Feasibility Study of Dose Evaluation of Stereotactic Radiosurgery using GafChromic $EBT^{(R)}$ Film

GafChromic EBT ^Ⓡ 필름을 이용한 뇌정위방사선치료의 선량분석 가능성 평가

고신대학교 복음병원 방사선종양학과

목 적: 본원에서는 AVM (artery vein malformation)이나 뇌종양을 치료를 위하여 뇌정위방사선수술(SRS: stereotactic radiosur- gery)을 시행한다. 치료위치의 확인과 선량을 검증하기위하여 본 연구에서는 Gafchromic EBT film (Gafchromic EBT QD+, International Specialty Products, USA)을 이용 두부팬톰 내의 선량분포를 계산치와 측정치를 비교하였다.

대상 및 방법: 본 실험에서는 기존의 인체모형팬톰의 두부의 2.5 cm 두께 한 슬라이스를 5장의 0.5 cm 아크릴로 대체하여 필름을 0.5 cm 간격으로 삽입할 수 있게 하였다. 4장의 필름과 5장의 아크릴판은 팬톰 단면모양을 따라 잘랐다. 이 두부팬톰 에 실제 환자치료와 같은 절차로 SRS head ring과 localizer를 장착 후 0.5 cm 간격의 CT 영상을 얻어 치료계획을 수립하였다.

6 MV의 광자선을 2 cm 크기의 SRS cone을 장착하여 5개의 arc beam으로 300 cGy의 선량을 전달하였다. 필름 교정을 위해 서 각각의 필름에 0, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 cGy의 선량을 조사하여 교정곡선을 얻었다. 3시간 후 팬톰 내의 필름을 스캔하고 흑화도에 따른 선량으로 교정하였다. 뇌정위방사선수술의 평가를 위해 Gafchromic EBT 필름을 이용 두부팬톰 내 치료 위치를 확인하고 선량을 측정하여 계산 값과 비교하였다.

결 과: Gafchromic EBT

필름의 선량교정 곡선은 900 cGy까지 선형을 잘 유지하였다. 모든 단면에 걸쳐 Gafchromic EBT

필름을 이용한 두부팬톰 내 필름으로 측정한 선량과 치료계획장치(XKnife, Radionics, USA)로 계산된 선량의 차이는 5% 이내 였다.

결 론: 본 실험에서 2차원적 선량분석만이 가능한 GafChromic EBT 필름을 적층시켜 모든 슬라이스의 선량을 확인할 수 있었 으며, Gafchromic EBT

필름을 이용한 정위방사선수술에서 정도관리의 방법으로 가능할 것으로 사료된다.

핵심용어: Gafchromic EBT

필름, stereotactic radiosurgery, 정도관리

이 논문은 2006년 12월 8일 접수하여 2007년 2월 5일 채택되었음.

책임저자：장은성, 고신대학교 복음병원 방사선종양학과 Tel: 051)990-6737, Fax: 051)990-3993 E-mail: [email protected]

서 론

뇌정위방사선수술(SRS, stereotactic radiosurgery)은 1951년 Leksell에 의해 최초로 고안되어 현재까지 많은 병원에서 임 상적으로 이용하고 있으며, 본원에서는 1996년부터 뇌정위 방사선수술을 시행하고 있다.

선형가속기를 이용한 뇌정위방사선수술은 뇌심부의 작은 종양에 다량의 방사선을 조사하여 종양의 증식을 억제하거 나 뇌동정맥기형(AVM, artery vein malformation)에서 이상 혈관을 폐색시키고 정상 혈류를 유도하며 양성 및 악성종양 을 제거하는데 사용된다.

이 치료법은 외과적 수술로는 불 가능한 뇌심부에 위치한 종양에 방사선을 조사시켜 외과적 수술로 병변을 절제한 것과 동일한 효과를 얻을 수 있어 외 과적 수술에 의한 후유증을 최소화할 수 있으며 감마나이프

나 중하전입자

를 이용한 방사선수술에 비해 치료비용이 적 게 든다. 그러나 정위방사선수술은 한 번에 많은 양의 방사 선을 병변에 집중적으로 조사해야하기 때문에 높은 정확도 가 요구된다. 따라서 치료 전 환자의 고정 및 병변의 위치확 인, 선량확인을 포함한 치료전반에 걸친 QA (quality assur- ance)가 절대적으로 필요하다.

공간적 오차를 확인하기 위한 QA는 매 치료 전 시행되고

있으나 선량확인을 위한 QA는 측정의 한계로 인하여 미흡한

실정이다. 환자 뇌심부의 선량확인을 위한 방법으로는 치료

계획에서 계산된 선량을 제외하고는 불가능하다. 그러나 사

람의 두부와 유사한 팬톰에 전리함(ionization chamber), 열형

광선량계(TLD, thermoluminescence dosimeter), 다이오드검

출기(diode detecter), 폴리머젤(polymer gel) 또는 필름 등을

삽입하여 선량을 확인하는 방법이 있다. 전리함과 다이오드

검출기는 1차원적 선량확인이 가능하며, 폴리머젤은 3차원적

선량분포확인이 가능하나 비용과 시간이 많이 든다. 2차원적

선량분포확인이 가능한 radiographic 필름은 가시광선의 감광

문제 때문에 사용하는데 어려움이 있다. 이를 보완하기 위해

Table 1. Various type of radiochromic films

Film type Substrate (s) Active layer

thickness Response range

HS Clear polyester

3.8μm 40μm 1~50 Gy

D-200 Clear polyester

3.8μm 6.5μm 10~400 Gy

MD-55 Clear polyester

2.6μm 16μm×2 2~100 Gy

EBT Clear polyester

2.6μm 97μm 0~8 Gy

Table 2. Atomic composition and effective atomic number of

GafChromic EBT

film

Atomic composition Effective atomic number

C H O N Li CI

6.98 42.3% 39.7% 16.2% 1.1% 0.3% 0.3%

Fig. 1. Diagram of the GafChromic film structure and its com-

positions: (A) HS model and (B) EBT Model-Prototype A.

Fig. 2. Spectral absorbance of radiochromic dye in GafChromic

dosimetry films. This data referred to manufacturer's data sheet.

가시광선 노출 가능한 GafChromic

MD-55 필름이 소개되 었으나 필름자체의 균질성보정을 하여야하는 단점이 있었다.

최근 개발된 GafChromic EBT

필름은 이러한 단점을 최소 화하였다.

본 연구에서는 새로 도입한 GafChromic EBT

필름의 특 성과 이 필름을 이용하여 앞에서 언급한 뇌정위방사선수술 의 선량평가의 유용성을 알아보고자 한다.

재료 및 방법 1. Radiochromic 필름의 종류

GafCHromic

HS 필름(International Specialty Products, Wayne),

은 GafChromic

MD-55 필름의 민감성과 균질성을 개선시킨 모델이다. 이 필름은 1 MeV 이상의 고 에너지 광 자선과 전자선의 흡수선량을 측정하도록 고안되었다. HS 모 델의 선량측정 범위는 1∼50 Gy이라고 제조사에서는 주장한

다. 감광층의 양면은 두께 97μm, 밀도 1.35 g/cm

의 투명한 폴리에스테르 층으로 덮여있다(Fig. 1). 제조사에 따르면, HS 감광층의 두께는 40μm이며 보통 H (9%), C (57%), N (16%), O (18%)의 비율로 구성되었다. Table 1은 다양한 종 류의 radiochromic 필름의 구조와 특징을 보여준다.

2. GafChromic EBT^Ⓡ 필름의 특성

고감도 radiochromic 필름인 EBT 모델은 세기변조방사선치 료(IMRT, intensity modulated radiation therapy)의 고 에너지 광자선의 흡수선량을 측정하도록 만들어졌다.

제조사에 따르면, 선량측정범위는 0.01∼8 Gy이다. 이 새로운 EBT 필 름(Prototype A) 모델은 HS 모델 보다 구조가 복잡하다. 두 께가 17μm인 두 개의 감광층은 두께 6μm의 표면층에 의 해 분리가 되어있으며(Fig. 1) 모든 층들은 양면으로 두께 0.97μm의 투명한 폴리에스테르 층으로 덮여있다. Gaf- Chromic EBT 필름은 H (39.7%), C (42.3%), O (16.2%), N (1.1%), Li (0.3%), Cl (0.3%)로 구성되었다고 제조사에서 말 한다(Table 2).

GafChromic EBT

필름은 농도계(densitometer)와 스캐너

Fig. 3. GafChromic EBT films were exposed to 6 MV photon

beam each dose.

Fig. 4. Head and neck region of

humanoid phantom (Rando110, USA) were selected. The phantom con- sists of slabs with 2.5 cm thic- kness. One of slab was substituted with 5 slices of acrylic with 0.5 cm thickness. Four slices of gaf- chromic EBT film were cut along the outer contour of the head phantom which modified in this study. Four slices of GafChromic EBT

film were inserted between the acrylic slices.

(scanner), 분광광도계(spectrophotometer)를 사용하여 선량을 측정할 수 있다.

감광부에 방사선이 조사될 때 약 633 nm와 585 nm에서 최대 흡수파장으로서 감광부는 푸른색 중합체의 형태로 반응한다. Fig. 2에서와 같이 EBT 필름의 흡광도는 최 대치의 파장이 짧은 쪽으로 약 535 nm 이동된 것을 제외하고 GafChromic HS

의 흡광도와 유사하다. GafChromic EBT

의 최대 흡광파장은 633 nm 이다. 따라서 이 선량분석용 필름의 반응은 붉은 빛에 의하여 가장 큰 신호를 얻을 수 있다.

Radiochromic 필름은 이차원적으로 높은 공간 분해능을 가 지고 있으며, 상대적으로 가시광선에 덜 민감한 특징을 가지 고 있어서 방사선량측정으로 많이 사용되는 X-Omat 필름과 같이 암실에서 다루지 않고 암실 밖에서 필름을 다룰 수 있 기 때문에 다루기가 쉽다.

일반 필름과 같이 현상 과정이 필요 없으나 조사 후 3시간 이상의 반응 시간이 필요하다.

에너지 의존성이 적으며

선량범위가 0∼8 Gy 범위까지 선 형이 좋은 것으로 알려져 있다.

3. GafChromic EBT^Ⓡ 필름의 선량교정

한 장의 GafChromic EBT film을 4×4 cm 크기로 12장을 잘라 6 MV 광자선으로 각각 0, 50, 100, 150, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 MU를 조사하였다(Fig. 3). 조사된 모든 필름은 24시간 후 필름을 스캔하여 광학 밀도(optical density, OD) 값을 얻어 필름의 선량-광학 밀도의 관계를 알 아보았다.

본 연구에서 사용한 스캐너는 GafChromic EBT 필름 선량 분석에 적합한 평판형 스캐너(Scanmaker

9800XL, Microtek Inc., Taiwan)를 사용하였다.

4. 인체두부모형팬톰 제작

0.5 cm 간격의 선량분포를 필름으로 측정하기위하여 그림 3과 같이 상용화된 인체모형팬톰(Rando110, Rando, USA) 2.5 cm 두께의 한 슬라이스를 5장의 0.5 cm 아크릴로 대체하 여 삽입 할 수 있게 하였으며 여기에 0.5 cm 간격으로 4장의 필름을 삽입하였다(Fig. 4).

각각의 필름은 인체두부모형팬톰의 외곽선을 따라 재단하 였으며 대체한 아크릴 판과 필름은 인체두부모형팬톰을 고 정시키는 막대에 의해서 고정되도록 고안하였다(Fig. 5). 막 대가 통과하기 위한 구멍은 필름스캔 시 필름의 공간적 위치 를 확인할 수 있는 기준이 된다.

5. 팬톰의 정위방사선수술

CT로 촬영한 인체두부모형팬텀에 뇌정위방사선치료를 위

한 치료계획장치(X-Knife 3.0, Radionics, USA)로 치료계획

을 수립하였다. 두부 내에 가상의 표적을 설정하고 6개의 arc

빔으로 2 cm 크기의 SRS cone으로 300 cGy의 선량을 가상의

Fig. 5. Every films and acrylic slices have two holes corre-

sponding to the slab fixation bars. Using these holes, all the slice of film could be aligned during film dosimetry.

Fig. 7. Humanoid phantom was treated with SRS cone as pa-

tient.

Fig. 8. Solid line shows the relationship between absorbed dose

and optical density. Dotted line is fitting line. The calibration curve could be fitted to the function of 2nd order. The linearity of GafChromic EBT

film response was corrected and the optical density could be converted into the absolute dose by using this function.

Fig. 6. Six arc photon beams were planned to deliver 300 cGy

to the virtual target in the phantom using X-Knife

3.0.

표적에 주도록 치료계획을 수립하였다(Fig. 6). 가상의 표적 은 2번째 필름과 3번째 필름의 중간의 위치하도록 하였다.

실제 치료와 동일한 조건으로 치료계획 대로 필름이 장착 된 인체두부모형팬텀을 대상으로 치료를 수행하였다. Cone 크기는 치료계획에서와 같이 2 cm을 사용하였으며 6개의 회 전빔(arc beam)으로 치료하였다(Fig. 7).

6. 필름스캔 및 영상처리

치료가 끝난 후 팬톰 내의 필름은 가시광선의 영향을 최소 화하기 위하여 빛이 통하지 않는 곳에 24시간 보관을 하였

다. 필름이 24시간 동안 충분히 반응한 후 각각의 필름을 평 판형 스캐너를 이용하여 16 bit 흑백영상으로 스캔을 하였다.

스캔한 각각의 필름영상은 선량을 교정하여 각 슬라이스의 2 차원적 선량분포를 분석하여 치료계획장치에서 계산된 선량 분포와 비교를 하였다.

결 과 1. 필름의 선량교정

각각의 선량에 해당하는 필름의 흑화도는 Fig. 8과 같다.

Fig. 9. Films in the humanoid

phantom were exposed to 3 Gy with 6 MV photon arc beam.

Dose distribution of slice.

Fig. 10. Comparison of dose

distribution; a is measured dose distribution at the center slice from Gafchromic EBT film, b is calculated dose distribution from X-Knife

3.0 at the same slice with the film.

그래프에서 실선은 필름의 선량교정곡선을 보여주며, 점선은 이차함수로 근접시킨 곡선이다. GafChromic EBT

필름의 선량교정 곡선은 900 cGy까지 R2 이 0.992로 나타났다. 6 MV 광자선에 의한 Gafchromic EBT

필름은 0∼8 Gy 영역 에서 우수한 선형성을 보여주었다.

2. 인체두부모형팬톰내의 선량분포 비교

인체모형두경부 팬톰 내의 GafChromic EBT

필름에 조사 된 각 슬라이스의 선량분포는 Fig. 9과 같다.

모든 단면에 걸쳐 GafChromic EBT

를 이용한 두부팬톰 내 필름으로 측정한 선량과 치료계획장치(X-Knife

3.0, Radionics, USA)로 계산된 선량분포와 비교하면 90% 등선량 곡선에서 5% 이내의 차이가 있었다(Fig. 10).

고안 및 결론

더욱 정밀해지는 방사선치료의 QA를 위하여 최근 3차원

적 선량측정방법이 활발히 연구되고 있다. 그러나 임상에서

의 3차원적 선량측정은 아직 어려운 실정이다. 폴리머젤을

이용한 선량측정은 3차원적 선량분석이 가능하나 폴리머젤

의 가격이 비싸며, 다루기가 어렵고 분석하는데 시간이 오래

걸리는 단점이 있다. 본 실험에서는 2차원적 선량분석만이

가능한 GafChromic EBT

필름을 적층하여 3차원적 선량분

포를 확인하는 것이 가능함을 알았고 Gafchromic EBT

필

름을 이용하여 정위방사선수술의 정도관리에 적합할 것으로

사료된다.

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12. Radiochromic dosimetry films background infotmation. ISP

Inc Wayne New Jersey USA

Abstract

Feasibility Study of Dose Evaluation of Stereotactic Radiosurgery using GafChromic EBT ^Ⓡ Film

Eun Sung Jang, Chul Soo Lee

Department of Radiation Oncology, Kosin University Gospel Hospital, Busan, Korea

Purpose: We have performed SRS (stereotactic radiosurgery) for avm (arterry vein malformation) and brain

cancer. In order to verify dose and localization of SRS, dose distributions from TPS (X-Knife

3.0, Radionics, USA) and GafChromic EBT

film in a head phantom were compared.

Materials and Methods: In this study, head and neck region of conventional humanoid phantom was modified

by substituting one of 2.5 cm slap with five 0.5 cm acrylic plates to stack the GafChromic EBT

film slice by slice with 5 mm intervals. Four films and five acrylic plates were cut along the contour of head phantom in axial plane.

The head phantom was fixed with SRS head ring and adapted SRS localizer as same as real SRS procedure.

CT images of the head phantom were acquired in 5 mm slice intervals as film interval. Five arc 6 MV photon beams using the SRS cone with 2 cm diameter were delivered 300 cGy to the target in the phantom. Ten small pieces of the film were exposed to 0, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 cGy, respectively to calibrate the GafChromic EBT

film. The films in the phantom were digitized after 24 hours and its linearity was calibrated. The pixel values of the film were converted to the dose and compared with the dose distribution from the TPS calculation.

Results: Calibration curve for the GafChromic EBT^Ⓡ

film was linear up to 900 cGy. The R2 value was better than 0.992. Discrepancy between calculated from X-Knife

3.0 and measured dose distributions with the film was less than 5% through all slices.

Conclusion: It was possible to evaluate every slice of humanoid phantom by stacking the GafChromic EBT film

which is suitable for 2 dimensional dosimetry, It was found that film dosimetry using the GafChromic EBT

film is feasible for routine dosimetric QA of stereotactic radiosurgery.

Key words:

Gafchromic EBT

film, sterotactic radiosurgery, QA