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문제 정의
- 고체물등가팬텀 실험의 전산모사 계산선량은 3% 이내의 오차를 산출했고, 측정선량은 1% 이내의 오차를 산출했다. 본 논문의 고체물등가팬텀 실험에 있어서 오차의 요소는 자료 오차와 선택에 의한 오차로 파악되고, 결과에 영향을 미치는 것으로 생각된다. AAPM(The American Association of Physicists in Medicine)에서 발행된 TG-40은 근접방사선치료를 할 때 환자에게 조사되는 선량이 처방선량의 ±5% 이내를 권고한다[19].
- 본 논문의 목적은 Geant4 코드를 적용해서 근접 방사선치료 시 이리듐-192 선원에 대한 선량분포를 계산하는 것이 유용한지를 알기 위함이다. 평가 결과를 토대로 환자에게 흡수된 치료 부위와 주변 장기 선량을 추정할 수 있는 자료를 제공하고자 하였다.
- 본 연구에서는 근접방사선치료 분야에서 물리적 매개변수의 계산을 위한 Geant4 코드의 사용 가능성을 연구했다. 몬테카를로 전산모사 선량 계산의 정확성을 검증하기 위해서, 고체물등가팬텀 실험을 실시했다.
- 알기 위함이다. 평가 결과를 토대로 환자에게 흡수된 치료 부위와 주변 장기 선량을 추정할 수 있는 자료를 제공하고자 하였다.
가설 설정
- 본 전산모사에서 위장은 상대적으로 폐의 근접방사선치료 부작용에 대해 안전하다는 것을 알 수 있다. 감마선이 좌측 폐에 도달하기 전에 심장과 흉선에 의해 흡수될 것이다. 이러한 이유로 좌측 폐의 흡수선량이 더 낮을 수 있다고 생각된다.
제안 방법
- 거리 re 선원 중심과 측정기 중심 사이의 거리로써 정의하였다. 10개의 지점, 즉 9, 15, 19, 25, 29, 39, 49, 59, 69, 79 ㎜ 지점을 전산모사 계산을 위한 지점으로 설정하였다. 선원유효길이의 중심을 측정 중심과 일치시켰고, 각 지점의 전산모사 계산선량과 측정선량을 비교하였다.
- G4EmStandard-Physics “QGSP_BIC” 물리 모델을 적용해서 에너지 상호작용에 대한 에너지 흡수를 전산 모사하였다. 이벤트에 해당되는 총 일차 광자 이력수는 108개를 생성했다.
- microSelectron-HDR 후장전 장치를 이용해서 선원 중심과 측정기 중심 사이의 거리 9 ㎜를 기준 지점으로 정하고, 근접방사선치료계획상에서 100 cGy 선량을 전달하였다. UNIDOS 전기계(PTW, Freiburg, Germany)를 사용해서 Coulomb 단위의 선량을 획득하였다.
- 1은 전산모사 계산에 사용한 배열 형태에 대한 묘사이다. 고체물등가팬텀 실험 내부에 선원을 모델링했고, 선원의 끝부분을 Z축 방향으로 설정하였다. 좌표계에서 Z축은 반경을 나타낸다.
- 비교 평가하였다. 그리고 측정선량값과 전산모사를 통해 계산된 선량값의 상대선량 차이는 백분율(%) 차이를 구하였다.
- 남성MIRD형 인체전산팬텀을 이용하여 근접 방사선치료 선원을 구성한 후 몬테카를로 전산모사로 모의 계산하여 폐 및 주변 장기에 대한 선량평가를 수행하였다. 뼈 물질과 같이 질량이 클 때, 광자가 선원 장기로부터 벗어나는 것이 낮아지므로 흡수선량은 높았다.
- 선량과 비교했다. 두 번째 연구는 남성MIRD형 인체 전산 팬텀 모델을 이용하여 우측 폐와 주변 장기 선량 분포에 대하여 몬테카를로 전산모사를 수행하였다.
- 알루미늄판 또는 철판이 포함된 고체물등가팬텀 실험에서 선원과 측정기 사이 거리에 따른 선량 변화와 상대선량을 평가했다. 몬테카를로 전산모사 계산도 측정과 동일한 기하학적 배열로 구현했다. 알루미늄판이 포함된 전산모사 계산선량과 측정 선량에서 상대 선량의 최대 차이는 79 mm 거리에서 3.
- 연구했다. 몬테카를로 전산모사 선량 계산의 정확성을 검증하기 위해서, 고체물등가팬텀 실험을 실시했다. 알루미늄판 또는 철판이 포함된 고체물등가팬텀 실험에서 선원과 측정기 사이 거리에 따른 선량 변화와 상대선량을 평가했다.
- 선량 분석을 위해서 9 ㎜ 거리의 값을 기준으로 계산된 선량 분포와 위치별 선량분포간 정규화를 수행하였고, 상대 선량을 비교 평가하였다. 그리고 측정선량값과 전산모사를 통해 계산된 선량값의 상대선량 차이는 백분율(%) 차이를 구하였다.
- 우측 폐와 주변 장기 다섯 개의 부위를 정하여 흡수 에너지를 도출하였고, 선량을 계산하였다. 선원 장기인 우상엽이 포함된 우측 폐에 정규화를 시킨 후 상대 선량을 구하였다. 전산모사를 실시하여 표본을 추출하였고, 결과는 평균 흡수선량으로 나타냈다.
- 01 ㎜, 차단 에너지는 1 keV로 지정하였다. 선원에서 생성된 일차 스펙트럼에 기초해서 측정기에 흡수된 총에너지를 계산했다. 광자 에너지 분포는 LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory) 의 이리듐-192 선원 감마 스펙트럼 자료를 이용하였다[9].
- 이리듐-192 선원의 종축을 Y축으로 선택했으며, 좌표계의 체적 중심인 원점에서 Y축으로 -4 ㎜ 이동시켜서 선원의 중심을 위치시켰다. 선원유효길이의 중심에서 선원의 Y축 방향으로 선량분포를 계산했다. 고체물등가팬텀 실험의 크기는 30(X) × 21(Y) × 30(Z) ㎤으로 구성하였고, PMMA팬텀은 30(X) × 0.
- 10개의 지점, 즉 9, 15, 19, 25, 29, 39, 49, 59, 69, 79 ㎜ 지점을 전산모사 계산을 위한 지점으로 설정하였다. 선원유효길이의 중심을 측정 중심과 일치시켰고, 각 지점의 전산모사 계산선량과 측정선량을 비교하였다.
- 몬테카를로 전산모사 선량 계산의 정확성을 검증하기 위해서, 고체물등가팬텀 실험을 실시했다. 알루미늄판 또는 철판이 포함된 고체물등가팬텀 실험에서 선원과 측정기 사이 거리에 따른 선량 변화와 상대선량을 평가했다. 몬테카를로 전산모사 계산도 측정과 동일한 기하학적 배열로 구현했다.
- 우측 폐를 기준으로 주변 장기의 상대적 흡수 선량을 살펴보았다. 장기 선량평가에서 우측 폐 선량을 기준으로 심장과 흉선의 상대선량이 10.
- daughter volume 에 해당되는 선원은 우측 폐가 mother volume이 되도록 설정하였다. 우측 폐와 주변 장기 다섯 개의 부위를 정하여 흡수 에너지를 도출하였고, 선량을 계산하였다. 선원 장기인 우상엽이 포함된 우측 폐에 정규화를 시킨 후 상대 선량을 구하였다.
- UNIDOS 전기계(PTW, Freiburg, Germany)를 사용해서 Coulomb 단위의 선량을 획득하였다. 이온 전리함의 조사 선량에서 흡수선량으로의 전환은 물흡수선량 교정계수, 선질보정정수, 고체물등가팬텀 보정인자, 온도 및 압력 보정계수를 고려하여 흡수선량을 결정하였다[14, 15]. 결과는 평균 흡수선량으로 나타냈다.
- 인체의 물질 성분에 따른 흡수선량 차이를 분석하기 위한전산모사를 시행했다. 본 연구에서 모델링된 인체 전산 팬텀은 MIRD Pamphlet No.
- 주변 선량분포에 대한 영향을 결정하기 위해 선원 중심으로부터 측정기 중심까지의 거리와 물질 종류를 달리했다. Fig.
- 첫 번째 연구는 방사선량 측정 정확도 검증으로 실제 이온 전리함의 깊이 선량 반응을 몬테카를로 전산모사에서 계산되어진 선량과 비교했다. 두 번째 연구는 남성MIRD형 인체 전산 팬텀 모델을 이용하여 우측 폐와 주변 장기 선량 분포에 대하여 몬테카를로 전산모사를 수행하였다.
- MeV 단위로 집적된 총에너지는 보정계수를 산출하여 Gy 단위로 환산하였다. 체적과 밀도를 고려하여 Joule 단위로 변화하였고, Joule 단위는 방사선치료에서 사용되는 cGy 단위의 흡수 선량값으로 변환하였다. 확률변수로 평균선량을 기록하였고, 표준편차를 구하였다.
- 팬텀 내의 계산 체적은 유효체적 기록 복셀을 통해서 기록에너지를 획득했고, 지정 위치별로 측정 부위를 모델링시켰다. 선량 자료를 획득하기 위해 GetTotalEnergyDeposition 함수를 사용했고, 공기로 만들어진 기록 복셀은 상호작용에 의해 집적된 에너지를 저장할 수가 있다.
대상 데이터
- MicroSelectron-HDR 이리듐-192 밀봉방사성선원(Nucletron, Veenendaal, Utrecht, Netherlands, part No. 105.002)을기반으로 선원을 모델링했다[8]. 지름 0.
- UNIDOS 전기계(PTW, Freiburg, Germany)를 사용해서 Coulomb 단위의 선량을 획득하였다. 이온 전리함의 조사 선량에서 흡수선량으로의 전환은 물흡수선량 교정계수, 선질보정정수, 고체물등가팬텀 보정인자, 온도 및 압력 보정계수를 고려하여 흡수선량을 결정하였다[14, 15].
- 2(Y) × 30(Z) ㎤ 크기로 구성하였다. 감쇠되는 물질은 금속 물질 중에서 알루미늄 (Al) 또는 철(Fe)을 사용했다. 이리듐-192 선원 중심으로부터 상단 방향으로 1 ㎜ 떨어진 거리에 흡수물질 판을 위치시켰다.
- 선원유효길이의 중심에서 선원의 Y축 방향으로 선량분포를 계산했다. 고체물등가팬텀 실험의 크기는 30(X) × 21(Y) × 30(Z) ㎤으로 구성하였고, PMMA팬텀은 30(X) × 0.2(Y) × 30(Z) ㎤ 크기로 구성하였다. 감쇠되는 물질은 금속 물질 중에서 알루미늄 (Al) 또는 철(Fe)을 사용했다.
- 002)과 파머형 전리함 30006 (PTW, Freiburg, Barden-Württemberg, Germany)을 이용하여 측정을 시행했다. 고체물등가팬텀(PTW, Freiburg, Barden-Württemberg, Germany)과 PMMA팬텀으로 구성하였다. 카테터 크기는 6-French이고, 길이가 150㎝로 되어있는 Lumencath 카테터(Neucletron, Veenendaal, Utrecht, Netherlands) 모델을 Z축방향 중심에 삽입하였다.
- 선원에서 생성된 일차 스펙트럼에 기초해서 측정기에 흡수된 총에너지를 계산했다. 광자 에너지 분포는 LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory) 의 이리듐-192 선원 감마 스펙트럼 자료를 이용하였다[9]. 물리적인 계산을 위해 CLHEP(A Class Library for High Energy Physics, 2.
- 광자 에너지 분포는 LBNL(Lawrence Berkeley National Laboratory) 의 이리듐-192 선원 감마 스펙트럼 자료를 이용하였다[9]. 물리적인 계산을 위해 CLHEP(A Class Library for High Energy Physics, 2.0.4.6)를 사용했고, 단면적 자료는 G4EMLOW 7.3을 사용하였다. 대부분의 베타 입자는 스테인리스 스틸 캡슐에서 흡수되기 때문에 고려하지 않았다.
- 본 논문에서는 인체 내의 방사선 수송 과정을 전산 모사하기 위해서 조직 물질로 되어 있는 MIRD형 인체 전산 팬텀을 이용했다. 우측 폐를 기준으로 주변 장기의 상대적 흡수 선량을 살펴보았다.
- 정의하였다. 본 연구에 사용된 RW3팬텀, PMMA팬텀, 알루미늄, 철 물질의 밀도와 질량비를 Table 1에 나타내었다[10-13].
- 실제 실험은 Fig. 2와 같이 MicroSelectron-HDR 이리듐-192 밀봉방사성선원(Nucletron, Veenendaal, Utrecht, Netherlands, part No. 105.002)과 파머형 전리함 30006 (PTW, Freiburg, Barden-Württemberg, Germany)을 이용하여 측정을 시행했다. 고체물등가팬텀(PTW, Freiburg, Barden-Württemberg, Germany)과 PMMA팬텀으로 구성하였다.
- 5 Revised.에 근거한 성인 팬텀을 사용하였고, 여기서 사용한 성인 팬텀과는 다른 화학성분과 밀도를 사용하였다. 인체의 물질 분류와 밀도를 ICRU Report 46에서 제시하는 성인 남성을 바탕으로 정의하였다[16].
- 모델링된 이리듐-192 선원을 인체전산팬텀 내에 삽입하였다. 우측 폐를 선원 장기로 하였고, gps의 위치는 world의 중심으로부터 우상엽에 해당되는 9.5 0.0 58.5 ㎝로 설정하였다. daughter volume 에 해당되는 선원은 우측 폐가 mother volume이 되도록 설정하였다.
- 인체 장기 내의 선량을 획득하기 위해서 Geant4 코드의 클래스 G4PhantomBuilder로부터 만들어진 남성MIRD형인체전산팬텀 요소를 사용했다. 모델링된 이리듐-192 선원을 인체전산팬텀 내에 삽입하였다.
- 고체물등가팬텀(PTW, Freiburg, Barden-Württemberg, Germany)과 PMMA팬텀으로 구성하였다. 카테터 크기는 6-French이고, 길이가 150㎝로 되어있는 Lumencath 카테터(Neucletron, Veenendaal, Utrecht, Netherlands) 모델을 Z축방향 중심에 삽입하였다.
데이터처리
- 17 cGy로 나타났다. 계산선량은 0.03E-13 cGy 이상의 표준편차를 산출했고, 측정선량은 0.000 cGy 이상의 표준편차를 산출했다.
- 23 cGy로 나타났다. 계산선량은 0.04E-13 cGy 이상의 표준편차를 산출했고, 측정선량은 0.002 cGy 이상의 표준편차를 산출했다.
- 95%로 나타났다. 인체전산팬텀의 통계학적 오차는 1 표준편차 이내를 산출했고, 최대 0.51% 오차에서 각 장기의 흡수 선량은 평균에 가까운 값으로 일관성을 나타냈다. 이와같이 Geant4 코드의 특징은 결정 장기를 평가하는 동안에 사용자가 기하학적 구조에 기반한 정확한 선량분포를 계산할 수 있도록 해준다.
- 선원 장기인 우상엽이 포함된 우측 폐에 정규화를 시킨 후 상대 선량을 구하였다. 전산모사를 실시하여 표본을 추출하였고, 결과는 평균 흡수선량으로 나타냈다. 오차는 정규분포의 확률분포 형태로 확인하였다.
- 체적과 밀도를 고려하여 Joule 단위로 변화하였고, Joule 단위는 방사선치료에서 사용되는 cGy 단위의 흡수 선량값으로 변환하였다. 확률변수로 평균선량을 기록하였고, 표준편차를 구하였다.
이론/모형
- 본 논문에서는 근접방사선치료용 이리듐-192 선원의 선량 분포를 평가하기 위해서 Geant4 코드를 사용했다. 고체물등가팬텀 실험에서 계산선량과 측정선량의 길이별 모든 구간에서 상대선량 백분율 차이는 4% 이내의 일치를 나타냈다.
- 모델링시켰다. 선량 자료를 획득하기 위해 GetTotalEnergyDeposition 함수를 사용했고, 공기로 만들어진 기록 복셀은 상호작용에 의해 집적된 에너지를 저장할 수가 있다. MeV 단위로 집적된 총에너지는 보정계수를 산출하여 Gy 단위로 환산하였다.
성능/효과
- 551E-10 Gy로계산되었다. 결과적으로 흡수선량은 우측 폐, 척추, 흉선, 심장, 좌측 폐, 위장 순으로 높게 나타났다. 우측 폐 이외에 다른 장기 중에서 척추가 우측 폐 다음으로 가장 높은 흡수 선량을 산출했고, 위장은 흡수선량이 가장 낮게 나타났다.
- 뼈는 더 높은 전자 밀도를 가지고 있기 때문에 더 높은 선량이 나타나게 된다. 본 연구에 사용된 인체전산팬텀에서 비교 분석한 장기 질량 중 척추의 질량이 가장 크다. 비록 척추가 이리듐-192 선원으로부터 다른 비교 장기들에 비해 거리가 멀리 떨어져 있는 부위가 있다.
- 몬테카를로 전산모사 계산도 측정과 동일한 기하학적 배열로 구현했다. 알루미늄판이 포함된 전산모사 계산선량과 측정 선량에서 상대 선량의 최대 차이는 79 mm 거리에서 3.79%로 나타났다. 철판이 포함된 고체물등가팬텀 실험에서 상대선량의 최대 차이는 79 ㎜ 거리에서 2.
- 결과적으로 흡수선량은 우측 폐, 척추, 흉선, 심장, 좌측 폐, 위장 순으로 높게 나타났다. 우측 폐 이외에 다른 장기 중에서 척추가 우측 폐 다음으로 가장 높은 흡수 선량을 산출했고, 위장은 흡수선량이 가장 낮게 나타났다.
- 이를 위해 치료 과정의 정확도는 5% 이내를 충족시켜야 한다. 이러한 오차 내에서 본 논문의 측정값은 모든 위치에서 전산모사에 의한 계산 결과값과 4% 이내에서 일치하는 것으로 나타났다.
- 우측 폐를 기준으로 주변 장기의 상대적 흡수 선량을 살펴보았다. 장기 선량평가에서 우측 폐 선량을 기준으로 심장과 흉선의 상대선량이 10.04%와 11.19%로 나타났다. 그 이외의 척추는 12.
- 결과를 보여준다. 좌측 폐 선량은 3.93%였고, 흉선은 11.19%, 심장은 10.04%, 척추는 12.64%, 위장은 0.95%로 나타났다. 우측 폐 선량과 비교했을 때 상대선량의 최대 감소는 위장에서 관찰되었다.
후속연구
- [22-25]. 본 논문에서 구현한 균질한 고체물등가팬텀의 실험 뿐만 아니라 추후 연구에는 공기를 포함한 비균질 팬텀의 실험도 필요할 것으로 보인다. MIRD형 인체 전산 팬텀의 장기 모델은 향상되었지만 복잡한 인체 해부학을 묘사하는 능력에 관해서는 한계점이 있을 수 있다.
- 설정 매질 종류와 밀도를 바탕으로 몬테카를로 전산모사는 선량 계산을 정확하게 할 수 있음을 알 수 있다. 본 논문을 통해 방사선 수송 및 해석에 있어서 몬테카를로 전산모사는 근접 방사선치료 분야에 활용될 수 있을 것이다.
- MIRD형 인체 전산 팬텀의 장기 모델은 향상되었지만 복잡한 인체 해부학을 묘사하는 능력에 관해서는 한계점이 있을 수 있다. 추후 연구에 폴리곤 표면 팬텀과 같이 세밀한 기하학적 구조와 조직 이질성을 고려하면 표적과 조직 주변의 흡수선량을 좀 더 정확하게 예측해 볼 수 있을 것이다.
- 연구에 따르면 폐의 근접방사선치료는 짧은 치료 거리 때문에 근처 민감한 조직인 인접 폐, 심장, 식도, 척수에 주어지는 방사선량이 최소화된다고 보고했다[21]. 폐암의 근접방사선치료 시 심장, 흉선, 척추는 사용되는 방사선핵종의 특성을 고려하여 근접방사선치료계획을 세워야 할 것이다.
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