Evaluation of the EDGE Detector in Small-field Dosimetry

신헌주,김명호,최일봉,강영남,김대현,최병옥,장홍석,정지영,손석현,계철승 한국물리학회 2013 THE JOURNAL OF THE KOREAN PHYSICAL SOCIETY Vol.63 No.1

This study evaluates a new diode detector design for small-field dosimetry. An accurate detector that has a small volume are necessary to compile data for stereotactic radiosurgery (SRS),stereotactic body radiotherapy (SBRT), and intensity-modulated radiotherapy (IMRT). Two semiconductor diode detectors and one ionization chamber were used to measure the profiles, percent depth doses (PDDs), and relative output factors (OFs) of a Novalis 6-MV SRS beam. Profiles and PDD data were collected using 5.0-, 10.0-, 15.0-, 20.0-, 30.0-, and 50.0-mm micro multileaf collimators (mMLCs) at small fields and a 98.0 × 98.0-mm2 reference field. OFs were collected for each of the mMLCs. The EDGE diode detector, the diode detector, and the ion chamber (0.007cc) were used in the study. Detector measurements were performed using the 3D water phantom with a source-to-surface distance of 100-cm at a depth of 1.5-cm. The measurements were analyzed using the IBA OmniPro Accept 7th version software. In addition, all data were compared to Monte Carlo simulations. The semiconductor diodes had similar OFs and PDDs for each of the mMLCs used. The Dmax values of the EDGE diode detector, measured from the PDD, ranged from 8.5 to 14.0-mm with an average of 12.4-mm. The field widths of the EDGE diode detector were found to have similar values. The performance of the EDGE diode detector was comparable for all small-field measurements. Additionally, no evidence of an energy response was observed for the EDGE detectors for a field of 98 × 98-mm2. This is particularly important when measuring the relative OF for small fields or gathering larger-sized field data for the commissioning of a treatment planning system.

소조사면에서의 불균질 물질 보정 계산의 평가

신헌주,강영남,장지선,서재혁,정지영,최병옥,최일봉,이동준,권수일,Shin, Hun-Joo,Kang, Young-Nam,Jang, Ji-Sun,Seo, Jae-Hyuk,Jung, Ji-Young,Choi, Byung-Ock,Choi, Ihl-Bohng,Lee, Dong-Joon,Kwon, Soo-Il 한국의학물리학회 2009 의학물리 Vol.20 No.4

정위방사선수술시 소조사면에서의 불균질 물질에 따른 보정 계수를 구하고, 치료계획 시스템의 선량계산 값과 실제 조사된 선량값을 비교, 분석하여 불균질 물질 보정에 의한 선량계산의 정확성을 평가한다. 본 실험을 위하여 12가지 종류의 불균질 물질과 필름 및 이온 전리함을 장착할 수 있는 팬톰(Inhomogeneity Correction Phantom, ICP)을 제작하였다. 각각의 불균질 물질의 전자밀도값을 치료계획 시스템에 입력하여 치료계획을 수립하고, 선량분포와 임의의 위치에서의 절대선량 측정을 위해 EBT 필름과 0.125 cc 이온전리함을 이용하였으며 불균질 물질 보정 계수 적용과 비적용에 따른 치료계획의 차이와 필름에 조사된 선량값 및 이온 전리함의 절대 선량값의 차이를 분석하였다. 불균질 물질 보정 계수의 적용과 비적용시 각각의 치료계획과 측정값을 비교, 분석한 결과 평균 1.63%, 10.05%이었고, 각 경우의 측정값을 비교한 결과 평균 10.09%이었다. 또한, 임의의 위치에서의 절대선량값을 비교한 결과 불균질 물질 보정 계수의 비적용시에는 평균 2.90%, 적용시에는 평균 0.43%의 차이를 보였다. 본 실험 결과 직경 1 cm의 목표점에 방사선을 조사하였을 때 불균질 물질 보정 계수 적용 전의 선량분포 및 임의의 위치에서의 절대 선량이 적용시보다 큰 차이를 나타냈으며, 본 실험에서 사용된 소조사면의 치료계획시스템은 불균질 물질 보정이 정확하게 수행되는 것을 확인하였다. 결론적으로 1% 이하의 정확도를 가지고 시행하는 소조사면에서의 정위방사선수술의 경우 불균질 물질에 대한 보정이 일반적인 조사면에서의 적용 보다 더 정확하게 수립이 되어야 한다. In this study, we estimated inhomogeneity correction factor in small field. And, we evaluated accuracy of treatment planning and measurement data which applied inhomogeneity correction factor or not. We developed the Inhomogeneity Correction Phantom (ICP) for insertion of inhomogeneity materials. The inhomogeneity materials were 12 types in each different electron density. This phantom is able to adapt the EBT film and 0.125 cc ion chamber for measurement of dose distribution and point dose. We evaluated comparison of planning and measurement data using ICP. When we applied to inhomogeneity correction factor or not, the average difference was 1.63% and 10.05% in each plan and film measurement data. And, the average difference of dose distribution was 10.09% in each measurement film. And the average difference of point dose was 0.43% and 2.09% in each plan and measurement data. In conclusion, if we did not apply the inhomogeneity correction factor in small field, it shows more great difference in measurement data. The planning system using this study shows good result for correction of inhomogeneity materials. In radiosurgery using small field, we should be correct the inhomogeneity correction factor, more exactly.

Evaluation of the Elekta SymmetryTM 4D IGRT System by Using a Moving Lung Phantom

신헌주,김신욱,계철승,서재혁,이기웅,강기문,장홍석,강영남 한국물리학회 2015 THE JOURNAL OF THE KOREAN PHYSICAL SOCIETY Vol.67 No.1

Purpose: 4D cone-beam computed tomography (CBCT) is a beneficial tool for the treatment of movable tumors because it can help us to understand where the tumors are actually located and it has a precise treatment plan. However, general CBCT images have a limitation in that they cannot perfectly perform a sophisticated registration. On the other hand, the SymmetryTM 4D image-guided radiation therapy (IGRT) system of Elekta offers a 4D CBCT registration option. In this study, we evaluated the usefulness of SymmetryTM. Method and Materials: Planning CT images of the CIRS moving lung phantom were acquired 4D multi-detector CT (MDCT), and the images were sorted as 10 phases from 0% phase to 90% phase. The thickness of the CT images was 1 mm. Acquired MDCT images were transferred to the contouring software, and a virtual target was generated. A one-arc volumetric-modulated arc therapy (VMAT) plan was performed by using the treatment planning system on the virtual target. Finally, the movement of the phantom was verified by using the XVI SymmetryTM system. Results: The physical movement of the CIRS moving lung phantom was ±10.0 mm in the superiorinferior direction, ±1.0 mm in the lateral direction, and ±2.5 mm in the anterior-posterior direction. The movement of the phantom was measured from the 4D MDCT registration as ±10.2 mm in the superior-inferior direction, ±0.9 mm in the lateral direction, and ±2.45 mm in the anterior-posterior direction. The movement of the phantom was measured from the SymmetryTM registration as ±10.1 mm in the superior-inferior direction, ±0.9 mm in the lateral direction, and ±2.4 mm in the anterior-posterior direction. Conclusion: We confirmed that 4D CBCT is a beneficial tool for the treatment of movable tumors, and that the 4D registration of SymmetryTM can increase the precision of the registration when a movable tumor is the target of radiation treatment.

R-function을 이용한 형상의 음함수 모델링 및 해석

신헌주(Heonju Shin),김태완(Tae-wan Kim),신동우(Dongwoo Sheen),이규열(Kyu-Yeul Lee) (사)한국CDE학회 2006 한국 CAD/CAM 학회 학술발표회 논문집 Vol.2006 No.2

R-function을 이용한 형상의 음함수 모델링 및 해석

신헌주(Heonju Shin),김태완(Tae-wan Kim),신동우(Dongwoo Sheen) (사)한국CDE학회 2007 한국CDE학회 논문집 Vol.12 No.3

The Feasibility Study of MRI-based Radiotherapy Treatment Planning Using Look Up Table

김신욱,신헌주,이영규,서재혁,이기웅,박형욱,이재춘,김애란,김지나,김명호,계철승,장홍석,강영남,Kim, Shin-Wook,Shin, Hun-Joo,Lee, Young-Kyu,Seo, Jae-Hyuk,Lee, Gi-Woong,Park, Hyeong-Wook,Lee, Jae-Choon,Kim, Ae-Ran,Kim, Ji-Na,Kim, Myong-Ho,Kay, C Korean Society of Medical Physics 2013 의학물리 Vol.24 No.4

뇌병변 등의 방사선 치료에 있어 CT (Computed Tomography) 영상만을 이용한 종양 체적(Tumor volume) 윤곽의 정확한 설정은 CT 영상의 부족한 연부조직 대조도 특성에 의하여 한계를 가진다. 따라서 자기공명영상(Magnetic Resonance Images, MRI)이 보다 정확한 목표 체적의 윤곽을 그려내기 위해 광범위 하게 사용되고 있다. 치료계획을 위해 획득한 자기공명영상에 진단단계에서 얻어진 CT영상의 전자밀도를 융합하는 방법과 자기공명 영상으로부터 만들어진 가상의 CT를 이용하는 방법 등이 자기공명 영상장치를 기반으로 한 방사선 치료 계획의 선량계산을 위하여 소개되어 왔다. 본 연구는 MRI기반의 선량계산의 가능성을 확인 해보기 위해 15명 환자의 진단 MR 영상을 통하여 Look Up Table (LUT)을 만들어 MRI 기반 선량계산과 기존의 CT 기반 선량계산을 비교 검증 하였다. 여기서 lMRI는 획득한 MR 영상에 LUT를 이용한 전자밀도 보정을 한 것이며 wMRI는 획득한 MR영상을 물 밀도로 동일화 시킨 것이다. 6 MV anterial 방향의 조사가 CT, lMRI, wMRI에 적용되어 치료계획으로 비교되었으며 또한 환자의 병변위치에 따라 2문 조사에서 5문 조사의 치료계획이 비교되었다. CT기반 치료계획을 기준으로 하여 등선량 분포와 DVH의 차이는 wMRI 보다 lMRI에서 더 적었으며 최대선량 차이가 91 cGy vs. 57 cGy, 평균선량이 74 cGy vs. 42 cGy, 최소선량 차이가 94 cGy vs. 53 cGy로 측정되어 각각의 선량 평가 면에서 그 차이가 wMRI보다 lMRI에서 더 적었다. 이러한 결과는 wMRI의 경우 공동내 선량계산에서 CT기반 선량계산과 차이가 나기 때문이다. 따라서 본 연구의 결과는 lMRI 기반 선량계산의 가능성이 있음을 보여준다. In the intracranial regions, an accurate delineation of the target volume has been difficult with only the CT data due to poor soft tissue contrast of CT images. Therefore, the magnetic resonance images (MRI) for the delineation of the target volumes were widely used. To calculate dose distributions with MRI-based RTP, the electron density (ED) mapping concept from the diagnostic CT images and the pseudo CT concept from the MRI were introduced. In this study, the look up table (LUT) from the fifteen patients' diagnostic brain MRI images was created to verify the feasibility of MRI-based RTP. The dose distributions from the MRI-based calculations were compared to the original CT-based calculation. One MRI set has ED information from LUT (lMRI). Another set was generated with voxel values assigned with a homogeneous density of water (wMRI). A simple plan with a single anterior 6MV one portal was applied to the CT, lMRI, and wMRI. Depending on the patient's target geometry for the 3D conformal plan, 6MV photon beams and from two to five gantry portals were used. The differences of the dose distribution and DVH between the lMRI based and CT-based plan were smaller than the wMRI-based plan. The dose difference of wMRI vs. lMRI was measured as 91 cGy vs. 57 cGy at maximum dose, 74 cGt vs. 42 cGy at mean dose, and 94 cGy vs. 53 at minimum dose. The differences of maximum dose, minimum dose, and mean dose of the wMRI-based plan were lower than the lMRI-based plan, because the air cavity was not calculated in the wMRI-based plan. These results prove the feasibility of the lMRI-based planning for brain tumor radiation therapy.

GEANT4를 이용한 정위적 사이버나이프 선량분포의 계산과 측정에 관한 연구

이충일,신재원,신헌주,정재용,김연래,민정환,홍승우,정수미,정원균,서태석,Lee, Chung-Il,Shin, Jae-Won,Shin, Hun-Joo,Jung, Jae-Yong,Kim, Yon-Lae,Min, Jeong-Hwan,Hong, Seung-Woo,Chung, Su-Mi,Jung, Won-Gyun,Suh, Tae-Suk 한국의학물리학회 2010 의학물리 Vol.21 No.2

사이버나이프 치료에서 사용하는 소조사면은 전자평형의 부재와 급격한 선량 경사도(Steep dose gradients), 그리고 광자와 전자들의 스펙트럼 변화 요인으로 인하여 소조사면 광자선 선량 측정은 일반적인 치료의 측정보다 좀더 어렵고 복잡하다. 본 연구에서는 다이오드 검출기를 이용한 측정값과 GEANT4를 이용한 계산값을 비교하고 정확한 선량 전달을 위한 측정 선량의 검증 도구의 한 종류로 GEANT4의 유용성을 입증하고자 한다. 사이버나이프 몬테카를로 모델을 개발하는데 있어 두 단계로 진행하였다. 첫 번째 단계는 선형가속기 헤드(treatment head) 시뮬레이션과 이를 통한 광자 에너지 스펙트럼의 계산이었고, 두 번째 단계는 5, 10, 20, 30, 50, 60 mm의 여섯 개 원형 조사면에 대한 물팬텀속에서의 깊이선량율의 계산이었다. 그리고 출력인수(Relative output factors)에 대한 계산은 5 mm부터 60 mm까지 총 12가지 조사면에 대해 수행되었으며 그 결과를 다이오드 검출기를 이용한 측정값과 비교하였다. 가로선량분포(Profiles)의 경우 5, 10, 20, 30, 50, 60 mm의 6가지 조사면에 대해 계산이 이루어졌고 깊이는 1.5, 10, 20 cm의 세 가지 깊이에 대해 수행되었다. 깊이선량율의 계산값을 측정값과 비교한 결과 평균 2% 미만의 오차를 보여 임상에서 허용 가능한 결과를 얻었다. 조사면 출력인자의 경우에 조사면 직경 7.5 mm 이상에서 3% 이내의 오차를 보였으나 직경 5 mm 조사면에서는 6.9%로 높은 오차를 보였다. 가로선량분포에서 20 mm 이상의 조사면에서는 2% 미만의 오차를 보였고 그 이하의 조사면에서는 3.5% 미만의 오차를 보였다. 본 연구에서는 소조사면 사이버나이프 측정을 위한 선량분포 계산을 GEANT4 코드를 사용하여 다이오드 측정 결과와 비교하였다. 다이오드와의 측정 비교 결과 5 mm 조사면을 제외한 나머지 조사면들에 대해 오차 0.2~0.6% 내의 만족할만한 결과를 얻었다. 향후 소조사면에서 정확성을 가지는 Gafchromic 필름 등 다른 측정기와 비교를 통하여 그 정확성이 평가된다면 이 GEANT4의 선량분포 계산 방법은 소조사면을 이용하는 사이버나이프 방사선치료에서 정확한 선량 전달을 위한 측정 선량의 검증 도구의 한 종류로 사용할 수 있을 것으로 예상한다. Cyberknife with small field size is more difficult and complex for dosimetry compared with conventional radiotherapy due to electronic disequilibrium, steep dose gradients and spectrum change of photons and electrons. The purpose of this study demonstrate the usefulness of Geant4 as verification tool of measurement dose for delivering accurate dose by comparing measurement data using the diode detector with results by Geant4 simulation. The development of Monte Carlo Model for Cyberknife was done through the two-step process. In the first step, the treatment head was simulated and Bremsstrahlung spectrum was calculated. Secondly, percent depth dose (PDD) was calculated for six cones with different size, i.e., 5 mm, 10 mm, 20 mm, 30 mm, 50 mm and 60 mm in the model of water phantom. The relative output factor was calculated about 12 fields from 5 mm to 60 mm and then it compared with measurement data by the diode detector. The beam profiles and depth profiles were calculated about different six cones and about each depth of 1.5 cm, 10 cm and 20 cm, respectively. The results about PDD were shown the error the less than 2% which means acceptable in clinical setting. For comparison of relative output factors, the difference was less than 3% in the cones lager than 7.5 mm. However, there was the difference of 6.91% in the 5 mm cone. Although beam profiles were shown the difference less than 2% in the cones larger than 20 mm, there was the error less than 3.5% in the cones smaller than 20 mm. From results, we could demonstrate the usefulness of Geant4 as dose verification tool.

이중으로 집중된 동적 미세 다엽콜리메이터의 선량학적 특성 평가

김애란,서재혁,신헌주,박형욱,이기웅,이재춘,김신욱,김지나,박혜리,이희관,강영남,Kim, Ae Ran,Seo, Jae-Hyuk,Shin, Hun-Joo,Park, Hyeong Wook,Lee, Ki Woong,Lee, Jae Choon,Kim, Shin-Wook,Kim, Ji Na,Park, Hyeli,Lee, Heui-Kwan,Kang, Young-Nam Korean Society of Medical Physics 2015 의학물리 Vol.26 No.4

이중으로 집중된 미세 다엽콜리메이터(Double-focused micro Multileaf Collimator: ${\mu}MLC$)는 보통의 다엽콜리메이터(Multileaf Collimator: MLC)에 비하여 조사면 가장자리 부분의 선량을 급격하게 줄여준다. 이러한 특성 때문에, 미세 다엽 콜리메이터는 정위적 방사선 수술과 치료(Stereotactic Radio-Surgery/RadioTtherapy, SRS/SRT)에 사용되어 왔다. 우리는 Elekta Synergy 선형가속기에 이중으로 집중된 동적 미세 다엽콜리메이터(Double-focused Dynamic micro-Multileaf Collimator: DMLC)를 부착하여 선량학적 특성을 평가하였다. 본 연구에서는, 필름(GafChromic EBT2 film), EDGE 다이오드 검출기, 3차원 물 팬텀을 이용하였다. 깊이선량백분율(Percent Depth Dose, PDD), 엽 투과도(leaf leakage), 반그림자(Penumbra)를 측정하였고, 모든 데이터들은 6MV 광자선으로 측정하였다. 그 결과, DMLC가 1% 이내의 투과도를 갖는것을 확인할 수 있었다. DMLC는 이중으로 집중 되는 구조를 가졌기 때문에 반 그림자가 조사야 크기에 대하여 독립적인 것을 확인하였다. 본 연구에서는 DMLC의 선량학적 특성을 바탕으로, Elekta Synergy에 부착된 DMLC의 적용 가능성을 증명하였다. Double-focused micro-Multileaf Collimator (${\mu}MLC$) is able to create radiation fields having sharper dose gradients at the field edges than common MLC. Therefore, ${\mu}MLC$ has been used for the stereotactic radiosurgery (SRS) and Stereotactic Radiotherapy (SRT). We evaluated the dosimetric characteristics of a doublefocused Dynamic-${\mu}MLC$ (DMLC) attached to the Elekta Synergy linear accelerator. For this study, the dosimetric parameters including, Percent Depth Dose (PDD), Leaf leakage and penumbra, have been measured by using of the radiochromic films (GafChromic EBT2), EDGE diode detector and three-dimensional water phantom. All datas were measured on 6 MV x-ray. As a result, The DMLC shows transmission below to 1% and because of double-focused construction of the DMLC, the penumbras of fields with DMLC are independent from the field sizes. In this paper, the resulting dosimetric evaluations proved the applicability of the DMLC attached to the Elekta Synergy linear accelerator.

Comparison of Helical tomotherapy and Cyberknife in Spine Radiosurgery

강영남,정지영,신헌주,윤세철,최일봉,최병옥,장홍석,손석현,계철승,김희중 대한방사선방어학회 2011 대한방사선방어학회 학술발표회 논문요약집 Vol.2011 No.04

동적 팬톰을 이용한 사이버나이프 호흡동기 추적장치의 위치 정확성 평가

서재혁,강영남,장지선,신헌주,정지영,최병옥,최일봉,이동준,권수일,임종수,Seo, Jae-Hyuk,Kang, Young-Nam,Jang, Ji-Sun,Shin, Hun-Joo,Jung, Ji-Young,Choi, Byong-Ock,Choi, Ihl-Bohng,Lee, Dong-Joon,Kwon, Soo-Il,Lim, Jong-Soo 한국의학물리학회 2009 의학물리 Vol.20 No.4

본 연구에서는 정위방사선수술시 움직이는 목표점에 대한 사이버나이프 호흡동기추적장치의 위치 정확성 및 유용성을 평가하고자 한다. 본 연구를 위해 움직이는 목표점을 재현할 수 있는 동적팬톰을 사용하였으며 움직이는 목표점 추적을 위하여 사이버나이프의 호흡동기추적장치인 $Synchrony^{TM}$ 시스템을 사용하였다. 움직이는 목표점의 치료계획을 위하여 4D CT를 이용한 영상획득을 하였고 움직이는 목표점에서의 선량분포와 점선량 측정을 위하여 gafchromic EBT 필름과 0.62 cc 이온 전리함을 사용하였다. 호흡동기추적장치의 정확성을 평가하기 위하여 팬톰의 목표점을 움직였을 때와 정지 상태일 때 목표점에서의 선량분포(처방선량기준 선량분포의 80%)를 비교하였으며 목표점에서의 점선량을 측정하였다. 위치추적장치와 호흡동기추적장치 상호간의 동기화에 의한 정확성은 동기화 되지 않을 경우 평균 $11.5{\pm}3.09\;mm$였으며 동기화 되었을 경우 $0.14{\pm}0.08\;mm$의 차이를 나타내었다. 목표점 정지상태시의 영상과 4D CT를 이용한 움직이는 목표점에 대한 영상을 이용하여 치료계획상의 정확성은 평균 $0.18{\pm}0.06\;mm$의 차이를 나타내었다. 또한 호흡동기추적장치의 정확성은 1 mm 이하로 나타났다. 호흡동기추적장치의 유효성을 확인하기 위하여 움직이는 목표점에 대하여 호흡동기추적장치를 중지하여 측정한 결과 평균 $17.39{\pm}0.14\;mm$였으며 가동하였을 때 $1.37{\pm}0.11\;mm$로 나타났다. 목표점에서의 선량값을 비교한 결과 목표점이 정지상태일 때 $0.68{\pm}0.38%$, 호흡동기추적장치를 이용한 움직이는 목표점에서는 $1.31{\pm}0.81%$의 차이를 나타내었다. 위치추적장치와 호흡동기추적장치 상호간의 동기화에 의한 정확성 확인에서 장치사이에서 동기화가 매우 정확하게 수행됨을 확인하였다. 본 연구의 결과 움직이는 목표점에 대한 정위방사선수술시 호흡동기추적장치를 필수적으로 사용해야하며 본 연구에서 사용된 사이버나이프의 호흡동기추적장치인 Synchrony 시스템의 유용성과 정확성을 평가한 결과 매우 정확함을 확인하였다. In this study, we evaluated accuracy and usefulness of CyberKnife Respiratory Tracking System ($Synchrony^{TM}$, Accuray, USA) about a moving during stereotactic radiosurgery. For this study, we used moving phantom that can move the target. We also used Respiratory Tracking System called Synchrony of the Cyberknife in order to track the moving target. For treatment planning of the moving target, we obtained an image using 4D-CT. To measure dose distribution and point dose at the moving target, ion chamber (0.62 cc) and gafchromic EBT film were used. We compared dose distribution (80% isodose line of prescription dose) of static target to that of moving target in order to evaluate the accuracy of Respiratory Tracking System. We also measured the point dose at the target. The mean difference of synchronization for TLS (target localization system) and Synchrony were $11.5{\pm}3.09\;mm$ for desynchronization and $0.14{\pm}0.08\;mm$ for synchronization. The mean difference between static target plan and moving target plan using 4D CT images was $0.18{\pm}0.06\;mm$. And, the accuracy of Respiratory Tracking System was less 1 mm. Estimation of usefulness in Respiratory Tracking System was $17.39{\pm}0.14\;mm$ for inactivity and $1.37{\pm}0.11\;mm$ for activity. The mean difference of absolute dose was $0.68{\pm}0.38%$ in static target and $1.31{\pm}0.81%$ in moving target. As a conclusion, when we treat about the moving target, we consider that it is important to use 4D-CT and the Respiratory Tracking System. In this study, we confirmed the accuracy and usefulness of Respiratory Tracking System in the Cyberknife.