[논문]광자선 및 전자선 치료에서 피부선량계의 측정과 시뮬레이션을 이용한 감약률 오차 평가

한무재; 양승우; 허승욱; 배상일; 문영민; 박성광; 김진영

doi:10.7742/jksr.2020.14.6.841

광자선 및 전자선 치료에서 피부선량계의 측정과 시뮬레이션을 이용한 감약률 오차 평가
Evaluation of Attenuation Rate Error on Skin Dosimeter using Monte Carlo Simulation in Photon and Electron Beam Therapy 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.14 no.6, 2020년, pp.841 - 848

한무재 (인제대학교 의과대학 방사선종양학과) , 양승우 (인제대학교 의과대학 방사선종양학과) , 허승욱 (양산부산대학교병원 의생명융합연구소) , 배상일 (동남권원자력의학원 방사선종양학과) , 문영민 (동남권원자력의학원 방사선종양학과) , 박성광 (인제대학교 부산백병원 방사선종양학과) , 김진영 (동남권원자력의학원 방사선종양학과)

초록
AI-Helper

광자선과 전자선을 사용하는 방사선 치료 분야에서는 환자마다 방사선에 대한 민감도가 다르기 때문에 동일한 선량에서도 피부 부작용이 발생될 수 있다. 이에 피부에 과다선량 위험도가 있을 경우, 선량계를 부착하여 정확한 선량이 조사되고 있는지 검증하고 있다. 하지만 피부선량계는 점선량을 측정하는 방식으로 부착부위를 육안으로 확인하기 때문에, 정확한 선량 분포를 확인하기 어려운 문제점이 있다. 이에 본 연구에서는 체표면적에 대한 선량분포를 확인할 수 있는 2D 선량계의 기초 연구로 감약률 오차를 분석하여 최적화된 선량계 조건을 제시하고자 하였다. 본 결과 6 MV 광자선에서 물질 HgI₂의 측정과 시뮬레이션 오차는 최소두께 25 ㎛에서 각 각 3.73%, 5.24%를 보였고, 물질 PbI₂는 각각 4.73%, 5.65%를 보였다. 반면 6 MeV 전자선 결과, 물질 HgI₂의 측정과 시뮬레이션 오차는 최소두께 25 ㎛에서 각 각 1.35%, 1.12%를 보였고, 물질 PbI₂는 각 각 1.67%, 1.20%로 비교적 낮은 감약률 오차를 보였다. 이에 본 연구 결과 5% 이내의 감약률 오차를 가지기 위해서는 광자선 측정은 최소 25 ㎛ 미만, 전자선 측정은 100 ㎛ 이내 두께가 적합한 것으로 평가되었다. 본 연구는 임상에서 요구되는 인체 부착형 flexible 선량계의 새로운 연구 방향과 미래 피부선량계의 구성 조건을 제시하고 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the field of radiation therapy using photon beams and electron beams, since each patient has a different sensitivity to radiation, skin side effects may occur even at the same dose. Therefore, if there is a risk of excessive dose to the skin, a dosimeter is attached to verify whether the correct dose is being investigated. However, since the skin dosimeter checks the attachment site visually by measuring a point dose, it is difficult to confirm an accurate dose distribution. As a result, the measurement and simulation errors of the material HgI2 in the 6 MV photon beam were 3.73% and 5.24%, respectively, at the minimum thickness of 25 ㎛, and the material PbI2 was 4.73% and 5.65%, respectively. On the other hand, as a result of the 6 MeV electron beam, the measurement and simulation errors of the material HgI2 were 1.35% and 1.12%, respectively, at a minimum thickness of 25 ㎛, and the material PbI2 showed relatively low attenuation error, 1.67% and 1.20%, respectively. Therefore, it was evaluated that the thickness of the photon beam within 25 ㎛ and the electron beam within 100 ㎛ is suitable to have a reduction rate error within 5%. This study presents a new research direction for a flexible dosimeter attached to the human body that is required in clinical practice and the construction conditions of a future skin dosimeter.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. The schematic diagram of measurement setup at photon and electron beam.
표 Table. 2 Measurement condition
그림 Fig. 2. The geometry of simulation at photon (left) and electron (right) beam.
표 Table. 1 Film and material condition
그림 Fig. 3. Percentage depth dose at 6 MV photon beam.
그림 Fig. 4. Percentage depth dose at 6 MeV electron beam.
그림 Fig. 4. Attenuation of PET film at 6 MV and 6 MeV.
그림 Fig. 5. Attenuation rate error of materials at 6 MV and 6 MeV.

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

[6] 이에 본 연구에서는 임상에서 사용 가능한 패치형 선량계 개발에 앞서 치료선량 차이를 줄이기 위한 기초연구에 중점을 두었다.
본 연구는 임상에서 요구되는 인체 부착형 연성 선량계의 새로운 연구 방향을 제시함과 동시에 미래 피부선량계의 구성 조건을 제시하고 있다. 또한 본 연구는 방사선을 다루는 모든 계측분야에서 곡면 형태로 적용할 수 있는 검출기 연구의 기초자료로 활용될 수 있다.
본 연구는 피부 선량계의 감약률 오차를 평가하기 위해 polyester (PET) 필름 상에 PIB 증착 방식을 활용하여 HgI₂와 PbI₂ 물질을 제작하였다.
본 연구에서는 전자선의 감약률 비교를 위해 전자선 PDD를 비교하였다. Fig.
본 연구에서는 피부 선량 측정을 위한 연성 선량계의 최적화된 두께를 제시하기 위해 필름과 광도 전체 물질 두께에 따른 감약률 오차를 제시하였다. Fig.
본 연구에서는 피부 선량계의 최적 두께를 제시하기 위해 50 ~ 250 μm 두께에 대한 PET 필름의 최적 두께를 평가하였다.
본 연구에 사용된 실리콘 고무 바인더의 PIB 증착방식은 다양한 형태로 가공, 성형이 가능한 연성 물질로써 인체에 적용할 수 있는 피부 선량계로써 활용이 가능하다. 이에 본 연구는 피부 선량계 제작을 위한 기초 연구로서, 선량계 물질 구성과 두께에 따른 감약률 오차를 제시하였다. 이는 감약으로 인해 미치는 피부선량의 오차를 제시함과 동시에 연성 피부 선량계의 최적화된 두께를 평가하는 첫 번째 연구로써 의미가 있다.
이에 본 연구에서는 HgI₂와 PbI₂ 기반의 연성 물질을 제작하였다. 이후 광자선과 전자선에 대하여 각 두께의 감약률 오차를 평가함으로써 최적화된 선량계 두께를 제시하고자 하였다.
기반의 연성 물질을 제작하였다. 이후 광자선과 전자선에 대하여 각 두께의 감약률 오차를 평가함으로써 최적화된 선량계 두께를 제시하고자 하였다. 또한 각 평가 항목에 대한 결과를 검증하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션 결과를 비교하였다.
필름 감약률 오차 평가는 PET 필름의 최적화된 두께를 설정하기 위해 수행하였다. 이후 선정된 두께를 가지는 필름상에 광도전체 물질을 증착하여 감약률 오차 평가하였다.

제안 방법

PET 필름은 50 ~ 250 μm 두께를 사용하였고, 이물질을 제거하기 위해 30분간 초음파 세척을 수행하였다.
감약률 오차 측정은 선형가속기 (Elekta AB, Stockholm, Sweden)를 이용하여 6 MV 에너지의 광자선과 전자선을 조사하였다. 이때 선원과 표면과의 거리 (Source to surface distance; SSD)는 100 cm로 설정하였으며, 500 MU/min의 선량률에서 200 MU의 방사선량을 10회 반복하여 조사하였다.
1 (MCNP)를 사용하였으며, 크게 2단계로 나누어 진행하였다. 본 연구는 LINAC 장비와 시뮬레이션의 빔 일치를 검증하기 F6 tally를 이용하여 MeV/g으로 측정 후 식(1)을 이용해 심부선량백분율 (percentage depth dose; PDD)을 산정해 비교하였다.
본 연구에서는 광도전체 물질 제작은 필름 두께에 따른 증착 안정성을 고려하여, 평가 기준 5% 이내를 만족하는 75 μm PET 필름 상에 증착하였다.
본 연구에서는 물질과 두께 변경에 따른 결과를 유추하기 위한 방법으로 MCNP 코드를 사용하여 시뮬레이션과 측정 결과를 비교, 검증하였다. 시뮬레이션 결과는 필름 두께 75 μm 이내와 물질 두께 25 μm 미만일 때 가장 적합한 두께로 유추할 수 있다.
본 연구의 빔 모델링 검증은 표면 선량계 감약률에 대한 목적에 맞춰, 측정과 시뮬레이션의 PDD 0 cm와 0.5 cm 깊이의 결과를 비교하였다. Fig.
시뮬레이션은 3% 미만의 신뢰도를 가지기 위해 조사야 10 × 10 cm2 조건에서 8 × 107 이력수로 총 3회 반복 시행하여 계산하였다.
감약률 오차 측정은 선형가속기 (Elekta AB, Stockholm, Sweden)를 이용하여 6 MV 에너지의 광자선과 전자선을 조사하였다. 이때 선원과 표면과의 거리 (Source to surface distance; SSD)는 100 cm로 설정하였으며, 500 MU/min의 선량률에서 200 MU의 방사선량을 10회 반복하여 조사하였다. 감약률 오차 측정은 표면 선량에 대해 정확한 측정이 가능한 PP chamber (Advanced Markus chamber, PTW type 34045)를 사용하였다.
PET 필름은 50 ~ 250 μm 두께를 사용하였고, 이물질을 제거하기 위해 30분간 초음파 세척을 수행하였다. 이후 광도전체 물질 제작은 99.999% 순도를 가지는 HgI₂, PbI₂ (Kojundo chemical laboratory Inc., Japan) 파우더 물질과 실리콘 고무 바인더 (T-2)를 4:1 혼합비로 혼합하여 스크린프린팅 기법으로 도포하였다. 이때 광도전체 크기는 plane parallel 이온 챔버 (PP chamber)의 크기 (반경 : 3 cm)와 검출용적 (반경 : 2.
필름 감약률 오차 평가는 PET 필름의 최적화된 두께를 설정하기 위해 수행하였다. 이후 선정된 두께를 가지는 필름상에 광도전체 물질을 증착하여 감약률 오차 평가하였다. Table 2는 측정 시 설정된 LINAC의 조사조건을 보여준다.
이후 평가된 최적 두께를 보이는 PET 필름 상에 25 ~ 250 μm의 두께를 가지는 물질을 제작하였으며, 두께에 따른 감약률 오차를 측정하였다.

대상 데이터

감약률 오차 측정은 표면 선량에 대해 정확한 측정이 가능한 PP chamber (Advanced Markus chamber, PTW type 34045)를 사용하였다.
이를 얻기 위해 SSD가 100 cm인 지점에 50 × 50 × 50 cm3 크기의 물 팬텀을 구성하였다.

데이터처리

이후 광자선과 전자선에 대하여 각 두께의 감약률 오차를 평가함으로써 최적화된 선량계 두께를 제시하고자 하였다. 또한 각 평가 항목에 대한 결과를 검증하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션 결과를 비교하였다.

이론/모형

본 연구에서는 측정 결과를 검증하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였다. Fig.
시뮬레이션 구동을 위한 code는 Monte-Carlo N-Particle transport 6.1 (MCNP)를 사용하였으며, 크게 2단계로 나누어 진행하였다. 본 연구는 LINAC 장비와 시뮬레이션의 빔 일치를 검증하기 F6 tally를 이용하여 MeV/g으로 측정 후 식(1)을 이용해 심부선량백분율 (percentage depth dose; PDD)을 산정해 비교하였다.

성능/효과

6 MV 광자선 결과, 물질 HgI2의 측정과 시뮬레이션 오차는 최소두께 25 μm에서 각 각 3.73%, 5.24%를 보였다.
6 MV 광자선의 측정과 시뮬레이션 결과는 최소 두께 50 μm에서 각 각 2.14%, 2.64% 오차를 보였다.
6 MeV 전자선의 경우, 측정과 시뮬레이션의 오차는 최소 두께인 50 μm에서 각 각 0.16%, 0.24%, 를 보였고, 전자선은 광자선보다 낮은 감약률 오차를 보였다.
64% 오차를 보였다. 또한 필름 두께가 증가함에 따라 선량이 선형적으로 증가하는 경향성을 보였으며, 평균오차는 1.18%를 보였다. 이에 필름 두께는 최소 75 μm 미만에서 평가기준인 5% 미만의 오차를 만족하는 결과를 보였다.
12%를 보였다. 물질 PbI₂의 측정과 시뮬레이션 오차는 각각 1.67%, 1.20%로 비교적 낮은 감약률 오차를 보였다. 이에 본 연구 결과 광자선은 5% 이내의 감약률 오차를 가지기 위해서는 최소 25 μm 미만의 두께가 적합한 것으로 평가되었다.
본 결과 MCNP로 얻은 0.2 cm 간격으로 출력한 PDD의 선량 차이는 평균 ± 1.23%로 임상적 허용 범위인 2% 이내의 결과로 나타났다.
그러므로 감약에 의한 선량오차를 줄이기 위한 선량계 물질은 PbI₂ 물질 보다 HgI₂ 물질이 적합하다. 본 결과는 약 2 MeV 이상의 에너지에서 물질 원자번호가 높아질수록 질량 감쇠계수가 높게 발생되는 이론에 근거하여 물질의 전자밀도에 의한 영향이 높은 것으로 사료된다. ^[13]그러므로 피부 선량계 물질은 원자번호 및 전자밀도에 대한 물리적 특성이 고려되어야 한다.
본 연구 결과 전반적인 물질의 감약률 오차는 필름과 유사하게 물질 두께가 점차적으로 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 경향을 보였다.
본 연구 결과 필름의 두께는 광자선에서 최소 75 μm 두께로 평가되었으며, 전자선은 모든 두께에서 평가기준 5% 이내를 만족하였다.
시뮬레이션 결과는 필름 두께 75 μm 이내와 물질 두께 25 μm 미만일 때 가장 적합한 두께로 유추할 수 있다.
23%로 임상적 허용 범위인 2% 이내의 결과로 나타났다. 이를 토대로 시뮬레이션으로 구현한 가속기 모델링이 신빙성이 있음을 파악하였다.
이에 본 연구 결과 광자선은 5% 이내의 감약률 오차를 가지기 위해서는 최소 25 μm 미만의 두께가 적합한 것으로 평가되었다.
이에 필름 두께는 최소 75 μm 미만에서 평가기준인 5% 미만의 오차를 만족하는 결과를 보였다.
최소두께 25 μm 두께를 기준으로 측정과 시뮬레이션의 결과 오차는 6 MV 광자선과 6 MeV 전자선에서 각 각 최대 1.51%, 0.50%로 시뮬레이션에서 높게 평가되었으며 유사한 결과를 보였다.

후속연구

본 연구는 임상에서 요구되는 인체 부착형 연성 선량계의 새로운 연구 방향을 제시함과 동시에 미래 피부선량계의 구성 조건을 제시하고 있다. 또한 본 연구는 방사선을 다루는 모든 계측분야에서 곡면 형태로 적용할 수 있는 검출기 연구의 기초자료로 활용될 수 있다.
본 연구에 사용된 실리콘 고무 바인더의 PIB 증착방식은 다양한 형태로 가공, 성형이 가능한 연성 물질로써 인체에 적용할 수 있는 피부 선량계로써 활용이 가능하다. 이에 본 연구는 피부 선량계 제작을 위한 기초 연구로서, 선량계 물질 구성과 두께에 따른 감약률 오차를 제시하였다.
이는 추가적인 물질 개발과 제작 두께를 미리 유추할 수 있는 기초자료로써 활용이 가능하다.
^[14,15] 반면 전자선에 대한 성능 평가는 미흡한 실정이다. 이에 광자선과 전자선의 검출 특성에 대한 연구가 이루어진다면 피부선량을 검증할 수 있는 패치형 선량계 개발에 대한 접근방향을 제시할 수 있을 것으로 사료된다.

참고문헌 (15)

Kry SF, Smith SA, Weathers R, Stovall M. Skin dose during radiotherapy: a summary and general estimation technique. Journal of applied clinical medical physics, Vol. 13, No. 3, pp. 20-34, 2012

상세보기
Kim J S, Jang H, Bae M J, Shim S, Jang W S, Lee S J, et al. Comparison of Skin Injury Induced by β and γ irradiation in the Minipig Model. Journal of Radiation Protection and Research, Vol. 42, No. 4, pp. 189-96, 2017

원문보기 상세보기
L. E. Court, R. B. Tishler, A. M. Allen, H. Xiang, M. Makrigiorgos, L. Chin, "Experimental evaluation of the accuracy of skin dose calculation for a commercial treatment planning system", Journal of Applied Clinical Medical Physics, Vol. 9, No. 1, pp. 29-35, 2008. https://doi.org/10.1120/jacmp.v9i1.2792

상세보기
B. Emami, J. Lyman, A. Brown, L. Coia, M. Goitein, J. E. Munzenrider, B. Shank, L. J. Solin, M. Wesson, "Tolerance of normal tissue to therapeutic irradiation", International Journal of Radiation Oncology Biology Physics, Vol. 21, No. 1, pp. 109-122, 1991. http://dx.doi.org/10.1016/0360-3016(91)90171-Y

상세보기
T. A. Reynolds, P. Higgins, "Surface dose measurements with commonly used detectors: a consistent thickness correction method", Journal of applied Clinical Medical Physics, Vol. 16, No. 5, pp. 358-366, 2015. http://dx.doi.org/10.1120/jacmp.v16i5.5572

상세보기
H. J. Lee, S. H. Bae, K. H. Cho, J. H. Jeong, S. I. Kwon, K. D. Lee, "Evaluations and comparisons of body surface doses during breast cancer treatment by tomotherapy and linac radiotherapy devices", Progress in Medical Physics, Vol 28, No. 4, pp. 218-225, 2017. http://dx.doi.org/http://dx.doi.org/10.14316/pmp.2017.28.4.218

원문보기 상세보기
K. M. Oh, M. J. Han, J. S. Kim, Y. J. Heo, K. T Kim, G. S. Cho, Y. K. Song, S. H. Cho, S. G. Heo, J. Y. Kim, S. K. Park, S. H. Nam, "Flexible X ray detector for automatic exposure control in digital radiography", Journal of Nanoscience and Nanotechnology, Vol. 16, No. 11, pp. 11473-11476, 2016. http://dx.doi.org/10.1166/jnn.2016.13533

상세보기
H. Sun, B. Zhao, D. Yang, P. Wangyang, X. Gao, X. Zhu, "Flexible X ray detector based on sliced lead iodide crystal", physica status solidi (RRL) Rapid Research Letters, Vol. 11, No. 2, pp. 1-5, 2017. http://dx.doi.org/10.1002/pssr.201600397

상세보기
N. E. Hartsough, J. S. Iwanczyk, E. Nygard, N. Malakhov, W. C. Barber, T. Gandhi, "Polycrystalline mercuric iodide films on CMOS readout arrays", IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. 56, No. 4, pp. 1810-1816, 2009. http://dx.doi.org/10.1109/TNS.2009.2023478

상세보기
M. Zhong, L. Huang, H. X. Deng, X. Wang, B. Li, Z. Wei, J. Li, "Flexible photodetectors based on phase dependent PbI2 single crystals", Journal of materials chemistry. C, Materials for optical and electronic devices, Vol. 4, No. 27, pp. 6492-6499, 2016. http://dx.doi.org/10.1039/C6TC00918B

상세보기
P. Andreo, Absorbed Dose Determination in External Beam Radiotherapy: An International Code of Practice for Dosimetry based on Standards of Absorbed Dose to Water (TRS 398, Vienna, Austria, 2006)
D. Wolff, F. Stieler, G. Welzel, F. Lorenz, A. M. Yasser, S. Mai, C. Herskind, M. Polednik, V. Steil, F. Wenz, F. Lohr, "Volumetric modulated arc therapy (VMAT) vs. serial tomotherapy, step and shoot IMRT and 3D conformal RT for treatment of prostate cancer", Radiotherapy and oncology: journal of the European Society for Therapeutic Radiology and Oncology, Vol. 93, No. 2, pp. 226-259, 2009. http://dx.doi.org/10.1016/j.radonc.2009.08.011

상세보기
F. M. Khan, Khan's the physics of radiation therapy fifth edition. Chapter 5: interactions of ionizing radiation (Wolters Kluwer, Philadelphia, U.S.A, 1987).
K. T. Kim, Y. J. Heo, M. J. Han, K. M. Oh, Y. K. Lee, S. W. Kim, S. K. Park, "Development and evaluation of multi energy PbO dosimeter for quality assurance of image guide radiation therapy devices", Journal of instrumentation, Vol. 12, No. 4, pp. 1-10, 2017. http://dx.doi.org/10.1088/1748 0221/12/04/C04024
K. M. Oh, M. J. Han, K. T. Kim, Y. J. Heo, C. W. Moon, S. K. Park, S. H. Nam, "Development and evaluation of polycrystalline cadmium telluride dosimeters for accurate quality assurance in radiation therapy", Journal of Instrumentation, Vol. 11, No. 2, pp 1-8, 2016. http://dx.doi.org/10.1088/1748 0221/11/02/C02040

저자의 다른 논문 :

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