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몬테카를로 시뮬레이션을 이용한 선형가속기 구성요소 변화에 따른 후방산란에 관한 연구
Investigation on backscatter According to Changed in Components of Linear Accelerator Using Monte Carlo Simulation 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.9 no.4, 2015년, pp.239 - 247  

김회인 (대구가톨릭대학교 방사선학과) ,  천권수 (대구가톨릭대학교 방사선학과)

초록
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의료용 선형가속기의 헤드 구성요소인 표적물질과 일차 콜리메이터는 선속특징을 결정짓는데 가장 큰 영향을 미치며 이로 인해 발생하는 후방산란은 구조물 차폐와 장비 관리 관점에서 고려하여야 할 요소이다. 이에 본 연구에서는 몬테카를로 시뮬레이션 중 하나인 Geant4를 통해 선형가속기를 모델링하고 헤드 구성요소의 변화에 따른 후방산란 양상을 살펴보았다. 산란되어 발생한 전자의 경우, 표적물질이 위치한 일차 콜리메이터의 내부 반경에 대부분의 분포를 보였으며 이와 반대로 산란된 광자의 경우, 바깥쪽 영역에서 상대적으로 높은 에너지의 산란이 많음을 알 수 있었다. 산란된 양전자는 약 0.03%로 미미한 발생을 보였다. 일차 콜리메이터의 내부 반경이 달라짐에 따라 세 산란입자(전자, 광자, 양전자) 모두 반경 내부 쪽에서의 변화가 컸으며, 전체 반경의 변화에 따른 후방산란은 60 mm 이상에서부터 어느 정도의 영향을 보인다는 것을 알 수 있었다. 표적물질 두께의 변화에는 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 이를 통하여 가속시킨 초기 전자에 대한 후방 쪽으로의 산란도 무시할 수 없음을 알 수 있었으며 주변 구성요소의 기하학적인 형태나 크기에 의해서도 후방산란의 양상이 달라질 수 있음을 알 수 있었다. 따라서 산란된 입자들의 에너지 분포를 통해 장비 관리의 관점에서도 고려하여야 할 결과라고 사료된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

It should be accurate dose calculation to increase the efficiency of radiation therapy, and it is priority to figure out the beam characteristics for this purpose. The target and primary collimator in head components of the linear accelerator have the greatest influence on determining the beam chara...

주제어

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문제 정의

  • 이때 표적물질에 부딪쳐 선원이 발생하는 방향과 반대쪽으로 발생하는 후방산란 또한 고려하여야 할 중요한 요소 중 하나이다. 따라서 본 연구에서는 몬테카를로 시뮬레이션 중 Geant4 코드를 이용하여 선형가속기를 모델링하고 발생 선원과 가장 인접한 헤드 구성요소인 표적물질과 일차 콜리메이터(Primary Collimator)의 크기 및 형태 변화에 따른 후방산란 양상을 통해 상호작용으로 발생하는 입자별 분포도를 알아보고자 한다.
  • 실제와 가장 유사하게 혹은 실제상황에서 직접적으로 접근할 수 없거나 어려운 정보에 대해 유추해 내는 것이 시뮬레이션을 활용하는 목적이다. 방사선치료를 위해 선원에 대한 정보를 활용하여 컴퓨터를 이용한가상의 선량분포도를 확인하는 것 또한 최적의 치료계획을 수립하기 위함이며, 선속밀도가 높아 검출기 등으로 직접적인 선질 측정이 어려운 선형가속기의 빔 선질의 정보를 얻기 위해 가상으로 구현하여 원하는 정보에 접근할 수 있는 것 또한 시뮬레이션이 이용되는 이유이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
몬테카를로 시뮬레이션이란 무엇인가? 하지만 사용하는 선원의 본질적인 선속특징을 직접적으로 측정하거나 알기 어렵기 때문에[3-4] 일반적으로 이러한 특징을 알 수 있는 다른 여러 인자들, 예를 들어 깊이선량백분율(PDD, Percentage Depth Dose)이나 프로파일 등을 측정하여 얻은 빔 데이터를 이용하여 제조사별로 계산식에 기반을 둔 선량계산 알고리즘을 사용한 전용 시뮬레이터로 치료 계획을 수립하고 있다[5-6]. 몬테카를로 시뮬레이션은 컴퓨터의 도움으로 수치적인 방법을 통해 확률변수의 분포를 예측하는 방법이다. 즉, 우리가 알 수 없는 미지의 값이나 구하기 어려운 방정식의 해를 알고자 할 때, 분석적인 방법이 아닌 확률, 통계적인 방법으로 해에 근접한 값을 얻을 수 있는 접근법이다[7].
의료용 선형가속기의 기능은 무엇인가? 의료용 선형가속기는 가속된 전자를 이용하여 여러 물리적인 과정을 거쳐 발생하게 되는 선원을 치료목적과 부위에 맞게 환자의 방사선치료에 사용하고 있다. 방사선치료의 목적에 따라 종양제어확률(TCP, Tumor Control Probability)은 최대화하면서 정상조직손상확률(NTCP, Normal Tissue Complication Probability)은 최소화하기 위하여 정확한 선량 계산은 필수적이며 이 선량 계산에 근본이 되는 선속특징들을 정확히 파악하는 것이 우선시 된다[1-2].
몬테카를로 시뮬레이션의 예측 방법은 어떠한가? 즉, 우리가 알 수 없는 미지의 값이나 구하기 어려운 방정식의 해를 알고자 할 때, 분석적인 방법이 아닌 확률, 통계적인 방법으로 해에 근접한 값을 얻을 수 있는 접근법이다[7]. 이 분포를 얻기 위하여 0에서 1사이의 무작위한 수인 난수(Random Number)를 이용하여 시뮬레이션을 반복하고 이를 통해 확률모형의 모수(Parameter)나 변수에 대해 실제와 근사한 확률분포를 얻어 미래 값을 예측하게 된다[8]. 몬테카를로의 확률적인 특성으로 인해 시행횟수가 많아 데이터 수가 많아질수록 시뮬레이션과정에 소요되는 시간은 증가하지만 통계적 불확정도(Statistical Uncertainty)가 낮아져서 오차가 적은 결과를 얻을 수 있다[9].
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참고문헌 (28)

  1. Moyed Miften, Mark Wisemeyer, Ajay Kapur, C.-M. Charlie Ma, " Comparison of RTP dose distributions inheterogeneous phantoms with the BEAM Monte Carlo simulation system", Journal of Applied Clinical Medical physics, Vol. 2, No. 1, pp.21-31, 2001. 

  2. Edmond Sterpin, " Improving confidence for IMRT and helical tomotherapy treatments using accurately benchmarked Monte Carlo simulation", Doctoral dissertation, UCL, pp.26-44, 2008. 

  3. Radhe Mohan, Chen Chui, Leon Lidofsky, " Energy and angular distributions of photons from medical linear accelerators", Medical physics, Vol. 12, No. 5, pp.592-597, 1985. 

  4. Yong Hyun Chung, Cheol Ha Baek, Seung Jae Lee, " Monte Carlo simulation of the electronic partal imaging device using GATE", Journal of the Korean Society of Radiology, Vol. 1, No. 3, pp.11-16, 2007. 

  5. C. M. Ma, B. A. Faddegon, D. W. O. Rogers, T. R. Mackie, " Accurate characterization of Monte Carlo calculated electron beams for radiotherapy." Medical physics, Vol. 24, No. 3, pp.401-416, 1997. 

  6. Hyung Dong Kim, " Estimation of the patient dose distributions using GEANT4 Monte Carlo simulation", Doctoral dissertation, Yeungnam University, Korea, pp.1-8, 2015. 

  7. Indrin J. Chetty, Bruce Curranm Joanna E, Cygler, John J. DeMarco, Gary Ezzell, Bruce A. Faddegon, Iwan Kawrakow, Paul J. Keall, Helen Liu, C.-M. Charlie Ma, D. W. O. Rogers, Jan Seuntjens, Daryoush Sheikh-Bagheri, Jeffrey V. Siebers, " Report of the AAPM Task Group No. 105: Issues associated with clinical implementation of Monte Carlo-based photon and electron external beam treatment planning." Medical physics, Vol. 34, No. 12, pp.4818-4853, 2007. 

  8. Dong Hyun Han, " A study on X-ray spectra calculation of Diagnostic X-ray system Using GEANT4 Code", Doctoral dissertation, Chonbuk National University, Korea, pp.40-43, 2012. 

  9. J Sempau, A Sanchez-Reyes, F Salvat, H Oulad ben Tahar, S B Jiang, J M Fernandez-Varea, " Monte Carlo simulation of electron beams from an accelerator head using PENELOPE", Physics in medicine and biology, Vol. 46, No. 4, pp.1163-1186, 2001. 

  10. Briesmeister, Judith F. " MCNPTM-A general Monte Carlo N-particle transport code. Version 4C", 2000. 

  11. A. F. Bielajew, H. Hirayama, W. R. Nelson, D. W. O. Rogers, " History, Overview and Recent Improvement of EGS4.", United States. Department of Energy. Office of Science, pp.1-26, 2004. 

  12. S. Agostinelli, et al. " GEANT4-a simulation toolkit.", Nuclear instruments and methods in physics research section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment,, Vol. 506, No. 3, pp.250-303, 2003. 

  13. Sang Tae Kim, Sang Koo Kang, Chong Yeal Kim, " Monte Carlo Simulation for a absorbed dose in PMMA phantom during the low-energy X-ray irradiation", Journal of the Korean Society of Radiology, Vol. 5, No. 6, pp.383-389, 2011. 

  14. Chang-Ming Ma, Steve B Jiang, " Monte Carlo modelling of electron beams from medical accelerators", Physics in medicine and biology, Vol. 44, No. 12, R157-189, 1999. 

  15. Frank Verhaegen, Jan Seuntjens, " Monte Carlo modelling of external radiotherapy photon beams", Physics in medicine and biology, Vol. 48, No. 21, R107-R164, 2003. 

  16. Matthias Fippel, " Fast Monte Carlo dose calculation for photon beams based on the VMC electron algorithm", Medical physics, Vol. 26, No. 8, pp.1466-1475, 1999. 

  17. E. L. Chaney, T. J. Cullip, T. A. Gabriel, " A Monte Carlo study of accelerator head scatter", Medical physics, Vol. 21, No. 9, pp.1383-1390, 1994. 

  18. Daryoush Sheikh-Bagheri, D. W. O. Rogers, " Sensitivity of megavoltage photon beam Monte Carlo simulation to electron beam and other parameters", Medical physics, Vol. 29, No. 3, pp.379-390, 2002. 

  19. Emily Poon, Trank Verhaegen, " Accuracy of the photon and electron physics in GEANT4 for radiotherapy applications", Medical physics, Vol. 32, No. 6, pp.1696-1711, 2005. 

  20. L. Grevillot, T. Frisson, D. Maneval, N. Zahra, J.-N. Badel, D. Sarrut, " Simulation of a 6 MV Elekta Precise Linac photon beam using GATE/GEANT4", Physics in medicine and biology, Vol. 56, No. 4, R903-918, 2011. 

  21. Daryoush Sheikh-Bagheri, D. W. O. Rogers, " Monte Carlo calculation of nime megavoltage photon beam spectra using the BEAM code", Medical physics, Vol. 29, No. 3, pp.391-402, 2002. 

  22. Sang Koo Kang, Sung Hwan Ahn, Chong Yeal Kim, " A Study on Photon Dose Calculation in 6 MV Linear Accelerator Based on Monte Carlo Method", Journal of Radiological Science and Technology, Vol. 34, No. 1, pp.43-50, 2011. 

  23. Barbara Caccia, Claudio Andenna, Giuseppe Antonio Pablo Cirrone, " MedLinac2: a GEANT4 based software package for radiotherapy", Annali dell'Istituto superiore di sanitA, Vol. 46, No. 2, pp.173-177, 2010. 

  24. B. R. B. Walters, I. Kawrakow, D. W. O. Rogers, " History by history statistical estimators in the BEAM code system", Medical physics, Vol. 29, No. 12, pp.2745-2752, 2002. 

  25. Joao Seco and Frank Verhaegen, " Monte Carlo Techniques in Radiation Therapy (Imaging in Medical Diagnosis and Therapy)", CRC Press, pp.112-113, 2013. 

  26. Byung Yong Kim, Hyung Dong Kim, Sung Jin Kim, Se An Oh, Jung Gu Kang, Sung Kyu Kim, " Study on the 6 MV Photon Beam Characteristics and Analysis Method from Medical Linear Accelerators Using Geant4 Medical Linac2 Example",progress in Medical Physics, Vol. 22, No. 2, pp.79-84, 2011. 

  27. Asgher Mesbahi, Michael Fix, Mahmoud Allahverdi, Ellen Grein, Hossein Garaati, " Monte Carlo calculation of Varian 2300C/D Linac photon beam Characteristics: a comparison between MCNP4, GEANT3 and measurements", Applied Radiation and Isotopes, Vol. 62, No. 3, pp.469-477, 2005. 

  28. Radhe Mohan, Chen Chui, Leon Lidofsky, " Energy and angular distributions of photons from medical linear accelerators.", Medical physics, Vol. 12, No. 5, pp.592-597, 1985. 

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