Evaluation of the Usefulness of Restricted Respiratory Period at the Time of Radiotherapy for Non-Small Cell Lung Cancer Patient

비소세포성 폐암 환자의 방사선 치료 시 제한 호흡 주기의 유용성 평가

Purpose: It is essential to minimize the movement of tumor due to respiratory movement at the time of respiration controlled radiotherapy of non-small cell lung cancer patient. Accordingly, this Study aims to evaluate the usefulness of restricted respiratory period by comparing and analyzing the treatment plans that apply free and restricted respiration period respectively. Materials and Methods: After having conducted training on 9 non-small cell lung cancer patients (tumor n=10) from April to December 2011 by using 'signal monitored-breathing (guided- breathing)' method for the 'free respiratory period' measured on the basis of the regular respiratory period of the patents and 'restricted respiratory period' that was intentionally reduced, total of 10 CT images for each of the respiration phases were acquired by carrying out 4D CT for treatment planning purpose by using RPM and 4-dimensional computed tomography simulator. Visual gross tumor volume (GTV) and internal target volume (ITV) that each of the observer 1 and observer 2 has set were measured and compared on the CT image of each respiratory interval. Moreover, the amplitude of movement of tumor was measured by measuring the center of mass (COM) at the phase of 0% which is the end-inspiration (EI) and at the phase of 50% which is the end-exhalation (EE). In addition, both observers established treatment plan that applied the 2 respiratory periods, and mean dose to normal lung (MDTNL) was compared and analyzed through dose-volume histogram (DVH). Moreover, normal tissue complication probability (NTCP) of the normal lung volume was compared by using dose-volume histogram analysis program (DVH analyzer v.1) and statistical analysis was performed in order to carry out quantitative evaluation of the measured data. Results: As the result of the analysis of the treatment plan that applied the 'restricted respiratory period' of the observer 1 and observer 2, there was reduction rate of 38.75% in the 3-dimensional direction movement of the tumor in comparison to the 'free respiratory period' in the case of the observer 1, while there reduction rate was 41.10% in the case of the observer 2. The results of measurement and comparison of the volumes, GTV and ITV, there was reduction rate of $14.96{\pm}9.44%$ for observer 1 and $19.86{\pm}10.62%$ for observer 2 in the case of GTV, while there was reduction rate of $8.91{\pm}5.91%$ for observer 1 and $15.52{\pm}9.01%$ for observer 2 in the case of ITV. The results of analysis and comparison of MDTNL and NTCP illustrated the reduction rate of MDTNL $3.98{\pm}5.62%$ for observer 1 and $7.62{\pm}10.29%$ for observer 2 in the case of MDTNL, while there was reduction rate of $21.70{\pm}28.27%$ for observer 1 and $37.83{\pm}49.93%$ for observer 2 in the case of NTCP. In addition, the results of analysis of correlation between the resultant values of the 2 observers, while there was significant difference between the observers for the 'free respiratory period', there was no significantly different reduction rates between the observers for 'restricted respiratory period. Conclusion: It was possible to verify the usefulness and appropriateness of 'restricted respiratory period' at the time of respiration controlled radiotherapy on non-small cell lung cancer patient as the treatment plan that applied 'restricted respiratory period' illustrated relative reduction in the evaluation factors in comparison to the 'free respiratory period.

목 적: 비소세포성 폐암 환자의 호흡 조절 방사선 치료 시 호흡에 의한 종양의 움직임을 최소화하는 것이 필수적이다. 이에 본 연구에서는 자유호흡 주기와 제한호흡 주기를 각각 적용한 치료 계획을 비교, 분석하여 제한 호흡 주기의 유용성을 평가하고자 한다. 대상 및 방법: 2011년 4월부터 12월까지 비소세포성 폐암 환자 9명(tumor n=10)을 대상으로 환자에게 평소의 호흡주기를 바탕으로 측정한 '자유호흡 주기'와 의도적으로 줄인 '제한호흡 주기'를 '신호모니터-호흡(guided-breathing)'법을 사용하여 각각 훈련을 실시한 후 RPM과 4차원 전산화 단층촬영 모의치료기를 이용해 치료계획용 4D CT를 실시하여 총 10개의 호흡 위상(respiration phase)별 CT 영상을 획득하였다. 각 호흡 주기의 CT 영상에 관측자 두 명이 각각 설정한 육안적 종양체적(Gross Tumor Volume, GTV)과 내부표적체적(Internal Target Volume, ITV)부피를 측정, 비교하였고 들숨(end-inspiration, EI)인 0%와 날숨(end-exhalation, EE)인 50% 위상에서의 center of mass (COM)를 측정하여 종양 움직임의 진폭을 측정했다. 또한 관측자 두명이 각각 두 호흡 주기를 적용한 치료계획을 수립하였고 정상 폐 평균선량(mean dose to normal lung, MDTNL)과 정상 폐 용적의 정상조직합병증확률(normal tissue complication probability, NTCP)을 비교, 분석하였으며 측정된 자료의 정량적 평가를 위해 통계 분석을 실시했다. 결 과: 관측자 두 명의 '제한호흡 주기'를 적용한 치료 계획을 분석한 결과 '자유호흡 주기'에 비해 종양의 3D 방향 움직임이 관측자 1의 경우 38.75%, 관측자 2의 경우 41.10%의 감소율을 보였고 GTV와 ITV의 부피를 측정, 비교한 결과 GTV의 부피는 관측자 1의 경우 $14.96{\pm}9.44%$, 관측자 2의 경우 $19.86{\pm}10.62%$, ITV의 부피는 관측자 1의 경우 $8.91{\pm}5.91%$, 관측자 2의 경우 $15.52{\pm}9.01%$의 감소율을 보였으며 MDTNL과 NTCP를 분석, 비교한 결과 MDTNL은 관측자 1의 경우 $3.98{\pm}5.62%$, 관측자 2의 경우 $7.62{\pm}10.29%$의 감소율을, NTCP의 경우 관측자 1의 결과 $21.70{\pm}28.27%$, 관측자 2의 결과 $37.83{\pm}49.93%$의 감소율을 나타냈다. 또한 두 관측자의 결과 값의 상관관계를 분석한 결과 '자유호흡 주기'에서는 관측자간의 유의한 차이를 보이는 데 비해 '제한호흡 주기'에서는 관측자간의 차이가 없는 감소율을 보였다. 결 론: '자유호흡 주기'에 비해 '제한호흡 주기'를 적용한 치료 계획에서 평가인자들의 상대적인 감소를 나타내어 비소세포성 폐암 환자의 호흡 조절 방사선 치료 시 '제한호흡 주기'의 유용성 및 타당성을 확인할 수 있었다.