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Strategy of Respiratory Gated Radiation Therapy for Lung Cancer Patient in Stereotactic Radiosurgery: Phantom Study
Purpose: We propose the measurement method of tumor movement for respiratory gated therapy in lung cancer patient for stereotactic radiosurgery, contouring method of tumor for radiation treatment planning using measured tumor movement. And through phantom study, we ascertain that the tumor movement is properly reflected in determination of PTV, and the tumor is properly and safely treated in full respiration phases and respiratory gated therapy. Materials and Methods: Lung cancer phantom and 1-dimensional moving phantom were made to evaluate respiratory gated radiation therapy for lung SRS. 4D CT scan was performed using these phantoms and 10 sets of CT images and post-processed MIP (Maximum Intensity Projection) images were used to measure the tumor movement. The measured tumor movement in 4D CT images and MIP images were compared. Also, during radiation exposure in full respiration phases and respiratory gated phases, tumor movement included in radiation exposure was measured using EPID image and compared with measured data in 4D CT images and MIP images. Results:
The tumor movement measured in full respiration phases was 28.8mm and 29.1 mm in 4D CT images and MIP images respectively, and in respiratory gated phases, 30∼70% phases, was 12 mm and 12.2 mm respectively. The tumor contoured in each phase images and MIP images was well agreed in full respiration phases and respiratory gated phases. The tumor movement included in radiation exposure was 29.3 mm and 8.4 mm in full respiration phases and respiratory gated phases respectively. Conclusion: The tumor movement measured in 4D CT images and MIP images was well agreed, so we propose to use of MIP image for contouring of tumor in full respiration phases and respiratory gated phases. In full respiration radiation treatment and respiratory gated radiation therapy, the tumor movement included in radiation exposure was well agreed with measured tumor movement in 4D CT images or MIP images, so we ascertain though this phantom study we can exactly treat the tumor including tumor movement. In respiratory gated radiation therapy, the tumor movement included in radiation exposure was about 30% smaller than measured tumor movement in 4D CT images or MIP images, so we ascertain that we can safely treat the tumor including tumor movement in current provided technique. (J Lung Cancer 2007;6(1):29 34) Key Words: Respiratory gated radiation therapy, Tumor movement, Lung cancer,
Stereotactic Radiosurgery
Sung Ho Park, Ph.D.
Si Yeol Song, M.D.
Eun Kyung Choi, M.D.
Seung Do Ahn, M.D.
Sang-wook Lee, M.D.
Seong Soo Shin, M.D. and Jong Hoon Kim, M.D.
Department of Radiation Oncology, Asan Medical Center, College of Med- icine, University of Ulsan, Seoul, Korea
Received: June 7, 2007 Accepted: June 19, 2007
Address for correspondence Eun Kyung Choi, M.D.
Department of Radiation Oncology, Asan Medical Center, College of Med- icine, University of Ulsan, 388-1, Pungnap 2-dong, Songpa-gu, Seoul 138-736, Korea
Tel: 82-2-3010-4432 Fax: 82-2-486-7258
E-mail: [email protected]
This study was supported by a grant-07-429 from the Asan Institute for Life Sciences, Seoul, Korea
서 론
방사선 치료 중 호흡 등에 의한 종양의 움직임은 ICRU 보고서 62(1)에 정의된 ITV (Internal Target Volume)의 개념 으로 설명 가능하며, ITV는 치료하고자 하는 종양의 개념
인 CTV (Clinical Target Volume)에 종양의 움직임인 Internal Margin을 고려한 개념으로 전통적으로 PTV (Planning Tar- get Volume)를 정의할 때 고려되어 왔었다(2). 정위적방사선 수술 등과 같이 일회에 10∼20 Gy의 큰 방사선량을 치료하 고자 할 때 종양의 움직임이 2∼3 cm 가량으로 크게 되면
Fig. 1. CT image of lung cancer patient. CT number of lung is larger than surrounding lung density.
Fig. 2. CT image of manufactured lung cancer phantom. It was seen that CT density of the tumor is larger than surrounding tissue.
치료체적이 커지게 되며 치료체적 내에 포함되는 정상조직 은 불필요하게 큰 방사선량을 받게 된다. 폐암 치료의 경우 방사선폐렴확률을 불필요하게 증가시키게 된다. 이 문제를 해결하는 방법은 환자의 호흡을 멈추고 치료하는 등 종양 의 움직임을 제한하거나(3,4) 종양의 움직임이 특정부분에 위치했을 때 치료함으로써 종양의 움직임을 제한하는 효과 를 얻는 방법이 있다(5,6).
이 연구는 종양의 움직임이 특정 부분에 위치했을 때 치 료하는 방법인 호흡동기방사선치료(Respiratory Gated Radi- ation Therapy) 시 종양의 움직임을 측정하는 방법과 측정된 종양의 움직임을 PTV 결정 시 적용하기 위한 방법을 제안 하며, 제안된 방법으로 PTV를 결정 했을때 종양의 움직임 을 적절하게 반영하는지, 방사선 치료 시 제안된 방법으로 결정된 PTV가 충분히 치료되는 지를 폐암 팬텀 연구를 통 해 확인하였다.
대상 및 방법
폐암 환자를 모사하기 위해 폐암 팬텀을 제작하였다. 폐 암의 경우 Fig. 1에서 볼 수 있듯이 종양이 주변 조직보다 hyperdense한 특징을 가지고 있다. 폐암 팬텀은 이러한 특징 을 반영하여 종양이 주변물질보다 밀도가 큰 물질로 제작 하였다. 종양부분은 직경 3 cm, 두께 3 cm이며 밀도가 1.19 g/cm3인 Acrylic로 제작했으며, 인체팬텀은 직경 20 cm, 두 께 10 cm이며 밀도가 0.97 g/cm3인 Polystyrene으로 제작하 였다(Fig. 2).
종양의 움직임을 재현하기 위해 일차원 움직임 팬텀을
제작하였다. 이 팬텀은 AC 220V에서 작동하는 AC 모터를 사용하였으며, 모터의 축에 1 cm, 2 cm, 3 cm의 움직임을 가지도록 크랭크를 제작하였으며, 회전속도는 15 rpm으로 4초의 호흡주기를 모사하도록 제작하였다. 폐암 팬텀을 일 차원 움직임 팬텀에 올려놓고 4차원 CT를 촬영하였다.
본 원에서 소유하고 있는 4차원 CT는 Lightspeed RT (GE Healthcare, USA) 모델이다. 이 모델은 1바퀴 스캔에 1초가 소요되며, bore 크기가 80 cm인 4 slice 장비이다. 4차원 CT 는 CT 촬영 위치에서 호흡주기(일반적으로 3∼5초 사이)동 안 10장의 CT 영상을 얻게 되고, 다음 촬영 위치로 옮긴 뒤 또 다른 10장의 CT 영상을 얻게 된다. 호흡신호를 획득 하기 위한 장비는 RPM (Real-time Position Management System, Varian, USA)을 사용했는데 이 장비는 움직이는 물 체위에 놓인 적외선 반사체에서 반사된 신호를 CCD 카메 라로 획득하여 움직임에 대한 정보를 기록하게 된다.
4차원 CT 장비에서 획득된 10장의 CT 영상과 호흡정보 는 4차원 CT 분석이 가능한 시스템으로 전송되며, 본 원에 서는 Advantage 4D (GE Healthcare, USA) 소프트웨어를 사 용해 종양의 움직임을 분석하였다. 종양의 움직임은 전체 호흡 주기인 0∼90%와 호흡동기방사선치료로 통상 사용되 는 30∼70% 호흡주기에서 측정하였다. 또한 전체 호흡주기 에서 Maximum Intensity Projection 방법으로 후처리한 영상 (MIP_100%)과 호흡동기방사선치료를 위해 후처리한 영상 (MIP_Gating)을 치료계획에 사용하기 위해 생성하였다.
치료계획시 종양의 움직임을 적절하게 반영하는지 평가 하기 위해 치료계획장치인 Eclipse (Varian, USA)로 10쌍의 CT 영상과 후처리한 2쌍의 영상(MIP_100%, MIP_Gating)을
Fig. 3. Tumor movement during full respiratory phases measured in 4D CT images.
Fig. 4. Tumor movement during respiratory gated phases (30∼
70%) measured in 4D CT images.
Fig. 5. Tumor movement during (A) full respiratory phases and (B) respiratory gated phases (30∼
70%) measured in MIP images.
전송했다. 먼저 4차원 CT에서 획득된 10쌍의 CT에 각각 종 양을 그렸으며, 치료계획에 사용하기 위한 MIP 영상에 종 양을 그려 두 가지 방법으로 그린 종양을 비교하였다.
4차원 CT 영상에서 측정한 종양의 움직임과 MIP 영상에 서 측정된 종양의 움직임을 실제 방사선 치료시 조사된 종 양의 움직임과 비교하기 위해 치료기에 폐암팬텀을 장착한
Fig. 6. Tumor contoured in (A) CT images for every phase (thick solid for 0%, dotted line for 30%, solid line for 50%), (B) CT images for respiratory gated phases (dotted line for 30%, solid line for 50%) is well encompassed tumor shown in MIP image.
Fig. 7. Tumor included during radiation treatment for (A) full res- piration phases and (B) respiratory gated phases (30∼70%) measured in EPID image.
일차원 움직임 팬텀을 이용하여 팬텀을 움직이면서 치료기 빔을 전체 호흡주기와 30∼70% 호흡주기에서 조사하였다.
이 때 치료기에 부착된 EPID (Electric Portal Image Device) 에 투시된 영상을 분석하여 치료 중에 포함되는 종양의 움 직임을 측정하였다.
결 과
4차원 CT에서 측정된 종양의 움직임은 전체 호흡 주기에 서는 Fig. 3에서 보듯이 28.8 mm로 측정되었고, 호흡동기방 사선 치료를 위한 30∼70% 호흡주기에서는 Fig. 4에서 보 듯이 12 mm로 측정되었다.
치료계획에 사용하기 위해 후처리한 MIP 영상에서 측정 된 종양의 움직임은 Fig. 5에서 보듯이 29.1 mm와 호흡동기 방사선 치료를 위한 30∼70% 호흡주기에서는 12.2 mm로
측정되었다.
치료계획시스템인 Eclipse에 10쌍의 CT를 전송해 각각의 phase 영상에 그린 종양들이 Fig. 6에서 보듯이 MIP 기법으 로 처리된 영상상의 종양과 잘 일치하고 있으며, 호흡동기 방사선치료를 위한 30∼70% Phase 영상에 그린 종양들이 MIP 기법으로 처리된 영상상의 종양과 잘 일치하고 있다.
즉, 치료에 필요한 phase의 영상에 각각 종양을 그리는 것과 MIP 기법으로 처리된 영상위에 종양을 그리는 것은 동일한 종양을 그릴 수 있음을 알 수 있다.
폐암팬텀을 일차원 움직임 팬텀에 올려놓고 방사선을 전 체호흡주기와 30∼70% 호흡주기에서 각각 조사하였다. Fig.
7에 보이는 영상은 치료기에 장착된 EPID에 찍힌 영상인데 이 영상은 팬텀이 움직이는 동안 치료범위에 포함되는 종 양의 움직임을 의미하며 전체 호흡주기에서는 29.3 mm의 움직임이 치료범위에 포함되었으며, 30∼70%의 호흡주기
Fig. 8. Tumor movement measured in 4D CT images, MIP image and EPID image for full respiration phases and respiratory gated phases (30∼70%).
에서는 8.4 mm의 움직임이 치료범위에 포함되었다.
고찰 및 결론
일차원 움직임 팬텀에 장착한 폐암 팬텀의 움직임을 측 정하여 Fig. 8에 정리하였다. 전체 호흡주기에서는 4차원 CT에서는 28.8 mm, MIP_100% image에서는 29.1 mm로 측 정되었으며 호흡동기방사선치료를 위한 30∼70%의 호흡 주기에서는 4차원 CT에서는 12 mm, MIP_Gating image에서 는 12.2 mm로 측정되어 잘 일치하고 있음을 알 수 있다.
즉, 두 가지 기법 중 어느 기법을 사용해도 동일한 종양 움 직임을 측정하는 것이 가능하다.
치료계획을 수립하기 위해 종양을 그릴 때에는 종양의 움직임이 정확하게 포함되어 있는 MIP 기법으로 처리된 영 상을 이용할 것을 제안한다. 다만 종양이 횡경막 부근에 위 치해 MIP 기법으로 처리했을 경우 종양과 횡경막이 부착되 어 있는 것처럼 영상처리가 될 경우 주의가 필요하며, 이 같은 경우에는 10쌍의 CT 영상위에 각각 그리는 방법이 적 용되어야 할 것이다.
4차원 CT 또는 MIP_100% 영상에서 측정된 종양의 움직 임과 방사선 조사시 조사 범위에 포함된 종양의 움직임은 전체 호흡주기에서는 28.8 mm, 29.1 mm, 29.3 mm로 잘 일 치하고 있어 현재의 기술로도 충분히 정확한 측정에 의한 종양 치료가 가능하다고 판단된다. 그러나 호흡동기방사선 치료의 경우 30∼70%의 phase에 조사한 조사범위에 포함된 종양의 움직임이 8.4 mm로 4차원 CT 및 MIP_Gating 영상에 서 측정된 12 mm, 12.2 mm에 비하여 약 30% 가량 적게 측 정되었다. 현재의 치료 기술만을 평가한다면 호흡동기방사
선치료를 위한 30∼70% 호흡주기에서 MIP 영상에서 더해 진 종양의 움직임이 실제 치료시 조사 범위에 포함되는 종 양의 움직임 보다 크게 측정되기 때문에 30% 가량의 safety margin이 포함되어 있는 것으로 생각할 수 있어 호흡동기방 사선치료가 종양의 움직임을 충분히 고려하면서 치료 가능 함을 알 수 있다.
치료시 방사선 조사부분에 포함된 종양의 움직임이 4차 원 CT나 MIP 영상에서 측정된 움직임보다 적게 측정되어 30% 가량의 정상조직 save가 가능할 것으로 예측된다. 이 기법은 4차원 영상 처리 소프트웨에서 영상 분석에 필요한 phase 영상을 처리할 때 0%, 10% 등 정확하게 그 phase 에 해당하는 영상을 내삽하여 제공하는 기술(7)을 적용하거나, 촬영된 영상 중 가장 선명한 50% 영상을 deformation 방법 으로 재구성하여 만들어진 phase 영상을 이용하게 되면(8) 4D CT에서 보다 정확한 움직임 측정이 가능할 것으로 생각 된다.
방사선 치료시 margin에 대한 개념은 치료간 margin (inter- fractional margin)과 치료중 margin (intra-fractional margin)으 로 분리해서 설명 가능한데 이 논문에서는 치료중 margin인 종양의 움직임에 국한하여 연구하였다. 방사선 치료시 종 양의 움직임은 치료의 목적을 달성하기 위해 측정되어야 하며 치료시 고려되어야 하는 중요한 물리적 인자중 하나 이다. 종양의 움직임은 population averaged margin의 개념으 로 통계치의 95%를 cover하는 margin을 적용함으로써 처방 선량이 95%의 경우에 종양의 움직임을 포함하도록, 다시 말해 5%의 경우에는 target을 miss 할 가능성이 있는 개념이 었다(9). 최근 치료 기법이 고급화 되고 여유마진이 tight 해 지면서 통계치 개념에 의거한 margin 설정보다는 환자 개개 인의 움직임을 적용하는 것이 중요하게 되었다. 방사선 치 료에서도 소위 맞춤 치료(10∼12)가 도입되기 시작한 것이 다. 맞춤 치료의 첫 단계는 종양의 움직임을 측정하는 것이 다. 맞춤 치료가 소개되고 있지만 두경부처럼 종양의 움직 임이 적은 부위의 경우 종양의 움직임을 측정하는 것은 의 미가 없고 치료간 움직임을 분석하는 것이 의미가 있다 (13). 다만 폐암이나 간암 등 종양 주변의 정상장기를 PTV 에서 배제시키는 것이 치료 후 부작용을 줄이는 중요한 인 자로 작용하는 경우에는 종양의 움직임을 정확하게 측정하 는 것과 측정된 움직임을 치료계획에 정확하게 반영하는 것이 중요하다(14,15). 더구나 호흡동기방사선치료 기법이 가능해지면서 종양의 움직임을 소프트웨어적으로 제어 가 능하게 되면서 종양주변의 정상장기를 최대한 save 하는 것 이 기술적으로 가능하게 되었으며 본 연구에서 평가한 바 로는 현재 기술로는 30% 가량의 safety margin을 가지고 안
전하게 치료할 수 있다고 판단된다.
REFERENCES
1. ICRU Report 62. Prescribing, Recording, and Reporting Photon Beam Therapy (Supplement to ICRU Report 50), International Commission on Radiation Units and Measurements, Bethesda, MD (1999).
2. ICRU Report 50. Prescribing, Recording, and Reporting Photon Beam Therapy, International Commission on Radiation Units and Measurements, Bethesda, MD (1993).
3. McNair HA, Panakis N, Evans P, et al. Active Breathing Control (ABC) in Radical Radiotherapy of Non-small Cell Lung Cancer (NSCLC). Clin Oncol (R Coll Radiol) 2007;19:
S39.
4. Ko YE, Ahn SD, Yi BY, et al. Effectiveness of breath hold with a ABC for SRS of lung cancer. J Lung Cancer 2005;
4:42-47.
5. D'Souza WD, Nazareth DP, Zhang B, et al. The use of gated and 4D CT imaging in planning for stereotactic body radiation therapy. Med Dosim 2007;32:92-101.
6. Wurm RE, Gum F, Erbel S, et al. Image guided respiratory gated hypofractionated stereotactic body radiation therapy (H-SBRT) for liver and lung tumors: initial experience. Acta Oncol 2006;45:881-889.
7. Schreibmann E, Chen GT, Xing L. Image interpolation in 4D CT using a BSpline deformable registration model. Int J Radiat Oncol Biol Phys 2006;64:1537-1550.
8. Shekhar R, Lei P, Castro-Pareja CR, et al. Automatic seg- mentation of phase-correlated CT scans through nonrigid image registration using geometrically regularized free-form deformation. Med Phys 2007;34:3054-3066.
9. van Herk M, Remeijer P, Rasch C, et al. The probability of correct target dosage: dose-population histograms for deriving treatment margins in radiotherapy. Int J Radiat Oncol Biol Phys 2000;47:1121-1135.
10. Jin L, Wang L, Li J, et al. Investigation of optimal beam margins for stereotactic radiotherapy of lung-cancer using Monte Carlo dose calculations. Phys Med Biol 2007;52:
3549-3561.
11. Gordon JJ, Siebers JV. Convolution method and CTV-to-PTV margins for finite fractions and small systematic errors. Phys Med Biol 2007;52:1967-1990.
12. Jin JY, Ajlouni M, Chen Q, et al. A technique of using gated-CT images to determine internal target volume (ITV) for fractionated stereotactic lung radiotherapy. Radiother Oncol 2006;78:177-184.
13. Li XA, Qi XS, Pitterle M, et al. Interfractional variations in patient setup and anatomic change assessed by daily computed tomography. Int J Radiat Oncol Biol Phys 2007;68:581-591.
14. Nelson C, Starkschall G, Balter P, et al. Assessment of lung tumor motion and setup uncertainties using implanted fiducials. Int J Radiat Oncol Biol Phys 2007;67:915-923.
15. Fox T, Simon EL, Elder E, et al. Free breathing gated delivery (FBGD) of lung radiation therapy: analysis of factors affecting clinical patient throughput. Lung Cancer 2007;56:69-75.
