A photon beam of 6 MV from a Varian Clinac 600C/D accelerator was simulated using the EGSnrc user code BEAMnrc. The accelerator was modeled as a combination of component modules (CMs) consisting of a target, a primary collimator, a flattening filter, a monitor chamber, a secondary collimator and an air column. A simulated beam was stored in a phase space data file, which contained details such as each particle`s position, energy, angle, charge, weight, and complete history including where it has been and where it has interacted in the beam simulation. The phase space file was analyzed to obtain fluence and energy fluence profiles, spectral distributions, mean energy distributions and angular distributions at the phantom surface of source-to-surface distance (SSD) of 100 cm for the 10 × 10㎠ field. The phase space file also was used to calculate dose distributions using the EGSnrc user code DOSXYZnrc. Good agreement between measurements and Monte Carlo calculations was achieved in the dose distributions. It was shown that past the buildup region, the agreement between the measured and Monte Carlo calculated central axis depth dose curves was better than 2% of local absorbed dose and within the geometrical edges of the field, the agreement between measured and Monte Carlo calculated dose profiles was better than 2%. To increase the efficiency of computation, time reduction techniques such as variance reduction techniques and parallel processing were used and the effects of them were investigated. The results of this work indicates the feasibility of direct treatment planning applications of Monte Carlo methods.
암은 전 세계적으로 사망의 주요한 원인이 되는 질병으로서 매년 암으로 인해 사망하는 사람의 수가 늘어나고 있다. 암을 치료하기 위해 통상적으로 수술 요법, 화학 요법, 방사선 치료 등의 방법을 사용하지만, 그 중에서도 방사선 치료가 가장 주요하다. 방사선 치료는 환자의 종양 부위에 방사선을 조사함으로써 암세포를 파괴하여 암을 치료하고자 하는 시술이다. 방사선 치료에 있어서 기본적인 목표는 방사선 조사를 통해 건강한 세포에 가해질 수 있는 피해를 최소화하면서 암세포를 가능한 한 많이 파괴하는 것이다. 이를 위해서 치료 계획 단계에서 환자에게 흡수될 선량이 최적화되도록 방사선을 조사하는 방법을 결정한다.
방사선 치료에는 주로 외부 빔 방사선, 특히 메가급 전압의 광자 빔을 사용한다. 본 논문에서는 Varian 사의 Clinac 600C/D 임상 선형 가속기로부터 나오는 6 MV 광자 빔을 몬테칼로 방법을 사용하여 모사하고 가상 물 팬텀에의 흡수 선량을 계산하여 실제 측정한 물 팬텀에의 흡수 선량과 비교함으로써 몬테칼로 방법의 정확성을 검증하고자 하였다. 몬테칼로 방법을 구현하기 위해 EGSnrc 코드 기반의 BEAMnrc 코드 및 DOSXYZnrc 코드를 사용하였다. BEAMnrc 코드와 DOSXYZnrc 코드는 NRCC (캐나다 국립 연구 회의) 등에서 전자 빔 방사선 치료의 치료 계획 시스템에 사용하기 위한 3차원 선량 계산 엔진을 개발하고자 수행한 OMEGA (오타와-매디슨 전자 감마 선 알고리듬) 프로젝트의 산물로서 각각 빔 모사와 흡수 선량 계산을 위한 코드이다. 몬테칼로 방법의 정확성에서 불구하고 막상 임상에 적용하는 데에 걸림돌이 되고 있는 긴 계산 시간의 문제를 검토해 보고자, BEAMnrc 코드 및 DOSXYZnrc 코드에 적용된 계산 시간 감소 방법들을 사용하여 계산 시간이 줄어드는 정도를 조사하였다. 뿐만 아니라, 몬테칼로 방법을 임상에서 방사선 치료 계획 시스템에 적용하는 데에 있어서 유용한 정보가 되는, 플루언스, 에너지 플루언스, 스펙트럼, 각 분포 등의 빔 특성을 구하였다.
몬테칼로 계산에 의해 구한 선량 분포와 측정에 의해 얻은 선량 분포를 비교하여 본 결과, 중심축에서의 깊이 선량 분포 및 1.5 cm, 5.0 cm, 10.0 cm, 20.0 cm 깊이에서의 가로 선량 분포 모두 2% 이내에서 일치하였다. 이는 환자에게 전달되는 선량은 5% 이내에서 정확해야 하고 그러기 위해 계산 선량은 2% 이내에서 정확해야 한다는, AAPM (미국 의학물리학자 협회) TG-53, IAEA (국제 원자력 기구) TRS-277, ICRU (국제 방사선단위 측정 위원회) 리포트 42 등에서의 권고를 만족하는 결과이다. 한편, 분산 감소 기법과 병렬 컴퓨팅을 사용하여 BEAMnrc 코드 및 DOSXYZnrc 코드를 실행한 결과, 이러한 방법들을 전혀 사용하지 않은 경우에 비해 대략 50배 정도 계산 시간을 줄일 수 있었다. 빔 모사 시간을 제외하고 선량 계산 시간만 따지면 대략 5시간이 걸렸는데, 임상에서 몬테칼로 계산을 적용할 때에는 빔 모사의 결과는 따로 저장해 두고 환자에 따라 CT 데이터에 기반한 선량 계산만을 수행하면 되기 때문에, 컴퓨터의 성능이 더욱 향상되고 계산을 최적화할 수 있는 방법들을 더 고안한다면 몬테칼로 계산 시간을 더욱 단축시킬 수 있고 머지 않아 몬테칼로 계산을 임상에서 일반적으로 사용할 수 있게 될 것이다.
본 논문을 위한 연구에서 사용한, Varian Clinac 600C/D로부터의 6 MV 광자 빔의 경우에도 아직 몬테칼로 계산의 정확성을 향상시킬 여지가 있고, 물로만으로 된 팬텀 뿐 아니라 비균질 팬텀에 대해서도 계산에 의해 구한 흡수 선량과 측정에 의해 얻은 흡수 선량을 비교해 볼 필요가 있으며, 환자의 CT 데이터를 사용하여 환자에의 흡수 선량을 계산함으로써 그 결과와 기존의 치료 계획 시스템에서의 선량 계산 결과와의 차이를 조사해 보아야 하는 등 아직 해야 할 일들이 많지만, 몬테칼로 방법의 치료 계획 시스템에의 적용이라는 목표를 향한 시작 단계로서 그 목표에 이를 수 있는 가능성을 발견했다는 데에 본 논문의 의의가 있다고 할 수 있다.
