[논문]Geant4 전산모사를 이용한 종양의 밀도 변화에 따른 양성자의 선량 분포

김유미; 천권수

doi:10.7742/jksr.2021.15.6.771

Geant4 전산모사를 이용한 종양의 밀도 변화에 따른 양성자의 선량 분포
Depth Dose Distribution of Proton Beams by Variation of Tumor Density using Geant4 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.15 no.6, 2021년, pp.771 - 779

김유미 (대구가톨릭대학교 방사선학과) , 천권수 (대구가톨릭대학교 방사선학과)

초록
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단일 에너지의 양성자 선원은 좁은 브래그 피크를 형성하므로 종양의 치료 범위를 포함하기 위해서는 여러 개의 피크를 중첩하여 확산된 브래그 피크를 형성한다. 선행 연구에서는 뇌종양의 밀도를 뇌 조직과 동일하게 구성하여 종양의 흡수선량을 계산하였다. 그러나 종양의 밀도는 일정한 값이 아니므로 본 연구는 몬테카를로 방법의 Geant4 전산모사를 이용하여 종양의 밀도 변화에 따른 양성자 선원의 확산된 브래그 피크를 평가하였다. 뇌 조직 팬텀을 구성하여 치료 범위를 고려하여 종양의 크기를 10 mm와 20 mm로 선택하였다. 종양의 위치와 크기에 맞는 확산된 피크를 형성하기 위하여 수학적 방법을 이용하여 양성자 선원의 에너지와 상대적 강도를 계산하였다. 종양의 밀도가 높아질수록 SOBP의 95% 선량 구간과 실정 비정은 감소하였으며 95% 선량 구간의 평균 흡수선량은 증가하였다. 종양의 밀도 증가는 양성자 선원의 선량 분포에 영향을 주어 종양의 크기보다 작은 확산된 브래그 피크를 형성하였다. 종양의 밀도 반영은 비정을 결정하는데 영향을 주어 치료구간의 여유 마진(margin)을 최소화하여 양성자 치료의 장점을 최대로 활용할 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

It is necessary to overlap several peaks to form spread out Bragg peak (SOBP) in order to cover the tumor volume because a mono-energetic proton beam forms a narrow Bragg peak. The tumor density has been considered as a brain tissue and then the absorbed dose of the tumor is calculated using Monte Carlo simulations. However, densities of tumors were not a constant. In this study, the SOBP of proton beams was calculated according to changing density of tumors by using Geant4. Tumors were selected as 10 mm and 20 mm width which were the treatment range in the brain phantom. The energies and relative weights of the proton beams were calculated using mathematical formula to form the SOBP suitable for the location and size of the tumor. As the density of the tumor was increased, the 95% modulation range and the practical range were decreased, and average absorbed dose in the 95% modulation range was increased. The change of the tumor density affects the dose distribution of the proton beams, which results in short SOBP within the tumor volume. The consideration of the tumor density affects the determination of the range, so that the margin of the treatment volume can be minimized, and the advantages of proton therapy can be maximized.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Geometry of Phantom used in this Simulation.
표 Table 1. Geant4 Physics and Models used in this Simulation
표 Table 2. Materials and Densities for the Phantom
그림 Fig. 2. Relative Weights (w_k) corresponding to its Energies (e_k) in Water Phantom.
그림 Fig. 3. SOBP in Water Phantom.
그림 Fig. 4. Relative Depth Dose for R₀ = 74 mm. The SOBP widths are X = 17% and 31% respectively.
그림 Fig. 5. Relative Depth Dose for Two Tumor Densities at R₀ = 74 mm and X = 17%.
그림 Fig. 6. Relative Depth Dose for Two Tumor Densities at R₀ = 74 mm and X = 31%.
그림 Fig. 7. Practical Range according to Changing Tumor Density.
표 Table 3. M95, Practical Range and Relative Dose by Changing of Tumor Densities.

AI 본문요약
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제안 방법

양성자 선원의 확산된 브래그 피크를 얻기 위하여 수학적 방법을 통해 에너지와 상대 강도를 산출하여 Geant4 전산모사를 실시하였다. 종양의 밀도가 높아질수록 확산된 피크의 폭과 실정 비정이 감소하여 종양의 크기에 알맞은 확산된 피크가 형성되지 않았다.

성능/효과

양성자 선원의 확산된 브래그 피크를 얻기 위하여 수학적 방법을 통해 에너지와 상대 강도를 산출하여 Geant4 전산모사를 실시하였다. 종양의 밀도가 높아질수록 확산된 피크의 폭과 실정 비정이 감소하여 종양의 크기에 알맞은 확산된 피크가 형성되지 않았다. 종양의 밀도 반영은 정확한 비정과 SOBP 결정에 영향을 주어 마진을 최소화할 수 있으므로 양성자 치료의 장점을 최대로 살리는데 기여할 수 있을 것이다.

후속연구

종양의 밀도가 높아질수록 확산된 피크의 폭과 실정 비정이 감소하여 종양의 크기에 알맞은 확산된 피크가 형성되지 않았다. 종양의 밀도 반영은 정확한 비정과 SOBP 결정에 영향을 주어 마진을 최소화할 수 있으므로 양성자 치료의 장점을 최대로 살리는데 기여할 수 있을 것이다.

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Geant4 Collaboration, "Book For Application Developers, Release 10.5", http://geant4.cern.ch

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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