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문제 정의
- 한국인에 대한 유효선량을 그 정의에 맞게 계산하기 위해서는 HDRK-Man뿐만 아니라 한국인 성인 여성을 대표할 수 있는 체적소형 모의체가 개발되어야 한다. 따라서 본 연구는 한국인 여성사체에 대한 고해상도 연속절단면 컬러해부영상을 이용하여 제작된 체적소형 모의체를 한국인 기준자료에 맞게 조정하여 기준한국인 성인여성 체적소형 모의체 HDRK-Woman (High Definition Reference Korean-Woman)을 개발하였다.
- 또한 조정 후 해당 장기의 체적소 개수를 확인하고 목표하는 기준무게와 일치하지 않을 시 반복적인 작업을 거쳐야 하기 때문에 정밀한 무게조정이 어려운 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 기존 방법이 갖는 여러 문제점들을 해결하기 위해 독자적인 장기무게 조정 프로그램을 개발하였다. C++ 프로그래밍을 통해 개발된 프로그램은 x, y, z 방향을 모두 고려하여 3차원 상에서 장기무게를 조정하고, 부피 증가 시 인접한 다른 장기를 침범하지 않고 오직 지방과 근육이 차지하는 공간으로만 늘어나며, 목표하는 장기 무게에 완벽하게 일치시킬 수 있다는 장점이 있다.
- 본 연구에서는 고해상도 연속절단면 컬러해부영상 기반의 체적소형 모의체를 기준한국인 데이터에 맞게 조정 하여 한국인 성인 여성을 대표할 수 있는 HDRK-Woman 체적소형 모의체를 개발하였다. HDRK-Woman은 고해상도 컬러해부영상을 기반으로 제작되어 CT나 MR 영상 기반의 체적소형 모의체에 비하여 장기 및 조직이 정밀하게 표현되어 있으며, 일부 조정이 불가능한 장기들을 제외한 나머지 장기 및 조직들이 한국인 기준자료에 정확하게 일치한다.
제안 방법
- 0.015-10 MeV 사이의 광자가 전 (AP), 후(PA), 좌(LLAT) 방향으로 전신에 입사하는 방사선장을 전산모사 하였으며, 초기 입자 수는 통계적 오차를 충분히 낮추기 위해서 에너지에 따라 1.0×107-1.0×108개를 사용하였다.
- 본 연구를 통해 기준한국인 성인여성 체적소형 모의체 HDRK-Woman이 최종 완성됨에 따라 남성모의체 HDRKMan과 함께 기준한국인에 대한 유효선량을 그 정의에 맞게 정확하게 계산할 수 있게 되었다. HDRK-Woman을 이용하여 전(AP), 후(PA), 좌(LLAT) 방향으로 전신에 평행하게 입사하는 0.015-10 MeV 광자에 대한 장기선량을 계산하였다. 계산시간은 케이스별로 33-167분 걸렸으며, 0.
- 4 GHz Intel CoreTM 2 Quad processor Q6600)와 4 기가바이트(giga byte) 메모리가 탑재된 개인용 컴퓨터를 사용하였다. MCNPX 코드로 계산된 장기선량을 HDRK-Man의 장기선량과 합산하여 유효선량 환산계수를 산출하였으며, 그 결과를 MIRD 모의체 및 ICRP 기준남녀 체적소형 모의체로 각각 계산된 ICRP 74 보고서[10], ICRP 110 보고서[2]의 유효선량 환산 계수와 비교하였다.
- 015 MeV를 제외한 나머지 에너지 영역에 대한 대부분의 장기선량은 5% 이내의 통계적 오차를 보였다. 계산된 HDRK-Woman의 장기선량을 남성모의체 HDRK-Man의 장기선량과 평균하여 유효선량 환산계수를 산출하였고, 그 결과를 ICRP 110 보고서[2]의 기준남녀 체적소형 모의체의 계산결과와 ICRP 74 보고서[10]에 수록된 MIRD 모의체들로 계산된 결과와 함께 비교하였다. 비교 결과, ICRP 110 기준남녀 모의체와의 차이는 0.
- 3 g․cm-3을 그대로 사용할 수 없다. 따라서 따로 분할되어 있는 적색골수의 무게(780 g, 밀도 1.01 g․cm-3[8])와 치아(34 g, 밀도 2.06 g․cm-3[8])를 제외한 뼈의 밀도를 1.347 g․cm-3으로 결정하였다. 적색 골수 및 치아를 포함한 전체 뼈 무게의 합이 7.
- 본 연구에서 개발된 프로그램을 이용한 부피의 증감은 장기의 외곽에 존재하는 경계 체적소(boundary voxel)의 ID를 3차원 상에서 추가하거나 삭제(지방의 ID로 대체)하는 방법으로 진행된다. 따라서 먼저, 경계 체적소를 찾기 위해 조정하고자 하는 장기의 체적소 주변 상, 하, 전, 후, 좌, 우, 대각선 방향의 총 26개 체적소의 ID를 확인한 후 해당 체적소와 다른 ID의 존재여부를 확인한다. 만약 주변에 다른 ID가 존재하면 해당 체적소는 경계 체적소로 판단되며 부피의 증감에 맞게 ID가 바뀌게 된다.
- 이때, 경계 체적소 레이어를 무조건 1개 층씩 증감 시키면, 목표하는 체적소 개수를 정확하게 일치시킬 수 없다. 따라서 증감시켜야 하는 체적소의 개수를 경계 체적소의 총 개수로 나누어 계산된 확률이 무작위로 선택된 0부터 1사이의 값 보다 작은 경우에만 하나씩 증감시키는 방법을 사용하였다. 또한 부피 증가 시 인접한 다른 장기를 침범하지 않고 오직 지방과 근육이 차지하는 공간으로만 늘어나도록 프로그래밍 되었다.
- 하지만 임의로 선택된 경계 체적소가 증감되면 장기의 부드러운 곡면이 거칠어지는 현상이 발생할 수 있다. 따라서 최대한 부드러운 곡면을 유지시키기 위해 곡면의 상태에 따라 증감될 경계 체적소의 우선순위를 결정하는 알고리즘을 추가하였으며, 원리는 다음과 같다. 장기 부피가 감소될 경우는 경계 체적소로부터 2칸 이내의 모든 주변 체적소 124개 중 해당 장기 ID의 개수가 기준 값 50개 이하이면 부드러운 표면에서 튀어나온 체적소이므로 우선적으로 감소시킨다(그림 5).
- 키 조정 및 뼈 무게 조정은 체적소 해상도를 변경하여 조정하였다. 먼저 조정 전 체적소형 모의체의 키(160 cm)를 한국인 기준여성의 키 161 cm로 조정하기 위해서 z축 체적소 해상도를 2.0619 mm에서 2.0747 mm로 변경하였다(그림 2).
- 컬러해부영상은 CT나 MR 영상에 비하여 장기 및 조직이 주변조직과 뚜렷하게 구분된다. 본 연구는 고해상도 컬러해부영상을 정밀하게 분할(segmentation)하여 제작된 한국인 여성 체적소형 모의체의 장기무게 및 체형을 한국인 기준자료[4]에 맞게 조정하였다. 조정 전 체적소형 모의체의 체적소 해상도는 x, y, z축 방향 순으로 1.
- 기본적으로 체적소 모의체에서 각각의 체적소는 장기별로 고유의 ID (identification number)를 갖는데, ID는 몬테칼로 코드 내에서 매질의 결정 및 선량계산결과의 저장에 사용된다. 본 연구에서 개발된 프로그램을 이용한 부피의 증감은 장기의 외곽에 존재하는 경계 체적소(boundary voxel)의 ID를 3차원 상에서 추가하거나 삭제(지방의 ID로 대체)하는 방법으로 진행된다. 따라서 먼저, 경계 체적소를 찾기 위해 조정하고자 하는 장기의 체적소 주변 상, 하, 전, 후, 좌, 우, 대각선 방향의 총 26개 체적소의 ID를 확인한 후 해당 체적소와 다른 ID의 존재여부를 확인한다.
- 즉, 기준 값은 장기의 복잡한 정도에 따라 달라진다. 본 연구에서는 부피 조정 후 해당 장기의 체적소 개수를 확인하고 목표하는 기준무게와 일치하지 않을 시 반복하는 과정 (for loop)이 10회 이내가 되는 기준 값을 장기별로 선택하여 사용하였다.
- 일반적으로 한국인 기준 자료에 제시된 무게보다 무거운 장기들은 해당 장기의 경계 체적소를 지방으로 변경함으로써 무게를 감소시켰고, 한국인 기준자료에 제시된 무게보다 가벼운 장기들은 해당 장기의 경계 체적소에 인접한 지방 또는 근육을 해당 장기로 변경함으로써 무게를 증가시켰다. 식도, 위, 소장 등과 같이 벽으로 정의된 장기의 경우, 부피를 증가시키기 위해서는 복잡한 형태 유지를 고려하여 안쪽 내용물 방향으로 증가시켰으며 부피를 감소시키기 위해서는 내용물을 포함한 전체부피를 줄여가면서 바깥쪽 체적소 레이어 1개 층으로 재정의하였다. 일부 조정이 불가능한 장기를 제외하고 모든 장기의 무게를 한국인 기준자료에 맞게 조정한 결과, 몸무게는 57.
- 앞서 개발된 프로그램을 이용하여 장기 및 조직의 무게를 한국인 기준자료[4]에 맞게 조정하는 작업을 수행하였다. 한국인 기준자료에 제시되지 않은 몇몇 장기들(식도, 방광, 혈관, 유방, 대장, 소장 등)은 아시안 기준자료[8]에 맞추어 무게를 조정하였다.
- 최종 완성된 한국인 기준여성 체적소형 모의체 HDRK-Woman을 범용 몬테칼로 코드인 MCNPX 2.5.0[9] 에 입력하여 외부에서 입사하는 광자에 대한 장기선량을 계산하였다. MCNPX 코드 사용 시 광자 선원 발생과 함께 전자를 함께 수송시켰으며, 장기선량은 *F6 tally를 사용하여 계산하였다.
- 키 조정 및 뼈 무게 조정은 체적소 해상도를 변경하여 조정하였다. 먼저 조정 전 체적소형 모의체의 키(160 cm)를 한국인 기준여성의 키 161 cm로 조정하기 위해서 z축 체적소 해상도를 2.
- 이는 HDRK-Man 개발 시 사용된 절차와 동일하다. 특별히 기존에 사용되던 장기무게 조정 방법의 반복된 절차를 간소화하고 단점을 보완하기 위하여 장기무게 조정 프로그램을 자체적으로 개발하여 사용하였다.
대상 데이터
- 0×108개를 사용하였다. 본 연구에서는 몬테칼로 전산모사를 위하여 쿼드코어 프로세서(2.4 GHz Intel CoreTM 2 Quad processor Q6600)와 4 기가바이트(giga byte) 메모리가 탑재된 개인용 컴퓨터를 사용하였다. MCNPX 코드로 계산된 장기선량을 HDRK-Man의 장기선량과 합산하여 유효선량 환산계수를 산출하였으며, 그 결과를 MIRD 모의체 및 ICRP 기준남녀 체적소형 모의체로 각각 계산된 ICRP 74 보고서[10], ICRP 110 보고서[2]의 유효선량 환산 계수와 비교하였다.
- 최근 아주대학교 해부학교실에서는 한국인 여성사체에 대한 고해상도 연속절단면 컬러해부영상*을 획득하였다. 사체는 사망 당시 연령이 26세였으며 키 160 cm, 몸무게 52.35 kg으로 한국인 성인여성의 기준(161 cm, 54 kg)에 가까운 신체크기를 갖는다. 컬러해부영상의 절단 간격은 기본적으로 0.
- 35 kg으로 한국인 성인여성의 기준(161 cm, 54 kg)에 가까운 신체크기를 갖는다. 컬러해부영상의 절단 간격은 기본적으로 0.2 mm이나 주요장기를 포함하지 않는 하반신은 부분적으로 1 mm 간격으로 절단되었으며 총 5,901장으로 제작되었다. 컬러해부영상의 해상도는 5,616×2,300 픽셀(pixels)이며 한 픽셀의 크기는 0.
데이터처리
- 0[9] 에 입력하여 외부에서 입사하는 광자에 대한 장기선량을 계산하였다. MCNPX 코드 사용 시 광자 선원 발생과 함께 전자를 함께 수송시켰으며, 장기선량은 *F6 tally를 사용하여 계산하였다. 0.
이론/모형
- 최근 한국인 성인남성을 대표할 수 있는 체적소형 모의체 HDRK-Man (High Definition Reference KoreanMan)이 개발되었다[3]. HDRK-Man은 한국인 성인 남성 사체의 고해상도 컬러해부영상을 이용하여 제작되었으며, 한국인 기준자료(Reference Korean data)[4]에 맞게 조정되었다. 한국인에 대한 유효선량을 그 정의에 맞게 계산하기 위해서는 HDRK-Man뿐만 아니라 한국인 성인 여성을 대표할 수 있는 체적소형 모의체가 개발되어야 한다.
- 전반적인 조정 절차는 Zankl 등이 ICRP의 체적소형 기준모의체 제작 시 사용했던 방법[5]에 따라 키 조정, 뼈 무게 조정, 장기무게 조정, 몸무게 조정의 순으로 진행하였다. 이는 HDRK-Man 개발 시 사용된 절차와 동일하다.
성능/효과
- 따라서 본 연구에서는 기존 방법이 갖는 여러 문제점들을 해결하기 위해 독자적인 장기무게 조정 프로그램을 개발하였다. C++ 프로그래밍을 통해 개발된 프로그램은 x, y, z 방향을 모두 고려하여 3차원 상에서 장기무게를 조정하고, 부피 증가 시 인접한 다른 장기를 침범하지 않고 오직 지방과 근육이 차지하는 공간으로만 늘어나며, 목표하는 장기 무게에 완벽하게 일치시킬 수 있다는 장점이 있다.
- 015-10 MeV 광자에 대한 장기선량을 계산하였다. 계산시간은 케이스별로 33-167분 걸렸으며, 0.015 MeV를 제외한 나머지 에너지 영역에 대한 대부분의 장기선량은 5% 이내의 통계적 오차를 보였다. 계산된 HDRK-Woman의 장기선량을 남성모의체 HDRK-Man의 장기선량과 평균하여 유효선량 환산계수를 산출하였고, 그 결과를 ICRP 110 보고서[2]의 기준남녀 체적소형 모의체의 계산결과와 ICRP 74 보고서[10]에 수록된 MIRD 모의체들로 계산된 결과와 함께 비교하였다.
- 0747 mm3)에 의해 두께가 정해지므로 한국인 기준자료에 맞게 조정하는 것이 불가능하였다. 따라서 HDRK-Woman의 피부 무게는 한국인 기준자료에 제시된 피부 무게보다 123.7% 큰 결과를 보였다. 이러한 한계는 체적소 크기가 한정됨에 따르는 체적소형 모의체가 갖는 고유의 문제로써 ICRP 110에서도 ICRP 기준 남녀 모의체의 이러한 한계점을 지적하고 있다.
- 본 연구를 통해 기준한국인 성인여성 체적소형 모의체 HDRK-Woman이 최종 완성됨에 따라 남성모의체 HDRKMan과 함께 기준한국인에 대한 유효선량을 그 정의에 맞게 정확하게 계산할 수 있게 되었다. HDRK-Woman을 이용하여 전(AP), 후(PA), 좌(LLAT) 방향으로 전신에 평행하게 입사하는 0.
- 계산된 HDRK-Woman의 장기선량을 남성모의체 HDRK-Man의 장기선량과 평균하여 유효선량 환산계수를 산출하였고, 그 결과를 ICRP 110 보고서[2]의 기준남녀 체적소형 모의체의 계산결과와 ICRP 74 보고서[10]에 수록된 MIRD 모의체들로 계산된 결과와 함께 비교하였다. 비교 결과, ICRP 110 기준남녀 모의체와의 차이는 0.015 MeV 에너지의 광자를 제외한 나머지 에너지 영역에서 AP 방향과 LLAT 방향 각각 최대 5%, 9% 이내로 큰 차이를 보이지 않았다. 그러나 PA 방향에서는 기준한국인의 유효선량이 최대 49% (0.
- 식도, 위, 소장 등과 같이 벽으로 정의된 장기의 경우, 부피를 증가시키기 위해서는 복잡한 형태 유지를 고려하여 안쪽 내용물 방향으로 증가시켰으며 부피를 감소시키기 위해서는 내용물을 포함한 전체부피를 줄여가면서 바깥쪽 체적소 레이어 1개 층으로 재정의하였다. 일부 조정이 불가능한 장기를 제외하고 모든 장기의 무게를 한국인 기준자료에 맞게 조정한 결과, 몸무게는 57.7 kg으로 한국인 성인여성 기준 몸무게 54 kg와는 다소 차이가 있었다. 따라서 주요 장기를 포함하지 않는 하반신 일부 지방을 조정하여 54 kg에 정확히 일치시켰다.
후속연구
- 이 결과는 VIP-Man (186 cm, 90 kg)의 체구가 ICRP 기준남성(176 cm, 73 kg)에 비하여 크기 때문인 것으로 분석할 수 있다. 결론적으로 본 연구에서 계산된 PA 방향에 대한 유효선량의 차이는 사체와 살아있는 사람의 차이라고 분석하기에도 무리가 있다. 따라서 향후 더욱 다양한 체적소 모의체의 선량 계산결과와 비교 분석해 볼 필요가 있다.
- HDRK-Man과 HDRK-Woman을 이용하여 계산된 유효선량은 서양인 기준의 ICRP 기준남녀 모의체로부터 계산된 결과와는 분명히 구별된다. 따라서 본 연구에서 개발된 HDRK-Woman은 HDRK-Man과 함께 장기 및 조직 등가선량, 유효선량, SAF, AF 등 한국인 고유의 방사선 방호량을 계산하는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 본 연구를 통해 개발된 장기무게 조정 프로그램은 x, y, z 방향을 모두 고려하여 3차원 상에서 장기무게를 조정하고, 부피 증가 시 인접한 다른 장기를 침범하지 않고 오직 지방과 근육이 차지하는 공간으로만 늘어나며, 목표하는 장기무게에 완벽하게 일치시킬 수 있다는 장점이 있어 향후 다른 체적소형 모의체의 개발에도 유용하게 활용될 수 있다.
- 결론적으로 본 연구에서 계산된 PA 방향에 대한 유효선량의 차이는 사체와 살아있는 사람의 차이라고 분석하기에도 무리가 있다. 따라서 향후 더욱 다양한 체적소 모의체의 선량 계산결과와 비교 분석해 볼 필요가 있다.
- 따라서 본 연구에서 개발된 HDRK-Woman은 HDRK-Man과 함께 장기 및 조직 등가선량, 유효선량, SAF, AF 등 한국인 고유의 방사선 방호량을 계산하는데 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한 본 연구를 통해 개발된 장기무게 조정 프로그램은 x, y, z 방향을 모두 고려하여 3차원 상에서 장기무게를 조정하고, 부피 증가 시 인접한 다른 장기를 침범하지 않고 오직 지방과 근육이 차지하는 공간으로만 늘어나며, 목표하는 장기무게에 완벽하게 일치시킬 수 있다는 장점이 있어 향후 다른 체적소형 모의체의 개발에도 유용하게 활용될 수 있다.
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