KR101459241B1 - 사면체 팬텀 기반 방사선량 계산 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사면체 팬텀 기반 방사선량 계산 방법 및 장치를 개시한다.
본 발명에 따른 방법은 (a) 복셀 펜텀으로부터 변환된 폴리곤 팬텀을 사면체화 알고리즘을 이용하여 사면체 팬텀으로 변환하는 단계; (b) 4DCT로부터 얻어지는 가변벡터장(Deformable Vector Field)을 내삽법에 기초하여 상기 사면체 팬텀에 적용하는 단계; 및 (c) 상기 사면체 팬텀을 구성하는 각 사면체의 각 면을 복수의 가상 셀로 구획하고, 상기 구획된 가상 셀(Dose Cell) 별로 미세 선량을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

사면체 팬텀 기반 방사선량 계산 방법 및 장치{METHOD AND APPRATUS FOR CALCULATING RADIATION DOSE BASED ON TETRAHEDRON PHANTOM}

본 발명은 사면체 팬텀 기반 방사선량 계산 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사면체 팬텀을 기반으로 환자를 위한 최적의 방사선량을 결정할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.

치료 목적의 방사선량 계산(이하, '선량 계산'이라 함)과 관련하여 현재는 환자의 CT 영상을 이용하여 복셀 팬텀(Voxel Phantom)을 생성하고 이렇게 생성된 복셀 팬텀과 몬테카를로 방사선 수송해석 전산코드를 이용하여 환자에게 주어지는 방사선량의 분포를 계산하는 방법이 사용되고 있다.

이러한 종래의 선량 계산 방법은 고정된 모양의 복셀 팬텀을 사용하기 때문에 환자 장기의 움직임을 있는 사실적으로 반영하여 선량을 정밀하게 계산하는 것이 불가능하다는 단점이 있다. 환자 장기의 움직임을 고려하여 선량을 정밀하게 계산할 필요성이 있는 경우는 먼저 환자의 4DCT를 이용하여 시간 변화에 따라 모양이 다른 여러 개의 복셀 팬텀을 제작한 후 이것들에 대하여 각각 선량을 수행하고 이렇게 계산된 선량 값들을 합하는 방식을 사용하고 있다.

하지만, 이러한 종래의 방법에는 크게 두 가지의 문제점이 존재한다.

첫째로는, 4DCT의 자료를 기반으로 하여 여러 개의 복셀 팬텀을 제작하고 이렇게 제작된 팬텀들을 이용하여 선량 계산을 각각 따로 수행하고 마지막으로 그 결과를 합쳐 선량 계산을 수행함으로써 전체적으로 계산 방법이 매우 복잡하며 시간이 많이 소요된다는 단점이 있다.

둘째로는 환자 장기의 경우는 시간에 따라 연속적으로 움직이는 반면 선량 계산은 몇 개의 복셀 팬텀만을 사용하여 수행하기 때문에 계산되는 선량의 정확도가 크게 떨어진다는 단점이 있다.

상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 계산의 복잡도가 경감되면서 정확도는 높일 수 있는 사면체 팬텀 기반 방사선량 계산 방법 및 장치를 제안하고자 한다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, (a) 복셀 펜텀으로부터 변환된 폴리곤 팬텀을 사면체화 알고리즘을 이용하여 사면체 팬텀으로 변환하는 단계; (b) 4DCT로부터 얻어지는 가변벡터장(Deformable Vector Field)을 내삽법에 기초하여 상기 사면체 팬텀에 적용하는 단계; 및 (c) 상기 사면체 팬텀을 구성하는 각 사면체의 각 면을 복수의 가상 셀로 구획하고, 상기 구획된 가상 셀(Dose Cell) 별로 미세 선량을 계산하는 단계를 포함하는 사면체 팬텀 기반 방사선량 계산 방법이 제공된다.

상기 (a) 단계는 폴리곤 모델을 이루는 3차원 공간을 사면체화하는 TETGEN 라이브러리를 이용하여 상기 폴리곤 팬텀을 상기 사면체 팬텀으로 변환할 수 있다.

상기 (a) 단계는 사면체를 구성하는 점 좌표들, 상기 점 좌표들 간의 관계 및 상기 사면체의 지오메트리에 따른 매질 정보를 구분하여 저장할 수 있다.

상기 가변벡터장은 가변영상일치법(deformable image registration, DIR)을 이용하여 위상이 다른 두 CT영상을 정합한 결과일 수 있다.

상기 (a) 단계는, 특정 위상의 CT영상에 대한 사면체 팬텀을 생성하는 단계를 포함하며, 상기 (b) 단계는 상기 가변벡터장을 이용하여 상기 생성된 사면체 팬텀을 변형하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 가상 셀은 복수의 인덱스로 표현되는 고유의 주소값을 가질 수 있다.

상기 가상 셀은 사면체의 한 면을 2개의 변을 기준으로 N개로 구획된 결과일 수 있다.

상기 (c) 단계는 몬테카를로 방사선 수송해석 전산코드를 이용하여 상기 구획된 가상 셀(Dose Cell) 별로 미세 선량을 계산할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기한 방법을 수행하는 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록매체가 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 특정 위상의 CT영상에 대한 사면체 팬텀을 생성하는 사면체 팬텀 생성부; 가변벡터장(Deformable Vector Field)을 내삽법에 기초하여 상기 생성된 사면체 팬텀을 변형하는 사면체 팬텀 변형부; 상기 사면체 팬텀을 구성하는 각 사면체의 각 면을 복수의 가상 셀로 구획하고, 상기 구획된 가상 셀(Dose Cell)에 대한 고유 주소 정보를 저장하는 가상 셀 정보 저장부; 및 상기 가상 셀 별로 미세 선량을 계산하는 미세 선량 계산부를 포함하는 사면체 팬텀 기반 방사선량 계산 장치가 제공된다.

본 발명에 따르면 환자에게 주어지는 방사선량의 분포를 종래의 방법보다 훨씬 빠르고 정밀하게 계산할 수 있어 치료 계획의 정확도를 높이고 결과적으로 암 완치율을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 사면체 팬텀 기반 선량 계산 방법을 개략적으로 도시한 순서도.
도 2는 본 발명에서 제안하는 복셀 팬텀을 폴리곤 팬텀으로 변환하는 과정을 도시한 도면.
도 3은 복셀 팬텀의 대장을 폴리곤 팬텀으로 변환하는 과정을 도시한 도면.
도 4는 폴리곤 팬텀의 소장 모델의 제작과정을 도시한 도면.
도 5는 폴리곤 팬텀을 사면체 팬텀으로 변환하는 전체 과정의 흐름도.
도 6의 (a)와 (b)는 각각 최대 흡기 CT영상과 최대 호기 CT영상을 나타낸 도면이고, (c)와 (d)는 DIR 적용 전과 후의 영상차이를 각각 명도의 밝기로 나타낸 도면.
도 7의 (a)와 (b)는 DVF 적용 전과 후 사면체 폐 모델의 동일 관상면 상에서의 단면을 각각을 나타낸 도면이고, (c)와 (d)는 DVF 적용 전과 후 사면체 폐 모델의 동일 횡단면 상에서의 단면을 각각 나타낸 도면.
도 8은 사면체 내부의 미세 선량을 계산하기 위한 가상의 셀(Dose Cell)의 2차원 평면에서 구현하였을 경우를 도시한 도면.
도 9는 사면체 면의 특정 가상 셀(s=2, t=2)에 선량이 가해진 경우 해당 가상 셀에서의 미세 선량을 나타낸 도면.
도 10은 본 발명에 따른 가상 셀의 도입으로 사면체 변화비율만큼 가상 셀의 동일성이 유지되는 상태를 나타낸 도면.
도 11은 본 발명에 따른 가상 셀이 3차원 사면체에 적용된 상태를 도시한 도면.
도 12는 본 발명에 따른 사면체 팬텀 기반 방사선량 계산 장치의 블록도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.

기존 복셀 팬텀의 한계를 극복하기 위해 본 발명에서는 기존 복셀 팬텀 대신에 변형이 자유로운 사면체 기반으로 인체전산팬텀(인체전산모델)을 제작하여 사용한다. 또한, 이렇게 제작되는 사면체 팬텀을 환자 장기의 움직임과 동일하게 연속적으로 움직이기 위하여 4DCT 영상에 대하여 가변영상일치법(Deformable Image Registration)을 시행하여 생성되는 가변벡터장(Deformable Vector Field)을 사용한다. 마지막으로, 몬테카를로 선량 계산(몬테카를로 방사선 수송해석 전산코드)을 위해 소요되는 시간은 거의 증가시키지 않으면서 선량의 분포는 더욱 세밀하게 결정하기 위하여 사면체 팬텀을 다시 여러 개의 가상의 셀(Dose Cell)로 나누어 계산한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 사면체 팬텀 기반 선량 계산 방법을 개적으로 도시한 순서도이다.

이하, 각 단계는 통상의 컴퓨팅 장치에서 수행될 수 있다.

도 1을 참조하면, 기존의 복셀 팬텀을 폴리곤 팬텀으로 변환한 후(단계 100), 폴리콘 팬텀을 사면체 팬텀으로 변환한다(단계 102).

복셀 팬텀을 폴리곤 팬텀으로 변환하는 과정에서 모든 장기의 특징은 복셀 팬텀의 장기와 동일하게 제작함이 바람직하며, 이 변환 과정 시 폴리곤 팬텀은 기존의 복셀 팬텀의 복셀의 크기의 한계로 인해 표현이 불가능하였던 얇고 복잡한 장기(Small intestine, Oral mucosa 등)를 포함하여 형성될 수 있다.

단계 102에서, 폴리곤 팬텀을 사면체 팬텀으로 변환 시 TETGEN Library를 사용하게 된다. 이때 모든 폴리곤 점이 사면체로만 이루어지도록 옵션을 주어야 하며, 또한 외형적으로 사면체 변환이 불가능할 경우 폴리곤 면 위의 임의의 점을 임의로 생성할 수 있지만, 추후에 속도측면에서 이득을 얻기 위해서는 추가되는 임의의 점을 최소화하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 상기한 과정을 통해 변환된 사면체 팬텀을 4DCT 영상에 맞추어 전산모사 수행 과정 내에서 실시간으로 움직이게 하기 위한 알고리즘을 제공한다(단계 104).

단계 104에서, 4DCT 가변영상일치법(Deformable Image Registration)을 사용하게 된다. 이때 각 사면체가 움직여야 할 지점은 가변영상일치법에 의해 생성된 가변벡터장(Deformable Vector Field)을 이용하여 계산되고, 움직임 이전의 사면체 팬텀과 제안된 알고리즘에 의해 변환된 사면체 팬텀 사이의 움직임을 표현하기 위해서는 그 둘을 내삽법(Interpolation)하여 계산할 수 있다.

한편, 단계 106에서, 사면체 팬텀의 미세 범위의 선량을 계산하는 알고리즘을 이용하여 선량을 평가할 수 있다. 본 발명에 따른 미세 선량 계산 알고리즘은 사면체의 각 면을 가상 셀(Dose Cell)로 구획하고, 사면체 면 전체가 아니라 개별 가상 셀에서의 선량을 계산한다. 이를 이용하면 크기가 큰 사면체를 물리적으로 세분화하는 것과 같은 결과를 얻으면서도 물리적으로 나눈 것이 아니기 때문에 속도측면에서는 큰 이득을 볼 수 있다.

이하에서는 복셀 팬텀을 폴리곤 팬텀으로, 폴리곤 팬텀을 사면체 팬텀으로 변환하는 과정을 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에서 제안하는 복셀 팬텀을 폴리곤 팬텀으로 변환하는 과정을 도시한 도면이다.

먼저, ICRP(International Commission on Radiological Protection, 국제방사선방호위원회)에서 제시하는 성인남성 표준 팬텀(복셀 팬텀)을 3D-DOCTORTM 프로그램에 입력하고, ‘Surface Rendering’ 기능을 이용하여 초기 폴리곤 모델로 변환한다.

이하에서, 최종적으로 변환된 모델이 팬텀으로 정의된다.

변환된 초기 폴리곤 모델은 다소 표면이 거칠고, 완전한 폐곡면으로 이루어져 있지 않기 때문에 이를 직접 이용한 몬테카를로 선량 계산이 불가능할 뿐만 아니라, 추후 사면체 팬텀으로의 변환도 불가능하다.

따라서 초기 폴리곤 모델을 표면이 매끄럽고 사실적이며, 완벽한 폐곡면을 갖는 폴리곤 모델로 수정하기 위한 작업이 필요하다. 이를 위해, Raphidform@XOS/SCANTM(INUS Technology Inc., Korea)이 제공하는 여러 폴리곤 모델링 기능들을 이용하였다. ‘Subdivide’ 기능을 이용하여 폴리곤 수를 증가시키고, ‘Smooth’ 기능을 이용하여 초기 폴리곤 모델의 면을 부드럽게 만들었다.

폴리곤 모델이 갖는 결함이나 구멍과 같은 문제점은 ‘Find Detect’ 기능을 이용하여 발견하였으며, 발견된 각각의 문제점들은 ‘Healing Wizard’ 및 ‘Fill Holes’ 기능을 이용하여 해결하였다. 문제점이 해결된 모델을 ‘Decimate’ 기능을 이용하여 폴리곤 면의 수를 최소화하였고, 마지막으로 ‘Offset’ 기능을 이용하여 장기의 무게를 원본무게에 맞추는 작업을 수행하였다.

폐, 위, 간과 같이 간단한 모양으로 이루어져 있는 대부분의 장기들은 앞에서 설명한 폴리곤 팬텀 변환 기술을 이용하여 충분히 변환이 가능하였지만, 대장, 소장 등과 같은 복잡한 모양의 장기들은 폴리곤 팬텀으로의 변환이 거의 불가능하였다.

따라서 이러한 복잡한 모양의 장기들을 변환하기 위해 추가적인 폴리곤 팬텀 변환 기술들을 개발하였다.

도 3은 ICRP 성인남성 표준 팬텀의 대장을 폴리곤 팬텀으로 변환하는 과정을 보여준다. 먼저, 복셀 모델로부터 변환한 초기 폴리곤 모델을 Rhinoceros@4.0 프로그램에 입력하고, 대장의 경로에 따른 윤곽선(contour)을 생성하였다. 다음으로 ‘Loft’ 기능을 이용하여 생성한 윤곽선을 너브스 면으로 변환하고, ‘Mesh’기능을 이용하여 변환한 너브스 면을 다시 폴리곤 면으로 변환하였다. 마지막으로, 변환한 폴리곤 모델을 Raphidform@XOS/SCANTM에 입력하고, ‘Offset’ 기능을 이용하여 대장의 무게를 표준무게에 맞추었다.

본 발명에서는 다양한 사면체화 프로그램들 중 TETGEN Library (http://tetgen.berlios.de/index.html)을 이용하여 사면체 변환 기술을 개발하였다. TETGEN은 *.Stl 또는 *.Ply 파일 형식으로 저장된 3차원 폴리곤 모델 데이터를 읽어 Delaunary triangulation 알고리즘을 통해 폴리곤 모델을 이루는 3차원 공간을 사면체화 하는 프로그램이다.

변환된 사면체 팬텀의 정보는 사면체를 구성하는 점 좌표와 그들의 관계(connectivity)가 node file(*.node)과 element file(*.ele)로 나누어 각각 저장된다.

본 발명에서 제안한 사면체 팬텀 변환 과정의 자세한 내용은 다음과 같다.

먼저, 폴리곤 모델을 *.Ply 파일 형식으로 저장한 후 TETGEN을 실행하여 초기 사면체 모델로 변환한다. 이때, TETGEN 프로그램에서 사용한 옵션은 -pYY을 사용한다. p 옵션은 변환된 사면체 모델이 원본 폴리곤 모델의 외형을 그대로 유지하도록 하며, YY 옵션은 사면체 변환 시 원본 폴리곤 모델의 좌표를 그대로 이용하게 함으로써 사면체 수를 최소화하게 한다.

하지만 이렇게 변환된 사면체 모델은 지오메트리의 구분이 없기 때문에 지오메트리에 따른 각 사면체의 매질 정보(ID number)를 결정하는 작업이 필요하다. 이를 위해 본 발명에서는 TETGEN의 결과 파일인 node file(*.node) 및 element file(*.ele)과 함께 생성되는 Surface mesh file(*.smesh)을 사용하여 매질 정보(ID number)를 입력하는 방법을 사용하였다.

Surface mesh file은 원본 폴리곤 모델의 node list, facet list, hole list, region list를 담고 있는데, *.Ply 파일을 사용하여 생성되는 최초의 surface mesh 파일에는 region list가 비어있다.

예를 들어, 폐 공간에 대한 사면체 팬텀 변환인 경우, region list에 폐 공간 내 임의의 좌표와 함께 해당 ID number를 입력한 뒤, 이 surface mesh 파일을 TETGEN 코드의 인풋파일로 사용하여 재실행하면 매질 정보를 포함하는 사면체 메쉬를 획득할 수 있다. 따라서 surface mesh 파일의 region list에 폴리곤 모델을 구성하는 모든 폐 공간 내 임의의 좌표 및 해당 ID number를 기록하고, region list가 추가된 surface mesh 파일을 인풋파일로 사용하여 -pAYY 옵션과 함께 사면체 모델을 다시 재생성함으로써 사면체 모델을 최종 완성할 수 있다.

여기서 A 옵션은 사면체 모델의 region list가 있음을 알려주는 옵션이다.

도 5는 폴리곤 팬텀을 사면체 팬텀으로 변환하는 전체 과정의 흐름도이다.

본 발명에서는 사면체 모델 및 Geant4 코드를 이용하여 몬테카를로 선량 계산을 수행하기 위해 사면체 모델 Geant4 코드 입력 방법을 개발하였다.

Geant4 코드는 지오메트리 구성을 위해 크게 Solid, Logical volume, Physical volume 이렇게 3가지 개념이 사용되며, 이러한 개념들은 각각 G4VSolid, G4LogicalVolume, G4VPhysicalVolume 클래스에 해당되며, V가 들어가 있는 클래스의 경우 주로 이들로부터 상속된 클래스들이 사용된다.

먼저 Solid는 지오메트리의 모양을 결정하는 역할을 하며, 본 발명에서는 사면체 모델을 입력하기 위하여 G4VSolid로부터 상속된 G4Tet 클래스를 사용하였다. G4Tet 클래스는 사면체를 구성하는 4개의 점 좌표를 입력 변수로 사용하는데, TETGEN 코드의 아웃풋 파일인 node file(*.node) 및 element file(*.ele)을 이용하여 4개의 점 좌표를 입력하였다.

Logical volume은 앞서 정의된 Solid와 매질 정보를 매개변수로 입력받는데, element file에 포함되어 있는 region ID를 이용하여 사면체 각각의 매질을 입력하였다.

Physical volume의 종류는 크게 5가지이며, 종류에 따라 Geant4 코드에서 입자 수송의 핵심 알고리즘인 Navigation이 결정된다. 본 발명은 사면체 팬텀 변환을 위해 G4Placement 클래스를 사용하였으며, 이를 사용하면 기본적인 Normal Navigation이 적용된다.

Geant4 코드는 입자가 특정 지오메트리를 빠져나왔을 때 같은 레벨에 속한 주변의 다른 지오메트리를 인식하는 과정에서 판단 시간을 최소화하기 위해 Smart voxel grid 개념이 사용된다. 이때, G4LogicalVolume 클래스의 SetSmartless 함수를 사용하면 Smart voxel grid의 크기를 결정할 수 있으며, 사용자가 설정하지 않을 경우 자동으로 default 값인 2.0이 설정된다. 이값을 낮출수록 계산 속도는 빨라지나, runtime전에 initialization하는 시간은 오래 걸리며 많은 메모리를 차지하게 된다. 하지만 이값을 계속 낮추다 보면 계산속도가 일정해지는 특성을 보인다. 본 발명에서는 이러한 특성을 고려하여 Smart voxel grid의 크기를 0.5를 사용하기로 결정하였다.

흉부암 환자에 대한 방사선 치료 시 호흡 운동은 종양 및 주변 장기에 대한 정확한 선량 분포 계산을 어렵게 하는 주된 요인이다. 따라서 정확한 선량 분포를 계산하기 위해서는 호흡에 의한 장기들의 움직임을 고려하는 선량 계산 방법이 필요하다.

이를 위해, 본 발명에서 제안하는 4D 사면체 전산팬텀 개발방법의 기본 아이디어는 가변벡터장(Deformable Vector Field, DVF)을 이용하여 사면체 팬텀(전산팬텀)을 움직이도록 하는 것이다. DVF는 가변영상일치법(deformable image registration, DIR)을 이용하여 위상이 다른 두 CT영상을 정합한 결과물로써 정합을 위해 변형된 CT영상의 복셀이 이동한 방향 및 크기를 나타내는 벡터들의 모임이다. 따라서 특정 위상의 CT영상에 대한 사면체 팬텀을 제작하고, DVF를 이용하여 제작된 사면체 팬텀을 변형시키면 원리적으로 호흡에 따른 장기의 연속적인 움직임을 정밀하게 사실적으로 모사할 수 있는 4D 사면체 전산팬텀을 개발할 수 있다.

본 발명에서는 제안한 개발방법의 실현 가능성을 확인하기 위해 4D 사면체 폐 모델을 개발하였다. 이를 위해 4DCT의 위상별 CT영상 중 최대 흡기에 대한 CT영상의 폐를 사면체 팬텀으로 변환하였으며, DIR을 이용하여 최대 흡기에 대한 CT영상을 최대 호기에 대한 CT영상에 맞게 변형시켜 DVF를 획득하였다. 본 발명에서는 MATLAB 기반으로 개발된 DIRART 프로그램을 이용하여 DIR을 수행하였으며, 사용한 DIR 알고리즘은 DIRART 프로그램에서 제공하는 여러 DIR 알고리즘 중 디폴트(default)인 Horn-Schunck (HS) optical flow이다.

도 6의 (a)와 (b)는 각각 최대 흡기 CT영상과 최대 호기 CT영상을 보여주고 있으며, (c)와 (d)는 DIR 적용 전과 후의 영상차이를 각각 명도의 밝기로 보여주고 있다(명도가 낮을수록 차이가 심함을 나타냄). 도 6에서 보는 바와 같이 DIR을 적용한 두 영상의 차이는 변형 전 두 영상의 차이보다 확연히 감소함을 가시적으로 확인할 수 있으며, 결과적으로 DIR을 수행하여 획득한 DVF는 두 영상의 차이를 잘 반영하고 있음을 확인할 수 있다.

도 7의 (a)와 (b)는 DVF 적용 전과 후 사면체 폐 모델의 동일 관상면 상에서의 단면을 각각 보여주고 있다. 비교 결과, 폐 내부의 사면체 변형과 함께 폐의 단면적이 감소함을 확인할 수 있으며, 특히 폐의 아랫부분이 위쪽으로 변형되었음을 확인할 수 있다. 또한, 도 7의 (c)와 (d)는 DVF 적용 전과 후 사면체 폐 모델의 동일 횡단면 상에서의 단면을 각각 보여주며, 비교 결과 도 6의 (a)와 (b)에서의 CT영상과 거의 동일하게 폐의 단면적이 감소함을 확인할 수 있다. 따라서 개발된 4D 사면체 폐 모델이 외형과 내부 모두 DVF를 따라 사실적으로 변형됨을 고려할 때, 본 발명에서 제안한 방법을 이용하면 4D 사면체 전산팬텀 개발은 충분히 가능하다.

한편, 상기한 바와 같은 사면체 팬텀을 기반으로 미세 선량 계산을 위한 방법이 제공된다.

보다 상세하게, 본 발명에 따르면, 하나의 사면체를 복수의 가상 셀(Dose Cell)로 구획하고, 몬테카를로 방사선 수송해석 전산코드를 이용하여 복수의 가상 셀(Dose Cell)에 대한 미세 선량 계산을 수행한다.

도 8은 사면체 내부의 미세 선량을 계산하기 위한 가상의 셀(Dose Cell)의 2차원 평면에서 구현하였을 경우를 도시한 것이다.

도 8은 사면체의 하나의 면에 해당되는 부분을 가상 셀로 구획한 경우를 도시한 것으로서, 도 8에 도시된 바와 같이, 사면체의 한 면은 두 개의 변(

,

)을 기준으로 N개로 구획되며, 각각의 가상 셀은 인덱스(s,u)로 표현되는 고유의 주소값을 가진다.

이처럼 가상 셀을 구획하지 않은 경우에는 사면체의 한 면 전체에 대한 선량 계산만 수행되나, 가상 셀을 구획하는 경우에는 도 9에 도시된 바와 같이, 사면체 면의 특정 가상 셀(s=2, t=2)에 선량이 가해진 경우 해당 가상 셀에서의 미세 선량을 계산할 수 있다.

이와 같은 가상 셀을 이용한 미세 선량 계산은 물리적으로 구분한 것이라 사면체를 가상으로 구획하는 경우, 지오메트리 경계면을 통과할 때마다 계산 과정이 반복되지 않으므로 계산의 복잡도는 증가하지 않게 된다.

한편, 본 발명에 따르면, 4DCT 가변영상일치법(Deformable Image Registration)을 이용하여 환자의 움직임을 고려하는 경우 도 10에 도시된 바와 같이, 환자의 움직임에 의해 사면체의 위치 및 형상이 변화하더라도 사면체의 변화 비율만큼 사면체 한 변의 N개만큼 가상 셀의 구획이 이루어지기 때문에 가상 셀의 동일성은 유지된다.

도 8 내지 도 10에서는 2차원 평면을 나타낸 것으로서 두 개의 인덱스를 이용하여 가상 셀의 주소값을 설정하는 것을 도시하였으나, 도 11과 같이 3차원으로 가상 셀이 구획되는 경우에는 세 개의 변(

,

,

)이 N개로 구획되기 때문에 하나의 인덱스(u)가 더 추가된다.

본 발명에 따르면, 상기한 과정을 통해 환자의 치료 지점에 대한 사면체 팬텀의 미세 지점에 대한 선량이 계산되며, 계산 결과에 따른 방사선 치료가 수행되기 때문에 표적 지점에 대한 정확한 치료가 이루어질 수 있다.

도 12는 본 발명에 따른 사면체 팬텀 기반 방사선량 계산 장치의 블록도이다.

도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 장치는 사면체 팬텀 생성부(1200), 사면체 팬텀 변형부(1202), 가상 셀 정보 저장부(1204) 및 미세 선량 계산부(1206)를 포함할 수 있다.

사면체 팬텀 생성부(1200)는 특정 위상의 CT 영상에 대한 사면체 팬텀을 생성한다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 사면체 팬텀은 환자의 복셀 팬텀으로부터 변환된 폴리곤 팬텀을 사면체화 알고리즘을 이용하여 변환하여 얻어질 수 있다.

환자의 호흡에 따라 장기의 움직임을 반영할 수 있도록, 사면체 팬텀 변형부(1202)는 가변벡터장(DVF)를 이용하여 상기에서 생성된 사면체 팬텀을 변환시킨다.

가상 셀 정보 저장부(1204)는 미세 선량의 계산 복잡도를 낮추기 위해, 각 사면체를 복수의 가상 셀로 구획하고, 가상 셀의 고유 주소 정보를 저장한다. 여기서, 가상 셀은 사면체의 한 면을 2개의 변을 기준으로 N개로 구획된다.

미세 선량 계산부(1206)는 복수의 가상 셀 별로 미세 선량을 계산하며, 계산된 미세 선량은 가상 셀 정보 저장부(1204)에 저장된다.

여기서, 미세 선량 계산부(1206)는 몬테카를로 방사선 수송해석 전산코드를 이용하여 상기 구획된 가상 셀(Dose Cell) 별로 미세 선량을 계산한다.

본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 일 실시예들의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

상기에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 사면체를 이용한 인체 전산팬텀 구현 및 이를 이용한 방사선 선량 계산 방법은 의료 목적의 핵의학 및 방사선 치료 시에 적용될 수 있다. 특히, 환자 치료 전에 사용하는 4DCT 등의 영상과 접목하여 실시간으로 환자의 방사선치료 보조 장치로도 적용될 수 있다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (10)

1. (a) 복셀 펜텀으로부터 변환된 폴리곤 팬텀을 사면체화 알고리즘을 이용하여 사면체 팬텀으로 변환하는 단계;
   (b) 4DCT로부터 얻어지는 가변벡터장(Deformable Vector Field)을 내삽법에 기초하여 상기 사면체 팬텀에 적용하는 단계; 및
   (c) 상기 사면체 팬텀을 구성하는 각 사면체의 각 면을 복수의 가상 셀로 구획하고, 상기 구획된 가상 셀(Dose Cell) 별로 미세 선량을 계산하는 단계를 포함하는 사면체 팬텀 기반 방사선량 계산 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 (a) 단계는 폴리곤 모델을 이루는 3차원 공간을 사면체화하는 TETGEN 라이브러리를 이용하여 상기 폴리곤 팬텀을 상기 사면체 팬텀으로 변환하는 사면체 팬텀 기반 방사선량 계산 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 (a) 단계는 사면체를 구성하는 점 좌표들, 상기 점 좌표들 간의 관계 및 상기 사면체의 지오메트리에 따른 매질 정보를 구분하여 저장하는 사면체 팬텀 기반 방사선량 계산 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 가변벡터장은 가변영상일치법(deformable image registration, DIR)을 이용하여 위상이 다른 두 CT영상을 정합한 결과인 사면체 팬텀 기반 방사선량 계산 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 (a) 단계는, 특정 위상의 CT영상에 대한 사면체 팬텀을 생성하는 단계를 포함하며,
   상기 (b) 단계는 상기 가변벡터장을 이용하여 상기 생성된 사면체 팬텀을 변형하는 단계를 포함하는 사면체 팬텀 기반 방사선량 계산 방법.
6. 제4항에 있어서,
   상기 가상 셀은 복수의 인덱스로 표현되는 고유의 주소값을 갖는 사면체 팬텀 기반 방사선량 계산 방법.
7. 제4항에 있어서,
   상기 가상 셀은 사면체의 한 면을 2개의 변을 기준으로 N개로 구획된 결과인 사면체 팬텀 기반 방사선량 계산 방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 (c) 단계는 몬테카를로 방사선 수송해석 전산코드를 이용하여 상기 구획된 가상 셀(Dose Cell) 별로 미세 선량을 계산하는 사면체 팬텀 기반 방사선량 계산 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하는 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
10. 특정 위상의 CT영상에 대한 사면체 팬텀을 생성하는 사면체 팬텀 생성부;
    가변벡터장(Deformable Vector Field)을 내삽법에 기초하여 상기 생성된 사면체 팬텀을 변형하는 사면체 팬텀 변형부;
    상기 사면체 팬텀을 구성하는 각 사면체의 각 면을 복수의 가상 셀로 구획하고, 상기 구획된 가상 셀(Dose Cell)에 대한 고유 주소 정보를 저장하는 가상 셀 정보 저장부; 및
    상기 가상 셀 별로 미세 선량을 계산하는 미세 선량 계산부를 포함하는 사면체 팬텀 기반 방사선량 계산 장치.

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