Evaluation of beam delivery accuracy for Small sized lung SBRT in low density lung tissue

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서 론

최근 세기변조 방사선치료(Intensity Modulated Ra- diation Therapy, IMRT), 용적변조회전 방사선치료 (Volumetric Modulated Arc Therapy, VMAT), 정위적 체부 방사선치료(Stereotactic Body Radiation Therapy, 이하 SBRT) 등 방사선 치료 기술이 점점 발전하고 있다.⁽¹⁾

책임저자: 오혜경, 서울대학교병원 서울특별시 종로구 대학로 101 Tel : 02) 2072-4941

E-mail : [email protected]

Small sized lung SBRT 치료시 폐 실질 조직에서의 계획선량 전달 정확성 평가

서울대학교병원 방사선종양학과 오혜경·손상준·박장필·이제희

목 적 : 본 연구에서는 lung SBRT가 적용되는 작은 계획 표적 용적(PTV)에 처방 선량이 정확히 전달되는지 실험을 통하여 알아보고자 한다. 치료계획 시스템에서 계산된 선량분포와 실험을 통하여 필름에 측정된 선량 분포를 비교 분석하여 정확성을 평가해보고, 폐 실질 조직 내에서 계획 표적 용적의 margin 유용성 평가를 하 고자 한다.

대상 및 방법 : CT 촬영으로 얻은 Rando phantom 3D 영상의 우측 폐에 직경 2, 3, 4, 5 cm인 가상의 구 표 적을 만들어 계획 표적 용적에 처방선량의 95 %가 전달될 수 있도록 6MV-FFF VMAT Arc 2개로 치료계획을 수립하였으며, Eclipse TPS와 동일한 위치에서 선량 비교하기 위해서, 필름을 가상 표적의 회전중심점에 횡 단면 방향으로 삽입하고 방사선을 조사하였다. Dose profile을 Eclipse에서 획득하고, 측정값과 계산값을 비 교하기 위해 Center point에서의 절대 선량값을 계산하였으며, off-axis 선량 분포를 얻어 RMSE, Coverage ratio 등 비교 인자를 통해 상대 선량 및 선량분포를 비교 분석하였다.

결 과 : 직경 2, 3, 4, 5 cm 크기별로 center point에서의 %difference 값은 직경 2 cm에서 -4.65 %로 가 장 차이가 큰 값을 보였고, 직경 5 cm일 때 -1.46 %로 가장 차이가 작은 값을 보였다. RMSE값은 직경 2 cm 일 때 3.43으로 가장 큰 값을 보였고. 직경 5 cm일 때 2.85로써 가장 작은 값을 보였다. 표적 커버리지를 비 교하기 위해 처방선량 95 %가 들어가는 용적의 길이(D95)를 구하였고, 직경 2 cm일 때, TPS와 필름에서 각 각 2.02 cm, 1.86 cm로 커버리지 비율이 92 %로 나타났고 가장 큰 차이를 보였다. 또한 계획 표적 용적 100

% 이내에 들어가는 평균선량(Dmean)을 비교했을 때, 직경 2 cm 인 경우 측정 평균선량이 95.72 %로 가장 낮 은 값을 보였다.

결 론 : 본 연구에서는 실험을 통하여 작은 계획 표적 용적에 처방 선량이 충분히 전달되는지 알아보았다. 실험 결과 모든 비교 인자에서 직경 2 cm인 용적이 가장 큰 차이를 보였다. 이는 표적 용적 중심에서의 선량 감소가 주요인이라 판단된다. 따라서 선량계산 시스템에서 저밀도 조직 내의 작은 용적 치료 계획시 2 mm 이상의 마 진(margin)을 더 두거나, 치료 계획 최적화(optimization)시 최대선량을 제한하지 않는 방법으로 표적 내 중심 선량을 높일 수 있을 것이라 사료된다.

▶ 핵심용어 : Lung SBRT, 계획표적용적(PTV), Acuros XB algorithm

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이 중 SBRT는 다른 방사선 치료와는 다르게 고선량, 저분 할 기법으로 높은 생물학적유효선량(Biological Effective Dose, BED)⁽²⁾을 적용할 수 있는 장점이 있다. 특히 폐암 환자의 경우에는 수술 고위험군, 노인, 원발성 종양에 효과 적으로 적용되며,⁽²⁾ 본원에서는 Lung SBRT를 위 기준에 부합하는 환자에게 적용하여 치료하고 있다.

Lung SBRT는 주로 5 cm 미만의 종양에 적용되며 최 소한의 계획 표적 용적(Planning Target Volume, PTV) 에 방사선을 조사할 수 있기 때문에 정상조직을 보호하며 종양에 최대선량을 전달할 수 있는 장점이 있다.⁽³⁾ 하지만 저밀도 조직으로 구성되어 있는 폐의 특성 때문에, lung SBRT 시 최소한의 계획 표적 용적을 설정하는 것은 고려 해보아야 할 점이다.

저밀도 조직에 선량 전달 시, 표적 주변으로 전자의 측면 산란 결핍(Lack of lateral scattering) 현상이 생겨 표적 커버리지를 감소시킨다(Fig. 1).⁽⁴⁾ 특히 SBRT와 같이 방사

선이 조사되는 조사야가 작은 범위에서는 하전 입자의 부 족으로 에너지의 선량 보강이 생겨야 할 지점에서 전자 평 형이 이루어지지 않아 선량 감소가 생기는데(Fig. 2), 이러 한 특성은 작은 조사야가 적용되고 저밀도 조직으로 구성 되어 있는 lung SBRT의 계획 표적 용적에 영향을 미치게 된다. 전달하고자 하는 선량보다 적은 선량이 조사되는 현 상(underdosing)을 초래하고,^(4-6) 표적 커버리지를 감소 시켜서 국소 종양 제어율을 5~7 % 정도로 낮출 뿐만 아니 라, 종양 치유 확률을 9 % 정도로 낮춘다.⁽⁷⁾

현재 치료계획시스템(Treatment planning system, 이 하 TPS)의 선량계산 알고리즘이 폐에서의 전자평형 불 균형 현상을 반영한 정확한 선량계산이라고 보기에는

어렵고,^(8,9) 치료계획을 임상에 적용하기 위해 시행하는

patient-specific QA(Quality assurance)에서 사용되 는 EPID(Electronic portal imaging device)와 Map- CHECK 등의 장비들은 모두 물 등가물질로 구성되어 있 다.⁽¹⁰⁾ 그로 인해 폐와 유사한 밀도를 가진 조직 내에서 계 획된 선량이 실제로 정확하게 전달되는지를 평가하기에는 한계점이 있다.

이에 본 연구에서는 lung SBRT가 적용되는 작은 계획 표적 용적에 처방 선량이 실제 폐 유사조직 내에서도 정확 하게 전달되는지 실험을 통하여 알아보고자 한다. TPS에 서 계산된 선량분포와 실험을 통하여 필름에 측정된 선량 분포를 비교 분석하여 정확성을 평가해보고, 폐 실질 조직 내에서 계획 표적 용적의 마진(margin) 유용성 평가를 하 고자 한다.

Fig. 1. Lateral scattering of electrons in low density lung tissue (Referenced by AAPM Meeting)

Fig. 2. Loss of charged particle equilibrium in small field

Broad photon field Narrow photon field

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대상 및 방법

1. 장비 및 재료

CT Simulator(Brilliant Big Bore CT Philips, USA) 를 통해 Humanoid phantom(Anderson Rando phantom)의 상부 안에 측정용 필름(Gafchromic EBT3 film, International Specialty Products, USA)을 위치시킨 후 단면(Slice) 두께 1.0 mm 간격으로 하여 3D 영상을 획득 후, Eclipse TPS(Ver.13.7, Varian, USA)에서 PO(Photon Optimizer)로 최적화, AXB(Acuros XB Algorithm) 알 고리즘 0.1 cm grid로 선량을 계산하였다. 모의 치료촬 영과 동일한 조건에서, True Beam STx(Varian Medi- cal Systems, USA) 선형가속기를 통해 6MV FFF X선

을 조사하여 선량분포를 획득하였고(Fig. 3), 측정용 필 름 분석을 위해서 RIT program(Version 6.7.64, Ra- diological Imaging Technology, Inc. USA), Flat-bed scanner(Expression 10000 XL, Epson)을 이용하였다.

2. 치료계획 및 처방선량

폐에 있는 종양이 아닌, 폐 실질 조직 내에서의 선량 전 달 정확성을 알아보기 위해서, CT 촬영으로 얻은 Hu- manoid phantom(Anderson Rando phantom) 3D 영 상의 우측 폐에 가상의 구 표적을 만들어 밀도를 폐 실질 조직과 같은 0.3 g/cm³로 지정하였다. 2개의 180° ARC VMAT으로 직경 2, 3, 4, 5 cm 구 표적 100 %에 일 선량 10 Gy가 조사될 수 있도록 치료계획을 하였다(Fig. 4).

Fig. 3. Film inserted in humanoid rando phantom

Fig. 4. Planning target in 3D images

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3. 실험 방법

1) CT 모의촬영 때와 동일한 자세로 Humanoid phan- tom을 위치시킨 후, CBCT를 이용해 위치 교정을 실시하 였다. 이후 측정용 필름을 횡단면으로 삽입하고 방사선을 조사하였다.

2) 방사선 조사 후 24시간 뒤에 측정한 필름을 스캔한 후 RIT program(ver 6.7.64)을 이용하여 선량분포를 분 석하였다. 필름으로 측정된 선량분포와 TPS에서 계산된 선량분포를 같은 위치에서 비교하기 위해서, 필름이 삽입 된 가상 표적의 회전중심점과 동일한 위치의 횡단면 dose profile을 Eclipse에서 획득하였다. Image max와 Area nomalization을 2회 적용하여, Center point에서의 절대 선량 값을 계산하였으며, Off-axis does profile을 얻어 상대 선량 및 편차를 비교 분석하였다.

4. 비교인자

Percentage Difference(%Diff)

……… [식1]

Dcal : TPS에서의 계산 선량값 Dmeas : Film에서의 측정 선량값

Center point에서의 절대선량을 비교하기 위해서 [식1]

을 이용하여 %Diff로 나타내었다.

Root-Mean-Square-Error(RMSE)

……… [식2]

Dcal : TPS에서의 계산 선량값 Dmeas : Film에서의 측정 선량값 N : 선량 측정한 총 지점 수

TPS에서의 계산 선량값과 필름에서의 측정 선량값의 차 이를 분석하기 위해서 [식2]의 RMSE 함수를 이용하여 평 균 제곱근 편차로 나타냈다. 값이 작을수록 계산 선량값 과 실제 측정값이 일치한다고 볼 수 있고, Off-axis dose profile에서 얻은 모든 지점에서 선량의 편차를 구하였다.

Coverage Ratio(%)

…… [식3]

TPS D95 : 처방선량의 95 %가 계산된 길이 Film D95 : 처방선량의 95 %가 조사되는 길이

이외에도 작은 용적에 선량이 충분히 잘 전달되는지 확 인하기 위해서 처방선량의 95 %가 들어가는 길이(D95)를 표적 크기별로 나타냈고, 표적의 Coverage Ratio [식3]

을 계산하였다. 또한 계획 표적 용적에 들어가는 평균선량 (Dmean)을 구하였다.

결 과

동일한 위치에서 얻은 TPS 선량분포와 필름 선량분포를 Normalization 2회 적용한 후, 선량분포도로 나타냈다 (Fig. 5).

1. Percentage Difference (%Diff)

직경 2~5 cm 크기별로 center point에서의 %Diff값은 직경 2 cm에서 -4.65 %로 가장 큰 차이를 보였고, 직경 5 cm일 때 -1.46 %로 가장 작은 차이를 보였다(Table 1).

2. Root-Mean-Square-Error (RMSE)

Off-axis dose profile을 통해 모든 지점에서 얻은 선량 값을 그래프로 나타냈다(Fig. 6). 모든 지점에서 얻은 계산 값과 측정값을 통해서 RMSE 값을 구하였고, 직경 2 cm일 때 3.43으로 가장 큰 값을 보였고. 직경 5 cm일 때 2.85로 써 가장 작은 값을 보였다(Table 2).

Table 1. Percentage difference in the calculated and measured center point dose.

Size(cm) TPS(cGy) Film dose(cGy) %Diff(%)

2 1214 1160 -4.65

3 1236 1190 -3.86

4 1244 1204 -3.35

5 1248 1230 -1.46

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Fig. 5-1. Comparison between TPS and film dose distribution in diameter 2 cm.

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Fig. 6. Comparison between the measured and calculated off-axis dose at each position by size

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3. Coverage ratio (%)

표적 커버리지를 비교하기 위해 처방선량 95 %가 들어 가는 길이(D95)를 구하였다(Table 3). 모든 크기에서 필름 측정값이 TPS 계산값보다 작은 수치를 보였다. 직경 2 cm 일 때, TPS와 필름에서 각각 2.02 cm, 1.86 cm로 커버리 지 비율이 92 %로 나타났고 가장 많은 차이를 보였다. 직 경 4 cm, 5 cm에서는 커버리지 비율이 99 % 이상으로 나 타났으며, 측정값의 커버리지가 좋음을 알 수 있었다.

또한 계획 표적 용적 내에 들어가는 평균선량(Dmean)을 TPS와 필름에서 각각 비교해 보았다. TPS에서 계산된 평 균선량은 각 크기별 용적 내에서 98~99 %의 분포를 보였 고. 필름에서 측정된 평균선량은 95~98 %의 분포를 보였 다. 직경 2 cm일 때, TPS 계산값과 필름에서 측정값의 차 이가 2.73 %를 보이면서 가장 큰 차이를 보였다. 뿐만 아니 라 직경 2 cm 크기 내에서 측정 평균선량이 95.72 %로 가

장 낮은 값을 보였다.

결론 및 고찰

본 연구에서는 실험을 통하여 작은 계획 표적 용적에 처 방 선량이 충분히 전달되는지 알아보았다. TPS 계산값과 필름 측정값을 같은 조건에서 비교하였고, 정확성을 평가 하기 위해 비교 인자를 이용하여 수치로 표현하였다. 계산 값과 측정값을 비교하였을 때 유의한 차이를 보였으며, 가 장 큰 차이는 직경 2 cm인 용적에서 보였다. 직경 2 cm 용 적에서, 필름에서 측정된 Center point의 절대 선량값이 TPS 계산값보다 4 % 정도 감소하였고, off-axis 선량분포 에서도 편차가 가장 크게 나타났다. 이는 계획된 선량이 전 달될 때 표적 용적 중심부에서 선량감소가 생긴 것이 주요 인이라 판단된다. 뿐만 아니라 필름에서 측정한 계획 표적 용적내의 평균선량이 95.72 %로 방사선치료 오차 허용률 5 % 이내이지만, 가장 낮은 값을 보였다.

또한 직경 2 cm인 크기에서, 계획 표적 용적 100 %에 처 방선량을 전달하도록 계획했던 TPS의 계산과는 다르게 92 %가 전달됨을 알 수 있었다. 이는 커버리지가 감소된다 는 점에서, 폐 실질 부위에 의도한 선량이 다 전달되지 않 아 종양 제어율이 떨어지게 되는 요인이 될 수 있다. 따라 서 SBRT와 같은 정밀함을 요구하는 방사선 치료에서 2~3 cm³ 크기의 작은 표적 용적에 계획 표적 용적(PTV)을 최 소한으로 설정하는 것은 지양하고, 의도한 선량을 다 전달 하기 위해서 표적 용적 마진(margin)을 2 mm 이상 확장 해야 한다고 판단된다, 또한 표적 내 중심선량이 감소하는 현상을 해결하기 위해 치료 계획 최적화(optimization)시 최대선량을 제한하지 않는 방법이 필요하다고 사료된다.

본 연구에서 측정 실험에 사용한 필름은 EBT3 film으 로써, MOSFET, TLD와 같은 측정도구보다는 오차율이 높으나, 선량 전달 정확성을 평가하기 위하여 횡단면에서 dose profile을 얻어야 했기 때문에 필름을 사용하였다.

뿐만 아니라 필름을 통하여 절대선량, 상대선량, 선량분포 도 등의 다양한 값을 얻을 수 있기 때문에 가장 적합한 측 정도구라고 판단하였다.

또한 폐 실질 조직 내에서의 선량 전달 평가뿐만 아니라 Table 2. RMSE value between the calculated and mea-

sured off-axis-dose.

Size(cm) RMSE

2 3.43

3 3.33

4 3.15

5 2.85

Table 3. Distance of prescribed dose 95 %(cm) and coverage ratio(%)

Size(cm) D95(cm)

Coverage ratio(%)

TPS Film

2 2.02 1.86 92.08

3 2.95 2.85 96.61

4 4.05 4.01 99.01

5 4.86 4.85 99.80

Table 4. Dmean of PTV (Unit in %)

Size(cm) Mean dose of PTV(%)

TPS Film

2 98.09 95.72

3 98.98 96.72

4 99.71 98.04

5 99.89 98.07

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종양이 있는 폐에서의 선량 전달 평가를 실험하기 위해 종 양이 가정되어 있는 phantom을 제작하여 활용할 필요성 이 있다고 판단된다. 본 연구에서는 작은 표적 용적을 대 상으로 하였고 humanoid phantom에 종양을 가정한 물 질을 삽입하기엔 어려움이 있어, 폐에 있는 종양이 아닌 폐 실질 조직을 가정하여 실험을 하였다. 실제 SBRT 환자 종 양의 전자 밀도를 측정해 본 결과 폐 실질 조직 밀도와 유 사하여 폐 실질 조직 내에서의 선량 전달 평가만을 진행하 였으나, 사람마다 종양과 폐의 전자 밀도가 다양하기 때문 에 그에 따른 선량 전달 정확성을 평가한다면 더욱 더 정 교한 실험이 됐을 것이라 사료된다. 더불어 호흡에 따라 폐 의 밀도가 달라지므로, 선량 전달에 오차를 줄일 수 있는 Deep Inspiration Breath-Hold(DIBH) 기법 등을 연구 에 활용한다면 치료계획의 정교함을 높일 수 있다고 판단 된다.

마지막으로 본 연구에서 비교대상으로 쓰이진 않았지만, 선량계산 알고리즘에 따라서도 선량전달 정확성이 달라질 수 있다고 판단하여 Eclipse의 AAA(Analytic anisotro- pic algorithm)로 계산한 치료계획으로 필름에 빔을 조 사하였다. 측정된 필름을 분석한 결과, AXB(Acuros XB algorithm)와 동일하게 작은 용적 내에서 선량 감소 현상 이 발생되는 것을 알 수 있었다. 따라서 알고리즘에 따른 선량값 비교와 선량분포도를 분석하여 마진을 평가한다 면, 치료계획을 임상에 적용할 때 더욱 유용할 것이라 사료 된다.

참고문헌

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Medical physics international Journal, 2013:1:81-90

2. Rofikoh, W. E. Wibowo, and S. A. Pawiro: Imple- mentation of small field radiotherapy dosimetry for spinal metastase case. 2017:030068:1-6

3. Woody NM, Stephans KL. Marwaha G, et al: Ste- reotactic body radiation therapy for non-small cell lung cancer tumors greater than 5 cm: safety and

efficacy. Int J Radiat Oncol Biol Phys 2015:92:325- 331

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123-126

5. Takanori Matsuoka, Fujio Araki. Takeshi Ohno et al:

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9. Antonella Fogliate, Giorgia Nicolini, Alessandro Clivio et al: Dosimetric evaluation of Acuros XB Advanced dose calculation algorithm in heteroge- neous media. 2011:6:82

10. Aleksandra Grządziel, Barbara Smolinska, Roman- Rutkowski et al: EPID dosimetry-configuration and pre-treatment IMRT verification. 2007:12(6):307-312

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Evaluation of beam delivery accuracy for Small sized lung SBRT in low density lung tissue

Department of Radiation Oncology, Seoul National University Hospital, Seoul, Korea.

Oh Hye Gyung, Son Sang Jun, Park Jang Pil, Lee Je Hee

Purpose : The purpose of this study is to evaluate beam delivery accuracy for small sized lung SBRT through experiment. In order to assess the accuracy, Eclipse TPS(Treatment planning system) equipped Acuros XB and radiochromic film were used for the dose distribution. Comparing calculated and measured dose distribution, evaluated the margin for PTV(Planning target volume) in lung tissue.

Materials and Methods : Acquiring CT images for Rando phantom, planned virtual target volume by size(diameter 2, 3, 4, 5 cm) in right lung. All plans were normalized to the target Volume=prescribed 95 % with 6MV FFF VMAT 2 Arc. To compare with calculated and measured dose distribution, film was inserted in rando phantom and irradiated in axial direction. The indexes of evaluation are percentage difference(%Diff) for absolute dose, RMSE(Root-mean-square-error) value for relative dose, coverage ratio and average dose in PTV.

Results : The maximum difference at center point was -4.65 % in diameter 2 cm size. And the RMSE value between the calculated and measured off-axis dose distribution indicated that the measured dose distribution in diameter 2 cm was different from calculated and inaccurate compare to diameter 5 cm. In addition, Distance prescribed 95 % dose(D95) in diameter 2 cm was not covered in PTV and average dose value was lowest in all sizes.

Conclusion : This study demonstrated that small sized PTV was not enough covered with prescribed dose in low density lung tissue. All indexes of experimental results in diameter 2 cm were much different from other sizes.

It is showed that minimized PTV is not accurate and affects the results of radiation therapy. It is considered that extended margin at small PTV in low density lung tissue for enhancing target center dose is necessary and don’t need to constraint Maximum dose in optimization.

▶Key words : Lung SBRT, PTV, Acuros XB algorithm