Original Article PROGRESS in MEDICAL PHYSICS Vol. 24, No. 4, December, 2013 http://dx.doi.org/10.14316/pmp.2013.24.4.259 Development of DICOM Convert Program for the Geant4 Monte Carlo Simulation of the Radiotherapy Jeongku Kang*, Dong Joon Lee *Department of Radiation Oncology, Presbyterian Medical Center, Jeonju Department of Neurosurgery, Ilsan Paik Hospital, College of Medicine, Inje University, Goyang, Korea The DICOM converter program of the Geant4 Monte Carlo simulation code for the application of radiotherapy was developed. We analysis the header part of the DICOM file and find various parameters, such as matrix size, pixel size, stored data bits, high bit, and padding values. Especially we evaluate every pixel value of the DICOM files. To conform the exact convert of the pixel values, we developed the verify program. As a result, the DICOM formats generated from difference CT vendors can be converted and verified for Genat4 calculations. Key Words: Monte Carlo, Dicom, Radiotherapy, Geant4 서 최근방사선치료에서는정위적방사선수술, 세기조절방사선치료등이활발하게시도되고있다. 이에따라이들치료에서의정확한선량계산을위해전산모사에관한연구가여러연구자들에의해다양하게시도되고있다. 1,2) 현재국내에서진행되는전산모사연구는 MCNP 코드를이용하는그룹과 Geant4를이용하는그룹으로크게양분되어있다. 하지만최근들어방사선치료분야에서 Geant4의사용이점차증가하는추세이다. 이들전산모사의연구에서방사선과물질과의상호작용을정확하게계산하기위해서는인체또는팬텀으로사용하는물질의기하학적인구조및구성성분에대한기본정보를정확하게기술하는것이필요하다. 이들에대한정보의정확성이결국최종계산되는선량의정확도를결정한다해도과언이아니다. 따라서많은연구자들이전산모사를시행하기위한기하학적구조를생성에많은노력을기울이고있다. 3,4) 최근 Geant4를사용하는그룹에서는전산모사에서일반적으로사용하는팬텀대신환자의진단영상인 DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) 파일을이 이논문은 2009 년도정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된연구임 (No. 2009-0078392, BAERI). 이논문은 2013 년 11 월 26 일접수하여 2013 년 12 월 9 일채택되었음. 책임저자 : 이동준, (411-706) 경기도고양시일산서구대화동 2240 인제대학교일산백병원신경외과 Tel: 031)910-7730, Fax: 031)915-0885 E-mail: djlee@paik.ac.kr 론 용해서기하학적인구조를생성하는방법이시도되고있다. 5) DICOM 영상을이용하면인체의해부학적구조를정확히묘사할수있다는장점이있다. 하지만실제 DICOM 파일에서는각화소의픽셀값에서이에해당하는 HU (Hounsfield Unit) 이얻을수있는유일한정보이다. 다행히이들값에서물질의밀도로변환하고이들밀도를크기의구간별로물질을할당하여이용하는기법이개발되어전산모사에적용하려는시도가이루어지고있다. 하지만 DICOM 파일을변환하는과정에서여러가지문제점으로인하여이를이용한전산모사의실행에어려움으로작용하고있는상태이다. 이에본연구에서는 DICOM 파일의변환에서일어나는문제점을해결하여 Geant4를이용하는전산모사에서 DICOM 파일을원활하게이용할수있도록하였다. 실제로국내각병원에서도입된다양한장비에서얻어진 DICOM 파일의파일형식에관계없이모두변환을할수있는방법을모색하였다. 이를이용하면정확한인체구조를구현할수있어다양한부위의모든전산모사에활용이가능하리라생각된다. 재료및방법 DICOM 파일은 Fig. 1에보인것처럼크게두부분으로구성되어있다. 첫번째부분은각종진료정보와파일의생성에관한정보를담고있는헤더부분이다. 실제로이부분의내용에서 DICOM 파일에포함된다양한정보를얻을수있다. 즉메트릭스의크기, 슬라이스의정보, 픽셀의 - 259 -
Jeongku Kang and Dong Joon Lee:Development of DICOM Convert Program for the Geant4 Monte Carlo Simulation of the Radiotherapy Fig. 1. Structure of the header part of the Dicom file. 크기, 12비트또는 16비트의사용여부, 데이터블록의크기등의각종정보를헤더부분에서구할수있다. 두번째부분은실제화면을구성하는각픽셀의 HU값을저장한데이터부분이다. 이부분의수치값을취하여밀도로변환하도록하였다. 각픽셀의 HU값을밀도로변환하기위해서는교정곡선을구해야하는데이를위해 Catphan 503 (The Phantom Laboratory, USA) 팬텀을사용하였다. 1. 헤더정보의획득 DICOM 파일에서헤더정보를획득하는방법은기본적으로 Geant4 배포판의예제에서제공한알고리즘을그대로사용하였다. 6) 여기에실제파일의변환시문제가되었던부분을수정하고추가하였다. 먼저가장큰문제점은헤더파인부분을전혀인식할수없는문제였다. 헤더부분을읽어들이기위해할당된데이터의크기가작기때문이었다. 국내의각병원에는주로 GE 사, Philips 사, Siemens 사, Hitachi 사등의 CT (Computed Tomography) 가설치되어있다. 이들의 CT에서만들어진 DICOM 파일에서헤더데이터를획득하기위해서는헤더데이터의크기보다큰버퍼용량을할당해야한다. 헤더데이터는 DICOM 파일이만들어지면서생성되고크기가가변적이어서정확한크기를확정지울수는없으나 16 kb ( 킬로바이트 ) 이상으로할당하면모든변환이정상적으로이루어졌다. 국내에설치된 CT는모두기본적인리틀엔디언 (little endian) 이적용되는기종이어서빅엔디언 (big endian) 에대한처리는생략하였다. 하지만 Philips 사 CT의 DICOM 파일을처리하면서엔디언 (endian) 의설정이바뀌어야 2바이트를되돌린후함께포함해서 4바이트의길이를읽어야정확한값을읽을수있는경우도있음을확인하였다. 이 러한현상은진단용 CT에서발생하였으며치료용 CT-Sim 에서는정상적으로읽을수있었다. 데이터의처리에있어서도 GE 사의 CT는 16비트를사용하지만 Phillips 사의 CT 는 12비트를사용하면서최상위 4개비트는사용하지않았다. DICOM 파일에서경우에따라서는최하위 4개비트를사용하지않을수도있다. 따라서이들의차이에따른처리루틴을추가하여야했다. CT 스캔을실행할때 FOV (Field of View) 의설정에따라데이터영역이직사각형인경우 DICOM 파일로저장하면서정사각형형태로만들기위해패딩값을추가하여규격화하기도한다. 이들에대한처리에서는패딩값을추가여부를헤더에서검출한다음패딩값을찾아이값을제거하도록처리하였다. 이러한처리를하지않으면실제변환시제대로변환이이루어지지않거나잘못된밀도로변환이이루어진다. 2. 데이터픽셀의밀도변환헤더부분의끝은 7FE010이라는헥사코드값으로주어지며이때읽어들인데이터값이픽셀데이터의바이트크기가된다. 이부분의위치를정확히찾아야픽셀값을정확히구할수있다. 픽셀값은 2바이트를읽어들인후리틀엔디언의경우두바이트를서로바꾸어서구하도록되어있다. 따라서이위치의선정이잘못되면전혀엉뚱한밀도값으로변환이일어난다. Geant4의배포판의예제에서제시한알고리즘은여기에치명적인결함이있다. 이를실제로실행해보면정확한픽셀위치를찾지못할뿐만아니라템플레이트 (Template) 로제공된바이트교환루틴에서교환후아스키 (ASCII) 값으로의변환이제대로일어나지않았다. 본연구에서는이들에대한처리알고리즘을개발하여정확한변환이일어나도록처리하였다. 특히픽셀값 - 260 -
PROGRESS in MEDICAL PHYSICS Vol. 24, No. 4, December, 2013 의정확성담보를위하여각각의픽셀값을일일이확인하였다. DICOM 파일중에는아주예외적인경우로데이터부분이압축되어있는 DICOM 파일형식이있다. 이러한파일은확인결과 JPEG 압축알고리즘을사용하였으며데이터의크기를대략절반정도로줄일수있었다. 이러한파일은주로개인병원의 DICOM 파일에서발견할수있었다. 본연구에서는 JPEG 압축된 DICOM 파일의변환은제외하였다. 픽셀값에서밀도로의변환은 HU값을 2,000에서 +2,000 까지 12개구간으로구분하여이에해당하는밀도값을표로주어지고이를이용해선형으로계산하여구하였다. 이표는위에서설명한 Catphan 503을사용하였다. 이교정곡선에대해서는각각의 CT에대해서구해야하며향후좀더자세한논의가필요할걸로생각된다. Table 1에이번에사용한값을보였다. 픽셀값은전산모사에서사용할압축률을이용해평균값을구하였다. 압축률이 1인경우는각각의픽셀값을그대로사용하고압축률이 2이면옆으로 2개픽셀과바로아래의 2개픽셀, 총 4개픽셀값의평균을구해사용하였다. 상용으로사용하는치료계획장치의프로그램에서는밀도를기반으로해서선량계산을하는반면전산모사에서는인체의각구성물질과의상호작용을계산하기때문에각각의픽셀에물질을할당해주어야한다. 하지만픽셀에서구한밀도값에서물질을할당하기에는대단히모호함이있다. 여기에 DICOM 파일을이용한전산모사의가장큰어려움이있다. 이러한이유가 DICOM 파일을이용한전산모사연구가부진한한원인이라고생각한다. 따라서이부 분이향후집중적으로연구되어야한다고생각한다. 본연구에서는밀도에서인체내물질을할당할때밀도별로 10개로나누면실제선량계산에크게무리가없을것이라는 ICRU Report 46을인용하였다. 7) 물론여러가지다른구성성분이라도같은밀도를갖을수있다. 하지만현재로써는이부분에연구가크게미흡한부분이다. 본연구에서사용한밀도별물질을 Table 2에보였다. Geant4에서 DICOM을이용하는경우같은물질이라도밀도를세분화여계산하도록하는루틴이마련되어있다. 8) 3. 픽셀데이터값변환의확인본연구에서는기존에행했던변환과정에서의시행착오를방지하기위하여실제픽셀값과읽어들인픽셀값그리고변환된밀도값을확인하는프로그램을제작하였다. 실제로한슬라이스의픽셀값을일일이수작업으로확인을한결과엄청난시간이소요됨에따라프로그램으로오류를확인하도록처리하였다. 수작업으로확인한작업은결국확인프로그램의검증역할을한것이다. 프로그램은델파이로코딩을하였으며각픽셀값을비교하여디스플레이할수있도록하였으며 DICOM 파일의변환으로 Geant4에서사용할수있도록만들어진중간파일을읽어들여 DICOM 영상을표시할수있도록하였다. 단순히픽셀값을확인하기위한프로그램이기때문에메뉴에는변환된중간파일을선택할수있도록하였고주화면의이미지표시부분에는각압축률별로나타내는버튼을배치시켰다. 화면오른쪽에는읽어들인데이터값을표시하도록배치하였다. 향후이프로그램은전산모사후얻어진선량값을이용하여 DICOM 영상에등선량곡선을표시하도록처리할계획이다. Table 1. Relationship between HU values and mass density of the materials on the CT image. HU (hounsfield unit) Density (g/cm 3 ) 2,000 0.000 1,000 0.010 773 0.190 516 0.490 72 0.950 34 0.980 4 1.000 42 1.040 49 1.050 238 1.120 951 1.510 2,000 2.000 Table 2. Relation for the density and materials. Density Range (g/cm 3 ) Material 0. 0.207 Air 0.207 0.481 Lungs (inhale) 0.481 0.919 Lungs (exhale) 0.919 0.979 Adipose 0.979 1.004 Breast 1.004 1.043 Phantom 1.043 1.109 Liver 1.109 1.113 Muscle 1.113 1.496 Trabecular bone 1.496 1.654 Dense bone - 261 -
Jeongku Kang and Dong Joon Lee:Development of DICOM Convert Program for the Geant4 Monte Carlo Simulation of the Radiotherapy 결과전산모사에서 DICOM 파일을이용하여계산을하는문제는팬텀을사용하지않고도인체의모든장기와모든위치에서의선량을정확하게계산할수있기때문에오래전부터시도되어왔었다. 하지만 DICOM 파일의밀도변환문제와이밀도값에서물질을할당하는문제때문에많은 어려움을느껴왔다. 본연구에서는정위적방사선수술의전산모사를시도하던중 DICOM 파일의변환이시급함을깨닫고이에대한변환을시도하였다. DICOM파일의변환은 3단계로이루어진다. 먼저 DICOM 파일의헤더부분을변환하는과정에서화면에표시해준다. 이과정에서실행시어느정도정상적으로변환이일어남을추측할수있다. 다음으로는모든픽셀의값을읽어들인후주어진압축률에따라밀도를계산한후밀도 Fig. 2. Difference of header part of DICOM file. Fig. 3. Difference of bits stored. (a) bits stored=12 and High bits= 11 (b) bits stored=16 and high bit=15. - 262 -
PROGRESS in MEDICAL PHYSICS Vol. 24, No. 4, December, 2013 Fig. 4. Evaluation of converted meta files. (a) original DICOM file (b) compressed file (compression=1) (c) compressed file (compression=2) (d) compressed file (compression=4). 값에해당하는물질을할당한후이물질의인덱스값을중간파일에저장한다. 이때밀도계산은주어진교정곡선을이용하여선형으로계산한다. 다음은각픽셀의실제계산된밀도값을 Geant4에서사용하는중간파일에저장한다. 이중간파일의확장자는 g4dcm이며일반텍스트파일의형태로저장된다. Fig. 2에 GE와 Philipse사 CT의 DICOM 파일의헤더부분을보였다. 정확하게보이진않지만시작부분의차이에서제작회사별로헤더의구조가다름을알수있다. 또한헤더정보에의해서제작회사별로데이터비트의사용양도다름을 Fig. 3에보였다. 헤더의태그 0028:0101에저장되는비트수가각각 12와 16을보이며태그 0028:0102에는사용하는최상위비트가각각 11과 15임을보이고있다. Fig. 4에는계산된픽셀값을확인하기위해개발한프로그램에서각각의압축률별로얻은것을원래영상과확인한것이다. 압축률 1에서는매트릭스크기가 512 512이며압축률 2에서는매트릭스크기가 256 256이고압축률 3에서 는매트릭스의크기가 128 128임을보이고있다. 결론방사선치료분야에서정위적방사선수술과세기조절방사선치료의기법이활성화되면서정확한선량계산의방법으로알려진전산모사의활용이더욱요구되고있다. 하지만다양한모양과복잡한인체구조를전산모사에서구현하기가어려워그동안은손쉽게접근할수없었다. 환자의진료영상으로흔히사용하는 DICOM 파일을이용하여인체의기하학적인구조를구현하려는시도가여러연구자들에의해이루어졌지만만족할만한결과를얻지못했다. 특히 Geant4의배포판에포함된변환알고리즘의구현역시실제환경에서는실행이되지않고있다. 이에본저자들은배포판에서제공된알고리즘을더욱발전시켜국내에서사용하고있는대부분 CT의 DICOM 영상을변환할수있도록개발하였다. 물론밀도에서물질을할당하는 - 263 -
Jeongku Kang and Dong Joon Lee:Development of DICOM Convert Program for the Geant4 Monte Carlo Simulation of the Radiotherapy 방식의알고리즘은향후개선의여지가많이있지만현재로써는최선의해결책이라생각한다. 본연구에서는 Geant4를이용한전산모사에서가장중요한인체의기하학적구조를생성하기위한 CT의 DICOM 파일의변환에대해연구하였다. 특히국내에서널리이용하고있는모든 CT 영상을변환시킬수있도록알고리즘을개선하였다. 또한실제파일변환의모든단계에서정확하게변환되는지검증을거쳐확인을하였다. 더욱이각각의픽셀값의변환의경우 2바이트의픽셀값이정확히교환이일어나는지를확인하였으며이에따른밀도변환의정확성이검증을거치게되었다. 따라서이변환을이용하면정위적방사선수술, 세기조절방사선치료, 3차원입체조형치료등모든방사선치료분야에서의전산모사를수행할때인체에대한기하학적구조를생성하기위한기본자료로써널리사용되리라생각된다. 참고문헌 1. Joh YG, Kim HD, Kim BY, et al: Calculation of energy spectra for electron beam of medical linear accelerator using GEANT4. Korean Journal of Medical Physics 22(2):85-91 (2011) 2. Park SH, Jung WG, Rah JE, Park S, Suh TS: Evaluation of the secondary particle effect in inhomogeneous media for proton therapy using Geant4 based MC simulation. Journal of Medical Physics 21(4):311-322 (2010) 3. Kimura A, Tanaka S, Aso T, et al: DICOM interface and visulization tool for Geant4-based dose calculation. Nuclear Science Symposium Conference Record 2005 IEEE Volume 2:981-984 (2005) 4. Agostinelli S, Allison J, Amako K, et al: Geant4 developments and applications. IEEE Transactions on Nuclear Science 53(1):270-278 (2006) 5. Kim BY, Kim HD, Kim SJ, Oh SA, Kang JK, Kim SK: Study on the 6MV photon beam characteristics and analysis method from medical linear accelerators using Geant4 medical Linac2 example. Journal of Medical Physics 22(2):79-84 (2011) 6. GEANT4 Collaboration Version Geant4 9.6.0: Geant4 user s guide for application developers. CERN (2013) 7. ICRU Report 46: Photon, Electron, Proton and Neutron Interaction data for Body Tissues. International Commission on Radiation Units and Measurement, bethesda, MD (1992) 8. Agostinelli S, Allison J, Amako K, et al: Geant4 a simulation toolkit. Nuclear Instruments and Methods A 506(3):250-303 (2003) 방사선치료의 Geant4 전산모사를위한 DICOM 변환프로그램개발 * 전주예수병원방사선종양학과, 인제대학교의과대학일산백병원신경외과학교실 강정구 * ㆍ이동준 방사선치료의선량계산을위해 Geant4 기반의전산모사를실행할때필요한응용프로그램을개발하였다. DICOM의헤더부분을분석하여각종파라메터를구하였다. 특히배포판에서의문제점을모두해결하기위해클래스를새로정의하였다. 따라서국내에설치된대부분의 DICOM 파일을변환할수있게되었다. 픽셀데이터의변환값을확인하는프로그램을개발하여정확성을비교하였다. 중심단어 : 몬테카를로, 다이콤, 방사선치료, 지안트 4-264 -