몬테칼로 방사선수송 전산모사에서 폴리곤메쉬 인형팬톰 운영체계 개발

Abstract

Computational human phantoms play an important role not only in radiation protection but also in radiation therapy and medical imaging sciences. The phantom formats have been advanced into various forms such as MIRD (Medical Internal Radiation Dose) type stylized phantoms, tomographic voxel phantoms, NURBS (non-uniform rational B-spline) and polygon-mesh surface phantoms. The NURBS and polygon-mesh surface phantoms embody both the anatomic reality of the voxel phantoms and the deformability of the stylized phantoms. However, the surface type phantoms must be voxelized to be used in a Monte Carlo code for dose calculation or some imaging simulation, which incurs the inherent limitations of voxel phantoms. In the present study, a voxel phantom named VKH-Man (Visible Korean Human-Man), was converted to a polygon-mesh phantom (PSRK-Man, Polygon-Surface Reference Korean-Man) without any artificial modeling, which was then adjusted to the Reference Korean data. All organ surfaces were fully enclosed without any self-intersections and interferences. Subsequently, the PSRK-Man polygon phantom was directly, without a voxelization process, implemented in Monte Carlo code for dose calculations. To validate the direct implementation method, the calculated dose values were then compared with those of a corresponding voxelized phantom. Our results showed that the calculated dose values of the PSRK-Man polygon-mesh phantom agreed well with those of the voxelized phantom within the statistical uncertainties. However, it was found that the computation times for the PSRK-Man polygon phantom though were slower by a factor of 85 to 460 than those of the voxelized phantom. To address the slow computation time of the PSRK-Man, two methods were introduced in this study; (1) binary space partitioning (BSP) tree method and (2) method of geometric partitioning with tetrahedrons. The DagSolid class was developed for the former approach. For external photons, these methods accelerated the transport calculations remarkably; at least 26 times in the BSP tree method and 172 times in the geometric partitioning method. The developed polygon-mesh phantom can overcome the limitations of the conventional voxel phantoms; that is, (1) the polygon phantom can model very thin structures such as bone endosteum, skin, and oral mucosa, (2) the deformation of the polygon-mesh phantom is relatively easy, which eventually enables 4-D Monte Carlo simulations necessary in some medical applications, (3) the phantom is free from the artifact effect of stair-stepped organ surfaces, which is very advantageous in medical imaging simulation studies, and (4) the phantom does not include any inclusive air regions, and additional structures can be freely defined as needed.|몬테칼로 방사선수송 전산모사용 인형팬톰은 방사선 방호 분야뿐만 아니라 방사선 치료와 의료영상 분야에서도 중요한 역할을 한다. 인형팬톰의 데이터 포맷은 MIRD 타입의 수학적 팬톰, 체적소 팬톰, NURBS 및 폴리곤메쉬 팬톰 등 다양한 형태로 발전해 왔다. 최근 활발하게 개발되고 있는 NURBS 및 폴리곤메쉬 팬톰은 체적소 팬톰이 갖는 사실적인 인체 표현의 장점과 수학적 팬톰의 변형 가능한 장점을 모두 갖추고 있다. 하지만, 현재까지 개발된 NURBS 및 폴리곤 메쉬 팬톰들은 몬테칼로 코드에 입력되어 사용되기 위해 체적소화된 팬톰을 이용하므로, 이 방법은 기존의 체적소 팬톰이 갖는 근본적인 한계점들을 여전히 극복할 수 없다는 문제가 있다. 본 연구는 고해상도 컬러해부영상을 기반으로 제작된 VKH-Man (Visible Korean Human-Man) 체적소 팬톰의 각 장기를 인위적인 모델링을 거치지 않고 폴리곤메쉬 면으로 변환하여 PSRK-Man(Polygon-Surface Reference Korean-Man)을 개발하였다. PSRK-Man의 모든 장기 표면은 완벽한 폐곡면으로 이루어져 있으며, 장기들끼리 서로 겹치지 않는다. 따라서 PSRK-Man 폴리곤메쉬 팬톰은 복셀화 과정 없이 몬테칼로 코드에 직접 입력되어 선량계산에 사용될 수 있다. 본 연구는 개발된 PSRK-Man 폴리곤메쉬 인형팬톰을 Geant4 몬테칼로 코드에 직접 입력하여 장기선량을 계산하였으며, 그 결과를 동일 조건에서 계산된 체적소화된 PSRK-Man의 장기선량과 비교하였다. 비교 결과, 두 팬톰 간 장기선량은 통계적 오차 내에서 일치함을 확인하였다. 그러나, PSRK-Man 폴리곤메쉬 팬톰의 계산 속도는 체적소화된 팬톰에 비하여 85에서 460배 가량 느린 결과를 보였다. 이러한 계산속도 문제를 해결하기 위해 본 연구는 두 가지 방법, 즉 (1) 이진 공간분할 트리(BSP tree, Binary Space Partitioning tree) 방법과 (2) 폴리곤메쉬의 기하학적 분할 방법을 사용하였다. 이를 위해 첫 번째로 이진 공간분할 트리 방법이 적용된 새로운 Geant4 solid 클래스인 DagSolid 클래스를 개발하였고, 두 번째로 PSRK-Man 폴리곤메쉬 팬톰을 사면체화하였다. 두 가지 방법을 사용하여 각각 장기선량을 계산해 본 결과, 두 방법 모두 기존 장기선량 결과와 일치하였다. 계산 속도는 DagSolid 클래스를 사용한 경우 최소한 26배 향상되었으며, 사면체화된 PSRK-Man을 사용한 경우 최소한 172배 향상되었다. 본 연구에서 개발된 PSRK-Man은 방사선 방호분야 최초로 몬테칼로 전산모사에 직접 사용될 수 있는 폴리곤메쉬 인형팬톰이며, 따라서 기존 복셀팬톰의 한계를 모두 극복할 수 있다. (1) 폴리곤메쉬 팬톰은 골내막, 피부와 구강점막과 같은 매우 얇은 인체구조를 모델링할 수 있으며, (2) 장기의 변형이 자유로우므로 의료분야에서 필요한 4-D 몬테칼로 전산모사에 활용될 수 있다. (3) 또한 계단 형태의 표면을 갖는 복셀팬톰에 비해 폴리곤메쉬 팬톰은 부드러운 표면을 가지므로 의학영상 시뮬레이션에 보다 유리하고, 하전입자에 대한 선량계산에 있어서도 보다 정확한 계산결과를 획득할 수 있을 것으로 기대된다. (4) 마지막으로 복셀팬톰의 경우 주변 공기복셀로 인하여 복잡하고 작은 구조물을 인체 가까이 위치시킬 수 없는 반면, 폴리곤메쉬 팬톰은 이러한 한계로부터 자유롭다는 장점을 갖는다.; that is, (1) the polygon phantom can model very thin structures such as bone endosteum, skin, and oral mucosa, (2) the deformation of the polygon-mesh phantom is relatively easy, which eventually enables 4-D Monte Carlo simulations necessary in some medical applications, (3) the phantom is free from the artifact effect of stair-stepped organ surfaces, which is very advantageous in medical imaging simulation studies, and (4) the phantom does not include any inclusive air regions, and additional structures can be freely defined as needed.