[논문 리뷰] Percentage depth dose distributions in inhomogeneous phantoms with lung and bone equivalent media for small fields of CyberKnife

Chung Il Lee, Jae Won Shin외 7명|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 31.

Advanced Radiotherapy Techniques참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 6MV CyberKnife 소형 빔을 사용하여 폐(발사 나무) 및 뼈(에폭시-칼슘 카보네이트 복합체) 등가 물질을 포함한 비균질 투과체에서 Gafchromic EBT 필름과 GEANT4 몬테카를로 시뮬레이션을 이용해 백분율 깊이 방사선량(PDD) 분포를 조사한다. 연구 결과, EBT 필름은 특히 저밀도 영역에서 측정된 방사선량에 중대한 영향을 미치며, 정확한 PDD 추정을 위해 시뮬레이션에 필름을 포함시켜야 한다. 필름을 포함한 시뮬레이션 결과는 모든 빔 크기에서 측정값과 2.2% 이내의 오차로 일치한다.

ABSTRACT

The percentage depth dose distributions in inhomogeneous phantoms with lung and bone equivalent media are studied. For lung equivalent media a Balsa wood is used, and for a soft bone equivalent media a compound material with epoxy resin, hardener and calcium carbonate is used. Polystyrene slabs put together with these materials are used as an inhomogeneous phantom. Dose measurements are performed with Gafchromic EBT film by using photon beams from 6MV CyberKnife at the Seoul Uridul Hospital. The cone sizes of the photon beams are varied from 5, 10 to 30 mm. As a simulation tool GEANT4 Monte Carlo code v9.4.p02 is used. When the Balsa wood is inserted in the phantom, the dose measured with EBT film is found to be significantly different from the dose without the EBT film in and beyond the Balsa wood region, particularly for small field sizes. On the other hand, when the soft bone equivalent material is inserted in the phantom, discrepancy between the dose measured with EBT film and the dose without EBT film can be seen only in the region of bone equivalent material. GEANT4 simulations are done with and without the EBT film to compare the simulation results with measurements. We find that the simulations including EBT film agree with the measurements for all the cases within an error of $2.2\%$. Also, we find the "doses to phantom" without the EBT film differ from the "doses to film" up to $29\%$, which shows that for accurate dose estimations for inhomogeneous phantoms with EBT film the presence of the EBT film needs to be taken into account properly in particular for small fields.

연구 동기 및 목표

• 비균질 투과체에서 폐 및 뼈 등가 물질을 포함한 환경에서 Gafchromic EBT 필름이 백분율 깊이 방사선량(PDD) 측정에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 소형 빔 CyberKnife 빔에서 EBT 필름이 존재하거나 부재할 경우 GEANT4 몬테카를로 시뮬레이션의 PDD 분포 모델링 정확도를 평가하기 위해.
• 측정된 PDD를 임상 치료 계획 시스템 Multiplan의 결과와 비교하고, GEANT4 시뮬레이션을 기반으로 검증하기 위해.
• 특히 소형 빔에서 저밀도 및 고밀도 매질에서 '투과체에 대한 방사선량'(DTP)과 '필름에 대한 방사선량'(DTF) 간의 격리 정도를 정량화하기 위해.
• 소프트 뼈 및 코어탈 뼈에 대한 이전에 발표된 비균질 보정 인자(예: Siebers 등)의 타당성을 실험 및 시뮬레이션 데이터를 기반으로 검증하기 위해.

제안 방법

• 6MV CyberKnife 빔 출력에서 발사 나무(폐 등가) 및 에폭시-칼슘 카보네이트 복합체(소프트 뼈 등가)를 포함한 투과체에서 Gafchromic EBT 필름을 사용해 PDD 분포를 측정하였다.
• 동일한 설정을 기반으로 GEANT4 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였으며, 필름을 포함하거나 제외하여 그 영향을 고립적으로 분석하였다.
• 비균질 조직 조건을 시뮬레이션하기 위해 임플랜트된 비균질성을 가진 폴리스티렌 투과체를 사용하였다.
• 실험적 PDD(EBT 필름 포함)를 GEANT4 시뮬레이션된 PDD(필름 포함 및 제외) 및 Multiplan 치료 계획 시스템 결과와 비교하였다.
• 필름에 의한 방사선량 변화를 정량화하기 위해 '필름에 대한 방사선량'(DTF)과 '투과체에 대한 방사선량'(DTP)의 비율을 계산하였다.
• 문헌에서 제안된 보정 인자(예: Siebers 등)를 적용하여, 측정 및 시뮬레이션 데이터와의 일관성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저밀도(폐 유사) 및 고밀도(뼈 유사) 물질을 포함한 비균질 투과체에서 Gafchromic EBT 필름의 존재가 측정된 백분율 깊이 방사선량(PDD)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 EBT 필름을 포함한 GEANT4 몬테카를로 시뮬레이션은 소형 빔 CyberKnife 빔의 실험적 PDD 측정값과 어느 정도 일치하는가?
• RQ3 임상 치료 계획 시스템 Multiplan과 GEANT4 시뮬레이션은 비균질 매질에서 실험 데이터와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 다양한 비균질 영역에서, 특히 5 mm 빔 크기에서 '투과체에 대한 방사선량'과 '필름에 대한 방사선량' 간의 격리 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 이전에 발표된 비균질 보정 인자(예: 소프트 뼈 및 코어탈 뼈용)는 이 연구에서의 측정 및 시뮬레이션된 PDD 값과 일치하는가?

주요 결과

• 모든 콘 크기(5, 10, 30 mm)와 비균질 투과체에서 필름을 포함한 GEANT4 시뮬레이션 결과는 실험 측정값과 2.2% 이내로 일치한다.
• EBT 필름이 없는 '투과체에 대한 방사선량'(DTP)과 '필름에 대한 방사선량'(DTF) 간의 차이는 5 mm 콘 크기에서 최대 29%로, 특히 발사 나무(폐 등가) 영역에서 두드러진다.
• 소프트 뼈 등가 영역에서는 모든 콘 크기에서 DTF/DTP 비율이 일관되게 1.05를 유지하여, 필름에 의한 안정적인 방사선량 변화를 나타낸다.
• Multiplan은 비균질 영역에서 측정된 PDD를 재현하지 못하며, GEANT4 DTP 대비 비율이 소프트 뼈 영역에서 0.94–0.99, 발사 나무 영역에서 0.99–1.02이다.
• Siebers 등(소프트 뼈용 1.035, 코어탈 뼈용 1.117)이 제안한 보정 인자는 측정된 DTF/DTP 비율(각각 1.049 ± 0.015 및 1.129 ± 0.015)과 1.3% 이내로 일치함을 확인하였다.
• 소형 빔(5 mm)에서는 DTP와 DTF 간 격리 정도가 가장 뚜렷하여, 정확한 비균질 방사선량 측정을 위해 몬테카를로 시뮬레이션에서 EBT 필름을 명시적으로 모델링해야 한다는 점을 강조한다.