이 논문은 2012년 6월 19일 접수하여 2013년 2월 15일 채택되었음.
책임저자：박수연, 삼성서울병원 방사선종양학과 Tel: 02)3410-2654, Fax: 02)3410-2619 E-mail: [email protected]
전립선암 치료를 위한 세기조절 양성자 로버스트 치료계획
삼성서울병원 방사선종양학과
박수연ㆍ김종식ㆍ박주영ㆍ박 원ㆍ주상규
목 적: 양성자선의 유효비정 변화와 환자 자세의 재현성을 고려한 로버스트(robust-IMPT) 세기조절양성치료와 플레인 세기조 절양성자치료(plain-IMPT) 계획과 광자선 세기조절방사선치료(photon-IMRT, step & shoot) 계획의 선량분포 특성을 비교, 분석 하고자 한다.
대상 및 방법: 다섯 명의 전립선암 환자를 대상으로 표적에 70 Gy를 조사하도록 photon-IMRT (7문, step & shoot)와 plain-IMPT (2문, 4문, 7문) 및 robust-IMPT (유효 비정 오차 ±5% & 환자 자세 오차 0.5 cm 적용) 치료계획을 수립했다. 세 가 지 치료계획으로 얻은 선량 분포 비교를 위해 PTV에 대한 선량조형지수(Conformity Index, CI), 선량균등지수(Homogeneity Index, HI) 및 최대선량, 최소선량, 평균선량과 OAR에 대한 선량-체적을 평가했다.
결 과: 모든 환자에 대해 photon-IMRT, plain-IMPT, robust-IMPT에서 PTV의 평균 최대선량은 각각 76.75 Gy (109.6%), 71.92 Gy (102.7%), 72.09 Gy (103%)였으며, 평균 최소선량은 68.21 Gy (97.4%), 68.89 Gy (98.42%), 68.13 Gy (98.13%)였으며, 전체 평균선량은 각각 71.02 Gy (101.4%), 71.32 Gy (100.4%), 70.75 Gy (101%)였다. PTV에 대한 CI 및 HI 값은 plain-IMPT가 photon-IMRT와 robust-IMPT에 비하여 1.02, 1.00으로 가장 낮았다. 또한, 정상장기에 있어 plain-IMPT가 photon-IMRT에 비하 여 대부분 낮은 선량 분포를 보였으며, robust-IMPT 적용 시 정상 장기에 대한 선량 분포가 다소 변동의 폭은 있었지만 photon-IMRT에 비하여 대체로 낮은 선량 분포를 보였다.
결 론: 전립선암의 IMPT 치료 시 정확한 유효비정의 오차와 환자 자세 재현성오차를 고려한 robust-IMPT를 적용한다면 plain-IMPT의 선량학적 불확도를 줄이고 photon-IMRT에 비해 효과적인 치료를 제공할 수 있을 것이다.
핵심용어: 전립선암, robust-IMPT, 유효비정변화, 환자의 움직임
서 론
최근 소개된 방사선 치료법 중 양성자치료법은 양성자가 매질을 진행할 때, 에너지의 감쇄가 일정깊이에 좁은 선속으 로 최대를 이루며 소멸하는 양성자의 물리적 성질인 브래그 피크를 이용하여 이를 종양의 깊이와 크기에 따라 일정 면적 을 가지도록 여러 개의 서로 다른 브래그피크를 중첩시키는 SOBP (Spread-out Bragg Peak)를 이용하는 치료 방법이 다.1) 이러한 양성자 치료법 중 특히, 엑티브 스캔닝 방식은 가속된 양성자가 자기장 내를 통과할 때 이를 편향시킴으로 서, 종양의 삼차원 체적에 맞도록 깊이와 면적에 따라 서로 다른 에너지와 브래그피크를 생성하여 전달하는 방법으로, 기존의 콜리메이터와 보상체를 이용하여 선량을 생성해 내 는 패시브 스캔닝 방식과 비교하여 상당한 장점을 가진다.2)
또한, 엑티브 스캔닝 방식의 plain-IMPT (Intensity Mo- dulated Proton Therapy)은 기존의 광자선 IMRT (Intensi- ty Modulated Radiation Therapy)법과 동일한 방식으로 역 방향 치료계획을 통하여 양성자의 세기를 조절하여 종양조 직의 처방선량 집중도를 극대화 시키고, 인접한 정상 조직에 는 보다 낮은 선량이 가능한 방법으로 광자선 IMRT와 비교 하여 상당히 효과적이다.3,4)
그러나 plain-IMPT는 양성자의 물리적 특성상 전산화단 층영상 번호의 오차 및 종양의 변화, 환자의 체중 감소 및 증 가, 전산화단층영상 번호가 정지질량으로 환산될 때 생기는 유효비정의 오차와 환자의 해부학적 구조 및 내부의 불균질 한 밀도변화, 치료 시 환자 자세의 재현성에 의한 모호함으 로 인하여 치료 효율성이 상당한 영향을 받게 된다.5) 또한 폐암이나 간암과 같은 경우, 치료 중 움직임은 치료계획 시 와 달리 종양의 위치가 변화할 수 있으며 이는 세기조절양성 자치료의 치료계획 시 선량과 실제 전달된 치료선량이 큰 차 이를 보이는 게 된다.
따라서, 본 연구는 전립선암에 있어 pain-IMPT 적용 시
Fig. 1. Daily CBCT set up verifi- cation for prostate cancer.
발생할 수 있는 전립선암의 유효비정의 변화와 환자 자세의 재현성을 고려한 robust 방법을 적용한 경우와 적용하지 않 은 경우에 대하여 광자선 IMRT와 선량분포 특성을 비교 분 석하고자 한다.
대상 및 방법
2011년 1월부터 2012년 5월까지 광자선 IMRT를 받은 5 명의 전립선암 환자를 대상으로 하여 광자선 IMRT (7문, step & shoot), plain-IMPT (2문, 4문, 7문), robust- IMPT (양성자의 유효비정과 환자 자세의 재현성 오차 적용, 2문, 4문, 7문) 계획을 실시하였다.
1. 치료 계획
방사선 치료 계획을 위해 환자는 앙와위 자세로 자유 호흡 시 치료계획용 컴퓨터 단층촬영을 시행하였다. 환자의 직장 에 100 cm3의 공기를 채운 풍선을 삽입한 후, 2.5 mm 두께 로 영상을 획득하였다. 육안적종양체적(gross tumor vol- ume, GTV)은 컴퓨터 단층영상에서 관찰되는 전립선으로 하 였고 이를 곧 임상표적체적(clinical target volume, CTV)으 로 계획하였다. 계획용표적체적(planning target volume, PTV)은 두부와 체부 방향으로 8 mm, 앞뒤(AP), 좌우(LR) 방향으로 5 mm 여유를 두고 설정하였다.
비교 분석을 위한 광자선 IMRT계획은 본원의 Pinnacle (version 9.2, Philips, Palo Alto, USA) 시스템을 사용하였 으며, Novalis Tx (Varian, USA) 광자선 에너지 10 MV를 이용하여 260o, 290o, 320o, 0o, 35o, 65o, 100o의 총 7개의 빔을 사용하였고, Adaptive Convolution 알고리즘을 사용하 여 계산하였다.
Plain-IMPT는 유효비정의 오차와 환자의 자세 재현성 오 차를 적용한 것과 적용하지 않은 방법으로 두 번 계산하였 다. 오차 적용을 위하여, 유효비정의 오차는 ±5%로 가정하
였고,6) 환자 자세 재현성의 오차는 35회 CBCT를 통하여 자 세 확인을 한, 환자 10명을 대상으로 환자중심 선축을 기준 에서 기록된 이동값으로, 좌우(LR), 앞뒤(AP), 상하(CC)축으 로 움직인 값의 평균을 각각 구한 뒤, 3차원 벡터 값으로 환 산한 값을 적용하였다. 이 때, 계산된 값은 랜덤 오차만을 고 려한 것이고, 시스템 오차값은 좌우(LR), 앞뒤(AP), 상하 (CC)로 각각 0.05 cm으로, 합산하여 적용하였다. 선량계산 시스템은 Raystation (version 2.4.15.6-not for clinic use, USA) 이용하였고, 95o, 265o 총 2개의 빔, 95o, 45o, 315o, 265o 총 4개의 빔, 260o, 290o, 320o, 0o, 35o, 65o, 100o의 총 7개의 빔을 이용한 IMPT 계획을 수립하였다. 오차를 고려하지 않 은 계산은 Pencil Beam 알고리즘을 적용하였고, 오차를 적용 한 계산은 Monte Carlo를 사용하였다.
2. 처방선량 및 선량 제한
일일처방선량은 2.0 Gy씩 주 5회로 7주 동안 35회 조사하 였으며 총 선량은 70 Gy였다. 선량 계산을 위한 제한 조건은 RTOG 가이드라인 기준 하였고,6) 정상 장기는 직장 벽, 방광 및 대퇴골 두부, 음경 관 등의 선량을 제한하였다. 직장 벽은 최대선량이 74 Gy 이하가 되게 하였고, V70가 7% 미만, 10 cc 이하가 되도록 하였고, V50가 20% 미만, V25가 50% 미 만, V12가 90% 미만이 되도록 제한하였다. 방광의 선량은 V60가 25% 이하, V35가 50% 이하가 되도록 하였으며, 음경 낭은 V40가 50% 이하가 되도록 제한하였고, 대퇴골 두부의 선량은 V45가 10% 이하가 되도록 제한하였다.
결 과 1. 환자 움직임의 오차 결과
환자의 움직임 오차는 CBCT를 35회 실시한 10명의 환자 데이터를 바탕으로, 좌우(LR), 앞뒤(AP), 상하(CC)축으로 이동한 세 값의 평균을 구한 다음, 이 값을 3차원 공간 벡터
Table 1. Residual set-up errors (i.e. random errors) after the daily patient positioning correction using CBCT, along the three axes σLR, AP, CC.tot, and systemic error
σLR σAP σcc σTOT
Set-up error (cm) −0.3 0.23 0.28 0.43 Systemic error (cm) 0.05 0.05 0.05 0.06 LR: left-right, AP: anterior-posterior, CC: cranial-caudal, TOT:
total sum vevtor.
Fig. 2. Isodose distributions of prescription dose of 70 Gy to PTV for different treatment techniques. (A) 7B IMRT (step & shoot), (B) 2B plain-IMPT, (C) 4B plain-IMPT, (D) 7B plain-IMPT, (B') 2B robust-IMPT, (C') 4B robust-IMPT, (D') 7B robust-IMPT.
값으로 환산하여 총 이동값을 구하였다(Fig. 1).7) 평균값은 좌우(LR)는 −0.3 cm, 앞뒤(AP)는 0.23 cm, 상하(CC)는 0.28 cm이였으며, 3차원 좌표 값을 선형 벡터로 환산한 결과 0.43 cm이였다. 이 값에 좌우(LR), 앞뒤(AP), 상하(CC)축으로 시 스템 오차값 0.05 cm씩을 벡터로 환산하여 랜덤 오차 값 0.43 cm에 시스템 오차값 0.05 cm을 합산하여 약 0.5 cm을 적용하였다(Table 1).
2. 치료 방법에 따른 치료 계획 비교
전립선암의 광자선 IMRT (7문 step & shoot) 및 plain- IMPT (2문, 4문, 7문), 유효 비정의 오차 ±5%와 환자 자세 재현성오차 0.5 cm을 적용한 robust-IMPT (2문, 4문, 7문)에 따른 선량분석결과로(Fig. 2, 3), 전체 5명의 환자 PTV의 평 균 부피는 86.54 cc로, 광자선 IMRT 및 plain-IMPT, robust- IMPT의 PTV의 최대선량은 각각 76.75 Gy (109.6%), 평균
71.92 Gy (102.7%), 평균 72.09 Gy (103%)였으며, 최소선량 은 68.21 Gy (97.4%), 평균 68.89 Gy (98.42%), 평균 68.13 Gy (98.13%)이였다. 선량 조형지수(CI)는 PTV의 부피에 대 한 100% 선량분포의 부피를 나타내는 값으로 치료계획의 정 당성을 나타내는 기준이 되는 지표이다. 이 지표를 적용한 결과, 광자선 IMRT시 1.05, plain-IMPT 평균 1.01, ro- bust-IMPT 평균 1.004였으며, PTV 내 선량의 균등도를 나타 내는 균일 지수 Homogeneity index (HI)는 광자선 IMRT에서 1.03, plain-IMPT 평균 1.00, robust-IMPT 평균 1.031로 나타 났다(Table 2). 직장 벽의 경우, 직장에 풍선을 100 cc 가량 채운 뒤, 직장 벽에 한하여 측정한 결과, 평균 37.92 cc의 부 피를 가졌으며, 선량의 측정점은 V70, V50, V12로 Table 2에서 보는 바와 같이 정상 장기 중 선량의 변화 폭이 가장 많았다.
V70은 광자선 IMRT가 가장 낮았으며, 나머지 V50, V12에 대 하여는 plain-IMPT가 가장 낮았다. 2문 robust-IMPT는 2문 plain-IMPT와 비교하여 V70의 선량이 28% 가량 낮았으며, 4 문에서는 23%, 7문에서는 11% 가량 선량이 낮아짐을 보였 다. 그러나 V12에서는 반대로, robust- IMPT가 plain-IMPT와 비교하여 2문에서 0.4%, 4문에서 9.6%, 7문에서 0.5% 가량 높 아짐을 보였다. 방광의 경우, 광자선 IMRT보다 plain-IMPT 와 robust-IMPT에서 V60과 V35의 선량이 낮았으며, plain-IMPT와 robust-IMPT를 비교하였을 때, V60에서 ro- bust-IMPT가 1∼9.8%정도 낮아짐을 보였고, V35에서는 이와 반대로 높아짐을 보였다. 음경 관에서의 V40의 선량은
Table 2. Dosimetric comparison of IMRT, plain 2B, 4B, 7B IMPT and robust 2B, 4B, 7B IMPT for prostate Vol
(cc) IMRT Plain-IMPT Robust-IMPT
2B 4B 7B 2B 4B 7B
PTV 86.54 Dmax (cGy) 7,424.2 7,179 7,183 7,215.2 7,195 7,199.8 7,235
Dmin (cGy) 6,821.4 6,928.8 6,907.2 6,832.4 6,802.4 6,834.4 6,804.6 Dmean (cGy) 7,102 7,134.2 7,125.8 7,138.4 7,049.2 7,075.2 7,102.6 CI 1.050 1.000 1.04 1.01 1.005 1.003 1.005 HI 1.030 1.000 1.00 1.00 1.035 1.028 1.030 Rectal outer
wall
37.92 V70 3.018 5.698 5.416 4.486 4.094 4.13 3.984 V50 13.892 13.656 13.42 10.944 13.788 12.59 10.758 V25 31.328 21.448 20.84 17.114 21.42 20.5 16.976 V12 67.498 27.942 27.172 23.556 28.074 29.794 23.68 Bladder 80.07 V60 21.27 20.18 1,741.4 1,796.8 1,877 1,730.2 1,619.4
V35 47.208 37.154 35.182 32.088 37.634 35.1782 32.192 Penile bulb 1.87 V40 31.455 34.295 26.98 25.235 35.45 26.41 22.4225
Lt femur - Dmax (cGy) 3,368.3 4,116.75 1,836. 1,662 3,499 1,872 1,668.25
Rt femur - Dmax (cGy) 3,456.8 4,327.75 1,725.7 1,655.5 3,873.5 1,716 1,726.75 IMRT: intensity modulation radiation therapy, Plain IMPT: plain intensity modulation proton therapy, Robust IMPT: robust intensity modualtion proton therapy.
plain-IMPT와 robust-IMPT가 광자선 IMRT와 비교하여 볼 때 문 수에 따라 높거나 낮았으며, 대퇴골 두부의 선량은 모 든 치료 방법이 선량 제한치 v40이 10%를 넘지 않았고, 선량 분석를 위하여 최대선량으로 비교 해 본 결과, 2문 plain- IMPT가 광자선 IMRT 및 4문, 7문 plain-IMPT보다 대퇴골
두부의 최대 선량이 가장 높았다.
고안 및 결론
광자선 IMRT 및 IMPT는 치료 시 환자의 자세를 일정하게 Fig. 3. The comparisions of dose volume histogram of PTV and organ at risk for 7B IMRT, 2B, 4B, 7B plain-IMPT and 2B, 4B, 7B robust-IMPT. (A) 7B IMRT & 2B plain-IMPT & 2B robust-IMPT, (B) 7B IMRT & 4B plain-IMPT & 4B robust-IMPT, (C) 7B IMRT & 4B plain-IMPT & 4B robust-IMPT.
Fig. 4. The comparisions of dose volume histogram of PTV and organ at risk (A) 2B, 4B, 7B plain-IMPT (B) 2B, 4B, 7B robust-IMPT.
Fig. 5. The result of Dose differences: Plain IMPT minus robust IMPT. (A) 2B plain-IMPT minus 2B robust-IMPT, (B) 4B plain- IMPT minus 4B robust-IMPT, (C) 7B plain-IMPT minus 7B robust-IMPT.
고정함과 동시에 종양의 위치를 항상 일정하게 유지하는 것 이 중요하다.8) 특히, IMPT의 경우, 유효 비정의 오차와 환자 자세 재현성의 오차에 따라 치료 계획 시 선량과 실제 치료 시 환자에게 전달되는 선량의 오차가 크게 발생할 수 있다 (Fig. 5).9) 이에 본 연구에서는 전립선암에 있어 plain- IMPT 가 광자선 IMRT보다 어떠한 선량학적 특성을 보이는 지 비 교 해 봄과 동시에 plain-IMPT에서 유효 비정과 환자 자세 오차를 적용한 robust-IMPT로 재계산하여 광자선 IMRT와 비교하였다. 그 결과, plain-IMPT는 광자선 IMRT와 비교하 여 표적 및 정상장기 대부분에서 우수한 선량 분포를 보였 다. 또한, robust-IMPT는 plain-IMPT와 비교하여 표적에 비 해 주변 정상장기의 선량 변동이 크게 관찰 되었는데, 특히, 가스 풍선으로 채워 진 직장 벽에서는 robust-IMPT를 적용 한 결과, 그 값의 증가나 감소율이 높았다. 이는 plain- IMPT 에서 robust-IMPT를 감한 선량 차이를 보여주는 Fig. 4에서 자 세히 확인할 수 있으며, 거의 대향 2문으로 plain- IMPT를 적 용한 경우, 표적과 가스 풍선의 경계 부위, 대퇴골 두부 등에 서 분명한 선량 차이가 발생함을 알 수 있었다. 이로서 양성 자선의 방향이 유효 비정에 영향을 주는 밀도차가 큰 부분을
지날 때 선량의 변동이 생기는 것을 알 수 있었고, 양성자선 의 수가 증가 할수록 이러한 효과가 감소하는 것을 알 수 있 었다. 그러나 이와 반면에 표적의 선량 분포는 robust-IMPT 적용 시 plain-IMPT에 비하여 그 변화량은 최대선량 및 최소 선량이 3% 이내로 정상 장기에 비하여 크지 않았다.
따라서, 유효 비정과 환자 자세 재현성의 오차를 감안하더 라도 robust-IMPT는 광자선 IMRT보다 우수한 선량 분포 를 보였으며, 그것은 2문 robust-IMPT로도 충분히 만족함 을 보였다.
그러나 IMPT의 전립선암 적용 시, 전립선암 치료 시 내부 움직임을 최소화하기 위해 사용한 직장 가스 풍선에 대한 재 현성이 반드시 동반 되어야만 종양 및 정상 장기의 위치적 오차로 인한 선량이 차이가 줄어들 것이다. 또한, 본 연구에 서는 유효 비정의 오차를 ±5%, 환자 자세의 재현성 오차를 0.5 cm으로 적용 하였지만, 유효 비정 및 움직임의 오차 값 이 이보다 더 증가한다면, 실제 계획 시 선량과 치료 시 선량 차가 더 크게 발생할 수도 있을 것이다. 따라서, 정확한 유효 비정 오차값 계산과 환자 자세 재현성의 오차를 줄이는 노력 을 동반한 robust-IMPT 계산이 동반되어야만 보다 정확한
IMPT를 적용할 수 있을 것으로 사료된다.
참고문헌
1. Koehler, AM, Schneider RJ, Sisterson JM: Range modu- lators for proton and heavy ions. Med Phys 1975;31:437-440 2. Francesca AB, Gaignat SG, Boddhard MB, et al.: Planning
and optimizing treatment plans for actively scanned proton therapy. Med Phys 2009;56:4399-4413
3. Register SP, Zhang X, Mohan R, et al.: Proton stereotactic body radiation therapy for clinically challenging cases of centrally and superiorly located stage I non-small-cell lung cancer. Int J Radiat Oncol Biol Phys 2010;80:1015-1022 4. Zhang XD, Li YP, Pan XN, et al.: Intensity-modulated pro-
ton therapy reduces the dose to normal tissue compared with intensity-modulated radiation therapy or passive scattering proton therapy and enables individualized radical raditherapy for extensive stage IIIB non-small-cell lung cancer: A vir- tual clinical study. Int J Radiat Oncol Biol Phys 2010;77:
357-366
5. Liu W, Zhang X, Li Y, Mohan R: Robust optimization of intensity modulated proton therapy. Med Phys 2012;39:
1079-1091
6. Stuschkea M, Kaiserb BA, Pöttgen C, et al.: Potentials of robust intensity modulated scanning proton plans for locally advanced lung cancer in comparison to intensity modulated photon plans. Int J Radiat Oncol Biol Phys 2012;22560714 7. Colleen A, Lawton F, Michalski J, EL-NAQA I: RTOG GU
Radiation Oncology specialists reach consensus on pelvic lymph node volumes for high-risk prostate cancer. Int J Radiat Oncol Biol Phys 2009;74:383-387
8. Trifimov A, Nguyen PL, Coen JJ, et al.: Radiation therapy treatment of early-stage prostate cancer with IMRT and pro- tons: A treatment planning comparision. Int J Radiat Oncol Biol Phys 2007;69:444-453
9. Yupeng Li, Xiaodong Z, Radhe M: An efficient dose calcu- lation strategy for intensity modulated proton therapy. Phys Med Biol 2011;N71-N84
Abstract
Robust Planning of Intensity-modulated Proton Therapy for Prostate Cancer
Su Yeon Park, Jong Sik Kim, Ju Young Park, Won Park, Sang Gyu Ju Department of Radiation Oncology, Samsung Medical Center, Seoul, Korea
Purpose: The aim of this study is to evaluate the dosimetric properties of robust planning strategy for plain intensity-modulated proton therapy (IMPT) taking into account of the uncertainties of effective proton range and set up error as compared to photon intensity-modulated radiation therapy (photon-IMRT) in prostate cancer treatment.
Materials and Methods: The photon-IMRT (7 beams, step & shoot), plain-IMPT (2, 4, and 7 portals), and robust- IMPT plans, which was recalculated the plain-IMPT based on the uncertainties of range error (±5%) and set up error (0.5 cm), were evaluated for five prostate cancer patients prescribed by 70 Gy/35 fractions. To quantitatively evaluate the dose distributions, several parameters such as maximum dose, minimum dose, mean dose, conformity index (CI), and homogeneity index (HI) for PTV as well as dose-volume index of VxGy for OARs were calculated from dose-volume histograms.
Results: Robust-IMPT showed superior dose distributios in the PTV and OARs as compared to plain-IMPT and photon-IMRT. Like plain-IMPT, robust-IMPT were resulted in dose fluctuation around OARs, while better homoge- neity and conformity in PTVs and lower mean dose in OARs as compared to photon-IMRT.
Conclusion: In consideration with the effective range correction and set up movement using robustness in IMPT plan, the dosimetric uncertainties from plain-IMPT could substantially reduce and suggest more effective solutions than photon-IMRT in prostate cancer treatment.
Key words: prostate cancer, robust-IMPT, effective proton range, set up error
