Absorbed Energy Measurement in Radiotherapy Using Shape-Customized Plastic Scintillation Detector

Abstract

최근 방사선 수술에서 환자 맞춤형 치료계획을 위한 소조사야 빔 (일반적으로 4 cm x 4 cm 이하의 빔)의 사용이 증가하고 있다. 환자에게 전달되는 선량을 정확하게 확인하기 위해서는 소조사야 빔과 치료계획 빔들의 측정을 통해 품질이 확인되어야 한다. 하지만 소조사야 및 치료계획 빔의 측정을 위한 기존 검출기들의 사용은 몇 가지 문제가 존재한다. 따라서, 본 연구에서는 형태 맞춤형 플라스틱 섬광 검출기인 선량분포 모양 섬광체 (ISS) 검출기와 종양 모양 섬광체 (TMS) 검출기를 이용해 소조사야 빔의 출력계수를 평가하고, 치료계획에 의해 흡수된 에너지를 검증하는 것을 목표로 한다. 플라스틱 섬광 검출기는 국제원자력기구 표준문서에서도 소조사야 빔 측정에 장점이 많은 검출기로 소개되어 있다. 선행 연구에서 3D 프린팅 기술로 인쇄가 가능한 섬광 레진을 개발하여 사용자의 요구 사항에 따라 플라스틱 섬광 검출기의 모양을 다양하게 제작할 수 있었다. 이를 바탕으로, 본 연구에서는 맞춤형 플라스틱 섬광 검출기 개발 및 방사선 수술 기계인 Leksell Gamma Knife® (LGK)를 이용하여 실험을 진행하였으며 제작된 검출기의 보정 및 교정을 위한 몬테카를로 시뮬레이션 시스템을 개발하였다. 먼저, LGK를 위한 몬테카를로 시뮬레이션은 GEANT4 프로그램을 기반으로 수행하였고 효율적인 연산 속도를 위해 다중 스레드 모드에서 phase-space 데이터를 사용할 수 있도록 코드를 개발하였다. LGK의 몬테카를로 시뮬레이션 시스템은 radiochromic 필름 측정과 LGK의 치료계획 프로그램 계산과 비교하여 검증하였다. 모든 축과 콜리메이터에 대한 시뮬레이션의 선량 프로파일은 필름 측정값과 평균 2.3 ± 0.8% 차이를 보였고 치료계획 프로그램과 평균 2.6 ± 0.7% 차이를 보였다. 계산된 출력 계수는 치료계획 프로그램과 모든 콜리메이터에 대해 평균 0.3 ± 0.1% 차이를 보였다. 또한, 본 연구에서 개발된 코드는 phase-space 데이터를 다중 스레드 모드에서 적용함으로써 시뮬레이션 시간을 약 3에서 25배 사이로 단축시켰다. 두 번째로, LGK의 소조사야 빔의 출력계수를 평가하기 위한 ISS 검출기를 3D 프린팅으로 제작하였다. ISS는 알려진 선량 분포를 기반으로 제작되었기 때문에 검출기에 적용되는 부피 평균 효과는 선량 분포의 합산으로 계산하여 보정되었다. 계산된 부피 평균 보정 계수는 몬테카를로 시뮬레이션과 비교했을 때 0.3% 이내에서 일치하였고, 섬광물질에 의한 밀도 차이 보정 계수는 1.003에서 1.005 사이로 계산되었다. LGK에 대한 8 mm 콜리메이터의 출력 계수는 평균 0.899 ± 0.003 로 측정되었고 치료계획 프로그램과 0.1 ± 0.3%의 차이를 보였다. 4 mm 콜리메이터의 출력 계수는 0.826 ± 0.005 로 측정되었고, 이는 치료계획 프로그램보다 약 1.5 ± 0.6% 높게 측정되었지만 최근 발표된 연구결과들과 유사함을 보였다. 마지막으로, TMS는 치료계획 프로그램의 종양 부피를 기반으로 두어 3D 프린팅으로 제작되었다. TMS 검출기의 출력 신호는 몬테카를로 시뮬레이션을 이용해서 빛 신호를 흡수 선량률로 교정하였다. 같은 모델 3개의 TMS 검출기를 이용해서 측정된 치료계획의 흡수에너지는 치료계획 프로그램과 비교하였을 때 평균적으로 1.9 ± 0.7%의 차이를 보였다. 9개의 서로 다른 모델의 TMS에 대해서도 또한 실험하였고, 치료계획 프로그램과 비교했을 때 평균적으로 0.8 ± 2.5%의 차이를 보였다. 이러한 측정 결과들은 치료계획 프로그램과 수%의 차이를 보여주었지만, 미국의학물리학회에서 발표된 보고서에서 허용하는 오차 범위(<3%) 이내였다. 결론적으로 본 연구는 소조사야 빔을 위한 출력계수와 치료 계획의 흡수에너지를 검증하기 위한 새로운 플라스틱 섬광 검출기를 개발하고자 수행되었고, 대부분의 결과는 치료계획 프로그램 또는 최근에 발표된 연구와 허용 가능한 오차 범위 이내였다. 또한 이러한 검출기들은 맞춤형으로 제작되었기 때문에 추가 연구를 통해 다양한 방사선 치료기기들에 적용될 수 있을 것으로 사료된다. 특히, TMS 검출기의 경우, 제조 및 측정 프로세스 단순화가 고안된다면 환자 맞춤형 QA 도구로써 사용될 수 있을 것으로 기대된다. |Recently, the use of small fields (< 4 cm × 4 cm) for patient-specific treatment planning in radiosurgery has increased. To accurately measure the dose delivered to a patient, the small field and the treatment plan should be confirmed by measurement. However, there are several challenges in using existing detectors for small field dosimetry or treatment plan verifications. The purpose of this study is to evaluate small field output factors (OFs) using an isodose-shaped plastic scintillation detector and verify the absorbed energy according to the treatment plan using a tumor-shaped plastic scintillation detector. The plastic scintillation detector is known as a candidate for small field measurements and has numerous advantages. In previous research, a three-dimensional (3D) printable plastic scintillator was developed, which could be produced based on the user's requirements. In this study, a plastic scintillation detector was used experimentally with the Leksell Gamma Knife® (LGK), a radiosurgery machine, and a Monte Carlo (MC) simulation system, which was developed for correction and calibration of the detectors. First, a MC simulation of the LGK was performed using the GEANT4 simulation toolkit and developed to use phase-space data in the multi-threaded mode for computing speed. The MC simulation system for the LGK was verified through a comparison with radiochromic film and the treatment planning system (TPS). The simulated dose profile for all axes and all collimators differed from the film measurements by 2.6 ± 0.7% on average and differed from the TPS by 2.3 ± 0.8% on average. Additionally, the simulated OF for all collimators differed from the TPS by 0.3 ± 0.1% on average. Using the phase-space data in the multi-threaded mode, the simulation time was reduced by approximately 3-25 times. Second, an isodose-shaped scintillator (ISS) detector was developed using 3D printing to evaluate the OF of the LGK. Because the shape of the ISS is based on the known dose distribution, the volume averaging effect for small fields could be corrected by summation of the dose distribution. The volume averaging correction factor calculated based on the dose distribution was compared with that calculated by the MC simulation. The calculated factor was within 0.3% of the value obtained through the MC simulation, and the correction factor due to the density difference of the scintillation material was calculated to be between 1.003 and 1.005. The 8 mm collimator OF averaged 0.899 ± 0.003, with a 0.1 ± 0.3% difference from that provided by the TPS. The 4 mm collimator OF was measured to be 0.826 ± 0.005, which was 1.5 ± 0.6% higher than the value from the TPS, but similar to values in recently published papers. Finally, a tumor model scintillator (TMS) was fabricated using 3D printing based on the shape of the treatment plan tumor volume. The output signal of the TMS was calibrated to the absorbed dose rate calculated by the MC simulation. The absorbed energy in the treatment plan was measured for three TMS samples, which was, on average, 1.9 ± 0.7% higher than the calculated value from the TPS. In addition, nine different TMSs were also tested, and the averaged value differed from the calculated value by 0.8 ± 2.5%. As such, these results were within a few percent of the TPS, but within the acceptable error range (< 3%) provided by AAPM Report 142. In conclusion, this study was performed to develop novel plastic scintillation detectors for small field OFs and verify the absorbed energy in treatment plans. The majority of the results were within an acceptable range of reference data from the TPS or recently published studies. Furthermore, because these detectors are customized, there may be potential for their application in various radiotherapy or radiosurgery machines following further research. In particular, the TMS detector is expected to be a good candidate for patient-specific quality assurance tools provided the manufacturing and measurement process can be simplified through further studies.