Ⅰ. 서 론
척추 전이(Spine Metastasis)는 난치성 통증을 유발할 수 있고 척수(Spinal Cord)가 손상되면 운동 또는 감각 기 능의 장애로 이어질 수 있어 암 환자 삶의 질을 저하하는 주 요 원인이다[1–3]. 척추 전이의 치료 방법에는 수술, 전신 화 학요법, 방사선치료, 진통제 및 스테로이드 치료가 있다. 그 중 방사선치료가 척추 전이에 대해 탁월한 통증 완화 치료 라고 알려져 있다[4,5]. 최근에는 치료계획장치(Treatment Planning System, TPS)와 선량 전달 기법의 발전으로 국 소적인 병변에 선량을 전달하는 방사선수술(Radiosurgery) 이 널리 사용되고 있다[6,7]. 특히 척추는 내부 기관의 움직 임이나 호흡에 의한 영향이 적기 때문에 방사선수술을 통해 통증을 줄이는 데 효과적이다[8–10].
척추 방사선수술은 90%의 뛰어난 종양의 국소제어율 (Local Control Rate)로 신속하고 지속적인 통증 제어가 가 능하다[11]. 방사선수술이 효과적이지만 척수와 같이 종양에 인접한 결정장기(Critical Organ)에 다량의 방사선을 전달 할 가능성도 있다. 방사선척수증(Radiation Myelopathy) 은 하반신 및 사지 마비를 포함하여 서서히 진행되는 감 각 운동장애로 나타난다. 대부분의 임상 기관에서 방사선 수술 시 척수에 전달할 수 있는 선량은 방사선종양학그룹 (Radiation Therapy Oncology Group, RTOG)의 보고서를 기반으로 최대선량(Dmax)이 1,400 cGy를 초과하지 않도록 하고, 0.35 ㎤ 체적 선량(D0.35)이 1,000 cGy를 넘지 않도록 선량제한치(Dose Constraint)를 적용하고 있다[12]. 방사 선척수증은 방사선치료 후 바로 나타나지 않고 잠복기를 거 친 후 나타난다. 연구에 의하면 잠복기는 6개월에서 20개월 까지 걸릴 수 있다고 알려진 바 있다[13].
방사선수술은 한 번으로 치료가 완료되기 때문에 일반적 인 방사선치료보다는 많은 위험이 존재한다. 방사선치료는 환자의 움직임 등의 발생할 수 있는 여러 가지 오차를 보완 하기 위해 치료 범위에 여백을 적용하지만, 방사선수술에서 는 여백을 최소화하고 진행하기 때문에 오차가 발생하면 큰 위험이 따른다. 따라서 방사선치료보다 더 신중한 과정을 거치게 되는데 먼저 치료계획 시 선량 계산 격자 크기를 줄 이거나 장비에 따라 비공면조사면(noncoplanar beam)을 사용한다. 그리고 치료 전 갠트리 회전의 정확도, 테이블 회 전의 정확도, 콜리메이터 회전의 정확도를 확인하기 위해 말뚝울타리검사(Picket Fence Test)와 윈스턴루츠시험 (Winston Lutz Test)을 진행한다[14,15]. 실제 빔 전달 시 에는 디지털 재구성 사진과 원뿔형빔 전산화단층촬영(Cone Beam Computed Tomography, CBCT)으로 영상유도를 수 행한다. 이런 과정에도 불구하고 척수 방사선수술은 치료 부 위가 척수와 매우 근접해 있으므로 위험성은 늘 존재한다.
방사선수술 시 입체조형방사선치료(Conformal Radiation Therapy, CRT), 세기조절방사선치료(Intensity Modulated Radiation Therapy, IMRT), 체적조절호형방사선치료(Volumetric Modulated Arc Therapy, VMAT)가 수행되고 최근 임상에서 는 체적조절호형방사선치료가 가장 많이 수행된다[16–19]. 여 러 연구에 의하면 방사선수술 시 작은 병변에 대해 다엽콜리메 이터(multi-leaf collimator, MLC)의 잎 너비(Leaf Width)가 작을수록 향상된 선량 측정 결과를 보였다. 특히 잎 너비가 2.5 ㎜ 미만인 정밀다엽콜리메이터(Micro MLC)를 사용 시 가장 좋은 결과를 보였다[20–22]. 다엽콜리메이터의 위치 오차 는 작은 변화에도 큰 선량 차이 결과를 가져올 수 있어서 중요하 지만, 정량적으로 평가할 방법은 많지 않다. 본 연구는 척추 방사선수술 시 다엽콜리메이터의 위치 오차에 따른 선량 차이를 이전 연구를 통해 개발한 전산모사 알고리즘(Monte Carlo Algorithm)을 통해 계산하고[23] 위험성을 평가하여 실제 임 상에서 적용하기 위해 수행하였다.
Ⅱ. 대상 및 방법
1. 환자 선택 및 치료계획
치료가 종료된 총 10개의 척추 방사선수술 치료계획을 선택하 였다(Table 1). 치료계획 영상은 CT 모의치료기 Sensation Open (Siemens, Germany)을 이용하여 1.5 ㎜ 두께로 획득하 였다. 치료계획은 Oncentra planning system Ver 4.1 (Nucletron BV, Veenendaal, Netherlands)로 수행되었다. 체적조절호형방사선치료(VMAT)의 최적화 알고리즘은 DAO (Direct Aperture Optimization)를 적용하고, 선량 계산 알 고리즘은 CCC (Collapsed Cone Convolution)를 적용하였 다. 선량 계산 격자 크기는 모든 방향에서 1.0 ㎜ 적용하였고, 2개의 회전 치료 빔, 처방 선량은 1회 2,000 cGy를 적용하였다. 맨눈종양체적(Gross Tumor Volume, GTV)에 3.0 ㎜ 여백을 주어 임상표적체적(Clinical Target Volume, CTV)을 생성하 고, 처방 선량의 90%가 맨눈종양체적(GTV)의 100%를 포함하 도록 설정하였다. 결정장기인 척수의 Dmax가 1,400 cGy를 초 과하지 않도록 하고, D0.35는 900 cGy를 넘지 않도록 하며 맨눈종양체적(GTV)을 모두 포함하기 위해 목표 선량을 초과 하는 경우 1,000 cGy를 초과하지 않도록 치료계획을 수립하였 다. 생성된 치료계획은 선량계산을 위한 서버로 전송되어 다엽 콜리메이터의 위치를 수정하여 재계산을 수행하였다.
2. 다엽콜리메이터의 위치 오차에 따른 선량 계산
척추 방사선수술의 치료계획은 매트랩(R2019a, MathWorks Inc., Natick, MA, USA)으로 제작한 선량 검증 프로그램 에서 다엽콜리메이터 위치를 수정하고 화학 양론적 교정 (Stoichiometric Calibration)과 전산모사 알고리즘을 적용하 여 재계산하였다[24–27]. 선량 계산은 Ryzen threadripper pro 5995WX와 128개 노드가 있는 고성능컴퓨팅 클러스터 (High performance computing cluster)로 수행되었다[28]. Fig. 1과 같이 각 치료계획에는 두 가지 유형의 다엽콜리메 이터 위치 오차를 적용하였다. 첫 번째 유형(Field Out)은 마주 보고 있는 A Bank와 B Bank의 다엽콜리메이터가 원 래 위치에서 바깥쪽으로 열리는 상황을 가정하였고 두 번째 유형(Field In)은 원래 위치에서 안쪽으로 닫히는 상황을 가 정하였다. 다엽콜리메이터의 위치 오차는 0.0 mm, 0.2 mm, 0.4 mm, 0.6 mm, 0.8 mm, 1.0 mm 단계적으로 적용 하였다. 선량 검증 프로그램 내에서 치료계획장치에서 수립 한 원래 치료계획과 수정된 치료계획을 비교하였다. 재계산 이 완료된 치료계획은 기존 치료계획을 기준으로 식 1에 의 해 상대 평가하였다. 맨눈종양체적(GTV)과 임상표적체적 (CTV)은 95% 체적에 전달되는 선량(D95)과 평균 선량 (Dmean)으로 평가하였고 척수는 Dmax과 D0.35로 평가하였다.
Ⅲ. 결 과
수립한 치료계획당 모니터 단위(Monitor unit, MU)는 평균 5,541 MU로 나왔고 전산모사 알고리즘을 통한 재계산 은 한 개의 치료계획당 11개로 총 110개의 치료계획을 약 1,000시간에 걸쳐 계산하였다.
Fig. 2는 다엽콜리메이터 위치 오차를 적용했을 때 선량 분포다. 척수의 Dmax를 우선으로 만족하도록 적용하였기 때 문에 임상표적체적(CTV)은 처방 선량이 적게 전달되는 경 우가 있어 맨눈종양체적(GTV)보다는 다엽콜리메이터의 위 치변화에 따른 선량 차이가 더 크게 나타났다. 기존의 선량 계산에 비해 임상표적체적(CTV)의 D95는 최대 13%의 선량 변화를 나타냈고 맨눈종양체적(GTV)의 D95는 최대 9%의 선 량 변화를 나타냈다. Dmean은 맨눈종양체적(GTV), 임상표 적체적(CTV)에서 각각 -8.9%에서 9%까지, -10.1%에서 10.2%까지 선량 변화를 나타냈다.
Table 2와 Table 3은 다엽콜리메이터 위치 오차를 적용 했을 때 척수에 들어가는 선량이다. 모든 치료계획에서 단 계적인 위치변화에 따른 결과는 직선성을 나타냈다. 척수의 Dmax는 -14.2%에서 19.6%까지 선량 차이를 나타냈고 D0.35 는 -15.5%에서 19.4%까지 선량 차이가 나타났다. 척수의 제한 선량은 1,400 cGy를 넘지 않아야 하지만 Dmax를 기준 으로 총 10명 중 6명이 기준선량을 초과하고 D0.35는 총 10 명 중 2명이 초과하는 것으로 나타났다.
Ⅳ. 고 찰
척추 방사선수술은 임상적 위험성이 크기 때문에 전면 계 통 검사(End-To-End Test)나 모의시험(Dry Run)을 수행 한다[29]. 그러나 조금이라도 실수가 발생하면 이미 전달된 선량에 대한 수정이 불가능해 큰 위험성이 있다. 빔 전달 과 정에서 발생할 수 있는 오차는 크게 두 가지로 생각해 볼 수 있는데 첫째, 환자의 움직임에 의한 오차는 고정 용구를 사 용해서 움직임을 최소화하거나 움직임을 모니터링하고 그 래도 어쩔 수 없이 발생하는 움직임에 의한 오차는 여백을 설정하여 치료계획을 시행한다. 둘째, 장비에서 발생하는 오차는 치료계획장치의 선량 계산 알고리즘에 의한 차이와 실제 빔을 전달하는 과정에서 발생하는 기계적인 오차다. 장비에서 발생하는 오차는 여러 복합적인 요인에 의해 발생 하기 때문에 개선이 쉽지 않지만, 예측을 통해 수정할 수 있 다. 전산모사 알고리즘은 가장 정확한 선량 계산 방법이지 만 여러 가지 제한점 때문에 연구용으로만 사용되는데 본 연구에서는 임상에서 제한적으로 사용이 가능할 정도의 성 능과 자동화를 기반으로 다엽콜리메이터의 위치 오차 시 발 생할 수 있는 결정장기의 임상적 위험성을 평가하였다. 전 산모사 알고리즘의 정확성에서 가장 많은 영향을 미치는 부 분은 영상 데이터로 전자밀도의 화학적 구성이 선량 계산의 정확성에 끼치는 영향을 고려하기 위해 화학 양론적 교정을 수행하였다.
치료 장비는 빔 전달의 정확성을 위해 예외적인 상황이 발생하면 사용자에게 알림을 주거나 허용값을 많이 벗어나 는 경우 가동을 멈추도록 설계되어 있다. 다엽콜리메이터의 경우 장비 설치 시 사용자 인수 검사 과정에서 잎 위치에 대 한 원본 데이터를 초기화하여 교정하고 치료 진행 시에도 잎 위치 정보를 소프트웨어에서 관리하도록 설계되어 있다. 파라미터를 사용자가 설정할 수 있고 본원에서는 단계별 조 사기법(Step And Shoot Technique)과 미닫이창 조사 기법 (Sliding Window Technique)에서 5.0 ㎜ 허용 오차를 설 정하고 있다. 세기조절방사선치료(IMRT)에서 주로 사용하 는 단계별 조사기법은 갠트리와 다엽콜리메이터가 고정된 상태에서 빔을 전달하기 때문에 비교적 작은 허용 오차를 설정하지만, 체적조절호형방사선치료(VMAT)에서 많이 사 용하는 미닫이창 조사기법의 경우 갠트리가 회전하는 상태 에서 다엽콜리메이터의 움직임과 빔 전달이 연속적으로 진 행되기 때문에 허용 오차가 상대적으로 높다. 허용 오차를 낮게 설정하면 빔 전달의 정확성은 높아지겠지만 허용 오차 에서 벗어나면 치료가 중단되기 때문에 잦은 인터로크 (Interlock)로 인한 치료의 중단과 그로 인한 치료 시간의 증가 및 선량 전달 오차도 고려해야 한다.
다엽콜리메이터의 위치변화에 따라 맨눈종양체적(GTV), 임상표적체적(CTV)의 Dmean의 차이는 작고 D95의 차이는 크 게 나타난 이유는 방사선수술에서 사용하는 빔의 특성 때문 으로 생각된다[30]. 방사선수술에는 무여과기(Flattening Filter Free, FFF) 빔을 사용하기 때문에 기존의 방사선치 료보다 선량률이 매우 높은데 본 연구에서 나타난 선량 차 이는 선량률의 변화에 크게 영향을 받은 것이라 판단된다. 척수의 경우 다엽콜리메이터의 위치변화에 따른 선량 차이 는 Dmax를 비교했을 때 270 cGy 로 작지 않은 차이를 나타 냈다. 일반적인 방사선치료와는 다르게 주요 정상조직의 인 접 구역에서 가파른 선량 삭감(steep dose fall-off)을 만들 어 내는 방사선수술의 특성상 1 ㎜ 이내의 미세한 차이로도 큰 선량 차이가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 다엽콜리 메이터의 위치 오차는 빔 전달되는 내내 지속해서 나타나지 도 않고 그 영향이 확실하지 않기에 최댓값을 고려하였다.
척추 방사선수술이 위험한 만큼 여러 가지 방법으로 검토 를 진행하고 치료계획 시 선량 차이가 발생할 수 있는 경향 을 고려하기 위해 본 연구를 진행하였다. 보수적인 전략이 필요한 환자의 경우 척수 선량의 최댓값 정도를, 오차범위 를 고려하여 정할 수 있도록 시스템을 구성할 계획으로 연 구를 진행하였다. 전산모사 알고리즘은 높은 정확성을 가지 고 있지만 오래 걸린다는 단점이 있다. 본 연구에서는 한 개 의 치료계획당 9시간 이내로 선량 계산을 완료하였다. 전산 모사 알고리즘 기반 선량 검증 프로그램을 개선하여 치료계 획장치와 연계하면 척추 방사선수술 시 선량 검증을 효율적 으로 수행할 수 있을 것으로 생각한다.
Ⅴ. 결 론
본 연구는 척추 방사선수술 시 선량 검증 프로그램을 통 해 다엽콜리메이터의 위치 오차에 따른 선량 차이를 계산하 여 임상적 위험성을 평가하였다. 전산모사 알고리즘 기반 선량 검증 프로그램의 임상적 유용성을 검증하였으며 척추 방사선수술 시 -10.1%에서 10.2%까지 선량의 차이가 날 수 있음을 확인하였다. 추후 연구에서 치료계획장치와 선량 검 증 프로그램과의 연계를 자동화하면 척추 방사선수술 시 발 생할 수 있는 임상적 위험성을 평가하여 치료계획 시 충분 히 고려할 수 있을 것으로 판단된다.
