Ⅰ. 서 론

치료 계획 시스템(treatment planning system; TPS)의 선량 계산 정확도는 선속 자료(beam data), 선속 모델링 (beam modeling), 선량 계산 알고리즘(dose calculation algorithm) 및 영상 자료(image data) 등 다양한 요소에 의 해 결정 된다[1-2, 21-22].

세기 조절 방사선 치료(intensity modulated radiotherapy; IMRT)나 체적 조절 호형 방사선 치료(volumetric modulated arc therapy; VMAT)의 장점은 복잡한 세기 조절 선속을 효율적으로 정확하게 전달함으로써 정상 조직에 대한 독성 과 합병증을 줄이고 종양 조직을 사멸할 수 있다는 점이 다[3-5].

세기 조절 방사선 치료나 체적 조절 호형 방사선 치료 준 비 과정에서 치료 계획 시 선량 계산(dose calculation)은 긴 시간이 걸리는 작업이다. 이러한 선량 계산 시간에 영 향을 미치는 요인 중 하나가 선량 계산 격자 크기(dose calculation grid size)이다. 일반적으로 대부분의 상업용 치료 계획 시스템은 다양한 상황에 맞춰 선량 계산 격자 크 기의 선택이 가능하다[6,7].

선행 연구에서 세기 조절 방사선 치료 시 2.0～4.0 ㎜의 선량 계산 격자 크기를 적용하였을 때 선량 계산 지점의 이 동에 따라 선량이 5.6 % 변경됨을 알 수 있었다. 일반적인 치료 상황에서 3.0～4.0 ㎜를 권고하였고, 고 선량 기울기 영역 (high dose gradient region)에서 2.0 ㎜를 권고하였 다[7]. Dempsey 등은 일반적인 치료 상황에서 2.0～3.0 ㎜ 를 권고하였고, 짧은 계산 시간이나 저 선량 기울기 영역 (low dose gradient region)에서는 3.0～4.0 ㎜ 선량 계산 격자 크기를 권고하였다. 선량 계산 격자 크기가 증가함에 따라 선량 계산 시간이 짧아지고 선량 계산에 필요한 복셀 이 감소함에 따라 계산의 정확도가 떨어진다고 보고하였으 며 정확도와 계산 시간을 고려하여 2.5～5.0 ㎜의 선량 계 산 격자 크기를 적용해야 한다고 결론을 내렸다[8].

선량 계산 격자 크기를 결정할 때 고려해야 할 사항은 전 산화 단층 촬영 영상의 복셀 크기이다. 복셀 크기는 선량 분 포(dose distribution), 표적 체적(target volume)과 정상 조직 체적(normal tissue volume)의 윤곽, 선량 체적 히 스토그램(dose volume histogram)의 변화에 영향을 끼친 다. 최종적으로 환자 맞춤형 정도 관리(patient specific quality assurance) 시 표적 체적과 정상 조직 체적의 선량 체적 지수(dose volume index)와 방사선 생물학적 지수 (radiobiological index)에 영향을 끼치기 때문에 매우 중요 하다고 보고되어 있다[9].

다른 연구에서는 세기 조절 방사선 치료 계획에서 선량 계산 격자 크기가 1.0 ㎜에서 5.0 ㎜로 증가할 경우 선량 기울기가 완만해져 불균일한 치료 계획(inhomogeneity treatment plan)을 만들 수 있다고 보고 하였다. 선량 계산 격자 크기가 클수록 위험 장기(organ at risk; OAR) 내에 서의 열 점(hot spot)과 계획 표적 체적 내에서 냉점(cold spot)을 감지 못할 수 있다고 지적하였다[10].

Akino 등의 연구에 따르면 선량 계산 격자 크기는 유방 암의 표면 선량(surface dose)을 예측하는데 중요한 역할을 한다. 복셀 평균화(voxel averaging)를 통해 1.0 ㎜ 선량 계 산 격자 크기를 적용하여 표면 선량을 적절히 정량화 해야 한다고 결론지었다[11].

본 연구의 목적은 이전 여러 다른 연구를 바탕으로 비 인 두암 체적 조절 호형 방사선 치료 계획에서 선량 계산 격자 크기에 따른 선량 체적 지수(조형 지수, 균일 지수)와 방사 선 생물학적 지수(종양 제어 확률, 정상 조직 합병증 확률) 의 변화를 알아보고 임상에서 가장 이상적인 선량 계산 격 자 크기를 찾고자 하였다.

Ⅱ. 대상 및 방법

1. 비 인두암의 VMAT 계획 수립

본 원에서 체적 조절 호형 방사선 치료를 받은 비 인두암 환자 5명을 무작위로 선택하였다. 환자의 단층 촬영 영상은 Sensation Open (Siemens, Germany)을 이용하여 2.0 ㎜ 두께로 획득하였다. 선택한 환자들의 표적 체적과 정상 조 직 체적의 평균 값(mean value), 중앙 값(median value), 표준 편차(standard deviation)는 Table 1에 제시되어 있 다. 모든 치료 계획은 총 선량 70 Gy, 35회의 분할 횟수를 적용하였고 선량 체적 제한치(dose volume constraint)는 98% 계획 표적 체적에 95% 이상의 처방 선량이 전달되도록 설정하였다. 선량 체적 제한치는 Table 2에 제시되어 있다.

모든 치료 계획은 표적 체적을 포함하여 주변의 정상 조 직 체적의 견딤 선량(tolerance dose) 범위 내에서 수행되 었다. 계획 표적 체적은 임상 표적 체적을 기준으로 X축, Y 축, Z축 모든 방향에 6.0 ㎜ 여백을 적용하였다. 비 인두암 치료 시 임상적 판단이 고려되는 정상 조직으로 척수, 뇌간, 수 정체, 이하선을 선택하였다. 치료 계획 시스템은 Oncentra MasterPlan VMAT (Nucletron BV, Veenendaal, Netherlands) 을 사용하였다[12]. 최적화 알고리즘(optimization algorithm) 은 direct aperture optimization (DAO)를 적용하였고, 선량 계산 알고리즘(dose calculation algorithm)은 collapsed cone convolution (CCC)를 적용하였다. 최적화(optimization) 및 선량 계산 시 격자 크기는 X축 3.0 ㎜, Y축 2.0 ㎜, Z축 3.0 ㎜ 를 동일하게 적용하였다.

선량 계산 격자 크기 변화에 따른 선량 체적 지수와 방사 선 생물학적 지수의 변화를 알아보기 위해 1.0～5.0 ㎜의 다양한 선량 계산 격자 크기를 적용하여 재계산하였고 종양 체적과 정상 조직 체적의 선량 체적 히스토그램을 분석하였 다. 이후 선량 체적 히스토그램을 기반으로 매틀랩 프로그 램을 이용하여 선량 체적 지수와 방사선 생물학적 지수를 계산하였다.

2. 계획 표적 체적의 선량 체적 지수

조형 지수(conformity index; CI)는 국제 방사선 단위 측 정 위원회(International Commission on Radiation Units and Measurements)의 보고서 62와 미국 방사선 종양학 임 상 연구회(Radiation Therapy Oncology Group)에 따라 식(1)에 나타나 있다[15].

V_RI는 처방 선량의 95% 등 선량 곡선이 포함하는 치료 체적(treatment volume)을 의미하고, TV는 계획 표적 체 적을 의미한다. 조형 지수는 계획 표적 체적을 포함하는 선 량의 척도이며 1.0이 가장 이상적인 값이다[16].

균일 지수(homogeneity index)는 식(2)에 의해 정의 된다.

D_2%, D_95%, D_50%은 각각 계획 표적 체적의 2%, 95%, 50% 등 선량 곡선을 의미한다. 균일 지수가 낮을수록 계획 표적 체적에 열 점과 냉점 없이 처방 선량이 균일하게 잘 전 달됨을 의미하고 0일수록 이상적인 값이다[17].

3. 계획 표적 체적과 정상 조직의 방사선 생물학적 지수

등가 균일 선량(equivalent uniform dose, EUD)는 식 (3)에 의해 정의된다.

이 식은 종양 조직과 정상 조직 모두에 적용시킬 수 있고 α는 특정 종양 조직과 정상 조직에 따른 선량 체적 효과와 관련된 매개 변수이고, υ_i는 Gy 단위의 선량을 받는 조직의 체적과 관련된 매개 변수이다.

계획 표적 체적의 종양 제어 확률과 정상 조직 합병증 확 률은 식(4)에 의해 계산되었다.

TCD₅₀은 tumor control dose의 약자로 종양 조직의 50%를 제어하기 위한 선량을 의미하고, TD₅₀은 tolerance dose의 약자로 정상 조직이 균일하게 선량을 받을 때 50%의 합병증 확률에 해당하는 견딤 선량을 의미한다. r₅₀은 선량 반응 곡선(dose response curve)의 기울기에 해당하는 매개 변수이다. 이번 연구에서 종양 제어 확률과 정상 조직 합병 증 확률 계산에 사용된 매개 변수는 처방 선량(prescribed dose), 분할 횟수(fraction number), 병기(disease stage) 에 따라 적용되었다. Table 3에 정상 조직 합병증 확률 계산 에 적용된 매개 변수가 나타나 있다[13-14, 18-20].

Ⅲ. 결 과

1. VMAT 치료 계획에 대한 선량 체적 히스토그램 분석

Table 4는 선량 계산 격자 크기에 따른 종양 체적과 정상 조직 체적의 평균 선량(mean dose)을 보여준다. 선량 계산 격자 크기가 작을수록 임상 표적 체적의 평균 선량이 낮고 계획 표적 체적의 평균 선량이 더 높게 나타났다. 척수, 뇌 간, 수정체, 이하선의 정상 조직의 평균 선량은 선량 계산 격자 크기의 변화에 따라 큰 차이가 나타나지 않았다. Fig. 1은 선량 계산 격자 크기에 따른 종양 체적과 정상 조직 체 적의 선량 체적 히스토그램이 나타나 있다.

2. 계획 표적 체적의 선량 체적 지수 분석

Table 5는 선량 계산 격자 크기에 따른 계획 표적 체적의 조형 지수와 균일 지수를 보여준다. 선량 계산 격자 크기가 작을수록 계획 표적 체적에 대한 조형 지수가 증가함을 알 수 있다.

Fig. 2에서 보면 조형 지수와 균일 지수는 3.0 ㎜에서 가 장 좋은 결과가 나타났다. 그 이유는 치료 계획 시스템에서 적용한 최적화 알고리즘의 계산 격자 크기 때문으로 판단된 다. 조형 지수는 선량 계산 격자 크기 3.0 ㎜를 기준으로 1.0 ㎜ (5.3%), 2.0 ㎜ (5.6%), 4.0 ㎜ (4.3%), 5.0 ㎜ (10.3%) 의 차이가 나타났다. 균일 지수의 경우 선량 계산 격자 크기 3.0 ㎜를 기준으로 1.0 ㎜ (26.5%), 2.0 ㎜ (14.1%), 4.0 ㎜ (10.4%), 5.0 ㎜ (23.1%)로 상대적으로 큰 차이를 보였다.

3. 계획 표적 체적과 정상 조직의 방사선 생물학적 지수 분석

Table 6은 종양 제어 확률과 정상 조직 합병증 확률이 나 타나 있다. 선량 계산 격자 크기가 작을수록 계획 표적 체적 의 종양 제어 확률이 높아짐을 알 수 있다. 임상 표적 체적 의 종양 제어 확률은 선량 계산 격자 크기에 따라 큰 변화를 나타내지 않았는데 임상 표적 체적의 평균 선량이 계획 표 적 체적의 평균 선량보다 크기 때문으로 판단된다. R₂는 결 정 계수(coefficient of determination)로서 1.0에 가까울 수록 자료의 분포가 선형성을 갖게 되고 X축과 Y축의 관계 가 정확하게 반영됨을 의미한다. 계획 표적 체적의 종양 제 어 확률은 선량 계산 격자 크기 3.0 ㎜를 기준으로 1.0 ㎜ (0.6%), 2.0 ㎜ (0.4%), 4.0 ㎜ (1.3%), 5.0 ㎜ (3.3%)의 결 과를 보였다. 선량 계산 격자 크기가 작을수록 수정체 및 이 하선의 정상 조직 합병증 확률은 낮아졌고 뇌간과 척수의 경우 선량 계산 격자 크기에 상관없이 정상 조직 합병증 확 률은 불규칙한 결과를 보였다[Fig. 3].

Ⅳ. 고찰 및 결론

치료 계획 시스템의 선량 계산 정확도는 선속 자료, 선량 계산 알고리즘 등 다양한 요소에 의해 결정된다. 치료 계획 시 선량 계산 격자 크기는 선량 분포의 결과에 영향을 끼치 고 특히 세기 조절 방사선 치료나 체적 조절 호형 방사선 치 료의 경우 중요하게 고려해야 할 요인이다. 하지만 실제 임 상에서는 치료 계획 시스템의 성능이나 선량 계산 시간 등 의 하드웨어 특성으로 인해 물리적, 생물학적 영향을 고려 하지 않고 일반적으로 선량 계산 격자 크기를 적용한다. 특 히 수정체 등과 같이 작은 체적의 정상 조직의 경우 선량 계 산 격자 크기가 증가할수록 선량 계산에 따른 부정확성이 커져 정확한 선량 예측이 불가능하다. 잘못된 선량 계산 격 자 크기를 적용 시 큰 위험을 초래할 가능성이 있다. 이에 따라 본 연구에서는 비 인두암 체적 조절 호형 방사선 치료 계획에서 선량 체적 지수와 방사선 생물학적 지수를 평가해 임상에서 적용 가능한 적절한 선량 계산 격자 크기를 제시 하는 것에 목적이 있다.

본 연구의 한계점은 우선 환자 수가 적고 본 원의 치료 계 획 시스템 최적화 알고리즘의 선량 계산 격자 크기가 모든 방향에 대해 고정되어 있다는 점이다. 이는 추후에 좀 더 많 은 질병 별 분석을 통한 연구를 할 예정이다.

본 연구의 결과를 보면 선량 계산 격자 크기가 작을수록 종양 체적의 평균 선량, 조형 지수, 종양 제어 확률이 증가 하고 정상 조직 합병증 확률이 감소하여 전체적인 치료 계 획 품질이 개선됨을 알 수 있었다. 그리고 선량 계산 격자 크기가 작을수록 선량 계산 시간이 매우 길어짐을 알 수 있 었다. 선량 계산 격자 크기에 따른 선량 계산 시간은 1.0 ㎜ (148.7 min), 2.0 ㎜ (21.6 min), 3.0 ㎜ (9.25 min), 4.0 ㎜ (5.88 min), 5.0 ㎜ (4.31 min)의 결과를 보였다. 이전의 다른 연구에서 세기 조절 방사선 치료 계획 시 선량 계산의 정확도와 선량 계산 시간의 조절이 필수적이라고 주장한 바 있다[8].

본 연구를 통해 비 인두암 체적 조절 호형 방사선 치료 계 획 시 선량 체적 지수와 방사선 생물학적 지수의 변화, 선량 계산 시간 등 여러 가지를 고려하여 선량 계산 격자 크기를 결정해야 함을 알 수 있었고 연구 결과에 따라 일반적인 임 상 상황에서 2.0～3.0 ㎜ 격자 크기를 적용하는 것이 바람 직하다고 판단되었다.