Dose Distribution Study for Quantitative Evaluation when using Radioisotope (^99mTc, ¹⁸F) Sources

방사성 동위원소 (^99mTc, ¹⁸F) 선원 사용 시 인체 내부피폭의 정량적 평가를 위한 선량분포 연구

Abstract

The dose distribution in the human body was evaluated and analyzed through dosimetry data using water phantom, ionization chamber and simulated by Monte Carlo simulation for ^99mTc and ¹⁸F sources, which are frequently used in the nuclear medicine in this study. As a result of this study, it was found that the dose decreased exponentially as the distance from the radioisotope increased, and it particularly showed a tendency to decrease sharply when the radioisotope was separated by 5 cm. It means that a large amount of dose is delivered to an organ located within 4 cm of source's movement path when a source uptake in the human body. Numerically, it was formed in the rage of 0.16 to 2.16 pC/min for ^99mTc and 0.49 to 9.29 pC/min for ¹⁸F. In addition, the energy transfer coefficient calculated using the result was found to be similar to the measured value and the simulation value in the range of 0.240 to 0.260. Especially, when the measured data and the simulation value were compared, there was a difference is within 2%, so the reliability of the data was secured. In this study, the distribution of radiation generated from a source was calculated to quantitatively evaluate the internal dose by radioisotopes. It presented reliable results through comparative analysis of the measurement value and simulation value. Above all, it has a great significance to the point that it was presented by directly measuring the distribution of radiation in the human body.

본 연구에서는 핵의학 분야에서 사용 빈도가 높은 방사성 동위원소 ^99mTc, ¹⁸F을 대상으로 물 팬텀과 전리함을 이용한 실측 데이터와 몬테카를로 법 기반의 모의실험 계산을 통해 인체 내 선량 분포를 평가하여 분석하였다. 실험 결과, 방사성 동위원소를 중심으로 거리가 멀어질수록 선량이 지수함수적으로 감소하는 것으로 나타났으며, 특히, 5 cm 이격 시 급격히 감소하는 경향을 보였다. 이를 수치상으로 보면, ^99mTc의 경우 0.16 ~ 2.16 pC/min, ¹⁸F의 경우 0.49 ~ 9.29 pC/min 범위에서 형성되었다. 또한, 결과값을 이용하여 계산한 에너지 전달계수는 0.240 ~ 0.260 범위에서 실측값과 시뮬레이션 결과값이 유사하게 나타났다. 이와 같은 결과는 실험 결과값에 대한 신뢰도를 확보한 것으로 판단이 되며, 특히, 인체 내 선원 집적 시 선원 이동 경로를 중심으로 4 cm 이내에 위치한 장기에 선량이 많이 전달될 수 있다는 것을 의미한다. 본 연구는 방사성 동위원소에 의한 내부피폭 선량을 정량적으로 평가하기 위해 선원에서 발생하는 방사선 분포를 계산 하였으며, 실측과 모의실험 결과를 비교 분석을 통해 신뢰도가 높은 결과값을 제시할 수 있었다. 무엇보다도 계측기를 통해 체내 방사선 분포를 직접 측정하여 제시한 부분에서 큰 의미를 가지고 있다.

Ⅰ. INTRODUCTION

핵의학 검사는 방사성 동위원소를 이용하여 신체의 해부학적 구조 확인 및 생리학적 대사를 진단하는 분야이다^[1]. 대한핵의학회의 통계에 따르면 최초 1959년에 핵의학 검사를 시작으로 2019년에는 약 130만 건의 검사를 진행하여, 관련 분야의 기술 발전과 이용도가 지속해서 증가하고 있는 추세이다^[2]. 하지만, 핵의학 검사 중 영상검사는 방사성 동위원소를 이용하기 때문에 인체의 내부피폭에 해당하며, 배출될 때까지 피폭이 지속되기 때문에 그 위험성이 높다^[3]. 또한 인체 내 생리학적 대사와 동위원소의 반감기 등을 동시에 고려해야하기 때문에 정량적인 평가가 어렵다^[4]. 방사선 체내 피폭 선량의 정량적 평가 방법은 생체의 변, 타액, 혈액등의 분비물 시료를 채취해 함유된 방사능을 계측하여 섭취량을 계산하는 간접 생물 정량법(indirect method; in vitro bioassay), 작업 환경 내 공기 중 방사능 농도를 측정해서 흡입량을 평가하는 공기샘플링 방법, 전신계측기(whole body counter)를 이용하여 방사성 핵종의 방사능을 외부에서 직접 계측하는 방법 등이 있다^[5]. 핵의학과 내 선량과 관련하여 종사자의 직무별 개인 피폭선량이나 수정체 선량 등을 평가한 선행연구는 일부 진행되었으나, 환자가 직접 받는 내부피폭에 관한 선량 평가에 관한 연구는 미비한 실정이다^[6,7]. 이에 본 연구에서는 핵의학에서 사용하는 방사성 동위원소를 대상으로 체내에서 방사선 선량 분포를 평가하였으며, 이를 바탕으로 내부피폭의 정량적 평가를 위한 선량분포의 기초적인 데이터를 확보하였다. 이러한 연구 결과를 통하여 핵의학 검사 시 환자 내부피폭 선량 평가 방안을 마련하고 선량평가를 통해 의료피폭 방호 방안에 해당하는 진단참고수준 설정의 기초적인 자료로써 활용을 하고자 한다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHOD

본 연구는 핵의학 분야에서 사용 빈도가 높은 방사성 동위원소(^99mTc, ¹⁸F)를 대상으로 체내에서 선원을 중심으로 방사선 선량 분포를 평가하였다. 실험은 물 팬텀과 전리함을 이용한 실측 데이터와 몬테카를로 법 기반의 모의실험 프로그램을 이용하여 계산한 이론 데이터를 비교 분석하였다.

1. 물 팬텀과 전리함을 이용한 실측 데이터

Fig. 1과 같이 가로, 세로, 높이가 각각 30 cm 인물 팬텀을 대상으로 방사성 동위원소를 물 팬텀 중 심에 위치시킨 후 선원을 중심으로 거리에 따른 선량분포 분석을 위해 전하량을 측정하였다.

Fig. 1. Water phantom.

측정 장비는 Fig. 2-(a)의 전리함(PTW UNIDOS 30010 Farmer chamber, 교정 일자 2022년 1월 19일)과 전하량을 직독식으로 모니터링 할 수 있는 Fig. 2-(b)의 전리전류계(PTW UNIDOS webline GmbH, 교정 일자 2022년 1월 19일)를 이용하였다.

Fig. 2. Appearance of measuring equipment used in this study.

각 선원을 물속에 위치시키기 위하여 Fig. 3과 같이 조직등가물질로 제작된 2 ㎖ 크기의 밀봉 원통을 이용하였으며, 물 팬텀 중심에 위치할 수 있는 지지대를 제작하였다.

Fig. 3. Radiation source tube and support material.

이후 체내 선량분포를 분석하기 위해서 선원을 중심으로 3~13 cm(물 팬텀 내 선원 용기틀을 고려하여 3 cm 부터 측정)까지 1 cm 간격으로 측정을 하였으며, 10회 반복 측정하여 분당 전하량(pC/min)을 측정하였다. 전리함에 대한 상세 사양은 Table 1과 같다.

Table 1. Specification of ionization chamber

2. 몬테카를로 모의 모사

실측으로 획득한 결과값에 대하여 신뢰도를 확보하기 위해 몬테카를로 법 기반의 모의실험을 통해 결과값을 계산하여 결과를 도출하였다. 사용한 모의실험 프로그램은 MCNPX Ver.2.7.0 (Monte-Carlo N-Particle Extended)을 사용하였으며^[11], 계산한 결과값의 신뢰도를 확보하기 위해 상대오차를 3% 이내로 설정하였다.

모의실험 조건은 물 팬텀, 선원 설정을 실측 조건과 동일하게 설정을 하였으며, 모의실험에서 가장 중요한 선원 설정값의 세부사항은 Table 2에 나타내었다.

Table 2. Nuclide properties of ^99mTc and ¹⁸F

3. 실측 실험 결과에 대한 신뢰도 검증

실측 실험 결과에 대한 신뢰도를 분석하기 위하여 본 연구에서는 Eq. (1)의 상호작용 계수를 산정하여 실측과 시뮬레이션 값을 비교하였다.

M = M₀e^-ax       (1)

여기서 M₀는 0 cm에서 측정된 값을 의미하며, 본 연구는 3 cm에서부터 측정을 하였기 때문에 실험 결과값을 바탕으로 역산하여 계산하였다. a는 선원에서 방출되는 감마선이 물에 전달하는 에너지 계수를 나타내는 것이며, x는 선원으로부터 거리(㎝)에 해당한다. 마지막으로 M는 거리에 따라 측정된 값에 해당한다.

Ⅲ. RESULT

1. ^99mTc 30 mCi의 실측 데이터 및 몬테카를로 모의 모사 결과

Fig. 4는 ^99mTc선원에 대해 전리함을 사용하여 실제 측정한 데이터를 나타낸 것이다. 이를 분석해보면, 선원으로부터 거리가 멀어질수록 전하량은 지수함수적으로 감소하는 경향을 보였으며, 수치상으로는 0.16 ~ 1.69 pC/min의 범위로 측정되었다. 이에 대한 값을 바탕으로 계산한 에너지 전달계수는 0.247로 산정되었다.

Fig. 4. Results of evaluating the dose distribution according to distance using a water phantom and ion chamber for ^99mTc 30 mCi.

Fig. 5는 ^99mTc 선원에 대하여 몬테카를로 모의모사를 통해 얻은 결과값을 나타낸 것이다. 이를 분석해보면, 실측데이터와 같이 지수함수적으로 감소하는 경향을 보였으며, 수치상으로는 0.20 ~ 2.16 pC/min으로 계산되었다. 이에 대한 값을 바탕으로 계산한 에너지 전달계수는 0.244로 산정되었다.

Fig. 5. Results of evaluating the dose distribution according to distance using Monte-carlo simulation for ^99mTc 30 mCi.

2. ¹⁸F 10 mCi의 실측 데이터 및 몬테카를로 모의 모사 결과

Fig. 6은 ¹⁸F선원에 대해 전리함을 사용하여 실제 측정한 데이터를 나타낸 것이다. 이를 분석해보면, 선원으로부터 거리가 멀어질수록 전하량은 지수함수적으로 감소하는 경향을 보였으며, 수치상으로는 0.49 ~ 5.89 pC/min의 범위로 측정되었다. 이에 대한 값을 바탕으로 계산한 에너지 전달계수는 0.254로 산정되었다.

Fig. 6. Results of evaluating the dose distribution according to distance using a water phantom and ion chamber for ¹⁸F 10 mCi.

Fig. 7은 ¹⁸F선원에 대하여 몬테카를로 모의모사를 통해 얻은 결과값을 나타낸 것이다. 이를 분석해보면, 실측데이터와 같이 지수함수적으로 감소하는 경향을 보였으며, 수치상으로는 0.71 ~ 9.29 pC/min으로 계산되었다. 이에 대한 값을 바탕으로 계산한 에너지 전달계수는 0.260으로 산정되었다.

Fig. 7. Results of evaluating the dose distribution according to distance using Monte-carlo simulation for ¹⁸F 10 mCi.

Ⅳ. DISCUSSION

본 연구는 방사성 동위원소(^99mTc, ¹⁸F)를 대상으로 인체 흡수 시 체내 방사선 선량 분포를 평가하고자 한 연구이며, 실측과 시뮬레이션 값을 통해 데이터를 확보하였다.

그 결과 첫째, 실측과 시뮬레이션 결과값 모두 선원을 중심으로 거리가 이격 될수록 전하량이 지수함수적으로 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 특히, 선원을 기준으로 거리가 5 cm 이격 시점부터 전하량이 급격히 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 인체 내 선원 섭취 시 선원 이동 경로를 중심으로 4 cm 이내에 위치한 장기들이 영향을 많이 받는 것으로 예측할 수 있다.

둘째, 본 연구에서 실측한 결과에 대한 신뢰도를 확보하기 위하여 시뮬레이션 결과와 비교 분석하였다. 먼저, 실측과 시뮬레이션 결과값을 통해 에너지 전달계수를 산정하였으며, 2% 이내에서 차이를 보이는 것으로 계산되었다. 이는 실측과 시뮬레이션 결과가 서로 유사한 경향을 보이는 것으로 해석 할 수 있다. 즉, 실측값을 신뢰할 수 있는 것으로 생각된다. 다만, 수치적으로 비교 시, ^99mTc 30 mCi는 시뮬레이션 결과값이 실측값에 비해 거리에 따라 9 ~ 35 % 높게 계산 되었다. ¹⁸F 10 mCi의 경우, 시뮬레이션 결과값이 실측값에 비해 거리에 따라 22 ~ 58 % 높게 확인되었다. 이는 실측의 경우 계측기 자체적으로 가지고 있는 오차 그리고 온도, 기압 등의 측정 환경에 대한 영향을 많이 받는 데 비해 시뮬레이션의 경우 환경적인 조건을 제어하고 계산을 진행하기 때문에 시뮬레이션으로 계산한 값이 크게 산정된 것으로 판단된다^[12].

마지막으로 방사성의약품의 배설 특성상 목표 장기 집적 후 최종적으로 비뇨기계를 통해 방광으로 집적되기 때문에 방광의 흡수선량을 비교 분석하였다^[13]. 먼저, 본 실험에서 결과를 흡수선량으로 변환하기 위해 한국계량측정협회(Korea Association of Standards & Testing Organization, KASTO)의 전리함의 표준교정절차^[14]에 따른 교정상수(5.428E-02 Gy/nC)를 이용하여 분당 흡수선량을 계산하였으며, 체내 피폭선량 산정을 위해 유효반감기가 10번 경과한 것으로 계산하였다. 최종적으로 ^99mTc, 51.89mGy, ¹⁸F, 51.82 mGy로 산정 되었다. 이를 국제방사선방호위원회(International Com- mission on Radiological Protection, ICRP)의 ICRP 80^[15], 106^[16] publication에서 제공하는 값과 비교하였다. ICRP에서는 ^99mTc 흡수선량을 15세 ~ 성인 기준으로 53.28 ~ 66.6 mGy, ¹⁸F-FDG 흡수선량은 15세 ~ 성인 기준으로 48.1 ~ 59.2 mGy로 나타냈다. 이 값을 본 실험과 비교하면, ⁹⁹mTc은 해당 범위에서 약 3% 정도의 차이를 보였으며, ¹⁸F은 해당 범위에 포함되는 것으로 계산되었다. 따라서 본 연구 결과에 대한 신뢰도는 확보한 것으로 판단된다. 다만, ^99mTc에서 약 3% 정도 차이를 보이는 것은 선량 측정 및 계산 방법 차이인 것으로 생각된다.

Ⅴ. CONCLUSION

본 연구는 핵의학과에서 사용하는 방사성 동위원소 (^99mTc, ¹⁸F)를 물 팬텀과 몬테카를로 모의 모사를 통해 체내 거리에 따른 방사선 선량 분포를 평가하기 위해 선원으로부터 거리에 따른 전하량을 측정하였다.

실험 결과, 선원으로부터 멀어질수록 전하량은 지수함수적으로 낮아지며, 5 cm 이상 이격될수록 전하량은 급격히 감소하는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 통하여 선원을 중심으로 4 cm 이내에 위치한 장기들은 방사성 동위원소로 인한 영향을 많이 받을 수 있다는 것을 확인하였다.

기존의 환자 체내 방사선 선량 분포를 대상으로 한 대부분의 연구가 고에너지를 사용한 방사선치료 환자를 대상으로 하거나, 표적 장기의 유효선량에 관한 것이라면^[17,18] 본 연구는 핵의학 진단 분야에서 사용 빈도가 높은 ^99mTc, ¹⁸F를 대상으로 전하량 측정을 통해 방사선 선량 분포를 평가했다는 점에 의미가 있다. 또한, 이를 바탕으로 진단 분야에서 저에너지 선원을 사용한 방사선 검사 시 선원에 따른 표적 장기 뿐 아니라 주변 장기들이 받을 수 있는 방사선 선량 분포를 정량적으로 평가할 수 있을 것으로 생각된다.

다만 전리함을 사용한 실측 시 물리적 제약에 의한 측정 한계점을 보완하고 선원에 대한 조건을 다양화 한다면, 내부피폭 평가에 필요한 기초자료를 세부적으로 확보할 수 있을 것으로 판단된다.