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문제 정의
- 방사선치료는 주변 정상장기를 충분히 보호함과 동시에 종양조직에는 충분한 선량을 조사함으로써 치료효과를 높이는 것이 목적이다. 종양조직의 치료효과를 높이는 방법으로는 적절한 방사선치료 방법의 적용 및 항암제 동시 투여, 온열 치료, 방사선 선량 증가제 등이 있다.
- 이에 본 연구는 입자의 크기와 방사선 선질에 따라 단일 금 나노입자로부터 발생하는 2차 전자의 발생량과 입자 크기와 선질 간의 관계를 Monte Carlo 시뮬레이션 기법을 적용하여 분석하고자 한다.
제안 방법
- 금 입자의 크기는 Chow[17], Mesbani[18] 등의 연구를 토대로 하여 직경 30, 50, 70, 90, 110 nm의 나노입자를 사용하였다.
- 입자 수송은 광자와 전자선을 지정하였으며, 입자추적의 컷-오프(cut-off) 에너지는 1 keV으로 적용하였다. 또한 계수 셀에 대해 F4 tally를 지정하여 단위면적당 전자의 평균 플루언스(particles/nm2)를 계수하였다. 반복 계산(number of source particle history)은 셀의 체적을 고려하여 2×109 반복 시행하였으며, 불확도는 5% 이내를 만족할 수 있도록 하였다.
- 반복 계산(number of source particle history)은 셀의 체적을 고려하여 2×109 반복 시행하였으며, 불확도는 5% 이내를 만족할 수 있도록 하였다.
- 선속은 팬텀의 수직 방향에서 입사하였으며, 거리는선질의 스펙트럼 특성[16]을 고려하여 10 cm로 지정하였다. 입자 수송은 광자와 전자선을 지정하였으며, 입자추적의 컷-오프(cut-off) 에너지는 1 keV으로 적용하였다.
- 선속은 팬텀의 수직 방향에서 입사하였으며, 거리는선질의 스펙트럼 특성[16]을 고려하여 10 cm로 지정하였다. 입자 수송은 광자와 전자선을 지정하였으며, 입자추적의 컷-오프(cut-off) 에너지는 1 keV으로 적용하였다. 또한 계수 셀에 대해 F4 tally를 지정하여 단위면적당 전자의 평균 플루언스(particles/nm2)를 계수하였다.
- 활용도가 높은 kV, MV X선 에너지를 사용하여 다양한 직경을 가진 금 나노입자에서 발생하는 2차전자의 발생에 대해 Monte Carlo 시뮬레이션을 통해 분석하고, 그에 따른 관계를 추정하였다. 전자의 발생은 입사 에너지가 낮을수록 높은 선형성을 확인할 수 있었으며, 금 나노입자의 크기가 커질수록 증가하는 현상을 알 수 있었다.
대상 데이터
- 0)를 사용하였으며, 금 나노입자로부터의 2차 전자의 발생을 알아보기 위해서 입자 중심에서 250 nm 까지 10 nm 간격으로 계수 셀(tally cell)을 지정하였다. X선 선질은 활용도를 고려하여 50, 100, 150 kV와 6, 15 MV 에너지를 사용하였다. kV X선 스펙트럼은 IPEM(institute of physics and engineering in medicine) report number 78을 기반으로 한 스펙트럼 계산 프로그램인 스펙트럼 프로세서(spectrum process)로 부터획득하였으며,[14,15] MV X선은 Varian사의 2300 C/D선형가속기의 에너지 스펙트럼을 사용하였다.
이론/모형
- Monte Carlo 시뮬레이션 기법은 MCNPX MC code (version 2.6.0)를 사용하였으며, 금 나노입자로부터의 2차 전자의 발생을 알아보기 위해서 입자 중심에서 250 nm 까지 10 nm 간격으로 계수 셀(tally cell)을 지정하였다. X선 선질은 활용도를 고려하여 50, 100, 150 kV와 6, 15 MV 에너지를 사용하였다.
- X선 선질은 활용도를 고려하여 50, 100, 150 kV와 6, 15 MV 에너지를 사용하였다. kV X선 스펙트럼은 IPEM(institute of physics and engineering in medicine) report number 78을 기반으로 한 스펙트럼 계산 프로그램인 스펙트럼 프로세서(spectrum process)로 부터획득하였으며,[14,15] MV X선은 Varian사의 2300 C/D선형가속기의 에너지 스펙트럼을 사용하였다.[16]
성능/효과
- 30 nm 금 입자 대비50 kV에서 4.79배, 100 kV에서 4.60배, 150 kV에서 5.0 3배, 6 MV에서 2.95배, 15 MV에서 2.28배를 보여, M V X선에 비해 kV X선에서 Table 2와 같이 많은 발생량의 차이를 확인할 수 있었다.
- 50, 100, 150 kV에서는 입자 중심에서 가장 많은전자의 발생을 보인 반면, 6, 15 MV에서는 입자의 크기에 따라 입자 중심에서 일정 거리 만큼 떨어진 부분에서 최대 발생량을 보였다.
- [4] 선량 증가 현상은 상대적 생물학적 효과비(relative biological effectiveness, RBE)를 높이게 되고, 종양조직에 보다 많은 선량을 전달하여 치료 효과향상을 기대할 수 있다.[5] 이러한 효과는 선량 증가제의 종류, 입자의 크기, 물질 내 농도와 입사 방사선의 선질에 따라 차이를 보이게 된다.
- [21] 이는 본 연구와 유사한 결과로 해석되어 진다. 또한 kV X선에서는입자의 중심에서 전자의 발생이 최대를 보인 반면, MV X선에서는 중심에서 일정 거리만큼 벗어난 곳에서 전자의 최대 발생을 확인할 수 있었다. 이는 높은 입사에너지로 부터 발생된 전자의 에너지가 증가하면서 추가적인 전자평형 현상(secondary electron buildup region)이 일어나는 것으로 사료되며,[22] MV X선으로부터발생되는 전자의 특성에 대해 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- X선 선질과 입자의 크기에 따라 전자의 발생은 뚜렷한 차이를 보였다. 모든 에너지 영역에서 금 나노입자의 크기가 커질수록 많은 2차 전자의 발생을 보였으며, 입사 에너지가 낮을수록 많은 전자의 발생을 보였다. 또한 입자 중심에서 멀어질수록 전자의 발생은 급격하게 줄어들었으며, 특히 MV X선에 비해 kV X선에서 Table 1에 나타난바와 같이 매우 많은 발생을 보였다.
- 본 연구에서는 입사 에너지가 낮으면서 금입자의크기가 클수록 많은 전자의 발생을 확인하였으며, 50 kV, 110 nm에서 최대 1.62E+03배, 15 MV 30 nm에서 최소2.25배의 전자 발생을 확인할 수 있었다. Michael 등은50, 100 nm의 금 나노입자와 50 kV, 250 kV, 60-Co을사용한 GEANT4 Monte Carlo 시뮬레이션에서 10 -2000배의 전자 발생을 보고하였다.
- 입사 에너지와 금 나노입자 크기에 따른 추정식에서는 kV X선의 에너지가 낮을수록 선형 방정식의 기울기 값이 높게 나타났으며, 입자 크기에 따라 150, 100, 50kV 순으로 전자 발생의 큰 변화를 보였다. 또한 MV X선에서는 15 MV에 비해 6 MV에서 입자 크기에 따른 큰 변화를 보였으나, kV X선에 비해 상대적으로 미약하였으며, Fig.
- 활용도가 높은 kV, MV X선 에너지를 사용하여 다양한 직경을 가진 금 나노입자에서 발생하는 2차전자의 발생에 대해 Monte Carlo 시뮬레이션을 통해 분석하고, 그에 따른 관계를 추정하였다. 전자의 발생은 입사 에너지가 낮을수록 높은 선형성을 확인할 수 있었으며, 금 나노입자의 크기가 커질수록 증가하는 현상을 알 수 있었다.
후속연구
- 또한 kV X선에서는입자의 중심에서 전자의 발생이 최대를 보인 반면, MV X선에서는 중심에서 일정 거리만큼 벗어난 곳에서 전자의 최대 발생을 확인할 수 있었다. 이는 높은 입사에너지로 부터 발생된 전자의 에너지가 증가하면서 추가적인 전자평형 현상(secondary electron buildup region)이 일어나는 것으로 사료되며,[22] MV X선으로부터발생되는 전자의 특성에 대해 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 이러한 측면에서 여러 물리적 반응으로부터 발생하는 2차 전자의 발생 차이는 선량 증가 현상을 설명하는데 의미가 있을 것으로 사료된다. 추후 금 입자를 포함한 여러 다른 선량 증가 입자로부터 발생하는 물리적특성과 인체 모의피폭체를 활용한 직접적인 선량 증가의 차이에 대해 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 본 연구에서 사용된 kV, MV X선에서의 전자 발생차이 또한 이러한 영향을 뒷받침하고 있는 것으로 판단된다. 하지만, Hubbell 등이 사용한 에너지는 단일선질(monoenergetic beam)로 복합 선질(polyenergetic beam)을 사용한 본 연구 결과 값과의 절대 비교는 주의가 필요할 것으로 사료된다.
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