폐암 SBRT에서 호흡동조 VMAT의 정확성 분석을 위한 새로운 4D 팬텀 모델 개발

정위신체방사선치료(SBRT)에서 환자의 호흡에 대한 정확한 치료위치의 확보는 필수적으로 고려되어야 하며 그 정확성에 관련하여 많은 연구들이 진행되어왔다. 본 연구에서는 실제 호흡에 의한 움직임과 실제 환자 폐의 형태를 고려한 팬텀실험으로 실제 치료에서 일어나는 임상적 상황을 모사함으로 호흡 동조 부피적조절회전 방사선치료(Volumeric Modulated Arc Therapy, VMAT) 기법을 이용한 폐부 SBRT의 정확성을 분석하는 방법을 제시하고자 하였다. SBRT을 받은 폐암 환자의 CT 영상을 기반으로 3D 프린터를 이용하여 치료부위와 유사하게 폐 팬텀을 제작하였고 환자 호흡과 동일하게 움직임을 재현할 수 있도록 $QUASAR^{TM}$ 호흡 동조 구동 팬텀(Modus Medical Devices, London, Canada)에 장착하여 호흡동조 VMAT에서의 2차원 선량 분포를 평가할 수 있는 시스템을 구축하였다. 폐 팬텀은 종양부위를 중심으로 2등분하여 EBT3 필름을 삽입하고 선량분포를 측정할 수 있도록 제작되었다. 비균질 조건에서의 선량계산의 정확성을 확인하기 위하여 균질한 플라스틱 팬텀과 제작된 비균질 폐 팬텀에서 Analytical Anisotropic Algorithm (AAA)와 AcurosXB (AXB) 두가지 알고리즘으로 선량계산을 하여 비교, 분석하였다. 움직임에 대한 치료의 정확성을 평가하기 위하여 호흡동조와 비 호흡동조의 경우, 그리고 움직임이 없는 조건에서 선량분포를 취득하여 치료계획 선량에 대한 감마지표를 분석하였다. 치료부위 GTV에서의 CT number는 실제 환자의 경우 78 HU를 나타내었고 모사된 폐 팬텀의 경우 92 HU를 나타내었다. 팬텀 내 폐 조직부분은 3D프린터로 적층하는 과정에서 격자구조의 형태를 이용하여 구현하였다. 측정된 필름선량은 AAA 알고리즘을 이용한 치료계획 선량에 대하여 움직이는 팬텀에서 호흡동조의 유무에 따라 3%/3 mm 감마지표 조건하에서 각각 88%와 78%의 감마합격률을 나타내었으며, 움직임이 없는 경우 95% 이상의 감마합격률을 보였다. AXB 알고리즘을 적용하였을 경우에는 모든 경우에서 98% 이상의 합격률을 나타내었다. 균질한 플라스틱 팬텀에 대하여 측정하였을 때 두가지 선량계산 알고리즘을 포함한 모든 조건에서 99% 이상의 감마합격률을 나타내었다. 선택된 환자의 호흡 진폭이 비교적 작고 inhale보다는 exhale에 더 오래 머무르는 호흡패턴 때문에 3%/3 mm 감마 기준에서는 호흡에 따른 차이가 거의 나타나지 않은 것으로 이해되었다. 선량계산의 정확성에서는 AAA 알고리즘을 적용하였을 때보다 AXB 알고리즘을 적용하였을 때가 균질과 비균질 환경에서의 선량 분포에 따른 감마 합격률의 차이가 적게 나타남을 확인 할 수 있었다. 본 논문에서는 환자와 유사하게 제작된 폐 팬텀에 실제 환자 호흡 패턴을 연동함으로 새로운 4D 치료선량 분포 검증 방법을 제시하였고 보다 사실적인 선량분포를 반영한 개별 환자 치료의 정확성 검증이 가능할 것으로 평가되었다. 【In stereotactic body radiotherapy (SBRT), the accurate location of treatment sites should be guaranteed from the respiratory motions of patients. Lots of studies on this topic have been conducted. In this letter, a new verification method simulating the real respiratory motion of heterogenous treatment regions was proposed to investigate the accuracy of lung SBRT for Volumetric Modulated Arc Therapy. Based on the CT images of lung cancer patients, lung phantoms were fabricated to equip in $QUASAR^{TM}$ respiratory moving phantom using 3D printer. The phantom was bisected in order to measure 2D dose distributions by the insertion of EBT3 film. To ensure the dose calculation accuracy in heterogeneous condition, The homogeneous plastic phantom were also utilized. Two dose algorithms; Analytical Anisotropic Algorithm (AAA) and AcurosXB (AXB) were applied in plan dose calculation processes. In order to evaluate the accuracy of treatments under respiratory motion, we analyzed the gamma index between the plan dose and film dose measured under various moving conditions; static and moving target with or without gating. The CT number of GTV region was 78 HU for real patient and 92 HU for the homemade lung phantom. The gamma pass rates with 3%/3 mm criteria between the plan dose calculated by AAA algorithm and the film doses measured in heterogeneous lung phantom under gated and no gated beam delivery with respiratory motion were 88% and 78%. In static case, 95% of gamma pass rate was presented. In the all cases of homogeneous phantom, the gamma pass rates were more than 99%. Applied AcurosXB algorithm, for heterogeneous phantom, more than 98% and for homogeneous phantom, more than 99% of gamma pass rates were achieved. Since the respiratory amplitude was relatively small and the breath pattern had the longer exhale phase than inhale, the gamma pass rates in 3%/3 mm criteria didn't make any significant difference for various motion conditions. In this study, the new phantom model of 4D dose distribution verification using patient-specific lung phantoms moving in real breathing patterns was successfully implemented. It was also evaluated that the model provides the capability to verify dose distributions delivered in the more realistic condition and also the accuracy of dose calculation.】

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