• Nuclear Engineering and Technology
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• 제54권9호
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• pp.3422-3428
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• 2022

The prompt gamma imaging (PGI) technique is considered as one of the most promising approaches to estimate the range of proton beam in the patient and unlock the full potential of proton therapy. In the PGI technique, a dedicated algorithm is required to estimate the range of the proton beam from the prompt gamma (PG) distribution acquired by a PGI system. In the present study, a new range estimation algorithm was developed for a multi-slit prompt-gamma camera, one of PGI systems, to estimate the range of proton beam with high accuracy. The performance of the developed algorithm was evaluated by Monte Carlo simulations for various beam/phantom combinations. Our results generally show that the developed algorithm is very robust, showing very high accuracy and precision for all the cases considered in the present study. The range estimation accuracy of the developed algorithm was 0.5-1.7 mm, which is approximately 1% of beam range, for 1×10⁹ protons. Even for the typical number of protons for a spot (1×10⁸), the range estimation accuracy of the developed algorithm was 2.1-4.6 mm and smaller than the range uncertainties and typical safety margin, while that of the existing algorithm was 2.5-9.6 mm.

• 한국의학물리학회지:의학물리
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• 제27권4호
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• pp.267-271
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• 2016

In this study, we present the commissioning and validation results of a dedicated scanning nozzle. The dedicated scanning nozzle is installed in one of the two gantry treatment rooms at Samsung Proton Therapy Center. Following a successful completion of the acceptance test, the commissioning process including the beam data measurement for treatment planning system has been conducted. Extended measurements have been conducted as a validation of the clinical performance of the nozzle and various quality assurance protocols have been prepared.

• 한국의학물리학회지:의학물리
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• 제33권4호
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• pp.114-120
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• 2022

Purpose: Particle beam therapy is advantageous over photon therapy. However, adequately delivering therapeutic doses to tumors near critical organs is difficult. Nanoparticle-aided radiation therapy can be used to alleviate this problem, wherein nanoparticles can passively accumulate at higher concentrations in the tumor tissue compared to the surrounding normal tissue. In this study, we investigate the dose enhancement effect due to gold nanoparticle (GNP) when Carbon-12, He-4, and proton beams are irradiated on GNP. Methods: First, monoenergetic Carbon-12 and He-4 ion beams of energy of 283.33 MeV/u and 150 MeV/u, respectively, and a proton beam of energy of 150 MeV were irradiated on a water phantom of dimensions 30 cm×30 cm×30 cm. Subsequently, the secondary-particle information generated near the Bragg peak was recorded in a phase-space (phsp) file. Second, the obtained phsp file was scaled down to a nanometer scale to irradiate GNP of diameter 50 nm located at the center of a 4 ㎛×4 ㎛×4 ㎛ water phantom. The dose enhancement ratio (DER) was calculated in intervals of 1 nm from the GNP surface. Results: The DER of GNP computed at 1 nm from the GNP surface was 4.70, 4.86, and 4.89 for Carbon-12, He-4, and proton beams, respectively; the DER decreased rapidly with increasing distance from the GNP surface. Conclusions: The results indicated that GNP can be used as radiosensitizers in particle beam therapy. Furthermore, the dose enhancement effect of the GNP absorbed by tumor cells can aid in delivering higher therapeutic doses.

• 대한방사선치료학회지
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• 제24권2호
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• pp.115-121
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• 2012

목 적: 양성자 치료는 DIPS (Digital Imaging Positioning System)를 이용하여 기준이 되는 DRR (Digital Reconstruction Radiography) 영상과 당일 치료 과정에서 얻은 X-ray 영상의 해부학적 구조를 비교하여 교정 값을 얻어 PPS (Patient Positioning System)를 교정 후 치료한다. PPS는 환자 셋업의 정확성을 위해 6방향(X축 Lateral, Y축 Longitudinal, Z축 Vertical, Rotation, Pitch, Roll)의 이동을 기반으로 움직인다. 따라서 DIPS의 교정 값과 PPS 움직임 구현성의 정확성 평가가 필요하다. 이에 자체 제작한 PPS QA 팬텀을 이용하여 PPS의 정확성을 평가하고자 한다. 대상 및 방법: 환자의 해부학적 구조를 대신 할 납 볼이 부착된 PPS QA 팬텀을 기준점에 셋업 한다. 임의의 수치 값으로 PPS 6 방향의 움직임을 만들어 PPS QA 팬텀을 이동시킨다. DIPS로 얻은 교정 값을 적용 후 기준점과 기준점으로 돌아온 PPS QA 팬텀과의 교정 값이 허용 범위 내에 들어오는지 평가한다. 결 과: 기준점에 위치한 PPS QA 팬텀의 X축, Y축, Z축의 3개의 좌표를 함께 1 cm에서 5 cm까지 1 cm씩 이동한 후 기준점과의 평균 교정 값은 PPS 6축에서 각각 0.04 cm, 0.026 cm, 0.022 cm, $0.22^{\circ}$, $0.24^{\circ}$, $0^{\circ}$이다. PPS QA 팬텀의 6방향의 이동 좌표계를 모두 1과 2만큼 이동 시켰을 때 평균 교정 값은 1 이동 시 0.06 cm, 0.01 cm, 0.02 cm, $0.1^{\circ}$, $0.3^{\circ}$, $0^{\circ}$이었고, 2만큼 이동 시에 0.02 cm, 0.04 cm, 0.01 cm, $0.3^{\circ}$, $0.5^{\circ}$, $0^{\circ}$이었다. 결 론: 교정 값을 평가한 결과 Lateral, Longitudinal, Vertical의 경우 허용 범위인 0.5 cm Rotation, Pitch, Roll의 경우 허용 범위 $1^{\circ}$ 안에 모두 들어오는 것을 알 수 있었다. 하지만 더욱 정확한 양성자 치료를 위해 DIPS의 이미지 질 개선과 DIPS 매칭 시스템의 발전 노력, 정기적인 장비 관리를 함으로써 현재 발생하는 기계적인 오차를 더욱 줄여나가야 하겠다.

• 대한방사선치료학회지
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• 제29권2호
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• pp.101-108
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• 2017

목 적: 양성자치료에 이용되는 양성자선은 종양 부위 앞에 있는 정상 조직에는 적은 선량을 주는 반면 암 조직 부위에서는 브래그 피크(Bragg peak)를 형성하며 최대 선량을 주고 바로 소멸하는 특징을 가지고 있으며 양성자치료의 장점을 극대화하기 위해서는 양성자의 도달 위치 검증이 매우 중요하다. 본 연구에서는 Off-line PET CT 방법을 이용하여 양성자 조사 후 양성자 궤적을 따라 생성된 11 C(반감기=20분), 150(반감기=2분), 13N (반감기=10분) 등의 핵자에서 방출되는 양전자의 분포를 측정하여 양성자의 Range와 Distal falloff 지점을 검증하게 되었다. 대상 및 방법: IEC 2001 Body 팬텀안에는 37 mm, 28 mm, 22 mm 구체를 삽입할 수 있게 구성되어 있으며 팬텀안에 물을 가득 채워 각 구체크기별로 CT image를 획득하였고 양성자의 Range와 Distal falloff 지점을 검증하기 위하여 양성자치료계획시스템으로 각 구체 크기 별로 37 mm 구체에서 46 mm, 28 mm에서 37 mm, 22 mm 구체에서 33 mm의 SOBP를 설정하였고, Scanning 방법으로 Gantry 0도의 Single beam으로 동일한 센터에서 양성자를 조사하였다. 조사된 팬텀은 PET-CT 장비를 이용하여 스캔하였고, PET-CT 영상획득방법은 1분씩 50개의 영상을 획득하여 팬톰 내의 구체를 포함하여 4개의 ROI를 설정한 후 10개씩 영상을 합산하여 재구성 하였다. 치료계획 시 수립한 구체크기에 따른 Dose profile과 비교하기 위하여 Depth에 따른 Activity profile로 나타냈다 결 과: 37 mm, 28 mm, 22 mm 구체에서 모두 Distal falloff position 에서 Dose profile과 같이 PET-CT의 Activity profile 역시 급격히 감소하는 양상을 나타냈다. 하지만 Range를 평가하는 구간인 SOBP구간에서는 Activity profile의 경우 Proximal 부분에서의 측정치가 Dose profile 양상과 다른 결과가 나왔으며, Distal falloff position을 구체 크기별로 양성자 치료계획과 PET-CT 측정치와의 차이를 비교해 본 결과 37 mm 구체에서는 Max dose의 50 % 지점에서 최대 1.4 mm, 28 mm 구체에서는 45 % 지점에서 최대 1.1 mm, 22 mm 구체에서의 차이는 40 % 지점에서 최대 1.2 mm로 모두 1.5 mm 미만의 차이를 보였다. 결 론: 양성자치료의 장점을 최대한 활용하기 위해서는 양성자빔의 Range를 검증하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 PET-CT 장비를 이용하여 양성자빔의 SOBP 와 Distal falloff 위치를 통해 양성자 Range를 확인하였고 그 결과 PET-CT 장비를 이용해 측정한 Activity 분포와 양성자 치료계획과의 Distal falloff position의 차이는 1.4 mm 내에서 일치함을 확인하였다. 이는 본원에서 양성자치료계획 시 적용하는 선량마진에 참고자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

• IEIE Transactions on Smart Processing and Computing
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• 제4권5호
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• pp.297-304
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• 2015

A multilayer gaseous detector has been developed for fast dose-verification measurements of raster-scan-mode therapeutic beams in particle therapy. The detector, which was constructed with eight thin parallel-plate ionization chambers (PPICs) and polymethyl methacrylate (PMMA) absorber plates, is closely tissue-equivalent in a beam's eye view. The gas-electron signals, collected on the strips and pad arrays of each PPIC, were amplified and processed with a continuous charge.integration mode. The detector was tested with 190-MeV raster-scan-mode beams that were provided by the Proton Therapy Facility at Samsung Medical Center, Seoul, South Korea. The detector responses of the PPICs for a 190-MeV raster-scan-mode proton beam agreed well with the dose data, measured using a 2D ionization chamber array (Octavius model, PTW). Furthermore, in this study it was confirmed that the detector simultaneously tracked the doses induced at the PPICs by the fast-oscillating beam, with a scanning speed of 2 m s-1. Thus, it is anticipated that the present detector, composed of thin PPICs and operating in charge.integration mode, will allow medical scientists to perform reliable fast dose-verification measurements for typical dynamic mode therapeutic beams.

• Nuclear Engineering and Technology
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• 제55권1호
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• pp.215-221
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• 2023

Proton treatment may deliver a larger dose to a patient's skin than traditional photon therapy, especially when a range shifter (RS) is inserted in the beam path. This study investigated the effects of an RS on skin dose while considering RS with different thicknesses, airgaps and materials. First, the physical model of the scanning nozzle with RS was established in the TOol for PArticle Simulation (TOPAS) code, and the effects of the RS on the skin dose were studied. Second, the variations in the skin dose and isocenter beam size were examined by reducing the air gap. Finally, the effects of different RS materials, such as polymethylmethacrylate (PMMA), Lexan, polyethylene and polystyrene, on the skin dose were analysed. The results demonstrated that the current RS design had a negligible effect on the skin dose, whereas the RS significantly impacted the isocenter beam size. The skin dose was increased considerably when the RS was placed close to the phantom. Moreover, the magnitude of the increase was related to the thickness of the inserted RS. Meanwhile, the results also revealed that the secondary proton primarily contributed to the increased skin dose.

• 대한방사선치료학회지
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• 제25권2호
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• pp.153-158
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• 2013

목 적: 전립선암 양성자치료 시 Double Scattering mode (DS)와 Pencil Beam Scanning mode (PBS)에서의 Dose-volume histograms (DVHs)를 분석하여, Conformity Number (CN), Homogeneity indexes (HI)와 선량 별 정상장기의 %Volume을 구하여 선량적합성과 정상장기 보호효과를 비교 평가하고자 한다. 대상 및 방법: 양성자치료를 받은 9명의 전립선암 환자를 대상으로 Eclipse proton external beam planning system을 사용해 일일선량 2.5 Gy씩 28회, 총 70 Gy가 PTV에 95%가 들어가도록 치료계획을 세웠다. 치료 계획된 DS와 PBS 각각의 DVHs로 PTV의 CN과 HI을 구하여 비교하고 정상장기에 들어가는 선량별 %Volume을 비교하였다. 결 과: PTV의 평균 CN은 DS $0.68{\pm}0.07$에서, PBS $0.79{\pm}0.01$로 16.63% 증가하였다. 평균 HI는 DS $0.12{\pm}0.03$에서, PBS $0.09{\pm}0.01$로 -22.66% 감소하였다. 직장을 제외한 전 관찰자의 모든 정상장기에서 DS보다 PBS에서 들어가는 %Volume이 감소하였고, PBS에서 평균 왼쪽 대퇴골 두에 30 Gy 이상 들어가는 %Volume이 -79.93%로 가장 많이 감소하였으며, 평균 직장에 70 Gy 이상 들어가는 %Volume이 -3.03%로 가장 적게 감소하였다. 결 론: 따라서 전립선암 환자 양성자 치료 시 PBS가 DS보다 선량 적합성에 도달하는데 효과적이며, 정상장기에 들어가는 불필요한 선량을 낮추는데 좋고 특히 대퇴골 두에 들어가는 불필요한 저 선량을 감소시키는데 탁월한 것으로 사료된다.

• 대한방사선치료학회지
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• 제31권1호
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• pp.43-49
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• 2019

목 적: 움직이는 장기에 취약한 Pencil Beam Scanning(PBS)을 보완하기 위해 고안된 Layered Rescanning PBS 기법을 Moving Phantom에 적용하여 Single Scan PBS와 선량비교를 통해 Homogeneity를 비교해 본다. 대상 및 방법: Matrix X(IBA, Belgium)와 Moving Phantom(standard imaging, USA)을 이용하였다. 가상의 tumor $10{\times}10{\times}5cm$에 AP 방향에서 200 cGy의 선량을 조사하였다. 치료계획은 single scan PBS, rescan 4, 8, 12회 총 4가지로 하였고 각 치료계획별로 3번씩 반복 측정하였다. 측정 시 Moving Phantom의 호흡주기는 한 cycle당 4초로 설정 후 S-I 방향 움직임 2 cm으로 설정하였다. 추가로 beam on time을 측정하였다. 결 과: PTV 내에서 $D_{max}$의 평균값은 single scan, 4, 8, 12회 rescan 순서로 각각 $246.47{\pm}18.8cGy$, $223.43{\pm}8.92cGy$, $222.47{\pm}7.7cGy$, $213.9{\pm}6.11cGy$ $D_{min}$의 평균값은 각각 $165.53{\pm}4.32cGy$, $173.13{\pm}11.94cGy$, $184.13{\pm}8.04cGy$, $182.67{\pm}4.38cGy$으로 $D_{mean}$ $192.77{\pm}6.98cGy$, $196.7{\pm}4.01cGy$, $198.17{\pm}4.96cGy$, $195.77{\pm}3.15cGy$으로 측정되었다. 그리고 rescan 횟수가 늘어날수록 Homogeneity Index가 1에 가까워졌으며, beam on time은 평균 2분 15초, 3분 15초, 4분 30초, 5분 37초로 rescan 횟수가 증가할수록 치료시간이 증가되었다. 측정하는 과정에서 MU가 낮은 선량 layer에서는 설정한 rescan 횟수만큼 실제로 rescan하지 못하는 문제점이 발견되었다. 결 론: 장기 움직임이 있는 종양 치료 시 Layered Rescanning PBS을 적용했을 때 single scan PBS보다 균일한 선량분포를 확인할 수 있었다. 그리고 rescan 횟수가 증가할수록 균일한 선량분포를 보였다. single scan PBS와 12회 Layered rescanning 비교 시 HI 수치가 0.32 향상되었다. 추후 연구를 통하여 호흡동조 방사선치료가 불가능환자에게 적용이 가능할 것으로 사료된다.

• 한국의학물리학회지:의학물리
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• 제20권4호
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• pp.225-234
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• 2009

Geant4 toolkit은 전자기적 상호작용(electromagnetic interactions)에 대한 다양한 물리적 모델을 제공한다. 이러한 물리적 모델들에 대한 검증은 신뢰성 있는 Geant4 응용을 위해서 중요한 역할을 한다. 그러므로, 본 연구의 목적은 양성자 치료 전산모사를 위해 Geant4가 제공하는 물리적 모델 중 전자기 물리 모델의 정확성을 검증하는 것이다. 검증은 물, 뼈, 지방 그리고 원자번호가 다른 물질에 대해 양성자의 CSDA 비정(continuous slowing down approximation range)과 저지능(stopping power) 데이터를 미국 국립기술표준원(National Institute of Standards and Technology, NIST)의 데이터를 각각 비교하는 방법으로 이루어졌다. 물, 뼈 그리고 지방에 대해 0.01 MeV에서 10 GeV 범위의 입사 에너지의 CSDA 비정과 저지능 전산모사 결과와 NIST값을 비교한 결과, CSDA 비정의 평균 차는 각각 1.0%, 1.4% 그리고 1.4%를 나타내었고, 저지능에 대한 평균 차는 각각 0.7%, 1.0% 그리고 1.3%를 나타내었다. 또한, 각 물질에 대한 NIST 값과의 유의성을 분석하기 위해 kolmogorov-smirnov Goodness-of-Fit 통계분석 방법을 이용한 결과, 전자기 물리 모델의 전산모사 결과 데이터와 NIST 데이터 사이의 유의성을 나타내는 p-value가 유의 수준 0.05 이상 값을 가진다는 것을 확인 하였으며, 이를 통해 Geant4 전자기 물리 모델의 정확성을 검증할 수 있었다.