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문제 정의
- 본 연구는 몬테카를로 방법을 사용하여 중성자의 선량평가를 위한 기초자료로 활용하기 위해, 10MV와 20MV를 대상으로 방사선 치료실에 관심영역을 설정하여 광핵반응에 의한 광중성자의 생성과 특성을 분석하였다.
- 본 연구에서 MCNPX 코드를 이용한 몬테카를로 시뮬레이션은 isocenter에서 광자의 스펙트럼과 광중성자의 스펙트럼 그리고 치료실내 관심영역의 스펙트럼을 평가하기 위해 사용되었다. MCNPX 프로그램의 출력연산자인 Tally Specification cards는 F1, F2, F4, F5, F6, F7, F8 총 7개로서 그 중 F5 tally의 경우 원하는 지점에 가상의 구형 디텍터를 만들어 면적(㎠)당 입사한 입자의 개수를 표현하는 tally이다.
- MCNPX 프로그램의 출력연산자인 Tally Specification cards는 F1, F2, F4, F5, F6, F7, F8 총 7개로서 그 중 F5 tally의 경우 원하는 지점에 가상의 구형 디텍터를 만들어 면적(㎠)당 입사한 입자의 개수를 표현하는 tally이다. 본 연구에서는 에너지대별로 입자수가 어떻게 형성되는지를 판단하기 위해 사용하였으며, 이를 통해 단위시간당 단위면적을 통과한 입자 개수인 flux를 산정하였다.
- 이에 본 연구에서는 MCNPX 프로그램을 이용하여 의료용 선형 가속장치의 헤드와 방사선 치료실을 모사하였다. 이를 바탕으로 광핵반응을 일으킬 수 있는 에너지를 대상으로 광자선과 광중성자의 스펙트럼을 치료실 내 관심 지점을 통해 그 특성을 분석하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 10MV와 20MV의 수치적인 비교와 중성자의 에너지 특성을 고려하여 0eV에서 1eV까지 구간을 100개로 나누어 열중성자의 에너지 스펙트럼을 측정하였고, 1eV에서 10MeV 까지 200구간으로 나누어 속중성자의 에너지 스펙트럼을 분리하여 측정하였다. 그리고 오차의 범위를 3% 이하로 하여, 실험에 대한 신뢰도를 확보하기위해 108번 반복 실험하였다. Field size는 임상에서 세기변조 방사선 치료 (IMRT) 시에 자주 사용되는 크기로서, SSD (Source to Skin Distance) 100cm인 지점에서 4 × 4 cm2 크기로 설정하였다.
- 다음 isocenter를 기준으로 거리에 따른 열중성자와 속중성자의 비율 변화를 보았다. 10MV O point에서 열중성자와 속중성자의 비율은 약 5.
- 다음으로 본 실험을 통해 초당 검출된 광자수와 중성자 수를 살펴보았다(Table 4). 먼저 isocenter에서 검출된 광자수를 보면 10MV에서는 약 2.
- 마찬가지로 isocenter로부터 우측, 좌측, 전방으로 200 cm 떨어진 지점을 각각 'D', 'E', 'F' point로 지정하였으며, 끝으로 isocenter로부터 전방으로 500 cm의 미로형 내 maze 지점에도 'M' point(좌표 500, 0)를 설정하였다.
- 본 연구를 위하여 모사한 선형가속기 헤드의 구조는 임상에서 사용되고 있는 일반적인 구성과 형태를 기초로 하여 제작하였으며, Fig. 1은 광자선 발생에 대한 치료기 헤드의 모식도이다.
- 측정된 지점에서 사용된 가상의 검출기는 반지름이 10㎝인 구를 선택했다. 본 연구에서는 10MV와 20MV의 수치적인 비교와 중성자의 에너지 특성을 고려하여 0eV에서 1eV까지 구간을 100개로 나누어 열중성자의 에너지 스펙트럼을 측정하였고, 1eV에서 10MeV 까지 200구간으로 나누어 속중성자의 에너지 스펙트럼을 분리하여 측정하였다. 그리고 오차의 범위를 3% 이하로 하여, 실험에 대한 신뢰도를 확보하기위해 108번 반복 실험하였다.
- 2는 본 연구를 진행하기 위해 모사한 방사선 치료실의 평면도이다. 사용허가 되어 사용 중인 임상의 치료실을 모델로, 설계명세를 기초로 하여 제작하였다. 방사선 치료실의 차폐를 위한 콘크리트 벽의 구성물성은 다음과 같이 구성하였다.
- 앞서 언급한 방법으로 치료실 헤드와 방사선 치료실을 모사하였다. 이후 방사선 치료실내의 광자와 중성자의 물리적인 특성을 파악하고자, 치료실내에 8 point의 관심 지역을 지정하였다.
- 이에 본 연구에서는 MCNPX 프로그램을 이용하여 의료용 선형 가속장치의 헤드와 방사선 치료실을 모사하였다. 이를 바탕으로 광핵반응을 일으킬 수 있는 에너지를 대상으로 광자선과 광중성자의 스펙트럼을 치료실 내 관심 지점을 통해 그 특성을 분석하였다.
- Field size는 임상에서 세기변조 방사선 치료 (IMRT) 시에 자주 사용되는 크기로서, SSD (Source to Skin Distance) 100cm인 지점에서 4 × 4 cm2 크기로 설정하였다. 이후 10, 20 MV의 열중성자와 속중성자의 치료실내 위치별 스펙트럼을 산출하고, 평균에너지와 검출된 광자 및 중성자의 개수를 추출하였으며, 이 가운데 속중성자와 열중성자의 비율 변화 및 특성 등을 순차적으로 분석하였다.
- 앞서 언급한 방법으로 치료실 헤드와 방사선 치료실을 모사하였다. 이후 방사선 치료실내의 광자와 중성자의 물리적인 특성을 파악하고자, 치료실내에 8 point의 관심 지역을 지정하였다. 먼저 선원을 기준으로 축 선원 거리 (Source to Axis Distance; SAD)가 100 cm인 isocenter를 'O' point(좌표 0, 0)로 설정하였다.
- 처음 단계로 Target을 통과한 후 생성된 광자의 스펙트럼을 획득한 후, 광자 에너지 10MV와 20MV에서 생성된 광중성자의 에너지 스펙트럼을 앞서 언급한 8개 point에서 측정하였다. 측정된 지점에서 사용된 가상의 검출기는 반지름이 10㎝인 구를 선택했다.
대상 데이터
- 처음 단계로 Target을 통과한 후 생성된 광자의 스펙트럼을 획득한 후, 광자 에너지 10MV와 20MV에서 생성된 광중성자의 에너지 스펙트럼을 앞서 언급한 8개 point에서 측정하였다. 측정된 지점에서 사용된 가상의 검출기는 반지름이 10㎝인 구를 선택했다. 본 연구에서는 10MV와 20MV의 수치적인 비교와 중성자의 에너지 특성을 고려하여 0eV에서 1eV까지 구간을 100개로 나누어 열중성자의 에너지 스펙트럼을 측정하였고, 1eV에서 10MeV 까지 200구간으로 나누어 속중성자의 에너지 스펙트럼을 분리하여 측정하였다.
성능/효과
- 다음 isocenter를 기준으로 거리에 따른 열중성자와 속중성자의 비율 변화를 보았다. 10MV O point에서 열중성자와 속중성자의 비율은 약 5.9% : 94.1%로 나타났는데, 이 비율은 거리가 멀어질수록 열중성자의 비율이 상대적으로 높아지다가 M point에서는 22.3% : 77.7%로 나타났다(Table 4). 열중성자가 약 4배 정도의 증가율을 보인 것이다.
- 이것은 저에너지 영역의 열중성자이기 때문에 평균에너지의 변동이 컸던 것으로 사료된다. 20MV 열 중성자의 평균에너지 결과값도 10MV와 유사하게 O point에서 약 0.256eV, M point에서 약 0.240eV를 보이며 유의한 차이를 보이지는 않았다(Table 3).
- 085 MeV의 평균에너지를 보이며 열중성자에 비해 현저하게 평균에너지가 감소됨을 알 수가 있었다(Table 2). 20MV에서는 그 차이가 더욱 뚜렷하게 나타남으로서, O point에서는 약 0.517MeV, M point에서는 약 0.094MeV의 평균에너지 값을 보였다(Table 3). 결과적으로 중성자의 평균에너지는 선원으로부터 멀어질수록 감소하지만, 열중성자에서는 그 변화가 미미하며, 속중성자에서는 감소폭이 크게 나타나고 있었다.
- D point에서 열중성자의 평균에너지는 약 0.255eV, 속중성자의 평균에너지는 약 0.233MeV로 나타났다. 초당 중성자수는 2.
- Isocenter에서 우측으로 100cm 지점인 A point에서 열중성자의 평균에너지는 약 0.243eV, 속중성자의 평균 에너지는 약 0.264MeV로 나타났다. 초당 중성자수는 1.
- Isocenter에서 우측으로 200cm 지점인 D point에서 열중성자의 평균에너지는 약 0.206eV, 속중성자의 평균에너지는 약 0.203MeV로 산출 되었다. 초당 중성자수는 1.
- Isocenter에서 전방으로 500 cm 지점인 maze 내에 위치한 M point의 열중성자 평균에너지는 약 0.246 eV로 가장 낮게 산출되었으며, 속중성자의 평균에너지도 약 0.085 MeV로 가장 낮은 값을 보였다. 초당 중성자수는 1.
- 094MeV의 평균에너지 값을 보였다(Table 3). 결과적으로 중성자의 평균에너지는 선원으로부터 멀어질수록 감소하지만, 열중성자에서는 그 변화가 미미하며, 속중성자에서는 감소폭이 크게 나타나고 있었다.
- 5%를 보였다. 결국 10 MV에서 20 MV로 에너지 증가에 따른 열중성자와 속중성자의 비율변화는 미미하였지만, 선원에서 거리가 멀어질수록 열중성자의 비율이 현저하게 높아진다는 것을 알 수 있었다. 이처럼 거리가 멀어지면서 열중성자와 속중성자의 비율의 변화가 나타난 것은, 중성자가 치료실내 차폐벽과의 산란으로 인하여 속도가 감속된 것으로 사료되며, 열중성자 보다는 속중성자에서 산란이 많이 일어나는 것으로 해석된다.
- 그 결과 중성자의 평균에너지는 선원으로부터 멀어질수록 감소하지만, 열중성자에서는 그 변화가 미미하였으며, 속중성자에서는 상대적으로 감소폭이 크게 나타났다. 또한 광중성자의 생성 개수도 선원 중심점을 기준으로 거리가 멀어질수록 감소되었으며, 10MV에서 20MV로 에너지가 높아짐에 따른 열중성자와 속중성자의 비율은 큰 차이가 없었지만, 선원 중심점으로부터 거리가 멀어질수록 열중성자의 비율이 높아지는 현상을 확인할 수 있었다.
- 9%를 차지했다. 다음으로 E point에서 열중성자의 평균에너지는 약 0.258eV, 속중성자의 평균에너지는 약 0.234MeV로 나타났다. 초당 중성자수는 2.
- 다음으로 속중성자의 평균에너지를 살펴보면 먼저 10MV의 경우, O point에서 약 0.411MeV, M point에서 약 0.085 MeV의 평균에너지를 보이며 열중성자에 비해 현저하게 평균에너지가 감소됨을 알 수가 있었다(Table 2). 20MV에서는 그 차이가 더욱 뚜렷하게 나타남으로서, O point에서는 약 0.
- 5%를 차지했다. 다음으로 좌측 200cm 지점인 E point에서 열중성자의 평균에너지는 약 0.247eV, 속중성자의 평균에너지는 약 0.215 MeV로 나타났다. 초당 중성자수는 1.
- 그 결과 중성자의 평균에너지는 선원으로부터 멀어질수록 감소하지만, 열중성자에서는 그 변화가 미미하였으며, 속중성자에서는 상대적으로 감소폭이 크게 나타났다. 또한 광중성자의 생성 개수도 선원 중심점을 기준으로 거리가 멀어질수록 감소되었으며, 10MV에서 20MV로 에너지가 높아짐에 따른 열중성자와 속중성자의 비율은 큰 차이가 없었지만, 선원 중심점으로부터 거리가 멀어질수록 열중성자의 비율이 높아지는 현상을 확인할 수 있었다.
- 마지막으로 M point에서 열중성자의 평균에너지는 약 0.240eV, 속중성자의 평균에너지는 약 0.094MeV로서 관심 영역 중 가장 낮은 값을 나타냈다. 초당 중성자수는 4.
- 먼저 10MV부터 살펴보면, isocenter 지점인 O point 에서 열중성자의 평균에너지는 약 0.254 eV, 속중성자의 평균에너지는 약 0.411MeV로 나타났다. 초당 중성자수는 1.
- 다음으로 본 실험을 통해 초당 검출된 광자수와 중성자 수를 살펴보았다(Table 4). 먼저 isocenter에서 검출된 광자수를 보면 10MV에서는 약 2.08E-03개, 20MV에서는 2.49E-03개로 큰 차이를 보이지 않았지만, 이에 비례한 중성자 개수를 비교해보면, 10MV isocenter에서 1.62E-10개, 20MV isocenter에서는 4.63E-08개를 보이며 증가폭이 약 286배의 차이를 보였다. 이는 광핵반응에 의한 광중성자의 생성이 10MV를 시작으로 큰 폭으로 증가되며, 중성자의 개수도 isocenter를 기준으로 거리가 멀어질수록 감소된다는 기존의 연구결과에 부합되는 내용이다13).
- 3-6과 같이 나타났다. 모든 스펙트럼 표에서 가장 높은 지점이 O point로 나타났으며, 가장 낮은 지점에 형성되어있는 그래프가 maze 내의 M point이며, 그 이외의 지점은 미세한 값의 차이로 인해 결과가 분별력 있게 나타나지 않았다. 다음으로 10 MV와 20MV의 열중성자와 속중성자의 평균에너지는 Table 2, 3의 결과를 보였다.
- 본 연구결과를 토대로 먼저 10MV 열중성자의 평균에너지를 살펴보면, isocenter인 O point의 평균에너지가 약 0.254eV, 가장 먼 지점인 maze내 M point의 평균에너지가 약 0.246eV 값을 보이면서 평균에너지에서는 큰 변화를 나타내지는 않았다(Table 2). 하지만 C와 D point 보다 가장 먼 M point의 평균에너지가 미세하게 적은 값을 보였다.
- 5%를 차지했다. 전방으로 100cm 지점인 C point에서 열중성자의 평균에너지는 약 0.244eV, 속중성자의 평균에너지는 약 0.266MeV로 나타났다. 초당 중성자 수는 1.
- 8%를 차지했다. 전방으로 200 cm 지점인 F point에서 열중성자의 평균에너지는 약 0.257eV, 속중성자의 평균에너지는 약 0.207MeV로 나타났다. 초당 중성 자수는 9.
- 이것은 전방에 비해 좌, 우 point가 치료실 벽면에 더 가까이 위치함으로써, 치료실 벽면과의 후방산란에 따른 영향으로 사료된다. 전체적인 연구결과로서, 에너지가 높을수록 발생되는 중성자가 많아진다는 사실과, 광자선이 일정하게 조사되어도 이에 따른 중성자의 발생은 균등하지 않다는 선행 연구의 결과를 확인할 수 있었다8).
- 207MeV로 나타났다. 초당 중성 자수는 9.06E-11 개를 보였으며, 이 가운데 열중성자의 비율은 약 9.9%, 속중성자의 비율은 약 90.1%였다.
- 266MeV로 나타났다. 초당 중성자 수는 1.21E-10 개를 보였으며, 이 가운데 열중성자의 비율은 약 7.8%, 속중성자의 비율은 약 92.2%로 나타났다.
- 215 MeV로 나타났다. 초당 중성자수는 1.09E-10 개를 보였는데, 이 가운데 열중성자의 비율은 약 8.2%, 속중성자의 비율은 약 91.8%를 차지했다. 전방으로 200 cm 지점인 F point에서 열중성자의 평균에너지는 약 0.
- 203MeV로 산출 되었다. 초당 중성자수는 1.09E-10 개를 보였으며, 이 가운데 열중성자의 비율은 약 8.5%, 속중성자의 비율은 약 91.5%를 차지했다. 다음으로 좌측 200cm 지점인 E point에서 열중성자의 평균에너지는 약 0.
- 263 MeV로 나타났다. 초당 중성자수는 1.24E-10 개를 보였으며, 이 가운데 열중성자의 비율은 약 7.5%, 속중성자의 비율은 약 92.5%를 차지했다. 전방으로 100cm 지점인 C point에서 열중성자의 평균에너지는 약 0.
- 264MeV로 나타났다. 초당 중성자수는 1.25E-10 개를 보였는데, 이 가운데 열중성자의 비율은약 7.7%, 속중성자의 비율은 약 92.3%를 차지했다. 다음 좌측으로 100cm 지점인 B point에서 열중성자의 평균에너지는 약 0.
- 085 MeV로 가장 낮은 값을 보였다. 초당 중성자수는 1.55E-11개를 보였으며, 이 가운데 열중성자의 비율은 약 22.3%, 속중성자의 비율은 약 77.7%를 차지했다.
- 411MeV로 나타났다. 초당 중성자수는 1.62E-10 개를 보였는데, 이 가운데 열중성자의 비율은 약 5.9%, 속중성자의 비율은 약 94.1%로 나타났다.
- 234MeV로 나타났다. 초당 중성자수는 2.56E-08 개였으며, 여기서 열중성자는 약 9.8%, 속중성자는 약 90.2%의 비율을 보였다.
- 234MeV로 나타났다. 초당 중성자수는 2.87E-08개를 보였으며, 이 가운데 열중성자의 비율은 약 9.0%, 속중성자는 약 91.0%를 차지했다. F point에서 열중성자의 평균에너지는 약 0.
- 233MeV로 나타났다. 초당 중성자수는 2.93E-08개를 보였으며, 이중 열중성자의 비율은 약 9.1%, 속중성자의 비율은 약 90.9%를 차지했다. 다음으로 E point에서 열중성자의 평균에너지는 약 0.
- 304MeV로 나타났다. 초당 중성자수는 3.41E-08개를 보였으며, 이 값에서 열중성자의 비율은 약 7.5%, 속중성자의 비율은 약 92.5%였다.
- 302MeV로 나타났다. 초당 중성자수는 3.43E-08 개를 보였으며, 이중 열중성자의 비율은 약 7.5%, 속중성자의 비율은 약 92.5%를 차지했다. C point에서 열중성자의 평균에너지는 약 0.
- 302MeV로 나타났다. 초당 중성자수는 3.48E-08개를 보였으며, 이 가운데 열중성자의 비율은 약 7.6%, 속중성자의 비율은 약 92.4%를 차지했다. 다음 B point에서 열중성자의 평균에너지는 약 0.
- 517MeV로 나타났다. 초당 중성자수는 4.63E-8개를 보였으며, 이 가운데 열중성자의 비율은 약 5.6%, 속중성자의 비율은 약 94.4%로 나타났다.
- 094MeV로서 관심 영역 중 가장 낮은 값을 나타냈다. 초당 중성자수는 4.72E-09 개를 보였으며, 이 가운데 열중성자는 약 21.5%, 속중성자는 약 78.5%를 보였다.
후속연구
- 의료용 선형가속장치에서 발생되는 광중성자는 광자선과 전자선에 비해서 투과력도 강하며 다중적인 산란현상도 유발됨으로, 방사선 가중치를 반영한 적극적인 관리와 함께 선량평가를 통한 이차적인 환자피폭의 영향을 반드시 고려하여야 할 것이다.
- . 이처럼 광핵반응에 수반하여 발생된 광중성자가 방사선 치료환자에게 미치는 영향에 대해서, 선량적인 측면에서의 연구들이 광중성자의 물리적 특성을 기반으로 지속적으로 이루어져야 할 것이다.
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