Ⅰ.서 론

진단방사선 검사에서 환자의 불필요한 선량을 감소시키 기 위한 많은 연구들이 진행되어 왔다. 진단방사선 검사에 서 선량 감소를 위한 연구들은 크게 몇 가지 볼 수 있다. 예 를 들어 환자에게 직접적으로 들어가는 선량을 감소시키기 위하여 원자번호가 높은 납(Pb), 비스무스(Bi)와 같은 차폐 물질을 진단에 영향을 미치지 않는 범위에서 환자의 중요 부위에 차폐하여 환자의 피폭선량을 감소시킬 수 있으며 ^1)~7), 미국의학물리학회(AAPM)⁸⁾, 국제원자력기구(IAEA)⁹⁾ 에서는 환자의 피폭선량을 감소하기 위한 지표로 진단참조 준위를 권고 하고 있다. 또한 환자선량의 감소시키기 위하 여 선택적 콜리메이터를 방사선 입사 구에 부착하여 환자 의 중요부위로 들어가는 선량을 차폐하는 연구도 진행되었 다¹⁰⁾.

이와 같이 진단방사선 검사에서 선량 감소에 관한 연구를 위하여 다양한 평가방법을 사용하였다. 예를 들어 인체모형 팬텀을 대상으로 치과방사선검사에서 Prins⁷⁾은 열형광선량 계를 이용하여 납에 의한 선량 감소의 효과를 확인하였으 며, Hopper³⁾ 및 Mclanughlin⁴⁾은 CT 검사에서 환자를 대 상으로 열형광선량계를 이용하여 비스무스에 의한 선량 감 소의 유용성을 평가하였다.

이와 다르게 Lee¹¹⁾는 몬테칼로 시뮬레이션 코드와 열형 광선량계를 이용하여 치과방사선검사에서 선택적 콜리메이 터에 의한 선량 감소의 유용성을 평가하였다. 몬테칼로 시 뮬레이션은 측정소자 및 측정시스템을 직접적으로 이용하 지 않고도 장기선량을 측정 및 평가할 수 있는 장점을 가지 고 있으며, 선량 감소를 위하여 차폐체를 제작할 경우, 직 접 제작하지 않고도 연구를 진행할 수 있는 장점을 가지고 있다.

본 연구는 환자의 불필요한 선량을 감소시킬 수 있는 진단용 다엽콜리메이터 개발에 앞선 선행연구로 범용적으 로 사용되고 있는 몬테칼로 시뮬레이션 코드를 이용하여 진 단용 다엽콜리메이터의 차폐효율을 에너지에 따라 평가하 였다.

Ⅱ.연구 재료 및 방법

진단방사선 검사 시 환자선량 감소를 위한 진단용 다엽콜 리메이터(Multileaf Collimator; MLC) 개발을 위하여, LANL (Los Alamos National Lab.)에서 개발한 범용의 방사선 수 송 전산해석 코드인 MCNPX(Monte carlo N-Particle Code Extended, Ver.2.6.0, USA)를 이용하여 몬테칼로 시뮬레이션을 수행하였으며, 시뮬레이션 계산은 광자를 적 용하였고, 입력 자료로 number of particle history, nps =1.0 × 10⁹)로 하였다. 사용된 컴퓨터는 CPU (intel(R) Core(TM) i7-6700, 3.4 GHz)를 사용하였으며, 메모리는 16 GB 이다.

진단용 다엽콜리메이터 모델링에 앞서 진단방사선 기기 를 모델링하였으며, 장비의 특성은 다음 Table 1과 같다.

진단방사선 기기를 모델링하기 위하여 SRS-78 프로그램 을 이용하여 모델의 대상이 되는 기기의 튜브정보를 입력하 여 관전압에 따라 에너지 스펙트럼을 획득하였으며, 획득된 에너지 스펙트럼을 몬테칼로 시뮬레이션 코드에 삽입하여 진단방사선 기기의 소스를 모델링하였다.

본 연구는 진단용 다엽콜리메이터를 제작하기 위하여, 우 수한 기계 가공성을 가지고 있으면서 차폐모형을 만들기 위 하여 잦은 움직임이 발생하더라도 높은 내마모성을 가지는 SKD-11합금 공구강을 선택하여 만들 예정이며, SKD-11합 금 공구강은 일반 철과 밀도가 유사한 7.87g/cm³이고, 첨가 된 성분 함유량은 다음과 같다(탄소 : 1.6%, 규소 : 0.4%, 망간 : 0.6%, 크롬 : 5%, 몰리브덴 : 1%, 바나듐 : 0.3%).

진단용 다엽콜리메이터의 기하학적 구조는 총 40개의 엽 으로 좌우 20개씩 위치시켰으며, 10×0.5×0.5 cm³(길이× 폭×높이)이다. Fig. 1은 모델링된 진단용 다엽콜리메이터 의 차폐효율을 평가하기 위한 시뮬레이션 환경을 보여주고 있다. 진단방사선 기기를 모델링하기 위하여 SRS-78 프로 그램으로 획득한 에너지 스펙트럼을 삽입하였으며, 고유여 과 필터를 표현하였다. 그리고 1차 콜리메이터 및 입사 구 앞에 진단용 다엽콜리메이터를 부착하여 모델링하였다.

진단용 다엽콜리메이터의 에너지별 차폐 효율을 확인하 기 위하여 진단용 다엽콜리메이터를 부착한 부위를 기준으 로 15 cm 떨어진 위치에 20 × 20 cm²의 디텍터를 구현하였 으며, 조사면 사이즈가 10 × 10 cm² 이 되도록 콜리메이터 를 설정한 후 Tally card를 이용하여 디텍터의 X축 방향을 따라서 프로파일을 계산하였으며, 진단용 다엽콜리메이터 의 유무에 따라 식(1)을 이용하여 차폐 효율을 계산하였다.

Ⅲ.결 과

Fig. 2은 SRS-78 프로그램을 이용하여 관전압 별로 획 득한 에너지스펙트럼을 보여주고 있다. 본 결과를 MCNPX 코드에 삽입하여 모델의 대상이 되는 진단방사선 기기를 구 현하였다.

Fig. 3는 진단용 다엽콜리메이터를 부착하지 않고 진단 용 발생장치의 콜리메이터를 10 × 10 cm²으로 설정한 후 몬 테칼로 시뮬레이션 한 결과를 보여주고 있으며, 각각의 관 전압에 따라 디텍터의 조사면에 검출되는 선량의 분포도로 보여주고 있다.

Fig. 3d는 각 조사면의 중심축에서 x축 방향으로 획득한 프로 파일을 비교한 그림이며, Fig. 3d에서 확인할 수 있듯 이 에너지가 높을수록 조사면의 선량이 높을 것을 확인할 수 있었다.

반면에 Fig. 4은 앞의 실험과 모든 동일한 조건에서 진단 용 다엽콜리메이터를 모두 닫은 상태로 부착한 후 계산한 선량분포도를 보여주고 있으며, Fig. 4d는 각 에너지의 조 사면에서 중심축에서 x축 방향으로 획득한 프로파일을 관전 압에 따라 비교한 것을 보여주고 있다.

진단용 다엽콜리메이터의 에너지에 따른 차폐효율은 진 단용 다엽콜리메이터가 부착되지 않고 조사하여 획득한 Fig. 3d를 기준으로 진단용 다엽콜리메이터를 부착하였을 때 획득한 Fig. 4d의 값을 식 (1)에 따라 계산하였으며 결과 는 Table 2에서 확인할 수 있다.

Fig. 5는 진단방사선 기기 및 다엽콜리메이터를 MCNPX visual Editor에서 3D로 구현한 그림과 본 연구결과를 기반 으로 진단용 다엽콜리메이터를 Solidworks 프로그램을 이 용하여 공학적으로 설계한 그림을 보여주고 있다.

Ⅳ.고 찰

진단방사선 검사 시 환자의 불필요한 선량을 감소하기 위 하여 납과 비스무스와 같은 차폐 물질 등을 진단에 영향을 주지 않는 범위 내에서 주요장기를 차폐하였으며, 차폐에 대한 선량 감소를 확인하기 위하여 열형광선량계 및 유리선 량계 그리고 필름 등을 사용하였다^1)-7).

예를 들어 Hopper³⁾ 및 McLanughlin⁴⁾은 CT검사에서 비 스무스 차폐체를 이용하여 환자 눈의 선량을 50%이상 감소 하는 효과를 확인하였다. 그리고 중재적 방사선 시술에서 Shott⁵⁾는 납을 이용하여 갑상선의 선량을 48% 까지 감소시 켰으며, Han은 비스무스 차폐체를 이용하여 눈과 갑상선의 선량을 각각 20, 64%의 감소시키는 연구를 진행하였다.

본 연구는 환자에게 직접적으로 차폐체를 부착하여 환자 의 불필요한 선량을 감소시키는 기존의 연구와는 다르게 방사선치료시스템에서 정상조직을 보호하기 위하여 사용 되고 있는 다엽 콜리메이터를 착안하여 진단용 다엽콜리메 이터를 개발하여 진단방사선의 불필요한 선량을 감소시키 고자하였으며, 이를 위한 사전연구로써 범용적으로 사용되 고 있는 몬테칼로 시뮬레이션 코드를 이용하여 연구를 수 행하였다.

본 연구는 몬테칼로 시뮬레이션을 이용하여 여러 가지 차 폐재료 및 두께에 대한 내용을 전산모사하기 보다는 사전 차폐후보 재료를 선정한 후 선전된 차폐 후보 재료에 대하 여 검증하는 시뮬레이션을 수행하는 제한성을 가지고 있으 며, Lee¹¹⁾의 연구처럼 가상의 인체 팬텀을 몬테칼로 시뮬레 이션 코드에 삽입하여 실제 진단용 다엽콜리메이터로 인한 장기선량의 감소를 비교하지 않았다

하지만 진단용 다엽콜리메이터의 제작을 위한 기계적 가 공성 및 잦은 움직임에 대하여 높은 내마모성 고려하여 우 선적으로 선정된 후보물질의 차폐 유효성에 대한 평가연구 와 이 연구 결과를 기반으로 한 공학적 설계까지 연구를 진 행하였다.

본 연구 결과에서 확인할 수 있듯이 관전압에 따라 약 94%에서 98%의 차폐효율이 있음을 확인하였고, 본 연구결 과를 기반으로 임상에서 검사되고 있는 진단방사선검사를 몬테칼로 시뮬레이션 코드를 전산모사와 직접적인 측정방 법을 통하여 비교분석하는 연구를 진행할 예정이다.

Ⅴ.결 론

본 연구는 진단 방사선 검사에서 선량 감소를 위한 진단 용 다엽콜리메이터의 개발의 선행적 연구로서 몬테칼로 시 뮬레이션을 이용하여 개발에 사용되는 재질에 대하여 에너 지에 따라 평가하였다. 제작하고자하는 재질로 충분히 선량 을 감소시킬 수 있을 것이라 사료되며, 본 연구결과를 통하 여 진단용 다엽콜리메이터를 개발연구에 선행적 연구 결과 로 충분히 활용될 수 있을 것이라 사료된다.