• Nuclear Engineering and Technology
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• 제52권9호
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• pp.2064-2071
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• 2020

For proton pencil beam scanning (PBS) technology, the accuracy of the dose distribution in a patient is sensitive to the properties of the incident beam. However, mechanical deformation of the proton therapy facility may occur, and this could be an important factor affecting the proton dose distribution in patients. In this paper, we investigated the effect of deformation on an SC200 proton facility's beam isocenter properties. First, mechanical deformation of the PBS nozzle, L-shape plate, and gantry were simulated using a Finite Element code, ANSYS. Then, the impact of the mechanical deformation on the beam's isocenter properties was evaluated using empirical formulas. In addition, we considered the simplest case that could affect the properties of the incident beam (i.e. if only the bending magnet (BG3) has an error in its mounting alignment), and the effect of the beam optics offset on the isocenter characteristics was evaluated. The results showed that the deformation of the beam position in the X and Y direction was less than 0.27 mm, which meets the structural design requirements. Compared to the mechanical deformation of the L-shape plate, the deformation of the gantry had more influence on the beam's isocenter properties. When the error in the mounting alignment of the BG3 is equal to or more than 0.3 mm, the beam deformation at the isocenter exceeds the maximum accepted deformation limits. Generally speaking, for the current design of the SC200 scanning beam delivery system, the effects of mechanical deformation meet the maximum accepted beam deformation limits. In order to further study the effect of the incident beam optics on the isocenter properties, a fine-scale Monte Carlo model including factors relating to the PBS nozzle and the BG3 should be developed in future research.

• 한국의학물리학회지:의학물리
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• 제27권3호
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• pp.162-168
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• 2016

Proton therapy is increasingly being actively used in the treatment of cancer. In contrast to photons, protons have the potential advantage of delivering higher doses to the cancerous tissue and lower doses to the surrounding normal tissue. However, a range shifter is needed to degrade the beam energy in order to apply the pencil beam scanning technique to tumors located close to the minimum range. The secondary neutrons are produced in the beam path including within the patient's body as a result of nuclear interactions. Therefore, unintended side effects may possibly occur. The research related to the secondary neutrons generated during proton therapy has been presented in a variety of studies worldwide, since 2007. In this study, we measured the magnitude of the secondary neutron dose depending on the location of the detector and the use of a range shifter at the beam nozzle of the proton scanning mode, which was recently installed. In addition, the production of secondary neutrons was measured and estimated as a function of the distance between the isocenter and detector. The neutron dose was measured using WENDI-II (Wide Energy Neutron Detection Instruments) and a Plastic Water phantom; a Zebra dosimeter and 4-cm-thick range shifter were also employed as a phantom. In conclusion, we need to consider the secondary neutron dose at proton scanning facilities to employ the range shifter reasonably and effectively.

• IEIE Transactions on Smart Processing and Computing
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• 제4권5호
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• pp.297-304
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• 2015

A multilayer gaseous detector has been developed for fast dose-verification measurements of raster-scan-mode therapeutic beams in particle therapy. The detector, which was constructed with eight thin parallel-plate ionization chambers (PPICs) and polymethyl methacrylate (PMMA) absorber plates, is closely tissue-equivalent in a beam's eye view. The gas-electron signals, collected on the strips and pad arrays of each PPIC, were amplified and processed with a continuous charge.integration mode. The detector was tested with 190-MeV raster-scan-mode beams that were provided by the Proton Therapy Facility at Samsung Medical Center, Seoul, South Korea. The detector responses of the PPICs for a 190-MeV raster-scan-mode proton beam agreed well with the dose data, measured using a 2D ionization chamber array (Octavius model, PTW). Furthermore, in this study it was confirmed that the detector simultaneously tracked the doses induced at the PPICs by the fast-oscillating beam, with a scanning speed of 2 m s-1. Thus, it is anticipated that the present detector, composed of thin PPICs and operating in charge.integration mode, will allow medical scientists to perform reliable fast dose-verification measurements for typical dynamic mode therapeutic beams.

• 한국의학물리학회지:의학물리
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• 제20권3호
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• pp.180-190
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• 2009

전립선암의 위치는 방사선 치료도중 변하는 경우가 많으며 이는 종양선량을 낮추고 정상조직선량이 높아질 수 있다. 이 논문의 목적은 방사선 치료중에 전립선암의 위치 및 깊이 변화를 자동적으로 감지하는 시스템을 개발하고 이를 적용해 환자의 국부에 조사되는 방사선량의 변화를 최소화 하는 데 있다. 이 연구에서는 10명의 환자로부터 38장의 영상자료를 통해 수행되었으며 전립선암에 부착된 금-표지자를 이용해 종양의 질량중심을 구하고 이를 기반으로 종양의 위치변화를 감지하였다. 전립선암의 평균적인 위치변화는 좌우와 위아래로 각각 0.9 mm와 2.3 mm이었으며 최고 위치변화는 각 각 3.3 mm와 7.2 mm였다. 일상적으로 전립선암의 양성자치료에 많이 사용되는 마주보는 두 개의 양성자빔(bilateral beam configuration) 조건에서 좌우의 위치변화는 깊이 변화를 의미하며 이는 약 0.7 mm에서 3.3 mm까지 변화하고 있음을 알 수 있었다. 실험결과 종양의 깊이 변화가 1 mm, 2 mm 그리고 3 mm 보다 많이 차이 나는 경우가 각각 42.1%, 26.3% 그리고 2.6%로 나타났다. 이러한 결과를 토대로 봤을 때 양성자치료에서 자동적으로 종양의 깊이 변화를 분석하는 것이 가능하다는 것을 알 수 있었으며 이를 이용한다면 종양선량을 높이고 정상조직선량을 낮추어 치료효과를 높일 수 있다.

• 한국의학물리학회:학술대회논문집
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• 한국의학물리학회 2002년도 Proceedings
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• pp.298-299
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• 2002

WERC (Wakasa Wan Energy Research Center) has started the proton cancer therapy since June 2002. We use Hitachi 3D treatment planning (version 1.6) that can calculate the proton dose distribution by use of the pencil beam algorithm as well as the broad beam algorithm practically fast. This treatment planning software satisfies almost functions required in the proton therapy and includes some advanced techniques such as the 3D region glowing function that can search the target region three-dimensionally based on the CT-values. In this paper, we will introduce this planning system and present our evaluation from point of view of both clinical usage and QA.

• 대한방사선치료학회지
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• 제29권1호
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• pp.19-26
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• 2017

목 적: 양성자 치료계획에서 metal 재질의 fiducial marker에 의한 선량 계산오차를 최소화하려면 density override의 적용은 매우 중요하다. 하지만 실제 metal 재질로 density override을 할 경우 정확한 contouring 및 range compensator 제작에 어려움이 있기에 본 연구에서는 fiducial marker의 주변 재질로 density override를 시행하고 fiducial marker의 위치, 재질, beam의 개수에 따른 선량분포를 비교, 분석하여 평가하고자 한다. 대상 및 방법: Water phantom을 이용하여 fiducial marker의 위치를 proton beam의 최대 비정 끝에서부터 1.5, 2.5, 4.0, 6.0 cm로 설정하고 재질로는 gold, steel, titanium으로 설정하여 실제 metal 재질 및 주변 재질로 density override를 적용한 치료계획을 세웠다. 또한 본원에서 양성자치료를 받은 간암 환자 1명을 선정하여 proton beam의 최대 비정 끝에서부터 0, 1.5, 3.5 cm로 설정하고 재질로는 gold, steel, titanium으로 설정하여 치료계획을 세웠다. Fiducial marker의 재질, 위치 및 beam의 개수에 따른 PTV 내에 Homogeneity Index(HI), Conformity Index(CI), 종양에 가장 근접한 Organ At Risk(OAR)인 Esophagus의 maximum dose을 평가 지표로 설정하고 비교 분석하였다. 결 과: Water phantom 및 간암 환자를 대상으로 한 치료계획에서 fiducial marker의 위치에 따른 Homogeneity Index를 분석한 결과 실제 metal 재질로 density override 했을 때보다 주변 재질로 density override했을 때 Homogeneity Index가 감소했으며 주변 재질의 density override에서 하나의 beam에 대해서는 최대 비정 끝에서 멀리 위치할수록, 두 개 이상의 beam에서는 isocenter에 가까이 위치할수록 Homogeneity Index가 증가하였다. Fiducial marker의 위치에 따른 Conformity Index 및 종양 주위 OAR의 maximum dose를 분석한 결과 주변 재질로 density override 했을 때 Conformity Index는 1에 가까웠으며 OAR의 maximum dose는 크게 감소했다. 결 론: 일반적으로 임상에서 사용하는 작은 fiducial marker에 대해서 실제 metal 재질이 아닌 주변 재질로 density override 했을 때 선량 균등도 및 target coverage를 높이는 동시에 주변 정상조직에 대한 선량을 줄일 수 있었다. 따라서 fiducial marker을 최대한 피해서 치료계획을 세우는 것이 바람직하지만 beam path 상에 fiducial marker가 있는 경우 주변 재질의 density override 시행함으로써 보다 정밀한 양성자 치료 효과를 기대할 수 있을 것으로 사료된다.

• 한국의학물리학회지:의학물리
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• 제28권1호
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• pp.22-26
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• 2017

We have developed an analytic software that can easily analyze the spot position and width of proton beam therapy nozzles in a periodic quality assurance. The developed software consists of an image processing method that conducts an analysis using center-of-spot geometry and a Gaussian fitting method that conducts an analysis through Gaussian fitting. By using the software, an analysis of 210 proton spots with energies 150, 190, and 230 MeV showed a deviation of approximately 3% from the mean. The software we developed to analyze proton spot positions and widths provides an accurate analysis and reduces the time for analysis.

• 한국의학물리학회지:의학물리
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• 제20권1호
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• pp.37-42
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• 2009

국립암센터에 설치된 양성자 치료기는 양성자 가속기의 운영을 통해 많은 양의 이차방사선을 방출하게 되는데, 이는 양성자 빔이 가속 중에 주위의 물질과 반응을 하여 이차 입자를 발생하고 방사성 동위원소도 생성하기 때문이다. 생성된 방사성 동위원소에 의한 방사선량은 시간에 따라 감쇠되지만 양성자 치료기의 운영 및 유지보수를 위해 수시로 가속기 작업종사자들이 시설내부로 접근해야 하며 이로 인해 이차방사선에 의한 피폭 문제가 발생될 수 있다. 본 논문에서는 양성자 가속기(Cyclotron)를 포함한 양성자 치료기의 운영을 위해 필요한 작업종사자들의 작업환경을 평가하고, 적절한 수준의 방사선 방호대책을 수립하기 위해 양성자 치료기 운영 중 가장 높은 수준의 방사선이 발생되는 양성자 가속기(Cyclotron) 및 주변 지역에서의 가속기 가동에 따른 방사선 발생 정도를 측정하였고 그 지속시간을 분석하였다. 이를 위해 양성자 빔의 손실이 가장 큰 가속기 주변과 에너지 선택 시스템(Energy Selection System, ESS)지역의 탄소(graphite, $^{12}C$) 재질로 구성된 에너지 감쇠장치(degrader)에서의 방사선 변화를 추적하고, 가속기에서 생산된 230 MeV의 고정된 에너지 빔이 에너지 감쇠장치(degrader)를 거쳐 ESS를 통해 전송된 빔의 효율을 산출하고 빔의 전송 구간에서의 상대적인 방사화 정도를 분석하였다. 이러한 분석 자료를 토대로 작업종사자들의 작업간 피폭 수준을 계산하고 연간 피폭 정도를 측정하였다. 작업 중 가속기 시설내의 선량은 수십 ${\mu}Sv/h$로 다른 방사선 치료기에 비해 상대적으로 높은 수준이지만 작업시간을 고려한 연간 총 피폭 선량은 작업자에 따라 1~3 mSv/year 정도로, 연간 피폭 한계 선량보다 충분히 낮은 수준으로 운영이 가능하였다.

• Nuclear Engineering and Technology
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• 제55권1호
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• pp.215-221
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• 2023

Proton treatment may deliver a larger dose to a patient's skin than traditional photon therapy, especially when a range shifter (RS) is inserted in the beam path. This study investigated the effects of an RS on skin dose while considering RS with different thicknesses, airgaps and materials. First, the physical model of the scanning nozzle with RS was established in the TOol for PArticle Simulation (TOPAS) code, and the effects of the RS on the skin dose were studied. Second, the variations in the skin dose and isocenter beam size were examined by reducing the air gap. Finally, the effects of different RS materials, such as polymethylmethacrylate (PMMA), Lexan, polyethylene and polystyrene, on the skin dose were analysed. The results demonstrated that the current RS design had a negligible effect on the skin dose, whereas the RS significantly impacted the isocenter beam size. The skin dose was increased considerably when the RS was placed close to the phantom. Moreover, the magnitude of the increase was related to the thickness of the inserted RS. Meanwhile, the results also revealed that the secondary proton primarily contributed to the increased skin dose.

• 한국의학물리학회지:의학물리
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• 제21권1호
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• pp.29-34
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• 2010

본 연구에서는 치료용 양성자선 계측을 위한 광섬유 방사선량계 개발을 목적으로 최적화 과정의 기초연구를 통하여 광섬유 방사선량계를 제작하였다. 양성자선 계측의 최적화를 위해 유기섬광체의 종류에 따른 섬광량 및 브래그 피크의 피크/플래투를 측정하여 가장 효율이 뛰어난 섬광체를 선별하였고, 유기섬광체의 직경에 따라 물 팬텀의 각 깊이에서 손실되는 양성자선의 에너지에 대해 유기섬광체에서 발생되는 섬광량을 측정하여 유기섬광체의 직경에 따른 선형성을 도시하고 최적의 섬광체 직경을 선택하였다. 또한 양성자선의 조사각도에 대해 유기섬광체의 길이에 따른 섬광량 및 섬광량의 표준편차를 측정하여 입사각 의존도를 판별하고 최적의 섬광체 길이를 결정하였다. 최적화 과정을 통하여 제작된 센서 성능평가의 일환으로 양성자 가속기의 선량율 및 모니터 유닛에 따른 광섬유 방사선량계의 섬광량을 측정하였다.