Design and Dose Distribution of Docking Applicator for an Intraoperative Radiation Therapy

추성실,김귀언,노준규,Chu, Sung-Sil,Kim, Gwi-Eon,Loh, John-Kyu The Korean Society for Radiation Oncology 1991 Radiation Oncology Journal Vol.9 No.2

수술중 방사선치료법 (Intraoperative Radiation Therapy)은 외과적으로 개복된 상태에서 종양이나 장기를 절제한후 비가시적 또한 육안적 암세포를 전자선등으로 직접 조사 치료하는 방법으로서 일시에 다량의 방사선량을종양부위에 집중적으로 조사할 수 있으며 정상장기나 조직을 방사선 조사 범위로부터 차단함으로 방사선 손상을 격감 시킬 수 있는 장점을 갖고 있다. 본 연세암쎈터 치료방사선과에서는 1986년 2월부터 현재까지 십여명의 위암환자를 대상으로 수술중 방사선치료를 시 행하여 좋은 결과를 얻었으나 치료절차상 많은 어려운점 이 야기되어왔다. 그중에서도 방사선치료실(LINAC room)내에서 수술을 시행함에 따른 수술기구, 응급처치 장치, 조명 및 감시장치 등이 완벽하게 준비되여져 야 하며 치료실내를 $2\sim3$일 동안 자외선과 소독약으로 완전히 제독 하여야 함으로 그기간동안 많은 방사선치료 환자들이 한명의 IORT환자를 위하여 치료를 중단하여 야 하는 어려움이 있었다. 본 연세 암쎈터에서는 콜리메터 접속기구(collimator holder)와 투명 조사통(Acrylic cone)으로 구성된 조립형 조사기구(Docking Applicator)를 고안 제작하여 수술과 방사선 치료를 각각 해당 장소에서 시 행할 수 있었다. 즉 tORT 환자의 개복수술은 수술실에서 시 행하되 다만 가볍고 투명하며 외부 공기와 차단된 투명 조사기구(Acrylic cone)를 종양 부위에 조준고정 시켜 봉합하고 방사선 치료실로 이송된후 선형가속기의 방사구에 장착된 콜리메터 접속기와 접합시킴으로서 많은 문제점을 해결할 수 있었다. 조립조사 기구는 치료부위를 잘 관찰할 수 있고 쉽게 결합할 수 있도록 가벼운 아크릴과 Mylafilm으로 구성 제작하였으며 콜리메터 접속기는 종양 부위에 균일한 선량분포와 누출선량을 줄이기 위하여 스텐레스 강철로 구성제작하였다. 직경이 8cm이고 길이가 30cm인 접합형 조사기구를 사용하여 12MeV 전자선을 조사하였을때 $90\%$의 등선량곡선이 5 mm 정도 확장 되었으며 조사통 가장자리의 선량이 약 $6\%$ 증가하였다. 조사 통밖 의 누출 선량은 위치에 따라 출력선량의 $3\sim5\%$가 측정되었고 심부 백분율은 기준조사통에 의한 것과 유사하였다. 조사통의 모양과 크기는 종양범위에 알맞도록 원형, 사각형 또는 오각형 등으로 제작하였으며 $1\sim2$ cm의 금속띠를 이용 조절하므로서 최적한 선량분포를 얻을수 있었고 콜리메터의 차폐 금속편을 이용하여 조사통밖의 누출선량을 최대한으로 줄일 수 있었다. A docking intraoperative electron beam applicator system, which is easily docking in the collimator for a linear accelerator after setting a sterilized transparent cone on the tumor bearing area in the operation room, has been designed to optimize dose distribution and to improve the efficiency of radiation treatment method with linear accelerator. This applicator system consisted of collimator holder with shielded metals and docking cone with transparent acrylic cylinder, A number of technical innovations have been used in the design of this system, this dooking cone gives a improving latral dose coverage at therapeutic volume. The position of $90\%$ isodose curve under suface of 8 cm diameter cone was extended $4\sim7$ mm at 12 MeV electron and the isodose measurements beneath the cone wall showed hot spots as great as $106\%$ for acrylic cone. The leakage radiation dose to tissues outside the cone wall was reduced as $3\sim5\%$ of output dose. A comprehensive set of dosimetric characteristics of the intraoperative radiation therapy applicator system is presented.

전리(電離) 방사선(放射線)의 선량(線量)과 단위(單位)

추성실,Chu, Sung-Sil 대한방사선방어학회 1981 방사선방어학회지 Vol.6 No.1

Disign and Thermal Distribution of Intra-hyperthermia Microwave Antennas for Utero-cervical Applicators

추성실,문성록,Chu, Sung-Sil,Moon, Sun-Rock The Korean Society for Radiation Oncology 1990 Radiation Oncology Journal Vol.8 No.1

자궁암치료에서 재발되거나 치료가 어려운 종양에 대하여 방사선과 온열요법을 병행함으로서 치료 성과를 다소 향상시킬 수 있었다. 더욱이 방사선 근접조사와 강내온열치료는 주위 건강조직의 피해를 줄이면서 종양에 집중손상을 줄 수 있었으며 강내방사선조사 기구를 공동으로 이용하므로서 시술이 간단하고 치료부위를 정확히 조준할 수 있었다. 그러나 강내조사용 안테나는 그 모양과 구성에 따라 온열 분포가 변하며 재래식 쌍극철심형 안테나는 끝부분 또는 연결부위의 가온이 급증하여 균등한 온열분포를 기대할 수 없었다. 저자들은 안테나의 길이를 마이크로파의 약수 즉 3, 6, 12 cm로 하여 공명이 잘 이루어지도록 하였으며 끝이 굵고 접촉 부위가 가느다란 꼬깔형 (conical) 안테나를 제작하여 사용한 결과 안테나 축에 따라 거의 일정하거나 약간 타원형의 온도분포를 이루었으며 가온 깊이도 $2\~3\;cm$로서 비교적 깊은 곳까지 가열할 수 있어 강내 치료효과를 향상시킬 수 있다고 생각된다. Intracavitary brachytherapy combined hypertermin for utero-conical cancer seems to be a promising method for salvage treatments in persistent tumors and inoperable or previously irradiated cervical recurrences. In order to heat the vaginal apex and uterus, powerfull conical antennas which are suitable for afterloading cervical applicator have been designed for use in conjuction with intracavitary radiation therapy. The antennas were constructed with conical conductive material to feed line and the effective lenght were designed proportional to microwave length, Power deposition profiles of 2450 MHz of conical antennas were studied in both phantom models and muscle tissue and compared to those of commonly used dipole antenna. Improvement of the heating pattern was found in both phantom and muscle tissue. The heating pattern produced by the conical antenna resembles an ellipsoid and then the temperature distribution in depth was extended to $2\~3\;cm$ from the effective antenna axis.

The Enhancement of Skin Sparing by Tray Materials for High Energy Photon Beam

추성실(Sung Sil Chu),이창걸(Chang Geol Lee),김귀언(Gwi Eon Kim) 대한방사선종양학회 1993 Radiation Oncology Journal Vol.11 No.2

종양치료를 위하여 고에너지 X-선 또는 감마선을 인체에 조사할 경우 피부 표면 선량이 최대지점 선량의 30~60%에 불과 함으로 피부보호 효과(Skin sparing effect)를 얻을 수 있는 장점을 갖고있다. 그러나 종양특성과 발병위치에 따라 조사면을 크게 하거나 선속내에 차폐물질 또는 보상여과판을 설치하여 치료할 경우 피부보호 효과가 감소되거나 없어지는 경우가 있고 이것은 종양치료에 중요한 요인이 되고 있다. 연세 암전문병원에 설치된 코발트 60원격치료기와 선형가속기에서 발생되는 4 MV및 10 MV x-선에 대한 피부선량을 측정하였으며 차폐물고정판(Tray) 구성 물질의 종류와 조사면의 크기 및 피부와 고정판간의 거 리에 따른 피부선량의 변화를 평가하였다. 방사선 조사면이 15x15㎠ 이상 넓고 피부와 collimator 간의 거리가 30 cm 이상일 때 피부 표면선량은 코발트 -60, 4, 10 MV에서 각각최대선량의 40, 30, 20%로 감소하였으며 조사면의 크기와 차폐 고정판의 물질에 따라 증감하였다. 차폐물을 고정시키는 고정판을 Lucite로 제작하고 고정판과 피부간의 거리를 약 15 cm 이상 간격을 주면 표면선량을 50%로 줄일 수 있었고 주석, 구리, 납등을 부착시키면 전방산란 선량비율이 감소되어 피부선량은 35%로 피부보호 효과를 얻을 수 있었다. 방사선의 전방산란비율은 에너지와 흡수물질의 원자번호에 관계되며 납과 주석 이 각각 코발트-60 감마선과 4~10 MV x-선의 전방산란비를 가장 크게 감소시켰다. The skin sparing effect associated with high energy x-ray or gamma ray beams may be reduce or lost under certain conditions of treatment. Current trends in using large fields. Shield carrying trays, compensating filters, and isocentric methods of treatment have posed problems of increased skin dose which sometimes become a limiting factor in giving adquate tumor doses. We used the shallow ion chamber to measure the phantom surface dose and the physical treatment variables for Co-60 gamma ray, 4MV and 10 MV x-ray beam. The dependence of percent surface dose on field sizes, atomic number of the shielding tray materials and its distance from the surface for 4, 10MV x-rays and Co-60 gamma ray is qualitatively similar. The use of 2 mm thick tin filter is recommended for situations where a low atomic number tray is introduced into the beam at distances less than 15 cm from the surface and with the large field sized for 4 MV x-ray beam. In case of Co-60 gamma ray, the lead glass tray is suitable for enhancement of skin sparing. Also, the filter distance should be as large as possible to achieve substantial skin sparing.

보상여과판을 이용한 비인강암의 전방위 강도변조 방사선치료계획

추성실(Sung Sil Chu),이상욱(Sang-wook Lee),서창옥(Chang Ok Suh),김귀언(Gwi Eon Kim) 대한방사선종양학회 2001 Radiation Oncology Journal Vol.19 No.1

목 적 : 비인강암 환자의 국소제어율을 향상시키기 위한 목적으로 보상 여과판을 이용한 전방위 강도변조 방사선치료방법(intensity modulated radiation therapy : IMRT)을 계획하고 기존 3차원 입체조형치료방법과 비교하여 최적의 방사선치료방법을 모색하고자 한다. 대상 및 방법 : 3- 차원 입체조형치료계획으로 치료받았던 비강암환자(T4N0M0) 1예를 선택하여 치료면의 굴곡과 뼈, 공동 등 불균질 조직으로 인하여 발생되는 표적체적의 선량분포를 균일하게 만들고 주변 정상장기의 손상을 최소화하기 위한 일차 입사선량의 강도 조절을 보상여과판으로 시행 하였다. 환자는 열변성 plastic mask로 고정시킨 후 치료조준용 CT Scan (PQ5000)을 이용하여 3 mm 간격으로 scan 하고 가상조준장치(virtual simulator)와 3차원 방사선치료계획 컴퓨터(ADAC- Pinnacle3)를 이용하여 보상여과판을 제작하였다. 각 조사면을 세분한 소조사선(beamlet)의 강도 가중치(weighting)를 계산하고 가중치에 따른 선량 감약을 보상여과판의 두께로 환산하여 판별이 쉽도록 도표화하였다. 방사선 치료성과의 기준은 정량적으로 평가할 수 있는 선량체적표(dose volume histogram : DVH)와 종양억제확율(tumor control probability :TCP)및 정상조직 손상확율(normal tissue complication probability : NTCP)의 수학적 관계식을 이용하여 치료효과를 평가하였다. 결 과 : 전방위 IMRT에서 계획용표적체적(planning target volume : PTV)내의 최소선량과 최대선량의 차이가 입체조형치료계획보다 약간 증가하였으며 평균선량은 강도조절치료계획에서 약 10% 더 높았고 전체 방사선량의 95%가 포함되는 체적(V95)은 비교적 양쪽 설계방법에서 비슷한 양상을 보이고 있었다. 주위 건강장기들의 DVH에서 방사선에 민감한 장기인 시신경, 측두엽, 이하선, 뇌간, 척수, 측두하악골관절 등은 강도조절치료계획에서 많이 보호되었다. PTV의 종양제어확율은 입체조형치료계획과 강도변조치료계획에서 모두 비교적 균일하였으며 계획선량이 50 Gy에서 80 Gy로 증가함에 따라 TCP가 0.45에서 0.56으로 완만하게 증가하였다. 척수, 측두하악골 관절, 뇌간, 측두엽, 이하선, 시신경교차, 시신경 등정상장기의 손상확율은 입체조형치료계획보다 강도조절치료계획에서 월등히 감소되었으며 특히 뇌간(brain stem)의 NTCP는 입체조형치료계획에서 보다 강도조절치료계획에서 훨씬 적은 값(0.3에서 0.15)으로 감소되었다. 계획선량의 증가에 따른 TCP와 NTCP를 입체조형치료계획과 강도조절치료계획에서 TCP는 공히 완만한 증가를 보였으나 NTCP값은 선량증가에 비례적으로 증가하였고 입체조형치료계획이 강도조절치료계획보다 월등히 증가하였다. 결 론 : 보상여과판을 이용한 전방위 강도변조 방사선치료에서 PTV내의 선량 균일도의 개선은 없었지만 뇌간, 척수강 등 정상장기의 피폭을 줄일 수 있었다. 특히 인체표면의 굴곡이 심하거나 뼈, 동공 등으로 종양에 도달하는 방사선량분포가 균일하지 않을 경우 매우 유리한 치료방법이였다. 방사선치료성적을 평가함에 있어 DVH와 TCP, NTCP 등 수학적 척도를 이용함으로서 치료성과의 예측, 종양선량의증가(dose escalation), 방사선수술의 지표 및 방사선치료의 질적 상황을 정량적 수치로 평가할 수 있어 방사선치료성과 향상에 기여할 수 있다고 생각한다. Purpose :To improve the local control of patients with nasopharyngeal cancer, we have implemented 3- D conformal radiotherapy and forward intensity modulated radiation therapy (IMRT) to used of compensating filters. Three dimension conformal radiotherapy with intensity modulation is a new modality for cancer treatments. We designed 3- D treatment planning with 3- D RTP (radiation treatment planning system) and evaluation dose distribution with tumor control probability (TCP) and normal tissue complication probability (NTCP). Material and Methods :We have developed a treatment plan consisting four intensity modulated photon fields that are delivered through the compensating filters and block transmission for critical organs. We get a full size CT imaging including head and neck as 3 mm slices, and delineating PTV (planning target volume) and surrounding critical organs, and reconstructed 3D imaging on the computer windows. In the planning stage, the planner specifies the number of beams and their directions including non- coplanar, and the prescribed doses for the target volume and the permissible dose of normal organs and the overlap regions. We designed compensating filter according to tissue deficit and PTV volume shape also dose weighting for each field to obtain adequate dose distribution, and shielding blocks weighting for transmission. Therapeutic gains were evaluated by numerical equation of tumor control probability and normal tissue complication probability. The TCP and NTCP by DVH (dose volume histogram) were compared with the 3- D conformal radiotherapy and forward intensity modulated conformal radiotherapy by compensator and blocks weighting. Optimization for the weight distribution was performed iteration with initial guess weight or the even weight distribution. The TCP and NTCP by DVH were compa red with the 3- D conformal radiotherapy and intensitiy modulated conformal radiotherapy by compensator and blocks weighting. Results : Using a four field IMRT plan, we have customized dose distribution to conform and deliver sufficient dose to the PTV. In addition, in the overlap regions between the PTV and the normal organs (spinal cord, salivary grand, pituitary, optic nerves), the dose is kept within the tolerance of the respective organs. We evaluated to obtain sufficient TCP value and acceptable NTCP using compensating filters. Quality assurance checks show acceptable agreement between the planned and the implemented MLC (multi- leaf collimator). Conclusion : IMRT provides a powerful and efficient solution for complex planning problems where the surrounding normal tissues place severe constraints on the prescription dose. The intensity modulated fields can be efficaciously and accurately delivered using compensating filters.

Disign and Thermal Distribution of Intra-hyperthermia Microwave Antennas for U tero-cervical Applicators

추성실(Sung Sil Chu) 문성록(Sun Rock Moon) 대한방사선종양학회 1990 Radiation Oncology Journal Vol.8 No.1

자궁암치료에서 재발되거나 치료가 어려운 종양에 대하여 방사선과 온열요법을 병행함으로서 치료성과를 다소 향상시킬 수 있었다. 더욱이 방사선 근접조사와 강내온열치료는 주위 건강조직의 피해를 줄이면서 종양에 집중 손상을 줄 수 있었으며 강내방사선조사 기구를 공동으로 이용하므로서 시술이 간단하고 치료부위를 정확히 조준할 수 있었다. 그러나 강내조사용 안테나는 그 모양과 구성에 따라 온열 분포가 변하며 재래식 쌍극철심형 안테나는 끝부분 또는 연결부위의 가온이 급증하여 균등한 온열분포를 기대할 수 없었다. 저자들은 안테나의 길이를 마이크로파의 약수 즉 3,6,12cm로 하여 공명이 잘 이루어지도록 하였으며 끝이 굵고 접촉 부위가 가느다란 고깔형(conical) 안테나를 제작하여 사용한 결과 안테나 축에 따라 거의 일정하거나 약간 타원형의 온도분포를 이우었으며 가온 깊이도 2~3 cm로서 비교적 깊은 곳까지 가열할 수 있어 강내 치료효과를 향상시킬 수 있다고 생각된다. Intracavitary brachytherapy combined hypertermin for utero-cervical cancer seems to be a promising method for salvage treatments in persistent tumors and inoperable or Previously irradiated cervical recurrences. In order to heat the vaginal apex and uterus, powerfull conical antennas which are suitable for afterloading cervical applicator have been designed for use in conJuction with intracavitary radiation therapy. The antennas were constructed with conical conductive material to feed line and the effective length were designed proportional to microwave length, Power deposition profiles of 2450 MHz of conical antennas were studied in both phantom models and muscle tissue and compared to those of commonly used dipole antenna. Improvement of the heating pattern was found in both phantom and muscle tissue. The heating pattern produced by the conical ant na resembles an ellipsoid and then the temperature distribution in depth was extended to 2 ~ 3 em from the effective antenna axis.

Development and Thermal distribution of An RF capacitive Heating Device

추성실(Sung Sil Chu),서창옥(Chang Ok suh),김귀언(Gwi Eon Kim),노준규(John Kyu Loh),김병수(Byung Soo Kim) 대한방사선종양학회 1987 Radiation Oncology Journal Vol.5 No.1

환부에 열을 가하여 종양을 치료할 수 있는 온열요법의 생물학적 효과는 상당히 고무적이며 새로운 암 치료 수단으로 등장되었다. 그러나 체내 깊숙히 위치하고 있는 종양에 일정한 열을 계속 부여하면서 온도와 열의 분포를 정확히 측정하기가 어려웠다. 연세 암센터는 연세대학교 공과대학과 녹십자 의료 공업주식회사와 산학협동으로 라디오파 유전가열형 온열장치(가칭 Greenytherm-GY8)를 개발 제작하고 임상응용을 위해 기초 연구를 실시하였다. 개발된 온열장치는 8~10MHz 라디오파 발생기와 유전가열 전극, 온도계측용 열정대, 냉각장치 및 제어용 개인 컴퓨터로 구성되었다. 온열장치의 성능을 시험하기 위하여 인체크기의 한천팬텀과 동물 및 인체의 악성종양에 대한 치료온도와 온열분포를 측정하였다. 라디오파 발생전력을 200~l,500W까지 조절할 수 있으며 유전가열을 위한 라디오파의 주파수는 8~10MHz 범위를 얻을 수 있었다. 피부에 근접된 종양의 가열온도는 200~500W의 RF 전력으로 10분이 내 치료가능온도(42.5℃) 이상으로 가열할 수 있었으며 정상조직 쪽의 전극은 5~10℃로 냉각시키므로서 피부손상을 방지할 수 있었다. 5~10cm 깊이에 존재하는 종양의 가열온도는 치료 가능한 40~43℃까지 가열이 가능하였으며 냉각보러스와 정합회로에 의해 피부의 자극을 줄일 수 있었다. 이상과 같은 실험결과로 유전가열형 온열장치는 임상응용에 적합하다고 판단되며 임상경험을 통하여 더 예민한 정합장치와 전기적 자극을 완전히 줄일 수 있는 방법 및 편리한 전극 등의 개발이 가능한 기본자료가 될 수 있다. Hypertermia for the treatment of cancer has been introduced for a long time and the biological effect for the use of hyperthermia to treat malignant tumors has been well established and encouraging clinical results have been obserbed. Unfortunately, however, the engineering or technical aspects of hyperthermia for the deep seated tumors has not been satisfactory. We developed the radiofrequency capactive hyperthermia device (Greenytherm-GY8) in cooperation with Yonsei Cancer Center and Green Cross Medical Corporation. It was composed with 8~10MHz RF generator, capacitive electrode, matching system, cooling system, temperature measuring system and control PC computer. The thermal profile was investigated in agar phantom, animals and in human tumors, heated with capactivie RF device. Deep and homogeneous heating could be achieved in a large phantom of 25cm diameter and 19cm thick when heated with a pair of 23cm diameter electrodes, coupled to both bases of the phantom, when the size of the two electrodes was not the same, the region near the smaller electrode was preferentially heated. It was, therefore, possible to control the depth of heating by choosing proper size of electrodes. Therapeutic temperature (42℃~43℃) could be obtained in the living animal experiments. Indications are that deep heating of humn tumors might be achieved with the capacitive method, provided that subcutaenous fat layer is cooled by temperature controlled bolus and large size of electrodes.

Optimization of Dose Distribution for High Dose Rate Intraluminal Therapy

추성실(Sung Sil Chu),김귀언(Gwi Eon Kim),노준규(Juhn Kyu Loh) 대한방사선종양학회 1994 Radiation Oncology Journal Vol.12 No.2

원격조종 아프터로딩에 의한 고선량율 관내삽입조사는 체내 발생된 종양에 방사선원을 근접시켜 치료하는 방사선요법으로서 신속한 선량계산과 선량의 정확성 및 다양한 모양의 최적선량분포가 요구된다. 저자들은 크기가 작고 선량율이 높은 고선량율의 방사성동위원소에 대한 정확한 조사선량과 최적선량분포를 얻기 위하여 수학적인 콤퓨터 계산프로그램과 실측으르서 비교하였다. 고선량율 선원에 의한 방사선 조사선량과 조직내 흡수선량분포의 각각 Sievert적분식과 Meisberger의 다항식을 이용하여 작성하였다. 종양크기와 모양에 가장 알맞는 선량분포의 최적화를 실현하기 위하여 저자들은 치료기준점의 선량을 일정한 값으로 고정시키고 선원의 조사시간을 조정하는 선형반복 계산방정식을 이용하였다. 모형선원이 장착된 아프터로딩관을 삽입하고 조준엑스선으로 촬영하여 종양부위를 결정한 후 콤퓨터의 도움으로 아프터로딩관의 축과 평행선 등량곡선 또는 과일모양의 선량분포 및 기관지 모양의 등선량 분포가 성취되도록 선량최적화를 시행하였고 선량계에 의한 실측치와 오차가 3%이하로 잘 일치하였다. The use of high dose rate remote afterloading system for the treatment of intraluminal lesions necessitates the need for a more accurate of dose distributions around the high intensity brachytherapy sources, doses are often prescribed to a distance of few centimeters from the linear source, and in this range the dose distribution is very difficult to assess. Accurated and optimized dose calculation with stable numerical algorithms by PC level computer was required to treatment intraluminal lesions by high dose rate brachytherapy system. The exposure rate from sources was calculated with Sievert integral and dose rate in tissue was calculated with Meisberger equation. An algorithm for generating a treatment plan with optimized dose distribution was developed for high dose rate intrauminal radiotherapy. The treatment volume becomes the locus of the constrained target surface points that is the specified radial distance from the source dwelling positions. The treatment target volume may be alternately outlined on an x-ray film of the implant dummy sources. The routine used a linear programming formulism to compute which dwell time at each position to irradiate the constrained dose rate at the target surface points while minimizing the total volume integrated dose to the patient. The exposure rate and the dose distribution to be confirmed the result of calculation with algorithm were measured with film dosimetry, TLD and small size ion chambers.

High Energy Electron Dosimetry by Alanine/ESR Spectroscopy

추성실(Sung Sil Chu) 대한방사선종양학회 1989 Radiation Oncology Journal Vol.7 No.1

물질에 방사선을 조사시키면 구성원자 또는 분자의 일부분이 전리되며 특수한 유기화합물은 장기간 free radical상태로 존재하고 그 밀도는 조사된 방사선량에 비례한다. Free radical상태의 물질에 마이크로파와 같은 전자파를 투과시키면 free radicl된 전자의 고유진동과 일치된 전자파를 흡수하는 전자스핀공명(Electron Spin Resonance)이 일어나며 흡수된 전파의 강도를 측정함으로서 조사된 방사선량을 추측할 수 있다. ESR를 이용한 free radical dosimeter로서 가장 잘 알려진 물질이 아미노산 alanine이므로 이것과 파라핀 10%를 혼합하여 0.4x1cm의 alanine dosimeter를 제작하였다. 측정 방법은 방사선 흡수선량을 직접 측정할 수 있도록 조직등가인 물 팬텀과 방수된 Alanine dosimeter holder를 제작하고 의료용 선형가속기에서 발생되는 6~21MeV전자선을 조사하면서 최대 흡수 선량과 깊이에 따른 선량분포를 측정하였다. 전자선 조사선량은 1 Gy에 60Gy까지의 방사선 치료선량 범위를 선택하였으며 측정결과 전자선량 증가에 따라 ESR신호의 진폭이 선형비례적으로 증가하였다. 그러나 전자선량이 4Gy이하에서는 alanine dosimeter의 선량 균일성이 ±2~4%(표준편차)의 오차가 있었으며 4Gy이상에서는 ±1% 이하의 오차를 나타냄으로서 환자에 대한 전자선 조사량 범위인 1Gy에서 60Gy까지의 흡수선량을 정확히 측정할 수 있었다. 측정한 결과 전자선 에너지 12MeV이하에서는 전리상으로 측정 계산된 선량과 일치하였지만 15MeV이상에서는 표면에서 깊이 2cm까지의 흡수선량이 약2~5%가 높았다. 이와 같은 현상은 의료용 선형가속기의 전자선 방출구에 장착된 산란판과 조사면을 조정하는 cone에 의하여 발생되는 저 에너지 산란전자선이 alanine dosimeter에 측정된 것으로서 에너지가 증가될수록 오염 정도가 증가되었다. 본 실험을 통하여 지금까지 고에너지 전자선량계측에서 전리상에 의한 전기량 측정과 산란선이 없는 단일 에너지로만 간주하여 계산하였던 전자선 흡수선량 측정방법을 직접 흡수선량 측정이 가능한 Alanine/ESR dosimetry로서 교정하는 것이 바람직하다고 생각한다. Dosimerty based on electron spin resonance (ESR) analysis of radiation induced free radicals in amino acids is relevant to biological dosimetry applications. Alanine detectors are without walls and are tissue equivalent. Therefore, alanine ESR dosimetry looks promising for use in the therapy level. The dose range of the alanine/ESR dosimetry system can be extended down to 1 Gy, in water phantom the absorbed dose of electrons generated by a medical linear accelerator of different initial energies (6~21MeV) and therapeutic dose levels (1~60 Gy) was measured. Furthermore, depth dose measurements carried out with alanine dosimeters were compared with ionization chamber measurements. As the results, the measured absorbed doses for shallow depth of initial electron energies above 15MeV were higher by2~5% than those calculated by nominal energy CE factors. This seems to be caused by low energy scattered beams generated from the scattering foil and electron cones of beam projecting device in medical linear accelerator.

호흡주기에 따른 방사선입체조형치료법의 개발

추성실(Sung Sil Chu),조광환(Kwang Hwan Cho),이창걸(Chang Geol Lee),서창옥(Chang Ok Suh) 대한방사선종양학회 2002 Radiation Oncology Journal Vol.20 No.1

목적: 호흡주기에 따른 위치변동 감지센서를 이용하여 종양의 위치가 일정위치에 있을 때만 방사선을 치료하는 호흡동기치료기구를 제작하고 일정한 호흡주기 상태에서 수행된 CT simulation과 3차원 입체조형치료계획에 따라 방사선을 치료하는 시스템을 개발하고자 하였다. 호흡유무에 따른 종양의 치료 마진(margin)을 측정하고 계획용표적체적(planning target volume: PTV)의 크기에 따른 선량체적표(dose volume histogram: DVH)와 종양억제확률(tumor control probability:TCP), 건강조직손상확률(normal tissue complication probability:NTCP) 및 선량 통계자료를 통하여 치료성과를 평가하고 선량증강 범위를 예측하고자 하였다. 대상 및 방법: 종양이 비교적 작고 전이가 없는(T1N0M0) 5명의 폐암환자를 선택하여 X-선 조준장치를 이용하여 횡격막의 이동거리를 측정하는 방법으로 내부장기의 운동을 평가하였다. 호흡동기치료기구는 끌어당김 센서가 부착된 허리띠 모양으로 구성되었으며 이를 흉곽 또는 복부에 부착하여 호흡주기에 의한 흉곽의 크기변동에 따라 센서의 회로가 개폐되고 이것을 선형가속기의 조종간에 연결하는 간단한 기구로서 감도와 재현성이 높았다. 호흡을 배기한 후 일시적 호흡이 정지된 상태에서 Spiral-CT (PQ-5000)로 3차원 영상을 획득하고 Virtual CT-simulator(AcQ-SIM)에 의하여 종양의 위치와 주위 장기들을 확인 도시하였으며 3차원 치료계획장치(Pinnacle, ADAC Co.)를 이용하여 3차원 입체조형치료를 계획하였다. 치료계획의 평가는 호흡동기치료기구의 사용유무에 따른 PTV의 크기에 따라 최적 선량분포를 구사하였으며 각각의 DVH, TCP, NTCP 및 선량통계자료를 도축 비교 검토하였다. 결과: X-선 simulation에서 폐암환자의 횡격막 이동은 약 1㎝에서 2.5㎝로서 평균 1.5㎝로 측정되었고 자유호흡시 PTV는 CTV(clinical target volume)에 약 2㎝ 마진을 주었으며 호흡동기치료기구를 사용하였을 때는 0.5㎝ 마진이 적당한 것으로 측정되었다. 종양의 PTV는 연장 마진의 거의 자승비로 증가하였으며 TCP의 값은 마진 범위 (0.5~2.0 ㎝)에 관계없이 거의 일정하였고 NTCP의 값은 마진 크기에 따라 평균 65%로 급속히 증가하였다. 결론: 호흡주기에 따른 위치변동 감지센서를 이용한 호흡동기치료기구는 종양의 위치가 일정할 때만 방사선이 조사되는 간단하고 정확한 장치로서 3차원 입체조형치료 및 강도변조방사선치료에서 매우 유용한 장치임을 확인할 수 있었다. 또한 호흡조절 방사선입체조형치료방법의 기술과 시술절차를 확립시키고 정량적인 선량평가를 위하여 DVH, TCP, NTCP 등의 정량분석과 종양의 투여 선량 증가량(dose escalation)을 예측하는 기초자료를 제공할 수 있었다. Purpose: 3D conformal radiotherapy, the optimum dose delivered the tumor and provided the risk of normal tissue unless marginal miss, was restricted by organ motion. For tumors in the thorax and abdomen, the planning target volume (PTV) is decided including the margin for movement of tumor volumes during treatment due to patients breathing. We designed the respiratory gating radiotherapy device (RGRD) for using during CT simulation, does planning and beam delivery at identical breathing period conditions. Using RGRD, reducing the treatment margin for organ (thorax or abdomen) motion due to breathing and improve dose distribution for 3D conformal radiotherapy. Materials and Methods: The internal organ motion data for lung cancer patients were obtained by examining the diaphragm in the supine position to find the position dependency. We made a respiratory gating radiotherapy device (RGRD) that is composed of a strip band, drug sensor, micro switch, and a connected on-off switch in a LINAC control box. During same breathing period by RGRD, spiral CT scan, virtual simulation, and 3D dose planing for lung cancer patients were performed, without an extended PTV margin for free breathing, and then the dose was delivered at the same positions. We calculated effective volumes and normal tissue complication probabilities (NTCP) using dose volume histograms for normal lung, and analyzed changed in doses associated with selected NTCP levels and tumor control probabilities (TCP) at these new dose levels. The effects of 3D conformal radiotherapy by RGRD were evaluated with DVH (DOSE Volume Histogram), TCP, NTCP and dose statistics. Results: The average movement of a diaphragm was 1.5 cm in the supine position when patients breathed freely. Depending on the location of the tumor, the magnitude of the PTV margin needs to be extended from 1 cm to 3cm, which can greatly increase normal tissue irradiation, and hence, results in increase of the normal tissue complications probability. Simple and precise RGRD is very easy to setup on patients and is sensitive to length variation (+2 mm), it also delivers on-off information to patients and the LINAC machine. We evaluated the treatment plans of patients who had received conformal partial organ lung irradiation for the treatment of thorax malignancies. Using RGRD, the PTV margin by free breathing can be reduced about 2 cm for moving organs by breathing. TCP values are almost the same values (4~5% increased) for lung cancer regardless of increasing the PTV margin to 2.0 cm but NTCP values are rapidly increased (60~70% increased) for upon extending PTV margins by 2.0 cm. Conclusion: Internal organ motion due to breathing can be reduces effectively using our simple RGRD. This method can be used in clinical treatments to reduce organ motion induced margin, therapy reducing normal tissue irradiation. Using treatment planning software, the dose to normal tissues was analyzed by comparing dose statistics with and without RGRD. Potential benefits of radiotherapy derived from reduction or elimination of planning target volume (PTV) margins associated with patient breathing through the evaluation of the lung cancer patients with 3D conformal radiotherapy.