Construction of voxel head phantom and application to BNCT dose calculation

Voxel 머리팬텀 제작 및 붕소중성자포획요법 선량계산에의 응용

Voxel head phantom for overcoming the limitation of mathematical phantom in depleting anatomical details was constructed and example dose calculation for BNCT was performed. The repeated structure algorithm of the general purpose Monte Carlo code, MCNP4B was applied for yokel Monte Carlo calculation. Simple binary yokel phantom and combinatorial geometry phantom composed of two materials were constructed for validating the voxel Monte Carlo calculation system. The tomographic images of VHP man provided by NLM(National Library of Medicine) were segmented and indexed to construct yokel head phantom. Comparison of doses for broad parallel gamma and neutron beams in AP and PA directions showed decrease of brain dose due to the attenuation of neutron in eye balls in case of yokel head phantom. The spherical tumor volume with diameter, 5cm was defined in the center of brain for BNCT dose calculation in which accurate 3 dimensional dose calculation is essential. As a result of BNCT dose calculation for downward neutron beam of 10keV and 40keV, the tumor dose is about doubled when boron concentration ratio between the tumor to the normal tissue is $30{\mu}g/g$ to $3{\mu}g/g$. This study established the voxel Monte Carlo calculation system and suggested the feasibility of precise dose calculation in therapeutic radiology.

해부학적으로 단순한 수학적인형팬텀의 한계를 극복하기 위한 voxel 머리팬텀을 제작하고 BNCT(Boron Neutron Capture Therapy) 시행 시 선량분포를 계산하였다. 일반목적 몬테칼로 코드인 MCNP4B의 반복구조 알고리즘을 이용하여 voxel 몬테칼로 계산체계를 수립하였고 두 가지 물질로 구성된 예시적 voxel 팬텀과 기하체조합팬텀의 계산값 비교를 통해 계산체계를 검증하였다. 미국 NLM(National Library of Medicine)에서 제공하는 VHP man 인체단층사진에 대한 분할 및 색인작업을 통해 voxel 머리팬텀을 제작하여 AP 및 PA 방향에서 입사하는 넓고 평행한 광자 및 중성자빔에 대한 선량값을 MIRD 팬텀의 계산값과 비교한 결과 중성자빔 AP 방향조사 시 MIRD 팬텀에서는 볼 수 없는 안구로 인한 중성자 감쇠현상을 확인할 수 있었다. 3차원 정밀계산이 필요한 BNCT 시술시 선량분포계산을 위해 뇌 중앙에 직경 5cm의 구형 뇌종양 체적을 정의하고 뇌와 종양의 붕소 함량을 조정하여 10keV 및 40keV 상부입사 중성자에 의한 장기별 흡수선량을 계산한 결과 종양에 $30{\mu}g/g$, 정상세포에 $3{\mu}g/g$의 붕소를 주입한 경우 붕소함량이 없을 때에 비해 2배 가량 큰 선량을 보였다. 본 연구를 통해 voxel몬테칼로기법을 이용한 선량평가체계를 수립하였고 정밀한 선량계산을 필요로 하는 치료방사선분야 선량계산에 실제 인체에 가까운 voxel팬텀의 응용가능성을 제시하였다.