[논문]의료용 양성자선 계측을 위한 광섬유 방사선량계의 제작 및 최적화

장경원; 조동현; 유욱재; 서정기; 이봉수; 황의중; 신동호; 박성용

의료용 양성자선 계측을 위한 광섬유 방사선량계의 제작 및 최적화
Fabrication and Optimization of a Fiber-optic Dosimeter for Proton Beam Therapy Dosimetry 원문보기

의학물리 = Korean journal of medical physics, v.21 no.1, 2010년, pp.29 - 34

장경원 (건국대학교 의학공학부 의공학실용기술연구소) , 조동현 (건국대학교 의학공학부 의공학실용기술연구소) , 유욱재 (건국대학교 의학공학부 의공학실용기술연구소) , 서정기 (건국대학교 의학공학부 의공학실용기술연구소) , 이봉수 (건국대학교 의학공학부 의공학실용기술연구소) , 황의중 (국립암센터 양성자치료센터) , 신동호 (국립암센터 양성자치료센터) , 박성용 (국립암센터 양성자치료센터)

초록
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본 연구에서는 치료용 양성자선 계측을 위한 광섬유 방사선량계 개발을 목적으로 최적화 과정의 기초연구를 통하여 광섬유 방사선량계를 제작하였다. 양성자선 계측의 최적화를 위해 유기섬광체의 종류에 따른 섬광량 및 브래그 피크의 피크/플래투를 측정하여 가장 효율이 뛰어난 섬광체를 선별하였고, 유기섬광체의 직경에 따라 물 팬텀의 각 깊이에서 손실되는 양성자선의 에너지에 대해 유기섬광체에서 발생되는 섬광량을 측정하여 유기섬광체의 직경에 따른 선형성을 도시하고 최적의 섬광체 직경을 선택하였다. 또한 양성자선의 조사각도에 대해 유기섬광체의 길이에 따른 섬광량 및 섬광량의 표준편차를 측정하여 입사각 의존도를 판별하고 최적의 섬광체 길이를 결정하였다. 최적화 과정을 통하여 제작된 센서 성능평가의 일환으로 양성자 가속기의 선량율 및 모니터 유닛에 따른 광섬유 방사선량계의 섬광량을 측정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we have fabricated a fiber-optic dosimeter for a proton beam therapy dosimetry. We have measured scintillating lights with the various kinds of organic scintillators and selected the BCF-12 as a sensor-tip material due to its highest light output and peak/plateau ratio. To determine the optimum diameter of BCF-12, we have measured scintillating lights according to the energy losses of proton beams in a water phantom. Also, we determined the adequate length of organic scintillator by measuring scintillating lights according to the incident angles of proton beam. Using an optimized fiber-optic dosimeter, we have measured scintillating lights according to the dose rates and monitor units of proton accelerator.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

방사선 치료의 목적은 환부 주변의 정상조직에 피해 없이 암조직에 정확한 양의 방사선을 전달하는 것이다. 특히 방사선 치료 중 양성자선을 이용한 치료는 브래그 피크 (bragg peak)에 의해 말단부의 상대선량이 급격히 상승되었다 감소되는 형태(distal fall-off)를 가지고 있으므로 일반적인 X-선 치료에 비해 정상조직의 피해를 크게 줄일 수 있다.
같은 양성자선에 대해 섬광체의 종류 및 두께에 따라 그 저지능이 다르므로 저지능이 가장 작은 섬광체를 선택할 필요가 있다. 본 연구에서는 섬광체의 상대적 저지능을 알아보는 방법으로 피크/플래투를 측정하였다.
본 연구에서는 양성자선 품질관리의 일환으로 치료용 양성자선 계측을 위해 광섬유 방사선량계를 제작하였고, 유기섬광체의 종류에 따른 섬광량 및 브래그 피크의 피크/플래투를 측정하여 최적의 섬광체(BCF-12)를 선별하였다. 또한 BCF-12의 직경에 따라 물 팬텀의 각 깊이에서 손실되는 양성자선의 에너지에 대해 유기섬광체에서 발생되는 섬광량을 측정하여 유기섬광체의 직경에 따른 선형성을 도시하고, 섬광체의 직경(0.
본 연구에서는 치료용 양성자선 계측을 위한 광섬유 방사선량계 개발을 목적으로 최적화 과정의 기초연구를 통하여 광섬유 방사선량계를 제작하였다. 양성자선 계측의 최적화를 위해 유기섬광체의 종류에 따른 섬광량 및 브래그 피크의 피크/플래투(peak/plateau)를 측정하여 가장 효율이 뛰어난 섬광체를 선별하였고, 유기섬광체의 직경에 따라 물 팬텀의 각 깊이에서 손실되는 양성자선의 에너지에 대해 유기섬광체에서 발생되는 섬광량을 측정하여 유기섬광체의 직경에 따른 선형성을 도시하고 최적의 섬광체 직경을 선택하였다.

제안 방법

본 연구에서 사용된 광증배관(H7546, Hamamatsu photonics)의 측정 파장의 범위는 300∼650 nm이며 420 nm에서 최대 민감도를 가지고 암전류(dark current)는 보통 3 nA, 최대 50 nA이다. 광증배관에서 발생되는 전기신호를 증폭하기 위해서 별도로 제작한 증폭기(amplifier) 시스템을 사용하였다. 광섬유 방사선량계에 양성자가 조사되면 섬광체에서 발생된 섬광빛은 15 m 길이의 광섬유를 통해 광증배관-증폭기 시스템으로 전달되고 최종신호는 LabVIEW DAQ board에 의해 컴퓨터로 전송된다.
본 연구에서는 양성자선 품질관리의 일환으로 치료용 양성자선 계측을 위해 광섬유 방사선량계를 제작하였고, 유기섬광체의 종류에 따른 섬광량 및 브래그 피크의 피크/플래투를 측정하여 최적의 섬광체(BCF-12)를 선별하였다. 또한 BCF-12의 직경에 따라 물 팬텀의 각 깊이에서 손실되는 양성자선의 에너지에 대해 유기섬광체에서 발생되는 섬광량을 측정하여 유기섬광체의 직경에 따른 선형성을 도시하고, 섬광체의 직경(0.5 mm)을 선택하였다. 마지막으로 BCF-12의 길이에 따른 입사각 의존도를 판별하기 위해 양성자선의 조사각도에 대해 BCF-12의 길이에 따른 섬광량 및 섬광량의 표준편차를 측정하여 최적의 길이(1 mm)를 결정하였다.
양성자선 계측의 최적화를 위해 유기섬광체의 종류에 따른 섬광량 및 브래그 피크의 피크/플래투(peak/plateau)를 측정하여 가장 효율이 뛰어난 섬광체를 선별하였고, 유기섬광체의 직경에 따라 물 팬텀의 각 깊이에서 손실되는 양성자선의 에너지에 대해 유기섬광체에서 발생되는 섬광량을 측정하여 유기섬광체의 직경에 따른 선형성을 도시하고 최적의 섬광체 직경을 선택하였다. 또한 양성자선의 조사각도에 대해 유기섬광체의 길이에 따른 섬광량 및 섬광량의 표준편차를 측정하여 입사각 의존도를 판별하고 최적의 섬광체 길이를 결정하였다. 최적화 과정을 통하여 제작된 광섬유 방사선량계 성능평가의 일환으로 양성자 가속기의 선량율(dose rate) 및 모니터 유닛(MU: monitor unit)에 따른 광섬유 방사선량계의 섬광량을 측정하였다.
5 mm)을 선택하였다. 마지막으로 BCF-12의 길이에 따른 입사각 의존도를 판별하기 위해 양성자선의 조사각도에 대해 BCF-12의 길이에 따른 섬광량 및 섬광량의 표준편차를 측정하여 최적의 길이(1 mm)를 결정하였다. 최적화 과정을 통하여 제작된 광섬유 방사선량계 성능평가의 일환으로 양성자 가속기의 선량율 및 모니터 유닛에 따른 광섬유 방사선량계의 섬광량을 측정하여 선형성을 확인하였다.
본 실험에서 물 팬텀의 깊이에 따른 광섬유 방사선량계의 섬광량은 양성자선의 브래그 피크 영역(140∼161 mm)에서 1 mm단위로 측정하였으며, 그 외의 구간(0∼140 mm)에서는 10∼20 mm 단위로 측정하였다.
이는 공기 중이라 할지라도 유기섬광체의 방향이 조사방향과 평행하게 위치했을 때, 섬광체가 위치한 공간마다 양성자선과의 반응율이 상이한 것에 기인한다. 본 연구에서는 조사선의 방향 및 조사영역의 선량 분포에 대한 의존성 최소화에 역점을 두었고, 이후의 연구에서는 1 mm 길이의 유기섬광체를 이용하여 제작한 광섬유 센서부를 사용하여 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 치료용 양성자선 계측을 위한 광섬유 방사선량계 개발을 목적으로 최적화 과정의 기초연구를 통하여 광섬유 방사선량계를 제작하였다. 양성자선 계측의 최적화를 위해 유기섬광체의 종류에 따른 섬광량 및 브래그 피크의 피크/플래투(peak/plateau)를 측정하여 가장 효율이 뛰어난 섬광체를 선별하였고, 유기섬광체의 직경에 따라 물 팬텀의 각 깊이에서 손실되는 양성자선의 에너지에 대해 유기섬광체에서 발생되는 섬광량을 측정하여 유기섬광체의 직경에 따른 선형성을 도시하고 최적의 섬광체 직경을 선택하였다. 또한 양성자선의 조사각도에 대해 유기섬광체의 길이에 따른 섬광량 및 섬광량의 표준편차를 측정하여 입사각 의존도를 판별하고 최적의 섬광체 길이를 결정하였다.
1은 치료용 양성자선에 광섬유 방사선량계의 최적화를 위한 실험구성을 보여주고 있다. 유기섬광체와 광섬유의 양 끝 단은 여러 종류의 폴리싱 패드(polishing pad)를 이용하여 연마하였으며 광학용 에폭시를 사용하여 광섬유와 유기섬광체를 결합하였다. 섬광량 계측을 위한 광 검출장치로는 광증배관(PMT: photomultiplier tube)을 사용하였다.
본 결과에서는 피크/플래투의 비율이 높을수록 손실되는 에너지에 더 비례한다는 것을 뜻하며 실험결과에서 BCF-12가 가장 높은 것을 확인할 수 있다. 이후의 실험에서는 계측효율이 가장 높은 유기섬광체 BCF-12를 이용하여 실험을 진행하였다.
마지막으로 BCF-12의 길이에 따른 입사각 의존도를 판별하기 위해 양성자선의 조사각도에 대해 BCF-12의 길이에 따른 섬광량 및 섬광량의 표준편차를 측정하여 최적의 길이(1 mm)를 결정하였다. 최적화 과정을 통하여 제작된 광섬유 방사선량계 성능평가의 일환으로 양성자 가속기의 선량율 및 모니터 유닛에 따른 광섬유 방사선량계의 섬광량을 측정하여 선형성을 확인하였다.
또한 양성자선의 조사각도에 대해 유기섬광체의 길이에 따른 섬광량 및 섬광량의 표준편차를 측정하여 입사각 의존도를 판별하고 최적의 섬광체 길이를 결정하였다. 최적화 과정을 통하여 제작된 광섬유 방사선량계 성능평가의 일환으로 양성자 가속기의 선량율(dose rate) 및 모니터 유닛(MU: monitor unit)에 따른 광섬유 방사선량계의 섬광량을 측정하였다.

대상 데이터

본 실험에서 유기섬광체 BCF-12의 길이는 1, 10, 30, 50 mm이며, 양성자선의 조사각도는 0°, 30°, 60°, 90°이다.
0034로 계산되었다. 본 연구를 바탕으로 이후 연구에서는 소광계수가 작은 0.5 mm 직경의 섬광체를 사용하였다.
본 연구에서 사용된 광증배관(H7546, Hamamatsu photonics)의 측정 파장의 범위는 300∼650 nm이며 420 nm에서 최대 민감도를 가지고 암전류(dark current)는 보통 3 nA, 최대 50 nA이다.
유기섬광체와 광섬유의 양 끝 단은 여러 종류의 폴리싱 패드(polishing pad)를 이용하여 연마하였으며 광학용 에폭시를 사용하여 광섬유와 유기섬광체를 결합하였다. 섬광량 계측을 위한 광 검출장치로는 광증배관(PMT: photomultiplier tube)을 사용하였다. 본 연구에서 사용된 광증배관(H7546, Hamamatsu photonics)의 측정 파장의 범위는 300∼650 nm이며 420 nm에서 최대 민감도를 가지고 암전류(dark current)는 보통 3 nA, 최대 50 nA이다.
실험에 사용된 광섬유(SH4001, Mitsubishi)는 계단형의 굴절률(step index)을 갖는 플라스틱 멀티모드 광섬유로써 직경은 1 mm이며 클래딩(cladding)의 두께는 0.01 mm이다. 또한 코어(core)와 클래딩의 굴절률(refractive index)은 각각 1.
실험에 사용된 양성자선은 현재 국립암센터(National cancer center)에서 방사선치료에 사용하고 있는 사이클로트론(IBA Proteus 235 cyclotron)에서 발생되는 180 MeV의 양성 자선을 이용하였고, 양성자선의 선량율은 0.5∼3 Gy/min, 모니터 유닛은 50∼100 MU이다.

성능/효과

5 kGy의 흡수선량까지 그 수명이 보장된다고 보고되어 있다.⁶⁾센서부로 사용된 섬광체는 원자번호가 낮은 물질로 구성된 유기섬광체(BCF-10, BCF-20, BCF-12 and BCF-60, Saint-Gobain)로써 BCF-10과 BCF-20의 경우 최대 방출 파장이 각각 432 nm, 492 nm이며 감쇠시간(decay time)은 2.7 nsec이다. BCF-12는 435 nm의 최대방출파장을 가지며 3.
또한 각 깊이에서 손실되는 양성자선의 에너지는 이온전리함(Markus chamber)을 이용하여 측정한 결과이다. 결과를 살펴보면 0.5 mm 직경의 유기섬광체가 손실되는 양성자선의 에너지에 대해 더 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 일반적으로 단위 깊이당 하전입자의 에너지 손실과 유기섬광체의 섬광량과의 관계를 나타낸 벌크의 수식(Birk’s formula)은 다음과 같다.
본 결과에서는 피크/플래투의 비율이 높을수록 손실되는 에너지에 더 비례한다는 것을 뜻하며 실험결과에서 BCF-12가 가장 높은 것을 확인할 수 있다. 이후의 실험에서는 계측효율이 가장 높은 유기섬광체 BCF-12를 이용하여 실험을 진행하였다.
일반적으로 유기섬광체의 길이가 길어지면 섬광량 증가로 인해 계측효율은 증가하지만, 공간분해능이 감소하게 되며 조사영역의 선량 분포 및 조사선의 각도에 대한 의존성이 커지게 되는 tradeoff 관계를 갖게 된다. 본 실험은 공기 중에서 측정한 것으로 조사 각도에 따른 섬광량은 큰 차이를 보이지 않지만, Fig. 4b와 같이 길이가 길어질수록 조사각도에 따른 표준편차가 크게 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이는 공기 중이라 할지라도 유기섬광체의 방향이 조사방향과 평행하게 위치했을 때, 섬광체가 위치한 공간마다 양성자선과의 반응율이 상이한 것에 기인한다.
본 실험에서 유기섬광체 BCF-12의 길이는 1, 10, 30, 50 mm이며, 양성자선의 조사각도는 0°, 30°, 60°, 90°이다. 유기섬광체의 길이가 일정길이까지 길어질수록 섬광체에서 발생되는 섬광량이 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 일반적으로 유기섬광체의 길이가 길어지면 섬광량 증가로 인해 계측효율은 증가하지만, 공간분해능이 감소하게 되며 조사영역의 선량 분포 및 조사선의 각도에 대한 의존성이 커지게 되는 tradeoff 관계를 갖게 된다.

후속연구

또한 양성자선의 선량분포를 실시간으로 계측할 수 있는 다차원의 광섬유 방사선량계를 제작할 계획이다. 계속적인 연구를 통하여 개발될 광섬유 방사선량계는 보다 정확하고 경제적으로 치료용 양성자선 계측에 사용될 것으로 기대된다.
앞으로의 연구 방향은 현재 사용 중인 타 방사선량계들과 비교실험을 통하여 광섬유 방사선량계의 특성을 평가할 것이며, 특히 조사영역의 경계면에서 반영(penumbra) 측정을 통하여 타 계측장비와 공간분해능 비교실험을 수행할 계획이다. 또한 양성자선의 선량분포를 실시간으로 계측할 수 있는 다차원의 광섬유 방사선량계를 제작할 계획이다. 계속적인 연구를 통하여 개발될 광섬유 방사선량계는 보다 정확하고 경제적으로 치료용 양성자선 계측에 사용될 것으로 기대된다.
앞으로의 연구 방향은 현재 사용 중인 타 방사선량계들과 비교실험을 통하여 광섬유 방사선량계의 특성을 평가할 것이며, 특히 조사영역의 경계면에서 반영(penumbra) 측정을 통하여 타 계측장비와 공간분해능 비교실험을 수행할 계획이다. 또한 양성자선의 선량분포를 실시간으로 계측할 수 있는 다차원의 광섬유 방사선량계를 제작할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방사선 치료의 목적은 무엇인가?	방사선 치료의 목적은 환부 주변의 정상조직에 피해 없이 암조직에 정확한 양의 방사선을 전달하는 것이다. 특히 방사선 치료 중 양성자선을 이용한 치료는 브래그 피크 (bragg peak)에 의해 말단부의 상대선량이 급격히 상승되었다 감소되는 형태(distal fall-off)를 가지고 있으므로 일반적인 X-선 치료에 비해 정상조직의 피해를 크게 줄일 수 있다.
	현재 품질관리에 사용되고 있는 방사선량계는 어떤 것이 있는가?	현재 품질관리에 사용되고 있는 방사선량계들은 이온전리함(ionization chamber), 필름(film), 다이오드(diode), 그리고 열형광선량계(TLD: thermo luminescent dosimeter) 등이 있으나, 각 선량계 센서부(sensing probe)의 구성 물질이 물이나 인체 조직과 등가(water or tissue-equivalence)가 아니므로 복잡한 보정작업을 필요로 하며 또한 큰 부피를 가지고 있기 때문에 고 분해능을 요구하는 양성자선 계측에 부적합하다. 이에 반해 현재 개발되고 있는 광섬유 방사선량계(fiber-optic dosimeter)는 물 혹은 인체 조직과 등가인 유기 섬광체를 사용함으로써 복잡한 보정작업 없이 정확한 선량 측정이 가능하며 센서부의 부피가 작으므로 고 분해능의 측정이 가능하다.
	방사선 치료 중 양성자선을 이용한 치료의 단점은 무엇인가?	특히 방사선 치료 중 양성자선을 이용한 치료는 브래그 피크 (bragg peak)에 의해 말단부의 상대선량이 급격히 상승되었다 감소되는 형태(distal fall-off)를 가지고 있으므로 일반적인 X-선 치료에 비해 정상조직의 피해를 크게 줄일 수 있다. 그러나 작은 오차에도 정상조직에 치명적인 손상을 입힐 수 있으므로 양성자선의 품질관리가 매우 중요하다.

참고문헌 (9)

Frelin AM, Fontbonne JM, Ban G, et al: Spectral discrimination of Cerenkov radiation in scintillating dosimeters, Med. Phys 32:3000-3006 (2005)

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White TO: Scintillating fibers. Nucl Instr Phys Res A 273:820-825 (1988)

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Beddar AS: Plastic scintillation dosimetry and its application to radiotherapy. Radiation Measurements 41:S124-S133 (2007)
Beddar AS, Kinsella TJ, Ikhlef Colin A, et al: A miniature "Scintillator-Fiberoptic-PMT" detector system for the dosimetry of small fields in stereotactic radiosurgery, IEEE Trans. Nucl Sci 48:924-928 (2001)

상세보기
Archambault L, Beddar AS, Gingras Colin L, et al: Water-equivalent dosimeter array for small-field external beam radiotherapy. Med Phys 34:1583-1592 (2007)

상세보기
Laguesse M, Bourdinaud M: Characterization of fluorescent plastic optical fibers for X-ray beam detection. SPIE 1592:96-107 (1991)
Blumenfeld H, Bourdinaud M, Stirling AV: Ageing of scintillating fibers, natural and otherwise. Nucl Instrum Meth A 279: 281-284 (1989)

상세보기
Torrisi L: Plastic scintillator investigations for relative dosimetry in proton-therapy. Nucl Instrum Meth B 170:523-530 (2000)

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Knoll GF: Radiation detection and measurement. 3nd ed. John Wiley & Sons, New York (1999), pp. 227

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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