양성자 치료를 위한 양성자 라디오그래피의 해상도 향상을 위한 연구

Abstract

양성자 라디오그래피는 양성자 치료에서 치료계획이나 환자 정위치를 위해 사용되는 전통적 X선 영상에 비해 큰 잠재적 이점이 있다. 그러나 양성자 빔의 짧은 비정이나 비정의 획일성 같은 특성이 양성자를 영상화에 이용하는 데 방해가 되고 이러한 이유로 양성자 라디오그래피는 소개된 지 오래되었지만 임상에 거의 이용되지 못하고 있다. 따라서 양성자 라디오그래피의 발전, 특히 영상품질의 개선에 대한 요구가 매우 크다. 이 연구의 목적은 비정 변조기법을 이용하여 얻는 양성자 영상의 품질에 영향을 미치는 주된 인자들의 영향을 평가하는 것이다. 이를 위해 몬테칼로 시뮬레이션으로 얻는 모사 영상과 MC-50 사이클로크론 시설에 설치된 양성자 라디오그래피 시스템으로 실제 영상을 얻어 분석하였다. 180MeV 빔을 변조한 양성자 빔으로 조사한 시험 팬텀의 영상을 MCNPX 코드를 이용하여 시뮬레이션한 결과 비정변조 기법으로 양성자 영상을 성공적으로 생산할 수 있었다. 이들 모사 영상은 영상품질에 영향을 미치는 인자, 특히 빔 품질, 팬텀과 영상판 거리(PSD), 다중쿨롱산란(MCS)에 대한 많은 정보를 제공했다. 빔 감쇠곡선의 기울기가 영상의 밀도 분해능에 주요 인자가 되며 PSD를 짧게 하고 MCS를 줄이는 것이 공간 분해능을 높이는 데 중요한 것으로 나타났다. MC-50 사이클로트론의 40MeV 양성자 빔에 비정변조 기법을 적용한 결과 작은 팬텀들의 영상을 섬광판을 이용하여 만족스런 양성자 라디오그래피 영상을 얻었다. 영상화 인자들과 얻은 영상의 품질 사이의 관계는 대체로 시뮬레이션으로부터 예상한 것과 일치하는 결과를 제공했다. 결론적으로 양성자 비정변조 기법이 임상에 이용할 수 있는 품질의 영상을 제공할 수 있음이 확인되었다. 능동적인 신호 피드백이나 첨단 영상처리 기법의 도입과 같은 추가적 기법들이 양성자 라디오그래피 영상의 품질을 더욱 높일 수 있을 것이다.; In the proton radiotherapy, the proton radiography has great potential advantages as an aid in treatment planning and patient positioning over conventional X-ray imaging. But some aspects of proton beam including short and monotonic ranges hinder its radiographical use. On this account the proton radiography has rarely applied in clinical practices in spite of the long time since its introduction. Therefore, there are good demands of advances in the modality, particularly improvement of image quality. The purpose of this study is to evaluate the effect of main factors affecting the quality of proton radiograph acquired by use of the range modulation technique. The image qualities were analyzed for both simulated images produced by Monte Carlo simulations and real images obtained by the proton radiography system set up at the MC-50 cyclotron. Images of the test phantoms irradiated by modulated 180 MeV proton beam were simulated with the MCNPX code for different conditions of radiographic parameters. The range modulation technique successfully generated proton radiographs which gave much insight on the factors affecting image quality, particularly on the beam quality, the phantom-to-screen distance(PSD) and the multiple Coulomb scattering(MCS). The slope in the beam attenuation curve was a key factor determining the density resolution. A short PSD and less MCS was important to enhance the space resolution. The range modulation technique was applied to 40 MeV proton beam of MC-50 to get satisfactory proton radiographs of small phantoms by use of a scintillating screen. The relationships between radiographic factors and the resulting image quality were largely the same as expected by simulated images. In conclusion, we confirmed that the range modulation technique can provide proton radiographs of acceptable quality for use in clinical purpose. Additional techniques, e.g. inclusion of active signal feedback and adoption of advanced image processing techniques, will further improve the image quality.