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문제 정의
- 그러나 현재 임상에서 사용되는 의료용 선형가속기는 전자 가속 원리와 광자 발생 메카니즘으로 인해 광 중성자의 생성을 근본적으로 차단시킬 수는 없으며, 또한 암 치료에 직접 사용되는 광자선과 전자선에 비해,광중성자의 연구와 관리는 미흡한 것이 사실이다. 이에 본 연구는 방사선 치료실 환경에서 광중성자의 선량적특성을 평가함으로써, 의도치 않게 받게 되는 환자의 피폭선량과 선형가속기 및 방사선 치료실의 차폐 관련 연구에 기초자료를 제시하고자 한다. 본문에서는 몬테카를로 방식의 MCNPX를 사용하여 8, 10, 12, 14, 16,18, 20, 22, 24 MV에 의해 생성된 광중성자의 치료실내위치별 선량분포를 산출하였으며, ICRP 60과 103 권고의 방사선 가중치를 적용하여 등가선량을 비교 분석하였다.
제안 방법
- 광자선 에너지의 증가에 따른 광중성자의 구역별 선량분포를 산출하기 위해 치료실 내에 9개의 관심 point를 설정하였다. 먼저 선원을 기준으로 선원-축 거리(source to axis distance)가 100 cm인 isocenter를 ‘O' point로 설정한 후, O point를 기준으로 우측으로 100cm 이격된 지점을 ’A' point, 좌측으로 100 cm 이격된지점을 ‘B' point, 전방으로 100 cm 이격된 지점을 'C' point로 설정하였다.
- 다음으로 isocenter로부터 우측, 좌측, 전방으로 200 cm 떨어진 지점을 각각 ’D', ‘E', 'F' point로 지정하였으며, isocenter로부터 전방으로 500cm의 미로형 내 maze 지점에도 ’M' point를 설정하였으며, 치료실 문 밖에 'X' point를 추가하여 실험을 진행하였다[그림 2].
- 먼저 선원을 기준으로 선원-축 거리(source to axis distance)가 100 cm인 isocenter를 ‘O' point로 설정한 후, O point를 기준으로 우측으로 100cm 이격된 지점을 ’A' point, 좌측으로 100 cm 이격된지점을 ‘B' point, 전방으로 100 cm 이격된 지점을 'C' point로 설정하였다.
- 이전 연구에서 타깃을 통과한 후 생성된 광자의 스펙트럼을 획득한 후, 광핵 반응이 나타나지 않은 6 MV를 제외한 8 MV∼24 MV 영역에서 생성된 중성자의 flux와 에너지 스펙트럼 분포를, 치료실내 관심영역 8개 point에서 측정하였다[11]. 본 실험에서는 F8 tally를 사용하여 관심지점에서 중성자에 의해 받은 에너지를 MeV 단위로 나타내었다. 이 결과를 바탕으로 흡수선량을 환산하여 분석하였으며, 중성자의 에너지 스펙트럼을 토대로 ICRP 60과 ICRP 103의 권고사항에 명시되어있는 중성자의 방사선 가중치를 적용하여[표 2][표3], 개별 등가선량을 비교하였다.
- [그림 1]은 광자선 발생에 대한 선형가속기 헤드의 모식도이다. 본 연구를 위해 임상에서 상용되고 있는 선형가속기의 구성과 형태를 바탕으로 전산모사하였다.
- 이에 본 연구는 방사선 치료실 환경에서 광중성자의 선량적특성을 평가함으로써, 의도치 않게 받게 되는 환자의 피폭선량과 선형가속기 및 방사선 치료실의 차폐 관련 연구에 기초자료를 제시하고자 한다. 본문에서는 몬테카를로 방식의 MCNPX를 사용하여 8, 10, 12, 14, 16,18, 20, 22, 24 MV에 의해 생성된 광중성자의 치료실내위치별 선량분포를 산출하였으며, ICRP 60과 103 권고의 방사선 가중치를 적용하여 등가선량을 비교 분석하였다.
- [그림 2]는 본 연구를 위해 전산모사한 방사선 치료실의 평면도이다. 설계명세를 기초로 사용허가 되어 사용 중인 임상의 치료실을 바탕으로 제작하였다. [표 1]은 방사선 치료실의 차폐를 위한 콘크리트 벽의 구성물성이며, 콘크리트의 밀도는 2.
- 본 실험에서는 F8 tally를 사용하여 관심지점에서 중성자에 의해 받은 에너지를 MeV 단위로 나타내었다. 이 결과를 바탕으로 흡수선량을 환산하여 분석하였으며, 중성자의 에너지 스펙트럼을 토대로 ICRP 60과 ICRP 103의 권고사항에 명시되어있는 중성자의 방사선 가중치를 적용하여[표 2][표3], 개별 등가선량을 비교하였다.
- 이전 연구에서 타깃을 통과한 후 생성된 광자의 스펙트럼을 획득한 후, 광핵 반응이 나타나지 않은 6 MV를 제외한 8 MV∼24 MV 영역에서 생성된 중성자의 flux와 에너지 스펙트럼 분포를, 치료실내 관심영역 8개 point에서 측정하였다[11].
대상 데이터
- 타깃은 텅스텐과 구리의 합금으로 먼저, 텅스텐의 함량비는 182W 26.62%, 183W 14.31%, 184W 30.64%, 186W28.43%이며, 구성 밀도는 19.4 g/cm3이다. 구리의 함량비는 63Cu 69.
성능/효과
- 이것은 일반적인 중성자의 fluence와 flux의 실험결과에 상응한 결과로서 10 MV를 시작으로 광중성자의 급격한 증가가 흡수선량으로 연계됨을 알 수 있었다. 다음 ICRP103 권고안의 경우, 낮은 에너지 범위에서 인체의 흡수 선량에 대한 2차 광자의 큰 기여 때문에 방사선 가중치 값이 감소함으로써 ICRP 60의 등가선량이 더 높게 나타났다.
- 전체적으로 흡수선량이 가장 높게 관측된 지점은 선원 중심점의 O point, 가장 낮게 관측된 지점은 maze에 위치한 M point로 나타났으며, 치료실 문 밖에 위치한 X point의 경우에는 흡수선량이 산출되지 않았다. 등가선량은 모든 결과값에서 ICRP60의 등가선량이 ICRP 103의 선량보다 아주 근소한 차이를 보이며 높게 나타났다[표 4]. 대표적으로 24 MV의 열중성자와 속중성자 스펙트럼 결과 그래프를 [그림3]과 [그림 4]에 나타냈다.
- 본 연구에서 나타난 결과와 같이 선형가속기에서 중성자의 발생은 에너지가 높아질수록 비례하여 증가하고 있음을 알 수 있었으며, 치료실 전역에 걸쳐 중성자의 영향이 나타나고 있다는 것도 확인할 수 있었다. 서론에서 언급한 것처럼 고에너지 광자선의 이점 때문에, 선형가속기를 이용한 방사선치료는 갈수록 고에너지화, 고선량화 됨으로써 광중성자의 생성이 증가되고 있는 현실이다.
- 다음으로 측정된 흡수선량을 대상으로 ICRP 60과 ICRP 103의 권고에 맞춰 등가선량을 산정한 결과는 ICRP 60의 등가선량이 높게 나타났다[표 4]. 이 결과값을 세부적으로 분석하면, ICRP 60에 주어진 데이터와 비교해 ICRP 103의 가장 중요한 변경 내용은 낮은 에너지 범위에서 인체의 흡수선량에 대한 2차 광자의 큰기여 때문에 가중치 값(weighting factor, wR )이 감소했고, 100 MeV를 초과하는 중성자 에너지에서도 가중치 값이 감소했다는 것이다. 이런 권고의 변화에 부합하여 등가선량의 산출값이 차이를 보인 것으로 사료된다.
- 치료실 내 위치별 흡수선량과 등가선량을 산정한 결과는 선원중심점이 가장 높은 흡수선량을 나타냈으며, 특히 maze를 제외한 모든 관심영역의 10 MV와 12 MV 구간에서 급격한 흡수선량의 증가를 보였다. 이것은 일반적인 중성자의 fluence와 flux의 실험결과에 상응한 결과로서 10 MV를 시작으로 광중성자의 급격한 증가가 흡수선량으로 연계됨을 알 수 있었다. 다음 ICRP103 권고안의 경우, 낮은 에너지 범위에서 인체의 흡수 선량에 대한 2차 광자의 큰 기여 때문에 방사선 가중치 값이 감소함으로써 ICRP 60의 등가선량이 더 높게 나타났다.
- 중성자에 대한 흡수선량과 등가선량을 전자선 한 개를 타깃에 충돌시켰을 때 발생한 양으로 나타내기 위하여 Gy/e, Sv/e로 표기하였다. 전체적으로 흡수선량이 가장 높게 관측된 지점은 선원 중심점의 O point, 가장 낮게 관측된 지점은 maze에 위치한 M point로 나타났으며, 치료실 문 밖에 위치한 X point의 경우에는 흡수선량이 산출되지 않았다. 등가선량은 모든 결과값에서 ICRP60의 등가선량이 ICRP 103의 선량보다 아주 근소한 차이를 보이며 높게 나타났다[표 4].
- 치료실 내 위치별 흡수선량과 등가선량을 산정한 결과는 선원중심점이 가장 높은 흡수선량을 나타냈으며, 특히 maze를 제외한 모든 관심영역의 10 MV와 12 MV 구간에서 급격한 흡수선량의 증가를 보였다. 이것은 일반적인 중성자의 fluence와 flux의 실험결과에 상응한 결과로서 10 MV를 시작으로 광중성자의 급격한 증가가 흡수선량으로 연계됨을 알 수 있었다.
후속연구
- 서론에서 언급한 것처럼 고에너지 광자선의 이점 때문에, 선형가속기를 이용한 방사선치료는 갈수록 고에너지화, 고선량화 됨으로써 광중성자의 생성이 증가되고 있는 현실이다. 그러므로 광중성자가 환자에게 미치는 영향에 대한 지속적인 연구가 필요할 것이다.
- MCNPX를 사용한 본 연구에서는 X point의 흡수선량이 나타나지 않았지만, 실제 임상의 치료실에서는 수동문 또는 자동문을 사용하고 있으며, 개폐를 위해 치료실 바닥과의 틈이 있을 수 밖에 없는 구조이다. 그러므로 몬테카를로 방식으로 전산모사한 것과 중성자 계측기를 사용한 실측은, 그 결과값이 상이할 것으로 사료되며 추후 연구가 필요할 것이다. 추가적으로 방사선 치료실의 미로형 출입구에서의 중성자 에너지 스펙트럼은, 치료실 문 뒤에서의 중성자 선량률이 최소가 되도록 산출하기 위해, 문에서의 최적의 중성자 방호에 대한 연구에 현실적으로 적용될 수 있다.
- 또한 광자선의 경우 방사선 가중치가 1인 반면 중성자는 에너지에 따라 적용되는 가중치가 다르며, 등가선량으로 환산할 경우 크게는 약 20배 차이가 발생될 수 있다[표 2][표 3]. 그러므로 적은 중성자 선량도 가중치를 고려한 세밀한 접근이 필요할 것이며, 중성자에 대한 환자의 피폭과 시술자에 대한 방사선 방호가 더욱 중요하게 이루어져야 할 것이다.
- 그러므로 몬테카를로 방식으로 전산모사한 것과 중성자 계측기를 사용한 실측은, 그 결과값이 상이할 것으로 사료되며 추후 연구가 필요할 것이다. 추가적으로 방사선 치료실의 미로형 출입구에서의 중성자 에너지 스펙트럼은, 치료실 문 뒤에서의 중성자 선량률이 최소가 되도록 산출하기 위해, 문에서의 최적의 중성자 방호에 대한 연구에 현실적으로 적용될 수 있다. 즉 치료실 문의 방호에 있어서 층(door layer)의 최적의 배열 그리고 두께와 구조물질 관련 연구에 중요한 기준이 될 수 있을 것이다[14].
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