Ⅰ. 서 론

전뇌 방사선치료(Whole brain radiation therapy, WBRT)는 다발성 뇌 전이로 인한 신경학적 증상 완화, 전이 종양의 통제 및 소세포암 환자의 뇌전이 예방 등을 위해 시행하는 전통적 2차원 방사선치료기술(2-Dimensional bilateral WBRT, 2D-WBRT)이다[1-4]. 최근 크기가 작고 10개 미만의 뇌전이 종양에 대해 정위적 방사선수술(Stereotactic radiosurgery, SRS) 또는 감마나이프 방사선수술(Gamma-knife radiosurgery, GKRS)을 시행하는 추세이지만, 다발성 뇌전이 환자의 경우 완전한 절제(Surgical resection) 또는 전신 치료(Systemic therapy) 효과가 제한적이므로 여전히 WBRT 역할이 중요하다[5,6]. 방사선치료를 받은 환자 중 일부가 수개월에서 수년 사이에 신경학적 후유증(Neurologically sequelae)을 경험한다[7,8]. 특히 기억과 학습에 관련된 부작용은 방사선에 의한 해마(Hippocampus)의 미세환경변화, 신경전구세포(Neuronal progenitor cell)와 신경아교세포(Neuroglia)의 미성숙 또는 조속 분화 등이 원인으로 보고되고 있다[9,10]. 최근 이러한 부작용 최소화를 위한 방법으로 해마회피전뇌방사선치료 (Hippocampal-avoidance WBRT, HA-WBRT)가 시행되고 있으며, 이에 대한 임상시험을 radiation oncology group(RTOG) 0933 trial과 NRG-CC001 trial을 통해 진행하였으며, 세기 조절 방사선치료(Intensity modulated radiation therapy, IMRT)와 메만틴(Memantine) 병용요법으로 해마의 방사선에 의한 기억과 학습 능력 보호에 효과가 있다고 보고하였다[11,12].

HA-WBRT는 표적(전뇌)에 처방 선량을 충분히 전달하는 동시에 해마를 보호를 위한 급격한 선량 감소(Dose fall off) 차이가 요구되며, 이러한 선량 기울기(Dose gradient)를 구현하기 위하여 효율적인 빔 배열(Beam arrangement)과 필드(Field) 조절에 관한 연구가 활발하다[13-15]. Yuen AHL 등은 Varian 사의 Eclipse 방사선치료계획 시스템 (Radiation treatment planning system, RTPs)을 사용하여 HA-WBRT 치료계획 시 물리적 한계를 해결하기 위하여 부분 필드(Partial-field) 활용에 관한 연구를 수행한 바 있다[16]. Kalet 등은 Monaco RTPs를 활용하여 전립선, 방광, 직장 등 의 골반부 방사선치료 시 표적의 형태에 따른 빔 배열에 관한 비교 연구를 수행한 바 있다[17]. 그러나 크고 복잡한 표적 치료 시 한계선량이 낮은 정상장기를 포함하고 있는 상황에서 빔 배열과 회전 원호 수 변화에 따른 modulation에 관한 연구가 부족한 실정이다.

본 연구에서는 Elekta사의 Monaco RTPs를 활용한 방사선 치료계획 시 동일면(Coplanar) VMAT에서 빔 스프레드시트(Spread sheet) 내 단일 빔에서 회전 원호 수를 결정하는 APB(Arc per beam) 방식과 빔의 개수로 회전 원호 수를 결정하는 BDA(Beams determined arcs) 방식 및 비동일면(Non-coplanar) VMAT의 BDA 방식에 대한 선량학적 인자(Dosimetric factor)를 비교 분석하고자 한다.

Ⅱ. 대상 및 방법

1. 대상 및 윤곽화

인체 모의피폭체(Alderson RANDO phantom, radiation support devices, USA)를 대상으로 바로 누운 자세(Supine position)에서 전산화 단층촬영기(Brilliance CT big bore oncology, PHILIPS, Netherland)를 이용하여 3 mm 두께의 영상을 획득하였다. 윤곽화(Delineation)를 위해 획득된 전산화 단층촬영 영상을 MIM maestro(Version 6.7.14, Cleveland, USA)로 전송하였다. 방사선치료계획을 위한 윤곽화는 RTOG 0933 protocol 기준을 적용하였다. 표적은 전뇌를 임상적표적 용적(Clinical target volume, CTV)으로 설정하였으며, 치료 계획용적(Planning target volume, PTV)은 CTV로부터 해마에서 균일한 방향으로 5 mm을 확장한 계획위험용적(Planning risk volume, PRV)을 제외하여 설정하였다[13]. 선량학적 평가를 위한 정상 장기로 해마, 시신경(Optic nerves), 시신경 교차(Optic chiasm)를 설정하였다.

2. 처방선량과 방사선치료계획

방사선치료계획은 Monaco RTPs(Elekta AB, Version 5.11.03, Stockholm, Sweden)을 이용하였다. 방사선치료계획 계산 알고리즘은 monte carlo photon photon algorithm 을 사용하였다. 계산 인자는 grid spacing 0.3 cm, statistical uncertainty 1.0%, control points per arc 150, min. segment width 0.5 cm, increment 20.0, energy 6 MV(Megavolt) 등 을 공통으로 적용하였다. 모든 VMAT 기법의 역방향치료계획(Inverse radiation therapy planning)은 빔 배열과 원호 수 변화에 따른 변화를 비교하기 위해 동일한 선량제약치(Constraints)를 적용하여 최적화(Optimization)을 수행하였다. 처방선량과 정상장기에 대한 기준은 RTOG 0933 protocol에 따라 설정하였으며 Table 1과 같다.

3. 빔 배열(Beam arrangement)

총 9개의 방사선치료계획을 진행하였으며 Table 2와 같다.

1) 동일면 체적조절호형방사선치료(Coplanar VMAT)

(1) 단일 빔 다중원호 체적조절호형방사선치료(Arc per beam VMAT, APB-VMAT)

APB-VMAT은 빔 스프레드시트 내 빔을 1개로 고정한 상태에서 최대 회전 원호 수 조건을 2, 3, 4(2APB, 3APB, 4APB-VMAT)로 변화하여 회전 원호 수를 변화하였다. 모든 동일면 방사선 치료계획은 한번 회전 시 반시계방향(Counter clock wise, CCW) 또는 시계방향(Clock wise, CW) 방향에서 시작하여 358˚로 회전하였으며, collimator 및 couch angle은 0˚ 설정 하였다.

(2) 다중 빔 단일원호 체적조절호형방사선치료(Beams determined arcs VMAT, BDA-VMAT)

BDA-VMAT은 빔의 개수로 회전 원호 수를 변화시키는 방식으로 빔 개수를 2, 3, 4(2BDA, 3BDA, 4BDA-VMAT)로 변화하여 최대 원호 수를 변화하였다. 나머지 조건은 APB-VMAT 과 동일하게 설정하였다.

2) 비동일면 체적조절호형방사선치료(Non-coplanar VMAT)

(1) 다중 빔 비동일면 체적조절호형방사선치료(Beams determined arcs non-coplanar VMAT, BDA-NC VMAT)

BDA-NC VMAT은 선행된 동일면 BDA-VMAT 치료계획에 대하여 181˚-0˚(CW), collimator angle 290˚, couch angle 70˚ 및 0˚- 181˚(CCW), collimator angle 70˚, couch angle 290˚ 2개의 half arcs를 추가하여 방사선치료계획을 수립하였다.

4. 방사선치료계획 평가

빔 배열에 따른 방사선치료계획별 선량분포는 Fig. 1과 같다. RTOG 0933 protocol에서 제시하는 기준에 따라 표적의 V₃₀, D₂, D₉₈을 평가하였으며, 정상장기에 대하여 해마의 D₁₀₀, D_max, 시신경과 시신경 교차는 D_max, D_mean 기준으로 치료적 합성을 판단하였다. 치료계획의 품질 비교분석을 위해 Eq. (1) 와 Eq. (2)를 바탕으로 conformity index(CI)와 homogeneity index(Hol)를 산출하였다.

heterogeneity index(Hel), 기계적 선량 단위(Monitor Unit, MU), delivery time은 Monaco statistics에서 산출된 값을 이용하여 평가하였다.

Ⅲ. 결 과

동일한 제약조건을 적용하여 총 9개의 방사선치료계획에 대해 14개의 선량학적 인자를 이용하여 비교 분석하였다. 모든 치료계획은 RTOG 0933 protocol의 기준을 충족하였다.

1. 표적(Target)

PTV V₃₀에서 2BDA-NC VMAT이 96.35%로 가장 높은 값, 2BDA-VMAT이 92.23%로 가장 낮은 값을 나타냈다. PTV D₂에서 2BDA-VMAT이 35.33 Gy로 가장 낮은 값, 2BDA-NC VMAT이 35.96 Gy로 가장 높은 값을 나타냈다. PTV D₉₈에서 2BDA-NC VMAT이 28.19 Gy로 가장 높은 값, 2BDA-VMAT이 24.84 Gy로 가장 낮은 값을 나타냈다. CI는 2BDA-NC VMAT이 0.81로 가장 높은 값, 3APB-VMAT이 0.71로 가장 낮은 값을 나타냈다. HoI, HeI은 2BDA-VMAT 이 0.37, 1.23으로 가장 높은 값을 보였으며, 2BDA-NC VMAT과 3BDA-NC VMAT이 0.23, 3APB와 4APB-VMAT 이 1.13으로 가장 낮은 값을 나타냈으며 Table 3과 같다.

2. 정상장기(Organ at risk)

해마의 D_max와 D₁₀₀은 2APB-VMAT이 15.99 Gy, 3APBMAT이 8.78 Gy로 가장 낮았고, 3BDA-NC VMAT이 16.68 Gy, 4BDA-NC VMAT이 10.0 Gy로 가장 높게 나타났다. 시신경의 D_max와 D_mean의 경우 2BDA-NC VMAT이 32.81 Gy, 2BDA-VMAT이 25.99 Gy로 가장 낮은 값, 2APB-VMAT 이 35.29 Gy, 3APB-VMAT이 28.62 Gy로 가장 높은 값 나타냈다. 시신경 교차의 경우 D_max와 D_mean은 4BDA-VMAT이 34.39 Gy, 2APB-VMAT이 28.67 Gy로 가장 낮은 값, 2APB-VMAT이 35.71 Gy, 2BDA-NC VMAT이 31.93 Gy 로 가장 높은 값을 나타냈다. 방사선치료계획별 평균 MU는 APB-VMAT, BDA-NC VMAT, BDA-VMAT 순서로 각각 1789.97 MU, 1948.18 MU, 1981.86 MU로 나타났다. Monaco statistics로 산출된 평균 delivery time은 APB-VMAT, BDA-VMAT, BDA-NC VMAT 순서로 각각 260.85s, 467.52s, 531.32s로 나타냈으며 Table 4와 같다.

Ⅳ. 고 찰

VMAT 기법은 역방향치료계획의 조절 변수(Parameter)에 따라 민감하게 반응하는 특징을 가지며, 특히 RTPs의 종류에 따른 빔 배열 특성을 파악함으로써 효율적인 방사선치료계획을 수행할 수 있다.

Coplanar VMAT의 ABP 방식은 BDA 방식과 비교 결과, PTV V₃₀, D₉₈에서 평균 1.91%, 1.17% 증가, HoI, HeI에서 0.05, 0.05 개선, 해마의 D_max, D₁₀₀에서 0.50 Gy, 0.71 Gy 감소, 일부 정상장기의 선량 감소 및 MU와 치료 시간에 대해 9.68%, 44.21% 개선된 결과를 나타냈다. Kalet 등의 Monaco RTPs을 활용한 동일면 APB 방식과 BDA 방식 비교 연구에서 APB 방식이 표적의 형태에 따라 MU와 control point 감소 및 정상장기 보호와 치료 시간 감소에 대한 이점을 보고한 바 있으며, 본 연구와 비슷한 경향성을 나타냈다[17]. 동일면에서 두 빔 배열의 차이는 Monaco RTPs BDA 방식에서 각 빔에 대한 독립된 modulation으로 MLC의 중복 및 island blocking 등 에 의해 방사선치료계획 품질이 저하된 것으로 생각된다[18]. 이러한 한계를 개선하기 위해 비동일면 필드를 추가하여 개선 할 수 있으며, 본 연구의 BDA-VMAT과 BDA-NC VMAT 비교에서 표적과 정상장기의 선량학적 개선을 확인할 수 있다. 그러나 BDA 방식에서 개별 빔에 대한 modulation 방식과 불연속적 조사로 인하여 전체 치료 시간의 증가 등과 같은 문제를 초래한다.

Chiang 등의 Eclipse RTPs를 활용한 선행연구에 따르면 HA-WBRT의 동일면과 비동일면 VMAT 방사선치료계획 비교에서 두 치료기법은 임상적으로 유사한 결과를 나타냈으며, 환자 정렬(Set-up) 및 전체 치료 시간 단축 등 HA-WBRT에서 동일면 VMAT 기법의 이점에 대해 보고하였다[2]. 이러한 결과는 본 연구에서도 비슷한 경향성을 나타냈으며, 동일면 APB 방식은 비동일면 BDA 방식과 비교 시 예상 조사 시간의 2.04배 차이를 제외하고 표적과 정상 조직에서 비슷한 결과를 보였으며, 동일면 APB 방식의 유용성을 확인하였다.

마지막으로 방사선치료의 정밀성, 균일성 및 효율성 등의 향상과 관련하여 동일면 VMAT에서 최대 회전 원호 수와 관련된 다수의 선행연구가 보고 되고 있으며, 특히 복잡한 구조에서 다중 원호 적용에 관한 연구가 보고 되고 있다[17,19]. VMAT의 역방향치료계획에서 회전 원호 수가 증가는 곧 높은 자유도(Degree of freedom)를 활용하여 방사선치료가능비(Therapeutic ratio)를 높일 수 있다[20]. 그러나 조사 시간, MU 및 산란선 증가로 인한 환자 정렬 오차와 저선량 영역 확대와 같은 단점이 존재한다. 본 연구의 동일면 APB 방식에서 최대 원호 수를 증가함에 따라 표적에 대한 커버리지(Coverage) 향상과 시신경 및 시신경 교차의 최대선량 감소에 대한 이점이 있지만, 낮은 선량의 퍼짐에 의한 해마의 선량과 정상장기의 평균 선량을 증가시키는 경향을 나타냈다. 따라서 해마회피전뇌방사선치료와 같이 한계선량이 낮은 정상장기가 표적에 인접한 상황에서 회전 원호 수 선택에 신중해야할 것으로 사료된다.

본 연구의 한계점은 다양한 종류의 방사선치료계획시스템에 대한 빔 배열 방식의 비교가 부족한 것으로 생각된다. 대표적인 RTPs 중 하나인 Varian 사의 Eclipse RTPs는 빔 스프레드시트 내 빔의 개수에 따라 360˚ 또는 특정 각도의 회전 원호 수가 결정되는 BDA 방식을 사용한다. Adams 등은 Eclipse RTPs를 활용한 HA-WBRT 치료계획 시 partial-field와 spilt-arc를 이용하여 MLC와 collimator 등의 물리적 한계를 극복하는 BDA 방식의 유용성 연구를 진행한 바 있다[9]. 본 연구에서 사용된 monte carlo photon photon algorithm을 적 용한 Monaco BDA 방식과 달리 anisotropic Analytical Algorithm을 이용한 Eclipse BDA 방식은 개별 빔에 대한 연속된 modulation 특성을 가진다[18,21]. 따라서 방사선치료계획시스템 종류별 빔 배열 방식 대한 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.

Ⅴ. 결 론

체적조절호형방사선치료는 과거 2차원, 3차원 입체조형 방사선치료와 비교하였을 때, 방사선치료계획시스템 및 조절 변수에 민감하게 반응하며, 방사선치료계획 품질에 영향을 미치게 된다. 특히 방사선치료계획 시스템 종류에 따른 빔 배열 방식의 차이를 파악함으로써 치료 부위 및 상황에 따라 적절한 빔 배열을 적용함으로써 방사선치료가능비를 높이며 효율적인 방사선치료가 가능할 것으로 사료된다.

본 연구에서 해마회피전뇌방사선치료시 Monaco RTPs를 활용하여 빔 배열과 회전 원호 수에 따른 차이를 선량학적 인자로 비교 분석함으로써 고정밀 방사선치료계획에 대한 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.