Ⅰ.서 론
의료용 선형가속기로부터 생성되는 4-25 MV 에너지의 X-선은 심부종양을 치료하는데 사용되는 일반적인 광자선 이다(1-4). 방사선 치료는 종양 조직에 최대 선량을 투여하 고, 주위 정상조직은 보호함으로써 치료효율을 극대화시키 는데 있으며, 방사선 치료성적을 향상시키기 위해서는 치료 계획, 분할조사계획과 더불어 다양한 선량 전달 기술에 따 른 방사선 빔의 특성화가 근본적으로 요구된다. 이를 위해 서는 조사 헤드부로부터 생성되는 방사선의 전달과 환자에 입사되는 빔의 작용을 이해하는 것이 필수적이다(5).
몬테칼로 시뮬레이션은 방사선 치료계획 수립과 선량계 산에 있어 가장 정확한 방법을 제공한다. 최근의 방사선치 료는 치료효율을 극대화하기 위해 세기변조치료(IMRT), 영상유도치료(IGRT) 등의 다양한 치료기술을 수행한다. 따 라서 복잡한 선량 조사체계를 고려하면서 정확한 체내선량 을 예측하기 위해서는 정확한 선량계산이 이루어져야 한 다. 많은 연구기관에서 광자와 전자선을 이용한 방사선 치 료계획을 위해 몬테칼로 기법을 적용하는 연구를 수행하고 있다(6-9).
시스템을 모사하기 위해서 GATE6 (Geant4 Application for Tomographic Emission version.6.0)를 사용하여 시뮬 레이션을 수행하였다. GATE는 핵의학 영상기기 설계 및 성 능예측을 목적으로 개발한 Geatn4 기반의 시뮬레이션 코드 이다. 최근에 배포된 GATE6는 방사선 치료 시뮬레이션 전 용으로 제안된 새로운 도구로써(10) X-선 CT 및 방사선 치료 시스템을 모사 가능하도록 개발되었으며(11) EGS, MCNP, Geant4와 같은 범용성 시뮬레이션 도구로는 구현하기 복잡 한 반복되는 구조의 타겟, 콜리메이터, 선속평탄 필터 등을 Geant4에 정의된 간단한 모형의 조합을 이용하여 정확하면 서 비교적 쉽게 모사할 수 있다.
본 연구에서는 GATE6 시뮬레이터를 이용하여 Varian Clinac 21EX 선형가속기 조사헤드부를 모사하였으며, 6MV 의 광자 스펙트럼을 측정하고 선형가속기로부터 발생한 광 자선의 선량특성을 계산하였다. 그리고 실험값과의 비교를 통해 GATE 시뮬레이션으로부터 계산된 선량분포의 정확성 을 입증하였다. 선형가속기의 타겟, 일차 콜리메이터, 이온 함 그리고 이차 콜리케이터 각각의 위치와 구조, 구성물질 과 같은 세부사항은 제조사의 사양을 참고하였다.
Ⅱ.본 론
1.Reference data
측정은 선원에서 표면거리 100 cm에서 물팬텀(Blue phantom2, Scanditronix Wellhofer, Germany)을 사용 하여 이루어졌다. 10 cm×10 cm의 조사야 크기 조사 조건 에서 심부선량백분율(PDD)와 10 cm 깊이에서 선량 프로파 일을 X, Y 방향으로 측정하였다. 측정에 사용된 검출기는 Scanditronix Wellhofer CC13 이온전리함이며 active volume 은 0.13 cm3을 가진다. 분석용 소프트웨어는 OmniPro 6.0 (Scanditronix Wellhofer, Germany)을 사용하였다. 측정 은 밀리미터(mm) 단위로 수행되었다.
2.Simulation
구체적인 도면을 기반으로 기하학적 구조를 모사하였으 며, 시뮬레이션으로 모사한 선형 가속기의 구조는 Fig. 1과 같다. 선형가속기의 헤드부는 타겟, 일차 콜리메이터, 선속 평탄 필터, 이온함, 거울, 이차 콜리메이터(upper jaws and lower jaws), 그리고 물 팬텀으로 구성되었다.
타겟은 텅스텐으로 전자선이 통과하면서 제동복사에 의 한 광자를 생성하는 역할을 하며, 이때 생성되는 열을 감소 시키기 위해 텅스텐 아래에 구리가 부착되어있다. 1차 콜리 메이터는 불필요한 광자를 차폐하기 위해 28° 각도의 원뿔 로 개방되어 있으며, 선속 평탄 필터는 광자선속의 강도를 일정하게 하기 위해 사용된다. 본 연구에서 선량의 분포를 계산하기 위한 과정은 BEAM code에서 적용하는 방식과 유 사하게(6) 두 가지 단계로 나뉘어서 수행되었다. 첫 번째 과 정은 발생된 입자선이 이차 콜리메이터 위에 위치한 미리 정의된 저장단면에 전달되는 과정이다. 이 저장단면에 광자 선이 phase space file로 기록되며 이를 통해 광자의 에너 지 스펙트럼을 측정할 수 있다. phase space file은 두 번 째 계산단계에서의 입력정보(input)가 되며, 두 번째 계 산단계에서는 phase space file로부터 방출되는 광자선이 50×50×30 cm3의 물 팬텀에 전달되는 과정이 수행된다. 물 팬텀은 복셀(voxel)단위로 나눌 수 있으며, 심부선량 백분 율과 심부선량 프로파일은 5×5×5 mm3 voxel에 기록되었 다. 시뮬레이션에 적용한 조사야는 10×10 cm2이며, 5×108 회 생성하여 계산하였다. 타겟에 입사하는 전자선은 평행한 원형 빔으로 모사하였다.
전자선의 에너지는 심부선량백분율과 선량프로파일이 실 험값과 일치하도록 반복적인 계산을 통해 구할 수 있으며 평균값이 6.05 MeV이며 가우시안 분포를 갖도록 설정하였 다. 이차 전자를 생성하기 위한 역치 범위(cut-off range) 는 0.1 mm로 설정하였으며 Variance reduction 기법으로 photon splitting방법을 사용하였다. 리눅스 기반의 3.4 GHz Intel (Intel i7 processor)을 이용해 계산을 수행하였다.
Ⅲ.결 과
1.광자에너지 스펙트럼(Photon Energy Spectrum)
Fig. 2는 100 cm SSD에서의 광자에너지 스펙트럼을 보 여준다. 전자선을 1×108회 발생시킨 결과이며, 시뮬레이션 결과, 광자선의 평균에너지는 약 1.99 MeV로 최대 에너지 의 1/3의 값과 잘 일치하였다.
2.심부선량백분율(Percentage Depth Dose: PDD)
계산된 에너지 스펙트럼을 검증하기 위해서는 빔의 투과 특성을 살펴보면 된다. 중심축 선량분포를 특성화하는 방법 으로 기준깊이(최대선량깊이)에 대해 임의의 깊이에서의 선 량을 정규화 하여 나타낸 것을 심부선량백분율로 정의한다. Fig. 3은 10×10 cm2 조사야에서의 심부선량백분율 시뮬레 이션 값과 실험값을 보여준다. 그래프는 중심축상의 최대선 량을 1로 표준화하였다. 모든 깊이에서 계산된 선량의 상대 오차는 평균적으로 약 3%로 측정되었으며, 10 mm 깊이까 지는 평균 오차보다 큰 반면, 그 이후 깊이에서는 1% 내외의 오차를 보였다.
3.선량프로파일 (Dose profiles)
Fig. 4는 10 cm 깊이에서 계산된 cross profile을 측정값 과 비교하여 나타내었다. 그래프의 최대선량을 1로 표준화 한 값이며, 중심의 10 cm 영역에서의 상대오차는 약 2% 미 만으로 나타났다. 100-50% 선량레벨에서는 3% 이내로 일 치함을 확인할 수 있었으며, 20-10% 선량레벨에서는 10% 이내에서 일치하였다.
Ⅳ.결론 및 고찰
본 연구에서는 GATE6 코드를 사용하여 의료용 선형가속 기인 Varian사의 Clinac 21EX를 모사하고, 6 MV 광자선의 선량 특성을 평가하였다. GATE 시뮬레이터의 방사선 치료 적용은 복잡한 구조를 매우 쉽고 정확하게 모사할 수 있는 장점을 지니고 있으나 방사선 치료분야에서의 활용이 미비 하다.
본 연구는 GATE 시뮬레이션 코드를 선형가속기에 적용 하여 GATE 시뮬레이션 코드의 치료계획 활용 가능성을 측 정결과와의 비교를 통해 평가하였으며 그 결과 임상적으로 허용범위 안의 오차를 보임으로써 GATE 코드가 선형가속 기로부터 발생하는 광자선을 모사하기에 적합한 시뮬레이 터임을 확인하였다.
GATE의 간단한 macro file 구조는 GEANT4의 정교한 시뮬레이션을 컴퓨터 언어에 대한 깊은 지식이 없이도 가능 하도록 하였다(13). GATE의 version6에서 추가된 기능 중 에너지, 선량 및 확률적 불확실성을 기록할 수 있고 filter와 결합하여 variance reduction이 가능한 DoseActor tool을 선형가속기를 모사하는데 적용하였으며, DoseActor tool을 사용하여 신뢰성 있는 결과를 도출하였다. Phase space기 능을 사용함으로써 electron beam부터 물 팬텀까지 한번에 시뮬레이션 하는 방법 보다 photon output rate이 9.7배 증가하였으며(13) 이를 잘 활용한다면 시뮬레이션 결과 획득 시간을 크게 줄일 수 있을 것이다. 본 연구의 오차를 줄이기 위해서는 정교한 photon splitting방법의 사용 및 측정 검 출기의 크기에 따른 효과를 최소화 하고 검출기의 분해능을 향상시켜야 할 것이다.
본 연구의 결과는 GATE code의 적용분야를 확장시키고, 조직 내의 선량분포 연구 및 선량계산 시뮬레이션에 응용될 수 있을 것으로 판단된다. 다음 연구에서는 서로 다른 에너 지의 경우와 함께 다엽 콜리메이터를 적용하여 정밀한 검증 을 수행할 것이다.
