Construction of Mesh-type Phantoms of Reference Korean Adults and their potential applications

Abstract

지난 50여 년 동안 인체 전산팬텀은 몬테칼로 전산모사 기법과 함께 인체 내 장기선량 및 유효선량을 계산하기 위한 핵심도구로서 방사선방호, 핵의학, 방사선치료 등 다양한 분야에서 활용되어 왔다. 대표적인 전산팬텀인 복셀형 전산팬텀은 일반적으로 CT 영상이나 MRI 영상과 같은 의료영상을 기반으로 제작되어 인체의 해부학적 구조를 비교적 사실적으로 묘사하고 있지만, 복셀의 해상도 및 구조적인 한계로 인해 작거나 얇은 장기들의 세부 구조를 표현할 수 없고 자세나 체형의 변형이 어렵다는 문제점을 지니고 있다. 이에 따라, 전 세계의 많은 연구자들은 복셀형 전산팬텀의 문제점들을 극복하기 위한 노력의 일환으로 새로운 형태인 메시 기반의 전산팬텀을 개발하는 연구를 수행하고 있다. 최근 국제방사선방호위원회(International Commission on Radiological Protection, ICRP)의 제 2분과 위원회에서도 기존의 복셀형 표준 성인남녀 전산팬텀 한 쌍을 메시 형태로 변환하는 연구를 수행하였으며, 변환된 메시형 전산팬텀을 차세대 표준 성인남녀 전산팬텀으로 채택한 바 있다. 본 연구에서는 이러한 최신 연구 동향에 따라 한국인에 대한 선량 평가의 정확성과 신뢰성을 제고하기 위하여 다양한 문헌 및 데이터를 분석하여 한국인에 대한 표준 인체치수 및 장기 데이터를 확립하고, 메시형 ICRP 표준 전산팬텀과 동일한 수준의 표준 한국인 성인남녀 전산팬텀을 개발하였다. 전산팬텀은 국내 여러 정부출연 연구기관에서 제공하는 한국인에 대한 모델들(연속절단면 컬러해부영상, 골격 평균화 모델, 표준체형 모델)을 바탕으로 제작되어, 한국인의 해부학적 특징을 매우 정밀하게 표현하고 있다. 뿐만 아니라, 메시형 표준 한국인 전산팬텀은 ICRP 표준 전산팬텀과 동일하게 유효선량 계산에 필요한 호흡기 및 소화기 계통의 방사선 민감층 및 선원 영역을 모두 포함하고 있다. 본 연구에서는 개발된 전산팬텀을 Geant4 몬테칼로 전산모사 코드에 입력하여 외부피폭 및 내부피폭에 대한 선량계수를 산출하고, 이를 메시형 ICRP 표준 전산팬텀을 이용하여 계산한 결과 및 ICRP 보고서에서 제공하는 표준 값과 비교하였다. 비교 결과, 메시형 한국인 전산팬텀의 결과는 일반적으로 메시형 ICRP 표준 전산팬텀의 결과 및 ICRP 표준 값과 매우 유사한 선량을 제공하는 것을 확인하였다. 그러나 투과력이 낮은 전자 선원의 경우 메시형 ICRP 표준 전산팬텀의 결과 및 ICRP 표준 값과 크게 다른 것을 확인하였는데, 이는 인종 간 해부학적 구조의 차이로 인해 인체 내 전자의 선량 분포가 다르게 형성되었기 때문이다. 본 연구에서 개발된 전산팬텀은 메시형 ICRP 표준 전산팬텀과 동급인 세계 최고 수준의 전산팬텀으로서, 국내 방사선작업종사자 및 일반인의 피폭선량을 정확하게 산출할 수 있도록 하여 국내 방사선방호 및 안전규제를 보다 합리적으로 이행하는데 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 개발된 전산팬텀은 변형이 용이하여 피폭자의 특성에 맞게 자세 및 체형을 변형하는데 사용될 수 있으며, 의료 방사선방호에 중요한 상세 장기 모델을 설치할 수 있는 플랫폼으로서 사용될 수 있다. 이 외에도 전파와 인체와의 상호작용, 자동차 충격 전산모사, 가상공간 수술 등의 비방사선 분야에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.; Over 50 years, the computational human phantoms have been used in computational dosimetry for purposes of radiation protection, nuclear medicine, and radiation therapy. Earlier versions of the computational phantoms however have some deficiencies in their fidelity presenting details of complicated anatomy of the human body, particularly of thin layers of tissue volume. In addition, they are rather fixed objects so as to have limited flexibility for application to different geometry settings. The mesh-type phantom, represented by polygonal mesh (PM) or tetrahedral mesh (TM), is considered as a good alternative model to overcome such deficiencies. Acknowledging the advantages of the mesh-type phantom, the International Commission on Radiological Protection (ICRP) has recently developed a set of mesh-type reference computational phantoms (MRCPs) for adult male and female, and considers them as a potential candidate to replace the adult male and female voxel-type reference computational phantoms (VRCPs) described in ICRP Publication 110. In the present study, considering the advantages of the mesh geometry model, we have developed a set of new mesh-type reference Korean phantoms (MRKPs), male and female, representing Korean adults, of which quality is equivalent to that of the MRCPs. For the development of the phantoms, a comprehensive dataset of Korean reference anatomical values was first established. Most of organs and tissues of the phantoms were constructed using information from high-quality 3-D models and images for Korean adults provided by Korean governmental agencies. Some complex organs including eye lens, lymphatic nodes, muscle, and blood vessels of the phantoms were constructed using the same approaches used in the development of the MRCPs. Finally, all other target and source regions specifically needed for effective dose calculations (such as the micron-thick target and source regions of the skin and alimentary and respiratory track systems) were defined following the assumptions set in the current dosimetry models. The developed MRKPs were then implemented in the Geant4 Monte Carlo simulation code for illustrative calculations of the internal and external dose coefficients for photons and electrons, and the calculated dose coefficients were compared with the values given in ICRP Publications 116 and 133, which are based on the VRCPs, and the values calculated with the MRCPs. The comparison showed that the dose coefficients calculated with MRKPs were generally well close to those calculated with the MRCPs and the ICRP reference values. For electron exposures, however, the dose coefficients show partly significant differences from those of the MRCPs and ICRP values due to the nature of electron dose distribution highly affected by the distances to the target volume. The MRKPs developed in the present study, due to many advantages they offer, are expected to be excellent subjects for further studies including creation of database of dose coefficients for Korean workers and members of the public, development of body-shape and posture dependent phantoms for Korean adults, installation of detailed organ models of interest in medical applications, and development of Korean reference physical phantoms in the future.