전산화단층영상장비에서 패각을 이용한 방사선 융합차폐체의 표면 방사선량 감소율과 방사선 인공물 영상 평가 Evaluation of Surface Radiation Dose Reduction and Radiograph Artifact Images in Computed Tomography on the Radiation Convergence Shield by Using Sea-Shells원문보기
본 실험에서는 전산화단층영상장비에서 패각을 이용하여 제작한 방사선 융합차폐체의 표면 방사선 감소율과 방사선 인공물 영상을 평가하고자 하였다. 방사선 융합차폐체는 실리콘, 패각, 바륨분말을 이용하여 직경 50 mm, 두께 3.5 mm의 원형 차폐체 5종 (실리콘 차폐체, 바륨 차폐체, 실리콘과 패각 혼합 차폐체, 실리콘과 바륨 혼합 차폐체, 실리콘과 패각 그리고 바륨 혼합 차폐체)을 제작하였다. 방사선발생과 획득은 4 다중채널 전산화단층영상장비를 이용하였다. 그 결과 실리콘과 패각 혼합 차폐체가 영상의 인공물 발생 없이 5.3%의 표면 방사선 감소효과가 있었다. 향후 다양한 형태를 만들 수 있는 실리콘의 장점과 패각의 재활용으로 인한 친환경적인 소재로 방사선 융합차폐체 제작에 도움을 줄 수 있으리라 기대한다.
본 실험에서는 전산화단층영상장비에서 패각을 이용하여 제작한 방사선 융합차폐체의 표면 방사선 감소율과 방사선 인공물 영상을 평가하고자 하였다. 방사선 융합차폐체는 실리콘, 패각, 바륨분말을 이용하여 직경 50 mm, 두께 3.5 mm의 원형 차폐체 5종 (실리콘 차폐체, 바륨 차폐체, 실리콘과 패각 혼합 차폐체, 실리콘과 바륨 혼합 차폐체, 실리콘과 패각 그리고 바륨 혼합 차폐체)을 제작하였다. 방사선발생과 획득은 4 다중채널 전산화단층영상장비를 이용하였다. 그 결과 실리콘과 패각 혼합 차폐체가 영상의 인공물 발생 없이 5.3%의 표면 방사선 감소효과가 있었다. 향후 다양한 형태를 만들 수 있는 실리콘의 장점과 패각의 재활용으로 인한 친환경적인 소재로 방사선 융합차폐체 제작에 도움을 줄 수 있으리라 기대한다.
The purpose of this present study was to evaluate the surface radiation dose reduction and radiograph artifact images in computed tomography (CT) for the manufactured radiation shields by using sea-shells. The radiation convergence shields were made from silicons, sea-shells, barium powders, product...
The purpose of this present study was to evaluate the surface radiation dose reduction and radiograph artifact images in computed tomography (CT) for the manufactured radiation shields by using sea-shells. The radiation convergence shields were made from silicons, sea-shells, barium powders, producted circle types of diameter 50 mm, thickness 3.5 mm for 5 kinds (only silicon shield, only barium shield, mixed sea-shells with silicon shield, mixed barium with silicon shield, mixed sea-shells with barium and silicon shield). Radiation generation and acquisition were used 4-channel multi-detector CT. The results of this study showed that mixed sea-shells with silicon shields could reduce the surface dose of 5.3% without radiograph artifact images. In the future, we will expect the radiation convergence shield as environmentally friendly materials by using the recycling of sea-shells with the advantages of silicon which can make various shapes.
The purpose of this present study was to evaluate the surface radiation dose reduction and radiograph artifact images in computed tomography (CT) for the manufactured radiation shields by using sea-shells. The radiation convergence shields were made from silicons, sea-shells, barium powders, producted circle types of diameter 50 mm, thickness 3.5 mm for 5 kinds (only silicon shield, only barium shield, mixed sea-shells with silicon shield, mixed barium with silicon shield, mixed sea-shells with barium and silicon shield). Radiation generation and acquisition were used 4-channel multi-detector CT. The results of this study showed that mixed sea-shells with silicon shields could reduce the surface dose of 5.3% without radiograph artifact images. In the future, we will expect the radiation convergence shield as environmentally friendly materials by using the recycling of sea-shells with the advantages of silicon which can make various shapes.
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문제 정의
본 연구에서는 생산단가를 줄이고 방사선을 차폐할 수 있는 후보 물질을 생활주변에서 찾아보고자 하였다. 그 중 다양한 형태 구현이 가능한 실리콘과 혼합할 수 있는 차폐물질을 구하고자 하였다. 차폐물질로는 바다가 3면으로 둘러싸여 있는 우리나라의 지리적 특성을 고려하여 패각(패류 껍데기)을 착안하게 되었다.
CT는 X선이 360도 회전 조사하는 기하학적 특징이 있기 때문에 360도로 차폐를 한다면 피사체에 투과하는 X선량이 궁극적으로 감소하므로 감약정보에 의한 진단정보를 획득하지 못한다. 따라서 기존의 비스무스 차폐체도 방사선의 완벽한 차폐가 아닌 영상정보와 품질을 유지하면서 차폐체 아래 부분의 표면선량을 최소화하는데 목적이 있다. 그러므로 본 실험에서 실시한 X선 회전 조사 시 평가한 방사선 차폐효율이 단방향 일반 X선 조사보다도 감소하는 이유는 차폐체 정면 조사 이외로 회전조사하면 선량측정기에 직접 조사되는 선량이 있었기 때문이며 차폐체의 원자번호가 높을수록 X선의 연선도 많이 여과(filtering)시켜 X선이 경화되어 인공물 영상이 발생하였음을 바륨 차폐체로 확인이 되었다.
따라서 본 실험에서는 흔히 구할 수 있는 패각에서 방사선차폐가 우수한 후보 패각을 선발하여 CT 검사 시 방사선 융합차폐체로서의 방사선 감소율과 방사선 인공물 영상을 평가하고자 하였다.
이를 극복하기 위해 비스무스(bismuth)를 이용한 차폐체를 사용하기도 하지만 주로 수입산 이면서 고가이고 다양한 굴곡을 가지고 있는 체형에 밀착되지 않는 한계점을 가지고 있다[12]. 본 연구에서는 생산단가를 줄이고 방사선을 차폐할 수 있는 후보 물질을 생활주변에서 찾아보고자 하였다. 그 중 다양한 형태 구현이 가능한 실리콘과 혼합할 수 있는 차폐물질을 구하고자 하였다.
최근에는 방사선의 차폐효율을 증가시키고 영상품질을 유지할 수 있도록 비스무스와 나노바륨을 융합시킨 차폐체도 등장하였지만 제조 방법이 쉽지 않고 고가인 단점이 있다[18]. 특히 기존의 CT 선량 차폐체들은 고무 시트 형식이어서 유방, 갑상선, 안구, 생식기 등과 같이 고민감도의 장기들에 밀착되지 못하는 한계점이 있다[19,20] 따라서 본 연구에서는 다양한 형태로 고형화가 가능하면서 방사선 차폐 효과가 있는 것으로 보고된 실리콘을 바탕으로 친환경적인 차폐 소재로 패각을 대상으로 방사선차폐효율과 인공물 영상을 평가하였다. 패각의 주요 화학적 성분은 원자번호가 20번인 칼슘(Ca)으로 조성되어 있다.
제안 방법
CT 검사 조건은 FOV (field of view) 250 mm, 입사각도는 팬톰과 수직이 되게 하였고 1 회 360°를 0.75초 동안 조사하였다.
검출기의 조합은 2×5 mm으로 실시하여 10 mm의 Z-축 길이가 되었으며, 관전압은 120kVp, 관전류량은 250 mAs로 실시하였다.
배합비율은 액상실리콘에 패각을 혼합한 차폐체와 액상실리콘에 바륨분말을 혼합한 차폐체는 각각 2 : 1의 비율로 혼합하였고 액상실리콘과 바륨분말, 패각을 모두 혼합한 차폐체는 2 : 1 : 1의 비율로 혼합하였다. 그리고 경화제를 모두 0.4의 비율로 첨가한 후 24 시간동안 물리적 숙성을 통해 고형화를 시켰다. 제작된 융합차폐체 내 분말들이 균일하게 분포되었는지를 평가하기 위해 X선을 조사하여 영상의 균일도를 측정하였다.
바지락, 가리비, 전복의 3종 차폐 후보 패각을 분쇄하고 300 ㎛ 크기로 분말화 하였다. 그리고 동일한 두께로 후보 패각에 대한 방사선 차폐성 실험을 통해 가장 우수한 패각을 선정하였다. 그리고 선정된 패각 분말을 일정한 비율로 액상실리콘, 바륨분말과 배합하였다.
또한 1차선에 대한 차폐 효과이므로 상대적으로 낮은 에너지로 구성된 2차 산란 선에 대한 차폐효율은 더 높을 것으로 예상된다. 그리고 이러한 결과를 바탕으로 우리는 CT 장비에 적용하였다. CT는 X선이 360도 회전 조사하는 기하학적 특징이 있기 때문에 360도로 차폐를 한다면 피사체에 투과하는 X선량이 궁극적으로 감소하므로 감약정보에 의한 진단정보를 획득하지 못한다.
또한 CT 장비를 이용하여 X선을 360° 회전조사하여 방사선 차폐율과 인공물 영상을 평가하였다.
또한 방사선영상의 인공물 평가는 [Fig. 3]와 같이 CT 선량측정용 머리팬톰의 12시 방향 바로 옆 영역에 관심 영역(regions of interest, ROI)을 설정하고 픽셀 강도의 표준편차 값으로 노이즈를 측정하였다.
바지락, 가리비, 전복의 3종 차폐 후보 패각을 분쇄하고 300 ㎛ 크기로 분말화 하였다. 그리고 동일한 두께로 후보 패각에 대한 방사선 차폐성 실험을 통해 가장 우수한 패각을 선정하였다.
방사선 차폐율은 [Fig. 2]과 같이 CT 선량측정용 머리팬톰의 12시 방향에 위치한 구멍에서 이온챔버를 이용하여 4회 반복 측정하였다.
실험에 사용한 X선 발생 및 획득 장비는 4-채널 다중검출기 CT(MX8000, PHILIPS, USA), 일반 X선 촬영장비(MCM-901R, MIS, Korea)를 사용하였다. 선량측정은 CT 선량측정용 머리팬톰(76-414, Fluke, USA), 이온챔버(Biomedical 06-526, Fluke, USA), 관전압측정기(330, Gammex, USA)를 이용하였으며 영상품질 평가는 ImageJ(ver. 1.47, NIH, USA) 프로그램을 사용하였다. 방사선 차폐체 제작 재료는 액상실리콘(mold master, mk-silicone, China), 패각(바지락, 가리비, 전복), 바륨분말을 이용하였다.
4의 비율로 첨가한 후 24 시간동안 물리적 숙성을 통해 고형화를 시켰다. 제작된 융합차폐체 내 분말들이 균일하게 분포되었는지를 평가하기 위해 X선을 조사하여 영상의 균일도를 측정하였다. 이때 상대적 균일도가 5% 이하이면 분말 혼합과정부터 다시 실시하였다.
후보 패각에 대한 차폐율 평가는 일반 X선 촬영장비를 이용하여 식약처에서 권고하는 복부검사 조건인 72kVp, 24 mAs로 각 3 회씩 조사하여 투과선량을 측정하여 차폐율이 우수한 패각을 선정하였다. 최종 선정된 패각으로 제작된 융합차폐체는 X선을 단방향으로 72 kVp, 24 mAs 조건으로 조사하여 방사선 차폐율을 평가하였다. 이때 차폐율 기준은 차폐체가 없어 차폐되지 않는 경우를 0%로 하였다.
이때 상대적 균일도가 5% 이하이면 분말 혼합과정부터 다시 실시하였다. 최종제작된 융합차폐체는 CT 장비에서 방사선차폐율과 인공물 방사선영상에 대한 노이즈를 평가하였다[Fig. 1].
후보 패각에 대한 차폐율 평가는 일반 X선 촬영장비를 이용하여 식약처에서 권고하는 복부검사 조건인 72kVp, 24 mAs로 각 3 회씩 조사하여 투과선량을 측정하여 차폐율이 우수한 패각을 선정하였다. 최종 선정된 패각으로 제작된 융합차폐체는 X선을 단방향으로 72 kVp, 24 mAs 조건으로 조사하여 방사선 차폐율을 평가하였다.
대상 데이터
47, NIH, USA) 프로그램을 사용하였다. 방사선 차폐체 제작 재료는 액상실리콘(mold master, mk-silicone, China), 패각(바지락, 가리비, 전복), 바륨분말을 이용하였다.
실험에 사용한 X선 발생 및 획득 장비는 4-채널 다중검출기 CT(MX8000, PHILIPS, USA), 일반 X선 촬영장비(MCM-901R, MIS, Korea)를 사용하였다. 선량측정은 CT 선량측정용 머리팬톰(76-414, Fluke, USA), 이온챔버(Biomedical 06-526, Fluke, USA), 관전압측정기(330, Gammex, USA)를 이용하였으며 영상품질 평가는 ImageJ(ver.
일반 X선 촬영장비를 이용한 차폐체 후보 패각 분말에 대한 방사선 차폐율은 [Fig. 4]와 같이 바지락이 53.22%, 가리비가 46.38%, 전복이 47.21%로 바지락의 차폐율이 가장 높아 최종 바지락 껍데기를 방사선 차폐체로 선정하였다.
차폐체의 직경은 안구 크기를 충분히 차폐할 수 있는 50 mm로 설계하였으며, 두께는 실험적으로 제작이 용이한 3.5 mm로 동일하게 설계하였다.
후보 패각군에서 선정된 바지락 껍데기 분말과 실리콘, 바륨분말을 이용하여 제작된 방사선 융합차폐체는 [Fig. 5]과 같이 직경은 50 mm, 두께는 3.5±0.2 mm로 5종이 동일하게 제작되었다.
성능/효과
X선을 회전 조사되는 CT 장비에서 방사선 융합차폐체에 의한 표면 선량 차폐율을 평가하기 위해 CT 선량측정용 머리 팬톰의 12시 방향에서 선량을 측정한 결과 [Fig. 7]과 같이 바륨 차폐체가 42.0%, 바륨, 실리콘 혼합차폐체가 21.0%, 패각, 바륨, 실리콘 혼합 차폐체가 20.0%, 패각, 실리콘 혼합 차폐체가 5.3% 그리고 실리콘 차폐체가 1.8%의 방사선 차폐율을 보였다.
그러므로 본 실험에서 실시한 X선 회전 조사 시 평가한 방사선 차폐효율이 단방향 일반 X선 조사보다도 감소하는 이유는 차폐체 정면 조사 이외로 회전조사하면 선량측정기에 직접 조사되는 선량이 있었기 때문이며 차폐체의 원자번호가 높을수록 X선의 연선도 많이 여과(filtering)시켜 X선이 경화되어 인공물 영상이 발생하였음을 바륨 차폐체로 확인이 되었다. 그러나 본 실험에서 제안한 실리콘과 융합하여 제작된 차폐체는 실리콘만으로 제작된 차폐체의 차폐효율에 3배에 가까운 차폐효과가 있었고 인공물 발생이 거의 없었다. 특히 최근에는 납과 비스무스 등의 중금속성 물질에 대한 환경오염이 크게 대두되면서 대체 방사선 차폐물질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 시점에서 패각의 활용은 친환경적이며 재활용으로 인한 가격경쟁력이 있음을 시사한다.
따라서 기존의 비스무스 차폐체도 방사선의 완벽한 차폐가 아닌 영상정보와 품질을 유지하면서 차폐체 아래 부분의 표면선량을 최소화하는데 목적이 있다. 그러므로 본 실험에서 실시한 X선 회전 조사 시 평가한 방사선 차폐효율이 단방향 일반 X선 조사보다도 감소하는 이유는 차폐체 정면 조사 이외로 회전조사하면 선량측정기에 직접 조사되는 선량이 있었기 때문이며 차폐체의 원자번호가 높을수록 X선의 연선도 많이 여과(filtering)시켜 X선이 경화되어 인공물 영상이 발생하였음을 바륨 차폐체로 확인이 되었다. 그러나 본 실험에서 제안한 실리콘과 융합하여 제작된 차폐체는 실리콘만으로 제작된 차폐체의 차폐효율에 3배에 가까운 차폐효과가 있었고 인공물 발생이 거의 없었다.
또한 방사선 융합차폐체에 의한 인공물 발생 정도를 평가하기 위해 [Fig. 8]와 같이 CT 선량측정용 머리팬톰의 12시 방향 바로 옆 영역에 노이즈를 측정한 결과, 바륨 차폐체 밑 영역에서 3.5, 바륨, 실리콘 혼합 차폐체 밑 영역에서 127.0, 패각, 바륨, 실리콘 혼합 차폐체 밑 영역에서 3.8, 패각, 실리콘 혼합 차폐체 밑 영역에서 38.3, 그리고 실리콘 차폐체 밑 영역에서 27.0 노이즈 값이 도출되었다.
또한 제작과정에서 융합되는 물질들의 분산정도를 일반 X선 촬영장비에서 영상의 균일도로 측정한 결과 실리콘 차폐체가 11.3%, 바륨 차폐체가 8.3%, 바륨, 패각, 실리콘 혼합 차폐체가 11.8%, 실리콘 혼합 차폐체가 11.9%, 패각, 바륨, 실리콘 혼합 차폐체가 11.9%의 균일도를 보였으며 제작된 방사선 차폐체간의 상대적 균일도가 5% 이하로 첨가 물질의 분포가 잘 분산되었다고 판단하였다.
따라서 일반적으로 알려져 있는 물리적 차폐방법으로는 금속성 물질인 납 차폐체를 사용하는 것이지만 CT 검사에서 직접적으로 사용하지 못하는 이유는 X선속 경화작용으로 인한 인공물이 발생하기 때문이다. 본 실험에서도 원자번호가 납보다 낮은 바륨(원자번호 56)만을 가지고 차폐체를 제작했을 때 일반 X선의 차폐율은 99%, CT의 X선 차폐율은 42%의 높은 차폐효율이 있었지만 X선 회전 조사에 의한 X선속 경화작용으로 인한 인공물 발생도 가장 높아 영상의 품질을 저하시켰다. 1997년 처음 소개된 비스무스는 환자의 표재성 장기에 대한 선량을 40% 이상 감소시키면서 영상의 질에는 크게 영향을 주지 않는다는 점이 발표되어 CT장비에서의 방사선저감화 방법으로 많이 사용되고 있다[12].
이러한 물질적 특성은 X선 차폐 효과를 보였다고 판단된다. 비록 일반 X선 촬영 장비를 이용한 본 실험에서 패각은 바륨 차폐체에 비하여 차폐효과에는 미치지 못하였지만 48.8%의 차폐율을 보여주었는데 이는 패각의 주 성분인 칼슘의 원자번호가 바륨보다 낮았기 때문이지만 차폐체의 두께를 증가시키면 차폐 효과도 높아질 것으로 기대한다. 또한 1차선에 대한 차폐 효과이므로 상대적으로 낮은 에너지로 구성된 2차 산란 선에 대한 차폐효율은 더 높을 것으로 예상된다.
제작된 방사선 융합차폐체의 방사선 차폐율을 평가하기 위해 일반 X선 촬영장비에서 단방향으로 X선을 조사한 결과 [Fig. 6]과 같이 바륨 차폐체가 99.0%, 바륨, 실리콘 혼합 차폐체가 79.7%, 패각, 바륨, 실리콘 혼합 차폐체가 78.9%, 패각, 실리콘 혼합 차폐체가 48.8% 그리고 실리콘 차폐체가 31.1%의 방사선 차폐율을 보였다.
후속연구
특히 최근에는 납과 비스무스 등의 중금속성 물질에 대한 환경오염이 크게 대두되면서 대체 방사선 차폐물질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 시점에서 패각의 활용은 친환경적이며 재활용으로 인한 가격경쟁력이 있음을 시사한다. 또한 패각을 건축자재로 활용되고 있는 사례가 있어 방사선 차폐 건축자재로 이용할 수 있으리라 판단된다.
향후 본 연구결과로 패각에 대한 방사선 차폐효율 증대방법과 인체 형태에 맞는 차폐체 디자인을 통해서 친환경적인 방사선 융합차폐체 개발에 대한 추가 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
방사선의 활용 시 어떤 문제에 주의해야 하는가?
1895년 X선이 발견된 이후 방사선은 인류 발전에 큰 이바지를 하고 있다. 그러나 의료기술의 발전으로 사용 빈도는 증가하고 있으며 방사선의 활용은 인체의 피폭에 대해 항상 주의를 해야 한다[1]. 우리나라 식품의약품안전처(식약처)는 2007년부터 2011년까지 의료기관에서 실시한 방사선검사 건수 및 검사종류별 피폭량을 조사 분석한 결과, 연간 진단용 방사선검사 건수는 2007년 1억 6천만 건에서 2011년 2억2천만 건으로 5년간 약 35% 증가하였고, 국민 일인당 연간 방사선검사 건수는 2007년 3.
전산화단층영상장비에서 패각을 이용하여 제작한 방사선 융합차폐체의 표면 방사선 감소율과 방사선 인공물 영상을 평가 결과는?
방사선발생과 획득은 4 다중채널 전산화단층영상장비를 이용하였다. 그 결과 실리콘과 패각 혼합 차폐체가 영상의 인공물 발생 없이 5.3%의 표면 방사선 감소효과가 있었다. 향후 다양한 형태를 만들 수 있는 실리콘의 장점과 패각의 재활용으로 인한 친환경적인 소재로 방사선 융합차폐체 제작에 도움을 줄 수 있으리라 기대한다.
2007년부터 2011년까지 방사선검사 건수 및 검사종류별 피폭량을 조사 분석한 결과는?
그러나 의료기술의 발전으로 사용 빈도는 증가하고 있으며 방사선의 활용은 인체의 피폭에 대해 항상 주의를 해야 한다[1]. 우리나라 식품의약품안전처(식약처)는 2007년부터 2011년까지 의료기관에서 실시한 방사선검사 건수 및 검사종류별 피폭량을 조사 분석한 결과, 연간 진단용 방사선검사 건수는 2007년 1억 6천만 건에서 2011년 2억2천만 건으로 5년간 약 35% 증가하였고, 국민 일인당 연간 방사선검사 건수는 2007년 3.3회에서 2011년 4.6회로 꾸준히 증가하고 있는 추세이며 국민 일인당 연간 진단용 방사선 피폭량은 2007년 0.93mSv에서 2011년 1.4 mSv로 5년간 약 51% 증가하고 있다고 보고하였다[2]. 비록 의료분야에서의 방사선 이용은 진단 및 치료의 정당성으로 선량 한도(dose limitation)의 범위가 정해져 있지는 않지만 환자의 방사선방어 최적화를 위한 진단참고준위(diagnostic reference level) 수립을 권고하고 있다[3].
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