초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 연구는 passive scattering proton therapy에서 range modulation wheel에 의해 생성되는 양성자 선량율의 시간적 특성을 분석하고, 단일형 검출기로 측정위치에 따른 즉발감마선의 시간적 분포 특성을 측정 및 평가하여 환자 체내의 선량급락지점을 확인하는 것을 목적으로 함. 연구목적 달성을 위한 세부목표로 1차년도에는 몬테칼로 방법을 통한 연구 유효성 평가, 2차년도에는 즉발감마선 검출시스템의 설계 및 최적화 연구, 3차년도에는 원리검증용 즉발감마선 측정시스템의 제작 및

연구의 목적 및 내용
본 연구는 passive scattering proton therapy에서 range modulation wheel에 의해 생성되는 양성자 선량율의 시간적 특성을 분석하고, 단일형 검출기로 측정위치에 따른 즉발감마선의 시간적 분포 특성을 측정 및 평가하여 환자 체내의 선량급락지점을 확인하는 것을 목적으로 함. 연구목적 달성을 위한 세부목표로 1차년도에는 몬테칼로 방법을 통한 연구 유효성 평가, 2차년도에는 즉발감마선 검출시스템의 설계 및 최적화 연구, 3차년도에는 원리검증용 즉발감마선 측정시스템의 제작 및 실제 치료용 양성자 빔에서의 성능 평가를 수행함.

연구결과
Geant4 몬테칼로 툴을 통해 모델링된 국립암센터 양성자 빔 노즐은 모든 빔 옵션에 대하여 깊이선량백분율의 비정과 변조폭은 2.4% 이하의 상대적인 오차를 보였으며 SOBP의 균일성을 나타내는 평균선량차이는 최대 1.53%의 오차를 나타냈음. 또한 빔 노즐 코드를 사용하여 물 팬텀 내에서 발생된 즉발감마선의 시간적 발생특성을 평가한 결과, 물 깊이에 따라 특정한 시간적 발생분포가 평가되었음.
몬테칼로 전산모사 방법을 사용하여 즉발감마선 측정용 검출기가 설계 및 최적화 되었고, 최종적으로 최적화된 검출시스템의 성능평가를 수행한 결과 물 팬텀에서는 측정 위치에 따라 일정한 경향성을 가지고 즉발감마선의 시간적 분포가 급락하는 것이 확인 되었으며, 5 mm 간격의 깊이 차이에 대해서도 선량급락지점의 결정이 용이함이 평가되었음. 폐 팬텀에서도 시간 프로파일의 급락지점을 분석하여 양성자 빔의 비정을 확인할 수 있었음.
또한 각 깊이에서 시간 프로파일의 경향성이 양성자 선량분포와 관련이 있는 것을 확인 함.
국립암센터 양성자치료기기를 사용한 실험적 검증 결과, 물 팬텀에서 몬테칼로 전산모사 결과와는 다르게 매우 높은 레벨의 노이즈가 측정되었지만, 1 MeV의 에너지 윈도우와 background subtraction을 적용하였을 때 검출위치에 따라 일정한 경향성을 가지고 급락지점이 발생하는 것이 확인되었고 5 mm 간격의 깊이 차이에도 시간 프로파일의 급락지점이 명확하게 구분될 수 있는 것을 확인하였음. 비균질 물질과 복잡한 형태로 구성된 폐 팬텀을 사용한 실험에서도 물 팬텀에서의 결과와 마찬가지로 높은 레벨의 노이즈로 인해 시간 프로파일의 경향성 분석이 쉽지 않았음. 하지만 1 MeV 이하의 배경감마선을 제거하는 방법을 적용하였을 때 시간 프로파일의 급락지점이 실험을 통해서도 구분이 가능함이 확인되었음.

연구결과의 활용계획
본 연구를 통해 개발된 즉발감마선의 시간적 발생분포를 측정하여 환자 체내 양성자 빔의 선량검증을 수행하는 기술은 실제 치료용 양성자빔을 물 팬텀과 폐 팬텀에 조사하고 발생되는 즉발감마선을 측정하는 실험적 검증을 수행하여 그 유효성이 평가되었음. 하지만 전기적 노이즈, 빛 누설에 의한 노이즈, 배경방사선에 의한 노이즈 신호가 즉발감마선 신호의 측정에 큰 저해 요소로 평가되었음. 따라서 본 연구를 통해 개발될 즉발감마선 기반의 환제 체내의 양성자 선량분포 측정 기술은 추가적인 연구를 통해 배경감마선을 줄일 수 있는 time-of-flight, pulse shape discrimination 등의 기술을 적용하여 실제 임상에 사용이 가능한 장치 및 시스템의 개발에 활용될 수 있을 것으로 판단됨.

(출처 : 한글요약문 4p)

Abstract ▼

Purpose & contents
The purpose of this study is to verify the distal fall-off of the proton beam by measuring the time structure of prompt gammas generated by rotation of the range modulation wheel with a single-type detector in passive scattering proton therapy. First year, the feasibility of th

Purpose & contents
The purpose of this study is to verify the distal fall-off of the proton beam by measuring the time structure of prompt gammas generated by rotation of the range modulation wheel with a single-type detector in passive scattering proton therapy. First year, the feasibility of this study was evaluated with Monte Carlo method. Second year, the single-type detector was designed and optimized. Last year, experimental validation was performed with prompt gamma detection system for proof-of-principle and proton therapy facility in National Cancer Center.

Result
The proton beam nozzle code modeled with Geant4 Monte Carlo tool evaluated that below 2.4% error of range and modulation width, and 1.53% error of average dose difference. The generation rates of prompt gammas in the water phantom showed the time patterns generated by the rotation of range modulation wheel, and the generation rates had good relationship with dose rate of the proton beam.
The single-type prompt gamma detector was designed and optimized based on the efficiency of prompt gamma detection. The time structure according to the detection position showed different fall-off region, and the depth resolution of less than 5 mm was achieved in the water phantom. We could evaluate the fall-off of the time structure in the inhomogeneous lung phantom. Moreover, the tendency of the time structure reflected the dose distribution of the proton beam.
In the experimental validation with proton therapy facility installed at National Cancer Center, the noise level was higher than the Monte Carlo results. However, the fall-off of the time structure could be verified with energy window of 1 MeV and background subtraction technique in the water phantom with depth resolution of less than 5 mm. In the lung phantom, it is hard to analyze the time structure due to the high-level noise. We could verify the time structure with depth resolution of 2 cm using energy window of 1 MeV.

Expected Contribution
The feasibility of the in-vivo dose validation technique by measuring the time structure of prompt gammas in passive scattering proton therapy was validated with experimental validation using therapeutic proton beam, water, and lung phantom. However, electric noise, noise due to the light leakage, and background radiation limited the detection efficiency of the prompt gamma, so additional background reduction techniques including energy window are essential. In future works, the in-vivo dose validation technique can be applied in clinic with time-of-flight and pulse shape discrimination.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 9
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 10
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 26
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 28
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 28
• 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 29
• 8. 참고문헌 ... 29
• 9. 연구성과 ... 30
• 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 33
• 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 33
• 12. 기타사항 ... 37
• 별첨1. 대 표 연 구 성 과 ... 38
• 별첨2. 세부 목표 관련 증빙 ... 50
• 끝페이지 ... 59