Ⅰ.서 론

전산화 단층촬영장치(computed tomography; CT)는 영 상획득 방법 및 스캐너 기술의 진보와 함께 임상에서 사 용빈도는 계속 증가되고 있다^1-4). 방사선진단기기중 CT의 방사선 피폭은 큰 부분을 차지하고 있으며 피폭을 줄이기 위해 제조사에서는 AEC (automatic exposure control), automatic kV selection, adaptive collimation, organ specific dose modulation, iterative reconstruction 등의 다양한 방법이 계발되었다^5-9). 그럼에도 불구하고 CT의 방사 선량 및 평가는 여전히 논쟁되고 있다. 무엇보다 환자의 나 이가 어릴수록 방사선 감수성에 예민하기 때문에 방사선량 의 최소화 및 정확한 평가가 필요하다¹⁰⁾. CT로 인한 환자선 량 평가는 CTDI (computed tomography dose index) 개념 을 바탕으로 PMMA (polymethyl methacrylate) 실린더형 팬텀(head and body phantom)을 이용하여 환자선량을 평 가하고 있다^11,12). 하지만 다양한 환자 사이즈에 따른 선량을 정확히 평가하기에는 한계가 있다. 즉, 실린더 형태의 두부 용과 복부용으로 각각 16cm, 32cm 지름 사이즈와 PMMA의 단일화된 재질은 환자선량을 표현 하는데 제한적이다^2,13).

본 실험에 앞서 GATE (geant4 application for tomographic emission) 시뮬레이션을 이용한 다양한 팬텀 사이즈에 따른 CTDI의 특성을 평가하였다¹⁴⁾. 하지만 인체는 실린더 모양 이 아닌 타원 형태에 더 가깝다^15-16). 따라서 본 논문에서는 GATE 시뮬레이션을 통해 실린더 팬텀뿐만 아니라 인체 모 양에 가까운 다양한 형태(실린더 기둥, 타원 기둥, 육각 기 둥)의 팬텀을 모사하고 CTDI 특성을 비교할 것이며 다양한 재질의 팬텀을 이용하여 스캔 파라미터(x-ray beam energy, tube current)에 따른 선량을 평가할 것이다.

Ⅱ.방법 및 재료

1.기본이론 및 실험장비

CTDI는 사용자가 CT의 방사선 출력을 비교할 수 있으며 CT의 방사선 선량에 대한 표준화된 척도이다. CTDI₁₀₀ (100 mm 길이의 이온화 챔버에서 측정)과 CTDI_w (단일 슬라이 스 가중치 평균)가 사용되고 있다. 현재 사용중인 헬리컬 (helical) 스캔의 경우 CTDI_vol을 사용하고 있다. 식 1과 같 이 CTDI는 일반적으로 다음과 같이 표현된다^11-12).(1)

여기서 n은 획득 된 슬라이스의 수이고, T는 슬라이스 두 께, D(z)는 스캐너의 주축을 따라 위치 z에서 측정 된 방사 선 선량이다.

CT의 방사선량을 평가하기 위하여 CT (GE Light speed plus 4 slice, USA)와 CTDI 표준 PMMA 팬텀 및 방사선 선 량계(Model 20X6-3CT, Radical Corporation, USA)를 GATE 시뮬레이션으로 모사하였다¹⁷⁾. 표준 PMMA 팬텀은 실린더 형태로 Head(지름 16 cm)와 Body(지름 32 cm)용으 로 구성되어 있으며 방사선량계의 볼륨 및 길이는 3 cm³과 10 cm이다¹⁸⁾.

2.시뮬레이션 모델링

CT 구성 및 팬텀 그리고 방사선량을 평가하기 위하여 GATE 시뮬레이션을 사용하였다. GATE는 OpenGATE 공 동작업으로 개발되었고 방사선 영상 및 치료 시뮬레이션을 위한 오픈 소스 소프트웨어이다. 주로 양전자 방출 단층 촬 영(positron emission tomography; PET) 및 단일광자 방 출 전산화 단층촬영(single photon emission computed tomography; SPECT), 전산화 단층촬영장치 및 생체발광 및 형광(bioluminescence and fluorescence) 시뮬레이션 을 지원한다¹⁷⁾. Fig. 1과 같이 X-ray photon의 양을 계산 하기 위해서 SRS-78 program을 이용하여 Al (0.32 mm) 과 Be (1.52 mm)의 추가 필터를 적용한 에너지에 따른 photon의 양을 계산하였다¹⁹⁾. 또한 에너지에 따른 정확 한 photon을 적용해 주기 위해 1 keV 간격의 에너지 bin 의 photon을 적용하였다. X-ray 빔 에너지(관전압)는 80, 100, 120, 140 kVp와 관전류 100, 200, 300, 400 mAs에 따른 CT 선량값을 평가하였다.

일반적으로 CT는 X-ray tube와 detector가 360도 물체 (object)를 회전하면서 영상을 획득한다. 하지만 Fig. 2와 같이 본 시뮬레이션에서는 X-ray는 고정한 상태에서 물체 를 360도 회전시켰다. 전반적인 CT의 기하학적 모양 및 팬 텀에 대한 모델링은 앞선 논문에서 검정되었다¹⁴⁾.

일반적으로 CTDI PMMA 팬텀은 아크릴 재질의 실린더 기둥 모양(cylinder)이다. 하지만 인체는 실린더 모양이 아 닌 타원형에 가깝다. 따라서 본 논문에서는 Fig. 3과 같이 (a)의 실린더 기둥 모양의 면적(volume)과 같은 (b)의 타 원 기둥(elliptical)과 (c)의 육각기둥(hexagonal prism) 형 태를 추가적으로 모사하였다. 각 팬텀의 높이는 모두 15 cm 이고 체적은 12,057.6 cm³으로 모두 동일하다. 그리고 PMMA([C₅O₂H₈]n, 밀도=1.19 g/cm³) 팬텀보다 밀도가 낮 은 물(H₂O, 밀도=1.0 g/cm³)과 polyethylene([C₂H₄]n, 밀 도=0.97 g/cm³) 그리고 밀도가 높은 polyoxymethylene (CH₂O)n, 밀도=1.41 g/cm³)를 모사하였고 다양한 사이즈 (지름 : 1 ~ 50 cm)의 팬텀에서 CTDI_100center을 평가하였다.

Ⅲ.실험 결과

GATE 시뮬레이션을 검증하기 위해 이전 스터디에서 시 뮬레이션을 이용한 선량값과 실제 방사선량계로 측정한 선 량값을 비교하였다. 비교 결과 시뮬레이션 값과 방사선량계 로 측정한 값은 4% 미만의 정확성을 보였다¹⁴⁾.

Table 1은 서로 다른 모양(실린더 기둥형, 타원 기둥형, 육각 기둥형)의 PMMA 팬텀에 대한 CT 선량(CTDI_100center) 값을 비교한 결과이다. CTDI_100center 값은 타원 기둥형이 13.4 mGy로 가장 높고 육각 기둥형(12.1 mGy) 그리고 실린 더 기둥형(11.1 mGy) 순서이다. 이 결과는 같은 볼륨의 인 체지만 형태(모양)에 따라 흡수선량 차이가 날 수 있음을 알 수 있다.

Fig. 4는 다양한 재질(PMMA, water, polyethylene and polyoxymethylene)의 팬텀의 지름에 따른 CTDI_100center (mGy) 를 비교하였다. 팬텀의 지름이 커질수록 CTDI_100center 값은 비선형적으로 감소하였다.

Fig. 5와 Fig. 6은 다양한 재질의 팬텀(지름 : 32 cm)을 이용하여 다양한 관전압, 관전류에 따른 CTDI_100center 값을 보여주고 있다.

Fig. 5의 관전압에 따른 CTDI_100center 값은 비선형적으로 증가하였으며 polyethylene의 값이 가장 높았고 water, PMMA 그리고 polyoxymethylene 순이다. 또한 Fig. 6 의 120 kVp, 1 sec 스캔타임의 조건에서 관전류에 따른 CTDI_100center 값은 선형적으로 증가하였으며 재질에 따른 CTDI_100center 값 크기의 순위는 Fig. 5와 동일하다.

Fig. 5와 같이 실린더 기둥형태(지름 : 32 cm)에 재질이 다른 물질의 CTDI_100center (120 kV, 200 mA, 1 sec)를 비교 를 해 볼 때 PMMA (11.1 mGy)보다 Water (14.5 mGy)는 30.6% 높고, polyethylene (15.5 mGy)은 39.6% 높았으며 polyoxymethylene (5.5 mGy)보다 50.5% 낮았다.

Ⅳ.고 찰

일반적으로 인체 외형 중 두부(head)의 형태는 실린더 모 양에 가깝고 몸통(body)은 타원 모양에 가깝다. Table 1에 서는 동일한 볼륨의 서로 다른 모양에 대한 PMMA 팬텀의 흡수선량을 평가하였다. 그 결과 각 팬텀의 흡수선량 값은 차이가 발생하였다. 그 이유는 물체의 두께에 따른 X-ray 의 감약이 다르고 인체 형태에 따라 bow-tie filter 영향으 로 선량차이가 날 수 있기 때문이다. 일반적으로 bow-tie filter은 우물형태로 중심부에서 가장자리로 갈수록 물질의 두께가 두껍기 때문에 동일한 볼룸의 인체라도 위치에 따라 X-ray에 대한 영향의 정도가 다르다. 실제 인체는 타원 모 양에 가까운 형태를 가지고 있지만 국제기관 및 학회에서는 실린더 형태의 팬텀을 이용하여 선량을 평가하고 있다²⁰⁾. 따 라서 실제 인체 모양과 비슷한 실린더 형태의 팬텀을 이용 하면 좀 더 정확한 선량 값을 평가할 수 있을 것이다^15,16,21). Fig. 4에서는 water, PMMA 그리고 polyoxymethylene 팬 텀의 흡수선량을 비교했을 때 물질의 밀도가 높을수록 CTDI 값이 낮게 측정되었다. 하지만 polyethylene의 경우 지름이 15 cm 이상에서는 PMMA 보다 CTDI 값이 증가하였 고 30 cm 이상에서는 water 보다 더 많은 CTDI 값을 보였 다. 따라서 밀도가 물보다 낮은 polyethylene와 같은 물질 은 두께가 얇을수록 상대적인 CTDI_100center 값이 감소하지만 두께가 두꺼울수록 CTDI_100center값은 증가하는 경향을 보였 다. 따라서 인체는 주로 타원 모양에 가깝기 때문에 타원 기둥형이 실린더 기둥형 보다 좀 더 정확한 CT 선량 값 을 표현할 수 있다. 또한 일반적으로 CT 선량 평가에 사용 되는 PMMA뿐만 아니라 비슷한 밀도를 가진 재질(water, polyethylene, polyoxymethylene)의 선량적 특성을 이용 하여 다양한 인체 선량평가에 적용 가능할 것이다.

Ⅴ.결 론

우리는 CT 선량을 평가하기 위해 국제적인 표준 팬텀을 사용하고 있지만 재질 및 크기에 제한된 팬텀을 이용해 왔 다. 본 실험을 통해 팬텀의 재질 및 모양에 따라 CTDI_100center 값을 GATE 시뮬레이션을 이용하여 평가하였다. CT 선량 평가 시 다양한 재질 및 인체에 가까운 모양의 팬텀을 이용 하므로 좀 더 정확한 환자선량을 평가할 수 있을 것이다.