[논문]Phosphor Particle 혼합형 Hybrid 선량계의 방사선치료 Quality Assurance에 대한 적용가능성 평가

신요한; 한무재; 정재훈; 조흥래; 박성광

doi:10.7742/jksr.2019.13.3.333

초록
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방사선치료 분야에서는 치료의 안전성을 검증하기 위한 Quality Assurance(QA) 절차가 매우 중요하게 여겨진다. 그러나 일반적으로 이에 사용되는 선량계들의 다양한 문제점 때문에, 이를 대체하기 위한 선량계 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 형광체로부터 방출된 visible light(VL)에 의한 Sensitivity 극대화를 위해, 뛰어난 형광 효율을 가지는 형광체인 $Gd_2O_2S:Tb$를 요오드화납(Lead(II) Iodide; $PbI_2$)에 다양한 weight percent(wt%)로 혼합한 Blended hybrid sensor를 제작하였다. 이후 Blended sensor 및 Pure $PbI_2$ sensor의 고에너지 방사선에 대한 반응특성을 비교 및 평가하였다. 민감도 평가결과, 3wt%는 sensor에서 타 sensor들과 40% 이상 차이나는 최댓값이 나타났으며, 이를 제외한 센서에서 wt%의 증가에 따른 점차적 민감도 감소추세를 확인하였다. 또한, 재현성 평가에서는 Pure $PbI_2$ sensor가 coefficient of variation(CV)>0.015의 큰 편차를 보인 반면, blended sensor는 모두 CV<0.015 이하의 결과를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the field of radiotherapy, the Quality Assurance(QA) procedure to verify the safety of treatment is considered to be very important. However, due to various problems of the conventional dosimeters used for the QA, researches on these dosimeters have been actively carried out to replace them. In t...

In the field of radiotherapy, the Quality Assurance(QA) procedure to verify the safety of treatment is considered to be very important. However, due to various problems of the conventional dosimeters used for the QA, researches on these dosimeters have been actively carried out to replace them. In this study, to maximize the sensitivity by visible light(VL) emitted from phosphors, blended hybrid sensors were fabricated by blending various weight percent(wt%) of $Gd_2O_2S:Tb$ which is a phosphor with excellent fluorescence efficiency into $PbI_2$. Then, the electrical properties to high energy radiation from the blended sensors and the pure $PbI_2$ sensor were compared and evaluated. As a result of the sensitivity evaluation, the sensor of 3wt% showed the highest value with more than 40% difference from the other sensors, and gradual decreasing in sensitivity was observed with increasing wt% except for the sensor of 3wt%. Also, in the reproducibility evaluation, the pure $PbI_2$ sensor exhibited a large variation in coefficient of variation(CV)>0.015, while all the blended sensors showed CV<0.015.

주제어

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. Schematic diagram for structure and mechanism of Blended hybrid sensors including fabrication process.
그림 Fig. 2. Schematic diagram of the experimental set up.
그림 Fig. 3. Sensitivity of fabricated sensors including 0 to 5 wt% of Gd₂O₂S:Tb.
표 Table 1. Reproducibility of each sensor at 100 MU

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 방사선치료 안전성 검증을 위한 QA에 사용되는 선량계로서의 PbI₂ 기반 sensor의 적용가능성 평가로, PbI₂에 VL을 방출하는 형광체를 혼합함에 따른 반응특성 개선 및 이를 통한 QA 선량계에 대한 적용가능성을 평가하고자 하였다. 이를 위해 0~5wt%의 다양한 형광체 혼합비로 sensor를 제작하였으며, 해당 sensor들의 전기적 반응특성 및 안정성을 확인하고자 민감도 및 재현성을 평가하였다.

제안 방법

형광체는 흡수한 방사선 에너지를 일정한 파장을 가지는 Visible light(VL) 에너지로 재방출하는 특성을 바탕으로 방사선의 간접방식 검출기에 사용되는 물질이며, 이는 Y₂O₃:Eu, Gd₂O₂S:Tb, CaWO₄ 등을 포함한다. 또한, 제작된 Blended hybrid sensor 들과 Pure PbI₂ sensor의 고에너지 광자선에 대한 반 응특성을 비교함으로써 그 유효성을 평가하였다.
본 연구에서는 형광체로부터 방출되는 VL에 의 한 PbI₂에서의 추가적 전리 및 이를 통한 민감도 개선을 목적으로, 방사선 흡수층에 미량의 Gd₂O₂S:Tb 를 첨가하였다. Fig.
에 VL을 방출하는 형광체를 혼합함에 따른 반응특성 개선 및 이를 통한 QA 선량계에 대한 적용가능성을 평가하고자 하였다. 이를 위해 0~5wt%의 다양한 형광체 혼합비로 sensor를 제작하였으며, 해당 sensor들의 전기적 반응특성 및 안정성을 확인하고자 민감도 및 재현성을 평가하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 sensor의 제작을 위하여 Indium Tin Oxide(ITO)가 도포된 Glass를 하부 전극기판으로 사용하였다. 또한, Kojundo Chemical Laboratory 사에서 제조한 순도 99.999% 이상의 광도전성 반도체 화합물 PbI₂로 방사선 흡수층을 증착하였으며, Blended hybrid sensor에 첨가된 형광체로는 SigmaAldrich 사의 순도 99.999%를 갖춘 Gd₂O₂S:Tb를 사 용하였다. 이는 높은 밀도와 우수한 light yield를 바탕으로 뛰어난 형광효율을 가지므로, 본 연구의 목적인 VL에 의한 추가적인 전하량 생성에 적합하 다.
본 연구에서는 sensor의 제작을 위하여 Indium Tin Oxide(ITO)가 도포된 Glass를 하부 전극기판으로 사용하였다. 또한, Kojundo Chemical Laboratory 사에서 제조한 순도 99.

데이터처리

5 cm의 slab phantom을 두었다. 이후, 이러한 실험조건으로 획득한 데이터를 상부 전극의 면적(0.8 × 0.8 cm²)에 대한 민감도로 산출하여 상호 비교·평가하였다.

이론/모형

위와 같은 민감도 개선의 목적을 달성하기 위하여, 증착 면적의 제어 및 제조공정이 비교적 간편하고 간소하여, Solar Cell 및 Touch Panel Screen 등 의 제조 시에 자주 쓰이고 있는 Screen Printing과 입자침전법(Particle-In-Binder; PIB)으로 제작되었다. 각 sensor는 ITO glass를 하부 전극기판으로 활용하 였으며, ITO 증착면 상부에 1 × 1 cm² 면적의 격벽을 형성하였다.

성능/효과

본 연구의 결과에서 확인한 3wt% sensor의 40% 이상 높아진 민감도 및 안정적인 재현성은 방사선 치료기기의 QA를 위한 선량계에 적용하기에 적합할 것으로 판단된다. 추후 뛰어난 전기적 반응특성을 나타낸 3wt%를 기준으로 더욱 세분화한 wt%로 의 연구를 통해 가장 이상적이고 최적화된 혼합비를 찾을 수 있을 것이며, 이를 통해 방사선 치료기기의 QA를 위한 선량계에 대한 적용가능성 또한 높일 수 있을 것이다.

후속연구

본 연구의 결과에서 확인한 3wt% sensor의 40% 이상 높아진 민감도 및 안정적인 재현성은 방사선 치료기기의 QA를 위한 선량계에 적용하기에 적합할 것으로 판단된다. 추후 뛰어난 전기적 반응특성을 나타낸 3wt%를 기준으로 더욱 세분화한 wt%로 의 연구를 통해 가장 이상적이고 최적화된 혼합비를 찾을 수 있을 것이며, 이를 통해 방사선 치료기기의 QA를 위한 선량계에 대한 적용가능성 또한 높일 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광도전성 물질인 Lead(II) Iodide(PbI2)의 장단점은?	[1,2] 이에 해당 문제를 해결하기 위한 다각적인 선량계 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 여기에는 방사선 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광도전성 물질에 대한 연구도 포함된다. 그중에서도 대표적인 광도전성 물질인 Lead(II) Iodide(PbI2)는 상대적으로 낮은 leakage current를 가짐에 따라 전기적 안정성을 인정받고 있으나, 민감도 또한 상대적으로 낮아 개선이 필요할 것으로 여겨진다.[3] 이에 본 연구에서는 형광체가 소량 혼합된 PbI2 기반의 sensor들을 제작함으로써 PbI2의 민감도를 향상 및 방사선치료 분야의 QA 선량계로서의 적용가능성을 평가하고자 하였다.
	형광체란 무엇인가?	[3] 이에 본 연구에서는 형광체가 소량 혼합된 PbI2 기반의 sensor들을 제작함으로써 PbI2의 민감도를 향상 및 방사선치료 분야의 QA 선량계로서의 적용가능성을 평가하고자 하였다. 형광체는 흡수한 방사선 에너지를 일정한 파장을 가지는 Visible light(VL) 에너지로 재방출하는 특성을 바탕으로 방사선의 간접방식 검출기에 사용되는 물질이며, 이는 Y2O3:Eu, Gd2O2S:Tb, CaWO4 등을 포함한다. 또한, 제작된 Blended hybrid sensor들과 Pure PbI2 sensor의 고에너지 광자선에 대한 반응특성을 비교함으로써 그 유효성을 평가하였다.
	Ionization chamber와 Si diode 등 선량계의 문제점은?	이는 곧 QA에 있어 치료 방사선에 대한 정확한 계측이 가능한 선량계가 매우 중요함을 의미하며, 이러한 QA를 위한 선량계로는 Ionization chamber와 Si diode 등이 널리 쓰이고 있다. 그러나 위 선량계들은 각각 복잡한 측정 절차와 제한된 부피로 인한 측정의 한계, 방사선에 의한 검출 물질의 성능 변화 등의 문제를 가지고 있다.[1,2] 이에 해당 문제를 해결하기 위한 다각적인 선량계 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 여기에는 방사선 에너지를 전기 에너지로 변환하는 광도전성 물질에 대한 연구도 포함된다.

참고문헌 (7)

Z. Li, "Radiation damage effects in Si materials and detectors and rad-hard Si detectors for SLHC," Journal of Instrumentation, Vol. 4, No. 3, pp. 03011, 2009. DOI: 10.1088/1748-0221/4/03/P03011

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G. Hajdok, J. J. Battista, I. A. Cunningham, "Fundamental X-ray interaction limits in diagnostic imaging detectors: Spatial resolution," Medical Physics, Vol. 35, No. 7, pp. 3180-3193, 2008. DOI: 10.1118/1.2924219

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R. A. Street, M. Mulato, M. M. Schieber, H. Hermon, K. S. Shah, P. R. Bennett, Y. Dmitryev, J. Ho, R. Lau, E. Meerson, S. E. Ready, B. Reisman, Y. Sado, K. V. Schuylenbergh, A. I. Vilensky, A. Zuck "Comparative study of $PbI_2$ and $HgI_2$ as direct detector materials for high resolution x-ray image sensors," Journal of Medical Imaging, Vol. 4320, No. 3, pp. 1-12, 2001. DOI: 10.1117/12.430858
C. W. E. Eijk, "Inorganic scintillators in medical imaging", Physics in Medicine & Biology, Vol. 47, No. 8, pp. 85-106, 2002. DOI: 10.1016/S0168-9002(03)01542-0

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Y. J. Heo, K. T. Kim, M. J. Han, C. W. Moon, J. E. Kim, J. K. Park, S. K. Park, "Development of a stable and sensitive semiconductor detector by using a mixture of lead(II) iodide and lead monoxide for NDT radiation dose detection," Journal of Instrumentation, Vol. 13, No. 3, pp. C03023, 2018. DOI: 10.1088/1748-0221/13/03/C03023

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M. Z. Kabir, "Effects of charge carrier trapping on polycrystalline PbO x-ray imaging detectors," Journal of Applied Physics, Vol. 104, No. 7, pp. 074506-074509, 2008. DOI: 10.1063/1.2990765

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Y. Heo, K. Kim, J. Kim, J. Kim, C. Kim, C. Mun, S. Park, "Development of Oxide-Based Lead (II) Iodide Radiotherapeutic Dosimeter for Stable Dosimetry," Science of Advanced Materials, Vol. 10, No. 7, pp. 1003-1009, 2018.

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