Computational human phantoms (CHPs) play a crucial role in calculating organ doses or dose distributions within the human body following exposure to ionizing radiation. The CHPs have evolved from the 1st gen. of stylized phantoms through the 2nd gen. of voxel phantoms and the 3rd gen. of surface phantoms to the state-of-the-art 4th gen. of tetrahedral mesh phantoms (Yeom et al., 2014). The IDOL leads the technology of the tetrahedral mesh phantoms and investigates the next gen. of CHPs beyond. 

인체 전산 팬텀(Computational Human Phantoms)은 전리방사선에 피폭된 후 인체 내 장기 선량 또는 선량 분포를 계산하는 데 핵심적인 역할을 합니다. 인체 전산 팬텀은 1세대 수학적 팬텀(mathematical phantoms)에서 시작하여, 2세대 복셀 팬텀(voxel phantoms), 3세대 표면 팬텀(surface phantoms)을 거쳐, 현재는 최첨단 4세대 사면체 메시 팬텀(tetrahedral mesh phantoms)으로 발전해 왔습니다.(Yeom et al., 2014). IDOL은 이러한 사면체 메시 팬텀 기술을 선도하고 있으며, 이를 넘어서는 차세대 전산 팬텀 연구도 수행하고 있습니다. 

Interventional procedures are minimally invasive medical procedures in which catheters or other devices are inserted into blood vessels or lesions under real-time X-ray fluoroscopic guidance for diagnosis and treatment. As these procedures are increasingly used for cardiovascular, neurovascular, and oncologic diseases, concerns about radiation exposure to both patients and operators have also grown. In particular, prolonged or complex interventions may lead to high radiation doses, potentially causing deterministic effects such as skin injuries, cataracts, and hair loss. However, current dose monitoring methods are limited in their ability to accurately and simultaneously track patient and occupational doses in real time, especially the peak skin dose of patients and the eye or hand doses of operators. To address these limitations, our research aims to develop a novel virtual twin-based real-time dose monitoring system for interventional procedures by integrating anatomically realistic computational human phantoms, computer vision-based motion tracking, high-speed computer graphics, and accelerated Monte Carlo dose calculation. This study seeks to enable intuitive three-dimensional visualization of radiation dose distributions for both patients and operators in real time, ultimately contributing to dose optimization and improved radiation safety in interventional medicine.

중재시술은 실시간 X선 투시 영상을 기반으로 혈관이나 병변 부위에 카테터 등의 의료기기를 삽입하여 진단 및 치료를 수행하는 대표적인 최소 침습적 시술입니다. 이러한 중재시술은 심혈관질환, 뇌혈관질환, 암 치료 등 다양한 의료 분야에서 활용도가 빠르게 증가하고 있으며, 이에 따라 환자와 시술자의 방사선 피폭에 대한 우려도 함께 커지고 있습니다. 특히 시술 시간이 길거나 복잡한 경우에는 환자와 시술자 모두 높은 방사선량에 노출될 수 있으며, 이는 피부 손상, 백내장, 탈모와 같은 결정론적 영향을 유발할 수 있습니다. 그러나 현재의 선량 관리 방식은 환자의 최고피부선량과 그 위치, 그리고 시술자의 눈 및 손 선량과 같은 주요 관심 선량을 실시간으로 정확하게 평가하는 데 한계가 있습니다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위하여, 해부학적으로 정밀한 전산 인체팬텀, 컴퓨터 비전 기반 실시간 추적 기술, 고속 컴퓨터 그래픽스, 그리고 가속화된 몬테칼로 선량 계산 기법을 융합한 버추얼 트윈 기반의 실시간 중재시술 선량 모니터링 시스템을 개발하고자 합니다. 이를 통해 환자와 시술자의 선량 분포를 실시간으로 3차원 시각화하고, 중재시술 중 방사선 피폭의 최적화와 방사선 안전성 향상에 기여하고자 합니다.

Medical imaging technologies that utilize ionizing radiation, such as conventional radiography, computed tomography (CT), and positron emission tomography-computed tomography (PET-CT), play a crucial role in modern medicine by facilitating the diagnosis and evaluation of a wide range of diseases and injuries. However, because ionizing radiation is a known carcinogen, concerns have been raised regarding the potential cancer risk associated with medical radiation exposure. In particular, PET-CT can deliver relatively high patient doses because it involves both external exposure from CT and internal exposure from administered radiopharmaceuticals. Although dose monitoring and optimization have become increasingly important, there is still no clinically available system that can accurately and rapidly evaluate patient-specific internal and external doses for PET-CT examinations. To address this unmet need, our research aims to develop a GUI-based patient dose assessment program for PET-CT by integrating state-of-the-art Monte Carlo radiation transport simulation with the latest ICRP reference computational human phantoms. This study aims to develop a rapid and accurate dosimetric framework that accurately reflects both patient anatomy and imaging conditions, thereby contributing to enhanced patient radiation protection, optimized medical imaging practices, and advanced dose management in nuclear medicine and radiology.

일반 X선 촬영, CT, PET-CT와 같은 의료방사선 영상기술은 다양한 질병과 손상을 진단하고 평가하는 현대의학의 핵심 기술입니다. 그러나 전리방사선은 발암 가능성이 있는 인자로 알려져 있어, 의료방사선 이용 증가에 따라 환자의 방사선 피폭과 그에 따른 위해 가능성에 대한 관심도 함께 높아지고 있습니다. 특히 PET-CT는 CT에 의한 외부피폭과 방사성의약품 투여에 따른 내부피폭이 동시에 수반되므로, 환자 피폭선량을 보다 정밀하게 평가하고 최적화할 필요성이 매우 큽니다. 그럼에도 불구하고 현재까지 PET 또는 PET-CT 촬영 환자에 대해 환자 개개인의 해부학적 특성과 촬영 조건을 반영하여 내·외부 피폭선량을 정확하고 신속하게 평가할 수 있는 임상 활용형 기술은 매우 제한적인 실정입니다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위하여, 최첨단 몬테칼로 방사선수송 전산모사와 최신 ICRP 표준 인체전산모델을 융합하여 PET-CT 환자의 내·외부 피폭선량을 정밀하고 신속하게 평가할 수 있는 GUI 기반 환자선량계산 프로그램을 개발하고자 합니다. 이를 통해 환자 맞춤형 선량평가 기반을 확립하고, 의료방사선 피폭의 최적화와 환자 안전관리 수준 향상에 기여하고자 합니다.

This project develops a next-generation aircrew dosimetry framework for evaluating space radiation exposure at aviation altitudes. Monte Carlo simulations are used to model cosmic radiation transport in the atmosphere and to construct secondary particle radiation fields that realistically reflect the angular distribution of atmospheric radiation, going beyond the isotropic field assumption used in existing dose assessment programs. ICRP mesh-type reference computational phantoms are implemented in the proposed framework to enable more accurate evaluation of both effective and organ doses for aircrew.

본 프로젝트는 항공기 비행 고도에서 발생하는 우주방사선 피폭을 보다 현실적으로 평가하기 위한 차세대 항공승무원 선량평가 체계 개발을 목표로 합니다. 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 대기 중 우주방사선 수송을 모사하고, 기존 선량평가 프로그램에서 가정하던 등방 방사선장을 넘어 실제 대기 방사선장의 각도 분포 특성을 반영한 2차 입자 방사선장을 새롭게 구축합니다. 또한 구축된 방사선장을 ICRP 메시형 기준 전산팬텀과 결합하여 항공승무원의 유효선량과 장기선량을 보다 정밀하게 평가할 수 있는 선량 계산 체계를 구현합니다.

SPARADA is an international research project that aims to develop a multi-scale simulation platform for assessing space radiation damage based on the Geant4 Monte Carlo simulation toolkit. The framework connects radiation transport in spacecraft or lunar habitats with human phantom dosimetry and DNA damage simulations in biological cells. By linking these macro-, meso-, and micro-scale processes, the platform enables mechanistic prediction of radiation effects in realistic space environments. This project is conducted through international collaboration between research groups in Korea and France, combining expertise in Monte Carlo simulations, radiation transport, and biological damage modeling. The developed platform will be integrated into Geant4 and is expected to be utilized for long-term scientific research.

SPARADA는 Geant4 몬테카를로 시뮬레이션을 기반으로 우주방사선 손상을 평가하기 위한 다중 스케일 시뮬레이션 플랫폼을 개발하는 국제 공동연구 프로젝트입니다. 본 플랫폼은 우주선 및 달 기지와 같은 실제 환경에서의 방사선 수송 시뮬레이션과 인체 팬텀 선량평가, 그리고 세포·DNA 수준의 방사선 손상 분석을 하나의 프레임워크로 통합하는 것을 목표로 합니다. 이를 통해 거시·중간·미시 스케일을 연결하여 실제 우주 환경에서의 방사선 생물학적 영향을 기전적으로 예측하고자 합니다. 또한 본 연구는 한국과 프랑스 연구기관 간의 국제 협력을 기반으로 수행되고 있으며, 몬테카를로 시뮬레이션과 방사선 생물학 모델링 분야의 전문성을 결합하여 플랫폼을 개발하고 있습니다. 개발된 플랫폼은 향후 Geant4에 통합되어 다양한 방사선 연구 분야에서 활용될 것으로 기대됩니다.

Cohort studies of atomic-bomb survivors are one of the most important epidemiological resources for understanding the relationship between radiation exposure and long-term health effects. In these studies, the reliability of radiation risk assessment depends strongly on how accurately the individual organ doses of survivors have been reconstructed. Current dose-reconstruction systems calculate organ doses using representative computational human phantoms under the historical exposure conditions. However, these phantoms cannot fully represent the anatomical variability present in actual survivor populations, including differences in height, body weight, and organ location. Such anatomical differences can influence organ depth and body-shielding conditions, which may affect the reconstructed organ doses. This study aims to quantitatively evaluate the uncertainty in dose reconstruction caused by individual anatomical variability through an international collaborative research project with the Radiation Effects Research Foundation (RERF) in Japan and the National Cancer Institute (NCI) in the United States, using multiple computational human phantoms and radiation transport simulations.

원자폭탄 생존자 코호트 연구는 방사선 피폭과 장기적인 건강 영향 간의 관계를 규명하기 위한 가장 중요한 역학 연구 자료 중 하나입니다. 이러한 연구에서 방사선 위험 평가의 신뢰성은 생존자 개인의 장기 선량이 얼마나 정확하게 재구성되었는지에 크게 의존합니다. 현재의 선량 재구성 시스템에서는 대표적인 인체 전산 팬텀을 이용하여 당시의 피폭 조건에서 장기 선량을 계산하고 있습니다. 그러나 이러한 팬텀은 실제 생존자 집단에서 나타나는 신장, 체중, 장기 위치 등 개인별 해부학적 다양성을 완전히 반영하지 못합니다. 개인 간 해부학적 차이는 장기 깊이와 인체 차폐 조건을 변화시켜 재구성된 장기 선량에 영향을 줄 수 있습니다. 본 연구는 일본 방사선 영향 연구소(RERF) 및 미국 국립암센터(NCI)와 함께 국제 공동연구를 통해 다양한 인체 전산 팬텀과 방사선 수송 계산을 활용하여 개인 해부학적 차이에 따른 선량 재구성 불확도를 정량적으로 평가하는 것을 목표로 합니다.

Monte Carlo neutron transport simulations are a key method for evaluating the radiation environment and nuclear reaction characteristics in fusion reactors. They are widely used to estimate neutron flux distributions, nuclear heating, radiation damage, and shielding performance. Fusion devices such as the ITER Test Blanket Module (TBM) have complex geometries and multi-layered structures that produce mixed radiation fields of neutrons and secondary gamma rays, making high-precision transport analysis essential. However, Monte Carlo simulations of such large-scale models require extremely long computation times due to their geometric complexity, which limits efficient multi-condition analysis and design evaluation. In this study, under a research project funded by the Korea Institute of Fusion Energy (KFE), we analyze the performance and limitations of existing acceleration techniques and develop an improved acceleration algorithm based on adjoint flux information to significantly enhance the computational efficiency of Monte Carlo neutron transport simulations.

몬테카를로 중성자 수송 시뮬레이션은 핵융합로 내부의 방사선 환경과 핵반응 특성을 분석하기 위한 핵심 해석 방법으로, 중성자 플럭스 분포, 핵발열, 방사화 및 차폐 성능 평가 등에 널리 활용됩니다. 특히 ITER의 Test Blanket Module(TBM)과 같은 핵융합 장치는 다층 구조와 복잡한 형상을 가지며, 중성자와 2차 감마가 혼재하는 복합 방사선장이 형성되기 때문에 고정밀 수송 해석이 필수적입니다. 그러나 이러한 대형 통합 모델을 이용한 몬테카를로 계산은 구조적 복잡성으로 인해 계산 시간이 매우 길어 다조건 분석이나 설계 검토에 어려움이 발생합니다. 이에 따라 본 연구에서는 한국핵융합에너지연구원(Korea Institute of Fusion Energy, KFE) 과제의 일환으로 기존 가속화 기법의 성능과 한계를 분석하고, adjoint flux 정보를 활용한 향상형 가속화 알고리즘을 개발하여 몬테카를로 중성자 수송 계산의 효율을 크게 향상시키는 것을 목표로 합니다.