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문제 정의
- Ir 밀봉방사성선원을 MCNPX(Monte Carlo N particle extended) 코드로 계산한 상대선량과 전리함과 고체 팬텀을 이용하여 직접 측정한 상대선량을 비교하여 몬테카를로 시뮬레이션 방법의 정확성을 평가하고자 한다. 또한, 간외 담도암 관내근접방사선치료를 몬테카를로 시뮬레이션 방법에 적용하여 담도 주변에 있는 정상장기의 피폭선량을 예측함으로써, 간외 담도암의 관내근접방사선치료 요법의 기초자료를 제공하고자 한다.
- 이에 본 연구에서는 192Ir 밀봉방사성선원을 MCNPX(Monte Carlo N particle extended) 코드로 계산한 상대선량과 전리함과 고체 팬텀을 이용하여 직접 측정한 상대선량을 비교하여 몬테카를로 시뮬레이션 방법의 정확성을 평가하고자 한다. 또한, 간외 담도암 관내근접방사선치료를 몬테카를로 시뮬레이션 방법에 적용하여 담도 주변에 있는 정상장기의 피폭선량을 예측함으로써, 간외 담도암의 관내근접방사선치료 요법의 기초자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- KMIRD형 팬텀은 인체를 머리, 몸통, 다리로 구분하여 원기둥, 원뿔, 구 및 평면 등으로 구성하였으며, 2차원 수학방정식을 이용하여 3차원적인 각 장기를 표현 하였다. Z축은 다리에서 머리방향, X축은 오른쪽에서 왼쪽, Y축은 앞면에서 뒷면으로 가는 방향으로 지정하였고, 축의 치수는 센티미터(cm)를 사용하였다.
- 이러한 모델을 바탕으로 한 몬테카를로 시뮬레이션은 미국 핵무기 연구소인 LANL(Los Alamos National Laboratory)에서 개발된 MCNPX 코드를 이용하여 담도 중앙을 중심으로 선원을 상하로 각각 30 mm씩 하고, 총 60 mm를 치료하는 모델을 설정하여 선속(flux)을 계산하였다. MCNPX 코드로 계산한 값의 정확성을 평가하기 위하여 가상의 공간에 검출기를 설치하여 계산하는 F5 tally 모드를 이용하여 10 mm부터 100 mm까지 10 mm 간격으로 선속을 계산하였고, 이때 상대오차는 2% 이내였다. 그리고 선원중심으로부터 10 mm 떨어진 지점에서 계산된 선속으로 선량표준화(normalization)하여 상대 선량을 얻었다.
- MCNPX 코드로 계산한 값의 정확성을 평가하기 위하여 가상의 공간에 검출기를 설치하여 계산하는 F5 tally 모드를 이용하여 10 mm부터 100 mm까지 10 mm 간격으로 선속을 계산하였고, 이때 상대오차는 2% 이내였다. 그리고 선원중심으로부터 10 mm 떨어진 지점에서 계산된 선속으로 선량표준화(normalization)하여 상대 선량을 얻었다. 선원의 측정은 UNIDOS(PTW, Germany) 전기계에 farmer type chamber W-300060.
- 근접방사선치료는 담도에 경피적 담도 배액관 및 스텐트를 삽입 후 6 french Lumncath(Nucletron, Netherlands) 카테터를 병변에 접근시켜 192Ir 밀봉방사성선원이 카테터 내부를 이동하면서 치료를 진행하게 된다. 치료계획은 선원중심으로부터 10 mm 떨어진 지점에 선량표준화(normalization) 하였다.
- 2]. 담도 주변에 있는 췌장, 간, 우측신장, 척수, 좌측신장, 위장, 소장, 상행결장, 횡행결장, 하행결장, S상결장의 피폭선량을 평가하기 위하여 비유효에너지(Specific Effective Energy: SEE)를 산정하였고, 초기방사능을 1 Ci로 설정하여 흡수선량을 평가하였다. 선량평가자로는 광자와 전자에 의해 축적되는 에너지를 모두 계산하는 F6 tally 모드와 104히스토리를 이용하였다.
- 6 cm3 전리함을 연결하고, 고체팬텀을 이용하여 10 mm부터 100 mm까지 거리를 변화시키면서 MCNPX 코드로 계산한 지점과 같은 지점에서의 전하량(electric charge)을 5회 반복하여 측정한 후 평균값을 나타내었다. 또한, MCNPX 코드로 계산한 상대선량과 비교하기 위하여 선원중심으로부터 10 mm 떨어진 지점에서 측정된 전하량으로 선량표준화하여 상대선량으로 변환하였다[Fig. 2]. 담도 주변에 있는 췌장, 간, 우측신장, 척수, 좌측신장, 위장, 소장, 상행결장, 횡행결장, 하행결장, S상결장의 피폭선량을 평가하기 위하여 비유효에너지(Specific Effective Energy: SEE)를 산정하였고, 초기방사능을 1 Ci로 설정하여 흡수선량을 평가하였다.
- 그리고 선원중심으로부터 10 mm 떨어진 지점에서 계산된 선속으로 선량표준화(normalization)하여 상대 선량을 얻었다. 선원의 측정은 UNIDOS(PTW, Germany) 전기계에 farmer type chamber W-300060.6 cm3 전리함을 연결하고, 고체팬텀을 이용하여 10 mm부터 100 mm까지 거리를 변화시키면서 MCNPX 코드로 계산한 지점과 같은 지점에서의 전하량(electric charge)을 5회 반복하여 측정한 후 평균값을 나타내었다. 또한, MCNPX 코드로 계산한 상대선량과 비교하기 위하여 선원중심으로부터 10 mm 떨어진 지점에서 측정된 전하량으로 선량표준화하여 상대선량으로 변환하였다[Fig.
- 치료계획은 선원중심으로부터 10 mm 떨어진 지점에 선량표준화(normalization) 하였다. 이러한 모델을 바탕으로 한 몬테카를로 시뮬레이션은 미국 핵무기 연구소인 LANL(Los Alamos National Laboratory)에서 개발된 MCNPX 코드를 이용하여 담도 중앙을 중심으로 선원을 상하로 각각 30 mm씩 하고, 총 60 mm를 치료하는 모델을 설정하여 선속(flux)을 계산하였다. MCNPX 코드로 계산한 값의 정확성을 평가하기 위하여 가상의 공간에 검출기를 설치하여 계산하는 F5 tally 모드를 이용하여 10 mm부터 100 mm까지 10 mm 간격으로 선속을 계산하였고, 이때 상대오차는 2% 이내였다.
- 근접방사선치료는 담도에 경피적 담도 배액관 및 스텐트를 삽입 후 6 french Lumncath(Nucletron, Netherlands) 카테터를 병변에 접근시켜 192Ir 밀봉방사성선원이 카테터 내부를 이동하면서 치료를 진행하게 된다. 치료계획은 선원중심으로부터 10 mm 떨어진 지점에 선량표준화(normalization) 하였다. 이러한 모델을 바탕으로 한 몬테카를로 시뮬레이션은 미국 핵무기 연구소인 LANL(Los Alamos National Laboratory)에서 개발된 MCNPX 코드를 이용하여 담도 중앙을 중심으로 선원을 상하로 각각 30 mm씩 하고, 총 60 mm를 치료하는 모델을 설정하여 선속(flux)을 계산하였다.
대상 데이터
- 관내근접방사선치료용 방사성 선원은 MicroSelectron-HDR(Nucletron, Netherlands)에 장착된 192Ir 밀봉방사성선원을 모사하였다. 밀봉방사성선원의 중심은 실린더 형태의 iridium core(Ir 30%, Pt 70%)가 있고, 주변은 스테인리스로 밀봉되어 있다.
- 담도 주변에 있는 췌장, 간, 우측신장, 척수, 좌측신장, 위장, 소장, 상행결장, 횡행결장, 하행결장, S상결장의 피폭선량을 평가하기 위하여 비유효에너지(Specific Effective Energy: SEE)를 산정하였고, 초기방사능을 1 Ci로 설정하여 흡수선량을 평가하였다. 선량평가자로는 광자와 전자에 의해 축적되는 에너지를 모두 계산하는 F6 tally 모드와 104히스토리를 이용하였다.
- 수학적 팬텀은 한국 성인남성 표준인(키 171 cm, 체중 68 kg)을 기초자료로 하는 KMIRD형 팬텀을 이용하여 각 장기를 모사하였고, 담도는 지름 0.5 cm, 길이 6 cm로 하여 식 (1)과 같이 구성하였다.
이론/모형
- 국제방사선방호위원회에서는 실제 측정이 가능한 플루언스(fluence), 커마(kerma) 등의 값으로부터 등가선량 및 유효선량을 산출하기 위하여 선량환산인자(dose conversion coefficient)를 제시하였다[7]. 선량환산인자는 MIRD(Medical Internal Radiation Dose)형 인체모형 팬텀과 결합한 몬테카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션 방법을 이용하여 산출한다.
성능/효과
- 간외 담도에 192Ir 밀봉방사성선원을 6 cm로 하고, 주변장기를 표적 장기로 설정한 후 MCNPX 코드의 F6 tally 모드를 이용하여 각 장기별 비유효에너지를 도출한 결과 선원으로부터 인접한 우측신장에서 8.35E-05 MeV/g으로 가장 높았다. 그리고 간에서 2.
- MCNPX 코드로 계산한 상대선량과 전리함과 고체 팬텀을 이용하여 측정한 상대선량은 선원중심으로부터 10 mm 지점은 선량표준화를 하였기 때문에 100%로 같았다. 그리고 20 mm 지점에서부터 50 mm 지점까지는 MCNPX 코드로 계산한 상대선량이 측정한 상대선량보다 약간 높게 나타났고, 60 mm 지점에서부터 100 mm 지점까지는 측정한 상대선량이 MCNPX 코드로 계산한 상대선량보다 좀 더 높게 나타났다[Table 1]. 선원중심으로부터 같은 지점에서의 상대선량 비교에서 가장 차이가 크게 나타난 지점은 20 mm로 MCNPX 코드로 계산한 상대선량이 41.
- 94E-04 Gy/Ci로서 가장 높았다. 그리고 간에서 1.27E-04 Gy/Ci, 췌장에서 7.93E-05 Gy/Ci, 횡행결장에서 5.33E-05 Gy/Ci, 척수에서 4.11E-05 Gy/Ci, 위장에서 3.06E-05 Gy/Ci, 소장에서 2.81E-05 Gy/Ci, 좌측신장에서 2.55E-05 Gy/Ci, 비장에서 2.30E-05 Gy/Ci, 상행결장에서 2.21E-05 Gy/Ci, 하행결장에서 7.46E-06 Gy/Ci이었고, S상결장에서 1.78E-06 Gy/Ci으로 흡수선량이 가장 적게 계산되었다. 담도와 인접한 위치에 있는 우측신장, 간, 췌장, 횡행결장, 척수, 위장, 소장이 비유효에너지와 흡수선량이 비교적 높았고, 담도와의 거리가 떨어져 있는 장기들인 좌측신장, 비장, 상행 결장, 하행결장, S상결장이 비교적 낮게 평가되었다.
- 78E-06 Gy/Ci으로 흡수선량이 가장 적게 계산되었다. 담도와 인접한 위치에 있는 우측신장, 간, 췌장, 횡행결장, 척수, 위장, 소장이 비유효에너지와 흡수선량이 비교적 높았고, 담도와의 거리가 떨어져 있는 장기들인 좌측신장, 비장, 상행 결장, 하행결장, S상결장이 비교적 낮게 평가되었다.
- 몬테카를로 시뮬레이션 방법은 입자와 물질과의 상호작용을 직접 계산하여 결과를 나타내는 것으로 상대적으로 많은 계산시간이 필요하지만, 가장 정확한 선량계산 도구로 평가받고 있으며, 특히 기하학적으로 불규칙한 비균질 물질을 포함하는 경우의 선량계산에서 탁월하다[10]. 본 연구에서 직접 측정치와 비교하여 검증한 결과 MCNPX 코드로 계산한 허용오차가 2%인데[11], 측정한 상대오차가 최대 1.96%이었던 것을 고려하면 담도와 인접한 정상장기의 비유효에너지와 흡수선량 또한 신뢰할 수 있는 수준의 계산결과를 얻을 수 있었다. 하지만 몬테카를로 시뮬레이션 방법의 계산 결과가 비교적 정확하지만, 절대적인 신뢰도를 가지는 선량은 아니다.
- 그리고 20 mm 지점에서부터 50 mm 지점까지는 MCNPX 코드로 계산한 상대선량이 측정한 상대선량보다 약간 높게 나타났고, 60 mm 지점에서부터 100 mm 지점까지는 측정한 상대선량이 MCNPX 코드로 계산한 상대선량보다 좀 더 높게 나타났다[Table 1]. 선원중심으로부터 같은 지점에서의 상대선량 비교에서 가장 차이가 크게 나타난 지점은 20 mm로 MCNPX 코드로 계산한 상대선량이 41.07%, 측정한 상대선량이 39.13%로 1.96%의 차이가 있었고, 상대선량 차이가 가장 적은 지점은 50 mm로서 MCNPX 코드로 계산한 상대선량이 8.84%, 측정한 상대선량이 8.83%로 0.01%의 상대선량 차이가 나타났다. 두 가지 방법에서 상대선량 차이가 2% 이내로 나타났지만, 여기에는 측정할 때 고체팬텀의 셋업 오차도 배제할 수는 없었다.
후속연구
- 간외 담도암의 관내근접방사선치료를 몬테카를로 시뮬레이션 방법에 적용하면서 복셀의 크기를 줄여 계산 하면, 계산되는 시간은 더 걸리겠지만 좀 더 정확한 계산결과를 얻을 수 있을 것이다[20]. 또한, 몬테카를로 시뮬레이션 방법을 이용하여 정상장기의 피폭선량을 정확하게 평가함으로써 방사선을 이용한 분야에서 폭넓게 이용할 수 있을 것으로 생각한다.
- 간외 담도암의 관내근접방사선치료를 몬테카를로 시뮬레이션 방법에 적용하면서 복셀의 크기를 줄여 계산 하면, 계산되는 시간은 더 걸리겠지만 좀 더 정확한 계산결과를 얻을 수 있을 것이다[20]. 또한, 몬테카를로 시뮬레이션 방법을 이용하여 정상장기의 피폭선량을 정확하게 평가함으로써 방사선을 이용한 분야에서 폭넓게 이용할 수 있을 것으로 생각한다.
- 아직 간외 담도암에서 방사선치료 요법이 명확하게 확립되어있지 않았지만, 관내근접방사선치료를 몬테카를로 시뮬레이션 방법을 이용하여 담도와 인접한 정상 장기의 피폭선량을 예측함으로써, 안전하고 정확한 치료를 위한 기초가 될 것이다.
- 몬테카를로 시뮬레이션 방법은 입자와 물질간의 상호작용을 직접 계산하여 결과를 주는 것으로, 상대적으로 많은 계산 시간이 필요하지만 가장 정확한 선량평가 도구로 평가받고 있고, 방사선 종양학 분야에서 지난 10여 년에 걸쳐 폭넓게 이용되어 왔다. 앞으로 선량계를 통한 실제 측정이 불가능한 여러 연구에서 방사선량을 계산하는데 많은 이바지 할 것으로 생각된다.
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