Conceptual Source Design and Dosimetric Feasibility Study for Intravascular Treatment: A Proposal for Intensity Modulated Brachytherapy

김시용,한은영,하성환,Kim Siyong,Han Eunyoung,Palta Jatinder R.,Ha Sung W. The Korean Society for Radiation Oncology 2003 Radiation Oncology Journal Vol.21 No.2

목적: 본 연구는 새로운 근접치료선원의 이론적 설계를 통해 출력변조를 이용한 혈관내 방사선치료를 제안한다. 대상 및 방법: 제시된 이론적 선원은 기존의 선원과는 달리 선원물질과 차폐물질(스테인리스 스틸, 또는 텅스텐) 둘 다로 구성되며 이는 방위방향으로 비대칭적 방사선량을 제공할 수 있게 한다. 따라서, 방위방향으로 선원의 방향과 체류시간을 조절함으로써 출력변조를 통한 근접치료가 가능해진다. Novoste Beta-Cath system에서 사용하는 Sr-90/Y 전자방출 선원과 유사한 모양의 두 가지 단순화한 선원을 연구의 대상으로 고려하였다. 첫 번째 선원은 선원물질과 차폐물질이 각각 반씩 차지하며, 두 번째 선원은 1/4은 선원물질로, 나머지 3/4은 차폐물질로 구성된다. 두 선원에 대해 방위 및 방사방향으로의 선량분포를 MCNP 몬테 카를로 코드를 이용하여 계산하였다. 결과: 선원이 혈관내의 중심에 위치하지 않게 되는 가상조건에서의 선량 최적화 계산을 시도한 결과, 혈관내벽에 미치는 선량의 최고치와 최저치의 차이가 87$\%$에서 7$\%$까지 줄어들 수 있음을 보였다. 결론: 본 연구에서 제시된 이론적 선원은 선량적 관점에서의 적합성 여부에 관해 매우 고무적인 결과를 보여 줌으로써 출력변조를 통한 혈관내 근접방사선치료의 가능성을 나타내었다. 본 과제의 다음 단계는 굵기가 가는 맥관 내에서 선원의 위치를 파악하여 그를 방위방향으로 정확하게 회전시킬 수 있는 방사선 전달 체계의 개발이라 할 수 있다. Purpose: To propose a conceptual design of a novel source for intensity modulated brachytherapy. Materials and Methods: The source design incorporates both radioactive and shielding materials (stainless steel or tungsten), to provide an asymmetric dose intensity in the azimuthal direction. The intensity modulated intravascular brachytherapy was performed by combining a series of dwell positions and times, distributed along the azimuthal coordinates. Two simple designs for the beta-emitting sources, with similar physical dimensions to a $^{90}Sr/Y$ Novoste Beat-Cath source, were considered in the dosimetric feasibility study. In the first design, the radioactive and materials each occupy half of the cylinder and in the second, the radioactive material occupies only a quater of the cylinder. The radial and azimuthal dose distributions around each source were calculated using the MCNP Monte Carlo code. Results: The preliminary hypothetical simulation and optimization results demonstrated the 87$\%$ difference between the maximum and minimum doses to the lumen wall, due to off-centering of the radiation source, could be reduced to less than 7$\%$ by optimizing the azimuthal dwell positions and times of the partially shielded intravascular brachytherapy sources. Conclusion: The novel brachytherapy source design, and conceptual source delivery system, proposed in this study show promising dosimetric characteristics for the realization of intensity modulated brachytherapy in intravascular treatment. Further development of this concept will center on building a delivery system that can precisely control the angular motion of a radiation source in a small-diameter catheter.

Quasi-breath-hold (QBH) Biofeedback in Gated 3D Thoracic MRI: Feasibility Study

김태호,이레나,김시용,Kim, Taeho,Pooley, Robert,Lee, Danny,Keall, Paul,Lee, Rena,Kim, Siyong Korean Society of Medical Physics 2014 의학물리 Vol.25 No.2

연구의 목적은 의사호흡정지(QBH) 바이오 피드백이 의료영상획득 시간의 큰변화 없이 잔류 호흡 운동을 조절함으로써 호흡 운동에 의한 영상 오류를 줄이고, 게이트 3차 흉부 자기 공명 영상을 향상시킬 수 있다는 가설을 실험하는 것이다. 가설을 확인하기 위해 건강한 다섯 사람을 대상으로 3T 지멘스 엠알아이의 호흡 탐색기가 포함된 T2 가중 스페이스 엠알 펄스 시퀀스를 이용해 두번의 게이트 자기공명 영상 연구를 시행 하였다: 자유 호흡 상태와 의사호흡정지 바이오 피드백 호흡상태, 의사호흡정지 바이오 피드백 시스템은 알피엠(RPM) 시스템(실시간 위치 관리시스템, 베리안)을 사용하여, 복부의 외부 위치를 측정하고, 음향과 시각적으로 각각의 호흡주기의 90% 위치에서 2초 숨을 정지하도록 안내하는 방법을 사용했다. 평가방법은 의사호흡정지 바이오 피드백 시스템을 이용시 간 상부의 호흡정지모습의 재현성이 게이팅 영역 내에서 향상되는지를 지원자의 실험을 통해 평가하였다. 자유호흡상태와 의사호흡정지 바이오 피드백상태에서 3차 흉부자기공명영상내에 호흡 운동에 의한 영상 오류와 게이팅영역 내에서의 잔류 호흡 운동 조절여부도 함께 평가했다. 또한, 복부 변위의 RMSE도 (제곱근오차) 조사되었다. 의사호흡정지 바이오 피드백방법을 사용함으로 자유호흡의 경우보다 게이트 3차 흉부 엠알 영상에서 폐와 간에서 호흡운동에 의한 영상오류의 감소 결과를 획득했다(영상획득시간: ~6분). 이는 의사호흡정지 바이오 피드백사용시, 게이팅 영역에서 복부 운동 감소와 횡경막의 잔류 움직임 감소가 일치함을 의미한다. 따라서, 알피엠을 통해 얻은 복부 변위의 전체 자료에서평균 RMSE는 (제곱근오차) 자유 호흡의 2.0 mm에 비해 7 mm (67% 감소, p값=0.02)로 감소하였으며, 게이팅영역만을 고려했을때는 자유 호흡의 1.7 mm가 의사호흡정지 바이오 피드백 호흡을 사용함으로써 0.7 mm (58 % 감소, p값=0.14) 로 개선되었다. 선형 피팅을 사용하여 얻은 평균 기준 이동값은 의사호흡정지 바이오 피드백 을 사용하면 자유 호흡 5.5 mm/분보다 0.6 mm/분(89% 감소, p값=0.017)으로 감소되었다. 이 연구는 의사호흡정지 바이오 피드백을 이용해 게이트 3차 흉부 자기 공명 영상 중에 간 상부의 호흡정지 재현성이 향상되는 것을 보여 주었다. 이 시스템은 내부 해부학의 운동을 조절함으로써 게이트 의료 영상과 방사선 치료에 임상적으로 적용 할 수 있다. The aim of the study is to test a hypothesis that quasi-breath-hold (QBH) biofeedback improves the residual respiratory motion management in gated 3D thoracic MR imaging, reducing respiratory motion artifacts with insignificant acquisition time alteration. To test the hypothesis five healthy human subjects underwent two gated MR imaging studies based on a T2 weighted SPACE MR pulse sequence using a respiratory navigator of a 3T Siemens MRI: one under free breathing and the other under QBH biofeedback breathing. The QBH biofeedback system utilized the external marker position on the abdomen obtained with an RPM system (Real-time Position Management, Varian) to audio-visually guide a human subject for 2s breath-hold at 90% exhalation position in each respiratory cycle. The improvement in the upper liver breath-hold motion reproducibility within the gating window using the QBH biofeedback system has been assessed for a group of volunteers. We assessed the residual respiratory motion management within the gating window and respiratory motion artifacts in 3D thoracic MRI both with/without QBH biofeedback. In addition, the RMSE (root mean square error) of abdominal displacement has been investigated. The QBH biofeedback reduced the residual upper liver motion within the gating window during MR acquisitions (~6 minutes) compared to that for free breathing, resulting in the reduction of respiratory motion artifacts in lung and liver of gated 3D thoracic MR images. The abdominal motion reduction in the gated window was consistent with the residual motion reduction of the diaphragm with QBH biofeedback. Consequently, average RMSE (root mean square error) of abdominal displacement obtained from the RPM has been also reduced from 2.0 mm of free breathing to 0.7 mm of QBH biofeedback breathing over the entire cycle (67% reduction, p-value=0.02) and from 1.7 mm of free breathing to 0.7 mm of QBH biofeedback breathing in the gated window (58% reduction, p-value=0.14). The average baseline drift obtained using a linear fit was reduced from 5.5 mm/min with free breathing to 0.6 mm/min (89% reduction, p-value=0.017) with QBH biofeedback. The study demonstrated that the QBH biofeedback improved the upper liver breath-hold motion reproducibility during the gated 3D thoracic MR imaging. This system can provide clinically applicable motion management of the internal anatomy for gated medical imaging as well as gated radiotherapy.

XGboost방식을 이용한 이동목적에 따른 이동수단 선택 모형개발

백의현(Euihyun Paik),정영준(Yungjoon Jung),윤기수(Kisoo Yoon),김시용(Siyong Kim),윤성웅(Soungwoong Yoon),고중훈(JoongHoon Ko) 한국정보과학회 2021 정보과학회 컴퓨팅의 실제 논문지 Vol.27 No.8

이동수단 선택 분석은 이동수단 수요를 이해하고 예측하게 하므로 교통관련 정책 수립에 중요하다. 기계학습 방식의 발전으로 다양한 분류기가 개발되었지만, 교통수단 선택 모형에 적합한 분류자 선택에 관한 연구는 미흡한 편이다. 본 연구에서는 세종시에서 사람들이 이동 시 고려하는 요인들을 분석하고, 이동수단 선택 모형에 적용 가능한 분류자(XGboost)를 이용하여 이동패턴을 학습하였으며, 이를 바탕으로 개인의 속성(연령, 성별, 운전면허, 직업, 이동 목적, 이동 거리 등)을 고려한 이동수단 선택 모형을 개발하였다. Analyzing travel mode choice patterns is important for establishing traffic-related policies, as it helps to understand and predict demand for transportation. Although various machine learning classifiers have been developed due to the advancement in machine learning methods, inadequate research has been performed on classifiers, suitable for the travel mode choice model. In this study, we analyze the factors that people consider when moving in Sejong City and learn movement patterns using XGboost, which is applicable to travel mode choice models. Based on this, we develop a travel mode selection model using personal properties (i.e., age, gender, driver"s license, occupation, purpose of travel, and travel distance).

Evaluation of Scatter Reduction Effect of the Aft-Multiple-Slit (AMS) System Using MC Simulation

Jina Chang(장지나),Tae-Suk Suh(서태석),Doh-Yun Jang(장도윤),Hong-Seok Jang(장홍석),Siyong Kim(김시용) 대한방사선종양학회 2010 Radiation Oncology Journal Vol.28 No.4

목 적: 본 연구에서는 콘빔 CT에서 산란선 제거를 위한 aft-multple-slit (AMS) 시스템을 설계하였다. 예비 연구로서 본 시스템의 효용성을 검증하기 위해 MC 시뮬레이션을 수행하였다. 대상 및 방법: 가상 시뮬레이션은 산란선과 산란선+일차선을 계산할 수 있는 MCNPX의 radiography tally 5를 이용하였다. AMS는 빔의 발산성을 고려한 각이 동일한 아크 형태이고, 길이 방향에서의 산란선을 막는다. AMS의 효용성을 위한 평가는 AMS를 사용하지 않았을 때의 일차선과 산란선을 비교함으로써 수행되었다. 2D projection 영상을 얻기 위해 전체의 AMS는 한번의 갠트리 회전 후 AMS에 의해 가려진 부분의 영상 획득을 위해 다시 한 번 회전하는 구조이다. 결 과: 일차선의 2D projection 영상은 모든 AMS의 폭에서 그리고 AMS를 사용하지 않았을 때에도 동일하였으나 일차선+산란선의 2D projection 영상은 slit의 폭에 따라 결과가 변했다. Slit의 폭을 5 mm, 10 mm, 15 mm, 20 mm로 하였을 때 평균 산란성 제거율은 29%, 15%, 9%, 8%였다. 결 론: 본 연구에서는 AMS를 이용한 콘빔 CT의 산란선 제거 효과를 평가하였다. MC 시뮬레이션을 이용한 본 시스템의 사전 연구에서는 상당한 산란선 제거 효과를 보여주었다. Purpose: We designed the aft-multiple-slit (AMS) system to reduce scatter in cone-beam computed tomography(CBCT). As a preliminary study, we performed a Monte Carlo N-Particle Transport Code (MCNP) simulation to verify the effectiveness of this system. Materials and Methods: The MCNPX code was used to build the AMS geometry. An AMS is an equi-angled arc to consider beam divergence. The scatter-reduced projection images were compared with the primary images only and the primary plus scatter radiation images with and without AMS to evaluate the effectiveness of scatter reduction. To obtain the full 2 dimensional (2D) projection image, the whole AMS system was moved to obtain closed septa of the AMS after the first image acquisition. Results: The primary radiation with and without AMS is identical to all the slit widths, but the profiles of the primary plus scattered radiation varied according to the slit widths in the 2D projection image. The average scatter reduction factors were 29%, 15%, 9%, and 8% when the slit widths were 5 mm, 10 mm, 15 mm, and 20 mm, respectively. Conclusion: We have evaluated the scatter reduction effect of the AMS in CBCT imaging using the Monte Carlo (MC) simulations. A preliminary study based on the MCNP simulations showed a mount of scatter reduction with the proposed system.

부정형 방사선 조사면에 대한 투과선량 보정 알고리즘

윤형근(Hyong Geun Yun),지의규(Eui Kyu Chie),허순녕(Soon Nyung Huh),우홍균(Hyoung Koo Lee),이형구(Hong Gyun Wu),신교철(Kyo Chul Shin),김시용(Siyong Kim),하성환(Sung Whan Ha) 대한방사선종양학회 2002 Radiation Oncology Journal Vol.20 No.3

목적 : 방사선치료시 환자에 조사되는 방사선량을 매 치료시마다 간편하게 확인하기 위한 생체내(in vivo) 선량측정의 한 방법으로 투과선량을 이용하는 새로운 시스템에 필요한 알고리즘을 이미 개발한 바 있다. 본 연구에서는 조사면 일부가 차폐된 부정형 조사면에서 적용하기 위한 보정 알고리즘을 개발하고자 하였다. 재료 및 방법 : 알고리즘을 개발하기 위한 기본 자료를 마련하기 위하여 투과선량 측정을 시행하였다. 측정에는 선형가속기의 6 MV 및 10 MV의 X선을 이용하였고, 이온함형 측정기 및 전위계를 사용하였다. 측정조건으로는 조사면의 크기(collimator opening)는 2 x 2c㎡에서 32 x 32c㎡까지 한 변을 2 cm씩 증가시켜 16단계로 하였고, 팬톰 두께(phantom thickness Tp)는 0, 10, 20 및 30 cm, 팬톰과 측정기간의 거리(phantom chamber distance PCD)는 10, 30 및 50 cm으로 하였다. 이 때 조사면의 일부를 차폐하였으며 차폐되지 않은 유효조사면(effective field size)의 크기를 5 x 5,10 x 10,15 x 15 및 20 x 20c㎡으로 하였다. 결과 : 조사면의 일부가 차폐체에 의하여 차폐된 경우 종양선량이 감소되며 동시에 투과선량도 감소된다는 물리학적인 추론을 이용하여 방사선조사면 일부 차폐가 투과선량에 미치는 영향을 보정하기 위한 알고리즘을 개발하였으며 조사면 일부가 차폐된 여러 측정 조건에서 알고리즘을 이용한 계산치와 실제측정치 간의 오차는 ±1.0% 이내이었다. 결론 : 투과선량 계산 알고리즘은 조사면 일부가 차폐된 불규칙 조사면의 경우 {pm}1.0% 이하의 오차 범위로 정확히 투과선량을 계산할 수 있음을 확인하였다. Purpose : Measurement of transmission dose is useful for in vivo dosimetry. In this study, the algorithm for estimating the transmission dose for open radiation fields was modified for application to partially blocked radiation fields. Materials and Methods : The beam data was measured with a flat solid phantom with various blocked fields. A new correction algorithm for partially blocked radiation field was developed from the measured data. This algorithm was tested in some settings simulating clinical treatment with an irregular field shape. Results : The correction algorithm for the beam block could accurately reflect the effect of the beam block, with an error within ±1.0%, with both square fields and irregularly shaped fields. Conclusion : This algorithm can accurately estimate the transmission dose in most radiation treatment settings, including irregularly shaped field.