Benchmark Results of a Monte Carlo Treatment Planning system

몬데카를로 기반 치료계획시스템의 성능평가

Recent advances in radiation transport algorithms, computer hardware performance, and parallel computing make the clinical use of Monte Carlo based dose calculations possible. To compare the speed and accuracies of dose calculations between different developed codes, a benchmark tests were proposed at the XIIth ICCR (International Conference on the use of Computers in Radiation Therapy, Heidelberg, Germany 2000). A Monte Carlo treatment planning comprised of 28 various Intel Pentium CPUs was implemented for routine clinical use. The purpose of this study was to evaluate the performance of our system using the above benchmark tests. The benchmark procedures are comprised of three parts. a) speed of photon beams dose calculation inside a given phantom of 30.5 cm$\times$39.5 cm $\times$ 30 cm deep and filled with 5 ㎣ voxels within 2% statistical uncertainty. b) speed of electron beams dose calculation inside the same phantom as that of the photon beams. c) accuracy of photon and electron beam calculation inside heterogeneous slab phantom compared with the reference results of EGS4/PRESTA calculation. As results of the speed benchmark tests, it took 5.5 minutes to achieve less than 2% statistical uncertainty for 18 MV photon beams. Though the net calculation for electron beams was an order of faster than the photon beam, the overall calculation time was similar to that of photon beam case due to the overhead time to maintain parallel processing. Since our Monte Carlo code is EGSnrc, which is an improved version of EGS4, the accuracy tests of our system showed, as expected, very good agreement with the reference data. In conclusion, our Monte Carlo treatment planning system shows clinically meaningful results. Though other more efficient codes are developed such like MCDOSE and VMC＋＋, BEAMnrc based on EGSnrc code system may be used for routine clinical Monte Carlo treatment planning in conjunction with clustering technique.

최근 들어 방사선 수송이론, 컴퓨터 하드웨어 성능, 및 병렬 연산 기법의 발전에 힘입어, 몬테카를로 기반의 선량계산 기법을 임상에 적용할 수 있게 되었다. 임상적용을 위해 개발된 몬테카를로 기반 선량계산 코드간의 계산 소요 시간과 정확도를 비교할 목적으로 제13차 ICCR (International Conference on the use of Computers in Radiation Therapy, Heidelberg, Germany, 2000) 학술대회에서 벤치마킹 절차서가 제안되었다. 최근, 본원에서도 임상적용을 목표로 28개의 인텔 펜티움 프로세서로 구성된 Linux cluster 시스템을 구축하고, 여기에 몬테카를로 선량계산을 위한 BEAMnrc 코드를 설치하였다. 본 연구의 목적은 위에서 제안된 벤치마킹 절차를 수행하여 본원에서 구축한 몬테카를로 선량계산 시스템의 정량적 성능 평가를 시도하고자 하는 것이었다. 벤치마킹 절차는 크게 다음의 세 과정으로 구성되어 있다. a) 30.5 cm $\times$ 39.5 cm $\times$ 30 cm 의 팬톰(5 ㎣ voxels) 에 대한 통계적 불확정도 2%이내 결과를 얻기 위한 광자선 선량계산 속도. b) 위 팬톰에 대한 전자선의 선량계산 속도. c) 비균질 평판 매질로 구성된 팬톰내 광자선 및 전자선의 선량계산 결과를 EGSr/PRESTA 계산 결과와 비교 제시. 18 MV 광자선에 대해 선량계산 속도 평가 결과 5.5분이 소용되었다. 전자선의 경우, 실제 계산 시간은 광자선에 비해 약 10배 정도 빨랐으나, 병렬 연산을 처리하기 위해 소용되는 추가 시간 때문에 전체 계산에 소요되는 시간은 광자선과 비슷하였다. 본 원에서 사용한 몬테카를로 코드는 EGSnrc로써 EGS4의 개선 버전으로 이들 간의 정확도 비교는 큰 의미가 없을 것으로 판단된다. 하지만 두 계산 결과가 기대했던 바와 같이 매우 잘 일치하였다. 결론적으로, 본원에서 구축한 몬테카를로 치료계획시스템은 임상적용에 무리가 없을 것으로 판단하였다. 추후 본 시스템을 본원에서 사용하는 상용 치료계획시스템과 인터페이스를 개발하여, 통합환경을 구축함으로써, 몬테카를로 기반의 치료계획시스템의 임상적용과 관련된 연구들을 수행해 나갈 계획이다.