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가설 설정
- 그러므로 사용시설의 실제 설계기준은 방사선 발생장치의 성능이 최대일 때로 가정하여 납유리로부터 30 cm 거리에서의 선량이 작업종사자 선량한도 20 mSv/y, 수시출입자 선량한도 6 mSv/y, 또는 일반인 선량한도 1 mSv/y를 넘지 않도록 차폐재가 설치되어야 한다. [1] 선량한도의 적용은 발생장치 제어실에 출입하는 출입자의 신분이 무엇인지에 따라 결정된다. 예를 들어 작업종사자와 수시출입자가 출입해야한다면 발생장치 제어실의 공간방사선선량은 수시출입자 선량한도인 6 mSv/y를 초과하지 않도록 차폐시설이 설계 및 시공되어야 한다.
제안 방법
- K대학교 진료영상 촬영 실습실을 대상으로 몬테카를로 전산해석을 위한 실습실 구조를 모델링하였다. K대학교 진료영상 촬영 실습실의 실제 높이는 300 cm, 방사선 조사실은 910 × 400 × 300 cm3이고, 발생장치 제어실은 910 × 600 × 300 cm3이다.
- 2nd-step에서는 1st-step에서 계산된 결과를 선원항으로 입력하여 조사실과 제어실에서의 광자에너지 공간 분포를 구하였다.[5] 계산된 광자에너지 공간 분포로부터 공간 유효선량 분포를 구하기 위해서 ICRP 116 photon isotropic conversion function에 제시된 선량환산인자를 이용하였다.[6] 1차 계산결과 얻어진 관전압 150 kV, 관전류 700 mA일 때 타겟에서 방출되는 X선 스펙트럼을 Fig.
- 따라서선원항을 정의할 때 텅스텐 표적에 입사하는 전자의 최대에너지 150 keV, tally multiplication factor 700 ×103[A]/1.6×10-19[C/e]으로 설정했으며, 선원 위치(텅스텐 표적과 전자의 충돌위치)는 조사테이블 중심의 높이에서 100 cm 떨어진 높이로 설정하였다.
- 계산시간의 절약과 효율적인 coding을 위해서 2-step 방법을 이용하였다. 먼저 1st-step에서는 전자 빔으로 생성되는 광자의 개수를 F4 tally를 이용하여 광자의 에너지 스펙트럼을 계산하고 최대 관전류 값을 고려하여 X선관에서 방출되는 광자의 fluence를 계산하였다. 2nd-step에서는 1st-step에서 계산된 결과를 선원항으로 입력하여 조사실과 제어실에서의 광자에너지 공간 분포를 구하였다.
- 본 연구에서는 K대학교 방사선학과 진료영상 촬영 실습실의 공간 유효선량률 분포를 몬테카를로 전산해석법을 이용하여 평가하였다. 사용 중인 방사선 발생장치의 최대 용량인 관전압 150 kVp, 관전류 700 mA를 사용 조건으로 가정하여 차폐문이 닫혀있을 때와 열려있을 때의 실습실 공간 유효선량률 분포를 비교하였다.
- 이에 본 연구에서는 방사선 발생장치 용량을 최대로 설정하고, 문이 닫혀 방사선 사용시설로부터 완전히 차폐가 되었을 때의 선량 분포와 문이 열려있을 때의 선량 분포를 몬테카를로 코드 중 하나인MCNPX 2.7 (Monte Carlo N-Particle eXtended 2.7)로 비교하였다. MCNPX는 중성자, 광자, 전자와 관련된 입자반응을 모사하는 프로그램으로 방사선 방어 및 선량 계산, 차폐, 가속기 표적 설계 등에서 대표적으로 이용되는 몬테카를로 코드이다.
- 조사야의 크기는 10 × 10 cm2가 될 수 있도록 콜리메이터를 지정하였고, 고유여과를 고려하여 0.08cm 두께의 Be 필터를 삽입하였으며 X선관 내부의 텅스텐 타겟 각도는 20O로 설정하였고, X선관 내부는 진공으로 설정하였다.
대상 데이터
- 3차원 공간선량 분포 외에 특정 지점 3곳에서의 선량을 따로 확인할 수 있도록 선량측정 팬텀(디텍터) 3개를 모델링하였다. 첫 번째는 테이블 위에 위치한 30 × 30 × 30 cm3 크기의 물 팬텀이고, 두 번째는 테이블 모서리에서 30 cm 거리 떨어진 곳에 설치된 10 × 10 × 10 cm3 크기의 공기 팬텀이며, 마지막으로 세 번째는 납유리 표면에서 30 cm 거리 떨어진 발생장치 제어 위치에 설치된 10 × 10 × 10 cm3 크기의 공기 팬텀이다.
- K대학교 진료영상 촬영 실습실의 실제 높이는 300 cm, 방사선 조사실은 910 × 400 × 300 cm3이고, 발생장치 제어실은 910 × 600 × 300 cm3이다.
- 첫 번째는 테이블 위에 위치한 30 × 30 × 30 cm3 크기의 물 팬텀이고, 두 번째는 테이블 모서리에서 30 cm 거리 떨어진 곳에 설치된 10 × 10 × 10 cm3 크기의 공기 팬텀이며, 마지막으로 세 번째는 납유리 표면에서 30 cm 거리 떨어진 발생장치 제어 위치에 설치된 10 × 10 × 10 cm3 크기의 공기 팬텀이다.
이론/모형
- 계산시간의 절약과 효율적인 coding을 위해서 2-step 방법을 이용하였다. 먼저 1st-step에서는 전자 빔으로 생성되는 광자의 개수를 F4 tally를 이용하여 광자의 에너지 스펙트럼을 계산하고 최대 관전류 값을 고려하여 X선관에서 방출되는 광자의 fluence를 계산하였다.
- 본 연구에서는 K대학교 방사선학과 진료영상 촬영 실습실의 공간 유효선량률 분포를 몬테카를로 전산해석법을 이용하여 평가하였다. 사용 중인 방사선 발생장치의 최대 용량인 관전압 150 kVp, 관전류 700 mA를 사용 조건으로 가정하여 차폐문이 닫혀있을 때와 열려있을 때의 실습실 공간 유효선량률 분포를 비교하였다.
성능/효과
- 물팬텀은 X선관 바로 아래에 있고 산란선의 영향이 크지 않으며, X선 강도는 관전압의 제곱과 관전류에 비례하므로 관전압과 관전류로 보정하면위 식과 같이 계산되어 흉부촬영 권고선량을 초과하지 않는다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 MCNPX를 이용한 전산해석 결과가 과장되지 않았음을 확인할 수 있다.
- 하지만 차폐문이 열려있을 때의 유효선량이 차폐문이 닫힌 경우에 비해 납유리 앞에서는 약 16배, 차폐문 앞에서는 약 3,000배 더 높기 때문에 실습 중에 차폐문을 닫는 것이 불필요한 방사선피폭을 크게 줄이는 효과적인 방법임을 알 수 있다. 또한, 조사실 내부 선량분포는 상당히 높으므로 팬텀을 사용하지 않고 학생을 대상으로 조사할 경우 높은 유효선량에 피폭되어방사선장해 유발의 가능성이 매우 높아 질 수 있음을 확인하였다. 따라서 진료영상 촬영실습 시에 인체대상 방사선조사는 절대 금해야 할 것이다.
- 물팬텀은 X선관 바로 아래에 있고 산란선의 영향이 크지 않으며, X선 강도는 관전압의 제곱과 관전류에 비례하므로 관전압과 관전류로 보정하면위 식과 같이 계산되어 흉부촬영 권고선량을 초과하지 않는다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 MCNPX를 이용한 전산해석 결과가 과장되지 않았음을 확인할 수 있다.
- 차폐문이 닫힌 상태에서는 납유리 근처에서 약 3~10 μSv/hr의 다소 높은 선량률을 보이지만 방사선 발생장치 제어실 대부분은 3 μSv/hr이하의 균일한 공간 선량률을 나타냄을 알 수 있었다. 반면, 차폐문이 열려있을 때 방사선 발생장치 조사실 내부의 공간 유효선량률은 매우 높고 불균일하게 나타남을 확인할 수 있었다. 특히 차폐문의 개방된 부분을 따라 104~5×102 μSv/hr의 높은 공간 유효선량률을 보이며 나머지 대부분의 공간에서도 10~40 μSv/hr 정도의 높은 공간 유효선량률을 나타남을 알 수 있었다.
- 사실 내부에서는 조사야 중심으로부터 동심원 모양의 등선량률 분포를 보이며 최고선량 107 μSv/hr에서 최저 103 μSv/hr의 매우 높은 유효선량률이 거리의 역제곱법칙에 일치하게 조사실 공간 내부에 분포되어 있음을 확인할 수 있다.
- 차폐문이 닫힌 상태에서는 납유리 근처에서 약 3~10 μSv/hr의 다소 높은 선량률을 보이지만 방사선 발생장치 제어실 대부분은 3 μSv/hr이하의 균일한 공간 선량률을 나타냄을 알 수 있었다.
- 차폐문이 열린 경우에도 방사선발생장치 제어실의 유효선량은 수시출입자의 연간선량한도를 초과하지 않는다는 것을 알 수 있었다. 하지만 차폐문이 열려있을 때의 유효선량이 차폐문이 닫힌 경우에 비해 납유리 앞에서는 약 16배, 차폐문 앞에서는 약 3,000배 더 높기 때문에 실습 중에 차폐문을 닫는 것이 불필요한 방사선피폭을 크게 줄이는 효과적인 방법임을 알 수 있다.
- 특히 차폐문의 개방된 부분을 따라 104~5×102 μSv/hr의 높은 공간 유효선량률을 보이며 나머지 대부분의 공간에서도 10~40 μSv/hr 정도의 높은 공간 유효선량률을 나타남을 알 수 있었다.
- 따라서 실습교육에 참여하는 수시출입자(실습생)는 X선 조사 중에는 조사실 내부에 머물지 않도록 주의해야 하며 X선 조사 전에 조사실 내부를 확인하는 절차를 준수해야 할 것으로 판단된다. 한편, 물 팬텀에서 계산된 선량을 한번 shot(0.3초 조사)했을 때의 선량으로 계산하면 0.443 mSv가 되는데, 이 선량은 흉부 촬영 권고 선량인 0.02 mSv 보다 높았다. [7,8] 환자위치에서 물 팬텀에 대한 계산결과가 흉부촬영 권고 선량보다 크게 계산된 이유는 본 실험에서 사용된 빔 조사조건이 일반적인 흉부촬영에서 사용되는 72 kVp × 100mAs보다 훨씬 큰 최대용량인 150 kVp × 700 mAs를 사용했기 때문이다.
후속연구
- 향후 본 연구 결과를 실험적으로 검증하기 위하여 survey meter를 이용하여 관심위치 등에 대해 직접 선량률을 측정하여 MCNPX 2.7로 계산된 선량률 결과와 비교하는 추가적인 교차실험을 진행할 것이다.
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