<별지 1 내표지>
2018년 1월 보 고 서 번 호
고에너지 즉발감마선 측정기반 입자빔 비정 결정
기술 개발
<별지 2>
인 사 말 씀
급변하는 미래 정보통신 기술과 IT 기반의 NT/BT 융합기술은 급속도로 성장하 고 있는 고령화 사회라는 큰 이슈를 해결해야 하는 숙제를 안고 있습니다. 사회 고령 화를 대비하기 위하여 일반인 등 모든 국민들에게 의료서비스 혜택을 제공하여 건강한 삶을유지시켜 의료재정 적자 해소 및 경제 성장 주도의 필요성이 증대되고 있습니다. 특히, 전체 인구의 10% 이상이 암 진단을 받고 치료를 받고 있는 상황에서 효과적인 암치료와 사후 관리는 국가가 상당부분 책임을 져야 하는 중요한 이슈가 되어 있습니 다. 본 보고서는 고통과 후유증 없이 암을 치료하는 기술로 떠오르고 있는 입자빔 치료에서 향후 10년 이내에 반드시 해결해야 할 기술적 난제를 해결하는 연구에 관한 것으로 환자의 X선 CT 정보를 바탕으로 치밀하게 설계한 치료 계획대로 치료가 잘 되 고 있는지 실시간으로 관찰할 수 있도록 환자 몸 안으로 들어간 입자빔의 위치를 찾아 내는 기술에 관한 것입니다. 본 연구를 통하여 확보된 고에너지 즉발 감마선 측정을 통한 입자빔 비정 분석 에 대한 원천기술이 전 국민에게 건강한 삶 제공과 국내 기업의 국제적 시장 경쟁력 향상에 기여하기를 희망합니다. 본연구가 효율적으로 수행되도록 지원을 아끼지 않으 신 관계자 여러분과 과제 수행에 참여한 여러 연구원들의 노고에 치하를 드립니다. 2018년 1월 한국전자통신연구원 원장 이 상 훈<별지 3>
제 출 문
본 연구보고서는 주요사업인 "고에너지 즉발감마선 측정기반 입자빔 비정 결정 기술에 관한 연구"의 결과로서, 본 과제에 참여한 아래의 연구팀이 작성한 것입니다. 2018년 1월 연구책임자 : 책임연구원 김승환 (바이오의료IT연구본부) 연구참여자 : 책임연구원 신동호 (바이오의료IT연구본부) 책임연구원 정문연 (바이오의료IT연구본부) 책임연구원 이상균 (바이오의료IT연구본부) 선임연구원 송동훈 (바이오의료IT연구본부) 선임연구원 조원배 (바이오의료IT연구본부) 연 구 원 김진선 (바이오의료IT연구본부) 교 수 김찬형 ( 한양대학교) 연 구 원 박종훈 ( 한양대학교) 의학물리사 이세병 ( 국립암센터) 의학물리사 정종휘 ( 국립암센터)요
약
문
I. 제목
고에너지 즉발감마선 측정 기반 입자빔 비정 결정 기술 개발
○ 연구기간
: 2015년 1월 1일 ~ 2017년 12월 31일 (3년)
○ 총연구개발비
: 4,017,210천원
○ 최종연도 연구개발비
: 1,203,800천원
II. 연구목적
○ 연구목표
: 입자빔 치료시 발생하는 고에너지 감마선을 정밀하게 계측하는
장치 개발과 이를 활용한 임상시험방법론 개발로 최근 수요가 급증하고 있는
입자빔 칠 시설에서 환자의 안전과 치료효과 극대화를 동시에 달성할 수 있는
체내 입자빔 비정 결정 기술 확립
○ 세부목표
- 고에너지 즉발 감마선 측정장치 시작품 개발
- 신호대 잡음비/처리속도가 향상된 신호처리모듈 개발
- 입자빔 비정 결정 방법론 개발
- 즉발 감마선 영상과 2D x-ray/3D CT 영상 정합기술 개발
- 위치결정 정확도 : 3mm
- 감마선 검출 영역: 14cm
- 계수율 : 10
9III. 연구내용 및 범위
○ 입자빔 치료 임상요구사항 도출
- 치료 사례를 결정과 이를 통한 장치의 기본 사양 도출
- 치료 장비와 연동을 위한 기타 설계 요소 도출
○ 양성자 빔 비정 결정 방법론 개발
- 정량적인 빔 비정 결정 방법론 결정
- 자동화 빔 비정 결정 알고리즘 개발
- Proximal 측정 data 기반 계수율 개선 방법론 제시
○ 즉발 감마선 측정 장치 개발 및 성능시험
- 균질/비균질 팬텀을 이용한 측정장치 성능 평가
- 양성자 빔 비정의 3D CT 영상 정합 기술 및 가시화 기술 개발
목 차
제 1 장 서론 ··· 1 제 1 절 과제의 개용 ··· 1 제 2 절 즉발 감마선을 활용한 입자빔 비정 검증 시나리오 ···2 제 3 절 연구개발목표 및 내용 ···6 가. 최종목표 ···6 나. 연차별 연구개발 목표 및 내용 ···6 다. 당해연도 연구개발 목표 및 내용 ···7 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과 ··· 9 제 1 절 성과목표 및 평가방법 ···9 가. 성과목표의 개요 ···9 나. 상위 목표와의 연계성 ···9 다. 성과지표 선정 및 목표 설정 ···9 제 2 절 연구개발 추진 실적 ···20 가. 치료 사례 결정 및 임상시험 요구사항 도출 ···20 나. 치료빔 및 치료실 배경방사선 특성 평가 ···23 다. Spot scanning 빔 치료 사례 및 치료 빔 사양 조사 ···35 라. 측정 장치 시제품의 성능평가를 위한 시험환경 구축 ···44 마. 즉발 감마선 측정장치 원리 검증 ···55 바. 즉발 감마선 측정 시작품 설계 및 제작 ···90 사. 즉발감마선 분포 기반의 양성자 빔 비정 결정 방법론 개발 ···99 아. 즉발감마선 측정 시제품을 이용한 양성자 빔 비정 측정 실험 ···118 자. 인체 비균질성에 따른 비정 보정 알고리즘 개발 ···123 제 3 장 결론 및 향후계획 ···135 [부 록] ···141 A1. 나이프 에지 카메라 (IBA)와 다중 슬릿 카메라 전산모사 비교 ···141 A2. 자동 빔 비정 결정 코드 (Mathmatica) ···147 A3. 양성자 빔 비정의 환자 CT 영상 정합 프로그램 사용법 ···148제
1 장 서론
제
1 절 과제의 개요
양성자 또는 탄소이온과 같은 입자빔을 이용한 종양 치료는 1946년 Robert R. Wilson에 의 해 처음 제안된 후 가속기 기술의 한계와 치료 전용 가속기 시설의 부재 등의 이유로 다른 치 료 방법들, 즉 광자나 전자 빔을 이용한 치료 방법들에 비해 그리 많이 사용되지 않다가, 1990 년 미국 Loma Linda 병원을 시작으로 치료 전용 양성자 가속기가 개발되어 보급되면서 최근 그 사용이 급격하게 증가하고 있다. 입자빔은 비정의 끝 부분에서 선량이 급격하게 증가하였다가 감소하는 브래그 피크(Bragg peak)의 특징을 이용하여 환자 체내의 원하는 지점에만 선량을 집중적으로, 그리고 균일하게 전달할 수 있다는 장점이 있으며[그림 1-1 참조], 광자나 전자 빔에 비하여 빔 퍼짐 현상이 적 기 때문에 방사선에 매우 민감한 주요 장기 및 조직 근처에 위치한 종양들을 치료하기 위해 주로 사용되며, 특히 주변 장기에 선량을 적게 준다는 장점을 바탕으로 방사선에 민감한 소아 나 젊은 층의 환자를 치료하는데 많이 사용되고 있다. 그림 1-1 입자빔 치료의 특징 반면, 입자빔은 체내 입자빔 선량의 분포가 정밀하게 결정되지 못할 경우 광자나 전자 빔과 비교하여 치료효과가 오히려 급격히 떨어진다거나 심지어는 방사선에 민감한 조직이나 장기에 선량을 집중적으로 전달하여 환자를 위험에 빠뜨릴 수 있다는 문제가 있다. 그림 1-2는 치료 깊이 1 cm의 오차에 따라 양성자 빔의 경우는 선량 차이가 90%까지 날 수 있음을 단적으로 보여주고 있다.그림 1-2 치료 깊이 오차에 따른 양성자 선량 변화 또한, 양성자 치료계획시스템의 경우 양성자 빔이 지나는 부분에 공동이나 골격 구조가 존 재하는 경우 선량분포를 정밀하게 계산하지 못하다는 점, 양성자 치료 기간 중 종양 부위 주변 의 해부학적 구조가 심각하게 변할 수 있다는 점 등에서 문제의 심각성은 더해질 수 있다. 따 라서 양성자 치료의 경우 환자 체내에서 양성자 선량의 분포를 치료 중 실시간으로, 그리고 독 립적으로 정밀하게 검증하는 것은 환자의 안전과 치료효과 제고를 위해서 무엇보다 중요하다 고 할 수 있다. 본 과제는 양성자와 같은 입자빔 치료 시 환자 체내에 형성되는 입자빔 선량의 분포를 실 시간으로 영상화 할 수 있는 새로운 영상장치를 개발하고 관련 영상기술을 확보하는 것이다.
제
2 절 즉발 감마선을 활용한 입자빔 비정 검증 시나리오
입자빔 치료는 크게 네 단계(a.치료자세 고정 및 CT모의 치료, b.컴퓨터 치료계획 수립 및 치료선량 결정, c.디지털 영상 포지셔닝 시스템을 이용한 위치 확인, d.입자빔 치료)를 거쳐 진 행된다. 환자의 CT영상을 기초로 치료부위와 치료자세를 결정하고 종양 특성에 맞는 모의치료 를 실시한다. 모의치료 시 결정된 자료를 토대로 치료계획용 컴퓨터를 이용하여 최적의 치료방 법을 고안하게 되는데, 이때 치료마진과 선량이 결정된다[그림 1-3 참조]. 결정된 치료마진과 선량 데이터는 치료기를 관장하는 컴퓨터에 입력되어 그림 4와 같은 spot scanning 계획이 세 워진다. spot scanning은 가장 깊은 부위부터 조사하는 것을 원칙으로 하며, 치료부위에 밀도가 높은 조직이 있을 경우 이에 따른 등가 깊이를 감안하여 spot scanning이 이루어지도록 한 다.
그림 1-3 컴퓨터 치료계획 수립 및 치료선량 결정
입자빔은 체내에 조사되면 체내에 에너지를 전달하며 진행한다. 체내에 에너지를 전달하는 과정에서 입자빔은 사람의 몸을 구성하는 기본요소인 탄소, 산소 원자 등과 충돌한다. 입자빔 은 자신이 갖고 있는 운동에너지 만큼 체내 깊숙이 들어가 모든 에너지를 내놓고 사라지는데, 이 과정에서 많은 양의 감마선과 중성자가 방출된다. 예를 들어, 양성자와 충돌한 탄소원자는 들뜬상태로 천이되었다가 제자리로 돌아오게 되는데, 이때 감마선이 발생된다. 충돌 후 시간차 를 두지 않고 바로 발생되는 특성 때문에 즉발 감마선(prompt gamma-ray)이라 부른다. 즉발 감마선은 양성자 비정을 따라 발생되며 브래그 피크 지점 근방에서 크게 증가하고 이 지점을 벗어날수록 점차 양이 감소되는 특징을 갖는다. 즉발 감마선이 양성자 비정을 따라 형성하는 분포가 브래그 피크와 밀접한 상관관계를 갖고 있기 때문에 즉발 감마선 분포를 측정하면 양 성자의 비정 검증이 가능하다[그림 1-5]. 그림 1-5 즉발 감마선 발생 및 측정 원리 그림 1-5에 나타난 것과 같이 감마선 측정 장치를 이용하여 얻은 즉발 감마선 분포는 컴퓨 터 치료계획 시 결정한 치료마진과 선량 계획 데이터와 비교하여 사전에 계획한 대로 입자빔 이 치료부위에 순차적으로 조사되고 있는지 모니터 상으로 확인하는 것이 본 사업에서 구현하 고자 하는 입자빔 비정 결정 기술이다. 치료실에는 즉발 감마선 분포를 측정하는 장치가 환자 곁에 위치하고 입자빔이 조사될 때마다 즉발 감마선의 분포를 측정하고 이로부터 입자빔의 비 정을 검증하고 계획과 상이한 비정 결과가 나오면 바로 치료를 멈추는 인터락(interlock) 시스 템을 구현할 수 있다[그림 1-7].
그림 1-6 입자빔 비정 검증을 위한 의료영상과 즉발 감마선 분포 정합 개념
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3 절 연구개발목표 및 내용
가. 최종목표 구 분 내 용 최종목표 입자빔 치료시 발생하는 고에너지 감마선을 정밀하게 계측하는 장치 개발 과 이를 활용한 임상시험방법론 개발로 최근 수요가 급증하고 있는 입자빔 치료 시설에서 환자의 안전과 치료효과 극대화를 동시에 달성할 수 있는 체 내 입자빔 비정 결정 기술 확립 세부목표 - 고에너지 즉발 감마선 측정장치 시작품 개발 - 신호대 잡음비/처리속도가 향상된 신호처리모듈 개발 - 입자빔 비정 결정 방법론 개발 - 즉발 감마선 영상과 2D x-ray/3D CT 영상 정합기술 개발 나. 연차별 연구개발 목표 및 내용 구 분 목 표 내 용 1차년도 (2015) 핵심 모듈 시스템 설계 - 즉발 감마선 측정 시작품 설계 - 신호처리모듈 설계 - 임상요구사항 도출 - 치료빔 및 배경방사선 특성 평가 - 원리검증용 측정장치 개발 및 성능 평가 - 고밀도 섬광체 성능 비교 분석 2차년도 (2016) 핵심 모듈 시스템 제작 - 즉발 감마선 측정 시작품 제작 - 신호처리모듈 제작 - 즉발 감마선 분포와 빔 비정 간의 상관관계 규명 - 계수율 (counting Statistics) 개선 방법론 3차년도 (2017) 개발 모듈 시스템 시험 및 최적화 - 즉발 감마선 측정 시작품 동물/임상시험 - 인체 비균질성에 따른 빔 비정 결정 알고리즘 개발 - 즉발 감마선 분포와 의료영상 간 정합 기술 개발다. 당해연도 연구개발 목표 및 내용 가) 연구개발목표 ○ 즉발 감마선 측정 시작품 성능시험 ○ 성능시험을 위한 시험환경구축 (150kg 하중을 견디도록 설계) ○ 인체 비균질성에 따른 빔 비정 결정 알고리즘 개발(비정 결정 정확도: 3mm 이내) ○ 즉발 감마선 분포와 의료영상 간 정합 기술 개발 나) 연구개발 내용 ○ 즉발감마선 측정 기반 입자빔 비정 모니터링 시스템 통합 설계안 도출 (ETRI) - 치료실 couch와 유기적으로 움직이는 측정 장치 거치용 기구물 설계안 도출 - 장치 간 data 형태와 송수신 프로토콜 결정 - 치료빔 노즐, 영상정합 S/W 및 즉발 감마선 측정 장치 동기화 방식 결정 - 측정 결과에 기반한 치료기 자동 제어 방식 결정. - 핵심원천특허(3극 특허) 확보 . 경쟁사(IBA)를 포함한 비정 모니터링 관련 특허/논문 분석을 통한 IPR 확보전략 수립 . 즉발감마선 측정 장치 및 주변 장치와 이들의 운영방식을 모두 포함한 특허명세서 작 성 그림 1-8 입자빔 비정 모니터링 시스템 통합 설계 ○ 즉발감마선 측정 시작품 성능평가 (ETRI, 한양대, 국립암센터) - 측정 장치의 임상 적용 가능성 평가
. 치료실 Gantry rolling floor 업그레이드를 고려한 측정장치 설치용 이동식 카트 제작 . 측정장치의 무게(약 150 Kg)와 빔 방향을 고려한 회전 장치 제작
. 치료실내 케이블 배선 및 조종실내 측정시스템 배치를 통한 비정 측정 시험환경구축 . 비균질 두상형 팬텀을 이용한 측정장치 성능 평가
. 치료계획기 상 환자 체내 Spot별 Bragg Peak 위치 정보 획득용 프로그램 개발 . 독립적인 Spot당 MU 모니터링 방법 개발 및 측정된 비정과의 매칭 프로그램 개발 . DIPS (Digital Imaging Positioning System, 2D x-ray) 장치 업그레이드를 고려한 2D x-ray 영상과 양성자 빔 비정의 정합기술 개발
. PBS 양성자 빔 비정의 3D CT 영상 정합 기술 및 가시화 기술 개발
. 치료계획기에서 획득된 환자 체내 Spot별 Bragg Peak 위치 정보 및 측정된 위치정보의 비교 분석 툴 개발 ○ 자동 다채널 에너지 교정 시스템 개발 (한양대) . 다채널 검출기용 에너지 스펙트럼 측정 장치 제작 . 자동 에너지 교정을 위한 SW 개발 ○ 인체 비균질성에 따른 비정 보정 알고리즘 개발 (한양대) . 비균질 매질에 대한 양성자 빔 비정의 결정 결과를 분석하여 알고리즘 개발에 적용 . 보정 알고리즘 적용 및 성능 평가 ○ 즉발감마선의 3차원 분포를 측정할 수 있는 아이디어 도출 (ETRI, 한양대) . 양성자 빔의 조사 위치 정보를 활용하여 즉발감마선의 3차원 분포를 재구성 가능성 확 인 . 3차원 분포의 영상분해능을 높일 수 있는 새로운 방식의 아이디어 도출 ○ 즉발감마선 측정 장치 활용을 위한 환경 구축 (ETRI) . 레이저-이온 가속 기반 (펄스형) 양성자 빔 delivery 용 간이 gantry 설계 . 세포 실험에 특화된 즉발 감마선 분포 측정 및 정량화 아이디어 도출 영상정합기술개발 임상 적용 가능성 평가
제
2 장 과제 수행의 내용 및 결과
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1 절 성과목표 및 평가방법
가. 성과목표의 개요 ○ 개 요 - 입자빔 치료시 환자의 안전과 치료효과 극대화를 위해 입자빔 조사 위치 모니터링에 필요한 시스템 성능 (치료사례 기반 임상요구사항을 기초로 시스템 성능지표 결정) ○ 설정근거 입자빔 치료 현장에서 요구하는 입자빔 비정 측정 요구사항을 기초하여 목표를 설정함. - 검출 영역, 검출기 위치 분해능: 입자빔 치료시, 입자빔이 지나가는 최대 비정과 일반 적인 암세포 크기 등을 고려하여 결정- Counting Statistics: 각 치료 case 별로 조사한 양성자 조사 선량 data와 의학물리학
자들의 의견을 종합하여 목표치를 설정함. - 입자빔 비정 결정 방법론이 도출됨에 따라 입자빔 비정 결정 정확도를 목표치로 추가 함. 나. 상위 목표와의 연계성 ○ 경영성과계획서(전략목표 및 성과목표)와의 연계성 - ETRI 중장기 기술개발계획에 따른 기술분류체계(ICT융합-공공ICT융합-의료/사회/안전 /에너지 기술)에 속함. - 공공ICT융합의 중점 분야인 고효율 감마선 센서 기술과 실시간 감마선 선량 및 위치 모니터링 기술에 해당됨. ○ 대과제·중과제와의 연계성 - 연간 14조원에 이르는 암치료비에 대응되는 국가의료재정 경감은 가장 공공성이 있는 사회적 문제 해결과제로 대과제에 적합 다. 성과지표 선정 및 목표 설정 ○ 기술개발 성과지표 (‘17년도) 성과지표 (주요성능 Spec) 단위 세계최고수준 기술개발 목표치(‘17) 목표치 산출근거 검증방법 ① 감마선 위치 분해능 mm 4mm 2mm (‘16 달성) 치료용 입자빔 최대 에너지와 크기 등을 고 려하여 위치 48채널 이상의 감마선 측정장 치를 구성하여 각 채널별로
분포로 검증 ② 감마선 검출 영역 cm 8cm 14cm (‘16 달성) 인체 내에서 입자빔이 지나 갈 수 있는 최 대 비정 14cm 비정을 갖는 치료용 입자빔을 사용 하여 각 위치 마다 동시에 감마선이 측정 되는지 확인 ③ Counting statistics 개 1010 5 X 108 입자빔에 의해 발생하는 감마 선 측정시, 감 마선 검출 한 계에 해당함. 다양한 치료 case에 적용하 려면 108개의 입자에 의해 발생된 감마선 을 측정할 수 있어야 함. 입자빔 조사 선량 변화에 따른 감마선 비정 결정 정 확도 측정 ⓸ 위치결정정확도 mm 5mm 3mm 치 료 계 획 에 서 설정한 비정 값과 즉발 감 마선 분포 측 정을 통해 추 출한 비정 값 과의 차이를 나타내는 척도 임. 두상형 비균질 팬텀을 이용하 여 즉발 감마 선 분포를 측 정하고 이를 비정 정보로 변환한 후, 치 료계획 정보와 비교
○ 연구산출물 성과지표 (총사업연도/’17년도) 공통지표(필수제시) 자율지표(자율제시) 지표명 총사업연도 ‘17년도 지표명 총사업연도 ‘17년도 과학적 성과 표준화된 IF 상위 20% SCI 논문(건) 2 1 SCI논문수 4 2 기술적 성과 특허활용률 (기술이전건수/ 특허등록보유건수) 특허 4 1 국제표준특허(건) 국제표준승인표준 기고서(건) 3극 특허(건) 1 1 경제적 성과 연구비 대비 기술료 수입(%)
주1) 표준화된 IF상위 20% SCI 논문 수 : SCI 논문 대비 JCR edition IF 주제별(연구분야별) 상
위 20% 저널 게재 SCI 논문 비율 주2) 국제표준특허 : 당해 연도 중 국제표준기술로 승인이 되었거나 특허실사 등을 통해 국제 표준에 부합하는 것으로 확인된 특허 주3) 국제표준승인표준기고서 : 국제표준화기구/단체에 표준초안 또는 필수 특허기술을 제안하 여 국제표준으로 최종 승인된 표준기고서 * 국제표준특허 및 국제표준승인표준기고서 발생건수가 ’13년도에 편중(‘13년도 Wibro 국제 표준 완료)되어 목표치를 3년 평균보다 낮게 설정[3개년(’13~‘15) 경영목표 근거] 주4) 기술창업 : 연구소 기업 설립 및 ETRI기술 활용 창업 (창업지원 성공률 : 80%) 주5) 국제 표준화기구 의장단 : 평가 대상기간 중 국제 표준화 기구/단체에서 공식적인 지위
(Chairman, Rapporteur, Editor, 선출직 간부)를 보유한 자[작업그룹(연구반 등) 회원 및 연락담 당자(Liaison Officer) 등은 제외]
○ 구체적인 연구 성과 1. 지식재산권 1), 2) 미국 출원 준비 중 2. 논문게제 및 발표실적 번 호 종 류 명 칭 출원일 등록일 국 명 등록번호 1 국내/국 제 2016.08.11 한국 2 국내/국 제 2017.11.16 한국 (미국) 3 국내/국 제 2017.04.10 한국 (미국) 4 국내 2015.12.29 2017.11.14 한국 5 국내 2017.11.08 한국 번 호 구분게재 (논문or 학회발표) 논문명 저자명 저널명 일시 구분( 국내, 국외) SCI 등재 여부 1 학회발표 양성자 PBS 치료계흭의 표면선량 정 확도 향상을 위한 가상 range shifter 적용연구 정종휘, 민순 기, 김학수, 이 세병, 임영경, 신동호, 박정 훈, 정은희, 송 상현, 이누리 대한방사선 종양학회 & 한국의학물 리학회 공동 학술대회 2015 국내 비SCI 2 학회발표 양성자빔 주사방식을 이용한 양성자 치료의 신뢰도 평가 민순기, 정종 휘, 정은희, 김 학수, 송상현, 이누리, 박정 훈, 신동호, 이 세병, 임영경 대한방사선 종양학회 & 한국의학물 리학회 공동 학술대회 2015 국내 비SCI 3 학회발표 양성자빔 주사방식을 이용한 양성자 치료에서 방사선 감광필름에 의학 일 일선량분포 검증 시험 민순기, 정종 휘, 정은희, 김 학수, 송상현, 이누리, 박정 훈, 신동호, 이 세병, 임영경 대한방사선 종양학회 & 한국의학물 리학회 공동 학술대회 2015 국내 비SCI
4 논문게재 이차원 양성자 선량 분포 확인을 위 한 즉발감마선 이차원분포 측정 장치 개발 Jong Hoon Park, Han Rim Lee, Chan Hyeong Kim*, Sung Hun Kim, S e o n g h o o n Kim, Se Byeong Lee Progress in M e d i c a l Physics 2015.03.01 국내 비SCI 5 논문게제
New small-intestine modeling method for surface-based computational human phantoms
Yeon Soo Yeom, Han Sung Kim, Thang Tat Nguyen, Zhao Jun Wang, Min Cheol Han, Chan Hyeong Kim, Jai Ki Lee, Maria Zankl, N i n a Petoussi-Hens s, Wesley E. B o l c h , Choonsik Lee, Beom Sun Chung Physics in Me d i c i n e and Biology 논문 심사 중 국외 SCI 6 학회발표 대면적 위치민감형 섬광검출기의 콤 프턴 카메라 적용성 분석 이현수, 김영 수, 이한림, 박 종훈, 김재현, 김찬형* 대한방사선 방어학회 2015. 10. 23 국내 비SCI 7 학회발표 양성자 빔 비정 결정을 위한 원리검증용 다중 슬릿 카메라 제작 박종훈, 이한 림, 김성훈, 구 영모, 김찬형* 대한방사선 방어학회 2015. 10. 23 국내 비SCI 8 학회발표 감마 버텍스 영상 장치용 FPGA 기 반 고속 데이터 획득 장치 개발 이한림, 김성 훈, 박종훈, 김 찬형*, 정원균 대한방사선 방어학회 2015. 10. 23 국내 비SCI 9 학회발표 대형 콤프턴 카메라용 대면적 단결정 섬광검출기 특성평가 연구 이현수, 김영 수, 이한림, 박 종훈, 김재현, 김찬형* 대한방사선 방어학회 2015. 4. 22. 국내 비SCI
10 논문게재
Development of Compton imaging system for nuclear material monitoring at pyroprocessing test-bed facility Y o u n g - s u Kim, Jae Hyeon Kim, Hyun Su Lee, Han Rim Lee, Jong Hoon Park, Jin Hyung Park, Hee Seo, Chaehun Lee, Se Hwan Park, Chan Hyeong Kim* Journal of N u c l e a r Science and Technology 2016.06.30 국외 SCI 11 논문게재
New Small-intestine Modeling Method for Surface-based Computational Human Phantoms
Yeon Soo Yeom, Han Sung Kim, Thang Tat N g u y e n , Chansoo Choi, Min Cheol Han, Chan Hyeong Kim*, Jai Ki Lee, Maria Zankl, N i n a Petoussi-Hens s, Wesley E B o l c h , Choonsik Lee and Beom Sun Chung Journal of Radiological Protection 2016.03.23 국외 SCI 12 논문게재
Development of Dual-mode Signal Processing Module for Multi-slit Prompt-gamma Camera Jong Hoon Park, Han Rim Lee, Sung Hun Kim, Chan Hyeong Kim*, Dong Ho Shin, Se Byeong Lee, J o n g H w i Jeong Progress in M e d i c a l Physics 2016.03.01 국내 비SCI
13 학회발표 (포스터)
Construction and Test of Proof-of-principle Multi-slit Camera for Proton Beam Range Verification
Jong Hoon Park, Han Rim Lee, Sung Hun Kim, Chan Hyeong Kim*, Youngmo Ku, Dong Ho Shin, Jong Hwi Jeong, Se Byeong Lee PTCOG 55 2016.05.22 국외 비SCI 14 학회발표 (포스터) Performance Improvement of Gamma Electron Vertex Imaging (GEVI) System for Proton Dose Monitoring
Han Rim Lee, Sung Hun Kim, Jong Hoon Park, Won Gyun Jung, Chan Hyeong Kim* PTCOG 55 2016.05.22 국외 비SCI 15 학회발표 (구두)
Development of Mesh-type ICRP Reference Phantoms and its Implications
Chan Hyeong
Kim* IRPA 14 2016.05.09 국외 비SCI
16 학회발표 (구두)
Polygon Mesh Conversion of ICRP Reference Phantoms Chan Hyeong Kim, Yeon Soo Yeom, Thang Tat Nguyen, Zhao Jun Wang, Han Sung Kim, Min Cheol Han, Jai Ki Lee, Maria Zankl, Nina Petoussi-Hens s, Wesley E. B o l c h , Choonsik Lee, Beom Sun Chung I C R P Symposium o n Radiological Protection Dosimetry 2016.02.18 국외 비SCI
17 논문게재
Prototype system for proton beam range measurement based on gamma electron vertex imaging
Han Rim Lee, Sung Hun Kim, Jong Hoon Park, Won Gyun Jung, Hansang Lim, Chan Hyeong Kim* Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, Section A 2016.06.11 국외 SCI 18 논문게재
Temporal Resolution Required for Accurate Evaluation of the Interplay
Effect in Spot Scanning Proton Therapy Jeongmin Seo, Min Cheol Han, Yeon Soo Yeom, Hyun Su Lee, Chan Hyeong Kim*, Jong Hwi Jeong, SeongHoon Kim Journal of the Korean Physical Society 2017.04.11 국내 SCI 19 논문게재
Inclusion of thin target and source regions in alimentary and respiratory tract systems of mesh-type ICRP adult reference
phantoms Han Sung Kim, Yeon Soo Yeom, Thang Tat Nguyen, Chansoo Choi, Min Cheol Han, Jai Ki Lee, Chan Hyeong Kim*, Maria Zankl, Nina Petoussi-Hens s, Wesley E Bolch, Choonsik Lee, Rui Qiu, Keith
Eckerman, Beom Sun Chung Physics in Medicine and Biology 2017.02.17 국외 SCI 20 논문게재 Development of 4D CT Data Generation Program based on CAD Models through the Convergence of
Biomedical Engineering 서정민*, 한민철, 이현수, 이세형, 김찬형 Journal of the Korean Physical Society 2017.04.11 국내 비SCI
21 학회발표 (구두)
Improving the Counting Statistics of Multi-slit Prompt-gamma Camera
for Proton Beam Range Determination Jong Hoon Park, Sung Hun Kim, Youngmo Ku, Chan Hyeong Kim*, Dong Ho Shin, Jong Hwi Jeong, Se Byeong Lee, Han Rim Lee
PTCOG 56 2017.05.11 국외
22 학회발표 (구두)
Image Generation of Extra-Phase of 4DCT to Reflect Irregular Respiratory Motion of Patient
Hyun Su Lee, Min Cheol Han, Yeon Soo Yeom, Thang Tat Nguyen, Chansoo Choi, Chan Hyeong Kim*, Seonghoon Kim, Sang Hyoun Choi, Soon Sung Lee, Jina Kim,
JinHo Hwang, Youngnam Kang 6th Internationa l Workshop on Computatio nal Human Phantoms 2017.08.28 국외
23 학회발표 (구두)
New mesh-type phantoms and their dosimetry applications including
emergencies Chan Hyeong Kim*, Yeon Soo Yeom, Thang Tat Nguyen, Min Cheol Han, Chansoo Choi, Hanjin Lee, Haegin Han, Bangho Shin, Jai-Ki Lee, Han Sung Kim, Maria Zankl, Nina Petoussi-Hens s, Wesley E Bolch, Choonsik Lee, Beon Sun Chung, Rui Qiu, Keith Eckerman 4th INTERNAT IONAL SYMPOSIU M OF THE SYSTEM OF RADIOLOG ICAL PROTECTI ON ERPW 2nd EUROPEA N RADIOLOG ICAL PROTECTI ON RESEARC H WEEK 2017.10.10 국외 24 학회발표 (포스터)
Methodology for Beam Range Determination for Gamma Electron
Vertex Imaging System
Sung Hun Kim, Jong Hoon Park, Han Rim Lee, Youngmo Ku, Chan Hyeong
Kim*
25 논문게재
A Novel Medical Conformity Index for Accurate Plan Evaluation in Radiotherapy Haksoo Kim , Nuri Lee , Sanghyeon Song , Kwan Ho Cho , Dae Yong Kim , Sung Ho Moon , Dong Ho Shin , Young Kyung Lim , Jong Hwi Jeong , Jason Sohn Oncotarget Under Review (minor revision) 국외 SCI 26 학회발표
Dose Variation from Patient-specific Devices on the Commercial TPS in the Passive Scattering Proton Therapy
Chankyu Kim, Se Byeong Lee, Nuri Lee, Jong Hwi Jung, Haksoo Kim, Eun Hee Jeang, Dongho Shin, Young Kyung Lim, Wook-Geun Shin, Chul Hee Min 2017년 대한 방사선종양 학회 정기학 술대회 2017.10.13 국내 비SCI 27 학회발표
Evaluation of dose difference from scattered protons on the current TPS in the passive scattering proton therapy
Chankyu Kim, Se Byeong Lee, Nuri Lee, Jong Hwi Jung, Haksoo Kim, Eun Hee Jeang, Dongho Shin, Young Kyung Lim, Wook-Geun Shin, Chul Hee Min 방사선수술 물리연구회 학술대회 2017.11.10 국내 비SCI
제
2 절 연구개발 추진 실적
가. 치료 사례(case) 결정 및 임상시험 요구사항 도출 입자 빔 비정 검증 장치는 단기적으로 국립암센터에서 양성자 치료기의 PBS(Pencil Beam Scanning) 기법을 사용하여 치료 사례 중 일부에 한하여 직접 적용을 목표로 두고, 장기적으로 는 성능 최적화 결과에 따라 적용 케이스의 범위를 확장하고자 한다. 적용 범위는 환자 치료 사례 중 비교적 비정이 짧고, 즉발 감마선의 투과거리가 짧으면서, 치료 빔 필드(field) 별 선량이 높은 Brain 또는 Head & Neck 케이스로 한정하였다. 입자빔 치료 모니터링 시스템 개발에
필요한 임상적 요구사항을 (1)비정 측정 정확도, (2)측정 FOV(Field of View), (3)측정 효율, (4)
기타 설계 요소로 분류하여 도출하였다.
1. 비정 측정 정확도
개발하고자 하는 시스템에서 요구되는 비정 측정의 정확도는 환자 치료 시 사용되는 종양 target volume의 빔 마진(margin)을 기반으로 도출하였다. ICRU(International Commission on Radiation Units & Measurements)에서 정의하는 종양의 target volume은 다음과 같다(그림 2-1). 방사선 치료를 위하여 방사선종양학과 의사가 결정하는 종양부위를 GTV(Gross Tumor Volume)라 하며, 주변 조직의 전이를 고려하여 GTV로부터 확장시킨 볼륨을 CTV(Clinical Target Volume)라 한다. 또한 환자셋업의 불확도(setup uncertainty)를 고려하여 CTV로부터 확
장시킨 볼륨을 PTV(Planning Target Volume)라 하는데, 일반적으로 처방 선량을 PTV에 균일
하게 채울 수 있도록 치료계획을 수행한다. 현재 국립암센터에서는 양성자 빔의 비정 불확도
(range uncertainty)를 고려하여 PTV에 빔 마진을 추가하여 치료계획을 수행하는데 빔 방향에 서 먼 쪽(distal margin)에는 2-3 mm, 가까운 쪽(proximal margin)에는 3-5 mm를 사용한다.
따라서 입자 빔 치료 모니터링 시스템에서 요구되는 비정 측정의 정확도는 ~3 mm 이내로 결
그림 2-1 방사선 치료에 사용되는 target volume의 정의 (ICRU-62)
2. 측정 FOV
국립암센터 양성자 PBS 치료에서 가용한 양성자 에너지는 95-227 MeV이며, 이에 해당하는
물 기준의 비정은 7.1-32.2 cm이다. 앞서 언급하였듯이 Brain 또는 Head & Neck 사례로 측정
적용 대상을 한정하기로 하였다. 성인 남녀의 평균 머리 크기(지름 ~18 cm)와 브래그 피크 이 후 출구선량을 고려할 때 측정 FOV는 22 cm 이상이 요구된다. FOV가 22 cm를 만족하기 위 해서는 측정 장치의 규모를 이에 맞도록 설계하면 된다. 하지만, FOV를 좋게 가져가기 위해 측정 장치의 채널수를 늘려 구성하게 되면 텅스텐으로 제작하는 감마선 집속장치 제작에 소요 되는 비용과 이에 따른 신호처리부의 확장이 문제가 된다. 아울러 채널 수 증가에 따른 장치의 크기와 무게가 큰 부담으로 작용한다. 측정 장치가 환자의 치료부위와 가까이 있어야 하는 상 황에서 치료실의 다른 기기들과의 간섭문제도 함께 고려해야 한다. 시제품의 성능을 평가하는 단계에서 위와 같은 위험부담을 안고 가기에는 어려움이 많아 장치의 규모와 무게를 국립암센 터의 치료실 환경을 고려하여 개발하고자 하는 측정 장치의 FOV 값을 조정하였다. 양성자가 머리 중심(~9cm)에서 더 깊이 들어가야 하는 경우에는 정반대편에서 양성자를 조사하는 방향 으로 치료계획을 수립할 수 있다. 이렇게 될 경우, 측정 장치의 FOV는 14cm 이상으로 해도 출구 선량의 분포를 확인할 수 있어 시제품의 성능을 평가하는데 아무 문제가 없다. 3. 측정 효율 비정 측정의 효율을 결정하기 위해서는 환자의 체내에서 치료 빔에 의해 발생되는 즉발감
(1) 종양에 전달하게 되는 선량, (2) 입사하는 양성자 빔의 최대 에너지(distal layer), (3) 즉발감
마선의 체내 투과 거리에 의존한다. 방사선 치료에서 일반적으로 사용되는 선량 200 cGy는 방
사선 생물학적 영향(RBE: 1.1)을 고려하면 물리적인 흡수선량 180 cGy에 해당된다. 180 cGy에
해당하는 선량을 SFUD(Single Field Uniform Dose) PBS 빔으로 조사방향을 3개 필드(field)로
나누었을 때, 필드별 평균 선량은 60 cGy에 해당한다. 최대에너지 160 MeV 기준으로 브래그
피크에서의 선량이 60 cGy에 도달하기 위하여 필요한 양성자 개수는 3.6 × 108이다. 즉, 입사
하는 양성자 108개당 비정 측정이 가능하다면 spot별 비정 측정이 가능해진다. Brain 및 Head
& Neck 케이스에서 즉발감마선의 체내 투과거리는 최대 9 cm 이내이다. 만약 측정 효율이 낮 아 spot별로 비정 측정이 불가능할 경우에는 최대 에너지 layer 기준으로 측정할 수도 있다. 현재 국립암센터에서 양성자 PBS 치료 시 노즐에서의 beam current는 표 2와 같이 3~5 nA 이다. 즉 초당 최대 3.1 × 1010 개의 양성자가 입사된다. 최종적으로는 9 cm 체내 투과거리를 고려하고, 집속장치(collimator)를 수직으로 통과하여 검출기에 도달하는 초당 즉발감마선의 개 수를 고려하여 검출기의 계수율(count rate)을 결정하여야 한다. 표 1. 국립암센터 양성자 PBS 치료시 beam current
Energy [MeV] maximum beamcurrent @ cyclotron [nA]
ESS efficiency
[%] beam current @nozzle [nA]
226 24.87 20% 4.97 100 282.83 1% 2.83 4. 치료 장비와 연동을 위한 기타 설계 요소 (1) 입자빔 비정 측정 장치 설치용 구조물 개발하고자 하는 입자빔 비정 측정 장치는 원리적으로 입자빔 방향 축으로부터 수직하게 발생되는 즉발 감마선을 측정하여 입자빔의 비정을 모니터링하게 된다. 따라서 장치는 환자 피 부 표면으로부터 최적화된 거리 간격을 두고, 빔 방향 축과는 평행을 유지하면서 gantry 회전 에 따라 함께 회전할 수 있도록 설계되어야 한다. 콜리메이터를 사용하는 측정 시스템의 무게 및 크기를 고려할 때 양성자 빔 노즐에는 설치가 불가하므로 couch 혹은 치료실 바닥에 고정 설치할 수 있는 구조물의 설계/제작이 필요하다. (2) 양성자 빔 비정 가시화 기능
직관적인 실시간 모니터링을 위하여 측정되는 양성자 빔의 비정을 환자 CT 영상으로부터
추출된 DRR(Digitally Reconstructed Radiographs) 2D 영상 또는 치료 직전 촬영하게 되는
DIPS(Digital Imaging Positioning System)의 2D X-ray 영상에 비정을 가시화할 수 있는 기능
이 요구된다. (3) 치료기 인터락(interlock) 시스템 실시간으로 측정되는 환자 체내의 양성자 비정이 치료계획에서의 비정과 일정 범위 이상 차이가 발생하는 경우 치료의 정확도 및 환자의 안전을 고려하여 빔을 멈출 수 있는 인터락 시스템의 개발이 필요하다. 최종적으로는 비정 가시화 기능 및 인터락 시스템을 통합하는 GUI 기반의 통합 제어 및 치료 모니터링 소프트웨어 개발이 요구된다. 표 2. 입자빔 치료 모니터링 시스템 임상적 요구사항 (1) 비정 측정 정확도 ~3 mm 이내 (2) 측정 FOV ~22 cm 이상 (3) 측정 효율 dose: >60 cGy
beam energy: 95~160 MeV (range: 7~18 cm) beam current: 2.8~5 nA
transmission distance (prompt gamma): < 9 cm ->상기 조건 하 비정 측정 (정확도 3 mm 이내) (4) 기타 설계 요소 입자 빔 비정 측정 장치 설치용 구조물 빔 비정 가시화 기능 치료기 인터락(interlock) 시스템 (1) 비정 측정 정확도, (2) 측정 FOV(Field of View), (3) 측정 효율, (4)기타 설계 요소의 상세 근거를 토대로 최종적으로 도출된 IT융합 입자빔 치료 모니터링 시스템의 임상적 요구사 항을 표 2에 정리하였다. 나. 치료빔 및 치료실 배경방사선 특성 평가 일반적으로 방사선 치료 장치를 처음 도입하고 환자 치료에 사용하기 위해서는 빔 데이터
터 측정 및 검증 과정은 환자 치료 전반에 영향을 미치므로 신중하게 진행되어야 한다. 국립암
센터에서도 PBS 빔을 이용한 양성자 치료를 위하여 빔 데이터를 측정하였으며, 그 중 일부는
본 연구과제에서 활용되는 핵심 자료이기 때문에 측정의 상세 과정과 결과를 기술한다.
측정된 치료빔의 데이터 중 1) IDD(Integral Depth Dose)는 비정 측정 장치의 원리검증을
위한 기준 데이터로 활용하였다. 2) 또한 Spot profile는 몬테칼로 코드의 PBS 빔 모델링에 활
용하였다. 3) 별도로 수행한 배경방사선(중성자) 측정 결과는 장치의 노이즈 원인을 분석하고
이를 중성자 차폐설계에 활용할 계획이다.
1. PBS 치료빔 IDD(Integral Depth Dose) 측정
IDD(Integral Depth Dose)는 일반적으로 의학물리분야에서 사용되는 PDD(Percentage Depth Dose) 즉, 물 깊이별 선량분포 곡선과는 다소 개념이 다르다. PDD의 경우 작은 면적의 이온함을 이용하여 넓은 면적의 균질한 빔의 중심에서 물 표면으로부터 깊이 방향으로 스캔하 며 선량 분포 곡선을 획득한다. 하지만 1 cm 미만의 작은 면적을 갖는 Spot 빔을 스캔하여 넓 은 면적을 커버하는 PBS 빔의 경우는 빔의 위치가 계속해서 움직이기 때문에 이온함을 깊이방 향으로 스캔하면서 선량을 측정하는 것이 개념적으로 불가능하다. 깊이별로 이온함을 정지시키 며 매 위치에서 빔이 2D 스캔하는 시간을 기다리면서 측정하는 방법은 현실적으로 매우 어렵 다.
따라서 PBS 빔의 경우 위치가 고정된 Spot 빔에 대한 IDD를 측정하게 되는데, Multiple
Coulomb Scattering에 의해 Gaussian 형태로 퍼져나가는 Spot 빔을 모두 커버할 수 있을 만큼
의 넓은 면적의 이온 함(ion chamber)으로 물 깊이 방향으로 스캔하는 방법으로 측정한다. 따
라서 PDD 보다는 Bragg Peak의 크기가 과장되어 보일 수 있으나 위치는 정확히 측정할 수
있다. 국립암센터에서 사용하는 치료계획시스템 Ecilpse의 PBS 빔 모델링에도 PDD 대신 IDD
가 사용된다. 본 연구에서는 측정된 IDD를 비정 측정 장치의 기준 데이터로 활용하고자 한다.
IDD 측정을 위하여 직경 8.4 cm의 Bragg peak chamber (PTW, 34070)와 3차원 방향으로
스캔이 가능한 물 팬텀 시스템(wellhofer scanditronix)을 사용하였다(그림 2-2). 일반적으로
PDD는 Gantry 방향 0°에서 물 팬텀을 셋업하고 물 표면으로부터 아래 깊이 방향으로 측정하
는 방법을 사용한다. 처음에는 Gantry 0°에서 IDD 측정을 시도하였으나, Bragg peak chamber
의 면적이 넓어 물 표면에서 출렁거리는 현상이 일어나 Bragg-peak의 형태가 일그러지고 그에
따라 에너지와 비정의 선형성이 깨지는 결과를 획득하였다. 이러한 결과는 선량계산에 영향을
미치므로 정확한 측정을 위하여 Gantry 270°에서 다시 측정하였다. Gantry 270°에서 IDD를 측
정하게 되면 물 팬텀의 벽두께로 인하여 표면 근처의 선량을 측정할 수 없다는 단점이 있으나, 물이 출렁거림에 따른 영향을 받지 않으므로 비정은 정확하게 측정할 수 있다는 장점이 있다. 그림 2-3은 최종 측정된 IDD 곡선의 원시데이터이며, 표면 근처 2.37 cm(물팬텀 두께 + chamber의 표면거리)의 데이터는 외삽/피팅 처리되었다. 그림 2-4 및 표 3은 PBS 양성자 에너 지에 따른 비정(distal 90%)의 결과를 보여준다. 그림 2-3 치료계획시스템에 입력된 IDD 곡선의 원시데이터
표 3. 국립암센터 PBS 빔의 에너지에 따른 비정 측정 결과
Energy Range Energy Range Energy Range Energy Range
[MeV] [cm] [MeV] [cm] [MeV] [cm] [MeV] [cm]
95.09 7.14 153.48 16.47 191.79 24.17 214.85 29.36 97.36 7.45 154.80 16.72 192.61 24.39 215.32 29.48 99.68 7.68 156.09 16.94 193.42 24.54 215.79 29.55 100.51 7.82 157.36 17.19 194.22 24.72 216.31 29.69 102.71 8.11 158.57 17.43 195.00 24.92 216.79 29.74 104.80 8.43 159.78 17.64 195.80 25.05 217.24 29.86 106.79 8.72 160.96 17.89 196.56 25.21 217.65 29.94 108.71 9.01 162.10 18.13 197.30 25.36 218.03 30.07 110.56 9.26 163.25 18.37 198.04 25.54 218.39 30.13 112.52 9.56 164.39 18.58 198.77 25.70 218.75 30.25 114.12 9.80 165.55 18.83 199.49 25.85 219.10 30.29 115.83 10.07 166.73 19.05 200.22 26.00 219.44 30.40 117.54 10.32 167.92 19.28 200.93 26.20 219.80 30.49 119.22 10.59 169.13 19.49 201.64 26.34 220.15 30.58 120.91 10.87 170.12 19.70 202.36 26.52 220.52 30.66 122.60 11.15 171.59 19.97 203.04 26.64 220.91 30.77 124.29 11.44 172.73 20.21 203.73 26.83 221.33 30.83 125.56 11.63 173.83 20.40 204.44 26.94 221.79 30.94 127.22 11.91 174.90 20.60 204.66 27.08 221.86 31.00 128.85 12.17 175.92 20.83 205.53 27.17 222.38 31.13 130.42 12.45 176.94 21.04 206.18 27.33 222.75 31.21 131.97 12.68 177.93 21.28 206.81 27.50 223.12 31.33 133.48 12.94 178.91 21.47 207.42 27.62 223.47 31.38 134.95 13.19 179.89 21.69 208.02 27.75 223.82 31.46 136.39 13.45 180.82 21.85 208.61 27.91 224.15 31.56 137.83 13.69 181.75 22.05 209.19 28.06 224.47 31.65 139.27 13.94 182.66 22.24 209.76 28.14 224.78 31.73 140.69 14.19 183.58 22.45 210.32 28.34 225.10 31.82 142.11 14.42 184.49 22.65 210.87 28.45 225.46 31.86 143.54 14.66 185.40 22.83 211.42 28.57 225.88 31.95 145.00 14.91 186.30 23.04 211.93 28.69 226.29 32.06 146.45 15.17 187.18 23.26 212.44 28.81 226.69 32.13 147.94 15.45 188.07 23.44 212.94 28.88 227.10 32.23 149.08 15.73 188.88 23.61 213.43 29.04 150.62 15.94 190.04 23.85 213.92 29.12 152.09 16.23 190.93 24.04 214.40 29.27
2. PBS 치료빔 Spot Profile 측정
Spot profile 역시 치료계획시스템의 정확한 빔 모델링에 있어 중요한 데이터이다. 측정 장
치의 성능 개선을 위한 몬테칼로 전산모사를 수행하기 위해서는 Spot profile 데이터가 반드시
필요하다. Spot profile 측정을 위하여 scintillator 및 CCD 카메라 기반의 2D 선량분포 측정 장
치인 Lynx (IBA dosimetry)를 사용하였으며, 해당 장비의 해상도는 0.5 mm이다. Spot profile
은 물속이 아닌 공기 중에서 측정하게 되는데, Gantry의 중심(Iso Center) 및 그로부터 위 아래
로 10, 20 cm 떨어진 지점 총 5개의 위치에서 측정하였다[그림 2-5].
그림 2-5 Gantry에 장착된 Spot profile 측정용 장비 Lynx의 모습(좌)와 측정위치(우)
PBS 치료빔의 경우 물리적인 비정 변형 장치(Range Modulator)를 사용하지 않고 빔 에너
지를 변경하면서 SOBP(Spread-Out Bragg peak)를 만들어 낸다. 하지만 가용한 최소에너지가
존재하기 때문에 표면 근처의 타겟 종양을 커버하기 위해서는 Range Shifter를 반드시 사용해
야 한다. Range Shifter를 사용하면 Spot의 크기가 변화되기 때문에 사용하는 경우와 사용하지
않는 경우 모두에 대한 Spot profile 측정이 요구된다.
일반적으로 Range Shifter의 두께는 최소에너지의 비정보다 크면 된다. 국립암센터 PBS 빔
의 최소에너지는 95.05 MeV이며, 이는 비정거리 7.14 cm에 해당한다. 따라서 WET(Water
Equivalent Thickness) value가 7.44 cm에 해당하는 균일한 두께의 PMMA (6.39 cm)를 Range Shifter를 빔노즐의 끝부분에 장착하여 사용하기로 하였다. 본 연구에서는 실제로 사용할 계획
은 없으나 보다 정확한 모델링을 위하여 WET value 4.02 cm에 해당하는 Range Shifter를 추
그림 2-6 국립암센터의 PBS Range Shifter. 왼쪽부터 sout 100, 180, 250, 300 x 400 mm용 최종 측정된 Spot profile의 원시데이터를 치료계획시스템에 입력하여 빔 모델링에 사용하 였다[그림 2-7]. 현재 국립암센터에서 사용하는 치료계획시스템 Eclipse v10은 PBS 빔 모델링에 서 빠른 선량계산을 위하여 원시데이터를 그대로 사용하지 않고 Gaussian 피팅을 사용하는데, 이때 실제 원시데이터에서 선량이 낮은 부분을 무시하게 되는데 이는 선량계산의 정확도에 영
향을 미친다. Eclipse의 최근 버전에서는 double Gaussian 피팅을 사용하여 이러한 문제를 해
결하였다.
PBS 빔의 몬테칼로 전산모사 정확도를 높이기 위하여 측정된 Spot profile과 동일한 분포를
갖도록 선원항을 모델링하여 비정 측정 장치의 성능 개선에 활용하였다. 그림 2-8 및 표 4는
Range Shifter 사용 여부에 따른 에너지별 Spot의 크기를 나타내며, 이 때 Spot의 크기는 측정
된 Spot profile의 1σ값으로 정의하였다.
표 4. 국립암센터 PBS 빔의 에너지에 따른 Spot 크기(1σ)
Energy (MeV)
SpotSize X (1σ,cm) @IC SpotSize Y (1σ,cm) @IC RS-7.4 cm RS-4.0 cm OPEN RS-7.4 cm RS-4.0 cm OPEN 102.71 2.46 1.89 1.54 2.42 1.86 1.53 106.79 2.28 1.81 1.49 2.22 1.77 1.47 112.52 2.10 1.73 1.44 2.04 1.69 1.41 117.54 1.96 1.65 1.38 1.92 1.62 1.37 122.60 1.83 1.57 1.31 1.80 1.53 1.29 127.22 1.74 1.51 1.26 1.71 1.48 1.24 131.97 1.66 1.45 1.22 1.64 1.43 1.20 136.39 1.60 1.40 1.18 1.57 1.38 1.16 142.11 1.52 1.35 1.13 1.50 1.33 1.12 146.45 1.48 1.31 1.10 1.47 1.30 1.10 152.09 1.41 1.25 1.06 1.41 1.25 1.07 157.36 1.37 1.21 1.03 1.37 1.22 1.05 162.10 1.32 1.17 0.99 1.32 1.18 1.01 166.73 1.28 1.14 0.97 1.29 1.16 1.00 171.59 1.23 1.10 0.94 1.25 1.13 0.97 176.94 1.19 1.06 0.90 1.21 1.09 0.94 181.75 1.15 1.04 0.88 1.19 1.08 0.94 187.18 1.11 0.99 0.85 1.14 1.03 0.89 191.79 1.08 0.97 0.83 1.10 1.01 0.87 197.30 1.04 0.94 0.80 1.06 0.97 0.85 202.36 1.03 0.93 0.80 1.04 0.95 0.83 206.81 1.00 0.91 0.78 1.01 0.92 0.79 211.93 0.98 0.89 0.77 0.97 0.88 0.75 216.79 0.97 0.88 0.76 0.94 0.85 0.73 221.86 0.94 0.86 0.74 0.90 0.81 0.69 227.10 0.93 0.85 0.74 0.89 0.80 0.66
3. 배경방사선(중성자) 측정
PBS 치료빔에 의해 발생되는 배경방사선 중 특히 중성자는 비정 측정 장치의 신호 노이즈
로 작용하는 주요인이므로 이에 대한 분석이 선행되어야 정확한 장치의 차폐설계가 가능하다.
Double Scattering 및 Uniform Scanning 치료빔에 대한 중성자 분포를 CR-39 소자로 측정한
선행 연구()를 기반으로 하여 열중성자 및 고속중성자를 모두 측정할 수 있는 CR-39 소자 445
개 세트를 사용하여[그림 2-9] 치료실 배경방사선을 측정하였다. 아울러 Bonner sphere를 보유
하고 있는 한국원자력안전기술원의 연구협력 하에 중성자 에너지 스펙트럼도 함께 측정하였다.
배경방사선(중성자) 측정에는 3가지 임상 사례 즉, 두경부암 (Head & Neck), CSI
(Craniospinal irradiation), 전립선암(prostate)에 대하여 DS(Double Scattering)와 PBS 치료기법
으로 각각 치료계획을 수립하여 총 6개의 시나리오를 활용하였다. 두 가지 치료기법은 그림
2-10에서 보는 바와 같이 노즐의 구조가 다르고 차폐체 사용 유무가 달라 노즐에서 생성되는
배경 방사선의 양에 차이가 있다. 물팬텀 장치와 측정지점을 그림 2-11에 나타낸 바와 같다.
그림 2-10 (a) scattering 방식과 (b) PBS 방식에 사용되는 양성자 치 료기 노즐 구조
그림 2-12 배경방사선(중성자) 선량분포 측정을 셋업, CR-39(좌), Bonner sphere(우) CR-39를 이용한 배경방사선(중성자) 선량분포 측정을 위해서 측정위치마다 치료실 천장부터 바닥까지 유리테이프를 이어 붙이고 isocenter와 동일한 높이에 CR-39 측정소자를 부착하였으 며[그림 2-12, 좌], CR-39의 방향성을 고려하여 isocenter를 바라보도록 하였다. CR-39의 경우 위치별로 모든 소자를 부착하고 1번의 방사선 조사를 실험을 마칠 수 있었다. 하지만 Bonner sphere는 2개만을 사용하였기 때문에 위치를 옮겨가며 측정하였다[그림 2-12, 우]. 측정에 사용된 총 384개 중 DS(Double Scattering) 치료 모드에서의 결과만 획득할 수 있었 고, PBS 빔에 대한 중성자 선량은 판독에 문제가 발생하여 제대로 된 결과를 획득하지는 못하 였다. 그림 2-11은 DS 치료 모드에 대한 3가지 임상케이스의 중성자 선량분포(H(10)/D, mSv/Gy)를 보여주고 있다. DS 치료모드의 경우 PBS와는 달리 황동 재질의 블록이 사용되는 데 다량의 중성자가 발생하여 보수적인 차폐 분석이 가능하다. 측정된 중성자 선량분포 및 몬 테칼로 전산모사 그리고 노이즈 실험을 통하여 최종적으로 납 차폐 5 cm 이상으로 결정하였 고, 이동형 카트 제작 시 이를 고려하였다.
그림 2-11 DS(Double Scattering) 치료 모드에서의 isocenter로부터의 거리별 배경방사선(중성자) 선량(H(10)/D, mSv/Gy) 측정결과
다. Spot scanning 빔 치료 사례 및 치료 빔 사양 조사
1. PBS 양성자 빔 에너지별 MU(Monitor Unit) 당 양성자 입자 수(#/MU) 자료 확보
대부분의 방사선 치료 장비는 Monitor Unit (MU)이라는 단위를 사용하여 빔의 조사량을
결정하며 치료계획시스템은 환자 사례별로 MU를 계산한다. 정확한 MU값의 계산을 위하여 의 학물리학자들은 장비 인수 단계에서 기준 조건의 물 흡수선량(cGy)을 측정하고 MU당 방사선 량을 치료계획시스템에 입력한다. 환자 치료계획에서 필드별로 조사할 방사선량 즉, MU가 결 정되면, 환자 QA를 통해 계산된 MU값만큼 선량을 조사하고 측정하여 치료계획 선량과 비교 하는 과정을 거친다. 국립암센터의 PBS 양성자 치료의 경우 spot scanning 기법을 사용하는데, 치료계획 단계에 서 종양을 커버할 수 있는 빔 에너지 레이어들이 결정되고 각각의 레이어마다 spot들의 위치 좌표와 해당 위치에서의 MU가 계산된다. 이 때 빔 조사방향에서 환자의 표면이 평평하지 않 고 내부 밀도가 균질하지 않기 때문에 동일한 에너지 레이어의 spot들이라 하더라도 Bragg peak의 위치가 상이하다. 그림 2-12 환자 케이스(15) 137.8 MeV 에너지 레이어의 spot 위치 와 MU 정보 및 Bragg peak 위치 (CT 이미지 상 파란색으로 표 기)
그림 2-12는 실제 환자의 치료계획상에서 137.8 MeV 에너지 레이어 spot들의 상이한 Bragg
peak의 위치를 보여주고 있으며, 이상적인 비정 측정 장치는 spot 별로 비정(range)을 측정할
수 있어야 함을 시사하고 있다. 만약 spot 마다 소요되는 양성자의 입자수가 적어 Bragg peak
에서의 즉발감마선 생성이 적을 경우 계측기의 성능(효율)에 따라 측정이 불가능할 수도 있다.
수를 정량화할 필요가 있다. 하지만 치료계획시스템은 MU값만 계산할 뿐 이를 양성자로 변환 하기 위해서는 몬테칼로 전산모사 기반의 PBS 노즐 및 빔 모델링 연구가 필요하다. TOPAS 코드는 Geatn4 몬테칼로 전산모사 도구를 기반으로 PBS 노즐 및 빔 모델링을 목적 으로 개발된 S/W다. spot 당 기본 양성자수가 많기 때문에 일반 컴퓨팅 환경에서는 결과를 얻 기까지 많은 시간이 소요되어 이를 위해 구축한 TOPAS 전용 전산모사 서버를 활용하였다. 그 림 2-13은 PBS 빔 계산용 노즐의 구조(Geometry) 모델링을 수행한 결과를 보여준다.
DS(Double Scattering) 양성자 치료용 노즐에서 사용되는 비정변조기(Range Modulator)를 제
거하고 대신 그 자리에 PBS 빔을 집속하기 위한 4극 자석(Quadrupole Magnet)을 위치시켰다.
4극 자석을 활용한 PBS 빔 집속은 실제로 구현하지는 않고 선원항의 초기 위치를 설정하는 데
에만 사용하였다. Scanning Magnet은 빔의 위치를 X, Y 방향으로 이동시키는데 사용되므로
isocenter 위치에서 spot 좌표와 Magnet의 자기장 값의 상관관계를 수식화하여 전산모사에 사
용했다.
그림 2-13 TOPAS 전산모사에서 구현된 PBS 양성자 치료기 모델
노즐의 Geometry 모델링을 마친 뒤에는 양성자 초기입자의 파라미터 값을 조정하며 측정
된 빔 데이터와 일치하도록 선원항 모델링을 수행하였다. IDD(Integral Depth Dose)는 일반적
으로 의학물리분야에서 사용되는 PDD(Percentage Depth Dose)와는 달리 spot 빔 주변으로 다
중산란(multiple coulomb scattering)으로 퍼지는 선량을 모두 포함하도록 넓은 면적의 이온함
일한 range가 형성되는 양성자 에너지(몬테칼로 코드 계산 상)를 결정하였고, 선원항의 파라미 터 값들 즉, 에너지 분포(energy spread), 위치 분포(position spread) 및 각 분포(angular spread)를 조정하였다. 그림 2-14, 15는 TOPAS 몬테칼로 코드에서 PBS 양성자 빔의 선원항 모
델링을 완료한 뒤 획득한 IDD (202.36 MeV) 및 spot profile (166.73 MeV)을 측정값과 비교한
결과이며, range 및 spot size가 1% 이내로 일치함을 확인할 수 있었다.
TOPAS 몬테칼로 코드를 이용한 PBS 양성자 빔 노즐 및 선원항 모델을 활용하여 물 팬텀 에 조사되는 27개 에너지의 PBS spot 빔에 대한 선량을 계산하였다. 각각의 전산모사에 사용 된 초기 양성자 입자 수는 106개이며, 물 팬텀 입구 1 cm 깊이에서의 획득한 최대 입구선량 (entrance dose)을 이용하여 선량 당 초기입자수를 계산하였다. 또한 동일한 에너지 조건에서 치료계획기(RTP)에서 1 MU를 조사하였을 때 MU 당 입구선량을 계산하였고, 최종적으로 산출 된 에너지별 MU 당 양성자 초기 입자 수(#/MU)는 약 108개였다[표 5].
그림 2-14 202.36 MeV 양성자 빔의 IDD 측정 결과와 TOPAS 시뮬레이션 결과의 비교
그림 2-15 166.73 MeV 양성자 빔의 Spot Profile 측정 결과와 TOPAS 시뮬레이션 결과의 비교
표5. 몬테칼로 전산모사와 RTP 계산으로 산출된 PBS 양성자 빔 에너지별 MU 당 양성자 개수
Initial Proton Energy (MeV)
Monte Carlo Simulation (TOPAS)
nps: 1.00E+05
RTP Calculation (Varian Eclipse)
Single Spot 1 MU Number Of Protons / MU Peak Dose of 2D Profile @ Entrance (cGy) Number Of Protons / cGy
Peak Dose of 2D Profile @ Entrance (cGy / MU)
95.09 1.73E-02 5.78E+07 1.51 8.73E+07 97.36 1.71E-02 5.85E+07 1.51 8.84E+07 102.71 1.92E-02 5.21E+07 1.57 8.17E+07 106.79 1.92E-02 5.21E+07 1.77 9.22E+07 112.52 2.00E-02 5.00E+07 1.94 9.68E+07 117.54 2.08E-02 4.80E+07 2.03 9.72E+07 122.60 2.21E-02 4.52E+07 2.17 9.83E+07 127.22 2.32E-02 4.32E+07 2.31 9.97E+07 131.97 2.54E-02 3.93E+07 2.44 9.62E+07 136.39 2.53E-02 3.95E+07 2.61 1.03E+08 142.11 2.64E-02 3.79E+07 2.79 1.06E+08 146.45 2.67E-02 3.74E+07 2.93 1.10E+08 152.09 2.71E-02 3.69E+07 3.08 1.14E+08 157.36 2.77E-02 3.62E+07 3.28 1.19E+08 162.10 2.85E-02 3.51E+07 3.53 1.24E+08 166.73 3.04E-02 3.29E+07 3.71 1.22E+08 171.59 3.00E-02 3.34E+07 3.86 1.29E+08 176.94 3.07E-02 3.25E+07 4.20 1.37E+08 181.75 3.23E-02 3.09E+07 4.44 1.37E+08 187.18 3.27E-02 3.05E+07 4.84 1.48E+08 191.79 3.38E-02 2.96E+07 5.04 1.49E+08 197.30 3.41E-02 2.93E+07 5.29 1.55E+08 202.36 3.51E-02 2.85E+07 5.52 1.57E+08 206.81 3.66E-02 2.73E+07 5.79 1.58E+08 211.93 3.97E-02 2.52E+07 6.04 1.52E+08 216.79 4.16E-02 2.41E+07 6.39 1.54E+08 221.86 4.56E-02 2.19E+07 6.62 1.45E+08
3. PBS 환자 사례의 필드별 상세 사양 확보
앞서 계산된 MU 당 양성자 초기 입자 수는 실제 환자 케이스에 적용되는 MU의 통계 자
료가 확보되어야 의미가 있다. 국립암센터의 PBS 빔 정상가동 기간 동안 치료를 받았던 환자
는 총 15명으로 치료부위별로는 전립선(prostate)암 환자 1명, 직장(rectum)암 환자 2명, 뇌종양
(brain & skull base) 환자 5명, 두경부(head & neck, nasal cavity, maxillary sinus, tongue)암
환자 7명으로 분류할 수 있다. 본 연구는 해당 15명에 대하여 사용된 필드별 선량, Gantry 각
도, 테이블 각도, Range Shifter 사용 유무, 명목상 range 및 SOBP, 에너지 레이어 개수, 총
spot 개수, 총 MU 등의 상세 사양들을 획득하여 표 6에 정리하였다. 환자 필드별로 나열된 자
료를 수집하기 위하여 국립암센터에서 사용 중인 치료계획시스템 Varian EclipseTM v13.7의
Scripting 기능을 활용하였다. Eclipse의 scripting은 C# 프로그래밍 언어 기반으로 RT ION PLAN DICOM 표준 형식으로 저장되는 환자의 치료계획 정보에 접근하여 사용자가 원하는
대로 데이터를 처리하여 출력할 수 있다. 본 연구에서 작성된 script 코드는 향후 실제 환자 사
례의 비정 측정 시 측정 결과의 분석에 활용될 수 있다.
PBS 치료기법은 서로 다른 에너지 레이어의 양성자 spot 빔을 사용하여 종양에 균일한 선
량을 전달한다. 따라서 필드의 비정을 결정하는 것은 가장 높은 에너지를 갖는 첫 번째 레이어
(distal 1st layer)이며 spot 당 평균 MU 또한 가장 높다. 본 연구는 각 필드별 첫 번째 레이어
의 에너지, spot 개수, MU, 최대 MU, spot 당 평균 MU에 대한 자료를 표 6에 포함시켰으며,
spot 당 평균 MU는 표 5의 환산계수를 이용하여 spot 당 평균 초기 양성자 입자수로 환산하
여 함께 나열하였다.
필드별 선량이 높을수록 MU는 증가하며 그에 따라 더 많은 초기 양성자 입자수가 사용된
다. 표 6의 필드별 선량은 환자치료 시 매번 2개의 필드만을 사용하는 것을 기준으로 하고 있
다. 예를 들어 3개의 치료필드(1A, 1B, 1C)가 사용된 경우, 3일을 주기로 1AB, 1BC, 1AC 순서
로 치료가 이루어진다. 정상 조직의 선량을 최소화하기 위해서는 여러 방향의 필드를 사용하는
것이 좋으나, 1 spot의 최소 MU(0.03)의 한계로 인하여 필드별 선량이 60 cGy 미만으로 작아
질 경우 입사면에 가까운 쪽의 선량이 증가하면서 SOBP의 형성이 무너지는 문제가 있다. 따라
서 치료시간과 최소 MU의 한계를 고려하여 매 치료 시 필드는 2개씩만 사용하였다. 대부분의
케이스는 SFO (Single Field Optimization)을 사용하였기 때문에 필드별 선량은 처방선량을 균
등하게 나눈 값을 갖는다. 하지만 15번 케이스의 경우 필드별 선량이 240 cGy로 다소 높은데
이는 MFO (Multiple Field Optimization) 기법을 사용했기 때문에 처방선량과 동일한 값을 갖
는다. 결과적으로 전체 환자 케이스 필드별 첫 번째 레이어에서 spot당 평균 MU는 1.1 MU이
며 이에 해당하는 초기 양성자 입자수는 평균적으로 1.4 ☓ 108 개가 사용되었음을 확인할 수
있었다.
Spot 당 MU가 적고, 빔 current가 높아서 비정 측정이 어려운 경우에는 레이어별 모든 spot의 range를 한꺼번에 측정하는 방법을 고려해볼 수 있다. 비록 앞서 확인된 그림 2-12 (환
있지만, 그림 2-16 (환자 사례 4번)와 같이 양성자 빔 입사 면이 평평하고 경로 상 밀도가 균질
한 경우에는 대부분의 Bragg peak 위치가 동일한 깊이에서 나타나므로 레이어별 비정 측정이
가능하다. 해당 경우의 첫 번째 레이어 21개 spot들의 MU의 합은 16.84 MU로 초기 양성자 입
자수는 1.8 ☓ 109 개가 사용되었다. 원리 검증용 비정 측정 장치로 실험한 결과에 따르면 초기
입자수가 109 개에 도달하면 불확도를 고려하더라도 측정이 가능한 것으로 밝혀졌다.
현재까지 수집된 환자 케이스 15명의 경우에는 매 치료 시 처방선량(dose/fraction)이 평균
적으로 약 230 cGy이다. 정위적 방사선수술(SRS, Stereotactic Radiosurgery) 혹은 체부정위 방
사선치료(SBR, Stereotactic Body Radiation Therapy)의 경우 일반적인 케이스와 달리 회당 처
방선량이 5-10 배 가량 높고 종양의 크기가 비교적 작기 때문에 비정 측정이 용이할 것으로 기
대된다. 참고로 높은 회당 선량을 사용하는 SRS, SBRT에서는 보다 높은 치료의 정확도가 요구
된다. 즉 SRS/SBRT 사례는 본 연구과제에서 개발하고자 하는 즉발감마선 기반의 입자빔 비정
측정 장치의 사용 목적과 측정의 용이성에 모두 부합한다.
그림 2-16 환자 사례 4번 1A:PA 필드의 첫 번째 에너지 레이어(133.5 MeV)의 spot 위치와 MU 정보 및 Bragg peak 위치 (CT 이미지 상 회색으로 표기됨)
표6. 환자 케이스 필드별 상세 스펙
Case
No. TreatmentSite NameField
Field Dose (cGy) Gantry Angle Couch (Table) Angle Range Shifter WET (cm) Nominal Range (cm) Nominal SOBP (cm) # of
Layers Spots# of FieldMU
Distal 1st Layer Norminal
Energy Spots# of LayerMU MU spotMax. Avg. MU / Spot Avg. # protons / Spot 1 Prostate 1C:RT 65 270 0 - 25.31 8.44 17 1197 134.04 198.0 7 3.06 0.75 0.44 6.43.E+07 1F:LAO 65 65 0 - 23.01 9.46 19 1173 145.25 187.2 31 11.06 0.59 0.36 5.02.E+07 1D:LT 65 90 0 - 24.79 8.44 18 1236 136.06 195.8 6 2.60 0.72 0.43 6.22.E+07 1E:RAO 65 295 0 - 22.88 9.53 19 1214 146.48 187.2 11 3.60 0.42 0.33 4.60.E+07
2 Rectum 1A:LT 150 270 0 - 20.41 9.57 18 1544 275.59 175.9 1 0.68 0.68 0.68 8.99.E+07
1B:RT 150 90 0 - 20.41 10.31 19 1518 275.85 173.8 1 0.68 0.68 0.68 8.90.E+07
3 Rectum 1A:LPO 120 340 0 7.44 13.57 13.51 25 3059 403.05 177.9 3 1.89 0.68 0.63 8.41.E+07
1B:RPO 120 73 0 7.44 21.87 21.29 32 2883 392.17 215.8 10 4.87 1.61 0.49 7.70.E+07 4 Brain 1A:PA 122 180 0 - 12.70 3.87 8 422 119.82 133.5 21 16.84 0.80 1.54 1.63.E+08 1B:RPO 122 240 0 - 11.26 4.03 10 460 128.19 124.3 9 3.11 0.35 0.53 5.30.E+07 1C:LPO 125 120 0 - 10.65 4.25 10 493 140.68 120.9 19 10.92 0.57 1.62 1.59.E+08 5 Brain 1D:RPO 90 210 0 7.44 9.96 9.33 20 2533 436.82 159.8 21 8.30 0.64 0.40 4.89.E+07 1E:LAO 90 80 0 7.44 10.96 10.86 21 2466 379.31 164.4 20 8.35 0.71 0.42 5.25.E+07 1F:ASO 90 70 270 7.44 13.95 13.43 26 2527 346.78 179.9 15 7.12 0.75 0.47 6.33.E+07 6 SkullBase 1D:RAO 120 280 0 7.44 14.18 9.14 18 971 210.28 177.9 2 2.50 1.71 1.25 1.67.E+08 1E:LAO 120 50 0 7.44 12.82 9.61 20 1017 223.91 174.9 3 2.86 1.13 0.95 1.25.E+08 1F:LT 120 90 0 7.44 12.41 10.57 21 1075 233.55 172.7 2 2.28 1.27 1.14 1.48.E+08 7 SkullBase 1D:RT 120 270 0 7.44 15.08 11.54 22 1384 338.55 185.4 2 2.13 1.45 1.07 1.48.E+08 1G:LAO 120 55 0 7.44 14.69 10.96 21 1673 331.86 183.6 3 4.36 2.68 1.45 1.99.E+08 1E:LT 120 90 0 7.44 15.68 11.83 21 1527 331.82 188.1 1 1.03 1.03 1.03 1.44.E+08 1F:RAO 120 305 0 7.44 13.10 9.47 18 1552 344.23 175.9 2 2.30 1.91 1.15 1.52.E+08
표 6 (이어서). 환자 케이스 필드별 상세 스펙
Case
No. TreatmentSite NameField
Field Dose (cGy)
Gantry
Angle CouchAngle
Range Shifter WET (cm) Nominal Range (cm) Nominal SOBP (cm) # of
Layers Spots# of FieldMU
Distal 1st Layer Norminal
Energy Spots# of LayerMU MU spotMax. Avg. MU / Spot Avg. # protons / Spot 8 SkullBase 1A:RASO 120 280 10 7.44 14.42 8.08 16 717 148.59 182.7 3 2.10 0.88 0.70 9.56.E+07 1B:LSO 120 90 330 7.44 12.57 7.50 15 583 164.58 172.7 7 2.78 1.03 0.40 5.21.E+07 1C:LASO 120 55 340 7.44 12.95 8.79 15 571 152.92 171.6 5 2.60 1.23 0.52 6.74.E+07
9 Head andNeck 2A:PA 120 180 0 7.44 15.44 14.04 29 3469 637.62 187.2 5 3.97 1.29 0.79 1.10.E+08
2B:RAO 60 315 0 7.44 16.65 16.65 35 2356 289.95 192.6 1 0.26 0.26 0.26 3.71.E+07
10 Head andNeck
1A:PA 110 180 0 7.44 19.32 17.16 32 3589 1277.05 202.4 13 20.69 4.41 1.59 2.37.E+08
1B:RAO 110 280 0 7.44 22.29 22.29 45 3289 1210.14 213.9 1 3.22 3.22 3.22 5.02.E+08
1C:LAO 110 62 0 7.44 16.14 16.14 34 4275 1362.03 190.0 1 1.33 1.33 1.33 1.88.E+08
11 Head andNeck
1A:PA 110 180 0 7.44 17.71 15.75 32 4875 1004.68 197.3 1 0.64 0.64 0.64 9.32.E+07
1B:RAIO 110 310 330 7.44 17.61 17.61 36 4726 1065.73 195.0 2 5.27 2.72 2.63 3.79.E+08
1C:LAO 110 50 0 7.44 16.54 16.54 34 5118 1048.88 190.0 2 4.12 2.85 2.06 2.91.E+08
12 Head andNeck
1B:PA 110 180 0 7.44 20.28 18.94 38 2097 1103.58 208.6 2 1.56 1.25 0.78 1.19.E+08
1C:RAO 110 310 0 7.44 17.03 17.03 34 3026 1171.76 188.9 1 1.34 1.34 1.34 1.88.E+08
1D:LAO 110 50 0 7.44 16.11 16.11 32 3052 1185.11 184.5 3 12.82 9.86 4.27 5.88.E+08
13 CavityNasal 1A:RPO 106 227 0 7.44 15.61 13.18 26 2234 428.20 187.2 10 4.43 0.98 0.44 6.13.E+07
1B:LPO 106 132 0 7.44 17.82 12.07 25 2314 408.57 198.0 1 0.63 0.63 0.63 9.20.E+07 14 Tongue 1D:PA 110 180 0 7.44 21.52 20.06 40 2475 622.84 212.9 1 1.02 1.02 1.02 1.58.E+08 1E:RAO 110 300 0 7.44 14.63 14.63 32 3270 752.25 183.6 2 0.81 0.43 0.40 5.48.E+07 1F:LPO 110 120 0 7.44 16.79 16.76 34 3284 684.64 193.4 1 0.91 0.91 0.91 1.30.E+08 15 LT Orbit + Maxillary Sinus 1D 240 340 0 7.44 15.63 15.63 32 4375 953.20 185.4 1 1.69 1.69 1.69 2.34.E+08 1E 240 50 320 7.44 11.69 11.69 26 4444 1028.97 169.1 1 4.25 4.25 4.25 5.44.E+08 1F 240 10 0 7.44 13.81 13.81 27 4508 1033.09 171.6 3 3.11 1.24 1.04 1.35.E+08 1G 240 90 320 7.44 13.53 13.53 29 4255 992.30 175.9 1 1.08 1.08 1.08 1.43.E+08
