선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구는 6 MeV 에너지에서 표면 위에 직접 차폐물을 놓았을 경우 알루미늄(Z=13), 구리(Z=29), 그리고 납(Z=82) 등의 다양한 원자번호 물질에 대한 차폐면과 조사면의 산란정도를 비교 분석하여 임상에서의 물질별 유용성 정도를 알아보고자 하였다. 이에 따른 연구결과로 조사면의 심부선량 증가율을 보면 동일 두께에서는 원자번호 증가에 따른 산란전자의 수는 증가하였으나, 전하 감약률 95% 두께에서는 저 원자번호 물질에서보다 많은 산란전자가 발생 되었다.
- 본 연구는 원자번호가 다른 물질에 대한 산란 정도를 알아보고자 각각의 차폐물질을 동일한 두께로 실험하였다. 이는 산란 전자 및 광자가 표적 물질의 원자번호 뿐만이 아닌 두께에도 영향을 받을 수 있기 때문이었다[4].
- 본 연구는 차폐물질 원자번호와 산란전자 발생률의 연관성과 심부선량 변화율에 미치는 영향을 알아보고 물질별 유용성을 비교 분석하고자 하였다. Prasad SG 등[6]의 연구에 의하면 각각의 물질들은 그 고유의 성질 때문에 다양한 선량변화율을 보이고 있음을 발표했다.
- 그 결과 산란전자 및 광자는 조사된 물질 원자번호 및 두께에 비례하여 발생된다고 보고된 바 있다. 이러한 연구는 치료부위 주변 정상조직 및 장기 보호에 초점을 둔 것으로 차폐 부위에 대한 차폐물 산란선의 영향을 연구하였다. 또한 기존의 연구는 저 원자번호 물질의 두께에 대한 환자의 불쾌감과 고 원자번호 물질의 독성으로 뚜렷한 평가를 보여주지는 않았다.
- 이에 본 연구는 6 MeV 에너지 안에서 전자선 차폐물질로 이용 가능한 저 원자번호 물질인 알루미늄(Z=13), 중간 물질인 구리(Z=29), 그리고 고 원자번호 물질인 납(Z=82)등[6]의 다양한 원자번호에 대한 전자 및 광자의 산란정도를 측정과 계산으로 비교 분석하여, 임상에서의 물질별 유용성 정도를 알아보고자 하였다.
- Gafchromic EBT2 필름은 1 ∼ 800 cGy 이하의 낮은 선량범위에서 사용 가능하여 기존의 Radiochromic 필름 보다 감도가 높고 에너지 의존성이 적어 광자 또는 고 에너지 전자선의 선량측정에 이용됐다[13][14]. 이에 산란전자에 의한 미세한 심부선량 증가율을 알아보기에 적합하므로 본 연구에서 선택하였다.
제안 방법
- 5×5cm2 필름은 고 에너지 전자선 에너지가 25 MeV인 경우 차폐물 경계에서의 심부선량증가율이 127% 인 점을 고려하여[9] 각각 10, 30, 50, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 200 MU를 조사하였다.
- Gafchromic EBT2 film 측정과 몬테칼로 전산모사 방법인 MCNPX 코드계산에 사용된 장비의 신뢰성을 확인하고자 Gafchromic EBT2 film 선량-광학 농도의 선형성 입증과 이온 전리함 측정값에 따른 MCNPX 코드 계산 값의 깊이선량률(Percentage Depth Dose; PDD) 일치성을 확인 하였다. 그 결과 3차 함수 피팅에 따른 선형성과 Chow 등[28]와 Karlsson 등[29]이 제시한 깊이선량률 ± 2% 이하, R50과 Rp의 ±1 mm 이내 등으로 계산 신뢰성을 입증하였다.
- 다음으로 몬테칼로 시뮬레이션을 이용하여 전하 감약률 95% 되는 차폐물질 가장자리 종축선상을 기준으로 선속 조사면 1.0 mm 이격 지점의 광자 속, 전자 속 그리고 축적 에너지를 계산한 값으로 크게 물질종류와 깊이에 따른 변화율로 나눠 [Table 1]에 제시하였다.
- 다음으로 차폐물 사용에 따른 심부선량변화량을 알기 위해 Barouky JE등[16]의 연구방법을 수정하여 실험하였다. 수정된 연구방법은 25×25cm2 폴리스티렌 팬텀을 수직으로 세운 후 알루미늄, 구리, 그리고 납 등의 가장자리를 중심선속에 위치시켜 심부선량 등선량 곡선을 측정하였다.
- 먼저 Gafchromic EBT2 필름의 선량-광학농도 선형성 보정을 위한 필름교정은 Sankar A등[15]의 연구방법을 참조 수정하여 5×5cm2 작은 조각 14장과 10×10cm2 큰 조각 1장으로 잘랐다.
- 물질별 심부선량증가율은 전하 감약율 95% 되는 차폐물을 각각 구현한 후 조사야 10×10cm2 범위 안에 횡축면 1/2까지 위치하도록 모사 하였다.
- 방사선 조사 조건은 의료용 선형가속기에서 발생한 6 MeV 전자선을 25×25cm2 폴리스티렌 팬텀에 조사야 10×10cm2, 표적-표면 간 거리 100cm으로 하였으며 전자선 최대선량지점인 1.3cm 깊이에 필름을 놓고 조사하였다.
- 수정된 연구방법은 25×25cm2 폴리스티렌 팬텀을 수직으로 세운 후 알루미늄, 구리, 그리고 납 등의 가장자리를 중심선속에 위치시켜 심부선량 등선량 곡선을 측정하였다.
- 실험은 6 MeV 에너지의 전자선속 중심선상에 평행평판형 전리함을 25×25cm2 폴리스티렌 팬텀중심에 끼워 넣은 후 표적-표면 간 거리(Source surface distance: SSD) 100cm, 조사야(Field size: FS) 10×10cm2로 조정하였다.
- 의료용 선형가속기에서 발생한 6 MeV 에너지 전자선을 표적-표면 간격 100cm, 기준 조사야 10×10cm2의 조사 조건으로 두께 1 mm, 지름 20 mm 창을 가진 평행평판형 전리함(Exradin P11)을 25 × 25cm2 폴리스티렌(Polysty- rene) 팬텀 표면에 고르게 하여 끼워 넣은 후 중심선속에 위치시켜 PDD를 측정하였다.
- Prasad SG 등[6]의 연구에 의하면 각각의 물질들은 그 고유의 성질 때문에 다양한 선량변화율을 보이고 있음을 발표했다. 이에 각 물질의 원자번호 및 두께에 대한 특성을 알아보고자 다양한 두께에서의 물질별 특성을 표면과 최대선량깊이에서 측정하였다.
- 선형가속기의 제한된 구조 모사에 대한 정확성을 확인하기 위해 몇몇 연구자들은 이온 전리함으로 측정하여 선형가속기 두부의 부분적 모사에 따른 오차를 보정하여 계산하였다[25][27]. 이에 본 연구에서도 평행평판형 전리함으로 깊이선량률(Percentage Depth Dose: PDD)를 측정하여 비교하였다. 의료용 선형가속기에서 발생한 6 MeV 에너지 전자선을 표적-표면 간격 100cm, 기준 조사야 10×10cm2의 조사 조건으로 두께 1 mm, 지름 20 mm 창을 가진 평행평판형 전리함(Exradin P11)을 25 × 25cm2 폴리스티렌(Polysty- rene) 팬텀 표면에 고르게 하여 끼워 넣은 후 중심선속에 위치시켜 PDD를 측정하였다.
- 이는 제조사의 정보 한계성에 따른 것으로 대부분의 연구자는 관심 분야에 따른 주요부분만 묘사하여 계산하였다[21][24][25]. 이에 본 연구의 선형가속기 헤드 구형은 Zanini A등[26]의 기록을 참조하고 전자선 모드에 맞게 고려하여 1차 콜리메이터(Primary collimator), 산란박(Scattering foil), 2차 콜리메이터(Secondary collimator) 그리고 치료용 콘(Applicator)을 모델화 하였으며 [그림 2]과 같은 형태를 가진다. 구성 물질은 1차 콜리메이트와 2차 콜리메이트는 텅스텐, 산란박은 탄탈륨과 알루미늄 합성물질, 그리고 치료용 콘은 아연 및 저 용융 합금물질로 이루어져 있다.
- 5cm 원기둥으로 폴리스티렌 팬텀과 같은 플라스틱으로 이루어져 있다. 이온 수집기 위치는 차폐물질 가장자리 종축선상을 중심으로 차폐물이 없는 바깥면 위치에서 표면으로부터 최대선량 90%되는 구간과 최대선량 90 %이상 최대 선량 100% 구간으로 하였다. 출력 연산자는 *F6 tally로 축적 에너지(Energy deposition: ED)와 F4 tally로 광자 속(Photon flux: PF), 전자 속(Electron flux: EF)를 계산하였다.
- 조사되어진 모든 필름의 흑화도는 방사선 조사 후 안전한 조건이 되는 24시간 이후에[18][19] Epson Perfection V700 Photo Scanner로 분석하여 필름의 교정인자 및 등선량곡선을 구하였다.
- 조사조건은 표적-표면 간 거리 100cm에서 기준조사야인 10×10cm2에 6 MeV 전자선을 이용하여 100 cGy 조사하였다.
- 하지만 이온 전리함의 결과에서는 Pohlit W 등[8]의 연구와 다소 다른 결과를 보였다. 즉 산란선의 영향을 받은 심부 선량증가율이 100% 이상이 되지 않았으며, 이에 공간 분해능이 뛰어난 Gafchromic EBT2 film과 몬테칼로 전산모사 방법인 MCNPX 코드를 이용한 계산으로 심부선량 변화율을 세밀하게 확인하였다.
- 필름 흑화도는 필름교정 실험을 3차 방정식으로 피팅(Fitting)하여 선량-광학 농도 선형성을 입증하였다. 측정결과 필름의 흡수선량이 증가함에 따른 교정 인자가 비례하게 증가함을 확인할 수 있었다[그림 5].
대상 데이터
- 계산의 통계적 오차 3% 이하로 하기 위해 히스토리는 1×107개를 사용하였다.
- 이온전리함 선량평가는 한 지점을 측정하는 것으로 공간 분해능이 낮아 적은 산란 변화량을 알아보기에는 다소 어려움이 있다[11]. 이에 높은 공간 분해능과 낮은 분광학적 변화의 특징으로 선량변화량을 2차원적 곡선으로 나타낼 수 있는 Radiochromic 필름[12]중 하나인 Gafchromic EBT2 필름을 사용하였다.
- 실험은 6 MeV 에너지의 전자선속 중심선상에 평행평판형 전리함을 25×25cm2 폴리스티렌 팬텀중심에 끼워 넣은 후 표적-표면 간 거리(Source surface distance: SSD) 100cm, 조사야(Field size: FS) 10×10cm2로 조정하였다. 차폐물질은 원자번호가 다른 알루미늄, 구리, 납판 각각을 팬텀 표면에 2.0 mm, 4.0 mm, 6.0 mm 두께별로 올려놓았다. 이때 측정 위치는 차폐물 가장자리 선상을 중심으로 선속 조사면으로 1.
데이터처리
- 모의계산은 평행평판형 전리함(Exradin- P11)의 표면창-수집기 간격이 2.0 mm인 점을 고려 MCNPX 코드로 모사하고 출력 연산자*F6 tally와 3×106개 히스토리로 계산하여 측정치와 비교하였다.
- 0 mm 이격 시켜 위치시켰다[그림 1]. 측정값은 Prasad SG 등[7]의 실험을 참조하여 100 cGy를 6회 조사 평균값으로 하였다.
이론/모형
- 하지만 몬테칼로 계산은 물질에서 발생되어지는 사건을 수학적으로 풀어나감으로 범위 제한이 없으며, 입자 형태의 분리 계산이 가능 하여 측정으로 어려운 부분을 해결할 수 있어 방사선량 측정에 사용된다[20][21]. 본 계산에서는 LANL (Los Alamos National Laboratory)에서 광자-중성자-전자를 연계 수송해석 할 수 있는 2.5.0 버전의 MCNPX(Monte-Carlo N Particle eXtended) 코드[22]를 사용하였다. MCNPX는 포트란 프로그램어를 사용하여 광자, 전자, 중성자, 그리고 양자를 포함한 34개의 입자를 수송하는 계산이 가능하며, 윈도(Window )운영체계로 개인용 컴퓨터에서도 실행이 가능한 특징이 있다[11][23].
성능/효과
- 즉 측정위치 및 형태에 따른 결과라 사료된다. MCNPX 코드를 이용하여 축적에너지 변화량을 분석한 결과를 보면 물질에서 많이 방출되는 광자 플럭스보다 가장 적게 방출되는 전자 플럭스에 비례적으로 감소함을 알 수 있었으며, 이에 선량변화요인이 Sathiyan 등[35]이 제시한 제동복사보다 산란전자에 있음을 확인하였다.
- 본 깊이에서는 측정치와 다소 상이하게 고 원자번호 물질에서 저 원자 번호 물질보다 선량증가율이 높음을 보여주었다. 결과적으로 깊이가 커질수록 차폐물질에서 발생하여지는 산란전자 및 광자의 영향보다는 측정되는 위치에서의 산란전자 및 광자 영향을 많이 받고 있음을 시사하였다.
- 그 결과 3차 함수 피팅에 따른 선형성과 Chow 등[28]와 Karlsson 등[29]이 제시한 깊이선량률 ± 2% 이하, R50과 Rp의 ±1 mm 이내 등으로 계산 신뢰성을 입증하였다.
- 다음은 조사야 10×10cm2 에서 차폐물질 가장자리 선상을 기준으로 조사면 방향에 따른 알루미늄, 구리, 납 물질별 선량변화율은 최대선량 90%되는 0.6cm 구간 에서 최대 +19.70%, +15.20%, +12.40%, 최대선량 100%되는 1.3cm 구간에서 최대 +11.40%, +10.00%, +5.20%로 원자번호가 증가함에 따라 동일 지점의 선량 증가율이 작아짐을 볼 수 있었다[그림 6][그림 7].
- 더불어 최대선량깊이에서 두께가 얇은 경우 알루미늄이 납 보다 더 높은 선량 증가율을 보였으며, 제동복사의 영향을 받는“domination point”구간부터는 납이 알루미늄보다 높은 선량증가율을 보여 제동복사에 대한 영향력을 확인할 수 있었다.
- 이러한 결과는 전하 감약률 95% 두께에 대한 물질별 차폐두께의 차이로 두께증가에 따른 산란선 증가의 영향을 받은 것을 알 수 있었다. 또한, 발생되어지는 입자의 산란영향 분석을 통해 에너지 변화가 광자보다 전자에 비례적으로 반응하는 것을 알 수 있었다. 즉 선량증가의 영향인자로 산란 전자가 많은 기여를 하고 있음을 알 수 있었다.
- 먼저 몬테칼로 시뮬레이션의 선형가속기 두부 부분적 모사에 따른 오차를 보정하여 계산 값의 신뢰성을 평가 하기 위해 평행평판형 전리함의 PDD와 비교한 결과 6mm 구간의 4.2%를 제외한 대부분이 ±2% 이내를 보여 주고 있었다[그림 8].
- 00%를 보였다. 본 결과에서 측정치와 유사한 선량증가율로 저 원자번호 물질이고 원자번호 물질보다 산란전자 및 광자 발생이 다소 많음을 보여 주었다. 다음으로 최대선량 90 % ~ 최대선량 구간의 계산 값을 보면 광자 속 +22.
- 70%를 보였다. 본 깊이에서는 측정치와 다소 상이하게 고 원자번호 물질에서 저 원자 번호 물질보다 선량증가율이 높음을 보여주었다. 결과적으로 깊이가 커질수록 차폐물질에서 발생하여지는 산란전자 및 광자의 영향보다는 측정되는 위치에서의 산란전자 및 광자 영향을 많이 받고 있음을 시사하였다.
- 본 연구결과 표면 ～ 최대선량 90% 구간의 Gafchromic EBT2 film 측정과 MCNPX 코드 계산에서 모든 물질이 선량 증가율을 보였으며, 저 원자번호 보다 고 원자번호 물질에서 선량증가가 다소 적게 나타났다. 즉 산란전자 및 광자 발생비율이 고 원자번호 물질보다 저 원자번호 물질에서 더 높음을 보여 주었다.
- 다음으로 최대선량깊이에서의 물질별 두께에 대한 측정결과는 다음과 같다. 알루미늄, 구리, 납판의 두께별 상대 이온량은 각각 2 mm에서 100.23%, 99.78%, 99.72%, 4 mm에서 99.87%, 99.70%, 99.80%, 6 mm에서 99.78%, 99.80%, 99.83%로 두께 증가에 따른 선량변화율은 알루미늄의 경우 감소세를 보였으나 구리와 납은 4 mm를 중심으로 감소 후 증가세를 보였다. 동일 두께의 원자번호 차이에 따른 선량 변화율은 4 mm를 중심으로 두께가 증가함에 따라 고 원자번호에서 증가하였다[그림 4].
- 표면에서의 물질별 두께에 대한 측정결과는 다음과 같다. 알루미늄, 구리, 납판의 두께별 상대 이온량은 각각 2 mm에서 100.82%, 101.22%, 101.25%, 4 mm에서 101.19%, 101.31%, 101.70%, 6 mm에서 101.70%, 101.76%, 101.92%로 원자번호가 커질수록 두께가 두꺼워 질수록 모두 증가율을 보였다[그림 3].
- 이에 따른 연구결과로 조사면의 심부선량 증가율을 보면 동일 두께에서는 원자번호 증가에 따른 산란전자의 수는 증가하였으나, 전하 감약률 95% 두께에서는 저 원자번호 물질에서보다 많은 산란전자가 발생 되었다. 이러한 결과는 전하 감약률 95% 두께에 대한 물질별 차폐두께의 차이로 두께증가에 따른 산란선 증가의 영향을 받은 것을 알 수 있었다. 또한, 발생되어지는 입자의 산란영향 분석을 통해 에너지 변화가 광자보다 전자에 비례적으로 반응하는 것을 알 수 있었다.
- 즉 차폐물질이 물질별 전하 감약율 95%로 조정하려 함에 따라 저 원자번호 물질은 두꺼워지며 고 원자번호 물질은 상대적으로 얇아질 수밖에 없었다. 이에 두꺼운 저 원자번호 물질에서 많은 산란전자가 방출되어 높은 선량증가율을 보이고 있음을 실험을 통하여 알 수 있었으며, 연구결과에서 고 원자번호 물질보다 저 원자번호 물질에서 표면 선량 증가율이 높아짐을 확인할 수 있었다.
- 본 연구는 6 MeV 에너지에서 표면 위에 직접 차폐물을 놓았을 경우 알루미늄(Z=13), 구리(Z=29), 그리고 납(Z=82) 등의 다양한 원자번호 물질에 대한 차폐면과 조사면의 산란정도를 비교 분석하여 임상에서의 물질별 유용성 정도를 알아보고자 하였다. 이에 따른 연구결과로 조사면의 심부선량 증가율을 보면 동일 두께에서는 원자번호 증가에 따른 산란전자의 수는 증가하였으나, 전하 감약률 95% 두께에서는 저 원자번호 물질에서보다 많은 산란전자가 발생 되었다. 이러한 결과는 전하 감약률 95% 두께에 대한 물질별 차폐두께의 차이로 두께증가에 따른 산란선 증가의 영향을 받은 것을 알 수 있었다.
- 전하 감약률 95% 되는 두께에 대한 Gafchromic EBT2 film을 이용한 알루미늄, 구리, 그리고 납의 심부 선량증가율은 차폐물이 없는 선속 조사면 위치에서 최대선량 90% 되는 0.6cm, 최대 선량 100% 되는 1.3cm 구간 모두 선량 증가를 보였으나 그 증가율은 저 원자 번로 물질이 고 원자번호 물질보다 높았다.
- 전하 감약률 95% 되는 두께에 대한 MCNPX 코드를 이용한 계산을 보면 산란전자 및 광자 증가율은 표면 ~ 최대선량 90% 구간에서 고 원자번호 물질일수록 최대선량 90% ~ 최대선량 100% 구간에서 저 원자번호물질로 갈수록 감소하였으며, 축적에너지는 전자 플럭스에 비례하게 증가하였다.
- 본 연구결과 표면 ～ 최대선량 90% 구간의 Gafchromic EBT2 film 측정과 MCNPX 코드 계산에서 모든 물질이 선량 증가율을 보였으며, 저 원자번호 보다 고 원자번호 물질에서 선량증가가 다소 적게 나타났다. 즉 산란전자 및 광자 발생비율이 고 원자번호 물질보다 저 원자번호 물질에서 더 높음을 보여 주었다. 이는 기존 연구에서 보고된 원자번호와 산란계수 비례성[30], 제동복사 발생의 원자번호 제곱 비례성[31]과 다른 결과를 보여주었다.
- 필름 흑화도는 필름교정 실험을 3차 방정식으로 피팅(Fitting)하여 선량-광학 농도 선형성을 입증하였다. 측정결과 필름의 흡수선량이 증가함에 따른 교정 인자가 비례하게 증가함을 확인할 수 있었다[그림 5]. 특히 본 연구의 관심 선량범위인 100 ∼ 200 cGy에서 우수한 선형성을 보여 주었다.
- 특히 본 연구의 관심 선량범위인 100 ∼ 200 cGy에서 우수한 선형성을 보여 주었다.
후속연구
- 이에 임상적인 면에서의 차폐물은 두께가 얇으며, 두께영향 산란선이 적게 방출되는 고 원자번호의 납 물질이 적당하다고 사료된다. 또한, 차폐물질 사용에 따른 방사선 조사면 경계영역 선량분포 및 깊이에 따른 선량분포 측정에 세밀한 주의가 필요할 것으로 사료된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.