV 2ARC 15MV 2ARC
PTV Max Dose(Gy) 75.86±0.47 76.51±0.79 75.68±0.71 75.57±0.93 75.41±0.83 95 % CI(Gy) 75.55-76.17 77.99-77.03 75.21-76.14 74.96-76.17 74.86-75.95 Mean Dose(Gy) 71.95±0.51 72.00±0.70 71.75±0.64 72.02±0.73 71.86±0.67 95 % CI(Gy) 71.61-72.28 71.54-72.46 71.33-72.17 71.54-72.49 71.41-72.30 D2 %(Gy) 73.92±0.45 74.05±0.80 73.61±0.68 72.02±0.83 73.48±0.77 95 % CI(Gy) 73.62-74.22 73.53-74.58 73.16-74.06 73.02-74.11 72.98-73.99 HI 0.064±0.006 0.084±0.021 0.067±0.014 0.068±0.015 0.065±0.014 95 % CI 0.060-0.068 0.070-0.098 0.057-0.077 0.058-0.782 0.055-0.074 CI 1.12±0.038 1.12±0.036 1.11±0.024 1.11±0.030 1.12±0.027 95 % CI 1.099-1.150 1.098-1.146 1.100-1.131 1.092-1.132 1.106-1.142 Rectum Max Dose(Gy) 73.38±1.62 73.76±1.63 73.29±1.50 72.95±1.39 72.84±1.58 95 % CI(Gy) 72.31-74.44 72.69-74.82 72.31-74.28 72.04-73.86 71.81-73.87 Mean Dose(Gy) 23.70±7.44 25.84±8.64 25.04±9.28 25.55±8.14 26.15±8.17 95 % CI(Gy) 18.84-28.57 20.19-31.49 18.97-31.10 20.23-30.87 20.81-31.49 V70 Gy(%) 3.40±3.06 3.93±3.35 3.22±2.38 3.19±2.64 3.41±2.97 95 % CI(%) 1.40-5.40 1.74-6.12 1.66-4.77 1.47-4.92 1.46-5.35 V50 Gy(%) 16.79±10.72 20.42±12.35 20.59±12.27 19.69±11.91 20.13±11.95 95 % CI(%) 9.78-23.80 12.35-28.48 12.57-28.61 11.91-27.46 12.32-27.93 V30 Gy(%) 37.86±12.48 43.25±17.13 43.19±15.05 42.23±15.62 44±15.82 95 % CI(%) 29.71-46.02 32.06-54.45 33.35-53.02 32.02-52.44 33.66-54.33 V20 Gy(%) 48.09±15.55 50.03±16.90 50.49±16.64 50.71±16.53 51.37±16.63 95 % CI(%) 39.93-58.26 38.98-61.07 39.62-61.37 39.91-61.51 40.50-62.24 Bladder Max Dose(Gy) 74.60±0.99 74.20±0.80 74.02±0.54 73.51±0.69 73.41±0.59 95 % CI(Gy) 73.95-75.25 73.68-74.73 73.67-74.37 73.06-73.97 73.03-73.80 Mean Dose(Gy) 15.54±8.41 15.33±7.62 15.41±7.89 15.91±8.16 16.42±8.23 95 % CI(Gy) 10.04-21.04 10.35-20.31 10.25-20.57 10.57-21.25 11.04-21.80 V70 Gy(%) 1.94±1.20 1.74±1.44 1.83±1.24 1.72±1.15 1.70±1.13 95 % CI(%) 1.15-2.73 0.80-2.69 0.71-9.23 0.96-2.47 0.96-2.44 V50 Gy(%) 9.36±6.78 8.51±6.73 9.10±6.27 9.48±6.61 9.74±6.58 95 % CI(%) 4.92-13.79 4.10-12.91 5.00-13.21 5.15-13.80 5.44-14.04 V30 Gy(%) 20.18±16.00 18.34±14.15 20.16±14.67 21.13±15.11 21.72±15.17 95 % CI(%) 9.72-30.63 9.09-27.59 10.57-29.74 11.25-31.00 11.81-31.64 V20 Gy(%)) 26.89±18.22 24.70±16.54 26.96±17.28 28.27±17.52 29.17±17.71 95 % CI(%) 14.98-38.80 13.90-35.51 15.66-38.26 16.82-39.72 17.59-40.74 Lt Femur Max(Gy) 27.11±7.01 21.84±5.50 22.35±5.5. 21.27±4.72 21.71±5.33 95 % CI(Gy) 22.52-31.69 18.24-25.44 18.61-25.85 18.18-24.36 18.23-25.20 Mean Dose(Gy) 9.69±2.93 6.98±1.90 7.17±2.01 6.97±1.96 7.35±2.24 95 % CI(Gy) 7.77-11.61 5.74-8.23 5.87-8.50 5.69-8.26 5.89-8.82 Rt Femur Max(Gy) 27.78±7.17 23.80±5.61 21.17±4.87 21.69±4.92 21.67±5.10 95 % CI(Gy) 23.09-32.47 20.13-27.46 17.87-24.24 18.47-24.91 18.34-25.00 Mean Dose(Gy) 9.88±2.51 6.60±1.61 7.45±2.02 7.33±1.80 7.48±2.07 95 % CI(Gy) 8.24-11.53 5.54-7.66 6.11-8.76 6.15-8.50 6.12-8.83 Mus Mus 626±20.60 778.66±22.77 772.22±29.81 664.44±16.56 624.22±16.79 95 % CI(MUs) 611.72-640.27 763.78-793.54 752.74-791.70 653.62-675.26 613.25-635.79
결 과
1. Dosimetry
실험에 포함된 총 9명 환자의 치료 계획에 대한 Do-simetry 파라미터 값은 Table 5에 MEPA와 비교된 치료 계획(6 MV, 10 MV, 15 MV)의 통계분석은 Table 6에 요약 하였다. 또한 PTV와 OARs에서 치료 계획간 평균 차이는 Table 7에 나타내었다. 2. Doses to the PTV MEPA 치료 계획은 PTV의 최대선량, 평균선량, D2 %값 에서 6 MV 1 ARC 계획보다 낮은 값(p < 0.0005)을 보였고 6 MV, 10 MV, 15 MV 2 ARC 치료 계획과의 비교에서 최 대선량은 평균 차이가 0.24 %, 0.39 %, 0.60 %(p < 0.450, 0.321, 0.139), D2 % 값 0.42 %, 0.49 %, 0.59 %(p < 0.073, 0.087, 0.033)로 각각 분석되었다. 평균선량은 MEPA가 10 MV 2 ARC 치료 계획보다 0.09 % (p < 0.615) 낮았지만 6 MV 2 ARC와 15 MV 2 ARC 에서 각각 0.27 %, 0.12 % (p < 0.184, 0.521) 높게 나타났다. HI는 MEPA가 0.064±0.006로 가장 낮은 값으로 분석 (p < 0.005, 0.357, 0.273, 0.801)되어 가장 좋은 균질도를 나타내었으며 CI는 모든 치료 계획에서 유사한 값으로 분 석되었다.
3. Doses to the Bladder
방광의 최대선량과 평균선량은 비교한 치료 계획보다 MEPA 치료 계획이 최대 1 Gy 높게 분석되었고 6 MV 1 ARC와 비교하여 V70 Gy, V50 Gy, V30 Gy, V20 Gy 값은 1.74± 1.44, 8.51±6.73, 18.34±14.15, 24.70±16.54으로 MEPA 치료 계획이 높게 나왔다. Table 6. Statistical comparison of dosimetric parameters.
Structure Plan name p-value
(1ARC vs MEPA) p-value (2ARC vs MEPA) p-value (10MV vs MEPA) p-value (15MV vs MEPA) PTV Max Dose(Gy) 0.072 0.450 0.321 0.139 Mean Dose(Gy) 0.000 0.184 0.615 0.521 D2%(Gy) 0.000 0.073 0.087 0.033 HI 0.000 0.357 0.273 0.801 CI 0.000 0.114 0.085 0.555 Rectum Max Dose(Gy) 0.149 0.759 0.079 0.013 Mean Dose(Gy) 0.003 0.210 0.001 0.000 V70 Gy(%) 0.010 0.582 0.517 0.964 V50 Gy(%) 0.002 0.001 0.015 0.001 V30 Gy(%) 0.049 0.012 0.014 0.013 V20 Gy(%) 0.019 0.003 0.000 0.000 Bladder Max Dose(Gy) 0.401 0.039 0.014 0.002 Mean Dose(Gy) 0.818 0.589 0.045 0.001 V70 Gy(%) 0.387 0.361 0.048 0.098 V50 Gy(%) 0.039 0.221 0.169 0.008 V30 Gy(%) 0.040 0.969 0.068 0.010 V20 Gy(%) 0.015 0.879 0.012 0.000
Lt Femur Mean Dose(Gy) 0.013 0.011 0.010 0.016
Max Dose(Gy) 0.000 0.001 0.001 0.002
Rt Femur Mean Dose(Gy) 0.033 0.001 0.001 0.001
Max Dose(Gy) 0.000 0.000 0.000 0.000
6 MV ２ ARC 치료 계획과의 비교에서 V70 Gy, V50 Gy 값 은 1.83±1.24, 9.10±6.27로 최대 0.26 cc 높았으나 V30 Gy, V20 Gy 값은 20.16±14.67, 26.96±17.28으로 낮은 값으로 나 타났다. 10 MV, 15 MV 2 ARC 치료 계획에서는 V70 Gy 값을 제외 하고 V50 Gy, V30 Gy, V20 Gy 값은 MEPA가 낮은 값으로 분석되 었다.
4. Doses to the Rectum
최대선량은 6 MV 1 ARC 치료 계획보다는 0.5 % 낮았 으며 6 MV, 10 MV, 15 MV 2 ARC치료 계획보다 0.1 %, 0.58 %, 0.73 % 높았다. 평균선량은 MEPA 치료 계획이 다른 치료 계획보다 낮았으며 15 MV 치료 계획과 비교하 여 최대 6 % 차이를 보였다. V70 Gy, V50 Gy, V30 Gy, V20 Gy은 MEPA 치료 계획이 다른 치료 계획보다 낮게 분석되었으 며, 특히 V50 Gy, V30 Gy 값은 MEPA가 6 MV 1 ARC, 6 MV, 10 MV, 15 MV 2 ARC 치료 계획에 비해 각각 21.6 %, 21.77 %, 15.02 %, 20.35 %(p < 0.002, 0.001, 0.015, 0.001), 10.70 %, 11.83 %, 9.64 %, 12.98 %(p < 0.049, 0.012, 0.014, 0.013)으로 낮은 값으로 분석되었다.
5. Doses to the femoral heads
양측 대퇴골에 대한 평균선량과 최대선량은 MEPA 치 료 계획이 비교된 모든 치료 계획보다 최소 2 Gy에서 최대 6 Gy 증가되었다. 6. Monitor units MU값은 MEPA 치료 계획이 평균 626으로 6 MV 1 Table 7. The average difference of dosimetric parameters. Structure Dosimetric parameter 6MV 1ARC vs MEPA 6MV 2ARC vs MEPA 10MV 2ARC vs MEPA 15MV 2ARC vs MEPA PTV Max Dose(%) 0.83±1.21 -0.24±0.90 -0.39±1.09 -0.60±1.09 Mean Dose(%) 0.06±0.59 -0.27±0.55 0.09±0.55 -0.12±0.54 D2 %(%) 0.17±0.81 -0.42±0.61 -0.49±0.74 -0.59±0.69 HI(%) 21.05±12.40 2.56±11.26 3.56±11.75 -1.06±13.33 CI(%) -0.37±1.84 -1.02±1.70 -1.15±1.72 -0.36±1.77 Rectum Max Dose(%) 0.511±0.95 -0.11±1.06 -0.58±0.87 -0.73±0.68 Mean Dose(%) 7.72±3.67 1.05±22.53 7.12±2.51 9.32±2.77 V70 Gy(%) 13.37±10.51 3.84±23.76 -0.98±19.09 1.58±10.65 V50 Gy(%) 21.62±18.85 21.77±12.60 15.02±9.77 20.35±13.76 V30 Gy(%) 10.70±10.81 11.83±9.00 9.64±5.16 12.98±9.76 V20 Gy(%) 3.57±2.72 4.70±2.37 5.20±1.72 6.41±1.51 Bladder Max Dose(%) -0.54±1.81 -0.77±0.95 -1.48±1.41 -1.61±1.07 Mean Dose(%) -1.34±15.49 0.26±4.58 3.07±3.02 6.44±3.41 V70 Gy(%) -23.01±25.51 -6.99±13.78 -16.02±14.87 -16.01±20.54 V50 Gy(%) -11.80±10.12 -1.03±-1.03 2.40±2.91 6.25±5.75 V30 Gy(%) -8.75±8.93 2.24±2.24 7.06±5.86 10.30±6.80 V20 Gy(%) -8.61±7.62 1.50±5.10 6.71±4.58 10.15±4.91
Lt Femur Mean Dose(%) -26.21±24.65 -23.96±23.30 -29.07±25.91 -26.96±26.03
Max Dose(%) -37.81±16.09 -34.42±15.25 -38.99±19.66 -32.86±20.77
Rt Femur Mean Dose(%) -17.63±21.77 -31.98±16.99 -27.65±14.52 -27.93±15.34
Max Dose(%) -50.84±22.48 -34.33±13.89 -35.37±13.88 -33.65±14.63
6MV 1 ARC plan 6MV 2ARC plan 10MV 2ARC plan 15MV 2ARC plan MEPA plan Fig. 4. Dose Volume Histograms for 6MV, 10MV, 15MV and MEPA for PTV in red, rectum in yel-low, bladder in blue, Lt femur in orange and Rt femur in yellow a) b) c) d) e) Fig. 3. The dose distribution of a 6MV, 10MV, 15MV and MEPA plan with an equal dose weight for one representative case in transversal views.
ARC, 6 MV 2 ARC, 10 MV 2 ARC 치료 계획보다 19.53 %, 18.83 %, 5.72 % (p < 0.001, 0.001, 0.003) 낮았고 15 MV 2 ARC 치료 계획보다 0.31 % (p < 0.808) 낮은 값을 나타냈다. 7. Dose distribution 선량분포를 보기 위하여 대표환자 한명을 선택하여 모 든 치료 계획의 횡단영상을 Fig. 3에 나타내었다. MEPA 영 상이 전후방향에서 PTV체적에 가장 근접한 선량분포를 볼 수 있다. 하지만 다른 치료 계획보다 측면 방향으로 선 량이 퍼지는 현상을 확인할 수 있다. 또한 모든 치료 계획의 DVH에서 직장선량과 대퇴골두 선량의 차이를 볼 수 있다(Fig. 4).
고안 및 결론
혼합 에너지 IMRT 치료는 유방치료를 제외하고 임상에 서 일반적으로 사용되는 치료 계획은 아니다. 또한 수동으 로 생성된 혼합 에너지 VMAT 치료 역시 임상근거의 부족 함과 전산화 치료 계획 장치의 한계로 인하여 단일 에너지 치료 계획을 주로 사용하고 있다. 본 연구에서는 정상조직 에 보다 적은 선량을 조사하며 PTV에 동등한 선량분포를 보인 MEPA VMAT 치료 계획의 선량분포 질을 평가하였다. 방광의 일부 평가 지표와 대퇴골두의 선량이 다소 증가 하는 경향을 보였지만 MEPA 치료 계획은 전,후 방향에서 저에너지 방사선을 이용하여 PTV에 보다 근접한 선량분포 를 나타내었으며, 측면 방향에서 보다 큰 투과력을 지닌 고 에너지를 사용하여 개선된 선량분포의 결과 값을 보였고 QUANTEC 권고사항 이내로 모든 평가항목이 만족되었 다. 이러한 연구 결과는 방광선량을 제외하고 한 바퀴 회전 으로 혼합 에너지를 사용한 이전의 연구와(17,18) 동일하였다. 임상적으로 직장선량 30 Gy 이하의 체적이 줄어들면 만 성 직장 toxicity가 10~18 % 줄어든다고 보고되었다.(26) 다 른 연구에 의하면 직장선량 70 Gy 이상이 직장체적에 최 소 7 % 이상 조사될 때 환자 3/7이 직장장애를 경험하였 고, 4/7은 70 Gy 이상 선량이 직장체적에 3 % 조사되었는 데도 만성 직장장애가 발생했다고 보고된 바 있다.(28) 결과 에서 볼 수 있듯이 MEPA 치료 계획은 비교된 치료 계획에 비해 V30 Gy를 10 %~13 %까지 줄일 수 있었고 만성 직장 장 애와 관련이 있는 직장선량 70 Gy 이상의 체적은 MEPA에 서 2 %~14 % 줄일 수 있었다. 이전 연구에서 대퇴골두 골절 같은 부작용은 최대선량 이 40~45 Gy 이상일 때 5 %의 환자가 발생할 수 있다고 발 표되었다. 본 연구에서 대퇴골두의 선량이 비교된 다른 치 료 계획의 선량보다 다소 높게 나왔지만 좌측, 우측 대퇴골 최대선량은 각각 평균 27.11 Gy, 27.78 Gy로 허용선량 이내 로 분석되었다. 방광 선량-체적에 의한 부작용은 직장처럼 연구가 많이 되지 않았지만 Vargas 등은 낮은 선량역영의 흡수선량 체 적 감소가 장기적인 비뇨기장애를 낮출 수 있다고 발표하 였다.(31) MEPA 치료 계획 시 방광선량은 6 MV 1 ARC치료 계획 보다는 높은 결과가 나왔지만 6 MV, 10 MV, 15 MV 2 ARC 치료 계획과 비교 시 저 선량영역인 V20 Gy과 V30 Gy 값이 6 %~10 % 낮은 결과를 보인 것은 주목할 만하다. 다음으로 치료 중 전립선의 움직임은 전후 방향이 좌우 방향보다 더 많이 움직인다고 발표되었고(33) 치료 중 호흡 에 기인한 전립선의 움직임은 가장 큰 에러의 원인 중 하 나로 알려져 있다.(34) 따라서 치료시간을 줄이게 되면 장 기의 움직임에 의한 에러를 줄일 수 있다. MEPA 치료 계 획은 15 MV를 제외한 다른 치료 계획에 비해 MU값이 5 %~19 % 줄었으며 이는 치료시간을 단축하여 전립선 움 직임에 의한 에러를 줄일 수 있을 것으로 생각된다. 치료 계획 시 10 MV 이상의 에너지 사용은 타겟, 콜리메 이터 같은 원자번호가 높은 물질과 광핵반응을 통해 발생 한 광중성자는 이차암 발생의 확률을 높일 수 있으므로 이 에 대한 고려는 필요하다. S. C. Roy 등에 따르면 18 MV X 선을 사용하여 흉부치료에 총 50~60 Gy를 조사하면 10 mSV 이상의 중성자 선량이 측정되었다고 보고하였다.(37) 또한 Pascal Hauri 등은 고에너지 방사선을 사용한다면 방 사선 방호측면에서 IMRT 대신에 VMAT 치료기술이 사용 되어야 한다고 하였다.(38) 방사선 치료 시 최적화된 선량분 포를 만들기 위해 에너지의 선택, 치료기법의 선택은 최적 화된 방사선치료를 위해 가장 우선이 되어야 하지만 이로 인해 발생되는 광중성자의 영향도 고려하여야 하는 중요한 인자임을 인식하고 차폐 등을 통해 원하지 않는 추가 선량이 조사되지 않도록 하는 노력이 필요할 것이다. 이를 통해 환자에게 불필요한 선량을 최소화하고 방사선 치료로 인 한 2차 암 발생확률과 부작용을 감소시킬 수 있을 것이다. 본 연구의 제한점으로 생각될 수 있는 것 중 하나는 모 든 치료 계획에 동일한 파라미터, 가중치를 주었다는 것이 다. 이것은 오직 에너지 변화로 인한 치료 계획의 차이점을 비교하여 신뢰할 만한 결과를 얻기 위함이었다. 실제 임상 에서 MEPA를 적용한다면 환자마다 최적화 파라미터와 가 중치 등을 변화시켜 대퇴골두 선량은 감소시키면서 추가 적으로 방광과 직장의 선량을 줄여 치료 계획의 질을 높일 수 있을 것으로 생각된다. MEPA 치료 계획을 임상에서 사용할 때 혼합 에너지 비 율을 결정하는 것은 목적하는 결과를 얻기 위하여 깊이 고 려해야 할 사항일 것이다. 하지만 상용화된 치료 계획 프로 그램은 에너지 비율을 최적화 하는 기능이 없기 때문에 환 자마다 수동으로 최적의 비율을 찾는 노력이 필요할 것으 로 생각되어진다. 이번 연구에서 MEPA 치료 계획은 대퇴골두의 선량이 허용선량 이내에서 다소 증가하였지만, 개선된 HI와 CI로 비교된 치료 계획과 유사한 PTV coverage를 보였으며 방 광과 직장을 보호하는데 효과적이라고 생각된다. 이에 더 하여 환자체형, 혼합 에너지 방사선 비율, 고에너지 방사선 사용 각도의 변화에 따른 치료 계획이 추가 연구된다면 환 자 치료에 유용한 치료 계획이 될 것으로 사료된다.
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Feasibility of Mixed-Energy Partial Arc VMAT Plan with
Avoidance Sector for Prostate Cancer
Department of Radiation Oncology, Seoul National University Hospital, Seoul, Korea
Hwang Se Ha, NA Kyoung Su, Lee Je Hee
Purpose: The purpose of this work was to investigate the dosimetric impact of mixed energy partial arc tech-nique on prostate cancer VMAT.
Materials and Methods: This study involved prostate only patients planned with 70 Gy in 30 fractions to the planning target volume (PTV). Femoral heads, Bladder and Rectum were considered as oragan at risk (OARs). For this study, mixed energy partial arcs (MEPA) were generated with gantry angle set to 180°~230°, 310°~50° for 6MV arc and 130°~50°, 310°~230° for 15MV arc. Each arc set the avoidance sector which is gantry angle 230°~310°, 50°~130° at first arc and 50°~310° at second arc. After that, two plans were summed and were
ana-lyzed the dosimetry parameter of each structure such as Maximum dose, Mean dose, D2 %, Homogeneity index
(HI) and Conformity Index (CI) for PTV and Maximum dose, Mean dose, V70 Gy, V50 Gy, V30 Gy, and V20 Gy for OARs and Monitor Unit (MU) with 6 MV 1 ARC, 6 MV, 10 MV, 15 MV 2 ARC plan.
Results: In MEPA, the maximum dose, mean dose and D2 % were lower than 6 MV 1 ARC plan(p < 0.0005). How-ever, the average difference of maximum dose was 0.24 %, 0.39 %, 0.60 % (p < 0.450, 0.321, 0.139) higher than 6 MV, 10 MV, 15 MV 2 ARC plan, respectively and D2 % was 0.42 %, 0.49 %, 0.59 % (p < 0.073, 0.087, 0.033) higher than compared plans. The average difference of mean dose was 0.09 % lower than 10 MV 2 ARC plan, but it is 0.27 %, 0.12 % (p < 0.184, 0.521) higher than 6 MV 2 ARC, 15 MV 2 ARC plan, respectively. HI was 0.064±0.006 which is the lowest value (p < 0.005, 0.357, 0.273, 0.801) among the all plans. For CI, there was no significant differences which were 1.12±0.038 in MEPA, 1.12±0.036, 1.11±0.024, 1.11±0.030, 1.12±0.027 in 6 MV 1 ARC, 6 MV, 10 MV, 15 MV 2 ARC, respectively. MEPA produced significantly lower rectum dose. Especially, V70 Gy, V50 Gy, V30 Gy, V20 Gy were 3.40, 16.79, 37.86, 48.09 that were lower than other plans. For bladder dose, V30 Gy, V20 Gy were lower than other plans. However, the mean dose of both femoral head were 9.69±2.93, 9.88±2.5 which were 2.8 Gy~3.28 Gy higher than other plans. The mean MU of MEPA were 19.53 % lower than 6 MV 1 ARC, 5.7 % lower than 10 MV 2 ARC respec-tively.
Conclusion: This study for prostate radiotherapy demonstrated that a choice of MEPA VMAT has the potential to minimize doses to OARs and improve homogeneity to PTV at the expense of a moderate increase in maximum and mean dose to the femoral heads.
