Ⅰ서 론

의료산업의 성장은 의료수준 및 의료기기의 발전에 계기 가 되었고, 이는 정확한 질병의 진단과 치료를 가능하게 하 였다. 그 중 진단용 X선 발생장치를 통한 검사는 식품의약 품안전처 조사결과 2007년부터 2011년 까지 5년간 의료기 관의 방사선 이용이 약 35% 증가와 더불어 국민 일인당 연 간 진단용 방사선 검사 건수가 4.6회에 이른다는 통계를 보 이고 있다. 이중 일반 X선 촬영이 78%를 차지하고 있는 만 큼, 피폭선량 감소와 더불어 최적화를 통한 영상획득은 중 요한 과제로 여겨진다^1-5).

국내에서는 피폭선량 감소와 최적화의 일환으로 기기의 정도관리의 중요성이 대두되었다. 국내에서는 의료기기법 에 따라 식약처의 품목허가를 받거나 신고를 통해 새로운 장비에 대한 사전검사를 받으며, 의료법 37조에 따라 해당 진단용 방사선 발생장치는 해당 검사 기관을 거쳐 안전관리 규칙에 따라 3년 주기의 정기적인 사후 검사를 통해 안전관 리체계를 구축하여 정도 관리를 시행하고 있다^6,7).

그 중 촬영조건 중 하나인 kVp는 피폭선량과 영상화질에 직접적으로 영향을 미치는 항목이나 고가의 측정 장비 및 시간적 제약으로 정기적인 정도관리를 시행하는 것은 제한 적이다.

이는 정도관리차원에서 새로운 방법과 장비의 연구가 필 요하다는 것을 의미하고 이에 착안하여 2014년 신구대학교 에서 황준호 외 4명은 독일의 Quart사에서 제작한 Quart SP_dl 방사선 촬영 및 투시 정도관리 팬텀을 이용한 kVp 측 정의 실효성과 유효성을 입증한 바 있다^8-10).

Quart SP_dl 팬텀은 사각형모양으로써 200 x 200 x 18.5 mm 크기이고 33 x 33 cm으로 확장이 가능하며 kVp 를 측정할 수 있는 부분은 반원 형태의 Cu와 Y으로 구성이 되어있고 kVp의 측정방법은 농도계를 이용한 측정으로 기 술되어있다⁹⁾.

따라서 본 논문에서는 순수 Cu와 Y을 통한 kVp 측정의 정도관리 방안 연구 및 정확성을 평가하고, 향후 kVp를 측 정하기 위한 새로운 사용방법을 제안하고자 한다.

Ⅱ대상 및 방법

1대상 및 장비

본 연구는 3 대의 일반촬영장비(Accuray-625R; DK Medical Systems, Korea와 MDXP-40; Medicine, Korea 그리고 MC-50L; Medicine, Korea)를 사용하여 2014년 3 월부터 2015년 6월까지 각 장비 당 50차례 실험을 진행하였 다. kVp 측정에는 반도체 검출기인 Piranha 657과 Cobia 를 사용한다. Piranha 657은 반도체 검출기로 에너지 분해 능이 우수하고 입사방사선의 에너지와 출력 pulse와의 비례 성이 뛰어나며 오차범위는 ± 5% 특징을 가진다. 또한 각각 의 kVp에 따른 보정계수를 가진 지금까지 나온 다른 선량계 보다 정확한 선량 값을 나타낸다¹¹⁾. Cobia 또한 Piranha처 럼 정확한 kVp 측정이 가능하다.

2재원

본 연구를 위한 Y은 순도 99.5 %의 전혀 산화가 되지 않 은 순수 고체 상태이고 실험에 적합한 형태로 만들기 위해 직경 1.5 cm의 반원 모양으로 가공 제작하였다. 또한 두께 에 따른 농도의 차이를 육안을 이용한 정성적 평가와 densitometer를 이용한 정량적 평가를 통하여 비교하기 위 해 직경은 1.5 cm을 유지하고 두께를 0.5, 1.0, 1.5, 2.0 mm의 4가지 형태로 만들었다(Figure 1). Cu 또한 Y과 같 은 조건으로 만들었다(Figure 2). Cu와 Y을 사용할 때, 산 화로 인하여 실험에 영향을 주는 것을 최소화하기 위해 비 닐 팩에 밀봉하여 보관하였다¹²⁾.

3실험방법

1)X 선 kVp 재현성 실험

실험에 앞서 진단용 방사선발생장치의 사용여부를 결정 하기 위해 재현성을 평가한다. Piranha 657로 각 kVp 당 3번씩 측정한다. 보다 정확한 재현성 평가를 위해 다른 kVp meter인 Cobia를 이용하여 kVp 재현성을 다시 한번 측정 한다.

2)두께 및 kVp 변화에 따른 Cu와 Y의 농도비 측정 실험

Quart SP_dl 팬텀의 설명서에서는 75 kVp, 선행 연구에 서는 78 kVp에서 Cu와 Y이 같은 필름농도를 나타낸 다는 것은 검증된 상태이므로, Cu와 Y이 같은 농도를 지시하는 두께를 먼저 찾는다^9,10). 두께 변화에 따른 농도변화를 예상 하여 관전류는 100mA, 촬영시간은 0.125 sec로 고정한 후 Y과 Cu의 두께를 0.5 mm와 0.5 mm, 0.5 mm와 1.0 mm, 1.0 mm와 1.0 mm, 1.5 mm와 2.0 mm로 변화시켜 75 kVp 와 78 kVp에서 결과 값을 얻는다. Y과 Cu의 필름농도를 얻 어낸 후, 각각의 농도를 densitometer를 사용하여 기록한 다. Y과 Cu가 같은 농도를 나타내는 두께와 kVp를 찾으면 이를 기준점으로 정한 후 두께는 고정하고 기준 kVp를 ± 10 % 로 변화하여 각각의 kVp에 해당하는 Y과 Cu의 필름 농도를 기록한다. 이렇게 기록된 농도는 Y에 대한 Cu의 비 로 농도비를 산출하여 % 비로 나타낸다.

실험을 진행하기 전에 측정 시 실험도구와 촬영대의 거리 (source image distance; SID)는 100 cm으로 하고, 조사야 크기는 카세트 크기인 10 x 12 로 실험을 진행하였다. 광자 를 제거하기 위해 환자등가필터(Figure 3)를 콜리메이터에 부착하거나 고유여과 0.9 mmCu와 부가여과 2.0 mmCu을 합하여 총 여과 2.9 mmCu를 만든다^13-15). 카세트 위에 Piranha 657 또는 Cobia를 위치시키고 다른 한쪽에는 Cu 와 Y을 위치시켜 방사선을 조사하여 실험을 진행하였다 (Figure 4).

3)Cu와 Y을 통한 kVp 측정의 실효성 및 유효성 실험

기존의 실험에서 Quart SP_dl 팬텀을 통한 kVp 측정의 실효성과 유효성은 검증된 상태이므로, 관전압을 78 kVp, 관전류를 100 mA로 고정하고 노출시간을 0.1 sec, 0.125 sec 그리고 0.16 sec의 조건으로 변화시켜 순수 Cu와 Y을 통한 kVp 측정의 실효성을 평가하였다. 또한 관전압을 75 kVp, 관전류를 100 mA로 고정하고 노출시간을 0.1, 0.125 그리고 0.16 sec의 조건으로 변화시켜 순수 Cu와 Y을 통한 kVp 측정의 유효성을 평가하였다¹⁰⁾.

4)Cu와 Y을 통한 kVp 측정의 정확성 실험

정확성 평가는 의료 진단용 X 선이 광자라는 사실에 입각 하여, 단일 에너지 선원에 대한 방사선 강도가 차폐 물질의 층에 비례하여 지수적 으로 감소한다는 것을 이용한다. 그 감소비율은 다음과 같은 식을 따른다.

이 μ는 광자와 물질과의 상호작용(광전효과, 컴프턴 산 란, 전자쌍 생성)을 고려하여 평가한다. 광자와 물질과의 상 호작용 할 확률을 모두 합하면 물질에 입사해 반응할 수 있 는 총 반응 단면적이 된다. 또한 μ는 광자의 2차 반응을 고 려하지 않은 narrow beam이며 여기에 밀도를 나누어주면 μ/ρ가 된다. μ/ρ는 다음과 같은 식을 따른다.

μ/ρ = (μ_p (o_pn)+ μ_c (Zo_cn) + μ_pp (o_ppn))/ρ

여기까지는 숫자감소 관점에서 바라본 식이라면, 에너지 를 물질에 전달하는 과정에 중심을 두어 얼마만큼의 에너지 가 전달되는지를 도입해야할 필요성이 대두된다. 그 전달 비를 에너지 전달계수라고 하고 이는 다음과 같은 식을 따 른다.

μ tr = μ p 1 − W hv + μ c E C hv + μ pp 1 − 2 m e c 2 hv

에너지 전달계수(μ_tr)에 밀도(ρ)를 고려하면 질량에너지 전달계수(μ_tr /ρ)가 된다.

여기까지 에너지가 전달된 관점에서 바라본 식이라면, 에 너지가 물질에 얼마만큼 흡수되는 지를 고려해야한다. 이는 에너지가 물질에 모두 흡수되지 않고 제동방사선이나 소멸 복사선으로 일부분이 방출된다는 의미이다. 진단 X선은 대 부분 511 keV이하의 광자이므로 물질에 전달된 에너지의 일 부가 제동방사선의 형태로 방출된다. 이를 고려한 것을 에 너지 흡수계수라고 하고 이는 다음과 같은 식을 따른다.

μ_en = μ_tr (1-T)

에너지 흡수계수(μ_en)에 밀도(ρ)를 고려하면 질량에너지 흡수계수(μ_en/ρ)가 된다.

실험에 이용한 에너지는 1 MeV 이하의 진단영역이므로 정확성을 평가할 때 전자쌍 생성을 제외한 광전효과와 컴프 턴 산란을 고려하고 Cu와 Y의 밀도 및 질량에너지 흡수계수 를 통하여 측정된 필름농도가 이론을 통한 계산의 검증을 거쳐 부합되는 정도로 정확성을 실험하였다^16,17).

Ⅲ결 과

1X 선 kVp 재현성 실험

kVp 재현성은 백분율 평균오차를 따른다. 백분율 평균오 차(Percent Average Error; PAE)는 설정치의 ± 10%의 범 위 이내여야 한다. 백분율 평균오차에 의거하여 실험에 사 용된 장치들은 kVp 재현성을 측정한 결과 이상이 없었다 (Table 1).

2)두께 및 kVp 변화에 따른 Cu와 Y의 농도비 측정 실험

두께 변화에 따른 농도변화를 예상하여 Y과 Cu의 두께를 0.5 mm와 0.5 mm, 0.5 mm와 1.0 mm, 1.0 mm와 1.0 mm, 1.5 mm와 2.0 mm로 변화시켜 75 kVp와 78 kVp에서 각각 촬영한 결과, 75 kVp에서 Cu와 Y의 두께가 0.5 mm 와 0.5mm 일 때 각각의 농도가 2.1로 같았다. 또한 두께를 0.5 mm와 1.0 mm, 1.0 mm와 1.0 mm, 1.5 mm와 2.0 mm 으로 변화시켜 촬영한 결과에서는 75 kVp와 78 kVp에서 같은 농도를 나타내지 못했다(Table 2).

각각의 두께 0.5 mm, 75 kVp를 기준으로 Y 에 대한 Cu 의 비를 100%로 하여 농도비를 산출한 결과 65 ~ 68 kVp 에서 농도변화는 85% ~ 94%, 69 kVp ~ 74 kVp에서 농 도변화는 95% ~ 99%, 76 kVp ~ 85 kVp는 101% ~ 110% 로 65 ~ 68 kVp에서는 각각 3%씩 증가하였고, 70 ~ 71 kVp로 올라가는 구간의 농도변화가 0, 제외한 나머지 구간 이 모두 1%의 농도변화를 보였다(Figure 5)(Table 3).

3)Cu와 Y을 통한 kVp 측정의 실효성 및 유효성 실험

선행논문에 따르면 78 kVp에서 그리고 Quart SP_dl 팬 텀의 설명서에 따르면 75 kVp에서 Cu와 Y은 같은 농도를 나타내야 한다⁹⁾¹⁰⁾. Cu와 Y을 통한 kVp 측정의 실효성을 입 증하기 위해 관전압을 78 kVp로, 관전류를 100 mA로 고정 하고 노출시간 sec을 0.1, 0.125, 0.16 sec의 조건으로 변화 시켜 Cu와 Y을 통한 kVp 측정의 실효성을 평가한 결과 같 은 농도를 나타내지 못하였다(Table 4). 그리고 관전압과 관전류를 75 kVp, 100 mA 고정하고 노출시간 sec를 0.1, 0.125, 0.16 sec의 조건으로 변화시켜 Cu와 Y을 통한 kVp 측정의 유효성을 평가한 결과 같은 농도를 나타내었다 (Table 5).

4)Cu와 Y을 통한 kVp 측정의 정확성 실험

일반적으로 방사선의 강도는 I = I ₀e^-ux의 식을 따른다 ¹⁹⁾. 정확성 평가는 의료 진단용 X 선이 차폐체 종류 및 두께 에 따라 방사선의 강도가 지수적으로 감소하는 것을 통해, I = I ₀e^-ux의 식을 이용하고, 제동방사선을 고려하여 질 량 에너지 흡수계수 u_en/ρ 로 정확성을 평가한다. Cu의 밀 도(ρ)는 실온에서 8.94 g/cm³ 이고 Y의 밀도(ρ)는 실온에 서 4.472 g/cm³ 이다. 또한 Cu와 Y의 u/ρ 와 u_en/ρ 는 다음과 같다(Table 6)(Table 7)¹⁷⁾.

75 keV에서 Cu의 질량에너지 흡수계수는 0.741075 cm²/g이다. 그리고 실온에서 Cu의 밀도 8.94 g/cm³와 부 가여과 0.29 cmCu와 실험에 이용된 Cu의 두께 0.05 cm을 합하면 총 두께 0.34 cmCu가 된다. 이를 이용하여 입사 방 사선의 에너지가 감쇠되는 정도를 산출할 수 있다. 그 과정 은 다음과 같다.

75 keV일 때 Y의 질량에너지 흡수계수는 1.59575 cm²/g 이다. 그리고 실온에서 Y의 밀도 4.472 g/cm³와 부가여과 0.29 cmCu와 실험에 이용된 Y의 두께 0.05 cm을 고려하여 입사 방사선의 에너지가 감쇠되는 정도를 산출할 수 있다. 또한 차폐체의 종류가 다르기 때문에 그 감쇠되는 정도는 다음과 같은 과정을 따른다.

I = I 0 e − u en 1 / ρ 1 × ρ 1 × x 1 + u en 2 / ρ 2 × ρ 2 × x 2 = 75 keV × e − 0.741075 cm 2 / g × 8.94 g / cm 3 × 0.29 cm + u en 2 / ρ 2 × ρ 2 × x 2 = 75 keV × e − 1.921311045 + 1.59575 cm 2 / g × 4.472 g / cm 3 × 0.05 cm = 75 keV × e − 2.278120745 ∴ I = 7.68 keV

이 과정에 따라 Cu와 Y을 통한 kVp 측정의 정확성을 평 가한 결과 Cu는 7.88 ke V, Y은 7.68 ke V로 0.2 ke V 차 이를 보였다.

Ⅳ고 찰

본 연구에서 Cu와 Y을 이용하여 kVp 정도관리 방안을 연구한 이유는 Quart SP_dl 팬텀의 kVp를 측정할 수 있는 부분이 Cu와 Y으로 구성이 되어있기 때문이고, 또한 Cu를 기준으로 삼아 Y에 대한 Cu의 비로 농도변화를 산출한 것은 Quart SP_dl 팬텀의 설명서에서 Cu와 Pb로의 실험방법이 제시되어 있었고 또한 선행실험에서도 Cu를 기준으로 실험 데이터를 산출하였기 때문이다^9,10).

실험장비 또한 3 대로 한정이 되어 있고, 실험 횟수도 50 차례 정도로 제한이 있었기 때문에 객관성이 결여될 수 있 다. 향후 추가적인 실험을 통하여 보다 많은 표본 데이터를 획득하여 실험결과를 검증해야할 필요가 있다. 또한 영상을 바로 획득하는 Digital Radiography System 장비가 아닌 필름 농도를 이용하여 kVp의 측정에 이용하였기 때문에 널 리 임상에서 사용하는 장비인 Digital Radiography System 과 Computed Radiography System과의 비교에는 다소 어 려움이 있다고 사료된다.

실험에 이용한 Cu와 Y의 두께는 각각 0.5 mm, 1.0 mm, 1.5 mm 2.0 mm 로 굉장히 얇으므로, 피사체 자체에서 발 생하는 산란선의 영향은 무방하다고 할 수 있으나 X 선 발 생장치에서 발생하는 산란선에 의한 영향을 고려해야할 필 요성이 대두된다. 또한 kVp 측정 시 질량감쇠계수를 사용하 여 정확성 평가의 근거로 삼는 경우, X 선은 제동 복사선인 것을 고려하여 평균 에너지를 통한 평가가 이루어져야 하지 만, 본 연구에서는 Quart SP_dl 사에서 제시된 설명서에 최 대에너지 75 keV에서 Cu와 Y이 같은 농도를 지시하였다는 내용을 보고하였기 때문에 보수적인 평가로서 단일에너지를 통한 계산으로 결과 값을 산출하였다. 향후 연구에서는 평균 에너지를 통한 객관성의 보완이 이루어져야 할 것으로 사료된 다. 평가 기준은 필름을 현상했을 때, Cu와 Y의 두께에 따른 농도의 차이를 육안을 이용한 정성적 평가와 densitometer를 이용한 정량적 평가를 통하여 비교하게 된다. 육안을 이용 한 정성적 평가로만 농도를 비교하게 되는 경우 X 선 발생 장치의 조건이 굉장히 안정된 상태라고 하여도 객관성에 한 계가 있어 정확성을 높이기 위해 육안적 평가와 더불어 농 도 측정을 통한 평가를 복합적으로 진행하여 정도 관리를 시행할 것을 권고한다. 예를 들어 75 kVp를 입력하였을 때 Cu와 Y의 농도는 같은 값을 지시해야한다. 그러나 같은 값 을 지시하지 않고 Y에 대한 Cu의 비를 산출하였을 때, 98% 의 농도비가 나온다면 이는 75 kVp가 아닌 73 kVp의 출력 이 발생했다는 의미이다. 단, 실험에서 75 kVp에서 Cu와 Y 의 두께가 각각 0.5 mm 일 때, 관전류량을 변화시켜 진행 하였을 때에 같은 농도값을 지시하였으나, 16 mAs 이상으 로 관전류량을 높였을 때에는 피사체 두께가 0.5 mm로 굉 장히 얇음으로, 육안을 이용한 정성적 평가가 불가능 하였 기에 높은 조건의 관전류량으로 정도관리 시행하는 것은 지 양한다.

본 논문에서는 Cu와 Y을 통한 새로운 kVp 측정법을 제 안했으나 다음과 같은 문제점을 간과할 수 없다.

우선 방사선에 인가되는 DC 전압은 AC전류를 정류해서 사용하기 때문에, 출력 DC가 일정하지 않기에 방사선 출력에 문제가 발생하여 실험 데이터 값에 영향을 줄 수 있다^5,18).

그리고 Cu와 Y은 전이금속이기에 산화에 의한 화합물로 순수 원자 상태의 기능을 상실하게 되는 경우에는 본 방식 에 의한 kVp 측정에 오차가 발생할 수 있음을 고려하여 산 화에 대한 방어책을 마련해야한다. 그러나 전이금속들이 공 통적으로 가진 특성에 의하면 높은 녹는점과 끓는점을 가지 고 있으므로, 실온상태에서 산화에 대한 가능성은 없다고 보고되어 있다¹²⁾. 그리고 정확한 두께로 가공 제작하여 실 험을 진행 하였을지라도, 두께에 대한 정밀도에 대한 고찰 이 필요하다.

본 연구의 결과와 기존의 연구 결과에서 Cu와 Y이 같은 농도를 나타내는 kVp는 75 kVp와 78 kVp로 차이를 보였으 나 Quart SP_dl 팬텀의 설명서에서 제시된 것처럼 75 kVp 에서 Cu와 Y은 같은 농도를 지시하고 있으므로, 본 연구가 객관성을 가지고 있다는 점을 알 수 있었다.

Ⅴ결 론

실험결과 75 kVp에서 Cu와 Y은 같은 농도를 나타냈고, 65 ~ 85 kVp의 농도변화는 85 ~ 110%로 단계적인 증가를 보였다. 본 연구를 통해 Cu와 Y을 통한 kVp 측정의 정확성 을 평가할 수 있었고, 또한 실험의 표본 수가 증가한다면 이 를 기반으로 기존에 출시되어 있는 측정기 보다 값이 저렴 하고 교정의 필요성이 없는 kVp meter의 제작을 통해 정도 관리 시행이 가능할 것이라고 사료된다.