최근 의료 분야에서의 불필요한 피폭을 체계적으로 관리해야 한다는 사회적 요구 증가와 더불어 차폐의 중요성이 대두되고 있는 실정이다. 하지만 현재 상용화된 제품은 다양한 의료방사선 분야보다 세분되어 있지 않다. 이에 본 연구에서는 최적화된 차폐재의 구조를 몬테카를로 시뮬레이션을 활용하여 제시하고자 하였다. 모의 추정 결과, 유방촬영 에너지(30 kVp) 스펙트럼에 대하여 단일 차폐재의 경우 $30{\mu}mPb$, 2 mmAl에서 90% 이상의 차폐율을 확인하였고, 이중차폐 구조에서는 0.03 mmPb와 1 mmAl의 설계 시 효율적인 것으로 판단되었다. 또한, 일반촬영 에너지(80 kVp) 스펙트럼에 대해서는 $340{\mu}mPb$, 30 mmAl에서 90% 이상의 차폐율을 확인하였으며, 이중차폐 구조에서는 0.3 mmPb와 1 mmAl의 설계가 유용할 것으로 사료된다. 이러한 결과는 향후 피폭저감을 위한 맞춤형 상용화 제품 개발에 대한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
최근 의료 분야에서의 불필요한 피폭을 체계적으로 관리해야 한다는 사회적 요구 증가와 더불어 차폐의 중요성이 대두되고 있는 실정이다. 하지만 현재 상용화된 제품은 다양한 의료방사선 분야보다 세분되어 있지 않다. 이에 본 연구에서는 최적화된 차폐재의 구조를 몬테카를로 시뮬레이션을 활용하여 제시하고자 하였다. 모의 추정 결과, 유방촬영 에너지(30 kVp) 스펙트럼에 대하여 단일 차폐재의 경우 $30{\mu}mPb$, 2 mmAl에서 90% 이상의 차폐율을 확인하였고, 이중차폐 구조에서는 0.03 mmPb와 1 mmAl의 설계 시 효율적인 것으로 판단되었다. 또한, 일반촬영 에너지(80 kVp) 스펙트럼에 대해서는 $340{\mu}mPb$, 30 mmAl에서 90% 이상의 차폐율을 확인하였으며, 이중차폐 구조에서는 0.3 mmPb와 1 mmAl의 설계가 유용할 것으로 사료된다. 이러한 결과는 향후 피폭저감을 위한 맞춤형 상용화 제품 개발에 대한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
The fact is that in addition to an increase in social needs that must be managed systematically unnecessary exposure in the field of medical Recent important that the shield has emerged. However, products that are now in practical use, are not subdivided as compared to various medical radiology. The...
The fact is that in addition to an increase in social needs that must be managed systematically unnecessary exposure in the field of medical Recent important that the shield has emerged. However, products that are now in practical use, are not subdivided as compared to various medical radiology. Therefore, in the present study, we tried to present with the help of Monte Carlo simulation the structure of the shielding material that has been optimized. Simulated estimation result, the energy of the mammography for (30 kVp) spectrum, check the shielding rate of 90% or more $30{\mu}mPb$, at 2 mmAl case of shielding material of a single, at design time of 1 mmAl and 0.03 mmPb a double shield structure it is determined that more efficient. Also, check the blocking rate of 90% or more $340{\mu}mPb$, at 30 mmAl energy captured general in (80 kVp) spectra, it is considered that a double shield structure, design 1 mmAl and 0.3 mmPb is useful. These results, be used as basic material for the development of commercialization customized products for dose reduction is expected.
The fact is that in addition to an increase in social needs that must be managed systematically unnecessary exposure in the field of medical Recent important that the shield has emerged. However, products that are now in practical use, are not subdivided as compared to various medical radiology. Therefore, in the present study, we tried to present with the help of Monte Carlo simulation the structure of the shielding material that has been optimized. Simulated estimation result, the energy of the mammography for (30 kVp) spectrum, check the shielding rate of 90% or more $30{\mu}mPb$, at 2 mmAl case of shielding material of a single, at design time of 1 mmAl and 0.03 mmPb a double shield structure it is determined that more efficient. Also, check the blocking rate of 90% or more $340{\mu}mPb$, at 30 mmAl energy captured general in (80 kVp) spectra, it is considered that a double shield structure, design 1 mmAl and 0.3 mmPb is useful. These results, be used as basic material for the development of commercialization customized products for dose reduction is expected.
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문제 정의
하지만 현재 상용화된 제품은 다양한 의료방사선 분야에 맞추어 세분되어 있지 않고 인식 또한 미흡한 실정이다. 이에 본 연구에서는 활용 빈도가 급증된 진단용 X-ray 및 유방촬영장치 분야의 차폐재로 이용되는 납 및 알루미늄과 X-ray 광자와의 상호작용을 모의 추정함으로써 최적화된 차폐재의 구조를 제시하고자 하였다.
제안 방법
끝으로, Tally specification card는 결과의 표현법을 규정하는 코드로 본 연구에서는 중성자 및 광자 그리고 전자에 대한 표면 전류로 결과를 표현하여 주는 F1 Tally를 이용하여 X-ray의 한 표면에 입사하는 광자가 반대쪽 표면을 통과할 확률을 추정하였다. 50,000개의 Source particle들이 진단 영역의 연속 X-ray 스펙트럼과 같은 확률로 샘플링 하였다.
Source particle type을 정의하는 PAR(Particle)는 광자에 해당하는 PAR 2를 이용하였다. 끝으로, Tally specification card는 결과의 표현법을 규정하는 코드로 본 연구에서는 중성자 및 광자 그리고 전자에 대한 표면 전류로 결과를 표현하여 주는 F1 Tally를 이용하여 X-ray의 한 표면에 입사하는 광자가 반대쪽 표면을 통과할 확률을 추정하였다. 50,000개의 Source particle들이 진단 영역의 연속 X-ray 스펙트럼과 같은 확률로 샘플링 하였다.
다층 차폐재의 가능성을 제시하기 위하여 Pb의 경우 유방 촬영 에너지 영역에서는 30 μm, 일반촬영 에너지 영역에서는 340 μm으로 설정하였고, Al는 유방촬영 에너지 영역에서는 2 mm까지 모의 추정하였고, 일반촬영 에너지 영역에서는 30 mm까지 모의 추정하였다.
다층 차폐재의 구성 물질은 Pb와 Al을 활용하였고, 설계는 Pb의 특성 X-ray를 차폐하기 위하여 Pb 하단에 Al을 구현하였다. 차폐재의 면적은 2 cm × 2 cm으로 고정하였고, Pb의 두께는 차폐율 모의 추정 결과 90%로 나타나는 두께를 기준으로 입력하였고, Al의 경우 단일 차폐재에서의 90% 되는 두께까지 모의 추정하였다.
또한 Cell과 Surface parameter card에서는 광자에 대한 Important를 “1”로 하여 추적(tracking)을 지속하였으며, 차폐재 외부 빈 공간에서는 광자를 막기 위해 Important를 “0”으로 구현하였다.
또한, 차폐재의 두께에 따른 차폐율을 조사하기 위하여 유방촬영용 에너지 스펙트럼에서 Pb의 경우 30 μm, Al의 경우 5 mm까지 입력하였고, 일반촬영용 에너지 스펙트럼에서 Pb은 500 μm, Al은 50 mm까지 모의 추정하였다.
본 연구에서는 모의 추정을 통해 임의의 x에 대한 I 를 추정하여 ΔI를 계산하여 결과를 비교하였다.
1은 모의 추정에 이용하기 위하여 이용된 스펙트럼의 분포를 나타내었다. 소스 입자의 샘플링은 SUR(Surface)를 이용하여 직육면체 차폐재의 표면에서 X-ray 광자들을 정의하였다. Source particle type을 정의하는 PAR(Particle)는 광자에 해당하는 PAR 2를 이용하였다.
이러한 연속 에너지를 가지는 광자의 흡수 확률을 에너지 별로 구분하여 적분함으로써 차폐율을 도출하였다.
진단 영역의 X-ray 광자 중 입사한 광자가 물질과 상호작용 하여 통과한 광자들의 에너지 스펙트럼을 얻기 위해 Mode P를 이용하여 X-ray 광자의 Transport를 정의하였다. 또한 Cell과 Surface parameter card에서는 광자에 대한 Important를 “1”로 하여 추적(tracking)을 지속하였으며, 차폐재 외부 빈 공간에서는 광자를 막기 위해 Important를 “0”으로 구현하였다.
대상 데이터
소스 입자의 샘플링은 SUR(Surface)를 이용하여 직육면체 차폐재의 표면에서 X-ray 광자들을 정의하였다. Source particle type을 정의하는 PAR(Particle)는 광자에 해당하는 PAR 2를 이용하였다. 끝으로, Tally specification card는 결과의 표현법을 규정하는 코드로 본 연구에서는 중성자 및 광자 그리고 전자에 대한 표면 전류로 결과를 표현하여 주는 F1 Tally를 이용하여 X-ray의 한 표면에 입사하는 광자가 반대쪽 표면을 통과할 확률을 추정하였다.
본 연구에서 모의 추정에 이용된 ERG(Energy)는 진단 유방촬영용 X-ray 발생장치의 저지체(Target) 재질로 이용되는 몰리브덴(Mo)과 일반촬영용 X-ray 발생장치의 Target 재질로 이용되는 텅스텐(W)에서 발생하는 연속 X-ray 광자의 에너지 분포 데이터 중 유방촬영의 경우 30 kVp, 일반촬영의 경우 80 kVp에 대한 선원 정보(Source information; SI) 및 선원 확률(Source probability; SP)로 히스토그램을 정의하였다. 일반촬영용 X-ray는 맥동률 13%, 2.5 mmAl으로 여과된 에너지 스펙트럼을 Source data로 이용하였다. Fig.
차폐재 종류는 일반적으로 방호용으로 이용되고 있는 납 (Pb)과 부가필터로 이용되고 있는 알루미늄(Al)을 활용하였고, 밀도는 Pb의 경우 11.34 g/cm3, Al의 경우 2.7 g/cm3을 기준으로 구현하였다. 또한, 차폐재의 두께에 따른 차폐율을 조사하기 위하여 유방촬영용 에너지 스펙트럼에서 Pb의 경우 30 μm, Al의 경우 5 mm까지 입력하였고, 일반촬영용 에너지 스펙트럼에서 Pb은 500 μm, Al은 50 mm까지 모의 추정하였다.
이론/모형
본 연구에서는 전 세계적으로 검증된 방사선 수송 모의 코드인 MCNP (Los Alamos National Laboratory, USA, Ver. X) 코드를 이용하였고, Data card는 Mode, Cell and Surface parameters, Source specification, Tally specification, Material specification, Problem cutoffs로 구성하였다[11].
성능/효과
모의 추정 결과, Fig. 2 (a)에서와 같이 Pb 차폐재는 전 에너지 영역에서 비슷한 차폐 효과를 보였으며, Pb와 광자와의 상호작용 결과로 12.5 keV에서 날카로운 특성 X-ray 광자가 생성되어 투과되는 것을 알 수 있었다. 반면, Fig.
(a)에서와 같이 일반촬영에 이용되는 연속 X-ray 에너지에 대해 Pb의 경우 50 µm 두께에서 고에너지에 비해 40 keV 이하에서 상대적으로 높은 차폐율을 나타냈으며, 300 µm 이상의 두께에서 고에너지에 대한 차폐 효과가 있는 것을 알 수 있었다.
(b)에서와 같이 Al 차폐재는 300 μm 이하의 두께에서 17 keV 이하의 에너지 대역에서 상대적으로 높은 차폐 효과가 나타났다.
그뿐만 아니라 일반촬영용 에너지 대역에서 설계된 1 mmAl 의 구조를 활용 시 전부 제거 가능한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 향후 맞춤형 제품 개발의 가능성을 확인 할 수 있는 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
4 (a)에서와 같이 일반촬영에 이용되는 연속 X-ray 에너지에 대해 Pb의 경우 50 µm 두께에서 고에너지에 비해 40 keV 이하에서 상대적으로 높은 차폐율을 나타냈으며, 300 µm 이상의 두께에서 고에너지에 대한 차폐 효과가 있는 것을 알 수 있었다. 또한 Pb 차폐재의 경우 광자와의 상호작용 결과로 12.5 keV에서 날카로운 특성 X-ray 광자가 생성되어 투과되는 것을 알 수 있었다. 반면, Fig.
7%, 91%의 차폐율을 보였다. 또한, 차폐재의 두께증가에 따른 차폐율은 지수증가 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
모의 추정 결과, Al을 이용한 다층 구조 형성 시 Pb 차폐재와 X-ray 광자의 상호작용으로 발생하는 특성 X-ray를 충분히 제거할 수 있는 것으로 나타났다. Fig.
본 연구에서 유방촬영 에너지(30 kVp) 스펙트럼에 대해 Pb의 경우 X-ray와의 상호작용 결과로 12.5 keV의 특성 X-ray가 발생하여 차폐재를 투과하였으며, 30 μm의 두께에서 91.7%의 차폐율을 가졌다.
반면, Al은 300 μm 정도의 두께에서 17 keV 이하의 저에너지 영역에 대한 상대적인 높은 차폐 효과를 보였다. 이러한 결과를 바탕으로 피폭저감을 위한 이중 차폐의 구조를 설계하여 모의 추정한 결과 0.03 mmPb에 의해서 발생하는 12.5 keV 특성 X-ray를 1 mmAl의 알루미늄이 약 98.6%p으로 감소 시키는 것으로 확인되었고, 2 mmAl의 경우 완전 차폐가 가능한 것으로 파악되었다. 그러므로 0.
8%의 차폐율을 가졌으며, Al에 대해 5 mm 정도의 두께에서 20 keV 이하의 저에너지를 모두 흡수하였다. 이를 바탕으로 다층 차폐재의 구조를 설계하여 모의 추정한 결과 0.3 mmPb에 의해서 발생하는 12.5 keV 특성 X-ray를 1 mmAl의 알루미늄이 완전 차폐가 가능한 것으로 파악되었으므로 0.3 mmPb 및 1 mmAl 구조로 설계된 이중차폐 구조는 차폐재로 유용할 것으로 사료된다.
후속연구
향후 연구에서는 본 연구에서 설계된 이중차폐 구조를 바탕으로 방사선장에서의 실제 차폐율을 확인함으로써 맞춤형 차폐재 개발 시 최적화된 두께를 선정할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 모의 추정 결과를 바탕으로 설계된 이중차폐 구조에 대한 유용성에 대한 검증을 통하여 차폐 설계 시 기초 자료로 활용 할 수 있을 것으로 사료된다.
그뿐만 아니라 일반촬영용 에너지 대역에서 설계된 1 mmAl 의 구조를 활용 시 전부 제거 가능한 것으로 나타났다. 이러한 결과는 향후 맞춤형 제품 개발의 가능성을 확인 할 수 있는 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
이에 본 연구에서는 활용 빈도가 급증된 진단용 X-ray 및 유방촬영장치 분야의 차폐재로 이용되는 납 및 알루미늄과 X-ray 광자와의 상호작용을 모의 추정함으로써 최적화된 차폐재의 구조를 제시하고자 하였으며, 이는 향후 방사선작업종사자의 피폭저감을 위한 맞춤형 제품 개발에 대한 기초자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
향후 연구에서는 본 연구에서 설계된 이중차폐 구조를 바탕으로 방사선장에서의 실제 차폐율을 확인함으로써 맞춤형 차폐재 개발 시 최적화된 두께를 선정할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 모의 추정 결과를 바탕으로 설계된 이중차폐 구조에 대한 유용성에 대한 검증을 통하여 차폐 설계 시 기초 자료로 활용 할 수 있을 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
X-ray에서 발생되는 방사선 차폐를 위해 현재 어떠한 물질을 사용하고 있는가?
X-ray 활용 빈도의 증가는 직업피폭 및 환자피폭의 증가를 초래할 수 있으므로 차폐의 중요성이 높아지고 있다. 현재 많이 활용되는 차폐 물질은 가공성 및 차폐율이 우수한 납을 사용하고 있으나[10], 상용화된 제품의 종류가 다양한 의료방사선 분야에 맞추어 세분되어 있지 않고 인식 또한 미흡한 실정이다.
X-ray 활용 빈도의 증가는 무엇을 초래할 수 있는가?
X-ray 활용 빈도의 증가는 직업피폭 및 환자피폭의 증가를 초래할 수 있으므로 차폐의 중요성이 높아지고 있다. 현재 많이 활용되는 차폐 물질은 가공성 및 차폐율이 우수한 납을 사용하고 있으나[10], 상용화된 제품의 종류가 다양한 의료방사선 분야에 맞추어 세분되어 있지 않고 인식 또한 미흡한 실정이다.
진단용 X-ray 발생기의 활용 빈도는?
5%p 설치가 증가한 현 시점에서 진단용 X-ray 장치에 대한 체계 적인 관리에 대한 사회적 요구의 증가되고 있다[8-9]. 진단용 X-ray 장치 중 진단용 X-ray 발생기는 약 107.2%p으로 활용 빈도가 가장 크게 증가하였고, 유방촬영장치의 경우 약 20.8%p으로 두 번째로 크게 증가하였으며, 치과진단용 엑스선 발생장치가 약 12.
참고문헌 (11)
Kyo-Tae Kim, Ye-Ji Heo, Jung-Wook Shin, et al, "A Study on the Improvement of Evaluation Methods and Standards for Simulation evaluation of Computed Tomography", The Korean Society of Radiology, Vol 7, No 5, pp. 339-345, 2013
Ye-Ji Heo, Kyo-Tae Kim, Si-Cheul Noh, et al, "A Base Study on the Constancy Quality Control Test and Clause of Diagnosis Radiation Equipment", The Korean Society of Radiology, Vol 8, No 3, pp. 105-110, 2014
IAEA Safety Series No.115 : "International Basic Safety Standards for Protection against Ionizing Radiation and for the Safety of Radiation Sources", Vienna, 1996
ICRP Publication 103: Recommendations of the Inter-national Commission on Radiological Protection, Oxford, 2007
"Patient Dose Reference Levels Guidelines of General Radiology", Korea Food & Drug Administration, Radiation safety management series, No. 30, 2012
Kyo-Tae Kim, Sang-Sik Kang, Si-Cheul Noh, et al, "Absorbed Spectrum Comparison of Lead and Tungsten in Continuous X-ray Energy using Monte Carlo Simulation", The Korean Society of Radiology, Vol 6, No 6, pp. 483-487, 2012
Pyong-Kon Cho, Joon-Hyup Lee, Yoon-Sik Kim, et al, "A Study on measurement of scattery ray of Computed Tomography", Korean Society of Radiological Science, Vol 26, No 3, pp. 37-42, 2003
Chan-Wook Kim, "A Study for Partial Dose to Evaluate the Exposure Dose of Major Organ in Mammography", The Graduate School International University of Korea, 2013
Hyung-Soo Kim, Seung-Youl Lee, Jung-Eun Lee, et al, "Study for the appropriate management of the diagnostic radiological devices", radiation safety division, 2013
Seon-Chil Kim, Kyo-Tae Kim, Ji-Koon Park, "Barkum compounds through Monte Carlo simulation compare the performance of medical radiation shielding analysis", The Korean Society of Radiology, Vol 7, No 6, pp. 403-408, 2013
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