Ⅰ. 서 론
전통적인 방사선영상은 영상 수용체가 필름으로 되어 있 다. 필름의 유제층은 가시광선 또는 X선 등에 의한 감광작 용으로 잠상을 만든다. 이때 유효 노광량의 범위가 좁기 때 문에 과 노출된 X선에 대해서는 필름이 검게 노광되며, X선 노출이 부족하면 감광이 적게 되어 영상의 대조도가 상실된 다[1]. 따라서 진단적 가치가 있는 영상의 획득은 유효 노광 량 범위 안에서 X선의 에너지 준위와 양을 조절해야 한다. 그러나 영상 수용체가 디지털장비인 경우 검출기 소자의 에 너지 의존성에 대한 응답 범위가 넓기 때문에 관전압과 관 전류량을 25% 이내에서 변화시켜도 영상의 품질에 영향을 주지 않는다고 보고하고 있다[2]. 따라서 디지털 X선 시스 템은 필름-스크린 시스템보다 X선을 과노출해도 적절한 영 상의 대조도를 생성할 수 있다[3]. 이런 디지털 X선 시스템 의 넓은 관용도은 X선을 과도하게 조사하는 “노출 크리프 (exposure creep)” 현상을 유발시켰고, 이를 방지할 수 있 는 방안이 요구되고 있다[4].
이에 최근 국제전기기술위원회의 국제기준규격(International Electronical Committee; IEC) 60601 규격 3.1판이 반영된 의료기기의 방사선 안전에 관한 보조기준규격 IEC 60601-1-3 및 진단용 X선 장치 개별규격 IEC 60601-2-54에서는 진단용 방사선검사 시 계측되는 방사선량에 대해 면적선량계를 통한 직접측정 또는 계산을 통한 간접측정을 사용하여 표시하고 그 값의 근거와 정확성을 부속문서에 제시할 것을 요구하고 있다[5].
진단용 X선 장치에서 방사선량을 표시하는 방법 중 물리 적인 선량계를 이용하여 실측하는 것이 가장 정확한 방법이 지만 X선 장치 제조사의 생산단가 상승 등의 이유로 현실적 인 한계가 있다. 그러나 X선 장치의 출력을 이용한 X선량의 간접 측정방법은 피폭선량 실측 장비 및 시간에 제한 없이 임상에서 환자피폭선량 평가가 가능하다는 장점이 있다[6]. X선에서 선량에 영향을 미치는 인자로는 관전압과 관전류, 조사시간 및 거리가 있다. X선의 출력은 관전류과 조사시간 의 곱으로 나타내는 관전류량에 대해 비례하여 하고 관전압 에 대해서는 n승에 비례하는 경향을 나타낸다. 따라서 X선 출력량을 이용한 간접 계산식의 도출을 위해서는 X선의 출 력에 영향을 미치는 관전압, 관전류량의 두 가지 변수와 X 선 감약에 대한 인자를 고려하여야 한다[7]. X선 장치에서 감약에 영향을 미치는 인자로는 X선관의 고유여과와 부가 여과를 더한 총 여과와 검출까지 거리에 대한 감약으로 구 분할 수 있다[7]. 국내에서는 2013년 식품의약품안전처(식 약처)에서 일반촬영에서의 환자선량 측정 방법의 일환으로 간접 계산법이 제시된 적이 있으나 1996년 Mori가 개발한 계산법을 계량한 것으로 일부구간에서의 계산 값이 실측치 와 차이가 발생하고 있다[8].
따라서 본 연구에서는 이러한 오차를 최소화하기 위해 IEC 61267에서 선량 측정의 표준으로 제시된 RQR (radiation qualities reference) 선질로 표준화하였다[9]. 그리고 관전 압, 관전류, 거리, 필터 두께에 따라 측정된 방사선량을 토 대로 환자의 선량정보가 보다 정확히 표시될 수 있도록 기 존의 간접 선량 계산식을 개선한 계산방법을 개발하고자 하 였다.
Ⅱ. 대상 및 방법
1. 실험장비
1) X선 장치 선정
실험장비는 국내에서 주로 사용하고 있는 인버터방식의 X 선관 중 사용빈도가 높은 도시바 X선관(E7252X, Toshiba, Japan)과 베리안 X선관(RAD-14, Varian, USA)을 대상으 로 하였으며 장비의 사양은 Table 1과 같다. 선정된 장비는 IEC 60601-2-54 의 규격에서 정의하는 기본 안전과 필수 성능에 관한 개별 요구사항을 만족하였다.
2) 선량측정기 선정
간접 선량 계산식 수립에 필요한 선량 데이터는 IEC 61674 정의하는 이온 챔버 또는 반도체형의 측정기를 사용 할 수 있다[10]. 본 연구에서는 후방산란과 측정환경의 온도 및 기압을 자동으로 보정해주는 반도체형 측정기(X2 R/F, RaySafe, Sweden)를 사용하였다.
3) 기타
그밖에 정밀한 거리 측정을 위한 디지털 거리계와 수평계 그리고 반가층 설정과 부가여과를 위해 두께가 0.1 ㎜, 0.2 ㎜, 0.5 ㎜, 1.5 ㎜, 2.0 ㎜으로 구성된 알루미늄 판(Aluminum, alloy 1100)과 이것을 콜리메이터에 장착할 수 있도록 Fig. 1과 같이 자체 제작한 필터 지지대를 사용하였다.
2. RQR 표준 선질
표준 방사선 조사를 위해 본 실험 전 X선 장치의 관전압의 정확성과 재현성 그리고 관전류량의 정확성을 2010년 식약처 에서 발간한 가이드라인 기준으로 시행하였고 그 결과 모두 허용범위 안에 있음을 확인하였다[11]. 본 연구에서는 2014년 국제 원자력 기구(International Atomic Energy Agency, IAEA)의 Technical Report Series No. 457 (TRS457)의 규 정에서 X선 장치의 선량 측정으로 권고하고 있는 RQR 표준 선질을 구현하기 위해 Table 2와 같이 각 에너지에 맞는 반가 층을 설치하여 표준 선질을 확보하였다. 이때 RQR은 흡수체 가 없는 상태에서 선량을 측정하는 표준 선질이다[12].
3. X선관 출력
X선관의 출력을 측정하기 위해 선량 측정기의 중심을 X선 선속의 중심과 일치시키고 조사야는 측정기가 모두 포함되도록 조정하여 산란선이 발생하지 않도록 하였다. Fig. 2과 같이 X선 초점과 검출기를 100 ㎝로 놓고 검출기 바닥에 3 ㎜ 납판을 두어 주변 산란선에 영향을 받지 않도록 설치하였다.
4. 간접 선량 계산법의 도출
본 연구에서는 간접 선량 계산법을 정밀하게 도출하기 위 해 RQR 표준 선질을 확보한 상태에서 부가여과를 0 ㎜Al부 터 0.5 ㎜Al씩 증가하여 5 ㎜Al의 부가여과를 추가하여 각 부가여과별로 X선을 조사하였다. 이때 X선의 관전압은 10 kVp 단위로 40 kVp, 50 kVp, 60 kVp, 70 kVp, 80 kVp, 90 kVp, 100 kVp, 120 kVp, 150 kVp에서 조사하였으며 관전류량은 각 관전압별로 10 mAs, 30 mAs, 60 mAs로 각각 3회 반복 측정하여 평균치를 산정하였다. 이때 IEC 60601-2-54의 규격에서 제시하는 관전압과 관전류량, 반 가층에 대한 허용오차를 초과하지 않도록 모니터링하면서 진행하였다. X선이 발생되는 과정에서 X선량은 아래 식(1) 과 같이 X선관의 전류와 조사시간의 곱에 의해 비례하며 관 전압에 n승에 비례하며 거리의 제곱에 반비례한다[7].
E: X선 에너지, K:상수, V:관전압, n: 관전압지수, I: 관 전류, T:시간, d: 거리
따라서 X선량의 영향을 반영하기 위해 관전류량 당 선량 (mR/mAs) 값을 구하고 그 관전류량 당 선량(mR/mAs) 값이 관전압과 어떤 관계를 가지는 확인할 수 있다. 즉, 가로축(Y)을 관전압의 변화량, 세로축(X)을 관전류량 당 선량(mR/mAs)으로 작성된 그래프에서 상관관계를 관찰 할 수 있다. 이때 관전압의 증가에 대한 관전류량 당 선량 (mR/mAs)에 대한 그래프를 그려 추세선 식(2)을 구할 수 있다.
여기서 a, b는 선형 추세선에 의한 상수이고 X는 관전압 으로 kVp 단위이며 Y는 관전류량 당 선량이다.
식(2)에 다시 관전류량(mAs)를 곱하게 되면 실험 장비에 대한 선량(D) 계산 식(3)이 된다[13].
본 연구에서는 거리는 거리역제곱법칙을 적용할 수 있기 때문에 임상에서 가장 많이 사용하는 100 cm를 기준으로 고정하였다. 그리고 식(2)를 바탕으로 부가필터별로 RQR 선질에 대한 각 관전압과 관전류량에 대한 공기커마 식을 도출하였다. 본 연구에서는 기존의 단일 수식보다 정확도가 높은 간접 선량 계산법을 도출하기 위해 에너지 변동 크기 의 오차를 최소화하기 위하여 고 관전압(80 kVp~150 kVp) 영역과 저 관전압(40 kVp~70 kVp)영역으로 나누어 구간 을 구분하고 각각의 상관관계식을 도출하였다.
5. 도출식의 임상 검증
도출식의 검증은 본 연구에서 실시한 측정방법과 표준 선 질을 적용하여 임상 의료기관 3곳의 도시바 X선관과 3곳의 베리안 X선관을 대상으로 각 기관에서 사용하는 흉부, 머 리, 복부에 해당하는 관전압(kVp)과 관전류량(mAs) 조건으 로 3회 반복 조사 후 평균 선량(mR) 값을 구하였다. 최종 검증은 2013년 식약처 용역연구에서 개발된 수식과 본 연구 에서 개발된 간접 선량 계산법에 구한 평균값을 삽입하여 계산된 선량 값과 실측치의 선량 값 사이의 오차값을 비교 하였다. 오차값을 비교하는 이유는 2013년도 측정 환경과 본 실험의 측정 환경이 다르기 때문에 실측값을 절대적 기 준으로 비교하는 것은 한계가 있기 때문이며, 도출된 오차 값은 독립 T-test 검정으로 비교하여 통계적 유의성을 평가 하였다.
Ⅲ. 결 과
1. 간접 선량 계산식의 상수
본 연구에서는 국내 제조사에서 가장 많이 사용하고 있는 두 제조사의 X선관을 대상으로 에너지를 저 관전압(40 kVp~ 70 kVp)영역과 고 관전압(80 kVp~150 kVp)의 구간으로 구분하여 상수를 구하였다. 상수의 도출은 가로축을 관전압 으로 하고 세로축을 관전류당 X선량으로 설정한 그래프에 서 각 관전압에 대한 추세선 방정식을 도출하여 기울기를 “상수 a”로 하고 상수항을 “상수 b”로 설정하였다. 도시바 X 선관에서 최종 측정한 실험값에 의하여 Table 3처럼 관전압 과 RQR 선질에 따른 상수를 구하였다.
베리안 X선관에서도 최종 측정한 실험값에 의하여 가로 축을 관전압으로 하고 세로축을 관전류당 X선량으로 설정 하고 각 관전압에 대한 추세선 방정식을 도출하여 “상수 a” 와 “상수 b”를 구하였고 그 결과 Table 4와 같이 도출되었다.
2. 필터 변수를 적용한 최종 간접 선량 계산식의 도출
도출된 상수를 적용하고 필터의 변수의 적용이 가능하도 록 외삽하여 도시바 X선관 장치의 저 관전압(40 kVp~70 kVp)영역에 대하여 도출한 수식(4)은 다음과 같다. 수식에 서는 거리역제곱의 법칙을 적용하여 거리에 대한 변수를 삽 입할 수 있도록 하였다. 이온챔버 타입의 측정기를 사용하 는 경우에는 온도, 기압의 보정 계수도 포함할 수 있도록 하 였다.
이때 f는 총 여과(mmAl)이고 FDD는 X선 초점과 검출기 간의 거리(cm)이며 ktp(5)는 온도와 기압의 보정 계수로 아 래 식(5)과 같으며 T와 P는 온도와 압력이며 ℃와 kPa로 표 기한다. T0와 P0는 기준 값으로 본 실험에서는 반도체 선량 계를 사용했기 때문에 ktp는 1로 설정하였다.
또한 도일한 방법론으로 도출한 도시바 X선관 장치의 고 관전압(80 kVp~150 kVp)영역에서의 수식(6)은 다음 과 같다.
베리안 X선관 장치의 저 관전압(40 kVp~70 kVp)영역 에서 도출한 수식(7)은 다음과 같다. 이때 다항식의 오차범 위를 최소화하기 위해 상수 a를 지수함수로 변환하여 재 교 정하였다.
또한 베리안 X선관 장치의 고 관전압(80 kVp~150 kVp) 영역에 대해 도출한 수식(8)은 다음과 같다.
3. 간접 선량 계산식의 검증
방사선량 간접 계산식의 검증은 2013년 선행된 연구에서 계산된 선량 값과 실측값의 오차와 본 연구에서 계산된 선 량 값과 실측값의 오차값을 비교하였다. 그 결과, 도시바 X 선관 장치의 경우는 본 연구의 평균 오차가 10.09%였고 2013년 연구의 평균 오차는 12.80%로 본 연구의 간접 선량 계산식의 평균 오차가 2.71% 향상되었으며 Fig. 3(a)와 같 이 p 값이 0.006로 유의한 차이로 높은 정확도를 보여주었 다. 또 베리안 X선관 장치에서도 본 연구의 평균 오차가 9.42%였고 2013년 연구의 평균 오차는 19.34%로 본 연구 의 간접 선량 계산식의 평균 오차가 9.92% 향상되었으며 Fig. 3(b)와 같이 p 값이 0.001로 유의한 차이로 매우 높은 정확도를 나타냈다.
Ⅳ. 고 찰
전자 의료기기에 관한 IEC 규격이 3.1판으로 개정되면서 2015년 12월 31일 식약처는 의료기기의 전기·기계적 안전에 관한 공통기준규정 일부가 개정 고시(제2015-115호)되어 X선 제조사들은 진단용 방사선촬영장치의 경우 IEC 60601-1-3 기준규격과 IEC 60601-2-54 기준규격에 추가된 ‘선량 계측 표시’ 항목에 대하여 부속문서를 통하여 선량측정의 표시 및 성능에 대한 정보를 제출하여야 한다[14]. 선량측정 방법에는 물리적인 측정방법과 간접 선량 계산법 등이 있다[15]. 이 중 물리적으로 면적선량계를 X선 장치에 장착하는 것이 실시간으 로 측정할 수 있는 가장 좋은 방법이지만, 생산단가의 상승 등으로 국내 시장의 현실에는 한계가 있다. 따라서 개정 고시를 준수하기 위한 현실적인 대안으로 제시할 수 있는 정밀한 간접 선량 계산법의 개발과 활용이 요구된다.
방사선을 간접적으로 측정하는 방식은 공기 중에서 측정 된 장치의 출력을 이용한 입사표면선량(entrance surface dose, ESD) 계산법과 촬영 조건을 바탕으로 1984년 Edmonds 에 의한 계산법과 같은 해 일본인 Mori에 의해 개발된 Non Dosimeter Dosimetry (NDD) 방법 그리고 1999년에 NCRP (National Council on Radiation Protection)의 자료를 근 거한 Tung과 Tasi에 의한 계산법 등이 있다[16-18]. 이 중 2013년 국내에서는 NDD 방법을 변형한 Non Dosimeter Dosimetry-Modify (NDD-M) 방법을 이용하여 환자 선량 을 계산한 사례가 있다[8, 19]. 그러나 이 방법은 기존의 계 (a) 산을 그대로 적용하였기 때문에 실측정한 ESD값과 큰 오차 가 있는 단점이 있다[20]. 또 다른 연구에서도 기존의 간접 선량 계산법을 이용하여 환자피폭 관리를 시도한 연구가 있 었지만 X선 장치의 노후, 장비 출력의 불안전성 등으로 실 측치와 오차가 발생하기 때문에 정도관리가 선행되어야 한 다고 지적하였다[21]. 따라서 본 연구에서는 진단용 방사선 발생장치의 검사기준 및 검사방법 가이드라인 기준으로 정 도관리를 시행하였고 IAEA의 TRS457 문서에서 제시한 표 준 선질을 적용하여 간접 선량 계산법에 기본이 되는 측정 값들의 기준을 세웠다. 이는 기존에 제시된 간접 선량 계산 법보다 진보되고 차별화된 점이다. 최근 디지털방사선영상 에서 총 여과값을 조절하여 관전압의 평균 에너지를 증가시 켜 환자 피폭선량은 감소시키는 기술이 시도되고 있다[22]. 그러나 또 다른 간접 선량 계산법의 선행연구에서는 출력 선량에 가장 큰 영향을 줄 수 있는 총 여과값을 세분하지 하 지 못한 한계점을 가지고 있었다[23]. 따라서 본 연구에서 는 부가필터를 0.5 ㎜Al씩 증가하여 5.0 ㎜Al까지 각각 여 과하여 획득한 선량 값을 이용하여 상수를 구체화시켰다. 또한 정밀도를 높이기 위해서 에너지영역을 고 에너지 영역 과 저 에너지 영역으로 나누어 기존의 단일식의 개념에서 벗어나 두 개의 수식으로 개발하였으며 그로 인해서 2013년 시도된 NDD-M 방법을 기반으로 설계된 간접 선량 계산법 과는 통계적으로 유의하게 정밀도가 상승하였다. 특히, 고 유한 X선관의 특성을 고려하여 국내 X선 제조사에서 가장 많이 사용하는 도시바 X선관과 베리안 X선관을 구분하여 수식을 적용하고 비교한 결과는 베리안 X선관의 정밀도가 더 높게 나왔다. 그 이유는 2013년도에 도출된 선량 값은 도 시바 X선관을 이용했기 때문에 베리안 X선관의 특성이 포 함되지 않았기 때문이라고 판단된다.
이와 같이 개발된 간접 선량 계산법은 향후 선량측정의 표시 및 성능에 대한 정보를 제공할 수 있는 실증적인 실험 결과로서 개정된 IEC 규격에 대응할 수 있으리라 기대한다. 그러나 앞으로 생산될 X선 장비에 적용될 IEC 규격이 3.1판 의 내용에 대응하고자 했기 때문에 가장 많이 생산하고 있 는 인버터 방식만을 수식으로 개발한 것이 본 연구의 제한 점이다.
Ⅴ. 결 론
본 연구에서는 전자 의료기기에 관한 IEC 규격이 3.1판으 로 개정되면서 진단용 방사선발생장치에 추가된 선량 계측 표시를 위한 간접 선량 계산법을 개발하였다. 기존 간접 선 량 계산법의 차별성과 진보성은 다음과 같다.
첫째, IAEA의 TRS457 문서에서 제시한 표준 선질을 적 용하여 측정값들의 기준을 세웠다.
둘째, X선 발생 시의 총 여과값을 세분하여 방사선간접계 산법의 상수를 구체화시켰다.
셋째, 정확도를 높이기 위해서 에너지영역을 고 에너지 영역과 저 에너지 영역으로 나누어 두 개의 수식으로 개발 하였다.
넷째, 본 연구에서 개발된 방사선 간접측정법의 정확도는 2013년 선행연구와 비교하여 유의한 차이로 도시바 X선관 장치는 2.71%, 베리안 X선관 장치는 9.92% 향상되었다.
이와 같은 방사선 간접측정법은 IEC 60601-1-3 규격의 권고사항에 따른 직접측정법의 대안으로 사용될 수 있으리 라 기대한다.