[논문]물리적 팬텀을 이용한 CT 촬영 환자의 피폭 선량 측정 및 평가

장기원; 이춘식; 권정완; 이재기

초록
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전산화단층촬영(Computed Tomography, CT)은 높은 품질의 인체 단층 영상을 제공하지만 기존의 진단 X선 촬영에 비해 상당히 높은 선량을 환자에게 부여한다. 더욱이 CT 촬영의 수요는 계속적인 증가추세를 보이고 있어 CT 촬영 환자의 선량에 대한 관심이 높아지고 있다. 이에 본 연구에서는 물리적 실측 팬텀과 열형광 선량계를 이용하여 CT 촬영으로 인한 환자의 피폭 선량을 측정을 통해 평가해 보았다. 촬영방식을 기존의 축방향 스캔과 현재 주류를 이루고 있는 나선형 스캔으로 구분하여 선량 측정을 수행하였으며 그 결과 환자의 유효선량이 각각 17.78mSv, 10.01mSv으로 평가되었다. 또한 나선형 스캔 시 환자 선량의 감축 정도는 pitch에 의존한다는 기존의 연구결과를 재확인할 수 있었다. 본 연구에서 사용한 실측 기법은 CT 기술 발전에 기인한 촬영 프로토콜의 변화가 있는 경우 환자 선량 재평가에 응용할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The computed tomogrpahy(CT) provides a high quality in images of human body but contributes to the relatively high patient dose. The frequency of CT examination is increasing and, therefore, the concerns about the patient dose are also increasing. In this study the experimental determination of pati...

The computed tomogrpahy(CT) provides a high quality in images of human body but contributes to the relatively high patient dose. The frequency of CT examination is increasing and, therefore, the concerns about the patient dose are also increasing. In this study the experimental determination of patient dose was performed by using a physical anthropomorphic phantom and thermoluminescent dosimeter(TLD). The measurements were done for the both axial and spiral scan mode. As a result the effective doses for each scan mode were 17.78mSv and 10.01 mSv respectively and the fact that the degree of the reduction in the patient dose depends on the pitch scan parameter was confirmed. The measurement methods suggested in this study can be applied for the reassessment of the patient dose when the technique in CT equipment is developed or the protocol for CT scanning is changed.

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문제 정의

본 연구에서는 CT 촬영으로 인한 환자의 방사선 피폭량을 평가하기 위해 실측 팬텀과 열형광 검출기를 이용한 측정기법을 사용하여 복부 촬영 환자의 정량적 선량정보와 그 특성자료를 확보하였다. 또한 더 나아가 현재 CT 촬영의 주류를 이루고 있는 나선형 스캔으로 인한 환자의 피폭 선량을 측정하여 그 감축정도를 추가적으로 평가해 보았으며 그 결과 선량이 pitch에 의존하여 감소한다는 기존의 연구결과를 재확인할 수 있었다.
본 연구에서는 성인 남성을 대표하는 ATOM 팬텀을 이용하여 장기 흡수선량을 측정하였다. 표 1에 팬텀의 규격을 제시하고 그림1에 팬텀의 외 관을 보였다.
실제로 란도(Alderson Rando) 실측 팬텀을 이용하여 다양한 진단 방사선 절차에서 환자의 유효선량을 평가한 연구가 수행된 바 있다[4, 5, 6]. 이에 본 연구에서는 활용 사례가 많지 않은 ATOM (CIRS, Virginia, USA) 실측 팬텀을 이용하여 CT 진단 행위로 인한 환자의 정량적 선량 정보를 확보하고 이를 바탕으로 유 효선량을 평가함으로써 CT 선량 평가를 실험적으로 수행하였다.

가설 설정

팬텀 내 혼합뼈는 뼈 조직과 골수 조직이 균등하게 혼합되어 있는 것으로 가정하여 제작된 물질이기 때문에 혼합뼈 물질 내에서 측정된 선량으로부터 유효선량 산출에 필요한 뼈 표면과 적색골수의 선량을 산출하여야 한다. 뼈표면의 선량은 Drexler 등과 같은 방식으로 산출하였으며 이는 다음 식(3)과 같다[14].

제안 방법

MIRD형 팬텀은 1969년 Synder 등에 의해 최초로 고안되었으며 인체 내의 각 장기를 해석기하학적으로 모사하였다 [9], 따라서 장기의 형태가 실제 장기와 차이를 보이지만 MIRD에서 제시하는 장기 위치의 객관성에 의미를 두고 실측 팬텀 내 장기 구획을 수행하였다. 그림3과 같이 ATOM 팬텀의 각 슬라 이스에 해당하는 MIRD5팬텀의 단면도를 구하여 각각의 장기를 팬텀 간 몸통 두께 및 길이를 보정해 그려 넣은 후 TLD를 삽입할 위치를 선정하였다.
5 keV 단위의 에너지 구간별로 단위 면적 당 광자수를 산출해내는 프로그램이다. 또한 각 팬텀 물질의 질량 에너지 흡수계수는 표2의 물질 구성 정보와 Seltzer 등이 제공한 각 원소별 X-선 질량 에너지 흡수계수 자료를 이용하여 다음과 같이 계산하였다 [13].
이를 표3에 정리하여 제시하였다. 또한 주요 장기들이 위치해 있어 환자의 유효선량이 상당한 복부 촬영에 대하여 측정을 수행하였으며 안정된 TL 판독 값을 얻기 위해 같은 촬영을 2회 반복하였다.
국제 방사선 방호 위원회(International Commission for on Radiological Protection, ICRP)의 보고서인 ICRP60은 유효선량 산출에 필요한 12개의 주요 장기와 10개의 나머지 조직 (remainder)을 제시하였고[8] 이들 장기의 위치 및 부피를 팬텀 내에 선정하는 작업을 수행하였다. 란도를 이용한 선행 연구에서는 해부학적 도해서(atlas)를 바탕으로 실제 인체 단면을 팬텀 슬라이스 단면에 그려 넣는 방법이 일반적이었으나[5, 6] 본 연구에서는 주관적인 해부학적 정보를 사용함으로써 발생하는 오차를 최소화하기 위해 MIRD 수학적 팬텀을 이용하였다. MIRD형 팬텀은 1969년 Synder 등에 의해 최초로 고안되었으며 인체 내의 각 장기를 해석기하학적으로 모사하였다 [9], 따라서 장기의 형태가 실제 장기와 차이를 보이지만 MIRD에서 제시하는 장기 위치의 객관성에 의미를 두고 실측 팬텀 내 장기 구획을 수행하였다.
본 연구에서는 국립 암센터의 GE Hispeed CT/i (GE Medical Systems, Milwaukee, WI) 모델을 사용하여 CT 촬영을 수행하였다. 촬영 기법은 축방향 스캔 및 나선형 스캔으로 구분하였으며 각각의 촬영 인자(scan parameter)는 70 kg 성인 남성을 기준으로 하였다. 이를 표3에 정리하여 제시하였다.

대상 데이터

TL 판독기는 Harshaw Model 3500 (Harshaw/ Bicron, Solon, Ohio, USA) 을 사용하였다. 이는 플란챗(planchet)을 이용한 가열방식이며 매뉴얼 타입으로 1회에 1개 소자의 판독이 가능하다.
GR- 200은 uGy - Gy 단위의 선량 범위에서 선형 응답을 보이며 기존의 TLD-100 선량계에 비해 실 온에서 비교적 안정된 반응을 보이는 장점을 지니고 있다[10]. TLD 교정은 137Cs 감마선장에서 8.76 mGy의 공기커마에 조사시켜 이루어졌으며 편차가 ±10% 이내에 있는 소자 (ECF) 만을 사용하였다.
본 연구에서는 GR-200(Conqueror Electronics Technology Co., Ltd., Beijing, China) TLD를 사용하여 선량 측정을 수행하였다. 이는 LiF:Mg, Cu, P로 제작한 TL 물질로서 직경 1mm, 길이 6 mm의 막대(rod)형으로 성형한 선량계이다.
표 1에 팬텀의 규격을 제시하고 그림1에 팬텀의 외 관을 보였다. 팬텀은 두께 2.5cm인 39개의 슬라이스로 구성되어 있고 각 슬라이스 단면에는 직경 3mm의 구멍들이 배열되어 있어 열형광 선량계와 같은 작은 선량계를 삽입하여 선량의 분포를 측정할 수 있게 되어 있다. 팬텀 물질은 뼈 조직과 골수 조직이 균등하게 혼합되어 있는 것으로 가정한 혼합뼈 (Average bone), 연조직, 척수, 폐, 뇌 등의 서로 다른 5개 물질로 제작되었 으며 30keV와 20MeV 사이의 광자 에너지 영역에서 충분한 조직등가성을 제공하고 있다.

데이터처리

위의 식에서 E0는 에너지 플루언스를 의미하며 이는 실험에 사용된 CT 장비의 X선 발생장 치 정보와 SPEC₇₈E12] 프로그램을 통해 계산하였다. SPEC₇₈은 X선 발생장치의 표적 물질 및 각도, 관전압 등의 정보를 이용하여 0.

이론/모형

본 연구에서는 국립 암센터의 GE Hispeed CT/i (GE Medical Systems, Milwaukee, WI) 모델을 사용하여 CT 촬영을 수행하였다. 촬영 기법은 축방향 스캔 및 나선형 스캔으로 구분하였으며 각각의 촬영 인자(scan parameter)는 70 kg 성인 남성을 기준으로 하였다.
는 혼합물 또는 화 합물의 질량 에너지 흡수계수, ("en/p)i 는 i번째 원소의 질량 에너지 흡수계수를 의미한다. 이때 주어진 에너지 영역 외의 중간 에너지 영역에 대한 내삽은 주어진 데이터베이스를 바탕으로 log-log cubic-spline 법을 이용하였으며 K-shell edge(3~4keV) 아래 영역에서는 linear log-log 법에 근거하여 내삽 하였다[13]. 그림4에 혼합뼈, 연조직, 폐를 구성하는 팬텀 물질의 질량 에너지 흡수계수 계산결과를 도시하였다.

성능/효과

본 연구에서도 이를 실험적으로 측정하고 선량 감축 정도를 평가하여 이를 표4에 나타내었다. 그 결과 스캔 범위 내에 위치 하는 주요 장기의 흡수선량의 비가 l/pitch(0.56) 값에 근사하게 나타나 선량 감축 정도가 pitch에 의존함을 확인할 수 있었다. 그러나 식도, 폐, 갑 상선 그리고 고환의 경우 약간의 차이를 보이는 데 이는 식도와 폐의 경우 장기의 일부분만이 스캔 범위에 포함되어 있어 1차 빔과 산란선에 의한 영향을 동시에 받기 때문인 것으로 판단된다.
본 연구에서는 CT 촬영으로 인한 환자의 방사선 피폭량을 평가하기 위해 실측 팬텀과 열형광 검출기를 이용한 측정기법을 사용하여 복부 촬영 환자의 정량적 선량정보와 그 특성자료를 확보하였다. 또한 더 나아가 현재 CT 촬영의 주류를 이루고 있는 나선형 스캔으로 인한 환자의 피폭 선량을 측정하여 그 감축정도를 추가적으로 평가해 보았으며 그 결과 선량이 pitch에 의존하여 감소한다는 기존의 연구결과를 재확인할 수 있었다. 그러나 pitch를 이용한 대략적인 선량 평가보다는 향후 몬테칼로 시뮬레이션 기법을 보완하여 체계적인 선량 계산 체계를 수립할 필요가 있으며, 이에 본 연구에서 획득한 환자의 정량적 선량 정보가 활용될 것으로 기대된다.
또한 본 연구에서 수행한 복부 촬영의 경우 간과 대장의 영상을 얻기 위해 폐 하단과 골반을 포함하는 넓은 범위의 스캔이 이루어져 몸통의 상당 부분이 빔에 노출되었으며 이로 인해 환자의 선량이 높게 나타났다. 더욱이 스캔 범위는 촬영을 수행하는 사람의 주관적 판단에 결정되며 이는 환자 개인 간 피폭 선량의 변동을 의미하기 때문에 불필요한 피폭을 최소화하기 위해 환자 체격에 따른 구체적인 촬영 프로토콜의 수립이 필요하다고 본다.
반면 나선형 스캔 경우 스캔 범위 내 장기의 흡수선량 범위는 9-12mGy로 나타나 축방 향 스캔에 비해 선량이 현저히 감소했음을 확인할 수 있었다. 또한 축방향 스캔 시 환자의 유효 선량은 17.78mSv 이었으며 나선형 스캔을 수행할 경우 유효선량은 약 44% 정도 감소한 10.01 mSv 로 평가되었다.
축방향 스캔의 경우 스캔 범위 내에 위치하는 장기들은 대개 15-20 mGy 범위의 흡수선량을 보였으며 이 중 결장 (colon)의 흡수선량이 약 37mGy로 가장 크게 나타났다. 반면 나선형 스캔 경우 스캔 범위 내 장기의 흡수선량 범위는 9-12mGy로 나타나 축방 향 스캔에 비해 선량이 현저히 감소했음을 확인할 수 있었다. 또한 축방향 스캔 시 환자의 유효 선량은 17.

후속연구

또한 더 나아가 현재 CT 촬영의 주류를 이루고 있는 나선형 스캔으로 인한 환자의 피폭 선량을 측정하여 그 감축정도를 추가적으로 평가해 보았으며 그 결과 선량이 pitch에 의존하여 감소한다는 기존의 연구결과를 재확인할 수 있었다. 그러나 pitch를 이용한 대략적인 선량 평가보다는 향후 몬테칼로 시뮬레이션 기법을 보완하여 체계적인 선량 계산 체계를 수립할 필요가 있으며, 이에 본 연구에서 획득한 환자의 정량적 선량 정보가 활용될 것으로 기대된다.
CT의 경우 지속적인 기술적 발전을 거듭하고 있으며 임상적 활용 면에서도 그 수요는 계속 증 가할 것으로 기대되고 있으나 환자가 받는 선량은 아직까지 상당한 수준을 보이고 있다. 따라서 본 연구에서 확보한 환자의 선량 정보는 CT로 인한 의료상 피폭의 ALARA에 기여하고 환자의 불필요한 피폭을 절감할 수 있는 방안에 적극 활 용될 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (16)

ICRP, Managing Patient Dose in Computed Tomography, International Commission on Radiological Protection, ICRP Publication 87 (2001)
NRPB, Survey of CT Practice in the UK Part 3: Normalised Organ Doses Calculated using Monte Carlo Techniques, National Radiological Protection Board, NRPB-R250(1991)
GSF, The calculation of dose from external photon exposures using reference human phantoms and Monte Carlo methods, Part VI: Organ doses from tomographic examinations, Gesellschaft Fur Strahlen-und Umweltforschung mbH, GSF Rep 30/91(1991)
K.K.L. Fung, W. B. Gilboy, 'Anode heel effect on patient dose in lumbar spine radiography,' Br. J. Radiol, 73, 531-536 (2000)

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J. Geleijns, J. G. Van Unnik, J. Zoeteliff, D. Zweers, J. J. Broerse, 'Comparison of two methods for assessing patient dose from computed tomography,' Br. J. Radiol, 67, 360-365(1994)

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A. Calzado, S. Ruiz Sanz, M. Melochor, E. Vano, 'A comparison of measured and calculated organ doses from CT examinations,' Radial Prot. Dosim, 57 (1-4), 381-385(1995)

상세보기
ICRU, Tissue Substitutes in Radiation Dosimetry and Measurement, International Commission on Radiation Units and Measurements, ICRU Publication 44(1989)
ICRP, Recommendations of the InternatCommission on Radiological Protectionional , International Commission on Radiological Protection, ICRP Publication 60(1991)
W. S. Snyder, M. R. Ford, G. G. Warner, 'Estimates of Specific Absorbed Fraction for Photon Sources Uniformly Distributed in Various Organs of a Heterogeneous Phantom,' Society of Nuclear Medicine, New York, MIRD Pamphlet No. 5. Revised (1978)
J. L. Muniz et al, 'A study of LiF GR-200 for radiotherapy mailed dosimetry,' Phys. Med. Biol, 42, 2569-2576(1997)

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J. L. Ioppolo, R. I. Price, T. Tuchyna, C. E. Buckley, ' Diagnostic x-ray dosimetry using Monte Carlo simulation,' Phys. Med Biol., 47, 1707-1720(2002)

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K. Cranley, B. J. Gilmore, G. W. A. Fogarty, L. Desponds, Catalogue of Diagnostic X-ray Spectra and Other Data, The Institute of Physics and Engineering in Medicine Report No.78(1997)
J. H. Hubbell, S. M. Seltzer, 'Tables of X-Ray Mass Attenuation Coefficients and Mass Energy-Absorption Coefficients,' National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg (at http://phvsics.nist.gov/PhvsRefData/XravMassCoef /cover.html)(1996)
G. Drexler, 'Verlauf der lonendosis an Grenzschichten, In Microdosimetry', Proc. Symp. Microdosimetry, Ispra, 13-15, EIR3747 d-f-e, European Communities, Brussels(1968)
Rosenstein M., 'Organ Doses in Diagnostic Radiology,' US Department of Health, Education and Welfare, Bureau of Radiological Health BRH Tech. Publ., DA 76-8030(1976)
Michael F. McNitt-Gray, Christopher H. Cagnon, 'Radiation dose in Sprial CT: The relative effects of collimation and pitch,' Med. Phys., 26(3), 409-414(1999)

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