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문제 정의
- 방사선 진단영역인 영상의학에서의 환자선량평가를 하는데 있어 결과값에 다양한 변수가 작용하여 신뢰도와 정확도가 떨어지는 TLD(Thermo－Luminescence Dosimeter)와 복잡한 인체 내부 장기 등의 해부학적 구조물을 구체적으로 재현하는데 한계가 있는 인체모형팬텀을 이용한 선량평가보다 구체적인 인체 내 선량 분포를 예측하여 의료방사선의 방사선방호계획을 수립하는데 보다 용이하고 신뢰도와 정확도 그리고 재현성을 높이는데 기여할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 Geant4와 CT 스캔 후 얻어진 DICOM 파일을 연동한 몬테카를로 시뮬레이션 값과 PMMA 팬텀내의 흡수선량을 실측한 값을 비교하여 신뢰성있는 인체내 선량분포 및 흡수선량을 획득하기 전에 저 에너지 X선영역에서의 선량평가 시 Geant4와 DICOM 연동을 통한 선량평가 정확성을 증명하고자 한다.
- 본 연구에서는 15 × 15 cm2과 20 × 20 cm2 크기의 조사야로 나누어 PMMA에서의 흡수선량을 구하기 위한 몬테카를로 계산을 수행하였다.
가설 설정
- 3p01을 사용하였다. 선원은 점선원으로 가정하였으며, 각 방사선 조사야 크기에 따른 적합한 각도의 부채상 형태로 근사시켰다.
제안 방법
- 15 × 15 cm2 조사야에서는 5 × 108개의 히스토리를 실행하였고, 20 × 20cm2에서는 9 × 108개의 히스토리를 실행하였다.
- 15 × 15 cm2 조사야에서는 5 × 108개의 히스토리를 실행하였고, 20 × 20cm2에서는 9 × 108개의 히스토리를 실행하였다. DICOM의 각 복셀에서 구해진 계산값에서 깊이에 따른 조사야의 중심축에 대한 흡수선량값을 구하였다. Geant4 시뮬레이션을 통해 평가한 조사야 별 선량분포와 백분율 오차, PMMA 팬텀 내 흡수선량을 MOSFET 측정 결과와 비교하여 [그림 5,6]에 도시하였다.
- Geant4 시뮬레이션 계산값과 MOSFET 측정값과의 보정을 위한 정규화 인자를 구하였다[표 3]. Jarry 등[7]의 방법을 참조하여 각 X선 조사야 크기별 측정값을 구하여 시뮬레이션 결과를 선량으로 환산하는 인자를 구하였다.
- DICOM의 각 복셀에서 구해진 계산값에서 깊이에 따른 조사야의 중심축에 대한 흡수선량값을 구하였다. Geant4 시뮬레이션을 통해 평가한 조사야 별 선량분포와 백분율 오차, PMMA 팬텀 내 흡수선량을 MOSFET 측정 결과와 비교하여 [그림 5,6]에 도시하였다. 대부분의 측정지점에서의 깊이선량 결과는 아주 미미하기는 하지만 MOSFET 측정결과가 높게 나타났으며, 반대로 투시 촬영대 바닥으로부터 PMMA 모의 팬텀 6, 14, 16 cm 깊이 지점에서는 Geant4 시뮬레이션 결과가 약간 높게 나타났다[그림 5,6].
- Geant4 시뮬레이션 계산값과 MOSFET 측정값과의 보정을 위한 정규화 인자를 구하였다[표 3]. Jarry 등[7]의 방법을 참조하여 각 X선 조사야 크기별 측정값을 구하여 시뮬레이션 결과를 선량으로 환산하는 인자를 구하였다. 실제 선량 측정 시와 동일한 상황에서 후방 산란을 고려한 흡수선량을 얻기 위해 선원에서 40 cm 거리의 PMMA 팬텀 표면에 MOSFET을 조사야 중심에 위치시킨 후 3 mA, 150 sec(450 mAs)로 15 × 15 cm2과 20 × 20 cm2의 조사야로 조정하여 조사하였다.
- PMMA 팬텀의 각 PMMA 슬라이스(2 cm 두께)사이 정중앙에 MOSFET 검출기를 삽입하여 투시촬영대 바닥으로부터 2, 4, 6, 8, 10 … 20 cm 깊이에서의 흡수선량을 측정하였다.
- 우선, 기존의 X-ray 튜브를 이용하여 MOSFET 선량계를 교정하였다. 교정을 하기 위해서, MOSFET 선량계를 전리조와 나란히 배치하고 100 kVp에 해당하는 X선에 노출시켰고 노출량을 측정하였다. 조사선량에서 흡수선량으로의 전환을 f-factor, 전리조 보정 계수(chamber correction factor), 및 온도 및 압력 보정 계수(temperature and pressure correction factor)를 고려하여 계산하였다.
- PMMA 팬텀 DICOM 파일의 아이소센터(isocenter)로부터 각각 50 cm 떨어진 거리에 선원을 배치하고, 투시촬영대는 그 구성원소가 CT의 침상과 비슷한 탄소가 주성분이므로 X선의 흡수가 거의 이루어지지 않는 다. 따라서 신체내부 선량분포 계산을 위한 시뮬레이션에서는 투시촬영대를 대체하여 CT의 침상을 투과하여 인체를 투과하는 형태로 under tube type 투시촬영대와 유사한 기하학적 구조로 모델링하였다. 또한 인체를 투과한 X선이 영상증배관(I.
- 본 연구에서는 MOSFET 선량계를 이용하여 PMMA 모의 팬텀 깊이에 따른 중심에서의 흡수선량 실측값과 Geant4 시뮬레이션 결과값을 비교하였다. 이는 Geant4 코드를 이용한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 DICOM 파일을 연동한 실제 환자의 피폭선량의 예측이 가능함을 시사한다.
- 본 연구에서는 Phillips사에서 제작된 under tube type의 Easy Diagnost Eleva Inverter R/F(Phillips, USA) 를 사용하였으며 X선 투시촬영 시 모든 촬영 조건은 수동으로 조정하여 시행하였으며 조사 조건은 [표 1]과 같다.
- 본 연구자는 Geant4에서 제공하는 example code에 근거한 DICOM 인터페이스를 시행하였으나 본 연구에 적합한 시뮬레이션을 위해 DICOM 인터페이스가 원래의 Geant4 example code에서 일부 수정 및 보완을 통해 재설계 하였다. DICOM 인터페이스는 CT 데이터를 시뮬레이션 내에서 지오메트리를 만드는 데 적절한 형식으로 변환시키는 역할을 한다.
- 실제 선량 측정 시와 동일한 상황에서 후방 산란을 고려한 흡수선량을 얻기 위해 선원에서 40 cm 거리의 PMMA 팬텀 표면에 MOSFET을 조사야 중심에 위치시킨 후 3 mA, 150 sec(450 mAs)로 15 × 15 cm2과 20 × 20 cm2의 조사야로 조정하여 조사하였다.
- 7 mm Al이다[3]. 우선, 기존의 X-ray 튜브를 이용하여 MOSFET 선량계를 교정하였다. 교정을 하기 위해서, MOSFET 선량계를 전리조와 나란히 배치하고 100 kVp에 해당하는 X선에 노출시켰고 노출량을 측정하였다.
- 교정을 하기 위해서, MOSFET 선량계를 전리조와 나란히 배치하고 100 kVp에 해당하는 X선에 노출시켰고 노출량을 측정하였다. 조사선량에서 흡수선량으로의 전환을 f-factor, 전리조 보정 계수(chamber correction factor), 및 온도 및 압력 보정 계수(temperature and pressure correction factor)를 고려하여 계산하였다.
대상 데이터
- DICOM 파일을 연동한 Geant4 시뮬레이션 선량분포 결과값과의 비교를 위해 CT 스캔과 투시촬영시의 흡수선량 측정에 사용된 모의 피폭체는 가로 × 세로 × 높이, 20 × 20 × 20 cm2 의 정육면체의 형태를 지니는 PMMA 재질로 이루어졌다[그림 1].
- PMMA 모의 팬텀을 스캔한 DICOM 파일의 x × y축 길이는 284 mm × 284 mm, 슬라이스 간격은 1.5 mm이다.
- 본 연구에 사용된 투시촬영장치의 반가층은 100 kVp에서 2.7 mm Al이다[3]. 우선, 기존의 X-ray 튜브를 이용하여 MOSFET 선량계를 교정하였다.
- 본 연구에서는 Geant4.9.3p01을 사용하였다. 선원은 점선원으로 가정하였으며, 각 방사선 조사야 크기에 따른 적합한 각도의 부채상 형태로 근사시켰다.
- 전리조 volume은 45cc이며, 1mR∼9999mR의 측정범위를 가지고 있다. 실험에 사용하기 전에 전리조는 식품의약품안전청에서 표준선질에 의해 교정을 마친 장비이며, 측정된 모든 선량은 스펙트럼의 해상도(RE)가 높은, 좁은 스펙트럼(NS, 해상도 범위:27～37)의 교정계수중 불확도가 낮은 ISO NS 80 선질에 의해 교정된 교정계수 0.808[2]을 적용하여 교정된 선량값으로 사용하였다.
- 투시촬영장치의 선량교정을 위한 전리조로는 Victoreen社의 NERO mAx(Model 8000)를 이용하였다. 전리조 volume은 45cc이며, 1mR∼9999mR의 측정범위를 가지고 있다.
이론/모형
- 몬테카를로 시뮬레이션에 사용한 입자 히스토리를 조사야 별로 각각 5×108개, 8×108개로 하였으며, 물리 모델은 광자와 전자의 물리적 수송 모델인 standard physics model을 적용하였다[5,6].
- 투시촬영에 사용되는 X선 스펙트럼은 본 연구에 사용 된 투시촬영장비의 기술정보와 IPEM-78[4]을 이용하여 설정하였다. IPEM-78은 방출 X선의 스펙트럼을 제공하는 코드로서 표적 물질로는 텅스텐(tungsten), 로듐(rhodium), 몰리브덴(molybdenum)으로서 세 가지, 관 전압 범위는 30∼150 kVp, 표적 각도 6∼22°, 필터 물질로 알루미늄(aluminum), 베릴륨(beryllium), 구리(copper), 공기(air), 뼈(bone) 등에 대한 자료를 내장하여 사용자가 해당 X선 장치의 특성에 맞춰 사용할 수 있도록 구성되어 있다.
성능/효과
- 19%로 나타나 실험에서 PMMA 팬텀내의 공기층을 줄이는 것이 중요한 부분임을 알 수 있었다. 결과에 나타난 바와 같이 PMMA 모의 팬텀의 불완전한 압착으로 인해 경계면에서 나타난 오차를 제외하면 Geant4와 DICOM 파일의 연동을 통한 몬테카를로 시뮬레이션에 의한 계산값이 잘 일치함을 알 수 있다. 환자의 선량평가에 흔히 이용되는 인형 팬텀을 활용한 방법에 따른 선량분포의 오차범위는 ±10% 정도인 것으로 보고되었다[8,9,10].
- Geant4 시뮬레이션을 통해 평가한 조사야 별 선량분포와 백분율 오차, PMMA 팬텀 내 흡수선량을 MOSFET 측정 결과와 비교하여 [그림 5,6]에 도시하였다. 대부분의 측정지점에서의 깊이선량 결과는 아주 미미하기는 하지만 MOSFET 측정결과가 높게 나타났으며, 반대로 투시 촬영대 바닥으로부터 PMMA 모의 팬텀 6, 14, 16 cm 깊이 지점에서는 Geant4 시뮬레이션 결과가 약간 높게 나타났다[그림 5,6].
- 둘째, 선량계를 통한 실측에 있어서 환자의 체내에 선량계를 직접 삽입하여 측정하는 것은 현실적으로 불가능하다. 따라서 선량계를 통한 직접적인 측정 방법을 통하지 않고도 Geant4와 DICOM 연동을 이용하여 목적장기의 흡수선량을 구할 수 있다.
- 몬테카를로 시뮬레이션 결과는 MOSFET 선량계로부터 측정된 PMMA 모의 팬텀내의 흡수선량과 Geant4 계산 결과와 비교할 때 X선 조사야 15 × 15 cm2 와 20 × 20 cm2 에서 각각 최대 9.78%와 9.69% 정도의 차이를 나타내었다.
- 즉, 복셀의 크기는 각각 약 1.11 mm × 1.11 mm × 1.5 mm 크기로 시뮬레이션의 결과 데이터를 한 슬라이스의 모든 복셀에서의 선량 값으로 출력하였다.
- 첫째, 질병의 진단과 치료뿐만이 아니라 건강증진과 생명연장을 위해 방사선의 사용빈도가 꾸준히 증가하고 있는 영상의학(진단방사선)영역에서 피검자의 피폭선량관리가 주요한 이슈로 떠오를 의료계를 넘어 사회전반으로 확대되고 있는 오늘날, 선량계를 이용한 측정값의 검증을 위한 이론값을 Geant4와 DICOM 연동을 이용한 몬테카를로 계산을 통해 구할 수 있다.
- 하지만 이는 MOSFET 선량계를 이용한 실측시와 시뮬레이션시의 PMMA 팬텀의 압착상태가 일치하지 않아 나타난 PMMA 모의 팬텀의 일부 공기층에서의 오차로서 이러한 PMMA slab의 불완전한 압착으로 인해 발생한 공기층이 존재하지 않은 부분에서는 X선 조사야 15 × 15 cm2 와 20 × 20 cm2 에서 각각 0.46 ± 4.69% 와 -0.75 ± 5.19%로 나타나 실험에서 PMMA 팬텀내의 공기층을 줄이는 것이 중요한 부분임을 알 수 있었다.
후속연구
- Geant4는 구성 프로그래밍 언어가 객체지향언어인 C++ 로 이루어져 Fortran 으로 구성된 EGS4에 비해 사용자로 하여금 프로그래밍에 있어 기능성과 모듈성, 확장성 그리고 개방성을 추구하는 Geant4가 앞으로 고에너지 영역의 방사선 치료뿐만 아니라 상대적으로 저 에너지 방사선을 이용한 진단영역에서의 환자선량평가, 방사선방호계획에 이용됨에 있어 더욱 유용하게 적용될 수 있음을 시사한다. 방사선 진단영역인 영상의학에서의 환자선량평가를 하는데 있어 결과값에 다양한 변수가 작용하여 신뢰도와 정확도가 떨어지는 TLD(Thermo－Luminescence Dosimeter)와 복잡한 인체 내부 장기 등의 해부학적 구조물을 구체적으로 재현하는데 한계가 있는 인체모형팬텀을 이용한 선량평가보다 구체적인 인체 내 선량 분포를 예측하여 의료방사선의 방사선방호계획을 수립하는데 보다 용이하고 신뢰도와 정확도 그리고 재현성을 높이는데 기여할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 Geant4와 CT 스캔 후 얻어진 DICOM 파일을 연동한 몬테카를로 시뮬레이션 값과 PMMA 팬텀내의 흡수선량을 실측한 값을 비교하여 신뢰성있는 인체내 선량분포 및 흡수선량을 획득하기 전에 저 에너지 X선영역에서의 선량평가 시 Geant4와 DICOM 연동을 통한 선량평가 정확성을 증명하고자 한다.
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