• Nuclear Engineering and Technology
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• 제54권8호
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• pp.3006-3016
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• 2022

In this study, the images of specific prompt gamma (PG)-rays of 719 keV emitted from proton-boron reactions were analyzed using single-photon emission computed tomography (SPECT). Quantitative evaluation of the images verified the detection of anatomical changes in tumors, one of the important factors in daily adaptive proton therapy (DAPT) and verified the possibility of application of the PG-ray images to DAPT. Six scenarios were considered based on various sizes and locations compared to the reference virtual tumor to observe the anatomical alterations in the virtual tumor. Subsequently, PG-rays SPECT images were acquired using the modified ordered subset expectation-maximization algorithm, and these were evaluated using quantitative analysis methods. The results confirmed that the pixel range and location of the highest value of the normalized pixel in the PG-rays SPECT image profile changed according to the size and location of the virtual tumor. Moreover, the alterations in the virtual tumor size and location in the PG-rays SPECT images were similar to the true size and location alterations set in the phantom. Based on the above results, the tumor anatomical alterations in DAPT could be adequately detected and verified through SPECT imaging using the 719 keV PG-rays acquired during treatment.

• 대한방사선치료학회지
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• 제24권2호
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• pp.149-155
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• 2012

목 적: 폐, 복부의 양성자 치료 시 사용되는 Long Extension (LE)은 Supporting bar에 의한 치료 면적의 제한이 있고, 후사방향의 빔에서 Collision으로 인해 치료 계획 시 다양한 갠트리 각도의 제한을 발생시키며 에어갭(Air gap, 환자와 Beam 사출구 사이의 거리)을 증가시킨다. 이에 본 연구는 본원에서 자체 제작한 Rounded Extension (RE)을 LE과 비교 평가하여 양성자 치료시 최적의 Extension을 적용하는데 그 목적이 있다. 대상 및 방법: LE과 RE의 구조적 특징을 비교하고, Snout size (${\varnothing}100$, ${\varnothing}180$, ${\varnothing}250$)별 이용 가능한 갠트리 각도를 알아보았다. 그리고 Humanoid phantom을 놓고 CT모의촬영을 하였다. CT영상을 통해 후사방향에서 에어갭의 차이를 알아보았다. 결 과: 두 Extension의 구조적 특징을 비교해 본 결과, Supporting bar의 유무로 인하여 LE은 유효한 가로축 길이가 40 cm이며, RE은 50 cm임을 알 수 있었다. 각 Extension의 Snout size (${\varnothing}100$, ${\varnothing}180$,${\varnothing}250$)별 이용 가능한 갠트리 각도, 에어갭의 차이를 분석한 결과는 다음과 같다. LE은 180도 기준에서 평균 ${\pm}36$도이며, RE은 평균 ${\pm}70$도로 나타났다. 그리고 RE은 동일 갠트리 각도에서 LE에 비해 에어갭이 평균 11.30 cm 감소하는 것을 알 수 있었다. 결 론: 자체 제작한 양성자 치료용 RE은 LE에 비해 치료 면적 및 이용 가능한 갠트리 각도 범위가 더 넓고 후사방향의 빔에서 에어갭을 줄임으로서 폐, 복부의 양성자 치료 시 더 유용하게 사용될 것이다. 그러나 조사범위가 큰 치료영역에서 측방향의 빔을 사용할 때는 오히려 에어갭이 커질 수 있으므로 차후 보완이 필요할 것으로 사료된다.

• 대한방사선치료학회지
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• 제28권2호
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• pp.139-148
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• 2016

목 적 : 양성자 치료 시 사용되는 Range Compensator는 Target의 Distal Margin의 선량에 대해 정상조직에 전달되는 양성자 빔 선량을 보정하는 역할을 한다. 이에 뇌종양 치료에 사용되는 Range Compensator의 Smooth Thickness를 다르게 적용함에 따른 PTV와 OAR의 선량을 비교하여 대상 부위의 선량이 개선되는 것을 확인해 보고자 한다. 대상 및 방법 : 본원에서 양성자 치료를 받은 뇌종양 환자 10명을 대상으로 Eclipse Proton Planning System(Version 10.0, Varian, USA)의 Compensator Editor를 사용하여 Range Compensator에 적용되는 Smooth Thickness를 각각 1회에서 5회까지 순차적으로 적용하였다. 치료계획의 알고리즘은 Proton Convolution Superposition(version 8.1.20 or 10.0.28)을 사용하였고, Smooth Thickness를 단계적으로 적용함에 따른 PTV의 Dmax, Dmin, Homogeneity Index, Conformity Index 그리고 종양주위의 OAR 선량을 비교하였다. 결 과 : Smooth Thickness를 1회에서 5회까지 적용하였을 때 PTV의 최대선량(Dmax)은 최대 4.3%, 최소 0.8%, 평균 1.81% 감소하였으며, 최소선량(Dmin)은 최대 1.8%, 최소 0.2%, 평균 0.82% 증가하였고, 최대선량과 최소선량의 차이는 최대 5.9%, 최소 1.4%, 평균 2.63% 감소하였다. Homogeneity Index는 평균 0.018 감소하였고 Conformity Index는 거의 변화가 없었다. OAR 선량은 Brain Stem에서 최대 1.6%, 최소 0.1%, 평균 0.59% 감소하였으며, Optic Chiasm에서 최대 1.3%, 최소 0.3%, 평균 0.45% 감소하였으나, C와 E환자가 각각 0.3%, 0.6% 증가하였다. 그리고 Rt. Optic Nerve에서 최대 1.5%, 최소 0.3%, 평균 0.8% 감소하였으나, B환자가 0.1% 증가하였다. Lt. Optic Nerve에서는 최대 1.8%, 최소 0.3%, 평균 0.67% 감소하였으나, H환자가 0.4% 증가하였다. 결 론 : 뇌종양 환자의 양성자 치료에 사용되는 Range Compensator의 Smooth Thickness가 단계적으로 적용될수록 Compensator의 해상도가 증가하여 가장 최적화된 양성자 빔 선량을 전달할 수 있다. 이는 PTV에 좀 더 균일한 선량을 조사할 수 있고 또한 OAR에 작용하는 불필요한 선량을 감소시켜 부작용을 줄일 수 있을 것으로 사료된다.

• 대한방사선치료학회지
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• 제31권2호
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• pp.75-81
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• 2019

목 적: 전립선암 환자의 방사선치료 시 사용되는 토모치료(Tomotherapy)와 양성자치료(Protontherapy)의 계획을 각각 수립하여 토모치료의 IMRT방식과 양성자치료의 PBS방식을 이용한 빔 전달방식에 따른 선량분포의 특성을 비교하고 분석하고자 한다. 실험재료 및 방법: 수술을 하지 않고 근치목적으로 방사선치료만으로 하는 3명의 전립선암 환자를 대상으로 Tomotherapy^®사의 Hi.art planning station 5.1.1.6과 VARIAN사의 Eclipse 13.7을 사용하여 각각 Tomo IMRT 치료계획과 Proton PBS 치료계획을 수립하였다. 수립된 2가지 치료계획의 평가를 위해 선량용적히스토그램(Dose Volume Histogram, DVH)에서 PGTV의 평균선량(Dmean)과 최대선량(Dmax)을 산출하여 coverage를 확인하고 CI와 HI를 산출하였다. OAR평가에서는 직장체적의 25%가 받는 D 25%와 방광선량의 평균선량을 정상장기 보호효과를 비교하였다. 결 과: 환자 3명의 Tomo IMRT, Proton PBS의 DVH에서 평균 최대선량은 71.4Gy, 75.3Gy이고 평균선량은 70.4Gy, 72.8Gy이었다. 또한 CI는 각각 1.16, 1.31이었으며 HI는 0.04, 0.12으로 Tomo IMRT가 Proton PBS에 비해 선량 적합성 부분에서 우수하게 나타났다. OAR 평가에선 직장체적에서 받는 D 25% 각각 27.1Gy, 13.9Gy으로 Tomo IMRT가 평균적으로 방광의 평균선량과 더불어 Proton PBS보다 높은 선량분포를 보여 Proton PBS가 부작용을 줄일 수 있는 것으로 사료된다. 결 론: 전립선암 환자 치료 시 PGTV의 평균선량은 Proton PBS가 Tomo IMRT에 비해서 약 3.4% 높게 나타났다. 이는 Tomo IMRT가 선량적합성이 더 좋게 나타났지만 유의미한 결과 값으로 보기엔 미미한 차이로 사료된다. 그러나 두 방식의 결과값이 직장체적에서 받는 D 25%에서 51.2%, 방광의 평균선량에선 55.7% 더 적은 선량이 조사되어 Proton PBS에서 환자의 부작용을 줄일 수 있었다.

• 한국의학물리학회:학술대회논문집
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• 한국의학물리학회 1999년도 Japanese Journal of Medical Physics
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• pp.390-391
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• 1999

• 한국의학물리학회:학술대회논문집
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• 한국의학물리학회 2002년도 Proceedings
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• pp.116-118
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• 2002

It has been noted that Monte Carlo simulations are the most accurate method to calculate dose distributions in any material and geometry. Monte Carlo transport algorithms determine the absorbed dose by following the path of representative particles as they travel through the medium. Accurate Monte Carlo dose calculations rely on detailed modeling of the radiation source. We modeled the effects of beam modifiers such as collimators, blocks, wedges, etc. of our accelerator, Varian Clinac 600C/D to ensure accurate representation of the radiation source using the EGSnrc based BEAM code. These were used in the EGSnrc based DOSXYZ code for the simulation of particles transport through a voxel based Cartesian coordinate system. Because Monte Carlo methods use particle-by-particle methods to simulate a radiation transport, more particle histories yield the better representation of the actual dose. But the prohibitively long time required to get high resolution and accuracy calculations has prevented the use of Monte Carlo methods in the actual clinical spots. Our ultimate aim is to develop a Monte Carlo dose calculation system designed specifically for radiation therapy planning, which is distinguished from current dose calculation methods. The purpose of this study in the present phase was to get dose calculation results corresponding to measurements within practical time limit. We used parallel processing and some variance reduction techniques, therefore reduced the computational time, preserving a good agreement between calculations of depth dose distributions and measurements within 5% deviations.

• 한국방사선학회논문지
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• 제13권7호
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• pp.917-924
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• 2019

양성자 치료기의 Passive Scattering System 노즐을 모의모사 하여 노즐 내 각 구성품에서 발생되는 중성자를 에너지별로 평가하였다. MCNPX code를 이용하여 치료환경에 사용되는 양성자 에너지 220 MeV, 도달거리 20 cm, 6 cm 길이의 SOBP를 구현하고, 치료기 가동 시 발생하는 중성자를 각 구성품에 따라 종류별로 분류하였다. 양성자 가속기 구성품 중 산란체에서 중성자가 가장 높게 발생되었으며 양성자의 중심 선속에서부터 멀어질수록 중성자의 선속은 감소되었다. 본 연구는 양성자 가속기의 유지 보수 및 해체에 필수적인 방사화 평가를 진행하기 위한 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.

• 한국의학물리학회:학술대회논문집
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• 한국의학물리학회 2002년도 Proceedings
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• pp.189-191
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• 2002

In the proton therapy using a gantry system, periodical verification of iso-center position is very important to assure precision of patient positioning system at any gantry angles in proton treatment. In the gantry system, there are three different types of iso-center; 1) in a geometrical view, 2) in an X-ray beam's eye view, 3) in a proton beam's eye view. Idealistically, they would be an identical point. They could, however, be different points. It may be a source of errors in patient positioning. At PMRC, we have established a system of verification for iso-center positions using a stainless ball of 2-cm in diameter and an imaging plate. This system provides the relation among a center of a patient target position, a center of proton irradiation field, and/or a center of X-ray field in accuracy of 50$\square$m in the 2) and 3) views, as images of a center of the stainless ball and a center of a 100 mm${\times}$100 mm-aperture brass collimator recorded on the imaging plate, which is setup at 1-cm behind the ball. In addition, it provides simultaneously the images of the ball and the collimator on an imaging intensifier (II), which is setup downstream of the proton or X-ray beam. We present a method of quality assurance (QA) for calibration of iso-center position in a rotation gantry system at PMRC and the performance of this system. A proton beam position on the 1$\^$st/ scatterer in the nozzle of the gantry affects less sensitive (reduced by a factor of 1/5) to the results of the iso-center position. The effect is systematically correctable. The effect of the nozzle (or the collimator) position is less than 0.5 mm at the maximum extraction (390 mm).

• Nuclear Engineering and Technology
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• 제55권9호
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• pp.3140-3149
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• 2023

In theory, the sharp dose falloff at the distal end of a proton beam allows for high conformal dose to the target. However, conformity has not been fully achieved in practice, primarily due to beam range uncertainty, which is approximately 4% and varies slightly across institutions. To address this issue, we developed a new range verification system prototype: a multi-slit prompt-gamma camera (MSPGC). This system features high prompt-gamma detection sensitivity, an advanced range estimation algorithm, and a precise camera positioning system. We evaluated the range measurement precision of the prototype for single spot beams with varying energies, proton quantities, and positions, as well as for spot-scanning proton beams in a simulated SSPT treatment using a phantom. Our results demonstrated high accuracy (<0.4 mm) in range measurement for the tested beam energies and positions. Measurement precision increased significantly with the number of protons, achieving 1% precision with 5 × 10⁸ protons. For spot-scanning proton beams, the prototype ensured more than 5 × 10⁸ protons per spot with a 7 mm or larger spot aggregation, achieving 1% range measurement precision. Based on these findings, we anticipate that the clinical application of the new prototype will reduce range uncertainty (currently approximately 4%) to 1% or less.

• 대한방사선치료학회지
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• 제29권1호
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• pp.49-56
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• 2017

목 적: CT(computed tomography) 영상에서 Metal Artifact로 인해 왜곡된 영상을 보정하는 Iterative Metal Artifact Reduction(IMAR) Algorithm의 정확성을 평가하고 양성자 치료계획에서 IMAR Algorithm 적용의 유용성을 평가하고자 한다. 대상 및 방법: CT simulator를 이용하여 CIRS Phantom 내에 금속을 삽입한 것과 삽입하지 않은 영상을 각각 촬영하였다. Phantom 내의 동일한 위치에 ROI1, ROI2를 설정하여 금속이 없는 경우의 영상과 금속으로 인한 Artifact가 발생한 영상, IMAR Algorithm을 적용한 영상에서 CT Number값의 차이를 비교하였다. 또, 금속 주변에 위치한 조직등가물질의 CT Number값을 비교하였다. 척추에 임플란트 시술을 시행한 환자를 가정하여 Rando 팬텀의 척추 부위에 Titanium 봉을 삽입하여 CT 촬영을 하였다. IMAR Algorithm 적용 전과 후의 영상에서 같은 부위에 ROI 1, ROI 2를 설정하여 CT Number값을 측정하고, 각각의 영상에 동일한 양성자 치료계획을 세워 세 지점에서 양성자선의 비정(Range)의 차이를 비교하였다. 결 과: CIRS Phantom 평가에서 금속이 없는 경우의 평균 CT number값은 ROI 1에서 -6.5 HU, ROI 2에서 -10.5 HU였다. 금속이 있는 경우 Fe, Ti, W 순으로 ROI 1에서 -148.1, -45.1, -151.7 HU였으며 IMAR Algorithm을 적용 하였을 때는 -0.9, -2.0, -1.9 HU로 증가하였다. ROI 2에서는 금속이 있는 경우 171.8, 63.9, 177.0 HU였으며 IMAR Algorithm 적용 후에는 10.0, 6.7, 8.1 HU로 감소하였다. 조직등가물질의 CT Number값은 가장 멀리 위치한 폐를 제외하고 모두 원래의 CT Number값에 가깝게 보정이 되었다. Rando Phantom 평가는 금속이 없는 경우와 금속이 있는 경우, IMAR Algorithm을 적용하였을 때 평균 CT Number값은 각각 ROI 1에서 9.9, -202.8, 35.1 HU였으며 ROI 2에서 9.0, 107.1, 29 HU였다. 치료계획에서 금속이 없을 때와 양성자선의 Range의 차이는 IMAR Algorithm을 적용하였을 때 1번 지점에서 평균 0.26 cm 감소하였으며 2번 지점에서 평균 0.20 cm 감소하였다. 3번 지점에서는 평균 0.12 cm 감소하였다. 결 론: IMAR Algorithm을 적용함으로써 CT Number값은 금속이 없을 때의 원래의 값에 가깝게 보정되었다. 또, 양성자 치료계획의 Beam Profile에서 IMAR Algorithm 적용 후 비정의 차이가 0.01에서 최대 3.6 mm 줄어들었다. Artifact가 존재하지 않는 영상과 비교하여 약간의 차이는 존재하지만 양성자의 비정에 따른 선량의 급격한 변화를 고려한다면 금속이 있는 환자에게 IMAR Algorithm의 적용은 유용할 것으로 사료된다.