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문제 정의
- 본 연구는 유리선량계를 이용하여 환자를 투과한 방사선의 양을 측정한 후 이를 이용하여 환자 내부의 선량을 평가하기 위한 알고리즘을 개발하기 위한 선행 연구로써 이 연구를 통해 균질한 팬텀을 통과한 방사선의 양으로 팬텀 내부의 선량을 계산하는 알고리즘이 개발되었다. 선형가속기 갠트리 내부에서 가속된 전자가 타겟과 충돌하여 발생하는 광자선은 넓은 분포의 에너지 스펙트럼을 가지는데 이 광자선이 물질을 만나게 되면 비교적 낮은 에너지를 갖는 광자는 물질과의 반응할 확률이 높아 물질을 통과한 방사선의 에너지 분포는 최초의 선원에서 발생한 에너지 분포보다 높은 에너지의 비율이 많게 된다.
- 1(a)에 본 실험의 개요도를 나타내었다. 본 연구의 최종 목표는 Fig. 1에서 나타난 것과 같이 선형가속기(21iX Linear Accelerator, Varian Medical Systems, Inc. Palo Alto, CA, USA)를 이용한 방사선치료 시 투과선량(Transit dose)을 측정하여 팬텀 중심부의 선량을 계산하는 것이다. 팬텀 중심부의 선량을 계산하기 위한 과정으로 팬텀 하부선량 (Bottom dose)을 계산하는데 이를 위해 투과선량을 측정하여 거리역자승법칙(Inverse square law)을 적용한다.
- 1-3) 이러한 문제점들은 환자 내부에 방사선 계측장치를 직접 삽입하거나 다른 측정에 의해 환자 내부의 선량을 계산하여 선량이 얼마나 전달되었는지를 확인하는 방법으로 해결할 수 있는데 사실상 방사선 계측 장치를 인체에 직접 삽입하는 것은 불가능한 일이기 때문에 다른 측정을 통해 환자 내부의 선량을 추정해야 한다. 이를 해결하고자 해외의 연구진들이 전자포탈영상장치(Electronic Portal Imaging Device, EPID)의 신호값을 선량값으로 변환하여 환자 내부에 계측기를 삽입하는 대신 환자를 투과한 방사선의 분포를 측정하여 환자 내부에서의 선량분포를 역추정하고자 하는 연구를 실시하였다.4-8) 위의 연구 결과 세기변조방사선치료(Intensity Modulated Radiation Therapy, IMRT) 및 입체적 세기변조 방사선치료(Volumetric Modulated Arc Therapy, VMAT)를 시행할 경우 환자 내부의 선량분포를 계산할 수 있게 되었고 현재 치료 전 선량분포 검증방법으로 투과선량 측정법이 사용되고 있다.
제안 방법
- 12) 따라서 본 연구진에서는 오차를 파악하기 위해 10 cm, 20 cm, 30 cm 물등가 팬텀에 필드 크기 10 cm×10 cm, 200 MU의 방사선을 조사하여 최대선량, 중심선량, 하부선량을 측정하여 PDD를 실측하고 공식 (5)의 계산 결과와 비교하여 오차를 파악하였다.
- 이온함의 투과방사선에 대한 선질 교정을 하기 위해 IAEA (국제원자력기구, International Atomic Energy Agency)의 TRS-398 프로토콜을 참고하였다.13) 이 프로토콜의 모든 항목 측정은 선원으로부터 100 cm 거리에 위치해있는 축교점을 기준으로 실시되기 때문에 투과 방사선에 대한 선질 교정을 하기 위해서 Fig. 1(b)와 같이 기준을 투과방사선의 측정 지점인 선원으로부터 150 cm 거리로 지정하여 측정하였다. 보정 항목으로는 투과력보정 인수(Beam quality correction), 극성보정(Polarity correction), 재결합보정(Recombination effect correction), 온도ㆍ기압보정이 있다.
- Fig. 2에 제시한 교정된 이온함의 결과와 같은 조건으로 유리선량계를 이용하여 측정을 실시한 후 측정된 값을 이온함에서 측정된 결과에 맞추어 선량값으로 교정해주는 작업을 실시하였다. 그결과를 Fig.
- 1(a)의 개요도에 나타나 있는 것처럼 팬텀 하부선량과 투과선량을 계산하는 공식이고 공식 (3)은 공식 (1)에 공식 (2)를 나누어준 값으로 팬텀 하부선량은 투과선량에 거리역자승법칙과 scatter factor를 곱해준다. 계산된 하부선량에 PDD (심부 선량백분율, Percentage Depth Dose) 비율에 Mayneord F factor를 적용한 결과를 대입하여 팬텀의 중심선량을 계산한다.12)
- 본 연구진은 위의 연구와 유사하게 투과방사선을 이용하여 환자 내부 선량을 검증하는 시스템을 개발하였다. 다만 위의 연구와의 차이점은 투과방사선의 측정시 2차원 분포를 측정하지 않고 방사선 빔의 중심축 상에 있는 투과방사선만을 고려하여 투과방사선에 대한 선질 교정을 보다 정확하게 실시하였다. 이 이유는 2차원 분포를 측정하게 되면 측정하는 지점별로 선질에 대한 교정을 실시하여야 하고 이는 매우 복잡한 과정을 거쳐야하기 때문이다.
- 따라서 본 연구에서는 필드 크기별로 팬텀 하부선량과 150 cm 지점에서의 투과선량을 측정하여 거리역자승법칙 결과와 곱하여 scatter factor를 구하였다.
- 736배 정도로 측정되는 것을 확인하였다. 따라서 유리선량계로 투과 방사선량을 측정할 때 신호값을 이 비율만큼 보정하여 선량값으로 변환하였다.
- 하지만 방사선은 눈에 보이지 않아 조직에 전달되는 방사선의 양을 확인하기 쉽지 않고 산란되는 특성에 의해 주변 정상조직에 2차암을 유발할 수 있는 단점이 있다. 방사선치료의 이와 같은 단점을 보완하고 장점을 강화하기 위해 치료 이전에 치료 자세와 같은 자세를 취한 상태에서 CT 영상을 획득하고 이를 이용하여 방사선이 정상조직은 최대한 피해를 주지 않고 가능한 종양에만 에너지를 가할 수 있도록 치료계획을 수립한다. 치료계획을 수립한 후 실제 환자 치료 전 수립된 치료계획이 선형가속기로부터 정확하게 조사되는지 확인하기 위해 방사선종양학과의 의학물리학자가 치료계획에 대한 품질 관리를 실시하여 기계적인 이상 혹은 방사선량의 이상이 없는지 확인하고 환자 치료에 들어가는 경우가 대부분이다.
- 하지만 실제 환자 치료시 환자의 중심이 축교점에 있지 않고 중심에 대하여 비대칭적인 거리에 위치해 있는 경우가 대부분이기 때문에 이를 보정해줄 방법이 필요하다. 보정하기 위해 10 cm, 20 cm, 30 cm 팬텀을 이용하여 각각 중심으로부터 2 cm, 5 cm, 7 cm 간격으로 팬텀의 중심을 옮기며 상대적인 선량 비율을 측정하였다. 조사하는 방사선의 조건은 6 MV, 10 MV 에너지의 광자이며, 필드 크기는 4 cm×4 cm, 10 cm×10 cm, 20 cm×20 cm이다.
- 본 연구 결과를 검증하기 위해 10 cm, 20 cm, 30 cm 팬텀을 빔의 경로에 위치시켜놓고 10 cm×10 cm 필드 크기에 6 MV 광자를 200 MU만큼의 양을 조사시켰다.
- 본 연구진은 위의 연구와 유사하게 투과방사선을 이용하여 환자 내부 선량을 검증하는 시스템을 개발하였다. 다만 위의 연구와의 차이점은 투과방사선의 측정시 2차원 분포를 측정하지 않고 방사선 빔의 중심축 상에 있는 투과방사선만을 고려하여 투과방사선에 대한 선질 교정을 보다 정확하게 실시하였다.
- 이를 본 연구에서는 scatter factor라고 명명하였으며 공식 (1)∼공식 (4)로부터 유도되었다. 산란선에 의한 효과는 투과방사선의 측정지점과 측정지점에 서의 빌드업이 달라지면 따라서 달라지기 때문에 본 연구에서는 선원으로부터 150 cm지점 위에 물등가물질 1.5 cm 빌드업에 대한 조건에서만 모든 측정을 실시하였다. 그 결 과가 Fig.
- 63%로 비교적 낮은 편이었지만 20 cm 하부와 30 cm 하부와 같은 비교적 깊은 깊이에서는 오차가 3% 이상 발생하는 것을 확인하였다. 위와 같은 데이터를 참고하여 알고리즘을 이용하여 팬텀 내부의 선량을 계산할 때 Mayneord F factor 자체가 발생하는 오차를 교정하였다.
- 선형가속기 갠트리 내부에서 가속된 전자가 타겟과 충돌하여 발생하는 광자선은 넓은 분포의 에너지 스펙트럼을 가지는데 이 광자선이 물질을 만나게 되면 비교적 낮은 에너지를 갖는 광자는 물질과의 반응할 확률이 높아 물질을 통과한 방사선의 에너지 분포는 최초의 선원에서 발생한 에너지 분포보다 높은 에너지의 비율이 많게 된다. 이러한 방사선의 특성 때문에 본 연구진은 투과방사선에 대한 선질을 파악하기 위해 TRS-398의 이온함 보정 방법을 따와 선질을 측정하였으며 투과력보정인수가 에너지가 커질수록, 팬텀의 두께가 두꺼워질수록 작아지는 것을 확인함으로써 이 효과에 대한 선질 변화를 보정할 수 있었다.
- 5 cm 빌드업을 적용하여 팬텀의 두께에 따른 필드 크기 및 모니터 단위에 대한 신호 값 비율을 측정하였다. 이를 이온함의 결과와 비교하여 유리선량계의 신호값을 선량값으로 교정하였다.
- 보정 항목으로는 투과력보정 인수(Beam quality correction), 극성보정(Polarity correction), 재결합보정(Recombination effect correction), 온도ㆍ기압보정이 있다. 이온함의 보정을 완료한 후 선원으로부터 거리 150 cm 지점에서 물등가물질의 빌드업 1.5 cm를 적용한 후 물등가물질 팬텀의 두께에 따른 필드 크기 및 모니터 단위 (Monitor Unit, MU)에 대한 효과를 측정하였다.
- 본 연구 결과를 검증하기 위해 10 cm, 20 cm, 30 cm 팬텀을 빔의 경로에 위치시켜놓고 10 cm×10 cm 필드 크기에 6 MV 광자를 200 MU만큼의 양을 조사시켰다. 투과방사선 을 선원으로부터 150 cm 거리에서 측정하고 위의 알고리즘으로 팬텀 중심의 선량을 계산한 값과 팬텀 중심에서 유리선량계로 측정한 값을 비교 검증하였다.
- 팬텀 중심의 위치가 축교점으로부터 아래에 있을 경우 음(−)의 방향으로 나타내고 위에 있을 경우 양(＋)의 방향으로 나타내었을 때 팬텀 중심의 위치에 다른 선량 변화를 나타냈으며 모든 결과는 팬텀의 중심과 축교이 일치하는 경우의 결과를 100으로 표준화하여 상대적인 평가를 실시하였다.
- 투과방사선을 측정하는 데에 있어서 산란선의 효과는 무시할 수 없을 정도로 크다. 팬텀 하부와 투과방사선 측정부의 선량값을 이용하여 투과방사선 측정에 대한 산란선의 영향력을 측정하였다. 이를 본 연구에서는 scatter factor라고 명명하였으며 공식 (1)∼공식 (4)로부터 유도되었다.
- 팬텀의 중심이 축교점과 일치하지 않고 수직으로 위치 변경이 있을 경우 이에 대한 선량 변화를 보정해주기 위해 축교점으로부터 팬텀이 비대칭적으로 위치한 경우에 대한 선량 변화를 Fig. 5와 같이 측정하였다. 팬텀 중심의 위치가 축교점으로부터 아래에 있을 경우 음(−)의 방향으로 나타내고 위에 있을 경우 양(＋)의 방향으로 나타내었을 때 팬텀 중심의 위치에 다른 선량 변화를 나타냈으며 모든 결과는 팬텀의 중심과 축교이 일치하는 경우의 결과를 100으로 표준화하여 상대적인 평가를 실시하였다.
- 이 이유는 2차원 분포를 측정하게 되면 측정하는 지점별로 선질에 대한 교정을 실시하여야 하고 이는 매우 복잡한 과정을 거쳐야하기 때문이다. 한 지점에 대한 측정을 유리선량계를 이용함으로써 측정을 보다 간편하게 할 수 있고 규제를 위한 선량계의 조건인 규제 기관 및 평가 기관의 운반이 용이하도록 하여 환자선량을 규제하는 기관에서 각 병원의 방사선치료에 대한 규제를 강화할 수 있도록 시스템을 개발하였다.
- 환자선량 규제를 위해 사용되는 유리선량계(Radio-PhotoLuminescence Glass Dosimeters; GD-302M, Asahi Techno Glass Co., Tokyo, Japan)도 선원으로부터 거리 150 cm 지점에 위치하여 이온함과 같은 1.5 cm 빌드업을 적용하여 팬텀의 두께에 따른 필드 크기 및 모니터 단위에 대한 신호 값 비율을 측정하였다. 이를 이온함의 결과와 비교하여 유리선량계의 신호값을 선량값으로 교정하였다.
대상 데이터
- 조사하는 방사선의 조건은 6 MV, 10 MV 에너지의 광자이며, 필드 크기는 4 cm×4 cm, 10 cm×10 cm, 20 cm×20 cm이다.
이론/모형
- 따라서 투과방사선의 선량을 측정하기 위해서는 이온함(iba Dosimetry, Schwarzenbruck, Germany)의 투과방사선에 대한 선질 교정이 필요하다. 이온함의 투과방사선에 대한 선질 교정을 하기 위해 IAEA (국제원자력기구, International Atomic Energy Agency)의 TRS-398 프로토콜을 참고하였다.13) 이 프로토콜의 모든 항목 측정은 선원으로부터 100 cm 거리에 위치해있는 축교점을 기준으로 실시되기 때문에 투과 방사선에 대한 선질 교정을 하기 위해서 Fig.
- Palo Alto, CA, USA)를 이용한 방사선치료 시 투과선량(Transit dose)을 측정하여 팬텀 중심부의 선량을 계산하는 것이다. 팬텀 중심부의 선량을 계산하기 위한 과정으로 팬텀 하부선량 (Bottom dose)을 계산하는데 이를 위해 투과선량을 측정하여 거리역자승법칙(Inverse square law)을 적용한다. 이 결과에 투과선량 측정점의 산란선의 양(Ts)과 팬텀 하부선량 계산점의 산란선의 양(Ks)의 비율인 scatter factor를 적용하면 팬텀의 하부선량을 계산할 수 있다.
성능/효과
- 이는 상대적인 에너지가 커질수록 방사선의 직진성이 강해져 투과방사선 측정지점으로 산란되는 방사선의 양이 더 적어지기 때문인 것으로 예상된다. 교정된 유리선량계로 측정된 투과방사선의 선질 보정, scatter factor 보정, Mayneord F factor 보정 및 거리 역자승법칙, PDD 적용을 통해 계산된 팬텀 내부의 선량이 최대 오차 1.65%로 높은 정확도로 팬텀 내부의 선량을 계산해낼 수 있는 가능성을 확인하였다. 이 논문에서 제시된 알고리즘에 불균질 영역에 대한 보정 및 입체적 세기 변조 방사선치료 등의 복잡한 방법의 치료에 대한 연구가 추가적으로 진행된다면 현재 개발된 알고리즘이 앞으로 실제 환자 치료에 있어서 투과방사선 측정을 통해 환자 내부의 선량을 검증할 수 있는 도구로써 사용될 것으로 전망하고 있다.
- 2에 제시한 교정된 이온함의 결과와 같은 조건으로 유리선량계를 이용하여 측정을 실시한 후 측정된 값을 이온함에서 측정된 결과에 맞추어 선량값으로 교정해주는 작업을 실시하였다. 그결과를 Fig. 3에 제시하였으며 유리선량계의 신호값은 측정되어야할 신호값에 비해 평균적으로 6 MV 광자에 대해 0.824, 10 MV 광자에 대해 0.736배 정도로 측정되는 것을 확인하였다. 따라서 유리선량계로 투과 방사선량을 측정할 때 신호값을 이 비율만큼 보정하여 선량값으로 변환하였다.
- 팬텀 중심의 위치가 축교점으로부터 아래에 있을 경우 음(−)의 방향으로 나타내고 위에 있을 경우 양(＋)의 방향으로 나타내었을 때 팬텀 중심의 위치에 다른 선량 변화를 나타냈으며 모든 결과는 팬텀의 중심과 축교이 일치하는 경우의 결과를 100으로 표준화하여 상대적인 평가를 실시하였다. 모든 경우에서 팬텀의 중심이 축교점보다 더 많이 아래쪽에 위치할수록 상대적인 선량이 증가하는 것으로 나타났고 팬텀의 중심이 축교점보다 더 많이 위쪽에 위치할수록 상대적인 선량이 감소하는 것으로 나타났다. 필드 크기가 커질수록 비대칭적인 위치에 대한 영향을 더 많이 받는 것으로 나타났지만 10 MV의 경우 10 cm×10 cm 필드 크기 이상에서는 큰 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 유리선량계의 투과방사선에 대한 측정 결과 6 MV 방사선에 대해서 신호값이 선량값보다 0.824배, 10 MV 방사선에 대해서 0.736배 정도로 나타났는데 투과 방사선이 아닌 팬텀 내부에서의 선량에 대한 유리선량계의 교정값이 약 0.88정도인 것에 비해 낮게 측정되었다. 이는 상대적인 에너지가 커질수록 방사선의 직진성이 강해져 투과방사선 측정지점으로 산란되는 방사선의 양이 더 적어지기 때문인 것으로 예상된다.
- 기존에 보유하고 있는 SSD 100 cm에 대한 PDD 데이터를 각기 다른 SSD에 대하여 적용하기 위해 Mayneord F factor를 이용하지만 측정 깊이가 깊어질수록 Mayneord F factor에 오차가 생기기 위해 이에 대한 보정을 실시하기 위해 몇 가지 경우에 대한 PDD를 실측 결과를 Table 2에 나타내었다. 측정 깊이가 20 cm보다 얕은 10 cm 중심부와 하 부, 20 cm 중심부, 30 cm 중심부에서는 오차가 최대 1.63%로 비교적 낮은 편이었지만 20 cm 하부와 30 cm 하부와 같은 비교적 깊은 깊이에서는 오차가 3% 이상 발생하는 것을 확인하였다. 위와 같은 데이터를 참고하여 알고리즘을 이용하여 팬텀 내부의 선량을 계산할 때 Mayneord F factor 자체가 발생하는 오차를 교정하였다.
- Table 1에 투과방사선에 대한 이온함의 교정 결과값을 나타내었다. 투과방사선의 결과와 기존 TRS-398 결과를 비교해보면 다른 보정 인자들은 큰 차이가 없지만 투과방사선의 투과력보정인수가 기존 TRS-398의 투과력보정인수보다 낮은 것을 확인할 수 있다. 같은 에너지에서 팬텀의 두께가 두꺼워질수록 투과력보정인수가 낮아지는 것으로 나타났다.
- 2에 제시하였다. 필드 크기 및 모니터 단위가 증가할수록 투과방사선의 양이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 본 연구에서 제시한 팬텀 하부선량을 이용한 팬텀 내부 선량을 계산하는 방법으로 PDD를 이용하는 방법을 이용하기 위해선 SSD 변화에 따른 PDD 보정을 해줄 필요성이 있 다.
- 65%로 높은 정확도로 팬텀 내부의 선량을 계산해낼 수 있는 가능성을 확인하였다. 이 논문에서 제시된 알고리즘에 불균질 영역에 대한 보정 및 입체적 세기 변조 방사선치료 등의 복잡한 방법의 치료에 대한 연구가 추가적으로 진행된다면 현재 개발된 알고리즘이 앞으로 실제 환자 치료에 있어서 투과방사선 측정을 통해 환자 내부의 선량을 검증할 수 있는 도구로써 사용될 것으로 전망하고 있다.
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