기관고유연구사업 최종보고서

편집순서 1 : 겉표지 (앞면)

(과제번호 : 0910110 )

전산모사를 통한 양성자치료계획 검증방법 개발

Development of Verification Method for Proton Therapy

Using Monte Carlo Simulation

과제책임자 : 이 세 병

국 립 암 센 터

편집순서 1 : 겉표지 (측면, 뒷면)

(뒷면) (측면)

↑

5cm

↓

과

제

명

국

립

암

센

터

↑

3cm

↓

1. 이 보고서는 국립암센터 기관고유연구

사업 최종보고서입니다.

2. 이 보고서 내용을 인용할 때에는 반드시

국립암센터 연구사업 결과임을 밝혀야

합니다.

(14 pont, 고딕체)

↑

6cm↓

편집순서 2 : 제출문

제 출 문

국립암센터 원장 귀하

이 보고서를 기관고유연구사업 “전산모사를 통한 양성자치료계획의 검증방

법 개발” 과제의 최종보고서로 제출합니다.

2012. 1. 27

국 립 암 센 터

과 제 책 임 자 : 이 세 병

연 구 원 : 김 대 용

〃 : 박 성 용

〃 : 신 동 호

〃 : 윤 명 근

〃 : 정 호 진

〃 : 유 승 훈

〃 : 이 상 훈

〃 : 김 대 현

〃 : 박 세 준

편집순서 3 : 목차

목 차

< 요 약 문 >

(한글)

(영문)

1. 연구의 최종목표

2. 연구의 내용 및 결과

3. 연구결과 고찰 및 결론

4. 연구성과 및 목표달성도

5. 연구결과의 활용계획

6. 참고문헌

7. 첨부서류

※ 여러개의 세부과제로 과제가 구성된 경우 위 목차와 동일하게 세부과제별로 작성함

(I. 총괄과제, II. 제1세부과제, III. 제2세부과제...........................)

< 요 약 문 >

연구분야(코드) C-4 과제번호 0910110

과 제 명 전산모사를 통한 양성자치료계획의 검증방법 개발

연구기간/연구비(천원)

합계 2009년 1월 1일 ～ 2011년 12월 31일 110,000,000

1차년도 2009년 1월 1일 ～ 2009년 12월 31일 37,000,000

2차년도 2010년 1월 1일 ～ 2010년 12월 31일 37,000,000

3차년도 2011년 1월 1일 ～ 2011년 12월 31일 37,000,000

과제책임자성 명 이 세 병 소 속 양성자치료센터

전화번호 031-920-1729 전 자 우 편 sblee@ncc.re.kr

색인단어국문 전산모사, 양성자치료, 환자치료계획검증

영문 Monte Carlo Simulation, Proton Therapy, Patient QA

◆ 연구목표

<최종목표>

양성자치료의 선량분포를 전산모사방법으로 정확히 검증하여 환자치료의 질적 향상 및 안정

성 제고

<당해년도 목표>

환자치료계획 검증 전산모사 시스템 구축

◆ 연구내용 및 방법

가. 제 1차년도(2009년)

1) 연구 내용

- 양성자 치료기의 전산모사 프로그램 완성

2) 연구 방법

- 의료분야 전산모사 관련 정보 수집 및 국내외 관련 단체와의 교류

- 전산모사를 수행할 기본 하드웨어의 구성 및 컴퓨팅 파워 확보

- 양성자 치료기의 구조 전산화 작업

- 전산모사 및 기본 빔 특성의 측정/비교

나. 제 2차년도(2010년)

1) 연구 내용

- 의료용 영상자료(DICOM)의 전산화 및 전산모사에 적용

2) 연구 방법

- 전산모사 시험을 위한 표준 의료용 팬텀을 제작

- CT 영상에서의 인체부분별 구분화 방법연구

- 각 부위에 대한 표준 모델 개발

- 전산모사 코드와 연동작업

다. 제 3차 년도(2011년)

1) 연구 내용

- 환자치료계획 검증용 전산모사 시스템 구축

2) 연구 방법

- 표준 의료용 팬텀을 이용한 모의 치료계획 수립 및 전산모사 테스트

- 표준 의료용 팬텀상의 선량분포 측정 및 비교

- 전산모사 프로그램의 보완 작업

- 환자치료계획의 전산모사 및 비교 검토 연구

◆ 연구성과

-정량적 성과

구분 달성치/목표치1)

달성도(%)

SCI 논문 편수 7/6 117 %

IF 합 14.8/10 148 %

특허등록 1/0 -

1) 총연구기간내 목표 연구성과로 기 제출한 값

-정성적 성과․프랑스 CNRS 연구소와 일본 KEK 연구소와의 국제 협력 연구 커뮤니티의 조성

․국내 협력연구기관인 KISTI (한국과학기술정보연구원)와 함께 GRID 컴퓨팅 활용

․기타 연구과제에서 개발된 전산모사 소프트웨어의 활용

․ KISTI와 공동으로 국제 Geant4 workshop 및 tutorial 개최

․ FKPPL(France-Korea Particle Physics Laboratory)의 연구 그룹으로 참여

◆ 참여연구원

(최종연도 참여인원)성 명

김대용, 박성용, 신동호, 윤명근, 정호진, 유승훈, 이상훈,

김대현, 박세준

※ 요약문의 총분량은 2page 이내로 제한함

Project Summary

Title of ProjectDevelopment of Verification Method for Proton

Therapy Using Monte Carlo Simulation

Key Words Monte Carlo Simulation, Proton Therapy, Patient QA

Project Leader Lee, Se Byeong

Associated Company none

◆ The purpose of research project

- Proton therapy is offering highly conformal radiotherapy treatment, which is based on

specific properties of depth dose deposition by energetic protons in a medium. For

accurate conformal treatment of the target volume, it is important to have

treatment-planning systems that are able to simulate precisely the interaction of the

primary proton beam within the body. Meanwhile, some physicists have suggested that

Monte Carlo techniques produce more accurate estimates of dose than other computational

methods currently used for planning radiation treatments. In this project, we will focus

on development of verification method of for proton therapy using Monte Carlo

simulation. Such a study is expected to provide a degree of uncertainty between

treatment planning system and Monte Carlo method. Also, this study will help improve

treatment planning and cure of patients on proton therapy.

◆ Methods of research

- Collaborative networks with external research groups on Monte Carlo simulation

- Ensuring computing power for Monte Carlo simulation

- Monte Carlo modeling of proton therapy system

- Measurement and comparison of Monte Carlo based proton beam

- Medical phantom manufacturing for evaluation of Monte Carlo method

- Treatment planning with medical phantom and Monte Carlo Simulation

- Measurement and comparison of dose distribution on medical phantom

- Validation of Monte Carlo modeling

- Development of evauation toolkit for comparison between treatment planning system and

Monte Carlo simulation

◆ Output of research

- Quantitative Research Output

Intex Done/Plan Achievement(%)

SCI papers 7/6 117 %

IF summation 14.8/10 148 %

Patent 1/0

Proton Dosimetry tool Development 100 %

International Presentation 1

- Qualitative Research Output

․ Collaborative networks with research groups on Monte Carlo simulation and GRID

․ The first establishment of Monte Carlo modeling on proton therapy in Korea

․ Calculating precise expectation value of dose distribution of proton beam

․ Qualitative improvement of proton therapy in National Cancer Center

1. 연구의 최종목표

- 양성자치료의 선량분포를 전산모사방법으로 정확히 검증하여 환자치료의 질적 향상 및 안정

성 제고.

2. 연구의 내용 및 결과

<제 1차 년도>

(가) 양성자치료기 노즐 및 작동모드의 모델링

- 그림 3과 같이 양성자 치료기 노즐의 모델링을 완료함.

- 모든 치료실 (FBTR, GTR2, GTR3) 의 노즐의 모델링이 포함되었음. 프로그램 실행 시 치료

실 타입을 파라메터로 (예, --tr={FBTR | GTR2 | GTR3}) 명시해 주면 해당 치료실의 노즐

이 활성화 됨

- 노즐의 각 부품들 (Ion chamber1,2 , Range Modulator, Scanning magnets 등) 을 객체화 하

여 개발코드의 유지보수가 용이하도록 설계하였음 (그림 1)

- 각 노즐의 구성요소들은 load/unload 가 가능하여 각 서브파트들의 물등가두께 (Water

Equivalent Thickness) 등을 전산 모사하는데 용이함

그림 1. 모델링된 양성자 치료기 노즐

- 특히, SOBP (spread-out Bragg peak) 을 생성하는 Range Modulator 의 경우 Geant4 툴킷

이 제공하는 Parameterisation 모듈을 이용하여 그림6 과 같이 추후 변형 및 부품의 교체에

용이하게 대처할 수 있도록 설계하였음

- 총 5 개의 small wheel 이 모델링 되었고, 각 치료실들의 실제 구성은 5개중 3개의 조합으로

이루어짐

- 각 small wheel 은 크게 아래/위 두 파트로 구분되어 있으며, 각 파트에는 3개의 트랙이 존

재하며 각 트랙의 패턴을 모두 database화하여 Range modulator를 설계하였음

그림 2. spread-out Bragg peak 을 생성하는 핵심 부품인 Range

Modulator 의 모델링 개요도

- 그림 3는 작은 크기의 초기 양성자 빔을 확대시켜 종양을 충분히 커버할 수 있도록 하는 부

품인 Second scatter 임

- Second scatter 는 총 3가지의 각기 다른 모양을 가지고 있고, 가운데 비어 있는 부분은 자

기장을 이용하는 치료모드와 빔 사이즈가 작은 치료방법에 사용됨.

- Second scatter 를 회전시켜, 특정 scatter disk 를 치료빔 경로에 위치할 수 있도록 설계되

어 있음

그림 3. scattering 치료시 양성자 빔의 크기

를 확대시키는 Second scatterer

- 그림 4 은 최종 양성자 빔의 조사크기를 결정하는 Snout 임

- 실제 보유하고 있는 4 종류의 snout 이 모두 모델링 되었고, 전산모사 시 사용자가 적절한

snout을 간편하게 선택할 수 있도록 설계되었음

- 이 외에 기타 다른 부품들, Ion chamber1,2, First scatterer, Scanning magnets, Variable

collimator 등, 실제 치료 시 이용되는 부품들이 모두 전산모사를 위해 모델링 되었음(그림 1)

- 회전형 치료용 노즐의 경우 (GTR2, GTR3)는 전산모사 역시 ISO-center 중심으로 회전하도

록 설계됨(그림 5)

그림 4. 최종 양성자 치료빔의 사이즈를 결정하는

Snout과 이의 단면도. 눈 치료용 소형 snout (왼

쪽)과 필드사이즈가 큰 경우에 이용되는 snout

(오른쪽).

그림 5. 양성자 노즐의 동적 특징: snout 의

extraction/retraction과 노즐의 ISO-center 축 중심으로

의 회전.

(나) 전산모사 소프트웨어의 commisioning

- 전산모사를 위해 모델링된 노즐은 실제 노즐의 상황과 완벽하게 일치할 수가 없음. 따라서,

측정 값들과의 비교를 통해, 실제실험을 모사해 낼 수 있도록 최종 튜닝하는 작업을 전산모

사 commissioning 이라고 함

- 본 연구진이 이용하고 있는 Geant4 전산모사 툴킷은 사용자로 하여금, 전산모사에 사용될

physics 의 선택이 자유로우나, 그 만큼 사용될 physics list 에 대한 세심한 commissioning

작업이 필요함

- 그림 6는 양성자빔의 에너지에 따른 물속에서의 진행거리를 표시한 것이며 기타 양성자 빔의

깊이에 대한 감쇠율, 입사에너지에 대한 감쇠율 등의 특성을 그림 7와 8에 각각 나타내었음

그림 6. Geant4 가 제공하는 Physics list 를 테스트하기 위

한, CSDA (Continuous Slow Down Approximation) 의 데

이터(NIST) 와 전산모사의 비교.

그림 7. 조사되는 양성자의 깊이에 따른 감

쇠율

그림 8. Projected range 에서의 양성자 감

쇠율 vs 양성자 입사에너지

- 그림 6 에서 보이는 것처럼 본 연구진이 사용하고 있는 Physics list 는 reference 데이터와

매우 잘 일치하고 있음.

- CONVALGO 에서 생성되는 초기 입사에너지는 단일 에너지이나 실제 양성자빔은 여러 에

너지가 섞여있는 에너지 스펙트럼을 구성하고 있어 CONVALGO 에너지값을 전산모사시 그

대로 사용할 경우 잘못된 결과를 줄 수 있음.

- 따라서, 실험값들과의 비교를 통해, 전산모사를 위한 초기 에너지 스펙트럼을 찾아야 함 (그

림 9-10)

그림 9. 여러 Bragg peaks 들의 측정과 전산모사 결과의 비교

그림 10. 전산모사와 실험값의 비교를 통해 얻은 전산모사를 위한 초기 양성자 에너지스펙트럼.

- 개발된 최종 전산모사 소프트웨어를 이용하여, 실제 측정값과 비교하였음 (그림 11)

Prescription (g/cm2)

Range, SOBP

Measurement (g/cm2)

Range, SOBP

Monte Carlo (g/cm2)

Range, SOBP

differences (g/cm2)

Range, SOBP

11.65, 8.24 11.91, 8.11 11.94, 8.37 0.03, 0.26

12.95, 4.6 13.04, 4.88 13.15, 4.92 0.11, 0.04

14.07, 5.0 14.14, 5.28 14.29, 5.35 0.16, 0.07

15.23, 6.22 15.40, 6.18 15.46, 6.46 0.06, 0.28

그림 11. 전산모사결과로 얻은 spread-out Bragg peaks 와 실험결과치의 비교

- 전산모사를 통한 예측치는 비정은 약 2 mm 그리고 SOBP 는 3 mm 이내에서 일치함

표 1. 전산모사 결과와 측정치의 비정 및 SOBP의 비교

<제 2차 년도>

(가) 팬텀을 이용한 장기의 영상획득 및 선량 계산과 측정

- 제작된 팬텀의 특성 연구결과는 시험요구조건에 적합하였으며 CT영상처리 소프트웨어를 통

한 영상의 재구성 및 전산모사의 인식에 대한 시험을 수행.

그림 12. 제작된 CT용 팬텀의 모델링과 양성자빔 조사의 전산모사

- 10월 중순 현재 동물 장기를 이용한 CT영상 획득과 양성자 빔의 치료계획과 치료실에서의

측정이 진행 중이며 12월 중순까지는 CT영상의 전산모사 데이터로의 전환 작업을 끝낼 예

정임.

그림 13. 장기가 들어간 팬텀의 영상

(나) CT영상의 전산모사모듈의 개발

- 실제환자의 CT data를 이용한 영상획득과 전산모사 프로그램에서의 적용

그림 14. 실제 환자 CT영상(DICOM image)를 전산모사 data로 변환 및 3D 재구성 결과.

- 양성자 빔을 이용한 선량 분포의 계산을 위하여 정확한 화학적 조성비에 대한 정보가 필요

- 팬텀을 이용한 변환방법의 연구결과를 적용하여 전산모사 수행할 예정

- 현재 임의의 값을 적용하여 환자체내의 양성자 빔에 의한 선량분포를 계산하는 과정은 독립

적으로 개발을 진행 중

그림 15. 실제 환자 영상을 이용한 양성자 빔의 조사 및 선량분포 전산모사 결과

(다) 양성자치료용 환자치료 블록에 대한 차폐체 특성 연구

- 양성자치료의 전산모사에서는 실제 환자치료에 관련된 모든 구성요소가 반영이 되어야 하며

치료빔의 모양을 만들어 주는 차폐체인 황동(Brass)에 대한 고려도 포함되어야함.

- 본 연구에선 차폐체의 양성자 빔에 대한 에너지 분포 특성 및 양성자 빔에 의한 방사화의

정도를 실험을 통하여 측정 하였으며 Geant4를 이용한 전산모사의 결과들 비교함.

그림 16. 황동에서의 양성자빔에 의한 에너지 분포의 측정과 전산모사 비교 및 양성자 빔에

의한 방사화 분포

- 황동(Brass)에 대한 양성자빔의 전산모사는 실제 실험과는 다른 분포로 계산되어 추후 황동

등의 금속성 물질과의 반응에 대한 전산모사 코드의 추가 연구가 필요함.

- 양성자 빔의 차폐체로서의 빔 에너지와의 관계는 본 연구에서 그림 17의 그래프를 얻었으며

차후 전산모사 뿐만 아니라 실제 치료준비에서도 유용한 자료로 활용 가능.

그림 17. 황동에서의 양성자 빔에너지와 빔 도달거리

(라) 양성자 치료빔의 특성연구 (Medical Dosimetry에 전자출판 중)

- 양성자 치료와 관련된 빔 파라메타 output, Range, Spread Out Bragg Peak(SOBP)는 현재

치료계획기상에서 치료계획의 결과로 주어 줘야 하나 아직까지 output에 대한 계산은 못하고

있어 전산모사에서의 계산방법도 연구 중이며 이를 위한 사전연구로 측정된 빔 데이터를 이

용 예측하는 기술을 개발 하였음.

- 특히 새로운 환자의 치료마다 각각 다른 조건의 빔 파라메타의 치료기 적용을 위해선 별도의

확인 측정 및 수정 작업이 필요한데 본 연구를 통하여 정확한 예측 방법을 개발 치료의 정확

성 및 준비과정 상의 시간 단축에 기여함.

그림 18. 양성자 치료에 필수적인 빔 파라미터의 특성 연구 결과

<제 3차 년도>

(가) 전산모사 소프트웨어 개발

(1) 전산모사 소프트웨어의 검증 실험

- 전산모사를 위해 개발되어진 노즐 시스템을 기존의 선량계획시스템과 비교하기 위해서는 실

제 양성자치료기 측정 데이터와 비교 검증함.

그림 19. 여러 SOBPs 들을 측정과 전산모사 결과의 비교

- 치료에 사용되는 양성자 5 - 24 cm, 그리고 SOBP 넓이를 변경하면서 측정 데이터와 전산

모사를 비교함

- 그림 1은 측정값과 전산모사 값들을 비교한 결과로 실선은 전산모사 결과이고 원 기호는 측

정 데이터로 모든 에너지에 대하여 Range에 대해서는 1mm 이내의 오차, SOBP에 대해서는

최대 3mm 이내에서 일치함.

(2) 환자 치료에 사용되는 블락 및 보상체 모델링

- 블락과 보상체는 각각 Tumor의 깊이와 외곽 윤곽을 만들어 양성자 치료를 도와주는데 이들

은 매번 다른 생김새로 제작되어 이를 전산모사에 적용하기 위해 새로운 인터페이스를 추가

하였음.

- 그림 20는 치료계획시스템에서 제작되어진 블락과 보상체를 전산모사를 통해 동일한 구조로

재현 하였음.

- 이를 통하여 환자 개개인이 가지는 고유한 구조물을 재현 하므로서 보다 정확한 선량계산이

가능.

그림 20. 치료계획시스템에 의해 생성된 블럭과 보상체 (좌). 전산모사

프로그램으로 재현된 블럭과 보상체 (우)

(3) 전산모사와 치료계획시스템 비교 분석 프로그램 개발

- 전산모사를 통해 계산되어진 선량과 상용화된 치료계획시스템과의 비교 분석을 위한 프로그

램 개발.

- 사용자의 편의를 위하여 GUI 인터페이스를 구성하였으며, 치료계획을 분석할 수 있는 Dose

Difference (DD), Gamma Index Dose volume histogram 등의 기능을 삽입 하였음.

- 그림 21은 분석 프로그램의 메인 화면으로 치료계획시스템과 전산모사를 통해 얻어진 결과

를 보여주며 각각 DD와 Gamma I. 등을 계산하여 시각화.

- 그 밖에 분석의 편의성을 위해 이미지 컨트롤, Gamma Index의 설정 등을 추가 구성.

그림 21. 전산모사 와 치료계획시스템의 비교 분석 프로그램

(4) 환자 QA 과정

- 기존의 치료계획시스템을 통한 양성자 치료의 선량계산을 전산모사 방법으로 개발되어진 소

프트웨어로 검증함

- 치료계획시스템에서 사용되는 Pencil Beam Algorithm이 가지는 선량 계산 정확성의 한계를

보완하기 위하여 전산모사 실행.

- 개발되어진 분석 프로그램을 통해 환자에게 최적화된 선량을 전달할 수 있도록 검증하고, 환

자 QA과정으로 치료 전 환자에 조사되는 선량을 측정했지만, 전산모사 소프트웨어를 통해

복잡한 과정을 간호화 함.

그림 22. 치료계획시스템 검증방법 모식도: (좌) 상용화된 치료계획 시스템 (우) 전산모사 시스템

(중) 비교분석 프로그램

(5) 전산모사 소프트웨어의 활용

- 방사선 치료 중 In-vivo 측정으로 Glass dosimeter를 많이 사용, 이를 양성자치료기에 적용

하기 위하여 Glass dosimeter로 양성자를 측정하고 이를 전산모사를 통해 검증함

- 본 원에서 제작된 Glass dosimeter 용 계단식 팬텀에 dosimeter를 함께 모델링 하여 전산모

사함.

- 그림 23와 같이 이온챔버와 동일하게 양성자의 특성을 왜곡없이 측정됨을 볼 수 있었음.

- 이러한 검증을 통하여 환자 치료시 피부선량 혹은 중요 장기등에 조사되는 양성자 선량 등

을 측정 할 수 있어 치료의 질 향상 도모

0 20 40 60 80 1000.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5 Glass dosimeter TLD Markus chamber

Rela

tive o

utpu

t

Depth (mm)

그림 23. 전산모사 소프트웨어를 이용하여 Glass Dosimeter의 검증

(나) 선량검증을 위한 WET 값 측정

(1) 치료계획 계산 알고리즘 정확성 검증

- 물과 비슷한 Hounsfield Unit을 갖는 연조직 근처에서 상대적 전자밀도 값은 비선형적인 관

계식을 가짐.

- 치료계획에 사용되는 CT 영상의 Hounsfiled Unit에 기반한 계산 알고리즘이 이런 연조직의

상대적전자밀도 오차로 인해 발생할 수 있는 오차를 가질 수 있음.

- 계산 알고리즘의 정확성 검증과 HU에 기반한 양성자의 저지능(stopping power)을 전산모사

에 적용을 위한 동물 조직의 WET(water equivalent thickness) 측정 실험

그림 24. CT number와 relative electron density 사이의 관계에서

물과 비슷한 HU 값을 가지는 연조직들 근처에서는 비선형적인 관

계를 갖는 것을 보여줌.

그림 25. WET 개념의 개요도

- 동물조직을 담을 용기를 제작 후 용기에 물을 채운 플라스틱 용기에 양성자를 조사하여

range를 측정하고 용기 없는 물팬텀 안에서 range를 측정하여 WET 값 측정

그림 26. (좌) 물을 담은 플라스틱 용기 (중간) 아무것도 없이 측정했을 때의 range : 18.38

g/cm2 (우) 물을 담은 플라스틱 용기를 넣고 측정했을 때의 range : 18.18 g/cm2

- 그림 26.의 실험결과로 플라스틱 용기의 WET 값은 1.2를 얻음

- 소의 조직(뼈, 지방, 간, 폐, 살)을 플라스틱 용기에 담아 양성자 조사 실험.

그림 27. 소의 조직을 담아 밀폐한 용기

그림 28. 각각의 조직(뼈, 지방, 간, 폐, 살)에 대해 얻은 2차원 빔 분포

- 소의 조직이 담긴 용기를 CT 촬영 후 치료계획시스템의 계산 알고리즘을 이용하여 2차원

빔 분포 확인

그림 29. CT 촬영 후 실험에서와 동일한 range와 modulation width를 가지는 SOBP를

조사하여 얻은 이차원 선량분포

- 측정한 선량분포와 계산된 선량분포 비교

[뼈] [지방]

[간] [폐] [살]

그림 30.

(다) 균일주사(uniform scanning) 방식 양성자 빔 전달 전산모사 모델링

(1) 균일주사(uniform scanning)의 기본 특성

- 현재 양성자 치료에 주로 사용되고 있는 빔 전달 방식은 passive 선량조사방식으로서 이중의

스캐터 물질을 사용함. passive 선량조사방식의 전산모사 모델링 작업을 마치고 다음 단계의

전산모사 연구로서 자기장을 이용한 선량조사 방식 중 하나인 균일주사(uniform scanninng)

방식의 빔전달 방식을 전산모사로 모델링 연구를 진행함.

- 두 개의 자석을 통과하며 자기적으로 휘어진 양성자는 X 축으로 3 Hz, Y 축으로 30 Hz의

주기를 가진 주사패턴을 형성함.

그림 31. (좌) 균일주사 방식에서의 주사 패턴

(우) 자기장의 세기를 조종하여 양성자빔이 원하는 곳으로 도달함

- Passive 방식에서는 range modulator를 이용하여 SOBP를 만들어준데 반해 균일주사 방식에

서 SOBP를 만들어주기 위하여 dose layer stacking method가 적용된 알고리즘을 이용하여

노즐의 여러 가지 컴포넌트들을 동적으로 변화시키며 SOBP를 구현함.

표 2 . Passive 방식과 균일주사 방식의 컴포넌트 구성 비교

Double Scattering Uniform Scannin

Range Modulator 600 rpm 으로 회전layer에 따라 RM이 step 단위로 회전

First Scatterer 고정값 입력 layer에 따라 유동적 변화

Second Scatterer 사용 ○ 사용 ☓Magnetic Field 사용 ☓ 사용 ○ (3 Hz, 30 Hz의 주

기로 유동적 변화)

Snout Size 100x100, 180x180, 250x250 300x400

- Layer Stacking Method에 기반하여 선량분포가 계산되어 각각의 Bragg peak에 적당한 가

중치가 부여됨.

그림 32. 12.0 g/cm2 range에서 각각의 Bragg peak에 가중치가 부여되어 SOBP를 형성.

- 각각의 Bragg peak에 적용되는 가중치는 range 영역을 기준으로 크게 네 가지(U1, U2, U3,

U4)로 분류되고 그 아래로 다시 세 가지(low, mid, high)로 분류되어 총 12가지의 가중치가

제공됨.

표 3. SOBP를 구현하기 위한 알고리즘 변수들

(2) 균일주사(uniform scanning) 방식의 전산모사 모델링

1. ASCII 파일 생성

- 제조사에서 제공한 알고리즘에서 계산되어 나온 각 레이어마다의 RM, Lollipop(FS), VC(x),

VC(y) 값과 각 레이어의 field 사이즈에 맞는 scanning magnet의 x, y 최대값을 이용하여

그림 31(좌)에서 보여준 패턴을 그려주는 자기장값들을 프로그램적으로 생성하여 ASCII 파

일로 저장하는 코드를 구현.

- ASCII 파일 개수는 레이어 개수만큼 생성됨.

그림 33. 제조사에서 제공한 uniform scanning 용 알고리즘

그림 34. 각 레이어에 해당하는 컴포넌트들의 변수값들을 입력하여 ASCII 파일을 생성함.(좌) 생

성된 파일의 내부에는 스캐닝 패턴을 그려줄 자기장 값들이 계산되어 저장됨(우)

2. Look-up Table 작성

- Uniform Scanning Conversion 알고리즘에서 호출하는 가중치값을 읽어들일 수 있도록 12개

의 가중치 파일 안의 값들을 Look-up Table로 저장

그림 35. Uniform scanning conversion 알고리즘 내에서 가중치 파일을 호출하여 그 안에 값

들이 각 레이어에 적용됨.

그림 36. 12개의 가중치 파일 안의 값들이 한 개의 Look-up Table 파일 안에 저장됨.

3. Uniform Scanning 환경의 사용자 UI 코드 구현

그림 37. 사용자 매크로에 uniform scanning을 위한 UI를 추가함.

- 가중치 파일 이름 뒤에 두 숫자 중 첫 번째는 layer 개수이자 생성된 ASCII 파일 개수로

하나의 ASCII 파일 안의 값들이 코드에서 정의된 C++의 벡터 어레이로 저장이 되고 저장

이 끝나면 다음 ASCII 파일 안의 값들을 호출하여 벡터 안에 연속적으로 저장됨.

- 두 번째 숫자는 조사되는 입자의 개수에 대한 프로그램적인 가중치로서 시뮬레이션 시간

이나 event 개수를 임의로 조절할 수 있도록 해줌.

- 사용자 UI에서 입력받은 변수들을 시뮬레이션에 적용할 수 있도록 parameter들을 관장하

는 기존의 PassiveRunParameterization.cc 파일 대신 USRunParameterization.cc 파일을 생

성 및 코드 구현.

그림 38. USRunParameterization.cc에서 각 노즐 컴포넌트로 값이 전달되는 개요도.

그림 39. 전산모사로 모델링한 Uniform Scanning의 전체 개요도

(2) 균일주사방식 전산모사 결과

1. 14 개 쌍의 자기장 값을 이용하여 양성자 빔이 원하는 위치에 도달하는지 확인함.

그림 40. 양성자 스팟 빔 사이즈와 자기장

크기에 따른 선형적 변화를 확인

2. 전산모사로 구현한 uniform scanning 코드를 이용하여 30x40 cm 필드 사이즈를 측정.

그림 41. Uniform scanning에서 사용하는 최대 field size인 30x40 cm 의 영역을 스캔함.

그림 42. X와 Y축으로의 프로파일

3. 네 가지 옵션 중에 option 3에 대해서 전산모사를 실험데이터와 비교함으로서 검증함.

그림 43. Option 3 안의 세 가지 옵

션, low, middle, high 에 해당하는

세 가지 range의 Bragg peak에 대한

시뮬레이션 데이터와 측정 데이터

그림 44. 각각 range 20 g/cm2(상), 22 g/cm2(중), 24 g/cm2(하)와 5 cm의 width를 갖는

SOBP를 전산모사로 얻은 결과

논문명저자

(저자구분1)) 저널명(I.F.)Year;

Vol(No):Page 구분2)지원과제번호

3)

A dose verification method forproton therapy using a plasticscintillation plate

이세병(교신)

Journal of Korean

Physical Society

(0.478)

2009;

55(2):702~7

08

국내SCI

0910110

A Study of Radiation Exposure inProton Therapy Facillity.

이세병(교신)

Korean Journal of

Medical Physics

2009;

20:37~42국내 0910110

Monte Carlo Modeling andSimulation of a Passive TreatmentProton Beam Delivery System usinga Modulation Wheel

이세병(교신)

Journal of Korean

Physical Society

(0.478)

2010;56(1): 153~163

국내SCI 0910110

Prediction of output factor, rangeand SOBP for proton therapy

이세병(교신)

Medical Dosimetry

(2.167)

2011;36(2)

:145~152국외SCIE

0910110

3. 연구결과 고찰 및 결론

- 전 세계적으로 양성자 및 중입자 치료기에 대한 전산모사연구는 미국의 UCSF와 MGH가 주

도하고 있는 TOPAZ program과 일본의 국립연구소인 KEK가 주도하고 있는 PTSIM

program이 있으면 해당국가에 설치 및 진행 중인 입자치료기에 대한 전산모사를 지원하고

있다.

- 국내는 국립암센터의 양성자치료기가 아직까지 유일하게 설치 운영 중이며 본 기관고유과제

연구수행을 통하여 전산모사 시스템을 처음으로 구축하였으며 향후 국내에서 진행 중인 입

자치료시설에 대하여 미국, 일본과 같이 해당 치료기의 전문적인 전산모사를 지원하는 기반

시스템을 구축이 하였음.

- 본 과제를 통한 전산모사 연구결과는 크게 3가지 부분으로 정리를 할 수 있다.

(1) 양성자 치료기의 전산모사를 실제 치료기에 가장 유사하게 구현함. (최고수준)

: 빔 설정 및 전산모사 각각의 단계를 실제에 가장 유사하게 설정하여 국립암센터에 설치

되어 있는 모델을 전 세계적으로 가장 정교하게 전산모사를 수행할 수 있음.

(2) 3차원적인 치료선량 정밀비교 및 분석 툴의 자체개발. (전용툴 최초개발)

: 전산모사한 결과와 다른 방법을 이용한 결과를 환자치료에 직접 관련된 값들로 3차원적

인 비교분석 및 평가가 가능한 툴을 자체 개발.

(3) 정확한 물리적인 계산의 구현. (국제적으로 동등한 수준의 결과)

: 양성자 빔 분포의 측정값과 오차 범위내에서 일치하는 전산모사 결과.

4. 연구성과 및 목표달성도

(1) 연구성과

가. 국내 및 국제 전문학술지 논문 게재 및 신청

Estimation of the secondary cancerrisk induced by diagnostic imagingradiation during proton therapy

이세병(교신)

Journal of

Radiological

Protection

(1.323)

2011;

31(4):

477-487

국외SCI

0910110

Evaluation of Radioactivity Inducedby Patient-specific Devices in ProtonTherapy

이세병(교신)

Journal of Korean

Physical Society

(0.478)

2012;

60(1):

125-128

국내SCI

0910110

Monte Carlo modeling and validationof proton treatment nozzle usingGEANT4 toolkit

이세병(교신)

Journal of

Radiological

Protection

(1.323)

Submitted국외SCI 0910110

논문명 저자 학술대회명 지역1)지원과제번호

Monte Carlo Simulation of the BC408Scintillator Response to a TherapeuticProton Beam

신정욱,...이

세병춘계 의학물리학회 국내 0910110

Proton Therapy Physics in National CancerCenter, Korea

이세병2nd Asian Congress of

Radiation Research국내 0910110

A Study of Design Scheme for TimeDependent Radiation Therapy SimulationsBased on the Geant4 Toolkit

신정욱,...이

세병추계 의학물리학회 국내 0910110

A Case Study of Desig Scheme forRadiation Therapy Simulations Based on theGeant4 Toolkit: From a SimpleBrachytherapy to a proton therapy

신정욱,

이세병,

박성용,

ASIA simulation

conference국외 0910110

Simulation Studies of a Therapeutic ProtonBeam Delivery System

신정욱...이

세병Geant4 user workshop 국외 0910110

Monte Carlo Modeling and Simulation of aPassive Scattering Proton Beam System inNCC

이세병,

신정욱, ...추계 한국물리학회 국내 0910110

Secondary cancer risk induced by diagnosticradiation dose delivered in image-guidedproton therapy

정호진 외

10명추계한국방사선종양학회 한국 0910110

Estimation of Diagnostic Imaging doseirradiated for patient positioning

정호진 외

7명춘계한국의학물리학회 한국 0910110

Estimation of Imaging dose irradiated forpatient-positioning verification in the protontherapy

정호진 외

7명PTCOG49 일본 0910110

레이저플라즈마 가속기를 이용한 극초단펄스형 고에너지 전자빔의 암치료 가능성연구

유승훈 외

13명추계한국의학물리학회 한국 0910110

Study on the variability of HDR ringapplicator dwell position for the CT/MRimage based uterine cervix brachytherapy

유승훈 외

13명추계한국방사선종양학회 한국 0910110

Monte Carlo modeling of uniform scanningbeam in proton therapy using GEANT4

박세준 외

3명대한방사선방어학회 국내 0910110

Feasibility study on the cancer therapyusing laser-accelerated high-qualityenergetic proton beams with a

김대현 외

9명PTCOG50 미국 0910110

나. 국내 및 국제 학술대회 논문 발표

최종목표 연차별목표 달성내용달성도(%)연차 최종

양성자치료의 선

량분포를 전산

모 사 방 법 으 로

정확히 검증하

여 환자치료의

질적 향상 및

안정성 제고

1차년도

양성자 센터

치료기의 모델링

모든 치료실 (FBTR, GTR2,

GTR3)의 노즐의 모델링 마침

100 40개발된 코드의

commissioning

노즐의 초기에너지 스펙트럼을 모

델링함으로써 물 팬텀에서의 침투

위치와 양성자 초기에너지와의 상

관관계를 유도함

국내-외 협력기관

교류

국내의 KISTI, 국외의 CNRS (프

랑스), INFN (이탈리아)기관과 교

micro-structured slab target

Generating Spread out Bragg-Peak withvarying Magnetic field in the laseraccelerated proton system.

김대현 외

4명AOCMP 일본 0910110

Development of an evaluation toolkit forcomparison between the proton treatmentplanning system and Monte Carlosimulation

김대현 외

5명추계대한물리학회 국내 0910110

구분1) 특허명 출원인 출원국 출원번호

저서명 저자 발행기관(발행국, 도시) 쪽수Chapter 제목, 쪽수

(공저일 경우)

보고서명 정부정책 기여내용

1) 지역 : 국내, 국외

다. 산업재산권

1) 구분 : 발명특허, 실용신안, 의장등록 등

라. 저 서

마. 연구성과의 정부정책 기여

바. 기타연구성과

(2) 목표달성도

가. 연구목표의 달성도

류 네트워크 구축함

2차년도

전산모사용

팬텀제작

동물장기를 이용한 DICOM 영상

및 측정용 팬텀

100 70

전산모사용 DICOM

module

환자의 CT image를 MC 계산에

적용 가능한 software module 개발

한-프 전산모사

협력(FKPPL) 추진

2nd FKPPL workshop(2010.3.16)

에서 공식적으로 세부진행과제로

등록

3차년도

전산모사

소프트웨어 개발

치료계획과 전산모사 결과의 비교

및 분석 프로그램 툴킷 개발 완성

100 100

선량검증을 위한

WET 값 측정

동물조직의 WET값 측정 및 양성

자 range의 측정값과 치료계획 계

산값과의 비교

균일주사방식

양성자빔 전달

전산모사 모델링

균일주사방식의 전산모사 모델링

완료

평가의 착안점 자 체 평 가

학술 논문/ 특허 목표치를 초과한 성과달성

나. 평가의 착안점에 따른 목표달성도에 대한 자체평가

5. 연구결과의 활용계획

(1) 연구종료 2년후 예상 연구성과

구 분 건 수 비 고

학술지 논문 게재 2Japanese of Journal of Applied Physics

(1.018), Medical Physics(3.4)

산업재산권 등록

기 타

(2) 연구성과의 활용계획

- 가장 정확한 양성자치료 계산방법의 확보 및 환자치료계획 적용으로 양성자치료의 질적 향상 및

성과향상.

- 국립암센터의 양성자치료기 전산모사시스템 구축 경험을 기반으로 국내외의 양성자 치료시설의 전

산모사 연구협력 및 지원

- 양성자치료에 관련된 치료보조 장비 및 QA/QC 시스템 개발에 활용.

6. 참고문헌

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7. 첨부서류