KR102143063B1 - Apparatus and method for dose calculation of neutron beam and recording medium storing dose calculation program - Google Patents
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Abstract
Description
중성자 빔의 방사선량 계산 방법, 장치 및 방사선량 계산 프로그램이 저장된 기록매체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중성자를 이용한 방사선 치료 또는 방사선 피폭 등으로 인체 내에 들어가는 방사선량을 계산하기 위한 중성자 빔의 방사선량 계산 방법, 장치 및 방사선량 계산 프로그램이 저장된 기록매체에 관한 것이다.A method for calculating the radiation dose of a neutron beam, a device and a recording medium in which a radiation dose calculation program is stored, and more specifically, the radiation dose of a neutron beam for calculating the amount of radiation entering the human body through radiation therapy or radiation exposure using neutrons. It relates to a recording medium in which a calculation method, an apparatus and a radiation dose calculation program are stored.
오늘날 과학 기술의 발전에 따라 방사성 물질을 이용한 기술들이 다양하게 활용되고 있으며, 이들의 유용성과 함께 방사선 노출에 따른 환경이나 생명에 끼치는 영향에 대한 관심이 높아지고 있다. With the development of science and technology today, technologies using radioactive materials are being used in a variety of ways, and interest in their usefulness and the impact on the environment or life caused by radiation exposure is increasing.
대표적으로, 의료계에서 환자의 치료를 위한 기술로서 방사선 치료가 사용되어 왔다. 특히 중성자 치료는 암세포의 사멸률이 높고 고령 암 환자나 난치암 등의 암치료에 효과가 좋은 것으로 알려져 있으나 기술 개발 등의 이슈로 그 동안 사용이 어려웠던 것이 현실이다. Typically, radiation therapy has been used as a technology for treating patients in the medical field. In particular, neutron therapy has a high rate of mortality of cancer cells and is known to be effective in treating cancers such as elderly cancer patients and intractable cancers, but it is a reality that it has been difficult to use due to issues such as technology development.
최근 기술의 발전에 따라, 해외는 물론 국내에서 중성자 빔 생성을 위한 선형가속기 기술 개발이 이루어지고, 이에 따라 중성자 빔을 이용한 방사선 치료가 활발하게 진행될 것으로 예상된다. With recent advances in technology, the development of linear accelerator technology for generating neutron beams in Korea as well as overseas has been made, and accordingly, radiation therapy using neutron beams is expected to be actively progressed.
적은 양의 방사선 노출이라도 인체에 유해할 수 있다는 여러 사례와 연구들이 있기 때문에, 방사선 치료로 인한 환자의 방사선 노출 선량을 적절하게 계획하는 것이 무엇보다 중요하며, 이를 위해서는 인체에 들어가는 방사선량을 정확하면서도 신속하게 계산할 수 있어야 한다. Since there are many cases and studies that even a small amount of radiation exposure can be harmful to the human body, it is most important to properly plan the radiation exposure dose to the patient due to radiation treatment. Be able to calculate quickly.
방사선량 계산에는 크게 결정론적 방법과 확률론적 방법 두 가지가 사용될 수 있다. 기존의 X-선 치료 시에는 Convolution/Superposition 방법을 이용한 결정론적 알고리즘이 주로 적용된다. 하지만, 중성자 선량 계산의 경우 엑스선과 비교할 때 반응 양상이 다르고, 선량 구성성분이 복잡하여 기존의 엑스선, 전자선 치료와는 다른 새로운 선량 계산 알고리즘이 필요하다.In the calculation of radiation dose, two largely deterministic and probabilistic methods can be used. In conventional X-ray therapy, a deterministic algorithm using the Convolution/Superposition method is mainly applied. However, in the case of calculating the neutron dose, the response pattern is different compared to that of X-rays, and the dose component is complex, so a new dose calculation algorithm different from the conventional X-ray and electron beam treatments is required.
종래에 중성자 치료에서는 확률론적 알고리즘인 몬테 카를로(Monte Carlo)법에 의한 시뮬레이션 방식을 이용하여 방사선량을 계산하였다. 그러나, 이러한 방식은 결정론적 알고리즘을 이용한 계산에 비해 정확도는 비슷하나 계산 시간이 더 많이 소요된다는 문제점이 있어, 방사선량을 즉각적으로 계산하여 치료 계획을 수립해야 하는 환자 치료에 적용하기에는 부적합하였다.In the conventional neutron therapy, the radiation dose was calculated using a simulation method based on the Monte Carlo method, which is a probabilistic algorithm. However, this method has a problem that the accuracy is similar to that of the calculation using the deterministic algorithm, but it takes more time to calculate, so it is not suitable for application to the treatment of patients who need to immediately calculate the radiation dose and establish a treatment plan.
본 발명은 중성자 방사선량 계산 알고리즘을 제공하고, 이를 이용하여 중성자를 이용한 방사선 치료 등의 경우에 인체 내에 들어가는 방사선량을 계산하기 위한 중성자 빔의 방사선량 계산 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide an algorithm for calculating a neutron radiation dose, and to provide a method for calculating a radiation dose of a neutron beam for calculating a radiation dose entering a human body in the case of radiation therapy using neutrons using the same.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 환자의 치료계획 시스템에 적용되는 중성자 빔의 방사선량 계산 방법으로서, 중성자 치료용 선형가속기에서 발생되는 중성자와 광자선에 대한 각각의 반응 파라미터를 계산하여 데이터 파일로 미리 저장하는 단계, 및 상기 저장된 반응 파라미터를 이용하여 상기 환자에 조사할 빔 방향, 빔의 에너지 및 크기에 기반한 합성곱 및 중첩 연산(convolution 및 superposition)하여 상기 환자의 방사선량을 산출하는 단계를 포함하는 방사선량 계산 방법이 제공된다.In order to achieve the above object, according to an aspect of the present invention, as a method for calculating the radiation dose of a neutron beam applied to a treatment planning system of a patient, each response parameter for neutrons and photon rays generated from a linear accelerator for neutron therapy Calculating and storing in advance as a data file, and using the stored response parameter, the radiation dose of the patient by convolution and superposition based on the beam direction, energy and size of the beam to be irradiated to the patient There is provided a radiation dose calculation method comprising the step of calculating.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 반응 파라미터를 계산하여 데이터 파일로 미리 저장하는 단계는, MC(Monte Carlo) 시뮬레이션을 이용한 계산 결과를 라이브러리에 저장하는 단계를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step of calculating the reaction parameter and storing it as a data file in advance may include storing a calculation result using a Monte Carlo (MC) simulation in a library.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 환자에 BNCT(Boron neutron capture therapy) 방사선 요법을 적용하는 경우, 상기 반응 파라미터는 중성자 가중 인자(weighting factor) 및 TEGMA(Total Energy Generated per unit Mass)를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, when applying Boron neutron capture therapy (BNCT) radiation therapy to the patient, the response parameter includes a neutron weighting factor and TEGMA (Total Energy Generated per Unit Mass). I can.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 환자에 BNCT 방사선 요법을 적용하는 경우, 상기 방사선량은 감마 선량 및 중성자 선량을 포함하고, 상기 중성자 선량은 식 1 과 같이 산출될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, when applying BNCT radiation therapy to the patient, the radiation dose includes a gamma dose and a neutron dose, and the neutron dose may be calculated as shown in Equation 1.
[식 1][Equation 1]
여기서, 는 지점(i, j, k)에서 흡수된 중성자 선량을 의미하고, k는 커널, 는 뇌 밀도, 는 중성자 소스 에너지 가중 인자, 는 에너지 그룹, 는 TEGMA, 즉 지점(i, j, k)에서 각 에너지 그룹의 단위 질량당 생성된 총 에너지를 나타낸다.here, Is the absorbed neutron dose at point (i, j, k), k is the kernel, Is the brain density, Is the neutron source energy weighting factor, Is the energy group, Denotes TEGMA, i.e., the total energy generated per unit mass of each energy group at points (i, j, k).
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 는 식 2와 같이 산출될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the Can be calculated as Equation 2.
[식 2][Equation 2]
여기서, 는 Q-value를 의미하고, 는 각 에너지 그룹의 매크로 단면적의 합, 는 지점(i, j, k)에서 각 에너지 그룹의 중성자 플럭스(flux)를 나타낸다.here, Means Q-value, Is the sum of the macro cross-sectional areas of each energy group, Represents the neutron flux of each energy group at points (i, j, k).
본 발명의 다른 측면에 따르면, 환자의 치료계획을 위해 중성자 빔의 방사선량 계산 장치로서, 중성자 치료용 선형가속기에서 발생되는 중성자와 광자선에 대한 각각의 반응 파라미터를 계산하여 데이터 파일로 미리 저장하도록 제어하고, 상기 저장된 반응 파라미터를 이용하여 상기 환자에 조사할 빔 방향, 빔의 에너지 및 크기에 기반한 합성곱 및 중첩 연산(convolution 및 superposition)하여 상기 환자의 방사선량을 산출하는 하나 이상의 프로세서, 및 상기 방사선량의 분포를 2D 또는 3D 이미지로 출력하는 디스플레이를 포함하는 방사선량 계산 장치가 제공된다.According to another aspect of the present invention, as a device for calculating the radiation dose of a neutron beam for a treatment plan of a patient, the response parameters for neutrons and photons generated from a linear accelerator for neutron therapy are calculated and stored in advance as a data file. One or more processors that control and calculate the radiation dose of the patient by performing convolution and superposition calculations (convolution and superposition) based on the direction of the beam to be irradiated to the patient, energy and size of the beam using the stored response parameter, and the There is provided a radiation dose calculation apparatus including a display that outputs a distribution of radiation dose as a 2D or 3D image.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 하나 이상의 프로세서는, MC(Monte Carlo) 시뮬레이션을 이용한 계산 결과를 라이브러리에 저장하도록 제어할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the at least one processor may control to store a calculation result using a Monte Carlo (MC) simulation in a library.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 환자에 BNCT 방사선 요법을 적용하는 경우, 상기 반응 파라미터는 중성자 가중 인자 및 TEGMA를 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, when BNCT radiation therapy is applied to the patient, the response parameter may include a neutron weighting factor and TEGMA.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 명령들을 저장하고 있는 저장 매체로서, 상기 명령들은 적어도 하나의 프로세서에 의하여 실행될 때에 상기 적어도 하나의 프로세서로 하여금 환자의 치료계획 시스템에 적용되는 중성자 빔의 방사선량 계산 방법의 적어도 하나의 단계를 수행하도록 설정된 것으로서, 상기 적어도 하나의 단계는, 중성자 치료용 선형가속기에서 발생되는 중성자와 광자선에 대한 각각의 반응 파라미터를 계산하여 데이터 파일로 미리 저장하는 단계, 및 상기 저장된 반응 파라미터를 이용하여 상기 환자에 조사할 빔 방향, 빔의 에너지 및 크기에 기반한 합성곱 및 중첩 연산(convolution 및 superposition)하여 상기 환자의 방사선량을 산출하는 단계를 포함하는 동작을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체가 제공된다.According to another aspect of the present invention, a storage medium storing instructions, wherein when the instructions are executed by at least one processor, the at least one processor causes the radiation dose calculation method of a neutron beam to be applied to a patient's treatment planning system. The at least one step is set to perform at least one step of, wherein the at least one step includes calculating reaction parameters for each of the neutrons and photons generated in the linear accelerator for neutron therapy and storing them in advance as a data file, and the stored A program for executing an operation comprising calculating the radiation dose of the patient by performing convolution and superposition calculations based on the direction of the beam to be irradiated to the patient, the energy and size of the beam using a response parameter. A recorded computer-readable storage medium is provided.
본 발명의 다양한 실시 예들에 따른 대화 중성자 빔의 방사선량 계산 방법은, 새로운 개념인 TEGMA(Total Energy Generated per unit Mass)를 정립하여 중성자 선량 계산에서도 Convolution/Superposition의 결정론적 방법을 적용 가능하게 하였다. 이러한 방법은 중성자 빔을 이용한 다양한 분야(의학 분야 등)에서 중성자와 광자에 의한 방사선량 계산의 정확도를 높이고 동시에 계산 소요시간을 획기적으로 감소시킬 수 있다. 또한, 신뢰도 높으면서도 짧은 시간 내에 선량 계산이 가능하여 실용적인 관점에서 실제 치료 계획 등에 적용이 가능하다. 이를 통해, 중성자 빔을 이용한 치료기술의 개발과 함께 필수적인 치료계획 시스템의 방사선량 계산 엔진으로 활용 가능하다. The method of calculating the radiation dose of a dialogue neutron beam according to various embodiments of the present invention has established a new concept, Total Energy Generated per Unit Mass (TEGMA), so that the convolution/superposition deterministic method can be applied to the neutron dose calculation. This method can improve the accuracy of the calculation of the radiation dose by neutrons and photons in various fields (medical fields, etc.) using a neutron beam, and at the same time, can significantly reduce the calculation time required. In addition, since the dose can be calculated within a short time with high reliability, it can be applied to an actual treatment plan from a practical point of view. Through this, it can be utilized as a radiation dose calculation engine for an essential treatment planning system along with the development of treatment technology using a neutron beam.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned can be clearly understood by those of ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs from the following description. will be.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 중성자 빔 방사선량 계산 방법을 이용한 치료계획 시스템(treatment planning system, TPS)의 블록도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 BNCT에 대한 선량 계산 알고리즘 모듈의 블록도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 BNCT 빔 필드 크기 1x1(2.5x2.5 ㎟)에 대해 MC 및 CS 방법 각각의 깊이에 따른 상대적인 BNCT 선량 요소들의 방사선량 그래프를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 BNCT 빔 필드 크기 3x3(7.5x7.5 ㎟)에 대해 MC 및 CS 방법 각각의 깊이에 따른 상대적인 BNCT 선량 요소들의 방사선량 그래프를 도시한다.1 is a block diagram of a treatment planning system (TPS) using a method of calculating a radiation dose of a neutron beam according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram of a dose calculation algorithm module for BNCT according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing a radiation dose graph of relative BNCT dose elements according to depths of each of the MC and CS methods for a BNCT beam field size of 1x1 (2.5x2.5 mm 2) according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing a radiation dose graph of relative BNCT dose elements according to depths of each of the MC and CS methods for a BNCT beam field size of 3x3 (7.5x7.5 mm 2) according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them will be clarified with reference to embodiments described below in detail together with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only the embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention pertains. It is provided to fully inform the holder of the scope of the invention, and the invention is only defined by the scope of the claims. The same reference numerals refer to the same components throughout the specification.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In the description of the embodiments of the present invention, when it is determined that a detailed description of known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted, and terms to be described below are used in the embodiments of the present invention. The terms are defined in consideration of the function of. It can be changed according to the intention or custom of the user or operator. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout this specification.
첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들(실행 엔진)에 의해 수행될 수도 있으며, 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다.Combinations of each block of the attached block diagram and each step of the flowchart may be executed by computer program instructions (execution engine), and these computer program instructions are used on a processor of a general purpose computer, special purpose computer or other programmable data processing equipment. As it can be mounted, its instructions executed by the processor of a computer or other programmable data processing equipment generate means for performing the functions described in each block of the block diagram or each step of the flowchart.
이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다.These computer program instructions can also be stored in computer readable or computer readable memory that can be oriented to a computer or other programmable data processing equipment to implement a function in a particular way, so that computer readable or computer readable memory The instructions stored in it are also possible to produce an article of manufacture containing instructions means for performing the functions described in each block of the block diagram or in each step of the flowchart.
그리고 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명되는 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.In addition, since computer program instructions can be mounted on a computer or other programmable data processing equipment, a series of operation steps are performed on a computer or other programmable data processing equipment to create a computer-executable process. It is also possible for the instructions to perform the data processing equipment to provide steps for executing the functions described in each block in the block diagram and in each step in the flowchart.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능들을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있으며, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하며, 또한 그 블록들 또는 단계들이 필요에 따라 해당하는 기능의 역순으로 수행되는 것도 가능하다.In addition, each block or each step can represent a module, segment, or portion of code that includes one or more executable instructions for executing specified logical functions, and in some alternative embodiments referred to in blocks or steps It should be noted that it is also possible for functions to occur out of sequence. For example, two blocks or steps shown in succession may in fact be performed substantially simultaneously, and the blocks or steps may be performed in the reverse order of a corresponding function as necessary.
본 발명은 중성자 빔의 방사선량 계산 방법 및 방사선량 계산 프로그램이 저장된 기록매체에 관한 것이다. 특히, 본 명세서에서는 전반적으로 BNCT(boron neutron capture therapy)와 같은 중성자 치료를 위한 중성자 빔의 방사선량 계산을 예로 들어 설명하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 방사선 피폭 등의 경우와 같이 신속한 방사선량 계산을 요하는 어느 분야에서도 본 발명에서 제안하는 중성자 빔의 방사선량 계산 알고리즘이 적용될 수 있다. The present invention relates to a method for calculating a radiation dose of a neutron beam and a recording medium storing a radiation dose calculation program. Particularly, in the present specification, the calculation of the radiation dose of a neutron beam for neutron treatment such as boron neutron capture therapy (BNCT) is described as an example, but is not limited thereto. The algorithm for calculating the radiation dose of the neutron beam proposed in the present invention can be applied to any field requiring rapid radiation dose calculation, such as in the case of radiation exposure.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments of the present invention disclosed in the text are exemplified for the purpose of explanation only, and the embodiments of the present invention may be implemented in various forms and should not be construed as being limited to the embodiments described in the text. .
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들은 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.The present invention is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, as various changes may be added and various forms may be applied, and all changes, equivalents or substitutes included in the spirit and scope of the present invention It should be understood to include.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 중성자 빔 방사선량 계산 방법을 이용한 치료계획 시스템(TPS)(100)의 블록도를 도시한다.1 is a block diagram of a treatment planning system (TPS) 100 using a method of calculating a radiation dose of a neutron beam according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 치료계획 시스템(100)은 RT-구조 모듈, RT-플랜 모듈, RT-선량 모듈과 선량 계산 알고리즘 모듈(110)을 포함한다. Referring to FIG. 1, a
예를 들어, 치료계획 시스템(100)은 DICOM CT 이미지를 이용하여 중성자 빔의 조사 계획을 수립하고, 선량 계산 알고리즘을 통해 선량 분포를 산출하여 뷰어를 통해 시각적으로 출력하여 치료 계획 수립을 보조할 수 있다.For example, the
구체적으로, 치료계획 시스템(100)은 RT-구조 모듈에서 DICOM CT 이미지를 이용하여 Target/OAR 구조를 컨투어링(contouring)하고, 이를 바탕으로 RT-플랜 모듈에서 방사선 빔 시스템의 중성자 빔의 빔 방향, 에너지, 크기 등을 결정할 수 있다. 이와 같이 결정된 중성자 빔의 빔 방향, 에너지, 크기 등의 정보를 이용하여 선량 계산 알고리즘 모듈(110)에서 중성자 빔의 방사선 선량을 산출하다. 계산된 방사선 선량을 이용하여 RT-선량 모듈은 2D 또는 3D의 선량 분포를 산출하고 RT PACS 뷰어를 통해 시각적으로 선량 분포를 쉽게 확인할 수 있게 한다. Specifically, the
본 발명의 일 실시 예에 따른 치료계획 시스템(100)은 환자의 DICOM CT 이미지 입력에 대해 중성자 빔 치료 시의 선량 분포를 뷰어를 통해 출력하도록 전자 장치 상에 어플리케이션(application) 등의 형태로 구현될 수 있다. 이 때, RT-구조 모듈, RT-플랜 모듈, RT-선량 모듈과 선량 계산 알고리즘 모듈(110) 모두 상기 전자 장치에서 실행될 수 있고, 이들 중 적어도 하나는 상기 전자 장치의 외부 기기에서 실행될 수도 있다. 상기 모듈들 간의 데이터 송수신은 물리적 직접 연결 또는 유/무선 통신 네트워크를 통해 이루어질 수 있다. RT-구조 모듈, RT-플랜 모듈, RT-선량 모듈과 선량 계산 알고리즘 모듈(110)의 동작들은 하나 이상의 프로세서(processor)에 의해 제어될 수 있다. 즉, RT-구조 모듈, RT-플랜 모듈, RT-선량 모듈과 선량 계산 알고리즘 모듈(110)의 동작들이 컴퓨터 프로그램의 형태로 하나 이상의 저장 매체에 저장되어, 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 상기 전자 장치는 스마트폰, 태블릿(tablet) PC(personal computer), 이동 전화기, 영상 전화기, 전자책 리더기, 데스크탑(desktop) PC, 랩탑(laptop) PC, 넷북(netbook) 컴퓨터, 워크스테이션(workstation), 서버(server), PDA(personal digital assistant), 미디어 박스, 전자 사전 또는 웨어러블 장치(wearable device) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 웨어러블 장치는 액세서리형(예: 시계, 반지, 팔찌, 발찌, 목걸이, 안경, 콘택트 렌즈, 또는 머리 착용형 장치(HMD, head-mounted-device), 직물 또는 의류 일체형(예: 전자 의복), 신체 부착형(예: 스킨 패드(skin pad) 또는 문신), 또는 생체 이식형 회로(implantable circuit) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 상기 전자 장치는 플렉서블(flexible)하거나, 또는 전술한 다양한 장치들 중 둘 이상의 조합일 수 있다. 다만, 상기 전자 장치는 전술한 기기들에 한정되지 않는다. The
본 발명의 일 실시 예에 따른 치료계획 시스템(100)은 명령을 입력 받고 출력하는 입/출력 장치(미도시)를 더 포함할 수 있다. 입/출력 장치는, 예를 들면, 사용자 또는 외부 기기로부터 방사선량 산출을 위한 조건 등의 명령 또는 데이터를 입력 받거나, 또는 선량 분포의 2D 또는 3D 이미지 데이터 등을 출력할 수 있다. 예를 들어, 입력 장치는 터치 패널, 키보드, 마우스, 펜 센서, 마이크 등을 포함할 수 있고, 출력 장치는 디스플레이, 오디오 등을 포함할 수 있다.The
이와 같은 치료계획 시스템(100)을 통해 중성자 빔 치료 대상 환자의 방사선량을 손쉽게 계산할 수 있기 위해서, 본 발명에서는 일정 수준 이상의 정확도를 제공하면서도 계산 속도가 빠른 선량 계산 알고리즘 모듈(110)의 방사선 선량 계산 방법을 제안한다.In order to be able to easily calculate the radiation dose of a patient to be treated with a neutron beam through such a
일반적으로 방사선량 계산에는 크게 결정론적 방법과 확률론적 방법 두 가지가 사용될 수 있다. 종래의 X-선 치료 시에는 Convolution/Superposition 방법을 이용한 결정론적 알고리즘이 주로 적용되어 왔다. 그러나, 중성자 치료에 있어서 중성자 선량 계산의 경우 X-선과 반응 양상이 다르고, 선량 구성성분이 복잡하여 새로운 선량 계산 알고리즘이 필요하다. In general, two types of deterministic and probabilistic methods can be used to calculate radiation dose. In conventional X-ray treatment, a deterministic algorithm using the convolution/superposition method has been mainly applied. However, in the case of neutron dose calculation in neutron therapy, the response pattern is different from that of X-rays, and the dose component is complex, so a new dose calculation algorithm is required.
종래의 중성자 선량 계산을 위해 확률론적 알고리즘인 Monte Carlo 시뮬레이션 방식이 사용되었다. 그러나, Monte Carlo 방식의 경우 결정론적 알고리즘을 이용한 계산에 비해 정확도는 비슷하나 계산 시간이 훨씬 많이 소요되어 중성자 치료를 위한 실시간 치료 계획에 활용하기 어려운 문제가 있다. The Monte Carlo simulation method, which is a probabilistic algorithm, was used for the conventional neutron dose calculation. However, in the case of the Monte Carlo method, the accuracy is similar compared to the calculation using the deterministic algorithm, but the calculation time is much longer, and thus it is difficult to use it in a real-time treatment plan for neutron treatment.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 Convolution/Superposition 알고리즘을 중성자 방사선 선량 계산에 도입하였다. 본 발명의 일 실시예에 따른 Convolution/Superposition 알고리즘은 Monte Carlo를 이용한 계산 결과, 예를 들어 가중 인자, TEGMA, 커널, TERMA를 데이터 라이브러리에 저장하고, 계산 시에 저장된 데이터를 불러와 합성곱하고 중첩하는 방식으로 선량을 계산한다. 이것은 종래의 Monte Carlo 시뮬레이션 방법에 비해 훨씬 빠른 속도로 유사한 정확도로 선량을 계산할 수 있도록 한다. In order to solve this problem, the present invention introduces the Convolution/Superposition algorithm to the neutron radiation dose calculation. The Convolution/Superposition algorithm according to an embodiment of the present invention stores calculation results using Monte Carlo, for example, weighting factors, TEGMA, kernel, and TERMA, in a data library, and loads the stored data during calculation, convolutions and overlaps Calculate the dose in a way. This makes it possible to calculate the dose with similar accuracy at a much faster rate compared to conventional Monte Carlo simulation methods.
본 발명의 일 실시예에 따른 중성자 빔의 방사선량 계산 방법은 Monte Carlo 시뮬레이션을 이용해 중성자 치료용 선형가속기에서 발생되는 중성자와 광자선에 대한 각각의 반응 파라미터들을 미리 계산하고 Convolution/Superposition 계산 시에 불러올 수 있도록 처리하여 데이터 파일을 저장하는 작업을 수행한다. The method of calculating the radiation dose of a neutron beam according to an embodiment of the present invention uses Monte Carlo simulation to pre-calculate reaction parameters for neutrons and photons generated in a linear accelerator for neutron therapy, and call them when calculating Convolution/Superposition. Process to save the data file.
또한, 본 발명은 실제 중성자 치료에서 상용화 하기 위한 방사선량 계산 프로그램을 제안한다. 다양한 프로그램 언어를 사용하여 해당 프로그램 코드를 구현할 수 있다(예를 들어, C 언어 등). 코드는 치료계획 시스템에 탑재될 수 있으며, 계산 속도를 높이기 위해 병렬 연산을 도입하여 코드를 구성할 수 있다. 이와 같은 프로그램은 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 수 있다. In addition, the present invention proposes a radiation dose calculation program for commercialization in actual neutron therapy. The corresponding program code can be implemented using a variety of programming languages (eg, C language). The code can be loaded into the treatment planning system, and the code can be constructed by introducing parallel operations to speed up the calculation. Such a program can be executed by one or more processors.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 BNCT(Boron neutron capture therapy)에 대한 선량 계산 알고리즘 모듈(110)의 블록도가 도시된다. 2 is a block diagram of a dose
BNCT는 표적 방사선 치료법 중 하나이다. 붕소 약물 주입 후, B-10(boron-10) 화합물은 종양 세포에 축적되는 반면 건강한 조직은 붕소 농도가 낮아진다. 중성자는 조직을 통해 열중성자화되는 종양 부위에서 조사되고, B-10 핵과 상호작용한다. 특히 열 중성자에 대한 흡수 단면적이 큰 B-10은 종양 세포에서 열 중성자 플럭스(flux)를 현저히 감소시킬 수 있다. 결과적으로 높은 LET(linear energy transfer)를 가지는 알파 및 리튬 입자가 생성되어 종양 세포를 선택적으로 파괴한다. BNCT is one of the targeted radiation therapy. After injection of boron drugs, the B-10 (boron-10) compound accumulates in tumor cells, while the boron concentration in healthy tissues decreases. Neutrons are irradiated at the site of the tumor, which is thermally neutronized through tissue, and interacts with B-10 nuclei. In particular, B-10 with a large absorption cross-sectional area for thermal neutrons can significantly reduce thermal neutron flux in tumor cells. As a result, alpha and lithium particles with high linear energy transfer (LET) are produced, which selectively destroy tumor cells.
광자 방사선 치료와는 대조적으로, 고온 중성자의 수송은 다른 RBE(relative biological effectiveness)를 갖는 방사선 성분을 포함하므로, 별도로 고려되어야 한다. BNCT에는 붕소, 질소, 고속 중성자 및 감마선 선량과 같은 4가지 선량 성분이 있다. 10B(n, α)7Li 반응에 의해 생성된 붕소 선량, 14N(n, p)14C 반응해 의한 질소 선량, 1H(n, n')1H 반응에 의한 고속 중성자 선량 및 1H(n, γ)2H, 10B(n, α)7Li 반응에 의한 내부 감마 선량과, BSA(beam shaping assembly)로부터 나오는 일부 오염된 감마선에 의한 외부 감마 선량이 있다. 전산화된 치료계획을 위해서는, BNCT에서 이러한 선량 성분 각각의 영향을 계산하는 기술이 필요하다. In contrast to photon radiation therapy, the transport of high-temperature neutrons contains radioactive components with different relative biological effectiveness (RBE) and therefore must be considered separately. BNCT has four dose components: boron, nitrogen, fast neutron, and gamma radiation dose. 10 B(n, α) 7 Boron dose produced by Li reaction, 14 N(n, p) 14 C reaction solution nitrogen dose, 1 H(n, n') 1 H reaction fast neutron dose and 1 There are internal gamma doses from H(n, γ) 2 H, 10 B(n, α) 7 Li reactions and external gamma doses from some contaminated gamma rays from beam shaping assembly (BSA). For computerized treatment planning, techniques for calculating the effect of each of these dose components in BNCT are required.
BNCT 방사선 요법에 대한 획일적인 국제 선량 측정 지침은 존재하지 않는 실정이다. 임상 BNCT에는 MC(Monte Carlo) 기반의 치료계획 시스템만이 적용되었다. 그러나, 상술한 바와 같이 MC 활률적 시뮬레이션 방법을 이용하는 선량 계산은 매우 긴 시간이 소요되어 더 빠른 결정론적 방법의 개발을 필요로 한다. There is no uniform international dosimetry guideline for BNCT radiation therapy. Only MC (Monte Carlo)-based treatment planning system was applied to clinical BNCT. However, as described above, the dose calculation using the MC energetic simulation method takes a very long time and requires the development of a faster deterministic method.
CS(Convolution/Superposition) 방법은 MC 시뮬레이션 결과를 사용한 결정론적 선량 계산 방법이다. 보통 광자 빔 방사선 치료를 위한 선량 계산 방법에 적용된다. CS 방법의 계산 속도는 MC 방법보다 빠르다. MC 방법의 계산 결과는 광자 빔에 대해 CS 방법보다 좀 더 계산 결과가 정확하나 차이가 크지 않다.The CS (Convolution/Superposition) method is a deterministic dose calculation method using MC simulation results. It is usually applied to the dose calculation method for photon beam radiation therapy. The calculation speed of the CS method is faster than that of the MC method. The calculation result of the MC method is more accurate than the CS method for the photon beam, but the difference is not large.
본 발명에서는 감마선 및 중성자 선량 성분 모두에서 BNCT 선량 계산 알고리즘에 CS 방법을 적용하는 방법을 제안한다. 이를 위해, 이하에서 'TEGMA'를 '단위 질량당 방출된 총 에너지(Total Energy Generated per unit Mass)'의 약어로 정의한다. 이것은 CS 방법에서 사용된 TERMA(Total Energy Released per unit Mass)와 동일한 개념으로, 차이점은 핵반응에 의해 생성된 에너지를 나타낸다는 점에서 차이가 있다. TEGMA는 중성자 에너지 증착 커널(kernel)로 convolution되고, 중성자 선량을 계산한다. CS 알고리즘으로 선량 계산 후, 결과를 MC 시뮬레이션과 비교하여 정확도 및 소요 시간을 비교해 볼 수 있다. The present invention proposes a method of applying the CS method to the BNCT dose calculation algorithm in both gamma rays and neutron dose components. To this end, hereinafter'TEGMA' is defined as an abbreviation of'Total Energy Generated per unit Mass'. This is the same concept as TERMA (Total Energy Released per unit Mass) used in the CS method, and the difference is that it represents the energy generated by the nuclear reaction. TEGMA is convolutional to the neutron energy deposition kernel, and the neutron dose is calculated. After calculating the dose with the CS algorithm, the results can be compared with the MC simulation to compare the accuracy and time required.
CSCS
convolution은 합성곱 연산으로 하나의 함수가 다른 함수에 중첩되는 적분 연산을 말한다. Superposition은 중첩 연산으로 중첩의 원리는 선형 시스템을 나타낸다. 두 개 이상의 자극에 의해 발생하는 순 응답은 각 자극에 의해 개별적으로 발생한 응답의 합이다. superposition 방법은 convolution 방법의 변형이다. Convolution is a convolution operation, which refers to an integral operation in which one function is superimposed on another function. Superposition is a superposition operation, and the superposition principle represents a linear system. The net response generated by two or more stimuli is the sum of the responses generated individually by each stimulus. The superposition method is a variant of the convolution method.
본 발명의 일 실시 예에 따라, BNCT를 위한 감마 및 중성자 선량 계산 모두에 CS 알고리즘이 적용된다. 예를 들어, CS 방법에 사용된 커널, TERMA, 내부 감마 영향 및 중성자 반응 속도의 단위 크기는 각각 61x61x120, 1x1x60, 61x61x60, 및 41x41x60 복셀(voxel)이다. 복셀 크기는 2.5㎜ x 2.5㎜ x 2.5㎜이다. convolution은 빔 방향과 평행한 z 축을 따라 수행되며, 빔 필드의 x 및 y 축을 따라 superposition이 수행된다. 복셀별 곱 및 합의 convolution 및 superposition을 수행한 후 선량 결과가 도출된다. According to an embodiment of the present invention, the CS algorithm is applied to both gamma and neutron dose calculations for BNCT. For example, the unit sizes of the kernel, TERMA, internal gamma effect, and neutron reaction rate used in the CS method are 61x61x120, 1x1x60, 61x61x60, and 41x41x60 voxels, respectively. The voxel size is 2.5mm x 2.5mm x 2.5mm. Convolution is performed along the z-axis parallel to the beam direction, and superposition is performed along the x and y axes of the beam field. After performing convolution and superposition of the product and sum of voxels, the dose result is derived.
선량 성분Dose component
본 발명의 일 실시예에 따라, CS 방법을 이용하여 BNCT 선량을 계산하기 위해, BNCT 선량 성분은 다섯 가지 유형으로 분류된다. 먼저, 핵반응 퇴적 선량으로부터 생성된 입자인 감마 선량 및 중성자 선량의 크게 두 가지 범주로 나뉜다. 그 다음, 감마 선량은 외부 및 내부 감마 선량(210, 220)으로 나눠진다. 외부 감마 선량(210)은 중성자 소스 생성 중 만들어지는 BSA로부터 나오는 감마선이다. 내부 감마 선량(220)은 치료 중에 중성자와의 핵반응 및 인체 내의 물질에 의해 생성된다. 마지막 하나는 중성자 선량(230)이고, 여기에는 붕소, 질소 및 고속 중성자 선량이 포함된다. According to an embodiment of the present invention, in order to calculate the BNCT dose using the CS method, the BNCT dose components are classified into five types. First, it is divided into two categories: gamma dose and neutron dose, which are particles generated from nuclear reaction deposition dose. Then, the gamma dose is divided into external and internal gamma doses 210 and 220. The
외부 감마 선량External gamma dose
외부 감마 선량(210)은 BSA로부터의 입사 광자로 인해 환자에 도달한다. 외부 감마 선량(210)은 종래의 CS 방법으로 계산된다. 흡수된 선량, D(i, j, k)는 선량 분산 커널과 TERMA로 알려진 단위 질량당 방출된 총 에너지의 convolution으로 표현된다. The
여기서, TERMA는 단위 질량당 광자가 물질과 상호작용하는 동안 방출되는 총 에너지, 즉 여기 상태와 같이 다른 상호작용으로부터 유리된 에너지를 포함하는 결과적인 2차 전자의 운동 에너지로 정의된다. 광자 상호작용에 의해 손실된 이러한 복사 에너지는 국부적으로 또는 떨어져서 흡수될 수 있다. TERMA는 1차 광자 에너지 영향에 의존한다. Here, TERMA is defined as the total energy released during a photon's interaction with a substance per unit mass, that is, the kinetic energy of the resulting secondary electron, including the energy released from other interactions, such as the excited state. This radiant energy lost by photon interactions can be absorbed locally or away. TERMA relies on the primary photon energy effect.
선량 분포 커널은 1차 광자 상호작용의 부근에서 증착된 에너지의 단위 부피당 확률을 형성한다. 커널은 위치에 따라 다르다. 선량 분포 커널은 지점(i, j, k)에서 부피 요소와 상호작용 지점(i', j', k')에서 단일 에너지 광자의 에너지 증착의 합으로부터 기인한다. The dose distribution kernel forms the probability per unit volume of energy deposited in the vicinity of the first-order photon interaction. The kernel depends on its location. The dose distribution kernel results from the sum of the volumetric components at points (i, j, k) and the energy deposition of single energy photons at the interaction points (i', j', k').
본 발명의 일 실시 예에 따른 외부 감마 선량(210)의 지점(i, j, k)에서 흡수된 선량 는 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.Dose absorbed at points (i, j, k) of
여기서, 는 가중 인자(weighting factor)이고, 는 에너지 그룹으로 를 나타낸다. 는 커널을 나타내고, 는 TERMA, 즉 상호작용 지점(i', j', k')에서 각 에너지 그룹의 단위 질량당 방출된 총 에너지를 의미하고, <수학식 2>와 같이 나타낼 수 있다. here, Is the weighting factor, As an energy group Indicates. Represents the kernel, Denotes TERMA, that is, the total energy released per unit mass of each energy group at the interaction points (i', j', k'), and can be expressed as <Equation 2>.
여기서, 는 상호작용 지점(i', j', k')에서 각 에너지 그룹의 광자 에너지 영향을 의미하고, 는 각 에너지 그룹의 질량 감쇠 계수를 의미한다. here, Means the photon energy effect of each energy group at the point of interaction (i', j', k'), Denotes the mass decay coefficient of each energy group.
상기 <수학식 1>과 같이, 외부 감마 선량(210)을 계산하기 위한 convolution & superposition(207)에 가중 인자, TERMA 및 커널의 3가지 파라미터를 필요로 한다. As shown in Equation 1 above, three parameters of a weighting factor, TERMA, and a kernel are required for the convolution &
본 발명의 일 실시예에 따라, 가중 인자는 A-BNCT(Accelerator-based Boron Neutron Capture Therapy) 설비의 BSA로부터 기인하는 감마 에너지 스펙트럼(203)으로부터 얻을 수 있다. 예를 들어, 감마 에너지 스펙트럼(203)의 소스는 MCNP(Monte Carlo N-Particle) 6.1 코드를 이용하여, MC 시뮬레이션에 의해 만들어질 수 있다. 예를 들어, MC 시뮬레이션으로 BSA로부터 나오는 감마 입자를 에너지에 따라 분류하여 71개의 에너지 그룹으로 나누고, 71개의 에너지 그룹별 입자 개수를 카운팅한 값을 각 에너지 그룹의 가중 인자로 계산할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the weighting factor can be obtained from the
본 발명의 일 실시예에 따라, TERMA는 각 에너지 그룹의 뇌 물질(ICRU-44)에서 광자 에너지 영향 및 질량 감쇠 계수를 곱하여 빔 방향을 따라 수동으로 계산될 수 있다. 이것은, 2.5mm 간격으로 15cm 깊이까지 계산될 수 있다. According to an embodiment of the present invention, TERMA may be calculated manually along the beam direction by multiplying the photon energy effect and the mass attenuation coefficient in brain matter (ICRU-44) of each energy group. This can be calculated to a depth of 15 cm at 2.5 mm intervals.
본 발명의 일 실시예에 따라, 커널은 광자 상호작용의 에너지 증착 커널을 계산하기 위한 EGSnrc 코드인 edknrc를 이용하여 MC 시뮬레이션으로 사전 계산될 수 있다. 이것은 15cm 구의 반지름을 갖는 균일한 뇌 구성 물질에서 생성되었다. 전자 컷-오프(cut-off) 에너지는 512keV로 설정되었고, 광자 컷-오프 에너지는 10keV로 설정되었다. 에너지 증착 커널은 2D 극성 그리드에서 표시된다. 그것은 원뿔과 구로 구성되며 그 간격은 각각 1˚ 및 2.5mm로 균등하게 선택된다. 커널을 생성한 후, 그의 좌표가 구형에서 카테시안형(Cartesian)으로 변환된다. 그 다음, 새로운 카테시안 커널 복셀에 포함되는 MC 시뮬레이션의 커널 값은 이 카테시안 복셀의 각각에 매치된다. 매치된 커널 값은 평균화되고 카테시안 커널의 모든 복셀에서 새로운 커널 값으로 표시된다. According to an embodiment of the present invention, the kernel may be pre-calculated by MC simulation using edknrc, which is an EGSnrc code for calculating the energy deposition kernel of photon interaction. It was created from a homogeneous brain component with a 15 cm sphere radius. The electron cut-off energy was set to 512 keV, and the photon cut-off energy was set to 10 keV. The energy deposition kernel is represented in a 2D polar grid. It consists of a cone and a sphere, and the spacing is chosen equally at 1˚ and 2.5mm respectively. After creating the kernel, its coordinates are converted from spherical to Cartesian. Then, the kernel value of the MC simulation included in the new Cartesian kernel voxel is matched to each of these Cartesian voxels. The matched kernel values are averaged and displayed as the new kernel values in all voxels of the Cartesian kernel.
내부 감마 선량Internal gamma dose
내부 감마 선량(220)은 인체 조직에서 중성자 포획 반응으로부터 유도된 광자에 의해 생성된다. 내부 감마에는 두 가지 유형이 있을 수 있는데, 그 중 하나는 1H(n, γ)2H 수소 포획에 의해 생성된다. 조직 내의 수소는 열 중성자를 흡수하여 2.2MeV 광자를 방출한다. 다른 하나는 10B(n, α)7Li 반응, 즉 n-알파 반응으로부터의 감마선이다. 이 반응으로부터, 리코일링(recoiling) Li-7 이온의 약 94%가 여기 상태에서 생성되고, 탈-여기 동안 0.48MeV 감마선을 방출한다.The
A-BNCT의 BSA로부터의 중성자 소스의 위상-공간 파일(201)은 MCNP 6.1 코드를 이용한 MC 시뮬레이션에 의해 얻어진다. The phase-
본 발명의 일 실시 예에 따른 내부 감마 선량(220)의 지점(i, j, k)에서 흡수된 선량 는 <수학식 3>과 같이 나타낼 수 있다.Dose absorbed at points (i, j, k) of the
여기서, 는 중성자 소스 에너지 가중 인자이고, 는 에너지 그룹으로 를 나타낸다. 는 지점(i, j, k)에서 각 에너지 그룹의 광자 에너지 플루엔스(fluence) 나타내고, 는 각 에너지 그룹의 질량 에너지 흡수 계수를 의미한다.here, Is the neutron source energy weighting factor, As an energy group Indicates. Denotes the photon energy fluence of each energy group at point (i, j, k), Denotes the mass energy absorption coefficient of each energy group.
상기 <수학식 3>의 convolution & superposition(209)에 의한 내부 감마 선량(220) 계산식은 ICRU-44 보고서에 따르면 뇌 물질에서 가중 인자, 광자 에너지 플루엔스, 및 질량 흡수 계수의 3 개의 파라미터를 필요로 한다. 광자 에너지 플루엔스와 질량 흡수 계수의 곱은 단위 질량당 증착된 에너지를 나타낸다. According to the ICRU-44 report, the formula for calculating the internal gamma dose (220) by convolution & superposition (209) in Equation 3 requires three parameters: weighting factor, photon energy fluence, and mass absorption coefficient in brain matter. To The product of the photon energy fluence and the mass absorption coefficient represents the deposited energy per unit mass.
본 발명의 일 실시예에 따라, 먼저 0.1MeV로부터 10MeV의 내부 감마 에너지를 100keV의 간격으로 100개의 그룹으로 나누고, 그 다음 각 에너지 그룹의 가중 인자는 중성자 에너지 스펙트럼으로부터 얻어진다. According to an embodiment of the present invention, first, the internal gamma energy of 0.1 MeV to 10 MeV is divided into 100 groups at intervals of 100 keV, and then the weighting factor of each energy group is obtained from the neutron energy spectrum.
광자 에너지 플루엔스는 광자 플루엔스 및 플루엔스의 에너지의 곱이다. 각 에너지 그룹의 광자 플루엔스는 MCNP MC 코드와 F4 탤리(tally)를 이용한 MC 시뮬레이션으로부터 얻어진다. 에너지 그룹의 중간 에너지가 광자의 플루엔스와 곱하는 에너지로 사용된다. The photon energy fluence is the product of the photon fluence and the energy of the fluence. The photon fluence for each energy group is obtained from MC simulation using MCNP MC code and F4 tally. The median energy of the energy group is used as the energy multiplied by the fluence of the photon.
중성자 선량Neutron dose
중성자 선량(230)은 중성자와 원자 핵의 핵반응에 의해 발생한다. BNCT에는 3가지 대표적인 핵반응이 있는데, 붕소와 질소 선량에 각각 기여하는 14N(n, p)14C, 10B(n, α)7Li의 중성자 포획 반응, 및 고속 중성자 선량이 되는 1H(n, n')1H의 탄성 산란 반응이다. The
본 발명의 일 실시예에 따라, A-BNCT 설비의 BSA로부터의 위상-공간 파일의 중성자 소스(201) 또한 MCNP 6.1 코드를 이용한 MC 시뮬레이션에 의해 얻어진다. According to an embodiment of the present invention, the
본 발명의 일 실시 예에 따른 중성자 선량(230)의 지점(i, j, k)에서 흡수된 선량 는 <수학식 4>와 같이 나타낼 수 있다.Dose absorbed at the point (i, j, k) of the
여기서, 는 커널을 나타내고,은 국부 축적을 의미한다. 는 뇌 밀도이다. 는 중성자 소스 에너지 가중 인자이고, 는 에너지 그룹으로, 여기서는 에너지를 복수의 에너지 그룹으로 나눈다. 는 TEGMA, 즉 지점(i, j, k)에서 각 에너지 그룹의 단위 질량당 생성된 총 에너지를 의미하고, <수학식 5>와 같이 나타낼 수 있다. here, Represents the kernel, Means local accumulation. Is the brain density. Is the neutron source energy weighting factor, Is the energy group, where Divide energy into multiple energy groups. Is TEGMA, that is, the total energy generated per unit mass of each energy group at points (i, j, k), and can be expressed as <
여기서, 는 Q-value를 의미하고, 는 각 에너지 그룹의 평균 매크로 단면적을 의미한다. 는 지점(i, j, k)에서 각 에너지 그룹의 중성자 플럭스를 의미한다.here, Means Q-value, Means the average macro cross-sectional area of each energy group. Denotes the neutron flux of each energy group at points (i, j, k).
Convolution & superposition(209)에 의한 중성자 선량(230)을 계산하기 위해서, 커널, 뇌 밀도, TEGMA의 3가지 파라미터가 필요하다. 상기 <수학식 4> 및 <수학식 5>는 광자 선량 계산을 위해 이용되는 CS 수식으로부터 유도된다. In order to calculate the
본 발명의 일 실시 예에 따라, 에너지()를 로그 스케일로 199 개의 에너지 그룹으로 나누었다.According to an embodiment of the present invention, energy ( ) Was divided into 199 energy groups on a logarithmic scale.
광자 에너지 증착 커널과 동일한 개념인 커널은 핵반응으로부터 생성된 에너지의 확산을 의미한다. 에너지는 국부적으로 축적되기 때문에 커널 값은 1로 추정된다. 이것은 n-알파 반응으로부터 생성된 알파 입자 및 Li 입자의 정지력에 의해 확인될 수 있다. 알파 및 Li 입자는 각각 150keV/㎛ 및 175keV/㎛의 큰 선형 에너지 전달을 가지며, 조직 내에서 약 4.5 내지 10㎛ 이내의 짧은 비정을 갖는다. 이 거리는 세포 지름, 즉 국부 축적의 크기이다. The kernel, which is the same concept as the photon energy deposition kernel, refers to the diffusion of energy generated from nuclear reactions. Since energy is accumulated locally, the kernel value is estimated to be 1. This can be confirmed by the stopping force of the Li particles and alpha particles produced from the n-alpha reaction. The alpha and Li particles have large linear energy transfers of 150 keV/µm and 175 keV/µm, respectively, and have a short irregularity within about 4.5 to 10 µm in the tissue. This distance is the cell diameter, that is, the size of the local accumulation.
본 발명의 일 실시 예에 따라, TEGMA, 는 핵반응으로부터 생성된 에너지, 광자에 대한 CS 방법에서 TERMA의 동의어일 수 있다. 이러한 개념은 본 발명에서 처음으로 제안되었다. 가중 인자, 는 중성자 소스 에너지 스펙트럼으로부터 계산된다. Q-value는 핵반응 동안 흡수되거나 방출되는 에너지의 양을 의미한다. 예를 들어, 10B(n, α)7Li 반응에서, Q-value는 2.33MeV (94%) 및 2.81MeV (6%)이다. 14N(n, p)14C 반응에서, Q-value는 0.63MeV이다.According to an embodiment of the present invention, TEGMA, May be synonymous with TERMA in CS method for photons, energy generated from nuclear reaction. This concept was first proposed in the present invention. Weighting factor, Is calculated from the neutron source energy spectrum. Q-value refers to the amount of energy absorbed or released during a nuclear reaction. For example, in a 10 B(n, α) 7 Li reaction, the Q-values are 2.33 MeV (94%) and 2.81 MeV (6%). In the 14 N(n, p) 14 C reaction, the Q-value is 0.63 MeV.
1H(n, n')1H 반응에서, 는 TEGMA, 즉 지점(i, j, k)에서 각 에너지 그룹의 단위 질량당 생성된 총 에너지를 의미하고, <수학식 6> 및 <수학식 7>과 같이 정의될 수 있다. In 1 H(n, n') 1 H reaction, Is TEGMA, that is, the total energy generated per unit mass of each energy group at points (i, j, k), and may be defined as <Equation 6> and <Equation 7>.
여기서, 는 지점(i, j, k)에서 각 에너지 그룹의 중성자 플럭스를 의미한다. 1H(n, n')1H 반응의 경우, Q-value 대신에 입사 중성자 에너지의 반, 즉 평균 에너지 양성자가 중성자로 탄성 산란을 겪을, 가 이용된다. 즉, Eg는 입사 중성자가 속한 에너지 그룹의 평균 값으로, 중성자의 탄성 산란으로 생성된 양성자의 에너지를 입사 중성자 에너지의 절반으로 가정할 수 있음을 의미한다. here, Denotes the neutron flux of each energy group at points (i, j, k). For 1 H(n, n') 1 H reaction, instead of Q-value, half of the incident neutron energy, that is, the average energy proton undergoes elastic scattering as a neutron, Is used. That is, E g is the average value of the energy group to which the incident neutron belongs, and it means that the energy of the proton generated by the elastic scattering of the neutron can be assumed to be half the energy of the incident neutron.
본 발명의 일 실시예에 따라, 매크로 단면은 B-10, N-14 및 H-1에 대해 물질 의 체적에 포함된 모든 핵의 유효 표적 영역이다. 매크로 단면에 중성자 플럭스를 곱하면 반응 속도를 나타낸다. 예를 들어, 각각의 에너지 그룹과 반응 유형에 대해 MCNP 6.1을 이용한 MC 시뮬레이션에 의해 얻어진다. According to an embodiment of the present invention, the macro cross section is the effective target area of all nuclei contained in the volume of material for B-10, N-14 and H-1. Multiplying the macro cross section by the neutron flux gives the reaction rate. For example, obtained by MC simulation with MCNP 6.1 for each energy group and reaction type.
상술한 MC 방법과 CS 방법으로부터 산출된 선량을 비교한 결과가 도 3 및 도 4에 도시된다. The results of comparing the dose calculated from the above-described MC method and CS method are shown in FIGS. 3 and 4.
본 발명의 일 실시 예에 따라, 도 3은 BNCT 빔 필드 크기 1x1(2.5x2.5 ㎟)에 대해 MC 및 CS 방법 각각의 깊이에 따른 상대적인 BNCT 선량 요소들의 방사선량 그래프를 도시한다. 또한, 도 4는 BNCT 빔 필드 크기 3x3(7.5x7.5 ㎟)에 대해 MC 및 CS 방법 각각의 깊이에 따른 상대적인 BNCT 선량 요소들의 방사선량 그래프를 도시한다. 이 때, MC 방법에 의한 선량 산출을 위해 MCNP와 PHITS 코드를 이용하여 각각 깊이에 따른 상대적인 BNCT 선량 요소들의 방사선량을 산출하고, 이를 비교할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, FIG. 3 shows a graph of the radiation dose of relative BNCT dose elements according to the depth of each of the MC and CS methods for a BNCT beam field size of 1x1 (2.5x2.5 mm 2 ). In addition, FIG. 4 shows a graph of the radiation dose of relative BNCT dose elements according to the depth of each of the MC and CS methods for a BNCT beam field size of 3x3 (7.5x7.5 mm 2 ). At this time, to calculate the dose by the MC method, the radiation dose of the relative BNCT dose elements according to the depth may be calculated and compared using the MCNP and the PHITS code.
도 3 및 도 4를 참고하며, 중성자 선량 산출을 위한 MC 시뮬레이션 방식에서 종래에 주로 MCNP 코드가 사용되고, MCNP의 경우 CS 방법과 비교하면 오차율이 1% 미만인 것으로 확인할 수 있었다. 본 발명의 일 실시예에서, CS 방법은 상술한 바와 같은 방사선량 계산을 위한 파라미터를 MC 시뮬레이션에 의해 미리 산출하고 데이터로 저장하므로, 매우 유사한 선량 결과를 얻을 수 있다. 추가로, CS 방법과 PHITS에 의한 선량을 비교하면 외부 및 내부 감마 선량에서 10% 이상의 차이를 보이기도 하지만, 중성자 선량에서 유사한 결과를 보이는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIGS. 3 and 4, in the MC simulation method for calculating the neutron dose, the MCNP code is conventionally mainly used, and in the case of MCNP, it can be confirmed that the error rate is less than 1% when compared to the CS method. In an embodiment of the present invention, since the CS method pre-calculates the parameters for calculating the radiation dose as described above by MC simulation and stores it as data, very similar dose results can be obtained. In addition, when comparing the dose by the CS method and PHITS, a difference of 10% or more was shown in the external and internal gamma doses, but similar results were observed in the neutron dose.
또한, CS 방법과 MCNP, PHITS에 의한 선량 산출 계산 속도를 비교하면 < 표 1>과 같다.In addition, a comparison between the CS method and the dose calculation and calculation speed by MCNP and PHITS is shown in Table 1.
@ 2㎝ depthUncertainty
@ 2cm depth
기본 주파수Processor
Fundamental frequency
superpositionConvolution/
superposition
CUDA cores3,584
CUDA cores
3~5%
즉, <표 1>과 같이, CS 방법의 경우 MC 방법에 의한 산출 결과와 결과의 정확도에 큰 차이가 없으면서도 계산 속도는 수십 초 이내로 단축되는 향상된 효과를 기대할 수 있다.That is, as shown in <Table 1>, in the case of the CS method, there is no significant difference between the calculation result and the accuracy of the result by the MC method, and an improved effect of reducing the calculation speed to within tens of seconds can be expected.
상술한 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 CS 방법을 적용하여 중성자 빔의 방사선량을 계산하는 경우 산출된 결과가 MC 방법과 유사하게 나타나는 것을 알 수 있다. CS 방법은 MC 방법에 비해 계산 소요 시간을 획기적으로 줄일 수 있으므로, 실제 중성자 빔 치료를 적용하는 환자의 치료계획 시스템에 실효적 적용이 가능하다. As shown in FIGS. 3 and 4, when the CS method proposed in the present invention is applied to calculate the radiation dose of the neutron beam, it can be seen that the calculated result is similar to the MC method. Since the CS method can significantly reduce the computational time compared to the MC method, it can be effectively applied to the treatment planning system of patients applying neutron beam therapy.
본 발명은 상술한 바와 같이 TEGMA의 개념을 새롭게 정립하여 중성자 선량 계산에 도입함으로써, 종래 기술과 달리 중성자 선량 계산에서도 CS의 결정론적 방법을 가능하게 하였다. 이를 통해, 중성자 선량의 계산 속도가 급격히 빨라지므로 매우 신속하게 선량 산출이 가능하고, 중성자 치료뿐만 아니라 피폭의 경우 등 중성자 선량 계산이 필요한 다양한 분야에 활용될 수 있을 것이다. As described above, the present invention newly established the concept of TEGMA and introduced it into the neutron dose calculation, thereby enabling a deterministic method of CS in neutron dose calculation unlike the prior art. Through this, since the calculation speed of neutron dose is rapidly accelerated, it is possible to calculate the dose very quickly, and it may be used in various fields requiring neutron dose calculation, such as in the case of exposure as well as neutron therapy.
상술한 구체적인 실시예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다. 그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시 예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.In the above-described specific embodiments, constituent elements included in the invention are expressed in the singular or plural according to the presented specific embodiments. However, the singular or plural expression is selected appropriately for the situation presented for convenience of description, and the above-described embodiments are not limited to the singular or plural constituent elements, and even constituent elements expressed in plural are composed of the singular or However, even a component expressed in a singular number may be composed of a plurality.
한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Meanwhile, although specific embodiments have been described in the description of the present invention, various modifications may be made without departing from the scope of the technical idea implied by various embodiments. Therefore, the scope of the present invention is limited to the described embodiments and should not be defined, but should be defined by the claims and equivalents as well as the claims to be described later.
Claims (11)
중성자 치료용 선형가속기에서 발생되는 중성자와 광자선에 대한 각각의 반응 파라미터를 계산하여 데이터 파일로 미리 저장하는 단계; 및
상기 저장된 반응 파라미터를 이용하여 상기 환자에 조사할 빔 방향, 빔의 에너지 및 크기에 기반한 합성곱 및 중첩 연산(convolution 및 superposition)하여 상기 환자의 방사선량을 산출하는 단계를 포함하는, 방사선량 계산 방법. As a method of calculating the radiation dose of a neutron beam applied to a patient's treatment planning system,
Calculating reaction parameters for neutrons and photons generated in a linear accelerator for neutron therapy, and storing them as a data file in advance; And
Comprising the step of calculating the radiation dose of the patient by performing convolution and superposition calculations based on the beam direction to be irradiated to the patient, energy and size of the beam using the stored response parameter, .
상기 반응 파라미터를 계산하여 데이터 파일로 미리 저장하는 단계는,
MC(Monte Carlo) 시뮬레이션을 이용한 계산 결과를 라이브러리에 저장하는 단계를 포함하는, 방사선량 계산 방법.The method of claim 1,
The step of calculating the reaction parameter and storing it in advance as a data file,
A radiation dose calculation method comprising the step of storing the calculation result using the MC (Monte Carlo) simulation in a library.
상기 환자에 BNCT(Boron neutron capture therapy) 방사선 요법을 적용하는 경우, 상기 반응 파라미터는 중성자 가중 인자(weighting factor) 및 TEGMA(Total Energy Generated per unit Mass)를 포함하는, 방사선량 계산 방법.The method of claim 1,
When applying Boron neutron capture therapy (BNCT) radiation therapy to the patient, the response parameter includes a neutron weighting factor and TEGMA (Total Energy Generated per Unit Mass).
상기 환자에 BNCT 방사선 요법을 적용하는 경우, 상기 방사선량은 감마 선량 및 중성자 선량을 포함하고,
상기 중성자 선량은 식 1 과 같이 산출되는, 방사선량 계산 방법.
[식 1]
여기서, 는 지점(i, j, k)에서 흡수된 중성자 선량을 의미하고, k는 커널, 는 뇌 밀도, 는 중성자 소스 에너지 가중 인자, 는 에너지 그룹, 는 TEGMA, 즉 지점(i, j, k)에서 각 에너지 그룹의 단위 질량당 생성된 총 에너지를 나타냄.The method of claim 1,
When applying BNCT radiation therapy to the patient, the radiation dose includes a gamma dose and a neutron dose,
The neutron dose is calculated as in Equation 1, the radiation dose calculation method.
[Equation 1]
here, Is the absorbed neutron dose at point (i, j, k), k is the kernel, Is the brain density, Is the neutron source energy weighting factor, Is the energy group, Represents TEGMA, i.e. the total energy produced per unit mass of each energy group at points (i, j, k).
상기 는 식 2와 같이 산출되는, 방사선량 계산 방법.
[식 2]
여기서, 는 Q-value를 의미하고, 는 각 에너지 그룹의 평균 매크로 단면적의 합, 는 지점(i, j, k)에서 각 에너지 그룹의 중성자 플럭스(flux)를 나타냄.The method of claim 4,
remind Is calculated as Equation 2, the radiation dose calculation method.
[Equation 2]
here, Means Q-value, Is the sum of the average macro cross-sectional areas of each energy group, Represents the neutron flux of each energy group at points (i, j, k).
중성자 치료용 선형가속기에서 발생되는 중성자와 광자선에 대한 각각의 반응 파라미터를 계산하여 데이터 파일로 미리 저장하도록 제어하고, 상기 저장된 반응 파라미터를 이용하여 상기 환자에 조사할 빔 방향, 빔의 에너지 및 크기에 기반한 합성곱 및 중첩 연산(convolution 및 superposition)하여 상기 환자의 방사선량을 산출하는 하나 이상의 프로세서; 및
상기 방사선량의 분포를 2D 또는 3D 이미지로 출력하는 디스플레이;를 포함하는, 방사선량 계산 장치. As a device for calculating the radiation dose of a neutron beam for a patient's treatment plan,
Controls to calculate each response parameter for neutrons and photon rays generated in the linear accelerator for neutron therapy and store it in advance as a data file, and the beam direction, energy and size of the beam to be irradiated to the patient using the stored response parameter At least one processor for calculating the radiation dose of the patient by performing convolution and superposition based on; And
A display for outputting the distribution of the radiation dose as a 2D or 3D image.
상기 하나 이상의 프로세서는,
MC(Monte Carlo) 시뮬레이션을 이용한 계산 결과를 라이브러리에 저장하도록 제어하는, 방사선량 계산 장치.The method of claim 6,
The one or more processors,
A radiation dose calculation device that controls to store a calculation result using MC (Monte Carlo) simulation in a library.
상기 환자에 BNCT 방사선 요법을 적용하는 경우, 상기 반응 파라미터는 중성자 가중 인자 및 TEGMA를 포함하는, 방사선량 계산 장치.The method of claim 6,
When applying BNCT radiation therapy to the patient, the response parameter comprises a neutron weighting factor and TEGMA.
상기 환자에 BNCT 방사선 요법을 적용하는 경우, 상기 방사선량은 감마 선량 및 중성자 선량을 포함하고,
상기 중성자 선량은 식 1 과 같이 산출되는, 방사선량 계산 장치.
[식 1]
여기서, 는 지점(i, j, k)에서 흡수된 중성자 선량을 의미하고, k는 커널, 는 뇌 밀도, 는 중성자 소스 에너지 가중 인자, 는 에너지 그룹, 는 TEGMA, 즉 지점(i, j, k)에서 각 에너지 그룹의 단위 질량당 생성된 총 에너지를 나타냄.The method of claim 6,
When applying BNCT radiation therapy to the patient, the radiation dose includes a gamma dose and a neutron dose,
The radiation dose calculation device, wherein the neutron dose is calculated as shown in Equation 1.
[Equation 1]
here, Is the absorbed neutron dose at point (i, j, k), k is the kernel, Is the brain density, Is the neutron source energy weighting factor, Is the energy group, Represents TEGMA, i.e. the total energy generated per unit mass of each energy group at points (i, j, k).
상기 는 식 2와 같이 산출되는, 방사선량 계산 장치.
[식 2]
여기서, 는 Q-value를 의미하고, 는 각 에너지 그룹의 평균 매크로 단면적의 합, 는 지점(i, j, k)에서 각 에너지 그룹의 중성자 플럭스를 나타냄.The method of claim 9,
remind A radiation dose calculation device that is calculated as in Equation 2.
[Equation 2]
here, Means Q-value, Is the sum of the average macro cross-sectional areas of each energy group, Represents the neutron flux of each energy group at points (i, j, k).
상기 명령들은 적어도 하나의 프로세서에 의하여 실행될 때에 상기 적어도 하나의 프로세서로 하여금 환자의 치료계획 시스템에 적용되는 중성자 빔의 방사선량 계산 방법의 적어도 하나의 단계를 수행하도록 설정된 것으로서, 상기 적어도 하나의 단계는,
중성자 치료용 선형가속기에서 발생되는 중성자와 광자선에 대한 각각의 반응 파라미터를 계산하여 데이터 파일로 미리 저장하는 단계; 및
상기 저장된 반응 파라미터를 이용하여 상기 환자에 조사할 빔 방향, 빔의 에너지 및 크기에 기반한 합성곱 및 중첩 연산(convolution 및 superposition)하여 상기 환자의 방사선량을 산출하는 단계를 포함하는 동작을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체.As a storage medium that stores instructions,
The instructions are set to cause the at least one processor to perform at least one step of a method for calculating a radiation dose of a neutron beam applied to a patient's treatment planning system when executed by at least one processor, the at least one step ,
Calculating reaction parameters for neutrons and photons generated in a linear accelerator for neutron therapy, and storing them as a data file in advance; And
Using the stored response parameter, a beam direction to be irradiated to the patient, a convolution and superposition based on the energy and size of the beam, and calculating the radiation dose of the patient. Computer-readable storage medium on which the program is recorded.
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