Robust Planning of Intensity-modulated Proton Therapy for Prostate Cancer

전립선암 치료를 위한 세기조절 양성자 로버스트 치료계획

Purpose: The aim of this study is to evaluate the dosimetric properties of robust planning strategy for plain intensity-modulated proton therapy (IMPT) taking into account of the uncertainties of effective proton range and set up error as compared to photon intensity-modulated radiation therapy (photon-IMRT) in prostate cancer treatment. Materials and Methods: The photon-IMRT (7 beams, step & shoot), plain-IMPT (2, 4, and 7 portals), and robust- IMPT plans, which was recalculated the plain-IMPT based on the uncertainties of range error (${\pm}5%$) and set up error (0.5 cm), were evaluated for five prostate cancer patients prescribed by 70 Gy/35 fractions. To quantitatively evaluate the dose distributions, several parameters such as maximum dose, minimum dose, mean dose, conformity index (CI), and homogeneity index (HI) for PTV as well as dose-volume index of VxGy for OARs were calculated from dose-volume histograms. Results: Robust-IMPT showed superior dose distributios in the PTV and OARs as compared to plain-IMPT and photon-IMRT. Like plain-IMPT, robust-IMPT were resulted in dose fluctuation around OARs, while better homogeneity and conformity in PTVs and lower mean dose in OARs as compared to photon-IMRT. Conclusion: In consideration with the effective range correction and set up movement using robustness in IMPT plan, the dosimetric uncertainties from plain-IMPT could substantially reduce and suggest more effective solutions than photon-IMRT in prostate cancer treatment.

목 적: 양성자선의 유효비정 변화와 환자 자세의 재현성을 고려한 로버스트(robust-IMPT) 세기조절양성치료와 플레인 세기조절양성자치료(plain-IMPT) 계획과 광자선 세기조절방사선치료(photon-IMRT, step & shoot) 계획의 선량분포 특성을 비교, 분석하고자 한다. 대상 및 방법: 다섯 명의 전립선암 환자를 대상으로 표적에 70 Gy를 조사하도록 photon-IMRT (7문, step & shoot)와 plain-IMPT (2문, 4문, 7문) 및 robust-IMPT (유효 비정 오차 ${\pm}5%$ & 환자 자세 오차 0.5 cm 적용) 치료계획을 수립했다. 세 가지 치료계획으로 얻은 선량 분포 비교를 위해 PTV에 대한 선량조형지수(Conformity Index, CI), 선량균등지수(Homogeneity Index, HI) 및 최대선량, 최소선량, 평균선량과 OAR에 대한 선량-체적을 평가했다. 결 과: 모든 환자에 대해 photon-IMRT, plain-IMPT, robust-IMPT에서 PTV의 평균 최대선량은 각각 76.75 Gy (109.6%), 71.92 Gy (102.7%), 72.09 Gy (103%)였으며, 평균 최소선량은 68.21 Gy (97.4%), 68.89 Gy (98.42%), 68.13 Gy (98.13%)였으며, 전체 평균선량은 각각 71.02 Gy (101.4%), 71.32 Gy (100.4%), 70.75 Gy (101%)였다. PTV에 대한 CI 및 HI 값은 plain-IMPT가 photon-IMRT와 robust-IMPT에 비하여 1.02, 1.00으로 가장 낮았다. 또한, 정상장기에 있어 plain-IMPT가 photon-IMRT에 비하여 대부분 낮은 선량 분포를 보였으며, robust-IMPT 적용 시 정상 장기에 대한 선량 분포가 다소 변동의 폭은 있었지만 photon-IMRT에 비하여 대체로 낮은 선량 분포를 보였다. 결 론: 전립선암의 IMPT 치료 시 정확한 유효비정의 오차와 환자 자세 재현성오차를 고려한 robust-IMPT를 적용한다면 plain-IMPT의 선량학적 불확도를 줄이고 photon-IMRT에 비해 효과적인 치료를 제공할 수 있을 것이다.