Ⅰ. 서 론
두경부암은 전체 암의 4% 정도로 빈도가 높지는 않지만, 수술을 하게 될 경우 미용적인 측면과 기능적인 측면에서 문제가 생길 위험이 있다[1]. 두경부는 음식을 삼키고 언어 적 의사소통을 위한 부위이기 때문에 미용적인 유지와 기능 의 보존이 필수적이다[2]. 이러한 이유로 동시항암화학방사 선치료(Concurrent Chemo Radiation Therapy, CCRT)가 많이 시행되지만, 항암제 자체의 독소와 방사선치료로 인한 체력 저하, 식욕감소, 활동성 저하 등은 대표적인 부작용으 로 손꼽힌다[3,4,5]. 이러한 부작용은 체중 감소로 이어질 수 있으며[6,7], 두경부암의 방사선치료 시 환자의 자세 잡 이(Set-up) 및 체적 변화로 인한 선량 전달의 오차를 초래 할 수 있다[8]. 특히, 선량 분포가 급격하게 변하는 방사선 치료계획 일수록 선량분포가 급격하게 변할 수 있고, 왜곡 된 선량전달을 야기할 수 있다. 이러한 이유로 두경부암의 방사선치료 시 적응방사선치료(Adaptive Radiation Therapy, ART)가 많이 시행된다[9].
적응방사선치료는 매 치료 시 혹은 체적 변화가 발생한 시 점에 획득한 전산화단층촬영(Computed Tomography, CT) 영상이나 자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging, MRI)에 체적을 다시 정의하고 전산화치료계획을 수정하여 선량전달이 이루어지는 방법이다[10,11]. 특히, 변형영상정 합(Deformable Image Registration, DIR)을 이용한 적응 방사선치료가 주로 이루어지며, 축(Axis) 방향, 측(Lateral) 방향, 전후(Anterior-Posterior) 방향으로 정합하는 강체 (Rigid) 방식으로 정합 후 영상 변형(Image Deformation) 을 하게 되는 이 과정에서 변형벡터장(Deformation Vector Field, DVF)이 형성된다. 형성된 DVF를 기반으로 구조물 (Structure)과 선량 분포(Dose Distribution)를 변형하는 방법 이 일반적이다. DVF를 기반으로 RT-Structure(RS)-Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM)과 RT-Dose (RD)-DICOM을 변형하게 되지만, 소프트웨어를 기반으로 하는 변형이기 때문에 의료 전문이력의 수정과 확 인(Confirm)이 필요하다. 이러한 일련의 과정은 변화된 체적 구조물 윤곽묘사(Delineation), 최적화(Optimization) 과정, 선량 계산(Dose Calculation), 선량 평가(Dose Evaluation) 등이 필요하며, 기존 방사선치료 과정보다 복잡하다. 또한, 적응방사선치료계획이 수립되는 과정에서 분할치료 중 움 직임 오차(Intra-fraction Motion Error)라는 또 다른 변 수가 발생할 수 있다. 방사선치료 시 정상 세포의 회복을 위 해 분할조사가 이루어지는 임상 과정에서 매번 치료 시 변 화된 체적을 정의하고, 다시 전산화치료계획을 수립하고 평 가하는 것이 이상적이지만 현재 임상에 적용하기에는 한계 가 있어 많은 고민을 하고 있다.
본 연구는 두경부의 적응방사선치료계획 수립이 이루 어지기 전 체적의 감소가 정적 세기조절방사선치료(Static Intensity Modulated Radiation Therapy, S-IMRT)와 체적 변조회전치료(Volumetric Modulated Arc Therapy, VMAT) 계획에 미치는 영향을 팬텀을 이용하여 실험하고 고찰하고 자 한다.
Ⅱ. 대상 및 방법
1. 전산화단층촬영 영상 획득
두경부 전산화치료계획을 수립하기 위해 랜도 팬텀 (Anderson Research Laboratories Inc, RANDO™ Phantom, USA)을 사용하여 전산화단층촬영 영상을 획득하였다. 경추 3번(C-spine 3), 머리 중간 깊이(Mid depth)에 등 중심점 (Isocenter)을 설정하였으며, 영상 획득은 CT-Simulator (Lightspeed RT16 CT™, General Electric Co., USA)를 사용하였다. 관심 영역(Region of Interest, ROI)은 인체 팬텀의 머리끝에서부터 기관분지부(Carina)이며, 영상 획 득 조건은 관전압 120 kVp, 관전류 250 mA, 절편 두께 2.5 mm, pitch 0.56, sec/rotation 0.5를 적용하였다.
2. 구조물 윤곽묘사(Delineation)
1) 표면 윤곽(Body Contour)
획득한 전산화단층촬영 영상에 구조물 윤곽묘사를 위해 전 산화치료계획시스템(Eclipse™ Treatment Planning System, Varian Medical Systems, Inc., Version 15.6, USA)의 윤 곽모사(Contouring) 메뉴를 이용하였다. 팬텀의 기본 표면 윤곽(Basic Body Contour)을 설정하고 임의의 돌출형 윤곽 (Bulging Contour)을 설정하였다. 임의의 돌출형 윤곽은 등 중심점(Isocenter) 위치에서 팬텀의 표면윤곽 우측 밖으 로의 반지름 4 cm의 원형 체적이며, 3차원(3D) 방식으로 정의하였다. 정의한 돌출형 윤곽을 물(Hounsfield Unit, HU=2, Mass Density =1.0 g/㎤)로 배치(Assign)하고 기 본 표면윤곽과 합산하여 기준 표면윤곽(Reference Body Contour)을 설정하였다[Fig. 1].
체적 감소를 가정하여 돌출형 윤곽에 2 mm 내부 여백 (Inner-margin)을 설정하고 기본 팬텀 윤곽과 다시 합산하 여 2 mm 감소된 표면윤곽을 설정하였다. 즉, 선량계산을 위하여 체적이 2 mm 감소된 새로운 전산화단층촬영 영상을 만든 것이다. 동일한 방식으로 반복하여 2 mm 단위로 총 10 mm까지 감소시켜가며 감소된 표면윤곽의 전산화단층촬 영 영상을 얻었다.
2) 표적(Target), 손상위험장기(Organ at Risk, OAR)
기준 표면윤곽의 전산화단층촬영 영상에 방사선치료 시 표적이 될 육안종양체적(Gross Tumor Volume, GTV), 임 상표적체적(Clinical Target Volume, CTV), 계획표적체적 (Planning Target Volume, PTV)을 설정하였다[Fig. 1]. 본 연구에서 계획표적체적의 길이는 15 cm으로 고정이며, 돌출형 윤곽들이 2 mm씩 감소될 때마다 동일하게 감소한다 고 가정하여, 2 mm 내부 여백을 각각 설정하였다. 방사선 치료 시 최대한 보호해야 할 손상위험장기는 척수(Spinal Cord), 뇌(Brain), 뇌간(Brain stem), 양쪽 이하선(Both Parotid Gland), 양쪽 수정체(Both Lens), 양쪽 눈(Both Eye)으로 설정하였다. 전산화치료계획 시 조사야 영역에서 의 영향만을 평가하기 위해 척수는 계획표적체적 끝에서 1 cm까지만 설정하였다. 체적이 감소된 돌출형 윤곽과 계획 표적체적은 Table 1과 같다.
3. 기준 전산화치료계획
기존 표면윤곽에 Eclipse™ 전산화치료계획시스템의 Menu (External Beam Planning)를 이용하여 전산화치료계획을 수립하였으며, VitalBeam™ (Varian Medical Systems, Inc., USA) 의료용 선형가속기(Linear Accelerator, LINAC)를 전산화치료계획 수립에 적용하였다. 설정한 기준 표면윤곽에 7개의 동일 평면상의 필드를 이용한 정적 세기조절방사선 치료계획을 수립하였다. 또한, 181°~179° 시계 방향(Clock Wise, CW), 179°~181° 반시계 방향(Counter Clock Wise)의 체적변조회전치료계획을 수립하였으며, 각 전산화치료계획 은 계획표적체적 1회에 2 Gy가 전달되도록 처방하였다.
두 전산화치료계획 모두 최적화를 위하여 PO (Photon Optimization, 15606) 알고리즘을 이용하였으며, 선량계산을 위해 2.5 mm의 격자 크기(Grid Size)와 AAA (Anisotropic Analytical Algorithm, 15606)를 이용하였다.
4. 표면윤곽 감소에 따른 전산화치료계획
기준 전산화치료계획을 2 mm씩 감소되는 표면윤곽에 전 산화단층촬영 영상에 구조물 배치(Structure Assign)하였 다. 체적이 감소하더라도 기준 전산화치료계획과 동일한 플 루언스(Fluence)로 선량 전달이 되었을 때를 모사하고자 최 적화 과정 없이 Table 2와 같이 MU (Monitor Unit)를 고정 하여 선량 계산을 수행하였다. 선량 계산 조건은 기준 전산 화치료계획과 동일하게 적용하였다[12].
즉, 기준 전산화치료계획 외에 2 mm, 4 mm, 6 mm, 8 mm, 10 mm 감소된 표면윤곽에 선량 분포를 계산한 것이다.
5. 선량 평가
1) 표적에 대한 평가
각 계산별 계획표적체적에 대한 평가를 위해 국제 방사선 단위 측정 위원회(International Commission on Radiation Units and Measurements, ICRU) 보고서 62와 미국 방사 선치료종양학 그룹(Radiation Therapy Oncology Group, RTOG)의 가이드라인을 인용하였다. 전산화치료계획의 적 절한 조형(Conformation)이 이루어졌는지에 대한 평가 지 표인 처방선량지수(Conformity Index, CI)와 열 점(Hot Spot)과 냉점(Cold Spot)이 적절한지에 대한 평가 지표인 선량균질지수(Homogeneity Index, HI)를 계산하여 비교하 였다(식 1, 2)[13,14].
V95%는 처방 선량의 95% 선량이 들어가는 체적이고, VPTV 는 계획표적체적에 해당하는 체적이다.
D2%는 2% 계획표적체적에 들어가는 선량, D95%는 95% 계획표적체적에 들어가는 선량, D50%는 50% 계획표적체적 에 들어가는 선량으로 정의한다.
처방선량지수는 1.0에 가까울수록 이상적이며, 선량균질 지수는 0에 가까울수록 열점과 냉점이 없이 처방 선량이 균 일하게 전달되는 의미다[15].
2) 손상위험장기에 대한 평가
전산화치료계획에서 손상위험장기를 평가하기 위해 선량 체적 히스토그램(Dose Volume Histogram, DVH)을 이용하 였다. 손상위험장기의 평가대상으로는 두경부의 임상적 판단 이 필요한 척수, 뇌, 뇌간, 우측 이하선(Right Parotid Gland) 으로 선정하였다. 돌출형 윤곽을 우측으로 선정하고 체적 감소 가 이루어졌기 때문에 우측 이하선을 대상으로만 평가하였다. 척수, 뇌, 뇌간, 우측 이하선의 최대선량(Maximum Dose, Dmax)과 평균선량(Mean Dose, Dmean)을 평가하였다. 체적 감소 에 대한 선량 차이 유의를 확인하기 위해 t-검정을 실시하여 p-value를 산출하였으며, 유의 수준은 0.05로 설정하였다.
Ⅲ. 결 과
1. 표적에 대한 평가
1) S-IMRT
S-IMRT의 전산화치료계획 수립 후 기준 처방선량지수 는 0.983이었다. 처방선량지수의 경우 4 mm, 6 mm의 체 적 감소에서 최대 차이는 0.002이었고, 10 mm의 체적 감소 에서 최소 차이는 0.000이었다. 모든 체적 감소에서 처방선 량지수의 평균값은 0.984 ± 0.001이었다.
기준 선량균질지수의 계산 결과는 0.092였다. 선량균질 지수의 경우 체적의 변화에 대해 최대 10 mm의 체적 감소 에서 최대 차이는 0.014였고, 2 mm의 체적 감소에서 최소 차이는 0.000이었다. 모든 체적 감소에서 선량균질지수의 평균값은 0.098 ± 0.004이었다[Table 3].
R2는 결정 계수(Coefficient of Determination)이며, 1.0 에 가까울수록 X축과 Y축의 상관관계가 정확하게 반영됨을 의미한다. S-IMRT에서 처방선량지수의 경우 R2=0.015로 체적 감소에 상관없이 불규칙한 결과가 나타났다. 반면, 선 량균질지수의 경우 R2=0.960로 체적 감소 시 증가하였다 [Fig. 2].
2) VMAT
VMAT의 전산화치료계획 수립 후 기준 처방선량지수는 0.992였다. 처방선량지수의 경우 10 mm 체적 감소에서 최 대 차이는 0.002였고, 2 mm, 4 mm, 6 mm, 8 mm의 체적 감소에서 최소 차이는 0.000이었다. 모든 체적 감소에서 처 방선량지수의 평균값은 0.992 ± 0.001이었다.
기준 선량균질지수의 계산 결과는 0.078이었다. 선량균 질지수의 경우 체적의 변화에 대해 최대 10 mm의 체적 감 소에서 최대 차이는 0.008얻고, 2 mm, 4 mm의 체적 감소 에서 최소 차이는 0.001이었다. 모든 체적 감소에서 선량균 질지수의 평균값은 0.081 ± 0.003이었다[Table 4].
VMAT에서 처방선량지수의 경우 R2=0.259로 체적 감소 에 상관없이 불규칙한 결과가 나타났다. 반면, 선량균질지 수의 경우 R2=0.895로 체적 감소 시 증가하였다[Fig. 3].
2. 손상위험장기에 대한 평가
1) S-IMRT
S-IMRT의 전산화치료계획 수립 후 척수의 기준 Dmean과 Dmax는 87.5, 108.0 cGy이었다. 모든 체적 감소에서 평균 Dmean은 88.4 ± 0.23 cGy, 평균 Dmax는 109.5 ± 0.33 cGy 이었고, Dmean의 경우 10 mm에서 최대 차이는 1.2 cGy, Dmax 의 경우 10 mm에서 최대 차이는 2.0 cGy이었다. 뇌의 기준 Dmean과 Dmax는 12.9, 178.8 cGy이었다. 모든 체적 감소에서 평균 Dmean은 12.9 cGy, 평균 Dmax는 179.4 ± 0.05 cGy이었 으며, Dmean의 모든 체적 감소에서 차이가 없었고, Dmax의 경 우 2 mm, 4 mm에서 최대 차이는 0.7 cGy이었다. 뇌간의 기준 Dmean과 Dmax는 51.9, 124.6 cGy이었다. 모든 체적 감 소에서 평균 Dmean은 51.9 ± 0.05 cGy, 평균 Dmax는 124.8 ± 0.05 cGy얻고, Dmean의 경우 2 mm, 4 mm에서 최대 차이 는 0.1 cGy, Dmax의 경우 2 mm, 4 mm에서 최대 차이는 0.3 cGy이었다. 우측 이하선의 기준 Dmean과 Dmax는 95.7, 220.2 cGy이었다. 모든 체적 감소에서 평균 Dmean은 96.0 ± 0.19 cGy, 평균 Dmax는 223.6 ± 0.44 cGy얻고, Dmean의 경우 2 mm에서 최대 차이는 0.6 cGy, Dmax의 경우 10 mm에서 최 대 차이는 3.9 cGy이었다[Table 5].
뇌의 Dmean은 모든 선량 값이 같으므로 분산(S2=0)이 없 어서 t-검정에 해당 사항이 없으며, 뇌간은 Dmean을 제외한 선량 평가 지표에서 p-value는 0.05 이하로 통계적으로 유 의한 차이를 확인하였다[Table 6].
2) VMAT
VMAT의 전산화치료계획 수립 후 척수의 기준 Dmean과 Dmax는 83.8, 99.5 cGy이었다. 모든 체적 감소에서 평균 Dmean은 84.3 ± 0.23 cGy, 평균 Dmax는 100.0 ± 0.23 cGy 이었고, Dmean의 경우 10 mm에서 최대 차이는 0.8 cGy, Dmax의 경우 10 mm에서 최대 차이는 0.8 cGy이었다. 뇌의 기준 Dmean과 Dmax는 12.7, 197.3 cGy이었다. 모든 체적 감 소에서 평균 Dmean은 12.6 cGy, 평균 Dmax는 1972 ± 0.06 cGy이었고, Dmean의 모든 체적 감소에서 동일하게 0.1 cGy 의 차이였다. Dmean과 Dmax는 46.7, 118.4 cGy이었다. 모든 체적 감소에서 평균 Dmean은 46.6 ± 0.04 cGy, 평균 Dmax는 118.3 ± 0.05 cGy이었고, Dmean의 경우 2 mm를 제외한 체 적 감소에서 동일하게 0.1 cGy의 차이였다. Dmax의 경우 6 mm, 8 mm, 10 mm에서 최대 차이는 0.1 cGy이었다. 우측 이하선의 기준 Dmean과 Dmax는 101.4, 220.4 cGy이었다. 모 든 체적 감소에서 평균 Dmean은 101.3 ± 0.12 cGy, 평균 Dmax는 221.9 ± 0.52 cGy이었고, Dmean의 경우 10 mm에서 최대 차이는 0.3 cGy, Dmax의 경우 10 mm에서 최대 차이는 2.1 cGy이었다[Table 7].
뇌의 Dmean은 체적 감소 시의 모든 선량 값이 같으므로 분 산(S2=0)이 없어서 t-검정에 해당 사항이 없으며, 뇌간의 Dmax를 제외한 선량 평가 지표에서 p-value는 0.05 이하로 통계적으로 유의한 차이를 확인하였다[Table 8].
Ⅳ. 고 찰
본 연구는 두경부암의 방사선치료 중 체적 감소에 따른 기존 방사선치료계획의 선량 전달시 발생할 수 있는 변화를 연구하였다. 방사선치료 시 체적 감소라는 매개변수가 전산 화치료계획에 미치는 영향에 대한 많은 연구들이 선행되었 지만, 선량학적 매개변수와의 직접적인 상관관계에 대한 분 석이 부족한 부분이 있었고 본 연구는 두경부의 방사선치료 시 체적 감소라는 매개변수를 설정하고 전산화치료계획의 수정이 없다는 조건으로 선량 계산을 하고 표적과 손상위험 장기의 영향을 분석하고자 하였다. 특히, 주 종양(Major Tumor) 내 미달 선량의 발생은 방사선치료 후 암의 재발 (Recurrence)을 일으킬 수 있다는 임상 연구가 많고 완치 목적의 치료를 위해서 임상적으로 매우 중요한 요소이다 [16,17]. 본 연구는 체적 감소라는 매개변수가 S-IMRT와 VMAT 전산화치료계획의 처방선량지수 및 선량균질지수와 손상위험장기의 선량에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 연구하였으며, 분명한 상관관계가 있는 것을 확인하였다. 다만 S-IMRT와 VMAT 두 전산화치료계획의 최적화 과정, 선량 계산 통제 점(Control Point)의 위치(Position), 개수 (Numbers) 등이 달라서 어떤 전산화치료계획에서 체적 감 소에 더 큰 영향이 발생하는지에 대한 상관관계를 분석하는 것은 한계가 있었다. 또한, 팬텀을 이용한 연구이기 때문에 환자의 복합적인 임상 상황이 반영되지 못하여 아쉬운 부분 이 있다. 향후 다양한 변수를 설정하여 추가적인 연구가 이 루어지고, 환자를 대상으로 연구가 이루어진다면 방사선치 료를 받는 두경부암 환자의 체적 감소에 대해 적절한 임상 적 대처가 이루어질 수 있을 것으로 사료된다. 현재 임상에 서 체중 감소 및 체적 감소에 대한 적절한 대처가 이루어지 고 있지만, 지속적인 연구를 통해 좀 더 나은 최적의 대처가 이루어져야 할 것이다. 그 외 방사선치료기간 동안 체중감 소, 부종 등으로 정상조직 및 종양에 변화가 생길 수 있고 이로 인하여 선량분포의 불일치성이 있을 수 있음을 간과해 서는 안 되며 적응방사선치료를 통해 치료의 정확성과 재현 성을 높을 수 있을 것으로 사료된다.
Ⅴ. 결 론
두경부암의 방사선치료 중 체적 감소에 따른 기존 방 사선치료계획의 선량학적 변화를 처방선량지수와 선량 균질지수로 평가하였다. 처방선량지수의 경우 S-IMRT에 서 R2=0.0152, VMAT에서 R2=0.2595로 영향이 미비하였 지만, 선량균질지수의 경우 R2=0.9602, R2=0.8955로 상관관계가 비교적 명확했다. 체적 감소는 표적의 조형 (Conformation)이나 주치의가 결정한 처방(%)에 영향을 미 치기보다는 최대선량(Dmax)이 높아져 열점이 생기거나 표 적 내 미달 선량(Under Dose) 영역이 생길 수 있다는 의미 이며, 또한 손상위험장기의 경우 두 전산화치료계획 모두 체적 감소에 비교적 영향이 적은 위치인 뇌와 뇌간에서 차 이 유의가 없었고, 체적 감소에 비교적 영향이 큰 위치인 척 수, 우측 이하선의 경우 유의한 선량 차이(p<0.05)가 발생 하였다. 또한 체적 감소가 발생하는 위치는 SSD (Source to Surface Distance)의 변화, 유효깊이(Effective Depth)의 변화 등으로 가까운 손상위험장기의 선량 차이가 발생하였 으며, 두경부암은 피부와 인접하여 위치하기 때문에 체적과 체형변화에 선량 분포가 민감하게 작용 할 수 있다. 본 연구 결과를 통해 고정밀 치료기술을 적용한 적응방사선치료 전 산화치료계획 수립 또는 재 모의치료(Re Simulation)의 시 기를 결정하는데 참고할 수 있을 것이다. 현재 많은 병원에 서 방사선치료 전 영상유도(Image Guidance)를 통하여 좀 더 정확하고, 정밀한 방사선치료를 환자에게 제공하기 위하 여 노력하고 있다. 매번 체적의 변화에 따른 전산화치료계 획을 적용하기가 현실적으로 어려움이 있지만, 앞으로 임상 에서 적극적으로 반영하기 위한 노력을 기울여야 할 것이 며, 향후 두경부암 환자를 대상으로 체적 감소와 관련된 추 가적인 임상 연구 시 참고문헌으로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.