대동맥림프절 종양에 대한 세기조절방사선치료, 양성자치료, 양성자회전치료의 선량 비교평가

김정훈(JungHoon Kim) 대한방사선과학회(구 대한방사선기술학회) 2014 방사선기술과학 Vol.37 No.4

현재 상용화되어 있는 양성자치료의 치료계획장비를 이용하여 방사선회전조사와 같은 치료계획을 양성자 치료에 사용하여 대동맥 주위 림프절 종양에 대해 양성자회전치료와 양성자치료, 세기조절방사선치료를 이용하여 선량 평가를 하였다. 대동맥주위 림프절 종양 환자 9명을 대상으로 양성자회전치료, 양성자치료, 세기조절방사선치료의 방사선치 료계획을 세워 각각의 선량 체적 히스토그램을 이용하여 선량 평가를 하였다. 양성자회전치료의 치료계획방법 으로는 250~120까지 5도 간격으로 48개의 빔을 사용하였으며, 양성자치료와 세기조절방사선치료는 각각 2~3, 4~5개의 빔을 사용하였다. 모든 방사선 치료계획 시스템은 Eclipse planning system(Varian Medical system, Inc., Palo Alto, CA, USA)을 사용하였으며, 양성자회전치료는 아직 개발이 안된 치료장치이므로 치료계획방 법에서 기계적, 물리적인 요소를 양성자치료계획과 동일하게 시행하였다. 선량분석방법으로는 정상장기(간, 신장, 소장, 위, 십이지장)와 종양의 선량 체적 히스토그램(dose-volume histogram: DVH)을 이용하여 생물학적 인자인 normal tissue complication probabilities(NTCP), organ equivalent dose(OED)와 mean dose를 각각의 치료계획방법을 비교 분석 평가하였다. 그 결과 양성자회전치료가 복부에 위치한 small bowel, duodenum, stomach의 볼륨 90%가 받는 선량에서의 결과는 다른 치료계획에 비해 높은 결과를 나타내고 있다. NTCP의 결과에서 양성자회전치료가 liver를 제외한 나머지 장기에서 가장 낮은 결과를 보여주고 있다. 하지만 복부에 위치한 정상장기에 받는 선량이 다른 치료계획에 비해 높아 치료계획 시 주위가 요하며, 물리적, 기계적인 요소는 양성자치료와 동일하다는 전제조건으로 양성자회전치료와 유사한 장비가 제작되어 상용화 되었을 때에 본 연구의 결과와는 다를 거라 사료된다. 현실적으로 아직 불가능한 치료방법이지만 앞으로 추가적인 양성자회전치료의 연구와 기술개발이 되어 상용화가 되면 기존의 특수방사선치료인 세기조절방사 선치료, 양성자치료, 세기조절회전치료보다 효과적이고 안전한 치료방법이 될 거라고 사료된다. To test feasibility of proton arc therapy (PAT) in the treatment of para-aortic lymph node tumor and compare its dosimetric properties with advanced radiotherapy techniques such as intensity modulated radia-tion therapy (IMRT) and conventional 3D conformal proton beam therapy (PBT). The treatment plans for para-aortic lymph node tumor were planned for 9 patients treated at our in-stitution using IMRT, PBT, and PAT. Feasibility test and dosimetric evaluation were based on comparisons of dose volume histograms (DVHs) which reveal mean dose, D 30% , D 60% , D 90% , V 30% , V 60% , V 90% , organ equivalent doses (OEDs), normal tissue complication probability (NTCP), homogeneity index (HI) and con-formity index (CI). The average doses delivered by PAT to the liver, kidney, small bowel, duodenum, stomach were 7.6%, 3%, 17.3%, 26.7%, and 14.4%, of the prescription dose (PD), respectively, which is higher than the doses delivered by IMRT (0.4%, 7.2%, 14.2%, 15.9%, and 12.8%, respectively) and PBT (4.9%, 0.5%, 14.12%, 16.1% 9.9%, respectively). The average homogeneity index and conformity index of tumor using PAT were 12.1 and 1.21, respectively which were much better than IMRT (21.5 and 1.47, respectively) and com-parable to PBT (13.1 and 1.23, respectively). The result shows that both NTCP and OED of PAT are gen-erally lower than IMRT and PBT. This study demonstrates that PAT is better in target conformity and homogeneity than IMRT and PBT but worse than IMRT and PBT for most of dosimetric factor which indicate that PAT is not recommended for the treatment of para-aortic lymph node tumor.

Comparison of Intensity-modulated Radiation Therapy (IMRT), Uniform Scanning Proton Therapy (USPT), and Intensity-modulated Proton Therapy (IMPT) for Prostate Cancer: A Treatment Planning Study

손기홍,조승룡,김진성,한영이,주상규,안성환,신은혁,신정석,박원,표홍렬,최두호,Son, Kihong,Cho, Seungryong,Kim, Jin Sung,Han, Youngyih,Ju, Sang Gyu,Ahn, Sung Hwan,Shin, Eunhyuk,Shin, Jung Suk,Park, Won,Pyo, Hongryul,Choi, Doo Ho Korean Society of Medical Physics 2013 의학물리 Vol.24 No.3

본 연구는 총 10명의 전립선 암 환자를 대상으로 세기조절방사선치료(IMRT), 균일스캐닝양성자치료(USPT), 그리고 세기조절양성자치료(IMPT)기술을 이용한 치료계획의 결과를 비교, 평가 하였다. 각 치료 계획은 타깃 체적의 95%에 70 Gy가 28회 분할 조사되도록 하였으며 세기조절방사선치료(IMRT)에서는 step-and-shoot 기법을 이용하여 총 7개의 빔을 사용하여 방사선을 조사하였고, 균일세기양성자치료(USPT)와 세기조절양성자치료(IMPT)에서는 동일한 방사선 가중치의 측방향대향조사면(lateral opposing field)를 사용하여 타깃에 처방선량이 전달되도록 하였다. 한편, 세기조절양성자치료(IMPT)의 최적화를 위해 IMRT치료와 유사한 Inverse planning을 수행하였다. 결과 비교를 위해 타깃의 균질성지수(homogeneity index) 및 동형지수(conformity index)와 정상조직의 정상조직합병증확률(NTCP)을 계산하였다. 비록 치료기법간에 균질성지수(homogeneity index), 동형지수(conformity index)차이가 크지 않았지만, 직장의 경우 각 세기조절방사선치료(IMRT), 균일스캐닝 양성자치료(USPT) 및 세기조절양성자치료(IMPT)에서 2.233, 3.326 및 1.707로 계산되었다. 또한 방광의 정상조직합병증확률(NTCP)는 0.008, 0.003, 및 0.002를 나타내었다. 직장과 방광의 NTCP 값이 IMPT을 사용할 때 유의하게 낮은 값을 보이는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 전립선 암의 방사선 치료 시 세기조절방사선치료(IMRT)보다 양성자를 이용한 방사선 치료, 특히 최적화된 세기조절양성자치료(IMPT)가 치료 효과를 높일 수 있는 치료계획이 될 수 있음을 확인할 수 있었다. This study assessed compared photon and proton treatment techniques, such as intensity modulated radiation therapy (IMRT), uniform scanning proton therapy (USPT), and intensity modulated proton therapy (IMPT), for a total of 10 prostate cancers. All treatment plans delivered 70 Gy to 95% of the planned target volume in 28 fractions. IMRT plans had 7 fields for the step and shoot technique, while USPT and IMPT plans employed two equally weighted, parallel-opposed lateral fields to deliver the prescribed dose to the planned target. Inverse planning was then incorporated to optimize IMPT. The homogeneity index (HI) and conformity index (CI) for the target and the normal tissue complication probability (NTCP) for organ at risk (OAR) were calculated. Although the mean HI and CI for target were not significantly different for each treatment techniques, the NTCP of the rectum was 2.233, 3.326, and 1.707 for IMRT, USPT, and IMPT, respectively. The NTCP of the bladder was 0.008, 0.003, and 0.002 respectively. The NTCP values at the rectum and bladder were significantly lower using IMPT. Our study shows that using proton therapy, particularly IMPT, to treat prostate cancer could be beneficial compared to 7-field IMRT with similar target coverage. Given these results, radiotherapy using protons, particularly optimized IMPT, is a worthwhile treatment option for prostate cancer.

Off-line PET-CT를 이용한 양성자치료에서의 Range 검증

장준영,홍건철,박세준,박용철,최병기,Jang, Joon Young,Hong, Gun Chul,Park, Sey Joon,Park, Yong Chul,Choi, Byung Ki 대한방사선치료학회 2017 대한방사선치료학회지 Vol.29 No.2

목 적: 양성자치료에 이용되는 양성자선은 종양 부위 앞에 있는 정상 조직에는 적은 선량을 주는 반면 암 조직 부위에서는 브래그 피크(Bragg peak)를 형성하며 최대 선량을 주고 바로 소멸하는 특징을 가지고 있으며 양성자치료의 장점을 극대화하기 위해서는 양성자의 도달 위치 검증이 매우 중요하다. 본 연구에서는 Off-line PET CT 방법을 이용하여 양성자 조사 후 양성자 궤적을 따라 생성된 11 C(반감기=20분), 150(반감기=2분), 13N (반감기=10분) 등의 핵자에서 방출되는 양전자의 분포를 측정하여 양성자의 Range와 Distal falloff 지점을 검증하게 되었다. 대상 및 방법: IEC 2001 Body 팬텀안에는 37 mm, 28 mm, 22 mm 구체를 삽입할 수 있게 구성되어 있으며 팬텀안에 물을 가득 채워 각 구체크기별로 CT image를 획득하였고 양성자의 Range와 Distal falloff 지점을 검증하기 위하여 양성자치료계획시스템으로 각 구체 크기 별로 37 mm 구체에서 46 mm, 28 mm에서 37 mm, 22 mm 구체에서 33 mm의 SOBP를 설정하였고, Scanning 방법으로 Gantry 0도의 Single beam으로 동일한 센터에서 양성자를 조사하였다. 조사된 팬텀은 PET-CT 장비를 이용하여 스캔하였고, PET-CT 영상획득방법은 1분씩 50개의 영상을 획득하여 팬톰 내의 구체를 포함하여 4개의 ROI를 설정한 후 10개씩 영상을 합산하여 재구성 하였다. 치료계획 시 수립한 구체크기에 따른 Dose profile과 비교하기 위하여 Depth에 따른 Activity profile로 나타냈다 결 과: 37 mm, 28 mm, 22 mm 구체에서 모두 Distal falloff position 에서 Dose profile과 같이 PET-CT의 Activity profile 역시 급격히 감소하는 양상을 나타냈다. 하지만 Range를 평가하는 구간인 SOBP구간에서는 Activity profile의 경우 Proximal 부분에서의 측정치가 Dose profile 양상과 다른 결과가 나왔으며, Distal falloff position을 구체 크기별로 양성자 치료계획과 PET-CT 측정치와의 차이를 비교해 본 결과 37 mm 구체에서는 Max dose의 50 % 지점에서 최대 1.4 mm, 28 mm 구체에서는 45 % 지점에서 최대 1.1 mm, 22 mm 구체에서의 차이는 40 % 지점에서 최대 1.2 mm로 모두 1.5 mm 미만의 차이를 보였다. 결 론: 양성자치료의 장점을 최대한 활용하기 위해서는 양성자빔의 Range를 검증하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 PET-CT 장비를 이용하여 양성자빔의 SOBP 와 Distal falloff 위치를 통해 양성자 Range를 확인하였고 그 결과 PET-CT 장비를 이용해 측정한 Activity 분포와 양성자 치료계획과의 Distal falloff position의 차이는 1.4 mm 내에서 일치함을 확인하였다. 이는 본원에서 양성자치료계획 시 적용하는 선량마진에 참고자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다. Purpose: The proton used in proton therapy has a characteristic of giving a small dose to the normal tissue in front of the tumor site while forming a Bragg peak at the cancer tissue site and giving up the maximum dose and disappearing immediately. It is very important to verify the proton arrival position. In this study, we used the off-line PET CT method to measure the distribution of positron emitted from nucleons such as 11C (half-life = 20 min), 150 (half-life = 2 min) and 13N The range and distal falloff point of the proton were verified by measurement. Materials and Methods: In the IEC 2001 Body Phantom, 37 mm, 28 mm, and 22 mm spheres were inserted. The phantom was filled with water to obtain a CT image for each sphere size. To verify the proton range and distal falloff points, As a treatment planning system, SOBP were set at 46 mm on 37 mm sphere, 37 mm on 28 mm, and 33 mm on 22 mm sphere for each sphere size. The proton was scanned in the same center with a single beam of Gantry 0 degree by the scanning method. The phantom was scanned using PET-CT equipment. In the PET-CT image acquisition method, 50 images were acquired per minute, four ROIs including the spheres in the phantom were set, and 10 images were reconstructed. The activity profile according to the depth was compared to the dose profile according to the sphere size established in the treatment plan Results: The PET-CT activity profile decreased rapidly at the distal falloff position in the 37 mm, 28 mm, and 22 mm spheres as well as the dose profile. However, in the SOBP section, which is a range for evaluating the range, the results in the proximal part of the activity profile are different from those of the dose profile, and the distal falloff position is compared with the proton therapy plan and PET-CT As a result, the maximum difference of 1.4 mm at the 50 % point of the Max dose, 1.1 mm at the 45 % point at the 28 mm sphere, and the difference at the 22 mm sphere at the maximum point of 1.2 mm were all less than 1.5 mm in the 37 mm sphere. Conclusion: To maximize the advantages of proton therapy, it is very important to verify the range of the proton beam. In this study, the proton range was confirmed by the SOBP and the distal falloff position of the proton beam using PET-CT. As a result, the difference of the distally falloff position between the activity distribution measured by PET-CT and the proton therapy plan was 1.4 mm, respectively. This may be used as a reference for the dose margin applied in the proton therapy plan.

호흡동조 양성자치료의 Quality Verification

김은숙,장요종,박지연,강동윤,염두석,Kim, Eun Sook,Jang, Yo Jong,Park, Ji Yeon,Kang, Dong Yun,Yeom, Doo Seok 대한방사선치료학회 2013 대한방사선치료학회지 Vol.25 No.2

Purpose: To verify accuracy of respiratory gated proton therapy by measuring and analyzing proton beam delivered when respiratory gated proton therapy is being performed in our institute. Materials and Methods: The plan data of 3 patients who took respiratory gated proton therapy were used to deliver proton beam from proton therapy system. The manufactured moving phantom was used to apply respiratory gating system to reproduce proton beam which was partially irradiated. The key characteristics of proton beam, range, spreat-out Bragg peak (SOBP) and output factor were measured 5 times and the same categories were measured in the continuous proton beam which was not performed with respiratory gating system. Multi-layer ionization chamber was used to measure range and SOBP, and Scanditronix Wellhofer and farmer chamber was used to measure output factor. Results: The average ranges of 3 patients (A, B, C), who had taken respiratory gated proton therapy or not, were (A) 7.226, 7.230, (B) 12.216, 12.220 and (C) 19.918, 19.920 $g/cm^2$ and average SOBP were (A) 4.950, 4.940, (B) 6.496, 6.512 and (C) 8.486, 8.490 $g/cm^2$. And average output factor were (A) 0.985, 0.984 (B) 1.026, 1.027 and (C) 1.138, 1.136 cGy/MU. The differences of average range were -0.004, -0.004, -0.002 $g/cm^2$, that of SOBP were 0.010, -0.016, -0.004 $g/cm^2$ and that of output factor were 0.001, -0.001, 0.002 cGy/MU. Conclusion: It is observed that the range, SOBP and output factor of proton beam delivered when respiratory gated proton therapy is being performed have the same beam quality with no significant difference compared to the proton beam which was continuously irradiated. Therefore, this study verified the quality of proton beam delivered when respiratory gated proton therapy and confirmed the accuracy of proton therapy using this. 목 적: 호흡동조 시스템을 이용한 양성자치료 시 생성되는 양성자빔을 측정하고 분석함으로써 호흡동조 양성자치료의 정확성을 검증하고자 한다. 대상 및 방법: 호흡동조 양성자치료를 실시한 환자 세 명의 치료계획을 이용하여 양성자 치료 시스템에서 양성자빔을 생성했다. 이때 자체 제작한 구동 팬톰을 사용하여 호흡동조 시스템을 적용해 분할 조사되는 양성자빔을 재현하였다. 양성자빔의 중요특성인 Range, Spread-Out Bragg Peak (SOBP), Output factor를 각 5회씩 측정하였으며 호흡동조 시스템을 적용하지 않은 연속 양성자빔에서도 동일한 항목들을 측정했다. Range와 SOBP 측정에는 Multi-Layer Ionization Chamber, Output factor 측정에는 Scanditronix Wellhofer와 Farmer chamber를 사용했다. 결 과: 호흡동조 시스템을 적용한 경우 세 환자의 평균 Range는 7.226, 12.216, 19.918 $g/cm^2$, SOBP는 4.950, 6.496, 8.486 $g/cm^2$, Output factor는 0.985, 1.026, 1.138 cGy/MU였으며, 적용하지 않은 경우 평균 Range는 7.230, 12.220, 19.920 $g/cm^2$, SOBP는 4.940, 6.512, 8.490 $g/cm^2$, Output factor는 0.984, 1.027, 1.136 cGy/MU로 측정됐다. 평균 Range의 차는 -0.004, -0.004, -0.002 $g/cm^2$, SOBP는 0.010, -0.016, -0.004 $g/cm^2$, Output factor는 0.001, -0.001, 0.002 cGy/MU로 나타났다. 결 론: 호흡동조 양성자치료 시 분할 조사된 양성자빔과 연속 조사된 양성자빔의 Range, SOBP 및 Output factor 모두 차이가 미미했다. 따라서 본 연구를 통해 호흡동조 시 발생된 양성자빔의 선질을 검증하였고 이를 이용한 양성자치료의 정확성 또한 확인할 수 있었다.

양성자 치료에서 생체 내 선량측정 검출기(In-vivo dosimety)의 정확성과 유용성에 관한 연구

김선영,최재혁,원희수,홍주완,조재환,이선엽,박철수 한국방사선학회 2014 한국방사선학회 논문지 Vol.8 No.4

본 연구는 양성자 치료를 시행하고 있는 수모세포종 환자의 양성자 치료 시 환자들의 Skin에서 홍반이나 피부염이 발생하는 경우가 빈번하여 Phantom에서 실제 환자와 동일한 치료계획 후 생체 내 선량측정 검출기(In-vivo dosimetry)로 사용되는 열 형광선량계(Thermo-luminescence Dosimeter, TLD)와 EBT3 Film으로 실제선량을 조사 측정한다. 측정된 선량값을 치료계획 된 피부선량과 비교 분석하여 양성자 치료 시 임상적으로 피부선량 측정 사용에 유용성이 있는지 알아보고자 한다. Phantom을 수모세포종의 전뇌척수치료(Cranio-spinal irradiation, CSI) Set-up position으로 위치하여 Brain에서부터 Pelvis까지 CT촬영하고 양성자 치료계획 후 치료실에서 디지털 영상 포지셔닝 시스템(Digital Imaging Positioning System, DIPS)을 이용하여 정확하게 치료 Isocenter지점을 맞춘다. 양성자 빔이 들어가는 5부위의 치료 Isocenter 지점과 CT촬영 시 Phantom에 표시한 Marker 2부위, 모두 7지점에 미리 교정을 마친 열 형광선량계와 EBT3 Film을 교차해가면서 위치하여 붙이고 치료 계획된 양성자 빔을 각각 10회씩 조사한다. 10회 반복 측정하여 얻은 값을 평균산출하여 치료계획 시스템 에서 측정된 Skin Dose와 비교 분석한 결과, 측정위치의 어려움이 있는 정확한 측정이 결여된 한 지점을 제외한 나머지 6지점의 측정 선량값은 열 형광선량계와 EBT3 Film 모두 절대 선량값과 ±2%이내의 분포를 보였다. 결론적으로, 본 연구에서는 국내 최초의 양성자 치료에서 Enterance skin dose 측정을 위한 In-vivo dosimetry로 열 형광선량계와 EBT3 Film의 임상적인 유용성을 확인하였다. In this study, the authors attempted to measure the skin dose by irradiating the actual dose on to the TLD(Thermo-Luminescence Dosimeter) and EBT3 Film used as the In-vivo dosimetry after planning the same treatment as the actual patient on a Phantom, because the erythema or dermatitis is frequently occurred on the patients’ skin at the time of the proton therapy of medulloblastoma patient receiving the proton therapy. They intended to know whether there is the usefulness for the dosimetry of skin by the comparative analysis of the measured dose values with the treatment planned skin dose. The CT scan from the Brain to the Pelvis was done by placing a phantom on the CSI(Cranio-spinal irradiation) Set-up position of Medulloblastoma, and the treatment Isocenter point was aligned by using DIPS(Digital Image Positioning System) in the treatment room after planning a proton therapy. The treatment Isocenter point of 5 areas that the proton beam was entered into them, and Markers of 2 areas shown in the Phantom during CT scans, that is, in all 7 points, TLD and EBT3 Film pre-calibrated are alternatively attached, and the proton beam that the treatment was planned, was irradiated by 10 times, respectively. As a result of the comparative analysis of the average value calculated from the result values obtained by the repeated measurement of 10 times with the Skin Dose measured in the treatment planning system, the measured dose values of 6 points, except for one point that the accurate measurement was lacked due to the measurement position with a difficulty showed the distribution of the absolute dose value ± 2% in both TLD and EBT Film. In conclusion, in this study, the clinical usefulness of the TLD and EBT3 Film for the Enterance skin dose measurement in the first proton therapy in Korea was confirmed.

전립선암에 대한 토모치료와 양성자치료의 치료계획 비교

송관수(Gwan-Soo Song),배종림(Jong-Rim Bae),김정구(Jeong-Koo Kim) 대한방사선과학회(구 대한방사선기술학회) 2013 방사선기술과학 Vol.36 No.1

전립선암은 남성에 발생하는 가장 흔한 악성 종양으로 2007년 우리나라에서 연 평균 5,292건이 발생하여 전체 암 발생의 3.3%로 7번째로 많이 발생하였다. 이러한 전립선암 환자의 방사선 치료 시 토모치료와 양성자 치료에 대한 특성을 비교하여 보았다. 2011년 6월부터 11월까지 일산 K 암전문병원에서 전립선암 환자 11명을 대상으로 전립선암 치료계획 시 전립선 및 주변 인접 장기인 직장과 방광에 대한 DVH와 선량 분포를 비교 분석하였다. PTV의 경우 전립선암 치료의 목적으로만 본다면 토모치료와 양성자치료에는 차이가 없었다. 또한 인접 장기인 방광과 직장에 대한 평균 용적선량을 조사한 결과 2port 양성자치료가 토모치료나 5port 양성 자치료보다 선량이 적게 들어감을 확인하였다. 또한 양성자치료가 토모치료에 비해 H·I가 낮게 나타났으며, 양성자치료에서 5port가 2port보다 H·I가 낮게 나타났으나, 방광과 직장에 대한 용적선량과 장비 운용 시간을 고려하면 2port가 5port에 비하여 좀 더 유리할 수 있다고 사료된다. The prostate cancer is the most common malignant tumor in males. Prostate cancer is the most common malignant tumor that occurs in the male in Korea in 2007 to an annual average of 5,292 cases and 3.3% of the total cancer incidence seventh occurred. Our study compared property for tomotherapy and proton ther-apy in radiotherapy of prostate cancer patients. We analyzed DVH(Dose Volume Histogram) and dose dis-tribution for prostate, bladder and rectum for radiation treatment planning of prostate cancer with 11 pa-tients in Ilsan K cancer hospital from June to November 2011. There was no differences between tomother-apy and proton therapy in the purpose of prostate cancer therapy for PTV. The adjacent organs of bladder and rectum of average dose-volume were 2port proton therapy that it was low dose treatment comparing with tomotherapy and 5port proton therapy. H·I of proton therapy was less than H·I of tomotherapy. Also, 5port was less than 2port in H·I of proton therapy. However, 2port proton therapy has more ad-vantage over 5port proton therapy that the bladder and rectum of average dose-volume and control time of equipment in radiotherapy of prostate cancer.

자체 제작한 양성자 치료용 Rounded Extension의 유용성 평가

박지연,장요종,강동윤,염두석,최계숙,Park, Ji-Yeon,Jang, Yo-Jong,Kang, Dong-Yun,Yeom, Du-Seok,Choi, Gye-Suk 대한방사선치료학회 2012 대한방사선치료학회지 Vol.24 No.2

목 적: 폐, 복부의 양성자 치료 시 사용되는 Long Extension (LE)은 Supporting bar에 의한 치료 면적의 제한이 있고, 후사방향의 빔에서 Collision으로 인해 치료 계획 시 다양한 갠트리 각도의 제한을 발생시키며 에어갭(Air gap, 환자와 Beam 사출구 사이의 거리)을 증가시킨다. 이에 본 연구는 본원에서 자체 제작한 Rounded Extension (RE)을 LE과 비교 평가하여 양성자 치료시 최적의 Extension을 적용하는데 그 목적이 있다. 대상 및 방법: LE과 RE의 구조적 특징을 비교하고, Snout size (${\varnothing}100$, ${\varnothing}180$, ${\varnothing}250$)별 이용 가능한 갠트리 각도를 알아보았다. 그리고 Humanoid phantom을 놓고 CT모의촬영을 하였다. CT영상을 통해 후사방향에서 에어갭의 차이를 알아보았다. 결 과: 두 Extension의 구조적 특징을 비교해 본 결과, Supporting bar의 유무로 인하여 LE은 유효한 가로축 길이가 40 cm이며, RE은 50 cm임을 알 수 있었다. 각 Extension의 Snout size (${\varnothing}100$, ${\varnothing}180$,${\varnothing}250$)별 이용 가능한 갠트리 각도, 에어갭의 차이를 분석한 결과는 다음과 같다. LE은 180도 기준에서 평균 ${\pm}36$도이며, RE은 평균 ${\pm}70$도로 나타났다. 그리고 RE은 동일 갠트리 각도에서 LE에 비해 에어갭이 평균 11.30 cm 감소하는 것을 알 수 있었다. 결 론: 자체 제작한 양성자 치료용 RE은 LE에 비해 치료 면적 및 이용 가능한 갠트리 각도 범위가 더 넓고 후사방향의 빔에서 에어갭을 줄임으로서 폐, 복부의 양성자 치료 시 더 유용하게 사용될 것이다. 그러나 조사범위가 큰 치료영역에서 측방향의 빔을 사용할 때는 오히려 에어갭이 커질 수 있으므로 차후 보완이 필요할 것으로 사료된다. Purpose: Long Extension (LE) is used in proton therapy for lung and abdomen. However, it has limitations in surface area, produces collision in posterior oblique beam which creates limitations in various gantry angles in planning therapy and increases air gap (distance between patient and compensator). Therefore, this study investigates the usability of manufactured Rounded Extension (RE) in comparison to LE to use the most suitable extension in proton therapy. Materials and Methods: To compare structural features of LE and RE. This study investigated usable gantry angle for snout sizes 100, 180 and 250 and CT scanned Humanoid phantom. And it compared the air gap in posterior oblique direction. Results: The structural features of two extensions are as follow. Because of the existence of supporting bar, the width of LE was 40 cm and RE was 50 cm. Result of the investigation of usable gantry angle for snout sizes 100, 180 and 250 are as follow. LE is ${\pm}36$ (average) at 180 degree and RE is ${\pm}70$ (average). And also, the air gap of RE is decreased by 11.3 cm in average at the same gantry angle. Conclusion: Manufactured RE for proton therapy has several benefits than LE. Its therapy surface area is wider and range of usable gantry angle is also wider. Also, the air gap at the posterior oblique beam has decreased. Therefore the usability of RE in proton therapy of lung and abdomen will be increased compared to LE. However, the air gap of proton therapy at the lateral direction may be increased, so there may be need for make up to decrease air gap at the lateral direction in the future.

영상유도 양성자치료를 위한 콘빔 CT 재구성 알고리즘: 기하학적 보정방법에 관한 연구

김진성,조민국,조영빈,윤한빈,김호경,윤명근,신동호,이세병,이레나,박성용,조관호,Kim, Jin-Sung,Cho, Min-Kook,Cho, Young-Bin,Youn, Han-Bean,Kim, Ho-Kyung,Yoon, Myoung-Geun,Shin, Dong-Ho,Lee, Se-Byeung,Lee, Re-Na,Park, Sung-Yong,Cho, Kwan- 한국의학물리학회 2008 의학물리 Vol.19 No.4

IMRT, 양성자 치료와 같이 방사선 치료 기술이 발전할수록 치료 시 환자의 위치를 확인하고 그 정확성을 평가하는 기술의 중요성이 강조되고 있다. 현재 국립암센터 양성자치료센터에 설치되어 있는 양성자 치료기의 단순 X-선 영상시스템을 이용하여 콘빔 CT (cone-beam CT) 3차원 영상을 획득, 영상유도 방사선 치료의 가능성을 확인하고자 하였다. 양성자 치료기에 설치되어있는 X-선 영상시스템(SDD: 2,108 mm, SOD: 1,511 mm, Varian a277 x-ray tube & Varian Paxscan 4030: a-Si+DRZ screen)을 이용하여 양성자 갠트리를 $2^{\circ}$씩 회전시켜가면서 기하학적인 오차 측정을 위한 팬톰과 인체 팬톰 (Humanoid phantom, Rando, CA, USA)의 투사영상을 획득하였다. 현재 시스템적으로 연속적인 회전과 영상획득이 지원되지 않아서 영상획득 후 갠트리를 회전하는 방법으로 투사영상을 획득하였다. 기하학적 오차측정을 위한 팬텀과 두경부 팬텀에 대해서 $360^{\circ}$를 회전하며 180장의 투사영상($2,304{\times}3,200$, 14 bit with 127${\mu}m$ pixel pitch)을 관전압 85 kVp, 관전류 80 mA, 조사시간 0.5 s의 조건으로 촬영하였다. 콘빔 CT 영상재구성을 위해 Ram-Lak filter를 적용한 Feldkamp cone-beam 알고리즘을 사용하였으며, 획득한 180장의 투사영상을 사용하여 $0.4{\times}0.4{\times}0.4mm^3$의 voxel size를 가진 $512{\times}512{\times}512$ CT영상을 재구성하였다. 기하학적인 오차 측정방법을 통해 X-선 선원, 검출기와 갠트리의 기하학적 정보를 측정하였다. 측정된 결과에 의하면 검출기가 $0.25^{\circ}$ 회전된 오차를 보이는 것을 발견하였다. 기하학적 교정으로 재구성된 콘빔 CT 영상을 multi-planar view (axial, sagittal and coronal view) 및 3차원 영상으로 재구성하여 비교 평가 하였다. 현재 양성자치료기에 설치되어있는 단순 X-선 영상 시스템에서 기하학적 오차 측정을 위한 볼 팬텀을 이용하여 시스템의 오차를 측정하였다. 측정한 오차를 바탕으로 기하학적 교정을 통해서 두경부 및 복부 팬텀에 대한 3차원 영상인 콘빔 CT 영상들을 재구성하였다. 추후 연속적인 회전을 통한 영상획득이 가능하게 된다면, 보다 정확하고 신속한 영상재구성이 가능 하며 콘빔 CT가 영상유도 양성자 치료에 매우 유용할 것으로 사려된다. According to improved radiation therapy technology such as IMRT and proton therapy, the accuracy of patient alignment system is more emphasized and IGRT is dominated research field in radiation oncology. We proposed to study the feasibility of cone-beam CT system using simple x-ray imaging systems for image guided proton therapy at National Cancer Center. 180 projection views ($2,304{\times}3,200$, 14 bit with 127 ${\mu}m$ pixel pitch) for the geometrical calibration phantom and humanoid phantoms (skull, abdomen) were acquired with $2^{\circ}$ step angle using x-ray imaging system of proton therapy gantry room ($360^{\circ}$ for 1 rotation). The geometrical calibration was performed for misalignments between the x-ray source and the flat-panel detector, such as distances and slanted angle using available algorithm. With the geometrically calibrated projection view, Feldkamp cone-beam algorithm using Ram-Lak filter was implemented for CBCT reconstruction images for skull and abdomen phantom. The distance from x-ray source to the gantry isocenter, the distance from the flat panel to the isocenter were calculated as 1,517.5 mm, 591.12 mm and the rotated angle of flat panel detector around x-ray beam axis was considered as $0.25^{\circ}$. It was observed that the blurring artifacts, originated from the rotation of the detector, in the reconstructed toomographs were significantly reduced after the geometrical calibration. The demonstrated CBCT images for the skull and abdomen phantoms are very promising. We performed the geometrical calibration of the large gantry rotation system with simple x-ray imaging devices for CBCT reconstruction. The CBCT system for proton therapy will be used as a main patient alignment system for image guided proton therapy.

뇌종양 환자의 양성자 치료 시 Range Compensator의 Smooth Thickness 적용에 따른 선량비교

김태완,김대웅,김재원,정경식,Kim, Tae Woan,Kim, Dae Woong,Kim, Jae Weon,Jeong, Kyeong Sik 대한방사선치료학회 2016 대한방사선치료학회지 Vol.28 No.2

목 적 : 양성자 치료 시 사용되는 Range Compensator는 Target의 Distal Margin의 선량에 대해 정상조직에 전달되는 양성자 빔 선량을 보정하는 역할을 한다. 이에 뇌종양 치료에 사용되는 Range Compensator의 Smooth Thickness를 다르게 적용함에 따른 PTV와 OAR의 선량을 비교하여 대상 부위의 선량이 개선되는 것을 확인해 보고자 한다. 대상 및 방법 : 본원에서 양성자 치료를 받은 뇌종양 환자 10명을 대상으로 Eclipse Proton Planning System(Version 10.0, Varian, USA)의 Compensator Editor를 사용하여 Range Compensator에 적용되는 Smooth Thickness를 각각 1회에서 5회까지 순차적으로 적용하였다. 치료계획의 알고리즘은 Proton Convolution Superposition(version 8.1.20 or 10.0.28)을 사용하였고, Smooth Thickness를 단계적으로 적용함에 따른 PTV의 Dmax, Dmin, Homogeneity Index, Conformity Index 그리고 종양주위의 OAR 선량을 비교하였다. 결 과 : Smooth Thickness를 1회에서 5회까지 적용하였을 때 PTV의 최대선량(Dmax)은 최대 4.3%, 최소 0.8%, 평균 1.81% 감소하였으며, 최소선량(Dmin)은 최대 1.8%, 최소 0.2%, 평균 0.82% 증가하였고, 최대선량과 최소선량의 차이는 최대 5.9%, 최소 1.4%, 평균 2.63% 감소하였다. Homogeneity Index는 평균 0.018 감소하였고 Conformity Index는 거의 변화가 없었다. OAR 선량은 Brain Stem에서 최대 1.6%, 최소 0.1%, 평균 0.59% 감소하였으며, Optic Chiasm에서 최대 1.3%, 최소 0.3%, 평균 0.45% 감소하였으나, C와 E환자가 각각 0.3%, 0.6% 증가하였다. 그리고 Rt. Optic Nerve에서 최대 1.5%, 최소 0.3%, 평균 0.8% 감소하였으나, B환자가 0.1% 증가하였다. Lt. Optic Nerve에서는 최대 1.8%, 최소 0.3%, 평균 0.67% 감소하였으나, H환자가 0.4% 증가하였다. 결 론 : 뇌종양 환자의 양성자 치료에 사용되는 Range Compensator의 Smooth Thickness가 단계적으로 적용될수록 Compensator의 해상도가 증가하여 가장 최적화된 양성자 빔 선량을 전달할 수 있다. 이는 PTV에 좀 더 균일한 선량을 조사할 수 있고 또한 OAR에 작용하는 불필요한 선량을 감소시켜 부작용을 줄일 수 있을 것으로 사료된다. Purpose : Range Compensator used for proton therapy compensates the proton beam dose which delivers to the normal tissues according to the Target's Distal Margin dose. We are going to check the improvement of dose on the target part by comparing the dose of PTV and OAR according to applying in different method of Smooth Thickness of Range Compensator which is used in brain tumor therapy. Materials and Methods : For 10 brain tumor patients taking proton therapy in National Cancer Center, Apply Smooth Thickness applied in Range Compensator in order from one to five by using Compensator Editor of Eclipse Proton Planning System(Version 10.0, Varian, USA). The therapy plan algorithm used Proton Convolution Superposition(version 8.1.20 or 10.0.28), and we compared Dmax, Dmin, Homogeneity Index, Conformity Index and OAR dose around tumor by applying Smooth Thickness in phase. Results : When Smooth Thickness was applied from one to five, the Dmax of PTV was decreased max 4.3%, minimum at 0.8 and average of 1.81%. Dmin increased max 1.8%, min 1.8% and average. Difference between max dose and minimum dose decreased at max 5.9% min 1.4% and average 2.6%. Homogeneity Index decreased average of 0.018 and Conformity Index didn't had a meaningful change. OAR dose decreased in Brain Stem at max 1.6%, min 0.1% and average 0.6% and in Optic Chiasm max 1.3%, min 0.3%, and average 0.5%. However, patient C and patient E had an increase each 0.3% and 0.6%. Additionally, in Rt. Optic Nerve, there was a decrease at max 1.5%, min 0.3%, and average 0.8%, however, patient B had 0.1% increase. In Lt. Optic Nerve, there was a decrease at max 1.8%, min 0.3%, and average 0.7%, however, patient H had 0.4 increase. Conclusion : As Smooth Thickness of Range Compensator which is used as the proton treatment for brain tumor patients is applied in stages, the resolution of Compensator increased and as a result the most optimized amount of proton beam dose can be delivered. This is considered to be able to irradiate the equal amount at PTV and reduce the unnecessary dose applied at OAR to reduce the side effects.

양성자 치료 시 Intensity 기반의 영상 정합을 이용한 환자 자동화 Set up 적용 방법

장훈,김호식,최승오,김은숙,정종휘,안상희,Jang, Hoon,Kim, Ho Sik,Choe, Seung Oh,Kim, Eun Suk,Jeong, Jong Hyi,Ahn, Sang Hee 대한방사선치료학회 2018 대한방사선치료학회지 Vol.30 No.1

목 적 : Proton Therapy는 Bragg-peak를 이용해 종양에는 최대의 선량, 정상조직에는 최소의 선량을 줄 수 있는 특징을 가지고 있기 때문에 환자의 위치변화나 치료부위의 위치 변화를 정량화 할 수 있는 의료영상 분석 시스템은 양성자 치료에 있어서 무엇보다도 중요하다. 본 연구 목적은 Matlab 기반의 In-house Registration code를 제작하여 기존 DIPS program을 통한 Set-up과 In-house code를 통한 영상정합을 비교하여 Algorithm의 유용성을 평가하고 DIPS와 DRR간의 오차 값을 확인하여 기존 치료의 정확성을 평가하고자 한다. 대상 및 방법 : 본원에서 양성자 치료를 받은 13명의 뇌종양, 두경부암 환자를 대상으로 하였으며 영상비교에 필요한 DIPS Program System(Version 2.4.3, IBA, Belgium)와 환자의 치료계획을 위해 Eclipse Proton Planning System(Version 13.7, Varian, USA)을 사용하였다. Registration 방법에 대한 Validation을 위해 Test image를 인위적으로 회전 및 이동하여 기존 Image와 영상정합 하였고, 기존 Set up 방식의 DIPS program의 환자 일별 초기 Set up image를 plan DRR과 영상정합 하여 각각 오차 값을 얻어 Algorithm의 유용성을 평가하였다. 그리고 기존 Set up 방식의 정확성을 평가하기 위해 환자 일별 최종 Set up image와 DRR image를 영상정합하여 오차 값을 확인하였다. 결 과 : Test image를 left와 right 방향으로 각각 0.5, 1, 10 cm를 이동시켰을 때 평균 0.018 cm의 오차 값을 보였으며 시계와 반시계방향으로 각각 1, $10^{\circ}$씩 회전시켰을 경우에는 평균 $0.0011^{\circ}$의 오차를 나타냈다. 4명의 환자 일별 초기 image를 영상정합 하였을 때는 x, y, z 방향 순으로 평균 0.056, 0.044, 0.053 cm의 오차 값을 나타냈으며 Rotation, Pitch 순으로 0.190, $0.206^{\circ}$의 차이를 나타냈다. 13명의 환자 일별 최종 image를 영상 정합 하였을 때는 x, y, z 방향 순으로 평균 차이는 0.062, 0.085, 0.074 cm이였고 Vector 값으로는 평균 0.120 cm의 차이를 보였다. Rotation, Pitch 순으로는 평균 0.171, $0.174^{\circ}$의 차이 값을 나타냈다. 결 론 : 본 연구를 통해 제작된 Matlab 기반의 In-house Registration code는 단순한 Image 뿐만 아니라 해부학적 구조에서도 Intensity 기반의 정확한 영상정합을 나타냈다. 또한 기존 치료방식의 DIPS program을 통한 Set-up 오차는 매우 미미한 차이를 보임으로써 이는 양성자치료의 정확성을 확인할 수 있었다. 앞으로 임상적용을 위해 추가적인 프로그램 개발과 향후 Intensity 기반의 Matlab In-house code 연구가 필요하다고 사료된다. Purpose : Proton Therapy using Bragg-peak, because it has distinct characteristics in providing maximum dosage for tumor and minimal dosage for normal tissue, a medical imaging system that can quantify changes in patient position or treatment area is of paramount importance to the treatment of protons. The purpose of this research is to evaluate the usefulness of the algorithm by comparing the image matching through the set-up and in-house code through the existing dips program by producing a Matlab-based in-house registration code to determine the error value between dips and DRR to evaluate the accuracy of the existing treatment. Materials and Methods : Thirteen patients with brain tumors and head and neck cancer who received proton therapy were included in this study and used the DIPS Program System (Version 2.4.3, IBA, Belgium) for image comparison and the Eclipse Proton Planning System (Version 13.7, Varian, USA) for patient treatment planning. For Validation of the Registration method, a test image was artificially rotated and moved to match the existing image, and the initial set up image of DIPS program of existing set up process was image-matched with plan DRR, and the error value was obtained, and the usefulness of the algorithm was evaluated. Results : When the test image was moved 0.5, 1, and 10 cm in the left and right directions, the average error was 0.018 cm. When the test image was rotated counterclockwise by 1 and $10^{\circ}$, the error was $0.0011^{\circ}$. When the initial images of four patients were imaged, the mean error was 0.056, 0.044, and 0.053 cm in the order of x, y, and z, and 0.190 and $0.206^{\circ}$ in the order of rotation and pitch. When the final images of 13 patients were imaged, the mean differences were 0.062, 0.085, and 0.074 cm in the order of x, y, and z, and 0.120 cm as the vector value. Rotation and pitch were 0.171 and $0.174^{\circ}$, respectively. Conclusion : The Matlab-based In-house Registration code produced through this study showed accurate Image matching based on Intensity as well as the simple image as well as anatomical structure. Also, the Set-up error through the DIPS program of the existing treatment method showed a very slight difference, confirming the accuracy of the proton therapy. Future development of additional programs and future Intensity-based Matlab In-house code research will be necessary for future clinical applications.