Earticle

Background: The purpose of this study is to assign an appropriate density to virtual phantom for 2D diode array detector with different dose calculation algorithms to guarantee the accuracy of patient-specific QA. Materials and Methods: Ten VMAT plans with 6 MV photon beam and ten VMAT plans with 15 MV photon beam were selected retrospectively. The computed tomography (CT) images of MapCHECK2 with MapPHAN were acquired to design the virtual phantom images. For all plans, dose distributions were calculated for the virtual phantoms with four different materials by AAA and AXB algorithms. The four materials were polystyrene, 455 HU, Jursinic phantom, and PVC. Passing rates for several gamma criteria were calculated by comparing the measured dose distribution with calculated dose distributions of four materials. Results and Discussion: For validation of AXB modeling in clinic, the mean percentages of agreement in the cases of dose difference criteria of 1.0% and 2.0% for 6 MV were 97.2% ± 2.3%, and 99.4% ± 1.1%, respectively while those for 15 MV were 98.5% ± 0.85% and 99.8% ± 0.2%, respectively. In the case of 2%/2 mm, all mean passing rates were more than 96.0% and 97.2% for 6 MV and 15 MV, respectively, regardless of the virtual phantoms of different materials and dose calculation algorithms. The passing rates in all criteria slightly increased for AXB as well as AAA when using 455 HU rather than polystyrene. Conclusion: The virtual phantom which had a 455 HU values showed high passing rates for all gamma criteria. To guarantee the accuracy of patent-specific VMAT QA, each institution should fine-tune the mass density or HU values of this device.

2011년 국제방사선방호위원회(ICRP)는 최근 역학 조사들을 근거로 방사선영향으로 발생할 수 있는 암 외 질환의 위험에 대한 권고를 개정하였다. 특히 수정체 조직반응의 발단선량을 0.5 Gy로 하향 조정하면서, 계획 피폭상황에서 직무피폭 시 수정체 등가선량한도를 “정해진 5년 기간 동안 평균해서 연간 20 mSv, 그 중 어느 한 해에도 50 mSv를 초과하지 않아야 한다”로 권고하였다. 방사선작업종사자의 외부선량은 개인 열형광선량계(TLD)를 사용하여 감시하고 있으며 판독한 열형광소자별 반응도를 선량평가 알고리즘에 적용하면 개인의 수정체 등가선량을 구할 수 있다. 본 논문에서는 성능검사에 사용된 Harshaw TLD의 소자반응도를 사용하여 현재 사용 중인 알고리즘들에 의한 수정체 등가선량을 평가하였다. 그 결과 성능검사에 사용된 TLD의 소자반응도를 사용하여 수정체 등가선량을 평가한 경우 알고리즘 간의 상대오차는 최대 48.84% 내에 있는 것으로 나타났다.

International Commission on Radiological Protection (ICRP) has revised its recommendations concerning the tissue reaction to ionizing radiation in accordance with consideration of the detriment arising from non-cancer effects of radiation on health based on recent epidemiological basis. Particularly, for the lens of the eye, the threshold in absorbed dose revised to be 0.5 Gy, for occupational exposure in planned exposure situation the commission recommended "An equivalent dose limit for the lens of the eye of 20 mSv in a year, averaged over defined periods of 5 years, with no single year exceeding 50 mSv." To monitor the radiation exposure of radiation worker, TLD is typically provided and the lens of eye dose can be assessed by run of dose calculation algorithm with TL element response data. This study is to assess equivalent dose of the lens of eye using the Harshaw TLD system and its two different dose calculation algorithms. The result provides the Harshaw TLD system showed the assessment of the lens of eye dose with 48.84% error range.

목 적 : FFF(Flatterning Filter Free)빔을 이용한 방사선치료계획 시 불균질 부위에서 TPS상의 선량분포와 실제측정 선량분포를 비교하여 TPS의 선량계산 알고리즘 AAA(Analytic anisotropic algorithm)의 불균질부 교정의 정확성을 검증하려한다. 대상 및 방법 : Solid water팬텀과 Cork, 파라핀으로 자체 제작한 흉부종양팬텀을 이용하여 종양의 위치별(반도형태/섬형태), 크기별 ($2cm{\time}2cm{\time}2cm/4cm{\time}4cm{\time}4cm$)로 각각 치료계획용 CT영상을 획득한 후, 본원의 흉부 SABR 치료계획시스템인 Ecilpse의 AAA(Analytic anisotropic algorithm)을 이용하여 6MV 광자선 치료계획을 수립하였다. 본원의 TrueBeam STx(Varian medical system, Palo Alto, CA)를 이용하여 완성된 치료계획에 따라 EBT2 필름을 삽입한 자체제작 흉부종양팬텀에 방사선을 조사하였고, 종양내부 및 경계부에서의 치료계획 선량값과 실제팬텀측정 선량값을 비교 평가 해보았다. 결 과 : 타겟내 중심측에서는 TPS상의 선량값과 측정값의 차이가 1.28~2.7%로 나타났으며, 불균질부를 포함한 타겟의 경계부들에서는 Ant측면에서 2.02%~7.40%, Post측면 4.46%~14.84%, Rt측면 0.98%~7.12%, Lt측면 1.36%~4.08%, Sup측면 2.38%~4.98%, Inf측면 0.94%~3.54%로 차이가 났다. 결 론 : 본 연구를 통하여 불균질부 SABR치료 시 FFF빔의 특성과 불균질부의 영향으로 인한 선량계산의 오차가 생길 가능성이 있음을 알게 되었다. 최신의 방사선 치료방법 중 가장 각광받고 있는 SABR치료는 환자에게 적은 횟수로 고선량의 방사선을 조사하기 때문에 고도의 정확성이 요구되는 만큼 불균질부와 같은 장기특성과 FFF빔의 선량분포의 특성을 더욱 연구하여 치료계획 알고리즘에 적용해야 치료계획 시 발생하는 오류를 최소화 하여 최적의 치료를 시행할 수 있을 것이다.

Purpose : To verify the accuracy of the Ecilpse's dose calculation algorithm(AAA:Analytic anisotropic algorithm) in case of a radiation treatment on Inhomogeneous tissues using FFF beam comparing dose distribution at TPS with actual distribution. Materials and Methods : After acquiring CT images for radiation treatment by the location of tumors and sizes using the solid water phantoms, cork and chest tumor phantom made of paraffin, we established the treatment plan for 6MV photon therapy using our radiation treatment planning system for chest SABR, Ecilpse's AAA(Analytic anisotropic algorithm). According to the completed plan, using our TrueBeam STx(Varian medical system, Palo Alto, CA), we irradiated radiation on the chest tumor phantom on which EBT2 films are inserted and evaluated the dose value of the treatment plan and that of the actual phantom on Inhomogeneous tissue. Results : The difference of the dose value between TPS and measurement at the medial target is 1.28~2.7%, and, at the side of target including inhomogeneous tissues, the difference is 2.02%~7.40% at Ant, 4.46%~14.84% at Post, 0.98%~7.12% at Rt, 1.36%~4.08% at Lt, 2.38%~4.98% at Sup, and 0.94%~3.54% at Inf. Conclusion : In this study, we discovered the possibility of dose calculation's errors caused by FFF beam's characteristics and the inhomogeneous tissues when we do SBRT for inhomogeneous tissues. SBRT which is most popular therapy method needs high accuracy because it irradiates high dose radiation in small fraction. So, it is supposed that ideal treatment is possible if we minimize the errors when planning for treatment through more study about organ's characteristics like Inhomogeneous tissues and FFF beam's characteristics.

본 연구에서는 외부조사 광자선에 대한 3차원 선량계산 알고리즘 모델을 개발하기 위한 기초 연구로서 기존의 2D 선량 계산 알고리즘을 확장시켜 비동일 평면 조사가 가능한 2.5D 선량계산 모델을 개발하였다. 이를 위해 3차원 치료계획 및 선량계산에 적합하도록 환자 및 조사빔에 대한 3차원 좌표계 시스템을 정의하고, 이들 간의 좌표변환식을 유도하였다. 선량계산 알고리즘으로는 "Clarkson-Cunningham" 의 2D 광자선량 계산 알고리즘을 3차원으로 확장시켜 정형 조사면 및 비정형 조사면에 대한 선량계산과 wedge filter에 대한 선량계산이 가능하도록 하였고, Batho 방식을 적용하여 비 균질 보정을 구현하였다. 선량계산의 정확도를 평가하기 위해, AAPM TG #23 에 제시된 절차에 따라 자료에 제시된 4MV 광자선에 대한 실험 값과 본 연구에서 계산된 결과를 비교한 결과, 정형조 사면에 대한 PDD(percent depth dose)는 buildup 영역을 제외하면 $\pm$1% 이내, 비정형 조사면의 경우 $\pm$3% 이내에서 실험값과 일치하였다. 또한, wedge filter에 대한 PDD 및 profile은 $\pm$3% 이내, 45$^{\circ}$ oblique 입사빔에 대한 선량은 $\pm$4% 이내에서 실험값과 일치하였다. 비균질 보정의 경우 Lung/water 경계에서 7% 과소 평가되었고, Bone/water 경계에서 3% 과대 평가되는 것으로 나타났다. 이들 결과를 종합해 볼 때, 비균질 보정을 제외하고는 비교적 정확하게 선량을 계산하는 것으로 평가되었다. 추후 대부분의 상용 2.5D 치료계획시스템 (radiation treatment planning system; RTP)들이 비균질 보정 방법으로 사용하고 있는 Equivalent TAR(tissue-air ratio) 방식을 구현시키고자 하며, 본 연구에서 구현된 선량계산 모듈을 교육 및 연구용으로 활용할 수 있을 것으로 기대 한다.것으로 기대 한다.

In this study, as a preliminary study for developing a full 3D photon dose calculation algorithm, We developed 2.5D photon dose calculation algorithm by extending 2D calculation algorithm to allow non-coplanar configurations of photon beams. For this purpose, we defined the 3d patient coordinate system and the 3d beam coordinate system, which are appropriate to 3d treatment planning and dose calculation. and then, calculate a transformation matrix between them. For dose calculation, we extended 2d "Clarkson-Cunningham" model to 3d one, which can calculate wedge fields as well as regular and irregular fields on arbitrary plane. The simple Batho's power-law method was implemented as an inhomogeneity correction. We evaluated the accuracy of our dose model following procedures of AAPM TG#23; radiation treatment planning dosimetry verifications for 4MV of Varian Clinac-4. As results, PDDs (percent depth dose) of cubic fields, the accuracy of calculation are within 1% except buildup region, and $\pm$3% for irregular fields and wedge fields. And for 45$^{\circ}$ oblique incident beam, the deviations between measurements and calculations are within $\pm$4%. In the case of inhomogeneity correction, the calculation underestimate 7% at the lung/water boundary and overestimate 3% at the bone/water boundary. At the conclusions, we found out our model can predict dose with 5% accuracy at the general condition. we expect our model can be used as a tool for educational and research purpose.. purpose..

본 연구에서는 외부조사 전자선에 대한 3 차원 선량계산 알고리즘 모델을 개발하기 위한 기초연구로서 기존의 2D 펜실빔 알고리즘을 확장시켜 3 차원 geometry를 적절히 고려할 수 있는 선량계산 모델을 개발하고자 한다. 선량계산 모듈은 IDL5.2(Reseach Systems Inc. 미국)를 사용하여 프로그램하였으며, Hogstrom의 펜실빔 모델에 의한 선량계산에 필요한 중심축 상의 깊이선량분포는 Siemens M6740의 12MeV 전자선에 대한 측정치를 사용하였고, 전자선의 공기 및 불에서의 선형저지능 (linear stopping power), 선형산란능 (linear scattering power) 은 ICRU 보고서 35로부터 인용하여 사용하였다. 선량계산의 정확도를 확인하기 위하여 정형 조사면에 대한 선량분포 공기 간격 효과 인체 외곽 보정에 대해 전리함, 필름 등을 사용하여 얻은 측정값과 비교, 분석하였다. PC(Pentium III 450MHz) 상에서 프로그램 실행 결과 단일 조사 빔에 대한 선량계산에 약 120초가 소요되어, 선량계산 알고리즘의 최적화를 통한 선량계산 시간 단축이 필요하다 하겠다. 선량 평가에 대한 비교 결과, 정형 및 비정형 조사변에 대한 선량분포는 선량변화가 급격한 반음영 (penumbra) 영역에서 $\pm$3mm 이내의 오차를 보였으며, 측방 선량분포에 따른 비교 결과, 측정치와 5% 이내에서 일치하였다. 또한 공기 간격 및 인체 외곽선 보정의 경우, $\pm$10% 내외에서 측정값과 일치하였다. 결론적으로, 전자선에 대한 2 차원 펜실빔 모델을 확장하여 3 차원 치료계획에 적합하게 3 차원상의 임의의 단변 선량계산이 가능하도록 구현되었다. 또한 비정형 조사변에 대한 선량계산 뿐만 아니라, 인체외곽 및 공기 간격 등과 같이 3 차원적 geometry에 대한 보정이 필요한 경우에 대하여도 이를 선량계산 시 적절히 고려함을 확인할 수 있었다. 추후, CT를 통한 비균질 보정방식을 구현할 계획이며, 이들 선량계산 모듈은 교육 및 연구용으로 적절히 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

In this paper, as a preliminary study for developing a full 3D electron dose calculation algorithm, We developed 2.5D electron dose calculation algorithm by extending 2D pencil-beam model to consider three dimensional geometry such as air-gap and obliquity appropriately. The dose calculation algorithm was implemented using the IDL5.2(Research Systems Inc., USA), For calculation of the Hogstrom's pencil-beam algorithm, the measured data of the central-axis depth-dose for 12 MeV(Siemens M6740) and the linear stopping power and the linear scattering power of water and air from ICRU report 35 was used. To evaluate the accuracy of the implemented program, we compared the calculated dose distribution with the film measurements in the three situations; the normal incident beam, the 45$^{\circ}$ oblique incident beam, and the beam incident on the pit-shaped phantom. As results, about 120 seconds had been required on the PC (Pentium III 450MHz) to calculate dose distribution of a single beam. It needs some optimizing methods to speed up the dose calculation. For the accuracy of dose calculation, in the case of the normal incident beam of the regular and irregular shaped field, at the rapid dose gradient region of penumbra, the errors were within $\pm$3 mm and the dose profiles were agreed within 5%. However, the discrepancy between the calculation and the measurement were about 10% for the oblique incident beam and the beam incident on the pit-shaped phantom. In conclusions, we expended 2D pencil-beam algorithm to take into account the three dimensional geometry of the patient. And also, as well as the dose calculation of irregular field, the irregular shaped body contour and the air-gap could be considered appropriately in the implemented program. In the near future, the more accurate algorithm will be implemented considering inhomogeneity correction using CT, and at that time, the program can be used as a tool for educational and research purpose. This study was supported by a grant (＃HMP-98-G-1-016) of the HAN(Highly Advanced National) Project, Ministry of Health & Welfare, R.O.K.

모델 기반으로 광자선 선량을 계산하는 전산화치료계획장치를 취역검사(commissioning)하기 위해서는 많은 파라미터들을 조절해가면서 측정된 심부선량 및 가로방향선량분포 등을 맞추어야한다. 우리는 몬테카를로 전산 모사를 이용하여 Pinnacle$^3$ 시스템의 취역검사에 필요한 광자선의 에너지 스펙트럼, 오염 전자(contaminant electron), 축외선질연화(off-axis softening) 및 입자 유량 증가 등을 기술하는 파라미터들을 구하였다. 몬테칼로 계산을 통해 실험으로는 측정이 쉽지 않은 이러한 양들의 변화량을 알 수 있었으나 축외선질연화 및 입자 유량 증가 변수의 경우에는 Pinnacle$^3$ 시스템을 이용한 계산과 측정값에 불일치를 보였다. 전산화치료계획장치의 취역검사에 몬테카를로 방식으로부터 얻은 파라미터 값을 그대로 이용하는 문제는 추가 연구가 필요하다.

The commissioning of a model-based treatment planning system requires many parameters to fit the measured depth doses and transverse profiles. For the commissioning of the Pinnacle$^3$ system, through the Monte Carlo (MC) simulation, the necessary parameters, including the photon spectrum, contaminant electrons, off-axis softening and fluency of photons, were observed. Through the simulation the parameters contained valuable information, but the calculated results of the Pinnacle$^3$ using the MC-derived parameters showed discrepancies with those measured for the off-axis softening and the fluency of photons. Even though the MC calculation produces reasonable values for the commissioning, the thorough physical basis of the Pinnacle$^3$'s commissioning process is needed in order to directly use the MC derived parameters.

본 연구의 목적은 국내 개발된 치료계획장치(Treatment Planning System, TPS)인 CorePLAN$^{TM}$에서의 빔 모델링을 기반으로 하는 Collapsed Cone Convolution (CCC) 선량 계산 알고리듬의 정확성을 평가하는 것이다. 여러 셋업 조건에 따라 빔 모델을 TPS에 생성하였고, 6 MV와 15 MV 광자 에너지에 대하여 $50{\times}50{\times}50cm^3$의 물 팬톰 내에서 CCC 알고리듬을 사용하여 선량 계산을 하였다. 대상 조사면은 $4{\times}4cm^2$, $6{\times}6cm^2$, $10{\times}10cm^2$, $20{\times}20cm^2$, $30{\times}30cm^2$와 $40{\times}40cm^2$을 대상으로 하였고, 각각에 대하여 열린 조사면과 쐐기 조사면으로 구분하였다. 생성된 빔 모델들은 측정된 데이터와 계산된 데이터의 심부선량백분율(Percent depth dose, PDD)과 선량프로파일(lateral profile)을 비교하여 모든 깊이에서도 잘 맞는지 평가하였다. 측정된 방사선량과 CorePLAN$^{TM}$에서 CCC 알고리듬을 이용하여 계산된 방사선량은 PDD에 있어 build-up 영역을 제외하고 열린 조사면은 최대 2%, 쐐기 조사면는 최대 3% 이내로 일치하였다. 선량프로파일은 조사면 내 영역에서는 1%, 반음영 영역에서는 4% 이내로 일치함을 확인하였다. 모든 조사면에서 반음영을 제외한 $10{\times}10cm^2$에서 최대 $40{\times}40cm^2$까지의 선량프로파일에 대하여 측정된 방사선량과 계산된 방사선량이 3% 이내로 일치하였다. 반면에, 열린 조사면에 비하여 쐐기 조사면에서 선량 차이가 뿔(horn) 영역의 가장자리에서 4%까지 높게 나타났다. 본 연구 결과에서 보여주는 선량 차이는 일부 영역을 제외하고 국제 기준에 적합한 결과값을 보였다. 선량 차이가 크게 발생하는 영역은 임상적으로 중요성이 크지 않은 표면 영역임을 감안할 때, 임상에서의 활용이 가능하리라 기대된다.

This study aims to evaluate the accuracy of the collapsed cone convolution (CCC) algorithm for dose calculation in a treatment planning system (TPS), CorePLAN$^{TM}$. We implemented beam models for various setup conditions in TPS and calculated radiation dose using CCC algorithm for 6 MV and 15 MV photon beam in $50{\times}50{\times}50cm^3$ water phantom. Field sizes were $4{\times}4cm^2$, $6{\times}6cm^2$, $10{\times}10cm^2$, $20{\times}20cm^2$, $30{\times}30cm^2$ and $40{\times}40cm^2$ and each case was classified as open beam cases and wedged beam cases, respectively. Generated beam models were evaluated by comparing calculated data and measured data of percent depth dose (PDD) and lateral profile. As a result, PDD showed good agreement within approximately 2% in open beam cases and 3% in wedged beam cases except for build-up region and lateral profile also correspond within approximately 1% in field and 4% in penumbra region. On the other hand, the discrepancies were found approximately 4% in wedged beam cases. This study has demonstrated the accuracy of beam model-based CCC algorithm in CorePLAN$^{TM}$ and the most of results from this study were acceptable according to international standards. Although, the area with large dose difference shown in this study was not significant region in clinical field, the result of our study would open the possibility to apply CorePLAN$^{TM}$ into clinical field.

본 연구의 목적은 Ir-192 선원의 검교정을 겉보기 방사능(apparent activity)을 이용하지 않고 물속 기준점에서 흡수선량을 측정함으로써 공기커마 세기(air-kerma strength, Sk)를 계산하고자 알고리즘을 개발하였다. 연구를 위하여 근접치료용 다목적 팬톰(multi purpose brachytherapy Phantom, MPBP)을 제작하였다. 물 흡수선량 측정은 고선량률 근접치료기(micro-Selectron, Nucletron, Netherlands)에 장착된 Ir-192 선원(Mallinckrodt Medical B.V., Netherlands)을 대상으로 측정하였다. 물 흡수선량은 몬테칼로 계산방법으로 계산된 이온전리함(TM30013, PTW, Germany)의 물 흡수선량 교정인자($N_{D.W.Q}$)를 이용하여 결정하였다. 물 흡수선량은 한 개의 선원에 대하여 4 cm에서 7 cm까지 측정하였다. 측정된 값은 전산화 치료계획 장치에서(plato BPS, ver 13.2, Nucletron, Netherlands) 계산된 값과 비교하였다. 공기커마 세기(Sk)는 기준점 5 cm되는 곳에서 3개의 Ir 선원에 대하여 구하였다. 계산된 공기커마 세기는 선원제조사에서 제공된 값과 비교하였다. 몬테칼로 계산방법으로 계산된 이온전리함의 물 흡수선량 교정인자는 5.28 cGy/nC이었다. 한 개 선원에서 측정한 물 흡수선량 값은 -2.16%에서 -0.84%까지 상대오차를 나타내었다. 공기커마 세기는 제조사에서 제공된 값과 비교하여 -0.6%에서 +1.8% 제조사 권고치 ${\pm}5%$ 이내로 잘 일치하였다. 본 연구에서 개발한 알고리즘은 기준점에서의 물 흡수선량을 정확히 결정함으로써 선원의 공기커마 세기를 구할 수 있었다. 이러한 물 흡수선량을 통한 Ir-192 선원의 검교정 방법들은 미국의학물리학회(AAPM) 보고서 TG-43에서 권고한 흡수선량 계산 알고리즘에 바로 적용할 수 있는 것으로 사료된다.

The aim of this study was to develop the calculation algorithm of source strength of Ir-192 source In terms of the absorbed dose to water instead of an apparent activity (Ci). For this work the Multi Purpose Brachytherapy Phantom(MPBP) was developed, which was designed to locate the source and the chamber precisely at a specific position Inside the water phantom. The reference point of measurement was set at the 5 cm distance along the transverse axis of the source. For a brachytherapy source calibration, the absorbed dose to water calibration factor ($N_{D.W.Q}$) of an lonization chamber were determined and then apply standard protocols of absorbed dose to water. The calibration factor ($N_{D.W.Q}$) of the ion chamber (TM30013, PTW, Germany) was determined using the EGSnrcCPP Monte Carlo Code. The calculated calibration factor ($N_{D.W.Q}$) was 5.28 cGy/nC. The calculated factor was then used to determine the absorbed dose to water from which the air kerma strength for an Ir-192 source can be easily derived at the reference point (5 cm). The calculated air kerma strength showed discrepancies of -0.6% to +1.8% relative to the air kerma strength provided by the vendor, In this work we demonstrated that the air kerma strength ($S_k$) could be determined from the absorbed dose to water calibration factor for Ir-192 source. In audition, this source calibration method could be applied directly to the dose Calculation formalism of AAPM report TG-43.