[논문]유리선량계를 이용한 감마나이프의 출력인자 결정

라정은; 서원섭; 신동오; 김희선; 서태석

문제 정의

6 mm, 높이 1 mm로 작아 소조사면에 대한 선량평가를 수행하는데 효과적이고 100 Gy의 고 선량까지 선량측정이 가능하며 열형광선량계에 비해 취급이 용이하다고 알려져 있다.7이 따라서 본 연구에서는 유리선량계를 이용하여 감마나이프의 출력인자(output factor) 및 측방선량분포(beam profile) 등을 측정하고 이 결과를 pinpoint 전리함과 비교하여 유리선량계가 고선량, 소조사면을 이용하는 방사선 치료장비의 선량 평가에 새로운 선량계로서 가능성을 확인하고자 한다.
본 연구에서는 유리선량계로 감마나이프의 출력인자 및 측방선량분포를 측정하여 고선량, 소조사면을 이용하는 방사선 치료장비의 선량평가에 새로운 선량계로서 가능성을 확인해보았다. 유리선량계를 이용하여 결정된 출력 인자는 감마나이프 제조회사에서 제공하고 있는 표준데이터와 모든 콜리메이터 크기에 대해 ±1.

가설 설정

이들 Ago와 Ag** 는보다 안정 상태가 되고 이것을 radiophotoluminescence (RPL)중심이라고 부른다.9)이들의 중심에 질소 기체에 의해 발생된 펄스화된 자외선이 조사되면 RPL 중심은 여기 (exstation) 상태가 되고 주황색의 형광이 방출되면서 유리 선량계의 RPL 중심은 다시 안정상태로 되돌아오게 된다. 이때 방출되는 RPL 중심의 수는 항상 일정하게 유지되며 판독과정과 주위환경의 영향으로 인해 소멸되지 않으므로 반복판독이 가능하다.

제안 방법

감마나이프의 출력인자는 가장 큰 콜리메이터인 18 mm 의 측정값을 기준으로 하여 14, 8 그리고 4 nun에 대해 전리함과 유리 선량계측정값을 이용하여 상대적으로 비교하였다. 이때 콜리메이터에 대한 출력인자는 동일한 시간 조건하에축적된 선량과 각 콜리메이터에 대한 타이머 오차(timer error)를 모두 포함하는 것이다.
특히 전리함으로 결정된 출력 인자는 전기계에 부착된 타이머를 작동하여 축교점 #socenter)까지 이동된 후, 측정을 실행하므로 이에 대한 영향을 제거할 수 있으나 유리선량계는 이동되는 동안 선량을 받아 축적이 되므로 콜리메이터 크기에 의한 타이머 오차의 평가가 이루어져야 출력인자에 대한 정확한 정보를 얻을 수 있다. 따라서 본 연구에서는 유리선량계를 콜리메이터의 크기에 따라 L0분에서 2.5분까지 0.5분의 시간차를 두고 조사하여 시간에 따른 선량의 변화를 확인하였고 이에 대한 선형함수를 구하여 출력인자 결정시 불확도(uncertainty)에 포함시켜 유리선량계의 정확도를 평가하는데 사용하였다.
유리선량계를 이용하여 감마나이프의 측방선량분포를 측정하기 위해 팬텀 안에 장착이 가능한 카세트를 제작하였다. 이때 카세트는 유리선량계를 쉽게 이동시키기 위해두 개의 판으로 나누어지도록 하였고 유리선량계의 크기를 고려하여 직경 1.
이때 카세트는 유리선량계를 쉽게 이동시키기 위해두 개의 판으로 나누어지도록 하였고 유리선량계의 크기를 고려하여 직경 1.7 mm의 구멍을 냈으며 서로 인접한 유리 선량계의 중심 사이의 거리는 2.5 mm로 하여 총 30개의 데이터를 얻을 수 있도록 고안하였다(Fig. 3). 그러나 제작한 카세트를 이용하여 1회 조사로 콜리메이터 8 mm과 4 mm 의 측방선량분포를 확인하기에는 작은 콜리메이터 크기에 비해 유리선량계의 데이터 수가 너무 적어 측정중심에서 1 회 조사를 하고 다시 좌우로 1 mm씩을 이동하여 각각 조사를 하였으며 그 결과를 X축을 따라 0.
재질의 구체 팬텀을 사용하였다. 일반적으로 감마나이프의 품질관리에 사용되는 이 팬텀은 중앙에 홈이 파여져 있어 카세트를 넣고 빼는 것이 가능하도록 되어있으며 본 연구에서는 유리선량계, 전리함을 장착할 수 있는 카세트를 각각 제작하여 측정 선량계에 따라 바꿔 사용하였으며 Fig. 3에는 pinpoint 전리함과 유리선량계에 대한 카세트의 단면도를 각각 나타내었다. 또한 팬텀 양 옆에는 1 mm의 허용 눈금이 부착된 trunnions가 있어 x축을 따라 이동해 가며 콜리메이터의 크기에 따른 각각의 측정중심에 계측기가 위치할 수 있도록 조절하였다(Fig.
표준 유리선량계의 정확한 교정을 위해 본 연구에서는 국내 2차 표준기관인 식품의약품안전청 (Korea Food &Drug Administration; KFDA)의 60Co 조사장치 (Eldorado-6, Theratronics, USA)를 이용하였으며 이때 유리선량계 조사되는 기준 선량은 원통형전리함(2517, NE, USA)과 전기계 (6517, KEITHLEY, USA)로 결정하였다.

대상 데이터

감마나이프(Model B, Elekta, Sweden)의 출력인자와 측방 선량 분포에 대한 측정은 직경 160 mm인 폴리스티렌(polystyrene) 재질의 구체 팬텀을 사용하였다. 일반적으로 감마나이프의 품질관리에 사용되는 이 팬텀은 중앙에 홈이 파여져 있어 카세트를 넣고 빼는 것이 가능하도록 되어있으며 본 연구에서는 유리선량계, 전리함을 장착할 수 있는 카세트를 각각 제작하여 측정 선량계에 따라 바꿔 사용하였으며 Fig.
본 연구에 사용된 유리선량계(GD-301, Asahi Tech. Glass Corporation, Japan)는 길이가 8.5 mm이고 직경이 1.5 mm인 막대형으로 P 31.55%, 0 51.16%, Al 6.12%, Na 11.0% 그리고 Ag 0.17%로 구성되어 있다. 또한 유리선량계의 유효 원자번호와 밀도는 각각 12.
4). 전리함은 유효 체적이0.015 cc 인 pinpoint 형태(31006, PTW-Freiburg, Germany)를사용하였으며 물리적 특성은 Table 1에 나타낸 것과 같다
기준 유리선량계로부터 발생되는 RPLe 자외선 차단(cut-off) 필터를 통해 광다이오드(photodiode)에서 수집되고 판독해야 할 유리선량계의 RPLe 광전자증배관 (photomultiplier)에서 수집된다. 판독에 사용되는 자외선은 337.1 nm의 파장을 가지며 펄스폭은 5 ns이다. 산란된 자외선 및 불필요한 형광스펙트럼은 자외선 차단 필터에 의해 제거된다(Fig.

데이터처리

3). 그러나 제작한 카세트를 이용하여 1회 조사로 콜리메이터 8 mm과 4 mm 의 측방선량분포를 확인하기에는 작은 콜리메이터 크기에 비해 유리선량계의 데이터 수가 너무 적어 측정중심에서 1 회 조사를 하고 다시 좌우로 1 mm씩을 이동하여 각각 조사를 하였으며 그 결과를 X축을 따라 0.5 mm씩 이동하면서 측정한 전리함의 결과와 비교 분석하였다.

성능/효과

'지 또한 열형광선량계는 한번의 판독만이 가능한 반면에 유리선량계는 판독과정을 거쳐도 신호가 소멸되지 않아 반복판독이 가능하여 측정 편차를 줄일 수 있으며 취급상에도 매우 편리한 등의 장점이 있다. 그러나 전리함의 경우에는 8 mm 의 콜리메이터에서는 표준데이터와 4.9%의 차이를 보였고 4 mm의 콜리메이터에서는 24% 이상의 차이를 보여 0.015 cm"의 작은 체적을 가지는 pinpoint 전리함에도 불구하고 4 mm의 소조사면을 정확하게 측정하기에는 여전히 전리함의 유한 체적(finite volume)이 큰 것을 알 수 있었다. 이에 반해 유리선량계는 직경이 0.
61 g/㎤이다.8) 유리의 은 활성인산염에 전리 방사선이 조사되면 전자와 정공 PO₄가생성되고 이때 전자는 유리구조내의 Ag*에 포획되어 Ago 가 되며 정공은 PO4+에 포획되거나 시간이 경과함에 따라 Ag+ 로 이행되어 Ag**를 형성한다. 이들 Ago와 Ag** 는보다 안정 상태가 되고 이것을 radiophotoluminescence (RPL)중심이라고 부른다.
5%의 차이를 나타냈다. 또한 pinpoint 전리함으로 측정한 반치폭의 크기가 유리선량계에 비해서 모든 콜리메이터에서 크게 나타남을 확인할 수 있었다. 이와같이 선량계간의 차이를 보이는 이유는 우선 pinpoint 전리함은 출력선량과 마찬가지로 전리함의 유한체적으로 인해 유리선량계에 비해 반치폭이 크게 측정되었을 것이라 분석되며 유리선량계 경우는 한 측정점에서 1회 조사로 측방선량분포를 결정하였으므로 5회 측정에 대한 평균치로 출력 인자를 산출한 것에 비해 측정치간의 편차가 커 신뢰도 있는 결과를 얻을 수 없었다.
0% 이상 차이를 보였던 논문의 결과와 비교했을 때 유리선량계가 상대적으로 정확한 것으로 나타났다. 또한 열형광선량계의 불확도는 일반적으로 2.0% (la) 정도로 알려져 있으나 본연구에서 유리선량계의 불확도를 계산한 결과 1.5% (1 <7) 을 보여 불확도 측면에서 우수한 것으로 나타났다.'지 또한 열형광선량계는 한번의 판독만이 가능한 반면에 유리선량계는 판독과정을 거쳐도 신호가 소멸되지 않아 반복판독이 가능하여 측정 편차를 줄일 수 있으며 취급상에도 매우 편리한 등의 장점이 있다.
본 연구 결과에 의해 유리선량계는 열형광선량계와 달리 반복적으로 판독이 가능하여 취급과정이 매우 간단하고 불확도 역시 우수한 것으로 나타났으며 pinpoint 전리함에 비해 유효체적이 작은 장점 등으로 인해 소조사면을 사용하는 방사선 치료분야에 적합한 선량계라는 것을 확인할 수 있었다.
유리선량계를 이용하여 결정된 출력 인자는 감마나이프 제조회사에서 제공하고 있는 표준데이터와 모든 콜리메이터 크기에 대해 ±1.0% 이내에서 잘 일치하는 결과를 보였다. 이는 14 mm와 8 mm의 콜리메이터에서는 표준 데이터와 잘 일치하였으나 4 mm 콜리메이터에서는 ±4.
유리선량계와 전리함을 이용하여 결정한 X축 측방선량분포를 Fig. 6에 나타내었으며 이때 두 선량계로 측정한 각 콜리메이터에 대한 반치폭(full width half maximum; FWHM)은2002년에 Y.Li가 발표한 EDR 필름(2, Kodak, USA)로 측정한 반치폭 결과와 비교하여 Table 3에 나타내었다(3) 결과에서 알 수 있듯이 모든 콜리메이터에서 유리선량계로 측정한 측방선량분포의 반치폭은 EDR 필름의 결과와 5.0% 내외의 차이를 보였으며 pinpoint 전리함은 4 mm 콜리메이터에서 필름과 14.5%의 차이를 나타냈다. 또한 pinpoint 전리함으로 측정한 반치폭의 크기가 유리선량계에 비해서 모든 콜리메이터에서 크게 나타남을 확인할 수 있었다.
0% 이내에서 잘 일치하는 결과를 보였다. 이는 14 mm와 8 mm의 콜리메이터에서는 표준 데이터와 잘 일치하였으나 4 mm 콜리메이터에서는 ±4.0% 이상 차이를 보였던 열형광선량계와 비교했을 때 유리 선량계가 상대적으로 정확한 결과를 보였으며 불확도 역시 1.5%로 평가되어 일반적으로 2.0%의 불확도를 가지는 열형광선량계에 비해 우수한 것으로 나타났다. 그러나 전리함의 경우 4 mm의 콜리메이터에서 표준데이터와 24% 이상의 차이를 나타내 0.
0% 이내에서 잘 일치하였다. 이는 열형광선량계를 이용하여 측정 시 4 mm 콜리메이터에서 ±4.0% 이상 차이를 보였던 논문의 결과와 비교했을 때 유리선량계가 상대적으로 정확한 것으로 나타났다. 또한 열형광선량계의 불확도는 일반적으로 2.

후속연구

이와같이 선량계간의 차이를 보이는 이유는 우선 pinpoint 전리함은 출력선량과 마찬가지로 전리함의 유한체적으로 인해 유리선량계에 비해 반치폭이 크게 측정되었을 것이라 분석되며 유리선량계 경우는 한 측정점에서 1회 조사로 측방선량분포를 결정하였으므로 5회 측정에 대한 평균치로 출력 인자를 산출한 것에 비해 측정치간의 편차가 커 신뢰도 있는 결과를 얻을 수 없었다. 또한 본 연구에서 제작한 측방선량분포용 카세트는 2.5 mm의 중심거리로 인해 인접한 유리 선량 계간의 산란선 발생으로 측정결과에 영향을 끼쳤을 것으로 예상되며 8 mm와 4 mm 콜리메이터 시에는 획득한 데이터 수가 적어 측정중심에서 한번 조사 후 다시 좌우 1 mm씩 이동하여 측정한 결과이므로 카세트의 위치이동에 따른 오차가 있을 수 있으므로 측방선량분포에 대한 측정방법의 개선점이 필요할 것으로 판단이 된다. 향후 연구에서는 측정 횟수를 5회 이상으로 늘리고 X축뿐만 아니라 y축과 z축에 대해서도 측방선량분포를 확인한다면 좀 더 정확한 결과를 얻을 수 있을 것으로 생각이 된다.
이는 한번의 조사로 측방선량분포를 결정하여 측정편차가 컸으며 카세트 제작에 따른 선량계간의 산란선의 영향 및 위치 이동에 따른 오차요인이 있었을 것으로 판단이 된다. 향후 연구에서는 측방선량분포용 카세트에 대한 개선과 더불어 측정횟수를 5회 이상으로 늘리고 X축뿐만 아니라 y축과 z축에 대해서도 측방선량분포를 확인한다면 좀더 정확한 결과를 얻을 수 있을 것으로 생각이 된다.
5 mm의 중심거리로 인해 인접한 유리 선량 계간의 산란선 발생으로 측정결과에 영향을 끼쳤을 것으로 예상되며 8 mm와 4 mm 콜리메이터 시에는 획득한 데이터 수가 적어 측정중심에서 한번 조사 후 다시 좌우 1 mm씩 이동하여 측정한 결과이므로 카세트의 위치이동에 따른 오차가 있을 수 있으므로 측방선량분포에 대한 측정방법의 개선점이 필요할 것으로 판단이 된다. 향후 연구에서는 측정 횟수를 5회 이상으로 늘리고 X축뿐만 아니라 y축과 z축에 대해서도 측방선량분포를 확인한다면 좀 더 정확한 결과를 얻을 수 있을 것으로 생각이 된다.

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