The Effect of Partially Used High Energy Photon on Intensity-modulated Radiation Therapy Plan for Head and Neck Cancer

두경부암 세기변조방사선치료 계획 시 부분적 고에너지 광자선 사용에 따른 치료계획 평가

Purpose: A selection of proper energy in treatment planning is very important because of having different dose distribution in body as photon energy. In generally, the low energy photon has been used in intensity-modulated radiation therapy (IMRT) for head and neck (H&N) cancer. The aim of this study was to evaluate the effect of partially used high energy photon at posterior oblique fields on IMRT plan for H&N cancer. Materials and Methods: The study was carried out on 10 patients (nasopharyngeal cancer 5, tonsilar cancer 5) treated with IMRT in Seoul National University Bundang Hospital. CT images were acquired 3 mm of thickness in the same condition and the treatment plan was performed by Eclipse (Ver.7.1, Varian, Palo Alto, USA). Two plans were generated under same planing objectives, dose volume constraints, and eight fields setting: (1) The low energy plan (LEP) created using 6 MV beam alone, (2) the partially used high energy plan (PHEP) created partially using 15 MV beam at two posterior oblique fields with deeper penetration depths, while 6 MV beam was used at the rest of fields. The plans for LEP and PHEP were compared in terms of coverage, conformity index (CI) and homogeneity index (HI) for planning target volume (PTV). For organs at risk (OARs), $D_{mean}$ and $D_{50%}$ were analyzed on both parotid glands and $D_{max}$, $D_{1%}$ for spinal cord were analyzed. Integral dose (ID) and total monitor unit (MU) were compared as addition parameters. For the comparing dose to normal tissue of posterior neck, the posterior-normal tissue volume (P-NTV) was set on the patients respectively. The $D_{mean}$, $V_{20Gy}$ and $V_{25Gy}$ for P-NTV were evaluated by using dose volume histogram (DVH). Results: The dose distributions were similar with regard to coverage, CI and HI for PTV between the LEP and PHEP. No evident difference was observed in the spinal cord. However, the $D_{mean}$, $D_{50%}$ for both parotid gland were slightly reduced by 0.6%, 0.7% in PHEP. The ID was reduced by 1.1% in PHEP, and total MU for PHEP was 1.8% lower than that for LEP. In the P-NTV, the $D_{mean}$, $V_{20Gy}$ and $V_{25Gy}$ of the PHEP were 1.6%, 1.8% and 2.9% lower than those of LEP. Conclusion: Dose to some OARs and a normal tissue, total monitor unit were reduced in IMRT plan with partially used high energy photon. Although these reduction are unclear how have a clinical benefit to patient, application of the partially used high energy photon could improve the overall plan quality of IMRT for head and neck cancer.

목 적: 체내에서 광자선은 에너지에 따라 다른 선량분포 특성을 보이기 때문에 치료계획 시 적절한 에너지 선택이 중요하다. 두경부암 세기변조방사선치료(intensity modulated radiation therapy, IMRT)는 주로 저에너지 광자선을 사용하는데, 본 연구에서는 후사방향 조사면에 부분적으로 고에너지 광자선을 사용하였을 때 치료계획에 미치는 영향을 알아보고자 한다. 대상 및 방법: 본원에서 두경부암 세기변조방사선치료를 시행한 10명(nasopharyngeal carcinoma 5, tonsilar carcinoma 5)의 환자를 대상으로 하였다. 동일한 조건하에 환자의 CT영상을 3 mm 두께로 획득하고 치료계획시스템은 Eclipse (Ver 7.1, Varian, Palo Alto, USA)를 사용하였다. 환자마다 8개 조사면으로 6 MV 에너지를 사용한 치료계획(low energy plan, LEP)과 상대적으로 투과 깊이가 깊은 후사방향의 2개 조사면에서 15 MV 에너지를 사용한 치료계획(partially used high energy plan, PHEP)을 각각 수립하였으며, 다른 치료계획조건들과 plan normalization은 동일하게 적용하였다. 수립된 치료계획을 평가하기 위해서 계획표적체적(planning target volume, PTV)의 coverage, conformity index (CI), homogeneity index (HI)를 비교하였고 양측 이하선의 $D_{mean}$, $D_{50%}$와 뇌척수의 $D_{max}$, $D_{1%}$ 그리고 integral dose (ID)를 비교하였다. 특히, 후경부의 정상조직선량을 비교하기 위해 posterior-normal tissue volume (P-NTV)을 설정하고 dose volume histogram (DVH)을 통해서 $D_{mean}$, $V_{20Gy}$, $V_{25Gy}$를 평가하였으며, 또한 총 monitor unit (MU)의 변화를 비교하였다. 결 과: LEP와 PHEP 사이에서 PTV의 coverage 그리고 CI의 차이는 크지 않았고, HI는 변화없이 전체적으로 동일하게 나타났다. 뇌척수의 선량변화는 크지 않았지만 양측 이하선의 $D_{mean}$, $D_{50%}$ 그리고 ID는 PHEP에서 각각 0.6%, 0.7%, 1.1% 감소하였다. P-NTV의 $D_{mean}$, $V_{20Gy}$, $V_{25Gy}$는 PHEP에서 각각 1.6%, 1.8%, 2.9% 감소하였고, 총 MU도 평균 1.8% 감소하였다. 결 론: 본 연구결과 후사방향에서 부분적으로 고에너지를 사용한 치료계획에서 일부 결정장기(organ at risk, OAR)와 정상조직의 선량, 그리고 총 MU를 감소시키는 효과가 있었다. 이런 효과가 환자에게 임상적으로 얼마나 이로운지는 명확하지 않지만, 두경부암 세기변조방사선치료 계획 시 부분적으로 고에너지 광자선을 사용하는 것은 치료계획의 전반적인 질을 개선하는 데 유용 할 것으로 본다.