Ⅰ.서 론
International Electrotechnical Commission (IEC) 60601-1 3판이 2005년 발효되었다1-2). 공통규격 60601-1 의 보조(부가)규격인 IEC 60601-1-3에서3) 진단용엑스선발 생장치는 방사선량을 표시하여야 한다고 규정하고 있으며, 개별규격 IEC 60601-2-54에서4) 선량의 표시방법은 계측 기를 부착하거나 계산하여 표시하여야 한다고 규정하고 있 다. 우리나라는 이 공통규격과 보조규격을 식약처고시(제 2015-115호)로 발행하였으며 2등급 장치인 디지털 진단용 엑스선촬영장치는 2015년 6월 1일부터, 3등급 장치인 진단 용 엑스선 투시촬영장치는 2016년 6월 1일부터 적용하고 있 다5). 따라서 이때부터 제조되는 모든 X선 장치는 선량표 시가 의무화되었다. 다만 기존에 설치된 장치는 명확한 시행방침이 정해져 있지 않다. 선량은 입사피부선량(ESD: Entrance Skin Dose) 또는 면적선량(DAP: Dose Area Product)으로 표시하며 선량계는 면적선량계를 권고하고 있다. 그러나 아직 국산 면적선량계를 생산하지 못하고 있 으며 전량을 수입에 의존하고 있다. 우리는 산학연협의체를 구성하여 순수 국내기술로 면적선량계를 개발하기로 하고 서울시 산학연 협력사업(C1152055)의 지원을 받아 국산 면 적선량계 프로토타입(SFT-1)을 제작하였다. 센서물질과 이 온챔버(Ion Chamber)는 주로 전기연구원에서 제작하였으 며 표시회로는 SFTechnology(SFT)에서 제작하였다. 성능 평가는 고려대학교에서 이루어졌다. 현재는 완성품이 아니 고 프로토타입인 관계로 개선의 여지는 많이 남아있다. 성 능평가는 IEC 60580에6) 의하여 이루어져야 하나 우선 실용 성 여부를 판단하기 위하여 전자포집효율, 선량의존성, 선 질의존성, 재현성, 자체흡수율, 광투과율에 대하여 독일산 I 사의 면적선량계와 비교평가를 실시하였다7-9).
Ⅱ.실험 장치 및 방법
1.실험장치
본 실험에 사용된 X-선 장치는 단상전파정류 진단용엑스 선발생장치(DXG-325R, DongA, Korea)를 이용하였다. SFT에서 제작한 이온챔버의 DAP 전극 4각 프레임은 플라 스틱 재질로 설계/제작되었고, 전자빔(E-beam) 증착장치 를 활용하여 알루미늄으로 코팅하였다. 엑스선에 의해 발생 된 전하(양이온 및 전자)를 획득하는 전극판을 고정시키는 사각 프레임은 금속성 물질(Al, ZnS)로 코팅하였다. 전자빔 증착장치를 사용하여 ZnS(Zinc Slufide, 황화아연)을 증착 하였고, 증착된 두께는 대략 800~1,000Å이다. I사 제품의 유연투명전극판 표면물질 구성원소는 인듐(In)과 실리콘 (Si) 및 산소(O)이며 유연투명전극판의 기판은 폴리카보네 이트(Polycarbonate)와 같은 유연절연기판으로 구성되어있 다. SFT-1의 기판은 폴리카보네이트(Polycarbonate)를 기 본재질로 하였으며 코팅재질로 인듐주석산화물(ITO)을 사 용하였다.
Fig. 2는 DAP 엑스선 선량계에 필수적인 전하량 카운트 전자회로 및 탄소나노튜브(CNT)이고, Fig. 1은 도포장치를 활용하여 제작된 ITO 투명유연전극판을 공기전리함용 사각 프레임에 장착한 모습이다. 실험 시에는 공기전리함과 전하 량 카운트 전자회로가 결합되어 사용되었다.
선량(dose)의 세기를 알고자하는 엑스선을 Fig. 1의 선 량계 공기전리함에 조사시키면 공기전리함 내부에 존재하 는 공기가 이온화되어 전자-이온쌍(pair)이 발생되고, 외 부로부터 공기전리함에 인가된 전압에 의해서 상대전극에 도달하게 된다. 공기전리함에 인가하는 전압의 범위는 -100 V~ -300 V의 범위이며, 이때 발생된 전자-이온쌍 은 조사된 엑스선의 선량의 크기에 선형적으로 비례한다. 포집된 전자는 전하량 카운트 전자회로에 입력되어 증폭되 고 엑스선 선량(dose)으로 환산하기 위한 연산회로를 거쳐 엑스선 선량표시장치(LED)에 Fig. 2와 같이 실시간으로 나 타나게 된다.
2.실험방법
1)전자포집효율
전자포집효율을 알아보기 위해 2가지 경우를 나누어 실 험을 하였다. 첫 번째 실험은 관전압을 60 kVp로 고정하고 관전류량(mAs)을 0.41 mAs에서 100 mAs까지 2배씩 증가 시켜가며 Relative Counts를 측정하였다. 두 번째 실험은 관전압을 100 kVp와 60 kVp로 나누어 관전류 50 mA를 고 정한 다음 관전류량을 위와 같이 증가시키며 Relative Counts를 측정하였다.
Fig. 3에는 이온챔버에서 발생한 전기적인 신호가 진행 하는 회로를 나타내었고, 본 연구에서 엑스선량을 측정하는 전반적인 실험의 계통을 알 수 있다.
2)선량의존성
선량의존성 측정을 위하여 SFT-1과 I사 제품을 조사조건 을 다음과 같이 나누어 실험하였다. 관전압 50-70 kVp에서 는 0.6-48 mAs 범위를 측정하였고, 관전압 80-90 kVp에 서는 1-32 mAs범위, 관전압 100 kVp에서는 0.98-35 mAs 범위, 관전압 110-120 kVp에서는 1-16 mAs범위를 각각 측정하였다10). 측정된 데이터는 평균값, 선량(dose)/관전류 량(mAs) 비율, 오차율([SFT1 – I사 DAP 값의 차] / [I사 DAP 값]× 100 (%)), 그래프의 추세선 기울기 등으로 분석 하였다.
3)선질의존성
선질의존성을 보기 위해서 위 실험 결과 중에서 선량 (dose)/관전류량(mAs)의 데이터를 따로 정리하여 관전압 50-120 kVp 범위에서 SFT-1과 I사 제품을 비교하였다.
4)재현성
IEC 60580의 5.3 반복성 항목에 따르면 같은 조건을 반복 측정할 때, 측정의 변동계수를 측정하여서 일정 값 (DAP < 10 μGym2일 때 5%, DAP≥10 μGym2일 때 2%)을 넘지 않는 것을 권고하고 있다. 본 실험에서는 관전압 60 kVp, 80 kVp로 나누어 관전류량 10 mAs를 유지한 조사조 건 상태에서 10회 반복 측정을 통해 SFT-1과 I사 제품을 비 교분석 하였다.
5)자체흡수율
자체흡수율의 측정은 DAP meter가 존재할 때와 존재하 지 않을 때 DAP 뒷면 위치에서 Air Kerma를 측정하여서 [DAP가 있을 때 선량 / DAP가 없을 때 선량 × 100 (%)] 로 표현하였다. 조사조건을 60-100 kVp 범위에서 관전 류량 10 mAs를 고정하고 SFT-1과 I사의 제품을 비교 측 정하였다.
6)광투과율
자체흡수율과 유사한 실험 배치에서 선량계 측정 대신에 조도계를 이용해서 DXG-350 속의 조사야 확인용 광원으로 부터 나오는 빛을 측정함으로써 실제 광투과율이 얼마나 되 는지 검사하였다. SFT-1과 I사 제품을 각각 총 10회 측정하 여 비교하였다.
Ⅲ.결 과
1.전자포집효율
Fig. 4에 I사의 DAP Ion Chamber와 SFT-1 Ion Chamber 의 전자포집효율을 비교하였다. 엑스선량이 많은 경우(60 kVp일 때, 관전류량이 50 mAs보다 큰 값)에는 계수 값의 차이가 점차 커지고 있으나 전반적으로 I사의 제품과 SFT-1의 전자포집효율의 큰 차이가 없다(최대 9.5%). 또 한, 엑스선 선량에 대한 Relative Counts는 선형관계를 잘 유지하고 있는 것으로 나타났다.
60 kVp와 100 kVp에서 전자포집효율을 비교한 결과, 관 전류량이 일정하더라도 진단용엑스선발생장치의 관전압이 크면 상대적으로 큰 선량이 발생하는데 SFT-1은 그 변화를 잘 반영하고 있음을 알 수 있다.
Fig. 5는 SFT-1이 관전압이 변화하여도 전자포집효율의 선형성이 일정하게 유지되고 있음을 보여주고 있다.
2.선량의존성
50 kVp부터 120 kVp까지 선량 의존성을 평가하기 위해, 0.6 mAs에서 48 mAs까지 관전류량의 변화에 따른 SFT-1 와 I사 제품의 데이터를 비교분석을 하였다. 선량의존성은 SFT-1와 I사 제품 모두 선형성을 99% 이상 만족하고 있다. 엑스선량이 증가할수록 SFT-1이 더욱 민감하게 반응을 하 였음을 확인할 수 있었다. Fig. 6은 선량의존성을 각 관전압 별로 나누어 그래프화 한 것으로 관전압이 클수록 높은 관 전류량에서의 선량 값의 차이가 커짐을 알 수 있다.
3.선질의존성
선질 의존성을 평가하기 위해 선량을 관전류량으로 나누 어 관전류량에 의한 변수를 제거하였고, 관전압 조건을 변화 시키며 실험하였다. 그 결과 낮은 관전압대에서는 SFT-1과 I사 제품이 매우 유사하게 나타났으나 높은 관전압으로 갈 수록 선량(dose)/관전류량(mAs)의 차이가 커졌다. 선질의 존성에서도 선형성은 모두 98% 이상을 나타내었다. Fig. 7은 SFT-1과 I사 제품의 선질의존성을 그래프로 나타낸 것이다.
4.재현성
SFT-1과 I사 제품을 각각 10회씩 반복 측정해서 변동계 수(표준편차/평균값)를 산출하였다. SFT-1은 변동계수가 평균 4%, I사 제품은 변동계수 평균 2.5%로 나타났다.
5.자체흡수율
자체흡수율을 알기 위해 관전압을 높여가며 SFT-1과 I사 제품이 있을 때와 없을 때의 에너지 투과율을 구하였다. 자 체흡수율은 [100-에너지 투과율(%)]로 계산할 수 있고, 그 결과 SFT-1은 대략 8%의 자체흡수율을 가지고 있었고, I사 제품은 10%의 자체흡수율을 가지고 있었다. Fig. 8은 관전 압 60-100 kVp에서 SFT-1과 I사 제품의 에너지 투과율을 비교한 것이다.
6.광투과율
DAP meter가 존재함으로써 진단용 X선 촬영에서 Collimator 조도가 낮아지는 손해가 있으면 안 되기 때문에 DAP meter의 투명도를 측정하도록 권고된다. 조도계를 통 해서 광속을 측정하여 광투과율을 측정했다. SFT-1과 I사 제품을 각각 사용해서 반복 측정해본 결과 SFT-1은 평균 55%의 광투과율, I사 제품의 경우는 83%의 광투과율을 나 타냈다.
Ⅳ.고 찰
1.전자포집효율
전자포집효율은 DAP meter가 선량계로써 역할을 할 수 있는가를 확인하는 실험이었다. 전자포집효율이 작다면 선 량 값에 대한 신뢰도가 낮아지기 때문이다. 실험 결과 대조 군으로 사용한 I사 제품에 비해서 Relative counts는 높은 선량으로 갈수록 SFT-1이 I사 제품에 비해 90%의 효율까 지 떨어졌다.
2.선량의존성
선량의존성은 관전압이 일정할 때, 관전류량과 선량이 일 정한 비례관계를 가지는가를 확인하는 실험이다. IEC 60580 에서는 선형성이 92% 이상을 유지해야 한다고 권고하고 있 다. SFT-1은 선형성이 99.5%로 상당히 높은 신뢰성을 유지 하고 있고, I사 제품 대비 오히려 0.4%가 더 높았다. 또한 관전류량이 증가할수록 그에 비례하는 선량의 기울기가 SFT-1이 크기 때문에 보정계수를 적용해 줄 필요가 있다.
3.선질의존성
선질의존성 실험은 관전류량에 대한 변수를 제거하고 관 전압에의한 선량계 응답을 비교한 것이다. 선질의존성의 경 우 SFT-1이 I사 제품에 비해 관전압에 따른 관전류량당 선 량 값이 1.42배에 달한다. 임상환경의 촬영조건을 적용한다 면 선질이 경화될수록 선량 값의 차이가 매우 클 것으로 예 상된다11-12). I사 제품을 기준으로 한다면 SFT-1은 고전압 으로 갈수록 교정계수의 가중치를 크게 줄 필요가 있다.
4.재현성
IEC 60580에 따르면 측정 해상도 0.25%의 기록을 반복 측정함으로서 변동계수를 구하여 기준치(DAP<10 μGym2일 때 5%, DAP≥10 μGym2일 때 2%) 이하인 것을 확인한다. 측정 결과 선량 조건이 DAP≥10 μGym2이었을 때 SFT-1이 4%, I사가 2.5%가 나왔다. 둘 모두 기준치에 미달하였다. 이 결과는 진단용엑스선발생장치의 자체조사선량 변동계수 2%가 실험 결과에 포함된 것으로, 실질적인 DAP meter만 의 변동계수는 SFT-1이 2%, I사 제품이 0.5%로 볼 수 있다.
5.자체흡수율
DAP meter가 자체흡수율이 높다면 진단용엑스선발생장 치에 높은 부하가 걸리게 된다. DAP meter의 자체흡수율은 70 kV기준 순도 99%의 0.5 mm Al의 여과 수준을 넘지 않 도록 하고 있다6). 기준조건의 여과율은 15.3%로 70 kVp일 때 SFT-1은 9%, I사 제품은 10%의 자체흡수율을 가지고 있 었으므로 기준치를 만족하고 있다. 또한 SFT-1은 대조군인 I사 제품보다도 자체흡수율이 낮아 임상환경에서 얻을 수 있는 이득이 높다고 판단된다.
6.광투과율
광투과율은 DAP meter의 투명도와 연관이 되어있다. 진 단용엑스선발생장치는 가시광선으로 조사야 및 중심선속을 확인하기 때문에 투명도가 낮다면 Collimator 조도가 낮아 진다. 이런 문제를 방지하기 위해 IEC 60580에서는 ‘광속 을 70% 이상 투과해야 한다.’고 규정하고 있다. 측정결과 SFT-1은 55%의 광투과율을 보여주었는데, I사 제품의 83% 보다 낮을 뿐만 아니라 IEC 규격을 통과하지 못하는 수치 이다.
Ⅴ.결 론
본 연구는 수입에 전량 의존하고 있던 DAP meter를 순 수 국내기술로 제작하여 생산하기 위해 만든 프로토타입의 성능평가이다. 실험을 통해 국내기술의 DAP meter가 현재 까지 어느 수준에 와 있는지 확인하고 상용화까지 부족한 점을 고쳐나갈 수 있도록 하는 것이 주된 목표이다.
실험결과 전자포집효율, 선량의존성, 재현성은 국제규격 을 만족하였으나, 이미 시장에 많이 보급되어 있는 제품과 비교하였을 때 부족한 면이 발견되었고, 선질의존성과 광투 과율은 국제규격에 미달하였다. 이는 투명유연전극판 코팅 의 기술적인 부분으로 보고 개선작업 중에 있다. 또한 자체 흡수율은 국제규격을 만족시킬 뿐만 아니라 업계 최고제품 과 비교해도 손색이 없었다.
본 연구를 통해 보완할 부분을 찾아내었고 보완 중에 있 으며 6가지 항목에서 4가지가 평가 기준을 통과하였기 때문 에 DAP meter의 국산화 과정이 80% 이상 진행되었다고 판 단이 된다.
전체적인 평가 결과 프로토타입 SFT-1은 아직 상용화까 지 부족한 부분이 있으나, 개선의 가능성이 충분하고 재료 부터 회로까지 순수 국내기술로만 연구되고 있기 때문에 완성이 됐을 때 내수시장에 좋은 반응이 있을 것으로 예측 이 된다.
본 연구에서는 임상환경에서 사용되는 진단용엑스선발생 장치를 사용하여 실험을 하였다. 그러나 실험을 진행하며 진단용엑스선발생장치의 출력이 불안정한 부분이 발견되어 서 일정한 출력을 내는 방사성 동위원소 또는 표준 X-ray 장치를 이용한 추가 실험을 통해 본 실험 결과와의 비교가 필요하다.
그리고 본 연구의 평가항목 6가지 외에도 누설전류평가 와 같은 전기, 전자기 안전과 습도안정성평가 같은 장치 하 드웨어에 관련된 평가항목이 IEC 60580에 있기 때문에 추 후 진행될 연구에서 다뤄질 예정이다.
