체적 조절 호형 방사선치료(VMAT)를 활용한 식도암 치료계획 비교

Comparison of Esophageal Cancer Radiation Therapy Plans Using Volumetric Modulated Arc Therapy

Abstract

식도암 방사선치료에서 폐렴 등의 방사선치료 부작용을 줄이고 정상장기를 보호하기 위하여 Full Arc와 Partial Arc를 이용한 동일평면 체적 조절 호형 방사선치료와 비동일평면 체적 조절 호형 방사선치료의 치료계획을 비교 분석하여 주변 정상 조직의 선량 차이를 평가하였다. 동시 항암 화학 방사선요법을 받은 환자 30명의 식도암 환자를 대상으로 fVMAT(2 Full Arc), pVMAT(4 Partial Arc), ncVMAT(2 Partial Arc + 2 Non-Coplanar Arc) 세 가지 치료계획의 PTV와 폐, 심장, 척수, Total MU를 비교하였다. 모든 치료계획이 PTV의 대한 조건을 충족하고 균일한 분포를 보였으며 심장의 평균선량은 fVMAT, pVMAT, ncVMAT 각각 5.8 Gy, 6.97 Gy, 7.60 Gy이었고 척수의 최대선량은 36.85 Gy, 42.51 Gy, 43.08 Gy로 fVMAT가 가장 낮은 값을 보였으며 통계적으로 유의했다. 그러나 폐의 평균선량은 각각 9.01 Gy, 7.71 Gy, 7.12 Gy이었고 V_5Gy는 52.22%, 38.61,%, 36.35%이며 V_10Gy은 37.79%, 27.33%, 24.15%로 ncVMAT가 가장 낮은 값을, fVMAT가 가장 높은 값을 보였고 통계적으로 유의했다. 따라서 ncVMAT는 식도암 방사선치료에서 폐의 선량 분포를 최소화하고 폐렴과 같은 부작용 발생률을 낮추는데 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 하지만 Non-Coplanar Beam을 사용함으로써 셋업의 정확성과 치료 시간 증가 등을 고려하여 각 상황에 맞춰 적절한 치료계획을 적용함으로써 보다 나은 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.

The study aimed to evaluate the efficacy of treatment plans using full Arc and Partial Arc Coplanar volumetric modulated arc therapy and Non-Coplanar volumetric modulated arc therapy to minimize radiation treatment side effects, such as pneumonia, and protect normal organs in esophageal cancer radiotherapy. 30 patients who underwent Concurrent Chemoradiotherapy for esophageal cancer were included. Compared planning target volume, lung, heart, spinal cord and total monitor units among three treatment plans: fVMAT(2 Full Arc), pVMAT(4 Partial Arc), and ncVMAT(2 Partial Arc + 2 Non-Coplanar Arc). All plans met the PTV criteria, showing uniform distribution. The average dose to the heart was 5.8 Gy for fVMAT, 6.97 Gy for pVMAT, and 7.6 Gy for ncVMAT, with the lowest value in fVMAT, which was statistically significant. However, the average lung dose was 9.01 Gy for fVMAT, 7.71 Gy for pVMAT, and 7.12 Gy for ncVMAT, with V_5Gy(%) values of 52.22%, 38.61%, 36.35% and V_10Gy(%) values of 37.8%, 27.33%, 24.15% respectively. ncVMAT showed the lowest values, while fVMAT had the highest, with statistical significance. In conclusion, ncVMAT effectively reduces lung radiation exposure in esophageal cancer radiotherapy, potentially reducing the incidence of side effects such as pneumonia. However, considering factors like setup accuracy and treatment time, applying an appropriate treatment plan may lead to better outcomes.

Ⅰ. INTRODUCTION

식도암은 2022년에 발표된 중앙암등록본부 통계자료에 의하면 2020년 기준 국내 신규 암 발생 건수 247,952건 중 식도암은 2,748건으로 전체 암 발생의 1.1%를 차지했다. 또한 식도암의 조 발생률은 5.4명으로 나왔으며 상대적으로 낮은 발생률에도 불구하고 2016~2020년 상대 생존율은 42.2%로 예후가 좋지 않은 암에 속하는 것으로 알려져 있다^[1]. 식도암의 치료 방법에는 병기별로 절제술, 방사선치료, 항암 화학 요법 등 다양한 방법이 적용되며 그중 동시항암 화학 방사선요법(Concurrent Chemoradiotherapy, CCRT)의 결과는 수술의 결과와 유사한 소견을 보이며 우수한 성적을 나타내고 있다^[2]. 많은 연구에서 보고 되었듯이 방사선 치료기법 중 세기 변조 방사선치료(Intensity Modulated Radiation Therapy, IMRT)와 체적 조절 호형 방사선치료(Volumetric Modulated Arc Therapy, VMAT)는 입체 조형 방사선치료(Three Dimensional Conformal Radiotherapy, 3D CRT)에 비해 치료 부위에 방사선을 집중시키는 반면에 정상조직을 보호하는 효과를 가지고 있다^[3]. 현재는 치료 시간과 Monitor Unit(MU)를 줄일 수 있는 VMAT 치료기법이 다양한 부위에서 적용되고 있다^[4]. 또한 최근의 선형 가속기는 다중 축 주위의 움직임을 자동화할 수 있어 치료 테이블(Couch)을 회전하여 치료하는 비동일평면(Non-Coplanar) 방사선치료도 적용되고 있다^[5].

식도암 방사선치료는 척수와 심장, 폐와의 근접으로 인해 정상조직을 보호하는데 어려움을 겪고 있으며 특히 방사선치료의 대표적인 부작용 중 하나인 방사선폐렴(Radiation pneumonia)과 같은 문제를 야기할 수 있다. 폐렴 영향인자 관련 선행 연구를 살펴보면 치료계획 기법들을 비교하여 폐를 비롯한 정상조직들의 선량을 감소시키는 방법을 비교하고 모색하는 연구들이 진행되었다^[6,7].

폐의 평균선량(Mean Dose, Dmean)과 V_10Gy(%)(percentage volume receiving 10 Gy), V_20Gy(%)이 증가함에 따라 방사선 폐렴 발생률이 높아질 수 있기 때문에 치료계획을 설계할 때 중요하게 고려해야 할 요소이다^[8,9].

식도암 치료기법에 관한 연구의 결과에서는 IMRT와 VMAT가 3D CRT에 비해 손상위험장기(Organ At Risk, OAR)를 효과적으로 보호할 수 있었고 폐의 저선량 영역의 선량을 줄일 수 있었다^[6].

본 연구에서는 이러한 치료계획의 효과를 평가하기 위해 Full Arc를 이용한 Full Arc VMAT(fVMAT)와 Partial Arc를 이용한 Partial Arc VMAT(pVMAT), Non-Coplanar Arc를 이용한 Non-Coplanar VMAT(ncVMAT) 세 가지 치료계획에 대하여 종양 및 주변 정상조직의 차이를 비교 분석하여 치료계획의 유용성을 비교하고자 하였다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

1. 연구 대상

2021년 3월부터 2023년 10월까지 본 연구 기관에서 CCRT를 받은 식도암 환자 중 30명을 연구 대상으로 선정하였고 대상자의 특성은 Table 1에 나타내었다.

Table 1. Patient characteristics (n = 30)

주변의 정상조직을 고려하여 치료계획용적(Planning Target Volume, PTV)가 하부 식도를 포함하는 환자는 제외하였다.

2. 연구 방법

2.1. 치료계획

모든 환자는 고정기구 Vac-lok을 사용하여 바로누운자세(Supine Position)에서 Brilliance CT Big Bore (Philips Medical Systems, OH, USA)를 이용하여 3mm 슬라이스 두께로 아래턱에서부터 간이 모두 포함되는 지점까지 촬영하여 CT 영상을 획득하였다. 치료계획은 Eclipse treatment planning system(Version 16.0, Varian Medical Systems, Palo Alto, CA, USA)을 사용하여 치료계획을 수립하였고 선량 계산 알고리즘은 Photon optimizer (Version 16.1.0)을 사용하였다. 총 처방선량은 50 Gy, 25회 분할 치료로 10 MV 에너지를 사용하여 PTV의 95%가 처방선량의 98% 이상 받도록 하였다. 최대선량(Maximum Dose, D_max)은 처방선량의 108% 이하가 되도록 하였고 주변의 정상장기는 양측 폐와 심장, 척수로 설정하여 정상장기에 선량을 최소화하기 위한 조건을 적용하였다.

VitalBeam (Version 3.0, Varian Medical Systems, Palo Alto, CA, USA)을 활용한 모든 치료계획에서 시계방향(Clockwise, CW)으로 회전하는 Arc의 콜리메이터 각도는 30˚, 반시계방향(Counterclockwise, CCW)으로 회전하는 Arc는 330˚로 구성하였다. fVMAT는 360˚ 회전반경을 가진 2개의 Full Arc를 사용하였으며 pVMAT는 360˚ 회전반경을 가진 4개의 Arc를 사용하였고 모든 Arc에는 230˚–310˚ 범위와 50˚–130˚범위에 Avoidance Sector를 지정하였다. ncVMAT는 pVMAT와 같이 Avoidance Sector를 지정한 360˚ 회전반경을 가진 2개의 Arc와 Couch 각도를 90˚로 구성한 330˚–30˚와 30˚–330˚ 회전반경의 2개의 Non-Coplanar Arc를 사용하여 Fig. 1과 같이 치료계획을 수립하였고 선량 분포는 Fig. 2와 같다.

Fig. 1. Comparison of the Beam arrangement.

Fig. 2. Comparison of Isodose distribution.

2.2. 평가 방법

선량체적용적(Dose Volume Histogram, DVH)을 활용하여 fVMAT, pVMAT, ncVMAT 세 가지의 치료계획을 비교하였다. PTV에 대한 평가는 95% 처방선량에 의해 커버되는 표적체적(V95%(%))과 국제방사선단위측정위원회(International Commission on Radiation Units and Measurements, ICRU) 보고서 62를 기반으로 하는 선량균질지수(Homogeneity Index, HI)와 처방선량지수(Conformity Index, CI)를 평가하였고 두 지표 모두 값이 1에 가까울수록 방사선 치료계획의 품질이 향상되었다고 평가하였다.

\(\begin{align}H I=\frac{D_{5 \%}}{D_{95 \%}}\end{align}\)       (1)

D_5% : PTV의 5% 용적이 받는 선량(Gy)

D_95% : PTV의 95% 용적이 받는 선량(Gy)

\(\begin{align}C I=\frac{V_{TV}}{V_{PTV}}\end{align}\)       (1)

V_TV : 처방선량이 포함하는 용적(cm³)

V_PTV : PTV의 용적(cm³)

주변의 OAR인 양측 폐와 심장, 척수에 대한 평가에서는 폐의 경우 평균선량 (Gy), V_5Gy (%), V_10Gy (%), V_20Gy (%), V_30Gy (%)를 비교하였으며 심장은 평균선량 (Gy), V_20Gy (%), V_30Gy (%)를 비교하였고 척수는 최대선량 (Gy) 값을 비교하였다. 또한 치료계획의 효율성을 평가하기 위하여 Total MU를 각각 비교하였다.

2.3 통계 분석 방법

통계 분석은 IBM SPSS Statistics 27.0.1 (IBM, Armonk, NY, USA)를 사용하였다. 치료계획 간에 PTV와 폐, 심장, 척수, MU를 비교하기 위해 fVMAT-pVMAT, fVMAT-ncVMAT, pVMAT-ncVMAT 각각 비교하였다. 항목별로 정규성 검정을 시행한 결과에 따라 정규성을 만족하는 항목은 대응 표본 t-검정 (Paired t-test)을 시행하였고 정규성을 만족하지 않는 항목에 대해서는 윌콕슨 부호 순위 검정(Wilcoxon signed rank test)를 시행하였다. 유의확률(p-value)이 0.05 미만인 경우에 통계적으로 유의한 차이가 있는 것으로 판단하였다.

Ⅲ. RESULT

1. 치료계획용적(PTV) 비교 분석

세 가지 치료계획(fVMAT, pVAMAC, ncVMAT)의 PTV에 대한 V_95%는 각각 98.14%, 98.11%, 98.09%로 fVMAT가 가장 높은 값을 보였으며 fVMAT-pVMAT와 fVMAT-ncVMAT 간에 유의한 차이가 있었다. HI값은 각각 1.06, 1.05. 1.06으로 나타났고 CI는 0.89, 0.90, 0.95이었다. PTV의 최대 선량값은 53.29 Gy, 53.18 Gy, 53.75 Gy 로 ncVMAT가 가장 높은 값을 보였으며 HI와 CI, 최대선량(D_max) 값 모두 fVMAT-ncVMAT와 pVMAT-ncVMAT 간에 유의한 차이를 보였으며 이러한 결과는 Table 2에 나타내었다.

Table 2. Comparison of dosimetric parameters of PTV between fVMAT, pVMAT and ncVMAT

*Statistically significant differences at p<0.05

2. 손상위험장기(OAR), Total MU 비교분석

세 가지의 치료계획에서 폐의 평균선량은 fVMAT, pVMAT, ncVMAT 각각 9.01 Gy, 7.71 Gy, 7.12 Gy로 나타났으며 V_5Gy는 각각 52.22%, 38.61%, 36.35%, V_10Gy는 37.80%, 27.33%, 24.15%로 모두 fVMAT가 가장 높은 값을, ncVMAT가 가장 낮은값을 나타냈다. V_20Gy는 12.83%, 13.38%, 10.50%로 pVMAT가 가장 높았으며 V_30Gy는 3.68%, 4.55%, 5.15%로 ncVMAT가 가장 높은 값을, fVMAT가 가장 낮은 값의 결과를 보였다.

폐의 통계분석 결과는 fVMAT-pVMAT 간에 V_20Gy값을 제외하고 모든 치료계획 간에 유의한 차이를 보였다.

심장의 평균선량은 각각 5.80 Gy, 6.97 Gy, 7.60 Gy로 나타났으며 V_20Gy는 9.08%, 13.16%, 13.72%, V_30Gy는 3.94%, 6.50%, 8.23%로 모두 ncVMAT가 가장 높은 값을 보였으며 fVMAT가 가장 낮은 값을 나타냈다.

심장의 통계분석 결과는 fVMAT-pVMAT 간에 V_20Gy 값을 제외하고 모든 치료계획 간에 유의한 차이를 보였다. 척수의 최대선량은 각각 36.85 Gy, 42.51 Gy, 43.08 Gy로 ncVMAT가 가장 높은 값을 보였으며 fVMAT가 가장 낮은 값을 보였다.

척수의 통계분석 결과는 모든 치료계획 간에 유의한 차이를 보였으며 이러한 결과는 Table 3에 나타내었다.

Table 3. Comparison of dosimetric parameters of OARs between fVMAT, pVMAT and ncVMAT

*Statistically significant differences at p<0.05

Total MU 값은 364.17, 388.17, 364.17로 pVMAT가 가장 높은 값을 나타냈다. MU의 통계분석 결과는 fV MAT-pVMAT와 fVMAT-ncVMAT간에 유의한 차이를 보였으며 이러한 결과는 Table 4에 나타내었다.

Table 4. Comparison of dosimetric parameters of Total MU between fVMAT, pVMAT and ncVMAT

*Statistically significant differences at p<0.05

Fig. 3. Comparison of OARs DVHs between fVMAT, pVMAT and ncVMAT

Ⅳ. DISCUSSION

식도와 같이 몸의 중앙에 길게 위치한 경우는 폐의 저선량 영역을 주의하여 치료계획을 수립해야 한다. 이에 따라 폐의 선량을 최소화하여 보호할 수 있는 치료계획을 비교 분석하는 연구가 많이 진행되었다^[7–10]. 3D CRT는 폐를 보호할 수 있었지만 주변의 정상조직과 척수의 허용선량 등을 충족시키기 어렵고 부작용 발생률이 높았다. IMRT는 3D CRT에 비해 더 나은 선량 분포와 정상조직을 효과적으로 보호할 수 있었으나 VMAT에 비해 높은 MU 값으로 치료 시간이 길어지는 단점이 있었다^[11,12]. 빔의 조사 각도를 제한한 Partial Arc를 이용한 연구의 결과를 보면 IMRT와 full Arc VMAT, Partial Arc를 비교했을 때 Full Arc VMAT와 Partial Arc VMAT는 IMRT 치료계획에 비해 OAR을 더욱 효과적으로 보호하고 Target의 균일성 등을 향상시킬 수 있었고 Partial Arc VMAT 치료계획은 폐의 V_5Gy, V_10Gy값을 증가시키지 않는 결과를 보였다^[13].

본 연구에서는 IMRT를 제외하고 세 개의 VMAT 치료계획을 비교하였고 fVMAT에 비해 pVMAT와 ncVMAT가 폐의 선량을 최소화할 수 있었다. 그러나 폐를 보호하기 위해 사방향 빔의 각도가 제한되어 전후 방향으로 선량 분포가 나타났다. 때문에 fVMAT에 비해 심장의 평균선량과 V_30Gy, 척수의 최대선량이 높아지는 단점이 있었다. 현재 동일평면이 아닌 비동일평면 빔은 주변 장기에 대한 선량을 줄일 수 있어 최근 정위 체부 방사선치료(Stereotactic Body Radiation Therapy, SBRT)나 정위적 방사선수술(Stereotactic Radiosurgery, SRS) 뿐 아니라 다양한 영역에서 사용되고 있다. Gregory Smyth. et al.^[14]의 Non-Coplanar VMAT와 Coplanar VMAT 비교 연구에서는 Non-Coplanar VMAT가 기존의 Coplanar VMAT와 유사한 결과를 나타내며 특정 OAR의 선량을 감소시킬 수 있음을 입증했다. 유방암 사례에서는 심장의 평균선량이 53%, 뇌암 사례에서는 왼쪽 렌즈는 61%, 오른쪽 렌즈는 77%, 전립선암과 골반 부위 암 사례에서는 대장의 평균선량이 15% 감소하였다. 이처럼 비동일평면 빔을 사용하면 특정 장기들의 선량을 감소시킬 수 있지만 Couch 회전으로 인한 셋업의 오차를 줄이고 정확한 치료를 위해 엄격한 품질 보증(Quality Assurance, QA)과 선량 확인 절차가 필요하다^[15]. 또한 치료 시간이 증가하는 것과 환자 셋업에 대한 정확성에도 주의가 필요하다.

Ⅴ. CONCLUSIONS

세 가지 치료계획은 모두 PTV에 균일한 선량 분포를 나타냈다. 그러나 fVMAT는 pVMAT와 ncVMAT에 비해 척수와 심장에서 가장 낮은 값을 보였고 반면에 폐의 선량은 가장 높은 값을 보였다. ncVMAT는 폐의 선량 분포를 최소화하여 식도암 방사선치료에서 폐를 보호하는 데 큰 임상적 이점을 가졌다. 하지만 Non-Coplanar Beam을 사용함으로써 셋업의 정확성과 치료 시간 증가 등을 고려하여 각 상황에 맞는 적절한 치료계획을 적용함으로써 보다 나은 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.