Development of 2.5D Photon Dose Calculation Algorithm

2.5D 광자선 선량계산 알고리즘 개발

In this study, as a preliminary study for developing a full 3D photon dose calculation algorithm, We developed 2.5D photon dose calculation algorithm by extending 2D calculation algorithm to allow non-coplanar configurations of photon beams. For this purpose, we defined the 3d patient coordinate system and the 3d beam coordinate system, which are appropriate to 3d treatment planning and dose calculation. and then, calculate a transformation matrix between them. For dose calculation, we extended 2d "Clarkson-Cunningham" model to 3d one, which can calculate wedge fields as well as regular and irregular fields on arbitrary plane. The simple Batho's power-law method was implemented as an inhomogeneity correction. We evaluated the accuracy of our dose model following procedures of AAPM TG#23; radiation treatment planning dosimetry verifications for 4MV of Varian Clinac-4. As results, PDDs (percent depth dose) of cubic fields, the accuracy of calculation are within 1% except buildup region, and $\pm$3% for irregular fields and wedge fields. And for 45$^{\circ}$ oblique incident beam, the deviations between measurements and calculations are within $\pm$4%. In the case of inhomogeneity correction, the calculation underestimate 7% at the lung/water boundary and overestimate 3% at the bone/water boundary. At the conclusions, we found out our model can predict dose with 5% accuracy at the general condition. we expect our model can be used as a tool for educational and research purpose.. purpose..

본 연구에서는 외부조사 광자선에 대한 3차원 선량계산 알고리즘 모델을 개발하기 위한 기초 연구로서 기존의 2D 선량 계산 알고리즘을 확장시켜 비동일 평면 조사가 가능한 2.5D 선량계산 모델을 개발하였다. 이를 위해 3차원 치료계획 및 선량계산에 적합하도록 환자 및 조사빔에 대한 3차원 좌표계 시스템을 정의하고, 이들 간의 좌표변환식을 유도하였다. 선량계산 알고리즘으로는 "Clarkson-Cunningham" 의 2D 광자선량 계산 알고리즘을 3차원으로 확장시켜 정형 조사면 및 비정형 조사면에 대한 선량계산과 wedge filter에 대한 선량계산이 가능하도록 하였고, Batho 방식을 적용하여 비 균질 보정을 구현하였다. 선량계산의 정확도를 평가하기 위해, AAPM TG #23 에 제시된 절차에 따라 자료에 제시된 4MV 광자선에 대한 실험 값과 본 연구에서 계산된 결과를 비교한 결과, 정형조 사면에 대한 PDD(percent depth dose)는 buildup 영역을 제외하면 $\pm$1% 이내, 비정형 조사면의 경우 $\pm$3% 이내에서 실험값과 일치하였다. 또한, wedge filter에 대한 PDD 및 profile은 $\pm$3% 이내, 45$^{\circ}$ oblique 입사빔에 대한 선량은 $\pm$4% 이내에서 실험값과 일치하였다. 비균질 보정의 경우 Lung/water 경계에서 7% 과소 평가되었고, Bone/water 경계에서 3% 과대 평가되는 것으로 나타났다. 이들 결과를 종합해 볼 때, 비균질 보정을 제외하고는 비교적 정확하게 선량을 계산하는 것으로 평가되었다. 추후 대부분의 상용 2.5D 치료계획시스템 (radiation treatment planning system; RTP)들이 비균질 보정 방법으로 사용하고 있는 Equivalent TAR(tissue-air ratio) 방식을 구현시키고자 하며, 본 연구에서 구현된 선량계산 모듈을 교육 및 연구용으로 활용할 수 있을 것으로 기대 한다.것으로 기대 한다.