이 논문은 2013년 2월 16일 접수하여 2013년 3월 10일 채택되었음.
책임저자：이동형, 서울아산병원 방사선종양학과 Tel: 02)3010-4419, Fax: 02)3010-6950 E-mail: [email protected]
용적변조회전 방사선치료에서 선량전달의 중단 및 재시작에 따른 정확성 평가
서울아산병원 방사선종양학과
이동형ㆍ배선명ㆍ곽정원ㆍ강태영ㆍ백금문
목 적: 용적변조회전 방사선치료는 겐트리 회전과 다엽콜리메이터, 선량률이 연동되어 진행되며 치료 중 선량 전달의 중단이 발생한 경우 겐트리와 다엽콜리메이터가 최초위치부터 다시 동작하여 정지된 지점부터 선량전달이 재개된다. 본 연구는 용적 변조회전 방사선치료의 치료 중단과 재 진행에 따른 선량전달의 오차를 분석하고자 하였다.
대상 및 방법: 10명의 환자를 대상으로 전산화치료계획시스템(Eclipse V10.0, Varian, USA)을 이용하여 용적변조회전 방사선 치료 계획을 수립하였다. TRILOGY (Varian, USA)의 6 MV 선속을 이용하여 계획된 선량을 이차원 배열 검출기와 CUBE (IBA dosimetry, Germany)팬텀에 조사하였다. OmniPro I’mRT system (V1.7b, IBA dosimetry, Germany)을 통해 4회에 걸쳐 일반적인 선량전달의 일관성을 평가 하고 선량 전달의 중단 또는 도어 인터락 발생으로 인해 선량 전달이 중단되고 최초지점부터 다시 시작되어 조사되는 경우와 비교하여 감마지수(Gamma index)의 변화를 분석하였다.
결 과: 선량 전달이 정상적으로 이루어진 경우에 각각의 감마 평균 신호 값의 차이는 0.1로 나타났고, 선량 전달의 중단이 발생한 경우 0.128로 나타났으며 도어 인터락의 경우 0.141로 나타났다. 각각의 경우 감마 표준편차 값의 차이는 0.071, 0.091, 0.099로 나타났고, 감마 최대값의 차이는 0.286, 0.379, 0.413으로 나타났다. Gamma pass rate (3%, 3 mm)는 허용 오차 범위를 만족하였고, T검증 결과 95% 신뢰구간에서 P-value가 0.05 미만으로 유의한 차이를 보였다.
결 론: 본 실험에서 치료 중 선량 전달의 중단 및 재시작에 관한 정확성을 평가해 본 결과 통계적으로는 차이가 있으나 임상 적으로 허용 오차 범위이내로 문제가 없다는 것을 알 수 있었다. 그러나 겐트리와 다엽콜리메이터, 선량률의 연동으로 정확 성이 요구되는 치료방법인 만큼 선량적인 측면에서 치료 중단에 따른 차이는 간과할 수 없다. 그러므로 갑작스러운 치료 중 단 상황이 발생한 경우 추가적인 정도관리 절차를 통해 정확한 선량평가가 이루어져야 할 것으로 사료된다.
핵심용어: 용적변조회전 방사선치료, 이차원 배열 검출기, 감마 지수법
서 론
최근 방사선치료 장비의 개발과 기술의 발전으로 세기조 절 방사선치료(Intensity Modulated Radiation Therapy, IMR- T) 및 영상유도 방사선치료(Image Guide Radiation Therapy, IGRT)와 같은 최신 방사선치료 기술들이 치료에 널리 적용 되고 있다.1-3) 기존의 방사선 치료가 특정 방향에서만 고정되 어서 방사선의 조사가 이루어졌던 것과는 달리 용적변조회 전 방사선치료(Volumetric Modulated Arc Therapy, VMAT) 는 치료기가 환자주위를 빠른 속도로 360도 회전하며 방사 선을 연속적으로 조사한다. 그리고 동시에 실시간으로 방사 선의 세기와 조사되는 모양을 조절하여, 주변 정상조직으로 조사되는 방사선량을 최소화 하면서 종양에만 계획한 방사 선량이 전달 되도록 하여, 부작용을 최소화하고 높은 치료
효과를 위해 노력하고 있다.3) 특히, 용적변조회전 방사선치 료는 이전의 치료방법과 비교해 처방선량을 전달하기 위해 필요한 MU (Monitor Unit)의 감소로 인해 효율성이 증가 되 었으며, 이것은 두 가지의 주된 영향이 있다. 첫째, 치료기기 의 마모를 줄일 수 있고, 누설선량 및 산란선량을 줄일 수 있 다.
둘째, 조사시간의 감소와 증가된 MU효율성은 고정된 방향 에서만 방사선을 조사하는 세기조절 방사선치료에 비해 주 변 정상 장기에 대한 더 좋은 보호 효과를 보여준다. 또한, 1 회 또는 2회에 걸쳐서 겐트리가 환자주위를 회전하면서 연속 적으로 치료가 진행되기 때문에, 비연속적으로 여러 방향에 서 방사선이 조사되는 치료 방법과 비교해서 방사선 조사시 간을 단축시킬 수 있고, 따라서 치료 시간과 관련된 환자 자 세 변화에 대한 부정확성을 줄일 수 있다.4-12)
하지만, 회전 방사선 치료 중 계획된 선량 전달 간 기계적 인 문제점이나 환자의 움직임 등의 문제점으로 인해 선량 전 달은 중단이 되고 시작지점에서부터 다시 시작하여 선량전
Fig. 1. Converting to quality assurance plan. Fig. 2. Geometric condition 1.
하게 선량이 전달되어야 하지만, 치료기의 사용 빈도 및 사 용 조건에 따라 각 구성품들의 성능 변화 또는 오작동으로 인한 선량 전달의 오차가 발생 할 수 있기 때문에, 본 연구에 서는 용적변조회전 방사선치료 중 선량 전달이 중단 되는 상 황을 재현하고, 측정을 통해 선량 전달에 대한 정확성을 평 가해 보고자 한다.
대상 및 방법 1. 실험재료
- TRILOGY (Varian, USA)
- 전산화 치료 계획 시스템(Eclipse treatment planning sys- tem Version 10.0, Varian, USA)
- I’mRT Matrix Version 1.6 (IBA Dosimetry, Germany) - 세기변조 방사선치료 분석 프로그램(OmniPro I’mRT sys-
tem software Version 1.7b, IBA Dosimetry, Germany) - I’mRT Phantom (Cube Phantom for Rotational Therapy,
(Digital Imaging and Communications in Medicine) 파일형식 으로 변환하여 사용하였다(Fig. 1).
측정을 위해 겐트리의 회전에 대한 의존성을 최적화하고, 프레임 당 선량을 계산하고 겐트리 각도에 대한 교정을 하기 위해 각도 보정기를 겐트리에 부착한 뒤 0도, 90도에서 겐트 리 각도에 대한 교정 값을 확인하고, 교정 선속 출력에 대한 측정을 위해 300 MU를 I’mRT Matrix (평판형 전리함 수:
1,020개, 범위: 24.4×24.4 cm2, 용적: 0.08 cm3, 직경: 4.5 mm, 높이: 5 mm, 배열간격: 7.62 mm로 가로, 세로 일정한 간격으로 32개씩 배열)에 조사한 뒤, CUBE팬텀(Cube Phan- tom)for Rotational Therapy, IBA Dosimetry, Germany)을 I’mRT Matrix상단에 기하학적 조건에 맞게 위치시켰다(Fig.
2∼5).
치료기는 VARIAN 사의 TRILOGY를 사용하였고, 6 MV 의 광자선이 사용되었다.
그리고, 용적변조회전 방사선치료에 대한 선량전달에 대한 평가가 이루어지기 위해 선량에 대한 차이나 거리상의 일치 에 대한 평가가 이루어져야 한다. 하지만, 선량에 대한 차이
Fig. 3. Geometric condition.
Fig. 4. Rotational therapy application.
Fig. 5. I’mRT Matrix & I’mRT Phantom (CUBE Phantom).
(dose difference, DD)는 선량 기울기가 낮은 영역에 대하여 적합하고, 거리상의 일치(distance-to-agreement, DTA)는 선 량 기울기가 높은 영역에 대하여 접합하기 때문에 이원화된 기준에 대한 정량적 평가방법인 감마 지수(gamma index)를 이용하였다. 감마 지수법은 세기변조 방사선치료에서 선량에 대한 정도관리를 실시할 때 이용하는 정량적 평가방법이지 만, 세기변조 방사선치료는 용적변조회전 방사선치료의 기초 가 되며 하나의 지표역할을 해주기 때문에 그에 대한 정도 관리면에서도 동일한 평가방법을 사용하게 되었다.
이번 실험에서는 실제 용적변조회전 방사선치료 중 발생 할 수 있는 여러 가지 문제점들을 모두 실험을 통해 재현할 수 없기 때문에, 선량 전달 중 조정실에서의 dadicated key- board의 beam off버튼을 이용한 인위적인 선량전달 중단과
도어 인터락으로 치료를 중단함으로써 그 효과를 대신하고 자 하였다. 또한 겐트리의 회전 중 선량 전달이 중단 되었을 경우, 겐트리가 정지한 위치와 선량 전달과의 연관성에 대한 평가를 위해 정상적인 선량전달(reference dose delivery), 우 측후사방향에서의 선량 중단(case 4), 정상적인 선량전달 (case 1), 좌측전사방향에서의 선량 중단(case 5), 정상적인 선량전달(case 2), 도어 인터락으로 인한 선량 중단(case 6), 정상적인 선량전달(case 3)순으로 실험을 진행 하였다. 세기 변조방사선치료 분석프로그램(OmniPro I’mRT system soft- ware Version 1.7b, IBA Dosimetry, Germany)을 이용해 얻어 낸 데이터를 아스키 파일화 시켜서 프로그램에서 활성화 시 킬 수 있도록 만들었다. 활성화 된 파일들을 이용해 감마 평 균 신호, 감마 최대값, 감마 표준편차를 산출 한 후, Microsoft office EXCEL 2007 프로그램을 이용한 t검증을 통 해 선량 전달이 끊어지지 않았을 경우들의 평균값에 대한 정 상적인 선량 전달인 경우(case 7, 8)와 선량 전달이 우측후사 방향 및 좌측전사방향에서 끊어졌을 경우와 도어 인터락이 발생할 경우(case 9, 10, 11)를 비교하여, P-value를 확인하고 감마지수(Gamma index)의 변화를 고려해 허용 오차 범위를 만족하는지 확인하였다.
1) TRILOGY에서 총 10명의 환자 치료 계획을 적용하여 선량 전달 간 문제점이 발생하지 않았을 경우에 대한 데이터 를 획득하였고, 실험 중 선량 중단 및 도어 인터락 상황에 대 한 데이터 측정 후에도 이와 동일한 조건으로 조사하여 기준 이 되는 선량전달의 재현성에 대한 일관성을 평가 하려고 한 다.
2) TRILOGY에서 겐트리의 회전 중 선량 전달 중단이 발 생하는 지점에 따른 의존도를 우측후사방향 및 좌측전사방 향에서 확인하여 기준이 되는 선량 분포와 비교하여 감마지
Fig. 6. Difference of comparison cases to reference values.
Fig. 7. Difference of dose evaluation plane (case 1) to reference dose evaluation plane (case 1 - second normal dose delivery), (X, Y: matrix size 24×24 cm2).
Fig. 8. Difference of dose evaluation plane (case 2) to reference dose evaluation plane (case 2 - third normal dose delivery), (X, Y: matrix size 24×24 cm2).
Case 3 0.100 0.073 0.307
Case 4 0.119 0.083 0.359
Case 5 0.136 0.098 0.398
Case 6 0.141 0.099 0.413
0.102, 0.1, 0.119, 0.136, 0.141로 나타났으며, 감마 표준편차 의 차이는 0.071, 0.068, 0.073, 0.083, 0.098, 0.099로 나타났 고, 감마 최대값의 차이는 0.276, 0.275, 0.307, 0.359, 0.398,
Fig. 9. Difference of dose evaluation plane (case 3) to reference dose evaluation plane (case 3 - fourth normal dose delivery), (X, Y: matrix size 24×24 cm2).
Fig. 10. Difference of dose evaluation plane (case 4) to reference dose evaluation plane (case 4 - dose interruption in the RPO direction), (X, Y: matrix size 24×24 cm2).
Fig. 11. Difference of dose evaluation plane (case 5 to reference dose evaluation plane (case 5 - dose interruption in the LAO direction), (X, Y: matrix size 24×24 cm2).
Fig. 12. Difference of dose evaluation plane (case 6) to reference dose evaluation plane (case 6 - dose interruption in an event the door interlock), (X, Y: matrix size 24×24 cm2).
0.413으로 나타났다(Table 1, Fig. 6∼18). 위의 결과를 가지 고 통계학적으로 접근하여 t검증을 하였는데, 이 방법은 평 균들과 평균들의 95% 신뢰구간을 제시함으로써, t검증 결과 P-value가 0.05 보다 큰 경우는 같다고 보고 0.05보다 작으면 통계적으로 유의한 차이가 있다는 결론을 내린다. 이 실험에 서의 기준이 되는 선량 분포와 비교한 선량전달이 끊어지지 않을 경우와 선량 전달 중단 및 도어 인터락 발생 시에 대한
평균들을 비교해 보니 감마 평균 신호 값들에 대해서는 0.62, 0.315, 0.301로 나타났으며, 감마 평균 신호값에 대해서는 0.013, 0.01, 0.004로 나타났고, 감마 최대값은 0.004, 0, 0으 로 나타나서, 95% 신뢰구간에서 P-value가 0.05보다 작게 나 온 걸 알 수 있었다(Table 2).
감마지수(Gamma index)는 선량 기울기가 낮은 영역과 높 은 영역에 대해 이원화된 기준을 제시한다. 선량 차이 또는
Fig. 13. Difference of gamma (γ) (case 1) to reference gamma (γ) (case 1 - second normal dose delivery), (X, Y: matrix size 24×24 cm2).
Fig. 14. Difference of gamma (γ) (case 2) to reference gamma (γ) (case 2 - third normal dose delivery), (X, Y: matrix size 24×24 cm2).
Fig. 15. Difference of gamma (γ) (case 3) to reference gamma (γ) (case 3 - fourth normal dose delivery), (X, Y: matrix size 24×24 cm2).
Fig. 16. Difference of gamma (γ) (case 4) to reference gamma (γ) (case 4 - dose interruption in the RPO direction), (X, Y:
matrix size 24×24 cm2).
거리에 대해 정의된 기준 값(일반적으로 3% 선량차이와 3 mm의 거리)보다 작을 경우 1보다 작은 값으로 표현되며 선 량 차이나 거리가 그 기준보다 클 경우에 1보다 큰 값으로 표현되는데, 0보다 크고 1보다 작은 경우 적합으로 판정하고 1보다 큰 경우는 부적합으로 분류한다.14,15) 위의 실험 결과 는 Gamma pass rate (3%, 3 mm)는 허용 오차 범위를 만족하 였고, t검증 결과 95% 신뢰구간에서 P-value가 0.05 미만으로 유의한 차이를 보였다.
고안 및 결론
본 실험에서 용적변조회전 방사선치료(volumetric modu- lated arc therapy, VMAT)중 선량 전달의 중단과 재시작에 따른 선량전달의 정확성을 평가해 본 결과 Gamma pass rate (3%, 3 mm)는 허용오차 범위 안에 들어왔고 이는 임상적으 로 문제가 없다는 것을 보여 주었다.13-18)
하지만, 허용 오차 범위 내에 있지만, 선량 차이가 나는 것
Fig. 17. Difference of gamma (γ) (case 5) to reference gamma (γ) (case 5 - dose interruption in the LAO direction), (X, Y:
matrix size 24×24 cm2).
Fig. 18. Difference of gamma (γ) (case 6) to reference gamma (γ) (case 6 - dose interruption in an event the door interlock), (X, Y: matrix size 24×24 cm2).
Table 2. T-test result (P-value data)
P-value Case 7, 8 Case 9, 10 Case 11
Gamma average 0.620 0.013 0.004
Gamma maximum 0.315 0.010 0.000
Gamma STD 0.301 0.004 0.000
에 대해서는 간과할 수 없었다. 그래서 10명의 환자에 대한 측정값으로 정규성 검증에 대한 필요성이 요구 되어서, t검 증을 실시하게 되었다. t검증 결과 P-value (귀무가설 하에서 검정 통계량의 값이 나타날 가능성)는 95% 신뢰구간에서 0.05 미만으로 대립가설이 채택되어 선량차이 면에서 통계학 적으로 유의한 차이가 발생하고, 이는 “완벽한 일치는 아니 다”라는 것을 알 수 있었다. 이는 임상적인 면에서 문제가 되 지는 않지만, 본 실험에서는 치료기기에 무리를 주지 않는 범위 내에서 진행하였고, 현실적으로 모든 상황에 대해서 반
영할 수가 없었기 때문에 이외의 상황에 대해서 배제를 할 수 밖에 없었다.
그리고 용적변조회전 방사선치료는 조사시간이 줄어들어 장시간 동안 자세 재현성으로 인해 발생하는 환자의 움직임 을 줄일 수 있고, MU의 효율성이 증가되어 그에 따라 주변 정상 장기에 대한 더 나은 보호 효과를 보여 줌으로써 기존 의 치료법에 비해 많은 장점이 있지만, 치료기의 회전속도, 선량률, 조사되는 모양 등을 동시에 정밀하게 조절하며 치료 를 진행하기 때문에 치료기의 사용 빈도 및 사용 조건에 따 라 주기적인 정도관리가 이루어져 선량 전달 면에서 이상이 없도록 노력 하여야 하며, 본 실험에서 제시하는 선량 전달 의 중단에 대한 경우를 제외한 상황 발생 시에 대비한 추가 적인 실험과 정도관리를 통하여 정확한 선량평가가 이루어 져 할 것으로 사료 된다.
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Abstract
The Accuracy Evaluation according to Dose Delivery Interruption and Restart for Volumetric Modulated Arc Therapy
Dong Hyung Lee, Sun Myung Bae, Jung Won Kwak, Tae Young Kang, Geum Mun Back Department of Radiation Oncology, Asan Medical Center, Seoul, Korea
Purpose: The accurate movement of gantry rotation, collimator and correct application of dose rate are very important to approach the successful performance of Volumetric Modulated Arc Therapy (VMAT), because it is tightly interlocked with a complex treatment plan. The interruption and restart of dose delivery, however, are able to occur on treatment by various factors of a treatment machine and treatment plan. If unexpected problems of a treat machine or a patient interrupt the VMAT, the movement of treatment machine for delivering the remaining dose will be restarted at the start point. In this investigation, We would like to know the effect of interruptions and restart regarding dose delivery at VMAT.
Materials and Methods: Treatment plans of 10 patients who had been treated at our center were used to measure and compare the dose distribution of each VMAT after converting to a form of digital image and communications in Medicine (DICOM) with treatment planning system (Eclipse V 10.0, Varian, USA). We selected the 6 MV photon energy of Trilogy (Varian, USA) and used OmniPro I’mRT system (V 1.7b, IBA dosimetry, Germany) to analyze the data that were acquired through this measurement with two types of interruptions four times for each case. The door interlock and the beam-off were used to stop and then to restart the dose delivery of VMAT. The gamma index in OmniPro I’mRT system and T-test in Microsoft Excel 2007 were used to evaluate the result of this investigation.
Results: The deviations of average gamma index in cases with door interlock, beam-off and without interruption on VMAT are 0.141, 0.128 and 0.1. The standard deviations of acquired gamma values are 0.099, 0.091, 0.071 and The maximum gamma value in each case is 0.413, 0.379, 0.286, respectively. This analysis has a 95-percent confidence level and the P-value of T-test is under 0.05. Gamma pass rate (3%, 3 mm) is acceptable in all of measurements.
Conclusion: As a result, We could make sure that the interruption of this investgation are not enough to seriously affect dose delivery of VMAT by analyzing the measured data. But this investigation did not reflect all cases about interruptions and errors regarding the movement of a gantry rotation, collimator and patient So, We should continuously maintain a treatment machine and program to deliver the accurate dose when we perform the VMAT for the many kinds of cancer patients.
Key words: VMAT, I’mRT Matrix, gamma index
