[논문]고 에너지 광자선 계측용 2차원 광섬유 방사선 센서의 제작 및 특성분석

장경원; 조동현; 신상훈; 김형식; 이정한; 이봉수; 김신; 조효성

doi:10.3807/hkh.2007.18.4.241

고 에너지 광자선 계측용 2차원 광섬유 방사선 센서의 제작 및 특성분석
Fabrication and Characterization of Two-dimensional Fiber-optic Radiation Sensor for High Energy Photon Beam Therapy Dosimetry 원문보기

한국광학회지 = Korean journal of optics and photonics, v.18 no.4, 2007년, pp.241 - 245

장경원 (건국대학교 의료생명대학 의학공학부, 의공학 실용기술 연구소) , 조동현 (건국대학교 의료생명대학 의학공학부, 의공학 실용기술 연구소) , 신상훈 (건국대학교 의료생명대학 의학공학부, 의공학 실용기술 연구소) , 김형식 (건국대학교 의료생명대학 의학공학부, 의공학 실용기술 연구소) , 이정한 (건국대학교 의료생명대학 의학공학부, 의공학 실용기술 연구소) , 이봉수 (건국대학교 의료생명대학 의학공학부, 의공학 실용기술 연구소) , 김신 (제주대학교 공과대학 에너지공학과) , 조효성 (연세대학교 보건대학 방사선학과)

초록
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본 연구에서는 유기 섬광체와 플라스틱 광섬유를 이용하여 치료용 광자선의 계측을 위한 2차원 광섬유 방사선 센서를 제작하였다. 제작된 센서를 사용하여 광자선 조사야(Field size)와 에너지에 따른 선형가속기의 빔 분포도를 2차원적으로 측정하였으며 polymethylmethacrylate(PMMA)팬텀 내에서 깊이에 따른 섬광체의 광량을 측정하여 깊이선량 분포(Percent Depth Dose, PDD) 또한 2차원으로 측정하였다. 본 연구를 통하여 개발된 2차원 광섬유 방사선 센서는 고 분해능, 실시간 측정, 쉬운 보정 등 많은 장점을 가지고 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a two-dimensional fiber-optic radiation sensor has been developed using water-equivalent organic scintillators for photon beam therapy dosimetry. Two-dimensional photon beam distributions and percent depth doses(PDD) are measured according to the energies and field sizes of the photon beam. This sensor has many advantages such as high resolution, real-time measurement and ease of calibration over conventional radiation measurement devices.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

그림 7. 2차원 광섬유 센서를 이용한 깊이에 따른 선량분포도 (PDD) 측정(조사야 20 cm X 20 cm, 광자선 에너지 15MV).
그림 6. 2차원 광섬유 센서를 이용한 깊이에 따른 선량분포도 (PDD) 측정(조사야 20 cm X 20 cm, 광자선 에너지 6MV).
그림 4. 2차원 광섬유 센서를 이용한 표면 흡수선량 분포도 측정(조사야 10 cm X 10 cm, 광자선 에너지 6, 15 MV).
그림 5. 2차원 광섬유 센서를 이용한 표면 흡수선량 분포도 측정(조사야 5 cm X 5 cm, 광자선 에너지 6, 15 MV).
배열하였다. 그리고 치료용 고에너지 굉자선(photon beam) 에 대한 2차원 광섬유 센서의 특성을 알아보기 위해서 각 센서에서 발생된 섬광량을 계측하여 조사야(field size)에 따른 광자 선의 2차원 분포도를 측정하였고, 깊이와 에너지에 따른 각 센서들의 섬광량을 계측하여 광자선의 2차원 PDD도 측정하였다.
본 포토다이오드의 측정가능 파장은 320 nm에서 1100 nm까지 가능하며 960 nm에서 최대값을 가진다. 또한 섬광체에서 발생되는 섬광빛은 약 0.4~0.5 nW의 값을 갖는 미세한 빛이므로 포토다이오드 어레이의 각 단마다 별도로 증폭기를 제작하여 포토다이오드에서 발생되는 전기신호를 증폭하였다.
본 연구에 사용된 광섬유 방사선 센서는 그림 1과 같이 유기 섬광체와 플라스틱 광섬유를 광학 접착제(DPIOO-Plus, 3 M)를 사용하여 결합, 제작되며 유기 섬광체에서 발생 되어 외부로 손실되는 섬광빛을 최소화하기 위해 액체상태의 반사체(TiO₂)로 섬광체 주위를 도포하여 주었다. 반사체는 섬광 체에 도포 후 고체 상태를 유지하게 된다.
본 연구에서는 유기섬광체를 사용하여 2차원 광섬유 방사선 센서를 제작하였고, 6, 15 MV 광자선의 조사야에 따른 빔의 분포도와 PMMA의 깊이에 따른 PDD를 측정하였다.
본 연구에서는 유기섬광체와 플라스틱 광섬유를 이용하여 0차원의 광섬유 방사선 센서들을 제작하였고 제작된 센서들을 PMMA(polymethylmethacrylate)재질의 팬텀에 2차원적으로 배열하였다. 그리고 치료용 고에너지 굉자선(photon beam) 에 대한 2차원 광섬유 센서의 특성을 알아보기 위해서 각 센서에서 발생된 섬광량을 계측하여 조사야(field size)에 따른 광자 선의 2차원 분포도를 측정하였고, 깊이와 에너지에 따른 각 센서들의 섬광량을 계측하여 광자선의 2차원 PDD도 측정하였다.

대상 데이터

본 광섬유 센서의 센서부는 상용 중에 있는 지름이 1 mm, 길이가 10 mm인 원통형태의 유기섬광체(organic scintillator, BCF-20, Bicron)를 사용하였으며 본 섬광체는 492 nm의 최대방출파장을 가진다. PMMA 팬텀은 2 cm의 간격으로 표면으로부터 1 cm 깊이에 구멍을 뚫어 총 5개를 제작하였으며 그림 2와 같이 2차원 광섬유 방사선 센서를 제작하였다.
각각의 섬광체에서 발생된 광신호는 25개의 포토다이오드로 이루어진 포토다이오드(S1336-18BK, Hamamatsu) 어레이를 제작하여 측정하였다. 본 포토다이오드의 측정가능 파장은 320 nm에서 1100 nm까지 가능하며 960 nm에서 최대값을 가진다.
광자선 선원으로는 의료용 선형가속기(Clinac 2100CD, Varian)에서 발생되는 5 cm x 5 cm, 10 cm x 10 cm 조사야의 6, 15 MV 에너지를 가지는 광자선을 사용하였다.
504가 된다. 본 광섬유 센서의 센서부는 상용 중에 있는 지름이 1 mm, 길이가 10 mm인 원통형태의 유기섬광체(organic scintillator, BCF-20, Bicron)를 사용하였으며 본 섬광체는 492 nm의 최대방출파장을 가진다. PMMA 팬텀은 2 cm의 간격으로 표면으로부터 1 cm 깊이에 구멍을 뚫어 총 5개를 제작하였으며 그림 2와 같이 2차원 광섬유 방사선 센서를 제작하였다.
반사체는 섬광 체에 도포 후 고체 상태를 유지하게 된다. 제작에 사용된 광섬유(CK-40, Mitsubishi Inc.)는 멀티모드형 플라스틱 광섬유이고 외곽의 지름은 1 mm, 클래딩(cladding)의 두께는 0.02 mm이다. 코어(core)부분의 굴절률은 1.

성능/효과

그림 4의 (a)와 (b)는 PMMA 팬텀의 1 cm 깊이에서 각 센서들의 간격이 2 cm인 2차원 광섬유 방사선 센서에 10 cm x 10 cm의 조사야를 가지는 6, 15 MV의 광자선을 조사하였을 때 발생되는 섬광량을 측정한 것이다 조사야 내부에 모든 센서가 위치하고 있기 때문에 각 0차원 센서에서는 위치와 상관없이 거의 일정한 섬광량이 측정되었다. 이는 선형가속기에서 발생되는 광자선의 분포가 10 cm X 10 cm의 조사야에서 거의 일정함을 나타낸다.
실험결과 조사야에 따른 빔 분포도가 정확히 계측되었으며 깊이에 따른 PDD 역시 기존 이론값들과 동일함을 알 수 있었다. 앞으로의 연구는 본 연구에서 제작한 2차원 광섬유 방사선 센서의 간격들을 더욱 좁게 하여 분해능을 향상시키는것이다.
이는 선형가속기에서 발생되는 광자선의 분포가 10 cm X 10 cm의 조사야에서 거의 일정함을 나타낸다. 에너지에 따라 2차원 센서에서 계측된 섬광량을 살펴보면 15 MW의 광자선에 대한 2차원 광섬유 방사선 센서의 섬광량은 6 MW일 때 보다 약간 작은 값이 계측되었다. 이는 15 MV의 광자선이 물을 기준으로 약 3 cm 깊이에서 가장 많은 흡수율을 보이며 6 MV의 광자 선은 약 1.

후속연구

앞으로의 연구는 본 연구에서 제작한 2차원 광섬유 방사선 센서의 간격들을 더욱 좁게 하여 분해능을 향상시키는것이다. 본 연구를 통하여 개발 가능한 2차원 광섬유 방사선 센서는 치료용 고 에너지 광자선을 보다 정확하고 효율적으로 측정하는데 사용될 것으로 기대된다.
앞으로의 연구는 본 연구에서 제작한 2차원 광섬유 방사선 센서의 간격들을 더욱 좁게 하여 분해능을 향상시키는것이다. 본 연구를 통하여 개발 가능한 2차원 광섬유 방사선 센서는 치료용 고 에너지 광자선을 보다 정확하고 효율적으로 측정하는데 사용될 것으로 기대된다.

참고문헌 (7)

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T. Aoyama, S. Koyama, M. Tsuzaka, H. Maekoshi, 'A depth-dose measuringdevice using a multichannel scintillating fiber array for electron beam therapy,' Med. Phys., vol. 24, no. 8, pp. 117-1239, 1997

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A. S. Beddar, T. R. Mackie, and F. H. Attix 'Water-equivalent plastic scintillation detectors for high-energy beam dosimetry I,' Phys. Med. Biol., vol. 37, no. 10, pp. 1883-1900, 1992

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A. S. Beddar, T. R. Mackie, and F. H. Attix 'Water-equivalent plastic scintillation detectors for high-energy beam dosimetry II,' Phys. Med. Biol., vol. 37, no. 10, pp. 1901-1913, 1992

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A. S. Beddar, T. J. Kinsella, A. Ikhlef, and C. H. Sibata, 'A miniature Scintillator-Fiberoptic-PMT detector system for the dosimetry of small fields in stereotactic radiosurgery,' IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 48, no. 3, pp. 924-928, 2001

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B. Lee, W. Y. Choi, and J. K. Walker, 'Polymer-polymer miscibility study for plastic gradient index optical fiber,' Polymer Eng. and Sci., vol. 40, no. 9, pp. 1996-1999, 2000

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Faiz M. Khan, The Physics of Radiation Therapy - Second Edition (Williams & Wilkins, Baltimore, USA, 1994), pp. 176-199

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