Measurements and comparisons of PDDs using ion chamber and fiber-optic dosimeter irradiated by high energy photon beam

고 에너지 X-선 조사에 의한 광섬유 방사선량계와 이온 전리함의 심부선량 백분율 측정 및 비교

조동현

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Measurements and comparisons of PDDs using ion chamber and fiber-optic dosimeter irradiated by high energy photon beam

Dong Hyun Cho

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Abstract

In this study, we have fabricated a fiber-optic dosimeter using an organic scintillator and a plastic optical fiber for measuring percentage depth dose with high energy X-ray beam. The scintillating light generated in organic sensor probe embedded in a solid water are guided by 20 m plastic optical fiber to the light-measuring device such as a photodiode- amplifier system. Using a fiber-optic dosimeter and an ion chamber, percentage depth dose curves are measured with 6 and 15 MV energies of X-ray beam whose field sizes are 2 cm × 2 cm and 10 cm × 10 cm.

Key Words : fiber-optic dosimeter, organic scintillator, percentage depth dose, plastic optical fiber

1. 서 론

방사선을 이용한 진단 및 치료에서는 정상 조직에 대한 방사선 피폭을 최소화하는 것이 가장 중요하기 때문에 방사선 계측에 대한 정확성 및 신속성이 요구 되고 있다 . 특히 , 방사선 치료는 인체를 대상으로 시행 되기 때문에 보다 정확한 양의 방사선이 조사되어야 한다 . 이와 같은 이유로 외부방사선치료의 경우 , 선형 가속기 (linear accelerator, LINAC) 를 이용한 암세포 제 거 치료과정을 환자에게 직접 시행하기에 앞서 고 에 너지의 방사선이 환부에 어느 정도 조사되는지에 대한 방사선 흡수선량을 미리 측정한 후 , 환자에게 방사선

치료를 시행하게 된다 . 심부선량 백분율 (percentage depth dose, PDD) 은 방사선을 환자에게 조사할 때 , 환 부에서 깊이에 따른 방사선 흡수선량이다 . 치료용 방사 선 계측 센서는 방사선 치료에 있어 인체와 유사한 성 질을 갖는 물질 (tissue equivalence or water equiva- lence) 일수록 정확도가 높아진다 . 하지만 현재 이용되 고 있는 이온 전리함 (ion chamber) ^은 0 ^{차원 측정} , ^낮은

공간 분해능 그리고 복잡한 보정과정 등 많은 문제점

을 가지고 있다 ^[1,2] . 또한 , 일반적으로 외과수술을 시행

하기에 어려운 두개부 (skull) ^{내의 손상을 치료하는 정}

위적 방사선 치료 및 수술은 매우 작은 방사선 필드

(1~3 cm ² ) 를 필요로 하지만 , 전리함은 부피 평균화의 손실과 측면의 전기적 평형의 손실 때문에 사용하기에 부적절하다 . 이에 따라 인체에 조사되는 방사선을 복잡 한 보정작업 없이 실시간으로 측정하기 위한 새로운 센서의 개발이 절실히 요구되고 있으며 , ^{최근에는 유기}

섬광체 (organic scintillator) 를 사용한 소형 광섬유 방사

선 센서들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 ^[3-5] .

광섬유 방사선량계 (fiber-optic dosimeter, FOD) 는 섬 광체 (scintillator), 광섬유 (optical fiber) 그리고 광계측 장비로 구성된다 ^[6] . ^특히 , ^{본 연구에 사용된 광섬유 방}

*

,

(School of Biomedical Engineering, College of Biomedical & Health Science, Konkuk University)

**

(Department of Radiological Science, Catholic University of Daegu)

***

(Department of Energy & Environment System Engineering, Dongguk University)

****

(Department of Energy &

Environment Engineering, Soonchunhyang University)

†

Corresponding author : [email protected]

(Received : January 30, 2009, Revised : March 26, 2009

Accepted : March 24, 2009)

사선량계의 계측부는 부피가 매우 작고 , 물과 등가인 성질을 갖는 유기 섬광체로 구성되어 있으므로 높은 공간분해능을 가지며 , 복잡한 보정작업을 필요로 하지 않는다 . 그리고 선량율 (dose rate) 에 비례하여 발생되는 섬광 및 에너지에 대한 독립성은 치료용 방사선 선량 계측에 있어서 큰 장점이라고 할 수 있다 ^[7] . 또한 광 전달 매체인 광섬유를 사용함으로써 전자기파의 영향 을 받지 않으며 실시간으로 선량 계측이 가능하다 ^[8-10] .

본 연구에서는 이온 전리함과 광섬유 방사선량계를 이용하여 조사야 (field size) ^가 2 cm×2 cm, 10 cm×

10 cm 인 선형가속기의 6 및 15 MV 의 고 에너지 X- 선 을 조사하였을 때 , 솔리드 워터 (solid water) 의 깊이에 따른 심부선량 백분율을 측정 , ^{비교하였다} .

2. 배경 이론

고 에너지 X- 선을 환자에게 조사할 때 , 조사선의 에 너지와 조사야 , 환부의 깊이 , 방사선원으로부터의 거리 그리고 빔 조준 장비 등에 의해서 심부선량 분포는 변 하게 된다 . 고 에너지 X- 선의 심부선량 백분율은

Fig. 1 에서 보는 것과 같이 선속 중심축 상 기준 깊이

(d 0 ) 에서 흡수되는 선량 (D d0 ) 과 깊이 d 에서의 흡수선량

(D d ) 의 비로써 나타내어지며 그 관계식은 식 (1) 과 같 다 ^[11] .

(1)

여기에서 기준 깊이 d 0 는 최대흡수선량 깊이 (d max ) 와 같다 .

3. 실험 구성

본 연구에 사용된 광섬유 (CK-40, Mitsubishi Inc.) 는 외곽의 지름이 1 mm, 클래딩 (cladding) 의 두께는 0.02 mm ^이다 . ^코어 (core) ^{와 클래딩의 굴절률은 각각} 1.49,

1.402 이며 , 광섬유가 받아들이는 빛의 양을 나타내는

개구수 (numerical aperture, NA) 는 식 (2) 와 같다 . (2)

여기서 n 0 는 코어의 굴절률 , n 1 은 클래딩의 굴절률을 나타내며 , 식 (2) 를 이용하여 계산한 광섬유의 개구수 는 0.504 이다 . 본 실험에 사용한 광섬유는 플라스틱 재질로서 코어는 poly-methyl methacrylate(PMMA),

클래딩은 fluorine 계열의 폴리머로 제작된 것이며 선

형가속기로부터 계측지점까지의 거리를 고려해서

20 m ^{길이의 광섬유를 사용하였다} .

센서부 제작에 사용된 섬광체는 원통형의 유기 섬광 체 (BCF-20, Bicron) 로서 지름이 1 mm, 길이는 1 cm 이 다 . ^{섬광체 센서부에서 발생된 섬광빛은} 포토다이오드

(S1336-18BK, Hamamatsu) 와 증폭기를 사용하여 계측 하였고 , 방사선원으로는 선형가속기 (Clinac 2100C/D, Varian) ^{에서 발생되는} 6, 15 MV ^에너지의 X- ^{선을 사용}

하였다 .

Fig. 2 ^{는 고 에너지} X- ^{선의 심부선량 백분율을 측정}

하기 위한 실험장치 구성도를 보여주며 일반적으로 심

부선량 백분율은 솔리드 워터에 이온 전리함 (type

30006, PTW) ^{을 넣고 솔리드 워터의 두께를 증가시키}

면서 측정한다 . 선형가속기의 방사선원 - 표면간 거리

(source surface distance, SSD) 는 방사선원으로 부터 솔리드 워터 표면까지의 거리를 말하며 , ^본 실험에서는 선형가속기 교정조건인 방사선원 - 표면간 거리를 100

㎝로 고정하였다 . 조사야는 10 cm×10 cm, 정위적 방사 선 치료 및 수술을 위한 조사야 2 cm×2 cm ^로 하였으 며 , X- 선의 에너지는 6 과 15 MV 를 사용하였다 . 광섬 유 방사선량계를 사용한 실험 또한 이온 전리함과 같 은 방법으로 진행하였으며 , 발생된 섬광빛을 20 m 길 이의 광섬유를 통해 포토다이오드 - 증폭기 시스템에 전

PDD = _D ^D

d

0

--- 100 × = _D ^D

--- 100 max ×

NA = ( n 0 2 – n 1 2 )

Fig. 1. Measurement of percentage depth dose using high

energy X-ray beam.

달시킨 후 계측하였다 .

4. 실험 결과

Fig. 3 ^{은 선형가속기의 모니터선량단위} (monitor unit, MU) 와 광섬유 방사선량계에서 발생되는 섬광량과의 관계를 보여주고 있다 . 모니터선량단위는 선형가속기

에서 선량율이 동일할 때 선원이 노출 되는 시간 즉 ,

빔의 조사시간을 나타내며 , 실험에서는 선형가속기의 모니터선량단위를 60 부터 140 까지 20 씩 증가시키며

X- 선을 조사한 후 광섬유 방사선량계에서 발생되는 섬 광빛을 측정하였다 . 모니터선량단위가 높아짐에 따라 광섬유 방사선량계에서 발생되는 섬광량이 선형적으로 증가함을 알 수 있다 .

Fig. 4 는 광섬유 방사선량계의 선량률 의존성에 대

해서 보여주고 있으며 , 선형가속기 선량률을 300 cGy/

min ^{씩 증가시키면서 광섬유 방사선량계에서 발생되는}

섬광빛을 측정한 결과이다 . 선량률이 300 cGy/min 에서

600 cGy/min 로 2 배 증가함에 따라 광섬유 방사선량계 에서 발생되는 섬광량이 선형적으로 증가함을 알 수 있다 . 추세선 식과 정확도는 각가 y=0.001x, 99.9% 이 므로 실험에 사용된 광섬유 방사선량계의 선량률 의존 성은 매우 적은 것을 확인할 수 있다 . ^선량률 의존성이 낮으면 선형가속기의 방사선량과 광섬유 방사선량계의 섬광량이 비례관계가 성립하기 때문에 방사선 계측기 로 사용하기에 용이하다 .

Fig. 5 는 광섬유 방사선량계와 이온 전리함을 이용하

여 측정한 솔리드 워터 팬텀 깊이에 따른 심부선량 백

분율을 보여주고 있다 . 선형 가속기의 조사야를 2 cm

×2 cm 로 고정하고 6, 15 MV 의 X- 선 에너지를 조사하 Fig. 2. Experimental setup.

Fig. 3. Measurements of scintillating lights in fiber-optic dosimeter according to changing monitor unit of

CLINAC. ^{Fig. 4.} Dose rate dependece of fiber-optic dosimeter.

였을 때 , 이온 전리함과 광섬유 방사선량계에서 계측된

6, 15 MV 의 심부선량 백분율은 거의 유사하게 측정되

었다 . 조사된 에너지가 6 MV 일 경우 , 이온 전리함과 광섬유 방사선량계를 이용하여 측정된 심부선량 백분 율의 최고 측정 깊이는 1.5 cm 이고 , 에너지가 15 MV

일 때는 3 cm 로 일치한다 . 이는 일반적으로 , 물을 기준 으로 X- 선의 에너지가 6 MV 일 경우 1.5 cm, 15 MV 일

때는 3 cm 의 깊이에서 가장 많은 흡수율을 보이는 것

에 기인한다 ^[12,13] . 이온 전리함의 경우 , 2 cm 두께의 솔

리드 워터에 이온 전리함을 넣어 측정하기 때문에 깊

이 0 cm 에서의 심부선량 백분율은 측정할 수가 없다 .

그림 6 ^{은 선형 가속기의 조사야가} 10 cm×10 cm ^이

고 X- 선의 에너지가 6 과 15 MV 일 때 광섬유 방사선 량계와 이온 전리함을 이용하여 측정한 솔리드 워터 깊이에 따른 심부선량 백분율을 보여주고 있다 . ^조사한 6, 15 MV 에너지에 대해서 조사야가 2 cm×2 cm 일 때 와 마찬가지로 이온 전리함과 광섬유 방사선량계의 심

부선량 백분율은 유사함을 알 수 있다 . ^{팬텀의 두께} ,

조사선의 에너지 , 조사야의 크기에 따라 변하는 후방 산란 때문에 , 선형 가속기의 조사야가 2 cm×2 cm 에서

10 cm×10 cm ^{로 바뀌면 계측기로 측정되는 절대량이}

많아지고 , 고 에너지 보다 저 에너지를 조사하였을 때 ,

최대 흡수선량 깊이보다 깊은 깊이의 심부선량 백분율 은 증가한다 ^[14] .

5. 결 론

본 연구에서는 방사선을 이용한 치료에 앞서 고 에 너지의 방사선이 환부에 어느 정도 조사되는지 방사선 흡수선량을 측정하기위해 사용되는 이온 전리함의 단 점을 보완하기위해 광섬유 방사선량계를 제작하였다 .

의료용 선형가속기로부터 고 에너지 X- ^{선을 조사할 때} ,

솔리드 워터의 깊이에 따른 심부선량 백분율을 광섬유 방사선량계와 이온전리함을 이용하여 측정한 후 그 결 과를 비교하였다 .

선형가속기 교정조건인 방사선원 - 표면간 거리는 100 cm, 조사야는 10 cm×10 cm 와 2 cm×2 cm 의 고 에너지

X- 선 조사 시 광섬유 방사선량계는 이온 전리함 측정 결과와 일치하는 심부선량 백분율을 보였다 . 광섬유 방 사선량계는 고 분해능 , ^{유연성 및 전자기장의 간섭을}

받지 않는 등 많은 장점들을 가지고 있으므로 방사선 치료용 X- 선의 계측과 교정용으로 개발 가능하다 .

감사의 글

이 논문은 2008 ^{년도 정부} ( ^{과학기술부} ) ^{의 재원으로}

한국과학재단의 지원을 받아 수행된 연구임 (No.

Fig. 5. Measurements of PDDs using ion chamber and FOD when photon beam energies are 6 and 12 MV with 2 cm × 2 cm field size.

Fig. 6. Measurements of PDDs using ion chamber and

FOD when photon beam energies are 6 and 12 MV

with 10 cm × 10 cm field size.

M20809005555-08B0900-55510).

참고 문헌

[1] B. M. Rogina and B. Vojnovic, “Application of opti- cal fiber sensors for radiation dosimetry”, Radiation Measurements , vol. 26, no. 4, pp. 599-602, 1996.

[2] T. Aoyama, S. Koyama, M. Tsuzaka, and H. Mae- koshi, “Depth-dose measuring device using a mul- tichannel scintillating fiber array for electron beam therapy”, Nagoya University College of Medical Technology, Daikokminai, Higashi-ku, Nagoya 461, Japan , pp. 1235-1239, 1997.

[3] K. W. Jang, D. H. Cho, W. J. Yoo, S. H. shin, H.

S. Kim, S. H. Chung, B. Lee, H. Cho, and S. Kim,

“Development of two-dimensional fiber-optic radi- ation sensor for high energy photon beam therapy dosimetry”, J. Nuclear Science and Technology, 5, pp. 466-469, 2008.

[4] D. H. Cho, K. W. Jang, W. J. Yoo, S. C. Chung, G.

R Tack, G. M. Eom, B. Lee, H. Cho, and S. Kim,

“Performance evaluation of one-dimensional fiber- optic radiation sensor for measuring high energy electron beam using a cahrge-coupled device”, J.

Nuclear Science and Technology, 5, pp. 477-480, 2008.

[5] I. Kwan, W. J. Yoo, D. H. Cho, K. W. Jang, S. H.

shin, M. Carolan, M. Lerch, V. Perevertaylo, and A.

Rosenfeld, “Comparison of the New MOSkin Detector and Fiber Optic Dosimetry System for Radiotherapy”, J. Nuclear Science and Technology, 5, pp. 518-521, 2008.

[6] A. S. Beddar, T. J. Kinsella, A. Ikhlef, and C. H.

Sibata, “A miniature “scintillator-fiberoptic-PMT”

detector system for the dosimetry of small fields in

streotactic radiosurgery” IEEE Trans. Nucl. Sci. vol.

48, no. 3, pp. 924-928, 2001.

[7] L. Archambault, A. S. Beddar, L. Gingras, F. Lac- roix, R. Roy, and L. Beaulieu, “Water-equivalent dosimeter array for small-field external beam radio- therapy”, Med. Phys . 34, pp. 1583, 2007.

[8] A. S. Beddar, “plastic scintillation dosimetry and its application to radiotherapy”, Ra diation Measure- ments. 41, pp. S124 2007.

[9] Y. M. Hwang, D. H. Cho, B. Lee, H. S. Cho, and S. Kim, “Fabrication and characterization of plastic fiber-optic radiation sensor tips using inorganic scintillator material”, J. Korean Sensors Society , vol. 14, no. 4, pp. 244-249, 2005.

[10] D. H. Cho, K. W. Jang, W. J. Yoo, B. Lee, H. S.

Cho, and S. Kim, “Fabrication and performance evaluation of one-dimensional fiber-optic radiation sensor for X-ray profile irradiated by clinical linear accelerator”, J. Korean Sensors Society , vol. 16, no.

1, pp. 33-38, 2007.

[11] W. R. Hendee, G. S. Ibbott, and E. G. Hendee,

“Radiation therapy physics”, 3

ed. John Wiley &

Sons , Inc., pp. 130, 2005.

[12] A. S. Beddar, T. R. Mackie, and F. H. Attix, “Water- equivallent plastic scintillation detectors for high- energy beam dosimetry: I. Physical characteristics and theoretical consideration”, Phys. Med. Biol. 37, pp. 1883-1900, 1992.

[13] A. S. Beddar, T. R. Mackie, and F. H. Attix, “Water- equivallent plastic scintillation detectors for high- energy beam dosimetry: II. Properties and measure- ments”, Phys. Med. Biol. 37, pp. 1901-1913, 1992b.

[14] Faiz M. Khan, “The physics of radiation therapy”, 2

ed. Williams & Wilkins, Baltimore, pp. 183, 1994.

조 동 현

• 센서학회지, 제17권, 제2호, pp. 19, 2007 참조

장 경 원

• 2005년 2월 건국대학교 의학공학부 의용 전자전공 학사(공학사)

• 2007년 2월 건국대학교 일반대학원 의학 공학과 석사(공학석사)

• 2007년 3월~현재 건국대학교 일반대학 원 의학공학부 박사과정

• 주관심분야 : 의광학, 의료영상, 의료방사

선공학

유 욱 재

• 2006년 2월 건국대학교 의학공학부 의용 전자전공 학사(공학사)

• 2008년 2월 건국대학교 일반대학원 의학 공학과 석사(공학석사)

• 2008년 3월 ~ 현재 건국대학교 일반대학 원 의학공학과 박사과정

• 주관심분야 : 의광학, 의료영상, 의료방 사선공학

서 정 기

• 2008년 2월 건국대학교 의학공학부 의 용전자전공 학사(공학사)

• 2008년 3월 ~ 현재 건국대학교 일반대학 원 의학공학과 석사과정

• 주관심분야 : 의광학, 의료영상, 의료방 사선공학

허 지 연

• 2009년 2월 건국대학교 의학공학부 의용전자전공 학사(공학사)

• 2009년 3월 ~ 현재 건국대학교 일반대학원 의학공학과 석사과정

이 봉 수

• 센서학회지, 제16권, 제5호, pp. 331, 2007참조

조 영 호

• 1995년 2월 서울대학교 원자핵공학과 학사(공학사)

• 1997년 2월 서울대학교 원자핵공학과 석사(공학석사)

• 2006년 8월 서울대학교 원자핵공학과 박사(공학박사)

• 2008년 9월~현재 대구가톨릭대학교 방사선학과 교수

문 주 현

• 1990년 2월 서울대학교 원자핵공학과 학사(공학사)

• 1992년 2월 서울대학교 원자핵공학과 석사(공학석사)

• 1996년 2월 서울대학교 원자핵공학과 박사(공학박사)

• 2007년 11월 ~ 현재 동국대학교 에너지환경시스템학부 교수

박 병 기

• 센서학회지, 제17권, 제2호, pp. 19, 2008참조