Comparative Studies on Absorbed Dose by Geant4-based Simulation Using DICOM File and Gafchromic EBT2 Film Eun Hui Mo*, Sang Ho Lee, Sung Hwan Ahn, Chong Yeal Kim *Department of Radiology, Wonkwang University Hospital, Iksan, Department of Radiological Science, Seonam University, Asan, Department of Radiation Science & Technology, Chonbuk National University, Jeonju, Korea Monte Carlo method has been known as the most accurate method for calculating absorbed dose in the human body, and an anthropomorphic phantom has been mainly used as a method of simulating internal organs for using such a calculation method. However, various efforts are made to extract data on several internal organs in the human body directly from CT DICOM files in recent Monte Carlo calculation using Geant4 code and to use by converting them into the geometry necessary for simulation. Such a function makes it possible to calculate the internal absorbed dose accurately while duplicating the actual human anatomical structure. Thus, this study calculated the absorbed dose in the human body by using Geant4 associating with DICOM files, and aimed to confirm the usefulness by compare the result with the measured dose using a Gafchromic EBT2 film. This study compared the dose calculated using simulation and the measured dose in beam central axis using the EBT2 film. The results showed that the range of difference was an average of 3.75% except for a build-up region, in which the dose rapidly changed from skin surface to the depth of maximum dose. In addition, this study made it easy to confirm the target absorbed dose by internal organ and organ through the output of the calculated value of dose by CT slice and the dose value of each voxel in each slice. Thus, the method that outputs dose value by slice and voxel through the use of CT DICOM, which is actual image data of human body, instead of the anthropomorphic phantom enables accurate dose calculations of various regions. Therefore, it is considered that it will be useful for dose calculation of radiotherapy planning system in the future. Moreover, it is applicable for currently-used several energy ranges in current use, so it is considered that it will be effectively used in order to check the radiation absorbed dose in the human body. Key Words: Monte Carlo method, Geant4, Gafchromic EBT2 film, DICOM 서 의료분야에서몬테카를로방식을이용한시뮬레이션은방사선조사로인한인체내부의선량분포와흡수선량을계산할수있다. 특히방사선치료영역에서정확한선량분포를예측하여치료계획을세워야하는경우에유용하게쓰이는통계적계산법이다. 1) 몬테카를로기법을이용한시뮬레이터 (simulator) 중고에너지입자실험을위해유럽입자물리연구소 (European Organization for Nuclear Research, CERN) 에서 이논문은 2012 년 11 월 12 일접수하여 2012 년 12 월 10 일채택되었음. 책임저자 : 모은희, (570-711) 전북익산시신용동 344-2 원광대학교병원영상의학과 Tel: 063)859-1899, Fax: 063)851-4749 E-mail: mo0428@hanmail.net 론 개발된 Geant4는물질내에서모든입자의물리적과정을시뮬레이션할수있을뿐만아니라복잡한 geometry을묘사할수있고, 전자기장에서의취급이가능한시뮬레이션코드이다. 또한객체지향언어인 C++ 를프로그래밍언어로사용하여기능성과활용성, 적용의다양성을갖추고있어고에너지와핵물리실험, 천체물리, 의학물리, 방사선방어와우주과학등다양한영역에서활용되고있다. 2-4) DICOM (Standard for Digital Imaging and Communication in Medicine) 은환자의획득된영상데이터와환자의개인적인정보데이터를처리하고저장하는데사용되는데이터형식이다. 이러한 DICOM 파일을이용하면필요한데이터를용이하게획득할수있고이미존재하는진단, 치료시스템과도쉽게통합할수있다. 5) 최근 Geant4 code는 DicomHandler라는변환파일을사용함으로써선량계를이용하는것과같은직접측정방법으 - 48 -
로는불가능하였던인체내부의흡수선량을해부학적구조물들을그대로재현하면서계산할수있게하고있다. 6) 즉, DicomHandler 함수는 CT image data을 Geant4에서사용할수있는 geometry로변환하여인체내흡수선량을계산할수있도록하는기능을한다. 방사선치료영역에서환자에게입사되는방사선량을측정하기위한선량계로이온전리함, 열형광선량계 (Thermoluminescent dosimeter, TLD), Gafchromic 필름, 반도체디텍터등이이용된다. 이중필름을이용한 Film dosimetry는임상에서 2D 선량분포를확인하는 QA (Quality assurance) 에사용이편리하기때문에많이사용되어진다. 최근성능이개선된 Gafchromic EBT2 필름으로측정된선량은 radiographic 필름의단점인화학적현상과정없이절대선량에가깝다고제조사는발표하고있다. 7) Gafchromic EBT2 필름은조직등가물질로되어있고, 방사선에너지의존성이적으며, 높은공간분해능과현상이필요없다는특성을갖고있기때문에 IMRT의 QA와소조사면을이용하는방사선수술에서사용되어질정도로신뢰할수있는선량측정을할수있다. 7-10) 본연구에서는인체내부의선량분포를확인하기위해서 CT에서얻은 DICOM 파일과 Geant4 코드를이용하였다. 또시뮬레이션을통해얻은선량값을실제 Gafchromic EBT2 필름을이용하여측정한선량과비교함으로써환자의의료영상데이터인 DICOM 파일을사용한 Geant4 simulation의유용성을확인해보고자하였다. 대상및방법 1. ART 팬텀 & CT data Geant4 Geometry에서인체내부구조를표현하기위해 ART (Alderson Radiation Therapy) 팬텀이사용되었다. ART 팬텀은두께가 25 mm인 34개의슬라이스가연결되어인체의 Head, Lung, Pelvis를형성한다. 조직등가물질로이루어진 ART 팬텀은방사선치료에서선량측정을위해자주사용되는인체모형팬텀이다. 본연구에서 simulation을위한인체구조는 ART 팬텀의 lung 부위를 5 mm 간격으로스캔하여 29개의 CT image를획득하여활용하였다. CT DICOM 파일에는환자의개인정보와장비정보, 환자의 image정보, 스캔정보등이저장되어있고, 파일의확장자는.dcm 를갖는다. Image 스캔을위한 CT 장비는 SIEMENS사의 Sensation Open 모델이다. 2. 시뮬레이션의실행본연구는 Geant 4.9.5 버전이사용되었다. 컴파일러는 Microsoft Visual Studio 2010 express가사용되었고, 계산에 CLHEP 2.1.1.0을함께사용하였다. 시뮬레이션에사용될광자의에너지스펙트럼을생성하기위해 Varian 2100C LINAC을모델링한후이온전리함아래에가상의검출기를위치시키고 6 MeV의전자선에의해발생하는에너지스펙트럼을얻은다음 0.1 MeV 구간별로확률분포를구하였으며, 이때히스토리는 2 10 8 회씩 8회입사시켜계산을수행하였다. 이확률분포를다시누적확률분포로변환하여시뮬레이션의스펙트럼데이터로사용하였다. 1) 이스펙트럼데이터를기본으로설정한후물팬텀에서측정한 PDD와일치시키기위하여각에너지구간별 Weighting factor를구하고이를다시스펙트럼에적용하였다. 방사선조사야는 5 5 cm 2 로하고입자히스토리는 1 10 8 개를설정한후교정된 6 MV의광자에너지스펙트럼을이용하여시뮬레이션을실행시켰다. 시뮬레이션시행후얻어진흡수선량은이용이편리하도록각각의 CT 슬라이스별로출력되어지도록하여 29개의결과파일을형성하였다. 29개의파일중선속의중심위치에해당하는파일에서중심축의깊이에따른선량값을읽어최대선량값을찾은후이를기준으로깊이에따른선량의백분율을계산하였다. 3. Dicom 파일의변환 Binary로 code화되어있는 CT의 DICOM data에는환자의인적사항과장비에대한사항그리고환자의 image 정보를포함하고있다. 시뮬레이션을위해 CT의 DICOM data는 Geant4에서이용가능한형태의 geometry 모델로변환하여야하고, 이를위해 DicomHandler라는파일을사용한다. DicomHandler는 DICOM 파일에서 matrix의크기, 슬라이스정보, 픽셀의크기, 각픽셀의 Hounsfield 정보를읽어 Geant4 코드에서사용가능한형태의파일을생성한다. DICOM 파일에서 image의픽셀값은 CT의 Hounsfield number (HU) 를나타낸다. Geant4 변환파일은이러한픽셀값을 physical density로변환한후여기에다시이밀도구간에해당하는 material type을설정한다. 픽셀값의밀도변환을위한 CT의픽셀값과이에해당하는밀도의 calibration curve를구하기위해 Catphan 503 (The Phantom Laboratory) 팬톰을이용하였고, 밀도를 material type으로설정하기위해서는인체의물질분류와밀도에관한 ICRU report 46에근 - 49 -
Eun Hui Mo, et al: Absorbed Dose Calculation by Geant4-based Simulation Using DICOM File Fig. 1. DICOM image (a) and Converted Image into Geant4 geometry (b) of phantom. Fig. 2. Trajectory of radiation beam in Geant4 simulation. 거하여 Data.dat 파일에정의하여사용하였다. 이처럼 DICOM 파일의픽셀크기에해당하는복셀을만든후이복셀에해당밀도와 material type를설정하여 Geant4에서사용되어질수있도록재구성하여사용하였다. Fig. 1은 ART 팬톰에서 lung의 DICOM image와이를 DicomHandler 파일을이용하여복셀로변환한 Geant4 geometry을나타내었다. Fig. 2는변환파일을이용하여생성된 Geant4 geometry에광자선을조사한모습을시각화한것이다. 4. Gafchromic EBT2 필름본연구에서 Film dosimetry에사용된필름은가장최근 개발된 Gafchromic EBT2 필름으로이제품은기존의 EBT 필름에비해자외선이나가시광선의영향을덜받도록설계된것이다. Gafchromic EBT2 필름은인체의선량을측정하기에앞서 Background 보정이필요하고, 선량과픽셀값사이의 response curve을위한 calibration 작업이필요하다. 먼저, 가로 세로가 5 5 cm 2 로 cutting된 calibration 필름을고체팬텀 (plastic water, Nuclear Associate, Carle Place, NY) 사이에한장씩위치시켰다. 방사선조사야를 10 10 cm 2 로하고 SSD는 100 cm가되게설정한후선량 0.1 1 Gy는 0.1 Gy 간격으로, 1 4 Gy는 0.5 Gy 간격으로 6 MV 광자를조사하였고, 필름의안정화를위해약 12시간이상보관후 EPSON Expression 1680 Pro scanner (Japan, Epson Co.) 를이용하여필름을스캐닝하였다. 스캐너에의해읽혀진필름의픽셀값은조사된선량과비교를통해선량-픽셀값 response curve을작성하였고, Background를보정하기위해방사선이조사되지않은필름을스캔하여스캐너의광원과 flat-bed 사이의산란효과를보정하였다. 체내의선량분포를측정하기위한 Gafchromic EBT2 필름은 5 25.4 cm로 cutting하여중심선속에위치한 ART 팬텀의횡단면에삽입하고시뮬레이션과동일한조건에서 6 MV 광자를입사시켰다. 방사선이조사된선량측정용필름은필름스캐너로스캐닝하여 calibration 필름에의해생성된 response curve을이용하여선량값으로변환하였고깊이에따른 relative dose (%) 을계산하였다. Gafchromic EBT2 필름의모든분석은 FILM-QA software (version 2.2.0113, USA) 를사용하였고, 방사선조사는 Varian - 50 -
사의 Clinac ix 선형가속기 (LINAC) 를사용하였다. 결과및고찰 ART 팬텀의 lung을 5 mm 간격으로스캔하여 29개의 DICOM 파일을만들고, 이를 Geant4에서사용가능한 Geometry로구성한후조사야 5 5 cm 2 에 6 MV의광자선을입사시켜방사선과물질과의상호작용을시뮬레이션함으로써인체내부에흡수되는선량을계산하였다. 본연구에서사용한 SIEMENS사의 CT 장비에서얻은 lung CT image에서대략적인픽셀크기는 0.98 0.98 mm 2 이었고, row 와, column에서각 4개픽셀들이합쳐져하나의복셀을형성하도록 code화하였다. 따라서 Geant4 geometry로변환된파일에서는크기가 3.9 3.9 5.0 mm 3 인복셀이 128 128개형성되었다. 또한이러한크기의복셀각각에서의흡수선량을쉽게이용하기위해본연구에서는계산된선량이 29 개의슬라이스별로각각출력되도록하였고 (Table 1), 각슬라이스에서도복셀의 x, y좌표를정하여 (Fig. 3) 좌표별로 선량값이출력되도록하였다 (Table 2). 이렇게함으로서손쉽게각좌표별또는인체내부의각장기나기관에서원하는지점의선량을확인할수있다. Fig. 4에 Geant4 시뮬레이션을통해계산된흡수선량중선속의중심축슬라이스에서의깊이에따른선량백분율을구한것과 Gafchromic EBT2 필름에의해측정된심부선량백분율을구한그래프를비교하여나타내었다. 시뮬레이션에의해계산된최대선량깊이와 Gafchromic EBT2 필름을이용하여측정된최대선량깊이는각각 15.6 mm, 15.4 mm 로두결과가상당히정확하게일치함을볼수있다. Fig. 5는 Geant4 시뮬레이션을통해계산된심부선량백분율과 Gafchromic EBT2 필름을이용하여측정된심부선량백분율의오차를구하여도시하였다. 심부선량백분율의오차는식 (1) 과같이정의할수있다. Table 1. File change with progression of simulation. Raw DICOM Conversion file Output 1.dcm 2.dcm 3.dcm 4.dcm 5.dcm. 26.dcm 27.dcm 28.dcm 29.dcm 1.g4dcm 2.g4dcm 3.g4dcm 4.g4dcm 5.g4dcm. 26.g4dcm 27.g4dcm 28.g4dcm 29.g4dcm DICOM0.out DICOM1.out DICOM2.out DICOM3.out DICOM4.out. DICOM25.out DICOM26.out DICOM27.out DICOM28.out Fig. 3. x, y coordinate of voxel in one slice. Table 2. The calculated dose distribution table by voxel coordinate of the center slice data. X (mm) Y (mm) Dose (Gy) -17.5781-13.6719-9.76563-5.85938-5.85938 9.76563 13.6719 17.5781 1.81E-17 1.85E-17 1.87E-17 1.90E-17 1.88E-17 1.88E-17 1.87E-17 1.86E-17 1.86E-17 1.86E-17 Fig. 4. Comparison of calculated dose and measured dose by depth in phantom. - 51 -
Eun Hui Mo, et al: Absorbed Dose Calculation by Geant4-based Simulation Using DICOM File 이용될수있으리라생각된다. 또한치료영역뿐만이아니라저에너지를사용하는진단영역의선질에대해에서도인체내각장기별, 기관별정확한선량평가를위해유용하게사용되어질것이라생각된다. 결 론 Fig. 5. Difference (%) between calculated dose and measured dose. (1) ICRU Report 24에서는방사선치료시방사선량오차를 ±5% 이내로요구하고있다. 본연구에서는심부선량백분율의오차가평균 3.75% 를보이고있어 DICOM 파일을이용한 Geant4 시뮬레이션이인체내부의흡수선량을측정함에있어유용한계산방식임을보이는있다. 그러나측정과계산의심부선량백분율의오차가표면에서최대선량지점인 15.4 mm 깊이까지그차이가매우큰것으로나타났는데이는방사선치료에너지영역인고에너지광자선의사용시피부표면에서부터최대선량깊이까지는선량이급격하게변화하는 build up 영역이기때문인것으로보인다. 11) Build up 영역에서는작은깊이의변화에도매우급격한선량변화를나타내므로이영역에서흡수선량분포를정확하게측정하는것이매우어렵다. 또한흡수선량을측정하는선량계의형태와선량측정방법에따라많은차이를보이는것으로보고되고있다. 12) 선량의측정이부정확한 build up 영역에서의다소큰차이를제외한최대선량깊이이후에서선량오차의평균은 3.75% 로 Geant4 시뮬레이션에의한선량계산이아직은만족할수없지만좀더개선하면향후인체내선량계산에유용함을확인할수있다. 본논문의선량오차의결과는장과이 13) 의보고에서계산에의한선량값이 EBT 필름을이용한측정선량과 5% 이내의오차를보인다고한것보다더낮은선량오차를나타내는것으로조사되었다. 결론적으로 DICOM 파일과 Geant4를이용한시뮬레이션에의한인체내선량계산과본연구에서사용한선량의복셀별, 좌표별출력방식은향후여러치료에서다양하게 현재까지는인체내장기의선량계산을위해인체모형팬텀을사용하면서결정된장기의모양과위치에따라선량계산을해왔던것과달리본연구에서는실제환자의 CT image data을통해개개인의해부학적구조를재현하여각부위별흡수선량을계산하기위해 DICOM 파일을이용한 Geant4 시뮬레이션 code를사용하였고이를 Gafchromic EBT2 필름으로측정한선량과비교를통해유용성을확인하였다. DICOM 파일을이용한 Geant4 선량계산과본연구에서마련한복셀별, 좌표별선량출력방식은정확한선량계산뿐만아니라자료의활용성을증대시키고또한저에너지영역에서의목적장기의흡수선량확인을위해유용한선량계산 code로활용되어질수있을것으로사료된다. 참고문헌 1. 강상구, 안성환, 김종일 : 몬테카를로방법에의한 6MV 선형가속기의광자흡수선량분포평가에관한연구. 방사선기술과학 34(1):43-49 (2011) 2. Agostinelli S, Allison J, Amoko K, et al: GEANT4-a simulation toolkit. NIMPRA 506(3):250-303 (2003) 3. Pia MG: The Geant4 Toolkit: simulation capabilities and application results. NPB (Proc. Suppl) 125:60-68 (2003) 4. Agostinelli S, Allison J, Amoko K, et al: Geant4 developments and applications. TNS 53(1):270-278 (2006) 5. http://medical.nema.org DICOM Homepage 6. Kimura A, Tanaka S, Aso T, et al: DICOM interface and visualization tool for geant4-based dose calculation. Nuclear science symposium conference record, 2005. IEEE 2:981-984 (2005) 7. Devic S, Seuntjens J, Sham E, et al: Precise radiochromic film dosimetry using a flat-bed scanner. Med Phys 32:2245-2253 (2005) 8. Fuss M, Sturtewagen E, De Wagter C, Georg D: Dosimetric characterization of GafChromic EBT film and its implication on film dosimetry quality assurance. Phys Med Biol 21:4211-4225 (2007) 9. Fiandra C, Ricardi U, Ragona R, et al: Clinical use of EBT model Gafchromic film in radiotherapy. Med Phys 33:4314-4319 (2006) 10. Wilcox EE, Daskalov GM, Pavlonnis G 3rd, Shumway R, Kaplan B, VanRooy E: Dosimetric verification of intensity - 52 -
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