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문제 정의
- 본 연구에서는 MCNPX를 사용하여 중성자 연구의 선행 자료로서 활용하기 위해, 실제 임상에서 이용되고 있는 연속 스펙트럼을 갖는 광자선에 대하여 에너지대 별로 분석을 함으로써, 평균에너지 산출 및 치료 장치 헤드 구성물질인 텅스텐과 광핵반응을 일으킬 수 있는 7.41 MeV 이상의 에너지를 가지는 광자 수에 대하여 분석하였다. 그 결과 8 MV를 시작으로 24 MV 에서는 전체 검출 광자수에 비해 0.
- 이에 본 연구에서는 MCNPX를 사용하여 중성자 연구의 선행자료로서 활용하기 위해, 실제 임상에서 상용되는 6~24 MV 영역의 광자선에 대한 에너지 스펙트럼을 추출하였다. 그리고 연속 스펙트럼을 갖는 광자선에 대하여 에너지대 별로 분석을 함으로써, 평균 에너지와 실제 광핵반응을 일으킬 수 있는 7.
제안 방법
- 1차적으로 타깃에 부딪혀 광자선을 생성시키게 되는 전자선의 경우 본 연구에서는 빔의 기준이 되는 중심축에 대한 에너지 스펙트럼과 방출 광자 개수 등을 다루기 때문에 단일에너지를 사용하였으며, 전자선 빔의 반경은 1 cm로 설정하였다. 또한 입사 전자선의 개수를 한 개로 설정함으로써, 전자 한 개가 입사하였을 때 치료기 헤드를 구성하는 여러 물질들과의 상호작용에 의해서 생성된 광자수를 추출하였다.
- 이후 전자선의 에너지 6 MeV에서 24 MeV 까지 2 MeV 간격으로 실험 대상의 총 10가지의 에너지에 대하여 광자의 에너지 스펙트럼을 측정하였다. Tally Specification cards는 F5 Tally를 사용하여 에너지대별 초당 광자의 수를 구하여 에너지 스펙트럼을 측정하였다. 세부적으로 F5 Tallys는 가상의 point 또는 ring 형태의 디텍터를 만들어 flux를 측정함으로써 단위는 particles/cm2로 나타내어진다.
- 이에 본 연구에서는 MCNPX를 사용하여 중성자 연구의 선행자료로서 활용하기 위해, 실제 임상에서 상용되는 6~24 MV 영역의 광자선에 대한 에너지 스펙트럼을 추출하였다. 그리고 연속 스펙트럼을 갖는 광자선에 대하여 에너지대 별로 분석을 함으로써, 평균 에너지와 실제 광핵반응을 일으킬 수 있는 7.41 MeV 이상의 에너지를 가지는 광자 수에 대하여 조사하였다.
- 다음 단계로 획득한 스펙트럼을 분석하여 평균 에너지를 산출하였으며, 텅스텐을 기준으로 광핵 반응 임계 에너지인 7.41 MeV 이상의 에너지를 가지는 광자의 개수를 조사하였다.
- 1차적으로 타깃에 부딪혀 광자선을 생성시키게 되는 전자선의 경우 본 연구에서는 빔의 기준이 되는 중심축에 대한 에너지 스펙트럼과 방출 광자 개수 등을 다루기 때문에 단일에너지를 사용하였으며, 전자선 빔의 반경은 1 cm로 설정하였다. 또한 입사 전자선의 개수를 한 개로 설정함으로써, 전자 한 개가 입사하였을 때 치료기 헤드를 구성하는 여러 물질들과의 상호작용에 의해서 생성된 광자수를 추출하였다. 이상의 조건으로 치료기 헤드를 설정하였으며 전반적으로 본 실험에 부합되는 형태로 독자적인 모델을 모사하였다.
- 본 연구에서 사용된 선형가속기는 임상에서 주로 상용되는 일반적인 구성과 형태를 기초로 하여 모사하였으며, 광자선 모드에 대한 치료기 헤드의 모사구조는 Fig. 1과 같다.
- 또한 입사 전자선의 개수를 한 개로 설정함으로써, 전자 한 개가 입사하였을 때 치료기 헤드를 구성하는 여러 물질들과의 상호작용에 의해서 생성된 광자수를 추출하였다. 이상의 조건으로 치료기 헤드를 설정하였으며 전반적으로 본 실험에 부합되는 형태로 독자적인 모델을 모사하였다.
- 타깃을 통과한 후 생성된 광자의 에너지대별 스펙트럼을 획득하기 위해서, 전자가 타깃을 지난 후 바로 아래 1 cm 지점에 반지름이 1 cm인 가상의 검출기를 위치시켰다. 이후 전자선의 에너지 6 MeV에서 24 MeV 까지 2 MeV 간격으로 실험 대상의 총 10가지의 에너지에 대하여 광자의 에너지 스펙트럼을 측정하였다. Tally Specification cards는 F5 Tally를 사용하여 에너지대별 초당 광자의 수를 구하여 에너지 스펙트럼을 측정하였다.
- 5 cm, 반경을 3 cm로 설정하였으며 구리로 구성되었다. 이후 조사야를 결정해주는 secondary collimator (JAWS)는 텅스텐으로 이루어지며 밀도는 19.4 g/cm3이고, 두께는 7.8 cm로 모사하였다. MLC도 텅스텐으로 구성되며 두께는 6.
- 타깃을 통과한 후 생성된 광자의 에너지대별 스펙트럼을 획득하기 위해서, 전자가 타깃을 지난 후 바로 아래 1 cm 지점에 반지름이 1 cm인 가상의 검출기를 위치시켰다. 이후 전자선의 에너지 6 MeV에서 24 MeV 까지 2 MeV 간격으로 실험 대상의 총 10가지의 에너지에 대하여 광자의 에너지 스펙트럼을 측정하였다.
대상 데이터
- Target의 경우 텅스텐과 구리의 합금으로서 두께 0.8 cm, 반경 2 cm으로 설정하였다. 세부적으로 가속관을 통과한 전자선이 제동복사에 의해 광자가 형성되는 텅스텐(W)은 밀도 19.
- 43%로 구성되었다. 제동복사 과정에서 발생되는 고열의 분산을 위한 구리(Cu)는 밀도를 8.94 g/cm3로 하였으며, 63Cu 69.15%, 65Cu 30.85%로 구성을 하였다. 다음으로 primary collimator의 두께는 5 cm, 높이는 12 cm로 가운데가 뚫려있는 원기둥 형태로 모사하였으며, 텅스텐으로 이루어져 있다.
성능/효과
- 22 MeV로 18 MV에 비해 조금 낮게 나타났다(Table 1). 0.5~0.7 MeV 구간에서 높은 광자수를 보였으며, 광핵 반응을 일으킬 수 있는 초당 광자 수는 약 0.0000083654 개로 나타났다(Table 2). 마찬가지로 백분율로 나타내면 약 0.
- 12 MV 광자선의 평균 에너지는 약 1.18 MeV로 산출되었으며(Table 1), 높은 광자수를 보인 곳은 0.5~0.6 MeV 에너지 구간이었다. 광핵 반응을 일으킬 수 있는 초당 광자 개수는 약 0.
- 18 MV의 평균에너지는 약 1.24 MeV로 산출되었으며(Table 1), 0.5~0.7 MeV 구간에서 높은 광자수를 보였다. 광핵 반응을 일으킬 수 있는 초당 광자 수는 약 0.
- 8 MV 광자선의 평균 에너지는 약 1.05 MeV로 산출되었으며(Table 1), 에너지 분포는 0.4~0.6 MeV 구간에서 높은 광자수를 보였다. 광핵 반응을 일으킬 수 있는 초당 광자 개수는 약 0.
- 6 MeV 에너지 구간이었다. 광핵 반응을 일으킬 수 있는 초당 광자 개수는 약 0.0000018146 개로 산출되었으며(Table 2), 이 값은 12 MV 전체에서 검출된 광자 개수에 대해서 약 0.10%로 나타났다.
- 7 MeV 구간에서 높은 광자수를 보였다. 광핵 반응을 일으킬 수 있는 초당 광자 개수는 약 0.0000096149 개로 나타났으며(Table 2), 16 MV 전체에서 검출된 광자 개수에 대해서 백분율로 나타내면 약 0.22%를 차지한다.
- 7 MeV 구간에서 높은 광자수를 보였다. 광핵 반응을 일으킬 수 있는 초당 광자 수는 약 0.0000151704 개로 나타났다(Table 2). 전체에서 검출된 광자 개수에 대한 백분율은 약 0.
- 41 MeV 이상의 에너지를 가지는 광자 수에 대하여 분석하였다. 그 결과 8 MV를 시작으로 24 MV 에서는 전체 검출 광자수에 비해 0.59%의 비율로서 광핵 반응을 일으킬 수 있는 광자수가 증가함을 알 수 있었다.
- 다음 22 MV의 평균 에너지는 약 1.31 MeV로 산출되었으며(Table 1), 에너지 분포는 0.6~0.7 MeV 구간에서 높은 광자수를 보였다. 광핵 반응을 일으킬 수 있는 초당 광자 수는 약 0.
- 다음으로 16 MV를 살펴보면 평균 에너지는 약 1.25 MeV로 산출되었으며(Table 1), 에너지 분포는 0.4~0.7 MeV 구간에서 높은 광자수를 보였다. 광핵 반응을 일으킬 수 있는 초당 광자 개수는 약 0.
- 또한 실험대상의 전체 에너지대에서 광핵 반응을 일으킬 수 있는 광자 개수를 전체 검출 광자 수에 대해 백분율로 나타낸 결과는 0%에서 약 0.59%로 나타났는데, 이것은 광자선의 흡수선량에서 중성자가 약 0.5% 정도 기여한다는 일반적인 연구결과와 상응하는 결과이다[2]. 하지만 이렇게 계수된 광자가 반드시 광중성자로 변환되는 것은 아니다.
- 마지막으로 24 MV 광자선의 평균 에너지는 약 1.41 MeV로 산출되었으며(Table 1), 0.6~0.7 MeV 구간에서 높은 광자수를 보였다. 광핵 반응을 일으킬 수 있는 초당 광자 수는 약 0.
- 본 연구에서 6 MV에서 24 MV의 평균에너지를 살펴보면 약 0.95 MeV에서 1.31 MeV의 결과값을 보였다. 먼저 6 MV 광자에 대해 GEANT4 시뮬레이터를 이용한 타 논문의 경우에는 6 MV 광자의 평균에너지가 약 1.
- 12 MeV로 나타났다(Table 1). 에너지 분포는 0.4~0.6 MeV 구간에서 높은 광자수를 보였으며, 광핵 반응을 일으킬 수 있는 초당 광자 개수는 약 0.0000006219 개로 나타났다(Table 2). 이 값은 10 MV의 전체 검출 광자 개수에서 약 0.
- 21 MeV로 산출되었다(Table 1). 이중 0.5~0.7 MeV 구간에서 높은 광자수를 보였으며, 광핵 반응을 일으킬 수 있는 초당 광자 개수는 약 0.0000045638 개로 나타났다(Table 2). 이 값은 14 MV 전체 검출 광자 개수에서 약 0.
- 0000151704 개로 나타났다(Table 2). 전체에서 검출된 광자 개수에 대한 백분율은 약 0.59%로 가장 높게 나타났다.
후속연구
- 하지만 이렇게 계수된 광자가 반드시 광중성자로 변환되는 것은 아니다. 그러므로 이에 대한 더 정확한 측정을 위해서는 광자 에너지에 따른 중성자 스펙트럼 분석과 함께 반응 단면적과 중성자 발생 확률 등을 고려한 연구가 필요할 것이며, 더 나아가 중성자는 광자에 비해 산란현상이 높으므로 치료실 차폐벽면과의 상호작용을 더욱 고려하여야 할 것이다. 따라서 방사선 치료실 전체에 대한 전산모사를 통한 추후 실험이 이어져야 할 것이다[13].
- 고 에너지의 방사선 치료로 인한 광중성자의 생성은 방사선 치료 빔을 오염시키는 주요한 원인이다. 이에 본 연구를 토대로 광중성자 발생에 관한 연구와 함께 환자의 피폭 선량 산정 및 방사선 치료실의 차폐에 대한 지속적인 연구가 필요할 것이다.
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