[논문]고에너지 전자선 치료 시 텅스텐 함유 3D 프린팅 물질의 차폐 성능 평가

조용인; 김정훈; 배상일

doi:10.7742/jksr.2023.17.5.641

고에너지 전자선 치료 시 텅스텐 함유 3D 프린팅 물질의 차폐 성능 평가
Evaluation of Shielding Performance of Tungsten Containing 3D Printing Materials for High-energy Electron Radiation Therapy 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.17 no.5, 2023년, pp.641 - 649

조용인 (부산가톨릭대학교 보건과학대학 방사선학과) , 김정훈 (부산가톨릭대학교 보건과학대학 방사선학과) , 배상일 (동남권원자력의학원 방사선종양학과)

초록
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본 연구에서는 3D 프린팅 기술을 활용하여 제작한 차폐체의 성능을 비교 분석하여, 고에너지 전자선 치료 시 차폐체로서의 적용 가능성에 대해 알아보고자 한다. 고에너지 전자선에 대한 3D 프린팅 재료의 차폐성능 평가를 위해 실측과 몬테카를로 기반의 모의실험을 수행하였다. 첫 번째, 모의실험에 대한 신뢰성 확보를 위해 IAEA의 TRS-398 권고를 참조하여 선원항 평가를 수행하였다. 두 번째, PLA+W (93%) 재료에 대한 차폐 성능 분석을 위해 3D 프린터를 이용하여 시편을 제작하였고, 전자선 에너지에 따른 두께별 차폐율을 평가하였다. 세 번째, PLA+W (93%)와 기존 차폐체 간 차폐 성능 비교 분석을 통해 전자선 치료 시 필요한 차폐 두께를 산정하였다. 연구 결과, 첫 번째, 실측과 모의실험을 통한 선원항 평가 결과, 1% 이내의 오차로 TRS-398 권고를 만족하여 모의실험에 대한 신뢰성을 확보하였다. 두 번째, PLA+W (93%)에 대한 차폐 성능 분석 결과, 6 MeV 전자선은 3.12 mm에서 95% 이상의 차폐율을 나타냈고, 15 MeV 전자선은 10 mm 두께에서 90% 이상의 차폐율을 나타내었다. 세 번째, 모의실험을 통해 PLA+W (93%) 재료와 기존 차폐체 간 비교 분석을 통해 동일 두께 내에서 텅스텐, 납, 구리, PLA+W (93%), 알루미늄 순서로 차폐율이 높은 결과를 나타내었으며, 6 MeV 전자선은 5 mm 이상, 15 MeV 전자선은 10 mm 이상 두께에서 거의 유사한 차폐율을 나타내었다. 향후 본 연구를 통해 고에너지 전자선 치료 시 PLA+W (93%) 재료를 이용한 환자의 맞춤형 차폐체 제작을 위한 기초자료로서 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study compares and analyzes the performance of a shield manufactured using 3D printing technology to find out its applicability as a shield in high-energy electron beam therapy. Actual measurement and monte carlo simulations were performed to evaluate the shielding performance of 3D printing materials for high-energy electron beams. First, in order to secure reliability for the simulation, a source term evaluation was conducted by referring to the IAEA's TRS-398 recommendation. Second, to analyze the shielding performance of PLA+W (93%), a specimen was manufactured using a 3D printer, and the shielding rate by thickness according to electron beam energy was evaluated. Third, the shielding thickness required for electron beam treatment was calculated through a comparative analysis of shielding performance between PLA+W (93%) and existing shielding bodies. First, as a result of the evaluation of the source term through actual measurement and simulation, the TRS-398 recommendation was satisfied with an error of less than 1%, thereby securing the reliability of the simulation. Second, as a result of the shielding performance analysis for PLA+W (93%), 6 MeV electron beams showed a shielding rate of more than 95% at 3.12 mm, and 15 MeV electron beams showed a shielding rate of more than 90% at 10 mm thickness. Third, through simulations, comparative analysis between PLA+W (93%) materials and existing shields showed high shielding rates within the same thickness in the order of tungsten, lead, copper, PLA+W (93%), and aluminum. 6 MeV electron beams showed almost similar shielding rates at 5 mm or more and 15 MeV electron beams. Through this study in the future, it is judged that it can be used as basic data for the production and application of shielding bodies using PLA+W (93%) materials in high-energy electron beam treatment.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Geometric structure of linear accelerator in simulation
표 Table 1. Manufacture set-up
그림 Fig. 2. Measurement conditions for 3D printing materials in a linear accelerator
표 Table 2. Density of 3D printed shielding materials and existing shielding materials
그림 Fig. 3. Percentage depth dose curves for 6 MeV electron beams in water phantom
그림 Fig. 4. Percentage depth dose curves for 15 MeV electron beams in water phantom
그림 Fig. 5. Shielding ratio according to thickness of PLA + W
표 Table 3. Comparison of R50 between MCNP6 and measurement method
그림 Fig. 6. Comparative evaluation of shielding effect by thickness of shielding material for 6 MeV electron beam using MCNP6
그림 Fig. 7. Comparative evaluation of shielding effect by thickness of shielding material for 15 MeV electron beam using MCNP6

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 실측과 모의실험을 통해 고에너지 전자선에 대한 3D 프린팅 물질의 차폐 성능 분석을 수행하였다. 6 MeV 전자선에 대해 PLA + W(93%) 3.
이에 본 연구에서는 몬테카를로 기반의 모의실험과 실측을 통해 3D 프린팅 물질인 PLA에 텅스텐(Tungsten, W)이 함유된 차폐체와 기존의 차폐 물질 간의 차폐 성능을 비교 분석하고자 한다. 이를 통해 전자선 치료 시 정상조직 차폐를 위한 환자 맞춤형 차폐체로의 적용을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
이에 본 연구에서는 몬테카를로 기반의 모의실험과 실측을 통해 3D 프린팅 물질인 PLA에 텅스텐(Tungsten, W)이 함유된 차폐체와 기존의 차폐 물질 간의 차폐 성능을 비교 분석하고자 한다. 이를 통해 전자선 치료 시 정상조직 차폐를 위한 환자 맞춤형 차폐체로의 적용을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.

제안 방법

2%의 차폐율을 나타내는 것을 확인하였다. 또한 기존 차폐체 간의 비교 분석을 통해 전자선 에너지에 따른 두께별 차폐율에 대해 정량적으로 제시하였다. 추후 본 연구를 통해 고에너지 전자선 치료 시 PLA+W (93%) 재료를 이용한 차폐체 제작 및 적용을 위한 기초자료로서 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

대상 데이터

5와 같다. 6 MeV 전자선에 대해 50%, 90% 차폐율을 나타내는 시편 두께는 각각 실측 1.19 mm, 2.81 mm, 모의실험 1.21 mm, 2.80 mm 두께로 평가되었다. 실측과 모의실험 간 차폐율의 오차율은 각각 1.
첫 번째, 실측 방법은 6 MeV, 15 MeV 전자선에 대한 조사야는 10 cm × 10 cm으로 설정하고, SSD 100 cm 지점에 물과 99% 등가 물질인 Solid Blue Phantom을 위치시켰다. 차폐율 평가를 위해 팬텀 중앙 지점에 3D 프린팅 시편을 위치시켰으며, 팬텀 표면 아래 전자선 측정 전리함(PTW, Advanced Markus Chamber, Type 34045)을 이용하였다. 차폐율은 시편의 두께(non, 1, 2, 3, 5, 10 mm)에 따른 전하량을 측정하여 Eq.
첫 번째, 실측 방법은 6 MeV, 15 MeV 전자선에 대한 조사야는 10 cm × 10 cm으로 설정하고, SSD 100 cm 지점에 물과 99% 등가 물질인 Solid Blue Phantom을 위치시켰다

데이터처리

3D 프린터로 출력한 PLA+W(93%) 시편의 두께에 따른 차폐율을 모의실험과 실측을 통해 비교 분석하였고, 결과는 Fig. 5와 같다.
모의실험을 통해 PLA + W(93%)와 기존 차폐체간 차폐 성능을 비교 분석하였다. 첫 번째, 6 MeV 전자선에 대한 차폐체의 두께별 차폐율은 Fig.

성능/효과

1 mm 두께에서의 차폐율은 PLA+W 13.6%, 텅스텐 57.6%, 납 37.5%, 구리 17.2%, 알루미늄 –0.8%로 평가되었으며, 텅스텐, 납, 구리, PLA+W, 알루미늄 순서로 높은 차폐율을 나타내었다
1 mm 두께에서의 차폐율은 PLA+W 41.4%, 텅스텐 93.6%, 납 79.7%, 구리 50.6%, 알루미늄 –1.3%로 평가되었으며, 텅스텐, 납, 구리, PLA+W, 알루미늄 순서로 높은 차폐율을 나타내었다
3%로 평가되었다. 10 mm 두께에서의 차폐율은 PLA+W 89.2%, 텅스텐 90.7%, 납 89.8%, 구리 89.5%, 알루미늄 41.1%로 평가되었으며, 텅스텐을 제외한 모든 물질의 차폐율은 90% 미만으로 나타났다.
7%로 평가되었으며, 알루미늄을 제외한 모든 차폐체에서 95% 이상의 차폐율을 나타내었다. 10 mm 두께에서의 차폐율은 PLA+W 96.5%, 텅스텐 96.3%, 납 96.3%, 구리 95.8%, 알루미늄 95.3%로 평가되었으며, 모든 차폐 물질에서 95% 이상의 차폐율을 나타내었다.
15 MeV 전자선에 대한 50% 차폐율을 나타내는 시편 두께는 실측 2.70 mm, 모의실험 2.87 mm로 평가되었으며, 오차율은 6.29%를 나타내었다. 차폐율 90%의 시편 두께는 실측 7.
8%로 평가되었으며, 텅스텐, 납, 구리, PLA+W, 알루미늄 순서로 높은 차폐율을 나타내었다. 3 mm 두께에서의 차폐율은 PLA+W 52.4%, 텅스텐 87.7%, 납 81.3%, 구리 54.2%, 알루미늄 12.2%로 평가되었으며, 차폐체 간 차폐율은 모든 두께에서 동일한 경향의 대소 관계를 보였다. 5 mm 두께에서의 차폐율은 PLA+W 80.
3%로 평가되었으며, 텅스텐, 납, 구리, PLA+W, 알루미늄 순서로 높은 차폐율을 나타내었다. 3 mm 두께에서의 차폐율은 PLA+W 94.9%, 텅스텐 93.6%, 납 96.0%, 구리 94.8%, 알루미늄 27.4%로 평가되었으며, 납의 경우 95% 이상의 차폐율을 나타내었다. 5 mm 두께에서의 차폐율은 PLA+W 95.
2%로 평가되었으며, 차폐체 간 차폐율은 모든 두께에서 동일한 경향의 대소 관계를 보였다. 5 mm 두께에서의 차폐율은 PLA+W 80.7%, 텅스텐 89.6%, 납 87.9%, 구리 81.6%, 알루미늄 12.3%로 평가되었다. 10 mm 두께에서의 차폐율은 PLA+W 89.
4%로 평가되었으며, 납의 경우 95% 이상의 차폐율을 나타내었다. 5 mm 두께에서의 차폐율은 PLA+W 95.3%, 텅스텐 95.8%, 납 96.4%, 구리 96.6%, 알루미늄 62.7%로 평가되었으며, 알루미늄을 제외한 모든 차폐체에서 95% 이상의 차폐율을 나타내었다. 10 mm 두께에서의 차폐율은 PLA+W 96.
본 연구는 실측과 모의실험을 통해 고에너지 전자선에 대한 3D 프린팅 물질의 차폐 성능 분석을 수행하였다. 6 MeV 전자선에 대해 PLA + W(93%) 3.12 mm가 95% 이상의 차폐율을 나타내었고, 15 MeV 전자선은 10 mm 두께에서 92.2%의 차폐율을 나타내는 것을 확인하였다. 또한 기존 차폐체 간의 비교 분석을 통해 전자선 에너지에 따른 두께별 차폐율에 대해 정량적으로 제시하였다.
본 연구의 결과에 따르면, 첫 번째, 선원항 평가는 실측과 모의실험에 대한 오차가 1% 미만으로 평가되었다. IAEA TRS-398은 R50 오차를 2% 미만으로 권고하고 있으며, 권고를 만족하는 실험 결과로 모의실험에 대한 신뢰성을 확보하였다.
세 번째, 모의실험을 통해 PLA+W(93%) 재료와 기존 텅스텐, 납, 구리, 알루미늄 차폐체 간 차폐 분석을 통해 차폐체의 원자번호와 밀도에 비례한 차폐율을 나타내었으나, 일정 두께 이상에서는 각 차폐체 간 차폐율의 차이가 다소 미미하였다. 이는 전자선의 에너지에 따른 포화 현상에 기인한 것으로 사료된다.
80 mm 두께로 평가되었다. 실측과 모의실험 간 차폐율의 오차율은 각각 1.68%, 0.35%를 나타내었다.
종합적인 평가 결과, 실측과 모의실험의 수치가 비교적 잘 일치하는 것을 확인하였다. 6 MeV 전자선 대한 차폐율은 3.

후속연구

본 연구의 제한점은 15 MeV 전자선에 대한 95% 이상 차폐 두께에 대해 산정하지 못한 부분으로 이는 추가적인 연구를 통해 보완할 필요가 있을 것으로 생각된다. 또한 기존 전자선 차폐블럭 제작 과정과 비교하여 3D 프린터를 이용한 차폐체 제작은 상대적으로 시간이 수배 이상 소요될 것으로 보이며, 추후 차폐 블록에 대한 실증 연구가 필요할 것이다. 향후 본 연구를 통해 고에너지 전자선 치료시 환자 맞춤형 3D 프린팅 차폐체 제작 및 적용을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
본 연구의 제한점은 15 MeV 전자선에 대한 95% 이상 차폐 두께에 대해 산정하지 못한 부분으로 이는 추가적인 연구를 통해 보완할 필요가 있을 것으로 생각된다. 또한 기존 전자선 차폐블럭 제작 과정과 비교하여 3D 프린터를 이용한 차폐체 제작은 상대적으로 시간이 수배 이상 소요될 것으로 보이며, 추후 차폐 블록에 대한 실증 연구가 필요할 것이다.
또한 기존 차폐체 간의 비교 분석을 통해 전자선 에너지에 따른 두께별 차폐율에 대해 정량적으로 제시하였다. 추후 본 연구를 통해 고에너지 전자선 치료 시 PLA+W (93%) 재료를 이용한 차폐체 제작 및 적용을 위한 기초자료로서 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
또한 기존 전자선 차폐블럭 제작 과정과 비교하여 3D 프린터를 이용한 차폐체 제작은 상대적으로 시간이 수배 이상 소요될 것으로 보이며, 추후 차폐 블록에 대한 실증 연구가 필요할 것이다. 향후 본 연구를 통해 고에너지 전자선 치료시 환자 맞춤형 3D 프린팅 차폐체 제작 및 적용을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

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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].

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