[논문]방사선 치료 의료기기 분야에 섬광 방사선량계를 이용한 선량 측정의 발전

박형우; 김민정

방사선 치료 의료기기 분야에 섬광 방사선량계를 이용한 선량 측정의 발전
in vivo & real-time scintillation dosimetry 원문보기

전기전자재료 = Bulletin of the Korean institute of electrical and electronic material engineers, v.30 no.5, 2017년, pp.19 - 27

박형우 (대구경북첨단의료산업진흥재단) , 김민정 (방사선과학연구소)

초록이 없습니다.

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

방사선량을 정확하게 측정하는 기술의 목적은 방사선의 불필요한 피폭량을 줄이기 위한 것이다. 기존방사선량 측정은 조사되는 방사선 반대편에서 인체투과 후의 방사선량을 측정해 인체에 조사된 방사선량을 간접적으로 확인하였다.
본 리뷰 논문에서는 방사선 치료 의료기기의 발전과 함께 보다 효율적이고 안전한 사용을 위해 개발되고 있는 방사선량계를 소개하고자 한다. 특히 상기 언급한 체내 실시간 의료용 방사선량계의 필요성과 섬광 선량 측정의 요소 기술들의 소개로 연구방향을 제시하고자 한다.
본 연구 그룹 또한 다양한 섬광체 제작 및 성장 기술을 바탕으로 보다 정확하고 높은 효율을 가지는 방사선 측정을 위한 연구를 진행하고 있다. 플라스틱 섬광체 제작의 경우 중합반응(polymerization)을 이용하여 섬광체의 성장 크기 및 모양을 원하는 형태로 제작한다.
본 리뷰 논문에서는 방사선 치료 의료기기의 발전과 함께 보다 효율적이고 안전한 사용을 위해 개발되고 있는 방사선량계를 소개하고자 한다. 특히 상기 언급한 체내 실시간 의료용 방사선량계의 필요성과 섬광 선량 측정의 요소 기술들의 소개로 연구방향을 제시하고자 한다. 또한 방사선이라는 특수환경으로 발생하는 물리적 현상과 의료용으로 고려해야 될 부분을 기술하여, 섬광 선량 측정 기술 개발에 관련된 소재 및 소자 레벨의 연구에 참고가 되길 바란다.
섬광 방사선량계의 구성은 방사선을 측정 가능한빛으로 변화시키는 섬광체와 변환된 빛 신호를 포토센서를 통해 전기 신호로 변환하여 선량을 나타내는 구성이 기본적이다. 하지만 본 리뷰 논문에서는 광신호를 전달하기 위해 섬광체와 포토 센서 사이에 광섬유를 포함하는 광섬유 기반 섬광 방사선량계를 기술한다. 섬광체는 앞서 언급한 것과 같이 방사선에 의해 여기된 전자가 안정 상태로 돌아가면서 방출하는 빛을 이용하여 방사선의 에너지 및 선량 등을 확인 할 수 있다.

제안 방법

섬광체 제작의 중요한 부분인 순도를 높이기 위해 존 정제(zone refining) 장치도 활용하여 다양한 섬광체를 개발하였다 (그림 7). 개발된 섬광 결정은 광섬유와 결합을 위해 절단 및 접합 경계에 광손실을 줄이기 위해 연마(polishing) 과정을 거쳐 광섬유와 결합한 형태로 방사선량계를 제작하여 특성을 분석할 수 있다.
방사선량을 정확하게 측정하는 기술의 목적은 방사선의 불필요한 피폭량을 줄이기 위한 것이다. 기존방사선량 측정은 조사되는 방사선 반대편에서 인체투과 후의 방사선량을 측정해 인체에 조사된 방사선량을 간접적으로 확인하였다. 이런 선량 측정 방법은 최근 개발되는 매우 작은 영역(small field)에 조사되는 방사선과 인체 내부에서 에너지를 모두 방출하는 입자 가속기 치료 방법에 적용하기에는 한계를 가지고 있다.
방사선 측정기로는 이온 챔버(ionization chamber), 방사선감광필름(radiographic film), 섬광 검출기(scintillator), 반도체 검출기(semiconductor) 등이 있으며, 대표적으로 섬광 검출기와 반도체 검출기는 방사선 신호를 바로 디지털화 할 수 있고 비교적 작은 사이즈로도큰 효율을 가지고 있어 활발한 연구가 되고 있다. 반도체 검출기는 방사선에 의해 생성된 전자-전공 쌍(e-h pair)을 이용하여 방사선을 측정하고, 섬광 검출기는 방사선에 의해 여기된 전자가 안정되면서 방출하는 빛(luminescence)을 통하여 방사선을 측정한다. 이런 방식의 차이로 두 검출기는 장단점을 가지고 의료분야에 주목 받고 있다.
섬광체 결정 성장은 초크랄스키(czochralski), 브리지만(bridgman) 공법을 이용하여 만든다. 섬광체 제작의 중요한 부분인 순도를 높이기 위해 존 정제(zone refining) 장치도 활용하여 다양한 섬광체를 개발하였다 (그림 7). 개발된 섬광 결정은 광섬유와 결합을 위해 절단 및 접합 경계에 광손실을 줄이기 위해 연마(polishing) 과정을 거쳐 광섬유와 결합한 형태로 방사선량계를 제작하여 특성을 분석할 수 있다.
작동원리는 광전자증폭관에서 전자를 가속하여 다이노드를 거쳐 전자를 증폭하는 것과 유사하게 반도체 내부 구조를 이용하여 전자를 증폭시킨다. 전자 신호를 증폭하기 위한 구조를 만들기 위해 우선 반도체의 기본적인 p-n 접합을 이용하여 반도체 내부에 전기장을 형성한다. 형성된 전기장으로 전자를 일정 에너지 이상 가속하면 특정 영역인 산사태 영역(avalanche region)에서 전자가 연쇄반응을 하며 전자가 증폭된다.
하지만 방사선에 의해 측정된 신호를 생성하기 위해 재료를 자극해야하는 특성은 실시간 방사선량계로서 단점으로 작용한다. 체내 실시간 사용을 위한 방사 선량계로 방사선 발광 방사선량계가 가장 적합하여 상세한 조사 및 연구를 수행하였다. 특히 선형 가속기(linear accelerator, linac)를 이용한 고에너지 방사선 치료 및 최근 주목 받는 입자 가속기(양성자,중이온, 중입자) 치료, 영상 가이드를 위한 자기공명영상장치(magnetic resonance imaging, MRI)에적용할 수 있는 방사선량계의 필요 기술 등을 위주로 기술하였다 [7].

성능/효과

대표적 연구로 BC-400의 특성을 분석한 연구 결과는 밀도, 전자 밀도, 분자량, 구성 원소 비율 등이 물과 유사함을 보였다. 더 나아가 방사선 상호작용에 주요한 요소인 질량 에너지 흡수계수(mass energy absorption coefficient), 질량 충돌 정지력(mass collision stopping power), 질량각산란력(mass angular scattering power)이 100keV 이상에서 거의 동일함을 보여 주었다 (그림 5). 플라스틱 섬광체는 온도 의존성 또한 무시할 정도로 작다고 알려졌으나, 최근 2013년 연구 결과에서 모든 섬광체에 적용되지 않는다는 것이 밝혀져 체내적용을 위해서는 추가 검증이 필요함을 보였다 [8].
방사선을 이용한 의료분야의 사용은 1895년 뢴트겐에 의해 X선이 발견되면서부터 100여 년 동안 의료 분야에 엄청난 영향을 미쳤다. 특히 다른 고에너지 기술의 발달과 함께 높은 에너지의 방사선에 대한 활용도 높아졌으며, 이로 인해 위험성 또한 높아졌다. 이런 높은 에너지의 방사선 치료를 활용하기 위해서는 체내에서 실시간으로 방사선 선량을 확인할 수 있는 방사선량계가 필수가 될 것이다.

후속연구

특히 방사선을 정확하게 분석하기 위해서는 중간과정에서 손실이 없어야 하기 때문에 광섬유는 섬광체에 가장 적절한 소재라고 할 수 있다. 단, 섬광체-광섬유와 광섬유-검출기 경계에서 에너지 손실이 발생할 가능성이 높으므로 효율적으로 연결하는 부분의 연구 및 주의가 필요하다.
특히 상기 언급한 체내 실시간 의료용 방사선량계의 필요성과 섬광 선량 측정의 요소 기술들의 소개로 연구방향을 제시하고자 한다. 또한 방사선이라는 특수환경으로 발생하는 물리적 현상과 의료용으로 고려해야 될 부분을 기술하여, 섬광 선량 측정 기술 개발에 관련된 소재 및 소자 레벨의 연구에 참고가 되길 바란다. 본 리뷰 논문에서는 비교적 넓은 관점인 방사선 의료기기와 섬광 검출기를 소개하고자 자세한 설명을 첨부하지 못한 부분이 있으며 흐름상 다른 분야는 제외하였다.
이러한 개선은 섬광체, 광섬유, 포토 센서 등의 소재 및 소자 레벨에서 새로운 기술들의 적용이 큰 역할을 할 수 있을 것이다. 소재 및 센서 레벨에서 개발에서 의료의 가장 큰 제약인 의료기기 규격과 본고에서 기술한 내용을 고려한다면 전기전자재료가 의료분야에 많은 부분 적용될 수 있을 것이다. 이런 첨단 의료 신소재의 개발과 연구를 통하여 방사선 의료기기를 더욱 안심하고 사용할 수 있길 바란다.
하지만 본고에서 다룬 것과 같이 방사 선량계의 구성, 적용 의료 분야별 연구 및 개선되어야 할 점이 많이 있다. 이러한 개선은 섬광체, 광섬유, 포토 센서 등의 소재 및 소자 레벨에서 새로운 기술들의 적용이 큰 역할을 할 수 있을 것이다. 소재 및 센서 레벨에서 개발에서 의료의 가장 큰 제약인 의료기기 규격과 본고에서 기술한 내용을 고려한다면 전기전자재료가 의료분야에 많은 부분 적용될 수 있을 것이다.
특히 다른 고에너지 기술의 발달과 함께 높은 에너지의 방사선에 대한 활용도 높아졌으며, 이로 인해 위험성 또한 높아졌다. 이런 높은 에너지의 방사선 치료를 활용하기 위해서는 체내에서 실시간으로 방사선 선량을 확인할 수 있는 방사선량계가 필수가 될 것이다. 한 예로 근접 방사선 치료에서 체내에 들어간 방사성 동위원소가 방출하는 방사선량을 측정하는 임상시험이 시행되었고, 그 결과 24명의 환자 중에서 10명의 환자가 계획된 선량보다 최대 9%의 선량 이탈을 보이는 연구 결과도 발표되었다 [17].
소재 및 센서 레벨에서 개발에서 의료의 가장 큰 제약인 의료기기 규격과 본고에서 기술한 내용을 고려한다면 전기전자재료가 의료분야에 많은 부분 적용될 수 있을 것이다. 이런 첨단 의료 신소재의 개발과 연구를 통하여 방사선 의료기기를 더욱 안심하고 사용할 수 있길 바란다.
이러한 어려움에도 불구하고 무기 섬광체는 심부 선량(depth dose) 데이터에서 일정 영역(bremsstrahlung tail)을 제외하고는 이온 챔버와 동일한 특성과 방사선에 매우 민감한(sensitive) 특성을 가지고 있어 의료용 선량 측정기로 높은 잠재성을 가지고 있다 [6]. 특히브레그 피크(bragg Peak)와 같은 특이한 현상을 가진 입자 가속기 치료 분야에 방사선량계 소재로 새로운 연구가 가능할 것이라 생각된다 [11] (그림 6).
더 나아가 방사선 상호작용에 주요한 요소인 질량 에너지 흡수계수(mass energy absorption coefficient), 질량 충돌 정지력(mass collision stopping power), 질량각산란력(mass angular scattering power)이 100keV 이상에서 거의 동일함을 보여 주었다 (그림 5). 플라스틱 섬광체는 온도 의존성 또한 무시할 정도로 작다고 알려졌으나, 최근 2013년 연구 결과에서 모든 섬광체에 적용되지 않는다는 것이 밝혀져 체내적용을 위해서는 추가 검증이 필요함을 보였다 [8]. 그 밖에도 입자 가속기 치료에서는 별도의 보정이 필요하며, 높은 에너지 방사선에 낮은 내성 등이 한계로 제시되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방사성 영상 진단 장치에는 어떤 것들이 있는가?	방사선 의료기기 분야는 방사선의 높은 투과성을 이용하여 절개 없이 인체 내부에 병적 요소를 확인할 수 있는 진단 장치로 가장 잘 알려져 있다. 이러한 영상 진단 장치로 엑스선 촬영(X-ray),혈관 조영 검사(angiography), 컴퓨터 단층 촬영(computed tomography, CT) 검사 장치 등이 있다. 방사선 치료 분야는 절개없이 국소 부위에 높은 에너지를 집중시켜 암을 치료하기 때문에 위험한 위치에 있는 암을 효과적으로 치료할 수 있다.
	방사선 치료 분야가 위험한 위치에 있는 암을 효과적으로 치료할 수 있는 이유는?	이러한 영상 진단 장치로 엑스선 촬영(X-ray),혈관 조영 검사(angiography), 컴퓨터 단층 촬영(computed tomography, CT) 검사 장치 등이 있다. 방사선 치료 분야는 절개없이 국소 부위에 높은 에너지를 집중시켜 암을 치료하기 때문에 위험한 위치에 있는 암을 효과적으로 치료할 수 있다. 그 밖에도 절개수술을 통한 암 제거 후에 남아있을 수 있는 미세 암세포를 제거하는 보조적 치료 수단으로 사용된다.
	방사선의 위험성은 어떠한 것이 있는가?	방사선을 이용한 의료분야의 발전과 함께 방사선의 위험성에 대한 인식도 높아졌다. 특히 방사선치료는 암 세포를 괴사(necrosis) 시킬 정도의 높은 에너지를 사용하기 때문에 주변 정상 세포 및 주요 장기 등에 악영향을 주어 새로운 합병증을 유발할 수 있는 양면성을 가지고 있다. 하지만 방사선사용의 우려보다 의료분야에서 가지는 이득이 높기 때문에 방사선 의료분야의 발전은 불필요한 피폭량을 최소화시킬 수 있는 세기 조절 방사선 치료(intensity-modulated radiation therapy, IMRT),영상유도방사선치료(image-guided radiation therapy, IGRT), 입체 세기 조절 회전 방사선 치료(volumetric modulated arc therapy, VMAT),정위적방사선수술(stereotactic radiosurgery,SRS), 호흡 동조 방사선 치료(respiratory gated radiotherapy, RGRT) 등의 다양한 방사선 치료 기술 개발로 이어졌다 [3].

참고문헌 (17)

W. T. Brown, X. Wu, F. Fayad, J. F. Fowler, B. E. Amendola, S. Garcia, H. Han, A. De La Zerda, E. Bossart, and Z. Huang, Clinical lung cancer, 8 (2007). 488-492.

상세보기
R. A. Popple, J. B. Fiveash, I. A. Brezovich, and J. A. Bonner, International Journal of Radiation Oncology* Biology* Physics, 77 (2010). 932-941.

상세보기
G. A. Zakaria, W. Schutte, and S. Garbe, in, Springer Handbook of Medical Technology , Springer, 2011, pp. 897-920.
Hamamatsu Photonics.
E. E. Klein, J. Hanley, J. Bayouth, F. F. Yin, W. Simon, S. Dresser, C. Serago, F. Aguirre, L. Ma, and B. Arjomandy, Medical physics, 36 (2009). 4197-4212.

상세보기
S. O'Keeffe, D. McCarthy, P. Woulfe, M. Grattan, A. Hounsell, D. Sporea, L. Mihai, I. Vata, G. Leen, and E. Lewis, The British journal of radiology , 88 (2015). 20140702.

상세보기
M. Reynolds, B. Fallone, and S. Rathee, Medical physics, 40 (2013).
L. Beaulieu and S. Beddar, Physics in Medicine and Biology, 61 (2016). R305.

상세보기
A. Beddar, Radiation Measurements, 41 (2006). S124-S133.

상세보기
C. W. Van Eijk, Physics in Medicine and Biology, 47 (2002). R85.

상세보기
R. N. Kjellberg and M. Abe, in, Modern stereotactic neurosurgery, Springer, 1988, pp. 463-470.
Sumitomo Heavy Industries, Ltd.
A. Beddar, T. Mackie, and F. Attix, Physics in Medicine and Biology, 37 (1992). 925.

상세보기
Y. Roussakis, R. Zhang, G. Heyes, G. Webster, S. Mason, S. Green, B. Pogue, and H. Dehghani, Physics in Medicine and Biology, 60 (2015). N419.

상세보기
L. A. Jarvis, R. Zhang, D. J. Gladstone, S. Jiang, W. Hitchcock, O. D. Friedman, A. K. Glaser, M. Jermyn, and B. W. Pogue, International Journal of Radiation Oncology* Biology* Physics, 89 (2014). 615-622.

상세보기
D. McCarthy, S. O'Keeffe, E. Lewis, D. G. Sporea, A. Sporea, I. Tiseanu, P. Woulfe, and J. Cronin, IEEE Sensors Journal, 14 (2014). 673-685.

상세보기
N. Suchowerska, M. Jackson, J. Lambert, Y. B. Yin, G. Hruby, and D. R. McKenzie, International Journal of Radiation Oncology* Biology* Physics, 79 (2011). 609-615.

상세보기

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증