[논문 리뷰] Relationship between mass density, electron density, and elemental composition of body tissues for Monte Carlo simulation in radiation treatment planning

Nobuyuki Kanematsu|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 02.

Advanced Radiotherapy Techniques참고 문헌 25인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 인체 조직의 질량 밀도, 전자 밀도 및 원소 조성 간의 불변 다각형 관계를 수립하여 추가적인 CT 번호 校정 없이도 정확한 몽테카를로 방사선 치료 계획을 가능하게 한다. ICRP 110에 수록된 표준 조직의 질량 가중 평균을 사용함으로써, 밀도 범위 전반에 걸쳐 일관되고 환자별 맞춤형 조직 모델을 제공하며, 저밀도 다공성 조직에서 탄소, 질소 및 산소를 제외한 높은 정확도를 확보한다.

ABSTRACT

Purpose: For Monte Carlo simulation of radiotherapy, x-ray CT number of every system needs to be calibrated and converted to mass density and elemental composition. This study aims to formulate material properties of body tissues for practical two-step conversion from CT number. Methods: We used the latest compilation on body tissues that constitute reference adult male and female. We formulated the relations among mass, electron, and elemental densities into polylines to connect representative tissues, for which we took mass-weighted mean for the tissues in limited density regions. We compared the polyline functions of mass density with a bi-line for electron density and broken lines for elemental densities, which were derived from preceding studies. Results: There was generally high correlation between mass density and the other densities except of C, N, and O for light spongiosa tissues occupying 1% of body mass. The polylines fitted to the dominant tissues and were generally consistent with the bi-line and the broken lines. Conclusions: We have formulated the invariant relations between mass and electron densities and from mass to elemental densities for body tissues. The formulation enables Monte Carlo simulation in treatment planning practice without additional burden with CT-number calibration.

연구 동기 및 목표

• 몽테카를로 치료 계획에서 반복적인 CT 번호 校정이 필요 없도록 하기 위해 불변 조직 밀도 관계를 수립하는 것.
• 표준화된 ICRP 110 조직 데이터를 활용하여 방사선 치료 시뮬레이션의 조직 모델링 정확도와 일관성을 향상시키는 것.
• 기존의 시스템에 종속되고 CT 스캐너 간 이식성이 없는 변환 함수의 한계를 해결하는 것.
• CT 번호에서 전자 밀도로의 두 단계 변환 과정(CT 번호 → 전자 밀도 → 조직 특화 효과적 밀도)을 추가 校정 없이 신뢰성 있게 구현할 수 있도록 하는 것.

제안 방법

• ICRP 110에 수록된 기준 남성 및 여성 몰드에서 53종의 표준 조직 데이터를 사용하여 질량 밀도, 전자 밀도 및 원소 밀도를 유도하였다.
• 밀도 간격(예: 0.90–1.00 g/cm³, 1.00–1.07 g/cm³) 내에서 조직 특성의 질량 가중 평균을 통해 지역 대표 조직을 정의하였다.
• 이전의 이차선형 및 끊어진 선 근사치를 대체하기 위해 질량 밀도에서 전자 밀도 및 원소 밀도(H, C, N, O, P, Ca)로의 다각형 함수를 구축하였다.
• 변동하는 밀도를 가진 영역에서 대표 조직 간 선형 보간을 사용하여 조직 혼합물을 모델링하였으며, 밀도 세그먼트 간 연속성을 확보하였다.
• 주요 원소 분석에서 명시적으로 추적하지 않은 미량 원소를 고려하기 위해 잔류 질량 및 평균 잔류 원자번호(Z_res)를 통합하였다.
• 기존의 SBS 및 Hünemohr 모델과의 비교를 통해 다각형 함수의 정합성을 평가하였으며, 조직 유형 및 밀도 범위 전반에서 일致성을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 질량 가중 조직 데이터를 사용하여 CT 번호에서 조직 특성으로의 일관되고 시스템 독립적인 변환을 달성할 수 있는가?
• RQ2 다양한 인체 조직 유형과 밀도 범위에서 질량 밀도, 전자 밀도 및 원소 조성 간의 관계는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 최근 ICRP 110 조직 데이터와 비교할 때 기존의 이차선형 및 끊어진 선 모델이 전자 밀도 및 원소 밀도에 대해 어느 정도 정확한가?
• RQ4 저질량, 저밀도 조직(예: 다공성 조직)은 밀도 변환 함수의 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 추가 校정 없이도 CT 번호 → 전자 밀도 → 조직 특화 효과적 밀도로의 두 단계 변환 과정을 신뢰성 있게 구현할 수 있는가?

주요 결과

• 전자 밀도 및 원소 밀도에 대한 다각형 함수는 대부분의 조직 유형과 밀도 범위에서 SBS 끊어진 선 및 Hünemohr 이차선형 모델과 높은 일致성을 보였다.
• 이차선형 모델에서 가장 큰 편차는 0.90 g/cm³(지방) 및 2.75 g/cm³(치아)에서 발생하였으며, 각각 -1.7% 및 -1.3%의 오차를 보였으며, 다각형 함수에 의해 연속성으로 인해 이 문제를 해결하였다.
• 질량 밀도와 전자 밀도 간 상관관계는 강했지만, 다공성 조직 함량(체중의 1%)이 포함된 조직에서 탄소, 질소 및 산소의 경우 불일치가 발생하였으며, 이는 구분되지 않은 포함으로 인한 것이다.
• 잔류 질량 및 평균 잔류 원자번호(Z_res)는 치아의 12.0에서 갑상선의 20.6까지 변동하였으며, 전반적인 평균은 15.95로 황(S)에 가까워 미량 원소의 합리적인 근사치를 제공하였다.
• 이 제안된 방법은 다양한 CT 시스템에 대해 재보정 없이 몽테카를로 시뮬레이션에 직접 적용 가능하여 임상 치료 계획에서 설정 부담을 크게 감소시켰다.
• 유도된 다각형 함수를 사용하여 전자 밀도에서 전체 원소 조성으로의 변환을 가능하게 하여 정확하고 환자별 맞춤형 부피 모델링을 지원한다.