Development and Evaluation of Silicon Passive Layer Dosimeter Based Lead-Monoxide for Measuring Skin Dose

피부선량 측정을 위한 Lead-Monoxide 기반의 Silicon Passive layer PbO 선량계 개발 및 평가

Abstract

Due to the high sensitivity to radiation, excessive exposure needs to be prevented by accurately measuring the dose irradiated to the skin during radiation therapy. Although clinical trials use dosimeters such as film, OSLD, TLD, glass dosimeter, etc. to measure skin dose, these dosimeters have difficulty in accurate dosimetry on skin curves. In this study, to solve these problems, we developed a skin dosimeter that can be attached according to human flexion and evaluated its response characteristics. For the manufacture of the dosimeter, lead oxide (PbO) with high atomic number (Z_Pb: 82, Z_O: 8) and density (9.53 g/cm³) and silicon binders that can bend according to human flexion were used. In the case of a dosimeter made of PbO material, the performance degradation has been prevented by using parylene and others due to the presence of degradation due to oxidation, but the previously used parylene is affected by bending, so a new form of passive layer was produced and applied to the skin dosimeter. The characteristic evaluation of the skin dosimeter was evaluated by analyzing SEM, reproducibility, and linearity. Through SEM analysis, bending was evaluated, reproducibility and linearity at 6 MeV energy were evaluated, and applicability was assessed with a skin dosimeter. As a result of observing the dosimeter surface through SEM analysis, the parylene passive layer PbO dosimeter with the positive layer raised to the parylene produced cracks on the surface when bent. On the other hand, no crack was observed in the silicon passive layer PbO dosimeter, which was raised to silicon passive layer. In the reproducibility measurement results, the RSD of the silicon passive layer PbO dosimeter was 1.47% which satisfied the evaluation criteria RSD 1.5% and the linearity evaluation results showed the R² value of 0.9990, which satisfied the evaluation criteria R² 9990. The silicon passive layer PbO dosimeter was evaluated to be applicable to skin dosimeters by demonstrating high signal stability, precision, and accuracy in reproducibility and linearity, without cracking due to bending.

피부는 방사선에 대한 민감도가 높기 때문에 방사선치료 시에 피부에 조사되는 선량을 정확하게 측정하여 과도한 피폭을 방지할 필요가 있다. 임상에서는 film, OSLD, TLD, glass 선량계등과 같은 선량계를 사용하여 피부선량을 측정하고 있지만, 이러한 선량계들은 피부곡면에서의 정확한 선량측정이 힘든 문제점이 있다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하고자 인체 굴곡에 따라서 부착이 가능한 피부선량계를 개발하고 그 반응 특성을 평가하였다. 선량계 제작에는 높은 원자번호(Z_Pb: 82, Z_O: 8)와 밀도(9.53 g/cm³)로 방사선검출 측점에서 우수한 특성을 가지고 있는 Lead oxide(PbO)와 인체 굴곡에 따라 휘어질 수 있는 silicon 바인더를 사용하여 재조하였다. 한편 PbO 물질로 제작된 선량계의 경우 산화로 인한 성능 저하가 존재하기 때문에 parylene 등을 사용하여 성능저하를 방지해오고 있었지만, 기존에 사용된 parylene은 bending에 대한 영향을 받기 때문에 silicon을 이용한 새로운 형태의 passive layer를 제작하여 피부선량계에 적용하였다. 피부선량계의 특성평가는 SEM, 재현성, 선형성을 분석하여 평가하였다. SEM 분석을 통하여 bending에 영향을 받는지 평가하였으며, 6 MeV 에너지에서의 재현성, 선형성을 평가하여 피부선량계로 적용이 가능한지 평가하였다. SEM 분석을 통하여 선량계 표면을 관찰한 결과, parylene으로 passive layer가 올라간 parylene passive layer PbO 선량계는 구부러 졌을때, 표면에 crack이 발생하였다. 그에 반해 silicon passive layer가 올라간 silicon passive layer PbO 선량계에서는 crack 이 관찰되지 않았다. 재현성 측정 결과에서 silicon passive layer PbO 선량계의 RSD는 1.47%로 평가기준 RSD 1.5%를 만족하였으며, 선형성 평가 결과에서는 R²값이 0.9998로 나타나 평가기준 R² 0.9990을 만족하였다. silicon passive layer PbO 선량계는 bending에 따른 crack이 발생하지 않으며, 재현성, 선형성에서 높은 신호안정성과 정밀성, 정확성을 보여주어 피부선량계로의 적용이 가능한 것으로 평가되었다.

Ⅰ. INTRODUCTION

방사선을 이용하는 방사선 치료는 종양 조직에 방사선을 조사하여 암을 치료하는 방법이다. 이러한 방사선치료는 치료과정에서 종양조직 뿐만 아니라 정상조직에도 방사선을 조사하기 때문에 과도한 피폭으로 인한 탈모, 오심 및 구토, 피부 변화 등의 부작용을 발생시킬 수 있다. 그래서 임상에서는 적절한 치료계획과 치료기법을 통해 정상조직에 대한 피폭을 최소화해야 할 필요가 있다.

그중에서 피부조직은 방사선에 대한 민감도가 높아서 약하게는 홍반부터 심하게는 살이 짓무르는 등의 부작용이 비교적 쉽게 일어나기 때문에 피부에 흡수되는 선량을 최대한 정확하게 측정하여야 한다^{[1, 2]}. 임상에서는 film, OSLD, TLD, glass 선량계(dosimeter) 등과 같은 선량계를 사용하여 피부 선량을 측정하고 있다^[3-6]. 하지만 이러한 선량계들은 필름을 통하여 간접적으로 측정하거나 추가적인 처리가 필요하기에 즉각적인 확인이 어렵고 선량계 자체의 유연성이 부족하기 때문에 인체 굴곡이 있는 곡면에서는 정확한 선량측정이 힘든 문제점이 존재한다^[7-9].

기존 방사선 선량계 연구 분야에서는 선량계의 개선을 위하여 다양한 검출 원리를 통한 물질 연구가 활발히 이루어져 왔다. 그 중 광도전체인 Lead oxide(PbO)는 높은 원자번호(Z_Pb: 82, Z_O: 8)와 밀도 (9.53 g/cm³)로 방사선 선량계 측면에서 우수한 물리적 특성을 갖기 때문에 직접방식의 선량계 분야에서 다양한 방식으로 사용되어 왔다^[10-12].

그 중, Particle In Binder (PIB) 증착방식을 이용한 polycrystalline 제조 방식은 single crystalline 제조 방식에 비해 낮은 단가와 쉬운 제조방식으로 인해 여러 연구에서 사용되고 있다^[13-15]. 하지만 PbO 물질은 시간 경과에 따른 산화반응으로 인한 성능 저하가 발생하게 되기 때문에 기존에 진행되었던 PbO 선량계 연구에서는 parylene을 이용한 passive layer 를 도포하여 성능저하를 방지하였다^[10]. 하지만 이러한 parylene passive layer를 이용한 선량계들은 구부림에 따른 물리적 손상이 발생하기 때문에 인체 굴곡에 따른 곡면에 적용하여야하는 피부 선량계로는 적용이 어려운 문제점을 가지게 된다.

본 연구에서는 이러한 문제점들을 해결하고자 PbO와 silicone binder를 사용하여 즉각적인 측정이 가능한 선량계를 제작하였다. 그리고 그 위에 silicon으로 이루어진 passive layer를 증착하여 PbO 의 산화가 방지되면서도 유연성을 가져 인체 굴곡에 따른 곡면에서도 피부선량을 측정할 수 있도록 개선하였다. 이후, 곡면에서의 내구성을 평가하고자 bending-test 후 SEM 분석을 통하여 선량계의 crack 발생 여부를 확인하였다. 또한, 제작된 선량계가 피부선량계로 적용이 가능한지 평가하기 위하여 6 MeV 에너지에서의 재현성 및 선형성을 측정하여 반응 특성을 분석하였다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

본 연구에서는 silicon passive layer를 증착한 silicon passive layer PbO 선량계의 제조 방법을 제시 및 제작하였다. 그리고 bending-test를 통해 silicon passive layer PbO 선량계가 인체 굴곡에 따른 곡면에서 부착이 가능한지 평가하였으며, 6 MeV 에너지에서의 재현성과 선형성을 분석하여 피부선량계로 사용 가능한지 평가하였다.

1. Fabrication of dosimeter

하부전극을 형성하기 위하여 Indium Tin Oxide (ITO)가 도포된 film을 사용하였다. 순도 99.99% PbO (Kojundo Chemical Laboratory Inc., Japan) 물질과 silicon 바인더를 혼합한 gel-paste를 준비하고 screen printing 기법을 이용하여 1 × 1 cm² 면적과 150 μm 두께로 방사선 흡수층을 제작하였다. 이후에는 40℃ 온도에서 12시간 동안 건조하여 방사선 흡수층을 굳히고, 물리적 진공 증착방법을 통하여 0.8 × 0.8 cm² 면적의 금으로 이루어진 상부 전극을 증착하였다. 마지막으로 제작된 선량계 위의 silicon 바인더를 다시 도포하고 40℃ 온도에서 12 시간 동안 재건조하여 silicon passive layer를 형성하였다.

2. Bending Test Set-up

구부림에 따른 선량계의 영향을 확인하기 위하여 일정한 속도로 시편을 구부릴 수 있는 bending-test tool을 제작하였다. 제작된 bending-test tool의 속도는 0.04m/sec로 설정하였고 bending radius는 13mm로 설정하였다. 그리고 parylene과의비교평가를 위하여 동일한 방식으로 제작한 선량계에 parylene을 증착하여 parylene passive layer PbO 선량계를 준비하였다. Bending test는 bending-test tool을 사용하여 각각 1000회 bending을 진행하고 bending 전·후에 SEM 영상을 비교분석하여 평가하였다. Fig. 1은 bending test에 사용된 bending-test tool이다.

Fig. 1. Bending Test Tool.

3. Dosimeter Parameter Evaluation

Fig. 2는 실험 구성의 개략도이다. 선원에 대한 반응 특성을 전기적신호로 획득하기 위하여 Electrometers (6517A, Keithley, USA)와 Oscilloscope (WaveSurfer 510, Teledyne LeCroy, USA)를 선량계에 연결하여 사용하였다. electrometers를 사용하여 μm 두께당 1 V의 전압을 인가하고 oscilloscope를 사용하여 파형 및 신호를 획득하였다. 획득한 신호는 ACQ software (Biopac, AcqKnowledge 4.2, Canada)를 사용하여 조사 시간 동안 누적된 전하량을 산출하여 측정하였다.

Fig. 2. Schematic of Experimental Set-up.

본 연구에서는 LINAC(Infinity; Elekta AB, Stockholm, Sweden) 장비를 사용하여 6 MeV 에너지에서의 재현성과 선형성을 분석하였다. 이때, 빌드 업 물질은 피부 등가의 slab phantom(PTW, RW3, Germany) 을 사용하였으며, slap phantom으로부터 선원까지의 거리를 100 cm로 설정하여 실험을 진행하였다. 재현성 측정은 100 MU의 선량을 선량계에 10회 반복 조사하여 신호를 측정하였다. 획득된 신호는 재현성 분석을 위하여 첫 번째 조사에서 얻은 신호를 기준으로 정규화하여 분석하였다. 재현성은 획득된 신호의 양을 기준으로 상대표준편차(Relative Standard Deviation; RSD)로 분석하였으며, RSD는 다음과 같은 식으로 계산하였다.

       (1)

X_i : 측정 신호값

X_ave : 평균 신호값

n : 측정 횟수

평가 기준은 타 논문에서도 제시하고 있는 95% 신뢰 수준에 해당하는 RSD 1.5%로 설정하여 평가하였다^[10-18].

선형성은 500 MU/min에서 3, 10, 50, 100, 200, 300, 400 MU 조건으로 선량을 점차 증가시켜 가며 조 하사고 신호를 획득하였다. 선형 회귀 평가의 결정계수(R²)를 사용하여 분석하였다. R²의 평가 기준은 타 논문에서도 평가기준으로 제시되어 있는 R² 0.9990 이상을 기준으로 평가하였다^[10-15].

Table 1은 실험에서 사용된 조건을 나타내고 있다.

Table 1. Experimental Conditions

Ⅲ. RESULT

1. SEM analysis

본 연구에서는 SEM 촬영을 사용하여 동일한 압력과 속도로 선량계를 bending하였을 때 생기는 선량계의 표면변화를 관찰하고 crack이 발생하는지를 확인하였다.

Fig. 3은 bending에 따라 관찰되는 parylene passive layer PbO 선량계의 표면 SEM 영상이다. Bending을 가하지 않았을 때에는 표면에 crack이 관찰되지 않지만, bending을 1, 000번 가하였을 때에는 crack이 관찰되었다.

Fig. 3. The Surface SEM Image of the Parylene Passive Layer PbO dosimeter according to the Number of Bending.

Fig. 4는 silicon passive layer PbO 선량계의 bending에 따른 표면 SEM 영상이다. silicon passive layer PbO 선량계 표면에서는 특유의 구조 무늬 만남을 뿐 crack이 관찰되지 않았다.

Fig. 4. The Surface SEM Image of the Silicon Passive Layer PbO dosimeter according to the Number of Bending.

2. Reproducibility

silicon passive layer 증착에 따른 신호 정밀성 및 안정성을 평가하기 위하여 6 MeV 에너지에서의 재현성을 분석하였다. Fig. 5는 반복조사에 따른 silicon passive layer PbO 선량계의 재현성 결과를 보여준다.

Fig. 5. Reproducibility Graph of Silicon Passive Layer PbO dosimeter.

재현성 측정결과, 6 MeV 에너지에서 silicon passive layer PbO 선량계의 RSD는 1.47%로 나타났다. 이는 PbO를 기반으로 제작한 silicon passive layer PbO 선량계의 RSD가 평가기준 1.5% 이하로 나타나 신뢰수준 95% 만족하여 신호 안정성이 우수한 것으로 나타났다^[10-18].

3. Linearity

조사선량 변화에 따른 출력신호의 정확성을 평가하기 위해 silicon passive layer PbO 선량계의 선형성을 분석하였다. Fig. 6은 조사선량 증가에 따른 silicon passive layer PbO 선량계의 선형성 결과를 보여준다.

Fig. 6. Linearity Graph of a Silicon Passive Layer PbO dosimeter.

선형성 결과, silicon passive layer PbO 선량계에는 0.9998의 R²값 결과를 보여준다. 이는 PbO를 기반으로 제작한 silicon passive layer PbO 선량계가 평사 기준 0.9990을 만족하는 결과로 선형성의 기준치를 만족하는 것을 나타낸다^[10-15].

Ⅳ. DISCUSSION

본 연구에서는 인체 굴곡 곡면에서 피부선량 측정이 어렵고, 시간 경과에 따른 성능 저하가 발생하는 기존 PbO 피부선량계의 개선하고자 하였다. 이에 silicon을 passive layer로 사용한 선량계를 개발하였고, 계발된 선량계를 분석하여 silicon passive layer에 따른 영향을 평가하고 피부선량계로 적용 가능한 선량계인지 평가하였다.

인체 굴곡 곡면에서 적용이 가능한지 평가하기 위하여 bending에 따른 선량계의 형태변화를 SEM 영상을 통하여 분석하였다. Parylene이 passive layer 로 올라간 parylene passive layer PbO 선량계의 경우 bending에 따라서 선량계 표면에 crack이 발생하는 것을 확인 할 수 있었다. 반면 silicon이 passive layer로 올라간 silicon passive layer PbO 선량계의 경우에는 bending 전후에 표면에 crack 관찰되지 않았다. 이는 PbO를 기반으로 제조한 silicon passive layer PbO 선량계가 인체 굴곡에 따른 곡면에서 물리적 손상 없이 부착 가능한 것을 나타내기 때문에 피부 선량계로 활용이 가능하다는 것을 나타낸다.

반응 특성 평가 결과, 재현성 평가에서는 silicon passive layer PbO 선량계의 RSD가 1.47%로 나타났다. 이는 RSD가 평가기준 1.5% 이내를 만족하는 결과로 본 연구에서 제작한 PbO를 기반으로 한 silicon passive layer PbO 선량계의 신호출력 안정성과 정밀성이 우수한 것을 나타낸다^[10-18]. 선형성 평가에서는 silicon passive layer PbO 선량계의 R²값이평가기준 0.9990을 만족하는 0.9998로 나타났다. 이러한 결과는 증가하는 선량에 비례한 출력신호를 활용하여 선량변화에 맞는 출력신호를 정확하게 측정할 수 있음을 나타낸다^[13]. 이러한 결과는 제조된 선량계가 피부선량계로 적용되기에 적합하다는 것을 의미한다.

Ⅴ. CONCLUSION

본 연구에서는 PbO 기반으로 사용하고 silicon 물질을 바인더와 passive layer로 각각 사용하여 굴곡이 있는 신체에도 적용이 가능하고 성능저하를 방지하면서도 즉각적인 측정이 가능한 피부 선량계를 제작하였다. 드리고 반응 특성을 평가하여 피부 선량계로 적용가능한지 평가하였다. 평가 결과 본 연구에서 제작한 PbO 기반의 silicon passive layer PbO 선량계는 선량 측정에서 정밀성과 정확성이 우수하며 물리적 손상이 적어 피부선량계로 적용이 적합한 선량계로 평가되었다. 추가적으로 bending 횟수에 따른 선량 반응 특성과 각도에 따른 반응 특성 분석 연구 등이 이루어진다면 정학한 선량 측정으로 인한 QA선량계로 응용이 가능할 것으로 보인다.