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문제 정의
- 그러므로 본 연구에서는 임상 시험에 앞서 여러 유형의 검출기를 사용하여 투여선량 계산의 기본 요소인, 하나로 원자로의 열중성자 조사장치에서 방출되는 열중성자속(thermal neutron fluence)과 고속중성자 및 감마선 혼합장의 선량 성분을 분리, 측정하였다. 그리고 측정 결과들은 전산계산 결과와의 비교를 통해 신뢰도를 검증하고 선량평가의 기본적 자료로 활용하고자 한다.
제안 방법
- 하지만 국제방사선단위위 원회 (International Commission on Radiation Units and Measurements, ICRU) 와 미국의 학물리 학회 (American Association of Physicists in Medicine,AAPM)에서 권고하는 중성자선과 감마선 혼합장에서의 선량 측정 프로토콜은 중성자 치료에 이용되는 고속중성자 선량측정에 적합하도록 개발되었기 때문에, 열중성자와 검출기 구성 물질과의 상호 반응에 의한 선량 기여에 대해서는 고려되어 있지 않다.5,6) 따라서 본 측정에서는 Raaijmakers 등7,8)이 제안한, 검출기의 열중성자 감도를 추가한 새로운 측정 프로토콜을 사용하여 각 선량 성분을 결정하였다. 일반적으로 중성자선의 선량측정은 중성자에 대한 측정 감도가 서로 다른 두 개의 검출기를 사용하며, 다음 식을 사용하여 중성자와 감마선에 대한 흡수선량을 계산할 수 있다.
- BNCT 열중성자 조사장치의 중성자 및 감마 예측에는 MCNP 4B 수송코드를 이용하였다. 노심과 BNCT 조사 장치를 모두 포함하여 계산하기에는 모델의 크기가 크므로 여과기 바깥의 환자 조사 위치에서 계산 결과의 표준 편차(fractional standard deviation, fsd)가 클 것으로 예상되어 두단계로 나누어 분석하였다.
- BNCT를 위한 열중성자 조사장치의 열중성자 선속 및 선량측정을 위해 방사화 분석, 이온전리함과 열형광선량계를 사용하였다. Co-60 감마선으로 교정을 실시한 결과 Spokas Thimble T2, Spokas Thimble M2 및 Spokas Parallel PlateHTW 이온전리함 각각에 대해서 공기 커마 교정계수(Nk)는 5.
- 8 mm 두께의 박막을 사용하였다. HPGe 검출기 (High purity germanium, Canberra, US A) 로 측정된 절대 방사능으로부터 물 셔터의 충, 배수 시간을 고려하여 중성자속을 구하였으며, 직경 0.1 mm Au wire의 자체 흡수인자(0.9402)를 고려하여 최종 중성자속을 구하였다. 고속중성자 및 감마선량 측정은 중성자에 서로 다른 감도를 가지는 두 이온전리함을 기본 선량계로 하였다.
- 9402)를 고려하여 최종 중성자속을 구하였다. 고속중성자 및 감마선량 측정은 중성자에 서로 다른 감도를 가지는 두 이온전리함을 기본 선량계로 하였다. 중성자에 민감한 검출기로 조직 등가물질인 A-150 플라스틱으로 제작된 TE (Tissue Equivalent) 이온전리함인 Spokas Thimble T2 (Exradin, USA)와 Spokas Parallel Plate 11 TW를, 중성자에 민감하지 않은 검출기로는 비수소계의 Magnesium 이온전리함인 Spokas Thimble M2와 열형광선량계(TLD-700, Harshaw, USA)를 사용하였다.
- 그러므로 본 연구에서는 임상 시험에 앞서 여러 유형의 검출기를 사용하여 투여선량 계산의 기본 요소인, 하나로 원자로의 열중성자 조사장치에서 방출되는 열중성자속(thermal neutron fluence)과 고속중성자 및 감마선 혼합장의 선량 성분을 분리, 측정하였다. 그리고 측정 결과들은 전산계산 결과와의 비교를 통해 신뢰도를 검증하고 선량평가의 기본적 자료로 활용하고자 한다.
- 중성자에 민감한 검출기로 조직 등가물질인 A-150 플라스틱으로 제작된 TE (Tissue Equivalent) 이온전리함인 Spokas Thimble T2 (Exradin, USA)와 Spokas Parallel Plate 11 TW를, 중성자에 민감하지 않은 검출기로는 비수소계의 Magnesium 이온전리함인 Spokas Thimble M2와 열형광선량계(TLD-700, Harshaw, USA)를 사용하였다. 그리고 선량 측정을 위해 이온전리함들은 Co-60 표준 선원에 대해 검교정 작업을 시행하였고, 열형광선량계는 검교정 작업을 3회 시행하여 감도 오차범위 3% 이내의 소자만 선별하여 각 소자별로 감도 보정계수를 산출하여 측정에 사용하였다. 선량측정과 교정계수 산출 시 이온전리함에는 고순도의 TE 기체(gas) 와 Ar 기체를 분당 5 cc로 주입(flushed)하였다.
- 4B 수송코드를 이용하였다. 노심과 BNCT 조사 장치를 모두 포함하여 계산하기에는 모델의 크기가 크므로 여과기 바깥의 환자 조사 위치에서 계산 결과의 표준 편차(fractional standard deviation, fsd)가 클 것으로 예상되어 두단계로 나누어 분석하였다. 즉, 노심 및 반사체를 포함하는 영역을 대상으로 노심 계산을 하여 BNCT 조사장치가 설치된 IR 수평공 선단에서의 중성자와 감마 스펙트럼과 선속을 구한 후, 이들을 선원으로 이용하여 IR 수평공 내에서 중성자 및 감마 분포를 계산하였다.
- 이와 같은 실험을 위해서는 검출기를 열중성자로부터 차폐할 6LiFF나 6Li2CO3와 같은 Li-6 함유 차폐체를 이용한 실험이 수행되어야 하지만, 전략 물질로 구분되어 있기 때문에 재료의 수급이 어려워 실험을 수행하지 못하였다. 대신에 MCNP 전산계산의 결과와 Raaijmakers 등의 실험 결과를 참고하여 검출기의 열중성자 감도를 결정하였다. 하지만 BNCT 임상 효과를 향상시키기 위해서는 재료의 수급을 통한 추가적인 실험으로 각 검출기의 보다 정확한 열중성자 감도 결정이 이루어져야 할 것이다.
- 선량측정은 임상치료 시간 단축을 위해 원자로 최대출력인 30 MW에서 수행되었고, 여과장치를 액체질소로 냉각하지 않은 상태에서 측정하였다. 이는 전산계산의 결과 여과장치를 액체질소로 냉각할 경우 열중성자속이 약 30% 정도 증가되는 효과4)가 있지만 감마선량도 같은 비율로 증가되기 때문에, 액체 질소로 냉각하지 않은 중성자빔 이 임상실험을 위한 충분한 조건을 갖추고 있는지를 평가하기 위함이다.
- 이에 단면적 이 작고 긴중성자공의 특성을 고려하여 여과법을 사용하여 BNCT 조사장치를 개발하였다. 실리콘과 비스무스 단결정으로 구성된 여과장치를 설치하여 고속중성자와 감마선을 효율적으로 제거하고 열중성자를 최대한 투과하도록 하였다(Fig. 1). 여과장치는 액체질소로 냉각하여 열중성자의 투과력을 높이고 선속을 증가시켜, 임상 연구 시 치료 시간을 단축할 수 있도록 하였다.
- 선량측정과 교정계수 산출 시 이온전리함에는 고순도의 TE 기체(gas) 와 Ar 기체를 분당 5 cc로 주입(flushed)하였다. 여기서 TE 기체의 질량 구성비는 ICRU 권고안에 따라 CH4: 64.4%, CO2: 32.4%, N2: 3.2% 분압비로 하였고, ° 전기계는 Unidos 10005 (PTW, Germany)를사용하였다. 모든 선량측정은 5 nun 두께의 PMMA로 제작된 물팬텀(4*43×30 cn」)을 사용하여 측정하였으며, 물 속에 함유된 불순물과 중성자의 이차반응을 최소화하기 위해 증류수를 사용하였다.
- 열중성자 선속 측정을 위해 직경 0.1 mm의 Au wire를 이용한 방사화 분석을 수행하였고, 카드뮴(cadmium)은 0.8 mm 두께의 박막을 사용하였다. HPGe 검출기 (High purity germanium, Canberra, US A) 로 측정된 절대 방사능으로부터 물 셔터의 충, 배수 시간을 고려하여 중성자속을 구하였으며, 직경 0.
- 아울러 중성자공에서 방출되는 빔은 고속중성자와 감마선을 다량 함유하고 있기 때문에, BNCT 임상연구를 위해서는 이들 성분을 최소화시킬 필요가 있다. 이에 단면적 이 작고 긴중성자공의 특성을 고려하여 여과법을 사용하여 BNCT 조사장치를 개발하였다. 실리콘과 비스무스 단결정으로 구성된 여과장치를 설치하여 고속중성자와 감마선을 효율적으로 제거하고 열중성자를 최대한 투과하도록 하였다(Fig.
- 하지만 하나로 원자로는 열중성자 및 고속중성자를 이용하는 다목적 연구용 원자로의 설계 특성상 임상연구에 필요한 충분한 열외중성자를 얻기는 불가능하였다. 이에 수 년 간의 개념 설계를 통해 하나로 원자로의 접선 중성자공(tangential beam port)에 실리콘과 비스무스 단결정으로 여과장치를 설치하여 열중성자는 최대한 투과시키고 고속중성자와 감마선을 가장 효율적으로 차폐시킨 열중성자 조사장치를 개발하였다.4)
- 여과장치는 액체질소로 냉각하여 열중성자의 투과력을 높이고 선속을 증가시켜, 임상 연구 시 치료 시간을 단축할 수 있도록 하였다. 중성자공 내부에는 물셔터 (water shutter)를 설치하여 원자로가 운전 중인 상태에서도 자유로이 빔을 개폐할 수 있도록 하여, 다른 수평공의 이용에 간섭이 없도록 하였다. 빔 인출부에는 리튬-6 농축도 95.
- 고속중성자 및 감마선량 측정은 중성자에 서로 다른 감도를 가지는 두 이온전리함을 기본 선량계로 하였다. 중성자에 민감한 검출기로 조직 등가물질인 A-150 플라스틱으로 제작된 TE (Tissue Equivalent) 이온전리함인 Spokas Thimble T2 (Exradin, USA)와 Spokas Parallel Plate 11 TW를, 중성자에 민감하지 않은 검출기로는 비수소계의 Magnesium 이온전리함인 Spokas Thimble M2와 열형광선량계(TLD-700, Harshaw, USA)를 사용하였다. 그리고 선량 측정을 위해 이온전리함들은 Co-60 표준 선원에 대해 검교정 작업을 시행하였고, 열형광선량계는 검교정 작업을 3회 시행하여 감도 오차범위 3% 이내의 소자만 선별하여 각 소자별로 감도 보정계수를 산출하여 측정에 사용하였다.
- 노심과 BNCT 조사 장치를 모두 포함하여 계산하기에는 모델의 크기가 크므로 여과기 바깥의 환자 조사 위치에서 계산 결과의 표준 편차(fractional standard deviation, fsd)가 클 것으로 예상되어 두단계로 나누어 분석하였다. 즉, 노심 및 반사체를 포함하는 영역을 대상으로 노심 계산을 하여 BNCT 조사장치가 설치된 IR 수평공 선단에서의 중성자와 감마 스펙트럼과 선속을 구한 후, 이들을 선원으로 이용하여 IR 수평공 내에서 중성자 및 감마 분포를 계산하였다. 선원의 스펙트럼으로는 열중성자의 경우 맥스웰 분포, 열외중성자의 경우는 1/E 분포를, 그리고 고속중성자의 경우에는 Watt 핵분열 스펙트럼을 가정하였다 그리고 IR공 선단에서 중성자공으로 나가는 성분은 전산 계산의 결과, 고체각(4π)에 대한 평균에 대해 열중성자는 1.
- 하나로 원자로 열중성자 조사장치의 선량평가 항목으로는 팬텀 매질 내 깊이에 따른 열중성자 및 고속중성자 선속율과 고속중성자 및 감마선의 흡수선량으로 구분하였고, 조사장치 인출부에서 방출되는 중성자빔의 편평도를 통한 선질 검증을 위해 열중성자속과 감마선량의 빔 프로파일을 측정하였다. 선량측정은 임상치료 시간 단축을 위해 원자로 최대출력인 30 MW에서 수행되었고, 여과장치를 액체질소로 냉각하지 않은 상태에서 측정하였다.
대상 데이터
- 2% 분압비로 하였고, ° 전기계는 Unidos 10005 (PTW, Germany)를사용하였다. 모든 선량측정은 5 nun 두께의 PMMA로 제작된 물팬텀(4*43×30 cn」)을 사용하여 측정하였으며, 물 속에 함유된 불순물과 중성자의 이차반응을 최소화하기 위해 증류수를 사용하였다. 그리고 측정 결과는 MCNP (Monte Carlo N-Particle) 4B 전산계산 결과와 상호 비교하였다.
- 중성자공 내부에는 물셔터 (water shutter)를 설치하여 원자로가 운전 중인 상태에서도 자유로이 빔을 개폐할 수 있도록 하여, 다른 수평공의 이용에 간섭이 없도록 하였다. 빔 인출부에는 리튬-6 농축도 95.6%의 6Li2CO3와 고밀도 폴리에틸렌(polyethylene)의 부피비를 1 : 1로 혼합한 차폐체로 구성된 원형의 빔 콜리메이터를 설치하였으며, 크기는 직경이 14 cm와 10 cm의 두 종류로 제작하였다.'
- 그리고 선량 측정을 위해 이온전리함들은 Co-60 표준 선원에 대해 검교정 작업을 시행하였고, 열형광선량계는 검교정 작업을 3회 시행하여 감도 오차범위 3% 이내의 소자만 선별하여 각 소자별로 감도 보정계수를 산출하여 측정에 사용하였다. 선량측정과 교정계수 산출 시 이온전리함에는 고순도의 TE 기체(gas) 와 Ar 기체를 분당 5 cc로 주입(flushed)하였다. 여기서 TE 기체의 질량 구성비는 ICRU 권고안에 따라 CH4: 64.
데이터처리
- 모든 선량측정은 5 nun 두께의 PMMA로 제작된 물팬텀(4*43×30 cn」)을 사용하여 측정하였으며, 물 속에 함유된 불순물과 중성자의 이차반응을 최소화하기 위해 증류수를 사용하였다. 그리고 측정 결과는 MCNP (Monte Carlo N-Particle) 4B 전산계산 결과와 상호 비교하였다.
성능/효과
- 있다.1,2)종양에 친화력이 있는 보론-10을 함유한 무독성의 화합물을 미리 주사한 뒤 0.025 eV의 저에너지 열중성자 또는 열외중성자 빔을 조사하면 중성자가 포획되면서 헬륨과 리튬이 생성되고, 이 과정에서 방사선 생물학적 영향이 매우 큰, MeV 단위의 강력한 에너지를 가진 알파선과 리튬 그리고 즉발감마선이 나온다. 보론-10은 중성자 흡수 단면적이 매우 크고, 반응 후 생성된 알파와 리튬 원자핵은 전리작용이 매우 강하며 그 투과범위가 5~9 μm로 붕소를 함유하고 있는 종양세포에만 에너지가 전달된다는 특징이 있다.
- Co-60 감마선으로 교정을 실시한 결과 Spokas Thimble T2, Spokas Thimble M2 및 Spokas Parallel PlateHTW 이온전리함 각각에 대해서 공기 커마 교정계수(Nk)는 5.006 cGy/nC, 3.909 cGy/nC, 3.390 cGy/nC이었고, 공기흡수 선량 교정계수(Nd, &)는 4.741 R/nC, 3.702 R/nC, 3.211 R/nC이었으며, 조직에 대한 흡수선량 교정계수(Nt)는 5.422 cGy/nC, 4.233 cGy/nC, 3.671 cGy/nC 등으로 나타났다(Table 1). 방사화 분석 결과 열중성자속은 물팬텀 10 mm와 20 mm 깊이에서 각각 L01E9 n/cn? .
- 열중성자 조사장치를 통해 팬텀으로 입사되는 중성자장에는 연속적 에너지를 갖는 감마선이 동반되어 있어, 1 MeV 이하의 저에너지 감마선에 의한 과도 응답의 에너지 의존특성이 발생된 것으로 보인다. 둘째, TLD-700 열형광선량계의 교정 감마선에 대한 중성자선의 상대적 측정감도(知)를 열중성자를 기준으로 하여 0.01 로 결정하였지만, 이 값은 중성자에너지에 비례하여 증가하는 경향을 보인다. 전체 중성자속에서 고속 중성자 속의 존재 비율이 1% 미만이지만 상대적 측정감도는 열중성자에 비해 수 배 정도 높다.
- 10 Gy/m.로 나타났고, 측정 결과는 MCNP 계산결과인 5.15 Gy/hr (fsd 0.0199)와 5% 편차 이내로 잘 일치하고 있다. 그러나 열형광선량계로 측정한 감마선량율은깊이 40 mm 이내에서는 고평가되다가 이보다 깊은 영역에서는 저평가되는 경향을 보이고 있다.
- 이번 측정은 액체질소로 여과장치를 냉각하지 않은 상태에서 진행되었다. 본 실험에 앞서 수행된 열중성자 조사 장치의 기본특성 평가를 통해 액체질소로 여과장치를 냉각할 경우 열중성자 선속이 약 30% 정도 증가하는 것으로 나타났다. 하지만 열중성자속의 증가와 함께 감마선 속도 같은 비율로 증가하기 때문에 치료 시간을 단축할 수는 있지만, 정상조직에 불필요한 선량이 많이 조사되는 단점이 있어 임상 연구에서 여과장치를 냉각할 것인지는 의료진과의 충분한 논의가 필요할 것으로 보인다.
- 따라서 측정 결과의 신뢰 수준을 높이기 위해서는 전산 계산의 결과와 비교하는 것이 가장 좋은 방법으로 알려져 있고, 중성자 측정의 난이도를 감안할 때 결과 비교오차가 10% 이내이면 연구결과에 신뢰성을 부여할 수 있는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서 측정된 선량값은 대부분의 항목에서 MCNP 전산계산의 결과와 5% 이내에서 잘 일치하였다. 하지만 열중성자속의 결과는 최대 14% 정도의 오차가 발생되었고, 50 mm 이상의 깊이에서는 거의 검출이 불가할 정도로 미세하였다.
- 즉, 노심 및 반사체를 포함하는 영역을 대상으로 노심 계산을 하여 BNCT 조사장치가 설치된 IR 수평공 선단에서의 중성자와 감마 스펙트럼과 선속을 구한 후, 이들을 선원으로 이용하여 IR 수평공 내에서 중성자 및 감마 분포를 계산하였다. 선원의 스펙트럼으로는 열중성자의 경우 맥스웰 분포, 열외중성자의 경우는 1/E 분포를, 그리고 고속중성자의 경우에는 Watt 핵분열 스펙트럼을 가정하였다 그리고 IR공 선단에서 중성자공으로 나가는 성분은 전산 계산의 결과, 고체각(4π)에 대한 평균에 대해 열중성자는 1.107, 고속중성자는 0.964, 그리고 감마선은 0.828의 비율로 보정하였다.
- 2). 열중성자 선속은 깊이에 따라 급격하게 감소하고 있고 열중성자 에너지 이상 열외중성자 및 고속중성자 속의 함유 정도는 매우 낮은, 고순도의 열중성자 빔 특성을 보이고 있었다. MCNP 전산계산 결과 열중성자속은 물팬텀 10 nun 깊이에서 1.
- 이와 같은 결과는 두 가지 원인에 기인하는 것으로 판단된다. 첫째, 일반적으로 TLD-700 열형광선량계의 사용범위는 10 Gy까지로 알려져 있지만 고밀도 열중성자장에서 과도한 응답특성(supra-lineality)이 나타나는 것으로 판단된다. 열중성자 조사장치를 통해 팬텀으로 입사되는 중성자장에는 연속적 에너지를 갖는 감마선이 동반되어 있어, 1 MeV 이하의 저에너지 감마선에 의한 과도 응답의 에너지 의존특성이 발생된 것으로 보인다.
- 하지만 열외중성자와 고속중성자는 현실적으로 성분을 분리하여 측정하기는 거의 불가능하다. 측정에 앞서 시행된 MCNP 전산계산의 결과, 여과장치를 통과하여 물팬텀에 입사하는 중성자 빔의 선속 분포를 보면 10 KeV 이상의 고속중성자 선속이 열중성자 선속에 비해 1% 이하로 매우 작고, 열외중성자와 매질 성분과의 양성자 탄성충돌에 의해 발생되는 선량이 속 중성자 선량에 비해 미약하기 때문에 이들을 하나의 성분으로 간주해도 무방할 것으로 판단되었다. 따라서 본 실험에서는 열외중성자선량과 고속중성자선량을 별도로 구분하지 않고, 0.
- 5는 물팬텀 20 mm 깊이에서의 열중성자 선속과 감마 선량의 빔 프로파일 특성을 보여주고 있다. 콜리메이터 중심을 기준으로 ±35 mm 영역에서 5% 이내의 편평도를 보이고 있으며, 콜리메이터 크기(140 mm)와 동일한 ±70 mm 지점에서 열중성자 선속과 감마 선량 모두 약 50% 정도의 상대선량을 보이고 있다.
- 본 연구에서 측정된 선량값은 대부분의 항목에서 MCNP 전산계산의 결과와 5% 이내에서 잘 일치하였다. 하지만 열중성자속의 결과는 최대 14% 정도의 오차가 발생되었고, 50 mm 이상의 깊이에서는 거의 검출이 불가할 정도로 미세하였다. 이는 전체 중성자 속에서 열중성자속을 선별 산출하기 위해 Au wire의 차폐체로 사용한 카드뮴 박막이, 차폐하지 않은 시료의 감도에 간섭 현상을 유발시켜 측정 결과가 전산 계산의 결과 보다 적게 나타난 것으로 판단되었다.
후속연구
- 하지만 BNCT 임상 효과를 향상시키기 위해서는 재료의 수급을 통한 추가적인 실험으로 각 검출기의 보다 정확한 열중성자 감도 결정이 이루어져야 할 것이다. 결론적으로 본 실험의 결과는 BNCT 임상 연구를 위한 기초 자료 및 선량 평가 자료로 충분히 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 아울러 열중성자 조사장치를 설계 및 제작하는 시점에서 충분히 예견했듯이 BNCT 임상 실험을 위해서는 두개부(skull)를 절개(resection)하는 외과적 수술은 필수적이며, 종양의 위치나 크기에 따라 제한적으로 진행되어야 할 것이다.
- 결론적으로 본 실험의 결과는 BNCT 임상 연구를 위한 기초 자료 및 선량 평가 자료로 충분히 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 아울러 열중성자 조사장치를 설계 및 제작하는 시점에서 충분히 예견했듯이 BNCT 임상 실험을 위해서는 두개부(skull)를 절개(resection)하는 외과적 수술은 필수적이며, 종양의 위치나 크기에 따라 제한적으로 진행되어야 할 것이다.
- 대신에 MCNP 전산계산의 결과와 Raaijmakers 등의 실험 결과를 참고하여 검출기의 열중성자 감도를 결정하였다. 하지만 BNCT 임상 효과를 향상시키기 위해서는 재료의 수급을 통한 추가적인 실험으로 각 검출기의 보다 정확한 열중성자 감도 결정이 이루어져야 할 것이다. 결론적으로 본 실험의 결과는 BNCT 임상 연구를 위한 기초 자료 및 선량 평가 자료로 충분히 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 실험에 앞서 수행된 열중성자 조사 장치의 기본특성 평가를 통해 액체질소로 여과장치를 냉각할 경우 열중성자 선속이 약 30% 정도 증가하는 것으로 나타났다. 하지만 열중성자속의 증가와 함께 감마선 속도 같은 비율로 증가하기 때문에 치료 시간을 단축할 수는 있지만, 정상조직에 불필요한 선량이 많이 조사되는 단점이 있어 임상 연구에서 여과장치를 냉각할 것인지는 의료진과의 충분한 논의가 필요할 것으로 보인다.
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