이 논문은 2013년 2월 18일 접수하여 2013년 3월 10일 채택되었음.
책임저자：박병석, 삼성서울병원 방사선종양학과 Tel: 02)3410-2593, Fax: 02)3410-2619 E-mail: [email protected]
10 MV 이상 고에너지 치료 시 발생되는 광중성자의 영향
삼성서울병원 방사선종양학과
박병석ㆍ안종호ㆍ권동열ㆍ서정민ㆍ송기원
목 적: 10 MV 이상 고에너지 방사선 치료 시 광핵반응을 통해 광중성자가 발생된다. 광중성자는 방사선하중계수가 X선 보다 커 작은 선량에도 인체에 미치는 영향이 크므로 정확한 선량계산 및 고려가 필요하다. 이에 광자선 에너지 크기와 치료방법 에 따른 광중성자의 선량변화를 공간적인 측면에서 비교 분석하였다.
대상 및 방법: 광자선의 에너지 크기에 따른 광중성자의 선량 변화를 측정하고자 동일한 치료부위의 환자를 대상으로 치료 계획을 10 MV와 15 MV conventional plan으로 각각 만들었다. 그리고 치료방법에 따른 차이에 대해 측정하고자 10 MV conventional plan과 10 MV IMRT plan을 각각 만들었다. 검출기의 위치는 광자선원으로부터 isocenter까지의 거리를 100 cm으 로 정한 기준점을 3He비례계수기의 중심점에 위치시키고 광중성자 선량을 측정하였다. 또한 중심점을 기준으로 couch의 longitudinal 방향으로 상방, 하방 50 cm 방향으로 각각 3He비례계수기를 위치시켜 위치변화에 따른 선량변화를 측정하여 상 용프로그램을 이용하여 분석하였다.
결 과: 에너지 크기에 따른 광중성자의 평균 누적선량은 10 MV, 15 MV conventional RT시 각각 220.27 μSv, 526.61 μSv로 15 MV conventional RT가 평균 2.39배의 선량이 증가하였다. 동일한 에너지의 conventional RT와 IMRT의 광중성자의 평균 누 적선량은 Conventional RT, IMRT 시 각각 220.27 μSv, 308.27 μSv로 IMRT가 1.40배의 선량이 증가하였다. 측정위치에 따른 광중성자의 누적선량은 Conventional RT시 point 2가 3보다 10 MV에서는 약 7.1%, 15 MV에서는 3.0%로 유의하게 높게 측정 되었다.
결 론: 고에너지 방사선 치료 시 광중성자에 의한 불필요한 선량을 줄이기 위해 에너지의 선택, 치료 방법의 결정 및 환자의 position을 고려해야 할 것이다. 또한 광중성자의 선량 데이터를 체계화하여 전산화계획 프로그램에 적용되는 방안을 모색하 여야 할 것이다. 이는 환자에게 불필요한 선량을 최소화하고 방사선 치료로 인한 2차 암 발생확률과 부작용을 감소시킬 수 있을 것으로 사료된다.
핵심용어: 광중성자, 3He비례계수기, 세기변조방사선치료
서 론
방사선 치료의 목적은 방사선을 종양조직에 처방 선량을 정확히 투여하여 종양조직을 괴사 시키고 주위의 정상조직 에는 최소한의 선량이 들어가도록 최적화된 치료방법을 수 립하여 정상조직의 부작용을 최소화 시키는 것이다. 일반적 으로 10 MV 이상 고에너지 방사선 치료 시 광핵반응(photo- nuclear reaction)을 통해 광중성자(Photoneutron)가 발생되어 진다고 알려져 있다.1-4) 1886년 미국 의학물리 학회(Americ- an Association of Physicist in Medicine, AAPM)의 보고서 19 번에서는 고에너지 X-ray 주변에서 광중성자 측정에 대한 표준안을 제시하고 있다.5) 또한 Italy 연구그룹의 가속기의
구성물질의 따른 광중성자 선량을 계산한 결과, 75% 이상이 높은 원자번호의 물질로 구성되어 있는 1차 콜리메이터와 jaw 그리고 MLC (Multi Leaf Collimator)와 상호작용하여 발 생된다고 알려져 있다.6-9) 특히 중성자선은 방사선 하중계수 (Wr)가 X선 보다 커 작은 선량에도 인체에 미치는 영향이 크므로 정확한 선량계산 및 고려가 필요하다.
이에 본 연구에서는 방사선 치료 시 고에너지를 주로 사용 하는 전립선암 환자를 대상으로 여러 방법의 치료계획을 수 립하여 에너지의 변화에 따른 광중성자의 선량을 비교 측정 하고 convention RT와 IMRT (Intensity Modulated Radiation Therapy)의 발생되는 광중성자 선량을 비교 측정하였다. 이 를 바탕으로 에너지 크기와 치료방법에 따른 광중성자의 선 량변화를 공간적인 측면에서 비교 분석하였다.
Fig. 1. (A) LINAC (Primus, Siemens, GERMANY), (B) LINAC (Novalis Tx, Varian, USA).
Fig. 2. Neutron detector (FHT 762 Wendi-2, Thermo scientific,
USA).대상 및 방법 1. 실험 재료
본 연구에서 사용된 방사선 치료용 선형가속기는 10 MV 에너지에는 LINAC (Novalis Tx, Varian, USA)을 사용하였고 (Fig. 1A), 15 MV 에너지에는 LINAC (Primus, Siemens, Germany)를 사용하였다(Fig. 1B).
중성자측정용 계측기로는 3He비례계수기(FHT 762 Wendi- 2 Neutron Detector, Thermo scientific, USA)를 사용하였다 (Fig. 2). 사용된 계측기의 측정범위는 1 μSv∼100 mSv/h이 며 판독오차는 137Cs (E=662 KeV)에서 평균 5% 이하이다.
감마선에 대한 반응도(Gamma sensitivity)는 662 KeV에서 100 mSv/h 당 1∼5 μSv/h (0.01% 이하)이다. 또한 사용된 계측기는 2012년 4월 17일 국가측정대표기관인 한국표준과 학연구원으로부터 소급성이 유지된 교정용 선원을 사용하여
교정하였으며 교정인자는 1.0으로 교정되었다. 3He비례계수 기는 주로 열중성자 측정에 사용되며 충전가스로 3He가 사 용되고 있다. 중성자는 3He와 핵반응에 의하여 573 KeV의 양성자와 191 KeV의 삼중수소로 반환되어 비례계수기로 계 측이 되며 다음과 같은 핵반응에 의해 하전입자로 변환된 다.10)
3He+n→p+3H+765 KeV
2. 실험 방법
1) 에너지의 크기에 따른 광중성자 측정
에너지의 크기에 따른 광중성자의 선량 변화를 알아보고 자 전립선 방사선 치료를 받는 동일한 환자를 대상으로 전산 화 치료계획 software (Pinnacle 9.2, Philips, USA)을 이용하 여 본원의 프로토콜을 기준으로 CTV (Clinical Target Volu- me)의 처방선량(prescription dose)을 각 fraction 당 2.5 Gy를 기준으로 동일한 치료계획을 10 MV와 15 MV conventional plan으로 각각 만들었다. Conventional RT plan은 4문의 조사 방법으로 겐트리의 각도는 45o, 90o, 345o, 270o를 사용하였고 표적체적의 선량을 균일하게 하고 선량 정규화(normalizatio- n)는 처방선량(prescription dose)에 최소 80% 이상이 CTV에 포함되도록 치료계획을 수립하였다(Fig. 3A, B).
2) 치료방법 차이에 따른 광중성자 측정
치료방법의 차이에 따른 광중성자의 선량 변화를 알아보 고자 위의 실험방법과 동일한 환자를 대상으로 10 MV con- ventional plan과 IMRT plan을 각각 만들었다. Conventional RT plan은 위의 실험방법과 동일하게 치료계획을 만들었다.
IMRT plan은 7문 조사방법으로 겐트리의 각도는 100o, 65o, 35o, 0o, 320o, 290o, 260o를 사용하였고 표적체적에는 균일한
Fig. 3. (A) 15 MV conventional RT, (B) 10 MV conventional RT, (C) 10 MV IMRT.
Fig. 4. (A) Center (point 1), (B) Longitudianl +50 cm (point 2), (C) Longitudial －50 cm (point 3).
선량이 조사되면서 정상조직의 들어가는 선량이 최소화 되 도록 역방향치료계획(inverse treatment plan)을 시행하고 처 방선량에 최소 95% 이상이 PTV (Treatment Target Volume) 에 포함되도록 치료계획을 수립하였다(Fig. 3C). IMRT plan 은 step-and-shoot방법으로 치료계획을 만들었다.
3) 측정위치에 따른 광중성자 측정
위치변화에 따른 광중성자의 선량 변화를 알아보고자 위 의 실험방법과 동일한 환자를 대상으로 검출기의 위치는 광 자선원으로부터 isocenter까지의 거리(SAD source-axis-dis- tance)를 100 cm으로 정한 기준점을 3He비례계수기의 중심 점에 위치시키고 광중성자 선량을 측정하였다(point 1)(Fig.
4A). 또한 중심점을 기준으로 couch의 longitudinal 방향으로 상방 50 cm과(point 2)(Fig. 4B) 하방 50 cm방향으로(point 3)(Fig. 4C) 각각 3He비례계수기를 위치시켜 위치변화에 따 른 선량변화를 측정하였다. 각 조건에서 10 MV conventional RT, 15 MV conventional RT, 10 MV IMRT로 각각의 위치에 서 광중성자 선량을 측정하였다.
동일한 조건에서 3명의 환자 치료계획을 이용하여 각 방법 으로 선량을 측정하였다. 또한 실험의 오차를 최소화하기 위 해 2회 반복 측정하여 분석하였다. 실험이 측정된 치료실의 온도는 22.5oC, 습도는 41%R.H.로 교정환경의 조건과 오차범
위 내에서 동일하였다. 측정 분석은 통계분석 프로그램(SPSS 20.0, IBM, USA)을 사용하였다. 변수를 환자 ID별로 구분하 여, 모수적 분석이 가능한지 알아보기 위하여 정규성 검정을 시행하여 3종류 변수를 제외하고 모두 Shapiro-Wilk test에서 P-value＞0.05로 정규성을 만족하여 모수적 분석법을 적용하 였다.
결 과
1. 에너지 크기에 따른 광중성자 누적선량 비교
에너지 크기에 따른 광중성자의 누적선량을 비교하기 위 하여 전립선암 방사선 치료를 시행하는 환자 3명을 대상으로 치료계획을 수립 후 10 MV와 15 MV의 에너지 사용 시 발 생되는 광중성자의 선량을 2회 반복 측정하였다(Table 1). 2 회 반복측정을 한 것에 대하여, 1회와 2회 때 값들의 차이를 검정을 하였고 결과는 모든 P-value＞0.05이므로 결론은 차 이가 없어 누적선량의 경우는 평균값을 분석에 이용하였다.10 MV 에너지 사용 시 평균 누적선량은 220.27 μSv, 15 MV 경우 526.61 μSv로 10 MV보다 15 MV 에너지를 사용 하였을 경우 평균 2.39배의 광중성자 선량이 증가함이 나타 났다. 광중성자 선량은 Point (측정지점)마다 차이의 정도가
Table 1. Neutron integral dose of energy difference (unit in
neutron dose equivalent (μSv))Measurement point
10 MV conventional RT
15 MV
conventional RT P-value 1 341.0±13.4 593.5±26.0 0.064
2 165.8±9.5 500.5±27.7 0.052
3 154.0±7.5 485.8±22.8 0.037
1: Neutron detector positioned on the ccentralaxis, 2: Neutron detector positioned on the central axis at 50 cm superior, 3:
Neutron detector positioned on the central axis at 50 cm inferior.
Table 2. Neutron integral dose of treatment methode difference
(unit in neutron dose equivalent (μSv))Measurement point
10 MV conventional RT
15 MV
conventional RT P-value 1 341.0±13.4 433.7±48.3 0.01
2 165.8±9.5 250.8±37.1 0.01
3 154.0±7.5 240.3±31.2 0.01
1: Neutron detector positioned on the ccentralaxis, 2: Neutron detector positioned on the central axis at 50 cm superior, 3:
Neutron detector positioned on the central axis at 50 cm inferior.
Table 3. Comparison of neutron integral dose in measurement
point 2 and 3 (unit in neutron dose equivalent (μSv))Method Measurement point 2
Measurement
point 3 P-value 10 MV
conventional RT
165.8±9.5 154.0±7.9 0.010
15 MV conventional RT
500.5±27.7 485.8±22.9 0.011
10 MV IMRT 250.83±37.1 240.3±31.2 0.047 Measurement point 2: Neutron detector positio ned on the central axis at 50 cm superior, Measurement point 3: Neutron detector positioned on the central axis at 50 cm inferior.
조금씩 다르지만 10 MV보다 15 MV 에너지를 사용하였을 경우가 point 1에서 1.74배, point 2에서 3.03배, point 3에서 3.16배 증가함이 나타났다.
2. 치료방법 차이에 따른 광중성자 누적선량 비교
치료방법 차이에 따른 광중성자의 누적선량을 비교하기 위하여 전립선암 방사선 치료를 시행하는 환자 3명을 대상으 로 conventional RT와 IMRT로 치료계획을 수립 후 광중성자 의 선량을 2회 반복 측정하였다(Table 2). Conventional RT의 평균 누적선량은 220.27 μSv, IMRT 경우 308.2 μSv로 con- ventional RT보다 IMRT 시 평균 1.40배의 광중성자 선량이 증감함이 나타났다. 또한 point (측정지점)에 따른 누적선량 의 차이는 point 1에서 1.27배, point 2에서 1.51배, point 3에 서 1.56배 증가함이 나타났다.3. 측정위치에 따른 광중성자 누적선량 비교
Point 2와 3의 위치는 point 1 (center)에서 longitudinal 방 향으로 각각 상방, 하방 50 cm 떨어진 위치로 치료 시 방사 선 조사면에 포함되지 않는 위치이다. 측정위치에 따른 광중 성자의 누적선량은 point 2가 point 3 보다 실험에 사용된 모
든 에너지와 치료방법에서 높게 측정되었다(Table 3). 특히 Conventional RT로 치료계획을 수립하였을 경우 10 MV에서 는 약 7.1%, 15 MV 에서는 3.0% 누적선량이 P-value가 0.05 이하로 유의하게 높게 측정되었다. 물론 IMRT에서도 point 2 가 point 3보다 선량은 높으나, 유의한 P-value는 주어지지 않았다.
고안 및 결론
본 연구에서는 치료 시 사용되는 에너지, 치료기법에 따라 발생되는 광중성자의 선량변화를 공간적인 측면에서 고찰하 였다.
방사선 치료 시 15 MV의 에너지의 경우 10 MV의 에너지 보다 약 2.39배의 광중성자 선량이 증가하는 결과를 나타내 었다. 또한 동일한 에너지를 사용하였을 경우는 IMRT의 치 료방법이 conventional RT의 치료방법보다 약 1.40배의 광중 성자 선량이 증가하는 결과를 나타내었다. 공간적인 측면에 서는 point 2와 point 3은 center에서 같은 거리 떨어져 있음 에도 conventional RT에서는 10 MV와 15 MV 모두에서 point 2가 point 3보다 유의하게 누적선량이 높은 것으로 나 타내었다. 그 원인으로는 point 2가 겐트리의 두부와 스탠드 부에 point 3 보다 더 가깝게 위치하여 광핵반응의 확률이 더 증가되었을 것으로 사료된다. Point 2와 point 3은 실제치료 시 치료부위가 아니라고 말할 수 있다. Conventional RT 시 에 피폭에 더 민감한 장기를 실험의 point 3 위치에 위치시킨 다면 광중성자에 의한 불필요한 피폭을 감소시킬 수 있을 것 이다.
방사선 치료 시 최적화된 선량분포를 만들기 위해 에너지 의 선택, 치료기법의 선택은 최적화된 방사선치료를 위해 가 장 우선이 되어야하지만 이로 인해 발생되는 광중성자의 영
향도 고려하여야 하는 중요한 인자임을 인식하고 치료계획 을 수립하여야 할 것이다. 특히 고에너지 방사선 치료 시 에 너지의 선택, 치료 방법의 결정 및 환자의 position을 고려해 야 할 것이다. 이를 통해 환자에게 불필요한 선량을 최소화 하고 방사선 치료로 인한 2차 암 발생확률과 부작용을 감소 시킬 수 있을 것이다.11-13) 또한 광중성자의 선량 데이터를 체 계화하여 전산화계획 프로그램에 적용되는 방안을 모색하여 야 할 것이다.
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Abstract
The Effect of Photoneutron Dose in High Energy Radiotherapy
Byoung Suk Park, Jong Ho Ahn, Dong Yeol Kwon, Jeong Min Seo, Ki Weon Song Department of Radiation Oncology, Samsung Medical Center, Seoul, Korea
Purpose:
High-energy radiotherapy with 10 MV or higher develops photoneutron through photonuclear reaction.Photoneutron has higher radiation weighting factor than X-ray, thus low dose can greatly affect the human body. An accurate dosimetric calculation and consultation are needed. This study compared and analyzed the dose change of photoneutron in terms of space according to the size of photon beam energy and treatment methods.
Materials and Methods:
To measure the dose change of photoneutron by the size of photon beam energy, patients with the same therapy area were recruited and conventional plans with 10 MV and 15 MV were each made.To measure the difference between the two treatment methods, 10 MV conventional plan and 10 MV IMRT plan was made. A detector was placed at the point which was 100 cm away from the photon beam isocenter, which was placed in the center of 3He proportional counter, and the photoneutron dose was measured. 3He proportional counter was placed 50 cm longitudinally superior to and inferior to the couch with the central point as the standard to measure the dose change by position changes. A commercial program was used for dose change analysis.
